WO2023120913A1 - 신속 고감도 병원체 검출 장치 및 이를 이용한 병원체 분석 방법 - Google Patents

신속 고감도 병원체 검출 장치 및 이를 이용한 병원체 분석 방법 Download PDF

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WO2023120913A1
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nanoplasmonic
pathogen
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박성규
김동호
나종주
정호상
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한국재료연구원
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Definitions

  • the present invention relates to a rapid and highly sensitive pathogen detection device and a pathogen analysis method using the same. More specifically, the present invention relates to a rapid and highly sensitive pathogen detection device capable of rapidly and highly sensitively detecting pathogens such as respiratory infections viruses in the field and a pathogen analysis method using the same.
  • RT-PCR reverse transcriptase polymerase chain reaction
  • SARS-CoV-2 severe acute respiratory syndrome coronavirus 2
  • RT-PCR reverse transcription PCR
  • an immunodiagnostic kit using an antigen-antibody reaction capable of shortening the diagnosis time has also been developed and commercialized.
  • it because of its low detection limit and low accuracy, it has not been adopted as a standard diagnostic method.
  • false negatives by commercialized immunodiagnostic kits can cause serious problems that can exacerbate the spread of SARS-CoV-2. Therefore, in order to prevent the spread of large-scale infectious infections, the development of rapid and highly sensitive immunodiagnostic technology is essential.
  • An object of the present invention is to provide an apparatus for detecting pathogens, such as viruses, that can perform on-site diagnosis with a small amount of specimen by eliminating sample transfer time for pathogen detection and not using gene amplification.
  • Another object of the present invention is to provide an all-in-one type pathogen detection and analysis device, such as an all-in-one type virus, with high analysis accuracy without expensive diagnostic equipment and highly skilled experts.
  • Another object of the present invention is to provide a method for detecting and analyzing pathogens such as respiratory infections viruses quickly and with high sensitivity by enabling on-site diagnosis with a small amount of specimen.
  • a plasma comprising: a base substrate including concave curved nanodimples and raised nanotips formed at junctions between the nanodimples; and a plasmonic continuous thin film formed on the base substrate and having a curved surface.
  • a substrate on which the monic nanostructure is formed a pathogen material layer including a pathogen material formed on the substrate on which the plasmonic nanostructure is formed; and a three-dimensional nanoplasmonic composite thin film formed on the pathogen material layer, wherein the pathogen material includes a substrate comprising a three-dimensional nanoplasmonic composite structure including at least one of proteins and genes of the pathogen. do.
  • the pathogen material may be dissolved in a virus lysate.
  • the pathogen is a virus
  • the pathogen substance may be at least one of a spike protein and a surface protein of the virus.
  • the pathogen is 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 greater than or equal to 1.5.
  • the thickness of the three-dimensional nanoplasmonic 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 plasma comprising: a base substrate including concave curved nanodimples and raised nanotips formed at junctions between the nanodimples; and a plasmonic continuous thin film formed on the base substrate and having a curved surface.
  • An electrochemical cell accommodating the substrate and the electrolyte on which the plasmonic nanostructure is formed; a reference electrode and a counter electrode provided in the electrochemical cell; a power source for applying a voltage between the substrate on which the plasmonic nanostructure is formed as a working electrode and a counter electrode; a light source for radiating light to the substrate on which the plasmonic nanostructures are formed; And a detector for detecting a Raman spectroscopy signal; including, electrochemical deposition-Raman analysis fusion system is provided.
  • a pathogen material dissolved in a virus lysate is added to an electrolyte solution, and the pathogen material may include at least one of proteins and genes of the pathogen.
  • a pathogen material layer composed of a pathogen material formed on a substrate on which the plasmonic nanostructure is formed; and a three-dimensional nanoplasmonic composite thin film; the pathogen material layer; and electrochemical deposition of plasmonic nanostructures on the plasmonic nanostructures formed on the substrate on which the plasmonic nanostructures are formed; And it may be formed by chemical bonding or electrostatic attraction of pathogen substances.
  • the electrochemical deposition of the present application - in the Raman analysis fusion system is a precursor HAuCl 4 electrochemical deposition; And it may be formed by chemical bonding or electrostatic attraction between Au and the pathogen material.
  • the electrochemical deposition-Raman analysis fusion system of the present application may be capable of Raman analysis simultaneously 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 in the electrochemical deposition-Raman analysis fusion system of the present application.
  • a voltage of -0.5 to 0.5 V may be applied to the electrochemical deposition-Raman analysis fusion system of the present application.
  • the electrolyte may include HAuCl 4 and a pathogen material dissolved as a virus lysate.
  • electrochemical deposition may be performed by applying a voltage between the counter electrode and the substrate on which the plasmonic nanostructure, which is 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 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, thereby inducing incident light can be focused on the sharp tips of metal nanostructures or local spaces between nanostructures.
  • LSPR localized surface plasmon resonance
  • the pathogen detection device 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.
  • pretreatment and PCR are not required, the sample transfer time for pathogen detection and the time for gene amplification can be shortened. Therefore, rapid on-site pathogen detection is possible, and the spread of pathogens such as viruses can be effectively blocked.
  • the pathogen detection and analysis device of the present application is an all-in-one type device with high accuracy that does not require expensive equipment and highly skilled experts, and can quickly and accurately detect and diagnose pathogens such as viruses.
  • the method for detecting and analyzing pathogens of the present application enables on-site diagnosis with a small amount of sample, so that pathogens can be detected and analyzed quickly and with high sensitivity within 10 minutes.
  • the method for detecting and diagnosing pathogens of the present application can detect and classify and analyze respiratory infection viruses such as SARS-CoV-2 and influenza.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing the problems of the conventional method for detecting respiratory viruses by RT-PCR.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure in which proteins and genes of pathogens are captured according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 schematically illustrates an electrochemical deposition-Raman analysis fusion system capable of analyzing Raman signals in real time during an electrochemical deposition process in an electrochemical cell containing a virus lysate and a metal precursor according to an embodiment of the present invention. is the drawing shown.
  • FIG. 4 is an image schematically illustrating a process of forming a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure through a substrate on which a plasmonic nanostructure is formed from a base substrate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a photograph showing a base substrate and a substrate on which plasmonic nanostructures are formed according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram schematically showing 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. 7 is a photograph of SERS signal mapping according to Au electrochemical deposition time in an electrolyte solution containing SARS-CoV-2 virus lysate and 3 mM HAuCl 4 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a graph comparing SERS signal intensities measured according to SARS-CoV-2 virus lysate and H1N1 influenza virus lysate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a graph comparing the strength of SERS signals according to the concentration of SARS-CoV-2 virus lysate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a calibration curve graph showing the signal intensity of SERS characteristic peaks according to the concentration of SARS-CoV-2 virus lysate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a graph comparing SERS signal intensities measured using a mixture of SARS-CoV-2 virus lysate and H1N1 influenza virus lysate according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a SEM image 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. 13 is an AFM photograph of a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure after an electrochemical deposition process in an electrochemical cell including a virus lysate and a metal precursor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 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.
  • 15 is a view of a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure after an electrochemical deposition process in an electrochemical cell containing SARS-CoV-2 virus lysates and metal precursors at various concentrations according to an embodiment of the present invention. It is a SEM picture.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure in which proteins and genes of pathogens are captured according to an embodiment of the present invention.
