KR20070030263A - 표면 강화 라만 분광법을 위한 기판 표면 제조 시스템과방법 및 이를 이용한 장치 - Google Patents

표면 강화 라만 분광법을 위한 기판 표면 제조 시스템과방법 및 이를 이용한 장치 Download PDF

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Abstract

표면 강화 라만 분광법에 대한 금속화 기판을 제조하는 시스템 및 방법은 금속화 기판을 제공하기 위하여 기판 상부로 적어도 하나의 금속을 증착하는 공정과, 금속화 기판의 표면 플라즈몬 공명을 라만 이동된 파장보다 긴 범위의 파장으로 맞추기 위하여 상기 증착 단계의 하나 이상의 증착 파라미터를 제어하는 단계를 포함한다. 따라서 제조된 상기 금속화 기판은 생물학적 물질을 분석하기 위하여 표면 강화 라만 분광법에서 사용을 위하여 최적이다.

Description

표면 강화 라만 분광법을 위한 기판 표면 제조 시스템과 방법 및 이를 이용한 장치{SYSTEMS AND METHOD FOR FABRICATING SUBSTRATE SURFACES FOR SERS AND APPARATUSES UTILIZING SAME}
본 출원은 연방 규칙 37의 1.19(e)에 따라, 본 명세서에서 분명히 제기하고 있는 것과 같이, 그 전체 내용이 참고로 본 명세서에 분명히 통합되어 있으며, 발명의 명칭을 "표면 강화 라만 분광법에 대한 기판 표면 제조 시스템 및 방법"으로 하여 2004년 6월 7일자로 출원되었던 임시 출원번호 60/557,753호의 우선권의 이익을 향유한다.
본 발명은 전체적으로는 화학적, 생물학적 검출 및 확인에 관한 것으로, 보다 상세하게는 표면 강화 라만 분광법을 사용하여 낮은 농도의 화학적, 생물학적 물질을 신속하게 검출하고 확인하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
불량하게 작동하는 기판은 1977년도에 발견된 이래로 분석 기법으로서의 표면 강화 라만 분광법(Surface Enhanced Raman spectroscopy, SERS)에 장애가 되고 있으며, 화학적 분석을 위하여 신뢰할만한 방법으로서 과학계에서 SERS를 수용하는 것을 효율적으로 방해하고 있다. 1997년 SERS에 대하여 단일 분자 민감도(single molecular sensitivity)의 발견과 SERS에 대한 일련의 폭발적인 관심에도 불구하고, 상업적 제조를 위하여 적합한 유용한 기판의 개발에 대해서는 거의 발전이 이루어지지 못하였다. 본 명세서에 개시되어 있으며 청구된 발명의 개념에서 구체화된 혁신의 일 관점은 이론적, 실험적 국면이 완료된, 기판 설계에 대한 시스템적인 접근을 수행하는 것이다. 이 유일한 접근 및 방법은 제조된 기판의 강화 인자(enhancement factors)의 성능에 대하여 제조 공정 파라미터의 효과를 정량화함으로써 기판 제조 공정을 최적화한다. 동시에, 기판 설계가 어떻게 강화 메커니즘에 영향을 미치는지를 분석할 수 있도록 이론적인 접근이 적용된다. 이런 공정은 예를 들어 특별히 소망하는 파장과 같은 소정의 요구조건(specification)으로 조정된(tuned) 기판을 제조할 수 있는 능력을 제공한다. 이들 기판은 벤치톱(benchtop) SERS 기구로부터 초소형(handheld) 화학 검출기, 저렴한 화학적/생물학적 무기 제제(warfare agent) 센서에 이르기까지 광범위한 응용에 제품에 유용하다.
화학적 및 생물학적 물질에 대한 라만 분광법의 광범위한 응용성으로 인하여, 그 시스템은 화학적 및 생물학적 분석물질의 다양한 스펙트럼에 대하여 효율적이다. 검출기는 단일 포자(spores), 분자, 바이러스, 및 박테리아를 잠재적으로 검출하고(detect) 확인할(identify) 수 있는 내재적인 민감도를 갖는다. 따라서 전체 범위의 화학적, 생물학적 분석물질이 단일 장치를 사용하여 검출될 수 있다.
진동 분광 기술(vibrational spectroscopic technique)로서, 라만 분광법은 분석물질 분자를 확인하는데 유용한 화학 구조 정보가 풍부한 신호(signatures)를 생성한다. 생물학적 물질로부터 수집된 라만 스펙트럼의 문언 내에 인상적인 예들이 존재한다.
라만 분광법은 단색 방사선(monochromatic radiation)이 분자와 상호 작용하여, 산란(scattering)으로 알려진 과정을 통하여 주파수가 이동하는(shifted) 화학적 분석 방법이다. 산란된 방사의 주파수 이동은 분자 내의 원자간 결합의 진동 주파수와 동일하다. 따라서 많은 결합을 갖는 분자는 많은 주파수의 산란된 방사선을 생성한다. 대부분 결합의 진동 주파수가 알려져 있으며 일정하기 때문에, 산란된 방사선의 스펙트럼을 측정하게 되면 주파수 이동이 결정될 수 있으며, 분석물질 분자 내의 결합의 확인이 유추될 수 있다. 산란된 방사선의 강도는 방사된 분자 수에 비례하기 때문에 라만 스펙트럼은 존재하는 분석물질의 양을 측정하는데 사용될 수 있으며, 주파수 이동으로 분석물질을 확인할 수 있게 된다. 라만 산란은 108개의 입사하는 광자(protons) 중에서 대략 겨우 1개만이 라만 산란되는 매우 비효율적인 공정이다. 센서로서 유용하기 위해서는, 산란 과정이 크게 증폭되어야 한다. 하기에서 논의되고 청구되는 것과 같이, 본 명세서에서 개시되고 청구되는 기판은 크게 증폭된 산란을 가지고 있어서 최초로 상업적으로 효율적이면서 바람직한 방법으로 표면 강화 라만 분광법의 이용을 가능하게 한다.
역사적으로, SERS 기판의 성공적인 개발 및 상업화를 막는 많은 도전이 존재하였다. 광범위한 분석물질 분자에 대하여 107 이상의 강화 인자를 생성하는 유용한 SERS 기판은 존재하지 않으며, 현재의 기판은 염료와 같이 매우 제한적인 범위의 극단적인 공액 유기 분자에 대하여 큰 강화를 보여주고 있다. 제조 방법은 특히 복잡한 다단계의 실험실 공정으로서 대규모의 생산 제조 수준에는 적합하지 않다. 마지막으로, 나노규모의 기판 형태는 재생하기(reproduce) 어렵고 기판의 나노규모 형태와 SERS 강화 인자 사이의 관계는 거의 이해되지 않고 있다.
표면 강화 라만 분광법은 분석 방법에서 최종목표, 즉 매우 높은 민감도와 동시 분석물질 확인 능력을 제공할 수 있는 진동 분석 기법이다. SERS를 사용하여 피흡수질(absorbate)의 서브모노레이어(submonolayer) 검출이 1980년대에 달성되었다. 1997년, S. Nie, S.R. Emory 및 K. kneipp 등의 연구자들은 매우 높은 SERS 강화 인자(로다민 6G (rhodamine 6G)에 대하여 ~1014)를 독립적으로 보고하였고, 최초로 이 기술을 이용하여 단일 분자의 검출을 성취하였다. 단일 분자 실험에서 샘플 제조는 분석물질 분자의 수가 콜로이드 용액 내의 금속 입자의 수와 비슷해지도록 희석 은 콜로이드 용액에 분석물질을 첨가하는 것을 포함하였다. 은 입자는 이어서 분석을 위하여 표면으로 이송되었다. 이후로 다른 집단들도 샘플 제조를 위하여 이 방법을 성공적으로 이용하였다. 최근, R. Aroca 등은 유리 현미경 슬라이드 상에서 은의 열 기상 증착에 의하여 생성된 건조 은 아일랜드 박막(dry silver island films) 상에서 표면 강화 공명 라만 분광법(surface enhanced resonance Raman spectroscopy, SERRS)에 의하여 단일 분자 검출을 달성하였다. 샘플은 유기 염료로 포화된 지방산의 랭뮤어-브로젯(Langmuir-Blodgett) 모노레이어를 은 박막의 상부로 적용함으로써 제조되었다. 생성된 지방산 박막 내의 염료 농도는 충분히 낮은 농도로서 검출된 체적(probed volume) 내에서 단지 하나의 염료 분자만이 측정 과정에서 존재하였다.
민감도에서 이들의 특별한 향상은 세계적으로 SERS에 대한 관심의 수준을 크게 높였으며, 기하급수적인 강화 인자에 놓여진 메커니즘을 부분적으로 이해시키도록 하였다. 현재까지, 강화 메커니즘에 관한 많은 세부 사항들은 풀리지 않고 있다. 그러나 일부는 알려져 있다. 예를 들면, 라만 산란 방사 강도에서 중요한 강화를 달성하기 위해서 충분조건은 아니지만 필요조건은 입사하는(incident) 방사선 파장, 산란 방사선 파장, 및 기판의 표면 플라즈몬 공명 파장(surface plasmon resonance wavelength, SPRW)이 중복되는 것이다. 현재까지 대부분의 연구는 이 조건을 달성하기 위하여 입사되는 레이저 파장을 변화시키는 것을 포함하고 있다. 기판 표면 플라즈몬 공명 파장을 "조정(tune)"할 수 있으면 매우 바람직할 것이다. 이와 같은 조정은 기판 표면 플라즈몬 공명이 경제적이면서도 쉽게 이용할 수 있는 레이저의 고정된 파장과 일치하도록 할 것이다.
상기에 언급하고 있는 SERS에서의 최근의 과학적 진보는 금속 나노 물질에서 의 현재의 광범위한 관심으로부터 유래하는데, 이는 금속 나노 물질의 독특한 광학적 특성에서 크게 기인하고 있다. 초고속 광학 스위치, 광학 집게(optical tweezers), 생체분자(biomolecules)를 위한 표지(labels), 광학 필터, 바이오센서, 표면 강화 분광법, 플라즈모닉스(plasmonics), 및 화학적 센서를 포함하는, 나노-광학 물질에 대한 매우 많은 수의 잠재적인 응용이 존재한다. 이들 응용 중 많은 영역에서 기판 상부에서 지지되는 금속 아일랜드 박막 형태(metal island film form)로 나노입자가 존재하는 것을 필요로 하고 있다. 이들 응용은 나노입자의 크기-의존적인 광학적 특성을 이용하고 있다. 예를 들면, 금속 나노입자에 의한 광학적 흡수(absorption) 및 산란은 입사하는 전자기 방사에 의하여 여기되는, 표면 플라즈몬으로 알려져 있는, 표면 전자의 집합적 진동(collective oscillation)에서 유래한다. 10㎚ 내지 100㎚ 크기 범위의 귀금속 입자에 대하여 표면 플라즈몬 공명은 전자기 스펙트럼의 가시광선 및 근적외선 영역 내의 파장에서 일어난다. 크게 강화된 광학적 흡수 및 산란은 이들 표면 플라즈몬 공명 파장에서 일어난다. 금속 나노입자의 기하구조(geometry) 및 환경에서의 이들 광학적 특성의 극단적인 민감도의 결과가 상기에서 언급된 응용에 대한 기초를 형성한다.
SERS 기판 및 금속 나노입자 물질에 대한 다른 임의의 상업적 응용이 실현되기 위해서, 경제적인 제조 공정이 개발되고 평가되어야 한다. 기상 증착, 전기화학, 레이저 박리(laser ablation), 시트르산 환원(citric reduction), 습식 화학 합성, 금 클러스터 형성(gold cluster formation), 나노입자 어레이의 자기-배열(self-assembly of nanoparticle arrays), 전자빔 리소그래피(electron beam lithography), STM 보조 나노구조 형성(STM assisted nanostructure formation), 및 나노스피어 리소그래피(nanosphere lithography)를 포함하여 금속 나노입자 박막을 제조하기 위한 많은 수의 실험적 방법이 개발되었다.
불행하게도, 상기에 언급되고 있는 SERS 기판을 제조하기 위한 방법 중 어느 것도 대규모 제조를 위한 공정으로 발전되지 못하였다. 나노규모 금속 입자의 대규모 생산을 위하여 이용 가능한 다양한 층의 기술 중에서, 열 증착(thermal evaporation)은 가장 오래된 것이고 가장 저렴한 알려진 방법이다. 또한, 열 증착에 포함되는 기구는 대부분의 물질 연구 및 생산 설비에서 일상적으로 입수할 수 있다. 그러나 정밀한 증착 공정 제어 및 증착된 물질 특성의 재생과 관련하여 이들 방법의 성능에 대한 우려가 존재한다. 본 발명은 이러한 장벽을 극복한다.
다양한 종류의 SERS 기판 물질 및 설계를 기술하는 방대한 문헌이 존재한다. 회절격자(gratings), 표면 위의 콜로이드 입자 및 고분자 및 투명 무기 물질 내에 삽입된(embedded) 콜로이드 입자를 포함하여 SERS 활성을 위하여 많은 나노규모 구조가 평가되었다. 대부분은 SERS 활성이지만 105을 초과하는 강화 인자를 달성하지 못하였으며, SPRW 조정성(tunability)에 대해서는 높은 정도의 제어를 수행하지 못하였다. SERS의 이온과 관련해서도 이와 동일한 수의 방대한 문헌이 존재한다. 이러한 점에도 불구하고, 실험에 의하여 입증된, 일반적으로 적용될 수 있는 모델은 아직 나타나고 있지 않다. SERS의 상태는 몇 개의 논평에서 나타나 있다. 여기서, 더욱 향상된 설계가 강조되고 있다.
