Surface-enhanced Raman scattering (SERS) has been emerged as one of the most promising strategies in chemical and biomolecular detection due to high sensitivity and label-free identification in binding kinetics and cost of metal pattern preparation. In this study, I fabricate microspheres with hierarchical surface nanopatterns using microfluidic device for molecular detection based on surface-enhanced Raman scattering. Briefly, a photocurable silica-ETPTA suspension was emulsified into monodisperse droplets using a microfluidic device composed of two coaxial glass capillaries. The silica particles in each droplet protruded through the interface and spontaneously formed a hexagonal array. After photopolymerization of the droplets, I selectively decorated the exposed areas of the silica particles with silver nanoparticles through silver mirror reaction. The resulting hierarchically structured microspheres showed high sensitivity and fast binding kinetics in molecular detection based on SERS, owing to the dense array of hot spots on each microsphere and high mobility of the microspheres, respectively. Notably, the SERS signals from molecules adsorbed on the microspheres could be detected in both the dried and suspension states. In addition, I demonstrate that the SERS-active microspheres can be functionalized into structural colored or magnetoresponsive microspheres for advanced applications.
본 학위 논문은 표면 증강 라만 산란 효과를 이용한 분자 감지 및 분석을 위한 계층적 표면 복잡성을 갖는 입자에 관한 내용을 다루고 있다. 1장에서는 표면 증강 라만 산란 효과와 표면 복잡성을 갖는 입자의 제조 원리인 콜로이드 자기 조립에 대해 소개하고 있다. 표면 증강 라만 산란 효과는 자기조립단분자가 형성된 기판과 그 표면에 도입된 금속 나노입자 사이의 강한 전자기장으로 라만 산란 신호가 증폭되는 현상을 일컫고, 이는 극미량의 화학시료를 분석해 낼 수 있는 기능성을 보여 최근 생물·화학, 의·약학 분야에서 많이 이용되고 있다. 그러나 주로 사용하고 잇는 시스템은 기판이나 나노입자를 기반으로 하여 유동성, 결합 및 분리의 측면에서 제한이 있어 본 연구에서는 에멀젼을 이용해 표면에 균일한 입자를 배열시키고 금속 패턴을 도입한 미세입자를 사용하였다. 2장과 3장에서는 계층적 표면 복잡성을 갖는 미세 입자의 제조 과정을 소개하고 결과를 관찰하였다. 다양한 크기의 실리카 입자를 균일하게 합성하였고, 광중합 가능한 O/W 에멀젼을 실리카 입자로 안정화시키는 방법을 통해 표면에 입자가 배열된 미세 입자를 제조하였다. 에멀젼을 만드는 과정에서 미세 유리 모세관을 통해 동일한 크기의 미세 입자를 제조할 수 있었다. 표면에 드러난 실리카 입자에 선택적으로 은 나노입자를 도입하여 표면 증강 라만 산란 특성을 기대할 수 있는데, benzenethiol 등의 여러 분자 물질에 대해 측정한 결과 고유의 라만 산란 신호가 증폭되는 결과를 보였다. 또한, 기판 형태의 재료와 증폭된 정도를 비교한 결과, 미세 입자의 유동성 및 반응성의 우수함을 확인할 수 있었다. 특히 미세 입자에 구조적 색깔을 도입하여 관찰한 결과, 라만 산란 신호가 미세 입자의 반사 색깔에 영향을 받지 않은 사실을 확인하였다. 이는 구조적 색깔을 코드로 사용하여 barcoding 시스템으로 사용할 수 있음을 기대할 수 있다. 또한 미세 입자의 내부에 자성을 띠는 나노입자를 추가적으로 도입하면 입자의 선택적 이동 및 분리가 가능하여 보다 효율적인 미세 센서로 활용할 수 있다.
