WO2022158877A1 - 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판, 이의 제조방법, 및 이를 이용한 신속 분석방법 - Google Patents

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nanoplasmonic
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김동호
나종주
정호상
바푸어 안사아이리스
강미정
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한국재료연구원
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    • B82Y15/00—Nanotechnology for interacting, sensing or actuating, e.g. quantum dots as markers in protein assays or molecular motors

Definitions

  • the present invention relates to a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic complex structure, a method for manufacturing the same, and a rapid analysis method using the same. More specifically, the present invention induces an analyte molecule on the electrode by applying a voltage to a plasmonic electrode in an electrochemical cell containing an analyte and a metal precursor, and at the same time electrochemical deposition or electrodeposition To a substrate comprising a three-dimensional plasmonic nanostructure-target molecule composite thin film composed of a plasmonic nanostructure formed through the plasmonic nanostructure and an analyte, a manufacturing method thereof, and a rapid analysis method using the same.
  • the present invention relates to a rapid and sensitive pathogen detection apparatus and a pathogen analysis method using the same. More particularly, the present invention relates to a rapid and high-sensitivity pathogen detection apparatus capable of rapidly and highly sensitively detecting a pathogen such as a respiratory infection virus in the field, and a pathogen analysis method using the same.
  • Metal nanostructures such as gold and silver induce localized surface plasmon resonance (LSPR) between incident light and free electrons present inside the metal nanostructure, and the incident light is reflected by the sharp point of the metal nanostructure. It can be focused on the tip or the local space between the nanostructures.
  • LSPR localized surface plasmon resonance
  • Ultra-sensitive surface-enhanced Raman spectroscopy which amplifies the Raman signal of molecules adsorbed to these plasmonic hotspots by more than 10 6 times to detect trace amounts of harmful chemicals or biomarkers.
  • SERS surface plasmon resonance
  • Chemical and biomaterial detection using a SERS substrate is because a solution containing a target molecule is dropped on the SERS substrate and measured after drying, or a Raman signal is measured after inducing it to a hot spot through passive diffusion of the target molecule in the solution 5
  • a Raman signal is measured after inducing it to a hot spot through passive diffusion of the target molecule in the solution 5
  • a two-dimensional multilayer manufactured by forming a metal (Au or Ag) film and an insulating film on a flat substrate with a metal multilayer structure, and then applying metal nanoparticles synthesized in an aqueous solution or vacuum deposition of metal nanoparticles
  • Manufactured by a method of continuously depositing an insulating film and metal nanoparticles after forming Au-polymer nanopillars by vacuum-depositing a metal film on a metal nanostructure substrate (2) a substrate on which polymer nanopillars are formed It can be divided into a three-dimensional multilayer metal nanostructure substrate, (3) a three-dimensional nanoporous Au substrate, etc. through the selective removal of Ag after forming an Ag-Au film by vacuum deposition of Au and Ag at the same time.
  • a methylene blue molecule a probe molecule to be analyzed by SERS, can be inserted into the insulating layer, so a strong electromagnetic field concentration phenomenon formed in the nanogap between the Au nanoparticles and the Au film. It is possible to detect the ultra-sensitive SERS signal of methylene blue.
  • Documents related to the technique of (2) include a substrate having a plurality of nanogaps and a manufacturing method thereof described in Korean Patent No. 10-1639686.
  • the metal-containing nanoparticles can provide a highly sensitive SERS substrate by forming a plurality of nanogaps between the other metal-containing nanoparticles and the metal-containing thin film.
  • the above documents aim to provide a high-performance SERS substrate, and an additional analysis process is required for analysis.
  • RT-PCR reverse transcriptase polymerase chain reaction
  • SARS-CoV-2 severe acute respiratory syndrome coronavirus 2
  • RT-PCR reverse transcription PCR
  • samples collected from respiratory organs such as airways of suspected patients are collected, moved to the laboratory, and the samples are placed in a virus lysate (Lysis Buffer) for RNA extraction and purification.
  • the final diagnosis of infection is made by repeating PCR to amplify trace genes several tens of times to check the presence or absence of viral genes through fluorescence signals. Therefore, in the case of current RT-PCR, the total diagnostic time including sample preparation, pretreatment, gene amplification, and virus detection is about 4 hours or more.
  • the transfer time of the sample may increase depending on the situation, diagnostic reagents and diagnostic equipment for PCR are required, and an experienced expert is required for diagnosis.
  • an immunodiagnostic kit using an antigen-antibody reaction capable of shortening the diagnosis time has also been developed and commercialized.
  • false negatives by commercialized immunodiagnostic kits may cause serious problems that may exacerbate the transmission of SARS-CoV-2. Therefore, in order to prevent the spread of a large-scale infectious infection, it is essential to develop a rapid and high-sensitivity immunodiagnostic technology.
  • Another object of the present invention is to provide a device capable of real-time Raman signal analysis in the process of forming a three-dimensional nanoplasmonic complex thin film composed of plasmonic nanostructure-target molecules.
  • Another object of the present invention is to provide a method for efficiently manufacturing a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure.
  • Another object of the present invention is to provide a rapid analysis method using a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic complex structure.
  • Another object of the present invention is to provide an apparatus for detecting a pathogen, such as a virus, capable of on-site diagnosis with a small amount of sample by eliminating the sample transfer time for pathogen detection and not using gene amplification.
  • a pathogen such as a virus
  • Another object of the present invention is to provide an apparatus for detecting and analyzing a pathogen, such as an all-in-one type virus, with high analysis accuracy without expensive equipment for diagnosis and a highly skilled expert.
  • Another object of the present invention is to provide a method capable of detecting and analyzing pathogens such as respiratory infection viruses, etc. rapidly and with high sensitivity by enabling on-site diagnosis with a small amount of specimen.
  • the base substrate a plurality of metal-containing nanostructures formed on the base substrate; Plasmonic nanostructure formed on the metal-containing nanostructure- a three-dimensional nanoplasmonic composite thin film composed of a target molecule; is provided, a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure.
  • the plurality of metal-containing nanostructures may include at least one of a plurality of nanopillars and nanoprotrusions formed to be spaced apart on the base substrate; and a metal-containing thin film formed on the surface of at least one of the plurality of nanopillars and nanoprotrusions, wherein the metal-containing thin film may be composed of Au or an alloy thereof.
  • the plasmonic nanostructure may be a metal-containing nanoparticle.
  • the target molecule may be an organic molecule bound by a covalent bond or an electrostatic attraction.
  • the organic molecule may be a chemical substance or a pathogen.
  • the thickness of the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film may be 1 nm to 100 nm.
  • the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film may be formed by a solution process.
  • the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film may be formed by electrochemical deposition.
  • the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film may be three-dimensional porous.
  • the nanostructures are subjected to ion beam treatments, plasma etching, soft lithography, nanoimprint lithography, photo lithography, or alone. It may be formed by holographic lithography.
  • the ion beam treatment may be performed using an ion beam composed of carbon, oxygen, nitrogen, fluorine, argon, chlorine, sulfur, or a compound thereof.
  • the base substrate on which the metal-containing nanostructures described above are formed an electrochemical cell accommodating the base substrate and the electrolyte; a reference electrode and a counter electrode provided in the electrochemical cell; a power supply for applying a voltage between the metal-containing nanostructure as the working electrode and the counter electrode; a light source irradiating light to the base substrate; and a detector for detecting a Raman spectroscopic signal; including, an electrochemical deposition-Raman analysis fusion system is provided.
  • the metal-containing nanostructure as the working electrode may be Au nanopillars.
  • a plasmonic nanostructure when a voltage is applied, a plasmonic nanostructure is formed on the metal-containing nanostructure formed on the base substrate - a three-dimensional nanoplasmonic composite thin film composed of a target molecule, and the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film is It may be formed by electrochemical deposition of plasmonic nanostructures on a plurality of metal-containing nanostructures formed on the base substrate and chemical bonding or electrostatic attraction of target molecules.
  • the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film is electrochemical deposition of the precursor HAuCl 4 ; and chemical bonding or electrostatic attraction between Au and target molecules.
  • the electrochemical deposition-Raman analysis fusion system enables Raman analysis simultaneously with the formation of a three-dimensional nanoplasmonic composite thin film by electrochemical deposition.
  • the electrochemical deposition-Raman analysis fusion system can perform Raman analysis within 1 minute.
  • a voltage of -0.1 to 0.5 V may be applied to the electrochemical deposition-Raman analysis fusion system.
  • the detection limit of the electrochemical deposition-Raman analysis fusion system may be 1 ppb or less.
  • a base substrate on which the metal-containing nanostructures described above are formed in an electrochemical cell i) preparing an electrolyte containing a precursor and a target molecule of a plasmonic nanostructure in the electrochemical cell; and iii) applying a voltage to the electrode to form a plasmonic nanostructure on the metal-containing nanostructure-a three-dimensional nanoplasmonic composite thin film composed of a target molecule; including, including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure
  • a method of manufacturing a substrate is provided.
  • the electrolyte may include HAuCl 4 and a target molecule.
  • the electrochemical deposition may be performed by applying a voltage between the metal-containing nanostructure as the working electrode and the counter electrode.
  • the voltage applied in step iii) may be -0.1 to 0.5 V.
  • preparing a base substrate on which the metal-containing nanostructures described above are formed in the electrochemical cell of the electrochemical deposition system ii) preparing an electrolyte containing a precursor and a target molecule of a plasmonic nanostructure in the electrochemical cell; iii) applying a voltage to the electrode to form a three-dimensional nanoplasmonic composite thin film composed of a plasmonic nanostructure-target molecule on the metal-containing nanostructure; and iv) performing Raman analysis by irradiating a light source to the base substrate on which the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film is formed.
  • a base substrate comprising a concave curved nanodimple and a raised nanotip formed at a contact point between the nanodimple; and a plasmonic continuous thin film having a curved surface formed on the base substrate.
  • the pathogen material may be dissolved in a virus solution.
  • the pathogen is a virus
  • the pathogen material may be one or more of a spike protein and a surface protein of a virus.
  • the pathogen may be a respiratory infection virus
  • the respiratory infection virus may be SARS-CoV-2 or influenza virus.
  • the aspect ratio of the plasmonic nanodimples of the plasmonic continuous thin film may be 1.5 or more.
  • the thickness of the three-dimensional nano-plasmonic composite thin film may be 10 nm to 150 nm.
  • the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film may be formed by a solution process.
  • the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film may be formed by electrochemical deposition.
  • a base substrate comprising a concave curved nanodimple and a raised nanotip formed at a contact point between the nanodimple; and a plasmonic continuous thin film having a curved surface formed on the base substrate.
  • a pathogen material dissolved in a virus solution is added to the electrolyte, and the pathogen material may include one or more of pathogen proteins and genes.
  • a pathogen material layer composed of a pathogen material formed on the substrate on which the plasmonic nanostructure is formed; and a three-dimensional nanoplasmonic composite thin film; the pathogen material layer; and the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film; electrochemical deposition of plasmonic nanostructures on the plasmonic nanostructures formed on the substrate on which the plasmonic nanostructures are formed; and chemical bonding or electrostatic attraction of pathogenic substances.
  • the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film is electrochemical deposition of the precursor HAuCl 4 ; and chemical bonding or electrostatic attraction between Au and the pathogen material; may be formed by.
  • the electrochemical deposition-Raman analysis fusion system of the present application may simultaneously perform Raman analysis with the formation of a pathogen material layer and a three-dimensional nanoplasmonic composite thin film by electrochemical deposition.
  • Raman analysis may be possible within 1 minute.
  • a voltage of -0.5 to 0.5 V may be applied.
  • the electrolyte solution may include HAuCl 4 and a pathogen material dissolved in a virus solution.
  • electrochemical deposition may be performed by applying a voltage between the counter electrode and the substrate on which the plasmonic nanostructure as the working electrode is formed in step I-iii).
  • the voltage applied in step I-iii) may be -0.5 to 0.5 V.
  • a voltage is applied to a plasmonic electrode to induce an analyte molecule on the electrode, and at the same time electrochemical deposition or electrodeposition is performed.
  • a plasmonic nanostructure-target molecule composite thin film composed of a three-dimensional plasmonic nanostructure and an analyte can be formed, thereby providing a substrate for optical analysis.
  • the Raman signal in real time during the process of forming the three-dimensional plasmonic-target molecule complex thin film, so that the Raman signal of the target molecule is rapidly generated while forming the three-dimensional plasmonic-target molecule complex thin film.
  • An electrochemical deposition-Raman analysis fusion system that can be analyzed can be provided.
  • a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic complex structure capable of rapid analysis can be efficiently manufactured.
  • a real-time Raman spectroscopy analysis method may be provided using the substrate including the three-dimensional plasmonic-target molecule complex structure.
  • a metal nanostructure such as gold or silver induces a resonance phenomenon (localized surface plasmon resonance, LSPR) between incident light and free electrons present inside the metal nanostructure, and the incident light can be focused on the pointed tip of metal nanostructures or local spaces between nanostructures.
  • LSPR localized surface plasmon resonance
  • a super-sensitive Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) substrate capable of detecting trace amounts of pathogenic substances by amplifying the Raman signal of molecules adsorbed to these plasmonic hotspots by more than 10 7 times. can provide
  • the pathogen detection apparatus of the present application can perform SERS analysis by capturing proteins and genes dissolved in a virus lysate, enabling rapid on-site diagnosis with a small amount of sample. That is, since pretreatment and PCR are not required, it is possible to shorten the sample transfer time for pathogen detection and the time for gene amplification. Therefore, rapid on-site pathogen detection is possible, effectively blocking the spread of pathogens such as viruses.
  • the pathogen detection and analysis apparatus of the present application is an all-in-one type apparatus with high accuracy that does not require expensive equipment and highly skilled experts, and enables rapid and accurate detection and diagnosis of pathogens such as viruses.
  • the pathogen detection and analysis method of the present application enables on-site diagnosis with a small amount of specimen, so that the pathogen can be detected and analyzed quickly and with high sensitivity within 10 minutes.
  • the method for detecting and diagnosing a pathogen of the present application may detect, classify, and analyze respiratory infection viruses such as SARS-CoV-2 and influenza.
  • FIG. 1 schematically shows an electrochemical deposition-Raman analysis fusion system capable of analyzing a Raman signal in real time during an electrochemical deposition process in an electrochemical cell including an analyte and a metal precursor according to an embodiment of the present invention It is a drawing.
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating an analysis process for rapid detection of a target molecule within 1 minute using the electrochemical deposition-Raman analysis fusion system of FIG. 1 as a change in the nanopillar surface shape.
  • FIG 3 is a SERS signal mapping photograph according to time during the Au electrochemical deposition process in an electrolyte containing 10 ppb thiabenzole (TBZ) according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a graph comparing the SERS signal intensity of TBZ molecules measured according to an electrochemical deposition applied voltage in an electrolyte containing 10 ppb TBZ and 3 mM HAuCl 4 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a graph comparing the TBZ SERS signal intensity according to the change in HAuCl 4 concentration when +0.3 V voltage is applied to an aqueous solution containing 10 ppb TBZ and different HAuCl 4 concentrations according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a graph comparing the SERS signal intensity measured according to the TBZ concentration according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a calibration curve graph showing the TBZ characteristic peak signal intensity according to the TBZ concentration according to an embodiment of the present invention.
  • SEM scanning electron microscope
  • FIG. 9 shows an electrochemical deposition process for 30 seconds by applying +0.3 V to the inside of an electrochemical cell containing 1 ppm TBZ and 3 mM HAuCl 4 using the Au nanopillar substrate according to an embodiment of the present invention. It is a SEM picture of the formed Au nanopillar electrode.
  • FIG. 10 shows an electrochemical deposition process for 30 seconds by applying +0.3 V to the inside of an electrochemical cell containing 1 ppm TBZ and 3 mM HAuCl 4 using the Au nanopillar substrate according to an embodiment of the present invention. It is a TEM (transmission electron microscope) photograph of the formed Au substrate.
  • FIG. 11 shows an electrochemical deposition process for 30 seconds by applying +0.3 V to the inside of an electrochemical cell containing 1 ppm TBZ and 3 mM HAuCl 4 using the Au nanopillar substrate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 shows an electrochemical deposition process for 30 seconds by applying +0.3 V to the inside of an electrochemical cell containing 1 ppm TBZ and 3 mM HAuCl 4 using the Au nanopillar substrate according to an embodiment of the present invention. It is a graph of the chemical analysis result measured in the depth direction (depth profiling).
  • FIG. 13 is a diagram schematically illustrating an analysis process for rapid viral SERS detection within 1 minute according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a SERS signal mapping photograph according to the Au electrochemical deposition time in an electrolyte containing 1 ⁇ g/mL H1N1 influenza virus and 3 mM HAuCl 4 according to an embodiment of the present invention.
  • 15 is a graph comparing the SERS signal intensity measured according to the H1N1 influenza virus concentration according to an embodiment of the present invention.
  • 16 is a calibration curve graph showing the SERS characteristic peak signal intensity according to the H1N1 influenza virus concentration according to an embodiment of the present invention.
  • 17 is a SERS signal of H1N1 influenza virus (concentration 1 ⁇ g/mL) and hemagglutinin (concentration 1 ⁇ g/mL) and neuramidase (concentration 1 ⁇ g/mL), which are surface proteins of the influenza virus, according to an embodiment of the present invention; It is a graph comparing the SERS signal of neuraminidase, concentration 1 ⁇ g/mL).
  • 19 is a SEM photograph of the Au substrate measured after performing an electrochemical deposition process for 8 minutes by applying an electrolyte containing 1 ⁇ g/mL H1N1 influenza virus and 3 mM HAuCl 4 at +0.3 V.
  • 20 is an SEM photograph of the Au substrate measured after performing an electrochemical deposition process for 8 minutes by applying an electrolyte containing 1 ⁇ g/mL neuraminidase protein and 3 mM HAuCl 4 at +0.3 V. .
  • 21 is a diagram schematically illustrating a problem of a method for detecting a respiratory virus by conventional RT-PCR.
  • FIG. 22 is a schematic diagram illustrating a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic complex structure in which pathogen proteins and genes are captured according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 23 is a schematic diagram of an electrochemical deposition-Raman analysis fusion system capable of analyzing a Raman signal in real time during an electrochemical deposition process in an electrochemical cell including a virus solution and a metal precursor according to an embodiment of the present invention the drawing shown.
  • FIG. 24 is an image schematically illustrating a process in which a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure is formed from a base substrate through a substrate on which a plasmonic nanostructure is formed according to an embodiment of the present invention.
  • 25 is a photograph showing a substrate on which a base substrate and a plasmonic nanostructure are formed according to an embodiment of the present invention.
  • 26 is a diagram schematically illustrating an analysis process for rapid detection of viral proteins and genes using the electrochemical deposition-Raman analysis fusion system of FIG. 2 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 27 is a SERS signal mapping photograph according to the Au electrochemical deposition time in an electrolyte containing SARS-CoV-2 virus lysate and 3 mM HAuCl 4 according to an embodiment of the present invention.
  • 29 is a graph comparing the intensity of the SERS signal according to the concentration of the SARS-CoV-2 virus lysate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 30 is a calibration curve graph showing the signal intensity of the SERS characteristic peak according to the concentration of the SARS-CoV-2 virus lysate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 31 is a graph comparing the SERS signal intensity measured using a mixture of SARS-CoV-2 virus lysate and H1N1 influenza virus lysate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 32 is a SEM photograph of a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure after an electrochemical deposition process in an electrochemical cell containing a virus lysate and a metal precursor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 33 is an AFM photograph of a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure after an electrochemical deposition process in an electrochemical cell containing a virus lysate and a metal precursor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 34 is a TEM photograph of a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure after an electrochemical deposition process in an electrochemical cell containing a virus lysate and a metal precursor according to an embodiment of the present invention.
  • 35 is a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure after an electrochemical deposition process in an electrochemical cell containing various concentrations of SARS-CoV-2 virus lysate and a metal precursor according to an embodiment of the present invention; SEM picture.
  • FIG. 1 schematically shows an electrochemical deposition-Raman analysis fusion system capable of analyzing a Raman signal in real time during an electrochemical deposition process in an electrochemical cell including an analyte and a metal precursor according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating an analysis process for rapid detection of a target molecule within 1 minute using the electrochemical deposition-Raman analysis fusion system of FIG. 1 as a change in the nanopillar surface shape.
  • the substrate including a three-dimensional nano-plasmonic composite thin film is a base substrate 10; a plurality of metal-containing nanostructures 20 formed on the base substrate 10; and a plasmonic nanostructure formed on the metal-containing nanostructure 20 - a three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 30 composed of a target molecule.
  • the base substrate 10 may be formed of a polymer, glass, ceramic, metal, paper, resin, silicon, or metal oxide.
  • the plurality of metal-containing nanostructures 20 may include at least one of a plurality of nanopillars and nanoprotrusions formed spaced apart on the base substrate 10; and a metal-containing thin film formed on the surface of at least one of the plurality of nanopillars and nanoprotrusions.
  • the nanopillars or nanoprotrusions may be formed by processing the base substrate 10 and may be made of the same material as the base substrate 10 .
  • the base substrate 10 may be suitable for a polymer that can easily form nanopillars or nanoprotrusions.
  • PET polyethylene terephthalate
  • the metal-containing nanostructure 20 may be composed of Au or a noble metal alloy thereof, and may be coated with Au or a noble metal alloy thereof on the nanopillars or nanoprotrusions formed on the base substrate 10 . Although not limited thereto, the nanopillar form may be more suitable.
  • the metal-containing nanostructure 20 serves as a working electrode during electrochemical deposition.
  • the metal-containing nanostructure 20 may be subjected to ion beam treatments, plasma etching, soft lithography, nanoimprint lithography, photo lithography, or holographic methods. It may be formed by lithography (holographic lithography).
  • the ion beam treatment may be performed using an ion beam composed of carbon, oxygen, nitrogen, fluorine, argon, chlorine, sulfur, or a compound thereof.
  • the target molecule to be analyzed is adsorbed to form a three-dimensional porous composite thin film integrally with the three-dimensional plasmonic nanostructure, so that the Raman signal of the adsorbed molecule can be enhanced.
  • the substrate formation and analysis process for spectroscopic analysis can be performed integrally, rapid on-site diagnosis is possible, an additional analysis process is unnecessary, and real-time Raman monitoring is possible.
  • the plasmonic nanostructure may be a metal-containing nanoparticle and a metal-containing thin film comprising the same.
  • the plasmonic nanostructure may be nanoparticles of Au and an alloy thereof.
  • the plasmonic nanostructure is formed by electrochemical deposition.
  • the target molecule is not particularly limited as long as it can form a composite thin film with the plasmonic nanostructure as a molecule of the analyte material. It may be an organic molecule coupled to the plasmonic nanostructure by a covalent bond or an electrostatic attraction.
  • the organic molecule may be a chemical substance or a pathogen.
  • the organic molecule is not particularly limited as long as it can form a covalent bond with the plasmonic nanostructure.
  • the organic molecule may be thiabenzole (TBZ).
