WO2020235702A1 - 카르복실산이 기능화된 3차원 sers 기판 - Google Patents

카르복실산이 기능화된 3차원 sers 기판 Download PDF

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WO2020235702A1
WO2020235702A1 PCT/KR2019/006023 KR2019006023W WO2020235702A1 WO 2020235702 A1 WO2020235702 A1 WO 2020235702A1 KR 2019006023 W KR2019006023 W KR 2019006023W WO 2020235702 A1 WO2020235702 A1 WO 2020235702A1
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carboxylic acid
functionalized
polymer
substrate
metal nanowire
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PCT/KR2019/006023
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박형준
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㈜피코파운드리
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    • G01N33/54373—Apparatus specially adapted for solid-phase testing involving physiochemical end-point determination, e.g. wave-guides, FETS, gratings

Definitions

  • the present invention relates to a three-dimensional SERS substrate functionalized with a carboxylic acid.
  • AD Alzheimer's disease
  • the protein ⁇ -amyloid is a peptide composed of 36 to 42 amino acids formed when the amyloid precursor protein (APP) is degraded by ⁇ and ⁇ secretases.
  • APP amyloid precursor protein
  • Misfolded ⁇ -amyloid monomers are prone to self-aggregation to form oligomers and fibrils.
  • tau protein is suspected to cause Alzheimer's by phosphorylating and agglomerating to form neurofibrillary tangles in neurons.
  • Raman spectra measured directly from the protein can obtain important information on protein structure change more conveniently than conventional analysis methods.
  • SERS Surface enhancement Raman spectroscopy
  • This field of research is generally referred to as label-free SERS, and the SERS phenomenon is caused by a plasmonic nanostructure that strengthens the local electric field (E-field) at the interface between metal and dielectric, and increases the Raman signal several times. It can be amplified.
  • E-field local electric field
  • solution phase SERS which produces a strong local electric field by nanoparticle agglomeration in solution.
  • the target analyte and nanoparticles dispersed in the liquid are surrounded by nanoparticles that generate a strong electromagnetic field on the surface of the target analyte aggregated by an external force.
  • SERS substrate produced by the nanolithography process.
  • the enhanced local electric field generated from nanowires, nanoparticles and 3D nanostructures amplifies the Raman signal, but hinders the viability of protein analysis.
  • An embodiment of the present invention is to provide a three-dimensional SERS substrate functionalized with carboxylic acid capable of effectively enhancing the Raman analysis signal by forming a three-dimensional nanostructure by alternately transferring and stacking metal nanowire arrays vertically on a substrate. .
  • an amine coupling reaction is performed to allow the target analyte to bind well with the surface of the 3D nanostructure.
  • a 3D SERS substrate We want to provide a 3D SERS substrate.
  • An embodiment of the present invention is to provide a three-dimensional SERS substrate functionalized with carboxylic acid capable of detecting a target analyte with a low concentration by effectively combining a 3D nanostructure functionalized with a carboxylic acid with a target analyte. .
  • An embodiment of the present invention provides fibrous spasm information that allows the step of oligomerization of ⁇ -amyloid and tau protein through SERS measurement using ⁇ -amyloid and tau protein, which are Alzheimer's biomarkers, as target analytes.
  • An embodiment of the present invention provides a three-dimensional SERS substrate functionalized with carboxylic acid that can determine the presence or progress of Alzheimer's through the fibrous spasm information of the target analyte ⁇ -amyloid and tau protein through SERS measurement. I want to.
  • An embodiment of the present invention is to provide a three-dimensional SERS substrate functionalized with carboxylic acid capable of efficiently enhancing the Raman analysis signal for the three-dimensional SERS substrate functionalized with carboxylic acid by controlling the number of stacking of metal nanowire arrays. .
  • a metal nanowire array is formed and a nanotransfer printing process is performed on the substrate, so that the signal enhancement effect is high at low cost, and high performance with excellent signal uniformity and reproducibility.
  • a three-dimensional SERS substrate functionalized with carboxylic acid.
  • a three-dimensional SERS substrate functionalized with a carboxylic acid includes: a substrate; A three-dimensional nanostructure including a multi-stack metal nanowire array alternately formed so that a single-layer metal nanowire array stacked on the polymer mold in which the pattern of the master mold is replicated is transferred onto the substrate to be perpendicular to each other; And a functionalized carboxylic acid for immobilizing a target analyte by functionalizing the remnants of the polymer mold present on the 3D nanostructure.
  • the residue of the polymer thin film present on the three-dimensional nanostructure may be functionalized with carboxylic acid through a functionalization process.
  • the functionalized carboxylic acid is carboxylated through a reaction ion etching (RIE) process for the polymer thin film present on the three-dimensional nanostructure. It can be functionalized with an acid (-COOH).
  • RIE reaction ion etching
  • the metal nanowire array may be stacked 4 to 10 times in the 3D nanostructure.
  • the diameter of the metal nanowires in the metal nanowire array may be 25nm to 50nm.
  • the three-dimensional nanostructure is, after manufacturing the polymer mold using a polymer thin film and an adhesive film coated on a patterned master mold , After forming the metal nanowire array on the polymer mold, the adhesive force between the adhesive film and the polymer mold may be selectively weakened to transfer the metal nanowire array on the polymer mold onto the substrate.
  • the polymer mold is uniformly attached to the adhesive film on one surface of the polymer thin film formed on the master mold, and then the adhesive film is attached. It can be prepared by separating the polymer thin film from the master mold.
  • the metal nanowire array includes the polymer mold having the metal nanowire array formed so that the metal nanowire array contacts the polymer pad, and the adhesion After separating the polymer mold and the adhesive film from the polymer pad so that the film is in contact with the polymer pad, the metal nanowire array remains on the polymer pad, the metal nanowire array contacts the substrate. The polymer pad remaining in the nanowire array may be brought into contact with the substrate to separate the polymer pad from the substrate to be transferred.
  • the substrate A three-dimensional nanostructure including a multi-stack metal nanowire array alternately formed so that a single-layer metal nanowire array stacked on the polymer mold in which the pattern of the master mold is replicated is transferred onto the substrate to be perpendicular to each other;
  • a functionalized carboxylic acid for immobilizing a target analyte by functionalization of the remnant of the polymer mold present on the 3D nanostructure, wherein the functionalized carboxylic acid is through an amine coupling reaction. It is characterized in that it is modified with an amine group to fix the target analyte.
  • the remnant of the polymer thin film present on the three-dimensional nanostructure is functionalized with carboxylic acid through a functionalization process, and the functionalized carboxyl
  • the acid may be functionalized into carboxylic acid (-COOH) through a reaction ion etching (RIE) process on the polymer thin film present on the 3D nanostructure.
  • the amine coupling reaction includes EDC (1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimide) and NHS (N-hydroxysuccinimide). It can be carried out by reacting the coupling agent with the functionalized carboxylic acid.
  • the amine coupling reaction may be performed at 4° C. to 10° C. for 4 to 8 hours.
  • the target analyte may include ⁇ -amyloid or tau protein.
  • the Raman analysis signal generated from the 3D nanostructure may include fibrillation information of the target analyte.
  • the concentration of the target analyte may be 10 -12 M or more.
  • the metal nanowire array may be stacked 4 to 10 times in the 3D nanostructure.
  • the diameter of the metal nanowires in the metal nanowire array may be 25nm to 50nm.
  • the three-dimensional nanostructure is, after manufacturing the polymer mold using a polymer thin film and an adhesive film coated on a patterned master mold , After forming the metal nanowire array on the polymer mold, the adhesive force between the adhesive film and the polymer mold may be selectively weakened to transfer the metal nanowire array on the polymer mold onto the substrate.
  • the polymer mold is uniformly attached to the adhesive film on one surface of the polymer thin film formed on the master mold, and then the adhesive film is attached. It can be prepared by separating the polymer thin film from the master mold.
  • the metal nanowire array includes the polymer mold having the metal nanowire array formed so that the metal nanowire array contacts the polymer pad, and the adhesion After separating the polymer mold and the adhesive film from the polymer pad so that the film is in contact with the polymer pad, the metal nanowire array remains on the polymer pad, the metal nanowire array contacts the substrate. The polymer pad remaining in the nanowire array may be brought into contact with the substrate to separate the polymer pad from the substrate to be transferred.
  • a 3D nanostructure is formed by alternately transferring and stacking metal nanowire arrays vertically on a substrate, thereby effectively enhancing a Raman analysis signal.
  • an amine coupling reaction may be performed, so that the target analyte may be well bonded to the surface of the 3D nanostructure.
  • the 3D nanostructure functionalized with carboxylic acid is well combined with the target analyte, so that a low concentration of the target analyte can be detected.
  • ⁇ -amyloid and tau protein which are Alzheimer's biomarkers, as target analytes
  • fibrous spasm information indicating the oligomerization step of ⁇ -amyloid and tau protein through SERS measurement is provided. Can provide.
  • Alzheimer's is onset and progression through fibrous spasm information of ⁇ -amyloid and tau protein, which are target analytes, through SERS measurement.
  • a metal nanowire array is formed to perform a nanotransfer printing process on the substrate, so that the signal enhancement effect is high at low cost, and high performance with excellent signal uniformity and reproducibility.
  • SERS substrate can be provided.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a state of a three-dimensional SERS substrate functionalized with a carboxylic acid according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a process of forming a 3D nanostructure on a substrate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view showing a state of a master mold according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4A is a scanning electron microscopy (SEM) image of a single-layer 3D nanostructure according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 4B is a SEM image of a 3D nanostructure in which a metal nanowire array is stacked twice according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 4C is a SEM image of a 3D nanostructure in which a metal nanowire array is stacked four times according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 shows a Raman spectrum of a 3D nanostructure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a process of functionalizing the surface of a 3D nanostructure according to an embodiment of the present invention with carboxylic acid.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing an amine coupling process of a 3D nanostructure functionalized with a carboxylic acid according to an embodiment of the present invention.
  • 8A is an optical microscope image showing a state in which an amine-coupled 3D nanostructure according to an embodiment of the present invention is dip-coated on a target analyte and bonded to the target analyte.
  • 8B is an optical microscope image showing a state in which an amine-coupled 3D nanostructure according to an embodiment of the present invention is drop-coated on a target analyte and combined with the target analyte.
  • 9A is a TEM image showing a monomer of a target analyte according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9B shows a Raman spectrum of a monomer of a target analyte according to an embodiment of the present invention.
  • 10A is a TEM image showing an oligomer type 1 of a target analyte according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10B shows a Raman spectrum for an oligomer type 1 of a target analyte according to an embodiment of the present invention.
  • 11A is a TEM image showing an oligomer type 2 of a target analyte according to an embodiment of the present invention.
  • 11B shows a Raman spectrum for an oligomer type 2 of a target analyte according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a TEM image showing the shape of a protofibril of a target analyte according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a TEM image showing a fibril shape of a target analyte according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a SERS spectrum according to an RIE process time of a three-dimensional SERS substrate functionalized with a carboxylic acid according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 shows a SERS spectrum according to the concentration of a target analyte of a 3D SERS substrate functionalized with a carboxylic acid according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 shows a SERS spectrum according to the number of stacking of a metal nanowire array of a three-dimensional SERS substrate functionalized with a carboxylic acid according to an embodiment of the present invention.
  • 17 is a graph comparing SERS intensity according to the substrate type of a three-dimensional SERS substrate functionalized with carboxylic acid according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 illustrates a SERS spectrum according to a reaction time of a three-dimensional SERS substrate functionalized with a carboxylic acid according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 is a diagram illustrating a SERS spectrum according to a concentration of ⁇ -amyloid of a three-dimensional SERS substrate functionalized with a carboxylic acid according to an embodiment of the present invention.
  • 20 is a graph showing SERS intensity versus ⁇ -amyloid concentration according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 21 shows a SERS spectrum according to a concentration of a tau protein of a three-dimensional SERS substrate functionalized with a carboxylic acid according to an embodiment of the present invention.
  • the term'or' refers to an inclusive OR'inclusive or' rather than an exclusive OR'exclusive or'. That is, unless stated otherwise or unless clear from context, the expression'x uses a or b'means any one of natural inclusive permutations.
  • the 3D nanostructure formed by stacking a plurality of metal nanowire arrays on the substrate is functionalized with carboxylic acid, and the functionalized carboxylic acid is combined with the target analyte. Accordingly, during SERS analysis, the presence or absence of the target analyte can be determined by checking the peak corresponding to the target analyte.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a state of a three-dimensional SERS substrate functionalized with a carboxylic acid according to an embodiment of the present invention.
  • a 3D SERS substrate 100 functionalized with a carboxylic acid is a substrate 110, a 3D nanostructure 120, and a 3D nanostructure 120 It contains an acid.
  • the substrate 110 is a working surface on which the 3D nanostructure 120 is formed according to an embodiment of the present invention.
  • the substrate 110 may be made of any one of a polymer film, a glass, and a ceramic material, but is not limited thereto.
  • the substrate 110 is among gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), nickel (Ni), platinum (Pt), chromium (Cr), cobalt (Co), and palladium (Pd). It can be coated with either one.
  • the 3D nanostructure 120 according to the embodiment of the present invention is formed on the substrate 110.
  • the 3D nanostructure 120 is such that the single-layer metal nanowire array 121 stacked on the polymer mold 220 in which the pattern of the master mold 210 is duplicated is transferred onto the substrate 110 to be perpendicular to each other. It includes a multi-stack metal nanowire array 121 that is alternately and repeatedly formed.