M.J. Natan은 표면 플라즈몬 공명 파장의 제어에 영향을 주기 위하여 표면 위에서 금 및 은 콜로이드 입자를 다룰 수 있는, 자기 배열을 포함하여, 몇 개의 독창적인 방법을 개발하였다. 이 작업을 통하여 이들 기판으로부터 수집된 SERS 스펙트럼의 재현성(reproducibility)에서 획기적인 개선을 이루었다. Natan은 또한 콜로이드 은 졸(colloidal silver sol) 내에서의 사용을 위하여 금/사이토크롬-C 컨쥬게이트(gold/Cytochrome C conjugate)를 개발함으로써 생체분자의 검출을 위해서도 SERS의 사용을 입증하였다. C.A. Mirkin은 DNA에 대한 SERS 마커(marker)로서의 사용을 위하여 유기 염료에 부착된 금 나노입자의 사용을 보고하였다. R.P. Van Duyne은 나노스피어 리소그래피(nanosphere lithography)라고 불리는, 조정 가능한 은 박막 기판(tunable silver film substrate)을 제조하기 위한 훌륭한 방법을 개발하였는데, 밀집한 스피어(close-packed sphere)의 모노레이어가 기상 증착 마스크로서 사용되었다. 금속은 스피어와 스피어 사이의 개방된 공간의 저면으로만 증착되기 때문에, 아일랜드 기하형태의 정밀한 제어가 가능하며 이에 따라 표면 플라즈몬 공명 파장이 달성된다. 다른 몇몇 그룹에 의해서도 금속 박막의 표면 플라즈몬 공명 파장을 조정하거나 조절할 수 있는 능력에 대하여 주목할 만한 향상이 또한 보고되었다.
분석 기법으로서 SERS의 개발을 향한 진보가 또한 최근에 보고되고 있다. W.E. Smith는 매우 낮은 농도에서도 DAN를 탐지하는, 표면 강화 공명 라만 분광법(surface enhanced resonance Raman spectroscopy, SERRS)에 대한 분석 응용을 개발하였으며, 특별히 SERRS를 위한 염료를 개발하였고, SERRS에 대한 은 콜로이드의 분석적 유용성을 입증한 바 있다. C. Viets와 W. Hill은 SERS 강화와, SERS 신호 및 레이저 출력(laser power) 사이의 직선 관계를 모두 유지하기 위해서는 은 아일랜드 박막의 표면에서 레이저 출력은 4.5 ㎾/㎠ 미만이어야 한다는 점을 보여주었다. SERS에서 신호 강화 효과는 7Å 내지 25Å 사이의 거리에서 금속 표면에서는 그 값의 50%로 감소하는 것으로 밝혀져서 거래 분자를 갖는, 기능성 SERS 표면(functionalizing SERS surfaces)의 실행가능성(viability)에 대하여 의구심을 일으키고 있다.
SERS와 관련하여 가장 일상적인 문제는 은의 탄소 오염이다. 은 기판은 다양한 방법을 사용하여 제조되기 때문에, 진공 펌프 오일 역류(vacuum pump oil backstreaming), 대기 유기물의 자발적인 분해, SERS 측정 과정에서 유기물의 광분해(photodegradation), 또는 소스 금속 오염과 같은 실질적인 탄소 소스는 분명하지 않다. 은은 최고의 강화를 제공할 수 있는 것으로 생각되기 때문에 SERS 기판과 관련해서는 은이 가장 일상적으로 사용되는 금속이다. 탄소에 대한 SERS 신호는 은에 의하여 크게 강화된다. 사실상, 높은 민감도 SERS 측정을 입증하기 위하여 탄소의 강화된 신호가 사용되고 있다. 그러나 SERS 스펙트럼에서 탄소의 두드러진 특징(feature)의 존재로 인하여 신뢰할만한 스펙트럼 기준선(baseline)을 설정하는데 있어서 (아마도 극복하기 어려운) 막대한 어려움을 야기하고 있다. 안정적인 기준선의 부재로 인하여 정량적 측정을 위한 SERS의 유용성이 크게 제한되고 있다. 이 러한 탄소 특징의 세기와 변이성(variability)은 낮은 농도에서 임의의 분석물질의 정량화를 방해하고 있다. 이러한 문제는 거의 어디에나 존재하며, 정량적인 초민감도가 요구되는 영역에서 SERS의 응용가능성을 제한할 가능성이 있다. 금 입자에 대하여 F6G의 단일 분자 검출이 달성된 것을 고려하면, SERS 기판에 대해서는 전체적으로 은보다는 금이 바람직할 수 있다. 종종, 공표된 SERS 스펙트럼에서 인식할 수 있는 탄소 특징이 관찰되었다. 이런 스펙트럼에서 가능한 탄소 특징 때문에 몇 개의 SERS 스펙트럼 해석에 대하여 최근 의문이 제기되고 있다.
측정된 SERS 신호 강도를 514.5 ㎚에서 여기된 로다민 6G(Rhodamine 6G, R6G)와 같이 공지된 형광 단면을 갖는 형광 물질의 측정 강도와 비교하고 방정식 1을 적용함으로써 SERS 강화 인자가 결정된다. 본 발명의 이 실시예에서, 형광 측정은 비강화(nonenhacing) 기판 상에서 수행된 것을 제외하면 SERS 및 형광 측정은 동일한 실험 조건 하에서 수행되었다. 따라서 강화 인자(Ef)는 다음과 같이 정의된다.
Figure 112007001142638-PCT00001
방정식 (1)에서 σ F 는 R6G 형광 단면(σ F = 10-16 ㎠), σ R 은 분석물질 비강화 라만 단면(σ R = 10-30 ㎠), I ER 은 cps에서 측정된 분석물질 SERS 강도, I F 는 cps에서 514.5㎚ 여기를 사용한 R6G 형광 강도, k는 라만 측정 및 형광 측정 사이에서 기구의 스펙트럼 반응과 여기 레이저 강도에 대한 조정 인자(factor to correct)이다. 따라서 SERS 단면은 직접적인 방법으로 분명하게 측정될 수 있으며, 형광 분자의 정확하게 공지된 단면으로 추적할 수 있다. 그 형광 단면이 충분히 정확하게 공지되어 있다면, 다른 형광체(fluorophore)가 R6G를 대치하여 위 방정식 1에서 사용될 수 있다.
본 발명은 거친 금속 표면과 접촉하는 분자 및/또는 생체물질에 의하여 얻어진 라만 스펙트럼의 강도가 거친 금속이 존재하지 않는 상태에서 동일한 분자에 의하여 얻어진 라만 스펙트럼의 강도와 비교하여 수십 내지 수만 배 강화될 수 있다는 사실을 이용한다. 이 방법은 표면 강화 라만 분광법(Surface Enhanced Raman Spectroscopy, "SERS")으로 알려져 있다. 본 발명은 10배 이상의 크기로 라만 스펙트럼의 강도를 강화하는 SERS 표면을 경제적으로 생성하기 위한 방범 및 시스템이다. 라만 스펙트럼의 높은 강화 외에도 본 명세서에서 기술된 표면은 광범위한 분석물 분자 및 생체물질에 대하여 재현 가능한(reproducible) 강화를 보여준다.
본 발명은 표면 강화 라만 분광법을 이용하여 분자를 분석하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에서, 낮은 농도의 화학물질 및 생체물질을 검출하기에 충분하고 동시에 명백하게 이들 물질을 확인하기에 충분한 최적 수준의 라만 신호를 생성할 수 있도록 바람직하게 제조되는 기판이 이용된다. 본 발명의 실시예에서는 표면 강화 라만 분광법에 의한 검출을 위하여 기판 표면의 상부로 액상 분석물질 용액의 알려진 양이 최적으로 배치할 수 있도록 디멘드형 잉크젯 액적 분배기(demand inkjet droplet dispensers)를 또한 사용한다. 기판 상부로의 액적 배치의 정밀 제어를 위해서는 라만 신호에서 매우 큰 강화를 일으키는, 기판 상부에서의 효율적인 용매 증발과 분석물질의 물리흡착(physiorption)을 고려하여야 한다. 본 발명의 실시예에서는 분석물질 농도의 확인 및 정량적 결정을 위하여 측정된 스펙트럼을 데이터베이스 내에 포함된 스펙트럼과 비교하기 위한 목적으로 서 스펙트럼 데이터베이스와 소프트웨어 알고리즘을 또한 사용한다.
본 발명의 실시예는 화학적, 생물학적 물질을 최적으로 검출하고 확인할 수 있도록 기판의 나노규모 형태를 편이하게 제어할 수 있다. 나노규모 형태에 대한 정밀 제어로 인하여 분자 특이성(molecular specificity)이 기판으로 통합될 수 있으며, 배경(background) 물질 및 간섭(clutter)이 존재하여도 화학적, 생물학적 물질을 검출할 수 있다. 예를 들면 사전검출 분리 공정 없이도 특정 생물학적 분석물질이 체액(body fluid)에서 검출될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 주변 섀도우 마스크(perimeter shadow mask)를 사용하고, 기판을 제조하기 위하여 사용되는 증착 공정(일례로, 열 증착(thermal evaporation) 공정, 스퍼터 증착, 또는 화학 기상 증착)을 제어함으로써, 재현할 수 있도록 라만 신호를 강화시키는 기판의 성능에 대한 그와 같은 제어를 가능하게 한다. 예를 들면, 특정 증착 공정이 수용할 수 있는 수준으로 변형되거나(reduces), 또는 최적으로 설계된 주변 섀도우 마스크를 사용함으로서 해로운 가장자리 효과(edge effect) (증착 과정에서 노출된 기판 가장자리에 의하여 야기되는 비균일 박막)를 제거한다. 따라서 각각의 증착 파라미터 값에 따라 특정 분석물질 또는 분석물질 집단에 대하여 최적화되도록 생성된 각각의 기판을 갖는 다양한 샘플 기판이 얻어질 수 있다. 가장 큰 기판-강화 라만 분광 강화를 일으키는 샘플 기판이 적절한 검출 시스템에 대하여 선택된 기판으로 이용될 수 있다. 가장 큰 기판-강화 라만 분광 강화를 일으키는 샘플 기판은 실험적 방법 또는 컴퓨터에 의한 방법을 이용하여 결정될 수 있다.
하기에서 본 발명의 상세한 설명이 보다 잘 이해될 수 있도록 상기에서는 본 발명의 특징 및 기술적인 이점을 개략적으로 약술하였다. 본 발명의 다른 특징 및 이점은 본 발명 청구항의 주제를 형성하는 이하 부분에서 설명될 것이다. 개시되는 개념 및 특정 실시예는 본 발명의 동일한 목적을 실행하기 위하여 다른 구조로의 변경 및 설계에 대한 기초로서 본 발명의 평균적 기술자에 의하여 용이하게 이용될 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 또한 첨부하는 청구의 범위에서 기재하고 있는 것과 같이 그러한 균등한 구성은 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어나지 않는 것이라는 사실이 평균적 기술자에 의하여 또한 인식되어야 한다. 다른 목적 및 이점과 함께 그 구성 및 작동 방식에 있어서 본 발명의 특징이라고 여겨지는 새로운 특징은 첨부하는 도면과 함께 고려된다면 하기의 설명으로부터 더욱 잘 이해될 것이다. 그러나 각각의 도면은 단지 예시 및 설명의 목적을 위하여 제공될 뿐이고 본 발명의 범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점이 분명하게 이해되어야 한다.
본 발명의 더욱 완벽한 이해를 위하여, 첨부하는 도면과 함께 하기의 실시예에서 참조 번호가 제시된다.
도 1은 화분(pollen, Live Oak), Bacillus thuringiensis, Bacillus cereus, Bacillus subtilis, 및 인간 장 코로나바이러스(human enteric coronavirus)에 대한 단일 스포어/바이러스 신호 강화(single spore/virus signal enhancement)를 입증하는, 측정된 라만 스펙트럼을 표시하고 있다.
도 2는 살아있거나 열-사멸된(heat-killed) Bacillus thuringiensis spore의 SERS 스펙트럼을 표시하고 있다. 스포어 샘플은 8시간 동안 표시된 온도로 가열되었다. 라만 스펙트럼 피크 높이는 온도 증가에 따라 감소하고 있다. 300℃에서, 탄소 주도(carbon dominated) 라만 스펙트럼에 도시된 것과 같이, 스포어는 변성되었다(denatured).
도 3은 전체 소변(urine) 및 전체 혈액 샘플의 SERS 스펙트럼을 표시하고 있다.
도 4는 다양한 위치에서 수집된 로다민 6G의 SERS 스펙트럼을 표시하고 있는데, SERS 기판의 매우 높은 강화 및 재현성을 보여주고 있다.
도 5는 다양한 시간 동안 SERS 기판을 트리니트로톨루엔(TNT)의 포화 증기로 노출시킴으로써 유래된 SERS 스펙트럼을 표시하고 있다.
도 6a는 표 A에 열거되어 있는 금 박막에 대한 소광 스펙트럼(extinction spectrum)을 도시하고 있다. 도 6b는 표 A에서 박막 1, 2, 15에 대한 소광 스펙트 럼을 도시하고 있다.
도 7은 최적화된 주변 섀도우 마스크의 일 실시예의 단면도를 표시하고 있다.
도 8은 가장자리 효과로 인하여 비균일 박막 특성을 보여주는 사진을 표시하고 있다.
도 9는 SERS 기반의 검출 개념 개략도를 표시하고 있다.
도 10은 SERS 측정을 위한 액상 샘플 분배를 표시하고 있다.
도 11은 센서 구성의 하부시스템(subsystem)의 블록 도표를 표시하고 있다.
도 12는 제안된 화학적, 생물학적 제제 검출 시스템에 대한 시간 도표로서, 완료 검출 사이클 시간은 1분인 시간 도표를 표시하고 있다.
