KR102197549B1 - 표면증강라만산란 패치 및 이를 이용한 부착형 센서 - Google Patents

표면증강라만산란 패치 및 이를 이용한 부착형 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 표면증강라만산란 패치 및 이를 이용한 부착형 센서에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 약물 복용의 지속적인 모니터링 및 유해물질 검출을 정확하고 용이하게 할 수 있는 표면증강라만산란 패치, 이를 이용한 부착형 센서, 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

표면증강라만산란 패치 및 이를 이용한 부착형 센서{Surface-Enhanced Raman Scattering Patch and attachable sensor using the same}
본 발명은 표면증강라만산란 패치 및 이를 이용한 부착형 센서에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 약물 복용의 지속적인 모니터링 및 유해물질 검출을 정확하고 용이하게 할 수 있는 표면증강라만산란 패치, 이를 이용한 부착형 센서, 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
운동선수의 금지 약물 복용 여부 또는 마약 투약 여부는 주로 머리카락 또는 소변 검사로 확인하고 있다.
일반적으로 금지 약물 또는 마약을 복용하거나 주사한 사람의 뇨 중에는 마약의 원형 그대로 또는 일부 대사산물로 배출되며, 복용시간과 뇨 중에서 검출되는 양과는 관계가 있다. 따라서 금지 약물 복용 여부 및 마약 투약 여부를 검사하는 스크리닝 테스트는 뇨를 채취한 시점에서 바로 시행하는 것이 가장 바람직한 방법이다.
그러나, 소변을 채취하는 것이 여의치 않은 경우도 있으며, 금지 약물 또는 마약을 복용한 후 소변을 채취까지 시간 간격이 있는 경우, 정확한 결과를 얻을 수 없는 문제점도 있다.
또한, 운동선수가 시합에 참여하는 기간 동안 금지 약물 복용 여부를 모니터링 할 필요가 있는 경우도 있다.
한편, 약물검사 방법으로서 크로마토그래피 면역검출지가 이용되고 있으며, 이와 같은 면역검출지를 사용하여 약물을 검출하는 방법은 검사대상 시료가 모세관현상에 의해 멤브레인을 따라 이동하여 감에 따라 검출하고자 하는 약물이 있는 경우엔 약물항체-착색미립자와 반응하여 복합체를 형성해 멤브레인에 결합되어 있는 약물 단백질 접합체와 경쟁반응을 나타내고, 그 결과 이 부위에서 색깔이 나타나 약물의 유무를 판정할 수 있다.
그러나, 현재까지는 금지 약물 또는 마약 복용 여부의 지속적인 모니터닝이 가능하고, 정확도가 높고 간편한 부착형 센서 등에 대해 요구가 지속적으로 있다.
본 발명의 배경기술로는 대한민국 공개특허 제10-2003-0008748호(2003.01.29.)가 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해의 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
본 발명의 목적은 금지 약물 또는 마약 복용 여부에 대한 지속적인 모니터닝이 가능한 표면증강라만산란 패치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 정확도가 높고 간편한 표면증강라만산란 패치를 이용한 부착형 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 상세한 설명의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
일 측면에 따르면, 검출 분자가 투과되는 필름; 상기 필름 상에 형성된 금속 함유 나노구조체층; 및 상기 금속 함유 나노구조체층 상에 형성되어, 외부 물질이 투입되는 것을 방지하는 보호층;을 포함하는, 표면증강라만산란 패치가 제공된다.
일 실시예에 따르면, 상기 필름은 단백질 필름일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 단백질 필름은 실크, 콜라겐, 엘라스틴, 케라틴, 및 리플렉틴에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 필름은 1 nm ~ 1 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 금속 함유 나노구조체층은 1 nm ~ 1 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 금속 함유 나노구조체층은 나노입자 및 나노와이어 중 1종 이상으로 이루어질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 금속 함유 나노구조체층은 1 ~ 30 ㎛의 길이를 갖는 나노와이어로 이루어질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 금속 함유 나노구조체층은 5 ~ 100 nm의 직경을 갖는 나노입자 및 나노와이어 중 1종 이상으로 이루어질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 금속 함유 구조체층의 금속은 Ag, Au, Al, Co, Cu, Fe, Li, Ni, Pd, Pt, Rh, Ru, 또는 이의 합금일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 필름과 상기 금속 함유 나노구조체층 사이에 계면층을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 보호층은 상기 검출 분자가 투과되는 것을 방지할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 보호층은 라만 레이저가 통과할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 보호층은 접착면을 구비할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 보호층 상에 형성되는 접착층을 더 포함하고, 상기 보호층 및 접착층은 라만 레이저가 통과할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 보호층은 방수성을 구비할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 본원에 기재된 표면증강라만산란 패치를 포함하는, 부착형 표면증강라만산란 센서가 제공된다.
일 실시예에 따르면, 상기 부착형 표면증강라만산란 센서는, 동물, 식물, 식품 포장, 또는 약품 포장에 부착하여 사용될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 단백질 용액을 코팅하여 단백질 필름을 형성하는 단계; 상기 단백질 필름상에 금속 함유 나노구조체 용액을 코팅하여 금속 함유 나노구조체층을 형성하는 단계; 및 건조 후 금속 함유 나노구조체층 상에 보호층을 형성하는 단계를 포함하는, 부착형 표면증강라만산란 센서의 제조방법이 제공된다.
