바이오 센서(Bio-sensor)

과학(Science)/산업 (Industry)

바이오 센서(Bio-sensor)

SURPRISER - Tistory 2023. 7. 23. 00:57

0. 목차

'바이오 센서'란?
'바이오 센서'의 활용
'바이오 센서'의 구성
'바이오 센서' 핵심 기술
Covid-19 진단키트에 적용되는 바이오센서
'바이오 센서' 기술의 발전 방향
'바이오 센서' 관련 기업

1. '바이오 센서'란?

'센서(Sensor)'란 물리적인 값을 측정하여 그 값을 관찰자가 읽을 수 있는 형태의 신호로 바꾸어주는 장치를 의미한다. 그중 '바이오센서(Biosensor)'는 특히 생체로부터 물리·화학적 정보를 감지하고, 이를 측정하여 유용한 정보를 획득할 수 있도록 하는 신호 변환 장치를 말한다. 현대사회의 의료 패러다임이 치료에서 예방·진단 중심의 '정밀 의료(Presision Medicine)'로 전환됨에 따라, 의료 분야에서 바이오센서의 필요성이 증가하고 있다. 또한 '환경(Evironment)', '식품(Food)' 등의 다양한 분야에서도 '바이오 센서'가 각광받고 있다.

기술적으로 '바이오 센서'는 진단 한계를 낮춰 조기 진단을 가능하게 하며, 약물 배달체로 사용되는 등 '정밀 의료(Presision Medicine)'의 기반이 되는 진단과 맞춤형 치료의 핵심기술로 떠올랐다. 그뿐만 아니라 각종 환경 호르몬에 선택성을 지니며 낮은 농도까지 감지할 수 있는. 바이오센서는 환경적 문제의 해결에도 도움을 주고 있다. 또 '사린(Sarin)', '탄저균(Bacillus an-thracis)'과 같은 대량 살상용 생화학 무기를 감지할 수 있는 바이오 센서는 군사적 측면에서도 사용되고 있다. 또한 현재에는 극미량의 물질을 검출하거나 대용량의 시료를 자동으로 연속 검출하고 시료 전처리를 단순화하여, '현장검사' 또는 '신속 진단 검사'가 가능한 바이오 센서의 개발이 가속화됨에 따라 그 사용처가 일상으로까지 확대되고 있다.

'바이오 센서'는 1962년 '리랜드 클라크(Leland C. Clark, 1918~2005)'의 '포도당(Glucose)' 검출용 효소전극을 이용산 센서 개발을 필두로, 물리적·화학적·생물학적 기술의 발달과 함께 발전해 왔다. 현재 바이오 센서는 이미 일상에서도 곳곳에서 활용되고 있다. 생활 속에서는 '과일의 당도 측정', '수질 측정', '임신 테스트기' '혈당 측정기' 등에 사용되고 있다. 한편, 병원과 같은 진단기관에서는 혈액, 소변 등의 검사를 통해 건강과 관련된 다양한 정보를 알아내는데 사용하고 있다. 뿐만 아니라, '코로나바이러스19(COVID-19)'의 검사를 위한 진단키트 역시 바이오 센서로 이루어져 있다. 이처럼 바이오 센서는 '신약 개발', '생물 의약', '식품안전', '보안 및 환경 모니터링' 등의 다양한 분야에 활용되고 있다.

2. '바이오 센서'의 활용

바이오 센서는 흔히 병원균이나 DNA 등 생체 물질을 분석하는 데 활용되는 것으로 잘 알려져 있지만, 일반적인 화학물질의 분석에도 사용된다. 또한 '바이오 센서'는 물질을 빠르고 정확하게 분석할 수 있다는 장점이 있고, 다른 분석 방법에 비해 단순하고 민감하며, 다양한 물질의 분석이 가능하다. 이를 통해 바이오 센서는 '제약', '의료' 뿐만 아니라 '환경', '식품', '군사', '연구' 등 다양한 분야에 적용되고 있다. 또한 바이오 센서는 'BT(BIo Technology)', 'IT(Information Technology)', 'NT(Nano Technology)'의 융합이 가속화되고 있는 기술 융합의 대표적인 산업이다. 기존의 바이오 센서의 다양한 기술적 이슈와 한계를 융합 기술을 통해 극복하면서 응용 분야가 확장되고 있다.

