KR20180069181A

KR20180069181A - 큐브-인-큐브 형태의 금속 나노구조물, 이의 제조방법 및 이의 용도

Info

Publication number: KR20180069181A
Application number: KR1020160170462A
Authority: KR
Inventors: 남좌민; 박정은
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2016-12-14
Filing date: 2016-12-14
Publication date: 2018-06-25
Also published as: KR101917439B1

Abstract

본 발명은 입방형 제1금속 나노입자 코어; 상기 코어의 외각에 일정한 두께로 형성된 나노갭; 및 상기 나노갭을 통해 코어로부터 일정한 간격으로 이격되어 일정한 두께로 형성된 제1금속 및 제2금속 합금 쉘을 포함하는, 큐브-인-큐브 형태의 금속 나노구조물, 이의 제조방법 및 이의 용도에 관한 것이다.

Description

큐브-인-큐브 형태의 금속 나노구조물, 이의 제조방법 및 이의 용도{A metallic nanostructures having a cube-in-cube shape, a method for prepaing the same, and use thereof}

본 발명은 입방형 제1금속 나노입자 코어; 상기 코어의 외각에 일정한 두께로 형성된 나노갭; 및 상기 나노갭을 통해 코어로부터 일정한 간격으로 이격되어 일정한 두께로 형성된 제2금속 및 제3금속 합금 쉘을 포함하는, 큐브-인-큐브 형태의 금속 나노구조물, 이의 제조방법 및 이의 용도에 관한 것이다.

금속의 직접적인 PL은 1969년 Mooradian에 의해 최초로 보고되었으나, 금속의 낮은 QY로 인해 여러해 동안 깊이 연구되지 않았다. Boyd가 매끈하고 거친 금속 표면으로부터 PL의 국소장증강을 보고한 이후, 금속 나노입자, 보다 구체적으로는 금 나노막대(AuNRs)가 현저히 증가된 PL을 나타냄이 확인되었다. 수십년에 걸쳐, 금 나노스피어 및 금 나노막대를 포함한 다양한 나노구조물로부터의 PL 신호가 연구되고 있다. 금 나노바이피라미드가 금 나노막대보다 1승 더 높은 ~10-5의 양자수율(quantum yield; QY)을 나타내는 것이 보고되었다. 그러나, 이들 연구의 대부분은 상이한 편광각(different polarization angles) 또는 여기 파장에 대한 PL과 국소표면플라즈몬공명(localized surface plasmon resonance; LSPR) 간의 관계에 집중해왔다. PL 스펙트럼은, LSPs에 대해서와 마찬가지로, 나노구조물 기하학적 구조 변화에 의해 조율될 수 있음이 밝혀졌다. 최근, 플라즈몬적으로 커플된 나노구조물로부터의 PL이 널리 연구되고 있다. 두개의 구형 금 나노입자로 이루어진, 금 이량체의 QY은, 이량체의 교차점들 간의 국소장이 더 높음에도 불구하고, 이를 구성하는 단량체에 대한 값과 유사하다는 것이 보고되었다. 반면, 금 박막 상에 위치한 나노구조물의 경우에서 증가된 PL이 보고되었으며, 이는 갭 플라즈몬에 기인한다. 따라서, PL 세기에 대한 플라즈몬 커플링의 효과는 명확히 설명된다. 현재까지, 나노구조물에서 PL의 관찰되는 현상을 설명하기 위하여 몇가지 기전이 제안되고 있다: (1) 밴드간 전이(interband transition) 후 e-h 재조합(recombination), (2) 밴드간 전이에 의해 여기된 LSPs의 방사성 방출, (3) e-h 재조합으로 이어지는 밴드간 전이, (4) sp-밴드 전자들의 비탄성 산란(inelastic scattering), 및 (5) 방사성 방출로 이어지는 LSPR의 직접적인 여기. 그러나, 정확한 기전은 논란의 여지가 있다.

현재까지, 플라즈몬적으로 커플된 시스템은 리소그래픽적으로(lithographically) 제조된 구조물 또는 금속막 상에 위치한 단순한 나노구조물에 대부분 제한되었다. 플라즈몬적으로 커플된 동시에 나노미터 스케일에서 정확히 조절할 수 있는 나노입자로부터의 PL은 아직 달성되지 못하였다. 또한, 강한 PL 신호 및 높은 QY를 모두 나타내는 나노입자 역시 고안되거나 합성되지 못하였다.

이에, 본 발명자들은 강한 PL을 나타내는 금속 나노구조물 및 이의 제조방법을 발굴하기 위하여 예의 연구 노력한 결과, 입방형의 금속 나노입자로부터 갈바닉 치환/환원 반응을 통해, 내부에 나노미터 수준에서 조절가능한 나노갭을 포함하는 입방형의 금속 나노구조물을 고안 및 합성하였으며, 이들 입자가 강한 PL을 생성함은 물론 효율적인 광열효과를 나타냄을 확인하고 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 하나의 목적은 입방형 제1금속 나노입자 코어; 상기 코어의 외각에 일정한 두께로 형성된 제2금속 코팅층으로부터 제2금속이 제거되면서 형성된 빈 공간 및 제2금속 함유 나노브릿지를 포함하는 나노갭; 및 상기 나노갭을 통해 코어로부터 일정한 간격으로 이격되어 일정한 두께로 형성된 제2금속 및 제3금속 합금 쉘을 포함하는, 큐브-인-큐브 형태의 금속 나노구조물을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 하나의 목적은 입방형 제1금속 나노입자 코어 및 상기 코어 상에 일정한 두께의 제2금속 코팅층을 포함하는 나노입자를 준비하는 제1단계; 및 상기 제1단계의 나노입자에 갈바닉 치환/환원 반응을 수행하는 제2단계를 포함하는, 상기 큐브-인-큐브 형태의 금속 나노구조물의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 큐브-인-큐브 형태의 금속 나노구조물을 포함하는 생물검출용(biosensing) 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 큐브-인-큐브 형태의 금속 나노구조물을 포함하는 암질환의 광열치료용(photothermal therapy; PTT) 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 광열치료용 조성물을 이를 필요로 하는 개체에 투여하는 제1단계; 및 개체에 빛을 조사하는 제2단계를 포함하는 암질환의 치료방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 하나의 양태로서, 본 발명은 입방형 제1금속 나노입자 코어; 상기 코어의 외각에 일정한 두께로 형성된 제2금속 코팅층으로부터 제2금속이 제거되면서 형성된 빈 공간 및 제2금속 함유 나노브릿지를 포함하는 나노갭; 및 상기 나노갭을 통해 코어로부터 일정한 간격으로 이격되어 일정한 두께로 형성된 제2금속 및 제3금속 합금 쉘을 포함하는, 큐브-인-큐브 형태의 금속 나노구조물을 제공한다.

본 발명의 용어, "나노브릿지"는 제2금속 코팅층으로부터 제2금속이 제거되면서 빈 공간을 형성하고 낮은 잔여 제2금속로 형성된 구조물로서, 제1금속 나노입자 코어의 표면으로부터 외각에 형성된 제2금속 및 제3금속 합금 쉘을 연결하면서 형성된 빈 공간을 지탱하여, 나노갭을 일정한 두께로 유지하고, 나아가 코어와 쉘이 일정한 간격을 유지할 수 있도록 하는 역할을 한다. 전술한 나노브릿지의 형성 과정에서 유추할 수 있듯이, 본 발명의 나노브릿지는 코어와 쉘을 연결하고 지지하여 공간을 유지하는 역할을 하는 점에서 이와 같이 명명하였을 뿐, 그 형태 및/또는 규모는 특정되지 않는다. 예컨대, 제2금속의 종류, 제2금속 코팅층의 두께, 제2금속 제거반응의 조건, 및/또는 쉘의 형성 속도 등에 따라 나노브릿지 중의 제2금속의 함량 등이 결정될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

예컨대, 상기 금속 나노구조물은 입방형 제1금속 나노입자 코어 및 상기 코어 상에 일정한 두께의 제2금속 코팅층을 포함하는 나노입자에 갈바닉 치환/환원 반응을 수행하여 제조될 수 있다.

예컨대, 본 발명의 금속 나노구조물에 있어서, 상기 나노갭은 서브 나노미터 수준에서 조절된 두께를 가질 수 있으며, 상기 나노갭의 두께는 입방형 제1금속 나노입자 코어 상에 형성된 제2금속 코팅층의 두께에 의해 결정될 수 있다.

이때, 상기 나노갭의 두께는 0.5 내지 20nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

본 발명의 큐브-인-큐브 형태의 금속 나노구조물은 코어 또는 전체 금속 나노구조물과 동일한 체적을 갖는 입방형 제1금속 나노입자에 비해 10 내지 100배 수준으로 광발광 세기가 향상된 것일 수 있다. 상기 "동일한"이라는 용어는 문자 그대로 완전히 일치하는 것만을 의미하는 것은 아니며, ±15% 수준의 편차를 허용한다.

