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KR101511036B1 - 나노 플라즈모닉 바이오 센서 - Google Patents

나노 플라즈모닉 바이오 센서 Download PDF

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KR101511036B1
KR101511036B1 KR20140006634A KR20140006634A KR101511036B1 KR 101511036 B1 KR101511036 B1 KR 101511036B1 KR 20140006634 A KR20140006634 A KR 20140006634A KR 20140006634 A KR20140006634 A KR 20140006634A KR 101511036 B1 KR101511036 B1 KR 101511036B1
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KR
South Korea
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nanostructure
metal
polymer layer
metal nanostructure
sensitive polymer
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KR20140006634A
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Inventor
정기훈
강민희
Original Assignee
한국과학기술원
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Abstract

본 발명은 플라즈모닉 나노구조 형태의 화학 및 바이오 센서에 관한 것으로서, 상세하게는 센서 내 포함된 금속 나노구조체 간의 수직 간격을 조절하여 국부표면플라즈몬 공명 현상을 증폭시켜 자극 감지능을 획기적으로 향상시킬 수 있으며, 이를 통하여 화학/바이오 물질의 선택적 검출 및 센서의 감지 재현성을 보장할 수 있는 나노 플라즈모닉 바이오 센서를 제공할 수 있다.

Description

나노 플라즈모닉 바이오 센서{Nano Plasmonic bio-sensor}
본 발명은 플라즈모닉 나노구조 형태의 화학 및 바이오 센서에 관한 것으로서, 상세하게는 국부표면플라즈몬 공명(LSPR; Localized Surface Plasmon Resonance) 현상을 증폭시켜 표면증강라만산란을 획기적으로 향상시킨, 고감도 표면증강라만 산란을 위한 열 감응 고분자를 이용한 삼차원 플라즈모닉 나노 구조 형태의 나노 플라즈모닉 바이오 센서에 관한 것이다.
국부표면플라즈몬 공명 현상은 입사광의 파장보다 작은 크기의 전도성 나노입자 혹은 금속 나노구조로 인하여 유도되며, 이러한 공명 현상은 나노구조 주위 영역의 전자기장의 증폭 효과가 있다.
최근 가시광선 및 근적외선 영역 내 국부표면플라즈몬 공명을 갖는 금속 나노 구조의 나노 플라즈모닉 바이오 기판을 이용한 표면 증강 라만 산란(SERS; Surface-enhanced Raman scattering)은 극미세 농도의 화학/바이오 물질 검출을 위하여 큰 관심을 받고 있다.
이러한 금속 나노 구조에 의한 신호 강화 기술은 신호 강화에 중요한 요인으로서, 국부적 전자기장 집적영역(hot spot)의 수를 증가시키고 국부적 전자기장 집적영역의 주변으로 검출하고자 하는 특정 분자를 밀접시켜 전자기장 강도를 증폭시키는 측면이 고려되고 있다.
한편, 최근 광학 센서 분야에서는 열, 빛, 전기장, 자기장 등과 같은 외부 자극에 의해 상변화가 일어나는 고분자 물질인 자극 감응형 고분자를 이용하고자 하는 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 특히 이러한 자극 감응형 고분자와 금속 나노입자를 결합시키거나 금속 나노입자를 고분자 매트릭스에 함입시킨 형태의 광학 센서가 개발되고 있다.
이에, 이와 같은 자극 감응형 고분자 및 금속 입자를 나노 플라즈모닉 화학/바이오 기판에 적용하여, 표면증강라만산란이 향상된 바이오 센서를 제작하고자 하나, 국부적 전자기장 집적영역(hot spot)의 수를 증가시키고 국부적 전자기장 집적영역(hot spot)의 주변으로 검출하고자 하는 특정 분자를 밀접시키는데 있어서 재현성이 문제되어 왔다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 센서 내 포함된 금속 나노구조체 간의 수직 간격을 조절하여 국부표면플라즈몬 공명 현상을 증폭시켜 표면증강라만산란을 향상시킨 고감도 나노 플라즈모닉 바이오 센서를 제공하기 위한 것이다.
