KR20040012384A

KR20040012384A - 고감도 표면 플라즈몬 공명장치와 이를 이용한 중금속의흡착과 선택도의 측정방법

Info

Publication number: KR20040012384A
Application number: KR1020020045943A
Authority: KR
Inventors: 이종협; 차순우
Original assignee: 이종협
Priority date: 2002-08-03
Filing date: 2002-08-03
Publication date: 2004-02-11

Abstract

표면 플라즈몬 공명장치(surface plasmon resonance spectroscopy; SPR)에 관한 것으로, 분자 검출, 농도 측정, 막 두께의 측정, 반응속도의 측정, 항원항체 반응의 분석 등에 사용되는 표면 플라즈몬 공명장치의 정밀도를 나노미터 이하로 확장한 고감도 표면 플라즈몬 공명장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

광원과, 빛을 p-편광시키는 편광판과, 광원에서 조사된 빛을 금 박막 표면에 모아주는 볼록렌즈와, 프리즘과, 프리즘과 접하는 면의 시료와 접하는 내면이 금 박막이 코팅된 유리로 된 반응 셀과, 금 박막에서 반사된 빛을 검지하는 광 센서와, 시료와 금 박막으로부터 측정되는 전압 및 전류 데이터와 광 센서에서 검지된 빛의 세기 데이터로부터 시료의 특성을 규명하는 데이터 프로세싱부를 포함하는 표면 플라즈몬 공명장치에서 광 센서로 이중셀 광 다이오드를 사용하는 것을 특징으로 한다.

Description

고감도 표면 플라즈몬 공명장치와 이를 이용한 중금속의 흡착과 선택도의 측정방법{high resolution surface plasmon resonance spectroscopy and measuring method of adsorption and selectivity of heavy metal ions using the same }

본 발명은 표면 플라즈몬 공명장치 (surface plasmon resonance spectroscopy; SPR)에 관한 것으로, 상세하게는 분자 검출, 농도 측정, 막 두께의 측정, 반응속도의 측정, 항원항체 반응의 분석 등에 사용되는 표면 플라즈몬 공명장치의 정밀도(resolution)를 나노미터 이하로 확장한 이중셀 광 다이오드(bicellphotodiode)를 이용한 고감도 표면 플라즈몬 공명장치에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 상기 고감도 표면 플라즈몬 공명장치를 사용하여 중금속 이온의 검출 및 흡착특성을 조사하는 방법에 관한 것이다.

표면 플라즈몬 공명장치는 p-편광된 빛을 금 박막에 전반사 이상으로 입사시키면 일부는 반사되어 나오고 일부는 금 박막의 표면을 따라 진행하는 표면 플라즈몬 파(surface plasmon wave)가 되어 분산되는데 금 박막에 결합된 시료의 표면 성질에 따라 반사되는 빛의 세기가 달라지는 성질을 이용한 것으로, 금 박막에 형성된 막 두께를 측정하거나 특정 분자의 존재를 검출하는데 사용할 수 있다.

현재 상용화되어 있는 표면 플라즈몬 공명장치로는 Biacore사, ECO CHEM사, IAsys사 및 Texas Instrument사 제품이 있는데 이들은 모두 반사되어 나오는 빛을 한 점에서 빛의 세기만을 측정하기 때문에 정밀도가 낮다. 따라서, 나노미터 크기 이상의 물질의 표면현상만을 관찰할 수 있으며 주로 약물의 검출이나 항원항체간의 결합 등 생체 반응을 관찰하기 위한 용도로 사용되고 있다.

표면 플라즈몬 공명장치의 특징 중의 하나로 반응 과정의 정보를 실시간으로 알 수 있다는 것인데, 중금속 이온과 같은 나노미터 이하 단위의 극미세 분자의 분석이나 자기 조립(self-assembly)에 의하여 형성되는 박막에 관한 연구 분야에서는 이러한 현장 정보(in-situ)가 필요하므로 최근에는 표면 플라즈몬 공명장치의 감도를 높여 화학분야에 분석용으로 사용하기 위한 시도가 이루어지고 있다.

특히, 원자 흡광기로 중금속의 검출이나 농도를 측정하기 위하여는 하루 정도 걸리기 때문에 단축할 필요가 있다.

