성균관대 연구팀, 단분자 실시간 관찰 메타렌즈 개발

생명물리학과 김인기-포스텍 노준석 교수 공동연구팀 개가
상온서 분자 1개 움직임 관찰…바이오센싱·DNA분석 핵심기술
"스마트폰 현미경, 초소형 현미경과 결합 '휴대용 측정' 목표"

▲성균관대 김인기 교수(왼쪽)와 포스텍 노준석 교수. 사진=성균관대학교

[에너지경제신문 김철훈 기자] 성균관대학교는 생명물리학과 김인기 교수 연구팀이 포스텍 노준석 교수와 공동 연구로 상온에서 단분자(Single molecule)의 움직임을 실시간으로 관찰할 수 있는 초고민감도 메타렌즈 장치를 개발했다고 5일 밝혔다.

성균관대에 따르면, 단분자 감지기술은 바이오센싱, 화학 분석, 분자 역학, DNA 염기서열 분석 및 정밀의학 분야의 핵심 기술로 평가받는다.

단분자를 검출하기 위해 많이 사용되는 방법의 하나로 형광 상관 분광기술(Fluorescence Correlation Spectroscopy, FCS)이 꼽힌다. 분자에서 방출되는 형광신호들의 상관함수를 분석해 개별 분자의 거동을 관찰할 수 있는 기술이다.

특히, FCS 기술은 렌즈의 특성에 굉장히 민감하기 때문에 현재까지 보고된 대부분의 FCS 기술은 해상도가 높은 고배율에, 수차가 보정된 비싼 대물렌즈를 사용했다.

더욱이 현장형 감염병 진단 및 정밀의학에 수요가 높아지면서 과학자들은 포터블 형태의 바이오센서 및 스마트폰에 연동 가능한 현미경과 같은 새로운 바이오메디컬 디바이스를 개발하는데 많은 노력을 기울여 왔다. 현재까지 기존의 대물렌즈를 소형화할 수 있는 기술이 없어 초소형 단분자 진단 기기는 개발되지 못하고 있다.

이번에 김인기-노준석 교수 공동연구팀은 머리카락 굵기 1000분의 1에 불과한 초박형 평면 광학소자인 메타 표면을 활용해 단분자의 움직임을 실시간으로 관찰할 수 있는 초고민감도 메타렌즈 장치를 개발하는데 성공했다.

연구팀은 까다로운 조건을 만족시키는 메타렌즈를 구현하기 위해 실리콘 기반의 나노 구조를 최적화했고, 정밀한 나노공정을 통해 디바이스를 제작했다.

아울러, 제작된 메타렌즈로 빛의 초점이 맺히는 작은 공간을 1.6나노미터(nm=10억분의 1m) 크기의 Alexa 647 단분자가 통과할 때의 움직임을 실시간으로 관측하는데 성공했다.

성균관대는 이같은 메타렌즈를 통해 휴대용 단분자 측정 시스템의 가능성을 처음 증명한데 이어 앞으로 후속연구를 거쳐 스마트폰 현미경 및 3D 프린팅된 초소형 현미경에 메타렌즈를 결합해 휴대용 단분자 측정 시스템을 실현하고자 한다는 계획이다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF: 16.6)’에 1월호에 소개됐다.