KR102582700B1 - 플라즈모닉 큐벳, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 분석 장치 - Google Patents
플라즈모닉 큐벳, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 분석 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 미량의 생체 분자도 탐지 가능한 플라즈모닉 큐벳, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 분석 장치를 제공한다.
Description
본 발명은 플라즈모닉 큐벳, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 분석 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 미량의 생체 분자도 탐지 가능한 플라즈모닉 큐벳, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 분석 장치에 관한 것이다.
국부 표면 플라즈몬 공명이란, 도체인 금속 나노 입자 표면과 공기, 물 등의 유전체 사이에 빛이 입사되면 빛이 가지는 특정 에너지의 전자기장과의 공명으로 인하여 금속 표면의 자유 전자들이 집단적으로 진동하는 현상을 말한다. 국부 표면 플라즈몬 공명 현상은 입사광의 파장보다 작은 크기의 전도성 나노 입자 혹은 금속 나노 구조에 의하여 유도되며, 나노 구조 주위 영역의 전자기장을 증폭하는 효과가 있다.
이러한 국부 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 비표지(Label-free) 방식의 생체 분자 검지법으로 굴절율 변화를 검지하는 국부 표면 플라즈몬 공명 센서와 나노 구조 주위의 전자기장의 증폭 효과를 활용하는 표면-증강 라만 산란법 (SERS; Surface-enhanced Raman Scattering)이 있다. 이 중 표면 증강 라만 산란법이란, 빛이 물질을 통과할 때 나타나는 고유한 스펙트럼인 라만 산란 신호가 나노 구조가 형성된 표면에서 상술한 바와 같은 국부 표면 플라즈몬 공명에 의해 수십억 배 증폭되는 현상을 이용하여 극미량의 생화학물질을 검출하는 방법으로, 제약, 재료과학, 약물 검출, 생체분자 검출 등 다양한 분야에서 널리 적용되고 있다.
국부 표면 플라즈몬 공명을 유도하기 위한 금속 나노 구조의 제조 방법으로는 탑다운 방식에 의한 전자빔 리소그래피, 집속이온빔(FIB) 가공, 나노임프린트, 홀로그래픽 리소그래피 후 반응이온에칭(RIE) 등의 방법이 있다. 그러나 이러한 방식에 의하면 대면적으로 나노구조물을 제작하는데 긴 공정시간을 요하며 공정비용이 매우 높아 경제성이 떨어지는 문제점이 있다.
또 다른 방법으로 바텀업 방식의 액상 공정법이 많이 사용되고 있지만, 입자의 크기와 모양 조절이 합성 조건에 따라 민감하게 변하여 동일한 용액 내에서도 다양한 크기와 모양의 금속 나노 파티클이 제조되고, 금속 나노 파티클 간 응집이 되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 고온/고압 상태의 챔버에 기판을 위치시키고 증기(vapor) 형태의 금속원(precursor)이 액체(liquid) 형태의 촉매(catalyst)와 만나 단결정 형태의 금속 나노 구조가 형성되는 화학기상 증착법을 이용하는 바텀업 방식의 나노 구조 합성 방법이 소개되었다. 그러나 이러한 방식은 금속원(precursor)을 기판 위에 형성하기 위한 고온/고압 장비가 반드시 필요한 단점이 있으며, 액상 물질을 이용하는 3차원 샘플 홀더에 적용하는데 어려움이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 미량의 생체 분자도 탐지 가능한 플라즈모닉 큐벳, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 분석 장치를 제공하는 것이다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 하기의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 플라즈모닉 큐벳으로서, 상기 큐벳의 내벽면 상에 위치하고, 하나 이상의 고분자가 상기 큐벳 내벽면에 우레탄 결합으로 결합된 것인 고분자 브러시 구조; 및 상기 고분자에 결합된 금속나노입자;를 포함하는 것인 플라즈모닉 큐벳 이 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 내벽면에 히드록시기를 갖는 큐벳을 준비하는 단계; 상기 큐벳 내벽면의 히드록시기와 제1단량체에 포함된 이소시아네이트기를 반응시켜 우레탄 결합으로 결합하는 단계; 상기 제1단량체에 포함된 제1중합성 관능기 및 제2단량체에 포함된 제2중합성 관능기를 개시제 존재 하에 반응시켜 고분자를 성장시키는 단계; 금속나노입자를 첨가하여 고분자와 결합시키는 단계;를 포함하는 것인 상기 플라즈모닉 큐벳의 제조방법의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 플라즈모닉 큐벳에 분석 대상 시료를 수용하고, 상기 큐벳에 광을 조사하고 출사되는 광 신호를 이용하여 목적 생체 분자를 검출하는 분석 장치가 제공된다.
