나노포어 기반 탐지 기술 '빛' 보나
나노포어 기반 탐지 기술 '빛' 보나
  • 강지희
  • 승인 2019.07.11 20:05
  • 조회수 1864
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탄소나노 참고 이미지. 출처: Fotolia
탄소나노 참고 이미지. 출처: Fotolia

나노포어(nanopore)는 수 나노미터(㎚, 1㎚는 10억 분의 1m) 크기의 기공을 말합니다. 크기가 단분자와 비슷해 단분자를 탐지하거나 분석하는 기술에 이용할 수 있죠. 이 경우 필요한 시료의 양에 대한 제한이 거의 없으며 분석 속도도 빨라서 단분자 탐지와 분석에서 나노포어가 주목받고 있습니다.

 

나노포어를 이용한 분석에서 정밀도를 높이고 일관성 있는 데이터를 얻으려면 적절한 기공 크기와 생산성, 재현성을 갖춘 플랫폼을 구성해야 합니다. 이 조건을 충족하는 물질로 탄소나노튜브(carbon nanotube)가 꼽힙니다. 탄소나노튜브는 수 나노미터 크기의 직경과 매우 높은 종횡비를 갖기 때문이죠.

 

현재까지 개발된 탄소나노튜브 기반 나노포어 플랫폼은 수 시간에 걸쳐 합성한 탄소나노튜브 기판 채로 디바이스를 만들거나, 나노튜브를 아주 짧게 만들어 일일이 이중으로 층을 이룬 인지질 사이에 끼워 넣는 방식이었습니다. 이런 방식은 많은 시간이 필요하며 생산성도 매우 낮아 나노튜브 내부채널 연구를 시작하기 전부터 높은 진입장벽으로 여겨졌는데요. 성공적으로 플랫폼을 구성해도 탄소나노튜브가 정상적으로 작동하지 않는 경우도 빈번해 기존 연구들의 수득률은 대부분 10% 미만에 그쳤습니다. 따라서 탄소나노튜브 내부 채널을 깊이 있게 연구하려면 높은 수득률과 재현성을 가지는 플랫폼을 제작하는 게 필수였죠.

 

UNIST 에너지 및 화학공학부의 이창영 교수팀이 '탄소나노튜브의 내부 채널을 이용한 나노포어(nanopore) 분석법'으로 이온 하나를 탐지하는 실험에 성공했다고 합니다. <Advanced Functional Materials>에 게재된 논문에 따르면 연구팀은 얇은 플라스틱에 탄소나노튜브 구멍이 고르게 박힌 막을 제작해 활용했다고 합니다. 

 

어떻게 개발했는가

[연구그림] 탄소나노튜브 멤브레인의 대량 생산 과정. 출처: UNIST
탄소나노튜브 멤브레인의 대량 생산 과정. 출처: UNIST

연구팀은 ㎝ 길이로 합성한 평균 직경 4㎚의 탄소나노튜브를 polymethyl methacrylate(PMMA)를 이용한 전사 방식을 통해 에폭시 블록에 끼워 넣었습니다. 그리고 이 에폭시 블록을 마이크로톰(microtome)을 이용해 ㎛ 두께로 잘라 수백 개의 멤브레인(membrane)을 제작했습니다.

 

여기서 에폭시 블록은 열경화성 플라스틱의 하나로 기계적 강도, 내수성 등 물성이 뛰어나며 접착성이 매우 뛰어나 가스나 용액의 누출이 거의 없다고 합니다. 또한 마이크로톰이란 유리 혹은 다이아몬드 날을 이용해 어떤 물질을 정확한 두께로 자르는 장비를 말하는데요. 사용하는 날에 따라 다이아몬드 날은 수십 ㎚부터 1㎛ 미만의 두께로 자를 수 있으며 유리 날은 수 ㎛ 두께부터 수십 ㎛ 두께로 자를 수 있다고 합니다.

탄소나노튜브 채널 활성화 과정. 출처: UNIST
탄소나노튜브 채널 활성화 과정. 출처: UNIST

연구팀은 동일한 멤브레인을 이용해 다양한 분자와이온을 분석하기 위해 유리관(Glass capillary) 입구에 멤브레인을 부착했습니다. 이 멤브레인-유리관 시스템은 단순히 분석용액에 담가져 전압을 가하는 방식으로 별도의 처리가 필요 없어 여러 물질을 쉽고 빠르게 분석할 수 있는데요. 이번 연구에서는 탄소나노튜브 채널을 통한 각기 다른 이온들을 탐지하기 위해 다양한 종류의 이온 용액을 분석했다고 합니다.

 

연구팀은 멤브레인에 있는 탄소나노튜브의 활성화(activation)를 위해 반복적인 전압승압(voltage-ramping) 과정을 이용했습니다. 과정 중 정상적으로 활성화가 이루어진 탄소나노튜브는 채널을 통한 전도도가 증가하다가 일정한 값으로 유지됐는데요. 이 때 용액 속의 양이온에 의한 채널의 막힘 현상(blocking event)이 측정됐다고 합니다.

 

이 막힘 현상은 통과하는 물질의 크기, 구조, 전하, 이동도 등 물질에 대한 전반적인 정보를 갖고 있는데요. 기존 측정에 따르면 약 10% 정도에 그쳤던 측정 성공률이 현재 플랫폼은 약 33% 정도로 효율이 매우 높아졌다고 합니다.

직경 1.28㎚의 단일 탄소나노튜브 멤브레인을 이용한 이온별 막힘 현상의 측정과 분석. 출처: UNIST

또한 단일 채널을 통한 이온 탐지가 가능한지 구현하기 위해 연구팀은 직경 1.28㎚의 단일 탄소나노튜브를 활용해 같은 방식으로 탄소나노튜브 멤브레인을 제작해 염화칼륨(KCl), 염화나트륨(NaCl), 염화리튬(LiCl) 용액에 담가 각 이온의 이동도를 분석했습니다. 그 결과 각 이온별 수화 껍질(hydration shell) 크기에 따라 이온에 의한 막힘 현상의 크기, 이온의 채널 잔류시간이 달라져 채널의 직경에 따른 이온의 분석이 가능함을 실험적으로 증명했다고 합니다.

 

앞으로의 전망

이번 연구에 참여한 연구팀. 출처: UNIST
이번 연구에 참여한 연구팀. 출처: UNIST

제1저자로 연구에 참여한 민혜기 UNIST 화학공학과 석·박사통합과정 연구원은 "단순한 원리로 제작했지만 다양한 시료를 손쉽게 분석할 수 있다는 장점이 있다"며 "데이터베이스를 수집하면 단분자 질량분석 기술과 같은 응용 연구가 가능할 것"으로 기대했습니다.

 

이창영 교수는 "탄소나노튜브를 활용해 제작한 나노포어 멤브레인은 물질에 따라 전기신호가 달라지는 모습을 보였다"며 "이 기술을 잘 응용하면 차세대 인간 유전체 해독기 개발에도 핵심적인 역할을 할 것"이라고 내다봤습니다.

 

##참고자료##

 


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