1 서 론

자성 나노 입자는 학문, 산업 분야의 광범위한 응용에 지대한 영향을 끼치고 있다. 이 나노 입자는 크기 균일성, 크기 가변성, 그리고 좋은 자성 특성, 입자 분산성을 가지 고 있어 나노 의학, 분리 분석, 표면 개질을 이용한 구조 색 광학, 에너지/촉매 등에 응용 예를 넓혀 왔다[1-5]. 그 러나 산업체 규모의 합성에서 얻기 어려운 특성이 있어, 합성 방법 및 물성 변경을 위한 추가 프로세스의 개발이 있었다.

기존에 자성 나노 입자를 대량생산하기 위해 제안된 방 법은 수열/용열 합성법(hydrothermal/solvothermal synthesis) 이다. 두 합성법은 합성 공간이 완벽히 제어된 스테인리스 용기에 열과 시간, 전구체 농도를 변경하여 물(hydrothermal) 또는 다른 용매(solvothermal)를 사용하여 합성하는 방법 이다. 일반적으로 용기의 용량은 100 mL에서 최대 1 L 정 도이다. 다른 합성법에 비해 나노 입자의 크기, 모양을 제 어하기 용이하나 대량생산에 적합하지 않다는 문제점이 있다. 그러나, 나노 입자는 산업 구조상 맞춤형 원재료 소 량 공급이 많아 이와 같은 적은 용기를 사용해왔다. 특히 solvothermal 방법은 변하지 않는 구조적, 자성 특성을 가 진 자성 구체의 산업 분량(회당 그램 단위 수준)의 합성에 매우 적합한 것으로 밝혀졌다. 또한, 아래에서 소개할 추 가 프로세스를 이용해 다양한 산업군에 적합한 맞춤형 원 재료를 생산할 수 있는 수준에 이르렀다.

이 논문은 지난 10여 년간 본 연구실에서 개발한 자성 나노 입자, 특히 자성 나노 입자와 금속 나노 입자를 양자 적 범위 내에서 혼성한 나노하이브리드(다른 말로, 마그네 토플라즈모닉 입자)에 관한 것이다. 합성 및 특성, 이의 응 용(광학, 전기화학, 에너지, 촉매, 바이오)에 대한 전형적인 예들을 보고한다.

2. 대량생산에 적합한 자성 나노 입자 합성 방법

자성 나노 입자는 서론에서 언급한 바와 같이 광범위한 분야에서 영향을 끼치고 있다[7-12]. 그중 나노 의약 분야 에서의 나노 입자는 친수성, 크기의 균일성과 가변성, 그 리고 좋은 자성 특성을 비롯한 몇 가지 특성을 필요로 한 다. 그러나 이러한 특성은 산업체 규모의 합성에서 얻기 어려운 성질들이다. 본 연구 그룹은 단일 용기 수열 합성 법(one-pot solvothermal system)을 기반으로 친수성 자성 나노 클러스터의 그램 단위 합성을 진행하였고, 이 방법을 사용하여 친수성, 초상자성, 높은 자화도, 콜로이드 안정 성을 가진 조밀한 상부구조의 자성 나노결정으로 이루어 진 제어된 크기의 나노클러스터가 합성되었다[13]. 이 제 안된 solvothermal 방법은 매우 안정적이고 지속 가능한 구조적, 자성 특성을 가진 나노 구체(nanosphere)의 배치 (batch)당 그램 단위 수준의 합성이 가능하여 산업화에 매 우 적합한 것으로 밝혀졌다. 나아가, 자성 구체를 추가적 인 실리콘 층으로 코팅하여 보다 더 나은 안정성과 생물 학적 적용에 도움이 되는 특정 기능성을 도입했다. 이 실 리카로 코팅된 나노 구체(silica-coated nanosphere)를 이용 한 체내/외(in vivo/in vitro) 연구를 통해 자성 입자를 이용 한 특정 물질 분리와 자성 나노클러스터의 치료 진단 나 노 표식자로의 활용을 성공적으로 보였다[14, 15].

이 합성 방법은 여러 분야 중 특히 생물의학, 에너지 저 장, 포토닉스, 촉매 분야에 적용되었다. 기존 자성 입자를 더욱 정교하게 합성하여 코어-쉘 구조의 나노 입자를 제 작하였다[16, 17]. 코어는 금, 은과 같은 금속 나노 입자를, 쉘은 자성 입자를 사용하여 자성 금속 나노구조체를 단일 용기 합성 방법으로 합성하였다. 금속 코어는 플라즈모닉 특성을 보이며, 자성 쉘은 자성 입자의 특성을 보인다. 이 를 마그네토플라즈모닉 입자(magnetoplasmonic particles) 로 명명한다. 이로써, 두 가지 특성을 가진 물질을 한 개 의 양자적 특징을 보이는 공간에 놓아 새로운 전자기적, 광학적 특성을 보고자 하였다[18-21]. 이러한 복잡한 구조 의 나노입자 또한 대량생산에 성공하여 다음과 같은 광학, 바이오 센싱에 응용하였다.

