| 초록 |
#4월 우수전문가 동향보고서(KOSEN Expert Insight)# 이 자료는 T 2SYS 에 계신 육종설박사님 께서 작성해주셨습니다. 1. 개요 플라즈모닉스(Plasmonics)는 금속 표면에 있는 자유전자와 전자기자장의 상호작용을 연구하는 새로운 학문 분야이다. 플라즈모닉스의 발전으로 빛의 구속과 증강 현상을 이용하여 고민감도 광학 바이오센서나 마이크로 크기의 초소형 센서를 구현할 수 있게 되었다. 특히 1983년 Liedberg와 그의 동료들에 의해 표면플라즈몬 공명 현상을 이용한 바이오센서를 처음 구현한 이후 성능이 향상된 다양한 표면플라즈몬 바이오센서들이 개발되어 현재는 성숙된 기술로 자리 잡고 있다. 표면플라즈몬 바이오센서는 비표지 방식으로 실시간 측정이 가능한 장점을 가지고 생물, 생화학, 환경, 음식산업, 표지물질 탐색 및 의료 진단과 같은 많은 분야에 응용되고 있다. 이러한 장점에도 불구하고 플라즈몬 공명 바이오센서는 현광을 이용한 바이오센서에 비해 민감도가 떨어져 플라즈모닉스의 장점을 이용해 신호 증강에 대한 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다. 형광 센서의 장점과 표면플라즈몬의 장점을 결합한 표면플라즈몬 연결 방사(Surface plasmon-coupled emission, SPCE)와 Surface plasmon-enhanced fluorescence spectroscopy 같은 새로운 형태의 광바이오센서가 최근 제시되어 기존의 표면플라즈몬 공명 센서의 새로운 분야를 개척하고 있다. 뿐만 아니라 표면증강 라만산란(surface-enhanced Raman scattering)은 기존의 라만산란에 플라즈모닉스의 특성이 결합되어 우수한 민감도를 구현하고 있다. 본 보고서는 차세대 바이오센서를 위한 플라즈모닉스 내용[1]과 플라즈몬을 이용한 형광 기술 연구 내용[2]을 참조해서 플라즈모닉스 기반의 바이오센서 연구 동향에 대해 작성한 것이다. 2. 주요 내용 실시간으로 표지물질을 확인할 수 있는 저렴한 가격의 바이오센서는 현장진단이 필요한 의료 현장과 개발도상국가에서 질병의 실시간 진단 및 개별 맞춤 돌봄을 위한 건강관리 프로그램 분야에서 많이 요구되고 있다. 이와 같은 요구를 충족시켜주기 위한 차세대 바이오센서는 소형화와 자동화가 이상적으로 요구되고 있다. 특히 표면플라즈몬 공명 센서는 비표지 실시간 측정이 가능한 장점과 MEMS 기술과 플라즈모닉스가 결합되어 차세대 바이오센서로서 중요한 대안이 되고 있다. 다음은 표면플라즈몬의 발생 기본 원리와 이를 이용한 다양한 광바이오센서를 설명한 것이다[3, 4]. 표면플라즈몬 발생 원리: 표면플라즈몬 공명(Surface plasmon resonance, SPR)은 전하밀도의 집단적인 진동을 말하는 것으로, 서로 반대 값을 갖는 두 개의 유전체 물질, 즉 금과 공기 같은 경계에서 발생하는 광학현상이다. 빛을 이용하여 표면플라즈몬을 발생시키려면 빛의 분산관계(dis-persion relation)로 인하여 특별한 빛-표면플라즈몬 연결자(coupler)가 필요하다. 이때 주로 사용되는 것이 격자 연결자(grating coupler)와 감쇠 전반사 연결자(attenuated total reflection coupler, ATR, ?0 >1)가 있다. 빛이 입사각(?)으로 감쇠 전반사 연결자를 통해 금속 표면으로 입사하게 될 때 금속 표면과 평행한 빛의 파수 벡터는 kx=(?/c)?01/2sin? 로, 연결자가 없을 때에 비해 ?01/2sin? 만큰 증가된다. 따라서 두 유전체 (?1(금속), ?2(공기)) 경계에서 진행하는 표면플라즈몬의 파수 벡터 ksp=(?/c){?1?2/(?1 + ?2)}1/2와 kx가 일치할 때 표면플라즈몬이 발생하게 되며 전반사된 빛의 세기가 최소가 된다[5]. 표면플라즈몬 공명 바이오센서: 표면플라즈몬 공명 현상을 이용하여 개발된 바이오센서는 빛-표면플즈몬 연결자의 형태에 따라 감쇠 전반사 연결자 타입과 격자 연결자 타입의 바이오센서로 나누어진다. 표면플라즈몬 공명 바이오센서의 신호 측정 방법은 일반적으로 다음과 같은 3가지 유형에 의해 측정된다. (1) 공명 근처에서 빛의 세기 측정, (2) 공명 근처에서 각도 측정, (3) 공명 근처에서 파장 측정. 