1. 서 론

특정한 고체 표면에서 균이 흡착, 성장, 탈착의 과정을 거치며 증식하여 만드는 생물막인 바이오 필름(biofilm)은 복수의 세균이 공존하는 환경을 제공한다. 즉, 바이오 필름은 균으로 인해 생성되며 다시 균에게 영양 공급이나 노폐물 배출을 도와주는 서식처를 제공함으로써 균 증식을 가속화하는 원인이 되기도 한다. 이러한 바이오 필름으로 인한 병원성 감염은 진료의 질을 떨어뜨리고 경제적 손실을 가져오며 심각할 경우 사망의 원인이 되는 여러 가지 문제점을 일으키게 된다⁽¹⁾. 특히, 바이오 필름은 일반적인 살균 처리로는 잘 제거되지 않으므로 바이오 필름의 형성을 효과적으로 검출 및 제어하여 병원성 감염 관리를 하는 것이 현재 의료영역에서 필수적인 항목으로 간주되고 있다. 이러한 바이오 필름의 형성을 실시간으로 측정하기 위해 저비용이며 대상 물질에 대한 표지(labeling) 없이 검출이 가능한 비표지(label-free) 방식의 바이오 센서에 대한 연구가 요구되고 있다. 이러한 비표지 검출 기법을 기반으로 하는 바이오 센서 중 광학 바이오 센서는 대상 물질의 생물학적 반응에 따른 광 신호의 변화를 모니터링함으로써 그 기능을 수행하며, 전자기 간섭에 대한 내성, 센서 구현의 용이성, 소형화 가능성, 높은 민감도 및 선택도, 실시간 검출 가능성 등의 장점을 갖는다^(2-6). 특히, 형광 분석법 기반 광학 바이오 센서는 일반적으로 대상 물질에 여기되는 광에 의해 물질 내 형광체가 들뜬 상태가 되었다가 안정화되며 방출하는 상대적으로 장파장의 광 신호, 즉 형광 신호를 측정하여 세기를 정량화하며, 광섬유가 지닌 광학적 특성을 이용하여 높은 감도와 빠른 응답 시간을 가지고 시료와의 접촉 없이 형광 검출이 가능한 광섬유 기반 형광 바이오 센서로의 응용이 가능하다. 이러한 광섬유 기반 형광 바이오 센서를 이용하여 2가지 해양 박테리아에 대해 4×103cells/cm2의 검출 한계를 갖는 비표지 방식의 형광 특성 검출 진단에 관한 연구가 보고된 바 있다⁽⁷⁾. 하지만 이러한 광학 바이오 센서들을 이용하여 생체 소재 반응에 대한 미약한 신호를 측정하는 경우, 검출되는 신호는 필연적으로 다양한 잡음을 수반하게 되므로 광학 바이오 센서는 고감도 검출 성능뿐만 아니라 외부 영향으로 인한 다양한 잡음 신호에 매우 강인해야 하는 특성들이 요구된다. 여러 잡음 속에서 미세한 특정 신호를 검출 및 증폭하기 위한 기법 중 하나인 헤테로다인 복조 기반 신호처리 기법은 특정 신호의 주파수를 기준(reference) 신호 주파수로 사용하여, 특정 신호와 기준 신호를 곱하고 저역통과 필터링(low-pass filtering)을 통해 특정 신호의 진폭만을 추출하는 신호처리 기법이다. 