우리학교 바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 표면 증강 라만 산란을 이용한 생화학 센서의 감도를 높일 수 있는 설계기준을 제시했다. 이번 연구는 세계적인 학술지인 <어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)>지 7월 9일 자 속표지 논문으로 선정되었다.

라만산란을 이용한 무표지 생화학 센서
빛이 어떤 매질을 통과할 때 빛의 일부가 진행방향과 다른 방향으로 진행하는 현상을 산란이라고 하며, 산란된 빛은 원래의 에너지를 그대로 가지고 있기도 하지만 원래 빛의 에너지보다 작거나 많은 에너지를 가질 수도 있다. 원래의 에너지를 그대로 유지하면서 산란되는 과정을 레일리 산란, 에너지를 잃거나 얻으면서 산란되는 과정을 라만 산란이라고 한다. 이 중 라만 산란광은 물질의 작용기마다 에너지를 흡수하는 정도가 고유하므로 라만 산란광을 분석하면 물질의 분자 구조를 추론할 수 있다. 따라서 라만 산란을 이용해 생화학 센서를 제작할 수 있고 이는 항원-항체 반응을 이용한 대부분의 바이오 센서와는 달리 빛만 쪼여주면 분자를 검출할 수 있는 무표지(Label-free) 검출법이다.

산란된 빛이 강해지는 표면 증강 라만 산란 이용해
라만 산란으로 분자의 구조를 알아낼 수는 있지만 입사된 빛이 라만산란된 후 만분의 일 정도의 세기로 약해지기 때문에 이것만으로는 검출이 힘들다. 이를 극복하기 위해 금속나노 입자에 빛을 쪼았을 때 금속 나노 입자 주변의 전기장이 증강되어 강한 빛이 발생하는 현상을 이용한다. 금속 나노 입자의 표면에 검출하고자 하는 분자가 올려져 있을 때 빛을 쪼아주면 금속 나노 입자에 의해 발생한 강한 빛이 검출하고자 하는 물질에 입사되어 라만 산란된 빛도 강해진다. 이것을 표면 증강 라만 산란(Surface-enhanced raman scattering) 이라고 한다.

입자간 거리 연속적으로 변화시켜 보편적 법칙 찾아내
연구팀은 말랑하고 유연한 고분자 기판(PDMS) 위에 얇은 금속 박막을 올린 후 가열해 금속 나노 입자가 일정한 간격으로 형성되도록 했다. 그리고 만들어진 유연한 기판을 늘려가며 기판 위 입자 간의 거리를 연속적으로 변화시키며 라만 산란된 빛의 세기 변화를 관찰했다. 만약 기판을 한쪽으로 잡아당기면 다른 쪽 방향으로는 줄어들기 때문에 입자간의 거리를 일괄적으로 늘릴 수 없다. 연구팀은 그 점을 극복하기 위해 기판을 풍선처럼 반구형으로 부풀려 금속 나노 입자 간의 거리를 늘리는 방식을 사용했다. 연구팀은 어떤 간격일 때 라만 산란이 가장 증폭되는지 관찰하고 입사광의 파장에서 전기장의 세기와 산란광의 파장에서 전기장의 세기의 곱이 표면 증강 라만 산란의 세기에 비례한다는 관계를 실험적으로 밝혀냈다.

이전까지는 주로 라만 산란을 증강시키기 위해서 나노 입자 구조를 다양하게 디자인해 시험하는 방법을 사용했기 때문에 번거로운 점이 많았고 감도를 충분히 높이기 어려웠다. 이번 연구는 입사광의 파장에서 전기장의 세기와 산란광의 파장에서 전기장의 세기의 곱과 표면 증강 라만 산란 사이의 관계를 규명해 이전과 같은 노력을 줄이고 손쉽게 설계할 수 있는 방법을 제시했다. 이후 이번 연구에서 도출된 결과를 통해 라만 산란을 이용한 생화학 센서 제작이 쉬워질 것으로 보인다. 또한, 더 감도가 높은 센서가 개발되면 생화학 및 의료 분야에서 많은 기여를 할 것으로 기대된다. 이번 논문의 제1 저자인 강민희 박사는 “본 연구는 기판을 부풀리는 새로운 방법을 통해 입자 간의 간격을 연속적으로 조절할 수 있었고 여태까지 밝혀지지 않았던 관계를 규명했다는 점에서 의의를 가진다”라고 전했다.