초고감도 화학센서에 적용될 수 있는 귀금속 나노구조체 모식도 및 조직(미래창조과학부 제공). © News1


미세먼지속에 다이옥신같은 발암물질이 10억분의 1만 포함돼 있어도 이를 검출할 수 있는 초고감도 분자감지소재가 국내 연구진에 의해 개발됐다.24일 미래창조과학부는 박성규·김동호 재료연구소 소자기능 박막연구실 박사 등 분자감지소재 연구팀이 카이스트 생명화학공학과와 공동으로 빛의 산란현상을 기반으로 한 초고감도 분자감지소재를 개발하는 데 성공했다고 밝혔다.

재료 및 나노분야 국제학술지인 어드밴스드 머티리얼스와 영국 왕립학회가 발간하는 저널 오브 머티리얼스 케미스트리 C에 표지논문으로 선정된 이번 연구 결과는 십억분율(ppb)의 극미량 성분도 검출할 수 있어 DNA 단백질 분석 등에도 적용될 것으로 기대된다.

연구팀은 빛의 산란현상 중 하나인 비탄성산란(라만산란)을 이용했다. 빛은 물질을 만나면 산란, 즉 여러 방향으로 흩어진다. 흩어져 나오는 빛의 대부분은 입사광과 같은 에너지를 가지지만(탄성산란) 극히 일부분은 입사광과 다른 에너지를 갖게 된다(비탄성 산란). 하늘이 파랗게 보이는 이유도 물 분자나 공기 분자가 탄성산란을 일으키기 때문이다.비탄성 산란은 산란 물질 내부에 존재하는 분자 고유의 진동에너지를 파악해 분자의 정체를 파악하는 데 유용한 정보를 제공해 준다. 이 때문에 화학 및 바이오센서 분야에서 활용되고 있지만 발생확률이 극히 낮아 기존의 라만분광기로는 고농축 벌크 시료만 측정할 수 있었다.

연구팀은 분자의 라만신호를 크게 증폭시킬 수 있는 금속 나노구조체를 개발했다. 금이나 은과 같은 귀금속 나노구조체는 금속의 자유전자가 특정 파장의 빛에 의해 한꺼번에 진동하는 현상이 일어난다. 이로 인해 귀금속 나노구조체 사이의 나노갭에서 전기장의 세기가 급격히 증가하게 된다. 화학 및 생물분자가 이러한 강한 전기장이 발생하는 금속 나노구조체 표면에 흡착되면 강한 전기장에 의해 라만 신호가 증가한다.

귀금속 나노구조체는 기존에는 고가의 나노공정장비를 통해 만들어졌다. 연구팀은 간단한 레이저 빔의 간섭현상을 이용한 광간섭 식각법을 활용, 짧은 시간 안에 대면적의 귀금속 나노구조체를 개발했다.

기존에는 질량분석기, 가스크로마토그래피 등 고가의 분석장비와 전문가가 필요하고 현장에서 바로 진단할 수 없었다. 이번에 개발된 분자감지소재를 휴대형 라만분광장비에 적용하면 초고감도 현장진단 모니터링센서를 만들 수 있을 것으로 보인다.

또 휴대성, 낮은 가격, 실시간 분석 등의 장점이 있어 범용 환경센서로 시장 진입에 유리할 것으로 기대된다.

김동호 박사는 "현재 국내 중소기업 지원을 위한 분자감지소재 초소형 라만분광시스템을 개발하는 중"이라면서 "3년 안에 상용화를 이룰 계획"이라고 밝혔다.

박성규 박사는 "센서시장은 전세계적으로 연 20조원 규모로 추정된다"며 "대부분을 수입에 의존하고 있는 현실에서 환경 측정장비 및 센서 분야의 기술장벽을 극복해 신시장 창출과 국내 센서시장의 국산화에 크게 기여할 것"이라고 말했다.


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