KR20190111250A

KR20190111250A - 3차원 다공성 나노플라즈몬 네트워크를 이용한 표면증강라만 분석법

Info

Publication number: KR20190111250A
Application number: KR1020180033150A
Authority: KR
Inventors: 최인희; 이윤정; 강태욱
Original assignee: 서울시립대학교 산학협력단; 서강대학교산학협력단
Priority date: 2018-03-22
Filing date: 2018-03-22
Publication date: 2019-10-02
Also published as: KR102028432B1

Abstract

3차원 다공성 나노플라즈몬 네트워크를 이용한 표면증강라만 분석법에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 3차원 다공성 나노플라즈몬 네트워크 구조체는 친환경적인 소재와 경제적인 제조방법으로 제조될 수 있고, 고체상, 액체상, 기체상, 또는 친수성, 소수성의 구분 없이 분석대상물질을 용이하게 분석할 수 있을 뿐만 아니라, 레이저가 통과하는 기공에 많은 금속 나노입자와 분석물이 존재할 수 있으므로 종래의 기판 기반 광학 구조체에 비해 현저히 강한 라만 신호를 얻을 수 있는 효과가 있다.

Description

3차원 다공성 나노플라즈몬 네트워크를 이용한 표면증강라만 분석법{Methods for surface-enhanced Raman scattering using three-dimensional porous nanoplasmonic network}

3차원 다공성 나노플라즈몬 네트워크를 이용한 표면증강라만 분석법에 관한 것이다.

오늘날 환경오염 문제가 심각해지면서 각종 중금속 및 유기인계 화합물과 같은 환경오염 물질의 조기 검출에 대한 필요성이 증대되고 있다. 또한, 국제사회에서 테러에 의한 위협이 고조되면서 탄저 및 사린과 같은 각종 바이오테러 물질의 조기 검출에 대한 필요성 또한 증대되고 있다. 나아가, 체내에서 질병의 발현이 일어나기 전에 피검체로부터 분리한 생체시료에 존재하는 바이오마커를 검출하여 사망률이 높은 암이나 심장 질환 등을 조기에 진단하고 예방하기 위한 필요성이 높아지고 있다.

따라서, 상기와 같은 위험물질을 신속하고 정확하게 검출하여 그 확산을 차단하고, 질병이 의심되는 환자로부터 바이오마커를 검출하여 진단하는 것은 매우 중요한 과제가 아닐 수 없으며, 이러한 각종 화학물질 또는 바이오마커의 극미량 분석 기술의 개발은 환경 모니터링, 법 과학, 국토방위, 의료 분야에서 매우 중요한 문제로 대두되고 있는 실정이다.

기존의 환경 오염물질 또는 바이오 분자 등의 분석 기술은 복잡한 전처리 과정을 필요로 할 뿐만 아니라, 이동이 불가능하거나 매우 불편한 대형의 분석장비를 필요로 하여, 분석시 오랜 시간과 노력이 소요된다는 단점이 있었다.

이와 관련하여, 근래에는 표면 증강 라만산란(Surface Enhanced Raman Scattering, SERS)은 높은 민감도(sensitivity)로 인해 유해 화학물질(chemical)을 탐지하고 바이오 분자를 분석하는 방법으로 각광받고 있다.

이 분야에서는 라만 신호증폭이 크고 신뢰성이 있는 SERS 기판으로 이용할 수 있는 특정 구조에 대한 연구가 계속되고 있다. 가령, 금, 은과 같은 금속 나노입자들을 원하는 모양 및 형상으로 만들기 위해서, 이온빔 리소그래피, 전자빔 리소그래피, 나노스피어 리소그래피 및 금속의 진공 증착법을 활용하거나, 작은 나노입자들을 기판위에서 나노클러스터 형태로 모으는 방법이 이용되고 있다. 이 기술들은 나노입자들 사이의 거리 조절을 통하여 라만 신호가 증폭될 수 있는 핫-스팟(Hot-spot)을 만드는 데 이용된다.

그러나 이 기술들은 비용이 많이 들고 제조공정이 복잡하다는 문제가 있다. 경제적이고 안정적이며 신뢰성 있는 SERS 측정을 위한 금속 나노 구조체를 만들기 위해서 실리콘 나노와이어 어레이로 은 나노입자를 코팅하거나, 금 나노입자를 가지는 다공성 알루미늄 막, 및 할로우 금 나노구조체에 대한 기술이 보고되었다.

현재, SERS에 사용 가능한 기판은 라만 산란의 증강 및 검출에 다양한 결함을 가지고 있다. 라만 산란 신호는 일반적으로, 특히 플랫(flat) 기판에서 비교적 약하다(특허문헌 1). 약한 라만 신호는 저농도의 시료에 존재하는 분자 종을 검출하고 확인하는 것을 어렵게 한다. 더욱이, 사용할 수 있는 기판이 라만 산란 신호를 증강시키더라도, 라만 산란 신호의 증강은 대개 기판의 국부적인 영역(localized area)에서 일어나며, 저농도 시료의 경우 존재하는 분자들의 분포가 기판 표면에 걸쳐 균일하게 흡착되지 않아 재현성 있는 라만 신호를 얻는 것이 어렵다. 증강된 라만 산란 신호를 얻을 수 있는 영역은 기판 표면의 전체 영역과 비교하면 상대적으로 작다. 라만 산란 신호를 얻을 수 있는 영역의 편재화는 재현성 있는 신호를 측정하기 위한 레이저 광의 조사 위치를 특정하는 것을 부담스럽게 하며, 따라서 분자 종을 검출하고 확인하는 것을 어렵게 한다.