특히, 이러한 헤테로다인 복조 기반 신호처리 기법은 세기 기반 광 센서의 취약점인 검출 신호 요동 및 잡음을 최소화할 수 있는 효율적인 민감도 향상 기술이라는 점에서 고감도 검출이 필요한 광학 바이오 센서의 신호처리 기법으로 많이 적용되고 있으며, 이를 이용하여 신호의 진폭 검출 감도 및 검출 범위를 향상시킴으로써 면역 글로불린 G(IgG)과 항 글로불린(anti-IgG)의 반응에 대해 0.2 nM 검출 한계를 달성한 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance: 이하 SPR) 바이오 센서가 제안되었다⁽⁸⁾. 본 논문에서는 헤테로다인 복조 기반 광섬유 바이오 센서를 직접 제작 및 이용하여 대표적인 병원균들의 형광 특성을 검출한다. 검출 대상은 패혈증 및 식중독의 원인이 되는 다섯 가지 병원균인 대장균(Escherichia coli: 이하 E. coli), 비브리오 패혈증균(Vibrio vulnificus: 이하 V. vulnificus), 녹농균(Pseudomonas aeruginosa: 이하 P. aeruginosa), 황색포도상구균(Staphylococcus aureus: 이하 S. aureus), 연쇄상구균(Streptococcus iniae: 이하 S. iniae)으로 이들에 대한 농도별 형광 신호 세기 검출이 가능하도록 광섬유 바이오 센서를 구현한다. 제작된 헤테로다인 복조 기반 광섬유 바이오 센서는 상기 다섯 가지 병원균이 약 280nm의 여기광에 대하여 약 350nm의 형광을 방출하는 특성을 갖는 방향족 아미노(amino)산인 트립토판(tryptophan)의 고유 형광 방출 특성을 나타내는 점을 이용한다. 특히, 제작된 광섬유 바이오 센서는 광섬유 센서 헤드로 검출한 미약한 형광 방출 광 신호를 증폭하기 위해 잠금 증폭기(lock-in amplifier: 이하 LIA)를 이용한 헤테로다인(heterodyne) 복조 신호처리 방식을 적용함으로써, 다양한 잡음 간섭 신호를 제거하고 원하는 신호의 진폭만을 증가시켜 피코 와트(pW) 수준의 형광 방출 광 신호의 검출이 가능하도록 구현한다. 제안된 광섬유 바이오 센서는 대상 균의 고유 형광 특성과 광섬유 기반 광 유도 및 헤테로다인 복조 기반 신호처리 기법을 적용하여 대상 균의 분리 및 이동 없이 102-107CFU(colony forming unit)/mL 수준의 균의 농도별 형광 세기 검출을 수행할 수 있으며, 102CFU/ml의 검출 한계 및 10pW 이하의 검출 민감도, 그리고 1ms 이하의 검출 속도를 확보할 수 있다. 제안된 광섬유 바이오 센서를 이용한 균의 검출 방법은 바이오 필름을 구성하는 병원균의 형성 여부를 파악하는데 필요한 정보를 제공할 수 있다.

