KR20230152216A - 갈바닉 치환 및 환원 반응에 의한 내부에 균일한 나노갭을 갖는 코어-갭-쉘 나노입자, 이의 제조방법 및 이의 용도 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 갈바닉 치환 및 환원 반응에 의한 내부에 균일한 나노갭을 갖는 코어-갭-쉘 나노입자, 이의 제조방법 및 이의 용도에 관한 것이다.

Description

갈바닉 치환 및 환원 반응에 의한 내부에 균일한 나노갭을 갖는 코어-갭-쉘 나노입자, 이의 제조방법 및 이의 용도{Core-gap-shell nanoparticle having intra-nanogap with uniform height formed by galvanic replacement and reduction reaction, preparation method therefor, and use thereof}
본 발명은 갈바닉 치환 및 환원 반응에 의한 내부에 균일한 나노갭을 갖는 코어-갭-쉘 나노입자, 이의 제조방법 및 이의 용도에 관한 것이다.
플라즈몬성 나노구조물 특히, 플라즈몬적으로 결합되고(plasmonically coupled) 증강된 나노갭을 갖는 구조물은 이의 강하고 조절가능한(tunable) 광학적 성질 및 촉매, 센싱 및 이미징과 같은 다양한 분야에서의 잠재적인 활용 가능성으로 인해 매우 중요하다. 이들 플라즈몬성 나노구조물의 광학적 성질은 다양한 나노구조적 특성에 대해 상당히 의존적이므로, 이들 나노구조물로부터 조절가능하며, 정량화할 수 있는(quantifiable) 플라즈몬성 신호를 획득하기 위해서는 고수율로 플라즈몬성 나노구조물을 정교하게 합성할 수 있는 방법이 요구된다.
많은 플라즈몬적으로 증강된 광학 신호 중, 표면증강라만산란(surface-enhanced Raman scattering; SERS)은 단일-분자-수준의 감도까지 확장될 수 있는 초고도의 민감성과 복합화 가능성(multiplexing potential)으로 인해 많은 주목을 받고 있다. 이러한 점에서, SERS-기반 테크닉이, 바이오센싱 및 화학작용제의 검출과 같은, 플라즈모닉스 및 분석적 응용에 널리 사용되고 있다. 플라즈모닉스에 있어서, 귀금속(예컨대, 금 및 은) 나노입자(NP)에서 국부적 표면 플라즈몬 공명의 흡수는, "핫 스팟(hot spots)"이라 불리는, NP 사이의 특정한 위치에서 전자기장(electromagnetic(EM) field)을 현저히 증가시키고 국부화할 수 있음이 잘 알려져 있다. 이에, 나노팁(nanotips), 나노기공(nanopores) 및 나노스케일의 거칠어진 표면(nanoscaleroughened surfaces)과 같은 형태-조절된(morphology-controlled) 귀금속 나노구조물을 이용하여 SERS-활성 구조물을 고안 및 제조하려는 많은 시도가 있었다.
특히, SERS와 관련하여, 전자기장은 금속성 나노구조물 간의 갭 또는 이음부(junctions)에서의 플라즈몬 커플링을 통해 현저히 증강될 수 있다. 그러나, 이러한 갭에서의 플라즈몬 커플링은 입자간 거리에 의해 크게 영향을 받으며, 결과적으로 SERS 신호에 유의한 영향을 미친다. 이는, 이들 SERS-활성 구조물의 상용에 대한 유용성에 주된 장애가 되는, SERS 신호에 조절 불가한 재현불가능성을 부여할 수 있다. 그 결과, 이들 구조물의 양산을 위한 고정밀(high-precision) nm 스케일 또는 준(sub)-nm 스케일 갭 공학(engineering)은 이들 입자들로부터 재현가능하며 신뢰할만한 SERS 신호를 발생시키기 위한 중요한 과제이다.
많은 플라즈몬성 나노갭 구조물 중, nm-스케일의 내부 갭을 갖는 내부(intra)-나노갭 구조물은 다수의 입자에서 나노갭의 균일성 및 조절가능성으로 인해, 강하게 증강되고 조절가능한 SERS 신호를 발생시킬 수 있으므로, 유력한 SERS 기재일 수 있다. 이에, SERS-활성 내부 나노갭 구조물을 형성하기 위하여, 다양한 합성 전략이 채택되고 있다. 특히, 본 발명자들은 선행연구를 통해 AuNP 상에 티올화된 DNA를 도입함으로써 Au-Au 코어-쉘 형성 과정 동안 1 nm 내부 갭 형성을 도모하고, 고수율로 1 nm 내부-갭을 갖는 Au 나노다리결합된 나노갭 입자(Au-NNP)를 제조하고, 나아가 이들 입자는 강하고, 안정하며 재현가능한 SERS 신호를 제공함을 확인하였다. 이외에도 Au 코어 및 Au 쉘을 포함하는 실리카-층간삽입된(interlayered) 나노갭 구조물(Au 나노마트료시카), 및 고분자 또는 소분자-층간삽입된 플라즈몬성 나노갭 구조물과 같은 내부 나노갭 구조를 형성하는 다른 접근법이 다양한 내부-나노갭 구조물의 합성에 채택되고 있다. 그러나, 이들 모든 구조물은 복잡한 합성의 복합성(complicated synthetic complexity), 시간 및 경비, 온도를 포함한 반응 조건, nm-수준의 구조적 정밀성, 양산에 있어서의 한계, 입자 안정성, 구조 및 조성의 다양성(versatility), 및 실용성의 부족 등의 여전히 많은 단점 및 해소되어야 할 과제가 있다. 한편, 입자의 내부에 내부-나노갭을 형성하기 위한 층간삽입의 필요성 및 내부-나노갭 입자로부터의 광학적 신호의 레이저 분극화-의존적 변화는 전자기장의 세기 및 분포를 포함한 이들 나노구조물의 플라즈몬 성질을 이해하고 조절하는 것을 크게 제한한다. 생물의학적 적용(biomedical application)을 위한 이들 내부-나노갭 입자의 사용 및 이로운 성질에 대한 연구는 미진하며 명확히 밝혀진 바 없다.
한국등록공보 제10-1352342호
Nature Nanotechnology, 2011, 6: 452-460
본 발명자들은 내부에 라만 활성물질을 포함하는 나노갭을 갖는 코어-갭-쉘 구조의 금속 입자를 제조함에 있어서 보다 균일하고 안정적인 신호를 발생시킬 수 있도록 균일한 나노갭을 갖는 입자를 제공할 수 있는 제조방법을 발굴하고자 예의 연구 노력한 결과, 코어로서 단결정성 제1금속 입자를 이용하고, 이의 표면에 균일한 두께의 제2금속 쉘을 형성한 후, 갈바닉 치환 및 환원 반응을 유도함으로써 상기 제2금속 쉘 상에 제3금속을 도입하는 동시에 제2금속을 선택적으로 제거하는 방법에 의해, 기존의 탈합금화를 기반으로 하는 제조방법에 비해 형성된 나노갭의 편차가 현저히 감소된 입자를 제공할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
본 발명에서 개시되는 각각의 설명 및 실시형태는 각각의 다른 설명 및 실시 형태에도 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에서 개시된 다양한 요소들의 모든 조합이 본 발명의 범주에 속한다. 또한, 하기 기술되는 구체적인 서술에 의하여 본 발명의 범주가 제한된다고 할 수 없다.
