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일반적으로 생체물질이나 약물 등은 자신만의 독특한 광학 이성질체 구조를 가지는데, 이러한 입체적 구조의 특이성은 생명유지를 위해 필수불가결한 요소 중 하나입니다.

따라서 생명 메커니즘 규명을 위해 생체분자의 입체구조에 대한 분석 연구는 반드시 필요합니다.

그러나 광학 이성질체가 발생시키는 광학활성 신호의 세기는 아주 미세하여 빛의 작은 요동에도 큰 영향을 받기 때문에 기존 방법에서는 이를 펨토초(1조 분의 1초 이하) 시간영역에서 측정하는 것이 매우 어려운 일입니다.



■ 한국기초과학지원연구원 이한주 박사팀과 고려대 조민행 교수 공동 연구팀이 생체물질 등 광학 이성질체의 입체구조를 극히 짧은 시간영역에서 분석할 수 있는 초감도 광학활성 측정기술을 개발했습니다.

이번 연구결과는 오직 단 하나의 펨토초(1조 분의 1초 이하) 레이저 펄스만으로 물질의 입체구조에 대한 분석이 가능함을 실험적으로 증명한 것으로, 생체물질에 대한 기존 측정원리의 한계를 근본적으로 해결할 수 있는 새로운 방법을 제시한 것입니다.

이번 연구성과를 통해 연구팀은 단 하나의 펨토초 레이저 펄스만으로도 미세한 광학활성 신호를 획득하는 것이 가능하다는 것을 성공적으로 보여주었습니다

또한 기존의 측정 방식인 두 종류의 서로 다른 빛을 사용하는 방식이 갖는 빛의 요동과 신호 정밀도, 느린 시간 분해능 문제를 근본적으로 해결했습니다.

이번 연구결과는 단백질, DNA 등과 같은 생체 내 근본적인 생화학 반응과 비대칭 촉매의 화학 반응 메커니즘 규명연구에 활용될 전망입니다.

또 고감도 신호분석을 이용한 고속 약물 스크리닝 연구 및 차세대 분광기기 개발에 활용하여 바이오 관련 산업분야의 발전도 기여할 전망입니다.
 
이번 연구결과는 물리학 분야의 저명 학술지인 Physical Review Letters誌(IF=7.621)에 2012년 3월 9일자 온라인판으로 발표되었습니다.
(논문명 : Single-Shot Electronic Optical Activity Interferometry : Power and Phase Fluctuation-Free Measurement)

입사광을 한번은 원형 좌편광 또 한번은 원형 우편광된 빛으로 만들어 둘의 흡수세기의 차이를 측정함. 빛의 요동에 큰 영향을 받음.

(a) 단일 펨토초 레이저 펄스에 의한 광학활성 측정장치 개략도 및 (b) 광학 이성질체 유기 분자에 대한 실험결과

 용  어  설  영

광학 이성질체 / 광학 활성 :
사람의 왼손과 오른손은 서로 거울상이다.
이 둘은 비슷하게 생겼지만 공간상에서 완전히 포개어 겹쳐질 수 없다.
분자들 중에도 마치 사람의 왼손과 오른손처럼 그 거울상과 서로 포개질 수 없는 것들, 즉 3차원 입체 구조가 서로 다른 것들이 있는데 이를 광학 이성질체라 한다.
그 이유는 이들이 빛에 대해 서로 상이한 특성을 가지기 때문이다.
즉, 광학 이성질체는 원형 좌편광 또는 우편광 된 빛(진행함에 따라 그 편광 방향이 왼쪽 또는 오른쪽으로 회전하는 빛)과 서로 다른 상호작용을 하여 빛의 흡수 차이 또는 속도 차이를 발생시키는데 이러한 성질을 광학 활성이라 한다. 따라서 광학 활성은 분자의 3차원 입체 구조에 대한 유용한 정보를 제공한다.

펨토 초 레이저 :
펨토(femto)는 나노(nano), 피코(pico) 다음에 오는 단위로 펨토 초는 1000조 분의 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. 
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.

posted by 글쓴이 과학이야기

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