본 발명의 일 구현예에 따른 플라즈모닉 큐벳은 금속나노입자의 밀도가 높아 플라즈몬 공명 현상을 위한 신호 증진이 용이하여 미량의 생체 분자도 탐지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 플라즈모닉 큐벳은 금속나노입자가 고분자와 단단하게 결합되어 있어 내구성이 우수할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 플라즈모닉 큐벳은 금속나노입자가 균일하게 결합되어 있어 광 신호의 오차 범위가 적을 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 플라즈모닉 큐벳의 제조방법은 액상에서 수행되어 간단한 공정으로 상기 플라즈모닉 큐벳을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 분석 장치는 상기 플라즈모닉 큐벳을 포함하여 시료에 포함된 미량의 생체 분자도 탐지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 상술한 효과로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본원 명세서 및 첨부된 도면으로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 큐벳의 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 큐벳의 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 플라즈모닉 큐벳의 표면 구조의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 분석 장치의 라만 신호 측정의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 큐벳의 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 플라즈모닉 큐벳의 표면 구조의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 분석 장치의 라만 신호 측정의 개략도이다.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 단위 "중량부"는 각 성분간의 중량의 비율을 의미할 수 있다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"는 "A 및 B, 또는 A 또는 B"를 의미한다.
본원 명세서 전체에서, 용어 "단량체 단위(monomer unit)"는 중합체 내에서 단량체가 반응된 형태를 의미할 수 있고, 구체적으로 그 단량체가 중합 반응을 거쳐서 그 중합체의 골격, 예를 들면, 주쇄 또는 측쇄를 형성하고 있는 형태를 의미할 수 있다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 화합물의 “중량평균분자량” 및 “수평균분자량”은 그 화합물의 분자량과 분자량 분포를 이용하여 계산될 수 있다. 구체적으로, 1 ml의 유리병에 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran, THF)와 화합물을 넣어 화합물의 농도가 1 wt%인 샘플 시료를 준비하고, 표준 시료(폴리스티렌, polystyrene)와 샘플 시료를 필터(포어 크기가 0.45㎛)를 통해 여과시킨 후, GPC 인젝터(injector)에 주입하여, 샘플 시료의 용리(elution) 시간을 표준 시료의 캘리브레이션(calibration) 곡선과 비교하여 화합물의 분자량 및 분자량 분포를 얻을 수 있다. 이 때, 측정 기기로 Infinity II 1260(Agilient 社)를 이용할 수 있고, 유속은 1.00 mL/min, 컬럼 온도는 40.0 ℃로 설정할 수 있다.
이하, 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 플라즈모닉 큐벳으로서, 상기 큐벳의 내벽면 상에 위치하고, 하나 이상의 고분자가 상기 큐벳 내벽면에 우레탄 결합으로 결합된 것인 고분자 브러시 구조; 및 상기 고분자에 결합된 금속나노입자;를 포함하는 것인 플라즈모닉 큐벳이 제공된다.
본 발명의 일 구현예에 따른 플라즈모닉 큐벳은 금속나노입자의 밀도가 높아 플라즈몬 공명 현상을 위한 신호 증진이 용이하여 미량의 생체 분자도 탐지할 수 있으며, 금속나노입자가 고분자와 단단하게 결합되어 있어 내구성이 우수할 수 있고, 금속나노입자가 균일하게 결합되어 있어 광 신호의 오차 범위가 적을 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 큐벳은 석영, 붕규산 유리, 소다라임 유리, 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트 및 폴리프로필렌 중에서 선택된 재료로 제조된 것일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 자외선 및 가시광선의 투과율이 우수한 소재라면 큐벳의 재료로 이용될 수 있다. 상기 큐벳은 석영인 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 플라즈모닉 큐벳은 시료를 수용하는 수용부를 포함하는 형상일 수 있다. 구체적으로, 상기 플라즈모닉 큐벳은 일반적인 큐벳(cuvette)의 형상일 수 있다. 즉, 직육면체 형상으로서 상면이 없는 직사각 기둥 용기와 같은 형상일 수 있고, 도 1에 본 발명의 일 구현예에 따른 큐벳의 도면을 나타내었다.