또한, 표면증강라만산란의 효율을 높이기 위하여 감지하고자 하는 타겟 물질에 따라 국부표면 플라즈몬 공명 파장이 서로 다른 센서를 선택 할 필요 없이, 하나의 센서 내 포함 된 금속 나노구조체 간의 수직 간격을 능동적으로 조절하여 국부표면 플라즈몬 공명 파장의 능동 조절이 가능한 나노 플라즈모닉 바이오 센서를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 나노 플라즈모닉 바이오 센서는, 기판에 고정된 제1금속 나노구조체; 제1금속 나노구조체 상부에 위치하며, 검출 대상 물질을 포함하는 자극 감응성 고분자층; 및 자극 감응성 고분자층에 의해 이동되는 제2금속 나노구조체;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 플라즈모닉 바이오 센서에 있어, 제2금속 나노구조체는 자극 감응성 고분자층에 함입될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 플라즈모닉 바이오 센서에 있어, 제2금속 나노구조체는 자극 감응성 고분자층 상부에 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 플라즈모닉 바이오 센서에 있어, 자극 감응성 고분자층은 일면이 기판 및 상기 제1금속 나노구조체에 고정되며, 자극 감응성 고분자층에 의해 기판에 수직한 방향으로 두께가 가변될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 플라즈모닉 바이오 센서에 있어, 자극 감응성 고분자층은 두께가 100 nm 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 플라즈모닉 바이오 센서에 있어, 제1금속 나노구조체 또는 제2금속 나노구조체는, 금속 나노입자, 나노바, 나노플레이트, 나노튜브, 나노블럭 및 나노섬을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 플라즈모닉 바이오 센서에 있어, 제1금속 나노구조체는 0.1nm 이상 99nm 이하의 간격으로 고정 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 플라즈모닉 바이오 센서에 있어, 제1금속 나노구조체 또는 제2금속 나노구조체는, 금, 은, 백금, 알루미늄, 철, 아연, 구리, 주석, 청동, 황동, 니켈로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 1종 이상 또는 선택된 2종 이상의 합금일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 플라즈모닉 바이오 센서에 있어, 자극 감응성 고분자층은 산도(pH), 온도(열), 전기장, 자기장 및 빛 중 적어도 어느 하나의 자극에 따른 팽창 또는 수축 특성을 갖는 수화겔로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 나노 플라즈모닉 바이오 센서에 있어, 검출 대상 물질은 라만-활성 리포터 분자를 포함할 수 있다.
본 발명의 나노 플라즈모닉 바이오 센서에 따르면, 센서 내 포함된 금속 나노구조체 간의 수직 간격을 조절하여 국부표면플라즈몬 공명 현상을 증폭시켜 표면증강라만산란을 향상시킬 수 있다.
또한, 능동적으로 센서 내 포함 된 금속 나노구조체 간의 수직 간격을 조절함으로써 국부표면플라즈몬 공명 파장을 선택적으로 조절 할 수 있다.
또한, 감지하고자 하는 타겟 물질에 따라 국부표면 플라즈몬 공명 파장이 서로 다른 센서를 선택 할 필요 없이 하나의 센서 내 포함 된 금속 나노구조체 간의 수직 간격을 능동적으로 조절하여 국부표면 플라즈몬 공명 파장의 능동 조절이 가능한 나노 플라즈모닉 바이오 센서를 제작할 수 있다.
또한, 이와 같이 검출하고자 하는 타겟 물질에 따른 맞춤형 감지가 가능하게 되어, 화학/바이오 물질의 선택적 검출 및 센서의 감지 재현성을 보장할 수 있는 장점이 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 나노 플라즈모닉 바이오 센서의 구조를 개념적으로 보여주기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자극 감응형 고분자의 온도 자극에 따른 국부표면플라즈몬 공명 변화을 보여주기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자극 감응형 고분자의 온도 자극(조건)에 따른 부피변화를 가시적으로 확인하기 위한 사진이다.
