WO2024076193A1 - 감도가 개선된 국소 표면 플라즈몬 공명 센서 및 이의 제조방법 - Google Patents

감도가 개선된 국소 표면 플라즈몬 공명 센서 및 이의 제조방법 Download PDF

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WO2024076193A1
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graphene
metal
lspr
layer
graphene layer
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PCT/KR2023/015397
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권오석
조성재
김경호
서성은
김린아
안재은
김경지
박선주
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한국생명공학연구원
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
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    • G01N21/59—Transmissivity

Definitions

  • the present invention relates to a localized surface plasmon resonance sensor and a method of manufacturing the same.
  • SPP Surface Plasmon Resonance
  • the incident angle (resonance angle) of the incident light at which resonance occurs and the wavelength at which resonance occurs (resonance wavelength) are very sensitive to changes in the refractive index of the material close to the metal thin film.
  • SPR Surface plasmon resonance
  • LSPR Localized Surface Plasmon Resonance
  • LSPR-based bio/chemical sensors have difficulty detecting concentrations below 1 nM.
  • concentrations below 1 nM.
  • the generated electromagnetic field is concentrated and distributed only in certain areas such as the side of the metal nanostructure, so the analysis target to be detected This is because the lower the concentration of biomaterial and the smaller the number attached to the surface of the metal nanostructure, the more inaccurate the change in absorption wavelength becomes.
  • One object of the present invention is to provide a Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) sensor with improved sensitivity.
  • LSPR Localized Surface Plasmon Resonance
  • Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing an LSPR sensor with improved sensitivity.
  • one aspect of the present invention is a metal nanostructure layer; A graphene layer formed on the metal nanostructure layer and in contact with the metal nanostructure; Electrodes formed at both ends of the graphene layer; and a receptor specific for the detection target substance disposed on the graphene layer. It provides an LSPR sensor for detecting a detection target substance, including a.
  • another aspect of the present invention includes forming a metal nanostructure layer on a substrate; Forming a graphene layer on top of the metal nanostructure layer; Forming a pair of electrodes at both ends of the graphene layer; and placing a receptor specific for the detection target material on the graphene layer.
  • the senor of the present invention is based on LSPR, it has the advantage of being able to measure detection target substances in gaseous form, which were impossible to measure using conventional electrochemical methods using electrolytes.
  • the senor of the present invention improves the sensitivity of the LSPR phenomenon by applying voltage to the graphene layer sandwiched between the metal nanoparticle where LSPR occurs and the receptor specific to the detection target material, thereby improving the sensitivity of the detection target at a lower concentration.
  • the sensor of the present invention improves the sensitivity of the LSPR phenomenon by applying voltage to the graphene layer sandwiched between the metal nanoparticle where LSPR occurs and the receptor specific to the detection target material, thereby improving the sensitivity of the detection target at a lower concentration.
  • Figure 1 shows an LSPR sensor according to an embodiment of the present invention
  • a) shows a manufacturing method of the LSPR sensor
  • b) shows the structure and operating principle of the LSPR sensor.
  • Figure 2a is a scanning electron micrograph of the LSPR sensor of the present invention.
  • Figure 2b is a transmission electron microscopy-selected area diffraction photograph of the LSPR sensor of the present invention.
  • Figure 3 shows the principle of amplifying the plasmon of a metal nanostructure through graphene. a) shows that when a current is supplied through graphene, free electrons flowing through graphene are supplied to the metal nanorod and energy is transferred. and b) shows the principle that a stronger plasmon phenomenon occurs when graphene is formed on the metal nanorod compared to when the graphene layer is not formed on the metal nanorod.
  • Figure 4 confirms that the LSPR phenomenon is amplified when voltage is applied through graphene.
  • Figure 5 shows the results of measuring the LSPR signal for each concentration of cadaverine in an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 confirms that the detection limit is exceeded by applying voltage to the LSPR sensor of the present invention.
  • Figure 7 shows that cadaverine (CV), TMA (trimethylamine), ammonia (NH 3 ), hydrogen sulfide (H 2 S), and their mixture gas were supplied to the LSPR sensor of the present invention to confirm the selectivity for the detection target substance. .
  • LSPR Localized Surface Plasmon Resonance
  • One aspect of the present invention provides a Localized Surface Plasmon Resonance sensor.
  • the LSPR sensor includes a metal nanostructure layer; A graphene layer formed on the metal nanostructure layer and in contact with the metal nanostructure; A pair of electrodes connected to the graphene layer; and a receptor specific to the detection target material disposed on the graphene layer.
  • the metal nanostructure is used to generate a local surface plasma resonance phenomenon, and may be, for example, a metal nanoparticle or a metal nanorod.
  • the metal is any selected from the group consisting of gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), platinum (Pt), tantalum (Ta), palladium (Pd), iron (Fe), and rhodium (Rh). It can be one, and more preferably gold, silver, copper, or aluminum.
  • the metal nanostructure may have a standardized shape or an irregular shape.
  • the metal nanostructure is a sphere, a hemisphere, a part of a sphere, an ellipse, a semi-ellipse, a part of an ellipse, a cylinder, a square prism, a pentagonal prism, a hexagonal prism, an octagonal prism, a square pyramid, and a square pyramid. It may be a three-dimensional structure having various shapes such as a triangular pyramid, a triangular pyramid, a cone, a truncated cone, a ring, a plate, and a hole on a metal nanofilm.
  • the diameter of the metal nanostructure may be 1 nm to 700 nm, preferably 10 nm to 200 nm.
  • the height of the cylinder may be 5 nm to 200 nm, and preferably 10 nm to 80 nm. If the diameter or height of the metal nanostructure is outside the above range, there is a problem in observing the LSPR phenomenon.
  • the surface plasmon band (Surface Plasmon Absorption Band) wavelength range varies depending on the shape, material, size, etc. of the metal nanostructure, and measurement sensitivity may also vary accordingly. In general, the longer the wavelength, the higher the measurement sensitivity, but realistically, it must be adjusted to suit the specifications of the measurement system.
  • the metal nanostructures may be formed on a substrate, and when there are a plurality of metal nanostructures, the metal nanostructures may be aligned or arranged in a certain pattern on the substrate.
  • the metal nanostructure may be formed using nano imprint lithography (NIL), electron beam lithography (EBL), focused ion beam (FIB), soft lithography (SL), or block copolymer. They can be arranged at regular intervals on the substrate by a method such as self-assembly.
  • NIL nano imprint lithography
  • EBL electron beam lithography
  • FIB focused ion beam
  • SL soft lithography
  • block copolymer can be arranged at regular intervals on the substrate by a method such as self-assembly.
  • the spacing between the metal nanostructures is not particularly limited, but is 0.7 of the diameter of the metal nanostructure to the extent that it does not affect the LSPR characteristics of other adjacent metal nanostructures. It is preferable that it is from 1.5 times.
  • the substrate can be made of materials commonly used in the manufacture of devices for detecting biomolecules, such as biosensors, biochips, and microfluidic chips, without limitation, for example, glass, plastic, metal, silicon, quartz, alumina, and oxide. Crystals, or mixtures thereof, etc. can be used.
  • the plastic may be polyethylene phthalate (PET), polymethylmethacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), or cyclic olefin copolymer (COC).
  • PET polyethylene phthalate
  • PMMA polymethylmethacrylate
  • PC polycarbonate
  • COC cyclic olefin copolymer
  • the metal may be nickel, aluminum, iron, or copper
  • the oxide crystal may be silicon dioxide (SiO 2 ), titanium dioxide (TiO 2 ), tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ), or aluminum dioxide (Al 2 O 2 ) may be the same.
