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학술

연꽃잎 원리 응용하여 오염물질 센서 개발

'Small'에 표지 논문으로 선정, 12월 5일자에 게재

A Droplet-Based High-Throughput SERS Platform on a Droplet Guiding Track Engraved Superhydrophobic Substrate
 
 
         
한국연구재단(이사장 조무제)은 이태윤 교수(연세대) 연구팀이 “발암의심물질 등 화학 표적물질을 실시간으로 검출할 수 있는 센서를 개발하였다”고 밝혔다. 

미량의 화학 표적물질을 검출하기 위한 방법으로 표면증강라만분광법(SERS)*이 많이 사용된다. 그러나 SERS 효과를 가지는 금속 나노표면이 점차 오염되면서 시료의 실시간 검출의 신뢰성을 떨어뜨린다. 미량의 시료를 빠르고 정확하게 검출하는 시스템의 개발이 필요하다. 
  
* 표면증강라만분광(Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS) :  특정 금속 나노표면에 화학 표적물질이 근접한 경우 입사된 빛의 파장과 표면 자유전자들 간에 공명에 의해 화학 표적물질의 라만신호가 증폭되는 효과가 나타나며 이를 표면증강라만산란이라고 함.

연구팀은 물방울이 젖지 않고 쉽게 굴러 떨어지는 연꽃잎 효과*에 착안하여 초소수성 SERS 센서를 개발하였다. 개발된 센서 표면 위에서는 극미량 시료의 움직임이 정확하게 제어되어 다양한 화학 표적물질을 실시간으로 검출할 수 있다. 
  
* 연꽃잎 효과 : 미세한 돌기들로 이루어진 마이크로-나노 계층 구조와 물을 싫어하는 성질을 띄는 왁스층으로 이루어진 연꽃잎 위에서는 물방울은 동그란 모양을 이루며, 연꽃잎 표면 위에 떠있는 듯한 모습을 보인다. 물방울이 굴러 떨어질 때 연꽃잎 표면의 먼지와 함께 떨어지면서 연꽃잎은 자정 능력을 가지는데, 이를 연꽃잎 효과라 한다.

연구팀은 초소수성 표면 위에서 물방울의 거동을 제어하기 위하여 물방울 제어 경로를 설계하여 적용하였다. 제어 경로 위에서는 물방울이 경로에 따라 움직일 뿐만 아니라, 멈출 수도 있게 설계되었다. 움직임이 정지된 물방울은 라만분광 레이저를 이용하여 어떠한 화학물질이 포함되었는지 분석되었다. 이로써 실시간 화학 표적물질 검출을 위한 분석 플랫폼으로서의 가능성을 확인하였다. 

발암의심물질로 알려진 말라카이트그린(Malachite green)을 10-5M 수준의 극미량 농도도 성공적으로 검출했을 뿐만 아니라, 로다민6G(Rhodamine 6G), 나일블루A(Nile Blue A)와 같은 화학표적물질을 동일 농도 수준으로 성공적으로 검출하였다. 
 
이태윤 교수는 “이 연구는 초소수성 표면 위에서 물방울을 자유자재로 제어할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 바이오 마커를 빠르고 정확하게 검출하는 초고속 분석 플랫폼을 제시한 최초의 연구이다. 이 플랫폼의 개발을 통해 독성물질 검출에서 더 나아가 향후 한 방울의 혈액으로 다양한 분석이 가능한 시스템 구축에 기여할 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다. 
 
이 연구는 교육부와 한국연구재단이 추진하는 이공분야 중점연구소지원사업, 미래창조과학부․한국연구재단 기초연구사업(개인연구), 산업통상자원부 센서산업고도화전문기술개발사업의 지원을 받아 수행되었다. 재료분야의 권위 있는 학술지인 스몰(Small)에 표지 논문으로 선정되어 12월 5일자에 게재되었다. 



