KR20230096491A - 눈꽃 형상의 은 나노입자를 갖는 라만 분광용 기판의 제조 방법 및 상기 기판의 표면 증강 라만 산란을 이용한 검출 방법 - Google Patents
눈꽃 형상의 은 나노입자를 갖는 라만 분광용 기판의 제조 방법 및 상기 기판의 표면 증강 라만 산란을 이용한 검출 방법 Download PDFInfo
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Abstract
개시된 라만 분광용 기판의 제조 방법은, 은 전구체, 하이드록실기를 갖는 아민을 포함하는 제1 환원제 및 하이드록실기를 갖는 다염기카르복실산을 포함하는 제2 환원제를 반응시켜 눈꽃 형상의 은 나노입자를 합성하는 단계 및상 기 은 나노입자를 포함하는 용액을 소수성 처리된 기판에 적하하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 표적 물질 검출용 기판의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 눈꽃 형상의 은 나노입자를 갖는 라만 분광용 기판의 제조 방법 및 상기 기판의 표면 증강 라만 산란을 이용한 검출 방법에 관한 것이다.
표면 증강 라만 산란(Surface enhanced Raman scattering, SERS)은 가장 유망한 분석 방법 중 하나로, 분석하고자 하는 물질이 거칠게 처리된 금속과 같은 라만 활성물질 표면에 흡착되거나 수백 나노미터 이내의 거리에 위치할 때, 상기 표면의 거칠기에 의해 제공되는 표면 플라즈몬에 의해 일반 라만 세기에 비해 104 내지 106 배이상 증가된 세기의 분석물질의 라만 산란을 측정하는 분광법을 의미한다.
라만 방출 스펙트럼의 파장은 샘플 내의 광 흡수 분자의 화학 조성 및 구조 특성을 나타내므로, 이러한 라만 신호를 분석하면 분석 대상 물질을 직접적으로 분석할 수 있다.
이러한 라만 분광법을 진행하기 위해서는 라만 신호를 크게 증폭시켜주는 라만 기판의 제작이 필요하며, 라만 기판은 귀금속(금, 은 등) 재질의 나노구조체로 구성될 필요가 있다.
기존 라만 기판의 제작 방법의 경우, 스퍼티링을 이용한 제작 방법, MEMs 공정을 이용한 제작 방법 등이 이용되고 있는데, 이는 고가의 장비가 필요하여 제작의 접근성 및 용이성이 떨어진다던가 기판 내의 나노입자 분포가 상이하여 라만 증폭도의 반복성이 떨어진다는 단점이 존재한다.
본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로, 상대적으로 쉬운 방법으로 라만 증폭도의 반복성이 확보된 라만 분광용 기판의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 과제는 상기 기판의 표면 증강 라만 산란을 이용한 검출 방법을 제공하는 것에 있다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 라만 분광용 기판의 제조 방법은, 은 전구체, 하이드록실기를 갖는 아민을 포함하는 제1 환원제 및 하이드록실기를 갖는 다염기카르복실산을 포함하는 제2 환원제를 반응시켜 눈꽃 형상의 은 나노입자를 합성하는 단계 및상 기 은 나노입자를 포함하는 용액을 소수성 처리된 기판에 적하하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 환원제는 하이드록실 아민을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 환원제의 함량은 상기 은 전구체 1몰당 3몰 내지 4몰이다.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 환원제는 시트르산을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 환원제의 함량은 상기 은 전구체 1몰당 1몰 내지 1.5몰이다.
일 실시예에 따르면, 상기 소수성 처리된 기판은 종이 기판이다.
일 실시예에 따르면, 상기 소수성 처리된 기판은 상기 종이 기판에, 알킬 케텐 이량체, 알케닐 케텐 이량체, 알킬 숙신산 무수물, 알케닐 숙신산 무수물, 알킬 글루타르산 무수물, 알케닐 글루타르산 무수물, 알킬 이소시아네이트, 알케닐 이소시아네이트 및 지방산 무수물로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 소수성 물질을 처리하여 얻어진다.