이에, 종래의 기판을 기반으로 하는 표면증강라만 분석법이 갖는 한계점을 극복할 수 있는 새로운 표면증강라만 분석법과, 이러한 분석법에 사용할 수 있는 표면증강라만 분석용 구조체가 요구되고 있다.

대한민국 공개특허 10-2009-0001015

본 발명의 일 측면에서의 목적은 3차원 다공성 나노플라즈몬 네트워크 기반의 표면증강라만 분석용 광학 구조체를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 일 측면에서의 목적은 상기 표면증강라만 분석용 광학 구조체의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 측면에서의 목적은 상기 표면증강라만 분석용 광학 구조체를 사용한, 분석 시료 내 분석대상물질의 존재 여부를 판단하기 위한 검출방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여,

본 발명의 일 측면에서 내부에 기공이 형성된 고분자 재질의 매트릭스; 및

상기 매트릭스에 분산된 금속 나노입자를 포함하는, 표면증강라만 분석용 광학 구조체가 제공된다.

또한, 본 발명의 다른 일 측면에서 수용해성 물질로 이루어지는 디스크 형태의 주형(template)을 준비하는 단계;

고분자 물질을 포함하는 제1 용액 및 금속이온을 포함하는 제2 용액의 혼합용액에, 상기 주형을 침지하여 주형 내 혼합용액를 흡수시키는 단계;

주형에 흡수된 혼합용액의 고분자 물질을 경화시키는 단계; 및

수용해성 물질을 제거하는 단계;를 포함하는, 표면증강라만 분석용 광학 구조체의 제조방법이 제공된다.

나아가, 본 발명의 또 다른 일 측면에서 상기 표면증강라만 분석용 광학 구조체에 분석 시료를 담지하는 단계; 및

레이저 광을 조사하는 단계;를 포함하는, 분석 시료 내 분석대상물질의 존재 여부를 판단하기 위한 검출방법이 제공된다.

본 발명의 일 측면에서 제공되는 3차원 다공성 나노플라즈몬 네트워크 구조체는 친환경적인 소재와 경제적인 제조방법으로 제조될 수 있고, 고체상, 액체상, 기체상, 또는 친수성, 소수성의 구분 없이 분석대상물질을 용이하게 분석할 수 있을 뿐만 아니라, 레이저가 통과하는 기공에 많은 금속 나노입자와 분석물이 존재할 수 있으므로 종래의 기판 기반 광학 구조체에 비해 현저히 강한 라만 신호를 얻을 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 측면에서 제공되는 3차원 플라즈몬 네트워크의 제조 스킴을 나타내는 이미지이며, 도 1 내 scale bar는 2 mm를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 측면에서 제공되는 3차원 플라즈몬 네트워크의 유연성을 평가한 결과를 나타내는 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 측면에서 제공되는 3차원 플라즈몬 네트워크의 흡착 특성을 평가한 결과를 나타내는 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 측면에서 제공되는 3차원 플라즈몬 네트워크의 형태 및 광학 특성을 평가한 결과를 나타내는 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 측면에서 제공되는 3차원 플라즈몬 네트워크 또는 PDMS의 팽윤 특성을 평가한 결과를 나타내는 이미지이다.
도 6은 PDMS 필름과, 다공성 PDMS 네트워크의 용매에 의한 팽창률을 비교한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 측면에서 제공되는 3차원 플라즈몬 네트워크의 SERS 검출 평가 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 최적화를 위해, 다양한 농도의 금속 전구체와, PDMS 베이스와 경화제의 혼합 비율로 준비된, 다공성 3차원 플라즈몬 네트워크의 SERS 신호를 체계적으로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 다공성 3차원 플라즈몬 네트워크를 이용하여 아데닌, BPE, DCI, CMIT/MIT 저분자의 라만 강도를 검량선으로 표현한 그래프이다.
도 10은 혼합된 유기 화합물의 SERS 스펙트럼을 나타내는 확대 그래프이다.
도 11은 Ag-플라즈몬 네트워크를 사용하여, 기체 상태의 톨루엔 검출 결과를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

이때, 상기 고분자는 경화될 수 있는 고분자라면 제한 없이 사용 가능하며, 몇 가지 구체예로는 폴리다이메틸실록산 (PDMS: Polydimethylsiloxane), 폴리우레탄 아크릴레이트 (PUA: Polyurethane acrylate), 퍼플루오르폴리에터 (PFPE: Perfluoropolyether), 폴리에스테르 아크릴레이트 (Polyester acrylate), 폴리카프로락톤 (PCL: Polycaprolactone), 폴리락트산 (PLA: Polylactic acid), 에틸셀룰로스 (EC: Ethylcellulose), 폴리스티렌 (PS: Polystyrene), 폴리테트라 플루오로에틸렌 (PTFE: Polytetrafluoroethylene), 폴리프로필렌-에폭시(PP-epoxy), 폴리 알콕시실란 오르가노겔(Poly(alkoxysilane) organogels) 등이 있다. 이들은 단독으로 사용할 수도 있고, 조합하여 사용할 수도 있다. 하나의 구체예로 PDMS는 소수성이므로 네트워크에는 소수성 시료를, 기공에는 친수성 시료를 간단한 물리/화학적 방법으로 위치시킬 수 있어 친유성(소수성), 친수성 시료를 모두 측정할 수 있다. 상기 고분자는 상기 표면증강라만 분석용 광학 구조체를 지지하는 역할을 한다. 상기 고분자 재질의 매트릭스는 스폰지(sponge) 타입일 수 있다.