논문의 주요 내용


□ 논문명, 저자정보 

- 논문명 : A Droplet-Based High-Throughput SERS Platform on a Droplet Guiding Track Engraved Superhydrophobic Substrate
   
- 저자 정보 : 이태윤 (교신저자, 연세대 교수), 신세라(제1저자, 연세대, 석박통합과정), 이재홍(공동저자, 연세대, 석박통합과정), 이상근(공동저자, 연세대, 석박통합과정), 김현철(공동저자, 연세대, 석사과정), 서정목 (공동저자, 미국 하버드의대/MIT, 박사후연구원), 김다영 (공동저자, 연세대, 석사), 홍주리(공동저자, 연세대, 박사), 이순일(공동저자, 미국 텍사스대, 박사과정)

□ 논문의 주요 내용 

 1. 연구의 필요성
 
레이저로부터 조사된 빛과 분자 간의 상호작용을 통해 물질의 정보를 얻는 표면증강라만분광법(SERS; Surface-Enhanced Raman Scattering or Spectroscopy)은 미량의 화학 표적물질을 검출하기 위한 방법으로 많이 사용된다. 특히 유체 상으로 존재하는 화학 표적물질을 검출하기 위해 SERS 효과를 가지는 미세유체 칩(SERS-integrated microfluidic chip)이 최근 활발히 개발되었다. 
      
*표면증강라만산란(Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS) : 특정 금속 나노표면에 화학 표적물질이 근접한 경우, 입사된 빛의 파장과 표면 자유전자들 간에 공명에 의해 화학 표적물질의 라만신호가 증폭되는 효과가 나타나며 이를 표면증강라만산란이라고 함.

그러나 유체를 제어하기 위해 밸브와 같은 추가 장치들이 필요할 뿐만 아니라 유체의 흐름에 의해 SERS 효과를 가지는 금속 나노구조가 파괴되거나 또는 오염되어 화학 표적물질 검출의 신뢰성이 확보되지 않는 한계를 가진다. 

이에 금속 나노구조의 오염과 파괴를 방지하고, 유체 내의 화학 표적물질을 실시간으로 검출하기 위한 새로운 형태의 SERS 센서가 필요하였다.


 2. 연구내용 
   
연꽃잎 효과는 연잎 표면의 미세 돌기 구조와 왁스층에 의해 물방울이 굴러 떨어지며 잎에 앉아있던 먼지들도 함께 떨어져 자정효과를 보이는 연꽃잎의 초소수성 성질을 일컫는다. 이 때, 초소수성 표면은 물을 극도로 싫어하는 성질 때문에 표면의 오염에 매우 강한 것으로 알려져 있다. 
 
이 때 SERS 효과를 가지는 금속 나노구조 표면을 이용하여 초소수성 표면을 개발하면 단일 물방울 내의 화학 표적물질을 검출할 뿐만 아니라, 오염에 강하여 연속적인 검출도 가능할 것으로 예상하여 금속 나노구조의 형태에 따른 SERS 효과를 직접 확인하고 센서를 개발하였다. 
 
특히 이 때 레이저 조사에 의한 SERS 센서로 응용하기 위해서는 초소수성 표면 위에서의 물방울을 쉽고 빠르게 제어할 수 있는 물방울 제어 기술 개발이 필수적이었다. 이 때, 초소수성 표면 위에서의 물방울 거동은 물방울의 충돌 현상을 응용하여 제어할 수 있을 것으로 판단하여 센서 개발에 핵심 기술로서 적용하였다.
 
연구팀은 개발된 초소수성-SERS 센서가 인체유해성 물질로 알려져 있는 트리페닐메탄계 염료 및 항생제 말라카이트 그린 (Malachite green)을 단일 물방울 상태로 성공적으로 검출하였으며, 그 뿐만 아니라 로다민 6G (Rhodamine 6G), 나일 블루 A (Nile bule A) 등의 화학 표적물질도 연속적으로 검출하였다. 이를 통해 기존에 개발되었던 SERS-미세유체 칩이 금속 나노표면의 오염에 의해 여러 화학 물질의 연속적 검출이 불가능한 점을 극복할 수 있다는 것을 최초로 밝혔다.
  
