KR101598757B1 - Inorganic―organic nanofiber composite substrates for fast and sensitive trace analysis based on surface enhanced raman scattering and the method using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 표면-증강 라만 산란(Surface Enhanced Raman Scattering,SERS)에 기초한 물질의 미량 분석을 위한 유무기 나노섬유 복합체 기판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다양한 라만 염료(Raman dye)에 의해 유도된 금속 나노입자들의 응집체들이 가교결합성 고분자 하이드로겔 성질을 가진 나노섬유 내부에 다양한 밀도로 균일하게 함입된 나노섬유 복합체 기판 및 이의 제조방법, 그리고 이들의 응용에 관한 것이다.The present invention relates to an organic / inorganic nanofiber composite substrate for microanalysis of a substance based on Surface Enhanced Raman Scattering (SERS), and more particularly, Nanofiber composite substrates in which aggregates of nanoparticles are uniformly embedded in nanofibers having cross-linkable polymer hydrogel properties at various densities, a method for manufacturing the nanofiber composite substrate, and their applications.

Description

표면―증강 라만 산란에 기초한 고속 및 고감도 미량 분석용 유무기 나노섬유 복합체 기판 및 이를 이용한 분석방법{INORGANIC―ORGANIC NANOFIBER COMPOSITE SUBSTRATES FOR FAST AND SENSITIVE TRACE ANALYSIS BASED ON SURFACE ENHANCED RAMAN SCATTERING AND THE METHOD USING THE SAME}  TECHNICAL FIELD The present invention relates to a nanocomposite substrate for high-speed and high-sensitivity microanalysis based on surface-enhanced Raman scattering, and an analytical method using the same. BACKGROUND ART [0002] In recent years, nanocomposite-

본 발명은 표면-증강 라만 산란(Surface Enhanced Raman Scattering,SERS)에 기초한 물질의 미량 분석을 위한 유무기 나노섬유 복합체 기판 및 이를 이용한 분석방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다양한 라만 염료(Raman dye)에 의해 유도된 금속 나노입자들의 응집체들이 가교결합성 폴리머 하이드로겔 성질을 가진 나노섬유 내부에 다양한 밀도로 균일하게 함입된 나노섬유 복합체 기판 및 이의 제조방법, 그리고 이들의 응용에 관한 것이다.
The present invention relates to an organic / inorganic nanofiber composite substrate for microanalysis of a substance based on Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) and an analytical method using the same. More particularly, the present invention relates to a variety of Raman dyes, , Nanofiber composite substrates, nanofiber composite substrates, nanofiber composite substrates, nanofiber composite substrates, nanofiber composite substrates, nanofiber composite substrates, nanofiber composite substrates, nanofiber composite substrates, nanofiber composite substrates, nanofiber composite substrates

오늘날 환경오염 문제가 심각해지면서 각종 중금속 및 유기인계 화합물과 같은 환경오염 물질의 조기 검출에 대한 필요성이 증대되고 있다. 또한, 국제사회에서 테러에 의한 위협이 고조되면서 탄저 및 사린과 같은 각종 바이오테러 물질의 조기 검출에 대한 필요성 또한 증대되고 있다. 따라서, 필드(field)에서 상기와 같은 위험물질을 신속하고 정확하게 검출하여 그 확산을 차단하는 것은 매우 중요한 과제가 아닐 수 없으며, 이러한 각종 화학물질의 극미량 분석 기술의 개발은 환경 모니터링, 법과학 및 국토방위 분야에서 매우 중요한 문제로 대두되고 있는 실정이다.As the environmental pollution problem becomes serious today, the need for early detection of environmental pollutants such as various heavy metals and organic phosphorus compounds is increasing. In addition, as the threat of terrorism is rising in the international community, the need for early detection of various bioterror substances such as anthrax and sarin is also increasing. Therefore, it is a very important task to quickly and accurately detect such a dangerous substance in the field and to prevent the diffusion of the dangerous substance. The development of a technique for the analysis of trace amounts of such various chemicals is carried out through environmental monitoring, forensic science, This is a very important issue in the field.

기존의 환경 오염물질 등의 분석 기술은 복잡한 전처리 과정을 필요로 할 뿐만 아니라, 이동이 불가능하거나 매우 불편한 대형의 분석장비를 필요로 하여, 분석시 오랜 시간과 노력이 소요된다는 단점이 있었다. Conventional analysis technology for environmental pollutants requires a complicated pretreatment process and requires a large-scale analysis equipment which is impossible to move or is inconvenient, and it takes a long time and effort to analyze it.

이와 관련하여, 근래에는 표면 증강 라만산란(Surface Enhanced Raman Scattering,SERS)은 높은 민감도(sensitivity)로 인해 화학물질(chemical)을 탐지하고 생화학적으로 분석하는 방법으로 각광받고 있다. In recent years, Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) has attracted attention as a method for detecting and biochemically analyzing chemicals due to its high sensitivity.

이 분야에서는 믿을만한 SERS 기질로 이용할 수 있는 특정 구조에 대한 연구가 계속되고 있다. 금 및 나노입자들을 원하는 모양 및 형상으로 만들기 위해서, 이온빔 리소그래피, 전자빔 리소그래피, 나노스피어 리소그래피 및 진공 증발에 관심을 두고 있고, 작은 나노입자를 나노클러스터로 모으는 방법이 이용되고 있다. 이 기술들은 재현성 높은 SERS를 가지는 금 및 은 나노입자의 나노클러스터를 만드는 데 이용된다. In this area, research continues on specific structures that can be used as reliable SERS substrates. In order to make the gold and nanoparticles into a desired shape and shape, attention has been focused on ion beam lithography, electron beam lithography, nanosphere lithography, and vacuum evaporation, and methods of collecting small nanoparticles into nanoclusters have been used. These techniques are used to create nanoclusters of gold and silver nanoparticles with reproducible SERS.

그러나 이 기술들은 비용이 많이 들고 대량 생산이 어려운 문제점이 있다. 경제적이고 안정적이며 믿을 수 있는 SERS 기질을 만들기 위해서 실리콘 나노와이어 어레이로 은 나노입자를 코팅하거나[Zhang, M. L., C. Q. Yi, et al. 2008 Applied Physics Letters 92(19); 및 Zhang, B. H., H. S. Wang, et al. 2008 Advanced Functional Materials 18(16): 2348-2355], 금 나노입자를 가지는 다공성 알루미늄 막[Ko, H. and V. V. Tsukruk 2008 Small 4(11): 1980-1984.], 할로우 금 나노구체 및 나노쉘과 컨쥬게이션된 항체[Lee, S., H. Chon, et al. 2009, Biosensors & Bioelectronics 24(7): 2260-2263]에 대한 기술이 보고되었다. 그러나 분자 진동의 증강이 높게 일어나서 편재화된 플라스몬 중심의 수가 적어지기 때문에 증강 효과가 효과적으로 일어나지 않는 단점이 있다. However, these technologies are costly and difficult to mass-produce. Coating silver nanoparticles with a silicon nanowire array to create an economical, stable and reliable SERS substrate [Zhang, M. L., C. Q. Yi, et al. 2008 Applied Physics Letters 92 (19); And Zhang, B. H., H. S. Wang, et al. 2008 Advanced Functional Materials 18 (16): 2348-2355), porous aluminum membranes with gold nanoparticles (Ko, H. and VV Tsukruk 2008 Small 4 (11): 1980-1984.), Hollow gold nanospheres and nanoshells And conjugated antibodies [Lee, S., H. Chon, et al. 2009, Biosensors & Bioelectronics 24 (7): 2260-2263]. However, the increase of the molecular vibrations is high, and the number of the uniaxialized plasmon centers is decreased, so that the reinforcement effect does not effectively take place.

현재, SERS에 사용 가능한 기판은 라만 산란의 증강 및 검출에 다양한 결함을 가지고 있다. 라만 산란 신호는 일반적으로, 특히 플랫(flat) 기판에서 매우 약하다. 약한 라만 신호는 라만 산란 신호를 검출하고 측정하는 것을 어렵게 하여, 따라서 분자 종을 검출하고 확인하는 것을 어렵게 한다. 더욱이, 사용할 수 있는 기판이 라만 산란 신호를 증강시키더라도, 증강된 라만 산란 신호는 대개 기판의 국부적인 에어리어(localized area)에만 있으며 기판 표면에 걸쳐 균일하지 않다. 국부적인 증강된 라만 산란 신호의 에어리어는 기판 표면의 전 에어리어와 비교하면 기하급수적으로 작다. 라만 산란 신호의 에어리어 및 기판 표면의 에어리어의 큰 격차는 신호를 찾아 위치시키는 것을 부담스럽게 하며 따라서 분자 종을 검출하고 확인하는 것을 부담스럽게 한다.
At present, substrates available for SERS have various defects in the enhancement and detection of Raman scattering. Raman scattering signals are generally very weak, especially on flat substrates. A weak Raman signal makes it difficult to detect and measure the Raman scattering signal, thus making it difficult to detect and identify the molecular species. Moreover, even if the usable substrate enhances the Raman scattering signal, the enhanced Raman scattering signal is usually only in the localized area of the substrate and is not uniform across the substrate surface. The area of the local enhancement Raman scattering signal is exponentially smaller than that of the entire area of the substrate surface. Large differences in the area of the Raman scattering signal and the area of the substrate surface make it difficult to locate and locate the signal and thus to detect and identify the molecular species.

이에 본 발명자들은 라만 염료(Raman dye)에 의해 유도된 금속 나노입자들의 응집체들을 제조하고, 이 금속 나노입자 응집체들을 전기유체역학적 분사 (electrohydrodynamic (EHD) jetting) 방법을 이용해서 가교결합성 폴리머 하이드로겔 성질을 가진 나노섬유 내부에 다양한 밀도로 균일하게 함입시킨, 새로운 유무기 나노섬유 복합체 기판을 제조함으로써, 라만 염료에 의해 유도된 표면-증강 라만 산란에 의한 내부 표준 신호(Internal standard signal)를 기준으로 분석 물질에 대한 신호 세기를 효과적으로 비교 및 검출할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
Accordingly, the present inventors prepared agglomerates of metal nanoparticles induced by Raman dye, and these agglomerates of metal nanoparticles were subjected to electrohydrodynamic (EHD) jetting to obtain cross-linkable polymer hydrogel Based nanofiber composite substrate prepared by uniformly impregnating nanofibers having various densities at various densities by using an internal standard signal generated by surface-enhanced Raman scattering induced by Raman dyes And the signal intensity of the analyte can be effectively compared and detected. Thus, the present invention has been completed.

Lee, C.H., Tian, L.M., Abbas, A., Kattumenu, R. & Singamaneni, S. Directed assembly of gold nanorods using aligned electrospun polymer nanofibers for highly efficient SERS substrates. Nanotechnology22 (2011).Lee, C. H., Tian, L. M., Abbas, A., Kattumenu, R. & Singamanani, S. Directed assembly of gold nanorods using aligned electrospun polymer nanofibers for highly efficient SERS substrates. Nanotechnology22 (2011). Jin, X. & Hsieh, Y.L. Anisotropic dimensional swelling of membranes of ultrafine hydrogel fibers. Macromolecular Chemistry and Physics206, 1745-1751 (2005).Jin, X. & Hsieh, Y.L. Anisotropic dimensional swelling of membranes of ultrafine hydrogel fibers. Macromolecular Chemistry and Physics 206, 1745-1751 (2005). Lee, K.Y., Jeong, L., Kang, Y.O., Lee, S.J. & Park, W.H. Electrospinning of polysaccharides for regenerative medicine. Adv Drug Deliver Rev61, 1020-1032 (2009).Lee, K.Y., Jeong, L., Kang, Y.O., Lee, S.J. & Park, W.H. 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본 발명의 목적은 표면-증강 라만 산란에 기초한 고속 및 고감도 미량 분석용 유무기 나노섬유 복합체 기판 및 이의 제조 방법을 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide an organic / inorganic nanofiber composite substrate for high-speed and high sensitivity microanalysis based on surface-enhanced Raman scattering and a method for producing the same.

본 발명의 다른 목적은 상기 나노섬유 복합체 기판을 이용하여 표면-증강 라만 산란(Surface Enhanced Raman Scattering,SERS)에 의한 물질 분석 방법을 제공하는데 있다.
Another object of the present invention is to provide a method of analyzing a material by Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) using the nanofiber composite substrate.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 In order to solve the above problems,

가교결합성 폴리머 하이드로겔 나노섬유 내부에, 라만 염료에 의한 금속나노입자들의 응집체(클러스터)가 균일하게 분포되어 있는 것을 특징으로 하는, 표면-증강 라만 산란 분석용 나노섬유 복합체 기판을 제공한다. There is provided a nanofiber composite substrate for surface-enhanced Raman scattering analysis characterized in that agglomerates (clusters) of metal nanoparticles by Raman dye are uniformly distributed in the cross-linkable polymer hydrogel nanofiber.

가교결합성 폴리머로는 폴리(아크릴아미드-코-아크릴레이트)[poly(acrylamide-co-acrylic acid, poly(AAm-co-AA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-코-스테아릴 아크릴레이트)[Poly (N-isopropyl acrylamide-co-stearyl acrylate), Poly(NIPAm-co-SA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-코-알릴아민)[poly(N-isopropylacrylamide-co-allylamine), poly(NIPAM-co-AA)], 및 아크릴 부분(acrylic moiety)을 가지는 poly(NIPAM-co-AA) 등을 사용할 수 있고, 본 발명의 일 실시예에서는 폴리(아크릴아미드-코-아크릴레이트)[poly(acrylamide-co-acrylic acid, poly(AAm-co-AA)]을 사용하였다.Crosslinkable polymers include, but are not limited to, poly (acrylamide-co-acrylic acid), poly (AAm-co-AA), poly (N-isopropylacrylamide- Poly (N-isopropylacrylamide-co-stearyl acrylate), poly (NIPAm-co-SA) ), poly (NIPAM-co-AA), and poly (NIPAM-co-AA) having an acrylic moiety. In one embodiment of the present invention, Poly (acrylamide-co-acrylic acid, poly (AAm-co-AA)] was used.

특히, 상기 가교결합은 물리적, 화학적 또는 광개시적으로 이루어질 수 있는데, 바람직하게는 자외선(UV) 광개시적으로 이루어지는 것이 좋다.In particular, the cross-linking may be physical, chemical or photo-initiative, preferably ultraviolet (UV) photo-initiatively.

또한, 금속 나노입자의 응집에 사용되는 라만 염료는 로다민6G, 로다민 B 이소티오시아네이트(RBITC), 아데닌, 4-아미노-피라졸(3,4-d)피리미딘, 2-플루오로아데닌, N6-벤조일아데닌, 키네틴, 디메틸-알릴-아미노-아데닌, 제아틴(zeatin), 브로모-아데닌, 8-아자-아데닌, 8-아자구아닌, 6-머캅토퓨린, 4-아미노-6-머캅토피라졸로(3,4-d)피리민딘, 8-머캅토아데닌, 및 9-아미노-아크리딘 등을 사용할 수 있고, 본 발명의 일 실시예에서는 로다민 B 이소티오시아네이트(RBITC)를 사용하였다.The Raman dyes used in the agglomeration of the metal nanoparticles include rhodamine 6G, rhodamine B isothiocyanate (RBITC), adenine, 4-amino-pyrazole (3,4-d) pyrimidine, Adenine, N6-benzoyladenine, kinetin, dimethyl-allyl-amino-adenine, zeatin, bromo-adenine, 8-aza- adenine, 8-azaguanine, 6- Mercapto-pyrazolone (3,4-d) pyrimidine, 8-mercaptoadenine, and 9-amino-acridine. In one embodiment of the present invention, rhodamine B isothiocyanate (RBITC ) Was used.

금속 나노입자는 은, 금, 구리, 및 이들의 혼합물 등으로부터 선택될 수 있는데, 바람직하게는 은(실버) 나노입자를 사용할 수 있다.The metal nanoparticles may be selected from silver, gold, copper, and mixtures thereof, and preferably silver (silver) nanoparticles may be used.

상기 금속 나노입자는 1~00 nm의 직경 크기를 가지는 것이 바람직하고, 상기 금속 나노입자 응집체(클러스터)는 60~100 nm의 직경 크기를 가지는 것이 바람직하다.
The metal nanoparticles preferably have a diameter of 1 to 00 nm, and the metal nanoparticle aggregate (cluster) preferably has a diameter of 60 to 100 nm.