구체적으로, 본 발명의 금속 나노구조물에 있어서, 코어를 형성하는 제1금속과 쉘을 형성하는 합금의 일성분인 제3금속은 서로 같은 금속일 수 있다.

예컨대, 본 발명의 금속 나노구조물에 있어서, 상기 제1금속 및 제3금속은 모두 금이고, 제2금속은 은일 수 있다. 상기 각각 제1금속과 제3금속 및 제2금속의 예로 개시한 금과 은은 상호 낮은 격자 불일치(low lattice mismatch)를 나타내므로, 즉 이들 금속 간의 격자 상수 차이가 적어, 서로의 표면에서 적층성장(epitaxial growth)이 가능하므로, 최종 생성물인 큐브-인-큐브 형태의 금속 나노구조물까지 최초 반응물질인 코어의 입방형을 유지하면서 성장할 수 있다.

다른 하나의 양태로서, 본 발명은 입방형 제1금속 나노입자 코어 및 상기 코어 상에 일정한 두께의 제2금속 코팅층을 포함하는 나노입자를 준비하는 제1단계; 및 상기 제1단계의 나노입자에 갈바닉 치환/환원 반응을 수행하는 제2단계를 포함하는, 상기 큐브-인-큐브 형태의 금속 나노구조물의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 제조방법에서, 상기 제1단계는 입방형 제1금속 나노입자를 준비하는 제1-1단계 및 상기 제1금속 나노입자 상에 제2금속 코팅층을 형성하는 제1-2단계의 2개 서브단계를 포함할 수 있다. 상기 각 단계의 반응은 당업계에 공지된 방법을 이용하여 수행할 수 있다.

예컨대, 상기 제1-1단계는 수용액 상에서 제1금속 전구체 예컨대, 금 전구체를 환원제와 반응시켜 수행할 수 있다. 상기 제1-1단계는 CTAB(cetyltrimethylammonium bromide) 존재 하에 수행할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이때, 상기 금 전구체로는 HAuCl₄를, 환원제로는 아스코르브산을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

한편, 상기 제1-2단계는 제2금속 전구체 예컨대, 은 전구체를 환원제와 반응시켜 수행할 수 있다. 상기 제1-2단계는 CTAC(cetyltrimethylammonium chloride) 존재 하에 수행할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이때, 상기 은 전구체로는 AgNO₃을, 환원제로는 아스코르브산을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

구체적으로, 본 발명의 제조방법에서 상기 제2단계는, 상기 코어의 외각에 일정한 두께로 형성된 제1단계로부터 수득한 나노입자에 포함된 제2금속 코팅층으로부터 제2금속이 제거하여 빈 공간을 형성함으로써 나노갭을 제조하는 동시에 외각에서는 제2금속 및 제3금속을 모두 포함하는 합금 쉘을 형성하는 단계로서, 제2금속 코팅층에서는 제2금속의 산화가, 그 외각에서는 제2금속과 제3금속의 공환원이 동시에 이루어지는 것이 특징이다.

예컨대, 상기 제2단계는 양이온성 제3금속 전구체 존재 하에 수행할 수 있다. 구체적으로, 양이온성 제3금속 전구체는 제3금속 양이온을 제공할 수 있으며, 이는 제2금속 코팅층에서 제2금속에 대해 산화제로 작용하여 제2금속 원자를 이온으로 산화시킴으로써 빈 공간을 형성할 수 있다. 구체적으로, 제2금속으로 은을 포함하는 나노구조물의 경우, 은에 비해 낮은 이온화 경향을 갖는 금의 양이온을 제공할 수 있는 HAuCl₄를 제3금속 전구체로 사용할 수 있으나, 제3금속의 종류 및 제3금속 전구체의 종류는 이에 제한되지 않는다.

또한, 상기 제2단계는 환원제 존재 하에 수행할 수 있다. 전술한 바와 같이, 제2단계에서는 제2금속이 산화되는 동시에 외각에서는 제2금속 이온과 제3금속 이온이 함께 환원되어 제2금속과 제3금속의 합금 쉘을 형성할 수 있다. 따라서, 상기 제2금속 이온과 제3금속 이온의 환원을 돕기 위하여 환원제를 추가로 포함하여 수행할 수 있다. 이때, 환원제로는 아스코르브산을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

또한, 상기 제2단계는 40 내지 100℃의 상대적으로 높은 온도에서 수행할 수 있다. 구체적으로, 60 내지 80℃에서 수행할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

환원제의 존재 및/또는 고온의 반응 조건 하에서 제2단계를 수행하는 경우, 이음새가 거의 없고, 견고하며, 탄탄한 큐브-인-큐브 금속 나노구조물을 제공할 수 있다. 반면, 이들 조건을 만족하지 못하는 경우, 거칠거나 다공성인 표면을 갖는 쉘이 형성되어 균일하고 조절가능한 플라즈몬 커플링이 저해될 수 있다.

전술한 바와 같이, 상기 제2단계를 통해 양이온성 제3금속 전구체에 의한 제2금속의 산화에 의해 동공을 형성하는 동시에 양이온성 제3금속 전구체 및 상기 산화에 의해 형성된 제2금속 이온의 동시적인 환원에 의해 제2금속-제3금속 합금 쉘을 형성할 수 있다. 상기 제2금속의 산화에 의해 제거되고 남은 잔류 제2금속은 내부의 제1금속 코어와 외각에 형성되는 제2금속 및 제3금속 합금 쉘을 연결하는 나노브릿지로 작용할 수 있다. 이와 같은 나노브릿지의 존재에 의해 코어와 쉘 사이에 일정한 두께로 형성된 빈 공간의 나노갭을 유지할 수 있다.

이때, 상기 제1금속과 제2금속, 및 제2금속과 제3금속은 낮은 격자 불일치(low lattice mismatch)를 나타내도록, 제1금속, 제2금속 및 제3금속을 선택할 수 있다. 이와 같이 서로 간의 격자 불일치가 낮은 조합으로 금속을 선택함으로서 제1금속 코어 상에 제2금속 코팅시, 및 제2금속코팅층의 표면으로부터 제2금속 및 제3금속 합금 쉘 형성시, 적층성장(epitaxial growth) 가능하므로, 종자로 작용하는 최초 반응물질인 입방형 제1금속 나노입자 코어의 결정형을 따라 성장시킬 수 있으므로, 최종 생성물 역시 입방형을 갖도록 제조할 수 있다.

예컨대, 상기 제1금속과 제2금속, 및 제2금속과 제3금속은 격자 상수(lattice constant) 차이가 10 pm 이하가 되도록 선택할 수 있다. 구체적으로는 상기 제1 내지 제3금속은 서로 간의 격자 상수 차이가 5 pm 이하, 보다 구체적으로는 2 pm 이하가 되도록 선택할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

본 발명의 구체적인 실시예에서는 각각 407.82 pm 및 408.53 pm의 격자 상수를 갖는 금과 은을 제1 및 제3금속과 제2금속으로 사용하였으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 금과 은은 격자 상수 값의 차이가 1 pm 이내로 매우 낮을 뿐만 아니라 공통적으로 FCC(face centered cubic)의 결정 구조를 가지므로 결정구조를 유지하면서 적층 성장시켜 코어의 형태를 유지하기에 유리할 수 있다.

또 다른 양태로서, 본 발명은 상기 큐브-인-큐브 형태의 금속 나노구조물을 포함하는 생물검출용(biosensing) 조성물을 제공한다.

예컨대, 상기 금속 나노구조물은, 이에 직접 또는 간접적으로 연결된, 검출하고자 하는 물질에 특이적으로 결합하는 물질을 추가로 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

구체적으로, 본 발명의 큐브-인-큐브 형태의 금속 나노구조물은 비슷한 체적의 단일 금속 나노입자에 비해 광발광 세기가 현저히 증가되었을 뿐만 아니라, 유기 형광체나 양자점에서 나타나는 단점인 광표백이나 광깜빡임을 나타내지 않으므로 장시간 빛을 조사하더라도 발광 세기가 감소하지 않으므로 생물검출을 위한 표지자로써 유용하게 사용될 수 있다.

또 다른 양태로서, 본 발명은 상기 큐브-인-큐브 형태의 금속 나노구조물을 포함하는 광열치료용(photothermal therapy; PTT) 조성물을 제공한다.

구체적으로, 상기 조성물은 암질환의 치료에 유용하게 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 병변의 세포나 조직이 정상세포나 조직에 비해 열에 민감하게 되는 질환의 치료에 제한없이 사용할 수 있다.

