한국기초과학지원연구원(KBSI)이 표면에 결합된 분자의 구조적 차이까지 식별할 수 있는 차세대 표면분석 장비(QIT-ToF-SIMS)를 독자 개발했다.
KBSI 연구장비개발부 최창민 책임연구원팀이 개발한 이번 기술은 표면에서 방출된 분자이온의 질량뿐 아니라, 같은 질량을 갖고 있더라도 구조가 서로 다른 이성질체까지 구분할 수 있는 능력을 갖췄다.
특히 질량분석과 레이저 분광 분석을 한 장비 안에서 연속적으로 수행할 수 있어 표면에 붙어 있는 분자의 구조와 광학적 성질을 동시에 파악할 수 있다.
표면 분석 장비 가운데 이 두 기능을 한 번에 구현한 사례는 매우 드물어 이번 연구성과는 큰 의미를 갖는다.
이성질체 문제 해결
연구팀은 분자량은 같지만 결합 방식과 입체 구조가 달라 성질이 서로 달라지는 이성질체 문제를 해결하는 데 집중했다.
기존 비행시간형 이차이온질량분석기(ToF-SIMS)는 시료 표면에서 튀어나온 이차이온의 질량과 분포를 분석하는 게 장점이지만, 질량이 같다는 이유로 동일한 분자로 판단해 구조적 차이를 구분하기에는 한계가 있었다.
이는 구조 차이가 성능을 좌우하는 생체분자나 기능성 유기소재, 표면개질 고분자의 분석에 제약이 컸다.
연구팀은 이런 한계를 극복하기 위해 ToF-SIMS 시스템에 사중극자 이온트랩(QIT)을 연결했다. 이온트랩은 전기장을 이용해 원하는 이온만 장시간 안정적으로 가둘 수 있는 장치로, 복잡하게 섞여 있는 이온 중 특정 분자이온만 선택적으로 분리하는 데 유리하다.
연구팀은 여기에 SWIFT 기술이라는 정밀한 파형 기반 이온 분리 기법을 더해 표면에서 나온 이온 중 분석이 필요한 이온만 깔끔하게 추출할 수 있도록 설계했다.
이온트랩에서 분리된 분자는 탄뎀 질량분석(MS/MS)을 통해 분해되고 구조 단서가 해석된다.
이어 같은 이온에 레이저를 조사해 분자가 특정 파장의 빛을 흡수했을 때 어떤 방식으로 분해되는지를 관찰하는 레이저 광분해 분광 분석이 진행된다.
이 과정을 통해 분자의 질량, 구조적 특징, 빛에 반응하는 특성을 하나의 연속된 실험 흐름으로 확보할 수 있다.
이 같은 통합 분석 환경은 기존 표면분석 기술에서는 얻기 어려웠던 ‘다차원 정보’를 확보하는 데 큰 강점이 있다.
연구팀은 대표적 적색 유기염료인 로다민 B와 로다민 6G를 활용해 장비 성능을 검증했다.
두 물질은 분자량과 화학식이 완전히 동일하지만 구조가 달라 광학적 특성도 서로 차이를 보인다.
기존 분석 장비는 두 염료를 사실상 같은 분자로 인식했지만, 새로 개발한 장비는 표면에서 출발한 이온만을 이용해 두 물질이 서로 다른 이성질체임을 명확하게 구분했다.
나노·반도체·생체조직까지 분석
이번 성과는 세계 최초로 표면 결합 이성질체를 질량분석과 분광분석을 이용해 직접 구분한 사례다.
이 기술은 극미량·나노 수준의 표면 반응성을 정확하게 측정할 수 있어 생체분자 구조 분석, 반도체 소자 계면 분석, 기능성 유기소재 개발 등 다양한 분야에서 활용될 전망이다.
특히 대기나 습도에 민감한 시료에서도 높은 안정성과 재현성을 확보해 실제 연구 환경에서도 실용성이 높다.
이는 표면의 얇은 층에서 일어나는 변화를 다각도로 파악해야 하는 반도체 공정이나 생체조직 분석 분야에서 활용 가치가 더욱 높아질 전망이다.
이 기술은 KBSI가 개발 중인 ‘Water Droplet Ion Beam’ 기술과 결합하면 활용 범위는 한층 더 확장될 것으로 기대된다.
Water Droplet Ion Beam 기술은 양성자를 많이 포함한 미세 물방울을 표면에 쏘아 표면에서 양성자화된 이온을 만들어내는 방식이다.
두 기술을 결합하면 생체조직에서 직접 방출된 펩타이드 이온의 구조와 빛 반응성을 함께 규명하는 것이 가능해져 생명과학·의료·환경 분야의 연구 깊이가 크게 확장될 수 있다.
KBSI는 이번 기술을 기반으로 국산 차세대 질량분석기 상용화를 위한 기업 협력과 실증 단계를 적극적으로 추진할 계획이다.
최 책임연구원은 “이번 장비는 표면분석에서 얻을 수 있는 정보를 한 차원 확장한 시스템으로, 표면에서 일어나는 복잡한 분자 반응을 정확하게 파악할 수 있어 다양한 정밀분석 분야에서 적용될 것으로 기대된다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 미국화학회(ACS)가 발행하는 국제학술지 ‘Analytical Chemistry’ 지난 6일자 온라인에 게재됐다.
(논문명 : Decoding Surface-Bound Isomers: A QIT-ToF-SIMS Platform Integrating Tandem Mass Spectrometry and Laser Spectroscopy [IF=6.7, JCR 상위 9.18%, KBSI 백지영(제1저자), 어재영, 문엄배, 최명철, 최창민(교신저자))