본 발명은 다른 구체예로써, 다음을 포함하는 상기 표면-증강 라만 산란 분석용 나노섬유 복합체 기판 제조방법을 제공한다:According to another embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a nanofiber composite substrate for analyzing surface-enhanced Raman scattering comprising:

(i) 시드(seed) 금속 나노입자를 라만 염료에 의해 응집하여 금속 나노클러스터(nanocluster)를 형성하는 단계;(i) agglomerating seed metal nanoparticles with a Raman dye to form metal nanoclusters;

(ii) 상기 금속 나노클러스터(nanocluster)를 코팅시키는 단계; (ii) coating the metal nanocluster;

(iii) 전기수력적 분사(Electrohydrodynamic jetting) 방법을 통해 가교결합성 폴리머 하이드로겔 나노섬유에 상기 금속 나노클러스터를 함입시키는 단계; 및(iii) introducing the metal nanoclusters into the crosslinkable polymer hydrogel nanofibers through an electrohydrodynamic jetting process; And

(iv) 가교결합성 폴리머 하이드로겔을 가교결합시키는 단계.(iv) cross-linking the cross-linkable polymer hydrogel.

각 단계에서 사용되는 주요한 구성성분에 대한 설명은 앞서 설명한 바와 같다.The description of the main constituents used in each step is as described above.

(ii)단계에서, 상기 금속 나노클러스터(nanocluster)의 코팅은 아비딘(avidin), 스트렙타비딘(streptavidin), BSA(bovine serum albumin), 인슐린(insulin), 콩단백질, 카제인, 젤라틴 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 단백질로 코팅할 수 있는데, 이를 통해 금속 나노클러스터를 안정화시키는 효과를 수득할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 BSA(bovine serum albumin)로 은 나노클러스터를 코팅하였다.In step (ii), the coating of the metal nanocluster may be carried out by a method selected from the group consisting of avidin, streptavidin, bovine serum albumin (BSA), insulin, soy protein, casein, gelatin and mixtures thereof , Which can stabilize the metal nano-cluster. In one embodiment of the present invention, silver nanoclusters were coated with BSA (bovine serum albumin).

그리고, (iii) 단계에서, 가교결합성 폴리머 하이드로겔 나노섬유에 상기 금속 나노클러스터를 함입시킬 때, 라만 염료 종류와 농도 조절; 금속나노입자 응집체들의 밀도 조절; 또는 전기유체역학적 분사 조절을 통해, 다양한 밀도로 금속 나노입자들의 응집체를 고르게 분포시킬 수 있는 장점이 있다.And, in step (iii), when the metal nanoclusters are incorporated into the crosslinkable polymer hydrogel nanofibers, Raman dye type and concentration control; Density control of metal nanoparticle aggregates; Or electrophysiological injection control, it is possible to uniformly distribute aggregates of metal nanoparticles at various densities.

또한, 본 발명은 또 다른 구체예로서, 표면-증강 라만 산란 분석용 나노섬유 복합체 기판을 이용하여 수용액 상에서 분석물질을 검출하는 것을 특징으로 하는, 표면-증강 라만 산란 분석방법을 제공한다.The present invention also provides a surface-enhanced Raman scattering analysis method, characterized in that an analyte is detected in an aqueous solution by using a nanofiber composite substrate for surface-enhanced Raman scattering analysis as another embodiment.

구체적으로, 본 발명은 다음의 분석방법을 제공한다:Specifically, the present invention provides the following analytical methods:

가교결합성 폴리머 하이드로겔 나노섬유 내부에 라만 염료에 의한 금속나노입자들의 응집체(클러스터)가 균일하게 분포되어 있는 것을 특징으로 하는, 표면-증강 라만 산란 분석용 나노섬유 복합체 기판을 준비하고; 그리고Preparing a nanofiber composite substrate for surface-enhanced Raman scattering analysis, wherein aggregates (clusters) of the metal nanoparticles by the Raman dye are uniformly distributed in the cross-linkable polymer hydrogel nanofiber; And

상기 나노섬유 복합체 기판을 분석 물질이 포함된 용액에 침지시켜서 분석 물질을 검출하는;Immersing the nanofiber composite substrate in a solution containing the analyte to detect the analyte;

단계를 포함하는 표면-증강 라만 산란 분석방법.And a surface-enhanced Raman scattering analysis method comprising the steps of:

상기 나노섬유 복합체 기판은, 상기 금속나노입자들의 응집체들을 둘러싸는 상기 폴리머 사이에 가교결합이 형성되어 상기 금속나노입자들의 응집체와 상기 폴리머 사이에 네트워크가 형성될 수 있다.The nanofiber composite substrate may be crosslinked between the polymers surrounding the agglomerates of the metal nanoparticles to form a network between the agglomerates of the metal nanoparticles and the polymer.

상기 방법은, 상기 기판 내 존재하는 라만 염료에 의해 유도된 표면-증강 라만 산란에 의한 일정한 내부 표준 신호(Internal standard signal) 세기를 기준으로 비교 분석할 수 있어 효과적이다.The method is effective because it can perform comparative analysis based on the intensity of an internal standard signal due to the surface-enhanced Raman scattering induced by the Raman dyes existing in the substrate.

본 발명의 분석방법은 분석물질이 0.01~6ppm, 바람직하게는 0.5~6ppm 의 농도로 존재하는 경우에, 즉, 극미량의 경우에도 검출 가능하므로, 더욱 유용하게 활용될 수 있다. The analytical method of the present invention can be more usefully used when the analyte is present in a concentration of 0.01 to 6 ppm, preferably 0.5 to 6 ppm, that is, even in a trace amount.

상기 분석물질은 발암 물질일 수 있으나, 반드시 이로 제한되는 것은 아니다.The analyte may be a carcinogen, but is not necessarily limited thereto.

상기 나노섬유 복합체 기판을 상기 분석 물질이 포함된 용액에 침지시키면, 상기 분석 물질이 상기 나노섬유 복합체 기판을 통해 확산되어 상기 금속 나노입자 응집체들 표면에 흡착함으로써 분석 물질을 검출할 수 있다.When the nanofiber composite substrate is immersed in a solution containing the analyte, the analyte is diffused through the nanofiber composite substrate and adsorbed on the surface of the nanoparticle aggregates, thereby detecting the analyte.

본 발명의 일 실시예에서는 말라카이트 그린(malachite green, MGITC)을 대상으로 분석을 수행하였다.
In one embodiment of the present invention, analysis was performed on malachite green (MGITC).

본 발명은 가교결합성 폴리머 하이드로겔 나노섬유 내부에 라만 염료에 의한 금속나노입자들의 응집체(클러스터)가 균일하게 분포되어 있는 것을 특징으로 하는, 표면-증강 라만 산란 분석용 나노섬유 복합체 기판과 이의 응용에 관한 것으로, 라만 염료에 의한 금속나노입자들의 응집체의 분포 밀도를 분석 물질에 따라 다양하게 조절할 수 있고, 표면-증강 라만 산란에 의해 일정한 세기를 나타내는 라만 염료에 의한 내부 표준 신호(Internal standard signal)를 기준으로 삼아, 분석 물질에 대한 라만 신호 세기를 비교 분석함으로써 효과적으로 검출하는데 유용하다.
The present invention relates to a nanofiber composite substrate for surface-enhanced Raman scattering analysis and its application, wherein agglomerates (clusters) of metal nanoparticles by Raman dye are uniformly distributed inside the crosslinkable polymer hydrogel nanofiber The distribution density of metal nanoparticles aggregates by Raman dyes can be variously controlled according to an analyte and an internal standard signal by a Raman dye exhibiting a constant intensity by surface-enhanced Raman scattering, , It is useful for effectively detecting Raman signal intensities for analytes by comparative analysis.

도 1(A)는 표면-증강 라만 산란에 기초한 고속 및 고감도 바이오센싱 및 물질의 미량분석을 위해 다양한 라만 염료(Raman dye)에 의해 유도된 금속나노입자들의 응집체들을 제조하고, 도 1(B)는 금속나노입자 응집체들을 전기수력학적(전기유체역학적) 분사 (electrohydrodynamic (EHD) jetting) 방법을 이용해서 고분자 하이드로겔 성질을 가진 나노섬유 내부에 다양한 밀도로 균일하게 함입시킨 새로운 유무기 나노섬유 복합체 기판 제조 방법에 대한 본 발명의 모식도이다. 도 1(C)는 수용액 상에 존재하는 MGITC를 유무기 나노섬유 복합체 기판을 이용하여 정량 및 정성 분석하는 모식도이다.
도 2(A)는 라만 염료(RBITC)에 의해 은 나노입자 응집체가 형성되는 동안의 UV-Vis 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 도 2(B)는 Dynamic light scattering (DLS)를 이용하여 은 나노입자 응집체의 크기를 분석한 그래프이다. 도 2(C, D)는 은나노 입자, 은 나노 입자의 응집체의 투과 전자현미경 사진이다. 도 2(E, F)는 은나노입자 응집체의 형성동안 배양 시간에 따른 라만 신호 변화 및 주요 라만 피크 강도를 응집반응시간에 대해 나타낸 그래프이다.
도 3(A)는 UV crosslinkable-poly(acrylamide-co-acrylic acid); UV-P(AAm-co-AA)의 탄소 이중결합 (C=C)을 이용하여 UV 가교결합하는 모식도이다. 도 3(B)는 NMR을 통하여 분석한 UV-P(AAm-co-AA) 스펙트럼이며, 도 3(C)는 UV를 조사하기 전 조사 후 나타나는 UV-P(AAm-co-AA)의 라만 신호를 측정한 것이다.
도 4(A)는 고분자 방사액에 은나노 응집체 입자 농도가 0.4 w/v % 포함 되어 있을 때 전기 방사시간에 따라 나타나는 나노섬유 기판의 표면-증강 라만 산란 신호의 변화 그래프 및 도 4(B)는 각각의 시간에 따른 주요 라만 피크 (1646 cm-1)에서 나타난 강도를 나타낸 것이다. 도 4(C)는 나노섬유 내 은나노 응집체 입자의 농도 증가에 따른 표면-증강 라만 산란 신호의 변화 및 도 4(D)는 각각의 농도에 따른 주요 라만 피크 (1646 cm-1)에서 나타난 강도를 나타낸 것이다.
도 5(A)는 다른 용매(물, 에탄올, 아세톤)에서의 유무기 나노섬유 복합체 기판의 표면-증강 라만 산란 신호의 변화 그래프 및 도 5(B)는 무작위로 14번의 라만 산란 신호를 측정 후 주요 라만 피크 (1646 cm-1)에서 나타난 강도에 따라 나타낸 그래프이다. 도 5(C) 및 5(D)는 다양한 pH 5?pH 12) 및 염 농도(0.02 M ? 0.1 M) 안에서 라만 산란 신호를 측정 후 주요 라만 피크 (1646 cm-1)에서 나타난 강도에 따라 나타낸 그래프이다.
도 6(A-D)는 (A-D) 상이한 배율, 7.5, 10.0, 12.5 및 15.0 w/v% 폴리머 농도에서 0.4 w/v% 농도로 은 나노입자 응집체 입자를 포함한 폴리머 나노섬유의 SEM 이미지이다. 도 6(E-F)는 수용액상에서 팽윤된 나노섬유를 통하여 분석 물질들의 확산을 측정할 수 있는, 나노 섬유의 팽창 비율을 추정하기 위한 (E) 건조상태, (F) 팽윤상태에서의 유무기 나노섬유 복합체 기판의 공초점 레이져 주사 현미경 사진이다.
도 7은 유무기 나노섬유 복합체 기판에 함입된 은나노 응집체의 양에 따른 TEM 사진이다 [은나노 응집체 입자 농도 (A, B) 0.2 w/v % (C, D) 0.4 w/v % (E, F) 0.8 w/v %].
도 8(A)는 말라카이트 그린 (MGITC)이 팽윤된 하이드로겔인 유무기 나노섬유 복합체 기판 내부를 통해 확산되어 금속나노입자 응집체 표면에 흡착하여 그의 농도에 따른 표면-증강 라만 산란 스펙트럼 및 도 8(B)는 RBITC의 내부 표준 신호(Internal standard signal)에 따른 라만 신호 세기와 발암 물질인 MGITC의 농도에 따른 라만 신호 세기와의 관계 그래프이다.
1 (A) shows the preparation of agglomerates of metal nanoparticles induced by various Raman dyes for high-speed and high-sensitivity biosensing based on surface-enhanced Raman scattering and for trace analysis of materials, Is a new nanocomposite composite substrate in which nanoparticles of metal nanoparticles are uniformly embedded in nanofibers having polymer hydrogels at various densities using an electrohydrodynamic (EHD) jetting method. FIG. 1 is a schematic view of the present invention on a manufacturing method. 1 (C) is a schematic diagram for quantitatively and qualitatively analyzing MGITC present in an aqueous solution using an organic / inorganic nanofiber composite substrate.
FIG. 2 (A) is a graph showing the UV-Vis spectrum during the formation of silver nanoparticle aggregates by Raman scattering dye (RBITC). FIG. 2 (B) is a graph showing the size of aggregated silver nanoparticles using dynamic light scattering (DLS). 2 (C, D) are transmission electron micrographs of agglomerates of silver nanoparticles and silver nanoparticles. 2 (E) and (F) are graphs showing changes in Raman signal and major Raman peak intensities with respect to agglomeration reaction time during the formation of silver nanoparticle aggregates.
Figure 3 (A) is a cross-sectional view of a UV crosslinkable poly (acrylamide-co-acrylic acid); UV cross-linking using a carbon-carbon double bond (C = C) of UV-P (AAm-co-AA). 3 (B) is a spectrum of UV-P (AAm-co-AA) analyzed by NMR, and FIG. 3 (C) Signal.
Fig. 4 (A) is a graph of a change in the surface-enhanced Raman scattering signal of the nanofiber substrate, which is observed according to the electrospinning time when the concentration of silver nanoparticles in the polymer solution is 0.4 w / v% (1646 cm <" 1 >) for each time. FIG. 4 (C) is a graph showing changes in surface-enhanced Raman scattering signal with increasing concentration of silver nanoparticles in the nanofiber, and FIG. 4 (D) shows the intensity at a main Raman peak (1646 cm -1) .
FIG. 5A is a graph of a change in the surface-enhanced Raman scattering signal of the organic / inorganic nanofiber composite substrate in another solvent (water, ethanol, acetone) and FIG. 5B is a graph showing the Raman scattering signal And the intensity at the main Raman peak (1646 cm < -1 >). Figures 5 (C) and 5 (D) show the Raman scattering signals in various pH 5 - pH 12 and salt concentrations (0.02 M - 0.1 M), followed by the intensity at the main Raman peak (1646 cm -1) Graph.
6 (AD) is an SEM image of polymer nanofibers containing silver nanoparticle aggregate particles at a concentration of 0.4 w / v% at a different magnification, 7.5, 10.0, 12.5 and 15.0 w / v% polymer concentration (AD) FIG. 6 (EF) is a graph showing the distribution of analytes through the swollen nanofibers in an aqueous solution, (E) a dry state for estimating the expansion ratio of the nanofibers, (F) A confocal laser scanning microscope photograph of the composite substrate.
(A, B) 0.2 w / v% (C, D) 0.4 w / v% (E, F) ) 0.8 w / v%].
8 (A) shows a surface-enhanced Raman scattering spectrum according to the concentration of metal nanoparticles aggregated by diffusing through the inside of the organic / inorganic nanofiber composite substrate, which is a swollen hydrogel of malachite green (MGITC) B) is a graph of the relationship between the Raman signal intensity according to the internal standard signal of RBITC and the Raman signal intensity according to the MGITC concentration of carcinogen.

"나노입자(Nanoparticles)"란 입자의 크기가 1 ~ 1000 nm 크기의 범주에 속하는 입자이며, "마이크로입자(Microparticles)"란 1 ~ 1000 μm의 크기의 입자를 말한다."Nanoparticles" are particles in the size range of 1 to 1000 nm, and "microparticles" are particles in the size of 1 to 1000 μm.

"금속 나노클러스터(nanocluster)"란, 금속 입자들이 모여서 응집된 응집물을 의미하는 용어로서 이 분야에서 일반적으로 사용되는 용어이다.The term " metal nanocluster " is a term commonly used in this field as a term for aggregates of aggregated metal particles.

"폴리머 또는 고분자"는 한 종류 또는 수 종류의 구성 단위가 서로에게 많은 수의 화학결합으로 중합되어 연결되어 있는 분자로 되어 있는 화합물이다. 구성 단위를 단량체(單量體)라고 하고, 중합도에 따라 이량체, 삼량체 등이라고 한다. 중합도가 큰 거대 분자를 고중합체라고 하고, 고분자 화합물(분자량이 1만 이상의 화합물)과 같은 의미로 사용되는 경우가 많다. 본 명세서에서도 폴리머와 고분자의 용어가 혼용되어 사용되고 있다.A "polymer or polymer" is a compound in which one kind or several kinds of constitutional units are linked to each other by a large number of chemical bonds. The constituent unit is referred to as a monomer, and it is referred to as a dimer, trimer or the like depending on the polymerization degree. A macromolecule having a high degree of polymerization is referred to as a high polymer and is often used in the same meaning as a polymer compound (a compound having a molecular weight of 10,000 or more). In the present specification, the terms polymer and polymer are used in combination.