의료 분야: 현재 바이오센서에 대한 수요가 가장 많은 곳은 '의료 분야'이다. 그 수요가 계속 증가하고 있어, 향후에도 의료용 바이오센서가 관련 산업 성장을 견인할 것으로 예상된다. 바이오 의학적인 측면에서 '바이오 센서'는 현재의 진단 한계를 낮춤으로써, 질병 등의 조기 진단을 가능하게 한다. 또한 특정 항원을 타깃으로 하는 센서를 통해 약물 배달체로 사용되는 등 임상진단 및 의료 분야의 핵심기술이다. 아울러 '생체 물질(Biomaterial)'에 선택성과 특이성이 있는 '바이오 수용체(Bio-Receptor)'가 지속적으로 개발됨에 따라 '바이오 센서'는 '단순한 화학 분자' 외에도 '단백질' 혹은 '특정 DNA·RNA' 같은 고분자를 고감도로 정확하게 검출할 수 있게 되었다. 그리고 세포 레벨로 기술이 확장되어, 특정 '암세포(Cancer Cell)'나 '줄기세포(Stem Cell)'까지 감지할 수 있게 되었다. 이에 따라, 바이오 센서는 질병 진단과 치료에 획기적인 기여를 하고 있다.
환경 분야: '환경 분야'는 '환경호르몬', '중금속', '농약', '폐수의 BOD' 등의 검출을 위해 바이오 센서가 활용되고 있다. 특히 '다이옥신(Dioxin)' 같은 각종 환경호르몬에 선택성을 지니며, 초저농도를 감지할 수 있는 센서의 개발에 많은 노력이 이루어지고 있다. 환경오염 분야 특성상 그 지리적인 범위가 넓어 이동하여 측정이 가능하여야 하기 때문에, 현장진단에 적합한 바이오 센서의 개발이 대두되고 있다.
식품 분야: '식품 분야'에서는 식품의 품질에 대한 규제가 강화되어 가고 있는 추세에 맞추어, 저렴하면서도, 신뢰가 높으며, 사용자의 편의성을 높인 바이오 센서가 개발되고 있다. 이에 따라 시장규모도 확대되어 가고 있다. 특히 식품 안전에 대한 관심이 높아지고 있는 현대사회에서 식품에 존재하는 위해 미생물의 진단은, 식품의 오염을 사전에 감지하고 이로 인해 발생할 수 있는 식품독을 예방하는 데 필수적이다. 이와 관련된 정확도 높은 바이오 센서의 개발이 확산되고 있다.
군사 분야: '바이오 센서'는 '사린(Sarin)', '탄저균' 등과 같은 대량 살상용 무기로 사용될 수 있는 생물학적 무기를 감지할 수 있는 군사용으로도 활용하고 있다. 생물학적 무기를 감지하기 위해서는 빠른 분석 시간과 필드에서 직접 사용이 가능해야 하므로, 소형화가 요구되고 있어 현장진단용 바이오센서의 개발을 가속화시키고 있다.
연구 분야: 또한 연구 분야에서도 기존 실험실에서의 수행하던 분석 작업에 비해, 바이오 센서는 분석 작업을 단시간에 할 수 있다. '바이오 수용체'의 개발에 따라 새로운 물질 분석이 가능하기 때문에, 연구 분야에서의 사용처 역시 확대되고 있다.

3. '바이오 센서'의 구성

'바이오 센서'는 분석 대상이 되는 물질인 '생체 물질(Biomaterial)', 이에 대한 선택 특이성이 있는 '바이오 수용체(Bio-Receptor)', 상호작용을 감지하는 '신호 변환기(Transducer)'로 구성되어 있어 정량·정성 분석이 가능한 장치이다. 이때 분석의 대상은 '암세포', '바이러스', '화학물질' 등의 대부분 생체 내 물질이 가능하다. '바이오 수용체'는 'DNA', 'RNA', '항체', '효소 단백질', '세포', '생체막', '호르몬 수용체' 등의 생체물질과 반응하는 물질을 뜻한다. '바이오 물질'과 '바이오 수용체'는 '효소-기질', '단백질-단백질', '항원-항체', '핵산-단백질', '핵산-핵산', '호르몬'(Hormone), '세포(Cell)', '압타머(Aptamer)' 등의 다양한 상호작용을 통하여, '전기 특성의 변화', '질량의 변화', '생상의 변화' 등의 물리·화학적인 효과를 나타내게 된다. 이를 '신호 변환기(Transducer)'를 통해 정보화하는 것이 '바이오센서'이다.

'바이오 센서'의 구성	내용
생체 물질(Biomaterial)	분석 대상이 되는 물질
바이오 수용체(Bio-Receptor)	생체 물질에 대한 특이성이 있는 수용체
신호 변환기(Transducer)	상호작용을 감지하는 장치

3-1. 분자진단 관련 센서

최근 가장 각광받고 있는 바이오 센서는 '분자진단(Molecular Diagnostics)'과 관련된 바이오 센서이다. '분자진단'은 다른 분석방법에 비해 정밀도가 높고 처리 시간이 빠르다. 이러한 이유로 엄격한 '분자진단' 관련 '바이오 센서'는 가이드라인에도 불구하고 응용분야가 빠르고 넓게 확장되고 있다. 1994년 미국의 아피메트릭스(Affymetrix)'사의 DNA 칩은 유전자 분석을 통해 질병을 진단하는 '분자진단(Molecular Diagnostics)'을 가능하게 하여 '바이오 센서' 기술에 큰 혁신을 가져왔다. '분자진단'은 DNA, RNA 등으로부터 유전자 관련 정보를 직접 추출 및 분석하여 질병 감염 여부를 확인하는 기술이다. '분자진단'은 채내, 특히 세포 내에서 발생하는 다양한 생리적 현상을 분자 수준에서 관찰이 가능하여 기존 진단기술보다 민감도가 높은 장점을 가지고 있다. '분자진단' 기술은 '감염성', '종양', '유전질환' 검사 등에 활용되며, 이 중에서도 '혈액', '타액', '소변' 등 인체로부터 채취한 인채 유래물에서 '바이러스', '박테리아' 등의 감염성 질환 원인균을 검출하는 검사에 널리 활용되고 있다. 이를 통해 '임상화학', '면역학', '미생물학'적 방법으로 검사되던 항목들이 '분자진단법'으로 대체되고 있다. 이에 기존 진단 기술로 검사할 수 없었던 진단을 유전자 검사를 통해 가능하게 됨에 따라, 향후 활용 분야가 더욱 넓어질 것으로 전망되고 있다.