  • 3 schematically illustrates an electrochemical deposition-Raman analysis fusion system capable of analyzing Raman signals in real time during an electrochemical deposition process in an electrochemical cell containing virus lysates and metal precursors according to an embodiment of the present invention. is the drawing shown.
  • 4 is an image schematically illustrating a process of forming a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure through a substrate on which a plasmonic nanostructure is formed from a base substrate according to an embodiment of the present invention.
  • 5 is a photograph showing a base substrate (FIG. 5 (a)) and a substrate (FIG. 5 (b)) on which plasmonic nanostructures are formed according to an embodiment of the present invention.
  • the substrate including the three-dimensional nanoplasmonic composite structure of the present application includes a base substrate 10; and a plasmonic continuous thin film 20; a substrate on which a plasmonic nanostructure is formed. (100); pathogen material layer 26; and a three-dimensional nanoplasmonic composite thin film (28).
  • the base substrate 10 includes concave curved nano-dimples 12 and raised-type (hereinafter, “convex-type” and “convex”) nanotips 14 formed at contact points between the nano-dimples 12 . It consists of
  • the nano-dimple 12 formed on the base substrate 10 may have a lateral inclination angle of 30 degrees to 60 degrees, and an aspect ratio of the nano-dimple 12 of 1.5 or more.
  • the aspect ratio of the plasmonic nanodimples 22 of the plasmonic continuous thin film 20 is 1.5 or more, and the side surface inclination angle of the plasmonic nanodimples 22 is easily formed to be 30 to 60 degrees. It can be.
  • the plasmonic continuous thin film 20 is formed to have a curved surface on the base substrate 10 and includes plasmonic nanostructures.
  • the plasmonic nanostructure includes a plasmonic nanodimple 22 formed at a position corresponding to the nanodimple 12 and a plasmonic nanotip 24 formed at a position corresponding to the nanotip 14. do.
  • the aspect ratio of the plasmonic nanodimples 22 is 1.5 or more, incident light due to the curvature of the plasmonic nanodimples 22 is focused into the internal space of the 3D plasmonic nanodimples 22 . Therefore, it is possible to provide a substrate for an ultra-sensitive spectroscopic (fluorescence and Raman) sensor capable of maximizing the volume of the hot spot and concentrating trace molecules in the internal space of the 3-dimensional plasmonic nanodimples 22.
  • the base substrate 10 may be composed of at least one selected from polymer, glass, silicon, and paper. Although not limited thereto, the base substrate 10 made of a polymer may be suitable for forming the nano-dimples 12 and nano-tips 14 having a predetermined shape.
  • the surface density of the nano-dimples 12 formed on the base substrate 10 may be 30/ ⁇ m 2 to 80/ ⁇ m 2 .
  • the volume of 3D hotspots can be increased, and thus the SERS signal can be greatly amplified.
  • the surface density of the nano-dimples 12 formed on the base substrate 10 is less than 30/ ⁇ m 2 , the effect of increasing the volume of 3-dimensional hotspots and amplifying the SERS signal may not be sufficient, and 80/ ⁇ m 2 If it exceeds the surface density of the nanodimples 12, it is difficult to form a plasmonic continuous thin film having a curved surface, and a flat film may be formed, so that the increase in the volume of 3D hotspots and the amplification effect of the SERS signal may be insignificant.
  • the surface density of the nanotips 14 formed on the base substrate 10 may be 40/ ⁇ m 2 to 90/ ⁇ m 2 .
  • the volume of 3D hotspots can be increased, and thus the SERS signal can be greatly amplified.
  • the surface density of the nanotips 14 formed on the base substrate 10 is less than 40/ ⁇ m 2 , the effect of increasing the volume of three-dimensional hotspots and amplifying the SERS signal may not be sufficient, and exceeds 90/ ⁇ m 2
  • it is difficult to form spaced plasmonic nanotips according to the surface density of the nanotip 14 and the increase in the volume of three-dimensional hotspots and the amplification effect of the SERS signal may be insignificant.
  • the nanodimples 12 and nanotips 14 may be formed by ion beam treatments, plasma etching, soft lithography, nanoimprint lithography, or photo lithography. ) may be formed. Although not limited thereto, it may be suitable that the nanodimples 12 and nanotips 14 are formed by ion beam treatments. According to the ion beam treatment, the aspect ratio of the plasmonic nanodimples 22 of the plasmonic continuous thin film 20 is 1.5 or more, and the inclination angle of the side of the plasmonic nanodimples 22 is easily set to 30 to 60 degrees. because it can form
  • the ion beam may be an ion beam of oxygen, argon, krypton, xenon, nitrogen, hydrogen, or a mixture of one or more of these particles. Although not limited thereto, it may be suitable to be formed using an ion beam composed of the oxygen. According to the oxygen ion beam treatment, the aspect ratio of the plasmonic nanodimples 22 of the plasmonic continuous thin film 20 is 1.5 or more, and the lateral inclination angle of the plasmonic nanodimples 22 is easily set to 30 to 60 degrees. because it can form
  • the plasmonic continuous thin film 20 is formed substantially uniformly on the base substrate 10 (conformal coating), so that the plasmonic continuous thin film 20 has a concave curved plasmonic nano-dimple 22 ) and the raised plasmonic nanotips 24 formed at the contact points between the plasmonic nanodimples 22.
  • the plasmonic continuous thin film 20 simultaneously includes concave curved plasmonic nanodimples 22 and raised plasmonic nanotips 24 formed at contact points between the plasmonic nanodimples 22, Light can be focused inside the nanodimple 22, and the total volume of hotspots can be increased by the lightening rod effect by the plasmonic nanotip 24, thereby greatly amplifying the SERS signal. can do.
  • the aspect ratio of the plasmonic nanodimples 22 of the plasmonic continuous thin film 20 is 1.5 or more, incident light can be effectively focused into the inside of the plasmonic nanodimples 22, thereby forming three-dimensional hotspots. volume can be increased.
  • An inclination angle of the side surface of the plasmonic nanodimple 22 of the plasmonic continuous thin film 20 may be 30 degrees to 60 degrees. SERS characteristics can be greatly improved by the convergence of light due to the curvature caused by the inclination angle of the nanodimple 22 and the effect of concentrating the pathogen material.
  • the substrate including the plasmonic continuous thin film 20 of the present application having the above configuration can focus the incident light due to the curvature inside the 3D plasmonic nanodimple 22 into the nanodimple, creating a 3D hot spot. It is possible to provide a substrate for an ultra-sensitive spectroscopic sensor capable of increasing the volume of hotspots and concentrating a very small amount of sample into a three-dimensional hotspot for analysis. Therefore, there is no need for conventional sample pre-processing and PCR amplification for the detection of trace pathogens, and rapid on-site diagnosis may be possible.
  • the diameter of the plasmonic nanodimples 22 of the plasmonic continuous thin film 20 may be 10 nm to 150 nm.
  • the diameter of the plasmonic nanodimples 22 of the plasmonic continuous thin film 20 is less than 10 nm or greater than 150 nm, light cannot be effectively focused and the amplification effect of the SERS signal may not be sufficient.
  • the surface density of the plasmonic nanodimples 22 of the plasmonic continuous thin film 20 may be 30/ ⁇ m 2 to 80/ ⁇ m 2 .
  • the volume of 3D hotspots can be increased, and thus the SERS signal can be greatly amplified.