3. 마그네토플라즈모닉 입자를 이용한 광학에서 의 응용

전기장, 미세유체흐름, 양/음 정전기 등을 이용해 나노 입자의 위치를 제어, 조립하는 많은 방법이 개발되어왔다. 예를 들어, 본 연구진이 사용한 마그네토플라즈모닉 나노 입자는 금속 코어의 플라즈모닉 특성에 더불어 Fe₃O₄ 껍 질에 의해 자성을 갖고 있어 외부 자기장을 통한 자기 조 립이 매우 용이하다. 나노 입자의 어셈블리는 나노 입자의 고유한 물리적 특징 외에 새로운 특성을 부여할 수 있을 뿐만 아니라, 디바이스 개발 시 매우 중요한 공정 중 하나 이다. 따라서 본 실험실에서는 마그네토플라즈모닉 나노 입자 중, Ag@Fe₃O₄ 나노 구체를 대규모로 나열하여 외부 자기장과 입자-기질의 정전기적 상호작용과 자기 쌍극자 의 결합을 통한 플라스모닉 결합 및 광학 튜닝 적용의 고 유한 변조를 관찰하였다[22, 23]. 이 대형 나노 체인 필름 은 편광 각과 입자 간 거리(IPD)를 조절해 가시광선에서 근적외선 범위까지 플라스모닉 공명의 뛰어난 조정성을 보여준다. 엄청난 스펙트럼 변화는 주로 스페이서 역할을 하는 Fe₃O₄ 쉘이 Ag 코어를 충분히 크게 분리하기 때문에 Ag 코어의 근거리 결합보다는 원거리 결합에서 비롯된다. 이 조정 가능한 자성 플라스모닉 필름은 등방성 광학 도 파관, 가변 광학 필터, 나노 스케일 감지 플랫폼 분야에 적 용할 수 있다[24, 25].

Fig. 1

Gram-scale synthesis of Fe₃O₄ nanoclusters (MNC) and application. (a) Schematic illustration of the procedure for the gram-scale synthesis of MNCs. (b) Optical microscopy images before and after Red blood cell (RBC) separation. (c) Cytocochleograms of the cochlear region using fluorescent MNCs as a theragnostic probe. Reproduced J. Kim, V.T. Tran, S. Oh, C.-S. Kim, J.C. Hong, S. Kim, Y.-S. Joo, S. Mun, M.-H. Kim, J.-W. Jung. ACS applied materials & interfaces, 2018, 10, 41935-41946. (ref [6]). Copyright 2018 American Chemical Society.

Fig. 2

1D assembly of Ag@Fe₃O₄ NPs. (a) Schematic illustration of experimental setup for assembly of Ag@Fe₃O₄ NPs (b) SEM image of the nanochain array (c) Resulting photograph of the assembled nanochain array on a cover glass (18 mm × 18 mm) (d) Extinction spectra of Ag@Fe₃O₄ nanochain arrays depending on seven different angles of polarized light. Reproduced Y. Song, V. Tran, J. Lee, ACS applied materials & interfaces, 2017, 9, 24433-24439. (ref [22]). Copyright 2017 American Chemical Society.

자성 플라즈모닉 나노 입자는 대칭적인 선으로 나열하 는 것뿐만 아니라 나선형 배열을 통해서도 그 독특한 광 학적 현상을 관찰할 수 있다. 본 연구진은 천체물리학적 현상을 모방한 나선 자기장(hB)을 이용하여 카이랄 광학 적 특성을 보이는 나선 구조체를 자기조립 방식으로 만들 었다. 마그네토플라즈모닉(Ag@Fe₃O₄) 코어-쉘 나노 입자 들은 플라즈모닉 Ag 나노 입자들을 나선 자기선속을 따라 유도하기 위해 사용된다. 조립된 나선 구조체의 카이랄리 티와 원편광 이색성(circularly polarized dichroism)은 실시 간으로 조절 가능하다. 그리고 만들어진 구조체의 손대칭 성 (handedness)은 나선 자기장에 의해 밀리 초 단위에서 극적으로 전환되었고 이는 다른 템플릿을 이용한 방법과 비교해 볼 때 6000배 이상 빠른 것이다[26, 27]. 또한, 원 편광 이색성의 분광 피크 위치는 Ag 코어의 크기와 자속 밀도를 조절하여, 플라스몬 공명 또는 커플링을 달리하여 재구성할 수도 있다. 본 연구를 통해 구현한 나선 자기장 유도 카이랄리티의 조절은 플라즈모닉스, 자성 자기조립, 콜로이드 과학, 액정, 카이랄리티의 핵심인 빛의 편광을 조절하는 새로운 방법을 개발한 것이다. 이는 자성 플라즈 모닉 나노 물질의 활성과 가변성 있는 카이랄 조립을 제 시하고 광학 장비에 더욱 실용적인 적용을 가능케 할 것 으로 기대한다[28, 29].

