전금속 테라헤르츠 메타물질 바이오센서, 단백질 검출에 초고감도 달성

요약

본 논문에서는 전금속 메타물질 기반 테라헤르츠(THz) 바이오센서를 이론적으로 연구하고 실험적으로 검증했습니다. 이 THz 메타물질 바이오센서는 레이저 드릴링 기술로 제조된 스테인리스강 소재를 사용합니다. 시뮬레이션 결과, 이 메타물질 센서의 최대 굴절률 감도와 성능 지수(FOM)는 각각 294.95 GHz/RIU와 4.03으로 나타났습니다. 이어서 소혈청알부민(BSA)을 검출 물질로 선정해 바이오센서의 유효성을 평가했습니다. 실험 결과 검출 감도는 72.81 GHz/(ng/mm²), 검출 한계(LOD)는 0.035 mg/mL였습니다. 이 THz 메타물질 바이오센서는 구조가 간단하고 비용 효율적이며 제작이 용이해 다양한 바이오센싱 응용 분야에서 큰 잠재력을 가집니다.

서론

현재 병원에서 환자의 혈청을 채취해 종양 검출, 바이러스 검출 등 다양한 검사를 수행합니다. 종양 검출의 예비 방법은 단백질 검출인데, 단백질은 많은 종양 표지자의 구성 성분이며 이러한 정보가 풍부한 생체분자가 혈청에 존재하기 때문입니다. 혈청 알부민은 혈장에서 가장 풍부한(52~62%) 수용성 단백질 분획입니다. 또한 혈청 알부민의 영양학적, 생리학적 기능은 필수 생체고분자로 만듭니다. 가장 대중적인 혈청 알부민 중 하나인 소혈청알부민(BSA)은 많은 연구 분야에서 사용되므로 BSA 검출 연구는 매우 중요합니다. BSA 농도 검출 및 결정 방법으로는 전기화학적 임피던스 분광법, 모세관 전기영동, 광산란 기법 등이 있으나, 복잡한 절차, 낮은 재현성, 시간 소요 등의 단점이 있습니다. 따라서 새로운 바이오센서 개발은 상당한 의의를 가지며 수요가 높습니다.

THz 파는 마이크로파와 적외선 광파 사이에 위치하며, 전자공학에서 광자공학으로의 전이 영역에 있습니다. 가시광선에 비해 이 대역의 광자 에너지는 매우 낮아 THz 파가 생체분자에 전리 방사선 손상을 일으키지 않습니다. 많은 생체고분자도 THz 대역에서 고유한 지문을 가집니다. 따라서 THz 파는 바이오센싱 분야에서 큰 주목을 받아왔습니다.

메타물질은 서브파장 구조로 구성된 인공 전자기 재료입니다. 고유한 전자기 공명은 음의 굴절률, 전자기 유도 투명도, 극한 환경 민감도 등 다양한 특성을 보입니다. 주변 환경에 민감한 메타물질, 특히 서브파장 금속 구조로 구성된 것들은 다양한 생체분자 검출에 널리 활용되어 왔습니다. THz 파와 메타물질의 결합은 생체의료 분자 검출에 새로운 방법을 제공하는데, 표지 없는 검출이 가능할 뿐만 아니라 기존 센서의 분해능 한계를 뛰어넘을 수 있습니다. 또한 소량의 분석물만으로 화학 시약 없이 간단하고 신속하게 검출할 수 있습니다.

THz 주파수에서 메타물질 제작은 주로 미크론급 가공 공정에 의존합니다. 포토리소그래피나 전자빔 리소그래피로 포토레지스트에서 기능성 소재 표면으로 미세 패턴을 전사한 후, 습식 또는 건식 식각으로 메타물질 제작을 완료합니다. 이러한 공정으로 미세 패턴 구현이 가능하지만, 고가의 장비, 고수준 작업 환경, 번거로운 절차가 필요합니다. 레이저 드릴링은 최초의 실용적 레이저 가공 기술로, 레이저 빔이 시공간적으로 고도로 집속되어 렌즈로 초점화하면 스팟 직경을 미크론 수준으로 줄일 수 있고, 10⁵~10¹⁵ W/cm²의 레이저 파워 밀도를 얻을 수 있습니다. 이러한 높은 파워 밀도로 거의 모든 소재에 레이저 드릴링이 가능합니다. 저희 지식으로는 레이저 드릴링 기술을 메타물질 바이오센서 제작에 적용한 것은 이번이 처음이며, 이는 메타물질 바이오센서의 가공 비용을 크게 절감하고 실용화를 촉진할 수 있습니다.