도 6은 본 발명과 관련한 금속 입자 사이의 간격에 따른 국부적 전자기장 집적 강도의 차이를 설명하기 위한 전자기파 시뮬레이션(FDTD) 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 플라즈모닉 바이오 센서의 온도에 따른 표면증강라만산란(SERS) 강도를 보여주기 위한 그래프이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 나노 플라즈모닉 바이오 센서를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명의 나노 플라즈모닉 바이오 센서는 센서 내 포함된 금속 나노구조체 간의 수직 간격을 조절하여 국부표면플라즈몬 공명 현상을 증폭시켜 표면증강라만산란을 획기적으로 향상시킨 고감도 나노 플라즈모닉 바이오 센서이다.
구체적으로, 본 발명의 나노 플라즈모닉 바이오 센서는 기판(100)에 고정된 제1금속 나노구조체(121), 제1금속 나노구조체(121) 상부에 위치하며, 검출 대상 물질을 포함하는 자극 감응성 고분자층(110) 및 자극 감응성 고분자층(110)에 의해 이동되는 제2금속 나노구조체(125)를 포함한다. 이때 본 발명의 나노 플라즈모닉 바이오 센서는 기판(100)에 고정된 제1금속 나노구조체(121)와 이동 가능한 제2금속 나노구조체(125)가 포함되며, 이러한 제1금속 나노구조체(121)와 제2금속 나노구조체(125) 사이의 수직 간격(d)이 자극 감응성 고분자 물질에 의하여 가변되도록 구성되면 크게 제한 없이 실시하는 것이 모두 가능하다. 그러나 구체적인 실시예로 도 1 내지 도 3에 나타난 바와 같은 센서 모듈 형태를 포함하는 것이 바람직하다.
상세하게는, 본 발명의 일 실시예에 따르면 나노 플라즈모닉 바이오 센서는 도 1에 나타난 바와 같이, 기판(100)에 고정된 제1금속 나노구조체(121), 제1금속 나노구조체(121) 상부에 위치하며, 검출 대상 물질을 포함하는 자극 감응성 고분자층(110) 및 자극 감응성 고분자층(110)에 함입되어 자극 감응성 고분자층(110)에 의해 이동되는 제2금속 나노구조체(125)를 포함할 수 있다.
또는, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 나노 플라즈모닉 바이오 센서는 도 2에 나타난 바와 같이 기판(100)에 고정된 제1금속 나노구조체(121), 제1금속 나노구조체(121) 상부에 위치하며, 검출 대상 물질을 포함하는 자극 감응성 고분자층(110) 및 자극 감응성 고분자층(110) 상부에 위치하여 자극 감응성 고분자층(110)에 의해 이동되는 제2금속 나노구조체(125)를 포함할 수 있다.
이러한 제1금속 나노구조체(121) 또는 상기 제2금속 나노구조체(125)는 도체 및 반도체를 포함하여 가시광선 내지 적외선 영역에서 표면 플라즈몬이 나타나는 금속이면 무방하며, 본 발명의 실시예에 따라 전도 효율 면을 고려하여 금, 은, 백금, 알루미늄, 철, 아연, 구리, 주석, 청동, 황동, 니켈로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 1종 이상 또는 선택된 2종 이상의 합금을 적용하는 것이 바람직하다.
