CMOS-Based Multiplexed NMR Acquisition toward High-Throughput Spectroscopy

화학 분석은 종종 시간과의 싸움처럼 느껴지는데, 특히 과학자들이 수백 또는 수천 개의 서로 다른 샘플의 구성을 이해해야 할 때 더욱 그렇습니다. 이 작업에 사용되는 가장 강력한 도구 중 하나는 핵자기공명(NMR)으로, 이는 강한 자기장과 라디오파를 사용하여 분자의 정밀한 구조를 밝혀내는 기술입니다. 이는 샘플을 파괴하지 않는 부드러운 방법으로, 연구자들이 원자들이 어떻게 배열되어 있고 어떻게 상호작용하는지를 정확하게 볼 수 있게 해줍니다. 그러나 이 기술을 사용하는 전통적인 방식은 느립니다. 표준 장비들은 한 번에 하나의 샘플만 보도록 설계되어 있으며, 여러 샘플을 동시에 관찰할 수 있는 경우라도 그 모든 것을 듣기 위해 필요한 장비는 부피가 크고 비싸며 케이블이 엉킨 복잡한 형태가 됩니다. 이러한 병목 현상은 과학자들이 새로운 약물을 스크리닝하거나 복잡한 생물학적 혼합물을 연구하는 속도를 제한하며, 데이터의 품질을 희생하지 않으면서도 이 과정을 가속화할 수 있는 방법에 대한 절실한 필요성을 만들어냅니다.

독일 카를스루에 대학(Karlsruhe Institute of Technology)의 연구팀은 복잡한 병렬 검출용 전자 장치를 아주 작은 컴퓨터 칩으로 축소함으로써 이 문제를 해결하는 새로운 접근 방식을 개발했습니다. 그들의 연구는 멀티플렉싱(multiplexing)이라 불리는 방법에 초점을 맞추고 있는데, 이는 여러 개의 라디오 신호가 서로 간섭하지 않고 동시에 하나의 전선을 따라 이동할 수 있게 해주는 방식입니다. 이 아이디어를 테스트하기 위해 그들은 표준 실리콘 제조 기술을 사용하여 단 3mm x 4mm 크기의 맞춤형 칩을 제작했습니다. 이 작은 장치는 라디오파를 위한 교통 통제관 역할을 하며, 네 개의 서로 다른 샘플 검출기로부터 오는 신호를 받아 이를 하나의 스트림으로 결합하여 컴퓨터로 전송해 분석할 수 있게 합니다. 이렇게 함으로써 그들은 네 개의 별도 수신기 포트와 이들을 컴퓨터에 연결하는 무거운 케이블 뭉치가 필요하지 않게 되었으며, 결과적으로 하드웨어의 비용과 복잡성을 4분의 1 수준으로 줄였습니다.

연구진은 이 시스템이 실제 환경에서 작동할 수 있는지 확인하기 위해 두 가지 다른 시나리오에서 테스트를 진행했습니다. 첫 번째 실험에서 그들은 네 개의 별도 검출기가 포함된 특수 프로브를 사용했으며, 각 검출기에는 서로 다른 액체 샘플이 들어 있었습니다. 두 개의 검출기는 수소 원자를 듣도록 조정되었고, 나머지 두 개는 불소 원자를 듣도록 설정되었습니다. 그들은 이 프로브를 강력한 자석 안에 넣고 샘플을 시스템에 통과시켰습니다. 새로운 칩이 없었다면 기계는 데이터를 컴퓨터로 보내기 위해 네 개의 별도 케이블이 필요했을 것입니다. 대신, 칩은 네 개의 신호를 하나의 케이블로 결합했습니다. 결과는 매우 성공적이었습니다. 컴퓨터는 신호를 다시 분리하여 네 가지 샘플 모두에 대한 명확한 스펙트럼을 동시에 생성할 수 있었습니다. 일부 채널에서 신호 선명도가 약 8%에서 32% 정도 약간 떨어졌지만, 연구진은 단순히 측정을 반복하고 결과를 평균 내는 것만으로도 품질을 회복할 수 있다는 것을 발견했습니다. 32회의 스캔을 평균 냈을 때, 신호 품질은 5배 이상 향상되어 이러한 과정에서 기대되는 이론적 한계치에 거의 도달했습니다.