"하이드로겔"은 분자 사슬간의 가교결합을 통한 3차원의 망상구조를 가진 수팽윤 고분자로서 다량의 물을 함유할 수 있으며 물에 녹지않는 성질을 가진 고분자 복합체이다. 하이드로겔이 뛰어난 흡수성을 나타내는 것은 고분자 사슬 안에 친수성 그룹들이 있기 때문이고 이들의 가교결합을 통해서 흡수된 물들이 사슬 사이에 존재할 수 있게 되는 것으로 이와 같은 흡수체계는 화학적인 작용과 물리적인 작용의 동반작용에 의해 이루어지게 된다."Hydrogel" is a water-swelling polymer having a three-dimensional network structure through cross-linking between molecular chains. It is a polymer complex that can contain a large amount of water and is insoluble in water. Hydrogels exhibit excellent absorbency because of the presence of hydrophilic groups in the polymer chain, and through their cross-linking, the absorbed water can be present between the chains. This absorption system is a combination of chemical action and physical action As shown in FIG.

"라만 산란(Raman scattering)"이란 입사되는 광자의 에너지(hv)가 분자의 진동 상태를 변화시키면서 다른 주파수의 에너지(hv')로 비탄성 산란되는 현상이다. 이러한 라만 산란은 광자와 상호작용하여 산란을 유도하는 분자 구조에 따라 고유의 광자 에너지 변화 형태를 나타내므로, 분자의 검출, 확인 및 분석이 가능하다. 이러한 라만 신호를 강화하여 고감도 검출을 하기 위하여 사용되는 기술 중 하나가 표면강화 라만 산란법(Surface Enhanced Raman Scattering 또는 Surface Enhanced Raman Spectroscopy)이다. 표면강화 라만 산란법은 극미세 구조물을 이용하여 국소적으로 전자기장을 강화하여 라만 신호를 증폭시키는 기술이다"Raman scattering" is a phenomenon in which the energy (hv) of an incident photon is inelastic scattered to energy (hv ') at another frequency while changing the vibrational state of the molecule. Such Raman scattering interacts with the photons and exhibits inherent photonic energy changes depending on the molecular structure that induces scattering. Therefore, it is possible to detect, identify and analyze molecules. Surface enhanced Raman scattering or Surface Enhanced Raman spectroscopy is one technique used to enhance the sensitivity of Raman signals. Surface enhanced Raman scattering is a technique for amplifying a Raman signal by locally increasing the electromagnetic field using a very fine structure

"분석물 또는 분석 대상"이란 용어는 검출 및/또는 확인하고자 하는 모든 원자, 화학물질, 분자, 화합물, 조성물 또는 응집물을 의미한다. 이러한 분석물의 비제한적인 예로는, 아미노산, 펩타이드, 폴리펩타이드, 단백질, 글리코프로테인, 리포프로테인, 뉴클레오사이드, 뉴클레오타이드, 올리고뉴클레오타이드, 핵산, 당, 탄수화물, 올리고사카라이드, 폴리사카라이드, 지방산, 지질, 호르몬, 대사산물, 사이토카인, 케모카인, 수용체, 신경전달물질, 항원, 알레르겐, 항체, 기질, 대사산물, 보조인자, 억제제, 약물, 약학물, 영양물, 프리온, 독소, 독물, 폭발물, 살충제, 화학무기제, 생체유해성 제제, 방사선동위원소, 비타민, 헤테로사이클릭 방향족 화합물, 발암물질, 돌연변이유발요인, 마취제, 암페타민, 바르비투레이트, 환각제, 폐기물 및/또는 오염물을 들 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 환경 오염원 중 하나인 말라카이트 그린을 분석하였다.The term "analyte or analyte" means any atom, chemical, molecule, compound, composition or aggregate that is to be detected and / or identified. Non-limiting examples of such analytes include, but are not limited to, amino acids, peptides, polypeptides, proteins, glycoproteins, lipoproteins, nucleosides, nucleotides, oligonucleotides, nucleic acids, sugars, carbohydrates, oligosaccharides, polysaccharides, , Hormones, metabolites, cytokines, chemokines, receptors, neurotransmitters, antigens, allergens, antibodies, substrates, metabolites, cofactors, inhibitors, drugs, pharmaceuticals, nutrients, prions, toxins, toxins, Toxicants, radiation isotopes, vitamins, heterocyclic aromatic compounds, carcinogens, mutagenic factors, anesthetics, amphetamines, barbiturates, hallucinogens, wastes and / or contaminants. In one embodiment of the present invention, malachite green, one of the environmental pollutants, was analyzed.

"표지" 또는 "라벨"는 직접 또는 간접적으로 시약, 예를 들어 핵산 프로브 또는 항체에 컨쥬게이팅 되거나 융합되고 컨쥬게이팅 되거나 융합된 시약의 검출을 용이하게 하는 화합물 또는 조성물을 의미한다. 표지는 그 자체가 검출될 수 있거나 (예를 들어, 방사성 동위원소 표지 또는 형광 표지), 효소 표지의 경우에, 검출가능한 기질 화합물 또는 조성물의 화학적 변형을 촉매 할 수 있다. 이러한 검출 라벨은 효소, 형광물, 리간드, 발광물, 미소입자(microparticle), 레독스 분자 및 방사선 동위원소로 이루어진 그룹중에서 선택할 수 있으며, 반드시 이로 제한되는 것은 아니다. "Label" or "label " means a compound or composition that facilitates the detection of a reagent, such as a reagent conjugated, conjugated, conjugated, or fused to a nucleic acid probe or antibody. The label may itself be detected (e. G., A radioactive isotope label or a fluorescent label), in the case of an enzyme label, to catalyze the chemical modification of the detectable substrate compound or composition. Such detection labels may be selected from the group consisting of enzymes, chromophores, ligands, emitters, microparticles, redox molecules, and radioisotopes, but are not necessarily limited thereto.

본 명세서를 통해, 문맥에서 달리 필요하지 않으면, "포함하다" 및 "포함하는"이란 말은 제시된 단계 또는 원소, 또는 단계 또는 원소들의 군을 포함하나, 임의의 다른 단계 또는 원소, 또는 단계 또는 원소들의 군이 배제되지는 않음을 내포하는 것으로 이해하여야 한다.Throughout this specification, the words " comprising "and" comprising ", unless the context requires otherwise, include the stated step or element, or group of steps or elements, but not to any other step or element, And that they are not excluded.

본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미로 사용된다. 또한 본 명세서에는 바람직한 방법이나 시료가 기재되나, 이와 유사하거나 동등한 것들도 본 발명의 범주에 포함된다.
All technical terms used in the present invention are used in the sense that they are generally understood by those of ordinary skill in the relevant field of the present invention unless otherwise defined. Also, preferred methods or samples are described in this specification, but similar or equivalent ones are also included in the scope of the present invention.

이하 본 발명에 대하여 구체적으로 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 표면 증강 라만 산란(Surface enhanced Raman scattering, SERS) 분석에 사용하는 기판에 관한 것이다.The present invention relates to a substrate for use in surface enhanced Raman scattering (SERS) analysis.

표면 증강 라만 산란(Surface enhanced Raman scattering, SERS)-기반 검출 방법은 고감도 분석법으로 각광을 받고 있다. 분석물 함유 용액 및 라만 리포터가 붙은 면역-금 나노입자가 연속적으로 첨가되고, 리포터 분자의 특징적인 SERS 피크의 세기(intensity) 변화를 측정하여 특정 마커를 정량적으로 분석할 수 있다. 리포터 분자가 거친 금속 표면에 흡착되고 여기광(레이저 광)에 노출되면, 측정 접점(hot spot junction)이라고 알려진 리포터 분자의 SERS 활성 사이트에서 전자기적이고 화학적인 증강이 발생하여 SERS 신호가 대폭 증가한다(Kneipp, J. et al., 2006. Nnao Lett. 6, 2225-2231). 이 증강 효과는 종래 라만 및 형광 검출법이 가지는 단점인 저감도성의 문제를 해결한다.The surface enhanced Raman scattering (SERS) - based detection method has been spotlighted by high sensitivity analysis method. The analyte-containing solution and the immuno-gold nanoparticles with Raman reporter are added continuously and the specific marker can be quantitatively analyzed by measuring the intensity change of the characteristic SERS peak of the reporter molecule. When the reporter molecule is adsorbed to a rough metal surface and exposed to excitation light (laser light), electromagnetic and chemical enhancement occurs at the SERS active site of the reporter molecule known as the hot spot junction, resulting in a significant increase in the SERS signal Kneipp, J. et al., 2006. Nnao Lett., 6, 2225-2231). This enhancing effect solves the problem of low sensitivity which is a disadvantage of conventional Raman and fluorescence detection methods.

SERS는 단일분자 수준에서 생체이미징 및 생체신호를 고감도로 측정할 수 있는 기술로 발전해 왔다. 나노 구조 금속 표면에 흡착된 서로 다른 분자들의 라만 신호는, 은, 금, 구리 등의 경우에 매우 높게 나타난다. 거친 금속 기질 표면에 라만 활성 분자들이 흡착되면, 그들의 SERS 신호는 증가한다. 그 이유는 측정 접점(hot spot junctions)의 매우 편재화된 플라스몬 중심에서 발생하는 전자기 및 화학 증강 현상 때문이다. 전자기현상은, 거친 금속 기질 또는 금속 응집체 표면과 연관된 국소 표면 플라스몬 공명과 관련이 있다. 반면, 화학 증강은 직접적 전하 이동 또는 홀-쌍 발광(hole-pair excitation process)과 연관되어 있다.SERS has evolved into a technology capable of measuring biological imaging and biological signals with high sensitivity at a single molecule level. Nanostructures Raman signals of different molecules adsorbed on metal surfaces are very high in the case of silver, gold, copper, and the like. When the Raman active molecules are adsorbed on the surface of the rough metal substrate, their SERS signal increases. This is due to the electromagnetic and chemical enhancement phenomena occurring at the highly flattened plasmon centers of the hot spot junctions. The electronic representation relates to local surface plasmon resonance associated with coarse metal or metal aggregate surfaces. On the other hand, chemical enhancement is associated with direct charge transfer or hole-pair excitation processes.

단일분자 수준을 감지하기 위해서는 SERS 신호가 엄청나게 증강되어야 한다. 단일 분자의 SERS 감지를 위해 은 콜로이드성 나노입자 응집체가 처음 사용되었다[Nie, S. M. and S. R. Emery 1997 Science 275(5303): 1102-1106.]. 이후의 연구 결과들을 통해, 은 나노클러스터가 초감도 감지를 위해 가장 적합하다는 것이 알려졌다[Kneipp, J., H. Kneipp, et al. 2006, Nano Letters 6(10): 2225-2231.]. 만약 라만 리포터 분자가 나노클러스터의 접점에 존재한다면, 신호 세기가 엄청나게 증가한다[Chen, J. W., Y. Lei, et al. 2008, Analytical and Bioanalytical Chemistry 392(1-2): 187-193.]. 입자들 사이의 거리, 금속 플라스몬 영역의 고유 특징, 나노입자의 크기와 농도 그리고 레이저 강도는 신호 증강을 조절하는 중요한 파라미터이다. In order to detect a single molecule level, the SERS signal must be enormously increased. Silver colloidal nanoparticle aggregates were first used for SERS detection of single molecules [Nie, S. M. and S. R. Emery 1997 Science 275 (5303): 1102-1106.]. Subsequent studies have shown that silver nanoclusters are best suited for super sensitivity detection [Kneipp, J., H. Kneipp, et al. 2006, Nano Letters 6 (10): 2225-2231.]. If the Raman reporter molecule is present at the junction of the nanoclusters, the signal intensity increases tremendously [Chen, J. W., Y. Lei, et al. 2008, Analytical and Bioanalytical Chemistry 392 (1-2): 187-193.]. The distance between particles, the intrinsic characteristics of the metal plasmon region, the size and concentration of nanoparticles, and the laser intensity are important parameters controlling signal enhancement.

SERS 기질 또는 기판으로 이용할 수 있는 특정 구조에 대한 연구가 계속되고 있다. 금 및 나노입자들을 원하는 모양 및 형상으로 만들기 위해서, 이온빔 리소그래피, 전자빔 리소그래피, 나노스피어 리소그래피 및 진공 증발에 관심을 두고 있고, 작은 나노입자를 나노클러스터로 모으는 방법이 이용되고 있지만, 이러한 기술들은 비용이 많이 들고 대량 생산이 어려운 문제점이 있고, 서로 다른 화학 및 생물 환경에서의 나노클러스터의 안정성이 매우 중요하다. Studies are underway on specific structures available as SERS substrates or substrates. In order to make the gold and nanoparticles into a desired shape and shape, attention is focused on ion beam lithography, electron beam lithography, nanosphere lithography and vacuum evaporation, and methods of collecting small nanoparticles into nanoclusters have been used, It is difficult to mass-produce them, and the stability of nanoclusters in different chemical and biological environments is very important.

또한, 대부분 화학물질 미량분석용 화학센서로 종래 개발된 표면-증강 라만 산란 기판 자체에는 라만 염료에 의해 유도된 표면-증강 라만 산란에 의한 내부 표준 신호(Internal standard signal)가 존재하지 않으므로, 내부 표준에 따른 재현성있는 미량 분석이 어려움이 존재한다.In addition, most of the surface-enhanced Raman scattering substrates conventionally developed as chemical sensors for chemical trace analysis have no internal standard signals due to surface-enhanced Raman scattering induced by Raman dyes, It is difficult to reproducibly perform minute amount analysis.

현재 개발된 표면-증강 라만 산란 기판의 경우, 검출 가능한 부분이 제한적이기 때문에 미량 분석에 필요로 하는 핵심 기술에 한계가 있어 왔다.In the currently developed surface-enhanced Raman scattering substrate, there is a limit to the core technology required for the microanalysis because the detectable part is limited.

그러나, 본 발명의 표면-증강 라만 산란 분석용 나노섬유 복합체 기판은 이러한 요구를 만족시키는 새로운 개념의 기판으로써, 분석 물질의 고속 및 고감도 미량 분석이 가능하고, 화학적 안정성, 데이타 재현성을 실현할 수 있다.However, the nanofiber composite substrate for surface-enhanced Raman scattering analysis of the present invention can realize a high-speed and high-sensitivity microanalysis of an analyte and realize chemical stability and data reproducibility as a new concept substrate satisfying this demand.

즉, 본 발명자들은 고속 및 고감도 미량 분석 및 바이오센싱을 위해 금속나노입자들을 다양한 라만 염료(Raman dye)에 의해 유도된 금속 나노입자들의 응집체(클러스터)들을 제조하고, 이 금속나노입자 응집체들을 전기수력학적(전기유체역학적) 분사 (electrohydrodynamic (EHD) jetting) 방법을 이용해서 고분자(폴리머) 하이드로겔 성질을 가진 나노섬유 내부에 다양한 밀도로 균일하게 함입시켜 화학적으로 안정화시키고, 폴리머 하이드로겔 성질을 가진 새로운 유무기 나노섬유 복합체 기판의 팽윤된 구조 (swollen sturucture)를 통하여 분석 물질이 확산되는 방법을 통해서, 위험 약물의 검출이 가능한 고속 및 고감도 미량 분석이 가능할 뿐만 아니라, 화학적 안정성, 데이타 재현성을 실현하였다.
That is, the present inventors produced metal nanoparticles agglomerates (clusters) of metal nanoparticles induced by various Raman dyes for high-speed and high-sensitivity microanalysis and biosensing, (Polymer) hydrogel property by uniformly introducing the nanofiber into the nanofiber at various densities by chemical hydrothermal (electrohydrodynamic (EHD) jetting) method. Through the swollen sturucture of the organic / inorganic nanofiber composite substrate, the analytical substance is diffused to realize a high-speed and high-sensitivity microanalysis capable of detecting a dangerous drug, as well as chemical stability and data reproducibility.