4. 바이오 센서의 원리

'바이오 센서(Bio-sensor)'는 '바이오 수용체(Bio-Receptor)'라는 '분석 대상물과 단백질', '항원과 항체' 등 상호 작용을 기반으로 하며, 효과를 나타내는 '신호 변환기(Transducer)'를 통해 측정하고자 하는 물질의 정량이나 정성을 분석하는 원리다. 생체 분자인 '바이오 수용체'는 바이오 물질을 선택적으로 인식하고, 변환기가 측정할 수 있도록 신호를 나타내는 기능이 있으며, 주로 'DNA', '효소(Enzyme)', '단백질(Protein)', '호르몬(Hormone)', '생체막(Membrane)' 등에 사용된다. '바이오 수용체'가 '생체신호'나 '인식 반응' 등을 발생하면 신호가 생성되는데, 이 과정에서 '전기화학(Electrochemical)', '광학(Optical)', '압전(Piezoelectric)', '열(Thermal)', '전기(Electricity)', '자기(Magnetism)' 같은 다양한 물리화학적인 방법이 사용된다.

이에 따라 바이오 센서는 측정 방법에 따라 '전기 바이오 센서(Electric Biosensor)', '광학 바이오 센서(Optical Sensor)', '압전 바이오 센서(Piezoelectric Biosensor)', '열 바이오 센서(Thermal Biosensor)', '나노메커니컬 바이오 센서(Nanomechnical Biosensor)'로 구분할 수 있다. 또한 바이오 센서는 '분석할 물질'에 따라 '글루코오스 센서', '요소 센서' 등으로 구분하고, '바이오 수용체'의 종류에 따라 '효소 센서', '면역 센서', '미생물 센서' 등으로 구분한다. 아래의 표는 '바이오 센서'의 측정 방법에 따른 구분을 표로 정리한 것이다. '바이오 센서'의 측정 방법에 따른 기술 및 연구개발 동향에 대해 알보자.

측정 방법에 따른 구분	특징
전기 바이오 센서	검출하고자 하는 바이오 물질이 센서의 전극과 특이적으로 결합할 때 유도되는 전기적 특성을 측정함.
광학 바이오 센서	바이오 물질이 생화학 반응을 통해 내뿜는 빛의 세기, 흡수, 반사, 또는 반사계수의 변화 등을 측정함
압전 바이오 센서	바이오 물질에 가해진 압력에 의한 압전 센서의 물리적 변형 정도에 따라 발생하는 전위차를 측정함.
열 바이오 센서	바이오 물질의 화학 반응에서 나오는 발열량을 측정함.
나노메커니컬 바이오 센서	바이오 물질이 흡착된 정도에 따라 변하는 나노매커니컬 모션을 광학 또는 압전식으로 측정함.

4-1. 전기화학 바이오 센서

전류·전압 기반 센서인 '전기화학 바이오 센서'는 일정한 전위차를 '기준 전극'과 '작동 전극'에 인가하게 되면, 작동 전극에서 발생하게 되는 바이오 물질의 산화·환원 반응 신호를 측정하는 기술이다. 따라서 측정된 전류는 '생체 물질'의 농도와 비례하며, 높은 민감도를 가진다. 하지만 전류·전압 센서는 전기화학적인 활성을 가지는 물질만 검출이 가능하다는 단점도 보유하고 있다. 그럼에도 부룩하고 전류·전압 기반 바이오 센서는 소형화가 가능하고, '작동 방식' 및 '검출 방식'이 쉬울 뿐만 아니라 경제적인 검출 비용을 가지고 있다. 짧은 시간에 높은 민감도로 표적 물질의 검출이 가능하기 때문에, 가장 범용적으로 연구·개발이 이루어지고 있는 분야이다.

'전기 바이오 센서'는 크게 '전기화학적 방식'과 나노와이어 채널을 이용한 '전계효과 트랜지스터(FET: Field Effect Transistor)' 방식'으로 나눌 수 있다.

전기화학적 방식 바이오 센서: '전기화학적 방식'은 '생체 물질(BNA, 단백질 등)'과 '프로브(Probe)'가 결합할 때 발생하는 산화·환원 반응으로 유도되는 전기적 특성 변화를 측정한다. 대표적인 '전기화학적 방식'으로는 '혈당측정 기술'이 있으며, 이는 혈액 내 포도당이 산화효소에 의해 분해될 때 생성되는 과산화수소가 발생하는 전류를 측정하는 원리이다.
FET 방식 바이오 센서: '전계효과 트랜지스터(FET: Field Effect Transistor)' 방식은 '전기전도도(Conductivity)'를 이용한 방식으로, 특정 물질이 흡착될 때 발생하는 전하이동에 의한 전기전도도 변화 등을 측정하는 방식이다.