또한, 상기 수용부는 길이 방향으로 폭이 좁아지는 형상인 것일 수 있다. 도 2에 본 발명의 일 구현예에 따른 큐벳의 도면을 나타내었다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 플라즈모닉 큐벳의 수용부는 상부로부터 하부로의 길이 방향으로 폭이 넓은 구간, 폭이 좁아지는 구간 및 폭이 좁은 구간이 순서대로 존재할 수 있다.
또한 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 큐벳은 뚜껑과 함께 사용될 수 있다.
상기 큐벳의 벽 두께 및 외부 폭 및, 수용부의 용량은 큐벳을 사용하는 경우의 용도 및 목적에 따라 다양하게 조절될 수 있으며, 광원의 초점이 적용되는 작용 거리(working distance)에 맞도록 조절되는 것일 수 있다. 상기 큐벳은 예를 들어 다음의 규격을 갖는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 큐벳의 벽 두께는 0.1 cm 내지 0.5 cm일 수 있고, 상기 수용부의 용량은 용도 및 목적에 따라 다양할 수 있으나, 예를 들어 1 ml 내지 5 ml일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 큐벳의 외부 폭은 1 cm 내지 3 cm 일 수 있고, 큐벳의 외부 높이는 약 4 cm 내지 6 cm일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 내벽면이란 큐벳 내부로서 수용부와 접하는 큐벳의 표면을 의미할 수 있으며, 적어도 큐벳 내벽면의 4개 측면 중 광이 입사하는 면에 고분자 브러시 구조가 위치하고 금속나노입자가 포함될 수 있다. 광이 입사하는 면에 상기 고분자 브러시 구조가 위치하고 금속나노입자가 포함됨으로써, 광 조사에 따른 생체 분자로부터의 라만 산란이 우수하게 증폭될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 플라즈모닉 큐벳은 그 내벽면에 고분자 브러시 구조를 갖는다. 상기 고분자 브러시 구조란, 하나 이상의 고분자 사슬의 양 말단 중 하나가 지지체 상에 부착된 구조일 수 있다. 즉, 본 발명의 일 구현예에 따른 플라즈모닉 큐벳은 그 내벽면에 하나 이상의 고분자가 결합되어 있을 수 있다.
도 3에 본 발명의 일 구현예에 따른 플라즈모닉 큐벳의 표면 구조의 모식도를 나타내었다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 플라즈모닉 큐벳(10)의 내벽면(100)에 결합된 고분자(300) 및 고분자에 결합된 금속나노입자(200)를 확인할 수 있고, 상기 내벽면(100) 중에서도 특히 광이 입사하는 면(L)에 상기 고분자 브러시 구조가 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 플라즈모닉 큐벳은 그 내벽면에 고분자 브러시 구조를 포함하는 고분자-금속나노입자 복합층을 포함하는 것일 수 있다. 즉, 상기 플라즈모닉 큐벳은 고분자-금속나노입자 복합층을 그 내벽면에 포함하고, 상기 고분자-금속나노입자 복합층은 고분자 브러시 구조 및 상기 고분자에 결합된 금속나노입자의 구조인 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 고분자 브러시 구조는 하나 이상의 고분자가 상기 큐벳 내벽면에 우레탄 결합으로 결합된 것일 수 있다.
상기 고분자는 일 말단에 이소시아네이트기를 가질 수 있고, 이는 제1단량체로부터 유래한 것일 수 있다. 상기 제1단량체는 히드록시기와 반응성이 우수한 이소시아네이트기를 포함하는 단량체로서, 상기 플라즈모닉 큐벳의 제조 과정에서 고분자 성장 공정의 개시 단량체의 역할을 수행할 수 있으며, 이는 후술하도록 한다.
상기 큐벳은 내벽면에 히드록시기를 가질 수 있고, 이는 별도의 처리 없이 자연 상태에서 존재하는 것일 수 있으며, 히드록시기를 표면에 도입하는 공정으로 인해 존재하는 것일 수도 있다.