  • TTZ thiabenzole
  • the pathogen is not particularly limited as long as it can bind to the plasmonic nanostructure 30 by electrostatic attraction.
  • the pathogen may be a pathogenic virus or bacteria.
  • the virus may be H1N1 influenza virus, and may be a surface protein of the virus.
  • the surface protein may be hemagglutinin or neuraminidase.
  • the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 30 may have a thickness of 1 nm to 100 nm.
  • the thickness of the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 30 is less than 1 nm, it may be difficult to form the composite thin film and furthermore, it may be difficult to form a three-dimensional porous form, so that the Raman signal enhancement effect may not occur.
  • the thickness of the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 30 is more than 100 nm, the improvement of the Raman signal enhancement effect according to the increase in thickness may be insignificant, and economic efficiency may be lowered.
  • the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 30 may be formed by a solution process. Furthermore, the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 30 may be formed by electrochemical deposition.
  • the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 30 may be porous. As described above, in the process of forming the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 30, target molecules to be analyzed are adsorbed to form a porous composite thin film. In addition, a pit (32 in FIG. 13) may be formed on the surface of the porous composite thin film 30. Due to the above-described structure, the density of the nanogap is increased and the target molecule is present inside the three-dimensional porous plasmonic nanostructure, so that the Raman signal enhancement effect can be improved.
  • the electrochemical deposition-Raman analysis fusion system 200 includes a base substrate 100 on which the metal-containing nanostructures 20 described above are formed; an electrochemical cell 210 accommodating the base substrate 100 and the electrolyte; a counter electrode 220 and a reference electrode 230 provided in the electrochemical cell 210; a power source 240 for applying a voltage between the metal-containing nanostructure 20 as a working electrode and the counter electrode 220; a light source 300 irradiating light to the base substrate 100; and a detector for detecting a Raman spectral signal.
  • the metal-containing nanostructure 20 as the working electrode may be Au nanopillars.
  • the base substrate 100 on which the metal-containing nanostructure 20 as the working electrode is formed is connected to the power source 240 and the conductive wire 250 .
  • the counter electrode 220 is an electrode for allowing a current to flow through the electrolyte between the working electrodes and causing a reaction at the interface between the working electrode and the electrolyte.
  • the counter electrode may be a Pt electrode.
  • the reference electrode 230 is a reference electrode when determining the potential of the working electrode.
  • the reference electrode 230 may be an Ag/AgCl electrode.
  • a plasmonic nanostructure- a three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 30 composed of a target molecule is formed on the metal-containing nanostructure 20 formed on the base substrate, and the three-dimensional The nanoplasmonic composite thin film 30 is formed by electrochemical deposition of plasmonic nanostructures on a plurality of metal-containing nanostructures 20 formed on the base substrate 10; and chemical bonding or electrostatic attraction between target molecules.
  • the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 30 is a precursor HAuCl 4 electrochemical deposition; and chemical bonding or electrostatic attraction between Au and target molecules.
  • concentration of HAuCl 4 may be 0.5 to 100 mM in terms of electrochemical deposition and Raman signal enhancement.
  • the electrochemical deposition-Raman analysis fusion system 200 enables Raman analysis at the same time as the formation of the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 30 by electrochemical deposition.
  • the electrochemical deposition-Raman analysis fusion system 200 enables Raman analysis within 1 minute.
  • electrochemical deposition is performed to form a three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 30 and at the same time it may take 50 seconds to obtain the Raman analysis result. .
  • a voltage of -0.1 to 0.5 V may be applied to the electrochemical deposition-Raman analysis fusion system.
  • the electrochemical deposition-Raman analysis fusion system may have a detection limit of 1 ppb or less, and a minimum of 0.05 ppb or less.
  • the light source 300 and the detector may use a light source and a detector of a known Raman spectroscopy apparatus.
  • the method for manufacturing a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure is i) an electrochemical deposition-Raman analysis fusion system 200 in the electrochemical cell 210 of the metal-containing nano preparing the base substrate 100 on which the structure 20 is formed; ii) preparing an electrolyte containing a precursor and a target molecule of a plasmonic nanostructure in the electrochemical cell 210; and iii) applying a voltage to the electrode to form a three-dimensional plasmonic composite thin film 30 composed of a plasmonic nanostructure-target molecule on the metal-containing nanostructure 20 .
  • step i) the base substrate 100 on which the metal-containing nanostructure 20 described above is formed is disposed in the electrochemical cell 210 of the electrochemical deposition-Raman analysis fusion system 200 and prepared.
  • an electrolyte including a precursor and a target molecule of a plasmonic nanostructure is prepared in the electrochemical cell 210 .
  • the electrolyte may include HAuCl 4 and a target molecule.
  • step iii) a voltage is applied to the electrode to form a three-dimensional plasmonic composite thin film 30 on the metal-containing nanostructure 20 .
  • the electrochemical deposition may be performed by applying a voltage between the metal-containing nanostructure 20 as the working electrode and the counter electrode 220 .
  • the voltage applied in step iii) may be -0.1 to 0.5 V.
  • the voltage range may be suitable in terms of electrochemical deposition and Raman signal enhancement.
  • step i) the base substrate 100 on which the metal-containing nanostructure 20 described above is formed is disposed in the electrochemical cell 210 of the electrochemical deposition-Raman analysis fusion system 200 and prepared.
  • an electrolyte including a precursor and a target molecule of a plasmonic nanostructure is prepared in the electrochemical cell 210 .
  • the electrolyte may include HAuCl 4 and a target molecule.
  • step iii) a voltage is applied to the electrode to form a three-dimensional plasmonic composite thin film 30 on the metal-containing nanostructure 20 .
  • the electrochemical deposition may be performed by applying a voltage between the metal-containing nanostructure 20 as the working electrode and the counter electrode 220 .
  • the voltage applied in step iii) may be -0.1 to 0.5 V.
  • the voltage range may be suitable in terms of electrochemical deposition and Raman signal enhancement.
  • Step iv) Raman spectroscopic analysis is performed by irradiating a light source 300 to the base substrate 100 on which the three-dimensional plasmonic composite thin film 30 is formed.
  • the Raman spectroscopic analysis may be performed using a known light source and detector.
  • the Raman spectroscopic analysis method of the present application can simultaneously perform Raman spectroscopic analysis in real time with the formation of a substrate for target molecule adsorption and spectroscopic analysis.
  • a working electrode made of Au nanopillars is located under the electrochemical cell, and harmful molecules to be analyzed (eg, thiabendazole, TBZ) are located inside the electrochemical cell. ) and an electrolytic solution containing an Au precursor (HAuCl 4 ) for forming an Au electrochemical deposition thin film.
  • Au electrochemical deposition and Raman spectroscopy analysis can be simultaneously performed in the electrolyte. Therefore, real-time field analysis monitoring is possible.
  • Raman spectroscopy analysis has been mainly described, but the substrate of the present application is not excluded from being utilized in various spectroscopic analysis methods.
  • 22 is a schematic diagram illustrating a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic complex structure in which pathogen proteins and genes are captured according to an embodiment of the present invention.
  • 23 schematically illustrates an electrochemical deposition-Raman analysis fusion system capable of analyzing a Raman signal in real time during an electrochemical deposition process in an electrochemical cell including a virus lysate and a metal precursor according to an embodiment of the present invention the drawing shown.
  • 24 is an image schematically illustrating a process in which a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure is formed from a base substrate through a substrate on which a plasmonic nanostructure is formed according to an embodiment of the present invention.
  • 25 is a photograph showing a substrate on which a base substrate and a plasmonic nanostructure are formed according to an embodiment of the present invention.
  • the substrate including the three-dimensional nano-plasmonic composite structure of the present application, a base substrate 110; And, a plasmonic nanostructure including a continuous thin film 120;
  • the substrate is formed (1100); pathogen material layer 126; and a three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 128 .
  • the base substrate 110 includes a concave curved nanodimple 112 and a raised type (hereinafter, may be used interchangeably with "convex") nanotips 114 formed at the contact point between the nanodimples 112 . is composed
  • the nano-dimples 112 formed on the base substrate 110 may have a side inclination angle of 30 to 60 degrees, and an aspect ratio of the nano-dimples 112 may be 1.5 or more.
  • the aspect ratio of the plasmonic nanodimples 122 of the plasmonic continuous thin film 120 is 1.5 or more, and the side inclination angle of the plasmonic nanodimples 122 is easily formed to be 30 to 60 degrees.
  • the plasmonic continuous thin film 120 is formed to have a curved surface on the base substrate 110, and includes a plasmonic nanostructure.
  • the plasmonic nanostructure includes a plasmonic nanodimple 122 formed at a position corresponding to the nanodimple 112 and a plasmonic nanotip 124 formed at a position corresponding to the nanotip 114 . do.
  • the aspect ratio of the plasmonic nanodimples 122 is 1.5 or more, the light incident by the curvature of the plasmonic nanodimples 122 is focused into the inner space of the 3D plasmonic nanodimples 122 .
  • the base substrate 110 may be made of at least one selected from polymer, glass, silicon, and paper. Although not limited thereto, the base substrate 110 made of a polymer may be suitable for forming the nanodimples 112 and the nanotips 114 having a predetermined shape of the present application.
  • the surface density of the nanodimples 112 formed on the base substrate 110 may be 30/ ⁇ m 2 to 80/ ⁇ m 2 .
  • the surface density of the nanodimples 112 formed on the base substrate 110 is less than 30/ ⁇ m 2 , the increase in the volume of three-dimensional hotspots and the amplification effect of the SERS signal may not be sufficient, and 80/ ⁇ m 2 In the case of excess, it is difficult to form a plasmonic continuous thin film having a curved surface according to the excess of the surface density of the nanodimples 112, so that a flat film can be formed.
  • the surface density of the nanotips 114 formed on the base substrate 110 may be 40/ ⁇ m 2 to 90/ ⁇ m 2 .
  • the surface density of the nanotip 114 formed on the base substrate 110 is less than 40/ ⁇ m 2 , the increase in the volume of three-dimensional hotspots and the amplification effect of the SERS signal may not be sufficient, and more than 90/ ⁇ m 2 In the case of , it is difficult to form spaced apart plasmonic nanotips according to an excess of the surface density of the nanotips 114, so that an increase in the volume of three-dimensional hotspots and an amplification effect of the SERS signal may be insignificant.
  • the nanodimples 112 and nanotips 114 may be subjected to ion beam treatments, plasma etching, soft lithography, nanoimprint lithography, or photo lithography. ) may be formed. Although not limited thereto, it may be suitable for the nanodimples 112 and the nanotips 114 to be formed by ion beam treatments. This is easily achieved by ion beam treatment so that the aspect ratio of the plasmonic nanodimples 122 of the plasmonic continuous thin film 120 is 1.5 or more, and the side inclination angle of the plasmonic nanodimples 122 is 30 to 60 degrees. Because it can be formed.
  • the ion beam may be an ion beam of oxygen, argon, krypton, xenon, nitrogen, hydrogen, or a group of one or more mixed particles thereof. Although not limited thereto, it may be suitable to be formed using the ion beam composed of oxygen. According to the oxygen ion beam treatment, the aspect ratio of the plasmonic nanodimples 122 of the plasmonic continuous thin film 120 is 1.5 or more, and the side inclination angle of the plasmonic nanodimples 122 is easily 30 to 60 degrees. Because it can be formed.
  • the plasmonic continuous thin film 120 is substantially uniformly formed on the base substrate 110 , so that the plasmonic continuous thin film 120 has a concave curved plasmonic nanodimple 122 . ) and the raised plasmonic nanotip 124 formed at the contact point between the plasmonic nanodimples 122 at the same time.
  • the plasmonic continuous thin film 120 includes a concave curved plasmonic nanodimple 122 and a raised plasmonic nanotip 124 formed at the contact point between the plasmonic nanodimple 122 at the same time, plasmonic Light can be focused inside the nanodimples 122 and the total volume of hotspots can be increased by the lightning rod effect by the plasmonic nanotips 124, thereby greatly amplifying the SERS signal. can do.
  • the incident light can be effectively focused inside the plasmonic nanodimples 122, so that three-dimensional hotspots are formed. volume can be increased.
  • a side inclination angle of the plasmonic nanodimples 122 of the plasmonic continuous thin film 120 may be 30 degrees to 60 degrees.
  • the SERS characteristics can be greatly improved by the focusing effect of light and the concentration of pathogen substances due to the curvature caused by the inclination angle of the nanodimples 122 as described above.
  • the substrate including the plasmonic continuous thin film 120 of the present application having the above configuration can focus the light incident by the curvature inside the 3D plasmonic nanodimples 122 inside the nanodimples, so that the 3D hot spot It is possible to provide a substrate for an ultra-sensitive spectroscopic sensor that can be analyzed by increasing the volume of hotspots and concentrating trace samples in three-dimensional hotspots. Therefore, conventional pretreatment and PCR amplification of the specimen for detection of trace pathogens are not required, and prompt on-site diagnosis may be possible.
  • the diameter of the plasmonic nanodimples 122 of the plasmonic continuous thin film 120 may be 10 nm to 150 nm. If the diameter of the plasmonic nanodimples 122 of the plasmonic continuous thin film 120 is less than 10 nm or greater than 150 nm, the light cannot be effectively focused, so the amplification effect of the SERS signal may not be sufficient.
  • the surface density of the plasmonic nanodimples 122 of the plasmonic continuous thin film 120 may be 30/ ⁇ m 2 to 80/ ⁇ m 2 .
  • the surface density of the plasmonic nanodimples 122 formed on the plasmonic continuous thin film 120 is less than 30/ ⁇ m 2 , the increase in the volume of three-dimensional hotspots and the amplification effect of the SERS signal may not be sufficient, In the case of more than 80/ ⁇ m 2 , it is difficult to form a plasmonic continuous thin film having a curved surface according to the excess of the surface density of the nanodimples 112, so that a flat film can be formed. The amplification effect may be negligible.
  • the surface density of the plasmonic nanotip 124 of the plasmonic continuous thin film 120 may be 40/ ⁇ m 2 to 90/ ⁇ m 2 .
  • the surface density of the plasmonic nanotip 124 formed on the plasmonic continuous thin film 120 is less than 40/ ⁇ m 2 , the increase in the volume of three-dimensional hotspots and the amplification effect of the SERS signal may not be sufficient, 90 If / ⁇ m 2 is more than, it is difficult to form spaced plasmonic nanotips 124 according to the excess of the surface density of the plasmonic nanotips 124. have.
  • the thickness of the plasmonic continuous thin film 120 may be 50 nm to 200 nm.
  • the thickness of the plasmonic continuous thin film 120 is less than 50 nm, the incident laser light cannot be effectively focused inside the curvature space, so that effective LSPR characteristics cannot be expressed. ) is filled and becomes a flat substrate, so that the increase in the volume of three-dimensional hotspots and the amplification effect of the SERS signal may not be sufficient, and also expensive Au may be wasted economically.
  • the plasmonic continuous thin film 120 may be formed by vapor deposition or a solution process.
  • the plasmonic continuous thin film 120 may be formed using a known vapor deposition or solution process.
  • the plasmonic continuous thin film 120 may be a metal-containing thin film.
  • the metal may be Au, Ag, Cu, Al, Pt, Pd, Ti, Rd, Ru, or an alloy thereof. Although not limited thereto, Au or Ag may be suitable as the metal.
  • It may further include metal-containing nanoparticles formed on the metal-containing thin film.
  • metal-containing nanoparticles formed on the metal-containing thin film.
  • An insulating layer formed on the metal-containing thin film and an additional metal-containing thin film may be further included.
  • a plurality of nanogaps such as nanogaps between the metal-containing thin film and the metal-containing thin film can be formed to increase the volume of three-dimensional hotspots, thereby greatly amplifying the SERS signal.
  • the insulating layer may be formed of 1H, 1H, 2H, 2H -Perfluorodecanethiol (PFDT).
  • the pathogen material layer 126 includes a pathogen material formed on the substrate on which the plasmonic nanostructure is formed.
  • the pathogen herein may include pathogenic microorganisms such as viruses, bacteria, and fungi.
  • the pathogen may be, for example, a respiratory infection virus, and the respiratory infection virus may be SARS-CoV-2 or influenza virus.
  • the pathogen material includes one or more of pathogen proteins and genes.
  • the pathogen material may be a lysate dissolved in a virus lysate.
  • the virus lysate is not particularly limited as long as it can extract virus proteins. Therefore, a known virus lysate can be used, and as a non-limiting example, Tris-(2-Carboxyethyl)phosphine, Hydrochloride (TCEP)/Ethylene-diamine-tetraacetic acid (EDTA) was used in the examples of the present application.
  • the pathogen material may be at least one of a virus spike protein and a surface protein.
  • the substrate including the plasmonic continuous thin film 120 of the present application easily supports the pathogen material by the curvature inside the three-dimensional plasmonic nanodimple 122 to suppress the re-emission while voltage is applied. Also, it is possible to prevent the pathogen material carried by the plasmonic nanotip 124 from being released again. Furthermore, as described above, the substrate including the plasmonic continuous thin film 120 of the present application focuses light incident by the curvature inside the three-dimensional plasmonic nanodimples 122 into the plasmonic nanodimples 122.
  • the three-dimensional nano-plasmonic composite thin film 128 begins to form on the three-dimensional plasmonic continuous thin film 120 and is also formed on the pathogen material layer 126, and is collected by coating the pathogen material.
  • the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 128 may be a metal-containing thin film composed of metal-containing nanoparticles and the same.
  • the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 128 may have a pathogenic substance trapped therein.
  • the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 128 may be composed of nanoparticles of Au and an alloy thereof.
  • the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film may be formed by a solution process.
  • the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film may be formed by electrochemical deposition.
  • the configuration as described above it is possible to detect a very strong SERS signal of the pathogen material in the form of the pathogen material collected inside the nanoplasmonic composite thin film 128 . Since the insulating pathogen material is collected inside the nanoplasmonic composite thin film 128 , light can be focused between the insulating pathogen material, thereby generating a very strong SERS signal.
  • the thickness of the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 128 may be 10 nm to 150 nm.
  • the thickness of the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 128 is less than 10 nm, the plasmonic effect is also low, and the protein component of about 10 nm cannot be captured, so the SERS signal amplification effect of the protein may be insufficient, and the three-dimensional
  • the thickness of the nanoplasmonic composite thin film 128 is more than 150 nm, the amount of light such as a laser reaching the pathogen material is insufficient, so the effect of amplifying the SERS signal may be insufficient.
  • a base substrate 110 including a concave curved nanodimple 112 and a raised nanotip 114 formed at a contact point between the nanodimples 112; and the base substrate
  • a plasmonic continuous thin film 120 having a curved surface formed on the 110;
  • a substrate 1100 having a plasmonic nanostructure including; an electrochemical cell 1210 accommodating the substrate 1100 on which the plasmonic nanostructure is formed and the electrolyte; a reference electrode 1230 and a counter electrode 1220 provided in the electrochemical cell 1210; a power source 1240 for applying a voltage between the substrate 1100 on which the plasmonic nanostructure is formed as a working electrode and the counter electrode 1220; a light source 1300 irradiating light to the substrate 1100 on which the plasmonic nanostructure is formed; and a detector for detecting a Raman spectral signal; including, an electrochemical deposition-Raman analysis fusion system 1200 is provided.
  • the plasmonic nanostructure includes a plasmonic nanodimple 122 and a plasmonic nanotip 124 .
  • the substrate 1100 on which the plasmonic nanostructure is formed as a working electrode is connected to a power source 1240 and a conductive wire 1250 .
  • the reference electrode 1230 is a reference electrode when determining the potential of the working electrode.
  • the reference electrode 1230 may be an Ag/AgCl electrode.
  • the counter electrode 1220 is an electrode for allowing a current to flow in the electrolyte between the working electrodes and causing a reaction at the interface between the working electrode and the electrolyte.
  • the counter electrode may be a Pt electrode.
  • a pathogen material dissolved in a virus solution is added to the electrolyte, and the pathogen material may include one or more of pathogen proteins and genes.
  • a pathogen material layer 126 composed of a pathogen material formed on the substrate 1100 on which the plasmonic nanostructure is formed; and a three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 128; the pathogen material layer 126; And the three-dimensional nano-plasmonic composite thin film 128; Electrochemical deposition of plasmonic nanostructures on the plasmonic nanostructures formed on the substrate 1100 on which the plasmonic nanostructures are formed; and chemical bonding or electrostatic attraction of pathogenic substances.
  • the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 128 in the electrochemical deposition-Raman analysis fusion system 1200 of the present application may include electrochemical deposition of HAuCl 4 , a precursor of a plasmonic nanostructure; and chemical bonding or electrostatic attraction between Au and the pathogen material; may be formed by.
  • the concentration of HAuCl 4 may be 0.5 to 100 mM in terms of electrochemical deposition and Raman signal enhancement.
  • the electrochemical deposition-Raman analysis fusion system 1200 of the present application may simultaneously perform Raman analysis with the formation of the pathogen material layer 126 and the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 128 by electrochemical deposition.
  • Raman analysis may be possible within 1 minute.
  • a voltage of -0.5 to 0.5 V may be applied to the electrochemical deposition-Raman analysis fusion system 1200 of the present application.
  • a pathogen material layer 126 and a three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 128 are formed by electrochemical deposition after addition of SARS-CoV-2 lysate as an analyte and HAuCl 4 as a precursor of plasmonic nanostructures. At the same time, it may take less than 1 minute for the Raman analysis result to come out.
  • a voltage of -0.5 to 0.5 V may be applied to the electrochemical deposition-Raman analysis fusion system 1200 of the present application.
  • the Raman analysis can be performed quickly and accurately at the same time as the pathogen material layer 126 and the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 128 are formed.
  • the electrochemical deposition-Raman analysis fusion system 1200 of the present application may have a detection limit of 0.1 PFU/mL or less, and a minimum of 0.01 PFU/mL or less.
  • One SARS-CoV-2 virus particle has 27 spike proteins, so the virus lysate contains the spike protein at a concentration 27 times that of the virus particle. Therefore, it is possible to quickly and with high sensitivity to perform SERS analysis of surface protein components including spike proteins by dissolving trace amounts of viruses without amplifying the number of genes through conventional PCR technology.
  • the light source 1300 and the detector may use a light source and a detector of a known Raman spectroscopy apparatus.
  • the method for manufacturing a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure is, I-i) the substrate having the plasmonic nanostructure described herein in the electrochemical cell 1210 of the electrochemical deposition system ( 1100) preparing; I-ii) preparing an electrolyte containing a precursor and a pathogen material of a plasmonic nanostructure in the electrochemical cell 1210; and I-iii) a pathogen material layer 126 composed of a pathogen material on the substrate 1100 on which the plasmonic nanostructure is formed by applying a voltage to the electrode; and forming a three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 128 .
  • step I-i the substrate 1100 on which the above-described plasmonic nanostructures are formed is arranged and prepared in the electrochemical cell 1210 of the electrochemical deposition-Raman analysis fusion system 1200, which is an electrochemical deposition system.
  • a method of manufacturing a substrate 1100 on which plasmonic nanostructures are formed includes forming nanodimples 112 and nanotips 114 on a base substrate 110 ; and forming a plasmonic continuous thin film 120 having a curved surface on the base substrate 110 .