도 13은 다양한 SERS 강화 인자를 갖는 상태에서(a) 독소(toxin), (b) 스포어 노출 농도(airborne concentration)에 대하여 측정된 표면 강화 라만 신호를 표시하고 있다. 수직의 도트 선은 현실적인 검출 한계(limit of detection, LOD) 요구조건을 표시한 것이고, (b)에서 계단 형태의 곡선은 1, 2, 3개 스포어의 검출을 반영하고 있다.
도 14는 측정된 에러 가능성을 표시하고 있다.
본 발명의 적어도 하나의 실시예를 상세하게 설명하기 전에, 본 발명이 하기의 설명에서 기술되거나 도면에서 예시되는 구성성분의 구조 및 배열의 세부사항으 로 그 응용이 제한되는 것은 아니라는 점이 이해되어야 한다. 본 발명은 다른 실시예도 가능하며 다양한 방법으로 실행되거나 수행될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 채택된 어구나 용어는 설명의 목적을 위한 것으로 제한되는 것으로 간주되어서는 안 된다는 점이 이해되어야 한다.
본 발명은 신속한 검출을 요구하는 많은 화학적 또는 생물학적 검출 및 센서 응용을 위하여 유용하다. 본 발명은 초민감성을 갖는 분자 검출 기법인 표면 강화라만 분광법(SERS)에 기초를 두고 있는, 화학적, 생물학적 검출 플랫폼(platform)이다. 본 명세서에서 개시되어 있으며 청구된 응용과 관련하여 초민감성의 화학적, 생물학적 검출 방법으로서 SERS의 실현을 가능하게 하였던 기술적 돌파구는 본 명세서에서 기술하고 있는 것과 같이 매우 높은 강화-인자를 보이는 SERS 기판의 개발이었다. 본 발명의 시스템은 라만 신호를 적어도 108배 크기, 일부 실시예에서는 1011배 크기로 증폭시키는 SERS 기판을 통합하고 있다. 이들 기판은 독소 및 화학 제제에 대하여 단일 스포어 또는 아토그램(attogram, 10-18g) 수준에서 검출 및 확인을 가능하게 하면서 분석물질의 진동 스펙트럼을 생성할 수 있도록 한다.
본 명세서에서 개시되고 청구된 발명의 제조 방법을 통하여 단일 기판 상의 다양한 위치 및 동일 샘플에 대해서는 다른 동일하게 제작된 기판 상에서 모두 매우 크게 재현될 수 있는 스펙트럼을 생성하는 SERS 기판이 제조된다. 나노규모 수준에서 기판의 형태를 제어함으로써, 표적 분석물질(targeted analytes)의 선택적 증폭을 고려하면서 분자적 민감도가 시스템으로 통합될 수 있다. 제어가능한 분자 적 민감도로 인하여 높은 농도의 방해물(interferents) 및 배경 간섭이 존재하여도 표적으로 하는 화학적, 생물학적 제제의 검출 및 확인이 가능하다. 신호의 강화는 매우 크기 때문에, 시스템 내에 상대적으로 저렴한 낮은 성능의 광학 구성성분이 가능하며, 시스템을 감당할 수 있도록 만든다.
생물 무기 제제 자극제 샘플(biological warfare agent stimulant sample)에 대한 본 발명의 성능이 도 1에 도시되어 있다. 비교를 위하여 Live Oak의 화분 단일 스포어, Bacillus thuringiensis 단일 스포어, Bacillus cereus 단일 스포어, Bacillus subtilis 단일 스포어 및 단일 인간 장 코로나바이러스로부터 수집된 스펙트럼이 도시되어 있다. 샘플들은 분석하기에 앞서 물에 현탁된 뒤 기판 상부로 형태로 적하되었다(drop cast). 스펙트럼은 디지털 방식으로(digitally) 여과되었으며 형광 배경은 제외되었다(subtracted). 스펙트럼들은 생물학적 물질의 라만 스펙트럼 내에 포함되어 있으며 차별화와 확인을 위하여 필수적인 높은 수준의 정보를 보여주고 있다. 1000 cps까지의 피크 높이가 이루어졌으며, 신호는 100초 동안 적분되었다(integrated). 632.8㎚에서 2.5㎽의 낮은 입사 레이저 출력(laser power)이 사용되었다. 스펙트럼의 신호대잡음비(signal to noise ratio, SNR) 값은 "지문(fingerprint)" 영역(800-1750 ㎝-1)에서의 10에서부터 주요 피크에서 39를 넘는 범위까지였다.
도 1에 스펙트럼에서 스펙트럼 특징은 광범위하기 때문에, 낮은 스펙트럼 분 별 능력(resolution)이지만 높은 광학적 처리량(throughput)의 소형 분광기가 SERS 스펙트럼을 수집하기 위하여 사용될 수 있다. 1500 내지 1750㎝-1 범위의 스펙트럼 영역을 면밀히 살펴보면, 이 영역은 5개의 모든 스펙트럼에서 독특하다는 점을 보여주고 있다. 비록 Bacillus subtilis와 코로나바이러스와 관련하여 이 영역에서의 피크가 매우 유사하기는 하지만, 2800 내지 3100㎝-1에서의 피크 형태는 매우 다르다. 따라서 샘플 내에 박테리아의 존재를 확인하기 위하여 스펙트럼의 전체적인 형태가 이용될 수 있으며, 특정 화학적 또는 생물학적 제제를 확인하기 위하여 각각의 종류에 대한 독특한 특징이 사용될 수 있다. 예를 들면, 클러스터(cluster) 분석을 위하여 워드 알고리즘(Ward's algorithm)을 통합한 로버스트 패턴 인식 처리 알고리즘(robust pattern recognition processing algorithm)이 도 1에 도시된 미량(trace)을 쉽게 해명하고(deconvolute), 해명된 스펙트럼을 스펙트럼 라이브러리 데이터베이스와 비교하여 샘플 내에 존재하는 박테리아를 확인할 수 있다. 진동 스펙트럼의 클러스터 분석은 샘플 내의 다른 박테리아를 구별할 수 있다는 점을 보여주었을 뿐만 아니라, 또한 단일 박테리아의 각각의 균주(strain)를 구별할 수 있다는 점을 보여주었다. 이 능력은 하기에 상세히 기술되어 있다.
많은 생물학적 제제 검출 시스템의 심각하면서도 현재의 한계는 살아있는 생체물질과 죽은 생체물질을 구별할 수 없다는 것이다. 이 한계와 관련하여 힘을 북돋아주는 결과가 도 2에 도시되어 있다. 살아있는 Bacillus thuringiensis 스포어 샘플이 100℃, 150℃, 200℃, 300℃로 가열된 후에 이들 샘플에 대한 스펙트럼이 수집되었다. 살아있는 스포어 스펙트럼과 비교하여, 100℃로 가열하면 형광 신호 및 라만 신호 모두 감소한다는 점을 도 2의 스펙트럼은 보여주고 있다. 150℃로 추가적으로 가열하면 형광 강도 및 라만 강도가 더욱 감소한다. 200℃로 가열하면 형광 강도는 더욱 감소하며, 라만 스펙트럼은 더 이상 관측되지 않는다. 최종적으로, 300℃로 가열하면 생체물질을 분해하여 탄소의 스펙트럼 특성이 관측된다.
도 3에서, 매우 복잡한 생물학적 샘플인 전체 소변 및 전체 혈액에 대하여 강한 스펙트럼을 생성함으로써, 본 명세서에서 개시되고 청구되는 발명의 다용성(versatility)을 보여주고 있다. 이들 스펙트럼은 도 1에서 제시된 스펙트럼과 유사하게 수집되었으며 40초 넘게 적분되었다. 이들 샘플을 기판 상부로 적하한 것을 제외한다면 이들 물질에 대하여 어떠한 샘플 제조도 수행되지 않았다. 샘플들은 상온에서 건조되도록 하였다. 이들 샘플은 심지어 배우 복잡한 생물학적 샘플의 혼합물에 대해서도 측정 후 처리 알고리즘(post measurement processing algorithm)에 의하여 구성성분 스펙트럼으로부터 효율적으로 추출할 수 있는 많은 양의 스펙트럼 정보가 얻어질 수 있음을 입증한다. 이들 구성성분 스펙트럼은 계속해서 샘플 혼합물 내의 많은 물질을 정량화하고 확인하는데 사용될 수 있다.
본 발명에서 달성된 성능에서 주요한 향상은 기판에 대한 강화 인자 및 샘플 응용에서의 재현성이다. 도 4에서, 이러한 재현성을 입증하는 SERS 스펙트럼이 도 시되어 있다. 도 4의 스펙트럼은 1.0ㅧ 10-6몰의 R6G의 적하 샘플(drop cast sample)로부터 수집된 것으로, 도 4에서 예시하고 있는 것과 같이 샘플의 절반은 SERS 표면 위에 있으며, 나머지 절반은 그렇지 않았다. 샘플이 SERS 표면 위에 있지 않은 영역으로부터 샘플이 SERS 표면 위에 있는 영역까지 R6G가 2.0㎜ 거리(도 4에서 샘플 라인을 참조)를 두고 시편 추출되면서(sampled), 스펙트럼은 동일하게 이격된 위치에서 수집되었다. 분명히, SERS 표면에서 떨어져서(off the SERS surface) 수집된 스펙트럼은 라만 특성을 보이지 않는 반면에, SERS 표면 위에서 수집된 스펙트럼은 매우 강화되었으며 그 강도에서 매우 뛰어난 일관성, 즉, 재현성을 보이고 있다. 각각의 스펙트럼은 632.8㎚에서 겨우 2.5㎽의 입사 레이저 출력을 사용하여 수집되었으며, 단지 1초 동안 적분되었다. 단일 기판 상부의 다른 위치에서 재현성에 대한 이러한 입증 외에, 다른 기판 상부에서도 유사한 수준의 재현성이 또한 입증되었다.
본 발명으로부터 유래하는 기판은 대용량 생산 수준에까지 확장될 수 있는(scaleable) 저렴한 공정에 의하여 제조될 뿐만 아니라, 그 성능은 전례 없는 수준의 신호 재현성 및 높은 SERS 강화를 입증하고 있다. 도 1~4에서의 데이터는 생물학적 물질 및 화학적 물질 모두인 다양한 범위의 분석물질에 대한 라만 신호를 재현성 있도록 증폭시키는 본 발명의 광범위한 다용성을 보여주고 있다.
본 발명의 극단적인 민감도는 도 5에 묘사되어 있는데, 도 5에서 통상의 폭 발성 물질인 트리니트로톨루엔(TNT) 증기에 노출된 기판으로부터 얻어진 SERS 스펙트럼이 도시되어 있다. TNT 조각 10 마이크로그램을 함유하는, 캡이 제거된 2㎖ 유리병(vial)이 SERS 기판과 함께 4 ㅧ 4 인치 폴리카보네이트 페트리디시(petri dish)에 배치되었다. SERS 기판은 표준 유리 현미경 슬라이드의 표면 위로 증착된 SERS 박막으로 구성되어 있다. 페트리디시는 밀폐되어 TNT가 페트리디시 내부에서 밀폐된 공기를 포화시키도록 하였다. 도 5의 스펙트럼은 TNT 증기에 대하여 1시간 노출로 측정 가능한 SERS 신호가 얻어졌으며, 보다 큰 신호는 3시간 경과 후에 얻어졌음을 보여주고 있다. SERS 기판으로 얻어질 수 있는 유일한 TNT 소스는 TNT 조각으로부터 방출된 TNT 증기로의 노출이었다. 열려진 TNT 유리병 옆의 작업장 인근에서 SERS 기판을 단순히 처리함으로써 5분 후에 작은 SERS 신호가 얻어졌다는 사실은 주목할 만한 점이다. 이들 스펙트럼은 폭발물 증기 센서 응용 제품에서의 본 발명의 SERS 기판의 잠재력을 보여주고 있다.
본 명세서에서 개시되고 청구된 발명의 일 실시예에서 SERS 기판의 제조는 기저(underlying) 기판 물질을 제조하는 단계, 증착을 수행하는 단계, 가능하게는 증착 후(post deposition) 처리를 수행하는 단계, 및 기판 성능을 검증하는 단계를 포함한다. SERS 기판에 대한 성능의 가장 중요한 단일 파라미터는 표면 상부와 유사하게 제조되는 다른 기판 상부의 모든 지점에서 모두 높은 신호 강화의 재현성이다.
우선, SERS 증폭 표면이 그 상부에 증착될 수 있도록 물질이 선택되어야 한 다. 물질의 광학적 특성이 증폭 SERS 박막을 최적화하기 위한 비책(recipe)에 어느 정도 영향을 줄 수 있지만, 기판 물질의 역할은 주로 박막을 위한 지지(support)를 제공하는 것이다.
이어서 증착 파라미터 영역(space)을 정의하고, SERS 증폭 및 박막의 재현성에 대한 각 파라미터의 영향을 정량화하기 위하여 실험계획법(design of experiments, DOE)이 구성되고 실행된다. 실험 계획은 최소한의 실험 양(experimental runs)으로 제품에 대한 공정 파라미터의 영향을 정량화하기 위하여 통계적으로 견고한 방법이다. 마스크 설계, 기판 온도, 증착 속도, SERS 박막 두께, 증착 후 어닐링 시간(post deposition annealing time) 및 온도 등과 같은 증착 파라미터가 DOE에서 최적화되는 박막 증착 파라미터에 포함될 수 있다. 주어진 분석물질에 대한 증착 파라미터의 최적화는 DOE에서 생성된 SERS 박막 각각에 적용되는, 동일하게 제작된 샘플 위로 SERS 측정을 수행함으로써 달성된다.
