다공성 실리콘과 실리콘 나노입자를 기초로 한 화학 및 생물학센서의 개발

Abstract

최근 수 십 년간 전기․전자 및 금속․반도체기술이 눈부신 발전을 이룩하였다면 21세기 현대과학에서는 새로운 형태나 특성을 연구하는 영역으로 나노과학(nanoscience) 및 나노기술(nanotechnology)이 급속히 발전하고 있다. 현대 화학이 여러 분야로 세분화되고, 전문화되어지면서 광화학 (photochemistry)이나 나노화학 (nanochemistry)에 대한 관심도가 매우 높아지고 있다. 특히, 나노(nano) 소재를 이용한 분야가 매우 빠른 속도로 발전하고 있다. 나노과학은 나노소재의 합성 및 응용분야로 분류된다. “나노센서(nanosensor)󰡓는 나노과학의 한 응용분야로서 분자 수준의 조작이 가능한 분자센서(molecular sensor)의 집적화 또는 나노소재 (nanomaterial)나 나노구조물 (nanostructure)의 특성을 이용한 센서를 의미한다. 나노소재로는 나노다공질재료 (nanoporous material), 금속 및 반도체소재의 나노와이어 (nanowire), 나노입자 (nanoparticle), 나노튜브 (nanotube) 등이 있으며 기질을 인지(recognition) 또는 감지(sensing)할 수 있는 나노소재로부터 장치(device)를 만들었을 경우 나노센서라 일컫는다. 최근 나노센서 또는 나노바이오센서 등에 대한 관심이 나노과학의 한 분야로서 지대한 관심의 대상이 되고 있는데 그 이유는 고감도, 초소형의 센서 구현을 통해서 생명현상인 분자 간의 상호작용을 나노크기의 수준에서 탐구하려는 학문적인 관심과 함께 응용적인 측면에서 보건의료, 식품, 환경, 국방 등의 다양한 분야에서 활용되는 센서를 개발하기 위한 실질적인 중요성 때문에 학계와 연구소, 그리고 산업체에서 활발히 연구되고 있다. 특히 나노 신소재 개발 분야는 기초과학에서부터 첨단과학까지의 융합학제 (interdisciplinary)간 학문 분야로 미래기술의 선점 및 국가경쟁력 확보에 있어서 우위를 차지하는데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 따라서 본 연구논문의 주제는 나노화학 및 바이오센서 개발의 일환으로 반도체 실리콘 재료를 이용하여 화학 및 생물학적 센서재료의 개발을 목표로 한다. 연구논문의 구성은 전반부에는 실리콘 웨이퍼를 전기화학적 식각을 통하여 얻어진 다공성 실리콘을 이용하여 화학신경제 및 면역단백질을 탐지하는 센서재료로 사용하였고, 후반부에는 실리콘 및 게르마늄이 함유된 광 발광성 유기금속 고분자 및 그 나노응집체 또는 나노입자를 통하여 무기산과 폭발물의 구성성분인 니트로방향족 화합물을 탐지하는 센서재료로 사용하였다. 논문의 part I 에서 나노센서로 이용된 다공성 실리콘은 실리콘 나노구조물이며, 나노크기의 기공들이 존재하는 간섭 막들의 굴절률의 변화로부터 얻어지는 독특한 광학적 특성인 광 반사(optical reflection)성을 갖는다. 다공성 실리콘은 1950대에 Uhlir에 의해 실리콘 단결정을 전자연마 (electropolishing) 하다가 발견되었으며, 1990년대 다공성 실리콘의 효율적인 발광(luminescence)을 발견한 이래로, 이 분야는 화학․물리학적 광학 특성의 연구에 매우 광범위하게 이용되어지고 있다. 다공성 실리콘은 간섭 막의 굴절률 조절로 인해 가시광선 및 적외선 영역에서 특정한 파장에서 보강간섭을 갖는 반사 띠를 갖기 때문에 센서 등 여러 분야에 적용될 수 있는 좋은 소재이다. 또한, 바이오센서분야로 이용될 경우 분자인식현상 (molecular recognition event)으로 매 추가 분자를 인식할 때마다 신호를 적립할 수 있는 장점이 있어 인식체가 분자수준의 신호증폭 (molecular-level amplification)을 하게된다. 따라서 선택성을 높이고 탐지한계를 낮추는 방법론을 개선하기위해 다양한 전기화학적 식각방법을 개발한다면 다른 나노소재보다 비교우의에 있을 것으로 사료된다. 