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Plasmonic nanostructures toward biomolecular detection = 생체물질 분석소자 구현을 위한 플라즈모닉 나노구조 제작에 관한 연구
서명 / 저자 Plasmonic nanostructures toward biomolecular detection = 생체물질 분석소자 구현을 위한 플라즈모닉 나노구조 제작에 관한 연구 / Chul-Joon Heo.
저자명 Heo, Chul-Joon ; 허철준
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2011].
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Metal nanostructures strongly enhance light-matter interactions as a result of electrostatic in-teractions among confined electrons over the metal surface. In particular, tunable plasmon resonance has attracted great attention owing to its potential applications in ultra high-fidelity biochemical sensors, and much research is directed at identifying metal nanostructures with highly sensitive plasmonic responses. Here, we demonstrate a novel plasmonic nanostructure that can be represented as three different sized rings connected vertically by curved metal surfaces, similar to a miniaturized ‘grail.’ The folded curved surfaces inherent to the proposed grail structure have a large surface area exposed to the background material, enabling a high bulk refractive index sensitivity of over 1400 nm/RIU. Finite-difference time-domain simulations demonstrate the existence of strong multiple plasmon resonances with the same dipolar symmetry around the sharp ring-edges of the nanograils. The nanograil plasmon resonances can easily be tuned over a wide range of wavelength from 600 nm to 2000 nm and the surface enhanced Raman scattering enhancement factor reached 106. The nanograil array shows great potential as a real-time, label-free biochemical sensor. Specially designed nanograil arrays for bacteria immobilization was applied to photothermolysis of bacteria. Strongly enhanced electromagnetic field induced damage on thick cell wall of gram-positive bacteria in controllable manner by adopting confocal microscope equipped with the tunable NIR laser. We demonstrate a simple and effective method for preparation of hybrid plasmonic probe arrays with precisely controlled nanogap. Deveopment of plasmonic sensors which relies on surface plasmons(SPs) originated from metallic nanostructures makes the nanometer-scale analysis of sys-tem available. To materialize the study of biological events in nanometer-scale, design of the metallic platform with strong local field enhancement and high uniformity should be preceded. When two different or identical metal nanostructures are located closely with sub 10 nm gap, strong coupling between two nanostructures extraordinarily large field enhancement responsible for ultra-sensitive recognition can be generated at the nanogap. Nanogap array is fabricated by directional metal deposition onto the nanometer-sized masks sculptured from colloidal particles and polymer thin film. By varying the deposition condition and etching condition for mask preparation, gap size between two different plasmonic structures can be precisely controlled. Highly enhanced electro-magnetic (EM) field originated from nanometer-sized gap between two structures enables ultra-sensitive plasmonic detection of biomolecules. Precisely engineered plasmonic nanogap system can covers large area with uniform enhancement which was hard to be achieved for nanogap-based techniques using e-beam lithography or particle assembly. Furthermore, nanometer-sized feature of nanoforest enables recognition of molecules with ultra-small resolution. Hydrogel-based active platform has been extensively investigated because it is easy to position at microfluidic system by photo-polymerization and can be applied for both sensing and actuation functions simultaneously. Here we propose active concentration on microfludic system which is prepared by combining pH sensitive hydrogel microvalve with patterned polymeric inverse opal structure. To integrate the inverse opals on microfluidic chip, colloidal particles are crystallized on photocurable polymer thick film first. By using conventional photolithographic method, the colloidal crystals were patterned in micron scale then incorporated into microfluidic channel. Hydrogel valves could be fabricated by in situ photopolymerization in microfluidic channel. Finally, hydrogel-based microfluidic concentrator system was applied to concentrate the nanometer-sized analytes by actuating the pH-sensitive hydrogel with buffer and applying DC field to induce the flow of analytes. Compared with previously reported passive concentration system, active microfluidic concentrator device have advantages: (1) Do not need complicate fabrication procedure to prepare nanochannel. (2) Actively concentrated analytes can be recovered after characterization and device can be reused. (3) Analysis of system dispersed in organic solvent is possible by using glass microchannel rather than PDMS channel. Novel active concentrator system based on hydrogel valves and polymeric nanosieve is expected to be used to analyze the biological system related with nanometer scale event and tiny change of chemicals.

