한국재료연, 극미량 세균 1시간 내 검출 기술 개발 성공

바이오·헬스재료연구본부 이민영 박성규 박사 연구팀

플라즈모닉 금속 나노구조 기반 패혈증 신속진단 가능

[창원=뉴시스]극미량 세균의 새로운 신속 분석기술 개발한 한국재료연구원 연구진. 왼쪽부터 박성규 책임연구원, 이지영 박사후연구원, 장은비 학생연구원, 김태언 학생연구원, 이민영 선임연구원.(사진=한국재료연구원 제공) 2026.09.09. [email protected]

[창원=뉴시스]홍정명 기자 = 한국재료연구원(KIMS)은 바이오·헬스재료연구본부 이민영 박성규 박사 연구팀이 박테리아의 표면과 주변에 플라즈모닉 금속 나노구조를 성장시켜 극미량의 살아있는 세균을 신속 검출할 수 있는 새로운 분석기술 개발에 성공했다고 9일 밝혔다.

이는 기존의 표면증강 라만 분광법(SERS, Surface-Enhanced Raman Scattering)의 구조적 한계를 극복한 새로운 세균 검출 기술로, 별도의 배양 과정 없이 극미량의 박테리아를 1시간 이내 검출하고 항생제 반응도 2시간 이내 평가가 가능해 향후 패혈증 같은 중증 감염질환 신속 진단 및 정밀 항생제 치료에 활용될 것으로 기대된다.

패혈증은 감염에 대한 인체의 과도한 반응으로 장기 기능에 이상이 생기는 중증 질환으로, 원인균을 빠르게 찾아 적절한 항생제를 투여하는 게 중요하지만 감염 초기에는 혈액 속 박테리아가 극소량이어서 직접 검출하기 쉽지 않다.

현재 널리 사용되는 혈액배양 검사는 혈액 속 박테리아를 증식시킨 후 원인균과 적절한 항생제를 확인해야 하기 때문에 최종 결과를 얻기까지 수십 시간에서 수일이 걸릴 수 있다.

이에 KIMS 연구팀은 박테리아 자체를 나노구조 성장의 중심으로 활용해 표면과 주변에 플라즈모닉 금속 나노구조를 직접 형성하고 신호를 증폭하는 SERS 분석기술을 개발했다.

박테리아 주변의 나노구조 성장에서 시작해 표면 직접 도금, 분리·농축과 추가 성장까지 3단계에 걸쳐 기술을 고도화하여 극미량 세균의 검출 성능을 높인 것이다.

SERS는 금이나 은과 같은 금속 나노구조 사이에 형성되는 강한 전자기장인 '플라즈모닉 핫스팟(Hot Spot)'을 이용해 물질 고유의 미세한 라만 신호를 증폭하는 기술로, 기존에는 수~수십 나노미터(㎚) 크기의 핫스팟과 약 1마이크로미터(㎛) 크기의 박테리아 사이에 크기 차이가 있어 박테리아 표면 일부만 신호 증폭 영역과 접촉하는 한계가 있었다.

연구팀은 박테리아를 작은 핫스팟에 맞추는 대신 박테리아가 있는 곳에 핫스팟을 직접 형성해 별도의 표지물질 없이도 박테리아 고유의 라만 신호를 크게 증폭시켰고, 그 결과 1~10 CFU/㎖ 수준의 극미량 박테리아를 1시간 이내에 검출하는 데 성공했다.

[창원=뉴시스]한국재료연구원 바이오·헬스재료연구본부 이민영 박성규 박사 연구팀이 개발한 박테리아 표면 전기화학 도금 및 비표지 SERS(표면증강 라만분광법) 검출 작동 원리도.(사진=한국재료연구원 제공) 2026.09.09. [email protected]

혈청과 소변에 살아있는 박테리아를 첨가한 모사 시료에서도 검출 성능을 확인했으며, 살아있는 박테리아에 항생제를 처리한 뒤 나타나는 SERS 신호 변화를 분석해 2시간 이내에 항생제 반응을 평가할 가능성도 확인했다.

연구팀은 앞으로 실제 혈류 감염 및 패혈증 환자의 혈액을 대상으로 임상 검증을 추진하고, 원인균 검출과 항생제 감수성 평가를 통합한 패혈증 신속 정밀진단 플랫폼으로 기술을 고도화한다는 계획이다.

연구책임자인 이민영 선임연구원은 "이번 연구는 박테리아가 있는 곳에서 나노구조를 직접 성장시키고 분리·농축 기술을 결합해 극미량의 세균 검출 한계를 극복한 것이 핵심"라며 "향후 실제 감염 환자의 혈액에서 원인균을 신속하게 검출하고 항생제 반응까지 평가해 패혈증의 빠른 치료 결정에 기여하고자 한다"고 말했다.

박성규 책임연구원은 "플라즈모닉 나노 소재의 신호증폭 특성을 박테리아의 표면과 주변에 직접 구현해 기존 SERS의 구조적 한계를 극복했다"면서 "임상 환경에서도 활용할 수 있는 초고감도 감염 진단 플랫폼으로 발전시켜 나갈 것"이라고 밝혔다.

이번 연구 성과는 산업통상부 소재부품기술개발사업과 KIMS 기본사업 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 바이오센서·나노소재 분야 국제학술지 '케미칼 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, IF: 12.5)' 2월 8일자, '바이오센서 앤 바이오일렉트로닉스 (Biosensors and Bioelectronics, IF: 11.8)' 3월 2일자, '스몰 메소드(Small Methods, IF: 9.46)' 8월 16일자에 연이어 발표됐다.


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