표면 증강 라만 산란을 기반으로 한 플라즈몬 금속 나노입자의 합성 및 라만 센서로의 응용에 관한 연구 Synthesis of Plasmonic Metal Nanoparticles and Their Surface-enhanced Raman Scattering(SERS) Based Sensing Applications원문보기
표면 증강 라만 산란 (surface-enhanced Raman scattering, SERS)은 단분자 수준의 물질까지 검출이 가능한 고감도 측정 기술로 최근 많은 각광을 받고 있다. 이 SERS 효과에 기초한 검출 기술은 감도가 뛰어나고 여러 개의 시료를 동시에 검출 할 수 있는 장점으로 차세대 분석법으로 많은 연구가 되고 있다. 기존의 라만 산란은 입사된 빛의 에너지가 변하는 비탄성 산란으로 빛을 특정 ...
표면 증강 라만 산란 (surface-enhanced Raman scattering, SERS)은 단분자 수준의 물질까지 검출이 가능한 고감도 측정 기술로 최근 많은 각광을 받고 있다. 이 SERS 효과에 기초한 검출 기술은 감도가 뛰어나고 여러 개의 시료를 동시에 검출 할 수 있는 장점으로 차세대 분석법으로 많은 연구가 되고 있다. 기존의 라만 산란은 입사된 빛의 에너지가 변하는 비탄성 산란으로 빛을 특정 분자체에 가하면 분자체 고유의 진동전이에 의해 조사된 빛과는 파장이 약간 다른 빛이 발생하는 현상을 일컫는다. 이러한 라만 산란에 기초한 라만 분광학은 분자 고유의 진동 에너지 모드들을 보여줌으로써, 물질의 화학적 성분을 밝혀 낼 수 있다. 하지만 빛을 받아 실제적으로 산란 시키는 라만 산란 효율이 매우 작고 재현성이 낮기 때문에 라만 신호 자체를 검출하는데 큰 어려움이 있다는 단점이 있다. 이러한 문제를 극복할 수 있는 방법 중의 하나로 1974년 Fleishmann 등에 의해 앞서 말한 SERS기술이 보고되었다. 도체인 금속 나노입자에 존재하는 수많은 자유 전자들이 외부에서 빛 에너지를 받았을 때, 국부 표면 플라즈몬 공명 (localized surface plasmon resonance, LSPR) 특성이 나타나 독특한 광학적 성질을 가진다. LSPR은 금속 나노 입자 표면과 공기, 물 등의 유전체 사이에 빛이 입사되면 빛이 가지는 특정 에너지의 전자기장과의 공명으로 인하여 금속 표면의 자유 전자들이 집단적으로 진동하는 현상을 말한다. 입사되는 빛의 진동수와 표면 플라즈몬의 집단 운동의 진동수가 같을 경우, 이 표면 플라즈몬 공명으로 알려진 자유 전자의 집단적 진동을 유도하는 핫스팟 (hot-spot)에서의 강한 전자기장 증강 현상으로 인해 금속 나노입자 표면에 흡착된 분석 물질의 라만 신호를 증폭시킨다고 알려져 있다. 이러한 이유로 금속 나노입자는 높은 SERS 감도를 나타내지만 보통 기판에 부착 시 응집현상이 발생되어 감도가 떨어지거나 불균일한 신호를 얻을 수밖에 없다. 그러므로 기판에 부착된 입자의 응집현상을 제어하려면, 입자의 제조 외에도 추가적으로 나노입자의 고밀도 패킹 및 규칙적인 배열 공정이 필요하며, 이는 비용, 시간 및 노동력이 부가적으로 소요된다. 따라서 본 연구에서는, 효율적인 SERS 측정을 위해 추가공정이 필요하지 않은 센서 기판을 제조하여, 규칙적이고 감도가 높은 측정 성능 향상을 기대하였다.