즉, 상기 우레탄 결합은 상기 고분자의 일 말단에 포함된 제1단량체의 이소시아네이트기; 및 상기 큐벳의 내벽면의 히드록시기;가 반응하여 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 고분자는 중량평균분자량이 10,000 내지 30,000, 11,000 내지 20,000 또는 11,500 내지 16,000 일 수 있고, 상기 고분자는 다분산지수가 1 내지 3, 1.3 내지 2.8 또는 1.9 내지 2.75일 수 있다. 상기 범위 내의 중량평균분자량 및 다분산지수를 갖는 경우, 다량의 금속 나노입자와 결합할 수 있으면서도 고분자 간의 입체장애가 없어, 생체 분자의 이동이 용이하고 그에 따라 탐지 성능이 우수할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 고분자의 길이를 조절하여, 다량의 금속 나노입자와 결합할 수 있으면서도 고분자 간의 입체장애가 없어, 생체 분자의 이동이 용이하고 그에 따라 탐지 성능이 우수한 플라즈모닉 큐벳을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 고분자는 제2단량체로부터 유래한 반복단위를 포함하는 것일 수 있다. 제2단량체는 제2중합성 관능기 및 제1반응기를 포함할 수 있고, 상기 제2중합성 관능기는 제1단량체에 포함된 제1중합성 관능기 또는 제2중합성 관능기와 반응하여 고분자를 성장시키는 반복단위가 될 수 있다. 또한, 제1반응기는 금속나노입자가 결합할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 고분자는 분지쇄에 제1반응기를 포함하는 것일 수 있다. 상기 제1반응기는 고분자의 분지쇄에 결합되어 있을 수 있고, 구체적으로는 고분자의 반복단위에 곁가지로서 포함되어 있을 수 있다. 상기 제1반응기는 금속나노입자와 반응하여 결합을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 제1반응기는 이소티오시아네이트기, 히드록시기, 아민기, 카르복시기 및 티올기 중에서 선택되는 것일 수 있고, 바람직하게는 이소티오시아네이트기일 수 있다. 다만 이에 한정되지 아니하며, π 전자가 용이하게 이동할 수 있어 금속나노입자와 결합할 수 있는 반응기라면 제1반응기로 선택될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 플라즈모닉 큐벳은 금속나노입자를 포함하고, 구체적으로 상기 고분자에 결합된 형태로 금속나노입자를 포함할 수 있다. 상기 금속나노입자는 큐벳 표면에 결합된 고분자의 일 말단부터 타측 말단까지 분지쇄로 포함하는 하나 이상의 제1반응기와 화학결합된 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 금속나노입자는 상기 고분자와 물리적 흡착으로 결합되거나, 상기 제1반응기와 공유결합 또는 배위결합으로 결합된 것일 수 있다.
상기 금속나노입자가 제1반응기와의 배위결합으로 고분자와 결합되는 경우, π 전자의 이동이 용이한 제1반응기가 금속나노입자의 표면과 반응하여 결합을 형성할 수 있고, 이러한 배위결합은 단단하여 금속나노입자가 견고하게 고정되어 있을 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 금속나노입자는 구형, 막대형, 판형 등의 다양한 입체적 형상을 가질 수 있으며, 바람직하게는 구형일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 금속나노입자는 평균 직경이 10 nm 내지 150 nm 인 것일 수 있다. 국부 표면 플라즈몬 공명 현상은 입사광의 파장보다 작은 크기의 금속나노입자에 의해 유도될 수 있으므로, 큐벳의 표면 플라즈몬 공명의 주파수는 나노입자의 크기에 따라 달라질 수 있다. 상기 범위 내의 직경을 갖는 금속나노입자를 사용하는 경우, 입사광의 최대 흡수 및 산란 신호의 증가의 효과가 있을 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 금속나노입자는 금, 은, 구리, 알루미늄, 니켈 및 백금 중 1종 이상을 포함하는 것일 수 있고, 바람직하게는 금을 포함하는 것일 수 있다. 상기 금속나노입자는 열거한 것들로 한정되지 않으며, “자유 전자 구름(Free Electron Cloud)”을 생성할 수 있는 것이라면 상기 금속나노입자로 사용할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 금속나노입자는 속이 채워진 구 형상일 수 있고, 코어-쉘 구조 또는 중공 구조인 것일 수도 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 내벽면에 히드록시기를 갖는 큐벳을 준비하는 단계; 상기 큐벳 내벽면의 히드록시기와 제1단량체에 포함된 이소시아네이트기를 반응시켜 우레탄 결합으로 결합하는 단계; 상기 제1단량체에 포함된 제1중합성 관능기 및 제2단량체에 포함된 제2중합성 관능기를 개시제 존재 하에 반응시켜 고분자를 성장시키는 단계; 금속나노입자를 첨가하여 고분자와 결합시키는 단계; 를 포함하는 것인 상기 플라즈모닉 큐벳의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 일 구현예에 따른 플라즈모닉 큐벳의 제조방법은 액상에서 수행되어 간단한 공정으로 상기 플라즈모닉 큐벳을 제공할 수 있다.
