초분광 광유도력 현미경 개발
나노입자의 표면분자층 영상화 성공
한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민) 소재융합측정연구소 나노분광이미지팀은 독자적으로 개발한 초분광 광유도력 현미경을 이용, 나노입자 표면을 화학적 이미지로 관찰하는 것에 성공했다. 개별 나노입자의 관찰은 세계 최초다.
이번 연구결과를 통해 나노입자의 안전성 검증 및 새로운 기능의 나노입자 개발에도 속도를 더할 것으로 기대된다.
나노입자는 표면적이 넓어 반응이 빠르고, 아주 작아서 인체에 쉽게 유입된다. 표면상태나 표면에 붙어 있는 분자에 따라 성질이나 독성 유무 등이 달라지기 때문에, 원하는 성질의 분자층을 나노입자에 코팅해 활용한다. 표면을 특정 분자로 둘러싸면 원하는 질병 세포만 타겟하여 진단, 약물전달 및 치료 등에 사용할 수 있다.
예를 들어 암세포를 치료할 수 있는 분자로 표면을 코팅한 나노입자는 인체 내 암세포 주위를 찾아가 표적 치료가 가능하다.
나노입자의 특성을 제어하고 안전하게 사용하기 위해서는 입자의 표면에 원하는 성질의 분자층이 잘 결합했는지 정밀 분석하는 것이 무엇보다 중요하다.
은 나노입자의 경우 원하는 성질의 분자층이 표면에 코팅되지 않은 경우 적은 양을 사용해도 세포 독성을 나타낸다. 반면, 안전한 물질로 표면이 코팅된 경우 세포 독성이 줄어든다는 보고가 있다.
문제는 전통적 측정방식인 적외선 분광법*으로는 이를 확인할 방법이 없다는 데 있다. 나노입자는 크기가 매우 작아 입자 하나하나를 구별하지 못할 뿐만 아니라, 입자 하나 표면층의 분자 수준 분석은 더 불가능하기 때문이다.
*적외선 분광법: 물질에 적외선을 쬐면 분자의 진동이 들떠 적외선 일부가 흡수된다. 흡수된 적외선의 파장 및 흡수된 양은 물질 내의 화학 결합에 기인하므로 분석수단으로 사용된다.
연구팀은 이를 극복하기 위해 초분광* 광유도력 현미경을 개발했다. 현미경 렌즈 대신 미세탐침이라는 새로운 장치를 시료 근처에 설치하고, 레이저 빛을 탐침에 쪼인다. 모아진 빛은 시료와 상호작용해 탐침에 미세한 힘(광유도력)을 발생시킨다. 이 힘에 대한 시료의 초분광 이미지를 측정하면 개별 나노입자의 특성을 초정밀 진단하는 것이 가능하다.
*초분광: 공간상의 모든 위치에서 분광 정보를 얻어 이미지로 재구성하는 방법. 이를 통해 이종 물질의 공간분포를 분석하는 데 사용된다.
연구팀은 금 나노입자에 폴리에틸렌 글리콜（PEG) 분자를 결합한 나노입자, 산화철 입자에 폴리머 입자(tertiary amine)를 결합한 나노입자의 분광학적 특성을 분석했다.
KRISS 이은성 책임연구원은 “이번 연구성과는 나노입자의 표면화학정보를 개별 입자 수준에서 측정할 수 있으므로 나노입자의 성능을 인체 적용 전에 미리 검사할 수 있다”라며, “세포 내의 활성산소 증가 등 몸 안에서 발생할 수 있는 나노입자의 불안전성을 분석하는 데 도움이 될 것”이라고 밝혔다.
KRISS 이태걸 부원장(現 과기정통부 산하 나노안전성 기술지원센터장)은 “나노입자의 생체 내 안전성 측면에서 개별 나노입자 수준의 정밀분석은 꼭 필요했던 일”이라며 “KRISS의 측정기술로 기존 기술의 한계를 극복할 수 있게 되어 의의가 크다”라고 말했다.
과학기술정보통신부 나노안전성 기술지원센터사업의 지원을 받은 이번 연구결과는 세계적인 물리화학 학술지 피지컬 케미스트리 레터스(Journal of Physical Chemistry Letters, IF: 6.71)에 7월 1일 게재됐다.
연구성과 관련 추가 설명
□ 용어 설명
1. 나노입자(nano)
나노입자는 일반적으로 원자보다 크고 세포보다 작은 크기로, 지름 1 nm ~ 100 nm 사이의 입자를 말한다. 1 나노미터(nm)는 머리카락의 10만 분의 1 정도로, 아주 작은 단위다. 그래서 같은 물질이라도 나노 크기로 작아지게 되면 강도가 강해진다거나, 전기가 잘 통하는 등의 독특한 특성이 나타난다.
