여백
HOME Reseach
분자 수준 물질을 비추는 나노등대 개발

극소 부피 빛 분포로 생체물질 고해상도 관찰 가능 

쉽고 간편하게 바이러스와 단백질 관찰하고 영상화


국내 연구진이 일반 광학 현미경에 장착해 생체물질을 보다 명확히 관찰할 수 있도록 하는 나노등대를 개발했다. 김동현 교수, 손태황 연구원, 문귀영 연구원(연세대학교)은 빛의 다방향 입사를 이용하여 극소 부피의 빛이 금속 나노칩 위의 모든 물질에 비추는 기술을 개발했다고 한국연구재단은 밝혔다. 일반적으로 쓰이는 전반사 형광현미경은 수백 나노미터 크기까지 밖에 분별할 수 없는 물리적 한계가 있다. 이같은 해상도는 바이러스 이동이나 암세포 형태 변화 등을 구체적으로 분석하기 어렵다.

최근 현미경에 부착하는 금속 나노칩이 개발되어, 극소량의 빛을 형성함으로서 해상도를 높일 수 있게 되었다. 특히 유리 기판 위에 나노 크기의 금 입자가 부착된 ‘금 나노섬’이 간단하고 경제적인 제작방법으로 큰 관심을 받았다. 그러나 빛의 위치가 고정되어 있어서 관찰 대상이 특정 위치에 놓이지 않으면 관찰할 수 없는 단점이 있다.

연구팀은 금속 나노칩의 거의 모든 부분에 빛을 쪼이는 다채널 광변조 시스템, 이른바 나노등대를 구축했다. 마치 바닷가의 등대가 전등을 회전시키며 어둠 속에서 바다의 곳곳을 비추듯, 나노등대는 입사광의 각도와 방향을 변조하여 금속 나노칩 위의 다양한 위치에 극소 부피의 빛을 형성한다. 나노등대는 금속 나노칩 위의 관찰 가능한 영역을 획기적으로 확대해준다. 측정 결과, 한 방향 입사조건에서는 나노칩 표면의 25%만 빛이 조사되는 반면 여러 방향 입사조건에서는 나노칩의 90%를 관찰할 수 있게 되었다.

개발된 기술은 일반 현미경에 접합함으로서 활용할 수 있기 때문에 고가의 특수 장비가 불필요하며, 쉽고 간편하게 바이러스와 단백질 등을 관찰하고 영상화할 수 있다.

김동현 교수는 “이 연구는 전반사 형광현미경에 금속 나노칩을 접목하여 잉여공간 없이 나노칩 상의 모든 물질을 관찰할 수 있다는 점에서 큰 장점을 가진다”라며 “암세포를 비롯한 특정 세포와 세포 내에서 움직이는 기질 및 단분자를 영상화하는 데 기여할 것이다”라고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부․한국연구재단 기초연구사업(중견연구)의 지원으로 수행되었으며 국제학술지 어드밴스드 옵티컬 머티리얼스(Advanced Optical Materials) 5월 22일 표지논문으로 게재되었다.

󰊱 주요내용 설명

□ 논문명, 저자정보

논문명
Metallic 3D Random Nanocomposite Islands For Near Field Spatial Light Switching
저  자
손태황(공동제1저자, 연세대학교), 문귀영(공동제1저자, 연세대학교), 이홍기(연세대학교), 김동현 교수(교신저자, 연세대학교)


