KR20220016329A - 라만 신호 증강 방법 및 이를 이용한 분석물질 검출 방법 - Google Patents

라만 신호 증강 방법 및 이를 이용한 분석물질 검출 방법 Download PDF

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KR20220016329A
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Abstract

본 발명은 라만 신호 증강 방법 및 이를 이용한 분석물질 검출 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게 음이온-π 상호작용을 이용하여 라만 신호를 증강 시키고 이를 이용하여 분석물질을 고감도로 검출할 수 있는 분석물질 검출방법 및 분광분석용 키트에 관한 것이다.

Description

라만 신호 증강 방법 및 이를 이용한 분석물질 검출 방법{Method for raman signal enhancement and method for detection of analyte using the same}
본 발명은 라만 신호 증강 방법 및 이를 이용한 분석물질 검출 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게 음이온-π 상호작용을 이용하여 라만 신호를 증강 시키고 이를 이용하여 분석물질을 고감도로 검출할 수 있는 분석물질 검출방법 및 분광분석용 키트에 관한 것이다.
분자의 라만 신호는 분자가 금속의 표면 플라즈몬과 상호작용할 때 증폭되는데, 이를 표면증강 라만 분광(SERS)이라고 한다. SERS는 분자간 상호작용을 조사하거나 특정 분자를 정량적으로 측정하기 위하여 다양한 생물학적 및 화학적 플랫폼에 사용되어 왔다.
SERS 과정에 영향을 미치는 변수로는 2가지가 있는데, 예를 들어, 전자기적(EM) 및 화학적(CE) 요소가 있다. 상기 전자기적 요소는 나노스케일의 금속 갭에서 생성되는 국부 표면 플라즈몬 공명으로부터 유도되며 이로 인해 SERS 기판으로 신규 나노재료들이 사용되게 되었다. 또한, 화학적 요소는 분자의 분극률과 관련이 있으며, 분자간 또는 금속-분자간의 화학적 상호작용에 의해 영향을 받는다. 상기 화학적 요소로 인한 라만 신호 증강은 현재까지는 크게 이용되지 않고 있는 상황이지만, SERS 성능을 개선하기 위한 신규 방법의 제공이라는 측면에서 큰 잠재력을 갖고 있다.
화학적 요소 메커니즘을 이해하여 라만 신호 증강에 대한 영향을 증가시키려는 노력은 전하 이동에 중점을 두고 있었다. 전자가 이동하여 분자가 흥분 상태가 되면 분자의 전자밀도가 재분배되고 분극률(polarizability)이 달라져, 선택적인 라만 모드의 증강을 가져오게 된다. 최근의 연구들은 다양한 벤젠 유도체(예: 피리딘)들을 분석함으로써 전하 이동의 메커니즘에 대해 통찰력을 제공하고 있다.
그러나 현재까지 화학적 요소로 인한 라만 신호 증강을 이용한 SERS 성능 개선에 대해 요구가 계속하여 있다.
특허문헌 1 : 중국 공개특허 제106770175호
본 발명의 목적은 음이온-π 상호작용을 이용하여 라만 신호를 획기적으로 증강하는 라만 신호 증강 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 라만 신호 증강 방법을 이용하여 극미량 시료를 정확하게 검출할 수 있는 분석물질 검출 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 음이온-π 상호작용을 이용하여 라만 신호를 획기적으로 증강할 수 있는 분광분석용 키트를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 분광분석용 키트를 포함하여, 극미량 시료를 정확하게 검출할 수 있는 라만 분광 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 상세한 설명의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 연구자들은 예의 연구를 거듭한 결과, 라만 활성 분자의 화학적 특성을 조절하고 전기화학(EC)-SERS에서의 전하 이동을 가능하게 하는 비공유 분자간 상호작용을 도입함으로써 전하 이동 매개의 CE 메커니즘을 새롭게 규명하게 되었고, 이를 이용하여 SERS에서의 신호를 증강시키는 방법을 발견하게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서 본 발명은 음이온-π 상호작용을 이용하여 라만 신호를 증강 시키는 라만 신호 증강 방법을 제공하고, 이를 이용하여 분석물질을 고감도로 검출할 수 있는 분석물질 검출방법, 분광분석용 키트, 및 라만 분광 장치에 관한 것이다.
일 측면에 따르면, i) 플라즈모닉 기판을 제공하는 단계; 및 ii) 상기 기판 상에서 분석물질과 금속 착이온을 혼합하는 단계;를 포함하고, 분석물질과 금속 착이온에 의한 음이온-π의 상호작용으로 라만 신호가 증강되는, 라만 신호 증강 방법이 제공된다.
일 실시예에 따르면, 상기 기판은 금속 함유 나노입자, 금속 함유 박막, 및 금속 함유 나노구조체 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 나노구조체는 나노돌기, 나노필라, 나노와이어, 나노딤플, 및 나노엠보싱 중 1종 이상일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 분석물질은 π-전자를 갖는 물질일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 분석물질은 방향족 화합물이거나 이를 포함하는 물질일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 분석물질은 파라콰트(paraquat), 디콰트(diquat), 브릴리언트 그린(brilliant green), 및 티아벤다졸(TBZ) 중 1종 이상일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 플라즈모닉 기판은 플라즈모닉 기판 전극이고, iii) 상기 전극에 전위를 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 금속 착이온은 AuCl4 - 또는 Au(CN)2 -을 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면, i) 플라즈모닉 기판 전극을 제공하는 단계; ii) 상기 전극 상에서 분석물질과 금속 착이온을 혼합하는 단계; iii) 상기 전극에 전위를 인가하는 단계; 및 iv) 상기 분석물질에 광을 조사하여 라만 신호를 검출하는 단계를 포함하고, 상기 전위 인가 시 분석물질과 금속 착이온에 의한 음이온-π의 상호작용으로 라만 신호가 증강되는, 분석물질 검출 방법이 제공된다.
또 다른 측면에 따르면, 플라즈모닉 기판 전극; 상기 전극 상에서 분석물질과 혼합되는 금속 착이온; 및 상기 전극에 전위를 인가하는 전위인가부; 포함하는, 분광분석용 키트가 제공된다.