예컨대, 상기 금속 나노구조물로는 근적외선 영역에서 흡수 스펙트럼을 갖는 것일 수 있다. 근적외선 영역의 빛은 자외선이나 가시광선이 비해 에너지는 낮으나, 긴 파장을 가지므로 투과력이 우수하여 체외에서 조사하여도 체내 깊은 곳까지 도달할 수 있어 체외에서 광원을 조사하고도 치료효과를 나타낼 수 있는 비침습적인 치료를 가능하게 할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 광열치료용 조성물을 이를 필요로 하는 개체에 투여하는 제1단계; 및 개체에 광 조사하는 제2단계를 포함하는 암질환의 치료방법을 제공한다.

본 발명의 용어 "투여"란, 적절한 방법으로 개체에게 소정의 물질을 도입하는 것을 의미하며 상기 조성물의 투여 경로는 목적 조직에 도달할 수 있는 한 어떠한 일반적인 경로를 통하여 투여될 수 있다. 복강 내 투여, 정맥 내 투여, 근육 내 투여, 피하 투여, 피 내 투여, 경구 투여, 국소 투여, 비 내 투여, 폐 내 투여, 직장 내 투여될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.

상기 용어 "개체"란 암질환이 발병한 인간을 포함한 쥐, 생쥐, 가축 등의 모든 동물을 의미한다. 바람직하게는, 인간을 포함한 포유동물일 수 있다. 본 발명의 광열치료용 조성물을 개체에게 투여하고 적절한 파장의 광을 조사함으로써 상기 암질환을 효과적으로 치료할 수 있으며, 본 발명의 광열치료용 조성물을 이용한 광열치료는 암질환의 치료를 위하여 단독으로, 또는 수술, 호르몬 치료, 약물 치료 및 생물학적 반응 조절제를 사용하는 방법들과 병용하여 사용할 수 있다.

본 발명에서, 용어 "치료"란 상기 조성물의 투여 및 광 조사에 의해 암질환 개체의 증상이 호전되거나 이롭게 변경하는 모든 행위를 의미한다. 본 발명의 광열치료용 조성물에 의한 암질환의 치료는 이에 포함된 큐브-인-큐브 형태의 금속 나노구조물이 조사된 광을 흡수하고 방출되는 열 에너지에 의해 암세포의 사멸을 유도함으로써 달성될 수 있다.

용어 "광열치료"는, 암질환을 포함한 다양한 의학적 질환을 치료하기 위하여, 전자기파(electromagnetic radiation)를 사용하는 행위를 의미할 수 있다. 구체적으로, 광자 에너지(photon energies)를 열 에너지(thermal energy)로 전환하여 세포 사멸을 유도하는, 암질환의 치료 방법을 의미한다. 이때 근적외선 내지 적외선 영역의 파장이 가장 널리 사용된다. 이는 광감응제(photosensitizer)를 특정한 파장의 빛으로 여기시켜 수행하는 광역학적 치료(photodynamic therapy)의 연장이다. 이는 감응제를 여기 상태로 들뜨게 하여 이로부터 방출되는 진동에너지(vibrational energy) 즉, 열을 이용하여 표적 세포 예컨대, 암세포를 사멸시킬 수 있다.

광역학적 치료와는 달리, 광열치료는 표적 세포나 조직과 상호작용하는 산소를 필요로 하지 않는다. 보다 낮은 에너지를 가지므로 다른 세포와 조직에 해가 적은 장파장의 빛을 사용하여 수행할 수 있다. 한편, 암세포는 일반적으로 정상세포에 비해 열에 민감하므로, 암세포에서 선택적으로 온도를 증가시키는 경우, 치료 효과를 극대화할 수 있다.

