바이오센서는 진료, 중환자 직접 감시, 약품투여시스템, 발효 감시 및 제어, 식품 및 약품가공, 약품작용 및 오용 탐지, 환경오염 감시, 어류 양식, 가축진료 등의 분야에 응용할 수 있다.
◇진료=바이오센서는 건강관리 부문에서 가장 널리 응용된다. 바이오센서는 혈액의 가스(산소, 이산화탄소 등) 및 pH, 포도당, 포타슘, 나트륨, 칼슘, 염화물, 중탄산염, 요소, 크리에티닌, 빌리루빈, 콜레스테롤 등의 임상분석에 사용할 수 있다. 많은 업체들은 포도당 감시용 바이오센서 시장의 잠재력을 보고 이의 개발에 힘을 기울여 왔으나 성공한 업체는 그리 많지 않다. 이들은 주로 체내 침습방식, 최소한 침습방식, 비(非)침습방식 등 세가지 방식의 포도당 바이오센서를 개발하고 있다. 침습방식에는 혈관과 같은 인체내에 탐지장치를 장기간 이식하는 방법 등이 포함된다. 글루코메디테크사가 체내 침습방식의 포도당 바이오센서를 개발했으나 아직 신뢰도가 낮은 상태다. 몇 개 업체들이 최소한 침습방식과 비침습방식의 포도당 감지장치를 개발중에 있다. 이밖에 바이오센서는 임신여부나 요도감염 실험 등에 사용할 수 있다.
전염병을 탐지하는 바이오센서는 전염병의 신속한 진단과 감염 정도의 평가를 수치적으로 나타낼 수 있게 해 줄 것이다. 현재 중추신경계통 질환에서의 신경전달 물질의 역할에 대해 연구중인데 신경전달물질의 기능을 감시하는 데 바이오센서를 응용할 가능성이 있다. 또 몇 개 업체들은 FDA의 승인을 받아 가정용 콜레스테롤 기초실험 키트를 상품화했다. 솔리드스테이트케미스트리앤드리겐스버그대학의 연구진은 항원-항체반응을 일으켜 후천성 면역결핍증(AIDS:Acquired Immune Deficiency Syndrome) 바이러스의 감염 여부를 실험 10분 후면 알 수 있는 새로운 인간면역결핍증바이러스(HIV:Human Immunodeficiency Virus) 실험기술을 개발했다.
◇중환자 직접 감시=바이오센서는 중환자에게 면역억제제와 같은 특정 약품을 투여하고 있는 동안 환자를 감시하는 데 사용할 수 있다. 또 환자 혈중이온을 즉각 탐지하는 데도 사용할 수 있다. 기존의 혈액검사 방법은 혈액을 채취한 다음 이를 실험실로 보내서 분석하기 때문에 시간이 많이 걸렸다. 현재 나와 있는 대부분의 바이오센서 시스템은 혈액의 응고 및 가스 분석용 제품이다.
이 분야에서는 iSTAT와 다이어메트릭스메디컬이 휴대형 혈액 분석시스템을 출시했고 어백시스(Abaxis Inc.)가 탁상용 분석장치를 발표했다. 한편 μ(미크론)-바이오닉스(Bionics)는 혈중 이산화탄소, 산소, pH 등을 지속적으로 측정할 수 있는 전기화학 다기능 센서를 개발하고 있다. 이 센서는 인체내에 적용할 수 있고 도뇨관에 들어갈 정도로 작게 하는 것을 목표로 하고 있다.
◇약품투여시스템=바이오센서는 인체내에서 약품이 유지해야 할 농도에 따라 약품의 투여량을 제어할 수 있다. 가령 체내에 이식한 인슐린 펌프에 아주 작은 포도당 센서를 부착해 환자가 음식물을 소화하는 정도에 따라 인슐린 펌프가 적정량을 공급할 수 있게 할 수 있다. 그러나 인체에 이식하는 바이오센서는 외부에서 사용하는 것보다 생체 호환성이 있고 더 견고하며 크기가 작고 안정성이 높아야 한다.
