거울상 이성질체, 두 개의 레이저로 판독한다-펨토초 다차원 레이저 분광시스템 활용, 새로운 레이저 분광 기술 개발

거울상 이성질체, 두 개의 레이저로 판독한다-펨토초 다차원 레이저 분광시스템 활용, 새로운 레이저 분광 기술 개발

이름 : 관리자 | 작성일 : 2018.12.27 14:33

 

거울상 이성질체, 두 개의 레이저로 판독한다
-펨토초 다차원 레이저 분광시스템 활용, 새로운 레이저 분광 기술 개발-
KBSI-고려대/IBS 연구팀, Journal of Physical Chemistry Letters誌 논문 게재

□ 물질의 분자결합구조가 사람의 왼손과 오른손처럼 두 가지 형태로 존재하는 ‘거울상 이성질체(異性質體)*’를 판독하는 새로운 레이저 분광기법이 개발 돼 세포 내 약물 반응기작 규명 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대된다. * 두 형태가 거울상처럼 대칭적이지만 광학·화학적 성질은 서로 달라 이성질체라고 부름
□ 한국기초과학지원연구원(원장 이광식, 이하 KBSI) 지역본부 서울센터 이한주 박사팀은 고려대학교/기초과학연구원(원장 김두식, 이하 IBS) 조민행 연구단장과의 공동연구를 통해 ‘거울상 이성질체’의 입체화학 구조를 판독할 수 있는 새로운 레이저 분광 기법을 개발하는 데 성공했다.
□ 어떤 물질의 분자가 사람의 오른손과 왼손처럼 거울상 대칭의 두 개의 서로 다른 결합구조로 존재할 수 있을 때 이를 키랄(Chiral) 분자라 하는데, 각 결합구조별로 외부 물질과 서로 다른 화학 반응을 일으킬 수 있어 물질의 촉매반응 및 생체 내 약물반응 연구에서 중요한 역할을 한다.
- 현재 적외선 기반의 키랄 분석법을 통해 1조분의 1초(10-12초) 수준에서 거울상 이성질체 분석 연구가 활발히 진행되고 있지만 작은 신호 세기와 검출 한계로 인해 응용 분야에 제한이 있었다.
□ 연구팀은 하나의 적외선 레이저만을 이용하는 기존의 분석법과 달리, 강한 극초단파 적외선과 가시광선 레이저를 동시에 입사시켜 새로운 파장의 빛을 생성하는 합 주파수 생성(Sum-Frequency Generation) 방식의 광학시스템 장치를 새롭게 고안해 불필요한 배경잡음을 제거하고 신호 검출감도를 상당 수준 향상시켰다.
□ 그 결과 수십 펨토초(10-15초)에 달하는 극초단 시간 영역에서 일어나는 입체화학반응 동역학 연구가 가능해졌고, 공간 분해능도 대폭 향상 돼 광학현미경과 결합시키면 거울상 이성질체의 공간상 분포를 영상화하는 새로운 키랄 이미징 기술 개발에 활용이 가능할 것으로 기대된다.
- 키랄 분자 이미징 기술은 세포 내 약물 반응기작 규명 및 생체 역동성 분석 등 다양한 분야에 활용될 수 있는 미래형 이미징 기술이다.
□ 이번 성과는 화학분야 저명저널인 Journal of Physical Chemistry Letters誌 인쇄판(“Femtosecond Vibrational Sum-Frequency Generation Spectroscopy of Chiral Molecules in Isotropic Liquid”, 제1저자 KBSI 이태곤, 공동교신 KBSI 이한주, 고려대/IBS 조민행)에 12월 6일 게재됐다.
□ KBSI 연구팀은 서울센터에 보유하고 있는 펨토초 다차원 레이저 분광시스템을 이용한 실험과 광학계 설계 및 분광측정 시스템 개발을 주도했고 고려대학교/IBS 조민행 연구단장은 분광이론에 따른 연구결과 분석을 맡았다.
□ KBSI 이한주 박사는 “펨토초 레이저를 이용해 키랄 분자의 입체화학 구조를 식별하는 비선형 분광 기술은 아직 전 세계적으로도 거의 보고된 사례가 없는 매우 도전적인 연구 분야” 라며 “궁극적으로는 이 기술을 광학현미경과 결합시켜 키랄 분자 이미징 기술을 개발하는 것이 그 다음 목표”라고 밝혔다.
☎ 문의처 : KBSI 서울센터     이한주 책임연구원(02-6943-4141)

