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물 속 극미량 미세 플라스틱 검출 및 응집 거동 관찰
생명과학 한국연구재단 (2021-04-01)

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<KIST 및 고려대 서민아 박사, 유용상 박사, 유의상 박사>


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.

한국연구재단은 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.


주요내용 설명

<작성 : 한국과학기술연구원 서민아 책임연구원>

논문명
Nanoscale terahertz monitoring on multi-phase dynamic assembly of nanoparticles under aqueous environment
저널명
Advanced Science

키워드
Terahertz optics (테라헤르츠 광학), Optical biosensors (광-바이오센서), Nanophotonics and plasmonics (나노포토닉스 및 플라즈모닉스), Nanoparticles (나노입자), Nanoscale electrical tweezers (나노 전기집게)
저  자
제1 저자: 유의상 박사 (한국과학기술연구원)
공동 교신저자: 서민아 교수 (한국과학기술연구원 및 고려대학교), 유용상 교수 (한국과학기술연구원 및 고려대학교)

1. 연구의 필요성
 ○ 미세플라스틱은 페트병과 같은 플라스틱 입자가 자연계에서 깨지고 쪼개져 최종적으로 거름 장치인 필터로도 걸러지지 않는 나노 크기 (머리카락 1/1000 굵기인 50나노미터) 수준으로 작아진다. 설상가상으로 강/바다에 분포한 나노 플라스틱의 양은 극저농도로 분포되어 있어 특별한 기술을 이용하여 농축하지 않는 한, 현재의 검지 기술로는 현장/실시간 측정이 불가능하다.
 ○ 기존의 대부분 광센서는 표지식(Labeling), 즉 표적하는 작은 물질에 이름표를 붙이는 과정이 필수적인데, 이 이름표는 측정 물질 고유의 성질을 바꿀 수 가능성이 있는 한계점이 있고 표적이 생체물질일 경우 생체 내에서 부작용의 위험성을 내포하고 있다.
 ○ 테라헤르츠파 자체가 다양한 생체물질들의 고유 분자 진동 모드에 민감하므로 이를 이용한 비표지식 (label-free) 센서를 만들 수 있다. 또한 광-에너지가 높은 X-ray나 방사선과 달리 광-에너지가 낮아 생체에 안전해서 차세대 의료진단 기술로 주목받고 있다.
 ○ 하지만 테라헤르츠파는 물속에서 대부분 흡수되고 상대적으로 긴 파장 특성 때문에 생체 내에 존재하는 극미량의 물질을 직접 검출하기에 어려움이 있다.
 ○ 본 연구에서는 이를 해결하기 위해 수직 반사 형태의 테라헤르츠 분광법을 적용하여, 수분을 포함하는 샘플이라도 테라헤르츠파가 반사되는 특정 계면으로부터만 신호를 취하게 되어 물 분자에 의한 흡수로 신호가 줄어드는 영향을 최소화하였다.
 ○ 또한 민감도를 수 십 배 이상 증폭할 수 있는 테라헤르츠 메타물질 소자 기술을 적용해서 기존 테라헤르츠파 기술로 검출이 어려운 극미량의 미세 입자들로부터 뚜렷한 신호 변화를 획득하였다.

 2. 연구내용
 ○ 기존 테라헤르츠파 기반 입자 검출 기술의 장점은 살리면서 물에 의한 신호 손실을 최소화하는 한편 국소적인 신호 증폭을 위해 테라 헤르츠파에서 작동하는 메타물질을 개발하였다.
 ○ 이 메타물질은 수평 방향으로 배열된 일종의 나노갭 전극들로 이루어져 있으며, 이 나노갭의 형상과 광학상수를 바꾸면 메타물질의 기능을 다양한 전자기파 파장 대역에서 조절할 수 있다.
 ○ 잘 정의된 수평 방향의 테라헤르츠 나노갭 전극을 수직 방향으로 두 층 으로 만들어, 수직 방향으로도 전극을 이룰 수 있도록 구성하였다. 핵심은  수평 방향의 테라헤르츠 나노갭을 수직방향으로도 전극이 되게 디자인하여 광센서인 동시에 전기집게로 활용하는 데 있다.
 ○ 집속부의 역할을 하는 전기집게(수직방향 전극)는 물속에서 부유하는 초미세 플라스틱 및 생체분자 모사체 입자들을 광-신호부(수평방향 전극)로 능동적으로 끌어당기는 역할을 한다. 이 전기집게 기술은 나노 미립자를 농축하는 과정에서 발생할 수 있는 물질의 물성 변화나 열 발생/공기 방울 발생과 같은 저해 효과를 차단할 수 있다.
 ○ 동시에 광-신호부에서는 수평방향 전극에 의해서 수 십~수 백 배 증폭된 테라헤르츠 신호변화를 통해 입자의 양과 성질을 추적하고 분석할 수 있다.
 ○ 더 나아가 미립자가 집속부에 누적되면서 나노 스케일의 부피 내에서 발생하는 미립자의 응집과정과 거동을 실시간으로 분석 가능하여 나노 물질 거동 파악의 새로운 활로를 개척할 것으로 기대된다.

