• 공업화학전망
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• 제22권6호
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• pp.41-58
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• 2019

다공성 실리콘 나노 입자는 약물 전달과 바이오이미징 등 의생명공학 분야에 다양하게 활용할 수 있는 가능성을 지닌 소재이다. 실리콘 원소 특유의 생분해성, 발광 효과, 다공성 구조 형성을 통한 약물 전달 기능에 이르는 다양한 특성으로 인해 미래 중개의학 플랫폼으로 각광 받고 있으며, 특히 바이오이미징 분야에서의 활용성이 매우 주목 받고 있다. 이에 대한 최신 연구 동향을 보고하고자, 다공성 실리콘 나노 입자의 제작 및 바이오이미징 응용 연구에 대한 성과를 소개한다. 바이오이미징을 위한 핵심 요소인 발광 특성(근적외선 방출, 마이크로 초 단위의 감쇄 시간 등)에 대한 논의를 바탕으로 최근 연구 성과 및 약물 전달 과정 모니터링 기능 등 다방면의 응용 가능성에 대한 방향을 소개한다. 실리콘 나노 입자의 제작 및 표면 화학 반응을 통한 기능성 제어, 이를 활용한 바이오이미징 연구 동향에 대한 전략도 광범위하게 제시하고자 한다.

• 공업화학
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• 제33권1호
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• pp.17-27
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• 2022

형광 이미징은 시간 분해능과 공간 해상도가 높기 때문에 기초연구에서 세포나 소동물 이미징에 널리 활용된다. 기존의 형광 이미징은 가시광선 영역의 광원을 활용하기 때문에 조직 내 광투과도가 낮고, 광원에 의한 광독성이 생길 수 있으며, 자가형광에 의한 간섭으로 검출 민감도가 떨어지는 한계가 있다. 이러한 점을 개선하기 위해 에너지가 낮은 장파장의 광원을 활용하고자 하며, 700~900 nm 영역을 활용하는 근적외선-I 형광 이미징이 개발되었고, 이미징 성능을 대폭 향상시키기 위해서 1000~1700 nm 영역의 장파장을 이용하는 근적외선-II 이미징이 연구자들의 관심을 받고 있다. 근적외선-II 영역은 광산란이 최소화되어 생체조직 내 투과도를 약 10 mm까지 향상시킬 수 있고, 생체조직의 자가형광도 최소화되어 고민감도와 고해상도의 형광 이미징이 가능하다. 본 총설에서는 다양한 근적외선-II 형광 이미징 탐침 중에서 광안정성이 뛰어나고 발광 파장 조절이 용이한 무기 나노입자 기반 탐침에 대해 살펴보았고, 그 중에서 단층 탄소 나노튜브와 양자점 및 란탄족 나노입자에 대해 중점적으로 기술하였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2015년도 제49회 하계 정기학술대회 초록집
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• pp.223.1-223.1
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• 2015

본 연구에서는 지름이 다른 두 개의 디스크가 적층된 구조를 갖는 금 나노 구조체를 제작하고 그 광학적 특성에 대해 연구하였다. 나노임프린팅을 통하여 패턴된 폴리머 포어 어레이에 금 박막을 증착하고, 포어 내부에 증착된 금 나노구조체를 선택적으로 수거하는 방법을 이용하였다 [1]. 특히 금 증착 시, 빗각으로 증착 (oblique-angle deposition)을 하여 지름이 다른 두 개의 디스크가 적층되어 있는 구조를 형성하는 것이 가능하였다. 증착 각도의 조절을 통해 적층된 두 디스크의 지름 비율을 변화시킬 뿐만 아니라, 2차원 디스크 형태의 나노구조체부터 3차원 디쉬 형태의 구조체도 제작이 가능함을 확인하였다. 제안된 하향식 나노공정을 통하여 합성된 금 나노구조체를 이용하여 광열 전환(photothermal heat conversion)과 광 간섭성 단층 (optical coherence tomography) 측정을 진행하였고, 서로 다른 두 개의 디스크가 적층된 형태의 금 나노구조체는 상용 금 나노로드 (Au nanorod) 보다 높은 광 열 전환 효율을 갖을 뿐 아니라 우수한 OCT 이미징 특성을 보였다. 광열 전환 및 OCT 이미징 실험 결과는 각각 플라즈모닉 나노구조의 광흡수, 광산란 특성에 기반하므로, 본 연구를 통하여 제안된 금 나노구조체는 광흡수 및 광산란을 기반한 바이오이미징 나노프로브로 유용하게 사용될 수 있을 것으로 전망된다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제57권4호
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• pp.445-454
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• 2019