상기 큐벳, 고분자, 금속나노입자 및 제1반응기에 대한 내용은 전술한 바와 같을 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
이하, 각 단계별로 나누어 상세히 설명한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 우선 내벽면에 히드록시기를 갖는 큐벳을 준비한다. 상기 큐벳은, 예를 들어 석영과 같은 소재로 제조된 것인 경우 별도의 처리 없이도 내벽면에 히드록시기를 가질 수 있다. 따라서, 석영과 같은 소재로 큐벳을 제조할 수도 있고, 석영과 같은 소재로 제조된 큐벳을 구입하여 사용할 수도 있다.
또한, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 큐벳을 준비하는 단계;는 큐벳 내벽면을 개질하여 히드록시기를 도입하는 단계;를 포함하는 것일 수 있으며, 예를 들어 상기 큐벳이 폴리스티렌과 같은 수지나 실리콘과 같은 소재로 제조된 것인 경우 표면을 개질하여 히드록시기를 도입하는 것일 수 있다.
상기 큐벳 내벽면을 개질하는 단계는 황산 및 과산화수소를 포함하는 혼합물인 피라냐 용액 등으로 표면 처리하는 공정으로 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않고 해당 기술 분야에서 사용되는 방법이라면 큐벳 내벽면을 개질하는 단계에서 이용하여 히드록시기를 도입할 수 있다.
다음으로, 상기 큐벳 내벽면의 히드록시기와 제1단량체에 포함된 이소시아네이트기를 반응시켜 우레탄 결합으로 결합하는 단계를 수행한다. 상기 제1단량체는 큐벳 내벽면의 히드록시기와 반응하여 우레탄 결합을 형성할 수 있는 이소시아네이트기 및 제2단량체와 반응하여 결합할 수 있는 제1중합성 관능기를 포함한다.
상기 제1단량체는 큐벳 내벽면에 고분자를 성장시키기 위한 개시 단량체로서 큐벳 내벽면에 결합될 수 있다. 즉, 제1단량체는 우레탄 결합을 형성하고, 제1중합성 관능기로 제2단량체와 반응하며 제2단량체를 반복단위로 하는 고분자를 성장시킬 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 제1단량체는 아릴기 및 알킬기 중 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 아릴기, 그중에서도 벤젠 고리를 포함할 수 있다. 상기 제1단량체가 벤젠 고리를 포함하는 경우, π 전자의 비편재화(delocalization)로 인한 전자 끌기 효과가 나타나게 되고, 이 때 이소시아네이트기의 탄소 원자가 상대적으로 강한 양성을 띠게 하여 큐벳 내벽면의 히드록시기와 친핵성 첨가 반응으로 우레탄 결합을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면 상기 제1단량체는 제1단량체끼리 중합하지 않는 것일 수 있다. 상기 제1단량체의 제1중합성 관능기와 제2단량체의 제2중합성 관능기 간의 반응성이, 다른 제1단량체의 제1중합성 관능기와의 반응성보다 강하여 제1단량체끼리는 반응하지 않고, 고분자 성장을 위한 개시 단량체로서 큐벳 내벽면에 결합하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 다음으로 상기 제1단량체에 포함된 제1중합성 관능기 및 제2단량체에 포함된 제2중합성 관능기를 개시제 존재 하에 반응시켜 고분자를 성장시키는 단계;를 수행한다. 상기 개시제의 중합 반응 개시 작용으로 인해 제1중합성 관능기와 제2 단량체에 포함된 제2중합성 관능기의 반응이 개시되고, 제1단량체와 결합된 제2중합성 관능기와, 다른 제2단량체에 포함된 제2중합성 관능기의 연쇄 반응을 통해 고분자가 성장할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 제2단량체는 상기 고분자의 반복단위를 구성할 수 있고, 상기 제2단량체는 1종 이상의 단량체를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 제1중합성 관능기 및 제2중합성 관능기는 포함하여 자유 라디칼 중합이 가능한 중합성 관능기일 수 있고, 제1중합성 관능기와 제2중합성 관능기는 동일할 수 있지만, 상이할 수도 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 제1중합성 관능기 및 제2중합성 관능기는 탄소-탄소 이중결합을 포함하는 중합성 관능기인 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 제1중합성 관능기 및 제2중합성 관능기는 각각 독립적으로 바이닐기 및 바이닐기를 포함하는 벤질이소시아네이트기 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 제2중합성 관능기가 바이닐기인 경우, 자유 라디칼 중합으로 고분자가 중합되어 성장할 수 있다. 자유 라디칼 중합은 가장 간단한 고분자 합성법으로서 복잡한 공정이 필요하지 않은 장점이 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 개시제는 아조비스이소부티로니트릴(AIBN) 및 벤조닐페록사이드 중 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다. 상기 개시제로는 열거된 것으로 제한되지 않으며, 해당 기술 분야에서 사용되는 반응 개시제를 사용할 수 있다.
