KR101556378B1 - 나노다공성 캔틸레버 센서를 이용한 멀티센싱 플랫폼 - Google Patents

나노다공성 캔틸레버 센서를 이용한 멀티센싱 플랫폼 Download PDF

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gold
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나성수
박진성
함승주
방도연
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고려대학교 산학협력단
연세대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 플레이트 형상의 기판; 상기 기판의 선단에 형성된 팁; 및 상기 팁 상에 형성된 나노다공성 구조물;을 포함하는 나노다공성 캔틸레버에 관한 것이다. 본 발명에 따른 나노다공성 캔틸레버는 팁 상에 나노기공과 나노유로 등으로 구성된 나노다공성 구조물이 형성되어 종래의 캔틸레버에 비하여 검출물질에 대한 검출감도가 크게 향상되었으며, 표면증강 라만 신호를 얻을 수 있어 검출 분자의 분별이 가능하다.

Description

나노다공성 캔틸레버 센서를 이용한 멀티센싱 플랫폼{Multisensing platform using nanoporous cantilever sensor}
본 발명은 나노다공성 캔틸레버 센서를 이용한 멀티센싱 플랫폼에 관한 것으로 더욱 상세하게는 캔틸레버의 공진센서의 기능과 나노 구조물의 표면증강 라만 산란 기능을 결합함으로써 고민감도로 검출 분자를 분별할 수 있는 나노다공성 캔틸레버 및 이를 탑재한 멀티센싱 플랫폼, 이를 이용한 분자 검출에 관한 것이다.
지난 20 여년 동안, 센서분야에는 화학물질, 생화학적 물질 및 환경 독성을 감지하기 위한 방법 및 장치들에 대한 많은 발전이 있었다. 화학물질 및 생물학적 물질에 대한 모니터링은 의료진단 및 바이오-워페어(bio-warfare) 어플리케이션뿐만 아니라 기초연구에 매우 중요하다.
최근 산업 분야나 과학 분야에서 나노 크기의 재료의 사용이 급증되고 있다. 이러한 나노 입자는 작은 크기 및 넓은 비표면적 특성으로 인해 기존 물질들에 비하여 반응성이 높을 뿐만 아니라, 많은 연구들을 통해서 인체와 환경에 미치는 악영향이 보고되고 있다. 때문에 상기와 같은 나노 크기의 독성물질의 탐지범위를 향상시키기 위한 노력들이 다각도로 진행되고 있다. 대표적인 검출 방법으로는 양자점, 형광마커, 염료 등을 표지하는 방법이 있다. 상기와 같은 표지검출 방법은 분자 검출에 널리 사용될 수 있지만 광화학분해, pH의존, 시간제약 및 고비용 등의 고려가 필요하다. 다양한 대상 범위 및 표시 방법의 한계를 극복하기 위하여 현재 기술 개발은 감도 향상, 비표지 검출, 비용절감 및 검출 분자의 분석 검출을 위한 멀티 모달 시스템을 구축하는데 초점을 맞추고 있다.
켄틸레버 센서는 압전 물질을 이용한 압전 메커니즘을 적용하여 미세 물질을 검출하는 센서로서 주로 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 공정을 통해 제작된다. 마이크로 켄틸레버 센서는 그 응용에 있어서 미세천칭(microbalance) 원리 및 표면 스트레스(surface stress) 원리로 크게 나뉜다. 전자는 캔틸레버의 질량 및 스프링 상수 변화에 의해 발현되는 공진주파수의 변화를 측정하는 동적 모드(dynamic mode)이고, 후자는 마이크로 캔틸레버 위에서의 특이 반응에 의한 표면 스트레스 변화에 의해 발생하는 변위를 측정하는 정적 모드(static mode)이다. 이러한 마이크로 켄틸레버 센서는 고감도(high sensitivity), 고선택성(high selectivity) 및 비표지 검출(labeling-free detection)을 특징으로 하고 있으며, DNA, 질병 표지 단백질(marker protein) 및 저분자 생체물질을 포함한 병원성 물질(pathogen)을 분석하는데 이용될 수 있다. 그러나 캔틸레버 센서는 질량의 변화에 따라 반응하는 센서이므로 원치 않는 물질이 센서 표면에 부착되어도 반응을 하며, 어떤 분자가 검출되었는지 확인할 수 없다는 단점이 있다.