4-2. 광학 바이오 센서

'광학 바이오 센서'는 높은 선택도와 민감도를 기반으로, 표적 물질의 실시간 검출이 가능하다. 빛을 발생시키는 '광원'과 물질의 분광화학적 특성을 감지하는 '광 검출부(Light Detector)'로 이루어져 있다. 빛의 종류와 측정하는 빛의 특성에 따라, '발광물질 감지(Luminescent Material Detection)' 방식, '표면 플라즈몬 공명(SPR: Surface Plasmon Resonance)' 방식, '비색 감지(Colorimetric Detection)' 방식 등으로 나눌 수 있다.

광학적인 측정 방법을 이용하여 다양한 생화학물질들의 상호 반응을 검출하는 방법은 생화학 실험실 등에서 현재 널리 이용되고 있다. 특히 '광학 염료(Optical Dye)'를 이용한 광학적인 측정방법은 '감도'가 매우 좋고, '감지 선택성'이 우수하다는 장점을 가지고 있다.

분류	광학 바이오 센서
발광물질 감지 방식	표지식 바이오 포토닉스 센서
발광물질 감지 방식	비표지식 바이오 포토닉스 센서
표면 플라즈몬 공명 방식	표면 플라즈몬 공명 방식 센서
비색 감지 방식	비색 감지 센서

표지식 바이오 포토닉스 센서(Labeled Biophotonics Sensor): 일반적으로 '발광 물질(형광 물질, 인광 물질, 발색 물질, 방사선 물질 등)'을 인식 물질에 표지하여, '인식 물질'과 '생체 물질'의 반응 유무를 표지된 발광물질의 광신호를 감지하여 검출해 내는 기술을 '표지식 바이오 포토닉스 센서 기술'이라고 한다. 이중 '형광물질' 방식은 '바이오 물질'을 형광단을 가진 '바이오마커(Bio-Marker)'와 반응시킨 뒤, 광원을 조사하여 빛의 세기를 측정하는 원리로 동작한다. 현재 이를 상용화하여 대부분의 '생명 과학 연구'와 '제약의 선별이나 검사'에 사용하고 있다. 그러나 이러한 분석방법은 민감도가 높은 장점이 있지만, 매우 느리고, 고가의 분석 장비가 있어야 한다는 단점도 가지고 있다.
비표지식 바이오 포토닉스 센서(Label Free Biophotonic Sensor): 이'표지식 바이오 포토닉스 센서' 기술의 단점을 극복하기 위해, 생화학 반응 여부를 표지 물질 없이 광학적 방식으로 직접 측정해 내는 '비표지식 바이오 포토닉스 센서' 기술도 연구되고 있다. 가장 대표적인 예로 형광물질을 이용하는 DNA칩을 들 수가 있다.
표면 플라즈몬 공명 센서(SPR: Surface Plasmon Resonance Sensor): 최근 높은 민감도와 소형화를 무기로 발전하고 있는 '표면 플라즈몬 공명(SPR)' 방식은 '금속 박막' 표면 위에 바이오 물질이 결합하면 농도에 따라 금속 표면의 굴절률이 변하게 되는데, 이때 발생하는 SPR의 공명각을 측정하는 원리로 작동한다. '나노미터(nm)' 단위의 유전물질인 핵산 간 상호작용이나, 바이러스 항체 간 상호작용을 측정하는데 적합하며, 별도의 표지 물질 없이 생물 분자의 상호작용을 정성·정량적으로 검출할 수 있다. 최근에는 '초소형 정밀기계 기술(MEMS: Micro-Electro Mechanical Systems)' 기술의 발달로 소형화되어 보급이 이루어지고 있다.
비색 감지 센서(Colorimetric Detection Sensor): 일상생활에서 흔히 볼 수 있는 대표적인 광학 바이오센서 가운데 하나는 '비색표지' 방식인 '임신 테스트기'가 있다. '임신 테스트기'는 임신 시 생성되는 '융모성 생식선 자극호르몬(HCG: Human Chorionic Gonadotropin)' 호르몬을 검사하는 원리이다. 임신테스트기 내에는 HCG를 항원으로 인식하는 항체가 들어있어 이를 통해 항원-항체 반응을 통해 HCG가 있는지 확인한다. Test Line에서는 HCG와 결합할 수 있는 HCG 항체가 부착되어 있어서, HCG가 지나가면 HCG를 붙잡아둔다. HCG 항체에는 색깔을 나타낼 수 있는 '금 나노입자(Gold Nanoparticle)'가 부착되어 있어서, 항원인 HCG의 농도가 높아지면 붉은색을 나타내어 임신을 확인할 수 있다.

