전기 집게(금색·파랑·금색 적층구조)의 역할을 하는 수직방향의 금속전극(금색)이 물속에서 부유하는 미량의 초미세 플라스틱 및 생체분자 모사체(붉은색 점)를 포집하는 모습과 초미세 플라스틱 입자의 양과 종류에 따라 테라헤르츠 신호가 변하는 것을 민감하게 측정 하는 수평방향의 나노갭 전극/KIST 제공

한국과학기술연구원(KIST) 센서시스템연구센터, 고려대 KU-KIST 융합대학원 공동연구팀이 수십~수백 나노미터(㎚) 크기의 미세물질을 포착하는 나노 입자 포집기술과 테라헤르츠파 증폭기술을 결합한 새로운 개념의 광-전기 집게를 개발했다.
향후 미세플라스틱 등 수중 미세 물질이나 혈액·체액 속의 바이오마커 등을 검출하는데 사용될 수 있을 것으로 전망되고 있다.
이번 기술은 직접 핀셋으로 집어내는 것이 아니라 전기적 집게이면서, 특정 파장의 빛을 이용한 광센서다.
피한방울(40마이크로리터)에 존재하는 1ppm(100만분의 1) 정도의 극미량 미세입자를 검출해 냈다.
연구팀은 혈액이나 타액 같은 액체상태 시료에 존재하는 ppb(10억분의 1) 수준의 극미량 바이오마커 추적과 분석에도 응용할 수 있을 것으로 보고 있다.
비파괴검사 등에 이용되는 전자기파인 '테라헤르츠파'는 1초에 1조번 진동하고 파장이 매우 길고 빛에너지가 낮아 인체에 무해하다.
문제는 물에 대부분 흡수되는데다 수중 미세물질을 포착하고 분석하기에는 감도가 지나치게 낮아져 제대로 활용되지 못했다.
연구팀은 수중에서의 신호 손실을 막는 한편 신호 증폭을 통해 감도를 수십~수백 배 높일 수 있는 방법을 찾아냈다.
극미량의 나노입자를 포집하는 전기집게 기술과 메타 표면으로 인해 증폭된 테라헤르츠파 변화를 이용한 고민감도 광센서를 하나로 결합했다.
지렛대의 원리를 이용한 기계적 집게가 아닌 전기와 특정 파장의 빛을 이용한 광집게를 제작한 것이다.
미세입자의 존재와 모이는 정도마다 달라지는 굴절률 등에 따라 테라헤르츠파의 투과율이나 공명주파수가 달라지는 원리다.
물에 의한 테라헤르츠파의 흡수를 피하기 위해 물을 통과하지 않는 반사형 센서 시스템도 갖췄다.
나노미터 크기의 미세구조를 가지는 메타물질 센서로 입자를 능동적으로 포집하면서 동시에 모니터링하도록 했다.
미세입자의 굴절률에 의해 미세하게 변화된 테라헤르츠파의 신호를 극대화시켜 관찰함으로써 형광표지 등의 전처리 없이 극미량의 미세입자를 비접촉식으로 모니터링 할 수 있도록 한 것이다.
연구팀 서민아 KIST 박사는 “미세플라스틱이나 혈액이나 체액 속에 녹아있는 생체고분자 같은 미세물질을 실시간으로 검출해 정량적, 정성적으로 분석할 수 있게 됐다”며 “실제 의료현장에서 특정 질병에 관여하는 미량의 생체분자를 실시간 검출 및 분석하는 데 매우 유용하게 이용될 수 있을 것으로 전망 된다”고 밝혔다.
이번 연구결과는 재료과학 분야 국제학술지 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 3월 24일 게재됐다.

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