[224호 최우수논문] 바이오-화학 분석을 위한 현장진단용 표면증강라만산란 종이 플랫폼 개발

 

 

2016학년도 후기 학위수여식에서 최우수논문상을 수상한 김완선 원생의 박사학위논문을 소개하고자 한다. 본 논문은 표면증강라만산란(surface-enhanced Raman scattering; SERS) 기술을 활용하여 만든 현장진단키트를 개발하기까지의 모든 과정이 담겨있으며, 특히 셀룰로오스 섬유(Cellulose Fiber)로 구성된 종이를 기재로 사용한 참신한 연구로 호평 받고 있다.

 

문제의식

빛이 어떤 매질을 통과할 때 빛의 파장을 변화시켜 빛의 일부는 진행 방향에서 이탈해 다른 방향으로 진행하는 현상을 산란(scattering)이라 하고, 빛의 파장을 변화시키는 산란 현상을 라만 산란(Raman scattering 혹은 Raman effect)이라 한다. 이를 이용한 라만 분광은 화학적, 생물학적 물질을 구성하는 분자 구조와 그에 해당하는 양의 분석 정보를 제공하는데, 라만 분광을 이용하여 얻은 신호의 세기가 너무 약하기 때문에 표 면 증 강 라 만 산 란 (surface-enhanced Raman scattering; SERS) 기술을 이용해 라만 신호를 증폭하여 물질을 분석한다. SERS 효과를 극대화하기 위하여 연구자들은 플라즈모닉 현상을 지닌 골드(Au)나 실버(Ag) 물질을 이용하여 나노구조체를 만들거나 나노파티클을 합성한다. 대부분의 나노구조체는 만드는 과정이 복잡하거나 비용이 많이 들어서 비교적 손쉽게 합성할 수 있는 나노파티클을 선호한다.
종이는 인류 문명에 없어서는 안 될 중요한 도구로서 가격이 저렴하고 쉽게 구할 수 있으며, 가벼우면서도 다루기 쉽고, 구부릴 수 있는 장점을 지니고 있어 과학 분야에서는 예전부터 리트머스나 크로마토그래피에 많이 사용되었다. 이러한 장점을 지닌 종이는 현재 과학 기술 분야에서 배터리, 디스플레이, 센서에 사용되고 있으며, 많은 연구가 진행되는 경제적인 플랫폼으로 각광받고 있다. 특히 의공학 분야에서는 현장 진단의 발전으로 다양한 기능을 지닌 일회용 기판으로 연구되고 있다.

연구방향

본 연구는 바이오 화학분석을 위해 플라즈몬(plasmon) 현상을 일으키는 골드와 실버로 합성된 나노파티클인 플라즈모닉 나노파티클(plasmonic nanoparticle)을 이용한 종이 기반의 SERS 플랫폼을 개발하는 연구로 라만 산란과 표면증강라만산란에 관련된 이론, 그에 필요한 물질 및 응용과 종이 기판에 대한 우수성을 기술하였다. 본 연구의 목표는 플라즈모닉 나노파티클을 용액 상태에서 합성하여 커피링 효과(coffee-ring effect) 없이 기판에 고루 분산시켜 라만 신호의 재현성을 확보하는 기술과 종이 기판을 이용하여 저렴하면서 휴대가 쉬운 현장진단키트용 SERS 플랫폼을 개발하는 것이다(커피링 효과는 가장자리 쪽에 나노파티클이나 분석 물질 등이 모이게 되는 현상으로, 균일하고 정확한 농도 측정을 할 수 없게 되어 분석 신호의 신뢰성을 확보하기 어렵다).

연구결과

1. 카르복시메틸셀룰로오즈와 골드나노파티클로 이루어진 스크린 프린트 잉크를 이용한 SERS 종이 플랫폼 (Sensors and Actuators B (2016) 222, 1112-1118)

종이 기판에 왁스 프린팅을 이용하여 소수성/친수성 영역을 나눈 후, 기존의 합성 방식으로 제작된 골드나노파티클과 가장자리 부분으로 퍼지는 커피링 효과를 억제하기 위한 풀(glue)의 역할을 하는 점성이 있는 카르복시메틸셀룰로오스(carboxymethylcellulose; CMC)를 섞어서 만든 최적화된 스크린 프린팅 잉크로 SERS 플랫폼을 개발하였다. 골드나노 파티클과 CMC의 비율을 조절하여 라만 신호를 많이 증폭시킬 수 있는 조건을 최적화하였고, 2개의 서로 다른 각결막염을 구별할 수 있는 센서를 개발하였다. 하지만 기존의 합성 방식으로 제작하여 종이 위에 도포된 나노파티클의 응집 현상에 의하여 SERS 효과를 크게 기대할 수 없었으며, 입사되는 라만 분광 레이저에 의한 강한 에너지로 인하여 CMC 변형이 발생하여 라만 신호의 재현성을 확보하기 어려웠다.

