미국 라이스 대학 SECARS 분자 센서는 네 개의 금 디스크가 다이아몬드 형태로 정렬된 광증폭기를 포함하고 있다. 두 개의 응집 레이저 장비가 미세 구조의 중심에 있는 분자의 광학적 특성을 크게 증폭시킨다. 이들이 개발한 디바이스는 20개 이하의 각 분자들을 포함하는 조성비와 구조를 정확하게 식별할 수 있다. 이들의 연구 결과는 Nature Communications 저널에 발표되었다. 이들의 디바이스는 라만 분광기 형태와 광증폭기가 결합되었다. 라이스 대학 나노포토닉스 연구소(LANP)의 연구진은 단일 분자 센서는 이전에 보고된 디바이스보다 약 10배 더 강력하다고 말하였다. 

이 연구를 주도하고 있는 LANP 디렉터인 Naomi Halas는 그들 연구 그룹이 지난 수 년 동안 단일 분자 센서를 디자인하였지만, 이 새로운 방법은 이전에 보고한 어떤 다른 방법보다 더 뛰어나다고 말하였다. 이상적인 단일 분자 센서는 알려지지 않은 분자를 분자 구조 또는 조성비에 관한 어떤 이전의 정보도 없이 심지어 단일 분자 수준까지 식별할 수 있어야 한다. 그러나 그것은 현재 기술로는 불가능하지만, 이 새로운 기술로 그것이 가능하다는 것이 밝혀졌다고 그는 덧붙였다. 

이 광학 센서는 라만 분광기를 이용한다. 라만 분광기는 1930년대에 시작된 기술이지만 1960년대 레이저의 출현 이후 크게 발전하였다. 빛이 분자를 때리면, 대부분의 포톤들은 직접 통과하거나 반사되지만, 매우 미세한 양의 일부는 흡수되고 다른 에너지 준위로 재방출되어 원래 준위와는 다르게 된다. 이런 재방출된 포톤을 라만 분광기를 통해서 측정하고 분석함으로써, 과학자들은 분자 안의 원자들을 해석하고 그들의 구조 정렬을 알 수 있는 것이다. 

과학자들은 라만 신호를 향상시키기 위해서 몇 가지 기술을 개발하였다. 새로운 연구에서 LANP 연구진은 응집 안티-스토크스 라만 분광기 또는 CARS라고 불리는 두 응집 레이저 기술을 사용하였다. 네 개의 미세한 금 나노디스크로 만들어진 광증폭기와 CARS를 결합함으로써, 이들 연구진은 강력한 방식으로 단일 분자를 측정할 수 있었다. LANP 연구진은 그들이 개발한 이 새로운 기술을 표면 향상된 CARS 또는 SECARS라고 명명하였다. 

SECARS의 두 응집된 레이저 장치는 두 번째 레이저가 더 증폭을 제공하기 때문에 중요하다고 연구진은 말하였다. 전통적인 단일 레이저 장치에서, 포톤은 흡수의 두 번째 단계를 지나가서 재방출하며, 광학 신호는 보통 1억에서 100억 배 증폭한다. 첫 번째 레이저와 결맞는 두 번째 레이저를 추가함으로써, SECARS 기술은 더 복잡한 다중 포톤 프로세스를 이용하는 것이다. 

연구진은 추가적인 증폭은 SECAR이 알려지지 않은 시료를 검출할 수 있는 잠재력을 제공한다고 말하였다. 그것은 단일 분자 센싱을 위한 현재 기술에 추가적인 이점을 제공하는 것이다. 현재 기술은 사전에 분자의 공명 주파수에 관한 정보를 일반적으로 필요로 한다. SECARS 프로세스의 또 다른 핵심적인 요소는 디바이스의 광증폭기이다. 

이것은 정밀한 다이아몬드 형태의 정렬 안에 네 개의 미세한 금 디스크를 포함하고 있다. 네 개 디스크의 중심 안의 갭은 너비가 약 15나노미터이다. 파노 공명(Fano resonance)이라고 불리는 광학적 효과 때문에, 이 분자의 광학적 특징이 갭 안에 포획되며 크게 증폭된다. 그 이유는 효율적인 광 수확과 네 개 디스크 구조의 신호 산란 특성 때문이다. 파노 공명은 디스크의 특별한 기하학적 정렬을 요구한다. 그리고 LANP의 특별함 중의 하나는 네 개 디스크 구조와 같은 파노 공명 플라즈몬 구조의 디자인, 생산, 그리고 분석이다. 이전의 연구에서, 다른 기하학적 구조의 디스크로 강력한 광프로세서를 제작하기 위해서 사용되었다. 

이들 연구진은 쿼드러머(quadrumer) 증폭기가 SECARS의 핵심이라고 말하였다. 그 이유는 그것들이 표준 전자빔 리소그래픽 기술로 만들어질 수 있어 대량 생산이 가능하기 때문이다. 15나노미터 갭은 작게 들릴 수 있지만, 대부분의 경쟁 디바이스에서 갭은 1나노미터 수준이라고 연구진은 말하였다. 심지어 1나노미터 디바이스의 가장 작은 결함도 중요한 영향을 미칠 수 있기 때문에 그들의 디자인은 훨씬 더 견고하다. 

더구나, 더 큰 갭은 또한 더 큰 타깃 면적을 발생시킨다. 연구진은 그들의 디바이스에서 타깃 면적은 1 나노미터 디바이스의 타겟 면적에 비해서 수백 배 더 크며 타깃 면적 어디에 있는 분자들도 측정할 수 있다고 말하였다. 이들의 연구 결과는 "Coherent anti-Stokes Raman scattering with single-molecule sensitivity using a plasmonic Fano resonance"라는 제목으로 Nature Communications에 발표되었다.  

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』