Layered double hydroxides (LDHs) 나노입자는 특유의 층상형 결정구조에서 기인된 물리화학적 물성 및 생체친화성을 바탕으로 나노-바이오 분야에서 주목을 받고 있다. 바이오 이미징은 질병의 진단과 치료(테라노스틱스, theranostics=therapy+diagnosis)에 다양하게 활용될 수 있는 핵심적인 분야로 차세대 맞춤의학으로의 새로운 패러다임 실현을 위해서 보다 정확하고 빠른 진단기술이 절실히 요구되고 있다. 이를 실현하기 위한 대안으로 나노기술이 접목된 고감도 분자영상 관련 연구들이 활발히 진행되고 있다. 본 총설에서는 LDH 나노입자를 기반으로 하는 바이오 이미징 시스템의 개발동향에 관하여 소개하고 바이오 이미징에 적합한 나노소재의 구조 및 합성 방법에 대하여 설명하였다. 또한 임상 의학에서 현재 많이 사용되고 있는 형광을 이용한 광학영상, 자기공명영상(MRI), 핵의학영상(PET), 컴퓨터 단층 촬영(CT) 등 다양한 분야에서 어떻게 LDH 나노입자를 이용하여 나노 프로브 개발을 할 수 있는지 연구사례를 기술하면서 나노기술과 첨단영상기술이 융합된 획기적인 고감도 나노 바이오 이미징 시스템 개발 및 그 잠재력에 대하여 전망해 보았다.

• 융합정보논문지
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• 제8권5호
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• pp.45-50
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• 2018

형광 염료가 도핑 된 실리카 나노입자는 DNA 마이크로 에레이와 같은 바이오 라벨링 및 바이오 이미징에 활용되고 있으며, 높은 생체 적합성과 낮은 독성 및 높은 친수성의 특성을 가지고 있어 많은 주목을 받고 있는 기능성 나노소재이다. 본 논문에서는 형광 유기염료를 에탄올과 탈이온수에 각각 용해시킨 후 형광염료를 실리카 나노입자에 물리적으로 흡착시키는 방법과 화학적으로 도핑 시키는 방법으로 실리카 나노입자를 합성한 후 365 nm 파장의 자외선을 조사하여 형광특성을 분석하였다. 연구결과 형광 염료를 물리적으로 흡착시킨 실리카 나노입자보다 화학적으로 형광 염료를 도핑 시킨 실리카 나노입자의 형광특성이 우수하였으며, 도핑 된 형광 염료의 양이 많을수록 형광특성이 우수하였다. 형광 염료를 용해시키는 용매의 경우, 에탄올이 탈이온수와 비교하여 탁월한 형광 특성을 나타내었다. 또한 순수한 형광 염료와 형광 염료가 도핑된 실리카 나노입자의 광안정성을 조사한 결과, 형광 염료가 도핑 된 실리카 나노입자의 광안정성이 보다 우수한 것으로 나타났다. 이러한 연구결과를 바탕으로 형광염료가 최적으로 도핑 된 실리카 나노입자를 바이오 이미징 에이전트로 사용한다면 높은 광안정성과 형광특성으로 인하여 인체 내부의 생체 모니터링에 유용하게 활용될 것으로 전망된다.

• 한국광학회지
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• 제22권1호
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• pp.46-52
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• 2011

본 연구에서는 레버 증폭 구조를 이용한 플렉서 기반의 나노 스테이지를 설계, 제작하였다. 제작된 나노 스테이지를 샘플 스테이지로 채용한 공초점현미경을 개발하였다. 2차원 이미징의 구현을 위해서, 기존의 공초점현미경은 레이저를 이미징 평면상에 스캐닝하는 방식으로 구현된다. 본 연구에서는 백 나노미터의 구동정밀도를 가지는 나노 스테이지 위에 놓인 샘플을 2차원으로 스캐닝하면서 2차원 이미지를 구현할 수 있는 공초점현미경을 개발하였다. 플렉서 기반의 나노 스테이지는 이중 판스프링, 변위증폭 레버, PZT 엑추에이터 그리고 변위 센서로 구성 되어 있다. 스테이지의 구동 성능 해석을 위해 상용 유한요소 해석 프로그램을 이용하였다. 현미경에 사용되는 광원은 적색광 레이저이며, 레이저는 여러 광학요소를 거쳐 샘플스테이지의 샘플에 입사되고, 반사된 빛은 광센서인 PMT(Photo Multiplying Tube)로 계측되게 된다. 계측된 빛의 크기를 이용하여서 2차원 이미징을 구현하였다. 개발된 공초점 현미경으로 생쥐 귀의 피부조직을 관찰하여 현미경의 이미징 성능을 검증하였다. 설계된 샘플 스테이지는 기존의 공초점 현미경의 기계적인 Beam 스캐너를 대신함으로써 현미경의 광경로 및 전체시스템을 간소화 하였다.

• 한국광학회:학술대회논문집
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• 한국광학회 2008년도 하계학술발표회 논문집
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• pp.165-166
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• 2008

• 한국정보통신학회:학술대회논문집
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• 한국정보통신학회 2012년도 춘계학술대회
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• pp.916-919
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• 2012