2. 헤테로다인 복조 기반 광섬유 바이오 센서 시스템의 제작 및 동작 원리

그림 1은 제안된 헤테로다인 복조 기반 광섬유 센서 시스템의 모식도를 보여주고 있다. 우선, 광섬유 센서 헤드는 1개의　여기용 광섬유와　6개의　유도용 광섬유가 단방향 모듈로 설계된 번들형 광섬유로 구성되며, 개별 광섬유의 코어 직경은 600μm, 개구수(NA)는 0.22, 동작 파장 범위는 200-900nm로 동일하였다. 광원으로 낮은 소비 전력 및 협대역 스펙트럼 특성을 갖는 UV LED를 사용함으로써, UV LED 출력 변조를 통해 펄스 출력 광의 반복률, 펄스 에너지 및 지속 시간 등을 제어하여 균의 형광 검출 효율을 높일 수 있도록 광 출력을 최적화시켰다. 즉, UV LED 광원의 280nm 출력 광 신호는 1kHz의 변조 주파수(fm)로 변조시킨 후 센서 헤드의 여기용 광섬유를 통해 대상 균에 여기하였다. 또한, 센서 헤드의 6개의 유도용 광섬유를 통해 전달되는 대상 균의 형광 방출 광을 증폭 및 검출하기 위해, 광전자증폭관(photo multiplier tube: 이하 PMT)을 광 검출기로 사용하고 PMT와 결합된 파장 가변 UV 대역 통과 필터의 위치를 세밀하게 조절하여 통과 대역을 조정함으로써 외부 잡음은 차단하고 대상 균으로부터 방출되는 형광 신호만 검출할 수 있도록 하였다. 마지막으로, LIA를 이용한 헤테로다인 복조 기반 신호처리 기법을 적용하기 위해 PMT를 통해 검출된 대상 균의 형광 방출 광 신호는 LIA의 입력 신호로 사용하고, 함수발생기의 출력 신호를 UV LED 변조 주파수와 동일하게 1kHz로 조정한 후 LIA의 기준 신호로 입력하였다. LIA는 PMT를 통해 검출된 신호에서 1kHz 성분만을 온전히 추출하여 증폭시킨 신호를 출력하며, 이 출력 신호의 파형은 오실로스코프를 통해 측정하였다. LIA의 입력 신호와 증폭된 출력 신호의 전압 값은 각각 오실로스코프 1번 채널(CH 1)과 2번 채널(CH 2)을 통해 검출하였다. 제안된 광섬유 바이오 센서의 검출 분해능과 정밀도를 향상시키기 위해 LIA를 이용하여 적용된 헤테로다인 복조 기반 신호처리의 원리는 다음과 같다.

우선, LIA는 위상 검파법(phase-sensitive detection: 이하 PSD)에 기초한 증폭기로서 측정하고자 하는 입력 신호 외에 그것과 일정한 위상 관계에 있는 기준 신호를 동시에 입력하여, 특정 주파수 및 위상에 해당하는 신호를 추출한다. 즉, 입력 신호 중 기준 신호와 같은 주파수 및 위상을 갖는 신호만을 정류하여 추출하며, 이를 통해 잡음에 묻힌 소신호도 검출 및 증폭이 가능하다. LIA의 입력 신호는 가장 간단하게는 식 (1)과 같은 주파수 ωs의 정현파 신호를 고려할 수 있고, 기준 신호의 경우는 외부에서 함수발생기를 통해 입력시켜주거나 내부의 위상 고정 루프(phase-locked loop)를 이용하여 자체 기준 신호를 생성할 수 있으며, 식 (2)와 같이 나타낼 수 있다.

LIA는 기본적으로 입력 신호 Vs(t)와 기준 신호 Vr(t)를 곱한 뒤 저역통과필터를 거쳐 입력 신호의 진폭(Vs)과 위상($\theta_{sig}$)을 얻어낼 수 있다. 이때, 기준 신호는 입력 신호와 같은 위상을 갖는 동 위상(in-phase) 신호와 90도 위상 변화된 직각 위상(quadrature-phase) 신호가 존재하며, 입력 신호 Vs(t)는 두 갈래로 분기되어 각각 동 위상 및 직각 위상 기준 신호와 곱해져 저역통과필터를 거친 뒤, 각각 동 위상 및 직각 위상 성분을 갖는 복조 신호 X 및 Y로 출력된다. 동 위상 복조 신호 X의 경우, 식 (3)과 같이 차 주파수 (ωs - ωr) 성분과 합 주파수 (ωs + ωr) 성분을 포함한 두 개의 AC 신호로 구성된 PSD 신호가 되며, ωs = ωr인 경우 저역통과필터를 거친 뒤 식 (4)와 같이 진폭에 비례하는 DC 신호가 된다.

식 (4)에서 확인할 수 있듯이 복조 신호 X는 VsVrcos($\theta_{sig}$-$\theta_{ref}$)에 비례하며. 여기서 Vr과 $\theta_{ref}$를 조정하면 복조 신호 X에서 Vs가 출력되도록 할 수도 있다. 직각 위상 복조 신호 Y의 경우에도, 식 (5)와 같이 90도 위상 변화된 기준 신호를 곱하여 PSD 출력 신호를 생성하며, ωs = ωr인 경우 저역통과필터를 거친 뒤 식 (6)과 같이 표현된다.

