KR101135157B1 - Porous gold nanofiber and nanorod conjugated porous gold/non-porous solid gold for molecular sensing, and process for preparing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 분자감지용 다공성 금 나노섬유와 다공성 금/기공이 없는 고체 금 교차 나노막대, 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 분자감지용 다공성 금 나노 구조체는, 나노 기공성 막 주형의 한쪽 표면에 스퍼터 방식으로 백금을 코팅한 후, 나노 기공성 막 주형 내부에 은/금-은 금속을 순차적으로 전기화학적으로 증착시키거나 은/금/금-은/금 금속을 순차적으로 전기화학적으로 증착시킨 다음 불산 용액으로 막을 제거하고 질산으로 은을 선택적으로 제거하여 제조된 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 과정 중 은이 증착된 나노 기공성 막에 금과 금-은 금속을 교대로 전기화학적으로 증착하는 과정을 다수 반복하여 다공성 금/기공이 없는 고체 금 다중 교차 나노막대를 제조할 수 있다.The present invention relates to a porous gold nanofibers for molecular detection and a solid gold cross nanorod without porous gold / pores, and a method of manufacturing the same. In the porous gold nanostructure for molecular detection according to the present invention, after coating platinum on one surface of the nanoporous membrane template by sputtering, silver / gold-silver metal is sequentially electrochemically inside the nanoporous membrane template. Deposition or electrolytic deposition of silver / gold / gold-silver / gold metal in sequence, and then remove the film with hydrofluoric acid solution, characterized in that prepared by selectively removing silver with nitric acid. In addition, by repeatedly repeating the process of electrochemically depositing gold and gold-silver metal on the nano-porous film on which silver is deposited, a solid gold multi-cross nanorod with no porous gold / pores can be prepared.
Description
본 발명은 분자감지용 다공성 금 나노섬유와 다공성 금/기공이 없는 고체 금 교차 나노막대, 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a porous gold nanofibers for molecular detection and a solid gold cross nanorod without porous gold / pores, and a method of manufacturing the same.
금속 재료는 입자의 크기가 작아질수록 입자의 내부에 존재하는 원자 대비 표면을 구성하는 원자의 비율이 증가하면서 표면적이 늘어나게 되고, 나노미터(㎚) 수준이 되면 입자의 내부에 존재하는 원자에 대해 표면에 존재하는 원자의 비율이 커지므로 거시적 물질 수준에서 보이는 전기적, 자기적 및 광학적 성질과는 다른 독특한 성질을 나타낸다.As the size of particles decreases, the surface area increases as the ratio of atoms constituting the surface increases with the size of the particles, and when the nanometer level reaches nanometers (nm), As the proportion of atoms on the surface increases, they exhibit unique properties that differ from the electrical, magnetic and optical properties seen at the macroscopic level.
귀금속 계열의 금과 은의 경우 나노 구조물 형태로 되었을 때 금속 표면에서의 그들의 독특한 광학적 특성으로 인해 많은 관심을 받고 있는 물질이다. 특히, 금의 경우 인체에 무해하며 다른 물질과 쉽게 반응하지 않는 안정성을 가지고 있기 때문에, 특정 모양 또는 크기를 가지는 금 나노입자의 합성 연구, 약물전달체로서 의 의약학적인 연구, 및 화장품, 치약 등과 같은 생활용품에 적용하기 위한 연구들이 진행되어 오고 있으며, 상기 연구들에 의한 다양한 결과들이 상업화되고 있다.Precious metals such as gold and silver are of interest because of their unique optical properties at the metal surface when in the form of nanostructures. In particular, since gold has stability that is harmless to the human body and does not easily react with other substances, studies on the synthesis of gold nanoparticles having a specific shape or size, medical research as a drug carrier, and life such as cosmetics and toothpaste Research into applications has been underway, and various results by these studies have been commercialized.
일반적으로, 금 나노 구조체는 그 입자의 크기나 형상에 따라 촉매, 화학 및 바이오 센서, 광전 소자, 광학 소자, 나노 소자 및 표면 증강 라만 산란(SERS) 등에서 널리 사용되고 있다. 또한, 금 나노 구조체는 형태에 따라 다양한 광학적 특성을 나타낸다. 구형의 금 나노 구조체의 경우 500㎚ 내지 600㎚에서 강한 흡광 피크를 갖는 반면, 나노선 막대, 나노판, 나노 박스의 형태를 띨 경우 500㎚ 내지 1500㎚에서 흡광 피크가 발생한다.In general, gold nanostructures are widely used in catalysts, chemical and biosensors, photoelectric devices, optical devices, nano devices, and surface enhanced Raman scattering (SERS), depending on the size and shape of the particles. In addition, gold nanostructures exhibit various optical properties depending on their shape. The spherical gold nanostructure has a strong absorption peak at 500 nm to 600 nm, whereas the absorption peak occurs at 500 nm to 1500 nm in the form of nanowire bars, nanoplates and nano boxes.
표면 플라즈몬 공진현상으로 기인하는 나노입자 표면의 국소 전자기장(local electromagnetic field)은 화학적 효과와 함께 표면에 흡착된 분자종의 라만 산란을 현격히 증강시켜 높은 감도로 분자 감지를 가능케 한다. 일반적으로 단일 은 나노입자는 단일 금 나노입자에 비해 1000배 이상의 분자 감지 능력을 보인다. 더욱이, 귀금속 나노입자들이 결집(aggregation)되었을 때 생성되는 공동 내에는 국소적인 전자기장이 형성되어 일명 활성점(hot spot)을 형성한다. 주목할만한 점은 금 입자들이 결집되어 있는 경우 은이 결집되어 있을 때와 유사한 수준의 분자감지 능력을 보인다는 것이다.The local electromagnetic field of the surface of nanoparticles due to the surface plasmon resonance phenomenon greatly enhances Raman scattering of molecular species adsorbed on the surface together with chemical effects, thereby enabling molecular detection with high sensitivity. In general, single silver nanoparticles exhibit more than 1000 times the molecular sensing ability of single gold nanoparticles. Moreover, a local electromagnetic field is formed in the cavity created when the precious metal nanoparticles are aggregated to form a so-called hot spot. It is noteworthy that when gold particles are aggregated, they exhibit a similar level of molecular detection as silver.