Fig. 3

Chiroptical properties of MagPlas NPs under hB. (a) Scheme of hB-induced chiroptical property. (b, c) The intensity of the CD peak varies in a time-dependent manner while rotating the two magnets at different rotation speeds of 3, 6, 24, and 5000 rpm. (d) Transmitted color of the MagPlas NP solution depending on the rotation angle. Reproduced K.-J. Jeong, D.K. Lee, V.T. Tran, C. Wang, J. Lv, J. Park, Z. Tang, J. Lee, ACS nano, 2020, 14, 7152-7160. (ref [26]). Copyright 2020 American Chemical Society.

4. 에너지/촉매/전기화학에서의 응용

외부로부터 가해진 자기장으로 생성된 로렌츠 혹은 켈 빈 힘은 작동 중인 전극 근처의 전해질에 대류를 형성할 수 있고 자기유체역학적 흐름과 기타 전기화학 반응으로 인해 연속적으로 자기 전류를 생성한다[31, 32]. 영구적인 쌍극자 혹은 자기 모멘트를 가진 금속과 초상자성 나노 입자의 마그네토플라즈모닉 혼합물은 추가적인 물리적 특 성을 갖게 되어, 전기장과 자기 쌍극자에 직접적으로 연관 된다[33]. 특히 정렬된 자기 조립체는 총체적으로 반응하는 표면상의 자기유체역학적 흐름을 강화하여 특이적인 전기 화학적 성능을 유도할 수 있다. 본 연구진은 이를 위해, 정 밀하게 제어된 은 코어와 다공성 자성 껍질(Ag@Fe₃O₄) 배 열의 삼차원(3D) 나노 구조체를 이용하여 [Fe(CN)₆]^3-/4- 환 원 탐지기와 같은 산소 환원 반응의 전기 촉매 활동에서 의 자기장의 영향을 탐구하였다. 그리고 환원 전류를 임의 로 인가된 외부 자기장(B, 최대 3 80 mT) 하에서 조심스럽 게 측정하여 [Fe(CN)₆]^3-/4- 환원 전류(IR)의 23%에 달하는 현저한 증가와 3 D 자성 플라스모닉 나노 배열의 추가 자 기장(B_in)으로 인한 1.13배 높은 산소환원반응 효율을 확 인하였다.

5. 바이오 분리/분석/바이오센싱에서의 응용

자성 입자 및 마그네토플라즈모닉 입자는 바이오센싱을 위한 모든 일련의 과정(선택적 분리, 농축, 센싱)에서 효과 적으로 응용될 수 있다. 예를 들어, 인플루엔자 바이러스 의 신속하고 민감한 발견은 전염의 확산을 막고 적절한 임상 치료를 위해 지극히 중요하다[35]. 본 연구진은 자성 나노 효소-결합 면역 흡착 검사(MagLISA)라고 불리는 매 우 민감한 비색(colorimetric) 검사를 개발하였다. 여기서, 인플루엔자 바이러스를 펨토 그램/밀리리터 농도까지 관 측하기 위해 실리카 껍질을 가진 자성 나노 입자와 금 나 노 입자를 결합하였고, 초 민감 센싱을 위한 두 가지 필수 전략, 즉 나노 입자를 이용한 손쉬운 타겟 분리와 금 나노 효소(Au NanoZymes)의 효소성 활동(enzyme like activity) 으로 인한 신호 증폭을 계획하였다. 효소성 활동은 실험적 으로, 그리고 컴퓨터를 이용해 확인되었고 Au NanoZymes 의 효소성 활동은 일반적인 생물학 효소의 것과 비교해 엄청나게 강력했다. 인플루엔자 바이러스를 탐색하는 스 파이크 테스트에서 5.0 × 10^-15-5.0 × 10^-6 g/mL 영역에 일직 선의 선형 그래프가 나타났다. 인간의 감지 한계는 5.0 × 10^-12 g/mL에 불과하고 ELISA 기반 기술을 사용한 마이크 로 플레이트 리더를 통한 인플루엔자 바이러스의 가장 낮 은 관측 기록은 44.2 × 10^-15 g/mL로 알려져 있다. 임상적 으로 독립된 인간 혈청 샘플은 2.6 PFU/mL의 관측 한계 로 성공적으로 관찰되었다. 그러므로 이 새로운 Mag LISA는 측정할 수 있는(fathomable) 샘플 분리, 향상(enrichment), 초 민감 판별(readout), 안티-간섭(anti-interference) 능력이 진보된 강력한 센싱 플랫폼이 인플루엔자 바이러 스의 확산을 줄이고 즉각적인 임상 치료를 가능케 한다는 것을 보여주었다[34, 36, 37].