  • the thickness of the substrate is preferably 50 ⁇ m to 5mm. If the thickness of the substrate is less than 50 ⁇ m, the strength is weak and it is difficult to handle, and if it exceeds 5mm, problems may occur when mounting it on a spectrometer or other device for measurement.
  • the graphene layer may be formed on the metal nanostructure layer by completely covering the metal nanostructure layer with graphene and then combining the graphene with the substrate.
  • the graphene layer can be formed by a method known in the art. For example, chemical vapor deposition, physical exfoliation, chemical exfoliation, or epitaxial synthesis may be used. In particular, chemical exfoliation may be used. Using the vapor deposition method, single- or several-layer graphene with excellent crystal quality can be obtained in a large area.
  • the graphene forming the graphene layer may be single graphene, graphene oxide, or reduced graphene oxide.
  • the graphene can be patterned, and specifically, can be finely patterned.
  • the graphene can be patterned in various polygonal shapes such as circles, triangles, squares, pentagons, and hexagons (honeycomb).
  • the thickness of the graphene layer may be 0.1 to 1 nm, specifically 0.2 to 0.8 nm, 0.3 to 0.8 nm, and 0.5 to 0.7 nm.
  • the thickness of the graphene layer refers to the thickness of a single layer of graphene, and when the thickness of the graphene layer is within the above range, it exhibits high conductivity and high charge mobility, so the graphene can be used as a semiconductor for manufacturing a highly sensitive sensor. You can.
  • a pair of electrodes may be connected to the graphene layer.
  • the electrode is used to generate current by applying voltage to the graphene layer, and it is preferable that a pair of electrodes are spaced apart from each other and connected to the graphene layer.
  • the pair of electrodes may be formed to be spaced apart from each other at both ends of the graphene layer.
  • This pair of electrodes may be electrically connected through the graphene layer, may contain a conductive material, and may be formed of, for example, metal, metal alloy, conductive metal oxide, or conductive metal nitride.
  • the pair of electrodes are each independently Cu, Co, Bi, Be, Ag, Al, Au, Hf, Cr, In, Mn, Mo, Mg, Ni, Nb, Pb, Pd, Pt, Re, Rh, Sb. , Ta, Te, Ti, W, V, Zr, Zn, and combinations thereof, but is not limited thereto.
  • Au or Cr/Au alloy is preferred.
  • the receptor specific for the detection target substance is a receptor that can specifically bind to the target substance to be detected, and is disposed on the upper part of the graphene layer.
  • the receptor for the substance to be detected is any receptor that can specifically bind to the substance to be detected, and may be in the form of, for example, DNA, aptamer, peptide, protein (antibody, etc.).
  • the receptor of the detection target substance may be immobilized directly on the surface of the graphene, or may be immobilized through a step of immobilizing the receptor of the detection target substance to the linker after immobilizing a linker that acts as an intermediate bridge. It may be possible.
  • the linker may be 11-mercaptoundecanoic acid (MUA), 11-mercaptoundecanol (MUOH), 3-mercaptopropionic acid (MPA), thiol oligo ethylene glycol (OEG), or thiol polyethylene glycol (PEG).
  • UAA 11-mercaptoundecanoic acid
  • MUOH 11-mercaptoundecanol
  • MPA 3-mercaptopropionic acid
  • PEG thiol polyethylene glycol
  • the receptor specific to the detection target material When a receptor specific to the detection target material is directly immobilized on the surface of graphene, the receptor specific to the detection target material may form a ⁇ - ⁇ interaction ( ⁇ - ⁇ stacking) with the graphene layer. .
  • the detection target substance can be used without any particular restrictions, and may be various cancer disease markers, cardiovascular disease markers, hormones, toxins, various cytokines, and biomolecules such as environmentally harmful small molecule substances. Accordingly, a receptor that specifically binds thereto may be appropriately selected and used.
  • the LSPR sensor is capable of detecting or analyzing biological materials by forming an LSPR electromagnetic field on the surface of graphene on which the receptor of the detection target material is fixed and measuring the absorption wavelength of the metal nanostructure accordingly.
  • a pair of electrodes is connected to the graphene layer, a voltage is applied through the electrodes and while electricity is passed through the graphene layer, the free electrons of the graphene are converted into a metal nanostructure.
  • the change in the absorption wavelength of the nanostructure is further amplified. Therefore, as a result, in the process of detecting or analyzing biological materials using LSPR, a change in the LSPR signal can be caused even with a small amount, enabling more precise analysis of biological materials.
  • the wavelength of light that induces LSPR in the gold nanostructure changes as the detection target substance binds to its receptor in an environment where the detection target substance is present (blue curve in Figure 1b).
  • this change in light wavelength is further amplified when current is supplied through the graphene layer (green curve in Figure 1b). This is because when current is supplied through graphene, electrons flowing through graphene are supplied to the metal nanostructure, which further amplifies the LSPR previously induced in the metal nanostructure.
  • Another aspect of the present invention provides a method for manufacturing an LSPR sensor.
  • the method of manufacturing an LSPR sensor according to the present invention includes forming a metal nanostructure layer on a substrate; Forming a graphene layer on top of the metal nanostructure layer; Connecting a pair of electrodes to the graphene layer; and placing a receptor specific for the detection target material on the graphene layer.
  • the metal nanostructure is subjected to nano imprint lithography (NIL), electron beam lithography (EBL), focused ion beam (FIB), and soft lithography ( It can be formed on the substrate by methods such as Soft Lithography (SL) or self-assembly of block copolymers.
  • NIL nano imprint lithography
  • EBL electron beam lithography
  • FIB focused ion beam
  • SL Soft Lithography
  • SL Soft Lithography
  • the metal nanostructures When there are a plurality of metal nanostructures, the metal nanostructures may be aligned or arranged in a certain pattern on the substrate. When a plurality of metal nanostructures are formed on the substrate, the spacing between the metal nanostructures is not particularly limited, but is 0.7 of the diameter of the metal nanostructure to the extent that it does not affect the LSPR characteristics of other adjacent metal nanostructures. It is preferable that it is from 1.5 times.
  • the substrate may be made of glass, plastic, metal, silicon, quartz, alumina, oxide crystal, or a mixture thereof.
  • the plastic may be polyethylene phthalate (PET), polymethylmethacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), or cyclic olefin copolymer (COC).
  • PET polyethylene phthalate
  • PMMA polymethylmethacrylate
  • PC polycarbonate
  • COC cyclic olefin copolymer
  • the metal may be nickel, aluminum, iron, or copper
  • the oxide crystal may be silicon dioxide (SiO 2 ), titanium dioxide (TiO 2 ), tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ), or aluminum dioxide (Al 2 O 2 ) may be the same.
  • the substrate is preferably transparent, and the thickness is preferably 50 ⁇ m to 5mm. If the thickness of the substrate is less than 50 ⁇ m, the strength is weak and it is difficult to handle, and if it exceeds 5mm, problems may occur when mounting it on a spectrometer or other device for measurement.
  • the graphene on the metal nanostructure layer is completely covered with the metal nanostructure layer, and then the graphene is combined with the substrate. They can be combined to form a graphene layer.
  • the graphene layer can be formed by a method known in the art. For example, chemical vapor deposition, physical exfoliation, chemical exfoliation, or epitaxial synthesis may be used. In particular, chemical exfoliation may be used. Using the vapor deposition method, single- or several-layer graphene with excellent crystal quality can be obtained in a large area.
