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반도체 나노구조를 이용한 SERS기반 바이오센싱 기술
Surface Enhanced Raman Spectroscopy-based Bio Sensing Technology Using Semiconductor Nanostructures 원문보기

진공 이야기 = Vacuum magazine, v.4 no.3, 2017년, pp.12 - 15  

유재수 (경희대학교 전자공학과) ,  이수현 (경희대학교 전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Surface enhanced Raman scattering (SERS) is considered as one of promising medical and diagnostic technologies. The SERS effect is caused by the localized surface plasmon resonance (LSPR) from metal nanoparticles with narrow hot spots. The mechanism of LSPR, development of nanostructure fabrication,...

AI 본문요약
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문제 정의

  • 앞에서 다루었듯이, 나노구조 제작기술의 발전과 함께 성장한 표면증강라만산란 기술의 원리와 의료진단 응용에 대하여 알아보았다. 표면증강라만산란은 생체내, 생체외 실험에 모두 사용이 가능하고, 인체에 영향을 미치지 않는 종이, graphite, Au 등을 이용하여 제작할 수 있으며 진단도구는 유연기판, 낮은 단가로 제작할 수 있어 연구 가치가 매우 높은 분야이지만, 도구를 한 번 사용 후 재진단을 할 경우 이미 흡착된 바이오마커에 의해 진단 결과가 부정확할 수 있다는 단점이 있다.
  • 그러나, 라만분광법은 신호의 세기가 약해 분석과 진단의 민감도를 떨어뜨려 이를 개선할 방법이 요구되었다 [4]. 지금부터 나노입자의 표면처리를 통해 라만신호의 세기를 획기적으로 증가시킨 표면증강라만산란(Surface Enhanced Raman Scattering)법에 대하여 살펴보도록 하겠다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
라만분광법이란 무엇인가? 이러한 다양한 기술들 중에서 의료진단에 있어 유망한 후보로 매우 좁은 선폭을 가지는 광학신호를 통해 바이오마커의 신호를 검출할 수 있는 라만분광법(Raman Spectroscopy)이 고려되고 있다 [3]. 라만분광법은 1922년 인도의 라만 경이 발견한 것으로 입사되는 빛의 에너지가 분자체에 가해졌을 때 비탄성 산란이 발생하여 에너지의 변화가 발생하는 현상이다. 그러나, 라만분광법은 신호의 세기가 약해 분석과 진단의 민감도를 떨어뜨려 이를 개선할 방법이 요구되었다 [4].
나노입자를 활용하는 방법은 무엇이 있는가? 이를 위하여 최근에는 나노입자를 이용한 연구가 많은 관심을 받고 있다 (그림 1)[1]. 나노입자를 활용하는 방법으로는 양자점, 자기 나노입자, 플라즈모닉나노물질을 이용한 이미징 (광자발광, 자기공명조영, 광음향조영), 고온열치료 및 약물방출을 가능하게 하는 히팅 (빛과 초고주파에 의한 나노히팅), 비색성, 형광공명에너지전달, 표면증강라만산란 에세이와 같은 활성입자에 의한 바이오센싱 등이 있다. 또한, 의료진단기술의 활용 방법에 따라 생체내(in vivo)와 생체 외(in vitro)로 구분된다 [2].
표면증강라만산란의 증강 구분과 특징은 무엇인가? 이러한 표면증강라만산란은 전자기적 증강(Electromagnetic Enhancement)과 화학적 증강(Chemical Enhancement)으로 구분할 수 있다 (그림 2)[6]. 전자기적 증강은 입사되는 빛의 파장과 금속 나노입자의 진동 주기가 일치할 때 발생하는 국소표면 플라즈몬 공명에 기인하여 발생한다. 화학적 증강은 금속 나노구조체와 흡착된 분자, 기판 간의 에너지 레벨의 차이로 인한 전하 이동에 의하여 발생되는 것으로 알려져 있으나, 아직까지 정확한 원리는 규명되지 않았다.
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참고문헌 (11)

  1. Pablo Del Pino, "Tailoring the interplay between electromagnetic fields and nanomaterials toward applications in life sciences: a review", J. Biomed. Opt. 19, 101507 (2014). 

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  2. Jon A. Dieringer, Adam D. McFarland, Nilam C. Shah, Douglas A. Stuart, Alyson V. Whitney, Chanda R. Yonzon, Matthew A. Young, Xiaoyu Zhang, and Richard P. Van Duyne, "Surface enhanced Raman spectroscopy: new materials, concepts, characterization tools, and applications", Faraday Discuss. 132, 9-26 (2006). 

  3. E B Hanlon, R Manoharan, T-W Koo, K E Shafer, J T Motz, M Fitzmaurice, J R Kramer, I Itzkan, R R Dasari, and M S Feld, "Prospects for in vivo Raman spectroscopy", Phys. Med. Biol. 45, R1-R59 (2000). 

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  4. Jeff Mirza, Isaac Martens, Martin Grusser, Dan Bizzotto, Rolf Schuster, and Jacek Lipkowski, "Gold Nanorod Arrays: Excitation of Transverse Plasmon Modes and Surface-Enhanced Raman Applications", J. Phys. Chem. C 120, 16246-16253 (2016). 

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  5. Zhiqiang Liang, Jun Sun, Yueyue Jiang, Lin Jiang, and Xiaodong Chen, "Plasmonic Enhanced Optoelectronic Devices", Plasmonics 9, 859-866 (2014). 

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  6. Luca Guerrini and Duncan Graham, "Molecularly-mediated assemblies of plasmonic nanoparticles for Surface-Enhanced Raman Spectroscopy applications", Chem. Soc. Rev. 41, 7085-7107 (2012). 

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  7. Dmitry Kurouski, Nicolas Large, Naihao Chiang, Nathan Greeneltch, Keith T. Carron, Tamar Seideman, George C. Schatz, and Richard P. Van Duyne, "Unraveling near-field and far-field relationships for 3D SERS substrates - a combined experimental and theoretical analysis", Analyst 141, 1779-1788 (2016). 

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  8. Zhulin Huang, Guowen Meng, Qing Huang, Yajun Yang, Chuhong Zhu, and Chaolong Tang, "Improved SERS Performance from Au Nanopillar Arrays by Abridging the Pillar Tip Spacing by Ag Sputtering", Adv. Mater. 22, 4136-4139 (2010). 

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  9. Gobind Das, Manohar Chirumamilla, Andrea Toma, Anisha Gopalakrishnan, Remo Proietti Zaccaria, Alessandro Alabastri, Marco Leoncini, and Enzo Di Fabrizio, "Plasmon based biosensor for distinguishing different peptides mutation states", Sci. Rep. 3, 1792 (2013). 

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  10. Jingjing Wang, Guotao Duan, Guangqiang Liu, Yue Li, Lei Xu, and Weiping Cai, "Fabrication of gold and silver hierarchically micro/ nanostructured arrays by localized electrocrystallization for application as SERS substrates", J. Mater. Chem. C 3, 5709-5714 (2015). 

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  11. Wansun Kim, Soo Hyun Lee, Sang Hun Kim, Jae-Chul Lee, Sang Woong Moon, Jae Su Yu, and Samjin Choi, "Highly Reproducible Au- Decorated ZnO Nanorod Array on a Graphite Sensor for Classification of Human Aqueous Humors", ACS Appl. Mater. Interfaces 9, 5891- 5899 (2017). 

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