상기 고분자를 성장시키는 단계;에 있어 개시제의 함량이 증가하는 경우 자유 라디칼의 농도도 증가하고, 이에 따라 많은 반응사이트에서 고분자 사슬의 성장이 진행되어, 단량체의 총량은 한정되어 있으므로 고분자 사슬의 길이는 짧아질 수 있다. 반대로, 개시제의 함량이 감소하는 경우 자유 라디칼의 농도도 감소하고, 보다 적은 반응사이트에서 고분자 사슬의 성장이 진행되어 비교적 긴 길이의 고분자 사슬이 제조될 수 있다. 따라서, 개시제의 농도를 조절하여, 고분자 사슬 간의 입체 장애의 발생은 억제하면서도 금속나노입자가 결합할 수 있는 충분한 양의 제1반응기를 포함하는 고분자를 제조할 수 있다.
다음으로 금속나노입자를 첨가하여 고분자와 결합시키는 단계;를 수행할 수 있다. 상기 금속나노입자를 첨가하는 단계는, 내벽면에 고분자가 성장된 큐벳을 용매 및 금속나노입자를 포함하는 금속나노입자 분산액에 침지하는 단계; 및 용매를 건조시키는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 고분자는 액상 상태에서 유동성 있게 거동할 수 있으며, 이 때 금속나노입자가 고분자 사슬 사이사이에 침투하여 결합하고, 용매를 건조시키는 경우 고분자 사슬이 수축하여 금속나노입자가 고분자 안쪽에 층층이 쌓이는 형태로 결합되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 침지 및 건조 공정을 수 차례 수행하여 금속나노입자를 고분자와 결합시킬 수 있으며, 예를 들어 2회 내지 5회 반복하여 상기 침지 및 건조 공정을 수행할 수 있다. 상기 공정을 반복 수행할수록 플라즈모닉 큐벳에 포함되는 금속나노입자의 양을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 플라즈모닉 큐벳에 분석 대상 시료를 수용하고, 상기 큐벳에 광을 조사하고 출사되는 광 신호를 이용하여 목적 생체 분자를 검출하는 분석 장치가 제공된다.
본 발명의 일 구현예에 따른 분석 장치는 광학 센서로서 국부 표면 플라즈몬 공명의 독특한 광학적 성질을 이용하여 다양한 형태의 비표지(Label-free) 방식의 생체 분자 검지가 가능할 수 있다.
상기 분석 장치는 상기 플라즈모닉 큐벳을 포함하고, 상기 플라즈모닉 큐벳이 분석 대상 시료를 수용하는 수용부일 수 있다.
구체적으로, 상기 분석 장치는 바디; 상기 바디에 분리 가능하게 배치되고, 상기 시료를 수용하는 플라즈모닉 큐벳; 광을 조사하는 광원부; 상기 광원부로부터 상기 광을 수용부로 안내하기 위한 입사홀; 및 조사된 광이 시료에 의해 산란됨으로써 발생하는 광신호를 측정하는 광신호검출부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 플라즈모닉 큐벳은 시료를 담는 샘플 홀더로서 바디에 분리 가능하게 배치될 수 있다. 따라서, 사용자는 검사 대상 시료의 변경이 필요한 경우 플라즈모닉 큐벳을 바디로부터 분리하여 새로운 플라즈모닉 큐벳으로 교체할 수 있다. 이에 의해, 새로운 시료의 분석을 진행할 때마다 플라즈모닉 큐벳을 세척해야 하는 불편함을 줄일 수 있으며, 매번 실험마다 새로운 플라즈모닉 큐벳으로 교체하여 검사를 진행할 수 있기에, 플라즈모닉 큐벳에 남아있을 수 있는 기존 실험의 잔여물에 의한 분석 정확도가 하락하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 광원부는 상기 플라즈모닉 큐벳에 수용된 분석 대상 시료에 조사되는 광을 방출할 수 있다. 이때 광은 입사홀을 통해 플라즈모닉 큐벳 내로 조사될 수 있으며, 이러한 광 조사로 인해 분석 대상 시료로부터 방출되는 광 신호를 광신호검출부가 측정할 수 있다. 상기 입사홀은 광 통로로서, 투명한 재질로 이루어질 수 있고, 예를 들어 유리 재질일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 광원부, 상기 입사홀, 상기 플라즈모닉 큐벳 및 상기 광신호검출부는 일직선상에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 분석 장치는 라만 분광법을 이용하여 분석물질을 검출할 수 있다.
