한국기초과학지원연구원, 표면 결합 분자의 ‘구조·광학특성’ 동시에 본다
- 작성자 : 언론홍보
- 작성일 : 2025-11-25
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한국기초과학지원연구원, 표면 결합 분자의 '구조·광학특성' 동시에 본다
탄뎀 질량분석-레이저 분광 융합한 차세대 표면질량분석 장비(QIT-ToF-SIMS) 개발
이성질체 정밀 식별…나노소재·생체시료 표면분석의 새 패러다임 제시
그림1. QIT-ToF-SIMS 그림
국내 연구진이 표면에 결합된 분자의 미세한 구조 차이까지 정밀하게 구분할 수 있는 차세대 표면분석 장비(QIT-ToF-SIMS)*를 자체 개발했다. 이번 장비는 질량분석(tandem MS)과 레이저 분광(Laser Spectroscopy)*을 하나의 시스템에서 통합 구현해, 표면에 결합된 분자의 구조 정보와 광학적 특성을 동시에 분석할 수 있다는 점에서 큰 의미가 있다.
한국기초과학지원연구원(원장 양성광, 이하 KBSI) 연구장비개발부 최창민 박사 연구팀은 질량은 같지만 구조가 다른 이성질체(surface-bound isomers)*를 식별할 수 있는 사중극자 이온트랩 결합형 비행시간형 이차이온질량분석기(QIT-ToF-SIMS) 개발에 성공했다고 25일 밝혔다.
기존 비행시간형 이차이온질량분석기(ToF-SIMS)는 시료 표면에서 방출된 이차이온의 질량 정보를 측정해 조성과 분포 분석에는 우수했으나, 질량이 같은 이성질체(isomeric species)의 구조적 차이를 구별하기에는 한계가 있었다. 이로 인해 생체분자, 기능성 유기소재, 표면개질 고분자 등 다양한 소재의 정밀 구조 분석이 어려웠다.
연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 ToF-SIMS 시스템에 사중극자 이온트랩(Quadrupole Ion Trap)*을 결합하고, 선택적 모분자 이온 격리 기술(Stored Waveform Inverse Fourier Transform, SWIFT기술)*과 탄뎀 질량분석(MS/MS)*을 도입해 표면에서 기원한 분자의 결합 정보를 정밀하게 해석할 수 있도록 했다. 여기에 레이저 광분해 분광(Photodissociation Spectroscopy)* 기능까지 더해 기존 장비로는 불가능했던 분자의 광물리적 특성까지 동시 규명할 수 있도록 했다.
이를 통해 연구팀은 시료 표면에서 방출된 분자 이온을 포집한 뒤 SWIFT 기술을 이용해 원하는 이온만 선택적으로 분리·격리하고, 이어서 탄뎀 질량분석(MS/MS)과 레이저 광분해 분광(Photodissociation Spectroscopy)까지 한 시스템 내에서 연속 수행할 수 있는 통합 분석 환경을 구축했다.
그림2 . KBSI에서 개발한 QIT-ToF-SIMS로 얻은 결과
특히, 대표적인 유기염료인 로다민 *와 로다민 *를 모델로 적용해, 두 분자가 질량은 동일하지만 구조가 다른 이성질체임을 명확하게 식별하는 데 성공했다. 이는 세계 최초로 표면 결합 이성질체를 탄뎀 질량분석과 레이저 분광 분석을 통해 직접 구분한 사례로, 차세대 표면분석 기술의 새로운 기준을 제시하는 성과로 평가된다.
이번에 개발된 QIT-ToF-SIMS 기술은 질량·구조·광학 특성을 동시에 확보하는 차세대 다차원 표면분석 플랫폼으로, 생체분자·유기소재·반도체 소자 등 극미량·나노 수준의 표면 반응성과 구조 차이를 정밀하게 측정할 수 있다. 특히 대기·습도 등에 민감한 시료에서도 높은 안정성과 재현성을 확보해, 나노소재 연구·반도체 공정 평가·생체조직 표면 분석 등 첨단 분야에서 폭넓게 활용될 전망이다.
향후에는 KBSI에서 개발 중인 양성자(H+) 기반 Water Droplet Ion Beam 기술*과 결합되면, 생체조직에서 직접 스퍼터된 펩타이드 이온의 구조와 광화학 반응성을 규명하는 등 분석의 범위가 더욱 확대될 것으로 기대된다. 연구팀은 이번 기술이 기초과학은 물론 의료·환경·첨단소재 분야의 정밀 분석기술 고도화에 크게 기여할 것으로 전망하고 있다.
* Water Droplet Ion Beam 기술 : 다량의 양성자(H+)를 포함하는 마이크로미터 크기의 물방을을 표면에 조사하여 표면으로부터 양성자화된 이차분자 이온을 생성하는 이온빔 기술
이 성과는 KBSI‘분석과학 기반 연구장비개발사업(3차원 분자 이미징 질량분석기 개발)’의 일환으로 추진된 것으로, 국내 연구진이 독자적으로 개발한 고성능 표면분석 플랫폼을 통해 질량분석과 분광분석의 융합 기반 정밀분석 기술의 새로운 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 향후 국내 연구장비 기업과 추가적인 실증연구를 통해 국산 차세대 질량분석기 상용화 및 첨단 표면분석 연구 생태계 구축에 기여할 것으로 기대된다.
KBSI 최창민 박사는 “이번 연구는 표면분석의 한계를 넘어, 질량분석과 분광분석을 융합하여 분자의 구조와 광학특성을 동시에 규명할 수 있는 새로운 분석 패러다임을 제시한 것”이라며 “향후 복잡한 생체시료나 나노소재 등 다양한 분야의 정밀 표면분석에 폭넓게 활용될 것으로 기대한다”고 밝혔다.
본 연구는 한국기초과학지원연구원의 지원을 받아 수행되었으며, 미국화학회(ACS)가 발행하는 세계적 분석화학 분야 권위지 Analytical Chemistry 誌에 11월 6일 자로 온라인 게재되었다.
* 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)]
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