KR102153949B1 - Directionally Clustered Nanostructures of Compartmentalized Bimetal Nanorods as Surface Enhanced Raman Scattering Nanoprobes for Biosensing and the Methods Thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 구획화된 이중금속 나노막대의 방향성을 가진 클러스터 나노구조체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 표면-증강 라만 산란(SERS) 기반의 표적 물질 검출 방법에 관한 것이다. 본 발명에 나노구조체는 표면-증강 라만 산란(SERS) 이미지(image) 측정용 금속 나노 프로브로 적용할 수 있다.The present invention relates to a cluster nanostructure having a directionality of a partitioned bimetallic nanorod, a method for manufacturing the same, and a method for detecting a target material based on surface-enhanced Raman scattering (SERS) using the same. In the present invention, the nanostructure can be applied as a metal nanoprobe for measuring a surface-enhanced Raman scattering (SERS) image.

Description

구획화된 이중금속 나노막대의 방향성을 가진 클러스터 나노구조체, 제조 방법 및 이의 응용{Directionally Clustered Nanostructures of Compartmentalized Bimetal Nanorods as Surface Enhanced Raman Scattering Nanoprobes for Biosensing and the Methods Thereof}Directionally Clustered Nanostructures of Compartmentalized Bimetal Nanorods as Surface Enhanced Raman Scattering Nanoprobes for Biosensing and the Methods Thereof}

본 발명은 구획화된 이중금속 나노막대의 방향성을 가진 클러스터 나노구조체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 표면-증강 라만 산란(SERS) 기반의 표적 물질 검출 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a cluster nanostructure having a directionality of a partitioned bimetallic nanorod, a method for manufacturing the same, and a method for detecting a target material based on surface-enhanced Raman scattering (SERS) using the same.

라만 분광법은 병원체의 검출 및 확인을 위해 연구되어 왔다. 구체적으로, 표면 강화 라만 산란(Surface-enhanced Raman scattering, SERS)은 주로 초고감도, 좁은 대역폭 및 중요한 다중화 능력으로 인해 분광학적 검출 및 작은 분자, 핵산, 단백질 및 세포의 식별에 있어 큰 관심을 받고 있다(비특허문헌 1). Raman spectroscopy has been studied for detection and identification of pathogens. Specifically, surface-enhanced Raman scattering (SERS) has attracted great interest in spectroscopic detection and identification of small molecules, nucleic acids, proteins and cells mainly due to its ultra-high sensitivity, narrow bandwidth, and important multiplexing capabilities. (Non-patent document 1).

지난 10년 동안, 구별된 구획을 갖는 이방성 나노입자는 이의 예외적인 전자, 촉매 및 광자 특성으로 인해 첨단 나노물질로서 개발되어 왔다. 단일-구획을 갖는 등방성 나노구조체는 대칭적으로 분포된 물리적 특성 및 화학적 작용성으로 인해 본질적인 한계를 갖는다. 이와 반대로, 이방성 나노구조체는 물질 및 표면 작용성의 비대칭 분포로 인해 집단적 물리화학적 특성뿐만 아니라 각각의 구획에서 이산적 작용성을 갖는다. 이들은 약물 전달, 고효율 면역검정법, 원격 작동 장치, 촉매 작용, 계면활성제, 코팅, 및 발수성 물질을 포함한 다수의 생물의학 응용을 갖는다. 또한, 이들을 제조하는 것은 매우 어렵지만, 이들은 개별적인 나노구조체 내에서 방향성을 나타낼 수 있으며, 이는 이방성 나노입자의 개별적인 구획 사이에서 방향성 공유- 또는 비공유 상호작용을 가능케 한다. 입자간 상호작용에 의해 생성된 구획-선택적 자가-조립은 특별한 특성 및 기능을 갖는 매우 특별한 나노구조체를 유도할 수 있다.Over the past decade, anisotropic nanoparticles with distinct compartments have been developed as advanced nanomaterials due to their exceptional electronic, catalytic and photonic properties. Isotropic nanostructures with single-compartments have inherent limitations due to their symmetrically distributed physical properties and chemical functionality. Conversely, anisotropic nanostructures have discrete functionalities in each compartment as well as collective physicochemical properties due to the asymmetric distribution of substances and surface functionalities. They have a number of biomedical applications including drug delivery, high efficiency immunoassays, remote actuation devices, catalysis, surfactants, coatings, and water repellent materials. In addition, although it is very difficult to prepare them, they can exhibit directionality within individual nanostructures, which allows directional covalent- or non-covalent interactions between individual compartments of anisotropic nanoparticles. Compartment-selective self-assembly created by interparticle interactions can lead to very specific nanostructures with special properties and functions.

금속 나노구조체는 광자 및 전자 시스템, 암 치료에서의 조영제, SERS-활성 플랫폼, 조직 및 세포의 광자-기반 이미지화 및 추적, 약물, 항원 및 DNA의 표적화된 방출, 박테리아 및 암 세포의 검출 및 열적 제거와 같은 다수의 생물의학 분야에 널리 응용되어 왔다. 금속 나노구조체의 형태, 크기 및 표면 작용성에 따라, 이들은 고유한 표면 플라스몬 공명 특성을 가지며, 이는 전도대 전자의 집단 여기와 관련이 있으며 가시 영역에서 적외선 (IR) 범위까지의 넓은 영역에 포함되어 있다. 예컨대, 은 및 금 나노구조체의 플라스몬 반응은 강하게 형태-의존적인데 그 이유는 이의 모서리 및 경계에서 고도로 국부화된 전하 분극화가 예외적인 광 산란 특성을 유도하기 때문이다.Metallic nanostructures include photonic and electronic systems, contrast agents in cancer treatment, SERS-activated platforms, photon-based imaging and tracking of tissues and cells, targeted release of drugs, antigens and DNA, detection and thermal removal of bacteria and cancer cells. It has been widely applied in a number of biomedical fields such as. Depending on the shape, size and surface functionality of the metal nanostructures, they have unique surface plasmon resonance properties, which are related to the collective excitation of electrons in the conduction band and are covered in a wide range from the visible to infrared (IR) range. . For example, the plasmon reaction of silver and gold nanostructures is strongly form-dependent because the highly localized charge polarization at its edges and boundaries leads to exceptional light scattering properties.

단일 금속 나노구조체의 치수 및 형태가 이의 광자- 및 전자 반응을 조정하는 중요한 인자이지만, 이방성의 이중- 또는 삼중-금속 나노구조체의 조성 또한 이의 반응을 제어하는 중요한 인자이다. 예컨대, 이중금속 이방성 나노입자는 단일 금 또는 은 나노구조체에 비해 다양한 광학적 특성을 제공한다. 은-금 나노입자의 표면 플라스몬 공명 (SPR) 반응은 각각의 구획에서 금 또는 은 조성에 따라 쉽게 가시 영역에서 근적외선 영역으로 변환된다. 종방향 모드 및 횡방향 모드를 갖는 Au 나노입자의 2개의 SPR 피크와 비교하여, 금 코어 - 은 쉘 나노입자는 종방향 모드 및 횡방향 모드 및 2개의 8극 모드에 기여하는 4개의 플라스몬 모드를 나타냈다. 시드-매개 성장, 초음파-화학 (sono-chemical) 제조, 동시-환원, 생물학적 주형, 열 분해, 및 방사선 분해법과 같이, 이방성 금속 나노입자의 합성에 대한 몇몇 방법이 보고되어 있다. 인큐베이션 시간 및 온도, 용매, 리간드- 및 전구체- 농도, 및 실험적 단계의 순서와 같은, 핵 생성 및 성장 단계에서 중요한 파라미터를 최적화함으로써 상이한 형태 및 조성을 갖는 다양한 이중금속 코어-쉘, 합금 및 나노복합체가 보고되어 있다. 금 또는 은 나노입자에 상이한 금속 종을 도입하면 금속 전구체의 감소율을 조정함으로써 형태에 영향을 미친다는 것이 보고되었다. 예컨대, 금-은 이중금속 나노구조체는 다양한 금속 시드 나노입자로부터 형성되었다. 또한, 이중금속 이방성 나노입자의 제조에 대한 성장 메커니즘이 최근에 연구되었다. 단일 금속 나노입자는 다양한 상이한 파라미터 예컨대 반응 동력학, 계면활성제에 의해, 그리고 핵 생성 및 성장 단계에서 음이온 또는 양이온 분자의 첨가에 의해 수득되지만, 단일 금속 나노입자에 시드로서 또 다른 금속을 도입하면 열역학 및 동력학적 인자를 고려하여 성장 과정을 복잡하게 한다. 나노크기의 다면체, 다중-이량체, 코어-쉘 나노입자, 올챙이 (tadpole)- 나노구조체, 및 나노막대 (NR)를 포함하여 몇몇 이중금속 나노입자를 제조하는데 있어 상당한 발전이 있었다. 그러나, 다양한 생물의학 응용분야에 향상된 광학적 특성을 제공할 수 있는, 공유- 또는 비공유 상호작용을 통한 이중금속 이방성 나노입자의 특정 조립체에 관한 보고는 거의 없었다. While the size and shape of a single metal nanostructure is an important factor controlling its photon- and electron reactions, the composition of an anisotropic double- or triple-metal nanostructure is also an important factor controlling its reaction. For example, bimetallic anisotropic nanoparticles provide a variety of optical properties compared to a single gold or silver nanostructure. The surface plasmon resonance (SPR) reaction of silver-gold nanoparticles is easily converted from the visible region to the near-infrared region depending on the gold or silver composition in each compartment. Compared to the two SPR peaks of Au nanoparticles with longitudinal mode and transverse mode, the gold core-silver shell nanoparticles have a longitudinal mode and a transverse mode and four plasmon modes that contribute to the two eight-pole modes. Indicated. Several methods have been reported for the synthesis of anisotropic metal nanoparticles, such as seed-mediated growth, sono-chemical preparation, co-reduction, biological template, thermal decomposition, and radiolysis. Various bimetallic core-shells, alloys and nanocomposites of different morphology and composition are produced by optimizing important parameters in the nucleation and growth stages, such as incubation time and temperature, solvent, ligand- and precursor-concentration, and sequence of experimental steps. Is reported. It has been reported that the introduction of different metal species into gold or silver nanoparticles affects morphology by adjusting the reduction rate of the metal precursor. For example, gold-silver bimetallic nanostructures have been formed from various metal seed nanoparticles. In addition, a growth mechanism for the production of bimetallic anisotropic nanoparticles has been recently studied. Single metal nanoparticles are obtained by a variety of different parameters such as reaction kinetics, surfactants, and by the addition of anionic or cationic molecules in the nucleation and growth steps, but the introduction of another metal as a seed to a single metal nanoparticle results in thermodynamics and It complicates the growth process by taking into account the kinetic factor. Significant advances have been made in the manufacture of several bimetallic nanoparticles, including nanosized polyhedra, multi-dimer, core-shell nanoparticles, tadpole-nanostructures, and nanorods (NR). However, there have been few reports of specific assemblies of bimetallic anisotropic nanoparticles via covalent- or non-covalent interactions, which can provide improved optical properties for a variety of biomedical applications.

매우 민감한, 표지가 없는 광학 검출 기법으로서 표면 증강 라만 산란 (SERS)은 고체 및 액체 분석물 모두를 비파괴적으로 검출할 수 있기 때문에 시험관 내 및 생체 내 연구에 적절하다. 또한, 이는 조작된 금속 나노구조체가 있는 단일 레이저를 사용하여 상이한 분자의 판독값을 다중화하는 독점적인 능력을 갖는다. SERS-기반 바이오센싱 연구에서, 가장 기본적인 과제 중 하나는 라만 강도를 증폭하는 것이다. 이는 금속 나노구조체 사이에 핫스팟을 형성함으로써 달성될 수 있는데, 그 이유는 핫스팟이 레이저 조사에 반응하여 매우 향상된 전자기장을 생성하기 때문이다. 일반적으로, 나노구조체의 무작위 응집체인 핫스팟의 존재는 금속 응집체의 거리 사이를 제어하기 어렵기 때문에 다양한 SERS 신호를 생성한다. 이와 관련하여, 방향성 클러스터링을 위한 이중금속 이방성 나노입자는 고도로 제어된 핫스핫 생성 및 향상된 SERS 강도를 갖는 향상된 SERS 나노탐침으로서 큰 관심의 대상이 될 것이다. As a highly sensitive, label-free optical detection technique, surface-enhanced Raman scattering (SERS) is suitable for in vitro and in vivo studies as it can non-destructively detect both solid and liquid analytes. In addition, it has the exclusive ability to multiplex the readings of different molecules using a single laser with engineered metal nanostructures. In SERS-based biosensing studies, one of the most basic challenges is to amplify Raman intensity. This can be achieved by forming hotspots between the metal nanostructures, because the hotspots respond to laser irradiation and generate a very enhanced electromagnetic field. In general, the presence of hot spots, which are random aggregates of nanostructures, produces various SERS signals because it is difficult to control the distance between the metal aggregates. In this regard, bimetallic anisotropic nanoparticles for directional clustering will be of great interest as improved SERS nanoprobes with highly controlled hot-shot generation and improved SERS strength.