4-3. 압전 바이오 센서

'질량 감응(Mass Sensing)' 기반의 측정 기술인 '압전 바이오 센서'는 일정한 주파수의 전기 신호에 의해 진동한는 '압전 진동자(Piezoelectric Crystal)'를 이용하여 미세한 질량 변화를 감지하는 기술로서, 검출 민감도가 높고 소형화가 가능하다는 장점이 있다. 대표적 기술인 '수정 진동자 저울 (Quartz Crystal Scale)'은 얇은 수정으로 구성된 전극에 전압을 가하게 되면 '역 압전 현상'으로 인해 진동하게 되고, 전극 표면에 반응하게 되는 물질의 양에 따라 변하는 '공진주파수(Resonant Frequency)'를 분석하면 반응된 물질의 농도뿐만 아니라, 반응시간 및 구조적인 변화까지도 측정이 가능한 기술이다.

'압전 바이오 센서(Piezoelectric Biosensor)'는 '전기적 에너지'와 '기계적 에너지'가 상호 변형되는 현상을 전기적으로 측정하며, '수정 진동자(Quartz Crystal)'를 전극 사이에 끼운 형태로 구성된다. 크게 '체적 탄성파(BAW: Bulk Acoustic Wave)'를 이용하는 'QCM(Quarts Crystal Microbalance)' 센서와 '표면 탄성파(SAW: Surface Acoustic Wave)'를 이용하는 센서로 나눌 수 있다.

QCM 센서(BAW를 이용하는 센서): '수정 진동자(Quarts Crystal)'의 양단에 전위를 가해 일정한 공명 주기를 갖는 '체적 탄성파(BAW: Bulk Acoustic Wave)'를 발생시키면, 이 탄성파의 공명 주파수가 크리스털 표면의 생체물질 흡착 정도에 따라 변화하는 변화량을 측정하는 원리로 동작한다. 민감도가 높고, 특정 항체를 표면에 고정시켜 특이성을 높일 수 있어서 '단백질(Protein)', '바이러스(Virus)', '박테리아(Bacteria)', '세포(Cell)' 등 생체 물질의 검출에서 활용되고 있다.
SAW 센서(SAW를 이용하는 센서): '표면탄성파(SAW)' 방식의 바이오 센서는 크리스털 양 단에 전위를 가하는 대신 표면에 형성된 빗살형 전극인 'IDT(Inter Digital Transducer)'를 통해 탄성파를 발생시키고, '생체 물질'의 흡착 정도에 따라 변화하는 탄성파의 변화량을 측정하는 원리로 동작한다. '표면탄성파(SAW)' 방식의 바이오 센서는 탄성파가 표면에서 움직이므로 기체가 클 길요가 없으며, 상대적으로 민감도가 높은 장점이 있다.

4-5. 열 바이오 센서

'열 바이오 센서(Thermal Biosensor)'는 '대상 물질'과 '센서 기체'에 고정한 '효소(Enzyme)' 분자와의 화학 반응에서 나오는 온도 변화를 측정하는 원리로 동작한다. '센서의 양단에 달리 '서미스터(Thermistor)'의 저항값을 측정하여 온도의 변화를 감지하고, 이를 토대로 화학 반응의 정도와 측정 대상 물질의 농도를 계산한다. '서미스터(Thermistor)'는 보통의 저항에 비해 온도에 따른 저항의 변화가 크게 만든 저항을 말하며, '열가변저항기'라고도 불린다. 안정성이 높아 과거에는 많이 활용되었으나, 민감도가 낮아 활용처가 제한적이다.

4-6. 나노메커니컬 바이오 센서

'나노메커니컬 바이오 센서(Nanomechanical Biosensor)'는 생체 물질이 흡착된 정도에 따라 변하는 '나노매커니컬(Nanomechanical)' 동작을 광학식 또는 압전식으로 측정하는 원리로 동작한다. 생체 물질의 흡착으로 인한 기계적 변형 정도를 측정하는 '정적 측정 방식(Static Measuring Method)'과, 공명 주파수의 변화를 측정하는 '동적 측정 방식(Dynamic Measuring Method)' 등이 있다.

4-7. 마이크로 캔틸레버 센서

'마이크로 캔틸레버 센서(Microcantilever Sensor)'는 '초소형 정밀기계 기술(MEMS: Micro-Electro Mechanical Systems)' 기술을 이용한다. '마이크로 캔틸레버 센서(Microcantilever Sensor)'는 '수정 진동자(Quartz Crystal)를 이용한 압정 방식인 '체적 탄성파(BAW: Bulk Acoustic Wave)', '표면탄성파(SAW: Surface Acoustic Wave)' 방식보다 생산 비용이 저렴하고, '배열(Array)' 형태 제작이 쉬우며, 고감도의 측정이 가능하여 최근 주목받고 있다.

5. Covid-19 진단키트에 적용되는 바이오센서

2020년 3월 '세계보건기구(WHO: World Health Organization)'는 '코로나바이러스감염증-19(COVID-19)'의 '범유행(Pandemic)'을 선언했다. 'COVID-19'로 인해 질병을 고감도로 정확하고 빠르게 검출할 수 있는 기술에 대한 사회적 요구가 급격히 증가하고 있다. 현재까지 병원이나 방역당국에서 사용하고 있는 바이러스 측정 및 진단 기법들은 모두 바이오 센서가 활용되고 있으며, 대체적으로 긴 시간과 많은 양의 샘플, 그리고 고도로 훈련된 연구원이 필요하다.