2. 연속적인 화학적 반응법을 이용한 실버나노파티클이 증착된 SERS 종이 플랫폼 (ACS Applied Materials and Interfaces (2015) 7, 27910-27917)

그림1

ⓒ 필자제공

위의 문제점을 극복하고자, 연속적인 화학적 반응법(successive ionic layer absorption and reaction;SILAR)을 이용하여 실버나노파티클을 종이 기판에 바로 합성하면서 증착하는 독창적인 방식을 적용하여 우수한 SERS효과와 높은 민감도를 가진 두 번째 플랫폼을 개발하였다<그림 1>. 기존의 합성 방식은 나노파티클을 합성한 후 종이에 도포하기 때문에 커피링이 발생하고, 종이 기판에 고르게 분포되지 않았다. 하지만 독창적인 SILAR 방식을 이용하여 종이 표면 뿐만 아니라 내부에도 나노파티클을 직접 합성할 수 있어서 우수한 균일성을 가진 SERS 플랫폼을 제작하였다. 또한 SILAR 방식을 이용하면 용액에 반응하는 횟수에 의하여 나노파티클의 크기를 조절할 수 있어서 국소 표면 플라즈몬 공명(localized surface plasmon resonance; LSPR) 현상도 규명할 수 있다. 이를 이용하여 의학적으로는 자궁경부암(human papillomavirus; HPV)의 종류를 조기 구별하고, 환경적으로 문제가 되는 발암 물질인 살충제 성분(malachitegreen)을 초저농도(10-11M)까지 검출할 수 있었다. 그러나 플라즈모닉 나노물질로 사용한 실버는 공기 중에 산화되는 현상으로 인하여, 시간이 지날수록 SERS 효과가 급격히 감소되는 문제점이 발생하였다.

3. 연속적인 화학적 반응법을 이용한 골드나노파티클이 증착된 SERS 종이 플랫폼 (Analytical Chemistry (2016) 88, 5531-5537)

세 번째는 골드나노파티클을 SILAR 방식을 이용하여 아데노바이러스 결막염(adenoviral conjunctivitis), 단순 포진 각막염(herpes simplex keratitis), 눈 대상포진(herpeszoster ophthalmicus)과 같은 3개의 서로 다른 눈병을 조기 진단할 수 있는 진단키트를 연구하였다. 두 번째 연구에서 플라즈모닉 나노물질을 변경하여 플랫폼을 제작 및 최적화하였다. 이 연구에서는 플라즈모닉 나노파티클에서 발생하는 LSPR 현상을 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 이론값과 실험값이 비슷하게 나오는 것을 확인하였다. 그 후 초기에는 단지 눈이 빨갛게 되어 진단이 어려운 3가지 눈 질병인 아데노바이러스 결막염, 단순 포진 각막염, 눈 대상포진을 SERS 효과로 조기 진단할 수 있는 플랫폼 및 라만 신호 처리 알고리즘을 개발하였다. 하지만 골드는 실버보다 플라즈몬 효과가 낮아 개선이 필요했다.

4. 연속적인 화학적 반응법을 이용한 이중금속나노파티클(Ag@AuNPs, core-shell structure)이 증착된 SERS 종이 플랫폼(Analytical Chemistry (2017) 89, 6448-6454)

ⓒ 필자제공

ⓒ 필자제공

 마지막으로 골드의 낮은 SERS 효과를 향상시키고, 향후 유전자 분석과 같은 확장 응용과 실버의 산화되는 문제점을 동시에 해결할 수 있는 실버나노파티클 위에 골드나노파티클을 증착한 이중금속파티클(bimetallic) 구조를 갖는 플랫폼을 개발했다. 유한요소해석을 이용하여 이중금속나노파티클의 크기와 각각 파티클 사이의 간격을 시뮬레이션하여 최적의 조건을 계산하였다. 합성된 나노파티클을 엑스선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy; XPS)을 이용하여 결합에너지와 엑스레이회절(X-ray diffraction; XRD), 전자 회절(electron diffraction)을 이용하여 결정성을 분석하였고, 용액 상태의 이온 결합에 의한 SILAR 합성 방식에도 불구하고 훌륭한 결정성을 가진 이중금속나노파티클인 것을 확인했다. 또한 30일 이상 SERS 효과가 유지되어 우수한 산화 방지 효과를 지니고, 기존의 실버나노파티클을 이용한 플랫폼보다 SERS 효과가 뛰어난 것을 확인하여 최종의 SERS 종이플랫폼은 현장진단키트에 적합함을 알 수 있었다. 이를 이용하여 US EPA(United States Environmental Protection Agency)와 NIOSH(National Institute for Occupational Safety and Health)에서 사용 금지된 환경에 유해한 3가지 독극물(aniline, sodium azide, malachite green)을 국제표준허용기준보다 더욱 적은 농도까지 검출해 낼 수 있는 민감도도 확보하였고, 특히 3가지 물질이 섞인 혼합물에서 각각의 농도를 검출할 수 있는 우수한 감별도도 지녔음을 확인했다. 본 연구를 통하여 SILAR 방식을 이용한 나노파티클을 직접 합성하는 것에 종이 기판이 적합한 것을 확인하였고, 순차적으로 개발된 SERS 기능이 내장된 종이 플랫폼은 바이오-화학 분석의 조기 진단을 위한 현장진단키트 응용 분야의 우수한 잠재력을 지니고 있음을 확인했다<그림 2>.

김 완 선 / 경희대학교 공학 박사

작성자: khugnews

이글 공유

댓글 남기기

이메일은 공개되지 않습니다. 필수 입력창은 * 로 표시되어 있습니다