또한, 상기 기공은 300 내지 600 ㎛의 평균 직경일 수 있으나, 이에 제한되는 것을 아니다.

나아가, 상기 금속 나노입자는 외부에서 유입되는 빛의 흡수 또는 집중이 가능토록 하는 플라즈몬(Plasmon) 입자로서, 표면증강라만 분석에 통상적으로 사용되는 금속이면 제한 없이 사용할 수 있으나, 구체예로서 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt)을 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있다.

본 발명의 다른 일 측면에서 수용해성 물질로 이루어지는 디스크 형태의 주형(template)을 준비하는 단계;

상기 수용해성 물질로 이루어지는 디스크(disk) 형태의 주형(template)을 준비하는 단계에서, 상기 수용해성 물질은 물에 용해되는 물질이라면 제한 없이 사용 가능하며, 몇 가지 구체예를 들면 설탕, 소금 등이 있다. 상기 수용해성 물질로 이루어지는 디스크 형태의 주형은 수용해성 물질을 단순히 성형하여 준비할 수 있으므로 경제적으로 이점이 있다. 수용해성 물질을 성형할 때 수용해성 물질에 점착성을 부여하기 위하여 소량의 물을 사용할 수도 있다.

상기 고분자 물질을 포함하는 제1 용액 및 금속이온을 포함하는 제2 용액의 혼합용액에, 상기 주형을 침지하여 주형 내 혼합용액를 흡수시키는 단계에서, 상기 고분자 물질과 금속이온의 금속은 상술한 바와 같다. 상기 제2 용액에 포함되는 금속이온은 AgNO₃, HAuCl₄, H₂PtCl₆ 등의 금속염 형태로 존재할 수 있다. 상기 단계와 같이 주형을 혼합용액에 침지하면, 혼합용액이 주형 내부에 형성된 기공으로 모세관 현상으로 주입된다. 상기 금속이온을 포함하는 제2 용액의 금속이온 농도는 1 내지 10 mM 범위일 수 있다.

상기 주형에 흡수된 혼합용액의 고분자 물질을 경화시키는 단계는 경화제에 의해 촉진될 수 있다. 즉, 고분자 물질을 포함하는 제1 용액은 경화제를 더 포함할 수 있다. 이때, 고분자 물질과 경화제는 5 내지 10:1의 중량 비율로 제1 용액에 포함될 수 있다. 또한, 상기 경화는 혼합용액이 흡수된 주형을 40 내지 90℃로 열처리하여 더욱 촉진될 수 있다.

상기 경화제는 Si-H기를 포함할 수 있고, 상기 Si-H기에 의하여 제2 용액의 전구체에 포함된 금속 이온이 환원됨으로써 금속 나노 입자가 형성될 수 있다. 이와 같이, 제1 용액이 경화됨에 따라 금속 이온은 자연적으로 환원되어 나노 입자로 형성될 수 있고, 결과적으로 고분자 재질의 매트릭스에 금속 나노입자가 균일하게 분산되어 위치할 수 있게 된다. 경화제의 예시로는 디메틸 메틸하이드로젠 실록산(Dimethyl, methylhydrogen siloxane)일 수 있다.

상기 수용해성 물질을 제거하는 단계는 경화된 고분자 물질을 포함하는 주형을 물에 침지하여, 수용해성 물질을 물에 용해시킴으로써 수행할 수 있으나, 수용해성 물질을 주형으로부터 제거할 수 있는 방법이라면 제한 없이 사용할 수 있다.

이러한 방식으로 제조되는 광학 구조체는 고분자 네트워크에 고분자 상에서 환원된 금속 나노입자가 자발적으로 임베딩 되면서 경화된 다공성 나노플라즈몬 구조체이므로, 레이저가 통과하는 포컬 볼륨 내에 다수의 금속 나노입자 및 분석물질이 배치될 수 있어 전자기효과에 의한 라만 신호 증폭 효과를 크게 얻을 수 있다는 점에서, 종래의 2차원 또는 3차원 기판과 구성이 현저히 상이하다.

본 발명의 또 다른 일 측면에서 상기 표면증강라만 분석용 광학 구조체에 분석 시료를 담지하는 단계; 및

상기 표면증강라만 분석용 광학 구조체에 분석 시료를 담지하는 방법은, 물리적인 방법으로 분석 시료를 광학 구조체에 흡착시켜 수행할 수 있다. 분석 시료가 고체상이면 광학 구조체에 접촉시키면 되고, 분석 시료가 액체상이면 광학 구조체에 흡수시키면 되고, 분석 시료가 기체상이면 광학 구조체에 기체상 분석 시료를 불어 넣으면 된다. 상기 레이저 광은 라만 분석에 사용하는 레이저 광이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 구체예로서 파장 범위는 400 내지 800 nm인 것을 사용할 수 있다.