따라서, 화학적 및 생물학적으로 안정한 물질인 금을 이용하여 나노 구조체를 제조하면 분자감지용으로 유용하게 이용할 수 있을 것으로 사료된다.Therefore, if nanostructures are prepared using gold, which is a chemically and biologically stable material, it may be useful for molecular detection.
본 발명자들은 분자감지용으로 금을 이용한 나노 구조체에 대해 연구하던 중, 나노 기공성 막 주형의 한쪽 표면에 스퍼터 방식으로 백금을 코팅한 후, 나노 기공성 막 주형 내부에 은/금-은 금속을 순차적으로 전기화학적으로 증착시키거나 은/금/금-은/금 금속을 순차적으로 전기화학적으로 증착시킨 다음 불산 용액으로 막을 제거하고 질산으로 은을 선택적으로 제거하여 다공성 금 나노섬유와 다공성 금/기공이 없는 고체 금 교차 나노막대를 제조하였으며, 상기 제조된 다공성 금 나노섬유와 다공성 금/기공이 없는 고체 금 교차 나노막대의 분자감지 능력이 우수함을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.While the present inventors studied the nanostructure using gold for molecular detection, after coating platinum on one surface of the nanoporous membrane template by sputtering, silver / gold-silver metal was applied inside the nanoporous membrane template. Electrodeposited sequentially or electrochemically depositing silver / gold / gold-silver / gold metals, followed by removal of the membrane with hydrofluoric acid solution and selective removal of silver with nitric acid, followed by porous gold nanofibers and porous gold / pores. A solid gold cross nanorod was prepared without the above, and it was confirmed that the molecular detection ability of the porous gold nanofibers prepared without the porous gold / porous gold / pore was excellent and completed the present invention.
본 발명은 분자감지용 다공성 금 나노섬유와 다공성 금/기공이 없는 고체 금 교차 나노막대, 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.The present invention is to provide a porous gold nanofibers for molecular detection and a solid gold cross nanorod without porous gold / pores, and a method of manufacturing the same.
본 발명은 나노 기공성 막 주형의 한쪽 표면에 스퍼터 방식으로 백금을 코팅한 후, 나노 기공성 막 주형 내부에 은과 금-은 금속을 순차적으로 전기화학적으로 증착시킨 다음 불산 용액으로 막을 제거하고 질산으로 은을 선택적으로 제거하여 제조되며, 30~80㎚의 직경을 갖는 분자감지용 다공성 금 나노섬유를 제공한다.According to the present invention, after coating platinum on one surface of the nanoporous membrane mold by sputtering, silver and gold-silver metal are sequentially electrochemically deposited inside the nanoporous membrane mold, and then the film is removed by hydrofluoric acid solution and nitric acid. To be prepared by selectively removing the silver, to provide a porous gold nanofiber for molecular detection having a diameter of 30 ~ 80nm.
또한, 본 발명은In addition,
1) 나노 기공성 막 주형의 한쪽 표면에 스퍼터 방식으로 백금을 코팅하는 단 계,1) the step of coating platinum on one surface of the nanoporous membrane template by sputtering,
2) 상기 백금이 코팅된 나노 기공성 막 주형 내부에 은을 전기화학적으로 증착하여 채우는 단계,2) electrochemically depositing and filling silver into the platinum-coated nanoporous membrane template;
3) 상기 은이 증착된 나노 기공성 막 주형 내부에 금을 전기화학적으로 증착하여 채우는 단계,3) electrochemically depositing and filling gold inside the nanoporous membrane template on which silver is deposited;
4) 상기 은/금 금속이 증착된 주형 내부에 금-은 합금을 전기화학적으로 증착하여 채우는 단계,4) electrochemically depositing and filling a gold-silver alloy in the mold on which the silver / gold metal is deposited;
5) 상기 은/금/금-은 금속이 증착된 나노 기공성 막 주형 내부에 금을 전기화학적으로 증착하여 채우는 단계,5) electrochemically depositing and filling gold inside the nanoporous membrane mold on which the silver / gold / gold-silver metal is deposited;
6) 상기 은/금/금-은/금 금속이 증착된 나노 기공성 막 주형을 불산 용액에 담궈 막을 제거하는 단계, 및6) removing the film by dipping the nanoporous membrane template on which the silver / gold / gold-silver / gold metal is deposited in a hydrofluoric acid solution, and
7) 상기 막이 제거된 나노 구조물에 질산을 가하여 은을 제거하는 단계를 포함하는, 분자감지용 다공성 금/기공이 없는 고체 금 교차 나노막대의 제조방법을 제공한다.7) It provides a method for producing a solid gold cross-linked nano-rod with no porous gold / pores for molecular detection comprising the step of removing the silver by adding nitric acid to the nanostructure from which the membrane is removed.
또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 분자감지용 다공성 금/기공이 없는 고체 금 교차 나노막대를 제공한다.In addition, the present invention provides a solid gold cross nanorod without the porous gold / pores for molecular detection prepared by the above method.
이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 분자감지용 다공성 금 나노섬유는 나노 기공성 막 주형의 한쪽 표면에 스퍼터 방식으로 백금을 코팅한 후, 나노 기공성 막 주형 내부에 은과 금-은 금속을 순차적으로 전기화학적으로 증착시킨 다음 불산 용액으로 막을 제거 하고 질산으로 은을 선택적으로 제거하여 제조되며, 30~80㎚의 직경을 갖는 것을 특징으로 한다.The porous gold nanofibers for molecular detection according to the present invention are coated with platinum on one surface of the nanoporous membrane template by sputtering, and then sequentially depositing silver and gold-silver metal in the nanoporous membrane template. After removing the film with hydrofluoric acid solution and selectively removing the silver with nitric acid, it is characterized by having a diameter of 30 ~ 80nm.