현재 대표적인 COVID-19의 바이러스 검출 기법은 유전자 검사 방식인 'PCR 기반의 검출 방법'과 '항원·항체를 분석하는 면역 형광 분석법', 'ELISA(Enzyme Linked Immunosorbent Assay)' 등이 있다.

유전자 검사: '유전자 검사'는 현재 약 3~6시간이 소요되며, 가장 정확한 방법으로 알려져 있다. 이는 피검사자의 바이러스 유전자를 'PCR(Polymerase Chain Reaction)'을 이용하여 증폭시켜 소량의 바이러스만으로도 바이러스 감염 유무를 확인하는 것으로, 감염의 조기 진단이 가능하며 정확도가 높다.
항원 검사: '항원 검사'는 COVID-19'의 활성 감염 여부를 약 15~30분 이내로 신속하게 알려준다. 하지만 '유전자 검사'보다 민감도가 상대적으로 낮아 바이러스가 일정량 이상 증식하기 전까지는 감염자를 놓칠 가능성이 있다는 단점을 가지고 있다.
항체 검사: 항체 검사는 약 15분 내외로 빠른 검사 결과를 제공하지만, 감염을 진단하는 데 상용할 수는 없다. '항체 검사'는 바이러스에 반응하여 면역 체계가 만들어낸 항체만을 감지하고, 바이러스 자체는 감지하지 못하기 때문에다. 또한 검사에 의하여 감지될 수 있을 만큼 충분한 항체를 만들려면 며칠에서 몇 주까지 걸릴 수 있다. '항체 검사'는 COVID-19 바이러스에 대하여 면역반응이 나타났다는 것만 확인 이 가능하다. 바이러스 존재 여부는 알 수 없어, '감염 진단' 목적으로 사용하기보다는 '감염 이력'을 확인하는 데 사용되고 있다.

구분	유전자 검사	항원 검사	항체 검사
검사 목적	COVID-19 바이러스 유전자 유무 확인	COVID-19 바이러스 특정 단백질 유무 확인	COVID-19 바이러스에 대한 항체 생성 여부 확인
측정 원리	바이러스 유전자를 증폭하여 감염 여부 확인	바이러스와 결합한 특정 물질을 검출하여 바이러스 감염 여부 확인	체내에 생성된 항체와 결합한 물질을 분석하여 항체 존재 여부 확인
검사 물질	바이러스 유전자	바이러스 특정 단백질	체내 생성 항체
사용 검체	비인두 또는 구인두 도말물	비인두 또는 구인두 도말물	혈액
검사 시간	약 3~6시간 (1시간 이내 제품도 출시됨)	약 15~30분	약 15분
정확도	정확도가 높아 확진용으로 사용된다.	바이러스가 미량인 경우, 유전자 검사에 비해 정확도가 낮다. 무증상환자를 확진하기에는 어렵다.	감염 초기 항체가 확인되지 않을 수 있고, 검사 당시 검체 내 바이러스 유무를 확인하기 어렵다.
과거 감염 이력	과거 감염 이력 확인 불가	과거 감염 이력 확인 불가	과거 감염 이력 확인 가능
시간과 비용	검사 시간이 길고 비용이 높음	유전자 검사 대비 검사 시간이 짧고 비용이 낮음	검사 시간이 짧고 비용이 낮음

6. '바이오 센서' 기술의 발전 방향

최근 전자정보통신 기술의 발달로 '연결성'과 '데이터 축적화' ,'빅데이터 분석'은 기존의 '바이오마커(Bio-marker)' 검출 및 정량 분석 기능만을 지닌 바이오 센서를 임상 및 산업적 새로운 가치의 종합 모니터링 시스템으로 발전시키고 있다. 차세대 바이오 센서는 현재의 바이오 센서가 갖추고 있는 '정확성(Accuracy)', '정밀도(Precision)', '선택성(Selectivity)', '검출한계(LoD: Limit of Detection)', '방해종 영향 관용성(Tolerance of Interference Effect)'을 가지면서 '사용성(Usability)'을 높인 소자화 기술의 집적이 기본적으로 요구된다.

이러한 성능 특징은 '바이오마커(Bio-marker)'의 종류와 센싱 방법에 따라 '전기 화학적', '전자 기계적', '형광 누적 광학 기반 바이오 센서' 및 '유전 공학', '미생물'에 이르기까지 다양한 기술이 제공되어야 한다. 그 예로 '스마트 모바일 기기(Smart Mobile Device)'에 당뇨 관리 '애플리케이션(Application)'이 연속 혈당 바이오 센서와 연결된 '인체 삽입형 체외 진단 의료기기'가 개발되어, 기존의 당뇨환자의 혈당 모니터링 및 '인슐린(Insulin)' 투여 시기를 결정하여 관리할 수 있도록 도와준다.

