자체 조명 칩, 양자 터널링 활용해 1조분의 1그램 탐지

자체 발광 바이오센서 그림: 금 나노와이어 메타표면은 양자 광 방출을 유도하고 생성된 광파를 집중시켜 생체 분자를 감지합니다. 출처: 2025 Ella Maru Studio/BIOS EPFL CC BY SA 4.0

광학 바이오센서는 광파를 프로브로 사용하여 분자를 감지하며, 정밀 의료 진단, 개인 맞춤 의료, 그리고 환경 모니터링에 필수적입니다. 나노포토닉 구조를 이용하여 단백질이나 아미노산 등을 감지할 수 있을 만큼 작은 나노미터 단위의 광파를 집중시킬 수 있다면, 그 성능이 극적으로 향상될 것입니다. 이 구조는 작은 칩 표면에 빛을 '압착'합니다. 그러나 이러한 나노포토닉 바이오센서의 빛 생성 및 감지에는 크고 값비싼 장비가 필요하여 신속한 진단이나 현장 진료 환경에서의 사용이 크게 제한됩니다.

그렇다면 외부 광원 없이 광 기반 바이오센서를 어떻게 만들 수 있을까요? 정답은 양자 물리학입니다. EPFL 공과대학 바이오나노포토닉스 시스템 연구실의 연구진은 비탄성 전자 터널링이라는 양자 현상을 이용하여, 일정한 전압의 전자 흐름만으로 분자를 조사하고 동시에 감지할 수 있는 바이오센서를 개발했습니다.

"전자를 입자가 아닌 파동으로 생각하면, 그 파동은 극히 얇은 절연 장벽의 반대편으로 '터널링'하면서 광자를 방출할 확률이 매우 낮습니다. 우리는 이 절연 장벽의 일부를 형성하면서 빛 방출 확률을 높이는 나노구조를 개발했습니다."라고 바이오나노포토닉 시스템 랩 연구원 미하일 마샤린은 설명합니다.

1조분의 1그램 감지

간단히 말해, 연구팀이 설계한 나노 구조는 위쪽으로 이동하는 전자가 산화 알루미늄 장벽을 통과하여 초박막 금층에 도달할 수 있는 최적의 조건을 만들어냅니다. 이 과정에서 전자는 에너지의 일부를 플라스몬이라는 집단 여기 상태로 전달하고, 이 여기 상태에서 광자가 방출됩니다. 이 설계는 생체 분자와의 접촉에 따라 빛의 강도와 스펙트럼이 변화하도록 하여, 매우 민감하고 실시간이며 표지가 필요 없는 강력한 검출 방법을 제공합니다.

바이오나노포토닉 시스템 연구소 소장인 하티체 알투그는 "테스트 결과, 저희의 자체 발광 바이오센서는 피코그램 농도(1조분의 1그램)의 아미노산과 폴리머를 감지할 수 있는 것으로 나타났습니다. 이는 현재 사용 가능한 가장 진보된 센서와 견줄 만한 수준입니다."라고 말했습니다.

이 연구는 ETH 취리히, ICFO(스페인), 연세대학교(한국)의 연구자들과 협력하여 Nature Photonics 에 게재되었습니다.

이중 용도 메타서피스

이 팀의 혁신의 핵심은 두 가지 기능입니다. 나노구조의 금 층은 메타표면(metasurface)으로, 양자 터널링 조건을 생성하고 그에 따른 빛 방출을 제어하는 ​​특수한 특성을 보입니다. 이러한 제어는 메타표면이 금 나노와이어 망으로 배열되어 있기 때문에 가능한데, 이 망은 생체 분자를 효율적으로 감지하는 데 필요한 나노미터 크기의 빛을 집중시키는 '나노 안테나' 역할을 합니다.

"비탄성 전자 터널링은 매우 낮은 확률의 과정이지만, 매우 넓은 영역에 걸쳐 균일하게 발생하는 낮은 확률의 과정이라면 여전히 충분한 광자를 수집할 수 있습니다. 바로 이 부분에 최적화를 집중했고, 이는 바이오센싱 분야에서 매우 유망한 새로운 전략으로 밝혀졌습니다."라고 바이오나노포토닉 시스템 랩의 전 연구원이자 제1저자인 이지혜 씨는 말합니다. 현재 삼성전자 엔지니어인 이지혜 씨는 이렇게 말합니다.

EPFL 마이크로나노기술 센터에서 제작된 이 팀의 양자 플랫폼은 소형화와 감도 향상은 물론, 확장성이 뛰어나고 센서 제조 방식과 호환됩니다. 감지에 필요한 활성 면적은 1제곱밀리미터 미만으로, 기존의 탁상형 센서와는 달리 휴대용 바이오센서에 새로운 가능성을 제시합니다.

"저희 연구는 단일 칩에 빛 생성과 감지 기능을 결합한 완전 통합 센서를 제공합니다. 현장 진단부터 환경 오염 물질 감지까지 다양한 분야에 적용될 수 있는 이 기술은 고성능 감지 시스템의 새로운 지평을 열 것입니다."라고 바이오나노포토닉 시스템즈 랩 연구원 이반 시네프는 요약했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/06/250626081537.htm