서울특별시 관악구 관악로 1, 서울대학교 과학교육관 204호
02) 880-9258
서울대학교 라만분광 연구실(PI 화학교육과 정대홍 교수)은 표면증강 라만산란(Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS) 현상을 기반으로 매우 적은 양의 분자를 측정하여 미지 물질의 종류를 알아내고 물질의 양을 정량하는 연구를 수행하고 있다. IR 흡수와 마찬가지로 분자 구조에 대한 정보를 제공하는 라만 산란은 금, 은 등 귀금속 나노입자의 표면에서 산란 신호의 크기가 10의 10승배 이상 증강되는 SERS 현상을 일으키므로 단분자를 측정할 수 있어서 분자를 측정하는 모든 영역에서 매우 관심을 가지고 연구되고 있다. 우리 연구실에서는 SERS 현상이 갖는 희망적인 장점에도 불구하고 보 편적으로 활용되지 못하는 이유를 극복하고 다양한 영역에서 SERS 현상의 장점을 활용하는 연구를 수 행하고 있다.
연구실에서 추진하는 구체적 연구 현황은 실리카 나노입자를 템플레이트로 은 나노입자를 둘러싼 SERS Dot을 개발하였고, 20년 동안 이 물질을 발전시키고 다양한 응용 분야를 확장해 왔다. 크게 나누면 SERS 신호를 나노 이름표로 활용하여 항체 및 단백질을 검출하는 label 방식의 연구와 표적 분자를 직접 SERS 신호로 측정하는 label-free 방식의 연구로 나뉘어진다. Label 방식의 연구로는 SERS 기반 혈액 진단, 라만 내시경 등의 분야에 대한 연구를 수행해 왔고, label-free 방식의 연구 로는 식물 체내 신호 물질 실시간 검출, 문화재 염료 시료 라이브러리화 연구, 독성 환경 물질 극미량 검출 등에 대한 연구를 수행해 왔다[그림 1].
Project 1 . SERS 기반 식물 체내 실시간 모니터링
지구의 인구는 매년 7천만 명씩 증가하고 있고, 기후 변화로 식량 자원 관리는 더욱 어려워지고 있다. 이에 식물 자원의 관리에 대한 필요성은 높아지고 있는데, 현재 식물 자원을 관리하는 센서는 공간의 온도, 습도, 조도 등 외부 환경을 측정하거나, 식물이 질병 등 스트레스를 받고 시간이 지나 잎이 퇴색되거나 하는 등 형태적 변화를 화상으로 관찰하고 있다. 식물은 동물과 달리 외부 스트레스(물 부족, 상처 발생, 병원균 침입 등)를 능동적으로 회피할 수 없기 때문에 더 민감하게 대처하기 위하여 일련의 화학적 신호의 연쇄 작용을 통해 자신의 발생과 생장을 조절하는데, 이때 발생하는 물질을 신호전달물질(signaling molecule) 이라고 하며 식물 건강 진단의 주요한 바이오마커로 지목되고 있다. 그러나 현재까지 CNT나 MOF 등의 나노 광학 센서를 활용한 식물 연구의 주요 성과들은 주로 형광이나 열 화상 분광법을 활용한 분석 방식으 로, 신호전달물질에 대한 직접적인 정보를 얻을 수 없고 신호전달물질의 발생으로 인한 간접적인 신호변화 만을 측정한다는 한계를 지니고 있었다.