표면 증강 라만 산란 (surface-enhanced Raman scattering, SERS)은 단분자 수준의 물질까지 검출이 가능한 고감도 측정 기술로 최근 많은 각광을 받고 있다. 이 SERS 효과에 기초한 검출 기술은 감도가 뛰어나고 여러 개의 시료를 동시에 검출 할 수 있는 장점으로 차세대 분석법으로 많은 연구가 되고 있다. 기존의 라만 산란은 입사된 빛의 에너지가 변하는 비탄성 산란으로 빛을 특정 분자체에 가하면 분자체 고유의 진동전이에 의해 조사된 빛과는 파장이 약간 다른 빛이 발생하는 현상을 일컫는다. 이러한 라만 산란에 기초한 라만 분광학은 분자 고유의 진동 에너지 모드들을 보여줌으로써, 물질의 화학적 성분을 밝혀 낼 수 있다. 하지만 빛을 받아 실제적으로 산란 시키는 라만 산란 효율이 매우 작고 재현성이 낮기 때문에 라만 신호 자체를 검출하는데 큰 어려움이 있다는 단점이 있다. 이러한 문제를 극복할 수 있는 방법 중의 하나로 1974년 Fleishmann 등에 의해 앞서 말한 SERS기술이 보고되었다. 도체인 금속 나노입자에 존재하는 수많은 자유 전자들이 외부에서 빛 에너지를 받았을 때, 국부 표면 플라즈몬 공명 (localized surface plasmon resonance, LSPR) 특성이 나타나 독특한 광학적 성질을 가진다. LSPR은 금속 나노 입자 표면과 공기, 물 등의 유전체 사이에 빛이 입사되면 빛이 가지는 특정 에너지의 전자기장과의 공명으로 인하여 금속 표면의 자유 전자들이 집단적으로 진동하는 현상을 말한다. 입사되는 빛의 진동수와 표면 플라즈몬의 집단 운동의 진동수가 같을 경우, 이 표면 플라즈몬 공명으로 알려진 자유 전자의 집단적 진동을 유도하는 핫스팟 (hot-spot)에서의 강한 전자기장 증강 현상으로 인해 금속 나노입자 표면에 흡착된 분석 물질의 라만 신호를 증폭시킨다고 알려져 있다. 이러한 이유로 금속 나노입자는 높은 SERS 감도를 나타내지만 보통 기판에 부착 시 응집현상이 발생되어 감도가 떨어지거나 불균일한 신호를 얻을 수밖에 없다. 그러므로 기판에 부착된 입자의 응집현상을 제어하려면, 입자의 제조 외에도 추가적으로 나노입자의 고밀도 패킹 및 규칙적인 배열 공정이 필요하며, 이는 비용, 시간 및 노동력이 부가적으로 소요된다. 따라서 본 연구에서는, 효율적인 SERS 측정을 위해 추가공정이 필요하지 않은 센서 기판을 제조하여, 규칙적이고 감도가 높은 측정 성능 향상을 기대하였다.
In the first research, we synthesize Ag@SiO2@Au nanoparticles(Ag@SiO2@Au NPs) for the surface-enhanced Raman scattering (SERS) based sensing applications. They consist of gold nanoparticles (Au NPs) fixed on the silica shell, which sizes of Au NPs and thickness of silica shell can be controllable by...
In the first research, we synthesize Ag@SiO2@Au nanoparticles(Ag@SiO2@Au NPs) for the surface-enhanced Raman scattering (SERS) based sensing applications. They consist of gold nanoparticles (Au NPs) fixed on the silica shell, which sizes of Au NPs and thickness of silica shell can be controllable by varying the amount of reactants. Their surface plasmon resonance (SPR) properties were characterized using UV-vis spectroscopy, showing that the growth of Au NPs and thickness of silica shell exhibited the dramatic change in SERS activity due to the formation of hot spots. The optimized Ag@SiO2@Au NPs show a detection limit of rhodamine 6G (R6G) as low as 10-11M, which is about 105 times increase compared to R6G without any SERS probes. These findings suggest the importance of size control of Ag@SiO2@Au NPs and their SPR properties to develop highly efficient SERS sensor. In the second research, Metal-organic frameworks (MOFs), a type of porous hybrid organic-inorganic microporous materials, are typically characterized by high surface areas, uniform and nanostructured cavities and exceptional adsorptive capacities. These characteristics make them promising for application in catalysts and adsorbents materials. Especially, These materials, embedding metal nanoparticles, would be advantageous to develop a surface-enhanced raman scattering (SERS) detection element. In this study, we demonstrate the fabrication of a sensitive SERS-active materials by embedding metal nanoparticles within zeolitic imidazolate framework (ZIF-8) and control the dispersibility of included metal nanoparticles. In addition, the excellent preconcentrated SERS activity is confirmed by measuring the raman signals for organic pollutant in environmental water.
In the first research, we synthesize Ag@SiO2@Au nanoparticles(Ag@SiO2@Au NPs) for the surface-enhanced Raman scattering (SERS) based sensing applications. They consist of gold nanoparticles (Au NPs) fixed on the silica shell, which sizes of Au NPs and thickness of silica shell can be controllable by varying the amount of reactants. Their surface plasmon resonance (SPR) properties were characterized using UV-vis spectroscopy, showing that the growth of Au NPs and thickness of silica shell exhibited the dramatic change in SERS activity due to the formation of hot spots. The optimized Ag@SiO2@Au NPs show a detection limit of rhodamine 6G (R6G) as low as 10-11M, which is about 105 times increase compared to R6G without any SERS probes. These findings suggest the importance of size control of Ag@SiO2@Au NPs and their SPR properties to develop highly efficient SERS sensor. In the second research, Metal-organic frameworks (MOFs), a type of porous hybrid organic-inorganic microporous materials, are typically characterized by high surface areas, uniform and nanostructured cavities and exceptional adsorptive capacities. These characteristics make them promising for application in catalysts and adsorbents materials. Especially, These materials, embedding metal nanoparticles, would be advantageous to develop a surface-enhanced raman scattering (SERS) detection element. In this study, we demonstrate the fabrication of a sensitive SERS-active materials by embedding metal nanoparticles within zeolitic imidazolate framework (ZIF-8) and control the dispersibility of included metal nanoparticles. In addition, the excellent preconcentrated SERS activity is confirmed by measuring the raman signals for organic pollutant in environmental water.
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