  • the polymer mold 220 may be made of PMMA.
  • the metal 221 nanowires of the metal nanowire array 121 may have a diameter of 25 nm to 50 nm.
  • the metal nanowire array 121 may be formed of metal 221 nanowires having the same or different diameters.
  • the 3D nanostructure 120 may be formed by stacking the metal nanowire array 121 4 to 10 times.
  • the 3D nanostructure 120 is gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), nickel (Ni), platinum (Pt), chromium (Cr), cobalt (Co), palladium ( Pd), may be made of any one of an alloy of gold and silver, but is not limited thereto.
  • the target analyte 130 is immobilized on the surface, so that the laser irradiated from the objective lens 10 is applied to the target analyte 130
  • the target analyte 130 may be detected using the scattered light, that is, a Raman analysis signal through SERS measurement.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a process of forming a 3D nanostructure on a substrate according to an embodiment of the present invention.
  • a polymer mold 220 in which a concave and convex pattern is formed is manufactured by depositing a polymer material on the master mold 210.
  • the polymer thin film may be manufactured as the polymer mold 220 using the polymer thin film and the adhesive film.
  • the polymer thin film to which the adhesive film is attached may be separated from the master mold 210 to manufacture the polymer mold 220.
  • the polymer thin film may be applied on the master mold 210 by using at least one of spin coating, deep coating, or spray coating to have an uneven pattern.
  • the polymer is applied to the polymer film may have a solubility parameter of 20 MPa 1/2 1/2 to about 40MPa, it can have a higher glass transition temperature than room temperature.
  • the polymer can stably maintain a solid state at room temperature.
  • a metal nanowire array 121 of a single layer is formed by selectively depositing a metal 221 material on the intaglio pattern of the polymer mold 220.
  • the polymer mold 220 in which the single layer metal nanowire array 121 is formed is transferred onto the substrate 110.
  • the polymer mold 220 is positioned so that the single-layered metal nanowire array 121 contacts the substrate 110, and then the polymer mold 220 is removed to form a single layer of metal nanowires on the substrate 110. A wire array 121 is formed.
  • an organic solvent vapor may be injected between the adhesive film and the polymer mold 220 to weaken the adhesion between the adhesive film and the polymer mold 220.
  • the polymer mold 220 may be separated so that the metal nanowire array 121 on the substrate 110 remains on the substrate 110.
  • the polymer mold 220 on which the metal nanowire array 121 is formed and the adhesive film may be brought into contact with the polymer pad so that the metal nanowire array 121 contacts the polymer pad (not shown). have.
  • the polymer mold 220 and the adhesive film may be separated from the polymer pad so that the metal nanowire array 121 remains on the polymer pad.
  • the polymer pad remaining from the metal nanowire array 121 is brought into contact with the substrate 110 so that the metal nanowire array 121 contacts the substrate 110, and then the polymer pad is separated from the substrate 110.
  • the metal nanowire array 121 may be transferred.
  • the 3D nanostructure 120 may be formed to include the multi-stack metal nanowire array 121 by repeating the above-described process so that the metal nanowire array 121 is perpendicular to each other.
  • FIG 3 is a cross-sectional view showing a state of a master mold according to an embodiment of the present invention.
  • the master mold 210 may have uneven patterns having different heights.
  • the pattern of the master mold 210 may be generated using a patterning process including at least one of photolithography, block copolymer self-assembly-based lithography, or E-beam lithography, and a reactive ion etching (RIE) process. .
  • RIE reactive ion etching
  • the master mold 210 may be manufactured by directed self-assembly (DSA) of a block co-polymer (BCP).
  • DSA directed self-assembly
  • BCP block co-polymer
  • the master mold 210 performs a hydrophobic self-assembled monolayer (SAM) coating treatment such as a PDMS brush polymer having a low surface energy or hexa methylene di silazane (HMDS), and the master mold ( 210)
  • SAM self-assembled monolayer
  • HMDS hexa methylene di silazane
  • the surface can be made to have a low surface energy of 30 mJ/m 2 or less.
  • the master mold 210 self-assembles a PS-PDMS block copolymer on a silicon trench substrate 110 having a width of 1 um to 1 cm and a depth of 1 nm to 1 cm to form a linear surface pattern, and then RIE under an oxygen environment. By performing the process, it is possible to have an uneven pattern having a line width of 15 nm and a line width of 8 nm.
  • the master mold 210 may be a silicon wafer, but is not limited thereto.
  • FIG. 4A is a scanning electron microscopy (SEM) image of a single-layer 3D nanostructure according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4B is a metal nanowire array according to an embodiment of the present invention. It is an SEM image of the three-dimensional nanostructures stacked in a plane
  • FIG. 4C is an SEM image of a three-dimensional nanostructure in which a metal nanowire array according to an embodiment of the present invention is stacked four times in a plane.
  • the 3D nanostructures 120 according to the embodiment of the present invention are alternately stacked so that the metal nanowire arrays 121 are perpendicular to each other, and have a fabric-like shape when viewed from a plane.
  • the metal 221 nanowires expressed in relatively dark shades are metal 221 nanowires having a large diameter.
  • the wave vector of the laser irradiated from the objective lens 10 is perpendicular to the surface of the 3D SERS substrate 100 functionalized with carboxylic acid according to the embodiment of the present invention.
  • the laser causes the free electron cloud of the nanowires of the metal 221 of the 3D nanostructure 120 to vibrate horizontally.
  • the laser generates a strong local electromagnetic field on the side of the metal 221 nanowire.
  • the metal nanowire array 121 of the 3D nanostructure 120 is stacked at an angle of 90 degrees, the polarization dependence of the excitation laser can be neglected.
  • the surface of the three-dimensional SERS substrate 100 functionalized with carboxylic acid When observing the surface of the three-dimensional SERS substrate 100 functionalized with carboxylic acid according to the embodiment of the present invention by a scattering type near field optical microscope (s-NSOM), the surface of the three-dimensional SERS substrate 100 functionalized with carboxylic acid It shows surface plasmon polariton (SPP) characteristics.
  • s-NSOM scattering type near field optical microscope
  • s-NSOM scattering near field optical microscope
  • the value of the surface plasmon polarization increases as the period of the metal nanowires 221 decreases and the number of times the metal nanowire array 121 is stacked increases.
  • the 3D nanostructure 120 in which the metal nanowire array 121 is cross-stacked so as to be perpendicular to each other produces a maximum plasmon effect by polarizing light in various ways, and a Raman analysis signal generated from the 3D nanostructure 120 Can be enhanced.
  • the polymer mold 220 may partially remain on the surface of the metal nanowire array 121.
  • the polymer mold 220 is placed in contact with the substrate 110. Remnants of the polymer mold 220 may exist on the surface of the metal nanowire array 121 while being separated from the array 121.
  • the remnants of the polymer mold 220 may exist on the surface of the 3D nanostructure 120 alternately formed so that the metal nanowire array 121 in which the polymer mold 220 remains vertically is perpendicular to the substrate 110. have.
  • the PMMA thin film which is the polymer mold 220, absorbs energy from light and is easily cured by crosslinking or graphitization.
  • the metal nanowire array 121 formed on the polymer mold 220 may transfer thermal energy to the polymer mold 220 and be cross-linked and graphitized.
  • FIG. 5 shows a Raman spectrum of a 3D nanostructure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 shows the Raman spectrum of the 3D nanostructure 120 according to an embodiment of the present invention showing the D band and the G band of graphite.
  • the red circle is the position where the Raman signal is measured.
  • a Raman signal in normal pattern for the surface of a general 3D nanostructure 120 has a constant intensity.
  • the Raman signal in crumpled pattern is a Raman analysis of the surface of the general 3D nanostructure 120. It can be seen that the intensity is very large compared to the signal.
  • the remains of the polymer mold 220 present on the 3D nanostructure 120 may be functionalized with carboxylic acid through a functionalization process to immobilize the target analyte 130.
  • the functionalized carboxylic acid may functionalize the remnant of the polymer thin film with carboxylic acid through a reaction ion etching (RIE) process on the polymer thin film present on the 3D nanostructure 120.
  • RIE reaction ion etching
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a process of functionalizing the surface of a 3D nanostructure according to an embodiment of the present invention with carboxylic acid.
  • the remnant of the polymer mold 220 present on the surface of the 3D nanostructure 120 has a -COOCH 3 functional group.
  • the remnants of the polymer mold 220 cured on the surface of the 3D nanostructure 120 are oxygen gas 131, which causes a redox reaction by the RIE process, and the -COOCH 3 CH of the remnants of the polymer mold 220 As trivalent H is substituted, it may be functionalized with a carboxylic acid (-COOH).
  • the 3D nanostructure 120 functionalized with carboxylic acid may be amine-coupled to fix the target analyte 130.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing an amine coupling process of a 3D nanostructure functionalized with a carboxylic acid according to an embodiment of the present invention.
  • the 3D nanostructure 120 in which the carboxylic acid is functionalized may be modified with an amine group through an amine coupling reaction to fix the target analyte 130.
  • the amine coupling reaction may be performed by reacting a coupling agent including 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimide (EDC) and N-hydroxysuccinimide (NHS) with a functionalized carboxylic acid.
  • EDC 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimide
  • NHS N-hydroxysuccinimide
  • the three-dimensional SERS substrate 100 functionalized with a carboxylic acid according to an embodiment of the present invention may be supported in the coupling agent solution to cause an amine coupling reaction to be modified with an amine group.
  • the amine-coupled 3D SERS substrate 110 may be combined with the target analyte 130 to fix the target analyte 130.
  • FIG. 8A is an optical microscope image showing a state in which an amine-coupled 3D nanostructure according to an embodiment of the present invention is dip-coated on a target analyte and bonded to the target analyte
  • FIG. 8B is an embodiment of the present invention It is an optical microscope image showing a state in which the amine-coupled 3D nanostructure according to is drop-coated on the target analyte and combined with the target analyte.
  • the target analyte is fixed in the mast by an amine coupling reaction, and it can be seen that the surface is cleanly coated without white precipitates.
  • the target analyte 130 may mean a biological protein.
  • the target analyte 130 may include ⁇ -amyloid or tau protein capable of diagnosing Alzheimer's, but is not limited thereto.
  • the three-dimensional SERS substrate 100 functionalized with carboxylic acid according to the embodiment of the present invention is combined with the target analyte 130
  • the presence or absence of ⁇ -amyloid or tau protein can be determined.
  • the Raman analysis signal generated from the 3D nanostructure 120 may include fibrillation information of the target analyte 130.
  • the amine coupling reaction may be performed at 4°C to 10°C for 4 to 8 hours.
  • the target analyte according to the embodiment of the present invention is ⁇ -amyloid, it can be easily fiberized, so it is preferable that the amine coupling reaction is performed at a low temperature such as 4°C to 10°C in order to prevent fiberization.
  • the concentration of the target analyte 130 is 10 -12 M It can be more than that.
  • the detection limit concentration of the target analyte 130 in SERS measurement of the target analyte 130 using the three-dimensional SERS substrate 100 functionalized with carboxylic acid according to an embodiment of the present invention is 10 ⁇ It can be 12 M.
  • the ⁇ -amyloid protein known to cause Alzheimer's disease has an ⁇ -helix structure when it is normal.
  • the ⁇ -amyloid of the ⁇ -helix structure is denatured in the form of ⁇ -sheet.
  • the ⁇ -amyloid of the ⁇ -helix structure and the ⁇ -amyloid of the ⁇ -sheet structure are entangled together, the ⁇ -amyloid of the monomer aggregates into oligomers, fibrils, or fibrils, causing dementia symptoms.
  • FIG. 9A is a TEM image showing a monomer of a target analyte according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 9B is a Raman spectrum of a monomer of a target analyte according to an embodiment of the present invention.
  • the Raman analysis signal when the target analyte 130 combined with the three-dimensional SERS substrate 100 functionalized with carboxylic acid is a monomer, the Raman analysis signal has an ⁇ -helix structure. When the peak has a ⁇ -sheet structure, it can be confirmed that it is stronger than the peak of the Raman analysis signal.
  • FIG. 10A is a TEM image showing an oligomer type 1 of a target analyte according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 10B is a Raman for an oligomer type 1 of a target analyte according to an embodiment of the present invention. It shows the spectrum.
  • the target analyte 130 is oligomer type 1
  • the peak of the Raman analysis signal is stronger than when the target analyte 130 is a monomer when it has a ⁇ -sheet structure.
  • FIG. 11A is a TEM image showing an oligomer type 2 of a target analyte according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 11B is a Raman for an oligomer type 2 of a target analyte according to an embodiment of the present invention. It shows the spectrum.
  • the peak of the Raman analysis signal in the ⁇ -sheet structure is stronger than when the target analyte 130 is a monomer or oligomer type 1. Can be confirmed.
  • FIG. 12 is a TEM image showing the shape of a protofibril of a target analyte according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a TEM image showing a fibril shape of a target analyte according to an embodiment of the present invention.
  • the target analyte 130 has passed through the fibrous state and has become a fibrous form from further agglomeration.
  • the oligomer, fibrils, or fibrils of the target analyte 130 according to the Raman analysis signal generated through SERS using the three-dimensional SERS substrate 100 functionalized with carboxylic acid according to an embodiment of the present invention. You can see how much progress has been made.
  • Incident electromagnetic radiation induces the oscillating dipole of the nanowire, and the dipole intensifies the incident laser by creating a strong local electric field on the surface.