본 연구에서, 우리는 SERS-기반 바이오센싱 응용분야에서 매우 민감한 기능성 나노탐침으로서 이중금속 Ag-Au-Ag 나노막대 클러스터의 제조 및 특성분석을 보고한다. 이중금속 Ag-Au-Ag NR을 시드로서 기능화된 금 10면체로부터의 방향성을 가진 과성장을 통해 제조하였다. 방향성 클러스터링은 이중금속 Ag-Au-Ag NR의 Au 구획의 선택적 표면 변형을 통해 비공유 상호작용에 의해 달성하였다. 제타-전위, UV-Vis 흡광도, 동적 광 산란, 투과 전자 현미경 및 SERS 분석에 의해 검증된 바와 같이, 이들은 개별적인 이중금속 Ag-Au-Ag NR의 것들과 비교하여 매우 향상된 물리화학적 및 광학적 특성을 나타냈다. 플라스몬 조성 나노구조체가 SERS 나노탐침으로서 유용하다는 개념의 증거로서, 우리는 생물학적 모이어티의 존재 하에 항체-접합된 SERS 나노탐침 및 자기장 기반의 분리제로서 자성 비드 (MB)로 구성된 샌드위치형 면역복합체의 형성을 보여주었다. 최소 배치 대 배치 변화와 함께 라만 강도와 항원 농도 사이의 선형 상관관계가 있었다. 결론적으로, 이러한 이중금속 나노클러스터는 광자-기반 바이오센싱 응용 분야에서 고도로 민감한 첨단 기능성 나노프로브(나노탐침)로서 유리할 수 있다.In this study, we report the fabrication and characterization of a bimetallic Ag-Au-Ag nanorod cluster as a highly sensitive functional nanoprobe in SERS-based biosensing applications. The bimetallic Ag-Au-Ag NR was prepared via directional overgrowth from a gold octahedron functionalized as a seed. Directional clustering was achieved by non-covalent interactions through selective surface modification of the Au compartment of the bimetallic Ag-Au-Ag NR. As verified by zeta-potential, UV-Vis absorbance, dynamic light scattering, transmission electron microscopy and SERS analysis, they showed very improved physicochemical and optical properties compared to those of the individual bimetallic Ag-Au-Ag NR. . As proof of the concept that plasmon composition nanostructures are useful as SERS nanoprobes, we have shown that we have a sandwich-type immunocomplex consisting of antibody-conjugated SERS nanoprobes in the presence of biological moieties and magnetic beads (MB) as magnetic field-based separating agents. Showed the formation of. There was a linear correlation between Raman intensity and antigen concentration with minimum batch versus batch change. In conclusion, these bimetallic nanoclusters can be advantageous as highly sensitive advanced functional nanoprobes (nanoprobes) in photon-based biosensing applications.

이에, 본 발명자들은 구획화된 이중금속 나노막대의 방향성을 가진 클러스터 나노구조체를 개발하였다.Accordingly, the present inventors have developed a cluster nanostructure having the direction of the partitioned bimetallic nanorods.

K. Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, L. T. Perelman, I. Itzkan, R. R. Dasari, et al., "Single Molecule Detection Using Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS)," Physical Review Letters, vol. 78, pp. 1667-1670, 03/03/ 1997. K. Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, L. T. Perelman, I. Itzkan, R. R. Dasari, et al., "Single Molecule Detection Using Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS)," Physical Review Letters, vol. 78, pp. 1667-1670, 03/03/1997.

본 발명의 목적은 구획화된 이중금속 나노막대의 방향성을 가진 클러스터 나노구조체를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a clustered nanostructure having the orientation of partitioned bimetallic nanorods.

본 발명의 다른 목적은 본 발명에 따른 구획화된 이중금속 나노막대의 방향성을 가진 클러스터 나노구조체를 이용한 표면-증강 라만 산란(SERS) 이미지(image) 측정용 금속 나노 프로브를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a metal nanoprobe for measuring a surface-enhanced Raman scattering (SERS) image using a cluster nanostructure having a directionality of a partitioned bimetallic nanorod according to the present invention.

본 발명의 또 다른 목적은 구획화된 이중금속 나노막대의 방향성을 가진 클러스터 나노구조체의 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing a clustered nanostructure having a direction of partitioned bimetallic nanorods.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 금속 나노 프로브를 이용한 표면-증강 라만 산란(SERS) 기반의 표적 물질 검출 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for detecting a target material based on surface-enhanced Raman scattering (SERS) using the metal nano probe.

본 발명은 하기로 구성되는 구획화된 이중금속 나노막대의 방향성을 가진 클러스터 나노구조체:The present invention is a cluster nanostructure with the orientation of the partitioned bimetallic nanorods consisting of:

금속 [A-B-A]로 구성된 구획화된 이중금속 나노막대를 시드(seed)로 하여, 상기 이중금속 나노막대가 이중금속 나노클러스터로 방향성 있게 자가조립된, 클러스터 나노구조체로,A cluster nanostructure in which the bimetallic nanorods are oriented self-assembled into bimetallic nanoclusters by using a partitioned bimetallic nanorod composed of metal [A-B-A] as a seed,

상기 A 및 B는 각각, 은, 금, 구리 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되고, 상기 A와 B 금속은 서로 동일하지 않음.Each of A and B is selected from the group consisting of silver, gold, copper, and mixtures thereof, and the A and B metals are not identical to each other.

상기 구획화된 이중금속 나노막대란, 서로 다른 금속인 A 및 B가 A-B-A 형태로 이루어진 나노막대 모양의 이중금속을 말한다. The partitioned double metal nanorod refers to a nanorod-shaped double metal in which different metals A and B are in the form of A-B-A.

상기 방향성을 가진 클러스터 나노구조체란, B 금속 특이적인 표면 개질을 통해 A-B-A 형태의 구획화된 이중금속 나노막대기를 특정 방향으로의 클러스터화 나노구조체를 말한다.The directional cluster nanostructure refers to a clustered nanostructure of A-B-A type partitioned bimetallic nanorods in a specific direction through B metal-specific surface modification.

상기 B 금속은 표면이 카르복실 기로 개질된 것일 수 있다.The B metal may have a surface modified with a carboxyl group.

상기 B 금속은 금이고 상기 A 금속은 은으로 구성된 은-금-은의 이중금속 나노막대이고, 상기 B 금속은 다면체 금 나노입자 또는 금 나노막대일 수 있다.The B metal is gold, and the A metal is a silver-gold-silver double metal nanorod composed of silver, and the B metal may be a polyhedral gold nanoparticle or a gold nanorod.

상기 다면체 금 나노입자는 10면체 금 나노입자일 수 있다.The polyhedral gold nanoparticles may be octahedral gold nanoparticles.

상기 이중금속 나노막대에 라만 리포터가 부착될 수 있다.A Raman reporter may be attached to the double metal nanorod.

상기 라만 리포터는 라만 활성 유기 화합물을 의미하며, 이 기술분야에서 널리 사용되는 것이라면 어느 것이나 제한없이 사용할 수 있다. 구체적인 예를 들면, MGITC(Malachite green isothiocyanate), RBITC(rhodamine B isothiocyanate), 로다민6G, 아데닌, 4-아미노-피라졸(3,4-d)피리미딘, 2-루오로아데닌, N6-벤조일아데닌, 키네틴, 디메틸-알릴-아미노-아데닌, 제아틴(zeatin), 브로모-아데닌, 8-아자-아데닌, 8-아자구아닌, 4-머캅토피리딘, 6-머캅토퓨린, 4-아미노-6-머캅토피라졸로(3,4-d)피리민딘, 8-머캅토아데닌, 9-아미노-아크리딘 및 이의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나, 반드시 이로 제한되는 것은 아니다.The Raman reporter means a Raman active organic compound, and any one that is widely used in the art may be used without limitation. Specific examples include MGITC (Malachite green isothiocyanate), RBITC (rhodamine B isothiocyanate), rhodamine 6G, adenine, 4-amino-pyrazole (3,4-d) pyrimidine, 2-luoroadenin, N6-benzoyl Adenine, kinetine, dimethyl-allyl-amino-adenine, zeatin, bromo-adenine, 8-aza-adenine, 8-azaguanine, 4-mercaptopyridine, 6-mercaptopurine, 4-amino- 6-mercaptopyrazolo(3,4-d)pyrimidine, 8-mercaptoadenin, 9-amino-acridine, and mixtures thereof may be selected from the group consisting of, but are not limited thereto.

본 발명에서 상기 "금속 나노막대 클러스터"란, 금속 나노막대들이 모여 있는 것을의미하는 용어로서 이 분야에서 일반적으로 사용되는 용어이다. In the present invention, the term "metal nanorod cluster" refers to a group of metal nanorods, and is a term generally used in this field.

본 발명에서 상기 "이중 금속 나노막대 클러스터"란, 이중 금속 나노막대 입자들이 모여 있는 것을 의미한다.In the present invention, the "double metal nanorod cluster" means that the double metal nanorod particles are gathered.

다른 측면에서 본 발명은 본 발명에 따른 구획화된 이중금속 나노막대 클러스터 나노구조체를 이용한 표면-증강 라만 산란(SERS) 이미지(image) 측정용 금속 나노 프로브를 제공한다. In another aspect, the present invention provides a metal nanoprobe for measuring a surface-enhanced Raman scattering (SERS) image using the partitioned bimetallic nanorod cluster nanostructure according to the present invention.

본 발명에서 "프로브"란, 검출하고자 하는 표적(타겟) 물질과 특이적으로 결합할 수 있는 물질을 의미하며, 상기 결합을 통하여 표적 물질의 존재를 확인할 수 있는 물질을 의미한다. In the present invention, "probe" means a substance capable of specifically binding to a target (target) substance to be detected, and means a substance capable of confirming the presence of a target substance through the binding.

본 발명에서 "나노프로브"란, 나노 크기의 프로브를 의미한다.In the present invention, "nanoprobe" means a nano-sized probe.

상기 "나노"란 이 기술분야의 통상의 기술자들이 이해하는 정도의 크기 범위를 포함한다. 구체적으로 상기 크기 범위는 0.1 에서 1000 nm의 크기일 수 있으며, 더 구체적으로는 10 에서 1000 nm, 더욱 바람직하게는 20 에서 500 nm, 더 더욱 바람직하게는 40 에서 250 nm 일 수 있다.The term "nano" includes a size range that is understood by those skilled in the art. Specifically, the size range may be 0.1 to 1000 nm, more specifically 10 to 1000 nm, more preferably 20 to 500 nm, and even more preferably 40 to 250 nm.

본 발명은 하기 단계를 구획화된 이중금속 나노막대의 방향성을 가진 클러스터 나노구조체의 제조방법을 제공한다:The present invention provides a method for producing a clustered nanostructure having the orientation of a bimetallic nanorod partitioned by the following steps:

i) 카복실기로 표면이 개질된 금속 B를 이용하여 [A-B-A]로 구성된 구획화된 복수 개의 이중금속 나노막대 시드(seed)를 제조하고;i) preparing a plurality of partitioned bimetallic nanorod seeds composed of [A-B-A] by using the metal B whose surface is modified with a carboxyl group;

ⅱ) 상기 B 금속 구획의 카복실기를 활성화하기 위해 EDC (1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide) 용액을 첨가하고;Ii) adding EDC (1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide) solution to activate the carboxyl group of the B metal compartment;

ⅲ) 상기 EDC 용액 첨가 후에 아민계 화합물을 첨가하여 교반하고;Iii) adding and stirring an amine-based compound after adding the EDC solution;

ⅳ) 상기 B 금속 구획의 EDC-활성화된 카복실 기와 상기 아민계 화합물의 아민기 사이에 아미드 결합을 형성하고;Iv) forming an amide bond between the EDC-activated carboxyl group of the B metal compartment and the amine group of the amine-based compound;

v) 상기 B 금속 구획에서 아민계 화합물의 알킬기 사이의 소수성 상호 작용에 의해 아민계 화합물이 서로 결합함으로써 B 금속 구획끼리 서로 마주하면서, 구획화된 이중금속 나노막대가 방향성을 가진 클러스터를 형성하면서 자가조립되는;v) The amine compounds are bonded to each other by hydrophobic interactions between the alkyl groups of the amine compounds in the B metal compartment, so that the B metal compartments face each other, while the compartmentalized bimetallic nanorods form a cluster with directionality and self-assembly. felled;

단계를 포함하는, 제조방법으로,In the manufacturing method comprising the step,

상기 A 및 B는 각각, 은, 금, 구리 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되고, 상기 A와 B 금속은 서로 동일하지 않음.Each of A and B is selected from the group consisting of silver, gold, copper, and mixtures thereof, and the A and B metals are not identical to each other.

상기 B 금속 구획의 카복실기를 활성화는, B 금속 구획의 노출된 카복실 기(잔여 카복실기, A와 연결되지 않은 부분의 카복실 기)를 아민기와 결합시키기 위해 활성화시키는 것을 의미한다.The activation of the carboxyl group in the B metal compartment means activating the exposed carboxyl group (remaining carboxyl group, a carboxyl group in a portion not connected to A) of the B metal compartment to bind with an amine group.

상기 B 금속은 금이고 상기 A 금속은 은으로 구성된 은-금-은의 이중금속 나노막대이고, 상기 B 금속은 다면체 금 나노입자 또는 금 나노막대일 수 있다.The B metal is gold, and the A metal is a silver-gold-silver double metal nanorod composed of silver, and the B metal may be a polyhedral gold nanoparticle or a gold nanorod.

상기 다면체 금 나노입자는 10면체 금 나노입자일 수 있다.The polyhedral gold nanoparticles may be octahedral gold nanoparticles.

상기 i) 단계 이후에, 상기 이중 금속 나노막대 표면에 라만 리포터를 부착하는 단계를 더 포함할 수 있다.After the step i), a step of attaching a Raman reporter to the surface of the double metal nanorod may be further included.

상기 아민계 화합물은, 헥사데실아민(hexadecylamine), 헵타데실아민(heptadecylamine), 옥타데실아민 (octadecylamine), 노나데실아민(nonadecylamine) 및 도데실아민(dodecylamine)로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나, 반드시 이로 제한되는 것은 아니다.The amine compound may be selected from the group consisting of hexadecylamine, heptadecylamine, octadecylamine, nonadecylamine, and dodecylamine, but must be It is not limited to this.

본 발명은 하기 단계를 포함하는 표면-증강 라만 산란(SERS) 기반의 표적 물질 검출 방법을 제공한다:The present invention provides a method for detecting a target substance based on surface-enhanced Raman scattering (SERS) comprising the following steps:

a) 검출하고자 하는 표적 물질이 포함된 시료액을 준비하고;a) preparing a sample solution containing a target substance to be detected;

b) 자성 나노입자에 상기 표적에 대한 제1 항체를 고정하여 준비하고;b) preparing the magnetic nanoparticles by immobilizing the first antibody against the target;

c) 본 발명에 따른 금속 나노 프로브에 상기 표적에 대한 제2 항체를 고정하여 준비하고;c) preparing by immobilizing a second antibody against the target on the metal nanoprobe according to the present invention;

d) 상기 제1 항체가 고정된 자성 나노입자를 상기 시료액에 첨가하여 상기 표적과 상기 자성 나노입자의 제1항체가 접합된 면역복합체를 형성하고;d) adding the magnetic nanoparticles to which the first antibody is immobilized to the sample solution to form an immunocomplex in which the target and the first antibody of the magnetic nanoparticles are conjugated;

e) 상기 제2 항체가 고정된 금속 나노 프로브를 상기 제1 항체가 접합된 면역복합체가 포함된 용액에 첨가하여 금속 나노 프로브 제2 항체-표적-자성 나노입자의 제1 항체의 샌드위치 면역복합체를 형성하고;e) The metal nano-probe to which the second antibody is immobilized is added to the solution containing the immunocomplex to which the first antibody is conjugated to obtain a sandwich immunocomplex of the first antibody of the second antibody-target-magnetic nanoparticle. To form;

f) 자기장을 이용하여 상기 샌드위치 면역복합체를 형성하지 않은 자성 나노입자 및 금속 나노 프로브를 분리하고; 그리고f) separating magnetic nanoparticles and metal nanoprobes that do not form the sandwich immunocomplex using a magnetic field; And

g) 상기 샌드위치 면역복합체의 라만 신호를 측정하는;g) measuring the Raman signal of the sandwich immunocomplex;

단계.step.

상기 표적 물질은 단백질 또는 병원균인 것일 수 있다.The target substance may be a protein or a pathogen.

상기 단백질은 항원, 생물학적 압타머(biological aptamer), 수용체, 효소 및 리간드로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. The protein may be selected from the group consisting of antigens, biological aptamers, receptors, enzymes and ligands.

본 발명에서 "샌드위치형 면역 복합체"란 항체-항원(타겟)-항체 반응을 통해 결합된 면역복합체를 의미한다. 항원이 항체 중간에 삽입되어 샌드위치 모양을 나타냄에 따라 명명되었다.In the present invention, "sandwich-type immune complex" refers to an immunocomplex bound through an antibody-antigen (target)-antibody reaction. It was named as the antigen was inserted in the middle of the antibody to give it a sandwich shape.

본 발명의 일 실시예에서, 구획화된 이중금속 나노막대의 방향성을 가진 클러스터 나노구조체를 만들었다. 표면 증강 라만 산란 (SERS)-기반 바이오센싱 응용분야에서 매우 민감한 SERS 나노프로브로서 이중금속 Ag-Au-Ag 나노막대 (NRs) 및 이의 방향성 클러스터의 제조 및 특성을 분석하였다. 이중금속 Ag-Au-Ag NRs을 시드(seed)로서 기능화된 금 10면체로부터의 방향성을 가진 과성장을 통해 제조하였다. 방향성 클러스터링은 이중금속 Ag-Au-Ag NRs의 Au 구획의 선택적 표면 변형을 통해 비공유 상호작용에 의해 달성하였다. 제타-전위, UV-Vis 흡광도, 동적 광 산란, 투과 전자 현미경 및 SERS 분석에 의해 검증된 바와 같이, 이들은 개별적인 이중금속 Ag-Au-Ag NRs의 것들과 비교하여 매우 향상된 물리화학적 및 광학적 특성을 나타냈다. In an embodiment of the present invention, a cluster nanostructure having the orientation of the partitioned bimetallic nanorods was made. Fabrication and characterization of bimetallic Ag-Au-Ag nanorods (NRs) and directional clusters thereof as a highly sensitive SERS nanoprobe in surface-enhanced Raman scattering (SERS)-based biosensing applications were analyzed. Bimetallic Ag-Au-Ag NRs were prepared via directional overgrowth from gold octahedrons functionalized as seeds. Directional clustering was achieved by non-covalent interactions through selective surface modification of the Au compartment of the bimetallic Ag-Au-Ag NRs. As verified by zeta-potential, UV-Vis absorbance, dynamic light scattering, transmission electron microscopy and SERS analysis, they showed very improved physicochemical and optical properties compared to those of individual bimetallic Ag-Au-Ag NRs. .

본 발명에 따른 구획화된 이중금속 나노막대의 방향성을 가진 클러스터 나노구조체는, 라만 강도가 향상된 표면-증강 라만 산란(SERS) 이미지(image) 측정용 금속 나노 프로브로 적용할 수 있다.The cluster nanostructure having the directionality of the partitioned bimetallic nanorods according to the present invention can be applied as a metal nanoprobe for measuring a surface-enhanced Raman scattering (SERS) image with improved Raman strength.

도 1은 시드(seed)로서 (A) 금 10면체 및 (B) 금 나노막대, 이중금속 Ag-Au-Ag NRs및 방향성 자가-조립에 의해 형성된 이의 클러스터의 합성에 대한 모식도. (A) 폴리올 방법에 의해 제조된 -COOH 기능화된 Au 10면체로부터 Ag의 방향성 과성장을 통해 이중금속 Ag-Au-Ag NRs (유형 I)을 제조하였고 (B) -COOH 기능화된 Au NR로부터 방향성 과성장을 통한 Au 막대 시드-기반 Ag-Au-Ag 이중금속 NRs (유형 II)을 또한 제조하였다. EDC 및 설포-NHS에 의해 활성화되고 ODA(octadecylamine)로 변형된, MUA-변형된 시드를 갖는 이중금속 Ag-Au-Ag NRs로부터 ODA의 소수성 상호작용을 통해 방향성 자가-조립에 의해 이중금속 Ag-Au-Ag NR 클러스터를 형성하였다.
도 2는 표면 형태, 플라스몬 흡광도 변화, 및 평균 크기를 조사하기 위한 Au 10면체 및 이의 클러스터화된 나노구조체의 (A, B) TEM 이미지, (C) UV/Vis 흡광도 스펙트럼, 및 (D) DLS 프로파일.
도 3은 (A) 이중금속 NRs (유형 I)의 몸체 내에 매립된 단일의 짙은 Au 10면체 시드를 갖는 이중금속 Ag-Au-Ag NR (유형 I)의 고배율에서의 TEM 이미지. (B) Au 및 Ag로 이루어진 이중금속 NRs (유형 I)의 이방성 특성의 에너지-분산 X-선 분광법 (EDS) 지도. (C-E) 녹색의 Au 및 붉은색의 Ag의 이의 원소지도를 갖는 혼합된 전자 이미지.
도 4는 (A, B) 개별적인 이중금속 NR (유형 I)의 TEM 이미지 및 (C, D) 이의 클러스터의 HAADF( high angle annular dark field ) 이미지는 -COOH 기능화된 Au 10면체 표면 상으로의 Ag의 비대칭적인 성장을 분명하게 나타낸다. Au 구획을 라만 리포터로서 MGITC 및 ODA 둘 모두로 선택적으로 변형하여 방향성 클러스터링을 통해 개별적인 이중금속 NRs (유형 I) 사이의 갭에 핫스팟을 생성하도록 하여 SERS 신호를 실질적으로 증폭시켰다.
도 5는 MGITC 농도가 5.0× 10-6 M일 때 MGITC-표지된 이중금속 NRs 및 이의 클러스터의 (A) UV-Vis 흡광도 스펙트럼, (B) DLS 프로파일, 및 (C) SERS 스펙트럼.
도 6은 (A-F) (A, B) Au 막대 시드, (C, D) Au 막대 시드-기반 이중금속 NRs (유형 II) 및 (E, F) 이의 클러스터의 HAADF 이미지. (G) Au NRs 시드의 ODA-유도된 클러스터의 UV-Vis 흡광도 스펙트럼 및 (H) Au 막대 시드-기반 이중금속 NRs (유형 II) 및 (E, F) 이의 클러스터의 SERS 강도.
도 7은 (A) MGITC-표지된 이중금속 NR (유형 I)을 사용하여 모델 단백질로서 IgG의 검출을 위한 SERS-기반 면역검정 방법의 개략적인 모식도. (B, C) 상대적 라만 강도와 IgG 농도 사이의 선형 상관관계를 갖는 SERS-기반 정량 분석을 위한 IgG 농도의 함수로서의 라만 스펙트럼.
1 is a schematic diagram of the synthesis of (A) gold octahedron and (B) gold nanorods, bimetallic Ag-Au-Ag NRs, and clusters thereof formed by directional self-assembly as seeds. (A) Bimetallic Ag-Au-Ag NRs (Type I) were prepared from the -COOH functionalized Au octahedron prepared by the polyol method through directional overgrowth of Ag and (B) -COOH functionalized Au NR Au rod seed-based Ag-Au-Ag bimetallic NRs (Type II) via overgrowth were also prepared. Bimetallic Ag- by directional self-assembly via hydrophobic interaction of ODA from MUA-modified seeds, activated by EDC and sulfo-NHS and modified with octadecylamine (ODA), with MUA-modified seeds. Au-Ag NR clusters were formed.
FIG. 2 is a (A, B) TEM image, (C) UV/Vis absorbance spectrum, and (D) of Au octahedron and clustered nanostructures thereof to investigate surface morphology, plasmon absorbance change, and average size. DLS profile.
3 is a TEM image at high magnification of (A) a bimetallic Ag-Au-Ag NR (Type I) having a single dark Au octahedral seed embedded in the body of the bimetallic NRs (Type I). (B) Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) map of the anisotropic properties of bimetallic NRs (type I) composed of Au and Ag. (CE) Mixed electron image with its elemental maps of green Au and red Ag.
Figure 4 shows (A, B) TEM images of individual bimetallic NR (Type I) and (C, D) HAADF (high angle annular dark field) images of clusters thereof -COOH functionalized Ag on the surface of Au octahedron Clearly indicates the asymmetric growth of The Au segment was selectively modified with both MGITC and ODA as Raman reporters to create hot spots in the gap between individual bimetallic NRs (Type I) through directional clustering, thereby substantially amplifying the SERS signal.
5 is (A) UV-Vis absorbance spectra, (B) DLS profiles, and (C) SERS spectra of MGITC-labeled bimetallic NRs and clusters thereof when MGITC concentration is 5.0×10 −6 M.
Figure 6 (AF) HAADF images of (A, B) Au rod seed, (C, D) Au rod seed-based bimetallic NRs (Type II) and (E, F) clusters thereof. (G) UV-Vis absorbance spectra of ODA-induced clusters of Au NRs seeds and (H) SERS intensity of Au rod seed-based bimetallic NRs (Type II) and (E, F) clusters thereof.
Figure 7 (A) Schematic schematic diagram of a SERS-based immunoassay method for detection of IgG as a model protein using MGITC-labeled bimetallic NR (Type I). (B, C) Raman spectra as a function of IgG concentration for SERS-based quantitative analysis with a linear correlation between relative Raman intensity and IgG concentration.

이하 본 발명을 하기 실시예에서 보다 상세하게 기술한다. 본 발명의 하기 실시예는 본 발명을 구체화하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리범위를 제한하거나 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 상세한 설명 및 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자가 용이하게 유추할 수 있는 것은 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석된다. 또한 본 발명에서 인용하고 있는 참고문헌은 본 발명의 명세서의 일부로 통합된다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail in the following examples. The following examples of the present invention are for embodiing the present invention and are not intended to limit or limit the scope of the present invention. What can be easily inferred by those skilled in the art from the detailed description and examples of the present invention is construed as belonging to the scope of the present invention. In addition, references cited in the present invention are incorporated as part of the specification of the present invention.

<실시예 1> 재료<Example 1> Materials

다이에틸렌 글리콜 (DEG), 금 (III) 클로라이드 수화물 (HAuCl4.3H2O), 질산은 (AgNO3, ≥ 99.0 %), 55,000의 분자량을 갖는 폴리비닐피롤리돈 (PVP), 옥타데실아민 (ODA), 에탄올 (99.5 %), 수성 암모니아 (NH4OH), 11-머캅토운데카논산 (MUA, 95%), 설포-N-히드록시숙신이미드 에스터 (설포-NHS) 및 인산염 완충된 염수 (PBS)를 Sigma-Aldrich (세인트루이스, 미주리주, 미국)로부터 구입하였다. 말라카이트 그린 이소티오시아네이트 (MGITC)를 Invitrogen (그랜드 아일랜드, 뉴욕주, 미국)으로부터 입수하였다. 1-에틸-3-(3-다이메틸아미노프로필) 카보다이이미드 (EDC)를 Thermo Scientific (락포드, 일리노이주, 미국)으로부터 구입하였다. 모든 유리 제품을 왕수 (aqua Regia, HCl: HNO3, 3:1)로 세척한 다음 탈이온수로 완전히 헹구었다. Milli-Q (Millipore Water Purification Systems; EMD Millipore, 베드포드, 매사추세츠주, 미국)에 의해 정제된 탈이온수를 사용하였다.Diethylene glycol (DEG), gold (III) chloride hydrate (HAuCl 4 .3H 2 O), silver nitrate (AgNO 3 , ≥ 99.0%), polyvinylpyrrolidone (PVP) with a molecular weight of 55,000, octadecylamine ( ODA), ethanol (99.5%), aqueous ammonia (NH 4 OH), 11-mercaptoundecanoic acid (MUA, 95%), sulfo-N-hydroxysuccinimide ester (sulfo-NHS) and phosphate buffered saline (PBS) was purchased from Sigma-Aldrich (St. Louis, Missouri, USA). Malachite green isothiocyanate (MGITC) was obtained from Invitrogen (Grand Island, NY, USA). 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC) was purchased from Thermo Scientific (Rockford, Illinois, USA). All glassware was washed with aqua Regia (HCl: HNO 3 , 3:1) and then thoroughly rinsed with deionized water. Deionized water purified by Milli-Q (Millipore Water Purification Systems; EMD Millipore, Bedford, Massachusetts, USA) was used.

<실시예 2> 시드(seed)로서 금 10면체 및 금 나노막대의 제조<Example 2> Preparation of gold octahedron and gold nanorods as seeds

시드로서 금 10면체를 이전에 보고된 단계를 약간 변형하여 제조하였다(Seo, D., Yoo, C. I., Chung, I. S., Park, S. M., Ryu, S., & Song, H. (2008).. The Journal of Physical Chemistry C, 112(7), 2469-2475.)PVP 용액 (3.0 g, 단량체에 대해 27.0 mmol)을 13 mL DEG 중에 용해하였다. PVP 용액을 실온에서 2시간 동안 교반하고 격렬한 교반하며 10분 동안 가열하여 환류하였다. DEG (1.0 mL) 중의 HAuCl4 (10.05 mg, 0.025 mmol) 용액을 신속하게 첨가하였고, 상기 용액은 즉시 짙은 갈색의 푸른색으로 변했다. 상기 용액을 실온에서 15분 동안 교반하에 방치하여 균질한 금 10면체를 수득하였다. Au 10면체 용액을 35 mL 에탄올과 혼합하고 13,000 rpm에서 15분 동안 원심분리에 의해 정제하였다. 이러한 과정은 약 92%의 형상의 수율을 갖는 42 nm의 평균 엣지 길이를 갖는 Au 10면체를 생성하였다. 카복실 기로 금 10면체의 표면을 개질하기 위해, MUA를 도입하였다. 에탄올 중의 MUA의 10 mM 용액 1.5 mL을 에탄올 중의 Au 10면체와 혼합하고 혼합된 용액을 실온에 유지시켰다. Au 10면체를 에탄올로 2회 세척하고 DEG 중에 재현탁하였다.Gold octahedron as a seed was prepared by slightly modifying the previously reported steps (Seo, D., Yoo, CI, Chung, IS, Park, SM, Ryu, S., & Song, H. (2008). The Journal of Physical Chemistry C, 112(7), 2469-2475.) PVP solution (3.0 g, 27.0 mmol for monomer) was dissolved in 13 mL DEG. The PVP solution was stirred at room temperature for 2 hours and heated for 10 minutes with vigorous stirring to reflux. A solution of HAuCl 4 (10.05 mg, 0.025 mmol) in DEG (1.0 mL) was added rapidly, and the solution immediately turned dark brown blue. The solution was allowed to stand under stirring at room temperature for 15 minutes to obtain a homogeneous octahedron. The Au octahedral solution was mixed with 35 mL ethanol and purified by centrifugation at 13,000 rpm for 15 minutes. This process produced an Au octahedron having an average edge length of 42 nm with a yield of about 92% shape. In order to modify the surface of the gold octahedron with a carboxyl group, MUA was introduced. 1.5 mL of a 10 mM solution of MUA in ethanol was mixed with the Au octahedron in ethanol and the mixed solution was kept at room temperature. Au octahedron was washed twice with ethanol and resuspended in DEG.

시드로서 Au 나노막대 (NR)를 이전에 보고된 바와 같이 MUA 변형으로 제조하였다(Seo, D., Yoo, C. I., Jung, J., & Song, H. (2008). Journal of the American Chemical Society, 130(10), 2940-2941.). DEG 용액 중에 용해된 1.5 mL의 PVP (0.13 mM) 및 1.5 mL의 HAuCl4 (1.0 × 10-4 M)를 DEG 중의 10면체 시드 분산액에 3.8분 동안 30초마다 주기적으로 첨가한 다음, 혼합물을 245 °C에서 60분 동안 환류시켰다. 반응 혼합물에 5 ml 에탄올을 첨가하고 13,000 rpm에서 15분 동안 원심분리에 의해 정제하였다. Au NRs을 10-5 M MUA와 함께 인큐베이션 하고, 10분 동안 초음파처리 하고, 13,000 rpm에서 15분 동안 원심분리하여 정제하였다. Au nanorods (NR) as seeds were prepared by MUA modification as previously reported (Seo, D., Yoo, CI, Jung, J., & Song, H. (2008). Journal of the American Chemical Society , 130(10), 2940-2941.). 1.5 mL of PVP (0.13 mM) and 1.5 mL of HAuCl 4 (1.0 × 10 -4 M) dissolved in the DEG solution were periodically added every 30 seconds for 3.8 minutes to the octahedral seed dispersion in DEG, then the mixture was added to 245. Refluxed at ° C for 60 minutes. 5 ml ethanol was added to the reaction mixture and purified by centrifugation at 13,000 rpm for 15 minutes. Au NRs were incubated with 10 -5 M MUA, sonicated for 10 minutes, and purified by centrifugation at 13,000 rpm for 15 minutes.

<실시예 3> 이중금속 Ag-Au-Ag NRs의 제조 <Example 3> Preparation of double metal Ag-Au-Ag NRs

시드로서 금 10면체 및 NRs을 사용하여 이중금속 Ag-Au-Ag NRs을 제조하기 위해, PEG 중의 1.5 mL PVP (0.13 mM) 및 DEG 중의 1.5 mL AgNO3 (3.4 × 10-2 M)에 2.5 mL의 DEG 중의 금 10면체 또는 NRs 시드를 245℃의 끓는 온도에서 3.7분에 걸쳐 30초마다 적하 방식으로 첨가하였다. 반응 혼합물을 1시간 동안 환류하고 실온으로 냉각한 다음 정제를 위해 10 mL 에탄올을 첨가하였다. 500 rpm에서 5분 동안 원심분리하여 균질한 이중금속 Ag-Au-Ag NRs을 큰 응집체로부터 분리하고, 침전 및 12,000 rpm에서 15분 동안의 분산 주기에 의해 에탄올로 세척하고, 마지막으로 15 mL 에탄올 중에 분산시켰다.To prepare bimetallic Ag-Au-Ag NRs using gold octahedron and NRs as seeds, 1.5 mL PVP in PEG (0.13 mM) and 1.5 mL AgNO 3 in DEG (3.4 × 10 -2 M) 2.5 mL Gold octahedron or NRs seeds in DEG of were added dropwise every 30 seconds over 3.7 minutes at a boiling temperature of 245°C. The reaction mixture was refluxed for 1 hour, cooled to room temperature, and then 10 mL ethanol was added for purification. Homogeneous bimetallic Ag-Au-Ag NRs were separated from large aggregates by centrifugation at 500 rpm for 5 minutes, washed with ethanol by precipitation and dispersion cycles for 15 minutes at 12,000 rpm, and finally in 15 mL ethanol. Dispersed.

<실시예 4> 이중금속 Ag-Au-Ag NR의 클러스터링<Example 4> Clustering of double metal Ag-Au-Ag NR

라만 리포터로서 MGITC를 이중금속 Ag-Au-Ag NRs에 도입하고 SERS 특성분석에 사용한 다음, 비공유 상호작용을 통해 클러스터화된 이중금속 Ag-Au-Ag NRs로의 이의 방향성 자가-조립이 이루어지게 하였다. 12,000 rpm에서 15분 동안 원심분리하여 5 mL의 이중금속 Ag-Au-Ag NRs을 5 mL 탈이온수로 옮겼다. 이중금속 Ag-Au-Ag NRs의 콜로이드성 용액을 10-5 M 내지 10-8 M 범위의 농도로 신선하게 제조된 MGITC에 첨가하고, 1시간 동안 교반하에 두었다. 또한, 선택적인 기능화를 통해 이중금속 Ag-Au-Ag NRs의 Au 구획에 긴 소수성 알킬 기를 가진 ODA를 공유적으로 부착하기 위해, 0.5 mM EDC를 이중금속 Ag-Au-Ag NRs 용액에 첨가한 다음, 1시간 동안 교반하여 Au 구획 상의 잔여 카복실 기를 활성화시켰다. 10-8 M의 THF 중의 최종 ODA 용액 농축을 EDC-활성화된 이중금속 NRs 용액에 적하 방식으로 도입하고, 1시간 동안 교반하여 이중금속 NRs의 Au 구획의 카복실 작용기와 ODA의 아민 작용기 사이에 아미드 결합을 형성하였다. 소수성 상호작용을 통해 이중금속 NR의 ODA-매개된 클러스터 형성으로 인해 반응 용액의 색이 짙은 황색에서 붉은 황색으로 변하였다. 마지막으로, 반응 용액을 10,000 rpm에서 15분 동안 원심분리에 의해 정제하고 이후의 사용을 위해 탈이온수 또는 PBS 중에 재현탁하였다.As a Raman reporter, MGITC was introduced into bimetallic Ag-Au-Ag NRs and used for SERS characterization, and then directional self-assembly into clustered bimetallic Ag-Au-Ag NRs was achieved through non-covalent interactions. By centrifugation at 12,000 rpm for 15 minutes, 5 mL of bimetallic Ag-Au-Ag NRs were transferred to 5 mL of deionized water. A colloidal solution of bimetallic Ag-Au-Ag NRs was added to the freshly prepared MGITC at a concentration ranging from 10 -5 M to 10 -8 M, and left under stirring for 1 hour. In addition, to covalently attach ODA with a long hydrophobic alkyl group to the Au compartment of the bimetallic Ag-Au-Ag NRs through selective functionalization, 0.5 mM EDC was added to the bimetallic Ag-Au-Ag NRs solution. , Stirred for 1 hour to activate the remaining carboxyl groups on the Au compartment. Concentration of the final ODA solution in 10 -8 M THF was introduced dropwise into the EDC-activated bimetallic NRs solution and stirred for 1 hour to amide bonds between the carboxyl functional groups of the Au compartment of the bimetallic NRs and the amine functional groups of the ODA Formed. The color of the reaction solution changed from dark yellow to reddish yellow due to the formation of ODA-mediated clusters of the bimetallic NR through hydrophobic interactions. Finally, the reaction solution was purified by centrifugation at 10,000 rpm for 15 minutes and resuspended in deionized water or PBS for later use.

<실시예 5> 이중금속 Ag-Au-Ag NRs 및 이의 클러스터의 특성분석<Example 5> Double metal Ag-Au-Ag NRs and characterization of clusters thereof

금 10면체, 이중금속 Ag-Au-Ag NRs 및 이의 클러스터의 콜로이드성 특성을 결정하기 위해, 633 nm의 파장 및 90 °에서의 산란 각을 갖는 Ne-He 레이저가 장착된 Zeta sizer Nano ZS 기기 (Malvern Instruments, 말번, 영국)를 사용하여 동적 광 산란 (DLS) 및 제타 전위 측정을 수행하였다. 샘플을 탈이온수로 10:1로 희석하고 온도를 25 ℃로 조절하였다. 이의 UV-Vis 플롯을 UV-가시 분광기 (UV-1800, 시마쯔, 일본)에 의해 25℃에서 중간 스캔 속도를 갖는 단일 10 스캔 모드에서 1 nm의 고정 슬릿 폭을 사용하여 300 nm 내지 800 nm의 파장에서 수득하였다. 기준선을 탈이온수로 채워진 2개의 빈 셀을 사용하여 조정하였으며 이의 평균 크기는 최소 20회의 스캔 사이클로부터 수득하였다. 또한, 탈이온수 중에서 표면 전하를 결정하기 위해 제타-전위 측정을 수행하였다. 투과 전자 현미경 (TEM) 이미지를 80 내지 200 kV의 가속 전압에서 작동하는 JEM-2100F FE-STEM (JEOL, 독일)을 사용하여 수득하였으며, 나노크기의 개별적인 이중금속 Ag-Au-Ag NR 및 이의 클러스터를 나타냈다. 샘플을 탄소의 초박막 층으로 코팅된 400 메쉬 구리 격자 (Ted Pella, Inc. 미국) 상에 증착시켰다. 주사 전자 현미경 (SEM)에 의해 직경, 직경 분포, 및 표면 형태를 특성분석하기 위해, 몇몇 방울의 샘플을 실리콘 상에 두고, 건조시킨 후, 터보 스퍼터 코터 (K575X)를 사용하여 백금 스퍼터링으로 코팅하고 0.5 kV 내지 30 kV의 가속 전압에서 작동하는 SEM VEGA (TESCAN, 미국)를 사용하여 이미지화하였다. 또한, 모든 라만 특성분석을 12.5 mW의 레이저 출력을 가진 여기 소스에 대해 632.8 nm의 파장(λ)에서 작동하는, Reinshaw He-Ne 레이저가 장착된 Renishaw inVia 라만 현미경 시스템 (Renishaw, 영국)을 사용하여 수행하였다. Rayleigh 선을 수집 필터에 위치한 홀로그램 노치 필터를 사용하여 수집된 SERS 프로파일로부터 제거하였다. 라만 산란을 1 cm-1의 분광 분해능의 전하-결합된 소자 (CCD) 카메라를 사용하여 수득하고, 모든 SERS 스펙트럼을 520 cm-1 실리콘 선으로 보정하였다. MGITC로 표지된 나노입자의 콜로이드성 용액을 작은 유리 모세관 (Kimble Chase, 일반 모세관, 소다 석회 유리, 내경: 1.1 - 1.2 mm, 벽: 0.2 ± 0.02 mm, 길이: 75 mm) 내에 탑재하였다. SERS 스펙트럼을 사용된 1초의 노출 시간 동안 수집하였으며, 이때 20x 대물 렌즈를 사용하여 608 cm-1 내지 738 cm-1의 파장 수 범위에서 유리 모세관 상에서 레이저 스팟을 집중시켰다.To determine the colloidal properties of gold octahedron, bimetallic Ag-Au-Ag NRs and clusters thereof, a Zeta sizer Nano ZS instrument equipped with a Ne-He laser with a wavelength of 633 nm and a scattering angle at 90 ° ( Dynamic light scattering (DLS) and zeta potential measurements were performed using Malvern Instruments, Malvern, UK). The sample was diluted 10:1 with deionized water and the temperature was adjusted to 25°C. Its UV-Vis plot is from 300 nm to 800 nm using a fixed slit width of 1 nm in a single 10 scan mode with an intermediate scan rate at 25°C by a UV-visible spectrometer (UV-1800, Shimatsu, Japan). Obtained at wavelength. The baseline was adjusted using two empty cells filled with deionized water and their average size was obtained from at least 20 scan cycles. In addition, zeta-potential measurements were performed to determine the surface charge in deionized water. Transmission electron microscopy (TEM) images were obtained using JEM-2100F FE-STEM (JEOL, Germany) operating at an acceleration voltage of 80 to 200 kV, and nano-sized individual bimetallic Ag-Au-Ag NR and clusters thereof Indicated. Samples were deposited on a 400 mesh copper grid (Ted Pella, Inc. USA) coated with an ultra-thin layer of carbon. To characterize the diameter, diameter distribution, and surface morphology by scanning electron microscopy (SEM), several drops of sample were placed on silicon, dried, and coated with platinum sputtering using a turbo sputter coater (K575X). Imaged using SEM VEGA (TESCAN, USA) operating at an acceleration voltage of 0.5 kV to 30 kV. In addition, all Raman characterization was performed using a Renishaw inVia Raman microscope system (Renishaw, UK) equipped with a Reinshaw He-Ne laser, operating at a wavelength (λ) of 632.8 nm for an excitation source with a laser power of 12.5 mW. Performed. Rayleigh lines were removed from the collected SERS profiles using a holographic notch filter placed on the collection filter. Raman scattering was obtained using a charge-coupled device (CCD) camera with a spectral resolution of 1 cm -1 and all SERS spectra were corrected with 520 cm -1 silicon lines. The colloidal solution of the nanoparticles labeled with MGITC was mixed with a small glass capillary tube (Kimble Chase, ordinary capillary tube, soda lime glass , inner diameter: 1.1-1.2 mm, Wall: 0.2 ± 0.02 mm, length: 75 mm). SERS spectra were collected during the exposure time of 1 second used, at which time the laser spot was focused on the glass capillary in the wavelength range of 608 cm -1 to 738 cm -1 using a 20x objective lens.

도 1은 SERS-기반 바이오센싱 응용을 위한 시드로서 금 10면체 또는 금 나노막대, 이중금속 Ag-Au-Ag NRs 및 방향성 자가-조립에 의해 형성된 이의 클러스터의 합성에 대한 모식도를 나타낸다. 이중금속 Ag-Au-Ag NRs을 -COOH 기능화된 Au 10면체 또는 Au 나노막대로부터 방향성으로 과성장시켜 제조하였다. 이중금속 Ag-Au-Ag NRs의 Au 구획의 선택적 표면 변형을 통한 비공유에 의해 이의 방향성 클러스터링을 유도하였다. MUA-기능화된 Au 10면체 또는 Au NR, 및 은 쉘의 전구체 및 캡핑제로서 Ag 염 및 PVP를 사용하여 이중금속 NR을 제조하였다. Au 10면체 또는 Au NRs의 표면 상에서 Ag 나노구조체 양방향으로 동시에 성장시켜 이중금속 Ag-Au-Ag NRs을 형성하였다. 이중금속 NR의 금 구획을 긴 소수성 알킬 기를 가진 ODA를 사용하여 Au 시드의 잔여 카복실 기와 ODA의 1차 아민 기 사이의 아미드 결합 형성을 통해 선택적으로 기능화시켰다. 이중금속 NR의 표면 Au 구획 상의 ODA를 소수성 상호작용에 의해 서로 결합시켜, 이중금속 NR을 이중금속 NR 클러스터로 방향성이 있게 자가 조립되도록 하였다. 라만 스펙트럼에 나타난 바와 같이, 이중금속 NR 클러스터는 이들 사이에 핫스팟 접점이 증가하여 단일 이중금속 NR과 비교하여 매우 향상된 라만 강도를 나타냈다.1 shows a schematic diagram of the synthesis of gold octahedron or gold nanorods as seeds for SERS-based biosensing applications, bimetallic Ag-Au-Ag NRs, and clusters thereof formed by directional self-assembly. Bimetallic Ag-Au-Ag NRs were prepared by directional overgrowth from -COOH functionalized Au octahedron or Au nanorods. The directional clustering of the bimetallic Ag-Au-Ag NRs was induced by non-covalent non-covalent via selective surface modification of the Au compartment. The bimetallic NR was prepared using MUA-functionalized Au octahedron or Au NR, and Ag salt and PVP as precursor and capping agent of silver shell. Double-metal Ag-Au-Ag NRs were formed by simultaneously growing Ag nanostructures in both directions on the surface of Au octahedron or Au NRs. The gold segment of the bimetallic NR was selectively functionalized through the formation of an amide bond between the residual carboxyl group of the Au seed and the primary amine group of the ODA using ODA with long hydrophobic alkyl groups. ODAs on the surface Au compartment of the bimetallic NR were bonded to each other by hydrophobic interactions, so that the bimetallic NRs were oriented and self-assembled into bimetallic NR clusters. As shown in the Raman spectrum, the bimetallic NR cluster showed a very improved Raman intensity compared to the single bimetallic NR due to an increase in hotspot junctions between them.

도 2는 표면 형태, 플라스몬 흡광도 변화, 및 평균 크기를 조사하기 위한 Au 10면체 및 이의 클러스터화된 나노구조체의 TEM 이미지, UV/Vis 흡광도 스펙트럼, 및 DLS 프로파일을 나타낸다. 시드로서 Au 10면체를, 보고된 바와 같이, 폴리올 방법에서 채택된 기법에 의해 제조하였다(Seo, D., Yoo, C. I., Chung, I. S., Park, S. M., Ryu, S., & Song, H. (2008).. The Journal of Physical Chemistry C, 112(7), 2469-2475.). DEG가 245℃의 상대적으로 높은 끓는점을 갖고 금 염 및 PVP를 용해시키기에 충분한 극성을 갖기 때문에 반응을 DEG 중에서 수행하였다. 금속 나노구조체의 ODA-유도된 클러스터링을 명확하게 나타내기 위해, Au 10면체를 긴 소수성 알킬 기를 갖는 ODA를 사용하여 Au 시드의 잔여 카복실 기와 ODA의 1차 아민 기 사이의 아미드 결합을 통해 기능화시켰다. Au 시드 표면 상의 ODA를 소수성 상호작용에 의해 서로 결합시켜 금 10면체 클러스터를 형성하였다. Au 10면체 및 이의 클러스터의 TEM 이미지는 이들이 형상과 크기 둘 모두가 균일함을 나타낸다. Au 10면체의 평균 엣지 길이는 TEM 이미지에서 무작위로 선택된 50개의 나노입자의 분석에 의해 34 ± 8 nm인 것으로 밝혀졌다. 도 2 (C)의 Au 10면체의 UV/Vis 흡광도 스펙트럼은, 550 nm 및 610 nm에서의 2개의 특징적인 피크를 보여주며, 이는 각각 극성-양극성 플라스몬 모드 및 방위 양극성 플라스몬 모드를 나타낸다. 이들이 클러스터링되면, 2개의 플라스몬 밴드는 보다 긴 파장에서 흡광도의 감소와 함께 붉은색 쪽으로 이동하였다. 표 1은 시드 및 시드 클러스터로서 금 10면체의 제타 전위 및 DLS 값을 나타낸다. MUA의 티올 기를 공유 결합을 통해 금 표면과 결합시킨 반면 MUA의 카복실 기는 금 10면체의 음이온성 특성을 나타냈다. 금 10면체의 제타 전위 값은 - 1.9 ± 0.5 mV였고 MUA- 기능화된 금 10면체의 제타 전위 값은 금 시드의 표면의 -COOH의 존재로 인해 - 19.2 ± 0.5 mV였다. ODA가 EDC/NHS 화학에 의해 금 시드의 표면의 -COOH와 공유적으로 접합되어 있기 때문에, ODA-변형된 금 10면체는 ODA 모이어티의 소수성 상호작용을 통해 클러스터링되었다. 금 10면체 클러스터의 크기는 금 10면체의 33.0 nm에서 50.3 nm로 크게 증가하였으며, 이의 제타 전위 값도 또한 - 9.4 ± 0.5 mV로 크게 증가하였다. 또한, 금 10면체 및 이의 클러스터 둘 모두의 크기 분포가 도 2(D)에 나타난 바와 같이 균일하였다.2 shows TEM images, UV/Vis absorbance spectra, and DLS profiles of Au octahedron and clustered nanostructures thereof to investigate surface morphology, plasmon absorbance changes, and average size. As a seed, an Au octahedron was prepared, as reported, by the technique adopted in the polyol method (Seo, D., Yoo, CI, Chung, IS, Park, SM, Ryu, S., & Song, H. (2008).. The Journal of Physical Chemistry C, 112(7), 2469-2475.). The reaction was carried out in DEG because DEG has a relatively high boiling point of 245° C. and has sufficient polarity to dissolve gold salts and PVP. To clearly demonstrate the ODA-induced clustering of metal nanostructures, the Au octahedron was functionalized through an amide bond between the residual carboxyl group of the Au seed and the primary amine group of the ODA using ODA with long hydrophobic alkyl groups. ODAs on the Au seed surface were bonded to each other by hydrophobic interaction to form gold octahedral clusters. TEM images of the Au octahedron and its clusters show that they are uniform in both shape and size. The average edge length of the Au octahedron was found to be 34 ± 8 nm by analysis of 50 randomly selected nanoparticles in the TEM image. The UV/Vis absorbance spectrum of the Au octahedron of FIG. 2(C) shows two characteristic peaks at 550 nm and 610 nm, which represent polar-positive plasmon mode and oriented bipolar plasmon mode, respectively. When they were clustered, the two plasmon bands shifted toward red with a decrease in absorbance at longer wavelengths. Table 1 shows the zeta potential and DLS values of the gold octahedron as seeds and seed clusters. The thiol group of MUA was bonded to the gold surface through a covalent bond, whereas the carboxyl group of MUA showed the anionic properties of the gold octahedron. The zeta potential value of the gold octahedron was -1.9 ± 0.5 mV, and the zeta potential value of the MUA-functionalized gold octahedron was-19.2 ± 0.5 mV due to the presence of -COOH on the surface of the gold seed. Because ODA was covalently conjugated with -COOH on the surface of the gold seed by EDC/NHS chemistry, the ODA-modified gold octahedron was clustered through the hydrophobic interaction of the ODA moiety. The size of the gold octahedron cluster increased significantly from 33.0 nm to 50.3 nm of the gold octahedron, and its zeta potential also increased significantly to -9.4 ± 0.5 mV. In addition, the size distribution of both the gold octahedron and its clusters was uniform as shown in Fig. 2(D).

이중금속 Ag-Au-Ag NRs (유형 I)을 환원제로서 DEG 중의 시드로서 MUA-기능화된, 다중-쌍정 (twinned)의 Au 10면체로부터의 Ag의 방향성의 과성장을 통해 제조한 후, DEG의 245 ℃의 끓는점으로 가열하였다. DEG 중의 금 농도 (1.7 × 10-2M) 에 대해 2 당량의 Ag 염과 PVP (0.13mM)를 시드 분산액에 주기적으로 첨가하여 이중금속 NRs (유형 I)을 형성하였다. 도 3(A)에 나타난 바와 같이, 고배율에서 이의 TEM 이미지는 이중금속 NR (유형 I)의 몸체 내에 매립된 단일의 짙은 Au 10면체 시드를 나타냈다. 또한, 도 3(B)의 에너지-분산 X-선 분광법 (EDS) 맵은 Au 및 Ag로 구성된 이중금속 NR (유형 I)의 이방성 특성을 나타낸다. 도 3(C-E)의 혼합된 전자 이미지는 녹색의 Au 및 붉은색의 Ag인 이의 원소 지도를 분명히 보여준다.The bimetallic Ag-Au-Ag NRs (Type I) were prepared through directional overgrowth of Ag from MUA-functionalized, multi-twinned Au octahedron as a seed in DEG as a reducing agent. It was heated to a boiling point of 245 °C. Bimetallic NRs (Type I) were formed by periodically adding 2 equivalents of Ag salt and PVP (0.13mM) to the seed dispersion relative to the gold concentration in DEG (1.7×10 −2 M). As shown in Fig. 3(A), its TEM image at high magnification showed a single dark Au octahedral seed embedded in the body of the double metal NR (Type I). In addition, the energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) map of FIG. 3(B) shows the anisotropic properties of the bimetallic NR (Type I) composed of Au and Ag. The mixed electron image of FIG. 3(CE) clearly shows its elemental map, which is green Au and red Ag.

도 4에 나타난 바와 같이, (A, B) 개별적인 이중금속 NR (유형 I)의 TEM 이미지 및 (C, D) 이의 클러스터의 HAADF 이미지는 -COOH 기능화된 Au 10면체 표면으로의 Ag의 비대칭적인 성장을 명확하게 나타낸다. 라만 리포터로서 MGITC를 콜로이드 상태의 이중금속 NR 용액 내로 도입하여 MGITC의 이소티오시아네이트 기 (-N〓C〓S)가 이중금속 NR (유형 I)의 표면에 선택적으로 결합되게 하였다. 또한, ODA를 MGITC-표지된 이중금속 NR 용액에 첨가하고, EDC-활성화된 카복실 작용기와 ODA의 1차 아민 작용기 사이의 아미드 커플링에 의해 Au 10면체 시드로부터의 잔여 카복실 작용기를 화학적으로 부착시켰다. 이중금속 NR의 방향성 클러스터링을 ODA의 소수성 긴 알킬 기 사이의 소수성 상호작용을 통해 이루어지게 하고 이중금속 NR의 Au 구획을 서로 마주보게 하였다. ODA 농도가 다양해짐에 따라, 이의 자가-조립 정도가 이의 상응하는 소수성에 의해 조정되었다. As shown in Figure 4, (A, B) TEM images of individual bimetallic NR (Type I) and (C, D) HAADF images of clusters thereof are asymmetric growth of Ag on the surface of -COOH functionalized Au octahedron Clearly indicate. As a Raman reporter, MGITC was introduced into the colloidal bimetallic NR solution so that the isothiocyanate groups (-N〓C〓S) of MGITC were selectively bound to the surface of the bimetallic NR (type I). In addition, ODA was added to the MGITC-labeled bimetallic NR solution, and residual carboxyl functional groups from the Au octahedral seed were chemically attached by amide coupling between the EDC-activated carboxyl functional group and the primary amine functional group of the ODA. . The directional clustering of the bimetallic NR was made through hydrophobic interactions between the hydrophobic long alkyl groups of the ODA and the Au compartments of the bimetallic NR were made to face each other. As the ODA concentration varied, its degree of self-assembly was adjusted by its corresponding hydrophobicity.

도 5는 (A) UV-Vis 흡광도 스펙트럼, (B) DLS 프로파일, 및 (C) MGITC 농도가 5.0 × 10-6 M일때 MGITC-표지된 이중금속 NR 및 이의 클러스터의 SERS 스펙트럼을 나타낸다. 이중금속 NR (유형 I)은 은 및 금 구획의 횡방향 모드를 각각 나타내는 420 nm 및 510 nm에서의 2개의 상이한 UV-Vis 흡광도 피크를 나타낸다. 낮은 농도로 인해, 도입된 라만 리포터의 존재 또는 부재 하에서 UV-Vis 흡광도 스펙트럼의 현저한 차이는 없었다. 플라스몬 밴드는 클러스터 형성 후 보다 긴 파장에서 흡광도 값의 증가에 따라 적색으로 이동하였다. 또한, 수성 조건 하에서 MGITC-표지된 이중금속 NR 및 이의 클러스터의 크기, 크기 분포, 및 콜로이드 안전성을 특성분석하기 위해, 동적 광 산란 (DLS) 측정을 수행하였다. 도 5(B)에 나타난 바와 같이, 이중금속 NR의 평균 직경은 직경이 34.58 nm, 평균 길이가 252.10 nm였다. 반면에, 이의 클러스터는 279.80 nm에서 오직 하나의 크기 분포만을 나타냈는데 그 이유는 이의 방향성 클러스터링이 종횡비가 1.0인 직경 및 길이가 유사한 크기를 만들었기 때문이다. 수성 조건 (표 1) 하에서 MGITC-표지된 이중금속 NR 및 이의 클러스터의 제타 전위 값은 각각 - 18 mV - 12 mV였다. 5 shows (A) UV-Vis absorbance spectrum, (B) DLS profile, and (C) SERS spectrum of MGITC-labeled bimetallic NR and clusters thereof when the MGITC concentration is 5.0 × 10 -6 M. The bimetallic NR (Type I) exhibits two different UV-Vis absorbance peaks at 420 nm and 510 nm, respectively, indicating the transverse mode of the silver and gold compartments. Due to the low concentration, there was no significant difference in UV-Vis absorbance spectra in the presence or absence of the introduced Raman reporter. The plasmon band shifted to red with an increase in absorbance at a longer wavelength after cluster formation. In addition, to characterize the size, size distribution, and colloidal stability of MGITC-labeled bimetallic NR and its clusters under aqueous conditions, dynamic light scattering (DLS) measurements were performed. As shown in FIG. 5(B), the average diameter of the double metal NR was 34.58 nm in diameter and 252.10 nm in average length. On the other hand, its clusters showed only one size distribution at 279.80 nm, because their directional clustering produced similar diameters and lengths with an aspect ratio of 1.0. The zeta potential values of the MGITC-labeled bimetallic NR and its clusters under aqueous conditions (Table 1) were-18 mV-12 mV, respectively.