이 연구를 통해 개발된 센서는 움직이는 물방울의 거동을 쉽고 빠르게 조절하여 SERS 분석에 응용할 수 있도록 개발된 센서이다. 기존의 미세유체 칩보다 발전된 형태로서 그 사용 가능성을 확인하였다는 점에서 큰 의의를 지니며, 단일 물방울의 제어를 통한 높은 효율성까지 확보한다. 


3. 연구 성과

연구팀이 개발한 초소수성-SERS 센서는 물방울의 거동을 조절할 뿐만 아니라 연이어 SERS 분석에 응용할 수 있다. 개발된 센서는 기존의 미세유체 칩이 가지는 단점들을 극복할 뿐만 아니라 유체 상태의 화학 표적물질을 검출하는 강력한 검출 능력을 가진다.
  
이 연구는 초소수성 표면을 라만 분광법과 함께 사용하여 초소수성 표면의 새로운 응용분야를 최초로 제시하였다는 점에서 큰 의의를 지니며, 단일 물방울의 제어를 통한 SERS 분석의 높은 효율성까지 확보한다. 
 
특히 단일 물방울을 이용하는 연구팀의 연구 결과는 실시간으로 화학/생물학적 반응을 물방울 단위로 관찰하며 분석할 수 있는 장치이다. 실시간 분석이 중요한 생화학적 반응 등 광범위한 연구에 중요한 실마리를 제공할 수 있다. 또한 한 방울의 피로도 다양한 분석을 가능케 하는 시스템 구축에도 기여하며 SERS 기술의 응용 분야가 더욱 확대될 것으로 기대된다. 




연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
 
라만 분광은 물질의 구조 및 특성을 연구하는 데 있어 비파괴적 방법에 의한 분석 물질의 검출을 가능하게 하나, 그 세기가 매우 미세하여 라만 신호를 검출하기 어렵다는 단점 또한 가진다. 이에 라만 신호의 검출 한계를 극복하고 극미량의 물질도 분석할 수 있게 하는 표면증강라만분광(Surface-enhanced Raman Scattering, SERS) 기술이 최근 주목을 받고 있다. 표면 플라즈몬 공명을 이용하여 신호를 증폭시키는 이 기술은 금속 나노입자에 입사되는 빛이 금속 표면의 자유 전자들과 공명을 일으켜 금속 표면 주변에 존재하는 분석 물질의 라만 신호를 증폭시키는 원리를 이용한 것으로 Ag, Au, Cu 등의 금속 나노입자에서 증폭 효과가 발견된다. 

이 때, 스핀 코팅(spin-coating), 딥 코팅(dip-coating) 등의 방법으로 검출하고자 하는 시료를 개발된 금속 표면에 흡착시키는 과정을 통해 SERS 기술을 이용하기 위한 시료를 준비하게 된다. 그러나 SERS는 라만 신호를 증폭시켜 주는 장점이 있음에도 불구하고, 금속 나노표면의 일회성 사용, 레이저 조사 위치에 따른 신호 검출량 차이에 의한 재현성 문제 등의 한계를 가진다. 

신호 검출의 재현성 한계를 극복하고자, 미세 채널 내 금속 나노표면을 포함하는 미세유체 칩(SERS-integrated microfluidic chip)을 개발하는 기술이 연구되었으나, 유체를 제어하기 위해 밸브와 같은 추가 장치들이 필요할 뿐만 아니라 유체의 흐름에 의해 금속 나노구조가 파괴되는 추가적인 단점들이 보고되었다. 
 

