Nanoplasmonics

1. 표면 플라즈몬 공명 특성

도체인 금속의 내부에는 수많은 자유 전자들이 존재하는데 자유 전자는 금속 원자에 속박되어 있지 않으므로 외부의 특정 자극에 쉽게 감응할 수 있다. 특히 금속이 나노 크기가 되면 이러한 자유 전자의 거동에 의해 표면 플라즈몬 공명 (Surface Plasmon Resonance) 특성이 나타나 독특한 광학적 성질을 가진다. 표면 플라즈몬 공명은 도체인 금속 나노 입자 표면과 공기, 물 등의 유전체 사이에 빛이 입사되면 빛이 가지는 특정 에너지의 전자기장과의 공명으로 인하여 금속 표면의 자유 전자들이 집단적으로 진동하는 현상을 말한다. 특히 금, 은, 등으로 이루어진 귀금속 나노 입자는 가시광 영역의 빛과 강하게 공명하며, 유기 염료에 비해서 흡광 및 산란이 매우 강하게 나타나며 광표백 및 산화에 대한 안정성이 크므로 기존의 유기 염료를 대체할 새로운 광학 물질로 주목 받고 있다. 표면 플라즈몬 공명의 주파수는 금속 나노 입자의 크기나 형태, 분산되어 있는 용매 등에 의해서 달라지므로 이들을 조절하여 다양한 파장의 빛을 이용한 응용에 적용할 수 있다. 본 연구실에서는 다양한 금속 나노 구조를 디자인하고 합성하여 그 플라즈몬 특성을 규명함으로써 생물학적으로 활용하는 것을 목표로 하고 있다.

그림1. 표면 플라즈몬 공명의 모식도 (J. Phys. Chem. B, 2003, 107, 668-677)

그림2. 금속 나노 입자의 생물학적 응용

2. 암세포의 광열 치료에 대한 연구

광열 치료는 특정 파장의 빛(혹은 전자기파)을 받아서 열을 발생시킬 수 있는 물질을 이용하여 빛 에너지를 열에너지로 전환, 국소 부위의 세포들을 열 생성에 의해 괴사시키는 치료 방법이다. 암세포의 경우 정상 세포에 비해 열에 약한 특성을 가지고 있으므로 암세포에서의 선택적 온도 상승은 치료 효과의 극대화로 발전될 수 있다. 금속 나노 입자의 표면에 집광된 빛 에너지는 열 에너지로 방출될 수 있는데 금속 나노 입자의 뛰어난 집광 효과와 넓은 부피 대비 표면적으로 인해 세포를 사멸시키기에 충분한 에너지를 제공할 수 있다. 이러한 광열 치료 요법에는 주로 근적외선 영역의 빛이 사용되는데 헤모글로빈이나 물 등의 생체 분자의 흡수, 산란에 의한 투과 깊이의 제한이 비교적 작기 때문이다. 특히 암조직의 특유의 저산소 환경 및 활발한 세포내입에 의한 산도 환경의 높은 노출 빈도 수는 산성의 환경에서만 선택적으로 응집체를 형성하여 근적외선을 흡수하는 지능형 금 나노입자의 광열 치료의 선택성을 더욱 향상시킬 수 있으며, 항암 약품을 같이 적용하여 시너지 효과를 유도할 수 있다. 금 나노 입자의 응집체 형성은 다른 여러가지 방법으로도 가능한데 또 다른 예로, 생체 물질인 DNA를 수화젤로 합성한 DNA 수화젤을 이용한 생체 주형틀-나노입자 복합체 합성으로도 응집체 형성 및 항암제 방출을 통한 복합치료 효과를 기대할 수 있다. 이와 같이 종양 선택적으로 근적외선 영역의 빛을 흡수할 수 있는 금속 나노 복합체의 개발을 통해 항암 치료에 활용 할 수 있다.

그림3. 암세포에서 항암제 방출 및 근적외선을 흡수하는 금 나노 입자를 이용한 복합 치료 (ACS Nano, 2013, 7, 3388-3402)

그림4. 근적외선을 흡수하고 항암제를 방출하는 DNA 수화젤-나노입자 복합체를 통한 광열 및 화학적 복합치료.
(J. Chem. Mater. B, 2015, 3, 1537-1543)

3. 암시야 현미경을 이용한 이미징

일반적인 투과 모드의 현미경에서는 특정 물체에서 투과된 빛을 관찰하게 되지만 암시야 현미경은 산란된 빛을 관찰할 수 있다. 금속 나노 입자는 표면 플라즈몬 특성으로 인해 공명 주파수의 빛을 매우 강하게 산란하므로 암시야 현미경 상에서 매우 선명하게 관찰된다. 또한 현미경 관찰에 있어 주변과의 대비를 나타내는 방법으로 물체로부터 산란된 빛만 보여주므로 굴절률이 비슷한 물질도 구분해 낼 수 있다. 이를 이용하여 단일 입자 수준에서 나타나는 표면 플라즈몬 특성을 연구할 수 있으며, 금속 나노 입자를 광학 표지자로 응용하여 세포 등의 생체 이미징에 활용할 수 있다.

그림5. 나노 입자 (좌) 및 금 나노 입자가 내입된 암세포 (우) 의 암시야 현미경 사진.(J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 13639-13645)

4. 지능형 금 나노입자를 이용한 광음향 영상

광음향(PA) 영상화 기법은 초음파와 광학 영상의 개념이 결합된 하이브리드 형태의 영상 기법으로 헤모글로빈의 산소 포화도, 혈액 순환, 생체 조직의 형태학적 정보와 같은 생체 분자 기능적 정보를 제공 가능한 비이온화적인 생의학적 영상방법으로 알려져 있다. 이러한 특성들은 암과 같은 특정한 생체 반응 관찰을 포함하는 다양한 생의학적 연구에 적합하다. 광음향 영상에서 영상의 선명도는 관찰 부분의 높은 광흡수 성질에 좌우되며, 생체 투과도가 높은 적외선 영역에서 이러한 특성을 지닌 조영제를 투입하면 선명도를 향상시킬 수 있다. 지능형 금 나노입자는 암 미세환경과 같은 약산성 환경에 감응하여 표면 전하가 바뀌어 응집체를 형성하며, 이러한 응집 현상은 나노 입자의 흡광 파장영역을 근적외선 영역으로 유도하게 되기 때문에 정상 생체 pH 환경에 비해 약산성 환경에서 PA 신호 증가를 관찰 할 수 있다. 높은 종양 축적 및 PA 증가 효율은 세포와 소동물 실험을 통해 확인하였다. 지능형 금 나노 입자는 전달하고자 하는 표적 관측 및 전달되는 약물의 반응을 실시간으로 확인 하는 약물전달 시스템의 새로운 플렛폼이 될 수 있을 것으로 기대된다.

그림6. 암 미세환경에서 응집체를 형성, 근적외선을 흡수하는 지능형 금 나노 입자를 이용하여
암 조직 및 정상 조직의 차이를 광음향 영상을 통해 관찰.(Chem. Commun., 2016, 52, 8287-8290)