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| 연구피규어./사진제공=충남대 |
[아시아뉴스통신=박희석 기자] 충남대학교 공과대학 유기재료공학과 진형민 교수 연구팀이 아주대학교, 경희대학교, 가톨릭대학교와의 공동연구를 통해 정량 분자 분석과 AI 기반 질병 진단의 신뢰도를 높일 수 있는 고재현성 표면증강 라만분광(SERS) 플랫폼을 개발했다.
이번 연구 결과는 국제 학술지 'Advanced Science'(IF 14.1)에 게재됐다.충남대 진형민 교수는 김장환 교수(아주대), 최삼진 교수(경희대), 김연희 교수(가톨릭대)와 함께 이번 논문의 공동 교신저자로, 김진만(충남대), 김원식(아주대), 김완선(경희대) 연구원이 공동 제1저자로 참여했다.
표면증강 라만분광법(SERS)은 금속 나노구조에서 빛과 물질의 상호작용을 증폭시켜 극미량의 분자 신호를 검출하는 분석 기술이다. 높은 감도를 갖는다는 장점이 있지만, 기존 SERS 기판은 나노구조의 배열 방향에 따라 빛의 편광과 입사 방향에 민감하게 반응하는 경우가 많아 측정 위치와 조건에 따른 신호 편차가 발생하는 한계가 있었다. 이는 정량 분석과 실제 진단 응용을 위한 핵심적인 해결 과제로 지적돼 왔다.
이를 해결하기 위해 연구팀은 자연계의 뇌산호 구조(그림 가)에서 착안해 폴리스티렌-폴리메틸메타크릴레이트(PS-b-PMMA) 블록공중합체의 나노패턴 형성과정에서 어닐링 시간을 조절함으로써, 나노미터 주기성은 유지하면서 장거리 배향 질서만 낮춘 고엔트로피 라멜라 나노패턴을 구현했다. 이러한 구조는 외부 분자가 접근할 수 있는 계면 길이를 증가시켜 플라즈모닉 활성 부위인 나노갭의 밀도를 높이고, 방향에 상관없이 균일한 광학 특성을 구현하는 것으로 확인됐다.
이를 바탕으로 10nm 미만의 균일한 금 나노갭 어레이를 제작했으며, 기존의 장거리 정렬 구조보다 약 1.5배 높은 SERS 신호와 편광·입사 방향에 영향을 거의 받지 않는 안정적인 특성을 구현했다. 또한 대면적 웨이퍼에서도 높은 신호 균일성과 재현성을 확보해 실용적인 SERS 플랫폼으로서의 공정 확장 가능성을 확인했다.
개발한 플랫폼은 실제 비침습 진단에도 적용됐다. 정상 임산부와 자간전증 환자의 소변 시료를 분석한 결과, 기존 기판보다 우수한 인공지능 기반 분류 성능을 보였으며, 자간전증의 비침습 조기 선별 가능성을 제시했다. 연구팀은 이를 통해 개발한 플랫폼이 정량 분자 분석과 AI 기반 질병 진단에 효과적으로 활용될 수 있음을 입증했다.
이번 연구는 블록공중합체 자기조립의 나노미터 주기성은 유지하면서 광학적 이방성만 선택적으로 줄이는 새로운 구조 설계 전략을 제시했다는 데 의의가 있다. 특히 고감도와 높은 재현성, 편광 독립성, 대면적 공정성을 동시에 확보해 차세대 정량 분석 및 현장 진단용 SERS 플랫폼 개발에 기여할 것으로 기대된다.
진형민 교수는 “이번 연구는 나노구조의 무질서를 단순한 결함이 아닌 광학적 균일성과 측정 신뢰도를 높이는 기능적 설계 요소로 활용한 사례”라며 “대면적 나노패터닝 기술과 인공지능 분석을 결합해 향후 질병 조기 선별을 비롯한 다양한 비침습 분자진단 분야로 확장해 나가겠다"고 말했다.
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