기초과학

중국과기대 단일 단백질분자 검출 마이크로수준 자기공명기술 확보

발행일 : 2013 / 02 / 18

최근 중국과학기술대학의 두쟝펑(杜江峰) 교수팀과 독일 스투트가르트(Stuttgart 대학의 J. Wrachtrup 교수팀이 공동으로 125nm3 부피의 샘플 양성자 신호 검출에 성공하여 단일 단백질분자를 검출할 수 있는 마이크로 수준 핵자기공명기술 확보가 가능해졌다.

이번 실험은 도핑된 다이아몬드 표면 7nm 깊이의 질소-공석(nitrogen-vacancy) 단일전자 스핀을 원자 척도의 자기탐침으로 간주하여 125nm 3 부피 액체와 고체 유기샘플에서 양성자 신호를 검출하였는데, 그 중 포함된 양성자 수는 총 1만개 정도이며, 생성된 자기신호강도는 100개의 통계적 극화핵스핀에 상당하다.

이번 실험은 마이크로 수준 핵자기공명기술의 응용을 위해 튼튼한 기반을 다졌고, 관련 논문은 2013년 2월 1일 「사이언스」지에 발표되었다. 전자스핀이 물질가운데 광범위하게 존재하는 점을 이용해 스핀 핵자기공명기술로 정확하고 신속하며 물질을 파괴하지 않고 해당 물질의 구성과 구조 관련 정보를 획득할 수 있기 때문에, 현대 과학에서 중요한 물질탐지기술로 각광받고 있다.

일반적으로 스핀 핵자기공명 분광계는 앙상블 검출원리에 기초하며 백억개 이상의 동일한 스핀을 함유한 앙상블 샘플을 검출대상으로 한다. 하지만 최근 물질검출기술수준이 높아지면서 기존의 평균통계에 의한 검출방식에서 단일양자의 직접검출방식으로 대체하고 있는 추세이다. 따라서 스핀 핵자기공명 분야에서 미시적 핵자기공명에서 단일 스핀 핵자기공명으로 발전수준을 높이는 것은 핵심 과학목표에 속한다.

이러한 과학목표를 달성하기 위해 중국과기대와 독일 스투트가르트대학 공동연구팀은 도핑한 다이아몬드을 기초로 질소-공석(NV)의 고체 단일스핀을 탐침으로 채택하였고, 이러한 체계를 기초로 단일 전자스핀으로 양자 간섭계를 제작하여 마이크로 수준 스핀체계에서 생성된 약한 자기신호로 간섭계의 상(phase)으로 전환함으로써 고민감도의 신호검출을 실현하였다.

관련 분야의 기존의 연구성과를 토대로 공동연구팀은 2년 남짓한 노력 끝에 이번 실험에 필요한 핵심기술인 근표면 NV의 제조와 처리 및 동력학 디커플링 기술을 개발했다.

이 기술은 125nm3 부피액체와 고체 유기샘플중 양성자신호 검출에 불가결한 기초기술이다. 2013년 2월 1일자에 출판된 「사이언스」지에는 또 다른 한편의 유사한 연구성과도 동시에 발표되었다. 미국 IBM의 D. Rugar와 미국 캘리포니아대학 산타바바라의 D. Awschalom가 공동 수행한 연구성과로, 이들 연구팀은 마찬가지로 NV 자기탐침을 이용해 (24nm)3 부피의 유기샘플을 이용한 핵자기신호 검출에 성공하였다.

저널 편집담당인 P. Hemmer는 위의 2개 연구성과에 대해 “다이아몬드 기반의 나노자기탐침을 이용해 핵자기공명(MRI)기술을 이용한 검출 부피면적을 단일 단백질분자수준으로 줄였다”고 긍정적으로 평가했다.