  • the scattered beam resulting from the vibration transition of the target analyte 130 is strengthened by the same mechanism as the incident beam.
  • Equation 1 SERS reinforcement considering the two contributions can be expressed by Equation 1 below.
  • M Loc(wL) and M Loc(wR) are the enhancement factors (EF) of the local electric field strength at the excitation laser frequency and Raman frequency.
  • the target analyte 130 is not directly located in an enhanced local electromagnetic field region such as a point where a laser is irradiated.
  • the target analyte 130 is at most 50 nm away from the 3D SERS substrate 100 in which the carboxylic acid is functionalized.
  • the SERS intensity has a distance dependence of 1/r 10 (r is the distance from the surface of the substrate 110 to the target analyte 130).
  • the reason why the 3D SERS substrate 100 functionalized with carboxylic acid enables excellent SERS improvement is that the metal nanowire array 121 constituting the 3D nanostructure 120 is spread over a wide area.
  • AEF is the most appropriate index for the three-dimensional SERS substrate 100 functionalized with carboxylic acid.
  • the AEF may be expressed by Equation 2 below.
  • I SERS and C SERS denote the strength and concentration of the target analyte 130 molecule in the three-dimensional SERS substrate 100 in which the carboxylic acid is functionalized
  • I RM and C RM denote the target analyte ( 130) Indicate the strength and number of molecules.
  • the AEF is estimated to be 5.5 ⁇ 10 5 .
  • This AEF value is the highest AEF value of the 3D SERS substrate 100 in which carboxylic acid is functionalized when the material forming the substrate 110 is gold.
  • the gold substrate 110 can contribute to the Raman signal improvement by effectively reflecting the excitation beam and the scattering beam.
  • the gold substrate 110 as the substrate 110 in the 3D SERS substrate 100 in which the carboxylic acid is functionalized according to an embodiment of the present invention.
  • the uneven pattern of the master mold was formed by direct self-assembly (DSA) of the block copolymer.
  • a silicon wafer was patterned using KrF photolithography to prepare a guiding pattern having a depth of 40 nm, a width of 1 ⁇ m, and a period of 1.25 ⁇ m.
  • PS-b-PDMS dissolved in toluene (0.8% by weight) was coated on the patterned silicon wafer.
  • BCP was solvent annealed for 12 hours at room temperature using toluene vapor, and reactive ion etching using CF 4 plasma (source power of 50 W, etching time of 21 seconds) and O 2 plasma (source power of 60 W, etching time of 30 seconds). (RIE) was performed.
  • CF 4 plasma source power of 50 W, etching time of 21 seconds
  • O 2 plasma source power of 60 W, etching time of 30 seconds.
  • the operating pressure and gas flow rate were maintained at 15 mTorr and 30 sccm, respectively.
  • the master mold pattern is composed of a trench width of 1 ⁇ m, a mesa sidewall width of 0.25 ⁇ m, and a BCP stripe of the trench.
  • the master mold was manufactured by including 28 BCP stripes with a diameter of 15 nm and a spacing of 20 nm.
  • a 3D nanostructure was formed using a simple transfer printing process.
  • PMMA solution consisting of 4% by weight PMMA (MW 100,000) dissolved in a mixture of acetone and toluene on the master mold was spin coated and replicated.
  • the replicated PMMA was peeled off using a polyimide (PI) adhesive film.
  • PI polyimide
  • Gold (Au) nanowires were formed through angle deposition of gold through electron beam evaporation on PMMA replicas.
  • the gold nanowires were then exposed to a vapor mixture of acetone and heptane for 20 seconds.
  • the substrate was a p-type Si wafer (Si substrate) or a p-type Si wafer (Au substrate) deposited with a gold thin film.
  • the 3D nanostructure is functionalized with carboxylic acid using an RIE process through oxygen gas.
  • Coupling agents EDC (1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimide) and NHS (N-hydroxysuccinimide) were purchased from Sigma-Aldrich Inc.
  • EDC 20mM and NHS 20mM were dissolved in MES (2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid) buffer solution and PBS (Phosphate-buffered saline) buffer solution.
  • MES 2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid
  • PBS Phosphate-buffered saline
  • the three-dimensional SERS substrate functionalized with carboxylic acid was immersed in the buffer solution, cooled, and amine-coupled for 4 hours.
  • ⁇ -amyloid and tau proteins were purchased from Sigma-Aldrich Inc.
  • the aptamer used to demonstrate the superiority of the three-dimensional SERS substrate functionalized with carboxylic acid was purchased from GenoTech Corp. (Daejeon, Korea).
  • the Raman analysis signal (SERS signal) measured from the dispersion Raman spectroscopy was collected for 5 seconds for the measurement of the example.
  • the enhanced local field of the carboxylic acid functionalized three-dimensional SERS substrate was measured by a scattering type scanning near-field optical microscope (s-SNOM, Anasys, Instruments, CA, USA) with a quantum cascade laser (QCL).
  • s-SNOM scattering type scanning near-field optical microscope
  • QCL quantum cascade laser
  • Excitation wavelength is 1200 ⁇ 1800 cm -1
  • Top-view images were obtained using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM, Hitachi, S-4800).
  • an oligonucleotide having an amine at the 5'end and a TAMRA at the 3'end was used.
  • TAMRA a type of Raman dye, was used to eliminate the possibility of errors that may occur due to the small Raman cross-sectional area of the protein.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a SERS spectrum according to an RIE process time of a three-dimensional SERS substrate functionalized with a carboxylic acid according to an embodiment of the present invention.
  • the surface of the 3D SERS substrate functionalized with carboxylic acid was etched with O 2 plasma to have various RIE times (0 seconds, 30 seconds, 60 seconds, 90 seconds).
  • the TAMRA peak was not observed in the three-dimensional SERS substrate in which the carboxylic acid was functionalized without performing RIE (ie, the RIE time was 0 seconds).
  • TAMRA characteristic peak shape
  • the Raman analysis signal rapidly decreases with increasing RIE time, which appears to be due to the removal of PMMA residues.
  • FIG. 15 shows a SERS spectrum according to the concentration of a target analyte of a 3D SERS substrate functionalized with a carboxylic acid according to an embodiment of the present invention.
  • the detection limit concentration for the target analyte of the 3D SERS substrate functionalized with carboxylic acid is 10 -10 M.
  • FIG. 16 shows a SERS spectrum according to the number of stacking of a metal nanowire array of a three-dimensional SERS substrate functionalized with a carboxylic acid according to an embodiment of the present invention.
  • the black spectrum is a Raman spectrum result measured by increasing the number of stacking of the metal nanowire array on the silicon wafer.
  • the red spectrum is a Raman spectrum result measured by increasing the number of stacking metal nanowire arrays on a gold substrate.
  • the optimal number of stacking of metal nanowire arrays is 4 times.
  • 17 is a graph comparing SERS intensity according to the substrate type of a three-dimensional SERS substrate functionalized with carboxylic acid according to an embodiment of the present invention.
  • the intensity of the SERS analysis signal for each substrate type was measured at 1650 cm-1.
  • the gold thin film at the bottom of the gold substrate effectively reflects the laser beam, and the Raman analysis signal is degraded.
  • the metal nanowire array is preferably stacked 4 to 10 times on the substrate, and most preferably 4 times.
  • ⁇ -amyloid or Tau Protein-fixed Carboxylic acid is SERS analysis of functionalized 3D SERS substrate
  • Label-free SERS measurements were performed for ⁇ -amyloid and tau proteins, which are Alzheimer's biomarkers, using the unique properties of the three-dimensional SERS substrate functionalized with carboxylic acid.
  • -Amyloid was immobilized on the surface of a three-dimensional SERS substrate functionalized with carboxylic acid by amine bonds.
  • FIG. 18 illustrates a SERS spectrum according to a reaction time of a three-dimensional SERS substrate functionalized with a carboxylic acid according to an embodiment of the present invention.
  • the reaction time refers to a time during which the 3D SERS substrate functionalized with a carboxylic acid according to an embodiment of the present invention reacts with a target analyte.
  • reaction time between the target analyte ⁇ -amyloid and the carboxylic acid functionalized 3D SERS substrate according to an embodiment of the present invention does not significantly change after 4 hours.
  • the broadband of 1200 cm -1 to 1340 cm -1 contains information on the secondary structure of the protein.
  • the amide III band provides information on protein structure changes.
  • the amide I band is not well detected in SERS, and the amide II band is difficult to observe in near-infrared ( ⁇ 785 nm) laser excitation due to the small Raman cross-sectional area of the protein.
  • the strong peak at 1270cm -1 is -It shows that amyloid has an ⁇ -helix structure.
  • FIG. 19 is a diagram illustrating a SERS spectrum according to a concentration of ⁇ -amyloid of a three-dimensional SERS substrate functionalized with a carboxylic acid according to an embodiment of the present invention.
  • amyloid -Helix structure tends to be misfolded, -Amyloid can become oligomerized.
  • Misfolding -Amyloid can often interact with other normal proteins and cause toxicity.
  • 20 is a graph showing SERS intensity versus ⁇ -amyloid concentration according to an embodiment of the present invention.
  • the red graph is remodeling of strength
  • black graphs remodeling at 1270cm -1 ⁇ ⁇ data is the data of strength
  • black graphs remodeling at 1390cm -1 indicates the intensity of the 1145cm -1.
  • the 1390cm -1 band is by C ⁇ -H bending.
  • the amide S band is a protein -It can be seen that the Raman analysis signal strength is weak when it has a large C ⁇ -H bending such as a helix.
  • the Raman analysis signal strength is strong in a structure with small C ⁇ -H bending such as a sheet structure or a random coil.
  • FIG. 21 shows a SERS spectrum according to a concentration of a tau protein of a three-dimensional SERS substrate functionalized with a carboxylic acid according to an embodiment of the present invention.
  • tau protein another biomarker of Alzheimer's disease, was observed on the surface of a three-dimensional SERS substrate functionalized with carboxylic acid as SERS.
  • the tau protein is abundant in the human brain and is involved in stabilizing microtubules.
  • Abnormal tau phosphorylation causes the polypeptide to self-aggregate, causing fibrosis.
  • the tau protein is the longest of the six different isomers, consisting of 441 amino acids.
  • the Raman spectrum shows a peak at the same wavenumber as the concentration increases, despite the very complex chemical structure of the tau protein.
  • the secondary structure of the tau protein naturally unfolds or becomes essentially disordered, which is the secondary structure ( ⁇ -helix and -It means that the content of sheet) is low.
  • the amide III band is almost invisible when the high concentration of tau protein, that is, 10 -7 M of tau protein.
  • the Raman band of the aromatic amino acid is well distinguished in the case of tau protein.
  • the 1000cm -1 Phe (phenylalanine) band is not sensitive to structural changes and can be used for quantitative analysis of proteins without labeling.
  • the three-dimensional SERS substrate functionalized with carboxylic acid to be used for label-free SERS measurement of proteins enables analysis of the protein structure of SERS by simple spectroscopic analysis.

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Abstract

본 발명은 카르복실산의 기능화된 3차원 SERS 기판을 개시한다. 본 발명의 실시예에 따른 카르복실산의 기능화된 3차원 SERS 기판은 기판; 마스터 몰드의 패턴이 복제된 고분자 몰드 상에 적층된 단일 층의 금속 나노와이어 어레이가 상기 기판 상에 전사되어 서로 수직하도록 교대로 반복 형성된 멀티 스택의 금속 나노와이어 어레이를 포함하는 3차원 나노 구조체; 및 상기 3차원 나노 구조체 상에 존재하는 상기 고분자 박막의 잔존물이 기능화되어 타겟 피분석물을 고정화 하는 기능화된 카르복실산을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판
본 발명은 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판에 관한 것이다.
알츠하이머 병(Alzheimer's disease, AD)은 인간의 치매를 유발하는 대표적인 질환이다.
이전 연구에 따르면, 뇌의 신경 세포(뉴런) 사이의 세균 및 β-아밀로이드 축적이 알츠하이머를 유발한다고 알려져 있다.
단백질인 β-아밀로이드는 아밀로이드 전구체 단백질(APP)이 β와 γ 세크레타아제에 의해 분해될 때 형성되는 36 내지 42개의 아미노산으로 구성된 펩타이드이다.
잘못 폴딩된 β-아밀로이드 단량체는 스스로 응집되어 올리고머 및 원 섬유를 형성하기 쉽다.
또한, 타우 단백질은 뉴런에서 신경 원섬유 엉킴을 형성하기 위해 인산화되고 응집됨으로써 알츠하이머를 일으키는 것으로 의심된다.
β-아밀로이드 및 타우 단백질에 관한 다양한 연구 가운데, β-아밀로이드 및 타우 단백질의 정확한 구조 결정에 대해 큰 관심을 끌고 있다.
폴리 펩타이드 사슬 간의 상호 작용은 단백질의 구조적 특징에 의해 좌우되기 때문에, 단백질 구조를 밝히는 것이 단백질이 어떻게 응집되는지를 밝히는 핵심 단계이다.
이러한 단백질 구조를 밝히는 연구는 주로 X선, NMR 및 Cryo-EM에 의해 수행된다.
최근에 단백질로부터 라만 스펙트럼을 직접 얻는 것이 광범위하게 연구되어 왔으나, 단백질의 작은 라만 단면 및 변성은 라만 스펙트럼을 직접 얻는 것을 어렵게 한다.