이러한 문제들을 해결하고자 SERS 분광법을 도입하여 신호전달물질의 실시간 체내진단을 수행하는 연구가 진행되었다. SERS 신호를 증강시킬 수 있는 금속 나노 클러스터의 표면에 양전하를 띠는 고분자를 도입하여, 신호전달물질이 정전기적 인력을 통해 나노 센서 표면으로 유도시켜 추가적인 표지물질 없이 신호전달물질 자체의 SERS 신호를 검출하였다. 그 결과, 상처가 발생한 식물에서 phytoalexin의 일종인 nasturlexin B와 extracellular ATP를, 냉해를 입은 식물에서는 glutathione의 신호를 검출하였으며, 특히 상처가 발생한 직후 1시간 동안의 신호전달물질의 신호가 변화하는 것을 모니터링하는데 성공하였다. 또한 밀과 보리에 진균병을 감염시켜 식물의 면역반응(systemic acquired resistance, SAR)과 관련 있는 sal- icylic acid와 extracellular ATP를 진균 주입 후 2시간 시점에서 검출할 수 있었다. 이는 기존 진균병 진 단방식인 RT-PCT과 비교했을 때, 훨씬 이른 시점에서 조기진단에 성공한 것으로 SERS 기반 식물 체내 진단의 유용성과 앞으로의 잠재력을 보여주었다고 할 수 있다. [Won Ki Son, et al., Nature Nanotech. 2023]
Project 2 . SERS를 활용한 카이랄성 분자의 구별
생명과학 및 의학 진단의 다양한 연구 영역에서 분자의 카이랄성 차이에 따라 생리학적으로 매우 다른 현상이 벌어지는 현상을 연구하고 있지만, 이를 분광학적으로 확인하는 것은 매우 난해하다. 현재 주류 연구 분야에서 사용되고 있는 라만, IR 등 전통적인 진동 분광학은 원자간 결합에 대한 정보를 상세하게 제공하 지만, 원자 간의 결합 종류 및 배열에만 의존적이므로 카이랄성을 달리하는 입체 구조에 대한 변화를 민감 하게 측정할 수는 없다는 한계점을 갖고 있기 때문이다. 이에 Barron 등은 카이랄 분자 구조체의 광학적 성질이 회전 편광의 방향(좌회전/우회전)에 따라서 달라진다는 광학 활성 이론을 라만에 적용하여, 라만 광학 활성법(Raman Optical Activity, ROA)이라는 분석 수단을 제안하였다. 이러한 ROA는 기존 분광학적 도구의 이점에 분자의 입체 정보를 추가로 제공하므로 유기, 무기 화합물 전반에 걸친 입체 구조 변화 분석에 있어 유용한 수단으로 이용되어왔다. 특히 ROA 분석에서는 카이랄성이 높은 분자의 신호만 두드러지기 때문에, 핵산과 펩타이드 등 카이랄성을 가지는 생체 분자에 대한 선택적 입체 구조 정보를 분석하는 도구로 관심을 받아왔다.
하지만 ROA의 특성상, 일반적인 라만 산란에 비해서 산란 세기가 1,000배 이상 낮기 때문에 매우 낮은 신호 감도를 보인다는 한계점을 안고 있었다. 일례로 현재 시장에 진출한 유일한 상용 ROA 분광기는 532 nm 파장에 1 W의 출력을 갖고 있으며, 대개 4~24 시간의 반복 측정을 통해서 신호를 수집해야 유의미한 신호를 획득할 수 있다. 이 같은 문제를 극복하기 위하여, ROA를 SERS와 결합하는 표면증강 라만 광학 활성법(Surface Enhanced Raman Optical Activity, SEROA)에 대한 노력이 이어졌다. 특히 Efrima등 몇 몇 연구진들은 금속 표면에서 SEROA 상호작용 및 메커니즘을 규명해 왔으며, 최근에는 등방성 금속 표면 위에서 비카이랄성 분자의 신호들은 소멸되며 거울상 이성질체는 크기는 같고 부호는 반대인 신호를 나타 낸다는 것이 밝혀졌다. 그 외에도 ROA를 벗어나 SERS 자체에 카이랄성을 부여하는 SERS 카이랄 비등방 성 효과 등 카이랄성 물질의 입체 구조 분석에 대한 연구도 활발하게 시도되고 있다. 우리 연구실에서는 재 현성있는 SERS 기판을 제작하여 기존 SEROA 연구에서 보여준 측정의 한계를 극복하는 연구를 수행하고 있다.
Project 3 SERS 기반 암 진단 기술 개발 동향
질병 조기 진단을 위한 액체 생검 기술은 면역염색 기반, 분자진단 기반을 기반으로 많은 기술이 연구 되고 또 실용화되어 사용되고 있고, 전통적인 영상의학 기술에 의한 질병 조기 진단 기술 또한 큰 발전을 이루고 있다. SERS 분광법을 활용한 진단 기술이 뚜렷한 실용화 성공 모델이 부족하지만, 단분자 수준의 분자 측정 민감도와 분자 지문 정보를 제공하는 장점은 여전히 타 측정 기술이 따라올 수 없는 장점으로, 이를 이용한 암 조기진단을 위해 다양한 in vivo/in vitro 진단 기술이 개발되고 있다.
In vivo 진단 기술의 경우, 생체 내 적용에 적합한 나노 센서의 개발을 중점적으로 이루어지고 있다. 부작용을 최소화하고 생체적합성을 높일 수 있는 고분자, 실리카 외벽 등을 기반으로, 인체 내에서 발생하는 배경 형광을 회피할 수 있는 근적외선 영역에서 SERS 신호를 획득할 수 있도록 근적외선 영역에서 강한 활성을 갖는 나노 광학 센서를 개발하고 있다. 표적 항체를 통해 폐암 세포 인근에서만 PLK1 억제제가 발현되도록 하여 주변 세포의 생존률을 높인 Reda의 연구와 같이 나노 입자 표면에 항체, DNA aptamer 등을 결합시켜 주변 세포들에 대한 부작용을 최소화하고 암세포에서 특이적으로 작용할 수 있도록 표면을 개질한 연구 또한 활발히 이루어지고 있다. 측정 기기적인 측면에서는 체내에서 넓은 범위의 병변을 제한된 시간 내에 빠르게 진단하기 위한 SERS 이미징 측정 기술의 개발이 이루어지고 있다.
암을 진단하기 위해 사용하는 방법 중에 하나는 암이 발생할 때에만 나오는 물질들, 즉 바이오마커들을 검출해내는 것이다. 하지만 암 발생 초기에는 이 바이오마커들의 농도가 매우 낮아서, 일반적인 방법들로는 검출해내기가 어렵다. 본 연구진에서는 항체-항원-항체가 순서대로 결합되어 있는 샌드위치 타입의 면역복 합체를 형성하는 방법을 활용하여 SERS 기반의 진단 방법을 연구하고 있다. 시료 중에 바이오마커가 있을 경우에만 항원-항체 반응을 통해 나노입자가 기판 표면에 결합하기에 나노입자의 SERS를 통해서 바이오 마커의 유무와 농도를 판정할 수 있다. 바이오마커의 농도와 표면에 붙은 나노입자의 개수가 상관관계를 띄 기 때문에, 대면적 라만 분석 시스템 혹은 광섬유 신호 획득을 통해 나노입자의 개수를 특정하고, 이를 통 해 혈액이나 체내에 있는 바이오마커의 농도를 알 수 있는 것이다. 본 연구진은 이런 나노입자 기반 바이 오마커 검출 기술을 전립선암 종양 표지자(PSA) 및 그 서브타입 검출을 통한 전립선암 진단, 췌장암 바이 오마커들을 통한 췌장암 진단에 활용하고 있다. 또한 이러한 생체 검출 기술을 기반으로 혈액에 있는 실제 바이오마커를 검출하거나, 광섬유를 통해 내시경 타입의 체내 진단 기술을 개발하는 등 기술을 다각도로 접 목해나가고 있다. [Hyejin Chang et al., 2016; Sinyoung Jeong et al., 2015]
Project 4. 과학교육 연구
우리 연구실은 사범대학 소속의 연구실로서 자연과학 연구와 더불어 과학교육 연구도 함께 수행하고 있다. 과학교육의 많은 연구 분야 중에서 실험 교육, 화학교육과정, 데이터 리터러시 등 여러 분야에 대해서 연구를 수행해 왔는데, 우리 연구실에서 수행한 과학교육 연구 주제를 간단하게 소개하면 다음과 같다.
서울대학교 라만분광 연구실
정대홍 연구책임자
서울대학교 화학교육과 교수
최근 대표 학술 논문
손원기 등, “In vivo surface-enhanced Raman scattering nanosensor for the real-time monitoring of multiple stress signalling molecules in plants.” Nature Nanotechnology 2023, 18(2), 205−216.
김경훈 등, “SERS detection of shikonin dye by metal-coordinated tethering on gold nanofilm.” Dyes and Pigments, 2023, 111296.
이민우 등, “Subnanomolar Sensitivity of Filter Paper-Based SERS Sensor for Pesticide Detection by Hydrophobicity Change of Paper Surface.” ACS Sensors 2018, 3(1), 151−159.
차명근 등, “A dual modal silver bumpy nanoprobe for photoacoustic imaging and SERS multiplexed identification of in vivo lymph nodes.” Nanoscale 2017, 9(34), 12556−12564.
Hyejin Chang, et al., “PSA Detection with Femtomolar Sensitivity and a Broad Dynamic Range Using SERS Nanoprobes and an Area-Scanning Method.” ACS Sensors 2016, 1(6), 645−649.
Sinyoung Jeong, et al., “Fluorescence-Raman dual modal endoscopic system for multiplexed molecular diagnostics.” Scientific Reports 2015, 5, 9455.
Jong-Ho Kim, et al., “Nanoparticle probes with surface enhanced Raman spectroscopic tags for cellular cancer targeting.” Analytical Chemistry 2006, 78, 6967−6973.
손미현 등, “지식정보처리역량 관점에서 중학생들의 과학탐구활동 어려움 분석.” 한국과학교육학회지, 2018, 38(3), 441-449.