약품투여량 제어용 바이오센서의 개발은 주로 포도당 감지기능을 중심으로 이루어지고 있으며 체내 이식가능 포도당 센서의 개발이 추진되고 있다. 샌디에이고 소재 캘리포니아대학 연구진들이 체내 이식가능한 센서 모듈과 포도당 감지 시스템을 개발하고 있는 반면 오사카대학 연구원들은 당뇨병환자의 피하에 삽입할 수 있는 바늘 모양의 포도당 센서를 개발하고 있다.
◇발효 감시 및 제어=발효과정에서 중요한 가스, 이온 및 다른 물질의 내용이나 농도를 온라인으로 분석하기 위한 바이오센서의 수요가 늘어날 것으로 보인다. 생물반응기에서 성장하는 배양균의 변형상태를 감지하려면 샘플을 여러 번 꺼내어 반응기 밖에서 분석해야 하는 번거로움이 있다. 또 그렇게 하려면 샘플을 무균상태에서 분석해야 하는데 고가의 제품을 다량 배양할 경우에는 문제가 복잡해진다. 바이오센서가 이러한 문제를 해결해 줄 수 있다. 일본의 다나베세이야쿠사는 D-아스파르트산과 요소를 생물 촉매제로 생산하는 것을 감시하기 위한 바이오센서를 개발했다. 이를 사용함으로써 이 회사는 감시요원이 24시간 교대근무하지 않고 주간에만 근무해도 되었다. 요소 바이오센서는 수명이 30일이며 기존 비색계보다 감지 능력이 우수하다.
◇식품 및 약품 가공=식품산업부문은 매우 다양하고 경쟁이 심할 뿐 아니라 이윤이 박하기 때문에 바이오센서 시장이 형성되기 어려울 것으로 보인다. 따라서 바이오센서업체들은 미생물, 설탕, 식품 변질 표시기, 잔류물, 오염물질 등 일반적인 부문을 공략해야 할 것이다. 식품의 품질에 대한 규제가 강화돼 가는 한편 값싸고 신뢰도가 높으며 사용하기 편한 바이오센서가 개발됨에 따라 바이오센서는 식품산업부문의 화합물을 분석하는 데 유용할 것이다.
신생기업인 바이어코어는 친화력 기반의 바이오센서를 사용해 비타민을 신속하고 간편하게 분석할 수 있는 식품분석시스템을 발표했고 궨트센서(Gwent Sensors Ltd.)는 식품가공업체용 재사용 가능 바이오센서장치를 상용화했다. 또 조지아기술연구소와 로드아일런드대학 연구진들은 생육과 가축에 있는 각종 박테리아와 병균을 동시에 확인할 수 있는 종합 광바이오센서와 장염비브리오균을 탐지할 수 있는 압전 바이오센서 시스템을 각각 개발했다.
약품에 오염물질이 미량이라도 들어있으면 면역 반작용이나 부작용을 일으킬 수 있는데 이를 방지하기 위해 바이오센서 기반의 품질관리시스템을 개발할 필요가 있다. 몰레큘러디바이시스는 단백질 기반 약품에서 오염된 DNA를 탐지하는 품질관리시스템을 개발했다. 그런데 압전 분석 바이오센서는 DNA검사보다 더 신속하게 분석결과를 얻을 수 있다. 듀폰 연구원들은 바이러스성 DNA를 탐지할 수 있는 압전 기반의 바이오센서시스템을 개발했다. 또 제약회사들은 약품을 개발, 생산하려면 메탄올을 제어해야 하는데 YSI는 생명공학적 처리과정에서의 메탄올 수준을 측정하고 제어할 수 있는 바이오센서 기반 분석기를 상품화했다.
◇약품작용 및 오용 탐지=바이오센서는 약품작용에 필요한 분자를 검사하고 약품의 오용을 탐지하는 데 유용하며 앞으로 이 시장은 확대될 것이다. 새로운 분자검사 기술은 제약업체들이 경쟁력을 높이는데 매우 중요하기 때문이다. 스탠퍼드대학의 연구팀은 인체내에서 부작용을 일으킬 가능성이 있는 약품에서 생기는 화학화합물을 체내에서 확인할 수 있는 바이오센서를 개발했다. 이 새로운 바이오센서시스템은 각종 화합물을 탐지할 수 있는 바이오센서 상용화의 길을 열어 놓았다. 현재 나와 있는 바이오센서 기반의 약품 검사 시스템 중에서 가장 두각을 나타내는 것은 바이어코어의 분자 수체구조를 검사하는 종합 시스템이다. 이 제품은 약품 화합물 작용의 정도와 작용체계를 실험하고 각 분자간의 상호작용을 신속하게 분석할 수 있게 해준다.