일 실시예에 따르면, 상기 분광분석용 키트에 있어서 전극은 금속 함유 나노입자, 금속 함유 박막, 및 금속 함유 나노구조체 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 분광분석용 키트에 있어서 나노구조체는 나노돌기, 나노필라, 나노와이어, 나노딤플, 및 나노엠보싱 중 1종 이상일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 분광분석용 키트에 있어서 상기 분석물질은 π-전자를 갖는 물질일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 분광분석용 키트에 있어서 상기 분석물질은 방향족 화합물이거나 이를 포함하는 물질일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 분광분석용 키트에 있어서 상기 금속 착이온은 AuCl4 - 또는 Au(CN)2 -을 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 광원; 본원에 기재된 분광분석용 키트; 및 라만 분광을 검출하는 검출기;를 포함하는, 라만 분광 장치가 제공된다.
일 실시예에 따르면, 음이온-π 상호작용을 이용하여 라만 신호를 증강시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 음이온-π 상호작용과 외부 전위 인가에 의한 시너지 효과에 의해 라만 신호를 획기적으로 증강시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 음이온-π 상호작용을 이용하여 라만 신호를 획기적으로 증강하여 샘플의 전처리 없이 미량 시료도 정확하게 검출할 수 있다.
특히, 식음료에 잔존하는 파라콰트(paraquat, PQ2+) 또는 디콰트(diquat, DQ2+) 등의 농약 성분을 고감도로 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 라만 신호 증강 원리를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2의 a)는 PQ2+를 각각 탈이온수, 염소 이온(Cl-) 및 사염화금 이온(AuCl4 -)과 함께 SERS를 측정하였을 때의 라만 시프트에 따른 라만 강도를 나타내는 도면이고, 도 2의 b)는 PQ2+를 각각 탈이온수, 시안이온(CN-), 및 이시안화금 이온(Au(CN)2 -)과 함께 SERS를 측정하였을 때의 라만 시프트에 따른 라만 강도를 나타내는 도면이다.
도 3은 AuCl4 - (1 mM)의 존재 하에서, 각각 5μM의 a) 디콰트(DQ2+), b) 브릴리언트 그린(brilliant green, BG+) 및 c) 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone, PVP)을 SERS 측정하였을 때의 라만 시프트에 따른 라만 강도를 나타내는 도면이다.
도 4는 a) PQ2+ (5μM) 단독, b) AuCl4 - (1 mM)의 존재 하에서의 PQ2+(전위가 인가되지 않은 경우 및 +0.1V 인가된 경우) 및 Au(CN)2 - (1 mM)의 존재 하에서의 PQ2+(전위가 인가되지 않은 경우 및 +0.1V 인가된 경우)의 라만 시프트에 따른 라만 강도를 나타내는 도면이다. 도 4의 a) 그래프 내의 박스는 확대된 SERS 스펙트럼을 나타낸다.
도 5는 -0.5V 내지 +0.5V의 전위를 인가한 경우의 PQ2+ (5μM)의 SERS 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 6은 AuCl4 -(1mM)의 존재하에서 a)의 디콰트(5μM) 및 b)의 브릴리언트 그린(5μM)의 SERS 및 EC-SERS 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 7의 a)는 AuCl4 -(좌측) 및 Au(CN)2 -(우측)의 존재하에서의 +0.1V에서 측정된 전류를, 도 7의 b)는 +0.1V에서의 2단계 전자 이동 메커니즘을 나타내는 에너지 프로파일을, 도 7의 c)는 다양한 전위에서의 AuCl4 - 내의 PQ2+의 EC-SERS 스펙트럼을, 도 7의 d)는 다양한 전위에서의 전자 이동의 가능성을 나타내는 에너지 프로파일을 나타내는 도면이며, +0.7V에서는 전자 이동이 일어나지 않는다.
도 8은 AuCl4 -(1mM)의 존재하에서, a)의 Au 나노필라 기판, b)의 +0.1V로 4초간 전위 인가 후의 기판 및 c)의 +0.1V로 60초간 전위 인가 후의 기판의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 9는 커피 음료 내의 PQ2+를 측정하는 과정을 나타낸 도면으로, a)는 커피 음료 내의 PQ2+의 검출 과정의 모식도, b)는 AuCl4 -(1mM)의 존재하에서 PQ2+ 농도의 증가에 따른 PQ2+의 SERS 스펙트럼, 및 c)는 +0.1V의 전위를 인가하면서, AuCl4 -(1mM)의 존재하에서 PQ2+ 농도의 증가에 따른 커피 음료 내의 PQ2+의 EC-SERS 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
본 개시의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적으로 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 개시의 기술적 사상에 부합되는 의미나 개념으로 해석되어야 한다.
본 명세서에서, 층, 부분, 또는 기판과 같은 구성요소가 다른 구성요소 "위에", "연결되어", 또는 "결합되어" 있는 것으로 기재되어 있는 경우, 이는 직접적으로 다른 구성요소 "위에", "연결되어", 또는 "결합되어" 있는 것일 수 있고, 또한 양 구성요소 사이에 하나 이상의 다른 구성요소를 개재하여 있을 수 있다. 대조적으로, 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 위에", "직접적으로 연결되어", 또는 "직접적으로 결합되어" 있는 것으로 기재되어 있는 경우, 양 구성요소 사이에는 다른 구성요소가 개재되어 있을 수 없다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 개시를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상측에 위치하는 것을 의미하는 것이 아니다.
본 개시는 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 개시를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 개시의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 개시를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명에 의한 라만 신호 증강 원리를 개략적으로 나타낸 도면이다.
금속의 SERS 기판이 전극으로 역할을 하는 전기화학적 SERS(EC-SERS) 플랫폼에서, 전하 이동은 외부 전위의 인가에 의해 금속의 페르미 에너지를 조절함으로써 가능해 질 수 있다. 현재까지 관련 연구들은, 통상적인 전위 범위 내에서 전하 이동이 될 수 있는 중간 정도의 산화환원 전위를 가진 분자들에게만 제한적으로 적용될 수 있었다.
이에 본 발명의 연구자들은 예의 연구를 거듭한 결과, 라만 활성 분자의 화학적 특성을 조절하고 EC-SERS에서의 전하 이동을 가능하게 하는 비공유 분자간 상호작용을 도입함으로써 전하 이동 매개의 CE 메커니즘을 새롭게 규명하게 되었고, 이를 이용하여 SERS에서의 신호를 증강시키는 방법을 발견하게 되어 본 발명을 완성하게 되었다.
도 1에 나타난 바와 같이, 플라즈모닉 기판 전극 상에 제공된 방향족 π 시스템을 포함하는 분석물질에 음이온을 제공할 수 있는 금속 착이온을 접촉시키면, 음이온의 존재하에서 분자의 π 시스템의 분극률이 변경되어 분자간 상호작용, 즉, 음이온-π 상호작용으로 라만 신호를 증강시킬 수 있다.