나노물질은 물질표면의 전기적 화학적 특성을 쉽게 변화시킬 수 있고 이러한 성질을 이용해서 활용목적에 맞는 다양한 나노물질을 제작할 수 있다. 이에 화학소재나 자동차, 정보통신, 환경 에너지, 바이오 의약 등 다양한 분야에 사용되고 있다.
나노의 독특한 특성으로 실생활에 유용하게 사용되지만, 같은 특성으로 인해 나노 유해성도 문제가 되고 있다. 크기가 작아 우리 몸에 더 쉽게 침투할 수 있어서, 독성유발 개연성도 커지게 되기 때문이다. 다양한 물리 화학적 특성 변화로 나노물질의 독성잠재력도 달라질 수 있기에, 안전성 진단이 무엇보다 중요하다.
2. 분광법(spectroscopy): 빛(특히, 적외선)을 이용해 분자의 종류를 확인하는 방법.
모든 분자는 각자의 고유한 진동수로 진동한다. 이 분자진동수와 일치하는 빛의 진동수로 쪼여주면 분자는 더 심하게 진동하면서, 빛을 흡수하거나 크게 산란시키는 등 특별한 현상이 일어난다. 다시 말하면 어떤 분자가 내가 쪼여준 특정 주파수의 빛에 이런 특별한 현상을 보이면 우리는 그 분자가 어떤 분자인지를 추측해 낼 수 있는 것이다.
3. 탐침(probe): 뾰족한 침으로서 국소적인 형상이나 성질을 탐색하기 위한 측정 도구.
대상에 가까이 가져가 두드리며 탐침에 가해지는 반응을 측정하면 두드린 영역의 특성을 알아낼 수 있다. 가능한 작은 영역을 자세히 살펴보기 위해서는 끝이 매우 뾰족해야 한다. 나노과학에서는 수십 나노미터 이하의 정밀도로 측정해야 하므로 탐침의 끝이 10~20 nm 크기로 매우 작다.
4. 광유도력(photo-induced force): 빛에 의해 유도·발생한 힘으로 흡수나 산란처럼 빛에 의한 물질의 반응.
탐침이 시료에 가까이 접근한 상태에서 시료와 탐침 사이에 레이저빛을 쪼여주면 시료에 양극과 음극이 분리되는 이중극자가 형성되고 이는 다시 탐침에 또 다른 이중극자를 만든다. 이 두 이중극자 사이에 형성되는 힘을 전기적 광유도력이라 한다. 물질의 흡수 파장에서 시료의 열팽창이 강하게 존재하는데 이 열팽창이 탐침과 시료사이의 거리를 변화시켜 힘을 발생시킨다. 이 힘을 열역학적 광유도력이라 한다. 일반적으로 전기적 광유도력은 금속 물질에서, 열역학적 광유도력은 유기물들에서 강하게 나타난다. 이 힘들은 시료의 성질에 따라 변하므로 힘의 크기를 측정하면 시료의 광학적 특성을 밝혀낼 수 있다.
□ 연구성과 이미지
○ 광유도력 현미경의 측정원리 모식도
탐침과 시료 사이에 레이저를 쏘면 강한 근접장이 발생하면서 탐침에 힘이 유도된다. 이 힘의 크기는 시료의 내부 구조에 따라 변하게 되며, 이 변화를 측정하여 나노구조의 내부 이미지를 얻을 수 있다. 초분광 광유도력 현미경은 2018년 개발한 광유도력 현미경에 초분광 요소기술을 첨가하여 기능을 향상했다. 초분광은 공간상의 모든 위치에서 분광 정보를 얻어 이미지로 재구성하는 방법이다. 이를 통해 이종의 물질들의 공간분포를 분석하는 데 사용된다.
(a) 금 나노입자에 폴리에틸렌 글리콜（PEG) 분자로 표면 개질하는 모식도,
(b) 기능성 입자들의 형상 이미지(기존 원자 현미경 장비 사용),
(c) 기능성 입자들의 1200 cm-1 에서의 나노분광 이미지(KRISS 개발 장비 사용),
(d) 기능성 입자들의 1100 cm-1 에서의 나노분광 이미지(KRISS 개발 장비 사용),
(e) 나노분광 이미지의 10 nm 공간분해능
□ 연구성과 설명
PEG 분자는 1100 cm-1 (cm-1 는 진동수 단위임)에서 고유진동수를 가지고 있다. 그림(d)에서 보듯이 이 진동수의 빛을 쪼여주었더니 입자의 이미지가 밝게 보이고 1200 cm-1 그림(c)으로 빛의 주파수를 옮기니 입자의 이미지가 어두워졌다. 즉, 분자 고유진동수인 1100 cm-1 그림(d)에서 광유도력이 제일 크게 측정됐다는 것이다.
