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핵폐기물 검출·세균 식별 활용하는 기술 ‘초고감도 센서’ 개발

울산과기원 박혜성 교수팀 성과…원자층 수준으로 얇고 민감도·안정성 갖춰

울산과학기술원(UNIST) 연구진이 ‘분자지문’이라 불리는 물질 고유의 신호를 증폭, 극미량 분자까지 검출하는 초고감도 센서를 개발했다.

농약이나 핵폐기물 검출을 비롯해 세균 식별, 유전적 진단, 면역학적 표시 등에 활용 가능한 기술로 주목받는다.

박혜성 에너지 및 화학공학부 교수팀은 ‘산화 레늄 다이설파이드'(ReOxSy) 박막을 합성해 이차원 소재 기반의 ‘초고감도 표면 증강 라만 분광(SERS) 센서’를 개발했다고 20일 밝혔다.

물질 내부 분자는 외부에서 들어온 빛(레이저)에 반응해 새로운 광학 신호인 ‘라만 신호'(Raman spectrum)를 만든다.

라만 신호는 물질마다 달라서 이를 분석하면 특정 물질을 검출하거나 특성을 알아낼 수 있다.

그러나 라만 신호는 세기가 약해서, 센서를 이용해 신호를 증폭한 뒤 분석해야 한다.

보통 검출할 물질 아래에 센서를 두고 레이저를 쪼여, 센서와 물질의 상호작용으로 라만 신호를 증폭한다.

신호를 증폭하는 원리는 전자기적 증강(EM)과 화학적 증강(CM)이 있다.

EM은 민감도가 높아 저농도 물질 검출에 유리하지만, 안정성이 떨어진다.

CM은 반대로 안정성이 높고 민감도가 낮다.

박 교수팀은 CM 방식을 개선해 민감도를 높이는 방법을 택했다.

이 경우 센서와 검출 물질 간 전기적 상호작용이 활발해야 하는데, 무엇보다 센서 물질의 에너지 밴드 레벨이 중요하다.

연구진은 센서를 이루는 산화 레늄 박막을 합성할 때 산소농도를 실시간으로 조절, 전하이동이 원활해지는 최적화된 에너지 밴드 레벨을 맞췄다.

그 결과 라만 신호가 증폭해 ‘민감도와 안정성을 모두 갖춘 원자층 수준의 얇은 SERS 센서’가 완성됐다.

박 교수는 “이번 연구는 새로운 조합의 이차원 이종구조 소재 합성법을 제시했다”면서 “앞으로 이차원 소재 기반 초고감도 SERS 센서 연구에 큰 도움이 될 것”이라고 기대했다.

연구 성과는 이달 초 나노분야 국제학술지 ‘나노 레터스'(Nano Letters) 온라인판에 게재됐다.

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