6-1. 측정 기술의 진화

활용 분야별로 보면, '바이오 센서'는 극미량의 바이오 물질을 고감도로 정확하게 검출하거나, 대용량의 시료를 자동으로 연속 검출하고, 시료 전처리와 결과 해석을 단순화하는 등 '현장 검사' 또는 '신속 진단 검사' 추세로, 수요에 따라 제품이 다양화되고 있다. 특히 의료 분야의 '현장진단(POC: Point of Care)'과 '재택 진단'이 가장 큰 시장규모를 차지하고 있고, 앞으로도 지속적인 성장이 전망된다. 이 외에도 '환경 모니터링(Environmental Monitoring)', '모바일 플랫폼(Mobile Platform)' 등의 분야로 바이오 센서의 활용도가 높아질 것으로 전망하고 있다. 따라서 현재 바이오센서는 현장진단에 적합하도록 실시간 센싱이 가능하도록 기술이 진화하고 있다.

또한 지속적으로 사용 가능한 '표면 플라즈몬 공명 바이오 센서', QCM 및 SAW 센서와 같은 '비표지 센싱' 형태로 기술이 진화하고 있다. 다수의 전문가는 바이오 센서의 활용도를 높이기 위해서 정밀한 나노 공정을 통해 센서의 민감도와 특이도를 향상시키고, 다양한 물질을 동시에 검출할 수 있어야 하며, 저렴한 비용으로 대량생산이 가능해야 한다고 입을 모으고 있다.

6-2. 핵심 측정 기술들의 응용

측정 기술 자체뿐만 아니라, 질병의 진단과 같은 '애플리케이션(Application)'을 위해 어떤 핵심 측정 기술들을 응용할 것인지에 관한 연구 역시 활발히 진행되고 있다. 예를 들어, Vital Connect사의 의료용 웨어러블 바이오 센서 'HealthPatch'는 붕대나 패치 형태의 웨어러블 바이오 센서로, '환자의 상태(심박동수, 호흡률, 온도, 자세 등)'를 블루투스 무선통신으로 의료진에게 전달해 주는 시스템이다. 또한 '채내 삽입 바이오센서'를 통해 지속적으로 혈당을 모니터링하는 연구 등도 활발히 연구되고 있다.

7. '바이오 센서' 관련 기업

'바이오 센서'는 응용 단계가 다양하며, 높은 성장성이 전망되는 산업이다. 이에 많은 국내 기업뿐만 아니라 글로벌 기업들이 기술력을 다투고 있다. 2021년 기준, 바이오 센서 시장은 '존슨앤존슨(Johnson & Johnson')', '바이엘(Bayer)', '로슈(Roche)', '메디트로닉(Meditronic)' 등 글로벌 기업들이 세계 시장의 80% 이상을 차지하고 있으며, 국내에서도 역시 이들 기업이 90% 정도를 점유하고 있다.

이처럼 글로벌 기업의 독과점을 형성하고 있는 가운데, 국내 중소기업들의 투자금액이나 마케팅 능력으로는 500여 개에 이르는 외국 특허를 피하여 경쟁력 있는 '바이오 센서'를 개발하는 것은 현실적으로 어려운 실정이다. 그럼에도 불구하고 '바이오센서'는 '전자공학(Electronic Engineering)', '화학(Chemistry)', '생물학(Biology)', '재료공학(Materials Engineering), '효소공학(Enzyme Engineering)', '물리학(Physics)' 등 과학 전반에 걸친 기술들이 있어야 하는 미래형 융합 기술이다. 바이오 분야뿐만 아니라 정보통신 기술이 상대적으로 많이 발달한 한국에서는 미래 시장 개척을 위해 반드시 경쟁력을 갖추어야 하는 전략 분야 중 하나라고 할 수 있다.

7-1. 로슈(Roche)

국적: 스위스

'로슈(Roche)'는 의약품과 진단 기기 전문 기업으로, 진단·치료 제품 등을 개발·제조하는 기업이다. '종양학', '바이러스학', '염증', '신진대사', '중추 신경 계통(CNS: Central Nervous System)', '임상화학', '면역학', '소변 검사', '혈액 검사', '유전학', '감염 질환', '미생물학' 등 의학 전 분야를 망라한 약품을 제조·판매 중이다. 2016년에는 사용자가 간단하게 누출이나 오염을 방지할 수 있으며, 일상적으로 혈당 모니터링을 쉽게 수행할 수 있도록 설계된 혈당 모니터링 시스템인 'Accu-Chek Guide'를 출시하였다.

7-2. 애보트(Abbott)

국적: 미국

'애보트(Abbott)'는 미국 소재의 '일반 의약', '의료 기기', '진단 기기', '영양제품' 분야 업체로, 1985년에 세계 최초로 HIV 혈액 스크리닝 검사 도구를 개발하였다. 특히 '애보트 현장진단(Abbott Point of Care Inc)'은 '병원', '왜래 진료', '긴급 진료' 시설 등을 위한 환자의 'PoC(Point-of Care)' 테스트 및 진단기술 관련 제품을 개발·생산하고 있다. 'FreeStyle Optium-H', 'Point-of-Care-Systems', 'FreeSyle Libre Pro', 'FreeStyle Freedom Lite', 'FreeStyle Optium', 'FreeStyle Precision Insulin Syringes', 'Precision Xtra System' 등과 같은 병원용·개인용 의료 관련 제품을 제조·판매하고 있다. 2017년에는 부정맥을 치료하기 위하여 '심장 매핑 기술'이 적용된 'EnSite Precision™ Cardiac Mapping System'과 'Advisor™ FL CIrcular Mapping Catheter', 'Sensor Enabled™'를 출시하였다.