본 발명의 목적은 나노크기 이하 분자들의 자기 조립에 따른 표면현상 등을 분석할 수 있는 고감도 표면 플라즈몬 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 본 발명의 고감도 표면 플라즈몬 공명장치를 이용하여 중금속 이온을 검출하거나 흡착특성을 조사하는 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 고감도 표면 플라즈몬 공명장치의 개요도이다.

도 2는 본 발명 고감도 표면 플라즈몬 공명장치의 광 검지기를 구성하는 이중셀 광 다이오드의 평면도이다.

도 3은 자기 조립에 의하여 단분자막이 형성되기 전후의 금 박막 표면의 변화에 따른 SPR(surface plasmon resonance)각의 변화를 설명하기 위한 그림으로, 도 3a는 단분자막이 형성되기 전이고 도 3b는 단분자막이 형성된 후이다.

도 4는 본 발명 고감도 표면 플라즈몬 공명장치의 성능(효과)을 측정하기 위한 실시예의 결과를 설명하기 위한 모식도로, pH의 변화에 따른 3-머캡토프로피온산(MPA, 3-mercaptopropionic acid)의 변화를 도시한 것이다.

도 5는 자기 조립에 의하여 MPA 단분자막이 형성되면서 SPR각이 변화되는 것을 실시간으로 측정한 것이다.

도 6은 MPA 단분자막을 금 박막 위에 형성시킨 후, pH 3의 용액과 pH 10.5의 용액을 교대로 투입하여 pH 변화에 따른 SPR각의 변화를 측정한 것이다.

도 7은 1,6-헥산디티올(HDT, 1,6-hexanedithiol) 분자가 금 박막 위에 여러개의 단분자막을 형성하는 것을 실시간으로 보여주는 실험결과이다.

도 8은 금 박막 및 HDT 단분자막이 형성된 금 박막에 대하여 전압을 변화시켜 가며 전류를 측정한 순환전류전압도(cyclic voltamogram)이다.

도 9는 중금속 이온(Hg²⁺, Cd²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺)의 HDT 단분자막에 대한 흡착 특성을 조사한 결과이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

11: 레이저 광원12: 볼록렌즈

21: 프리즘22: 유리

23: 금 박막24: 반응 셀

30: 광 검지기31: 광 다이오드

32: 광 다이오드 A가 검지하는 광33: 광 다이오드 B가 검지하는 광

40: 데이터 프로세싱부

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 표면 플라즈몬 공명장치는 광원과, 빛을 p-편광시키는 편광판과, 광원에서 조사된 빛을 금 박막 표면에 모아주는 볼록렌즈와, 프리즘과, 프리즘과 접하는 면의 시료와 접하는 내면이 금 박막이 코팅된 유리로 된 반응 셀과, 금 박막에서 반사된 빛을 검지하는 광 센서와, 시료와 금 박막으로부터 측정되는 전압 및 전류 데이터와 광 센서에서 검지된 빛의 세기 데이터로부터 시료의 특성을 규명하는 데이터 프로세싱부를 포함하는 표면 플라즈몬 공명장치에서 광 센서로 이중셀 광 다이오드를 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명 고감도 표면 플라즈몬 공명장치의 구성을 도시한 도 1과 이중셀 광 다이오드를 도시한 도 2를 사용하여 빛의 경로를 따라가며 보다 상세히 설명한다.

SPR(surface plasmon resonance)각에 광원인 레이저(11)와 검지기(30)를 고정시키고, 레이저(11)에서 조사된 빛을 편광렌즈(미도시)를 이용하여 p-편광시킨 후, 볼록렌즈(12)로 모은다. 이 때, 레이저(11)와 프리즘(21)의 위치를 조정하여 조사된 빛이 금 박막(23)에 모일 수 있도록 한다.

