물 속 극미량 미세 플라스틱 검출 및 응집 거동 관찰-초고감도 비표지식 광-전기 융합 집게 기술 개발

댓글 0

판교핫뉴스

2021. 4. 1.

물 속 극미량 미세 플라스틱 검출 및 응집 거동 관찰-초고감도 비표지식 광-전기 융합 집게 기술 개발

 

등록일 2021.03.31.

 

 


물 속 극미량 미세 플라스틱 검출 및 응집 거동 관찰
초고감도 비표지식 광-전기 융합 집게 기술 개발
테라헤르츠파 수중 증폭 통해 1ppm 수준의 수중 미세입자 검지

 

□ 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.

□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 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.

그림 설명

 

© 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.