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Research

레이저와 그래핀으로 간소화시킨 신개념 질량분석 기법 개발

  • 조회. 526
  • 등록일. 2019.08.05
  • 작성자. 홍보팀

레이저와 그래핀으로 간소화시킨 신개념 질량분석 기법 개발
- DGIST 김재영 리서치펠로우, 문대원 석좌교수팀, 그래핀 기판과 연속발진 레이저로 별도 실험환경 조작 없는 질량분석 기술 개발
- 손쉬운 고해상도 분석 이미지 처리로 향후 정밀의료, 의료진단 활용 기대돼

 

△DGIST 뉴바이올로지전공 문대원 석좌교수(좌), 로봇공학연구소 김재영 리서치펠로우(우)

 

 별도의 실험환경을 조성하지 않고도 마이크로미터의 고해상도 질량분석 이미지를 확보할 수 있는 기술이 개발됐다. DGIST 김재영 리서치펠로우는 문대원 석좌교수팀과 상대적으로 작고 저렴한 레이저를 이용해 생체샘플의 정밀 분석과 마이크로미터 크기로 이미지화 하는데 성공했다.

 DGIST(총장 국양) 로봇공학연구소 김재영 리서치펠로우와 문대원 석좌교수팀은 실험 샘플을 별도의 처리 없이 마이크로미터 해상도로 분석할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. ‘연속발진 레이저’1)를 이용해 별도의 실험환경 조성 없이 고해상도의 질량 분석 이미지를 얻을 수 있어, 향후 정밀의료, 의료진단 분야에서의 많은 활용이 기대된다.

 분석할 물질을 얇게 잘라낸 ‘시편’을 이용한 생체 샘플 질량분석 이미징은 분석 과정에서 많은 사전 준비가 필요하다. 특히 일반 상온이나 대기압에서는 정확한 분석이 어려워 이들을 인위적으로 바꾸는 작업이 필수이다. 김재영 리서치펠로우는 이러한 수고를 줄인 편리한 분석 기술을 개발하고자 연구를 시작했다.

 연구팀은 시편이 놓이는 현미경 기판 바로 아래 연속발진 레이저를 내장한 렌즈를 장착했다. 이 때, 연속발진 레이저를 시편에 쏴, 탈착(desorption)2) 시켜 나오는 분자들을 조사해 질량을 측정하게 된다. 이 때, 상대적으로 다른 레이저보다도 에너지가 약한 연속발진 레이저로 분석이 가능한 것은 바로 시편이 놓이는 기판으로 ‘그래핀 기판’을 이용하기 때문이다. 

 벌집모양의 구조를 가진 그래핀은 열전도성이 매우 높고, 빛을 열로 전환이 가능하다. 따라서 연속발진 레이저가 발생시키는 적은 량의 빛으로도 시편 분석에 필요한 충분한 열을 확보할 수 있게 됐다. 추가적으로 이번 기술을 적용할 경우 20배의 높은 배율을 가진 큰 렌즈를 사용해도 시편에 더 가까이 밀착해 관찰 할 수 있을 만큼의 공간 확보가 가능해, 해상도 높은 분석 이미지를 얻는데 유리하다.

 이번 연구와 관련해 뉴바이올로전공 문대원 석좌교수는 “이번 기술개발 시편의 전처리 과정을 생략해 분석 준비시간을 많이 줄일 수 있게 됐다”며 “향후 다른 기술과 접목해 의료진단 등 여러 분야 활용이 가능하게끔 발전시키는 것이 계획”이라 밝혔다.

 이번 연구 결과는 DGIST 로봇공학연구소 김재영 리서치펠로우와 뉴바이올로지전공 임희진 박사과정생이 공동1저자로 참여했으며, DGIST 로봇공학전공 송철 교수, 고려대 임동권 교수, 충남대 박지원 연구교수와 함께 연구를 진행해 화학 및 나노기술 분야 국제학술지 ACS 어플라이드 머티리얼즈 & 인터페이스(ACS Applied Materials & Interfaces) 표지논문으로 7월 31일(수) 게재됐다.

