국내 연구진이 서로 섞이지 않는 물과 올리브오일 사이 계면에서 금속나노입자들이 가지런히 정렬하는 현상을 발견하고, 이를 이용해 환경오염물질 및 식품안전 모니터링, 질병의 자가진단 등에 응용할 수 있는 광학분자 검출기술을 개발해냈다.
서강대 화공생명공학과 강태욱 교수 연구팀이 주도한 이번 연구는 미래창조과학부(장관 최문기)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원사업(핵심)의 지원으로 수행되었다.
연구결과는 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)지 7월 18일자 온라인 판 (논문명: Interfacial Liquid-state Surface-enhanced Raman Spectroscopy)에 게재되었다.
이번 연구 결과는 액체상에서의 금속나노입자의 자동정렬을 규명한 것은 이번이 처음으로, 향후 다양한 계면현상 연구에서부터 각종 물질 검출 등에 기여할 것으로 보인다.
액체 상에서 자유롭게 움직이고 있는 금속나노입자를 극저온이 아닌 상온에서 고체 기판을 이용하지 않고 고정해 일정한 방향으로 정렬시키는 것은 불가능에 가까웠다. 기존 전기장이나 자기장 등의 외부 힘을 사용한 예가 있었지만 실용화에 한계가 있었다.
액체 상에서 기능성 나노입자를 자유자재로 제어할 수 있게 되면 검출센서 제작시 고체 상에서 필요한 식각공정이나 고체기판으로 옮기는 전이공정, 현미경 등 추가적인 장비의 사용을 생략할 수 있어 공정이 단순해지고 비용을 절감할 수 있다.
연구팀은 암시야 광학현미경(시료에서 산란되는 빛만을 볼 수 있는 광학현미경)을 이용해 물 속에서 자유롭게 움직이던 금속 나노입자가 물과 기름 사이의 계면에서 수직방향으로 안정적으로 정렬하는 현상을 발견했다.
나아가 이 같은 정렬이 전기장 등 외부 힘이나 화학물질 첨가 같은 번거로운 작업이 아닌 경계면에서 두 개의 상이 이루는 경계의 면적을 늘리는 데 필요한 에너지인 계면에너지 최적화를 이루려는 나노입자의 자기조립 때문임을 밝혀냈다.
또한 연구팀은 이 같은 계면현상을 이용하여 고체 기판제작이 필요없는 초고속 분자 검출법을 개발하였다.
나노입자의 가지런한 정렬로 인해 올리브오일과 물의 경계면에서의 라만산란 신호가 약 100만배 증폭되기 때문에 분자 식별이 용이하다는 설명이다.
실제 증폭된 산란신호를 이용해 물이나 기름에 녹아 있는 나노몰 수준의 극미량의 분자도 검출해냈다.
이번 연구결과는 쉽게 접할 수 있는 올리브 오일과 비교적 만들기 쉬운 금 나노입자를 사용한다는 점, 그리고 물과 기름사이의 눈에 명확하게 보이는 계면을 분석에 이용한다는 점에서 주목받고 있다.
■ 용어설명
○ 올레산(oleic acid): 올리브 오일의 주성분으로 상온에서 액체상태인 지방산(fatty acid)의 일종. 물과 섞이지 않는다.
○ 금 나노막대기(gold nanorod) : 수십 nm 크기의 금으로 된 막대기 모양의 나노입자
○ 암시야현미경(dark field microscope) : 배경광은 들어오지 않고 시료만 밝게 빛나는 광학현미경으로 시료에 빛이 비스듬히 조사되어 대부분의 빛은 투과되고 오직 산란되는 빛만 렌즈에 도달하는 원리를 이용한다.
금속나노입자의 산란색을 관찰하고, 스펙트럼을 얻을 수 있어, 세포나 조직의 이미징이나 고감도 검출기법 등에 활용할 수 있다.
○ 라만 산란(Raman scattering) : 물질에 일정 주파수의 빛을 쬐어준 경우 물질 내 분자의 고유 진동이나 회전에너지 등에 의해 빛이 산란되는 현상. 산란광에서 물질의 고유 특성을 역추적해 분자구조를 알 수 있다.
○ 표면증강라만산란법(SERS: surface-enhanced Raman spectroscopy) : 금속나노입자 주변에서 라만 산란이 크게 증폭되는 것을 이용하는 분광법으로 분자 고유의 신호를 증폭시킬 수 있어 각광받고 있다. 검출신호의 재연성, 복잡한 나노구조체 제작방법 등이 실용화를 위한 과제로 남아있다.
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