각각 식 (4)와 (6)으로 주어지는 동 위상 및 직각 위상 복조 신호에서 Vr을 적절히 조정하면, 식 (7) 및 (8)과 같이 Vs와 $\theta$(= $\theta_{sig}$-$\theta_{ref}$)만을 이용해서 복조 신호 X와 Y를 표현할 수 있다.

식 (7)과 (8)로 주어지는 두 복조 신호를 이용하여 식 (9)와 같이 위상차 의존성을 제거하면, 입력 신호의 진폭 Vs를 구할 수 있으며, 식 (10)과 같이 진폭 의존성을 제거하면, 입력 신호와 기준 신호 간 위상차 $\theta$를 구할 수 있다. 여기서, R과 $\theta$는 직교 좌표 X와 Y를 극좌표로 변환한 값으로 볼 수 있다.

3. 실험 결과 및 고찰

일반적으로 균에서 검출되는 고유 형광은 방향족 아미노산으로 인해 UV 범위의 파장에서 높은 흡수율을 가지며, 이는 균 또는 바이오필름에 280-290nm의 파장을 여기 시켰을 때, 320-360nm의 형광을 방출하는 특성이 주로 나타나는 것과 연관이 있다. 특히, 방향족 아미노산 중에서 트립토판(tryptophan)은 약 280nm 여기 파장에 대하여 약 350nm의 형광을 방출하는 특성을 가지며, 이는 균 또는 바이오필름에서 방출되는 350nm의 형광은 트립토판의 영향이 크다는 것을 의미한다^(9-10). 본 연구에서는 제작된 광섬유 바이오 센서를 이용하여 트립토판 형광 방출 특성을 갖는 E. coli, V. vulnificus, P. aeruginosa, S. aureus, S. iniae의 다섯 가지 병원균에 대해 102-107CFU/mL 범위에서 농도별 형광 신호를 검출 및 분석하였다. 상기 대상 균의 농도별 샘플을 제작하기 위해 E. coli, P. aeruginosa, S. aureus의 경우 trypticase soy broth(TSB) 배지에서 각각 18-24시간, 12시간, 12시간, V. vulnificus의 경우 luria-bertani broth(LB, 2\% NaCl) 배지에서 8-9시간, S. iniae의 경우 de man, rogasa, and sharpe broth(MRS) 배지에서 12시간 동안 배양시켰다.

그림 2는 제작된 광섬유 센서를 이용하여 다섯 가지 대상 균에 대한 형광 특성을 분석하기 위해 분광 광도계(Hitachi F-4500)를 이용하여 280nm 여기 파장에 대한 형광 방출 광 파장을 대상 균 별로 측정한 결과이다. 먼저, 그림 2(a)는 트립토판의 형광 방출이 280nm 여기 광에 대하여 350nm 대역에서 최대로 검출되는 것을 보여주고 있으며, 유사하게 그림 2(b)-2(d)는 E. coli, V. vulnificus, P. aeruginosa의 형광 방출이 280nm 여기 광에 대하여 350 nm 대역에서 최대로 검출되는 것을 보여주고 있다. 그림 2(e)와 2(f)는 S. aureus와 S. iniae의 형광 방출이 280nm 여기 광에 대하여 360nm로 대역에서 최대로 검출되는 것을 보여주고 있다.

