KR20170070351A - 표면증강라만산란(sers) 나노입자, 이의 제조 방법 및 이의 응용 - Google Patents

표면증강라만산란(sers) 나노입자, 이의 제조 방법 및 이의 응용 Download PDF

Info

Publication number
KR20170070351A
KR20170070351A KR1020150177298A KR20150177298A KR20170070351A KR 20170070351 A KR20170070351 A KR 20170070351A KR 1020150177298 A KR1020150177298 A KR 1020150177298A KR 20150177298 A KR20150177298 A KR 20150177298A KR 20170070351 A KR20170070351 A KR 20170070351A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
nano
sers
core
silica
nanoparticles
Prior art date
Application number
KR1020150177298A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101802386B1 (ko
Inventor
김중현
Original Assignee
재단법인 대구경북첨단의료산업진흥재단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 재단법인 대구경북첨단의료산업진흥재단 filed Critical 재단법인 대구경북첨단의료산업진흥재단
Priority to KR1020150177298A priority Critical patent/KR101802386B1/ko
Priority to PCT/KR2016/005379 priority patent/WO2017099313A1/ko
Publication of KR20170070351A publication Critical patent/KR20170070351A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101802386B1 publication Critical patent/KR101802386B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B1/00—Nanostructures formed by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B1/00—Nanostructures formed by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • B82B1/008—Nanostructures not provided for in groups B82B1/001 - B82B1/007
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/113—Silicon oxides; Hydrates thereof
    • C01B33/12—Silica; Hydrates thereof, e.g. lepidoic silicic acid
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G7/00—Compounds of gold
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6876—Nucleic acid products used in the analysis of nucleic acids, e.g. primers or probes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/65—Raman scattering
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y15/00—Nanotechnology for interacting, sensing or actuating, e.g. quantum dots as markers in protein assays or molecular motors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y35/00—Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/60—Particles characterised by their size
    • C01P2004/64—Nanometer sized, i.e. from 1-100 nanometer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q2563/00—Nucleic acid detection characterized by the use of physical, structural and functional properties
    • C12Q2563/107—Nucleic acid detection characterized by the use of physical, structural and functional properties fluorescence
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q2600/00—Oligonucleotides characterized by their use
    • C12Q2600/156—Polymorphic or mutational markers

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

본 발명은 표면증강라만산란(SERS) 나노입자, 이의 제조 방법 및 이의 응용에 관한 것이다. 본 발명은 금속 쉘의 내부표면에 나노오목부를 가진 형태로, 상기 나노오목부에 라만활성물질을 위치시킬 수 있어서 금속 쉘 중 나노오목부의 구조에 의해 추가의 SERS를 발휘시킬 수 있는 것이 특징이다.
따라서, 본 발명에 따른 나노엠보스들은, 강한 전자기장을 생성하는 신규 구조들을 제조하기 위한 플랫폼으로 뿐만 아니라, 민감하고 신뢰할 만한 생물의학적 응용들을 허용하는, 강한 SERS 신호를 생성하기 위한 효과적인 접근법이다.

