주요 연구성과
NEW 물리 안영환 교수팀, 이차원 물질 기반 단일 세균 검출법 개발
- 2024-01-11
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우리 학교 안영환 교수(물리학과∙대학원 에너지시스템학과) 연구팀이 이차원 물질의 비선형 광신호를 이용한 고감도 세균 검출법을 개발했다. 이에 표지자 없이 병원체를 신속하게 식별할 수 있는 의료 기술로 활용될 수 있을 전망이다.
연구 내용은 ‘이황화몰리브덴 2차조화파 신호를 이용한 단일 세균 검출법(Single bacteria identification with second-harmonic generation in MoS2)’이라는 제목으로, 바이오 센서 분야 저명 학술지인 <바이오센서와 바이오전자공학(Biosensors and Bioelectronics)> 12월호에 게재됐다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업과 중점연구소 사업(자율형)의 지원으로 수행됐다. 우리 학교 에너지시스템학과 박사과정의 김영철 학생(제1저자)과 전승원 학생이 공동저자로 참여했다.
황화몰리브덴(MoS2)과 같은 이차원 물질은 한 개의 원자층으로 이루어진 매우 얇은 물질임에도 이차 조화파 발생(second-harmonic generation) 특성이 매우 우수하다. 이차 조화파는 비선형 광신호의 대표적인 예로 빨간빛을 입사했을 때 파란빛으로 변환시켜주는 물질의 특성을 말한다.
연구팀은 세균을 이용해 황화몰리브덴(MoS2)에서 발생하는 이차 조화파 발생을 조작하는 실험 결과를 최초로 발표하고, 이를 정밀한 미생물 센서로 응용할 수 있음을 확인했다.
연구팀은 실험을 통해 세균의 방향에 따라 황화몰리브덴(MoS2) 이차 조화파 신호가 다르게 발현됨을 밝혀냈다. 더불어 이를 통해, 세균이 황화몰리브덴(MoS2)에 가하는 표면응력을 정량적으로 규명했다.
황화몰리브덴(MoS2)에 증착된 세균은 자외선을 통해 완전히 제거할 수 있다. 아주대 연구팀이 여러 박테리아 종에 대해 자외선에 의한 소멸시간을 측정한 결과, 제한적이나마 개별 박테리아의 감별이 가능했다. 일례로, 이번에 개발한 기술을 활용해 시료 속에 포함된 대장균과 유산균의 비율을 성공적으로 계측해냈다.
안영환 교수는 “일반적인 의료진단 및 바이오 센싱 분야에서는 염료나 항체 같은 표지자의 사용이 필수적이나, 이번 연구에서 개발한 검출법은 표지자를 필요로 하지 않는 장점이 있다”며 “감염성 질환의 원인이 되는 병원체의 신속한 식별을 위한 새로운 의료기술로 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.
이차원물질(MoS2) 위에 놓인 세균(bacteria)의 방향에 따른 이차조화파(SHG) 신호 변조 결과
* 위 그림 설명 : (위)자외선(UV) 조사에 따른 개별 세균의 소멸을 관측한 이차 조화파 영상 측정 결과. (아래)시료속에 포함된 대장균(E. coli)과 유산균(L. casei)의 정량계측 예