또한, 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 통상의 실험만을 사용하여 본 발명에 기재된 본 발명의 특정 양태에 대한 다수의 등가물을 인지하거나 확인할 수 있다. 또한, 이러한 등가물은 본 발명에 포함되는 것으로 의도된다.
아울러, 본 발명의 명세서 전체에 있어서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 제1양태는 표면에 라만활성물질이 개질된 단결정성(single-crystalline) 제1금속 코어 입자를 준비하는 제1단계; 상기 제1금속 코어 입자에 제2금속 전구체, 선택적으로 염기 및 제1환원제 용액을 첨가하여 제2금속 쉘을 형성하는 제2단계; 및 제1금속 코어 입자 상에 제2금속 쉘이 제공된 코어-쉘 구조의 나노입자에 제3금속 전구체, 및 제2환원제를 첨가하여 반응시키는 제3단계를 포함하는, 코어와 쉘 사이에, 라만활성물질이 배치된, 표준편차 15% 이내의 평균 0.1 내지 10 nm 높이의 빈 공간(hollow space)을 갖는 코어-나노갭-쉘 나노입자의 제조방법으로서, 상기 제2금속은 제1금속 및 제3금속에 비해 더 높은 환원 전위를 갖는 것인, 코어-나노갭-쉘 나노입자의 제조방법을 제공한다.
본 발명은, 본 발명자의 선행연구(한국등록특허 제10-2202503호)인 기존의 선택적-상호확산적 탈합금화(selective-interdiffusive dealloying; SID)를 이용하는 플라즈모닉 내부 나노갭 나노입자의 제조방법을 개량하여, 보다 균일하고 안정적인 표면증강라만산란 신호를 발생시키는, 표준편차 15% 이내의 균일한 높이로 형성된 내부갭을 갖는 코어-갭-쉘 구조의 나노입자의 제조방법을 발굴하고자 고안된 것이다. 이에 본 발명에서는, 제2금속 및 제3금속으로 된 합금 쉘을 도입하고 제2금속 부식제로 처리하여 제2금속을 선택적으로 제거하여 탈합금화하는 대신에, 제2금속 쉘을 형성한 후, 제3금속을 이용한 갈바닉 치환 및 환원 반응을 유도함으로써 제2금속 쉘 상에 제3금속 층을 형성하는 동시에 제2금속을 제거하는 공정을 이용하고, 이때, 제1금속 코어로는 단결정성의 구형 입자를 선택하고, 최적화된 계면활성제 및/또는 환원제의 조합을 발굴한 것에 그 특징이 있다.
본 발명에서 용어, "라만활성물질"은 라만분광법에 의해 검출가능한 물질로서, 상기 라만활성물질은 유기 또는 무기 분자, 원자, 복합체 또는 합성 분자, 염료, 천연발생 염료(피코에리스린 등), C60과 같은 유기 나노구조체, 벅키볼, 탄소나노튜브, 양자점, 유기 형광 분자 등을 포함한다. 구체적으로, 라만활성물질의 예로서, 머캅토피리딘, 머캅토벤조산, 아미노티오페놀, FAM, Dabcyl, TRITC(테트라메틸 로다민-5-아이소티오시아네이트), 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 않고, 사용된 라만활성물질이 뚜렷한 라만 스펙트럼을 나타내어야 한다. 바람직하게는 시아민 계열 형광 유기 분자인 Cy3, Cy3.5, Cy5 또는 FAM, Dabcyl, Rhodamine 계열의 형광분자를 포함하는 유기 형광분자 또는 머캅토벤조산 및 아미노티오페놀을 포함하는 비형광성 라만활성물질들일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이들 유기 형광분자는 라만 분석 시 사용하는 여기 레이저 파장과 공명하여 더욱 높은 라만 신호의 검출이 가능한 장점이 있으나, 본 발명의 범주가 이에 제한되는 것은 아니다.
전술한 바와 같이, 상기 제2단계는 염기 존재 하에 수행될 수 있다. 예컨대, 염기를 불포함하는 조건에서 제2단계를 수행하는 경우, 용액의 낮은 pH로 인해 제2금속 전구체의 환원 속도가 느려지며, 코어 상에 제2금속 쉘을 형성하기 어려울 수 있고, 합금 생성시 발생할 수 있는 부산물이 공침되어 쉘에 불순물이 혼입될 가능성이 있다. 예컨대, 제2금속으로서 은을 사용하는 경우, 염기 부재시 제2단계의 반응으로부터 염화은(AgCl) 침전이 발생할 수 있으나, 염기를 첨가하여 pH를 높임으로써 상기 발생되는 부산물을 효과적으로 제거할 수 있다. 상기 염기로는 수산화암모늄(NH4OH), 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH) 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 제2단계에 첨가하여 반응 용액의 pH를 적정 수준으로 높여줄 수 있는 한, 예컨대, pH 8 내지 12, 또는 pH 9 내지 11의 범위로 유지할 수 있는 한, 그 종류에 제한되지 않는다. 한편, 제2금속 쉘의 균일한 성장을 위해 상기 제2단계에 사용되는 염기의 농도 및/또는 사용량을 조절할 수 있다.
예컨대, 상기 제2단계 및 제3단계에서 각각 사용되는 제1환원제와 제2환원제는 서로 같거나 상이할 수 있다. 구체적으로, 제2단계에서는 (+)-소디움 L-아스코르베이트((+)-sodium L-ascorbate; L-SA)을, 제3단계에서는 L-아스코르브산(L-ascorbic acid; AA)을 각각 환원제로 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 제2단계에서는, 균일한 두께로 제2금속 쉘을 형성하기 위하여, 높은 pH 조건에서 AA에 비해 빠르고 안정적인 환원 속도를 제공할 수 있는 AA의 산화된 형태인 L-SA를 선택할 수 있다.
한편, 형성되는 입자의 구조적 균일성을 확보하기 위하여, 상기 제3단계의 반응은 고온에서 수행할 수 있다. 예컨대, 상기 제3단계의 반응은 70 내지 120℃에서, 구체적으로, 80 내지 100℃에서 수행할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
예컨대, 상기 제2단계, 제3단계 또는 둘 모두에 앞서 세틸암모늄계 계면활성제로 처리하는 단계를 추가로 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 계면활성제를 포함함으로써 입자 표면에서 금속 전구체의 부착을 보다 용이하게 함으로써 각각 제2단계 및/또는 제3단계에 따른 제2금속 및/또는 제3금속층의 균일한 두께로의 형성을 도울 수 있다.
이때, 상기 세틸암모늄계 계면활성제는 염화세틸암모늄을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 특정 격자면에 대한 선택성이 낮은 염화 이온을 포함하는 계면활성제를 사용함으로써 보다 균일한 금속층 성장을 유도하여 보다 구형의, 보다 균일한 입자를 제공할 수 있다.
예컨대, 상기 제2금속 전구체의 사용량은 제1금속 코어 입자의 크기에 따라 결정할 수 있다. 이때, 상기 제2금속 전구체의 사용량은 형성되는 제2금속 쉘의 두께, 나아가, 최종 형성되는 코어-갭-쉘 나노입자의 갭 크기를 결정할 수 있다. 따라서, 제1금속 코어 입자의 크기를 고려하여 이의 표면에 0.1 내지 10 nm 두께로 제2금속 쉘이 형성될 수 있도록 제2금속 전구체의 사용량을 조절할 수 있다.