1) 연속발진 레이저(continuous wave laser): ‘CW 레이저’라고 하며, 레이저광이 끊김없이 연속적으로 발생되는 레이저로 펄스형 레이저보다 소자의 부피가 작고, 저렴하며, 구조가 간단하다.
2) 탈착(desorption): 고체 표면에 흡착되어 있는 분자가 열, 빛, 전자충격 등에 의해 그 표면에서 떨어져 나가는 과정


  연구결과개요  

Graphene-Coated Glass Substrate for Continuous Wave Laser Desorption and Atmospheric Pressure Mass Spectrometric Imaging of Live Hippocampal Tissue
Jae Young Kim*, Heejin Lim*, Sun Young Lee, Cheol Song, Ji-Won Park, Hyeon Ho Shin, Dong-Kwon Lim, and Dae Won Moon
(ACS Applied Materials & Interfaces, Published on July, 2019)

 

  일반적으로 대기압 분위기에서 광학 경로의 설계가 쉬운 레이저를 시료의 탈착/이온화원으로 사용하려는 시도가 많은데 대부분의 생체시편들이 가시광 및 근적외선 대역 레이저의 광에너지를 잘 흡수하지 못해서 매트릭스를 사용하거나, 매우 높은 출력의 레이저를 사용해야 하거나, 추가적으로 시료에 열을 가해줘야 한다. 이러한 시료탈착 방법들은 살아있는 생체시편을 대기압 분위기에서 효과적으로 분석하는데 한계가 있다. 
  본 연구는 살아있는 생체시편을 질량분석하기 위해 기본적으로 상온 상압의 환경에서 질량분석 이온화 방식을 채택하였으며, 이러한 분석 방법을 구현하기 위해, 낮은 출력의 레이저 사용, 추가적인 이온화원 채택, 분석 감도를 높이기 위한 이온 전달장치 개발 등의 내용을 포함하고 있다. 도립형 현미경을 이용한 연속발진 레이저의 투과모드 구성과 그래핀층 기판의 사용은 크게 향상된 시료탈착 성능을 보여 주며, 투과형 레이저 방식에 의해 탈착된 생체분자는 필연적으로 저온 대기압 헬륨플라즈마 매질를 만나 상온 상압에서 탈착/이온화 과정을 거쳐 정교한 질량분석 결과를 얻을 수 있음을 보였다. 연속발진 레이저의 탈착 성능을 살펴보기 위해, 레이저의 출력을 조정하여 최적의 탈착 조건을 찾아냈으며, 532 nm 파장대의 광에너지를 흡수하기 위해, 그래핀층을 슬라이드기판에 증착시켜 탈착성능을 테스트했다. 결과적으로 픽셀사이즈 1.4㎛ 의 신선한 쥐해마 절편조직과 제브라피시 꼬리지느러미의 질량분석 이미징을 얻을 수 있었다.
  본 연구는 펄스형 레이저보다 가격이 저렴하고, 장치가 간단하고, 부피가 작으며, 높은 레이저 광학 배경지식을 요구하지 않는 연속발진 레이저기기를 질량분석에 적용하고, 그래핀층 기판을 사용하여 시편의 전처리과정을 완전히 없애고도 고해상도 대기압 질량분석 이미징을 얻을 수 있음을 보여주었다. 


  연구결과문답  

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
2017년에 본 연구팀에서 자체개발하여 보고한 고해상도 대기압 질량분석 이미징 기술 (Nat. Commun.)에 연속발진 레이저를 투과형 탈착형태로 배치하고, 그래핀막을 기판에 증착시켜 레이저 흡수층으로 사용하는 등 장비기술을 추가 개발 및 향상하였으며, 그 결과 생체시편의 준비시간을 단축시켰을 뿐 아니라 생체시편 외 표준물질, 박막 등 다양한 시편으로부터 고해상도 질량분석 이미징을 얻을 수 있다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?
상온 상압 환경에서 연속발진 레이저를 이용해 생체시편의 정교한 탈착이 가능하다는 것은 광섬유 레이저를 이용하면 의료 현장에서 실시간 내시경 형태의 조직 검사가 가능하다는 것을 뜻한다. 특히, 레이저 흡수층을 기판에 위치시키면서 분석해야 할 시료나 샘플의 종류, 조건 등의 제약이 크게 줄어들어 제약, 질병진단, 의료기기, 폭발물 및 마약 검출, 범죄 수사, 검역 등의 분야에서 사용할 수 있다.

