경북대학교 BRL 후속연구인 ‘나노바이오 융복합형 고성능 분석 시스템 연구실(2025년 9월호)

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경북대학교 BRL 후속연구인 ‘나노바이오 융복합형 고성능 분석 시스템 연구실’(연구단장 이혜진 교수)은 1단계 연구에서 개발한 폐암 진단용 나노바이오 융합형 분석 시스템에 폐암 유발 생활환경 유해인자의 정밀 측정을 위한 새로운 분석 시스템을 융합하여 질환의 토탈 케어 방법론을 제시하고자 한다. 이를 통해 폐암 진단에 국한되지 않고 예측과 예방까지 포함하는 통합적 관리 체계를 구축하고, 궁극적으로는 고부가가치를 창출할 수 있는 의·과학 융합 기술로 발전시키는 것을 목표로 하고 있다.

본 연구실은 분광분석, 전기화학분석, 질량분석 등 다양한 분석 기술을 보유한 연구자들과 유무기 나노 소재 합성 및 응용 전문가들이 협력하여, 생활환경 유해인자 검출을 통해 폐암을 비롯한 각종 질환의 진단, 예측, 예방이 가능한 실용적 토탈케어 시스템 구현을 목표로 융복합 연구를 수행하고 있다. 특히, 신개념의 토탈 케어 방법론을 확립하기 위한 본 연구는 기능성 무기 나노소재 개발, 고감도 및 고선택적 분석 시스템의 설계, 그리고 이들의 유효성 평가를 위한 분석법 확립을 포함하는 통합 연구 개발 형태로 이루어진다. 나아가, 폐암 유발 환경 유해인자와 폐암 진단용 바이오마커를 동시에 분석할 수 있는 기술을 국내 최초로 구현함으로써, 진단, 예측, 예방으로 이어지는 선순환 체계를 구축하는 분석 플랫폼 개발을 추진 중이다.

특히, 폐암 유발과 관련하여 임상적으로 의미가 있을 수 있는 잠재적인 생활환경 유해인자들(포름알데히드, 프탈레이트, 아세트산에틸, 휘발성 유기 화합물, 다환 방향족 탄화수소, 미세먼지 내 화학물질 등)을 선별하고, 바이오 기능화된 고성능 유무기 나노소재를 적용한 전기화학 기반 및 페이퍼칩 기반 분석 플랫폼을 개발하여 실제 시료 분석에 활용하는 연구를 수행하고 있다. 또한, 유해인자와 바이오마커 간 상관관계를 분석한 정성 및 정량 데이터를 기반으로 빅데이터를 구축하고, 딥러닝 모델을 활용하여 진단 및 예측 정확도를 향상하는 연구도 함께 진행하고 있다. 본 연구의 최종 단계에서는 통합 센싱 플랫폼의 성능을 극대화하고, 질병 진단 및 예측을 위한 분석법을 고도화하며, 사용자 중심의 인터페이스 시스템을 구현함으로써, 폐암의 조 기 진단과 예방을 실현할 수 있는 차세대 토탈 케어 방법론을 완성할 계획이다.

1. 구체적 연구 추진 현황

연구실은 현재 유무기 나노소재 기반 고감도 센싱 기술과 딥러닝 기반 분석 모델을 융합하여, 폐암 예방 과 예측에 최적화된 분석 방법론 개발에 박차를 가하고 있다. 이를 위해, 생활환경 유해인자와 폐암 바이오마커 간의 상관관계를 정밀하게  분석하고 있으며, 다양한 고감도 나노소재 개발에도 주력하고 있다. 본 연구실은 탄소 나노소재, 목적 지향형 다공성 금속 유기 구조체(MOF), 양자점 등 첨단 소재를 합성하고, 입자의 형태와 크기, 표면 조성을 정밀하게 제어하는 합성 기술을 고도화하여, 센싱 플랫폼의 민감도와 선택성을 높이 는 데 집중하고 있다.

이와 함께, 분석 시스템에 딥러닝 모델을 적용함으로써, 폐암 유발 유해인자의 선별 정확도와 재현성을 실험적으로 검증하는 연구도 병행하고 있다. 개발된 분석 플랫폼을 통해 수집된 다양한 센싱 데이터를 기반으로 유해인자와 바이오마커 간의 복합적 패턴을 학습하는 알고리즘을 설계 중에 있으며, 궁극적으로 폐암 진단 예측 신뢰도를 향상시키는데 활용하고자 한다.