따라서 SERS 조정성(tunable) 박막을 제조하기 위한 열 증착을 평가하는 효율적인 접근은 DOE를 수행하는 것으로서, DOE에 의하여 규정된 파라미터 값 조합에서 특정 횟수의 증착이 수행되어 최소한의 실험 향으로도 공정에 관한 대부분의 정보가 얻어진다. 이러한 접근은 공정에 대한 제어 파라미터의 영향을 효율적으로 평가하기 위하여 산업계에서 일상적으로 사용된다. 이러한 최적화 노력의 결과, 열 증착 공정은 금속 아일랜드(island) 박막을 제조할 수 있는데, 금속 아일랜드 박막에 의하여 박막의 SERS는 전자기 스펙트럼의 전체 가시광선 영역과 근적외선 영역 으로 조정될 수 있다. 예를 들면, 소망되는 설계 파장의 ± 1㎚ 이내의 표면 플라즈몬 공명 파장을 갖는 박막이 제조될 수 있다.
DOE 공정의 일례로서, 특정 파라미터 세팅 조합(setting combinations)에서 15회의 증착을 규정하고 있는, 열 증착기로서 3-인자 박스-벤켄 DOE(3-factor Box-Behnken DOE)를 사용하였다 (예를 들어 R. Gupta, M.J. Dyer, and W.A. Weimer, J. Appl. Phys. 92, 5264 (2002)를 참조). 평가하기 위하여 선택한 3개의 DOE 인자(또는 증착 파라미터)는 기판 온도(Ts), 증착 속도(Rd) 및 박막 두께(Tf)이었으며, 이들의 범위는 각각 31-120℃, 0.3-1.2Å/s 및 10-30Å이었다. 그 중간 지점, Ts = 75.5℃, Rd = 0.75Å/s, Tf = 30Å, 에서 설정된 파라미터를 사용하면서 본 발명의 DOE는 15회 중에서 3회 반복되도록 요구하였다. DOE에 의하여 규정된 금 박막을 제조하기 위한 15회 증착의 정확한 순서가 표 A에 표시되어 있다. 각각의 박막은 18.0 ㎜ 직경과 0.15 ㎚ 두께의 환형 붕규산 유리 커버 슬립(borosilicate glass cover slips, Fisher Scientific) 상부에서 11.4 ㎜ 직경 위로 증착되었다. 표 A에는 또한 도 6a에 도시된 소광 스펙트럼(extinction spectra)으로부터 유래된 각각의 박막에 대하여 측정된 SPRW 값이 표시되어 있다. 각각의 스펙트럼에 대하여 SPRW 값은 최대 소광에 상응하는 파장으로 할당되었다. 표 A에서 계산된 SPRW 값은 하기에서 기술되는 것과 같은 DOE 통계 분석으로부터 발생된 실험 방정식으로부터 얻어졌다.
표 A. 금 박막 증착 매트릭스(Matrix)
샘플 기판온도(℃) 증착속도(Å/s) 박막두께(Å) 계산된 SPRW(㎚) 측정된 SPRW(㎚) 차이(㎚)
1 75.5 0.75 30 615 616 -0.59
2 75.5 0.75 30 615 620 -4.59
3 75.5 1.2 10 563 569 -5.87
4 75.5 1.2 50 650 650 -0.15
5 31 0.75 50 710 707 2.60
6 120 0.3 30 588 586 2.08
7 31 0.75 10 582 574 7.88
8 75.5 0.3 10 564 564 0.38
9 120 0.75 50 599 607 -7.65
10 31 1.2 30 656 658 -1.92
11 31 0.3 30 666 674 -8.17
12 75.5 0.3 50 650 644 6.10
13 120 0.75 10 555 557 -2.37
14 120 1.2 30 596 588 8.33
15 75.5 0.75 30 615 610 5.41
최대 소광 및 그에 상응하는 SPRW 값에서의 조정가능성(tunability)은 도 6a에 도시되어 있는 스펙트럼에서 분명히 예시되고 있다. 도 6b의 소광 스펙트럼을 검토하면 이들 박막에 대한 유용한 범위의 조정가능성은 475㎚를 초과하는 값으로 한정된다는 점을 보여주고 있다. 이 한계 미만에서, 전자 전이에 기인한 흡수는 금의 광학적 특성보다 우위를 차지한다. 도 6b는 표 A의 3개의 동일한 작업 조건에서 생성된 박막(1, 2, 15)으로부터 거의 동일한 스펙트럼이 얻어졌다는 점을 보여주고 있다. 도 6b에 도시된 공정의 재현성은 매우 우수하다.
Figure 112007001142638-PCT00002
SPRW 조정가능 박막을 제조하는데 있어서 가장 큰 공정 설계의 어려움은 재 현성 및 소정의 SPRW 값을 갖는 박막을 제조하는 능력을 입증하는 것이다. 따라서 DOE 분석으로부터 얻어진 가장 중요한 결과 중의 하나는 표 A에서 열거되어 있는 측정된 SPRW 값에 대하여, 조정 방정식 2에 의하여 얻어지는 실험적 예측 방정식이다. 방정식 2의 예측 능력과 공정의 제어 수준을 입증하기 위하여, 금 박막에 대한 표적 SPRW는 640㎚로 선택되었다. 방정식 2에 따르면, 이 표적 SPRW를 얻기 위한 적절한 증착 파라미터는 Ts = 35℃, Rd = 0.7Å/s, Tf = 26Å이었다. 이들 증착 파라미터를 사용하여 성장된 금 박막으로부터 얻어진 실제 SPRW는 641㎚이었으며, 차이는 겨우 1㎚에 불과하였다. 따라서 방정식 2의 예측 능력과 공정의 제어는 매우 우수한 것으로 입증되었다.
SERS 기판은 DOE 기판 설계 공정으로부터 얻어진 결과에 의하여 규정되는 박막으로 기판 물질을 코팅함으로써 제작된다. 증착 공정은 기판 물질을 세정하는 단계, 기판 물질을 열 증착기와 같은 기상 증착 장치의 내부로 장착하는 단계, 증착을 수행하는 단계, 어닐링과 같은 증착 후 공정을 수행하는 단계 및 SERS 기판의 표면 특성 규명(characterization)을 포함한다.
그 상부로 SERS 증폭 박막을 증착하기 위하여 선택되는 기판 물질에 관계없이, 균일한 증착 및 SERS 박막의 적절한 흡착(adhesion)을 확보하기 위하여 기판 물질의 표면은 오염물질이 없어야 한다. 세정 단계는 일반적으로 일련의 세정 용액에서 기판 물질을 침지(soaking)하거나 초음파 처리(sonicating)하는 것을 포함한 다. 세정 절차의 일 실시예에서, 증류수에 용해된 희석 세제, 증류수 및 아세톤인 용액 순서로 각각의 용액에서 10분 동안 초음파 처리되며, 각 초음파 처리 사이에는 질소가 환류 되면서 건조 과정이 수반된다. 기판 물질 및 그 물질 표면의 조건에 따라 많은 다른 세정 용액(왕수(aqua regia), 다양한 유기 용매, 산, 염기 등) 및 다른 절차(가열 초음파 처리, 방사, 및 부식성 매질에서의 침지 등)가 본 기술 분야의 평균적 기술자에 의하여 구체화될 수 있다.
다음으로 세정된 기판 물질은 설계 DOE에 의하여 규정된 절차를 따라 증착 파라미터를 충분히 제어할 수 있도록 설계된 장치 내에 장착된다. 본 명세서에서 개시되고 청구되는 발명은 증착 과정에서 기판의 표면으로 주변 섀도우 마스크(perimeter shadow mask)를 사전-배치함으로써, 균일한 증착을 확보하고 기판의 유용한 영역을 최대화할 수 있는 장착 방법을 포함한다. 상기 마스크는 주변 마스크의 부재 하에서 기상 증착에서 일어나는 비-균일 박막 특성을 야기하는 가장자리 효과(edge effects)를 최소화한다. 도 7에 예시되어 있는 것과 유사한 그러한 마스크로 인하여 넓은 영역의 상부로 균일한 박막을 형성하는 기판의 전체 노출된 영역(10)의 상부로 균일한 증착 조건(증기 유량, 온도, 노출 각도 등)이 확보된다.
도 8은 가장자리 효과로부터 기인하는 박막 특성의 비-균일성을 예시하고 있다. 기판은, 양 끝단이 적절하게 고정되어 있는(clamped) 금 아일랜드 박막(gold island film)으로 코팅되어 있는, 1 × 3 인치의 유리 현미경 슬라이드이다. 끝단 클램프는 또한 섀도우 마스크로 기능하였다. 슬라이드의 긴 가장자리를 따라서는 어떠한 압박(constraints)이나 마스킹이 사용되지 않았다.
도 8은 박막은 박막의 가장자리 인근에서 청-녹색을 띠지만, 박막의 중앙 인근에서는 분홍색을 띤다는 점을 보여주고 있다. 확실히 이 박막은 균일하지 않다. 중앙 영역은 보다 큰 아일랜드 크기와 보다 큰 아일랜드 사이의 공간(inter-island spacing)으로 인하여 분홍색을 띤다. 외부 영역은 아일랜드의 직경이 작고 보다 가깝게 위치하기 때문에 청-녹색을 띤다. 주변 영역과 중앙 영역 사이의 금속 박막에서 비-균일성에 대한 주요 원인은 기판 표면을 가로질러서, 기판에 매우 근접한 위치에서 균일하지 않은 국부적 증착 조건이다. 고정된 양 끝단의 가장자리에 인접한 박막은 거의 클램프 위치까지, 특히 박막의 좌측 가장자리에서는 분홍색이다. 고정된 가장자리에서 청-녹 박막 영역은 매우 협소하며 최적화된 마스크 배치(geometry)를 사용하여 제거될 수 있다. 마스크가 채택되지 않은 박막의 긴 가장자리를 따라서, 박막의 청-녹 영역은 기판 가장자리에서부터 박막 폭의 거의 4분의 1까지 연장되어 있다. 확실히, 섀도우 마스크가 사용되지 않는 영역에서 매우 균일하지 않은 박막이 예상되며 그 비-균일성은 상당한 거리에서 박막 영역으로 확장될 수 있다. 보다 넓은 영역 기판 물질 위로 보다 넓은 면적의 박막이 증착되는 경우에 도 8에 예시되어 있는 가장자리 효과는 더욱 심각하다(즉, 박막 영역으로 더욱 확장된다). 대 면적 박막(large area film)을 대규모로 생산하기 위하여 증착 사이클 시간이 감소되는 경우에 상기 가장자리 효과는 마스크 처리되지 않는 박막에 대해서는 더욱 악화된다.
대 면적 박막과 관련하여, 박막 상부의 임의의 위치에 배치되는 분석물질에 대한 일정한 SERS 강화 인자를 확보하기 위하여 박막이 균일하여야 한다는 점은 전적으로 본질적인 것이다. 따라서 SERS 기반의 센서에 대해서, 박막의 극단적으로 높은 균일성과 최대한의 박막 덮힘률(film coverage)이 중요하다. 이들 요구조건 모두는 최적화된 주변 섀도우 마스크의 사용을 필요로 한다. 아일랜드 배치(geometry) 및 간격(spacing)에서의 변형은 SERS 신호 세기에서의 변형을 일으킨다. 따라서 그러한 변형은 정량할 수 없는(non-quantifiable) 측정을 야기하게 된다. 박막이 SERS 기반의 센서에서 사용되기 위해서는 신뢰할만한 수준으로 추적할 수 있는 정량적 측정이 절대적으로 필요하다.
높은 열 질량(thermal mass) 및 전도성을 갖는 주변 섀도우 마스크의 통합이 스테인리스 스틸과 같은 높은 진공 서비스에 적합하며, 증착 과정에서 기판의 균일한 가열은 상기 마스크를 기판 가열 설계로 통합함으로써 달성된다. 기판 가장자리에서 활발한 가열로 대류, 전도 및 방출로 인한 열에너지 손실을 상쇄함으로써 증착 과정 및 증착 후 어닐링 공정에서 기판의 균일한 온도를 확보하게 된다. 효율적이기 위해서는, 마스크가 기판에 부착되고, 마스크와 기판 사이에서의 효율적인 열에너지 흐름을 확보하기 위하여 마스크가 기판의 노출된 표면과 물리적으로 접촉할 수 있도록 마스크와 기판 사이에서 최적의 열 접촉이 달성되어야 한다. 기판의 후면에서, 도 7에 도시된 주변 섀도우 마스크 구조의 클램프 구성은 주변 섀도우 마스크와 기판 사이에서 최적의 열 접촉을 확보한다.
주변 섀도우 마스크로 인하여 기판 상부로 정합 마스크(registration mask) 가 형성될 수 있으며, 상기 기판이 계속해서 자발적인(autonomous) SERS 센서 응용 또는 장치에서 사용하는 동안에 주변 섀도우 마스크가 최적의 광학 배열 및 기판 포지셔닝(positioning)을 확보하는데 사용될 수 있다.
본 명세서에서 개시되고 청구되는 발명은 또한 기판 물질 표면의 상부로 박막을 형성하기 위한 방법을 포함한다. 설계 DOE로부터 요청된 증착 파라미터가 수용 가능한 허용 오차(tolerances) 내로 유지될 수 있도록 박막 형성이 제어되어야 한다. 본 명세서에서 개시되고 청구되는 발명의 일 실시예에서, 설계 DOE는 열 증착기 내에서 일정한 값을 가지도록 증착 속도, 기판 온도 및 SERS 박막 두께에 대한 정밀한 제어를 요구한다. 증착 속도 및 박막 두께는 진동 결정 센서(oscillating crystal sensor)를 사용하여 점검되며, 기판 온도는 기판 물질과 접촉하고 있는 열전쌍(thermocouple) 또는 적외선 방사 온도계(infrared radiation thermometer)와 같은 다른 적절한 장치를 사용하여 점검된다.