약품오용을 탐지하는 시스템은 분산환경에서 많이 사용될 것으로 보인다. 이러한 탐지시스템은 주로 중저가 제품이 될 것이다. 해군연구소는 현장에서 사용된 약품을 실험할 수 있는 휴대형 유체 면역 바이오센서를 개발했다. 이를 사용하면 소변에 함유된 5ng 정도의 코카인을 45초 이내에 탐지할 수 있다. 바이오센서애플리케이션스웨덴은 예루살렘의 히브루대학 및 와이즈만과학연구소와 공동으로 코카인, 헤로인, 암페타민(중추신경을 자극하는 각성제) 분자 등을 다른 제품보다 낮은 비용으로 탐지할 수 있는 휴대형 증기 탐지 시스템을 상용화했다. 이 바이오센서는 수정 결정 미량천칭(microbalance) 시스템을 사용한다.
◇환경 오염 감시=바이오센서는 수질이나 대기를 오염시킬 가능성이 있는 광범위한 유독성 화학물질을 현장에서 신속하게 탐지할 수 있다. 기존의 환경감시 기술은 오염 샘플을 채취해 실험실로 갖고 가서 분석하기 때문에 오염발생 즉시 그 위험에 대한 경고를 발표하지 못했다. 현재 몇 가지 형태의 환경 감시 바이오센서가 개발되고 있다. 여기에는 완전 세포, 효소, 항체, 수체 단백질, 리보솜 등을 비롯한 광범위한 생체 구성요소가 사용된다.
완전 세포 바이오센서는 세포가 유독성 물질에 노출돼 그 작용이 지장을 받는 상태를 탐지한다. 세포의 형태는 광합성 박테리아, 뉴론, 포유동물 세포 등 다양하다. 완전 세포 바이오센서가 환경오염 감시에 적용될 수 있다는 것이 입증되기는 했지만 몇 가지 문제점이 있다. 완전 세포 바이오센서 시스템은 대부분 살아있는 세포를 사용해야 하기 때문에 특별하게 취급해야 하고 사용이 복잡해지기 쉽다. 그럼에도 불구하고 몇 개 업체와 대학 등에서 살아있는 세포 바이오센서를 개발했다. 또 효소 기반의 바이오센서와 항체 기반 바이오센서를 개발한 업체들도 있다.
많은 전문가들이 환경 감시용 바이오센서 시장의 잠재력을 의심하지 않지만 기존 화학실험 방식과의 경쟁을 무시해서는 안된다. 바이오센서가 환경오염 감시부문에서 널리 사용되려면 관계 당국의 승인을 받고 기존 경쟁 제품에 대해 가격 경쟁력이 있도록 해야 한다. 환경 분야와 밀접한 관계가 있는 곳이 군사 및 방위부문이다. 이 부문에서 생화학전의 매체를 신속하게 감지하는 데 바이오센서가 유용할 것이다.
◇기타=이밖에 바이오센서는 어류 양식, 가축진료 등에 사용할 수 있다. 이 센서는 메기, 송어, 새우 등 각종 어류의 양식에서 수질과 영양소 및 물고기의 상태 등을 지속적으로 감시할 수 있다. 현재 포도당 감지와 같은 인체 건강관리를 위한 바이오센서에 대한 관심은 매우 높으나 농업이나 가축진료를 위한 센서개발에는 소극적이다. 하지만 앞으로 이 분야 시장도 확대될 가능성이 높다. 특히 동물들은 자신이 느끼는 것에 대한 정보를 수의사에게 전달하지 못하기 때문에 수량적인 결과를 생성하는 바이오센서가 이 부문에서 매우 유용할 것이다.