라만 산란은 빛이 어떤 매질을 통과할 때 빛의 파장을 변화시켜 빛의 일부가 진행 방향에서 이탈해 다른 방향으로 진행하는 현상을 의미한다. 라만 분광법은 시료에 단파장의 레이저를 조사하여 산란된 빛을 검출하여 분자 수준의 정보를 얻어내는 것으로 유용하며, 라만 분광법은 분자들의 진동 상태(vibrational state)에 대한 정보를 제공한다. 대부분의 경우, 흡수된 광선(radiation)이 동일한 파장에서 재-방사(re-radiated)되는데, 이때 재-방사된 광선간의 에너지 차이는 이들 간의 파장에서의 이동(shift)으로 나타나고 이러한 차이의 정도는 파수(파장의 역수)의 단위로서 측정되어 라만 쉬프트(Raman shift, RS)로 표현된다.
즉, 특정 생체 분자의 라만 산란 정보를 알고 있다면, 시료의 라만 산란 데이터를 이용하여 해당 생체 분자의 포함 여부를 확인함으로써 생체 분자를 탐지할 수 있고, 이러한 경우 해당 생체 분자는 별도의 표지 없이도 검출이 가능할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 광 신호는 표면-증강 라만 산란(surface-enhanced Raman scattering, SERS) 신호일 수 있다. 즉, 본 발명의 일 구현예에 따른 분석 장치는 표면-증강 라만 산란(surfaceenhanced Raman scattering, SERS) 신호를 측정하여 생체 분자를 검출할 수 있다. 상기 표면-증강 라만 산란 신호는 상기 플라즈모닉 큐벳에 포함된 금속나노입자의 국부 표면 플라즈몬 공명 효과에 의해 증폭된 라만 산란 신호일 수 있고, 상기 분석 대상 시료에 목적 생체 분자가 극미량으로 포함되더라도 라만 산란 신호의 증폭으로 인해 검출이 가능하여 센서 능력이 우수할 수 있다.
도 4에 본 발명의 일 구현예에 따른 분석 장치의 라만 신호 측정의 개략도를 나타내었다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 플라즈모닉 큐벳(10) 내부에 분석 대상 시료(400)를 넣고, 광원으로부터 조사되는 광(S)에 의한 생체 분자(500)의 라만 신호(R)가 금속나노입자로 인한 국부 표면 플라즈몬 공명 효과에 의해 증폭되어 증폭된 라만 신호(R')가 방출되고 이를 광신호검출부(미도시)에서 측정하여 생체 분자의 존재 여부를 탐지하고 그 함량을 측정할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 분석 장치는 1 nM 이하의 생체 분자를 탐지할 수 있다. 상기 분석 장치는 플라즈모닉 큐벳의 표면에 위치하는 고분자 브러시 구조 및 금속나노입자에 의해 국부 표면 플라즈몬 공명 효과가 우수할 수 있고, 이에 따라 라만 산란 신호가 현저히 증폭될 수 있어 극미량의 생체 분자일지라도 탐지가 가능하며, 이러한 생체 분자는 별도의 표지가 없어도 탐지가 가능할 수 있다.