3. 연구성과/기대효과
 ○ 최근 문제로 대두되는 미세 플라스틱의 거동 특성에 대한 이해가 전무한 상황에서, 실시간으로 극미량의 미세입자를 추적하고 분석 하는 기술은 새로운 해법을 제시할 수 있다. 또한 대부분 생체 물질이 물 환경에 놓여있을 때 기능을 갖는다는 점을 고려하면, 이번에 개발된 광-전기 집게 기술을 다양한 바이오 및 의료 응용 분야에 유용하게 활용할 수 있다.
 ○ 또한 연구팀은 현재 기체에서 미량의 입자를 포집하고 분석하는 연구 또한 수행하는 중이다.
 

이중 금속 전극 구조를 이용한 초고감도 광-전기 융합 집게

© 2021 The Authors. Advanced Science published by Wiley‐VCH GmbH
(그림) 이중 금속 전극 구조를 이용한 초고감도 광-전기 융합 집게
수직방향의 금속전극(그림에서 금색 표시)은 전기 집게(그림에서 금색/파랑/금색 적층구조 표시)의 역할을 하여 물속에서 부유하는 미량의 초미세 플라스틱 및 생체분자 모사체(그림에서 붉은색 점으로 표시)을 포집하는 역할을 함.
수평방향의 나노갭 전극(그림에서 패턴화된 직사각형 움푹패인 구조물)은 초미세 플라스틱 입자의 양과 종류에 따라 테라헤르츠 신호가 변하는 것을 민감하게 측정함.
그림 설명 및 그림 제공 : 한국과학기술연구원 서민아, 유용상


연구 이야기

<작성 : 한국과학기술연구원 서민아 책임연구원>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

파장이 매우 긴 원적외선 대역에 해당하는 빛인 테라헤르츠파는 생체분자의 고유 진동에 민감하기 때문에 비표지식(Label-free)으로 바이오 센싱 등에서 활용 가능성이 크다고 생각한다. 그러나 이러한 큰 장점에도 불구하고, 물에서 대부분 흡수되어 물 환경에서의 연구가 전무하다시피 한 한계점이 있었다. 이 한계점을 극복하기 위해 다양한 전자기파 파장 대역에서 특별한 기능을 갖는 ‘메타물질’ 기술을 도입하였고, 전극을 이용하여 특정 물질을 포집하는 전기 집게 기술과 접목하게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

우리 연구팀은 한국과학기술연구원의 센서시스템 연구센터 내에서, 미세 먼지, 미세 플라스틱, 미량의 바이러스 등 작은 입자를 포집하는 연구를 하는 팀과 테라헤르츠파를 이용하여 미량의 입자 및 분자를 분석하는 광센서 팀이 여러 가지 현재의 사회문제 및 이슈들에 대해 공동 과제나 협력 연구를 하고 있다. 본 연구에서 핵심 기술인 테라헤르츠파 신호 증폭을 위한 나노갭과, 효율적인 입자 포집을 위한 전기 집게를 위한 전극의 물리적인 크기가 실제로 동일하다는 것으로부터 착안하여, 두 가지 기능을 동시에 가질 수 있는 “광-전기 융합 집게”라는 아이디어를 떠올려 제작에 착수하게 되었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

전기 집게와 광센서를 합치기 위해, 디자인한 광-전기 융합 집게를 제작하는 과정에 다소 기술적 어려움이 있었다. 나노 크기의 작은 구조물에서 수직과 수평 두 가지 방향에서 모두 전극으로 작동할 수 있게 하면서도 실제 센서로 활용하기 위해서는 대면적화 시키는 것이 필수이다. 따라서 나노 크기의 구조물을 만드는 고도의 공정 기술로 대면적 센싱칩을 대량생산해야 했기에 복잡하고 긴 공정 과정을 거칠 수밖에 없다. 그러나 기술적 어려움에 대해서는 오랜 노력과 노하우를 모아 점차 최적화가 되어가는 과정에 있어, 앞으로 높은 수율로 탁월한 성능의 센싱칩을 다량 확보하여 여러 가지 응용 연구에 활용할 수 있을 것으로 기대한다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

테라헤르츠파가 비표지식이며, 광-에너지가 낮아 인체에 해가 없다는 큰 장점에도 불구하고 물에서 대부분 흡수되어서, 물속 환경에서 미량의 입자를 관찰하는 센서로 활용하기에는 큰 어려움이 있었다. 이를 이중 전극 기반 메타물질을 개발함으로써 극복할 수 있었고, 물속에 미량 존재하는 초미세 플라스틱을 검출하는 데 성공 하였다. 특히 나노 스케일에서 작동하는 전기 집게 기술은 물속에서 부유하는 여러 가지 입자 중에 선택적으로 특정 입자만을 원하는 위치에 포집하는 탁월한 성능을 가지고 있어, 미세먼지나 미세 플라스틱, 바이러스 연구 등에 적극 이용될 수 있는 핵심 기술이다. 또한 본 연구를 통해 단순히 미세 플라스틱 입자를 포집하고 측정하는 데 그치지 않았고, 이들이 마구잡이로 뭉치는 것이 아니라, 나름의 규칙과 질서를 가지고 응집되는 과정의 거동을 이해할 수 있어서 학문적으로도 의미가 큰 성과라 생각된다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

본 연구에서 개발된 광-전기 융합 집게 시스템의 소형화 및 분석의 고속화 등을 통해 미세먼지, 미세 플라스틱 모니터링은 물론, 실제 의료현장에서 특정 질병에 관여하는 미량의 생체분자를 실시간 검출 및 분석하는 데 매우 유용하게 이용될 수 있을 것으로 기대한다.

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