다공성 실리콘과 실리콘 나노소재를 이용한 바이오 센서의 개발

Abstract

현재 과학 기술은 과거의 과학 기술 발전 속도에 비해 대단히 빠른 속도로 발전하고 있다. 이중에서도 전기․전자 기술의 발달은 금속, 반도체 기술의 발전에 따라 최근 몇 십 년간 눈부신 발전을 이룩하였다. 현재 전자기술의 발전은 끊임없는 소자 크기의 감소를 통해 이루어지고 있으며, 이러한 경향은 전자 소자의 집적도 수준에서의 증가뿐만 아니라 동시에 소자 실행 속도의 증가라는 두 가지 목적을 두고 발전하였다. 하지만, 기존의 소자 기술은 이미 21세기 과학 및 기술의 요구를 충족하기 어려운 한계성이 예시되고 있으며, 당면한 문제점들을 해결하기 위한 새로운 형태 또는 크기를 갖는 소재가 필요하게 되었다. 이러한 요구 조건을 만족시킬 수 있는 새로운 21세기 연구 영역으로서 나노 과학(nanoscience)및 나노기술(nanotechnology)이 대두되고 있다. 나노 과학은 탄소 나노 튜브(CNT, carbon nanotube), C60(buckyballs), 메조포러스 물질(mesoporous materials), 금속 및 반도체 나노 결정(nanocrystal, nanocluster, quantum dot) 등과 같은 물질 합성 분야와 STM, AFM, lithography를 통한 제어 및 응용 분야로 크게 두 가지로 분류 되고 있다. 특히, 화학 원리를 이용한 물질 합성 및 제어 나노 화학은 지난 수년간 괄목할 만한 획기적 연구가 진행되어 왔다. 나노 결정은 불연속적 전자 에너지 밀도를 가진 원자나 분자와 연속적 에너지 밴드를 가진 벌크 (bulk) 결정의 중간체이다. 따라서 나노 결정의 광학 및 전기적 성질은 벌크 결정 성질과 원자, 분자의 성질과는 다른 성질을 나타내게 된다. 이러한 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 생물학적 센서재료의 개발을 목표로 한다. 연구논문의 구성은 전반부에는 실리콘 웨이퍼를 전기화학적 식각을 통하여 얻어진 다공성 실리콘을 이용하여 면역단백질을 탐지하는 센서재료로 사용하였고, 후반부에는 실리콘 및 게르마늄이 함유된 광 발광성 유기금속 고분자 및 그 나노응집체 또는 나노입자를 통하여 Avidin과 Streptavin과 같은 생체분자를 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 하게 된다. 따라서 선택성을 높이고 탐지한계를 낮추는 방법론을 개선하기위해 다양한 전기화학적 식각방법을 개발한다면 다른 나노소재보다 비교우의에 있을 것으로 사료된다. 본 연구논문의 결과로 다공성 실리콘 기공의 표면을 바이오틴으로 치환하게 되었을 경우 생체분자인 Avidin과 Streptavin을 10 pmol까지 감지 할 수 있었으며 감지도를 증가시키기 위하여 FT 변환을 하였고, 광원을 레이저를 사용하여 실험을 수행하였다. 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 13,14 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 규명하였다. 상기에서와 같이 발광효율을 극대화시킨 유기금속이 함유된 고분자 나노응집체 (nanoaggregates)를 이용하여 생체분자인Avidin 과 Streptavind등을 탐지하였다. 본 연구결과로 인하여 폭발물 탐지 한계 (detection limit)는 약 3 × 10-12 M의 생체분자를 수분 이내로 감지하는 것이 가능하게 되었다. 최근 다공성 실리콘 및 AIE 의 광학적 특성을 이용한 여러 응용분야에 접목하는 연구가 광범위하게 진행되고 있으나, 아직 AIE 현상을 이용하는 바이오센서의 개발이 다른 분야에 비하여 상대적으로 연구가 미흡한 상태이다. AIE 현상을 이용한 바이오센서의 경우는 국내·외에서는 수행되지 않는 연구로써 처음으로 개발될 독창적인 연구이다. 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.