붙임자료 1 - 용어 설명

1. 키랄 구조 (R형/S형)
‘키랄(Chiral)’의 어원은 사람의 ‘손’을 뜻하는 그리스어에서 유래한다. 사람의 왼손과 오른손은 서로 거울상이면서 비슷하게 생겼지만 공간상에서 완전히 포개어 겹쳐질 수 없다. 마치 사람의 왼손과 오른손처럼 그 거울상과 서로 포개질 수 없는 분자들이 있는데 이를 키랄 분자 또는 거울상 이성질체라고 한다. 키랄 분자의 대표적인 예로 아미노산을 들 수 있는데 아미노산은 탄소 주변으로 서로 다른 4개의 치환기가 연결된 3차원 입체 (정사면체) 구조로 되어 있다. 탄소를 주변으로 4개의 치환기가 붙어 있는 순서 규칙에 따라 R형 및 S형으로 명명하며 R형과 S형 분자는 서로 겹쳐지지 않는 거울상 이성질체이다. 이들은 원형 좌편광 또는 우편광 된 빛(진행함에 따라 빛의 전기장 방향이 왼쪽 또는 오른쪽으로 회전하는 빛)과 서로 다른 상호작용을 하여 빛의 흡수 차이 또는 속도 차이를 발생시키는데 이러한 성질을 광학 활성이라 하며 거울상 이성질체의 3차원 입체 구조가 R형인지 S형인지 판독할 수 있는 유용한 정보를 제공한다.

2. 펨토초 레이저
TV에서 초고속 카메라로 날아가는 총알이 멈춘 것처럼 보이는 장면을 본 적이 있을 텐데 이처럼 순간을 포착하는 과학기술은 꾸준히 발전하여 지금은 ‘1000조분의 1초’의 순간까지도 포착해 내는 ‘펨토과학’수준에 도달해 있다. 펨토(femto)는 나노(nano), 피코(pico) 다음에 오는 단위로 펨토 초는 1000조분의 1초를 말한다. 1 펨토 초는 대략 빛이 0.3 마이크로미터를 움직일 때 걸리는 시간이다. 분자와 원자 세계에서 화학반응이 일어날 때 입자들의 움직임, 생체 내에서 효소가 분자를 떼었다 붙였다 하는 일은 펨토 초 단위에서 일어난다. 예를 들어 광합성이 일어날 때 엽록소가 에너지를 전달하는 시간은 약 350 펨토 초다. 사람이 인식하기도 어려운 이 짧은 시간에 식물은 빛을 받아 에너지로 바꾼 뒤 저장한다. 엽록소뿐만이 아니다. 효소가 유기물에 산소를 붙이는 시간은 약 150 펨토 초, 수소 원자에서 전자가 원자 주변을 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간은 0.1 펨토 초다. 펨토 초 동안 벌어지는 이런 물리, 화학, 생물학적 현상을 연구할 때 주로 쓰이는 것이 펨토 초 레이저다. 펨토 초 레이저는 대략 10~50 펨토 초 동안만 켜졌다 꺼지는 펄스로 이루어져 있다. 깜빡깜빡하는 펄스를 분자나 원자에 쏘면 이 펄스는 펨토 초 시간 동안만 분자를 만나게 되며 반사되거나 투과된 빛에는 분자의 모습이 담겨 있다. 바꿔 말해 펨토 초 만에 찍어 내는 카메라인 셈 이며 펄스를 연사하면 펨토 초라는 ‘찰나’의 시간 동안 분자가 어떻게 움직이는지를 담은 ‘동영상’도 만들 수 있다.

3. 펨토초 다차원 레이저 분광시스템
분자의 초고속 움직임을 펨토초 단위로 실시간 분석할 수 있는 시스템으로 KBSI 서울센터에 소재하며 화학, 생물, 재료분야에서 다양한 물질의 극초단 반응 동역학 규명 연구에 활용하는 선도연구장비이다.

붙임자료 2 - 논문 이미지

붙임자료 3 - 관련 이미지

<[그림 1] 극초단파 펨토초 적외선 및 가시광선 레이저를 이용한 키랄 분광 측정 장치 개략도 및 실제 실험장치 사진>

<[그림 2] 실험에 사용된 거울상 이성질체 R형/S형 리모넨 분자 구조 및 키랄 분광 스펙트럼 측정 결과>

붙임자료 4 - 연구자 사진

<KBSI 이한주 책임연구원>
<KBSI 이태곤 박사후연수원>