이승우 교수팀, ACS Nano지 논문 발표: ‘카이랄’ 분자를 더 민감하게 구별하는 금 나노입자 센서 원리 규명


 

고려대학교 KU-KIST융합대학원 & 공과대학 융합에너지공학과 이승우 교수팀은 성균관대학교 유필진 교수, 서울대학교 남기태 교수 연구팀과 함께, 왼손형과 오른손형 카이랄 분자를 더 민감하게 구별할 수 있는 키랄 나노광학 센서의 핵심 설계 원리를 규명하였다. 본 연구 결과는 2026년 4월 6일 세계적 나노과학 학술지인 ACS Nano (Impact Factor: 16.1)지에 출판되었다.

키랄성은 왼손과 오른손처럼 거울에 비친 모양이지만 서로 겹쳐지지 않는 성질을 말한다. 생체분자와 의약품에는 이러한 키랄성이 매우 흔하며, 같은 화학식의 분자라도 왼손형인지 오른손형인지에 따라 몸속에서 전혀 다른 작용을 할 수 있다. 따라서 두 형태를 빠르고 정확하게 구별하는 기술은 신약 개발, 의약품 품질 관리, 바이오 진단 분야에서 중요하다.

기존의 키랄 나노센서는 나노구조 자체의 광학 신호를 키우는 데 집중해 왔다. 그러나 신호가 가장 강한 “핫스팟”이 분자가 접근하기 어려운 곳에 있거나, 코팅층이 그 작은 틈을 막아버리면 실제 감지 성능은 크게 제한된다. 연구팀은 “분자가 들어갈 수 있는 키랄 나노갭을 유지하면서, 그 안의 빛을 더 강하게 만들 수 있는가”라는 질문에서 출발하였다.

연구팀은 나선형 금 나노입자(Helicoid-III)의 표면에 폴리스티렌-티올(PS-SH) 고분자를 약 1.5 nm 두께의 매우 얇은 층으로 입혔다. 이 층은 금 나노입자 표면을 따라 균일하게 형성되어 주변 굴절률을 조절하면서도, 분자가 드나들어야 하는 나노갭은 막지 않는다. 쉽게 말해, 빛을 더 잘 모아주는 “얇은 투명 외투”를 입혀 감지 공간은 열어둔 것이다.

전자현미경 기반 에너지 분석(TEM-EELS)과 3차원 전자기 시뮬레이션(FEM)을 통해, 표면 개질 입자(M-H3)의 키랄 나노갭에서 전기장, 자기장, 광학 헬리시티(빛의 손잡이성)가 강화됨을 확인하였다. 또한 L/D-proline, L/D-valine, L/D-phenylalanine과 같은 키랄 아미노산을 이용해 실제 감지 성능을 평가한 결과, M-H3는 기존 H3보다 더 큰 스펙트럼 이동을 보였고 최대 66% 높은 키랄 감지 민감도를 나타냈다. 이는 단순히 주변 굴절률이 바뀌어서가 아니라, 분자의 손잡이성과 나노입자의 키랄 빛장이 서로 선택적으로 상호작용했기 때문이다.

본 연구는 고가의 리소그래피 공정이나 복잡한 조립 과정 없이, 용액 속 나노입자만으로도 키랄 분자를 구별할 수 있는 실용적 설계 방향을 제시한다. 향후 키랄 의약품 분석, 생체분자 검출, 고감도 나노광학 센서 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

-           저자정보: 김동현(공동 제1저자, 성균관대학교), 임은지(공동 제1저자, 고려대학교), 한정현·하인한(공동저자, 서울대학교), 남기태(교신저자, 서울대학교), 이승우(교신저자, 고려대학교), 유필진(교신저자, 성균관대학교) (총 7명)

-           논문명: Specifying the Origin of Chiral Sensitivity through Conformal Nanogap Engineering in a Single Helicoid Gold Nanoparticle

-           논문게재지: ACS Nano (2026년 4월 6일 online published, https://doi.org/10.1021/acsnano.6c01492)

 

[그림 1] 분자가 접근 가능한 키랄 나노갭 설계 개념도. 
나선형 금 나노입자(Helicoid-III)의 표면에 초박막 고분자층을 균일하게 입혀, 키랄 분자가 나노갭에 들어갈 수 있는 통로는 유지하면서 빛의 손잡이성 신호를 강화하였다.



[그림 2] L/D-proline 농도와 혼합 비율에 따른 키랄 감지 결과. 
표면 개질 입자(M-H3)는 기존 H3보다 더 큰 스펙트럼 이동과 g-value(키랄 신호 세기) 변화를 보여, 왼손형·오른손형 분자를 더 민감하게 구별할 수 있음을 확인하였다.

[그림 3] 저자정보. (좌측부터) 이승우 교수(교신저자, 고려대학교), 임은지 연구원(공동 제1저자, 고려대학교).