김남영 교수(전자공학과)연구팀, 마이크로파를 이용한 

극저농도의 암배아항원(CEA) 검출 바이오 센서 개발

- JCR ranking 97.6 % Q1, IF: 12.6 과학전문지 biosensors and bioelectronics 게재 -

- 극저농도의 암배아 항원 검출 바이오 센서 개발에 성공 -

본교 전자공학과 김남영 교수가 이끄는 연구팀은 제자인 청도대학교 요소 교수(광운대학교 전자공학과 박사학위 졸업생)와의 공동연구를 통하여 극저농도의 암배아 항원 검출 바이오 센서 개발에 성공했다.

 

본 연구는 종양 마커의 조기 진단 및 스크리닝은 효과적인 암 치료와 종양 재발 및 전이의 치료 효율성 및 예후를 개선하는 데 필수적이다. 디지털 전극 구조(IDTSRR) 기반의 분할 링 공진기 회로를 개발하여 극저농도의 암배아 항원(CEA)을 감지하는 머신 러닝과 함께 마이크로파 바이오 센서에 적용했다. CEA는4.33GHz의 공진 주파수에서 작동하는 마이크로파 센서를 사용하여 감지되었으며, 마이크로파 센서가CEA 분석 물질에 노출되면1~2GHz 범위의 새로운 주파수를 생성하는 것을 발견했다. 새로 생성된 주파수의 위치와 강도를 사용하여CEA 용액의 농도를 특성화하고 예측할 수 있다. 

제안된 센서는 다양한 농도의CEA에 대해 우수한 공진 선형성(R2 = 0.999)을 나타내며, 매우 낮은 검출 한계(39pg/mL)와 높은 민감도(27.5MHz/(ng/mL))를 나타낸다. 혈액 샘플의CEA 농도를 예측하기 위해 머신 러닝 접근 방식이 구현되었으며, 그 결과는 센서에서 감지한CEA 농도와 거의 일치하는 것으로 나타났다. 웨스턴 블롯을 사용하여 네 가지 세포 유형의CEA 함량을 비교하고 바이오 센서를 검증에 사용했으며, 두 실험의 결과는 양호한 일치도를 보였다. 이것은 세포 수준에서 바이오 센서 신뢰성을 검증한 첫 번째 사례이다. 제안된 개념은 편리하고 신속한 종양 마커 검출로 뛰어난 검출 성능을 보여준다. 따라서 암에 대한 보조 진단 방법으로서 중요한 의미를 갖는다.

[사진설명: CEA 농도 감지 시스템의 개요]

[사진설명: 센서 제작 프로세스 및CEA 분자 구조. (a) 포토리소그래피 및 화학 에칭을 사용한 센서 준비의 개요, (b) CEA 분자식 및3D 모델 표현, (c) 순수 센서의 전기장 시뮬레이션, (d) 용액이 있는 센서의 전기장 시뮬레이션, (e) 용액 낙하 후SEM 특성 분석, (f) 용액 낙하 후 부분 증폭

한편 이번 연구결과는 Elsevier에서 발간하는 국제 저명 논문지인 Biosensors and Bioelectronics (IF=12.6 JCR ranking 97.6 %) “Detection of carcinoembryonic antigen specificity using microwave biosensor with machine learning”제목으로 실렸다.(https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116908)