일 실시예에 따르면, 상기 단백질 용액은 소수성 표면을 가지는 기판에 코팅될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 금속 함유 나노구조체층을 형성하는 단계는 금속 함유 나노구조체 용액을 코팅한 후 단백질 필름을 경화하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 보호층을 형성하는 단계는 금속 함유 나노구조체층을 보호층의 접착면에 접촉시켜 단백질 필름 및 금속 함유 나노구조체층을 보호층에 전사하는 단계일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 금지 약물 또는 마약 복용 여부에 대한 지속적인 모니터닝이 가능하다.
일 실시예에 따르면, 금지 약물 또는 마약 복용 여부를 높은 정확도로 간편하게 측정할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 동물, 식물, 식품 포장, 또는 약품 포장(예를 들어 수액 팩 표면)에 부착된 유해 물질 유무, 오염 여부, 또는 포장 기밀성 등을 정확하고 용이하게 할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 표면증강라만산란 패치의 개략적 단면도이다.
도 2a ~ 도 2c는 일 실시예에 따른 표면증강라만산란 패치의 제조방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3a는 일 실시예에 따른 표면증강라만산란 패치의 사진이다.
도 3b는 도 3a의 표면증강라만산란 패치를 피부에 부착한 상태를 보여주는 사진이다.
도 4a는 일 실시예에 따른 나노와이어층이 일면에 형성된 필름의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 4b는 일 실시예에 따른 필름상에 형성된 나노와이어층의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 4c는 일 실시예에 따른 표면증강라만산란 패치의 보호층 표면의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 5a는 일 실시예에 따라 필름 두께가 60 nm인 표면증강라만산란 패치의 단면 사진이다.
도 5b는 일 실시예에 따른 필름 두께가 120 nm인 표면증강라만산란 패치의 단면 사진이다.
도 6a는 일 실시예에 따른 표면증강라만산란 패치를 이용하여 시간에 따른 메틸렌 블루(MB) 투과 실험을 한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6b는 3% 농도의 실크 단백질을 이용하여 제조된 표면증강라만산란 패치를 이용하여 메틸렌 블루(MB) 투과 실험을 한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6c는 6% 농도의 실크 단백질을 이용하여 제조된 표면증강라만산란 패치를 이용하여 메틸렌 블루(MB) 투과 실험을 한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7a ~ 도 7d는 일 실시예에 따른 표면증강라만산란 패치를 이용하여 메틸렌 블루(MB)를 검출하는 방법을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 8a는 3% 농도의 실크 단백질을 이용하여 제조된 표면증강라만산란 패치를 이용하여 측정된 메틸렌 블루(MB)의 농도에 따른 라만신호 그래프이다.
도 8b는 6% 농도의 실크 단백질을 이용하여 제조된 표면증강라만산란 패치를 이용하여 측정된 메틸렌 블루(MB)의 농도에 따른 라만신호 그래프이다.
도 9는 일 실시예에 따른 표면증강라만산란 패치의 축적된 검출분자의 신호 검출을 나타내는 그래프이다.
도 10a는 일 실시예에 따른 표면증강라만산란 패치를 이용하여 아미노벤조산(ABA)의 시간에 따른 실크 단백질의 투과력을 확인 결과를 나타낸 라만신호 그래프이다.
도 10b는 일 실시예에 따른 표면증강라만산란 패치를 이용하여 메틸렌 블루(MB)의 시간에 따른 실크 단백질의 투과력을 확인 결과를 나타낸 라만신호 그래프이다.
도 10c는 일 실시예에 따른 표면증강라만산란 패치를 이용하여 로다민(Rho)의 시간에 따른 실크 단백질의 투과력을 확인 결과를 나타낸 라만신호 그래프이다.
본 개시의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 개시의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 명세서에서, 층, 부분, 또는 기판과 같은 구성요소가 다른 구성요소 "위에", "연결되어", 또는 "결합되어" 있는 것으로 기재되어 있는 경우, 이는 직접적으로 다른 구성요소 "위에", "연결되어", 또는 "결합되어" 있는 것일 수 있고, 또한 양 구성요소 사이에 하나 이상의 다른 구성요소를 개재하여 있을 수 있다. 대조적으로, 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 위에", "직접적으로 연결되어", 또는 "직접적으로 결합되어" 있는 것으로 기재되어 있는 경우, 양 구성요소 사이에는 다른 구성요소가 개재되어 있을 수 없다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 개시를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것이 아니다.
본 개시는 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 개시를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 개시의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 개시를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 본 개시의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 표면증강라만산란 패치의 개략적 단면도이다.
도 1은 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 표면증강라만산란 패치(100)는 검출 분자(T)가 투과되는 필름(10); 상기 필름(10) 상에 형성된 금속 함유 나노구조체층(20); 및 상기 금속 함유 나노구조체층(20) 상에 형성되어, 외부 물질이 투입되는 것을 방지하는 보호층(30);을 포함한다.