또한, 상기 분석물질과 금속 착이온을 접촉시킨 상태에서 전극에 외부 전위를 인가하면, 음이온-π 상호작용과 외부 전위 인가에 의한 시너지 효과에 의해 라만 신호를 획기적으로 증강시킬 수 있다.
따라서, 일 측면에 따르면, 본원의 라만 신호 증강 방법은, i) 플라즈모닉 기판 전극을 제공하는 단계; ii) 상기 전극 상에서 분석물질과 금속 착이온을 혼합하는 단계; 및 iii) 상기 전극에 전위를 인가하는 단계;를 포함한다.
단계 i)은 플라즈모닉 기판으로 전극 역할을 하는 플라즈모닉 기판 전극을 제공하는 단계이다.
상기 플라즈모닉 기판 전극은 SERS 활성이 있으면 다양한 구조를 가질 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 금속 함유 나노입자, 금속 함유 박막, 및 금속 함유 나노구조체 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 금속은 Au, Ag, Al, Co, Cu, Fe, Li, Ni, Pd, Pt, Rh, Ru 및 이의 합금 중 1종 이상을 이용할 수 있고, Au, Ag, 또는 이의 합금이 라만 신호 증강 면에서 적합할 수 있다.
상기 나노구조체는 상호간에 표면 플라즈몬 공명을 유도하는 나노갭이 다수 형성되는 구조이면 형상에 특별한 제한은 없다. 이에 한정되는 것은 아니나, 상기 나노구조체는 나노돌기, 나노필라, 나노와이어, 나노딤플, 및 나노엠보싱 중 1종 이상일 수 있고, 나노필라가 라만 신호 증강 면에서 적합할 수 있다.
플라즈모닉 기판 전극의 제조는 공지된 방법을 이용하여 제조할 수 있다. 플라즈마 식각공정, 소프트 리소그라피(soft lithography), 엠보싱(embossing), 나노임프린트 식각법(nanoimprint lithography), 포토 리소그라피 (photolithography), 및 광간섭 식각법(interference lithography) 중 어느 하나를 이용할 수 있으며 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 실시예에서는 폴리머 기판을 플라즈마 에칭으로 나노필라를 형성하고, 상기 나노필라 상에 스퍼터링에 의해 나노갭 구조의 금속 함유막을 형성하였다. 이외에 플라즈모닉 기판은 열증착(thermal evaporation) 및 화학증기증착(chemical vapor deposition) 등을 이용하여 진공증착으로 형성될 수도 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 플라즈노믹 기판 전극의 두께는 진공증착 시에 증착 시간 등의 조건을 제어하여 조절될 수 있다.
단계 ii)에서는 상기 전극 상에서 분석물질과 금속 착이온을 혼합하는 단계이다.
상기 분석물질은 π-전자를 갖는 물질일 수 있다. π-전자를 갖는 물질에 음이온을 제공하면 분자의 π 시스템의 분극률이 변경되어 분자간 상호작용, 즉, 음이온-π 상호작용으로 라만 신호를 증강시킬 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 분석물질은 π-전자를 갖는 방향족 화합물이거나 이를 포함하는 물질이 적합할 수 있다. 상기 물질들은 π-전자를 갖기 때문에 분석 시 미량으로 존재해도 고감도로 검출할 수 있다. 특히, 전자-결핍 방향족 고리를 가진 분자의 라만 신호를 증강시킬 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 분석물질은 파라콰트(paraquat), 디콰트(diquat), 브릴리언트 그린(brilliant green), 및 티아벤다졸(TBZ) 중 1종 이상일 수 있다. 상기 물질들은 π-전자를 갖기 때문에 분석 시 미량으로 존재해도 고감도로 검출할 수 있다.
보다 구체적으로 상기 PQ2+의 라만 신호는 상기 상호작용 내에서 금속 착이온이 개입되게 될 때 상당히 크게 됨을 확인하였다.
따라서 본 발명은 커피 등의 음료수 내에 잔존하는 제초제 성분들을 현장에서 신속하게 검출할 수 있도록 하는 방법을 제공할 수 있어, 유해 성분의 신속한 분석 등에 널리 이용될 수 있다.
상기 금속 착이온은 음이온을 제공할 수 있는 금속 착이온이면 특별한 제한은 없다. 이에 한정되는 것은 아니나, 상기 금속 착이온은 AuCl4 - 또는 Au(CN)2 -을 포함할 수 있고, AuCl4 - 가 분석물질의 고감도 검출에 적합할 수 있다.
상기 전극 상에서 분석물질과 금속 착이온을 혼합하는 것은 분석물질을 상기기판에 제공한 후 금속 착이온을 제공하여 혼합할 수도 있고, 상기 금속 착이온이 제공된 기판 상에 상기 분석물질을 제공하여 혼합할 수도 있으며, 분석물질과 금속 착이온이 동시에 전극 상에 제공하여 혼합할 수도 있다.
단계 iii)는 상기 전극에 전위를 인가하는 단계이다.
상기 분석물질과 금속 착이온을 접촉시킨 상태에서 전극에 외부 전위를 인가하면, 음이온-π 상호작용과 외부 전위 인가에 의한 시너지 효과에 의해 라만 신호를 획기적으로 증강시킬 수 있다. 즉, 음이온-π 상호작용으로 증강된 신호는 또한 2단계로 매개되는 전자 이동을 유발하는 외부 전위가 인가되는 EC-SERS 시스템에서 더욱 증폭될 수 있다. 상기 전자 이동은 다시 PQ2+의 분극률을 변경하게 하여 초기 SERS 신호에 비해 45배나 증폭된 신호가 얻어지는 결과를 나타냄을 확인하였다.
상기 전위는 분석물질의 종류에 따라 통상의 기술자가 유효한 범위를 설정할 수 있다. 유효한 전위 범위는 (1) 분석물질과 금속 착이온의 산화환원 전위, (2) 전극 자체가 산화 또는 환원되는 전위, (3) 용매 자체가 산화 또는 환원되는 전위를 고려해서 설정될 수 있다. 따라서, 유효한 전위 범위는 전극에서 금속 착이온으로 전자가 전달되고 그 전자가 분석물질로 전달될 수 있도록 하면서, 불필요한 반응(예: 용존 산소의 환원 반응)은 일으키지 않는 전위일 수 있다. 이에 한정되는 것이 아니나, 상기 분석물질이 파라쿼트이고, 금속 착이온이 AuCl4 -인 경우, 단계 iii)에서 전위는 0.1 이상 0.7 V 미만으로 인가하는 것이 파라쿼트를 고감도로 효율적으로 검출할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 본원의 분석물질 검출 방법은 i) 플라즈모닉 기판 전극을 제공하는 단계; ii) 상기 전극 상에서 분석물질과 금속 착이온을 혼합하는 단계; iii) 상기 전극에 전위를 인가하는 단계; 및 iv) 상기 분석물질에 광을 조사하여 라만 신호를 검출하는 단계를 포함한다.
