연 구 결 과 개 요
1. 연구배경
가시광선 및 근적외선 영역 내 국소 표면 플라즈몬 공명(localized surface plasmon resonance)을 갖는 금속 나노 구조의 나노 플라즈모닉 바이오 기판을 이용한 무표지 라만 분광신호 강화 기술인 표면증강라만산란법(Surface enhanced Raman scattering, SERS)는 극미세 농도의 바이오 물질을 형광 표지 없이 검출할 수 있는 방법으로 최근 큰 관심을 받고 있다.
금속 나노 구조에 의한 표면증강라만 산란의 신호 강화는 입사광이 나노 구조의 국부적 전자기장 집적영역에 집광되어 라만-활성 리포터 분자의 라만 산란을 야기하는 입사광에 의한 신호 증가의 요인과 나노 구조 근처에 위치 라만-활성 리포터 분자의 라만산란에 의한 신호 증가의 두 가지 요인에 기인한다.
이러한 두 가지 주요한 요인들은 금속 나노 구조의 모양, 크기, 간격 등과 같은 국소 표면 플라즈몬 공명 파장을 결정짓는 인자와 긴밀하게 연관되어 있다. 그러나 현재까지 국소 표면 플라즈몬 공명 파장과 입사광의 여기파장(excitation wavelength) 및 라만-활성 리포터 분자의 라만 산란파장과의 관계는 국소 표면 플라즈몬 공명 파장을 조절하는 금속 나노 구조의 제작의 한계 때문에 제한되어 왔다.
2. 연구내용
일반적으로 라만-활성 리포터 분자를 포함하는 분석 대상물 및 라만-활성 리포터 분자의 라만 산란을 야기하는 여기파장이 결정되면, 기판의 국소 표면 플라즈몬 공명 파장이 여기 파장과 동일하도록 설계되었다. 그러나 본 연구에서는 표면증강라만산란의 강도 증가가 여기광의 증진뿐만 아니라, 라만 산란에 의해서도 증진됨을 주목하였다.
즉, 고감도 표면증강라만산란법을 위한 기판의 국소 표면 플라즈몬 공명 파장의 설계시, 단지 여기 파장만이 아닌 분석 대상물에 함유되는 라만-활성 리포터 분자의 라만 산란 파장(Raman scattered wavelength) 역시 고려해야할 대상이다.
본 연구에서는 기계적으로 변형이 가능한 플렉시블 멤브레인 위에 금속 나노 구조 어레이를 형성, 원형의 멤브레인을 공압을 이용하여 모든 방향으로 변형되도록 설계하였다. 원형의 멤브레인의 변형에 의해 멤브레인 상의 나노 구조의 간격의 변화는 푸아송 비(가로변형과 세로변형의 비)와 관계없이 일정하게 유지되며, 나노 구조의 간격 변화는 국소 표면 플라즈몬 공명의 능동 변화를 가져온다.
본 연구에서 개발된 능동 플라즈모닉 광학 소자인 플렉시블 멤브레인을 이용하여 획득한 국소 표면 플라즈몬 공명파장에 따른 소광 스펙트럼(extinction spectrum)으로부터 여기 파장과 라만-활성 리포터 분자의 라만 산란 파장에서의 소광 값을 추출하여 국소 표면 플라즈몬 공명과의 관계를 살펴보았다.
이를 통해 여기파장에서의 기판의 소광스펙트럼 상 소강 값과 라만 산란파장에서의 기판의 소광스펙트럼 상 소강 값의 곱이 최대가 되는 경우, 기판에 의한 여기광의 증강과 라만 산란 신호의 증강이 모두 최대가 되어 극히 우수한 강도의 표면증강 라만 산란이 발생함을 규명하였다.
3. 기대효과
본 연구에서 규명한 국소 표면 플라즈몬 공명 파장의 설계 방법은 여기 광의 신호를 증진시킬 뿐만 아니라 분석 대상 물질에 함유된 라만-활성 리포터 분자의 라만 산란 또한 증진시킴으로써, 고 강도의 표면 증강 라만 산란을 발생시킬 수 있다.
또한, 여기광의 신호 증진과 라만-활성 리포터 분자의 라만 산란에 의한 신호 증진이라는 두 신호 증진을 모두 극대화 시킬 수 있는 보편적 설계기준을 제공함에 따라, 표면증강라만산란 신호 강화를 위한 새로운 표면증강라만산란법을 위한 플랫폼의 설계 및 개발 방향을 제시해 줄 수 있다.
