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국내외 연구현황 및 전망

나노 기술의 발달을 활용한 바이오 소자의 개발이 활발하게 진행되고 있다.

  • 분자 단위의 바이오 반응 메카니즘의 이해가 필요하다.
  • 지금까지는 형광물질을 이용한 특이성 결합의 메카니즘을 연구하여 왔다.
  • 광학적인 방법은 정성적인 분석은 가능하나 정량적인 분석에는 한계가 있다.

바이오나노 분석기술의 미래 및 전망

현재의 기술을 뛰어넘는 분석 기술의 개발과 실시간 바이오 반응을 이해할 필요가 있다.

  • 바이오 분자들과 반응하는 나노계면의 시간에 따른 구조적 변형의 연구가 필요하다.
  • Scanning Tunneling Microscopy(STM)를 이용한 바이오 반응 역학을 이해가 가능해졌다.
  • 연 x-선을 이용한 초미세 현미경의 개발과 바이오 구조의 연구가 가능하다.
  • 단일 바이오 분자의 측정 및 개별적 운동을 관찰할 필요성이 있다.

국내외 연구현황 및 전망

현재 진행되고 있는 극초단 극미세 광을 이용한 바이오 이미징 기술의 연구와 더불어 독일의 H. Fuchs 교수 그룹의 STM을 이용한 바이오 계면 연구와 Max-Born-Institute(MBI) Berlin의 Peter Vikter Nickles 교수 그룹의 x-ray laser를 이용한 바이오 반응연구를 같이 수행하고자 한다.

  • Coherent x-ray beam을 이용한 이미징 기술과 극초단 x-ray laser를 이용한 바이오 측정 기술은 광원의 개발에서 뿐만 아니라 분석 기술과 결과가 공유하는 부분이 많고 상호 보완적으로 연구가 가능하다.
  • 전자스핀을 이용한 바이오 단분자 측정 및 운동역학 연구는 STM을 이용한 바이오 계면 및 반응역학의 연구한 결과를 공유하며 기술의 한계를 극복할 수 있다.

 

국내외 연구현황 및 전망

극미세 (nano-scale) 바이오 분자 이미징 기술과 극초단 (Femtosecond) x-선을 이용한 실시간 바이오 반응 동역학 및 이종계면 현상 이해하는 기술을 개발

 

국내외 연구현황 및 전망

구분 연구개발목표
1차년도
  • 바이오 응용용 광원 개발 및 기반기술 구축
2차년도
  • 시간분해능 100 ps가 가능한 바이오분석 기술 개발
3차년도
  • Coherent x-선과 극초단 x-ray laser의 융합 바이오분석 기술 개발
4차년도
  • 바이오 단분자 이미징과 계면 동역학 관찰
5차년도
  • 초고속, 초미세 바이오 분자 분석기술 개발

 

국내외 연구현황 및 전망

구분 연구개발목표
1차년도
  • 연 x-선 현미경 구축
  • 계면 현상 관찰을 위한 SPM 시스템 구축
  • x-ray laser 구동을 위한 장비 개발
  • 바이오 단분자 측정을 위한 나노 소자 개발
2차년도
  • x-선 CCD를 이용한 coherence x-선 speckle 측정기술연구
  • 소형 EUV/x-ray laser 발진 및 회절이미징 시스템설계
  • SPM 장비를 이용한 bio/substrate 계면 및 표면 측정
  • 계면 현상을 이용한 자성 입자와 바이오 분자의 결합연구
3차년도
  • 50 nm급 이하의 공간분해능을 갖는 투과형 연 x-선 현미경 개발
  • 극초단 레이저 기반의 시분해 다광자 현미경 개발
  • 고휘도 방사광 x-ray를 이용한 생체이중막 구조체 분석
  • XPCS를 이용한 나노구조체 및 고분자 나노 박막의 dynamics 연구
4차년도
  • SPM 기술과 나노소자를 이용한 단분자 운동 연구
  • 극초단 coherent x-ray 및 laser 응용 회절 이미징 연구
  • 나노-바이오 표면 및 계면 다이나믹스 연구
5차년도
  • 시분해 나노 이미징 기술을 이용한 분자단위의 반응 역학 및 다이나믹스 연구
  • 초고속 XPCS기술을 이용한 나노-바이오 assembly의 초고속 현상연구