  • the aspect ratio of the nanodimples of the plasmonic continuous thin film 120 may be formed to be 1.5 or more.
  • the forming of the nanodimples 112 and the nanotips 114 may be formed by irradiating gas particles with energy of 500 eV or more to the base substrate 110 made of a polymer.
  • the nanodimples 112 may be easily formed by irradiating gas particles having an energy of 500 eV or more.
  • the nanodimples 112 can be formed at a low cost and with a large area without a mask. The large area may mean at least 50 cm 2 or more, but is not limited thereto.
  • a nano-wrinkled structure may be formed instead of a nano-dimple structure by irradiating gas particles having an energy of less than 500 eV.
  • the polymer may have a density of 1.3 - 1.5 g/cm 3 .
  • the reaction of the polymer by the energy transferred to the surface of the polymer may be different depending on the density of the polymer.
  • the nanodimples 112 and nanotips 114 structures can be efficiently formed by one process according to the present application.
  • the polymer may be polyethylene terephthalate (PET), polyimide (PI), polyethylene naphthalate (PEN), polyethersulfone (PES), or one type thereof. It may be a mixture of the above.
  • the gas particles may be oxygen, argon, krypton, xenon, nitrogen, hydrogen, or a group of one or more mixed particles thereof.
  • oxygen as the gas particle may be suitable for forming the nanodimples 112 and nanotips 114 structures on the base substrate 110 .
  • a chemical reaction is active along with the physical reaction, so that the uppermost polymer is converted into a material such as CO x , H 2 O and etched to form the nano dimples 112 and the nanoparticles on the base substrate 110 .
  • the tip 114 structure can be efficiently formed.
  • it may be suitable for forming the nanodimple 112 and nanotip 114 structure on the base substrate 110 if oxygen particles are mixed in an amount of 20% or more.
  • the forming of the nanodimples 112 and the nanotips 114 may be performed by irradiating an ion beam with an irradiation amount of 2 ⁇ 10 17 ions/cm 2 or less to the base substrate 110 made of a polymer.
  • the surface density of the nanodimples 112 and/or the nanotip 114 is formed to be less than 30/ ⁇ m 2
  • the effect of increasing the volume of three-dimensional hotspots and amplifying the SERS signal may not be sufficient.
  • step I-ii) an electrolyte solution including a pathogen material dissolved in a precursor of a plasmonic nanostructure and a virus solution in the electrochemical cell 1210 is prepared.
  • the precursor of the plasmonic nanostructure may be AuCl 4 .
  • a pathogen material layer 126 composed of a pathogen material on the substrate 1100 on which the plasmonic nanostructure is formed by applying a voltage to the electrode in step I-iii); and a three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 128; to form.
  • electrochemical deposition may be performed by applying a voltage between the counter electrode and the substrate 1100 on which the plasmonic nanostructure is formed as a working electrode.
  • the voltage applied in step I-iii) may be -0.5 to 0.5 V.
  • the voltage range may be suitable in terms of electrochemical deposition and Raman signal enhancement.
  • 26 is a diagram schematically illustrating an analysis process for rapid detection of viral proteins and genes using the electrochemical deposition-Raman analysis fusion system 1200 of FIG. 23 according to an embodiment of the present invention.
  • the plasmonic nanostructure described herein is formed in the electrochemical cell 1210 of the fusion system 1200 is formed preparing a substrate 1100; II-ii) preparing an electrolyte containing a precursor and a pathogen material of a plasmonic nanostructure in the electrochemical cell 1210; II-iii) a pathogen material layer 126 composed of a pathogen material on the substrate 1100 on which the plasmonic nanostructure is formed by applying a voltage to the electrode; and forming a three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 128; and II-iv) performing Raman analysis by irradiating a light source to the substrate 1100 on which the plasmonic nanostructure on which the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 128 is formed is formed.
  • step II-i the substrate 1100 on which the above-described plasmonic nanostructures are formed is arranged and prepared in the electrochemical cell 1210 of the electrochemical deposition-Raman analysis fusion system 1200 .
  • an electrolyte solution including a precursor of a plasmonic nanostructure and a pathogen material dissolved in a virus solution is prepared in the electrochemical cell 1210 .
  • the precursor of the plasmonic nanostructure may be AuCl 4 .
  • a pathogen material layer 126 composed of a pathogen material on the plasmonic nanostructure formed on the substrate on which the plasmonic nanostructure is formed by applying a voltage to the electrode in step II-iii); and a three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 128; to form.
  • electrochemical deposition may be performed by applying a voltage between the counter electrode and the substrate 1100 on which the plasmonic nanostructure is formed as the working electrode.
  • the voltage applied in step II-iii) may be -0.5 to 0.5 V.
  • the voltage range may be suitable in terms of electrochemical deposition and Raman signal enhancement.
  • step II-iv) the light source 1300 is irradiated to the substrate 1100 on which the plasmonic nanostructure on which the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film is formed, and the Raman spectroscopic analysis is performed.
  • the Raman spectroscopic analysis may be performed using a known light source and detector.
  • the Raman spectroscopic analysis method of the present application can simultaneously perform Raman spectroscopy analysis in real time with the formation of a substrate for adsorption of pathogen substances and spectroscopic analysis.
  • a CF 4 and Ar plasma treatment process was performed under the following conditions.
  • Au was vacuum-deposited by sputtering deposition on the PET substrate including the nanopillars formed after CF 4 2 min and Ar 1 min plasma surface treatment under the following conditions.
  • a working electrode was placed under the electrochemical cell, and an analyte (TBZ) to be analyzed was added to an aqueous solution containing NaCl, and then HAuCl 4 as an Au precursor was added to the electrochemical cell. Then, a voltage was applied to the working electrode to perform an Au electrochemical deposition process for 30 seconds, and then the voltage applied to the electric electrode was released. After adding the analyte TBZ, the laser can be focused on the surface of the working electrode until the electrochemical deposition is completed, and the Raman signal generated from the electrode surface can be measured in real time every 2 seconds.
  • TBZ an analyte
  • the measurement conditions in this embodiment are as follows.
  • FIG. 3 is a photograph mapping the intensity of the SERS signal over time during the Au electrochemical deposition process in an aqueous solution containing 10 ppb TBZ according to an embodiment of the present invention. It can be seen that the SERS signal of TBZ is not detected for 10 seconds after adding 10 ppb TBZ to the inside of the electrochemical cell. It can be seen that weak signals are detected at 1295 cm -1 and 1602 cm -1 , which are characteristic peaks of TBZ, for 10 seconds after the addition of 3 mM HAuCl 4 .
  • FIG. 4 is a graph comparing the SERS signal intensity of TBZ molecules measured according to an applied voltage for electrochemical deposition in an aqueous solution containing 10 ppb TBZ and 3 mM HAuCl 4 according to an embodiment of the present invention.
  • the minimum applied voltage capable of electrochemically reducing Au is +0.75 V. That is, when a voltage higher than +0.75 V (ie, - voltage) is applied, Au 3+ ions in the aqueous solution can be reduced to Au metal. Therefore, the TBZ SERS signal when +0.5 V ⁇ -0.3 V voltage was applied to the working electrode was analyzed. As shown in FIG. 5 , it can be confirmed that the SERS signal of TBZ (based on the SERS signal 40 seconds after TBZ addition) was most strongly detected when +0.3 V was applied.
  • FIGS. 4 and 5 is a graph comparing the TBZ SERS signal intensity according to the change in HAuCl 4 concentration when +0.3 V voltage is applied to an aqueous solution containing 10 ppb TBZ and different HAuCl 4 concentrations according to an embodiment of the present invention. It can be seen that the SERS signal of TBZ (based on the SERS signal 40 seconds after TBZ addition) is most strongly detected when the HAuCl 4 concentration is 3 mM. That is, the optimal concentration of the Au precursor is 3 mM HAuCl 4 It can be seen from FIGS. 4 and 5 that the optimal applied voltage is +0.3 V.
  • FIG. 6 is a graph comparing the SERS signal intensity according to the TBZ concentration change under the optimized Au electrochemical deposition conditions. As the concentration decreases, it can be seen that the intensity of the characteristic peak of TBZ is reduced, and it can be confirmed that TBZ is detected even at a concentration of 0.05 ppb, which is a very trace amount.
  • the comparative spectrum was measured using the real-time Raman analysis system of FIG. 1, and the SERS signal when 40 seconds passed after the addition of TBZ was compared.
  • the SERS signal intensity shows a linear relationship according to the trace TBZ concentration of 1 ppb or less, suggesting that quantitative analysis is possible.
  • FIG. 8 is a SEM photograph of Au nanopillar electrodes formed after vacuum sputtering deposition of 200 nm of Au on a polymer substrate including nanopillars according to an embodiment of the present invention. It can be seen that the formed Au nanopillar electrode has 23 spaced apart nanopillars per unit area ( ⁇ m 2 ). It can be confirmed that the Au thin film is formed on the top and sides of the polymer nanopillars as well as on the bottom through vacuum deposition of 200 nm of Au. That is, a continuous Au thin film is formed, so that a voltage can be applied throughout the Au nanopillar structure.
  • FIG. 9 shows an electrochemical deposition process for 30 seconds by applying +0.3 V to the inside of an electrochemical cell containing 1 ppm TBZ and 3 mM HAuCl 4 using the Au nanopillar substrate according to an embodiment of the present invention. It is a SEM picture of the formed Au nanopillar electrode. It can be seen that the adjacent Au nanopillars are agglomerated through Au electrochemical deposition for 30 seconds, and the number of existing Au nanopillars per unit area is reduced from 23/ ⁇ m 2 to 14/ ⁇ m 2 .
  • FIG. 10 shows an electrochemical deposition process for 30 seconds by applying +0.3 V to the inside of an electrochemical cell containing 1 ppm TBZ and 3 mM HAuCl 4 using the Au nanopillar substrate according to an embodiment of the present invention. It is a TEM picture of the formed Au substrate. As confirmed in FIG. 9 , a structure in which adjacent Au nanopillars are connected to each other can be confirmed through a TEM photograph. However, if you look closely at the Au thin film formed by the electrochemical deposition, it can be confirmed that a porous Au thin film is formed.
  • Au nanopillar electrodes formed through the Au vacuum sputtering process are formed by electrochemical deposition in an aqueous solution in which TBZ molecules capable of chemical bonding with Au atoms exist, whereas Au atoms are densely formed to form Au nanopillars. It can be confirmed that the thin film has a three-dimensional porous structure (FIGS. 10(a) to 10(c)). Through the elemental analysis of Au, the inner dense Au nanopillar structure and the porous structure of the Au thin film formed by electrochemical deposition can be confirmed (FIG. 10 (d)).
  • FIG. 11 shows an electrochemical deposition process for 30 seconds by applying +0.3 V to the inside of an electrochemical cell containing 1 ppm TBZ and 3 mM HAuCl 4 using the Au nanopillar substrate according to an embodiment of the present invention.
  • a very strong electromagnetic field amplification occurs inside the three-dimensional porous Au-TBZ composite thin film (Fig. 11 (b)).
  • the physical mechanism by which the SERS phenomenon occurs is an electromagnetic field amplification phenomenon through the metal nanogap, even a trace amount of toxic substances (TBZ) of 0.05 ppb can be detected within 1 minute.
  • FIG. 12 shows an electrochemical deposition process for 30 seconds by applying +0.3 V to the inside of an electrochemical cell containing 1 ppm TBZ and 3 mM HAuCl 4 using the Au nanopillar substrate according to an embodiment of the present invention. It is a graph of the chemical analysis result measured in the depth direction (depth profiling) through X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis. It can be seen that the detection amount of C, a component of PET nanopillars, increases as the sputtering time increases. In addition, it can be seen that the TBZ component forms a composite thin film structure with Au through the fact that the content of S contained in the TBZ molecule is greatest near the surface.
  • XPS X-ray photoelectron spectroscopy
  • FIG. 13 is a diagram illustrating an analysis process for rapid viral SERS detection within 1 minute using an electrochemical-Raman monitoring fusion system according to an embodiment of the present invention.
  • H1N1 influenza virus was added to the inside of the electrochemical cell containing NaCl electrolyte and 3 mM HAuCl 4 , and Raman analysis was performed in real time while applying a voltage of +0.3 V to the working electrode. Since the surface of the H1N1 influenza virus having a diameter of about 100 nm and the surface of the spike proteins (hemagglutinin and neuraminidase) at the 10 nm level have a negative charge, when +0.3 V voltage is applied to the working electrode, the H1N1 virus particles are caused by electrostatic attraction.
  • the electrode surface can be adsorbed to the electrode surface. Since the surface adsorption of the virus and the Au electrochemical deposition occur at the same time, it is possible to form a composite thin film made of Au-virus.
  • the applied voltage is released after electrochemical deposition for a certain period of time, the electrostatic attraction between the adsorbed virus and the electrode is released, so that the virus can be desorbed from the surface and dispersed into a solution.
  • the Raman signal generated on the electrode surface can be measured in real time to directly measure the SERS signal of the virus.
  • FIG. 14 is a SERS signal mapping photograph according to the Au electrochemical deposition time in an aqueous solution containing 1 ⁇ g/mL H1N1 influenza virus and 3 mM HAuCl 4 according to an embodiment of the present invention.
  • the measurement conditions in this embodiment are as follows.
  • the Raman signal is measured after adding the H1N1 influenza virus to the electrochemical cell, the Raman signal of the virus is not detected at all. Thereafter, it can be confirmed that the Raman signal of the virus is not detected even when 3 mM HAuCl 4 is added.
  • the characteristic Raman peaks (990, 1182, 1447, 1583 and 1639 cm -1 ) of the virus are detected within 1 minute after voltage application (ie, within 2 minutes after virus addition). It can be confirmed that thereafter, a strong SERS peak is continuously observed during voltage application.
  • the applied voltage was released for the termination of Au electrochemical deposition, it was confirmed that the SERS signal of the virus was not detected within 30 seconds. That is, when the voltage is released, it can be inferred that the virus constituting the Au-virus composite thin film is desorbed from the electrode surface (hot spot), so that the virus SERS signal does not occur.
  • the SERS characteristic peak of the H1N1 virus appears even at a concentration of 0.05 ng/mL in a very trace amount. Since the size of the virus surface protein is around 10 nm, Au thin film cannot be formed on the surface protein of the virus when the Au-virus complex thin film is formed, so an Au-surface protein complex structure of about 10 nm is formed. Therefore, the SERS signal can be detected even in the presence of a trace amount of virus by the strong electromagnetic field amplification that occurs in the nanogap structure composed of plasmonic-surface proteins at the level of 10 nm.
  • FIG. 16 is a calibration curve showing the SERS characteristic peak signal intensity according to the H1N1 influenza virus concentration according to an embodiment of the present invention. It can be confirmed that the typical Langmuir isothermal adsorption equation is followed. It can be seen that the SERS signal increases in proportion to the amount of adsorption of the virus to the electrode surface, and it can be inferred that there is no effect on the increase of the SERS signal even if a virus of a single layer or more is adsorbed on the electrode surface. That is, since the SERS analysis technology is a phenomenon that occurs at 100 nm or less on the surface of the electrode (or SERS substrate), even if a multi-layered virus is formed, the increase in the SERS signal is insignificant.
  • SERS signal of H1N1 influenza virus concentration 1 ⁇ g/mL
  • surface proteins hemagglutinin concentration 1 ⁇ g/mL
  • neuraminidase of the influenza virus according to an embodiment of the present invention
  • concentration of 1 ⁇ g/mL is a graph comparing each SERS signal.
  • the SERS signal of the H1N1 influenza virus is not a signal of a component inside the virus, but a signal of a surface protein of the virus by a three-dimensional hotspot formed in the Au-surface protein complex thin film.
  • FIG. 19 is an SEM photograph of the Au substrate measured after performing an electrochemical deposition process for 8 minutes by applying an aqueous solution containing 1 ⁇ g/mL H1N1 influenza virus and 3 mM HAuCl 4 at +0.3 V.
  • FIG. 19 shows that a number of circular pits or holes with a level of 100 nm are observed on the electrode surface in FIG. 19.
  • FIG. 19 (b) shows that the virus particles were adsorbed during the electrochemical deposition process. That is, FIG. 19 is a key scientific evidence that can directly prove the detection result of the virus SERS signal during the Au-virus complex thin film formation and virus desorption and the electrochemical deposition process of FIG. 14 proposed in FIG. 13 .
  • FIG. 20 is a SEM photograph of the Au substrate measured after performing an electrochemical deposition process for 8 minutes by applying an aqueous solution containing 1 ⁇ g/mL neuramidase protein and 3 mM HAuCl 4 at +0.3 V. It can be seen that a large number of spherical Au particles ( blue circular dotted line) and pits ( white circular solid line) are mixed. Since the size of the virus particle is around 100 nm, the surface protein is around 10 nm. Therefore, if the surface protein at the 10 nm level is completely covered with an Au film during the 8-minute electrochemical deposition process, the surface protein is released even after the applied voltage is released. It can be inferred that it remains as it is without detachment. That is, when the surface protein-Au complex thin film is formed, the protein adsorption-desorption is determined after voltage release according to the thickness of the Au thin film electrochemically deposited on the protein surface.
  • Substrate manufacturing including plasmonic nanostructures including nanodimples and nanotips
  • Au was vacuum-deposited on a PEN substrate including nanodimples and nanotips by thermal evaporation under the following conditions.
  • Oxygen ion beam energy 1.4 ⁇ 10 17 ions/cm 2
  • Substrate PEN polymer substrate treated with oxygen ion beam irradiation dose of 1.4 ⁇ 10 17 ions/cm 2
  • a substrate including a plasmonic nanostructure as a working electrode is placed under the electrochemical cell, and an analyte (pathogen lysate) to be analyzed is added to an aqueous solution containing 0.1M NaCl to the electrochemical cell, and the Au precursor is 3 mM AuCl 4 was added. Then, a voltage of 0.3 V was applied to the working electrode to perform an Au electrochemical deposition process for 10 minutes, and then the voltage applied to the electric electrode was released. After adding the pathogen lysate as an analyte, the laser was focused on the working electrode surface until the electrochemical deposition was completed, and the Raman signal generated on the electrode surface was measured in real time every 30 seconds.
  • analyte pathogen lysate
  • the pathogen was isolated after culturing SARS-CoV-2 (BetaCoV/Korea/KCDC03/2020) and H1N1 Influenza virus in cells, and Tris-(2-Carboxyethyl)phosphine, Hydrocholride (TCEP)/Ethylene-diamine-tetraacetic acid ( A lysate dissolved with EDTA) was used.
  • the measurement conditions in this embodiment are as follows.
  • FIG. 27 is a SERS signal mapping photograph according to the Au electrochemical deposition time in an electrolyte containing 10 3 PFU/mL SARS-CoV-2 virus lysate and 3 mM HAuCl 4 according to an embodiment of the present invention.
  • +0.3 V was applied to the working electrode for Au electrochemical deposition, several bands of SARS-CoV-2 virus characteristic peaks (732, 959, 1234, 1345 and 1468 cm -1 ) began to appear, and after electrochemical deposition, 30 It can be seen that the SERS characteristic peak of the strong SARS-CoV-2 virus is observed as seconds pass.
  • FIG. 28 is a graph comparing the SERS signal intensity measured according to 10 3 PFU/mL SARS-CoV-2 virus lysate and 10 3 PFU/mL H1N1 influenza virus lysate according to an embodiment of the present invention.
  • the SERS signal did not appear, but the SARS-CoV-2 virus lysate and the H1N1 influenza virus lysate were added and electrochemical deposition was performed. case, the SERS signal was strongly amplified.
  • characteristic peaks of SARS-CoV-2 virus lysate and H1N1 influenza virus lysate were different.
  • the gene is different for each virus type and the composition of the protein, which is the phenotype shown by the expression of the gene, is different. Furthermore, by detecting different spike proteins depending on the virus strain, it is possible to quickly and accurately determine the virus strain. Therefore, according to the analysis method of the present application, not only the detection of the virus but also the qualitative analysis for each type of virus is possible. By establishing a DB that normalizes characteristic peaks for each pathogen, anyone can quickly and accurately detect and analyze pathogens in the field using the SERS device without pre-treatment, PCR, or experts, even for trace amounts of pathogens.
  • FIG. 29 is a graph comparing the SERS signal intensity according to the concentration of the SARS-CoV-2 virus lysate according to an embodiment of the present invention.
  • the concentration of the SARS-CoV-2 virus lysate decreases, the position (Raman Shift) of the SERS characteristic peak of the SARS-CoV-2 virus lysate does not change, but when the concentration decreases, the intensity of the SERS signal decreases. was confirmed to decrease. That is, even if the concentration of the SARS-CoV-2 virus lysate is low, it is suggested that the virus can be identified through the position of the SARS-CoV-2 SERS peak, and quantitative analysis according to the concentration is also possible.
  • FIG. 30 is a calibration curve graph showing the signal intensity of the SERS characteristic peak according to the concentration of the SARS-CoV-2 virus lysate according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 30 , it was found that the SERS signal was strongly amplified as the concentration of the SARS-CoV-2 virus lysate increased, regardless of the position of the Raman characteristic peak. Therefore, according to the analysis method of the present application, quantitative analysis of the virus is also possible.
  • FIG. 31 is a graph comparing the SERS signal intensity measured using a mixture of SARS-CoV-2 virus lysate and H1N1 influenza virus lysate according to an embodiment of the present invention.
  • the concentration of H1N1 influenza was 5.6 ⁇ 10 5 PFU/mL
  • the concentration of SARS-CoV-2 was 5 ⁇ 10 3 PFU/mL.
  • FIG. 31 even by electrochemical deposition using a mixture of SARS-CoV-2 virus lysate and H1N1 influenza virus lysate, each characteristic peak for each virus can be separated and confirmed.
  • 32 is a SEM photograph of a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure after an electrochemical deposition process in an electrochemical cell containing a virus lysate and a metal precursor according to an embodiment of the present invention.
  • 32A and 32B are SEM images of a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure after an electrochemical deposition process only with a lysis buffer without a virus lysate.
  • 32C and D are SEM images of a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic complex structure after electrochemical deposition using SARS-CoV-2 virus lysate, and E and F of FIG.
  • 32 are for H1N1 influenza virus It is an SEM photograph of a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure after an electrochemical deposition process using seawater. At this time, the concentration of the SARS-CoV-2 lysate was 5 ⁇ 10 3 PFU/mL, and the concentration of influenza was 5.6 ⁇ 10 5 PFU/mL, and electrochemical deposition was performed for 10 minutes after loading the lysate. 32A and B, respectively, in the absence of a virus lysate, a relatively continuous and smooth nanostructure is formed, and as shown in FIGS. A three-dimensional nanoplasmonic composite thin film composed of large and clearly distinct projections was formed. This is because the viral protein components are trapped inside the 3D nanoplasmonic composite thin film during electrochemical deposition.
  • the SERS signal of the viral protein component collected inside the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film is strongly amplified, enabling ultra-sensitive respiratory infection virus detection.