Description

표면증강라만산란(SERS) 나노입자, 이의 제조 방법 및 이의 응용{A nanoparticle for surface-enhanced resonance scattering, a method for preparing the same, and use thereof}
본 발명은 표면증강라만산란(SERS) 나노입자, 이의 제조 방법 및 이의 응용에 관한 것이다.
라만 산란은 입사되는 빛의 에너지가 변하는 비탄성 산란으로 빛을 특정 분자에 가하면 분자 고유의 진동전이에 의해 조사된 빛과는 파장이 약간 다른 빛이 발생하는 현상을 일컫는다. 라만 분광법은 적외선 분광법과는 달리 물 분자에 의한 간섭의 영향을 받지 않으므로, 단백질, 유전자 등의 생체분자(biomolecules)의 검출에 더욱 적합하다.
라만 분광법은 신호의 세기가 매우 약하고 재현성이 낮다. 이러한 문제를 극복할 수 있는 방법 중의 하나로 표면증강 라만 산란이 있다. 표면증강 라만 분광은 금속 나노구조의 주변에 분자가 존재할 경우, 그 분자의 라만 신호가 크게 증가하는 현상을 말한다. 표면증강 라만 메커니즘을 이해함에 있어, 전자기적증강 효과 (Electromagnetic enhancement effect)와 화학적 증강효과(Chemical enhancement effect)가 있다. 라만 방출이 가장 효과적으로 향상되기 위해서는 금속과 레이저 사이에서 금속 표면의 자유 전자들이 집단적으로 진동하는 현상이 존재해야 하는데, 이를 전자기적증강 효과의 기초가 되는 표면플라즈몬(Surface Plasmon)이라 한다. 표면 플라즈몬 공명은 금속 나노입자의 종류(일반적으로 Au, Ag, Cu, Pt 등이 사용됨), 크기 및 형태, 분산되어 있는 용매, 레이저의 종류 등에 따라 달라진다.
한편, 라만 산란의 현저한 증강은 단일-분자 검출을 가능하게 하며, 이에 따라 가장 민감한 광학적 신호 중 하나를 제공할 수 있다. 표면증강라만산란(Surface-enhanced Raman scattering; SERS)은 금속성 나노구조물들의 근처에 있는 국소화된 표면 플라즈몬들의 여기에 의해 유도되는 전자기장 증강에 주로 기인하므로, 강한 전자기장을 생성하는 금속성 나노구조를 설계 및 합성하려는 많은 노력이 수행되고 있다.
검출 및 시각화를 위한 기능성을 부여하기 위하여 표면 개질이 가능하고 합성이 용이하며 우수한 생체 적합성을 지닌 금속성 나노입자들이 생물학적 검출용 또는 조영용 SERS 기재로 널리 사용되고 있다. 이러한 금속성 나노입자들이 서로 인접하거나 접촉한 경우 플라즈몬 커플링 효과가 입자들 간의 접점 부근에서 시너지적으로 증가하므로 나노입자들 간의 응집에 의해 SERS가 더 증강되기도 한다. 상기 나노입자들 간의 접점과 같이 현저한 전자기장의 증강을 나타내는 부분을 핫스팟(hot-spot)이라고 한다. 그러나, 클러스터에서 이들 핫스팟의 무작위적 생성 및 상대적으로 낮은 빈도수는 산란 향상의 불확실성을 야기한다. 다른 한편으로는 평면 기재 상이나 단일 나노입자에 동공, 예리한 모서리, 나노렌즈, 감소된 대칭성 및 나노 간격을 갖는 접합구조와 같은 전자기장 증강을 유도하는 구조를 형성시킴으로써 강한 전자기장 증강을 유도하여 신뢰할만한 SERS를 얻고자 하는 시도들이 있다.
상기와 같이 설계된 평면 기재는 전자기장 증가를 유도할 수 있는 나노구조를 비교적 정확하고 재현성 있게 구현할 수 있으나, 생물학적 의학적 응용에 있어서 검출 및 영상 신호용 표지 물질로 사용하기 위해서는 나노입자의 형태가 평면 기재보다 활용도가 높다. 생물학적 응용에 필요한 표면 근처에서 고도로 증강되고 재현성 있는 라만산란을 발생하는 나노입자는 단순 구형 입자 보다 더 높은 장 증강을 나타내는 나노입자는 나노초승달(nanocrescent moons), 나노쌀알(nanorice), 나노쉘(nanoshells), 나노별(nanostars) 등을 포함한다. 바이오 마커, 검출 또는 의료영상용 표지물질로 사용하는데 있어서 단일 나노입자로부터의 라만 신호의 총 세기는 신호의 증강만큼 중요하다. 생물학적 분석 또는 검출을 위한 라만 산란의 총 세기는 전자기장뿐만 아니라 나노입자에 탑재된 라만리포터의 수에 의해 영향을 받는다.
코어 내부에 상대적으로 많은 수의 리포터 염료를 탑재할 수 있는 공간을 가지고 있는 나노쉘 코어 구조는 단일 나노입자로부터 강한 라만 신호를 제공할 수 있는 우수한 후보군 중 하나이다. 따라서, 상기 나노쉘 코어 구조의 입자의 나노쉘 바깥 표면과 코어 내부에 라만리포터 염료를 탑재하여 총 SERS 세기를 증가시킬 수 있다. 기존의 나노쉘의 전자기장 증강 구조와 전체 부피에서 라만리포터 탑재 부피의 비율을 훼손하지 않는 수준에서 전자기장 증강 구조를 구현하고, 그 구조에 라만리포터 염료를 탑재할 수 있다면 현저한 SERS 세기 향상을 기대할 수 있다.
본 발명의 목적은, 금속 나노쉘에서 강한 SERS를 발휘하는 새로운 위치를 발굴하고 나노쉘에 가능한 많은 라만활성물질을 탑재가능한 SERS 입자를 설계하는 것이다.
본 발명의 제1양태는 표면상에 나노 볼록부를 가진 코어; 및 상기 나노 볼록부에 대응되는 나노 오목부를 내부표면쪽에 가진 금속 쉘을 포함하되, 코어의 나노 볼록부에도 라만활성물질이 담지되어 있는 것인, 표면증강라만산란(SERS) 나노입자를 제공한다.
본 발명의 제2양태는 제1라만활성물질을 담지하고 (+) 전하를 띠는 코어부 및 상기 코어부의 표면상에 형성되어 있으면서 제2라만활성물질을 담지하고 (-) 전하를 띠는 나노 볼록부를 구비하는 제1코어; 또는 제1라만활성물질을 담지하고 (-) 전하를 띠는 코어부 및 상기 코어부의 표면상에 형성되어 있으면서 제2라만활성물질을 담지하고 (+) 전하를 띠는 나노 볼록부를 구비하는 제2코어; 및 상기 나노 볼록부에 대응되는 나노 오목부를 내부 표면쪽에 가진 금속 쉘을 포함하는 표면증강라만산란(SERS) 나노입자를 제공한다.
본 발명의 제3양태는 라만활성물질이 로딩된 실리카 코어를 준비하는 제1단계; 상기 실리카 코어의 표면이 (+) 또는 (-) 전하를 띠도록 개질하는 제2단계; 제2단계에서 형성된 실리카 코어와 반대 전하를 띠면서, 라만활성물질이 도핑된 실리카 나노입자들을 정전기적 상호작용을 통해 제2단계에서 형성된 실리카 코어 표면상에 조립시켜, 나노 볼록부를 구비하는 실리카 코어를 제조하는 제3단계; 제3단계에서 형성된 실리카 코어에 금속 나노종자들을 부착시키는 제4단계; 성장용액에서 나노종자를 성장시켜 나노 볼록부를 가진 실리카 코어 주위에 상기 나노 볼록부에 대응되는 나노 오목부를 내부 표면쪽에 가진 금속쉘을 형성시키는 제5단계를 포함하여, 제1양태 또는 제2양태에 따른 표 표면증강라만산란(SERS) 나노입자를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명의 제4양태는 제1양태 또는 제2양태에 따른 표면증강라만산란(SERS) 나노입자를 구비한 라만 프로브를 제공한다.
본 발명의 제5양태는 기재 상에 제1양태 또는 제2양태에 따른 표면증강라만산란(SERS) 나노입자들이 코팅된 표면증강라만산란(SERS) 기재를 제공한다.
본 발명의 제6양태는 a) 제1양태 또는 제2양태에 따른 표면증강라만산란(SERS) 나노입자의 표면에 검출하고자 하는 분석물과 결합할 수 있는 바이오분자를 기능화하는 단계; b) 기능화된 SERS 나노입자를 하나 이상의 분석물을 포함하는 시료에 노출시키는 단계; 및 c) 라만 분광법을 이용하여 SERS 나노입자가 결합된 분석물을 확인하는 단계를 포함하는, 분석물을 검출 또는 영상화하는 방법을 제공한다.
본 발명의 제7양태는 i) 제1양태 또는 제2양태에 따른 표면증강라만산란(SERS) 나노입자의 표면에 검출하고자 하는 핵산에 상보적인 바이오분자를 기능화하는 단계; ii) 상기 기능화된 SERS 나노입자들을 검출하고자 하는 핵산을 함유하는 것으로 예상되는 시료와 반응시켜 혼성화를 수행하는 단계; 및 iii) 라만 분광법을 수행하여 SERS 나노입자가 결합된 상기 검출하고자 하는 핵산의 존재, 양 또는 둘 모두를 확인하는 단계를 포함하는, 핵산 검출 방법을 제공한다.
본 발명의 제8양태는 표면상에 나노 볼록부를 가진 코어; 및 상기 나노 볼록부에 대응되는 나노 오목부를 내부표면쪽에 가진 금속 쉘을 포함하는, 표면증강라만산란(SERS) 기재를 제공한다.
이하, 본 발명을 자세히 설명한다.
코어-쉘 구조에서, 쉘의 내부표면은 코어와 인접한 쉘의 제1표면이고, 쉘의 외부표면은 제1표면과 반대 표면에 있는 제2표면을 지칭한다.
본 명세서에서, 엠보스(emboss)는 코어에서는 표면에 나노 볼록부를 제공할 수 있고, 금속 쉘의 내부표면쪽에는 상기 나노 볼록부에 대응되는 나노 오목부를 제공할 수 있다. 따라서, 본 명세서에서는 엠보스, 나노 볼록부 및 나노 오목부를 혼용한다.
본 발명자들은 금속 나노쉘 층에 형성된 강한 장이 라만 산란의 실질적인 증강을 유도하는, 내부표면쪽에 나노엠보스를 가진 나노쉘을 제작하였으며, 이러한 나노입자들의 FDTD 계산을 통해 내부표면에 나노엠보스를 가진 나노쉘에서 강한 유도 전자기장이 존재함을 밝혔다. 한편, 실리카와 같은 코어 주위로 금속 나노층을 형성함으로써 내부 형상을 조작할 수 있기 때문에, 나노엠보스 내부 및 나노입자의 외부 표면 위와 같은 여분의 공간에 리포터 염료와 같은 라만활성물질을 포함시킬 수 있다. 또한, 코어의 내부에도 라만활성물질을 더 포함할 수 있다.
예컨대, 본 발명은 나노엠보스를 가진(nanoembossed) 실리카 코어 - 금속 나노쉘로서, 강한 전자기장들을 형성하는 신규 내부 위치를 가진 코어-쉘 구조를 제공할 수 있다.
일실시예에서 실리카 코어 주위에 더 작은 실리카 나노입자를 정전기적으로 조립한 후 습식 과정으로 코어 상에 금 나노종자들을 성장시켜, 내부표면쪽에 나노엠보스를 가진 금 나노쉘(internally nanoembossed gold nanoshell)을 제조하였다. 나노엠보스들과 실리카 코어 사이의 접촉에 의해 형성된 예리한 모서리에서 강한 전자기장의 생성(633 nm에서 |E/Ein|max . = 55)을 FDTD 계산으로 확인하였다. 전자기장의 형성은 나노엠보싱된 실리카 나노입자 내에 봉입되어 있는 라만활성물질인 [Ru(bpy)3]2+에 대해 측정된 SERS 신호에 의해 뒷받침되었다. 본 발명에서는 대응되는 형광신호들 만큼 강한 SERS 신호들을 획득하였다. 라만증강인수는 633 nm 여기 시 최대 1010까지 추정될 뿐만 아니라, 785 nm 레이저 여기 시 필적할만한 증강인자를 획득하였다. 나노엠보스를 가진 나노쉘 층으로부터의 총 세기는 외부 표면 또는 나노입자의 코어에 비해 충분히 높아서, 나노엠보스된 금속 나노쉘은 민감하고 신뢰할만한 표지 입자로서 생물의학적 응용이 가능하다.