용 어 설 명
1. 어드밴스드 머티리얼스지(Advanced Materials)
○ 독일 Wiley-VCH 출판사가 매주 발행하는 재료과학 분야 학술지
2. 라만산란(Raman scattering)
○ 물질에 일정한 파장의 빛을 조사한 경우, 분자 고유의 진동이나 회전에너지 또는 결정의 격자 진동 에너지만큼 달라진 파장의 빛이 산란되는 현상
○ 이 산란광은 물질의 고유한 특성이어서 물질의 분자 구조를 추론할 수 있음
3. 국소 표면 플라즈몬 공명(Localized surface plasmon resonance, LSPR)
○ 금속에 빛이 입사될 경우 금속 내의 자유 전자가 집단적으로 진동하는 현상. 이에 따라 금속 표면에 국소적으로 매우 증가된 전기장이 발생함.
4. 표면증강라만산란(Surface enhanaced Raman scattering, SERS)
○ 금, 은 등의 금속 나노구조 표면에 분자가 흡착될 때 라만산란의 세기가 급격히 106~108 배 이상 증가되는 현상을 이용한 분광법
○ 형광표지 없이 하나의 분자를 직접 측정할 수 있는 고감도의 기술로 발전 가능하며, 라만 분광법이 제공하던 분자의 진동상태, 혹은 분자구조에 대한 정보를 직접 제공, 초고감도의 화학적, 생물학적, 생화학적 분석을 가능하게 함.
그 림 설 명
그림 1. 국제학술지 어드밴스드 머티리얼스지 속표지논문 (Frontispiece, 7월 9일자)
국소 표면 플라즈몬 공명 파장에서 라만 신호가 증가되는 연구진의 실험결과를 시각적으로 표현
<출처 : 국제학술지 어드밴스드 머터리얼스지 Vol. 26, Issue. 26 링크 : http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201470178/abstract>
그림 2. 기계적 변형이 가능한 나노 플라즈모닉 플렉서블 멤브레인의 측면도
원형의 플렉시블 멤브레인이 공압을 이용하여 모든 방향으로 변형되는 모습. 멤브레인 상의 금속 나노구조의 간격이 늘어남에 따라 표면 플라즈몬 공명파장이 이동하는 것을 볼 수 있다.(스케일바=5mm) (삽입된 작은 사진은 암시야상(dark-field) 이미지, 스케일바=20μm)
연 구 결 과 문 답
이번 성과 뭐가 다른가 | | 능동 플라즈모닉 광학소자를 이용, 표면증강라만산란을 극대화시킬 수 있는 보편적 설계기준을 규명 |
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어디에 쓸 수 있나 | | 표면증강라만산란법은 금이나 은 같은 금속 나노구조 표면에 분자가 흡착될 때 라만산란의 세기가 급격히 증가되는 현상을 이용한 분광법으로 별도의 형광표지 없이 아주 미세한 농도의 생화학 물질을 검출할 수 있는 기술임 이 기술은 기존 라만 분광법이 제공하였던 분자의 진동상태혹은 분자구조에 대한 정보를 직접 제공하기 때문에 초고감도의 화학적, 생물학적 분석방법으로 인정받고 있음 이번 연구에서 종래에 없었던 새로운 광학소자를 개발하여 표면증강라만산란의 플라즈모닉 신호강화를 극대화시킬 수 있는 보편적 설계 기준을 규명해 향후 랩온어칩, DNA칩과 같은 나노 바이오센서 플랫폼의 설계 및 개발 방향을 제시해 줄 것이라고 기대함 |
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연구를 시작한 계기는 | | 국소 표면 플라즈몬 공명 파장의 광대역 조절 범위를 가지는 안정적인 능동 나노 플라즈모닉 바이오 기판의 개발로부터 출발 |
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에피소드가 있다면 | | 유연한 기판을 풍선처럼 부풀려 금속 나노구조의 간격을 조절하는 아이디어는 뜻밖의 순간에 나왔지만, 이 아이디어가 이번 연구를 진행하는데 있어서 핵심적인 역할을 했던 것 같음 |
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꼭 이루고 싶은 목표는 | | 금속 나노구조의 색깔변화를 제어하는 플라즈모닉 기술을 바이오 진단에 적용하는 나노바이오플라즈모닉스의 선진 연구자가 되고 싶음 |
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신진연구자를 위한 한마디 | | 우연한 아이디어와 꾸준한 질문으로부터 좋은 연구가 시작된다고 생각함 |