단백질로부터 직접 측정된 라만 스펙트럼은 종래의 분석 방법보다 편리하게 단백질 구조 변화에 중요한 정보를 얻을 수 있다.
최근 나노 기술의 도움으로 SERS가 출현하면서 라벨없이 단백질에서 직접 SERS 스펙트럼을 얻는 것에 대한 활발한 연구가 이루어졌다.
SERS(surface enhancement Raman spectroscopy) 분광법은 단백질 구조 연구를 위한 유망한 대안으로 간주된다.
이러한 연구 분야는 일반적으로 라벨-프리(label-free) SERS라고 하는데, SERS 현상은 금속과 유전체의 계면에서 국부 전기장(E-field)을 강화시키는 플라즈몬 나노 구조에 의해 발생되며, 라만 신호를 몇 배 정도 증폭시킬 수 있다.
라벨-프리 SERS를 위한 대표적인 플랫폼 중 하나는 용액 상태에서 나노 입자 응집에 의해 강한 국부 전계를 생성하는 용액 위상 SERS이다.
액체에 분산된 타겟 피분석물과 나노 입자는 외부의 힘에 의해 응집된 타겟 분석물 표면에 강력한 전자장을 생성하는 나노 입자로 둘러싸여 있다.
단백질과 같은 큰 분자는 용액 상태에서 생성된 SERS의 분석 대상으로 적합하다.
그러나 단백질의 재현성, 구조 변화 및 변성의 불량은 용액 상 SERS의 문제점으로 꼽힌다.
단백질 구조 분석 시 또 다른 중요한 요소는 나노 리소그래피 프로세스에 의해 제조되는 SERS 기판이다.
나노 와이어, 나노 입자 및 3D 나노 구조로부터 생성된 강화 국부 전계는 라만 신호를 증폭시키나, 단백질 분석의 실행 가능성을 높이는데 방해가 된다.
또한, 국지적으로 강화된 전자장(E-field) 영역에 단백질 같은 큰 분자를 놓는 것은 매우 어려우며, 커피 링 효과(coffee-ring effect)는 SERS 기판 상에 타겟 피분석물을 드롭 코팅하는데 방해하는 요소 중 하나이다.
본 발명의 실시예는 기판 상에 금속 나노와이어 어레이가 수직하도록 교대로 전사 적층하여 3차원 나노 구조체를 형성함으로써, 라만 분석 신호를 효과적으로 증강시킬 수 있는 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예는, 3차원 나노 구조체의 표면을 카르복실산으로 기능화한 후 아민 커플링 반응을 진행하여 타겟 피분석물이 3차원 나노 구조체의 표면과 잘 결합하도록 할 수 있는 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예는, 카르복실산이 기능화된 3차원 나노 구조체가 타겟 피분석물과 효과적으로 결합되어, 낮은 농도의 타겟 피분석물을 검지할 수 있는 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예는, 알츠하이머의 바이오마커인 β-아밀로이드와 타우 단백질을 타겟 피분석물로 하여, SERS 측정을 통해 β-아밀로이드와 타우 단백질의 올리고머화 단계를 알 수 있는 섬유성 연축 정보를 제공할 수 있는 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예는, SERS 측정을 통해 타겟 피분석물인 β-아밀로이드와 타우 단백질의 섬유성 연축 정보를 통하여, 알츠하이머의 발병 유무 및 진행 여부를 알 수 있는 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예는, 금속 나노와이어 어레이의 적층 횟수를 제어하여, 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판에 대한 라만 분석 신호의 효율적으로 증강시킬 수 있는 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예는, 리소그래피 공정을 수행하는 대신 금속 나노와이어 어레이를 형성하여 기판 상에 나노전사 프린팅 공정을 수행하여, 저렴한 비용으로 신호 증강 효과가 높고, 우수한 신호 균일성 및 재현성을 가지는 고성능의 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판은, 기판; 마스터 몰드의 패턴이 복제된 고분자 몰드 상에 적층된 단일 층의 금속 나노와이어 어레이가 상기 기판 상에 전사되어 서로 수직하도록 교대로 반복 형성된 멀티 스택의 금속 나노와이어 어레이를 포함하는 3차원 나노 구조체; 및 상기 3차원 나노 구조체 상에 존재하는 상기 고분자 몰드의 잔존물이 기능화되어 타겟 피분석물을 고정화 하는 기능화된 카르복실산을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판에 따르면, 상기 3차원 나노 구조체 상에 존재하는 상기 고분자 박막의 잔존물은 기능화 공정을 통해 카르복실산으로 기능화될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판에 따르면, 상기 기능화된 카르복실산은 상기 3차원 나노 구조체 상에 존재하는 상기 고분자 박막에 대한 RIE(reaction ion etching) 공정을 통해 카르복실산(-COOH)으로 기능화될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판에 따르면, 상기 3차원 나노 구조체는 상기 금속 나노와이어 어레이가 4회 내지 10회 적층될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판에 따르면, 상기 금속 나노와이어 어레이에서 금속 나노와이어의 직경은 25nm 내지 50nm일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판에 따르면, 상기 3차원 나노 구조체는, 패턴이 형성된 마스터 몰드 상에 코팅된 고분자 박막과 접착 필름을 이용하여 상기 고분자 몰드를 제조한 후, 상기 고분자 몰드 상에 상기 금속 나노와이어 어레이를 형성한 다음 상기 접착 필름과 상기 고분자 몰드 간 접착력을 선택적으로 약화시켜 상기 고분자 몰드 상의 상기 금속 나노와이어 어레이를 상기 기판 상에 전사시켜 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판에 따르면, 상기 고분자 몰드는, 상기 마스터 몰드 상에 형성된 상기 고분자 박막의 일면에 상기 접착 필름을 균일하게 부착한 후 상기 접착 필름이 부착된 상기 고분자 박막을 상기 마스터 몰드로부터 분리하여 제조될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판에 따르면, 상기 금속 나노와이어 어레이는, 상기 금속 나노와이어 어레이가 고분자 패드와 맞닿도록 상기 금속 나노와이어 어레이가 형성된 상기 고분자 몰드 및 상기 접착 필름을 상기 고분자 패드에 접촉시키고, 상기 금속 나노와이어 어레이가 상기 고분자 패드에 잔여하도록 상기 고분자 몰드 및 상기 접착 필름을 상기 고분자 패드로부터 분리한 다음, 상기 금속 나노와이어 어레이가 상기 기판과 맞닿도록 상기 금속 나노와이어 어레이가 잔여하는 상기 고분자 패드를 상기 기판에 접촉시켜 상기 고분자 패드를 상기 기판으로부터 분리하여 전사될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판에 따르면, 기판; 마스터 몰드의 패턴이 복제된 고분자 몰드 상에 적층된 단일 층의 금속 나노와이어 어레이가 상기 기판 상에 전사되어 서로 수직하도록 교대로 반복 형성된 멀티 스택의 금속 나노와이어 어레이를 포함하는 3차원 나노 구조체; 및 상기 3차원 나노 구조체 상에 존재하는 상기 고분자 몰드의 잔존물이 기능화되어 타겟 피분석물을 고정화 하는 기능화된 카르복실산을 포함하며, 상기 기능화된 카르복실산은 아민 커플링(amine coupling) 반응을 통해 아민기로 개질되어 상기 타겟 피분석물을 고정시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판에 따르면, 상기 3차원 나노 구조체 상에 존재하는 상기 고분자 박막의 잔존물은 기능화 공정을 통해 카르복실산으로 기능화되고, 상기 기능화된 카르복실산은 상기 3차원 나노 구조체 상에 존재하는 상기 고분자 박막에 대한 RIE(reaction ion etching) 공정을 통해 카르복실산(-COOH)으로 기능화될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판에 따르면, 상기 아민 커플링 반응은 EDC(1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimide) 및 NHS(N-hydroxysuccinimide)을 포함하는 커플링제를 상기 기능화된 카르복실산과 반응시켜 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판에 따르면, 상기 아민 커플링 반응은 4시간 내지 8시간 동안 4℃ 내지 10℃에서 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판에 따르면, 상기 타겟 피분석물은 β-아밀로이드(β-amyloid) 또는 타우 단백질(Tau protein)을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판에 따르면, 상기 3차원 나노 구조체로부터 발생되는 라만 분석 신호는 상기 타겟 피분석물의 섬유성 연축(fibrillation) 정보를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판에 따르면, 상기 타겟 피분석물의 농도는 10-12M 이상일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판에 따르면, 상기 3차원 나노 구조체는 상기 금속 나노와이어 어레이가 4회 내지 10회 적층될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판에 따르면, 상기 금속 나노와이어 어레이에서 금속 나노와이어의 직경은 25nm 내지 50nm일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판에 따르면, 상기 3차원 나노 구조체는, 패턴이 형성된 마스터 몰드 상에 코팅된 고분자 박막과 접착 필름을 이용하여 상기 고분자 몰드를 제조한 후, 상기 고분자 몰드 상에 상기 금속 나노와이어 어레이를 형성한 다음 상기 접착 필름과 상기 고분자 몰드 간 접착력을 선택적으로 약화시켜 상기 고분자 몰드 상의 상기 금속 나노와이어 어레이를 상기 기판 상에 전사시켜 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판에 따르면, 상기 고분자 몰드는, 상기 마스터 몰드 상에 형성된 상기 고분자 박막의 일면에 상기 접착 필름을 균일하게 부착한 후 상기 접착 필름이 부착된 상기 고분자 박막을 상기 마스터 몰드로부터 분리하여 제조될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판에 따르면, 상기 금속 나노와이어 어레이는, 상기 금속 나노와이어 어레이가 고분자 패드와 맞닿도록 상기 금속 나노와이어 어레이가 형성된 상기 고분자 몰드 및 상기 접착 필름을 상기 고분자 패드에 접촉시키고, 상기 금속 나노와이어 어레이가 상기 고분자 패드에 잔여하도록 상기 고분자 몰드 및 상기 접착 필름을 상기 고분자 패드로부터 분리한 다음, 상기 금속 나노와이어 어레이가 상기 기판과 맞닿도록 상기 금속 나노와이어 어레이가 잔여하는 상기 고분자 패드를 상기 기판에 접촉시켜 상기 고분자 패드를 상기 기판으로부터 분리하여 전사될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 기판 상에 금속 나노와이어 어레이가 수직하도록 교대로 전사 적층하여 3차원 나노 구조체를 형성함으로써, 라만 분석 신호를 효과적으로 증강시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 3차원 나노 구조체의 표면을 카르복실산으로 기능화한 후 아민 커플링 반응을 진행하여 타겟 피분석물이 3차원 나노 구조체의 표면과 잘 결합하도록 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 카르복실산이 기능화된 3차원 나노 구조체가 타겟 피분석물과 잘 결합되어, 낮은 농도의 타겟 피분석물을 검지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 알츠하이머의 바이오마커인 β-아밀로이드와 타우 단백질을 타겟 피분석물로 하여, SERS 측정을 통해 β-아밀로이드와 타우 단백질의 올리고머화 단계를 알 수 있는 섬유성 연축 정보를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, SERS 측정을 통해 타겟 피분석물인 β-아밀로이드와 타우 단백질의 섬유성 연축 정보를 통하여, 알츠하이머의 발병 유무 및 진행 여부를 알 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 금속 나노와이어 어레이의 적층 횟수를 제어하여, 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판에 대한 라만 분석 신호의 효율적으로 증강시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 리소그래피 공정을 수행하는 대신 금속 나노와이어 어레이를 형성하여 기판 상에 나노전사 프린팅 공정을 수행하여, 저렴한 비용으로 신호 증강 효과가 높고, 우수한 신호 균일성 및 재현성을 가지는 고성능의 SERS 기판을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판의 모습을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기판 상에 3차원 나노 구조체를 형성하는 과정을 도시한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마스터 몰드의 모습을 도시한 단면도이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 단층의 3차원 나노 구조체를 평면에서 촬영한 전자주사현미경(Scanning electron microscopy, SEM) 이미지이다.
도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 금속 나노와이어 어레이가 2회 적층된 3차원 나노 구조체를 평면에서 촬영한 SEM 이미지이다.
도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 금속 나노와이어 어레이가 4회 적층된 3차원 나노 구조체를 평면에서 촬영한 SEM 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 나노 구조체의 라만 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 나노 구조체의 표면을 카르복실산으로 기능화하는 과정을 도시한 모식도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 나노 구조체의 아민 커플링 과정을 도시한 모식도이다.
도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 아민 커플링된 3차원 나노 구조체가 타겟 피분석물에 딥 코팅되어 타겟 피분석물과 결합한 모습을 도시한 광학 현미경 이미지이다.
도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 아민 커플링된 3차원 나노 구조체가 타겟 피분석물에 드롭 코팅되어 타겟 피분석물과 결합한 모습을 도시한 광학 현미경 이미지이다.
도 9a는 본 발명의 실시예에 따른 타겟 피분석물의 모노머(monomer)를 도시한 TEM 이미지이다.
도 9b는 본 발명의 실시예에 따른 타겟 피분석물의 모노머에 대한 라만 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 10a는 본 발명의 실시예에 따른 타겟 피분석물의 올리고머(oligomer) 유형 1을 도시한 TEM 이미지이다.
도 10b는 본 발명의 실시예에 따른 타겟 피분석물의 올리고머(oligomer) 유형 1에 대한 라만 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 11a는 본 발명의 실시예에 따른 타겟 피분석물의 올리고머(oligomer) 유형 2를 도시한 TEM 이미지이다.