따라서, 본 발명은 일 관점에서 Accordingly, the present invention provides, in one aspect,

가교결합성 폴리머 하이드로겔 나노섬유 내부에, 라만 염료에 의한 금속나노입자들의 응집체(클러스터)가 균일하게 분포되어 있는 것을 특징으로 하는, 표면-증강 라만 산란 분석용 나노섬유 복합체 기판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.A nanofiber composite substrate for surface-enhanced Raman scattering analysis and a method for producing the same, characterized in that agglomerates (clusters) of the metal nanoparticles by the Raman dye are uniformly distributed in the cross-linkable polymer hydrogel nanofiber .

본 발명의 기판은 가교결합성 폴리머 하이드로겔 성질을 가진 나노섬유 내부에, 라만 염료(Raman dye)에 의해 유도된 금속 나노입자들의 응집체인 나노 클러스터들을 균일한 밀도로 함유하고 있다.The substrate of the present invention contains nanoclusters, which are agglomerates of metal nanoparticles induced by Raman dye, in uniform density within the nanofibers having cross-linkable polymer hydrogel properties.

특히, 수성 환경 (Aqueous conditions)에서 유무기 나노섬유 복합체 기판을 안정시키기 위해, 폴리머 하이드로겔 나노섬유는 물리적, 화학적 또는 광개시적으로 가교결합을 형성하는데, 예를 들어, 열적 가교결합 (Thermal chemical crosslinking) 또는 높은 온도에서의 표면-증강 라만 산란 신호의 손실을 최소화하는 광개시 화학결합 (Photo-initiated chemical crosslinking)을 이용해서 가교결합을 형성하고 수용액 상에서 팽윤되는(swollen) 특성을 가진다.Particularly, in order to stabilize the organic / inorganic nanofiber composite substrate in aqueous conditions, the polymer hydrogel nanofibers form crosslinks physically, chemically or photoactively, for example, thermal chemical crosslinking or swollen in an aqueous solution using photo-initiated chemical crosslinking which minimizes the loss of surface-enhanced Raman scattering signals at high temperatures.

이러한 팽윤된 하이드로겔 기판 내부를 통해, 수용액 상에 용해되어 있는 분석 물질들이 확산 (Diffusion) 되어 금속나노입자 응집체 표면에 흡착함으로써, 라만 염료에 의해 유도된 표면-증강 라만 산란 신호에 기초해서 물질들의 고속 및 고감도 미량 분석이 가능한 것이다.Through the inside of the swollen hydrogel substrate, the analytes dissolved in the aqueous solution are diffused and adsorbed on the surface of the metal nanoparticle aggregates, whereby the adsorption of the substances on the surface of the material based on the surface-enhanced Raman scattering signal induced by the Raman dye High-speed and high-sensitivity trace analysis is possible.

이 때, 본 발명의 표면-증강 라만 산란 기판 자체에 존재하는 라만 염료에 의해 유도된 표면-증강 라만 산란에 의한 내부 표준 신호(Internal standard signal)의 일정한 세기를 기준으로 하여, 분석 물질에 대한 라만 신호 세기를 비교 분석함으로써 분석물을 효과적으로 검출할 수 있다.
At this time, based on the constant intensity of the internal standard signal by the surface-enhanced Raman scattering induced by the Raman dye present in the surface-enhanced Raman scattering substrate of the present invention, The analyte can be effectively detected by comparing and analyzing the signal intensity.

본 발명의 표면-증강 라만 산란 분석용 나노섬유 복합체 기판을 제조하기 위해, 일 구체예로서 하기의 방법으로 제조할 수 있다:In order to produce the nanofiber composite substrate for surface-enhanced Raman scattering analysis of the present invention, it can be produced by the following method as one embodiment:

(i) 시드(seed) 금속 나노입자를 라만 염료에 의해 응집하여 금속 나노클러스터(nanocluster)를 형성하는 단계;(i) agglomerating seed metal nanoparticles with a Raman dye to form metal nanoclusters;

(ii) 상기 금속 나노클러스터(nanocluster)를 코팅시키는 단계; (ii) coating the metal nanocluster;

(iii) 전기수력적 분사(Electrohydrodynamic jetting) 방법을 통해 가교결합성 폴리머 하이드로겔 나노섬유에 상기 금속 나노클러스터를 함입시키는 단계; 및(iii) introducing the metal nanoclusters into the crosslinkable polymer hydrogel nanofibers through an electrohydrodynamic jetting process; And

(iv) 가교결합성 폴리머 하이드로겔을 가교결합시키는 단계
(iv) cross-linking the cross-linkable polymer hydrogel

상기 제조방법은 도 1에 개략적인 모식도로 도시하였다.The manufacturing method is schematically shown in Fig.

이하, 상기 방법을 보다 구체적으로 설명하면서, 본 발명을 더욱 상세히 기술토록 한다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the above method in more detail.

'시드(seed) 금속 나노입자'는 금속 나노 클러스터를 만들기 위한 종자(seed)가 되는 금속입자를 의미하고, 상기 금속은 은, 금, 구리, 및 이들의 혼합물 등으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 본 발명의 일 실시예서는 은(실버) 나노입자를 사용하였다.The term "seed metal nanoparticle" refers to a metal particle that becomes a seed for making a metal nanocluster, and the metal may be selected from the group consisting of silver, gold, copper, and mixtures thereof . In one embodiment of the present invention, silver (silver) nanoparticles were used.

본 발명에서는 시드 금속 나노입자의 응집(aggrigation)은 라만 염료(Raman dye)에 의해 이루어진다. 즉, 라만 염료에 의해 시드 금속 나노입자들의 응집체, 즉 나노 클러스터를 제조한다. 본 발명 명세서에서는 응집체 또는 클러스터의 용어를 혼용하여 사용하고 있다.In the present invention, the aging of the seed metal nanoparticles is carried out by Raman dye. That is, agglomerates of seed metal nanoparticles, that is, nanoclusters, are produced by Raman dye. In the specification of the present invention, the term aggregate or cluster is used in combination.

라만 염료는 라만 활성 유기 화합물을 의미하며, 이 기술분야에서 널리 사용되는 것이라면 어느 것이나 제한 없이 사용할 수 있다. 본 발명에서 상기 라만 염료는 다양하게 포함될 수 있다. 구체적인 예를 들면, 로다민6G, 로다민 B 이소티오시아네이트(RBITC), 아데닌, 4-아미노-피라졸(3,4-d)피리미딘, 2-플루오로아데닌, N6-벤조일아데닌, 키네틴, 디메틸-알릴-아미노-아데닌, 제아틴(zeatin), 브로모-아데닌, 8-아자-아데닌, 8-아자구아닌, 6-머캅토퓨린, 4-아미노-6-머캅토피라졸로(3,4-d)피리민딘, 8-머캅토아데닌, 및 9-아미노-아크리딘 등을 들 수 있으나 반드시 이로 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 일 실시예에서는 로다민 B 이소티오시아네이트(RBITC)를 사용하였다.The Raman dye means a Raman active organic compound, and any of them can be used without limitation as long as it is widely used in this technical field. In the present invention, the Raman dye may be variously included. Specific examples thereof include rhodamine 6G, rhodamine B isothiocyanate (RBITC), adenine, 4-amino-pyrazole (3,4-d) pyrimidine, 2-fluoroadenine, N6-benzoyladenine, , Dimethyl-allyl-amino-adenine, zeatin, bromo-adenine, 8-aza-adenine, 8-azaguanine, 6-mercaptopurine, -d) pyrimindine, 8-mercaptoadenine, and 9-amino-acridine, and the like. In one embodiment of the present invention, rhodamine B isothiocyanate (RBITC) was used.

라만 염료에 의해 응집시킨 금속 나노클러스터(nanocluster)의 크기는 10~1000 nm일 수 있으며, 60~100 nm가 더욱 바람직하다.The size of the metal nanoclusters agglomerated by the Raman dye may be 10-1000 nm, more preferably 60-100 nm.

예를 들어, 상기 시드 나노입자 각각의 크기가 1에서 100 nm 이고 상기 나노클러스터 크기가 10~1000 nm일 때 라만 신호가 최대가 된다.
For example, when the size of each of the seed nanoparticles is 1 to 100 nm and the nanocluster size is 10 to 1000 nm, the Raman signal is maximized.

다음으로, 상기 금속 나노클러스터(nanocluster)를 코팅함으로써 안정화(stabilization)시킨다.Next, the metal nanocluster is stabilized by coating the nanocluster.

금속 나노클러스터를 코팅하는 단백질의 종류에는 제한이 없으며 이 기술분야에서 널리 사용되는 것이라면 어느 것이나 사용할 수 있다. 예를 들면, 아비딘(avidin), 스트렙타비딘(streptavidin), BSA(bovine serum albumin), 인슐린(insulin), 콩단백질, 카제인, 젤라틴 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 본 발명의 일 실시예서는 BSA(bovine serum albumin)로 나노 클러스터를 코팅하여 안정화시켰다.
There are no limitations on the type of protein coating the metal nanoclusters, and any of the widely used in the art can be used. For example, it can be selected from the group consisting of avidin, streptavidin, bovine serum albumin (BSA), insulin, soy protein, casein, gelatin and mixtures thereof. In one embodiment of the present invention, nanoclusters were coated and stabilized with BSA (bovine serum albumin).

이하는 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 (i) 및 (ii) 단계의 공정 모식도이다.The following is a process schematic diagram of steps (i) and (ii) according to an embodiment of the present invention.

Figure 112015057069243-pat00001
Figure 112015057069243-pat00001

상기 그림은 본 발명의 실시예에 따른 은 나노클러스터, 은나노입자 응집체 (AgNCs) 형성의 메커니즘을 나타낸다. 6 ~ 13 nm 범위의 직경을 가지는 최초 시드 입자가, 응집제 및 라만 리포터로서 상이한 유기 염색약을 도입함으로써 응집되었다. 상기 입자들은, 이미 존재하는(preexisting) 은 시드의 표면에서 소듐 시트레이트 삼염기 디하이드레이트에 의해 감소된 은 이온으로부터 동시에 성장하였다. 그리고 BSA로부터 안정화제를 첨가하여 상기 클러스터를 안정화시켰다.
The figure shows the mechanism of silver nanocluster, silver nanoparticle aggregates (AgNCs) formation according to an embodiment of the present invention. Initial seed particles having a diameter in the range of 6 to 13 nm aggregated by introducing different organic dye agents as flocculants and Raman reporters. The particles were grown simultaneously from silver ions reduced by sodium citrate tribasic dihydrate at the surface of the preexisting seed. Stabilizers were added from BSA to stabilize the clusters.

이어서, 상기 코팅된 금속 나노클러스터(nanocluster)를 전기수력적 공동분사(Electrohydrodynamic co-jetting) 방법을 통해 가교결합성 폴리머 하이드로겔 나노섬유에 균일하게 함입시키고, 상기 폴리머들을 가교결합시킨다.Subsequently, the coated metal nanocluster is homogeneously embedded in the crosslinkable polymer hydrogel nanofibers through an electrohydrodynamic co-jetting method, and the polymers are crosslinked.

전기수력적(전기 유체역학적) 분사법에 의해 분사하여 가교결합성 폴리머 하이드로겔이 상기 금속 나노 클러스터를 둘러싸서 캡슐화된다.
A crosslinkable polymer hydrogel is encapsulated encapsulating the metal nanocluster by spraying by electrohydraulic (electrohydrodynamic) spraying.

전기수력적 분사 (Electrohydrodynamic jetting, EHD jetting)는 다른 모양 및 크기를 가지는 폴리머성 나노섬유 및 나노입자의 제작을 위한 용이한 기술로서 일반적으로 사용된다. 주로 조절 가능한 파라미터의 조작은 1) 폴리머 용액의 점도, 전기 전도성, 및 표면 장력, 2) 두 전극 사이 적용되는 전압 및 거리 및 3) 다수의 마이크로미터 내지 소수의 나노미터의 범위인 다양한 폴리머성 나노구조를 생성하는 것을 야기하는 흐름율을 포함한다. 그 중에서도, 전기수력적 공동분사법 (Electrohydrodynamic co-jetting, EHD co-jetting)은 멀리 폴리머 용액의 평형 라미나 흐름(equilibrated laminar flow)이 2개의 상을 가지는 테일러 콘 (Taylor cone)의 꼭지점으로부터 전하-전하 척력 (charge to charge repulsion)에 의해 얇은 제트스트림 형태 (jet stream)로 분사되도록 한다.
Electrohydrodynamic jetting (EHD jetting) is commonly used as an easy technique for the production of polymeric nanofibers and nanoparticles having different shapes and sizes. The manipulation of mainly adjustable parameters depends on several factors, including 1) the viscosity, electrical conductivity and surface tension of the polymer solution, 2) the voltage and distance applied between the two electrodes, and 3) the various polymeric nano- Lt; RTI ID = 0.0 > a < / RTI > structure. Among them, electrohydrodynamic co-jetting (EHD co-jetting) is a method in which an equilibrated laminar flow of a polymer solution far from the vertex of a Taylor cone having two phases - to be jetted in a thin jet stream form by charge to charge repulsion.

한편, 가교결합성 고분자(폴리머)는 친수성 폴리머라면 어느 것이나 제한 없이 사용할 수 있다.On the other hand, the crosslinkable polymer (polymer) may be any hydrophilic polymer without limitation.

본 발명의 폴리머는 가교결합 (Thermal crosslinking)이 가능한 공중합체 폴리머로서, 예를 들어, 폴리(아크릴아미드-코-아크릴레이트)[poly(acrylamide-co-acrylic acid, poly(AAm-co-AA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-코-스테아릴 아크릴레이트)[Poly (N-isopropyl acrylamide-co-stearyl acrylate), Poly(NIPAm-co-SA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-코-알릴아민)[poly(N-isopropylacrylamide-co-allylamine), poly(NIPAM-co-AA)], 및 아크릴 부분(acrylic moiety)을 가지는 poly(NIPAM-co-AA)로 등으로 구성된 군으로부터 선택되는 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다. 본 발명의 일 구체예에서는 폴리(아크릴아미드-코- 아크릴레이트)[poly(AAm-co-AA)]를 사용하였다.The polymer of the present invention is a copolymer polymer capable of thermal crosslinking, for example, poly (acrylamide-co-acrylic acid, poly (AAm-co-AA) , Poly (N-isopropyl acrylamide-co-stearyl acrylate), poly (NIPAm-co-SA), poly (N-isopropyl acrylamide) (NIPAM-co-AA) with poly (N-isopropylacrylamide-co-allylamine), poly (NIPAM-co-AA) and acrylic moiety But not limited thereto. In one embodiment of the present invention, poly (acrylamide-co-acrylate) [poly (AAm-co-AA)] was used.

수용성 폴리머의 "가교결합(cross-linking)"은 물에 노출될 때 용해되는 것에 대한 저항성을 주는 것에 매우 중요하다. 폴리머 사슬의 내부 분자 가교결합은 이런 나노섬유가 수용성 조건과 같은 실질적으로 가용화 환경에서 원래의 구조를 유지시키는데 도움을 준다, 이것은 또한 나노섬유가 상당한 양의 물을 포함하는 소프트 히드로겔로서 작용하게 하는데 도움을 준다. 생분해성 폴리머로 구성된 히드로겔은 조직 복구 및 약물 전달 담체에 광범위하게 이용되고 있다. "Cross-linking" of a water-soluble polymer is very important in imparting resistance to being dissolved when exposed to water. The internal molecular cross-linking of the polymer chains helps these nanofibers to maintain their original structure in a substantially solubilized environment, such as water-soluble conditions, which also allows the nanofibers to act as soft hydrogels containing a significant amount of water Help. Hydrogels composed of biodegradable polymers are widely used for tissue repair and drug delivery carriers.

하이드로겔의 가교결합은 물리적, 화학적 및 광개시적 가교결합을 포함하는 다양한 기작을 통해 달성될 수 있다. 물리적 또는 화학적으로 가교결합된 나노구조체는 안정되고 수용성 환경에서 이용될 수 있다. 특히, 다중 구획의 히드로겔 나노입자 및 나노섬유의 제작은 전기수력적 공동분사 동안 외부적으로 적용되는 전기장 하에서 다른 고분자 용액의 유동학적 양립성 및 동적 순서에 의존한다. 전기수력적 공동분사 동안 고분자 용액의 유체 역학적 특성의 유지는 균일한 다중 구획의 나노입자 및 나노섬유를 생산하기 위해 가장 임계적인 파라미터가 될 수 있다. 나노섬유 내에 화학적 가교결합은 고분자 용액에 첨가되는 가교결합제가 필요하고, 이는 전기수력적 공동분사의 공정 동안 유동학적 특성을 간섭할 수 있다. 그러나, 정전 및 소수성 상호작용을 기초로 한 물리적 가교결합은 가교결합제 없이 전기수력적 공동분사를 통해 유동학적 특성 상수를 만든다. Crosslinking of hydrogels can be accomplished through a variety of mechanisms including physical, chemical, and photo initiative cross-linking. Physically or chemically cross-linked nanostructures can be used in stable and aqueous environments. In particular, the production of multiple compartments of hydrogel nanoparticles and nanofibers depends on the rheological compatibility and dynamic order of the other polymer solutions under externally applied electric fields during electrohydrostatic co-injection. The maintenance of the hydrodynamic properties of the polymer solution during electrohydraulic co-injection can be the most critical parameter for producing homogeneous multi-compartment nanoparticles and nanofibers. Chemical cross-linking within the nanofibers requires a cross-linking agent to be added to the polymer solution, which can interfere with rheological properties during the electrohydrostatic co-injection process. However, physical crosslinking based on electrostatic and hydrophobic interactions creates rheological characteristic constants through electrohydraulic co-injection without crosslinking agents.

