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.

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.

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.

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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.