2. 국내외 연구성과

각 연구실 소속 연구원들은 각자의 전문 분야에서 우수한 연구성과를 지속적으로 도출해내고 있으 며, 이를 바탕으로 후속 연구 개시(2023.03.01.) 후 현재까지 SCI급 국제 저널에 40여 편의 논문을 발표하였고, 그 중 공동 논문을 9편 게재하였다[ACS Sens., 2024, 9, 1321; Chem. Eng. J., 2023, 474, 145472; Chem. Eng. J., 2024, 488, 151022; Chem. Eng. J., 2024, 499, 156148; Coord. Chem. Rev., 2023, 495, 215382; Coord. Chem. Rev., 2025, 524, 216325; Coord. Chem. Rev., 2025, 542, 216888; Sens. Actuators B Chem., 2023, 380, 133313; Sep. Purif. Technol., 2024, 347, 127602]. 대표적으로, 공동 연구를 통해 『ACS Sens.』에 게재된 논문에서는 본 연구에서 제안한 바이오 마커 기반 검출 전략의 실현 가능성을 구체적으로 입증하였다. 이러한 학술적 성과와 함께, 유기적인 기초 연구실 과제 수행을 통해 특허 2건 등록, 1건 출원, 기술이전 3건 등 산업적 활용 측면에서도 의미 있는 성 과를 거두었다. 주요 학술적 성과는 다음과 같다. 첫째, 소변 한 방울로 만성 신장 질환(CKD)을 자가 예측 할 수 있는 진단 키트를 개발하였다. 해당 연구에서는 소변 내 CKD 바이오마커인 트랜스글루타미네이스 2(TGM2)를 고감도로 검출하는 기술을 구현하였으며, MIL-101(Fe)에 폴리아크릴산 링커를 도입하여 MOF 표면의 안정성을 확보함과 동시에 기존 금 나노입자 기반 측면유동분석(LFA) 대비 약 55배 향상된 감도를 달성하였다. 또한, 딥러닝 기반 정량 분석 모델을 구축하여, 실험 데이터를 학습시킴으로써 분석 정확도와 재현성을 크게 향상시켰고, 스마트폰 카메라를 활용한 인공지능 기반 분석 시스템(AI-SAT)을 개발하여, 사용자 편의성과 객관적 분석 능력을 고도화하였다. 해당 기술은 2024 Meditek Innovation Awards 에서 ‘Excellent’ 부문을 수상하였다 [Supianto M., ACS Sens., 2024, 9, 1321].

둘째, 간암 진단 바이오마커인 TGM2와 이종 핵 리보핵단백질 A1의 고감도 및 고선택적 동시 검출을 위한 새로운 샌드위치형 분석 플랫폼을 개발하였다. MOF 입자에 DNA 압타머 또는 항체를 고정하여, 선택성을 높였으며, 알칼리 인산분해효소가 결합된 2차 항체를 활용한 샌드위치 복합체를 기반으로 최대 8개의 시료를 동시에 분석가능한 기술을 구현하였다. 이를 통해 환자 혈액 시료 내에서 상기 두 가지 바이오마커 농도와 간암발병 간의 상관관계를 규명하였다 [JingJing Li, Sens. Actuators B Chem., 2023, 380, 133313].

셋째, 금속 나노입자의 표면을 전기화학적 방법으로 정밀하게 산화시켜, 특정 구조를 선택적으로 성장시키는 합성법을 개발했다 [Kabiraz M.K., 김정현, Adv. Funct. Mater., 2024, 34, 2406175; Shaik S., 김정현, Nano-Micro Lett., 2025, 17, 186; Kabiraz M.K., ACS Catal., 2024, 14, 3756]. 이 기술을 활 용하여 나노입자의 표면을 세계 최고 수준으로 개질하고, 본 BRL 연구실의 목표인 바이오마커 검출의 고 선택성 및 고효율 감도를 달성하는 협업을 수행하고 있다. 또한, 머신러닝을 활용하여 핵자기공명(NMR) 및 푸리에 변환 적외선 분광법(FT-IR) 분석 결과물을 빠르게 해석할 수 있는 방법론을 개발하였고, 이를 통 해 대량의 환자 시료를 빠르게 분석해 낼 수 있는 가능성을 확인하였다 [이관호, 심혜경, ACS Omega, 2025, 10, 12717].

