KR101867670B1 - A method for preparation of paper-based surface enhanced raman scattering substrate using successive ionic layer adsorption and reaction method - Google Patents

A method for preparation of paper-based surface enhanced raman scattering substrate using successive ionic layer adsorption and reaction method Download PDF

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Abstract

본 발명의 하나의 목적은 연속적인 화학적 반응법을 이용하는 종이 기반 표면증강라만산란 기재의 제조방법; 상기 방법으로 제조된, 고안된 패턴에 고르게 분포되어 흡착된 1 내지 100 nm의 직경을 갖는 금속 나노입자를 포함하는, 종이 기반 표면증강라만산란 기재 및 상기 종이 기반 표면증강라만산란 기재를 포함하는 현장진단용 키트에 관한 것이다.One object of the present invention is to provide a method of making a paper-based surface enhanced Raman scattering substrate using a continuous chemical reaction method; Based surface enhanced Raman scattering substrate comprising metal nanoparticles having a diameter of 1 to 100 nm adsorbed evenly on a designed pattern prepared by the above method and a method for site diagnosis including the paper based surface enhanced Raman scattering substrate Kit.

Description

연속적인 화학적 반응법을 이용한 종이 기반 표면증강라만산란 기재의 제조방법{A method for preparation of paper-based surface enhanced raman scattering substrate using successive ionic layer adsorption and reaction method}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a paper-based surface enhanced Raman scattering substrate using a continuous chemical reaction method,

본 발명의 하나의 목적은 연속적인 화학적 반응법을 이용하는 종이 기반 표면증강라만산란 기재의 제조방법; 상기 방법으로 제조된, 고안된 패턴에 고르게 분포되어 흡착된 1 내지 100 nm의 직경을 갖는 금속 나노입자를 포함하는, 종이 기반 표면증강라만산란 기재 및 상기 종이 기반 표면증강라만산란 기재를 포함하는 현장진단용 키트에 관한 것이다.One object of the present invention is to provide a method of making a paper-based surface enhanced Raman scattering substrate using a continuous chemical reaction method; Based surface enhanced Raman scattering substrate comprising metal nanoparticles having a diameter of 1 to 100 nm adsorbed evenly on a designed pattern prepared by the above method and a method for site diagnosis including the paper based surface enhanced Raman scattering substrate Kit.

라만 분광법은 생물학적 및 화학적 시료에 대한 분자 특이적 정보를 제공하는 기술이다. 그러나, 라만 신호는 내재적으로 매우 약하므로, 이를 증강시키기 위한 다양한 연구가 수행되고 있다. 표면증강라만산란(SERS) 활성은 표면에서 흡수 에너지에 의해 라만 스펙트럼의 세기를 현저히 향상시킬 수 있다. SERS 규모의 척도로 사용되는 증강인자(enhancement factor; EF)는 보통 104 내지 108이며 단일 분자 수준의 검출이 가능한 1014에 이르기도 한다. SERS EF 증가에 대한 대부분의 연구는 표면의 소재 및 나노구조 패턴 수식을 통한 기재 관련 분야에 집중한다. 대부분의 SERS-활성 부분은 리소그래피 또는 고온 과정을 포함하는 복합적이고 정교한 방법에 의해 제조되어 왔다. 이러한 SERS 활성 기재의 제조방법은 폭발 위험성이 있는 장시간의 복합한 단계를 거치는 반면, SERS 기재로서 금속 나노입자의 사용은 반응 조건에 의해 크기와 형태가 조절 가능하고 낮은 비용으로 손쉬운 합성법을 제공하며, 응집된 나노입자는 신호를 현저히 향상시켜 단일 분자수준의 민감도를 제공할 수 있다(X.M. Lin et al., Anal. Bioanal . Chem ., 2009, 394: 1729-1745). 이들 나노입자는 라만 레이저 광원에 사용되는 파장을 흡수하는 광학적 성질 즉, 표면플라즈몬공명(surface plasmon resonances; SPR)을 나타낸다(S. Zeng et al., Chem. Soc . Rev., 2014, 43: 3426-3452). 특히, 금, 은 및 구리 나노입자는 다른 금속 기재에 비해 103배 더 높은 SERS 증강을 달성할 수 있다(B. Ren et al., Anal. Bioanal. Chem ., 2007, 388: 29-45). 은 나노입자(AgNPs)는 금 나노입자(AuNPs)에 비해 우수한 SERS 증강 효과를 나타낸다. 그러나, AgNPs는 대기 중에서 산화하여 빠르게 SERS 활성이 감소하는 반면, AuNPs는 산화물층을 형성하여 안정한 SERS 활성을 나타낸다.Raman spectroscopy is a technique that provides molecular-specific information on biological and chemical samples. However, since the Raman signal is intrinsically weak, various studies have been conducted to enhance it. Surface enhanced Raman scattering (SERS) activity can significantly enhance the intensity of Raman spectra by absorbed energy at the surface. The enhancement factor (EF) used as a SERS scale is usually 10 4 to 10 8 and can reach 10 14 , which can be detected at a single molecule level. Most studies on SERS EF increase focus on surface materials and substrate-related areas through nanostructure pattern formulas. Most SERS-active parts have been produced by complex and sophisticated methods including lithography or high temperature processes. This method of producing SERS-active base material has a long and complicated step of explosion, while the use of metal nanoparticles as a SERS substrate provides an easy synthesis method that can be controlled in size and shape by the reaction conditions and at low cost, Agglomerated nanoparticles can significantly enhance signaling to provide a single molecule level of sensitivity (XM Lin et al. , Anal. Bioanal . Chem . , 2009, 394: 1729-1745). These nanoparticles exhibit optical properties that absorb wavelengths used in Raman laser sources, that is, surface plasmon resonances (SPR) (S. Zeng et al. , Chem. Soc . Rev. , 2014, 43: 3426 -3452). In particular, gold, silver and copper nanoparticles can achieve SERS enhancement of 10 3 times higher than other metal substrates (B. Ren et al. , Anal. Bioanal. Chem . , 2007, 388: 29-45) . Silver nanoparticles (AgNPs) exhibit superior SERS enhancement effects compared to gold nanoparticles (AuNPs). However, AgNPs are rapidly oxidized in the atmosphere to decrease SERS activity, while AuNPs form stable oxide SERS activity.

한편, 경제성(저비용), 휴대성, 가요성, 취급의 용이성 및 무해성을 갖는 종이 기재가 생물의학 및 환경 분야에서 분석용 검출을 위한 신규한 플랫폼으로 주목받고 있다(A.W. Martinez et al., Angew . Chemie - Int . Ed., 2007, 46: 1318-1320). 이러한 사용자-친화적 장점은 종이를 이용한 비색법, 전기화학적 및 생화학적 분석을 포함한 다양한 응용을 가능하게 한다(C. Renault et al., J. Am. Chem . Soc., 2014, 136: 4616-4623). 종이 기재의 이러한 장점은 현장진단(point-of-care; POC)에 적용하기에 매우 적합하나, 효소, 산화환원 염료의 사용 및 복합적 가용성 화합물의 취급에 의한 분석 물질의 제한적인 검출한계를 극복해야 하는 문제가 있다.On the other hand, paper substrates having economy (low cost), portability, flexibility, ease of handling, and harmlessness are attracting attention as a new platform for analytical detection in biomedical and environmental fields (AW Martinez et al. , Angew ... Chemie - Int Ed, 2007, 46: 1318-1320). Such user-friendly advantages enable a variety of applications including paper colorimetry, electrochemical and biochemical analysis (C. Renault et al. , J. Am. Chem . Soc. , 2014, 136: 4616-4623) . These advantages of paper substrates are well suited for point-of-care (POC) applications, but overcome the limited detection limit of analytes by the use of enzymes, redox dyes and handling of complex soluble compounds There is a problem.

이에, 본 발명자들은 낮은 비용과 간단한 공정으로 종이 기재 상에 금속 나노입자가 도입된 SERS 활성 플랫폼을 제조하는 방법을 발굴하기 위하여 예의 연구 노력한 결과, 일련의 수용액 상에서의 연속적인 화학적 반응법을 이용하여 기재의 표면에 균일하게 금속 나노입자를 형성함으로써 우수한 표면증강라만산란 효과를 나타낼 뿐만 아니라 재현성 높은 결과를 제공하는 기재를 제공할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.Thus, the present inventors have made extensive efforts to find a method for producing a SERS active platform in which metal nanoparticles are introduced on a paper substrate at low cost and simple process, and as a result, they have found that by using a continuous chemical reaction method in a series of aqueous solutions It is possible to provide a substrate which not only exhibits excellent surface enhanced Raman scattering effect but also exhibits high reproducibility, by forming metal nanoparticles uniformly on the surface of a substrate, and completed the present invention.

본 발명의 하나의 목적은 종이 기재를 제1금속 전구체 용액에 담궈 제1금속 전구체를 기재에 흡착시키는 제1단계; 상기 제1금속 전구체를 흡착시킨 종이 기재를 제1완충액에 담궈 세척하는 제2단계; 상기 세척한 종이 기재를 환원제 용액에 담궈 제1금속 나노입자를 형성시키는 제3단계; 및 상기 제1금속 나노입자를 성장시킨 종이 기재를 제1'완충액에 담궈 세척하는 제4단계를 포함하는, 종이 기반 표면증강라만산란 기재의 제조방법을 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: a first step of immersing a paper substrate in a first metal precursor solution to adsorb a first metal precursor on a substrate; A second step of immersing the paper base material adsorbed on the first metal precursor in the first buffer solution and washing the paper base material; A third step of immersing the cleaned paper substrate in a reducing agent solution to form first metal nanoparticles; And a fourth step of immersing the paper substrate on which the first metal nanoparticles have been grown in a first buffer to wash the surface of the paper base.

본 발명의 다른 목적은 고안된 패턴에 고르게 분포되어 흡착된 1 내지 100 nm의 직경을 갖는 금속 나노입자를 포함하는, 종이 기반 표면증강라만산란 기재를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a paper-based surface enhanced Raman scattering substrate comprising metal nanoparticles having a diameter of 1 to 100 nm adsorbed evenly over a designed pattern.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 종이 기반 표면증강라만산란 기재를 포함하는 현장진단용 키트를 제공하는 것이다.It is a further object of the present invention to provide a field diagnostic kit comprising the paper-based surface enhanced Raman scattering substrate.

상기 과제를 해결하기 위한, 본 발명의 제1양태는 종이 기재를 제1금속 전구체 용액에 담궈 제1금속 전구체를 기재에 흡착시키는 제1단계; 상기 제1금속 전구체를 흡착시킨 종이 기재를 제1완충액에 담궈 세척하는 제2단계; 상기 세척한 종이 기재를 환원제 용액에 담궈 제1금속 나노입자를 형성시키는 제3단계; 및 상기 제1금속 나노입자를 성장시킨 종이 기재를 제1'완충액에 담궈 세척하는 제4단계를 포함하는, 종이 기반 표면증강라만산란 기재의 제조방법을 제공하는 것이다.According to a first aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: a first step of immersing a paper substrate in a first metal precursor solution to adsorb a first metal precursor on a substrate; A second step of immersing the paper base material adsorbed on the first metal precursor in the first buffer solution and washing the paper base material; A third step of immersing the cleaned paper substrate in a reducing agent solution to form first metal nanoparticles; And a fourth step of immersing the paper substrate on which the first metal nanoparticles have been grown in a first buffer to wash the surface of the paper base.

