5분 내 코로나19 감지하는 신속 종이 기반 센서 개발

코로나19 팬데믹이 전 세계로 확산됨에 따라 테스트는 바이러스 추적과 억제를 위한 핵심 전략으로 남아 있습니다. 연구자들은 5분 이내에 바이러스 존재를 감지할 수 있는 종이 기반 전기화학 센서를 이용한 신속, 초고감도 테스트를 개발했습니다.

기존 코로나19 테스트의 한계

시장에는 두 가지 주요 범주의 코로나19 테스트가 있습니다. 첫 번째는 역전사 실시간 중합효소연쇄반응(RT-PCR)과 핵산 하이브리드화 전략을 사용하여 바이러스 RNA를 식별합니다. 단점으로는 테스트 완료 시간, 전문 인력 필요, 장비 및 시약 가용성 등이 있습니다. 두 번째 범주는 항체 검출에 초점을 맞추지만, 바이러스 노출 후 며칠에서 몇 주가 지나야 감지 가능한 항체가 생성될 수 있습니다.

그래핀 기반 전기화학 바이오센서 개발

최근 몇 년간 연구자들은 그래핀 같은 2D 나노물질을 이용한 현장 진단 바이오센서 개발에 성공해왔습니다. 이러한 바이오센서의 주요 장점은 높은 감도, 저렴한 생산 비용, 빠른 검출 시간입니다. 그래핀은 민감한 전기화학 센서 개발에 이상적인 독특한 기계적 및 전기화학적 특성을 보입니다. 연구팀은 전기적 판독 설정을 갖춘 그래핀 기반 전기화학 바이오센서를 만들어 SARS-CoV-2 유전 물질을 선택적으로 감지했습니다.

바이오센서의 두 구성 요소

바이오센서에는 전기적 판독을 측정하는 플랫폼과 바이러스 RNA를 감지하는 프로브, 두 구성 요소가 있습니다. 플랫폼을 만들기 위해 연구자들은 먼저 필터 종이에 그래핀 나노플레이트 층을 코팅해 전도성 필름을 만들었습니다. 그런 다음 미리 설계된 금 전극을 그래핀 위에 접촉 패드로 배치했습니다. 금과 그래핀 모두 높은 감도와 전도성을 가져 이 플랫폼은 전기 신호 변화에 초민감합니다.

현재 RNA 기반 코로나19 테스트는 SARS-CoV-2 바이러스의 N-유전자(뉴클레오캡시드 포스프로테인) 존재를 선별합니다. 이 연구에서 팀은 N-유전자의 두 영역을 표적으로 하는 안티센스 올리고뉴클레오티드(ASO) 프로브를 설계했습니다. 두 영역을 표적으로 하여 한 영역이 유전자 돌연변이를 겪더라도 센서의 신뢰성을 보장합니다. 금 나노입자(AuNP)에 이 단일 가닥 핵산(ssDNA)을 캡핑하여 SARS-CoV-2 RNA에 대한 초고감도 감지 프로브로 만들었습니다.

검출 원리 및 성능 검증

연구자들은 이전 연구에서 개발된 감지 프로브의 감도를 입증했습니다. 바이러스 RNA가 이 프로브들과 하이브리드화되면 센서 전기 응답에 변화가 생깁니다. AuNP 캡은 전자 전달을 가속화하고 감지 플랫폼 전반에 퍼지면 출력 신호가 증가하여 바이러스 존재를 나타냅니다.

팀은 코로나19 양성 및 음성 샘플을 사용해 센서 성능을 테스트했습니다. 센서는 양성 샘플에서 음성 샘플보다 전압이 유의미하게 증가했으며, 5분 이내에 바이러스 유전 물질 존재를 확인했습니다. 또한 이 샘플들에서 바이러스 RNA 부하를 구별할 수 있었습니다. 바이러스 부하는 감염 진행의 중요한 정량적 지표이며 기존 진단 방법으로는 측정이 어렵습니다.

광범위한 응용 가능성

이 플랫폼은 휴대성과 저비용 덕분에 광범위한 응용이 가능합니다. 마이크로컨트롤러 및 LED 화면이나 블루투스/WiFi를 통한 스마트폰과 통합하면 의료진 사무실이나 가정에서 현장 진단용으로 사용할 수 있습니다. 코로나19 외에도 이 시스템은 다양한 질병 감지에 적용 가능할 것으로 예상됩니다.