김명기 교수팀, 분자 크기의 단일 나노 입자 포획 및 무형광 검출에 성공 

    고려대학교 KU-KIST 융합대학원 김명기 교수와 카이스트 물리학과 이용희 교수 연구팀은 빛을 이용해 지름이 불과 4 nm (1 nm = 10억분의 1 미터)인 단일 나노 입자를 포획하고, 포획된 입자의 초미세 움직임을 무형광으로 검출하는데 성공하였다. 이 연구는 국제 저명학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 6월 7일자로 게재됐다.

   단일 나노 입자 및 분자에 대한 연구는 물질의 근본적인 단위에서 현상을 이해하기 때문에, 다양한 분야에서 지금까지 극복되지 않은 여러 문제들을 해결할 수 있는 가능성을 제시해주고 있다. 특히, 의료 진단 및 치료 분야에서는 단일 분자 수준에서 얻어진 많은 바이오 정보들이 생물물리학적 이해를 증진시켜줄 뿐만 아니라, 질병의 조기 검출을 위한 특이 신호들을 미리 제공할 가능성이 있다. 또한, 신약 개발을 비롯하여, 양자 컴퓨터 및 신소재 개발에 있어서도 단일 분자 및 입자에 대한 연구는 매우 중요하다고 할 수 있다. 지금까지 수많은 단일 나노 입자 및 분자를 검출하는 방법들이 제안되어 왔으며, 이들 대부분은 외부의 미세 형광 물질을 표적 물질에 붙여 단일 입자를 검출하는 이른바 형광검출방식을 사용하고 있다. 하지만, 이러한 형광검출방식은 검출할 수 있는 표적 물질의 범위을 제한할 뿐만 아니라 형광물질 자체가 표적 물질의 성질을 변화시키는 문제를 일으킨다.

   이번에 고려대 김명기 교수와 카이스트 이용희 교수팀이 공동으로 개발한 단일 나노 입자 포획 및 무형광 검출 기술은3차원 플라즈몬 나노안테나를 이용해 외부에서 입사한 빛을 초미세 공간 (5 nm x 5 nm x 7 nm) 안에 직접 집속시키고, 집속된 빛의 강한 전기장 분포 변화를 이용해 주변의 단일 나노 입자를 광포획하는 방식을 사용한다. 또한, 강하게 집속된 빛은 국소된 공간 안에 강한 비선형 신호를 발생시키는데, 이 신호를 이용해 포획된 입자의 움직임을 매우 높은 해상도(약 1 nm 이하)로 검출해낸다.

   이번 연구에서는 지름이 4 nm인 단일 양자점을 포획하는데 성공하였고, 금속에서 발생하는 비선형 이차조화파를 이용하여 포획된 양자점의 움직임을 높은 해상도로 검출해 냈다. 특히, 포획된 단일 나노 입자가 약 5 nm 간극 안에서 매우 느리게 (1초당 3번 왕복) 움직이는 독특한 크래머스 호핑 (Kramers hopping) 현상을 직접 실험적으로 밝히는 성과도 거두었다.

   김명기 교수는 “이번 연구는 단일 나노 입자 및 분자를 직접 포획하고 이들을 무형광으로 분석할 수 있는 새로운 플랫폼을 개발한 것”이라며, "앞으로 정밀 의료 진단, 치료, 신약 개발 뿐 아니라, 물리, 화학, 생물 등 기초과학 연구에도 중요한 역할을 할 것으로 기대된다"고 말했다.

[◀그림] (좌) 3차원 플라즈몬 나노안테나를 이용하여 초미세 (분자 크기) 단일 나노입자를 포획하고, 포획된 입자의 미세 움직임을 비선형 신호를 이용해 검출하는 모식도. (우) 3차원 플라즈몬 나노안테나의 높은 광밀도가 단일 나노입자를 포획할 수 있음을 보여주는 시뮬레이션 결과.

[▶그림] 제작된 3차원 플라즈몬 나노안테나의 전자주사현미경사진.

[▲그림] 입사하는 빛의 세기에 따라 나노 입자를 포획하는 힘을 조절한 결과와, 동시에 포획되는 입자의 움직임을 정밀하게 모니터링 한 결과.

※ 논문명: Non-fluorescent nanoscopic monitoring of a single trapped nanoparticle via nonlinear point sources 

※ 주저자: 김명기 교수(교신저자, 고려대), 이용희 교수(교신저자, 한국과학기술원), 윤승주(제1저자, 한국과학기술원)