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고려대·카이스트 연구팀, '네이처 커뮤니케이션즈 논문 게재'
단일 나노 입자 포획·입자 움직임 무형광 검출 성공
2018년 06월 08일 (금) 18:01:26
   
김명기 교수

[대학저널 최진 기자] 고려대학교(총장 염재호) 융합대학원 김명기 교수와 카이스트(총장 신성철) 물리학과 이용희 교수 연구팀의 연구가 국제 저명학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 6월 7일자로 게재됐다.

연구팀은 빛을 이용해 지름이 불과 4nm(1nm=10억분의 1 미터)인 단일 나노 입자를 포획하고 포획된 입자의 초미세 움직임을 무형광으로 검출하는데 성공했다.

단일 나노 입자 및 분자에 대한 연구는 물질의 근본 단위에서 그 현상을 이해하는 것이기 때문에 광범위한 분야에 적용될 수 있다. 물질 근본단위에 대한 이해는 지금까지 극복할 수 없었던 여러 과학적 문제들을 해결할 수 있는 가능성을 제시해준다.

특히 의료 진단 및 치료 분야에서는 단일 분자 수준에서 얻어진 많은 바이오 정보들이 생물물리학적 이해를 증진시켜준다. 나아가 질병의 조기 검출을 위한 특이 신호들을 미리 알아낼 수 있는 가능성이 있다. 또한 신약 개발을 비롯해 양자 컴퓨터 및 신소재 개발에 있어서도 단일 분자 및 입자에 대한 연구는 매우 중요하다.

지금까지도 단일 나노 입자 및 분자를 검출하는 방법은 여러번 제안돼 왔다. 이들 대부분은 외부의 미세 형광 물질을 표적 물질에 붙여 단일 입자를 검출하는 이른바 형광검출방식을 사용했다. 그러나 형광검출방식은 검출할 수 있는 표적 물질의 범위를 제한할 뿐만 아니라 형광물질 자체가 표적 물질의 성질을 변화시키는 문제가 있었다.

김 교수와 이 교수팀이 공동으로 개발한 단일 나노 입자 포획 및 무형광 검출 기술은 3차원 플라즈몬 나노안테나를 이용해 외부에서 입사한 빛을 초미세 공간(5nm × 5nm × 7nm) 안에 직접 집속시키고 집속된 빛의 강한 전기장 분포 변화를 이용해 주변의 단일 나노 입자를 광포획하는 방식을 사용한다. 또한 강하게 집속된 빛은 국소된 공간 안에 강한 비선형 신호를 발생시키는데 이 신호를 이용해 포획된 입자의 움직임을 매우 높은 해상도(약 1nm 이하)로 검출한다.

이번 연구에서는 지름이 4nm인 단일 양자점을 포획하는데 성공했다. 금속에서 발생하는 비선형 이차조화파를 이용해 포획된 양자점의 움직임을 높은 해상도로 검출했다. 특히 포획된 단일 나노 입자가 약 5nm 간극 안에서 매우 느리게 (1초당 3번 왕복) 움직이는 독특한 크래머스 호핑 (Kramers hopping) 현상을 직접 실험적으로 밝히는 성과도 냈다.

김 교수는 "이번 연구는 단일 나노 입자 및 분자를 직접 포획하고 이들을 무형광으로 분석할 수 있는 새로운 플랫폼을 개발한 것"이라며 "앞으로 정밀 의료 진단, 치료, 신약 개발 뿐 아니라 물리, 화학, 생물 등 기초과학 연구에도 중요한 역할을 할 것으로 기대된다"고 말했다.


최진 기자 cj@dhnews.co.kr
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