표면증강 라만 분광(SERS; Surface-Enhanced Raman Scattering)센서는 기존의 라만센서의 한계점인 낮은 반응성에 대해서 나노 구조물 또는 나노 입자들을 이용하여 라만센서의 반응값을 증폭시켜 사용하는 신개념의 라만 센서로 어떠한 화학 분자가 검출되었는지 시그널 분석을 통해 알 수 있다는 장점이 있다. 그러나 SERS 센서를 만들기 위해서는 복잡한 나노 구조물 및 다양한 공정을 필요로 하므로 제작하는데 시간이 많이 들고 제작비용이 높아 경제적이지 못하며, 대규모의 균일성 부족 및 MEMS와의 호환성 부족 등의 문제점이 있다.
1. 대한민국 등록특허공보 제1,103,578호 2. 대한민국 등록특허공보 제999,424호 3. 대한민국 등록특허공보 제1,053,655호 4. 대한민국 등록특허공보 제1,113,793호 5. 대한민국 공개특허공보 제10-2009-0034602호 6. 대한민국 등록특허공보 제892,629호
본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 낮은 농도의 검출 분자를 우수한 감도로 검출할 수 있으면서도 검출 분자의 특징을 구별할 수 있어 공진 센서의 기능과 표면강화 라만 분광센서의 기능을 함께 탑재한 멀티센싱 플랫폼 기반의 나노다공성 캔틸레버를 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 상기 나노다공성 캔틸레버의 제조방법을 제공한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 플레이트 형상의 기판; 상기 기판의 선단에 형성된 팁; 및 상기 팁 상에 형성된 나노다공성 구조물;을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노다공성 캔틸레버를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 나노다공성 구조물은 평균 직경이 5 내지 100 nm인 다수 개의 나노기공 및 평균 직경이 50 내지 1000 nm인 다수 개의 나노유로가 3차원적으로 서로 연결된 구조일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 나노다공성 구조물은 금, 은, 크롬, 백금, 알루미늄 및 구리를 포함하는 군 중에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 금속으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 나노다공성 구조물은 두께가 10 nm 내지 10 ㎛일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 나노다공성 캔틸레버는 압전저항 센서가 구비될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 나노다공성 캔틸레버는 라만 산란신호를 방출할 수 있다.
상기한 다른 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 기판의 선단에 형성된 팁 상에 금속/은 합금층을 증착하는 단계; 및 상기 금속/은 합금층을 에칭하여 은을 선택적으로 제거시킴으로써 상기 팁 상에 금속 나노다공성 구조물을 형성시키는 단계;를 포함하는 나노다공성 캔틸레버의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 금속은 금, 크롬, 백금, 알루미늄 및 구리 중에서 선택되는 1종 이상 일수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 금속/은 합금층은 금속의 함량이 1 내지 70 원자량%일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 나노다공성 구조물은평균 직경이 5 내지 100 nm인 다수 개의 나노기공 및 평균 직경이 50 내지 1000 nm인 다수 개의 나노유로가 3차원적으로 서로 연결된 구조일 수 있다.
본 발명은 상기 나노다공성 캔틸레버를 포함하는 물질 검출용 멀티센서를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 나노다공성 캔틸레버를 이용하여 공진주파수 이동가 표면증강 라만 분광 신호를 동시에 특정하는 단계를 포함하는 물질 검출방법을 제공한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 물질은 화학분자, 단백질, 항체, 바이러스, 박테리아, DNA, 압타머, 저분자 생체분자 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
본 발명에 따른 기판의 선단에 형성된 팁 상에 나노기공과 나노유로 등의 나노다공성 구조물을 다수 포함한 금속구조를 가지는 나노다공성 캔틸레버는 종래의 캔틸레버에 비하여 검출하고자 하는 물질에 대한 검출 감도가 10000배 이상 증가하였으며, 나노다공성 구조로 인하여 라만 신호를 얻을 수 있어 검출 분자를 손쉽게 분석할 수 있다.
도 1은 본 발명의 비교예 1, 비교예 2 및 제조예에 따른 공진기의 실제 이미지이다.
도 2는 본 발명에 따른 나노다공성 캔틸레버의 개념도이다.
