바이오인

핵심내용

원자보다 작은 움직임을 관찰하다
- DNA 움직임 모니터링, 양자역학 이해의 기반 마련 -

□ DNA의 움직임과 같이 원자 크기보다도 작은 미세한 동적 변화를 관찰할 수 있는 기술이 개발되었다. 김승철 교수(부산대)와 김영진 교수(싱가폴 난양공대) 공동연구팀이 나노미터 이하의 작은 규모를 측정하는 ‘플라즈모닉 자’ 기술의 분해능과 속도를 획기적으로 향상시켰다고 한국연구재단(이사장 노정혜)은 밝혔다.

□ 플라즈모닉 자* 기술은 나노미터 규모의 정교한 길이를 측정할 수 있게 해준다. 바이오‧의료 분야에서 DNA 또는 RNA의 실시간 거동을 모니터링하거나 기초물리 분야에서 양자역학을 이해하는데 필수적인 기술이다.
   * 플라즈모닉 자(ruler) : 플라즈몬(금속 내부에서 동시에 진동하는 전자의 무리) 입자가 서로 접근할 때 스펙트럼이 변하는 현상을 이용해 나노 규모의 거리를 측정하는 기술

□ 연구팀은 펨토초 레이저*를 이용해 플라즈모닉 자의 분해능이 240배 정교해지고 측정 속도가 1,000배 빨라지며, 주변 환경에 대해 둔감한 특성을 구현했다. 개발된 기술에서 분해능은 1.67 피코미터(pm, 1pm=10-12m)으로 보고되었다.
   * 펨토초 레이저 : 펨토초(1/1015초) 단위의 짧은 시간동안 레이저 빛을 쏘아주어 분자의 움직임을 마치 사진처럼 찍어냄

 ㅇ 기존에는 빛이 물질에서 산란‧흡수된 강도를 이용해 물질의 움직임을 측정했다. 반면 이 연구에서는 펨토초 레이저를 쏘아주었을 때 빛의 위상이 수백 테라헤르츠파(1012 Hz)에서 마이크로파(109 Hz) 영역으로 변화되는 것을 측정함으로써, 빠른 속도와 높은 정확도를 구현했다.

□ 김승철 교수는 “DNA, RNA 움직임 관찰, 양자역학 연구 뿐 아니라 전자주사현미경 등 초정밀 장비들의 피코미터 급 보정과 표준 확립에도 적용될 수 있을 것”이라고 연구의 기대효과를 설명했다.

□ 이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 미래소재디스커버리사업 및 기초연구사업(기초연구실), 싱가폴연구재단의 지원으로 수행되었다. 세계적인 권위지 네이처 피직스(Nature Physics)에 11월 5일 게재되었다.

상세내용

■ 주요내용 설명

□ 논문명, 저자정보

논문명
Plasmonic dynamics measured with frequency-comb-referenced phase spectros

저 자
김승철 교수(교신저자, 부산대), 김영진 교수(교신저자, 싱가폴 난양공대), Nguyen Duy Anh(제1저자, 싱가폴 난양공대), 천병재(제1저자, 싱가폴 난양공대), 최성호(포스텍), 김동연(포스텍)

□ 연구의 주요내용

 1. 연구의 필요성
  ○ 나노미터 이하 분해능의 플라즈모닉 자(Plasmonic Ruler) 기술은 바이오/의료 분야에서 DNA 및 RNA의 실시간 거동을 모니터링 하거나 기초물리 분야에서 나노미터 이하 영역에서의 양자역학을 이해하는데 필수적인 기술이다. 이에, 보다 빠르고 보다 정확한 플라즈모닉 자에 대한 관심이 최근 높아져 왔다.

 2. 연구내용
  ○ 부산대학교 김승철 교수, 싱가폴 난양공대(Nanyang Technological University) 김영진 교수 공동연구팀이, 광대역 펨토초 레이저 광 빗* 위상 분광기술을 이용하여, 기존 기술보다 측정 분해능은 240배 이상 높으며 속도는 1000배 빠른 플라즈모닉 자(ruler) 기술을 개발했다
     * 광대역 펨토초 레이저 광 빗 : 레이저의 주파수가 매우 정밀하게 제어된 펄스 레이저
  ○ 기존 플라즈몬 측정이 빛의 파장 혹은 입사각에 따른 산란 혹은 흡수 광강도를 이용하여 샘플의 변화를 추출한다. 반면, 이 기술은 펨토초* (1/1015초) 레이저 광 빗을 이용하여 광주파수 영역(수백 테라헤르츠)에서 마이크로파 영역으로 광 위상 정보를 이동시켜 측정한다. 이로써 높은 측정 분해능, 빠른 측정 속도, 더불어 주변 환경외란에 둔감한 특성들을 동시에 구현하였다.
  ○ 또한 플라즈몬 공명을 통해, 빛과 측정 샘플 간의 상호작용을 155배 증강하여 일으킴으로써, 기하학적인 동적 현상을 보다 높은 분해능으로 관찰하였다.

 3. 연구성과/기대효과
  ○ 이와 같은 광 빗의 플라즈몬 공명 현상에의 적용을 기반으로, 연구팀은 서브 나노미터급 원자 크기 수준인 1.94 Å의 작은 동적 거리변화를 1.67 pm(피코미터, 1/1012m)급 분해능으로 측정하여 보고하였다. 이는 바이오/의료 분야의 DNA 및 RNA의 거동 측정과 기초 물리분야의 양자역학 이해와 더불어, 반도체 분야의 전자주사현미경 등 초정밀 장비들의 피코미터 급 보정 및 표준 확립에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

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