초점의 크기는 규명하고자 하는 표면의 크기를 의미하므로 초점의 크기가 작을수록 미세한 분석이 가능하다. 입사된 빛의 일부는 금 박막에 흡수되고, 일부는 반사되어 광 검지부(30)의 이중셀 광 다이오드에서 검지되는데 본 발명의 고감도 표면 플라즈몬 공명장치는 광 검지부가 도 2에 도시된 바와 같이, 일정 간격을 두고 설치된 2개의 광 다이오드로 구성되는 이중셀 광 다이오드(31)인 것을 특징으로 한다. 이중셀 광 다이오드에서 측정되는 2개의 빛의 세기 데이터(32, 33)는 시료가 포함된 용액에서 측정된 전압 및 전류 데이터(CE, RE, WE)와 함께 데이터 프로세싱부(40)로 입력되어 시료의 특성이 분석된다. 도 1에서, SAM는 금 박막 위에 자기 조립된 단분자막(self assembly monolayer)이고, CE, RE, WE는 각각 시료의 전기적 특성을 분석하기 위한 상대전극(counter electrode), 기준전극(reference electrode), 작동전극(working electrode)의 약자이다.

이하, 2개의 광 다이오드로 구성되는 이중셀 광 다이오드에 의하여 자기 조립 과정이 분석되는 메커니즘을 도 3을 사용하여 설명한다.

도 3은 자기 조립에 의하여 단분자막이 형성되기 전후의 금 박막 표면의 변화에 따르는 SPR각의 변화를 설명하기 위한 그림으로, 도 3a는 단분자막이 형성되기 전이고 도 3b는 단분자막이 형성된 후이다. (여기에서, A, B는 검지기의 두 셀을, I_A, I_B는 셀 A와 B에서 검지되는 빛의 세기를, Δθ는 볼록렌즈의 촛점각[= 2tan^-1(D/2f), D는 렌즈의 지름, f는 렌즈의 초점거리]을, α는 SPR각의 변화이다.)

도 3(a)에서 보는 바와 같이, 일반적인 SPR 그래프(각도 vs. 반사율)는 포물선의 형태를 띤다. 따라서, SPR을 [수학식 1]과 같이 가정할 수 있다.

입사된 빛은 금 박막에 의해 반사되고, 반사된 빛은 2개의 광 다이오드 A와 B에서 검지된다. 입사각을 SPR각에 위치시키고 이중셀 광 다이오드 검지기 중심을 반사된 빛의 중앙에 위치시키면 A와 B에서 검지되는 빛의 세기는 같다. 이 값은 각각 다음 [수학식 2a]과 [수학식 2b]와 같이 표현되며, 이를 이용하여 [수학식 3]을 계산하면 0이 된다.

이 상태에서 자기 조립되는 분자가 금 박막에 흡착되면, 도 3b에서 보는 바와 같이, SPR각이 오른쪽으로 차츰 이동하게 된다. 이 때, [수학식 1]은 [수학식 4]와 같이 표현되고, 그 결과 A와 B에서 검지되는 빛의 세기도 [수학식 5]와 같이 변한다.

이를 [수학식 3]과 같은 형식으로 표현하면 [수학식 6]이 되며, 금 박막의 두께 및 촛점각을 조절하면 [수학식 7]과 같이 단순화시킬 수 있다. 이 식으로부터 금 박막으로부터 반사된 빛의 세기를 측정함으로써 표면의 변화에 따라 변화한 각의 크기에 관한 정보를 얻을 수 있으며 이를 이용하여 박막의 자기 조립현상을 실시간으로 측정할 수 있는 것이다.

상기 방법에 의하면 금 박막에 자기 조립에 의하여 단분자층이 형성되는 과정을 실시간으로 조사할 수 있을뿐더러 더 나아가서는 중금속의 존재를 검출하거나 특정 표면에 대한 선택도도 조사할 수 있다.

이는 반응 셀의 금 박막에 자기 조립에 의하여 단분자층을 형성시키는 단계와, 반응 셀에 중금속 용액을 담아 제1항에 기재된 고감도 표면 플라즈몬 공명장치로 θ_t/θ_sat변화를 조사하여 흡착 특성을 조사하는 것에 의하여 이루어지며 단분자막을 형성하는 자기 조립되는 분자는 이를테면, 1,6-헥산디티올(1,6-hexanedithiol, HDT) 또는 3-머캡토프로피온산(3-mercaptopropionic acid. MPA)을 사용한다.

상기 본 발명의 구성은 다음의 실시예에 의하여 더욱 명확해질 것이다.

