국내 연구진이 '분자지문'이라 불리는 물질고유의 신호를 증폭해, 아주 작은 분자도 검출해 내는 '초고감도 센서'를 개발했다.
농약이나 핵폐기물 검출은 물론 세균 식별이나 유전적 진단, 면역학적 표시 등에 활용 가능한 기술로 주목받고 있다.
울산과학기술원(UNIST)는 에너지 및 화학공학부의 박혜성 교수팀이 '산화 레늄 다이설파이드(ReOxSy)' 박막을 합성해 이차원 소재 기반의 '초고감도 표면 증강 라만 분광(SERS) 센서'를 개발했다고 20일 밝혔다.
연구팀에 따르면 물질 내부의 분자는 외부에서 들어온 빛(레이저)에 반응해 새로운 광학 신호, '라만 신호(Raman spectrum)'을 만든다. 라만 신호는 물질마다 다르므로 이를 분석하면 특정 물질을 검출하거나 특성을 알아낼 수 있다.
그러나 라만 신호의 세기는 약하기 때문에 센서를 이용해 증폭한 뒤 분석해야 한다. 보통은 검출할 물질 아래에 센서를 두고 레이저를 쪼여서 센서와 물질의 상호작용으로 라만 신호를 증폭한다.
신호 증폭의 원리는 '전자기적 증강(EM)'과 '화학적 증강(CM)'이 있다. EM은 민감도가 높아 저농도 물질의 검출에 유리하나 안정성이 떨어지는 반면, CM은 안정성이 높고 민감도가 떨어진다.
박혜성 교수팀은 안정성이 높은 CM 방식을 개선해 민감도도 높이는 방법을 찾았다. CM 방식으로 라만 신호를 증폭할 경우 센서와 검출 물질 간 전기적 상호작용이 활발해야 하는데, 이때 센서 물질의 에너지 밴드 레벨(energy band level)이 중요하다.
연구팀은 센서를 이루는 산화 레늄 박막을 합성할 때 산소농도를 실시간으로 조절해 전하이동이 원활해지는 최적화된 에너지 밴드 레벨을 맞췄다. 그 결과 라만 신호가 증폭돼 '민감도와 안정성을 모두 갖춘 원자층 수준의 얇은 SERS 센서'가 개발됐다.
박혜성 교수는 "이번 연구로 새로운 조합의 이차원 이종구조 소재 합성법을 제시했다"며 "향후 이차원 소재 기반 초고감도 SERS 센서 연구에 크게 도움이 될 것"이라고 기대했다.
이번 연구는 국제학술지 '나노 레터스(Nano Letters)' 지난 2월3일자로 온라인에 선공개됐다.
[울산=뉴시스]구미현 기자
