초고민감도 분자 카이랄성 측정기술 개발
차세대 물질 분석 및 재료 합성 분야의 학문적 진보에 대한 중요 연구성과

박규환-이승우 교수팀, 서울대 연구진과 공동연구 '네이처' 게재

[사진] 공동연구를 진행한 고려대-서울대 연구팀

좌측 위부터 오른쪽 방향으로 연구를 지도한 교신 저자(고려대 융합에너지공학과/고려대-한국과기연(KU-KIST)융합대학원 이승우 교수, 서울대학교 재료공학부 남기태 교수, 고려대 물리학과 박규환 교수)와, 좌측 아래부터 오른쪽 방향으로 논문 제1저자(인하대 물리학과(고려대 박사 졸업) 유석재 교수, 서울대 재료공학부 김령명 연구원, 고려대-한국과기연(KU-KIST)융합대학원 허지혁 연구교수)로 구성된 공동연구팀

고려대 이승우 교수, 박규환 교수는 서울대 남기태 교수와 함께 구성된 공동연구팀으로 카이랄 나노 입자 기반 빛-물질 간 상호작용에 대한 새로운 물리 현상을 발견하여, 이를 생체 분자 및 그들의 카이랄성 분석에 성공적으로 응용했다.

* 카이랄 : 오른손과 왼손의 입체 구조는 동일해 보이지만 왼손용 장갑을 오른손에 착용할 수 없는 것과 같이, 서로 거울상 대칭이지만 겹쳐지지 않는 특성

과기정통부가 신연구방법론(계산과학 등)을 활용하여 새로운 물성과 기능을 구현하는 신소재를 개발하는 ‘미래소재디스커버리지원 사업’ 등을 지원한 이번 연구의 성과는 네이처(Nature, IF 69.504)에 12월 15일 게재됐다.
* 논문명 : Enantioselective sensing by collective circular dichroism / Nature
* 저자 : 김령명(제1저자), 허지혁(제1저자), 유석재(제1저자), 김태균, 김창원, 김혜온,한정현, 조남헌, 임예찬, 임상원, 임은지, 정재렬, 이민형, 윤태영, 이호영,박규환(교신저자), 이승우(교신저자), 남기태(교신저자)


자연계에 존재하는 모든 생명체들은 그들이 가진 구조와 그들을 이루는 재료에 따라 빛과 특이적인 상호작용을 가진다. 여기서, 연구팀은 다양한 생체 분자의 구조적 특징으로 인한 빛-물질 간 상호작용 중 ‘카이랄성’에 의한 분자의 원편광 특이적 상호작용에 대한 연구를 진행했다.
* 편광은 전자기파가 진행할 때 전자기파의 진동 방향(예 : 파도의 위아래 움직임)을 특정 방향으로 조정한 빛이며, 원편광은 전자기파가 원형으로 회전하며 진행하는 빛

분자의 카이랄성은 서로 반대 방향으로 회전하는 두 원편광(좌원편광, 우원편광)에 대한 상호작용의 차이를 통해 분석될 수 있으나, 분자와 빛의 크기 불일치로 인해 빛-물질 간 상호작용이 충분히 크지 않아 분석에 고농도의 시료가 필요하고 측정 시간이 오래 소요되는 등 극명한 한계가 많았다.

연구팀은 이러한 문제에 대한 돌파구를 카이랄 금 나노 입자의 2차원 조립 구조에서 보이는 새로운 물리현상에서 발견했다. 연구팀이 활용한 카이랄 금 나노 입자는 고유의 기하 구조로 인해 입사되는 원편광과 공진하여, 원편광을 나노 입자 근처에서 효율적으로 제어할 수 있다.

나노 입자가 배열된 2차원상에 카이랄 분자를 도입하여 원편광과 카이랄 분자간의 상호작용을 성공적으로 극대화시켜 기존 광학계의 카이랄성 검출 한계를 뛰어넘는 카이랄성 민감도를 달성했다. 또한, 카이랄 금 나노 입자의 배열로 비롯된 카이랄 신호 증폭이 가시광을 포함한 영역대에 존재한다는 사실에 주목하여 특별한 도구 없이 분자의 카이랄성을 구분할 수 있는 육안 기반 카이랄성 감지기를 제시하는데 성공했다.

공동교신저자인 고려대 이승우, 박규환 교수는 카이랄 금 나노 입자 격자의 광 특성과 분자 카이랄성 민감도에 대한 전자기학 시뮬레이션과 새로운 물리적 이론을 구축했으며, “생체모방 재료공학과 전산나노광학의 창의적 융합을 통해 카이랄 분자 감지의 새로운 장을 열게 되었다는 점이 크게 고무적이며, 육안으로 분자의 카이랄성을 구별할 수 있는 시대가 도래한 것이다”라고 밝혔다.

카이랄 금 나노 입자 배열 기반의 초고민감도 분자 카이랄성 분석은 다양한 생체 분자, 화학 약품, 의약품의 카이랄성 분석 등에 이용될 수 있어 생체 재료 합성 및 물질 분석이 중요한 분석학, 진단학, 약학 등 다양한 산업뿐만 아니라 화학, 생물학, 물리학 등 기초 학문 분야에도 큰 파급력을 미칠 것으로 보인다.


[ 용 어 설 명 ] 

1. 카이랄성(Chirality)
○ 생체 분자의 구조적 특성으로, 카이랄성 또는 손대칭성은 거울상 영상에 서로 겹쳐질 수 없는 분자 구조를 나타내는 데 사용되는 용어이다. 사람의 손은 카이랄성을 설명하는 가장 쉬운 예제이며, 분자의 경우 분자를 구성하는 원자들은 같지만 그들의 배열이 다른 경우를 예제로 들 수 있다.

2. 편광(Polarized light)
○ 빛은 파도의 형태를 가지는 전자기파로 설명될 수 있다. 편광은 전자기파가 진행할 때 전자기파의 진동 방향(예 : 파도의 위아래 움직임)을 특정 방향으로 조정한 빛이다. 원편광의 경우는 전자기파가 원형으로 회전하며 진행하는 빛을 의미한다.

3. 혼성화(Hybridization)
○ 핵산(DNA)의 경우 상보 서열을 가지는 짝 DNA를 만나는 경우 서로 결합하며, 이중나선을 만들어 낸다. 해당 결합 과정을 혼성화라고 부른다.

4. 빛-물질간 상호작용(Light-matter interaction)
  ○ 자연계에 존재하는 물질들은 빛과 특이적인 상호작용을 가진다. 예를 들어, 나뭇잎의 초록색은 백색광(모든 색상의 빛이 합쳐져 있는 형태) 중 초록색만을 반사하여 나타내는 색상이다. 이와 같이 물질이 빛에 대해 흡수, 반사, 투과, 산란 등의 현상을 보이는 것을 빛-물질 간 상호작용에 의한 현상이라고 한다.


[ 그 림 설 명 ] 


[그림 1] 카이랄 금 나노 입자의 규칙적 조립 구조 제작에 대한 모식도
용액상태로 합성된 카이랄 금 나노 입자를 물-유기계면 자가 조립을 통해 단일 층 나노 입자의 형태로 만들고, 해당 나노 입자를 나노 우물 구조가 패터닝 된 고분자 기판 위로 전사 시킨 후, 테플론 막대를 통해 나노 입자를 우물 구조로 조립하는 과정을 보여준다. 제작된 카이랄 금 나노 입자의 규칙적 조립 구조는 180nm의 카이랄 금 나노 입자가 400nm 간격을 가지며, 육방격자로 규칙적으로 배열된 구조이다.



[그림 2] 카이랄 금 나노 입자의 규칙적 조립 구조의 암시야상 현미경 사진과 실제 소자의 사진
제작된 카이랄 금 나노 입자의 조립 구조에 대한 암시야상 현미경 사진과 실제 소자의 사진이다. 연구팀이 개발한 방법론은 카이랄 금 나노 입자를 대면적으로 배열 할 수 있는 방법론이며, 위 사진에 보이는 밝은 점 하나 하나가 단일 카이랄 금 나노 입자를 대변한다. 또한, 오른쪽 위에 보이는 것과 같이 연구팀이 개발한 소자는 수 센치미터 크기의 대면적 제작이 가능하므로 실용적인 센서 소자로의 응용이 가능하다.



[그림 3] 카이랄 금 나노 입자의 규칙적 조립 구조를 활용한 육안 기반 카이랄성 분석
제작된 카이랄 금 나노 입자의 조립 구조는 편광과 특이적인 상호작용을 가져 빛의 파장에 따라 상이한 흡수를 가지며, 편광을 회전시킬 수 있는 효과를 보인다. 좌측 위에 구축된 광학계에서 편광판 각도를 변경함에 따라 카이랄 금 나노 입자에 의한 파장 의존적인 흡수는 입사되는 빛에 상이한 색상이 발현되게 만든다(우측 위 사진). 연구팀은 이러한 편광 의존적인 흡수가 분자의 카이랄성에 따라 다르게 발현됨을 확인했다(아래). 동일한 원자로 구성된 프롤린 분자(L-, D-, Rac(L-, D- 분자가 1:1 비율로 섞인 것))를 활용하여, 동일 농도를 가지는 용액을 카이랄 금 나노 입자의 조립구조 위에 두었을 때 발현되는 편광색이 분자의 카이랄성에 따라 상이해지는 것을 확인했으며, 위와 같은 특성을 기반으로 육안 기반 카이랄성 분석이 가능함을 확인했다.


커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)