또한, 상기 제2금속 및 제3금속 전구체는 40:60 내지 10:90의 원자% 비율로 사용할 수 있다. 제2금속 전구체의 사용량에 대해 제3금속 전구체의 사용량이 1.5배 미만인 경우 제3금속 쉘이 불완전하게 형성되거나 나노갭 내에 잔류하는 제2금속의 양이 많아 원하는 수준의 매끈한 갭, 즉 거칠기가 개선된 갭을 형성하기 어려울 수 있다. 또는 제2금속의 사용량이 적은 경우에는 제2금속 쉘이 코어 표면 전체를 커버하도록 균일한 두께로 형성되지 못하여 최종적으로 형성되는 갭의 두께가 균일하지 못할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 제조방법에 있어서, 제1금속 내지 제3금속은 제1금속 및 제3금속에 비해 더 높은 환원 전위를 갖는 금속을 제2금속으로 선택하여 조합하는 것이 바람직하다. 예컨대, 제1금속 내지 제3금속은 각각 독립적으로 금, 은, 구리, 알루미늄, 백금, 팔라듐 등으로부터 선택될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1금속 및 제3금속은 모두 금을 포함하고, 제2금속은 은을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이들 금과 은은 우수한 표면증강라만산란(surface-enhanced Raman scattering; SERS) 효과를 발휘하는 것으로 알려진 대표적인 물질이다.
구체적으로, 상기 제3단계는 제2금속 쉘 상에서 갈바닉 치환 및 환원 반응을 유도하여 제3금속 최외각 쉘을 형성하는 동시에 제2금속 쉘을 제거하여 제1금속 코어-빈 공간-제3금속 쉘의 나노구조를 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2양태는 제1금속 코어; 상기 제1금속 코어와 이격되어 상기 제1금속 코어를 커버하는 제3금속 쉘; 및 상기 제1금속 코어와 상기 제3금속 쉘 사이에 제공되는, 라만활성물질이 배치된 갭;을 포함하고, 상기 제1금속 코어와 상기 제3금속 쉘 사이의 거리는 표준편차 15% 이내로 유지하는, 코어-갭-쉘 나노입자를 제공한다.
이때, 상기 제1금속 코어와 상기 제3금속 쉘 사이에 제공되는 갭은 빈 공간이거나, 전체 또는 일부가 용매로 채워지거나, 제2금속 및 제3금속 중 어느 하나 이상을 포함하는, 제1금속 코어와 상기 제3금속 쉘을 연결하는, 나노브릿지를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 나노입자는 표면증강라만산란(surface-enhanced Raman scattering; SERS) 신호를 나타내며, 특히 현저히 낮은 편차의 균일한 높이로 형성된 갭을 포함함으로써 일정한 파장의 신호를 방출할 뿐만 아니라 개별 입자에서 시간의 흐름이나 각도에 따른 편차가 현저히 감소된 좁고 균일한 분포의 안정적인 신호를 발생시키므로 바이오센싱 또는 이미징에 있어서 정성적인 분석 뿐만 아니라 정량적인 측정을 가능하게 한다.
예컨대, 상기 나노입자는 전술한 제1양태의 방법으로 제조될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
예컨대, 상기 나노입자는 바이오센싱 및/또는 바이오이미징 등에의 적용을 위하여, 이의 표면에, 검출 또는 영상화 하고자 하는 대상과 특이적으로 상호작용하는 핵산, 폴리펩티드, 또는 리간드가 결합된 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 제3양태는 제2양태의 나노입자를 포함하는 바이오센싱 또는 바이오이미징용 조성물을 제공한다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 코어-갭-쉘 나노입자는 안정적이며 높은 증강 인자로 현저히 향상된 표면증강라만산란 신호를 방출할 수 있으므로 표면증강라만산란에 의해 검출 가능하며, 따라서 이러한 광학적 특성을 기반으로 조성물바이오센싱 및 바이오이미징에 활용될 수 있다.
이때, 사용되는 코어-갭-쉘 나노입자는 표면에, 검출 또는 영상화 하고자 하는 대상과 특이적으로 상호작용하는 핵산, 폴리펩티드, 또는 리간드가 결합된 나노입자일 수 있다. 예컨대, 특정 DNA 검출을 위해서는 코어-갭-쉘 나노입자는 표면에 검출하고자 하는 표적 DNA의 일부와 상보적으로 결합 가능한 서열을 포함하는 DNA 단편을 결합시키고, 표적 DNA의 다른 일부와 상보적으로 결합 가능한 서열을 포함하는 DNA 단편으로 표지된 마그네틱 비드와 함께 표적 DNA를 함유한 것으로 예상되는 시료와 접촉시킨 후, 자석을 이용하여 마그네틱 비드를 회수하고, 본 발명의 코어-갭-쉘 나노입자에 포함된 라만활성물질로부터의 라만 신호를 측정하여 신호 발생 여부를 확인함으로써 표적 DNA의 존재를 확인할 수 있고, 나아가, 신호의 세기를 측정하여 이를 정량할 수 있다. 또는 영상화하고자 하는 세포에서 특이적으로 발현되는 단백질과 선택적으로 결합 가능한 단백질 또는 폴리펩티드를 코어-갭-쉘 나노입자는 표면에 결합시킨 나노입자를 이용하고 라만 신호를 측정함으로써 원하는 세포를 이미징할 수 있다.
예컨대, 본 발명에 따른 바이오센싱 또는 바이오이미징용 조성물은 DNA 혼성화 및/또는 단백질, 폴리펩티드, 리간드와 수용체 등의 결합에 적합한 환경을 제공할 수 있도록 완충액과 함께 제공될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이때, 상기 완충액으로는 당업계에 널리 사용되는 완충액 예컨대, PBS, PBSS 등의 인산계 완충액일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 제조방법은 코어-갭-쉘 구조의 나노입자를 제조함에 있어서, 갈바닉 치환 및 환원 반응을 유도하여, 갭의 양표면의 거칠기가 개선되어 현저히 감소된 편차의 균일한 두께로 형성된 갭을 갖는 구조물을 제공할 수 있고, 이와 같이 제조된 나노입자는 높은 표면증강라만산란 증강인자를 나타낼 뿐만 아니라 균일하고 안정적인 신호를 나타내므로 정성적 및 정량적 분석을 위한 바이오센싱 및/또는 바이오이미징에 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정의 매끈한 내부갭 나노입자(single crystalline smooth intragap nanoparticles; SSIN) 및 비교예로서 다결정성의 거친 내부갭 나노입자(poly crystalline rough intragap nanoparticles; PRIN)의 제조방법 및 특성 분석 결과를 비교하여 나타낸 도이다. (A)는 PRIN(상단)과 SSIN(하단)의 제조방법을 개략적으로 나타낸 도이다. (B)와 (C), 및 (E)와 (F)는 각각 PRIN과 SSIN의 투과전자현미경(transmission electron microscope; TEM) 이미지 및 결정구조 분석 결과를 나타낸다. (G)는 상기 TEM 이미지로부터 획득한 PRIN과 SSIN의 각도에 따른 갭 거리를 나타내며, (H)와 (I)는 각각 PRIN과 SSIN에 대해 산출된 내부갭 크기의 분포를 나타낸다.