이후 제시되는 그림 3-7은 그림 1에 제시된 모식도와 동일하게 제작된 광섬유 센서를 이용하여 상기 다섯 가지 병원균의 농도별 형광 방출 광을 실시간으로 측정한 결과를 보여주고 있다. 제작된 센서 헤드의 여기용 광섬유(1개)는 1kHz로 변조된 280nm UV LED 광원(첨두 파워: 135μW)과 연결하고, 센서 헤드의 유도용 광섬유(6개)는 350-360nm 대역 통과 필터 및 PMT에 연결하였다. 균의 농도별 방출 광을 검출하여 PMT의 출력 신호는 LIA의 입력 신호로 사용하는 동시에 오실로스코프 1번 채널(CH 1)을 통해서도 관측하였다. 또한, 함수발생기의 출력 신호 주파수를 LED 변조 주파수와 동일하도록 조정한 후 LIA의 기준 신호로 사용함으로써 입력 신호 중 1kHz 성분만을 추출하여 증폭한 LIA 출력 신호를 오실로스코프 2번 채널(CH 2)로 모니터링하였다. 먼저, 그림 3은 102-107CFU/ml 범위의 농도를 갖는 E. coli의 형광 방출 광을 350nm 대역 통과 필터와 결합된 PMT로 검출한 신호와 검출된 신호를 LIA로 증폭시킨 신호를 각각 CH 1과 CH 2로 검출한 결과를 보여주고 있다. 그림 3(a)는 CH 1으로 검출된 PMT 출력 신호를 보여주고 있으며, 107, 106, 105, 104, 103, 102CFU/ml의 E. coli 농도에서 각각 ∼0.188, ∼0.156, ∼0.128, ∼0.104, ∼0.084, ∼0.060V로 측정되었다. 그림 3(b)는 CH 2로 검출된 LIA 출력 신호를 보여주고 있으며, 107, 106, 105, 104, 103, 102CFU/ml의 E. coli 농도에서 각각 ∼1.96, ∼1.64, ∼1.32, ∼1.12, ∼0.88, ∼0.60V로 측정되었다. 그림 3(c)는 CH 1 및 CH 2에서 검출된 두 신호를 함께 보여주고 있으며, 두 신호 모두 E. coli의 농도에 비례하여 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있다. 각각 적색 및 청색 기호로 표시된 CH 1 및 CH 2 신호의 선형성을 나타내는 보정 R2값은 각각 ∼0.9928 및 ∼0.9917로 계산되었다. 또한, 102CFU/ml 농도의 E. coli에서의 방출 광 신호 증폭률은 약 20배 (= ∼0.60/∼0.030) 수준까지 달성할 수 있었다.

그리고, 그림 4는 102-107CFU/ml 범위의 농도를 갖는 V. vulnificus의 형광 방출 광을 350nm 대역 통과 필터와 결합된 PMT로 검출한 신호와 검출된 신호를 LIA로 증폭시킨 신호를 각각 CH 1과 CH 2로 검출한 결과를 보여주고 있다. 그림 4(a)는 CH 1으로 검출된 PMT 출력 신호를 보여주고 있으며, 107, 106, 105, 104, 103, 102CFU/ml의 V. vulnificus 농도에서 각각 ∼0.260, ∼0.184, ∼0.160, ∼0.148, ∼0.116, ∼0.088V로 측정되었다. 그림 4(b)는 CH 2로 검출된 LIA 출력 신호를 보여주고 있으며, 107, 106, 105, 104, 103, 102CFU/ml의 V. vulnificus 농도에서 각각 ∼2.80, ∼1.96, ∼1.72, ∼1.56, ∼1.24, ∼0.88V로 측정되었다. 그림 4(c)는 CH 1 및 CH 2에서 검출된 두 신호를 함께 보여주고 있으며, 두 신호 모두 V. vulnificus 농도가 증가함에 따라 지수 함수적으로 증가하는 특성을 갖는 것을 알 수 있다. 각각 적색 및 청색 기호로 표시된 CH 1 및 CH 2 신호의 비선형 회귀 분석을 통한 보정 R2값은 각각 ∼0.9411 및 ∼0.9361로 계산되었다. 또한, 102CFU/ml 농도의 V. vulnificus에서의 방출 광 신호 증폭률도 약 20배 (= ∼0.88/∼0.044) 수준까지 달성할 수 있었다.