  • the surface density of the plasmonic nanodimples 22 formed on the plasmonic continuous thin film 20 is less than 30/ ⁇ m 2 , the effect of increasing the volume of three-dimensional hotspots and amplifying the SERS signal may not be sufficient, In the case of exceeding 80/ ⁇ m 2 , it is difficult to form a plasmonic continuous thin film having a curved surface depending on the surface density of the nanodimple 12, and a flat film may be formed, resulting in an increase in the volume of three-dimensional hotspots and an increase in the SERS signal. The amplification effect may be insignificant.
  • the surface density of the plasmonic nanotips 24 of the plasmonic continuous thin film 20 may be 40/ ⁇ m 2 to 90/ ⁇ m 2 .
  • the volume of 3D hotspots can be increased, and thus the SERS signal can be greatly amplified.
  • the surface density of the plasmonic nanotips 24 formed on the plasmonic continuous thin film 20 is less than 40/ ⁇ m 2 , the effect of increasing the volume of three-dimensional hotspots and amplifying the SERS signal may not be sufficient.
  • / ⁇ m 2 is greater than the surface density of the nanotips 14, it is difficult to form the spaced apart plasmonic nanotips 24, and the increase in the volume of three-dimensional hotspots and the amplification of the SERS signal may be insignificant.
  • the thickness of the plasmonic continuous thin film 20 may be 50 nm to 200 nm. With the configuration described above, the volume of 3D hotspots can be increased, and thus the SERS signal can be greatly amplified. If the thickness of the plasmonic continuous thin film 20 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 to become a flat substrate, so the increase in the volume of three-dimensional hotspots and the amplification effect of the SERS signal may not be sufficient, and expensive Au may be economically wasted.
  • the plasmonic continuous thin film 20 may be formed by vapor deposition or a solution process.
  • the plasmonic continuous thin film 20 may be formed using a known vapor deposition or solution process.
  • the plasmonic continuous thin film 20 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, the metal may be suitable for Au or Ag.
  • Metal-containing nanoparticles formed on the metal-containing thin film may be further included.
  • a plurality of nanogaps such as a nanogap between the metal-containing thin film and the metal-containing nanoparticles and a nanogap between the metal-containing nanoparticles can be formed to further increase the volume of three-dimensional hotspots.
  • the SERS signal can be greatly amplified.
  • 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 a nanogap between the metal-containing thin film and the metal-containing thin film, can be formed to increase the volume of three-dimensional hotspots, so that the SERS signal can be greatly amplified.
  • the insulating layer may be formed of 1H, 1H, 2H, 2H -Perfluorodecanethiol (PFDT).
  • the pathogen material layer 26 includes a pathogen material formed on the substrate on which the plasmonic nanostructure is formed.
  • the pathogen may include pathogenic microorganisms such as viruses, bacteria, and fungi.
  • the pathogen may illustratively be a respiratory infection virus, and the respiratory infection virus may be SARS-CoV-2 or influenza virus.
  • the pathogen material includes at least one of proteins and genes of the pathogen.
  • 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 and the like. Therefore, a known virus lysate may be used, and as a non-limiting example, Tris-(2-Carboxyethyl)phosphine, Hydrochloride (TCEP)/Ethylene-diamine-tetraacetic acid (EDTA) was used in the examples herein.
  • the pathogen substance may be one or more of virus spike proteins and surface proteins.
  • the substrate including the plasmonic continuous thin film 20 of the present application can easily carry the pathogen material due to the curvature inside the three-dimensional plasmonic nanodimples 22 and suppress re-emission while voltage is applied. In addition, it is possible to prevent the pathogen material carried by the plasmonic nanotip 24 from being released again. Furthermore, as described above, the substrate including the plasmonic continuous thin film 20 of the present application can focus the incident light due to the curvature inside the 3-dimensional plasmonic nanodimples 22 into the plasmonic nanodimples 22.
  • the SERS signal can be further amplified.
  • the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 28 starts to form on the three-dimensional plasmonic continuous thin film 20 and is also formed on the pathogen material layer 26 to coat and capture the pathogen material.
  • the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 28 may be a metal-containing nanoparticle and a metal-containing thin film formed therefrom.
  • the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 28 may have a pathogen substance trapped therein.
  • the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 28 may be composed of nanoparticles of Au and alloys 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 thickness of the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 28 may be 10 nm to 150 nm.
  • the plasmonic effect is low, and protein components of around 10 nm cannot be captured, so the SERS signal amplification effect of the protein may be insufficient, and the three-dimensional
  • the SERS signal amplification effect may be insufficient due to an insufficient amount of light such as a laser reaching the pathogen material.
  • SERS analysis can be performed by capturing proteins and genes of the pathogen only with the lysate of the pathogen, enabling rapid on-site diagnosis with a small amount of specimen. That is, since preprocessing and PCR are not required, the sample transfer time for pathogen detection and the time for gene amplification can be shortened. Therefore, it is possible to rapidly detect pathogens and effectively block the spread of pathogens such as viruses.
  • the plasmonic nanostructure includes plasmonic nanodimples 22 and plasmonic nanotips 24 .
  • the substrate 100 on which the plasmonic nanostructure, which is a working electrode, is formed is connected to a power supply 240 and a conductive wire 250.
  • 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.
  • the counter electrode 220 is an electrode for causing a current to flow in the electrolyte between the working electrode 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 as a virus solution is added to an electrolyte solution, and the pathogen material may include at least one of proteins and genes of the pathogen.
  • a pathogen material layer 26 composed of a pathogen material formed on the substrate 100 on which the plasmonic nanostructure is formed; and a three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 28; the pathogen material layer 26; and the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 28; electrochemical deposition of plasmonic nanostructures on the plasmonic nanostructures formed on the substrate 100 on which the plasmonic nanostructures are formed; And it may be formed by chemical bonding or electrostatic attraction of pathogen substances.
  • the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 28 is a plasmonic nanostructure precursor, HAuCl 4 Electrochemical deposition; And it may be formed by chemical bonding or electrostatic attraction between Au and the pathogen material.
  • the HAuCl 4 concentration of 0.5 to 100 mM may be suitable in terms of electrochemical deposition and Raman signal enhancement.
  • the electrochemical deposition-Raman analysis fusion system 200 of the present application may perform Raman analysis simultaneously with the formation of the pathogen material layer 26 and the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 28 by electrochemical deposition.
  • Raman analysis may be possible within 1 minute.
  • the electrochemical deposition-Raman analysis fusion system 200 of the present application may be applied with a voltage of -0.5 to 0.5 V.
  • a pathogen material layer 26 and a three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 28 are formed by electrochemical deposition after adding an analyte, SARS-CoV-2 lysate, and HAuCl 4 , a precursor of a plasmonic nanostructure. At the same time, it may take less than 1 minute for Raman analysis results to appear.
  • a voltage of -0.5 to 0.5 V may be applied to the electrochemical deposition-Raman analysis fusion system 200 of the present application.
  • Raman analysis can be performed quickly and accurately while forming the pathogen material layer 26 and the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 28 .
  • the electrochemical deposition-Raman analysis fusion system 200 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 spike proteins at a concentration 27 times higher than the concentration of virus particles. Therefore, by dissolving a very small amount of virus without the need to amplify the number of genes through conventional PCR technology, surface protein components including spike proteins can be rapidly and highly sensitive for SERS analysis.