본 발명의 제2양태는 고안된 패턴에 고르게 분포되어 흡착된 1 내지 100 nm의 직경을 갖는 금속 나노입자를 포함하는, 종이 기반 표면증강라만산란 기재를 제공하는 것이다.A second aspect of the present invention is to provide a paper-based surface enhanced Raman scattering substrate comprising metal nanoparticles having a diameter of 1 to 100 nm adsorbed evenly over a designed pattern.

본 발명의 제3양태는 상기 종이 기반 표면증강라만산란 기재를 포함하는 현장진단용 키트를 제공하는 것이다.A third aspect of the present invention is to provide a field diagnostic kit comprising the paper-based surface enhanced Raman scattering substrate.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 낮은 비용으로도 손쉽게 확보 가능한 종이를 기반으로 하여 표면증강라만산란 기재를 제조하는 방법 및 그 기재에 관한 것이다. 예컨대, 종이는 섬유질로 구성되어 있어 미시적인 규모에서 섬유질의 거친 질감을 갖는다. 일반적으로 표면증강라만산란이 거친 표면에서 라만 산란 신호가 증강되는 효과를 나타내는 것임에 착안하여 상기 종이의 질감을 활용하는 방법을 고려해볼 수 있다. 그러나, 상기 종이 표면의 질감은 불규칙하게 배열된 섬유질로 인한 것으로, 그 불규칙성으로 인해 표면에 도입되는 금속 나노입자의 불균일한 분포 예컨대, 함몰부에 높은 밀도로 집적되고 돌출부에는 성기게 존재하게 되어 재현성있는 신호 검출이 어렵거나, 발생하는 신호의 위상 불일치로 인한 상쇄로 오히려 신호가 감소할 수 있다. 따라서, 종이 기재의 이로운 점을 취하되 상기 불규칙적인 표면 구조로 인해 발생할 수 있는 단점을 배제하기 위해서는 금속 나노입자를 균일하게 분포시킬 수 있는 방법을 발굴할 필요가 있다.The present invention relates to a method for manufacturing a surface enhanced Raman scattering base material based on paper that can be easily secured even at a low cost, and a base material thereof. For example, paper is made of fibers and has a rough texture of fibers on a microscopic scale. In general, considering that the surface enhanced Raman scattering exhibits the effect of enhancing the Raman scattering signal on the rough surface, a method of utilizing the texture of the paper can be considered. However, the texture of the paper surface is due to irregularly arranged fibers. Due to the irregularity, the non-uniform distribution of the metal nanoparticles introduced on the surface is accumulated at a high density in the depressions, The signal detection may be difficult or the signal may be reduced due to the offset due to the phase mismatch of the generated signal. Therefore, it is necessary to find a method of uniformly distributing the metal nanoparticles in order to take advantage of the paper substrate and to eliminate the disadvantages that may be caused by the irregular surface structure.

이러한 노력의 일환으로, 본 발명에서는 연속적인 화학적 반응법 예컨대, 일련의 반응 용액에 차례로 침지시키고 완충액으로 세척하는 과정을 반복하여 반응시키는 방법을 이용하여 수용액 상에서 간편하게 수행할 수 있을 뿐만 아니라 흡수성이 좋은 종이를 기반으로 하므로 보다 높은 표면적을 제공할 수 있고 반응물의 흡착이 용이하여 고안된 영역 전체에 고르게 분포되어 이를 환원시켜 금속 나노입자를 형성하는 경우 형성된 나노입자들이 활성 부분 전체에 균일하게 분포하므로 재현성있는 SERS 활성을 나타낼 수 있음을 발견하였다. 또한, 상기 연속적인 화학적 반응법에 의한 금속 나노입자의 형성을 서로의 장단점을 보완할 수 있는 2종 이상의 금속을 이용하여 수행함으로써 복합 나노입자를 형성하는 경우 시너지적으로 SERS 효과를 극대화하는 동시에 다른 물리적 성질 예컨대, 안정성을 개선할 수 있음을 발견하였다.As a part of such efforts, in the present invention, not only can it be carried out easily in an aqueous solution by using a continuous chemical reaction method, for example, a method of repeatedly immersing in a series of reaction solutions and washing with a buffer solution repeatedly, Since it is based on paper, it is possible to provide a higher surface area and adsorbed reactants easily. Therefore, when the metal nanoparticles are uniformly distributed over the entire designed area, Lt; RTI ID = 0.0 > SERS < / RTI > activity. In addition, when the metal nanoparticles are formed by the continuous chemical reaction method using two or more kinds of metals that can complement each other's advantages and disadvantages, it is possible to maximize the SERS effect synergistically when forming the composite nanoparticles, Physical properties such as stability can be improved.

상기 본 발명에 따른 종이 기반 표면증강라만산란 기재는 종이 기재를 제1금속 전구체 용액에 담궈 제1금속 전구체를 기재에 흡착시키는 제1단계; 상기 제1금속 전구체를 흡착시킨 종이 기재를 제1완충액에 담궈 세척하는 제2단계; 상기 세척한 종이 기재를 환원제 용액에 담궈 제1금속 나노입자를 형성시키는 제3단계; 및 상기 제1금속 나노입자를 성장시킨 종이 기재를 제1'완충액에 담궈 세척하는 제4단계를 포함하는 방법에 의해 제공될 수 있다.The paper-based surface enhanced Raman scattering material according to the present invention comprises a first step of immersing a paper substrate in a first metal precursor solution to adsorb a first metal precursor on a substrate; A second step of immersing the paper base material adsorbed on the first metal precursor in the first buffer solution and washing the paper base material; A third step of immersing the cleaned paper substrate in a reducing agent solution to form first metal nanoparticles; And a fourth step of immersing the paper substrate on which the first metal nanoparticles have been grown in a first 'buffer solution for washing.

예컨대, 적정한 크기의 입자를 형성하기 위하여 상기 제1단계 내지 제4단계를 2회 내지 10회 반복하여 수행할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.For example, the first to fourth steps may be repeated two to ten times in order to form particles having an appropriate size, but the present invention is not limited thereto.

나아가, 상기 제4단계로부터 수득한 종이 기재를 제2금속 전구체 용액에 담궈 제2금속 전구체를 기재에 흡착시키는 제1'단계; 상기 제2금속 전구체를 흡착시킨 종이 기재를 제2완충액에 담궈 세척하는 제2'단계; 상기 세척한 종이 기재를 환원제 용액에 담궈 제2금속 나노입자를 형성시키는 제3'단계; 및 상기 제2금속 나노입자를 성장시킨 종이 기재를 제2'완충액에 담궈 세척하는 제4'단계를 추가로 수행함으로써 제1금속 및 제2금속을 포함하는 복합 나노입자가 형성된 기재를 제공할 수 있다.A first step of immersing the paper substrate obtained in the fourth step in a second metal precursor solution to adsorb a second metal precursor on the substrate; A second step of immersing the paper base material adsorbed on the second metal precursor in a second buffer solution to be washed; A third step of immersing the cleaned paper substrate in a reducing agent solution to form second metal nanoparticles; And a fourth step of immersing the paper substrate on which the second metal nanoparticles have been grown in a second 'buffer solution for washing, thereby further providing a substrate on which the composite nanoparticles containing the first metal and the second metal are formed have.

예컨대, 적정한 크기의 입자를 형성하기 위하여 상기 제1'단계 내지 제4'단계를 2회 내지 5회 반복하여 수행할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.For example, the first to fourth steps may be repeated two to five times in order to form particles having an appropriate size, but the present invention is not limited thereto.

예컨대, 상기 제1단계 및 제1'단계는 각각 독립적으로 10초 내지 120초 동안 수행할 수 있으며, 상기 제3단계 및 제3'단계는 각각 독립적으로 10초 내지 120초 동안 수행할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.For example, the first step and the first step may be performed independently for 10 seconds to 120 seconds, and the third step and the third step may be performed independently for 10 seconds to 120 seconds, But is not limited thereto.

상기 제1단계 내지 제4단계를 하나의 세트로 간주할 때, 상기 제1단계(또는 제1'단계) 및/또는 제3단계(또는 제3'단계)를 10초 미만으로 수행하는 경우 금속 전구체가 충분히 흡착되지 못하거나 환원제에 의한 반응이 제대로 완료되지 못하여 나노입자 형성이 불완전하여 재현성을 기대하기 어려울 수 있다. 한편, 각 단계를 120초 가량 수행하면 금속 전구체의 흡착이나 환원제에 의한 금속입자 형성이 완료되기에 충분하므로 이를 초과하여 수행하는 경우 불필요한 시간의 낭비를 초래할 수 있고, 부반응을 야기할 수 있다.When the first step (or the first step) and / or the third step (or the third step) are performed in less than 10 seconds when the first step to the fourth step are regarded as one set, It is difficult to expect reproducibility because the precursor is not sufficiently adsorbed or the reaction by the reducing agent is not completed properly and nanoparticle formation is incomplete. On the other hand, when each step is performed for about 120 seconds, it is sufficient to complete the formation of the metal particles by the adsorption of the metal precursor or the reducing agent. Therefore, unnecessary time may be wasted if performed in excess of this time, and side reactions may occur.

상기 제1단계 내지 제4단계 및 제1'단계 내지 제4'단계의 반복 횟수는 사용하는 전구체 용액 및/또는 환원제 용액의 농도 및 각 단계를 수행하는 시간 등을 고려하여 SERS 효과를 극대화하는 수준에서 당업자가 적절히 선택할 수 있다.The number of repetitions of the first to fourth steps and the first to fourth steps may be determined by maximizing the SERS effect in consideration of the concentration of the precursor solution and / or the reducing agent solution used, A person skilled in the art can appropriately select.

본 발명에서 기재로 사용되는 종이는 낮은 비용으로도 손쉽게 확보 가능한 기재로서, 섬유질로 구성되어 미시적으로 관찰하면 불규칙하게 배열된 섬유질의 거친 질감을 가짐을 알 수 있다. 다른 금속성 또는 무기물 소재의 기재와는 달리, 예컨대, 종이 표면은 섬유질이 서로 얽혀 형성된 미세 기공들을 포함하며 이와 같은 구조로 인해 모세관력에 의해 유체가 단순히 기재 표면에 흡착되는 것이 아니라 기재에 스며들 수 있고, 이를 저장할 수 있으므로, 종이 기재에 반응액을 흡수시켜 반응을 수행하는 경우 높은 표면적을 제공할 수 있다(도 2).The paper used in the present invention is a substrate which can be easily secured even at a low cost, and it can be seen that it is formed of fibers and has a rough texture of irregularly arranged fibers when microscopically observed. Unlike substrates made of other metallic or inorganic materials, for example, the paper surface includes micropores formed by entanglement of fibers, and due to such a structure, the fluid is not simply adsorbed on the surface of the substrate by the capillary force, And can store it, so that it is possible to provide a high surface area when the reaction is carried out by absorbing the reaction liquid to the paper substrate (FIG. 2).

예컨대, 상기 종이 기재에는 반응에 앞서 형성하고자 하는 표면증강라만산란 활성 부분 이외의 부분에 소수성 물질을 처리하여 패턴을 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 소수성 물질은 왁스일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 본 발명에 따른 표면증강라만산란 기재를 이용하여 시료를 분석하는 경우 분광학적 검출방법의 특성상 단일 회차에 분석되는 유효면적은 광원이 집중되는 직경 수 mm 이내의 면적으로 제한된다. 따라서 필요 이상으로 넓게 라만활성 부분을 형성하는 경우 시료가 넓게 퍼지므로 동일한 양의 시료를 사용하는 경우 단위 면적당 존재하는 분석물질의 양이 감소되어 미량으로 존재하는 분석물질의 검출이 어려울 수 있다. 따라서, 이와 같은 시료의 낭비를 방지하고 검출의 효율성을 향상시키기 위해서는 제한된 영역으로 라만 활성 부분을 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 이에 따라, 고안된 라만 활성 부분 이외의 영역에 금속 나노입자가 코팅되는 것을 차단하기 위해서는 해당 영역에 소수성 물질을 침투시켜 또는 코팅하여 금속 나노입자와의 상호작용을 차단하는 방법을 사용할 수 있다. 상기 소수성 물질의 예로 사용가능한 것이 왁스이다. 본 발명의 기재가 종이를 기반으로 함을 고려할 때, 종이 기재 상에 라만 활성 부분을 표시한 후 이외의 부분에 왁스를 칠함으로써 원하는 패턴의 표면증강라만산란 활성 부분을 형성할 수 있다. 예컨대, 종이는 왁스를 흡수할 수 있으므로 어느 한쪽면에만 칠하더라도 양면이 모두 차단되는 효과를 나타낼 수 있다. 상기 왁스를 칠하여 패턴을 형성하는 것은 하나의 구현예일 뿐, 본 발명의 범주가 이에 제한되는 것은 아니다.For example, in the paper substrate, a hydrophobic substance may be treated to a portion other than the surface enhanced Raman scattering active portion to be formed before the reaction to form a pattern. Specifically, the hydrophobic substance may be a wax, but is not limited thereto. When a sample is analyzed using the surface enhanced Raman scattering substrate according to the present invention, the effective area analyzed in a single rotation is limited to an area within a few millimeters in diameter where the light source is concentrated due to the characteristics of the spectroscopic detection method. Therefore, when the Raman active part is formed more widely than necessary, the sample spreads widely. Therefore, when the same amount of sample is used, the amount of analyte present per unit area is decreased, and detection of a trace amount of analyte may be difficult. Therefore, it may be desirable to form a Raman active moiety in a limited region in order to prevent waste of such a sample and improve detection efficiency. Accordingly, in order to prevent the metal nanoparticles from being coated on the region other than the designed Raman active region, a method of blocking the interaction with the metal nanoparticles by penetrating or coating the region with a hydrophobic material may be used. As examples of the hydrophobic substance, wax is usable. Considering that the substrate of the present invention is paper-based, it is possible to form a surface-enhanced Raman scattering active portion of a desired pattern by painting a portion other than the Raman active portion on the paper substrate and then waxing it. For example, since paper can absorb wax, even if it is applied to only one side, both sides can be blocked. The wax Forming a pattern to form a pattern is an embodiment, but the scope of the present invention is not limited thereto.

예컨대, 상기 제1금속 및 제2금속은 서로 상이하며, 각각 독립적으로 금, 은, 백금, 알루미늄, 철, 아연, 구리, 주석, 청동, 황동, 니켈 또는 이들의 합금일 수 있다. 예컨대, 입자 형태로 균일하게 분포되어 표면증강라만산란 효과를 나타낼 수 있는 금속이면 제한없이 사용할 수 있다.For example, the first metal and the second metal may be different from each other and may be independently gold, silver, platinum, aluminum, iron, zinc, copper, tin, bronze, brass, nickel or an alloy thereof. For example, any metal that can be uniformly distributed in the form of particles and exhibit the surface enhanced Raman scattering effect can be used without limitation.

예컨대, 제1금속으로는 은을 선택하고 제2금속으로는 금을 선택하거나, 또는 역으로 선택하여 금과 은을 모두 포함하는 금-은 복합 이중금속 나노입자를 포함하는 기재를 제조할 수 있다. 상기 은은 단독으로 사용시 SERS 효과는 우수하나 쉽게 산화되는 단점이 있는 반면, 금은 단독으로 사용시 은에 비해 SERS 효과는 다소 낮으나 우수한 산화 안정성을 갖는다.For example, a substrate comprising gold-silver composite double metal nanoparticles including both gold and silver may be prepared by selecting silver as the first metal and gold as the second metal, or vice versa . The silver alone has an excellent SERS effect but is easily oxidized. On the other hand, when the silver alone is used, the SERS effect is somewhat lower than that of silver, but has excellent oxidation stability.

본 발명의 구체적인 실시예에서는 제1금속으로 은을, 제2금속으로 금을 각각 선택하여 순차적으로 연속적인 화학적 반응법을 수행함으로써 은 나노입자에 금 나노입자가 둘러싼 형태의 복합 이중금속 나노입자가 결합된 기재를 제조하였으며, 상기 복합 이중금속 나노입자를 포함하는 기재의 경우 단순 은 나노입자를 포함하는 기재에 비해 증가된 SERS 효과를 나타낼 뿐만 아니라, 산화에 대한 안정성이 현저히 향상되어 30일까지 경과하여도 라만 세기가 거의 감소하지 않는 것을 확인하였다(도 10).In a specific embodiment of the present invention, silver is used as the first metal and gold is used as the second metal, and a sequential chemical reaction method is sequentially performed to form composite double metal nano-particles in the form of gold nanoparticles surrounded by silver nanoparticles In the case of the substrate comprising the composite double metal nanoparticles, the simple substance exhibited an increased SERS effect as compared with the substrate including the nanoparticles, and the stability against oxidation was remarkably improved. It was confirmed that the Raman intensity did not substantially decrease (Fig. 10).

예컨대, 상기 제1금속 전구체 용액 및 제2금속 전구체 용액은 서로 상이하며, 각각 이온 형태의 금속을 포함하는 수용액일 수 있다. 구체적으로, 상기 제1금속 전구체 용액 및 제2금속 전구체 용액은 각각 독립적으로 HAuCl4, NaAuCl4 또는 AgNO3 수용액일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.For example, the first metal precursor solution and the second metal precursor solution are different from each other, and each may be an aqueous solution containing a metal in an ionic form. Specifically, the first metal precursor solution and the second metal precursor solution may be independently HAuCl 4 , NaAuCl 4, or AgNO 3 aqueous solutions, but are not limited thereto.

상기 기재에 흡착된 금속 전구체로서 금속 이온을 환원시켜 입자화하기 위한 환원제를 포함하는 상기 제1환원제 용액 및 제2환원제 용액은 서로 같거나 상이하며, 소디움 보로하이드라이드(NaBH4), 트리옥틸포스핀 옥사이드(TOPO), 소디움 시트레이트, 헥사데실트리메틸암모늄 클로라이드(HTAC), 세틸트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB), NH4OH 또는 이들의 조합을 포함하는 수용액일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The first reducing agent solution and the second reducing agent solution containing a reducing agent for reducing metal ions as a metal precursor adsorbed on the substrate are the same or different from each other, and sodium borohydride (NaBH 4 ), trioctylphosphine be a pin-oxide (TOPO), sodium citrate, hexadecyl trimethyl ammonium chloride (HTAC), cetyltrimethylammonium bromide (CTAB), an aqueous solution containing NH 4 OH, or a combination thereof, but is not limited thereto.

예컨대, 상기 제1완충액, 제1'완충액, 제2완충액 및 제2'완충액으로는 모두 물을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 기재에 흡착된 금속 전구체 및/또는 환원제를 변형시키거나 이들과 반응거나, 또는 이들의 반응을 저해하지 않고, 기재의 표면에 느슨하게 부착된 금속 전구체 및/또는 금속 나노입자를 제거할 수 있는 수용액이면 제한없이 사용할 수 있다.For example, water may be used as the first buffer, the first buffer, the second buffer and the second buffer, but is not limited thereto. If the metal precursor and / or the metal nanoparticles loosely adhered to the surface of the substrate can be removed without modifying or reacting with the metal precursor and / or the reducing agent adsorbed on the substrate or inhibiting their reaction Can be used without restrictions.

상기 제1완충액 및/또는 제2완충액은 각각 독립적으로 금속의 종류에 따라 상이할 수 있다. 예컨대, 에탄올, 클로로포름 등의 유기용매를 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The first buffer solution and / or the second buffer solution may be independently different depending on the kind of the metal. For example, organic solvents such as ethanol and chloroform may be used, but the present invention is not limited thereto.

예컨대, 제1단계로부터 제4단계를 순차적으로 하나의 세트로 수행하되 1세트 이상 반복하여 수행할 수 있다. 구체적으로, 금속 전구체를 흡착-세척-환원에 의한 금속 나노입자의 형성-세척의 과정을 반복하여 수행함으로써 기재 상에 형성되는 나노입자의 크기, 밀도 및 입자층의 두께를 조절함으로써 표면증강라만산란 효과가 극대화되는 최적의 조건을 탐색할 수 있다.For example, the first to fourth steps may be sequentially performed as one set, but one or more sets may be repeatedly performed. Specifically, by repeating the process of forming and washing metal nanoparticles by adsorption-washing-reduction of a metal precursor, the surface enhanced Raman scattering effect can be obtained by controlling the size, density and thickness of the particle layer formed on the substrate It is possible to search for the optimum condition that maximizes.

본 발명은 고안된 패턴에 고르게 분포되어 흡착된 1 내지 100 nm의 직경을 갖는 금속 나노입자를 포함하는, 종이 기반 표면증강라만산란 기재를 제공한다.The present invention provides a paper-based surface enhanced Raman scattering substrate comprising metal nanoparticles having a diameter of 1 to 100 nm adsorbed evenly over a designed pattern.

종래 이미 형성된 소정의 크기의 금속 나노입자를 기재에 도포하여 흡착시키는 방법이나 박막 형태로 제작하는 경우, 일반적으로 수십 nm 크기의 나노입자를 이용하거나 수십 nm 두께로 금속 박막층을 형성하게 되는 데 비해, 본 발명과 같이 기재 상에 금속 전구체를 흡착시킨 후 환원제를 처리하여 환원시킴으로써 나노입자를 성장시키는 방법은 반응시간 및 반복수행 횟수를 조절함으로써 수 nm 수준으로 입자를 형성할 수 있으므로 보다 우수한 표면 플라즈몬 공명 효과에 의해 현저히 향상된 표면증강라만산란을 제공할 수 있다.Conventionally, when a metal nanoparticle having a predetermined size is formed on a substrate and then adsorbed on the substrate, or when the thin metal nanoparticle is fabricated in a thin film form, nanoparticles having a size of several tens of nanometers are generally used or a metal thin film layer having a thickness of several tens nm is formed. As in the present invention, a method of growing nanoparticles by adsorbing a metal precursor on a substrate and treating the nanoparticles by reducing the treatment with a reducing agent can form particles at a level of several nanometers by controlling the reaction time and the number of repetitions, Lt; RTI ID = 0.0 > Raman scattering. ≪ / RTI >

구체적으로 상기 금속 나노입자는 1 내지 30 nm의 직경을 갖는 것일 수 있으며, 보다 구체적으로 1 내지 10 nm의 직경을 갖는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.Specifically, the metal nanoparticles may have a diameter of 1 to 30 nm, and more specifically, may have a diameter of 1 to 10 nm, but the present invention is not limited thereto.

예컨대, 상기 금속 나노입자는 2종 이상의 상이한 금속을 포함하는 복합 금속 나노입자일 수 있고, 이때 상기 복합 금속 나노입자는 1종의 금속 나노입자에 다른 금속 나노입자가 하나 이상 흡착된 형태인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.For example, the metal nanoparticles may be composite metal nanoparticles containing two or more different metals, wherein the composite metal nanoparticles may be one in which one or more metal nanoparticles are adsorbed on one metal nanoparticle But is not limited thereto.

나아가 본 발명은 상기 본 발명에 따른 종이 기반 표면증강라만산란 기재를 포함하는 현장진단용 키트를 제공할 수 있다.Further, the present invention can provide a field diagnostic kit including the paper-based surface enhanced Raman scattering substrate according to the present invention.

상기 현장진단용 키트는 각종 질병의 진단 또는 검사를 비롯하여, 의학, 농업, 축산업, 식품, 군사, 환경 등 다양한 분야에서 표적 분석물질의 정성 및/또는 정량 분석에 사용될 수 있다. 예컨대, 포유류, 구체적으로 인간으로부터 분리된 전혈, 혈구, 혈청, 혈장, 골수액, 땀, 오줌, 눈물, 침, 피부, 점막, 모발 등의 생체시료로부터 표적 분석물질을 검출하기 위하여 사용할 수 있다. 또는 환경 오염 물질, 특히 폐수 및 하수 중의 화합 물질 검출에 사용할 수 있으나, 그 적용예는 이에 제한되는 것은 아니다.The field diagnostic kit can be used for qualitative and / or quantitative analysis of target analytes in various fields such as medicine, agriculture, animal husbandry, food, military, environment, as well as diagnosis or inspection of various diseases. For example, it can be used for detecting a target analyte from a biological sample such as a mammal, specifically whole blood, blood cells, serum, plasma, bone marrow fluid, sweat, urine, tears, saliva, skin, mucous membrane and hair separated from human. Or environmental pollutants, in particular, wastewater and sewage, but application examples thereof are not limited thereto.

상기 본 발명의 현장진단용 키트는 라만 분광법에 의해 시료 중의 표적 분석물질을 정성 및/또는 정량적으로 검출 가능한 것이 특징이다.The field diagnostic kit of the present invention is characterized by being capable of qualitatively and / or quantitatively detecting a target analyte in a sample by Raman spectroscopy.

구체적으로, 본 발명에 따른 종이 기반 표면증강라만산란 기재를 포함하는 현장진단용 키트는 추가적인 라만 활성 물질이 존재할 때 시너지적인 신호 증강 효과를 나타낼 수 있다. 이때, 라만 스펙트럼은 변하지 않으며 즉, 동일한 피크 위치에서 증가된 세기의 스펙트럼을 제공할 수 있다. 상기 라만 활성 물질은 당업계에 공지된 라만 활성 물질을 제한없이 포함한다. 구체적으로, 로다민 B, 로다민 6G, 2-나프탈렌티올(2-naphthalenethiol; 2-NAT)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.Specifically, a field diagnostic kit comprising a paper-based surface enhanced Raman scattering substrate according to the present invention can exhibit synergistic signal enhancement effects when additional Raman active materials are present. At this time, the Raman spectrum does not change, that is, it can provide a spectrum of increased intensity at the same peak position. The Raman active material includes, without limitation, Raman active materials known in the art. Specifically, it may be rhodamine B, rhodamine 6G, 2-naphthalenethiol (2-NAT), but is not limited thereto.

본 발명의 구체적인 실시예에 따르면, 표면증강산란 기재 상에 라만활성분자로서, 로다민 B를 도포한 경우 동일한 농도로 처리하여도 순수한 종이 기재에 도포한 경우에 비해 1000배 가까이 증가된 라만 신호를 나타내었다. 본 발명의 실험예 2에서는 로다민 B를 1 mM 농도로 처리한 경우 로다민 B의 1201 cm-1 밴드의 세기는 순수한 종이에 31인 반면, 본 발명에 따른 종이 기반 표면증강라만산란 기재에 동일한 농도로 처리한 경우 29328로 약 1000배에 가까운 증가된 세기의 라만 신호를 나타냄을 확인하였다.According to a specific embodiment of the present invention, when rhodamine B is applied as a Raman active molecule on a surface-enhanced scattering substrate, even if the same concentration is applied, Raman signal increased by about 1000 times as compared with that applied on a pure paper substrate Respectively. In Experimental Example 2 of the present invention, when rhodamine B was treated at a concentration of 1 mM, the intensity of 1201 cm -1 band of rhodamine B was 31 on pure paper, whereas the same , It was confirmed that the Raman signal of 29328 increased to about 1000 times.

뿐만 아니라, 연속적인 화학적 반응법을 종이 기재가 아닌 다른 기재 상에 적용한 경우 표면 형태를 관찰하였을 때 동일한 조건으로 반응시키더라도 종이 기재 상에는 형성된 금속 나노입자가 균일하게 분포되어 재현성 있는 신호증강효과를 나타내는 반면, 알루미늄 호일이나 유리를 기재로 하여 반응시킨 경우 금속 나노입자가 불균일하게 분포되었으며, 이에 따라 측정되는 라만신호는 동일한 시료에 대해 측정 회차에 따라 각기 다른 값을 나타내어 측정의 재현성이 현저히 낮은 것을 확인하였다(도 3 및 도 6).In addition, when a continuous chemical reaction method is applied to a substrate other than a paper substrate, even when the surface morphology is observed, even when the reaction is performed under the same conditions, the metal nano-particles formed on the paper substrate are uniformly distributed to exhibit a reproducible signal enhancement effect On the other hand, when reacted with aluminum foil or glass as a substrate, the metal nanoparticles were unevenly distributed, and the Raman signal thus measured exhibited different values depending on the measurement time for the same sample, indicating that the reproducibility of the measurement was remarkably low (Figs. 3 and 6).

또한, 은과 금으로 된 복합 나노입자, 예컨대, 본 발명의 방법으로 종이 기재 상에 은 나노입자를 형성한 후 금 나노입자를 추가로 형성하여 수득한, 은 나노입자 상에 이보다 작은 크기의 금 나노입자가 복수개 흡착된 형태의 복합 나노입자는 은의 우수한 SERS 효과 및 금의 안정성을 모두 갖추어 1012까지 향상된 증강 인자(enhancement factor; EF)를 나타냄은 물론 30일까지 보관하여도 산란세기가 거의 감소하지 않는 안정성을 갖추었음을 확인하였다(도 10).In addition, composite nanoparticles made of silver and gold, such as silver nanoparticles obtained by further forming gold nanoparticles after forming silver nanoparticles on a paper substrate by the method of the present invention, Composite nanoparticles in which a plurality of nanoparticles are adsorbed have excellent SERS effect of gold and stability of gold and exhibit enhanced enhancement factor (EF) up to 10 12 , and even when stored for up to 30 days, (FIG. 10).

이와 같이, 본 발명에 따른 종이 기반 표면증강라만산란 기재를 포함하는 현장진단용 키트는 라만 세기를 현저하기 증가시키는 효과를 나타낼 수 있고, 재현성 있는 결과를 제공할 수 있으므로, 라만 분광법과 결합시켜 미량 시료 분석에 유용하게 사용될 수 있다.As described above, the field diagnostic kit including the paper-based surface enhanced Raman scattering substrate according to the present invention can exhibit a remarkable effect of increasing the Raman intensity and can provide reproducible results. Therefore, the kit can be combined with the Raman spectroscopic method, It can be useful for analysis.

상기 현장진단용 키트로 분석 가능한 시료는 눈물, 혈액 부속물, 땀 소변 등의 생체시료 또는 각종 화학 물질, 환경 오염 물질 등일 수 있다. 표적 분석물질이 라만 활성 분자를 포함하는 경우 별도의 표지물질 없이 직접 분석할 수 있으며, 이외의 경우 시료 중의 표적 분석물질에 라만 활성 물질을 표지하여 분석할 수 있다.The sample that can be analyzed by the field diagnostic kit may be a biological sample such as a tear, a blood appendage, sweat urine, various chemical substances, environmental pollutants, and the like. If the target analyte comprises a Raman active molecule, it can be directly analyzed without a separate labeling substance. Otherwise, the target analyte in the sample can be labeled with a Raman active substance.

본 발명에 따라 연속적인 화학적 반응법에 의한 표면증강라만산란 기재의 제조방법은 낮은 비용으로 간단한 공정을 통해 용이하게 수행될 수 있다. 상기 표면증강라만산란 기재는 수용액 상에서 간편하게 제조될 수 있을 뿐만 아니라 저렴하고 흡수성이 좋은 종이를 기반으로 하므로 보다 높은 표면적을 제공할 수 있고 반응물의 흡착이 용이하여 고안된 영역 전체에 고르게 분포되어 이를 환원시켜 금속 나노입자를 형성하는 경우 형성된 나노입자들이 활성 부분 전체에 균일하게 분포되어 SERS 활성을 나타낼 뿐만 아니라 재현성 있는 결과를 제공할 수 있다. 특히, 추가적인 라만 활성 물질이 존재할 때 시너지적인 신호 증강 효과를 나타낼 수 있을 뿐만 아니라, 종이를 기반으로 하므로 가볍고 취급이 용이하며 휴대가 간편하므로 감도가 향상된 현장진단용 검출키트로써 유용하게 사용될 수 있다.According to the present invention, a method for producing a surface enhanced Raman scattering base material by a continuous chemical reaction method can be easily carried out through a simple process at low cost. The surface-enhanced Raman scattering substrate can be easily manufactured in an aqueous solution, and it can be provided with a high surface area because it is based on an inexpensive and absorbent paper. Therefore, the adsorption of the reactants is easy, When the metal nanoparticles are formed, the nanoparticles formed are uniformly distributed throughout the active portion to exhibit SERS activity, and can provide reproducible results. In particular, it can be used effectively as a detection kit for field diagnosis, which is capable of exhibiting a synergistic signal enhancement effect in the presence of additional Raman active material, and is lightweight, easy to handle and portable because it is based on paper.

도 1은 본 발명에 따른 연속적인 화학적 반응법을 이용한 종이 기반 표면증강라만산란 기재의 제조방법을 개략적으로 나타낸 도이다.
도 2는 아무런 처리하지 않은 종이 기재의 표면의 미시적 구조를 SEM으로 관찰한 결과를 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1 내지 3에 따라 다양한 기재에 연속적인 화학적 반응법을 적용하여 제조한 표면증강라만산란 기재의 외관 및 미시적인 표면 구조를 나타낸 도이다.
도 4는 각기 다른 방법으로 준비한 기재 상에서 로다민 B(RhB)의 라만 이동에 대한 신호의 세기를 나타낸 도이다. 상기 기재로는 연속적인 화학적 반응법을 적용하여 제조한 금 나노입자를 포함하는 종이 기반 기재, 카르복시메틸셀룰로오스 및 금 나노입자를 포함하는 잉크를 이용하여 스크린 프린트로 제조한 종이 기반 기재, 유리 상에 형성된 금 박막 기재 및 아무런 처리하지 않은 종이 기재를 사용하였다.
도 5는 종이를 비롯하여 알루미늄 호일, 유리, PET 필름(OHP 필름) 및 금 박막을 기본으로 연속적인 화학적 반응법을 수행하여 제조한 금 나노입자를 포함하는 기재에 라만활성물질로서 도포한 1 mM RhB의 라만 이동 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 6은 연속적인 화학적 반응법을 적용하여 제조한 알루미늄 호일, 유리 및 종이 기반 표면증강라만산란 기재를 이용하여 독립적으로 5회 반복하여 측정한 RhB의 라만 신호의 편차를 나타낸 도이다.
도 7은 연속적인 화학적 반응법의 반복 횟수를 5회로부터 20회까지 5회씩 증가시키면서 수행하여 제조한 은 나노입자를 포함하는 종이 기반 표면증강라만산란 기재 상에서의 라만 신호 증강 효과를 나타낸 도이다.
도 8은 연속적인 화학적 반응법에 따라 종이 기반 표면증강라만산란 기재 상에 도입된 금-은 복합 이중금속 나노입자(bimetallic nanoparticle, Au@AgNP)의 형성을 TEM 및 제한시야회절(selected area (electron) diffraction; SAD 또는 SAED)로 확인한 결과를 나타낸 도이다.
도 9는 연속적인 화학적 반응법에 따라 금-은 복합 이중금속 나노입자가 도입된 종이 기반 표면증강라만산란 기재에서 (A 및 B) 종이 기재에 대한 이중금속 나노입자의 결합을 XPS로, (C) 각 성분의 결정구조를 XRD로 분석한 결과를 나타낸 도이다.
도 10은 연속적인 화학적 반응법에 따라 금-은 복합 이중금속 나노입자가 도입된 종이 기반 표면증강라만산란 기재 상에서 SERS 프로브인 로다민 6G(rhodamine 6G, R6G)의 라만 신호 증강 효과를 나타낸 도이다. (A)는 1361 cm-1에서 R6G의 농도에 따른 라만 세기를, (B 및 C)는 농도에 따른 라만 스펙트럼에서 세기변화를, (D)는 시간 경과에 따른 금속 나노입자의 산화에 따른 라만 세기 감소를, (E)는 Au@AgNP의 시간에 따른 라만 스펙트럼을, (F)는 은 나노입자의 시간에 따른 라만 스펙트럼을 나타낸다.
도 11은 연속적인 화학적 반응법에 따른 금-은 복합 이중금속 나노입자가 도입된 종이 기반 표면증강라만산란 기재 제조시 금 나노입자 형성 과정의 반복 횟수에 따른 라만 세기 변화를 나타낸 도이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a method for producing a paper-based surface enhanced Raman scattering substrate using a continuous chemical reaction method according to the present invention.
Fig. 2 is a diagram showing the result of observing the microstructure of the surface of a paper substrate which has not been treated with SEM. Fig.
3 is a diagram showing the appearance and microscopic surface structure of the surface enhanced Raman scattering base prepared by applying a continuous chemical reaction method to various substrates according to Example 1 of the present invention and Comparative Examples 1 to 3. FIG.
4 is a graph showing the intensity of a signal for Raman shift of rhodamine B (RhB) on a substrate prepared by different methods. The substrate may be a paper-based substrate containing gold nanoparticles prepared by a continuous chemical reaction method, a paper-based substrate produced by screen printing using an ink containing carboxymethylcellulose and gold nanoparticles, A formed gold thin film substrate and an untreated paper substrate were used.
FIG. 5 is a graph showing the results of measurement of the concentration of 1 mM RhB (1 mM) coated on a substrate containing gold nanoparticles prepared by continuous chemical reaction based on paper, aluminum foil, glass, PET film (OHP film) ≪ / RTI >
FIG. 6 is a graph showing the deviation of the Raman signal of RhB independently measured five times using aluminum foil, glass, and paper-based surface enhanced Raman scattering substrate manufactured by a continuous chemical reaction method.
FIG. 7 is a graph showing a Raman signal enhancement effect on a paper-based surface-enhanced Raman scattering material containing silver nanoparticles prepared by increasing the number of repetitions of a continuous chemical reaction method five times to five times from 20 to 5 times.
Figure 8 shows the formation of gold-silver composite nanomaterials (Au @ AgNP) on a paper-based surface enhanced Raman scattering substrate according to a sequential chemical reaction method using a TEM and limited area electron ) diffraction (SAD or SAED).
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the binding of double metal nanoparticles to a paper substrate with XPS, (C) with (B) and ) Shows the results of XRD analysis of the crystal structure of each component.
10 is a graph showing the Raman signal enhancement effect of rhodamine 6G (R6G) as a SERS probe on a paper-based surface enhanced Raman scattering substrate having gold-silver composite double metal nanoparticles incorporated therein according to a continuous chemical reaction method . (A) shows Raman intensity at 1361 cm -1 , Raman intensity at Raman spectra at (B and C) and Raman spectrum at (Raman) (E) shows the Raman spectrum over time of Au @ AgNP, and (F) shows the Raman spectra over time of the silver nanoparticles.
FIG. 11 is a graph showing changes in Raman intensity according to the number of repetitions of the gold nanoparticle formation process in the preparation of the paper-based surface enhanced Raman scattering base material to which the gold-silver composite double metal nanoparticles according to the continuous chemical reaction method are introduced.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are for further illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited by these examples.

실시예Example 1: 연속적인 화학적 반응법(successive ionic layer adsorption and reaction;  1: Successive ionic layer adsorption and reaction; SILARSILAR )을 이용한 금 나노입자가 흡착된 종이 기반 ) Based on gold nanoparticles adsorbed on paper 표면증강라만산란Surface enhanced Raman scattering 기재의 제조 Manufacture of substrate

금 전구체 용액으로서 10 mM 농도의 HAuCl4 수용액 10 mL을, 환원제 용액으로는 10 mM 농도의 NaBH4 수용액 10 mL을 준비하였다. 세척을 위한 완충액으로는 증류수를 사용하였다. 금 전구체 용액 및 환원제 용액을 별도의 비이커에 담아 준비하고 세척을 위한 증류수도 2개의 비이커에 준비하였다.10 mL of 10 mM HAuCl 4 aqueous solution as a gold precursor solution and 10 mL of a 10 mM NaBH 4 aqueous solution as a reducing agent solution were prepared. Distilled water was used as a buffer solution for washing. The gold precursor solution and the reducing agent solution were prepared in a separate beaker, and distilled water for washing was also prepared in two beakers.

8 mm × 20 mm 크기의 여과지에 2 mm 직경의 원을 그려 표면증강라만산란 활성 부분을 표시하고, 상기 원 안쪽 부분을 제외한 바깥쪽 부분은 왁스를 칠하고 건조오븐에서 130℃에서 45초 동안 처리하여 왁스를 균일하게 침투시키고 실온에서 건조하였다. 상기 왁스를 침투시킨 여과지를 미리 준비한 금 전구체 용액에 30초 동안 담그고 방치하여 금 이온이 종이 기재상에 흡착되도록 하였다. 금 전구체 용액으로부터 여과지를 건저내어 첫번째 증류수 비이커에 담궈 세척하였다. 증류수에 담궈 세척한 종이 기재를 건져 환원제 용액이 담긴 비커에 담그고 30초 동안 유지하여 종이 기재에 흡착된 금 이온으로부터 금 나노입자가 성장하도록 하였다. 반응이 완료된 후 환원제 용액에서 금 나노입자가 형성된 종이 기재를 꺼내어 두번째 증류수 비이커에 담궈 세척하였다. 상기 일련의 과정에서 용액의 수위는 미리 표시한 표면증강라만산란 활성 부분이 용액에 충분히 잠길 수 있도록 조절하였다. 상기 일련의 과정을 1 사이클로 5회 반복하여 수행하였다.A 2 mm diameter circle was drawn on a filter paper of 8 mm x 20 mm size to display the surface enhancement Raman scattering active part and the outer part except for the circular inner part was wax coated and treated in a drying oven at 130 캜 for 45 seconds To uniformly penetrate the wax and dried at room temperature. The filter paper impregnated with the wax was immersed in a gold precursor solution prepared in advance for 30 seconds to allow the gold ions to be adsorbed on the paper substrate. The filter paper was removed from the gold precursor solution by soaking in a first distilled water beaker and washed. The washed paper substrate was immersed in distilled water, soaked in a beaker containing the reducing agent solution, and held for 30 seconds to allow gold nanoparticles to grow from the gold ion adsorbed on the paper substrate. After the reaction was completed, the paper substrate on which the gold nanoparticles were formed was taken out from the reducing agent solution and immersed in a second distilled water beaker. In the above series of steps, the level of the solution was adjusted so that the surface-enhanced Raman scattering activity portion indicated in advance was sufficiently immersed in the solution. By repeating the above series of steps in one cycle 5 times.

실시예Example 2: 연속적인 화학적 반응법을 이용한 은 나노입자가 흡착된 종이 기반 표면증강라만산란 기재의 제조 2: Preparation of paper-based surface enhanced Raman scattering substrate on which silver nanoparticles were adsorbed using a continuous chemical reaction method

금 전구체 용액으로서 HAuCl4 수용액 대신에 금속 전구체 용액으로서 10 mL 농도의 AgNO3 수용액을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 연속적인 화학적 반응법을 수행하여 금 나노입자 대신에 은 나노입자가 흡착된 종이 기반 표면증강라만산란 기재를 제조하였다. 반복횟수를 각각 5회, 10회, 15회 및 20회로 증가시켜 4종의 기재를 제조하였다.A continuous chemical reaction method was carried out in the same manner as in Example 1 except that instead of HAuCl 4 aqueous solution as the gold precursor solution, a 10 mL concentration aqueous AgNO 3 solution was used as a metal precursor solution, silver nano A paper - based surface enhanced Raman scattering substrate on which particles were adsorbed was prepared. The number of repetition times was increased five times, ten times, fifteen times, and twenty times, respectively, to produce four kinds of substrates.

비교예Comparative Example 1: 연속적인 화학적 반응법을 이용한 금 나노입자가 흡착된 알루미늄 호일 기반 표면증강라만산란 기재의 제조 1: Fabrication of aluminum foil-based surface enhanced Raman scattering substrate with gold nanoparticles adsorbed by continuous chemical reaction

기재로서 여과지 대신에 알루미늄 호일을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 시약 및 방법으로 반응을 수행하여 금 나노입자가 흡착된 알루미늄 호일 기반 표면증강라만산란 기재를 제조하였다.The reaction was carried out in the same manner as in Example 1, except that aluminum foil was used instead of the filter paper as the base material to prepare an aluminum foil-based surface enhanced Raman scattering base on which gold nanoparticles were adsorbed.

비교예Comparative Example 2: 연속적인 화학적 반응법을 이용한 금 나노입자가 흡착된 유리 기반 표면증강라만산란 기재의 제조 2: Fabrication of glass-based surface enhanced Raman scattering substrates adsorbed by gold nanoparticles using a continuous chemical reaction method

기재로서 여과지 대신에 유리 기재를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 시약 및 방법으로 반응을 수행하여 금 나노입자가 흡착된 유리 기반 표면증강라만산란 기재를 제조하였다.A glass-based surface enhanced Raman scattering substrate on which gold nanoparticles were adsorbed was prepared by carrying out the reaction in the same manner as in Example 1, except that a glass substrate was used in place of the filter paper as the substrate.

비교예Comparative Example 3: 연속적인 화학적 반응법을 이용한 금 나노입자가 흡착된 PET 필름 기반 표면증강라만산란 기재의 제조 3: Preparation of surface enhanced Raman scattering substrate based on PET film adsorbed gold nanoparticles by continuous chemical reaction method

기재로서 여과지 대신에 PET 필름을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 시약 및 방법으로 반응을 수행하여 금 나노입자가 흡착된 PET 필름 기반 표면증강라만산란 기재를 제조하였다.A PET film-based surface enhanced Raman scattering substrate on which gold nanoparticles were adsorbed was prepared by carrying out the reaction using the same reagents and methods as those in Example 1 except that PET film was used instead of filter paper as a base material.