일 실시예에 따르면, 상기 은 나노입자의 평균 크기는 100nm 내지 200nm일 수 있으며, 평균 코어 크기는 10nm 내지 30nm이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표면 증강 라만 산란을 이용한 검출 방법은, 상기 라만 분광용 기판 상에 샘플을 제공하는 단계, 상기 기판에 레이저를 조사하는 단계 및 상기 기판에 조사된 레이저의 표면 증강 라만 산란의 신호 강도를 통해 표적 물질을 검출하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 표적 물질은 적어도 크레아티닌과 코르티솔을 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 증착, 패터닝 등과 같은 복잡한 공정을 이용하지 않고 증폭도가 증가된 라만 기판을 얻을 수 있다.
또한, 상기에 따라 얻어진 기판은 라만 분광을 이용한 표적 물질 검출시 다중 검출이 가능함에 따라, 라만 분광 분석의 효율을 향상시킬 수 있다. 특히, 상기 기판은 체액 내 생체 인자의 검출에 이용될 수 있다.
또한, 상기 기판은 종이 기판을 이용함에 따라, 비용을 낮출 수 있으며, 별도의 결착제 없이 은 나노입자와 기판의 접착력을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 라만 분광용 기판의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 라만 분광용 기판의 제조 방법에서 은 나노입자 합성을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 라만 분광용 기판의 제조 방법에서 나노입자 용액의 응집을 설명하기 위한 모식도이다.
도 4는 실시예 1에서 얻어진 은 나노입자의 HAADF(High Angle Annular Dark Field) 이미지 및 EDX(에너지분산Xray) 이미지이다.
도 5는 실시예 1에서 얻어진 은 나노입자가 코팅된 라만 분광용 기판의 전계방사형 주사전자현미경(FE-SEM) 사진이다.
도 6은 실시예 1의 라만 분광용 기판을 이용하여 측정된 라만 분광 측정 결과를 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 라만 분광용 기판의 제조 방법에서 은 나노입자 합성을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 라만 분광용 기판의 제조 방법에서 나노입자 용액의 응집을 설명하기 위한 모식도이다.
도 4는 실시예 1에서 얻어진 은 나노입자의 HAADF(High Angle Annular Dark Field) 이미지 및 EDX(에너지분산Xray) 이미지이다.
도 5는 실시예 1에서 얻어진 은 나노입자가 코팅된 라만 분광용 기판의 전계방사형 주사전자현미경(FE-SEM) 사진이다.
도 6은 실시예 1의 라만 분광용 기판을 이용하여 측정된 라만 분광 측정 결과를 도시한 그래프이다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
라만 분광용 기판의 제조 방법
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 라만 분광용 기판의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 라만 분광용 기판의 제조 방법에서 은 나노입자 합성을 설명하기 위한 순서도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 라만 분광용 기판의 제조 방법에서 나노입자 용액의 응집을 설명하기 위한 모식도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 라만 분광용 기판의 제조 방법에 따르면, 먼저 은 전구체를 환원시켜 눈꽃(snowflake) 형상의 은 나노입자를 준비한다(S10).
상기 은 나노입자는 코어와 브랜치를 갖는 눈꽃형상을 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 은 전구체를 제1 환원제 및 제2 환원제와 반응시켜 상기 은 나노입자를 형성한다. 상기 제1 환원제 및 상기 제2 환원제는 동시에 투입될 수도 있으나, 분리 투입되는 것이 눈꽃 형상을 형성하는데 유리하다.
예를 들어, 상기 은 전구체는 AgNO3, AgBF4, AgCF3SO3, AgClO4, AgCN, AgOCN, Ag2CO3, C2H3AgO2, Ag2SO4, Ag(NH4)2, Ag(OOCH2CH3), AgPF6로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 환원제는 아민을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 아민은 트리에탄올아민, 하이드록실아민, 에틸렌디아민, 테트라메틸에틸렌디아민 등을 포함할 수 있다. 바람직하게, 상기 제1 환원제는 하이드록실 아민과 같은 하이드록실기를 갖는 아민이 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 환원제는 유기산을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 환원제는 하이드록실기를 갖는 다염기카르복실산을 포함할 수 있으며, 예를 들어 시트르산을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 은 전구체는 상기 제1 환원제와 먼저 반응할 수 있다(S12). 상기 제1 환원제와 상기 은 전구체의 반응을 통해 눈꽃송이의 코어가 먼저 형성될 수 있다.