본 발명의 일 측면에서 제공되는 상기 검출방법은, 분석물이 소수성(친유성)이거나, 소수성 용매에 분산되어 있을 경우 쉽게 고분자 네트워크에 흡착되며, 친수성이거나 친수성 용매에 분산되어 있을 경우 화학적 또는 물리적 방법을 이용해 기공에 분석물을 동시에 가둘 수 있다.

또한, 상기 광학 구조체의 3차원 다공성 구조로 인해 레이저 포컬 볼륨(laser focal volumn)과 유사한 기공 사이즈로 인해 빛이 통과하는 부분에 많은 나노 입자와 분석물이 존재할 수 있어 표면증강라만 활성이 극대화될 수 있다.

특히, 본 발명에서는 광학 구조체인 3차원 다공성 나노플라즈몬 네트워크에 액상 시료를 흡착시켜 라만 분석을 수행한 결과, 표지 물질을 사용하지 않고, 라만 활성 분자뿐만 아니라, 가습기 살균제의 성분을 포함하는 환경/생물학적으로 중요한 다양한 분자들에 대한 증폭된 라만 신호를 저농도에서도(~100 nM) 측정할 수 있었다.

이하, 본 발명을 실시예 및 실험예를 통해 상세히 설명한다.

단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 일 측면에서 구체적으로 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

실험재료 준비

PDMS 엘라스토머 키트 (Sylgard 184)는 Dow Corning Corporation (Michigan, USA)으로부터 구매하여 준비하였다. 금(III) 염화물 삼수화물 (HAuCl₄·3H₂O, 48.5% - 50.25%), 질산은 (AgNO₃), 결정화 설탕 (수크로오스, 99.9%), Rhodamine 6G (R6G), NBA 과염소산 염 (nile blue a perchlorate), 아데닌, 1,2-bis(4-pyridyl)ethylene (BPE), diethyl cyanine iodide (DCI), 톨루엔 (C₆H₅CH₃, 99.8%), 벤젠 (C₆H₆, 99.9%) 및 5-chloro-2-methyl-4-isothiazolin-3-one/2-methyl-4-isothiazolin-3-one (CMIT/MIT)는 Sigma-Aldrich, Missouri, USA로부터 구매하여 준비하였다. 큐멘 (C₉H₁₂, 95%)은 Acros Organics, Geel, Belgium으로부터 구매하여 준비하였다. 클로로포름 (CHCl₃, 99%)은 Junsei Chemicals, Tokyo, Japan으로부터 구매하여 준비하였다. 에탄올 (C₂H₅OH, 95%), 황산 (H₂SO₄, 95%) 및 과산화수소 (H₂O₂, 34.5%)는 Samchun Chemical Co., Seoul, Korea로부터 구매하여 준비하였다.

< 실시예 1> 플라즈몬 네트워크( plasmonic networks)의 제조 1

플라즈몬 네트워크 제조를 위해, 과립의 설탕 결정 주형(templates)과, PDMS (폴리디메틸실록산) 및 금속 전구체 혼합용액을 사용하였다.

보다 구체적으로, 과립의 설탕 결정(약 500±92μm의 짧은 평균 축 길이를 갖는 직사각형 형태)을, 접착제로서의 역할을 하는 몇 방울의 물과 함께 디스크(disk) 형태로 성형하고, 오븐에서 건조시켜, 네트워크 주형을 준비하였다. 금(Au) 이온 수용액을 미경화(uncured) PDMS와 혼합하여 플라즈몬 네트워크 제조를 위한 모재(base material) 혼합용액을 제조하였다. 이때, 상기 미경화 PDMS는 PDMS 모너머 및 경화제를 포함하는 Dow 사의 Sylgard 184를 사용하였다.

상기 설탕으로 제조된 네트워크 주형을, 상기 모재 혼합용액에 침지하고 15분 동안 탈기 (degassed) 하였다. 이 과정에서, 상기 모재 혼합용액은 모세관 작용에 의해 설탕으로 제조된 네트워크 주형에 흡수되었다. 탈기 후, PDMS 네트워크를 고화시키기 위하여 오븐 내 65℃에서 1시간 동안 경화를 유도하였다. 완전히 경화가 유도된 후, 고체 PDMS를 30분 동안 물에서 초음파 처리하여 설탕 주형을 용해 시켰다. 이로써, 내부에 기공이 형성된 3차원 다공성 나노플라즈몬 네트워크를 제조하였다. 실시예 1에 따른 3차원 플라즈몬 네트워크의 제조 스킴은 도 1에 나타내었다.

< 실시예 2> 플라즈몬 네트워크( plasmonic networks)의 제조 2

금(Au) 이온 수용액을 사용하는 대신, 은(Ag) 이온 수용액을 사용하는 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 과정을 수행하여 3차원 플라즈몬 네트워크를 제조하였다.

< 실험예 1> 물리적 특성 평가

실시예 1에서 제조한 3차원 플라즈몬 네트워크의 물리적 특성을 평가하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.

먼저, 실시예 1에서 제조한 3차원 플라즈몬 네트워크의 유연성(Flexibility)을 평가하기 위하여, 구부려보고, 접어보고, 비틀어본 후 최초 제조된 상태의 형태를 유지하는지 확인한 결과, 어떠한 물리적인 힘을 가하여도 실시예 1에서 제조한 3차원 플라즈몬 네트워크는 최초 형태를 유지하는 탄성 중합체(elastomeric) 임을 확인하였다(도 2).