구형 금 나노입자는 응집되었을 때 830 nm 여기 파장에서 라만 신호를 109 까지 향상시킬 수 있음에도 불구하고, SERS 증강을 일으키는 핫스팟의 불규칙성과 외부 효과에 대한 취약한 불안정성으로 인해 재현성 있는 SERS 표지재로서는 적합하지 않은 것으로 간주된다. 금 나노입자 응집체와는 달리, 나노엠보스를 가진 금속 쉘의 SRES 신호는 나노쉘 층으로 보호된, 라만활성물질이 포함된 나노엠보스들로부터 생성되므로, 강한 전자기장을 생성하는 나노특성은 외부 환경으로부터 보호되어 보다 안정적이게 된다.
금은 고도의 비활성 물질이다. 따라서, SiO2 나노엠보스들에 봉입된 라만 리포터 염료는 물리적 및 화학적으로 안정할 수 있다. 그 결과, 나노엠보스를 가진 금 나노쉘(nanoembossed gold nanoshell; AuNS)로부터 안정하게 SERS 신호를 생성할 수 있었다. 본 발명은 나노쉘층 내부에서 강한 전자기장이 형성되며 이로 인한 강한 SERS 증강을 얻을 수 있음을 처음으로 제시한다. 그 결과로서 나노쉘 외부 표면, 나노쉘층 내부, 및 나노쉘 내부 코어에 라만활성물질을 담지시킨 구조물은 총 SERS 신호가 매우 높아 미량의 표적 생물분자를 증폭시키거나 하지 않고도 현저히 향상된 분석 민감도로 검출할 수 있으며, 낮은 신호를 측정하기 위한 고사양의 장비의 도움 없이 단순화된 라만 분광기를 이용하여 검출할 수 있는 가능성을 높일 수 있다. 나아가, 구형 SiO2 코어를 이용하여 형성된 것보다 훨씬 더 높은 전자기장을 형성하는, 나노엠보스를 가진 다양한 나노구조물들을, 다양한 구조의 자기조립 주형들로 제조할 수 있다.
요컨대, 본 발명은 금속 나노쉘에서 나노오목부를 가진 내부표면이, 나노쉘의 표면 또는 코어 내부에서 만큼, 강한 SERS 신호를 생성하기 위한 신규한 위치를 제공할 수 있음을 처음으로 밝혔다. 즉, 금속 쉘의 내부표면의 미세구조는 국소 영역에 강한 전자기장이 발생하는 핫스팟을 만들고, 이로부터 높은 SERS 증강을 가능하게 한다.
따라서, 본 발명은 금속 쉘의 내부표면에 나노오목부를 가진 형태로, 상기 나노오목부에 라만활성물질을 위치시킬 수 있어서 금속 쉘 중 나노오목부의 구조에 의해 추가의 SERS를 발휘시킬 수 있는 것이 신규 특징이다. 이는 SERS 증강을 유발할 수 있는 금속 나노쉘에서 나노오목부를 가진 내부표면에 의해 강한 유도 전자기장이 존재함을 밝힌 점에 기초한 것이다.
<본 발명에 따른 표면증강라만산란 ( SERS ) 나노입자>
본 발명에 따른 표면증강라만산란(SERS) 나노입자는 라만활성물질을 담지하면서 표면상에 나노 볼록부를 가진 코어; 및 상기 나노 볼록부에 대응되는 나노 오목부를 내부표면쪽에 가진 금속 쉘을 포함하되, 코어의 나노 볼록부에도 라만활성물질이 담지되어 있는 것일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 표면증강라만산란(SERS) 나노입자는
제1라만활성물질을 담지하고 (+) 전하를 띠는 코어부 및 상기 코어부의 표면상에 형성되어 있으면서 제2라만활성물질을 담지하고 (-) 전하를 띠는 나노 볼록부를 구비하는 제1코어; 또는
제1라만활성물질을 담지하고 (-) 전하를 띠는 코어부 및 상기 코어부의 표면상에 형성되어 있으면서 제2라만활성물질을 담지하고 (+) 전하를 띠는 나노 볼록부를 구비하는 제2코어; 및
상기 나노 볼록부에 대응되는 나노 오목부를 내부 표면쪽에 가진 금속 쉘을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 SERS 나노입자는 나노 볼록부를 가진 코어 내부에 라만활성물질이 담지되어 있을뿐만아니라, 선택적으로 금속 쉘 외부표면 상에도 라만활성물질이 담지될 수 있다.
라만활성물질은 본 발명의 금속 쉘이 하나 이상의 분석물에 부착하였을 때 라만 검출 장치에 의한 분석물의 검출 및 측정을 용이하게 하는 물질을 말한다. 라만 활성물질은 뚜렷한 라만 스펙트럼을 나타내는 것이 바람직하다. 라만 활성물질은 특정 라만 스펙트럼을 보여주기 때문에, 이후 생체분자를 보다 효과적으로 분석할 수 있다.
라만 분광법에 사용될 수 있는 라만활성물질은 유기 또는 무기 분자, 원자, 복합체 또는 합성 분자, 염료, 천연발생 염료(피코에리스린 등), C60과 같은 유기 나노구조체, 벅키볼, 탄소 나노튜브, 양자점, 유기 형광 분자 등을 포함한다. 구체적으로, 라만 활성물질의 예로서, FAM, Dabcyl, TRITC(테트라메틸 로다민-5-아이소티오시아네이트), 로다민 6G(rhodamine 6G), MGITC(말라키트 그린 아이소티오시아네이트), XRITC(X-로다민-5-아이소티오시아네이트), DTDC(3,3-디에틸티아디카보시아닌 아이오다이드), TRIT(테트라메틸 로다민 아이소티올), NBD(7-니트로벤즈-2-1,3-다이아졸), 프탈산, 테레프탈산, 아이소프탈산, 파라-아미노벤조산, 에리트로신, 비오틴, 다이곡시게닌(digoxigenin), 5-카복시-4',5'-다이클로로-2',7'-다이메톡시, 플루오레세인, 5-카복시-2',4',5',7'-테트라클로로플루오레세인, 5-카복시플루오레세인, 5-카복시로다민, 6-카복시로다민, 6-카복시테트라메틸 아미노 프탈로시아닌, 아조메틴, 시아닌(Cy3, Cy3.5, Cy5), 크산틴, 석신일플루오레세인, 아미노아크리딘, 양자점, 탄소동소체, 시아나이드, 티올, 클로린, 브롬, 메틸, 인 또는 황 등이 있으나 이에 제한되지 않는다. 본 실시예에서는 라만 활성물질로 [Ru(bpy)3]2+ 을 사용하였다.
본 발명에서 라만활성물질을 담지하면서 표면상에 나노 볼록부를 가진 코어는 이의 체적에 대응되는 구의 평균 직경이 20 nm 내지 1000 nm인 것이 바람직하고, 50 nm 내지 500 nm인 것이 보다 바람직하다. 코어의 직경이 20 nm 미만이면, 포함할 수 있는 라만활성물질 용량이 작을 뿐만아니라 라만 표면증강 효과가 떨어지고, 1000 nm를 초과하면 생물학적 응용시 많은 제약을 받는다. 나노 볼록부를 고려하지 않은 상태에서 코어의 형상은 구형 또는 타원형일 수 있으나, 임의의 형상 또는 불규칙 형상일 수 있다.
한편, 이에 포함되는 나노 볼록부는 평균 직경 5 내지 50 nm의 크기를 갖는 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않는다.
또한, 상기 표면상에 나노 볼록부를 가진 코어 상에 형성되는 쉘의 두께는 나노 볼록부의 크기에 따라 결정될 수 있고, 1 내지 50 nm인 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않는다.
표면상에 나노 볼록부를 가진 코어는 나노 볼록부의 바닥면 테두리에 전자기장의 형성이 가능한 예리한 모서리를 가지는 것이 바람직하다.
코어 및 이의 나노 볼록부는 라만활성물질을 담지할 수 있는 한 그 재료에 한정되지 아니한다. 코어 및 이의 나노 볼록부는 라만활성물질을 담지할 수 있도록 다공성인 것이 바람직하다.
상기 코어 및 이의 나노 볼록부의 재료는 비전도성 물질인 실리카, 황화금(gold sulfide), 이산화티타늄(titanium dioxide), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate; PMMA), 폴리스티렌 하이드로겔(polystyrene, hydrogels) 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 나노 볼록부의 재료는 주요 코어부의 재료와 동일 또는 상이할 수 있으며, 동일한 재료를 사용하나 서로 달리 개질 또는 개질하지 아니한 것을 사용할 수 있다. 예컨대, 표면상에 나노 볼록부를 가진 코어를 정전기력에 의한 자가조립을 통해 형성하기 위해, 주요 코어부와 나노 볼록부는 각각 독립적으로 (+) 전하를 띠는 실리카 및 (-)전하를 띠는 실리카를 사용할 수 있다. (+) 전하를 띠는 실리카는 아민으로 개질된 실리카이거나, (-) 전하를 띠는 실리카는 카르복실기로 개질된 실리카일 수 있다.
본 발명에 따라 표면상에 나노 볼록부를 가진 코어는
제1라만활성물질을 담지하고 (+) 전하를 띠는 코어부 및 상기 코어부의 표면상에 형성되어 있으면서 제2라만활성물질을 담지하고 (-) 전하를 띠는 나노 볼록부를 구비하는 제1코어; 또는
제1라만활성물질을 담지하고 (-) 전하를 띠는 코어부 및 상기 코어부의 표면상에 형성되어 있으면서 제2라만활성물질을 담지하고 (+) 전하를 띠는 나노 볼록부를 구비하는 제2코어일 수 있다.
이때, 제1라만활성물질 및 제2라만활성물질은 동일 또는 상이할 수 있다.
본 발명에서 라만활성물질을 담지하는 코어는 금속 쉘의 내부표면의 나노 스케일의 미세구조를 형성하기 위한 주형으로서 역할도 수행할 수 있다. 따라서, 코어의 크기 및 모양 등을 다양하게 조절하여 이를 주형으로 하여 형성된 금속 쉘의 내부표면의 미세구조에 의해 표면 플라즈몬 효과를 극대화할 수 있다. 본 발명에 따른 금속 쉘의 내부표면의 미세구조는 주형으로 사용되는 코어의 형상을 나노미터 수준에서 제어하여, 재현성 있는 금속 쉘을 제조할 수 있다.
본 발명에 따라 나노 오목부를 내부표면쪽에 가진 금속 쉘은 코어의 나노 오목부에 대응되는 국소 영역에 강한 전자기장이 발생하는 핫 스팟을 만들고, 이로부터 증가된 라만 신호를 제공할 수 있다.
본 발명에 따라 나노엠보싱 기법을 통해 코어의 나노 볼록부에 대응되는 나노 오목부를 내부표면쪽에 가진 금속 쉘은 강한 장을 형성하기 위한 대안일 뿐만 아니라, 충분한 수의 라만활성물질을 담지하기 위한 대안일 수 있다. 나아가, 구형 SiO2 코어를 이용하여 형성된 것보다 훨씬 더 높은 장을 형성하도록, 다양한 나노구조의 나노엠보스를 내부표면에 가진 금속 쉘을 다양한 자기조립 주형들로, 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 나노엠보스들은, 강한 전자기장을 생성하는 신규 구조들을 제조하기 위한 플랫폼으로 뿐만 아니라, 민감하고 신뢰할 만한 생물의학적 응용들을 허용하는, 강한 SERS 신호를 생성하기 위한 효과적인 접근법이다.
나노쉘의 두께는 1 nm 내지 300 nm일 수 있고, 보다 바람직하게는 1 내지 50 nm일 수 있다.
실험을 통해 상기 범위의 상한을 초과하는 수준으로 쉘의 두께가 증가할 때 라만활성물질인 리포터 염료의 라만 산란이 오히려 감소하는 것을 확인하였다.
금속쉘의 재료는 금, 은, 구리, 백금 또는 알루미늄일 수 있으나, 전자기파의 집중화 효과를 향상시키는 소형 안테나로서 작용할 수 있는 한 그 재료는 한정되지 아니한다.
