Polymer Scence and Technology Vol. 23, No. 4 고분자특성분석지상강좌 나노라만분광학 (Nano-Raman Spectroscopy) 의최근연구동향 Recent Trends n Nano Raman Spectroscopy 이혜미 서영덕 Haem LeeㆍYung Doug Suh Research Center for Convergence Nanotechnology, Korea Research Insttute of Chemcal Technology(KRICT) Yuseong P.O. Box 107, Daejeon 305-600, Korea E-mal: ydsuh@krct.re.kr 1. 서론 분광학은화학, 물리, 생물전분야에걸쳐널리이용되어왔으며빛과물질간의상호작용에관련된메커니즘에따라크게몇가지부류로나뉜다. 물질을이루는분자들이쪼여준빛의에너지를흡수하는과정이관여되어있는흡수분광학과흡수된빛의에너지를다시내어놓는형광 ( 또는 ) 발광분광학, 분자들에의해단지빛의방향이바뀌게되는산란분광학이그것이다. 그중에서도라만분광학은비탄성산란 (nelastc scatterng) 메커니즘이관여된산란분광학으로서, 물질의구조및특성을연구하는데있어아래에나열한몇가지중요한장점들을가지고있다. 형광분광학과는달리라만분광학은신호검출을위해표지물질을분석시스템에공유화학적으로결합시켜야하는번거로움이없다. 이는실험적으로도덜번거로울뿐만아니라, 표지된형광물질과분석하고자하는시스템간의원치않는상호작용을원천적으로배제할수있다. 또한라만분광학은분자고유의진동에너지모드들을보여줌으로써, 물질의화학적성분을밝혀낼수있다. 이는쪼인빛에의해에너지적으로들뜬상태의분자가바닥상태로내려오면서산란되어나오는빛이분자고유의진동에너지모드만큼의에너지를뺏기거나 (stokes) 혹은얻기 (ant-stokes) 때문이다. 서로다른선택률을가지고진동모드들을검출하여분석물질을인지해낸다는점에서는적외선흡수분광학과라만분광학이서로상호보완적이라고도할수있으나, 적외선분광학의경우파괴적인시료준비과정, 수용액상에서의검출어려움등의큰단점을가지고있어 Bo시료의경우에나동적인시스템을실시간으로관찰하기에는적절하지않다. 이에반해라만분광학은 label-free, 비파괴적분석물질의검출이라는큰장점들을가지고있으나빛을받아실제적으로산란시키는라만산란효율이매우작기때문에라만신호자체를검출하는데큰어려움이따른다. 이는산란단면적 (scatterng cross-secton) 의개념으로설명될수있다. 일반적인라만의광학 이혜미 1999 이화여자대학교화학과 ( 학사 ) 2002 연세대학교화학과 ( 석사 ) 2010 Unv. of Colorado at Boulder ( 박사 ) 2010-현재 한국화학연구원분자고등검지그룹 박사후연구원 서영덕 1991 서울대학교화학과나노물리화학 ( 학사 ) 1993 서울대학교화학과나노물리화학 ( 석사 ) 1999 서울대학교화학과나노물리화학 ( 박사 ) 1999-2000 Swss Federal Inst. Tech (ETH Zurch) (Post-Doc.) 2000-2001 POSTECH Chemstry Dept. (Assstant Professor(Res.)) 2001-2002 Pacfc Northwest Natonal Lab. (LTE Staff Member) 2002-2003 Nanohybrd Ltd.(Prncpal Researcher, RI&P Drector) 2003-현재한국화학연구원분자고등검지그룹책임연구원및나노기술융합연구단단장 Vol. 23, No. 4 407
고분자특성분석지상강좌 나노라만분광학 (Nano-Raman Spectroscopy) 의최근연구동향 단면적은 ~ 10-30 cm 2 이며이는예를들어대표적인형광염료의경우인 10-16 cm 2 과비교해볼때, ~ 10 14 배나작은크기를가지고있음을의미한다. 다행히도, 이처럼작은산란단면적에서기인하는라만의검출한계는표면증폭라만산란 (surface-enhanced raman scatterng, SERS) 이라는실험방법을통해극복되어왔다. Ag, Au, Cu 등금속나노입자의국부적표면플라즈몬 (localzed surface plasmon) 의공명조건, 즉입사되는빛의진동수와표면플라즈몬의집단운동 (collectve moton) 의진동수가같을경우, 이표면플라즈몬에의해유도된전자기장은금속나노입자표면에흡착된분석물질의라만신호를증폭시킨다고알려져있다. 증폭의크기는금속나노입자의크기, 모양, 조사된빛의파장과편광방향등의다양한요인들에따라크게달라지는데, 최적의조건에서는형광의광학단면적 (10-16 cm 2 ) 과거의같은크기까지도도달할수있음이국내외여러연구그룹들에의해보고되었다. 나노라만분광학은위에서언급했던라만분광학과광학현미경의접목에의해시작된, 최첨단기술에토대를두고있는광학분야이다. 마이크로라만분광학의경우, 명칭에서유추할수있듯이분석물질을검출하는실질적인영역이약수 ~ 수십마이크로미터수준이다. 따라서, 분석시료안의많은수의분자들을함께검출함으로써오는 앙상블평균화효과 (ensemble-averaged effect) 를피할수없다. 마이크로라만분광학과나노라만분광학에서얻게되는정보량의질적차이는아래일반화된식으로명확히이해할수있다. 이라고할수있다. SPM은압전 (pezoelectrc) 효과를가진물질과피드백회로 (feed-back loop), 두핵심적부분으로구성되어있으며시료표면을삼차원적으로훑는 (scan) 방식이다. 여기에레이저, 대물렌즈, 광학검출기 (CCD, APD, PMT) 등을기본적인 SPM 구성에결합함으로써나노라만분광학이비로소가능해졌다. 이로써, 나노라만분광학을통하여연구자들은나노미터수준에서 ( 혹은단일분자수준에서 ) 분석시료의표면형태적 (morphology) 분석과광학적이미지및스펙트럼을동시에얻을수있게되었다. 오늘날나노라만분광학의가장중요한목표중의하나는생체분자들이나나노미터크기의유, 무기합성구조체들의구조-기능간의관계를단일분자수준에서밝혀내는일이다. 잘알려진대로, 생체분자들의경우세포내의 ph, 이온농도등의생체내조건이달라짐에따라구조변화 (conformatonal change) 를일으키게되고이는곧활성변화 (actvty change) 를가져온다. 또다른대표적인예로써, 금속나노입자들의합성응집체의경우, 그응집정도와기하학적구조에따라광학적특성이달라짐이보고되었다. 특히단일응집체 (monomer) 에비해다수응집구조체 (dmer, trmer, etc.) 들은매우강한유도전자기장을만들어내는데, 이는향후단일분자검출시스템으로서의높은가능성을보여준다. 따라서본총설에서는생체분자, 나노합성구조체들의구조-기능간의관계의이해하는데핵심적역할을수행하고있는나노라만분광학기술의기본원리및응용가능한몇가지대표적예를소개해보고, 향후전망에대해간략하게살펴보고자한다. A = af 여기서, f, a 는관측하고자하는분석시스템의단일분자가처해있는특정상태와그상태의분율 (populaton) 을각각의미하며, A는앙상블평균화된정보 ( 관측값 ) 를의미한다. 따라서, A는기존의마이크로라만에서얻을수있었던한정된정보라고한다면, 나노라만의경우 f, a 각각을실험적으로관측할수있기때문에분석하고자하는시스템을이해하는데훨씬더유용한정보를제공한다. 이는특히, 기질특이성을가진생체분자들이나금속나노입자들의 나노환경 에의존하는광학적특성등의연구에중요한실마리를제공하게된다. 나노라만분광학의기술적인모태는 1980년대초반에발명된주사프로브현미경 (scannng probe mcroscope, SPM) 2. 나노라만분광학의원리와응용 2.1 표면증폭라만산란 (Surface-Enhanced Raman Scatterng, SERS) 서론에서간단히언급했듯이, 기존의라만분광학의경우, 유효산란단면적이형광에비해현저히작다. 이는단일분자수준에서라만신호를검출하는것이불가능함을의미하는데, 아래의실험조건의예에서잘이해수있다. 100 mw의파워를가진입사빛을 1 μm 2 에해당하는시료면적에쬐어주었을때, ~10-29 cm 2 의산란단면적을가진진동모드에서나오게되는라만포톤의개수는 1초당대략 10-4 개가된다. 다시말해, 단일분자에서나오는단한개의라만포톤을검출하기위해서는한시간이상을기다려야하는것이다. 이처럼실험적으로불가능한검출조건을가능하도록해주는실험방법이 SERS이다. SERS가일 408 고분자과학과기술 Polymer Scence and Technology
이혜미 서영덕 어나기위해서는먼저분석물질이 Ag, Au, Cu 등의금속나노입자표면에흡착되어야한다. 금속나노입자의표면에있는자유전자들의집단운동 (collectve moton) 을국부표면플라즈몬 (localzed surface plasmon, LSP) 이라부른다. 위에서언급한금속나노입자들의경우 LSP의진동수가가시광선영역빛의진동수에해당되며, LSP와입사되는빛의진동수가일치할때의조건이공명진동수 (resonance frequency) 가된다. 미시적 (mcroscopc) 관점에서볼때, 표면플라즈몬은자유전자와홀로이루어진유발쌍극자들 (nduced dpole moments) 합의집단운동이된다. 표면플라즈몬의집단운동규모에영향을미치는중요한요인들로는금속나노입자의크기 ( 혹은부피 ), 기하학적모양, 입사빛의편광방향등이있다. 요약해서 SERS는표면플라즈몬에의해증폭된분석물질의라만신호를검출할수있는실험적방법이라고할수있다. 단일분자의라만신호를검출하기위한표면플라즈몬의증폭정도를극대화시킬수있는방법으로크게두가지서로다른관점이제시되어왔다. 우선, Shumng Ne 그룹은 1997년 Scence지에단일은나노입자에의해서도단일분자의라만신호를증폭할수있음을게재하였다. 1 흥미롭게도, 최적화된크기와모양의단일은나노입자표면에서의형광보다수십배큰라만신호를관찰하였다. 이와는반대로, 그림 2에서보여주듯이, Knepp 등의그룹에서는단일금속나노입자가아닌금속나노복합응집체의시스템이라만신호를증폭시키기에더적합하다고주장하였다. 2 오늘날일반적으로받아들여지는견해는단일입자들의접합점 (juncton) 에서극대화된표면플라즈몬증폭효과를기대할수있다는것으로, 이는국내외많은연구그룹들에의해실험적으로또는계산상으로도증명되었다. 3,4 그림 3은본그룹에서 2010년 Nature materals지에게재한 연구결과로, 두금속나노입자사이에서단일분자의라만신호를관찰할수있었으며신호의증폭정도는평균적으로 ~ 10 11 에이른다고보고하였다. 3 표면증폭효과에관한또다른쟁점으로는단일분자의라만신호를관찰하기위해요구되는최소한의증폭정도에대한견해이다. 서론에서잠시언급했듯이, 일반적으로라만과형광의광학단면적은각각 ~ 10-30 cm 2, 10-16 cm 2 로알려져있다. 단일분자의라만신호를검출하는데 ~10 14 배의증폭효과가필요하다는견해는여기서비롯되었다. 그러나, 최근 Etchegon 등몇몇그룹들에서발표된결과에의하면약 10 7 ~10 8 배의증폭으로도단일분자의라만을검출해낼수있다는것이다. 5 위의두쟁점들은전자빔리소그라피 (e-beam lthography) 를이용한 array를만들거나 DNA hybrdzaton을이용한복합나노구조체등을제조하여금속나노입자들의크기, 모양등을조절하면서라만신호가달라지는양상을관찰해보는체계적인실험방법과, 동시에 FDTD, FEM 등의병행된수치계산 (numercal calculaton) 결과에의해서명확해지고있다. 2.2 탐침증강라만산란 (Tp-Enhanced Raman Scatterng, TERS) 라만신호증폭의방법으로앞서소개했던 SERS의경우, 실험적으로가장까다로운부분은최적화된표면증폭효과를가지는금속나노입자를제조해야한다는점이다. 이는철저히실험자의합성감각에의존하는요인이므로, SERS 실험자체의재현성여부와직결되어있는문제이기도하다. 이러한 SERS의최대단점을보완하기위하여 TERS가제안되었다. TERS는원자힘현미경 (atomc force mcroscope, AFM) 을기반으로개발되었다. 일반적으로사용되어지는 AFM 탐침을 Ag나 Au 등의금속으로코팅시킴으로써, 용 그림 1. 높은 SERS 신호를보이는은나노단일입자들의 AFM 이미지. 넓은스캔영역에서의은나노입자들과 (A) 확대된각각의단일은나노입자들 (B-D). 그림 2. 은나노클러스터에흡착된 (a) 10-6 M 과 (b) 10-8 M CV(crystal volet) 의 SERS 스펙트럼. 삽입된이미지는은나노클러스터들의 electron mcrographs. Vol. 23, No. 4 409
고분자특성분석지상강좌 나노라만분광학 (Nano-Raman Spectroscopy) 의최근연구동향 액상에서금속나노입자들을합성해야하는수고를덜게되었다. 뿐만아니라, TERS는분석물질을기판위에고정시켜놓고금속으로코팅된 AFM 탐침을스캔하는방법이므로, 라만산란증폭효과를정량화하기에도매우용이하다. 이때증폭효과는금속코팅된탐침이있을때와없을때의라만모드의세기와쪼여준빛의유효초점단면적을고려하여결정된다. 또한 TERS는기존의전통적인분광학이가지고있는빛의회절한계 (dffracton lmt) 를넘어선광학해상도를갖는다는데에큰장점이있다. 가시광선영역에서의회절한계는약 200~300 nm 정도이며이값은입사파장, 대물렌즈의개구수 (numercal aperture) 에의존한다. 다시말해, 전통적인분광학에서의공간분해능 (spatal-resoluton) 은이회절한계에의해규정된다. 물론최근들어하버드대학의 Zhuang 그룹등에의해초분해능 (super-resoluton) 분광학이생체내세포연구에이용되고는있으나, 여전히수십 nm 의공간분해능이라는한계를가지고있다. 반면 TERS의경우공간해상도가탐침의팁첨단 (tp apex) 에달려있어, 공간분해능은금속코팅된탐침의제조기술에따라약 10 nm 이하까지도향상될수있다. 위와같은이점을가지고있는 TERS는 2000년스위스 Zenob 그룹에서최초로제안됨을시작으로, 나노 / 바이오합성복합체의광화학적특성연구, sngle/mult-carbon nanotube의이미징, 특정물질에반응하는막단백질의반 응전후의조성변화, 박테리아세포벽에존재하는화학물질의조성분포등을연구하는데광범위하게사용되고있다. 의학분야에서도활용도가점점높아지고있는추세인데, 그예로써정상세포와암세포의세포표면에존재하는특정물질의조성성분의변화를관찰하는연구들이활발히진행되고있다. 이외에도, TERS에비선형라만현상을결합하여세포내분자들의진동모드들을광학이미징하는실험결과들도최근보고된바있다. 이러한연구결과들은 TERS의단일분자수준에서얻어지는형태적정보와동시에, 높은공간분해능을갖는광학이미징정보에그토대를두고있다. 3. 나노라만분광학의고분자 (Polymer) 분석연구앞서원리에서소개했던 SERS( 혹은 TERS) 가고분자분석에어떻게이용될수있는지를다음의예를통하여간략하게살펴보고자한다. 그림 4는높은공간분해능을가진 TERS가이중폴리머복합체인 PMMA/SAN(poly (methylmethacrylate/poly(styrene-co-acrylontrle) 시스템에적용된예를보여준다. 6 PMMA, SAN 각각고유의라만모드들을시간에따라 TERS로이미징 ( 혹은맵핑 ) 하였다. 결과적으로 PMMA/SAN 비율의조성이맵핑영역상에서국소적으로달라짐을확인하였는데, 이는약수분에걸쳐 PMMA/SAN 사이에층분리가일어나고있음을보여주는것이다. 또한, 높은공간분해능과고감도 TERS를수행함으로써서로다른상 (phase) 간의경계면에서각각의화학성분들의농도기울기를얻을수있었다. 이와비슷하게, TERS를통한폴리이소프렌과폴리스타이렌으로구성된다조성폴리머복합체의표면조성에대한연구도국내외여러그룹들에의해진행되고있다. 한편, 그림 5는 SERS를통한 CDS9(carbazolyl-dacetylene 그림 3. 단일분자 SERS 신호를보이는은나노복합체 (dmer) 의 hgh resoluton TEM 이미지. 그림 4. SAN 과 PMMA 각각의특정진동모드 1002 cm -1 (a), 800 cm -1 (b) 에서의 TERS 이미지분포. 그림 5. 중합반응이후의 CDS9 의 SERS 스펙트럼. 410 고분자과학과기술 Polymer Scence and Technology
이혜미 서영덕 14-(9H-9-carbazolyl)-tetradeca-10, 12-dyne-1-yl dsylfde) 의자기조립단분자막 (self-assembled monolayers, SAM) 의중합 (polymerzaton) 반응검출을보여준다. 7 이를위하여표면거칠기정도가평평한금기판위에재차은나노입자들을증착 (deposton) 시킴으로서 SERS의감도를향상시켰다. 먼저 UV-VIS 소광스펙트럼 (extncton spectrum) 으로부터구조규칙성 (structural order) 이상이한두상이있음이가정되었는데, 이두상의존재는 SERS 실험으로부터검증되었다. 또한용액상에서관찰된라만스펙트럼과 SERS 스펙트럼을비교함으로써, 중합반응시표면에서의 C=C 등특정결합들의표면에대한방향성에대한정보를얻을수있었다. 이는 SERS가고분자의검출및구조분석이외에도, 고분자중합반응시표면에흡착된고분자의배향연구에도중요한실마리를제공할수있음을보여주는것이다. 4. 결론지금까지나노라만분광학의원리와기술적측면, 그리 고고분자분석에의응용에대해간단히살펴보았다. 서론에서언급했던대로, 나노라만분광학은기존의마이크로라만분광학에비해앙상블평균효과를피할수있어단일분자수준에서의미세구조분석, 실시간반응관찰및금속표면에흡착된 ( 고 ) 분자들의배향연구등에다양한정보를제공해준다. 이는이미물리, 화학, 생물등전분야에거쳐가장중요한이슈가되고있는나노 / 바이오시스템의광물리적, 광화하적연구에돌파구가되어왔으며, 앞으로그응용분야는더욱더확대될전망이다. 참고문헌 1. S. Ne et al., Scence, 275, 1102 (1997). 2. K. Knepp et al., Phy. Rev. E., 57, 6281 (1998). 3. D.-K. Lm et al., Nature Mater., 9, 60 (2010). 4. H. Xu et al., Phy. Rev. Lett, 83, 4357 (1999). 5. W.-H. Park et al., Chemphyschem 9, 2491 (2008). 6. L. Xue et al., Macromolecules, 44, 2852 (2011). 7. M. Munz-Mranda et al., Macromol. Symp., 230, 67 (2005). Vol. 23, No. 4 411