화학과 박성호 교수 연구팀, 이중 프레임을 가지는 복잡구조체 기반 자가조립 기판 개발

- 광학, 센서, 바이오 분야에 활용 기대

화학과 박성호 교수 연구팀(공동1저자 Qiang Zhao 석박통합과정, Hilal Hajir 석박통합과정)은 수용액 상에서 새로운 화학반응을 통해 복잡구조를 가지는 나노입자를 합성하고 빛과의 상호작용을 극대화시켜 극미량의 생ㆍ화학 분자 검출이 가능한 자가조립(self-assembly) 기판을 개발하였다고 밝혔다.

금, 은과 같은 귀금속은 나노 수준의 크기로 갈수록 특정 파장의 빛을 입자 주위에 국소적으로 모을 수 있어, 표면 증강 라만 산란기법(Surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS)과 같은 다양한 화학적, 생물학적 분자 검출기법에 용이하다. 그러나 기존에 구 또는 막대 형태의 나노입자는 낮은 전자기장의 증강효율로 인해 극미량의 분자 검출이 어려워 라만 분광법을 상업적으로 활용하기 어려웠다.

박성호 교수 연구팀은 이를 해결하기 위해 새로운 다단계 화학적 습식법을 개발하여 빛과의 상호작용을 극대화할 수 있는 이중-림을 가지는 나노프레임(Dual-rim nanoframes)을 합성하였다. 정교한 화학반응을 통해 단일 금 나노입자 표면에 이중의 나노프레임이 존재하는 복잡나노구조체를 제작하고 입자의 구조적 특이성을 유지하며 대면적의 규칙성을 가지는 자가조립 초격자(superlattice) 기판 제작을 통해 빛과의 상호작용을 극대화하였다. 특히, 나노입자 주변의 강한 국소 전기장의 증강으로 인해 아토몰(aM, 10-18 M) 수준의 극미량의 화학분자 검출이 가능해졌다. 이는 기존 나노입자로는 불가능한 생화학적 독성 분자의 기상 검출에도 적용되어 국방과학연구뿐만 아니라 라만 분광분석 기법의 상용화에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.  

박성호 교수는“본 연구는 균일하고 높은 민감도를 가지는 SERS기판 제작 기술에 새로운 입자 개발 및 방법론을 제시하여, 기존에 답보되어온 라만 기반 분석법을 한 단계 높은 수준으로 끌어올릴 뿐만 아니라 관련 광학, 센서, 바이오 분야에 다양하게 활용될 것으로 기대된다.”고 밝혔다.

본 연구는 2021년 정부(방위사업청)의 재원으로 국방과학연구소(미래도전국방기술연구개발사업)의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 화학 분야 (chemistry) 최상위 학술지인 “Journal of the American Chemical Society (Impact Factor=16.38, JCR 상위 8.66 %)에 표지 논문으로 선정되어 7월 27일 출판되었다.

※ 논문명 : All-Hot-Spot Bulk Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS) Substrates: Attomolar Detection of Adsorbates with Designer Plasmonic Nanoparticles