인플루엔자 바이러스뿐만 아니라 결핵 박테리아에 대한 검출에서도 우리는 자성 나노 입자를 이용하여 연구를 진 행하였다. 결핵 마이코 박테리아(MTB)에 대한 민감한 현 장진단 가능 혈청 진단 툴이 발전하게 되면서 현존하는 결핵 진단의 결점을 메우고 있다. 우리는 2개의 나노 자임 프로브 기반 색도 측정 효소 연동 면역 흡착 검사(ELISA) 를 사용하여 초음파 항원 기반 결핵 검출 기법과 세균 성 장 모니터링 전략을 설계하였다. 안티 배양 여과액 단백질 -10(CFP-10)으로 파편화 한(factionalized) 자성 나노 입자 프로브가 CFP-10 항체를 임상 샘플로부터 분리했다. 반면 에 금 코어와 팔라듐 껍질(Au@Pd) 나노 자임 검출 프로브 는 촉매반응으로 시판되는 발색 기질(commercially available chromogenic substrate) 3,3’,5,5’-테트라메틸벤지딘(TMB) 를 산화시켜 농도의 영향을 받는 색조를 신호의 척도로써 이끌어냈다. 발전된 MNB-Au@Pb NZ 샌드위치 ELISA는 MTB가 배양액에 분비한 CFP-10 항체를 이용해 박테리아 의 초기 성장을 감지한다. 검출 한계는 5.6 × 10^-12 g/ml까 지 내려갔으며 선형 색조 범위는 5.0 × 10^-13과 5.0 × 10^-4 g/ ml 사이였다. 나아가, 활성 결핵균은 임상적으로 분리된 인간 혈청(40개 샘플)과 소변(28개 샘플)과 각각 92%(민 감도: 93%; 특정도: 91%)와 92%(민감도: 92%; 특정도: 95%)의 정확도로 구별되었다. 이러한 NZ 기반의 비색 ELISA는 항체 기반 임상 진단에 강력하고 민감한 분석 기 법을 제시하고 기타 피부질환과 같은 임상분야로의 응용 가능성을 시사하였다[38].

Fig. 4

Illustration of magnetic field-indued 3D Ag@Fe₃O₄ magnetoplasmonic nanoassembly for oxygen reduction reaction (ORR) and reactivity enhancement using external magnetic field (B) Reproduced L.T. Tufa, K.-J. Jeong, V.T. Tran, J. Lee, ACS applied materials & interfaces, 2020, 12, 6598-6606. (ref [30]). Copyright 2020 American Chemical Society.

Fig. 5

Working principle for the quantification of influenza viruses using MagLISA based colorimetric diagnostics kit. Reproduced S. Oh, J. Kim, V.T. Tran, D.K. Lee, S.R. Ahmed, J.C. Hong, J. Lee, E.Y. Park, J. Lee, ACS applied materials & interfaces, 2018, 10, 12534-12543. (ref [34]). Copyright 2018 American Chemical Society.

6. 결 론

자성 나노 입자 합성은 산업구조상 최종 수요처에 적합 한 맞춤형 원재료의 공급이 중요하다. 이를 위해 표면 개 질, 크기/모양 변경, 다양한 공정이 개발되어야 한다. 본 연 구진은 자성 나노 입자의 수열/용열 합성법(hydrothermal/ solvothermal synthesis)을 이용한 정교한 대량생산 합성법 의 개발로 크기 균일성/가변성, 높은 자화도, 입자 분산성 을 확보하였고, 바이오, 광학, 센싱, 에너지 촉매 분야에 분리 분석, 표면개질을 이용한 구조색 광학, 에너지/촉매 등에 응용 예를 보여주었다. 본 논문은 지난 10여 년간 본 연구실에서 개발한 자성 나노입자, 특히 자성나노입자와 금속나노입자를 양자적 범위 내에서 혼성한 나노하이브리 드(다른 말로, 마그네토플라즈모닉 입자)의 합성 및 특성, 이의 응용(광학, 전기화학, 에너지, 촉매, 바이오)에 대한 전형적인 예들을 보고하였다. 여전히, 높은 자화도, 매우 정교한 나노 입자의 합성, 표면 개질, 분산성 향상에 대한 수준 높은 공정 개발이 요구된다.

Acknowledgements

감사의 글

본 논문은 한국분말야금학회의 ‘고성능 고부가가치 미 래자성소재연구회’ 사업의 지원으로 수행되었으며 이에 감사드립니다.

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Figure & Data

References

Citations

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