KR102434781B1 - 3D Plasmonic Composite Structures with Ultrathin Hydrogel Skin - Google Patents

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Abstract

제1 금속으로 이루어진 금속 나노와이어; 및 상기 금속 나노와이어 표면에 형성된 제2 금속으로 이루어진 금속 나노입자;를 포함하는 나노 구조체; 및 상기 나노 구조체를 둘러싸는 하이드로젤 스킨;을 포함하는 플라즈모닉 복합 구조체가 개시된다.a metal nanowire made of a first metal; and metal nanoparticles made of a second metal formed on the surface of the metal nanowire; And a hydrogel skin surrounding the nanostructure; a plasmonic composite structure comprising a is disclosed.

Description

초박형 하이드로젤 스킨 3D 플라즈모닉 복합 구조체{3D Plasmonic Composite Structures with Ultrathin Hydrogel Skin}3D Plasmonic Composite Structures with Ultrathin Hydrogel Skin

초박형 하이드로젤 스킨 3D 플라즈모닉 복합 구조체에 관한 것으로, 표면 증강 라만 산란을 이용하여 전처리 없이 복잡한 혼합물에서 독성 분자를 검출하기 위하여 플라즈모닉 나노 구조체 표면에 크기에 대해 선택적 투과도를 가지는 초박형 하이드로젤 스킨이 코팅된 플라즈모닉 복합 구조체에 관한 것이다.Ultra-thin hydrogel skin 3D plasmonic complex structure, in which an ultra-thin hydrogel skin having selective permeability with respect to size is coated on the surface of a plasmonic nanostructure to detect toxic molecules in a complex mixture without pretreatment using surface-enhanced Raman scattering It relates to a plasmonic complex structure.

표면 강화 라만 분광법(surface-enhanced raman spectroscopy, SERS) 기술은 금속 나노구조에서 국소 표면 플라즈몬 공명(localized surface plasmon resonance, LSPR) 효과를 통해 분자의 라만 신호를 증폭한다. SERS 기술은 분자 지문의 빠르고 민감하며 비파괴적인 검출을 가능하게 하므로 바이오 감지, 화학 분석 및 환경 보안 테스트의 다양한 분야에서 분자 분석에 널리 사용된다. 높은 신호 향상을 달성하여 높은 감도를 보장하기 위해 플라즈모닉 나노구조는 플라즈모닉 핫스팟(plasmonic hotspots) 역할을 하는 나노 크기 기능 또는 나노 갭을 갖도록 설계되었다. 플라즈모닉 핫스팟은 LSPR 커플링 효과를 통해 1010 만큼 높은 신호 향상을 제공할 수 있다. 따라서, 고밀도 핫스팟의 제어된 생산은 고감도 SERS 칩 및 센서 개발을 위한 가장 중요한 설계 규칙 중 하나이다. Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) technology amplifies molecular Raman signals through localized surface plasmon resonance (LSPR) effects in metal nanostructures. SERS technology is widely used for molecular analysis in various fields of biosensing, chemical analysis and environmental security testing as it enables fast, sensitive and non-destructive detection of molecular fingerprints. To achieve high signal enhancement to ensure high sensitivity, plasmonic nanostructures were designed with nanoscale features or nanogaps that act as plasmonic hotspots. Plasmonic hotspots can provide signal enhancement as high as 10 10 through the LSPR coupling effect. Therefore, the controlled production of high-density hotspots is one of the most important design rules for developing high-sensitivity SERS chips and sensors.

SERS 기술은 분자 라만 신호를 크게 향상 시키지만 복잡한 혼합물에서 작은 표적 분자를 직접 감지하는 것은 여전히 어렵다. 플라즈모닉 나노 구조체의 표면은 단백질과 같은 큰 접착 분자의 비특이적 결합에 의해 오염되기 쉽기 때문에 작은 표적 분자의 흡착이 억제되어 신호 대 잡음비가 낮다. 따라서 복잡한 혼합물에서 표적 분자를 선택적으로 검출하는 것은 어렵지만 식품, 생물학적 유체(혈액, 타액 등) 및 환경 유체를 포함한 다양한 샘플의 실제 분자 분석에 매우 중요하다.Although the SERS technique greatly improves molecular Raman signals, it is still difficult to directly detect small target molecules in complex mixtures. Since the surface of the plasmonic nanostructure is easily contaminated by non-specific binding of large adhesion molecules such as proteins, adsorption of small target molecules is suppressed, resulting in a low signal-to-noise ratio. Therefore, while it is difficult to selectively detect target molecules in complex mixtures, they are of great importance for real-world molecular analysis of various samples including food, biological fluids (blood, saliva, etc.) and environmental fluids.

선택적 검출을 달성하기 위해 플라즈모닉 나노구조는 접착 분자의 비특이적 결합을 방지하거나 표적 분자를 선택적으로 포획하도록 추가로 설계된다. 예를 들어, F. Sun 외 7인은 쯔비터이온성티올(zwitterionic thiol) (즉, N,N-dimethyl-cysteamine-carboxybetaine) 및 4-머캅토벤조산(4-mercaptobenzoic acid)으로 변형된 금속 표면, 여기서 티올은 단백질 결합을 방지하고 벤조산 그룹은 표적 과당 분자의 선택적 포획을 가능하게 한다(ACS Nano, 2015, 9, 2668-2676). Y. Jia 외 2인은 리포솜에 캡슐화된 금속 나노입자를 사용하여 복잡한 혼합물에서 지정되지 않은 작은 표적 분자를 감지하고 큰 분자는 제외한다. 또한, 금속 나노입자는 미세 유체 시스템을 사용하여 하이드로젤 마이크로 입자의 매트릭스에 로드되어 플라스모닉 나노입자의 표면에 소분자의 주입을 선택적으로 허용할 수 있다. 그러나 리포솜과 마이크로 겔은 검출을 위해 샘플 용액에 현탁되어 용액과 분리하기가 어려운 문제가 있다. 또한, 작은 물체의 SERS 신호를 측정하기 위해서는 고배율 현미경 시스템이 필요하기 때문에 현장 분석이 어렵습니다. 따라서, 작은 분자의 빠르고 간단한 현장 탐지를 가능하게 하는 SERS 칩을 설계하는 것은 여전히 중요하지만 개발되지 않은 상태로 남아 있다.To achieve selective detection, plasmonic nanostructures are further designed to prevent non-specific binding of adhesion molecules or to selectively capture target molecules. For example, F. Sun et al. 7 described a metal surface modified with zwitterionic thiol (ie, N,N-dimethyl-cysteamine-carboxybetaine) and 4-mercaptobenzoic acid, Here, thiols prevent protein binding and benzoic acid groups enable selective capture of target fructose molecules (ACS Nano, 2015, 9, 2668-2676). Y. Jia et al. use liposome-encapsulated metal nanoparticles to detect small, unspecified target molecules in complex mixtures and exclude large molecules. In addition, metal nanoparticles can be loaded into a matrix of hydrogel microparticles using a microfluidic system to selectively allow injection of small molecules to the surface of plasmonic nanoparticles. However, liposomes and microgels are suspended in the sample solution for detection, making it difficult to separate them from the solution. In addition, in situ analysis is difficult because high magnification microscopy systems are required to measure the SERS signal of small objects. Therefore, designing SERS chips that enable fast and simple in situ detection of small molecules remains important but undeveloped.

이에, 혼합물 내에서 크기가 크고 주요 독성 분자를 검출함에 있어서 방해가 되는 초박형 하이드로젤의 크기 선택적 투과를 통해 플라즈모닉 나노 구조체로의 접근을 차단하고 고밀도 나노 구조체의 나노 갭에서 전자기장 증강을 통하여 극미량의 독성물질을 전처리 없이 빠르게 검출할 수 있는 복합 구조체를 제공하고자 한다. Therefore, it blocks access to the plasmonic nanostructures through size-selective penetration of ultra-thin hydrogels that are large in size and interfere with detecting major toxic molecules in the mixture, and enhance the electromagnetic field in the nanogap of high-density nanostructures An object of the present invention is to provide a complex structure that can rapidly detect toxic substances without pretreatment.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에서In order to achieve the above object, in one aspect of the present invention

제1 금속으로 이루어진 금속 나노와이어; 및 상기 금속 나노와이어 표면에 형성된 제2 금속으로 이루어진 금속 나노입자;를 포함하는 나노 구조체; 및a metal nanowire made of a first metal; and metal nanoparticles made of a second metal formed on the surface of the metal nanowire; and

상기 나노 구조체를 둘러싸는 하이드로젤 스킨;을 포함하는 플라즈모닉 복합 구조체가 제공된다.A plasmonic composite structure comprising a; hydrogel skin surrounding the nanostructure is provided.

또한, 본 발명의 다른 측면에서In addition, in another aspect of the present invention

제1 금속으로 이루어진 금속 나노와이어 표면에 제3 금속으로 이루어진 금속 코팅층을 형성하는 단계;forming a metal coating layer made of a third metal on the surface of the metal nanowire made of the first metal;

상기 금속 코팅층에 자가 조립 단층막(Self-assembled monolayer, SAM)을 형성하는 단계; forming a self-assembled monolayer (SAM) on the metal coating layer;

상기 자가 조립 단층막에 제2 금속으로 이루어진 금속 나노입자를 형성하여 나노 구조체를 형성하는 단계; 및forming a nanostructure by forming metal nanoparticles made of a second metal on the self-assembled monolayer; and

상기 나노 구조체에 나노 구조체를 둘러싸는 하이드로젤 스킨을 형성하는 단계;를 포함하는 플라즈모닉 복합 구조체의 제조방법이 제공된다.Forming a hydrogel skin surrounding the nanostructure in the nanostructure; is provided a method of manufacturing a plasmonic composite structure comprising a.

나아가, 본 발명의 다른 일 측면에서Furthermore, in another aspect of the present invention

기판; 및Board; and

상기 기판에 형성된 플라즈모닉 복합 구조체;를 포함하는 타겟 물질 검출용 표면증강 라만 분광용 기판이 제공된다.There is provided a substrate for surface-enhanced Raman spectroscopy for detecting a target material, including a plasmonic complex structure formed on the substrate.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에서In addition, in another aspect of the present invention

기판을 준비하는 단계;preparing a substrate;

상기 기판에 제1 금속으로 이루어진 금속 나노와이어를 형성하는 단계;forming a metal nanowire made of a first metal on the substrate;

상기 금속 나노와이어 표면에 제3 금속으로 이루어진 금속 코팅층을 형성하는 단계;forming a metal coating layer made of a third metal on the surface of the metal nanowire;

상기 금속 코팅층에 자가 조립 단층막(Self-assembled monolayer, SAM)을 형성하는 단계; forming a self-assembled monolayer (SAM) on the metal coating layer;

상기 자가 조립 단층막에 제2 금속으로 이루어진 금속 나노입자를 형성하여 나노 구조체를 형성하는 단계; 및forming a nanostructure by forming metal nanoparticles made of a second metal on the self-assembled monolayer; and

상기 나노 구조체에 나노 구조체를 둘러싸는 하이드로젤 스킨을 형성하는 단계;를 포함하는 타겟 물질 검출용 표면증강 라만 분광용 기판의 제조방법이 제공된다.There is provided a method of manufacturing a substrate for surface-enhanced Raman spectroscopy for detecting a target material, including the step of forming a hydrogel skin surrounding the nanostructure on the nanostructure.

나아가, 본 발명의 또 다른 일 측면에서Furthermore, in another aspect of the present invention

상기의 타겟 물질 검출용 표면증강 라만 분광용 기판을 이용한 타겟 물질 검출방법이 제공된다.A method for detecting a target material using the substrate for surface-enhanced Raman spectroscopy for detecting the target material is provided.

본 발명에 따른 플라즈모닉 복합 구조체는 혼합물 내에서 주요 독성 분자를 검출함에 있어서 방해가 되는 크기가 큰 물질을 초박형 하이드로젤의 크기 선택적 투과를 통해 플라즈모닉 나노 구조체로의 접근을 차단하고 고밀도 나노구조체의 나노갭에서 전자기장 증강을 통하여 극미량의 독성물질을 전처리 없이 빠르게 검출할 수 있다.The plasmonic composite structure according to the present invention blocks access to the plasmonic nanostructure through size-selective permeation of a large-sized material that interferes with the detection of major toxic molecules in the mixture, and the high-density nanostructure Through the enhancement of the electromagnetic field in the nanogap, trace amounts of toxic substances can be quickly detected without pretreatment.