10: 플라즈모닉 큐벳
100: 내벽면
200: 금속나노입자
300: 고분자
400: 분석 대상 시료
500: 생체 분자
L: 광이 입사하는 면
S: 광원
R: 라만 신호
R': 증폭된 라만 신호
100: 내벽면
200: 금속나노입자
300: 고분자
400: 분석 대상 시료
500: 생체 분자
L: 광이 입사하는 면
S: 광원
R: 라만 신호
R': 증폭된 라만 신호
Claims (16)
- 플라즈모닉 큐벳으로서,
상기 큐벳의 내벽면 상에 위치하고, 하나 이상의 고분자가 상기 큐벳 내벽면에 우레탄 결합으로 결합된 것인 고분자 브러시 구조; 및
상기 고분자에 결합된 금속나노입자를 포함하고,
상기 우레탄 결합은 상기 고분자의 일 말단에 포함된 제1단량체의 이소시아네이트기의 탄소 원자와 상기 큐벳의 내벽면의 히드록시기가 반응하여 형성되고,
상기 고분자는 상기 제1단량체에 포함된 제1중합성 관능기와 제2단량체에 포함된 제2중합성 관능기가 개시제 존재 하에 반응하여 성장된 것인
플라즈모닉 큐벳.
- 제1항에 있어서,
상기 큐벳은 석영, 붕규산 유리, 소다라임 유리, 폴리스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리프로필렌 중에서 선택된 재료로 제조된 것인 플라즈모닉 큐벳.
- 제1항에 있어서,
상기 고분자는 분지쇄에 제1반응기를 포함하는 것인 플라즈모닉 큐벳.
- 제3항에 있어서,
상기 제1반응기는 이소티오시아네이트기, 히드록시기, 아민기, 카르복시기, 및 티올기 중에서 선택되는 것인 플라즈모닉 큐벳.
- 제3항에 있어서,
상기 금속나노입자는 상기 고분자와 물리적 흡착으로 결합되거나, 상기 제1반응기와 공유결합 또는 배위결합으로 결합된 것인 플라즈모닉 큐벳.
- 제1항에 있어서,
상기 금속나노입자는 평균 직경이 10 nm 내지 150 nm 인 것인 플라즈모닉 큐벳.
- 제1항에 있어서,
상기 금속나노입자는 금, 은, 구리, 알루미늄, 니켈 및 백금 중 1종 이상을 포함하는 것인 플라즈모닉 큐벳.
- 제1항에 있어서,
상기 금속나노입자는 코어-쉘 구조 또는 중공 구조인 것인 플라즈모닉 큐벳.
- 삭제
- 내벽면에 히드록시기를 갖는 큐벳을 준비하는 단계;
상기 큐벳 내벽면의 히드록시기와 제1단량체에 포함된 이소시아네이트기의 탄소 원자를 반응시켜 우레탄 결합으로 결합하는 단계;
상기 제1단량체에 포함된 제1중합성 관능기 및 제2단량체에 포함된 제2중합성 관능기를 개시제 존재 하에 반응시켜 고분자를 성장시키는 단계;
금속나노입자를 첨가하여 고분자와 결합시키는 단계; 를 포함하는 것인 제1항의 플라즈모닉 큐벳의 제조방법.
- 제10항에 있어서,
상기 큐벳을 준비하는 단계;는 큐벳 내벽면을 개질하여 히드록시기를 도입하는 단계;를 포함하는 것인 플라즈모닉 큐벳의 제조방법.
- 제10항에 있어서,
상기 제1중합성 관능기 및 제2중합성 관능기는 탄소-탄소 이중결합을 포함하는 중합성 관능기인 것인 플라즈모닉 큐벳의 제조방법.
- 제10항에 있어서,
상기 제1단량체는 벤젠 고리를 포함하는 것인 플라즈모닉 큐벳의 제조방법.
- 제1항의 플라즈모닉 큐벳에 분석 대상 시료를 수용하고, 상기 큐벳에 광을 조사하고 출사되는 광 신호를 이용하여 목적 생체 분자를 검출하는 분석 장치.
- 제14항에 있어서,
상기 광 신호는 표면-증강 라만 산란(surface-enhanced Raman scattering, SERS) 신호인 것인 분석 장치.
- 제14항에 있어서,
1 nM 이하의 생체 분자를 탐지하는 분석 장치.
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
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| JP2004219369A (ja) * | 2003-01-17 | 2004-08-05 | Toyobo Co Ltd | 表面プラズモン共鳴測定用ｐｄｍｓマイクロ流路 |
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| JP6746663B2 (ja) * | 2014-12-15 | 2020-08-26 | プレクセンス・インコーポレイテッド | 表面プラズモン検出装置及び方法 |
-
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-
2023
- 2023-09-20 KR KR1020230125523A patent/KR20230141678A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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|---|---|
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