그러므로, 본 발명의 가교결합성 고분자(폴리머)들로 캡슐화된 금속 나노클러스터를 가열하거나 자외선을 처리하면, 상기 금속 나노클러스터를 둘러싸는 폴리머 사이에 가교결합이 형성되어 상기 금속 나노클러스터-폴리머 사이에 네트워크가 형성된다. 그리고, 이러한 가교결합을 통한 네트워크를 형성으로 인해 물에 용해되지 않는다.
Therefore, when heating the metal nanoclusters encapsulated with the crosslinkable polymers (polymers) of the present invention or treating ultraviolet rays, crosslinking is formed between the polymers surrounding the metal nanoclusters, A network is formed. And is not soluble in water due to the formation of such a network through crosslinking.

이하는 본 발명의 일 실시예에 따른 (iii) 및 (iv) 단계의 공정 모식도이다The following is a schematic diagram of steps (iii) and (iv) according to an embodiment of the present invention

Figure 112015057069243-pat00002

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상기 그림은 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리머 나노섬유 내 은나노입자 응집체를 캡슐화시키는 전형적인 전기 방사 장치를 보여준다. 친수성, 생체적합성 및 UV 가교결합성 폴리머 UV-poly(acrylamide-co-acrylic acid), UV-P(AAm-co-AA)의 수용액 중 은나노입자 응집체의 모노분산된 현탁액에서, UV-P(AAm-co-AA)는 플라스틱 시린지 펌프에 부착된 얼룩 없는 스틸 캐필러리가 장착된 플라스틱 시린지에 채워진다. 디지털 사진은 전기분사(electrospraying) 실험 동안 taylor cone, jet stream, 및 jet breakup의 형성을 보여준다.
The figure shows a typical electrospinning device encapsulating silver nanoparticle aggregates in polymer nanofibers according to one embodiment of the present invention. In a monodisperse suspension of silver nanoparticle aggregates in aqueous solution of hydrophilic, biocompatible and UV crosslinkable polymer UV-poly (acrylamide-co-acrylic acid), UV-P (AAm- -co-AA) is filled with a plastic syringe fitted with a stainless steel capillary attached to a plastic syringe pump. Digital photographs show the formation of taylor cone, jet stream, and jet breakup during electrospraying experiments.

상기 방법으로 제조된, 본 발명의 표면-증강 라만 산란 분석용 나노섬유 복합체 기판은 폴리머 하이드로겔 나노섬유 내부에, 라만 염료에 의한 금속나노입자들의 응집체가 균일하게 분포되어 있는 것을 특징으로 한다. The nanofiber composite substrate for surface-enhanced Raman scattering analysis of the present invention produced by the above method is characterized in that aggregates of metal nanoparticles formed by the Raman dye are uniformly distributed in the polymer hydrogel nanofiber.

이 때, (i) 라만 염료 종류와 농도 조절, (ii) 금속나노입자 응집체들의 밀도 조절, (iii) 전기유체역학적 분사 조절을 통해, 다양한 밀도로 금속 나노입자들의 응집체를 고르게 분포시킬 수 있다.At this time, the agglomerates of the metal nanoparticles can be evenly distributed at various densities by (i) controlling the type and concentration of the Raman dye, (ii) controlling the density of the metal nanoparticle agglomerates, and (iii) controlling the electrohydrodynamic injection.

또한, 본 발명의 표면-증강 라만 산란 분석용 나노섬유 복합체 기판는 제조방법이 어렵지 않아서 제조비용도 경제적이다. In addition, the nanofiber composite substrate for surface-enhanced Raman scattering analysis of the present invention is not difficult to manufacture and is economical to manufacture.

원하는 클러스터 사이즈의 금속 나노입자 응집체에 유도된 염료(라만 염료), 단백질 코팅에 의한 안정화 그리고 연속적으로 고분자(폴리머)를 이용한 캡슐화 공정을 거친다. (Raman dyes) induced in metal cluster aggregates of the desired cluster size, stabilization by protein coating, and subsequent encapsulation with polymer (polymer).

앞서 설명한 바와 같이, 고분자 폴리머는 바이오하이브리드, 비독성 그리고 하이드로겔 폴리머이고, 캡슐화는 전기수력적 분사기술을 이용한다. 이 고분자 폴리머는 수용성 환경에서 잘 부풀고 소프트 매트릭스 상태가 되어서 금속 나노클러스터를 잘 붙드는 역할을 한다. 전기수력적 분사(electrohydrodynamic jettig, 이하, EHD 분사)는 다양한 폴리머 내부에 많은 무기 나노입자를 캡슐화하는 데 잘 이용되고 있는 기술이다[Yoshida, M., K. H. Roh, et al. 2009, Advanced Materials 21(48): 4920]. EHD 분사 후, 고분자 폴리머는 열적으로 또는 광으로 경화되어 수용성 환경(aqueous media)에 놓인 나노프로브를 안정화시킨다. 내부에 라만 활성 중심을 가지는, 가교결합(crosslinked)된 폴리머는 바이오센싱 및 바이오이미징에 쓰이는 민감한 SERS 기질로 이용될 수 있다.
As described above, polymeric polymers are biohybrid, non-toxic and hydrogel polymers, and encapsulation utilizes electrohydrodynamic injection technology. This macromolecule polymer is well swollen in a water-soluble environment and is in a soft matrix state, which serves to hold the metal nanoclusters well. Electrohydrodynamic jetting (EHD jetting) is a well-known technique for encapsulating many inorganic nanoparticles within various polymers [Yoshida, M., KH Roh, et al. 2009, Advanced Materials 21 (48): 4920]. After EHD injection, the polymer polymer is cured thermally or light to stabilize nanoprobes placed in aqueous media. Crosslinked polymers with a Raman center in the interior can be used as sensitive SERS substrates for biosensing and bioimaging.

한편, 본 발명은 다른 관점에서, 이러한 표면-증강 라만 산란 분석용 나노섬유 복합체 기판을 이용하는 물질 분석방법에 관한 것이다.On the other hand, the present invention relates to a material analysis method using nanofiber composite substrates for surface-enhanced Raman scattering analysis from a different point of view.

분석대상으로서 물질은 제한은 없다. 예를 들어, 발암 물질 등의 위해성 물질로서, 디피콜린산(dipicolinic acid;DPA), 말라카이트 그린(malachite green; MG) 등을 유용하게 검출하여 분석할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 말라카이트 그린(malachite green; MG)을 분석물질로 하였다.There are no restrictions on the material to be analyzed. For example, dipicolinic acid (DPA), malachite green (MG) and the like can be usefully detected and analyzed as a risk substance such as a carcinogen. In one embodiment of the present invention, malachite green (MG) was used as an analyte.

말라카이트그린(malachite green)은 초록색의 공업용 색소이자 세균방지제로, 양식업에서는 기생충, 곰팡이 및 박테리아 감염 방지제로 사용되어 왔지만, 1950년대부터 어류에 대한 독성이 상당히 강한 것으로 밝혀지면서 지난 1991년 미국에서 사용을 금지시켰고, 유럽과 중국도 2002년 식용어류에 대 한 말라카이트그린의 사용을 규제하고 있으며, 우리나라 역시 유독 화학물질로 분류하여 규제하고 있다. Malachite green is a green industrial pigment and antibacterial agent that has been used in aquaculture to protect against parasites, fungi and bacteria, but since it was found to be highly toxic to fish in the 1950s, In 2002, Europe and China also regulated the use of malachite green for edible fish, and Korea is also classified as toxic chemicals.

특히, 본 발명의 표면-증강 라만 산란 분석용 나노섬유 복합체 기판 자체에는 금속 나노 클러스터 제조시 이용한 라만 염료가 존재하고 있기 때문에, 표면-증강 라만 산란에 의해 일정한 세기를 나타내는 이의 내부 표준 신호(Internal standard signal)를 기준으로 삼아, 분석 물질에 대한 라만 신호 세기를 비교 분석함으로써 효과적으로 검출할 수 있는 장점이 있다.In particular, since the nanofiber composite substrate for surface-enhanced Raman scattering analysis of the present invention has Raman dyes used in the production of metal nanoclusters, it is possible to obtain an internal standard signal indicative of a constant intensity by surface-enhanced Raman scattering signal is used as a reference, the Raman signal intensity of the analyte can be effectively detected by comparative analysis.

종래, 대부분 화학물질 미량분석용 화학센서로 개발된 표면-증강 라만 산란 기판 자체에는 라만 염료에 의해 유도된 표면-증강 라만 산란에 의한 내부 표준 신호(Internal standard signal)가 존재하지 않으므로, 내부 표준에 따른 재현성있는 미량 분석이 어려웠지만, 본 발명은 내부 표준 신호가 존재하므로 이러한 문제점을 해결할 수 있는 것이다.
Since the surface-enhanced Raman scattering substrate itself, which has been developed as a chemical sensor for most chemical substance trace analysis, does not have an internal standard signal due to surface-enhanced Raman scattering induced by Raman dye, However, the present invention solves this problem due to the existence of an internal standard signal.

본 발명의 일 실시예에서는, 미량으로 용액 상에 용해되어 있는 발암 물질인 말라카이트 그린(malachite green, MGITC)이, 팽윤된 하이드로겔인 유무기 나노섬유 복합체 기판 내부를 통해 확산되어 금속 나노입자 응집체 표면에 흡착하여 나타나는, 이의 농도에 따른 표면-증강 라만 산란 스펙트럼을 관찰함으로써 말라카이트 그린을 검출 및 분석하였다.In one embodiment of the present invention, malachite green (MGITC), which is a carcinogenic substance dissolved in a small amount of a solution, is diffused through the interior of the substrate of the organic / inorganic nanofiber composite substrate, which is a swollen hydrogel, And the surface - enhanced Raman scattering spectrum according to its concentration, which is observed by adsorption on the surface - enhanced Raman scattering spectrum of the malachite green.

특히, 표면-증강 라만 산란 기판 자체에 존재하는 RBITC 라만 염료에 의해 유도된 표면-증강 라만 산란에 의한 일정한 내부 표준 신호(Internal standard signal) 세기와 비교하여, 말라카이트 그린의 농도 증가에 따른 라만 신호 세기의 변화를 관찰함으로써 정량 평가를 수행하였다. In particular, the intensity of the Raman signal increases with increasing concentration of malachite green, compared with a certain internal standard signal intensity due to surface-enhanced Raman scattering induced by the RBITC Raman dye present in the surface-enhanced Raman scattering substrate itself And quantitative evaluation was carried out by observing the change in the amount of the water.

Figure 112015057069243-pat00003
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상기 그림은 본 발명의 일 실시예에 따른, SERS 기술에 따른 MGITC의 흔적 분석에 대한 모식도를 나타낸다. 가교결합된 폴리머성 나노섬유가 하이드로겔 특성을 포함하고, 염색약 분자들이 매트릭스를 투과할 수 있게하며, 은 나노클러스터 상에서 흡수되게 한다. 들어오는 레이저 빔이 은나노입자 응집체 상에 흡수된 염색 분자와 상호작용하여, MGITC 용액 침지 전 및 후에 기질로부터 각각의 라만 신호를 생성하였다.
The figure shows a schematic diagram of trace analysis of MGITC according to the SERS technique, according to one embodiment of the present invention. The crosslinked polymeric nanofibers include hydrogel properties, allowing dye molecules to permeate the matrix, and allowing silver nanoclusters to be absorbed. The incoming laser beam interacted with the stained molecules absorbed on the silver nanoparticle aggregates to generate respective Raman signals from the substrate before and after immersing the MGITC solution.

한편, 본 발명의 방법에 의해 특히 0.5-6 ppm의 MGITC 농도 범위와 SERS 신호가 1차 선형 관계를 가지고, 검출 가능한 분석물질의 한계 농도를 검출 한계 농도(Limit of detection, LOD)로 정의하는데, 현재까지 실시예에 따라 LOD는 약 0.5 ppm (part per million)까지 가능한 바, 미량으로 존재하는 광범위한 표적 물질의 검출에 유용하게 사용될 수 있다. 주요 미량 분석법으로 사용되고 있는 대표적인 종래 기술로 Liquid chromatography mass spectroscopy (LC-MS)가 대표적으로 사용되고 있는데, SERS에 기초한 MGITC 분석 물질의 LOD는 현재까지 약 1-2 ppb (part per billion)까지 보고되고 있어, LC-MS의 LOD와 상응하는 검출 한계가 가능하다. Meanwhile, according to the method of the present invention, the MGITC concentration range of 0.5-6 ppm and the SERS signal have a first-order linear relationship, and the limit concentration of the detectable analyte is defined as the limit of detection (LOD) Up to now, LOD can be up to about 0.5 ppm (part per million) according to the embodiment, and can be usefully used for the detection of a wide range of target substances present in trace amounts. Liquid chromatographic mass spectroscopy (LC-MS) is typically used as a representative microanalysis method. The LOD of SERS-based MGITC analytes has been reported up to about 1-2 ppb (parts per billion) , A detection limit corresponding to the LOD of the LC-MS is possible.

본 발명에서 (i) 라만 염료 종류와 농도 조절, (ii) 금속나노입자 응집체들의 밀도 조절, (iii) 전기유체역학적 분사 조절을 통해 다양한 밀도로 금속 나노입자들의 응집체를 고르게 분포시켜 약 1 ppb 이하의 LC-MS의 LOD와 상응하는 검출 한계를 극복하는 것이 가능하다.
In the present invention, the aggregation of metal nanoparticles is uniformly distributed at various densities through the control of (i) the type and concentration of Raman dyes, (ii) the density control of metal nanoparticle aggregates, and (iii) the electrohydrodynamic injection control, It is possible to overcome the detection limit corresponding to the LOD of the LC-MS of FIG.

이와 같이, 본 발명은 가교결합성 폴리머 하이드로겔 나노섬유 내부에, 라만 염료에 의한 금속나노입자들의 응집체가 균일하게 분포되어 있는 것을 특징으로 하는, 표면-증강 라만 산란 분석용 나노섬유 복합체 기판을 이용하여 미량의 물질을 효과적으로 검출하고 비교분석할 수 있는 방법에 관한 것이다.Thus, the present invention provides a nanofiber composite substrate for analyzing surface-enhanced Raman scattering, which is characterized in that aggregates of metal nanoparticles formed by the Raman dye are uniformly distributed in the cross-linkable polymer hydrogel nanofiber To a method for effectively detecting and comparing and analyzing a trace amount of a substance.

앞서 설명한 모든 특징들은 본 발명의 표면-증강 라만 산란 분석용 나노섬유 복합체 기판이 바이오센싱 및 바이오이미징 도구로 사용하는 데 유용한 특징이 될 수 있다.
All of the features described above can be useful features for use in the biosensing and bioimaging tool of the nanofiber composite substrate for surface-enhanced Raman scattering analysis of the present invention.

실시예Example

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these examples are for illustrative purposes only and that the scope of the present invention is not construed as being limited by these examples.

실험 재료Experimental material

은 니트레이트(질산은), 소듐 보로하이드라이드, 소듐 시트레이트 삼염기 디하이드레이트, BSA(bovine serum albumin), 로다민 B 이소티오시아네이트 결합된 덱스트란 RITC-덱스트란(MW 70 kDa), 로다민 B 이소티오시아네이트 (RBITC 혼합된 아이소머), 2-하이드록시-2-메틸프로페논, 아세톤, 알부민-플루오레세인 이소티오시아네이트 결합된 (FITC-BSA), 에틸렌 글리콜 무수물, 크로토노닐 클로라이드(crotonoyl chloride), 말라카이트그린 이소티오시아네이트(Malachite green isothiocyanate) 및 소듐 하이드록사이드(=98%)를 Sigma Aldrich로부터 구입하였다. Poly(acrylamide-co-acrylicacid, sodium salts), P(AAm-co AA) (MW 200 kDa; 10% acrylic acids)를 Polysciences Inc 로부터 구입하고, 모든 시약들을 받아서 사용하였다.
(Bovine serum albumin), rhodamine B isothiocyanate-linked dextran RITC-dextran (MW 70 kDa), rhodamine (sodium nitrate), sodium borohydride, sodium citrate tribasic dihydrate, BSA B isothiocyanate (RBITC mixed isomer), 2-hydroxy-2-methylpropenone, acetone, albumin-fluororesin isothiocyanate bonded (FITC-BSA), ethylene glycol anhydride, crotononyl Crotonoyl chloride, Malachite green isothiocyanate and sodium hydroxide (= 98%) were purchased from Sigma Aldrich. Poly (acrylamide-co-acrylic acid, sodium salts) and P (AAm-co AA) (MW 200 kDa; 10% acrylic acids) were purchased from Polysciences Inc. and all reagents were used.