국내외 연구현황 및 전망

독일 Max Born 연구소의 Nickles교수는 극초단초고출력 레이저를 응용하여 본 연구에서 요구되는 짧은 파장 영역인 연 x-선 영역의 레이저 분야에서 세계적인 권위자이다. Nickles 교수의 경험과 광주과학기술원에 설치될 극초단 광양자빔을 활용하면 세계적 수준의 x-선 레이저 광원을 보유하게 되며, 국내의 노도영 교수는 방사광을 활용한 coherent X-선 활용기술의 전문가이므로, 본질적으로 coherent한 X-선 레이저 광원이 개발 되면 이를 활용하여 나노스케일 시간 분해 이미징 기술을 개발할 수 있게 된다. 본 과제에서는 광학적 이미징인 x-선 이미징과 독일의 Fuch 교수의 전문영역인 전자이미징(STM)기술을 결합하여, 나노스케일 바이오 시스템의 총체적인 이미징 기술을 개발한다.
이러한 협력 연구를 바탕으로 최적화된 nanobio material을 제조하고 이를 초미세 바늘 제작 공정 연구팀 및 MEMs 연구팀과 RF 시스템 연구팀, 그리고 타 단위과제 연구진과의 협력연구를 통해서 바이오센서 전극 표면처리, 저전력 신호처리, 측정감도면에서 한층 진보된 초고감도 다기능성 바이오센서를 개발할 계획이다.
 

이러한 이미징 기술은 바이오 시스템 전문가와 공동연구를 통해 상승효과를 가져올 수 있으므로, 본 연구진에는 생체 바이오 물질의 전문가인 태기융 교수와 바이오자성센서의 전문가인 조병기 교수가 공동으로 참여한다.

물질이 생체에 이식되면서 일어나는 다양한 생화학적 반응은 나노바이오 소자를 포함한 생체 이식용 소자의 작용을 근본적으로 제한하게 되므로 바이오물질의 계면상에서의 특성은 생체 모사 환경에서 분석되어야 하고, 이를 위해서는 대상물질이 생물학적 특성을 유지한 상태로 표면에 고정되어야 하고, 분석을 위한 나노바이오 소자도 생체 모사 환경에서 올바로 작용하도록 표면 개질이 필요하다. 따라서 X-선 및 전자를 이용한 바이오 이미징 시스템 구성은 X-선, 전자 이미징 전문그룹과 바이오 전문그룹이 공동으로 개발할 계획이다.

공동연구 추진체계

그림 25에 도시한 바와 같은 추진체계에 따라 초고속 나노바이오 측정기술을 개발하기 위해 X-선레이저 기술 및 coherent X-선 이미징기술을 개발하고, 이를 SPM 시스템과 상호보완적으로 적용하여 단분자의 초고속 거동역학의 연구를 추진한다.
이러한 협력 연구를 바탕으로 최적화된 nanobio material을 제조하고 이를 초미세 바늘 제작 공정 연구팀 및 MEMs 연구팀과 RF 시스템 연구팀, 그리고 타 단위과제 연구진과의 협력연구를 통해서 바이오센서 전극 표면처리, 저전력 신호처리, 측정감도면에서 한층 진보된 초고감도 다기능성 바이오센서를 개발할 계획이다.
 

연구진 역량 및 구성 체계
 

  • 본 연구진은 coherent x-선을 응용한 이미징 기술 개발을 위해 x-선레이저의 국제적 전문가인 독일의 Nickles교수와 coherent x-선 응용기술의 전문가인 국내의 노도영 교수가 팀을 이루어 시분해 coherent x-선 이미징 기술을 연구하도록 구성됐다.
  • 공간분해능이 좋은 STM이미징 기술을 이끌어가고 있는 독일의 Fuch교수가 포함하여 x-선과 전자 이미징을 상호보완적으로 나노바이오시스템에 적용할 수 있도록 구성했다.
  • 바이오 시스템의 제공을 위해서 생체바이오 물질의 전문가인 태기융 교수와 나노바이오자성센서의 전문가인 조병기교수가 연구진에 포함되어 있어 측정기술의 개발을 실용적인 시스템에 기초하여 수행할 수 있도록 국내외 전문 연구진이 팀을 이루고 있다.
  • 나노 기술들을 바이오 물질의 형상화 및 bio/substrate와의 표면 및 계면의 연구를 지속적으로 수행하였던 독일의 연구 그룹과 공동 연구를 수행하면 나노바이오 분야의 분석 및 측정 분야에서 획기적인 발전을 이룩할 수 있다.