증착 장치는 열 증착기일 수 있다. 이 경우에, 텅스텐과 같은 난융성 금속(refractory metal), 금과 같이 증착되는 금속을 함유하는 용기를 가열시킴으로써 진공 챔버 내에서 금속 증기가 형성된다. 전류가 보트(boat)를 관통하는데, 저항성 가열(resistive heating)에 의하여 보트가 고온으로 가열된다. 증착 과정에서 제어된 방식으로 증착 파라미터들은 일정하게 유지되거나 변형될 수 있다. 보트 내부의 금속이 충분히 높은 온도에 도달하면, 금속은 기체 상태의 금속으로 구성되는 증기를 방출한다. 만약 훨씬 낮은 온도로 유지되면서 증기가 기판과 접촉하도록 허 용된다면, 증기는 기판 표면 상부에서 응축하여 기판 표면 상부에서 금속 박막이 축적된다. 레이저 박리, 전자빔 증착, 플라즈마 보조 화학 기상 증착 등과 같은, 증기 증착 금속 박막에 대한 많은 다른 방법이 상업적으로 이용될 수 있으며, 본 명세서에서 개시되고 청구되는 발명의 다른 실시예에서 사용될 수 있다.
본 명세서에서 개시되고 청구되는 발명은 생물학적 물질로부터 표면 강화 가만 스펙트럼을 최적으로 얻기 위한 방법을 더욱 포함한다. 본 발명은 레이저 파장과 라만 이동된(Raman shifted) 파장 사이의 범위로 국부 표면 플라즈몬 공명 파장을 조정하는 것을 회피하는 반직관적인(counterintuitive) 공정을 통합하고 있는데, 그렇게 함으로써 생물학적 샘플에 대한 악 영향을 야기하기 때문이다. 기판의 외부 표면에 인접하여 최대 전기장을 생성하기 위하여 레이저 파장과 라만 이동된 파장 사이의 범위로 표면 플라즈몬을 조정하게 되면 생물학적 물질을 변성시켜, 탄소로 인한 많은 라만 신호의 관측이 야기된다. 이들 탄소 신호는 변성 과정에서 유래한다. 따라서 최적의 표면 플라즈몬 공명과 결합된 전기장은 생물학적 샘플에 대해서는 바람직하지 않다. 사실, 생물학적 물질 또는 다른 부서지기 쉬운 물질에 대해서, 국부 표면 플라즈몬 공명에 대하여 "소망하는(desired)" 파장은 존재하지 않는다.
본 명세서에서 개시되고 청구되는 발명은 종래 "최적"으로 고려되었던 것보다 훨씬 긴 임의의 파장 범위로 표면 플라즈몬 공명을 조정하는 방법을 포함한다. 다시 말하면, 생물학적 샘플에 대하여 적절한 기판이란, 라만 이동된 파장에 비하 여 긴 어떠한 수의 파장으로 국부 표면 플라즈몬 공명이 조정되는 기판이다. 따라서 레이저 파장과 라만 이동된 파장 사이로 국부 표면 플라즈몬 공명을 위치시키도록 규정하는, 최적 조정을 위하여 일반적으로 받아들여지고 있는 종래 기술의 "규칙"은 생물학적 물질에 대해서는 보편적으로 적용되지 않는다.
본 명세서에서 개시되고 청구되는 발명의 다른 실시예는 고용량 공기 샘플링 시스템(high volume air sampling system)을 사용한다. 이 시스템은, 바람직하게는 1분 이내에, 액상에 용해된 측정가능한 양의 분석물질을 수집하고 농축하며, SERS 기판 표면의 상부로 액체 분액(aliquot)을 이송시키도록 설계되었다. 본 명세서에서 개시되고 청구되는 발명의 일 실시예에서, 공기 샘플링 시스템으로 인하여 냉난방 공조 설비(heating, ventilation, and air conditioning, HVAC) 도관(duct)으로부터 공기 증기(air steam)를 시료채집(sampling)할 수 있으며, 흡입 입자(aspirated particles)에 대한 일련의 수집이 가능하게 된다. 공기 샘플링 시스템에는 생물학적 종의 존재를 검출하고, 또한 검출 시스템으로 액상 샘플 이송을 가능하게 하는 자동 제어(automated triggering)를 허용하는 샘플링 도관(sampling conduit) 내에 직렬(in-line) 형광 센서의 설치가 포함될 수 있다. 본 시스템은 샘플의 최초 유입에서 검출 반응의 기록까지의 시간을 최소화함으로써, 공기 샘플러(air sampler)의 반응 시간과 관련하여 최적화될 수 있다. 본 시스템은 액상(liquid phase) 내에서 분석물질의 농축을 위하여 필요한 시간을 최소화하는 것과 관련하여 더욱 최적화될 수 있는데, 이는 사실상 전체 샘플링 수집 시간을 최소 화시킨다.
본 발명은 컴퓨터-제어 밸브, 연동 펌프(peristaltic pump) 및 SERS 기판 상부로 추출된 액상(liquid phase)의 극히-재현 가능한 분액을 이송하도록 구성될 수 있는 시린지/분배 장치(syringe/dispensing apparatus)로 구성되는 액체 처리 시스템(liquid handling system)을 통합할 수 있다. 또한, 그 시스템은 샘플 분배기의 정밀한 움직임을 촉진시킬 수 있는 미세-포지셔닝 하드웨어(micro-positioning hardware) 및 샘플 증착, 증발 및 SERS 측정 공정에서 입사 레이저 빔에 대하여 샘플 포지셔닝을 최적화하도록 조정될 수 있는 기판을 통합할 수 있다. 선택적인 실시예에서, SERS 기반 센서가 자체적으로 작동할 수 있도록 하는 처리 소프트웨어를 사용하여 컴퓨터에 의하여 제어되는 상태로 완전 자동화를 수행할 수 있도록 상기 공기 샘플링 및 액상 이송을 위한 구성성분은 통합될 수 있다. 특히, 액상 샘플 이송에 앞선 공기 샘플링 및 샘플 액적 증착의 지속 기간을 포함하도록 미세-포지셔닝 하드웨어의 제어 및 개개 작동(actions)의 타이밍(timing)이 수행될 수 있다.
오랜 시간 동안에 걸쳐서 정확하고 재현 가능한 측정을 확보할 수 있도록 자기 테스트, 최적화 및 측정(calibration)이 센서로 통합될 수 있다. 이전 증착된(pre-deposited) 측정 샘플이 SERS 기판의 표면 상부로 놓여질 수 있는데, 이러한 정교한 자기 테스트를 수행하기 위하여 주기적으로 측정될 수 있다. 자동 재배열 공정(automated realignment process)을 거치는 것과 같은 교정 작 동(corrective action)을 수행함으로써, 시스템은 그 상태를 보고하거나 또는 자발적으로 조절될 수 있도록 프로그래밍 될 수 있다. 샘플 재현성과 관련된 최적의 성능과 규정된 수집 및 측정 사이클 내에서 허용되는 시간표 내에서 최적의 수행을 유지하기 위하여 교정 작동이 취해질 수 있다. 전체 센서 시스템의 성공적인 자기 테스트에 부수하여, 최대 시간 효율성 및 샘플링 반복성을 달성할 수 있도록 각각의 개별적인 구성성분의 작동이 최적화될 수 있다.
수집 효율, 작동 편의성 및 의도하는 응용제품의 특정 요구조건과의 상용성(compatibility)을 최적화할 수 있도록 SERS 기반 센서 내에 습벽(wetted-wall) 사이클론 공기 샘플링 시스템을 위한 다양한 상업적 설계가 사용될 수 있다.
특정 분석물질의 검출을 위한 SERS 기판 제작 공정을 최적화함으로써 SERS 기판은 더욱 향상될 수 있다. 그러한 최적화에는 SERS 박막 자체의 변형 및 그 SERS 박막을 지지하는 기판 물질의 조성, 형태 및 기능의 변형을 포함할 수 있다. SERS 기판 물질 기능과 다른 센서 기능의 최적화로는 조정 가능한 회전 속도 및 중지 기간, 용매 증발 공정, 가열 및 SERS 레이저 출력, 광학적 배열 및 분광기 작동을 포함한다.
스펙트럼 분석 및 분석물질 확인을 위하여 사용되는 소프트웨어는 성능을 예측할 수 있으며 매우 신속하게 분석물질의 농도를 확인하고 정량화하는 SERS 검출기에 의하여 생성된 데이터에 대하여 측정-후 분석을 수행하는 SERS 센서 시스템의 모형을 제공함으로써 최적화될 수 있다. 시스템 소프트웨어의 또 다른 최적화로는 측정된 SERS 스펙트럼을 분석물질 데이터베이스 내의 스펙트럼으로 통계적으로 일치시키는 분석물질 지문 알고리즘(analyte fingerprint algorithm)의 통합을 포함할 수 있다. 또한 적절하게 시험된(well-tested) 워드 알고리듬과 같은 클러스터링 알고리듬(clustering algorithm)이 수행될 수 있다.
본 명세서에서 개시되고 청구되는 발명의 장치에 대한 일 시시예의 개략적인 표현이 도 9 및 도 10에 도시되어 있다. 간략하게, 공기-운반 물질(airborne material)이 액상 내에 포획되어 공기 농도를 나타내는 샘플 용액을 형성한다. 이 용액의 분액이 본 명세서에서 개시된 방법에 따라 제조된 SERS 박막으로 코팅된 턴테이블(turntable)의 표면으로 적용된다. 이어서 샘플의 검출 및 확인을 위하여 샘플을 측정 빔으로 변형(translate)할 수 있도록 턴테이블이 회전한다. 액상 샘플의 이러한 제어된 적용으로 분석물질은 SERS 측정을 위하여 적절한 작은 스폿(spot)으로 농축된다.
본 센서 시스템 개념의 새로운 점은 검출하기에 앞서 SERS 기판 상에서 마이크로-리터 규모의 액상 샘플 부피를 극단적으로 작은(≤100㎛) 스폿으로 농축하는 것이다. 나노-리터 이하의 액적을 SERS 기판의 상부로 분배하기 위하여 잉크젯 기술이 사용된다. 예를 들면, 명목상으로는 직경이 50pm인 각각의 액적은 SERS 기판 상부에서 명목상으로는 100㎛인 스폿까지 적신다. 기판의 가열에 더해져서, 작은 액적의 부피에 대한 높은 표면적을 조합하면 액적이 순식간에 증발된다. 잉크젯 공정에서 내재하는 디지털 제어를 사용하여, 이전 점적(drop)의 대부분이 증발된 후 에 연속적인 액적이 적용된다. 수백, 수천의 점적에까지 이 공정을 연장하면, 마이크로-리터 규모의 액상 샘플 부피 내의 비휘발성 고체가 대략 100㎛ 스폿으로 농축된다.
아래에서, 본 발명에 대한 성능 모형이 기술되며, 공기 샘플러, 샘플 압착기(sample applicator), SERS 검출 시스템, 및 검출 후 분석으로 구성되는 설계에서의 서브시스템 각각에 대한 기능이 정량화된다. 이들 서브시스템의 블록 다이어그램이 도 11에 도시되어 있으며, 완전한 검출 사이클에 대한 타이밍 다이어그램이 도 12에 도시되어 있다.
크기 배제(size exclusion), 수용성 액상(liquid phase) 및 비-수용성 액상 사이에서 입자의 선택적 분획(partitioning) 및 기계적 교반(초음파)에 의한 입자 분리를 포함할 수 있는 일련의 연속적인 신속한 온-라인 공정에 의하여 습벽 사이클론 샘플러와 SERS 모듈 사이에서 유체의 이송 과정에서 샘플 "정화(clean-up)"가 수행될 수 있다. 최종적으로, 동일한 부피의 "정화된" 액상 샘플을 잉크젯 분배기, 또는 선택적으로는 분배 모세관(dispensing capillary)으로 이송 배치할 수 있도록(displace), 증착 모세관(deposition capillary)의 상부에서, 마이크로-리터 부피의 물을 액상 샘플 라인으로 주입하기 위하여 컴퓨터-제어 시린지 분배기가 사용될 수 있다. 샘플 증착 이후 샘플 이송 라인의 자동화된 정화/플러싱(purge/flushing)을 위한 규정이 만들어져야 한다. 검출 후, 액상 내용물은 보관 목적을 위하여 적절한 용기(receptacle)로 자동적으로 이송될 수 있었다.
일상적인 기준으로 검출 시스템의 성능 및 신뢰성을 검증할 수 있도록, 자동화된 품질 보증(quality assurance, QA) 계획이 수행될 수 있다. 하나의 그러한 QA 계획에서는 통상적인 배경 또는 특정 간섭을 포함하는 혼합물 내에 적절한 참조 분석물질을 함유하는 이전-증착된 샘플 또는 샘플들을 검사하는 검출기를 요구하고 있다. 그 목적은 탐지된 신호대잡음비(signal-to-noise ration)가 최소한의 제품 요구사양을 만족시키며, 힘든 조건 하에서 절대적인 확인이 달성될 수 있는지를 확인하기 위한 것이다. QA 절차의 결과에 따라, 상기 시스템은 자동 점검을 진행할 수 있으며, 또는 격지 진단(remote diagnosis)을 시작하기 위한, 모뎀 또는 무선 또는 다른 매뉴얼, 자동화되거나 반-자동화된 통신 수단을 포함하는 교정 조치가 행해질 수 있다.
본 발명의 이 실시예의 일상적인 작동 과정에서, 축적된 에어로졸(aerosol)을 함유하는 5-8㎖의 액상(liquid phase)이 가장 최근에 증착된 샘플의 SERS 확인 과정에서 습벽 사이클론 샘플러 내에 잔류한다. 생물학적 병원체와 같은 분석물질에 대하여 양성 확인이 있는 경우, 보관 목적을 위하여 적절한 용기로 자동화된 이송을 위하여 이러한 부피, 또는 이러한 부피 중의 일부 전형적인 부분은 쉽게 입수할 수 있다. 그와 같은 경우에, 상기 액상은 후일에 보강 분석 및 법적 분석을 가능하게 하도록 충분한 양의 분석물질을 함유하게 된다.