본원은 상술한 본원의 라만 신호 증강 방법을 이용하여 분석물질의 라만 신호를 증강시켜 분석물질을 고감도로 검출할 수 있다.
상기 단계 i) 내지 iii)는 상기 라만 신호 증강 방법에서 상세히 설명하여 생략한다.
상기 단계 iv)는 상기 금속 착이온과 혼합된 분석물질에 광을 조사하여 라만 신호를 검출하는 단계이다. 분석물질과 금속 착이온에 의한 음이온-π의 상호작용으로 라만 신호가 증강되고, 외부 전위 인가 시 음이온-π 상호작용과 외부 전위 인가에 의한 시너지 효과에 의해 라만 신호가 획기적으로 증강될 수 있다. 따라서, 미량의 분석물질도 고감도로 검출할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 본원의 분광분석용 키트는 플라즈모닉 기판 전극; 상기 전극 상에서 분석물질과 혼합되는 금속 착이온; 및 상기 전극에 전위를 인가하는 전위인가부; 포함한다.
상기 분광분석용 키트에 있어서 전극은 금속 함유 나노입자, 금속 함유 박막, 및 금속 함유 나노구조체 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 분광분석용 키트에 있어서 나노구조체는 나노돌기, 나노필라, 나노와이어, 나노딤플, 및 나노엠보싱 중 1종 이상일 수 있다.
상기 분광분석용 키트에 있어서 상기 분석물질은 π-전자를 갖는 물질일 수 있다.
상기 분광분석용 키트에 있어서 상기 분석물질은 방향족 물질일 수 있다.
상기 분광분석용 키트에 있어서 상기 금속 착이온은 AuCl4 - 또는 Au(CN)2 -을 포함할 수 있다.
상기 분광분석용 키트에 있어서, 상기 금속 착이온은 상기 전극 상에 일체화되어 있을 수도 있고, 분석물질 검출 시 추가될 수 있는 구성으로 제공될 수도 있다.
상기 분광분석용 키트에 있어서, 상기 전위인가부는 본원의 플라즈모닉 기판 전극에 전위를 인가할 수 있으면 특별한 제한은 없고, 공지의 전위인가부재를 이용하여 구성할 수 있다.
상기 분광분석용 키트는 표면증강라만산란용 기판 또는 표면증강적외선 흡광분석용 기판일 수 있다. 본원은 가시광선을 이용하는 라만분석 이외에도 적외선(IR) 분광분석에도 적용할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 본원의 라만 분광 장치는 광원; 본원에 기재된 분광분석용 키트; 및 라만 분광을 검출하는 검출기;를 포함한다.
상기 광원 및 검출기 등의 라만 분광 장치의 다른 구성은 공지의 광원 및 검출기 등을 이용할 수 있어 상세한 설명은 생략한다.
실시예
이하, 본 발명을 실시예를 통해 보다 상세하게 설명한다.
1. 재료 및 방법
1-1. 재료
파라콰트 디클로라이드, 골드 클로라이드 트리하이드레이트(HAuCl4ㆍ3H2O), 포타슘 디시아노오레이트(K[Au(CN)2]), 포타슘 포스페이트 모노베이직(KH2PO4) 및 포타슘 포스페이트 다이베이직(K2HPO4ㆍ3H2O)를 시그마-알드리치(St. Louis, MO, USA)로부터 구입하였다. 소듐 클로라이드(NaCl)는 삼천(평택, 한국)에서 구입하였으며, 탈이온수(DIW, >18MΩㆍcm)는 Human UP(Human사)으로부터 구입하였고, pH 지시 용액은 EMD 밀리포어사(Darmsdadt, 독일)로부터 구입하였다. 포스페이트 완충액(0.1M, pH 7.18)은 포타슘 포스페이트 모노베이직(KH2PO4)과 포타슘 포스페이트 다이베이직 트리하이드레이트(K2HPO4ㆍ3H2O)를 사용하여 제조하였다.
1-2. Au SERS 기판의 제조
폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기판 위에 Au을 증착한 두께 250㎛의 SERS 기판을 제조하였다. 상기 PET 기판을 13.56MHz RF(Radio Frequency) 이온 에칭 장치를 사용하여 Ar 플라즈마로 전처리하였다. 상기 전처리를 위한 플라즈마 전력은 100W였다. Ar 플라즈마로 생성된 나노필라 상에 나노갭 구조의 Au 막이 스퍼터링법에 의해 100nm의 두께로 증착되었다. Au SERS 기판의 형태는 전계방사형 주사 전자 현미경(FE-SEM; Joel JSM-6700F)으로 확인되었다.
1-3. EC- SERS 장치 및 측정
상기 전기화학적 측정은 전위가변기(ZIVE SP2, Wonatech) 및, Au 작업 전극, Ag/AgCl 기준 전극 및 백금(Pt) 카운터 전극을 보유하는 전기화학 전지를 사용하여 측정되었다. 상기 전지는 기하학적 크기의 중심에 0.07cm2의 천공이 있으며, 이는 Au 전극을 전해질 용액으로 노출시켰고, 상기 전지가 담겨있는 전체 용액 부피는 400㎕였다. SERS 측정은 785nm의 레이저 광원을 함유하는 Ocean Optics 휴대용 프로브 분광 시스템(UQEPRO-Raman)을 사용하여 실시간으로 측정하였다. EC-SERS 측정을 위해서, Au 전극 표면을 먼저 순환전압전류법(cyclic voltammetry, CV)을 사용하여 전기화학적으로 세정하였다. 전위는 400㎕ 인산 완충용액(0.1M) 내에서 스캔 속도 0.05V/s로 0에서 1.1V까지 스캔하였다. 상기 인산 완충용액은 사이클링 후에 교환하였으며, 재현가능한 순환전압전류곡선이 얻어질 때까지 반복하여 측정하였다. 파라콰트 디클로라이드 및 골드 클로라이드 트리하이드레이트를 탈이온수에 용해하였다. 먼저, 전지 내의 NaCl 용액(392㎕)에 4㎕의 PQ2+(500μM)를 가하여, 일정 주기 동안 PQ2+의 SERS 스펙트럼을 얻었다. 그 후, 100mM의 HAuCl4 4㎕를 전해질 용액에 가하였다. PQ2+ 및 AuCl4의 최종 농도는 각각 5μM 및 1mM이었다. 조심스럽게 혼합한 후, 상기 용액을 실제 데이터 취득이 시작되기 전에 레이저를 조사하면서 안정화되도록 하였다. 라만 스펙트럼을 30초간 수집한 후, 일정한 전위를 60초간 전극에 인가하였다. 전위를 인가하는 동안 최대 신호 증강을 4초에서 얻었으나, 스펙트럼 수집은 전체 전위 인가 동안 이루어졌으며, 전위 인가 종료 후 30초 동안도 연속적으로 수집하였다. 상기 측정에 사용된 레이저 전력은 450mW였으며, 통합 시간은 2초였다. 모든 전극의 전위는 Ag/AgCl에 대하여 기록되었다.
