생체 친화적 양자 바이오센싱 칩 QBiC로 실시간 온도와 자기장 측정

초록

Q‑BiC는 마이크로플루이딕스와 온도 제어가 가능한 마이크로파 전송 라인을 통합한 칩으로, 나노다이아몬드 NV 센서를 이용해 살아있는 세포와 선형동물(C. elegans)에서 광학 검출 자기공명(ODMR)과 양자 온도계측을 수행한다. 마이크로파 전력에 대한 세포·동물의 생존 한계를 정량화하고, 30 mK 수준의 온도 안정성을 구현함으로써 생체 시스템에 손상을 주지 않는 양자 센싱을 가능하게 한다.

상세 분석

본 논문은 양자 스핀 센서, 특히 질소‑공석(NV) 센터를 이용한 나노다이아몬드 입자를 생체 시료에 적용하기 위한 하드웨어 플랫폼인 Q‑BiC(Quantum Biosensing Chip)를 설계·제작하고, 그 성능과 생체 적합성을 체계적으로 검증한다. Q‑BiC는 150 µm × 5 mm의 투명한 관찰 영역을 갖는 유리 기판 위에 50 Ω 매칭된 공동 평면 전송선(CPW)을 패터닝하고, 마이크로파 전송을 위해 SMP 커넥터와 외부 소스에 연결한다. 전송선은 5 µm PDMS 또는 2 µm 파릴렌 C 절연층으로 보호되어 자동 형광 배경이 최소화된다. 전자기 시뮬레이션(FEM)과 스캐닝 NV 마이크로스코프 측정을 통해 전송선 근처의 마이크로파 자기장 분포가 설계값과 일치함을 확인했으며, Rabi 진동을 이용해 현장 자기장의 크기를 정량화하였다.

온도 제어 측면에서는 금 히터와 금 저항 온도 감지기(RTD)를 동일 칩에 통합하여, 저항‑온도 관계를 선형 보정(η ≈ 0.003 K⁻¹)하고 PID 제어 루프를 적용해 전역 온도를 ±30 mK 이내로 안정화한다. 히터 전압을 0–5 V 범위에서 변화시켰을 때 발생하는 온도 상승은 열전달 모델(Cv·dT/dt = εV²R_heater − k(T − T₀))과 잘 맞으며, 대류 손실을 포함한 고전압 영역에서도 시뮬레이션과 실험이 일치한다.

생체 적합성 평가는 두 단계로 진행되었다. 첫째, HeLa 세포를 PDMS 웰에 배양하고 Q‑BiC 위에 배치한 뒤, 0–21.8 dBm(≈0.15–0.15 W) 마이크로파를 4 시간 연속 적용하였다. 세포 내부 소포의 평균 제곱 변위(MSD)를 시간 간격 10 s로 측정했으며, MSD가 통계적으로 변하지 않을 경우 세포가 정상적인 점성 환경을 유지한다고 판단한다. 21.8 dBm 이하에서는 MSD가 유지되어 세포 사멸이 없었고, 25.6 dBm 이상에서는 20 분 이내에 MSD가 급격히 감소하고 트립판 블루 염색으로 사멸이 확인되었다. 이는 마이크로파에 의한 국부 가열이 300 µm 이내에서 온도 상승을 일으켜 세포를 손상시킨다는 것을 의미한다.

둘째, 비마취 성인 C. elegans를 미세 유리 채널에 고정하고, 동일한 마이크로파 조건에서 ODMR 신호를 획득하였다. 온도 센서(NV)와 형광 스트레스 리포터(HSF‑1::GFP)를 동시에 관찰함으로써, 마이크로파에 의한 열 스트레스가 유전체 수준에서 감지되지 않음을 확인했다. 21.8 dBm 이하에서는 ODMR 스펙트럼이 안정적으로 유지되었으며, 온도 보정이 가능한 온도 스텝을 적용해 나노스케일 열 변화를 정밀히 측정할 수 있었다.

이러한 결과는 (1) 마이크로파 전송 라인의 설계가 생체 시료에 균일한 자기장을 제공하고, (2) 온도 제어 회로가 실시간으로 전역 온도를 모니터링·조절함으로써 국부 가열을 최소화하며, (3) 마이크로파 전력 21.8 dBm 이하가 대부분의 살아있는 세포·동물에 대해 비독성임을 입증한다는 점에서, 양자 센서를 실제 생물학적 연구에 적용하기 위한 핵심 기술적 과제를 해결했다는 의의를 가진다.