<실시예 1>

본 발명의 표면 플라즈몬 공명장치를 사용하여 1) MPA(3-mercaptopropionicacid)가 자기 조립에 의해 단분자막이 형성되는 속도를 측정하고, 2) 단분자막이 형성된 후, 용액의 pH를 변화시켜가며 Δθ(볼록렌즈의 초점각)의 변화를 측정하였다.

A. 반응 셀의 제조

반응 셀의 금 박막은 유리에 크롬을 1nm의 두께로 먼저 증착시키고, 금을 45nm 두께로 증착시켰다. 유리는 SF10(Fisher Scientific)을, 증착장치는 AUTO306 (Edwards)을 각각 사용하였으며, 금이 증착된 유리는 인덱스 매칭 플루이드(index matching fluid, 유리 및 프리즘의 밀도와 같은 밀도를 가지는 것을 사용함) (n_D= 1.755±0.005, R. P. Cargille Laboratories Inc.)로 프리즘에 붙였다.

B. 실험 및 결과

1) MPA 단분자막이 형성되는 속도

SPR각에 반응 셀을 위치시키고(도 1), 반응 셀에 1mM의 MPA를 투입하고 30초 간격으로 데이터를 읽었다. 금 박막에 MPA의 단분자막이 형성되는 과정은 도 5와 같으며 이로부터 약 10분만에 단분자막이 금 표면에 완전히 형성된다는 것을 알 수 있다.

2) 용액의 pH 변화에 따른 Δθ의 변화

MPA 단분자막이 완전히 형성된 후, 반응 셀 내의 pH를 3과 10.5로 반복적으로 바꾸어 가며 Δθ를 측정하였다. 도 6에서 보는 바와 같이, 용액의 pH를 변화시키면 Δθ가 변화하였다. 이는 도 4에 pH 변화에 따른 MPA 분자구조를 도시한 바와 같이, 본 발명의 SPR 장치에 의하면 수소원자의 크기 즉. 나노미터 이하의 물질 또는 이온까지도 측정할 수 있다는 것을 의미한다. 다시 말하면, MPA는 pH 6 이하에서는 양성자 첨가(protonation)가 일어나고, pH 10 이상에서는 이온화되는데 본 발명에 의하면 이 차이(양성자 크기)까지 감지된다는 의미이다.

<실시예 2>

실시예 1과 동일한 장치와 방법에 의하여 장시간에 걸쳐 1,6-헥산디티올(1,6-hexanedithiol, HDT)의 자기 조립 과정을 분석하였다.

그 결과, 도 7에 도시된 바와 같이, 단분자막이 형성되는데 약 1시간이 소요되고 랭뮈어 등온흡착선 (Langmuir adsorption model)의 속도상수(k)가 0.00174/min이라는 사실과, 시간이 경과하면서 여러 개의 층이 형성된다는 사실과, 여러 개의 층이 연이어 형성되는 것이 아니라 한 개의 막이 완전히 형성되고 일정 시간이 지난 다음 새로운 막이 형성되기 시작한다는 사실을 알 수 있다.

HDT(용매: 에탄올)가 여러 개의 단분자막이 중첩되어 형성된다는 사실은 처음 밝혀진 것인데 현재까지는 HDT가 단분자막을 형성한다는 가정 하에 일반적으로 24시간 정도만 반응시켰기 때문이다. 본 발명의 발명자는 본 발명의 고감도 표면 플라즈몬 공명장치를 사용하여 Ar 가스 분위기에서 자기 조립시키면 오랜 시간이 경과해도 단분자막만 형성되지만, 반응 셀을 대기에 노출시켜(즉, 산소의 존재하에서) 반응시키면 여러 개의 단분자막이 형성된다는 것을 처음으로 밝혀 내었다.

또한, 도 7로부터는 θ_t/θ_sat변화가 두 번째 이후 단분자막부터는 변화가 크지 않으므로 분자가 첫 번째 단분자막보다 기울어진 상태로 흡착되는 것으로 추측할 수 있고, 속도상수도 금 박막에 HDT가 흡착될 때와 HDT 사이 결합에 의해 막이 쌓일 때가 서로 다르다는 것도 알 수 있다.

