고려대-KRISS 손잡고, 고성능·저독성 산소 측정 시스템 구현

양자점 센서 개발…혈중 산소포화도 초당 2,500회 정확히 읽어

고성능·저독성 산소 측정 시스템이 개발됐다. 차세대 바이오센서 분야 활용도 기대됐다.

고려대학교와 한국표준과학연구원(KRISS)은 백세웅 화공생명공학과 교수 연구팀과 배인호 박사 연구팀이 공동으로 저독성 적외선 양자점 소재를 이용해 혈중 산소포화도를 빠르고 정확하게 측정할 수 있는 시스템을 개발했다고 12일 밝혔다.

양자점은 빛에 반응하는 아주 작은 나노 입자를 말한다.

씨드리스 전구체 주입 공정으로 합성한 인듐비소 양자점 기반 산소포화도 측정 플랫폼 모식도.(그림=고려대학교)

산소포화도는 몸의 장기와 세포에 산소가 충분히 전달되고 있는지를 보여주는 건강 지표다. 혈액 속 헤모글로빈이 산소를 많이 품고 있을수록 적외선을 더 많이 흡수하는 특성을 이용해 측정한다. 다만, 기존 실리콘 기반 센서는 적외선을 감지하는 능력이 떨어져 정밀한 측정이 어려웠다.

연구팀은 적외선 흡수 특성이 좋은 ‘인듐비소(InAs) 콜로이달 양자점’을 활용해 센서를 만들었다. InAs 양자점은 납·카드뮴·수은 등 독성 원소를 포함한 기존 적외선 양자점을 대체할 수 있는 저독성 소재다. 국제 친환경 인증 기준인 유해물질 사용제한(RoHS)을 충족한다.

연구팀은 핵심 소재인 InAs 양자점을 균일한 크기로 쉽게 합성할 수 있는 ‘씨드리스 전구체 주입 공정’도 도입했다. 반응기 안에서 전구체를 주입하는 속도를 조절, 양자점이 생성되고 자라는 과정을 단계적으로 제어하고 합성했다.

센서 개발에 이어 실시간 산소포화도 측정 시스템도 구현했다. 기존에는 손끝이나 피부를 통과한 빛 변화를 분석하는 ‘광혈류측정(PPG)’ 기술을 사용했는데, 이는 후처리 과정이 필요했다.

하지만 연구팀은 헤모글로빈 산소량 변화(산소화/비산소화)에 따른 광신호 기반 산소포화도 측정 방식을 도입, 후처리 과정 없이 실시간 산소포화도를 산출했다.

연구진. 왼쪽부터 고려대 백세웅 화공생명공학과 교수, 한국표준과학연구원 배인호 박사(이상 교신저자), 고려대 지승인· 김범관 석박통합과정생(이상 공동제1저자)(사진=고려대학교)

성능은 초당 2,500회를 넘는 빠른 데이터 획득에 성공했다. 상용 의료용 측정기와의 비교 실험 결과에서는 최대 오차 1.98%, 평균 절대 오차 1.43%로 정확도도 높았다.

또 운동 직후처럼 산소포화도가 빠르게 변하는 상황에서도 안정적인 측정이 가능했다.

백세웅 교수는 “저독성 InAs 양자점을 보다 간단하고 확장성 있게 합성하고, 이를 실제 고속·고정확도 산소포화도 센서로 구현했다는 점에서 의미가 있다”고 말했다.

배인호 박사는 “향후 웨어러블 헬스케어 기기와 차세대 바이오센서 분야에서 폭넓게 활용될 수 있을 것"이라며 "고려대 무독성 소재 기술과 KRISS 초격차 광센서 평가 기술의 융합으로 낸 성과"라고 말했다.

연구 성과는 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스'에 온라인으로 게재됐다.