NRF, 연꽃잎 원리 응용하여 오염물질 센서 개발
미량의 시료로 빠르고 정확하게 검출 가능
한국연구재단이 최근 이태윤 교수(연세대) 연구팀이 발암의심물질 등 화학 표적물질을 실시간으로 검출할 수 있는 센서를 개발하였다고 밝혔다. 새로 개발된 센서는 기존에 사용되던 표면증강라만분광법(SERS)의 단점을 극복해냈다. 원리는 연꽃잎이 떨어지는 믈방울에 젖지 않고 굴러 떨어지는 초소수성 연꽃잎 효과에 착안하였다고 알렸다.
표면증강라만분광법(SERS)
기존에는 미량의 화학 표적물질을 검출하기 위해 표면증강라만분광법(SERS; Surface-Enhanced Raman Scattering or Spectroscopy)이 많이 사용되어왔다. 표면증강라만분광(Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS)법이란 특정 금속 나노 표면에 화학 표적물질이 근접한 경우 입사된 빛의 파장과 표면 자유전자들 간에 공명에 의해 화학 표적물질의 라만신호가 증폭되는 효과가 나타나는 것을 표면증강라만산란이라고 하며 그것을 통해 측정하는 방법을 일컫는다. 하지만 SERS 효과를 가지는 금속 나노 표면이 점차 오염되면서 시료의 실시간 검출의 신뢰성이 떨어지게 된다. 따라서 미량의 시료를 빠르고 정확하게 검출하는 시스템의 개발이 요구되어왔다.
연구의 필요성
레이저로부터 조사된 빛과 분자 간의 상호작용을 통해 물질의 정보를 얻는 SERS은 미량의 화학 표적물질을 검출하기 위한 방법으로 많이 사용된다. 특히 유체 상으로 존재하는 화학 표적물질을 검출하기 위해 SERS 효과를 가지는 미세유체 칩(SERS-integrated microfluidic chip)이 최근 활발히 개발되었다. 그러나 유체를 제어하기 위해 밸브와 같은 추가 장치들이 필요할 뿐만 아니라 유체의 흐름에 의해 SERS 효과를 가지는 금속 나노 구조가 파괴되거나 또는 오염되어 화학 표적물질 검출의 신뢰성이 확보되지 않는 한계를 가진다. 이에 금속 나노 구조의 오염과 파괴를 방지하고, 유체 내의 화학 표적물질을 실시간으로 검출하기 위한 새로운 형태의 SERS 센서가 필요하였다.
새로운 초소수성 SERS 센서
이태윤 교수 연구팀은 물방울이 젖지 않고 쉽게 굴러 떨어지는 연꽃잎 효과에 착안하여 초소수성 SERS 센서를 개발했다고 발표했다. 연꽃잎 효과는 연잎 표면의 미세 돌기 구조와 왁스층에 의해 물방울이 굴러 떨어지며 잎에 앉아있던 먼지들도 함께 떨어져 자정효과를 보이는 연꽃잎의 초소수성 성질을 일컫는다. 이 때, 초소수성 표면은 물을 극도로 싫어하는 성질 때문에 표면의 오염에 매우 강한 것으로 알려져 있다. 물방울이 굴러 떨어질 때 연꽃잎 표면의 먼지와 함께 떨어지면서 연꽃잎은 자정 능력을 가진다.
이 때 SERS 효과를 가지는 금속 나노 구조 표면을 이용하여 초소수성 표면을 개발하면 단일 물방울 내의 화학 표적물질을 검출할 뿐만 아니라, 오염에 강하여 연속적인 검출도 가능할 것으로 예상하여 금속 나노 구조의 형태에 따른 SERS 효과를 직접 확인하고 센서를 개발하였다. 새로 개발된 센서 표면 위에서는 극미량 시료의 움직임이 정확하게 제어되어 다양한 화학 표적물질의 실시간 검출이 가능해졌다. 연구팀은 초소수성 표면 위에서 물방울의 거동을 제어하기 위하여 물방울 제어 경로를 설계하여 적용하였다. 제어 경로 위에서는 물방울이 경로에 따라 움직일 뿐만 아니라, 멈출 수도 있게 설계되었다. 움직임이 정지된 물방울은 라만분광 레이저를 이용하여 어떠한 화학물질이 포함되었는지 분석이 가능했다. 이로써 실시간 화학 표적물질 검출을 위한 분석 플랫폼으로서의 가능성을 확인하였다.
연구성과
연구팀은 개발된 초소수성-SERS 센서가 인체유해성 물질로 알려져 있는 트리페닐메탄계 염료 및 항생제 말라카이트 그린(Malachite green)을 단일 물방울 상태로 성공적으로 검출하였으며, 그 뿐만 아니라 로다민 6G(Rhodamine 6G), 나일 블루 A(Nile bule A) 등의 화학 표적물질도 연속적으로 검출하였다. 이를 통해 기존에 개발되었던 SERS-미세유체 칩이 금속 나노 표면의 오염에 의해 여러 화학 물질의 연속적 검출이 불가능한 점을 극복할 수 있다는 것을 최초로 밝혔다.
이 연구를 통해 개발된 센서는 움직이는 물방울의 거동을 쉽고 빠르게 조절하여 SERS 분석에 응용할 수 있도록 개발된 센서이다. 기존의 미세유체 칩보다 발전된 형태로서 그 사용 가능성을 확인하였다는 점에서 큰 의의를 지니며, 단일 물방울의 제어를 통한 높은 효율성까지 확보한다. 이 연구는 초소수성 표면을 라만 분광법과 함께 사용하여 초소수성 표면의 새로운 응용분야를 최초로 제시하였다는 점에서 큰 의의를 지니며, 단일 물방울의 제어를 통한 SERS 분석의 높은 효율성까지 확보한다. 특히 단일 물방울을 이용하는 연구팀의 연구 결과는 실시간으로 화학/생물학적 반응을 물방울 단위로 관찰하며 분석할 수 있는 장치이다. 실시간 분석이 중요한 생화학적 반응 등 광범위한 연구에 중요한 실마리를 제공할 수 있다.
기대효과
이 기술은 극미량의 시료를 검출하는 데 있어 연꽃잎 효과로 잘 알려진 초소수성 표면의 장점을 적용시켜 표면증강라만분광 분석을 위한 새로운 형태의 플랫폼을 제시했다는 점에서 큰 의의를 지닌다. 라만분광은 의료/제약 등 화학/생물학적 분석이 필요한 모든 분야에서 광범위하게 사용되는데 새로 개발된 센서로 인해 실시간으로 일어나는 화학적 반응을 모니터링하는 데 응용될 수 있어, 추후 실시간 분석이 필요한 장치로 적극 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 특히 한 방울의 혈액으로도 다양한 분석을 가능케 하는 혈액분석시스템 구축에도 활용될 수 있을 것으로 예상되며, 진단 의학 분야의 새로운 고부가가치 시장을 선점하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 이태윤 교수는 “이 연구는 초소수성 표면 위에서 물방울을 자유자재로 제어할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 바이오 마커를 빠르고 정확하게 검출하는 초고속 분석 플랫폼을 제시한 최초의 연구이다. 이 플랫폼의 개발을 통해 독성물질 검출에서 더 나아가 향후 한 방울의 혈액으로 다양한 분석이 가능한 시스템 구축에 기여할 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.
자료제공 | 한국연구재단(www.nrf.re.kr)