여기서, 제1금속 나노구조체(121) 또는 제2금속 나노구조체(125)는 0차원 나노구조체, 1차원 나노구조체, 2차원 나노구조체 및 3차원 나노구조체 중 하나 이상을 선택하여 채용할 수 있다. 이때, 0차원 나노구조체는 양자점을 포함하는 나노 입자를 포함할 수 있으며, 0차원 나노구조체는 나노 입자들의 콜로이드, 나노입자들의 분산상, 일 평면 또는 다 평면에 걸쳐 규칙적이거나 불규칙적으로 배열된 나노입자를 포함할 수 있다. 결정학적으로, 0차원 나노구조체를 이루는 나노입자는 단결정체, 트윈과 같은 면 결함을 갖는 유사 단결정체, 다결정체 또는 비정질일 수 있다. 형상태적으로, 0차원 나노구조체를 이루는 나노 입자는 구형 입자, 십면체 또는 큐브와 같은 각진 입자,쌀알형태와 같이 1을 초과하는 장단축비를 갖는 장방형(elongated shape) 입자 또는 다공성 입자일 수 있다. 1차원 나노구조체(121)는 나노 와이어, 나노 로드, 나노 벨트 및 나노 튜브에서 하나 이상 선택된 구조를 포함할 수 있으며, 1차원 나노구조체(121)는 나노 와이어, 나노 로드, 나노 벨트 및 나노 튜브에서 하나 이상 선택되는 1차원 나노 구조의 분산상 또는 이러한 1차원 나노 구조가 일 평면 또는 다 평면에 걸쳐 규칙적이거나 불규칙적으로 배열된 구조를 포함할 수 있다. 결정학적으로, 1차원 나노구조체(121)를 이루는 1차원 나노 구조는 단결정체, 트윈과 같은 면 결함을 갖는 유사 단결정체, 다결정체 또는 비정질일 수 있다. 2차원 나노구조체는 나노 플레이트 및 나노 두께의 필름에서 하나 이상 선택된 구조를 포함할 수 있으며, 2차원 나노구조체는 나노 플레이트가 분산된 분산상 또는 나노 플레이트가 일 평면 또는 다 평면에 걸쳐 규칙적이거나 불규칙적으로 배열된 구조를 포함할 수 있으며, 2차원 나노구조체는 나노 구조를 지지하는 지지체 표면 형성된 나노 두께의 필름 또는 둘 이상의 나노 두께의 필름이 서로 이격 또는 서로 접하도록 적층된 구조를 포함할 수 있다. 결정학적으로, 나노 플레이트 또는 나노 필름은 단결정체, 트윈과 같은 면 결함을 갖는 유사 단결정체, 다결정체 또는 비정질일 수 있다.
금속 나노구조체(120; 121, 125)는 상술한 0차원 나노구조체, 1차원 나노구조체 및 2차원 나노구조체에서 하나 이상 선택된 나노구조체로 이루어질 수 있다. 구체적인 일 예로, 금속 나노구조체(120; 121, 125)는 0차원 나노구조체와 1차원 나노구조체가 혼재된 형태일 수 있으며, 2차원 나노구조체상 0차원 나노구조체 또는 1차원 나노구조체가 규칙 또는 불규칙적으로 배열된 형태일 수 있으며, 0차원 나노구조체가 1차원 나노구조체에 결합된 형태일 수 있다.
기판(100)은 상술한 금속 나노구조체(120; 121, 125) 및 금속 나노구조체(120; 121, 125)를 지지하는 지지체를 포함할 수 있다. 이때, 지지체에는 검출 대상 물질을 함유하는 액을 금속 나노구조체(120; 121, 125)로 이송시켜 접촉시키는 유로가 구비된 것일 수 있음은 물론이다.
그러나, 상술한 기판(100)의 금속 나노구조체(120; 121, 125) 및 지지체에 의해 본 발명이 한정될 수 없음은 물론이며, 다양한 구조 및 형태의 SERS용 기판(100)이면 무방하다.
이때, 제1금속 나노구조체(121)는 복수개로 이루어지며, 이러한 제1금속 나노구조체(121)들은 서로 이격거리를 갖도록 기판(100) 상단에 고정 형성되는 것이 바람직하며, 수십 나노 미터 이하의 간격을 갖도록 고정 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
여기서, 복수개의 제1금속 나노구조체(121)들 사이의 간격은 국부 표면 플라즈몬 공명 현상을 용이하게 유도하기 위한 측면에서 본 발명의 제1금속 나노구조체(121) 또는 제2금속 나노구조체(125)의 크기보다 작은 값을 갖도록 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 좋게는, 본 발명에 따른 제1금속 나노구조체(121) 또는 제2금속 나노구조체(125)가 나노 스케일의 입자임에 따라, 그 크기를 고려하여 본 발명에 따른 복수개의 제1금속 나노구조체(121)들 사이의 간격은 0.1nm 이상 99nm 이하의 간격으로 고정 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
구체적으로, 제1금속 나노구조체(121)들 사이의 이격거리를 적어도 0.1nm 이상 99nm 이하의 간격으로 조절하면, 자극 감응성 고분자층(110) 내에 포함된 검출 대상 물질과의 접촉을 위한 표면적이 증대되어 더욱 고감도의 감지효율을 확보하게 될 수 있다. 보다 구체적으로, 제1금속 나노구조체(121)들 사이의 이격거리가 0.1nm 미만인 경우 나노구조 주위 영역의 증폭된 전자기장의 영역이 극히 적을 수 있으며, 제1금속 나노구조체(121)들 사이의 이격거리가 금속 나노 구조체의 크기보다 초과인 경우 나노 구조 주위 영역의 전자기장 증폭이 미미한 문제점이 발생될 수 있다.