특히 빛의 세기를 측정하는 방법은 고속 대량 분석에 유리한 이미징 바이오센서를 구현할 수 있다. 표면플라즈몬 공명 바이오센서는 빛-표면플라즈몬 연결자의 형태와 측정 방법에 따라 광학적 구조와 민감도 그리고 다양한 특징을 띠게 된다. 일반적으로 표면플라즈몬 공명 바이오센서의 민감도는 광원의 파장이 증가함에 따라 커지게 되며 격자 연결자를 이용한 센서보다 감쇠 전반사 연결자 형태의 바이오센서가 민감도가 우수하다. 금속의 종류에 의해서도 민감도의 차이가 크게 나는데, 은이 금보다 민감도 면에서 특성이 우수하나 쉽게 변질되는 은의 특성으로 인해 유체 환경 속에서 생체고분자물질이 상호작용하는 바이오센서의 금속으로는 금이 사용되고 있다. 국제화된 표면플라즈몬(Localized surface plasmon resonance, LSPR) 바이오센서: 금속 나노입자의 색이 주변 물질의 굴절률 변화에 크게 영향받는다는 특징을 이용하여 바이오센서에 이용되었다. 콜로이드 금나노입자에 단일 항체를 붙인 후 항체와 리간드의 상호작용을 표면플라즈몬 공명 흡광도 peak의 변화를 측정할 수 있다. 표면플라즈몬 공명 흡광도 밴드의 변화는 리간드의 농도에 비례하고 상호작용하는 운동학에 관련이 있다. 또한 기판 위에 형성된 금속 나노입자와 주기적인 나노입자 어레이는 입자 간의 거리와 위치 조절이 가능하고 쉽게 나노입자를 기능화시킬 수 있으며 센싱이 반복적이고 연속적으로 수행할 수 있는 장점들이 있다. 투과 국제화된 표면플라즈몬 공명(T-LSPR) 분광 방법도 개발되었는데 하나는 운모나 수정 기판에 2~10nm의 금나노입자를 진공 증착시키는 방법으로, 570~630nm 사이에서 최대 흡광도 밴드가 관찰되었다. 금속 나노입자를 이용한 표지 방법은 기존 진단이나 생화학 그리고 생물학 연구에 사용한 방사선물질이나 형광물질 등을 표지물질로 사용한 것을 대체할 수 있다. 금속 나노입자를 이용한 신호 증폭은 국재화된 표면플라즈몬과 전파해나가는 표면플라즈몬과의 상호작용에 기인한 것으로 설명되며 금속 나노입자의 종류, 크기, 모양, 표면플라즈몬파가 진행하는 금속 표면으로부터의 거리에 따라 신호 증폭은 영향을 받게 된다[6]. 그림 1. 표면플라즈몬 공명과(좌) 표면플라즈몬 연결 방사(우) Surface plasmon-coupled emission(SPCE) 바이오센서: 금속 박막으로부터 대략 200nm 안에 위치하고 있는 여기된 형광물질로부터 금속 표면에 표면플라즈몬을 발생시켜 이로부터 특정한 각도로 방사되는 빛, 즉 표면플라즈몬 연결 방사(surface plasmon-coupled emission, SPCE)를 발생시키는 것이다. 이 과정은 표면플라즈몬 공명의 역과정에 해당된다. 중요한 특징으로 방사된 빛은 사방으로 퍼져나가는 것이 아니라 특정한 각도로 방사되며, 금속 표면에서 200nm 안에 있는 형광 물질로부터 발생하게 되어 배경 신호 잡음을 줄일 수 있게 된다. 또한 방사된 빛은 p 편광된 빛이라는 특징이 있다. 일반적으로 표면플라즈몬 연결 방사를 이용한 센서는 표면플라즈몬 공명 센서과 유사하게 빛-플라즈몬 연결자의 형태에 따라 나뉘게 된다[7]. 그러나 큰 차이점은 감쇠 전반사 연결자를 이용한 센서에 있어서 입사 빛이 연결자 반대 방향에서 입사되어도 표면플라즈몬 연결 방사가 생긴다는 것으로, 이러한 구조를 역방향 Kretschmann 구조라고 한다. 표면플라즈몬 공명 센서와 다르게 형광물질이 있어야 되며 실시간 측정을 할 수 없다는 단점을 가지나 민감도에 있어서는 표면플라즈몬 공명 센서보다 월등히 우수한 특징이 있다[8]. 연구 사례들: 표면플라즈몬을 적용한 바이오센서 적용 분야로는 1) 음식 및 안전 분석; 병원균, 독성물질, 비타민, 호르몬, 진단항체, 알러지, 단백질, 화학 오염물, 2) 의료진단분석; 암 표지물질, 바이러스 병원균용 항체, 신약, 알러지 표지물질, 심장발작 표지물질, 3) 환경 감시; 농약, 2,4,6-Trinitrotoluene(TNT), 방향족탄화수소, 중금속, 페놀, 폴리염화비페닐, 다이옥신과 같은 다양한 분야에 응용되고 있다. 이 |
