바이오(의료) 센서, 바이오 센서 정의, 바이오 센서 시장 전망 (ETRI 보고서)

바이오(의료) 센서, 바이오 센서 정의

바이오센서(Bio Sensor)는 특정물질(analyte)을 선택 특이성이 있는 생체수용체
(bio-receptor)와 반응시키고 신호변환기(signal transducer)로 측정하여
특정물질의 존재나 양을 확인할 수 있는 장치나 소자를 의미
- 특정물질(analyte) : 분석 대상이 되는 물질(암세포, 바이러스, 다양한 화학물질 등)
- 생체수용체(bio receptor) : DNA, RNA, 항체, 효소 단백질, 세포, 생체막 및
호르몬 수용체 등의 생체물질과 흡착 및 반응할 수 있도록 고안된 부분
- 신호변환기(Signal Transducer) : 특정물질과 생체수용체 간 반응을 다양한 방법을
이용하여 전기적 신호로 변환하는 장치
※ 전기화학(Electrochemical), 발색, SPR(Surface Plasmon Resonance), FET(Field Effect
Transistor), QCM(Quartz Crystral Microbalance) 등

바이오센서 구성 및 원리

 

바이오 센서 적용분야

바이오센서의 활용분야는 의료, 환경, 산업공정(process industries), 군사(화학전),
기타(연구, 식품 등)로 분류되며, 의료분야가 가장 큰 수요를 보일 것으로 전망
- 특히 의료분야는 인구의 노령화 및 고령화로 인해 기본적인 성인병과 관련된
관리/예방 차원에서 관련 수요가 급증할 것으로 예상됨

- 최근 데이터의 디지털화와 통신네트워크, 프로세싱, 센싱 등의 IT 기술이 개별
및 복합적인 발전을 토대로 환경, 산업공정, 기타 부문은 바이오센서의 채용을
점차 늘려갈 것으로 보임
- 군사분야는 전통적으로 생화학전에 대비하여 사전적 탐지기술을 바이오센서를
통해 군사를 보호할 수 있도록 환경을 구축할 필요가 있으므로 관련 수요가
꾸준히 존재할 것으로 전망됨

 

활용 분야

의료 : 혈당, 혈중가스, 임신, 암세포, 심전도, 콜레스테롤, 젖산, 요소 등 다양한 생체
물질 및 생체 신호 분석에 사용

환경 : 환경호르몬(다이옥신), 폐수의 BOD, 중금속, 농약, 방사능 등 다양한 환경 관련
물질 검출 및 확인에 사용

산업공정:  화학, 정유, 제약, 생물발효 등 다양한 생화학물 제조공정에서 나오는 특정
물질에 대한 분석에 사용

군사 : 사린, 탄저균, 신경가스 등 대량 살상무기를 탐지하는데 사용

기타 :  생체물질간의 상호작용을 측정하여 생분자에 대한 다양한 정보를 확보
          단일 분자 거동 측정 등 새로운 분석 기능 제공
         식품에 포함되어 있는 잔류농약, 항생제, 병원균, 중금속 등과 같은 유해 물질 및 부패
         촉진 물질 검출에 사용

 

바이오 센서 시장 전망

- 연평균 10.4%의 성장률을 보이며 ’19년에는 169억 달러의 규모로 성장할 전망

- 바이오센서는 유형별로 의료 관련 분야가 49억 달러(‘Point-of-care’분야와
‘Home diagnostics’분야의 합)로 바이오 센서 전체의 절반에 이르는 비중을
차지할 것으로 전망

- 그밖에 환경, 화학 및 가스 등 공정산업, 군사(화학전) 등의 순으로 높은 비중을
보이는 것으로 나타남

의료분야 바이오센서 기술 및 개발동향

- 바이오 센서는 기술형태별로 크게 FET(Field Effect Transistor), 나노(Nano
Technology), MEMS(Micro Electro Mechanical System) 등 3가지로 구분
- 바이오센서의 개발은 FET 기술의 융합과 더불어 나노에 이은 MEMS 기술 등이
점차 융합되는 과정을 보이는 것으로 나타남
- (FET) 대체로 반도체 집적회로제조공정기법을 이용하며 바이오 물질에 전류를
흘려보내 특정 전류의 형태를 확인하는 기술이 적용된 바이오 센서 기술
- (나노) 단백질(효소, 항원, 항체 등) 또는 DNA 같은 생체 분자와 유사한 특징을
가지는 금속이나 반도체 나노입자를 이용하여 다양한 방법을 통해 관련 분자를
추출해낼 수 있는 바이오 센서 기술
- (MEMS) 반도체의 미세 가공 기술을 응용하여 만든 센서로써 고정밀도의 입력
및 검출 기능을 가짐에 따라 가스 및 바이오 센서로 응용이 가능한 기술
(FET) 바이오 센서의 유형에는 ISFET(Ion Sensitive FET), ENFET(Enzyme
Based FET), IMFEF(Immynological FET) 등이 있음
- (ISFET) 수용액 내부의 이온 농도의 변화 값을 FET가 검출함으로써 기체, 이온,
압력, 습도, 온도 등을 측정하는 기능을 제공할 수 있음
- (ENFET) 효소의 화학적 반응을 이용하여 특정효소를 감지할 수 있는 바이오 센서를
ENFET로 불리며 주로 포도당, 요소 등이 특정효소로 볼 수 있음

- (IMFET) 항체는 특정 항원에만 반응하는 형태를 취하며 실험자가 원하는 항원 만을
감지할 수 있게 구성한 바이오 센서를 의미
(나노) 바이오 센서는 나노광섬유, 나노입자, 나노선, 나노튜브 등과 같은 나노
구조체를 바이오 센서에 응용한 형태가 대부분임
- 특정 염기서열의 DNA가 코팅된 금 나노입자(지름~13 nm) 구조체(용액)를 이용한
진단 기술
※ 특정 DNA간의 선택적 결합으로 나노입자의 색깔 변화를 유도함으로써 생체물질 내 특정
질병 관련하여 바이오 마커로써의 기능을 제공함
- 나노선 기반 트랜지스터를 이용한 나노바이오 센서 개발 기술
※ 반도체 특성을 지닌 나노선 또는 탄소나노튜브를 전극 사이에 연결하고, 표면에 특정
바이오 물질을 코팅(항체 등)한 후 생체 물질 시료와 반응시킴으로써 생성되는 전기전도도의
변화 값 측정
- 탄소나노튜브를 전기･화학적 바이오센서의 신호분석기로 활용
※ 센서 검출기 부분에 특정물질과 결합할 수 있는 물질(항체, 압타머 등)을 탄소나노튜브
표면에 고정한 후, 여기에 생체물질(DNA, 단백질)을 떨어뜨렸을 때 생기는 전기적 신호
변화를 측정
(MEMS) 마이크로미터 수준의 초소형전자기계 제작기술을 활용해 이미 밝혀진
유전자 조각을 대량으로 고정화 시켜놓고 검사물질을 반응시켜 질병을 진단
- 극소량의 검사물질(체액, 피, 타액 등)로 각종 진단 및 검사를 빠르게 수행할 수
있으며, 의료용 진단기기의 소형화가 가능함