테라헤르츠파 수중 증폭 통해 1ppm 수준의 수중 미세입자 검지
미세 플라스틱이나 생체고분자 등 수 십~수 백 나노미터 크기의 미세 물질을 포착할 수 있는 집게와 실시간 정량·정성 분석이 가능한 센서의 기능을 동시에 지닌 나노-광 핀셋 기술이 개발됐다.
지렛대의 원리를 이용하는 기계적 집게가 아닌 전기적 집게인 동시에 특정 파장의 빛을 이용한 광 센서로 수중 미세 물질이나 혈액, 체액 같은 액체시료 속 바이오마커 등을 검출하는 데 새로운 활로가 될 것으로 기대된다.
한국연구재단(이사장 노정혜)은 KIST 및 고려대학교 KU-KIST 융합 대학원 서민아, 유용상 박사 연구팀이 나노입자 포집과 테라헤르츠파(THz) 증폭 기술을 결합한 신개념 광-전기 집게를 개발했다고 31일 밝혔다.
테라헤르츠파(1초에 1조 번 진동하는 전자기파)는 파장이 매우 길고 광-에너지는 낮아 인체에 무해하며, 비파괴검사 등에 이용된다.
그러나 물에 대부분 흡수되는 테라헤르츠파의 성질과 미량의 물질에 낮은 감도를 가진 특성 때문에 수중 미세물질을 포착하고 분석하는 연구에는 전혀 활용되지 못했다.
이에 연구팀은 수중에서의 신호 손실을 막는 한편 신호증폭을 통해 감도를 수 십~수 백 배 높일 수 있는 방법을 제안했다.
핵심은 극미량의 나노입자를 포집하는 전기집게 기술과 메타 표면으로 인해 증폭된 테라헤르츠파 변화를 이용한 고민감도 광센서를 하나로 통합한 것이다.
미세입자의 존재와 응집정도에 따라 달라지는 굴절률 등에 따라 테라헤르츠파의 투과율이나 공명주파수가 달라지는 원리를 이용한다.
이 과정에서 물에 의한 테라헤르츠파의 흡수를 회피하고자 물을 통과하지 않는 반사형 센서 시스템을 갖췄다. 또 나노미터 크기의 미세구조를 가지는 메타물질 센서로 입자를 능동적으로 포집하면서 동시에 모니터링 했다.
미세입자의 굴절률에 의해 미세하게 변화된 테라헤르츠파의 신호를 극대화시켜 관찰함으로써 형광표지 등의 전처리 없이 극미량의 미세입자를 비접촉식으로 모니터링 할 수 있도록 한 것이다.
40μl(마이크로리터) 정도에 존재하는 1p.p.m.(피피엠, 100만분의 1) 정도의 극미량 미세입자를 검출할 수 있는 감도를 확보했다.
이는 통상 혈액이나 타액 같은 액체상태 시료에 존재하는 p.p.b. (피피비, 10억분의 1) 수준의 극미량 바이오마커 추적과 분석에도 응용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
이번 연구결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’ 3월 24일 자에 게재됐다.