다음으로 그림 5

는 102-107CFU/ml 범위의 농도를 갖는 P. aeruginosa의 형광 방출 광을 350nm 대역 통과 필터와 결합된 PMT로 검출한 신호와 검출된 신호를 LIA로 증폭시킨 신호를 각각 CH 1과 CH 2로 검출한 결과를 보여주고 있다. 그림 5(a)는 CH 1으로 검출된 PMT 출력 신호를 보여주고 있으며, 107, 106, 105, 104, 103, 102CFU/ml의 P. aeruginosa 농도에서 각각 ∼0.228, ∼0.176, ∼0.156, ∼0.144, ∼0.108, ∼0.080V로 측정되었다. 그림 5(b)는 CH 2로 검출된 LIA 출력 신호를 보여주고 있으며, 107, 106, 105, 104, 103, 102CFU/ml의 P. aeruginosa 농도에서 각각 ∼2.40, ∼1.88, ∼1.68, ∼1.56, ∼1.12, ∼0.84 V로 측정되었다. 그림 5(c)는 CH 1 및 CH 2에서 검출된 두 신호를 함께 보여주고 있으며, 두 신호 모두 P. aeruginosa의 농도에 비례하여 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있다. 각각 적색 및 청색 기호로 표시된 CH 1 및 CH 2 신호의 선형성을 나타내는 보정 R2값은 각각 ∼0.9602 및 ∼0.9627로 계산되었다. 또한, 102CFU/ml 농도의 P. aeruginosa에서의 방출 광 신호 증폭률은 약 21배 (= ∼0.84/∼0.040) 수준까지 달성할 수 있었다.

또한, 그림 6

은 102-107CFU/ml 범위의 농도를 갖는 S. aureus의 형광 방출 광을 360nm 대역 통과 필터와 결합된 PMT로 검출한 신호와 검출된 신호를 LIA로 증폭시킨 신호를 각각 CH 1과 CH 2로 검출한 결과를 보여주고 있다. 그림 6(a)는 CH 1으로 검출된 PMT 출력 신호를 보여주고 있으며, 107, 106, 105, 104, 103, 102CFU/ml의 S. aureus 농도에서 각각 ∼0.232, ∼0.204, ∼0.184, ∼0.152, ∼0.136, ∼0.104 V로 측정되었다. 그림 6(b)는 CH 2로 검출된 LIA 출력 신호를 보여주고 있으며, 107, 106, 105, 104, 103, 102CFU/ml의 S. aureus 농도에서 각각 ∼2.32, ∼2.12, ∼1.84, ∼1.60, ∼1.40, ∼1.04V로 측정되었다. 그림 6(c)는 CH 1 및 CH 2에서 검출된 두 신호를 함께 보여주고 있으며, 두 신호 모두 S. aureus의 농도에 비례하여 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있다. 각각 적색 및 청색 기호로 표시된 CH 1 및 CH 2 신호의 선형성을 나타내는 보정 R2값은 각각 ∼0.9933 및 ∼0.9917로 계산되었다. 또한, 102CFU/ml 농도의 S. aureus에서의 방출 광 신호 증폭률은 약 20배 (= ∼1.04/∼0.052) 수준까지 달성할 수 있었다.

마지막으로 그림 7

은 102-107CFU/ml 범위의 농도를 갖는 S. iniae의 형광 방출 광을 360nm 대역 통과 필터와 결합된 PMT로 검출한 신호와 검출된 신호를 LIA로 증폭시킨 신호를 각각 CH 1과 CH 2로 검출한 결과를 보여주고 있다.

