초고속 레이저에 의한 석영에 내재된 유기체 분석

KISTI 『글로벌동향브리핑』 2009-12-31

호박석은 믿기 어려울 정도로 곤충 등을 내부에 잘 보존하고 있기 때문에 고생물학자에게 많은 정보를 제공해왔다. 석영 또한 석유가 충진된 액체의 형태로 유기물을 내부에 포집하는데, 이는 고대 탄화수소 유체의 조성에 관한 정보를 제공한다. 최근 초고속 레이저 연마(ultrafast-laser ablation)를 이용해 내부의 석유를 변형시키지 않고 유입된 물질의 정보만을 확인할 수 있는 기술이 개발되어 지리학자들에게 큰 도움이 될 전망이다. 석영은 모래를 형성하는 가장 흔한 광물이며, 많은 석유 매장지는 다공성 사암으로 구성되어 있다. 유체는 결함 보완 과정에서 이와 같은 알갱이들을 포집할 수 있다. 석영 조각 하나는 상이한 종류의 유체를 담지할 수 있는데, 이들은 지리학적 변화에 관련된 분자 혹은 동위원소의 상이한 구성을 갖게 된다. 탄화수소 시료를 추출하는 기존의 기술은 기계적 분쇄 혹은 크래킹 후, 열 혹은 용매로 유체를 추출하고 기체 크로마토그래피-질량 분광기(gas chromatograph-mass spectrometer (GC-MS))를 통해 분석하는 것이었다. 이러한 기술은 상세한 분자 데이터를 제공하는 반면에 시료는 벌크의 형태로 추출되어야 하기 때문에 상이한 그룹에 대한 개별 데이터를 얻는 것이 쉽지 않았었다. 네오디움:야그(neodymium:YAG) 및 에르비움:야그(erbium:YAG) 레이저를 이용한 기존의 유체 추출법은 주변의 석영보다는 유체와 관련되는 결과가 많아 조절이 용이하지 못했었다. 이번에 개발된 방법은 야그 레이저를 펨토레이저의 고강도 초고속 진동기 시스템으로 대체하는 것이다. 참고로 펨토레이저는 800 nm에서 50 fs의 펄스를 방출하며 50 nm의 진폭을 갖는다. 이와 더불어 GC-MS는 20 배의 대물렌즈를 갖추고 있어 시료에 빔의 초점을 맞출 수 있다. 초점에서 피크 크기는 10^14 W/cm2 이상으로 석영에서 다광자 흡수(multiphoton absorption)를 야기함으로써 열에 의존하지 않고 구멍을 뚫을 수 있다. 한편 초고속 진동기는 초고속 증폭기를 갖추고 있는데, 이는 다광자 기반의 석영 드릴링이 연마 문턱값 이상에서 최상으로 작동하며, 어찌 되었든 출력이 떨어지는 문제 때문이다. 증발된 탄화수소는 100 mL/min의 속도로 레이저 챔버에 유입되는 헬륨의 극저온 트랩으로 이동된다. 이후 탄화수소는 트랩에서 유리되어 헬륨 유입이 낮은 둘째 트랩에서 재포커싱되며, MS 검출 전에 GC를 통해 분리된다. 펨토레이저의 장점은 유기물 객체를 분석할 수 있다는 사실이다. 이는 기존의 Nd:YAG 레이저에선 능동적으로 조절될 수 없었으며, 분쇄 방법으로도 불가능했었다. 하지만, 단점도 있다. 유리된 유기물의 양이 매우 적기 때문에 기존의 GC-MS로는 검출 한계가 있다는 것이다. 따라서, 연구진은 레이저 챔버와 GC-MS 사이의 화합물 손실을 감소시키기 위해 유입 시스템의 성능 향상을 기대하고 있다. [그림] 석영 시료 내부에 포집된 석유는 초고속 레이저 연마법으로 유리됨. 주사 전자 현미경 이미지는 추출 분화구를 나타냄. fig_11.jpg 출처 : http://www.laserfocusworld.com/display_article/371309/12/none/none/News/ULTRAFAST-LASERS:-Multiphoton-drilling-liberates-oils