분자 미세 구조까지 정밀분석…기초지원硏, ‘차세대 표면질량분석기’ 개발

- 나노소재·생체시료 표면분석 새 패러다임 제

이번 연구결과가 게재된 미국화학회(ACS)가 발행하는 국제학술지 ‘Analytical Chemistry’ 11월 표지.[KBSI 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 표면에 결합된 분자의 미세한 구조 차이까지 정밀하게 구분할 수 있는 차세대 표면분석 장비를 자체 개발했다. 이 장비는 질량분석(tandem MS)과 레이저 분광(Laser Spectroscopy)을 하나의 시스템에서 통합 구현, 표면에 결합된 분자의 구조 정보와 광학적 특성을 동시에 분석할 수 있다.

한국기초과학지원연구원(KBSI) 연구장비개발부 최창민 박사 연구팀은 질량은 같지만 구조가 다른 이성질체(surface-bound isomers)를 식별할 수 있는 사중극자 이온트랩 결합형 비행시간형 이차이온질량분석기(QIT-ToF-SIMS) 개발에 성공했다고 25일 밝혔다.

기존 비행시간형 이차이온질량분석기는 시료 표면에서 방출된 이차이온의 질량 정보를 측정해 조성과 분포 분석에는 우수했으나, 질량이 같은 이성질체의 구조적 차이를 구별하기에는 한계가 있었다. 이로 인해 생체분자, 기능성 유기소재, 표면개질 고분자 등 다양한 소재의 정밀 구조 분석이 어려웠다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 ToF-SIMS 시스템에 사중극자 이온트랩(Quadrupole Ion Trap)을 결합하고, 선택적 모분자 이온 격리 기술과 탄뎀 질량분석을 도입해 표면에서 기원한 분자의 결합 정보를 정밀하게 해석할 수 있도록 했다. 여기에 레이저 광분해 분광 기능까지 더해 기존 장비로는 불가능했던 분자의 광물리적 특성까지 동시 규명할 수 있도록 했다.

이를 통해 연구팀은 시료 표면에서 방출된 분자 이온을 포집한 뒤 SWIFT 기술을 이용해 원하는 이온만 선택적으로 분리·격리하고, 이어서 탄뎀 질량분석(MS/MS)과 레이저 광분해 분광까지 한 시스템 내에서 연속 수행할 수 있는 통합 분석 환경을 구축했다.

특히 대표적인 유기염료인 로다민 B와 로다민 6G를 모델로 적용, 두 분자가 질량은 동일하지만 구조가 다른 이성질체임을 명확하게 식별하는 데 성공했다. 이는 세계 최초로 표면 결합 이성질체를 탄뎀 질량분석과 레이저 분광 분석을 통해 직접 구분한 사례로, 차세대 표면분석 기술의 새로운 기준을 제시하는 성과로 평가된다.

KBSI 백지영 (왼쪽)기술원과 최창민 박사.[KBSI 제공]

이번에 개발된 QIT-ToF-SIMS 기술은 질량·구조·광학 특성을 동시에 확보하는 차세대 다차원 표면분석 플랫폼으로, 생체분자·유기소재·반도체 소자 등 극미량·나노 수준의 표면 반응성과 구조 차이를 정밀하게 측정할 수 있다. 특히 대기·습도 등에 민감한 시료에서도 높은 안정성과 재현성을 확보해, 나노소재 연구·반도체 공정 평가·생체조직 표면 분석 등 첨단 분야에서 폭넓게 활용될 전망이다.

최창민 박사는 “이번 연구는 표면분석의 한계를 넘어, 질량분석과 분광분석을 융합하여 분자의 구조와 광학특성을 동시에 규명할 수 있는 새로운 분석 패러다임을 제시한 것”이라며 “향후 복잡한 생체시료나 나노소재 등 다양한 분야의 정밀 표면분석에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구결과는 미국화학회(ACS)가 발행하는 국제학술지 ‘Analytical Chemistry’에 11월 6일 온라인 게재됐다.