또한, 본 발명의 다공성 금/기공이 없는 고체 금 교차 나노막대는, 나노 기공성 막 주형의 한쪽 표면에 스퍼터 방식으로 백금을 코팅한 후, 나노 기공성 막 주형 내부에 은/금/금-은/금 금속을 순차적으로 전기화학적으로 증착시킨 다음 불산 용액으로 막을 제거하고 질산으로 은을 선택적으로 제거하여 제조된 것을 특징으로 한다. 상기 방법으로 제조된 다공성 금/기공이 없는 고체 금 교차 나노막대의 직경은 30~500㎚, 바람직하게는 30~300㎚이다.In addition, the porous gold / pore-free solid gold cross nanorod of the present invention, after coating platinum on one surface of the nanoporous membrane template by sputtering, silver / gold / gold-silver inside the nanoporous membrane template The gold metal is sequentially electrochemically deposited, and then the film is removed by hydrofluoric acid solution and is selectively prepared by removing silver with nitric acid. The diameter of the porous gold / pore-free solid gold cross nanorods prepared by the above method is 30-500 nm, preferably 30-300 nm.
또한, 본 발명은 상기 과정 중 은이 증착된 나노 기공성 막에 금과 금-은 금속을 교대로 전기화학적으로 증착하는 과정을 다수 반복하여 다공성 금/기공이 없는 고체 금 다중 교차 나노막대를 제조할 수 있다.In addition, the present invention is to produce a solid gold multi-cross nanorods without porous gold / pores by repeatedly repeating the process of electrochemically depositing gold and gold-silver metal on the nano-porous film on which silver is deposited during the process. Can be.
상기 나노 기공성 막은 나노 기공성 알루미나 막, 나노 기공성 이산화티탄 막 등을 포함하나, 이에 한정되지 않는다. 본 발명에서는 나노 기공성 알루미나 막이 바람직하다. 상기 나노 기공성 막은 양극산화 방법으로 제조하거나 시판되는 것을 사용할 수 있다.The nanoporous membranes include, but are not limited to, nanoporous alumina membranes, nanoporous titanium dioxide membranes, and the like. In the present invention, nanoporous alumina membranes are preferred. The nanoporous membrane may be prepared or commercially available by anodization.
상기 은/금/금-은 금속의 전기화학적 증착시 조건은, 은의 경우 0.01~0.1M의 KAg(CN)2와 0.1~0.5M의 Na2CO3로 이루어진 혼합 용액에서 1~5V에서 10~100초 동안 전기화학적 증착을 수행한다. 금의 경우 0.01~0.05M의 KAu(CN)2와 0.1~0.5M의 Na2CO3로 이루어진 혼합 용액에서 1~5V에서 5~100초 동안 전기화학적 증착을 수행한 다. 금-은 금속의 경우, 0.01~0.05M의 KAu(CN)2, 0.01~0.1M의 KAg(CN)2, 0.1~0.5M의 Na2CO3로 이루어진 혼합 용액에서 1~5V에서 5초~20분 동안 전기화학 증착을 수행한다.Conditions for the electrochemical deposition of the silver / gold / gold-silver metal, 10 ~ 1 ~ 5V in a mixed solution consisting of 0.01 ~ 0.1M KAg (CN) 2 and 0.1 ~ 0.5M Na 2 CO 3 in the case of silver Electrochemical deposition is performed for 100 seconds. In the case of gold, electrochemical deposition is performed for 5 to 100 seconds at 1 to 5 V in a mixed solution consisting of 0.01 to 0.05 M KAu (CN) 2 and 0.1 to 0.5 M Na 2 CO 3 . For gold-silver metals, 5 seconds at 1-5 V in a mixed solution consisting of 0.01 to 0.05 M KAu (CN) 2 , 0.01 to 0.1 M KAg (CN) 2 , and 0.1 to 0.5 M Na 2 CO 3 Electrochemical deposition is performed for 20 minutes.
본 발명에 따른 다공성 금 나노섬유의 표면 증강 라만 산란 세기 효과를 규명하기 위하여 표지 분자로 사용된 크레실 바이올렛트 아세테이트(cresyl violet acetate, CV)는 592cm-1에서 가장 강한 피크를 나타내며, 피크 세기 비교로부터 다공성 금 나노섬유의 직경이 작을수록 표지 분자로부터의 표면 증강 라만 산란 세기가 더 증강된다는 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 다공성 금 나노섬유 및 다공성 금/기공이 없는 고체 금 교차 나노막대는, 다공성 금 나노막대(p-Au)의 표면 증강 라만 산란 세기가 나노 기공이 없는 고체 금 나노막대(s-Au) 보다 최소 7~8배 정도 더 높게 나타남으로써, 분자 감지 능력이 우수함을 알 수 있다.Cresyl violet acetate (CV) used as a labeling molecule to characterize the surface-enhanced Raman scattering intensity effect of porous gold nanofibers according to the present invention shows the strongest peak at 592 cm -1 , and compares the peak intensity It can be seen from the figure that the smaller the diameter of the porous gold nanofibers, the more enhanced the surface enhanced Raman scattering intensity from the labeling molecule. In addition, the porous gold nanofibers of the present invention and the solid gold cross-rods without porous gold / porosity are solid gold nanorods having no surface porosity in the surface enhanced Raman scattering intensity of the porous gold nanorods (p-Au). At least 7 to 8 times higher than Au), the molecular sensing ability is excellent.
따라서, 본 발명에 따른 다공성 금 나노섬유 및 다공성 금/기공이 없는 고체 금 교차 나노막대는 환경분야 뿐만 아니라 생화학 물질의 검출분야에서도 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.Therefore, it is expected that the porous gold nanofibers and the solid gold cross nanorods without porous gold / pores according to the present invention may be widely used in the detection of biochemicals as well as the environmental field.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in order to facilitate understanding of the present invention. However, the following examples are provided only for the purpose of easier understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the examples.