□ 연구의 주요내용
 1. 연구의 필요성
○기존 형광 현미경의 경우 회절 한계*로 인한 분해능* 한계 때문에, 구체적이고 정확한 분석이 어렵다. 최근에는 수십에서 수 나노미터의 분해능을 얻을 수 있지만, 이는 상당한 고가의 특수 영상장비의 구비를 통해서만 가능하였다.
* 회절 한계 (Diffraction limit) : 두 물체 간의 간격이 가까워지면 광학 렌즈를 통해서 두 물체가 서로 다른 것임을 구분할 수 없게 되는데, 이를 회절 한계라 한다.
* 분해능 (Resolution) : 다른 말로 해상도이며 서로 떨어져 있는 두 물체를 구별할 수 있는 최소 거리를 의미한다.
○수 백 나노미터 단위의 주기적 패턴으로 이뤄진 전자빔 리소그래피를 이용한 금속 나노 구조칩을 제작하여, 일반적으로 사용되는 형광 현미경 시스템에 접목시키면 나노구조 표면에 근접장 분포(Near-field distribution)의 변형과 함께 매우 강한 극소 부피의 빛(Localized field)이 생성된다.
○그러나 전자빔 리소그래피를 이용한 샘플 제작 역시 시간과 비용이 발생하기 때문에 더 간단하고 경제적인 샘플 제작을 위해 가열/냉각 (Annealing)을 통한 나노섬(Nanoisland) 구조 제작 방법이 대안으로 사용되기도 하였다. 나노섬의 경우 모양과 크기가 비정형적이지만 나노 크기의 극소 부피의 빛을 얻을 수 있다는 점에서 많은 관심을 받았다. 그러나 극소 부피 빛의 위치는 고정되어 관찰 대상이 특정 위치에 놓이지 않으면 관찰이 불가능 하다는 단점이 수반하였다.

 2. 연구내용
○기존 나노섬 구조를 활용한 광학 센싱, 이미징 연구의 한계를 극복하기 위해 다방향 입사광 변조 시스템을 구축하여 다채널 극소 부피 빛 분포를 얻는 데에 성공하였다. 어닐링을 통해 얻은 금 나노섬 구조의 모폴로지(Morphology)를 원자력현미경(Atomic Force Microscopy)를 이용하여 획득하고 이를 전자기장 시뮬레이션에 대입하여 다방향 입사 조건에서 극소 부피 빛의 위치 스위칭이 가능하다는 것을 확인하였다.
○평균크기가 약 200 나노미터인 나노섬 구조에서 여기되는 극소 부피 빛의 크기는 100 나노미터 이하로 회절한계를 뛰어넘는 빛을 쉽게 생성한다. 이 연구팀은 나노섬 이용한 생체물질의 이미징으로 2010년 Small 지, 2013년 Optics Express 지에도 게재한 적이 있다. 
○그러나 나노섬 상의 극소 부피 빛의 위치는 고정되어 관찰 대상이 특정 위치에 놓이지 않으면 관찰이 불가능 하다는 단점이 수반하였다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 입사광이 각도와 방향을 변조하는 시스템을 구축하였다. 이 시스템은 마치 바닷가의 등대가 어두운 밤에 바다의 곳곳을 비추듯이 입사조건에 따라 다른 위치에 극소 부피 빛을 형성하여, 빛이 생성되지 않는 영역이 생성되지 않게 한다. 무엇보다 단채널 입사조건에서는 나노섬 전체 표면의 25% 가량만 극소 부피 빛이 위치하여 관찰 대상의 일부분만 관찰이 가능하였지만 다채널 입사조건을 이용하면 극소 부피 빛이 지니는 장점은 그대로 이용하면서, 나노섬의 전체 면의 90%에 가까운 영역을 관찰 영역에 놓을 수 있다는 점에 큰 의의를 갖는다.

3. 연구성과/기대효과
○다방향 입사광 변조 시스템은 복잡한 리소그래피 과정을 거치지 않고 간단한 어닐링으로 제작이 가능한 경제성이 뛰어난 금속 나노섬 칩의 장점은 그대로 활용하면서, 극소 빛이 고정되어  관찰이 불가능한 영역이 있다는 단점을 극복할 수 있다는 점에서 뛰어난 성과이다.
○이 연구는 전반사 형광현미경 시스템에 자체 제작한 금속 나노 구조칩을 접목하여 잉여공간 없이 나노칩상의 모든 물질들을 관찰할 수 있다는 점에서 큰 의의를 가지며, 나아가 암세포와 같은 특정 세포와 세포 내에서 움직이는 기질, 또는 단분자 영상화도 가능할 것으로 기대된다.