고속의 가상 충격기가 공기 샘플링 시스템의 제 1 단계에서 통합된다. 예를 들면, MSP Corporation Model 340 HVVI(high volume virtual impactor, 고용량 가 상 충격기)는 2.5㎛의 절단점(cut point)을 가지면서 1130 L/min의 속도로 공기를 시료 채집한다. 공기 샘플러의 제 2 단계가 또한 습벽 사이클론을 통합할 수 있다. 습벽 사이클론 샘플러는 가상 충격기로부터 샘플 유동 공기(sample stream air)를 추출하는 흡인력을 제공한다. 추출된 유동 공기가 습벽 사이클론의 내부로 도입되면, 비말된(entrained) 입자들은 사이클론의 벽을 코팅하고 있는 얇은 액상 박막과 충돌하여 샘플 공기 유동으로부터 효율적으로 제거된다. 적은 부피(5-8㎖)의 액상이 사이클론 챔버를 통하여 연속적으로 순환하며 샘플 공기 유동으로부터 입자를 축적한다. 격지에서의 지령을 따라서, 액상은 SERS 검출 모듈로 이송되고, 사이클론 컵(cyclone cup)은 새로운 액상으로 재충전된다.
잉크젯 인쇄 기술을 사용하여 단일 열전사(drop-on-demand) 프린트헤드로부터 1초당 0-25,000의 속도로 직경 15 내지 100 ㎛(2 pl 내지 5 nl)을 갖는 유체 스피어(spheres of fluid)를 재현 가능하게 분배할 수 있다. 증착은 비-접촉식으로서, 데이터에 의하여 처리되는데(data-driven), 광범위한 유체를 분배할 수 있다. 열전사 잉크젯 프린터에서, 유체는 주변 압력(ambient pressure)으로 유지되며 필요한 경우에만 점적을 생성하기 위하여 변환기(transducer)가 사용될 수 있다(도 9). 변환기는 유체 내에서 부피 변화를 야기하여 압력 파동(pressure wave)을 일으킨다. 압력 파동은 오리피스(orifice)로 이동하고 유체 속도로 전환되어, 점적이 오리피스로부터 방출되도록 한다.
전사형(demand mode) 잉크젯 시스템에서의 변환기는 압전(piezoelectric) 물 질을 통합한 구조 또는 박막 저항기(thin film resistor) 중 어느 하나일 수 있다. 박막 저항기에서, 전류가 이 저항기를 관통하여 온도가 급격하게 상승되도록 한다. 저항기와 접촉된 잉크가 기화하여 저항기 상부에서 증기 버블(vapor bubble)을 형성한다. 압전 변환기의 전기-기계적(electro-mechanical) 작동에서와 유사한 방식으로 이 증기 버블은 유체 내에서 부피 대치(volume displacement)를 일으킨다. 전사형 잉크젯 인쇄 시스템은 그 직경이 액적 생성기의 오리피스 직경과 거의 동일한 액적을 생성한다. 상업적으로 입수할 수 있는 전사형 잉크젯 시스템에 있어서 액적 생성 속도는 통상적으로 4-12 ㎑ 범위이다. 20㎛ 미만의 액적은 사진 품질(photographic quality) 프린터에서 사용되며, 120㎛까지의 점적이 입증되었다.
비-접촉 인쇄 공정으로서, 분배 과정에서 양성 대치(positive displacement) 또는 핀 이송 시스템이 유체를 기판의 상부로 "스치도록 접촉(touch off)"시키는 것과 마찬가지로, 잉크젯 분배의 부피 정확성은 어떻게 유체가 기판을 적시는가에 의하여 영향을 받지 않는다. 또한, 핀 이송 접촉(pin transfer touching) 과정에서 가능한 것과 같이, 유체 소스는 기판에 의하여 오염될 수 없다. 마지막으로, 밀리미터 또는 수밀리미터의 상부에서 유체의 액적을 자유롭게 조정하는(free-fly) 능력으로 인하여 유체는 벽 또는 다른 기판 특징적 부분(예컨대 습윤과 스프레딩을 제어하기 위하여 생성된 특징적 부분)으로 유체가 분배될 수 있다.
일반적으로, 압전 전사형 기술이 유체 미세분배(micro-dispensing) 응용에 보다 용이하게 채택될 수 있으며, 압전 전사형을 사용하면 보다 낮은 점적 속도를 달성하는 것이 더욱 용이하다. 압전 전사형은, 프린트헤드와 유체 모두의 수명을 감소시키는, 유체에 대한 열 스트레스를 생성하기 않는다. 압전 전사형은 작용 유체(working fluid)로의 음향 에너지(acoustic energy)를 부여하기 위하여 유체의 열적 특성에 의존하지 않는데, 유체의 열적 특성 의존은 추가적인 유체 특성 고려를 난문제로 추가하는 것이다.
도 9 및 도 10에 도시된 것과 같이, 본 발명의 검출 시스템은 SERS 표면으로 재현 가능한 샘플 증착물을 얻기 위하여 습벽 사이클론 공기 샘플러에 미세분배기(micro-dispenser)를 연결한다(interface). 최고의 SERS 신호 강화를 얻을 수 있도록 샘플 증착 파라미터가 최적화된다. 마이크로피펫(micropipets)을 사용한 실험실 결과에서 비록 그 과정이 귀찮은 것이기는 하지만, 5 ㎕의 점적만으로 SERS 측정을 위하여 수용 가능한 증착을 산출하였음을 보여주었다. 따라서 다수의(500-1000) 점적을 사용하여 미세분배기에 의하여 5 ㎕ 샘플이 증착될 수 있다.
검출 시스템에 근본적으로, 180ㅀ 반사변조 구조(backscattering geometry) 및 낮은 수 광학(low number optics)에 대하여 생성된 (e- 에서) 신호 (분자 신호 진폭(molecular signature amplitude, S(e-)))가 여기 레이저 포커싱 및 라만 산락 수집을 위하여 사용되었다.
Figure 112007001142638-PCT00003
방정식 (3)에서, PD는 입사 레이저 출력 밀도 (photon s-1 cm-2), β는 시차 라만 단면(differential Raman cross section) (㎠ molecule-1 sr-1), Nsc는 SERS 표면 상부의 단위 영역 당 산란 개수((molecule cm-2), AD는 분광기에 의하여 점검되는 샘플 영역(cm-2), ΩD는 샘플에서 분광기의 수집 입체각(collection solid angle) (steradians), Tcol은 수집광(collection optics)의 전송(단위 없음), Q는 검출기의 광자 효율(광자 한 개당 e-), t는 관측 시간(초)이다. 방정식 3에서, 처음 괄호 안의 조항인 PD, β, Nsc는 라만 산란된 광자의 생성과 관련이 있으며, 나머지 조항은 그 광자의 검출을 기술하고 있다.
공기 1리터당 100개의 스포어를 갖는 Bacillus subtilis 스포어의 노출 농도(airborne concentration)를 Ca (100 L-1)로 가정한다.
습벽 사이클론 샘플러는 명목 속도 As = 260 L/min에서 직경 1.0 ㎛ 입자에 대하여 50%의 효율로 공기를 시료-채집할 수 있다. 이에 따라, 사이클론 공기 샘플러에 대한 스포어 수집 속도(Rc)가 방정식 4에 주어져 있는데, 스포어 수집 속도는 단순히 공기 농도(Ca), 시료-채집 속도(As) 및 수집 효율(Ec)의 곱이다.
Figure 112007001142638-PCT00004
재순환하는 액상 내에 포획된 스포어의 농도(Cs)가 방정식 5에 주어져 있다. 샘플러 내에서 재순환하는 액상의 부피(Vs)는 10㎖이다. 수집 시간(Ts)이 30초라고 가정하면, 사이클론 액상 내의 농도는 다음과 같다.
Figure 112007001142638-PCT00005
SERS 표면의 상부로 증착되는 재순환 액상의 부피(Vd)는 5.0㎕이다. 따라서 하나의 점적에서, 재순환 액상으로부터 수집되어 SERS 표면으로 이송되는 스포어의 수(Ns)는 다음과 같다.
Figure 112007001142638-PCT00006
방정식 6에서, Et는 공기 샘플러로부터 이송 관(transfer plumbing)을 경유하여 SERS 표면까지 5.0㎕ 부피의 샘플에 대한 이송 효율로서 그 값은 1.0이라고 가정되었다.
상기 방정식 3 내지 5를 조합하여, 하나의 시료-채집 사건에 대하여 SERS 표 면으로 이송되는 스포어의 수(Ns)는 다음과 같다.
Figure 112007001142638-PCT00007
여기서 모든 조항은 위에서 정의된 것과 동일하다.
Bacillus subtilis 스포어의 형태는 단축 0.75 ㎛, 장축 1.25 ㎛를 갖는 장구(prolate spheroid)와 유사할 수 있다. 따라서 단일 스포어의 단면 영역 A'sp = B(r1r2) = 7.4 × 10-9㎠이다. 만약 수집된 스포어가 매우 밀집되어 있으며 충진 인자(fill factor, Ff)가 80%라면, 수집된 스포어는 대략 Asp = NsA'sp/Ff = 3(7.4 × 10-9㎠)/0.8 = 2.8 × 10-8㎠를 점유하게 되어 여기 레이저 빔의 3.14 × 10-9㎠을 거의 채우게 된다.
여기서, SERS 표면으로 적하되어 증발된 3개의 스포어는 라만 레이저 빔에 의하여 매우 밀집되어 있는 것으로 가정되었다. 3개의 스포어는 서로 결합하여 2..2 × 10-8㎠의 표면적으로 결합된다. 레이저 빔 표면적이 3.1 × 10-8㎠이므로, 이상적으로 배치된 스포어들은 레이저에 의하여 완전히 방사된다(illuminated).
모든 방향에서 스토크 이동된 라만 산란 방사(stokes shifted Raman scattered radiation)의 강도(IR)은 다음과 같다.
Figure 112007001142638-PCT00008
여기서 PD는 샘플에서 입사 레이저 출력 밀도(photon s-1 cm-2), β는 시차 라만 단면(㎠ molecule-1 sr-1), Nsc는 단위 영역 당 산란 개수(molecule cm-2)이다. 본 시스템에 대한 입사 레이저 출력(P0)은 70㎼이고, 632.8㎚에서 각각의 광자 에너지 Ep = hc/λ로서, h는 플랑크 상수(6.626 × 10-34 J s), c는 광속(3.0 × 108 m/s), λ는 레이저 파장(632.8 × 10-9 m)이다. 입사 레이저 방사로 인하여 20개의 밴드에 대하여 라만 산란을 여기하는 것으로 가정되었다. 따라서 임의의 주어진 밴드에 대한 출력 밀도는 전체 입사 출력의 5%일 것이므로, 입사 레이저 출력 밀도는 다음과 같다.
Figure 112007001142638-PCT00009
Bacillus subtilis 스포어 표면은 약 27개의 단백질로 구성된다. 이들 단백질은 약한 산란체(scatterers)이므로, 아미노산의 라만 단면(β)의 전형적인 값은 β=10-30㎠ sr-1 molecule-1이다. 상기에서, Ns = 3개의 스포어에 의하여 점유되는 면 적은 A"sp = NsA'sp = 3(7.4 × 10-9㎠) = 2.2 × 10-8㎠이다. 단일 아미노산의 영역 Aaa = 200Å2 (또는 2.0 × 10-14㎠)이라고 가정하면, 3개의 스포어 면적 내에 함유된 아미노산 수 Naa = A"sp/Aaa = 2.2 × 10-8㎠/2.0 × 10-14㎠ = 1.1 × 106이다. 1.1 × 106개의 표면 아미노산 100%가 SERS 표면과 접촉하고 있다고 또한 가정되었다. 산란체의 표면 밀도(Nsc)를 측정하기 위하여 표면에서 레이저 빔 직경(AL)이 사용되었다.
Figure 112007001142638-PCT00010
방정식 9 및 10에서 얻어진 결과와 β값을 방정식 8로 조합하면 다음과 같은 내용이 얻어진다.
Figure 112007001142638-PCT00011
방정식 3으로부터 S(e - ) = I R (A D Ω D T col Q)t였다는 점을 환기한다면, 라만 산란광의 수집에 관련된 나머지 조항은 상승하였는데, 여기서 AD = 3.14 × 10-8 ㎠, ΩD 는 0.4 sr, Tcol = 50%, Q = 80% 이었다.
Figure 112007001142638-PCT00012
신호대잡음비는 다음과 같이 측정된다.
Figure 112007001142638-PCT00013
방정식 13에서, βscNsc는 신호에 대한 단면 밀도의 곱이고, βBNB는 검출기 배경에 대한 단면 밀도의 곱이다. βBNB는 쇼트 잡음(shot noise), 존슨 잡음(Johonson noise), 암 카운트(dark count), 명멸 잡음(flicker noise) 및 판독 잡음(readout noise)과 같은 모든 소스로부터의 검출기 배경 신호에 대한 기여도를 포함한다. 최신의 CCD 검출기에 있어서 βBNB는 대략 1초당 1e-이다.
도 13은 상업적인 사이클론 습벽 샘플러와 양호하게 설계된 라만 분광기에 대한 전형적인 성능 값을 사용하여 다양한 공기-이동 스포어 및 독소(toxin) 농도에 대하여 측정된 라만 신호를 보여주고 있다. 이들 결과는 1010 이상의 SERS 강화 인자가 수행된다면, 본 시스템은 각각 공기 1리터당 100개의 스포어를 갖는 박테리아 또는 공기 1리터당 0.05 ng인 독소에 대한 검출 요구조건의 한계를 충족시키거 나 넘는 충분한 민감도를 갖는다는 점을 보여주고 있다. 또한, 도 13의 결과는 1010 SERS 강화 인자는 스포어 및 독소 모두에 대하여 1분 이내의 검출 사이클 시간이 달성되기에 충분한 신호를 생성한다는 점을 또한 보여주고 있다.
