간단한 바이오칩 제작 방식으로 대면적, 실시간 라만 분자 검지 가능
유용상 고려대 교수 – 최인희 서울시립대 교수 공동연구팀 연구 결과
마이크로 나노 소재분야 세계적 권위 저널 ‘Small’ 게재





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




 

 보건과학대학 바이오의공학부 유용상 교수와 최인희 서울시립대 생명과학과 교수 공동 연구팀은 나노/바이오 물질의 종류와 양을 실시간으로 검지 할 수 있는 전극-유전체-전극의 샌드위치 광학분자 검지 기술 개발에 성공했다(그림 1).

 고민감도의 특정 분자를 검출/검지하기 위해서는 나노금속 구조물의 높은 집약도 뿐만 아니라 정밀한 배열의 요소기술이 필수적이다. 검출하고자 하는 타깃 분자가 높을수록, 구성하는 금속 구조물이 박막형태 내에서 균일하게 잘 조립되어 있어야 높은 민감도를 가지는 바이오칩 구현이 가능하다. 이는 나노 금속 물질 표면에서 수십억 배 광신호가 증폭되는 현상이 ‘표면 증강 라만 산란(SERS)’ 현상 덕분이다.

 잘 정렬된 나노구조물을 만드는 것보다는 값싸고 대면적에 구현이 가능한 표면 증간 라만 산란 기판을 제작하기 위해 연구팀은 불소계 고분자 박막의 낮은 표면 에너지를 이용하여 단순한 열증착 기법으로 금 나노 구조를 대면적에 형성할 수 있고 이를 분자 검지 기술인 표면 증강 라만 분광법을 개발 및 최적화했다(그림 2).

 더 나아가 상하로 배열된 전극 사이에 샌드위치 된 유전체의 두께와 물성을 조절하여, 고가의 장비와 많은 노동력이 반드시 수반되는 나노금속 구조물 정렬도의 제조 공정의 어려움을 우회하여, 적층형으로 광학신호의 세기를 조절하는 매커니즘을 밝혀내는 데 성공했다.  패브리-페로(Fabry-Perot) 간섭현상에 의해 특정 파장의 빛을 증폭시키거나 혹은 감쇄시킨다는 사실 기반으로, '표면 증강 라만 산란(SERS)‘의 크기를 자유롭게 튜닝할 수 있는 소자 원천기술 개발을 확보했다.

 이는 기존의 '표면 증강 라만 산란(SERS)‘의 세기가 기체나 액체에서 측정할 때마다 신호의 세기가 들쑥날쑥했던 실험적인 오류를 극복하여 솔루션을 찾는데 큰 정보를 제공한다. 이번 연구에서 신호세기 조절의 작용기작을 설명하고, 이를 이용하여 고감도 분자검지 기술의 메커니즘을 밝혀내어 다양한 바이오칩으로의 응용가능한 활로를 확보했다.

 상단의 금속 나노 구조를 이용하여 건식 산소 활성화 이온 식각을 하게 되면 고분자 유전체층에 나노 크기의 빈 공간을 만들 수 있고, 이 과정을 통해 유전체층의 굴절률을 조절하여 라만 분광법에 사용되는 입사광/산란광 등의 증폭 혹은 감쇄에 맞출 수 있다(그림3).

기존의 측정 파장에 최적화하여 제작된 라만 기판은 입사광의 파장이 바뀌거나 검지하고자 하는 분자의 특성 라만 피크가 달라질 경우 추가적인 특성 조절에 어려움이 있다.

 그러나, 해당 연구팀의 MDM 구조는 유전체층의 나노 공간을 이용하여 다양한 액체를 외부에서 주입 시킬 수 있어 구조의 공명 파장을 역학적으로 조절하여 기판의 제작 이후에도 추가적인 건식 식각과 액체 투입을 통해 어떠한 환경에도 최적화시킬 수 있다(그림4).

 연구팀은 기판의 역학적 튜닝을 이용하여 단순 분자 검지뿐 아니라 정보 암호화 기술 중 하나인 스테가노그래피에 활용하여 여러 가지 정보를 한 기판 안에 성공적으로 암호화했다. (그림 5)

 이번 연구 결과는 마이크로 및 나노 소재 분야 세계적 권위의 국제학술지 ‘Small (IF=15.15)’에 독일 현지시간 4월 5일 게재됐으며, 과학기술정보통신부의 중견과제사업 및 정보통신 산업진흥원 지원으로 진행됐다.
  * 논문명: Fabry-Perot Cavity Control for Tunable Raman Scattering
  * 저널명: Small
  * 저자 정보: 김태현(공동 제1저자, 고려대학교 마이크로/나노시스템 협동과정 석박통합과정), 이종수(공동 제1저자, 서울대학교 전기정보공학부 석박통합과정), 유의상(공동저자, 한국전자통신연구원 선임연구원), 이승하(공동저자, KU-KIST 융합대학원 NBIT 융합전공 박사과정), 우현빈(공동저자, KU-KIST 융합대학원 NBIT 융합전공 석사과정), 곽정훈(공동저자, 서울대학교 전기정보공학부 부교수), 정석(공동저자, 고려대학교 기계공학부 교수), 최인희(공동 교신저자, 서울시립대학교 생명과학과 부교수), 유용상(공동 교신저자, 고려대학교 바이오의공학부 부교수)



[ 그 림 설 명 ]



▲ 그림 1. 대면적 실시간 나노구조물로부터 광신호 크기를 조절 가능한
패브리-페로 구조물의 분자 검지 바이오칩 원천 기술의 개념도 [대표그림]



▲ 그림 2. 증착 두께에 따른 금 나노 구조 변화의 모식도(a), 전자현미경 사진(b)과 전기장 증폭 시뮬레이션 결과(c)



▲ 그림 3. 건식 산소 활성화 이온 식각 시간에 따른 나노 구조 모식도(a)와 반사율(b), 라만 신호 변화(c)



▲ 그림 4. 액체 주입(공기-에탄올)에 따른 반사율(a), 라만 신호 변화(b)와 균일도를 보여주는 대면적 라만 신호(c,d)




▲ 그림 5 스테가노그래피를 활용한 정보 암호화 기술의 모식도(a-c), 공기 중에서의 라만 신호 맵핑(d,e)과 액체 주입에 따른 정보 암호화(f,g)