도 11b는 본 발명의 실시예에 따른 타겟 피분석물의 올리고머(oligomer) 유형 2에 대한 라만 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 타겟 피분석물의 원섬유(protofibril) 형태를 도시한 TEM 이미지이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 타겟 피분석물의 소섬유(fibril) 형태를 도시한 TEM 이미지이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판의 RIE 공정 시간에 따른 SERS 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판의 타겟 피분석물의 농도에 따른 SERS 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판의 금속 나노와이어 어레이 적층 횟수에 따른 SERS 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판의 기판 종류에 따른 SERS 강도를 비교한 그래프이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판의 반응 시간에 따른 SERS 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판의 β-아밀로이드(β-amyloid) 농도에 따른 SERS 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 β-아밀로이드(β-amyloid) 농도 대비 SERS 강도를 도시한 그래프이다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판의 타우 단백질(Tau protein) 농도에 따른 SERS 스펙트럼을 도시한 것이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.
또한, '또는'이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or'이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or'를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다'라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.
또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
한편, 본 발명의 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판은 기판 상에 금속 나노와이어 어레이가 복수 회 적층되어 형성된 3차원 나노 구조체를 카르복실산으로 기능화하여, 기능화된 카르복실산이 타겟 피분석물과 결합함에 따라 SERS 분석 시 타겟 피분석물에 해당하는 피크를 확인함으로써 타겟 피분석물의 유무를 파악할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판의 모습을 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판(100)은 기판(110), 3차원 나노 구조체(120) 및 3차원 나노 구조체(120)에 기능화된 카르복실산을 포함한다.
기판(110)은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 나노 구조체(120)가 형성되는 작업 대상면이다.
기판(110)은 고분자 필름, 유리 및 세라믹 물질 중 어느 하나로 이루어질 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에 따라서, 기판(110)은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 백금(Pt), 크롬(Cr), 코발트(Co) 및 팔라듐(Pd) 중 어느 하나로 코팅될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 나노 구조체(120)는 기판(110) 상에 형성된다.
3차원 나노 구조체(120)는 마스터 몰드(210)의 패턴이 복제된 고분자 몰드(220) 상에 적층된 단일 층의 금속 나노와이어 어레이(121)가 상기 기판(110) 상에 전사되어 서로 수직하도록 교대로 반복 형성된 멀티 스택의 금속 나노와이어 어레이(121)를 포함한다.
실시예에 따라서, 고분자 몰드(220)는 PMMA로 이루어질 수 있다.
실시예에 따라서, 금속 나노와이어 어레이(121)의 금속(221) 나노와이어는 직경이 25nm 내지 50nm일 수 있다.
실시예에 따라서, 금속 나노와이어 어레이(121)는 동일하거나 서로 다른 직경을 가지는 금속(221) 나노와이어로 이루어질 수 있다.
실시예에 따라서, 3차원 나노 구조체(120)는 금속 나노와이어 어레이(121)가 4회 내지 10회 적층되어 형성될 수 있다.
실시예에 따라서, 3차원 나노 구조체(120)는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 백금(Pt), 크롬(Cr), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 금과 은의 합금 중 어느 하나로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예에 따른 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판(100)은 표면에 타겟 피분석물(130)이 고정화되어, 대물렌즈(10)로부터 조사된 레이저가 타겟 피분석물(130)에 의해 산란된 빛, 즉 SERS 측정을 통한 라만 분석 신호를 이용하여 타겟 피분석물(130)을 검출할 수 있다.
이하, 도 2에서 본 발명의 실시예에 따른 3차원 나노 구조체(120)를 형성하는 과정에 대해 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기판 상에 3차원 나노 구조체를 형성하는 과정을 도시한 모식도이다.
도 2를 참조하면, 마스터 몰드(210) 상에 고분자 물질을 증착하여 음각의 요철 패턴이 형성된 고분자 몰드(220)를 제조한다.
실시예에 따라서, 패턴이 형성된 마스터 몰드(210) 상에 고분자 박막을 코팅한 후, 고분자 박막과 접착 필름을 이용하여 고분자 박막을 고분자 몰드(220)로 제조할 수 있다.
구체적으로, 마스터 몰드(210) 상에 형성된 고분자 박막의 일면에 접착 필름을 균일하게 접착시킨 후 접착 필름이 부착된 고분자 박막을 마스터 몰드(210)로부터 분리하여 고분자 몰드(220)를 제조할 수 있다.
상기 고분자 박막은 마스터 몰드(210) 상에 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(deep coating) 또는 스프레이 코팅(spray coating) 중 적어도 어느 하나의 공정을 이용하여 도포되어 요철 패턴을 가질 수 있다.
실시예에 따라서, 고분자 박막으로 도포되는 고분자는 20 MPa1 /2 내지 40MPa1/2의 용해도 파라미터를 가질 수 있고, 상온보다 높은 유리 전이 온도를 가질 수 있다.
따라서, 고분자는 상온에서 안정적으로 고체 상태를 유지할 수 있다.
이후, 고분자 몰드(220)의 음각 패턴 상에 금속(221) 물질을 선택적으로 증착시켜 단일 층의 금속 나노와이어 어레이(121)가 형성된다.
단일 층의 금속 나노와이어 어레이(121)가 형성된 고분자 몰드(220)를 기판(110) 상에 전사(transfer printing)시킨다.
구체적으로, 단일 층의 금속 나노와이어 어레이(121)가 기판(110)과 맞닿도록 고분자 몰드(220)를 위치시킨 다음, 고분자 몰드(220)만 떼어내어 기판(110) 상에 단일 층의 금속 나노와이어 어레이(121)를 형성한다.
구체적으로, 유기 용매 증기를 접착 필름과 고분자 몰드(220) 사이에 주입되어, 접착 필름과 고분자 몰드(220) 간 접착력을 약화시킬 수 있다.
이를 통해 기판(110) 상에 금속 나노와이어 어레이(121)가 기판(110) 상에 잔여하도록 고분자 몰드(220)를 분리할 수 있다.
실시예에 따라서, 금속 나노와이어 어레이(121)가 고분자 패드(미도시)와 맞닿도록 상기 금속 나노와이어 어레이(121)가 형성된 상기 고분자 몰드(220) 및 상기 접착 필름을 상기 고분자 패드에 접촉시킬 수 있다.
이후, 금속 나노와이어 어레이(121)가 상기 고분자 패드에 잔여하도록 고분자 몰드(220) 및 접착 필름을 상기 고분자 패드로부터 분리할 수 있다.
이후, 금속 나노와이어 어레이(121)가 기판(110)과 맞닿도록 금속 나노와이어 어레이(121)가 잔여하는 상기 고분자 패드를 기판(110)에 접촉시킨 다음, 고분자 패드를 기판(110)으로부터 분리하여 금속 나노와이어 어레이(121)를 전사시킬 수 있다.
3차원 나노 구조체(120)는 금속 나노와이어 어레이(121)가 서로 수직하도록 상술한 과정을 반복하여 멀티 스택의 금속 나노와이어 어레이(121)를 포함하도록 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마스터 몰드의 모습을 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 마스터 몰드(210)는 서로 다른 높이의 요철 패턴을 가질 수 있다.
마스터 몰드(210)의 패턴은 포토리소그래피(photolithography), 블록 공중합체 자기 조립 기반 리소그래피 또는 E-beam 리소그래피 중 적어도 어느 하나를 포함하는 패터닝 공정 및 RIE(reactive ion etching) 공정을 이용하여 생성될 수 있다.
마스터 몰드(210)는 블록 공중합체(block co-polymer, BCP)의 직접 자기조립(directed self-assembly, DSA)에 의해 제조될 수 있다.
실시예에 따라서, 마스터 몰드(210)는 표면 에너지가 낮은 PDMS 브러쉬 고분자(brush polymer) 또는 HMDS(hexa methylene di silazane)와 같은 소수성의 SAM(self-assembled monolayer) 코팅 처리를 수행하여, 마스터 몰드(210) 표면이 30mJ/m2 이하의 낮은 표면 에너지를 갖도록 할 수 있다.
실시예에 따라서, 마스터 몰드(210)는 1um 내지 1cm 너비 및 1nm 내지 1cm 깊이의 실리콘 트렌치 기판(110)에 PS-PDMS 블록 공중합체를 자기 조립시켜 선형 표면 패턴을 형성시킨 후 산소 환경 아래에서 RIE 공정을 진행하여, 15nm 선폭 및 8nm 선폭의 요철 패턴을 가질 수 있다.
실시예에 따라서, 마스터 몰드(210)는 실리콘 웨이퍼일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
마스터 몰드(210)의 구체적인 제조 방법은 하기 실시예를 통해 후술하도록 한다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 단층의 3차원 나노 구조체를 평면에서 촬영한 전자주사현미경(Scanning electron microscopy, SEM) 이미지이고, 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 금속 나노와이어 어레이가 2회 적층된 3차원 나노 구조체를 평면에서 촬영한 SEM 이미지이며, 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 금속 나노와이어 어레이가 4회 적층된 3차원 나노 구조체를 평면에서 촬영한 SEM 이미지이다.
도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 나노 구조체(120)는 금속 나노와이어 어레이(121)가 서로 수직하도록 교대로 반복 적층되어, 평면에서 관찰할 때 직물과 같은 형상을 가질 수 있다.
이때, 상대적으로 진한 음영으로 표현된 금속(221) 나노와이어는 직경이 큰 금속(221) 나노와이어이다.
대물렌즈(10)로부터 조사되는 레이저의 파동 벡터는 본 발명의 실시예에 따른 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판(100)의 표면에 수직이다.
상기 레이저는 3차원 나노 구조체(120)의 금속(221) 나노와이어의 자유 전자 구름이 수평으로 진동시킨다.
또한, 상기 레이저는 상기 금속(221) 나노와이어의 측면에 강한 국부적 전자장을 생성하게 한다.
3차원 나노 구조체(120)의 금속 나노와이어 어레이(121)는 각각 90도 각도로 적층되어 있어, 여기 레이저의 편광 의존성은 무시할 수 있다.
스캐터링형 근접장 광학 현미경(s-NSOM)에 의해 본 발명의 실시예에 따른 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판(100)의 표면을 관찰하면, 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판(100)의 표면 플라즈몬 분극성(surface plasmon polariton, SPP) 특성을 보여준다.
상기 스캐터링형 근접장 광학 현미경(s-NSOM)에 의한 관찰은 표면 플라즈몬 분극성이 중요한 변수에 따라 어떻게 작동하는지 시각화 한다.
이때, 표면 플라즈몬 분극성은 상기 금속(221) 나노와이어의 주기가 감소하고 금속 나노와이어 어레이(121)가 적층된 횟수가 증가함에 따라 값이 증가한다.
따라서, 금속 나노와이어 어레이(121)가 서로 수직하도록 교차 적층된 3차원 나노 구조체(120)는 빛을 다양하게 편광시켜 최대 플라즈몬 효과를 내고, 3차원 나노 구조체(120)로부터 생성된 라만 분석 신호를 증강시킬 수 있다.
일반적으로, 전사 이후에 아세톤 세척에 의해 표면에 존재하는 고분자 몰드(220)의 잔존물을 제거하는 것이 바람직하나, 상기 고분자 몰드(220)의 잔존물을 완전히 제거하는 것은 거의 불가능하다.
고분자 몰드(220) 상에 적층된 단일 층의 금속 나노와이어 어레이(121)가 기판(110) 상에 전사되면서 금속 나노와이어 어레이(121)의 표면에 고분자 몰드(220)가 일부 잔존할 수 있다.
구체적으로, 고분자 몰드(220) 상에 적층된 단일 층의 금속 나노와이어 어레이(121)가 기판(110)과 맞닿도록 접촉된 후, 고분자 몰드(220)를 기판(110)과 접촉된 금속 나노와이어 어레이(121)로부터 분리하면서 금속 나노와이어 어레이(121)의 표면에 고분자 몰드(220)의 잔존물이 존재할 수 있다.
따라서, 고분자 몰드(220)가 잔존하는 금속 나노와이어 어레이(121)가 기판(110) 상에 수직하도록 교대로 반복 형성된 3차원 나노 구조체(120)의 표면에는 고분자 몰드(220)의 잔존물이 존재할 수 있다.
실시예에 따라서, 고분자 몰드(220)인 PMMA 박막은 빛으로부터 에너지를 흡수하여 가교 결합 또는 그래파이트화로 쉽게 경화된다.
이에 따라, PMMA 박막이 일단 경화되면 PMMA 박막을 기판(110)으로부터 떼어 내기 쉽다.
고분자 몰드(220) 상에 형성된 금속 나노와이어 어레이(121)는 고분자 몰드(220)에 열 에너지를 전달하고 가교 결합 및 그래파이트화될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 나노 구조체의 라만 스펙트럼을 나타낸 것이다.
이때, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 나노 구조체(120)의 라만 스펙트럼은 그래파이트의 D 밴드 및 G 밴드를 나타낸다.
도 5에 삽입된 이미지에서 빨간색 원은 라만 신호를 측정한 위치이다.
도 5를 참조하면, 일반적인 3차원 나노 구조체(120)의 표면에 대한 라만 분석 신호(Raman signal in normal pattern)는 강도가 일정하다.
그러나, 3차원 나노 구조체(120)의 표면에 고분자 몰드(220)인 PMMA 박막의 잔존물이 존재할 시 라만 분석 신호(Raman signal in crumpled pattern)는 일반적인 3차원 나노 구조체(120)의 표면에 대한 라만 분석 신호에 비해 강도가 매우 큰 것을 확인할 수 있다.