  • the light source 300 and the detector may use a light source and detector of a known Raman spectroscopic analysis device.
  • a method of manufacturing a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure I-i) a substrate on which the plasmonic nanostructure described herein is formed in the electrochemical cell 210 of the electrochemical deposition system ( 100) preparing; I-ii) preparing an electrolyte solution containing a plasmonic nanostructured precursor and a pathogen material in the electrochemical cell 210; and I-iii) a pathogen material layer 26 composed of a pathogen material on the substrate 100 on which the plasmonic nanostructure is formed by applying a voltage to an electrode; and forming a three-dimensional nanoplasmonic composite thin film (28).
  • step I-i the substrate 100 having the plasmonic nanostructure described above is placed in the electrochemical cell 210 of the electrochemical deposition-Raman analysis fusion system 200, which is an electrochemical deposition system.
  • a method of manufacturing a substrate 100 on which plasmonic nanostructures are formed includes forming nano-dimples 12 and nano-tips 14 on a base substrate 10; and forming a plasmonic continuous thin film 20 having a curved surface on the base substrate 10 .
  • the aspect ratio of nanodimples of the plasmonic continuous thin film 20 may be formed to be 1.5 or more.
  • the base substrate 10 made of a polymer may be formed by irradiating gas particles with energy of 500 eV or more.
  • the nano-dimple 12 may be easily formed by irradiating the gas particle with energy of 500 eV or higher to the high-density polymer.
  • the nano-dimple 12 can be formed at 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-wrinkle structure may be formed instead of a nano-dimple structure.
  • 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 structure of the nano-dimple 12 and the nano-tip 14 can be efficiently formed by one process by irradiating the polymer having the density with gas particles having an energy of 500 eV or more.
  • the polymer may be polyethylene terephthalate (PET), polyimide (PI), polyethylene naphthalate (PEN), polyethersulfone (PES), or one thereof. It may be a mixture of the above.
  • the gas particles may be oxygen, argon, krypton, xenon, nitrogen, hydrogen, or a mixture of one or more of them.
  • oxygen may be suitable for forming the nanodimple 12 and nanotip 14 structures on the base substrate 10 as the gas particles.
  • oxygen particles collide with the polymer physical and chemical reactions are active, and the uppermost polymer is converted into materials such as CO x and H 2 O and etched to form nano-dimples 12 and nano-dimples on the base substrate 10.
  • the tip 14 structure can be efficiently formed.
  • a mixture of 20% or more of oxygen particles may be suitable for forming the nanodimple 12 and nanotip 14 structures on the base substrate 10 .
  • the forming of the nanodimples 12 and nanotips 14 may be performed by irradiating the base substrate 10 made of a polymer with an ion beam having an irradiation amount of 2 ⁇ 10 17 ions/cm 2 or less.
  • the volume of 3D hotspots can be increased, and thus the SERS signal can be greatly amplified.
  • the irradiation amount of the ion beam exceeds 2 ⁇ 10 17 ions/cm 2
  • the surface density of the nanodimples 12 and/or nanotips 14 is less than 30/ ⁇ m 2 , and The effect of increasing the volume of 3D hotspots and amplifying the SERS signal may not be sufficient.
  • step I-ii) an electrolyte containing the precursor of the plasmonic nanostructure and the pathogen material dissolved in the virus solution is prepared in the electrochemical cell 210 .
  • the precursor of the plasmonic nanostructure may be HAuCl 4 .
  • a pathogen material layer 26 composed of a pathogen material on the substrate 100 on which the plasmonic nanostructure is formed by applying a voltage to the electrode in step I-iii); And a three-dimensional nano-plasmonic composite thin film (28).
  • electrochemical deposition may be performed by applying a voltage between the counter electrode and the substrate 100 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.
  • FIG. 6 is a diagram schematically illustrating an analysis process for rapid detection of viral proteins and genes using the electrochemical deposition-Raman analysis fusion system 200 of FIG. 3 according to an embodiment of the present invention.
  • II-i) electrochemical deposition - the plasmonic nanostructure described herein is formed in the electrochemical cell 210 of the Raman analysis fusion system 200 preparing the substrate 100; II-ii) preparing an electrolyte containing a plasmonic nanostructured precursor and a pathogen material in the electrochemical cell 210; II-iii) a pathogen material layer 26 composed of a pathogen material on the substrate 100 on which the plasmonic nanostructure is formed by applying a voltage to an electrode; And forming a three-dimensional nano-plasmonic composite thin film (28); and II-iv) irradiating a light source to the substrate 100 on which the plasmonic nanostructure on which the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film 28 is formed is subjected to Raman analysis.
  • step II-i the substrate 100 having the plasmonic nanostructure described above is disposed in the electrochemical cell 210 of the electrochemical deposition-Raman analysis fusion system 200 to prepare.
  • step II-ii) an electrolyte containing the precursor of the plasmonic nanostructure and the pathogen material dissolved in the virus solution is prepared in the electrochemical cell 210 .
  • the precursor of the plasmonic nanostructure may be HAuCl 4 .
  • a pathogen material layer 26 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 nano-plasmonic composite thin film (28).
  • electrochemical deposition may be performed by applying a voltage between the working electrode, the substrate 100 on which the plasmonic nanostructure is formed, and the counter 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.
  • a light source 300 is irradiated to the substrate 100 on which the plasmonic nanostructure on which the three-dimensional nanoplasmonic composite thin film is formed is subjected to Raman spectroscopic analysis.
  • 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 conduct Raman spectroscopic analysis in real time while adsorbing pathogen substances and forming a substrate for spectroscopic analysis.
  • Au was vacuum deposited on a PEN substrate including nanodimples and nanotips by thermal evaporation under the following conditions.
  • Substrate PEN polymer substrate treated with an oxygen ion beam irradiation of 1.4 ⁇ 10 17 ions/cm 2
  • Vacuum degree of vacuum evaporation 5.0 ⁇ 10 -6 torr
  • a substrate containing a plasmonic nanostructure as a working electrode is placed at the bottom of 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. 3 mM of HAuCl 4 was added. Thereafter, 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 working electrode was released. After adding the analyte, the pathogen lysate, the laser was focused on the surface of the working electrode until the electrochemical deposition was completed, and the Raman signal generated on the surface of the electrode was measured in real time every 30 seconds.
  • analyte pathogen lysate
  • the pathogens are SARS-CoV-2 (BetaCoV/Korea/KCDC03/2020) and H1N1 Influenza virus cultured in cells and separated, Tris-(2-Carboxyethyl)phosphine, Hydrocholide (TCEP)/Ethylene-diamine-tetraacetic acid (EDTA) was used.
  • SARS-CoV-2 BetaCoV/Korea/KCDC03/2020
  • H1N1 Influenza virus cultured in cells and separated Tris-(2-Carboxyethyl)phosphine, Hydrocholide (TCEP)/Ethylene-diamine-tetraacetic acid (EDTA) was used.
  • the measurement conditions in this embodiment are as follows.
  • FIG. 7 is a photograph of SERS signal mapping according to Au electrochemical deposition time in an electrolyte solution 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 is applied to the working electrode for Au electrochemical deposition, several bands of SARS-CoV-2 viral characteristic peaks (732, 959, 1234, 1345 and 1468 cm -1 ) begin to appear, and after electrochemical deposition, 30 As seconds pass, it can be confirmed that the SERS characteristic peak of the strong SARS-CoV-2 virus is observed.