본 발명의 내부 나노갭을 갖는 큐브-인-큐브 형태의 금속 나노구조물은 입방형의 제1금속 나노입자에 일정한 두께로 코팅된 제2금속 코팅층을 포함하는 구조물로부터 갈바닉 치환/환원 반응을 통해, 일정한 간격의 빈 공간과 제2금속 나노브릿지로 연결된 제1금속 및 제2금속 합금으로된 쉘을 포함하는 나노구조물로 제조될 수 있고, 상기 나노구조물은 강한 PL을 나타낼 뿐만 아니라 광열효과를 나타낼 수 있으므로, 생물검출은 물론 암질환 등의 광열치료에도 유용하게 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 조절 가능한 내부 나노갭을 갖는 CiC 나노입자(interior nanogap-engineerable CiC NPs)의 제조방법으로서, 조절된 2단계 GVF 공정을 통한 CiC NPs 합성방법을 개략적으로 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명에 따른 조절 가능한 내부 나노갭을 갖는 CiC 나노입자의 합성과정의 각 단계에 상응하는 TEM 이미지를 나타낸 도이다. 삽입도는 대표적인 단일-입자 이미지를 나타내며, 스케일바는 100 nm이다.
도 3은 본 발명에 따른 정밀하게 조절된 Ag 쉘이 형성된 CiC 나노입자의 형태를 나타낸 도이다. 구체적으로, AuNCs 상에 다른 두께를 갖는 Ag 쉘이 형성된 입자의 (a) TEM 및 (b) SEM 이미지를 도시하였다. 삽입도는 대표적인 나노구조물을 나타내며, (a) 및 (b)에서 스케일바는 각각 200 nm 및 1 μm이다.
도 4는 본 발명에 따른 CiC 나노입자의 합성과정 동안 발생하는 구조적 변화를 관찰한 TEM 이미지를 나타낸 도이다. 최초 갈바닉 치환 반응의 시작으로부터 4분 후(좌측) 및 8분 후(우측)에 측정한 TEM 이미지를 도시하였으며, 스케일바는 모두 50 nm이다.
도 5는 본 발명에 따른 CiC 나노입자의 합성과정에서, 조절된 갈바닉 치환 반응에 대한 다양한 조건의 영향을 나타낸 도이다. (a)는 각기 다른 조건 하에서 최초의 갈바닉 치환 반응 후 형성된 생성물의 SEM 이미지를 나타내며, 스케일바는 모두 1 μm이다. (b)는 이들에 상응하는 UV-vis 스펙트럼을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 CiC 나노입자 합성방법에 따른 고수율의 최종 생성물의 대면적 TEM 이미지를 나타낸 도이다. 삽입도는 CiC NPs의 대표적인 SEM 이미지를 나타내며, 스케일바는 1 μm이다.
도 7은 본 발명에 따른 CiC 나노입자의 합성방법으로 제조한 9-nm 갭을 갖는 CiCs의 구조적 형태(structural morphology)를 관찰한 SEM 이미지를 나타낸 도이다. 상기 CiCs의 모서리에서 약간의 절단(truncation)이 관찰되었다. 스케일바는 200 nm이다.
도 8은 본 발명에 따른 CiC 나노입자의 (a) HAADF-STEM 이미지(하단 우측) 및 상응하는 EDS 맵과 (b) 전자 회절 패턴(electron diffraction pattern)을 나타낸 도이다. (a)의 상단의 이미지에서 적색 및 녹색은 각각 원소 Au 및 Ag를 나타내며, 하단 좌측의 이미지는 이들의 중첩된 맵핑 이미지이고, 스케일바는 50 nm이다. (b)의 전자회절패턴은 CiC NP의 단결정성(single-crystalline nature)을 나타낸다. 상기 전자 회절 패턴은 CiC NPs의 일면에 수직으로 정렬된 전자빔으로 기록하였다.
도 9는 본 발명에 따른 내부 갭이 조절된 CiCs의 (a) TEM으로 관찰한 형태 및 (b) 광학적 특성을 나타낸 도이다. 구체적으로, 갭 크기가 각각 1 nm(a의 좌측), 3 nm(a의 중간), 및 15 nm(a의 우측)인 CiCs를 합성하여 관찰하였으며, 삽입도는 각각의 CiC 형태의 대표적인 이미지를 나타낸다. 스케일바는 100 nm이다. (b)는 이들 CiCs의 계산된(상단) 및 실험적(하단) 소광 스펙트럼(extinction spectra)을나타낸다. 3 nm 갭을 갖는 CiCs에 대한 계산된 스펙트럼의 경우, 결합 플라즈몬 피크(bonding plasmon peak)와 관련된, 약 1,000 nm에서의 증가를 주목할 가치가 있다.
도 10은 본 발명에 따른 CiC NPs에 대한 플라즈몬 커플링 모델의 플라즈몬 혼성화 도표(diagram)를 나타낸 도이다. 기본적인 코어와 쉘 사이의 커플링은 2개 플라즈몬 모드를 생성한다. 더 낮은 에너지 준위에서 발생하는 역평행 커플링(antiparallel coupling)은 준방사성을 나타내는 반면, 평행 커플링은 증가된 총 쌍극자 모멘트를 갖는 초방사성을 나타낸다. 삽입된 이미지는 상응하는 플라즈몬 모드에 대한 표면 전하 분포를 나타낸다.
도 11은 본 발명에 따른 CiC NPs의 광학적 측정 결과를 나타낸 도이다. (a)는 FEM 시뮬레이션을 통해 획득한 코어 AuNC, 쉘, 및 CiC의 계산된 광학 스펙트럼으로, 실선은 소광에 상응하며, 점선 및 파선은 각각 흡수 및 산란을 나타낸다. (b)는 10 pM CiC 분산액에 대한 실험적 UV-Vis 스펙트럼을 나타낸다.
도 12는 본 발명에 따른 CiC NPs의 ~560 nm의 LSPR 파장에서 숄더 피크에 상응하는 분리된 쉘의 표면 전하 분포(surface charge distribution)를 나타낸 도이다.
도 13은 본 발명에 따른 87-nm AuNCs의 (a) TEM 이미지 및 (b) 계산된 광학 스펙트럼을 나타낸 도이다. 스케일바는 100 nm이다.
도 14는 본 발명에 따른 CiC NPs 및 2개의 다른 AuNCs의 광학적 스펙트럼을 나타낸 도이다. (a)는 UV-Vis 측정에 의해 획득한 소광 스펙트럼을 나타낸 것으로, AuNCs의 47-nm 및 87-nm의 모서리 길이는 각각 CiCs의 코어 입방체 및 CiCs의 것과 일치한다. 시료의 농도는 5 pM로 고정하였다. (b)는 532-nm 여기 레이저를 사용하여 측정한 47- 및 87-nm AuNCs, 및 다양한 내부 갭 크기를 갖는 CiCs 분산액의 광발광(photoluminescence; PL) 스펙트럼을 나타낸 것이다. 모든 스펙트럼은 10 pM 농도의 시료를 5 mW 레이저 파워에 10초 동안 노출하여 측정하였다.
도 15는 각 LSPR 파장에 대한 (a) 가시광선 피크 및 (b) 근적외선 피크에 상응하는 CiC 내부 전기장의 횡단면 이미지(cross-sectional images). 단면은 빛의 진행 방향에 수직이다. 모든 도면은 전기장 세기에 대해 동일한 스케일을 사용한다.
도 16은 본 발명에 따른 CiC NPs의 농도에 따른 광발광 세기를 나타낸 도이다.
도 17은 본 발명에 따른 CiC NPs의 레이저 파워에 따른 광발광 세기를 나타낸 도이다.
도 18은 본 발명에 따른 CiC NPs로부터의 광발광 특성을 나타낸 도이다. (a)는 CiCs, 47- 및 87-nm AuNCs, 및 AuNR로부터의 PL 특성을 비교한 결과를 나타내며, 13×46 nm AuNRs(금나노막대; Au nanorods) 및 로다민 6G(Rhodamine 6G; R6G)로부터의 PL 신호를 기준으로 나타내었다. 양자수율(quantum yield; QY) 및 총 PL 세기(total PL intensity)는 535 nm로부터 1,000 nm까지 적분(integration)하여 획득하였다. 모든 샘플에 대해 조건은 동일하였다(농도는 10 pM). 먼저 AuNRs 및 R6G의 스펙트럼을 각각 300 및 100 pM 농도를 사용하여 측정하였고, 이후 동일한 농도에서 재산출하였다. 에러바는 3회 독립적인 측정에 대한 표준 편차(standard deviations)이다. (b)는 1시간 동안 532-nm 레이저로부터 연속적인 조사 하에 단일 TIRF 현미경을 사용하여 측정된 CiC에 대한 PL 세기를 나타낸다. 이미지는 매 30초마다 획득하였으며, 신호 및 에러바는 20개 나노입자에 대해 평균하였다.
도 19는 기준으로 사용한 R6G의 광발광 스펙트럼을 나타낸 도이다. 측정 조건은, 농도(100 pM)를 제외하고는 CiCs에 대해서와 유사하다.
도 20은 AuNRs의 (a) TEM 이미지 및 (b) 광학 특성을 나타낸 도이다. (a)의 TEM 이미지로부터 결정된 AuNRs의 규모는 13×46 nm이며, 스케일바는 50 nm이다. 구체적으로, (b)는 AuNRs의 소광(extinction)(상단) 및 광발광(하단) 스펙트럼을 나타내며, 광발광 측정 조건은, 농도(300 pM)를 제외하고는 CiCs에 대해서와 유사하다.
도 21은 본 발명에 따른 CiC NPs의 현미경 이미지를 나타낸 도이다. 구체적으로, 명시야 현미경(bright-field microscopy)(좌측) 및 전반사 형광 현미경(total internal reflection fluorescence microscopy)(우측)을 이용하여, 동일한 면적으로부터 CiCs의 이미지를 획득하였으며, 상기 2개 이미지에서 CiCs는 서로 대응한다. 스케일바는 모두 2 μm이다.
도 22는 본 발명에 따른 CiC NPs의 광열 효과를 나타낸 도이다. 1 mL의 CiC NPs 분산액에 레이저를 일정시간 조사한 후 차단하고, 시간에 따른 용액의 온도 변화를 측정하였다.
도 23은 본 발명에 따른 CiC NPs를 이용한 세포 이미징 결과를 나타낸 도이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

<물질>

브롬화 세틸트리메틸암모늄(cetyltrimethylammonium bromide; CTAB) 및 염화 세틸트리메틸암모늄(cetyltrimethylammonium chloride; CTAC)은 TCI사로부터 구입하였다. 아스코르브산, 염화 금 삼수화물(gold chloride trihydrate), 및 질산은은 시그마-알드리치사로부터 구입하였다. 소디움 보로하이드라이드는 대정 화학 & 금속사로부터 구입하였다. 모든 시약은 추가적인 정제과정 없이 시판되는 상태로 사용하였다. 모든 실험에는 밀리포어 시스템(>18.0 MΩ, Milli-Q)을 사용하여 획득한 탈이온수(deionised water; DIW)를 사용하였다.

제조예 1: 금나노큐브(AuNCs)의 합성

Dovgolevsky, E.; and Haick, H., Small, 2008, 4(11): 2059-2066에 개시된 종자-성장법을 이용하여 금나노큐브(gold nanocubes; AuNCs)를 합성하였다. 하기 사용한 모든 용액은 DIW를 사용하여 준비하였다.

구체적으로, 금 종자 용액을 합성하기 위하여, 100 mM CTAB 용액 7.5 mL을 30℃까지 가열된 수조에 담긴 둥근 바닥 플라스크에 준비하였다. 상기 플라스크에 10 mM HAuCl₄ 용액 250 μL을 첨가하고 혼합물을 500 rpm으로 교반하였다. 이후, 빙냉의 10 mM NaBH₄ 용액 600 μL을 빠르게 혼합하였으며, 이때 용액은 갈색으로 변하였다. 상기 용액을 2분 동안 교반하고, 30℃에서 최소 1시간 동안 인큐베이션한 후 다음 단계에서 종자 용액으로 사용하였다. 이후, 50 mL 원추형 튜브(conical tubes)에서 성장을 진행하였다.

100 mM CTAB 용액 1.6 mL을 8 mL DIW와 혼합하고, 10 mM HAuCl₄ 용액 200 μL와 100 mM 아스코르브산 용액 950 μL을 상기 혼합물에 차례로 첨가하였다. 아스코르브산을 첨가한 후 용액은 투명하게 변하였다. 이후, 10배 희석한 종자 용액 5 μL를 상기 튜브에 적가하고, 완만한 도치 혼합법(soft inversion mixing)을 사용하여 준비된 혼합물과 조심스럽게 혼합하였다. 밤새도록 인큐베이션한 후 2회 원심분리(5500 rpm, 10분)하여 AuNCs를 회수하였다. 상층액을 제거한 후, 이후 사용을 위하여 회수한 입자를 DIW에 다시 분산시켰다.

제조예 2: AuNCs 상에 은 쉘 코팅

본 제조예에 사용한 모든 용액은 DIW를 사용하여 준비하였다. Ma, Y.; Li, W.; Cho, E. C.; Li, Z.; Yu, T.; Zeng, J.; Xie, Z.; and Xia, Y., ACS Nano, 2010, 4(11): 6725-6734에 개시된 Ag 쉘을 형성하는 프로토콜을 최적화하여 수행함으로써, 상기 제조예 1에 따라 준비한 AuNCs 상에 은 쉘을 도입하였다. 구체적으로, 10 pM AuNC 분산액 400 μL을 10 mM CTAC 용액 400 μL 및 50 mM 아스코르브산 용액 200 μL와 혼합하였다. 이들을 혼합한 후, 다양한 농도(0.5 내지 5.0 mM)의 AgNO₃ 용액 40 μL를 첨가하고 와류 혼합기(vortex mixer)로 혼합하였다. 60℃에서 3시간 동안 인큐베이션한 후, 2회 원심분리(5000 내지 6000 rpm, 10분)하여 코팅된 나노입자를 회수하고, 이후 사용을 위하여 DIW에 재분산하였다.