실험방법Experimental Method

1. One. UVUV - - VisVis 및 라만 측정 And Raman measurement

모든 UV-Vis 흡광도 스펙트럼 측정은 실온에서 UV-1800 (Shimadzu, Japan)를 이용하여 300 ~ 800 nm 파장 범위에서 수행하였다. All UV-Vis absorbance spectra were measured at wavelengths of 300-800 nm using UV-1800 (Shimadzu, Japan) at room temperature.

최대 흡광도를 표지하여 AgNPs 및 AgNCs(은나노 입자 응집체)의 특성을 분석하였다. 샘플의 작은 표본을 명시된 시간 간격에서 빼내고, Reinshaw 2000 microscope integrated system 에서 633 nm 파장에서 여기된 He-Ne 레이저 빔 아래 라만 스펙트럼을 수득하였다. 633 nm의 파장을 가지는 He-Ne 레이저를 사용하여 10mW 레이저 파워로 라만 리포터 분자를 여기시켰다. 홀로그래픽 노치 필터를 이용하여 수집된 스펙트럼으로부터 Rayleigh lines을 제거하였다.
The maximum absorbance was labeled to analyze the characteristics of AgNPs and AgNCs (silver nanoparticle aggregates). A small sample of the sample was taken at the specified time interval and a Raman spectrum was obtained under a He-Ne laser beam excited at a wavelength of 633 nm on a Reinshaw 2000 microscope integrated system. A He-Ne laser with a wavelength of 633 nm was used to excite the Raman reporter molecule with 10 mW laser power. Rayleigh lines were removed from the collected spectra using a holographic notch filter.

2. 2. SEMSEM , , TEMTEM 이미징Imaging

스캐닝 전자 현미경에 의해 폴리머 나노섬유의 형태를 특징짓기 위해, 얼룩없는 스틸 시트(5x5mm)의 작은 사각형 조각들을 전기방사 동안 알루미늄 호일 표면 상에 두었다.To characterize the shape of the polymer nanofibers by scanning electron microscopy, small square pieces of unstained steel sheets (5 x 5 mm) were placed on the aluminum foil surface during electrospinning.

그 후, 이러한 섬유들을 K575X Turbo Sputter Coater를 이용하여 Pt 스퍼터링(platinum sputtering)으로 코팅하고 가속 전압 0.5 ~ 30kV에서 작동되는 SEM VEGA (TESCAN, USA)를 이용하여 이미지화하였다. 이미지들을 5.0KX, 8KX 및 10KX의 상이한 배율에서 취하였다. 투과전자현미경(Transmission electron microscopy, TEM)을 사용하여, 입자 크기 및 크기 분포 분석을 위해 단일 은 나노입자(AgNPs) 및 은 나노 입자 응집체(AgNCs)를 특징화하였다. 제조된 은 시드로서, 현탁액을 0.2μm Dismic 13Jp(ADVANTEC, Japan) 일회용 PTFE 소수성 시린지 필터를 통해 여과시키고, TEM을 위한 샘플 준비 전에 5회 희석하였다. 적은 양의 에탄올을 빠른 증발을 위해 혼합시킬 수 있다.These fibers were then coated with Pt sputtering using a K575X Turbo Sputter Coater and imaged using SEM VEGA (TESCAN, USA) operating at an accelerating voltage of 0.5 to 30 kV. Images were taken at different magnifications of 5.0KX, 8KX and 10KX. Single silver nanoparticles (AgNPs) and silver nanoparticle aggregates (AgNCs) were characterized for particle size and size distribution analysis using transmission electron microscopy (TEM). As the prepared silver seed, the suspension was filtered through a 0.2 μm Dismic 13 Jp (ADVANTEC, Japan) disposable PTFE hydrophobic syringe filter and diluted 5 times before sample preparation for TEM. A small amount of ethanol can be mixed for rapid evaporation.

유사하게, 준비한 은나노입자 응집체를 0.2μm filter로 여과시키고, D.I. water로 4회 희석하고 TEM grid (Ted Pella Inc. USA)상에 놓았다. 이러한 샘플들을 가속전압 80 ~ 200 kV에서 작용하는 JEM-2100F (FEG) 장 방출(Field emission) 스캐닝 투과 전자 현미경(JEOL, Germany)을 이용하여 이미지화하였다.
Similarly, the prepared silver nanoparticle aggregates were filtered with a 0.2 μm filter, diluted 4 times with DI water, and placed on a TEM grid (Ted Pella Inc. USA). These samples were imaged using a JEM-2100F (FEG) Field Emission Scanning Transmission Electron Microscope (JEOL, Germany) operating at an acceleration voltage of 80-200 kV.

3. 3. 공초점Confocal 레이저 스캐닝 현미경 Laser scanning microscope

100X 대물렌즈 (오일 침지된 렌즈)로 Leica TCS SP2 (Leica, Germany) 공초점 레이저 스캐닝 현미경을 이용하여 폴리성 나노섬유를 직접적으로 커버 글래스로부터 이미지화하였다. 작은 표본의 현탁된 섬유를 커버 글라스 위에 두고, 부품 특성 및 결합 효율을 조사하였다.
Polymeric nanofibers were imaged directly from the cover glass using a Leica TCS SP2 (Leica, Germany) confocal laser scanning microscope with a 100X objective (oil-immersed lens). The suspended fibers of the small specimens were placed on a cover glass and the component properties and coupling efficiency were investigated.

실시예Example 1 :  One : 은나노Silver nano 입자 응집체(은 나노클러스터,  Particle aggregates (silver nanoclusters, AgNCsAgNCs )의 제조)

1-1. 은 시드 입자의 합성1-1. Synthesis of silver seed particles

은 시드 입자를, 논문 (J Colloid Interface Sci. 211, 122-129 (1999))에 기술되어 있는 방법대로 제조하였다. 스톡 용액의 0.5 M 은 니트레이트, 소듐 시트레이트 및 0.05 M 소듐 보로하이드라이드의 스톡 용액을 DI water에서 준비하였다. 두 용액을 각각 별도로 제조하였다. 용액 A는 50ml의 DI water 중 4mM 질산은을 함유하고 있는 반면, 용액 B는 50 ml의 DI water 중 0.6 mM 소듐 보로하이드라이드, 8 mM 소듐 시트레이트 및 2 mM 소듐 하이드록사이드를 함유하였다. 두 용액을 혼합 전 5분 동안 교반하여 농도를 균질화하였다. 용액 B에 용액 A를 첨가함으로써, 은 시드 입자를 제조하였다. 상기 반응을 어두운 조건 하 10시간 동안 수행하여 완료하였다. Seed particles were prepared according to the method described in the paper (J Colloid Interface Sci. 211, 122-129 (1999)). A stock solution of 0.5 M nitrate, sodium citrate and 0.05 M sodium borohydride in stock solution was prepared in DI water. Both solutions were prepared separately. Solution A contained 4 mM silver nitrate in 50 ml of DI water while Solution B contained 0.6 mM sodium borohydride, 8 mM sodium citrate and 2 mM sodium hydroxide in 50 ml of DI water. Both solutions were stirred for 5 minutes before mixing to homogenize the concentration. By adding Solution A to Solution B, silver seed particles were prepared. The reaction was completed by performing for 10 hours under dark conditions.

은 시드 입자를 0.2μm 필터를 통해 여과시켜 임의의 은 나노로드 또는 큰 입자들을 제거하였다. 이러한 방법으로 제조된 은 시드는 크기가 6~13nm 직경의 범위에 있었다. 이러한 입자들을 8~10℃에서 어두운 조건 하 보관하였다.
The seed particles were filtered through a 0.2 [mu] m filter to remove any silver nanorods or large particles. The silver seeds produced in this way were in the range of 6-13 nm in diameter. These particles were stored at 8 ~ 10 ℃ under dark conditions.

1-2. 1-2. 은나노Silver nano 입자 응집체( Particle aggregates ( AgNCsAgNCs )의 합성) Synthesis of

라만 수용체 및 응집제로서 RBITC로 은 나노클러스터(AgNCs)의 합성을 위해, 50 ml의 은 시드 입자를 유리 바이알에 넣고, 0.01 M RBITC, 0.5M AgNO3 및0.5M 소듐 시트레이트 용액과 혼합하여 최종 농도가 각각 7.5μM, 0.85mM 및 0.5mM이 되도록 하였다. 이 혼합물을 부드럽게 적어도 5분 동안 교반한 후, 전기적으로 가열된 오븐에서 95℃에 정해진 시간 동안 두었다. For synthesis of silver nanoclusters (AgNCs) with RBITC as Raman receptor and flocculant, 50 ml of silver seed particles were placed in glass vials and mixed with 0.01 M RBITC, 0.5 M AgNO 3 and 0.5 M sodium citrate solution to give final concentration To be 7.5 mu M, 0.85 mM and 0.5 mM, respectively. The mixture was gently agitated for at least 5 minutes and then placed in an electrically heated oven at 95 < 0 > C for a fixed period of time.

규칙적인 시간 간격에서 샘플(300 μl each)의 작은 표본을 채취하여 클러스터 크기 및 최대 라만 강도를 최적화시키고, SERS 신호 측정을 위해 실험하였다.상기 샘플들을 1mM 소듐 시트레이트 수용액으로 5회 희석한 후, UV-Vis 흡광도 스펙트럼 측정으로 분석하였다. 최대 라만 강도가 수득되었을 때, 상기 반응을 정지시켰다. AgNCs를 함유하는 혼합물을 실온으로 빨리 냉각시키고 0.5% w/v BSA 수용액과 혼합하여 최종 농도 0.0018 5w/v가 되게 하여 AgNCs를 안정화시켰다. 현탁액을 0.2μm PTFE 소수성 시린지 필터로 여과하고 추가의 분석을 위해 상온에서 보관하였다Small samples of samples (300 μl each) were taken at regular time intervals to optimize cluster size and maximum Raman intensity and were tested for SERS signal measurements. After diluting the samples 5 times with 1 mM sodium citrate aqueous solution, UV-Vis absorbance spectroscopy. When maximum Raman intensity was obtained, the reaction was stopped. The mixture containing AgNCs was quickly cooled to room temperature and mixed with 0.5% w / v BSA aqueous solution to a final concentration of 0.0018 5 w / v to stabilize AgNCs. The suspension was filtered through a 0.2 [mu] m PTFE hydrophobic syringe filter and stored at room temperature for further analysis

연속적 실험을 수행하여 클러스터 크기 및 개별적인 입자 크기 최적화하고 최대 라만 신호를 달성하였다.
Continuous experiments were performed to optimize cluster size and individual particle size and achieve maximum Raman signal.

실시예Example 2 :  2 : AgNCsAgNCs 캡슐화( Encapsulation ( EncapsulationEncapsulation )에 따른 기판 제조) ≪ / RTI >

2-1. UV - 가교결합성 Poly ( acrylamide - co - acrylic acid )의 합성; UV -P( AAm -co-AA) 2-1. UV - crosslinking Poly ( acrylamide - co - acrylic acid ; UV- P ( AAm - co-AA)

광가교결합성 폴리머를 P(AAm-co-AA) 및 Crotonoyl chloride의 반응으로부터 제조하였다. The photo-crosslinkable polymer was prepared from the reaction of P (AAm-co-AA) and Crotonoyl chloride.

아크릴산의 카르복시기는 잔기를 함유하는 이중결합으로 부분적으로 변경할 수 있다. 크로토닐 클로라이드를 카르복시기와 반응시키고 이중결합을 이 위치에 도입하였다.The carboxy group of acrylic acid can be partially changed into a double bond containing a residue. Crotonyl chloride was reacted with the carboxy group and a double bond was introduced at this position.

전형적인 반응에서, 2.0x10-6M의 P(AAm-co-AA)가 실온에서 50 ml D.I.에 존재하였다. 크로토닐 클로라이드를 격렬히 교반된 폴리머 용액에 매우 천천히 첨가하여 온도 상승을 피하고, 최종 농도 0.0208M가 되게 하였다. 반응 5.0 시간 후, 상기 혼합물을 150 ml의 드라이 아세톤내로 부어 침전시켰다. 상기 침전물을 아세톤으로 3회 세척하고 어두운 조건 하 저장하였다.
In a typical reaction, 2.0x10 < -6 > M P (AAm-co-AA) was present in 50 ml DI at room temperature. The crotonyl chloride was added very slowly to the vigorously stirred polymer solution to avoid a temperature rise to a final concentration of 0.0208M. After 5.0 hours of reaction, the mixture was poured into 150 ml of dry acetone and precipitated. The precipitate was washed three times with acetone and stored under dark conditions.

2-2. 2-2. 폴리머Polymer 나노 섬유 내  Within nanofiber AgNCsAgNCs 캡슐화( Encapsulation ( EncapsulationEncapsulation ))

준비된 AgNCs를 반복적으로7000 rpm에서 8분동안 원심분리하고 1mM 소듐 시트레이트 용액으로 3회 세척하여 임의의 과량의 BSA 및 다른 반응물들을 제거하였다.Prepared AgNCs were repeatedly centrifuged at 7000 rpm for 8 minutes and washed 3 times with 1 mM sodium citrate solution to remove any excess BSA and other reagents.

그 후, 적은 양의 시트레이트 이온을 함유하고 있는 DI water에 AgNCs를 재현탁하였다. UV-P(AAm-co-AA)의 15.0 w/v% 용액을DI water 중 제조하였다. RBITC-Dextran을 폴리머의 형광염색시약 0.5 w/v%으로 첨가하였다. 2-Hydroxy-2-methylpropiophenone(photoinitiator)을 0.0024 w/w% 의 폴리머의 농도에 따라 첨가하였다.AgNCs were then resuspended in DI water containing a small amount of citrate ions. A 15.0 w / v% solution of UV-P (AAm-co-AA) was prepared in DI water. RBITC-Dextran was added at 0.5 w / v% of the fluorescence staining reagent of the polymer. 2-Hydroxy-2-methylpropiophenone (photoinitiator) was added at a concentration of 0.0024 w / w% polymer.

다양한 양의 AgNCs를 폴리머 용액에 현탁하였다. 잘 분산된 현탁액을 21게이지(NanoNC, Korea)의 금속 관(metal capillary)이 구비된 1ml syringe (Becton-Dickinson, New Jersey, US)에 로딩하였다. 투입 시린지 펌프(KdScientific)를 사용하여 시간당 0.2ml의 연속적인 유속을 유지하였다. 고전압 공급기(NNC HV 30)의 양극(anode)을 모세관(capillary)에 연결시키고, 음극(cathode)은 알루미늄 호일(Fisherbrand, US)로 이루어진 수집한 기질(substrate)에 접촉시켰다. 전극 간 분리는 10 ~ 15 cm의 범위에서 다양화하였다.Various amounts of AgNCs were suspended in the polymer solution. The well dispersed suspension was loaded onto a 1 ml syringe (Becton-Dickinson, New Jersey, US) equipped with a 21 gauge (NanoNC, Korea) metal capillary. A continuous syringe pump (KdScientific) was used to maintain a continuous flow rate of 0.2 ml per hour. The anode of the high voltage supply (NNC HV 30) was connected to a capillary and the cathode was contacted to a collected substrate made of aluminum foil (Fisherbrand, US). The interelectrode separation varied from 10 to 15 cm.