그림 7(a)는 CH 1으로 검출된 PMT 출력 신호를 보여주고 있으며, 107, 106, 105, 104, 103, 102CFU/ml의 S. iniae 농도에서 각각 ∼0.110, ∼0.088, ∼0.066, ∼0.052, ∼0.038, ∼0.028 V로 측정되었다. 그림 7(b)는 CH 2로 검출된 LIA 출력 신호를 보여주고 있으며, 107, 106, 105, 104, 103, 102CFU/ml의 S. iniae 농도에서 각각 ∼1.12, ∼0.88, ∼0.64, ∼0.52, ∼0.40, ∼0.32 V로 측정되었다. 그림 7(c)는 CH 1 및 CH 2에서 검출된 두 신호를 함께 보여주고 있으며, 두 신호 모두 S. iniae 농도가 증가함에 따라 지수 함수적으로 증가하는 특성을 갖는 것을 알 수 있다. 각각 적색 및 청색 기호로 표시된 CH 1 및 CH 2 신호의 비선형 회귀 분석을 통한 보정 R2값은 각각 ∼0.9985 및 ∼0.9965로 계산되었다. 또한, 102CFU/ml 농도의 S. iniae에서의 방출 광 신호 증폭률도 약 23배 (= ∼0.32/∼0.014) 수준까지 달성할 수 있었다. 결과적으로 저잡음 고민감도 검출을 위해 헤테로다인 복조 기반 신호처리 방식을 적용하여 제작된 광섬유 바이오 센서를 이용하여 다섯 가지 병원균에 대하여 102-107CFU/ml 농도 범위를 갖는 병원균의 형광 방출 광 비표지 검출을 수행하였으며, 102CFU/ml의 검출 한계 및 10pW 이하의 검출 민감도, 그리고 1ms 이하의 검출 속도를 구현하였다. 특히, 병원균의 농도와 형광 방출 광 세기의 관계가 병원균에 따라 선형 또는 지수 함수 관계를 갖는 것을 확인하였다. 또한, 제작된 광섬유 바이오 센서의 광 여기 및 수신부는 광섬유를 통해 LED 및 PMT와 연결됨으로써 광 결합 손실을 줄일 수 있었으며, 광섬유 기반 센서는 상이한 여기/방출 파장을 갖는 다른 병원균의 검출 시 필요한 광학 부품들의 추가 및 교체가 용이하고 부가 광학계가 불필요하므로 다양한 병원균의 형광 신호 검출 시 높은 유연성을 제공 가능할 것으로 기대된다.

4. 결 론

본 논문에서는 바이오필름에 존재할 수 있는 병원성 박테리아를 효과적으로 검출하기 위하여 헤테로다인 복조 기반 광섬유 바이오 센서를 제작하고, 이를 이용하여 병원균의 지표로 이용되는 다섯 가지 박테리아(E. coli, V. vulnificus, P. aeruginosa, S. aureus, S. iniae)에 대하여 그 형광 특성을 측정하였다. 제작된 센서는 단방향으로 모듈화된 광섬유 센서 헤드 및 UV LED 광원을 통해 병원균에 광을 여기시키고, 균에서 방출되는 형광 신호를 센서 헤드로 유도하여 광학 필터와 PMT를 통해 검출한 뒤, LIA를 이용하여 헤테로다인 복조 기반 신호처리를 수행함으써 102-107CFU/ml 농도 범위를 갖는 병원균의 형광 신호 세기를 검출할 수 있었다. 특히, 헤테로다인 복조 기반 신호처리를 통해 잡음을 제거하고 병원균의 미약한 형광 방출 광 신호를 증폭함으로써 102CFU/ml의 검출 한계와 10pW 이하의 검출 민감도, 그리고 1ms 이하의 검출 속도를 확보할 수 있었다. 제안된 헤테로다인 복조 기반 광섬유 바이오 센서는 병원균에 대한 직접적인 형광 신호를 검출하는 비표지 검출을 통해 균의 사전 처리 과정 및 균 검출 시간을 단축시키므로 실시간으로 바이오필름 성장 역학을 모니터링하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.