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Electrophoretic preconcentration for highly intense surface-enhanced raman spectroscopy using plasmonic nanopillar arrays = 대면적 은나노기둥을 갖는 표면증강라만산란 기판의 분광신호 향상을 위한 전기영동 기반 국소농축에 관한 연구
서명 / 저자 Electrophoretic preconcentration for highly intense surface-enhanced raman spectroscopy using plasmonic nanopillar arrays = 대면적 은나노기둥을 갖는 표면증강라만산란 기판의 분광신호 향상을 위한 전기영동 기반 국소농축에 관한 연구 / Moon-Seong Park.
저자명 Park, Moon-Seong ; 박문성
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2013].
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Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) is a surface-sensitive spectroscopic technique based on Raman scattering, one of the inelastic scatterings of photon depending on molecular vibrational, rotational, and other low frequency modes. Recently, many researchers have tried to get highly intense SERS signal due to many unique features of SERS; non-destructive detection, label-free detection, and easiness to identify an individual molecule that emits Raman signal depending its energy states. However, many biomolecules such as neurotransmitters are still hard to measure SERS signals due to their low Raman activity. Raman signal can be strongly enhanced near hot spots of localized surface plasmon resonance (LSPR), collective oscillation of free electrons between metal and dielectric surfaces. Highly intense SERS signals can be achieved by SERS substrates with rich hot spots, LSPR tuning, and alignment of molecules near the hot spots. Among those approached, the alignment of molecules near hot spots can be effectively conducted with electrokinetic preconcentration, which can be done by applying electric fields between two electrodes in solution. However, metal nanostructures on top of a conductive layer have much smaller LSPR intensity due to less confinement of free electrons in the nanostructures. This work presents electrophoretic preconcentration on plasmonic nanopillar arrays for highly intense SERS. This SERS substrate is featured as nanogap-rich 3D nanostructures and strong confinement of free electron in metal nanoislands, which results in enhancement factor over 109 with high uniformity. Also, highly intense SERS device including microfluidic reservoir and top and bottom electrodes locally concentrates bio-molecules near hot spot rich nanostructures to enhance SERS signals of biomolecules with extremely low Raman activity. SERS signals were measured under applied electric field using spectrometer coupled with inverted confocal laser scanning microscope (CLSM). Ionic molecules were controlled by the direction and intensity of applied electric field. SERS signals of Rhodamine 6G (R6G) which is well-known as cationic Raman-active dye demonstrate the enhancement of SERS signals over two orders of magnitudes. SERS sig-nals of serotonin, one of the famous neurotransmitter with low Raman activity, exhibit label free detection of neurotransmitters in micromoles by electrophoretic preconcentration. Finally, the selective SERS detection of two molecules with opposite charge by selective electrophoretic preconcentration was revealed. In summary, this work demonstrates the preconcentration of biomolecules near SERS hotspots by using electrophoretic preconcentration. The combination of strong confinement of free electrons in metal nanoislands, nanogap-rich 3D nanostructure, and electrophoretic preconcentration allow not only highly intense SERS signal even for the materials with low Raman activity but also selective detection of individual species in mixture solution. Furthermore, the biomolecules in our body such as those in saliva, blood, and cerebrospinal fluid could be selectively detected by electrophoretic preconcentration depending on their electrical properties. Programmable movement of molecules and particles could be controlled by electrode engineering or electrode engineering.

표면증강라만분광은 라만산란을 기반으로 한 표면 감응 분광 기술이다. 표면증강라만분광은 분자 식별이 용이하고, 비파괴적이며, 표지가 필요하지 않은 특성을 갖고 있어서, 여러 연구 분야에 폭넓게 이용이 되고 있다. 반면, 신경전달물질을 비롯한 여러 생체 분자들은 라만 활성이 낮아, 표면증강라만분광 신호를 측정하는 데에 많은 어려움이 있다. 표면증강라만분광이 증폭되는 과정에는 국소표면플라즈몬공명이 관여하는데, 국소표면플라즈몬공명이란 금속 나노구조가 특정 파장의 빛을 받았을 때, 유전체와 금속 나노 사이의 표면에서 일어나는 전자의 집합적 진동을 가리킨다. 이에, 표면증강라만분광 신호 향상시키는 방법으로는, 표면플라즈몬공명이 강하게 일어나는 기판을 제작하거나, 표면플라즈몬공명 파장을 조절하거나, 측정하거나 하는 분자들을 표면증강라만산란 기판의 표면으로 가까이 끌어와서 측정하는 방법 등이 있다. 본 연구에서는 라만 활성이 낮은 세로토닌과 같은 생체 분자들의 표면증강라만분광 신호를 얻고자, 대면적 은나노기둥을 갖는 표면증강라만산란 기판을 제작하였고, 표면증강라만산란 기판의 분광신호 향상을 위해 전기장을 가해주어 전기 영동을 기반으로 측정하고자 하는 분자들을 국소적으로 농축시켰다. 표면증강라만분광 신호를 측정하기 위해 공초점 레이저현미경에 분광기를 설치하였다. 실험 결과, 용액 내 이온들은 가해준 전기장의 세기와 방향에 따라 배열되었다. 용액 상에서 양이온으로 존재하는 로다민6g를 사용하여, 153배 이상의 분광 신호 향상을 관측하였다. 또한, 라만활성이 낮은 세로토닌의 표면증강라만분광 신호를 측정하였다. 그리고, 용액 상에서 양이온으로 존재하는 로다민6g와 음이온으로 존재하는 콩고레드의 혼합 용액에서 각각의 표면증강라만분광신호를 선택적으로 검출하였다. 본 연구의 결과, 대면적 은나노기둥을 갖는 표면증강라만산란 기판에 전기장을 가해주어 측정하고자 하는 물질을 국소적으로 농축시키면 표면증강라만분광 신호가 비약적으로 향상됨을 알 수 있었고, 이를 통해 라만활성이 낮은 생체 분자의 표면증강라만분광 신호 측정 및 선택적 검출이 가능하였다. 이를 통해 향후, 침, 혈액, 뇌척수액과 같은 체액에서 측정하고자 하는 분자를 선택적으로 검출할 수 있을 것으로 보인다. 또한, 전극 또는 전기장을 프로그램하여 용액 내 입자들을 배열할 수 있을 것이다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MBIS 13003
형태사항 vii, 51 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 박문성
지도교수의 영문표기 : Ki-Hun Jeong
지도교수의 한글표기 : 정기훈
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 바이오및뇌공학과,
서지주기 References : p. 47-48
주제 Surface-enhanced Raman scattering
Localized surface plasmon resonance
Electrophoresis
Preconcentration
표면증강라만산란
표면플라즈몬공명
전기영동
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