본 연구에서는 전금속 메타물질 기반의 고감도 단백질 검출용 THz 바이오센서를 제안하고, 이론적 시뮬레이션과 실험적 실증을 수행했습니다. 이 소자는 제조가 간단하고 비용 효율적이며 안정적입니다. 스테인리스강 소재로 구성되며 레이저 드릴링 기술로 제작되었습니다. 먼저 유한 적분법(CST 상용 소프트웨어)으로 메타물질 센서를 시뮬레이션 및 분석하고 굴절률 감도를 계산했습니다. 이어서 THz 메타물질 바이오센서를 제작하고 측정했습니다. 실험은 이 센서의 외부 환경에 대한 높은 민감도를 확인했습니다. BSA를 검출 물질로 선정해 바이오센서 유효성을 평가했습니다. 실험 데이터 피팅에 힐(Hill) 공식을 사용했습니다. 검출 감도 72.81 GHz/(ng/mm²)와 검출 한계(LOD) 0.035 mg/mL를 얻었습니다. 측정을 3회 반복해 바이오센서의 신뢰성을 검증했습니다.

설계

그림 1a는 제안된 전금속 메타물질 THz 바이오센서의 구조입니다. 두께 50μm의 스테인리스강 플레이트(전도도 1.4×10⁶ S/m)에 x, y 방향 주기적으로 배치된 중공 덤벨 패턴이 형성되어 있습니다. 단위 구조의 주기 크기 P_x와 P_y는 각각 500μm, 300μm입니다. 중공 덤벨의 길이 L과 간격 H는 각각 294μm, 60μm입니다. 중공 덤벨 양끝 원의 반지름 R은 60μm입니다. 바이오센서는 기존 유전체 기판 없이 전금속 구조로 설계되었으며, THz 파가 메타물질 바이오센서 표면에 수직 입사합니다.

방법 및 시뮬레이션

유한 적분법(상용 소프트웨어 CST)을 이용한 3차원 전파 전자기장 시뮬레이션을 수행했습니다. x, y 방향에 주기적 경계 조건을 적용하고, 파동 전파 방향인 z축에는 완벽하게 매칭된 층을 사용했습니다. 그림 1a 우측 상단에 표시된 바와 같이, 입사 전자기장의 파동 벡터 k_z는 z축 방향으로 전파하는 평면파이며, 전기장과 자기장은 각각 y축과 x축 방향으로 편광됩니다. 그림 1b와 같이 0.48 THz에서 투과 피크가 나타납니다.

이 공명 피크 생성의 물리적 메커니즘을 연구하기 위해 공명 주파수에서 바이오센서의 표면 전류와 자기장을 시뮬레이션했습니다. 그림 2 좌측과 같이 입사 전자기파가 y축 방향으로 편광되어 개구부 양단에서 전하 진동을 유도해 전기 쌍극자를 형성합니다. 전하 진동은 두 원형 구멍의 가장자리를 따라 역방향으로 회전하는 전류 진동을 동반하며, 이는 z축 방향으로 연결된 한 쌍의 반대 방향 자기 쌍극자, 즉 토로이달 쌍극자를 형성합니다. 따라서 메타물질의 응답은 전기 쌍극자와 토로이달 쌍극자의 결합에 의해 지배됩니다.

