서울시립대 최인희 교수, 신호 튜닝이 자유로운 라만분광 기반 분자 검출 기판 개발

서울시립대학교 생명과학과 최인희 교수와 고려대학교 바이오의공학부 유용상 교수 공동 연구팀이 나노/바이오 물질의 종류와 양을 실시간으로 검출할 수 있는 전극-유전체-전극의 샌드위치 구조기반 광학분자 검출 기술 개발에 성공했다.

이번 연구 결과는 마이크로 및 나노 소재 분야 세계적 권위의 국제학술지‘Small (IF=15.15)’에 4월호에 ‘Fabry-Perot Cavity Control for Tunable Raman Scattering’라는 제목으로 온라인 게재됐다.

고감도 분자 검지 기판을 제작하기 위해서는 금속 나노구조물의 높은 집약도와 더불어 검출하고자 하는 타겟 분자가 높은 집약도의 금속 구조물 사이사이에 잘 집약되게 해야 한다. 이러한 특징은 나노크기의 금속 구조 표면에서 수십억 배 광학신호가 증폭되는 현상인‘표면 증강 라만 산란 (Surface-enhanced Raman scattering, SERS)’현상 덕분이다.

이 높은 표면 증간 라만 산란 현상을 유발하기 위해 연구팀은 불소계 고분자 박막의 낮은 표면 에너지를 이용하면 간단한 열 증착 기법으로 금 나노 구조를 대면적에 형성할 수 있고 이를 분자 검출 기술인 표면 증강 라만 분광법에 최적화했다.

더 나아가 상하로 배열된 전극 사이에 샌드위치된 유전체의 두께와 물성을 조절해 패브리-페로 (Fabry-Perot) 간섭현상에 의해 특정 파장의 빛을 증폭시키거나 혹은 감쇄시킨다는 사실을 밝혀내고, 이를 통해 라만 신호 크기를 자유롭게 튜닝할 수 있는 소자 개발에 성공했다. 기존의‘표면 증강 라만 산란 (SERS)’의 세기가 기체나 액체에서 측정할 때마다 신호의 세기가 들쑥날쑥했는데, 본 연구에서 신호세기 조절의 작용기작을 설명하고, 이를 이용해 고감도 분자검출 기술의 전략을 제시했다는 점에서 다양한 환경, 바이오 센서칩으로의 응용 가능한 활로를 확보한 것이다.

특히, 연구팀은 기판의 물리화학적 특성 튜닝을 이용해 분자 검출뿐만 아니라 정보 암호화 기술 중 하나인 스테가노그래피에 활용하여 여러 가지 정보를 한 기판 안에 성공적으로 암호화하고 특정 조건에서 시각화할 수 있음을 보였다.

최인희 교수는“마이크로/나노구조 제작 및 광학 시뮬레이션 전문가인 유용상 교수팀과의 협업을 통해 라만 신호를 조절할 수 있는 메커니즘 규명 및 조절가능 변수를 제안할 수 있었으며, 본 연구결과는 실험·이론적 공동연구의 시너지 효과를 보여주는 좋은 사례다.”라고 평가했다.

해당 연구는 과학기술정보통신부의 중견과제사업 및 정보통신 산업진흥원 지원으로 진행됐다.

금 나노 구조와 패브리-페로 구조를 결합한 분자 검지 기판의 모식도

(좌측부터) 공동 제1저자 김태현 학생(석박통합과정), 공동 제1저자 이종수 학생(석박통합과정), 공동 교신저자 최인희 교수, 공동 교신저자 유용상 교수

온라인 중앙일보