  • the chemical vapor deposition method is a method of growing graphene by adsorbing, decomposing, or reacting a carbon precursor in the form of gas or vapor with high kinetic energy on the surface of a substrate, separating it into carbon atoms, and causing the carbon atoms to form interatomic bonds with each other. .
  • the chemical vapor deposition method may be at least one selected from the group consisting of PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), APCVD (Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition), and LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition), and can minimize defects over a large area. Since deposition is possible, it is preferable that the chemical vapor deposition method is LPCVD.
  • a metal catalyst layer for example, nickel, copper, aluminum, iron, etc.
  • a metal catalyst layer is deposited on a wafer having a silicon oxide layer using a sputtering device and an electron beam evaporation device to form a metal catalyst layer. It is placed in a reactor along with a gas containing carbon such as CH 4 and C 2 H 2 and heated to allow carbon to be absorbed into the metal catalyst layer, cooled to separate carbon from the metal catalyst layer and crystallized, and finally the metal.
  • a graphene channel layer can be formed by removing the catalyst layer.
  • the step of forming a pair of electrodes at both ends of the graphene layer can be performed by a method known in the art, for example, thermal deposition, E-beam deposition, etc. , can be formed by deposition methods such as PECVD, LPCVD, PVD (Physical Vapor Deposition), sputtering, and ALD.
  • deposition methods such as PECVD, LPCVD, PVD (Physical Vapor Deposition), sputtering, and ALD.
  • the pair of electrodes is used to generate current by applying voltage to the graphene layer, and it is preferable that the pair of electrodes are spaced apart from each other and connected to the graphene layer.
  • the pair of electrodes may be formed at both ends of the graphene layer to be spaced apart from each other.
  • This pair of electrodes may be electrically connected through the graphene layer, may contain a conductive material, and may be formed of, for example, metal, metal alloy, conductive metal oxide, or conductive metal nitride.
  • the pair of electrodes are each independently Cu, Co, Bi, Be, Ag, Al, Au, Hf, Cr, In, Mn, Mo, Mg, Ni, Nb, Pb, Pd, Pt, Re, Rh, Sb. , Ta, Te, Ti, W, V, Zr, Zn, and combinations thereof, but is not limited thereto.
  • Au or Cr/Au alloy is preferred.
  • the step of placing a receptor specific for the detection target material on the upper part of the graphene layer is to directly attach DNA, aptamers, peptides, proteins (antibodies, etc.) that can specifically bind to the detection target material to the surface of the graphene. It can be immobilized or immobilized on a linker immobilized on the surface of graphene.
  • the receptor specific to the detection target material When a receptor specific to the detection target material is directly immobilized on the surface of graphene, the receptor specific to the detection target material may form a ⁇ - ⁇ interaction ( ⁇ - ⁇ stacking) with the graphene layer. .
  • the detection target substance can be used without any particular restrictions, and may be various cancer disease markers, cardiovascular disease markers, hormones, toxins, various cytokines, and biomolecules such as environmentally harmful small molecule substances. Accordingly, a receptor that specifically binds thereto may be appropriately selected and used.
  • a graphene layer was formed on the metal nanostructure layer to completely cover the metal nanostructure layer.
  • a copper foil was placed in the chamber, heated to 1,000°C, maintained at 90 mTorr and 8 sccm of H 2 for 30 min (20 min of pre-annealing and 10 min of stabilization), and then heated with 20 sccm of CH4.
  • a total pressure of 560 mTorr was applied for 40 minutes, then cooled from 35°C to 200°C, and the furnace was cooled to room temperature to form a single graphene layer on the copper foil.
  • a polymethyl methacrylate (PMMA, MicroChem Corp, 950 PMMA A4, 4% in anisole) solution was spin coated on the graphene layer formed on the copper foil at a speed of 6,000 rpm per minute, using an etchant.
  • PMMA-coated graphene layer was separated from the copper foil, and the graphene layer separated from the copper foil was immersed in deionized distilled water for 10 minutes to remove residual etchant ions remaining in the graphene layer. were removed.
  • the graphene layer cleaned as above is transferred to a polyethylene naphthalate (PEN) film as a substrate, and then the PMMA solution coating the graphene layer is removed by dropping the PMMA solution on the graphene layer, thereby removing the PMMA coating on the graphene layer.
  • PEN polyethylene naphthalate
  • the substrate with the graphene layer prepared in Example ⁇ 1-1> was covered with a mask having an area of 100 ⁇ mX100 ⁇ m to 5mmX5mm, and then the graphene was patterned through a dry etching process.
  • the area other than the area where the electrode will be formed is masked to expose the part where the electrode will be formed, and a chromium thin film (1 nm to 20 nm) and a gold thin film (10 nm to 200 nm) are formed through an electron beam evaporator.
  • the cadaverine receptor was dissolved in distilled water at a concentration of 10 nM to 10 ⁇ M, and then 5 to 10 ⁇ L of this was treated with the graphene on which the electrode was formed as in Example ⁇ 1-2>, and reacted at room temperature for 15 to 60 minutes. , After completion of the reaction, the surface of the graphene film was washed with sufficient distilled water. Through the above process, the cadaverine receptor was attached to the graphene layer through ⁇ - ⁇ interaction ( ⁇ - ⁇ stacking).
  • FIGS. 2A and 2B A scanning electron microscope photograph and a transmission electron microscope-selected area diffraction photograph of the gold nanorod covered with graphene and the LSPR sensor of the present invention with a receptor attached to the graphene are shown in FIGS. 2A and 2B, respectively.
  • the wavelength of light that causes LSPR in the gold nanostructure changes as the detection target substance binds to its receptor (lat. 1 (blue curve), this change in light wavelength is amplified ‘further’ when current is supplied through the graphene layer (green curve in Figure 1 above).
  • Example ⁇ 1-2> before binding the cadaverine receptor, a voltage of 0 to 0.1 V was applied to the graphene on which the electrode was formed to supply current, and the change (amplification) of the LSPR phenomenon was checked.
  • the LSPR sensor of the present invention manufactured in Example 1 was treated with cadaverine solution at a concentration of 10 4 nM to 10 -2 nM without applying voltage, and the change in the light wavelength at which LSPR occurs was confirmed. .
  • a voltage of 0.1 V is applied to the LSPR sensor of the present invention manufactured in Example 1, and the cadaverine solution is 10 -2 nM to 10 -4 nM. It was treated at a concentration of , and the change in the light wavelength at which LSPR occurs was confirmed.
  • the sensor of the present invention shows a change in the light wavelength at which LSPR occurs with high selectivity when cadaverine, a detection target substance, is present.
  • the wavelength change when only cadaverine is supplied is set to 100%
  • TMA, ammonia, and hydrogen sulfide cause only a 10% or less wavelength change, showing that the LSPR sensor of the present invention has high selectivity for cadaverine.
  • a wavelength change of more than 90% was confirmed compared to the case where only cadaverine was supplied, so that the LSPR sensor of the present invention was able to detect the target substance even in an environment where various gases were mixed. It was confirmed that it can be detected with high accuracy.

