KR20110100007A - 플라즈몬 기반 시각적 센싱의 감도 증폭 방법 및 감도 증폭 장치, 이를 이용한 플라즈몬 기반 시각적 센싱 방법 및 센서 - Google Patents

플라즈몬 기반 시각적 센싱의 감도 증폭 방법 및 감도 증폭 장치, 이를 이용한 플라즈몬 기반 시각적 센싱 방법 및 센서 Download PDF

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Abstract

광열 효과에 의하여 임의의 위치에서 타겟 물질을 고갈시키거나 또는 축적시킴으로써 타겟 물질의 분포를 조절하여 플라즈몬 기반 시각적 센싱의 감도를 증폭하는 방법 및 장치, 이를 이용한 플라즈몬 기반 시각적 센싱 방법 및 센서를 제공한다.

Description

플라즈몬 기반 시각적 센싱의 감도 증폭 방법 및 감도 증폭 장치, 이를 이용한 플라즈몬 기반 시각적 센싱 방법 및 센서{Method and apparatus for increasing sensitivity of plasmonic based optical sensing, plasmonic based optical sensing method and sensor}
본 명세서는 플라즈몬 기반 시각적 센싱의 감도 증폭 방법 및 감도 증폭 장치, 이를 이용한 플라즈몬 기반 시각적 센싱 방법 및 센서에 관한 것이다.
가시광선 파장 대에서의 광학 흡수(optical absorption)에 기반한 분광학(spectroscopy)은 측정 및 데이터 처리의 간단함, 범용성, 비표지 분석 등의 장점들로 인하여 화학이나 생물학 분야에서 널리 사용되고 있다.
대부분의 시각적 센싱(optical sensing) 시스템의 탐침체는 유기 리포터를 기반으로 하여 발전하여 왔는데 이들은 유기 리포터의 색깔이나 형광 방출 스펙트럼 변화를 통하여 검출하는 메커니즘을 채용하고 있다.
한편, 플라즈몬 기반 시각적 센싱 방법 예컨대, 국소 표면 플라즈몬 공명(LPSR; Localized Surface Plasmon Resonance), 표면 증강 라만 산란(SERS; Surface Enhanced Raman Scattering) 및 플라즈몬 공명 에너지 전달(PRET; Plasmon Resonance Energy Transfer) 등의 플라즈몬을 기반으로 하는 시각적 센싱 방법(Plasmonic based optical sensing techniques)이 연구되어 왔다.
이러한 플라즈몬 기반의 시각적 센싱에서는 금속 내의 자유 전자와의 상호 작용에 의하여 금속 표면에 빛이 갇히는 경우 표면 플라즈몬 공명이 발생하는 것을 이용한다. 참고로, 이러한 표면 플라즈몬 공명에 의하면 금속 표면에서 전자기장의 세기가 증폭될 수 있다. 표면 플라즈몬 공명이 발생하는 금속 표면 주변에 입자나 분자 등의 물질(예컨대, 금속 이온, DNA, 단백질 등)이 놓여 지면 주변 물질은 금속 표면에서 발생된 강한 전자기장에 노출되는 것과 같은 효과가 있다.
이러한 플라즈몬 기반 시각적 센싱 방법은 나노 스케일과 같이 매우 작은 길이 스케일에서 부여된 빛과 금속의 상호 작용에 의하여 국소적으로 증강된 전자기장을 이용함에 따라, 그 감도와 선택성이 현저히 향상될 수 있었다. 또한, 검출 위치(detection site)를 축소함에 따라서 공간 분해능(spatial resolution)도 최소화할 수 있었다.
본 발명자들은 종래에 플라즈몬 기반 시각적 센싱 방법들에서 완전히 무시되어 왔던 요소인 광열 효과(photothermal effect), 이에 따라 형성되는 온도 구배(temperature gradient) 및 상기 온도 구배에 의하여 형성되는 열확산(thermodiffusion) 및 유체적 흐름(fluidc motion)[즉, 자연 대류(natural convection)]이, 놀랍게도, 플라즈몬 기반 시각적 센싱의 센싱 감도 또는 강도(sensing sensitivity or intensity)에 상당한 영향을 미치는 점을 확인하였다.
따라서, 본 발명의 구현예들에서는 이러한 광열 효과의 영향을 플라즈몬 기반 시각적 센싱에 도입하는 혁신적인 기술을 제시하고자 한다. 구체적으로, 본 발명의 구현예들에서는 상기 광열 효과를 이용하여 타겟 물질의 분포를 조절함으로써 플라즈몬 기반 시각적 센싱의 감도를 조절(증폭)하는 방법 및 장치, 이를 이용한 플라즈몬 기반 시각적 센싱 방법 및 센서를 제공하고자 한다.