실시예 1Example 1 : 다공성 금 나노섬유의 제조 : Fabrication of Porous Gold Nanofibers
알루미늄 판을 0.3M 옥살산 용액에 담그고 40V 전압을 가하여 양극산화를 수 행하였다. 상기 양극산화 단계를 한번 더 수행한 다음 인산을 이용하여 알루미나 막의 기공 크기를 조절하여 나노 기공성 알루미나 막을 제조하였다[직경: (A)45㎚, (B)57㎚, (C)78㎚]. 상기 제조된 나노 기공성 알루미나 막과, 기공 크기가 큰 상용 알루미나 막(Anodisc, Whatman, 직경: (D)220㎚)을 주형으로 사용하였다.The aluminum plate was immersed in 0.3 M oxalic acid solution and subjected to a 40V voltage to perform anodization. After the anodization step was performed once more, the pore size of the alumina membrane was adjusted using phosphoric acid to prepare a nanoporous alumina membrane (diameter: (A) 45 nm, (B) 57 nm, (C) 78 nm). The prepared nano-porous alumina membrane and a large pore size commercial alumina membrane (Anodisc, Whatman, diameter: (D) 220nm) were used as a template.
상기 제조된 나노 기공성 알루미나 막의 한쪽 표면에 스퍼터 방식을 이용하여 백금(Pt)을 약 50㎚ 두께로 코팅하였다. 금속 증착을 위해, 상기 백금이 코팅된 나노 기공성 알루미나 막을 작용전극으로 사용하였다. 상기 백금이 코팅된 나노 기공성 알루미나 막을 0.05M의 KAg(CN)2(potassium dicyanoargentate)와 0.25M의 Na2CO3(sodium carbonate)로 이루어진 혼합 용액 20㎖에 담그고 2.7V에서 30초 동안 전기화학 증착을 수행하여 백금이 코팅된 나노 기공성 알루미나 막 내부에 은을 도입하였다. 그 다음 상기 은이 증착된 나노 기공성 알루미나 막을 0.02M의 KAu(CN)2, 0.05M의 KAg(CN)2, 0.25M의 Na2CO3로 이루어진 혼합 용액 20㎖에 담그고 2.7V에서 10분 동안 전기화학 증착을 수행하여 나노 기공성 알루미나 막 내부에 금-은 합금을 도입하였다. 상기 기공 내부에 은/금-은 금속이 증착된 나노 기공성 알루미나 막을 10 중량%의 불산(HF)용액에 1시간 동안 담궈 알루미나 막을 제거한 후, 진한 질산(HNO3)으로 30분 동안 처리하여 은을 제거하여 다공성 금 나노섬유의 검은색 현탁액을 얻었다. 상기 얻어진 다공성 금 나노섬유의 검은색 현탁액을 원심분리, 초음파처리 및 탈이온수로 세척하여 다공성 금 나노섬유를 얻었다.Platinum (Pt) was coated on one surface of the prepared nanoporous alumina film to a thickness of about 50 nm by using a sputtering method. For metal deposition, the platinum coated nanoporous alumina membrane was used as the working electrode. The platinum-coated nanoporous alumina membrane was immersed in 20 ml of a mixed solution of 0.05 M KAg (CN) 2 (potassium dicyanoargentate) and 0.25 M Na 2 CO 3 (sodium carbonate) and electrochemically at 2.7 V for 30 seconds. Deposition was performed to introduce silver into the platinum coated nanoporous alumina film. The silver-porous nanoporous alumina film was then immersed in 20 ml of a mixed solution of 0.02 M KAu (CN) 2 , 0.05 M KAg (CN) 2 , 0.25 M Na 2 CO 3 , and at 2.7 V for 10 minutes. Electrochemical deposition was performed to introduce a gold-silver alloy inside the nanoporous alumina film. The nano-porous alumina membrane in which silver / gold-silver metals were deposited inside the pores was immersed in 10 wt% hydrofluoric acid (HF) solution for 1 hour to remove the alumina membrane, and then treated with concentrated nitric acid (HNO 3 ) for 30 minutes. Was removed to obtain a black suspension of porous gold nanofibers. The black suspension of the obtained porous gold nanofibers was centrifuged, sonicated and washed with deionized water to obtain porous gold nanofibers.
상기 제조된 금 나노섬유의 영상화 및 원소 분석은 10kV에서 작동하는 EDX (energy dispersive x-ray spectroscopy)를 장착한 FE-SEM(field emission scanning electron microscope, Hitachi, SU-70)을 이용하여 측정하였다.Imaging and elemental analysis of the prepared gold nanofibers were measured using an FE-SEM (field emission scanning electron microscope, Hitachi, SU-70) equipped with an energy dispersive x-ray spectroscopy (EDX) operating at 10 kV.
본 발명의 다공성 금 나노섬유의 제조 과정은 도 1에 나타내었으며, 본 발명의 다양한 직경의 다공성 금 나노섬유의 주사전자현미경 영상[(A)43㎚, (B)55㎚, (C)74㎚, (D)219㎚]과, Si 웨이퍼 위에서 (B) 55㎚ 직경의 대표적인 EDX 스펙트럼은 도 2에 나타내었다.The manufacturing process of the porous gold nanofibers of the present invention is shown in FIG. 1, and scanning electron microscopy images of porous gold nanofibers of various diameters of the present invention [(A) 43 nm, (B) 55 nm, (C) 74 nm , (D) 219 nm] and a representative EDX spectrum of (B) 55 nm diameter on a Si wafer are shown in FIG. 2.