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Abstract

본 발명은 금속 나노 구조체 층, 상기 금속 나노 구조체 층 상에, 상기 금속 나노 구조체와 접하여 형성된 그래핀 층, 상기 그래핀 층의 양 말단에 형성된 전극 및 상기 그래핀 층 상부에 배치된 검출 대상 물질에 특이적인 수용체를 포함하는, LSPR(Localized Surface Plasmon Resonance) 센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

감도가 개선된 국소 표면 플라즈몬 공명 센서 및 이의 제조방법
[관련 출원과의 상호 인용]
본 출원은 2022. 10. 06.일자 한국 특허 출원 제10-2022-0127930호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
[기술분야]
본 발명은 국소 표면 플라즈몬 공명 센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
표면 플라즈몬(surface plasmon)이란 도체 표면, 이를테면 금속 박막의 표면을 따라 전파하는 자유전자의 양자화된 진동을 의미한다. 이와 같은 표면 플라즈몬은 프리즘과 같은 유전매체(dielectric medium)를 지나 유전매체의 임계각 이상의 각도로 금속 박막에 입사하는 입사광에 의해 여기(excite)되어 공명을 일으키는데, 이를 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR)이라 한다. 이때 발생하는 표면 플라즈몬은 금속 박막을 따라 수 ㎛를 전파하는 특성을 지니고 있어, 표면 플라즈몬 폴라리톤(Surface Plasmon Polariton, SPP)이라고 부르기도 한다.
단색 입사광을 사용할 때, 공명이 일어나는 입사광의 입사각(공명각) 및 공명이 일어나는 파장(공명파장)은 금속 박막에 근접한 물질의 굴절률 변화에 매우 민감하다. 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서는 이러한 성질을 이용하여 금속 박막에 근접한 물질 즉, 시료의 굴절률 변화로부터 시료를 정량·정성 분석하는 데에 이용되어 왔다.
한편, 금속 박막이 아닌, 금속으로 이루어진 나노입자(nanoparticle 또는 nanodot), 나노막대(nanorod), 또는 나노구멍(nanohole) 등의 수 ㎚ ~ 수백 ㎚ 크기의 금속 나노 구조체에서는, 외부에서 입사되는 특정한 주파수(파장)의 빛에 의하여 발생하는 표면 플라즈몬이 국소화되기 때문에, 나노 구조체의 전도대(conduction band)에 있는 전자들의 집단적 진동(collective oscillation)이 유발된다. 그 결과, 해당 주파수 영역의 빛을 강하게 산란 및 흡수를 하게 되는데, 이를 국소 표면 플라즈몬 공명(Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR)이라 한다. LSPR에 의한 산란과 흡수는, SPP와는 달리 프리즘 또는 회절격자 없이 단순 투과분광학적 방법에 의하여 흡광도(extinction)의 측정이 가능한 장점이 있지만, 금속 나노 구조체의 외부 입사광에 대한 흡광도 특성, 즉 흡광 세기, 흡광 스펙트럼의 선폭, 흡광 중심 파장 등은 금속의 종류나 금속 나노 구조체의 크기 및 형상에 매우 강한 의존성을 보인다. 뿐만 아니라, SPP와 유사하게, 그들의 흡광 특성은 금속 나노 구조체의 외부환경, 즉 금속 나노 구조체 표면 주위 매질의 복소 유전율에 민감하게 반응하는데, 이 성질을 이용하여 생체 분자나 화학 성분을 검출하는 바이오/화학 센서에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
그러나 SPP 기반의 바이오/화학 센서와는 달리, LSPR 기반의 바이오/화학 센서는 1 nM 이하의 농도를 검출하기 어렵다. 이는 금속 박막 표면 전체에 고르게 전자기장이 형성되는 SPP의 경우와는 달리 LSPR의 경우, 발생되는 전자기장이 금속 나노 구조체의 측면과 같이 특정한 일부 영역에만 집중적으로 분포되는 특성을 보이므로, 검출하고자 하는 분석 대상 생체 물질의 농도가 낮아 금속 나노 구조체의 표면에 부착되는 수가 작아질수록 흡수 파장의 변화가 부정확해지기 때문이다.
이에, 국소 표면 플라즈몬 공명을 이용한 바이오 센서의 감도를 더욱 향상시키기 위한 연구가 여전히 필요한 실정이다.
본 발명의 일 목적은 감도가 개선된 LSPR(Localized Surface Plasmon Resonance) 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 감도가 개선된 LSPR 센서의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은 금속 나노 구조체 층; 상기 금속 나노 구조체 층 상에, 상기 금속 나노 구조체와 접하여 형성된 그래핀 층; 상기 그래핀 층의 양 말단에 형성된 전극; 및 상기 그래핀 층 상부에 배치된 검출 대상 물질에 특이적인 수용체;를 포함하는, 검출 대상 물질의 검출용 LSPR 센서를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 측면은 기판 상에 금속 나노 구조체 층을 형성하는 단계; 상기 금속 나노 구조체 층 상부에 그래핀 층을 형성하는 단계; 상기 그래핀 층의 양 말단에 한 쌍의 전극을 형성하는 단계; 및 상기 그래핀 층 상부에 검출 대상 물질에 특이적인 수용체를 배치시키는 단계;를 포함하는, LSPR 센서의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 센서는 LSPR에 기반하고 있어서, 전해질을 사용하였던 종래의 전기화학적인 방식으로는 측정이 불가능하였던 기체 형태의 검출 대상 물질도 측정해 낼 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 센서는 LSPR이 발생하는 금속 나노 입자와 검출 대상 물질에 특이적인 수용체 사이에 개재된 그래핀 층에 전압을 인가하여 통전 시킴으로써, LSPR 현상의 민감성을 향상시켜 더욱 낮은 농도의 검출 대상 물질에서도 LSPR의 변화가 유발되도록 한바, 종래에 비해 검출 한계를 100배 이상 낮출 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 상기에서 언급한 효과로 제한되지 아니하며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 하기의 기재로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LSPR 센서를 나타낸 것으로, a)는 LSPR 센서의 제조방법을 나타낸 것이고, b)는 LSPR 센서의 구조 및 작동 원리를 나타낸 것이다.
도 2a는 본 발명의 LSPR 센서의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 2b는 본 발명의 LSPR 센서의 투과 전자 현미경-선택 영역 회절 사진이다.
도 3은 그래핀을 통해 금속 나노 구조체의 플라즈몬이 증폭되는 원리를 나타낸 것으로, a)는 그래핀을 통해 전류가 공급되면 그래핀을 통해 흐르던 자유전자가 금속 나노로드로 공급되어 에너지가 전달되는 것을 나타내고, b)는 금속 나노로드 상에 그래핀 층이 형성되지 않은 경우와 대비하여 그래핀이 형성된 경우에는 보다 강한 플라즈몬 현상이 일어나는 것의 원리를 나타낸 것이다.
도 4는 그래핀을 통해 전압이 인가된 경우 LSPR 현상이 증폭되는 것을 확인한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에서 카다베린의 농도별 LSPR 시그널을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 LSPR 센서에 전압을 인가함에 따른 검출 한계 돌파를 확인한 것이다.
도 7은 본 발명의 LSPR 센서에 카다베린(CV), TMA(trimethylamine), 암모니아(NH3), 황화수소(H2S) 각각 및 이들이 혼합된 기체를 공급하여 검출 대상 물질에 대한 선택성을 확인한 것이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
1. 국소 표면 플라즈몬 공명(Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR) 센서
본 발명의 일 측면은 국소 표면 플라즈몬 공명(Localized Surface Plasmon Resonance) 센서를 제공한다.
상기 LSPR 센서는 금속 나노 구조체 층; 상기 금속 나노 구조체 층 상에, 상기 금속 나노 구조체와 접하여 형성된 그래핀 층; 상기 그래핀 층에 연결된 한 쌍의 전극; 및 상기 그래핀 층 상부에 배치된 검출 대상 물질에 특이적인 수용체;를 포함한다.