  • the Au ultra-thin film can transmit 785 nm laser light and induce plasmonic coupling with the Au nanodimple structure below, so that a strong near-field (Near-Field) in the insulating layer where the insulating pathogen material is trapped field) can be formed.
  • a strong near-field Near-Field
  • light can be focused on the area where the pathogen material is collected, resulting in a strong SERS signal of the pathogen material.
  • 33 is an AFM photograph of a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure after an electrochemical deposition process in an electrochemical cell containing a virus lysate and a metal precursor according to an embodiment of the present invention.
  • 33A and 33D are AFM photographs of a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure after an electrochemical deposition process for 10 minutes only with a lysis buffer without a virus lysate.
  • 33B and E are AFM photographs of a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure after an electrochemical deposition process using SARS-CoV-2 virus lysate, and FIGS.
  • FIG. 33C and F are influenza virus lysate It is an AFM photograph of a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure after an electrochemical deposition process using At this time, the concentration of the SARS-CoV-2 lysate was 5 ⁇ 10 3 PFU/mL, and the concentration of influenza was 5.6 ⁇ 10 5 PFU/mL, and electrochemical deposition was performed for 10 minutes after loading the lysate. As in Fig. 32, Fig. 33 also showed the same trend. That is, the roughness of the Au Tip portion indicated by the red square area was 2.59 nm in A of FIG. 33, 6.4 nm in B, and 10.3 nm in C. In the case of influenza, the reason that the illuminance was measured is because the concentration of influenza is the highest, and 500 hemagglutinin and 100 neuraminidase spike proteins are on the surface of one influenza virus particle. Because.
  • FIG. 34 is a TEM photograph of a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure after an electrochemical deposition process in an electrochemical cell containing a virus lysate and a metal precursor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 34 also shows the same trend as FIGS. 32 and 33 .
  • 34A and B are TEM images of a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic complex structure after an electrochemical deposition process with only a buffer without a virus lysate.
  • 34 C and D are TEM images of a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic complex structure after electrochemical deposition using SARS-CoV-2 virus lysate, and
  • FIG. 34 E and F are influenza virus lysates.
  • the viral protein components are collected (white square part) inside the 3D nanoplasmonic composite thin film during electrochemical deposition.
  • the SERS signal of the viral protein component embedded in the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film is strongly amplified, enabling ultra-sensitive respiratory infection virus detection.
  • 35 is a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure after an electrochemical deposition process in an electrochemical cell containing various concentrations of SARS-CoV-2 virus lysate and a metal precursor according to an embodiment of the present invention; SEM picture. 35A is a SARS-CoV-2 virus lysate concentration of 10 2 PFU/mL, B is 10 1 PFU/mL, C is 100 PFU/mL, and D is 10 -1 PFU/mL . As shown in FIG. 35 , as the concentration of the SARS-CoV-2 virus lysate increased, a three-dimensional nanoplasmonic composite thin film composed of clearly distinguished protrusions with a large roughness was formed.
  • Substrate comprising a three-dimensional nanoplasmonic composite structure

Abstract

본 발명은 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판, 이의 제조방법 및 이를 이용한 신속 분석방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 분석물질과 금속 전구체를 포함하는 전기화학 셀(electrochemical cell) 내에서 플라즈모닉 전극에 전압을 인가하여 분석분자를 전극 상에 유도하고 동시에 Au 전기화학증착 (electrochemical deposition or electrodeposition)을 통해 형성된 플라즈모닉 나노구조와 분석물질로 이루어진 3차원 플라즈모닉 나노구조-타겟분자 복합박막을 포함하는 기판, 이의 제조방법과 이를 통한 신속 분석방법에 관한 것이다.

Description

3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판, 이의 제조방법, 및 이를 이용한 신속 분석방법
본 발명은 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판, 이의 제조방법 및 이를 이용한 신속 분석방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 분석물질과 금속 전구체를 포함하는 전기화학 셀(electrochemical cell) 내에서 플라즈모닉 전극에 전압을 인가하여 분석분자를 전극 상에 유도하고 동시에 전기화학증착 (electrochemical deposition or electrodeposition)을 통해 형성된 플라즈모닉 나노구조와 분석물질로 이루어진 3차원 플라즈모닉 나노구조-타겟분자 복합박막을 포함하는 기판, 이의 제조방법과 이를 통한 신속 분석방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 신속 고감도 병원체 검출 장치 및 이를 이용한 병원체 분석 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 호흡기 감염 바이러스 등의 병원체를 현장에서 신속하게 고감도로 검출할 수 있는 신속 고감도 병원체 검출 장치 및 이를 이용한 병원체 분석 방법에 관한 것이다.
금, 은과 같은 금속 나노구조는 입사되는 빛(incident light)과 금속 나노구조 내부에 존재하는 자유전자와의 공명현상(localized surface plasmon resonance, LSPR)을 유도하여 입사되는 빛을 금속 나노구조의 뾰족한 팁이나 나노구조 사이의 국소 공간에 집중시킬 수 있다. 이러한 플라즈모닉 핫스팟(plasmonic hotspots)에 흡착된 분자의 라만(Raman) 신호를 106배 이상 증폭하여 극미량의 유해 화학물질이나 바이오마커의 검출이 가능한 초고감도 표면증강 라만산란(surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS) 기판을 제공할 수 있다.
SERS 기판을 활용한 화학 및 바이오 물질 검출은 타겟 분자를 포함하는 용액을 SERS 기판 상에 떨어뜨리고 건조 후 측정하거나, 용액 내 타겟 분자의 수동적 확산을 통해 핫스팟으로 유도한 후 라만신호를 측정하기 때문에 5분 이내의 현장형 신속 분석이 불가능하다는 단점이 있다.
플라즈모닉 핫스팟의 밀도를 증가시키기 위한 종래의 기술은 대표적으로 다음과 같다. (1) 금속 다층구조로써 평평한 기판 상에 금속(Au or Ag) 필름과 절연막을 형성한 후, 수용액 상에서 합성된 금속 나노입자를 도포하거나 금속 나노입자를 진공 증착하는 방식에 의해 제조된 2차원 다층 금속 나노구조 기판, (2) 고분자 나노필라(nanopillar)가 형성되어 있는 기판 상에 금속 필름을 진공 증착하여 Au-고분자 나노필라를 형성한 후 절연막 및 금속 나노입자를 연속으로 증착하는 방법에 의해 제조된 3차원 다층 금속 나노구조 기판, (3) Au와 Ag를 동시에 진공 증착하여 Ag-Au 필름을 형성한 후, Ag의 선택적 제거를 통해 3차원 나노다공성(nanoporous) Au 기판 등으로 나눌 수 있다.
(1)의 기술과 관련된 문헌으로 [Nature, 2016, 535, 127-130]에 기재된 Single-molecule strong coupling at room temperature in plasmonic nanocavities가 있다. 상기 기술은 평평한 Si 기판 상에 Cr 5 nm/Au 70 nm를 진공 증착하여 평평한 Au 필름을 형성한 후, 절연막으로 0.9 nm 두께를 가진 절연층(Cucurbituril)을 형성한 후, 최종적으로 수용액 상에서 합성된 Au 나노입자를 도포하여 2차원 플라즈모닉 다층구조를 형성할 수 있다. 상기와 같은 구조에 의하여 절연층 내부에는 SERS로 분석하고자 하는 분자(probe molecule)인 메틸렌블루(methylene blue) 분자를 삽입할 수 있어 Au 나노입자와 Au 필름 사이의 나노갭에서 형성되는 강한 전자기장 집중현상에 의해 메틸렌블루의 초고감도 SERS 신호 검출이 가능하다.
(2)의 기술과 관련된 문헌으로는 대한민국 특허 제10-1639686호에 기재된 복수의 나노갭이 형성된 기판 및 이의 제조방법이 있다. 상기 문헌에서는 돌기형 구조체를 포함하는 기판 및 상기 돌기형 구조체 상에 형성된 금속 함유 박막을 형성하고, 중간 절연막과 중간 절연막 상에 형성된 금속 함유 나노입자를 포함하는 기판을 제공할 수 있다. 금속 함유 나노입자는 다른 금속 함유 나노입자 및 금속 함유 박막 사이에 복수의 나노갭을 형성하여 고감도의 SERS 기판을 제공할 수 있다.
(3)의 기술과 관련된 문헌으로는 미국 특허 US 9593981 B2가 있다. Au와 Ag를 동시에 진공 증착하여 Ag-Au 필름을 형성한 후, Ag의 선택적 제거를 통해 3차원 나노다공성(nanoporous) SERS 기판을 제공할 수 있다.
상기의 문헌들은 고성능 SERS 기판을 제공하는 데 목적이 있으며, 분석을 위해서는 추가적인 분석과정이 필요하다.
한편, 세포 배양, 형광 항체 및 효소 면역 분석, 역전사효소 중합효소연쇄반응 (RT-PCR)을 포함하여, 바이러스 등 병원체 검출 및 분석을 위한 많은 방법들이 사용되고 있다. 그러나, 형광 항체 및 효소 면역 분석은 신속 분석은 가능하지만, 상대적으로 낮은 감도에 의한 검사 신뢰성에 문제점을 가지고 있다. 이에 반해 RT-PCR을 통한 유전자 분석은 높은 특이성을 나타내어 현재 호흡기 감염 바이러스의 표준 검사법으로 활용되고 있지만, 상대적으로 분석 시간이 길어 현장 사용이 용이하지 않은 문제점을 가지고 있다.
최근 심각한 급성 호흡기 증후군 코로나바이러스 2(SARS-CoV-2) 팬데믹은 전세계적으로 심각한 사회 및 경제적 문제를 일으키고 있다. SARS-CoV-2의 전파를 방지하기 위해, 여러 국가에서 백신이 개발되어 접종되고 있다. 그러나, 빈번한 변종 바이러스의 출현 등으로 바이러스의 신속하고 정확한 진단이 또한 매우 중요하다. 현재, 바이러스 내부의 RNA를 검출하는 역전사 PCR(RT-PCR)이 SARS-CoV-2용 표준 진단 방법으로 이용되고 있다.
도 21을 참조하면, 현재 RT-PCR의 경우, 의심환자의 기도 등 호흡기관에서 채취한 검체를 수집하여 실험실로 이동한 후 검체를 바이러스 용해액(Lysis Buffer)에 넣어 RNA 추출 및 정제를 위한 전처리를 하고, 미량의 유전자를 증폭하기 위한 PCR을 수십 회 반복 수행하여 바이러스 유전자의 존재 유무를 형광 신호를 통해 검사하여 감염 여부를 최종 진단하게 된다. 따라서 현재 RT-PCR의 경우, 검체 준비, 전처리, 유전자 증폭, 및 바이러스 검출을 포함하는 전체 진단 시간은 약 4 시간 이상이다. 또한, 현재 RT-PCR의 경우, 현장 진단이 어려워 상황에 따라 검체의 이동 시간이 증가할 수 있고, PCR을 위한 진단 시약 및 진단 장비가 필요하고, 진단을 위해 숙련된 전문가가 필요한 문제점이 있다.
한편, 진단 시간을 단축할 수 있는 항원-항체 반응을 이용하는 면역진단 키트도 개발되어 상업화되었다. 그러나, 낮은 검출 한계 및 낮은 정확도 때문에, 표준 진단 방법으로서 채택되지 못하고 있다. 특히, 상업화된 면역진단 키트에 의한 위 음성은 SARS-CoV-2의 전파를 악화시킬 수 있는 심각한 문제를 초래할 수 있다. 따라서, 대규모의 전염성 감염의 전파를 방지하기 위해, 신속 고감도 면역진단 기술의 개발은 필수적이라 할 수 있다.
현재 사용되고 있는 RT-PCR 및 면역진단 항원 키트의 문제점을 해결하기 위해, 바이러스 검출을 위한 검체 이동 시간 및 유전자 증폭의 위한 시간을 단축할 수 있도록 소량의 샘플로 현장 진단이 가능하고, 진단을 위한 고가의 장비 및 고도로 숙련된 전문가가 필요없는 신속 고감도 바이러스 검출 및 진단 기술이 긴급하게 필요하다.
본 발명의 배경기술로는 한국공개특허 제2018-0090513호에 바이러스 검출용 키트가 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 플라즈모닉 나노구조-타겟분자로 구성된 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 플라즈모닉 나노구조-타겟분자로 구성된 3차원 나노플라즈모닉 복합박막 형성 과정을 실시간 라만신호 분석이 가능한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판을 효율적으로 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판을 이용한 신속 분석 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 병원체 검출을 위한 검체 이동 시간을 없애고 및 유전자 증폭을 사용하지 않음으로써 소량의 검체로 현장 진단이 가능한 바이러스 등 병원체 검출 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 진단을 위한 고가의 장비 및 고도로 숙련된 전문가가 없어도 분석 정확도가 높은 올인원타입 바이러스 등 병원체 검출 및 분석 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 소량의 검체로 현장 진단이 가능하여 신속하고 고감도로 호흡기 감염 바이러스 등의 병원체를 검출 및 분석할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 상세한 설명의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
일 측면에 따르면, 베이스기판; 상기 베이스기판 상에 형성된 복수의 금속함유 나노구조체; 상기 금속함유 나노구조체 상에 형성된 플라즈모닉 나노구조-타겟분자로 구성된 3차원 나노플라즈모닉 복합박막;을 포함하는, 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판이 제공된다.
일 실시예에 따르면, 상기 복수의 금속함유 나노구조체는 상기 베이스기판 상에 이격되어 형성된 복수의 나노필라 및 나노돌기 중 1종 이상; 및 상기 복수의 나노필라 및 나노돌기 중 1종 이상의 표면상에 형성된 금속함유 박막;을 포함하고, 상기 금속함유 박막은 Au 또는 이의 합금으로 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 플라즈모닉 나노구조는 금속함유 나노입자일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 타겟분자는 공유결합 또는 정전기적 인력에 의해 결합되는 유기분자일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 유기분자는 화학물질 또는 병원체일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막의 두께는 1 nm 내지 100 nm일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막은 용액공정으로 형성된 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막은 전기화학증착으로 형성된 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막은 3차원 다공성일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 나노구조체는 이온 빔 처리(ion beam treatments), 플라즈마 식각(plasma etching), 소프트 리소그라피(soft lithography), 나노임프린트 리소그라피(nanoimprint lithography), 포토 리소그라피(photo lithography), 또는 홀로그래픽 리소그라피(holographic lithography)로 형성된 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 이온 빔 처리는 탄소, 산소, 질소, 불소, 아르곤, 염소, 황, 또는 이들 화합물로 구성된 이온 빔을 이용하는 것일 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 기재된 금속함유 나노구조체가 형성된 베이스기판; 상기 베이스기판 및 전해액을 수용하는 전기화학 셀; 상기 전기화학 셀에 구비되는 기준전극 및 카운터전극; 작용전극인 금속함유 나노구조체와 카운터전극에 사이에 전압을 인가하는 전원; 상기 베이스기판에 광을 조사하는 광원; 및 라만분광 신호를 검출하는 검출기;를 포함하는, 전기화학증착-라만 분석 융합시스템이 제공된다.
일 실시예에 따르면, 작용전극인 금속함유 나노구조체는 Au 나노필라일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전압 인가 시, 상기 베이스기판에 형성된 금속함유 나노구조체 상에 플라즈모닉 나노구조-타겟분자로 구성된 3차원 나노플라즈모닉 복합박막을 형성하며, 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막은 상기 베이스기판에 형성된 복수의 금속함유 나노구조체 상에 플라즈모닉 나노구조의 전기화학증착 및 타겟분자의 화학결합 또는 정전기적 인력에 의해 형성된 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막은 전구체 HAuCl4의 전기화학증착; 및 Au와 타겟분자의 화학결합 또는 정전기적 인력;에 의해 형성된 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전기화학증착-라만 분석 융합시스템은 전기화학증착에 의한 3차원 나노플라즈모닉 복합박막 형성과 동시에 라만 분석이 가능하다.
일 실시예에 따르면, 상기 전기화학증착-라만 분석 융합시스템은 1분 이내에 라만 분석이 가능하다.
일 실시예에 따르면, 상기 전기화학증착-라만 분석 융합시스템은 -0.1 내지 0.5 V의 전압이 인가될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전기화학증착-라만 분석 융합시스템은 검출한계가 1 ppb 이하일 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, i) 전기화학 셀에 상기 기재된 금속함유 나노구조체가 형성된 베이스기판을 준비하는 단계; ii) 상기 전기화학 셀에 플라즈모닉 나노구조의 전구체 및 타겟분자를 포함하는 전해액을 준비하는 단계; 및 iii) 전극에 전압을 인가하여 상기 금속함유 나노구조체 상에 플라즈모닉 나노구조-타겟분자로 구성된 3차원 나노플라즈모닉 복합박막을 형성하는 단계;를 포함하는, 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 제조방법이 제공된다.
일 실시예에 따르면, 단계 ii)에서 상기 전해액은 HAuCl4 및 타겟분자를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 단계 iii)에서 작용전극인 금속함유 나노구조체와 카운터전극 사이에 전압을 인가함으로써 전기화학증착을 수행할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 단계 iii)에서 인가되는 전압은 -0.1 내지 0.5 V일 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, i) 전기화학 증착 시스템의 전기화학 셀에 상기 기재된 금속함유 나노구조체가 형성된 베이스기판을 준비하는 단계; ii) 상기 전기화학 셀에 플라즈모닉 나노구조의 전구체 및 타겟분자를 포함하는 전해액을 준비하는 단계; iii) 전극에 전압을 인가하여 상기 금속함유 나노구조체 상에 플라즈모닉 나노구조-타겟분자로 구성된 3차원 나노플라즈모닉 복합박막을 형성하는 단계; 및 iv) 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막이 형성된 베이스기판에 광원을 조사하여 라만 분석을 하는 단계;를 포함하는, 실시간 라만 분광 분석 방법이 제공된다.
또 다른 측면에 따르면, 오목형 곡면 나노딤플 및 상기 나노딤플 사이의 접점에 형성된 융기형 나노팁을 포함하는 베이스기판;과, 상기 베이스기판 상에 형성된, 곡면을 가지는 플라즈모닉 연속 박막;을 포함하는 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판; 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판 상에 형성된 병원체 물질을 포함하는 병원체 물질층; 및 상기 병원체 물질층 상에 형성된 3차원 나노플라즈모닉 복합박막;을 포함하되, 상기 병원체 물질은 병원체의 단백질 및 유전자 중 1종 이상을 포함하는, 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판이 제공된다.
일 실시예에 따르면, 상기 병원체 물질은 바이러스 용해액으로 용해된 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 병원체는 바이러스이고, 상기 병원체 물질은 바이러스의 스파이크 단백질 및 표면단백질 중 1종 이상일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 병원체는 호흡기 감염 바이러스이고, 상기 호흡기 감염 바이러스는 SARS-CoV-2 또는 인플루엔자 바이러스일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 플라즈모닉 연속 박막의 플라즈모닉 나노딤플의 종횡비가 1.5 이상일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막의 두께는 10 nm 내지 150 nm일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막은 용액공정으로 형성된 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막은 전기화학증착으로 형성된 것일 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 오목형 곡면 나노딤플 및 상기 나노딤플 사이의 접점에 형성된 융기형 나노팁을 포함하는 베이스기판;과, 상기 베이스기판 상에 형성된, 곡면을 가지는 플라즈모닉 연속 박막;을 포함하는 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판; 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판 및 전해액을 수용하는 전기화학 셀; 상기 전기화학 셀에 구비되는 기준전극 및 카운터전극; 작용전극인 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판과 카운터전극에 사이에 전압을 인가하는 전원; 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판에 광을 조사하는 광원; 및 라만분광 신호를 검출하는 검출기;를 포함하는, 전기화학증착-라만 분석 융합시스템이 제공된다.
일 실시예에 따르면, 본원의 전기화학증착-라만 분석 융합시스템에서 바이러스 용해액으로 용해된 병원체 물질이 전해액에 첨가되고, 상기 병원체 물질은 병원체의 단백질 및 유전자 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 본원의 전기화학증착-라만 분석 융합시스템에서 전압 인가 시, 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판 상에 형성된 병원체 물질로 구성된 병원체 물질층; 및 3차원 나노플라즈모닉 복합박막;을 형성하며, 상기 병원체 물질층; 및 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막;은 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판에 형성된 플라즈모닉 나노구조체 상에 플라즈모닉 나노구조의 전기화학증착; 및 병원체 물질의 화학결합 또는 정전기적 인력;에 의해 형성된 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 본원의 전기화학증착-라만 분석 융합시스템에서 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막은 전구체 HAuCl4의 전기화학증착; 및 Au와 병원체 물질의 화학결합 또는 정전기적 인력;에 의해 형성된 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 본원의 전기화학증착-라만 분석 융합시스템은 전기화학증착에 의한 병원체 물질층 및 3차원 나노플라즈모닉 복합박막 형성과 동시에 라만 분석이 가능할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 본원의 전기화학증착-라만 분석 융합시스템에서 1 분 이내에 라만 분석이 가능할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 본원의 전기화학증착-라만 분석 융합시스템은 -0.5 내지 0.5 V의 전압이 인가될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, I-i) 전기화학 증착 시스템의 전기화학 셀에 본원에 기재된 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판을 준비하는 단계; I-ii) 상기 전기화학 셀에 플라즈모닉 나노구조의 전구체 및 병원체 물질을 포함하는 전해액을 준비하는 단계; 및 I-iii) 전극에 전압을 인가하여 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판 상에 형성된 병원체 물질로 구성된 병원체 물질층; 및 3차원 나노플라즈모닉 복합박막;을 형성하는 단계;를 포함하는, 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 제조방법이 제공된다.
일 실시예에 따르면, 단계 I-ii)에서 상기 전해액은 HAuCl4 및 바이러스 용해액으로 용해된 병원체 물질을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 단계 I-iii)에서 작용전극인 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판과 카운터전극 사이에 전압을 인가함으로써 전기화학증착을 수행할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 단계 I-iii)에서 인가되는 전압은 -0.5 내지 0.5 V일 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, II-i) 전기화학 증착 시스템의 전기화학 셀에 본원에 기재된 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판을 준비하는 단계; II-ii) 상기 전기화학 셀에 플라즈모닉 나노구조의 전구체 및 병원체 물질을 포함하는 전해액을 준비하는 단계; II-iii) 전극에 전압을 인가하여 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판 상에 형성된 병원체 물질로 구성된 병원체 물질층; 및 3차원 나노플라즈모닉 복합박막;을 형성하는 단계; 및 II-iv) 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막이 형성된 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판에 광원을 조사하여 라만 분석을 하는 단계;를 포함하는, 실시간 라만 분광 분석 방법이 제공된다.