상기 필름(10)은 인체 등 피검체로부터 방출되는 검출 분자(T)를 흡수하여 상기 금속 함유 나노구조체층(20)으로 투과시킬 수 있다면 특별한 제한이 없다. 상기 검출 분자(T)는 고체, 액체, 및 기체를 모두 포함할 수 있으나, 표면증강라만산란 패치(100)가 인체 내의 마약 등 약물 검사에 이용되는 경우 수용성 물질일 수 있다. 상기 검출 분자(T)는 예를 들어 마약, 오남용 약물, 혈당, 유해물질 등을 포함할 수 있다.
상기 필름(10)은 단백질 필름(10)일 수 있다. 단백질 필름(10)은 피검체가 인체인 경우 땀 등으로부터 방출되는 마약 등 검출 분자(T)를 용이하게 흡수하여 금속 함유 나노구조체층(20)으로 투과시킬 수 있다. 또한, 단백질 필름(10)은 인체에 유해하지 않고 면역반응을 유발하지 않아 생체 적합성이 우수하다.
상기 단백질 필름(10)은 실크, 콜라겐, 엘라스틴, 케라틴, 및 리플렉틴에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 필름(10)은 1 nm ~ 1 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니나, 필름(10)의 두께가 1 nm 미만이면 검출 분자(T)를 충분히 흡수할 수 없을 수 있고, 1 ㎛ 초과이면 흡수된 검출 분자(T)가 금속 함유 나노구조체층(20)으로 도달하기 용이하지 않을 수 있다.
상기 금속 함유 나노구조체층(20)은 필름(10) 일면에 형성되어 필름(10)을 통과하여 도달된 검출 분자(T)를 함유할 수 있다. 금속 함유 나노구조체층(20)에는 다수의 금속 함유 나노구조체가 존재하고 다수의 금속 함유 나노구조체 간에 나노갭이 플라즈몬 공명을 일으키는 핫스팟(hot spots)이 되기 때문에 광조사 시에 라만 신호가 증강되는 것에 기여할 수 있다.
상기 금속 함유 나노구조체층(20)은 나노입자 및 나노와이어(22) 중 1종 이상으로 이루어질 수 있다. 상기 나노입자는 구형, 삼각형, 별, 막대기, 튜브 등 다양한 형상의 나노입자일 수 있고, 나노입자의 형상에는 특별한 제한이 없다.
상기 금속 함유 나노구조체층(20)은 1 ~ 30 ㎛의 길이를 갖는 나노와이어(22)로 이루어질 수 있다. 나노와이어(22)는 불규칙한 방향으로 적층되어 다수의 교차점(cross point)을 형성한다. 상기 교차점 근처에서는 나노갭이 형성되어 플라즈몬 공명을 일으키는 핫스팟(hot spots)이 되기 때문에 광조사 시에 라만 신호가 증강되는 것에 크게 기여할 수 있어 금속 함유 나노구조체층(20)은 나노와이어(22)로 형성하는 것이 적합할 수 있다. 또한, 금속 함유 나노와이어(22)는 일정한 배향성을 지니지 않고 불규칙적인 방향을 갖기 때문에 라만 신호를 이용한 분석 시에 레이저의 방향성에 따른 결과의 차이가 거의 없는 이점이 있다.
핫스팟들은 수직적으로도 수평적으로도 형성될 수 있다. 이러한 금속 함유 나노와이어(22)가 두껍게 적층될수록 라만 신호가 증강될 수 있으나 일정 두께 이상에서는 라만 신호가 뚜렷이 증가하지 않을 수 있다.
상기 금속 함유 나노구조체층(20)은 1 nm ~ 1 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니나, 금속 함유 나노구조체층(20)의 두께가 1 nm 미만이면 검출 분자(T)를 충분히 흡수할 수 없을 수 있고, 1 ㎛ 초과이면 라만 신호가 뚜렷이 증가하지 않을 수 있다.
상기 금속 함유 나노구조체층(20)은 5 ~ 100 nm의 직경을 갖는 나노입자 및 나노와이어 중 1종 이상으로 이루어질 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니나, 나노입자 및 나노와이어(22)의 직경이 5 ~ 100 nm인 경우 플라즈몬 공명을 일으키는 핫스팟(hot spots)이 활성화될 수 있어 광조사 시에 라만 신호가 증강되는 것에 기여할 수 있다.
상기 금속 함유 나노구조체층(20)의 금속은 SERS 특성을 나타낼 수 있는 모든 금속을 포함할 수 있고, Ag, Au, Al, Co, Cu, Fe, Li, Ni, Pd, Pt, Rh, Ru, 또는 이의 합금일 수 있다.
상기 필름(10)과 상기 금속 함유 나노구조체층(20) 사이에 계면층(미도시)을 포함할 수 있다. 상기 필름(10)과 상기 금속 함유 나노구조체층(20)이 동시에 경화되는 경우, 표면증강라만산란 패치(100)는 필름(10)과 금속 함유 나노구조체층(20) 사이에 계면층이 형성될 수 있다.
상기 보호층(30)은 금속 함유 나노구조체층(20) 상에 형성되어, 표면증강라만산란 패치(100)가 피검체에 부착된 상태에서 외부 물질이 투입되어 금속 함유 나노구조체층(20)에 흡수된 검출 분자(T)을 오염시키는 것을 방지하는 역할을 한다.