센서 성능은 구조 파라미터에 영향을 받으므로 설계 과정에서 구조 파라미터 최적화가 필요합니다. 그림 3은 구조 크기 변화가 투과 스펙트럼에 미치는 영향을 보여줍니다. 중공 덤벨 길이 L이 290에서 298μm로 증가하면 투과 스펙트럼의 피크 주파수가 0.48 THz에서 적색 편이합니다(그림 3a). 간격 H가 56에서 64μm로 증가하면 피크 주파수가 청색 편이합니다(그림 3b). 원의 반지름 R이 56~64μm, 스테인리스강 두께가 40~60μm로 변할 때는 공명 피크 위치가 약간만 변합니다. 따라서 중공 덤벨 길이 L과 간격 H를 조정해 메타물질 바이오센서의 공진 주파수를 조정하는 것이 더 용이합니다.

입사각과 편광각이 투과 스펙트럼에 미치는 영향 연구도 중요합니다. 전자기파를 수직 입사시킨 후 입사각과 편광각을 변화시켰습니다. 각도의 정의는 그림 4a에 표시되어 있습니다. 입사각은 y-z 평면에서 θ_i, 편광각은 x-y 평면에서 θ_p입니다. 그림 4b에서 입사각이 0°에서 15°로 변할 때 공명 피크 주파수 차이는 9 GHz에 불과했습니다. 그림 4c에서 편광각이 0°에서 15°로 증가할 때 공명 피크 주파수 차이는 거의 0 GHz였으나 피크 진폭이 약 0.1 감소했습니다. 이는 바이오센서가 입사각과 편광각 변화에 거의 민감하지 않음을 보여주며, 실제 바이오센서 응용에 유리합니다.

바이오센서의 센싱 성능을 탐구하기 위해 그림 5a와 같이 120μm 두께의 분석물 층을 메타물질 바이오센서에 추가하고, 분석물의 굴절률 변화에 따른 투과 스펙트럼을 시뮬레이션했습니다(그림 5b). 굴절률 감도 S는 투과 피크 위치 변화와 굴절률 단위의 비로 정의했습니다(S = Δf/Δn). 분석물의 굴절률이 증가함에 따라 공명 피크 주파수가 적색 편이했습니다. 각 굴절률에 해당하는 공명 피크 주파수 이동을 수집한 결과, 좋은 선형성이 관측되었습니다. 그림 5c의 피팅 결과에서 굴절률 감도는 294.95 GHz/RIU였습니다.

센싱 성능은 성능 지수(FOM)로도 정량화했는데, FOM = S/FWHM으로 정의했습니다. 여기서 S는 감도, FWHM은 공명 피크의 반값 전폭입니다. 이 바이오센서의 FOM은 4.03이었습니다.

대부분의 메타물질 구조는 유전체 소재를 기판으로 사용합니다. 그러나 본 논문에서 제안한 메타물질 바이오센서는 공기를 기판으로 사용하는 전금속 메타물질, 전 스테인리스강 설계 기반입니다. 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 석영, 실리콘 등 기존 유전체 소재에 비해 공기는 가장 낮은 굴절률을 가집니다. 기판의 역할을 평가하기 위해 다양한 기판을 사용해 메타물질 바이오센서를 다시 시뮬레이션하고 굴절률 감도와 FOM 값을 계산했습니다. 그림 6과 같이 기판의 굴절률이 증가함에 따라 센서의 굴절률 감도와 FOM이 감소하기 시작했습니다. 이 결과는 기판 굴절률이 낮을수록 센싱 성능이 우수함을 나타냅니다.

바이오센서의 센싱 원리를 더 깊이 조사하기 위해 전기장 분포도를 시뮬레이션했습니다(그림 7). 시뮬레이션된 전기장 분포의 평면도와 측면도는 전기장 에너지가 주로 스테인리스강 구멍의 일부에 집중됨을 보여줍니다. 따라서 분석물이 구멍 내부에 주입되도록 하는 것이 중요합니다.

표 1은 제안된 센서의 굴절률 감도와 FOM을 요약하고 다른 보고된 연구들과 비교했습니다[35,36,37]. 다른 THz 센서들은 모두 기존 포토리소그래피 공정 기반입니다. 우리가 설계한 스테인리스강 메타물질 바이오센서는 저렴한 레이저 드릴링 기술을 사용하면서도 우수한 센싱 성능을 보였습니다.