비교예Comparative Example 4:  4: 카르복시메틸셀룰로오스와Carboxymethylcellulose and 금 나노입자의 혼합 용액을 이용한 금 나노입자가 흡착된 종이 기반 표면증강라만산란 기재의 제조 Preparation of paper-based surface-enhanced Raman scattering substrate on which gold nanoparticles were adsorbed using a mixed solution of gold nanoparticles

먼저, 금 나노입자와 카르복시메틸셀룰로오스(carboxymethyl cellulose; CMC)를 포함하는 스크린 프린트용 CMC-AuNPs 잉크를 준비하였다. 구체적으로, 1 mL의 38.8 mM 구연산 삼나트륨 무수물을 10 mL의 1 mM HAuCl4에 첨가하고 자석교반하면서 핫플레이트 상에서 90℃에서 20분 동안 가열하였다. 용액의 색상은 옅은 노란색으로부터 짙은 보라색으로 변화하였다. 이후 반응 플라스크의 가열을 즉시 멈추고 교반을 유지하면서 용액을 실온으로 냉각시켰다.First, CMC-AuNPs inks for screen printing including gold nanoparticles and carboxymethyl cellulose (CMC) were prepared. Specifically, by heating at 90 ℃ for 20 minutes on a hot plate with the addition of 38.8 mM citric acid trisodium anhydride of 1 mL to 10 mL of 1 mM HAuCl 4 and magnetic stirring. The color of the solution changed from light yellow to dark purple. The heating of the reaction flask was then immediately stopped and the solution was cooled to room temperature while stirring was maintained.

위와 같이 제조한 콜로이드성 AuNP 1 mL을 취하여 6000 rpm에서 10분 동안 농축하고, 상층액의 99%를 제거하였다. 농축된 AuNPs는 2 wt% 나트륨 CMC 수용액을 1:7의 부피비로 혼합하여 CMC-AuNPs 잉크를 제조하였다.1 mL of the colloidal AuNP prepared as described above was taken and concentrated at 6000 rpm for 10 minutes to remove 99% of the supernatant. The concentrated AuNPs were mixed with 2 wt% sodium CMC aqueous solution in a volume ratio of 1: 7 to prepare CMC-AuNPs inks.

실시예 1에서와 동일한 방법으로 왁스 처리하여 준비한 여과지에 3 mm 직경 및 180 μm 두께의 스텐실 구멍(cut-out hole)을 미리 표시한 2 mm 직경의 표면증강라만활성 부분과 동일한 중심을 갖도록 조정하여 배치하였다. 4 μL CMC-AuNPs 잉크를 스텐실 구멍에 적가하고 블레이드를 스텐실을 가로질러 이동시켜 도포하고, 핫플레이트 상에서 50℃로 120초 동안 건조시켰다. 상기 CMC-AuNPs 잉크를 도포하고 건조시키는 과정을 한번 더 반복하여 수행하였다.A filter paper prepared by waxing in the same manner as in Example 1 was adjusted to have the same center as a 2 mm diameter surface enhanced Raman active portion pre-marked with a 3 mm diameter and a 180 占 퐉 thick cut-out hole Respectively. Four microliters of CMC-AuNPs ink was applied to the stencil holes, the blades were moved across the stencil and applied and dried on a hot plate at 50 DEG C for 120 seconds. The process of applying and drying the CMC-AuNPs ink was repeated one more time.

실험예Experimental Example 1: 연속적인 화학적 반응법 적용시 기재의 종류에 따른 금 나노입자의 흡착력 1: The adsorption power of gold nanoparticles according to the type of substrate during continuous chemical reaction method

상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 3에 따라 각각 종이, 알루미늄 호일, 유리 및 PET 필름을 기재로 하여 연속적인 화학적 반응법을 적용하여 금 나노입자를 형성하고 최종적으로 제조된 기재의 외형 및 미시적인 표면 구조를 각각 육안과 ×20 광학 현미경으로 관찰하고 그 결과를 도 3에 나타내었다.According to Example 1 and Comparative Examples 1 to 3, gold nanoparticles were formed by applying a continuous chemical reaction method using paper, aluminum foil, glass, and PET film as substrates, respectively, and the appearance and microscopic The surface structure is visual and x20 optic respectively The result was observed with a microscope and the results are shown in Fig.

도 3에 나타난 바와 같이, 종이를 기재로 사용한 경우 금 나노입자가 표면에 고르게 분포되어 있는 반면, 알루미늄 호일이나 유리를 사용한 경우 불규칙하게 분포되었으며, PET 필름을 사용한 경우에는 금 나노입자가 전혀 부착되지 않은 것을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 3, when the paper was used as a substrate, the gold nanoparticles were uniformly distributed on the surface, while the aluminum foil or glass was irregularly distributed. When the PET film was used, gold nanoparticles were not attached at all .

실험예Experimental Example 2: 기재의 종류 및 제조방법에 따른 라만 활성 분자의 라만 세기 변화 2: Raman intensity change of Raman active molecule according to kinds of substrate and manufacturing method

상기 실시예 1 및 비교예 4에 따른 금 나노입자를 포함하는 종이기재, 금 박막 및 아무런 처리하지 않은 종이에 라만활성분자인 로다민 B(rhodamine B; RhB)를 1 mM 농도로 처리하고 이로부터 라만 스펙트럼을 측정하였다. 상기 측정으로부터 라만 이동(raman shift)에 대한 세기 그래프를 도출하여 그 결과를 도 4에 나타내고, 그래프의 피크 중 RhB의 주요 피크인 3개 라만 이동 파수(620, 1201 및 1356 cm-1)에서의 세기를 표로 정리하여 하기 표 1에 나타내었다.A rhodium-active molecule, rhodamine B (RhB), was treated at a concentration of 1 mM on a paper substrate, gold thin film, and untreated paper containing gold nanoparticles according to Example 1 and Comparative Example 4, Raman spectra were measured. From the above measurement, a graph of the intensity for raman shift was derived. The results are shown in Fig. 4. The results are shown in Fig. 4, and the results are shown in Fig. 4. The peak of RhB at the peak of 3 Raman shifts (620, 1201 and 1356 cm -1 ) The strengths are summarized in Table 1 below.

구체적으로, 라만 스펙트럼은 SENTERRA 공초점 라만 시스템(Bruker Optics, Billerica, MA, USA)를 이용하여 획득하였다. 10 mW 전력으로 785 nm 다이오드 레이저 광원을 20× 대물렌즈(N.A.=0.4)로 약 2.4 μm 스팟 크기에 집중시켰다. 각 지점(point)에서의 스펙트럼을 417 내지 1782 cm-1 범위에서 5 cm-1 광학해상도로 실온에서 30초 수집시간으로 2회 기록하였다. 각 시료의 라만 스펙트럼을 표면증강라만산란 활성 영역 상의 10개 임의로 프린트된 스팟에서 측정하여 신뢰도를 확인하였다. 2 μl 분석 방울의 1 mM RhB를 시료로 사용하여 라만 스펙트럼을 평가하였다.Specifically, Raman spectra were acquired using a SENTERRA confocal Raman system (Bruker Optics, Billerica, MA, USA). At a power of 10 mW, a 785 nm diode laser source was focused on a spot size of about 2.4 μm with a 20 × objective (NA = 0.4). Each of the spectra at the point (point) was recorded twice at room temperature from 417 to 1782 cm -1 to 5 cm -1 range optical resolution of 30 seconds acquisition time. The Raman spectra of each sample were measured at 10 randomly printed spots on the surface enhanced Raman scattering active area to confirm their reliability. Raman spectra were evaluated using 2 μl of analytical drop of 1 mM RhB as a sample.

RhB의 라만 피크Raman peak of RhB SILAR(실시예 1)SILAR (Example 1) AuNPs+CMC(비교예 4)AuNPs + CMC (Comparative Example 4) Au filmAu film Raw paperRaw paper 620 cm-1 620 cm -1 75337533 48684868 31863186 4545 1201 cm-1 1201 cm -1 2932829328 61206120 21032103 3131 1356 cm-1 1356 cm -1 2238322383 56805680 49454945 7575

도 4 및 표 1에 나타난 바와 같이, 아무런 처리하지 않은 종이 기재상에 도포한 라만활성분자로부터는 피크 위치에서 조차 거의 신호를 검출하기 어려웠다. 반면, 금 나노입자를 포함하는 종이 기재(실시예 1 및 비교예 4) 또는 금 박막 상에서는 해당 기재에 의한 라만신호 증강효과로 현저히 증가된 세기의 라만신호를 검출할 수 있었다. 특히, 실시예 1의 기재를 사용한 경우 금 나노입자 용액을 스크린 프린트하여 제조한 비교예 4의 기재에 비해 파수에 따라 1.5배 내지 4.8배 높은 세기를 나타내었으며, 금 박막을 사용한 경우에 비해서는 파수에 따라 2.4배 내지 13.9배까지 높은 세기의 라만 신호를 나타내었다. 이는 적절한 파수를 선택할 경우 본 발명의 기재를 이용하면 금 박막을 기재로 이용한 경우에 비해 14배 정도 민감한 검출이 가능함을 나타내는 것이다.As shown in Fig. 4 and Table 1, it was difficult to detect almost no signal even at the peak position from the Raman active molecule coated on any untreated paper substrate. On the other hand, on the paper substrate containing gold nanoparticles (Example 1 and Comparative Example 4) or on the gold thin film, the Raman signal of a significantly increased intensity could be detected by the Raman signal enhancement effect by the substrate. In particular, when the substrate of Example 1 was used, the intensity was 1.5 to 4.8 times higher than that of Comparative Example 4 produced by screen printing the gold nanoparticle solution. According to the number of wafers, the intensity was 1.5 to 4.8 times higher than that of the gold thin film. Raman signals of high intensity ranging from 2.4 times to 13.9 times were shown. This indicates that when the appropriate wave number is selected, detection using the substrate of the present invention can be performed about 14 times more sensitive than when the gold thin film is used as the substrate.

실험예Experimental Example 3: 기재의 종류에 따른 라만 활성 분자의 라만 세기 변화 3: Raman intensity change of Raman active molecule according to kinds of substrate

연속적인 화학적 반응법에 의해 제조된 표면에 금 나노입자가 분포된 표면증강라만산란 기재에 있어서, 기본이 되는 기재의 재질에 따른 표면증강라만산란 효과의 차이를 확인하기 위하여 실시예 1 및 비교예 1 내지 3에 따라 제조한 각각 금 나노입자를 포함하는 종이, 알루미늄 호일, 유리 및 PET 필름에 1 mM 농도의 RhB를 도포하고 라만 스펙트럼을 측정하여 도 5에 나타내었다.In the surface enhanced Raman scattering substrate in which the gold nanoparticles were distributed on the surface prepared by the continuous chemical reaction method, in order to confirm the difference in surface enhancement Raman scattering effect depending on the material of the base material, 1 to 3, each of gold nanoparticles, aluminum foil, glass, and PET film was coated with RhB at a concentration of 1 mM and Raman spectrum was measured and shown in FIG.