이렇게 빛의 진동수(혹은 파장)를 변화하며 광유도력을 측정하면 어떤 분자인지를 알 수 있다. 그림의 나노입자에 붙은 분자가 PEG 분자임을 확인해주는 측정결과다.
일반 원자현미경(AFM)으로는 관찰 불가능하고, KRISS에서 개발한 광유도력 현미경으로 관찰할 수 있다. 입자에 어떤 분자가 붙어 있는지 알 수는 없고 입자의 크기나 위치만 측정한다. 쪼여주는 빛의 진동수(파장)를 변화시켜도 그림(c)와 똑같은 이미지만 계속 나타난다.
□ 활용 방안
1. 치료용 나노입자의 성능 검사
바이오의료 분야에서 활용되는 수십 나노미터 크기의 기능성 나노입자의 표면화학정보를 개별 입자 수준에서 측정할 수 있다. 나노입자의 성능을 인체 적용 전에 미리 검사하고 몸 안에서 발생할 수 있는 불안전성(세포 내의 활성산소 증가) 등을 미리 분석할 수 있다.
2. 소자 미세 패턴 분석
나노미터 크기로 작아지는 나노소자의 미세패턴에 대한 형상정보뿐만 아니라 각 패턴의 화학적 조성도 함께 분석하여 소자의 성능을 보다 정확하게 예측할 수 있다.
□ 논문 및 지원사업 관련 정보
1. 논문명 및 주소:
“Direct Chemical Imaging of Ligand-Functionalized Single Nanoparticles by Photoinduced Force Microscopy” [Journal of Physical Chemistry Letters, 2020.07.01. (I.F. 6.71)] -https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.0c01536
2. 지원사업: 과학기술정보통신부 나노안전성 기술지원센터사업
연구성과 사진
이은성 책임연구원 프로필
1. 인적사항
· 성명 : 이은성
· 소속 : 한국표준과학연구원 소재융합측정연구소 나노분광이미징팀
· 직위 : 책임연구원
· 전화 : 042-868-5210
· e-mail : eslee@kriss.re.kr
2. 학력
· 서울대학교 화학과 학사 (1984～1988)
· KAIST 물리학과 석사 (1988～1990)
· University of Arizona 광과학센터 박사 (1996～2001)
3. 경력사항
· 1990～현재 : 한국표준과학연구원 책임연구원
· 2002～2005 : 인제대학교 나노공학부 조교수
· 2013～2014 : University of California at Irvine 객원연구원
4. 수상실적
· 2009: 교육과학기술부 미래원천기술개발사업 우수성과 선정
· 2019 한국표준과학연구원 1월의 KRISS인상
5. 전문 분야 정보
· 나노광학기반 광특성측정기술, 비선형광학 바이오이미징기술
고분해능 광학이미징기술
6. 발표논문 및 특허
· “Nanoscale spectroscopic origins of photoinduced tip–sample force in the midinfrared” Proceedings of National Academy of Sciences: (2019)등 SCI급 30 여편
· "듀얼 채널 산란형 근접장 주사광학 현미경" 등 국내외 특허 20 여건
장정훈 선임연구원 프로필
1. 인적사항
· 성명 : 장정훈
· 소속 : 한국표준과학연구원 소재융합측정연구소 나노분광이미징팀
· 직위 : 선임연구원
· 전화 : 042-868-5466
· e-mail : phyjjh@kriss.re.kr
2. 학력
· 서울시립대학교 물리학과 학사 (2001～2005)
· 서울대학교 물리천문학부 석사 (2005～2007)
· University of California, Irvine 물리천문학부 박사 (2011～2016)
3. 경력사항
· 2020～현재 : 한국표준과학연구원 선임연구원
· 2016～2019 : 한국표준과학연구원 박사후연구원
· 2009～2011 : 서울대학교 나노액체 연구단 연구원
· 2007～2009 : 파크시스템스 연구원
4. 수상실적
· 2020 : 한국광학회 30주년 기념 OSK Rising Star 30 선정
· 2019 : 한국표준과학연구원 우수포스닥상
· 2016 : 한국연구재단 해외우수신진연구자 fellow (KRF)
· 2014 : Material Research Society (MRS) Fall meeting 최우수 대학원생 구두발표상 (Graduate Student Gold Award)
5. 전문 분야 정보
· 주사탐침 현미경 기반 고분해능 이미징기술, 나노광학기반 광특성측정기술
6. 발표논문 및 특허
· “Direct Chemical Imaging of Ligand-Functionalized Single Nano particles by Photoinduced Force Microscopy (2020)등 SCI급 20여편
· "Scanning Probe Microscope Using Sensor Molecules to Improve Photo-induced Force on Samples" 미국특허 (WO2019227078, USA)