도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 다양한 직경의 다공성 금 나노섬유 [(A)43㎚, (B)55㎚, (C)74㎚, (D)219㎚]는 약 10㎚의 기공치수와 약 12㎚의 미세 골격 두께(ligament dimension)를 갖는 다공성 구조이며, 순수한 금 원자로 이루어짐을 확인하였다. 또한, 원소 분석에 의해 본 발명의 다공성 금-은 합금 나노섬유의 금-은 합금의 비율은 Au24Ag76의 평균 원자 조성을 갖는 금(Au) 원자와 은(Ag) 원자로 이루어짐을 확인하였다.As shown in FIG. 2, porous gold nanofibers [A] 43 nm, (B) 55 nm, (C) 74 nm, and (D) 219 nm of various diameters of the present invention have a pore size of about 10 nm. It was confirmed that the porous structure had a fine skeleton dimension of about 12 nm and consisted of pure gold atoms. In addition, it was confirmed by elemental analysis that the ratio of the gold-silver alloy of the porous gold-silver alloy nanofibers of the present invention was composed of gold (Au) atoms and silver (Ag) atoms having an average atomic composition of Au 24 Ag 76 .
실시예 2Example 2 : 다공성 금/기공이 없는 고체 금 교차 나노막대의 제조 Fabrication of Porous Gold / Porosity-Free Solid Gold Cross Nanorods
알루미늄 판을 0.3M 옥살산 용액에 담그고 40V 전압을 가하여 양극산화를 수행하였다. 상기 양극산화 단계를 한번 더 수행한 다음 인산을 이용하여 알루미나 막의 기공 크기를 조절하여 70㎚ 직경을 갖도록 나노 기공성 알루미나 막을 제조하였다. 상기 제조된 나노 기공성 알루미나 막을 주형으로 사용하여, 금 용액과 금-은 합금 용액을 서로 교대로 사용하여 이중전극계(two electrode system)에서 금/ 금-은 합금을 도입하였다.An aluminum plate was immersed in 0.3M oxalic acid solution and subjected to 40V voltage to perform anodization. After performing the anodization step once more, the nanoporous alumina membrane was prepared to have a 70 nm diameter by adjusting the pore size of the alumina membrane using phosphoric acid. Using the prepared nano-porous alumina membrane as a template, a gold / gold-silver alloy was introduced in a two electrode system by using a gold solution and a gold-silver alloy solution alternately with each other.
구체적으로는, 상기 상용 알루미나 막의 한쪽 표면에 스퍼터 방식을 이용하여 백금(Pt)을 약 50㎚ 두께로 코팅하였다. 금속 증착을 위해, 상기 백금이 코팅된 나노 기공성 알루미나 막을 작용전극으로 사용하였다. 상기 백금이 코팅된 나노 기공성 알루미나 막을 0.05M의 KAg(CN)2와 0.25M의 Na2CO3로 이루어진 혼합 용액 20㎖에 담그고 2.7V에서 30초 동안 전기화학 증착을 수행하여 백금이 코팅된 나노 기공성 알루미나 막 내부에 은을 도입하였다. 그 다음 상기 은이 증착된 나노 기공성 알루미나 막을 0.02M의 KAu(CN)2와 0.25M의 Na2CO3로 이루어진 혼합 용액 20㎖에 담그고 2.7V에서 10~30초 동안 전기화학 증착을 수행하여 나노 기공성 알루미나 막 내부에 금을 도입하였다. 그 다음 상기 은과 금이 증착된 나노 기공성 알루미나 막을 0.02M의 KAu(CN)2, 0.05M의 KAg(CN)2, 0.25M의 Na2CO3로 이루어진 혼합 용액 20㎖에 담그고 2.7V에서 10초 동안 전기화학 증착을 수행하여 나노 기공성 알루미나 막 내부에 금-은 합금을 도입하였다. 그 다음 상기 은/금/금-은 금속이 증착된 나노 기공성 알루미나 막을 0.02M의 KAu(CN)2와 0.25M의 Na2CO3로 이루어진 혼합 용액 20㎖에 담그고 2.7V에서 30~100초 동안 전기화학 증착을 수행하여 나노 기공성 알루미나 막 내부에 금을 도입하였다. 상기 기공 내부에 은/금/금-은/금 금속이 증착된 나노 기공성 알루미나 막을 10 중량%의 불산(HF)용액에 1시간 동안 담궈 알루미나 막을 제거한 후, 진한 질산(HNO3)으로 30분 동안 처리하여 은을 제거하여 다공성 금 /기공이 없는 고체 금 교차 나노막대를 제조하였다.Specifically, platinum (Pt) was coated on one surface of the commercial alumina film with a thickness of about 50 nm by using a sputtering method. For metal deposition, the platinum coated nanoporous alumina membrane was used as the working electrode. The platinum-coated nanoporous alumina membrane was immersed in 20 ml of a mixed solution consisting of 0.05 M KAg (CN) 2 and 0.25 M Na 2 CO 3 and subjected to electrochemical deposition at 2.7 V for 30 seconds to coat platinum. Silver was introduced into the nanoporous alumina membrane. The nanoporous alumina film on which silver was deposited was then immersed in 20 ml of a mixed solution of 0.02 M KAu (CN) 2 and 0.25 M Na 2 CO 3 , followed by electrochemical deposition at 2.7 V for 10 to 30 seconds. Gold was introduced into the porous alumina membrane. The silver and gold deposited nanoporous alumina membrane was then immersed in 20 ml of a mixed solution of 0.02 M KAu (CN) 2 , 0.05 M KAg (CN) 2 , 0.25 M Na 2 CO 3 , and at 2.7 V. Electrochemical deposition was performed for 10 seconds to introduce a gold-silver alloy inside the nanoporous alumina film. The silver / gold / gold-silver metal-deposited nanoporous alumina film was then immersed in 20 ml of a mixed solution of 0.02 M KAu (CN) 2 and 0.25 M Na 2 CO 3 , and 30-100 seconds at 2.7 V. Electrochemical deposition was performed to introduce gold into the nanoporous alumina film. The porous nano-porous alumina film having silver / gold / gold-silver / gold metal deposited inside the pores was immersed in 10 wt% hydrofluoric acid (HF) solution for 1 hour to remove the alumina film, followed by concentrated nitric acid (HNO 3 ) for 30 minutes. Treatment was performed to remove silver to prepare a solid gold crossover nanorod without porous gold / pores.