전압은 14 ~ 17 kV에서 다양하게 적용하였고, 유속은 0.20 ~ 0.30 ml/hr 범위에서 유지하였다. 전기방사(Electrospinning) 실험을 주위 조건(ambient conditions)에서 수행하였다. 고체 상태에서 공초점 레이저 스캐닝 현미경 사용을 위한 나노섬유를 위해, 작은 커버 글래스를 알루미늄 호일 상에 놓았다. 폴리머 쇄를 가교결합시키기 위해, 320-500 nm 파장 범위에서 60mW/cm2 전력으로, Omnicure-1500A (Lumen Dynamics Group Inc. Canada)을 이용하여 30초 동안 알루미늄 호일을 UV광에 노출시켰다.
The voltage was varied from 14 to 17 kV and the flow rate was maintained in the range of 0.20 to 0.30 ml / hr. Electrospinning experiments were performed in ambient conditions. For nanofibers for use in confocal laser scanning microscopy in the solid state, a small cover glass was placed on an aluminum foil. The aluminum foil was exposed to UV light for 30 seconds using Omnicure-1500A (Lumen Dynamics Group Inc. Canada) at 60 mW / cm 2 power in the 320-500 nm wavelength range to crosslink the polymer chains.

실시예Example 3 : 은 나노 입자 크기 및 나노 클러스터 크기 3: silver nanoparticle size and nanocluster size

AgNCs 형성 동안 UV-Vis 흡광도 스펙트럼을 수득하고, 이상적인 개개의 입자 크기 및 클러스터 크기를 확인하였다. UV-Vis absorbance spectra were obtained during AgNCs formation, confirming the ideal individual particle size and cluster size.

그 결과들을 도 2에 도시하였다.The results are shown in Fig.

도 2(A)는 은나노입자 응집체 형성 동안 상이한 시간 간격에서 수집된 흡광도 스펙트럼을 보여준다. 개별적인 입자 크기가 배양시간 증가에 따라 증가함으로써, 400 nm에서 크고 좁은 흡광도 피크를 가졌다. 400 nm에서 주요한 흡광도 피크는 60분 내 429 nm까지 긴 파장대로 옮겨갔다. 50분에서의 649 nm에서 관찰되는 추가의 피크는 클러스터 형성을 가리킨다. RBITC는 555 nm에서 특징적인 피크를 가졌다.Figure 2 (A) shows the absorbance spectra collected at different time intervals during the formation of silver nanoparticle aggregates. Individual particle sizes increased with increasing incubation time, resulting in large, narrow absorbance peaks at 400 nm. At 400 nm, the major absorbance peak shifted to a long wavelength band of 429 nm in 60 minutes. An additional peak observed at 649 nm at 50 min indicates cluster formation. RBITC had a characteristic peak at 555 nm.

도 2 (A)는 배양 시작 때를 보여주는데, 충분한 은 이온이 감소함으로써 크기 증가가 보다 빠르게 일어나고, 커브는 시간이 40분이 지남에 따라 보다 편평하게 나타났다.
Fig. 2 (A) shows the start of incubation, where the increase in size occurred more rapidly due to the reduction of sufficient silver ions, and the curve became more flat over time of 40 minutes.

그리고, 투과 전자 현미경으로 싱글 은 나노입자 및 은 나노클러스터(AgNCs)의 직경 및 형태를 확인하였다. Transmission electron microscopy confirmed the diameter and shape of single silver nanoparticles and silver nanoclusters (AgNCs).

결과를 도 2(C) 및 2(D)에 나타냈다. The results are shown in Figs. 2 (C) and 2 (D).

도 2(C)는 TEM 이미지로 배양시간 60분 후 클러스터가 60 ~ 100 nm 범위 크기임을 보여주고, 도 2(D)는 단일 은 시드 입자가 6~13nm 범위 크기임을 보여준다. 배양시간의 증가에 따라 개개의 입자 크기도 증가하였고, 또한, 단일 입자들 사이의 합쳐짐이, UV-Vis 스펙트럼에서 고유하게 관찰되는 은나노입자 응집체의 형성을 가져왔다.
FIG. 2 (C) shows that the cluster has a size in the range of 60 to 100 nm after a 60-minute incubation time in the TEM image, and FIG. 2 (D) shows that the single seed particle has a size in the range of 6 to 13 nm. Individual particle sizes increased with increasing incubation time, and also the aggregation of single particles resulted in the formation of aggregates of nano-particles, which are uniquely observed in the UV-Vis spectrum.

실시예Example 3 :  3: AgNCsAgNCs 의 라만 신호 측정Raman signal measurement of

또한, AgNCs 제조 중 라만 신호를 측정하였다.In addition, Raman signals were measured during manufacture of AgNCs.

도 2(E)는 응집 반응시간의 경과에 따른 은나노입자 응집체의 증가하는 라만 신호를 보여준다. 최대 라만 신호를 배양 시간 60분 후에 수득하였다. 매우 긴 배양 시간은 신호 강도 상에서 역효과를 가졌는데, 이는 아마도 보다 큰 클러스터 형성에 의한 것으로 생각된다. FIG. 2 (E) shows the increasing Raman signal of the aggregate of the silver nanoparticles over the agglomeration reaction time. The maximum Raman signal was obtained after 60 minutes incubation time. Very long incubation times had adverse effects on signal intensity, presumably due to larger cluster formation.

도 2(F)는 RBITC 스펙트럼 대 배양 시간에 따른 2가지 주요한 라만 피크의 강도 플랏을 보여준다. 상이한 시간 간격에서 수집된 모든 스펙트럼 중 피크의 위치에서 주목할 만한 차이는 나타나지 않았다.
Figure 2 (F) shows two major Raman peak intensity flats versus RBITC spectra versus incubation time. No noticeable difference in the position of the peak among all the spectra collected at different time intervals appeared.

RBITC 농도를 최적화시켜 클러스터가 60 ~ 100 nm 크기로 성장한 후 최대 라만 신호를 가지도록 하였다. RBITC 및 MGITC와 같은 이소티아시아네이트 염색약은 다른 염색약과 비교하여 강한 응집 성향을 가진다. 배양시간 60분에 따른 7.5 μM RBITC의 최적 염색약 농도가 최대 SERS 신호를 생성하는 것을 발견하였다.
The RBITC concentration was optimized so that the cluster had a maximum Raman signal after growing to 60 ~ 100 nm. Isothiocyanate dyes such as RBITC and MGITC have stronger agglomeration tendencies compared to other dyes. It was found that the optimal dye concentration of 7.5 μM RBITC according to the incubation time of 60 minutes produced the maximum SERS signal.

은 나노입자의 콜로이드성 안정성은 은 나노입자 주변의 음전하의 시트레이트 이온의 캡핑에 의해 확인된다. 이는 라만 염색약에 의한 은 나노입자의 응집 메커니즘이, 음이온에 의한 나노입자들 사이에서 정전기적 반발이 라만 염색약이 금속 나노입자의 표면에서 흡수됨에 따라 감소한다는 원리에 의존하고 있다. 개별적 입자의 크기는 은의 추가적 축적(deposition)으로 인해 증가하고, 염색약 분자들은 높은 확률로, 합쳐지는 입자들의 결합부에서 캡쳐된다.The colloidal stability of silver nanoparticles is confirmed by the capping of the negatively charged citrate ions around the silver nanoparticles. This is dependent on the principle that the coalescence mechanism of silver nanoparticles by Raman dyes decreases as the electrostatic repulsion between the nanoparticles by the anions decreases as the Raman dye is absorbed from the surface of the metal nanoparticles. The size of the individual particles increases due to the additional deposition of silver, and the dye molecules are captured with high probability at the junction of the merging particles.

이러한 종류의 구조체는 상기 스팟에서 존재하는 높은 전자기장 때문에 높은 라만 신호와 관련이 있다. 작은 은 시드 나노입자들은, 개별적 나노입자 25 ~ 30 nm 및 평균 응집체(클러스터) 크기 76 nm의 최대 입자 크기가 될때까지 나노입자의 증가가 이루어지는 그래프에 선명히 나타나 있듯이 매우 낮은 라만 강도를 가지고 있었다. 80 ~ 90분의 긴 배양시간 후, 응집체(클러스터) 크기는 상당히 컸고, 빨리 침전되어 신호 강도의 감소를 가져왔다.
This type of structure is associated with high Raman signals due to the high electromagnetic fields present in the spots. The small silver seed nanoparticles had very low Raman intensity as evidenced by the increase in nanoparticles until the individual nanoparticles had a maximum particle size of 25-30 nm and an average aggregate (cluster) size of 76 nm. After a long incubation time of 80 to 90 minutes, aggregate (cluster) size was quite large and precipitated quickly, resulting in a decrease in signal intensity.

응집체(클러스터) 형성의 유용한 의미는 혼합물의 혼탁도(turbidity), UV-Vis 스펙트럼에서 추가된 피크의 출현, 최대 라만 신호를 증가시키는 것이다. 전기방사 동안 폴리머 나노섬유 내 AgNCs가 캡슐화되고, 폴리머는 UV광으로의 노출에 의해 가교결합한다. The useful meaning of aggregate (cluster) formation is to increase the turbidity of the mixture, the appearance of added peaks in the UV-Vis spectrum, and the maximum Raman signal. During electrospinning, AgNCs in the polymer nanofibers are encapsulated and the polymer crosslinks by exposure to UV light.

이를 확인하기 위해, 수득한 섬유를 물에 노출시키고 팽윤 상태에서 CLSM 이미징에 의해 관찰하였다. To confirm this, the fibers obtained were exposed to water and observed by CLSM imaging in the swollen state.

그 결과, 도 3에 나타낸 바와 같이, 라만 신호가 매우 안정적이었고, 광 가교결합 전후에도 이들의 원래 특성 피크를 보유하고 있었다. As a result, as shown in Fig. 3, the Raman signals were very stable and retained their original characteristic peaks before and after the photo-crosslinking.

다른 가교결합, 예를 들어 높은 온도에서 염색약의 탈착에 의한 라만 신호의 현저한 감소를 야기하는 열적 가교결합에서 신호가 감소하는 것과 비교하여, UV가교결합 후 신호에서는 현저한 감소가 나타나지 않았다.
There was no significant decrease in the signal after UV cross-linking compared to the signal decreased in thermal cross-linking, which resulted in a significant reduction of the Raman signal by other cross-linking, e. G. Desorption of the dye at high temperatures.

실시예Example 5 : 다양한 파라미터와  5: Various parameters and 라만신호의Rahman signal 관계성 Relationship

배양시간, 가교결합 종류, 온도 등에 대한 앞선 실험결과에 기초하여, 라만 신호는 다양한 파라미터, 예를 들어 폴리머 나노섬유 내 AgNCs 양 조절 또는 핫 스팟의 수를 조절함에 의해 쉽게 맞출 수 있는 파라미터의 수에 의해 조절될 수 있음을 예상할 수 있었다. Based on the results of previous experiments on incubation time, cross-linking type, temperature, etc., the Raman signal can be easily quantified by varying the number of parameters that can be readily met by controlling the number of AgNCs in the polymer nanofiber or the number of hot spots And the like.

이에, 다양한 파라미터에 따른 SERS 신호 특성을 조사하였다. Therefore, SERS signal characteristics according to various parameters were investigated.

나노 섬유 내에서 동시에 일어나는 다른 메커니즘은, 염색약 분자들이 갇힌 결합부위에서 단일 나노입자들과의 부분적 융합으로, 결합부위에서 염색약 분자들이 전자기장에 많이 위치하기 때문에 SERS 신호가 강화되는 잠재적인 핫스팟이 된다. 이러한 염색약 응집은 높은 신호 강화를 달성하는데 유용하다. 따라서, 온도, 배양 시간, 염색약 농도, 온도 및 첨가된 은 이온 양 등으로 실험을 활용하였다.
Another mechanism that occurs simultaneously in nanofibers is the potential fusion of the SERS signal because of the local fusion of the dye molecules with the single nanoparticles at the binding site where the dye molecules are located in the electromagnetic field at the binding site. Such dye aggregation is useful for achieving high signal intensification. Therefore, the experiment was used for temperature, incubation time, dye concentration, temperature and amount of silver ion added.

5-1 온도와의 관계5-1 Relationship with Temperature

우선, SERS 신호는 높은 온도에서 역효과를 나타냄을 알 수 있었다.First, it can be seen that the SERS signal exhibits adverse effects at high temperatures.

비록 다른 염색약들이 고온에서 신호로서 상이한 안정성을 가지지만, R6G 및 CV와 같은 다른 염색약에 비해서, 이소티오시아네이트기를 함유하는 염색의 경우는 이소티오시아네이트기 및 금속 입자 사이의 금속-황 결합의 결합 형성으로 인해 안정화되어 있다. 낮은 신호는, SERS효과를 감소시키는 은 나노입자로부터 염색약의 탈착에서 기인하는 것으로 생각된다. 대부분의 유기 염색약은 175℃(열적 가교결합 온도)에서 안정한 화학구조를 가지고, 염색약 분해 가능성을 제거한다.
Although other dyes have different stability as signals at high temperatures, in the case of dyeings containing isothiocyanate groups, as compared to other dye agents such as R6G and CV, the isothiocyanate group and the metal-sulfur bond between the metal particles And is stabilized by bond formation. The lower signal is thought to result from the desorption of dye from silver nanoparticles, which reduces the SERS effect. Most organic dyes have a stable chemical structure at 175 ° C (thermal cross-linking temperature), eliminating the possibility of dye degradation.

*그러나, 내부에 라만 활성 중심을 가지는 나노섬유의 광가교결합은 SERS 신호의 현저한 저하를 방지하는 온건한 조건 하에서 이루어졌다. However, the photocrosslinking of nanofibers with Raman active centers inside was done under moderate conditions to prevent significant degradation of the SERS signal.

P(AAm-co-AA) 및 크로토닐 클로라이드의 성공적인 폴리머화가 H1NMR 스펙트럼으로부터 확인하였다.Successful polymerisation of P (AAm-co-AA) and crotonyl chloride was confirmed from the H 1 NMR spectrum.

순수 P(AAm-co-AA)는 6.640, 6.957,6.974, 6.977,6.996,7.013 및 7.030에서 크로토닐 클로라이드에 이중 결합의 특성 피크를 보이지 않았고, 이는 도 3에 도시한 바와 같이 변형된 폴리머에서도 나타났다.
The pure P (AAm-co-AA) showed no characteristic peaks of double bonds in the crotonyl chloride at 6.640, 6.957, 6.974, 6.977, 6.996, 7.013 and 7.030, which was also seen in the modified polymer as shown in Figure 3 .

5-2. 5-2. AgNCsAgNCs 양과의 관계 Relationship with quantity

또한, 라만 신호 강도는 스피닝 시간, 염색약 농도, 클러스터 크기 및 개개의 은 입자 크기와 같은 변하지 않는 다른 파라미터를 유지하는 동안, 폴리머 나노섬유 내 AgNCs의 양에 의존하여 변하였다.In addition, the Raman signal intensity varied depending on the amount of AgNCs in the polymer nanofibers, while retaining other unchanging parameters such as spinning time, dye concentration, cluster size, and individual silver particle size.

특히, 도 4에 나타난 바와 같이 라만 강도 및 AgNCs 양 사이의 관계는 선형의 그래프로 나타났다. 따라서, 다양한 AgNCs의 양의 도입에 의해 SERS 신호를 조절할 수 있음을 예측할 수 있다. In particular, as shown in FIG. 4, the relationship between the Raman intensity and the amount of AgNCs was shown as a linear graph. Therefore, it can be predicted that the SERS signal can be controlled by the introduction of various amounts of AgNCs.

나노섬유 내 캡슐화된 AgNCs(은나노입자 응집체)의 양에 대하여 RBITC 스펙트럼에서 특이적 피크의 라만 강도의 플롯을 도 4 (C, D)에 도시하였다.
A plot of the Raman intensity of the specific peak in the RBITC spectrum versus the amount of encapsulated AgNCs (nanoparticle aggregates) in nanofibres is shown in Figures 4 (C, D).

*RBITC 스펙트럼으로부터 기준 피크로서 1645.9 cm-1를 선택하고, 다른 AgNCs 농도에서의 신호들을 비교하였다. 폴리머 나노섬유 내 다른 양의 AgNCs를 도입함으로써 목적하는 라만 신호를 쉽게 조절할 수 있음을 역시 알 수 있었다.
* 1645.9 cm < -1 > was selected as the reference peak from the RBITC spectrum and signals at different AgNCs concentrations were compared. It was also found that the introduction of different amounts of AgNCs in the polymer nanofibers facilitates the control of the desired Raman signal.

5-3. 용매와의 관계5-3. Relationship with Solvent

그리고, 나노섬유 내 캡슐화된 AgNCs의 라만 신호 안정성을 다른 용매에 이러한 섬유 매트를 침지함으로써 분석하였다.The Raman signal stability of the encapsulated AgNCs in nanofibers was analyzed by immersing these fiber mats in other solvents.

다른 용매, 즉, DI water, 아세톤 및 에탄올에서의 라만 신호 강도의 변화를 도 5(A)에 나타냈다. The change in the Raman signal intensity in other solvents, i.e. DI water, acetone and ethanol, is shown in Fig. 5 (A).