[표 1][Table 1]

Figure 112018094042271-pat00001
Figure 112018094042271-pat00001

이중금속 NR과 비교하여, 이의 클러스터화된 크기 및 제타 전위 값은 ODA 접합으로 인해 크게 증가하였다. 방향성을 가지며 자가-조립되면, 이중금속 NR 클러스터를 ODA로 Au 구획을 선택적으로 기능화시켜 제조하였으며, 1617 cm-1에서의 SERS 강도는 개별적인 것에 비해 약 10배로 크게 향상되었으며, 그 이유는 이중금속 NRs 사이의 갭에서 형성된 핫스팟의 전자기장이 증폭되었기 때문이다. Compared to the bimetallic NR, its clustered size and zeta potential value increased significantly due to ODA conjugation. When self-assembled with orientation, the bimetallic NR cluster was prepared by selectively functionalizing the Au compartment with ODA, and the SERS strength at 1617 cm -1 was greatly improved by about 10 times compared to that of the individual, and the reason is that the bimetallic NRs This is because the electromagnetic field of the hot spot formed in the gap between them is amplified.

이중금속 NR의 ODA-매개된 방향성 클러스터링을 새로운 유형의 이중금속 NR에 적용하기 위해, Au 막대 시드-기반 Ag-Au-Ag 이중금속 NRs (유형 II)을 제조하였다. 시드로서 Au 막대를 캡핑제로서 PVP 및 HAuCl4를 사용하여 폴리올 방법으로 제조하고, Au 막대 시드-기반 이중금속 NRs (유형 II)을 이중금속 NRs (유형 I)의 합성에 대해 상기 언급한 바와 같이 MUA-기능화된 Au NR 시드로부터의 Ag의 방향성 과성장을 통해 제조하였다. 도 6은 (A-F) (A, B) Au 막대 시드, (C, D) Au 막대 시드-기반 이중금속 NR (유형 II) 및 (E, F) 이의 클러스터의 HAADF 이미지를 나타낸다. Au 막대를 크기와 형상이 균일하도록 합성하였다. Au 막대의 평균 길이는 HAADF 이미지에서 무작위로 선택된 50개의 나노입자를 분석하여 결정된 바와 같이 50 ± 8 nm인 것으로 밝혀졌다. Au 막대 시드-기반 이중금속 NRs (유형 II)은 몸체 전체 내에서 매립된 단일의 짙은 물체를 나타냈으며, 상기 물체는 고배율에서 명확하게 관찰되었고, 이의 평균 길이는 HAADF 이미지에서 50개의 물체의 측정에 의해 100 ± 10 nm였다. 이중금속 NR (유형 I)의 방향성 클러스터에서 나타난 바와 같이, Au 막대 시드-기반 이중금속 NR (유형 II)의 방향성 클러스터링이 또한 Au NR 시드의 표면 상에서의 ODA의 소수성 긴 알킬 기 사이의 소수성 상호작용을 통해 이루어졌다. 마찬가지로, Au NRs 시드의 ODA-유도된 클러스터링이 또한 도 6(G)에 나타난 바와 같이 UV-Vis 흡광도 스펙트럼에 의해 입증되었다. 이중금속 NR (유형 II) 클러스터의 다수의 핫스팟은 방향성 클러스터링을 통해 그들 사이에 갭을 생성하여 도 6(H)에 나타난 바와 같이 개별적인 것에 비해 SERS 강도를 실질적으로 증폭시켰다. 따라서, 유형 I 및 유형 II를 포함하여 이중금속 NRs의 이러한 클러스터화된 나노구조체는 생물검출을 위한 새로운 종류의 SERS 나노프로브이다.To apply ODA-mediated directional clustering of bimetallic NR to a new type of bimetallic NR, Au rod seed-based Ag-Au-Ag bimetallic NRs (type II) were prepared. As mentioned above for the synthesis of double metal NRs (type I), Au rods as seeds were prepared by the polyol method using PVP and HAuCl 4 as capping agents, and Au rods seed-based bimetallic NRs (type II) were Prepared via directional overgrowth of Ag from MUA-functionalized Au NR seeds. 6 shows HAADF images of (AF) (A, B) Au rod seeds, (C, D) Au rod seeds-based bimetallic NR (Type II) and (E, F) clusters thereof. The Au rod was synthesized to have a uniform size and shape. The average length of the Au bars was found to be 50 ± 8 nm as determined by analyzing 50 randomly selected nanoparticles in the HAADF image. Au rod seed-based bimetallic NRs (Type II) represented a single dark object buried within the entire body, which was clearly observed at high magnification, and its average length was determined by the measurement of 50 objects in the HAADF image. By 100 ± 10 nm. As shown in the directional cluster of the bimetallic NR (Type I), the directional clustering of the Au rod seed-based bimetallic NR (Type II) is also a hydrophobic interaction between the hydrophobic long alkyl groups of ODA on the surface of the Au NR seed. Was done through. Likewise, ODA-induced clustering of Au NRs seeds was also demonstrated by UV-Vis absorbance spectra as shown in Figure 6(G). Multiple hotspots of bimetallic NR (Type II) clusters created gaps between them through directional clustering, substantially amplifying the SERS intensity compared to the individual ones as shown in Fig. 6(H). Thus, these clustered nanostructures of bimetallic NRs, including type I and type II, are a new class of SERS nanoprobes for biodetection.

<실시예 6> 이중금속 NR 클러스터 및 자성비드(MB)와 항체의 생체 접합<Example 6> Bimetallic NR cluster and bioconjugation of magnetic beads (MB) and antibody

이중금속 NR 클러스터를 클러스터 표면에 존재하는 MUA 분자의 카복실 기를 사용하여 항-인간 IgG pAb에 화학적으로 결합시키고, 항-인간 IgG mAb를 자기 비드 (MB)에 접합시켜, 항체-항원-항체 상호작용을 통한 샌드위치형 면역복합체를 형성하였으며, 이때 항원으로서 IgG가 용액 중에 존재하였다. 대표적인 실험에서, 10 ml의 0.2 mg/mL EDC를 pH 7.4의 PBS 중의 이중금속 NR 클러스터에 첨가하고, 1.5시간 동안 교반 하에 둔 다음, 항-인간 IgG-pAb의 0.50 mg/ml 용액 10 ml를 EDC-활성화된 이중금속 NR 클러스터 첨가하고 추가의 1.5시간 동안 교반하였다. 마지막으로, SERS 나노탐침으로서 항-인간 IgG pAb-접합된, 이중금속 NR 클러스터를 5,000 rpm에서 원심력을 사용하여 PBS로 정제하였다. 마찬가지로, 자성 비드 (MB)로서 자성 나노입자-캡슐화된 중합체 나노입자를 보고된 바와 같이 열 안정화 후 MB 상의 잔여 카복실 작용기를 사용하여 항-인간 IgG mAb에 화학적으로 접합시켰다. 대표적인 실험에서, 1.25 mg MB를 2.0 mL PBS에 도입하고, 팁 초음파분쇄기 (VC 505 Sonics and Materials Inc.)를 사용하여 30%의 진폭에서 1분 동안 초음파처리하였다. MB 용액을 1.766 M의 EDC 및 설포-NHS의 최종 농도에서 PBS 중의 100 ml의 3.5 mg/ml EDC 및 100 μl의 3.5mg/ml 설포-NHS와 함께 인큐베이션 하였다. 결합되지 않은 항-인간 IgG mAb를 자기력을 사용하여 제거하고 IgG 항원의 바이오센싱을 위해 용액을 PBS 중에 재현탁하였다.The bimetallic NR cluster is chemically bound to the anti-human IgG pAb using the carboxyl group of the MUA molecule present on the cluster surface, and the anti-human IgG mAb is conjugated to the magnetic beads (MB), thereby interacting with the antibody-antigen-antibody. A sandwich-type immunocomplex was formed through, and at this time, IgG as an antigen was present in the solution. In a representative experiment, 10 ml of 0.2 mg/mL EDC was added to the bimetallic NR cluster in PBS at pH 7.4, left under stirring for 1.5 hours, and then 10 ml of a 0.50 mg/ml solution of anti-human IgG-pAb was added to EDC. -Added activated bimetallic NR cluster and stirred for an additional 1.5 hours. Finally, anti-human IgG pAb-conjugated, bimetallic NR clusters as SERS nanoprobes were purified with PBS using centrifugal force at 5,000 rpm. Similarly, magnetic nanoparticle-encapsulated polymeric nanoparticles as magnetic beads (MB) were chemically conjugated to anti-human IgG mAb using residual carboxyl functional groups on MB after heat stabilization as reported. In a representative experiment, 1.25 mg MB was introduced into 2.0 mL PBS and sonicated for 1 minute at 30% amplitude using a tip sonicator (VC 505 Sonics and Materials Inc.). MB solution was incubated with 100 ml of 3.5 mg/ml EDC and 100 μl of 3.5 mg/ml sulfo-NHS in PBS at a final concentration of 1.766 M EDC and sulfo-NHS. Unbound anti-human IgG mAb was removed using magnetic force and the solution was resuspended in PBS for biosensing of the IgG antigen.

<실시예 7> IgG 항원의 SERS-기반 바이오센싱<Example 7> SERS-based biosensing of IgG antigen

항-인간 IgG mAb를 갖는 MB를 PBS에서 항원으로서 IgG를 결합시키는데 사용한 반면, 항-인간 IgG pAb를 갖는 이중금속 NR 클러스터를 샌드위치형 면역복합체의 형성을 통해 IgG를 탐색하기 위한 SERS 나노탐침으로서 사용하였다. 먼저, 항-인간 IgG mAb-결합된 MB를 410 ng/mL 및 40 pg/mL의 농도 범위로 IgG 용액에 도입하였다. 항-인간 mAb-결합된 MB와 IgG 간의 면역복합체를 자기력을 인가하여 분리한 다음, 용액을 PBS로 2회 정제한 후 PBS 중에 재현탁하였다. 두 번째로, 제조된 항-인간 mAb-접합된 MB 및 IgG의 면역복합체를 항-인간 IgG mAb-접합된 이중금속 NR 클러스터와 혼합하고 1시간 동안 교반하여 특정한 분자 상호작용을 통해 항-인간 IgG pAb, IgG, 및 항-인간 IgG mAb 중의 샌드위치형 면역복합체를 생성하였다. 항-인간 IgG pAb, IgG, 및 항-인간 IgG mAb 중의 샌드위치형 면역복합체를 자기력을 사용하여 단리하고 SERS 기록을 위해 현탁하였다. IgG와, MB 및 이중금속 NR 클러스터 둘 모두의 항체 접합이 없는 2개의 대조군 연구를 수행하여 비특이적 결합을 평가하였다.MB with anti-human IgG mAb was used to bind IgG as antigen in PBS, while double metal NR cluster with anti-human IgG pAb was used as SERS nanoprobe to search for IgG through formation of sandwich-type immunocomplex. I did. First, anti-human IgG mAb-bound MB was introduced into the IgG solution at concentration ranges of 410 ng/mL and 40 pg/mL. The immunocomplex between anti-human mAb-conjugated MB and IgG was separated by applying a magnetic force, and the solution was purified twice with PBS and then resuspended in PBS. Second, the prepared anti-human mAb-conjugated MB and the immunocomplex of IgG was mixed with the anti-human IgG mAb-conjugated bimetal NR cluster and stirred for 1 hour to obtain anti-human IgG through specific molecular interactions. Sandwich-type immunocomplexes were generated in pAb, IgG, and anti-human IgG mAb. Sandwich-type immunocomplexes in anti-human IgG pAb, IgG, and anti-human IgG mAb were isolated using magnetic force and suspended for SERS recording. Nonspecific binding was assessed by conducting two control studies without antibody conjugation of both the IgG and the MB and bimetallic NR clusters.