실험

재료 및 시편 준비

제안된 THz 메타물질 센서의 바이오센싱 능력을 입증하기 위해 단백질 검출 실험을 수행했습니다. BSA와 PBS 완충액은 모두 Sigma-Aldrich에서 구입했습니다. BSA 용액은 PBS 완충액(pH=7.4)에 제조했습니다.

그림 8은 제작된 메타물질 바이오센서의 현미경 이미지입니다. 바이오센서의 전체 크기는 12mm × 12mm였습니다.

제조된 BSA 용액 농도는 0.2, 0.5, 2.0, 4.0 mg/mL였습니다. 분석물은 액체 증착법으로 바이오센서 표면에 추가했습니다. 매회 150μL BSA 용액을 피펫으로 바이오센서 표면에 옮기고, 40°C 가열 테이블에서 건조시켰습니다. 40°C 가열 시 단백질 막이 더 빠르고 균일하게 형성됩니다. 매회 다른 농도의 BSA 용액으로 교체 전, 스테인리스강 시트를 탈수에 넣고 초음파 진동기로 진동시켜 이전 공정의 단백질 막을 제거하고 메타물질 바이오센서 표면을 깨끗이 했습니다. 그림 9는 단백질 추가 및 건조 과정의 사진과 현미경 사진입니다. 그림 9a에서 스테인리스강 시트가 깨끗한 상태이고, 9b에서 한 농도의 BSA 용액을 스테인리스강 시트 표면에 추가했으며, 물의 표면 장력 효과로 용액이 바이오센서 표면에 머물고 구멍을 통과하지 않았습니다. 가열 건조 후 그림 9c와 같이 얇은 BSA 막이 형성되었습니다.

스테인리스강 구멍 내부를 관찰하기 위해 스테인리스강 한 면을 잘라 구멍 한 면을 드러내고 현미경으로 관찰했습니다. 그림 9d~g에서 BSA 용액을 떨어뜨리고 건조시켰을 때 얇은 BSA 층이 스테인리스강 구멍 내부에 추가됨을 확인할 수 있는데, 이는 구멍 직경이 BSA 단백질 크기보다 훨씬 크기 때문입니다. 이는 검출할 분석물이 우리 바이오센서의 검출 민감 영역으로 진입할 수 있음을 입증하며, 이는 메타물질 바이오센서의 감도를 크게 높일 수 있습니다.

분광 측정

모든 분광 측정은 연속파 THz 분광 시스템(TeraScan 1550, Toptica Photonics AG)을 사용해 수행했습니다. 시스템은 이중 레이저 제어(DLC) 스마트 전자장치, 두 개의 분산 피드백(DFB) 레이저, 두 개의 파이버 결합 InGaAs 포토믹서, 네 개의 90° 오프축 포물면 거울로 구성됩니다(그림 10). THz 파는 90° 오프축 포물면 거울을 통해 시준 및 집속되어 시편에 조사됩니다. 모든 투과 스펙트럼은 50~1220 GHz 범위를 40 MHz 단계, 10 ms 적분 시간으로 고속 스캔 모드에서 스캔해 획득했습니다. THz 파의 편광은 덤벨 링 개구 방향을 따릅니다.

실험 결과 및 논의

메타물질 바이오센서의 단백질 검출 실험은 네 가지 농도의 BSA 용액으로 수행했습니다. 실험 전반에서 각 그룹의 BSA 용액을 낮은 농도에서 높은 농도 순으로 추가했습니다. 모든 측정은 3회 반복했습니다.

그림 11a와 같이 BSA 용액 농도가 증가함에 따라 공명 피크 주파수가 적색 편이했습니다. 이 경향은 시뮬레이션 결과와 일치합니다. 공명 강도 감소는 BSA 단백질에 의한 THz 파 흡수 때문입니다.

주파수 이동과 BSA 용액 농도 간의 관계는 선형이 아니며, 이는 생물학 실험에서 흔한 현상입니다[38,39]. 힐 모델은 우리 메타물질 바이오센서와 생체분자 간 결합 능력을 특성화할 수 있습니다. 따라서 힐 모델[40]을 사용해 실험 데이터를 피팅했습니다(그림 11b). 힐 방정식은 다음과 같습니다:

Δf = Δf_max · [BSA]ⁿ / {K_D + [BSA]ⁿ}

여기서 최대 피크 주파수 이동 Δf_max는 포화 값, [BSA]는 BSA 용액 농도, n은 힐 계수, K_D는 해리 상수입니다.