<실시예 3>

실시예 1에서 형성된 HDT 박막의 결함 여부를 확인하기 위하여 반응 셀의 용액을 1 mM K₄Fe(CN)₆·3H₂O와 0.1 M KCl의 혼합 용액으로 교체하고, WE를 금 박막에 RE와 CE를 용액에 각각 연결한 후, -0.1∼0.5V의 전압을 걸고 Potentiostat를 이용하여 순환전압전류를 측정하여 HDT 단분자막의 결함 여부를 조사하였다.

도 8은 금 박막과, HDT 단분자막이 형성된 금 박막에 대하여 전압을 변화시켜가며 전류를 측정한 순환전압전류도(cyclic voltamogram)이며 전압을 변화시켜도 HDT 단분자막이 형성된 금 박막의 전류가 측정되지 않는 것으로부터 HDT 박막에 결함이 없다는 것을 확인할 수 있다.

<실시예 4>

실시예 1의 방법에 의하여 금 박막 위에 HDT 단분자막을 형성시키고, 반응 셀에 중금속 수용액 1mM의 HgCl₂, 1mM의 Cd(NO₃)₂·4H₂O, 1mM의 Cu(NO₃)₂·2½H₂O,1mM의 Zn(NO₃)₂·6H₂O를 투입하여 HDT 단분자막에 대한 흡착 실험을 하였다.

도 9는 중금속 이온(Hg²⁺, Cd²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺)의 HDT 단분자막에 대한 흡착 과정을 조사한 결과로, 중금속 이온의 흡착 과정(kinetics)은 물론 -SH와 중금속 사이의 선택도까지 알 수 있으며 수은 이온이 HDT 단분자막에 가장 잘 흡착된다는 것을 알 수 있다.

이는 흡착 과정(kinetics)과 흡착 선택도를 조사함에 있어서, 원자흡광기(AA, atomic absorption)를 이용하는 종래의 방법과 비교하면 하루 정도 걸리는 과정을 수분에서 수 시간으로 단축시킬 수 있음을 의미한다.

본 발명에 의하면 나노미터 크기 이하의 분자를 검출할 수 있을 뿐만 아니라 박막의 두께를 실시간으로 측정할 수 있어 자기조립 과정을 실시간으로 현장에서 분석할 수 있다.

또한, 중금속 이온의 존재를 검출하거나 특정 박막에 대한 중금속 이온의 흡착 특성도 빠른 시간 내에 조사할 수 있어서 오염가스나 중금속 센서로 사용할 수 있다.

Claims

광원과, 빛을 p-편광시키는 편광판과, 광원에서 조사된 빛을 금 박막 표면에 모아주는 볼록렌즈와, 프리즘과, 프리즘과 접하는 면의 시료와 접하는 내면이 금 박막이 코팅된 유리로 된 반응 셀과, 금 박막에서 반사된 빛을 검지하는 광 센서와, 시료와 금 박막으로부터 측정되는 전압 및 전류 데이터와 광 센서에서 검지된 빛의 세기 데이터로부터 시료의 특성을 규명하는 데이터 프로세싱부를 포함하는 표면 플라즈몬 공명장치에 있어서, 광 센서로 이중셀 광 다이오드를 사용하는 것을 특징으로 하는 고감도 표면 플라즈몬 공명장치.
제1항에 기재된 표면 플라즈몬 공명장치를 사용하여 θ_t/θ_sat변화를 조사함으로써 1,6-헥산디티올 또는 3-머캡토프로피온산 분자가 금 박막에 자기조립되는 현상을 실시간으로 분석하는 방법.
반응 셀의 금 박막에 자기 조립에 의하여 단분자층을 형성시키는 단계와, 반응 셀에 중금속 용액을 담아 제1항에 기재된 고감도 표면 플라즈몬 공명장치로 θ_t/θ_sat변화를 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 중금속 검출 및 선택도를 조사하는 방법.
제3항에 있어서, 자기 조립되는 분자가 1,6-헥산디티올(1,6-hexanedithiol, HDT) 또는 3-머캡토프로피온산(3-mercaptopropionic acid. MPA)인 것을 특징으로 하는 중금속 검출 및 선택도를 조사하는 방법.