그리고, 본 발명의 나노 플라즈모닉 바이오 센서의 자극 감응성 고분자층(110)은 외부로부터 인가되는 특정 자극에 따라 물성이 달라지는 특성을 갖을 수 있다. 구체적으로 자극 감응성 고분자층(110)은 산도(pH), 온도(열), 전기장, 자기장 및 빛 중 적어도 어느 하나의 자극에 따른 물리적인 팽창 또는 수축 특성을 갖는 수화겔로 이루어질 수 있다. 이때, 자극 감응성 고분자층(110)의 상기 자극에 따른 팽창 또는 수축 특성은 일반적인 팽윤 특성을 포함하여 의미하는 것일 수 있다. 구체적으로 설명하면, 이러한 특성을 갖는 수화겔은 외부로부터 인가되는 특정 자극에 의하여 함수(水)량을 달리하여 전체 체적을 가변시키게 되는 것이다. 일례로 도 4에서 보듯이, 온도 자극 감응형 고분자 수화겔인 poly(NIPAAAm)의 경우 온도가 높아지면서 물분자(H2O)가 빠져나감에 따라 분자구조가 변하여 poly(NIPAAAm)에 의한 체적이 가변됨을 확인할 수 있다. 즉, 온도가 낮은 경우보다 온도가 높은 경우 체적이 더 감소되는 경향을 보이며, 이는 도 4의 사진으로 확인할 수 있다.
구체적이며 비한정적인 일례로, 자극 감응성 고분자층(110)을 이루는 수화겔은 폴리(에틸렌옥사이드), 폴리(프로필렌옥사이드), 폴리(비닐메틸이써), 폴리(하이드로프로필아크릴레이트), 하이드록시프로필셀룰로즈, 메틸셀룰로즈, 하이드록시프로필 메틸셀룰로즈, 폴리(비닐알콜), 폴리(N-substituted 아크릴아마이드), 폴리(N-이소프로필 아크릴아마이드), 폴리(N-아크릴로릴 피로리딘), 폴리(N-아크릴로릴 피퍼리딘), 폴리(아크릴-L-아미노 에시드 아마이드) 및 폴리(메타크릴릭 에시드)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종 이상 및 이들의 파생물을 포함할 수 있다. 또한, 이외 통상적으로 사용되는 자극 감응성 고분자층(110)을 이루는 수화겔을 자극원의 큰 제한없이 사용할 수도 있다.
본 발명에 있어서, 화학/바이오 센서의 감지 효율의 극대화를 유도하기 위하여 자극 감응성 고분자층(110)은 일면이 상기 기판(100) 및 상기 제1금속 나노구조체(121) 측에 고정 형성시키는 것이 바람직할 수 있다. 이와 같이 자극 감응성 고분자층(110)의 일면을 기판(100) 측에 고정 형성시키는 것은, 자극 감응성 고분자층(110)을 이루는 물질인 수화겔이 외부 자극에 반응하여 체적을 변화시킬 때, 3차원 방향으로 체적이 변동되어 센서가 변형되는 것을 방지하고 기판(100)에 수직한 방향인 자극 감응성 고분자층(110)의 두께 만 가변되도록 하기 위함이다.