7-3. 메드트로닉(Medtronic)

국적: 미국

'메드트로닉(Medtronic)'은 '심장', '척추', '신경', '혈관', '당뇨병 치료에 사용되는 의료기기', '치료법', '서비스'를 개발·제조·판매하고 있다. 'CareLink 개인 치료 관리 소프트웨어', 'CareLink Pro 치료 관리 소프트웨어', '연속 포도당 모니터링 시스템', '인슐린 펌프 소모품' 등을 선보이고 있다.

7-4. 씨젠(Seegene)

국적: 한국

'씨젠(Seegene)'은 2000년에 이화여자대학교 교수로 재직하더 천종윤 대표가 설립한 업체로, 대한민국의 시약 및 의료용품 제조업체이다. '씨젠'은 바이러스성 호흡기 질환의 하나인 COVID-19의 진단키트를 세계 최초로 개발해낸 회사로 잘 알려져 있다.

'씨젠(Seegene)'은 DNA를 대량 증폭하여 극소량의 병원체 유전자를 검출하는 PCR 기술을 바탕으로 수십 종의 병원체를 동시에 검사할 수 있는 POD와 READ의 원천기술을 확보하고 있어, 국내 유일의 진정한 '분자진단' 기업으로 인정받고 있다. '씨젠'의 차별적 기술력은 POD와 READ의 원천기술 확보로 집약된다. POD는 간염과 성병 등 특정 질환 내 여러 타입을 동시에 검사할 수 있게끔 하고, READ는 검사 결과를 실시간으로 확인할 수 있게 하고 있다. 이러한 '동시다중 유전자 증폭 기술'은 특정 질환 내 각각의 병원체에 대해 따로 검사해야 하는 여타 해외 업체 대비 경쟁력이 있다고 평가받고 있다.

'씨젠'의 성장을 견인하는 대표 제품은 '올플렉스(Allplex™)'이다. 2021년 기준, '올플렉스(Allplex™)'는 전 세계 분잔 진단 시장 중 가장 큰 비중을 차지하는 감염성 검사 제품이다. COVID-19를 포함한 '호흡기 질환(신종플루, 폐렴 원인균 등 26종)', '성감염증(임질, 매독, 클라미디아, 헤르페스, 진균 등 28종)', '인유두종 바이러스(자궁경부암 원인 바이러스 28종)' 등을 잡아낸다. 성장의 다른 한 축은 진단장비 상품인 'CFX96™'이 책임지고 있다. 'CFX96™'는 미국의 진단장비 제조기업 '바이오 래드(Bio-rad)'가 공급하는 '중합 효소 연쇄 반응(PCR: Polymerase Chain Reaction)' 장비다.

7-5. 미코바이오메드(Micobiomed)

국적: 한국
설립: 2009년

'미코바이오메드(Micobiomed)'는 진단장비 전문 기업이다. 특히 유전자 연구개발에 필요한 장비와 시약을 '랩온어칩(Lab-On-A-Chip)' 기술을 바탕으로 현장진단에 최적화된 분자진단 제품을 선보이고 있다.

'미코바이오메드(Micobiomed)'의 'Veri-Q PCR 316 Coronavirus Disease 2019(COVID-19) Detection System'은 미세유체를 이용한 랩온어칩 2개의 온도 조절 블록을 이용하여, 기존 6시간이 걸리던 COVID-19 유전자 검사를 1내에 할 수 있으며, 장비의 소형화로 진단 현장에서 직접 사용할 수 있는 장점을 가지고 있다.

7-6. 아이센스(i-SENS)

국적: 한국
설립: 2000년 5월

2021년 기준, '아이센스(i-SENS)'는 국내 혈당측정기 시장점유율 1위 기업이다. '아이센스'는 '전기화학기술'과 '바이오센서' 기술을 바탕으로 의료용·환경용·산업용 '바이오 센서'를 생산하고 있다. 또한 '혈당 측정기', '혈당 스트립', '현장진단 기기', '카트리지 제품', '자가 혈당 측정기' 등을 제조하여 판매하고 있다.

'혈당 측정기' 주요 제품으로는 개인용 혈당 측정기 'CareSens', 'CareSens N', 'CareSens Dual' 등 'CareSens 시리즈'와, 동물용 혈당 측정기 'VetMate'가 있다. 또한 '현장진단 기기'에는 당화혈색소 분석기 'A1Care', 혈액가스 분석기 'i-Smart 300', 혈액전해질 분석기 'i-Smart 30' 등으로 제품군이 구성된다. '아이센스'의 'CareSens' 시리즈는 기본 사양만 갖춘 저가형 제품부터 여러 부가기능을 제공하는 고가형 제품까지, 소비자의 니즈에 맞춘 다양한 제품군을 구성하여 시장에서 좋은 반응을 얻고 있다. 현재는 시장 트렌드 변화에 맞추어 사업 다각화를 위해 '연속혈당측정기', '신규 현장진단 기기' 제품의 개발을 진행하고 있다.

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