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분자 세계를 바라보는 다양한 시선, 다차원 분광학

9월 12 업데이트됨

여기 미지의 물질이 있습니다. 이 물질에 관해 전혀 알고 있는 것이 없다면, 무엇부터 해야 할까요? 아마 이 물질의 화학 구조를 알아내는 것이 가장 확실한 방법일 것입니다. 화학자들이 이를 위해 사용하는 방법이 바로 분광학입니다. 분광학은 물질에 빛을 쏘여 흡수되는 정도나, 빛에 대한 여러 반응을 통해 분자의 구조를 파악하는 학문입니다. 이번 기사에서는 분광학 중에서도 새롭게 연구되고 있는 분야인 다차원 분광학이 무엇인지 알아보고, 국내 대학 또는 연구소에서 진행되고 있는 다차원 분광학 연구를 몇 가지 소개하고자 합니다.

다차원 분광학

다차원 분광학은 여러 정보를 한 번에 얻을 수 있게 하는 분광 기법을 연구하는 학문입니다. 좌표계를 떠올린다면 이해가 쉬울 것입니다. 1차원에서는 한 번에 x축에 해당하는 정보 한 가지만 얻을 수 있습니다. 2차원이 되면 y축이 추가되어 총 두 가지의 정보를 얻을 수 있게 됩니다. 같은 방법으로 축의 개수를 늘려나가면, 새로 생긴 축의 개수만큼 더 많은 정보를 얻을 수 있습니다. 다차원 분광학도 마찬가지입니다. 하나의 변수만 두고 분석하는 것이 아니라, 여러 변수를 한 번에 고려할 수 있는 분광 기법을 개발해 여러 정보를 얻어 분석합니다.

다차원 분광학이 가장 먼저 시작된 분야는 NMR(핵자기공명분광법)입니다. 반면 적외선이나 가시광선으로 다차원 분광학적 방법을 확장시키는 것은 기술적으로 어려워 개발되기까지 오랜 시간이 걸렸습니다. 그러던 중 펨토초 레이저 펄스 기술이 개발되면서 다른 파장의 빛에서도 다차원 분광 기법을 적용시킬 수 있게 되었고, 1990년대부터 다차원 분광학이 다시 주목받기 시작했습니다.

다차원 분광학 스펙트럼의 예시(2D IR 스펙트럼)

위 그림에서는 시간에 따른 2차원 IR 스펙트럼의 변화를 보여주고 있습니다. 시간의 변화를 볼 수 없었던 기존의 분광 기법과 달리 다차원 분광학에서는 짧은 시간 단위로 나누어 시간에 따른 스펙트럼의 변화를 볼 수 있다는 장점이 있습니다.

CRASY(상관 회전 정렬 분광학)

상관 회전 정렬 분광학, CRASY(Correlated Rotational Alignment SpectroscopY)는 두 개의 레이저 펄스를 이용해 원자를 회전 시켜 정보를 얻는 분광 기법입니다. UNIST 토마스 슐츠(Thomas Schultz) 교수님의 연구팀이 개발한 방법으로, 한 번의 실험으로 여러 분광학 정보를 얻을 수 있는 다차원 분광학의 일종입니다.

이 기법에서는 두 번의 레이저 펄스를 사용합니다. 첫 번째에는 분자를 정렬시키기 위한 레이저, 두 번째에는 분자를 이온화시키기 위한 레이저가 사용됩니다. 분자를 정렬시키는 첫 번째 레이저는 ‘코히런트 회전 동작(Coherent Rotational Motion)’을 만드는 역할을 한다고도 말하는데, 레이저 펄스를 통해 분자를 정렬하고 회전 방향을 일치시키는 것입니다. 두 번째 레이저는 정렬된 분자를 고에너지 상태로 만들고, 이온화시킵니다. 이때, 첫 번째 단계의 필요성이 드러납니다. 레이저를 이용해 분자를 고에너지 상태로 만들기 위해서는 분자가 정렬되어 있어야 하는데, 첫 번째 레이저를 통해 두 번째 단계가 진행될 수 있도록 하는 것입니다. 또한, 분자가 고에너지 상태가 되었을 때 분자의 회전 상태를 관찰할 수 있습니다. 두 번째 레이저를 사용한 후 분자가 이온화되면 질량 분석기를 통해 분자의 질량을 분석하고, 방출된 전자를 통해 전자 구조에 대한 정보를 얻습니다. 두 번의 레이저 펄스를 통해 회전 상태, 분자의 질량, 전자 구조에 대해 알 수 있게 되는 것입니다.

CRASY 방법을 이용해 이황화탄소 분자를 회전시켰을 때의 시간 변화에 따른 분자 회전, 질량에 대한 정보가 함께 표현되어 있다.