도 3a은 비교예 1에 따른 종래의 캔틸레버의 SEM 이미지이며, 도 3b는 비교예 2에 따른 금/은 합금층을 증착한 캔틸레버의 SEM이미지이고, 도 3c는 제조예(Au 12.5원자량%)에 따른 금 나노다공성 구조물이 형성된 나노다공성 캔틸레버의 SEM이미지이다(스케일바는 각각 상단 100 ㎛, 하단 오른쪽 1 ㎛ 및 하단 왼쪽 100 nm이다). 도 3d는 제조예에 따른 공진기의 탭핑 모드 원자힘 현미경(tmAFM)이미지 및 분석이며(상단 및 하단의 스케일바는 각각 500 nm이다), 도 3e는 비교예 1-2 및 제조예에 따른 공진기의 공진 주파수이고, 도 3f는 p-aminothiophenol에 대한 비교예 1-2 및 제조예에 따른 공진기의 표면증강 라만 분광 신호이다.
도 4는 본 발명의 제조예에 따라 제조된 금 함량에 따른 공진기의 tmAFM 3차원 이미지이며, 도 4b는 이의 비교예 1에 대한 정규화된 표면적 비이다. 도 4c는 금 함량에 따른 제조예의 라만 맵핑 이미지이며, 도 4d는 이의 표면증강 라만 분광 강도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 비교예 1 및 제조예에 따른 공진기를 이용하여 다양한 농도의 p-ATP의 정규화된 주파수 이동을 비교한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제조예에 따른 공진기를 이용한 검출 분자의 질량의 증폭 유무에 따른 정규화된 주파수 이동을 비교한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제조예에 따른 공진기를 이용한 검출 분자의 표면증강 라만 분광 신호를 나타낸 그래프이다. 도 7a는 p-ATP가 부착된 공진기의 SEM이미지(상단, 스케일바 10㎛) 및 라만 매핑 이미지(하단, 스케일바 1㎛)이며, 도 7b는 검출분자로 각각 p-APT(상단) 및 말라카이트 그린 이소티오시아네이트(malachite green isothiocyanate, MG)를 이용하여 다양한 농도에서 측정한 표면증강 라만 분광 신호이다. 도 7c는 다양한 농도의 p-APT에 대한 표면증강라만 강도를 비교한 그래프이며, 도 7d는 다양한 농도의 MG에 대한 표면증강라만 강도를 비교한 그래프이다.
본 발명은 켄틸레버의 공진센서의 기능과 표면증강 라만 분광 센서의 기능을 함께 이용할 수 있어 저농도의 검출 분자를 고민감도로 검출하면서도 검출 분자의 특징을 분석할 수 있는 나노다공성 캔틸레버 및 이의 제조방법, 이를 이용한 분자 검출방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
하기 도 2에 본 발명에 따른 나노다공성 캔틸레버의 개념도를 나타내었다.
본 발명에 따른 나노다공성 캔틸레버는 플레이트 형상의 기판; 상기 기판의 선단에 형성된 팁; 및 상기 팁 상에 형성된 나노다공성 구조물;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 상기 팁 상에 형성된 나노다공성 구조물은 평균 직경이 5 내지 100 nm인 다수 개의 나노기공 및 평균 직경이 50 내지 1000 nm인 다수 개의 나노유로가 3차원적으로 연결된 구조 일 수 있다.
상기 나노구조물은 금, 은, 크롬, 알루미늄 및 구리를 포함하는 군 중에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 금속으로 이루어질 수 있는데, 상기 나노구조물은 표면 플라즈몬 공명을 강화하여 분석 대상이 되는 물질의 검출 감도를 높이는 기능을 할 수 있으며, 표면증강 라만 산란시 핫스팟으로 작용하여 주변의 전자기장을 강화시키는 역할을 수행하여 분석 대상이 되는 물질의 검출 감도를 높이면서 검출 분자를 분별할 수 있도록 하므로 바람직하다.
본 발명에 따른 상기 팁 상에 형성된 나노다공성 구조물은 분석 대상이 되는 물질에 따라 크기, 형상, 밀도 및 두께 등을 다양하게 조절될 수 있으며, 나노기공 및 나노유로의 크기 및 간격 등이 다양하게 조절될 수 있다.
공진 센서의 민감도는 질량의 증가 및 분자의 흡착률에 비례하는데, 본 발명에 따라 상기 팁 상에 상기 나노다공성 구조물이 형성되면, 캔틸레버의 표면적이 향상되고, 분석 대상이 되는 물질의 흡착률을 증가시킬 수 있어 나노다공성 구조물이 형성되지 않은 캔틸레버에 비하여 공진센서의 감도가 크게 향상시킬 수 있으므로 증폭장치의 도움없이도 10-9 M 보다 낮은 농도의 검출한계를 가질 수 있어 바람직하다.