5에 나타난 바와 같이, 다른 기재에 비해 종이 기재 상에 연속적인 화학적 반응법을 적용하여 제조한 표면증강라만산란 기재에서 현저하게 증가된 라만 신호 측정이 가능하였다. As shown in Fig. 5, a significantly increased Raman signal measurement was possible in the surface-enhanced Raman scattering substrate prepared by applying a continuous chemical reaction method on a paper substrate compared to other substrates.

실험예Experimental Example 4: 기재의 종류에 따른 라만 신호 측정의 재현성 4: Reproducibility of Raman signal measurement according to substrate type

반복적인 측정에 의한 신호의 재현성을 확인하기 위하여, 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 준비한 기재에 1 mM 농도로 RhB를 도포하고 라만 이동 파수에 대한 세기를 관찰하였다. 실험예 3과 동일한 조건으로 5회 반복하여 측정하고 각 측정으로부터 얻은 그래프를 중첩하여 도 6에 나타내었다.To confirm the reproducibility of signals by repetitive measurement, RhB was applied at a concentration of 1 mM to the substrate prepared according to Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2, and the intensity with respect to the Raman shift wave number was observed. The measurement was repeated five times under the same conditions as in Experimental Example 3, and the graphs obtained from the respective measurements were superimposed on each other and shown in FIG.

도 6에 나타난 바와 같이, 실시예 1에 따른 기재(도 6에서 Paper로 표기)를 이용한 경우 반복하여 측정하더라도 일정한 피크 세기를 나타내었으나, 비교예 1 및 2의 기재를 사용한 경우(도 6에서 각각 Al foil과 Glass로 표기) 각 측정에서 측정 세기의 편차가 심한 것으로 확인할 수 있었다. 이는 도 3에서 확인된 알루미늄 호일과 유리 기재 상에 금 나노입자가 불균일한 분포로 형성된 것과 일치하는 것이다. 즉, 표면증강라만산란 효과를 나타낼 수 있는 금 나노입자가 기재 상에 불균일하게 분포하므로 동일한 기재 내에서라도 측정 위치에 따라 또는 동일한 방법 및 조건으로 제조하더라도 제조 회차에 따라 생성된 기재로부터의 표면증강라만산란 효과가 다르게 나타나므로 재현성있는 분석이 불가능함을 나타내는 것이다.As shown in Fig. 6, when the base material (indicated by Paper in Fig. 6) according to Example 1 was used, a constant peak intensity was obtained even when measured repeatedly. However, when the base materials of Comparative Examples 1 and 2 were used Al foil and Glass). It can be confirmed that there is a large variation in measured intensity in each measurement. This is consistent with the formation of gold nanoparticles on the aluminum foil and glass substrate identified in Fig. 3 in a non-uniform distribution. That is, since the gold nanoparticles capable of exhibiting the surface enhanced Raman scattering effect are unevenly distributed on the substrate, the surface enhancement Raman from the substrate produced according to the manufacturing sequence, even in the same substrate, This shows that reproducible analysis is impossible because the scattering effect is different.

실험예Experimental Example 5: 연속적인 화학적 반응법의 반복 횟수에 따른 라만 신호 증강 효과 5: Raman signal enhancement effect according to the number of repetition of continuous chemical reaction method

상기 실시예 2로부터 제조한 연속적인 화학적 반응법의 반복 횟수를 5회로부터 20회까지 5회씩 증가시키면서 제조한 은 나노입자를 포함하는 종이 기반 표면증강라만산란 기재를 이용하여 라만 신호를 측정하고 그 결과를 도 7에 나타내었다. 도 7에 나타난 바와 같이, 반복 횟수가 증가함에 따라 전반적으로 측정된 라만 세기가 증가하는 것을 확인하였다. 또한, 측정 파수에 따라 그 증가 패턴이 상이한 것을 확인할 수 있었다. 이는 측정하고자 하는 파수 등에 따라 반복 횟수를 조절하여 신호의 증가율이 최대가 되는 조건을 탐색할 수 있음을 나타내는 것이다. 즉, 측정 파수, 연속적인 화학적 반응법의 반복 수행 횟수 등을 적절히 조합하여 라만 신호 증강 효과를 극대화할 수 있는 최적의 조건을 발굴할 수 있음을 나타내는 것이다.The Raman signal was measured using a paper-based surface enhanced Raman scattering substrate containing silver nanoparticles prepared by increasing the number of repetitions of the continuous chemical reaction method prepared in Example 2 five times to 20 times, The results are shown in Fig. As shown in FIG. 7, it was confirmed that the measured Raman intensity increases as the number of repetitions increases. It was also confirmed that the increase pattern was different according to the measured wave number. This means that it is possible to search conditions that maximize the rate of increase of the signal by adjusting the number of repetitions according to the wave number to be measured. That is, the optimum conditions for maximizing the Raman signal enhancement effect can be found by appropriately combining the measured wave number and the number of iterations of the continuous chemical reaction method.

실시예Example 3: 연속적인 화학적 반응법을 이용한 이중금속 나노입자(bimetallic 3: Double metal nanoparticles (bimetallic nanoparticle, Au@AgNP)가 흡착된 종이 기반 nanoparticle, Au @ AgNP) adsorbed on paper 표면증강라만산란Surface enhanced Raman scattering 기재의 제조 Manufacture of substrate

은 전구체로서 20 mM 농도의 AgNO3 수용액과 환원제로서 NaBH4 용액을 이용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 종이 기재 상에 은 나노입자를 형성하였다. 각 용액에 30초씩 침지시키고 세척하는 과정을 6회 반복하여 은 나노입자가 소정의 크기를 갖도록 성장시켰다. 이후, 금 전구체로서 1 mM 농도의 HAuCl4 수용액을 사용하여 상기 종이 기재 상에 형성된 은 나노입자와 복합 이중금속 나노입자를 형성하도록 하였다. 은 나노입자에 대해서와 마찬가지로 각 용액에 30초씩 침지시켜 금 전구체 이온을 흡착시키고 환원시켜 금 나노입자를 형성하는 과정을 각각 1 내지 5회 반복하여 5종의 시료를 제조하였다. 대조군으로는 금 전구체 용액 및 환원제로 처리하지 않은 은 나노입자만을 포함하는 기재를 사용하였다.Silver nanoparticles were formed on a paper substrate in the same manner as in Example 1 by using a 20 mM aqueous solution of AgNO 3 as a precursor and a NaBH 4 solution as a reducing agent. The silver nanoparticles were grown to have a predetermined size by repeating the procedure of immersing and washing in each solution for 30 seconds six times. Thereafter, silver nanoparticles and complex double metal nanoparticles formed on the paper substrate were formed using a 1 mM aqueous solution of HAuCl 4 as a gold precursor. Silver nanoparticles were immersed in each solution for 30 seconds to adsorb and reduce gold precursor ions to form gold nanoparticles. Each of the gold nanoparticles was repeated 1 to 5 times to prepare five samples. As a control, a substrate containing only silver nanoparticles not treated with a gold precursor solution and a reducing agent was used.

종이 기재 상에 흡착된 금-은 복합 이중금속 나노입자의 형태는 TEM으로 관찰하고, 결정성은 SAED로 분석하여 그 결과를 도 8에 나타내었다. 도 8에 나타난 바와 같이, 금-은 복합 이중금속 나노입자는 은 나노입자 상에 상대적으로 작은 크기의 금 나노입자가 형성되어 종합적으로 라즈베리같은 형태를 갖는 것을 확인하였다. 이때, 금 및 은 입자들은 각각 0.147 nm(Au 220 격자) 및 0.144 nm(Ag 220 격자)의 격자간격을 갖는 것을 확인하였으며, 나아가 SAED 분석 결과 역시 본 발명에 따른 연속적인 화학적 반응법에 의해 형성된 은 나노입자가 제대로 된 결정구조를 가짐을 나타내었다.The morphology of the gold-silver composite double metal nanoparticles adsorbed on the paper substrate was observed by TEM, and the crystallinity was analyzed by SAED, and the results are shown in Fig. As shown in FIG. 8, it was confirmed that the gold-silver composite double metal nanoparticles have a relatively small size of gold nanoparticles on the silver nanoparticles and thus have a raspberry-like shape. At this time, it was confirmed that the gold and silver particles had a lattice spacing of 0.147 nm (Au 220 grating) and 0.144 nm (Ag 220 grating), respectively. Further, the SAED analysis results also confirmed that the silver formed by the continuous chemical reaction method according to the present invention Indicating that the nanoparticles have a well-defined crystal structure.

또한, XPS 분석을 통해 금-은 복합 이중금속 나노입자의 종이 기재 상의 결합을 확인하여 그 결과를 도 9A 및 B에, XRD 분석을 통해 금-은 복합 이중금속 나노입자의 각 성분의 결정 구조를 다시 한번 확인하고, 그 결과를 도 9C에 나타내었다.Also, the binding of the gold-silver composite double metal nanoparticles on the paper substrate was confirmed by XPS analysis, and the results are shown in Figs. 9A and 9B. The XRD analysis showed that the crystal structure of each component of the gold- Again, the results are shown in Figure 9C.

실험예Experimental Example 6: 이중금속 나노입자에 의한 라만 신호 증강 효과 6: Raman signal enhancement effect by double metal nanoparticles

SERS 프로브로 사용되는 로다민 6G(rhodamine 6G, R6G)를 1 fM(1×10-15 M)로부터 1 mM(1×10-3 M)까지 농도별로 준비하여 상기 실시예 3에 따라 준비한 금-은 복합 이중금속 나노입자를 포함하는 종이 기반 표면증강라만산란 기재에 처리하고 라만 신호를 측정하여 그 결과를 도 10A 내지 C에 나타내었으며, 이로부터 SERS 효과의 척도인 증강 인자(enhancement factor; EF)를 도출하였다. 도 10B 및 C에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 금-은 복합 이중금속 나노입자를 포함하는 종이 기반 표면증강라만산란 기재 상에서 라만 신호를 측정한 경우 1 fM 수준까지 검출가능함을 확인하였으며, 계산된 EF는 약 1012으로, 이는 본 발명에 따른 금-은 복합 이중금속 나노입자를 포함하는 종이 기반 표면증강라만산란 기재에 의한 SERS 효과가 매우 우수함을 나타내는 것이다.The rhodamine 6G (rhodamine 6G, R6G) used as the SERS probe was prepared for each concentration from 1 fM (1 x 10 -15 M) to 1 mM (1 x 10 -3 M) Based surface enhanced Raman scattering substrate comprising complex double metal nanoparticles and measuring the Raman signal and the results are shown in Figures 10A-C from which the enhancement factor (EF), a measure of the SERS effect, Respectively. As shown in FIGS. 10B and 10C, when the Raman signal was measured on a paper-based surface enhanced Raman scattering substrate containing gold-silver composite double metal nanoparticles according to the present invention, it was confirmed that detection was possible up to 1 fM level, EF is about 10 < 12 & gt ;, indicating that the SERS effect by the paper-based surface enhanced Raman scattering substrate comprising gold-silver composite double metal nanoparticles according to the present invention is excellent.

