중국-분자화학 식별연구

분자 화학 식별 연구

최근 중국과학기술대학교 산하 ‘마이크로 사이즈 물질 과학 국가 실험실’ 소속 ‘단일 분자 과학 연구그룹’의 둥전차오(董振超) 연구원 연구팀은 높은 공간 해상도를 보유한 화학 식별(Chemistry Recognition) 연구 분야에서 중대한 혁신성과를 취득하여 이슈가 되고 있다.

연구팀은 이번 연구를 통해 세계 최초로 제일 가까이에 인접하여 있는 분자의 실제 공간의 라만 분광 식별을 실현하였다. 연구팀의 관련 연구 성과는 지난 7월 27일 나노 연구 분야 국제 학술지인 `네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)`에 발표되었다.

나노 사이즈 상에서의 다양한 물질의 화학 식별은 줄곧 나노 기술의 중요한 목표로 되고 있다. 라만 산란 광 속에는 풍부한 분자 진동 구조 정보가 포함되어 있으며 다양한 분자는 다양한 ‘지문’ 특징의 라만 광 스펙트럼을 보유하고 있기 때문에 라만 광 스펙트럼 기술은 현재 이미 물리, 화학, 재료, 생물 등 분야에서 물질 구성 및 구조를 연구하는 중요한 수단으로 되고 있다.

하지만 일상적인 라만 기술은 광학 회절 한계 때문에 분자 수준 상에서 미시 물질 구성과 구조를 식별할 수 없는 상황이다. 팁 강화 라만(Tip Enhanced Raman) 기술은 일종 새로운 표면 분석 기술로서, 라만 광 스펙트럼 기술과 결합하여 높은 화학 감광도와 스캐닝 프로브 현미경 기술과 결합하여 높은 공간 해상도를 보유하는 이중 강점을 나타낼 수 있게 된다.

연구팀은 전(前) 단계 연구를 실행하는 과정에서 정밀한 주파수 스펙트럼 매칭 조정 제어를 통해 비선형 과정을 팁 강화 라만(Tip Enhanced Raman) 속에 도입시켜 고립된 단일 분자 시스템 속에서 서브 나노 해상도의 화학 식별을 실현하였다. 하지만 실제적인 미시 시스템은 일반적으로 다양한 분자로 구성되었기 때문에 인접 부근의 다양한 분자는 더욱 중요한 실제 응용 가치를 보유하고 있는 것으로 나타났다.

`팁 강화 라만(Tip Enhanced Raman) 기술이 인접 부근의 다양한 분자의 라만 신호 간섭을 극복할 수 있는지?`, `인접 부근 분자의 구조 유사 정도와 인접 부근 분자 간의 거리에 대해서는 어떤 식별 수준에 도달할 수 있는지?` 등의 이런 과제는 반드시 명확히 해석해야 할 핵심적인 과제로 부상한 상황이다.

이런 도전적인 과제에 대해 연구팀은 두 가지 구조가 유사한 포르피린 유도체(Porphyrin derivatives) 생물분자를 선택하여 관련 연구를 실행하였다. 연구팀은 관련 연구를 통해 두 가지 구조가 유사한 포르피린 유도체 생물분자가 모두 포르피린 분자 가족에 속한다 해도 초고 해상도의 비선형 팁 강화 라만(Tip Enhanced Raman) 기술을 이용하면 접촉 거리가 반데르발스(Van der Waals) 상호 역할 범위 내(약 0.3nm)의 인접한 다양한 포르피린 분자에 대해 정밀 화학 식별을 실행할 수 있으며 측정해낸 라만 광 스펙트럼은 각자 특징의 진동 ‘지문’을 보유하고 있기 때문에 분자의 ‘신분’과 구조를 명확히 구분할 수 있다는 점을 입증하였다.

연구팀은 간단한 이론 모델과 계산을 통해 분자가 표면 상에서 흡착하는 구성 형태를 추측하였다. 연구팀이 이번 연구를 통해 취득한 결과는 화학 식별 한계 능력을 향상시켰으며 분자 사이즈 상에서 재료의 성분과 구조에 대해 식별이 필요한 그 어떤 분야에 대해서도 모두 중요한 과학적 의미와 실용 가치를 보유하고 있다. 특히 미래의 표면 반응, 불균일촉매(Heterogeneous Catalysis), 분자 디바이스 및 DNA, 단백질 시퀀싱(Protein sequencing)을 포함한 생물분자의 표시되지 않은 고해상도 식별 등 연구 분야에서도 폭넓게 응용될 것으로 전망된다.

`네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)` 학술지 편집인은 “이번 연구 성과는 전례 없는 혁신적인 연구 성과로서 분석 화학 분야의 궁극적인 목표 중 하나를 실현한 연구 성과에 속하는 동시에 분자 해상도 수준 상에서 다양한 분자 및 화학 상태의 식별을 실현한 연구 성과에 속한다”고 평가하였다.

이번 연구는 국가자연과학기금위원회, 중국과학원, 국가과학기술부와 국가교육부의 관련 과학연구 프로젝트 비용 지원을 받아 실행되었다.

그림 1. a. 팁 강화 라만(Tip Enhanced Raman) 기술 원리 표시도임. b. Ag 계단 상에 교체적으로 흡착된 반데르발스(Van der Waals) 접촉 거리(약 0.3nm)의 두 가지 포르피린(Porphyrin) 분자의 STM 이미지임. c. 그림 b. 속 관련 분자 중심 위치에서 수집한 팁 강화 라만 광 스펙트럼 및 이론 시뮬레이션 광 스펙트럼임.

150812: 글로벌동향브리핑에서 퍼온 내용입니다.