본 발명의 예시적인 구현예에서는, 광열 효과에 의하여 임의의 위치에서 타겟 물질을 고갈시키거나 또는 축적시킴으로써 타겟 물질의 분포를 조절하여 플라즈몬 기반 시각적 센싱의 감도를 증폭하는 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명의 예시적인 구현예에서는 또한, 광열 효과에 의하여 임의의 위치에서 타겟 물질을 고갈시키거나 축적시킴으로써 타겟 물질의 분포를 조절하고, 상기 분포가 조절된 타겟 물질에 대하여 센싱을 수행하는 플라즈몬 기반 시각적 센싱 방법 및 센서를 제공한다.
플라즈몬 기반의 시각적 센싱에 있어서, 광열 효과를 이용하여 임의의 위치에서 타겟 물질을 고갈시키거나 축적함으로써 타겟 물질 분포를 조절하여 플라즈몬 기반 시각적 센싱의 감도를 조절할 수 있다. 특히 타겟 물질의 축적 위치를 조절하고 파악할 수 있음에 따라서 플라즈몬 기반 시각적 센서의 감도를 대폭 향상시킬 수 있고, 또한 감도가 향상되는 효율적인 탐침체를 디자인하기가 용이하게 된다. 이와 같이 광열 효과의 영향을 도입한 플라즈몬 기판 시각적 센싱 기술은 비표지 생화학, 화학, 환경 분석 등의 영역에서 다양하게 응용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 구현예로서, SERS에 있어서 광열 효과에 의한 타겟 분자의 고갈 또는 축적의 개념을 보여주기 위한 개략도이다.
도 1a은 광 여기(light excitation) 전 타겟 분자 분포 및 SERS 탐침체 배열을 나타내는 것이다.
도 1b는 광원(light source)에 의한 여기(excitation)에 노출 시, 열 확산 및 자연 대류에 기인하여 재 분포(re-distribution)된 타겟 분자를 나타내는 것이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 구현예에서, 광열 효과와 이에 따른 타겟 물질의 재 분배를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 개략도이다.
도 2a로부터 시뮬레이션을 위한 기하학적 구조를 확인할 수 있으며, 도 2a는 핫 스폿 근처 지점에서의 1초에서의 온도의 윤곽 맵(contour map) 및 DNA(타겟 물질) 농도 분포를 함께 보여준다.
도 2b는 레이져 조사된 핫 스폿으로부터 유리 기판의 바닥에서의 시간에 따라 분석한 농도 분포 그래프이다. 도 2b에서 x축은 거리(마이크로미터)를 나타내고, y축은 정규화된 농도(C/Co)를 나타낸다.
도 3은 SERS 신호 변화 실험 장치를 나타내는 개략도이다.
도 4는 SERS 신호 변화 실험에서 TAMRA의 시간에 따른 대표 SERS 프로파일을 나타내는 그래프이다. 도 4에서 X축은 라만 쉬프트(cm-1)이고, Y축은 강도(임의 단위)이다.
도 5는 SERS 신호 변화 실험에서 측정 시간에 대한 함수로서 1272cm-1에서의 정규화된 강도 변화를 나타내는 그래프이다. 도 5에서 X축은 시간(분)이고, Y축은 정규화된 강도(임의 단위)이다.
도 6은 레이져 스폿의 위치를 움짐임으로써 SERS 강도 증가를 나타내는 것을 보여주는 그래프이다. 도 6에서 X축은 라만 쉬프트(cm-1)이고, Y축은 강도(임의 단위)이다.
이하, 예시적인 구현예들을 설명한다.
본 명세서에서 나노플라즈몬 탐침체란 표면 플라즈몬 공명을 나타낼 수 있는 나노 크기(100nm 이하)의 금속 입자를 의미한다.
본 명세서에서 핫 스폿(hot spot)이란 전자기장이 주변보다 강하게 집중되는 국소 영역을 의미한다.
본 명세서에서 타겟 물질이란 플라즈몬 기반 시각적 센싱에서 검출 대상이 되는 입자, 이온, 분자 등의 물질로서, 예컨대 DNA, 단백질, 금속 이온과 같은 생화학적, 화학적, 환경적 모니터링의 대상이 되는 물질들을 포함하는 것이다.
본 명세서에서 타겟 물질의 고갈(depletion)이란 임의의 위치에서 여기 광(excitation light)의 조사 전 타겟 물질의 농도와 대비하여 조사 후 타겟 물질이 존재하지 않게 되는 것뿐만 아니라 그 농도가 감소하는 것도 지칭한다.
본 명세서에서 타겟 물질의 축적(enrichment)이란 임의의 위치에서 여기 광(excitation light)의 조사 전 타겟 물질의 농도와 대비하여 조사 후 타겟 물질의 농도가 증가하는 것을 지칭한다.
본 명세서에서 정체 지점(stagnation point)이란 타겟 물질이 해당 지점에 축적된 후 일정 시간 동안 해당 지점에서 타겟 물질의 농도가 증가하는 지점을 의미한다.
빛(light)에 노출되는 경우 나노플라즈몬 탐침체에는 광열 효과(photothermal effect) 에 의하여 강한 온도 구배(temperature gradient; 예컨대 ~106K/m)가 생성된다. 즉, 빛의 포톤(photon)에 의하여 유도되는 표면 플라즈몬의 공명 여기(resonant excitation)는 금속 나노 입자에 있어서 전자-포논 커플링(electron-phonon coupling) 및 열 분산(heat dissipation)을 야기하게 되며, 이러한 전자-포논 커플링과 열 분산에 의하여 온도 구배가 형성되는데, 이러한 현상을 광열 효과라고 한다.
이러한 광열 효과에 기인하여 발생하는 온도 구배는 열 확산(thermal diffusion) 및 자연 대류(natural convection)를 유도하는데, 이러한 열 확산 및 자연 대류에 기인하여 타겟 물질은 구속 공간(confined space)으로부터 벗어날 수 있고, 예컨대 원형의 볼텍스 링(circular vortex ring)을 형성시킬 수 있게 된다.
이와 같은 타겟 물질의 이동 특히 후술하는 바와 같은 타겟 물질의 축적-고갈(enrichment-depletion)은 타겟 물질의 전체 농도(bulk concentration)가 국소 위치에서의 타겟 물질의 농도(local concentration) 와는 상이하다는 것을 의미하며, 또한 플라즈몬 기반 시각적 센싱의 강도에 큰 영향을 미칠 수 있음을 의미한다.
요컨대, 온도 구배는 전자-포논 커플링 및 열 분산(heat dissipation)에 의하여 발생하여, 유체적 흐름(fluidic motion; 즉 자연 대류) 및 열확산(thermal diffusion)을 유도함으로써, 센싱 성능에 상당한 영향을 미치게 되는 것임에도 불구하고, 종래의 플라즈몬 기반 시각적 센싱에 있어서 이들에 대한 고려는 완전히 무시되어 왔다.
혁신으로서, 본 발명자들은 SERS, LPSR, PRET 분광학적 측정 등과 같은 플라즈몬 기반 시각적 센싱에 광열 효과에 의한 온도 구배, 이에 따라 유도된 열 확산과 자연 대류의 영향을 도입한다.
이른바 소렛 효과(Sorret Eeffect) 또는 열영동(thermalphoresis)이라고도 불리는 열확산(thermal diffusion)은 온도 구배를 따라서 분자들이 움직이게 되는 현상을 말한다.
플라즈몬 기반의 시각적 센싱에서 빛을 조사하는 경우의 나노 플라즈몬 탐침체 주위에서 광열 효과에 기인하여 발생하는 온도 구배가 위와 같은 열확산에 따른 타겟 물질들의 이동을 가져올 수 있다. 참고로, 예컨대 SERS에서 대부분의 신호는 핫 스폿(hot spot)으로부터 나오게 된다. 열은 전기적 핫 스폿으로부터 생성되는데 이와 같은 생성된 열은, 나노플라즈몬 탐침체를 함유하는 전형 용액(typical solution) 또는 용매의 열전도도 보다도 더 높은 금속의 열 전도도에 기인하여, 금속 나노 구조의 표면을 따라서 급속하게 전파될 수 있다. 이에 따라 온도 구배도 급속히 형성되고 그 결과 열 확산에 의한 분자의 이동이 이루어지게 된다.
여기서, 열확산에 의한 분자의 이동 속도를 표시하여 보면 다음과 같다. 열확산에 의한 분자의 이동 속도는 예컨대 분자 농도가 작은 경우 (1 uM이하) 온도 구배에 비례하므로, 다음과 같은 식으로 표시될 수 있다.
Figure pat00001
여기서,
Figure pat00002
는 해당 온도에서의 열확산에 의한 분자의 이동 속도,
Figure pat00003
는 해당 온도에서의 열확산 계수이고,
Figure pat00004
는 온도 구배이다.
위 [수학식 1]에서 알 수 있듯이, 예를 들어, 열확산 계수가 양인 분자의 경우에는 온도 구배(T2-T1)가 음이 되면, 열확산에 의한 분자의 이동 속도는 양이 되므로, 일반적으로 분자는 뜨거운 영역(T1 위치)에서 차가운 영역(T2 위치)으로 이동하게 되고, 열확산 계수가 음인 분자는 반대로 이동한다.
상기 열 확산에 의한 분자의 이동 외에, 온도 구배에 의하여 유도되는 두번째 요소인 유체적 흐름 즉, 자연 대류 또한 분자들의 재 분배에 중요한 역할을 한다. 이러한 유체적 흐름은 대부분 회전 영역(circulation zone)을 형성하므로, 나노플라즈몬 탐침체가 타겟 물질들에 놓이는 경우, 타겟 물질들은 탐침체의 상부로 이동한 후 다시 그 하부 영역으로 들어가게 된다(후술하는 도 1b의 자연 대류 방향 참조).
이와 같이 분자들은 위와 같은 열확산과 자연 대류의 영향을 받으며 임의의 국소 위치에서 고갈되기도 하고 축적되기도 하므로, 타겟 물질의 최종 분포는 이러한 두 가지 영향들을 고려 내지 조합하는 것에 의하여 결정될 수 있는 것이다.
따라서, 본 발명의 구현예들에서는 광열 효과에 따라서 임의의 위치에서 타겟 물질을 고갈시키거나 또는 축적시킴으로써 타겟 물질의 분포를 조절하여 플라즈몬 기반 시각적 센싱의 감도를 조절(증폭)하도록 할 수 있는 것이다.
또한, 본 발명의 구현예들에서는, 위와 같이 광열 효과에 따라서 임의의 위치에서 타겟 물질을 고갈시키거나 축적시킴으로써 타겟 물질의 분포를 조절하고, 상기 조절된 분포를 가지는 타겟 물질들을 대상으로 플라즈몬 기반 센싱을 수행하도록 할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 광열 효과에 기인하여 형성된 온도 구배에 의하여 유도되는 열 확산 또는 자연 대류 하나 이상을 조절함으로써 타겟 물질을 고갈시키거나 또는 축적시킬 수 있다.
비제한적인 예시에서, 상기 광열 효과에 기인하여 형성된 온도 구배에 의하여 유도되는 열 확산 방향 또는 자연 대류 방향 중 하나 이상의 방향을 조절함으로써 타겟 물질을 고갈시키거나 또는 축적시킬 수 있다.
참고로, 임의의 위치에서의 타겟 물질 플럭스는 다음 수학식과 같이 결정될 수 있으므로(해당 식들은 자연 대류 및 열확산의 영향을 조합한 것이다), 타겟 물질들을 두 가지 요소들이 서로 균형을 이루는 영역에서 축적될 수 있고, 다른 위치에서는 또한 흩어져 고갈될 수 있는 것이다.
Figure pat00005
Figure pat00006
Figure pat00007
여기서, c 는 타겟 물질의 전체 농도(센싱 챔버 중의 타겟 물질의 전체 농도)이고, u 는 대표 속도(representative velocity)이며, g 는 중력, b 는 열팽창 계수, H 는 특성 길이(characteristic length), a 는 열 확산도(thermal diffusivity), n 는 점도, D 는 질량 확산 계수이며, DT는 해당 온도 T에서의 질량 확산 계수를 나타낸다.
상기 [수학식 2]로부터 알 수 있듯이, 임의의 위치에서 상기 열 확산 방향 및 자연 대류의 방향이 반대 방향에 있는 경우 해당 위치에서는 타겟 물질을 축적 시킬 수 있다. 반면, 임의의 다른 위치에서 상기 열 확산 방향 및 자연 대류의 방향이 같거나 유사한 경우 해당 위치에서 타겟 물질은 고갈될 수 있다. 타겟 물질의 농도가 센싱 감도에 영향을 주므로, 타겟 물질이 축적된 위치를 파악하고 탐침체를 이동하여 플라즈몬 기반 센싱을 수행함으로써 감도를 향상시킬 수 있다.
더욱이, 이들 수학식에 의하여 알 수 있듯이, 축적 및 고갈의 위치들은 해당 위치 별 온도, 분자의 종류, 타겟 물질의 전체 농도와 같은 파라미터들을 변화시켜서 조절할 수 있다.
이하에서는 대표적인 플라즈몬 기반 시각적 센싱의 하나인 표면 증강 라만 산란 방법(SERS)을 예로 들어서, 광열 효과와 이에 의하여 발생하는 온도 구배, 온도 구배에 의하여 유도되는 열 확산 및 자연 대류가 어떻게 타겟 물질 분포에 영향을 미치고 센싱 강도를 변화시키는지를 살펴보도록 한다.
도 1은 본 발명의 예시적인 구현예로서, SERS에 있어서 광열 효과에 의한 타겟 분자의 고갈 또는 축적의 개념을 보여주기 위한 개략도이다.
도 1a은 광 여기(light excitation) 전 타겟 분자 분포 및 SERS 탐침체 배열을 나타내는 것이다. 참고로, 예컨대 집합된(aggregated) 금 나노플라즈몬 입자가 탐침체로서 선택될 수 있으며 해당 탐침체를 유리 기판 상에 놓음으로써 SERS 활성 기판으로 사용할 수 있다.
도 1b는 광원(light source)에 의한 여기(excitation)에 노출 시, 열 확산 및 자연 대류에 기인하여 재 분포(re-distribution)된 타겟 분자를 나타내는 것이다.
도 1b는 광열 효과에 기인한 온도 구배에 의하여 유도된 유체적 흐름 즉, 자연 대류 및 열 확산(도 1b에 각각의 흐름 방향이 화살표로 표시되어 있다)을 각각 표시하는 것과 함께, SERS 강도가 광열 효과에 의하여 변화함을 고갈 위치 및 축적 위치에서 각각 나타낸다(도 1b에 함께 표시된 두개의 그래프 참조). 여기 광원(excitation light source)이 나노 플라즈몬 탐침체(예컨대 금 나노 플라즈몬 입자)로 조사될 때, 부여된 광에 의하여 온도 구배가 형성되고, 이러한 온도 구배가 앞서 설명한 바와 같은 열 확산과 자연 대류의 메커니즘에 의하여 타겟 분자들을 재 분포시키는 것이다.
도 1a 및 1b로부터 알 수 있듯이, 여기 광원에 의한 광 조사 시, 광열 효과에 의한 온도 구배, 이에 따른 열확산과 자연 대류에 의하여 분자들은 어느 위치에서 고갈되고 어느 위치에는 축적되는 방식으로 재분포가 일어난다. 이러한 재분포에 따라서 타겟 물질들의 국지적 농도는 최초 샘플의 벌크 농도와 같지 않게 되며, 예컨대 SERS 신호와 같은 플라즈몬 기반 시각적 센싱 신호의 변화는 핫 스폿 근처의 농도 분포에 따라서 변화게 되는 것이다.
보다 상술하면, 본 발명자들은 이와 같은 재분포에 있어서, 활성 기판 표면(기판 상에 형성된 나노플라즈몬 입자 탐침체들)에서 타겟 물질들이 이동하여 축적됨으로써 일정 시간 동안은 농도가 증가하며 고갈되지 않는 정체 지점(stagnation point)이 존재함을 확인하였다.
상기 정체 지점은 광 조사 지점(핫 스폿)의 근처에 존재할 수 있다. 그러나, 반드시 타겟 물질들이 광 조사 지점의 근처로 이동하는 것은 아니다. 즉, 예컨대 금속 나노플라즈몬 탐침체의 형상 내지 패턴을 조절하는 경우, 타겟 분자의 고갈 및 축적 위치 역시 달라질 수 있는 것이다.
따라서, 비제한적인 예시에서, 적절히 나노플라즈몬 탐침체의 형상이나 배열을 디자인함으로써 타겟 물질을 광 조사 지점 근처가 아니라, 광조사 지점 즉, 전기적 핫 스폿에서 축적되도록 할 수도 있다. 이는 핫 스폿을 정체 지점이 되도록 하는 것을 의미한다. 앞서도 언급한 바와 같이, 대부분의 SERS 신호가 핫 스폿으로부터 나오는 것이므로, 핫 스폿이 정체 지점이 되도록 센싱을 수행하거나 그 센싱 감도를 조절하도록 할 수 있다. 이와 같이 핫 스폿이 정체 지점이 되도록 예컨대 레이저나 나노 탐침체를 이동할 수 있다.
본 발명의 예시적인 구현예에서는 또한, 광열 효과에 의하여 임의의 위치에서 타겟 물질을 고갈시키거나 축적시킴으로써 타겟 물질 분포를 조절하여 플라즈몬 기반 센싱의 감도를 증폭하는 감도 증폭 장치 및 이를 포함하는 플라즈몬 기반 센서를 제공한다.
비제한적인 예시에서, 상기 감도 증폭 장치는, 타겟 물질들을 센싱하는 나노플라즈몬 탐침체 및 상기 나노플라즈몬 탐침체로부터의 센싱 결과를 기반으로 광열 효과를 줄 수 있는 레이저의 위치를 타겟 물질들이 축적된 위치로 이동하는 레이저 이동 장치를 포함할 수 있다.
또한, 비제한적인 예시에서, 상기 감도 증폭 장치는 타겟 물질들을 센싱하는 나노플라즈몬 탐침체 및 타겟 물질이 축적된 위치로 상기 나노 플라즈몬 탐침체를 이동시키도록 하는 나노 플라즈몬 탐침체 이동 장치일 수 있다.
상기 레이저를 이동시키기 위한 레이저 이동 장치나 나노 플라즈몬 탐침체를 이동시키기 위한 나노 플라즈몬 탐침체 이동 장치로서는, 물체의 위치를 이동시키기 위한 공지의 수동 또는 자동 위치 조절 장치가 사용될 수 있다.
이와 같은 플라즈몬 기반 센싱은 표면 증강 라만 산란, 국소 표면 플라즈몬 공명, 또는 플라즈몬 공명 에너지 전달 등의 플라즈몬 기반 센싱일 수 있다.
이하, 비제한적이고 예시적인 실시예를 통하여 본 발명의 예시적인 구현예 중 하나를 더욱 상세히 설명한다.
[시뮬레이션 실험]
온도 구배, 열 확산 및 유체적 흐름(자연 대류)과 이에 따른 타겟 물질 분포의 동적 변화를 조사하기 위하여, 단순 2D 대수 분석(simple 2D numerical analysis)이 축 대칭 조건(axi-symmetric condition)을 사용하여 수행되었다.
시뮬레이션 수행을 위한 질량 확산 계수, 소렛 계수, 핫 스폿에서의 표면 온도와 같은 경계 조건으로서의 물리적 파라미터들은 시뮬레이션 조건과 일치하도록 문헌으로부터 채택되었다. 본 시뮬레이션에서는 열확산 및 자연 대류에 의한 DNA들의 최종 재분포에 초점을 두었다.
참고로, 열 투과 깊이(heat penetration depth)를 하기 수학식으로 정의할 때, 열은 표면으로부터 약 1마이크로미터의 작은 길이 스케일 내에서 구속되었다.
Figure pat00008
여기서, d 는 열 투과 깊이이고, Tsurface 는 핫 스폿에서의 표면 온도(surface temperature)이고, T(δ) 는 해당 열 투과 깊이에서의 온도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 구현예에서, 광열 효과와 이에 따른 타겟 물질의 재 분배를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 개략도이다.
도 2a로부터 시뮬레이션을 위한 기하학적 구조를 확인할 수 있다. 참고로, 포커스된 레이져 스폿 사이즈는 직경이 3 마이크로미터였다. 체널 높이는 500 마이크로미터이었다. 그렇지만, 여기서, 도 2는 실제 스케일에 비례하도록 그려진 것이 아님이 당업자에게 이해될 것이다.
도 2a는 핫 스폿 근처 지점에서의 1초에서의 온도의 윤곽 맵(contour map) 및 DNA(타겟 물질) 농도 분포를 함께 보여준다. 열 확산 및 자연 대류의 방향을 도 2a에 함께 화살표로 표시하였다. 열확산 뿐만 아니라 자연 대류로부터 타겟 물질의 재 분배가 강한 온도 구배에 의하여 유도됨을 확인할 수 있었다.
도 2b는 레이져 조사된 핫 스폿으로부터 유리 기판의 바닥에서의 시간에 따라 분석한 농도 분포 그래프이다. 도 2b에서 x축은 거리(마이크로미터)를 나타내고, y축은 정규화된 농도(C/Co)를 나타낸다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 대류 방향과 열 확산 방향이 유사한 경우 DNA는 레이저가 조사되는 영역 주변에서 고갈되었고 밖으로 빠져나가는 경향을 보였다. 그러나, 이러한 두 가지 효과 즉 대류와 열 확산의 방향이 반대가 되는 영역에서는, DNA가 축적되었다. 최대 농도 위치는 노출 시간에 따라 약간씩 변화하였다.
더욱이, 축적의 양과 위치는 챔버의 높이, 표면의 물질들 및 표면 온도(이는 광 여기 에너지에 대응할 것이다)에 따라서 조절될 수 있음이 확인되었다.
도 2b로부터 알 수 있듯이, 정규화된 최대 농도는 챔버 높이가 증대됨에 따라서 1.6~3.2로 증가하였다. 챔버 높이가 100마이크로미터를 넘는 경우 정규화된 최대 농도는 더 이상 증가하지 않고 포화되었다.
또한, 표면 온도가 높아짐에 따라서 정규화된 최대 농도도 선형적으로 증가하였다. 기판의 열전도율이 증가함에 따라서 축적 위치는 핫 스폿에 가까워지고 최대 농도도 증가하였다.
이러한 시뮬레이션 결과로부터, SERS 강도가 노출 시간의 증가 시 핫 스폿에서의 타겟 분자의 고갈로 인하여 감소할 것으로 예상할 수 있다. 반면, DNA 샘플이 농축된 정체 위치를 찾도록 레이져가 적절한 위치만큼 움질일 경우에는 SERS 신호가 다시 증가할 수 있을 것으로 예상할 수 있다.
참고로, SERS 신호 강도는 핫 스폿에서의 분자 숫자에 비례하며, 다음 식으로 표현될 수 있다.
Figure pat00009
여기서, Isers 는 SERS 신호 강도이고, NM 은 SERS 에 관여된 타겟 분자의 수이며, A (nL) 및 A (ns) 는 각각 레이져에서의 필드 증강 팩터(field enhancement factors at the laser) 및 스토크 주파수(Stokes frequency)이며, бR ads 은 흡수된 분자의 라만 단면적(Raman cross section)이다.
[SERS 신호 변화 실험]
위와 같은 시뮬레이션 결과를 실제 입증하기 위하여, TAMRA로 표식된 DNA(160bp, 1mM)를 사용하여 SERS 신호의 변화를 조사하였다. 집합된(aggregated) 귀금속 나노스피어(nanospheres)가 활성 SERS 기판으로 사용되었다. 이 실험은 비-식각(non-lithographic), 단순(simple), 재생 가능(reproducible)한 실험이다.
도 3은 SERS 신호 변화 실험 장치를 나타내는 개략도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 시간 분해능 SERS 강도가 인버티드 마이크로스코프(inverted microscope) 상에서 40x 옵젝티브 렌즈(objectivce rens)로 측정되고 스펙트로 미터(spectrometer)로 분석되었다. 여기 광원(excitation source)로서 785nm 레이저가 사용되었고 전체 측정 기간 동안 레이저를 켜놓았다.
참고로, SERS 활성 기판은 아래와 같이 제조하였다. 즉, 석영 유리 슬라이드는 피란하(piranha) 용액에서 세정하였다. 50nm 금 나노플라즈몬 입자 및 10mM CuSO4 (v/v 100:1)이 세정된 유리 슬라이드 상에 적하되었고 오븐에서 이틀동안 건조되었다.
용액 건조 후, "○"자 형 폴리디메틸실록산(PDMS) 블록이 SERS 측정을 위하여 영역을 가두도록 기판상에 놓여졌고, 1mM DNA 용액을 PDMS 블록 내부에 로드하였다.
도 4는 SERS 신호 변화 실험에서 TAMRA의 시간에 따른 대표 SERS 프로파일을 나타내는 그래프이다. DNA의 농도는 1mM 이다. 레이저 파워는 10 mW 이다. 도 5는 SERS 신호 변화 실험에서 측정 시간에 대한 함수로서 1272cm-1에서의 정규화된 강도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4 및 5로부터 알 수 있듯이, TAMRA로부터의 모든 SERS 피크는 최초 측정(즉, 0분) 시 완전히 분석되었다. 그러나, 이들의 강도는 광원의 노출 시간이 증가함에 따라 지수적으로 일관되게 감소하였다. 결국, 주 피크에서의 강도는 5 분 내에 최초 값에 비하여 28%로 떨어졌고, 신호는 20분 내에 완전히 사라졌다. 이는 광 흡수에 의하여 유도된 온도 분포에 기인하여 DNA들이 고갈된 결과이다.
도 6은 레이져 스폿의 위치를 움짐으로써 SERS 강도 증가를 나타내는 것을 보여주는 그래프이다. 40분 간 하나의 스폿을 조사한 후, 레이저 위치를 10 마이크로미터 움직였고, SERS를 측정하였다.
도 6으로부터 알 수 있듯이, 흥미롭게도, DNA가 축적된 정체 위치의 강한 증거로서, 40분 동안 하나의 영역을 비춘 후 레이저 스폿을 10 마이크로 미터 움직였을 때, 평균 강도에서 31%의 증가가 목격되었다.
이와 같이, 광열 효과를 이용하여 분자를 고갈 또는 축적하도록 하여 분자 분포를 조절하고 이를 기반으로 하여 센싱의 감도를 높이거나 센싱을 수행할 수 있다. 이러한 기술은 분자 분석, 생체 내에서의 세포(분자) 이미징, 생물학, 환경 모니터링 등 나노 분광학이 필요한 모든 분야에 적용될 수 있다.
이상에서 본 발명의 비제한적이고 예시적인 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 기술 사상은 첨부 도면이나 상기 설명 내용에 한정되지 않는다. 본 발명의 기술 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형이 가능함이 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하며, 또한, 이러한 형태의 변형은 본 발명의 특허청구범위에 속한다고 할 것이다.

Claims (21)

  1. 광열 효과에 의하여 임의의 위치에서 타겟 물질을 고갈시키거나 또는 축적시킴으로써 타겟 물질의 분포를 조절하여 플라즈몬 기반 시각적 센싱의 감도를 증폭하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광열 효과에 기인하여 형성된 온도 구배에 의하여 유도되는 열 확산 또는 자연 대류 중 하나 이상을 조절하여 분자를 고갈시키거나 또는 축적시키는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 광열 효과에 기인하여 형성된 온도 구배에 의하여 유도되는 열 확산 및 자연 대류의 방향을 조절하여 분자를 고갈시키거나 또는 축적시키는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 열 확산 방향 및 자연 대류의 방향을 반대 방향으로 하여 분자를 축적시키는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    분자가 축적된 위치에서 플라즈몬 기반 센싱을 수행하여 감도를 증폭시키는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈몬 기반 센싱은 표면 증강 라만 산란, 국소 표면 플라즈몬 공명, 또는 플라즈몬 공명 에너지 전달 기반 센싱인 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 표면 증강 라만 산란에서, 핫 스폿에 분자를 축적시키도록 하는 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 표면 증강 라만 산란에서, 센싱을 위한 나노플라즈몬 탐침체의 형상 또는 배열, 상기 탐침체가 놓여지는 기판의 표면 온도, 상기 기판의 종류, 타겟 물질의 종류 및 타겟 물질의 전체 농도, 여기 광원의 세기로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상을 조절하여 분자를 고갈 또는 축적시키는 방법.
  9. 광열 효과에 의하여 임의의 위치에서 타겟 물질을 고갈시키거나 축적시킴으로써 타겟 물질 분포를 조절하고, 상기 조절된 분포를 가지는 타겟 물질들을 센싱하는 플라즈몬 기반 시각적 센싱 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 광열 효과에 기인하여 형성된 온도 구배에 의하여 유도되는 열 확산 또는 자연 대류 중 하나 이상을 조절하여 분자를 고갈시키거나 또는 축적시키는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 광열 효과에 기인하여 형성된 온도 구배에 의하여 유도되는 열 확산 및 자연 대류의 방향을 조절하여 분자를 고갈시키거나 또는 축적시키는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 열 확산 방향 및 자연 대류의 방향을 반대 방향으로 하여 분자를 축적시키는 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    분자가 축적된 위치에서 플라즈몬 기반 센싱을 수행하는 방법.
  14. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈몬 기반 센싱은 표면 증강 라만 산란, 국소 표면 플라즈몬 공명, 또는 플라즈몬 공명 에너지 전달 기반 센싱인 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 표면 증강 라만 산란에서, 핫 스폿에 분자를 축적시키도록 하는 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 표면 증강 라만 산란에서, 센싱을 위한 나노플라즈몬 탐침체의 형상 또는 배열, 상기 탐침체가 놓여지는 기판의 표면 온도, 상기 기판의 종류, 타겟 물질의 종류 및 타겟 물질의 전체 농도, 여기 광원의 세기로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상을 조절하여 분자를 고갈 또는 축적시키는 방법.
  17. 광열 효과에 의하여 임의의 위치에서 타겟 물질을 고갈시키거나 축적시킴으로써 타겟 물질 분포를 조절하여 플라즈몬 기반 센싱의 감도를 증폭하는 플라즈몬 기반 센싱의 감도 증폭 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 감도 증폭 장치는 타겟 물질들을 센싱하는 나노플라즈몬 탐침체 및 상기 나노플라즈몬 탐침체로부터의 센싱 결과에 대응하여 광열 효과를 줄 수 있는 레이저의 위치를 타겟 물질들이 축적된 위치로 이동하는 레이저 이동 장치를 포함하는 장치.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 감도 증폭 장치는 타겟 물질들을 센싱하는 나노플라즈몬 탐침체 및 타겟 물질이 축적된 위치에 상기 나노 플라즈몬 탐침체를 이동시키도록 하는 나노 플라즈몬 탐침체 이동 장치를 포함하는 장치.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 플라즈몬 기반 센싱은 표면 증강 라만 산란, 국소 표면 플라즈몬 공명, 또는 플라즈몬 공명 에너지 전달 기반 센싱인 장치.
  21. 제 17 항 내지 20 항 중 어느 한 항의 감도 증폭 장치를 포함하는 플라즈몬 기반 시각적 센서.
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