다음으로, 실시예 1에서 제조한 3차원 플라즈몬 네트워크의 흡착 특성을 평가하기 위하여, 액체 또는 고체 분말을 접촉시켜본 결과, 실시예 1에서 제조한 3차원 플라즈몬 네트워크는 액체와 고체의 구분 없이 접촉된 물질을 용이하게 흡착하는 것을 확인하였다(도 3). 이때, 상기 액체는 명확한 흡착 특성의 평가를 위해 검정색 염료로 염색한 액체를 사용하였고, 상기 고체 분말은 흰색의 마이크로플라스틱 분말을 사용하였다.

이로부터, 실시예 1에서 제조한 3차원 플라즈몬 네트워크는 유연성이 우수할 뿐만 아니라, 다양한 물질을 용이하게 흡착할 수 있는 물리적 특성을 나타냄을 확인하였다.

< 실험예 2> 형태 및 광학 특성 평가

실시예 1, 2에서 제조한 3차원 플라즈몬 네트워크의 형태 및 광학 특성을 평가하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.

먼저, 실시예 1, 2에서 제조한 3차원 플라즈몬 네트워크를 각각, 120분 동안 피라나 용액(황산:과산화수소 = 7:3 v/v)으로 세척한 유리 슬라이드에 위치시켰다. 하이퍼스펙트럴 이미징 분광광도계(hyperspectral imaging spectrophotometer, CytoViva Hyperspectral Imaging System, Auburn, AL, USA)가 설비된 암시야 광학 현미경(dark-field optical microscope, Olympus BX43, Tokyo, Japan)을 사용하여 실시예 1, 2에서 제조한 3차원 플라즈몬 네트워크의 형태를 상세하게 시각화하였다. 네트워크의 산란 스펙트럼은 10× 광학 렌즈로 맵핑(mapped) 하였다. 각 스펙트럼은 0.5초의 노출 시간에서 수집하였고, 네트워크로부터 얻어진 총 50개의 스펙트럼을 평균화하였다. 그 결과를 도 4에 나타내었다.

도 4의 A는 실시예 1에서 제조한 3차원 플라즈몬 네트워크의 대표적인 형태를 나타내며, (i)는 촬영 사진 모습이고, (ii)는 광학 이미지이고, (iii)은 주사 전자 현미경 사진(scanning electron micrograph)이다. scale bar는 각각 5 mm (검은색), 300 μm (빨간색), 2 μm (흰색) 이다. 광학 이미지인 (ii)로부터, 3차원 플라즈몬 네트워크 내부에 형성되어 있는 기공 크기(pore size)는 평균 300 내지 600 μm 임을 확인하였다. porometer 데이터인 B로부터, 360 μm보다 큰 기공을 통해 50%의 흐름이 발생함을 확인하였으며, 이는 3차원 플라즈몬 네트워크 내부에 미세 기공이 존재함을 뒷받침한다.

도 4의 C와 E는 각각 금속 전구체의 조성과 농도를 조절하여 제조한 금(Au)과 은(Ag)-플라즈몬 네트워크를 상부에서 바라본 이미지이다. 사용한 금속 전구체의 구체적인 종류는 각각 HAuCl₄, 또는 AgNO₃이다. 금속 전구체의 금속 농도는 각각 (i)이 1 mM이고, (ii)가 2 mM이고, (iii)이 5 mM이고, (iv)가 10 mM이다. scale bar는 1 cm 이다.

도 4의 D와 F는 상기 C와 E의 암시야 산란 이미지(dark-field scattering images)이다. scale bar는 200 μm이다.

도 4의 G와 H는 상기 C와 E에 상응하는 산란 스펙트럼을 나타낸다. 실시예 1에서 제조한 금(Au)-플라즈몬 네트워크는 600 내지 700 nm 범위에서 뚜렷한 밴드가 확인되었고, 실시예 2에서 제조한 은(Ag)-플라즈몬 네트워크는 약 600 nm에서 스펙트럼 피크가 확인되어, 실시예 1이 실시예 2보다 더욱 긴 파장 영역에서 피크를 나타냄을 확인하였다.

< 실험예 3> 팽창 특성(Swelling properties) 평가

실시예 1, 2에서 제조한 3차원 플라즈몬 네트워크의 팽창 특성을 평가하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.

실시예 1, 2에서 제조한 3차원 플라즈몬 네트워크, 또는 PDMS에 친수성 또는 소수성 용매를 접촉시키기 전과 후의 무게를 측정하였다. 상기 용매로는 증류수(DI), 또는 톨루엔, 벤젠, 에탄올 등의 유기 용매를 사용하였다. 1분 동안의 인큐베이션 후, 네트워크의 무게를 측정하여, 팽창률(swelling ratios)을 계산하는데 사용하였다. 물의 경우, O₂ 플라즈마-처리를 하여 친수성이 부여된 네트워크를 사용하거나, 또는 물을 격렬하게 교반하여(vigorously vortexed) 물이 물리적으로 네트워크 내 기공에 포획될 수 있도록 하였다. 상기 플라즈마-처리는 2 sccm의 산소 유량에서 10분 동안 100 W에서 수행하였다. 상기 팽창률(swelling ratios)은 하기 수학식 1을 통해 계산하였다.