상기 보호층(30)은 상기 검출 분자(T)가 투과되는 것을 방지할 수 있도록 구성될 수 있다. 이러한 구성에 의해, 금속 함유 나노구조체층(20)에 흡수된 검출 분자(T)가 농축되어 검출 효율을 높일 수 있다.
상기 보호층(30)은 라만 레이저가 통과할 수 있도록 구성될 수 있다. 인체 등 피검체에 부착된 표면증강라만산란 패치(100)를 떼어 내어 라만분광 분석기를 이용하여 검출 분자(T)를 측정하기 위해 상기 보호층(30)은 라만 레이저가 통과할 수 있을 정도로 투명한 것이 적합하다.
본원에 있어 라만 레이저는 물질에 강한 여기광을 조사하여 유도 라만산란(산란광의 증폭현상)을 일으켰을 때 발생하는 조사광과 주파수가 다른 스펙트럼 성분, 즉 스토크스선 또는 반스토크스선의 주파수로 코히어런트광을 발생하도록 한 레이저를 의미한다. 본원에 있어 라만 레이저는 공지된 다양한 파장의 레이저를 포함하며, 200 ~ 900 nm 파장의 레이저를 의미하나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 보호층(30)은 상기 금속 함유 나노구조체층(20)과 접하는 면에 접착면(32)을 구비할 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 상기 보호층(30)을 이용하여 표면증강라만산란 패치(100)를 피검체에 용이하게 부착할 수 있다. 또한, 기판상에 상기 필름(10) 및 상기 금속 함유 나노구조체층(20)을 적층하여 형성한 경우, 상기 필름(10) 및 상기 금속 함유 나노구조체층(20)을 상기 보호층(30)에 전사하여 표면증강라만산란 패치(100)를 제조할 수 있다.
상기 표면증강라만산란 패치(100)는 상기 보호층(30) 상에 별도의 접착층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 보호층(30) 및 접착층은 라만 레이저가 통과할 수 있을 정도로 투명하게 구성될 수 있다.
상기 보호층(30)은 액체에 용해된 또는 액체인 검출 분자(T) 및 외부 물질이 투과되는 것을 방지할 수 있도록 방수성을 구비할 수 있다.
본원의 표면증강라만산란 패치(100)는 피부 이외에 신체 기관(예를 들어, 코 점막, 안구 등)에 부착되어 사용될 수 있다.
다른 측면에 따르면, 본원에 기재된 표면증강라만산란 패치를 포함하는, 부착형 표면증강라만산란 센서가 제공된다.
상기 부착형 표면증강라만산란 센서는, 인간 포함 동물, 식물, 식품 포장, 또는 약품 포장에 부착하여 사용될 수 있다. 따라서, 상기 부착형 표면증강라만산란 센서는, 인체에 부착되어 마약, 오남용 약물, 혈당 등을 검출할 수 있다. 또한, 상기 부착형 표면증강라만산란 센서는, 인간 이외의 동물, 식물, 식품 포장, 또는 약품 포장(예를 들어 수액 팩 표면)에 부착되어 유해 물질 유무, 오염 여부, 또는 포장 기밀성 등을 검사할 수 있다.
본원에서는 표면증강라만산란을 중심으로 설명하였으나, 형광으로도 검출 분자를 측정하는 것을 포함한다. 또한, 본원의 표면증강라만산란 패치는 다양한 광학적 검출에도 이용 가능하지만 소자화를 시켜 전기화학적 센서로도 사용할 수 있다.
도 2a ~ 도 2c는 일 실시예에 따른 표면증강라만산란 패치의 제조방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.
부착형 표면증강라만산란 패치의 제조방법은 단백질 용액을 코팅하여 단백질 필름(10)을 형성하는 단계; 상기 단백질 필름(10) 상에 금속 함유 나노구조체 용액을 코팅하여 금속 함유 나노구조체층(20)을 형성하는 단계; 및 건조 후 금속 함유 나노구조체층(20) 상에 보호층(30)을 형성하는 단계를 포함한다.
도 2a를 참조하면, 단백질 필름(10)을 형성하는 단계는 기판(40) 상에 단백질 용액을 적가한 후 코팅하여 단백질 필름(10)을 형성할 수 있다.
상기 기판(40)은 소수성 표면을 가지는 기판일 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 부착형 표면증강라만산란 패치의 제조를 위해 단백질 필름(10) 및 금속 함유 나노구조체층(20)을 보호층(30)으로 전사할 때, 전사가 용이하다.
상기 단백질 필름(10)은 스핀코팅, 스프레이 코팅, 바코팅(bar coating) 등 다양한 코팅 방법으로 형성할 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니나, 스핀코팅을 이용하면 균일하고 신속하게 코팅을 할 수 있다.
이에 제한되는 것은 아니나, 상기 기판은 폴리스티렌 필름 또는 디쉬일 수 있다. 본원의 일 실시예에서는 상기 기판으로 소수성인 폴리스티렌의 페트리 디쉬 뚜껑을 이용하였으며, 스핀 코팅으로 단백질 필름(10)을 형성하였다.
