기초과학

중국과기대 단일 분자구조를 관찰할 수 있는 라만이미징 실현

발행일 : 2013 / 06 / 13

「네이처」의 원고심사 담당자는 “해당 분야 최고 수준의 정상급 연구성과”를 얻은 중국과기대학은 세계 최초로 서브나노 해상도의 단일분자 광학 라만이미징(Raman Inmaging)을 실현하는데 성공하여, 화학식별능력의 공간이미징 해상도를 전례없는 0.5nm수준급으로 높였다고 국제적인 권위학술저널 「네이처」지 온라인판 2013년 6월 6일자에 이 성과를 발표하였다.

세계 나노광자학 전문가인 Atkin교수와 Raschke교수는 같은호 “News and Views” 칼럼에서 《광학 분광법으로 분자내부구조를 탐지한다(光学光谱探测挺进分子内部)》라는 제목으로 이 연구성과에 대해 평가하였다. 「네이처」지 3명의 원고심사자는 “모든 기록을 돌파한 해당 분야의 최대 성과”, “해당 분야 최고수준의 정상급 연구성과로 해당 분야의 새로운 영역을 개척”, “정교하게 설계한 실험관측과 이론모의와 상호 결합시킨 중요한 의미를 지니는 연구”라고 높이 평가하였다.

이 성과는 중국과기대 마이크로스캐일 물질과학 국가실험실의 허우지엔궈(侯建国) 원사가 이끌고 있는 단일분자과학 연구팀의 둥쩐차오(董振超)연구팀이 수행한 것으로, 짱루이(张瑞)박사생과 짱야오(张尧)박사생은 논문 공동 제1저자이다.

빛의 주파수는 빛이 산란되면 변화하는데, 주파수 변화는 산란물질의 특성에 의해 결정된다. 이 현상을 물리학 노벨상을 받은 유명한 “라만 산란”현상이다.

빛이 산란되면 주파수가 변하는데, 사실상 주파수 변화는 산란물질의 특징에 의해서도 결정된다. 이러한 현상을 물리학 노벨상을 받은 저명한 “라만산란”이라 한다. “라만산란광에는 분자진동구조의 상세한 정보가 포함되어 있는데, 서로 다른 분자는 라만분광의 스펙트럼 특징이 서로 다르다. 마치 지문을 통해 사람을 식별할 수 있듯이 라만분광 형태를 통해 과학자들은 분자의 ‘지문’인 스펙트럼을 식별할 수 있다.” 논문 교신 저자 중의 한사람인 둥쩐차오 교수는 라만스펙트럼은 물리, 화학, 재료, 생물 등 분야의 분자구조를 연구하는 중요한 수단이 되었다고 소개했다.

1970년대부터 표면증강 라만산란기술, 특히 탐침증강 라만분광(TERS)기술의 발전에 따라 스펙트럼탐사 민감도 및 라만이미징 해상도가 대폭 높아졌다. “지금까지 과학자들은 TERS측정의 최적 공간 이미징 해상도를 몇nm의 수준으로 발전시켰으나 단일분자수준에는 도달시키지 못하고 있다.”고 둥쩐차오가 설명했다.

마이크로스캐일 실험실 단일분자 과학팀은 다년간 연구장비의 독자적 개발에 주력해왔고 고해상도 주사터널링 현미경기술과 고민감성 광학측정기술을 융합시킨 결합시스템을 발전시켰다. 연구팀은 탐침과 기판 사이에 형성된 Nano cavity 플라즈몬 “안테나”의 와이드밴드, 국부 및 강화 특성을 이용해 입사광 여기와 분자라만 광자방출을 통해 이중공진방식으로 스펙트럼 매칭 제어(Spectrum matching control)를 실현하였고 서브나노 해상도의 단일 포르피린 분자의 라만스펙트럼 이미징을 형성하여 화학식별 해상도를 전례없는 0.5nm수준으로 높임으로써 분자내부 구조와 분자표면의 흡착 구조를 식별할 수 있게 되었다.

“분자척도에서 재료 성분과 구조 식별이 필요한 분야라면 이 연구성과는 큰 용도를 갖는다.”며 둥쩐차오 연구원은 이 연구성과를 이용해 미시적 세계, 특히 마이크로 촉매반응메커니즘, 분자 나노부품의 미시구조와 DNA서열을 포함한 고해상도 생물분자 이미징을 연구하는데 있어서 매우 중요한 과학적 의미와 실용가치를 지니며, 단일분자 비선형 광학과 광화학과정의 연구라는 새로운 분야를 개척하였다고 밝혔다.