[수학식 1]

상기 수학식 1에서,

W _s는 용매를 흡착시킨 후의 네트워크 무게이고; 및

W _d는 용매를 흡착시키기 전의 네트워크 무게이다.

증류수와 유기 용매(톨루엔, 벤젠, 에탄올)를 사용하여, 금속 나노입자가 없는 다공성 PDMS 구조의 고유한 팽창 특성을 평가한 결과는 도 5의 A 내지 D에 나타내었다.

도 5의 A는 금속 나노입자가 없는 다공성(porous) PDMS 구조의 톨루엔 처리전과 후의 대표 이미지를 나타낸다. 톨루엔 처리 전과 후의 대표 이미지로부터, 다공성 PDMS 구조는 약 160%의 부피 팽창이 발생함을 확인하였다. 반면, PDMS 필름을 사용하여 동일한 실험을 수행한 결과로부터 PDMS 필름은 부피 변화가 없음을 확인하였다(도 6). 도 5의 B는 금속 나노입자가 없는 다공성(porous) PDMS 구조에 톨루엔, 벤젠, 에탄올, 물을 각각 처리하였을 경우 관찰되는 PDMS의 팽창률을 나타낸다. 도 5의 B로부터 PDMS는 소수성 용매인 톨루엔 및 벤젠을 용이하게 흡착하여 현저한 팽창률을 나타내는 반면, 친수성 용매인 에탄올과 물은 용이하게 흡착하지 못하여 소수성 용매의 경우에 비해 팽창률이 낮음을 확인하였다. 이는 PDMS가 소수성 특성을 나타내는 사실에도 뒷받침된다. 도 5의 C는 주황색의 염료로 염색한 물을 다공성 PDMS에 처리하기 전과 후를 나타내는데, 이로부터도 다공성 PDMS는 물을 용이하게 흡착하지 못하여 부피 변화가 거의 없음을 확인할 수 있다. 다만, 다공성 PDMS를 O₂ 플라즈마-처리를 하여 친수성을 부여하거나, 물을 격렬하게 교반하여(vigorously vortexed) 물이 물리적으로 다공성 PDMS 내 기공에 스며들도록 유도하면, 물에 의한 PDMS의 팽창이 유도될 수 있음을 도 5의 D로부터 확인하였다.

다음으로, 다공성 PDMS 구조에서 금속 나노입자의 존재가 복합 구조의 팽윤에 어떠한 영향을 주는지 확인하였다. 실시예 1에서 제조한 금(Au)-플라즈몬 네트워크를 톨루엔에 처리하였을 때, 170%의 부피 팽창이 발생함을 도 5의 E로부터 확인하였다. 금(Au) 또는 은(Ag)이 존재하는 플라즈몬 네트워크는, 상기 다공성 PDMS 구조와 비교하여 톨루엔, 또는 물 흡수에 비슷한 경향을 보임을 도 5의 F, G 및 H로부터 확인하였다. 도 5의 F에서 첨자 번호 1 및 5는 금속 전구체에서 금속 농도(mM)를 나타낸다.

이로부터, 금속 나노입자의 존재 유무는 다공성 PDMS의 용매 흡착력에 큰 영향을 주지 않음을 확인하였다.

< 실험예 4> SERS 검출 평가

실시예 1, 2에서 제조한 3차원 플라즈몬 네트워크의 저분자 SERS 검출 평가 능력을 평가하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.

먼저, SERS 측정을 위해, 상업용 라만 분광기 SR-303i (Andor Technology)가 결합된 마이크로-라만 시스템, 20× IR (NA = 0.45) 대물 렌즈가 설비된 올림푸스 BX51 현미경, 532-nm 레이저 모듈 PSU-III-FDA (Changchun New Industries Optoelectronics Technology Co., Ltd.) 및 785-nm 레이저 모듈 I0785SR0100B1 (Innovative Photonic Solution Inc.)을 사용하였다. 분석대상 물질은 물 및 에탄올 용매와 함께 준비하여 다공성 구조에 용이하게 포집될 수 있도록 하였다. 친수성 용액은 SERS 측정 전에, pipetting 또는 vortexing과 같은 물리적인 힘을 통해, 3차원 플라즈몬 네트워크에 흡착시켰다. 분석대상 물질인 R6G, 아데닌, DCI 및 BPE의 경우, 785-nm 레이저를 사용하였다. 분석대상 물질인 NBA 및 VOCs의 경우, 532-nm 레이저를 사용하였다. 교정 곡선은 각 농도에서 플라즈몬 네트워크의 10개 위치에서 수집된 평균 스펙트럼으로부터 얻었다. BPE를 희석하기 위해 10% 에탄올을 사용하였다. 벤젠, 톨루엔, 쿠멘(cumene) 및 클로로포름을 포함한 4가지 유형의 VOC도 시험하였다. 플라즈몬 네트워크의 효율적인 팽창 성능을 시각화하기 위해 벤젠을 검정색 잉크와 섞어서 100μM의 청색을 띤 NBA 수용액에 분산시켜 색 대비를 확인하였다. 쿠멘을 희석하기 위해 99.9%의 에탄올을 사용하였다.