콜로이드 식각 방법은 균일한 콜로이드를 자기조립법을 통해 정렬하여, 이를 나노구조를 제작하기 위한 주형 혹은 마스크로 하여 정렬된 나노구조를 제작하는 방법을 의미한다. 콜로이드 식각 방법을 이용하면, 기존의 식각 방법으로는 제작이 불가능한 다양한 형태의 나노구조를 원하는 물질을 이용하여 제작할 수 있다. 본 연구에서는 생체물질 분석소자를 구현하기 위해 콜로이드 식각 방법을 이용하여 금속 혹은 고분자로 이루어진 나노구조를 제작하여 활용하였다. 금속 나노구조에서 관찰이 가능한 표면 공명 플라즈몬(Surface plasmon resonance, SPR) 현상을 활용하면, 이를 다양한 방법의 생체물질 분석에 사용할 수 있다. SPR 현상에 기반한 분석소자는 물질 고유의 광특성을 이용하는 것이므로, 기존에 널리 활용되던 형광에 기반한 분석소자에서 필요로 하던 전처리 과정을 필요로 하지 않는다. 또한, 나노구조를 기반으로 한 소자를 통한 나노스케일의 분석 역시 가능하다. 이를 활용한 다양한 방법들이 고안되고 연구되었으며, 그 대표적인 예로 굴절률 변화를 감지하는 분석소자와 분석물질과의 에너지 전이현상을 통한 플라즈몬 공명 에너지 전이현상(Plasmon resonance electron transfer, PRET) 기반의 분석소자, 그리고 금속 나노구조 주변 국부적인 전자기장의 세기향상에 기반한 표면 강화 라만 산란(Surface enhanced Raman scattering, SERS)을 들 수 있다. 본 연구에서는 콜로이드 식각 방법을 활용하여 나노구조를 제작한 후, 이에 대한 광특성을 분석하였으며 이를 활용한 생체물질 분석 소자로서 활용가능성을 평가하였다. 제 1장에서는 조절이 가능한 두 개 이상의 플라즈몬 공명을 갖는 gold nanograil에 관련된 연구 내용을 다루었다. Gold nanograil은 정렬된 실리카 입자 및 고분자 필름을 건식각 방법을 통해 제작한 복합나노구조를 주형으로 하여 제작되며, 세 가지 크기의 링 형태가 결합된 구조적 특성을 가지고 있다. 제작된 gold nanograil의 광특성은 반사특성을 측정하여 평가되었으며, FDTD (Finite diference time domain) 방법을 통한 전산모사 결과와 함께 해석되었다. Nanograil의 광특성은 제작 조건을 다양화 함에 따라 가시광선 및 적외선 영역에서 자유롭게 조절이 가능하였다. 다양한 굴절률을 갖는 용매를 통해 나노구조 주변의 굴절률을 인위적으로 변화시킨 경우 공명 파장대가 크게 변화하였으며, 이러한 현상을 바탕으로 하여 단백질의 흡착에 따른 광특성 변화를 평가하였다. 그 결과, 기존에 발표되었던 금속 나노구조에 비해 큰 변화를 나타내었으며, 이를 통해 Gold nanograil의 생체물질 분석소자 가능성을 확인하였다. 뿐만 아니라, 금속나노구조에서 기인하는 광열효과를 이용하여 효율적이고 선택적인 세포용해에 활용할 수 있다. 제 2 장에서는 조절이 가능한 수직 나노갭을 갖는 gold nanoforest에 대한 연구 내용을 다루고 있다. Gold nanoforest 역시 콜로이드 식각 방법을 통해 제작된 금속 나노구조로, 이 경우 복합 나노구조를 금속 증착의 마스크로 활용하여 제작이 가능하다. 제작된 gold nanoforest는 제작 조건을 변경함에 따라 다양한 크기의 나노갭을 갖는 형태로 제작될 수 있다. 또한, 수직적 구조의 변화 외에도 건식 식각 조건의 변경을 통해 수평적인 구조적 특성 역시 변화를 줄 수 있다. 상기 방법을 이용하여 다양한 크기 및 형태의 gold nanoforest 구조들이 제작되었으며, 구조적 차이에 따라 다른 광특성 및 반사색을 나타내었다. 나노구조의 광특성에서 기인하는 반사색은 구조적 특성에 민감한 반사특성에서 기인하며, 굴절률 변화에 따라 민감하게 반응한다. 또한 10 nm 미만의 나노갭을 갖는 nanoforest를 활용하여 SERS를 통해 흡착된 물질을 고효율로 검출해 낼 수 있음을 확인하였다. 마지막 제 3장에서 다공성 고분자 나노구조와 pH 변화에 반응하는 하이드로젤을 도입하여 금속나노입자를 활성화된 상태로 집적할 수 있는 미세유체소자를 구현하는 연구에 대한 내용을 소개하였다. 콜로이드 식각 방법과 광민감성 고분자를 활용한 광 식각 방법을 결합하여 다공성 고분자 나노구조를 미세유체관의 원하는 위치에 집적할 수 있었다. 또한 pH 민감성 하이드로젤 마이크로밸브는 자외선 노광 시스템이 갖추어진 광학현미경을 통하여 제작될 수 있었다. 활성화된 마이크로 밸브를 통해서 전기삼투흐름이 유도될 수 있으며, 은나노입자는 입자크기보다 작은 다공성 고분자 나노구조의 나노공극을 통과할 수 없어 순환흐름에 활성화된 상태로 집적되게 된다. 본 연구에서 제작된 분석소자는 기존에 발표되었던 물질의 집적화를 위한 미세유체소자의 단점이었던 분석의 연속성 및 소자의 일회성을 극복할 수 있으며, 생체물질 분석의 효율성을 크게 높일 수 있을 것으로 기대된다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCBE 11026
형태사항 xii, 124 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 허철준
지도교수의 영문표기 : Seung-Man Yang
지도교수의 한글표기 : 양승만
수록잡지명 : "Gold nanograils with tunable dipolar multiple plasmon resonances". Advanced Materials, v.21., pp. 1726-1731(2009)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 생명화학공학과,
서지주기 References : p. 104
주제 Plasmonic material
Colloidal lithography
Surface enhanced Raman spectroscopy (SERS)
Biomolecular detection
Hydrogel
표면 공명 플라즈몬
콜로이드 식각 방법
생체물질 분석소자
라만 강화 산란
미세유체시스템
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