<본 발명에 따른 표면증강라만산란 ( SERS ) 나노입자의 제조방법>
본 발명에 따른 표면증강라만산란(SERS) 나노입자는
라만활성물질이 로딩된 실리카 코어를 준비하는 제1단계;
상기 실리카 코어의 표면이 (+) 또는 (-) 전하를 띠도록 개질하는 제2단계;
제2단계에서 형성된 실리카 코어와 반대 전하를 띠면서, 라만활성물질이 도핑된 실리카 나노입자들을 정전기적 상호작용을 통해 제2단계에서 형성된 실리카 코어 표면상에 조립시켜, 나노 볼록부를 구비하는 실리카 코어를 제조하는 제3단계;
제3단계에서 형성된 실리카 코어에 금속 나노종자들을 부착시키는 제4단계;
성장용액에서 나노종자를 성장시켜 나노 볼록부를 가진 실리카 코어 주위에 상기 나노 볼록부에 대응되는 나노 오목부를 내부 표면쪽에 가진 금속쉘을 형성시키는 제5단계를 포함하는 제조방법에 의해 제공될 수 있다.
도 1은 일구체예에 따라 내부표면쪽으로 나노엠보스를 가진 금 나노쉘을 제조하는 방법을 개략적으로 나타낸 도이다. 먼저, 음으로 하전된 나노돌출 실리카 나노입자를 양으로 하전된 실리카 코어 상에 조립한다. 실리카 코어 상의 금 종자 상에서의 HAuCl4 환원에 의해 나노엠보싱된 실리카 코어 주위에 금 나노쉘 층을 형성한다. 코어 입자들 상에 염료-담지된 SiO2 나노입자들을 배열하여 나노엠보싱을 제작하는데 활용된 자기조립법을 이용하면 적용하고자 하는 목적에 맞게 나노엠보스들의 크기 및 수를 용이하게 조절할 수 있다.
상기 제1단계는 마이크로에멀젼 방법으로 수행될 수 있다.
나노 볼록부를 가진 코어 입자 표면에 금속 나노쉘을 형성시키는 제5단계는, 금속 전구체 함유 성장용액에서 10~100℃에서 반응을 수행할 수 있다.
반응온도가 10℃ 미만이면 금속 쉘을 형성시키는데 너무 많은 시간이 소요되고, 100℃를 초과하면 금속 쉘이 불균일하게 형성될 수 있다. 상기에서 반응시간은 반응온도에 따라 1분~24시간으로 조절될 수 있다.
은 전구체는 AgNO3 또는 AgClO4일 수 있고, 금 전구체는 HAuCl4 등의 Au 이온이 포함된 임의의 화합물일 수 있다. 구리 전구체는 Cu(NO3)2, CuSO4일 수 있다. 은 이온이나 금 이온을 금 또는 은 나노쉘로 전환하는데 필요한 환원제로는 하이드로퀴논(hydroquinone), 소듐보로하이드라이드(NaBH4), 아스코르브산 소디움(Sodium Ascorbate), 포름알데하이드 등이 있다. 상기 성장용액의 용매는 정제수, 수용액(예, 인산 완충액)일 수 있다. 나노쉘의 정밀한 두께 조절을 위하여 추가로 안정화제(stabilizer)를 추가할 수 있다.
<본 발명에 따른 표면증강라만산란 ( SERS ) 나노입자의 응용>
본 발명은 본 발명에 따른 SERS 나노입자를 구비한 라만 프로브를 제공한다.
또한, 본 발명은 기재 상에 본 발명에 따른 SERS 나노입자들이 코팅된 표면증강라만산란(SERS) 기재를 제공한다. 이때, SERS 나노입자 함유 코팅층은 SERS 나노입자들의 접근 또는 접촉에 의해 인접한 SERS 나노입자들 사이에서 추가로 전자기장 증폭을 유도할 수 있다.
본 발명에 따른 SERS 나노입자는 검출하고자 하는 분석물을 인식할 수 있는 바이오분자가 기능화되어, 각종 생체분자들을 검출하는데 응용될 수 있는 라만 프로브로 사용될 수 있다.
예컨대, 검출하고자 하는 분석물은 아미노산, 펩타이드, 폴리펩타이드, 단백질, 글리코프로테인, 리포프로테인, 뉴클레오시드, 뉴클레오티드, 올리고뉴클레오티드, 핵산, 당, 탄수화물, 올리고사카라이드, 폴리사카라이드, 지방산, 지질, 호르몬, 대사산물, 사이토카인, 케모카인, 수용체, 신경전달물질, 항원, 알레르겐, 항체, 기질, 대사산물, 보조인자, 억제제, 약물, 약학물, 영양물, 프리온, 독소, 독물, 폭발물, 살충제, 화학무기제, 생체유해성 제제, 방사선동위원소, 비타민, 헤테로사이클릭 방향족 화합물, 발암물질, 돌연변이유발요인, 마취제, 암페타민, 바르비투레이트, 환각제, 폐기물 또는 오염물일 수 있다. 또한, 분석물이 핵산일 경우 상기 핵산은 유전자, 바이러스 RNA 및 DNA, 박테리아 DNA, 곰팡이 DNA, 포유동물 DNA, cDNA, mRNA, RNA 및 DNA 단편, 올리고뉴클레오티드, 합성 올리고뉴클레오티드, 개질된 올리고뉴클레오티드, 단일 가닥 및 이중 가닥 핵산, 자연적 및 합성핵산을 포함한다.
분석물을 인식할 수 있는, 본 발명에 따른 SERS 나노입자의 표면에 결합될 수 있는 바이오 분자의 비제한적인 예는 항체, 항체 단편, 유전조작 항체, 단일 쇄항체, 수용체 단백질, 결합 단백질, 효소, 억제제 단백질, 렉틴, 세포 유착 단백질, 올리고뉴클레오티드, 폴리뉴클레오티드, 핵산 또는 압타머를 들 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 SERS 나노입자는, 표면에 라만활성물질이 결합된 후,추가로 나노입자 전체가 무기물로 코팅될 수 있다. 무기물로 나노입자 전체가 코팅되면 구조가 변형될 가능성이 적어지므로 나노입자의 구조를 안정하게 유지할 수 있어 보관 및 사용에 보다 바람직할 뿐만아니라, 무기물 코팅층에 의해 나노입자들의 간격을 일정하게 유지하여 SERS 나노입자들의 응집에 의해 인접한 SERS 나노입자들 사이에서 추가로 전자기장 증폭 유도 시 재현성을 확보할 수 있다. 상기 무기물은 SERS 나노입자의 구조를 유지하고, 라만 신호에 영향을 주지 않는 물질이면 제한되지 않으며, 일례로 실리카를 사용할 수 있다.
표면증강 라만 산란 기술은 기본적으로 낮은 power의 레이져를 사용하기 때문에, 시료에 대해 비파괴적이다. 또한, 라만 프로브의 제작 기술 발전과 더불어 생체 적합성이 뛰어난 재료를 이용하여 세포 및 생체 내에서의 질병 진단에 다각도로 적용될 수 있다. 세포 및 생체 내에서 라만 프로브의 이동 및 생체 적합성을 높이기 위해 라만 프로브의 표면을 고분자 리간드나 실리카와 같은 생체 적합성 물질로 코팅할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 바이오 물질간의 특이적 반응(DNA hybridization, 항원-항체반응 등)을 이용하여 세포 및 생체 내에서 특정 질병에 대한 고감도 진단이 가능하다. 또한 신원확인, 혈연관계 확인, 세균이나 세포 동정 또는 동식물의 원산지 확인에 사용할 수 있으나, 그 응용 분야는 이에 제한되지 않는다.
따라서, 본 발명에 따른 SERS 나노입자를 사용한 비파괴 표면증강 라만 분석기술은 살아 있는 세포 및 생체 내에서 특정 질병에 대한 실시간 모니터링 및 치료약물 개발분야에도 활용될 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 SERS 나노입자는 SERS 신호가 극대화 될 수 있는 미세구조를 재현성 있게 확보할 수 있으므로, 매우 신뢰도 높은 유용한 초고감도 생체 분자 분석법에 사용될 수 있으며, 체외 진단법 외에도 생체 내 이미징 기술로도 매우 유용하다.
일구체예로, 본 발명에 따른 SERS 나노입자를 이용하여, 분석물을 검출 또는 영상화하는 방법은
a) 본 발명에 따른 SERS 나노입자의 표면에 검출하고자 하는 분석물과 결합할 수 있는 바이오분자를 기능화하는 단계;
b) 기능화된 SERS 나노입자를 하나 이상의 분석물을 포함하는 시료에 노출시키는 단계; 및
c) 라만 분광법을 이용하여 SERS 나노입자가 결합된 분석물을 확인하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 일구체예로, 본 발명에 따른 SERS 나노입자를 이용하여, 핵산을 검출하는 방법은
i) 본 발명에 따른 SERS 나노입자의 표면에 검출하고자 하는 핵산에 상보적인 바이오분자를 기능화하는 단계;
ii) 상기 기능화된 SERS 나노입자들을 검출하고자 하는 핵산을 함유하는 것으로 예상되는 시료와 반응시켜 혼성화를 수행하는 단계; 및
iii) 라만 분광법을 수행하여 SERS 나노입자가 결합된 상기 검출하고자 하는 핵산의 존재, 양 또는 둘 모두를 확인하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 검출하고자 하는 핵산을 함유하는 것으로 예상되는 시료는 채취한 시료 자체로 사용하거나, 이로부터 검출하고자 하는 핵산을 분리, 정제 또는 증폭시켜 사용할 수 있다.
임의의 공지된 라만 분광법을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 표면 증강 라만 산란법(SERS, Surface Enhanced Raman Scattering), 표면 증강 공명 라만 분광법(SERRS, Surface enhanced resonance Raman spectroscopy), 하이퍼-라만 및/또는 비간섭성 반스톡스라만 분광법(CARS, coherent anti-Stokes Raman spectroscopy)을 사용할 수 있다.
표면 증강 라만 산란법(SERS)은 거칠게 처리된 특정 금속 표면에 흡착되어 있거나 수 나노미터 이내의 거리(d≤10 nm)에 위치해 있을 때 발생되는 라만 산란의 일종으로 이때 라만 산란의 세기는 일반 라만의 세기와 비교하여 106 ~ 108 배 이상 증가되는 현상을 이용한 분광법이다. 표면 증강 공명라만 분광법(SERRS)은 SERS 활성 표면에서의 흡착물에 대한 레이저 여기 파장의 공명 현상을 이용한 분광법이다. 비간섭성 반스톡스 라만 분광법(CARS)은 라만 활성 매질에 고정가변의 두 레이저 광을 입사시키고, 이들의 결합에 의해 얻어지는 반(反) 스토크스 방사의 스펙트럼을 측정하는 분광법이다.
본 발명에 따른 SERS 나노입자를 이용한, 핵산 검출 방법은 핵산에 대한 기타 정보, 예컨대, 샘플에 존재하는 1종 이상의 단일 염기 다형성(SNP) 또는 다른 유전적 변이의 형태를 검출할 수 있으며, 나아가 DNA 시퀀싱에도 응용이 가능하다.
기재 상에 본 발명에 따른 표면증강라만산란(SERS) 나노입자들이 코팅된 표면증강라만산란(SERS) 기재, 예컨대 라만 활성 기판은, 하나 이상의 라만 검출 단위장치와 작동가능하게 결합될 수 있다. 라만 분광법에 의한 분석물의 검출을 위한 여러 방법은 당해 분야에 공지되어 있다(예컨대, 미국특허 제6,002,471호, 제6,040,191호, 제6,149,868호, 제6,174,677호, 제6,313,914호). SERS 및 SERRS에서, 라만 검출의 감도는 거친 금속 표면, 예컨대 은, 금, 백금, 구리 또는 알루미늄 표면 상에 흡수된 분자에 대해 106 이상으로 증강된다.