또한, SERS 맵핑 이미지를 얻기 위하여, 컴퓨터-제어형 XY 정밀 모터라이즈 스테이지를 사용하였다. 스캔 영역(1 mm×1 mm)은 20μm 크기의 획득 그리드(acquisition grids)로 나누었다. 모든 스펙트럼은 200 mW에서 작동하는 785-nm 레이저로 0.1s의 노출시간에서 얻었다. 라만 강도 맵은 각각 톨루엔 및 R6G에 대해 1013 cm^-1 및 1527 cm^-1에서 signal-tobaseline map generation을 사용하여 유도하였다.

도 7의 A에 나타난 바와 같이, 3차원 플라즈몬 네트워크는 유리한 SERS 활성 센싱 레이어를 제공하는데, 이 레이어에 내장된 금속 나노입자와, 트랩된 분석대상 물질은 입사 레이저의 프로프 부피(probe volume) 내에 배치된다.

대표적인 라만-활성 염료인 NBA(Nile Blue A) 및 R6G(Rhodamine 6G)를, 각각 실시예 1, 2에서 제조한 3차원 플라즈몬 네트워크에 의한 라만 강화를 시험하기 위하여 사용하였다. Ag-플라즈몬 네트워크의 산란 피크를 고려하여, NBA와 532 nm 레이저를 사용하여 라만 신호를 측정하였다. Ag-플라즈몬 네트워크의 NBA 신호는 구형 금 나노 입자 용액(gold nanosphere solution)에서 얻은 신호보다 82배 더 강함을 도 7의 B로부터 확인하였다. Au-플라즈몬 네트워크의 경우, R6G와 785 nm 레이저를 사용하여 라만 신호를 측정하였다. 이전 사례와 마찬가지로, 막대형 금 나노 입자 용액과 혼합된 R6G의 신호와 비교할 때, Au-플라즈몬 네트워크는 상당히 강화된 라만 신호를 나타냄을 도 7의 C로부터 확인하였다.

최적화를 위해, 다양한 농도의 금속 전구체와, PDMS 베이스와 경화제의 혼합 비율로 준비된, 다공성 플라즈몬 네트워크의 SERS 신호를 체계적으로 측정하였다(도 8의 A 및 B). 도 8의 A로부터, 금속 전구체로 AgNO₃를 사용한 경우, 금속 전구체에서 Ag의 농도가 10 mM이며, PDMS:경화제의 혼합 중량비가 5:1인 경우가 라만 강도가 가장 우수함을 알 수 있다. 도 8의 B로부터, 금속 전구체로 HAuCl₄를 사용한 경우, 금속 전구체에서 Au의 농도가 2 mM이며, PDMS:경화제의 혼합 중량비가 10:1인 경우가 라만 강도가 가장 우수함을 알 수 있다.

NBA의 경우 1647 cm^-1에서, R6G의 경우 1377 cm^-1에서 강도를 비교하였다. 가장 강한 라만 시그널을 보여주는 Ag-와 Au-플라즈몬 네트워크 (예를 들어, 10:1 PDMS 혼합비에서 2 mM HAuCl₄로 형성된 Au- 플라즈몬 네트워크)를 이용하여 검정 곡선을 얻었다(도 8의 C 내지 F).

도 8의 C, D로부터, 분석 대상물질인 NBA, R6G의 농도와 비례하여 라만 강도가 증가함을 알 수 있다. NBA는 Ag-플라즈몬 네트워크와 532 nm 레이저를 사용하여 라만 강도를 측정하였고, R6G는 Au-플라즈몬 네트워크와 785 nm 레이저를 사용하여 라만 강도를 측정하였다.

도 8의 E는 1645 cm^-1에서의 NBA 라만 강도를 검량선(calibration curve)으로 표현한 것이고, 도 8의 F는 1377 cm^-1에서의 R6G 라만 강도를 검량선으로 표현한 것이다. 마찬가지로, 분석 대상물질인 NBA, R6G의 농도와 비례하여 라만 강도가 증가함을 알 수 있다.

도 5의 결과를 고려하여, 소수성 분자는 PDMS 사슬에서 삽입(intercalated)될 수 있는 반면, 친수성 분자는 플라즈몬 네트워크의 기공에 트랩됨을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 3차원 플라즈몬 네트워크는 도 7의 D에 묘사된 것처럼 친수성과 소수성 분자 모두에 3차원 SERS 활성 감지층(sensing layers)을 제공할 수 있다. 톨루엔(소수성) 및 R6G(친수성)에 순차적으로 노출된 Au-플라즈몬 네트워크의 라만 맵핑 이미지는 이러한 특징을 뒷받침한다(도 7의 E 및 F). 도 7의 E 및 F에서 scale bar는 200 μm이다. 톨루엔과 R6G 두 분자는 네트워크 내부 기공의 분리된 영역에서 명확하게 검출될 수 있다.

본 발명의 일 측면에서 제공되는 실시예 1, 2의 3차원 플라즈몬 네트워크는 생체 분자와 독성 환경 분자를 포함하는 저분자의 검출 용도로도 사용될 수 있다. 검출 전에, 친수성 분자를 물 또는 에탄올에 용해시켰다. 아데닌(100 nM)은 실시예 1에 따른 Au-플라즈몬 네트워크를 사용하여 검출할 수 있다(도 7의 G / 도 9의 A). BPE(1,2-bis(4-pyridyl)ethylene) 및 DCI(diethyl cyanine iodide)의 SERS 신호는 각각 10 nM 및 100 nM 농도에서 검출할 수 있다(도 7의 H 및 I / 도 9의 B 및 C). 실시예 2에 따른 Ag-플라즈몬 네트워크를 사용하여, 가습기 소독제로서 사용되는 독성 물질인 CMIT/MIT (5-chloro-2-methyl-4-isothiazolin-3-one/2-methyl-4-isothiazolin-3-one)도 규제 수준(15 ppm) 이하에서 성공적으로 검출할 수 있다(도 7의 J / 도 9의 D).

