이황화탄소의 상관 회전 정렬 스펙트럼. 질량 스펙트럼과 회전 스펙트럼을 결합해 이황화탄소와 동위원소가 포함된 분자들을 한 번의 측정으로 구분할 수 있다.

두번의 레이저로 눈에 보이지 않는 분자의 구조와 질량까지 동시에 파악할 수 있는 기술이 개발됐다.

UNIST(총장 정무영) 자연과학부 화학과의 토마스 슐츠 교수팀은 레이저로 분자 고유의 회전을 관측해 분자 구조와 질량을 모두 파악하는 새로운 기술을 개발했다고 1일 밝혔다.

분자의 회전은 사람 지문 같은 것이다. 분자가 무엇을 중심으로 삼고 어떤 방향으로 돌아가는지를 알면 분자의 본질, 구조를 쉽게 파악 할수 있다.

슐츠 교수는 2011년에 레이저를 두 번 쏘아서 분자를 인위적으로 회전시키고, 관측하는 기술인 ‘상관 회전 정렬 분광학(Correlated Rotational Alignment Spectroscopy, 이하 CRASY)’를 처음 사이언스지에 보고 했다.

이번 기술은 CRASY를 더욱 향상한 것으로 첫 번째 레이저는 분자를 회전시키고, 두 번째 레이저는 회전하는 분자를 관측한다. 두 번째 레이저로 측정한 정보를 분석하면 분자의 구조뿐 아니라 질량, 에너지, 진동 등에 관한 다양한 정보까지 얻을 수 있다.

슐츠 교수는 “기존 분광학에서는 분자의 구조나 질량 같은 정보를 측정하는 개별 기술이 따로 존재해 측정 시간과 비용이 많이 들었다”며 “한 번만 측정해서 다양한 정보를 얻는 빠르고 손쉬운 기술은 세계에서 CRASY 하나뿐”이라고 강조했다.

분자가 회전하는 찰나의 장면을 잡기위해서는 분자를 회전시킨 뒤, 관측용 레이저를 쏘는 시간 간격을 다르게 하면서 각 순간을 잡아낸다.

이 자료는 1피코초(ps, 1조분의 1초)마다 찍힌 전체 스펙트럼이 된다. 전체 측정시간은 레이저 이동거리를 늘려서 지연시키는데, 일반적으로 거울로 레이저를 반사시켜 멀리 돌아가게 만든다.

하지만 실험실에서 레이저 이동거리에 제한이 있다. 이에 슐츠 교수팀은 작은 거울과 전기신호를 이용해 레이저의 이동거리를 90m까지 늘렸다. 그 결과 측정시간은 300나노초(ns, 10억 분의 1초)까지 지연됐고, 그만큼 회전 스펙트럼의 정밀도 높아졌다.

레이저 간격이 300나노초까지 늘어나면 1피코초마다 관측을 300나노초까지 반복하는 등 전체 실험 시간이 길어지자 연구진은 ‘간헐적 샘플링’ 기술로 전체 측정 영역 중 극히 일부만 무작위로 선정해 관측했다. 덕분에 전체 측정시간이 기존 대비 수십 배 이상 줄었다.

이종찬 연구원은 “기존 방식으로는 하루 동안 16나노초의 스펙트럼을 얻을 수 있었다”며 “간헐적 샘플링은 모든 데이터를 측정하지 않아도 되므로 300나노초의 스펙트럼을 하루에 얻을 수 있었다”고 설명했다.

슐츠 교수는 “이번 연구로 향상된 CRASY는 기존에 분별이 어려웠던 불균일 시료나 동위원소도 별 처리 없이 한 번에 측정할 수 있다”며 “다양한 분자 구조를 더욱 빠르고 정확하게 파악할 수 있어 향후 다양한 기초 분자과학에 기여할 것”이라고 확신했다.

한편, 이번 연구는 미국국립과학원회보(PNAS) 4월27일자 온라인판에 게재됐으며, 과학기술정보통신부의 ‘중견연구자지원사업’의 지원으로 진행됐다.