실시예 1: 큐브-인-큐브 나노구조물(cube-in-cube nanostructures ; CiCs )의 제조

사용한 모든 용액은 DIW를 사용하여 준비하였다. 먼저, 10 pM 은 쉘 코팅된 나노큐브 분산액 400 μL을 100 mM CTAB 400 μL 및 100 mM 아스코르브산 87 μL와 혼합하였다. 상기 혼합물을 300 rpm으로 교반하면서 70℃에서 3분 동안 인큐베이션하였다. 이후, HAuCl₄ 용액(0.06 내지 0.15 mM) 400 μL를 실린지 펌프를 이용하여 20 μL/분의 속도로 상기 혼합물에 주입하였다. 주입 과정을 완료한 후, 상기 용액을 5분 이상 인큐베이션하고, 4500 rpm에서 5분 동안 2회 원심분리하였다. 최종적으로, 상기 용액을 DIW 400 μL와 혼합하였다. 다음으로, 10 mM CTAB 400 μL와 혼합하였다. 이후, HAuCl₄ 용액(0.008 내지 0.13 mM) 400 μL를 상기 혼합물에 즉시 주입하였다. 상기 혼합물을 30℃에서 20분 동안 인큐베이션하였다. 주입 과정 후, 상기 용액을 2회 원심분리(4500 rpm, 5분)하고, CiCs를 DIW에 분산시켰다.

실험예 1: 나노구조물의 특성 분석

서울대학교에 소재한 기초과학공동기기원(National Center for Inter-University Research Facilities; NCIRF, 대한민국)에서 JEM-2100(JEOL) 및 Helios NanoLab 650(FEI) 시스템을 사용하여 투과전자현미경(TEM) 및 주사전자현미경(SEM) 이미지를 획득하였다. 서울대학교 소재의 신소재 공동 연구소(Research Institute of Advanced Materials; RIAM, Korea)에서 JEM-2100F(JEOL) 시스템을 사용하여 HAADF-STEM 데이터(및 상응하는 EDS 맵) 및 SAED 패턴을 획득하였다.

실험예 2: 전자기 산출(electromagnetic calculations)

이론적 분석을 위하여 상용화된 소프트웨어인 COMSOL Multiphysics를 이용하여 수행하는 FEM 시뮬레이션을 이용하였다. 사용한 모델은 TEM 및 SEM 이미지로부터 결정된 CiC 구조의 분석에 기초하였다. 평면파 여기(plane-wave excitation) 하에 산란장 모드(scattered-field mode)에서 전기장(electric fields) 및 extinction cross-sections을 산출하였다. 코어는 금(Au)으로, 쉘은 금-은 합금(Au-Ag alloy)으로 모델링하였다. 주변 매질(surrounding medium) 및 코어와 쉘 사이의 갭 영역은 물로 모델링하였다. 물에 대해 Hale 및 Querry(Hale, G. M.; and Querry, M. R., Appl. Opt., 1973, 12(3): 555-563)에 의해 보고된 실험적 유전 함수(empirical dielectric function)를 사용하였다. 금 및 금-은 합금에 대해서는 분석 모델(Rioux, D.; Vallieres, S.; Besner, S.; Munoz, P.; Mazur, E.; and Meunier, M., Advanced Optical Materials, 2014, 2(2): 176-182)을 사용하였다.

실험예 3: 광학적 측정

UV-vis 분광광도계(Agilent 8453 spectrophotometer, USA)를 사용하여 나노구조물의 자외선-가시광선(ultraviolet-visible; UV-vis) 스펙트럼을 측정하였다. PL 측정은 HORIBA LabRAM ARAMIS 라만 현미경을 이용하여 수행하였다. 여기 레이저로는 600 gr/mm 격자(grating) 및 다중 채널 1024×256 공랭식의(air-cooled) CCD(charge-coupled device) 검출기(픽셀 크기: 26×26 μm)를 구비한 ND:Yag 레이저(532 nm)를 사용하였다. 모든 스펙트럼은 5 mW의 레이저 파워 및 10초의 노출시간에 대해 5× 대물렌즈를 사용하여 획득하였다. 구체적으로, 테스트하고자 하는 나노구조물 분산액 12 μL를 측정을 위한 유리 기재 상의 실리콘 절연체(silicone isolator)에 위치시켰다. 스펙트럼의 여기 레이저 파장 근처에서 광전자수(number of photocounts)의 현저한 감소를 야기하는 레이저의 직접 산란을 차단하기 위하여, 노치필터(notch filters)를 사용하였다. 측정된 PL 스펙트럼으로부터 참조(references)로 사용한 빈 유리 커버슬립 및 DIW로부터의 스펙트럼을 감하였다. 또한 모든 PL 스펙트럼은 노이즈를 제거하기 위하여 유리와 DIW에 대한 바탕 신호를 감하여 보정하고, 소프트웨어 오리진 8.0을 사용하여 추가로 매끄럽게 하였다. TIRF 측정을 위하여, CiC 용액 1 μL를 유리 슬라이드 상에 스핀코팅하고, 에탄올로 세척한 후 건조하였다.

실험예 4: 광발광 세기( I _PL ) 및 양자수율(QY)의 산출

여기 파장에서의 흡수단면적(absorption cross-sections)(47-nm AuNCs로부터 CiCs로 2배 증가) 및 LSPR 파장에서 총 쌍극자 모멘트(total dipole moment)의 2차 도함수(second time-derivative) 제곱(47-nm AuNCs로부터 CiCs로 12.3배 증가)를 FEM 시뮬레이션을 통해 산출하였다.

나노구조물의 양자수율(quantum yield; QYs)을 상기 방정식에 기초하여 획득하였다. 상기 식에서, Φ, σ 및 c는 각각 QY 값, 여기 파장에서 몰흡수계수(molar absorption coefficient) 및 용액 농도이다. 접미사 s 및 r는 각각 시료와 R6G를 의미한다. R6G의 σ 및 c로는 각각 1.160×10⁵ cm^-1·M^-1 및 0.95를 사용하였다. AuNRs의 분자흡광계수(molecular absorption coefficient)는 이전의 연구(Fang, Y.; Chang, W.-S.; Willingham, B.; Swanglap, P.; Dominguez-Medina, S.; and Link, S., 2012, 6(8): 7177-7184)로부터의 값을 이용하였다.

실험예 5: 광열효과 ( photothermal effect)

본 발명에 따른 CiC NPs의 광열효과를 확인하기 위하여, 10 pM 농도로 준비한 상기 CiC NPs의 분산액 1 mL에 808 nm 레이저를 0.35 W/cm² 출력으로 5분 동안 연속하여 조사하고, 레이저를 차단한 후 10분 동안 유지하면서 온도 변화를 측정하였다. 상기 5분 동안의 레이저 조사 및 10분 동안 레이저를 차단하고 유지하는 과정을 단회 사이클로 하여 동일한 과정을 수회 반복하면서 온도를 측정하였다. 대표적인 CiC NP로는 측면 크기 47 nm의 입방형 금 나노입자 상에 형성된, 9 nm의 나노갭 간격 및 10 nm의 쉘 두께를 갖는 최종 85 nm의 측면 크기를 갖는 입방형 나노구조물을 사용하였다.

실험예 6: 세포 이미징

교아세포종 U87MG 세포를 96웰 플레이트에 1×10⁴ 세포/웰의 밀도로 분주하고, 10% FBS 및 1% PS(100 U/mL 페니실린 및 100 μg/mL 스트렙토마이신)을 포함하는 DMEM(Gibco) 배양액을 사용하여 5% 이산화탄소, 37℃ 조건에서 3일 동안 배양한 후, 100 pM 농도의 본 발명에 따른 CiC NPs 분산액을 1:1의 부피비로 첨가하여 24시간 동안 반응시키고, 488 nm 레이저를 여기 광원으로 사용하여 공초점 형광 현미경으로 관찰하였다.