  • FIG. 8 is a graph comparing SERS signal intensities 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. As shown in FIG. 8, when only the lysate was included or electrochemical deposition was not performed, SERS signal did not appear, but SARS-CoV-2 virus lysate and H1N1 influenza virus lysate were added and electrochemical deposition was performed. In this case, the SERS signal was strongly amplified. In addition, the characteristic peaks of the SARS-CoV-2 virus lysate and the H1N1 influenza virus lysate were different.
  • each virus type has different genes and different protein components, which are phenotypes shown by gene expression, so the virus species can be identified through Raman spectroscopy, a direct molecular detection technology for these components. Furthermore, by detecting different spike proteins according to the virus strain, the virus strain can be quickly and accurately identified. Therefore, according to the analysis method of the present application, not only virus detection but also qualitative analysis for each type of virus is possible. By building a DB that normalizes the characteristic peaks for each pathogen, anyone can quickly and accurately detect and analyze pathogens in the field without preprocessing, PCR, or experts using the SERS device.
  • FIG. 9 is a graph comparing SERS signal strength according to the concentration of 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 of the SERS characteristic peak (Raman Shift) of the SARS-CoV-2 virus lysate does not change, but when the concentration decreases, the intensity of the SERS signal increases. confirmed to decrease. That is, it suggests that even if the concentration of SARS-CoV-2 virus lysate is low, the virus can be identified through the location of the SARS-CoV-2 SERS peak, and quantitative analysis according to the concentration is also possible.
  • FIG. 10 is a calibration curve graph showing the signal intensity of SERS characteristic peaks according to the concentration of SARS-CoV-2 virus lysate according to an embodiment of the present invention.
  • 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 viruses is also possible.
  • FIG. 11 is a graph comparing SERS signal intensities 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. 11 even when electrochemical deposition is performed using a mixture of SARS-CoV-2 virus lysate and H1N1 influenza virus lysate, it is possible to separate and confirm each characteristic peak for each virus.
  • 12 is a SEM image 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.
  • 12A and B are SEM pictures of a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure after an electrochemical deposition process using only Lysis Buffer without virus lysate.
  • 12C and D are SEM pictures of a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure after an electrochemical deposition process using a SARS-CoV-2 virus lysate, and E and F of FIG. 12 are an H1N1 influenza virus lysate.
  • the concentration of the SARS-CoV-2 lysate was 5 ⁇ 10 3 PFU/mL
  • the concentration of influenza was 5.6 ⁇ 10 5 PFU/mL
  • electrochemical deposition was performed for 10 minutes after supporting the lysate.
  • a and B of FIG. 12 a relatively continuous and smooth nanostructure is formed in the absence of virus lysate, and as shown in C to F of FIG. 12, the roughness when virus lysate is used A three-dimensional nanoplasmonic composite thin film composed of large and clearly differentiated protrusions was obtained.
  • the SERS signal of the viral protein component trapped 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 underlying Au nano-dimple structure, thereby creating a strong near-field in the insulating layer where the insulating pathogen material is collected. field) can be formed. Through this amplification phenomenon of the electric field, light can be focused on the area where the pathogen substance is captured, so that a strong SERS signal of the pathogen substance is generated.
  • 13 is an AFM photograph of a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure after an electrochemical deposition process in an electrochemical cell including a virus lysate and a metal precursor according to an embodiment of the present invention.
  • 13A and D are AFM images of a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure after a 10-minute electrochemical deposition process using only a lysis buffer without a virus lysate.
  • 13B and E are AFM photographs of a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure after an electrochemical deposition process using a SARS-CoV-2 virus lysate, and C and F of FIG. 13 show an influenza virus lysate.
  • the concentration of the SARS-CoV-2 lysate was 5 ⁇ 10 3 PFU/mL
  • the concentration of influenza was 5.6 ⁇ 10 5 PFU/mL
  • electrochemical deposition was performed for 10 minutes after supporting the lysate.
  • FIG. 13 showed the same tendency. That is, the roughness of the Au Tip portion indicated by the X-shaped region in FIG. 13 was 2.59 nm
  • B was 6.4 nm
  • C was 10.3 nm.
  • Influenza has the highest illuminance because it has the highest concentration of influenza and also has 500 Hemagglutinin and 100 Neuraminidase spike proteins on the surface of one influenza virus particle. Because.
  • FIG. 14 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. 14 also shows the same trend as FIGS. 12 and 13 .
  • 14A and B are TEM images of a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure after an electrochemical deposition process using only a buffer without virus lysate.
  • 14C and D are TEM images of a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure after an electrochemical deposition process using a SARS-CoV-2 virus lysate, and E and F of FIG. 14 show an influenza virus lysate.
  • the concentration of the SARS-CoV-2 lysate was 5 ⁇ 10 3 PFU/mL
  • the concentration of influenza was 5.6 ⁇ 10 5 PFU/mL
  • electrochemical deposition was performed for 10 minutes after supporting the lysate.
  • a and B of FIG. 14 a relatively continuous and smooth nanostructure is formed in the absence of virus lysate, and as shown in C to F of FIG. 14, roughness when virus lysate is used A three-dimensional nanoplasmonic composite thin film composed of large and clearly differentiated protrusions was obtained.
  • 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.
  • 15 is a view of a substrate including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure after an electrochemical deposition process in an electrochemical cell containing SARS-CoV-2 virus lysates and metal precursors at various concentrations according to an embodiment of the present invention. It is a SEM picture. 15A shows that the concentration of the SARS-CoV-2 virus lysate is 10 2 PFU/mL, B is 10 1 PFU/mL, C is 10 0 PFU/mL, and D is 10 -1 PFU/mL . As shown in FIG. 15, as the concentration of the SARS-CoV-2 virus lysate increases, a three-dimensional nanoplasmonic composite thin film composed of clearly differentiated protrusions with high roughness is formed.
  • substrate including a three-dimensional nanoplasmonic composite structure

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Abstract

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.

Description

신속 고감도 병원체 검출 장치 및 이를 이용한 병원체 분석 방법
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.
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 1을 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 병원체 검출을 위한 검체 이동 시간을 없애고 유전자 증폭을 사용하지 않음으로써 소량의 검체로 현장 진단이 가능한 바이러스 등 병원체 검출 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 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, 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.
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) 전기화학증착 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 제조 방법이 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) 전기화학증착 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, 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 증폭을 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 종래 RT-PCR에 의한 호흡기 바이러스 검출 방법의 문제점을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 병원체의 단백질 및 유전자가 포획된 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판을 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 바이러스 용해액 및 금속 전구체를 포함하는 전기화학 셀 내에서 전기화학증착 공정 중 실시간으로 라만 신호를 분석할 수 있는 전기화학증착-라만 분석 융합시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 베이스기판으로부터 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판을 거쳐 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판이 형성되는 과정을 개략적으로 나타내는 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 베이스기판 및 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판을 나타내는 사진이다.