도 2는 SSIN 합성 과정 중 MPy-AuNS 상에 환원에 의한 은 쉘 형성시 환원제의 종류에 따른 입자 형태를 나타낸 도이다. (A) 및 (B)는 각각 환원제로서 아스코르브산(AA) 및 (+)-소디움 L-아스코르베이트(L-SA)를 사용하여 제조한 입자를 나타낸다.
도 3은 SSIN 합성 과정 중 MPy-AuNS 상에 환원에 의한 은 쉘 형성시 염기의 종류 및 사용량에 따른 입자 형태를 나타낸 도이다. (A) 및 (B)는 각각 염기로서 NH4OH 및 NaOH를 사용하여 제조한 입자를, (C) 및 (D)는 각각 과량의 NaOH 존재시 및 염기 부재 하에 제조된 입자를 나타낸다.
도 4는 SSIN 합성 과정 중 갈바닉 치환/환원 반응 온도에 따른 입자 형태 변화를 나타낸 도이다. (A) 내지 (C)는 각각 90℃, 60℃ 및 25℃에서 반응시켜 제조한 SSIN의 내부갭 및 쉘 형태를 나타낸다.
도 5는 암시야 현미경을 이용하여 측정한 단일 입자 수준에서 PRIN과 SSIN의 이미지 및 산란 스펙트럼을 나타낸 도이다.
도 6은 PRIN과 SSIN에 대한 레일리산란(Rayleigh scattering) 및 AFM 이미지를 연관시켜 획득한 (A) 및 (B) 단일 입자의 SERS 증강인자, (C) 및 (D) 200개 입자에 의해 측정된 SERS 증강인자 분포, 및 (E) 및 (F) 각도에 따른 분극화를 각각 나타낸 도이다.
도 7은 단일 PRIN 및 SSIP에 대한 (A) 및 (B) 근접장(near-field) 분포, (C) 및 (D) 시간에 따른 SERS 신호 변화, (E) 및 (F) 1시간 동안 연속적으로 레이저를 조사했을 때, 30초, 1800초, 및 3630초에서의 SERS 스펙트럼(상단) 및 시간 경과에 따른 특정 파수에서 30초에서의 신호에 대한 특정 시간에서의 신호 비율(하단)을 나타낸 도이다.
이하 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<물질>
염화금 삼수화물(gold(III) chloride trihydrate, HAuCl4·3H2O, ≥99.9%), 질산은(silver nitrate, AgNO3, 99.9999%), 4-머캅토피리딘(4-mercaptopyridine; 4-MPy, 95%), 소디움 도데실 설페이트(sodium dodecyl sulfate; SDS, ≥98.5%), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrrolidone; PVP, Mw
Figure pat00001
40000), 수산화암모늄 용액(ammonium hydroxide solution, NH4OH, 28-30% NH3 basis), (+)-소디움 L-아스코르베이트((+)-sodium L-ascorbate; L-SA, C6H7NaO6, ≥98%), L-아스코르브산(L-ascorbic acid; AA, C6H8O6, ≥99.0%), 및 질산철 구수화물(iron(III) nitrate nonahydrate, Fe(NO3)3·9H2O, ≥98.0%)은 Sigma-Aldrich로부터 구입하였다. 염화세틸트리메틸암모늄(cetyltrimethylammonium chloride; CTAC)은 Tokyo Chemical Industry(TCI)로부터 구입하였다. 디메틸술폭사이드(dimethyl sulfoxide; DMSO)는 Samchun Chemicals로부터 구입하였다. 모든 실험에는 탈이온수(deionized water; DIW, Milli-Q, ＞18.0 MΩ·cm)를 사용하였다.
실시예 1: 단결정 40 nm Au 나노스피어(Au nanosphere; AuNS)의 제조
기존의 프로토콜을 약간 수정한 종자-매개 성장 과정(seed-mediated growth procedure)에 의해 CTAC-캡핑된 40 nm AuNS를 합성하였다(Part. Part. Syst. Charact. 2014, 31, 266). 먼저, 2 내지 3 nm 크기의 CTAB-캡핑된 Au 종자를 합성하였다. 70 mL 글래스 바이알에 10 mM HAuCl4 용액 250 μL와 혼합한 100 mM CTAB 용액 9.75 mL를 준비하고, 신선한 빙냉의 10 mM NaBH4 수용액 600 μL를 단회 주입(one-shot injection)하였다. 상기 반응을 2분 동안 격렬히 교반(500 rpm)하면서 유지하고, 3시간 동안 정치시켰다. 다음으로, 초기, 2 내지 3 nm Au 종자로부터 10 nm AuNS를 합성하였다. 200 mM CTAC 수용액 2 mL, 100 mM AA 1.5 mL, 및 준비된(as-prepared) Au 종자 50 μL를 차례로 20 mL 글래스 바이알에 첨가한 후, 한번에 0.5 mM HAuCl4 2 mL를 첨가하였다. 격렬하게 교반(500 rpm)하면서 상기 반응을 27℃에서 15분 동안 진행하였다. 상기 생성물은 탈이온수(DIW)로, 이어서 20 mM CTAC 용액으로 14500 rpm에서 30분 동안 2회 원심분리하였다. 마지막으로, 100 mM CTAC 50 mL, 8 mM AA 3.25 mL, 및 10 nm Au 종자 290 μL에 1 mL/h의 주입속도로 25 mM HAuCl4 용액 1 mL을 적가하여 40 nm AuNS를 합성하였다. 주입을 완료한 후, 상기 반응물을 27℃에서 15분 동안 인큐베이션하였다. 1 mM CTAC 및 DIW로 7000 rpm에서 10분 동안 2회 원심분리하여 최종 생성물을 수득하였다.
실시예 2: 4-MPy-개질된 Au 나노스피어(MPy-AuNS)의 제조
4-MPy로 40 nm AuNS를 개질하기에 앞서, 1%(w/v) SDS 용액으로 2회, 0.1% SDS 용액으로 2회 원심분리하여 AuNS의 표면 리간드를 CTAC로부터 SDS로 교환하였다. 이어서, 40 nm AuNSs 표면 상에 4-머캅토피리딘(4-mercaptopyridine; 4-MPy)으로 개질하기 위하여, DMSO에 용해시킨 50 mM 4-MPy 10 μL를 0.1% SDS 용액 중의 100 pM AuNS 1 mL에 투입하였다. 상기 용액을 10분 동안 초음파처리하고 60℃에서 6시간 동안 인큐베이션하였다. 이후, 7000 rpm에서 5분 동안 원심분리하여 4-MPy-개질된 AuNSs(MPy-AuNS)를 수득하고, 이후 사용을 위해 DIW에 분산시켰다.
실시예 3: 단결정의 매끈한 내부갭 나노입자(smooth-single crystalline intragap nanoparticles; SSIN)의 제조
단결정의 매끈한 내부갭 나노입자(single crystalline smooth intragap nanoparticles; SSIN)를 합성하기 위하여, 은 쉘 형성 및 갈바닉 치환/환원 반응(galvanic replacement/reduction reaction; GRR)을 차례로 수행하였다.
