나노기술 및 정책 정보

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분자 이미징을 위한 유망한 기술 중 하나는 표면 증강 라만 분광(SERS)임. 레이저 빔을 시료에 집중시킴으로써 SERS는 빛을 산란시키는 방식에 따라 분자의 변화를 감지하고 고유한 라만 스펙트럼(일종의 분자 지문)을 통해 특정 분자를 식별할 수 있음. SERS의 장점은 비파괴적이며 측정을 위해 추가 화학 물질이나 수정이 필요하지 않기 때문에 최소한의 샘플 준비가 가능하다는 것임.

최근 Johns Hopkins Whiting School of Engineering의 연구진은 SERS를 사용하여 고감도 단일 분자 검출을 신속하게 하는 새로운 나노물질을 개발함. 이것은 빠르고 정확한 진단 테스트를 위한 길을 열었음.

연구진은 Raman Optical Beacon을 위한 DNA-Silicified Template 또는 DNA-STROBE라는 새로운 재료를 만들기 위해 불과 몇 나노미터 이하의 광학 공동을 엔지니어링 함. SERS 이미징에서 이러한 플라즈몬 공동은 전자기 복사를 전자파로 변환하여 빛의 빔을 가둠. 연구진이 엔지니어링한 작은 플라즈몬 나노 공동은 이 갇힌 전자기 에너지의 밀도를 기하급수적으로 증가시켜 잠재적으로 초 저농도에서 정량적인 생체 분자 이미징을 가능하게 함.

SERS 측정은 나노 스케일에서 전례 없는 통찰력을 제공할 수 있으며 이는 기존 이미징 방법으로는 달성하기 거의 불가능한 실시간 단일 분자, 라벨 없는 광학 감지를 제공함. SERS 신호의 강도는 "핫스팟"으로 알려진 나노 스케일 간격의 크기에 따라 다르며, 이러한 나노 공동은 빛 에너지를 제한하기 때문에 간격이 작을수록 SERS 신호가 높아짐. 그러나 이 작은 크기의 나노 캐비티는 프로그래밍이 가능하고 재현 가능한 방식으로 제작하기가 매우 어렵고 비용이 많이 든다고 함.

연구진은 이에 대한 해답을 찾기 위해 DNA 나노기술로 눈을 돌림. DNA를 스캐폴드로 사용하여 핫스팟이 되기에 완벽한 크기의 합성 나노 공동을 만들었음. 그러나 DNA의 탄력적인 특성, 특히 접히고 구부러지는 성향을 고려할 때 형성된 DNA-STROBE 구조의 크기가 변경되어 잠재적으로 SERS 신호를 약화시킬 수 있음. 따라서 이를 방지하기 위해 보호용 초박형 실리카 쉘로 DNA-STROBE 구조를 캡슐화 함.

이 연구는 두 가지 중요한 발견을 함. 첫째, SERS 신호의 잘 제어되고 큰 전자기 향상으로 초소형 나노 공동을 제작할 수 있음을 보여주며, 둘째, 이러한 접근 방식은 분자 농도가 높은 생물학적 샘플에서도 단일 분자 연구를 가능하게 한다는 것임.

연구진은 향후 다양한 응용 분야를 위한 맞춤형 DNA-STROBE 파생 분석 도구 세트를 개발하고자 함. 예를 들어, 이러한 접근 방식이 순환하는 암 바이오 마커의 초 고감도 검출을 위한 최첨단 플랫폼을 제공할 수 있을 것으로 생각됨.

또한, 적절한 맞춤화를 통해 DNA-STROBE는 임상 진단 및 기본 생물 의학 연구에서 환경 감지 및 단일 분자 조작에 이르기까지 다양한 분야에서 발전할 수 있을 것으로 기대됨.

본 연구 성과는 Advanced Materials ("A Programmable DNA-Silicification-Based Nanocavity for Single-Molecule Plasmonic Sensing")에 게재됨.