이때, 자극 감응성 고분자층(110)의 두께는 국부 표면 플라즈몬 공명 현상을 용이하게 유도하여 전자기장을 보다 증폭시키기 위한 측면에서 본 발명의 제1금속 나노구조체(121) 또는 제2금속 나노구조체(125)의 크기보다 작은 값을 갖도록 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 좋게는, 본 발명에 따른 제1금속 나노구조체(121) 또는 제2금속 나노구조체(125)가 나노 스케일의 입자임에 따라, 그 크기를 고려하여 본 발명에 따른 자극 감응성 고분자층(110)의 두께는 100nm 이하로 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 여기서, 자극 감응성 고분자층(110)의 두께는 내부에 포함된 검출 대상 물질의 입도 보다 크게 형성되어 자극 감응성 고분자층(110) 내부에 검출 대상 물질을 함입 할 수 있도록 구성됨은 당연하다.
구체적으로, 자극 감응성 고분자층(110)의 두께가 100nm를 초과하는 경우, 제 1 금속 나노 구조체와 제 2 금속 나노 구조체 간 형성되는 전자기장의 증폭 효과가 미미한 문제점이 발생될 수 있다. 또한, 바람직하게는 자극 감응성 고분자층(110)의 두께는 50nm 이상 100nm이하, 보다 바람직하게는 제 1 금속 나노 구조체 혹은 제 2 금속 나노 구조체의 크기 이하로 형성되는 것이 나노 구조체 간 형성되는 전자기장의 증폭 측면에서 보다 유리할 수 있다.
라만-활성 리포터 분자는 조사되는 여기 광원의 여기 광에 의해 분광 활성을 나타내는 분자로, 진동 동안 분극성을 변화시키는 진동 신호에 의해 스토크 또는 안티-스토크 산란을 발생시키는 분자를 의미할 수 있다. 라만-활성 리포터 분자는 라만 산란이 발생하는 것으로 알려진 어떠한 분자라도 무방하다. 구체적이며, 비 한정적인 일 예로, 라만-활성 리포터 분자는 유기 분자, 유기 음이온, 무기 음이온, 금속-유기 리간드 착물 또는 동위원소를 들 수 있다.
검출 대상 물질은 SERS 분광을 이용하여 검출하고자 하는 목적 물질을 의미하며, 라만-활성 리포터 분자를 포함하는, 유기물, 무기물, 생화학물질 또는 이들의 복합물을 포함할 수 있다. 이때, 복합물은 유기물, 무기물 및 생화학물질에서 선택된 둘 이상의 물질이 혼합된 혼합물 또는 유기물, 무기물 및 생화학물질에서 선택된 둘 이상의 물질이 화학적으로 결합한 결합물을 포함할 수 있다. 이때, 생화학물질은 세포 구성물질, 유전물질, 탄소화합물, 생물체의 대사, 물질 합성, 물질 수송 또는 신호전달 과정에 영향을 미치는 유기물 또는 약물을 포함할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 나노 플라즈모닉 바이오 센서는, 외부로부터 자극이 인가되면 자극 감응성 고분자층(110)의 두께가 감소되는 것일 수 있다. 그리고, 자극 감응성 고분자층(110)의 두께 감소에 의하여 고정된 제1금속 나노구조체(121) 측으로 제2금속 나노구조체(125)가 이동되어 밀접되는 것일 수 있다.
이때, 제1금속 나노구조체(121)와 제2금속 나노구조체(125) 사이의 수직 간격(d)이 이와 같이 밀접됨에 따라, 도 6의 제1금속 나노구조체(121)와 제2금속 나노구조체(125) 사이의 수직 간격(d)에 따른 국부적 전자기장 집적 강도의 차이를 설명하기 위한 전자기파 시뮬레이션(FDTD) 사진에서 보듯이, 센서 내 국부적 전자기장 집적영역(hot spot; 130)의 수가 증가될 수 있다.