<결과>

본 발명에서는 큐브-인-큐브 형태로 코어와 쉘 사이에 빈 공간인 나노갭을 포함하되 상기 나노갭은 nm 수준에서 조절 가능하여, 높은 QY로 강한 PL 신호를 제공할 수 있는 금속을 기반으로 하는 나노입자 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상기 큐브-인-큐브 나노입자(cube-in-cube nanoparticles; CiC NPs or CiCs)의 형태 및 구체적인 합성방법을 도식화하여 도 1에 나타내었다. 나아가, 이들 금속성 나노입자에서 강한 PL을 나타내는 기전을 규명하고자 하였다. 상기 내부 갭에 기초한 플라즈몬 커플링(interior gap-based plasmonic coupling)은 강하고, 조율 가능(tunable)하였으며, 이때 개별 입자들 간의 신호 변동은 최소화되었다. 코어물질로는 나노스피어 및 나노막대(NRs)에 비해 높은 QY을 나타내는 금 나노큐브(AuNCs)를 선택하였다. 또한, 이의 명확히 정의된 면(well-defined faces), 모서리(edges), 및 정점(vertices)은 코어와 쉘 사이에 균일한 전자기장을 갖는 명확히 정의된 나노갭을 유도하였다. 본 발명에서는 내부 갭 존재시 코어로부터 외부 쉘을 형성하기 위하여, 치환(replacement)/환원(reduction) 및 공동 형성(void formation) 단계를 포함하는 GVF 공정을 개발하였다(도 1). 이를 통해 높은 구조적 정확성 및 수율(~88 %)로, 목적하는 나노구조물을 합성할 수 있었다. 본 발명에서는 금속 나노구조물로부터 플라즈몬 커플링에 기초한 PL 향상에 대한 초방사성(super-radiant) PL 기전을 최초로 제안하고, 또한 상기 기전 및 플라즈몬 혼성화 이론에 기초하여 CiC NPs의 광학적 성질을 분석하였다. 결론적으로, CiC NPs는 AuNCs에 비해 고도로 향상된 PL 세기 및 더 높은 QY를 나타내었으며, 상기 CiC NPs로부터의 PL 세기 및 QY는 금속성 나노입자에 대해 보고된 가장 높은 값들이었다.

먼저, 상기 제조예 1 및 2를 차례로 수행하여 ~47-nm AuNCs를 합성하고 ~13-nm Ag 쉘로 코팅하고 TEM 이미지를 측정하여 확인하였다(도 2의 i 및 ii). 구체적으로, 염화 세틸트리메틸암모늄(cetyltrimethylammonium chloride; CTAC) 계면활성제(surfactant) 및 Ag 전구체의 농도를 정확히 조절하여, 대량의 입자들에 있어서 Ag 쉘의 두께 및 정점 첨예도(vertex sharpness)를 조절하였다(도 2의 ii 및 도 3). 다음으로, 70℃에서 아스코르브산으로 갈바닉 치환/환원 단계를 수행하였다. 시간 의존적(time-dependent) TEM 이미지를 이용하여 합성 기전, 즉, Au 전구체에 의한 Ag 원자의 산화 및 아스코르브산에 의한 Au 및 Ag 이온의 동시적인 공환원(co-reduction)을 확인하였다(도 2의 iii 및 도 4). 특히, 고온과 환원제의 존재의 시너지적 효과는 거의 이음새가 없고(nearly seamless), 견고하며(solid), 탄탄한(robust) 입방체 Au-Ag 합금 쉘을 유도하였다(도 5). 반대로, 갈바닉 치환 반응을 25℃에서 및/또는 환원제 부재 하에 수행하였을 때, 균일하며 조절가능한 플라즈몬 커플링을 저해하는, 거칠거나 다공성인 표면이 형성되었다. 감소된 온도에서 환원제 부재 하에 수행되는, 이어지는 동공 형성 단계(void formation step)는, 잔류 내부 Ag 원자를 밀어내고 코어와 쉘 사이에 깨끗한 동공을 형성하였다(도 2의 iv). 주사전자현미경(SEM)을 사용하여, 모서리 길이의 ~25%와 같은 정점 절단(vertex truncation)을 확인하였다. 상기 절단은 총 표면 에너지(total surface energy)를 최소화하기 위하여 유도되었으며, 덜 안정한 {100} 면(planes) 대신에 {111} 면을 생성한다(도 6의 삽입도 및 도 7). 또한, 코어와 쉘 사이에 연결되는 접점(connecting junctions)이 형성되는 것이 관찰되었다(도 2의 iv의 삽입도 및 도 8a의 하단 우측 이미지). 수득한 CiC NPs는 균질하였고(homogeneous), 85.11±1.07 nm(n = 50)의 모서리 길이, ~9 nm의 갭 크기, 및 ~10 nm의 쉘 두께를 가졌다. 200개 나노구조물을 분석하여, 합성 수율이 ~88%임을 확인하였다(도 6). 본 발명자들은 Ag 쉘 두께를 변화시키면서 다양한 갭 크기의 CiC NPs를 합성하였다(도 9). 외각 쉘 두께를 ~10 nm로 일정하게 유지하면서, 갭 거리는 ~1, 3 또는 15 nm로 변화시켰다. 각 구성 원소의 공간적 분포는 물론 나노구조물의 원소 조성을 결정하기 위하여, 고각도 산란 암시야 주사 투과전자현미경(high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy; HAADF-STEM) 및 에너지 분산형 X-선 분광기(energy-dispersive X-ray spectroscopy; EDS) 맵핑을 수행하였다. 획득한 HAADF-STEM 이미지는 내부 나노갭의 존재를 갖는 Au-Ag 합금 쉘의 형성에 관한 정보를 제공하였다(도 8a). 대부분의 Ag 원자는 주로 쉘의 안쪽 부분에 존재하는 반면, 금 원자는 오히려 코어와 쉘에 고르게 분포되었다. 이러한 결과는 상기 기술된 제안된 합성 기전을 뒷받침한다. CiC NPs의 전자 회절 패턴은 대칭적이었으며 단일-결정 구조임을 나타내었다. 보다 구체적으로, 상기 패턴은 표면의 선호되는 성장 방향이 fcc {100} 측면(facet)을 따 름을 제안하였다. 이는, Au와 Ag 간의 낮은 격자 불일치(lattice mismatch)에 기인하는, NCs로부터 CiCs로의 적층성장(epitaxial growth)을 나타내는 것이다(도 8b).

CiCs의 코어와 쉘 간의 커플링을 설명하기 위하여, 플라즈몬 혼성화 모델(plasmon hybridization model)을 이용하였다. 입방체와 절단된 입방체 쉘의 2개 dipolar parent modes가 혼성화될 때, 이들은 2개의 주된 플라즈몬 모드, 결합 쌍극자와 반결합 쌍극자 모드(bonding dipolar and antibonding dipolar modes),를 형성한다(도 10). 비대칭적 혼성화는 상-지연(phase-retardation) 효과에 기인한다. 반결합 모드는 증가된 총 쌍극자 모멘트를 갖는 초방사성을 나타내는 반면, 결합 모드는 감소된 총 쌍극자 모멘트를 갖는 준방사성(sub-radiant)이었다. 상기 초방사성의 개념은 형광분야에서 최초로 개시된 것이다. 방사체(emitters)가 서로 상호작용하고 일관성있게 간섭(coherently interfere)할 때, 고립된 산란체(isolated scatterers)의 경우와는 대조적으로, 이들은 협력적 방사(cooperative emission)를 나타내었다. 금속의 자유 전자의 집합 진동(collective oscillation)이 진동하는 쌍극자와 유사한 것으로 간주될 때, 이러한 플라즈몬 모드의 방사성 감쇠율(radiative damping rate)은 쌍극자 모멘트의 2차 도함수의 제곱에 비례한다. 플라즈몬 모드가 초방사성이 되어감에 따라, 방사성 감쇠도(degree of radiative damping)는 현저히 증가하였다.

플라즈몬 커플링 결과는 소광 스펙트럼에 의해 추가적으로 설명되었다. 유한요소법(finite element method; FEM) 시뮬레이션을 이용하여 획득한 스펙트럼은 각 모드의 에너지 준위를 나타내었다(도 11a). AuNCs는 가시광선 영역에서 소광 피크를 나타내는 반면, 나노쉘은 더 큰 크기로부터 발생하는 사중극자 모드와 관련된 작은 숄더와 함께 근적외선 영역에서 강한 소광 피크를 나타내었다(도 11a 및 도 12). 커플된 CiCs의 계산된 소광 스펙트럼은, 예상되는 바와 같이, 2개의 주된 플라즈몬 모드를 나타내었다. 반결합 모드는 초방사성을 반영하여 선폭(line-width)을 증가시켰으며, 결합 모드의 준방사성은 선폭의 첨예함에 반영되었다. 가시광선 영역에서의 피크는 주로 산란에 기인하며, 근적외선 영역의 피크는 강한 흡수를 나타냄을 명심해야한다. 나아가, 갭 거리가 작을수록, 코어와 쉘 사이의 커플링은 더 강하여 결합 플라즈몬 모드의 에너지를 낮추었다(도 9). CiC NPs의 실험적으로 결정된 소광 스펙트럼은, 갭 내에 잔류하는 Ag가 FEM 모델에서 설명되지 않았음에도 불구하고, 계산된 스펙트럼과 잘 일치하였으며, 이는 잔류하는 Ag 원자는 원거리장(far-field) 광학적 성질에 거의 영향을 미치지 않음을 나타내는 것이다(도 11b). 실험적 스펙트럼에서 나타난 증폭(broadening)은 나노구조물의 내재적 불균질성(intrinsic heterogeneity)에 기인하였다. CiCs는 ~1.45 eV(855 nm) 및 ~2.15 eV(577 nm)에서 2개의 뚜렷한 피크를 나타내었다. 15-nm 갭을 갖는 CiCs의 스펙트럼은 갈바닉 치환 반응 후 두꺼운 Ag 쉘로부터 남겨진 다량의 잔류 Ag로 인해 어떠한 명확한 피크도 나타내지 않았다(도 9). 이들 잔류물은 코어와 쉘 사이의 공동을 채우며, 따라서 플라즈몬 커플링을 저해하였다.