특히, 상기 나노구조물이 금으로 이루어지는 경우 다른 금속 또는 둘 이상의 금속으로 이루어지는 나노구조물에 비하여 공진센서로서의 민감도가 향상되고, 분석 대상이 되는 물질의 분별 감도가 더욱 향상되는 결과를 얻었다.
본 발명에 따른 상기 나노다공성 캔틸레버는 기판의 선단에 형성된 팁 상에 금속/은 합금층을 증착하는 단계; 및 상기 금속/은 합금층을 에칭하여 은을 선택적으로 제거시킴으로써 상기 팁 상에 금속 나노다공성 구조물을 형성시키는 단계;를 포함하여 수행함으로써 제조될 수 있다.
상기 금속은 금, 크롬, 백금, 알루미늄 및 구리 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
본 발명에 의하면, 특히, 상기 금속으로 금을 사용하여 금/은 합금층을 증착하는 것이 다른 금속을 사용하여 금속/은 합금층을 증착하는 경우보다 은을 선택적으로 제거하기 용이하고, 나노기공 및 나노유로가 잘 분산되어 3차원적으로 연결된 나노다공성 구조물이 형성될 수 있으며, 분석 대상이 되는 물질의 분별 감도가 우수하고 공진센서로서의 민감도가 향상된 캔틸레버를 제조할 수 있어 바람직하다.
상기 금속/은 합금층에서 은을 선택적으로 제거하기 위한 에칭은 질산으로 2 내지 5 초간 처리하여 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 제조방법 의하면, 캔틸레버의 팁의 표면에 전기화학적 증착법을 이용하여 금속/은 합금층을 증착한 뒤, 질산을 이용하여 빠르고 간단히 은을 에칭하므로써 금속의 나노다공성 구조물이 형성된 나노다공성 캔틸레버를 제조할 수 있다.
본 발명에 의하면, 상기 나노다공성 구조물은 분석 대상이 되는 물질에 따라 크기, 형상, 밀도 및 두께 등을 다양하게 조절하여 팁 상에 형성시킬 수 있다.
상기 나노다공성 구조물의 두께는 금속/은 합금층의 증착 두께를 조절하므로서 조절될 수 있는데, 상기 금속/은 합금층의 바람직한 증착 두께는 10 nm 내지 10㎛일 수 있다.
상기 금속/은 합금층의 두께가 10 nm 미만이면, 생성된 나노다공성 구조물에서 얻을 수 있는 표면증강 라만 신호의 세기가 작으며, 나노다공성 구조물의 두께가 상기 범위를 초과하면 제거되지 않은 은이 남을 수 있어 나노기공 및 나노유로의 발달이 용이하지 않은 나노다공성 구조물이 생성될 수 있어 바람직하지 않다.
본 발명에 따르면, 상기 나노다공성 구조물의 밀도, 형태, 나노기공 및 나노유로의 크기 및 간격 등은 상기 금속/은 합금층의 금속 함량을 조절함으로써 수행될 수 있다.
상기 금속/은 합금층은 금속 도금 스탁 용액과 은 도금 스탁 용액을 각각 제조한 후 상기 스탁 용액들의 혼합 비율를 조절하여 금속/은 합금층의 금속 함량을 조절할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 금속/은 합금층의 금속 함량은 1 내지 70 원자량%일 수 있다. 특히, 상기 금속으로 금을 사용하며, 금의 함량이 1 내지 30 원자량%인 것이 은을 에칭한 후 나노기공 및 나노유로의 발달이 우수하여 정규화된 표면 영역이 향상된 나노다공성 구조물을 얻을 수 있다. 본 발명에 따른 나노다공성 구조물은 검출 분자의 흡착율을 향상시킬 수 있어 공진센서의 감도를 높일 수 있고, 잘 분산된 플라즈몬 핫 스팟으로 인하여 우수한 표면증강 라만 신호를 얻을 수 있으므로 바람직하다.
본 발명에 따른 검출 방법은 검출 분자가 표면에 부착할 때 발생하는 질량의 변화에 따라 발생되는 기계적 특성인 공진 주파수(resonance frequency)의 변화 및 라만산란신호의 검출을 이용하는 것을 특징으로 한다.