디지털 신호의 에러 비율을 결정하기 위하여 통신 산업계에서 개발된 통계 분석 방법인 잘 알려진 역치 효과(threshold effect)를 사용하여 본 시스템에 대한 허위 경보 비율이 평가될 수 있다. (위협 수준으로 설정된) 소정의 역치를 넘거나 그 미만인 신호를 생성하는 검출기의 통계적 중요성을 수립하는 것이 소망되기 때문에, 이러한 분석에 대한 이 효과의 유사점은 직접적이다. 따라서 음성 경보 조건(위협 수준 미만 신호) 또는 양성 경보 조건(위협 수준 초과 신호)을 결정하는 것은 각각 0(역치 미만) 또는 1(역치 초과)을 나타내는 2진(binary) 디지털 신호에 대한 것과 동일하다.
정규 분포된(Gaussian distributed) 잡음을 함유하는 신호에 대하여, 역치 신호 초과 또는 미만에서의 에러 확률은 다음과 같다.
Figure 112007001142638-PCT00014
방정식 14에서, Pe는 에러 확률, A는 최대 신호 진폭, σ는 신호 표준 편차, erf는 에러 함수(error function)이다. 방정식 14에서 역치는 A/2로 설정된 것으로 가정되었다. 10-2의 규정된 허위 경보 비율에 대하여, 도 14에 도시된 것과 같이, 방정식 14는 신호대잡음비 SNR = A/σ = 4.8을 요구한다. 확실히, 도 1에서의 데이터는 이 신호대잡음비를 넘는다. 도 14에서 표준 편차 σ는 공기 샘플러, 샘플 압착기, SERS 검출기 및 검출 후 확인 분석기를 포함하는 모든 서브시스템으로부터의 기여도를 포함한다.
분석물질 확인에서의 불확실성으로 인한 기여도에 특히 중점을 두면서 서브시스템으로 인한 시스템의 불확실성에 대한 기여도를 완벽히 정량화할 수 있도록 서브시스템의 에러 분석의 전면적 확대가 수행될 수 있다. 또한, 스펙트럼 간섭으로 인하여 σ로의 기여도를 측정하기 위하여 하나의 모형이 추론될 수 있다. 최종적으로, 수신동작특성(Receive Operating Characteristic, ROC) 곡선의 형태로 검출 확률을 계산하는 모형이 개발될 수 있다. 그 모형을 검증하기 위하여 실험 데이터를 사용하여 유사한 ROC 곡선이 또한 만들어질 수 있다.
공기 시료채집 및 스펙트럼 획득 후, 수집된 라만 신호에 대한 신속하면서도 신뢰성 있는 해석이 최종적이며, 에어로졸 감염으로부터의 잠재적 위협을 검출하는 데 있어서 아마도 가장 중요한 단계이다. 상대적으로 거의 없는 밴드로 구성되는 스펙트럼으로 합체되는, 샘플 내의 많은 수의 개별적인 진동자(oscillators)로부터의 고밀도 상태로 인하여, 복잡한 매질로부터의 라만 스펙트럼 해석은 매우 어렵다. 간단한 집단 주파수(group frequency)/구조적 집합 분석(structural class analysis)은 그러한 시스템으로는 응용될 수 없다. 본 명세서에서 개시되고 청구되 는 발명에서, 라만 신호의 해석은 스펙트럼 데이터의 획득 후 3단계 전략, (1) 핑거프린팅(fingerprinting), (2) 클러스터 분석(cluster analysis), (3) 위협 평가(threat evaluation)를 포함한다.
설정된 데이터를 취급할 수 있는 크기로 감소시키고, 중요한 점을 확인할 수 있도록, 라만 스펙트럼은 주요한 정보의 손실 없이도 동일하거나 보다 낮은 차원의 특성 핑거프린트(characteristic fingerprints)로 가공될 수 있다. 1차(primary) 핑거프린트는 150 내지 4000 ㎝-1의 스펙트럼 영역에 걸쳐서 대략 2000개의 데이터 지점(data points)으로 통상 구성되는 입력 스펙트럼 데이터에 의하여 정의될 수 있다. 그 원 데이터는 표준화되어(normalized), 제1-, 제2-유래 스펙트럼은 정확한 파장수와 통합된 밴드 강도를 추출할 수 있도록 9-pt 기법을 사용하여 컴퓨터 계산되는데, 이를 통하여 피할 수 없는 기본선 이동에 대한 염려가 최소화된다. 1차보다 실질적으로는 보다 밀집되어 있는 2차 핑거프린트는 밴드 분석(주파수 및 강도), 영역 분석(밴드의 수 및 전체 통합 강도), 국부 모드 할당(local mode assignment, 주요 진동 확인), 통계적 상관관계 분석(statistical correlation analysis, SCA) 및/또는 이들의 조합으로부터 유추될 수 있다.
알려진 무기 제제(warfare agent)를 갖는 분석물질 신호의 신뢰성 있는 상관관계를 위하여 주요한 요구사항은 스펙트럼 라이브러리 또는 데이터베이스의 개발이다. 관심을 갖는 분석물질의 핑거프린트를 함유하는 데이터베이스의 생성은 분석 물질 평가 알고리즘(analyte assessment algorithm)의 존재를 개발하기 위한 최우선 작업이다.
표 B. 라만 스펙트럼 파수 영역 할당
영역(㎝-1) 할당
400-900 진정 "핑거프린트 영역"(변이, 매우 특이)
900-1200 폴리사카라이드 영역(세표 표면 마커)
1200-1550 단백질, 지방산 및 인산
1550-1800 혼합 영역
1800-3600 이중, 삼중 결합 및 수소 신장(stretches)
클러스터 분석은 유사 메트릭스(metrics)에 기초하여, 데이터를 알고리즘에 의하여(algorithmically) 정의된 "클러스터"로 자동으로 범주화(categorization)하는 것이다. 본 명세서의 문맥에서, 클러스터 분석이란 관심이 가는 분석물질의 존재를 결정하기 위한 목적으로 분석물질 핑거프린트를 데이터베이스 내에 수록된 물질(entries)을 조직적으로 비교하는 것을 가리킨다. 그 분석은 핑거프린트 신호를 비교하는데 있어서 정의된 밀접도 측정에 의존한다. 분석은 400~900, 900~1200, 1200~1550, 1550~1800, 1800~3600 ㎝-1의 5개의 스펙트럼 영역을 고려하여 핑거프린트 상에서 수행된다. 이들 영역은 표 B에서 지적하고 있는 것과 같이 관련된 진동 모드에 기인하는 산란과 대응되기 때문에 원래 자신을 제시하는 것이다.
응집(agglomerative) 클러스터링 접근법과 함께, 유클리드 거리, 최대 편차 및 돌출된 길이를 포함하는 많은 기술어(descriptor)를 통하여 핑거프린트 사이의 유사성이 평가될 수 있다. 분석물질과 데이터베이스 스펙트럼 사이의 표준 편차의 총합을 최소화하고자 하는 잘 확립된 워드 알고리즘에서 시작하여 몇 개의 클러스터링 알고리즘이 평가될 수 있다.
본 명세서에서 개시되고 청구되는 발명은 특정 표적 분자의 특정 라만 라인에 대하여 최고의 SERS 강화 인자를 생성할 수 있도록 증착 파라미터를 최적화하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 실험계획법(DOE) 프로토콜에 따라 일련의 박막을 제조하는 것을 포함하는데, 이와 같은 방법을 통하여 (기판 온도, 증착 속도, 박막 매스의 두께, 챔버 압력 및 증착 후 어닐링과 같은) 증기 증착 제조 파라미터가 소정의 파라미터 범위 내에서 DOE에 의하여 구체화된 특정 조합으로 설정된다. 개개 박막의 SERS 강화 인자가 측정되며 그 이후에 강화 인자에 대한 개개 증착 파라미터의 효과를 정량화하기 위하여 DOE 통계 분석이 수행된다. 이 분석은 효과의 민감도와 크기를 정량화하는 것으로, 이 분석으로부터 최적 증착 파라미터가 얻어진다. 그러한 DOE 통계 분석으로부터 실험적 예측 방정식이 얻어져서 특정 분자에 대한 소정의 강화 인자를 얻을 수 있도록 증착 파라미터가 설정되어진다.
선택적인 실시예에서, 본 명세서에서 개시되고 청구되는 발명은 라만 스펙트럼의 특정 영역에 대하여 최적의 표면 강화 특징을 갖는 금속 박막을 제조하는 방법을 포함한다. 종종, 라만 스펙트럼의 특정 영역이 특히 관심이 있게 된다. 따라서 스펙트럼의 특정 영역에 대하여 SERS 스펙트럼을 강화하는 것은 유용하다. 비록 높은 강화효과를 발생시키는 범위가 소정의 스펙트럼 영역에 걸쳐 발생할 수 있도록 조정될 수 있지만, 금속 아일랜드 박막이 높은 SERS 강화 효과를 생성할 수 있 는 스펙트럼 범위(또는 폭)는 제한된다. 이 방법은 실험계획법(DOE)에 따라 일련의 박막을 제조하는 것을 포함하는데, 이와 같은 방법을 통하여 (기판 온도, 증착 속도, 박막 매스의 두께, 챔버 압력 및 증착 후 어닐링과 같은) 증기 증착 제조 파라미터가 소정의 파라미터 범위 내에서 DOE에 의하여 구체화된 특정 조합으로 설정된다. 개개 박막의 SERS 강화 인자의 스펙트럼 영역 및 폭이 측정되며, SERS 강화 인자의 스펙트럼 영역 및 폭에 대한 개개 증착 파라미터의 효과를 정량화하기 위하여 DOE 통계 분석이 수행된다. 이 분석은 효과의 민감도와 크기를 정량화하는 것으로, 이 분석으로부터 차후의 최적 증착 파라미터가 얻어진다. 그러한 DOE 통계 분석으로부터 실험적 예측 방정식이 얻어져서 SERS 스펙트럼의 소정의 스펙트럼 영역에 걸쳐서 최대의 SERS 강화를 나타내는 박막을 제조할 수 있도록 증착 파라미터가 설정되어진다.
본 명세서에서 개시되고 청구되는 발명은 높은 SERS 증강 인자와 증가된 박막 환경 내구성(environmental durability)을 갖는 박막을 증착하는 방법을 또한 포함한다. 이 방법은 적색 레이저 라인으로의 SPRW를 갖는 박막을 증착하고, 이어서 그 박막은 진공 챔버에서 가열되고 즉시 최적 값에 대한 청색 이동 SPRW로의 증착을 포함한다. 그 절차를 통하여 높은 SERS 강화 인자가 달성되며, 금속 아일랜드를 어닐링하고 매우 안정된 형상을 형성하기 위하여 금속 아일랜드를 유도하기 때문에 박막 환경 내구성이 증가된다. 증착 후 가열로 인하여 아일랜드 높이가 증가함과 동시에 금속 아일랜드 직경은 감소하게 된다. 아일랜드 기하구조에서의 이들 변화 모두는 SPRW에서 청색 이동을 일으킨다.
본 명세서에서 개시되고 청구되는 발명은 박막 상부의 금 아일랜드 사이의 갭(gap)에서 분자를 흡착할 수 있도록 기판을 처리하는 방법을 또한 포함한다. 이 방법은 금을 증착시키기에 앞서 표적 분석물질 분자에 대한 높은 친화성을 보이는 기판으로 코팅 처리를 수행한다. 금 증착 후에, 표적 분자는 박막 상부의 금 아일랜드 사이의 갭 사이에서 흡착할 수 있는 친화성을 가지며, 그 후에 SERS 박막으로 샘플이 적용된다. 금 박막 사이의 갭에서 분석물질 분자를 포획하면 그 아일랜드 사이에서 표면 플라즈몬 공명과 연관된 전기장은 최대값을 갖는다고 여겨지기 때문에, 이들 분자에 대한 SERS 강화 인자는 최대로 된다. 이와 같은 최대 전기장에 의하여 포위될 수 있도록 포획된 분자는 생성된 SERS 스펙트럼을 최대화한다.
또 다른 관점에서, 본 명세서에서 개시되고 청구되는 발명은 기판 상부에 동시에 또는 연속적으로 금, 은, 또는 다른 물질을 증착하는 방법을 포함한다. 이 방법은, 이에 한정되는 않는, 유리, 액정, 세라믹, 반도체, 반금속, 폴리머, 섬유, 복합물(composites), 나노-물질, 혼합물, 및/또는 이들 조합을 포함하는 다양한 지지-기판 물질의 표면 위로 셀 구조(shell structure), 아말감, 또는 혼합물을 포함하는 아일랜드를 제조할 수 있도록 동시에 또는 연속적으로 작용하는 2개 이상의 증기 소스를 이용한다. 일 실시예에서, 은 아일랜드가 우선 증착되고 금 코팅된 은 아일랜드를 제조할 수 있도록 금이 증착된다. 이 방법으로 근 적외선 및 보다 긴 파장의 레이저 여기를 사용하여 SERS 시스템으로 금속 아일랜드 박막이 최적화 되 어진다.
