고감도 생화학센서 설계기준 제안

[산업일보]
국내 연구진이 물질 고유의 산란광을 포착해 물질을 검출하는 생화학 센서의 효율적인 설계기준을 제시했다.

빛을 물질에 집중시켜 보다 센 산란광을 만들도록 돕는 금 나노입자들 간 최적의 거리를 도출한 연구결과로 생화학센서의 감도향상에 응용될 것으로 기대된다.

한국과학기술원(KAIST) 바이오 및 뇌 공학과 정기훈 교수 연구팀이 미래창조과학부가 지원하는 중견연구자지원사업(도약)의 지원을 받아 수행한 이번 연구결과는 재료과학 분야 국제학술지 어드밴스드 머티리얼스지(Advanced Materials) 최신호 속표지(Frontispiece) 논문으로 선정돼 게재됐다.

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)은 극 미세 농도의 바이오 물질을 형광 표지 없이 검출할 수 있는 방법으로 최근 큰 관심을 받고 있다.

금속 나노 구조에 의한 표면증강라만 산란의 신호 강화는 두 가지 요인에서 기인한다. 입사광이 나노 구조의 국부적 전자기장 집적영역에 집광돼 라만-활성 리포터 분자의 라만 산란을 야기하는 입사광에 의한 신호 증가의 요인과 나노 구조 근처에 위치 라만-활성 리포터 분자의 라만산란에 의한 신호 증가의 요인이다.

이 두 가지 주요 요인들은 금속 나노 구조의 모양, 크기, 간격 등과 같은 국소 표면 플라즈몬 공명 파장을 결정짓는 인자와 긴밀하게 연관돼 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 제한돼 왔다.

연구팀은 나노입자 사이 간격을 연속적으로 조절해 검출 대상물질에 따라 산란광 세기를 극대화할 수 있는 금 나노입자 간 간격을 정량화했다.

금 나노입자 배치를 위한 참고자료로 활용할 경우 보다 효율적인 고감도 생화학 센서 플랫폼 설계와 개발을 위한 실마리가 될 것으로 기대된다.

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 설계됐다. 그러나 이번 연구에서는 표면증강라만산란의 강도 증가가 여기광의 증진뿐만 아니라, 라만 산란에 의해서도 증진됨을 주목했다.

즉, 고감도 표면증강라만산란법을 위한 기판의 국소 표면 플라즈몬 공명 파장 설계 시, 단지 여기 파장만이 아닌 분석 대상물에 함유되는 라만-활성 리포터 분자의 라만 산란 파장(Raman scattered wavelength) 역시 고려 대상이다.

이 연구에서 개발된 능동 플라즈모닉 광학 소자인 플렉시블 멤브레인을 이용해 획득한 국소 표면 플라즈몬 공명파장에 따른 소광 스펙트럼(extinction spectrum)으로부터 여기 파장과 라만-활성 리포터 분자의 라만 산란 파장에서의 소광 값을 추출해 국소 표면 플라즈몬 공명과의 관계를 살펴봤다.

이를 통해 여기파장에서의 기판의 소광스펙트럼 상 소강 값과 라만 산란파장에서 기판의 소광스펙트럼 상 소강 값의 곱이 최대가 되는 경우, 기판에 의한 여기광의 증강과 라만 산란 신호의 증강이 모두 최대가 돼 극히 우수한 강도의 표면증강 라만 산란이 발생함을 규명했다.

종전 검출 대상 물질마다 산란광의 세기를 증폭시킬 수 있는 금속 나노입자 사이 거리를 찾고 이에 맞춰 기판을 제작하는 번거로움을 해소할 수 있을 것으로 기대된다.

정 교수는 “이번 연구에서 규명한 국소 표면 플라즈몬 공명 파장의 설계 방법은 여기 광의 신호를 증진시킬 뿐만 아니라 분석대상의 산란 또한 증진시키기 때문에, 검출하고자 하는 분자의 특정신호만을 강화시키는 데 적용할 수 있다”고 설명했다.