상기 금속 나노 구조체는 국소 표면 플라즈마 공명 현상을 일으키기 위해 사용되는 것으로, 예를 들어, 금속 나노입자(nanoparticle), 금속 나노로드(nanorod)일 수 있다.
상기 금속은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 백금(Pt), 탄탈럼(Ta), 팔라듐(Pd), 철(Fe) 및 로듐(Rh)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있고, 더욱 바람직하게는 금, 은, 동, 알루미늄 일 수 있다.
상기 금속 나노 구조체는 정형화된 형상 또는 비정형화된 형상일 수 있다. 상기 금속 나노 구조체가 정형화된 형상인 경우, 상기 금속 나노 구조체는 구, 반구, 구의 일부분, 타원구, 반타원구, 타원구의 일부분, 원기둥, 사각기둥, 오각기둥, 육각기둥, 팔각기둥, 사각뿔, 사각뿔대, 삼각뿔, 삼각뿔대, 원뿔, 원뿔대, 링, 판(plate) 및 금속나노필름 상의 구멍 등과 같은 다양한 형태를 갖는 입체 구조일 수 있다.
상기 금속 나노 구조체의 직경은 1㎚ 내지 700㎚일 수 있고, 바람직하게는 10㎚ 내지 200㎚일 수 있다. 상기 금속 나노 구조체가 원기둥인 경우 원기둥의 높이는 5㎚ 내지 200㎚일 수 있고, 바람직하게는 10㎚ 내지 80㎚일 수 있다. 상기 금속 나노 구조체의 직경 또는 높이가 상기 범위를 벗어나는 경우 LSPR 현상을 관측하는데 문제가 있다
상기 금속 나노 구조체의 형태, 재질, 크기 등에 따라서 표면 플라즈몬 밴드(플라즈몬 흡수대(Surface Plasmon Absorption Band)) 파장 영역이 달라지며, 이에 따라 측정 감도 또한 달라질 수 있다. 일반적으로 파장이 길어질수록 측정 감도가 높아지나 현실적으로 측정 시스템의 사양에 맞게 조절해야 한다.
상기 금속 나노 구조체는 기판 상에 형성될 수 있고, 상기 금속 나노 구조체가 복수 개인 경우, 상기 금속 나노 구조체는 상기 기판 상에 일정한 패턴으로 정렬 또는 배열될 수 있다.
상기 금속 나노 구조체는, 나노 임프린트 리소그라피(Nano Imprint Lithography, NIL), 전자빔 리소그라피(Electron Beam Lithography, EBL), 집속이온빔(Focused Ion Beam, FIB), 소프트 리소그라피(Soft Lithography, SL), 또는 블록공중합체의 자기조립 등의 방법에 의하여 상기 기판에 일정한 간격으로 배열될 수 있다.
상기 기판 상에 복수 개의 금속 나노 구조체가 형성되는 경우, 상기 금속 나노 구조체들이 배열된 간격은 특별히 제한되지 않으나, 인접한 다른 금속 나노 구조체의 LSPR 특성에 영향을 주지 않을 정도로, 금속 나노 구조체의 직경의 0.7 내지 1.5배인 것이 바람직하다.
상기 기판은 바이오센서, 바이오칩, 미세유체칩 등 생체분자의 검출을 위한 장치 제조에 통상적으로 사용되는 소재를 제한없이 사용할 수 있고, 예를 들어, 유리, 플라스틱, 금속, 실리콘, 석영, 알루미나, 산화물 결정, 또는 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다.
상기 플라스틱은 폴리에틸렌프탈레이트(polyethylene phthalate, PET), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 또는 시클릭올레핀 공중합체(cyclic olefin copolymer, COC) 등일 수 있다.
상기 금속은 니켈, 알루미늄, 철, 또는 구리 등일 수 있고, 상기 산화물 결정은 이산화규소(SiO2), 이산화티타늄(TiO2), 오산화탄탈럼(Ta2O5), 또는 다이알루미늄다이옥사이드(Al2O2) 등일 수 있다.
상기 기판의 두께는 50㎛ 내지 5㎜인 것이 바람직하다. 상기 기판의 두께가 50㎛ 미만인 경우에는 강도가 약해 핸들링하기 어려운 문제가 있고, 5㎜를 초과할 경우 측정을 위해 분광기 및 기타 장치에 장착하는데 문제가 발생할 수 있다.
상기 그래핀 층은 상기 금속 나노 구조체 층 상에, 그래핀이 금속 나노 구조체 층을 완전히 덮도록 한 다음 그래핀을 기판과 결합시켜 그래핀 층을 형성할 수 있다.
상기 그래핀 층을 형성하는 방법은 당업계에 공지된 방법으로 형성할 수 있으며, 예를 들어, 형성화학 기상 증착법, 물리적 박리법, 화학적 박리법 또는 에피텍셜 합성법 등을 이용할 수 있고, 특히, 화학 기상 증착법을 이용하면 뛰어난 결정질을 갖는 단층 내지 수층의 그래핀을 대면적으로 얻을 수 있다.
상기 그래핀 층을 형성하는 그래핀은 단일 그래핀, 산화 그래핀(Graphene Oxide) 또는 환원된 산화 그래핀(Reduced Graphene Oxide)일 수 있다.
상기 그래핀은 패턴화 될 수 있고, 구체적으로는 미세 패턴화될 수 있다. 예를 들어, 상기 그래핀을 원 또는 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형(허니콤(honeycomb)) 등의 다각형의 형태로 다양하게 패턴화시킬 수 있다.
상기 그래핀 층의 두께는 0.1 내지 1 ㎚일 수 있으며, 구체적으로 0.2 내지 0.8 ㎚, 0.3 내지 0.8 ㎚, 0.5 내지 0.7 ㎚일 수 있다. 상기 그래핀 층의 두께는 단일층의 그래핀 두께를 의미하며, 그래핀 층의 두께가 상기 범위 내일 경우 높은 전도도 및 높은 전하 이동도를 나타내므로 상기 그래핀을 고감도의 센서 제조를 위한 반도체로 이용할 수 있다.
상기 그래핀 층에는 한 쌍의 전극이 연결될 수 있다.
이때 상기 전극은 그래핀 층에 전압을 인가하여 전류를 형성하기 위한 것으로서, 한 쌍의 전극이 서로 이격되어 상기 그래핀 층에 연결되는 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 한 쌍의 전극이 상기 그래핀 층 상의 양 말단에서 서로 이격된 상태로 형성될 수 있다.
이러한 한 쌍의 전극은 상기 그래핀 층을 통하여 전기적으로 연결될 수 있고, 도전성을 가지는 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어 금속, 금속 합금, 전도성 금속 산화물 또는 전도성 금속 질화물 등으로 형성될 수 있다.
상기 한 쌍의 전극은 각각 독립적으로 Cu, Co, Bi, Be, Ag, Al, Au, Hf, Cr, In, Mn, Mo, Mg, Ni, Nb, Pb, Pd, Pt, Re, Rh, Sb, Ta, Te, Ti, W, V, Zr, Zn 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 그래핀과의 접촉성 및 식각의 용이성 측면에서, Au, 또는 Cr/Au 합금인 것이 바람직하다.
상기 검출 대상 물질에 특이적인 수용체는 검출하고자 하는 대상 물질과 특이적으로 결합할 수 있는 수용체로서, 상기 그래핀 층의 상부에 배치된다.
상기 검출 대상 물질의 수용체는 검출 대상 물질과 특이적으로 결합될 수 있는 임의의 수용체로서, 예를 들어 DNA, 앱타머, 펩타이드, 단백질(항체 등) 등의 형태일 수 있다.