일 실시예에 의하면, 분석물질과 금속 전구체를 포함하는 전기화학 셀(electrochemical cell) 내에서 플라즈모닉 전극에 전압을 인가하여 분석 분자를 전극 상에 유도하고 동시에 전기화학증착 (electrochemical deposition or electrodeposition)을 통해 3차원 플라즈모닉 나노구조와 분석물질로 이루어진 플라즈모닉 나노구조-타겟분자 복합박막을 형성하여, 광학분석용 기판을 제공할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 3차원 플라즈모닉-타겟분자 복합박막을 형성 과정중에 실시간으로 라만신호 측정이 가능하여, 3차원 플라즈모닉-타겟분자 복합박막을 형성과 동시에 타겟분자의 라만신호를 신속하게 분석할 수 있는 전기화학증착-라만 분석 융합 시스템을 제공할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 신속한 분석이 가능한 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판을 효율적으로 제조할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 3차원 플라즈모닉-타겟분자 복합구조를 포함하는 기판을 이용하여 실시간 라만 분광 분석 방법을 제공할 수 있다.
일 실싱예에 의하면, 금, 은과 같은 금속 나노구조는 입사되는 빛(incident light)과 금속 나노구조 내부에 존재하는 자유전자와의 공명현상(localized surface plasmon resonance, LSPR)을 유도하여 입사되는 빛을 금속 나노구조의 뾰족한 팁이나 나노구조 사이의 국소 공간에 집중시킬 수 있다. 이러한 플라즈모닉 핫스팟(plasmonic hotspots)에 흡착된 분자의 라만(Raman) 신호를 107배 이상 증폭하여 극미량의 병원체 물질의 검출이 가능한 초고감도 표면증강 라만산란(Surface-Enhanced Raman Spectroscopy, SERS) 기판을 제공할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 본원의 병원체 검출 장치는 바이러스 용해액에서 용해된 단백질 및 유전자를 포획하여 SERS 분석을 할 수 있어, 소량의 검체로 신속한 현장 진단이 가능하다. 즉, 전처리 및 PCR이 필요 없어, 병원체 검출을 위한 검체 이동 시간 및 유전자 증폭의 위한 시간을 단축할 수 있다. 따라서 신속한 현장 병원체 검출이 가능하여 바이러스 등 병원체의 전파를 효과적으로 차단할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 본원의 병원체 검출 및 분석 장치는 고가의 장비 및 고도로 숙련된 전문가가 필요 없는 정확도가 높은 올인원타입 장치로 신속하고 정확한 바이러스 등 병원체의 검출 및 진단이 가능하다.
일 실시예에 의하면, 본원의 병원체 검출 및 분석 방법은 소량의 검체로 현장 진단이 가능하여 10분 이내에 신속하고 고감도로 병원체를 검출 및 분석할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 본원의 병원체 검출 및 진단 방법은 호흡기 감염 바이러스인 SARS-CoV-2 및 인플루엔자 등을 검출 및 분별하여 분석할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 분석물질과 금속 전구체를 포함하는 전기화학 셀 내에서 전기화학 증착 공정 중 실시간으로 라만 신호를 분석할 수 있는 전기화학증착-라만 분석 융합시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 전기화학증착-라만 분석 융합시스템을 이용하여 1분 이내의 타겟분자 신속 검출을 위한 분석 과정을 나노필라 표면 형상 변화로 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의해 10 ppb 티아벤졸(thiabenzole, TBZ)을 포함하는 전해액에서 Au 전기화학증착 과정 중 시간에 따른 SERS 신호 매핑(mapping) 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의해 10 ppb TBZ와 3 mM HAuCl4를 포함하는 전해액에서 전기화학증착 인가전압에 따라 측정된 TBZ 분자의 SERS 신호 세기를 비교한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의해 10 ppb TBZ와 서로 다른 HAuCl4 농도를 포함하는 수용액에 +0.3 V 전압을 인가했을 때, HAuCl4 농도 변화에 따른 TBZ SERS 신호 세기를 비교한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의해 TBZ 농도에 따라 측정된 SERS 신호 세기를 비교한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 TBZ 농도에 따른 TBZ 특성 피크 신호 세기를 나타낸 검정곡선(calibration curve) 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의해 Au 나노필라를 포함하는 고분자 기판 상에 Au 200 nm를 진공 스퍼터링 증착 후 형성된 작용전극인 Au 나노필라 전극의 SEM(scanning electron microscope) 사진이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 Au 나노필라 기판을 활용하여 1 ppm TBZ와 3 mM　HAuCl4를 포함하는 전기화학 셀 내부에 +0.3 V로 인가하여 30초 전기화학증착 공정을 수행한 이후 형성된 Au 나노필라 전극의 SEM 사진이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 Au 나노필라 기판을 활용하여 1 ppm TBZ와 3 mM　HAuCl4를 포함하는 전기화학 셀 내부에 +0.3 V로 인가하여 30초 전기화학증착 공정을 수행한 이후 형성된 Au 기판의 TEM(transmission electron microscope) 사진이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 Au 나노필라 기판을 활용하여 1 ppm TBZ와 3 mM　HAuCl4를 포함하는 전기화학 셀 내부에 +0.3 V로 인가하여 30초 전기화학증착 공정을 수행한 이후 형성된 Au 기판의 고해상도 TEM 사진과 광학 시뮬레이션 결과를 나타내는 사진이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 Au 나노필라 기판을 활용하여 1 ppm TBZ와 3 mM　HAuCl4를 포함하는 전기화학 셀 내부에 +0.3 V로 인가하여 30초 전기화학증착 공정을 수행한 이후 깊이 방향(depth profiling)으로 측정된 화학 분석 결과 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 1분 이내 신속 바이러스 SERS 검출을 위한 분석 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 의한 1 μg/mL H1N1 인플루엔자 바이러스와 3 mM HAuCl4를 포함하는 전해액에서 Au 전기화학증착 시간에 따른 SERS 신호 매핑(mapping) 사진이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 의한 H1N1 인플루엔자 바이러스 농도에 따라 측정된 SERS 신호 세기를 비교한 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 의한 H1N1 인플루엔자 바이러스 농도에 따른 SERS 특성피크 신호 세기를 나타낸 검정곡선 그래프이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 의한 H1N1 인플루엔자 바이러스(농도 1 μg/mL)의 SERS 신호와 인플루엔자 바이러스의 표면단백질인 헤마글루티닌(hemagglutinin, 농도 1 μg/mL)과 뉴라미다아제(neuraminidase, 농도 1 μg/mL)의 SERS 신호를 비교한 그래프이다.
도 18은 3 mM HAuCl4를 포함하는 전해액을 +0.3 V로 인가하여 8분의 전기화학증착 공정을 수행한 이후 측정한 Au 기판의 SEM 사진이다.
도 19는 1 μg/mL H1N1 인플루엔자 바이러스와 3 mM HAuCl4를 포함하는 전해액을 +0.3 V로 인가하여 8분의 전기화학증착 공정을 수행한 이후 측정한 Au 기판의 SEM 사진이다.
도 20은 1 μg/mL 뉴라미다아제(neuraminidase) 단백질과 3 mM HAuCl4를 포함하는 전해액을 +0.3 V로 인가하여 8분의 전기화학증착 공정을 수행한 이후 측정한 Au 기판의 SEM 사진이다.
도 21은 종래 RT-PCR에 의한 호흡기 바이러스 검출 방법의 문제점을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 의한 병원체의 단백질 및 유전자가 포획된 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판을 나타내는 모식도이다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 의한 바이러스 용해액 및 금속 전구체를 포함하는 전기화학 셀 내에서 전기화학 증착 공정 중 실시간으로 라만 신호를 분석할 수 있는 전기화학증착-라만 분석 융합시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 의한 베이스기판으로부터 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판을 거쳐 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판이 형성되는 과정을 개략적으로 나타내는 이미지이다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 의한 베이스기판 및 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판을 나타내는 사진이다.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 의한 도 2의 전기화학증착-라만 분석 융합시스템을 이용하여 바이러스 단백질 및 유전자의 신속 검출을 위한 분석 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 의한 SARS-CoV-2 바이러스 용해물과 3 mM HAuCl4를 포함하는 전해액에서 Au 전기화학증착 시간에 따른 SERS 신호 매핑(mapping) 사진이다.
도 28은 본 발명의 일 실시예에 의한 SARS-CoV-2 바이러스 용해물 및 H1N1 인플루엔자 바이러스 용해물에 따라 측정된 SERS 신호 세기를 비교한 그래프이다.
도 29는 본 발명의 일 실시예에 의한 SARS-CoV-2 바이러스 용해물 농도에 따른 SERS 신호의 세기를 비교한 그래프이다.
도 30은 본 발명의 일 실시예에 의한 SARS-CoV-2 바이로스 용해물 농도에 따른 SERS 특성 피크의 신호 세기를 나타낸 검정곡선 그래프이다.
도 31은 본 발명의 일 실시예에 의한 SARS-CoV-2 바이러스 용해물 및 H1N1 인플루엔자 바이러스 용해물의 혼합액을 이용하여 측정된 SERS 신호 세기를 비교한 그래프이다.
도 32는 본 발명의 일 실시예에 의한 바이러스 용해물 및 금속 전구체를 포함하는 전기화학 셀 내에서 전기화학 증착 공정 후의 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 SEM 사진이다.
도 33은 본 발명의 일 실시예에 의한 바이러스 용해물 및 금속 전구체를 포함하는 전기화학 셀 내에서 전기화학 증착 공정 후 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 AFM 사진이다.
도 34는 본 발명의 일 실시예에 의한 바이러스 용해물 및 금속 전구체를 포함하는 전기화학 셀 내에서 전기화학 증착 공정 후 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 TEM 사진이다.
도 35는 본 발명의 일 실시예에 의한 다양한 농도의 SARS-CoV-2 바이러스 용해물 및 금속 전구체를 포함하는 전기화학 셀 내에서 전기화학 증착 공정 후 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 SEM 사진이다.
본 개시의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 개시의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 명세서에서, 층, 부분, 또는 기판과 같은 구성요소가 다른 구성요소 "위에", "연결되어", 또는 "결합되어" 있는 것으로 기재되어 있는 경우, 이는 직접적으로 다른 구성요소 "위에", "연결되어", 또는 "결합되어" 있는 것일 수 있고, 또한 양 구성요소 사이에 하나 이상의 다른 구성요소를 개재하여 있을 수 있다. 대조적으로, 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 위에", "직접적으로 연결되어", 또는 "직접적으로 결합되어" 있는 것으로 기재되어 있는 경우, 양 구성요소 사이에는 다른 구성요소가 개재되어 있을 수 없다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 개시를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것이 아니다.
본 개시는 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 개시를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 개시의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 개시를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 본 개시의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
먼저, 기본적인 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판, 이의 제조방법, 및 이를 이용한 신속 분석방법에 관해 설명을 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 분석물질과 금속 전구체를 포함하는 전기화학 셀 내에서 전기화학 증착 공정 중 실시간으로 라만 신호를 분석할 수 있는 전기화학증착-라만 분석 융합시스템을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 전기화학증착-라만 분석 융합시스템을 이용하여 1분 이내의 타겟분자 신속 검출을 위한 분석 과정을 나노필라 표면 형상 변화로 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 3차원 나노플라즈모닉 복합박막을 포함하는 기판은 베이스기판(10); 상기 베이스기판(10)에 형성된 복수의 금속함유 나노구조체(20); 상기 금속함유 나노구조체(20) 상에 형성된 플라즈모닉 나노구조-타겟분자로 구성된 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(30);을 포함한다.
상기 베이스기판(10)은 고분자, 유리, 세라믹, 금속, 종이, 수지, 실리콘, 또는 금속 산화물로 형성된 것일 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 복수의 금속함유 나노구조체(20)는 상기 베이스기판(10) 상에 이격되어 형성된 복수의 나노필라 및 나노돌기 중 1종 이상; 및 상기 복수의 나노필라 및 나노돌기 중 1종 이상의 표면상에 형성된 금속함유 박막;을 포함할 수 있다.
상기 나노필라 또는 나노돌기는 베이스기판(10)을 가공하여 형성될 수 있으며 베이스기판(10)과 동일한 소재로 구성될 수 있다. 이때 상기 베이스기판(10)은 나노필라 또는 나노돌기의 형성이 용이한 고분자가 적합할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 고분자 기판 중 PET(polyethylene terephthalate)를 사용하였다.
상기 금속함유 나노구조체(20)는 Au 또는 이의 귀금속 합금으로 구성될 수 있는 데, 상기 베이스기판(10)에 형성된 나노필라 또는 나노돌기 상에 Au 또는 이의 귀금속 합금으로 코팅된 형태일 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나 나노필라 형태가 더 적합할 수 있다. 상기 금속함유 나노구조체(20)는 전기화학 증착 시 작용전극으로 역할을 한다.
상기 금속함유 나노구조체(20)는 이온 빔 처리(ion beam treatments), 플라즈마 식각(plasma etching), 소프트 리소그라피(soft lithography), 나노임프린트 리소그라피(nanoimprint lithography), 포토 리소그라피(photo lithography), 또는 홀로그래픽 리소그라피(holographic lithography)로 형성된 것일 수 있다.
상기 이온 빔 처리는 탄소, 산소, 질소, 불소, 아르곤, 염소, 황, 또는 이들 화합물로 구성된 이온 빔을 이용하는 것일 수 있다.
상기와 같이, 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(30)은 분석대상인 타겟분자가 흡착되어 3차원 플라즈모닉 나노구조와 일체로 3차원 다공성 복합박막을 형성하기 때문에 흡착분자의 라만신호가 증강될 수 있다. 또한, 분광분석용 기판 형성 및 분석 과정이 일체로 이루어질 수 있어, 신속한 현장 진단이 가능하고 추가적인 분석과정이 불필요하고 실시간 라만 모니터링도 가능하다.
상기 플라즈모닉 나노구조는 금속함유 나노입자 및 이로 이루어진 금속함유 박막일 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 상기 플라즈모닉 나노구조는 Au 및 이의 합금의 나노입자일 수 있다. 상기 플라즈모닉 나노구조는 전기화학 증착에 의해 형성된다.
상기 타겟분자는 분석대상 물질의 분자로서 상기 플라즈모닉 나노구조와 복합박막을 형성할 수 있다면 특별한 제한은 없다. 상기 플라즈모닉 나노구조와 공유결합 또는 정전기적 인력에 의해 결합되는 유기분자일 수 있다.
상기 유기분자는 화학물질 또는 병원체일 수 있다. 상기 유기분자는 상기 플라즈모닉 나노구조와 공유결합을 형성할 수 있다면, 특별한 제한이 없다. 예를 들어, 상기 유기분자는 티아벤졸(thiabenzole, TBZ)일 수 있다. 상기 병원체는 상기 플라즈모닉 나노구조(30)와 정전기적 인력에 의해 결합할 수 있다면 특별한 제한이 없다. 이에 한정되는 것은 아니나, 상기 병원체는 병원성 바이러스 또는 세균일 수 있다. 상기 바이러스는 H1N1 인플루엔자 바이러스일 수 있고, 상기 바이러스의 표면 단백질일 수 있다. 상기 표면 단백질은 헤마글루티닌(hemagglutinin) 또는 뉴라미다아제(neuraminidase)일 수 있다.
상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(30)의 두께는 1 nm 내지 100 nm일 수 있다. 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(30)의 두께가 1 nm 미만인 경우 복합박막을 형성하기 어려울 수 있고 나아가 3차원 다공성 형태를 이루기 어려울 수 있어, 라만신호 증강 효과가 발생하지 않을 수 있다. 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(30)의 두께가 100 nm 초과인 경우 두께 증가에 따른 라만신호 증강 효과의 향상이 미미할 수 있고, 경제성이 낮아질 수 있다.
상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(30)은 용액공정으로 형성된 것일 수 있다. 나아가, 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(30)은 전기화학증착으로 형성된 것일 수 있다.
상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(30)은 다공성일 수 있다. 상술한 바와 같이, 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(30)의 형성과정에서 분석대상인 타겟분자가 흡착되어 다공성 복합박막을 형성할 수 있다. 또한, 상기 다공성 복합박막(30)의 표면에는 피트(pit)(도 13의 32)가 형성될 수 있다. 상기한 구조에 의해 나노갭의 밀도가 증가하고 3차원 다공성 플라즈모닉 나노구조 내부에 타겟 분자가 존재하여 라만신호 증강 효과가 향상될 수 있다.
도 1을 참조하면, 전기화학증착-라만 분석 융합시스템(200)은 상기 기재된 금속함유 나노구조체(20)가 형성된 베이스기판(100); 상기 베이스기판(100) 및 전해액을 수용하는 전기화학 셀(210); 상기 전기화학 셀(210)에 구비되는 카운터전극(220) 및 기준전극(230); 작용전극인 금속함유 나노구조체(20)와 카운터전극(220) 사이에 전압을 인가하는 전원(240); 상기 베이스기판(100)에 광을 조사하는 광원(300); 및 라만분광 신호를 검출하는 검출기;를 포함한다
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 작용전극인 금속함유 나노구조체(20)는 Au 나노필라일 수 있다.
작용전극인 금속함유 나노구조체(20)가 형성된 베이스기판(100)은 전원(240)과 도선(250)으로 접속된다.
상기 카운터전극(220)은 작용전극 사이에서 전해액에 전류를 흐르게 하고, 작용전극과 전해액의 계면에서 반응을 일으키기 위한 전극이다. 예를 들어 카운터전극은 Pt 전극일 수 있다.
상기 기준전극(230)은 작용전극의 전위를 결정할 때의 기준이 되는 전극이다. 예를 들어, 상기 기준전극(230)은 Ag/AgCl 전극일 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 전압 인가 시, 상기 베이스기판에 형성된 금속함유 나노구조체(20) 상에 플라즈모닉 나노구조-타겟분자로 구성된 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(30)을 형성하며, 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(30)은 상기 베이스기판(10)에 형성된 복수의 금속함유 나노구조체(20) 상에 플라즈모닉 나노구조의 전기화학증착; 및 타겟분자의 화학결합 또는 정전기적 인력;에 의해 형성된 것일 수 있다.
상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(30)은 전구체 HAuCl4의 전기화학증착; 및 Au와 타겟분자의 화학결합 또는 정전기적 인력;에 의해 형성된 것일 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 상기 HAuCl4의 농도는 0.5 내지 100 mM이 전기화학증착 및 라만신호 증강 면에서 적합할 수 있다.
상기 전기화학증착-라만 분석 융합시스템(200)은 전기화학증착에 의한 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(30) 형성과 동시에 라만 분석이 가능하다.
상기 전기화학증착-라만 분석 융합시스템(200)은 1분 이내에 라만 분석이 가능하다. 도 2를 참조하면, 분석물질인 TBZ 및 플라즈모닉 나노구조의 전구체인 HAuCl4 첨가 후 전기화학증착하여 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(30) 형성과 동시에 라만 분석 결과가 나오기까지 50초가 소요될 수 있다.
상기 전기화학증착-라만 분석 융합시스템은 -0.1 내지 0.5 V의 전압이 인가될 수 있다.
상기 전기화학증착-라만 분석 융합시스템은 검출한계가 1 ppb 이하일 수 있고, 최저 0.05 ppb 이하일 수 있다.
상기 광원(300) 및 검출기(미도시)는 공지의 라만 분광 분석 장치의 광원 및 검출기를 이용할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 제조방법은 i) 전기화학증착-라만 분석 융합시스템(200)의 전기화학 셀(210)에 상기 기재된 금속함유 나노구조체(20)가 형성된 베이스기판(100)을 준비하는 단계; ii) 상기 전기화학 셀(210)에 플라즈모닉 나노구조의 전구체 및 타겟분자를 포함하는 전해액을 준비하는 단계; 및 iii) 전극에 전압을 인가하여 상기 금속함유 나노구조체(20) 상에 플라즈모닉 나노구조-타겟분자로 구성된 3차원 플라즈모닉 복합박막(30)을 형성하는 단계;를 포함한다.
단계 i)에서 전기화학증착-라만 분석 융합시스템(200)의 전기화학 셀(210)에 상기 기재된 금속함유 나노구조체(20)가 형성된 베이스기판(100)을 배치하여 준비한다.
단계 ii)에서 상기 전기화학 셀(210)에 플라즈모닉 나노구조의 전구체 및 타겟분자를 포함하는 전해액을 준비한다. 상기 전해액은 HAuCl4 및 타겟분자를 포함할 수 있다.
단계 iii)에서 전극에 전압을 인가하여 상기 금속함유 나노구조체(20) 상에 3차원 플라즈모닉 복합박막(30)을 형성한다. 단계 iii)에서 작용전극인 금속함유 나노구조체(20)와 카운터전극(220) 사이에 전압을 인가함으로써 전기화학증착을 수행할 수 있다.
단계 iii)에서 인가되는 전압은 -0.1 내지 0.5 V일 수 있다. 상기 전압 범위가 전기화학증착 및 라만신호 증강면에서 적합할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, i) 전기화학 증착 시스템(200)의 전기화학 셀(210)에 상기 기재된 금속함유 나노구조체(20)가 형성된 베이스기판(100)을 준비하는 단계; ii) 상기 전기화학 셀(210)에 플라즈모닉 나노구조의 전구체 및 타겟분자를 포함하는 전해액을 준비하는 단계; iii) 전극에 전압을 인가하여 상기 금속함유 나노구조체(20) 상에 플라즈모닉 나노구조-타겟분자로 구성된 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(30)을 형성하는 단계; 및 iv) 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(30)이 형성된 베이스기판(100)에 광원(300)을 조사하여 라만 분광 분석을 하는 단계;를 포함하는, 실시간 라만 분광 분석 방법이 제공된다.
단계 i)에서 전기화학증착-라만 분석 융합시스템(200)의 전기화학 셀(210)에 상기 기재된 금속함유 나노구조체(20)가 형성된 베이스기판(100)을 배치하여 준비한다.
단계 ii)에서 상기 전기화학 셀(210)에 플라즈모닉 나노구조의 전구체 및 타겟분자를 포함하는 전해액을 준비한다. 상기 전해액은 HAuCl4 및 타겟분자를 포함할 수 있다.
단계 iii)에서 전극에 전압을 인가하여 상기 금속함유 나노구조체(20) 상에 3차원 플라즈모닉 복합박막(30)을 형성한다. 단계 iii)에서 작용전극인 금속함유 나노구조체(20)와 카운터전극(220) 사이에 전압을 인가함으로써 전기화학증착을 수행할 수 있다.
단계 iii)에서 인가되는 전압은 -0.1 내지 0.5 V일 수 있다. 상기 전압 범위가 전기화학증착 및 라만신호 증강면에서 적합할 수 있다.
단계 iv) 상기 3차원 플라즈모닉 복합박막(30)이 형성된 베이스기판(100)에 광원(300)을 조사하여 라만 분광 분석을 한다. 상기 라만 분광 분석은 공지의 광원 및 검출기를 이용하여 수행할 수 있다.
상기와 같이 본원의 라만 분광 분석 방법은 타겟 분자 흡착 및 분광분석용 기판의 형성과 동시에 라만분광 분석을 동시에 실시간으로 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본원에 의하면 전기화학 셀(electrochemical cell) 하부에 Au 나노필라로 이루어진 작용전극(working electrode)이 위치하고 있고, 전기화학 셀 내부에 분석하고자 하는 유해분자(예를 들어, thiabendazole, TBZ)와 Au 전기화학증착 박막 형성을 위한 Au 전구체(HAuCl4)를 포함하는 전해액이 포함되어 있다. Ag/AgCl 기준전극 대비 Au 나노필라 작용전극과 Pt 카운터전극 사이에 전압을 인가함으로써 전해액에서 Au 전기화학증착 및 라만분광 분석을 동시에 수행할 수 있다. 따라서 실시간 현장 분석 모니터링이 가능하다. 한편, 상기에서는 라만분광 분석을 중심으로 설명하였으나, 본원의 기판은 다양한 분광분석 방법에 활용되는 것을 배제하는 것은 아니다.