상기 단백질 필름(10)을 형성하는 단계는 기판(40)에 단백질 용액을 코팅한 후 단백질 용액을 경화하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 단백질 필름(10) 상에 금속 함유 나노구조체층(20)을 용이하게 코팅할 수 있다.
상기 단백질 필름(10)은 단백질 용액을 35 uL/cm2 이상의 코팅량으로 코팅하여 형성하는 것이 검출 분자(T)를 충분히 흡수할 수 있어 적합할 수 있다.
또한, 상기 단백질 필름(10)은 단백질 용액의 농도를 1 ~ 40 중량%로 하여 형성하는 것이 검출 분자(T)를 충분히 흡수할 수 있어 적합할 수 있다.
상기 단백질 필름(10)은 1 nm ~ 1 ㎛의 두께로 형성할 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니나, 필름(10)의 두께가 1 nm 미만이면 검출 분자(T)를 충분히 흡수할 수 없을 수 있고, 1 ㎛ 초과이면 흡수된 검출 분자(T)가 금속 함유 나노구조체층(20)으로 도달하기 용이하지 않을 수 있다.
도 2b를 참조하면, 금속 함유 나노구조체층(20)을 형성하는 단계는 단백질 필름(10) 상에 금속 함유 나노구조체 분산액을 적가하여 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 금속 함유 나노구조체 분산액은 금속 함유 나노구조체를 유기용매에 분산하여 제조할 수 있다. 이때 유기용매는 금속 함유 나노구조체를 분산시키고 단백질 필름(10)을 경화시키는 역할을 한다.
상기 유기용매는 에탄올, 메탄올, 및 이소프로필알콜 등이 포함된다. 본원의 일 실시예에서는 은 나노와이어를 에탄올에 분산하여 분산액을 제조하여 코팅하여 금속 함유 나노구조체층(20)을 형성하였다.
상기 금속 함유 나노와이어(22)를 코팅하는 방법은 드랍캐스팅(drop casting), 화학증착, 스프레이드라이(spray dry), 바코팅(bar coating), 스핀코팅(spin coating) 등 다양한 방법을 적용할 수 있다.
상기 금속 함유 나노구조체층(20)을 형성하는 단계는 단백질 필름(10)을 코팅한 후 경화 전에 금속 함유 나노구조체의 유기용매 분산액을 적가한 후 코팅하여 금속 함유 나노구조체층(20)을 형성한 후 밀봉하는 단계를 포함할 수 있다. 상기와 같은 구성에 의하면, 금속 함유 나노구조체층(20)을 코팅하면서 동시에 단백질 필름(10)을 경화할 수 있다. 이때 밀봉은 단백질 필름(10)이 유기용매에 의해 충분히 경화되기 전에 유기용매가 휘발되거나 건조되는 것을 예방하는 역할을 한다. 금속 함유 나노구조체층(20)을 코팅하면서 동시에 단백질 필름(10)을 경화하면, 필름(10) 및 금속 함유 나노구조체층(20) 사이에 계면층이 형성될 수 있고, 라만 신호도 증강될 수 있다.
상기 단백질 필름(10)은 1 시간 이상 경화해야 하며, 에탄올 분산액을 이용하는 경우 1 시간 경화를 유지하기 위해 밀봉 등으로 에탄올 증발을 방지해야 한다. 따라서 밀봉 상태에서 경화를 진행하는 것이 적합할 수 있다.
상기 단백질 필름(10)의 경화가 마무리가 된 후, 밀봉을 해제하고 건조할 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니나, 상기 건조는 상온에서 이루어질 수 있다.
금속 함유 나노와이어(22)는 인접한 금속 함유 나노와이어(22)와 표면 플라즈몬 공명을 유도하는 나노갭을 형성할 수 있도록 금속 함유 나노와이어(22)의 크기 및 밀도를 조절할 수 있다.
금속 함유 나노와이어(22)가 적층되는 밀도 또는 두께의 조절은 여러 가지 요소로 달성될 수 있으며, 일 실시예에서는 분산액 내 금속 함유 나노와이어(22)의 농도를 이용하여 조절하였다.
상기 금속 함유 나노구조체층(20)은 1 nm ~ 1 ㎛의 두께로 형성될 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니나, 금속 함유 나노구조체층(20)의 두께가 1 nm 미만이면 검출 분자(T)를 충분히 흡수할 수 없을 수 있고, 1 ㎛ 초과이면 라만 신호가 뚜렷이 증가하지 않을 수 있다.
본원에서는 금속 함유 나노구조체층(20)의 두께는 라만 신호의 증가가 포화되는 두께로 표현할 수 있다. 라만 신호가 뚜렷이 증가하지 않는 두께를 미리 알고 있으면 이를 제조과정에 활용할 수 있다. 즉, 라만 신호가 뚜렷이 증가되지 않기 시작하는 두께를 기록하여 설정하여 두고 이를 기준으로 금속 함유 나노와이어(22)가 적층되는 두께를 설정할 수 있다. 이렇게 하면, 라만 신호를 이용한 분석 시에 레이저 초점 거리에 따른 의존성이 적다.
