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국가과학기술연구회 소관 25개 정부출연연구기관에서 전해드리는 소식입니다.

날짜 2020.07.30 담당자

[한국표준과학연구원]

개별 나노입자 정밀분석으로 나노 안전성 진단한다

- 초분광 광유도력 현미경 개발… 나노입자의 표면분자층 영상화 성공 -

 

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민) 소재융합측정연구소 나노분광이미지팀은 독자적으로 개발한 초분광 광유도력 현미경을 이용, 나노입자 표면을 화학적 이미지로 관찰하는 것에 성공했다. 개별 나노입자의 관찰은 세계 최초다.

 

이번 연구결과를 통해 나노입자의 안전성 검증 및 새로운 기능의 나노입자 개발에도 속도를 더할 것으로 기대된다.

 

 

▲ 광유도력 현미경(PiFM)의 측정 원리 모식도

 

나노입자는 표면적이 넓어 반응이 빠르고, 아주 작아서 인체에 쉽게 유입된다. 표면상태나 표면에 붙어 있는 분자에 따라 성질이나 독성 유무 등이 달라지기 때문에, 원하는 성질의 분자층을 나노입자에 코팅해 활용한다. 표면을 특정 분자로 둘러싸면 원하는 질병 세포만 타겟하여 진단, 약물전달 및 치료 등에 사용할 수 있다.

 

· 예를 들어 암세포를 치료할 수 있는 분자로 표면을 코팅한 나노입자는 인체 내 암세포 주위를 찾아가 표적 치료가 가능하다.

나노입자의 특성을 제어하고 안전하게 사용하기 위해서는 입자의 표면에 원하는 성질의 분자층이 잘 결합했는지 정밀 분석하는 것이 무엇보다 중요하다.

 

· 은 나노입자의 경우 원하는 성질의 분자층이 표면에 코팅되지 않은 경우 적은 양을 사용해도 세포 독성을 나타낸다. 반면, 안전한 물질로 표면이 코팅된 경우 세포 독성이 줄어든다는 보고가 있다.

  

▲ 광유도력 현미경의 작동 모식도

 

문제는 전통적 측정방식인 적외선 분광법*으로는 이를 확인할 방법이 없다는 데 있다. 나노입자는 크기가 매우 작아 입자 하나하나를 구별하지 못할 뿐만 아니라, 입자 하나 표면층의 분자 수준 분석은 더 불가능하기 때문이다.


   *적외선 분광법: 물질에 적외선을 쬐면 분자의 진동이 들떠 적외선 일부가 흡수된다. 흡수된 적외선의 파장 및 흡수된 양은 물질 내의 화학 결합에 기인하므로 분석수단으로 사용된다.

  

 

▲ 기능성 나노입자의 유기물 단분자층을 단일입자 수준에서 측정

 

연구팀은 이를 극복하기 위해 초분광* 광유도력 현미경을 개발했다. 현미경 렌즈 대신 미세탐침이라는 새로운 장치를 시료 근처에 설치하고, 레이저 빛을 탐침에 쪼인다. 모아진 빛은 시료와 상호작용해 탐침에 미세한 힘(광유도력)을 발생시킨다. 이 힘에 대한 시료의 초분광 이미지를 측정하면 개별 나노입자의 특성을 초정밀 진단하는 것이 가능하다.


   *초분광: 공간상의 모든 위치에서 분광 정보를 얻어 이미지로 재구성하는 방법. 이를 통해 이종 물질의 공간분포를 분석하는 데 사용된다.

 

· 연구팀은 금 나노입자에 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 분자를 결합한 나노입자, 산화철 입자에 폴리머 입자(tertiary amine)를 결합한 나노입자의 분광학적 특성을 분석했다.

  

 

▲KRISS 소재융합측정연구소 이은성 책임연구원(좌), 장정훈 선임연구원(우)이 나노입자 이미지를 관찰하고 있다 

 

KRISS 이은성 책임연구원은 “이번 연구성과는 나노입자의 표면화학정보를 개별 입자 수준에서 측정할 수 있으므로 나노입자의 성능을 인체 적용 전에 미리 검사할 수 있다”라며, “세포 내의 활성산소 증가 등 몸 안에서 발생할 수 있는 나노입자의 불안전성을 분석하는 데 도움이 될 것”이라고 밝혔다.

  

 

▲ KRISS 소재융합측정연구소 이은성 책임연구원(좌), 장정훈 선임연구원(우)

 

KRISS 이태걸 부원장(現 과기정통부 산하 나노안전성 기술지원센터장)은 “나노입자의 생체 내 안전성 측면에서 개별 나노입자 수준의 정밀분석은 꼭 필요했던 일”이라며 “KRISS의 측정기술로 기존 기술의 한계를 극복할 수 있게 되어 의의가 크다”라고 말했다. 

 

과학기술정보통신부 나노안전성 기술지원센터사업의 지원을 받은 이번 연구결과는 세계적인 물리화학 학술지 피지컬 케미스트리 레터스(Journal of Physical Chemistry Letters, IF: 6.71)에 7월 1일 게재됐다.