PL에 대한 내부 나노갭의 효과를 명확히 규명하기 위하여, 2개의 다른 크기의 AuNCs를 합성하였다. 더 작은 AuNCs의 크기(47 nm)는 CiCs의 코어의 크기와 동일하며, 보다 큰 AuNCs(87 nm)는 CiCs와 유사한 크기를 갖도록 하였다(도 13a). 47- 및 87-nm AuNCs의 소광 스펙트럼은 단일 LSPR 피크를 포함하였다(도 14a). 87-nm AuNCs의 최대 LSPR 파장은 더 작은 크기의 AuNCs에 비해 장파장 이동(red-shifted)하였으며, AuNCs의 큰 크기로 인해 87-nm AuNCs의 소광 세기는 3개 나노구조물의 값 중 가장 높았다. 나아가, 87-nm AuNCs의 계산된 소광 스펙트럼은 관찰된 스펙트럼과 유사하였다(도 13b). 금속 내 전기장의 횡단면 이미지에 기초하여, 본 발명자들은 CiCs의 코어 내의 장 세기는 가시광선 영역에서 쉘 내의 값보다 더 강함을 확인하였다(도 15). 근적외선 영역의 피크의 경우, CiCs의 강한 전기장은 주로 쉘 영역에 분포하였다. 이는 가시광선 영역의 피크는 코어-주도적인 반면, 근적외선 영역의 피크는 쉘-주도적임을 나타내는 것이다.

PL 세기는 여기 파장이 관심 나노구조물의 LSPR 파장과 중첩될 때 극대화하므로, 나노구조물의 PL을 연구할 때 적절한 여기 레이저원의 선택이 중요하다. 본 발명에서는 여기 광원(excitation source)으로서 532-nm 레이저를 사용하여 PL 측정을 수행하였으며, PL 세기는 535 내지 1000 nm 파장에 대해 앙상블 모드에서 측정하였다. 상기 앙상블 측정 동안, 이웃한 입자에 의한 재흡수로 설명될 필요가 있는, 내부필터효과(inner-filter effect)는 무시할만함을 입증하였다(도 16). 레이저 파워와 PL 세기 간의 선형적 관계는 PL이 단일-광자 과정(one-photon process)임을 제안한다(도 17). 9-nm 갭을 갖는 CiCs의 PL 세기는 다른 갭 크기를 갖는 CiCs의 것은 물론 2개 AuNCs의 것과 크게 상이하였다(도 14b). 보다 큰 AuNCs는 CiCs 에 비해 눈에 띄게 낮은 PL을 나타내었으며, 이는 CiCs의 내부 나노갭이 PL 신호 향상에 영향을 주는 것임을 나타내는 것이다. 본 발명에서 합성된 나노구조물은 높은 수율로 수득하였으므로, 다양한 NP에서 PL 세기의 차이는 주로 이들의 구조적 상이함에 기인할 수 있다. 플라즈몬 모드의 초방사성의 향상은 향상된 흡수능에 기인한다고 사료된다. 플라즈몬성 나노구조물로부터의 초방사성 PL과 관련하여, PL 세기 즉, IPL은 하기 방정식으로 표시될 수 있다.

PL 과정과 관련된 흡수 및 방출 단계를 고려할 때, IPL은 σ_abs 및 (P")²의 곱에 비례하며, 이때 σ_abs는 여기 파장에서 흡수 단면적이고, (P")²은, 총 쌍극자 모멘트, P의 이차 도함수의 제곱으로 표시되는, 방사성 감쇠율이다. 방사성 감쇠율은, 둘 모두가 방출 효율을 나타내는 점에서, 실험적 수치에서 QY로 간주될 수 있다. 47-nm AuNCs와 비교하여, CiCs에 대해 각각 1.9배 및 12.3배 더 높은 흡수 단면적 및 방사성 감쇠율을 획득하였다. 이에 기초하여, 본 발명자들은 47-nm AuNCs에 대한 CiCs 의 총 PL 세기 비율을 24.7로 결정하였으며, 이는 실험적으로 획득한 값인 31.3에 필적할만하다(도 18a). PL 기전에 기초하여 완화변수(relaxation parameter)와 같은 다른 인자들을 고려하여, 증강인자(enhancement factor)를 보다 높은 정확도로 계산할 수 있다. 87-nm AuNCs의 낮은 PL 세기에 대한 한가지 가능한 설명은 여기 파장과 최대 LSPR 파장 사이의 상대적으로 큰 에너지 차이 및 AuNCs는 평범하며 초방사성 쌍극자 진동을 나타내지 않는다(exhibited ordinary and not super-radiative dipole oscillations)는 사실일 수 있다.

흥미롭게도, CiC NPs의 PL 스펙트럼은, 이의 산란 스펙트럼은 2개 LSPR 피크를 가짐에도 불구하고, 단일 피크를 포함하였다. 이는 나노구조물의 PL 스펙트럼이 개별 산란 스펙트럼과 유사하다고 제안한 기존의 연구를 따르지 않는 것이다. 나아가, 많은 연구자들은 국소장 증강(local field enhancement)이 나노구조물의 향상된 PL 세기에 대한 이유라고 간주하였다. 그러나, 본 발명자들은, 근적외선 영역에서 LSPR 피크에 상응하는 계산된 전기장이 가시광선 영역의 피크에 대한 것보다 더 강함에도 불구하고, 근적외선 영역에서 PL 피크를 관찰하지 못하였으며, 이는 보다 강한 전기장이 더 높은 PL 세기를 항상 보장하는 것은 아님을 나타내는 것이다. 여기 에너지 완화 및 근적외선 피크의 준방사성을 고려하는 것이 이러한 현상을 설명하는데 도움이 될 수 있다. 여기 레이저로부터의 에너지는 전자-전자 및 전자-포논(phonon) 커플링에 의해 재분배되고 기하급수적으로 완화될 수 있다. 이는 여기 파장으로부터 먼 LSPR 모드의 여기 확률을 감소시킨다. 또한, 준방사성 LSPR 모드는 보다 적은 방사 기회를 갖는다.

마지막으로, 본 발명자들은 유기염료 그리고 다양한 나노구조체(47 nm 및 87 nm 크기의 입방형 금 나노입자, 및 금 나노막대를 포함)와 CiCs의 QY와 통합된(integrated) 총 PL 세기 즉, PL 휘도(brightness)를 비교하였다(도 18a, 도 19 및 표 1). 532 nm에서 계산된 몰흡수계수(molar absorption coefficient) 및 총 PL 세기를 고려하여, 각 시료의 QY를 결정하였으며, 기준(reference)으로는 R6G를 사용하였다. CiC NPs의 QY는 4.38×10^-4였으며, 이는 47-nm 및 87-nm AuNCs의 그것에 비해 각각 16.2배 및 12.3배 더 높았다. 47-nm AuNCs의 QY는 2.80×10^-5로 결정되었다. 플라즈몬 커플링으로부터 발생하는 플라즈몬 모드의 초방사성은 증가된 방사성 감쇠를 갖게 하여 QY의 증가를 허용하였다. 측정된 값을 컨펌하기 위하여, AuNRs를 내부 기준으로 사용하였으며, 이의 측정된 QY는 7.53×10^- ⁶로, 이는 최근 보고된 데이터와 일치하였다(도 18a 및 도 20). 증가된 QY 및 보다 높은 흡수단면적의 포함은 47-nm AuNCs에 비해 CiC NPs에 대해 31.3배 더 높은 PL 세기를 제공한다. 뿐만 아니라, CiCs는, 비슷한 흡수단면적 값을 공유함에도 불구하고, 87-nm AuNCs 보다 13.5배 더 강한 PL을 가지며, 이는 플라즈몬성 나노구조물로부터의 PL의 향상에서 초방사성 플라즈몬 모드가 중요한 역할을 가짐을 나타내는 것이다. CiCs의 총 PL 세기는 기존의 유기 형광체인 R6G에 비해 동일한 농도에 대해 10³ 수준으로 더 높다. CiC NPs의 PL 신호는 최소 1시간 동안 연속적인 레이저 조사 하에 전반사형광현미경(total internal reflection fluorescence(TIRF) microscopy)을 사용하여 측정하더라도 광표백이나 광깜빡임을 발생하지 않고 안정하게 유지되었다(도 18b 및 도 21). 이는, 유기 분자로부터의 형광이 시간이 지나면서 표백되는 것을 고려할 때, 관찰되는 PL이 실질적으로 주변 분자들로부터가 아닌 나노구조물로부터 비롯함을 나타내는 것이다.