도 6은 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 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 SARS-CoV-2 바이러스 용해물과 3 mM HAuCl4를 포함하는 전해액에서의 Au 전기화학증착 시간에 따른 SERS 신호 매핑(mapping) 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 SARS-CoV-2 바이러스 용해물 및 H1N1 인플루엔자 바이러스 용해물에 따라 측정된 SERS 신호 세기를 비교한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 SARS-CoV-2 바이러스 용해물 농도에 따른 SERS 신호의 세기를 비교한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 SARS-CoV-2 바이로스 용해물 농도에 따른 SERS 특성 피크의 신호 세기를 나타낸 검정곡선 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 SARS-CoV-2 바이러스 용해물 및 H1N1 인플루엔자 바이러스 용해물의 혼합액을 이용하여 측정된 SERS 신호 세기를 비교한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 바이러스 용해물 및 금속 전구체를 포함하는 전기화학 셀 내에서 전기화학증착 공정 후의 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 SEM 사진이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 바이러스 용해물 및 금속 전구체를 포함하는 전기화학 셀 내에서 전기화학증착 공정 후 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 AFM 사진이다.
도 14는 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 15는 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.
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.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 병원체의 단백질 및 유전자가 포획된 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판을 나타내는 모식도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 바이러스 용해물 및 금속 전구체를 포함하는 전기화학 셀 내에서 전기화학증착 공정 중 실시간으로 라만 신호를 분석할 수 있는 전기화학증착-라만 분석 융합시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 베이스기판으로부터 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판을 거쳐 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판이 형성되는 과정을 개략적으로 나타내는 이미지이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 베이스기판(도 5의 (a)) 및 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(도 5의 (b))을 나타내는 사진이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본원의 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판은, 베이스기판(10);과, 플라즈모닉 연속박막(20);을 포함하는 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(100); 병원체 물질층(26); 및 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(28)을 포함한다.
상기 베이스기판(10)은 오목형 곡면 나노딤플(12) 및 상기 나노딤플(12) 사이의 접점에 형성된 융기형(이하, "볼록형"과 혼용하여 사용될 수 있음) 나노팁(14)을 포함하도록 구성된다.
상기 베이스기판(10)에 형성된 나노딤플(12)은 옆면 경사각도가 30도 내지 60도이고 나노딤플(12)의 종횡비가 1.5 이상일 수 있다. 상기한 구성에 의해, 상기 플라즈모닉 연속박막(20)의 플라즈모닉 나노딤플(22)의 종횡비가 1.5 이상이고, 플라즈모닉 나노딤플(22)의 옆면 경사각도가 30도 내지 60도가 되도록 용이하게 형성될 수 있다.
상기 플라즈모닉 연속박막(20)은 상기 베이스기판(10)에 곡면을 가지도록 형성되어, 플라즈모닉 나노구조체를 포함한다. 상기 플라즈모닉 나노구조체는 상기 나노딤플(12)에 대응하는 위치에 형성되는 플라즈모닉 나노딤플(22)과, 상기 나노팁(14)에 대응하는 위치에 형성되는 플라즈모닉 나노팁(24)을 포함한다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 플라즈모닉 나노딤플(22)의 종횡비가 1.5 이상인 경우, 플라즈모닉 나노딤플(22)의 곡률에 의해 입사되는 빛을 3차원 플라즈모닉 나노딤플(22)의 내부 공간에 집속시킬 수 있어, 핫스팟의 부피를 극대화할 수 있고, 극미량 분자를 3차원 플라즈모닉 나노딤플(22)의 내부 공간에 농축시킬 수 있는 초고감도 분광(형광 및 라만) 센서용 기판을 제공할 수 있다.
상기 베이스기판(10)은 고분자, 유리, 실리콘, 및 종이에서 선택되는 1종 이상으로 구성될 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 상기 베이스기판(10)은 고분자로 구성되는 것이 본원의 소정의 형상의 나노딤플(12) 및 나노팁(14)의 형성에 적합할 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 베이스기판(10)에 형성된 나노딤플(12)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(10)에 형성된 나노딤플(12)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(12)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(10)에 형성된 나노팁(14)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(10)에 형성된 나노팁(14)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(14)의 표면밀도 초과에 따라 이격된 플라즈모닉 나노팁 형성이 어려워 3차원 핫스팟(hotspots) 부피의 증가 및 SERS 신호의 증폭 효과가 미미할 수 있다.
상기 나노딤플(12) 및 나노팁(14)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(12) 및 나노팁(14)은 이온 빔 처리(ion beam treatments)에 의해서 형성된 것이 적합할 수 있다. 이는 이온 빔 처리에 의하면, 상기 플라즈모닉 연속 박막(20)의 플라즈모닉 나노딤플(22)의 종횡비가 1.5 이상이고, 플라즈모닉 나노딤플(22)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(20)의 플라즈모닉 나노딤플(22)의 종횡비가 1.5 이상이고, 플라즈모닉 나노딤플(22)의 옆면 경사각도가 30도 내지 60도가 되도록 용이하게 형성할 수 있기 때문이다.
상술한 바와 같이, 상기 플라즈모닉 연속 박막(20)은 상기 베이스 기판(10) 상에 거의 균일하게 형성(conformal coating)되어, 플라즈모닉 연속 박막(20)은 오목형 곡면의 플라즈모닉 나노딤플(22) 및 상기 플라즈모닉 나노딤플(22) 사이의 접점에 형성된 융기형 플라즈모닉 나노팁(24)을 동시에 포함하도록 구성된다.
상기 플라즈모닉 연속 박막(20)은 오목형 곡면의 플라즈모닉 나노딤플(22) 및 상기 플라즈모닉 나노딤플(22) 사이의 접점에 형성된 융기형 플라즈모닉 나노팁(24)을 동시에 포함하여, 플라즈모닉 나노딤플(22) 내부에 빛을 집속시킬 수 있고, 플라즈모닉 나노팁(24)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(20)의 플라즈모닉 나노딤플(22)의 종횡비가 1.5 이상인 구성에 의해, 입사되는 빛을 플라즈모닉 나노딤플(22) 내부에 효과적으로 집속시킬 수 있어 3차원 핫스팟(hotspots)의 부피를 증가시킬 수 있다.
상기 플라즈모닉 연속 박막(20)의 플라즈모닉 나노딤플(22)의 옆면 경사각도가 30도 내지 60도일 수 있다. 상기와 같은 나노딤플(22)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(20)을 포함하는 기판은 3차원 플라즈모닉 나노딤플(22) 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(20)의 플라즈모닉 나노딤플(22)의 지름이 10 nm 내지 150 nm일 수 있다. 상기 플라즈모닉 연속 박막(20)의 플라즈모닉 나노딤플(22)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(20)의 플라즈모닉 나노딤플(22)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(20)에 형성된 플라즈모닉 나노딤플(22)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(12)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(20)의 플라즈모닉 나노팁(24)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(20)에 형성된 플라즈모닉 나노팁(24)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(14)의 표면밀도 초과에 따라 이격된 플라즈모닉 나노팁(24) 형성이 어려워 3차원 핫스팟(hotspots) 부피의 증가 및 SERS 신호의 증폭 효과가 미미할 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 플라즈모닉 연속 박막(20)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(20)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(22)이 메워져서 평평한(flat)한 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(20)은 기상증착 또는 용액공정으로 형성된 것일 수 있다. 공지의 기상증착 또는 용액공정을 이용하여 상기 플라즈모닉 연속 박막(20)을 형성할 수 있다.
