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DGMIF, 광 바이오센서 설계 기술 개발

이성현 기자 | 기사입력 2020/10/08 [16:55]

【브레이크뉴스 대구】이성현 기자= 대구경북첨단의료산업진흥재단(이사장 이영호, 이하 ‘재단’)은 머신러닝을 이용해 광(光) 기반 바이오센서를 효율적으로 설계하는 기술을 연구개발했다고 8일 밝혔다.

 

이번 설계기술 연구논문은 분석화학 최고 권위지인 ‘바이오센서스 앤 바이오일렉트로닉스’(Biosensors and Bioelectronics, IF: 10.257)에 게재됐다.

 

이번에 개발된 머신러닝 기반 광 바이오센서 설계 및 디자인 기술을 이용하면 특정 조건에서 가장 높은 감도를 갖는 조건을 효율적으로 탐색할 수 있으며, 기존 바이오센서보다 10배 이상 정확한 감도를 가진 진단기구 개발도 가능해진다.

 

재단은 특히 심뇌혈관질환 관련 체외진단기기 개발로 연구결과가 이어질 수 있도록 연구를 계속해나갈 계획이다.

 

재단 첨단의료기기개발지원센터 최종률 박사는 연세대학교 전기전자공학과 문귀영 연구원(주저자, 공동), 이창훈 연구원, 오영진 박사(현 삼성디스플레이), 연세대학교 전기전자공학부 김동현 교수 및 의공학과 김경환 교수와 공동연구를 통해 ‘머신러닝에 기반을 둔 음굴절률 메타물질 플라즈모닉 바이오센서 설계 기술(Machine learning-based design of meta-plasmonic biosensors with negative index metamaterials)’을 개발하고, 그 결과를 분석화학 분야 권위있는 국제학술지인 ‘바이오센서스 앤 바이오일렉트로닉스’에 9월 15일자로 게재했다.

 

‘바이오센서스 앤 바이오일렉트로닉스(JCR rank: 0.58% (Category: Chemistry, Analytical))’는 인용지수 10.257의 분석화학 최고 권위지이다. 이번에 연구개발된 머신러닝 기반 광 바이오센서 디자인 기술은 특정 조건에서 가장 높은 감도를 갖는 바이오센서 사양을 효율적으로 탐색하는 것이 가능하다.

 

바이오센서란 소량의 혈액, 체액 등 검체로 각종 질병을 조기진단하는 기술이다. 현재 포도당을 모니터링하는 혈당측정기 및 질병 진단키트에 많이 사용된다. 재단은 자연에서 발견되지 않은 특성을 갖도록 설계된 메타물질을 이용해 메타물질 플라즈모닉 구조를 가진 바이오센서를 제작하면 DNA 혼성화 측정 결과가 훨씬 정밀해지는 것을 발견했다. 기존 체외진단기기보다 10배 이상 검출 민감도를 보인다면 의료현장의 바이러스 검사 및 가정에서의 심근경색 등 심뇌혈관질환 자가진단에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.

 

재단이 연세대학교와 공동연구개발한 바이오센서의 설계 기술은 기존 물질로부터 획득할 수 없는 음굴절률을 갖는 메타물질을 이용해 DNA 등 미세한 생체 분자 측정이 가능한 광 기반 바이오센서를 머신러닝 알고리즘들을 조합해 효율적으로 디자인하는 기술이다. 구체적으로 시뮬레이션 결과를 바탕으로 선택된 사양의 메타물질로 구성된 광 바이오센서의 반사율을 정확하게 분석할 수 있는 알고리즘을 구축하였다.

 

가장 높은 감도의 바이오센서 후보 중 주어진 반사율 커브 조건에 해당하는 바이오센서 사양을 k-평균 군집화(k-mean clustering)를 통해 찾는 기술이다.(그림2 참조) 이러한 연구 결과는 효율적인 고감도 바이오센서 설계 핵심기술로 활용가능하며, 바이오센서 기반 질병진단, 치료물질 탐색, 높은 효율의 광 신호 감지장치 개발 등 첨단의료기술 연구개발로 확장될 전망이다.