라만 검출 장치의 비제한적인 예는 미국특허 제6,002,471호에 개시되어 있다. 여기 빔으로, 펄스 레이저 빔 또는 연속 레이저 빔이 사용될 수 있다. 여기 빔은 공초점의 광학기 및 현미경 렌즈를 통과하여 하나 이상의 분석물을 함유하는 라만 활성 기판 상으로 초점이 모아진다. 분석물로부터의 라만 방출 광은 현미경 렌즈 및 공초점 광학기에 의해 모아지고 스펙트럼 분리를 위해 단색광장치와 결합된다. 공초점 광학기로는 배경 신호를 감소시키기 위한 다이크로익 필터(dichroic filter), 차단 필터, 공초점 핀홀, 대물렌즈 및 거울의 조합을 포함한다. 공초점 광학기 뿐만 아니라 표준 풀 필드(full field) 광학기도 사용될 수 있다. 라만 방출 신호는 신호를 카운팅하고 디지털화하는 컴퓨터와 인터페이스로 연결된 사태형 광다이오드를 포함하는 라만 검출기)에 의해 검출된다.
당해 분야에 공지된 임의의 적절한 형태 또는 구성의 라만 분광법 또는 관련 기법이 분석물 검출에 사용될 수 있으며, 노말 라만 스캐터링, 공명 라만스캐터링, 표면 증강 라만 스캐터링, 표면 증강 공명 라만 스캐터링, 비간섭성 반스톡스 라만 분광법(CARS), 자극 라만 스캐터링, 역 라만 분광법, 자극 게인 라만분광법, 하이퍼-라만 스캐터링, 분자 광학 레이저 시험기(molecular optical laser examiner, MOLE) 또는 라만 마이크로탐침 또는 라만 현미경법 또는 공초점 라만 마이크로분광기, 3차원 또는 스캐닝 라만, 라만 포화 분광법, 시간 분해 공명 라만, 라만 해리 분광법 또는 UV-라만 현미경법을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
라만 검출 장치는 컴퓨터와 작동가능하게 결합될 수 있다. 상기 컴퓨터의 비제한적인 예는 정보를 상호교환하는 버스 및 정보 처리를 위한 프로세서를 포함할 수 있다. 컴퓨터는 램(RAM) 또는 다른 동적 저장 장치, 롬(ROM) 또는 다른 정적 저장 장치 및 데이터 저장 장치, 예컨대 마그네틱 디스크 또는 광학 디스크 및 이와 상응하는 드라이브를 추가로 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨터는 당해 분야에 공지된 주변 장치, 예컨대 표시 장치(예컨대, 음극 선관 또는 액정 표시), 알파벳 입력 장치(예컨대, 키보드), 커서 조절 장치(예컨대, 마우스, 트랙볼 또는 커서 방향키) 및 커뮤니케이션 장치(예컨대, 모뎀, 네트워크 인터페이스 카드 또는 에더넷, 토큰 링 또는 기타 유형의 네트워크와 결합하는데 사용된 인터페이스 장치)를 포함할 수 있다.
검출 장치로부터의 데이터는 프로세서에 의해 처리되고 데이터는 주기억장치에 저장될 수 있다. 프로세서는 라만 활성 기판에서의 분석물로부터의 방출 스펙트럼을 비교하여 샘플의 분석물 유형을 확인할 수 있다. 프로세서는 검출 장치로부터의 데이터를 분석하여 여러 분석물의 정체 및/또는 농도를 측정할 수 있다. 서로 다르게 구비된 컴퓨터는 특정 이행에 사용될 수 있다. 데이터 수집작업 이후, 전형적으로 데이터는 데이터 분석 작업으로 보내질 것이다. 분석 작업을 용이하게 하기 위해, 검출 장치에 의해 수득된 데이터는 상기한 바와 같이 디지털 컴퓨터를 사용하여 전형적으로 분석할 것이다. 전형적으로, 컴퓨터는 검출 장치로부터의 데이터 수용 및 저장 뿐만 아니라 수집된 데이터의 분석 및 보고를 위해 적절히 프로그래밍될 것이다.
또한, 본 발명은 표면상에 나노 볼록부를 가진 코어; 및 상기 나노 볼록부에 대응되는 나노 오목부를 내부표면쪽에 가진 금속 쉘을 포함하는, 표면증강라만산란(SERS) 기재를 제공할 수 있다.
예컨대, 상기 금속 쉘의 두께가 나노 볼록부의 직경보다 작은 경우 금속 쉘과 나노 볼록부의 계면 또는 외부로 노출된 쉘의 표면에서 핫스팟이 형성되므로 내부에 라만활성분자를 포함하지 않더라도 표면에 부착된 라만활성물질의 신호를 현저히 향상시킬 수 있으므로, 표면증강라만산란 기재로 유용하게 사용될 수 있다.
상기와 같이, 나노 볼록부의 직경보다 얇게 쉘이 형성된 경우 제공되는 나노구조물의 예를 도 15에 나타내었다. 도 15에 나타난 바와 같이, 상기 구조물은 내부표면쪽에 뿐만아니라, 쉘의 외부 표면 쪽에도 첨예한 구조가 형성되어 전자기장이 현저히 증가되는 핫스팟을 제공할 수 있으므로, 상기 나노구조물의 내부에 라만활성분자를 포함하지 않더라도 상기 나노구조물의 외부 표면에 형성된 쉘의 첨단부에 가까이 위치한 라만활성분자의 신호를 현저히 증강시키는 효과를 나타낼 수 있으므로 그 자체로서 표면증강라만산란 기재로 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 나노엠보스들은, 강한 전자기장을 생성하는 신규 구조들을 제조하기 위한 플랫폼으로 뿐만 아니라, 민감하고 신뢰할 만한 생물의학적 응용들을 허용하는, 강한 SERS 신호를 생성하기 위한 효과적인 접근법이다.
도 1은 일구체예에 따라 내부표면쪽으로 나노엠보스를 가진 금 나노쉘을 제조하는 방법을 개략적으로 나타낸 도이다. (a)는 실시예 1에 사용된 편평한 실리카 코어의 투과전자현미경(transmission electron microscope; TEM) 이미지를, (b)는 금 종자가 부착된 나노엠보싱된 실리카 코어의 TEM 이미지를, (c)는 (b)에서 점선으로 표시된 상자의 확대된 이미지를, (d)는 편평한 실리카 코어 상에 제조된 금 나노쉘의 TEM 이미지를, (e)는 나노엠보싱된 실리카 코어-금 나노쉘의 TEM 이미지를 나타낸다. 스케일바는 100 nm이다.
도 2는 (a) 편평한 실리카 코어-금 나노쉘 및 (b) 나노엠보싱된 실리카 코어-금 나노쉘의 UV-Vis 흡수(extinction) 스펙트럼을 나타낸 도이다. 실선은 실험적으로 측정된 데이터를 나타내며, 점선은 FDTD를 사용하여 물에서 계산된 스펙트럼을 나타낸다.
도 3은 실리카 코어 상에 부착된 나노엠보스들의 수에 따른 물에서 나노엠보싱된 금 나노쉘의 흡수 스펙트럼을 나타낸 도이다. 스펙트럼은 FDTD를 이용하여 계산하였다.
도 4는 633 nm 여기 파장에서 나노엠보싱된 실리카 코어-금 나노쉘의 3-D FDTD 계산 결과를 나타낸 도이다. 나노엠보싱된 실리카 코어-금 나노쉘의 국소화된 전자기장 분포를 나타낸다. 실리카 코어의 반경은 61.8 nm이다. 쉘의 두께는 28.7 nm이다. 나노엠보스들의 수(d=15.7 nm)는 100이다. 스케일바는 100 nm이다. 전자기장 진폭은 입사 장 진폭(incident field amplitude)에 대해 정상화한다.
도 5는 633 nm 여기 파장에서 나노엠보싱된 실리카 코어-금 나노쉘을 통해 형성된 계산된 전자기장의 프로파일을 나타낸 도이다. 실리카 코어의 반경은 61.8 nm이다. 쉘의 두께는 28.7 nm이다. 나노엠보스들(d=15.7 nm)의 수는 100이다. 장 진폭은 입사 장 진폭에 대해 정상화한다.
도 6은 나노엠보싱된 실리카 코어-금 나노쉘의 쉘 두께의 함수로서 633 nm 여기 파장에서 SERS 세기를 나타낸 도이다. (a)는 단일 나노엠보싱된 금 나노쉘로부터 획득한 SERS 스펙트럼을, (b)는 단일 나노엠보싱된 금 나노쉘의 1487 cm-1에서 SERS 세기를 나타낸다.
도 7은 513 nm 여기 파장에서 획득한 SERS 및 형광을 비교하여 나타낸 도이다. (a)는 단일 나노엠보싱된 금 나노쉘로부터의 SERS 스펙트럼을, (b)는 약 8개 나노엠보싱된 실리카 코어들로부터 획득한 형광 스펙트럼을 나타낸다.
도 8은 단일 편평한 실리카 코어-금 쉘 상에서 [Ru(bpy)3]2+ 농도의 함수로서 633 nm 여기 파장에서 SERS 신호를 나타낸 도이다. (a)는 금 나노쉘 상에 다양한 농도(0.05 mM, 0.1 mM, 0.5 mM, and 1 mM )로 염료를 분산시킨 후 획득한 SERS 스펙트럼을, (b)는 염료 농도의 함수로서 1487 cm-1에서 SERS 세기를 나타낸다.
도 9는 [Ru(bpy)3]2+가 봉입된 나노엠보싱 실리카 나노입자의 수용액에서의 광발광을 나타낸 도이다.
도 10은 785 nm 여기 파장에서 단일 나노엠보싱된 금 나노쉘의 SERS 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 11은 [Ru(bpy)3]2+가 봉입된 실리카 코어-금 쉘의 SERS 신호를 나타낸 도이다. (a)는 염료가 봉입된 실리카 코어-금 쉘의 TEM 이미지를, (b)는 염료가 봉입된 실리카 코어-금 쉘의 UV/Vis 흡수을, (c)는 염료가 봉입된 실리카 코어-금 쉘의 633 nm 여기 파장에서 SERS 스펙트럼을 나타낸다.
도 12는 용액 중에서 [Ru(bpy)3]2+ 및 실리카 나노입자의 흡수 스펙트럼을 비교하여 나타낸 도이다. (a)는 물에서의 [Ru(bpy)3]2+, (b)는 [Ru(bpy)3]2+ 봉입된 나노엠보싱 실리카 나노입자, (c)는 실리카 코어, (d)는 [Ru(bpy)3]2+ 나노엠보싱된 실리카 코어, 및 (e)는 [Ru(bpy)3]2+ 봉입된 실리카 코어에 대한 결과를 나타낸다.
도 13은 리포터 염료 봉입 위치에 따른 SERS 신호를 비교하여 나타낸 도이다. (a) 및 (b)는 각각 SERS 스펙트럼 및 633 nm 여기시 리포터 염료의 봉입된 위치에 따른 단일 AuNS의 1487 cm-1에서 세기를 나타낸다.
도 14는 나노엠보싱을 포함 및 불포함하는 염료 도핑된 실리카 코어(직경 132.4±10.5 nm) 상에 제조된 AuNS의 SEM(각각 (a) 및 (b)) 및 실리카 코어 및 염료 도핑된 실리카 코어 상의 나노엠보싱의 TEM 이미지를 나타낸 도이다. 스케일바는 100 nm임.
도 15는 쉘이 나노엠보스보다 얇게 형성되었을 때 생성되는 구조를 나타낸 도이다. 우측은 나노엠보스가 조밀하게 위치하여 이웃한 나노엠보스끼리 서로 접촉된 경우, 좌측은 나노엠보스가 덜 조밀하게 위치하여 이웃한 나노엠보스들이 소정의 간격으로 이격된 경우에 형성되는 구조물을 나타낸다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
실시예 1: 내부표면쪽에 나노엠보스를 가진 나노쉘의 합성
먼저 주형으로서 나노엠보스된 실리카 코어를 제조하고 상기 실리카 코어에 금 나노층을 덮었다. 도 1a에는, 나노입자의 대량 생산에 유리한 습식 공정을 통해, 나노쉘층에 내부표면쪽으로 나노엠보스들을 제조하는 방법을 개략적으로 묘사하였다.