또한, 상기 과정 중 은이 증착된 나노 기공성 알루미나 막에 금과 금-은 합금을 교대로 전기화학적으로 증착하는 과정을 다수 반복하여 다공성 금/기공이 없는 고체 금 다중 교차 나노막대를 제조하였다.In addition, a plurality of processes of repeatedly depositing gold and gold-silver alloys electrochemically on the nanoporous alumina film on which silver was deposited were repeated to prepare a porous gold / porous solid gold multi-cross nanorod.
본 발명의 다공성 금/기공이 없는 고체 금 교차 나노막대의 제조 과정은 도 1에 나타내었으며, 본 발명의 다공성 금/기공이 없는 고체 금 교차 나노막대(A)와 다공성 금/기공이 없는 고체 금 다중 교차 나노막대(B)의 주사전자현미경 영상은 도 3에 나타내었다.The manufacturing process of the porous gold / pore-free solid gold cross nanorod of the present invention is shown in Figure 1, the porous gold / pore-free solid gold cross nanorod (A) of the present invention and the porous gold / pore-free solid gold Scanning electron microscope images of multiple cross nanorods (B) are shown in FIG. 3.
도 3에 나타난 바와 같이, 다공성 금/기공이 없는 고체 금 교차 나노막대 (A)와 다공성 금/기공이 없는 고체 금 다중 교차 나노막대(B)는 다공성 금과 기공이 없는 고체 금이 서로 교대로 결합되어 있음을 확인하였다. 또한, 본 발명의 다공성 금/기공이 없는 고체 금 교차 나노막대(A)와 다공성 금/기공이 없는 고체 금 다중 교차 나노막대(B)의 직경은 약 70㎚이었으며, 약 10㎚의 기공치수와 약 12㎚의 미세 골격 두께(ligament dimension)를 갖는 다공성 구조임을 확인하였다.As shown in FIG. 3, the porous gold / pore-free solid gold cross nanorod (A) and the porous gold / pore-free solid gold multi-cross nanorod (B) alternate between the porous gold and the solid gold without the pore. It was confirmed that it is bound. In addition, the diameter of the porous gold / pore-free solid gold cross nanorod (A) of the present invention and the porous gold / pore-free solid gold multi-cross nanorod (B) was about 70nm, the pore size of about 10nm It was confirmed that it was a porous structure having a ligament dimension of about 12 nm.
비교예 1Comparative Example 1 : 기공이 없는 고체 금 나노 섬유의 제조 : Preparation of Porous Solid Gold Nanofibers
알루미늄 판을 0.3M 옥살산 용액에 담그고 40V 전압을 가하여 양극산화를 수행하였다. 상기 양극산화 단계를 한번 더 수행한 다음 인산을 이용하여 알루미나 막의 기공 크기를 조절하여 나노 기공성 알루미나 막을 제조하였다. 상기 제조된 나노 기공성 알루미나 막을 주형으로 사용하였다.An aluminum plate was immersed in 0.3M oxalic acid solution and subjected to 40V voltage to perform anodization. After performing the anodization step once more, a nanoporous alumina membrane was prepared by controlling the pore size of the alumina membrane using phosphoric acid. The prepared nano-porous alumina membrane was used as a template.
상기 제조된 나노 기공성 알루미나 막의 한쪽 표면에 스퍼터 방식을 이용하여 백금(Pt)을 얇게 코팅하였다. 상기 백금이 코팅된 나노 기공성 알루미나 막을 0.02M의 KAu(CN)2와 0.25M의 Na2CO3로 이루어진 혼합 용액 20㎖에 담그고 2.7V에서 10분 동안 전기화학 증착을 수행하여 기공이 없는 고체 금 나노섬유를 제조하였다.Platinum (Pt) was thinly coated on one surface of the prepared nanoporous alumina membrane using a sputtering method. The platinum-coated nanoporous alumina membrane was immersed in 20 ml of a mixed solution consisting of 0.02 M KAu (CN) 2 and 0.25 M Na 2 CO 3 and subjected to electrochemical deposition at 2.7 V for 10 minutes to obtain a pore-free solid. Gold nanofibers were prepared.
상기 제조된 기공이 없는 고체 금 나노섬유의 평균직경은 약 53㎚이었으며, 기공이 없는 부드러운 고체 표면을 나타내었다.The prepared pore-free solid gold nanofibers had an average diameter of about 53 nm and exhibited a smooth solid surface without pores.
실험예 1Experimental Example 1 : 다공성 금 나노섬유의 분자감지 능력 평가 : Evaluation of Molecular Sensing Ability of Porous Gold Nanofibers
본 발명의 다공성 금 나노섬유의 분자감지 능력을 확인하기 위하여, 표면 증강 라만 산란 세기(surface-enhanced Raman-scattering; SERS)를 자가제작 마이크로-라만 현미경으로 측정하였다.In order to confirm the molecular sensing ability of the porous gold nanofibers of the present invention, surface-enhanced Raman-scattering (SERS) was measured by a self-made micro-Raman microscope.
모든 측정은 633㎚ 파장을 갖는 He-Ne 레이저를 이용하였고, 여기 파워 (excitation laser poser)는 5mW로 조절하였다. SERS 스펙트럼은 각각의 시료 위치에서 100초 동안 측정하였으며, 여러 위치의 입자들로부터 얻었다. SERS 세기를 크레실 바이올렛트 아세테이트 표지 분자(HPLC 등급 에탄올에서 순차적인 희석에 의해 제조된 10-6~10-9 mol dm-3(M)의 농도 범위 내)와 금 나노물질을 포함하는 수용액으로부터 측정하였다. 시료 용액을 두 개의 글라스 슬라이드 사이에 샌드위치시킨 다음 SERS를 측정하여 용매 증발을 피하였다.All measurements were performed using a He-Ne laser with a 633 nm wavelength, and the excitation power (excitation laser poser) was adjusted to 5 mW. SERS spectra were measured for 100 seconds at each sample location and were obtained from particles at various locations. The SERS intensity was derived from an aqueous solution comprising a cresyl violet acetate labeled molecule (within a concentration range of 10 −6 to 10 −9 mol dm −3 (M) prepared by sequential dilution in HPLC grade ethanol) and gold nanomaterials. Measured. Sample solution was sandwiched between two glass slides and then SERS was measured to avoid solvent evaporation.