특히, 약 1400cm-1 및 1700cm-1에서 강한 피크를 보이는데, 이는 3차원 나노 구조체(120)의 표면에 존재하는 PMMA 박막의 잔존물에 의한 것이다.
3차원 나노 구조체(120) 상에 존재하는 상기 고분자 몰드(220)의 잔존물은 기능화 공정을 통해 카르복시산으로 기능화되어 타겟 피분석물(130)을 고정화할 수 있다.
구체적으로, 기능화된 카르복실산은 3차원 나노 구조체(120) 상에 존재하는 고분자 박막에 대한 RIE(reaction ion etching) 공정을 통해 고분자 박막의 잔존물을 카르복시산으로 기능화할 수 있다.
이하, 도 6을 참조하여 3차원 나노 구조체(120)의 기능화에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 나노 구조체의 표면을 카르복실산으로 기능화하는 과정을 도시한 모식도이다.
도 6을 참조하면, 3차원 나노 구조체(120)의 표면에 존재하는 고분자 몰드(220)의 잔존물은 -COOCH3 작용기를 가지고 있다.
3차원 나노 구조체(120)의 표면에서 경화된 고분자 몰드(220)의 잔존물은 산소 가스(131)로 RIE 공정에 의해 산화환원 반응이 일어나 고분자 몰드(220)의 잔존물이 가지고 있는 -COOCH3의 CH3가 H로 치환되면서 카르복실산(-COOH)으로 기능화될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 나노 구조체(120)는 아민 커플링 되어 타겟 피분석물(130)을 고정시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 나노 구조체의 아민 커플링 과정을 도시한 모식도이다.
도 7을 참조하면, 카르복실산이 기능화된 3차원 나노 구조체(120)는 실시예에 따라서 아민 커플링 반응을 통해 아민기로 개질되어 타겟 피분석물(130)을 고정시킬 수 있다.
상기 아민 커플링 반응은 EDC(1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimide) 및 NHS(N-hydroxysuccinimide)을 포함하는 커플링제를 기능화된 카르복실산과 반응시켜 수행될 수 있다.
실시예에 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판(100)은 상기 커플링제 용액에 담지되어 아민 커플링 반응이 일어나 아민기로 개질될 수 있다.
아민 커플링된 3차원 SERS 기판(110)은 타겟 피분석물(130)과 결합하여 타겟 피분석물(130)을 고정시킬 수 있다.
도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 아민 커플링된 3차원 나노 구조체가 타겟 피분석물에 딥 코팅되어 타겟 피분석물과 결합한 모습을 도시한 광학 현미경 이미지이며, 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 아민 커플링된 3차원 나노 구조체가 타겟 피분석물에 드롭 코팅되어 타겟 피분석물과 결합한 모습을 도시한 광학 현미경 이미지이다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 딥 코팅의 경우 샬레 안에서 아민 커플링 반응에 의해 타겟 피분석물을 고정한 것으로, 표면에 하얀 침전물 없이 깨끗하게 코팅된 것을 확인할 수 있다.
그러나, 드롭 코팅의 경우 아민 커플링 반응 없이 타겟 피분석물을 피펫을 이용하여 드롭 하여, 타겟 피분석물이 본 발명의 실시예에 따른 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판 상에 두껍게 뭉치는 것을 확인할 수 있다.
실시예에 따라서, 타겟 피분석물(130)은 생체 단백질을 의미할 수 있다.
구체적으로, 타겟 피분석물(130)은 알츠하이머를 진단할 수 있는 β-아밀로이드 또는 타우 단백질을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에 따라 타겟 피분석물(130)이 β-아밀로이드 또는 타우 단백질이면, 본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판(100)은 타겟 피분석물(130)과 결합되어 β-아밀로이드 또는 타우 단백질의 유무를 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판(100)을 이용하여 SERS를 통해 생성된 라만 분석 신호에 따라 β-아밀로이드 또는 타우 단백질의 유무를 알 수 있으며, 이에 따라 알츠하이머를 진단할 수 있다.
구체적으로, 3차원 나노 구조체(120)로부터 발생되는 라만 분석 신호는 상기 타겟 피분석물(130)의 섬유성 연축(fibrillation) 정보를 포함할 수 있다.
실시예에 따라서, 상기 아민 커플링 반응은 4℃ 내지 10℃에서 4시간 내지 8시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 타겟 피분석물이 β-아밀로이드인 경우 쉽게 섬유화될 수 있기 때문에, 섬유화를 막기 위해서 4℃ 내지 10℃와 같은 낮은 온도에서 아민 커플링 반응이 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판(100)을 이용하여 타겟 피분석물(130)을 SERS 측정할 시, 상기 타겟 피분석물(130)의 농도는 10-12M 이상일 수 있다.
다시 말해, 본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판(100)을 이용하여 타겟 피분석물(130)을 SERS 측정에서 타겟 피분석물(130)의 검출 한계 농도는 10-12M일 수 있다.
알츠하이머병의 원인으로 알려진 β-아밀로이드 단백질은 정상일 때는 α-헬릭스(α-helix) 구조를 가진다.
그러나, 어떤 원인에 의해서 상기 α-헬릭스 구조의 β-아밀로이드는 β-시트(β-sheet) 형태로 변성된다.
상기 α-헬릭스 구조의 β-아밀로이드와 β-시트 구조의 β-아밀로이드가 서로 엉겨 붙으면서, 모노머의 β-아밀로이드는 올리고머, 원섬유 또는 소섬유로 응집되어 치매 증상을 유발한다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판(100)을 이용하여 SERS를 통해 생성된 라만 분석 신호에 따라 β-아밀로이드 또는 타우 단백질이 모노머에서 올리고머로 변화하는 과정을 추적할 수 있다.
도 9a는 본 발명의 실시예에 따른 타겟 피분석물의 모노머(monomer)를 도시한 TEM 이미지이며, 도 9b는 본 발명의 실시예에 따른 타겟 피분석물의 모노머에 대한 라만 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판(100)과 결합된 타겟 피분석물(130)이 모노머일 때에는 α-헬릭스(α-helix) 구조일 때 라만 분석 신호의 피크가 β-시트(β-sheet) 구조일 때 라만 분석 신호의 피크보다 더 강한 것을 확인할 수 있다.
도 10a는 본 발명의 실시예에 따른 타겟 피분석물의 올리고머(oligomer) 유형 1을 도시한 TEM 이미지이며, 도 10b는 본 발명의 실시예에 따른 타겟 피분석물의 올리고머(oligomer) 유형 1에 대한 라만 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판(100)과 결합된 타겟 피분석물(130)이 일부 엉겨붙어 올리고머 유형 1일 때에는 β-시트(β-sheet) 구조일 때 라만 분석 신호의 피크가 α-헬릭스(α-helix) 구조일 때 라만 분석 신호의 피크보다 조금 더 큰 것을 확인할 수 있다.
또한, 타겟 피분석물(130)이 올리고머 유형 1일 때에는 β-시트(β-sheet) 구조일 때 라만 분석 신호의 피크가 타겟 피분석물(130)이 모노머일 때보다 더 강한 것을 확인할 수 있다.
도 11a는 본 발명의 실시예에 따른 타겟 피분석물의 올리고머(oligomer) 유형 2를 도시한 TEM 이미지이며, 도 11b는 본 발명의 실시예에 따른 타겟 피분석물의 올리고머(oligomer) 유형 2에 대한 라만 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판(100)과 결합된 타겟 피분석물(130)이 올리고머 유형 1보다 더 엉겨붙어 올리고머 유형 2가 될 때에는 β-시트(β-sheet) 구조일 때 라만 분석 신호의 피크가 α-헬릭스(α-helix) 구조일 때 라만 분석 신호의 피크보다 눈에 띄게 더 큰 것을 확인할 수 있다.
또한, 타겟 피분석물(130)이 올리고머 유형 2일 때에는 β-시트(β-sheet) 구조일 때 라만 분석 신호의 피크가 타겟 피분석물(130)이 모노머 또는 올리고머 유형 1일 때보다 더 강한 것을 확인할 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 타겟 피분석물의 원섬유(protofibril) 형태를 도시한 TEM 이미지이다.
도 12를 참조하면, 타겟 피분석물이 상기 올리고머 유형 2를 지나 더 엉겨 붙어 원섬유가 된 것을 확인할 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 타겟 피분석물의 소섬유(fibril) 형태를 도시한 TEM 이미지이다.
도 13을 참조하면, 타겟 피분석물(130)이 상기 원섬유 상태를 지나 더 엉겨부터 소섬유 형태가 된 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판(100)을 이용하여 SERS를 통해 생성된 라만 분석 신호에 따라 타겟 피분석물(130)의 섬유성 연축(fibrillation) 정보를 알 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판(100)을 이용하여 SERS를 통해 생성된 라만 분석 신호에 따라 타겟 피분석물(130)의 올리고머, 원섬유 또는 소섬유가 얼마나 진행되었는지를 알 수 있다.
라만 측정 결과에 대한 이론적인 이해를 위해서, SERS 분석은 화학적 강화보다 더 중요한 요인으로 알려진 전자기 강화(EM)의 관점에서 바라보는 것이 바람직하다.
입사 전자기 복사선은 나노 와이어의 진동 쌍극자를 유도하고, 쌍극자는 표면에 강한 국부 전계를 생성하여 입사 레이저를 강화시킨다.
동시에, 타겟 피분석물(130)의 진동 전이에 기인하는 산란된 빔은 입사빔과 동일한 메커니즘으로 강화된다.
두 기여를 고려한 SERS 강화는 아래의 수식 1로 표현될 수 있다.
[수식 1]
Figure PCTKR2019006023-appb-I000001
여기에서 MLoc(wL)과 MLoc(wR)은 여기 레이저 주파수와 라만 주파수에서의 국부 전계 강도의 강화 인자(enhancement factor, EF)이다.
그러나, 타겟 피분석물(130)은 레이저가 조사되는 지점과 같이 강화된 국부 전자장 영역에 직접적으로 위치하지 않는다.
대신 타겟 피분석물(130)은 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판(100)에서 최대 50nm 떨어져 있다.
종래 연구에 의해 SERS 강도는 1/r10 의 거리 의존성(r은 기판(110) 표면에서부터 타겟 피분석물(130)까지의 거리)을 가지고 있음이 밝혀졌다.
그럼에도 불구하고, 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판(100)이 우수한 SERS 향상을 가능하게 하는 이유는 3차원 나노 구조체(120)를 이루는 금속 나노와이어 어레이(121)가 넓은 영역으로 퍼져있기 때문이다.
이로 인해, 대부분의 입사 레이저와 산란 빔은 진동 쌍극자를 유도하고 라만 분석 신호를 강화하는데 기여할 수 있다.
이는 강화 인자를 계산함으로써 증명될 수 있다.
단일 분자 강화 인자(single-molecule enhancement factor, SMEF), SERS 기판(110) 강화 인자(SERS substrate enhancement factor, SSEF), 분석 강화 인자 (analytical enhancement factor, AEF)와 같은 다양한 강화 인자 계산 방법 중에서, AEF는 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판(100)에 가장 적절한 지표이다.
상기 AEF는 아래의 수식 2로 표현될 수 있다.
[수식 2]
Figure PCTKR2019006023-appb-I000002
여기서 ISERS와 CSERS는 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판(100)에서 타겟 피분석물(130) 분자의 강도와 농도를 나타내고, IRM과 CRM은 기판(110)에서 타겟 피분석물(130) 분자의 강도와 개수를 나타낸다.
ISERS=921, CSERS=10-9M, IRM=166, CRM=10-4M인 경우, AEF는 5.5×105로 추정된다.
이러한 AEF 값은 기판(110)을 이루는 물질이 금일 때 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판(100)의 가장 높은 AEF 값이다.
또한 무빈(Mubeen) 등의 종래 보고에 따르면, 라만 분석 신호 강도는 기판(110) 바닥 표면이 금 박막인 경우가 실리콘일 때에 비해 증가하는 것을 확인할 수 있다.
또한 종래 보고에 따르면, 금 기판(110)은 여기 빔 및 산란 빔을 효과적으로 반사하여 라만 신호 향상에 기여할 수 있음을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판(100)에서 기판(110)은 금 기판(110)을 사용하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판의 특성 및 효과를 증명하는 실시예와 함께 본 발명에 대한 설명을 보다 자세히 다루도록 한다. 하기 실시예는 본 발명의 효과를 실험적으로 입증하기 위해 제시된 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예
마스터 몰드 제작
마스터 몰드의 요철 패턴은 블록 공중합체의 직접 자기 조립(DSA)에 의해 형성되었다.
KrF 포토 리소그래피를 사용하여 실리콘 웨이퍼를 패터닝하여, 깊이 40nm, 폭 1㎛ 및 주기 1.25㎛인 가이딩 패턴(guiding pattern)을 준비한다.
블록 공중합체는 폴리머 소스 사(Polymer Source Inc.)에서 구입한 PS-b-PDMS(Poly (styrene-b-dimethylsiloxane, 분자량=48kgmol-1, fps=66.3 %, 다 분산 지수(PDI)=1.19)이다.
PDMS-OH 브러시(5kgmol-1, Polymer Source Inc.)를 패턴화된 실리콘 웨이퍼 상에 접촉시킨 후, 진공 챔버에서 150℃로 90분 간 어닐링시킨 다음, 톨루엔으로 세척하여 미반응의 블록 공중합체를 제거하였다.
