초록 ▼

연구개요
본 연구를 통해 초고감도 국부적 표면 플라즈몬 공명(Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR) 기반 휴대용 바이오센서 개발을 위한 복합적 금속 나노구조체의 대면적·고재현성 어레이를 설계 및 제작하고, 어레이 내 존재하는 개별 나노구조체 상에서의 생체 물질 검출 특성에 대해 대 면적에 걸쳐 다중화·고속 동시 분석이 가능한 LSPR 바이오센서용 초분광 이미징 시스템(hyperspectral imaging system)을 개발하고자 함

연구 목표대비 연구결과
연구 목표

연구개요
본 연구를 통해 초고감도 국부적 표면 플라즈몬 공명(Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR) 기반 휴대용 바이오센서 개발을 위한 복합적 금속 나노구조체의 대면적·고재현성 어레이를 설계 및 제작하고, 어레이 내 존재하는 개별 나노구조체 상에서의 생체 물질 검출 특성에 대해 대 면적에 걸쳐 다중화·고속 동시 분석이 가능한 LSPR 바이오센서용 초분광 이미징 시스템(hyperspectral imaging system)을 개발하고자 함

연구 목표대비 연구결과
연구 목표
1. 복합적 광학 거동을 보이는 다양한 금속 나노구조체 어레이 제작 및 표면 개질 기술을 통한 초고감도 LSPR 바이오센서 기판 개발
2. 분석 물질의 실시간 초고속·다중화 검출을 위한 LSPR 바이오센서용 고해상도 초분광 분석 시스템 개발

연구 결과
1. 강한 LSPR 특성을 갖는 플라즈몬 혼성화(Plasmon hybridization) 기반의 금 나노링(nanoring) 어레이 구조 설계
- 국부적으로 매우 강하게 집중된 전자기장을 형성할 수 있는 금 나노링을 최종 구조로 선정함.
구조체로부터 형성된 전자기장의 손실을 최소화하고 생체 분자와의 유효 면적 극대화를 위해 산화아연 기반의 나노구조체를 지지대로 사용하여 기판으로부터 금 나노링을 띄우는 구조체를 설계함.
2. 선택적 식각 공정 개발을 통한 효율성·재현성이 확보된 금 나노링 어레이 제작 기술 개발
- 제작 공정의 수단과 단계를 최소화하기 위해, 선택적 식각 공정이 가능하도록 나노 비드 및 지지대 소재를 선정하고(SiO₂, ZnO) 이에 따른 공정 기술을 개발함. 그 결과, 반응성 이온 식각 장비 챔버 내에서 비드 식각, 비드를 마스크로 사용하는 ZnO 절연층 식각, 나노링 구조체 제작을 위한 2차 비드 식각 공정들이 연속적으로 진행됨에 따라 공정의 효율성과 재현성 확보가 가능함.
3. 제작한 금 나노링 어레이 바이오센서 기판을 이용한 굴절률 민감도 평가
- 금 나노링 어레이 기판 내에서 다양한 공명 모드로 인해 발생하는 LSPR 흡수 파장이 굴절률 증가에 따라 장파장 영역으로 이동하는 것을 확인하였고, 각 파장대 별 LSPR 흡수 파장 변이를 분석한 결과, 최대 515 nm/RIU의 우수한 굴절률 민감도를 보이는 것을 확인함.
4. 초분광 이미징(hyperspectral imaging) 장치와 암시야 현미경(Dark-field microscope)이 결합된 LSPR 바이오센서용 초고감도 분석 시스템 개발
- 암시야 현미경과 초분광 이미징장치를 결합하여 다수의 금속 나노구조체의 LSPR 스펙트럼을 동시에 측정하는 현미경을 구성함으로써, 금속 나노구조체의 반응을 개별적으로 모니터링할 수 있는 시스템을 성공적으로 구축함.
5. 구축한 초분광 분석 시스템을 이용한 단일 금 나노구조체의 광학 스펙트럼 분석 및 생체 물질 검출 특성 평가
- 개발한 LSPR 바이오센서용 초분광 분석 시스템을 통해 개별 금속 나노구조체의 LSPR 스펙트럼을 획득할 수 있었고, 각각에 대한 벌크 굴절률 민감도 뿐 아니라 바이오 물질이 결합된 상태에서의 LSPR 파장 변이 거동을 정밀하게 확인함.

연구개발결과의 중요성
· 강한 LSPR 특성을 갖는 고감도 금속 나노링 어레이 구조체를 최소한의 공정 수단을 이용하여 단일 공정 내에서 성공적으로 제작한 본 연구를 통해, 현재까지 SPR 바이오센서에 비해 다양한 기술적(복잡한 제작 방법, 제어의 어려움)·성능적(재현성, 고감도) 한계에 부딪혀 상용화 되지 못하였던 LSPR 바이오센서 기술에 획기적인 솔루션을 제시함으로써 상용화를 위한 발판을 마련할 수 있을 것으로 예상됨.
· 본 과제에서 성공적으로 구축한 LSPR 바이오센서용 고해상도 초분광 이미징 분석 시스템은 기존의 point 스캔 방식의 장시간 분석 기법에서 벗어나, 초고속·실시간·다중화·고정밀 분석을 가능하게 하는 획기적인 검출 시스템이 될 것으로 예상되어, 연구 종료 이후 시스템 집적화 기술 개발을 통하여 LSPR 바이오센서 상용화를 위한 핵심 기술을 선점할 수 있을 것으로 기대함.

(출처 : 요약문 2p)