스토버 기법(Stover method)으로 실리카 코어를 합성하고, 변형된 유중수 마이크로에멀젼 방법으로 라만 리포터 염료로서 [Ru(bpy)3]2+를 로딩하였다. 구체적으로 1.5 ml의 테트라에틸 오르소실리케이트(tetraethyl orthosilicate; TEOS, Sigma)를 2.8 ml의 NH4OH를 포함하는 45 ml 에탄올에 첨가하고, 실리카 코어에 Ru(bpy)를 도핑하기 위하여 0.1 M 트리스(2,2-바이피리딜)디클로로루테늄(II)(Ru(bpy))을 상기 혼합물에 첨가하여 8시간 동안 반응시켰다. 이후 126 μl의 APTES(amninopropyltrimethoxy silane)를 상기 혼합물에 첨가하여 8시간 동안 인큐베이션한 후 APTES 처리된 실리카 코어를 2시간 동안 끓였다. 반응하지 않은 시약을 제거하기 위하여, 실리카 코어를 2000 g에서 30분 동안 원심분리하였다. 상층액을 제거한 후, 탐침형 초음파 처리기(VC 750, Sonics)를 이용하여 10분 동안 펠렛을 50 ml의 신선한 에탄올에 재분산시켰다. 원심분리에 의한 정제를 2회 더 반복하였다. 아민화된 실리카 코어를, 상기 변형된 유중수 마이크로에멀젼 방법으로 합성한 Ru(bpy) 도핑된 더 작은 실리카 나노입자로 나노돌출된 구조를 형성하였다. 음으로 하전된 염료 도핑된 실리카 나노입자들(SiO2 NP; 평균 직경: 15.7±2.1 nm, 및 ζ-전위: -17.47±1.73)과 정전기적 상호작용을 통해 조립시킴으로써, 아민으로 개질된 코어(평균 직경: 123.6±12.7 nm, 및 ζ-전위: 43.4±0.76)에 엠보스들을 부여하였다. 나노엠보싱된 실리카 나노입자들 사이의 평균 거리는 ~23.3 nm로 계산되었다. 3회의 원심분리를 통해 정제한 후, 과량의 금 나노종자들와 혼합하여 나노엠보스싱된 실리카 코어에 2 내지 3 nm 직경의 금 나노종자들을 부착시켰다. 도 1b 및 1c의 TEM 이미지는 엠보스 구조 및 실리카 코어 상의 금 나노종자들의 균일한 부착을 명확히 보여주고 있다. 최종적으로 성장 용액에서 30% 포름알데하이드 6.7 μl를 첨가하여 HAuCl4(0.0148%)를 환원시켜, 금 나노종자를 성장시켜 나노엠보싱된 실리카 코어 주위를 덮도록 금 나노층을 형성하였다. 합성된 나노입자의 크기는 TEM으로 측정하였다.
실시예 2: 염료 도핑된 나노엠보싱 실리카 나노입자
Ru(bpy) 0.1 M 수용액 90 μl를 0.1 M 폴리옥시에틸렌 노닐페놀 에테르(Sigma) 10 ml에 첨가하고, 100 μl TEOS 및 60 μl의 29.6 중량% NH4OH를 첨가하였다. 혼합물을 24시간 동안 교반한 후, TEOS 및 카르복시에틸실란트리올, 나트륨염(25 중량% 수용액, Gelest)을 상기 혼합물에 첨가하였다. 혼합물을 24시간 동안 더 반응시키고 에탄올을 첨가하여 마이크로에멀젼을 파괴하고 입자를 회복하였다. 3회 원심분리 세척 단계 후 최종 나노엠보싱 실리카 나노입자를 회수하였다. 이후 나노엠보싱 실리카 나노이자를 초순수에 분산시켰다.
비교예 1: 내부표면쪽이 편평한 금 나노쉘 ( AuNS ) 합성
실시예 1에서 스토버 기법으로 실리카 코어를 합성하되, 음으로 하전된 염료 도핑된 실리카 나노입자들을 부착하여 나노엠보싱을 부여하지 아니하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 내부표면쪽이 편평한 금 나노쉘(AuNS) 합성하였다.
실험예 1: 내부표면쪽에 나노엠보스를 가진 나노쉘의 분광학적 특성분석
도 2에, 내부표면쪽이 편평한 금 나노쉘(AuNS) 및 내부표면쪽에 나노엠보스를 가진 금 나노쉘(AuNS) 각각에 대한 여기 스펙트럼을 나타내었다. 도 2a에 나타난 바와 같이, 내부표면쪽이 편평한 AuNS는 2개의 구별되는 플라즈몬 공명(~763 nm에서 쌍극자 및 ~615 nm에서 사중극자 플라즈몬 공명)을 나타내었다. 나노엠보스를 가진 AuNS에서 관찰된 플라즈마 공명(도 2b)은 내부표면쪽으로 편평한 AuNS에 비해 쌍극자 플라즈몬 공명은 감소되기는 하였으나, 내부표면쪽으로 편평한 AuNS에 대한 것에 비해 장파장 이동(적색편이)된 830 nm 및 630 nm에서 각각 특징적인 쌍극자 플라즈몬 공명 및 사중극자 공명을 나타내었다. FDTD 계산에 따르면, 나노엠보스들의 존재는 AuNS의 장파장 이동된 여기 스펙트럼을 유도하였다(도 3). 또한, 표면의 거칠기는 플라즈몬 스펙트럼의 폭을 넓히고 장파장 이동을 유도하였다. 그 결과 표면 거칠기 및 내부표면쪽의 나노엠보스는 예상되는 스펙트럼보다 더 강한 장파장 이동을 유발하였다.
실험예 2: 내부표면쪽에 나노엠보스를 가진 나노쉘 구조에 의한 장 증강 효과
FDTD 계산에 의해 633 nm의 SERS 여기 파장에서 나노엠보스들 내부의 전자기장 증강(electromagnetic field enhancement)을 확인하였다(도 4). 도 4에 나타난 바와 같이, 나노엠보스들과 코어 사이의 접촉점 근처에 강한 전자기장이 형성되었다. 이웃한 나노엠보스들 사이의 거리에 대응하여, 100개 나노엠보스들을 가진 AuNS의 경우 가장 강한 장(|E/Ein|max .=55)이 나노엠보스들과 코어의 접촉에 의해 형성되는 두개의 모서리에서 얻어졌다(도 5). 코어 SiO2 NP와 접한 단일 나노엠보스의 형상(shape)은 예리한 둥근 모서리를 갖는 나노초승달과 유사하였다. 안테나 효과는 나노초승달의 예리한 둥근 모서리 주위에서 강한 국소 전자기장 증강을 유발한다고 알려져 있다. 유사하게, 나노엠보싱된 실리카 코어 상에 나노쉘 층을 형성하면 예리한 형상(sharp feature)를 형성할 수 있으며, 접촉 부위 주변에서 강한 장의 형성을 허용할 수 있다. 나노엠보스들의 내부 SERS에 대한 기여를 평가하기 위하여, 실시예 1에 따라 합성된 AuNS에서 나노엠보스들 및 코어 SiO2 각각의 내부에 있는 리포터 염료 [Ru(bpy)3]2+의 라만 산란을 측정하였다. 도 6에는 쉘 두께에 따른 내부표면쪽에 나노엠보스들을 가진 AuNS로부터 염료의 라만 스펙트럼을 나타내었다. 동일 부피 내에서 HAuCl4의 양을 유지시키면서 나노엠보싱된 SiO2 NPs의 양을 변화시킴으로써 쉘 두께를 조절하였다. 합성된 입자들을 APTES로 개질된 유리 기재 상에 증착시켰다. 2시간 후, 초순수로 기재를 3회 세척하고 부착되지 않은 입자들을 제거하고 질소 기체로 조심스럽게 건조시켰다. 시료의 스팟(633 nm 레이저를 1.03 μm 직경으로 초점화)을 각 스캔 당 3초 통합 시간을 사용하여 30회 스캔하였다. 도 6에 나타난 바와 같이, 리포터 염료의 선명한 라만 산란 띠를 수집하였다. 염료의 특성 모드로서 1487 cm- 1 에서의 입자 당 라만 산란을 사용하여 각 나노입자의 SERS를 비교하였다. ~28.7 nm 두께의 쉘을 갖는 내부표면쪽에 나노엠보스를 가진 나노쉘로부터 가장 강한 라만 산란 신호를 획득하였다. 또한, 일정 두께 이상의 두꺼운 쉘을 가질 때 리포터 염료의 라만 산란이 감소하는 것을 확인하였다.
SERS 증강에 대한 나노엠보스들의 기여도를 평가하기 위하여, 514 nm에서 여기시키고, 금 나노쉘이 없는 SiO2 NP 내부에 있는 리포터 염료의 라만 산란은 매우 약하여 측정이 어렵기 때문에 이의 형광을 측정하고, 내부표면쪽으로 나노엠보스들을 가진 AuNS은 SERS 스펙트럼을 측정하여 신호-대-잡음 비를 비교하였다. 도 7에 나타난 바와 같이, 나노엠보스들의 존재시, 단일 나노쉘 당 라만 산란은 나노쉘 층 없이 이에 상응하는 단일 나노입자의 형광 신호만큼 강하였다. 514 nm에서 리포터 염료의 형광 효율(fluorescence cross section, ~2.0×10-19 cm-2) 및 염료의 라만 효율(Raman cross section, ~2.9×10-26 cm-2)을 고려할 때, 라만 신호 증강 인자(enhancement factor; EF)는 107 수준이다. λex = 633 nm에서 SERS 세기는 λex = 514 nm에서의 세기보다 2자리수 더 높으나 633 nm 레이저 출력이 514 nm 레이저에 비해 1자리수 더 낮으므로, λex = 633 nm에서 EF는 최소한 1010 수준일 수 있다.
나아가, 나노엠보스들을 가진, 염료 도핑된 AuNS의 SERS 세기를 내부표면쪽에 나노엠보스들이 없는 AuNS의 코어 SiO2 NP 의 내부에 그리고 편평한 외부 표면 상에 있는 염료의 SERS 세기 각각과 비교하였다(도 8). 도 8에 나타난 바와 같이, 나노엠보스를 가진 AuNS의 SERS 신호는 다른 두개 구조의 SERS 신호와 유사하였다. 단순한 AuNS 상에서 SERS는 0.5 mM의 리포터 염료 농도에서 포화되는 경향을 나타내었다. 나노엠보스를 가진 AuNS로부터 획득한 SERS 세기는 편평한 AuNS 상의 1 mM 농도의 리포터 염료로부터의 신호보다 약 2배 더 높았다. AuNS 표면 상에 그리고 나노엠보스들의 내부에 있는 염료 분자들의 수가 불명확하므로, 현재로서는 2개 구조에 의해 유발되는 SERS 증강의 정확한 비교는 불가능하다. 그러나, 이와 같은 결과는 나노엠보스들이 나노쉘 외부 표면 상의 신호만큼 강한 내부 라만 신호 수집을 가능하게 함을 나타내는 것이다. 나노엠보싱된 코어 SiO2 NP 및 리포터 염료가 도핑된 코어 SiO2 NP의 유사한 흡수 스펙트럼으로부터 상기 2개 구조에서 현저한 염료 수의 차이는 없음을 확인하였다(도 9). 리포터 염료 분자의 수를 고려할 때, 내부 나노쉘 층은 강한 SERS 신호를 제공하는데에 AuNS 코어만큼 효율적이었다. 또한, 나노엠보싱 기법은 다른 2개 기법과 비교하여, 강한 장을 형성하기 위한 대안일 뿐만 아니라 충분한 수의 라만 리포터 염료를 담지하기 위한 대안일 수 있다.
AuNS의 내부 쉘 층이, 나노쉘의 표면 또는 코어 내부에서 만큼, 강한 SERS 신호를 생성하기 위한 신규한 위치를 제공할 수 있음을 확인하였다. 나노엠보스를 가진 AuNS의 내부 구조는 일련의 배열된 초승달과 닮아있다. 초승달과 유사하게, 내부면이 가공된 AuNS는 강한 장을 생성하는 구조를 갖는다. 결과적으로, 상기 구조를 통해 633 nm 여기 파장에서 1010 SERS 증강을 달성할 수 있었다. 785 nm 및 633 nm 여기 파장에서의 유사한 SERS 세기(도 10)는 나노엠보스를 가진 AuNS가 생물학적 시료의 검출 및 영상화에 유용하게 사용될 수 있음을 나타내는 것이다.
마지막으로, 본 발명자들은 나노엠보싱 구조물의 각기 다른 위치에 리포터 염료를 포함하도록 제조하고 상기 리포터 염료의 SERS를 측정하였다(도 13). 일체형 구조(all-in-one structure)의 측정된 총 SERS는 3개의 단순 합계보다 더 높았다. 일체형 구조에 사용된, 염료가 도핑된 실리카 코어는 염료가 도핑되지 않은 실리카 코어보다 크기 때문에 보다 많은 수의, 염료가 도핑된 엠보스가 이에 부착될 수 있고(도 14d), 금 나노쉘 구조를 형성하였을 때 표면의 거칠기가 더 크므로(도 14b), 결과적으로, 다른 3개 AuNS에 비해 현저히 높은 SERS를 획득할 수 있었다.

