바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 은 나노입자를 증착시킨 크로마토그래피 종이를 개발했다. 이번 연구 결과는 지난 1월 15일 <빛: 과학과 응용(Light: Science and Applications)>지에 게재되었다.

혼합물을 분리하는 크로마토그래피
크로마토그래피(chromatography)란 혼합물을 분자 간 이동 속도 차이를 이용해 분리하는 기술이다. 그 중 종이 크로마토그래피는 혼합물을 구성하는 물질과 종이 사이 인력 차이에 따라 혼합물을 분리하는 방법으로, 저렴하지만 정확성이 떨어진다는 단점을 가진다.

혼합물 성분 검출이 어려운 기존 방식
종이 크로마토그래피를 이용해 혼합물을 분리하면, 분리된 물질 각각의 성분을 파악하기 위해 추가적인 작업이 필요하다. 그 방법 중 하나가 라만분광법(Raman spectroscopy)*이다. 하지만 이 방식은 분자의 농도가 낮아질수록 라만분광법으로 얻어지는 산란광의 세기가 약해 성분 검출이 어렵다는 단점이 있다. 이를 보완하기 위해 분자에 형광 표지를 붙이는 방법을 사용하기도 하지만, 형광 표지로 인해 분자의 특성이 변한다는 문제가 발생한다.

나노플라즈모닉스로 기존 기술 개선해
연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 크로마토그래피용 종이 표면에 나노플라즈모닉스(nanoplas-monics) 특성을 가지는 은 나노입자를 증착시켰다. 나노플라즈모닉스란 금속 원자의 자유전자가 빛에 의해 진동하며 강한 상호작용을 일으켜 빛의 세기를 증폭시키는 현상을 말한다. 이때, 나노플라즈모닉스에 의해 증폭되는 빛의 파장은 금속 나노입자의 크기에 따라 달라진다.

열 증착법으로 종이 표면에 은 부착
연구팀은 나노플라즈모닉스 현상을 일으키는 금속 중 가시광선과의 상호작용이 특히 강한 은을 사용했다. 연구팀은 열 증착법(thermal deposition)**을 이용해 종이 표면에 은 나노입자를 부착했다. 종이가 들어 있는 진공 챔버에 은을 넣고 열을 가하면 은 증기가 날아가 종이 표면에 달라붙는다. 은이 20 nm 이하의 얇은 박막 형태로 달라붙은 종이에 열을 가하면 은 입자 사이 연결이 끊겨 표면에 은 나노입자가 붙은 종이가 만들어진다.

은 나노입자가 분광 신호 증폭시켜
이렇게 만들어진 종이로 크로마토그래피를 진행하면 종이를 따라 분리된 분자들이 종이 표면의 은 나노입자에도 붙는다. 이때 물질에 빛을 비추면 은 나노입자의 영향으로 빛이 증폭돼 분광 효과가 커진다. 따라서 연구팀이 개발한 종이를 이용하면 별도의 형광 표지를 이용하지 않아도 물질을 쉽게 분석할 수 있다. 이처럼 나노플라즈모닉스를 응용해 라만분광에서 얻어지는 산란 신호를 증폭시키는 기술을 표면증강 라만 분광법(Surface-Enhanced Raman Spectroscopy, SERS)이라 한다.

이번 연구는 나노플라즈모닉스를 이용해 혼합물의 특성을 분석하는 정확한 종이 크로마토그래피 기술을 개발했다는 점에서 의의가 크다. 정 교수는 “기존에 사용하던 표면증강 라만분광법은 혼합물이 많아질수록 물질을 구분하기 어려웠다”라며 “이번에 개발한 방법은 혼합물의 분리와 표면증강 라만분광법을 합쳐 정확한 분석이 가능하다”라고 연구의 의의를 밝혔다.

라만분광법*
분자마다 빛을 쬐었을 때 나오는 산란광의 파장이 다르다는 성질을 이용해 분자 구조를 조사하는 분석법.

열 증착법**
진공에서 물질을 가열 증발시켜 판에 붙이는 박막 제작법.