상기 제1 환원제의 함량이 과다할 경우, 눈꽃송이의 코어 크기가 작아져 눈꽃송이의 가지 형상을 형성하기 어렵다. 상기 제1 환원제의 함량이 과소할 경우, 눈꽃송이의 코어 크기가 과도하게 커져서 라만 신호의 증폭도가 저하될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 환원제의 함량(은 전구체에 대한 몰비)은 상기 은 전구체 1몰당 2몰 내지 5몰일 수 있으며, 바람직하게는 3몰 내지 4몰일 수 있다.
상기 제2 환원제는 상기 제1 환원제와 상기 은 전구체의 반응이 어느 정도 진행된 다음 투입될 수 있다(S14). 상기 제2 환원제와 상기 은 전구체의 반응을 통해 눈꽃송이의 가지가 주로 형성될 수 있다.
상기 제1 환원제와 상기 은 전구체의 반응은 염기 조건에서 진행되는 것이 바람직하며, 수산화나트륨 등과 같은 염기를 추가하여 pH가 조절될 수 있다.
상기 제2 환원제의 함량이 과다할 경우, 반응 속도가 과도하게 증가하여 코어의 크기가 증가할 수 있으며, 이에 따라 라만 신호의 증폭도가 저하될 수 있다. 상기 제2 환원제의 함량이 과소할 경우, 가지 부분이 제대로 형성되지 않아 눈꽃송이 형상을 얻기가 어렵다. 예를 들어, 상기 제2 환원제의 함량(은 전구체에 대한 몰비)은 상기 은 전구체 1몰당 1몰 내지 2몰일 수 있으며, 바람직하게는 1몰 내지 1.5몰일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 은 나노입자의 평균 크기(직경)는 100nm 내지 1,000nm일 수 있으며, 평균 코어 크기(직경)는 10nm 내지 50nm일 수 있다. 바람직하게, 상기 은 나노입자의 평균 크기(직경)는 100nm 내지 200nm일 수 있으며, 평균 코어 크기(직경)는 10nm 내지 30nm일 수 있다. 상기 은 나노입자의 코어 크기가 과도할 경우, 라만 신호의 증폭도가 저하될 수 있으며, 과소할 경우, 눈꽃 형상을 형성하기 어렵다.
다음으로, 상기에서 얻어진 은 나노입자를 포함하는 은 나노입자 용액을 소수성 처리된 기판 위에 적하한다(S20).
일 실시예에 따르면, 상기 기판은 종이 기판일 수 있다. 상기 소수성 처리는 상기 기판에 소수성 물질을 제공하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 소수성 물질은 알킬 케텐 이량체, 알케닐 케텐 이량체, 알킬 숙신산 무수물, 알케닐 숙신산 무수물, 알킬 글루타르산 무수물, 알케닐 글루타르산 무수물, 알킬 이소시아네이트, 알케닐 이소시아네이트, 지방산 무수물 등을 포함할 수 있으며, 바람직하게 알킬 케텐 이량체를 이용한 소수성 처리가 수행될 수 있다.
예를 들어, 상기 소수성 물질의 제공되는 양은 상기 기판 100 중량부에 대하여 0.1 내지 20 중량부일 수 있으며, 바람직하게 1 내지 10 중량부일 수 있다.
상기 소수성 처리된 기판 위에 은 나노입자 용액을 적하할 경우, 도 3에 도시된 것과 같이, 용액의 퍼짐이 억제되어 특정 영역에 나노입자가 응집됨으로써, 라만 신호의 증폭도가 극대화될 수 있다. 이에 따라, 다중 검출(1회 분석으로 2 이상의 물질 검출)이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 증착, 패터닝 등과 같은 복잡한 공정을 이용하지 않고 증폭도가 증가된 라만 기판을 얻을 수 있다.
또한, 상기에 따라 얻어진 기판은 라만 분광을 이용한 표적 물질 검출시 다중 검출이 가능함에 따라, 라만 분광 분석의 효율을 향상시킬 수 있다. 특히, 상기 기판은 체액 내 생체 인자의 검출에 이용될 수 있다.
또한, 상기 기판은 종이 기판을 이용함에 따라, 비용을 낮출 수 있으며, 별도의 결착제 없이 은 나노입자와 기판의 접착력을 증가시킬 수 있다.
상기 기판은 표면 증강 라만 산란(Surface Enhanced Raman Scattering, SERS) 분광을 이용한 표적 물질의 검출에 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 기판에 표적 물질이 결합됨에 따라 발생하는 라만산란의 세기 증폭을 측정하여 표적물질의 정량 분석을 수행할 수 있다.
SERS 는 빛이 물질에 입사할 때 분자의 진동 상태에 따라 다르게 발생하는 고유한 SERS 신호를 금속 나노입자 표면에서 증폭하여 얻는 것이다. 물질마다 가지는 특이적인 SERS 신호가 발생하므로, 이를 이용하여 생체 물질 등을 정성적/정량적으로 측정 가능하다. 예를 들어, 평균 500 내지 2000 cm-1 파장영역의 라만 신호(Raman signals) 강도를 측정하여 상기 기판에 위치하는 표적 물질을 검출할 수 있다.
예를 들어, 상기 표적 물질은 단백질, 핵산, DNA, RNA, 효소, 유기분자, 바이러스, 세포외소낭 (extracellular vesicles), 미세소낭 (Microvesicles), 엑소좀 (Exosomes), 세포, 지방, 대사물질 또는 병원균인 일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 샘플 적하 등을 통해 상기 기판을 분석 대상 샘플에 노출한 후, 상기 분석 대상 샘플이 로딩된 라만 기판에 레이저를 조사한다. 상기 레이저의 표면 증강 라만 산란 신호를 측정하여 샘플 내 검출 인자를 검출한다.
이하에서는 구체적인 실험예를 참고하여 본 발명의 실시예의 효과 및 이용 가능성을 살펴보기로 한다.
실시예 1
은 나노입자 합성
하이드록실아민 (500 μL, 60 mM)과 수산화나트륨 (NaOH, 500 μL, 50 mM)을 혼합시킨 후, 질산은 (AgNO3, 9 mL, 1 mM)을 상기 혼합용액에 주사기 펌프(syringe pump)를 이용하여 1 mL/min의 유속으로 한 방울씩 투여하였다. 상기 용액을 5분 동안 500 rpm으로 교반시킨 후, 시트르산 (citric acid, 100 μL, 1% w/v)을 한번에 투여하고 15분 동안 500 rpm으로 교반시켰다.
Centricon 필터를 이용하여 원심분리를 1시간 동안 3,000 rpm으로 진행하고, 상층액을 버린 뒤, 침강된 은 나노 눈꽃송이 펠렛을 DI water에 분산시켜 은 나노입자 용액을 얻었다.
소수성 처리된 기판 준비
필터 페이퍼 (grade 5C)를 펀쳐로 잘라내고(직경 5 mm), 잘라낸 필터 페이퍼를 알킬 케텐 이량체 (Alkyl ketene dimer: AKD) 용액 (20 mL, 0.01% v/v)에 5분 동안 침지하였다. 다음으로 필터 페이퍼를 DI water로 세척하고, 70℃의 온도에서 1시간 동안 건조시켜 소수성 처리된 종이 기판을 준비하였다.
은 나노입자 용액 적하
상기 은 나노입자 용액을 상기 소수성 처리된 기판의 동일 위치에 7회 적하(은 나노입자 총량 62.38μmole)한 후 건조하여 은 나노입자가 코팅된 라만 분광용 기판을 준비하였다.