	ε(M^-1·cm^-1)	I_total(a.u.)	QY
47-nm AuNCs	3.06×10¹⁰	4.55×10⁵±1.51×10⁴	2.73×10^-5±9.07×10^-7
87-nm AuNCs	5.38×10¹⁰	1.02×10⁶±1.89×10⁴	3.25×10^-5±6.02×10^-7
AuNRs	1.27×10¹⁰	5.08×10⁴±6.96×10²	7.53×10^-6±1.03×10^-7
CiCs with 9-nm gap	5.91×10¹⁰	1.37×10⁷±9.04×10⁴	4.78×10^-4±3.14×10^-6
R6G	1.16×10⁵	5.85×10⁵	9.5×10^-1

종합적으로, 본 연구에서 CiCs 내에서 초방사성 플라즈몬 커플링을 통해 고도로 향상된 PL을 나타내는, 내부 나노갭을 조절할 수 있는 CiCs를 고안하고 합성하였다. 치환/환원 및 동공 형성 단계로 구성된, 조절된 2단계 GVF 반응은 균일하고 조절하능한 내부 나노갭을 갖는 CiCs를 고수율로 생산하였다. 무엇보다도, 코어와 쉘 간의 플라즈몬 커플링이, 상응하는 LSPs의 방사성 감쇠를 현저히 증가시켜 CiCs로부터 고도로 향상된 PL을 제공하는, 초방사성 LSPR 모드를 유도함을 규명하였다. CiC NPs는 각각 ~2배 및 ~16배 더 높은 흡수단면적 및 QY를 나타내어, 47-nm AuNCs 보다 ~31배 더 높은 PL 세기를 유도하였으며, 이는 금속성 나노구조물에 대해 보고된 가장 높은 PL 세기 및 QY이다. 나아가, CiC NPs의 총 PL 세기는 유기 형광체(본 케이스에서 R6G)에 비해 ~10³ 더 높았다. 이상의 결과들을 가지고 나노구조물로부터의 PL을 향상시키기 위하여 고안된 전략 및 플라즈몬 혼성화에 기초한 기전을 제안할 수 있다. 나아가, 이들 플라즈몬성 나노구조물로부터의 PL 파장은 이들의 구조 및 조성에 기초하여 나노구조물의 LSPR을 조율(tuning)함으로써 손쉽게 조절할 수 있다. 금속에 의해 나타나는 PL은 광학적으로 안정하여 유기 형광체 및 양자점으로부터의 PL과 구별된다.

추가로 CiC NPs의 광열 효과를 실험을 통해 확인하였고, 그 결과를 도 22에 나타내었다. 도 22에 나타난 바와 같이, 0.35 W/cm² 출력으로 808 nm 레이저를 5분 동안 연속하여 조사 시, 대조군(PBS 용액)의 경우 그 온도가 30℃ 미만으로, 레이저 조사 전과 비교하여 약 5℃ 이내의 온도 증가를 나타내었으나, 본 발명에 따른 나노구조물에 조사한 경우에는 용액 온도가 51℃ 이상까지, 약 30℃ 정도 증가하는 것을 확인하였다. 이는 세포 사멸에 필요한 온도 기준(42℃)을 뛰어넘는 온도로 CiC NPs의 우수한 광열 효과 및 이에 따른 광열치료제로서의 활용 가능성을 나타내는 것이다. 레이저 조사 및 차단을 반복적으로 수행한 결과, 매회 유사한 온도 증감폭을 보이는 것을 확인할 수 있어 조사하는 레이저 출력 세기에도 나노입자가 무너지거나 능력이 상실되는 등의 이상 현상 없이 반복적인 광열 효과를 보일 수 있음을 확인하였다.

또한 U87MG 세포에 CiC NPs를 처리하여 공초점 형광 현미경으로 관찰하고, 그 결과를 도 23에 나타내었다. 도 23에 나타난 바와 같이, 488 nm 레이저 조사시 CiC NPs의 형광 신호가 나타났으며 신호 위치는 세포의 위치와 잘 일치하였다. 이는 세포 내 주입된 CiC NPs로부터 성공적으로 형광 신호를 관찰할 수 있음을 나타내는 것이며 세포내 이미징 분야에도 도입될 수 있다는 응용 가능성을 시사하는 것이다.

상기 전략 및 결과는, SERS 및 MEF에 대해 많은 장점을 갖는 플라즈몬성 나노구조물로부터의 PL 신호의 온전한 이해, 조율 및 향상, 및 광학, 생물감지(biosensing), 생물이미징 및 에너지 응용(energy applications)을 포함한 다양한 응용에 대한 플라즈몬성 나노물질에 기초한 PL 나노탐침의 사용에 대한 가능성을 열었다.

Claims

입방형 제1금속 나노입자 코어;
상기 코어의 외각에 일정한 두께로 형성된 제2금속 코팅층으로부터 제2금속이 제거되면서 형성된 빈 공간 및 제2금속 함유 나노브릿지를 포함하는 나노갭; 및
상기 나노갭을 통해 코어로부터 일정한 간격으로 이격되어 일정한 두께로 형성된 제2금속 및 제3금속 합금 쉘을 포함하는,
큐브-인-큐브 형태의 금속 나노구조물.
제1항에 있어서,
상기 금속 나노구조물은 입방형 제1금속 나노입자 코어 및 상기 코어 상에 일정한 두께의 제2금속 코팅층을 포함하는 나노입자에 제3금속을 이용한 갈바닉 치환/환원 반응을 수행하여 제조된 것인 금속 나노구조물.
제1항에 있어서,
상기 나노갭은 두께가 서브 나노미터 수준에서 조절된 것인 금속 나노구조물.
제1항에 있어서,
상기 나노갭의 두께는 0.5 내지 20nm인 것인 금속 나노구조물.
제4항에 있어서,
상기 금속 나노구조물은 코어 또는 전체 금속 나노구조물과 동일한 체적을 갖는 입방형 제1금속 나노입자에 비해 10 내지 100배 수준으로 광발광 세기가 향상된 것인 금속 나노구조물.
제1항에 있어서,
상기 제1금속 및 제3금속은 서로 같은 금속인 것인 금속 나노구조물.
제1항에 있어서,
상기 제1금속 및 제3금속은 모두 금이고, 제2금속은 은인 것인 금속 나노구조물.
입방형 제1금속 나노입자 코어 및 상기 코어 상에 일정한 두께의 제2금속 코팅층을 포함하는 나노입자를 준비하는 제1단계; 및
상기 제1단계의 나노입자에 갈바닉 치환/환원 반응을 수행하는 제2단계를 포함하는,
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 큐브-인-큐브 형태의 금속 나노구조물의 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 제2단계는 양이온성 제3금속 전구체 존재 하에 수행하는 것인 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 제2단계는 환원제 존재 하에 수행하는 것인 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 제2단계는 40 내지 100℃에서 수행하는 것인 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 제2단계는 양이온성 제3금속 전구체에 의한 제2금속의 산화에 의해 동공이 형성되는 동시에 양이온성 제3금속 전구체 및 상기 산화에 의해 형성된 제2금속 이온의 동시적인 환원에 의해 제2금속-제3금속 합금 쉘이 형성되는 것인 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 제1금속과 제2금속, 및 제2금속과 제3금속은 격자 상수(lattice constant) 차이가 10 pm 이하가 되도록 선택된 것인 제조방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 큐브-인-큐브 형태의 금속 나노구조물을 포함하는 생물검출용(biosensing) 조성물.
제14항에 있어서,
상기 금속 나노구조물은 검출하고자 하는 물질에 특이적으로 결합하는 물질을 포함하는 것인 생물검출용 조성물.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 큐브-인-큐브 형태의 금속 나노구조물을 포함하는 광열치료용(photothermal therapy; PTT) 조성물.
제16항에 있어서,
상기 조성물은 암질환의 치료용인 것인 광열치료용 조성물.
제16항에 있어서,
상기 금속 나노구조물은 근적외선 영역에서 흡수 스펙트럼을 갖는 것인 광열치료용 조성물.