 2. 연구내용
 
연구팀은 SERS 분석을 위한 기존의 기술들이 가지는 한계를 극복하기 위한 연구를 진행하였으며, SERS 효과를 보이는 Ag 금속을 이용하여 초소수성 금속 나노표면을 개발하였다. 이 때, 초소수성 표면 위에서 물방울 제어 경로(Droplet guiding track)를 설계하여, 표면에 젖지 않고 방울 모양을 그대로 유지하고 있는 유체의 움직임(moving, stopping)을 제어할 수 있도록 하였다. 

연구팀이 개발한 초소수성 금속 나노표면은 물방울이 젖지 않으며 거동이 제어될 뿐만 아니라, 금속 나노표면의 SERS 효과를 응용할 수 있어 시료에 의한 표면의 오염 없이 다양한 시료를 빠르고 정확하게 검출할 수 있다. 이는 SERS를 위해 기존에 개발되었던 표면의 단점을 극복하고 높은 효율성까지 확보한다. 
  
물방울이 젖지 않고 표면에서 쉽게 굴러 떨어지는 성질을 가지는 표면을 초소수성 표면이라고 한다. 이러한 표면은 충분한 거칠기(high roughness)와 낮은 표면에너지(low surface energy)를 가지도록 표면을 개발함으로서 얻을 수 있다. 이 연구에서는 갈바닉 치환 반응을 이용하여 충분한 거칠기를 가지는 은 덴드라이트(Ag dendrite) 구조를 구리 표면 위에서 성장시켰다. 이는 은 금속염이 포함되어 있는 용액에 물방울 제어 경로가 설계된 구리 판을 담갔을 때, 구리와 은 금속염 사이의 갈바닉 이온 교환 반응이 자발적으로 일어나면서 은 덴드라이트 구조가 구리 표면 위에서 성장하는 원리를 기반으로 한다.  
  
은 덴드라이트 구조*가 형성된 표면은 표면 개질을 통해 낮은 표면에너지를 갖도록 후처리하였다. 은 덴드라이트의 무수히 많은 마이크로-나노구조에 의해 SERS 특성을 보이는 것을 확인하였다. 
        
*은 덴드라이트 구조 :  은 이온은 환원되어 금속 결정을 이룰 때 특정 결정 방향을 따라 성장하게 된다. 은(Ag)은 나뭇가지 모양으로 발달하게 되는데 이를 수지상 구조(dendrite structure)이라고 한다. 

특히 연구팀은 물방울 제어 경로를 통해 움직이는 물방울의 거동을 조절하였다. 또한 물방울이 멈출 수 있도록 설계하여 라만 분석에 응용할 수 있도록 하였다. 이 연구를 통해 개발한 물방울 기반의 표면증강라만분광 플랫폼에서는 물방울 내에 존재하는 미량의 시료를 성공적으로 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 표면의 오염에 강한 초소수성 표면의 성질로 인해 빠르고 정확하게 미량 시료를 실시간 검출할 수 있음을 확인하였다. 

이 연구에서 개발한 표면증강라만분광 플랫폼은 기존의 SERS 결합 미세유체 칩(SERS-integrated microfluidic chip)의 금속 나노표면 오염문제를 극복할 수 있을 뿐만 아니라, 칩 구동을 위한 복잡한 장치 없이도 간단한 조작 방법으로 정확하고 빠르게 물방울을 제어, 극미량의 시료를 검출할 수 있어 초소수성 표면의 장점을 응용한 보다 진보된 형태의 플랫폼이다. 


3. 기대효과

이 기술은 극미량의 시료를 검출하는 데 있어 연꽃잎 효과로 잘 알려진 초소수성 표면의 장점을 적용시켜 표면증강라만분광 분석을 위한 새로운 형태의 플랫폼을 제시했다는 점에서 큰 의의를 지닌다.
  
라만분광은 의료/제약 등 화학/생물학적 분석이 필요한 모든 분야에서 광범위하게 사용된다. 개발된 센서는 실시간으로 일어나는 화학적 반응을 모니터링하는 데 응용될 수 있어, 추후 실시간 분석이 필요한 장치로 적극 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

특히 한 방울의 혈액으로도 다양한 분석을 가능케 하는 혈액분석시스템 구축에도 활용될 수 있을 것으로 예상되며, 진단의학분야의 새로운 고부가가치 시장을 선점하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 



★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

연구팀에서는 나노물질을 합성하고 응용하는 연구뿐만 아니라, 자연에 존재하는 초소수성 표면을 모사하여 인공의 초소수성 표면을 개발하고 응용하는 연구도 진행 중이었다. 그래서 초소수성 성질을 가지는 나노물질이 어떠한 장점을 가질 수 있을지 고민했고, 기존의 미세유체 칩의 한계를 극복할 수 있는 여러 장점을 가지고 있음을 파악하여 연구를 시작하였다.


□ 연구 전개 과정에 대한 소개

이 연구는 초소수성 성질을 가지는 금속 나노구조 표면을 개발하고 이를 SERS 센서로 응용하는 것에 목표를 두고 시작하였다. 이 때 초소수성 표면 위에서 화학 표적물질을 포함하는 물방울을 어떻게 제어하고 광학 신호를 얻을 것인가 하는 것이 연구 중 가장 큰 고민이었다. 물방울이 가만히 있지 못하고, 조금의 경사만 있어도 굴러 떨어지기에 연구 초기에는 광학 신호를 얻기 힘들 것으로 생각한 순간도 있었다. 그러나 오히려 쉽게 굴러 떨어지는 것을 응용하여 물방울 간 충돌을 이용해 물방울의 움직임을 제어할 수 있게 되자, 그 후 연구는 수월하게 진행할 수 있었다.  


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

이 연구는 금속 나노구조를 성장시키고 SERS 효과가 가장 극대화되는 구조 모양을 찾아 센서로 최종 개발하였다. 이 때, 금속 나노구조는 액상 기반의 갈바닉 치환 반응을 통해 성장되었는데, 갈바닉 치환 반응이 온도와 습도에 영향을 받아 기후에 따른 나노구조 성장 양상이 다른 점이 특히 어려웠다. 이에 핫 플레이트와 습기 제거제 등을 이용하여 온도와 습도가 실험 시마다 일정할 수 있도록 조절하여 극복하였다. 


□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존의 유체를 이용한 SERS 센서들은 미세유체 칩 내의 금속 나노구조 표면을 성장시키거나, 금속 나노파티클을 유체와 함께 섞어 흘려줌으로서 사용되었다. 그러나 앞서 기술했듯이 미체유체 칩 내의 금속 나노표면은 흐르는 유체에 의해 쉽게 파괴되고 오염된다. 즉 검출하고자 하는 화학 표적물질(A)을 검출한 후에, 다른 화학 표적물질(B)를 포함하는 유체를 연속적으로 흘렸을 때 A 신호와 B 신호가 섞여서 검출될 수 있다. 또한 금속 나노구조의 파괴에 의해 검출 신호가 점점 약해지기도 한다. 이는 센서로서의 기능을 다하지 못함을 의미한다. 따라서 이 연구를 통해 개발한 초소수성-SERS 센서는 표면 오염에 강하기에 A 신호와 B 신호가 섞이지 않고 검출될 수 있다. 물방울의 쉽고 빠른 제어를 통해 화학 표적물질 검출 효율도 함께 높였기에 그 연구적 의의가 크다고 생각된다. 


□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

이 연구를 통해 화학 물질을 효율적으로 검출하는 진보된 형태의 플랫폼을 개발할 수 있었다. 본 연구는 단일 물방울의 제어와 화학 물질의 검출에 초점을 두고 그 가능성을 확인한 연구였기에, 앞으로는 물방울 간의 융합에 의한 실시간 반응 분석 플랫폼, 혈액 등을 이용한 생물학적 분석 플랫폼 등으로 연구를 확장해 나갈 예정이다.