넷째, MOF에 다양한 작용기를 손쉽게 도입하는 합성 법을 개발하였으며, 이 기술을 활용하여 유해 유기물을 선 택적으로 흡착/제거하였다 [박도현, Chem. Eng. J., 2025, 520, 165742; 이규동, Chem. Eng. J., 2025, 512, 162300;

이규동, J. Water Process Eng., 2024, 65, 105791; 이규

동, J. Hazard. Mater., 2023, 443, 130133]. 이러한 기술 은 본 BRL 연구실의 목표 달성을 위한 선택적이면서 고효율의 나노자임 개발에 적용될 수 있는 소재의 합성 및 기능 화에 기여할 수 있을 것으로 예상한다.

다섯째, 본 연구실은 질량분석 기반의 비표적 분석과 효과 지향 분석을 통합한 새로운 분석법을 개발 함으로써, 복합 환경 시료에서 유해 화합물을 반복성 있게 구조 규명할 수 있는 고도화된 기술을 확립하였다. 특히, 고해상도 질량분석기(UPLC-Orbitrap-MS)를 기반으로 한 본 분석법은 고압세척(hydr blast- ing) 유출수에서 검출된 미지의 유기 화합물에 대해 독성 분획 분석과 MS/MS 스펙트럼 기반 구조 추론을 통하여 총 68종의 화합물을 동정하였고, 이 중 7종의 독성 유발 화합물은 표준물질을 통해 Level 1 신뢰도로 확정하였다. 이러한 고감도 분석법은 기존의 표적 분석만으로는 확인이 어려운 복합 오염원 내 유해 물질을 규명하는 데 탁월한 정확도와 반복성을 제공하며, 실제로 본 방법을 통해 선박 외판 고압세척에 의한 해양 유입 독성물질의 정량 및 잠재적 환경 노출량(연간 16톤 이상)을 평가할 수 있었다. 따라서 본 질량분석 기반 분석법은 향후 산업 현장의 오염물질 배출 실태 평가 및 고위해군 유해물질의 선별 및 검출을 위한 핵심 도구로 활용될 것으로 기대된다 [Ahmad, J. Hazard. Mater., 2025, 496, 139155; 박건도, Env- iron. Pollut., 2025, 380, 126526].

이혜진 연구단장

경북대학교 화학과 교수

경북대학교

BRL(기초연구실 후속연구) 나노바이오 융복합형 고성능 분석 시스템 연구실

“경북대학교 나노바이오 융복합형 고성능 분석 시스템 연구실은 질환의 조기 진 단과 예방에 기여할 수 있는 나노바이오 융복합 기술 개발을 연구 철학으로 삼고 있 습니다. 특히 폐암을 유발할 수 있는 생활환경 유해인자와 폐암 진단용 바이오마커 의 상관관계를 규명하고, 이를 동시에 분석할 수 있는 기술을 구축하여 국민 건강 증 진에 이바지하고자 합니다.”

본 기초연구실은 현재 이혜진 교수(책임연구원)를 비롯해 정성화 교수, 김성환 교수, 최상일 교수 등 공동연구원과 리서치 펠로우 1명, 박사후 연구원 3명, 박사과정 6명, 석사과정 10명 등 총 26명의 연구 인력으로 구성되어 있다. 연구책임자인 이 혜진 교수는 2020년부터 현재까지 기초연구실 ‘나노바이오 융복합형 고성능 분석시스템 연구실’을 이끌며, 유무기 나노소재의 독창적인 광전기적 특성과 생체분자의 타겟 인지 기능을 결합한 새로운 형태의 센서 기술을 연구하고 있으며, 나노바이오소재들을 광학 및 전기화학 기반의 플랫폼에 sus 9용의 전문가이며 피인용이 높은 다수의 논문을 지속적으로 발표하고 있다. 특히 2018년부터 2022년까지 5년 연속으로 세계 최고 영향력을 가진 연구자(Highly Cited Researcher, HCR)로 선정되었고 2022년 이후 현재까지 3년 연속으로 Scholar GPS에 의해 ‘세계 상위 0.05% 최우수 랭킹 학자(Highly Ranked Sch lar, HRS)’로 선정된 바 있다. 최상일 교수는 금속 및 금속 산화물 나노 촉매의 모양, 크기 및 조성 등의 조건들을 효과적으로 제어하는 합성법 개발과 촉매 소재들의 물리화학적 특성 분석 및 수소 에너지 분야로의 응용 연구의 전문가이다. 특히 그간의 연구성과를 인정받아, 2018년 ‘POSCO Science Fell w’, 2020년 ‘JACS Young Investigator’, 2023년 ‘과학의날 국무총리표창’을 수상한 바 있다.