Raman spectroscopy is a spectroscopic measurement technique that obtains various spectra generated from the interaction between light and matter. Raman spectroscopy can provide their chemical bond information according to the optical frequency such as molecular fingerprint by determining vibrational modes of molecule corresponding to the chemical bonds using Raman scattering. This technique has been useful in chemical composition analysis and is recently used to observe biochemical spectral information of biomolecules. However, a further complementary method is required for correct measurement of the Raman signals due to the inherent property of analyzing the spectra that occurred from the inelastic scattering causing the low spectral and spatial resolution. Surface-enhanced Raman spectroscopy is the unique complementary method, which detects the Raman signal of analytes through the amplification induced by the incident light resulting in the significant electromagnetic field enhancement when the molecules are positioned at or very close to the surface of metallic nanostructures. To incur the surface-enhanced Raman scattering, it is essential to develop fabrication methods for the nanostructures that are capable of inducing the strong localized surface plasmon resonance, which is the collective oscillation of free electrons. Therefore, a variety of nanofabrication methods, such as bottom-up and top-down approaches, have been studied and developed to fabricate these nanostructures. However, the bottom-up approach has shown limitations of efficient Raman enhancement, reproducibility, and uniformity whereas the top-down approach also has suffered from complexity and high cost of the processes.
This thesis proposes the new fabrication method based on the laser ablation integrating advantages of the bottom-up and top-down approaches without using the lithographic techniques for the surface-enhanced Raman scattering active nanostructures and its application to biomolecule analysis. Firstly, solution based plasmonic nanoparticles are fabricated through the newly suggested selective laser ablation and melting based on the bottom-up approach. Secondly, solid-state surface-enhanced Raman scattering substrates, which greatly enhance the local electromagnetic fields, are manufactured by applying the suggested process into the gas phase. Finally, biomedical applications of the proposed method are investigated from a surface modification of the fabricated substrates followed by capture, detection, and label-free analysis of biomarkers.
라만 분광법은 빛이 물질과 반응 했을 때 발생하는 다양한 스펙트럼을 분석하는 분광학적 측정 기법 중의 하나로 라만 산란 현상을 이용하여 물질이 가지는 화학 결합에 따른 분자의 진동 모드 측정을 통해 각 물질의 갖고 있는 여러가지 화학 결합 정보를 광 주파수에 따라 물질 고유의 분자 지문과 같이 볼 수 있다. 이는 물질의 화학적 조성 분석에 유용하게 쓰이며 최근에는 생체 물질의 생화학적 정보를 관찰하는데 널리 이용되고 있으나 비탄성 산란에 의해 발생되는 스펙트럼을 분석한다는 내재적 특성에 의한 낮은 분광 및 공간 해상도로 인해 정확하게 라만 산란 신호를 검출하기 위한 추가적인 보완 방법을 필요로 한다. 표면 증강 라만분광법은 이를 보완하는 하나의 방법으로 분석하고자 하는 물질이 금속 나노 구조체의 표면에 있을 때 입사되는 광원에 의해 발생된 높은 전자기적 증강을 통해 물질의 라만 신호를 증폭하여 검출하는 기술이며 이를 위한 표면 증강 라만 산란을 일으키기 위해서는 자유전자들의 집단 진동인 국소 표면 플라즈몬 공명을 강하게 발생시킬 수 있는 합리적 방법의 나노 구조체 제작과 나노 구조 형성이 필수적이다. 이러한 나노 구조를 제작하기 위해서 상향식, 하향식과 같은 여러 방식의 나노 공정들이 현재까지 시도되었으나 상향식은 라만 신호 증강 정도와 재현성 및 균일성의 한계, 하향식은 공정의 복잡성과 비용 측면에서 여전히 어려움을 보이고 있다.
이에 본 연구에서는 리소그래피 기술을 사용하지 않으면서 상향식과 하향식 방식의 장점을 동시에 접목할 수 있도록 레이저 융발을 이용한 새로운 공정을 제안하여 표면 증강 라만 산란에 적합한 나노 구조를 제작하고 이를 생체 물질 분석에 적용하고자 한다. 첫번째로 액상 기반의 플라즈모닉 나노 입자를 새롭게 제안된 상향식 방식 기반의 선택적 레이저 융발 및 용융을 통해 제조하였으며, 두번째로 제안된 공정을 기상 상태에도 적용하여 국소된 전자기장을 크게 강화하는 고상 상태의 표면 증강 라만 산란 기판으로 제작하였다. 최종적으로 제작된 기판의 표면 개질을 통해 바이오마커의 포획 및 비표지 분석을 실시하여 제시된 방법의 생의학적 응용 방안을 고찰하였다.