또한, 이와 같이 제1금속 나노구조체(121)와 제2금속 나노구조체(125) 사이의 수직 간격(d)이 이와 같이 밀접됨에 따라, 국부적 전자기장 집적영역(130)의 주변으로 검출하고자 하는 특정 분자를 밀접시켜 전자기장 강도를 증폭시키는 것이 가능하게 될 수 있다. 이는 도 7의 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 플라즈모닉 바이오 센서의 온도에 따른 표면증강라만산란(SERS) 강도를 보여주기 위한 그래프를 통하여 확인할 수 있다. 구체적으로 살펴보면 금(Au)나노섬/pNIPAAm고분자층/금(Au)나노섬으로 이루어진 나노 플라즈모닉 바이오 센서 구조를 형성시키고, 검출 대상 물질을 벤젠 티올(benzene thiol)로 하여 30에서 50 까지 온도를 변화하면서 표면증강라만산란(SERS) 강도를 측정하여 본 결과, 온도 증가에 따라 pNIPAAm고분자층이 수축되면서 금(Au)나노섬 간의 밀접된 위치로 인하여 표면증강라만산란(SERS) 값이 증가되었음을 확인할 수 있다.
상기 기술된 일 실시예에 따라, 본 발명의 나노 플라즈모닉 바이오 센서가 온도에 따라 센서 내 포함된 금속 나노구조체 간의 수직 간격을 조절하여 국부표면플라즈몬 공명 현상을 증폭시켜 표면증강라만산란을 획기적으로 향상시킬 수 있음을 보였으며, 이외 채용된 자극 감응성 고분자에 따라 자극원이 달라질 수 있음은 당연하다. 그리고, 이때 검출 대상 물질의 물성에 따라 자극 감응성 고분자 및 자극원을 선택적으로 채용할 수 있다.
또한, 이와 같이 본 발명의 나노 플라즈모닉 바이오 센서는 검출하고자 하는 타겟 물질에 따른 맞춤형 감지가 가능하게 되어, 화학/바이오 물질의 선택적 검출 및 센서의 감지 재현성을 보장할 수 있는 장점이 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기판으로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 기판
110: 자극 감응성 고분자층
120: 금속 나노구조체
121: 제1금속 나노구조체
125: 제2금속 나노구조체
130: 국부적 전자기장 집적영역(hot spot)

Claims (10)

  1. 기판에 고정되고 서로 이격된 복수 개의 제1금속 나노구조체;
    상기 기판 및 상기 제1금속 나노구조체에 의해 고정되며, 검출 대상 물질을 포함하는 자극 감응성 고분자층;
    상기 자극 감응성 고분자층에 의해 상기 제1금속 나노구조체와의 수직 간격이 조절되는 제2금속 나노구조체;
    를 포함하는 나노 플라즈모닉 바이오 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2금속 나노구조체는 상기 자극 감응성 고분자층에 함입된 나노 플라즈모닉 바이오 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2금속 나노구조체는 상기 자극 감응성 고분자층 상부에 위치하는 나노 플라즈모닉 바이오 센서.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 자극 감응성 고분자층은 두께가 100nm 이하인 나노 플라즈모닉 바이오 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1금속 나노구조체 또는 상기 제2금속 나노구조체는,
    0차원 나노구조체, 1차원 나노구조체, 2차원 나노구조체 및 3차원 나노구조체의 군으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 규칙 배열 구조을 포함하는 나노 플라즈모닉 바이오 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1금속 나노구조체는 0.1nm 이상 99nm 이하의 간격으로 고정 형성되는 나노 플라즈모닉 바이오 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1금속 나노구조체 또는 상기 제2금속 나노구조체는,
    금, 은, 백금, 알루미늄, 철, 아연, 구리, 주석, 청동, 황동 및 니켈로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 1종 이상 또는 선택된 2종 이상의 합금인 나노 플라즈모닉 바이오 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 자극 감응성 고분자층은 산도(pH), 온도(열), 전기장, 자기장 및 빛 중 적어도 어느 하나의 외부 자극에 의해 팽윤 특성을 갖는 수화겔로 이루어지는 나노 플라즈모닉 바이오 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 검출 대상 물질은 라만-활성 리포터 분자를 포함하는 나노 플라즈모닉 바이오 센서.
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