상기 검출 대상 물질의 수용체는 상기 그래핀의 표면에 직접 고정화될 수 있고, 또는 중간 가교 역할을 하는 링커(linker)를 고정화한 후에 상기 검출 대상 물질의 수용체를 상기 링커에 고정화하는 단계를 통하여 고정화될 수도 있다.
상기 링커는 MUA(11-mercaptoundecanoic acid), MUOH(11-mercaptoundecanol), MPA(3-mercaptopropionic acid), 티올(thiol) 올리고 에틸렌글리콜(OEG), 또는 티올 폴리에틸렌글리콜(PEG) 등일 수 있다.
상기 검출 대상 물질에 특이적인 수용체가 그래핀의 표면에 직접 고정화 되는 경우, 상기 검출 대상 물질에 특이적인 수용체는 상기 그래핀 층과 π-π 상호작용(π-π stacking)을 형성하는 것일 수 있다.
상기 검출 대상 물질은 특별한 제한없이 사용할 수 있으며, 각종 암질환 표지자, 심혈관질환 표지자, 호르몬, 독소, 각종 사이토카인(cytokine) 류, 환경유해 저분자 물질 등의 생체분자 등일 수 있고, 상기 검출 대상 물질에 따라 그와 특이적으로 결합하는 수용체가 적절히 선택되어 이용될 수 있다.
상기 LSPR 센서는, 검출 대상 물질의 수용체가 고정된 그래핀의 표면에 LSPR의 전자기장을 형성하고 이에 따른 금속 나노 구조체의 흡수 파장을 측정함으로써, 생체 물질의 검출 또는 분석이 가능하다. 이 때, 본 발명과 같이, 그래핀 층에 한 쌍의 전극이 연결되어 있는 경우에는 상기 전극을 통해 전압이 인가되어 그래핀 층을 통해 통전이 일어나는 동안, 그래핀의 자유 전자가 금속 나노 구조체로 이동하여 나노 구조체의 흡수 파장 변화가 더욱 증폭된다. 따라서, 결과적으로 LSPR을 이용하는 생체 물질의 검출 또는 분석 과정에서 적은 양만으로도 LSPR 시그널의 변화를 일으킬 수 있으므로, 생체 물질의 보다 정교한 분석이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에서, 검출 대상 물질이 존재하는 환경에서 검출 대상 물질이 그 수용체에 결합함에 따라 금 나노 구조체에서 LSPR이 유발되는 광의 파장이 변화하게 되는데(도 1의 b)의 청색 곡선), 이러한 광 파장의 변화는 그래핀 층을 통해 전류가 공급되는 경우에 더욱 증폭되는 것을 확인할 수 있다(도 1의 b)의 녹색 곡선). 이는, 그래핀을 통해 전류가 공급되면 그래핀을 통해 흐르던 전자가 금속 나노 구조체로 공급되고, 그로 인해 기존에 금속 나노 구조체에서 유발되던 LSPR이 더욱 증폭되기 때문인 것이다.
본 발명의 다른 일 실시예에서, 금속 나노 구조체 상에 그래핀을 배치하고, 그래핀을 통해 전압을 인가하여 전류를 공급한 경우, 인가된 전압의 세기가 커질수록 LSPR이 유발되는 광 파장의 변화도 점점 커지는 것을 확인할 수 있다(도 4). 결국, 검출 대상 물질이 수용체에 결합한 경우에 발생하는 LSPR 유발 광 파장의 변화 역시 전압의 인가로 인해 더욱 커질 수 있는 것이다. 따라서, 상기와 같이 그래핀 층에 전압을 인가하여 LSPR에 의해 유발되는 광 파장의 변화를 증가시킴으로써 검출 대상 물질의 검출 한계를 더욱 낮출 수 있는 것이다(도 6).
2. LSPR 센서의 제조방법
본 발명의 다른 측면은, LSPR 센서의 제조방법을 제공한다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 LSPR 센서의 제조방법은 기판 상에 금속 나노 구조체 층을 형성하는 단계; 상기 금속 나노 구조체 층 상부에 그래핀 층을 형성하는 단계; 상기 그래핀 층에 한 쌍의 전극을 연결하는 단계; 및 상기 그래핀 층 상부에 검출 대상 물질에 특이적인 수용체를 배치시키는 단계;를 포함한다.
상기 금속 나노 구조체 층을 형성하는 단계는, 상기 금속 나노 구조체를 나노 임프린트 리소그라피(Nano Imprint Lithography, NIL), 전자빔 리소그라피(Electron Beam Lithography, EBL), 집속이온빔(Focused Ion Beam, FIB), 소프트 리소그라피(Soft Lithography, SL), 또는 블록공중합체의 자기조립 등의 방법에 의하여 상기 기판에 형성시킬 수 있다.
상기 금속 나노 구조체가 복수 개인 경우, 상기 금속 나노 구조체는 상기 기판 상에 일정한 패턴으로 정렬 또는 배열될 수 있다. 상기 기판 상에 복수 개의 금속 나노 구조체가 형성되는 경우, 상기 금속 나노 구조체들이 배열된 간격은 특별히 제한되지 않으나, 인접한 다른 금속 나노 구조체의 LSPR 특성에 영향을 주지 않을 정도로, 금속 나노 구조체의 직경의 0.7 내지 1.5배인 것이 바람직하다.
상기 기판은 유리, 플라스틱, 금속, 실리콘, 석영, 알루미나, 산화물 결정, 또는 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다.
상기 플라스틱은 폴리에틸렌프탈레이트(polyethylene phthalate, PET), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 또는 시클릭올레핀 공중합체(cyclic olefin copolymer, COC) 등일 수 있다.
상기 금속은 니켈, 알루미늄, 철, 또는 구리 등일 수 있고, 상기 산화물 결정은 이산화규소(SiO2), 이산화티타늄(TiO2), 오산화탄탈럼(Ta2O5), 또는 다이알루미늄다이옥사이드(Al2O2) 등일 수 있다.
상기 기판은 투명한 것이 바람직하며, 두께는 50㎛ 내지 5㎜인 것이 바람직하다. 상기 기판의 두께가 50㎛ 미만인 경우에는 강도가 약해 핸들링하기 어려운 문제가 있고, 5㎜를 초과할 경우 측정을 위해 분광기 및 기타 장치에 장착하는데 문제가 발생할 수 있다.
상기 금속 나노 구조체 층 상부에 그래핀 층을 형성하는 단계는 도 1의 a)에 도시된 바와 같이, 금속 나노 구조체 층 상에 그래핀이 금속 나노 구조체 층을 완전히 덥도록 한 다음 그래핀을 기판과 결합시켜 그래핀 층을 형성 할 수 있다.
상기 그래핀 층을 형성하는 방법은 당업계에 공지된 방법으로 형성할 수 있으며, 예를 들어, 형성화학 기상 증착법, 물리적 박리법, 화학적 박리법 또는 에피텍셜 합성법 등을 이용할 수 있고, 특히, 화학 기상 증착법을 이용하면 뛰어난 결정질을 갖는 단층 내지 수층의 그래핀을 대면적으로 얻을 수 있다.
상기 화학 기상 증착법은 기판 표면에 높은 운동 에너지를 갖는 기체 또는 증기 형태의 탄소 전구체를 흡착, 분해 또는 반응시켜 탄소 원자로 분리시키고, 해당 탄소 원자들이 서로 원자간 결합을 이루게 함으로써 그래핀을 성장시키는 방법이다.