단계 1: 환원에 의한 은 쉘 형성
상기 실시예 2에 따라 준비한 100 pM MPy-AuNS 100 μL를 100 mM CTAC 100 μL와 조심스럽게 혼합하고, 반응에 앞서 30℃에서 10분 동안 인큐베이션하였다. 이후, 1 mM AgNO3 용액 20 μL, 100 mM NH4OH 용액 10 μL, 및 20 mM L-SA 용액 100 μL를 부드럽게 흔들면서 상기 혼합물에 차례로 첨가하였다. 상기 반응을 30℃에서 1시간 동안 유지하였다. 상기 반응이 완료된 후, 상기 용액을 7000 rpm에서 5분 동안 원심분리하여 1 mM CTAC로 2회 세척하고, DIW에 재분산시켜, MPy-AuNS 코어-은 쉘 나노입자(MPy-AuNS core-silver shell nanoparticles, MPy-AuNS@Ag)를 수득하였다.
단계 2: 갈바닉 치환/환원 반응에 의한 내부갭 및 금 쉘 형성
다음으로, 갈바닉 치환 반응을 위해, MPy-AuNS@Ag 용액을 50 mM CTAC 1 mL와 혼합하고, 90℃에서 5분 동안 인큐베이션하였다. 마지막으로, 부드럽게 흔들면서 상기 용액에 20 mM AA 용액 100 μL 및 1 mM HAuCl4 용액 100 μL을 차례로 투입하고 90℃에서 30분 동안 반응시켰다. 상기 반응 혼합물은 7000 rpm에서 10분 동안 원심분리하여 1 mM CTAC로 2회 세척하고, DIW에 재분산시켰다.
비교예 1: 다결정성의 거친 내부갭 나노입자(poly crystalline rough intragap nanoparticles; PRIN)의 제조
선택적 상호확산 탈합금 반응(selective-interdiffusion dealloying; SID)을 이용하여 기존의 프로토콜을 약간 수정한 방법으로 다결정성의 거친 내부갭 나노입자(poly crystalline rough intragap nanoparticles; PRIN)를 합성하였다(DIPs, 2018, ACS Central Science). 상기 실시예 2에 따라 준비한 200 pM MPy-AuNS 50 μL를 1 wt% 폴리비닐피롤리돈(PVP, Mw 40000) 용액 100 μL와 조심스럽게 혼합하고, 반응에 앞서 30℃에서 10분 동안 인큐베이션하였다. 이후, 1 mM AgNO3 용액 20 μL, NH4OH 용액 10 μL, 및 1 mM HAuCl4 100 μL를 차례로 첨가하였다. 다음으로, 부드럽게 흔들면서 상기 혼합물에 20 mM L-SA 용액 100 μL를 투입하였다. 상기 반응은 30℃에서 1시간 동안 유지하였다. 반응이 완료된 후, 상기 용액을 7000 rpm에서 5분 동안 원심분리하여 세척하고 생성물을 DIW 100 μL에 재분산시켰다. 이어서, 수득한 용액 100 μL를 1% PVP 용액 100 μL와 혼합하고, 부드럽게 흔들면서 은 부식제(Ag etchant)로서 Fe(NO3)3 100 μL를 도입하여 30℃에서 30분 동안 반응시켰다. 최종 생성물은 7000 rpm으로 5분 동안 원심분리하여 DIW로 2회 세척하였다.
실험예 1: 입자의 구조 및 결정 구조 분석
서울대학교 기초과학공동기기원(National Center for Inter-University Research Facilities; NCIRF)에서 TEM(JEM-2100, JEOL) 및 HR-TEM(JEM-2100F,JEOL) 시스템을 사용하여, 상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따라 준비한 내부갭 나노입자의 형태적 특성 및 결정 구조 분석을 수행하였다. 상기 나노입자의 원소 맵핑(elemental mapping) 분석은 HR-TEM과 결합된 EDS 시스템(INCA, Oxford instruments)으로 수행하였다.
실험예 2: 암시야 현미경 이미지 및 산란 스펙트럼 분석
도립현미경시스템(inverted microscopy system, Ntegra, NT-MDT)을 이용하여 암시야(dark-field; DF) 이미지 및 스펙트럼을 측정하였다. 상기 DF 측정에는 개구수(Numerical Aperture; NA) 1.3의 오일 집광렌즈(oil condenser)를 사용하였으며, 산란 스펙트럼 측정을 위해서는 UNPLAN(60× NA 0.90, air objective)을 사용하였다. 상기 내부갭 나노입자를 포함하는 용액을 커버 글래스 상에 드롭-캐스팅하고 3분 동안 방치한 후 에어 펌프로 불어 잔류하는 용액을 제거하여 시료를 준비하였다. 상기 시료에 대한 DF에서 관찰되는 임의로 선택된 입자로부터 1초의 노출시간으로 스펙트럼을 획득하였다.
실험예 3: 원자력현미경(atomic force microscopy; AFM)-상관(correlated) 나노-라만 분광법을 이용한 단일 나노입자로부터의 SERS 측정
도립광학현미경(inverted optical microscope, IX73, Olympus)을 구비한 AFM-상관 라만 현미경(Ntegra, NT-MDT)을 사용하여 단일-입자 수준에서 내부갭 나노입자로부터 SERS 스펙트럼을 획득하였다. 시료는 상기 실험예 2에서와 동일하게 준비하였다. AFM 팁 위치 및 레이저 초점(focal spot)을 공지의 절차에 따라 일치시켰다(Nat. Mater., 2010, 9: 60-67). 레이저 빔을 나노입자가 위치한 커버 글래스의 상부 표면에 집중시키고, 카메라를 이용하여 마이크로미터-수준의 정확도로 관찰하면서 AFM 팁의 끝을 이동시켜 x-축 및 y-축을 따라 스캔하면서 레일리 산란(Rayleigh scattering) 이미지를 기록하였다. 이후 산란 세기가 가장 높은 영역에 AFM 팁을 이동시키고 팁이 레이저 초점에 위치하도로 일치시켰다. 마지막으로 AFM 팁의 끝을 나노미터-수준으로 이동시키면서 실리콘의 라만 신호(520 cm-1)가 가장 높을 때 레이저 초점의 중심을 맞추었다. 산란 세기 및 라만 신호의 가장 높은 세기는 AFM의 끝이 정확하게 레이저 초점의 중심에 위치할 때 관찰되었다. 팁을 일치시킨 후, AFM 헤드 내의 압전(piezoelectric) x, y 튜브 스캐너를 사용하여 레일리 사란 이미지 및 해당 AFM 이미지를 동시에 획득하였다. 다음으로, 오일 침지형(oil-immersed) 현미경 대물렌즈(100×, NA=1.4, Olympus)와 CCD 검출기(1024×256 픽셀, Peltier, cooled to -70℃, Andor) 및 785 nm 레이저로 단일 나노입자의 SERS 스펙트럼을 획득하였다. 노출 시간은 10초였으며, 레이저 파워는 160 μW였다.
실험예 4: SERS 증강인자(enhancement factor)의 계산
하기 방정식 1을 사용하여 SERS 증강인자를 계산하였다:
Figure pat00003
(1).
