물 속 극미량 미세 플라스틱 검출 및 응집 거동 관찰
초고감도 비표지식 광-전기 융합 집게 기술 개발
□ 미세 플라스틱이나 생체고분자 등 수십~수백 나노미터 크기의 미세 물질을 포착할 수 있는 집게와 실시간 정량/정성 분석이 가능한 센서의 기능을 동시에 지닌 나노-광 핀셋 기술이 소개됐다.
○ 지렛대의 원리를 이용하는 기계적 집게가 아닌 전기적 집게인 동시에 특정 파장의 빛을 이용한 광(光) 센서로 수중 미세 물질 이나 혈액이나 체액 같은 액체시료 속 바이오마커 등을 검출하는 데 새로운 활로가 될 것으로 기대된다.
□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 KIST 및 고려대학교 KU-KIST 융합 대학원 서민아, 유용상 박사 연구팀이 나노입자 포집과 테라헤르츠파(THz) 증폭 기술을 결합한 신개념 광-전기 집게를 개발했다고 밝혔다.
□ 테라헤르츠파(1초에 1조 번 진동하는 전자기파)는 파장이 매우 길고 광-에너지는 낮아 인체에 무해하며, 비파괴검사 등에 이용된다.
○ 그러나 물에 대부분 흡수되는 테라헤르츠파의 성질과 미량의 물질에 낮은 감도를 가진 특성 때문에 수중 미세물질을 포착하고 분석하는 연구에는 전혀 활용되지 못했다.
○ 이에 연구팀은 수중에서의 신호손실을 막는 한편 신호증폭을 통해 감도를 수 십~수 백 배 높일 수 있는 방법을 제안했다.
□ 핵심은 극미량의 나노입자를 포집하는 전기집게 기술과 메타 표면으로 인해 증폭된 테라헤르츠파 변화를 이용한 고민감도 광센서를 하나로 통합한 것이다.
○ 미세입자의 존재와 응집정도에 따라 달라지는 굴절률 등에 따라 테라헤르츠파의 투과율이나 공명주파수가 달라지는 원리를 이용한다.
□ 이 과정에서 물에 의한 테라헤르츠파의 흡수를 회피하고자 물을 통과하지 않는 반사형 센서 시스템을 갖추었다. 또 나노미터 크기의 미세구조를 가지는 메타물질 센서로 입자를 능동적으로 포집하면서 동시에 모니터링하도록 했다.
○ 미세입자의 굴절률에 의해 미세하게 변화된 테라헤르츠파의 신호를 극대화시켜 관찰함으로써 형광표지 등의 전처리 없이 극미량의 미세입자를 비접촉식으로 모니터링 할 수 있도록 한 것이다.
□ 40μl(마이크로리터) 정도에 존재하는 1p.p.m.(피피엠, 100만분의 1) 정도의 극미량 미세입자를 검출할 수 있는 감도를 확보하였다.
○ 이는 통상 혈액이나 타액 같은 액체상태 시료에 존재하는 p.p.b. (피피비, 10억분의 1) 수준의 극미량 바이오마커 추적과 분석에도 응용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업, 글로벌 프론티어사업(파동에너지극한제어연구단) 등의 지원으로 수행 되었으며, 연구결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 3월 24일 게재되었다.
