바이오인

핵심내용

모세관을 이용한 초간편 나노센서 개발

- 다양한 제품에서 마약, 폭발물, 살충제 등 검출에 활용 -

□ 실험실 안의 나노센서가 실생활의 마약 검사, 폭발물 감지, 유해식품 감별, 위조지폐 식별에 사용될 수 있도록 한 단계 발전되었다. 강태욱 교수(서강대학교), 허동은 교수(미국 펜실베니아 대학교) 연구팀이 다양한 제품 표면에 자유자재로 나노센서를 도입할 수 있는 기술을 개발했다고 한국연구재단(이사장 노정혜)은 밝혔다.

□ 광학 금속 나노센서는 유해물질을 감지하는 기존 분자검출 기술보다 검출속도와 감도가 훨씬 뛰어나 주목받고 있다. 그러나 시료 표면의 매끄러운 정도와 화학적 성질에 따라 고비용 제작설비와 복잡한 공정이 필요해서, 실용화되지 못하고 실험실 연구로 남아있었다.

□ 연구팀은 기존 제작설비‧공정에 의존하지 않고, 어떤 표면에서든지 고감도 금속 나노센서를 제작해냈다. 주변에서 흔히 볼 수 있는 값싼 유리 모세관을 이용해 나노미터 규모의 아주 작은 금속입자를 손쉽게 원하는 제품 표면에 부착시키는 기술이 핵심적이다.

 ㅇ 개발한 금속 나노센서를 활용해 의류‧모발의 미량 마약성분 검출, 쌀‧감귤 등 식품 표면의 잔류 살충제 검출, 폭발물 탐지, 위조지폐 식별에 성공했다. 검출속도가 수 초 이내로 빠르고, 민감도는 기존 사용되는 분자검출 기술보다 천 배 이상 향상되었다.

□ 강태욱 교수는 “이 연구는 고도의 실험실 조건에서 제한적으로 제작되었던 고감도 금속 나노센서를 값싼 유리 모세관을 이용하여 손쉽게 제작할 수 있게 한 것이다”라며, ”향후 식품 안정성 평가 등 현장에서의 빠른 유해물질 검사에 적용될 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.

□ 이 연구 성과는 과학기술정보통신부·교육부·한국연구재단 C1가스리파이너리사업, 기초연구사업(중견연구, 대학중점연구소)의 지원으로 수행되었다. 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’에 2월 27일 게재되었다.

상세내용

 < 논문명, 저자정보 >

논문명
Generalized and On-demand Production of Nanoparticle Monolayers on Arbitrary Solid Surfaces via Capillarity-mediated Inverse Transfer
저  자
강태욱 교수(교신저자/서강대), 장지한 연구원(제1저자/서강대),    이재경 연구원(서강대), 안드레이 조르제스큐 연구원(Andrei Georgescu, 펜실베니아 대학교(Upenn)), 허동은 교수(펜실베니아 대학교(Upenn))

< 연구의 주요내용 >

1. 연구의 필요성
 ○ 나노미터 크기의 광학 금속 센서는 기존 유해가스검출과 같은 분자검출기술의 검출속도와 민감도를 획기적으로 개선할 것으로 기대된다. 하지만, 나노미터 크기의 광학 금속 센서를 제작하기 위해 필요한 정밀한 고비용 제작설비와 복잡한 공정 등은 이러한 금속 나노센서의 실용화에 있어서 큰 걸림돌이었다.
 ○ 이러한 금속 나노센서가 실험실 수준의 연구를 넘어 상용화되기 위해서는 (1) 다양한 제품의 여러 종류의 표면에서 자유자재로 제작될 수 있어야 하고, (2) 정확한 위치에 원하는 크기로 제작이 가능하여야 하며, (3) 특별한 기술이나 비싼 장비의 도움이 없이도 제작 가능해야 한다.
 ○ 이에 연구진은 모세관 내부에서 금속 나노입자들이 중력에 의해 자유롭게 이동하는 재미있는 현상에 착안하여, 균일한 금속 나노센서를 반복해서 찍어낼 수 있는 도장처럼 활용하는 기술을 개발하였다. 이러한 금속 나노센서는 제품의 표면이 고르든 고르지 않든 부착이 가능하며, 또한 조작 역시 간편하여 정확한 위치에만 원하는 크기로 부착시킬 수 있다. 이 외에도 제작에 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 값싼 유리 모세관만을 사용하고 실험 방법이 매우 간단하므로, 제작비용을 크게 감소시키는 동시에 비전문가도 쉽게 수행할 수 있다는 장점이 있다.