상기 공진 주파수는 모든 물체가 가지고 있는 고유진동수로서 질량과 스프링상수와 연관이 있다. 공진센서의 민감도는 질량의 증가와 분자의 흡착 확률에 비례하는데, 질량을 증가시키기 위하여 샌드위치처럼 검출물질과 한번 더 결합하는 물질을 붙여주는 샌드위치 공법을 이용하여 공진센서의 민감도를 더욱 증가시킬 수 있다.
실시예
제조예 . 멀티모달 나노다공성 공진기( Multimodal nanoporous resonator ; MNPR)의 제조
멀티모달 나노다공성 공진기를 제조하기 위하여, 힘 상수가 42 Nm-1인 공진기를 가지는 PPP-NCHAu(NANOSENSORS, Switzerland) 캔틸레버를 이용하였으며, 규격은 30×4×125 ㎛3(가로×두께×길이)인 것을 이용하였다. 접촉 면적의 향상을 위해 공진기의 양면에 금 코팅층을 형성시켰다. 공진기의 공진 주파수는 약 240 kHz를 이용하였으며, 이는 공기 중에서 캔틸레버 센서의 이용에 적절한 주파수이다.
전기화학적 실험은 컴퓨터를 이용하여 컨트롤하였으며, 포텐쇼스타트(CompactStat, Ivium)를 사용하여 측정하였다. 백금 와이어 카운터전극, Ag/AgCl (1M KCl)의 기준전극 및 작업전극을 사용하는 3전극 시스템을 이용하였다.
금/은 합금층의 금 함량에 따른 캔틸레버의 특성을 확인하기 위하여 금 도금 스탁 용액 및 은 도금 스탁 용액을 각각 제조한 뒤 혼합비율을 달리하여 금/은 합금 증착 용액을 제조한 후, 전기화학적 증착방법을 이용하여 금/은 합금층을 증착하였다. 금/은 합금 증착 용액은 전체 금속원자량%에 대하여 금이 50, 25, 12.5 및 6.25 원자량%로 함유되도록 제조하였다. 한편, 금 도금 스탁 용액 및 은 도금 스탁 용액은 수성 매질에 각각 20 mM gold cyanide 및 20 mM silver cyanide를 용해시키고 NaCO3를 이용하여 pH를 조절하여 준비하였다.
금/은 합금층은 180 초 동안 Ag/AgCl에 대하여 -0.8 V의 전합을 인가하여 증착하였으며, 반응은 10 ℃로 온도 제어된 용기 내에서 수행하였다. 금/은 합금층이 증착된 캔틸레버를 질산으로 2 초간 처리하여 금/은 합금층에서 은을 선택적으로 제거(에칭)하였다. 선택적 에칭 후, 에탄올 및 3차 증류수로 캔틸레버를 수회 세척한 후, 실온에서 6 시간 동안 진공 건조하여 멀티모달 나노다공성 공진기(MNPR)를 제조하였다.
비교예 1.
실시예의 캔틸레버 대신에 표면이 금으로 코팅된 상용 캔틸레버인 SSS-NCHR(NANOSENSORS, Switzerland) 캔틸레버를 사용한 공진기를 이용하였다.
비교예 2.
PPP-NCHAu 캔틸레버에 금/은 합금층을 형성시킨 캔틸레버를 사용한 공진기를 이용하였다.
실시예 1. 공진기 특성 분석
실시예 1.1 탭핑 모드 원자힘 현미경( tmAFM ) 분석
주변온도, 압력 및 공기 중에서 나노드라이브 컨트롤러(Nanodrive controller; Bruker사)를 탑재한 인노바(Innoca; Bruker사)를 사용하여 탭핑 모드 원자힘 현미경(Tapping-Mode Atomic Force Microscope; tmAFM) 이미지를 얻었다. 정밀하고 재현가능한 탭핑 모드 상의 수득을 위하여 폐쇄 루프 스캐너(closed-loop scanner)를 사용하였으며, 정밀한 영상을 얻기 위하여 울트라 쉐입 팁으로 알려진 SSS-NCHR(NANOSENSORS, Switzerland) 캔틸레버 팁을 사용하여 2차원 및 3차원 이미지를 얻었다. 이 캔틸레버의 공진 주파수는 약 300 kHz이고, 팁 반경(Tip radius)는 약 2 nm이다.