도 2c를 참조하면, 상기 보호층(30)을 형성하는 단계는 금속 함유 나노구조체층(20)과 접하는 면에 접착면(32)을 구비하는 보호층(30)을 금속 함유 나노구조체층(20)과 접촉시켜, 단백질 필름(10) 및 금속 함유 나노구조체층(20)을 보호층에 전사하는 단계일 수 있다.
도 3a는 본원 방법에 의해 제조된 표면증강라만산란 패치의 사진이다. 도 3b는 도 3a의 표면증강라만산란 패치를 피부에 부착한 상태를 보여주는 사진이다.
도 3a을 참조하면, 상기 보호층(30)의 접착면(32)의 일부를 덮는 이면지(34)를 더 포함할 수 있다. 상기 이면지(34)를 제거하고 도 3b와 같이 피부에 부착할 수 있다.
도 4a는 일 실시예에 따른 나노와이어층이 일면에 형성된 필름의 주사전자현미경(SEM) 사진이다. 도 4b는 일 실시예에 따른 필름상에 형성된 나노와이어층의 주사전자현미경(SEM) 사진이다. 도 4c는 일 실시예에 따른 표면증강라만산란 패치의 보호층 표면의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
이하, 본 발명을 실시예를 통해 보다 상세하게 설명한다.
[ 실시예 ]
1. 실크 단백질 필름의 형성
폴리스티렌 디쉬 상에 실크 단백질 (Silk fibroin)을 하기 조건으로 스핀코팅하여 실크 단백질 필름을 형성하였다.
실크 단백질 농도 : 3 wt% 및 6 wt%
스핀코팅 속도 : 1000 rpm
실크 단백질 두께 : 3 wt%: 60 nm, 6 wt%: 120 nm
코팅 양: 35uL/cm2
2. 금속 함유 나노구조체층 형성
상기 1. 스핀코팅 단백질 필름 상에 은 나노와이어 코팅을 하기 조건으로 실시하였다.
코팅 물질: 은 나노선 (diameter 20-25 nm, 0.15 wt% 에탄올 분산액)
코팅 양: 35uL/cm2 도포
밀봉 후 경화한 시간: 1h
페트리 디쉬 안에 밀봉하여 실크 단백질 경화 및 은 나노와이어 계면 형성
상온 건조 (밀봉 없음)
3. 표면증강라만산란 패치 제작
하기와 같이 금속 나노 구조체 형성된 실크 단백질 필름을 3M사 테가덤(Tegaderm™) 1624w에 전사(transfer)하였다.
보다 구체적으로 테가덤 패치의 접착면을 금속 함유 나노구조체가 형성된 실크 단백질 필름 위에 직접 닿게 하여 문지른 후 떼어내어 필름 전체를 테가덤 패치에 전사하였다(도 3a).
도 5a는 일 실시예에 따라 필름 두께가 60 nm인 표면증강라만산란 패치의 단면 사진이다. 도 5b는 일 실시예에 따른 필름 두께가 120 nm인 표면증강라만산란 패치의 단면 사진이다.
실험예
1. 실크 단백질 필름의 분자 투과 능력
본 발명의 실크 단백질 필름은 검출 대상 분자가 함유된 수용액과 닿을 시 일정 크기 이하의 분자는 필름을 통과하여 금속 함유 나노구조체에 스며들게 하고 일정 크기 이상의 분자 및 매트릭스(matrix) 물질들은 걸러내는 멤브레인 막으로써 작용한다.
도 6a는 일 실시예에 따른 표면증강라만산란 패치를 이용하여 시간에 따른 메틸렌 블루(MB) 투과 실험을 한 결과를 나타낸 그래프이다. 120 nm 두께의 실크 단백질로 제작된 표면증강라만산란 패치를 이용하여 예시 분자인 메틸렌 블루 (MB) 10uM 수용액을 이용하여 투과 검증실험을 진행하였다. 도 6a는 10uM 의 MB 용액에 표면증강라만산란 패치를 넣고 시간별로 MB 용액의 MB 농도 변화를 측정하기 위해 상층액 흡광도를 측정한 예시이다. 시간이 지날수록 용액 내 MB의 흡광도가 줄어드는 것은 MB가 표면증강라만산란 패치에 흡수되고 있음을 의미한다.
실크 단백질의 분자 투과능력을 검증하기 위해 접착면이 노출된 테가덤 패치, 표면증강라만산란 패치에서 금속 함유 나노구조체가 제외된 경우, 접착면이 비노출된 테가덤 패치를 대조군으로 하여 10 uM MB 수용액에서 흡광도 변화를 측정하였다.
도 6b는 3% 농도의 실크 단백질을 이용하여 제조된 표면증강라만산란 패치를 이용하여 메틸렌 블루(MB) 투과 실험을 한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 6c는 6% 농도의 실크 단백질을 이용하여 제조된 표면증강라만산란 패치를 이용하여 메틸렌 블루(MB) 투과 실험을 한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6b 및 도 6c의 경우 각 대조군의 흡광도 변화량을 투과 MB 질량으로 환산하여 도식화한 그래프이다. 변화량 환산은 MB 농도별 흡광도 검출선을 구하고 초기농도에서 투과량 차이를 몰수로 계산하여 나타내었다.