Claims (23)

  1. 표면상에 나노 볼록부를 가진 코어; 및 상기 나노 볼록부에 대응되는 나노 오목부를 내부표면쪽에 가진 금속 쉘을 포함하되, 코어의 나노 볼록부에도 라만활성물질이 담지되어 있는 것인, 표면증강라만산란(SERS) 나노입자.
  2. 제1항에 있어서, 표면상에 나노 볼록부를 가진 코어는 나노 볼록부의 바닥면 테두리에 전자기장의 형성이 가능한 예리한 모서리를 가지는 것이 특징인, SERS 나노입자.
  3. 제1항에 있어서, 나노 오목부를 내부표면쪽에 가진 금속 쉘은 나노 오목부에 대응되는 국소 영역에 강한 전자기장이 발생하는 핫스팟을 만들고, 이로부터 증가된 라만 신호를 제공하는 것이 특징인, SERS 나노입자.
  4. 제1항에 있어서, 금속 쉘 외부표면 상에도 라만활성물질이 담지되어 있는 것이 특징인, SERS 나노입자.
  5. 제1항에 있어서, 코어의 평균 직경은 20 ~ 1000 nm인 것이 특징인, SERS 나노입자.
  6. 제1항에 있어서, 나노 볼록부의 평균 직경은 5 ~ 50 nm인 것이 특징인, SERS 나노입자.
  7. 제1항에 있어서, 나노 쉘의 두께는 1 ~ 50 nm인 것이 특징인, SERS 나노입자.
  8. 제1항에 있어서, 코어의 재료는 실리카, 황화금(gold sulfide), 이산화티타늄(titanium dioxide), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate; PMMA), 폴리스티렌 하이드로겔(polystyrene, hydrogels) 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 것이 특징인 SERS 나노입자.
  9. 제1항에 있어서, 표면상에 나노 볼록부를 가진 코어는 (+) 전하를 띠는 실리카 및 (-)전하를 띠는 실리카의 정전기력에 의한 자가조립에 의해 형성된 것이 특징인 SERS 나노입자.
  10. 제1라만활성물질을 담지하고 (+) 전하를 띠는 코어부 및 상기 코어부의 표면상에 형성되어 있으면서 제2라만활성물질을 담지하고 (-) 전하를 띠는 나노 볼록부를 구비하는 제1코어; 또는
    제1라만활성물질을 담지하고 (-) 전하를 띠는 코어부 및 상기 코어부의 표면상에 형성되어 있으면서 제2라만활성물질을 담지하고 (+) 전하를 띠는 나노 볼록부를 구비하는 제2코어; 및
    상기 나노 볼록부에 대응되는 나노 오목부를 내부 표면쪽에 가진 금속 쉘을 포함하는 표면증강라만산란(SERS) 나노입자.
  11. 제10항에 있어서, 제1라만활성물질 및 제2라만활성물질은 동일 또는 상이한 것이 특징인 SERS 나노입자.
  12. 제10항에 있어서, (+) 전하를 띠는 실리카는 아민으로 개질된 실리카이거나, (-) 전하를 띠는 실리카는 카르복실기로 개질된 실리카인 것이 특징인 SERS 나노입자.
  13. 실리카 코어를 (+) 또는 (-) 전하를 띠도록 개질하는 제1단계;
    제1단계에서 형성된 실리카 코어와 반대 전하를 띠면서, 라만활성물질이 도핑된 실리카 나노입자들을 정전기적 상호작용을 통해 제1단계에서 형성된 실리카 코어 표면상에 조립시켜, 나노 볼록부를 구비하는 실리카 코어를 제조하는 제2단계;
    라만활성물질을 제2단계에서 형성된 실리카 코어에 로딩하는 제3단계;
    제3단계에서 형성된 실리카 코어에 금속 나노종자들을 부착시키는 제4단계;
    성장용액에서 나노종자를 성장시켜 나노 볼록부를 가진 실리카 코어 주위에 상기 나노 볼록부에 대응되는 나노 오목부를 내부 표면쪽에 가진 금속쉘을 형성시키는 제5단계를 포함하여, 제1항 또는 제11항에 기재된 표면증강라만산란(SERS) 나노입자를 제조하는 방법.
  14. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 표면증강라만산란(SERS) 나노입자를 구비한 라만 프로브.
  15. 기재 상에 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 표면증강라만산란(SERS) 나노입자들이 코팅된 표면증강라만산란(SERS) 기재.
  16. 제15항에 있어서, SERS 나노입자 함유 코팅층은 SERS 나노입자들의 접근 또는 접촉에 의해 인접한 SERS 나노입자들 사이에서 추가로 전자기장 증폭을 유도하는 것이 특징인 SERS 기재.
  17. a) 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 표면증강라만산란(SERS) 나노입자의 표면에 검출하고자 하는 분석물과 결합할 수 있는 바이오분자를 기능화하는 단계;
    b) 기능화된 SERS 나노입자를 하나 이상의 분석물을 포함하는 시료에 노출시키는 단계; 및
    c) 라만 분광법을 이용하여 SERS 나노입자가 결합된 분석물을 확인하는 단계를 포함하는, 분석물을 검출 또는 영상화하는 방법.
  18. i) 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 표면증강라만산란(SERS) 나노입자의 표면에 검출하고자 하는 핵산에 상보적인 바이오분자를 기능화하는 단계;
    ii) 상기 기능화된 SERS 나노입자들을 검출하고자 하는 핵산을 함유하는 것으로 예상되는 시료와 반응시켜 혼성화를 수행하는 단계; 및
    iii) 라만 분광법을 수행하여 SERS 나노입자가 결합된 상기 검출하고자 하는 핵산의 존재, 양 또는 둘 모두를 확인하는 단계를 포함하는, 핵산 검출 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 검출하고자 하는 핵산을 함유하는 것으로 예상되는 시료는 채취한 시료 자체로 사용하거나, 이로부터 검출하고자 하는 핵산을 분리, 정제 또는 증폭시켜 사용하는 것인 핵산 검출 방법.
  20. 제18항에 있어서, 상기 핵산 검출방법은 질병의 진단, 신원확인, 혈연관계 확인, 세균이나 세포 동정 또는 동식물의 원산지 확인을 위한 핵산 검출방법인 것이 특징인 핵산 검출방법.
  21. 제18항에 있어서, 상기 핵산 검출방법은 단일 염기 다형성(SNP)의 검출방법인 것이 특징인 핵산 검출방법.
  22. 표면상에 나노 볼록부를 가진 코어; 및 상기 나노 볼록부에 대응되는 나노 오목부를 내부표면쪽에 가진 금속 쉘을 포함하는, 표면증강라만산란(SERS) 기재.
  23. 제22항에 있어서, 상기 금속 쉘의 두께는 나노 볼록부의 직경보다 작아서 금속 쉘과 나노 볼록부의 계면 또는 외부로 노출된 쉘의 표면에서 핫스팟이 형성되는 것인 표면증강라만산란(SERS) 기재.
KR1020150177298A 2015-12-11 2015-12-11 표면증강라만산란(sers) 나노입자, 이의 제조 방법 및 이의 응용 KR101802386B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150177298A KR101802386B1 (ko) 2015-12-11 2015-12-11 표면증강라만산란(sers) 나노입자, 이의 제조 방법 및 이의 응용
PCT/KR2016/005379 WO2017099313A1 (ko) 2015-12-11 2016-05-20 표면증강라만산란(sers) 나노입자, 이의 제조 방법 및 이의 응용

