요약
'분자지문'이라 불리는 물질 고유의 신호를 증폭해 극미량 분자도 검출해내는 '초고감도 센서'가 개발됐습니다. 연구팀은 센서를 이루는 산화 레늄 박막을 합성할 때 산소농도를 실시간으로 조절해 전하이동이 원활해지는 최적화된 에너지 밴드 레벨을 맞췄습니다. 그 결과 라만 신호가 증폭돼 '민감도와 안정성을 모두 갖춘 원자층 수준의 얇은 SERS 센서'가 개발됐습니다. 이는 향후 농약이나 핵폐기물 검출은 물론 세균 식별이나 유전적 진단, 면역학적 표시 등에 활용 가능한 기술로 주목받고 있습니다.
UNIST 에너지 및 화학공학부의 박혜성 교수팀은 '산화 레늄 다이설파이드(ReOxSy)' 박막을 합성해 이차원 소재 기반의 '초고감도 표면 증강 라만 분광(SERS) 센서'를 개발했습니다. 새로 합성한 박막이 물질 고유의 '라만 산란 신호'를 증폭해 미량의 분자도 검출하는 원리입니다. 해당 연구는 <Nano Letters>에 게재됐습니다.
- 라만 산란 신호
빛이 물질을 통과할 때 나타나는 고유한 스펙트럼으로 이 신호가 금속과 같은 물질 표면에서 수십억배 증폭되는 현상이 '표면 증강 라만 산란(SERS)'입니다.
라만 신호, 신호 증폭하려면?
물질 내부의 분자는 외부에서 들어온 빛(레이저)에 반응해 새로운 광학 신호, '라만 신호(Raman spectrum)'을 만들게 됩니다. 라만 신호는 물질마다 다르기 때문에 이를 분석하면 특정 물질을 검출하거나 특성을 알아낼 수 있습니다. 그러나 라만 신호의 세기는 약하기 때문에 센서를 이용해 증폭한 뒤 분석해야 합니다. 보통은 검출할 물질 아래에 센서를 두고 레이저를 쪼여서 센서와 물질의 상호작용으로 라만 신호를 증폭합니다. 신호 증폭의 원리는 '전자기적 증강(EM)'과 '화학적 증강(CM)'이 있습니다. EM은 민감도가 높아 저농도 물질의 검출에 유리하나 안정성이 떨어지는 반면 CM은 안정성이 높고 민감도가 떨어집니다.
- 전자기적 증강(Electromagnetic Mechanism, EM)
입사광이 있을 때, 금(Au)이나 은(Ag) 같은 귀금속 물질의 표면에서 표면 플라즈몬이 발생하고 탐침 물질과 상호작용해 라만 신호를 크게 증폭합니다.
- 화학적 증강(Chemical Mechanism, CM)
표면 증강 라만 분광 센서와 탐침 물질 사이에서 전하 이동이나 쌍극자-쌍극자 상호작용을 해 라만 신호를 크게 증폭합니다.
박혜성 교수팀은 안정성이 높은 CM 방식을 개선해 민감도도 높이는 방법을 찾았습니다. CM 방식으로 라만 신호를 증폭할 경우 센서와 검출 물질 간 전기적 상호 작용이 활발해야 하는데 이때 센서 물질의 에너지 밴드 레벨(energy band level)이 중요합니다. 연구팀은 센서를 이루는 산화 레늄 박막을 합성할 때 산소농도를 실시간으로 조절해 전하이동이 원활해지는 최적화된 에너지 밴드 레벨을 맞췄습니다. 그 결과 라만 신호가 증폭돼 '민감도와 안정성을 모두 갖춘 원자층 수준의 얇은 SERS 센서'가 개발됐습니다.
- 에너지 밴드 레벨(energy band level)
물질결정 내부에서 전하(전자, 정공)가 자유롭게 이동할 수 있는 에너지 대역 즉, 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band)를 나타냅니다.
제1저자인 서지형 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 "센서를 이루는 박막 표면에 형성되는 전기쌍극자와 검출할 물질의 전기쌍극자가 서로 반응해 라만 신호를 더욱 증폭한다"며 "안정성은 높지만 민감도는 낮은 기존 CM 방식을 개선해 저농도의 물질도 검출해낼 수 있게 됐다"고 설명했습니다.
특히 산화 레늄 박막을 그래핀(graphene)위에 합성하자 두 소재 간에 상호 작용(van der Waals interaction)으로 라만 신호 증폭이 극대화돼 펨토 몰 농도(10-15 M)까지 검출 분자를 찾아낼 수 있었습니다. 이는 2차원 물질로 이루어진 CM 기반 SERS 기법 중 가장 우수한 기록입니다. 또 이런 이종(二種)구조는 뛰어난 유연성과 균일성도 갖췄습니다.
박혜성 교수는 "이번 연구로 새로운 조합의 이차원 이종구조 소재 합성법을 제시했다"며 "향후 이차원 소재 기반 초고감도 SERS 센서 연구에 크게 도움이 될 것"이라고 기대했습니다.
##참고자료##