도 1은 (a) 계층적 플라즈모닉 나노 구조체의 제조 공정에 대한 개략도이고, (b) 다중 스택 Ag NW의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지이며, 삽입된 그림은 각각 다중 스택 Ag NW를 포함하는 6 × 6 어레이의 마이크로 웰을 나타낸 것이고, (c, d) 표면을 두 가지 다른 배율로 찍은 Ag NP로 장식된 다중 스택 Au-Ag NW의 SEM 이미지이며, (e) FDTD 시뮬레이션에 의해 계산된 633 nm의 파장에 대해 Ag NP로 장식된 교차된 Ag NW의 교차점에서의 전기장 분포를 나타낸 것으로 흰색 점선은 구조의 경계를 나타내는 것이고, (f) 표시된 바와 같이 Ag의 네 가지 증착 조건을 갖는 계층 적 플라즈모닉 나노 구조체에서 측정된 메틸렌블루(MB)의 라만 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 2는 (a) 단일 기판에서 복수 개의 마이크로 웰 구조를 제조하는 공정에 대한 개략도를 나타낸 것이고, (b) 마이크로 웰 어레이의 이미지를 나타낸 것이고, (c) 공초점 현미경으로 얻은 4 개의 서로 다른 간격을 가진 마이크로 웰 어레이의 3D 토폴로지를 나타낸 것이다.
도 3은 (a) 2 ㎕, 4 ㎕, 6 ㎕ 및 8 ㎕의 4 가지 다른 부피의 Ag NW 수성 현탁액을 증착하여 준비된 Ag NW의 3D 다중 스택의 SEM 이미지를 나타낸 것이고, (b, c) (a)의 다중 스택에서 측정된 메틸렌블루(MB)의 라만 스펙트럼을 나타낸 것으로 5 × 10-6 M 농도의 MB의 2 ㎕ 수용액이 증착되고 건조되며, 여기서 파장의 레이저는 638 nm (b) 및 785 nm (c)가 각각 사용된 것이고, (d) 두 개의 서로 다른 파장의 레이저에 대한 Ag NW 현탁액 부피의 함수로서 1628 cm-1의 라만 시프트에서 라만 강도를 나타낸 것이다.
도 4는 Ag NW, Au-Ag NW 및 세 가지 증착 조건의 Ag NP로 장식된 Au-Ag NW의 3D 다중 스택에서 측정된 반사율 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 5는 (a-c) 표면이 Ag NP로 장식된 다중 적층 Au-Ag NW로 구성된 계층적 나노 구조체의 SEM 이미지를 나타낸 것으로, 여기서 Ag 증착 조건은 평평한 표면에 (a) 20 nm, (b) 30 nm 및 (c) 40 nm 두께의 층이 형성된 것을 사용한 것이고, (d) 세 가지 다른 증착 조건에 대해 Au-Ag NW에 증착된 구형 Ag NP의 크기 분포 히스토그램을 나타낸 것이며 실선은 가우스 방정식에 맞는 곡선이다.
도 6은 (a-d) PEGDA와 물을 포함하는 에탄올 용액(3 ㎕의 용액)이 Ag 증착된 PEN 기판에 증착되었을 경우 습윤 상태 및 접촉각을 보여주는 이미지로, (a) 1.4 w/w% PEGDA, 0.6 w/w% 물, 및 98.0 w/w% 에탄올, (b) 7.0 w/w% PEGDA, 3.0 w/w% 물 및 90.0 w/w% 에탄올, (c) 14.0 w/w% PEGDA, 6.0 w/w% 물, 및 80.0 w/w% 에탄올, 및 (d) 35.0 w/w% PEGDA, 15.0 w/w% 물 및 50.0 w/w% 에탄올이며, (a-c)의 조성을 가진 용액은 총 습윤을 나타내고 (d)의 조성은 12°의 접촉각을 나타내며, (e) 7.0 w/w% PEGDA, 3.0 w/w% 물 및 90.0 w/w% 에탄올 용액에 대한 습윤 상태를 보여주는 시계열 이미지로, 에탄올은 42초에 완전히 고갈되며 전체 습윤에서 부분 습윤으로의 전환은 없음을 확인하는 이미지이다.
도 7은 (a) 초박형 하이드로젤 스킨의 형성을 보여주는 개략도이며, (b, c) 두 가지 다른 배율로 찍은 초박형 하이드로젤 스킨으로 캡슐화된 계층적 나노 구조체의 SEM 이미지이고, (d) 두꺼운 보호 백금 층을 증착한 후 집속 이온 빔으로 구조를 트리밍하여 준비된 나노 구조의 단면을 보여주는 SEM 이미지이고, (e) 표시된 바와 같이 하이드로젤 스킨의 두께를 보여주는 투과 전자 현미경(TEM) 이미지이고, (f) 하이드로젤이 없는 베어 나노 구조체(검은색 선) 및 초박형 하이드로젤 캡슐화된 나노 구조체(파란색 선)에서 측정한 10, 20 및 40 kDa의 3 가지 다른 분자량 (MWs)을 갖는 플루오레세인 이소티오시아네이트(FITC) 태그 덱스트란의 라만 스펙트럼 윤곽으로 FITC의 특징적인 피크 위치는 빨간색 점선으로 표시하였고, (g) 덱스트란 분자의 세 가지 다른 MW에 대해 하이드로젤이 없는 베어 나노 구조체로 정규화된 초박형 하이드로젤 스킨으로 캡슐화된 나노 구조체에서 측정된 1176 cm-1에서의 라만 강도를 나타낸 것으로, 여기서 유체 역학적 직경은 가로 좌표로 표시되었고, 투과 차단 임계 값은 빨간색 점선으로 표시되었다.
도 8은 (a, b) 공기(건조 상태, a) 및 물(습식 상태, b)에서 벌크 하이드로젤 필름의 사진으로, 필름은 69.6 w/w% PEGDA와 29.9 w/w% 물과 0.5 w/w% 광개시제의 혼합물을 사용하여 준비하고 습식 상태를 위해 10시간 동안 증류수에 담그며, 정사각형 필름의 측면 치수는 건조 상태에서 2.0 cm이고 습식 상태에서 2.4 cm로 증가하였고, (c) Ag NP로 장식된 초박형 하이드로젤 캡슐화된 Au-Ag NW의 단면의 단순화된 모델로, 치수는 nm 단위로 이미지에 표시되며, 원통형 하이드로젤 스킨에 묻힌 Ag NP의 초기 부피 분율이 20%이고 하이드로젤 스킨 부피가 173% 부풀어 있다고 가정하면 습식 하이드로젤 피부의 평균 두께는 약 32 nm로 추정된다.
도 9는 두꺼운 하이드로젤 캡슐화된 나노 구조체의 SEM 이미지로 하이드로젤은 NW 사이의 전체 틈새 공간을 차지하고 나노 구조체를 덮는다.
도 10은 (a) 하이드로젤이 없는 베어 나노 구조체, (b) 초박형 하이드로젤 캡슐화 나노 구조체, (c) 두꺼운 하이드로젤 캡슐화 나노 구조체인 플라즈모닉 나노 구조체의 개략도와, 각각 다양한 농도로 증류수에 용해된 트리싸이클라졸의 라만 스펙트럼을 나타낸 것이고, (d) (a-c)의 세 가지 다른 나노 구조체에 대한 트리 싸이클라졸 농도의 함수로서 1365 cm-1에서 라만 강도를 나타낸 것으로, 여기서 농도는 로그 스케일이며, 오차 막대는 5회 측정에 대한 표준 편차를 나타낸다.
도 11은 (a) 우유에 담근 SERS 기판의 사진(좌측 사진)과 알부민 및 카제인의 큰 단백질(가운데 및 오른쪽 사진)을 거부하면서 라만 측정을 위해 금속 표면에 트리싸이클라졸에 접근 할 수 있는 초박형 하이드로젤 캡슐화 나노 구조체의 개략도를 나타낸 것이고, (b) 초박형 하이드로젤 캡슐화 나노 구조체에서 측정된 다양한 농도로 우유에 고정된 트리싸이클라졸의 라만 스펙트럼을 나타낸 것이고, (c) 1365 cm-1에서 라만 강도는 농도가 로그 스케일인 초박형 하이드로젤 캡슐화된 나노 구조체(빨간색 점) 및 하이드로젤이 없는 베어 나노 구조체(검은색 사각형)에 대한 트리싸이클라졸 농도의 함수를 나타낸 것으로, 오차 막대는 5 회 측정에 대한 표준 편차를 나타낸다.
도 12는 증류수에 담근 하이드로젤이 없는 나노 구조체(검은색 선), 증류수에 담근 초박형 하이드로젤 캡슐화 나노 구조체(빨간색 선), 우유에 담근 초박형 하이드로젤 캡슐화 나노 구조체(파란색 선)에서 얻은 라만 스펙트럼으로 수직 점선은 Ag NW의 캡핑제인 폴리(비닐피롤리돈)(PVP)에서 비롯된 세 가지 스펙트럼의 공통 피크를 나타낸다.
도 13은 하이드로젤이 없는 베어 나노 구조체에서 측정된 다양한 농도로 우유에 고정된 트리싸이클라졸의 라만 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 14는 1 ppm 트리싸이클라졸을 함유한 우유에서 하이드로젤이 없는 베어 나노 구조체(검은색 사각형) 및 초박형 하이드로젤 캡슐화 나노 구조체(빨간색 점)의 배양 시간 함수로서 1365 cm-1에서 라만 강도를 나타낸 것으로, 라만 스펙트럼은 완전 건조 후 획득한 것이며 오차 막대는 5 회 측정에 대한 표준 편차를 나타낸다.
도 15는 초박형 하이드로젤로 캡슐화된 나노 구조체를 사용하여 측정된 라만 스펙트럼으로, 트리싸이클라졸(파란색 곡선), 파라콰트(빨간색 곡선), 트리싸이클라졸과 파라콰트의 혼합물(검은색 곡선)은 각각 우유에 1 ppm 농도로 고정되고, 파란색과 빨간색 점선은 각각 트리싸이클라졸과 파라콰트의 특징적인 피크 위치를 나타낸다.
Figure 1 is (a) a schematic diagram of the fabrication process of a hierarchical plasmonic nanostructure, (b) a scanning electron microscope (SEM) image of multi-stack Ag NWs, and the inset is 6 each containing multi-stack Ag NWs. A × 6 array of microwells is shown, (c, d) SEM images of multi-stack Au-Ag NWs decorated with Ag NPs with surfaces taken at two different magnifications, and (e) 633 nm calculated by FDTD simulation. The electric field distribution at the intersection of the crossed Ag NWs decorated with Ag NPs with respect to the wavelength of It shows the Raman spectrum of methylene blue (MB) measured in the nanostructure.
Figure 2 shows (a) a schematic diagram of a process for fabricating a plurality of microwell structures on a single substrate, (b) an image of a microwell array, and (c) four different spacings obtained by confocal microscopy. 3D topology of a micro-well array with
Figure 3 shows (a) SEM images of 3D multiple stacks of Ag NWs prepared by depositing 4 different volumes of Ag NW aqueous suspensions of 2 μl, 4 μl, 6 μl and 8 μl, (b, c) ( It shows the Raman spectrum of methylene blue (MB) measured in multiple stacks of a). 2 μl aqueous solution of 5 × 10 -6 M concentration of MB is deposited and dried, where the laser wavelength is 638 nm (b) and 785 nm (c) is used, respectively, and (d) Raman intensity at a Raman shift of 1628 cm −1 as a function of Ag NW suspension volume for two different wavelengths of lasers.
4 shows reflectance spectra measured in 3D multiple stacks of Ag NWs, Au-Ag NWs and Au-Ag NWs decorated with Ag NPs under three deposition conditions.
Figure 5 shows (ac) SEM images of hierarchical nanostructures composed of multi-layered Au-Ag NWs whose surface is decorated with Ag NPs, where Ag deposition conditions are (a) 20 nm, (b) 30 on a flat surface. nm and (c) 40 nm thick layers were used, (d) the size distribution histogram of spherical Ag NPs deposited on Au-Ag NWs for three different deposition conditions, and the solid line is a curve fitting the Gaussian equation. to be.
6 is an image showing the wetting state and contact angle when (ad) an ethanol solution (3 μl of a solution) containing PEGDA and water was deposited on an Ag-deposited PEN substrate, (a) 1.4 w/w% PEGDA, 0.6 w/w% water, and 98.0 w/w% ethanol, (b) 7.0 w/w% PEGDA, 3.0 w/w% water and 90.0 w/w% ethanol, (c) 14.0 w/w% PEGDA, 6.0 w /w% water, and 80.0 w/w% ethanol, and (d) 35.0 w/w% PEGDA, 15.0 w/w% water and 50.0 w/w% ethanol, wherein a solution having the composition of (ac) achieves total wetting. and the composition in (d) shows a contact angle of 12°, (e) a time series image showing the wetting state for a solution of 7.0 w/w% PEGDA, 3.0 w/w% water and 90.0 w/w% ethanol, ethanol is It is an image confirming that it is completely depleted at 42 seconds and there is no transition from full wetting to partial wetting.
Figure 7 is (a) a schematic diagram showing the formation of an ultra-thin hydrogel skin, (b, c) SEM images of a hierarchical nanostructure encapsulated with an ultra-thin hydrogel skin taken at two different magnifications, (d) thick protective platinum SEM image showing the cross-section of the nanostructure prepared by trimming the structure with a focused ion beam after depositing the layer, (e) a transmission electron microscopy (TEM) image showing the thickness of the hydrogel skin as shown, (f) hydrogel Fluorescein isothiocyanate (MWs) with three different molecular weights (MWs) of 10, 20 and 40 kDa measured in gel-free bare nanostructures (black line) and ultra-thin hydrogel encapsulated nanostructures (blue line). FITC) Characteristic peak positions of FITC as the Raman spectral contour of the tagged dextran are indicated by the red dotted line, (g) Ultra-thin hydrogel skin normalized to bare nanostructures without hydrogels for three different MWs of dextran molecules The Raman intensity at 1176 cm −1 measured in nanostructures encapsulated with
Figure 8 (a, b) is a photograph of a bulk hydrogel film in air (dry state, a) and water (wet state, b), wherein the film is 69.6 w/w% PEGDA and 29.9 w/w% water and 0.5 w Prepared using a mixture of /w% photoinitiators and immersed in distilled water for 10 h for wet state, the lateral dimensions of the square film were 2.0 cm in dry state and increased to 2.4 cm in wet state, (c) decorated with Ag NPs. A simplified model of the cross-section of an ultra-thin hydrogel encapsulated Au-Ag NW with dimensions shown in the image in nm, the initial volume fraction of Ag NPs embedded in the cylindrical hydrogel skin is 20%, and the hydrogel skin volume is 173 Assuming % swelling, the average thickness of wet hydrogel skin is estimated to be about 32 nm.
9 is a SEM image of a thick hydrogel encapsulated nanostructure, in which the hydrogel occupies the entire interstitial space between the NWs and covers the nanostructure.
10 is a schematic diagram of (a) a bare nanostructure without hydrogel, (b) an ultra-thin hydrogel encapsulated nanostructure, and (c) a plasmonic nanostructure that is a thick hydrogel encapsulated nanostructure, each dissolved in distilled water at various concentrations. It shows the Raman spectrum of tricyclazole, (d) showing the Raman intensity at 1365 cm -1 as a function of tricyclazole concentration for three different nanostructures in (ac), where the concentration is on a logarithmic scale , error bars represent standard deviation for 5 measurements.
11 shows (a) a photograph of a SERS substrate dipped in milk (left photograph) and an ultra-thin access to tricyclazole on the metal surface for Raman measurements while rejecting the large proteins of albumin and casein (middle and right photograph). It shows the schematic diagram of the hydrogel encapsulation nanostructure, (b) shows the Raman spectrum of tricyclazole immobilized in milk at various concentrations measured in the ultra-thin hydrogel encapsulation nanostructure, and (c) Raman at 1365 cm -1 Intensity is a function of tricyclazole concentration for ultra-thin hydrogel encapsulated nanostructures (red dots) with concentrations logarithmic scale (red dots) and bare nanostructures without hydrogel (black squares), error bars are 5 measurements. represents the standard deviation for .
12 is a Raman spectrum obtained from a nanostructure without hydrogel immersed in distilled water (black line), an ultra-thin hydrogel encapsulated nanostructure immersed in distilled water (red line), and an ultra-thin hydrogel encapsulated nanostructure immersed in milk (blue line). The vertical dotted line shows the common peaks of the three spectra from poly(vinylpyrrolidone) (PVP), the capping agent for Ag NWs.
13 shows Raman spectra of tricyclazole immobilized in milk at various concentrations measured in bare nanostructures without hydrogel.
Figure 14 shows the Raman intensity at 1365 cm -1 as a function of incubation time of bare nanostructures without hydrogel (black squares) and ultra-thin hydrogel encapsulated nanostructures (red dots) in milk containing 1 ppm tricyclazole. As shown, the Raman spectrum was obtained after complete drying, and the error bars represent the standard deviation for 5 measurements.
15 is a Raman spectrum measured using a nanostructure encapsulated in an ultra-thin hydrogel, tricyclazole (blue curve), paraquat (red curve), and a mixture of tricyclazole and paraquat (black curve), respectively. It is fixed at a concentration of 1 ppm in milk, and the blue and red dotted lines indicate the characteristic peak positions of tricyclazole and paraquat, respectively.

본 발명의 일 측면에서In one aspect of the invention

제1 금속으로 이루어진 금속 나노와이어; 및 상기 금속 나노와이어 표면에 형성된 제2 금속으로 이루어진 금속 나노입자;를 포함하는 나노 구조체; 및a metal nanowire made of a first metal; and metal nanoparticles made of a second metal formed on the surface of the metal nanowire; and

상기 나노 구조체를 둘러싸는 하이드로젤 스킨;을 포함하는 플라즈모닉 복합 구조체가 제공된다.A plasmonic composite structure comprising a; hydrogel skin surrounding the nanostructure is provided.

이하, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 플라즈모닉 복합 구조체에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the plasmonic composite structure provided in one aspect of the present invention will be described in detail.

본 발명의 플라즈모닉 복합 구조체는 초박형 하이드로젤 스킨이 코팅된 표면 증강 산란용 플라즈모닉 나노 구조체를 포함한다. 이는, 하이드로젤 스킨으로 캡슐화된 플라즈모닉 나노 구조체일 수 있다. 타겟 물질만 선택적으로 투과시켜 시료의 전처리 과정을 없앨 수 있고, 내부의 금속 입자가 오염되는 것을 방지할 수 있다. 본 발명의 초박형 하이드로젤 스킨이 코팅된 표면 증강 산란용 플라즈모닉 나노 구조체는 칩(chip) 형태의 제품으로 제조될 수 있으며, 현장에서 초보자도 별도의 장비없이 간단하게 측정이 가능하다. 또한, 본 발명의 초박막 하이드로젤 코팅기술은 다양한 금속 표면에 코팅이 가능하며 간단한 용액공정을 통해 제조가 용이하고 대량생산이 가능하다. The plasmonic composite structure of the present invention includes a plasmonic nanostructure for surface-enhanced scattering coated with an ultra-thin hydrogel skin. This may be a plasmonic nanostructure encapsulated in a hydrogel skin. By selectively permeating only the target material, the pre-treatment process of the sample can be eliminated, and the metal particles inside can be prevented from being contaminated. The plasmonic nanostructure for surface-enhanced scattering coated with the ultra-thin hydrogel skin of the present invention can be manufactured as a product in the form of a chip, and even beginners can simply measure it without additional equipment in the field. In addition, the ultra-thin hydrogel coating technology of the present invention can be coated on various metal surfaces, and can be easily manufactured and mass-produced through a simple solution process.

본 발명의 일 측면에서 제공되는 플라즈모닉 복합 구조체에 있어서, 플라즈모닉 나노 구조체는 제1 금속으로 이루어진 금속 나노와이어; 및 상기 금속 나노와이어 표면에 형성된 제2 금속으로 이루어진 금속 나노입자;를 포함한다. 상기 나노 구조체는 금속 나노와이어 표면 적어도 일부에 금속 나노입자가 형성된 것일 수 있다. 일례로, 금속 나노입자는 금속 나노와이어 외주면을 모두 둘러싸며 나노와이어 표면에 형성될 수 있으며, 또는 금속 나노와이어 일면에만 형성될 수 있다.In the plasmonic composite structure provided in one aspect of the present invention, the plasmonic nanostructure includes a metal nanowire made of a first metal; and metal nanoparticles made of a second metal formed on the surface of the metal nanowire. The nanostructure may be one in which metal nanoparticles are formed on at least a portion of the surface of the metal nanowire. For example, the metal nanoparticles may be formed on the surface of the nanowire while surrounding all of the outer peripheral surface of the metal nanowire, or may be formed on only one surface of the metal nanowire.

상기 제1 금속 및 제2 금속은 각각 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 아연(Zn), 크롬(Cr) 및 망간(Mn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하고, 상기 제1 금속 및 제2 금속은 서로 같거나 상이한 것일 수 있다. 일례로, 상기 제1 금속은 은으로 은 나노와이어일 수 있고, 상기 제2 금속은 은으로 은 나노입자일 수 있다.The first metal and the second metal are silver (Ag), gold (Au), copper (Cu), nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), zinc (Zn), chromium (Cr) and and at least one selected from the group consisting of manganese (Mn), wherein the first metal and the second metal may be the same as or different from each other. For example, the first metal may be silver nanowires, and the second metal may be silver nanoparticles.

상기 금속 나노와이어의 직경은 10 nm 내지 500 nm일 수 있고, 15 nm 내지 450 nm일 수 있고, 20 nm 내지 400 nm일 수 있고, 25 nm 내지 350 nm일 수 있고, 30 nm 내지 300 nm일 수 있고, 35 nm 내지 250 nm일 수 있고, 20 nm 내지 200 nm일 수 있고, 20 nm 내지 100 nm일 수 있고, 30 nm 내지 50 nm일 수 있고, 10 nm 내지 100 nm일 수 있고, 10 nm 내지 80 nm일 수 있고, 15 nm 내지 50 nm일 수 있고, 10 nm 내지 60 nm일 수 있다. 상기 직경은 평균 직경일 수 있다.The metal nanowire may have a diameter of 10 nm to 500 nm, 15 nm to 450 nm, 20 nm to 400 nm, 25 nm to 350 nm, and 30 nm to 300 nm. and may be 35 nm to 250 nm, may be 20 nm to 200 nm, may be 20 nm to 100 nm, may be 30 nm to 50 nm, may be 10 nm to 100 nm, may be 10 nm to It may be 80 nm, it may be 15 nm to 50 nm, and it may be 10 nm to 60 nm. The diameter may be an average diameter.

상기 금속 나노입자의 직경은 5 nm 내지 200 nm일 수 있고, 10 nm 내지 150 nm일 수 있고, 15 nm 내지 100 nm일 수 있고, 20 nm 내지 80 nm일 수 있고, 25 nm 내지 60 nm일 수 있고, 30 nm 내지 60 nm일 수 있고, 5 nm 내지 100 nm일 수 있고, 10 nm 내지 80 nm일 수 있고, 15 nm 내지 60 nm일 수 있고, 20 nm 내지 100 nm일 수 있고, 25 nm 내지 100 nm일 수 있고, 20 nm 내지 80 nm일 수 있고, 20 nm 내지 60 nm일 수 있고, 30 nm 내지 100 nm일 수 있고, 30 nm 내지 80 nm일 수 있다. 상기 직경은 평균 직경일 수 있다.The diameter of the metal nanoparticles may be 5 nm to 200 nm, may be 10 nm to 150 nm, may be 15 nm to 100 nm, may be 20 nm to 80 nm, may be 25 nm to 60 nm It may be 30 nm to 60 nm, may be 5 nm to 100 nm, may be 10 nm to 80 nm, may be 15 nm to 60 nm, may be 20 nm to 100 nm, may be 25 nm to It may be 100 nm, may be 20 nm to 80 nm, may be 20 nm to 60 nm, may be 30 nm to 100 nm, may be 30 nm to 80 nm. The diameter may be an average diameter.