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150177298A KR101802386B1 (ko) 2015-12-11 2015-12-11 표면증강라만산란(sers) 나노입자, 이의 제조 방법 및 이의 응용

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170070351A true KR20170070351A (ko) 2017-06-22
KR101802386B1 KR101802386B1 (ko) 2017-11-30

Family

ID=59013465

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150177298A KR101802386B1 (ko) 2015-12-11 2015-12-11 표면증강라만산란(sers) 나노입자, 이의 제조 방법 및 이의 응용

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR101802386B1 (ko)
WO (1) WO2017099313A1 (ko)

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190085495A (ko) * 2018-01-10 2019-07-18 서울대학교산학협력단 탈합금화 기반의 플라즈모닉 내부 나노갭 나노입자, 이의 제조방법 및 이의 용도
KR20190112595A (ko) * 2018-03-26 2019-10-07 국민대학교산학협력단 바이오센서용 하이드로겔 구조체, 이를 포함하는 바이오센서, 및 상기 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법
KR20190143663A (ko) * 2018-06-21 2019-12-31 재단법인 대구경북첨단의료산업진흥재단 금 나노쉘 상에 형성되는 헤어핀을 이용한 유전자 돌연변이의 단일 단계 등온 검출방법
KR20200098141A (ko) 2019-02-12 2020-08-20 건국대학교 산학협력단 Sers 신호를 내부표준 신호로 포함하는 다층 코어-쉘 입자 및 이를 이용한 표적 분석물의 검출방법
KR20210028984A (ko) * 2019-09-05 2021-03-15 한국표준과학연구원 표면 증강 라만 산란용 라만 활성 입자 및 이의 제조방법
KR20210068253A (ko) * 2019-11-29 2021-06-09 한국생산기술연구원 내구성이 향상된 sers 기판
CN113275583A (zh) * 2021-05-11 2021-08-20 安徽大学 面向农药残留的sers基底制备方法及检测方法
KR20210118989A (ko) * 2020-03-13 2021-10-05 광운대학교 산학협력단 은-금-백금 합금 나노입자의 제조방법
KR20210120147A (ko) * 2020-03-13 2021-10-07 광운대학교 산학협력단 은-백금 합금 나노입자의 제조방법
KR102393356B1 (ko) * 2021-02-19 2022-04-29 전북대학교산학협력단 탄소 양자점을 이용한 금속 나노입자의 제조방법, 그로부터 제조된 금속 나노입자 및 그를 포함하는 센서
KR20220160366A (ko) * 2021-05-27 2022-12-06 한국과학기술연구원 금 나노스타를 포함하는 황화 이온 비색 검출센서, 이를 이용한 황화 이온 비색 검출 방법, 및 이의 제조방법

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020240077A1 (en) * 2019-05-28 2020-12-03 Tampere University Foundation Sr Gold nanoclusters
CN110426385A (zh) * 2019-08-14 2019-11-08 山东师范大学 一种柔性表面增强拉曼基底及制备方法和应用
CN111230138B (zh) * 2020-01-16 2022-06-21 暨南大学 基于π-π定向自组装的三维金超级粒子及制备以及其在SERS基底中的应用
CN112496334A (zh) * 2020-11-06 2021-03-16 杭州苏铂科技有限公司 表面增强拉曼散射基底及其制备方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9823253B2 (en) 2007-03-20 2017-11-21 Becton, Dickinson And Company Assays using surface-enhanced raman spectroscopy (SERS)-active particles
US20100323173A1 (en) * 2008-02-29 2010-12-23 Imec Fabrication of conducting open nanoshells
CN102811943B (zh) 2009-12-11 2015-08-19 韩国化学研究院 以位于粒子间的结合部的拉曼活性分子标记的二聚体核壳纳米结构、其用途及制备方法
KR101352342B1 (ko) * 2010-11-24 2014-02-17 서울대학교산학협력단 코어 물질과 쉘 물질 사이에 나노갭이 형성된 단일 나노입자 및 이의 제조방법

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190085495A (ko) * 2018-01-10 2019-07-18 서울대학교산학협력단 탈합금화 기반의 플라즈모닉 내부 나노갭 나노입자, 이의 제조방법 및 이의 용도
KR20190112595A (ko) * 2018-03-26 2019-10-07 국민대학교산학협력단 바이오센서용 하이드로겔 구조체, 이를 포함하는 바이오센서, 및 상기 바이오센서용 하이드로겔 구조체의 제조방법
KR20190143663A (ko) * 2018-06-21 2019-12-31 재단법인 대구경북첨단의료산업진흥재단 금 나노쉘 상에 형성되는 헤어핀을 이용한 유전자 돌연변이의 단일 단계 등온 검출방법
KR20200098141A (ko) 2019-02-12 2020-08-20 건국대학교 산학협력단 Sers 신호를 내부표준 신호로 포함하는 다층 코어-쉘 입자 및 이를 이용한 표적 분석물의 검출방법
KR20210028984A (ko) * 2019-09-05 2021-03-15 한국표준과학연구원 표면 증강 라만 산란용 라만 활성 입자 및 이의 제조방법
KR20210068253A (ko) * 2019-11-29 2021-06-09 한국생산기술연구원 내구성이 향상된 sers 기판
KR20210118989A (ko) * 2020-03-13 2021-10-05 광운대학교 산학협력단 은-금-백금 합금 나노입자의 제조방법
KR20210120147A (ko) * 2020-03-13 2021-10-07 광운대학교 산학협력단 은-백금 합금 나노입자의 제조방법
KR102393356B1 (ko) * 2021-02-19 2022-04-29 전북대학교산학협력단 탄소 양자점을 이용한 금속 나노입자의 제조방법, 그로부터 제조된 금속 나노입자 및 그를 포함하는 센서
CN113275583A (zh) * 2021-05-11 2021-08-20 安徽大学 面向农药残留的sers基底制备方法及检测方法
KR20220160366A (ko) * 2021-05-27 2022-12-06 한국과학기술연구원 금 나노스타를 포함하는 황화 이온 비색 검출센서, 이를 이용한 황화 이온 비색 검출 방법, 및 이의 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
WO2017099313A1 (ko) 2017-06-15
KR101802386B1 (ko) 2017-11-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101802386B1 (ko) 표면증강라만산란(sers) 나노입자, 이의 제조 방법 및 이의 응용
Yaraki et al. Metal nanoparticles‐enhanced biosensors: synthesis, design and applications in fluorescence enhancement and surface‐enhanced Raman scattering
Jeong et al. Metal enhanced fluorescence (MEF) for biosensors: General approaches and a review of recent developments
KR101352342B1 (ko) 코어 물질과 쉘 물질 사이에 나노갭이 형성된 단일 나노입자 및 이의 제조방법
Kumar et al. Plasmonically engineered nanoprobes for biomedical applications
Li et al. Plasmon-enhanced fluorescence spectroscopy
Israelsen et al. Nanoparticle properties and synthesis effects on surface‐enhanced Raman scattering enhancement factor: an introduction
JP5701896B2 (ja) ラマン活性分子がナノ粒子二量体の接合部に位置する二量体コア−シェルナノ粒子、その用途およびその製造方法
Dulkeith et al. Gold nanoparticles quench fluorescence by phase induced radiative rate suppression
EP1749122B1 (en) Surface enhanced spectroscopy-active composite nanoparticles
US8497131B2 (en) Surface enhanced spectroscopy-active composite nanoparticles comprising Raman-active reporter molecules
Shen et al. Bimetallic nano-mushrooms with DNA-mediated interior nanogaps for high-efficiency SERS signal amplification
Nima et al. Applications of surface-enhanced Raman scattering in advanced bio-medical technologies and diagnostics
Shaw et al. Statistical correlation between SERS intensity and nanoparticle cluster size
Fang et al. Applications of shell-isolated nanoparticles in surface-enhanced Raman spectroscopy and fluorescence
Liu et al. Applications of Raman-based techniques to on-site and in-vivo analysis
US20160266104A1 (en) Heterodimeric core-shell nanoparticle in which raman-active molecules are located at a binding portion of a nanoparticle heterodimer, use thereof, and method for preparing same
Vo-Dinh et al. Plasmonics-based nanostructures for surface-enhanced Raman scattering bioanalysis
El-Dessouky et al. Silver nanostructures: Properties, synthesis, and biosensor applications
KR20200141575A (ko) Dna 혼성화에 의해 형성된 계층적 구조의 금속나노큐브 조립체를 이용하는 표면증강라만산란에 의한 표적 물질 검출방법
US20200385790A1 (en) Heterodimeric core-shell nanoparticle in which raman-active molecules are located at a binding portion of a nanoparticle heterodimer, use thereof, and method for preparing same
Dzhagan et al. Self-Organized SERS Substrates with Efficient Analyte Enrichment in the Hot Spots
Nair et al. Role of advanced nanomaterials in biosensing
Vo-Dinh et al. Surface-enhanced Raman scattering (SERS) for biomedical diagnostics
Deji et al. Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) based graphene oxide nanocomposites in biomedical applications

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant