초고민감도 분자 카이랄성 측정 기술 개발

서울대-고려대 연구팀, 국제학술지 '네이처'에 논문 게재

카이랄 금 나노 입자의 규칙적 조립 구조의 암시야상 현미경 사진과 실제 소자의 사진

[아시아경제 김봉수 기자] 국내연구팀이 초고민감도 분자인 카이랄성 측정 기술을 개발했다.

15일 과학기술정보통신부에 따르면, 남기태 서울대 교수, 이승후·박규환 고려대 교수 등 국내 공동 연구팀은 카이랄 나노 입자 기반 빛-물질간 상호작용에 대한 새로운 물리 현상을 발견해 이를 생체 분자 및 그들의 카이랄성 분석에 성공적으로 응용했다. 카이랄성이란 오른손과 왼손의 입체 구조는 동일해 보이지만 왼손용 장갑을 오른손에 착용할 수 없는 것과 같이, 서로 거울상 대칭이지만 겹쳐지지 않는 특성을 말한다.

이번 연구 결과는 국제학술지 네이처(Nature, IF 69.504)에 지난 15일 게재됐다.

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 빛을 말한다.

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 달성하였다.

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 센서를 제시하는데 성공하였다.

카이랄 금 나노 입자 배열 기반의 초고민감도 분자 카이랄성 분석은 다양한 생체 분자, 화학 약품, 의약품의 카이랄성 분석 등에 이용될 수 있다. 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.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr