생명정보공학과 이규도 교수 연구팀, 계면활성제를 활용한 종이 기반 포도당 센서 성능 향상

  

▲ (왼쪽부터) 고려대학교 생명정보공학과 강다인 대학원생, 이종호 학부연구생, 이규도 교수

□ 고려대학교 생명정보공학과 이규도 교수 연구팀이 계면활성제 Tween 20을 활용해 종이 기반 비색 포도당 센서의 색 신호와 검출 성능을 향상시키는 연구 결과를 발표했다. 강다인 대학원생, 이종호 학부연구생이 공동 제1저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지 ACS Omega에 게재됐다.

□ 종이 기반 비색 센서는 제작이 간단하고 적은 양의 시료와 시약으로 분석할 수 있어 현장진단(Point-of-Care, POC)에 적합하다. 그러나 효소가 종이에 도포되고 건조되는 과정에서 활성이 감소해 색 신호가 약해질 수 있으며, 이를 보완하기 위해 많은 양의 효소나 복잡한 고정화 과정이 필요할 수 있다.

□ 연구팀은 기존에 개발한 96-puddle paper plate(96-PPP) 기반 포도당 센서에 Tween 20, Tween 80, Triton X-100, SDS 등 다양한 계면활성제를 적용해 색 신호와 검출 성능을 비교했다. 그 결과 Tween 20이 검출 성능 향상 측면에서 가장 효과적이었으며, 0.02% 농도를 후속 실험에 적용했다.

□ 특히 Tween 20의 효과는 낮은 효소 농도에서 더욱 뚜렷했다. GOx 농도 0.1 mg/mL 조건에서 포도당 검출한계(LoD)는 0.113 mg/mL에서 0.034 mg/mL로 감소해 약 3.3배 향상됐으며, 분석 범위는 0–5 mg/mL였다.

□ 건조 전후 효소 반응을 비교한 결과, Tween 20을 첨가하지 않은 조건에서는 건조 후 겉보기 반응속도 상수가 초기의 약 11%만 유지된 반면, Tween 20 첨가 조건에서는 약 95%가 유지됐다. 이는 Tween 20이 건조 과정에서 효소 활성 저하를 완화하는 데 기여함을 보여준다.

□ 안정성 평가에서도 Tween 20을 적용한 센서는 반복적인 습윤·건조, 고온 및 높은 염 농도 조건에서도 색 신호가 보다 안정적으로 유지됐다. 이를 통해 Tween 20이 다양한 환경 조건에서 종이 기반 센서의 안정성을 향상시키는 데 기여함을 확인했다.

□ 또한 포도당 이외의 다른 당류에서는 유의한 반응이 나타나지 않아 선택성이 유지됐으며, 동일한 96-PPP 내부 및 제작 배치 간 측정에서 변동계수(CV)가 모두 10% 이하로 나타나 재현성도 향상됐다. 인공 타액에서도 Tween 20 첨가 시 검출한계가 감소했다.

□ 이번 연구는 종이 센서에서 계면활성제가 단순히 시료의 퍼짐을 조절하는 역할을 넘어, 건조 과정에서 효소 활성을 유지하고 센서의 검출 민감도와 안정성을 높이는 데 기여할 수 있음을 보여줬다는 점에서 의미가 있다. 복잡한 효소 고정화 과정 없이 소량의 Tween 20을 첨가함으로써 낮은 효소 농도에서도 충분한 성능을 확보할 수 있어, 향후 시약 사용량과 제작 비용을 줄인 종이 기반 바이오센서에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

□ 이번 연구는 한국연구재단(NRF), 보건복지부, 과학기술정보통신부, 세종 ANCHOR 사업의 지원을 받아 수행됐다.

 

※ 논문명: Surfactant-Assisted Colorimetric Signal Enhancement in Paper-Based Glucose Sensing

※ 학술지: ACS Omega (IF: 5.2)

※ 논문링크: https://doi.org/10.1002/smll.75467

▲ 계면활성제 첨가에 따른 건조 후 효소 활성 유지 및 포도당 색 신호 향상 개념도