본 발명의 다양한 직경의 다공성 금 나노섬유에 대한 10-7 mol dm-3(M)의 농도 에서 표지 분자(CV)의 표면 증강 라만 산란 스펙트럼(A)과, 592cm-1에서 다공성 금 나노섬유의 직경에 따른 표면 증강 라만 산란 세기 함수(B)는 도 4에 나타내었다.Surface-enhanced Raman scattering spectrum (A) of labeling molecule (CV) at concentrations of 10 −7 mol dm −3 (M) for porous gold nanofibers of various diameters of the present invention, and porous gold nanofibers at 592 cm −1 The surface enhanced Raman scattering intensity function (B) with diameter is shown in FIG. 4.
본 발명의 55㎚ 직경을 갖는 다공성 금 나노섬유(p-Au)와 기공이 없는 고체 금 나노 섬유(s-Au)에 대한 10-6~10-9 mol dm-3(M)의 농도 범위에서 표지 분자(CV)의 표면 증강 라만 산란 스펙트럼은 도 5에 나타내었다.In the concentration range of 10 -6 to 10 -9 mol dm -3 (M) for porous gold nanofibers (p-Au) and pore-free solid gold nanofibers (s-Au) having a 55 nm diameter of the present invention Surface enhanced Raman scattering spectra of the labeling molecule (CV) are shown in FIG. 5.
도 4에 나타난 바와 같이, 본 발명의 다공성 금 나노섬유(p-Au)의 표면 증강 라만 산란 세기 효과를 규명하기 위하여 표지 분자로 사용된 크레실 바이올렛트 아세테이트는 592cm-1에서 강한 피크를 나타내었으며, 피크 세기 비교로부터 다공성 금 나노섬유(p-Au)의 직경이 작을수록 표지 분자로부터의 표면 증강 라만 산란 세기가 더 증강된다는 것을 확인하였다.As shown in FIG. 4, cresyl violet acetate used as a labeling molecule to characterize the surface enhanced Raman scattering intensity effect of the porous gold nanofibers (p-Au) of the present invention showed a strong peak at 592 cm −1 . From the peak intensity comparison, it was confirmed that the smaller the diameter of the porous gold nanofibers (p-Au), the more enhanced the surface enhanced Raman scattering intensity from the labeling molecule was.
또한, 도 5에 나타난 바와 같이, 본 발명의 다공성 금 나노섬유(p-Au)로부터의 표면 증강 라만 산란 세기는 나노 기공이 없는 고체 금 나노섬유(s-Au)의 경우 보다 최소 7배 정도 더 높게 나타남을 확인하였다.In addition, as shown in Figure 5, the surface-enhanced Raman scattering intensity from the porous gold nanofibers (p-Au) of the present invention is at least 7 times more than in the case of solid gold nanofibers (s-Au) without nanopores It was confirmed to appear high.
실험예 2Experimental Example 2 : 다공성 금/기공이 없는 고체 금 교차 나노막대의 상대적 분자감지 능력 평가 : Evaluation of Relative Molecular Sensing Ability of Porous Gold / Porosity-free Solid Gold Cross Nanorods
나노 기공이 없는 고체 금 나노섬유(s-Au)에 비해 다공성 금 나노섬유(p-Au)의 표면 증강 라만 산란 세기(SERS) 활성의 상대적 분자감지 능력을 확인하기 위하여, 표면 증강 라만 산란 세기를 시판되는 라만 현미경 시스템 (JASCO, NRS-3100) 을 사용하여 2차원(2D) 라만 산란 영상 연구를 수행하였다.Surface-enhanced Raman scattering intensity was measured to determine the relative molecular sensing ability of surface-enhanced Raman scattering intensity (SERS) activity of porous gold nanofibers (p-Au) compared to solid gold nanofibers (s-Au) without nanopores. Two-dimensional (2D) Raman scattering imaging studies were performed using a commercially available Raman microscope system (JASCO, NRS-3100).
본 발명의 다공성 금/기공이 없는 고체 금 교차 나노막대의 주사전자 현미경 영상, 광학 영상 및 표면 증강 라만 산란 스펙트럼은 도 6에 나타내었다[(A) 주사전자 현미경 영상, (B) 다공성 금과 기공이 없는 고체 금의 결합부분에서 (A)의 확대된 영상, (C) 광학 영상, (D) 2차원(2D) 라만 산란 영상, (E) 나노 기공이 없는 고체 금 나노막대의 라만 스펙트럼, 및 (F) 다공성 금 나노막대의 라만 스펙트럼].Scanning electron microscopy images, optical images and surface enhanced Raman scattering spectra of the solid gold crossover nanorods without porous gold / pore of the present invention are shown in FIG. 6 ((A) scanning electron microscopy images, (B) porous gold and pores) Magnified image of (A), (C) optical image, (D) two-dimensional (2D) Raman scattering image, (E) Raman spectrum of solid gold nanorod without nano pores, (F) Raman spectrum of porous gold nanorods].
도 6에 나타난 바와 같이, 본 발명의 다공성 금/기공이 없는 고체 금 교차 나노막대의 라만 산란 영상에서 다공성 금 나노막대(p-Au)의 표면 증강 라만 산란 세기는 나노 기공이 없는 고체 금 나노막대(s-Au) 보다 8배 정도 더 높게 나타남을 확인하였다. 따라서, 본 발명의 다공성 금/기공이 없는 고체 금 교차 나노막대는 분자 감지 능력이 우수함을 알 수 있다.As shown in FIG. 6, in the Raman scattering image of the porous gold / pore-free solid gold cross nanorod of the present invention, the surface enhancement Raman scattering intensity of the porous gold nanorod (p-Au) is a solid gold nanorod without nanoporosity. It was confirmed that it appeared about 8 times higher than (s-Au). Accordingly, it can be seen that the porous gold / pore-free solid gold cross nanorod of the present invention has excellent molecular sensing ability.
