도쿄대학, 100배 더 빠른 분자 분석기 발표...50년 전 3년이 걸렸던 것을 1초 만에 달성
도쿄대학, 100배 더 빠른 분자 분석기 발표...50년 전 3년이 걸렸던 것을 1초 만에 달성
  • 송호창 기자
  • 승인 2020.09.18 14:44
  • 댓글 0
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[퓨처타임즈=송호창 기자] 분광학은 많은 과학 및 산업 분야에서 중요한 관찰 도구이다. 적외선 분광법은 다른 분자를 분석하고 식별하는 데 사용되는 화학 분야에서 특히 중요하다. 현재 최첨단 기계는 초당 1백만 개의 관측을 할 수 있다. 도쿄 대학의 연구원들은 거의 100배 빠른 새로운 방법으로 이 수치를 크게 증가시켰다. 

기후 과학에서 안전시스템, 식품의 제조, 품질 관리에 이르기까지 적외선 분광법은 수많은 학술 및 산업 분야에서 사용되어 일상 생활의 일부가 되었지만 눈에 보이지는 않지만 유비쿼터스가 되었다. 본질적으로, 높은 정확도로 물질 샘플에 존재하는 분자를 식별하는 방법을 제공한다. 기본 아이디어는 수십 년 동안 사용되어 왔으며 그 과정에서 개선되었다.

일반적으로 이 기술은 샘플의 분자에서 투과되거나 반사되는 적외선을 측정하는 방식으로 작동한다. 샘플의 고유한 진동은 매우 특정한 방식으로 빛의 특성을 변경하여 화학적 지문 또는 '스펙트럼'을 제공하며 이를 검출기 및 분석기 회로 또는 컴퓨터에서 읽는다. 50년 전, 사용 가능한 최고의 도구는 초당 하나의 스펙트럼을 측정할 수 있었으며 많은 응용 분야에서 이것이 충분했다.

최근에는 듀얼-콤 분광기라는 기술이 초당 1백만 스펙트럼의 측정 속도를 달성했다. 그러나 많은 경우 세분화된 데이터를 생성하기 위해보다 빠른 관찰이 필요하다. 예를 들어, 일부 연구자들은 극도로 짧은 시간 동안 발생하는 특정 화학 반응의 단계를 탐색하고자 한다.

이러한 필요성을 인식하고 도쿄대학의 광자과학기술연구소의 Takuro Ideguchi 부교수와 그의 팀은 현재까지 가장 빠른 적외선 분광 시스템을 만들려고 시도했다. 

Ideguchi는 "우리의 방법인 time-stretch 적외선 분광법은 감도 문제로 인해 최대 속도 한계에 도달 한 이중 빛 분광법보다 약 100배 더 빠르다."고 설명한다.

시간 스트레치 적외선 분광법은 샘플에서 전송되는 매우 짧은 레이저 광 펄스를 늘려서 작동한다. 펄스가 늘어나면 검출기와 함께 제공되는 전자 회로가 정확하게 분석하는 것이 더 쉬워진다. 이를 가능하게 하는 핵심 고속 구성요소는 이 논문의 저자 중 한 명인 Hamamatsu Photonics의 Tatsuo Dougakiuchi가 개발한 양자 캐스케이드 검출기이다.

1년에 3,150만 초가 있다는 점을 감안할 때 이 새로운 방법은 50년 전에는 3년이 걸렸던 것을 1초 만에 달성할 수 있다. 적외선 분광법은 '지수' 기술의 또 다른 예인 것 같다.

Ideguchi는 "자연 과학은 실험적 관찰을 기반으로 한다. 따라서 새로운 측정 기술은 새로운 과학 분야를 열 수 있다. 많은 분야의 연구자들은 우리가 여기서 한 일을 바탕으로 우리의 연구를 사용하여 자신의 이해와 관찰력을 향상시킬 수 있다."라고 설명한다.


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