□ 연구진:
- ○본 논문의 책임저자는 서울대학교 화학부 남좌민 교수이며, 제1저자는 서울대 화학부 남좌민 교수 연구실의 김민호 박사이다.
□ 내용 및 의의:
- ○서울대 자연과학대학 화학부 남좌민 교수팀은 탈합금화 반응을 이용하여 강한 라만 신호를 낼 수 있는 2 나노미터 (1 나노미터 = 10억분의 1 미터) 수준의 간극이 금/은 합금 나노입자 내부에 형성된 라만 나노프로브를 정밀한 구조적 정확도를 가지고 고수율료 합성하는 방법을 세계 최초로 개발하였다. 또한, 해당 라만 나노프로브로부터 나오는 강력하고 재현성이 높은 라만 (Raman) 산란 신호를 이용해 표적 유전자를 초고감도 검지를 할 수 있으며, 표적 종양 세포 실시간-고감도 이미징에 유용하게 활용이 가능하다는 것을 발표하였다.
- ○금속 나노입자 내부에 1-2 나노미터 수준의 간극(나노갭)이 형성되면 강한 플라즈모닉 커플링 현상에 의해 나노갭 영역에서 전자기장이 크게 증폭되고, 이로 인하여 미세한 세기의 라만 산란 신호가 강하게 증폭되기 때문에 광학 신호 기반의 다양한 응용에 있어 활용도가 아주 높다. 하지만, 미세한 구조 조절과 고수율 합성, 그리고 라만 신호의 재현성, 안정성 및 정량성 등에서의 문제가 여전히 해결되지 않아 세계적으로 실제 상용화로 연결되지는 못하고 있다.
- ○기존에는 플라즈모닉 내부 나노갭 입자를 합성하기 위해서 핵산, 고분자 등의 중간층을 필요로 하였기 때문에 합성 방법이 복잡하고 시간과 비용이 많이 필요할 뿐만 아니라 대량 양산에도 한계점이 있어 실질적인 응용에 제한적이었다. 또한, 합성된 나노입자의 구조적인 균일성 및 합성 결과의 재현성도 낮았기 때문에, 이를 해결하기 위한 새로운 합성 방법이 요구되었다.
- ○본 연구진은 금/은 합금 구조체에서 선택적으로 은 원자를 제거하는 탈합금화 반응을 통해, 중간층이 없더라도 적은 비용으로 간편하고 빠르게 금속입자 내부 나노갭을 정밀하게 다수의 입자들에 대해 고수율(95% 이상의 수율)로 합성하는데 성공하였다. 정밀하게 조절된 고수율의 나노갭 구조로 인하여 라만 산란 신호를 크게 증폭 시킬 수 있었고 정량적으로 라만 산란 신호를 얻을 수 있었다. 또한, 해당 나노입자의 우수한 구조적인 균일성 및 안정성으로 인해 반복적이고 연속적인 레이저 노출 환경에서도 장시간에 걸쳐 안정적이고 재현성이 우수한 광학 신호를 검출하였다.
- ○본 연구진은 우수한 라만 산란 신호 증폭 및 정량적이며 안정적인 라만 산란 신호 재현이 가능한 탈합금화 된 플라즈모닉 내부 나노갭 입자를 이용하여, 라만 산란 신호 기반의 표적 핵산 초고감도 검지 및 표적 세포 이미징에 활용하였다. 핵산으로 표면 처리된 나노입자를 이용하여 비특이적인 결합에 의한 위양성 신호 없이 약 100 aM (아토몰라; 1 aM = 1x10-18 M) 농도 이하 수준의 아주 낮은 A형 간염 유전자 DNA까지도 초고감도와 고신뢰도를 가지고 검지할 수 있었다. 또한, 단백질로 표면 처리 된 나노프로브를 이용하여 표적 종양 세포를 특이적이면서 고감도로 실시간 이미징 하였다. 특히, 낮은 세기의 레이저에 짧은 시간 동안만 노출되더라도 정확하게 표적 종양 세포를 이미징 함으로써, 세포 조직을 손상시키지 않으면서 장시간 동안 안정적으로 라만 이미징이 가능하였다.
- ○이번 연구는, 미세한 신호도 크게 증폭시켜서 초고감도 분석에 용이한 특성에도 불구하고 신호의 재현성, 안정성, 정량성 측면에서의 한계로 인해 상용화 된 적 없는 라만 산란 신호 기반의 실제적 응용에 해결책을 열어주었다는 점에서 큰 의의가 있다. 또한, 라만 산란 신호를 크게 증폭시키고 안정적이고 정량성 있게 라만 산란 신호를 재현하는 나노입자를 적은 비용으로 간편하고 빠르게 고수율/대량 합성하는 방법을 제시함으로써, 초고감도 분석용 나노프로브의 상용화에 방향을 제시했다는 점에서 이번 연구의 의미가 깊다. 본 연구진은 해당 나노입자를 초고감도 바이오검지용 나노프로브로 활용함으로써, 국민 보건을 위협하는 감염성 질환의 초기 검지에 신속하게 대처하여 질병의 확산을 조기에 막고, 극미량의 표적 물질을 초고감도로 정확하게 다중 검지하는 질병 진단 시스템에 접목하여 다양한 감염성 질환 조기 확진에 활용하여 상용화할 예정이고, 세포이미징을 통한 기초연구에 라만을 활용할 수 있는 방법을 제시할 것이다.
- ○서울대학교에서 개발한 본 기술은 “Dealloyed Intra-Nanogap Particles with Highly Robust, Quantifiable Surface-Enhanced Raman Scattering Signals for Biosensing and Bioimaging Applications (강하고 정량적인 표면증강라만산란 신호를 재현하는 탈합금화 된 내부갭 입자를 이용한 바이오센싱 및 바이오이미징)”라는 제명으로 미국화학회(American Chemical Society)에서 세계 최정상급의 다학제간 연구성과를 다루기 위해 만든 화학분야 세계적 권위지인‘ACS 센트럴 사이언스(ACS Central Science)’誌 온라인 판에 주목해야 할 논문(First Reactions)’으로 선정되어 1월 18일 (한국시간)에 온라인 게재되었다.
□ 연구비 지원 프로그램
- ○본 연구는 과학기술정보통신부 글로벌프론티어연구개발사업의 일환으로 추진 중인 바이오나노 헬스가드 연구단(과제명: 3D 조합 플라즈모닉 나노다면체 프로브 개발)의 지원과 한국연구재단의 도약 연구사업(과제명: 세포모방 합성 나노인터페이스)의 지원을 받고 있다. 또한, 과학기술정보통신부 선도연구센터지원사업의 혼성계면 화학구조 연구센터의 지원을 받고 있다.