분자 수준의 크기인 세포 내에서 일어나는 현상들을 영상화하는 바이오 이미징 분야는 단백질이나 DNA 등에서 일어나는 현상까지도 공초점 형광현미경을 이용하여 영상으로 또렷이 관찰할 수 있는 수준으로 발전하였다. 따라서 생체 형광 이미징 분야는 진단과 치료를 위해 의료 임상 분야에서 필수적으로 사용되고 있다. 본 논문에서는 시공간의 제약을 받지 않고 형광 이미지를 분석할 수 있는 모바일용 형광이미지 분석통합 관리 시스템을 개발하였다. 개발된 시스템은 서버 클라이언트 기반이며 형광이미지의 강도 값을 분석하고 통합 관리하기 위한 기능을 제공한다. 본 시스템은 의료인이 언제 어디에서나 응급환자의 형광이미지 사진을 분석하여 진단을 내릴 수 있도록 돕기 때문에 유비쿼터스 헬스를 구현하기 위한 수단이 된다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2015년도 제49회 하계 정기학술대회 초록집
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• pp.229.1-229.1
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• 2015

생체 시료인 세포나 조직을 분석을 위해 임의로 파괴하거나 훼손하지 않은 본래의 상태에서 세포에 존재하는 다양한 생체분자 물질의 질량과 조성을 분석하고 영상화할 수 있는 대기압 표면 질량분석 이미징 기술을 개발했다. 생체 시료의 표면을 질량 분석을 하기 위해서는 대기압 분위기에서 시료에 열적 손상이 없는 조건으로 시편의 이온화 및 탈착 과정이 이루어지게 하기 위해 저온 대기압 탈착/이온화원으로 저온대기압 플라즈마 젯과 펨토초 적외선 레이저를 결합하여 대기압 이온화원을 제작하였다. 기존에 잘 알려진 저온 대기압 플라즈마 젯 소자는 유리관에 방전기체를 흘려주고 전극에 고전압을 인가하는 방식으로 제작했으며, 또 다른 대기압 이온화원으로서 근적외선 대역의 고출력 펨토초 레이저 빔을 현미경용 대물렌즈로 집속하여 생체시료에 조사시켰다. 수백 나노미터에서 수 마이크로미터 수준으로 빔을 집속할 수 있는 펨토초 레이저는 금나노로드의 도움으로 생체 시료를 매우 작은 수준으로 탈착하는 데 주로 사용하며, 수십 마이크로미터에서 수 밀리미터 정도의 크기를 가지는 저온 대기압 플라즈마 젯은 탈착된 물질을 이온화시키는데 사용하여, 이 두 가지 이온화원을 결합하여 이온화원으로 사용한다. 시료에서 발생한 이온을 질량분석기 입구까지 잘 끌고 갈 수 있도록 이온 전달관을 설계하고 보조펌프를 장착 사용한다. 이렇게 자체 개발한 대기압 이온화원을 상용 질량분석기기와 결합하여 대기압 분위기에서 시료의 표면을 질량분석할 수 있는 시스템과 측정 기술을 개발했다. 현미경 스테이지에 정밀 2-D 자동 스캐닝 스테이지를 장착하여 질량분석 정보에 공간 정보를 더할 수 있는 질량분석 이미징 기술 방법을 개발하여 생체 시편의 질량분석 이미징을 얻었다. 수분을 포함하는 생채시료로부터 단백질, 지질, 대사물질을 직접 분리하여 분석하는 이 새로운 질량분석법은 기존의 분석법에 비해 훨씬 더 많은 생체분자 정보를 얻을 수 있으며 공간정보를 더해 영상화할 수 있는 큰 장점이 있다. 대기압 표면 질량분석 기술은 생체시료를 파괴해서 용액화할 필요도 없으며, 진공 챔버에 넣기 위해 필요한 복잡한 전처리 과정 단계를 간략화 할 수 있으며 최종적으로는 살아있는 세포나 생체 조직도 정량 분석이 가능하여 생명과학 및 의료진단 분야에서 응용할 수 있는 분야는 무궁무진할 것이다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2012년도 제43회 하계 정기 학술대회 초록집
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• pp.68-68
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• 2012

근래 탄소 단원자 두께의 2차원 결정재료인 그래핀은 연구자들에게 연구대상물질로 가장 각광 받고 있지만 그 합성법 및 이에 따른 분석법은 매우 제한되어 있다. 특히 분석의 핵심인 결정구조 및 원자구조 등을 탐구하기 위해서는 투과전자현미경(TEM)의 이용이 필수적이다. 최근 수차보정 기법을 이용한 투과전자현미경의 비약적인 발전으로 인해 탄소와 같이 가벼운 원소의 단원자까지 이미징해 낼 수 있는 수준에 이르고 있지만 정확한 그래핀 분석을 위해서는 전자현미경의 기본적인 이해와 분석사례 중심으로 깊이 있게 분석법을 살펴보는 것이 유용하다. 본 Tutorial에서는 전자현미경의 기본적인 이론과 최첨단 투과전자현미경의 소개, 그리고 이 투과전자현미경을 이용한 그래핀의 분석 방법과 그 사례들, 제한점등에 대해 알아본다. 그래핀의 층수분석을 위한 전자회절법, 그래핀의 결정입계 분석을 위한 전자회절, 암영상법 및 원자분해능 이미징, STEM영상 기법, 그래핀을 나노재료 분석에 지지막으로 이용하는 방법, bilayer 그래핀 등에 대해 살펴본다. 그리고 저전압에서 작동하는 저손상 단원자 분해능의 성능과 미래의 응용 가능성, 발전방향등을 전망해 본다.