상기 플라즈모닉 연속 박막(20)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(26)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(22) 표면에 흡착되게 된다. 이때, 상기 본원의 플라즈모닉 연속 박막(20)을 포함하는 기판은 3차원 플라즈모닉 나노딤플(22) 내부의 곡률에 의해 병원체 물질을 용이하게 담지하여 전압을 인가하는 동안에는 다시 방출되는 것을 억제할 수 있고, 또한 상기 플라즈모닉 나노팁(24)에 의해 담지된 병원체 물질이 다시 방출되는 것을 방지할 수 있다. 나아가 상술한 바와 같이, 상기 본원의 플라즈모닉 연속 박막(20)을 포함하는 기판은 3차원 플라즈모닉 나노딤플(22) 내부의 곡률에 의해 입사되는 빛을 플라즈모닉 나노딤플(22) 내부에 집속시킬 수 있어, 3차원 핫스팟(hotspots)의 부피를 증가시키고 극미량 병원체 물질을 3차원 핫스팟에 농축하여 분석할 수 있다. 나아가, 플라즈모닉 나노팁(24)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(28)은 3차원 플라즈모닉 연속박막(20) 상에서 형성되기 시작하여 상기 병원체 물질층(26) 상에도 형성되어, 병원체 물질을 코팅하여 포집하게 된다. 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(28)은 금속함유 나노입자 및 이로 이루어진 금속함유 박막일 수 있다. 또한, 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(28)은 내부에는 병원체 물질이 포획되어 있을 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(28)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(28)에 내부에 포집된 형태로 매우 강한 병원체 물질의 SERS 신호를 검출할 수 있다. 나노플라즈모닉 복합박막(28) 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(28)의 두께는 10 nm 내지 150 nm일 수 있다. 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(28)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(28)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 2 및 도 3을 참조하면, 오목형 곡면 나노딤플(12) 및 상기 나노딤플(12) 사이의 접점에 형성된 융기형 나노팁(14)을 포함하는 베이스기판(10);과, 상기 베이스기판(10) 상에 형성된, 곡면을 가지는 플라즈모닉 연속 박막(20);을 포함하는 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(100); 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(100) 및 전해액을 수용하는 전기화학 셀(210); 상기 전기화학 셀(210)에 구비되는 기준전극(230) 및 카운터전극(220); 작용전극인 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(100)과 카운터전극(220)에 사이에 전압을 인가하는 전원(240); 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(100)에 광을 조사하는 광원(300); 및 라만분광 신호를 검출하는 검출기;를 포함하는, 전기화학증착-라만 분석 융합시스템(200)이 제공된다.
이에 한정되는 것은 아니나, 플라즈모닉 나노구조체는 플라즈모닉 나노딤플(22) 및 플라즈모닉 나노팁(24)을 포함한다.
작용전극인 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(100)은 전원(240)과 도선(250)으로 접속된다.
상기 기준전극(230)은 작용전극의 전위를 결정할 때의 기준이 되는 전극이다. 예를 들어, 상기 기준전극(230)은 Ag/AgCl 전극일 수 있다.
상기 카운터전극(220)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(200)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(200)에서 전압 인가 시, 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(100) 상에 형성된 병원체 물질로 구성된 병원체 물질층(26); 및 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(28);을 형성하며, 상기 병원체 물질층(26); 및 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(28);은 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(100)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(200)에서 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(28)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(200)은 전기화학증착에 의한 병원체 물질층(26) 및 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(28) 형성과 동시에 라만 분석이 가능할 수 있다.
본원의 전기화학증착-라만 분석 융합시스템(200)에서 1 분 이내에 라만 분석이 가능할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 본원의 전기화학증착-라만 분석 융합시스템(200)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(26) 및 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(28) 형성과 동시에 라만 분석 결과가 나오기까지 1분 미만이 소요될 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 본원의 전기화학증착-라만 분석 융합시스템(200)은 -0.5 내지 0.5 V의 전압이 인가될 수 있다. 상기 범위에서 병원체 물질층(26) 및 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(28) 형성과 동시에 라만 분석이 신속하고 정확하게 이루어질 수 있다.
본원의 전기화학증착-라만 분석 융합시스템(200)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(300) 및 검출기(미도시)는 공지의 라만 분광 분석 장치의 광원 및 검출기를 이용할 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 제조 방법은, I-i) 전기화학증착 시스템의 전기화학 셀(210)에 본원에 기재된 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(100)을 준비하는 단계; I-ii) 상기 전기화학 셀(210)에 플라즈모닉 나노구조의 전구체 및 병원체 물질을 포함하는 전해액을 준비하는 단계; 및 I-iii) 전극에 전압을 인가하여 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(100) 상에 병원체 물질로 구성된 병원체 물질층(26); 및 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(28);을 형성하는 단계;를 포함한다.
단계 I-i)에서 전기화학증착 시스템인 전기화학증착-라만 분석 융합시스템(200)의 전기화학 셀(210)에 상기 기재된 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(100)을 배치하여 준비한다.
도 4를 참조하면, 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(100)의 제조방법은, 베이스기판(10)에 나노딤플(12) 및 나노팁(14)을 형성하는 단계; 및 상기 베이스기판(10)에 곡면을 가지는 플라즈모닉 연속 박막(20)을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 상기 플라즈모닉 연속 박막(20)을 형성하는 단계에서 상기 플라즈모닉 연속 박막(20)의 나노딤플의 종횡비가 1.5 이상으로 형성될 수 있다.
상기 나노딤플(12) 및 나노팁(14)을 형성하는 단계는, 고분자로 이루어진 베이스기판(10)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(12)을 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 상기 나노딤플(12)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 조사에 있어서, 500 eV 미만의 에너지를 가진 가스 입자를 조사하면 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(12) 및 나노팁(14) 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(10) 상에 나노딤플(12) 및 나노팁(14) 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(10) 상에 나노딤플(12) 및 나노팁(14) 구조를 효율적으로 형성할 수 있다. 상기 가스 입자로 혼합 가스 입자군을 이용할 때는 산소 입자가 20% 이상으로 혼합되는 것이 베이스기판(10) 상에 나노딤플(12) 및 나노팁(14) 구조를 형성하는 데 적합할 수 있다.
상기 나노딤플(12) 및 나노팁(14)을 형성하는 단계는 고분자로 이루어진 베이스기판(10)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(12) 및/또는 나노팁(14)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(210)에 플라즈모닉 나노구조의 전구체 및 바이러스 용해액으로 용해된 병원체 물질을 포함하는 전해액을 준비한다. 예를 들어, 상기 플라즈모닉 나노구조의 전구체는 HAuCl4 일 수 있다.
단계 I-iii)에서 전극에 전압을 인가하여 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(100) 상에 병원체 물질로 구성된 병원체 물질층(26); 및 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(28);을 형성한다.
단계 I-iii)에서 작용전극인 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(100)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 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 도 3의 전기화학증착-라만 분석 융합시스템(200)을 이용하여 바이러스 단백질 및 유전자의 신속 검출을 위한 분석 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 6을 참조하면, 본원의 실시간 라만 분광 분석 방법은, II-i) 전기화학증착-라만 분석 융합시스템(200)의 전기화학 셀(210)에 본원에 기재된 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(100)을 준비하는 단계; II-ii) 상기 전기화학 셀(210)에 플라즈모닉 나노구조의 전구체 및 병원체 물질을 포함하는 전해액을 준비하는 단계; II-iii) 전극에 전압을 인가하여 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(100) 상에 병원체 물질로 구성된 병원체 물질층(26); 및 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(28);을 형성하는 단계; 및 II-iv) 상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(28)이 형성된 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(100)에 광원을 조사하여 라만 분석을 하는 단계;를 포함한다.