이때, I SERS 및 I Bulk 는 각각 개별 내부갭 나노입자 및 4-MPy 수용액(증류수 pH 4.7에서 10 mM)에 대한 1098 cm-1에서의 라만 피크 세기이다. I SERS 는 785 nm 레이저로 10초 동안, I Bulk 는 633 nm 레이저로 60초 동안 획득하였다. ν 4 SERS 및 ν 4 Bulk 는 사용한 레이저의 진동수이다. N SERS 및 N Bulk 는 각각 단일 내부갭 나노입자 및 4-MPy 수용액 내 4-MPy 분자의 수이다. 단일 내부갭 나노입자에 있는 4-MPy 분자의 수는 40 nm AuNP 코어에 완전히 채워진 것으로 가정하고, 1개 4-MPy의 평균 분자 면적이 약 0.18 nm2임을 고려하여 계산하였다. 상기 N Bulk 를 추정하기 위하여 유효 여기 부피(effective excitation volume; V Bulk )는 실린더라고 가정하고, 높이(height; h)는 하기 방정식 2를 사용하여 계산하였다:
Figure pat00004
(2).
이때, η는 매질의 굴절률(refractive index, 물: 1.33)이고, 반경(radius; r)은 2 μm로, 이는 실리콘 웨이퍼를 이용한 칼날 측정법(knife-edge method)으로 산출하였다. 또한, N Bulk 는 하기 방정식 3을 사용하여 계산하였다:
Figure pat00005
(3).
이때, D는 4-MPy의 밀도(22.23 mg/mL), M은 4-MPy의 몰질량(111.16 g/mol), N A 는 아보가드로 상수(6.02×1023/mol)이다.
실험예 5: 시간에 따른 단일 내부갭 나노입자의 SERS 신호 변화 측정
단일 내부갭 나노입자로부터 시간에 따른 SERS 신호 변화를 측정하기 위하여, 도립광학현미경(IX73, Olympus)과 오일 침지형 현미경 대물렌즈(100×, NA=1.4, Olympus)를 구비한 AFM-상관 라만 현미경(Ntegra, NT-MDT)을 사용하였다. 상기 실험예 3에서와 유사하게 팁-일치 단계 후, 레일리 산란 이미지 및 AFM 이미지를 동시에 획득하는 과정을 동일하게 수행하였다. 이후, CCD 검출기 및 785 nm 연속 여기 레이저를 사용하여 개별 나노입자에 총 3630초 동안 조사한 후 시간에 따른 SERS 스펙트럼을 기록하였다. 기록된 모든 SERS 스펙트럼은 도 7의 (C) 및 (D)에 나타내었다. 또한 시간의 경과에 따른 신호 세기 변화를 보다 명확히 비교하기 위하여, 각각에 대해 30초, 1800초 및 3630초에 대한 SERS 스펙트럼을 중첩시켜 도 7의 (E) 및 (F)의 상단에 나타내었으며, 특정 파수, 즉, 1098 cm-1에서 측정된 30초에서의 SERS 신호에 대한 특정 시간에서의 신호 세기의 비를 도 7의 (E) 및 (F)의 하단에 나타내었다.
실시예 4: 합성 방법에 따른 내부갭 나노입자의 구조 분석
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 방법으로 매끈한 내부갭 및 거친 나노갭을 갖는 나노입자(SSIN 및 PRIN)를 각각 합성하였다. 구체적으로, 40 nm 금 단결정 나노입자를 합성하여 4-MPy로 표면 개질한 코어 입자를 기반으로, 갈바닉 치환/환원 반응(galvanic replacement/reduction reaction; GRR)을 통해 SSIN을, 선택적 상호확산 탈합금화 반응(selective-interdiffusion dealloying; SID)을 통해 PRIN을 합성하였다(도 1의 A). 이와 같이 합성된 입자들의 내부갭 형태 및 이에 따른 광학적 특성을 비교하기 위하여, 합성된 각 나노입자를 고각 환형 암시야 주사 투과 전자 현미경(HAADF-STEM) 및 고해상도 투과 전자 현미경(HR-TEM) 이미지로 관찰하여 nm 스케일에서 내부갭의 형태 차이를 조사하고, 그 결과를 도 1의 B 및 C에 나타내었다. 도 1의 B에 나타난 바와 같이, SSIN은 매끄럽고 균일한 간격 크기로 형성된 명확한 경계선을 갖는 내부갭을 포함함을 확인할 수 있었다. 반면, 도 1의 C에 나타난 바와 같이, PRIN의 이미지는 내부갭 영역에서 부분적으로 밝고 어두운 부분이 교차되는, 고르지 않은 신호가 나타났으며, 이는 갭의 크기와 모양이 일정하지 않음을 나타내는 것이다.
나아가, Cs 보정된 HR-TEM 이미지와 SAED(selected-area electron diffraction) 패턴 분석을 사용하여 각 나노구조의 서로 다른 결정성을 분석하고, 그 결과를 도 1의 D 및 E에 나타내었다. 도 1의 D에 나타난 바와 같이, SSIN은 쉘 영역의 확대된 CS-TEM 이미지와 SAED 패턴에서 균일한 격자와 선명하고 밝은 점을 나타내었다. 이러한 결과는 은 쉘이 성장하는 동안 금과 은 사이의 낮은 격자 불일치에 의해 적층 성장(epitaxial growth)하였고 갈바닉 치환/환원 반응 동안 결정성을 유지하면서 금 원자로 대체되었음을 시사한다. 보다 구체적으로, SAED 패턴은 표면의 우선적인 성장 방향이 fcc (220) 및 (420) 면을 따름을 나타낸다. 반면, 도 1의 E에 나타난 바와 같이, PRIN에 대한 쉘 영역의 확대된 CS-TEM 이미지와 SAED 패턴에서는 빠른 성장률로 인해 쉘 영역에서 다중 입자 경계(multi-grain boundary)가 발견되었으며 SAED 패턴에서 빔 블록 주변의 불규칙한 링 모양의 얼룩 패턴이 관찰된 것으로 다결정 쉘이 형성되었음을 알 수 있었다.
또한, 내부 갭 거리를 정량적으로 분석하기 위해, 특정 각도(θ)에서 중심으로부터 내부 쉘(r2)과 코어 표면(r1) 사이의 길이 차이로 정의되는 내부 갭 거리(r)를 산출하고(r=r2-r1), 그 결과를 도 1의 F에 나타내었다. 도 1의 F에서 하나의 입자에 대해 특정 각도에서 측정한 내부갭 거리는 SSIN에 대해 평균 3 nm로부터 0.5 내지 1 nm 범위의 좁은 분포로 비교적 일정한 값을 나타낸 반면, PRIN의 경우 내부 갭 거리는 평균 약 3 nm로 SSIN과 유사하였으나, 1 내지 5 nm 범위에서 상당한 편차를 나타내었다. 또한, 도 1의 G와 H에는 각각 100개 입자에 대해 갭 내 거리를 측정한 결과를 나타내었으며, 그 결과 SSIN은 평균 내부갭 거리 3 nm에 편차는 0.3 nm의 10% 이내의 균일한 분포를 나타내었으나, PRIN은 평균 내부갭 거리 3.3 nm에 편차는 0.7 nm로 SSIN에 비해 2배 이상의 큰 편차를 나타내었다. 이는 SSIN는 표준편차 10.0% 이내의 균일한 내부갭 크기를 나타내는 반면, PRIN는 훨씬 큰 표준편차 21.2%의 넓은 분포로 내부갭이 형성되었음을 확인하였다.
실시예 5: 내부갭 형성에 대한 은 쉘 형성시 환원제의 종류에 따른 효과
본 발명의 내부갭 나노입자에 있어서, 균일한 은 쉘 형성이 내부갭의 형태 및/또는 크기에 영향을 미치는 것을 고려하여, 실시예 3의 단계 1에서 균일한 두께의 은 쉘이 형성될 수 있는 최적화된 시약 및/또는 조건을 발굴하고자 하였다. 이에 실시예 3의 단계 1과 유사하게 은 쉘 형성 반응을 수행하되, 환원제로서 (+)-소디움 L-아스코르베이트(L-SA)를 사용하는 대신에 이의 환원형인 L-아스코르브산(AA)을 사용하는 것을 제외하고는 유사한 방법으로 반응을 수행한 후 단계 2의 반응을 진행하고, 수득한 입자의 형태를 TEM으로 확인하여, 그 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2의 A 및 B는 각각 L-AA와 L-SA를 사용하여 준비한 입자를 나타낸 것으로, 환원제로서 일반적으로 사용되는 L-SA를 사용한 경우 높은 pH 조건에서 빠르고 안정적인 환원 속도를 제공하므로 AA를 사용하여 제조한 입자에 비해 보다 균일한 두께로 은 쉘이 형성된 입자를 제공할 수 있었다. 이는 환원제로서 L-SA를 사용하는 것이 최종적으로 형성되는 내부갭 나노입자에 있어서 균일한 두께의 갭을 형성하는데 중요한 역할을 함을 시사하는 것이다.
실시예 6: 내부갭 형성에 대한 은 쉘 형성시 염기 사용에 의한 효과
다음으로, 본 발명자들은 염기의 은 쉘 형성시 염기의 사용에 따른 효과를 확인하기 위하여, 실시예 3의 단계 1에서 염기로서 NH4OH를 사용하는 대신에 NaOH를 사용하는 것을 제외하고는 유사한 방법으로 은 쉘을 형성하고, 단계 2의 반응을 수행하여 나노입자를 제조하였다. 나아가, 염기의 사용량에 따른 효과를 확인하기 위하여, 과량의 NaOH 존재 하에 및 염기 부재 하에 유사하게 반응을 수행하여 나노입자를 준비하였다. 상기와 같이 수득한 입자들의 형태를 TEM으로 관찰하여 그 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3의 A 내지 D에는 실시예 1 내지 3의 방법으로 제조하되 염기로서 각각 NH4OH, NaOH, 과량의 NaOH 및 염기 부재 하에 합성한 입자들의 이미지를 개시하였다. 도 3의 A 및 B에 나타난 바와 같이, NH4OH 대신에 NaOH를 사용하여도 균일한 두께의 내부갭이 형성되었음을 확인하였다. 이는 염기의 종류와 무관하게 염기를 함유함으로써 적정 pH 조건이 달성되는 경우 균일한 두께로 은 쉘을 형성하고, 나아가 이어지는 반응을 통해 균일한 두께의 내부갭을 형성할 수 있음을 나타내는 것이다. 한편, 염기의 사용량과 관련하여서는, 도 1의 C 및 D에 나타난 바와 같이, 과량의 NaOH를 사용하거나, 염기를 아예 사용하지 않는 경우에서 모두 균일한 은 쉘 형성을 달성할 수 없음을 확인하였다. 이는 은 쉘을 형성하는 환원 반응 동안 적정 pH 범위를 유지하는 것이 균일한 두께로 은 쉘을 형성하기 위한 중요한 인자임을 시사하는 것이다.
실시예 7: 내부갭 형성에 대한 갈바닉 치환/환원 반응에서 반응 온도의 효과
상기 실시예 5 및 6을 통해 발굴한 최적의 환원제 및 염기의 조합을 이용하여 균일한 두께로 은 쉘을 형성한 후 실시예 3의 단계 2에 따라 갈바닉 치환/환원 반응을 수행하였다. 구체적으로, 갈바닉 치환 반응은 AuCl4 -/Au의 표준 환원 전위(0.99V vs. 표준 수소 전극, SHE)가 AgCl/Ag(0.22V vs.SHE)보다 높으므로 3개의 은 원자를 금 원자가 자발적으로 대체하였다. 그러나, 약 3 nm 정도의 얇은 은 희생층은 자발적 갈바닉 치환 반응만을 이용하여 두꺼운 고체 금 쉘을 형성하기에는 그 양이 충분하지 않으므로 환원제인 AA를 추가적으로 도입하여 자발적 치환 반응과 동시에 AA에 의한 환원 반응이 진행되도록 하였다. 이때, 반응 온도가 최종 생성되는 입자에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 반응 온도를 각각 90℃, 60℃ 및 25℃로 조절하여 30분 동안 실시예 3의 단계 2의 반응을 수행하고, 수득한 입자의 TEM 이미지를 획득하여 도 4에 나타내었다. 도 4에 나타난 바와 같이, 동일한 조건에서 은 쉘을 도입한 입자 상에서 반응을 수행하더라도, 90℃의 고온에서 반응시킨 경우 매끄럽고 단단하며 견고한 구형의 금 쉘이 형성되었으나, 반응 온도가 60℃ 내지 25℃로 낮아짐에 따라 불규칙한 두께의 갭 및/또는 쉘을 갖는 입자가 형성됨을 확인하였다. 이는 갈바닉 치환/환원 반응 단계에서의 온도 제어가 견고하고 매끄러운 금 쉘을 형성하는데 중요한 인자임을 나타내는 것이다.
실시예 8: 내부갭 나노입자의 광산란 및 라만 특성 분석
암시야 현미경에서 얻은 개별 SSIN 및 PRIN의 광산란 이미지와 스펙트럼을 구조적 균일성과 연관시켜 분석하고, 그 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5의 A 및 C에 나타난 바와 같이, 개별 SSIN 및 PRIN은 모두 녹색의 산란을 나타내었다. 단일 PRIN의 산란 스펙트럼을 얻었을 때, 약 700 nm 대에서 새로운 플라즈몬성 공명 피크가 관찰되었으며, 각 입자의 산란 스펙트럼에서 최대 피크 파장은 서로 상이하며 일관되게 나타나지 않았다. 반면, 단일 SSIN의 산란 스펙트럼에서는 각 입자의 최대 피크 파장이 모두 일치하는 유사한 패턴의 일관성 있고 재현 가능한 특징을 나타내었다.
실시예 9: 내부갭 나노입자의 SERS 증강인자, 이의 분포 및 분극화
내부갭 나노입자의 구조와 신호의 균일성 간의 관계를 보다 구체적으로 확인하기 위하여, AFM-상관 라만 기기를 이용하여 단일 입자의 SERS 스펙트럼을 분석하여 SERS 증강인자(EF)를 산출하고, 그 결과를 도 6에 나타내었다. 먼저, 개별 내부갭 나노입자로부터 SERS 스펙트럼을 측정하기 위하여, AFM 지형 이미지와 레일리 산란 이미지를 얻어 입자가 서로 중첩되지 않고 잘 분산되어 있으며, 레이저 초점(~250 nm) 내에서 중첩되지 않음을 확인하였다(도 6의 A 및 B). 이후 200개 개별 SSIN 및 PRIN의 SERS 스펙트럼을 측정하고, 1098 cm-1에서의 증강인자를 산출하여 그 분포를 도출하였다(도 6의 C 및 D). 도 6의 C 및 D에 나타난 바와 같이, PRIN의 EF 값은 2.0×107 내지 7.9×108, SSIN의 값은 1.6×107 내지 1.7×108 범위로 나타났으며, 최대 SERS 향상은 PRIN에서 더 높았으나, SSIN에 대한 SERS EF 분포의 상대 표준편차는 3.3%으로 PRIN에 대한 4.9%에 비해 낮았으며, 상대적으로 훨씬 좁은 분포를 가지는 것으로 나타났다. 이로부터 입자 간 구조적 균일성이 좁은 분포의 EF 값, 즉, 균일한 신호의 증강을 달성하는 중요한 요소임을 확인하였다.
나아가, 각 입자의 단일 입자 수준에서 SERS 세기의 레이저 입사 편광에 대한 의존성을 확인하기 위하여, 레이저 분극화 방향(laser polarization direction)을 달리하여 SERS 신호를 측정하고, 이를 도 6의 E 및 F에 나타내었다. 도 6의 E 및 F에 나타난 바와 같이, 편광 레이저가 5개의 서로 다른 단일 입자에 입사될 때, PRIN의 경우 회전 각도에 따라 SERS 신호 세기에서 큰 변화가 관찰되었으나, SSIN의 경우 입사 레이저의 분극화 방향과 무관하게 매우 안정적이며 균일한 SERS 신호를 나타내었다. 이는 SSIN의 경우 입사광의 분극화와 무관하게 안정적이며 균일한 SERS 신호를 발생시키므로 정량적이며 신뢰할만한 SERS 탐침에 적용될 수 있음을 나타내는 것이다.
실시예 10: 내부갭 나노입자에 의한 근접장 분포 분석
SSIN에서 좁은 분포의 EF 값이 나타나는 요인을 보다 구체적으로 확인하기 위하여, 각 입자의 내부갭 구조에 기인하는 전자기장 편차를 계산하여 비교 분석하고, 그 결과를 도 7의 A 및 B에 나타내었다. 도 7의 A 및 B에 나타난 바와 같이, 각 입자의 계산된 근거리장 분포를 비교하면 PRIN의 내부갭에 있는 돌출 구조 영역은 국부적인 최대 필드 향상으로 필드 편차를 유도한 반면 SSIN은 균일한 인터페이스를 가진 전기장에서 높은 균질성을 나타내었다. 이러한 결과는 정밀하게 제어된 매끄러운 내부갭이 균일하게 강화된 전자기장을 유도하고 결과적으로 좁은 SERS 신호 분포를 유도하는 데 중요함을 시사한다.
한편, 높은 SERS 스펙트럼 재현성을 달성하기 위해서 내부갭의 높은 전자기장 이 형성된 영역인 핫스팟의 물리적 구성을 정밀하게 제어해야 할 뿐만 아니라 레이저 조사시 구조적 변형에 강해야 한다. 이에 갭 내의 핫스팟의 광안정성을 분석하기 위하여 AFM 관련 라만 기기를 사용하여 단일 입자에 785 nm 여기 레이저를 3630초 동안 연속적으로 조사하고 SERS 스펙트럼의 변화를 시간에 대한 함수로 플롯하여 도 7의 C 및 D에 개시하였다. 보다 구체적으로 1098 cm-1 에서의 세 가지 다른 특정 시간(30초, 1800초 및 3630초)에 대한 스펙트럼을 비교하고 30초에서의 SERS 신호 세기(I 1100(30))와 특정 시간에서의 SERS 신호 세기(I 1100(t))의 상대 값의 변화를 추가로 정량화하여 도 7의 E 및 F에 나타내었다. 그 결과, PRIN의 경우 각 30, 1800, 및 3630초에 측정된 세가지 SERS 스펙트럼 및 시간 경과에 따른 상대적 SERS 신호가 3배 이상의 차이로 증가하고 줄어들며 현저한 신호 변동이 관찰되었다. 이로부터 내부갭의 불안정한 나노스케일 돌출부가 강한 전자기장에 노출되었을 때 구조 변화를 수반하는데 기인함을 유추할 수 있었다. 반면, SSIN의 경우 연속 레어져 조사 동안 일정시간 이후 매우 안정적인 SERS 신호를 유지함을 확인하였으며, 이는 매우 균일한 내부갭을 가지는 SSIN으로부터의 SERS 신호가 균일성 및 재현성을 가지며 상기 SSIN은 견고한 구조적 특징을 가지므로, 외부로부터의 강한 레이저 노출 환경에서도 높은 광안정성을 보이므로 SERS 프로브로 적합함을 입증하였다.
이상의 설명으로부터, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 표면에 라만활성물질이 개질된 단결정성(single-crystalline) 제1금속 코어 입자를 준비하는 제1단계;
    상기 제1금속 코어 입자에 제2금속 전구체, 선택적으로 염기 및 환원제 용액을 첨가하여 제2금속 쉘을 형성하는 제2단계; 및
    제1금속 코어 입자 상에 제2금속 쉘이 제공된 코어-쉘 구조의 나노입자에 제3금속 전구체, 및 환원제를 첨가하여 반응시키는 제3단계를 포함하는,
    코어와 쉘 사이에, 라만활성물질이 배치된, 표준편차 15% 이내의 평균 0.1 내지 10 nm 높이의 빈 공간(hollow space)을 갖는 코어-나노갭-쉘 나노입자의 제조방법으로서,
    상기 제2금속은 제1금속 및 제3금속에 비해 더 높은 환원 전위를 갖는 것인, 코어-나노갭-쉘 나노입자의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2단계, 제3단계 또는 둘 모두에 앞서 세틸암모늄계 계면활성제로 처리하는 단계를 추가로 포함하는 것인, 코어-나노갭-쉘 나노입자의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 세틸암모늄계 계면활성제는 염화세틸암모늄을 포함하는, 코어-나노갭-쉘 나노입자의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2금속 및 제3금속 전구체는 40:60 내지 10:90의 원자% 비율로 사용하는 것인, 코어-나노갭-쉘 나노입자의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1금속 및 제3금속은 모두 금을 포함하고, 제2금속은 은을 포함하는, 코어-나노갭-쉘 나노입자의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제3단계는 제2금속 쉘 상에서 갈바닉 치환 및 환원 반응을 유도하여 제3금속 최외각 쉘을 형성하는 동시에 제2금속 쉘을 제거하여 제1금속 코어-빈 공간-제3금속 쉘의 나노구조를 형성하는 것인, 코어-나노갭-쉘 나노입자의 제조방법.
  7. 제1금속 코어;
    상기 제1금속 코어와 이격되어 상기 제1금속 코어를 커버하는 제3금속 쉘; 및
    상기 제1금속 코어와 상기 제3금속 쉘 사이에 제공되는, 라만활성물질이 배치된 갭;을 포함하고,
    상기 제1금속 코어와 상기 제3금속 쉘 사이의 거리는 표준편차 15% 이내로 유지하는, 코어-갭-쉘 나노입자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 나노입자는 표면에, 검출 또는 영상화 하고자 하는 대상과 특이적으로 상호작용하는 핵산, 폴리펩티드, 또는 리간드가 결합된 것인, 코어-갭-쉘 나노입자.
  9. 제7항의 코어-갭-쉘 나노입자를 포함하는 바이오센싱 또는 바이오이미징용 조성물.
  10. 제9항에 있어서,
    표면증강라만산란에 의해 검출 가능한 것인, 조성물.
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