이태윤 교수(연세대) 연구팀

물방울 기반의 화학 표적물질 검출을 위한 초소수성-SERS 센서 개념도. 왼쪽 개념도는 초소수성 금속 나노표면을 이용해 개발한 초소수성-SERS 센서 모습이다. 센서에 제작된 물방울 제어 경로를 통해 움직이는 물방울의 거동을 조절하였으며, 물방울이 멈출 수 있도록 설계되었다.

이태윤 교수

한국연구재단(이사장 조무제)은 이태윤 교수(연세대) 연구팀이 발암의심물질 등 화학 표적물질을 실시간으로 검출할 수 있는 센서를 개발했다고 19일 밝혔다.

미량의 화학 표적물질을 검출하기 위한 방법으로 표면증강라만분광법(SERS)이 많이 사용된다. 그러나 SERS 효과를 가지는 금속 나노표면이 점차 오염되면서 시료의 실시간 검출의 신뢰성을 떨어뜨린다. 미량의 시료를 빠르고 정확하게 검출하는 시스템의 개발이 필요하다. 
 

물방울 충돌/융합 등 움직임 조절 및 화학 표적물질의 검출

표면증강라만분광(Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS)은 특정 금속 나노표면에 화학 표적물질이 근접한 경우 입사된 빛의 파장과 표면 자유전자들 간에 공명에 의해 화학 표적물질의 라만신호가 증폭되는 효과가 나타나며 이를 표면증강라만산란이라고 한다.

연구팀은 물방울이 젖지 않고 쉽게 굴러 떨어지는 연꽃잎 효과에 착안해 초소수성 SERS 센서를 개발했다. 개발된 센서 표면 위에서는 극미량 시료의 움직임이 정확하게 제어되어 다양한 화학 표적물질을 실시간으로 검출할 수 있다.
 

미세한 돌기들로 이루어진 마이크로-나노 계층 구조와 물을 싫어하는 성질을 띄는 왁스층으로 이루어진 연꽃잎 위에서는 물방울은 동그란 모양을 이루며, 연꽃잎 표면 위에 떠있는 듯한 모습을 보인다. 물방울이 굴러 떨어질 때 연꽃잎 표면의 먼지와 함께 떨어지면서 연꽃잎은 자정 능력을 가지는데, 이를 연꽃잎 효과라 한다.

연구팀은 초소수성 표면 위에서 물방울의 거동을 제어하기 위해 물방울 제어 경로를 설계해 적용했다. 제어 경로 위에서는 물방울이 경로에 따라 움직일 뿐만 아니라, 멈출 수도 있게 설계됐다. 움직임이 정지된 물방울은 라만분광 레이저를 이용해 어떠한 화학물질이 포함되었는지 분석됐다. 이로써 실시간 화학 표적물질 검출을 위한 분석 플랫폼으로서의 가능성을 확인했다.

발암의심물질로 알려진 말라카이트그린(Malachite green)을 10-5M 수준의 극미량 농도도 성공적으로 검출했을 뿐만 아니라, 로다민6G  (Rhodamine 6G), 나일블루A(Nile Blue A)와 같은 화학표적물질을 동일 농도 수준으로 성공적으로 검출했다. 
 
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. 
 
이 연구는 교육부와 한국연구재단이 추진하는 이공분야 중점연구소지원사업, 미래창조과학부․한국연구재단 기초연구사업(개인연구), 산업통상자원부 센서산업고도화전문기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 재료분야의 권위 있는 학술지인 스몰(Small)에 표지 논문으로 선정돼 12월 5일자에 게재됐다.

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