단계 II-i)에서 전기화학증착-라만 분석 융합시스템(200)의 전기화학 셀(210)에 상기 기재된 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(100)을 배치하여 준비한다.
단계 II-ii)에서 상기 전기화학 셀(210)에 플라즈모닉 나노구조의 전구체 및 바이러스 용해액으로 용해된 병원체 물질을 포함하는 전해액을 준비한다. 상기 플라즈모닉 나노구조의 전구체는 HAuCl4 일 수 있다.
단계 II-iii)에서 전극에 전압을 인가하여 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판에 형성된 플라즈모닉 나노구조체 상에 병원체 물질로 구성된 병원체 물질층(26); 및 3차원 나노플라즈모닉 복합박막(28);을 형성한다.
단계 II-iii)에서 작용전극인 상기 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판(100)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(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 병원체 물질 흡착 및 분광분석용 기판의 형성과 동시에 라만분광 분석을 동시에 실시간으로 할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통해 보다 상세하게 설명한다.
[실시예]
1. 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
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 HAuCl4를 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 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 103 PFU/mL SARS-CoV-2 바이러스 용해물과 3 mM HAuCl4를 포함하는 전해액에서의 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 안정적으로 유지하기 때문인 것으로 판단된다.
도 8은 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 8에 도시된 바와 같이, 용해액만을 포함하거나 전기화학증착을 하지 않은 경우, SERS 신호가 나타나지 않지만, SARS-CoV-2 바이러스 용해물 및 H1N1 인플루엔자 바이러스 용해물을 첨가하고 전기화학증착을 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 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 SARS-CoV-2 바이러스 용해물 농도에 따른 SERS 신호 세기를 비교한 그래프이다. 도 9에 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 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 SARS-CoV-2 바이러스 용해물 농도에 따른 SERS 특성 피크의 신호 세기를 나타낸 검정곡선 그래프이다. 도 10에 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 11은 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 11에 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 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 바이러스 용해물 및 금속 전구체를 포함하는 전기화학 셀 내에서 전기화학증착 공정 후의 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 SEM 사진이다. 도 12의 A 및 B는 바이러스 용해물이 없이 용해 버퍼(Lysis Buffer)만으로의 전기화학증착 공정 후의 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 SEM 사진이다. 도 12의 C 및 D는 SARS-CoV-2 바이러스 용해물을 이용한 전기화학증착 공정 후의 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 SEM 사진이고, 도 12의 E 및 F는 H1N1 인플루엔자 바이러스 용해물을 이용한 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 12의 A 및 B에 나타난 바와 같이, 바이러스 용해물이 없는 경우 상대적으로 연속적이고 부드러운(Smooth) 나노구조가 형성되고, 도 12의 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 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 바이러스 용해물 및 금속 전구체를 포함하는 전기화학 셀 내에서 전기화학증착 공정 후 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 AFM 사진이다. 도 13의 A 및 D는 바이러스 용해물이 없이 용해 버퍼만으로의 10분간 전기화학증착 공정 후의 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 AFM 사진이다. 도 13의 B 및 E는 SARS-CoV-2 바이러스 용해물을 이용한 전기화학증착 공정 후의 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 AFM 사진이고, 도 13의 C 및 F는 인플루엔자 바이러스 용해물을 이용한 전기화학증착 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 12와 마찬가지로, 도 13에서도 동일한 경향을 나타내었다. 즉, 대략 X 자 영역으로 표시된 Au Tip 부분의 조도가 도 13의 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 14는 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 14도 도 12 및 도 13과 같은 경향을 나타낸다. 도 14의 A 및 B는 바이러스 용해물이 없이 버퍼만으로의 전기화학증착 공정 후의 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 TEM 사진이다. 도 14의 C 및 D는 SARS-CoV-2 바이러스 용해물을 이용한 전기화학증착 공정 후의 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 TEM 사진이고, 도 14의 E 및 F는 인플루엔자 바이러스 용해물을 이용한 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 14의 A 및 B에 나타난 바와 같이, 바이러스 용해물이 없는 경우 상대적으로 연속적이고 부드러운(Smooth) 나노구조가 형성되고, 도 14의 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 포집(흰색 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 15는 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 15의 A는 SARS-CoV-2 바이러스 용해물의 농도가 102 PFU/mL이고, B는 101 PFU/mL이고, C는 100 PFU/mL이고, D는 10-1 PFU/mL였다. 도 15에 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
12: 나노딤플
14: 나노팁
20: 플라즈모닉 연속 박막
22: 플라즈모닉 나노딤플
24: 플라즈모닉 나노팁
26: 병원체 물질층
28: 3차원 나노플라즈모닉 복합박막
100: 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판
110: 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판
200: 전기화학증착-라만 분석 융합시스템
210: 전기화학 셀
220: 카운터전극
230: 기준전극
240: 전원
250: 도선
300: 광원

Claims (20)

  1. 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.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 병원체 물질은 바이러스 용해액으로 용해된 것인, 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 병원체는 바이러스이고, 상기 병원체 물질은 바이러스의 스파이크 단백질 및 표면단백질 중 1종 이상인, 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 병원체는 호흡기 감염 바이러스이고, 상기 호흡기 감염 바이러스는 SARS-CoV-2 또는 인플루엔자 바이러스인, 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈모닉 연속 박막의 플라즈모닉 나노딤플의 종횡비가 1.5 이상인, 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막의 두께는 10 nm 내지 150 nm인, 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막은 용액공정으로 형성된 것인, 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막은 전기화학증착으로 형성된 것인, 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판.
  9. 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.
  10. 제9항에 있어서,
    바이러스 용해액으로 용해된 병원체 물질이 전해액에 첨가되고, 상기 병원체 물질은 병원체의 단백질 및 유전자 중 1종 이상을 포함하는, 전기화학증착-라만 분석 융합시스템.
  11. 제10항에 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.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 3차원 나노플라즈모닉 복합박막은
    전구체 HAuCl4의 전기화학증착; 및
    Au와 병원체 물질의 화학결합 또는 정전기적 인력;에 의해 형성된 것인,
    전기화학증착-라만 분석 융합시스템.
  13. 제10항에 있어서
    전기화학증착에 의한 병원체 물질층 및 3차원 나노플라즈모닉 복합박막 형성과 동시에 라만 분석이 가능한, 전기화학증착-라만 분석 융합시스템.
  14. 제9항에 있어서,
    1 분 이내에 라만 분석이 가능한, 전기화학증착-라만 분석 융합시스템.
  15. 제9항에 있어서,
    -0.5 내지 0.5 V의 전압이 인가되는, 전기화학증착-라만 분석 융합시스템.
  16. I-i) 전기화학증착 시스템의 전기화학 셀에 제1항 내지 제8항 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 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    단계 I-ii)에서 상기 전해액은 HAuCl4 및 바이러스 용해액으로 용해된 병원체 물질을 포함하는, 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 제조 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    단계 I-iii)에서 작용전극인 플라즈모닉 나노구조체가 형성된 기판과 카운터전극 사이에 전압을 인가함으로써 전기화학증착을 수행하는, 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 제조 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    단계 I-iii)에서 인가되는 전압은 -0.5 내지 0.5 V인, 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판의 제조 방법.
  20. II-i) 전기화학증착 시스템의 전기화학 셀에 제1항 내지 제8항 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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