박진성, 나성수 교수 연구팀, 새로운 멀티 센서 개발

- 연세대 연구진과 공동연구 결과 ‘Nature Communications’ 논문으로 게재 -

기존의 센서의 한계를 극복한 새로운 멀티센서가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 마이크로 캔틸레버를 이용한 공진센서와 표면증강 라만 분광(SERS) 센서를 결합하여 기존에 각 센서가 가지던 단점을 보완한 새로운 멀티센서로써 다양한 센서 분야의 응용에 한걸음 다가서게 됐다.

* 마이크로 캔틸레버 공진센서 : 마이크로 미터 (10-6m) 크기를 가진 소형 외팔보의 형태로써 다이빙보드가 외팔보의 가장 큰 예다. 이러한 캔틸레버에 공진주파수가 가해지면 공진현상이 발생한다. 공진주파수는 모든 물체가 가지고 있는 고유진동수로써, 질량과 스프링상수에 연관돼있다. 이러한 공진주파수의 발생은 센서 표면에 질량이 달라짐에 따라 변화하게 된다.

* 표면증강 라만 분광(SERS) 센서 : 기존의 라만센서의 한계점인 낮은 반응성에 대해서 나노 구조물 또는 나노 입자들을 이용하여 라만센서의 반응값을 증폭시켜 사용하는 신개념 라만 센서다.

과학기술대학 제어계측공학과 박진성 교수(제 1저자)와 공과대학 기계공학부 나성수 교수(교신저자) 연구팀이 연세대 화공생명공학과 함승주 교수 연구팀과 진행한 공동연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 사업으로 수행됐고, 연구결과는 네이처 자매지 네이처 커뮤니케이션즈지(Nature Communications) 최신호 (온라인판 3월 28일자)에 발표됐다. (논문명 : Multimodal label-free detection and discrimination for small molecules using a nanoporous resonator)

공진센서의 장점은 민감도가 높아서 센싱하고자 하는 물질을 저 농도에서 검출이 가능하다는 것이다. 하지만 질량의 변화에 따라 반응하는 센서인 만큼 원치 않는 물질이 센서 표면에 붙어도 반응을 한다는 단점이 있다. SERS 센서의 장점은 어떠한 화학 분자가 검출 되었는지 시그널 분석을 통해 알 수 있다. 하지만 SERS 센서를 만들기 위해서는 복잡한 나노 구조물이나 다양한 공정이 필요하여 금전적 및 시간적 어려움이 있다.

이번 연구에서는 두 센서의 단점을 상쇄시키고 장점만을 취합하여 새로운 멀티센서를 개발했다는데 그 의의가 있다. 연구팀은 나노 다공성 구조를 간편하고 빠르게 마이크로 캔틸레버 표면에 코팅을 시켰다. 이렇게 되면, 캔틸레버 표면은 표면적이 증가함에 따라 더 민감도가 증가하게 되고, 나노 다공성 구조로 인하여 기존에는 불가능했던 라만 신호가 나오게 된다. (SERS 센서로 사용이 가능하게 된다.)

* 나노 다공성 구조 : 전기화학적 방법으로 생성된 간단하면서도 빠르게 생성할 수 있는 구조로써 스폰지 모양과 비슷하다. 구조물의 크기는 나노(10-9 m)의 크기를 가진다.

개발된 나노 다공성 멀티센서는 기존의 상용화된 마이크로 센서보다 10,000배 가량의 증가한 민감도를 가지며 여기에 샌드위치 공법을 사용하게 되면 소분자를 pM 단위까지 검출이 가능하게 됐다. 또한 이뿐 아니라 표면에 검출된 소분자가 어떠한 분자인지 SERS센서를 사용하여 분별할 수 있게 되어 고민감도 + 검출 물질 분석 이 가능한 센서로써의 역할을 하게 됐다.

* 샌드위치 공법 : 센서 실험에서 사용되는 방법으로 샌드위치처럼 검출 물질과 한번 더 결합하는 물질을 붙여주어 질량을 증가시키는 실험 방법이다. 이 방법을 사용하면 민감도가 더 증가할 수 있다.

* 소분자(small molecule) : 크기가 수백 Da 미만의 크기를 가지는 작은 사이즈의 분자를 호칭한다.

또한 이 연구는 기존의 상용화된 마이크로 캔틸레버를 몇 분 (3 분) 만에 전기화학적인 단순한 공정으로 센서의 민감도 증가 및 SESR 센서의 응용이 가능한 멀티센서가 생성되었다는 점에서 독창성을 가지고 있다.

< 네이처 커뮤니케이션즈 지 내 논문 온라인판 게재 내용 >

▲ 사진1. 본 연구에서 개발한 나노 다공성 멀티센서의 생성 방법 및 멀티센서의 모식도 

▲ 사진2. 기존의 상용화된 캔틸레버, 합금생성 캔티레버, 나노 다공성 캔틸레버의 각 상태에 따른 전자현미경과 원자현미경 이미지(AFM, 나노 다공성 캔틸레버의 이미지). e-f 각 상태의 공진반응성 및 SERS 반응성