󰊲 그림 설명

(그림1) 다방향 입사광 변조 시스템과 유도된 극소 부피 빛의 개략도
유리기판 위에 제작된 금 나노섬 구조를 활용하여 나노미터 크기의 극소 부피 빛이 유도됨. 하나의 입사조건에서는 빛의 분포가 특정위치에 고정되지만, 다방향 입사 변조 시스템을 이용하여 극소 부피 빛의 위치를 이동이 가능하게 함.

(그림2) 다방향 입사광 변조 시스템에 의한 극소 부피 빛의 이동 결과
(a) 개별의 나노섬 중심으로 극소 부피 빛의 위치가 입사방향과 일관성을 가지며 이동하다는 것을 수치적으로 확인함.
(b) 다채널의 입사조건을 이용하였을 때가 단채널 입사조건을 이용하였을 때보다 나노섬 주변의 대부분의 면적에 빛이 위치할 수 있어 더 많은 물질을 관찰이 가능하다는 것을 수치적으로 확인함.

󰊴 연구자 소개

김동현 교수, 교신저자

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 연세대학교 전기전자공학과
 ○ 전 화 : 02-2123-2777
 ○ e-mail : kimd@yonsei.ac.kr

2. 학력
 ○ 1988 ~ 1993 서울대학교 전자공학과 학사
 ○ 1993 ~ 1995 서울대학교 전자공학과 석사
 ○ 1995 ~ 2001 Massachusetts Institute of Technology 전기공학부 박사

3. 경력사항
 ○ 2001 ~ 2002 미국 Corning Inc. Sr. Research Scientist
 ○ 2003 ~ 2004 미국 코넬대학 박사후연구원
 ○ 2004 ~ 현재 연세대학교 전기전자공학부 교수

4. 전문분야 정보
 ○ 전기전자공학 (나노 플라스모닉스를 활용한 초고해상도 이미징 연구)

5. 연구지원 정보
 ○ 2015 ~ 현재 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구사업(중견연구자)

 손태황, 제1저자

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 연세대학교 전기전자공학과
 ○ 전 화 : 02-2123-7737
 ○ e-mail : sonth@yonsei.ac.kr

2. 학력
 ○ 2009 ~ 2013 연세대학교 전기전자공학과 학사

3. 경력사항
 ○ 2012. 12.  캠퍼스 특허전략 유니버시아드 선행기술 조사부문 장려상 수상
 ○ 2015 ~ 2017 일본 가쿠슈인대학교 방문연구원
 ○ 2015. 11.  IEEE Photonics Society Best Student Paper Award 수상, Asia Communications and Photonics Conference (ACP) 2015
 ○ 2015 ~ 2016  OSA-연세대학교 학생챕터 회장
 ○ 2016. 3.  일본학술진흥회(Japan Society for the Promotion of Science, JSPS) 주최 8회 HOPE Meeting 참가자로 선발.
 ○ 2018. 1.  싱가포르 연구재단(National Research Foundation, NRF) 주최 6회 GYSS참가자로 선발.

4. 전문분야 정보
 ○ 전기전자공학 (나노 플라스모닉스를 활용한 초고해상도 이미징 연구)


 문귀영, 제1저자

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 연세대학교 전기전자공학과
 ○ 전 화 : 02-2123-7737
 ○ e-mail : ansrnldud@yonsei.ac.kr

2. 학력
 ○ 2012 ~ 2016  연세대학교 전기전자공학과 학사

3. 전문분야 정보
 ○ 전기전자공학 (나노 플라스모닉스를 활용한 초고해상도 이미징 연구)

 

 

 

노벨사이언스  webmaster@scinews.kr

<저작권자 © 노벨사이언스, 무단 전재 및 재배포 금지>

노벨사이언스의 다른기사 보기
icon인기기사
기사 댓글 0
전체보기
첫번째 댓글을 남겨주세요.
여백
여백
여백
Back to Top