국내외 연구현황 및 전망

  • University Munster의 Harald Fuchs 교수는 Interface Physics Group의 Leader로서 SPM 기술들을 이용하여 바이오 분자와 다양한 substrate와의 반응 연구를 이끌고 있다. 이러한 SPM 기술에서 나타난 계면 현상의 결과는 나노분자의 감지 기술과 결합하여 바이오 단분자의 반응역학을 이해하고 생체의 면역 메카니즘 등의 기저 현상을 연구 할 수 있을 것으로 전망된다.
  • 바이오 분자들의 구조역학 및 세포 결합에 따른 상태변화를 관찰하기위해서는 나노 및 극초단의 이미징 기술이 필수적인데 이는 광주과기원의 coherent x-ray를 이용한 나노이미징기술과 독일 Max-Born-Institute의 Nickles 교수의 x-ray laser를 이용한 기술이 접목함으로써 세계최고의 기술 구현이 가능하다.
1) 나노 바이오 계면 및 단분자 거동 동역학 연구

초소형 바이오 소자 제조 과정에서 계면 특성 연구

  • SPM 기술을 이용한 바이오/바이오 계면의 실시간 비파괴 구조분석개발
  • 바이오/substrate 계면 층의 미시(microscopic) 구조의 비파괴 분석개발
  • 전자의 투과 기술을 활용한 비파괴 고분해능 바이오 소자 구조분석기술 개발

생체 내에서 일어나는 바이오 분자들의 상호작용연구

  • 나노스핀소자를 활용한 단위분자 거동역학 관찰기술 개발
  • 분자간 결합력을 활용한 초소형, 고효율 나노-바이오 소자 개발
  • 바이오/바이오 또는 바이오/무기재료 상호간의 상호작용 연구
  • 전자의 투과 기술을 활용한 비파괴 고분해능 바이오 소자 구조분석기술 개발
2) 시분해 coherent x-선 나노바이오 이미징 및 분석기술

극초단 연 x-선 레이저 발생 기술

  • 극초단 초고출력 레이저 응용 transient X-선 레이저 발생기술 연구
  • Water window에 짧은 파장 연 X-선 레이저 발생기술 연구
  • Grazing Incident Pumping 기술을 활용한 레이저 빔 효율 증대
  • 고차조화파 seeding을 활용한 coherency 향상기술 연구

Coherent 연 X-선 회절 이미징 기술

  • Oversampling 알고리즘을 활용한 무렌즈 회절 이미징 기술 적용연구
  • 연 X-선 응용을 위한 반사형 회절 이미징 기술 개발
  • 극초단 연 x-선을 활용한 시간분해 회절-이미징 기술개발
  • 단일 X-선 펄스 이미징을 통한 초고속 이미징 기술 개발

X-선 이미징 기술의 나노-바이오 시스템 적용기술 개발

  • sub 세포레벨의 구조 이미징 기술 개발
  • 회절-이미징 기술을 활용한 바이오 멤브레인 이미징 기술 개발
  • DNA등의 생체 분자등의 계면 구조의 실시간 분석 연구
  • 생체막과 다양한 바이오 구조체와의 상호작용에 의한 실시간 반응연구

1) 과학기술 학문 발전의 기여도

유무기 계면 특성 변화를 시각적으로 구성하는 것은 고효율 에너지 절감 유기소재 개발의 핵심 기술로 자리 잡을 것으로 전망된다.

나노생체소자 측정기술은 생체모방 기술을 발전시켜 신물질 합성에 중요한 역할을 할 수 있다.

생체분자 및 생체막에서 일어나는 현상을 Nano-imaging probe에 기반한 실시간 영상기법을 이용해 관찰함으로써, 생화학적 메커니즘을 밝힐 수 있다.

2) 경제 사회 문화적 파급효과

X-ray 및 SPM 기술을 이용한 바이오 분자 분석 기술은 나노기술과 바이오기술이 결합하는 시작단계의 기술로서 미래 바이오 산업의 핵심기술이 될 것이며 관련 산업의 성장에 기여 가능하다.

반도체/에너지/바이오/나노소재 산업에 필요한 기초정보를 제공하며 미래의 신성장동력 소재 산업을 창출할 수 있다.

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