또 다른 선택적인 실시예에서, 본 명세서에서 개시되고 청구되는 발명은 기판 상부로 금속을 증착하는 과정에서 증착 파라미터를 활성적으로 변형시키는 방법을 포함한다. 이 방법은 실험계획법(DOE) 프로토콜에 따라 일련의 박막을 제조하는 것을 포함하는데, 이와 같은 방법을 통하여 (기판 온도, 증착 속도, 박막 매스의 두께, 챔버 압력 및 증착 후 어닐링과 같은) 증기 증착 제조 파라미터가 소정의 파라미터 범위 내에서 DOE에 의하여 구체화된 특정 조합을 가지면서 증착 과정에서 변형된다. 개개 박막의 SERS 강화 인자가 측정되며 강화 인자에 대한 개개 증착 파라미터 및 변형 절차의 효과를 정량화하기 위하여 DOE 통계 분석이 수행된다. 이 분석은 효과의 민감도와 크기를 정량화하는 것으로, 이 분석으로부터 최적 증착 파라미터와 변형 절차가 얻어질 수 있다. 그러한 DOE 통계 분석으로부터 실험적 예측 방정식이 얻어져서 특정 분자에 대한 소정의 강화 인자를 얻을 수 있도록 증착 파라미터가 설정되고 변형된다.
선택적인 실시예에서, 본 명세서에서 개시되고 청구되는 발명은 콜로이드, 나노로드(nanorods), 나노스피어(nanosphere) 등과 같은 나노 규모 입자를 처리함으로써(manipulation) 기판 위에서 표면 특성을 구성하는(construct) 방법을 포함한다. 나노기술 분야가 성숙해짐에 따라, 나노 입자를 배열하고(place), 배치하며(position), 처리하기 위한 방법은 발전하여, 제조 공정으로 통합하기 위하여 이들 방법이 경제적으로 가능한 수준으로 발전하였다. 한정되는 것은 결코 아니지만, 이들 방법으로는 자기 배열, 분자 각인(molecular imprinting), 깊은 펜 리소그래 피(dip pen lithography), 서브 나노미터 리소그래피(sub nanometer lithography) 등을 포함한다. 이들 방법들은 통상적으로 나노미터 규모, 즉 그 크기가 100㎚ 미만에서 물질의 기하구조를 제어할 수 있는 능력을 가지고 있다. 금속 아일랜드 배치와 분리 제어 외에도, 이들 방법은 분자 규모, 가능하게는 옹스트롬 규모와 동일한 기하학적 수준에서 아일랜드의 표면으로 특징을 통합할 수 있다.
본 명세서에서 개시되고 청구되는 발명은 여기 파장 및 라만 산란 파장과 동시에 중복되는 광범위한 표면 플라즈몬 공명 스펙트럼을 가지는 기판 상부로 박막을 제조하는 방법을 더욱 포함한다. 이 방법은 실험계획법(DOE) 프로토콜에 따라 일련의 박막을 제조하는 것을 포함하는데, 이와 같은 방법에 의하여 (기판 온도, 증착 속도, 박막 매스의 두께, 챔버 압력 및 증착 후 어닐링과 같은) 증기 증착 제조 파라미터가 소정의 파라미터 범위 내에서 DOE에 의하여 구체화된 특정 조합으로 변형된다. 개개 박막의 SERS 강화 인자의 스펙트럼 의존성이 측정되고, 강화 효과가 최적화되는 스펙트럼 복에 대한 개개 증착 파라미터 및 변형 절차에 대한 효과를 정량화하는 DOE 통계 분석이 수행된다. 이 분석은 효과의 민감도와 크기를 정량화하는 것으로, 그러한 DOE 통계 분석으로부터 최적 증착 파라미터가 얻어질 수 있다. 그러한 DOE 통계 분석으로부터 실험적 예측 방정식이 얻어져서 특정 표적 분자에 대한 강화 효과와 관련한 소정의 스펙트럼 폭을 얻을 수 있도록 증착 파라미터가 설정되고 변형되어 진다.
본 명세서에서 개시되고 청구되는 발명은 SERS 빔의 존재 하에서 분석물질 분자를 중점적으로 조정할 수 있도록 기판 표면 상부에서 액상 점적의 증발을 제어하는 방법을 포함한다. 이 방법은 분석물질을 함유하는 용액이 SERS 강화 표면 상부로 적하된 후에 용매 증발 공정을 최적화한다. 최적화 후에, 용매 증발 공정은 분석물질 분자 또는 생체물질을 매우 밀집된 형태로 점적의 중앙으로 이동시켜, SERS 강화 표면 위에서 분자 또는 생체물질의 위치가 알려지게 된다. 분석물질 분자 또는 생체물질의 위치가 알려지기 때문에, 분석물질 상부로 향하는 SERS 분석 레이저 빔의 초점은 분석물질의 위치를 밝혀내기 위하여 분석물질의 영상화(imaging)를 요구하지 않는다.
본 명세서에서 개시되고 청구되는 발명은 콤팩트디스크와 같이 넓은 기판 영역에 걸쳐서 균일한 SERS 활성 표면을 얻는 방법을 또한 포함한다. 이 방법은 실험계획법(DOE) 프로토콜에 따라 (콤팩트디스크와 같은) 넓은 기판 물질의 상부로 일련의 박막을 제조하는 것을 포함하는데, 이와 같은 방법에 의하여 (기판 온도, 증착 속도, 박막 매스의 두께, 챔버 압력, 증착 후 어닐링 및 (예, 유동 움직임(planetary movement)) 기판 조작과 같은) 증기 증착 제조 파라미터가 증착 과정에서 소정의 파라미터 범위 내에서 DOE에 의하여 구체화된 특정 조합으로 설정되거나 변형된다. 개개 박막의 SERS 강화 인자가 많은 위치에서 측정되고, 강화 인자 및 재형성에 대하여 개개 증착 파라미터와 변형 절차의 효과를 정량화할 수 있도록 DOE 통계 분석이 수행된다. 이 분석은 효과의 민감도와 크기를 정량화하는 것으로, 그러한 DOE 통계 분석으로부터 최적 증착 파라미터와 변형 절차가 얻어질 수 있다. 그러한 DOE 통계 분석으로부터 실험적 예측 방정식이 얻어져서 특정 분자에 대한 소정의 강화 인자와 변형성(variability)을 얻을 수 있도록 증착 파라미터가 설정되고 변형된다.
본 명세서에서 개시되고 청구되는 발명은 증착 과정에서 이동 마스크(moving mask)를 사용하여 금속 아일랜드 박막의 특징을 등급화(grade)하는 방법을 또한 포함한다. 이 방법은 실험계획법(DOE) 프로토콜에 따라 일련의 박막을 제조하는 것을 포함하는데, 이와 같은 방법에 의하여 (기판 온도, 증착 속도, 박막 매스의 두께, 챔버 압력, 증착 후 어닐링 및 마스크 움직임과 같은) 증기 증착 제조 파라미터가 증착 과정에서 소정의 파라미터 범위 내에서 DOE에 의하여 구체화된 특정 조합으로 설정되거나 변형된다. 다수의 분석물질 분자 및/또는 생체물질에 대한 개개 박막의 SERS 강화 인자가 측정되고, 강화 인자에 대한 개개 증착 파라미터, 변형 절차 및 마스크 움직임의 효과를 정량화하기 위하여 DOE 통계 분석이 수행된다. 그 분석은 효과의 민감도와 크기를 정량화하는 것으로, 그러한 DOE 통계 분석으로부터 최적 증착 파라미터, 변형 절차 및 마스크 움직임이 얻어질 수 있다. 그러한 DOE 통계 분석으로부터 실험적 예측 방정식이 얻어져서 일정 범위의 분석물질 분자 또는 생체물질에 대한 소정의 강화 인자를 얻을 수 있도록 증착 파라미터가 설정되고/되거나 변형되며, 마스크 움직임이 설정되거나 변형되도록 한다.
본 발명과 그 이점이 상세하게 기술되었으나, 첨부하는 청구의 범위에 의하여 정의되는 것과 같이 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서, 본 발명에 대한 다양한 변형, 치환 및 변경이 일어날 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 그러나 본 명세서에서 기술되어 있는 공정, 기계, 제조물, 조성물, 수단, 방법, 단계의 특정 실시예로 한정되기 위한 것이 아니다. 본 발명이 속하는 분야의 당업자라면 본 발명에서 개시하고 있는 내용으로부터, 본 발명에 따라 이용될 수 있도록 본 명세서에서 기술하고 있는 상응하는 실시예에서와 같이, 실질적으로 동일한 기능을 수행하거나 또는 실질적으로 동일한 결과를 달성하는, 현재 존재하거나 후에 개발될 공정, 기계, 제조물, 조성물, 수단, 방법 또는 단계를 쉽게 인식할 것이다. 따라서, 첨부하는 청구항은 그 범위 내에 그와 같은 공정, 기계, 제조물, 조성물, 수단, 방법, 또는 단계를 포함하도록 해석되어야 한다.
본 발명에 따라 제조된 기판의 형태를 나노 수준에서 제어함으로써 분자적 민감도가 크게 개선되었다. 따라서 높은 농도의 배경 간섭 및 방해물이 존재하여도 화학적, 생물학적 물질을 검출, 확인할 수 있다.
특히, 본 발명에 따라 SERS 신호는 크게 강화되기 때문에 낮은 성능의 광학적 구성성분이 가능하기 때문에 경제적인 면에서 시스템을 감당할 수 있게 된다.

Claims (23)

  1. 소망하는 국부 표면 플라즈몬 공명(localized surface plasmon resonance, LSPR) 파장을 갖는 금속화 기판을 제조하는 방법으로서,
    금속화 기판을 제공하기 위하여 기판 상에 적어도 하나의 금속을 증착하는 단계; 및
    상기 금속화 기판의 LSPR을 소망하는 파장으로 맞추기 위하여 상기 증착 단계의 하나 이상의 증착 파라미터를 제어하는 단계를 포함하는 금속화 기판을 제조하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 증착 파라미터는 상기 증착 단계에서의 기판의 온도, 증착 속도, 및 증착 단계에서 증착된 금속의 양으로 구성되는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 파라미터를 포함하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제어 단계는 상기 증착 단계에서의 기판의 온도, 증착 속도 및 증착 단계에서 증착된 금속의 양인 증착 파라미터 각각을 제어하는 단계를 포함하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 금속은 은, 금 및 구리로 구성되는 군으로부터 선택되는 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 증착 단계를 수행하기 위하여 열 증착기를 사용하는 단계를 더욱 포함하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 증착 단계를 수행하기 위하여 열 증착, 스퍼터 증착, 전자-빔 리소그래피, 레이저 박리 및 화학 기상 증착 중의 어느 하나를 사용하는 단계를 더욱 포함하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    소망하는 파장을 결정하는 단계를 더욱 포함하는 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 소망하는 파장은 특정 여기 광원의 최대 소광을 제공하는 파장인 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 파라미터 각각에 대하여 적어도 하나의 적절한 값을 결정하여 상기 소망하는 파장을 갖는 금속의 LSPR을 생성하는 단계를 더욱 포함하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 기판 상에 적어도 하나의 금속을 증착하기 전에, 상기 기판은 그 상부에 사전 배치된 마스크를 갖는 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 하나 이상의 금속이 상기 기판 상부로 증착될 때, 상기 기판 상에 사전 배치된 마스크가 가장자리 효과의 생성을 막는 방법.
  12. 표면-강화 분광 공정에서 사용을 위하여 소망하는 국부 표면 플라즈몬 공명(LSPR)을 갖는 강화 표면을 얻는 방법으로서,
    상기 표면-강화 분광 공정에서 사용된 여기 광원의 파장을 결정하는 단계;
    상기 여기 광원에 대하여 최적 강화를 제공하는 LSPR 파장을 가지는 강화 표면을 얻을 수 있도록 기판 상에 금속을 증착하는데 사용하기 위하여 하나 이상의 증착 파라미터에 대한 적절한 값을 결정하는 단계; 및
    상기 여기 광원에 대한 최적 강화를 제공하는 LSPR 파장을 가지는 강화 표면을 얻을 수 있도록 하나 이상의 파라미터에 대하여 결정된 값에 따라 기판 상에 금속을 증착하는 단계를 포함하는 강화 표면을 얻는 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 하나 이상의 증착 파라미터는 상기 증착 단계에서의 기판의 온도, 증착 속도 및 상기 증착 단계에서 증착된 금속의 양으로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 파라미터를 포함하는 방법.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 하나 이상의 파라미터에 대한 적절한 값을 결정하는 단계는 상기 증착 단계에서 상기 기판의 온도, 증착 속도, 및 상기 증착 단계에서 증착된 금속의 양을 포함하는 증착 파라미터 각각에 대한 적절한 값을 결정하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 금속은 은, 금 및 구리로 구성되는 군으로부터 선택되는 방법.
  16. 제 12항에 있어서,
    상기 증착 단계를 수행하기 위하여 열 증착기를 사용하는 단계를 포함하는 방법.
  17. 제 12항에 있어서,
    상기 증착 단계를 수행하기 위하여 열 증착, 스퍼터 증착, 전자-빔 리소그래피, 레이저 박리, 및 화학 기상 증착 중 어느 하나를 사용하는 단계를 더욱 포함하는 방법.
  18. 제 12항에 있어서,
    상기 여기 광원은 레이저인 방법.
  19. 제 12항에 있어서,
    최대 강화를 제공하는 상기 LSPR 파장은 상기 여기 광원의 최대 소광을 제공하는 파장을 포함하는 방법.
  20. 제 12항에 있어서,
    상기 기판 상에 적어도 하나의 금속을 증착하기 전에, 상기 기판은 그 상부에 사전 배치된 마스크를 갖는 방법.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 하나 이상의 금속이 상기 기판 상부로 증착될 때, 상기 기판 상에 사전 배치된 마스크가 가장자리 효과의 생성을 막는 방법.
  22. 제 12항에 있어서,
    상기 표면-강화 분광 공정은 표면-강화 라만 분광을 포함하는 방법.
  23. 상기 청구항 제 1항 내지 제 22항 중 어느 하나의 항에 기재된 방법에 따라 제조되는 소망하는 국부 표면 플라즈몬 공명(LSPR) 파장을 갖는 금속 기판.
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