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미국 연구진은 단일 분자 및 생체 분자의 이미지를 찍을 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 

단일 질소-공공 센터(nitrogen-vacancy centre)라고 불리는 다이아몬드 속의 원자 크기 구조는 나노크기 자기 공명 이미징(magnetic resonance imaging, MRI)을 위한 센서로서 사용될 수 있다. 이번 연구진은 나노MRI 기술이 X-선 결정 기술(X-ray crystallography)과 같은 기존의 기술로는 관찰될 수 없는 분자 및 생체분자 구조의 이미지를 찍는데 사용될 수 있을 것이라고 말했다. 

“우리의 장기 목표는 나노미터 크기로 MRI를 확장하는 것인데, 이것은 큰 분자들의 3차원 이미지를 얻을 수 있게 할 것”이라고 IBM의 알마덴 연구 센터(Almaden Research Center)의 연구팀이 설명했다. “이런 목표를 달성함으로써 단백질과 같은 생체분자들의 분자 구조들을 분석할 수 있게 된다. 단백질은 X-선 결정 기술로 결정화될 수 없기 때문에 구조를 알지 못한다”고 연구팀은 말했다.

이런 목표를 달성하기 위해서는 아직 가야 할 길이 멀고, 주요 문제점은 기존의 MRI가 나노크기 샘플의 자기 공진 신호를 검출할 수 있을 정도로 충분히 민감하지 못하다는 것이다. 

이번 연구팀은 다이아몬드 속의 단일 질소-공공 센터가 유기 물질(예를 들어, 폴리머 PMMA) 속의 수소 원자핵(양성자)으로부터 발생하는 약한 자기장을 검출할 수 있는 원자 크기 센서로서 활용될 수 있다는 것을 증명했다. “민감도를 향상시키기 위해서, 우리는 순수한 탄소-12를 가진 다이아몬드를 사용했다”고 Rugar가 말했다. “이것은 질소 공공 센터의 양자 결맞음(quantum coherence)을 확장하는데 도움을 준다. 이것은 약한 자기장을 검출하는데 필수적”이라고 Rugar가 덧붙였다. 

더 긴 결맞음은 질소 공공 결함 속의 양자 스핀이 그들의 원래 위치를 벗어날 수 있게 한다. 이것은 그들을 안정적으로 판독할 수 있게 하고 필요할 경우에 초기화할 수 있게 한다. 

이 실험에서, 이번 연구진은 석영 조율 분기(quartz tuning fork)에 그들의 PMMA 폴리머 테스트 샘플을 부착시켰고, 표면 근처에 질소 공공 센터를 가진 다이아몬드 기판과 이것을 접촉시켰다. “우리는 샘플 속의 양성자를 자기장으로 진동함으로써 질소 공공 센터의 자기 양자 상태를 변화시켰고, 마이크로파 펄스로 질소 공공 센터의 전자스핀을 조절했다”고 Rugar가 말했다. “우리는 질소 공공 센터 위에 레이저 광을 비추고 이것의 형광이 어떻게 변하는지를 관찰함으로써 상태의 변화를 감지할 수 있었다”고 Rugar가Rugar가 덧붙였다.

샘플의 2차원 이미지를 얻기 위해서, 이번 연구진은 실험 장치 속의 샘플의 위치 변화로서 형광이 어떻게 변하는지를 측정했다. 

언급한 바와 같이, 나노크기의 MRI는 핵스핀의 신호가 이런 크기에서 매우 약하기 때문에 큰 문제가 되고 있다. “내가 아는 한, 유일한 나노MRI 기술은 자기 공명 힘 현미경(magnetic resonance force microscopy, MRFM)”이라고 Rugar가 말했다. “MRFM이 5~10nm 크기에서 질소 공공 센터 기술보다 더 일반적으로 사용되지만, MRFM은 극저온 온도에서 가장 잘 작동한다. 이런 질소 공공 센터 방법의 장점은 상온에서 높은 해상도의 이미지를 얻을 수 있다는 것”이라고 Rugar가 설명했다.

이 연구에는 시카고 대학(University of Chicago)의 분자 공학 연구소, 스탠포드 대학(Stanford University)의 나노크기 탐침 센터, 캘리포니아 대학의 샌타바버라 캠퍼스(University of California, Santa Barbara)의 연구진이 포함되었다. “특히, 우리는 신호 대 잡음비(its signal-to-noise ratio)를 증가시키고 이것의 주사 해상도를 향상시키기를 원하고 있다”고 Rugar가 말했다. “이것은 단백질과 같은 생체 분자들의 이미지를 찍을 수 있게 할 것이다. 또는 우리는 2차원이 아니라 3차원으로 이미지를 찍을 수 있기를 원하고 있다”고 Rugar가 덧붙였다.

“일반적으로 MRI의 주요 장점은 이것이 표면 아래를 볼 수 있고 물체 속을 관찰할 수 있다는 것이다. 나노크기에서 이것을 수행하기 위해서, 우리는 물체 속의 서로 다른 깊이를 구별할 수 있도록 큰 자기장 구배를 도입할 필요가 있을 것”이라고 Rugar가 덧붙였다. 이 연구결과는 저널 Nature Nanotechnology에 “Proton magnetic resonance imaging using a nitrogen–vacancy spin sensor” 라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/nnano.2014.288). 

그림. 나노MRI의 구조도. 


KISTI 미리안 글로벌동향브리핑 2015-01-05




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