모든 이미지들의 크기는 0.8 Hz 스캐닝 주파수에서 3×3 ㎛로 표준화하였다. 모든 이미지들은 에스피엠 랩 분석 소프트웨어 V7.00(SPM Lab Analysis software V7.00; Bruker사)를 사용하여 2차원 레벨링 프로세스를 수행하였으며, 표면 영역의 분석은 나노스코프 분석 소프트웨어 V1.20(Nanoscope analysis software V1.20; Bruker사)를 이용하여 수행하였다.
정규화된 표면적은 다음과 같은 식(1)으로 나타낼 수 있다.
식(1)
An = Am/Ab
상기 식(1)에서 Am은 실시예 1의 표면적이며, Ab는 비교예 1의 표면적이다.
실시예 1.2. 라만 분광 분석
라만 분광은 공초점 라만 현미경(LabRAM ARAMIS, Horiba)을 이용하여 측정하였다. A x 100 현미경 대물렌즈(Nikon, NA=0.95) 및 He-Ne 레이저(λ=633 nm)를 이용하여 고해상도의 이미지를 얻었다. 검출 분자에 사용한 레이저 파워는 약 50 ㎼이고, 적분 시간은 10초이다. 520 cm-1의 라만 밴드를 가지는 실리콘 와이퍼를 사용하여 분광계를 보정하였다. 공초점 라만 이미징 분광계의 경우, 검출 분자에 사용한 레이저 파워는 0.5 ㎽, 적분시간은 스펙트럼당 1초, 주사단계는 약 0.5 ㎽였으며, 공진기의 센터넥 사이트의 10×10 ㎛ 사각범위에서 표면증강 라만 분광 신호의 세기를 맵핑하였다. 또한, LabSpec 5 software(Horiba)를 이용하여 스펙트럼 및 이미지를 분석하였다.
실시예 1.3. FE - SEM 및 EDS 분석
공진기의 표면 형태를 관찰하기 위하여 FE-SEM 및 EDS(Energy dispersive spectroscopy)를 측정하였다. FE-SEM 및 EDS는 20 kV의 가속전압에서 에너지 분산형 X-ray가 탑재된 FE-SEM(JSM-7100F, JEOL사)을 사용하여 분석하였다.
실시예 1.4. 표면의 전기화학적 분석
표면에 대한 분석을 위해 potentiostat(CompactStat, Ivium사)를 이용하여 전기화학적 실험을 수행하였다. 백금 카운터전극, Ag/AgCl (1 M KCl) 기준전극 및 작업전극을 사용하는 3 전극 시스템을 이용하여, 비교예 및 실시예에 따른 캔틸레버에 대한 실험을 수행하였다. 전기화학적 활성 표면을 측정하기 위해서 0.5 M의 황산 용액에서 10 mVs-1의 주사속도로 0.5 내지 1.8 전위 범위의 순환전류전압곡선을 측정하였다. 신뢰값 향상을 위해 20회 측정하였으며, 표면 영역 추정을 위해, 0.5V 내지 1.5 V 범위의 금 산화 환원피크를 적분하였다.
실시예 2. p- ATP 검출 비교 및 제어 실험
실시예 및 비교예에 따른 공진기를 이용하여 양단에 아민기와 티올기를 가지는 p-ATP(p-aminothiophenol)의 흡착에 따른 공진 주파수 이동을 나노드라이브 컨트롤러가 장착된 원자힘현미경(Innova)를 이용하여 측정하였다. 실시예 및 비교예에 따른 공진기 표면에 p-ATP의 흡착을 용이하게 하기 위하여 실시예 및 비교예의 공진기를 p-ATP이 용해된 에탄올 완충용액에 1시간 동안 침지하였으며, 잘 알려진 금-황 화합물을 사용하여 실시예 및 비교예의 공진기의 금 표면에 부착하였다. 대조군으로 공진기를 에탄올 100%에 침지하여 비교하였다.
도 3a 내지 3d의 SEM 및 tmAFM 이미지를 참고로 하면, 비교예 1에 따른 공진기는 표면이 매끄러운 반면, 제조예에 따른 공진기에서는 나노기공 및 나노유로가 3차원적으로 연결된 나노다공성 구조물이 잘 형성된 것을 관찰할 수 있다.
도 3e에 나타낸 바와 같이, 비교예 2의 공진주파수는 비교예 1에 비하여 크게 낮아졌는데, 이는 표면에 형성된 나노다공성 구조물에 따른 질량의 증가로 인한 것이다. 비교예 2를 에칭한 제조예의 공진주파수는 은의 제거로 인하여 비교예 2보다 공진주파수가 높아졌으나, 표면에 형성된 나노다공성 구조물로 인하여 비교예 1보다는 공진주파수가 낮은 것을 확인할 수 있다.
도 3f에 나타낸 바와 같이, p-ATP 분자(100 μM)에 대하여 비교예 1 및 비교예 2의 공진기는 표면증강 라만 분광 신호를 발생하지 않았다. 반면, 본 발명의 제조예에 따른 공진기에서는 100 내지 1400 cm-1에서 라만 신호를 검출할 수 있었으며, 특히 1140 및 1145 cm-1에서 특징적인 강한 라만 신호가 검출되어 이를 통해 검출 분자의 식별이 가능함을 확인하였다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 제조예에 따라 금/은 합금층의 금 함량을 각각 50, 25, 12.5 및 5.25 원자량%가 되도록 합금 증착액을 제조하고, 이를 이용하여 합금층을 증착하여 제조된 나노다공성 구조물(이하, '금 함량에 따른 나노다공성 구조물'이라 한다)에 대한 tmAFM 3차원 이미지 및 비교예 1에 대한 정규화된 표면적 비이다. 특히, 금의 함량이 12.5 원자량%인 합금 증착액을 이용하여 제조된 나노다공성 구조물의 표면에서 타워링 지형(보라색), 플랫 지형(녹색) 및 골짜기 지형(붉은색)이 고르게 발달된 것을 확인할 수 있다. 금의 함량이 12.5 원자량%인 나노다공성 구조물을 가지는 공진기는 정규화된 표면적이 1.532±0.242으로 증가되었다. 한편, 금 함량은 10 내지 20 원자량%까지는 함량이 증가함에 따라 표면적이 증가하였으며, 금 함량이 20 원자량%를 초과하는 경우에는 공극이 줄어드는 현상이 발생하여 표면증강 라만 분광 강도가 줄어드는 결과가 도출되었다.
도 4c 및 4d는 금 함량에 따른 나노다공성 구조물의 라만 매핑 이미지 및 표면증강 라만 분광 강도에 대한 그래프이다. 특히, 금의 함량이 12.5 원자량%인 합금 증착액을 이용하여 제조된 나노다공성 구조물에서 강한 강도의 신호를 발생시키는 것을 확인할 수 있다. 금 함량이 25 내지 50 원자량%인 경우에는 보다 낮은 금 함량을 가지는 경우에 비하여 상대적으로 약한 라만 신호를 나타내었는데, 이는 플라즈몬 핫스팟의 부족에서 기인한 것으로 확인되었다.
본 발명의 제조예에 따른 공진기를 이용하여 분자 검출 능력에 대한 정량 분석을 수행하기 위하여 여러 농도의 p-ATP를 이용하여 공진 주파수의 변화를 비교하였으며, 이를 도 5에 나타내었다.
정규화된 공진주파수는 식(2)로 나타낼 수 있다.
식(2)
ωm = (ωc-ωn)/ωb ×100
상기 식(2)에서, ωc는 공진기를 사용하여 검출된 분자의 공진주파수이며, ωn는 제조예의 공진주파수이고, ωb는 비교예의 공진주파수이다.
도 5를 참고하면, 비교예 1은 10 μM의 검출한계(10-5M, 0.167±0.03)를 나타내었다. 반면, 본 발명에 따른 제조예는 1 nM의 검출한계(10-9M, 0.110±0.091)를 나타내어 검출한계가 10,000 배 이상 향상된 것을 확인할 수 있다.
한편, 샌드위치 공법 등을 사용하여 질량을 증폭시키는 경우에는 검출한계가 더욱 크게 증가시킬 수 있다. 증폭을 위하여 Amine-NHS carboxylate 기반의 방법을 이용하여 p-ATP가 결합된 PEG를 합성하고, 이를 이용하여 정규화된 공진주파수 이동을 측정하여 하기 도 6에 나타내었다. p-ATP가 결합된 PEG는 p-ATP(p-aminothiophenol)과 monomethocy-NHS-activated PEG(mPEG-NHS; MW: 5k)를 클로로포름 용매 하에서 24 시간 동안 실온으로 반응시킨 후, 미반응 p-ATP를 투석(MWCO: 1k)으로 제거하여 제조하였다.
도 6을 참조하면, PEG를 바인딩하여 질량을 증폭시키는 경우 민감도가 더욱 향상되어 검출한계가 10 pM(10-11M)로 100 배 이상 향상된 것을 확인할 수 있다. 상기와 같은 결과를 통해 다른 질량 증폭방법 이용하여 검출한계를 더욱 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
본 발명의 제조예에 따른 공진기를 이용하여 여러 농도의 p-ATP와 말라카이트 그린 이소티오시아네이트(malachite green isothiocyanate, MG)에 대한 SEM 촬영 및 표면증강 라만 분광 센싱을 수행하였으며, 이를 도 7에 나타내었다.
도 7b를 참조하면, 1079, 1140-1146, 1383 및 1436 cm-1에서 p-ATP의 특징적인 라만 산란 피크를 확인할 수 있다. 한편, 정량분석을 위하여 p-ATP는 농도에 따른 1146 cm-1에서의 강도를 비교하였으며, MG는 농도에 따른 1172cm-1에서의 강도를 비교하였다. 상기 결과를 통해, p-ATP에 대한 검출한계는 1 μM이며, MG의 검출한계는 100 nM인 것을 확인하였다. 상기와 같은 결과를 통해 본 발명에 따른 나노다공성 캔틸레버는 검출하고자 분자가 어떤 분자인지 구분을 할 수 있으면서도, 민감도가 종래기술에 비하여 10000배 이상 향상되었음을 확인하였다.

Claims (13)

  1. 플레이트 형상의 기판;
    상기 기판의 선단에 형성된 팁; 및
    상기 팁 상에 형성된 나노다공성 구조물;을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노다공성 캔틸레버로서,
    상기 나노다공성 캔딜레버는 라만 산란 신호를 방출하는 것을 특징으로 하는 나노다공성 캔틸레버.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 나노다공성 구조물은 평균 직경이 5 내지 100 nm인 다수 개의 나노기공 및 평균 직경이 50 내지 1000 nm인 다수 개의 나노유로가 3차원적으로 서로 연결된 구조인 것을 특징으로 하는 나노다공성 캔틸레버.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 나노다공성 구조물은 금, 은, 크롬, 백금, 알루미늄 및 구리를 포함하는 군 중에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 나노다공성 캔틸레버.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 나노다공성 구조물은 두께가 10 nm 내지 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 나노다공성 캔틸레버.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 나노다공성 캔틸레버는 압전저항 센서가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 나노다공성 캔틸레버.
  6. 삭제
  7. 기판의 선단에 형성된 팁 상에 금속/은 합금층을 증착하는 단계; 및
    상기 금속/은 합금층을 에칭하여 은을 선택적으로 제거시킴으로써 상기 팁 상에 금속 나노다공성 구조물을 형성시키는 단계;를 포함하는 나노다공성 캔틸레버의 제조방법으로서,
    상기 금속은 금, 크롬, 백금, 알루미늄 및 구리 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상이며,
    상기 나노다공성 캔틸레버는 플레이트 형상의 기판; 상기 기판의 선단에 형성된 팁; 및 상기 팁 상에 형성된 나노다공성 구조물;을 포함하고, 라만 산란 신호를 방출하는 것을 특징으로 하는 나노다공성 캔틸레버의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 금속/은 합금층은 금속의 함량이 1 내지 70 원자량%인 것을 특징으로 하는 나노다공성 캔틸레버의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 나노다공성 구조물은 평균 직경이 5 내지 100 nm인 다수 개의 나노기공 및 평균 직경이 50 내지 1000 nm인 다수 개의 나노유로가 3차원적으로 서로 연결된 구조인 것을 특징으로 하는 나노다공성 캔틸레버의 제조방법.
  10. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 나노다공성 캔틸레버를 포함하는 물질 검출용 멀티센서.
  11. 제10항에 있어서, 상기 물질은 화학분자, 단백질, 항체, 바이러스, 박테리아, DNA, 압타머, 저분자 생체분자 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 물질 검출용 멀티센서.
  12. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 나노다공성 캔틸레버를 이용하여 공진주파수 이동과 표면증강 라만 분광 신호를 동시에 측정하는 단계를 포함하는 물질 검출방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 물질은 화학분자, 단백질, 항체, 바이러스, 박테리아, DNA, 압타머, 저분자 생체분자 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 물질 검출방법.
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