2. 결과
2-1. 금 음이온 착체에 의한 화학적 증강
분자간력은 금속 표면상의 분자의 화학적 특성(예: 분극률, 전자 구조)을 바꿀 수 있으며, 그 결과로 라만 신호를 변경시킬 수 있다. 많은 라만-활성 분자들은 그들의 π 시스템이 전자 결핍 상태가 되도록 하는 전자-끌기 치환체를 가진 헤테로사이클을 갖는다. 이들 분자들은 정전식(electrostatics)으로 음이온들과 상호작용을 할 수 있는데, 이들의 π 시스템은 상기 음이온들에 의해 역시 분극화될 수 있다. 상기 음이온-π 상호작용은 최근에 많은 화학적 시스템에서 특이적인 분자간 상호작용으로 인식되고 있다. 현재까지, 라만 신호 증강에 대해 미치는 음이온-π 상호작용의 영향은 SERS 플랫폼에서는 아직 연구되지 않았다.
본 발명을 통해 음이온-π 상호작용을 통한 분자의 전자 구조에서의 변화는 분자의 분극률을 증가시켜 라만 신호를 증강시킬 수 있다는 것이 입증되었다. 즉, 라만 산란의 화학적 증폭에 대해 상호작용의 영향이 확인되었다.
도 2의 a)는 PQ2+를 각각 탈이온수, 염소 이온(Cl-) 및 사염화금 이온(AuCl4 -)과 함께 SERS를 측정하였을 때의 라만 시프트에 따른 라만 강도를 나타내는 도면이고, 도 2의 b)는 PQ2+를 각각 탈이온수, 시안이온(CN-), 및 이시안화금 이온(Au(CN)2 -)과 함께 SERS를 측정하였을 때의 라만 시프트에 따른 라만 강도를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 파라콰트(PQ2+)는 본 발명에서 프로브 타겟으로 분석되었다. 상기 PQ2+ 분자는 π-산성에 기여하는, 양으로 하전된 4가 질소를 포함하는 2개의 헤테로사이클을 가지며, 이로 인해 음이온-π 상호작용에 참여할 수 있도록 만든다.
음이온-π 상호작용에 대한 것과 유사하게, 양이온과 방향족 고리 시스템 사이에서 일어나는 양이온-π 상호작용이 잘 알려져 있다. 전이금속 양이온 착화합물의 존재 하에서 양이온-π 상호작용이 존재하는 경향이 있음을 여러 연구들을 통해 알 수 있었다. 이러한 금속-리간드 착화합물은 단원자 양이온의 경우에서와 같이 방향족 분자들의 π 시스템과 강하게 상호작용할 수 있다. 이러한 관점에서, 유사한 현상이 음이온-π 상호작용에서도 일어날 수 있다고 예측됨에 따라, 클로라이드-풍부한 금속 착화합물, 사염화금 이온(AuCl4 -)이 도입되었다. AuCl4 -의 존재는 PQ2+의 라만 신호를 획기적으로 증가시켰으며(도 2의 a)), 이러한 증가는 C-N(836cm-1로 피크 이동), C=C(1188cm-1로 피크 이동) 및 C-C 인터링(1294cm-1로 피크 이동) 모드에 대하여 관찰되었다. 상기 모드 강도는 각각 20, 25 및 12배 증가되었는데, 이는 라만 신호 증강을 위한 음이온-π 상호작용에 있어서 금속 음이온 착화합물이 강한 분극 이온으로서 사용될 수 있음을 시사하였다.
라만 증강에서의 음이온-π 상호작용의 영향은 다른 음이온들을 분석함으로써 추가적으로 연구되었다. Au(CN)2 -와 접촉한 상태의 PQ2+에 있어서는, 모든 신호 모드가 증강되었다. C-N, C=C 및 C-C 인터링 모드는 각각 3배, 8배, 및 5배로 증가되었다. 한편, AuCl4 -의 존재하에서는 감소하였던 C=N 모드의 강도가 9배 증폭되었다. Au(CN)2 -의 존재하에서 관찰된 증강은 제안된 금속 착화합물에 의한 음이온-π 상호작용이 존재한다는 것을 확증하였다.
C-N, C=C 및 C-C 인터링 모드의 신호 강도의 다양한 변화는 AuCl4 - 및 Au(CN)2 -의 확연한 분극 세기에 기인한다. PQ2+ 분극률의 범위는 얼마나 용이하게 π 전자구름이 음이온의 전자구름에 의해 변형되는지에 따라 의존적이다. AuCl4 -는 Au(CN)2 -보다 더 강한 분극 효과를 나타내는 경향을 가지고 있는데, 이는 Cl 원자 주위의 높은 전자 밀도 편재화에 따른 것이다. 대조적으로, Au(CN)2 - 내의 CN기의 전자 밀도는 더 작으며 상대적으로 더 약한 편재화를 유발한다. 이러한 관계로, AuCl4 -와의 음이온-π 상호작용에 있어서 더 큰 라만 증강이 기대될 수 있다. 이러한 차이는 Au(CN)2 -보다 AuCl4 -의 존재하에서 C-N, C=C 및 C-C 인터링 모드의 신호 강도가 더 높게 나오는지를 설명할 수 있다.