2. 연구내용
 ○ 연구진은 값싼 유리 모세관을 이용하여 물과 공기 계면에 배열된 금속 나노입자를 고체 표면에 전달하였으며, 전달된 나노입자들은 균일한 단일층 구조를 지니고 있었다. 구체적으로, 개발된 기술은 (1) 금속 나노입자를 물과 공기 계면에 배열하는 단계, (2) 가느다란 관이 물을 자동으로 빨아들이는 ‘모세관 현상’을 통해 배열된 금속 나노입자를 분리해 내는 단계, (3) 모세관을 뒤집어 금속 나노입자를 반대쪽 끝으로 이동시키는 단계, (4) 원하는 표면에 금속 나노입자를 부착하는 단계로 이루어져 있다.
 ○ 개발된 기술을 통해 금속 나노센서를 평면형 표면뿐만 아니라, 고르지 않은 표면 위에도 전달하는 것에 성공하였다. 또한 전달하고자 하는 표면의 화학적 성질에 구애받지 않고 친수성이거나 소수성을 띠는 표면에도 나노입자의 손실 없이 전달되는 것을 확인하였다. 제작된 금속 나노센서의 크기와 모양은 모세관의 크기와 단면적의 형태를 통해 간편하게 조절이 가능하며, 사용되는 나노입자 역시도 종류에 구애받지 않는다.
 ○ 연구진은 개발된 금속 나노센서를 오렌지와 쌀알 표면에 도입하여 현재 시판되고 있는 살충제 성분을 성공적으로 검출하였다. 또한, 표면이 거친 의류 및 모발의 표면에서 코카인과 유사한 마약류 성분을 검출하였을 뿐만 아니라, 미국 100달러 지폐의 표면에 금속 나노센서를 도입하여 위조지폐 판별에도 유용하게 사용될 수 있다.
 ○ 또한, 개발된 금속 나노센서는 크기가 수백 마이크로미터 수준이므로 최근 각광받고 있는 미소유체채널 장치와 효과적으로 결합될 수 있다. 실제로 다양한 구조와 크기를 지닌 미소유체채널 장치를 제작하여 금속 나노센서를 결합한 결과 검출 민감도가 천 배 이상 향상되었으며, 강한 압력 하에서도 금속 나노센서가 오랜 시간 동안 충분히 안정함을 확인하였다.

3. 연구성과/기대효과
 ○ 개발된 금속 나노센서는 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 값싼 유리 모세관만을 사용하므로, 고도의 실험실 조건에서만 제한적으로 제작 가능했던 기존 고비용 공정의 문제들을 근본적으로 해결하였다. 따라서 제작된 금속 나노센서는 실험실 수준을 넘어 다양한 제품 표면의 실용적인 분자 검출 분야에 광범위하게 응용이 가능할 것으로 기대된다.
 ○ 예를 들어, 불법 마약류 검출과 같은 법의학 분야뿐만 아니라, 식품 표면의 살충제 혹은 병원균 검사, 폭발물 검출, 위조지폐 판별과 같은, 현장에서 빠른 검출이 필요한 분야에 이 기술이 유용하게 사용될 수 있음을 이미 확인하였다.
 ○ 또한, 이 기술은 소형화가 가능하므로, 극미량의 시료만으로도 신속한 질병 진단이 가능한 차세대 헬스케어 시스템 구축에도 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

...................(계속)

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