Q. 실용화까지 필요한 시간은?
현미경 기반 대기압 질량분석 이미징 시스템은 분석 장비로서의 시스템을 갖춰  사용자 중심의 분석을 위한 측정 장비 자동화 및 데이터베이스화 단계가 남아있다. 이 분석 기술을 기반으로 분자진단 분야나 의료진단 기기로 활용하기 위한 원거리 질량분석 기기 (질량분석 내시경) 및 기반 기술을 개발하고 있으며, 내년 초까지 추가로 연구를 진행할 생각이다. 

Q. 실용화를 위한 과제는?
분석 성능의 감도를 높이고, 측정 가능한 질량 영역을 넓히는 시도가 필요하며, 이온화원에서 나오는 배경스펙트럼을 처리하는 기술이 필요하다. 또한 분자진단을 위해 분석 스펙트럼을 동정, 분류, 영상화하는 데이터 후처리 기술을 추가적으로 개발해야 한다. 

Q. 연구를 시작한 계기는?
진공 기반 무기물 분석 기술을 바이오 이미징에 적용하는 연구를 시작하면서 바이오 이미징은 살아있는 생체 시편에 적용할 수 있어야한다는 목표가 있었다. 대기압 환경에서 질량분석 이미징하는 방식을 고안하면서, 보다 정밀하고 넓은 영역의 공간정보를 얻을 수 있는 방법을 고민하였다.

Q. 어떤 의미가 있는가?
제안하는 대기압 질량분석 이미징 기술은 생체 샘플을 파괴해 용액화할 필요도 없고, 진공 챔버에 넣거나, 레이저광의 흡수를 위한 전처리 과정도 완전히 없앨 수 있어, 보다 신선한 상태의 생체 조직의 분석이 가능해 생명과학 및 의료 현장에서의 여러 응용이 가능하다고 사료된다. 특히, 단일세포 보다 작은 해상도를 가진 질량분석 이미징을 통해 여러 생체 분자 물질 간의 상호작용 연구 및 병변의 조기 예측 등을 수행할 수 있다.

Q. 향후 목표는?
질병 및 병변의 진단 장비로서의 원거리 질량분석기기를 개발하고 분자진단을 위한 질량스펙트럼을 통계처리, 분류하는 기술을 개발해야 한다. 이를 통해 질병이나 병변의 조기예측이 가능하도록 하여 대기압 질량분석법을 정밀의료와 같은 차세대 의료 진단 방법으로 발전시키고 싶다.


  그림설명  

[그림 1] 그래핀기판과 연속발진 레이저를 적용한 고해상도 대기압 질량분석 이미징 시스템 모식도

도립형 광학현미경을 분석 스테이지로 활용해 연속발진 레이저를 생체 샘플 아래쪽 현미경의 대물렌즈로 집속한 후 생체 시편 쪽으로 집속된 레이저를 쬐어 생체 샘플을 탈착시키고, 생체 샘플 위에 위치한 대기압 플라즈마 소자를 사용해 이온화 시켜서 질량분석을 하는 방식이다. 낮은 에너지의 레이저광으로도 쉽게 탈착이 일어날 수 있도록 슬라이드기판에 광열전환효과를 일으키는 그래핀층을 증착시켜 광에너지 흡수층으로 사용하였다. 높은 배율 (20x) 의 대물렌즈를 사용해 레이저를 집속시켜도 생체 샘플 위쪽 공간이 방해를 받지 않아 해상도 높은 질량분석 이미징 (1.4㎛의 픽셀사이즈)을 얻을 수 있다.

[그림 2] 그래핀기판과 연속발진 레이저를 적용한 고해상도 대기압 질량분석 이미징 기술의 삽화

연속발진 레이저의 투과모드 구성과 그래핀층 기판의 사용은 크게 향상된 시료탈착 성능을 보여 주며, 투과형 레이저 방식에 의해 탈착된 생체분자는 필연적으로 저온 대기압 헬륨플라즈마 매질를 만나 상온 상압에서 탈착/이온화 과정을 거쳐 정교한 질량분석 결과를 얻을 수 있다. 제안하는 고해상도 대기압 질량분석 이미징은 생물학 및 의학 분야의 다양한 전처리과정이 없는 화학 매핑 이미징 응용 분야에 바로 적용될 것으로 기대한다.


  논문 바로가기   ☞  ACS Applied Materials & Interfaces

 

 

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