CRASY는 기존의 분광 기법과 달리 정제되지 않은 시료를 분석할 수 있다는 장점이 있습니다. 기존의 방법들은 시료에 불순물이 섞여 있으면 크게 영향을 받아 제대로 된 결과를 낼 수 없었습니다. 그러나 CRASY는 다른 분자의 신호를 각각 분류해낼 수 있기 때문에 다른 물질이 섞여 있어도 분석할 수 있고, 더 나아가 이성질체나 동위원소가 포함된 물질도 각각 신호를 분리해내 분석할 수 있습니다. 토마스 슐츠 교수님의 연구실에서는 이 방법의 특징을 살려, 지금까지 연구한 것을 바탕으로 천체물리학에서 연구하는 반응성 높은 분자의 분광학 정보 해석, 동위원소가 포함된 이성질체의 분석, 생체 분자의 광화학적 반응 메커니즘을 연구할 계획입니다.

분자 고속 촬영

고정되어 있는 분자를 관찰하는 방법은 다양합니다. 그러나 실제로 분자가 특정 기능을 하는 것을 관찰하려면 움직임을 실시간으로 관찰해야 합니다. IBS 분자분광학 및 동력학 연구단이 개발하고 있는 ‘분자 동영상‘이 바로 이를 위한 것입니다. ’분자 동영상‘이라는 말은 연구단에서 자체적으로 붙인 이름으로, 펨토초 레이저 펄스를 이용해서 분자의 움직임을 담아내는 고속 촬영 기술을 말합니다.

빠르게 움직이는 분자를 포착하기 위해서는 분자가 움직이는 시간보다 짧은 시간 분해능을 가진 장비가 필요합니다. 연구단에서 목표로 둔 분자가 1조 분의 1초의 시간 단위에서 움직이기 때문에 그보다 짧은 1000조 분의 1초, 펨토초(fs) 단위의 레이저를 사용했습니다.

2차원 분광학 실험의 한 예시

위 그림은 2차원 분광학 실험의 모식도로, 펨토초 레이저가 샘플과 어떻게 상호작용하는지 보여줍니다. 그림에 나온 것처럼 다양한 각도와 시간 간격의 레이저를 이용하여 얻어낸 신호는 분자의 구조와 어떤 움직임을 가지고 있는지에 관한 정보를 담고 있습니다.

IBS 분자분광학 및 동력학 연구단의 조민행 단장님은 다차원 분광학을 이용하여 다양한 생체 분자 연구를 진행했습니다. 2차원 분광학을 이용하여 광합성 과정에서 초기에 아주 잠깐 일어나는 빛 에너지의 이동을 최초로 관측한 성과로 학계에 이름을 알렸습니다. 이후 2009년에는 키랄 구조를 볼 수 있는 측정법을 개발했는데, 매우 짧은 시간에 달라지는 입체 구조를 펨토초 레이저를 통해 실시간으로 분자를 관찰하며 규명했다는 의의를 가집니다.

앞으로 이 연구단에서는 다른 분야에서도 사용될 수 있는 새로운 다차원 분광학 도구 개발과 분자 이미징에 대해 집중적으로 연구할 계획입니다.

다차원 분광학이 더 발전한다면 지금의 기술로는 분석하지 못했던 물질을 분석할 수 있게 되어 분자 연구의 범위가 넓어질 것으로 기대됩니다. 특히 생체 분자 구조 분석에 큰 영향을 줄 것입니다. 생체 분자의 구조는 이성질체의 영향이 크고, 복잡한 구조를 지닌 경우가 많기 때문에 1차원 분광학으로만은 알아내기 어렵습니다. 또한 분자가 움직일 때 중요한 기능이나 메커니즘을 파악할 수 있기 때문에 분자가 움직이는 상황에서 분석할 수 있는 다차원 분광법의 개발이 필요합니다. 이러한 이유로 다차원 분광학을 연구하는 사람들의 큰 목표 중 하나가 생체 분자의 구조 파악을 위한 기술을 개발하는 것입니다. 오늘 소개한 연구 이외에도 다양한 연구실에서 활발히 다차원 분광학을 연구하고 있으니 앞으로 이 분야에서 더 많은 발전이 있기 바라며 기사를 마칩니다.


참고자료

[1] https://news.unist.ac.kr/kor/unist-magazine-2018-summer_brilliant-thinking/

[2] http://www-personal.umich.edu/~kubarych/multi_d_frame.html

[3] IBS Research 4호 분자 세계의 고속 촬영 해법, 다차원 분광학

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Spectroscopy

첨부 이미지 출처

[1] https://news.unist.ac.kr/kor/unist-magazine-2018-summer_brilliant-thinking/

[2] IBS Research 4호 분자 세계의 고속 촬영 해법, 다차원 분광학

[3] http://www-personal.umich.edu/~kubarych/multi_d_frame.html

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작성자│최우정

발행호│2020년 여름호

키워드#분광학 #다차원분광학


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