상기 나노 구조체는 금속 나노와이어 및 금속 나노입자 사이에 형성된 제3 금속으로 이루어진 금속 코팅층을 더 포함할 수 있다. 상기 금속 코팅층은 금속 나노와이어 표면에 형성될 수 있다.The nanostructure may further include a metal coating layer made of a third metal formed between the metal nanowires and the metal nanoparticles. The metal coating layer may be formed on the surface of the metal nanowire.

상기 제3 금속은 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 아연(Zn), 크롬(Cr) 및 망간(Mn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 일례로, 금일 수 있고, 금 코팅층을 형성할 수 있다.The third metal is silver (Ag), gold (Au), copper (Cu), nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), zinc (Zn), chromium (Cr) and manganese (Mn). It may be at least one selected from the group consisting of, for example, may be gold, and may form a gold coating layer.

상기 금속 코팅층의 두께는 5 nm 내지 50 nm일 수 있고, 5 nm 내지 45 nm일 수 있고, 5 nm 내지 40 nm일 수 있고, 5 nm 내지 35 nm일 수 있고, 5 nm 내지 30 nm일 수 있고, 5 nm 내지 25 nm일 수 있고, 5 nm 내지 15 nm일 수 있고, 10 nm 내지 50 nm일 수 있고, 10 nm 내지 45 nm일 수 있고, 10 nm 내지 40 nm일 수 있고, 10 nm 내지 35 nm일 수 있고, 10 nm 내지 30 nm일 수 있고, 10 nm 내지 25 nm일 수 있고, 10 nm 내지 20 nm일 수 있고, 10 nm 내지 15 nm일 수 있고, 15 nm 내지 50 nm일 수 있고, 15 nm 내지 45 nm일 수 있고, 15 nm 내지 40 nm일 수 있고, 15 nm 내지 35 nm일 수 있고, 15 nm 내지 30 nm일 수 있고, 15 nm 내지 25 nm일 수 있고, 15 nm 내지 20 nm일 수 있다.The thickness of the metal coating layer may be 5 nm to 50 nm, 5 nm to 45 nm, 5 nm to 40 nm, 5 nm to 35 nm, 5 nm to 30 nm, and , 5 nm to 25 nm, 5 nm to 15 nm, 10 nm to 50 nm, 10 nm to 45 nm, 10 nm to 40 nm, 10 nm to 35 nm may be nm, may be 10 nm to 30 nm, may be 10 nm to 25 nm, may be 10 nm to 20 nm, may be 10 nm to 15 nm, may be 15 nm to 50 nm, 15 nm to 45 nm, 15 nm to 40 nm, 15 nm to 35 nm, 15 nm to 30 nm, 15 nm to 25 nm, 15 nm to 20 nm can be

상기 나노 구조체는 금속 나노와이어 표면에 형성된 금속 코팅층을 포함하고, 상기 금속 코팅층 표면에 형성된 자가 조립 단층막(Self-assembled monolayer, SAM)을 포함할 수 있다. 상기 금속 나노입자는 자가 조립 단층막을 통해 금속 나노와이어에 형성된 것으로, 자가 조립 단층막을 통해 부착될 수 있다. 자가 조립 단층막을 통해 낮은 표면에너지를 나타낼 수 있다. 또한, 상기 자가 조립 단층막은 금속 코팅층의 표면을 개방하기 위해 금속 나노입자와 연결된 부분 외에는 제거될 수 있다. The nanostructure may include a metal coating layer formed on the surface of the metal nanowire, and a self-assembled monolayer (SAM) formed on the surface of the metal coating layer. The metal nanoparticles are formed on the metal nanowire through the self-assembled monolayer, and may be attached through the self-assembled monolayer. A low surface energy can be exhibited through a self-assembled monolayer. In addition, the self-assembled monolayer film may be removed except for a portion connected to the metal nanoparticles in order to open the surface of the metal coating layer.

상기 자가 조립 단층막은 퍼플루오로데칸티올(perfluorodecanethiol, PFDT)을 포함할 수 있다.The self-assembled monolayer may include perfluorodecanethiol (PFDT).

상기 자가 조립 단층막의 두께는 0.5 nm 내지 100 nm일 수 있고, 1 nm 내지 50 nm일 수 있고, 2 nm 내지 35 nm일 수 있고, 3 nm 내지 30 nm일 수 있고, 5 nm 내지 20 nm일 수 있다.The thickness of the self-assembled monolayer film may be 0.5 nm to 100 nm, may be 1 nm to 50 nm, may be 2 nm to 35 nm, may be 3 nm to 30 nm, and may be 5 nm to 20 nm. have.

본 발명의 일 측면에서 제공되는 플라즈모닉 복합 구조체에 있어서, 상기 복합 구조체는 하이드로젤 스킨으로 나노 구조체가 코팅된 형태이다. 상기 나노 구조체를 개별적으로 하이드로젤 스킨으로 코팅된 형태로서, 플라즈모닉 나노 구조체에 하이드로젤 스킨이 둘러싼 형태일 수 있다. 벌크 형태의 하이드로젤 필름이 아닌 초박형 하이드로젤 스킨으로 감싸는 형태인 것이 바람직하다.In the plasmonic composite structure provided in one aspect of the present invention, the composite structure is in the form of a nanostructure coated with a hydrogel skin. The nanostructure may be individually coated with a hydrogel skin, and the hydrogel skin may be surrounded by a plasmonic nanostructure. It is preferable that the form is wrapped with an ultra-thin hydrogel skin rather than a bulk-type hydrogel film.

상기 하이드로젤 스킨은 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(Polyethylene (glycol) Diacrylate), 폴리에틸렌글리콜 메틸에테르 아크릴레이트, 폴리아크릴아마이드(Polyacrylamide), 폴리(N-이소프로필아크릴아마이드)(Poly(N-isopropylacrylamide)) 및 하이드록시에틸메타크릴레이트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 고분자로 형성된 것일 수 있다.The hydrogel skin is polyethylene glycol diacrylate (Polyethylene (glycol) Diacrylate), polyethylene glycol methyl ether acrylate, polyacrylamide (Polyacrylamide), poly (N- isopropyl acrylamide) (Poly (N-isopropylacrylamide)) and It may be formed of one or more polymers selected from the group consisting of hydroxyethyl methacrylate.

상기 하이드로젤 스킨은 플라즈모닉 나노 구조체를 코팅하며 일정 크기의 메쉬 크기보다 큰 분자를 거부하고, 이보다 작은 분자의 주입을 허용하는 제한된 구조를 가진다. 상기 메쉬 크기는 1 nm 내지 10 nm일 수 있고, 2 nm 내지 8 nm일 수 있고, 3 nm 내지 7 nm일 수 있고, 4 nm 내지 6 nm일 수 있고, 5 nm 내지 6 nm일 수 있다.The hydrogel skin coats the plasmonic nanostructure, rejects molecules larger than a predetermined mesh size, and has a limited structure that allows injection of smaller molecules. The mesh size may be 1 nm to 10 nm, 2 nm to 8 nm, 3 nm to 7 nm, 4 nm to 6 nm, and 5 nm to 6 nm.

상기 하이드로젤 스킨은 나노 구조체의 금속 나노입자가 노출되지 않을 정도로 표면을 감싸고 있으며 금속 나노입자 표면을 따라 감싸는 구조를 가질 수 있다.The hydrogel skin may have a structure that surrounds the surface to such an extent that the metal nanoparticles of the nanostructure are not exposed and wraps along the surface of the metal nanoparticles.

상기 하이드로젤 스킨의 두께는 1 nm 내지 100 nm일 수 있고, 5 nm 내지 80 nm일 수 있고, 10 nm 내지 60 nm일 수 있고, 12 nm 내지 40 nm일 수 있고, 15 nm 내지 30 nm일 수 있고, 20 nm 내지 25 nm일 수 있고, 5 nm 내지 60 nm일 수 있고, 5 nm 내지 40 nm일 수 있고, 5 nm 내지 30 nm일 수 있고, 5 nm 내지 25 nm일 수 있고, 10 nm 내지 40 nm일 수 있고, 10 nm 내지 30 nm일 수 있고, 10 nm 내지 25 nm일 수 있고, 15 nm 내지 40 nm일 수 있고, 15 nm 내지 25 nm일 수 있고, 20 nm 내지 22 nm일 수 있다.The thickness of the hydrogel skin may be 1 nm to 100 nm, 5 nm to 80 nm, 10 nm to 60 nm, 12 nm to 40 nm, 15 nm to 30 nm and may be 20 nm to 25 nm, may be 5 nm to 60 nm, may be 5 nm to 40 nm, may be 5 nm to 30 nm, may be 5 nm to 25 nm, may be 10 nm to It may be 40 nm, it may be 10 nm to 30 nm, it may be 10 nm to 25 nm, it may be 15 nm to 40 nm, it may be 15 nm to 25 nm, it may be 20 nm to 22 nm. .

본 발명에서는 표면 증강 라만 산란을 이용하여 전처리 없이 복잡한 혼합물에서 독성 분자 검출을 위한 플라즈모닉 나노 구조체 표면에 크기에 대해 선택적 투과도를 나타내는 초박형 하이드로젤 스킨을 형성하였으며, 이에 따라 혼합물 내에서 주요 독성 분자를 검출함에 있어 방해가 되는 크기가 크큰 물질을 초박형 하이드로젤의 크기 선택적 투과를 통해 플라즈모닉 나노 구조체로의 접근을 차단하고 고밀도 나노구조체의 나노갭에서 전자기장 증강을 통하여 극미량의 독성물질을 전처리 없이 빠르게 검출할 수 있다. 이와 같이, 선택적 분자크기 선택성 투과를 가지는 초박형 하이드로젤 스킨을 표면 증강 산란용 플라즈모닉 나노 구조체 표면에 코팅하여 크기가 작은 타겟물질만을 선택적으로 투과시켜 혼합물 시료의 전처리 과정을 간편화 하거나 제외할 수 있는 것으로, 혼합물에 포합된 특정 독성물질을 검출하는데 유용히 사용될 수 있다. In the present invention, by using surface-enhanced Raman scattering, an ultra-thin hydrogel skin showing selective permeability with respect to size was formed on the surface of a plasmonic nanostructure for the detection of toxic molecules in a complex mixture without pretreatment, and thus major toxic molecules in the mixture were formed. Block access to plasmonic nanostructures through size-selective penetration of ultra-thin hydrogels for large-sized substances that interfere with detection can do. As such, by coating an ultra-thin hydrogel skin having selective molecular size selective permeation on the surface of a plasmonic nanostructure for surface-enhanced scattering, it selectively transmits only a small target material to simplify or exclude the pretreatment process of the mixture sample. , it can be usefully used to detect specific toxic substances contained in mixtures.

또한, 본 발명의 다른 측면에서In addition, in another aspect of the present invention

제1 금속으로 이루어진 금속 나노와이어 표면에 제3 금속으로 이루어진 금속 코팅층을 형성하는 단계;forming a metal coating layer made of a third metal on the surface of the metal nanowire made of the first metal;

상기 금속 코팅층에 자가 조립 단층막(Self-assembled monolayer, SAM)을 형성하는 단계; forming a self-assembled monolayer (SAM) on the metal coating layer;

상기 자가 조립 단층막에 제2 금속으로 이루어진 금속 나노입자를 형성하여 나노 구조체를 형성하는 단계; 및forming a nanostructure by forming metal nanoparticles made of a second metal on the self-assembled monolayer; and

상기 나노 구조체에 나노 구조체를 둘러싸는 하이드로젤 스킨을 형성하는 단계;를 포함하는 플라즈모닉 복합 구조체의 제조방법이 제공된다.Forming a hydrogel skin surrounding the nanostructure in the nanostructure; is provided a method of manufacturing a plasmonic composite structure comprising a.

이하, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 플라즈모닉 복합 구조체의 제조방법에 대해 각 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, each step will be described in detail with respect to the manufacturing method of the plasmonic composite structure provided in another aspect of the present invention.

먼저, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 플라즈모닉 복합 구조체의 제조방법은 제1 금속으로 이루어진 금속 나노와이어 표면에 제3 금속으로 이루어진 금속 코팅층을 형성하는 단계를 포함한다.First, the method of manufacturing a plasmonic composite structure provided in another aspect of the present invention includes forming a metal coating layer made of a third metal on the surface of a metal nanowire made of a first metal.

도 1(a)에 나타낸 바와 같이, 상기 단계에서는 플라즈모닉 복합 구조체를 제조하기 위해 금속 나노와이어 표면에 금속 코팅층을 형성한다.As shown in Figure 1 (a), in this step, a metal coating layer is formed on the surface of the metal nanowire to prepare a plasmonic composite structure.

상기 제1 금속은 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 아연(Zn), 크롬(Cr) 및 망간(Mn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 제1 금속은 은으로 은 나노와이어일 수 있다.The first metal includes silver (Ag), gold (Au), copper (Cu), nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), zinc (Zn), chromium (Cr) and manganese (Mn). It may include one or more selected from the group consisting of. For example, the first metal may be silver and may be silver nanowires.

상기 금속 나노와이어의 직경은 10 nm 내지 500 nm일 수 있고, 15 nm 내지 450 nm일 수 있고, 20 nm 내지 400 nm일 수 있고, 25 nm 내지 350 nm일 수 있고, 30 nm 내지 300 nm일 수 있고, 35 nm 내지 250 nm일 수 있고, 20 nm 내지 200 nm일 수 있고, 20 nm 내지 100 nm일 수 있고, 30 nm 내지 50 nm일 수 있고, 10 nm 내지 100 nm일 수 있고, 10 nm 내지 80 nm일 수 있고, 15 nm 내지 50 nm일 수 있고, 10 nm 내지 60 nm일 수 있다. 상기 직경은 평균 직경일 수 있다.The metal nanowire may have a diameter of 10 nm to 500 nm, 15 nm to 450 nm, 20 nm to 400 nm, 25 nm to 350 nm, and 30 nm to 300 nm. and may be 35 nm to 250 nm, may be 20 nm to 200 nm, may be 20 nm to 100 nm, may be 30 nm to 50 nm, may be 10 nm to 100 nm, may be 10 nm to It may be 80 nm, it may be 15 nm to 50 nm, and it may be 10 nm to 60 nm. The diameter may be an average diameter.

상기 제3 금속은 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 아연(Zn), 크롬(Cr) 및 망간(Mn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 일례로, 금일 수 있고, 금 코팅층을 형성할 수 있다.The third metal is silver (Ag), gold (Au), copper (Cu), nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), zinc (Zn), chromium (Cr) and manganese (Mn). It may be at least one selected from the group consisting of, for example, may be gold, and may form a gold coating layer.

상기 금속 코팅층의 두께는 5 nm 내지 50 nm일 수 있고, 5 nm 내지 45 nm일 수 있고, 5 nm 내지 40 nm일 수 있고, 5 nm 내지 35 nm일 수 있고, 5 nm 내지 30 nm일 수 있고, 5 nm 내지 25 nm일 수 있고, 5 nm 내지 15 nm일 수 있고, 10 nm 내지 50 nm일 수 있고, 10 nm 내지 45 nm일 수 있고, 10 nm 내지 40 nm일 수 있고, 10 nm 내지 35 nm일 수 있고, 10 nm 내지 30 nm일 수 있고, 10 nm 내지 25 nm일 수 있고, 10 nm 내지 20 nm일 수 있고, 10 nm 내지 15 nm일 수 있고, 15 nm 내지 50 nm일 수 있고, 15 nm 내지 45 nm일 수 있고, 15 nm 내지 40 nm일 수 있고, 15 nm 내지 35 nm일 수 있고, 15 nm 내지 30 nm일 수 있고, 15 nm 내지 25 nm일 수 있고, 15 nm 내지 20 nm일 수 있다.The thickness of the metal coating layer may be 5 nm to 50 nm, 5 nm to 45 nm, 5 nm to 40 nm, 5 nm to 35 nm, 5 nm to 30 nm, and , 5 nm to 25 nm, 5 nm to 15 nm, 10 nm to 50 nm, 10 nm to 45 nm, 10 nm to 40 nm, 10 nm to 35 nm may be nm, may be 10 nm to 30 nm, may be 10 nm to 25 nm, may be 10 nm to 20 nm, may be 10 nm to 15 nm, may be 15 nm to 50 nm, 15 nm to 45 nm, 15 nm to 40 nm, 15 nm to 35 nm, 15 nm to 30 nm, 15 nm to 25 nm, 15 nm to 20 nm can be

상기 금속 코팅층의 형성은 스퍼터링법에 의해 수행될 수 있다.The metal coating layer may be formed by a sputtering method.

다음으로, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 플라즈모닉 복합 구조체의 제조방법은 상기 금속 코팅층에 자가 조립 단층막(Self-assembled monolayer, SAM)을 형성하는 단계를 포함한다.Next, the method of manufacturing a plasmonic composite structure provided in another aspect of the present invention includes forming a self-assembled monolayer (SAM) on the metal coating layer.

상기 단계에서는 금속 코팅층 표면을 소수성 분자층으로 코팅하고자 하는 것으로, 상기 금속 나노와이어 표면에 형성된 금속 코팅층에 자가 조립 단층막을 형성한다.In the above step, to coat the surface of the metal coating layer with a hydrophobic molecular layer, a self-assembled monolayer film is formed on the metal coating layer formed on the surface of the metal nanowire.

상기 자가 조립 단층막은 퍼플루오로데칸티올(perfluorodecanethiol, PFDT)을 포함할 수 있다. 상기 자가 조립 단층막을 형성하는 단계는 퍼플루오로데칸티올을 포함하는 용액을 도포하여 배양하는 방법을 통해 수행될 수 있다.The self-assembled monolayer may include perfluorodecanethiol (PFDT). The forming of the self-assembled monolayer may be performed by applying a solution containing perfluorodecanethiol and culturing.

상기 자가 조립 단층막의 두께는 0.5 nm 내지 100 nm일 수 있고, 1 nm 내지 50 nm일 수 있고, 2 nm 내지 35 nm일 수 있고, 3 nm 내지 30 nm일 수 있고, 5 nm 내지 20 nm일 수 있다.The thickness of the self-assembled monolayer film may be 0.5 nm to 100 nm, may be 1 nm to 50 nm, may be 2 nm to 35 nm, may be 3 nm to 30 nm, and may be 5 nm to 20 nm. have.

다음으로, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 플라즈모닉 복합 구조체의 제조방법은 상기 자가 조립 단층막에 제2 금속으로 이루어진 금속 나노입자를 형성하여 나노 구조체를 형성하는 단계를 포함한다.Next, the method for manufacturing a plasmonic composite structure provided in another aspect of the present invention includes the step of forming a nanostructure by forming metal nanoparticles made of a second metal on the self-assembled monolayer.

상기 단계에서는 소수성 분자층인 자가 조립 단층막에 제2 금속으로 이루어진 금속 나노입자를 형성함으로써 플라즈모닉 나노 구조체를 형성한다.In the above step, a plasmonic nanostructure is formed by forming metal nanoparticles made of a second metal on a self-assembled monolayer, which is a hydrophobic molecular layer.

상기 제2 금속은 각각 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 아연(Zn), 크롬(Cr) 및 망간(Mn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 제2 금속은 은으로 은 나노입자를 형성할 수 있다.The second metal is silver (Ag), gold (Au), copper (Cu), nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), zinc (Zn), chromium (Cr), and manganese (Mn), respectively. It may include one or more selected from the group consisting of. For example, the second metal may be silver to form silver nanoparticles.

상기 금속 나노입자의 직경은 5 nm 내지 200 nm일 수 있고, 10 nm 내지 150 nm일 수 있고, 15 nm 내지 100 nm일 수 있고, 20 nm 내지 80 nm일 수 있고, 25 nm 내지 60 nm일 수 있고, 30 nm 내지 60 nm일 수 있고, 5 nm 내지 100 nm일 수 있고, 10 nm 내지 80 nm일 수 있고, 15 nm 내지 60 nm일 수 있고, 20 nm 내지 100 nm일 수 있고, 25 nm 내지 100 nm일 수 있고, 20 nm 내지 80 nm일 수 있고, 20 nm 내지 60 nm일 수 있고, 30 nm 내지 100 nm일 수 있고, 30 nm 내지 80 nm일 수 있다. 상기 직경은 평균 직경일 수 있다.The diameter of the metal nanoparticles may be 5 nm to 200 nm, may be 10 nm to 150 nm, may be 15 nm to 100 nm, may be 20 nm to 80 nm, may be 25 nm to 60 nm It may be 30 nm to 60 nm, may be 5 nm to 100 nm, may be 10 nm to 80 nm, may be 15 nm to 60 nm, may be 20 nm to 100 nm, may be 25 nm to It may be 100 nm, may be 20 nm to 80 nm, may be 20 nm to 60 nm, may be 30 nm to 100 nm, may be 30 nm to 80 nm. The diameter may be an average diameter.

상기 금속 나노입자를 형성하는 것은 금속의 열적 증발법을 통해 수행될 수 있다. Forming the metal nanoparticles may be performed through a method of thermal evaporation of the metal.

열적 증발법을 이용하여 제2 금속을 증착시켜 나노입자를 형성하며, 이후 자가 조립 단층막을 일부 제거할 수 있다. 상기 자가 조립 단층막을 일부 제거하는 것은 플라즈마 처리에 의해 수행될 수 있다.The second metal is deposited using a thermal evaporation method to form nanoparticles, and thereafter, the self-assembled monolayer may be partially removed. Part of the self-assembled monolayer may be removed by plasma treatment.

다음으로, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 플라즈모닉 복합 구조체의 제조방법은 상기 나노 구조체에 나노 구조체를 둘러싸는 하이드로젤 스킨을 형성하는 단계를 포함한다.Next, the method of manufacturing a plasmonic composite structure provided in another aspect of the present invention includes forming a hydrogel skin surrounding the nanostructure in the nanostructure.

상기 단계에서는 전단계에서 제조된 플라즈모닉 나노 구조체 표면을 하이드로젤 스킨으로 감싸는 단계로, 나노 구조체 각각을 개별적으로 하이드로젤 스킨으로 코팅된 형태로 형성하게 된다.In the above step, the surface of the plasmonic nanostructure prepared in the previous step is wrapped with a hydrogel skin, and each of the nanostructures is individually formed in a form coated with a hydrogel skin.

상기 하이드로젤 스킨은 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(Polyethylene (glycol) Diacrylate), 폴리에틸렌글리콜 메틸에테르 아크릴레이트, 폴리아크릴아마이드(Polyacrylamide), 폴리(N-이소프로필아크릴아마이드)(Poly(N-isopropylacrylamide)) 및 하이드록시에틸메타크릴레이트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 고분자로 형성된 것일 수 있다.The hydrogel skin is polyethylene glycol diacrylate (Polyethylene (glycol) Diacrylate), polyethylene glycol methyl ether acrylate, polyacrylamide (Polyacrylamide), poly (N- isopropyl acrylamide) (Poly (N-isopropylacrylamide)) and It may be formed of one or more polymers selected from the group consisting of hydroxyethyl methacrylate.

상기 하이드로젤 스킨은 플라즈모닉 나노 구조체를 코팅하며 일정 크기의 메쉬 크기보다 큰 분자를 거부하고, 이보다 작은 분자의 주입을 허용하는 제한된 구조를 가진다. 상기 메쉬 크기는 1 nm 내지 10 nm일 수 있고, 2 nm 내지 8 nm일 수 있고, 3 nm 내지 7 nm일 수 있고, 4 nm 내지 6 nm일 수 있고, 5 nm 내지 6 nm일 수 있다.The hydrogel skin coats the plasmonic nanostructure, rejects molecules larger than a predetermined mesh size, and has a limited structure that allows injection of smaller molecules. The mesh size may be 1 nm to 10 nm, 2 nm to 8 nm, 3 nm to 7 nm, 4 nm to 6 nm, and 5 nm to 6 nm.

상기 하이드로젤 스킨의 두께는 1 nm 내지 100 nm일 수 있고, 5 nm 내지 80 nm일 수 있고, 10 nm 내지 60 nm일 수 있고, 12 nm 내지 40 nm일 수 있고, 15 nm 내지 30 nm일 수 있고, 20 nm 내지 25 nm일 수 있고, 5 nm 내지 60 nm일 수 있고, 5 nm 내지 40 nm일 수 있고, 5 nm 내지 30 nm일 수 있고, 5 nm 내지 25 nm일 수 있고, 10 nm 내지 40 nm일 수 있고, 10 nm 내지 30 nm일 수 있고, 10 nm 내지 25 nm일 수 있고, 15 nm 내지 40 nm일 수 있고, 15 nm 내지 25 nm일 수 있고, 20 nm 내지 22 nm일 수 있다.The thickness of the hydrogel skin may be 1 nm to 100 nm, 5 nm to 80 nm, 10 nm to 60 nm, 12 nm to 40 nm, 15 nm to 30 nm and may be 20 nm to 25 nm, may be 5 nm to 60 nm, may be 5 nm to 40 nm, may be 5 nm to 30 nm, may be 5 nm to 25 nm, may be 10 nm to It may be 40 nm, it may be 10 nm to 30 nm, it may be 10 nm to 25 nm, it may be 15 nm to 40 nm, it may be 15 nm to 25 nm, it may be 20 nm to 22 nm. .

상기 하이드로젤 스킨을 형성하는 것은 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트 등의 고분자, 물 및 광 개시제를 포함하는 하이드로젤 스킨 형성용 조성물을 사용하여 수행될 수 있으며, 상기 조성물에 플라즈모닉 나노 구조체를 담지하여 광을 조사하여 수행될 수 있다. Forming the hydrogel skin may be performed using a composition for forming a hydrogel skin including a polymer such as polyethylene glycol diacrylate, water, and a photoinitiator, and a plasmonic nanostructure is supported in the composition to emit light. It can be done by investigation.

상기 하이드로젤 스킨 형성용 조성물에서 고분자의 농도는 0.1 w/w% 내지 5 w/w%일 수 있고, 0.5 w/w% 내지 4 w/w%일 수 있고, 0.8 w/w% 내지 3 w/w%일 수 있고, 1 w/w% 내지 2 w/w%일 수 있고, 1.2 w/w% 내지 1.6 w/w%일 수 있다. 동시에 물의 농도는 0.1 w/w% 내지 1.0 w/w%일 수 있고, 0.2 w/w% 내지 0.9 w/w%일 수 있고, 0.3 w/w% 내지 0.8 w/w%일 수 있고, 0.4 w/w% 내지 0.7 w/w%일 수 있고, 0.5 w/w% 내지 0.6 w/w%일 수 있다.The concentration of the polymer in the composition for forming a hydrogel skin may be from 0.1 w/w% to 5 w/w%, from 0.5 w/w% to 4 w/w%, from 0.8 w/w% to 3 w /w%, may be 1 w/w% to 2 w/w%, may be 1.2 w/w% to 1.6 w/w%. At the same time the concentration of water may be 0.1 w/w% to 1.0 w/w%, 0.2 w/w% to 0.9 w/w%, 0.3 w/w% to 0.8 w/w%, 0.4 It may be w/w% to 0.7 w/w%, and may be 0.5 w/w% to 0.6 w/w%.

상기 하이드로젤 스킨 형성용 조성물은 유기 용매를 더 포함할 수 있고, 상기 유기 용매는 알콜류일 수 있고, 일례로 에탄올을 사용할 수 있다.The composition for forming a hydrogel skin may further include an organic solvent, and the organic solvent may be alcohols, and ethanol may be used as an example.

나아가, 본 발명의 다른 일 측면에서Furthermore, in another aspect of the present invention

기판; 및Board; and

상기 기판에 형성된 상기의 플라즈모닉 복합 구조체;를 포함하는 타겟 물질 검출용 표면증강 라만 분광용 기판이 제공된다.There is provided a substrate for surface-enhanced Raman spectroscopy for detecting a target material, including the plasmonic complex structure formed on the substrate.

상기 플라즈모닉 복합 구조체는 전술한 바와 같으므로 이하에서 자세한 설명은 생략한다.Since the plasmonic complex structure is the same as described above, a detailed description thereof will be omitted below.

상기 기판은 플라즈모닉 나노 구조체를 별개의 구획으로 픽셀화하기 위해 마이크로 웰 어레이 구조를 가질 수 있다. 일례로, 상기 기판은 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 실리콘(Si), 유리(glass) 및 석영(quartz)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 제1층과, 마이크로 웰 어레이 구조를 형성하는 제2층을 포함할 수 있다. 구체적인 일례로, 상기 기판은 PEN 기판 상에 일정 두께의 금속 층이 형성되고, 상기 금속 층 상부에 일정 패턴의 고분자를 통해 마이크로 웰 어레이 구조를 형성하는 것일 수 있다. 상기 일정 패턴은 체커보드 라인 패턴일 수 있다.The substrate may have a micro-well array structure to pixelate the plasmonic nanostructures into separate compartments. For example, the substrate is made of polyethylene naphthalate (PEN), polydimethylsiloxane (PDMS), polyethylene terephthalate (PET), silicon (Si), glass and quartz. It may include a first layer including at least one material selected from the group consisting of, and a second layer forming a micro-well array structure. As a specific example, the substrate may be one in which a metal layer of a predetermined thickness is formed on a PEN substrate, and a micro-well array structure is formed on the metal layer through a polymer of a predetermined pattern. The predetermined pattern may be a checkerboard line pattern.

또한, 상기 플라즈모닉 복합 구조체는 3D 구조의 다중 스택(multiple stack)이 형성된 것일 수 있다. 플라즈모닉 복합 구조체를 이루는 나노 구조체 또는 금속 나노와이어가 스택을 형성하여 적층된 구조일 수 있다. 상기 다중 스택의 두께는 20 nm 내지 100 nm일 수 있고, 20 nm 내지 50 nm일 수 있고, 20 nm 내지 40 nm일 수 있고, 20 nm 내지 30 nm일 수 있고, 30 nm 내지 40 nm일 수 있다.In addition, the plasmonic complex structure may be a 3D structure in which multiple stacks are formed. The nanostructure or metal nanowire constituting the plasmonic composite structure may be a stacked structure to form a stack. The thickness of the multi-stack may be 20 nm to 100 nm, may be 20 nm to 50 nm, may be 20 nm to 40 nm, may be 20 nm to 30 nm, may be 30 nm to 40 nm .

더욱 나아가, 본 발명의 또 다른 측면에서Furthermore, in another aspect of the present invention

기판을 준비하는 단계;preparing a substrate;

상기 기판에 제1 금속으로 이루어진 금속 나노와이어를 형성하는 단계;forming a metal nanowire made of a first metal on the substrate;

상기 금속 나노와이어 표면에 제3 금속으로 이루어진 금속 코팅층을 형성하는 단계;forming a metal coating layer made of a third metal on the surface of the metal nanowire;

상기 금속 코팅층에 자가 조립 단층막(Self-assembled monolayer, SAM)을 형성하는 단계; forming a self-assembled monolayer (SAM) on the metal coating layer;

상기 자가 조립 단층막에 제2 금속으로 이루어진 금속 나노입자를 형성하여 나노 구조체를 형성하는 단계; 및forming a nanostructure by forming metal nanoparticles made of a second metal on the self-assembled monolayer; and

상기 나노 구조체에 나노 구조체를 둘러싸는 하이드로젤 스킨을 형성하는 단계;를 포함하는 타겟 물질 검출용 표면증강 라만 분광용 기판의 제조방법이 제공된다.There is provided a method of manufacturing a substrate for surface-enhanced Raman spectroscopy for detecting a target material, including the step of forming a hydrogel skin surrounding the nanostructure on the nanostructure.

이하, 본 발명의 또 다른 측면에서 제공되는 타겟 물질 검출용 표면증강 라만 분광용 기판의 제조방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a substrate for surface-enhanced Raman spectroscopy for detecting a target material provided in another aspect of the present invention will be described in detail for each step.

먼저, 본 발명의 또 다른 측면에서 제공되는 타겟 물질 검출용 표면증강 라만 분광용 기판의 제조방법은 기판을 준비하는 단계를 포함한다.First, the method of manufacturing a substrate for surface-enhanced Raman spectroscopy for detecting a target material provided in another aspect of the present invention includes preparing the substrate.

상기 단계에서는 타겟 물질 검출을 위한 표면증강 라만 분광용 기판을 제조하기 위해 기판을 준비한다.In the above step, a substrate is prepared to prepare a substrate for surface-enhanced Raman spectroscopy for detecting a target material.

상기 기판은 플라즈모닉 나노 구조체를 별개의 구획으로 픽셀화하기 위해 마이크로 웰 어레이 구조를 가질 수 있다. 일례로, 상기 기판은 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 실리콘(Si), 유리(glass) 및 석영(quartz)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 제1층과, 마이크로 웰 어레이 구조를 형성하는 제2층을 포함할 수 있다. 상기 기판은 PEN 기판 상에 일정 두께의 금속 층이 형성되고, 상기 금속 층 상부에 일정 패턴의 고분자를 통해 마이크로 웰 어레이 구조를 형성하는 것일 수 있다. 상기 일정 패턴은 체커보드 라인 패턴일 수 있다. The substrate may have a micro-well array structure to pixelate the plasmonic nanostructures into separate compartments. For example, the substrate is made of polyethylene naphthalate (PEN), polydimethylsiloxane (PDMS), polyethylene terephthalate (PET), silicon (Si), glass and quartz. It may include a first layer including at least one material selected from the group consisting of, and a second layer forming a micro-well array structure. The substrate may be one in which a metal layer of a predetermined thickness is formed on a PEN substrate, and a microwell array structure is formed on the metal layer through a polymer having a predetermined pattern. The predetermined pattern may be a checkerboard line pattern.

구체적인 일례로, 먼저, 고분자 기판 또는 실리콘 기판 등의 기판을 준비하고, 상기 기판 상부로 금속 박막을 형성할 수 있다. 이때, 상기 기판에 강한 접착력을 도입하기 위하여 Cr 등의 접착층을 형성할 수 있다. 이후, 일정 두께의 금속 층을 형성할 수 있다. 상기 금속 층은 은을 포함하는 것일 수 있고, 두께는 50 nm 내지 500 nm, 60 nm 내지 400 nm, 70 nm 내지 300 nm, 80 nm 내지 200 nm, 90 nm 내지 150 nm일 수 있다. 이후, 금속 층 상부로 광중합체로 마이크로 웰 어레이 구조 형성을 위한 패턴을 형성할 수 있다. 상기 패턴은 체커보드 라인 패턴일 수 있다. As a specific example, first, a substrate such as a polymer substrate or a silicon substrate may be prepared, and a metal thin film may be formed on the substrate. In this case, an adhesive layer such as Cr may be formed in order to introduce a strong adhesive force to the substrate. Thereafter, a metal layer having a predetermined thickness may be formed. The metal layer may include silver and may have a thickness of 50 nm to 500 nm, 60 nm to 400 nm, 70 nm to 300 nm, 80 nm to 200 nm, and 90 nm to 150 nm. Thereafter, a pattern for forming a micro-well array structure may be formed with a photopolymer on the metal layer. The pattern may be a checkerboard line pattern.

다음으로, 본 발명의 또 다른 측면에서 제공되는 타겟 물질 검출용 표면증강 라만 분광용 기판의 제조방법은 상기 기판에 제1 금속으로 이루어진 금속 나노와이어를 형성하는 단계를 포함한다.Next, a method of manufacturing a substrate for surface-enhanced Raman spectroscopy for detecting a target material provided in another aspect of the present invention includes forming a metal nanowire made of a first metal on the substrate.

상기 단계에서는 전단계에서 준비된 기판에 금속 나노와이어를 형성한다. In this step, metal nanowires are formed on the substrate prepared in the previous step.

상기 금속 나노와이어의 형성은 3D 구조의 다중 스택(multiple stack)이 형성되도록 수행될 수 있다. 금속 나노와이어를 적층하여 스택을 형성할 수 있다. 상기 다중 스택의 두께는 20 nm 내지 100 nm일 수 있고, 20 nm 내지 50 nm일 수 있고, 20 nm 내지 40 nm일 수 있고, 20 nm 내지 30 nm일 수 있고, 30 nm 내지 40 nm일 수 있다.The formation of the metal nanowires may be performed so that multiple stacks of a 3D structure are formed. A stack can be formed by stacking metal nanowires. The thickness of the multi-stack may be 20 nm to 100 nm, may be 20 nm to 50 nm, may be 20 nm to 40 nm, may be 20 nm to 30 nm, may be 30 nm to 40 nm .

다음으로, 본 발명의 또 다른 측면에서 제공되는 타겟 물질 검출용 표면증강 라만 분광용 기판의 제조방법은 상기 금속 나노와이어 표면에 제3 금속으로 이루어진 금속 코팅층을 형성하는 단계; 상기 금속 코팅층에 자가 조립 단층막(Self-assembled monolayer, SAM)을 형성하는 단계; 상기 자가 조립 단층막에 제2 금속으로 이루어진 금속 나노입자를 형성하여 나노 구조체를 형성하는 단계; 및 상기 나노 구조체에 나노 구조체를 둘러싸는 하이드로젤 스킨을 형성하는 단계;를 포함한다.Next, a method of manufacturing a substrate for surface-enhanced Raman spectroscopy for detecting a target material provided in another aspect of the present invention comprises: forming a metal coating layer made of a third metal on the surface of the metal nanowire; forming a self-assembled monolayer (SAM) on the metal coating layer; forming a nanostructure by forming metal nanoparticles made of a second metal on the self-assembled monolayer; and forming a hydrogel skin surrounding the nanostructure in the nanostructure.

상기 단계는 전술한 플라즈모닉 복합 구조체의 제조방법에서 수행된 단계와 동일하게 수행할 수 있으므로 하기에 자세한 설명은 생략한다.Since the above step can be performed in the same manner as the step performed in the above-described method for manufacturing the plasmonic composite structure, a detailed description thereof will be omitted.

또한, 본 발명의 또 다른 일 측면에서In addition, in another aspect of the present invention

상기의 타겟 물질 검출용 표면증강 라만 분광용 기판을 이용한 타겟 물질 검출방법이 제공된다.A method for detecting a target material using the substrate for surface-enhanced Raman spectroscopy for detecting the target material is provided.

일례로, 타겟 물질을 포함하는 조성물에 표면증강 라만 분광용 기판을 담지하여 수행될 수 있다.For example, it may be carried out by supporting a substrate for surface-enhanced Raman spectroscopy in a composition containing the target material.

본 발명은 선택적 분자크기 선택성 투과를 가지는 초박형 하이드로젤 스킨을 표면 증강 산란용 복합 플라즈모닉 나노 구조체 표면에 코팅하여 크기가 작은 타겟물질만을 선택적으로 투과시켜 혼합물 시료의 전처리 과정을 간편화 하거나 제외할수 있다. 그러므로 혼합물에 포함된 특정 독성 물질을 검출하는데 유용히 사용될 수 있다. 예를 들어 생체시료(혈액, 배뇨, 타액, 땀) 중의 질병 바이오 마커 평가를 통해 질병진단에 사용이 가능하고, 식품 (유가공품, 계란, 음료) 중의 독성물질 평가를 통해 식품안전평가에 사용가능 하다. 시료의 공유화학적 결합이 필요하지 않으므로 살아있는 세포에 대한 세포기반 분석 등의 바이오분야에서도 활용이 가능하다. 추가적으로, 표면 증강 산란용 소재 표면뿐 아니라 다양한 구조체 표면에 하이드로젤 스킨을 코팅함 으로써 분자크기 선택성 투과 능력을 부과할 수 있다. 예를 들어 상용화 되어 센서부분에 널리 사용되는 전기화학센서, 반도체센서 등의 표면에 하이드로젤 스킨의 코팅이 가능하고 이를 통해 산업, 농업, 환경 분야에 널리 활용 가능하다. In the present invention, an ultra-thin hydrogel skin having selective molecular size selective permeation is coated on the surface of a complex plasmonic nanostructure for surface-enhanced scattering to selectively transmit only a small target material, thereby simplifying or excluding the pretreatment process of the mixture sample. Therefore, it can be usefully used to detect a specific toxic substance contained in a mixture. For example, it can be used for disease diagnosis through the evaluation of disease biomarkers in biological samples (blood, urination, saliva, sweat), and can be used for food safety evaluation through the evaluation of toxic substances in food (dairy products, eggs, beverages). . Since covalent chemical bonding of the sample is not required, it can be used in the bio field, such as cell-based analysis of living cells. In addition, by coating the hydrogel skin on the surface of various structures as well as the surface of the material for surface-enhanced scattering, it is possible to impart molecular size-selective permeation ability. For example, it is possible to coat the hydrogel skin on the surface of electrochemical sensors and semiconductor sensors, which are commercialized and widely used in the sensor part, and can be widely used in industry, agriculture, and the environment.

라만 분광 기술에 있어서 분자들 마다 고유의 라만신호를 가지고 있기 때문에 동시에 다중 검출이 가능하다는 점도 중요한 장점이지만 혼합물 내에 포함된 단백질과 같은 거대분자들이 금속 표면에 흡착함으로 인해 금속 표면에서 발생하는 전 자기장 증폭효과를 방해하여 검출하고자 하는 타겟 물질의 라만신호가 작어지거나 타겟 분자의 라만신호의 노이즈가 발생하게 되어 낮은 농도의 정밀검출에 어려움이 따른다. 벌크 형태의 하이드로젤은 두께가 마이크로사이즈 이상으로 두꺼워 유체 내에서 분자의 확산속도에 영향을 받으므로 현장에서 타겟 물질의 빠른검출에 어려움을 겪는다. 이에 따라 본 발명에서는 나노미터 수준의 초박막 하이드로젤 스킨을 플라즈모닉 나노 구조체의 표면에 코팅함으로써, 타겟 분자를 선택적으로 투과시켜 보다 빠르고 정확한 라만분석이 가능케 한다. 또한 제조가 간편하고 대량 생산이 가능하며 생체 안정성을 가질 뿐 아니라 고속 검출이 가능하다. 본 발명에 사용된 코팅기술은 다양한 센서분야에 적용가능하다는 점 또한 큰 장점이다.In Raman spectroscopy technology, since each molecule has its own Raman signal, multiple detection is possible at the same time, which is also an important advantage. Because the effect is disturbed, the Raman signal of the target material to be detected is reduced or noise of the Raman signal of the target molecule is generated, so that it is difficult to accurately detect a low concentration. Bulk hydrogels are thicker than micro-size and are affected by the diffusion rate of molecules in the fluid, so it is difficult to quickly detect the target material in the field. Accordingly, in the present invention, by coating a nanometer-level ultra-thin hydrogel skin on the surface of the plasmonic nanostructure, it enables faster and more accurate Raman analysis by selectively penetrating target molecules. In addition, it is easy to manufacture, can be mass-produced, has bio-stability, and high-speed detection is possible. It is also a great advantage that the coating technology used in the present invention can be applied to various sensor fields.

이하, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail through Examples and Experimental Examples.

단, 하기의 실시예 및 실험예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예 및 실험예에 의하여 한정되는 것은 아니다. However, the following examples and experimental examples are only for illustrating the present invention, and the content of the present invention is not limited by the following examples and experimental examples.

<실시예><Example>

보호 필름을 제거한 후 두께가 180 ㎛인 PEN 기판(Q65HA, Teonex, Inc)을 사용하였다. 열 증발 시스템(LAT, Korea)을 사용하여 1.8 A/s의 증착 속도로 평평한 PEN 기판 위에 100 nm 두께의 Ag 층을 직접 증착하였다. 이때, Ag 층과 PEN 기판 사이의 강한 접착력을 보장하기 위해 10 nm 두께의 Cr 층을 증착하였다. 챔버의 기본 압력은 9.6 × 10-6 Torr이다.After removing the protective film, a PEN substrate (Q65HA, Teonex, Inc) having a thickness of 180 μm was used. A 100 nm thick Ag layer was directly deposited on a flat PEN substrate at a deposition rate of 1.8 A/s using a thermal evaporation system (LAT, Korea). At this time, a 10 nm thick Cr layer was deposited to ensure strong adhesion between the Ag layer and the PEN substrate. The base pressure of the chamber is 9.6 × 10 -6 Torr.

10 mL 유리 주사기가 장착된 디스펜서 기계(Musashi, Shotmini 200S)를 사용하여 포토 폴리머(NOA 63, Norland Products, Inc.)를 체커보드 라인(checkerboard line) 패턴으로 증착하였다. 유리 주사기에 연결된 외경 0.82 mm, 내경 0.52 mm의 금속 바늘로 체커보드 라인 패턴을 3.5 mm 간격으로 그렸다. 이어서 체커보드 라인 패턴을 Hg 아크 램프에서 방출되는 UV 광에 60 초 동안 노출시켜 마이크로 웰 어레이 구조의 기판을 제조하였다.The photopolymer (NOA 63, Norland Products, Inc.) was deposited in a checkerboard line pattern using a dispenser machine (Musashi, Shotmini 200S) equipped with a 10 mL glass syringe. A checkerboard line pattern was drawn at intervals of 3.5 mm with a metal needle with an outer diameter of 0.82 mm and an inner diameter of 0.52 mm connected to a glass syringe. Then, the checkerboard line pattern was exposed to UV light emitted from an Hg arc lamp for 60 seconds to prepare a substrate having a micro-well array structure.

상기 기판에 평균 직경이 40 nm인 0.3 wt% Ag 나노와이어(Ag NW, Nanophyxis Co., Ltd.)의 수성 현탁액을 떨어뜨려 다중 스택(multiple stack)된 Ag NW를 형성하였다. 스택 수 또는 적층 수는 2 ㎕ 내지 10 ㎕ 범위의 현탁액 부피로 결정될 수 있다. 여기서 6 ㎕의 Ag NW 현탁액을 기판의 각 마이크로 웰에 증착하기로 결정하였고, 물은 건조시켰다(dried water).An aqueous suspension of 0.3 wt% Ag nanowires (Ag NW, Nanophyxis Co., Ltd.) having an average diameter of 40 nm was dropped on the substrate to form multiple stacked Ag NWs. The number of stacks or stacks can be determined with suspension volumes ranging from 2 μl to 10 μl. Here, it was decided to deposit 6 μl of Ag NW suspension into each microwell of the substrate, and dried water.

스퍼터링(sputtering)법을 이용하여 Ag NW의 3D 스택 표면에 15 nm 두께의 Au 층을 형성하였다. A 15 nm-thick Au layer was formed on the surface of the 3D stack of Ag NWs by sputtering.

이후, Au 층 위에 퍼플루오로데칸티올(perfluorodecanethiol, PFDT)인 자가 조립 단층막(Self-assembled monolayer, SAM)이 기상 증착(vapor-phase deposition)에 의해 코팅되었다. 특히, 다중 스택 Au 코팅된 Ag NW(Au-Ag NW)를 포함하는 마이크로 웰 어레이를 97% PFDT 용액 20 ㎕를 포함하는 폐쇄 유리 페트리 접시에서 2 시간 동안 배양하였다.Then, a self-assembled monolayer (SAM), which is perfluorodecanethiol (PFDT), was coated on the Au layer by vapor-phase deposition. In particular, micro-well arrays containing multi-stack Au-coated Ag NWs (Au-Ag NWs) were incubated for 2 hours in a closed glass Petri dish containing 20 μl of a 97% PFDT solution.

이후, 열 증발을 사용하여 0.3 A/s의 증착 속도로 PFDT 코팅된 Au-Ag NW에 Ag 나노입자(Ag NP)를 증착하여 플라즈모닉 나노 구조체를 제조하였다.Thereafter, using thermal evaporation, Ag nanoparticles (Ag NPs) were deposited on PFDT-coated Au-Ag NWs at a deposition rate of 0.3 A/s to prepare a plasmonic nanostructure.

초박형 하이드로젤 스킨으로 나노 구조체 표면을 코팅하기 위해 1.4 w/w% PEGDA (MW 700 g/mol, Sigma-Aldrich)의 1 ㎕ 에탄올 용액, 0.6 w/w% 물 및 0.01 w/w% 광개시제 1-[4-(2-하이드록시에톡시)-페닐]-2-하이드록시-2-메틸-1-프로판-1-온(Irgacure 2959, BASF)을 각 마이크로 웰에 적하하고 에탄올을 5분 동안 증발시켰다. 마이크로 웰은 15초 동안 UV 광에 의해 조사되었으며, 최종적으로 플라즈모닉 복합 구조체를 제조하였다.1 μl ethanol solution of 1.4 w/w% PEGDA (MW 700 g/mol, Sigma-Aldrich), 0.6 w/w% water and 0.01 w/w% photoinitiator 1- [4-(2-hydroxyethoxy)-phenyl]-2-hydroxy-2-methyl-1-propan-1-one (Irgacure 2959, BASF) was added dropwise to each microwell and ethanol was evaporated for 5 min. did it The micro-well was irradiated with UV light for 15 seconds, and finally a plasmonic composite structure was prepared.

이때, 두꺼운 벌크형태의 하이드로젤을 통한 캡슐화를 위해서는 7 w/w% PEGDA, 3 w/w% 물 및 0.05 w/w% 광개시제의 수용액 1 ㎕를 사용하여 동일한 프로토콜을 수행하였다.At this time, for encapsulation through a thick bulk hydrogel, the same protocol was performed using 1 μl of an aqueous solution of 7 w/w% PEGDA, 3 w/w% water and 0.05 w/w% photoinitiator.

<실험예><Experimental example>

- 특성화 및 SERS 측정- Characterization and SERS measurement

표면 형태는 전계 방출 주사 전자 현미경(FE-SEM; Jeol JSM-6700F)에 의해 분석되었다. 메틸렌블루(MB)의 SERS 스펙트럼은 633 및 785 nm 레이저가 장착된 휴대용 라만 분광기(CBEx, Snowy Range Instruments)를 사용하여 기록되었다. 레이저 출력은 10 mW이다. 트리싸이클라졸(tricyclazole)의 SERS 신호는 레이저 파장 633 nm, 레이저 출력 0.5 mW, 노출 시간 5 초의 휴대용 라만 분광기(NS220, Nanoscope Systems Inc., Daejeon, South Korea)를 사용하여 측정되었다.The surface morphology was analyzed by field emission scanning electron microscopy (FE-SEM; Jeol JSM-6700F). SERS spectra of methylene blue (MB) were recorded using a handheld Raman spectrometer (CBEx, Snowy Range Instruments) equipped with 633 and 785 nm lasers. The laser power is 10 mW. The SERS signal of tricyclazole was measured using a handheld Raman spectrometer (NS220, Nanoscope Systems Inc., Daejeon, South Korea) with a laser wavelength of 633 nm, a laser power of 0.5 mW, and an exposure time of 5 sec.

- 수치 시뮬레이션(Numerical simulations)- Numerical simulations

FDTD 시뮬레이션(finite-difference time-domain simulation)은 FDTD 솔루션 소프트웨어(버전 8.21, Lumerical Solutions)로 수행되었다. 나노 구조는 Autodesk Fusion 360을 사용하여 SEM 관찰을 기반으로 구축된 후 FDTD 솔루션으로 내보내었다. 여기 파장이 633 nm인 선형 편광 평면파는 Ag NP에서 Au-Ag NW 방향으로 편광된 플라즈모닉 나노 구조체에 직접 입사되었다. 시뮬레이션에서 Au와 Ag의 유전 상수는 633 nm에서 ε Au = -8.962364 + 1.164iε Ag = -15.037239 + 1.162i 로 설정되었다. PFDT의 굴절률은 1.333으로 설정되었다.A finite-difference time-domain simulation (FDTD) was performed with the FDTD solution software (version 8.21, Lumerical Solutions). The nanostructures were built based on SEM observations using Autodesk Fusion 360 and then exported as an FDTD solution. A linearly polarized plane wave with an excitation wavelength of 633 nm was directly incident on the plasmonic nanostructure polarized in the Au-Ag NW direction from the Ag NP. In the simulation, the dielectric constants of Au and Ag were set to ε Au = -8.962364 + 1.164 i and ε Ag = -15.037239 + 1.162 i at 633 nm. The refractive index of the PFDT was set to 1.333.

<실험결과 및 분석><Experimental results and analysis>

SERS 활성이 높은 플라즈모닉 복합 구조체로서, 표면이 10 nm 두께의 Au 층으로 코팅되고 고밀도의 은 나노입자(Ag NP)로 장식된 은 나노와이어(Ag NW)의 3D 다중 스택으로 구성된 계층적 나노 구조체를 사용한다. 이러한 플라즈모닉 나노 구조체는 5 단계로 준비되었다. 1) Ag NW를 다층으로 스택(stack), 2) Ag NW 표면에 Au 스퍼터링하여 Au 층 코팅, 3) Au 층 표면을 소수성 분자층인 자가 조립 단층막으로 코팅, 4) 열 증발을 통해 Ag를 증착, 5) 노출된 소수성 분자층을 도 1(a)와 같이 Ar-플라즈마 처리에 의해 에칭하였다. 플라즈모닉 나노 구조체를 별개의 구획으로 픽셀화하기 위해 도 2에 나타낸 바와 같이, 6 × 6 정사각형 마이크로 웰 어레이를 제작하여 사용하였다. 마이크로 웰 어레이는 매우 정확한 디스펜스 시스템과 함께 광경화성 수지를 사용하여 체커보드 라인 패턴을 그려서 준비하였다. 100 nm 두께의 Ag 층은 열 증발에 의해 평평한 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN) 기판 위에 증착되며, 이는 마이크로 웰 어레이의 준비를 위한 기판으로 사용된다. Ag 층은 라만 측정 중에 빛의 투과를 최소화할 수 있다. 각 마이크로 웰의 측면 치수는 3.5 mm이고 높이는 0.8 mm이다.A hierarchical nanostructure composed of 3D multi-stacks of silver nanowires (Ag NWs) decorated with high-density silver nanoparticles (Ag NPs) and coated with a 10 nm-thick Au layer as a plasmonic composite structure with high SERS activity. use These plasmonic nanostructures were prepared in five steps. 1) Ag NWs are stacked in multiple layers, 2) Au layer is coated by sputtering on the Ag NW surface, 3) the surface of the Au layer is coated with a self-assembled monolayer film, which is a hydrophobic molecular layer, 4) Ag is deposited through thermal evaporation Deposition, 5) The exposed hydrophobic molecular layer was etched by Ar-plasma treatment as shown in Fig. 1(a). In order to pixelate the plasmonic nanostructures into separate compartments, as shown in FIG. 2 , a 6 × 6 square micro-well array was fabricated and used. Microwell arrays were prepared by drawing checkerboard line patterns using photocurable resin with a highly accurate dispensing system. A 100 nm thick Ag layer was deposited on a flat polyethylene naphthalate (PEN) substrate by thermal evaporation, which was used as a substrate for the preparation of micro-well arrays. The Ag layer can minimize light transmission during Raman measurements. The lateral dimension of each microwell is 3.5 mm and the height is 0.8 mm.

각 마이크로 웰에 Ag NW를 적층하기 위해, 평균 직경이 40 nm인 Ag NW의 0.3 w/w% 수성 현탁액의 제어된 부피를 디스펜서를 통해 증착하고 물은 완전히 증발시킨다. 2 ㎕ 수성 현탁액의 증착을 위해 Ag NW는 도 3(a)에 나타낸 바와 같이, 2개 또는 3개 층의 밀도가 낮은 스택을 형성하였다. 부피가 클수록 층(layer)의 수와 부피 비율이 증가한다. 예를 들어, 6 ㎕ 수성 현탁액의 증착은 5개 또는 6개의 고밀도 스택을 형성하였다. 라만 분석을 위한 다중 스택의 최적 두께를 찾기 위해 5 μM 메틸렌블루(MB) 수용액 2 ㎕를 마이크로 웰에 떨어뜨려 증발시킨 다음, 도 3(b) 내지 도 3(d)에 나타낸 바와 같이, 휴대용 라만 분광기를 사용하여 라만 스펙트럼을 얻었다. 파장이 633 nm 및 785 nm인 여기 레이저가 각각 사용되었다. 두 파장의 여기에 대해 층 수가 증가하기 때문에 2 ㎕에서 4 ㎕의 수성 현탁액 부피와 함께 라만 강도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 부피가 8 ㎕로 더 증가하면 강도가 오히려 떨어진다. 강도의 감소는 더 두꺼운 스택의 더 큰 표면적으로 인한 MB의 표면 농도 감소에 기인하는 반면, 여기 빔의 침투 깊이는 여러 스택으로 제한된다. 도 1(b)에 나타낸 바와 같이, 마이크로 웰 어레이에서 다중 스택을 형성하기 위해 6 ㎕의 현탁액을 선택할 수 있다.To deposit Ag NWs in each microwell, a controlled volume of a 0.3 w/w% aqueous suspension of Ag NWs with an average diameter of 40 nm is deposited through a dispenser and the water is evaporated completely. For the deposition of 2 μl aqueous suspension Ag NWs formed a low density stack of 2 or 3 layers, as shown in Fig. 3(a). As the volume increases, the number of layers and the volume ratio increase. For example, deposition of 6 μl aqueous suspension formed 5 or 6 high-density stacks. In order to find the optimal thickness of a multi-stack for Raman analysis, 2 μl of a 5 μM methylene blue (MB) aqueous solution was dropped into a microwell and evaporated, and then, as shown in FIGS. 3(b) to 3(d), portable Raman Raman spectra were obtained using a spectrometer. Excitation lasers with wavelengths of 633 nm and 785 nm were used, respectively. As the number of layers increased for excitation of two wavelengths, it was confirmed that the Raman intensity increased with the volume of the aqueous suspension from 2 μl to 4 μl. However, when the volume is further increased to 8 μl, the strength is rather decreased. The decrease in intensity is due to the decrease in the surface concentration of MBs due to the larger surface area of the thicker stacks, whereas the penetration depth of the excitation beam is limited to several stacks. As shown in Figure 1(b), 6 μl of suspension can be selected to form multiple stacks in a micro-well array.

SERS 활성을 향상시키기 위해 Ag NW의 표면은 나노 갭이 매우 풍부한 Ag NP로 장식된다. Ag NP를 생산하기 위해, 먼저 Ag NW를 스퍼터링법에 의해 10 nm 두께의 Au 층으로 코팅한 다음, 기상 증착법을 이용하여 퍼플루오로데칸티올(PFDT)의 자가 조립 단층막(SAM)으로 덮었다. 자가 조립 단층막은 표면이 낮은 표면 에너지를 갖도록 렌더링한다. PFDT 층은 γPFDT = 0.015 J/m2의 표면 에너지를 가진다. Ag가 열 증발을 통해 증착될 때 도 1(c)에 나타낸 바와 같이 부드러운 필름이 아닌 PFDT가 코팅된 Au-Ag NW의 표면에 개별적으로 분리된 Ag NP를 형성한다. PFDT 층의 낮은 표면 에너지와 Ag의 높은 에너지(γAg = 1.20 J/m2)로 인해, Ag 원자는 증착 중에 구형 Ag NP를 형성할 때까지 PFDT 표면을 따라 확산된다. 마지막으로, PFDT 층은 Au 층 표면을 도출되도록 만들기 위해 Ar-플라즈마 처리에 의해 에칭되고 생성 된 계층적 나노 구조체는 SERS를 통한 분자 검출에 사용된다. 반사율 스펙트럼은 도 4에 나타낸 바와 같이 각 제조 단계에서 측정하였다. 633 nm에서의 반사율은 Ag NW의 3D 다중 스택에 대해 30%이며, Au-Ag NW를 형성하기 위한 Au 층 증착의 경우 10%로 감소하였다. PFDT 코팅 및 Ag 증착으로 Au-Ag NW를 Ag NP로 장식하는 추가 처리는 Ag의 증착 조건에 따라 반사율이 약간 변경된다.To enhance the SERS activity, the surface of Ag NWs is decorated with Ag NPs highly enriched in nanogaps. To produce Ag NPs, Ag NWs were first coated with a 10 nm thick Au layer by sputtering, and then covered with a self-assembled monolayer (SAM) of perfluorodecanethiol (PFDT) using vapor deposition. Self-assembled monolayers render surfaces with low surface energy. The PFDT layer has a surface energy of γ PFDT = 0.015 J/m 2 . When Ag is deposited through thermal evaporation, individually isolated Ag NPs are formed on the surface of the PFDT-coated Au-Ag NWs rather than as a soft film, as shown in Fig. 1(c). Due to the low surface energy of the PFDT layer and the high energy of Ag (γ Ag = 1.20 J/m 2 ), Ag atoms diffuse along the PFDT surface until they form spherical Ag NPs during deposition. Finally, the PFDT layer is etched by Ar-plasma treatment to make the Au layer surface derived and the resulting hierarchical nanostructure is used for molecular detection via SERS. The reflectance spectrum was measured at each manufacturing step as shown in FIG. 4 . The reflectance at 633 nm was 30% for 3D multiple stacks of Ag NWs, and decreased to 10% for Au layer deposition to form Au-Ag NWs. The additional treatment of decorating Au-Ag NWs with Ag NPs with PFDT coating and Ag deposition slightly changed the reflectance depending on the deposition conditions of Ag.

도 5에 나타낸 바와 같이, Ag NP의 직경은 Au-Ag NW의 상부 표면에서 상대적으로 크고, 증착 중 Ag의 방향성 플럭스로 인해 측면에서는 작다. 또한, 바닥 표면에는 Ag NP가 없다. 평평한 표면에 20 nm 두께의 층을 형성하는 증착 조건을 사용하여 상단 표면의 Ag NP의 직경은 약 60 nm, 측면 표면의 직경은 약 30 nm, 평균 직경은 34.4 nm를 나타낸다. 이는 도 5를 통해 확인할 수 있다. 이러한 관찰을 기반으로, Ag NW의 교차점 근처의 3D 아키텍처는 도 1(e)에 나타낸 바와 같이 유한 차분 시간 영역(FDTD) 시뮬레이션을 통해 재구성될 수 있다. 파장이 633 nm인 평면파 복사의 경우 LSPR 커플링 효과의 결과로 Ag NP에서 Au-Ag NW 나노 갭으로, Ag NP에서 Ag NP 나노 갭으로 전기장이 국부적으로 강화되어 다중 핫스팟을 제공한다. Au-Ag NW의 측면에 형성된 Ag NP는 나노 갭이 입사광의 편광 방향에 평행하게 정렬되므로 근거리 강화를 극대화 할 수 있다. 표면 형태는 증착 조건을 조정하여 추가로 변경할 수 있다. 30 nm 두께와 40 nm 두께 층에 대한 증착 조건을 각각 사용하면 Ag NP의 평균 직경은 49 nm와 61 nm이며 두꺼운 층을 증착 할 때 Ag NP의 수가 감소한다(도 5 참조).As shown in Fig. 5, the diameter of Ag NPs is relatively large at the upper surface of Au-Ag NWs and small at the side due to the directional flux of Ag during deposition. Also, there are no Ag NPs on the bottom surface. Using the deposition conditions to form a 20 nm-thick layer on a flat surface, the diameter of the Ag NPs on the top surface is about 60 nm, the diameter on the side surface is about 30 nm, and the average diameter is 34.4 nm. This can be confirmed through FIG. 5 . Based on these observations, the 3D architecture near the intersection of Ag NWs can be reconstructed through finite differential time domain (FDTD) simulation as shown in Fig. 1(e). For plane wave radiation with a wavelength of 633 nm, the electric field is locally enhanced from Ag NPs to Au-Ag NW nanogaps and from Ag NPs to Ag NP nanogaps as a result of the LSPR coupling effect, providing multiple hotspots. Ag NPs formed on the side of the Au-Ag NW can maximize near-field reinforcement because the nanogap is aligned parallel to the polarization direction of the incident light. The surface morphology can be further altered by adjusting the deposition conditions. With deposition conditions for 30 nm thick and 40 nm thick layers, respectively, the average diameters of Ag NPs are 49 nm and 61 nm, and the number of Ag NPs decreases when depositing thick layers (see Fig. 5).

메틸렌블루(MB)의 라만 신호는 도 1(f)에 나타낸 바와 같이 Ag NW의 표면에 Ag NP를 형성함으로써 크게 향상된다. 433 cm-1의 라만 이동 강도는 Ag NW의 Ag NP가 없는 스택과 비교하여 20 nm 두께 레이어의 증착 조건에서 10.5배 증가했으며, 30 nm 두께 및 40 nm 두께 레이어의 조건에서는 각각 9.9배 및 5.6배 증가하였다. 이러한 경향은 Ag 증착 두께와 함께 633 nm에서 반사율 감소 또는 흡광도 향상과 일치한다(도 4 참조). 두꺼운 Ag 증착에 대한 라만 강도의 감소와 반사율의 증가는 나노 갭의 수를 감소시키는 융합에 의한 Ag NP의 성장에 기인한다.The Raman signal of methylene blue (MB) is greatly improved by forming Ag NPs on the surface of Ag NWs as shown in Fig. 1(f). The Raman shift intensity of 433 cm −1 increased by 10.5 times under the deposition condition of a 20 nm thick layer compared with the stack without Ag NPs of Ag NWs, and 9.9 times and 5.6 times under the condition of 30 nm thick and 40 nm thick layers, respectively. increased. This trend is consistent with a decrease in reflectance or an increase in absorbance at 633 nm with Ag deposition thickness (see Fig. 4). The decrease in Raman intensity and increase in reflectance for thick Ag deposition is attributed to the growth of Ag NPs by fusion reducing the number of nanogaps.

금속 표면은 단백질의 비가역 및 비특이적 흡착으로 인해 오염되기 쉽기 때문에 SERS를 통해 생물학적 유체에서 작은 분자를 직접 감지하기 위해 금속 나노 구조체를 사용하기 어렵다. 금속 표면에 작은 표적 분자의 접근을 허용하면서 접착 단백질을 배제하기 위해 최적화된 계층적 나노 구조체로서 하이드로젤 스킨으로 캡슐화된다. 하이드로젤은 친수성 그룹으로 구성된 물이 팽윤된 3D 고분자 네트워크로, 네트워크의 메쉬 크기를 제한하는 것보다 작은 분자를 주입하고 더 큰 분자는 거부할 수 있다. 이 크기 선택 투과를 통해 지루한 샘플 전처리 없이 복잡한 생물학적 유체에서 작은 분자를 직접 검출 할 수 있다. 그러나 하이드로젤 네트워크를 통한 분자의 확산은 현저히 지연되어 빠른 분자 검출을 방해한다. 따라서 확산 길이를 최소화하기 위해 벌크 하이드로젤 매트릭스를 형성하는 것보다 얇은 하이드로젤 스킨으로 금속 표면을 코팅하는 것이 바람직하다. 개별적인 Ag NW의 표면에 얇은 초박막 하이드로젤 스킨을 형성하기 위해 PEGDA의 하이드로젤 전구체의 고도로 희석된 에탄올 용액을 사용하였다. 각 마이크로 웰에서 1.4 w/w% PEGDA, 0.6 w/w% 물 및 0.01 w/w% 광개시제의 1 ㎕ 에탄올 용액을 떨어뜨려 에탄올을 증발시켰다. 용액이 전체 습윤 구역(total wetting regime)에서 Ag 표면 퍼짐에 따라(도 6 참조), 에탄올의 증발은 나노 구조체의 전체 표면에 PEGDA가 풍부한 용액의 얇은 층을 생성하고 Ag NW 사이의 간극 공극을 비운다. 전체 습윤에서 부분 습윤으로의 전환은 평형 상태에서 에탄올의 분율이 50% 이하로 떨어질 때 발생하지만, 점성 액체의 박막이 매우 느린 디웨팅(dewetting) 동역학을 나타내기 때문에 에탄올의 완전 건조에서도 디웨팅이 관찰되지 않았다(도 6 참조). PEGDA는 나노 구조체에 자외선 (UV)을 15초 동안 조사하여 중합된다. 그 절차는 도 7(a)에 요약되어 있다.Because metal surfaces are prone to contamination due to irreversible and nonspecific adsorption of proteins, it is difficult to use metal nanostructures to directly detect small molecules in biological fluids via SERS. Encapsulated in hydrogel skins as hierarchical nanostructures optimized to exclude adhesion proteins while allowing access of small target molecules to the metal surface. Hydrogels are water-swelled 3D polymer networks composed of hydrophilic groups, which can inject small molecules and reject larger molecules than limit the mesh size of the network. This size-selective permeation allows the direct detection of small molecules in complex biological fluids without tedious sample preparation. However, diffusion of molecules through the hydrogel network is significantly delayed, preventing rapid molecular detection. Therefore, it is preferable to coat the metal surface with a thin hydrogel skin rather than forming a bulk hydrogel matrix to minimize the diffusion length. A highly diluted ethanol solution of the hydrogel precursor of PEGDA was used to form a thin ultra-thin hydrogel skin on the surface of individual Ag NWs. In each microwell, 1 μl ethanol solution of 1.4 w/w% PEGDA, 0.6 w/w% water and 0.01 w/w% photoinitiator was dropped to evaporate the ethanol. As the solution spreads on the Ag surface in the total wetting regime (see Fig. 6), evaporation of ethanol creates a thin layer of PEGDA-rich solution on the entire surface of the nanostructures and emptys the interstitial voids between the Ag NWs. . Although the transition from full wetting to partial wetting occurs when the fraction of ethanol at equilibrium falls below 50%, dewetting is not possible even in complete drying of ethanol because thin films of viscous liquids exhibit very slow dewetting kinetics. was not observed (see FIG. 6). PEGDA is polymerized by irradiating the nanostructure with ultraviolet (UV) light for 15 seconds. The procedure is summarized in Fig. 7(a).

전체 습윤은 도 7(b) 및 도 7(c)에 나타낸 바와 같이, Ag NW 사이에 큰 간극 공극을 유지하면서 초박형 하이드로젤 스킨으로 계층적 나노 구조의 전체 표면을 완전히 감싸게 된다(캡슐화). 금속 표면이 주변에 직접 노출되지 않는다. 하이드로젤 스킨의 두께는 Au-Ag NW의 표면에 Ag NP의 배열에 따라 표면 파동을 일으킨다. 이 구조적 특징은 하이드로젤 스킨의 두께가 Ag NP의 직경과 비슷하거나 그보다 작다는 것을 의미한다. 구조적 특징을 추가로 조사하기 위해 도 7(d)에 나타낸 바와 같이, 두꺼운 백금 층을 증착한 후 집중된 이온빔으로 다중 스택을 트리밍하였다. 트리밍 중에 구조가 부분적으로 왜곡되지만, 최상층의 Ag NW가 Ag NP로 장식되어 있음이 분명하게 나타난다. 바닥층의 Ag NW는 Ag 증착의 기하학적 구조에서 예상 한 것처럼 Ag NP로 장식되지 않는다. 또한, Ag NP 및 Ag NW는 초박형 하이드로젤 스킨으로 둘러싸여 있다. 금속-하이드로젤 복합 구조체의 파단은 투과 전자 현미경(TEM)으로도 관찰되며, 이는 도 7(e)에 나타낸 바와 같이 건조된 상태에서 약 21 nm 두께의 하이드로젤 스킨을 확인할 수 있다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 하이드로젤 스킨과 동일한 조성을 가진 벌크 하이드로젤 필름은 173%의 부피 팽창 비율을 보여준다. 하이드로젤 스킨이 동일한 팽창 비율을 갖는다고 가정하면, 습윤 상태에서의 두께는 도 8(c)에 나타낸 바와 같이 단순화된 모델 구조에서 약 32 nm로 추정된다. Total wetting completely encapsulates the entire surface of the hierarchical nanostructure with an ultra-thin hydrogel skin while maintaining large interstitial voids between Ag NWs, as shown in Figs. 7(b) and 7(c). The metal surface is not directly exposed to the surroundings. The thickness of the hydrogel skin causes surface waves according to the arrangement of Ag NPs on the surface of Au-Ag NWs. This structural feature means that the thickness of the hydrogel skin is similar to or smaller than the diameter of Ag NPs. To further investigate the structural features, as shown in Fig. 7(d), a thick platinum layer was deposited and then the multiple stacks were trimmed with a focused ion beam. Although the structure is partially distorted during trimming, it is clearly shown that the Ag NWs in the top layer are decorated with Ag NPs. The Ag NWs in the bottom layer are not decorated with Ag NPs as expected from the Ag deposition geometry. In addition, Ag NPs and Ag NWs are surrounded by an ultra-thin hydrogel skin. The fracture of the metal-hydrogel composite structure is also observed with a transmission electron microscope (TEM), which confirms the hydrogel skin with a thickness of about 21 nm in the dried state as shown in FIG. 7(e). As shown in FIG. 8 , the bulk hydrogel film having the same composition as the hydrogel skin shows a volume expansion ratio of 173%. Assuming that the hydrogel skin has the same swelling ratio, the thickness in the wet state is estimated to be about 32 nm in the simplified model structure as shown in Fig. 8(c).

초박형 하이드로젤 스킨의 크기 선택 투과성은 세 가지 분자량(MWs)을 가진 플루오레세인 이소티오시아네이트(fluorescein isothiocyanate, FITC) 태그가 달린 덱스트란 분자 세트를 사용하여 입증하였다. 도 7(f)에 나타낸 바와 같이, 분자량(MW)이 10 kDa인 FITC 태그 덱스트란 수용액을 떨어뜨리면 하이드로젤 캡슐화 나노 구조체와 하이드로젤이 없는 베어(bare) 나노 구조체 모두 1176, 1313, 1535 및 1589 cm-1에서 강력한 특성 피크를 갖는 FITC의 라만 스펙트럼을 나타낸다. 이것은 하이드로젤 스킨이 제한하는 메쉬 크기가 MW 10 kDa, 4.6 nm인 FITC 태그 덱스트란의 유체 역학적 직경보다 크다는 것을 나타낸다. 하이드로젤로 캡슐화된 나노 구조체에서 측정된 라만 신호의 강도는 하이드로젤로 코팅된 전체 표면을 통해서도 하이드로젤이 없는 베어 나노 구조체에서 측정한 강도의 약 70% 만큼 높다는 점에 주목할 필요가 있다. MW가 20kDa인 FITC 태그 덱스트란의 경우 하이드로젤이 없는 기본 나노 구조체에서 측정된 라만 스펙트럼만 FITC의 날카롭고 강한 특성 피크를 보여준다. 하이드로젤 캡슐화된 나노 구조체에서 측정된 1176 cm-1에서 라만 스펙트럼의 신호 강도는 하이드로젤이 없는 베어 나노 구조체의 신호 강도의 10%에 불과하다. MW가 40 kDa인 FITC 태그 덱스트란을 사용하면 상대 강도가 7%로 감소한다. MW가 10, 20 및 40 kDa 인 FITC 태그가 지정된 덱스트란에 대한 1176 cm-1에서의 상대 강도는 도 7(g)에 나타내었다. 상대 강도의 급격한 변화는 MW가 10 kDa에서 20 kDa으로 증가함에 따라 관찰되며, 이는 투과 차단 임계 값(cutoff threshold of permeation)이 4.6 nm에서 6.6 nm 사이임을 나타내고, 이는 각각 MW가 10 kDa 및 20 kDa 인 덱스트란의 유체 역학적 직경이다.The size-selective permeability of ultrathin hydrogel skins was demonstrated using a set of dextran molecules tagged with fluorescein isothiocyanate (FITC) with three molecular weights (MWs). As shown in FIG. 7(f), when an aqueous solution of FITC-tag dextran having a molecular weight (MW) of 10 kDa is dropped, both the hydrogel encapsulated nanostructure and the hydrogel-free bare nanostructure 1176, 1313, 1535 and 1589 The Raman spectrum of FITC with a strong characteristic peak at cm −1 is shown. This indicates that the mesh size limited by the hydrogel skin is larger than the hydrodynamic diameter of the FITC-tagged dextran with a MW of 10 kDa, 4.6 nm. It is worth noting that the intensity of the Raman signal measured in the hydrogel-encapsulated nanostructure is as high as about 70% of the intensity measured in the bare nanostructure without the hydrogel, even through the entire surface coated with the hydrogel. In the case of FITC-tagged dextran with a MW of 20 kDa, only the Raman spectrum measured from a basic nanostructure without a hydrogel shows a sharp and strong characteristic peak of FITC. The signal intensity of the Raman spectrum at 1176 cm -1 measured in the hydrogel encapsulated nanostructure is only 10% of the signal intensity of the bare nanostructure without the hydrogel. Using FITC-tagged dextran with a MW of 40 kDa reduces the relative intensity to 7%. The relative intensities at 1176 cm −1 for FITC-tagged dextran with MWs of 10, 20 and 40 kDa are shown in FIG. 7( g ). A sharp change in relative intensity is observed as the MW increases from 10 kDa to 20 kDa, indicating that the cutoff threshold of permeation is between 4.6 nm and 6.6 nm, indicating that the MW is 10 kDa and 20 kDa, respectively. It is the hydrodynamic diameter of dextran.

독성 분자의 현장 신속한 검출은 식품 산업에서 매우 중요하고 강력하게 요구된다. 표적으로 삼은 분자인 트리싸이클라졸(tricyclazole)은 곡물, 채소 및 과일의 도열병(rice blast)을 방지하기 위한 살균제로 널리 사용되며 먹이 사슬의 최상위를 차지하는 젖소의 젖에 축적된다. 따라서, 유럽 연합(EU)은 우유 내 트리싸이클라졸의 최대 잔류 한계(maximum residual limit, MRL)를 매우 낮은 수준(예: 10 ppb)으로 설정했다. 먼저 하이드로젤이 없는 나노 구조체와 초박형 하이드로젤 캡슐화된 나노 구조체를 사용하여 증류수에 용해된 트리싸이클라졸의 검출 감도를 평가하였다. 또한, 도 9에 나타낸 바와 같이, 하이드로젤 스킨의 얇음에 따른 효과를 연구하기 위해 전체 공극이 하이드로젤 매트릭스로 가득 찬 계층적 나노 구조체를 준비하였다. 두꺼운 하이드로젤 매트릭스는 각 마이크로 웰에 7 w/w% PEGDA, 3 w/w% 물 및 0.07 w/w% 광개시제의 1 ㎕ 에탄올 용액을 떨어뜨리고 5분 동안 에탄올을 증발시키고 15초 동안 UV를 조사하여 형성하였다. 이는 약 1 ㎛ 두께의 하이드로젤을 생성하고 개별 Ag NW를 캡슐화하는 대신 하이드로젤 매트릭스에 완전히 포함된 Ag NW의 다중 스택을 형성한다. 세 가지 나노 구조체(하이드로젤이 없는 나노 구조체, 초박형 하이드로젤 캡슐화 나노 구조체 및 두꺼운 하이드로젤 필름이 형성된 나노 구조체)를 트리싸이클라졸 수용액에 1시간 동안 담근 후 건조하여 633 nm의 레이저가진 휴대용 라만 분광기를 사용하여 라만 스펙트럼을 기록하였다. 여기서 트리싸이클라졸의 농도는 100 ppm에서 1 ppb까지 다양하다. Rapid in situ detection of toxic molecules is very important and strongly required in the food industry. The targeted molecule, tricyclazole, is widely used as a fungicide to prevent rice blasts in grains, vegetables and fruits, and accumulates in the milk of cows at the top of the food chain. Therefore, the European Union (EU) has set the maximum residual limit (MRL) of tricyclazole in milk at a very low level (eg 10 ppb). First, the detection sensitivity of tricyclazole dissolved in distilled water was evaluated using a hydrogel-free nanostructure and an ultra-thin hydrogel encapsulated nanostructure. In addition, as shown in FIG. 9 , a hierarchical nanostructure in which all pores were filled with a hydrogel matrix was prepared in order to study the effect of the thinness of the hydrogel skin. The thick hydrogel matrix was prepared by dropping 1 μl ethanol solution of 7 w/w% PEGDA, 3 w/w% water and 0.07 w/w% photoinitiator into each microwell, evaporating the ethanol for 5 minutes, and irradiating with UV for 15 seconds. was formed. This results in hydrogels approximately 1 μm thick and forms multiple stacks of Ag NWs fully embedded in the hydrogel matrix instead of encapsulating individual Ag NWs. Three nanostructures (a nanostructure without hydrogel, an ultra-thin hydrogel encapsulated nanostructure, and a nanostructure with a thick hydrogel film) were immersed in an aqueous solution of tricyclazole for 1 hour and dried, followed by a portable Raman spectrometer with a 633 nm laser. was used to record Raman spectra. Here the concentration of tricyclazole varies from 100 ppm to 1 ppb.

하이드로젤이 없는 나노 구조체는 도 10(a)에 나타낸 바와 같이 모든 농도에 대해 423, 524, 557, 594, 976, 1082, 1189, 1149, 1308, 1369, 1414 및 1577 cm-1에서 트리싸이클라졸의 명확한 특징적인 피크를 보여준다. 검출 한계(LOD)는 1 ppb로 측정된다. 초박형 하이드로젤 캡슐화 나노 구조체는 도 11(b)에 나타낸 바와 같이 같이 1 ppm 내지 100 ppm 범위에서 하이드로젤이 없는 것과 비교 가능한 라만 신호의 강도를 보여 주며 1 ppb 내지 1 ppm 범위에서는 상대 강도가 다소 낮아진다. 그럼에도 불구하고 LOD는 하이드로젤이 없는 나노 구조체의 경우와 동일한 1 ppb로 측정된다. 대조적으로 두꺼운 하이드로젤로 캡슐화된 나노 구조체는 전체 농도 범위에서 훨씬 낮은 강도를 보이며, 도 10(c)에 나타낸 바와 같이 1 ppb 농도에서 트리싸이클라졸의 라만 신호는 측정되지 않는다. 두꺼운 하이드로젤 매트릭스에 대한 LOD의 감소는 하이드로젤 네트워크를 통한 긴 확산 길이와 하이드로젤 매트릭스에서 트리싸이클라졸의 부분 분할에 기인한다. 3개의 다른 나노 구조체에 대한 1365 cm-1에서 라만 강도의 농도 의존성은 도 10(d)에 요약되어 있다. 초박형 하이드로젤 캡슐화 나노 구조체의 감도는 하이드로젤이 없는 나노 구조와 비슷하다. 즉, 매우 짧은 확산 길이와 부분 분할을 위한 하이드로젤 매트릭스의 무시할 수 있는 부피로 인해 초박형 하이드로젤 스킨에 대한 분자 선택성을 희생시키면서 감도가 크게 감소하지 않음을 확인할 수 있었다.The hydrogel-free nanostructures were tricyclized at 423, 524, 557, 594, 976, 1082, 1189, 1149, 1308, 1369, 1414 and 1577 cm −1 for all concentrations as shown in FIG. 10(a). It shows a clear characteristic peak of the sol. The limit of detection (LOD) is measured at 1 ppb. The ultra-thin hydrogel encapsulated nanostructure shows the intensity of the Raman signal comparable to that without the hydrogel in the range of 1 ppm to 100 ppm, as shown in FIG. 11(b), and the relative intensity is somewhat lower in the range of 1 ppb to 1 ppm . Nevertheless, the LOD is measured at 1 ppb, which is the same as for the nanostructure without hydrogel. In contrast, the nanostructure encapsulated in a thick hydrogel shows much lower strength over the entire concentration range, and the Raman signal of tricyclazole at 1 ppb concentration is not measured as shown in FIG. 10( c ). The decrease in LOD for the thick hydrogel matrix is due to the long diffusion length through the hydrogel network and partial splitting of tricyclazole in the hydrogel matrix. The concentration dependence of the Raman intensity at 1365 cm -1 for three different nanostructures is summarized in Fig. 10(d). The sensitivity of ultra-thin hydrogel-encapsulated nanostructures is comparable to that of nanostructures without hydrogels. In other words, it was confirmed that the sensitivity was not significantly reduced while sacrificing molecular selectivity for the ultra-thin hydrogel skin due to the very short diffusion length and negligible volume of the hydrogel matrix for partial splitting.

복잡한 혼합물에 대한 감지 성능을 검증하기 위해 전처리 없이 우유에서 트리싸이클라졸을 직접 검출하였다. 초박형 하이드로젤 캡슐화 나노 구조체는 도 11(a)의 좌측 사진에 나타낸 바와 같이, 트리싸이클라졸이 포함된 우유에 1 시간 동안 담근다. 도 7(f) 및 도 7(g)에서 확인한 바와 같이, 초박형 하이드로젤 스킨에 대한 투과의 차단 임계 값은 4.6 nm에서 6.6 nm 사이이므로 우유의 큰 단백질(주로 카제인 및 알부민)과 콜로이드가 여과되고 금속 표면이 오염없이 신선하게 유지된다. 라만 스펙트럼은 완전 건조 후 휴대용 라만 분광기를 사용하여 나노 구조체에서 측정되었다. 우유에 함유된 트리싸이클라졸 농도가 10 ppb 내지 100 ppm 범위인 경우 도 11(b)에 나타낸 바와 같이 명확한 특성 피크가 감지된다. 1 ppb 농도의 경우 특징적인 피크가 감지되지 않았으며 이는 LOD가 EU에서 설정한 우유의 트리싸이클라졸 MRL과 동일한 10 ppb임을 나타낸다. 우유에서 유래한 분자에는 강한 피크가 없다. 우유에 대한 0 ppb의 작은 피크는 하이드로젤이 없는 나노 구조체와 증류수에 담근 초박형 하이드로젤 캡슐화 나노 구조체에서 측정된 라만 스펙트럼에서도 관찰되므로 Ag NW의 캡핑제인 잔류 폴리(비닐피롤리돈)(PVP)에서 유래한 것으로 간주된다(도 12 참조). 이것을 우유의 작은 분자에 대한 매우 작은 라만 산란 단면의 결과로 본다. 10 ppb 내지 100 ppm 범위에서 1365 cm-1에서의 라만 강도는 도 12(c)에 나타낸 바와 같이 로그 농도에 선형적으로 비례한다. 선형 피팅은 0.98의 상관 계수를 보여준다. 따라서 트리싸이클라졸을 정량적으로 직접 검출 할 수 있음을 확인할 수 있다. 대조적으로, 하이드로젤이 없는 나노 구조체는 도 13에 나타낸 바와 같이 1 ppm 내지 100 ppm 범위에서 훨씬 낮은 라만 강도를 나타내고 100 ppb 농도에서 트리실라졸에 대한 라만 신호가 없다. 즉, LOD는 1 ppm으로, 도 11(c)에 나타낸 바와 같이 초박형 하이드로젤 캡슐화된 나노 구조체보다 2배 더 크다. 하이드로젤이 없는 베어 나노 구조체에 대한 LOD의 현저한 감소는 금속 표면에 트리싸이클라졸 분자의 흡착을 방해하는 단백질의 비특이적 흡착으로 인해 발생하여 신호 대 잡음비가 감소한다. To verify the detection performance for complex mixtures, tricyclazole was directly detected in milk without pretreatment. The ultra-thin hydrogel encapsulated nanostructure is immersed in milk containing tricyclazole for 1 hour as shown in the left photo of FIG. 11(a). 7(f) and 7(g), the blocking threshold of permeation for ultra-thin hydrogel skin is between 4.6 nm and 6.6 nm, so that large proteins (mainly casein and albumin) and colloids in milk are filtered and The metal surface remains fresh and free from contamination. Raman spectra were measured on the nanostructures using a portable Raman spectrometer after complete drying. When the concentration of tricyclazole contained in milk is in the range of 10 ppb to 100 ppm, a clear characteristic peak is detected as shown in FIG. 11(b). For the 1 ppb concentration, no characteristic peak was detected, indicating that the LOD was 10 ppb, which is the same as the tricyclazole MRL in milk established in the EU. Molecules derived from milk do not have strong peaks. The small peak of 0 ppb for milk is also observed in the Raman spectra measured from the hydrogel-free nanostructures and from the ultra-thin hydrogel encapsulated nanostructures immersed in distilled water. is considered to be derived (see FIG. 12). We see this as a result of very small Raman scattering cross sections for small molecules in milk. The Raman intensity at 1365 cm −1 in the range of 10 ppb to 100 ppm is linearly proportional to the log concentration as shown in FIG. 12( c ). A linear fit shows a correlation coefficient of 0.98. Therefore, it can be confirmed that tricyclazole can be quantitatively and directly detected. In contrast, the hydrogel-free nanostructures exhibit a much lower Raman intensity in the range of 1 ppm to 100 ppm and no Raman signal for trisilazole at a concentration of 100 ppb, as shown in FIG. 13 . That is, the LOD is 1 ppm, which is twice that of the ultra-thin hydrogel encapsulated nanostructure as shown in FIG. 11(c). The significant decrease in LOD for bare nanostructures without hydrogel occurs due to non-specific adsorption of proteins, which interferes with the adsorption of tricyclazole molecules to the metal surface, resulting in decreased signal-to-noise ratio.

하이드로젤 스킨은 분자 크기 선택성을 제공하지만 확산 장벽으로 작용하여 라만 반응을 지연시킬 수 있다. 반응 시간에 대한 하이드로젤 스킨의 영향을 연구하기 위해 하이드로젤이 없는 SERS 나노 구조체와 초박형 하이드로젤 캡슐화된 나노 구조체를 1, 10, 30, 45 및 60분의 다양한 시간 동안 1 ppm 트리싸이클라졸이 함유된 우유에서 배양하여 완전한 건조 후 라만 스펙트럼을 획득하였다. 1365 cm-1에서 라만 강도는 도 14에 나타낸 바와 같이 두 나노 구조체의 배양 시간과 함께 증가한다. 예상대로 하이드로젤이 없는 나노 구조체는 하이드로젤이 금속 나노 구조 표면으로의 확산을 지연시키기 때문에 초박형 하이드로젤 캡슐화된 나노 구조체보다 더 빠른 강도 증가를 보여준다. 그럼에도 불구하고 응답 시간은 크게 다르지 않다. 하이드로젤이 없는 나노 구조체의 경우 30분, 초박형 하이드로젤 캡슐화된 나노 구조체의 경우 45분 내에 강도가 정점에 도달한다. 미미한 지연은 하이드로젤 스킨이 얇기 때문이다. 팽창된 하이드로젤 스킨의 두께는 약 32 nm 정도로 작아서 확산이 크게 지연되지 않는다. Although hydrogel skins provide molecular size selectivity, they can act as diffusion barriers and delay the Raman response. To study the effect of hydrogel skin on reaction time, hydrogel-free SERS nanostructures and ultra-thin hydrogel encapsulated nanostructures were treated with 1 ppm tricyclazole for various times of 1, 10, 30, 45 and 60 min. Raman spectra were obtained after complete drying by incubation in the milk contained therein. The Raman intensity at 1365 cm -1 increases with the incubation time of the two nanostructures, as shown in FIG. 14 . As expected, the hydrogel-free nanostructures showed a faster strength increase than the ultrathin hydrogel encapsulated nanostructures because the hydrogel delayed diffusion to the surface of the metal nanostructures. Nevertheless, the response times are not significantly different. The strength peaks within 30 minutes for nanostructures without hydrogels and 45 minutes for ultra-thin hydrogel encapsulated nanostructures. The slight delay is due to the thin hydrogel skin. The thickness of the expanded hydrogel skin is as small as about 32 nm, so diffusion is not significantly retarded.

라만 스펙트럼은 분자 특이적이고 분자 지문 역할을 하므로 복잡한 혼합물의 다양한 작은 분자를 특징적인 피크 위치에서 식별 할 수 있다. 두 개의 서로 다른 작은 분자의 동시 검출을 입증하기 위해 트리싸이클라졸과 파라콰트(paraquat)를 우유에 1 ppm 농도로 고정하고, 이 중 라만 스펙트럼은 초박형 하이드로젤 캡슐화된 나노 구조체를 사용하여 측정한다. 라만 스펙트럼은 도 15에 나타낸 바와 같이, 트리싸이클라졸과 파라콰트의 특징적인 피크를 나타낸다. 파라콰트는 유일한 파라콰트를 함유한 우유에서 측정된 833 및 1642 cm-1에서 특징적인 피크를 가지고 있다. 이 결과는 초박형 하이드로젤 캡슐화된 나노 구조체가 복잡한 혼합물에서 작은 분자의 다중 검출에 사용될 수 있음을 나타낸다.Because Raman spectra are molecular-specific and serve as molecular fingerprints, various small molecules in complex mixtures can be identified at characteristic peak positions. To demonstrate the simultaneous detection of two different small molecules, tricyclazole and paraquat were immobilized in milk at a concentration of 1 ppm, and Raman spectra were measured using ultra-thin hydrogel encapsulated nanostructures. The Raman spectrum shows characteristic peaks of tricyclazole and paraquat, as shown in FIG. 15 . Paraquat has characteristic peaks at 833 and 1642 cm −1 measured in milk containing only paraquat. These results indicate that ultrathin hydrogel encapsulated nanostructures can be used for multiplex detection of small molecules in complex mixtures.

본 발명에서는 분자 검출의 높은 감도와 하이드로젤의 유체 역학적 크기 배제를 기반으로 한 고분자 선택성을 보여주는 초박형 하이드로젤 스킨으로 캡슐화된 3D 플라즈모닉 복합 구조체를 설계하였다. 3D 플라즈모닉 복합 구조체는 표면이 Ag NP로 장식된 다중 적층 Au-Ag 이중금속 NW로 구성되었다. 나노 구조체에서 개별 NW의 전체 표면은 NW 사이의 간극 공극을 유지하면서 약 21 nm 두께의 하이드로젤 스킨으로 둘러싸여 있다. 이러한 초박형 하이드로젤 캡슐화된 금속 나노 구조체의 구성은 동시에 두꺼운 하이드로젤 캡슐화된 나노 구조체 및 하이드로젤이 없는 베어 나노 구조체로는 달성하기 어려운 라만 신호 및 분자 선택의 실질적인 향상을 달성한다. 탁월한 감도와 선택성의 장점을 활용하여 트리싸이클라졸의 극소 독성 살균제는 정제 단계없이 우유에서 직접 검출 할 수 있다. LOD는 EU에서 설정한 MRL과 동일한 휴대용 라만 분광기를 사용하여 10 ppb까지 낮게 측정된다. LOD는 고정밀 라만 분광기를 사용하면 훨씬 더 낮을 것으로 예상된다. 이 등급의 SERS 플랫폼은 생물학적 유체, 식품, 화장품 및 환경 유체를 포함한 다양한 복합 유체에서 작은 독성 분자를 빠르고 직접 현장에서 감지 할 수 있는 새로운 기회를 제공한다. 또한 초박형 하이드로젤 스킨으로 금속 표면을 코팅하는 프로토콜은 SERS 기반 분자 검출을 넘어 다양한 응용 분야에도 유망하다.In the present invention, a 3D plasmonic complex structure encapsulated with an ultra-thin hydrogel skin showing high sensitivity of molecular detection and polymer selectivity based on hydrodynamic size exclusion of hydrogels was designed. The 3D plasmonic composite structure was composed of multi-layered Au-Ag bimetallic NWs whose surface was decorated with Ag NPs. In the nanostructure, the entire surface of the individual NWs is surrounded by a hydrogel skin with a thickness of about 21 nm while maintaining the interstitial voids between the NWs. The construction of these ultra-thin hydrogel encapsulated metal nanostructures simultaneously achieves substantial improvement in Raman signal and molecular selection, which is difficult to achieve with thick hydrogel encapsulated nanostructures and hydrogel-free bare nanostructures. Utilizing the advantages of superior sensitivity and selectivity, tricyclazole's micro-toxic fungicide can be detected directly in milk without a purification step. LOD is measured down to 10 ppb using the same portable Raman spectrometer as the MRL set by the EU. The LOD is expected to be much lower using high-precision Raman spectroscopy. This class of SERS platform offers new opportunities for fast and direct in situ detection of small toxic molecules in a variety of complex fluids, including biological fluids, food, cosmetic and environmental fluids. In addition, the protocol for coating metal surfaces with ultra-thin hydrogel skins is also promising for a variety of applications beyond SERS-based molecular detection.

Claims (20)

제1 금속으로 이루어진 금속 나노와이어; 및 상기 금속 나노와이어 표면에 형성된 제2 금속으로 이루어진 금속 나노입자;를 포함하는 나노 구조체; 및
상기 나노 구조체를 둘러싸는 하이드로젤 스킨;을 포함하며, 이때 상기 하이드로젤 스킨은 상기 나노 구조체 각각을 개별적으로 둘러싸고, 상기 하이드로젤 스킨의 두께는 1 nm 내지 100 nm인, 플라즈모닉 복합 구조체.
a metal nanowire made of a first metal; and metal nanoparticles made of a second metal formed on the surface of the metal nanowire; and
It includes a hydrogel skin surrounding the nanostructure, wherein the hydrogel skin surrounds each of the nanostructures individually, and the thickness of the hydrogel skin is 1 nm to 100 nm, a plasmonic complex structure.
제1항에 있어서,
상기 나노 구조체는 금속 나노와이어 및 금속 나노입자 사이에 형성된 제3 금속으로 이루어진 금속 코팅층을 더 포함하는 플라즈모닉 복합 구조체.
According to claim 1,
The nanostructure is a plasmonic composite structure further comprising a metal coating layer made of a third metal formed between the metal nanowires and the metal nanoparticles.
제1항에 있어서,
상기 금속 나노입자는 자가 조립 단층막(Self-assembled monolayer, SAM)을 통해 금속 나노와이어에 형성된 것인 플라즈모닉 복합 구조체.
According to claim 1,
The metal nanoparticles are a plasmonic composite structure formed on a metal nanowire through a self-assembled monolayer (SAM).
제3항에 있어서,
상기 자가 조립 단층막은 퍼플루오로데칸티올(perfluorodecanethiol, PFDT)을 포함하는 것인 플라즈모닉 복합 구조체.
4. The method of claim 3,
The self-assembled monolayer is a plasmonic composite structure comprising perfluorodecanethiol (PFDT).
제1항에 있어서,
상기 제1 금속 및 제2 금속은 각각 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 아연(Zn), 크롬(Cr) 및 망간(Mn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하고, 상기 제1 금속 및 제2 금속은 서로 같거나 상이한 것인 플라즈모닉 복합 구조체.
According to claim 1,
The first metal and the second metal are silver (Ag), gold (Au), copper (Cu), nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), zinc (Zn), chromium (Cr) and A plasmonic composite structure comprising at least one selected from the group consisting of manganese (Mn), wherein the first metal and the second metal are the same as or different from each other.
제2항에 있어서,
상기 제3 금속은 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 아연(Zn), 크롬(Cr) 및 망간(Mn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 플라즈모닉 복합 구조체.
3. The method of claim 2,
The third metal is silver (Ag), gold (Au), copper (Cu), nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), zinc (Zn), chromium (Cr) and manganese (Mn). Plasmonic complex structure comprising at least one selected from the group consisting of.
제1항에 있어서,
상기 금속 나노와이어의 직경은 10 nm 내지 500 nm인 플라즈모닉 복합 구조체.
According to claim 1,
A plasmonic composite structure having a diameter of 10 nm to 500 nm of the metal nanowires.
제1항에 있어서,
상기 금속 나노입자의 직경은 5 nm 내지 200 nm인 플라즈모닉 복합 구조체.
According to claim 1,
The diameter of the metal nanoparticles is 5 nm to 200 nm plasmonic composite structure.
제2항에 있어서,
상기 금속 코팅층의 두께는 5 nm 내지 50 nm인 플라즈모닉 복합 구조체.
3. The method of claim 2,
The thickness of the metal coating layer is a plasmonic composite structure of 5 nm to 50 nm.
제1항에 있어서,
상기 하이드로젤 스킨은 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(Polyethylene (glycol) Diacrylate), 폴리에틸렌글리콜 메틸에테르 아크릴레이트, 폴리아크릴아마이드(Polyacrylamide), 폴리(N-이소프로필아크릴아마이드)(Poly(N-isopropylacrylamide)) 및 하이드록시에틸메타크릴레이트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 고분자로 형성된 것인 플라즈모닉 복합 구조체.
According to claim 1,
The hydrogel skin is polyethylene glycol diacrylate (Polyethylene (glycol) Diacrylate), polyethylene glycol methyl ether acrylate, polyacrylamide (Polyacrylamide), poly (N- isopropyl acrylamide) (Poly (N-isopropylacrylamide)) and A plasmonic composite structure formed of one or more polymers selected from the group consisting of hydroxyethyl methacrylate.
삭제delete 제1 금속으로 이루어진 금속 나노와이어 표면에 제3 금속으로 이루어진 금속 코팅층을 형성하는 단계;
상기 금속 코팅층에 자가 조립 단층막(Self-assembled monolayer, SAM)을 형성하는 단계;
상기 자가 조립 단층막에 제2 금속으로 이루어진 금속 나노입자를 형성하여 나노 구조체를 형성하는 단계; 및
상기 나노 구조체에 나노 구조체를 둘러싸는 하이드로젤 스킨을 형성하는 단계;를 포함하며, 이때 상기 하이드로젤 스킨은 상기 나노 구조체 각각을 개별적으로 둘러싸고, 상기 하이드로젤 스킨의 두께는 1 nm 내지 100 nm인, 플라즈모닉 복합 구조체의 제조방법.
forming a metal coating layer made of a third metal on the surface of the metal nanowire made of the first metal;
forming a self-assembled monolayer (SAM) on the metal coating layer;
forming a nanostructure by forming metal nanoparticles made of a second metal on the self-assembled monolayer; and
Including; forming a hydrogel skin surrounding the nanostructure in the nanostructure, wherein the hydrogel skin surrounds each of the nanostructures individually, and the thickness of the hydrogel skin is 1 nm to 100 nm, A method for producing a plasmonic complex structure.
제12항에 있어서,
상기 금속 나노입자를 형성하는 것은 열적 증발법을 이용하여 제2 금속을 증착시켜 나노입자를 형성하며, 이후 자가 조립 단층막이 일부를 제거하는 것인 플라즈모닉 복합 구조체의 제조방법.
13. The method of claim 12,
Forming the metal nanoparticles is a method of manufacturing a plasmonic composite structure in which a second metal is deposited using a thermal evaporation method to form nanoparticles, and then a self-assembled monolayer film is partially removed.
기판; 및
상기 기판에 형성된 제1항의 플라즈모닉 복합 구조체;를 포함하는 타겟 물질 검출용 표면증강 라만 분광용 기판.
Board; and
A substrate for surface-enhanced Raman spectroscopy for detecting a target material, including; the plasmonic complex structure of claim 1 formed on the substrate.
제14항에 있어서,
상기 기판은 마이크로 웰 어레이 구조를 가지는 것인 타겟 물질 검출용 표면증강 라만 분광용 기판.
15. The method of claim 14,
The substrate is a substrate for surface-enhanced Raman spectroscopy for detecting a target material having a micro-well array structure.
제14항에 있어서,
상기 기판은 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 실리콘(Si), 유리(glass) 및 석영(quartz)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 제1층과, 마이크로 웰 어레이 구조를 형성하는 제2층을 포함하는 타겟 물질 검출용 표면증강 라만 분광용 기판.
15. The method of claim 14,
The substrate is selected from the group consisting of polyethylene naphthalate (PEN), polydimethylsiloxane (PDMS), polyethylene terephthalate (PET), silicon (Si), glass and quartz. A substrate for surface-enhanced Raman spectroscopy for detecting a target material, comprising a first layer including at least one selected material and a second layer forming a micro-well array structure.
제14항에 있어서,
상기 플라즈모닉 복합 구조체는 3D 구조의 다중 스택(multiple stack)이 형성된 것인 타겟 물질 검출용 표면증강 라만 분광용 기판.
15. The method of claim 14,
The plasmonic composite structure is a substrate for surface-enhanced Raman spectroscopy for detecting a target material in which a multiple stack of a 3D structure is formed.
기판을 준비하는 단계;
상기 기판에 제1 금속으로 이루어진 금속 나노와이어를 형성하는 단계;
상기 금속 나노와이어 표면에 제3 금속으로 이루어진 금속 코팅층을 형성하는 단계;
상기 금속 코팅층에 자가 조립 단층막(Self-assembled monolayer, SAM)을 형성하는 단계;
상기 자가 조립 단층막에 제2 금속으로 이루어진 금속 나노입자를 형성하여 나노 구조체를 형성하는 단계; 및
상기 나노 구조체에 나노 구조체를 둘러싸는 하이드로젤 스킨을 형성하는 단계;를 포함하며, 이때 상기 하이드로젤 스킨은 상기 나노 구조체 각각을 개별적으로 둘러싸고, 상기 하이드로젤 스킨의 두께는 1 nm 내지 100 nm인, 타겟 물질 검출용 표면증강 라만 분광용 기판의 제조방법.
preparing a substrate;
forming a metal nanowire made of a first metal on the substrate;
forming a metal coating layer made of a third metal on the surface of the metal nanowire;
forming a self-assembled monolayer (SAM) on the metal coating layer;
forming a nanostructure by forming metal nanoparticles made of a second metal on the self-assembled monolayer; and
Including; forming a hydrogel skin surrounding the nanostructure in the nanostructure, wherein the hydrogel skin surrounds each of the nanostructures individually, and the thickness of the hydrogel skin is 1 nm to 100 nm, A method of manufacturing a substrate for surface-enhanced Raman spectroscopy for target material detection.
제18항에 있어서,
상기 기판을 준비하는 단계는,
폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 실리콘(Si), 유리(glass) 및 석영(quartz)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 제1층 상부에 마이크로 웰 어레이 구조를 형성하는 제2층을 형성하는 것인 타겟 물질 검출용 표면증강 라만 분광용 기판의 제조방법.
19. The method of claim 18,
The step of preparing the substrate,
1 selected from the group consisting of polyethylene naphthalate (PEN), polydimethylsiloxane (PDMS), polyethylene terephthalate (PET), silicon (Si), glass and quartz A method of manufacturing a substrate for surface-enhanced Raman spectroscopy for detecting a target material, wherein a second layer for forming a micro-well array structure is formed on the first layer including at least a species of material.
제14항의 타겟 물질 검출용 표면증강 라만 분광용 기판을 이용한 타겟 물질 검출방법.A method for detecting a target material using the substrate for surface-enhanced Raman spectroscopy of claim 14 .
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