도 3은 AuCl4 - (1 mM)의 존재 하에서, 각각 5μM의 a) 디콰트(DQ2+), b) 브릴리언트 그린(brilliant green, BG+) 및 c) 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone, PVP)을 SERS 측정하였을 때의 라만 시프트에 따른 라만 강도를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 음이온-π 상호작용의 발생은 다른 분자들(디콰트, 브릴리언트 그린, 폴리비닐피롤리돈)과의 경우를 통해서도 역시 확증되었다. AuCl4 -의 존재하에서, 디콰트 및 브릴리언트 그린의 모든 라만 모드는 증강되었다(도 3). 상기 관찰은 디콰트 및 브릴리언트 그린이 π-전자 부족의 방향족 분자이며 음이온-π를 통하여 AuCl4 -와 상호작용할 수 있는 제안된 현상과 일치하였다. PVP의 경우, 고리 내에 π 결합이 결여되어 어떠한 증강도 관찰되지 않았다. 이는 다양한 SERS 응용에 있어서, AuCl4 -의 존재하에서 음이온-π 상호작용이 전자-결핍 방향족 고리를 가진 분자의 라만 신호를 증강시킬 수 있다.
2-2. 외부 전위 인가에 의한 신호 증폭
분자 내 상호작용에 참여하는 분자들의 전기적 특성은 그들의 해당되는 에너지가 전자 들뜸 또는 전하 이동을 실현하기에 적합하도록 크게 변형될 수 있다. 이러한 경우들은 상호작용시 분자들의 흡수/방출 스펙트럼 또는 산화환원 전위의 변화로 검증되어 있다. 음이온-π 상호작용이 π-분자들의 전기적 구조에 영향을 미친다는 것이 관찰되었기 때문에 본 발명자들은 AuCl4 -와 Au(CN)2 -가 PQ2+의 전기적 특성에 미치는 영향을 조사하게 되었으며, 보다 구체적으로, 추가적인 라만 증강을 위하여, 음이온들이 PQ2+에 전하를 이동하는데 촉매 역할을 할 수 있는지 조사하였다. 이를 위해, 본 발명자들은 전하(이 경우, 전자) 이동을 촉발하기 위해 외부 전위를 사용하였으며, PQ2+ 분자 단독 및 음이온-착체된 PQ2+의 라만 신호를 관찰하였다.
도 4는 a) PQ2+ (5μM) 단독, b) AuCl4 - (1 mM)의 존재 하에서의 PQ2+(전위가 인가되지 않은 경우 및 +0.1V 인가된 경우), 및 c) Au(CN)2 - (1 mM)의 존재 하에서의 PQ2+(전위가 인가되지 않은 경우 및 +0.1V 인가된 경우)의 라만 시프트에 따른 라만 강도를 나타내는 도면이다. 도 4의 a) 그래프 내의 박스는 확대된 SERS 스펙트럼을 나타낸다. 도 5는 -0.5V 내지 +0.5V의 전위를 인가한 경우의 PQ2+ (5μM)의 SERS 스펙트럼을 나타내는 도면이다. 도 6은 AuCl4 -(1mM)의 존재하에서 a)의 디콰트(5μM) 및 b)의 브릴리언트 그린(5μM)의 SERS 및 EC-SERS 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 도 4의 a)는 외부 전위에 대한 PQ2+의 고유 반응을 나타내고 있다. 전위 인가(0.1V)를 하는 동안 및 후에 연속적으로 기록된 라만 스펙트럼은 PQ2+의 신호 내에 유의미한 변화를 보여주지 못하였다(다른 전위는 도 5에 나타냄). AuCl4 -의 존재하에서, 음이온-π 상호작용에 의해 유도된 초기 증강은 도 4의 b)에 도시된 바와 같이 전위 인가(+0.1V)에 의해 강화되었다. 전위에 의해, 모든 모드는 크게 증강되었으나, C=N 모드(음이온-π 상호작용에 의해 증강되지 않은 유일한 신호)의 증폭은 강도가 45배 이상으로 가장 현저하였다. 도 4의 c)는 Au(CN)2 -의 존재하에서 전위 인가 동안 얻어진 스펙트럼을 도시하고 있다. 관찰되는 바와 같이, +0.1V로 인가해 주었을 때는 C=N 모드의 강도만 증가하였는데, 다른 모드는 영향을 받지 않았다. 이러한 전위-유래 라만 증강 및 이에 따른 음이온 효과에 있어서 전자 이동의 기여를 조사하기 위해서, 본 발명자들은 전위 인가 동안 측정된 전류(즉, 전극으로부터 용액 내의 종까지의 측정)를 분석하였다.
또한, 다른 방향족 분자들을 위한 접근 활용도도 평가하였다. 도 6에 도시된 바와 같이, AuCl4 -의 존재하에서 외부 전위를 인가하였을 때, 디콰트 및 브릴리언트 그린의 라만 신호는 각각 2배 및 12배 증폭하였다. 이것은 CE를 통한 라만 증강의 제안된 접근법은 PQ2+에만 국한되지 않음을 보여준다.
도 7의 a)는 AuCl4 -(좌측) 및 Au(CN)2 -(우측)의 존재하에서의 +0.1V에서 측정된 전류를, 도 7의 b)는 +0.1V에서의 2단계 전자 이동 메커니즘을 나타내는 에너지 프로파일을, 도 7의 c)는 다양한 전위에서의 AuCl4 - 내의 PQ2+의 EC-SERS 스펙트럼을, 도 7의 d)는 다양한 전위에서의 전자 이동의 가능성을 나타내는 에너지 프로파일을 나타내는 도면이며, +0.7V에서는 전자 이동이 일어나지 않는다.
도 7을 참조하면, 도 7의 a)는 AuCl4 - 또는 Au(CN)2 -의 부재 및 존재 하에서 PQ2+의 용액에 대한 +0.1V에서의 전류를 나타낸다. PQ2+ 용액(음이온은 부재)으로부터 측정된 전류는 바탕 용액(NaCl)의 측정값과 비슷하였는데, 이는 이 전위에서는 PQ2+가 전극으로부터 전자를 받지도 또는 주지도 않는다는 것을 의미한다. PQ2+는
Figure pat00001
-0.63V의 산화환원 전위(E0)를 가지며, -0.63V 이상의 전위에서는 전극으로부터 전자를 받을 수 있다. 0.1V에서 전극 및 PQ2+ 사이에서의 전자 이동은 도 7의 b)(좌측)에 도시된 바와 같이, 열역학적으로 가능하지 않다.
한편, AuCl4 -(E0
Figure pat00002
+0.7V, 도 8)는 이 전위에서 전극으로부터 전자를 받을 수 있는데(도 7의 b), 중간), 이는 기록된 캐소드성 전류에서 뒷받침된다(도 7의 (a)에서의 점선). PQ2+ 및 AuCl4 -을 모두 함유하는 용액으로부터 측정된 전류는 각각 독립적인 용액으로부터 측정된 전류값의 합의 2배로서, 이는 이중 전자 이동이 존재하였음을 보여주는 것이다. 대조적으로, Au(CN)2 - 및 PQ2+를 모두 포함하는 용액뿐만 아니라 Au(CN)2 - 용액(E0
Figure pat00003
-0.8V)에 대하여는 유의미한 전류값이 측정되지 않았다.
본 발명자들은 우선, 전극으로부터 전자가 AuCl4 -으로 이동한 후 다시 PQ2+로 추가로 이동한다고 가정하였다(도 7의 b) 우측). 이는 AuCl4 -으로 하여금 전극으로부터 다른 전자를 받는 빈 공간을 만들며, 이러한 이중 전자 이동은 AuCl4 -보다 AuCl4 -/PQ2+로 2배나 더 큰 전류가 흐르도록 지지한다. 상기 2단계 전자 이동의 결과로서, PQ2+의 분극률이 달라져 라만 신호 증폭 현상을 가져오게 되었다.
Au(CN)2 -/PQ2+의 경우에는, 착화합물 에너지가 단독의 PQ2+ 및 단독의 Au(CN)2 - 사이에 있어서, 산화환원 전위도 PQ2+ 및 Au(CN)2 - 사이에 있으리라 생각된다. +0.1V에서 전극으로부터 Au(CN)2 -/PQ2+ 착화합물로의 전자 이동은 열역학적으로 가능하지 않으며, 전류 흐름 및 라만 신호 증강도 유의미한 값을 나타내지 못했다.
PQ2+의 다른 모드와 비교한 경우, C=N 모드의 증강은 전위에 의해 가장 현저하였다. 모드-선택성 증강을 설명하는 하나의 요인은 프랑크-콘돈 이론으로부터의 기여에 의한 것이다. 이 이론에 의하면, 특정 라만 모드는 전하 이동 반응 동안 증강된다. 피리딘 및 그의 유도체의 약 1600cm-1에서의 완전히 대칭적인 진동들은 전하 이동에 의해 가장 증강되는 것들이다. 따라서, 피리딘 유도체로서의 PQ2+의 경우, 이러한 C=N 모드의 강한 선택성 증강은 프랑크-콘돈 이론으로 설명될 수 있다. 또한, 모드-선택성 증강은 하나의 전자가 반결합 LUMO로 들뜨는 경우, 분자 결합이 겪게 되는 증가된 분극률에 의해 설명될 수 있다. 이러한 오비탈로 들뜨게 된 전자는 통상적으로 관여된 원자들의 결합 구역 바깥에 위치하게 되어, 그 결과, 전자구름은 쉽게 변형될 수 있다. 본 발명의 범주 내에서, PQ2+/AuCl4 - 착화합물의 LUMO는 PQ2+의 C=N 반결합 오비탈과 일치한다는 것을 알게 되었다. 이러한 반결합 오비탈로의 전자 이동은 결합 주위의 전자구름 밀도를 보다 더 분극화시키려고 할 수 있으며, 그 결과 모드의 강한 증강을 유도한다. 아울러, 원자간 결합은 반결합 오비탈에서의 전자의 존재에 의해 약화한다. 전자 이동의 결과로서의 결합의 약화는 결합 주위의 전자 재분배에 강한 영향을 미쳐 분극률을 크게 증가시킬 수 있다. 이들 요인들에 의해, 전자 이동에 의한 PQ2+ 신호 증강의 범위는 C=N 모드에 있어 더욱 더 지배적이었을 것으로 기대되었다.
2-3. AuCl 4 - 의 환원이 신호 증강에 미치는 기여도
EC-SERS 시스템에 있어서, AuCl4 - 이온은 외부로부터 인가된 전위에 의해 금 나노입자로 환원될 수 있다. Au SERS 기판상에서의 전자발생 입자의 존재는 기판의 "핫스팟" 밀도를 증가시켜 EM 성분들에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 관점에서, AuCl4 -의 환원이 신호 증강에 기여하는 정도를 조사하기 위하여, 주사 전자 현미경(SEM)을 사용하여 SERS 활성 Au 전극의 표면에서의 변화를 분석하였다.
도 8은 AuCl4 -(1mM)의 존재하에서, a)의 Au 나노필라 기판, b)의 +0.1V로 4초간 전위 인가 후의 기판 및 c)의 +0.1V로 60초간 전위 인가 후의 기판의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 8을 참조하면, 도 8의 a)는 미리 준비된 Au 기판의 형태를, 도 8의 b) 및 8의 c)는 각각 전위를 +0.1V로 4초 및 60초간 인가한 후의 형태를 나타낸다. Au 환원에 의한 나노입자들의 증착이 확실히 배제될 수 없다고 할지라도, 4초(최대 증강이 달성된 시간) 후의 표면 형상에서 눈에 띌만한 변화는 일어나지 않았다. 60초간 전위 인가 후의 형태는 AuCl4 -의 연속적인 환원에 의해 막 층이 형성되었음을 보여주었다. 생성된 나노입자들의 존재가 증강에 영향을 미친다면, 전위 인가 종료 후의 라만 강도는 전위 인가 전의 강도보다 클 것으로 기대되었다. 이와는 반대로, 전위 인가 종료 후의 신호는 전위 인가 전의 강도에 비해 강도가 감소하였다.
2-4. 적용 분야에 대한 연구
파라콰트는 제초제로 잘 알려진 물질이다. 파라콰트는 장기 퇴행성 질병 및 급성 호흡곤란 증후군과 관련하여 인간 조직에 대해 독성을 보여 특정 국가에서 제한된 사용 또는 완전한 사용 금지되고 있다. AuCl4 -의 존재하에서 전위 인가에 의한 라만 신호 증강의 응용가능성은 실제 시료 내에 있는 잔존량을 바로 현장에서 검출할 수 있도록 한다. 상기 본원의 발명은 커피 음료 내에 있는 PQ2+ 검출용으로 이용되었다.