신호는 안정적이었고 이러한 용매로의 노출에 따른 현저한 저하는 보이지 않았다. UV 조사에 의한 폴리머 쉘의 가교결합 때문에, SERS 기질을 안정화시키는 은 나노클러스터의 분해가 방지되기 때문으로 생각된다.
The signal was stable and no significant degradation due to exposure to this solvent was seen. It is believed that the crosslinking of the polymer shell by UV irradiation prevents degradation of the silver nanoclusters that stabilize the SERS substrate.

5-4. 신호의 재현성5-4. Reproducibility of signal

한편, SERS 기질의 가장 중요한 형태 중 하나는, 특히 정량 목적의 SERS 신호의 재현성(reproducibility)이다. 라만 스펙트럼을, 나노섬유 기질의 표면에서 랜덤으로 선택한 스팟 14개에서 수집하여 신호의 재현성을 확인하였다. On the other hand, one of the most important forms of the SERS substrate is the reproducibility of the SERS signal, especially for quantification purposes. Raman spectra were collected from 14 randomly selected spots on the surface of the nanofiber substrate to confirm the reproducibility of the signal.

이러한 결과들을 도 5 (B)에 도시하였다. These results are shown in Fig. 5 (B).

주요 피크의 강도를 다른 스팟에 표시하였다. 상당히 재현가능한 신호가 평균값으로부터 작은 편차로 나타났다.
The intensity of the main peak is indicated in the other spot. Significantly reproducible signals showed small deviations from the mean.

5-5. 5-5. pHpH 및 염 농도와의 관계 And salt concentration

또한, 다른 pH값에서의 신호 안정성을, 실온에서 1.0 M NaOH 및 0.5 M HCl을 이용하여 pH값을 변화시켜 1.5 ~ 11.0 범위에서 분석하였다. In addition, the signal stability at different pH values was analyzed in the range of 1.5 to 11.0 by varying the pH value using 1.0 M NaOH and 0.5 M HCl at room temperature.

그 결과, 도 5(C)에 도시한 바와 같이, 캡슐화된 라만 활성 은나노입자 응집체의 라만 신호 강도는 pH의 넓은 범위에 걸쳐 안정적이었다. 은나노입자 응집체를 커버하는, 가교결합된 폴리머 네트워크가 이러한 기질의 고유한 특성을 보호한다. As a result, as shown in Fig. 5 (C), the Raman signal intensity of the encapsulated Raman active nanoparticle aggregates was stable over a wide range of pH. A crosslinked polymer network covering silver nanoparticle aggregates protects the unique properties of these substrates.

그리고, 상기 기질의 신호 강도를 염 농도에 걸쳐 조사하였다. 1.0 M NaCl 수용액을 클로라이드 이온의 소스로서 사용하였다.
Then, the signal intensity of the substrate was examined over the salt concentration. A 1.0 M aqueous NaCl solution was used as the source of the chloride ion.

*라만 스펙트럼 결과를 도 5 (D)에 도시하였다. AgNCs 캡슐화하고 있는 나노섬유 매트는 염 농도의 넓은 범위에 걸쳐 매우 안정적인 신호를 보여주었다.
* Raman spectral results are shown in Fig. 5 (D). The nanofiber matte encapsulating AgNCs showed a very stable signal over a wide range of salt concentrations.

실시예Example 6 : 나노 클러스터 및 나노섬유 매트의 특성 확인 6: Characterization of nanocluster and nanofiber mat

AgNCs 캡슐화하고 있는 나노섬유 매트의 형태학적 특징 및 크기를 확인하는데 SEM 이미징을 사용하였다. SEM imaging was used to determine the morphological characteristics and size of the nanofiber mat that encapsulated the AgNCs.

상기 결과를 도 6에 도시하였다.
The results are shown in Fig.

6-1. 나노 섬유 크기6-1. Nanofiber size

상기 나노섬유는 5분 동안 얼룩없는 스틸 기질 상에서 직접적으로 전기 방사로 제조되었고, 나노섬유의 직경은 220 ~ 260 nm의 범위에 있었다.The nanofibers were prepared by electrospinning directly on an unstained steel substrate for 5 minutes and the diameters of the nanofibers ranged from 220 to 260 nm.

7.5 % w/v, 10.0 % w/v, 12.5 w/v % 및 15.0 w/v % 의 다른 폴리머 농도를 이용하여 섬유 크기 및 균일성을 좋게 만들었다. Other polymer concentrations of 7.5% w / v, 10.0% w / v, 12.5 w / v% and 15.0 w / v% were used to improve fiber size and uniformity.

더 낮은 폴리머 농도는 스트링 구조상에서 비드를 따라 나노섬유 및 나노입자의 혼합물을 보였고, 폴리머 농도의 증가에 따라, 섬유의 상대적 양이 증가하였다. The lower polymer concentration showed a mixture of nanofibers and nanoparticles along the bead along the string structure, and as the polymer concentration increased, the relative amount of fibers increased.

또한, 12.5 w/v % 이상의 폴리머 농도를 이용하는 실험에서 스트링 구조 상 입자 및 비드가 제거되었다. 높은 폴리머 농도를 사용, 전극상의 거리 감소 및 유속 증가에 의해 나노섬유의 평균 직경이 증가함을 알 수 있었다.
In addition, in experiments using polymer concentrations of at least 12.5 w / v%, the particles and beads in the string structure were removed. It was found that the average diameter of the nanofibers was increased by using a high polymer concentration, decreasing the distance on the electrode and increasing the flow rate.

6-2. 제타 6-2. zeta 포텐셜Potential

또한, 나노입자의 표면에서 염색약의 흡착이, 클러스터 형성을 유도하는 힘인 은 콜로이드의 제타 포텐셜에서 현저한 감소를 가져왔다(데이터 도시않음).
Also, the adsorption of dye on the surface of the nanoparticles resulted in a significant reduction in the zeta potential of the silver colloid, which leads to cluster formation (data not shown).

6-3. 가교 결합6-3. Crosslinking

또한, 공초점 레이저 스캐닝 현미경을 이용하여 가교결합된 폴리머 나노섬유 매트를 건조 상태 및 팽윤 상태에서 확인하였다.The crosslinked polymer nanofiber mat was also confirmed in a dry state and in a swollen state using a confocal laser scanning microscope.

도 6(E)는 건조 상태에서 AgNCs를 캡슐화하고 있는 폴리머 나노섬유를 현미경하에서 직접적으로 이미지화한 것이다. Figure 6 (E) shows the polymer nanofibers encapsulating AgNCs in the dry state directly imaged under a microscope.

도 6(F)는 폴리머의 성공적인 가교결합 후 수용액 상에서 팽윤된 섬유의 이미지이다. 나노섬유를 광 가교결합하고, 1분 동안 초음파 처리 후 D.I. water에 재현탁 하였다. 상기 섬유들은 수중 침지 후 부풀어 부드러운 매트릭스로 되어 AgNCs를 홀딩하였다. 이러한 하이드로겔 특성은 많은 생물학적 장치에 매우 유용할 것이다.
Figure 6 (F) is an image of fibers swollen in aqueous solution after successful cross-linking of the polymer. The nanofibers were photocrosslinked, ultrasonicated for 1 minute and resuspended in DI water. The fibers were swollen into a soft matrix after immersion in water to hold AgNCs. Such hydrogel properties will be very useful for many biological devices.

6-4. 다양한 양의 6-4. Varying amounts of AgNCsAgNCs 도입 Introduction

또한, 장 방사 스캐닝 전파 전자 현미경(Field emission scanning transmission electron microscopy)을 이용하여, 다양한 밀도로 나노섬유 내 RBITC 기반의 AgNCs의 성공적인 캡슐화를 확인하였다.In addition, successful encapsulation of RBITC-based AgNCs in nanofibers at various densities was confirmed using field emission scanning transmission electron microscopy (SEM).

나노섬유 내 AgNCs 양 증가에 따른 라만 신호 증가는, 도 7에서 나타난 바와 같은 TEM 이미지에 의해 확인된 폴리머성 나노섬유에서 AgNCs의 증가된 밀도와 일치하였다. 즉, SERS 신호는 나노섬유 내 다양한 양의 AgNCs 도입에 의해 조절될 수 있음을 알 수 있다.
The increase in Raman signal with increasing AgNCs in the nanofibers was consistent with the increased density of AgNCs in the polymeric nanofibers identified by the TEM image as shown in FIG. In other words, it can be seen that the SERS signal can be controlled by introducing various amounts of AgNCs in the nanofiber.

실시예Example 7 :  7: 말라카이트Malachite 그린 이소티오시아네이트 흔적 검출 Green isothiocyanate trail detection

0.5ppm ~ 6.0ppm 범위의 다양한 농도를 가진 말라카이트 그린 이소티오시아네이트의 다른 용액을, 부피비 3:1의 물 및 에탄올 혼합물에서 준비하였다. 알루미늄 호일상에 놓여진 나노섬유 매트를 적당한 크기로 잘라서 MGITC 용액에 30분 동안 침지하였다. 상기 매트를 DI water로 3회 철저히 세척하고 라만 스펙트럽 분석에 사용하였다.Another solution of malachite green isothiocyanate with various concentrations ranging from 0.5 ppm to 6.0 ppm was prepared in a 3: 1 by volume ratio water and ethanol mixture. The nanofiber mat placed on an aluminum foil was cut to an appropriate size and immersed in the MGITC solution for 30 minutes. The mat was thoroughly washed three times with DI water and used for Raman spectral analysis.

라만 스펙트럼을 He/Ne 레이저의 일루미네이션, 633 nm 하 5초의 노출시간동안 수집하였다. 모든 샘플들을 라만스코프의 동일 조건 하에서 분석하였다. 캡쳐된 스펙트럼을 수정하고 정량 분석에 사용하였다. 분석물 검출을 위한 사용 전, 기질의 다양한 스팟에서 균일한 SERS 신호가 확인되었다.The Raman spectra were collected for an exposure time of 5 seconds at 633 nm with He / Ne laser illumination. All samples were analyzed under the same conditions of a Rahman scope. The captured spectra were modified and used for quantitative analysis. Before use for analyte detection, a uniform SERS signal was observed at various spots of the substrate.

다양한 농도의 분석물의 용액에서 나노섬유 매트의 침지 후 수집된 SERS 스펙트럼을 나노섬유 매트의 오리지널 스펙트럼과 비교하였다. 각 샘플을 적어도 5 스캔 사이클 동안 시험하였고, 결과물 SERS 스펙트럼의 평균을 구하였다. 1621 cm-1 에서 라만 강도는, 내부 라만 염색, RBITC로부터 발생하는 1646cm- 1 에서의 피크 동안 분석물과 일치하였다. 내부 피크의 강도에 대한 내부 분석물 피크 강도의 비율을, 증가하는 농도의 분석물 용액에 대해 표시하였다.The SERS spectra collected after immersion of the nanofiber mat in solutions of various concentrations of the analyte were compared to the original spectra of the nanofiber mat. Each sample was tested for at least 5 scan cycles and the average of the resulting SERS spectra was determined. Raman intensity at 1621 cm-1, the inner Raman dye, 1646cm generated from RBITC - consistent with peak for analysis in the first water. The ratio of the internal analyte peak intensity to the intensity of the internal peak was displayed for increasing concentrations of the analyte solution.

에탄올-물 혼합물에서 수용성인 MGITC은 쉽게 나노섬유 내에 확산되고 높은 SERS 신호를 생성하는 나노클러스터의 표면에 흡착된다. 폴리머 나노섬유 내 확산된 후 MGITC로부터 생성되는 라만 신호를 측정하여 다양한 농도에 대해서 나타냈다. 수용액 상태에서 MGITC 의 0.5 ppm 농도까지 민감하게 검출되었다. RBITC 피크를 내부 표준으로 사용하였다.
In the ethanol-water mixture, MGITC, which is water-soluble, readily adsorbs to the surface of nanoclusters that diffuse into nanofibers and produce high SERS signals. Raman signals generated from MGITC after diffusion into polymer nanofibers were measured and shown for various concentrations. It was sensitive to 0.5 ppm of MGITC in aqueous solution. The RBITC peak was used as an internal standard.

그 결과, 도 8에 나타낸 바와 같이, MGITC 피크 강도는 농도에 따라 증가하였고, 이를 통해 농도와 라만 강도 사이에 선형 관계(linear relation)가 존재함을 확인하였다. As a result, as shown in FIG. 8, the MGITC peak intensity increased with concentration, confirming that there was a linear relation between the concentration and the Raman intensity.

RBITC 특성 피크 하 영역이 분석을 통해 일정하게 유지되는 것은 용액 내 RBITC의 심한 확산없이 우수한 안정성을 보이는 것을 의미한다. RBITC 피크 하 일정한 영역은, 점차적으로 증가하는 MGITC 피크 하 영역과 비교될 수 있는 있고, 다른 조건 아래 MGITC 스펙트럼에서 상이한 피크의 강도들에 의해 야기되는 에러를 제거하기 위해 내부 표준으로서 사용되었다. 높은 재현성있는 정량적 결과를 얻기 위해, 정량분석 툴로서 오직 분석물 하나만 사용하는 대신, 일정한 내부 신호에 대해 증가하는 분석물 SERS 신호의 비율이 중요함을 알 수 있었다.
The RBITC characteristic peak area is kept constant through analysis, which means that it exhibits excellent stability without severe diffusion of RBITC in solution. The RBITC peak-constant region was used as an internal standard to eliminate errors caused by the intensities of the different peaks in the MGITC spectrum under different conditions, which can be compared to the gradually increasing MGITC peak-under regions. In order to obtain highly reproducible quantitative results, it was found that the ratio of the increasing SERS signal to the constant internal signal is important, instead of using only one analyte as the quantitative analysis tool.

Claims (6)

가교결합성 폴리머 하이드로겔 나노섬유 내부에 라만 염료에 의한 금속나노입자들의 응집체(클러스터)가 균일하게 분포되어 있는 것을 특징으로 하는, 표면-증강 라만 산란 분석용 나노섬유 복합체 기판을 준비하고; 그리고
상기 나노섬유 복합체 기판을 분석 물질이 포함된 용액에 침지시켜서, 상기 분석 물질이 상기 나노섬유 복합체 기판을 통해 확산되어 상기 금속 나노입자 응집체들 표면에 흡착함으로써 분석 물질을 검출하는;
단계를 포함하는 표면-증강 라만 산란 분석방법으로,
상기 기판 내 존재하는 라만 염료에 의해 유도된 표면-증강 라만 산란에 의한 일정한 내부 표준 신호(Internal standard signal) 세기를 기준으로 비교 분석할 수 있는 것을 특징으로 하고,
상기 나노섬유 복합체 기판은, 상기 나노섬유에 자외선을 처리함으로써 상기 금속나노입자들의 응집체들을 둘러싸는 상기 폴리머 사이에 가교결합이 형성되고, 상기 금속나노입자들의 응집체와 상기 폴리머 사이에 네트워크가 형성되어 상기 금속나노입자들의 응집체가 상기 나노섬유에 고정되어 나노 섬유 기판을 형성하는 것을 특징으로 하는, 표면-증강 라만 산란 분석방법.
Preparing a nanofiber composite substrate for surface-enhanced Raman scattering analysis, wherein aggregates (clusters) of the metal nanoparticles by the Raman dye are uniformly distributed in the cross-linkable polymer hydrogel nanofiber; And
Detecting the analyte by immersing the nanofiber composite substrate in a solution containing the analyte to cause the analyte to diffuse through the nanofiber composite substrate to be adsorbed on the surface of the nanoparticle aggregates;
A surface-enhanced Raman scattering analysis method comprising the steps of:
(Raman scattering) induced by the Raman dyes existing in the substrate, the intensity of the internal standard signal can be compared and analyzed.
Wherein the nanofiber composite substrate is formed by cross-linking between the polymers surrounding the agglomerates of the metal nanoparticles by treating the nanofibers with ultraviolet light, forming a network between the aggregates of the metal nanoparticles and the polymer, Wherein the agglomerates of the metal nanoparticles are fixed to the nanofibers to form a nanofiber substrate.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 방법은
분석물질이 0.01 ~ 6 ppm 농도로 존재하는 경우에 검출 가능한 것을 특징으로 하는 표면-증강 라만 산란 분석방법.
The method according to claim 1,
The method
Wherein the analyte is detectable when the analyte is present in a concentration of 0.01 to 6 ppm.
제1항에 있어서,
상기 분석물질은 발암 물질인 것을 특징으로 하는 표면-증강 라만 산란 분석방법.
The method according to claim 1,
Wherein the analyte is a carcinogenic substance.
삭제delete
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