김명기 교수팀, 분자 크기 단일 나노 입자 포획 및 무형광 검출 성공
국제 저명학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 논문 게재

▲ KU-KIST 융합대학원 김명기 교수 

고려대학교 KU-KIST 융합대학원 김명기 교수와 카이스트 물리학과 이용희 교수 연구팀은 빛을 이용해 지름이 불과 4nm(1nm=10억분의 1 미터)인 단일 나노 입자를 포획하고, 포획된 입자의 초미세 움직임을 무형광으로 검출하는데 성공했다.

이번 연구는 국제 저명학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 6월 7일자로 게재됐다.
※ 논문명: Non-fluorescent nanoscopic monitoring of a single trapped nanoparticle via nonlinear point sources
※ 주저자: 김명기 교수(교신저자, 고려대), 이용희 교수(교신저자, 한국과학기술원), 윤승주(제1저자, 한국과학기술원)

단일 나노 입자 및 분자에 대한 연구는 물질의 근본적인 단위에서 현상을 이해하기 때문에, 다양한 분야에서 지금까지 극복되지 않은 여러 문제들을 해결할 수 있는 가능성을 제시해주고 있다. 특히, 의료 진단 및 치료 분야에서는 단일 분자 수준에서 얻어진 많은 바이오 정보들이 생물물리학적 이해를 증진시켜줄 뿐만 아니라, 질병의 조기 검출을 위한 특이 신호들을 미리 제공할 가능성이 있다. 또한, 신약 개발을 비롯하여, 양자 컴퓨터 및 신소재 개발에 있어서도 단일 분자 및 입자에 대한 연구는 매우 중요하다고 할 수 있다. 지금까지 수많은 단일 나노 입자 및 분자를 검출하는 방법들이 제안되어 왔으며, 이들 대부분은 외부의 미세 형광 물질을 표적 물질에 붙여 단일 입자를 검출하는 이른바 형광검출방식을 사용하고 있으나, 형광검출방식은 검출할 수 있는 표적 물질의 범위를 제한할 뿐만 아니라 형광물질 자체가 표적 물질의 성질을 변화시키는 문제를 일으킨다.

이번에 고려대 김명기 교수와 카이스트 이용희 교수팀이 공동으로 개발한 단일 나노 입자 포획 및 무형광 검출 기술은3차원 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 검출해낸다.

이번 연구에서는 지름이 4nm인 단일 양자점을 포획하는데 성공했고, 금속에서 발생하는 비선형 이차조화파를 이용하여 포획된 양자점의 움직임을 높은 해상도로 검출해 냈다. 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 거뒀다.

김명기 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.

[그림 설명] (좌) 3차원 플라즈몬 나노안테나를 이용하여 초미세 (분자 크기) 단일 나노입자를 포획하고, 포획된 입자의 미세 움직임을 비선형 신호를 이용해 검출하는 모식도. (우) 3차원 플라즈몬 나노안테나의 높은 광밀도가 단일 나노입자를 포획할 수 있음을 보여주는 시뮬레이션 결과.

[그림 설명] 제작된 3차원 플라즈몬 나노안테나의 전자주사현미경사진.

[그림 설명] 입사하는 빛의 세기에 따라 나노 입자를 포획하는 힘을 조절한 결과와, 동시에 포획되는 입자의 움직임을 정밀하게 모니터링 한 결과.
  

기사작성 : 커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)

사진촬영 : 커뮤니케이션팀 김나윤(nayoonkim@korea.ac.kr)