다음, 변형된 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판을 이용하는 신속 고감도 병원체 검출 장치 및 이를 이용한 병원체 분석 방법에 대해 상세하게 설명한다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 의한 병원체의 단백질 및 유전자가 포획된 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판을 나타내는 모식도이다. 도 23은 본 발명의 일 실시예에 의한 바이러스 용해물 및 금속 전구체를 포함하는 전기화학 셀 내에서 전기화학 증착 공정 중 실시간으로 라만 신호를 분석할 수 있는 전기화학증착-라만 분석 융합시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 24는 본 발명의 일 실시예에 의한 베이스기판으로부터 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판을 거쳐 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판이 형성되는 과정을 개략적으로 나타내는 이미지이다. 도 25는 본 발명의 일 실시예에 의한 베이스기판 및 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판을 나타내는 사진이다.
도 22 및 도 23을 참조하면, 본원의 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판은, 베이스기판(110);과, 플라즈모닉 연속박막(120);을 포함하는 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(1100); 병원체 물질층(126); 및 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(128)을 포함한다.
상기 베이스기판(110)은 오목형 곡면 나노딤플(112) 및 상기 나노딤플(112) 사이의 접점에 형성된 융기형(이하, "볼록형"과 혼용하여 사용될 수 있음) 나노팁(114)을 포함하도록 구성된다.
상기 베이스기판(110)에 형성된 나노딤플(112)은 옆면 경사각도가 30도 내지 60도이고 나노딤플(112)의 종횡비가 1.5 이상일 수 있다. 상기한 구성에 의해, 상기 플라즈모닉 연속박막(120)의 플라즈모닉 나노딤플(122)의 종횡비가 1.5 이상이고, 플라즈모닉 나노딤플(122)의 옆면 경사각도가 30도 내지 60도가 되도록 용이하게 형성될 수 있다.
상기 플라즈모닉 연속박막(120)은 상기 베이스기판(110)에 곡면을 가지도록 형성되어, 플라즈모닉 나노구조체를 포함한다. 상기 플라즈모닉 나노구조체는 상기 나노딤플(112)에 대응하는 위치에 형성되는 플라즈모닉 나노딤플(122)과, 상기 나노팁(114)에 대응하는 위치에 형성되는 플라즈모닉 나노팁(124)을 포함한다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 플라즈모닉 나노딤플(122)의 종횡비가 1.5 이상인 경우, 플라즈모닉 나노딤플(122)의 곡률에 의해 입사되는 빛을 3차원 플라즈모닉 나노딤플(122)의 내부 공간에 집속시킬 수 있어, 핫스팟의 부피 극대화할 수 있고, 극미량 분자를 3차원 플라즈모닉 나노딤플(122)의 내부 공간에 농축시킬 수 있는 초고감도 분광(형광 및 라만) 센서용 기판을 제공할 수 있다.
상기 베이스기판(110)은 고분자, 유리, 실리콘, 및 종이에서 선택되는 1종 이상으로 구성될 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 상기 베이스기판(110)은 고분자로 구성되는 것이 본원의 소정의 형상의 나노딤플(112) 및 나노팁(114)의 형성에 적합할 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 베이스기판(110)에 형성된 나노딤플(112)의 표면밀도가 30/μm2 내지 80/μm2일 수 있다. 상기한 구성에 의해, 3차원 핫스팟(hotspots)의 부피를 증가시킬 수 있어, SERS 신호를 크게 증폭할 수 있다. 상기 베이스기판(110)에 형성된 나노딤플(112)의 표면밀도가 30/μm2 미만인 경우, 3차원 핫스팟(hotspots) 부피의 증가 및 SERS 신호의 증폭 효과가 충분하지 않을 수 있고, 80/μm2 초과의 경우, 나노딤플(112)의 표면밀도 초과에 따라 곡면을 가지는 플라즈모닉 연속 박막의 형성이 어려워 평평한 필름이 형성될 수 있어 3차원 핫스팟(hotspots) 부피의 증가 및 SERS 신호의 증폭 효과가 미미할 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 베이스기판(110)에 형성된 나노팁(114)의 표면밀도가 40/μm2 내지 90/μm2일 수 있다. 상기한 구성에 의해, 3차원 핫스팟(hotspots)의 부피를 증가시킬 수 있어, SERS 신호를 크게 증폭할 수 있다. 상기 베이스 기판(110)에 형성된 나노팁(114)의 표면밀도가 40/μm2 미만인 경우 3차원 핫스팟(hotspots) 부피의 증가 및 SERS 신호의 증폭 효과가 충분하지 않을 수 있고, 90/μm2 초과인 경우, 나노팁(114)의 표면밀도 초과에 따라 이격된 플라즈모닉 나노팁 형성이 어려워 3차원 핫스팟(hotspots) 부피의 증가 및 SERS 신호의 증폭 효과가 미미할 수 있다.
상기 나노딤플(112) 및 나노팁(114)은 이온 빔 처리(ion beam treatments), 플라즈마 식각(plasma etching), 소프트 리소그라피(soft lithography), 나노임프린트 리소그라피(nanoimprint lithography), 또는 포토 리소그라피(photo lithography)로 형성된 것일 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 상기 나노딤플(112) 및 나노팁(114)은 이온 빔 처리(ion beam treatments)에 의해서 형성된 것이 적합할 수 있다. 이는 이온 빔 처리에 의하면, 상기 플라즈모닉 연속 박막(120)의 플라즈모닉 나노딤플(122)의 종횡비가 1.5 이상이고, 플라즈모닉 나노딤플(122)의 옆면 경사각도가 30도 내지 60도가 되도록 용이하게 형성할 수 있기 때문이다.
상기 이온 빔은 산소, 아르곤, 크립톤, 제논, 질소, 수소, 또는 이의 1종 이상의 혼합 입자군의 이온 빔일 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 상기 산소로 구성된 이온 빔을 이용하여 형성되는 것이 적합할 수 있다. 산소 이온 빔 처리에 의하면, 상기 플라즈모닉 연속 박막(120)의 플라즈모닉 나노딤플(122)의 종횡비가 1.5 이상이고, 플라즈모닉 나노딤플(122)의 옆면 경사각도가 30도 내지 60도가 되도록 용이하게 형성할 수 있기 때문이다.
상술한 바와 같이, 상기 플라즈모닉 연속 박막(120)은 상기 베이스 기판(110) 상에 거의 균일하게 형성(conformal coating)되어, 플라즈모닉 연속 박막(120)은 오목형 곡면의 플라즈모닉 나노딤플(122) 및 상기 플라즈모닉 나노딤플(122) 사이의 접점에 형성된 융기형 플라즈모닉 나노팁(124)을 동시에 포함하도록 구성된다.
상기 플라즈모닉 연속 박막(120)은 오목형 곡면의 플라즈모닉 나노딤플(122) 및 상기 플라즈모닉 나노딤플(122) 사이의 접점에 형성된 융기형 플라즈모닉 나노팁(124)을 동시에 포함하여, 플라즈모닉 나노딤플(122) 내부에 빛을 집속시킬 수 있고, 플라즈모닉 나노팁(124)에 의한 피뢰침(lightening rod effect) 효과에 의해 핫스팟(hotspots)의 총부피를 증가시킬 수 있어, SERS 신호를 크게 증폭할 수 있다.
상기 플라즈모닉 연속 박막(120)의 플라즈모닉 나노딤플(122)의 종횡비가 1.5 이상인 구성에 의해, 입사되는 빛을 플라즈모닉 나노딤플(122) 내부에 효과적으로 집속시킬 수 있어 3차원 핫스팟(hotspots)의 부피를 증가시킬 수 있다.
상기 플라즈모닉 연속 박막(120)의 플라즈모닉 나노딤플(122)의 옆면 경사각도가 30도 내지 60도일 수 있다. 상기와 같은 나노딤플(122)의 경사각도에 의한 곡률에 의한 빛의 집속 및 병원체 물질 농축 효과에 의해, SERS 특성이 크게 향상될 수 있다.
따라서, 상기한 구성의 본원의 플라즈모닉 연속 박막(120)을 포함하는 기판은 3차원 플라즈모닉 나노딤플(122) 내부의 곡률에 의해 입사되는 빛을 나노딤플 내부에 집속시킬 수 있어, 3차원 핫스팟(hotspots)의 부피를 증가시키고 극미량 시료를 3차원 핫스팟에 농축하여 분석할 수 있는 초고감도 분광센서용 기판을 제공할 수 있다. 따라서, 극미량 병원체의 검출을 위한 종래의 검체의 전처리 및 PCR 증폭이 필요하지 않아, 신속하게 현장 진단이 가능할 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 플라즈모닉 연속 박막(120)의 플라즈모닉 나노딤플(122)의 지름이 10 nm 내지 150 nm일 수 있다. 상기 플라즈모닉 연속 박막(120)의 플라즈모닉 나노딤플(122)의 지름이 10 nm 미만이거나 150 nm 초과인 경우, 효과적으로 빛을 집속할 수 없어 SERS 신호의 증폭 효과가 충분하지 않을 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 플라즈모닉 연속 박막(120)의 플라즈모닉 나노딤플(122)의 표면밀도가 30/μm2 내지 80/μm2일 수 있다. 상기한 구성에 의해, 3차원 핫스팟(hotspots)의 부피를 증가시킬 수 있어, SERS 신호를 크게 증폭할 수 있다. 상기 플라즈모닉 연속 박막(120)에 형성된 플라즈모닉 나노딤플(122)의 표면밀도가 30/μm2 미만인 경우, 3차원 핫스팟(hotspots) 부피의 증가 및 SERS 신호의 증폭 효과가 충분하지 않을 수 있고, 80/μm2 초과의 경우, 나노딤플(112)의 표면밀도 초과에 따라 곡면을 가지는 플라즈모닉 연속 박막의 형성이 어려워 평평한 필름이 형성될 수 있어 3차원 핫스팟(hotspots) 부피의 증가 및 SERS 신호의 증폭 효과가 미미할 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 플라즈모닉 연속 박막(120)의 플라즈모닉 나노팁(124)의 표면밀도가 40/μm2 내지 90/μm2일 수 있다. 상기한 구성에 의해, 3차원 핫스팟(hotspots)의 부피를 증가시킬 수 있어, SERS 신호를 크게 증폭할 수 있다. 상기 플라즈모닉 연속 박막(120)에 형성된 플라즈모닉 나노팁(124)의 표면밀도가 40/μm2 미만인 경우 3차원 핫스팟(hotspots) 부피의 증가 및 SERS 신호의 증폭 효과가 충분하지 않을 수 있고, 90/μm2 초과인 경우, 플라즈모닉 나노팁(124)의 표면밀도 초과에 따라 이격된 플라즈모닉 나노팁(124) 형성이 어려워 3차원 핫스팟(hotspots) 부피의 증가 및 SERS 신호의 증폭 효과가 미미할 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 플라즈모닉 연속 박막(120)의 두께는 50 nm 내지 200 nm일 수 있다. 상기한 구성에 의해, 3차원 핫스팟(hotspots)의 부피를 증가시킬 수 있어, SERS 신호를 크게 증폭할 수 있다. 상기 플라즈모닉 연속 박막(120)의 두께가 50 nm 미만이면 입사되는 레이저 빛을 효과적으로 곡률 공간 내부에 집속할 수 없어 효과적인 LSPR 특성을 발현시킬 수 없고, 200 nm 초과인 경우, 플라즈모닉 나노딤플(122)이 메워져서 평평한(flat) 기판이 되어 3차원 핫스팟(hotspots) 부피의 증가 및 SERS 신호의 증폭 효과가 충분하지 않을 수 있으며 또한 경제적으로도 고가의 Au를 낭비할 수 있다.
상기 플라즈모닉 연속 박막(120)은 기상증착 또는 용액공정으로 형성된 것일 수 있다. 공지의 기상증착 또는 용액공정을 이용하여 상기 플라즈모닉 연속 박막(120)을 형성할 수 있다.
상기 플라즈모닉 연속 박막(120)은 금속 함유 박막일 수 있다. 상기 금속은 Au, Ag, Cu, Al, Pt, Pd, Ti, Rd, Ru, 또는 이의 합금일 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 상기 금속은 Au 또는 Ag가 적합할 수 있다.
상기 금속 함유 박막 상에 형성되는 금속 함유 나노입자를 더 포함할 수 있다. 상기한 구성에 의해, 금속 함유 박막과 금속 함유 나노입자 사이의 나노갭 및 금속 함유 나노입자 사이의 나노갭 등 복수의 나노갭이 형성되어 3차원 핫스팟(hotspots)의 부피를 더욱 증가시킬 수 있어, SERS 신호를 크게 증폭할 수 있다.
상기 금속 함유 박막 상에 형성되는 절연층 및 추가의 금속 함유 박막을 더 포함할 수 있다. 상기한 구성에 의해, 금속 함유 박막과 금속 함유 박막 사이의 나노갭 등 복수의 나노갭이 형성되어 3차원 핫스팟(hotspots)의 부피를 증가시킬 수 있어, SERS 신호를 크게 증폭할 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 상기 절연층은 1H, 1H, 2H, 2H-Perfluorodecanethiol (PFDT)로 형성된 것일 수 있다.
상기 병원체 물질층(126)은 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판 상에 형성된 병원체 물질을 포함한다.
본원에서 상기 병원체는 바이러스, 세균, 진균 등 병원성 미생물을 포함할 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 상기 병원체는 예시적으로 호흡기 감염 바이러스일 수 있고, 상기 호흡기 감염 바이러스는 SARS-CoV-2 또는 인플루엔자 바이러스일 수 있다.
또한, 상기 병원체 물질은 병원체의 단백질 및 유전자 중 1종 이상을 포함하는 것이다. 나아가, 상기 병원체 물질은 바이러스 용해액으로 용해된 용해물(lysate)일 수 있다. 상기 바이러스 용해액은 바이러스의 단백질 등을 추출할 수 있다면 특별한 제한은 없다. 따라서, 공지된 바이러스 용해액을 사용할 수 있고, 비제한적인 예로서 본원의 실시예에서는 Tris-(2-Carboxyethyl)phosphine, Hydrochloride (TCEP)/Ethylene-diamine-tetraacetic acid (EDTA)를 사용하였다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 병원체 물질은 바이러스의 스파이크 단백질 및 표면단백질 중 1종 이상일 수 있다.
상기 병원체 물질은 전하를 띠기 때문에, 전기장을 걸어주면 단백질 등이 플라즈모닉 나노딤플(122) 표면에 흡착되게 된다. 이때, 상기 본원의 플라즈모닉 연속 박막(120)을 포함하는 기판은 3차원 플라즈모닉 나노딤플(122) 내부의 곡률에 의해 병원체 물질을 용이하게 담지하여 전압을 인가하는 동안에는 다시 방출되는 것을 억제할 수 있고, 또한 상기 플라즈모닉 나노팁(124)에 의해 담지된 병원체 물질이 다시 방출되는 것을 방지할 수 있다. 나아가 상술한 바와 같이, 상기 본원의 플라즈모닉 연속 박막(120)을 포함하는 기판은 3차원 플라즈모닉 나노딤플(122) 내부의 곡률에 의해 입사되는 빛을 플라즈모닉 나노딤플(122) 내부에 집속시킬 수 있어, 3차원 핫스팟(hotspots)의 부피를 증가시키고 극미량 병원체 물질을 3차원 핫스팟에 농축하여 분석할 수 있다. 나아가, 플라즈모닉 나노팁(124)에 의한 피뢰침(lightening rod effect) 효과에 의해 핫스팟(hotspots)의 총부피를 증가시킬 수 있어, SERS 신호를 더 크게 증폭할 수 있다.
상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(128)은 3차원 플라즈모닉 연속박막(120) 상에서 형성되기 시작하여 상기 병원체 물질층(126) 상에도 형성되어, 병원체 물질을 코팅하여 포집하게 된다. 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(128)은 금속함유 나노입자 및 이로 이루어진 금속함유 박막일 수 있다. 또한, 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(128)은 내부에는 병원체 물질이 포획되어 있을 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(128)은 Au 및 이의 합금의 나노입자로 구성될 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막은 용액공정으로 형성된 것일 수 있다. 나아가, 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막은 전기화학증착으로 형성된 것일 수 있다.
상기와 같은 구성에 의하면, 병원체 물질이 나노플라즈모닉 복합박막(128)에 내부에 포집된 형태로 매우 강한 병원체 물질의 SERS 신호를 검출할 수 있다. 나노플라즈모닉 복합박막(128) 내부에 절연 병원체 물질이 포집되어 있기 때문에, 절연 병원체 물질 사이에 빛을 집중시킬 수 있어 매우 강한 SERS 신호가 발생하게 된다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(128)의 두께는 10 nm 내지 150 nm일 수 있다. 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(128)의 두께가 10 nm 미만인 경우 플로즈모닉 효과도 낮고, 10 nm 내외의 단백질 성분도 포획할 수 없어 단백질의 SERS 신호 증폭 효과가 미흡할 수 있고, 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(128)의 두께가 150 nm 초과의 경우 병원체 물질에 도달하는 레이저 등의 광량이 부족하여 SERS 신호 증폭 효과가 미흡할 수 있다.
본원의 상기 구성에 의하면, 병원체의 용해물만으로 병원체의 단백질 및 유전자를 포획하여 SERS 분석을 할 수 있어, 소량의 검체로 신속한 현장 진단이 가능하다. 즉, 전처리 및 PCR이 필요없어, 병원체 검출을 위한 검체 이동 시간 및 유전자 증폭의 위한 시간을 단축할 수 있다. 따라서 신속한 병원체 검출이 가능하여 바이러스 등 병원체의 전파를 효과적으로 차단할 수 있다.
본원에서 병원체 검출을 중심으로 설명하지만, 본원의 장치가 병원체 이외의 화학물질 검출에 적용되는 것을 배제하는 것은 아니다.
도 22 및 도 23을 참조하면, 오목형 곡면 나노딤플(112) 및 상기 나노딤플(112) 사이의 접점에 형성된 융기형 나노팁(114)을 포함하는 베이스기판(110);과, 상기 베이스기판(110) 상에 형성된, 곡면을 가지는 플라즈모닉 연속 박막(120);을 포함하는 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(1100); 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(1100) 및 전해액을 수용하는 전기화학 셀(1210); 상기 전기화학 셀(1210)에 구비되는 기준전극(1230) 및 카운터전극(1220); 작용전극인 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(1100)과 카운터전극(1220) 사이에 전압을 인가하는 전원(1240); 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(1100)에 광을 조사하는 광원(1300); 및 라만분광 신호를 검출하는 검출기;를 포함하는, 전기화학증착-라만 분석 융합시스템(1200)이 제공된다.
이에 한정되는 것은 아니나, 플라즈모닉 나노구조체는 플라즈모닉 나노딤플(122) 및 플라즈모닉 나노팁(124)을 포함한다.
작용전극인 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(1100)은 전원(1240)과 도선(1250)으로 접속된다.
상기 기준전극(1230)은 작용전극의 전위를 결정할 때의 기준이 되는 전극이다. 예를 들어, 상기 기준전극(1230)은 Ag/AgCl 전극일 수 있다.
상기 카운터전극(1220)은 작용전극 사이에서 전해액에 전류를 흐르게 하고, 작용전극과 전해액의 계면에서 반응을 일으키기 위한 전극이다. 예를 들어 카운터전극은 Pt 전극일 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 본원의 전기화학증착-라만 분석 융합시스템(1200)에서 바이러스 용해액으로 용해된 병원체 물질이 전해액에 첨가되고, 상기 병원체 물질은 병원체의 단백질 및 유전자 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 본원의 전기화학증착-라만 분석 융합시스템(1200)에서 전압 인가 시, 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(1100) 상에 형성된 병원체 물질로 구성된 병원체 물질층(126); 및 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(128);을 형성하며, 상기 병원체 물질층(126); 및 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(128);은 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(1100)에 형성된 플라즈모닉 나노구조체 상에 플라즈모닉 나노구조의 전기화학증착; 및 병원체 물질의 화학결합 또는 정전기적 인력;에 의해 형성된 것일 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 본원의 전기화학증착-라만 분석 융합시스템(1200)에서 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(128)은 플라즈모닉 나노구조의 전구체인 HAuCl4의 전기화학증착; 및 Au와 병원체 물질의 화학결합 또는 정전기적 인력;에 의해 형성된 것일 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 상기 HAuCl4의 농도는 0.5 내지 100 mM이 전기화학증착 및 라만신호 증강 면에서 적합할 수 있다.
본원의 전기화학증착-라만 분석 융합시스템(1200)은 전기화학증착에 의한 병원체 물질층(126) 및 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(128) 형성과 동시에 라만 분석이 가능할 수 있다.
본원의 전기화학증착-라만 분석 융합시스템(1200)에서 1분 이내에 라만 분석이 가능할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 본원의 전기화학증착-라만 분석 융합시스템(1200)은 -0.5 내지 0.5 V의 전압이 인가될 수 있다. 도 7을 참조하면, 분석물질인 SARS-CoV-2 용해물 및 플라즈모닉 나노구조의 전구체인 HAuCl4 첨가 후 전기화학증착하여 병원체 물질층(126) 및 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(128) 형성과 동시에 라만 분석 결과가 나오기까지 1분 미만이 소요될 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 본원의 전기화학증착-라만 분석 융합시스템(1200)은 -0.5 내지 0.5 V의 전압이 인가될 수 있다. 상기 범위에서 병원체 물질층(126) 및 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(128) 형성과 동시에 라만 분석이 신속하고 정확하게 이루어질 수 있다.
본원의 전기화학증착-라만 분석 융합시스템(1200)은 검출한계가 0.1 PFU/mL 이하일 수 있고, 최저 0.01 PFU/mL 이하일 수 있다. SARS-CoV-2 바이러스 입자 1개는 27개의 스파이크 단백질을 가지고 있어 바이러스 용해액에는 바이러스 입자의 농도보다 27배의 농도로 스파이크 단백질을 함유하게 된다. 따라서 기존의 PCR 기술을 통해 유전자의 개수를 증폭할 필요 없이 극미량의 바이러스를 용해함으로써 스파이크 단백질을 포함하는 표면단백질 성분을 고감도로 신속하게 SERS 분석할 수 있다.
상기 광원(1300) 및 검출기(미도시)는 공지의 라만 분광 분석 장치의 광원 및 검출기를 이용할 수 있다.
도 22 내지 도 24를 참조하면, 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 제조방법은, I-i) 전기화학 증착 시스템의 전기화학 셀(1210)에 본원에 기재된 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(1100)을 준비하는 단계; I-ii) 상기 전기화학 셀(1210)에 플라즈모닉 나노구조의 전구체 및 병원체 물질을 포함하는 전해액을 준비하는 단계; 및 I-iii) 전극에 전압을 인가하여 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(1100) 상에 병원체 물질로 구성된 병원체 물질층(126); 및 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(128);을 형성하는 단계;를 포함한다.