본 발명에 따른 다공성 금 나노섬유의 표면 증강 라만 산란 세기 효과를 규명하기 위하여 표지 분자로 사용된 크레실 바이올렛트 아세테이트는 592cm-1에서 강한 피크를 나타내며, 피크 세기 비교로부터 다공성 금 나노섬유의 직경이 작을수록 표지 분자로부터의 표면 증강 라만 산란 세기가 더 증강된다는 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 다공성 금 나노섬유 및 다공성 금/기공이 없는 고체 금 교차 나노막대는, 다공성 금 나노막대(p-Au)의 표면 증강 라만 산란 세기가 나노 기공이 없는 고체 금 나노막대(s-Au) 보다 최소 7~8배 정도 더 높게 나타남으로써, 분자 감 지 능력이 우수함을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 다공성 금 나노섬유 및 다공성 금/기공이 없는 고체 금 교차 나노막대는 환경분야 뿐만 아니라 생화학 물질의 검출분야에서도 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.The cresyl violet acetate used as a labeling molecule to characterize the surface enhanced Raman scattering intensity effect of the porous gold nanofibers according to the present invention shows a strong peak at 592 cm -1 , and the diameter of the porous gold nanofibers It can be seen that the smaller the enhancement of surface enhanced Raman scattering intensity from the labeling molecule. In addition, the porous gold nanofibers of the present invention and the solid gold cross-rods without porous gold / porosity are solid gold nanorods having no surface porosity in the surface enhanced Raman scattering intensity of the porous gold nanorods (p-Au). At least 7 ~ 8 times higher than Au), the molecular sensing ability is excellent. Therefore, it is expected that the porous gold nanofibers and the solid gold cross nanorods without porous gold / pores according to the present invention may be widely used in the detection of biochemicals as well as the environmental field.
도 1은 본 발명의 다공성 금 나노섬유 또는 다공성 금/기공이 없는 고체 금 교차 나노 막대의 제조 과정을 개략적으로 나타낸 도이다 [(A) 백금 코팅, (B) 은 증착, (F,H) 금 증착, (C,G) 금-은 합금 증착, (D,I)나노 기공성 주형 막 제거, 및 (E,J) 은 제거].1 is a schematic view showing the manufacturing process of the porous gold nanofibers of the present invention or the solid gold cross nanorods without porous gold / pores [(A) platinum coating, (B) silver deposition, (F, H) gold Deposition, (C, G) gold-silver alloy deposition, (D, I) nanoporous template film removal, and (E, J) silver removal].
도 2는 본 발명의 다양한 직경의 다공성 금 나노섬유의 주사전자현미경 영상 [(A)43㎚, (B)55㎚, (C)74㎚, (D)219㎚]과, Si 웨이퍼 위에서 (B) 55㎚ 직경의 대표적인 EDX 스펙트럼을 나타낸 도이다.2 is a scanning electron microscope image of various diameters of porous gold nanofibers of the present invention ((A) 43 nm, (B) 55 nm, (C) 74 nm, (D) 219 nm) and (B) on a Si wafer. ) Is a diagram showing a representative EDX spectrum of 55 nm diameter.
도 3은 본 발명의 다공성 금/기공이 없는 고체 금 교차 나노막대(A)와 다공성 금/기공이 없는 고체 금 다중 교차 나노막대(B)의 주사전자현미경 영상을 나타낸 도이다.3 is a scanning electron microscope image of a porous gold / pore-free solid gold cross nanorod (A) and a porous gold / pore-free solid gold multi-cross nanorod (B) of the present invention.
도 4는 본 발명의 다양한 직경의 다공성 금 나노섬유에 대한 10-7 mol dm-3(M)의 농도에서 표지 분자(CV)의 표면 증강 라만 산란 스펙트럼(A)과, 592cm-1에서 다공성 금 나노섬유의 직경에 따른 표면 증강 라만 산란 세기 함수(B)를 나타낸 도이다.FIG. 4 shows the surface enhanced Raman scattering spectrum (A) of the labeling molecule (CV) at a concentration of 10 −7 mol dm −3 (M) for porous gold nanofibers of various diameters of the present invention, and porous gold at 592 cm −1 . Figure showing the surface enhanced Raman scattering intensity function (B) according to the diameter of the nanofibers.
도 5는 본 발명의 55㎚ 직경을 갖는 다공성 금 나노섬유(p-Au)와 기공이 없는 고체 금 나노 섬유(s-Au)에 대한 10-6~10-9 mol dm-3(M)의 농도 범위에서 표지 분자(CV)의 표면 증강 라만 산란 스펙트럼을 나타낸 도이다.FIG. 5 shows 10 −6 to 10 −9 mol dm −3 (M) of porous gold nanofibers (p-Au) and pore-free solid gold nanofibers (s-Au) with 55 nm diameter of the present invention. Figure shows the surface enhanced Raman scattering spectrum of the labeling molecule (CV) in the concentration range.
도 6은 본 발명의 다공성 금/기공이 없는 고체 금 교차 나노 막대의 주사전 자 현미경 영상, 광학 영상 및 표면 증강 라만 산란 스펙트럼을 나타낸 도이다[(A) 주사전자 현미경 영상, (B) 다공성 금과 기공이 없는 고체 금의 결합부분에서 (A)의 확대된 영상, (C) 광학 영상, (D) 2차원(2D) 라만 산란 영상, (E) 나노 기공이 없는 고체 금 나노막대의 라만 스펙트럼, 및 (F) 다공성 금 나노막대의 라만 스펙트럼].FIG. 6 shows scanning electron microscopy images, optical images and surface enhanced Raman scattering spectra of solid gold crossover nanorods without porous gold / pore of the invention [(A) Scanning electron microscopy image, (B) Porous gold (A) magnified image of (A), (C) optical image, (D) two-dimensional (2D) Raman scattering image, (E) Raman spectrum of solid gold nanorod without nanopores , And (F) Raman spectra of porous gold nanorods].
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