□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

이 연구결과를 스몰(Small)지에 투고하면서 연구결과에 대한 자신이 있었다. 저널 측으로부터 논문 게재 확정 소식을 전달받으며 표지논문으로 추천되었음을 확인했을 때 초소수성-SERS 플랫폼의 가능성을 인정받은 것 같아 매우 기뻤으며, 앞으로 더욱 정진하여 좋은 연구 성과를 내야겠다는 다짐을 하게 됐다.


용 어 설 명


1. 스몰 (Small) 
○ 나노/바이오/재료/에너지를 포함하는 나노화학 분야의 국제 권위를 가지는 전문 학술지. (피인용 지수: 8.315)  


2. 말라카이트그린 (Malachite green)
○ 밝은 청록색의 트리페닐메탄계 염료의 일종으로, 동물실험을 통해 체중감소, 간암 및 생식독성 등을 발생시키는 것으로 보고된 물질. 연어, 송어 등의 부화난에 기생한 물곰팡이를 치료하는데 효과가 있는 것으로 알려져 1949년부터 미국 및 유럽, 일본 등 여러 나라에서 사용되었으나 발암성물질로 알려진 이후 식용 어류에서 사용이 금지되었다. 우리나라에서도 2005년 중국산 장어 말라카이트그린 검출 사건 이후 사용이 전면 금지되었으나, 최근까지도 일부 양식장에서 말라카이트그린이 검출되고 있는 실정이다.


3. 표면증강라만분광 (Surface-Enhanced Raman Scattering)
○ 물질에 빛이 입사하였을 때, 빛과 물질 간의 상호작용에 의하여 입사하는 빛과 산란하는 빛의 에너지 차이가 발생하는 것을 분석하여 물질의 정보를 얻는 것을 라만분광 분석이라고 함. 일반적으로 라만산란으로 검출된 신호는 매우 미세하여 민감도가 많이 떨어지는 단점을 가지나, 특정 금속 나노표면은 입사된 빛의 파장과 표면 자유전자들 간에 공명에 의해 라만신호를 증폭시키는 효과를 보임. 이러한 효과를 표면증강라만산란이라고 하며, 이를 응용하는 분광기술을 표면증강라만분광법이라 함.


4. 연꽃잎 효과 (Lotus effect)
○ 미세한 돌기들로 이루어진 마이크로-나노 계층 구조와 물을 싫어하는 성질을 띄는 왁스층으로 이루어진 연꽃잎 위에서는 물방울은 동그란 모양을 이루며, 연꽃잎 표면 위에 떠있는 듯한 모습을 보인다. 물방울이 굴러 떨어질 때 연꽃잎 표면의 먼지와 함께 떨어지면서 연꽃잎은 자정 능력을 가지는데, 이를 연꽃잎 효과라 한다.



그 림 설 명





(그림 1) 물방울 기반의 화학 표적물질 검출을 위한 초소수성-SERS 센서 개념도
왼쪽 개념도는 초소수성 금속 나노표면을 이용하여 개발한 초소수성-SERS 센서 모습이다. 센서에 제작된 물방울 제어 경로를 통해 움직이는 물방울의 거동을 조절하였으며, 물방울이 멈출 수 있도록 설계되었다. 



(그림 2) 물방울 충돌/융합 등 움직임 조절 및 화학 표적물질의 검출
물방울의 움직임과 멈춤, 융합 등의 거동을 제어할 수 있도록 초소수성 표면에 물방울 제어 경로를 설계하였다. 설계된 제어 경로에 따라 물방울이 움직이기도, 멈추기도 하였다. 이는 물방울 충돌/융합 현상을 제어함으로써 가능하였다. 또한 말라카이트 그린과 나일 블루 A가 포함된 물방울을 순차적으로 레이저 조사하였을 때 SERS 신호가 섞이지 않고 독립적으로 검출되는 것을 확인할 수 있었다.  

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