또한, 본 발명에 따른 금-은 복합 이중금속 나노입자를 포함하는 종이 기반 표면증강라만산란 기재의 안정성을 확인하기 위하여, 제조한 기재를 30일까지 대기 중에 보관하면서 제조 당일과 1일, 3일, 7일, 15일 및 30일 후 각각 라만 신호를 측정하여 세기 변화를 확인하였다. 대조군으로는 단일 은 나노입자가 흡착된 기재를 사용하였다. 상기 각 시점에서 라만 스펙트럼을 측정하고 이를 도 10D 내지 F에 나타내었다. 도 10D 내지 F에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 금-은 복합 이중금속 나노입자를 포함하는 종이 기반 표면증강라만산란 기재는 은 나노입자를 포함하는 기재에 비해 전 측정 시점에서 현저히 높은 라만 세기를 나타내었다. 특히 은 나노입자를 포함하는 기재의 경우 제조 후 3일에 절반 이하로 측정된 라만 신호가 감소하는 등 시간이 경과함에 따라 측정되는 라만 신호의 세기가 급격히 감소하였으나, 본 발명에 따른 금-은 복합 이중금속 나노입자를 포함하는 종이 기반 표면증강라만산란 기재를 이용하는 경우 30일까지 시간이 경과하더라도 측정되는 신호의 세기 감소가 거의 나타나지 않았다. 이는 금-은 복합 이중금속 나노입자를 이용함으로써 시너지적인 SERS 효과를 나타냄은 물론 산화에 취약한 은의 단점을 극복할 수 있음을 나타내는 것이다.In order to confirm the stability of the paper-based surface enhanced Raman scattering substrate comprising the gold-silver composite double metal nanoparticles according to the present invention, the substrate was kept in air for up to 30 days, , 7 days, 15 days and 30 days, respectively. As a control group, a single silver nanoparticle-adsorbed substrate was used. Raman spectra were measured at each of the above points and are shown in Figs. 10D to 10F. As shown in Figures 10D-F, the paper-based surface enhanced Raman scattering substrate comprising gold-silver composite double metal nanoparticles according to the present invention exhibits significantly higher Raman intensity at the point of full measurement than the substrate comprising silver nanoparticles Respectively. Particularly, in the case of a substrate containing silver nanoparticles, the intensity of the Raman signal measured with the lapse of time has been drastically decreased as the Raman signal measured at less than half of the three days after the production is decreased. However, When the paper-based surface enhanced Raman scattering substrate containing the double metal nanoparticles was used, little decrease in the intensity of the measured signal was observed even after a lapse of 30 days. This indicates that the use of gold - silver composite double metal nanoparticles can overcome disadvantages of silver which is susceptible to oxidation as well as synergistic SERS effect.

상기 실시예 3에서 대조군 및 금 나노입자를 형성하는 과정의 반복 횟수를 달리하여 제조한 5종 시료에 R6G를 처리하고 1361 cm-1에서 라만 신호의 세기를 측정하고 그 결과를 도 11에 나타내었다. 도 11에 나타난 바와 같이, 금 나노입자를 형성하는 과정을 2 내지 3회 수행하는 경우 적절한 밀도와 크기로 금 나노입자가 형성되어 최대의 SERS 효과를 나타냄을 확인하였다.In Example 3, R6G was treated on five samples prepared by varying the number of repetition times of the control group and the gold nanoparticle forming process, and the intensity of the Raman signal was measured at 1361 cm -1 . The results are shown in FIG. 11 . As shown in FIG. 11, gold nanoparticles were formed at an appropriate density and size when gold nanoparticles were formed two to three times. As a result, it was confirmed that the maximum SERS effect was exhibited.

결론적으로, 본 발명에 따른 연속적인 화학적 반응법에 의해 제조한 종이 기반 표면증강라만산란 기재는 현저한 라만 신호 증강 효과를 나타낼 뿐만 아니라 재현성 있는 신호를 제공할 수 있으므로, 라만 분광법을 이용한 분석용 기재로서 유용하게 사용될 수 있다.As a result, the paper-based surface-enhanced Raman scattering substrate produced by the continuous chemical reaction method according to the present invention not only exhibits a remarkable Raman signal enhancing effect but also can provide a reproducible signal, so that it can be used as an analytical substrate using Raman spectroscopy Can be usefully used.

Claims (17)

종이 기재를 제1금속 전구체 용액에 담궈 제1금속 전구체를 기재에 흡착시키는 제1단계;
상기 제1금속 전구체를 흡착시킨 종이 기재를 제1완충액에 담궈 흡착되지 않은 제1금속 전구체를 세척하는 제2단계;
상기 세척한 종이 기재를 환원제 용액에 담궈 제1금속 나노입자를 형성시키는 제3단계; 및
상기 제1금속 나노입자를 성장시킨 종이 기재를 제1'완충액에 담궈 환원제 용액을 세척하는 제4단계를 포함하는, 종이 기반 표면증강라만산란 기재의 제조방법.
A first step of immersing the paper substrate in the first metal precursor solution to adsorb the first metal precursor on the substrate;
A second step of immersing the paper base material adsorbed on the first metal precursor in the first buffer solution to wash the first metal precursor that has not been adsorbed;
A third step of immersing the cleaned paper substrate in a reducing agent solution to form first metal nanoparticles; And
And a fourth step of dipping the paper substrate on which the first metal nanoparticles are grown in a first buffer to wash the reducing agent solution.
제1항에 있어서, 상기 제1단계 내지 제4단계를 2회 내지 10회 반복하여 수행하는 것인 종이 기반 표면증강라만산란 기재의 제조방법.
2. The method of claim 1, wherein the first to fourth steps are repeated two to ten times.
제1항에 있어서, 상기 제4단계로부터 수득한 종이 기재를 제2금속 전구체 용액에 담궈 제2금속 전구체를 기재에 흡착시키는 제1'단계;
상기 제2금속 전구체를 흡착시킨 종이 기재를 제2완충액에 담궈 세척하는 제2'단계;
상기 세척한 종이 기재를 환원제 용액에 담궈 제2금속 나노입자를 형성시키는 제3'단계; 및
상기 제2금속 나노입자를 성장시킨 종이 기재를 제2'완충액에 담궈 세척하는 제4'단계를 추가로 포함하는 것인 종이 기반 표면증강라만산란 기재의 제조방법.
The method of claim 1, further comprising: a first step of immersing the paper substrate obtained in the fourth step in a second metal precursor solution to adsorb a second metal precursor on the substrate;
A second step of immersing the paper base material adsorbed on the second metal precursor in a second buffer solution to be washed;
A third step of immersing the cleaned paper substrate in a reducing agent solution to form second metal nanoparticles; And
Further comprising a fourth step of immersing the paper substrate on which the second metal nanoparticles have been grown in a second buffer to wash the paper base surface-enhanced Raman scattering substrate.
제3항에 있어서, 상기 제1'단계 내지 제4'단계를 2회 내지 5회 반복하여 수행하는 것인 종이 기반 표면증강라만산란 기재의 제조방법.
4. The method of claim 3, wherein the first to fourth steps are repeated two to five times.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1단계는 각각 독립적으로 10초 내지 120초 동안 수행하는 것인 종이 기반 표면증강라만산란 기재의 제조방법.
The method of claim 1 or 2, wherein the first step is performed independently for 10 seconds to 120 seconds.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제3단계는 10초 내지 120초 동안 수행하는 것인 종이 기반 표면증강라만산란 기재의 제조방법.
The method of claim 1 or 2, wherein the third step is performed for 10 seconds to 120 seconds.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 종이 기재는 형성하고자 하는 표면증강라만산란 활성 부분 이외의 부분에 소수성 물질을 처리하여 패턴을 형성한 것인 종이 기반 표면증강라만산란 기재의 제조방법.
5. The paper-based surface enhanced Raman scattering material according to any one of claims 1 to 4, wherein the paper base material has a pattern formed by treating a portion other than the surface enhanced Raman scattering active portion to be formed with a hydrophobic substance Gt;
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 제1금속 및 제2금속은 서로 상이하며, 각각 독립적으로 금, 은, 백금, 알루미늄, 철, 아연, 구리, 주석, 청동, 황동, 니켈 또는 이들의 합금인 것인 종이 기반 표면증강라만산란 기재의 제조방법.
The method of claim 3 or 4, wherein the first metal and the second metal are different from each other and each independently selected from gold, silver, platinum, aluminum, iron, zinc, copper, tin, bronze, brass, Based surface enhanced Raman scattering substrate.
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 제1금속 전구체 용액 및 제2금속 전구체 용액은 서로 상이하며, 각각 이온 형태의 제1금속 및 제2금속을 포함하는 수용액인 것인 종이 기반 표면증강라만산란 기재의 제조방법.
5. The method of claim 3 or 4 wherein the first metal precursor solution and the second metal precursor solution are different from each other and are aqueous solutions comprising a first metal and a second metal in ionic form, A method for producing a scattering substrate.
제9항에 있어서, 상기 제1금속 전구체 용액 및 제2금속 전구체 용액은 각각 독립적으로 HAuCl4, NaAuCl4 또는 AgNO3 수용액인 것인 종이 기반 표면증강라만산란 기재의 제조방법.
11. The method of claim 9, production of the first metal precursor solution and the second metal precursor solution are each independently selected from HAuCl 4, NaAuCl 4 or AgNO 3 aqueous solution to the paper-based surface enhanced Raman scattering substrate.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 환원제 용액은 소디움 보로하이드라이드(NaBH4), 트리옥틸포스핀 옥사이드(TOPO), 소디움 시트레이트, 헥사데실트리메틸암모늄 클로라이드(HTAC), 세틸트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB), NH4OH 또는 이들의 조합을 포함하는 수용액인 것인 종이 기반 표면증강라만산란 기재의 제조방법.
The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the reducing agent solution is sodium borohydride (NaBH 4), trioctyl phosphine oxide (TOPO), sodium citrate, hexadecyl trimethyl ammonium chloride (HTAC), cetyl Wherein the aqueous solution is an aqueous solution comprising trimethyl ammonium bromide (CTAB), NH 4 OH, or a combination thereof.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1완충액 및 제1'완충액은 모두 물인 것인 종이 기반 표면증강라만산란 기재의 제조방법.
The method of claim 1 or 2, wherein the first buffer and the first 'buffer are both water.
고안된 패턴에 고르게 분포되어 흡착된 1 내지 100 nm의 직경을 갖는 금속 나노입자를 포함하는, 제1항의 제조방법에 의해 제조된 종이 기반 표면증강라만산란 기재.
A paper-based surface enhanced Raman scattering substrate produced by the manufacturing method of claim 1, comprising metal nanoparticles having a diameter of 1 to 100 nm adsorbed uniformly in a designed pattern.
제13항에 있어서, 상기 금속 나노입자는 2종 이상의 상이한 금속을 포함하는 복합 금속 나노입자인 것인 종이 기반 표면증강라만산란 기재.
14. The paper-based surface enhanced Raman scattering substrate of claim 13, wherein the metal nanoparticles are composite metal nanoparticles comprising two or more different metals.
제14항에 있어서, 상기 복합 금속 나노입자는 1종의 금속 나노입자에 다른 금속 나노입자가 하나 이상 흡착된 형태인 것인 종이 기반 표면증강라만산란 기재.
15. The paper-based surface enhanced Raman scattering substrate according to claim 14, wherein the composite metal nanoparticle is one in which one metal nanoparticle is adsorbed on one or more other metal nanoparticles.
제13항의 종이 기반 표면증강라만산란 기재를 포함하는 현장진단용 키트.
A field diagnostic kit comprising the paper-based surface enhanced Raman scattering substrate of claim 13.
제16항에 있어서, 추가적인 라만 활성 물질의 첨가에 의해 시너지적인 신호 증강 효과를 나타내는 것인 현장진단용 키트.
17. The field diagnostic kit of claim 16, wherein the addition of additional Raman active material exhibits a synergistic signal enhancement effect.
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