중국 연구진은 그래핀과 전이금속 칼코겐화물을 사용해서 새로운 플라즈몬 바이오센서를 만드는데 성공했다. 

그래핀은 세계에서 가장 얇은 2차원 재료로서 잘 알려져 있다. 2004년에 Andre Geim과 Kostya Novoselov에 의해서 처음 개발된 이후에, 그래핀은 독특한 광학적 및 전기적 특성들을 가지고 있기 때문에 큰 관심을 끌고 있다. 그래핀은 높은 전기 전도성, 제로 밴드갭, 디락 지점(Dirac point)에서의 제로 유효 질량(zero effective mass )을 가지고 있다. 또한 그래핀은 높은 전하 캐리어 이동도(10^6 cm2 V-1 s-1)를 가지고 있기 때문에 표면 플라즈몬 공명 센서(surface plasmon resonance)를 위한 매력적인 감지 기판으로 사용될 수 있다. 

표면 플라즈몬 공명 센서는 생체 분자의 상호작용을 실시간으로 모니터링할 수 있는 가장 일반적으로 사용되는 광학 센서 중 하나이다. 금속 표면 플라즈몬 공명 감지 기판 위에 그래핀 층을 코팅함으로써, 금속/그래핀 계면의 강한 전계 강화는 두 개의 재료 간에 효율적인 전자 전달을 수행할 수 있게 한다. 그러나 단일층 그래핀의 흡수율은 2.3%이고, 이것은 플라즈몬 공명을 광으로 전송하는 것을 방해한다. 따라서 이것은 400Da 이하의 분자 무게를 가진 바이오마커(marker)를 검출할 수 있는 초민감성 표면 플라즈몬 공명 센서를 설계하는데 큰 문제를 발생시킨다. 

최근에 전이 금속 칼코겐화물 나노물질, 특히 이황화 몰리브덴(MoS2)은 기존의 그래핀 시스템에 적용할 수 있는 매력적인 2차원 나노물질이다. 단일층 MoS2는 그래핀보다 더 높은 흡수율(5%)을 가지고 낮은 전자 에너지 손실을 가진다. 난양 기술대학(Nanyang Technological University)의 Zeng Shuwen 박사와 Yong Ken Tye 교수에 의해서 수행된 이번 연구에서, 그래핀-MoS2 하이브리드 구조를 사용한 새로운 표면 플라즈몬 공명 감지 구조는 위에서 언급한 문제들을 극복할 수 있다는 것을 발견했다. 

이 연구결과는 편광의 quasi-dark point이 이런 조건 하에서 달성될 수 있다는 것을 보여주었다. 이것은 새롭게 제안된 표면 플라즈몬 공명 시스템의 공명 각도에 따라서 급격한 위상 도약(phase jump)이 발생할 수 있다는 것을 보여주었다. 이번 연구진은 그래핀-MoS2 하이브리드 구조를 기반으로 하는 감지 시스템의 검출 방법이 다른 방법에 비해서 더 민감하다는 것을 증명하였다. 

그래핀-MoS2 코팅을 가진 구조는 그래핀-MoS2 코팅이 없는 경우와 비교했을 때 상-감도(phase-sensitivity)가 500배 향상되었다. 이 연구결과는 최고의 감도 한계가 3개의 MoS2 단일층과 45nm의 Au 박막 두께를 이용함으로써 달성될 수 있다는 것을 보여주었다. 

현재, 이번 연구진은 공공 보건 의료와 환경 모니터링(즉, 암 바이오마커와 환경 오염 물질 검출)에 활용될 수 있는 이기능성 그래핀-MoS2 층을 제조하기 위한 새로운 방법을 조사하고 있다. 이 연구결과는 저널 Sensors and Actuators B: Chemical에 “Graphene?MoS2 hybrid nanostructures enhanced surface plasmon resonance biosensor”라는 제목으로 게재되었다.  

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』