이후, 톨루엔(0.8중량%)에 용해된 PS-b-PDMS를 패턴화된 실리콘 웨이퍼에 코팅하였다.
BCP는 톨루엔 증기를 사용하여 실온에서 12시간 동안 용제 어닐링되었고, CF4 플라즈마(50W의 소스 파워, 21초의 에칭 시간) 및 O2 플라즈마(60W의 소스 파워, 30초의 에칭 시간)를 이용한 반응성 이온 에칭(RIE)을 수행하였다.
작동 압력 및 가스 유속은 각각 15mTorr 및 30sccm으로 유지되었다.
마스터 몰드 패턴은 트렌치 폭(trench width)이 1㎛, 메사 측면부 폭(mesa sidewall width)이 0.25㎛, 트렌치의 BCP 줄무늬로 구성된다.
마스터 몰드는 직경 15nm, 간격 20nm의 BCP 줄무늬가 28개 포함되어 제작되었다.
전사를 통한 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판 제조
간단한 전사 인쇄 공정을 사용하여 3차원 나노 구조체를 형성하였다.
마스터 몰드 상에 아세톤 및 톨루엔 혼합물에 용해된 4중량% PMMA(MW 100,000)로 이루어진 PMMA 용액이 스핀 코팅되어 복제(replication)하였다.
복제된 PMMA는 폴리이미드(PI) 접착 필름을 사용하여 박리시켰다.
금(Au) 나노와이어는 PMMA 복제물 상에 전자빔 증발을 통한 금의 광각 증착(angle deposition)을 통해 형성되었다.
이어서, 금 나노와이어를 아세톤 및 헵탄의 증기 혼합물에 20초 동안 노출시켰다.
이전의 용제 어닐링 단계로 인해 PMMA와 PI 필름 사이의 접착력이 약화되었기 때문에, 금 나노와이어의 단일 층은 고분자 패드인 PDMS 패드로 전사되어 3차원 나노 구조체를 형성한다.
상기 기판은 p형 Si 웨이퍼(Si 기판) 또는 금 박막 증착된 p형 Si 웨이퍼 (Au 기판)였다.
이후 3차원 나노 구조체에 산소 가스를 통한 RIE 공정을 이용하여 카르복시산으로 기능화한다.
이에 따라, 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판을 제조하였다.
아민 커플링
아민 커플링은 EDC/NHS를 사용하여 수행하였다.
커플링제는 EDC(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimide) 및 NHS(N-hydroxysuccinimide)는 시그마-알드리치 사(Sigma-Aldrich Inc.)에서 구입 하였다.
EDC 20mM 및 NHS 20mM을 MES(2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid) 버퍼 용액 및 PBS(Phosphate-buffered saline) 버퍼 용액에 용해시켰다.
두 버퍼 용액 모두 1M으로 농축시킨 후, 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판을 버퍼 용액에 담그고 냉각시켜 4 간 동안 아민 커플링시켰다.
재료 및 특성
β-아밀로이드 및 타우 단백질은 모두 시그마-알드리치 사(Sigma-Aldrich Inc.)에서 구입하였다.
카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판의 우수성을 증명하기 위해 사용된 압타머(Aptamer)는 지노테크 사(GenoTech Corp., 대전, 한국)에서 구입하였다.
514nm 및 785nm의 여기 레이저가 있는 분산 라만 분광기(ARAMIS, Horiba)를 SERS 측정에 사용했다.
분산 라만 분광기로부터 측정된 라만 분석 신호(SERS 신호)는 실시예의 측정에 대해 5초 동안 수집되었다.
카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판의 강화된 국부 전자장은 양자 캐스케이드 레이저(quantum cascade laser, QCL)를 가진 산란형 스캐닝 니어 필드 광학 현미경(s-SNOM, Anasys, Instruments, CA, 미국)에 의해 측정되었으며, 여기 파장은 1200 ~ 1800 cm-1, 탑뷰 이미지는 전계 방출 주사 전자 현미경(FE-SEM, 히타치, S-4800)을 사용하여 얻었다.
특성 평가
아민 커플링에 따른 타겟 피분석물 고정 여부 확인
아민 커플링이 성공적으로 수행되고, 타겟 피분석물이 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판 위에 고정화 되었는지를 확인하기 위해, 5 '말단에 아민 및 3'말단에 TAMRA를 갖는 올리고 뉴클레오타이드를 사용하였다.
라만 염료의 일종인 TAMRA는 단백질의 작은 라만 단면적으로 인해 발생할 수 있는 오차 가능성을 없애기 위해 사용되었다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판의 RIE 공정 시간에 따른 SERS 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 14를 참조하면, 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판의 표면은 다양한 RIE 시간(0초, 30초, 60초, 90초)을 가지도록 O2 플라즈마로 에칭되었다.
각각의 RIE 시간 조건에서 90W 소스 전력, 45W 바이어스 전력 및 30sccm 유량의 15mTorr 가스 압력으로 고정시켰다.
RIE 공정 후, EDC/NHS를 통한 아민 커플링 반응을 수행하였다.
TAMRA 피크는 RIE를 수행하지 않은(즉, RIE 시간이 0초) 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판에서는 확인되지 않았다.
TAMRA의 특징적인 피크 모양은 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판 표면이 O2 플라즈마로 에칭된 후에 나타났다.
이는 아민 커플링 반응이 올리고 뉴클레오타이드와 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판 표면 사이에서 발생했다는 증거이다.
라만 분석 신호는 RIE 시간의 증가에 따라 급격히 감소하는데, 이는 PMMA 잔존물의 제거 때문인 것으로 보인다.
타겟 피분석물의 검출 한계 농도
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판의 타겟 피분석물의 농도에 따른 SERS 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 15를 참조하면, 타겟 피분석물의 농도(10-6M, 10-7M, 10-8M, 10-9M, 10-10M)에 따라 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판의 라만 분석 신호를 측정하였다.
라만 측정 결과, 타겟 피분석물의 농도가 높을수록 라만 분석 신호의 피크가 강한 것을 확인할 수 있다.
또한, 타겟 피분석물의 농도가 10-10M일 때, 라만 분석 신호의 피크가 거의 보이지 않는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판의 타겟 피분석물에 대한 검출 한계 농도는 10-10M인 것을 확인할 수 있다.
금속 나노와이어 어레이 적층 횟수에 따른 SERS 분석
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판의 금속 나노와이어 어레이 적층 횟수에 따른 SERS 스펙트럼을 도시한 것이다.
이때, 검정색 스펙트럼은 실리콘 웨이퍼 위에 금속 나노와이어 어레이의 적층 횟수를 증가시켜 측정한 라만 스펙트럼 결과이다.
또한, 빨간색 스펙트럼은 금 기판 위에 금속 나노와이어 어레이의 적층 횟수를 증가시켜 측정한 라만 스펙트럼 결과이다.
도 16을 참조하면, 실리콘 웨이퍼 및 금 기판의 경우 모두 최적의 금속 나노와이어 어레이 적층 횟수는 4회이다.
그러나, 4회를 초과하여 적층된 경우에는 기판 유형에 따라 다른 경향이 나타낸다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판의 기판 종류에 따른 SERS 강도를 비교한 그래프이다.
이때, 각 기판 종류에서의 SERS 분석 신호의 강도는 1650cm-1에서 측정하였다.
실리콘 웨이퍼의 경우, 라만 분석 신호 강도의 포화는 4회 적층 직후에 시작되었지만, 금 기판에서는 라만 분석 신호의 강도가 한 번 크게 감소한 후 포화되었다.
그러나, 금속 나노와이어 어레이의 층 수가 4층을 초과하면 금 기판 바닥의 금 박막이 레이저 빔을 효과적으로 반사하여 라만 분석 신호의 향상능이 저하된다.
따라서, 금속 나노와이어 어레이는 기판 상에 4회 내지 10회 적층되는 것이 바람직하며, 4회 적층되는 것이 가장 바람직하다.
β-아밀로이드 또는 타우 단백질이 고정된 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판의 SERS 분석
카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판의 고유한 특성을 활용하여 알츠하이머의 바이오마커인 β-아밀로이드 및 타우 단백질에 대한 라벨 프리(label-free) SERS 측정을 수행했다.
단백질로부터 직접 라만 스펙트럼을 얻는 것은 복잡한 화학 성분뿐만이 아니라 작은 라만 단면으로 인해 매우 어렵다.
그러나, 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판을 통해
Figure PCTKR2019006023-appb-I000003
-아밀로이드와 타우 단백질 모두에서 몇 가지 라만 스펙트럼 특징을 확인할 수 있다.
압타머의 경우와 유사하게,
Figure PCTKR2019006023-appb-I000004
-아밀로이드는 아민 결합에 의해 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판 표면에 고정화되었다.
일반적으로
Figure PCTKR2019006023-appb-I000005
-아밀로이드는 실온에서 빠르게 응집되므로,
Figure PCTKR2019006023-appb-I000006
-아밀로이드의 응집을 피하기 위해 아민 커플링을 4℃ 환경에서 수행 하였다.
Figure PCTKR2019006023-appb-I000007
-아밀로이드의 라만 스펙트럼은 800cm-1 내지 1600cm-1의 스펙트럼 범위에서 측정되었다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판의 반응 시간에 따른 SERS 스펙트럼을 도시한 것이다.
이때, 반응 시간이라 함은 본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판이 타겟 피분석물과 반응하는 시간을 의미한다.
도 18을 참조하면, 타겟 피분석물인 β-아밀로이드와 본 발명의 실시예에 따른 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판의 반응 시간이 4시간 이후부터는 크게 달라지지 않는 것을 확인할 수 있다.
또한, β-아밀로이드의 라만 스펙트럼에서 다양한 피크가 나타난 것을 확인할 수 있다.
도 18의 라만 스펙트럼에서 1270cm-1 대역의 라만 분석 신호 피크가 가장 두드러지는 것을 확인할 수 있다.
아미드 Ⅲ로 명명된 1200cm-1 내지 1340cm-1의 광대역은 단백질의 2차 구조에 대한 정보를 포함한다.
아미드 Ⅲ 밴드는 주로 N-H 면 내 굴곡(in-plane bending) 및 C-N 신축(stretching)뿐만 아니라 Cα-C 신축 및 C=O 면 내 굴곡을 반영한다.
아미드 I 밴드 및 아미드 II 밴드와 함께, 아미드 III 밴드는 단백질 구조 변화에 대한 정보를 제공한다.
그러나, 아미드 I 밴드는 SERS에서 잘 검출되지 않고, 아미드 II 밴드는 단백질의 작은 라만 단면적으로 인해 근적외선(~ 785nm) 레이저 여기에서 관찰되기 힘들다.
1270cm-1의 강한 피크는
Figure PCTKR2019006023-appb-I000008
-아밀로이드가 α-헬릭스 구조를 가지고 있음을 보여준다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판의 β-아밀로이드(β-amyloid) 농도에 따른 SERS 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 19를 참조하면,
Figure PCTKR2019006023-appb-I000009
-아밀로이드의 농도가 증가함에 따라
Figure PCTKR2019006023-appb-I000010
-아밀로이드 구조가 더 이상
Figure PCTKR2019006023-appb-I000011
-헬릭스 구조에서 우세하지 않은 것을 확인할 수 있다.
Figure PCTKR2019006023-appb-I000012
-아밀로이드의 본래 2차 구조인
Figure PCTKR2019006023-appb-I000013
-헬릭스 구조는 잘못 폴딩(folding)되는 경향이 있어,
Figure PCTKR2019006023-appb-I000014
-아밀로이드가 올리고마화 될 수 있다.
잘못 폴딩되는
Figure PCTKR2019006023-appb-I000015
-아밀로이드는 종종 다른 정상 단백질과 상호 작용하여 독성을 일으킬 수 있다.
Figure PCTKR2019006023-appb-I000016
-아밀로이드의 농도가 낮을 때 α-헬릭스 구조를 가진 정상
Figure PCTKR2019006023-appb-I000017
- 아밀로이드가 주로 존재하기 때문에, SERS 분석 결과 1270cm-1에서 강한 밴드를 확인할 수 있다.
그러나,
Figure PCTKR2019006023-appb-I000018
-아밀로이드의 농도가 증가함에 따라 잘못 폴딩된
Figure PCTKR2019006023-appb-I000019
- 아밀로이드의 수가 증가하기 때문에.
Figure PCTKR2019006023-appb-I000020
-헬릭스에서 변형된 구조를 가지는
Figure PCTKR2019006023-appb-I000021
-아밀로이드의 농도가 증가함에 따라 1145cm-1 및 1390 cm-1에서 급격한 밴드 증가가 나타난 것으로 확인할 수 있다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 β-아밀로이드(β-amyloid) 농도 대비 SERS 강도를 도시한 그래프이다.
이때, 붉은색 그래프 개형은 1270cm-1에서의 강도, 검은색 그래프 개형 중 ● 데이터는 1390cm-1에서의 강도, 검은색 그래프 개형 중 ▲ 데이터는 1145cm-1에서의 강도를 의미한다.
도 20을 참조하면,
Figure PCTKR2019006023-appb-I000022
-아밀로이드의 농도가 증가함에 따라 1145cm-1 및 1390cm-1 대역에서의 라만 분석 신호 피크가 매우 강해지는 것을 확인할 수 있다.
아미드 S 밴드라 불리는 1390cm-1의 밴드는 Cα-H 벤딩에 의한 것이다.
아미드 S 밴드는 단백질이
Figure PCTKR2019006023-appb-I000023
-헬릭스와 같이 커다란 Cα-H 벤딩을 가지고 있을 때 라만 분석 신호 강도가 약한 것을 확인할 수 있다.
그러나,
Figure PCTKR2019006023-appb-I000024
-시트 구조 또는 무작위 코일과 같은 Cα-H 벤딩이 작은 구조에서 라만 분석 신호 강도가 강한 것을 확인할 수 있다.
Cα-C-N 변형으로 인한 1145cm-1에서의 밴드는
Figure PCTKR2019006023-appb-I000025
-헬릭스 구조가 변형될 때 라만 분석 신호가 강화되는 것을 확인할 수 있다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판의 타우 단백질(Tau protein) 농도에 따른 SERS 스펙트럼을 도시한 것이다.
Figure PCTKR2019006023-appb-I000026
-아밀로이드 외에 알츠하이머 병의 다른 바이오마커인 타우 단백질을 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판의 표면에 SERS로 관찰하였다.
타우 단백질은 인간의 뇌에 풍부하고 미세 소관을 안정화시키는데 관여한다.
비정상적인 타우 인산화(phosphorylation)는 폴리펩타이드가 스스로 응집되도록 하여 섬유화를 일으킨다.
타우 단백질은 6개의 다른 이성질체 중 441개의 아미노산으로 구성된 가장 긴 형태이다.
도 21을 참조하면, 타우 단백질의 매우 복잡한 화학 구조에도 불구하고 라만 스펙트럼은 농도가 증가함에 따라 같은 파수(wavenumber)에서 피크를 나타낸 것을 확인할 수 있다.
또한, 타우 단백질의 라만 스펙트럼에서 아미드 밴드와 같은 구조 정보를 포함하는 밴드는 명확하게 나타나지 않는 것을 확인할 수 있다.
타우 단백질의 2차 구조는 자연적으로 펼쳐지거나 본질적으로 무질서해지는데, 이는 폴리펩티드 사슬에서 2차 구조 (α-헬릭스와
Figure PCTKR2019006023-appb-I000027
-시트)의 함량이 낮다는 것을 의미한다.
따라서, 아미드 III 밴드는 고농도의 타우 단백질, 즉 10-7M의 타우 단백질일 때 거의 보이지 않는 것을 확인할 수 있다.
1390cm-1에서의 아미드 S 밴드의 출현 및 1145cm-1에서의 Cα-C-N 변형 밴드의 출현은 모두 무질서한 구조의 타우 단백질이 증가했기 때문인 것으로 확인할 수 있다.
β-아밀로이드와 비교하여, 방향족 아미노산의 라만 밴드는 타우 단백질의 경우에 잘 구별된다.
특히, 1000cm-1의 Phe(phenylalanine) 밴드는 구조 변화에 민감하지 않아 라벨없이 단백질의 정량 분석에 사용될 수 있다.
방향족 아미노산 또는 펩타이드 결합에 의한 다른 라만 밴드는 기존의 문헌에 기초하여 지정되었다.
상술한 바와 같이, 단백질의 라벨-프리 SERS 측정에 사용될 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판은 간단한 분광 분석으로 SERS의 단백질 구조 분석이 가능하도록 한다.
섬세한 시료 준비 및 복잡한 분석 절차가 필요한 NMR, SAXS(소형 X 선 산란) 및 저온 EM과 같은 기존의 분석 방법과 비교할 때 본 발명에 따른 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판을 이용한 SERS 측정의 장점이 더 명확한 것을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (20)

  1. 기판;
    마스터 몰드의 패턴이 복제된 고분자 몰드 상에 적층된 단일 층의 금속 나노와이어 어레이가 상기 기판 상에 전사되어 서로 수직하도록 교대로 반복 형성된 멀티 스택의 금속 나노와이어 어레이를 포함하는 3차원 나노 구조체; 및
    상기 3차원 나노 구조체 상에 존재하는 상기 고분자 몰드의 잔존물이 기능화되어 타겟 피분석물을 고정화 하는 기능화된 카르복실산
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 나노 구조체 상에 존재하는 상기 고분자 박막의 잔존물은 기능화 공정을 통해 카르복실산으로 기능화되는 것을 특징으로 하는 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기능화된 카르복실산은 상기 3차원 나노 구조체 상에 존재하는 상기 고분자 박막에 대한 RIE(reaction ion etching) 공정을 통해 카르복실산(-COOH)으로 기능화된 것을 특징으로 하는 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 나노 구조체는 상기 금속 나노와이어 어레이가 4회 내지 10회 적층된 것을 특징으로 하는 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 나노와이어 어레이에서 금속 나노와이어의 직경은 25nm 내지 50nm인 것을 특징으로 하는 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 나노 구조체는,
    패턴이 형성된 마스터 몰드 상에 코팅된 고분자 박막과 접착 필름을 이용하여 상기 고분자 몰드를 제조한 후, 상기 고분자 몰드 상에 상기 금속 나노와이어 어레이를 형성한 다음 상기 접착 필름과 상기 고분자 몰드 간 접착력을 선택적으로 약화시켜 상기 고분자 몰드 상의 상기 금속 나노와이어 어레이를 상기 기판 상에 전사시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 고분자 몰드는,
    상기 마스터 몰드 상에 형성된 상기 고분자 박막의 일면에 상기 접착 필름을 균일하게 부착한 후 상기 접착 필름이 부착된 상기 고분자 박막을 상기 마스터 몰드로부터 분리하여 제조되는 것을 특징으로 하는 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 금속 나노와이어 어레이는,
    상기 금속 나노와이어 어레이가 고분자 패드와 맞닿도록 상기 금속 나노와이어 어레이가 형성된 상기 고분자 몰드 및 상기 접착 필름을 상기 고분자 패드에 접촉시키고, 상기 금속 나노와이어 어레이가 상기 고분자 패드에 잔여하도록 상기 고분자 몰드 및 상기 접착 필름을 상기 고분자 패드로부터 분리한 다음, 상기 금속 나노와이어 어레이가 상기 기판과 맞닿도록 상기 금속 나노와이어 어레이가 잔여하는 상기 고분자 패드를 상기 기판에 접촉시켜 상기 고분자 패드를 상기 기판으로부터 분리하여 전사되는 것을 특징으로 하는 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판.
  9. 기판;
    마스터 몰드의 패턴이 복제된 고분자 몰드 상에 적층된 단일 층의 금속 나노와이어 어레이가 상기 기판 상에 전사되어 서로 수직하도록 교대로 반복 형성된 멀티 스택의 금속 나노와이어 어레이를 포함하는 3차원 나노 구조체; 및
    상기 3차원 나노 구조체 상에 존재하는 상기 고분자 몰드의 잔존물이 기능화되어 타겟 피분석물을 고정화 하는 기능화된 카르복실산
    을 포함하며,
    상기 기능화된 카르복실산은 아민 커플링(amine coupling) 반응을 통해 아민기로 개질되어 상기 타겟 피분석물을 고정시키는 것을 특징으로 하는 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 3차원 나노 구조체 상에 존재하는 상기 고분자 박막의 잔존물은 기능화 공정을 통해 카르복실산으로 기능화되고,
    상기 기능화된 카르복실산은 상기 3차원 나노 구조체 상에 존재하는 상기 고분자 박막에 대한 RIE(reaction ion etching) 공정을 통해 카르복실산(-COOH)으로 기능화된 것을 특징으로 하는 카르복실산이 기능화된 3차원 SERS 기판.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 아민 커플링 반응은 EDC(1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimide) 및 NHS(N-hydroxysuccinimide)을 포함하는 커플링제를 상기 기능화된 카르복실산과 반응시켜 수행되는 것을 특징으로 하는 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 아민 커플링 반응은 4시간 내지 8시간 동안 4℃ 내지 10℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 타겟 피분석물은 β-아밀로이드(β-amyloid) 또는 타우 단백질(Tau protein)을 포함하는 것을 특징으로 하는 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 3차원 나노 구조체로부터 발생되는 라만 분석 신호는 상기 타겟 피분석물의 섬유성 연축(fibrillation) 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 타겟 피분석물의 농도는 10-12M 이상인 것을 특징으로 하는 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 3차원 나노 구조체는 상기 금속 나노와이어 어레이가 4회 내지 10회 적층된 것을 특징으로 하는 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판.
  17. 제9항에 있어서,
    상기 금속 나노와이어 어레이에서 금속 나노와이어의 직경은 25nm 내지 50nm인 것을 특징으로 하는 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판.
  18. 제9항에 있어서,
    상기 3차원 나노 구조체는,
    패턴이 형성된 마스터 몰드 상에 코팅된 고분자 박막과 접착 필름을 이용하여 상기 고분자 몰드를 제조한 후, 상기 고분자 몰드 상에 상기 금속 나노와이어 어레이를 형성한 다음 상기 접착 필름과 상기 고분자 몰드 간 접착력을 선택적으로 약화시켜 상기 고분자 몰드 상의 상기 금속 나노와이어 어레이를 상기 기판 상에 전사시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 고분자 몰드는,
    상기 마스터 몰드 상에 형성된 상기 고분자 박막의 일면에 상기 접착 필름을 균일하게 부착한 후 상기 접착 필름이 부착된 상기 고분자 박막을 상기 마스터 몰드로부터 분리하여 제조되는 것을 특징으로 하는 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 금속 나노와이어 어레이는,
    상기 금속 나노와이어 어레이가 고분자 패드와 맞닿도록 상기 금속 나노와이어 어레이가 형성된 상기 고분자 몰드 및 상기 접착 필름을 상기 고분자 패드에 접촉시키고, 상기 금속 나노와이어 어레이가 상기 고분자 패드에 잔여하도록 상기 고분자 몰드 및 상기 접착 필름을 상기 고분자 패드로부터 분리한 다음, 상기 금속 나노와이어 어레이가 상기 기판과 맞닿도록 상기 금속 나노와이어 어레이가 잔여하는 상기 고분자 패드를 상기 기판에 접촉시켜 상기 고분자 패드를 상기 기판으로부터 분리하여 전사되는 것을 특징으로 하는 카르복시산이 기능화된 3차원 SERS 기판.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230072291A (ko) * 2021-11-17 2023-05-24 한국과학기술원 나노 전사 프린팅 기반 sers 소자를 이용한 전기화학적 대사체 추출 방법 및 장치
WO2023090890A1 (ko) * 2021-11-17 2023-05-25 한국과학기술원 대사체 분류 및 분석을 위한 유전이동 기반 다이나믹 sers 나노소자

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113567416B (zh) * 2021-07-23 2023-11-24 南通大学 一种基于cmos模板及ps球图案化自组装的sers基底的制备方法及sers基底
KR20240042871A (ko) * 2022-09-26 2024-04-02 한국과학기술원 딥러닝 및 자기조립단층막 기반 알츠하이머병 진단 방법 및 이를 위한 sers 기판
KR20240071203A (ko) * 2022-11-15 2024-05-22 ㈜피코파운드리 복합 구조에 기반하는 표면증강라만산란 기판 및 그 제조방법
KR20240071204A (ko) * 2022-11-15 2024-05-22 ㈜피코파운드리 산화 억제층을 구비하는 표면증강라만산란 기판 및 그 제조방법

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110063610A1 (en) * 2009-09-11 2011-03-17 Ivanov Ilia N Design of large area substrate for surface enhanced raman spectroscopy (sers) using glass-drawing technique
US20130196449A1 (en) * 2012-01-17 2013-08-01 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Electrically driven devices for surface enhanced raman spectroscopy
KR20140140179A (ko) * 2013-05-28 2014-12-09 한국기계연구원 표면증강라만산란 분광용 기판 및 이의 제조방법
KR20170032093A (ko) * 2015-09-14 2017-03-22 한국과학기술원 나노전사 프린팅 방법 및 이를 이용하여 제작되는 sers 기판, sers 바이얼 및 sers 패치
KR20180069980A (ko) * 2016-12-15 2018-06-26 한국기계연구원 타겟 물질 검출용 표면증강 라만 분광용 기판, 및 이의 제조방법

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6886854B2 (ja) * 2017-04-13 2021-06-16 シスメックス株式会社 被検物質の情報取得方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110063610A1 (en) * 2009-09-11 2011-03-17 Ivanov Ilia N Design of large area substrate for surface enhanced raman spectroscopy (sers) using glass-drawing technique
US20130196449A1 (en) * 2012-01-17 2013-08-01 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Electrically driven devices for surface enhanced raman spectroscopy
KR20140140179A (ko) * 2013-05-28 2014-12-09 한국기계연구원 표면증강라만산란 분광용 기판 및 이의 제조방법
KR20170032093A (ko) * 2015-09-14 2017-03-22 한국과학기술원 나노전사 프린팅 방법 및 이를 이용하여 제작되는 sers 기판, sers 바이얼 및 sers 패치
KR20180069980A (ko) * 2016-12-15 2018-06-26 한국기계연구원 타겟 물질 검출용 표면증강 라만 분광용 기판, 및 이의 제조방법

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230072291A (ko) * 2021-11-17 2023-05-24 한국과학기술원 나노 전사 프린팅 기반 sers 소자를 이용한 전기화학적 대사체 추출 방법 및 장치
WO2023090890A1 (ko) * 2021-11-17 2023-05-25 한국과학기술원 대사체 분류 및 분석을 위한 유전이동 기반 다이나믹 sers 나노소자
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