단계 I-i)에서 전기화학 증착 시스템인 전기화학증착-라만 분석 융합시스템(1200)의 전기화학 셀(1210)에 상기 기재된 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(1100)을 배치하여 준비한다.
도 24를 참조하면, 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(1100)의 제조방법은, 베이스기판(110)에 나노딤플(112) 및 나노팁(114)을 형성하는 단계; 및 상기 베이스기판(110)에 곡면을 가지는 플라즈모닉 연속 박막(120)을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 상기 플라즈모닉 연속 박막(120)을 형성하는 단계에서 상기 플라즈모닉 연속 박막(120)의 나노딤플의 종횡비가 1.5 이상으로 형성될 수 있다.
상기 나노딤플(112) 및 나노팁(114)을 형성하는 단계는, 고분자로 이루어진 베이스기판(110)에 500 eV 이상의 에너지를 가스 입자를 조사하여 형성할 수 있다. 고밀도의 폴리머에 대한 상기 가스 입자 조사는 500 eV 이상의 에너지를 가진 가스 입자를 조사하여 나노딤플(112)을 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 상기 나노딤플(112)을 마스크 없이 저가, 대면적으로 형성할 수 있다. 상기 대면적은 적어도 50 cm2 이상을 의미할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 상기 고밀도의 폴리머에 대한 상기 가스 입자의 조사는 500 eV 미만의 에너지를 가진 가스 입자를 조사하여 나노딤플 구조가 아니라 나노 주름 구조가 형성될 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 고분자는 1.3 - 1.5 g/㎤의 밀도를 가질 수 있다. 폴리머의 표면에 전달되는 에너지에 의한 폴리머의 반응이 폴리머의 밀도에 따라 상이할 수 있다. 상기 밀도를 가지는 고분자에 500 eV 이상의 에너지를 가진 가스 입자를 조사하여 본원에 의해 나노딤플(112) 및 나노팁(114) 구조를 하나의 공정에 의해 효율적으로 형성할 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 고분자는 폴리에틸렌 텔레프탈레이트(Polyethylene Terephthalate, PET), 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리에틸렌나프탈레이트(Polyethylene Naphthalate, PEN), 폴리에테르설폰(Polyethersulfone, PES), 또는 이의 1종 이상의 혼합물일 수 있다.
상기 가스 입자는 산소, 아르곤, 크립톤, 제논, 질소, 수소, 또는 이의 1종 이상의 혼합 입자군일 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 상기 가스 입자로는 산소가 베이스기판(110) 상에 나노딤플(112) 및 나노팁(114) 구조를 형성하는 데 적합할 수 있다. 산소 입자가 폴리머에 충돌할 경우, 물리적인 반응과 함께 화학적 반응이 활발하여 최상층 폴리머가 COx, H2O 등의 물질로 변환되어 식각되어 베이스기판(110) 상에 나노딤플(112) 및 나노팁(114) 구조를 효율적으로 형성할 수 있다. 상기 가스 입자를 혼합 입자군을 이용할 때는 산소 입자가 20% 이상으로 혼합되는 것이 베이스기판(110) 상에 나노딤플(112) 및 나노팁(114) 구조를 형성하는 데 적합할 수 있다.
상기 나노딤플(112) 및 나노팁(114)을 형성하는 단계는 고분자로 이루어진 베이스기판(110)에 2×1017 ions/cm2 이하의 조사량의 이온 빔을 조사하여 형성할 수 있다. 상기한 구성에 의해, 3차원 핫스팟(hotspots)의 부피를 증가시킬 수 있어, SERS 신호를 크게 증폭할 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 상기 이온 빔의 조사량이 2×1017 ions/cm2을 초과하는 경우, 나노딤플(112) 및/또는 나노팁(114)의 표면밀도가 30/μm2 미만으로 형성되어 3차원 핫스팟(hotspots) 부피의 증가 및 SERS 신호의 증폭 효과가 충분하지 않을 수 있다.
단계 I-ii)에서 상기 전기화학 셀(1210)에 플라즈모닉 나노구조의 전구체 및 바이러스 용해액으로 용해된 병원체 물질을 포함하는 전해액을 준비한다. 상기 플라즈모닉 나노구조의 전구체는 AuCl4 일 수 있다.
단계 I-iii)에서 전극에 전압을 인가하여 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(1100) 상에 병원체 물질로 구성된 병원체 물질층(126); 및 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(128);을 형성한다.
단계 I-iii)에서 작용전극인 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(1100)과 카운터전극 사이에 전압을 인가함으로써 전기화학증착을 수행할 수 있다.
단계 I-iii)에서 인가되는 전압은 -0.5 내지 0.5 V일 수 있다. 상기 전압 범위가 전기화학증착 및 라만신호 증강면에서 적합할 수 있다.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 의한 도 23의 전기화학증착-라만 분석 융합시스템(1200)을 이용하여 바이러스 단백질 및 유전자의 신속 검출을 위한 분석 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 22 내지 도 26을 참조하면, 본원의 실시간 라만 분광 분석 방법은, II-i) 전기화학증착-라만 분석 융합시스템(1200)의 전기화학 셀(1210)에 본원에 기재된 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(1100)을 준비하는 단계; II-ii) 상기 전기화학 셀(1210)에 플라즈모닉 나노구조의 전구체 및 병원체 물질을 포함하는 전해액을 준비하는 단계; II-iii) 전극에 전압을 인가하여 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(1100) 상에 병원체 물질로 구성된 병원체 물질층(126); 및 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(128);을 형성하는 단계; 및 II-iv) 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(128)이 형성된 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(1100)에 광원을 조사하여 라만 분석을 하는 단계;를 포함한다.
단계 II-i)에서 전기화학증착-라만 분석 융합시스템(1200)의 전기화학 셀(1210)에 상기 기재된 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(1100)을 배치하여 준비한다.
단계 II-ii)에서 상기 전기화학 셀(1210)에 플라즈모닉 나노구조의 전구체 및 바이러스 용해액으로 용해된 병원체 물질을 포함하는 전해액을 준비한다. 상기 플라즈모닉 나노구조의 전구체는 AuCl4 일 수 있다.
단계 II-iii)에서 전극에 전압을 인가하여 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판에 형성된 플라즈모닉 나노구조체 상에 병원체 물질로 구성된 병원체 물질층(126); 및 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(128);을 형성한다.
단계 II-iii)에서 작용전극인 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(1100)과 카운터전극 사이에 전압을 인가함으로써 전기화학증착을 수행할 수 있다.
단계 II-iii)에서 인가되는 전압은 -0.5 내지 0.5 V일 수 있다. 상기 전압 범위가 전기화학증착 및 라만신호 증강면에서 적합할 수 있다.
단계 II-iv)에서 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막이 형성된 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(1100)에 광원(1300)을 조사하여 라만 분광 분석을 한다. 상기 라만 분광 분석은 공지의 광원 및 검출기를 이용하여 수행할 수 있다.
상기와 같이 본원의 라만 분광 분석 방법은 병원체 물질 흡착 및 분광분석용 기판의 형성과 동시에 라만분광 분석을 동시에 실시간으로 할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통해 보다 상세하게 설명한다.
[실시예]
I-1. PET기판 CF4 플라즈마 표면처리
평평한 PET(polyethylene terephthalate) 기판에 나노필라를 형성하기 위해 하기 조건으로 CF4 및 Ar 플라즈마 처리 공정을 수행하였다.
- CF4 플라즈마 표면처리 공정
·작업 진공도 : 56 mTorr
·작업 가스 : CF4 3 sccm
·RF 플라즈마 파워 : 100 W
·처리 시간 : 2 min
- Ar 플라즈마 표면처리 공정
·작업 진공도 : 32 mTorr
·작업 가스 : Ar 3 sccm
·RF 플라즈마 파워 : 100 W
·처리 시간 : 1 min
I-2. Au 나노필라 작용전극 제조
CF4 2분 및 Ar 1분 플라즈마 표면처리 후 형성된 나노필라를 포함하는 PET 기판 상에 Au를 하기 조건으로 스퍼터링 증착법으로 진공 증착하였다.
- Au 진공 스퍼터링 증착 공정
·진공증착 작업 진공도 : 7 mTorr
·Au 증착속도 : 2.0 Å/s
·Au 증착두께 : 200 nm
작용전극을 전기화학 셀 하부에 위치시키고, NaCl을 포함하고 있는 수용액에 분석하고자 하는 분석물질(TBZ)을 전기화학 셀에 첨가한 후 Au 전구체인 HAuCl4를 첨가하였다. 이후 작용전극에 전압을 인가하여 30초 동안 Au 전기화학증착 공정을 수행한 후, 전동전극에 가해진 전압을 해제하였다. 분석물질인 TBZ를 첨가한 후 전기화학증착이 끝날 때까지 레이저를 작용전극 표면에 초점을 맞추고 매 2초마다 전극표면에서 발생하는 라만 신호를 실시간으로 측정할 수 있다.
본 실시예에서의 측정조건은 다음과 같다.
- 여기 레이저 파장(excitation laser wavelength) : 785 nm
- 레이저 출력(power) : 450 mW
- 레이저 조사 시간(exposure time) : 2 s
- 레이저 스팟 크기 : 150 μm
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 10 ppb TBZ를 포함하는 수용액에서 Au 전기화학증착 과정 중 시간에 따른 SERS 신호의 세기를 매핑한 사진이다. 전기화학 셀 내부에 10 ppb TBZ를 첨가하고 10초 동안에는 TBZ의 SERS 신호가 검출되지 않는 것을 확인할 수 있다. 3 mM HAuCl4를 첨가한 후 10초 동안에는 TBZ의 특성 피크인 1295 cm-1와 1602 cm-1에서 약한 신호가 검출되는 것을 확인할 수 있다. Au 전기화학증착을 위해 작용전극에 +0.3 V를 인가하면 여러 밴드의 TBZ 특성 피크(1010, 1185, 1295, 1602 및 1644 cm-1)가 나타나기 시작하고, 전기화학증착 후 10초가 지나면서 강한 TBZ 특성 피크가 관찰되는 것을 확인할 수 있다. 이후에는 안정적인 TBZ SERS 신호가 지속적으로 관찰되며, 전기화학증착 종료를 위해 전압을 해제한 이후에도 강한 SERS 신호가 발생함을 확인할 수 있다. TBZ 분자 내부에 Au와 화학결합을 일으킬 수 있는 S 원자를 함유하고 있어, Au 전기화학증착 중에 형성되는 3차원 Au 나노구조 표면에 TBZ 분자가 확산되어 S-Au 공유결합이 형성되고, 전압을 해제한 이후에도 안정적인 S-Au 화학결합을 유지하기 때문인 것으로 판단된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 10 ppb TBZ와 3 mM HAuCl4를 포함하는 수용액에서 전기화학증착 인가 전압에 따라 측정된 TBZ 분자의 SERS 신호 세기를 비교한 그래프이다. 전기화학적으로 Au를 환원시킬 수 있는 최소의 인가전압은 +0.75 V이다. 즉, +0.75 V보다 높은 전압(즉, - 전압)을 가하면 수용액 중 Au3+ 이온을 Au 금속으로 환원시킬 수 있다. 따라서 작용전극에 +0.5 V ~ -0.3 V 전압을 인가했을 때의 TBZ SERS 신호를 분석하였다. 도 5에서 보는 바와 같이 +0.3 V를 인가했을 때의 TBZ의 SERS 신호(TBZ 첨가 후 40초 후 SERS 신호 기준)가 가장 강하게 검출됨을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의해 10 ppb TBZ와 서로 다른 HAuCl4 농도를 포함하는 수용액에 +0.3 V 전압을 인가했을 때, HAuCl4 농도 변화에 따른 TBZ SERS 신호 세기를 비교한 그래프이다. HAuCl4 농도가 3 mM일 때 TBZ의 SERS 신호(TBZ 첨가 후 40초 후 SERS 신호 기준)가 가장 강하게 검출됨을 확인할 수 있다. 즉, Au 전구체의 최적농도는 3 mM HAuCl4이고, 최적의 인가전압은 +0.3 V임을 도 4와 도 5를 통해 확인할 수 있다.
도 6은 최적화된 Au 전기화학증착 조건 하에서 TBZ 농도 변화에 따른 SERS 신호 세기를 비교한 그래프이다. 농도가 낮아질수록 TBZ의 특성 피크의 세기가 감소됨을 확인할 수 있으며 극미량인 0.05 ppb 농도에서도 TBZ가 검출됨을 확인할 수 있다. 비교 스펙트럼은 도 1의 실시간 라만 분석 시스템을 활용하여 측정하였으며, TBZ 첨가 후 40초가 지났을 때의 SERS 신호를 비교하였다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 TBZ 농도에 따른 SERS 신호 세기를 나타낸 검정곡선이다. 1 ppb 이하 극미량 TBZ 농도에 따라 SERS 신호 세기가 선형관계를 나타내고 있어 정량분석이 가능함을 시사하고 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 나노필라를 포함하는 고분자 기판 상에 Au 200 nm를 진공 스퍼터링 증착 후 형성된 Au 나노필라 전극의 SEM 사진이다. 형성된 Au 나노필라 전극은 단위면적(μm2)에 23개의 이격된 나노필라가 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. Au 200 nm의 진공증착을 통해 Au 박막이 고분자 나노필라 상부 및 옆면뿐만 아니라 바닥에도 형성됨을 확인할 수 있다. 즉, Au 연속 박막이 형성되어 Au 나노필라 구조 전반에 전압을 인가할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 Au 나노필라 기판을 활용하여 1 ppm TBZ와 3 mM　HAuCl4를 포함하는 전기화학 셀 내부에 +0.3 V로 인가하여 30초 전기화학증착 공정을 수행한 이후 형성된 Au 나노필라 전극의 SEM 사진이다. 30초의 Au 전기화학증착을 통해 이웃한 Au 나노필라가 서로 뭉쳐져서, 기존 Au 나노필라의 단위면적당 개수가 23/μm2 에서 14/μm2로 감소함을 확인할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 Au 나노필라 기판을 활용하여 1 ppm TBZ와 3 mM　HAuCl4를 포함하는 전기화학 셀 내부에 +0.3 V로 인가하여 30초 전기화학증착 공정을 수행한 이후 형성된 Au 기판의 TEM 사진이다. 도 9에서 확인한 바와 같이 이웃한 Au 나노필라가 서로 연결된 구조를 TEM 사진을 통해서 확인할 수 있다. 그러나 전기화학증착으로 형성된 Au 박막을 자세히 살펴보면 다공성의 Au 박막이 형성됨을 확인할 수 있다. Au 진공 스퍼터링 공정을 통해 형성된 Au 나노필라 전극은 Au 원자들이 치밀하게 형성되어 Au 나노필라를 형성함에 비해, Au 원자와 화학결합을 할 수 있는 TBZ 분자가 존재하는 수용액 상태에서 전기화학증착으로 형성된 Au 박막은 3차원 다공성 구조임을 확인할 수 있다(도 10의 (a) 내지 10의 (c)). Au 원소분석을 통해서도 내부의 치밀한 Au 나노필라 구조와 전기화학증착으로 형성된 Au 박막의 다공성 구조를 확인할 수 있다(도 10의 (d)).
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 Au 나노필라 기판을 활용하여 1 ppm TBZ와 3 mM　HAuCl4를 포함하는 전기화학 셀 내부에 +0.3 V로 인가하여 30초 전기화학증착 공정을 수행한 이후 형성된 Au 기판의 고해상도 TEM 사진과 광학 시뮬레이션 결과를 나타내는 사진이다. 고해상도 TEM 사진을 통해 전기화학증착된 Au 박막이 내부에 고밀도의 Au 나노입자들이 서로 연결된 다공성 구조임을 확인할 수 있다. Au가 형성되지 않은 부분은 TBZ가 형성되어 있다고 가정하고 광학 시뮬레이션을 수행해 보면, 3차원의 다공성 Au-TBZ 복합박막 내부에서 매우 강한 전자기장 증폭 현상이 발생함을 확인할 수 있다(도 11의 (b)). SERS 현상이 발생하는 물리적 메커니즘은 금속 나노갭을 통한 전자기장 증폭 현상이기 때문에, 0.05 ppb의 극미량 유해물질(TBZ)도 1분 이내에 검출할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 Au 나노필라 기판을 활용하여 1 ppm TBZ와 3 mM　HAuCl4를 포함하는 전기화학 셀 내부에 +0.3 V로 인가하여 30초 전기화학증착 공정을 수행한 이후 XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)분석을 통해 깊이 방향(depth profiling)으로 측정된 화학 분석 결과 그래프이다. 스퍼터 시간이 증가할수록 PET 나노필라의 성분인 C의 검출량이 증가함을 알 수 있다. 또한, TBZ 분자 내부에 포함되어 있는 S의 함량이 표면 근처에서 가장 많은 것을 통해, TBZ 성분이 Au와 복합박막 구조를 형성하고 있음을 알 수 있다. 또한, 전해질로 사용한 NaCl성분 중 Cl-의 함량의 경향성이 깊이 방향으로의 S- 함량 경향성과 일치하기 때문에 Au 전기화학증착 시에 TBZ와 Cl- 성분이 다공성 Au 박막 내부에 함유되어 있음을 알 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 전기화학-라만 모니터링 융합시스템을 활용하여 1분 이내 신속 바이러스 SERS 검출을 위한 분석 과정을 나타낸 도면이다. NaCl 전해질과 3 mM HAuCl4을 포함하고 있는 전기화학 셀 내부에 H1N1 인플루엔자 바이러스를 첨가하고, +0.3 V의 전압을 작용전극에 인가하면서 실시간으로 라만 분석을 실시하였다. 약 100 nm 지름을 가지고 있는 H1N1 인플루엔자 바이러스의 표면에 10 nm 수준의 스파이크 단백질(hemagglutinin 및 neuraminidase) 표면은 -전하를 띠고 있기 때문에 작용전극에 +0.3 V 전압을 인가하면 정전기적 인력에 의해 H1N1 바이러스 입자를 전극 표면에 흡착시킬 수 있다. 바이러스의 표면 흡착과 Au 전기화학증착이 동시에 발생하기 때문에 Au-바이러스로 이루어진 복합박막의 형성이 가능하다. 일정시간의 전기화학증착 후 인가전압을 해제하면 흡착된 바이러스와 전극 사이의 정전기적 인력이 해제되어 바이러스가 표면에서 탈착되어 용액으로 분산될 수 있다. 이러한 흡착-전기화학증착-탈착 과정에서 전극표면에서 발생하는 라만신호를 실시간으로 측정하여 바이러스의 SERS 신호를 직접적으로 측정할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 의한 1 μg/mL H1N1 인플루엔자 바이러스와 3 mM HAuCl4를 포함하는 수용액에서 Au 전기화학증착 시간에 따른 SERS 신호 매핑(mapping) 사진이다. 본 실시예에서의 측정조건은 다음과 같다.
- 여기 레이저 파장(excitation laser wavelength) : 785 nm
- 레이저 출력(power) : 450 mW
- 레이저 조사 시간(exposure time) : 10 s
- 레이저 스팟 크기 : 150 μm
H1N1 인플루엔자 바이러스를 전기화학 셀에 첨가한 후 라만신호를 측정하면 바이러스의 라만신호가 전혀 검출되지 않는다. 이후 3 mM HAuCl4를 첨가하였을 때에도 바이러스의 라만신호가 검출되지 않는 것을 확인할 수 있다. 작용전극에 +0.3 V 전압을 인가하면 바이러스의 특성 라만 피크들(990, 1182, 1447, 1583 및 1639 cm-1)이 전압인가 후 1분 이내(즉, 바이러스 첨가 후 2분 이내)에 검출되는 것을 확인할 수 있고, 이후 지속적으로 강한 SERS 피크가 전압인가 중에 관찰된다. Au 전기화학증착의 종료를 위해 인가된 전압을 해제하면 바이러스의 SERS 신호가 30초 이내에 검출되지 않는 것을 확인하였다. 즉, 전압을 해제하면 Au-바이러스 복합박막을 이루고 있던 바이러스가 전극표면(핫스팟)에서 탈착되어 바이러스 SERS 신호가 발생하지 않음을 유추할 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예의 의한 H1N1 인플루엔자 바이러스 농도에 따라 측정된 SERS 신호 세기를 비교한 그래프이다. 극미량 0.05 ng/mL의 농도에서도 H1N1 바이러스의 SERS 특성 피크가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 바이러스 표면단백질의 크기가 10 nm 내외이기 때문에 Au-바이러스 복합박막 형성 시에 바이러스의 표면단백질에는 Au 박막이 형성될 수 없어 10 nm 내외의 Au-표면단백질 복합구조가 형성된다. 따라서 10 nm 수준의 플라즈모닉-표면단백질로 구성된 나노갭(nanogap) 구조에서 발생하는 강한 전자기장 증폭현상에 의해 극미량 바이러스의 존재하에서도 SERS 신호가 검출될 수 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 의한 H1N1 인플루엔자 바이러스 농도에 따른 SERS 특성 피크 신호세기를 나타낸 검정곡선이다. 전형적인 Langmuir 등온흡착식을 따르는 것을 확인할 수 있다. SERS 신호는 바이러스의 전극 표면 흡착량에 비례하여 증가함을 알 수 있고, 단일층(monolayer) 이상의 바이러스가 전극 표면에 흡착되더라도 SERS 신호의 증가에는 영향이 없음을 유추할 수 있다. 즉, SERS 분석기술은 전극(또는 SERS 기판) 표면에서 100 nm 이하에서 발생하는 현상이기 때문에 다층의 바이러스가 형성되더라도 SERS 신호의 증가에는 영향이 미비하다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 의한 H1N1 인플루엔자 바이러스(농도 1 μg/mL)의 SERS 신호와 인플루엔자 바이러스의 표면단백질 헤마글루티닌(hemagglutinin, 농도 1 μg/mL)과 뉴라미다아제(neuraminidase, 농도 1 μg/mL) 각각의 SERS 신호를 비교한 그래프이다. 헤마글루티닌과 뉴라미다아제 단백질의 SERS 피크를 중첩하면 H1N1 바이러스의 피크와 일치하는 것을 확인할 수 있다. 즉, H1N1 인플루엔자 바이러스의 SERS 신호는 바이러스 내부의 구성성분의 신호가 아니라, Au-표면단백질 복합박막에서 형성되는 3차원 핫스팟에 의해 바이러스의 표면단백질의 신호임을 확인할 수 있다.
도 18은 3 mM HAuCl4를 포함하는 수용액을 +0.3 V로 인가하여 8분의 전기화학증착 공정을 수행한 이후 측정한 Au 기판의 SEM 사진이다. 도 9의 SEM 사진과 비교하면, 8분 동안의 장시간 전기화학증착 공정을 통해 이격된 Au 나노필라들이 서로 연결되어 연속 박막이 형성된 것을 확인할 수 있다.