상기 화학 기상 증착법은 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), APCVD(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition) 및 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있으며, 넓은 면적에 결점을 최소화하여 증착이 가능한 점에서 상기 화학 기상 증착법은 LPCVD인 것이 바람직하다.
상기 화학 기상 증착의 구체적인 방법으로서, 예를 들면 니켈, 구리, 알루미늄, 철 등의 금속 촉매를 스퍼터링 장치 및 전자빔 증발 장치를 이용하여 산화 실리콘층을 가지는 웨이퍼 상에 증착시켜 금속 촉매층을 형성하고, 이를 CH4, C2H2 등의 탄소를 포함하는 가스와 함께 반응기에 넣고 가열하여, 금속 촉매층에 탄소가 흡수되도록 하고, 이를 냉각하여 상기 금속 촉매층으로부터 탄소를 분리시켜 결정화시킨 후, 최종적으로 상기 금속 촉매층을 제거함으로써 그래핀 채널층을 형성할 수 있다.
상기 그래핀 층의 양 말단에 한 쌍의 전극을 형성하는 단계는 당업계에 공지된 방법으로 형성할 수 있으나, 예를 들어, 열증착 공정(Thermal Deposition), 이빔증착 공정(E-beam Deposition), PECVD, LPCVD, PVD(Physical Vapor Deposition), 스퍼터링(sputtering), ALD 등의 증착 방법에 의하여 형성할 수 있다.
상기 한 쌍의 전극은 그래핀 층에 전압을 인가하여 전류를 형성하기 위한 것으로서, 한 쌍의 전극이 서로 이격되어 상기 그래핀 층에 연결된는 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 한 쌍의 전극이 상기 그래핀 층 상의 양 말단에 서로 이격된 상태로 형성될 수 있다.
이러한 한 쌍의 전극은 상기 그래핀 층을 통하여 전기적으로 연결될 수 있고, 도전성을 가지는 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어 금속, 금속 합금, 전도성 금속 산화물 또는 전도성 금속 질화물 등으로 형성될 수 있다.
상기 한 쌍의 전극은 각각 독립적으로 Cu, Co, Bi, Be, Ag, Al, Au, Hf, Cr, In, Mn, Mo, Mg, Ni, Nb, Pb, Pd, Pt, Re, Rh, Sb, Ta, Te, Ti, W, V, Zr, Zn 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 그래핀과의 접촉성 및 식각의 용이성 측면에서, Au, 또는 Cr/Au 합금인 것이 바람직하다.
상기 그래핀 층 상부에 검출 대상 물질에 특이적인 수용체를 배치시키는 단계는 검출 대상 물질과 특이적으로 결합될 수 있는 DNA, 앱타머, 펩타이드, 단백질(항체 등) 등을 상기 그래핀의 표면에 직접 고정화하거나, 그래핀의 표면에 고정화된 링커(linker)에 고정화하는 단계를 통하여 고정화 할 수 있다.
상기 검출 대상 물질에 특이적인 수용체가 그래핀의 표면에 직접 고정화 되는 경우, 상기 검출 대상 물질에 특이적인 수용체는 상기 그래핀 층과 π-π 상호작용(π-π stacking)을 형성하는 것일 수 있다.
상기 검출 대상 물질은 특별한 제한없이 사용할 수 있으며, 각종 암질환 표지자, 심혈관질환 표지자, 호르몬, 독소, 각종 사이토카인(cytokine) 류, 환경유해 저분자 물질 등의 생체분자 등일 수 있고, 상기 검출 대상 물질에 따라 그와 특이적으로 결합하는 수용체가 적절히 선택되어 이용될 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
LSPR 센서의 제조
<1-1> 금 나노 구조체 상에 그래핀 층의 형성
도 1에 도시된 바와 같이, 금속 나노 구조체 층 상에 그래핀 층이 금속 나노 구조체 층을 완전히 덥도록 형성하였다.
구체적으로, 구리 호일을 챔버 내에 위치시키고, 이를 1,000℃까지 가열하고, 이를 H2 90 mTorr 및 8 sccm으로 30분(20분의 프리 어닐링과 10분의 안정화) 동안 유지한 후, CH4를 20 sccm으로 40분 동안 총 압력이 560 mTorr인 상태로 가한 다음, 이를 35℃로 200℃까지 냉각시키고, 로(furnace)를 상온까지 냉각하여 상기 구리 호일 상에 단일의 그래핀 층을 형성하였다.
다음으로, 상기 구리 호일 상에 형성된 그래핀 층 상에 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA, MicroChem Corp, 950 PMMA A4, 4% in anisole) 용액을 분당 6,000 rpm의 속도로 스핀 코팅하고, 에천트를 이용하여 상기 PMMA가 코팅된 그래핀 층을 상기 구리 호일로부터 분리하였고, 상기와 같이 구리 호일로부티 분리된 그래핀 층을 10분 동안 탈이온 증류수에 침지하여 상기 그래핀 층에 남아 있는 잔여 에천트 이온들을 제거하였다.
상기와 같이 세척된 그래핀 층을 기판인 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 필름으로 전사한 다음, 상기 그래핀 층 상에 PMMA 용액을 투하하여 상기 그래핀 층을 코팅하고 있던 PMMA를 제거함으로써, 기판 상에 그래핀 층을 형성하였다. 이 때 투명성은 97.8%로 유지되었다.
<1-2> 그래핀 층의 양 말단에 전극 형성
상기 실시예 <1-1>에서 제작한 그래핀 층이 형성된 기판을 100μmX100μm 내지 5mmX5mm의 면적을 가지는 마스크로 가린 다음, 건식 식각 공정으로 그래핀을 패턴화하였다. 상기와 같이 패턴화된 그래핀 상에서 전극을 형성할 영역 이외의 영역을 마스킹하여 전극을 형성할 부분을 노출시키고, 전자 빔 증착기를 통해 크롬 박막(1nm 내지 20nm) 및 금 박막(10nm 내지 200nm)을 형성함으로써, 그래핀 층의 양 말단에 전극을 형성하여 그래핀 층에 전류가 공급될 수 있도록 하였다.
<1-3> 그래핀 층과 수용체의 결합
또한, 카다베린 수용체를 10nM~10μM의 농도로 증류수에 녹인 다음, 이를 상기 실시예 <1-2>에서와 같이 전극이 형성된 그래핀에 5~10μL 처리하여 상온에서 15분~60분 동안 반응시키고, 반응 종료 후 충분한 증류수로 그래핀 필름의 표면을 씻었다. 상기와 같은 과정을 통해, 그래핀 층 상에 카다베린의 수용체를 π-π 상호작용(π-π stacking)으로 부착시켰다.
<1-4> LSPR 센서의 전자 현미경 사진 확인
그래핀으로 덮인 금 나노 막대와 그래핀에 수용체까지 부착한 본 발명의 LSPR 센서를 주사 전자 현미경으로 관찰한 사진과 투과 전자 현미경-선택 영역 회절 사진을 각각 도 2a 및 도 2b에 도시하였다.
도 2a의 주사전자현미경(SEM) 이미지에서는 LSPR 센서로 작동하는 금 나노 막대가 존재하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 2b의 SAED(Selected area electron diffraction) 패턴 이미지를 통해 금 나노막대 위에 그래핀이 형성된 것과, 그래핀 위에 카다베린 수용체가 부착된 것을 확인할 수 있다.