설계의 유연성을 더욱 입증하기 위해, 팀은 하나의 샘플을 담고 있지만 수소와 탄소라는 서로 다른 유형의 원자에 맞춰 조정된 두 개의 코일을 가진 다른 프로브를 사용하여 두 번째 실험을 수행했습니다. 이 설정은 칩이 동시에 서로 다른 원소의 신호를 처리할 수 있는지 테스트할 수 있게 해주었습니다. 그들은 약간 더 작은 자석에서 실험을 진행했으며, 다시 두 신호를 하나의 케이블로 결합했습니다. 결과는 칩이 서로 매우 다른 주파수로 진동하는 서로 다른 원자핵의 신호를 성공적으로 관리할 수 있음을 확인시켜 주었습니다. 신호 품질은 높게 유지되었으며, 수소 신호의 선명도 손실은 아주 미미했고 탄소 신호의 손실은 거의 감지할 수 없는 수준이었습니다. 16회의 스캔을 평균 냄으로써, 그들은 다시 한번 신호 강도를 거의 완전히 회복하였으며, 이는 시스템이 장기 실험에 충분히 안정적임을 보여주었습니다.

이 새로운 방법의 가장 큰 장점 중 하나는 시간을 절약해 준다는 점입니다. 전통적인 설정에서는 만약 과학자가 네 가지 서로 다른 샘플에 대해 32번의 측정을 수행하고 싶다면, 기계가 한 샘플을 마칠 때까지 기다렸다가 다음 샘플을 진행하는 과정을 네 번 반복해야 합니다. 멀티플렉싱 시스템을 사용하면, 이 32회의 사이클 동안 네 가지 샘플이 동시에 측정됩니다. 이는 전체 실험에 소요되는 시간이 4분의 1로 단축됨을 의미하며, 이는 신약 개발과 같은 고처리량(high-throughput) 작업에서 엄청난 이득입니다. 연구진은 또한 시스템이 신호가 휴지 상태로 돌아오는 데 걸리는 시간을 측정하는 데 사용되는 복잡한 펄스 시퀀스와 같은 과정을 안정성을 잃지 않고 처리할 수 있음을 보여주었습니다. 심지어 그들은 소프트웨어를 사용하여 채널 간의 미세한 간섭을 정리함으로써, 한 샘플의 데이터가 다른 샘플의 데이터로 흘러 들어가지 않도록 보장할 수 있음을 보여주었습니다.

이 연구의 성공은 핵자기공명 분광법의 미래가 훨씬 더 좁은 공간에 밀집된 검출기 배열을 갖추는 방향으로 나아갈 수 있음을 시사합니다. 이 칩은 매우 작고 많은 기능을 통합하고 있기 때문에 샘플에 매우 가깝게 배치될 수 있으며, 이는 전기가 긴 와이어를 통해 이동할 때 발생하는 신호 손실을 줄여줍니다. 연구진은 현재의 칩이 표준 제조 공정으로 만들어졌지만, 향후 버전은 훨씬 더 작은 특징들을 가질 수 있어 단일 장치에 더 많은 채널을 집약할 수 있다고 언급했습니다. 이는 결과적으로 수십 개의 샘플을 동시에 분석할 수 있는 분광기를 만들어 대규모 화학적 스크리닝에 접근하는 방식을 변화시킬 수 있습니다. 이 연구는 부피가 크고 다수의 케이블이 필요한 기존 시스템의 한계를 우회하는 것이 가능하다는 것을 확인시켜 주며, 더 빠르고 효율적이며 저렴한 화학 분석을 향한 실질적인 경로를 제시합니다.