그림 11b의 피팅 곡선을 사용해 힐 계수 n=0.83, 해리 상수 K_D=2.87 mg/mL를 계산했습니다. 또한 Δf_max는 약 166 GHz로, 포화 농도에서 최대 피크 주파수 이동을 나타냅니다. 공명 주파수 피크의 힐 피팅 결과는 실험의 신뢰성과 정확성을 확인시켜줍니다.

바이오센서의 감도 S는 다음과 같이 도출했습니다[41]:

S = Δf_max / δ_max

여기서 Δf_max=166 GHz, δ_max는 BSA의 표면 밀도입니다. δ_max는 다음과 같이 결정했습니다[41]:

δ_max = M_BSA / (N_A × P_BSA²)

여기서 M_BSA=66,430 g/mol은 BSA의 추정 분자량[42], N_A=6.02×10²³ mol⁻¹은 아보가드로 수, P_BSA=6.96 nm[43]은 BSA 분자 하나의 평균 길이입니다. δ_max는 2.28 ng/mm²였고, 바이오센서의 BSA 검출 감도는 72.81 GHz/(ng/mm²)였습니다.

힐 모델로 얻은 K_D는 해리 상수가 BSA와 밀접한 관련이 있음을 보여주며, BSA의 검출 한계(LOD) C_lim은 다음 식으로 계산했습니다[44]:

C_lim = K_D × S_f / (Δf_max - S_f)

여기서 S_f=2 GHz는 분광 분해능입니다. 식 (5)에 따르면 해리 상수가 작을수록 검출 한계가 낮아집니다. 따라서 C_lim은 0.035 mg/mL로 계산되었습니다.

표 2는 우리 바이오센서의 BSA 센싱 성능을 보고된 연구들과 비교한 것입니다. 실험에서 최저 BSA 농도 0.2 mg/mL에서 10.8 GHz의 주파수 변화를 얻었습니다. 참고문헌[45,46,47]과 비교해 동일한 BSA 농도에서 상대적으로 더 높은 주파수 변화를 달성했습니다. 힐 공식을 메타물질 바이오센서 데이터 분석에 적용했습니다. 계산된 LOD 0.035 mg/mL는 참고문헌[45]보다 현저히 우수했습니다. 이 모든 결과는 제안된 전금속 THz 메타물질 바이오센서가 많은 생물학적, 화학적 응용에서 우수한 성능을 발휘할 것임을 시사합니다.

스테인리스강 바이오센서의 우수한 센싱 성능을 바탕으로, 향후 특정 항체로 수정해 특정 항원 검출을 달성할 수 있을 것입니다. 스테인리스강 바이오센서 두께는 50μm에 불과합니다. 미세유체 기술과 테라헤르츠 분광법의 발전에 힘입어 향후 실시간 생체 내 측정에 적용될 수 있기를 기대합니다.

결론

결론적으로, 전금속 메타물질 기반 THz 바이오센서를 사용해 단백질 농도를 측정했습니다. 바이오센서는 스테인리스강으로 제작되었으며 레이저 드릴링 기술로 제조되었습니다. CST 전자기 시뮬레이션 소프트웨어로 계산한 최대 굴절률 감도와 FOM은 각각 294.95 GHz/RIU, 4.03이었습니다. 시편은 연속파 THz 분광기로 특성화했습니다. 실험 결과 BSA 분석물 용액에 대해 검출 감도 72.81 GHz/(ng/mm²), 검출 한계 0.035 mg/mL를 보였습니다. 이 바이오센서는 소형, 고감도, 낮은 검출 한계, 재사용 가능, 제작 용이, 비용 효율적이라는 장점을 가집니다. 이러한 연구 결과는 향후 생체분자 검출 및 질병 진단 응용에 상당한 의의를 가집니다.