도 7(A)는 모델 단백질로서 IgG의 검출을 위한 SERS-기반 면역검정 방법의 개략적인 모식도를 나타낸다. 첫 번째로, 항-인간 IgG mAb 접합된 자성 비드 용액을 상이한 IgG 농도를 갖는 용액에 첨가하였다. IgG 분석물을 특이적인 분자 상호작용을 통해 이의 상응하는 자성 비드로 선택적으로 포획하고, 외부 자기장을 인가하여 정제하고, PBS 중에 재현탁하였다. 두 번째로, SERS-기반 바이오센싱을 위한 항-인간 IgG pAb 접합된 이중금속 NR 클러스터 용액을 복합체화된 항-인간 IgG mAb 접합된 자성 비드 및 IgG의 용액에 첨가하여, SERS 나노탐침으로서 항-인간 IgG mAb 접합된 자성 비드, IgG 및 항-인간 IgG pAb 접합된 이중금속 NR 클러스터로 이루어진 샌드위치형 면역복합체를 형성하였다. 이어서, 부착되지 않은 SERS 나노프로브를 자기장을 인가하여 제거하고, 생성된 샌드위치형 면역복합체를 PBS 중에 재현탁하였다. 마지막으로, 라만 강도를 SERS-기반 정량 분석에 대해 IgG-농도의 함수로서 수득하였으며, 도 (B, C)에 나타난 바와 같이 상대적인 라만 강도와 IgG 농도 사이에는 선형 상관관계가 있었다. IgG 농도가 410 ng/mL에서 0.041 ng/mL의 범위로 증가함에 따라, MGITC-표지된 이중금속 NR 클러스터의 라만 강도가 샌드위치형 면역복합체의 농도가 증가에 의한 IgG의 농도에 따라 선형적으로 (R2 = 0.937) 증가하였다.7(A) shows a schematic diagram of a SERS-based immunoassay method for detection of IgG as a model protein. First, anti-human IgG mAb conjugated magnetic bead solutions were added to solutions with different IgG concentrations. The IgG analyte was selectively captured with its corresponding magnetic beads through specific molecular interactions, purified by applying an external magnetic field, and resuspended in PBS. Second, anti-human IgG pAb conjugated bimetal NR cluster solution for SERS-based biosensing was added to a solution of complexed anti-human IgG mAb conjugated magnetic beads and IgG, and anti- A sandwich type immunocomplex consisting of human IgG mAb conjugated magnetic beads, IgG and anti-human IgG pAb conjugated bimetallic NR clusters was formed. Subsequently, the unattached SERS nanoprobe was removed by applying a magnetic field, and the resulting sandwich-type immunocomplex was resuspended in PBS. Finally, Raman intensity was obtained as a function of IgG-concentration for SERS-based quantitative analysis, and there was a linear correlation between the relative Raman intensity and the IgG concentration as shown in Figures (B, C). As the IgG concentration increased from 410 ng/mL to 0.041 ng/mL, the Raman intensity of the MGITC-labeled bimetallic NR cluster increased linearly with the concentration of IgG due to the increase in the concentration of the sandwich-type immunocomplex ( R 2 = 0.937) increased.

본 발명은 이중금속 NR 클러스터가 단일 이중금속 NR에 비해 우수한 SERS 활성을 나타냄을 입증하였다. 이중금속 NRs (유형 I, II) 및 이의 클러스터의 합성을 위해 우리가 개발한 플랫폼 방법은 다양한 크기와 조성을 가진 여러 금속으로 구성된 제어된 이중금속 이방성 나노구조체 및 이의 클러스터를 합성하는 데 유익할 것이다. The present invention has demonstrated that the double metal NR cluster exhibits superior SERS activity compared to the single double metal NR. The platform method we developed for the synthesis of bimetallic NRs (types I, II) and clusters thereof would be beneficial for synthesizing controlled bimetallic anisotropic nanostructures and clusters thereof composed of several metals of various sizes and compositions.

Claims (13)

금속 [A-B-A]로 구성된 구획화된 이중금속 나노막대를 시드(seed)로 하여, 상기 이중금속 나노막대가 이중금속 나노클러스터로 방향성 있게 자가조립된, 클러스터 나노구조체로,
상기 A 및 B는 각각, 은, 금, 구리 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되고, 상기 A와 B 금속은 서로 동일하지 않은 것이고,
상기 이중금속 나노막대들은, B 금속 구획끼리 서로 마주하면서 방향성 있게 자가조립된 것인,
구획화된 이중금속 나노막대의 방향성을 가진 클러스터 나노구조체.
A cluster nanostructure in which the bimetallic nanorods are directionally self-assembled into a bimetallic nanocluster, using a partitioned bimetallic nanorod composed of metal [ABA] as a seed,
The A and B are each selected from the group consisting of silver, gold, copper, and mixtures thereof, and the A and B metals are not identical to each other,
The bimetallic nanorods are self-assembled in a direction while facing each other in the B metal compartments,
Cluster nanostructures with the orientation of partitioned bimetallic nanorods.
제1항에 있어서,
상기 B 금속은 표면이 카르복실 기로 개질된 것인, 구획화된 이중금속 나노막대의 방향성을 가진 클러스터 나노구조체.
The method of claim 1,
The B metal is a cluster nanostructure having a directionality of a partitioned bimetallic nanorod, whose surface is modified with a carboxyl group.
제1항에 있어서,
상기 B 금속은 금이고 상기 A 금속은 은으로 구성된 은-금-은의 이중금속 나노막대이고,
상기 B 금속은 다면체 금 나노입자 또는 금 나노막대인, 구획화된 이중금속 나노막대의 방향성을 가진 클러스터 나노구조체.
The method of claim 1,
The B metal is gold and the A metal is a silver-gold-silver double metal nanorod composed of silver,
The B metal is a polyhedral gold nanoparticle or a gold nanorod, a cluster nanostructure having the orientation of a partitioned bimetallic nanorod.
제3항에 있어서,
상기 다면체 금 나노입자는 10면체 금 나노입자인, 구획화된 이중금속 나노막대의 방향성을 가진 클러스터 나노구조체.
The method of claim 3,
The polyhedral gold nanoparticles are octahedral gold nanoparticles, clustered nanostructures having the orientation of partitioned bimetallic nanorods.
제1항에 있어서,
상기 이중금속 나노막대에 라만 리포터가 부착되는 것인, 구획화된 이중금속 나노막대의 방향성을 가진 클러스터 나노구조체.
The method of claim 1,
Cluster nanostructures having the direction of the partitioned bimetallic nanorods to which a Raman reporter is attached to the bimetallic nanorods.
제5항의 클러스터 나노구조체를 이용한 표면-증강 라만 산란(SERS) 이미지(image) 측정용 금속 나노 프로브.
Surface-enhanced Raman scattering (SERS) using the cluster nanostructures of claim 5, metal nano-probe for image measurement.
i) 카복실기로 표면이 개질된 금속 B를 이용하여 [A-B-A]로 구성된 구획화된 복수 개의 이중금속 나노막대 시드(seed)를 제조하고;
ⅱ) 상기 B 금속 구획의 카복실기를 활성화하기 위해 EDC (1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide) 용액을 첨가하고;
ⅲ) 상기 EDC 용액 첨가 후에 아민계 화합물을 첨가하여 교반하고;
ⅳ) 상기 B 금속 구획의 EDC-활성화된 카복실 기와 상기 아민계 화합물의 아민기 사이에 아미드 결합을 형성하고;
v) 상기 B 금속 구획에서 아민계 화합물의 알킬기 사이의 소수성 상호 작용에 의해 아민계 화합물이 서로 결합함으로써 B 금속 구획끼리 서로 마주하면서, 구획화된 이중금속 나노막대가 방향성을 가진 클러스터를 형성하면서 자가조립되는;
단계를 포함하는, 제조방법으로,
상기 A 및 B는 각각, 은, 금, 구리 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되고, 상기 A와 B 금속은 서로 동일하지 않은 것인,
구획화된 이중금속 나노막대의 방향성을 가진 클러스터 나노구조체의 제조방법.
i) preparing a plurality of partitioned bimetallic nanorod seeds composed of [ABA] by using the metal B whose surface is modified with a carboxyl group;
Ii) adding EDC (1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide) solution to activate the carboxyl group of the B metal compartment;
Iii) adding and stirring an amine-based compound after adding the EDC solution;
Iv) forming an amide bond between the EDC-activated carboxyl group of the B metal compartment and the amine group of the amine-based compound;
v) The amine compounds are bonded to each other by hydrophobic interactions between the alkyl groups of the amine compounds in the B metal compartment, so that the B metal compartments face each other, while the compartmentalized bimetallic nanorods form a cluster with directionality and self-assembly. felled;
In the manufacturing method comprising the step,
The A and B are each selected from the group consisting of silver, gold, copper, and mixtures thereof, and the A and B metals are not the same as each other,
Method for producing a clustered nanostructure with the direction of the partitioned bimetallic nanorods.
제7항에 있어서,
상기 B 금속은 금이고 상기 A 금속은 은으로 구성된 은-금-은의 이중금속 나노막대이고,
상기 B 금속은 다면체 금 나노입자 또는 금 나노막대인, 구획화된 이중금속 나노막대의 방향성을 가진 클러스터 나노구조체의 제조방법.
The method of claim 7,
The B metal is gold and the A metal is a silver-gold-silver double metal nanorod composed of silver,
The B metal is a polyhedral gold nanoparticle or a gold nanorod, a method of manufacturing a cluster nanostructure having a direction of a partitioned bimetallic nanorod.
제7항에 있어서,
상기 다면체 금 나노입자는 10면체 금 나노입자인, 구획화된 이중금속 나노막대의 방향성을 가진 클러스터 나노구조체의 제조방법.
The method of claim 7,
The polyhedral gold nanoparticles are octahedral gold nanoparticles, a method of manufacturing a cluster nanostructure having a direction of a partitioned bimetallic nanorod.
제7항에 있어서,
상기 i) 단계 이후에, 상기 이중 금속 나노막대 표면에 라만 리포터를 부착하는 단계를 더 포함하는, 구획화된 이중금속 나노막대의 방향성을 가진 클러스터 나노구조체의 제조방법.
The method of claim 7,
After the step i), further comprising the step of attaching a Raman reporter to the surface of the double metal nanorods, the method of producing a cluster nanostructure having the direction of the partitioned double metal nanorods.
제7항에 있어서,
상기 아민계 화합물은, 헥사데실아민(hexadecylamine), 헵타데실아민(heptadecylamine), 옥타데실아민 (octadecylamine), 노나데실아민(nonadecylamine) 및 도데실아민(dodecylamine)로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 구획화된 이중금속 나노막대의 방향성을 가진 클러스터 나노구조체 제조방법.
The method of claim 7,
The amine-based compound is selected from the group consisting of hexadecylamine, heptadecylamine, octadecylamine, nonadecylamine, and dodecylamine. Method for producing a clustered nanostructure with the orientation of the double metal nanorods.
a) 검출하고자 하는 표적 물질이 포함된 시료액을 준비하고;
b) 자성 나노입자에 상기 표적에 대한 제1 항체를 고정하여 준비하고;
c) 제6항의 금속 나노 프로브에 상기 표적에 대한 제2 항체를 고정하여 준비하고;
d) 상기 제1 항체가 고정된 자성 나노입자를 상기 시료액에 첨가하여 상기 표적과 상기 자성 나노입자의 제1항체가 접합된 면역복합체를 형성하고;
e) 상기 제2 항체가 고정된 금속 나노 프로브를 상기 제1 항체가 접합된 면역복합체가 포함된 용액에 첨가하여 금속 나노 프로브 제2 항체-표적-자성 나노입자의 제1 항체의 샌드위치 면역복합체를 형성하고;
f) 자기장을 이용하여 상기 샌드위치 면역복합체를 형성하지 않은 자성 나노입자 및 금속 나노 프로브를 분리하고; 그리고
g) 상기 샌드위치 면역복합체의 라만 신호를 측정하는;
단계를 포함하는, 표면-증강 라만 산란(SERS) 기반의 표적 물질 검출 방법.
a) preparing a sample solution containing a target substance to be detected;
b) preparing the magnetic nanoparticles by immobilizing the first antibody against the target;
c) preparing by immobilizing a second antibody against the target to the metal nanoprobe of claim 6;
d) adding the magnetic nanoparticles to which the first antibody is immobilized to the sample solution to form an immunocomplex in which the target and the first antibody of the magnetic nanoparticles are conjugated;
e) The metal nano-probe to which the second antibody is immobilized is added to the solution containing the immunocomplex to which the first antibody is conjugated to obtain a sandwich immunocomplex of the first antibody of the second antibody-target-magnetic nanoparticle. To form;
f) separating magnetic nanoparticles and metal nanoprobes that do not form the sandwich immunocomplex using a magnetic field; And
g) measuring the Raman signal of the sandwich immunocomplex;
Including the step of, surface-enhanced Raman scattering (SERS)-based target material detection method.
제12항에 있어서,
상기 표적 물질은 단백질 또는 병원균인, 표면-증강 라만 산란(SERS) 기반의 표적 물질 검출 방법.
The method of claim 12,
The target material is a protein or a pathogen, surface-enhanced Raman scattering (SERS)-based target material detection method.
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