도 19는 1 μg/mL H1N1 인플루엔자 바이러스와 3 mM HAuCl4를 포함하는 수용액을 +0.3 V로 인가하여 8분의 전기화학증착 공정을 수행한 이후 측정한 Au 기판의 SEM 사진이다. 바이러스 입자를 포함하지 않고 전기화학증착한 기판(도 18)과 비교하면, 도 19는 전극 표면에 100 nm 수준의 원형 피트(pit)나 홀(hole)이 다수 관찰되는 것을 확인할 수 있다. 단면 SEM 사진에서는 전기화학증착 공정 중 바이러스 입자가 흡착되어 있었던 흔적을 명확히 확인할 수 있다(도 19의 (b)). 즉, 도 19는 도 13에서 제안한 Au-바이러스 복합박막 형성 및 바이러스 탈착과 도 14의 전기화학증착 과정 중의 바이러스 SERS 신호 검출 결과를 직접적으로 증명할 수 있는 핵심적인 과학적 증거이다.
도 20은 1 μg/mL 뉴라미다아제 단백질과 3 mM HAuCl4를 포함하는 수용액을 +0.3 V로 인가하여 8분의 전기화학증착 공정을 수행한 이후 측정한 Au 기판의 SEM 사진이다. 다수의 구형 Au 입자(파란색 원형 점선)과 피트(흰색 원형 실선)가 혼재함을 확인할 수 있다. 바이러스 입자의 크기는 100 nm 내외임에 비해, 표면단백질은 10 nm 내외이기 때문에 8분간의 전기화학증착 공정 중에 10 nm 수준의 표면단백질을 Au 필름으로 완전히 감싸게 되면 인가전압을 해제한 이후에도 표면단백질이 탈착하지 않고 그대로 남아 있다는 것을 유추할 수 있다. 즉, 표면단백질-Au 복합박막 형성시에 단백질 표면에서 전기화학증착되는 Au의 박막 두께에 따라 전압 해제 이후에 단백질의 흡착-탈착이 결정된다.
II-1. 나노딤플 및 나노팁으로 포함하는 플라즈모닉 나노구조체를 포함하는 기판 제조
나노딤플과 나노팁을 포함하는 PEN 기판 상에 Au를 하기 조건으로 열증착법으로 진공 증착하였다.
- PEN 필름 산소 이온 빔 에칭 공정
·진공증착 작업 진공도 : 10-2 Torr
·산소 이온 에너지 : 600 eV
·산소 이온 빔 에너지 : 1.4×1017 ions/cm2
- Au 진공 열증착 공정
·기판: 산소 이온 빔 조사량 1.4×1017 ions/cm2 으로 처리한 PEN 고분자 기판
·진공증착 작업 진공도 : 5.0×10-6 torr
· Au 증착속도 : 2.0 Å/s
· Au 증착두께 : 100 nm
II-2. 전기화학증착-라만 분석 융합시스템을 이용하여 바이러스 단백질 및 유전자의 분석
작용전극인 플라즈모닉 나노구조체를 포함하는 기판을 전기화학 셀 하부에 위치시키고, 0.1M NaCl을 포함하고 있는 수용액에 분석하고자 하는 분석물질(병원체 용해물)을 전기화학 셀에 첨가한 후 Au 전구체인 3mM의 AuCl4를 첨가하였다. 이후 작용전극에 0.3 V의 전압을 인가하여 10 분 동안 Au 전기화학증착 공정을 수행한 후, 전동전극에 가해진 전압을 해제하였다. 분석물질인 병원체 용해물을 첨가한 후 전기화학증착이 끝날 때까지 레이저를 작용전극 표면에 초점을 맞추고 매 30초마다 전극표면에서 발생하는 라만 신호를 실시간으로 측정하였다. 이때, 병원체는 SARS-CoV-2 (BetaCoV/Korea/KCDC03/2020)와 H1N1 Influenza 바이러스를 세포에서 배양 후 분리하여 Tris-(2-Carboxyethyl)phosphine, Hydrocholride (TCEP)/Ethylene-diamine-tetraacetic acid (EDTA)로 용해한 용해액을 사용하였다.
본 실시예에서의 측정조건은 다음과 같다.
- 여기 레이저 파장(excitation laser wavelength) : 785 nm
- 레이저 출력(power) : 30 mW
- 레이저 조사 시간(exposure time) : 30 s
- 레이저 스팟 크기 : 150 μm
도 27은 본 발명의 일 실시예에 의한 103 PFU/mL SARS-CoV-2 바이러스 용해물과 3 mM HAuCl4를 포함하는 전해액에서 Au 전기화학증착 시간에 따른 SERS 신호 매핑(mapping) 사진이다. Au 전기화학증착을 위해 작용전극에 +0.3 V를 인가하면 여러 밴드의 SARS-CoV-2 바이러스 특성 피크(732, 959, 1234, 1345 및 1468 cm-1)가 나타나기 시작하고, 전기화학증착 후 30초가 지나면서 강한 SARS-CoV-2 바이러스의 SERS 특성 피크가 관찰되는 것을 확인할 수 있다. 이후에는 안정적인 SARS-CoV-2 바이러스 SERS 신호가 지속적으로 관찰되며, 전기화학증착 종료를 위해 전압을 해제한 이후에도 강한 SERS 신호가 발생함을 확인할 수 있다. SARS-CoV-2 바이러스 단백질이 3차원 나노플라즈모닉 복합박막 내부에 포집되어 전압을 해제한 이후에도 안정적인 유지하기 때문인 것으로 판단된다.
도 28은 본 발명의 일 실시예에 의한 103 PFU/mL SARS-CoV-2 바이러스 용해물 및 103 PFU/mL H1N1 인플루엔자 바이러스 용해물에 따라 측정된 SERS 신호 세기를 비교한 그래프이다. 도 28에 도시된 바와 같이, 용해액만을 포함하거나 전기화학 증착을 하지 않은 경우, SERS 신호가 나타나지 않지만, SARS-CoV-2 바이러스 용해물 및 H1N1 인플루엔자 바이러스 용해물을 첨가하고 전기화학 증착을 진행한 경우, SERS 신호가 강하게 증폭되는 것으로 나타났다. 또한, SARS-CoV-2 바이러스 용해물 및 H1N1 인플루엔자 바이러스 용해물의 특성 피크가 상이하게 나타났다. 이는 바이러스 종류별로 유전자가 다르고 유전자의 발현에 의해 나타나는 표현형인 단백질의 구성성분이 다르기 때문에, 이들 구성성분에 대한 직접적인 분자검출 기술인 라만 분광 기술을 통해 바이러스의 종을 판별할 수 있다. 나아가 바이러스 변종에 따라 다른 스파이크 단백질을 검출하여 바이러스의 변종을 신속하고 정확하게 판별할 수 있다. 따라서, 본원의 분석 방법에 의하면 바이러스의 검출뿐만 아니라 바이러스의 종류별 정성분석도 가능하다. 병원체별 특성 피크를 정규화한 DB를 구축하여, 극미량의 병원체라도 전처리, PCR 및 전문가 없이도 SERS 장치를 이용하여 누구라도 현장에서 신속하고 정확하게 병원체의 검출 및 분석이 가능하다.
도 29는 본 발명의 일 실시예에 의한 SARS-CoV-2 바이러스 용해물 농도에 따른 SERS 신호 세기를 비교한 그래프이다. 도 29에 나타난 바와 같이, SARS-CoV-2 바이러스 용해물 농도가 감소하더라도 SARS-CoV-2 바이러스 용해물의 SERS 특성 피크의 위치(Raman Shift)는 변하지 않지만, 농도가 감소하면 SERS 신호의 세기가 감소되는 것을 확인하였다. 즉, SARS-CoV-2 바이러스 용해물 농도가 낮더라도 SARS-CoV-2 SERS 피크의 위치를 통해 바이러스를 판별할 수 있고, 농도에 따른 정량분석도 가능함을 시사하고 있다.
도 30은 본 발명의 일 실시예에 의한 SARS-CoV-2 바이러스 용해물 농도에 따른 SERS 특성 피크의 신호 세기를 나타낸 검정곡선 그래프이다. 도 30에 나타난 바와 같이, 라만 특성 피크의 위치와 상관없이, SARS-CoV-2 바이러스 용해물의 농도가 증가할수록 SERS 신호가 강하게 증폭되는 것으로 나타났다. 따라서, 본원의 분석 방법에 의하면 바이러스의 정량분석도 가능하다.
도 31은 본 발명의 일 실시예에 의한 SARS-CoV-2 바이러스 용해물 및 H1N1 인플루엔자 바이러스 용해물의 혼합액을 이용하여 측정된 SERS 신호 세기를 비교한 그래프이다. 이때 H1N1 인플루엔자의 농도는 5.6×105 PFU/mL였고, SARS-CoV-2의 농도는 5×103 PFU/mL였다. 도 31에 나타난 바와 같이, SARS-CoV-2 바이러스 용해물 및 H1N1 인플루엔자 바이러스 용해물의 혼합액을 이용하여 전기화학증착하여도, 바이러스 별 각각의 특성 피크를 분리하여 확인할 수 있다.
도 32는 본 발명의 일 실시예에 의한 바이러스 용해물 및 금속 전구체를 포함하는 전기화학 셀 내에서 전기화학 증착 공정 후의 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 SEM 사진이다. 도 32의 A 및 B는 바이러스 용해물이 없이 용해 버퍼(Lysis Buffer)만으로 전기화학증착 공정 후의 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 SEM 사진이다. 도 32의 C 및 D는 SARS-CoV-2 바이러스 용해물을 이용하여 전기화학증착 공정 후의 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 SEM 사진이고, 도 32의 E 및 F는 H1N1 인플루엔자 바이러스 용해물을 이용하여 전기화학증착 공정 후의 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 SEM 사진이다. 이때 SARS-CoV-2 용해물의 농도는 5×103 PFU/mL였고, 인플루엔자의 농도는 5.6×105 PFU/mL였고, 용해액의 담지 후 10분 전기화학증착을 진행하였다. 각각 도 32의 A 및 B에 나타난 바와 같이, 바이러스 용해물이 없는 경우 상대적으로 연속적이고 부드러운(Smooth) 나노구조가 형성되고, 도 32의 C 내지 F에 나타난 바와 같이, 바이러스 용해물을 이용한 경우 조도가 크고 명확하게 구분되는 돌기들로 구성된 3차원 나노플라즈모닉 복합박막이 생겼다. 이는 전기화학증착 시 3차원 나노플라즈모닉 복합박막 내부에 바이러스 단백질 성분들이 포집되어 있기 때문이다. 상기와 같이, 3차원 나노플라즈모닉 복합박막 내부에 포집되어 있는 바이러스 단백질 성분의 SERS 신호 강하게 증폭되어 초고감도 호흡기 감염 바이러스 검출이 가능하다. 광학적으로 Au 초박막은 785 nm 레이저 빛의 투과가 가능하고, 하부의 Au 나노딤플 구조와 플라즈모닉 커플링(Plasmonic Coupling)을 유도할 수 있어 절연 병원체 물질이 포집되어 있는 절연층에서 강한 근접장(Near-Field)를 형성할 수 있다. 이러한 전기장의 증폭 현상을 통해 빛을 병원체 물질이 포집되어 있는 영역에 집중시킬 수 있어 병원체 물질의 강한 SERS 신호가 발생하게 된다.
도 33은 본 발명의 일 실시예에 의한 바이러스 용해물 및 금속 전구체를 포함하는 전기화학 셀 내에서 전기화학 증착 공정 후 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 AFM 사진이다. 도 33의 A 및 D는 바이러스 용해물이 없이 용해 버퍼만으로 10분간 전기화학 증착 공정 후의 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 AFM 사진이다. 도 33의 B 및 E는 SARS-CoV-2 바이러스 용해물을 이용하여 전기화학 증착 공정 후의 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 AFM 사진이고, 도 33의 C 및 F는 인플루엔자 바이러스 용해물을 이용하여 전기화학 증착 공정 후의 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 AFM 사진이다. 이때 SARS-CoV-2 용해물의 농도는 5×103 PFU/mL였고, 인플루엔자의 농도는 5.6×105 PFU/mL였고, 용해액의 담지 후 10분 전기화학증착을 진행하였다. 도 32와 마찬가지로, 도 33에서도 동일한 경향을 나타내었다. 즉, 붉은색 사각형 영역으로 표시된 Au Tip 부분의 조도가 도 33의 A는 2.59 nm이고, B는 6.4 nm이고, C는 10.3 nm였다. 인플루엔자의 경우가 조도가 가장 크게 측정된 이유는 인플루엔자의 농도가 가장 높고, 또한 인플루엔자 바이러스 입자 1개의 표면에는 500개의 헤마클루티닌(Hemagglutinin)과 100개의 뉴라미니데이즈(Neuraminidase) 스파이크 단백질을 가지고 있기 때문이다.
도 34는 본 발명의 일 실시예에 의한 바이러스 용해물 및 금속 전구체를 포함하는 전기화학 셀 내에서 전기화학증착 공정 후 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 TEM 사진이다. 도 34도 도 32 및 도 33과 같은 경향을 나타낸다. 도 34의 A 및 B는 바이러스 용해물이 없이 버퍼만으로 전기화학증착 공정 후의 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 TEM 사진이다. 도 34의 C 및 D는 SARS-CoV-2 바이러스 용해물을 이용하여 전기화학증착 공정 후의 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 TEM 사진이고, 도 34의 E 및 F는 인플루엔자 바이러스 용해물을 이용하여 전기화학증착 공정 후의 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 TEM 사진이다. 이때 SARS-CoV-2 용해물의 농도는 5×103 PFU/mL였고, 인플루엔자의 농도는 5.6×105 PFU/mL였고, 용해액의 담지 후 10분 전기화학증착을 진행하였다. 각각 도 34의 A 및 B에 나타난 바와 같이, 바이러스 용해물이 없는 경우 상대적으로 연속적이고 부드러운(Smooth) 나노구조가 형성되고, 도 34의 C 내지 F에 나타난 바와 같이, 바이러스 용해물을 이용한 경우 조도가 크고 명확하게 구분되는 돌기들로 구성된 3차원 나노플라즈모닉 복합박막이 생겼다. 이는 전기화학 증착 시 3차원 나노플라즈모닉 복합박막 내부에 바이러스 단백질 성분들이 포집(하얀색 사각형 부분)되어 있기 때문이다. 상기와 같이, 3차원 나노플라즈모닉 복합박막 내부에 박혀있는 바이러스 단백질 성분의 SERS 신호가 강하게 증폭되어 초고감도 호흡기 감염 바이러스 검출이 가능하다.
도 35는 본 발명의 일 실시예에 의한 다양한 농도의 SARS-CoV-2 바이러스 용해물 및 금속 전구체를 포함하는 전기화학 셀 내에서 전기화학증착 공정 후 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 SEM 사진이다. 도 35의 A는 SARS-CoV-2 바이러스 용해물의 농도가 102 PFU/mL이고, B는 101 PFU/mL이고, C는 100 PFU/mL이고, D는 10-1 PFU/mL였다. 도 35에 나타난 바와 같이, SARS-CoV-2 바이러스 용해물의 농도가 높아질수록 조도가 크고 명확하게 구분되는 돌기들로 구성된 3차원 나노플라즈모닉 복합박막이 생겼다.
이상 본 개시를 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 개시를 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 개시는 이에 한정되지 않으며, 본 개시의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다. 본 개시의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 개시의 영역에 속하는 것으로 본 개시의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
[부호의 설명]
10: 베이스기판
20, 20': 금속함유 나노구조체
30, 30': 플라즈모닉 나노구조-타겟분자로 구성된 3차원 나노플라즈모닉 복합박막
32: 피트(pit)
100: 금속함유 나노구조체가 형성된 베이스기판
200: 전기화학증착-라만 분석 융합시스템
210: 전기화학 셀
220: 카운터전극
230: 기준전극
240: 전원
250: 도선
300: 광원
110: 베이스기판
112: 나노딤플
114: 나노팁
120: 플라즈모닉 연속 박막
122: 플라즈모닉 나노딤플
124: 플라즈모닉 나노팁
126: 병원체 물질층
128: 3차원 나노플라즈모닉 복합박막
1100: 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판
1110: 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판
1200: 전기화학증착-라만 분석 융합시스템
1210: 전기화학 셀
1220: 카운터전극
1230: 기준전극
1240: 전원
1250: 도선
1300: 광원

Claims (20)

  1. 베이스기판;
    상기 베이스기판 상에 형성된 복수의 금속함유 나노구조체;
    상기 금속함유 나노구조체 상에 형성된 플라즈모닉 나노구조-타겟분자로 구성된 3차원 나노플라즈모닉 복합박막;을 포함하는, 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 금속함유 나노구조체는
    상기 베이스기판 상에 이격되어 형성된 복수의 나노필라 및 나노돌기 중 1종 이상; 및
    상기 복수의 나노필라 및 나노돌기 중 1종 이상의 표면상에 형성된 금속함유 박막;을 포함하고,
    상기 금속함유 박막은 Au, 또는 이의 합금으로 구성되는, 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 타겟분자는 공유결합 또는 정전기적 인력에 의해 결합되는 유기분자인, 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 유기분자는 화학물질 또는 병원체인, 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막의 두께는 1 nm 내지 100 nm인, 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막은 전기화학증착으로 형성된 것인, 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막은 다공성인, 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 금속함유 나노구조체가 형성된 베이스기판;
    상기 베이스기판 및 전해액을 수용하는 전기화학 셀;
    상기 전기화학 셀에 구비되는 기준전극 및 카운터전극;
    작용전극인 금속함유 나노구조체와 카운터전극에 사이에 전압을 인가하는 전원;
    상기 베이스기판에 광을 조사하는 광원; 및
    라만분광 신호를 검출하는 검출기;를 포함하는, 전기화학증착-라만 분석 융합시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    전압 인가 시, 상기 베이스기판에 형성된 금속함유 나노구조체 상에 플라즈모닉 나노구조-타겟분자로 구성된 3차원 나노플라즈모닉 복합박막을 형성하며,
    상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막은
    상기 베이스기판에 형성된 금속함유 나노구조체 상에 플라즈모닉 나노구조의 전기화학증착; 및
    타겟분자의 화학결합 또는 정전기적 인력;에 의해 형성된 것인,
    전기화학증착-라만 분석 융합시스템.
  10. 제9항에 있어서
    전기화학증착에 의한 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막 형성과 동시에 라만 분석이 가능한, 전기화학증착-라만 분석 융합시스템.
  11. i) 전기화학 셀에 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 금속함유 나노구조체가 형성된 베이스기판을 준비하는 단계;
    ii) 상기 전기화학 셀에 플라즈모닉 나노구조의 전구체 및 타겟분자를 포함하는 전해액을 준비하는 단계; 및
    iii) 전극에 전압을 인가하여 상기 금속함유 나노구조체 상에 플라즈모닉 나노구조-타겟분자로 구성된 3차원 나노플라즈모닉 복합박막을 형성하는 단계;를 포함하는, 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 제조방법.
  12. i) 전기화학 증착 시스템의 전기화학 셀에 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 금속함유 나노구조체가 형성된 베이스기판을 준비하는 단계;
    ii) 상기 전기화학 셀에 플라즈모닉 나노구조의 전구체 및 타겟분자를 포함하는 전해액을 준비하는 단계;
    iii) 전극에 전압을 인가하여 상기 금속함유 나노구조체 상에 플라즈모닉 나노구조-타겟분자로 구성된 3차원 나노플라즈모닉 복합박막을 형성하는 단계; 및
    iv) 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막이 형성된 베이스기판에 광원을 조사하여 라만 분석을 하는 단계;를 포함하는, 실시간 라만 분광 분석 방법.
  13. 오목형 곡면 나노딤플 및 상기 나노딤플 사이의 접점에 형성된 융기형 나노팁을 포함하는 베이스기판;과, 상기 베이스기판 상에 형성된, 곡면을 가지는 플라즈모닉 연속 박막;을 포함하는 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판;
    상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판 상에 형성된 병원체 물질을 포함하는 병원체 물질층; 및
    상기 병원체 물질층 상에 형성된 3차원 나노플라즈모닉 복합박막;을 포함하되,
    상기 병원체 물질은 병원체의 단백질 및 유전자 중 1종 이상을 포함하는, 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 병원체 물질은 바이러스 용해액으로 용해된 것인, 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 병원체는 바이러스이고, 상기 병원체 물질은 바이러스의 스파이크 단백질 및 표면단백질 중 1종 이상인, 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판.
  16. 오목형 곡면 나노딤플 및 상기 나노딤플 사이의 접점에 형성된 융기형 나노팁을 포함하는 베이스기판;과, 상기 베이스기판 상에 형성된, 곡면을 가지는 플라즈모닉 연속 박막;을 포함하는 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판;
    상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판 및 전해액을 수용하는 전기화학 셀;
    상기 전기화학 셀에 구비되는 기준전극 및 카운터전극;
    작용전극인 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판과 카운터전극에 사이에 전압을 인가하는 전원;
    상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판에 광을 조사하는 광원; 및
    라만분광 신호를 검출하는 검출기;를 포함하는, 전기화학증착-라만 분석 융합시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    바이러스 용해액으로 용해된 병원체 물질이 전해액에 첨가되고, 상기 병원체 물질은 병원체의 단백질 및 유전자 중 1종 이상을 포함하는, 전기화학증착-라만 분석 융합시스템.
  18. 제16항에 있어서,
    전압 인가 시, 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판에 형성된 플라즈모닉 나노구조체 상에 병원체 물질로 구성된 병원체 물질층; 및 3차원 나노플라즈모닉 복합박막;을 형성하며,
    상기 병원체 물질층; 및 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막;은
    상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판에 형성된 플라즈모닉 나노구조체 상에 플라즈모닉 나노구조의 전기화학증착; 및
    병원체 물질의 화학결합 또는 정전기적 인력;에 의해 형성된 것인,
    전기화학증착-라만 분석 융합시스템.
  19. I-i) 전기화학 증착 시스템의 전기화학 셀에 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 기재된 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판을 준비하는 단계;
    I-ii) 상기 전기화학 셀에 플라즈모닉 나노구조의 전구체 및 병원체 물질을 포함하는 전해액을 준비하는 단계; 및
    I-iii) 전극에 전압을 인가하여 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판에 형성된 플라즈모닉 나노구조체 상에 병원체 물질로 구성된 병원체 물질층; 및 3차원 나노플라즈모닉 복합박막;을 형성하는 단계;를 포함하는, 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 제조방법.
  20. II-i) 전기화학 증착 시스템의 전기화학 셀에 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 기재된 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판을 준비하는 단계;
    II-ii) 상기 전기화학 셀에 플라즈모닉 나노구조의 전구체 및 병원체 물질을 포함하는 전해액을 준비하는 단계;
    II-iii) 전극에 전압을 인가하여 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판에 형성된 플라즈모닉 나노구조체 상에 병원체 물질로 구성된 병원체 물질층; 및 3차원 나노플라즈모닉 복합박막;을 형성하는 단계; 및
    II-iv) 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막이 형성된 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판에 광원을 조사하여 라만 분석을 하는 단계;를 포함하는, 실시간 라만 분광 분석 방법.
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