일반적으로 소수성인 휘발성 유기 화합물(VOCs)의 검출도 가능하다. VOC는 공기/물 계면에서 조립되는 경향이 있고 Ag-플라즈몬 네트워크에서 쉽게 흡수됨을 알 수 있다(도 7의 K). 벤젠, 톨루엔, 쿠멘 및 클로로포름의 SERS 신호는 매우 강하고 서로 구별할 수 있음을 알 수 있다(도 7의 L). 이들 VOC가 혼합된 경우에도, 혼합물의 단일 SERS 스펙트럼은 각 VOC에 대한 개별 피크를 나타낸다(도 7의 L / 도 10). 가장 위험한 VOCs 중 하나인 큐멘 (이소 프로필 벤젠)에 대한 SERS 스펙트럼의 농도에 따른 변화가 기록되었다(도 7의 M). 1010 cm^-1에서 가장 두드러진 피크에 기초한 큐멘에 대한 선형 교정 곡선은 1% 내지 100% 범위에서 얻어졌다(도 7의 N). 실시예 2에서 제조한 Ag-플라즈몬 네트워크를 사용하여, 기체 상의 분석 대상물질의 검출(톨루엔)도 가능함을 확인하였다(도 11).

Claims

내부에 기공이 형성된 고분자 재질의 매트릭스; 및
상기 매트릭스에 분산된 금속 나노입자를 포함하는, 표면증강라만 분석용 광학 구조체.
제1항에 있어서,
상기 고분자는 폴리다이메틸실록산 (PDMS: Polydimethylsiloxane), 폴리우레탄 아크릴레이트 (PUA: Polyurethane acrylate), 퍼플루오르폴리에터 (PFPE: Perfluoropolyether), 폴리에스테르 아크릴레이트 (Polyester acrylate), 폴리카프로락톤 (PCL: Polycaprolactone), 폴리락트산 (PLA: Polylactic acid), 에틸셀룰로스 (EC: Ethylcellulose), 폴리스티렌 (PS: Polystyrene), 폴리테트라 플루오로에틸렌 (PTFE: Polytetrafluoroethylene), 폴리프로필렌-에폭시(PP-epoxy) 및 폴리 알콕시실란 오르가노겔(Poly(alkoxysilane) organogels)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 표면증강라만 분석용 광학 구조체.
제1항에 있어서,
상기 기공은 300 내지 600 μm의 평균 직경을 갖는 것을 특징으로 하는, 표면증강라만 분석용 광학 구조체.
수용해성 물질로 이루어지는 디스크 형태의 주형(template)을 준비하는 단계;
고분자 물질을 포함하는 제1 용액 및 금속이온을 포함하는 제2 용액의 혼합용액에, 상기 주형을 침지하여 주형 내 혼합용액를 흡수시키는 단계;
주형에 흡수된 혼합용액의 고분자 물질을 경화시키는 단계; 및
수용해성 물질을 제거하는 단계;를 포함하는, 표면증강라만 분석용 광학 구조체의 제조방법.
제4항에 있어서,
상기 수용해성 물질은 설탕 또는 소금인 것을 특징으로 하는, 표면증강라만 분석용 광학 구조체의 제조방법.
제4항에 있어서,
상기 고분자 물질을 포함하는 제1 용액은 경화제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 표면증강라만 분석용 광학 구조체의 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 고분자 물질과 경화제는 5 내지 10:1의 중량 비율로 제1 용액에 포함되는 것을 특징으로 하는, 표면증강라만 분석용 광학 구조체의 제조방법.
제4항에 있어서,
금속이온을 포함하는 제2 용액의 금속이온 농도는 1 내지 10 mM인 것을 특징으로 하는, 표면증강라만 분석용 광학 구조체의 제조방법.
제4항에 있어서,
상기 경화는 혼합용액이 흡수된 주형을 40 내지 90℃로 열처리하여 수행되는 것을 특징으로 하는, 표면증강라만 분석용 광학 구조체의 제조방법.
제4항에 있어서,
주형에 흡수된 혼합용액의 고분자 물질을 경화시키는 단계에서,
금속이온은, 상기 경화되는 고분자 내에 금속 나노입자 형태로 환원되는 것을 특징으로 하는, 표면증강라만 분석용 광학 구조체의 제조방법.
제4항에 있어서,
상기 수용해성 물질의 제거는,
경화된 고분자 물질을 포함하는 주형을 물에 침지하여, 수용해성 물질을 물에 용해시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는, 표면증강라만 분석용 광학 구조체의 제조방법.
제1항의 표면증강라만 분석용 광학 구조체에 분석 시료를 담지하는 단계; 및
레이저 광을 조사하는 단계;를 포함하는, 분석 시료 내 분석대상물질의 존재 여부를 판단하기 위한 검출방법.
제12항에 있어서,
상기 레이저 광은 400 내지 800 nm의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는, 분석 시료 내 분석대상물질의 존재 여부를 판단하기 위한 검출방법.