마이크로유체 다이아몬드 센서 :: Today

우측 중앙부에 표시된 백색의 다이아몬드 나노결정은, 중심에 적색으로 표시된 입자 주위의 자기장 지도를 맵핑하는데 사용된다. 입자는 이온성 액체로 채워진 얕은 용기 안에 부유되어 있다. 입자는 4개의 막대로 표시된 전극에 전압을 가하여 액체에 흐름을 유발함으로써 매우 정교하게 이동시킬 수 있다(삽입그림: 다이아몬드 나노결정의 핵심인 질소-빈자리 센터는 입사되는 녹색 레이저 광, 라디오파 및 인근 마이크로입자의 자력의 조합에 반응한다. 만약 이 모든 힘들이 질소-빈자리 센터의 값과 정확히 일치하면 적색광을 방출하게 된다. 관측되는 빛은 마이크로입자의 자기장에 대한 수단으로 활용할 수 있다.).

미약한 자기장을 측정하는 기술은 1조 달러 규모의 시장을 형성하고 있다. 동전 크기 정도의 칩으로부터 기가바이트의 자료를 빠르게 수신하고 저장하는 것은 소비자 전자제품의 핵심을 이루고 있다. 이보다 더 높은 데이터 밀도조차도, 아마도 나노-테슬라(nano-Tesla) 수준에 이르는 자기 감지 민감도(magnetic detection sensitivity)를 향상시킴으로써 성취할 수 있다.

또한 더 향상된 자기감도(magnetic sensitivity)는 DNA 혹은 바이러스와 같은 생체분자의 규명과 같은 많은 과학적 분야에서도 유용하게 활용될 수 있다. 이런 연구는 종종 따뜻하고 습한 환경에서만 이루어져야 하는데, 이런 조건은 청정하거나 낮은 온도를 유지하는 것이 불가능하다. 미국립표준기술연구원(NIST)과 메릴랜드대가 공동으로 출자해 운영하는 메릴랜드대에 위치한 산학연구센터인 JQI 과학자들은 유체 환경에서도 작동하는 다이아몬드 센서를 개발함으로써 이 문제를 해결하였다. 이 센서는 작은 입자의 자기지도(17 마이크로-테슬라 감도)를 만들 수 있으며, 공간 해상도는 약 50nm 정도이다. 이것은 아마도 마이크로유체에서 상온에서 측정된 가장 감도가 높은 자기 측정에 해당할 것이다.

JQI 과학자이자 메릴랜드대학 교수인 Edo Waks의 새로운 실험에 대한 연구결과는 NanoLetters ("Scanning Localized Magnetic Fields in a Microfluidic Device with a Single Nitrogen Vacancy Center") 지에 게재되어 있다.

센서의 핵심은 자그마한 다이아몬드 나노결정이다. 이 다이아몬드는 레이저 빛과 미세한 마이크로파 신호가 주어진 상태에서 자기 입자에 근접할 때 자기 입자의 자체 자기장의 강도에 비례하여 발광하는 성질이 있다. 따라서 다이아몬드에서 방출되는 빛을 이용해 자기 지도를 만들 수 있다.

그럼 다이아몬드가 어떻게 작동하며, 다이아몬드가 스캔될 수 있도록 충분히 가깝게 입자를 근접시킬 수 있을까?

다이아몬드 나노결정은 합성 다이아몬드가 제조되는 것과 동일한 공정을 통해 만들어지는데, 화학기상증착(chemical vapor deposition)이라는 방법이 사용된다. 다이아몬드의 일부는 작은 결함을 가지고 있으며, 때때로 질소 원자가 탄소 원자 대체하고 있다. 때론 탄소 원자가 다이아몬드 고체 구조에서 없어지기도 한다. 질소 및 빈자리(vacancy)가 바로 옆에 존재하는 경우, 흥미로운 광학적 효과가 나타난다. 이런 질소-빈자리의 조합은 질소-빈자리 컬러 센터(NV color center)라고 불리는 일종의 인공적인 원자로서 기능한다. 만약 적절한 녹색 레이저를 사용하면, 질소-빈자리 센터는 빛나게 된다. 즉 한 번에 광자 한 개에 의해 녹색 레이저 빛을 흡수하고 적색 빛을 방출하게 된다.

이런 질소-빈자리 방출율은 자기장의 존재에 의해 변화될 수 있다. 그러나 이런 현상이 일어나도록 하기 위해서는 질소-빈자리 센터의 내부에너지 수준이 적절해야만 하며, 이 센터가 라디오파로부터 발생되는 신호와 자기 입자 자체의 근처에서 방출되는 자기장에 노출되어야 한다.

입자는 미세유체 칩이라고 불리는 장치에서, 탈이온수(deionized water) 기반의 용액이 있는 얕은 용기에 부유된 상태로 존재한다. 다이아몬드는 이 장치의 바닥에 단단히 부착되어 있다. 칩 주위에서 입자가 움직이면 액체 속에 존재하는 이온들이 약한 전류를 생성한다. 멕시코 만류(Gulf Stream)의 도움을 얻어 유럽으로 항해하는 배와 같이, 입자는 서브마이크론 수준에서 이 전류의 흐름을 이용할 수 있다. 심지어 입자는 외부 자기 코일을 통해 수직 방향으로 조작할 수 있다.

연구팀은 더 복잡한 벡터 자기 분석을 위해 다수의 다이아몬드를 활용할 계획이다. 또한 고정되어 있지 않고 부유 상태의 다이아몬드를 이용해 생물학적 샘플에서의 나노-자력을 스캐닝하는데 유용하게 사용할 수 있을 것으로 기대되고 있다.