도 6b 및 도 6c의 Silk+AgNW+Patch는 표면증강라만산란 패치, Silk+Patch의 경우 표면증강라만산란 패치에서 금속 나노구조체를 제외한 경우, Patch는 접착면이 노출된 테가덤 패치, 패치의 보호층(Protecting layer)은 접착면이 비노출된 테가덤 패치를 의미한다. Silk+AgNW+Patch와 Silk+Patch의 경우 통계적으로 MB 분자량 투과능력에 차이가 없고 이는 MB 분자 투과는 실크 단백질 필름에 의해서 결정됨을 의미한다. 접착면이 노출된 테가덤 패치의 경우 접착면의 접착성 때문에 MB 분자가 일정부분 흡착된 것으로 판단된다. 접착면이 비노출된 테가덤 패치의 경우 MB 분자가 흡수되지 않음을 보여준다. 패치의 접착면의 경우 실제 표면증강라만산란 패치에서는 실크 단백질 필름에 의해 노출되지 않으므로 수용액 내 분자는 실크 필름을 통해서 표면증강라만산란 패치 내로 투과됨을 알 수 있다. 또한, 시간에 따라 투과량이 증가함을 보여준다.
3. 표면증강라만산란 패치의 분자 검출 능력
도 7a ~ 도 7d는 일 실시예에 따른 표면증강라만산란 패치를 이용하여 메틸렌 블루(MB)를 측정하는 방법을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 7a ~ 도 7d를 참조하면, 표면증가라만 산란 패치의 분자 검출 능력을 확인하기 위하여, 실리콘 웨이퍼 상 검출 분자를 5uL 용적하고 표면증강라만산란 패치의 실크 단백질 부분을 용적 용액에 덮어 검출 분자의 투과를 유도하였다.
이후 시간별 신호 측정의 실시예를 제외하고는 모두 최소 4시간 이상 용적 용액의 건조를 완료하여 라만신호를 측정하였다. 라만신호 측정조건은 특별한 언급이 없는 한 5mW, 노출시간 0.5초로 고정하였다.
1) LOD
3%와 6%의 실크 단백질 상에 형성된 표면증강라만산란 패치를 이용하여 MB 분자의 검출 한계를 측정하였다.
도 8a는 3% 농도의 실크 단백질을 이용하여 제조된 표면증강라만산란 패치를 이용하여 측정된 메틸렌 블루(MB)의 농도에 따른 라만신호 그래프이다. 도 8b는 6% 농도의 실크 단백질을 이용하여 제조된 표면증강라만산란 패치를 이용하여 측정된 메틸렌 블루(MB)의 농도에 따른 라만신호 그래프이다.
MB의 수용액의 농도는 1uM, 500 nM, 100 nM, 50 nM, 10 nM을 준비하여 각 10 uL씩 용적 후 24시간 후 측정하였다. 각각의 경우 모두 검출한계는 10nM 이고 이는 10uL의 용적 양을 고려하였을 때 32 pg에 해당하는 MB를 검출할 수 있는 것으로 계산된다.
2) 검출 분자가 축적되는 경우
용액을 순차적으로 용적 - 건조를 반복적으로 실시하였을 때 라만 신호 증가 여부를 확인하였다. 수용액이 실크 단백질 필름을 통과하고 난 이후 추가적인 검출 분자 투과 시 검출 가능 여부를 알아보기 위함이다. MB 용액 100 nM을 10uL씩 용적 후 12시간 건조, 라만 측정을 4회 반복하였다.
도 9는 일 실시예에 따른 표면증강라만산란 패치의 축적된 검출분자의 신호 검출을 나타내는 그래프이다. 도 9에 나타난 바와 같이, 실크 단백질 필름을 통하여 100 nM의 MB 용액이 4번 반복 투과되었을 시 라만 신호가 순차적으로 커지는 것을 보여준다. 이는 장시간 표면증강라만산란 패치를 이용하였을 시 축적된 검출분자의 신호를 검출 가능하다는 것을 보여준다.
3) 검출 분자의 분자량에 따른 실크 단백질의 물질 투과능력 비교
검출 분자의 분자량에 따른 실크 단백질 물질 투과 능력을 비교하였다.
분자량 137인 아미노벤조산(aminobenzoic acid, ABA), 분자량 319인 메틸렌 블루(methylene blue, MB), 분자량 479인 로다민(Rhodamine, Rho)에 대해 각 농도 1mM, 10 uM, 10 uM, 10uL 용적 후 시간별 라만신호를 측정하였다. 시간 간격은 1분, 10분, 20분, 30분, 40분, 50분, 1시간, 1시간 30분, 2시간, 3시간 4시간, 24시간에 대해 측정하였다.
도 10a는 일 실시예에 따른 표면증강라만산란 패치를 이용하여 아미노벤조산(ABA)의 시간에 따른 실크 단백질의 투과력을 확인 결과를 나타낸 라만신호 그래프이다. 도 10b는 일 실시예에 따른 표면증강라만산란 패치를 이용하여 메틸렌 블루(MB)의 시간에 따른 실크 단백질의 투과력을 확인 결과를 나타낸 라만신호 그래프이다. 도 10c는 일 실시예에 따른 표면증강라만산란 패치를 이용하여 로다민(Rho)의 시간에 따른 실크 단백질의 투과력을 확인 결과를 나타낸 라만신호 그래프이다.