도 9는 커피 음료 내의 PQ2+를 측정하는 과정을 나타낸 도면으로, a)는 커피 음료 내의 PQ2+의 검출 과정의 모식도, b)는 AuCl4 -(1mM)의 존재하에서 PQ2+ 농도의 증가에 따른 PQ2+의 SERS 스펙트럼, 및 c)는 +0.1V의 전위를 인가하면서, AuCl4 -(1mM)의 존재하에서 PQ2+ 농도의 증가에 따른 커피 음료 내의 PQ2+의 EC-SERS 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 도 9의 a)는 전처리를 하지 않는 검출 순서를 나타낸 모식도이다. 상기 커피 음료는 추천된 제공품(0.9g/120mL) 및 0.1M NaCl로 희석된 것(1000배 희석)을 준비하였다. 전위를 인가한 경우 및 인가하지 않은 경우에서, AuCl4 - 내에서의 커피의 고유 라만 반응을 얻었으며 스펙트럼 바탕 보정을 위한 베이스라인으로 사용하였다. 2×10-6M PQ2+를 커피 음료 샘플과 함께 혼합한 경우, 측정된 라만 스펙트럼은 어떠한 눈에 띄는 피크도 갖지 않았다. AuCl4 -(1mM)을 첨가한 경우에는, PQ2+의 특성 라만 피크를 얻을 수 있었다(도 9의 b)). 그러나, 커피 내 잔존하는 PQ2+의 유럽 연합 위원회 기준의 최대 잔존 허용치(MRL: 0.05mg/kg; 1.9×10-7M)보다도 2×10-6M인 검출 한계치(LOD)가 더 높았다. 커피 음료 내의 PQ2+의 검출 민감도는 외부 전위의 영향에 의해 MRL 값 아래로 떨어지게 개선되었다. 도 9의 c)에 도시된 바와 같이, 전위에 의한 LOD는 1647cm-1 피크를 기준으로 하였을 때 2×10-12M까지 달성되었다. 이러한 결과는 음이온-π 상호작용을 같이 사용한 EC-SERS 기술이 독성 물질의 신속한 현장 검출 분석에 사용될 수 있음을 시사한다.
2-5. 결론
본원에서, 본 발명자들은 음이온-π 상호작용을 이용하여, CE를 통한 라만 신호를 증폭하는 접근법을 제안하였다. PQ2+는 타겟 모델 분자로 이용되었으며, 상호작용하는 이온 페어로서 AuCl4 -를 채택하여 이의 존재 하에서 실험하였다. 상호작용에 의해 PQ2+ 신호가 증강되는 메커니즘을 외부 전위의 존재 및 부재 하에서 체계적으로 조사하였다. 외부 전위의 부재하에서의 라만 증강은 금속 착화합물의 음이온인 AuCl4 -에 의해 유도된 PQ2+의 분극화된 π-전자 구름에 기인한 것으로 추측되었다. 전위 인가에 의해, 신호 증폭의 메커니즘은 2단계 전위 의존성 전자 이동으로 기술되었다. 본 발명자들은 EC-SERS 시스템에서 음이온-π 상호작용을 이용하는 것이 실제 샘플을 전처리하지 않고 매우 낮은 농도 수준으로 PQ2+를 검출하는데 이용될 수 있음을 보여주었다. 본 발명에 의하면, 전기화학적 SERS 시스템에서 CE를 통한 라만 신호를 증폭하는 접근법으로 음이온-π 상호작용을 이용할 수 있음을 알 수 있었다. 또한, 본 발명은 SERS 플랫폼에서 신호 증강을 위해 이용될 수 있는 다양한 분자 상호작용을 연구하는데 초석을 제공할 수도 있을 것이다.
이상 본 개시를 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 개시를 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 개시는 이에 한정되지 않으며, 본 개시의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다. 본 개시의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 개시의 영역에 속하는 것으로 본 개시의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

Claims (16)

  1. i) 플라즈모닉 기판을 제공하는 단계; 및
    ii) 상기 기판 상에서 분석물질과 금속 착이온을 혼합하는 단계;
    를 포함하고,
    분석물질과 금속 착이온에 의한 음이온-π의 상호작용으로 라만 신호가 증강되는, 라만 신호 증강 방법
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 금속 함유 나노입자, 금속 함유 박막, 및 금속 함유 나노구조체 중 1종 이상을 포함하는, 라만 신호 증강 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 나노구조체는 나노돌기, 나노필라, 나노와이어, 나노딤플, 및 나노엠보싱 중 1종 이상인, 라만 신호 증강 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분석물질은 π-전자를 갖는 물질인, 라만 신호 증강 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 분석물질은 방향족 화합물이거나 이를 포함하는 물질인, 라만 신호 증강 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 분석물질은 파라콰트(paraquat), 디콰트(diquat), 브릴리언트 그린(brilliant green), 및 티아벤다졸(TBZ) 중 1종 이상인, 라만 신호 증강 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈모닉 기판은 플라즈모닉 기판 전극이고,
    iii) 상기 전극에 전위를 인가하는 단계를 더 포함하는, 라만 신호 증강 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 금속 착이온은 AuCl4 - 또는 Au(CN)2 -을 포함하는, 라만 신호 증강 방법.
  9. i) 플라즈모닉 기판 전극을 제공하는 단계;
    ii) 상기 전극 상에서 분석물질과 금속 착이온을 혼합하는 단계;
    iii) 상기 전극에 전위를 인가하는 단계; 및
    iv) 상기 분석물질에 광을 조사하여 라만 신호를 검출하는 단계를 포함하고,
    분석물질과 금속 착이온에 의한 음이온-π의 상호작용으로 라만 신호가 증강되는, 분석물질 검출 방법.
  10. 플라즈모닉 기판 전극;
    상기 전극 상에서 분석물질과 혼합되는 금속 착이온; 및
    상기 전극에 전위를 인가하는 전위인가부;를 포함하는, 분광분석용 키트.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전극은 금속 함유 나노입자, 금속 함유 박막, 및 금속 함유 나노구조체 중 1종 이상을 포함하는, 분광분석용 키트.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 나노구조체는 나노돌기, 나노필라, 나노와이어, 나노딤플, 및 나노엠보싱 중 1종 이상인, 분광분석용 키트.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 분석물질은 π-전자를 갖는 물질인, 분광분석용 키트.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 분석물질은 방향족 화합물이거나 이를 포함하는 물질인, 분광분석용 키트.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 금속 착이온은 AuCl4 - 또는 Au(CN)2 -을 포함하는, 분광분석용 키트.
  16. 광원;
    제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 기재된 분광분석용 키트; 및
    라만 분광을 검출하는 검출기;를 포함하는, 라만 분광 장치.
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