본 연구논문의 결과로 Cu(II) 촉매를 함유한 다공성 실리콘을 이용하여 약 150 ppb 가스농도의 화학신경제를 선택적으로 감지하였으며 약 2 pmol 농도의 면역단백질을 탐지하는데 성공하였다. 논문의 part II 에서 나노센서로 이용된 유기금속 고분자 (Polymetallole)는 불포화 5각 고리에 실리콘이나 게르마늄으로 치환된 화합물의 고분자로서 최근에 그 독특한 광학적, 전자적 특성 때문에 유기전자 재료로서 흥미의 대상이 되어왔다. 이러한 독특한 성질들은 특히 광전자 기기에서 전자전달재료 (electron transporting materials)나 정공전달재료 (hole transporting materials), 발광재료 (light-emitting materials), 또는 화학적․생물학적 센서에 매우 유용하다. 최근 유기 발광재료들의 발광효율을 증가시키기 위한 연구는 매우 흥미의 대상이 되고 있는데 그 이유는 OLED (organic-light emitting diode)나 센서로서 응용할 경우 매우 중요하기 때문이다. 그러나 높은 발광성을 갖는 유기물이나 고분자는 고체 상태에서 덜 발광성을 갖는 종인 eximer의 형성으로 인한 분자의 응집으로 발광성의 감소를 발생한다. 이러한 단점을 극복하기위해 본 논문의 Chapters 8,9 에서는 실리콘과 게르마늄이 함유된 발광성 유기고분자가 응집된 고체 상태에서 발광효율이 오히려 더욱 증가하는 응집에 의해 유도되는 광 발광 (aggregation-induced emission, AIE라 부름)의 특성을 규명하였고, 발광효율을 증가 시킬 수 있는 다른 한 방법으로 Chapter 11에서는 한 화합물에서 다른 화합물로의 에너지 전달에 의해 발광효율을 증가 시키는 특성을 규명하였다. 상기에서와 같이 발광효율을 극대화시킨 유기금속이 함유된 고분자 나노응집체 (nanoaggregates)를 이용하여 폭발물의 구성 성분인 니트로방향족 화합물 (TNT, DNT, picric acid)들을 탐지하였다. 탐지 방법은 전자부유(electron rich)화합물인 실올 (silole) 및 저몰 (germole)고분자 나노응집체 및 나노입자에서 전자부족 분석물질(electron deficient analyte)인 폭발물로 전자가 이동함으로써 실올 (silole) 및 저몰 (germole)고분자 나노응집체 및 나노입자의 광 발광성 세기의 감소를 측정하는 것이다. 본 연구결과로 인하여 폭발물 탐지 한계 (detection limit)는 약 400 ppt (part per trillion)의 TNT 분자를 수분 이내로 감지하는 것이 가능하게 되었다. 폭발물을 탐지하는 방법으로는 여러 가지가 있으나 가장 널리 사용되는 장치로는 금속 탐지기로 흔히 공항에서 널리 쓰이고 있다. 그렇지만 실제로 폭발물이 아닌 금속을 탐지하는 장치로 거짓신호가 많은 단점이 있다. 폭발물을 탐지할 수 있는 다른 방법으로는 gas chromatography (GC)가 장착된 질량 분석기, surface-en hanced Raman spectroscopy, nuclear quadrupole resonance, energy-dispersive X-ray diffraction, neutron activation analysis, electron capture detection, 그리고 cyclic voltammetry등이 있지만 이 또한 장치의 가격이 고가이고 부피가 크고 운반성이 떨어지므로 실험실 분석용으로 적합하지만 현지 탐지용으론 부적합한 단점이 있다. 따라서, 물리적인 탐지가 아닌 폭발물 분자 자체를 인식하는 화학적 센서 시스템이 절실히 필요하다. 이러한 요구사항을 비추어볼 때 본 연구를 통해 개발된 광 발광성 고분자 나노응집체 및 나노입자센서는 화학적 특성을 이용한 탐지방법으로 이러한 단점을 보완해 줄 수 있으며 또한 고가의 장비를 저가 장비로 대체 할 수 있는 장점이 있다. 본 연구는 다양한 학문 분야의 지식을 바탕으로 한 학제 간 융합학문 분야의 연구 결과로서 아직까지 정확히 확립되지 않은 나노센서, 나노바이오센서, 나노소재의 분석 및 그 응용과 관련된 중요한 정보를 구축하는데 크게 기여할 것으로 사료된다.