도 10a는 ABA의 시간별 라만신호로 ABA에 해당하는 라만 신호 ~1380 cm-1, 1600 cm-1 등에서 1분 후부터 라만신호가 검출되었다. 도 10b는 MB의 시간별 라만신호로 MB에 해당하는 ~1400 cm-1, 1640 cm-1 등에서 40분부터 라만신호가 검출되었다. 도 10c는 Rhod의 시간별 라만신호로 Rhod에 해당하는 ~ 620 cm-1, 1640 cm-1 등에서서 50분부터 라만신호가 검출되었다.
상기 결과에 의해 분자량이 작을수록 실크 단백질 필름 투과가 빠르게 일어나고, 분자량이 클수록 필름 투과가 늦게 일어나 라만신호 검출에 상대적인 시간차이가 나타남을 알 수 있다. 라만신호가 나타나는 시점은 측정 레이저 파워, 노출 시간 등 검출 장비의 성능에 따라 다를 수 있지만 분자량별 검출 가능 시간은 분자량이 작은 순서대로 상대적으로 빠르게 나타난다.
이상 본 개시를 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 개시를 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 개시는 이에 한정되지 않으며, 본 개시의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다. 본 개시의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 개시의 영역에 속하는 것으로 본 개시의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100: 표면증강라만산란 패치
10: 필름
20: 금속 함유 나노구조체층
22: 나노와이어
30: 보호층
32: 접착면
34: 이면지

Claims (20)

  1. 피검체로부터 방출되는 검출 분자가 투과되는 단백질 필름;
    상기 필름 상에 형성된 금속 함유 나노구조체층; 및
    상기 금속 함유 나노구조체층 상에 형성되어, 피검체의 외부 물질이 투입되는 것을 방지하는 보호층;을 포함하는, 피검체의 외면 부착형 표면증강라만산란 패치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 필름은 1 nm ~ 1 ㎛의 두께를 갖는, 표면증강라만산란 패치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속 함유 나노구조체층은 1 nm ~ 1 ㎛의 두께를 갖는, 표면증강라만산란 패치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 함유 나노구조체층은 나노입자 및 나노와이어 중 1종 이상으로 이루어진, 표면증강라만산란 패치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 금속 함유 나노구조체층은 1 ~ 30 ㎛의 길이를 갖는 나노와이어로 이루어진, 표면증강라만산란 패치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 금속 함유 나노구조체층은 5 ~ 100 nm의 직경을 갖는 나노입자 및 나노와이어 중 1종 이상으로 이루어진, 표면증강라만산란 패치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 금속 함유 구조체층의 금속은 Ag, Au, Al, Co, Cu, Fe, Li, Ni, Pd, Pt, Rh, Ru, 또는 이의 합금인, 표면증강라만산란 패치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 필름과 상기 금속 함유 나노구조체층 사이에 계면층을 포함하는, 표면증강라만산란 패치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 보호층은 상기 검출 분자가 투과되는 것을 방지하는, 표면증강라만산란 패치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 보호층은 라만 레이저가 통과하는, 표면증강라만산란 패치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 보호층은 접착면을 구비하는, 표면증강라만산란 패치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 보호층 상에 형성되는 접착층을 더 포함하고,
    상기 보호층 및 접착층은 라만 레이저가 통과하는, 표면증강라만산란 패치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 보호층은 방수성을 구비하는, 표면증강라만산란 패치.
  15. 제1항 및, 제3항 내지 제14항 중 어느 한 항에 기재된 표면증강라만산란 패치를 포함하는, 부착형 표면증강라만산란 센서.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 부착형 표면증강라만산란 센서는, 동물, 식물, 식품 포장, 또는 약품 포장에 부착하여 사용되는, 부착형 표면증강라만산란 센서.
  17. 제15항의 부착형 표면증강라만산란 센서의 제조방법으로,
    단백질 용액을 코팅하여 단백질 필름을 형성하는 단계;
    상기 단백질 필름상에 금속 함유 나노구조체 용액을 코팅하여 금속 함유 나노구조체층을 형성하는 단계; 및
    건조 후 금속 함유 나노구조체층 상에 보호층을 형성하는 단계를 포함하는,
    부착형 표면증강라만산란 센서의 제조방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 단백질 용액은 소수성 표면을 가지는 기판에 코팅되는,
    부착형 표면증강라만산란 센서의 제조방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 금속 함유 나노구조체층을 형성하는 단계는 금속 함유 나노구조체 용액을 코팅한 후 단백질 필름을 경화하는 단계를 포함하는, 부착형 표면증강라만산란 센서의 제조방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 보호층을 형성하는 단계는 금속 함유 나노구조체층을 보호층의 접착면에 접촉시켜 단백질 필름 및 금속 함유 나노구조체층을 보호층에 전사하는 단계인, 부착형 표면증강라만산란 센서의 제조방법.
KR1020180082278A 2018-07-16 2018-07-16 표면증강라만산란 패치 및 이를 이용한 부착형 센서 KR102197549B1 (ko)

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