도 4는 실시예 1에서 얻어진 은 나노입자의 HAADF(High Angle Annular Dark Field) 이미지 및 EDX(에너지분산Xray) 이미지이다. 도 5는 실시예 1에서 얻어진 은 나노입자가 코팅된 라만 분광용 기판의 전계방사형 주사전자현미경(FE-SEM) 사진이다.
도 4를 참조하면, 실시예 1을 통해 눈꽃 형상의 은 나노입자가 얻어진 것을 확인할 수 있으며, 도 5를 참조하면, 은 나노입자가 종이 기판에 높은 밀도로 결합된 것을 확인할 수 있다.
라만 분광 성능 확인
실시예 1의 라만 분광용 기판의 다중 인자 검출 성능을 확인하여 위하여, 크레아티닌(2 X 10-2 mg/mL으로 농도 고정)과 코르티솔(8 X 10-6 ~ 2 X 10-4 mg/mL 범위로 농도 변화)을 포함한 용액을 상기 라만 분광용 기판에 적하하고, Hand held Raman 분광기로 측정하였다(레이저 파장: 785 nm, 레이저 파워: 80 mW, 레이저 직경: 1 mm, 신호 획득 시간: 10초)
도 6은 실시예 1의 라만 분광용 기판을 이용하여 측정된 라만 분광 측정 결과를 도시한 그래프이다.
도 6을 참조하면, 넓은 농도 범위(코르티졸)에서 크레아티닌(632cm-1)과 코르티솔(1,604cm-1)을 나타내는 피크가 확인되었음을 알 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 체액 내의 생체 인자 등과 같은 다양한 표적 물질의 검출에 이용될 수 있다.
Claims (10)
- 은 전구체, 하이드록실기를 갖는 아민을 포함하는 제1 환원제 및 하이드록실기를 갖는 다염기카르복실산을 포함하는 제2 환원제를 반응시켜 눈꽃 형상의 은 나노입자를 합성하는 단계; 및
상기 은 나노입자를 포함하는 용액을 소수성 처리된 기판에 적하하는 단계를 포함하는 라만 분광용 기판의 제조 방법. - 제1항에 있어서, 상기 제1 환원제는 하이드록실 아민을 포함하는 것을 특징으로 하는 라만 분광용 기판의 제조 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 제1 환원제의 함량은 상기 은 전구체 1몰당 3몰 내지 4몰인 것을 특징으로 하는 라만 분광용 기판의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 환원제는 시트르산을 포함하는 것을 특징으로 하는 라만 분광용 기판의 제조 방법.
- 제4항에 있어서, 상기 제2 환원제의 함량은 상기 은 전구체 1몰당 1몰 내지 1.5몰인 것을 특징으로 하는 라만 분광용 기판의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 소수성 처리된 기판은 종이 기판인 것을 특징으로 하는 라만 분광용 기판의 제조 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 소수성 처리된 기판은 상기 종이 기판에, 알킬 케텐 이량체, 알케닐 케텐 이량체, 알킬 숙신산 무수물, 알케닐 숙신산 무수물, 알킬 글루타르산 무수물, 알케닐 글루타르산 무수물, 알킬 이소시아네이트, 알케닐 이소시아네이트 및 지방산 무수물로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 소수성 물질을 처리하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 라만 분광용 기판의 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 은 나노입자의 평균 크기는 100nm 내지 200nm일 수 있으며, 평균 코어 크기는 10nm 내지 30nm 인 것을 특징으로 하는 라만 분광용 기판의 제조 방법.
- 제1항 내지 제8항 중 하나에 의해 제조된 라만 분광용 기판 상에 샘플을 제공하는 단계;
상기 기판에 레이저를 조사하는 단계; 및
상기 기판에 조사된 레이저의 표면 증강 라만 산란의 신호 강도를 통해 표적 물질을 검출하는 단계를 포함하는 표면 증강 라만 산란을 이용한 검출 방법. - 제9항에 있어서, 상기 표적 물질은 적어도 크레아티닌과 코르티솔을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 증강 라만 산란을 이용한 검출 방법.
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