<1-5> LSPR 측정
상기와 같이 제작된 본 발명의 LSPR 센서에서 LSPR 측정을 위해서는, 도 1b에 도시된 바와 같이, 상기 본 발명의 LSPR 센서에 광을 조사하고 분광광도계(spectrometer)를 이용해 흡수 파장을 측정하여 최대 흡수 파장을 얻어낸다. 이후 기판에 변화가 발생하면 최대 흡수 파장의 위치가 달라지게 되며, 이 차이를 통해 물질의 측정을 할 수 있다.
위와 같이 구성된 본 발명의 LSPR 센서는, 카다베린 등과 같은 검출 대상 물질이 존재하는 환경에서, 검출 대상 물질이 그 수용체에 결합함에 따라 금 나노 구조체에서 LSPR이 유발되는 광의 파장이 변화하게 되는데(위 도 1의 청색 곡선), 이러한 광 파장의 변화는 그래핀 층을 통해 전류가 공급되는 경우에 '더욱' 증폭된다(위 도 1의 녹색 곡선).
이는 결국, 위 도 3에 도시된 바와 같이, 그래핀을 통해 전류가 공급되면 그래핀을 통해 흐르던 전자가 금속 나노 구조체로 공급되고, 그로 인해 기존에 금속 나노 구조체에서 유발되던 LSPR이 더욱 증폭되기 때문인 것으로 판단된다.
[실험예 1]
그래핀을 통해 전압이 인가된 경우, LSPR 현상의 증폭 확인
카다베린 수용체를 결합시키기 전인 상기 실시예 <1-2>에서, 전극이 형성된 그래핀에 0~0.1V의 전압을 인가하여 전류를 공급하면서 LSPR 현상의 변화(증폭) 여부를 확인하였다.
그 결과, 도 4에 도시된 바와 같이, 인가된 전압의 세기가 커질수록 LSPR이 유발되는 광 파장의 변화도 점점 커지는 것으로 확인되었다.
위와 같은 결과로부터, 검출 대상 물질이 수용체에 결합한 경우에 발생하는 LSPR 유발 광 파장의 변화 역시 전압의 인가로 인해 더욱 커질 수 있음을 알 수 있고, 결국 검출 대상 물질이 기존 보다 더욱 적은 농도로 존재하는 경우에도 검출해 낼 수 있을 것임을 알 수 있다.
[실험예 2]
본 발명의 센서를 이용한 검출 대상 물질의 검출 효과 확인
<2-1> 검출 대상 물질의 농도에 따른 검출 한계 확인
상기 실시예 1에서 제작한 본 발명의 LSPR 센서에, 전압을 인가하지 않은 상태에서, 카다베린 용액을 104nM~10-2nM의 농도로 처리하고, LSPR이 일어나는 광 파장의 변화를 확인하였다.
그 결과, 도 5에 도시된 바와 같이, 광 파장의 변화가 카다베린의 농도에 의존적으로 증가하는 것으로 확인되었고, 10-2nM의 농도에서까지 peak 이동을 관찰할 수 있었다.
<2-2> 전압의 인가에 따른 검출 한계 돌파 확인
전압을 인가하였을 때 검출 한계가 낮아지는지 확인하기 위하여, 상기 실시예 1에서 제작한 본 발명의 LSPR 센서에 0.1V의 전압을 인가한 상태에서, 카다베린 용액을 10-2nM~10-4nM의 농도로 처리하고, LSPR이 일어나는 광 파장의 변화를 확인하였다.
그 결과, 도 6에 도시된 바와 같이, 전압을 인가하지 않은 경우에는 10-2nM 이하의 농도 이하에서는 도 5의 control과 값의 차이가 없는 것으로 확인되었다. 그러나, 0.1V의 전압을 인가한 경우에는 농도가 10-2nM~10-4nM인 카다베린 용액을 처리한 경우에도 LSPR이 일어나는 광 파장의 변화가 증폭되는 것으로 확인되었다.
이러한 결과로부터, 0.1V의 전압의 인가로 인해, 본 발명의 센서의 검출 한계를 100배나 더욱 낮출 수 있는 효과를 달성할 수 있음을 알 수 있다.
<2-3> 검출 대상 물질에 대한 선택성 확인
상기 실시예 1에서 제작한 본 발명의 LSPR 센서에, 1μM의 카다베린, 1μM의 TMA(trimethylamine), 1μM의 암모니아(NH3) 및 1μM의 황화수소(H2S) 각각 및 이들이 혼합된 기체를 공급하고, 본 발명의 LSPR 센서의 선택성을 확인하였다.
그 결과, 아래 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 센서는 검출 대상 물질인 카다베린이 존재하는 경우에 높은 선택성으로 LSPR이 일어나는 광 파장의 변화를 나타내는 것으로 확인되었다. 구체적으로, 카다베린만이 공급된 경우의 파장 변화를 100%로 하였을 때, TMA, 암모니아, 황화수소는 10% 이하의 파장 변화만이 유발되어 본 발명의 LSPR 센서가 카다베린에 대하여 높은 선택성을 가지는 것으로 확인되었고, 추가적으로 혼합된 기체의 경우 조금 감소하기는 하지만, 카다베린만 공급된 경우와 비교하여 90% 이상의 파장 변화가 확인되어 본 발명의 LSPR 센서가 다양한 기체가 혼합된 환경에서도 검출 대상 물질을 높은 정확도로 검출해 낼 수 있는 것으로 확인되었다.

Claims (10)

  1. 금속 나노 구조체 층;
    상기 금속 나노 구조체 층 상에, 상기 금속 나노 구조체와 접하여 형성된 그래핀 층;
    상기 그래핀 층에 연결된 한 쌍의 전극; 및
    상기 그래핀 층 상부에 배치된 검출 대상 물질에 특이적인 수용체;
    를 포함하는, 검출 대상 물질의 검출용 LSPR(Localized Surface Plasmon Resonance) 센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 LSPR 센서는 상기 전극을 통해 전압이 인가된 경우, 상기 검출 대상 물질의 검출 한계가 더욱 낮아지는 것인, LSPR 센서.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 백금(Pt), 탄탈럼(Ta), 팔라듐(Pd), 철(Fe) 및 로듐(Rh)으로 이루어진 군에서 선택되는 것인, LSPR 센서.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 나노 구조체는 금속 나노입자 또는 금속 나노로드인 것인, LSPR 센서.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 나노 입자는 그 직경이 1 내지 700 nm인 것인, LSPR 센서.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 나노 구조체는 구, 반구, 구의 일부분, 타원구, 반타원구, 타원구의 일부분, 원기둥, 사각기둥, 오각기둥, 육각기둥, 팔각기둥, 사각뿔, 사각뿔대, 삼각뿔, 삼각뿔대, 원뿔, 원뿔대, 링, 판(plate) 및 금속나노필름 상의 구멍으로 이루어진 군에서 선택되는 형상을 갖는 것인, LSPR 센서.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 그래핀 층은 단일 그래핀, 산화 그래핀(Graphene Oxide) 또는 환원된 산화 그래핀(Reduced Graphene Oxide)인 것인, LSPR 센서.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 검출 대상 물질에 특이적인 수용체는 상기 그래핀 층과 π-π 상호작용(π-π stacking)을 형성하는 것인, LSPR 센서.
  9. 기판 상에 금속 나노 구조체 층을 형성하는 단계;
    상기 금속 나노 구조체 층 상부에 그래핀 층을 형성하는 단계;
    상기 그래핀 층에 한 쌍의 전극을 연결하는 단계; 및
    상기 그래핀 층 상부에 검출 대상 물질에 특이적인 수용체를 배치시키는 단계;
    를 포함하는, LSPR 센서의 제조 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 기판은 유리인 것인, LSPR 센서의 제조 방법.
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