 

최종률 박사는 연세대에서 광생체공학을 전공한 후 13년 재단에 입사했다. “심뇌혈관질환 위험도 등을 본 연구에서 개발된 설계 기술을 바탕으로 구축된 고감도 바이오센서로 감지할 수 있다면, 가정에서 이를 소량의 검체로 진단할 수 있게 될 것이다. 또한, 고감도 바이오센서는 IoT 기술과 연계한 자가 원격 진료 등에 활용할 수 있을 것이라 기대한다. 본 연구성과를 바탕으로 바이오센서 및 광 기반 의료기술 개발, 실용화를 위해 선도적 공동연구개발을 수행하겠다”는 포부를 밝혔다.

 

<아래는 구글번역기로 번역한 기사 전문이다.>

 

DGMIF, optical biosensor design technology development


[Break News Daegu] Reporter Seong-Hyun Lee = Daegu-Gyeongbuk Advanced Medical Industry Promotion Foundation (Chairman Young-ho Lee, hereinafter'Foundation') announced on the 8th that it has researched and developed a technology to efficiently design light-based biosensors using machine learning.

 

This design technology research paper was published in “Biosensors and Bioelectronics” (IF: 10.257), the most authoritative journal in analytical chemistry.

 

Using the machine learning-based optical biosensor design and design technology developed this time, it is possible to efficiently search the condition with the highest sensitivity in a specific condition, and it is possible to develop a diagnostic tool with a sensitivity that is 10 times more accurate than the existing biosensor. .

 

In particular, the foundation plans to continue research so that the research results can be continued with the development of in vitro diagnostic devices related to cardiovascular disease.

 

Dr. Choi Jong-ryul of the Foundation's Advanced Medical Device Development Support Center conducted joint research with Yonsei University's Department of Electrical and Electronic Engineering Researcher Gwi-young Moon (lead author, co), Researcher Lee Chang-hoon, Dr. Through the development of'Machine learning-based design of meta-plasmonic biosensors with negative index metamaterials', the result is an authoritative international academic journal in the field of analytical chemistry. It was published on September 15th in'Biocensus and Bioelectronics'.

 

‘Biosensus and Bioelectronics (JCR rank: 0.58% (Category: Chemistry, Analytical))’ is the most authoritative journal in analytical chemistry with a citation index of 10.257. The machine learning-based optical biosensor design technology developed this time makes it possible to efficiently explore the specifications of the biosensor with the highest sensitivity under specific conditions.

 

The biosensor is a technology that diagnoses various diseases early with a small amount of blood and body fluid. Currently, it is widely used in blood glucose meters and disease diagnosis kits that monitor glucose. The Foundation found that when a biosensor with a metamaterial plasmonic structure is manufactured using metamaterials designed to have properties not found in nature, the DNA hybridization measurement results are much more precise. If the detection sensitivity is 10 times higher than that of existing in vitro diagnostic devices, it is expected to be widely used for self-diagnosis of cardio-cerebrovascular diseases such as virus testing in medical fields and myocardial infarction at home.

 

The biosensor design technology jointly researched and developed by the foundation with Yonsei University is an efficient combination of machine learning algorithms using an optical-based biosensor capable of measuring microscopic biomolecules such as DNA using metamaterials with negative refractive index that cannot be obtained from existing materials. It is a design technology. Specifically, based on the simulation results, an algorithm to accurately analyze the reflectance of an optical biosensor composed of metamaterials of selected specifications was constructed.

 

Among the most sensitive biosensor candidates, it is a technology to find the biosensor specification corresponding to a given reflectance curve condition through k-mean clustering (see Fig. 2). These results are the key to designing an efficient, high-sensitivity biosensor. It can be used as a technology, and it is expected to expand into advanced medical technology research and development, such as biosensor-based disease diagnosis, treatment substance search, and development of highly efficient optical signal detection devices.

 

Dr. Choi Jong-yul joined the foundation 13 years after majoring in photobiotechnology at Yonsei University. “If the risk of cardiovascular disease can be detected with a high-sensitivity biosensor built on the design technology developed in this study, it will be possible to diagnose it with a small sample at home. In addition, it is expected that the high-sensitivity biosensor can be used for remote medical treatment, etc. Based on the results of this research, we will carry out leading joint research and development for the development and practical use of biosensors and optical-based medical technologies.”


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