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소나무 꽃을 모사한 고민감도 표면증강 라만산란 검출센서 개발

  • 조회 : 33816
  • 등록일 : 2023-05-08
  • 교수 : 전기공학 이원석 교수
‘소나무 꽃을 모사한 고민감도 표면증강 라만산란 검출센서’ 개발.jpg ( 134 kb)
소나무 꽃을 모사한 고민감도 표면증강 라만산란 검출센서 개발
[소나무 꽃을 모사한 고민감도 표면증강 라만산란 검출센서 개발]

국립한국교통대학교(총장 박준훈) 전기공학전공 이원석 교수와 전남대학교 AI 융합대학 방도연 교수, 성균관대 바이오메카트로닉스학과 박진성 교수 공동연구팀은 소나무꽃을 모사한 ‘은/금 계층 나노 구조체’를 개발하고 이를 이용해 독성물질 (카드뮴 이온, 아밀로이드 베타 올리고머)의 고민감도 표면증강 라만산란 센서를 개발했다고 밝혔다.

생체모사는 자연 속의 특징을 가져와 현대 기술의 한계를 극복하고자 하는 기술이다. 해당 연구에서는 소나무 꽃의 형태를 모사하여 풍매화 특성으로 인한 넓은 표면적을 모사하였다. 이는 표면증강 라만산란(Surface Enhanced Raman Spectroscopy, SERS) 센서의 효율을 극대화하였다. 표면증강 라만산란 기법은 매우 높은 민감도와 분자 특정성으로 인해, 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 레이저 조사 시에 발생하는 검출 물질만의 고유한 스펙트럼을 분석하여 검출 물질에 대한 고 민감도 정량/정성 분석이 가능하다. 이러한 표면증강 라만산란 기법은 주로 검출 물질을 부착하는 기판의 나노구조에 따라 그 성능이 결정되며, 이를 위하여 다양한 나노 구조체(나노입자, 나노구조, 계층구조 등)를 개발하고 있다. 하지만 나노 구조체의 복잡한 생성방식과 산화에 의한 효율 감소 등 다양한 한계점이 있다. 본 연구팀은 이러한 한계점을 극복하고 높은 민감도와 안정성을 가지는 표면증강 라만산란 기판을 제작하고자 하였으며, 이를 위해 소나무 꽃의 구조를 모사한, 금과 은으로 구성된 2차 계층구조를 생성하였다.

한국교통대 전기공학전공 이원석 교수, 전남대학교 AI 융합대학 방도연 교수, 성균관대 바이오메카트로닉스 박진성 교수 공동연구팀은 고 민감도/고 안정성 표면증강 라만산란 기판을 개발하고자 소나무 꽃의 형태를 모사한 2차 계층 나노 구조체를 개발하였다. 연구팀은 개발과정에서 가장 높은 효율의 민감도와 안정성을 가질 수 있도록 다양한 최적화 실험과 유한요소해석 기반 전자기적 시뮬레이션을 진행하였으며, 라만 지시자에 대한 검출 효율 검증과 기판의 균일성, 시간에 따른 기판 안정성 등에 대한 실험을 진행하여 성능을 검증하였다.

이를 토대로 연구팀은 최종적으로 수계 내 대표적인 중금속 카드뮴 이온의 고민감도 검출을 실시하여 식수 내 10 pM 의 검출에 성공하였으며, 또한, 치매 유발 인자로 알려진 아밀로이드 베타 올리고머를 혈장 내 10 pM 까지를 성공적으로 검출하였다.

이번 연구 성과와 관련하여 실험을 주도한 한양대학교 기계공학과 김웅 교수는 “생체모사 표면증강 라만산란 기판을 이용해 본 연구에서 검출한 독성물질 이외에도 다양한 바이오마커 또는 독성물질들을 검출할 수 있으며, 신호처리 및 AI 연계 등을 앞으로 연구할 것”이라고 밝혔다.

한국교통대학교 전기공학전공 이원석 교수는 “이번 연구로 다양한 생체모사 기술이 센서 기술로 활용이 될 수 있으며, 표면증강라만산란 센서 분야에서 센서의 효율을 극대화 시킬수 있는 가능성을 확인하였다.”고 말했다.

전남대학교 방도연 교수는 “나노구조체를 사용하여 독성 물질 및 생체 분자를 고민감도 측정이 가능하여 보건환경 및 헬스케어 분야에 적용 가능할 것”이라고 밝혔다.

이어 성균관대학교 박진성 교수는 “이 연구는 중금속, 바이오마커뿐만 아니라, 다양한 독성물질에 응용이 가능한 원천 기술이며, 향후 헬스케어를 위한 스마트센서 등에 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

해당 결과는 한국연구재단이 추진하는 전략과제, 바이오의료기술개발사업 등의 지원으로 수행되었으며, 이러한 성과는 국제학술지 ’ACS Sustainable Chemistry & Engineering’지에 “Biomimetic Nano-Pine-Pollen Structure-Based Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Sensing Platform for the Hypersensitive Detection of Toxicants: Cadmium and Amyloid” 제목으로 2022년 2월 25일 온라인 게재되었으며, 김웅, 이원석 교수가 제1저자로 참여하였으며, 방도연, 박진성 교수가 교신저자로 참여하였다.
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