WO2015156617A1 - 분광 분석 센서 및 이의 제조 방법 - Google Patents

분광 분석 센서 및 이의 제조 방법 Download PDF

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    • G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
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    • G01N2201/08—Optical fibres; light guides

Definitions

  • the present invention relates to a spectroscopic sensor, and more particularly, to a spectroscopic sensor for analyzing a biological or non-biological target using a surface plasmon phenomenon and a method for manufacturing the same.
  • Raman spectroscopy is a method of measurement based on Raman scattering, an inelastic scattering phenomenon in which frequency shift occurs in output light when incident light passes through a type of medium to excite and scatter specific light-absorbing molecules in the medium. .
  • the Raman spectroscopy calculates the vibration energy level of the specific light absorbing molecule from the frequency shift of the output light according to the Raman scattering, and the vibration energy of the specific light absorbing molecule depends on the structure and bonding strength of the molecule.
  • the specific molecule is detected.
  • the Raman spectroscopy is due to the frequency shift inherent in the specific molecule to be detected, so that the molecule itself can be precisely specified, but the signal strength of the Raman scattered output light is very weak and thus has limitations in practical applications.
  • SERS Surface-enhanced Raman Spectroscopy
  • the surface augmented Raman analysis when a specific molecule is present in the vicinity of the metal nanostructure, the incident Raman laser generates a surface plasmon (Surface Plasmon) on the surface of the metal nanostructure, the surface plasmon interacts with the specific molecule By using this, a phenomenon of greatly amplifying the Raman signal of the specific molecule (this is called surface plasmon resonance) is used.
  • a surface plasmon Surface Plasmon
  • metal nanoparticles are used as the metal nanostructures for the SERS, and these particles amplify the Raman signal 10 to 10 3 times larger when they have a cohesive structure than the nanoislands that are isolated from each other. It is known.
  • the structure of such aggregated nanoparticles is preferable because it can simply amplify the Raman signal by 10 4 times or more than a metal thin film having a predetermined roughness.
  • nano patterning techniques such as electron beam lithography, focused ion beam, or nanoimprint are possible, but these techniques are not only limited in improving yield in response to continuous processes and various substrate sizes, but also during processing Mechanical contact can cause defects or contamination of the nanostructures.
  • the manufacturing method has a problem that it is difficult to cope with various materials or kinds of the substrate providing the surface on which the nanostructure is formed. For example, since application of a technique such as electron beam lithography is limited to a substrate having a two-dimensional planar structure, it is difficult to form a nanoparticle structure on a substrate having a complex three-dimensional structure.
  • the aggregated nanoparticles In addition, in order to obtain a high amplification ratio Raman scattering signal in the structure of the aggregated nanoparticles, it is required to uniformly form the aggregated nanoparticles on the surface of the substrate of the SER sensor. However, uniformly forming the aggregated nanoparticles has a problem that is difficult to achieve by the production method. As another manufacturing method, a metal thin film having a continuous profile may be deposited and heat treated. In this case, however, the isolated nanoisle structure is more likely to be formed than the structure of the densely aggregated nanoparticles is formed, and the material of the substrate is also limited to a heat resistant material such as glass.
  • the technical problem to be solved by the present invention is not limited to a two-dimensional planar structure, but having a complex configuration of three-dimensional structure, nanostructures are formed at a high density to perform high reliability spectroscopic analysis based on surface plasmons To provide a spectroscopic sensor.
  • the nanostructure complex on the substrate to improve the amplification effect of the analysis signal for a substrate having a complex configuration or flexible properties of the three-dimensional structure It is to provide a method of manufacturing a spectroscopic sensor that can be coated with a.
  • the spectroscopic sensor according to the embodiment of the present invention for solving the above technical problem may include a fiber layer including a plurality of flexible fibers, and a surface plasmon active layer formed on the surface of the plurality of fibers.
  • the plurality of fibers may have a nonwoven fabric, a woven fabric, a bundle, or a combination thereof.
  • the surface plasmon active layer may include conductive nanoparticles and a polymer binder fixing the conductive nanoparticles on the surfaces of the plurality of fibers.
  • the conductive nanoparticles may have an aggregated structure, or may have a spherical shape, a nanotube, a nanocolumn, a nanorod, a nanopore, and a nanowire or a combination thereof.
  • the conductive nanoparticles may include particles of carbon, graphite, metalloid, metal, metalloid, metalloid or metalloid oxide, or metalloid nitride or metalloid nitride, or on the insulating bead coated core shell. Particles of the structure or combinations thereof.
  • the metalloid may include any one of antimony (Sb), germanium (Ge), and arsenic (As) or an alloy thereof, and the metal may be a metal, a transition metal, or a post-transition metal, including titanium (Ti), zinc ( Zn), Aluminum (Al), Stanium (Sc), Chromium (Cr), Manganese (Mn), Iron (Fe), Cobalt (Co), Nickel (Ni), Copper (Cu), Indium (In), Tin (Sn), yttrium (Y), zirconium (Zr), neobium (Nb), molybdenum (Mo), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), gold (Au), silver ( Ag), platinum (Pt), strontium (Sr), tungsten (W) or cadmium (Cd), tantalum (Ta), titanium (Ti), titanium (Ti) or alloys thereof, and the conductive oxide is indium Tin oxide (ITO), indium
  • the surface plasmon active layer may have a thickness in the range of 10 nm to 500 nm, and the plurality of fibers may include any or all of natural fibers and synthetic fibers.
  • the surface of the fiber layer may include amorphous surface plasmon fiber protrusions provided by protruding the plurality of fibers, and the fiber layer may include pores between the plurality of fibers.
  • the polymer binder may include a cationic polymer or an anionic polymer.
  • the surface plasmon active layer may further include a fixing material capable of specific binding with the target material to be analyzed.
  • the immobilizing substance includes small molecule compounds, antigens, antibodies, proteins, peptides, Deoxyribo Nucleic Acid (DNA), Ribo Nucleic Acid (RNA), Peptide Nucleic Acid (PNA), enzymes, enzyme substrates, hormones, hormone receptors, functional groups Any of the synthetic reagents, mimics thereof, or combinations thereof.
  • the target substance may include amino acids, peptides, polypeptides, proteins, glycoproteins, lipoproteins, nucleosides, nucleotides, oligonucleotides, nucleic acids, sugars, carbohydrates, oligosaccharides, polysaccharides, fatty acids, lipids, hormones, metabolites, cytokines, chemokines, Receptors, Neurotransmitters, Antigens, Allergens, Antibodies, Substrates, Metabolites, Cofactors, Inhibitors, Drugs, Pharmaceuticals, Nutrients, Plions, Toxins, Poisons, Explosives, Pesticides, Chemical Engaging Agents, Biohazards, Bacteria, Viruses , Radioisotopes, vitamins, heterocycle aromatics, carcinogens, mutogens, drugs, amphetamines, barbiturates, hallucinogens, wastes and contaminants.
  • the spectroscopic sensor can be used in Surface-enhanced Raman Spectroscopy (SERS), Surface Plasmon Resonance (SPR), Local Plasmaon Resonance (LSPR), Absorption and / or Fluorescence modes. Can be.
  • SERS Surface-enhanced Raman Spectroscopy
  • SPR Surface Plasmon Resonance
  • LSPR Local Plasmaon Resonance
  • Absorption and / or Fluorescence modes can be.
  • a method of manufacturing a spectroscopic sensor including providing a mixed solution including an ionic polymer binder and conductive nanoparticles, and preparing a plurality of fibers in the mixed solution. Immersing, and applying an electric field to the mixed solution in which the plurality of fibers are immersed such that the conductive nanoparticles are coated on the surfaces of the plurality of fibers.
  • the surface plasmon active layer is formed on the surface of the plurality of fibers constituting the fiber layer, and the object or organism of which the sample to be analyzed by the flexibility of the fibers is present Samples can be taken in a manner that rubs or transmits the fiber layer on the surface corresponding to various shapes or materials of the surface, thereby diversifying the object of the sample to be measured and simplifying the preparation of the sample, as well as a spectroscopic sensor
  • the product requirements such as the shape and the required strength, transparency, porosity, heat resistance and chemical resistance can be easily met according to the material of the fibers.
  • the surface area capable of forming the surface plasmon active layer by the fibers is wider than the two-dimensional substrate, and the high reliability spectroscopic analysis based on the surface plasmon by forming the surface plasmon active layer at high density Can be performed.
  • the present invention by injecting energy into the ionic polymer binder and the metal nanoparticles by an electric field, on a substrate made of fibers having a complex configuration and flexible properties of the three-dimensional structure as described above
  • the surface plasmon active layer made of a high density nanostructure can be produced quickly and economically.
  • FIG. 1A is a perspective view of a spectroscopic analysis sensor according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 1B is a cross-sectional view of a plurality of fibers according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the fibers of the spectroscopic sensor and the surface plasmon active layer formed on the fibers according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view showing a fiber of the spectroscopic sensor and a surface plasmon active layer formed on the fiber according to another embodiment of the present invention.
  • FIGS. 5A and 5B show results of the manufacturing method.
  • FIG. 6 shows an apparatus for manufacturing a spectroscopic analysis sensor according to an embodiment of the present invention.
  • 7A and 7B are optical images of the spectroscopic analysis sensor according to the experimental example and the spectroscopic analysis sensor according to the comparative example, respectively.
  • FIG. 8 is an optical photograph image of a dry state and a wet state of spectroscopic sensors manufactured according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9A is an optical photo image of a spectroscopic sensor coated with metal nanoparticles on polycarbonate fibers
  • FIG. 9B is a scanning electron microscope image of the spectroscopic sensor.
  • FIG. 10A is a Raman spectrum of acetaminophen using a spectroscopic analysis sensor according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 9B is a Raman spectrum of acetaminophen on a fiber layer according to a comparative example.
  • a layer formed on a fibrous layer or other layer “on” refers to a layer formed directly on top of the fibrous layer or other layer, or is formed on an intermediate layer or intermediate layers formed on the fibrous layer or other layer. It may also refer to a layer.
  • a structure or shape disposed "adjacent" to another shape may have a portion that overlaps or is disposed below the adjacent shape.
  • FIG. 1A is a perspective view of a spectroscopic sensor 100 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 1B is a cross-sectional view of a plurality of fibers 10F according to an embodiment of the present invention.
  • the spectroscopic sensor 100 includes a fiber layer 10 including a plurality of fibers 10F; And a surface plasmon active layer SP formed on the surface of the plurality of fibers 10F.
  • the plurality of fibers 10F of the fibrous layer 10 may extend in at least two different directions to contact each other, and may have a three-dimensional shape with pores formed therein from the surface of the fibrous layer 10. The pores may provide a migration path of the polymer binder and the conductive nanoparticles to be coated on the surfaces of the plurality of fibers 10F from the surface of the fiber layer 10 to the inside, as described below.
  • the plurality of fibers 10F may include any or all of natural fibers and synthetic fibers.
  • the natural fiber can be, for example, cotton, hemp, wool or silk.
  • the synthetic fibers are, for example, rayon, nylon, cellulose, acrylic, polyester, polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polypropylene terephthalate, polyacrylonitrile, polyethylene naphthalate, polyether sulfone, polyether ether ketone , Derivatives such as polyphenylenesulfide, polyvinylidene fluoride, or copolymers thereof.
  • the above materials are exemplary and the present invention is not limited thereto.
  • a soft and flexible fiber material such as cellulose or polyester may be used as the material of the spectroscopic sensor.
  • strength and resistance may be used.
  • Fibrous materials such as polycarbonate with high chemical properties can be used.
  • the material of the plurality of fibers 10F may vary in strength, elasticity, shrinkage, heat resistance, or resistance, depending on the object and place where the sample to be collected by the spectroscopic sensor is present, the type of sample, and / or the spectroscopic method. It may be appropriately selected in consideration of properties such as chemical properties.
  • the plurality of fibers 10F may be other polymeric material, petroleum pitch, or coal tar.
  • the plurality of fibers 10F may include an optical fiber capable of transmitting incident or output light along the fibers for spectroscopic analysis.
  • the fiber layer 10 may be composed of a plurality of optical fiber bundles or may have a woven or nonwoven structure in which the aforementioned natural fibers and / or synthetic fibers and optical fibers are mixed.
  • the plurality of optical fibers may be exposed or blended irregularly such that the fiber layer 10 emits light out of the surface of the fiber layer 10 between the plurality of natural fibers and / or synthetic fibers.
  • the plurality of fibers 10F constituting the fibrous layer 10 may be a single continuous fiber or segmented into a uniform length or different lengths.
  • the plurality of fibers 10F may have a nonwoven fabric, a woven fabric, or a combination thereof.
  • 1A discloses a fibrous layer 10 composed of a plurality of fibers 10F having a nonwoven tissue. This fiber structure may increase the density of the fibers in a unit volume through a compression process.
  • the top surface of the fibrous layer 10 may be provided with at least one amorphous fiber protrusion that protrudes.
  • the amorphous fiber protrusions control the surface roughness of the fiber layer 10 or facilitate the collection of the sample for which the fiber layer 10 is to be measured.
  • the fibrous layer 10 randomly scatters or blends the plurality of fibers 10F, and optionally performs an interlacing process to obtain a nonwoven structure, or a regular structure such as a woven structure through a weaving process. You can get it.
  • the surface plasmon active layer SP may be formed on the surface of the plurality of fibers 10F.
  • the surface plasmon active layer (SP) generates surface plasmon resonance (SPR) by light incident from the outside to amplify a signal for detecting a target substance included in a sample, thereby reproducing and reliable spectroscopic analysis. To make it possible.
  • the surface plasmon active layer is a plasmon resonance wavelength having a maximum absorption or scattering rate depending on the chemical and physical environment of the surface of the surface plasmon active layer (SP), for example, the refractive index change of the medium in contact with them. And / or by detecting a change in absorption rate so as to identify the target substance in the sample or to determine the concentration in the sample of the target substance.
  • a Raman laser which is incident light generates surface plasmons on the surface of the surface plasmon active layer SP, and the surface plasmons interact with specific molecules of the sample, Surface-enhanced Raman Spectroscopy (SERS) may be performed for detection of specific molecules.
  • SERS Surface-enhanced Raman Spectroscopy
  • the spectroscopic sensor 100 may be used in various embodiments of the surface of an object or an organism in which a sample to be analyzed is present by the flexibility of the fibers 10F serving as the substrate of the surface plasmon active layer SP. Samples may be taken by rubbing the fibrous layer 10 on the surface corresponding to the shape or material, and thus, the object of the sample to be measured may be diversified and the preparation process of the sample may be simplified. For example, even inelastic materials, such as glass and metal, or elastic substrates such as plastics, which have a lower flexibility than fibers, require a separate sample taken during spectroscopic analysis and applied onto a spectroscopic sensor.
  • the spectroscopic analysis sensor 100 can be made by the collection and analysis of the sample by itself.
  • the sampling of the sample may be made quickly, the samples absorbed into the pores It can be safely maintained in the fibrous layer 10 for a long time.
  • FIG 2 is a cross-sectional view showing the fibers 10F and the surface plasmon active layer SP formed on the fibers 10F of the spectroscopic sensor according to the embodiment of the present invention.
  • the fiber 10F is a single fiber constituting the fiber layer 10 or one of the plurality of segmented fiber filaments constituting the fiber layer 10 described above with reference to FIG. 1A.
  • the surface plasmon active layer SP on the surface of the fiber 10F may include conductive nanoparticles 20. These conductive nanoparticles 20 may include a polymer binder 20 for fixing the conductive nanoparticles on the surface of the fiber 10F.
  • the polymer binder 20 may be formed to a thickness larger than the diameter of the conductive nanoparticles 20 on the surface of the fiber 10F to contain the conductive nanoparticles 20. In some embodiments, the polymer binder 20 may have a sufficient thickness so that the conductive nanoparticles 20 aggregated in two or more layers may be contained in the polymer binder 20.
  • the polymeric binder 20 may be formed to a thickness smaller than the diameter of the conductive nanoparticles 20, in which case the surface of the conductive nanoparticles 20 is outside of the polymeric binder 20. May be exposed. 2 illustrates that the surfaces of the conductive nanoparticles 20 are exposed to the outside of the polymer binder 20.
  • the thickness of the polymer binder 20 and the number or degree of exposure of the layers of the conductive nanoparticles 20 according to the mixing ratio of the polymer binder 20 and the conductive nanoparticles of the mixed solvent and / or the polymer binder 20 It can be controlled by the concentration or temperature and time of the drying process.
  • the molecular weight of the polymeric binder 20 may be in the range of about 1,000 kDal to about 60,000 kDal. When the molecular weight is less than about 1,000 kDal, the bonding strength of the conductive nanoparticles fixed on the fiber layer is not sufficient, and when the molecular weight exceeds 60,000 kDal, the viscosity is excessive in the liquid coating process described later to the inside of the fiber layer 10. Since the transfer of the polymer binder 20 and the conductive nanoparticles 20 is not easy, it is difficult to uniformly coat the conductive nanoparticles 20 on the fibers 10F.
  • the polymeric binder 20 may be a polymer having ionicity when dissolved in a suitable solvent.
  • the polymeric binder 20 may be a cationic polymer, poly diallydimethylammonium chloride, poly allylamine hydrochloride, polyvinylbenzyltrimethyl ammonium chloride (poly 4 -vinylbenzyltrimethyl ammonium chloride), polyethyleneimine (polyethyleneimine) may include any one or a mixture thereof.
  • the polymeric binder 20 may be an anionic polymer, poly acrylic acid, poly sodium 4-styrene sulfonate, poly vinylsulfonic acid, Poly sodium salts, poly amino acids, or mixtures thereof.
  • the polymers are exemplary and may be polymers or copolymers having positive or negative ionic groups, polymers having a positive or negative ionic group bonded to the aforementioned polymer main chain, other synthetic resins, or natural resins.
  • the conductive nanoparticles 30 may have an average diameter of 10 nm to 200 nm, and may have any one of spheres, nanotubes, nano columns, nano rods, nano pores, nano wires, or a combination thereof. These particles can be solid or porous or hollow, depending on the shape.
  • the conductive nanoparticles are conductive particles of carbon, graphite, metalloid, metal, metalloid or alloy of metal, conductive metal oxide, metal nitride, or coated with conductive layer such as metal thin film on glass or polymer insulating beads. Particles of the core shell structure.
  • the conductive nanoparticles 30 may be precious metals such as gold and silver.
  • the metalloid may be any one or alloys of antimony (Sb), germanium (Ge), and arsenic (As).
  • the metal is a metal, a transition metal or a post-transition metal, and includes titanium (Ti), zinc (Zn), aluminum (Al), stanium (Sc), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), and cobalt.
  • Co nickel (Ni), copper (Cu), indium (In), tin (Sn), yttrium (Y), zirconium (Zr), neobium (Nb), molybdenum (Mo), ruthenium (Ru ), Rhodium (Rh), palladium (Pd), gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), strontium (Sr), tungsten (W) or cadmium (Cd), tantalum (Ta), titanium ( Ti), titanium (Ti) or alloys thereof.
  • indium tin oxide ITO
  • indium zinc oxide IZO
  • aluminum doped zinc oxide AZO
  • gallium indium zinc oxide GIZO
  • ZnO zinc oxide
  • conductive nitride tungsten nitride (WN) can be exemplified without limitation.
  • the thickness of the surface plasmon active layer (SP) may be in the range of 10nm to 500nm.
  • the amplification effect of the spectroscopic analysis signal by the surface plasmon active layer SP may be insignificant, and thus the intensity of the signal for analysis of the target material in the sample may not fall within the analytical range.
  • the thickness of the surface plasmon active layer (SP) exceeds 500nm, the signal intensity for analysis of the target material is greatly amplified and the error range is also increased, which may lower the accuracy of sample analysis.
  • the surface plasmon active layer SP When the surface plasmon active layer SP is uniformly formed on the plurality of fibers 10F constituting the fibrous layer 10 through the surface of the fibrous layer 10 and the pores therein, the analyte sample deposited on the fibrous layer 10
  • the measurement results may have reproducibility.
  • the one-dimensional linear structure of the fibers 10F is spatially regular or randomly arranged to form a three-dimensional structure while improving the surface area compared to other substrates such as glass or plastic in the plate structure, thereby increasing the surface plasmon compared to the plate structure.
  • Sensitivity improvement can be achieved by increasing the content of the active layer SP to increase the intensity of the analysis signal.
  • SPR by conductive nanoparticles 30 enables surface-enhanced Raman Spectroscopy (SERS), as well as spectroscopic analysis by localized surface plasmon resonance (LSPR) due to nanostructures. do.
  • the LSPR identifies specific molecules by detecting changes in the chemical and physical environment of the nanoparticles or the surface of the nanostructures, for example, plasmon resonance wavelengths having a maximum absorption or scattering rate due to a change in refractive index of the medium in contact with them.
  • the concentration of the specific molecule in the medium can be obtained and the detection can be performed by a label-free method because it has a high sensitivity to the change of the refractive index
  • the waveform by conventional prism coupling It has many advantages over bulk SPR sensors using plasmons.
  • the spectroscopic sensor of the present invention since the spectroscopic sensor of the present invention has flexibility and large surface roughness due to the structural characteristics of the fibrous layer 10, the spectroscopic sensor may correspond to a profile of various surfaces in which a sample exists. Since the contact surface area of the sensor with respect to can be increased, a small amount of sample can be easily taken, and the surface plasmon can improve the measurement sensitivity of the substrate.
  • FIG 3 is a cross-sectional view showing the fiber 10F and the surface plasmon active layer SP formed on the fiber 10F of the spectroscopic sensor according to another embodiment of the present invention.
  • the fiber and the surface plasmon active layer (SP) can refer to the above-described content.
  • the surface plasmon active layer SP may include conductive nanoparticles and a polymer binder for fixing them on the surface of the fiber 10F.
  • 3 illustrates a structure in which conductive nanoparticles are agglomerated with each other in a single layer, but this is exemplary and may have two or more layers as described above with reference to FIG. 2, or may have a discrete structure.
  • the conductive nanoparticles may be embedded in or exposed to the polymeric binder.
  • the fixing material 40 may be formed on the surface of the polymer binder and / or the conductive nanoparticles 30 exposed to the outside.
  • the immobilized substance (L) is any one of a synthetic reagent including a small molecule compound, an antigen, an antibody, a protein, a peptide, a DNA, an RNA, a PNA, an enzyme, an enzyme substrate, a hormone, a hormone receptor, and a functional group capable of binding to the target substance, and It may include a replica, or a combination thereof, and reference may be made to known techniques regarding the fixing method thereof.
  • the target material may be amino acids, peptides, polypeptides, proteins, glycoproteins, lipoproteins, nucleosides, nucleotides, oligonucleotides, nucleic acids, sugars, carbohydrates, oligosaccharides, polysaccharides, fatty acids, lipids, hormones, metabolites, cytokines, Chemokines, receptors, neurotransmitters, antigens, allergens, antibodies, substrates, metabolites, cofactors, inhibitors, drugs, drugs, nutrients, plion, toxins, poisons, explosives, pesticides, chemical engagements, biohazards, bacteria , Viruses, radioisotopes, vitamins, heterocycle aromatics, carcinogens, mutogens, drugs, amphetamines, barbiturates, hallucinogens, wastes and contaminants.
  • FIGS. 5A and 5B show results of the manufacturing method.
  • a mixed solution (SV) including an ionic polymer binder 20S and conductive nanoparticles is prepared (S10).
  • the mixed solution SV may dissolve the polymer binder 20S in a suitable solvent SV and disperse the conductive nanoparticles 30S in the solvent SV to prepare a mixed solution PL (S10).
  • the polymeric binder 20S may be dissolved in the solvent SV with a low molecular weight precursor, such as a monomer, and polymerized through a subsequent crosslinking step, such as S20, S30, or later. have.
  • the polymer binder 20S and the conductive nanoparticles 30S are entangled with each other in the mixed solution, and when flux (flux or flow) is generated in the polymer binder 20S, the conductive nanoparticles are directed in the direction of the flux of the polymer binder 20S. Flux of the field 30S may occur.
  • the solvent (SV) can be any of water, such as distilled or deionized water, aliphatic alcohols, aliphatic ketones, aliphatic carboxylic acid esters, aliphatic carboxylic acid amides, aromatic hydrocarbons, aliphatic hydrocarbons, acetonitrile, aliphatic sulfoxides or mixtures thereof Can be.
  • the solvent (SV) may be another known polar solvent in which the ionic polymer binder 20S can be easily dissolved.
  • the polymeric binder 20S is added within a range of 0.01 to 10% by weight of A based on the total weight of the mixed solution PL, and the conductive nanoparticles 30S are 0.01% to 10% by molar concentration of A. It may be added in the range of.
  • the rest can be filled with a solvent.
  • suitable dispersion stabilizers such as alginic acid, daily acid derivatives and mixtures thereof, or pH adjusting agents such as boric acid, orthophosphoric acid, acetic acid, ascorbic acid, and citric acid may be added.
  • a photoinitiator may be further added for the crosslinking reaction.
  • the fiber layer 10 is immersed in the mixed solution PL (S20).
  • the fibrous layer 10 may be freely placed in the mixed solution PL or fixed by a mechanism such as a clamp. In addition, two or more fibrous layers may be submerged. In another embodiment, the fibrous layer 10 may be first immersed in the solvent SV, and the polymer binder 20S and the conductive nanoparticles 30S may be dispersed and dissolved.
  • the fibrous layer 10 may be cleaned prior to the dipping step or surface treated for attachment of the surface plasmon active layer.
  • the fibrous layer 10 may be coated with a photocatalyst.
  • the photocatalyst may be prepared by a method such as sol-gel method, and may be coated on the fibers 10F by spraying or applying.
  • the photocatalyst may be titanium dioxide (TiO 2 ), zinc oxide (ZnO), tungsten oxide (WO 3 ), or the like.
  • the photocatalyst may be dispersed in the mixed solution PL.
  • the electric field (E) is applied in the state in which the fiber layer 10 is immersed in the mixed solution (SV) (S30).
  • the electric field E may have a direct current, alternating current, or a complex waveform thereof.
  • the direction of the electric field (E) can be applied in a direction perpendicular to the main surface of the fibrous layer 10, for example, the upper surface, the direction is to be determined according to the polarity of the ionic polymer binder (20S) Can be.
  • the conductive nanoparticles 30S are to be transferred from the upper surface to the lower surface of the fibrous layer 10 as shown in FIG.
  • an electric field can be formed vertically downward when a cationic polymer binder is used. have. In contrast, when an anionic polymer binder is used, an electric field may be formed vertically upward.
  • the electric field E when the electric field E is an alternating electric field, the direction of the electric field E may be in any direction.
  • the electric field E may include a plurality of electric fields having electric fields in different directions or having different kinds of signals.
  • Electrophoresis of the polymer binder 20S charged by the electric field E becomes possible. Accordingly, the flux of the polymer binder 20S is generated and the flux of the polymer binder 20S generates the flux of the conductive nanoparticles 30S.
  • the flux is activated by the electric field (E) and accelerated to have a greater kinetic energy so that the polymer binder 20S and the conductive nanoparticles 30S are introduced into the interior of the fiber layer 10 and the pores of the fiber layer 10. Can be delivered.
  • the kinetic energy of the polymer conductive nanoparticles 30S and the polymer binder 20S transferred onto the surface of the fibers 10F is substantially random on the surface of the fibers 10F in which the electric field is to be three-dimensionally arranged. Direction and can be uniformly coated on the surface of the fibers 10F due to the high kinetic energy. In addition, the conductive nanoparticles may be uniformly coated with high density on the upper surface of the fibers 10F.
  • the fibrous layer 10 is in an electrically floating state, and the electric field E is formed outside the mixed solution SV and may penetrate into the mixed solution SV.
  • the electric field E may have an electrostatic field, an alternating electric field, or another waveform, but the present invention is not limited thereto.
  • the electric field E may be generated by plasma discharge in the chamber, which will be described later with reference to FIG. 5.
  • step S30 is an extremely short time from 10 seconds to 5 minutes as compared to coating by a conventional stirring process.
  • drying of the recovered fiber layer 10 may be performed, or ultraviolet rays or heat may be irradiated for the crosslinking reaction of the polymer binder.
  • cleaning of the fibrous layer 10 may be made. Unfixed conductive nanoparticles or polymer binder is removed by the cleaning, and then shrinkage of the polymer binder may occur by a drying process. In this case, as described above with reference to FIG. 2, some surfaces of the conductive nanoparticles 30 may be exposed while the polymer binder 20 coated on the fibers 10F is shrunk.
  • the coating process of the metal nanoparticles was performed by preparing the fiber layer of the nonwoven fabric in advance, but this is merely illustrative and the present invention is not limited thereto.
  • the coating process of the metal nanoparticles on the strands of the plurality of fibers may be performed first and then recovered, followed by a woven or nonwoven fabric processing process to prepare a spectroscopic sensor in the form of a fibrous layer.
  • FIG. 6 illustrates an apparatus 1000 for manufacturing a spectroscopic analysis sensor according to an embodiment of the present invention.
  • the manufacturing apparatus 1000 is a generator of the electric field E.
  • the manufacturing apparatus 1000 may have two electrodes for generating an electric field, that is, the anode AE and the cathode CE.
  • the anode SE and the cathode CE may be plural in number, and may be spatially arranged to have electric fields in different directions.
  • the manufacturing apparatus 1000 may further comprise suitable gas supply means capable of generating an electric field by gas discharge.
  • Gas P is drawn into the space defined by the anode AE and the cathode CE as indicated by arrow A, and gas P is continuously discharged as indicated by arrow B.
  • FIG. A pump system (not shown) may be provided for the release of gas P or for decompression of the space between anode AE and cathode CE.
  • the gas P may be provided from any one or both of the anode AE and the cathode CE.
  • the anode AE and the cathode CE may have through-holes similar in shape to the shower head. have.
  • the gas may include any one of helium (He), neon (Ne), argon (Ar), nitrogen (N 2 ), and air, or a mixture thereof.
  • this is exemplary and the gas P may be another reactive gas.
  • the cathode CE may be electrically coupled to an AC generator for gas discharge, that is, plasma generation, of the gas P, and the anode AE may be grounded. Alternatively, a positive voltage may be applied to the anode AE and a negative voltage may be applied to the cathode CE for the DC discharge instead of the AC discharge.
  • power is supplied to the anode AE and / or the cathode CE for plasma generation.
  • the nanoparticles fixation process is performed for a few seconds to several minutes with this supply.
  • the distance from the anode AE to the vessel 60 can be maintained at a distance of 0.5 cm to 40 cm.
  • the cathode CE when power is applied to the AC generator of the cathode CE, the cathode CE has a negative potential by self-biasing, whereby the grounded anode AE And an electric field E in the direction of the arrow is generated between the cathode and the cathode CE.
  • a flow of the conductive nanoparticles 30 and the polymer binder 20 in the mixed solution is generated, and the conductive nanoparticles can be fixed on the fiber layer 10 by lasting several seconds to several minutes.
  • the illustrated positions of the anode AE and the cathode CE may be opposite to each other.
  • the anode AE is not limited to a flat one, and has a side wall like a lid to limit the gas discharge space or may be a main body of the chamber.
  • the pressure in the space for the gas discharge may be at or below vacuum, and a vacuum pump may be provided to the manufacturing apparatus 1000 for this purpose.
  • the above-described plasma apparatus is a capacitively coupled plasma chamber, but may further comprise another inductively coupled plasma or other plasma source.
  • ethlyleneglycolamine 0.01 wt% of ethlyleneglycolamine was added as a polymer binder, and 0.05 wt% of gold nanoparticles having an average diameter of 50 nm was added to distilled water as a solvent and stirred as conductive nanoparticles to prepare a mixed solution.
  • the polyester fabric was washed and surface treated with distilled water as a fiber layer to be coated with the gold nanoparticles, and then immersed in the mixed solution.
  • the gold nanoparticles bonded to the polymer binder were installed in the polyester fabric in the mixed solution in the electric field generating device, and the electric field was applied into the mixed solution to proceed with the coating reaction.
  • a vessel containing the mixed solution and the polyester fabric in the plasma chamber was placed in the plasma chamber and the plasma was discharged to apply the electric field.
  • Plasma discharge was performed for 30 seconds, and the fiber layer was recovered and dried to manufacture a spectroscopic sensor according to an embodiment of the present invention.
  • the polyester fabric was mixed in the mixed solution without applying an electric field for 4 hours, recovered, and dried to prepare a spectroscopic sensor according to a comparative example.
  • FIG. 7A and 7B are optical images of the spectroscopic analysis sensor 200a obtained by the above experimental example and the spectroscopic analysis sensor 200b according to the comparative example, respectively.
  • the spectroscopic sensor 200a according to the experimental example is darker in color than the spectroscopic sensor 200b according to the comparative example, and the color is uniform over the entire area. From this, according to the embodiment of the present invention, it is possible to coat the surface plasmon active layer more uniformly and densely on the fiber layer.
  • FIG. 8 is an optical photograph image of a dry state (Dry; 1a, 1b, 1c, 1d) and a wet state (Wet; 1b, 2b, 3b, 4b) of spectroscopic sensors manufactured according to an embodiment of the present invention. to be.
  • Each sample is prepared according to an embodiment of the present invention, and the images (1a, 1b), (2a, 2b), (3a, 3b) and (4a, 4b) are each conductive, when the conductive nanoparticles are not coated.
  • the nanoparticles were prepared by performing a coating process under an electric field for 30 seconds at different concentrations of 1, 2, and 3 times. It can be confirmed that the color of the substrate for analyzing the sample in the wet state is darker than the substrate for analyzing the sample in the dry state.
  • the conductive nanoparticles can be used as a substrate for a sensor capable of expressing surface enhanced Raman phenomenon only when the conductive nanoparticles are well fixed to the surface of the substrate so that local surface plasmon resonance can be expressed.
  • Such local surface plasmon resonance can be determined by artificially changing the refractive index around the substrate coated with the conductive nanoparticles, thereby measuring whether the absorbance is changed, that is, the darkness of the color.
  • FIG. 8 shows that a lipid coated with conductive nanoparticles is exposed to air having a refractive index of 1 (1a, 2a, 3a, 4a), and then exposed to water having a refractive index of 1.333 (1b, 2b, 3b, 4b). This is the result of measuring color change.
  • the conductive nanoparticles are not coated (1a), even when the refractive index of the surrounding is increased to 1.333 (water) with lipids that are not coated with the conductive nanoparticles (1b), no color change occurs.
  • the absorbance of the conductive nanoparticle coating pattern is excellent. You can see the increase. This increase in absorbance indicates that the increase in the degree of coating of the conductive nanoparticles is significantly increased. Therefore, in the case of a spectroscopic sensor coated with a high density of conductive nanoparticles, local surface plasmon resonance can be clearly expressed and surface enhanced Raman phenomenon can be further amplified, so that a small amount of samples can be accurately analyzed.
  • FIG. 9A is an optical photograph image of the spectroscopic sensor 300 coated with metal nanoparticles on polycarbonate fibers
  • FIG. 9B is a scanning electron microscope image of the spectroscopic sensor 300.
  • the non-woven spectroscopic sensor 300 based on polycarbonate fibers has a darker color than the spectroscopic sensor based on the polyester fibers after coating the gold nanoparticles.
  • the spectroscopic sensor 300 having a non-woven fabric structure based on polycarbonate fibers has high strength and chemical resistance, and thus sampling may be performed using a wiper or a filter method.
  • the gold nanoparticles are coated with a high density on the binder layer of the spectroscopic sensor 300.
  • FIG. 10A is a Raman spectrum of acetaminophen using a spectroscopic analysis sensor according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 9B is a Raman spectrum of acetaminophen on a fiber layer according to a comparative example.
  • a polycarbonate fiber-based spectroscopic sensor coated with gold nanoparticles shows a Raman shift signal based on the binding structure of acetaminophen, the peak size of which is large enough to be detectable and a reproducible Raman spectrum. Is obtained.
  • both the Raman shift signal and the noise are amplified when the signal is amplified for signal detection, and thus, the Raman shift signal is more difficult to detect than the Raman shift signal of FIG. 10A. , No reproducibility.

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Abstract

본 발명은 분광 분석 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 분광 분석 센서는 가요성의 복수의 섬유들을 포함하는 섬유층, 및 상기 복수의 섬유들의 표면 상에 형성된 표면 플라즈몬 활성층을 포함한다. 상기 분광 분석 센서는 고밀도의 표면 플라즈몬 활성층에 의해 고신뢰성의 분광 분석을 가능하게 하고, 가요성의 섬유층은 타겟 물질의 확보를 용이하게 한다.

Description

분광 분석 센서 및 이의 제조 방법
본 발명은 분광 분석 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 표면 플라즈몬 현상을 이용하여 생물학적 또는 비생물학적 타겟을 분석하기 위한 분광 분석 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
다양한 분야에서 시료에 포함된 분석 대상 물질인 시료를 민감하고 정확하게 검출하기 위한 많은 측정 기술들이 제안되고 상용화되어 왔다. 이러한 측정 기술들 중 라만 분광법 및/또는 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance: SPR)은 분자 단위의 시료를 정밀하게 측정할 수 있어 화학 및 생물학적 분자 특이도(specificity) 분석을 위해 응용되고 있다.
상기 라만 분광법은 입사 광이 유형의 매질을 통과하면서 상기 매질 내의 특정 광흡수 분자를 여기시키고 스캐터링될 때, 출력 광에서 진동수 편이가 발생하는 비탄성적 스캐터링 현상인 라만 스캐터링에 근거한 측정 방법이다. 상기 라만 분광법은 상기 라만 스캐터링에 따른 출력 광의 상기 진동수 편이로부터 상기 특정 광흡수 분자의 진동 에너지 레벨을 산출하고, 상기 특정 광흡수 분자의 진동 에너지가 상기 분자의 구조와 결합 강도에 의존하는 것으로부터 상기 특정 분자를 검출한다.
상기 라만 분광법은 검출하고자 하는 특정 분자에 고유하게 나타나는 진동수 편이에 의한 것이어서 분자 자체를 정확히 특정할 수는 있지만, 라만 스캐터링된 출력 광의 신호 세기가 매우 약하여 실제 응용에 있어 제약을 가지고 있다. 상기 라만 스캐터링의 약한 출력을 실용적 수준까지 증폭시켜 검출 효율과 재현성을 개선한 표면 증강 라만 분석법(Surface-enhanced Raman Spectroscopy: SERS)이 제안되었다. 상기 표면 증강 라만 분석법은, 금속 나노구조의 주변에 특정 분자가 존재할 경우, 입사 광인 라만 레이저가 금속 나노구조의 표면에서 표면 플라즈몬(Surface Plasmon)을 발생시키고, 상기 표면 플라즈몬이 상기 특정 분자와 상호작용을 함으로써, 상기 특정 분자의 라만 신호를 크게 증폭시키는 현상(이를 표면 플라즈몬 공명이라 함)을 이용한다.
상기 표면 증강 라만 분석법의 정확성을 향상시키기 위하여 상기 금속 나노구조의 형상 및/또는 종류에 대한 다양한 연구가 진행되어 왔다. 일반적으로, 상기 SERS를 위해 금속 나노구조로서 금속 나노입자가 사용되며, 이들 입자들은 서로 고립되어 있는 나노 섬들(islands)보다는 서로 응집된 구조를 가질 때에 10 내지 103 배 더 크게 라만 신호를 증폭시키는 것으로 알려져 있다. 이러한 응집된 나노입자의 구조는 단순히 소정의 거칠기를 갖는 금속 박막보다도 104 배 이상으로 라만 신호를 증폭시킬 수 있어 바람직하다.
상기 나노구조를 제조하는 방법으로서, 전자빔 리소그래피, 집속이온빔, 또는 나노임프린트와 같은 나노 패터닝 기술이 가능하지만, 이러한 기술은 연속 공정과 다양한 기판 크기에 대응하여 수율을 향상시키는데 한계가 있을 뿐만 아니라 공정 동안의 기계적 접촉이 있는 경우 나노구조에 결함이나 오염을 초래할 수 있다. 또한, 상기 제조 방법은 상기 나노구조가 형성되는 표면을 제공하는 기재의 다양한 재질이나 종류에 대응하기 어려운 문제점이 있다. 예를 들면, 상기 전자빔리소그래피와 같은 기술의 적용은 2차원적인 평면 구조를 갖는 기재에 한정되기 때문에, 복잡한 3차원 구조를 갖는 기재 상에 나노입자 구조를 형성하기는 어렵다.
또한, 상기 응집된 나노입자의 구조에서 높은 증폭비의 라만 스캐터링 신호를 얻기 위해서는 SER 센서의 기재의 표면 상에 응집된 나노입자를 균일하게 형성하는 것이 요구된다. 그러나, 상기 응집된 나노입자를 균일하게 형성하는 것은 상기 제조 방법에 의하여 달성하기 어려운 문제가 있다. 다른 제조 방법으로서, 연속적 프로파일을 갖는 금속 박막을 증착하고, 이를 열처리할 수도 있다. 그러나, 이 경우, 고밀도로 응집된 나노입자의 구조가 형성되기 보다는 고립된 나노 섬 구조가 형성되기 쉬울 뿐만 아니라, 기판의 재료도 유리와 같은 내열성 재료로 제한되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 2차원적 평면 구조에 한정되지 않고 3차원 구조의 복잡한 구성을 가지면서 고밀도로 나노구조가 형성되어 표면 플라즈몬에 기초한 고신뢰성의 분광 분석을 수행할 수 있는 분광 분석 센서를 제공하는 것이다. 또한, 시료가 채취되는 방법을 다양화하여 그 적용 대상을 확장할 수 있는 분광 분석 센서를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 해결하고자 하는 다른 과제는, 전술한 바와 같이 3차원 구조의 복잡한 구성을 갖거나 플렉시블한 특성을 갖는 기재에 대하여 분석 신호의 증폭 효과를 향상시키기 위하여 기재 상에 나노구조 복합체를 고밀도로 코팅할 수 있는 분광 분석 센서의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 분광 분석 센서는, 가요성의 복수의 섬유들을 포함하는 섬유층, 및 상기 복수의 섬유들의 표면 상에 형성된 표면 플라즈몬 활성층을 포함할 수 있다.
상기 복수의 섬유들은 부직포, 직조, 다발 또는 이들의 조합된 구조를 가질 수 있다.
상기 표면 플라즈몬 활성층은 도전성 나노입자들 및 상기 도전성 나노입자들을 상기 복수의 섬유들의 표면 상에 고정하는 고분자 바인더를 포함할 수 있다. 상기 도전성 나노입자들은 응집된 구조를 가지거나, 구형, 나노 튜브, 나노 컬럼, 나노 로드, 나노 기공, 및 나노 와이어 중 어느 하나 또는 이들이 조합된 형상을 가질 수 있다.
상기 도전성 나노입자들은 탄소, 흑연, 준금속, 금속, 상기 준금속 또는 준금속의 도전성 산화물, 또는 상기 준금속 또는 금속의 도전성 질화물의 입자들을 포함하거나, 절연성 비드 상에 상기 입자들이 코팅된 코어 쉘 구조의 입자 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 준금속은, 안티몬(Sb), 게르마늄(Ge) 및 비소(As) 중 어느 하나 또는 이들의 합금을 포함하고, 상기 금속은 금속, 전이 금속 또는 전이후 금속으로서, 타이타늄(Ti), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 스탄튬(Sc), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 인듐(In), 주석(Sn), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 네오븀(Nb), 몰리브데늄(Mo), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 파라듐(Pd), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 스트론튬(Sr), 텅스텐(W) 또는 카드뮴(Cd), 탄탈륨(Ta), 타이타늄(Ti), 타이타늄(Ti) 또는 이들의 합금을 포함하며, 상기 도전성 산화물은 인듐 틴 옥사이드(ITO), 인듐 아연 옥사이드(IZO), 알루미늄 도프된 아연 산화물(AZO), 갈륨 인듐 아연 산화물(GIZO), 아연 산화물(ZnO) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
상기 표면 플라즈몬 활성층의 두께는 10nm 내지 500nm의 범위 내일 수 있고, 상기 복수의 섬유들은 천연 섬유 및 합성 섬유 중 어느 하나 또는 모두를 포함할 수 있다.
상기 섬유층의 표면은 상기 복수의 섬유들이 돌출되어 제공된 무정형의 표면 플라즈몬 섬유 돌기들을 포함하고, 상기 섬유층은 상기 복수의 섬유들 사이의 기공을 포함할 수 있다.
상기 고분자 바인더는 양이온성 고분자 또는 음이온성 고분자를 포함할 수 있다.
또한, 상기 표면 플라즈몬 활성층 상에 분석될 타겟 물질과 특이적 결합이 가능한 고정 물질을 더 포함할 수 있다. 상기 고정 물질은 저분자 화합물, 항원, 항체, 단백질, 펩타이드, Deoxyribo Nucleic Acid(DNA), Ribo Nucleic Acid(RNA), Peptide Nucleic Acid (PNA), 효소, 효소 기질, 호르몬, 호르몬 수용체, 관능기를 포함하는 합성 시약 중 어느 하나, 이의 모사물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 타겟 물질은 아미노산, 펩티드, 폴리펩티드, 단백질, 당단백질, 지단백질, 뉴클레오시드, 뉴클레오티드, 올리고뉴클레오티드, 핵산, 당, 탄수화물, 올리고당, 다당류, 지방산, 지질, 호르몬, 대사물질, 사이토카인, 케모카인, 수용체, 신경 전달 물질, 항원, 알레르겐, 항체, 기질, 대사물질, 보조 인자, 저해제, 약물, 약제, 영양소, 플리온, 독소, 독, 폭약, 살충제, 화학적 교전제, 생물위험제, 박테리아, 바이러스, 방사선 동위원소, 비타민, 헤테로시클 방향족 화합물, 카르시노겐, 뮤타겐, 마약, 암페타민, 바르비투레이트, 환각제, 폐기물 및 오염물 중 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 분광 분석 센서는 표면 증강 라만 분석(Surface-enhanced Raman Spectroscopy: SERS), 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance: SPR), 국소 표면 플라즈몬 공명(Local Plasmaon Resonance: LSPR), 흡수율 및/또는 형광 모드로 사용될 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 분광 분석 센서의 제조 방법은, 이온성 고분자 바인더 및 도전성 나노입자들을 포함하는 혼합 용액을 제공하는 단계, 상기 혼합 용액 내에 복수의 섬유들을 침지시키는 단계, 및 상기 도전성 나노입자들이 상기 복수의 섬유들의 표면 상에 코팅되도록 상기 복수의 섬유들이 침지된 상기 혼합 용액에 전기장을 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 분광 분석 센서는, 섬유층을 구성하는 복수의 섬유들의 표면 상에 표면 플라즈몬 활성층이 형성되고, 상기 섬유들의 가요성(flexibility)에 의해 분석될 시료가 존재하는 물건 또는 생물체의 표면의 다양한 형상이나 재질에 대응하여 상기 표면에 상기 섬유층을 문지르거나 투과시키는 방식으로 시료를 채취할 수 있어 측정될 시료의 대상을 다양화시키고 시료의 준비 과정을 단순화시킬 수 있을 뿐만 아니라 분광 분석 센서의 형태와 요구되는 강도, 투명도, 기공률, 내열성 및 내화학성과 같은 제품 요구를 상기 섬유들의 재질에 따라 용이하게 충족시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 섬유들에 의해 표면 플라즈몬 활성층을 형성할 수 있는 표면적이 2차원적 기재보다 더 넓어지고, 고밀도로 표면 플라즈몬 활성층을 형성함으로써 표면 플라즈몬에 기초한 고신뢰성의 분광 분석을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 전기장에 의해 이온성 고분자 바인더와 금속 나노입자에 에너지를 주입함으로써, 전술한 바와 같은 3차원 구조의 복잡한 구성과 플렉시블한 특성을 갖는 섬유들로 이루어진 기재 상에 고밀도의 나노구조로 이루어진 표면 플라즈몬 활성층을 신속하고 경제적으로 제조할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 분광 분석 센서의 사시도이고, 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 섬유들의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분광 분석 센서의 섬유 및 섬유 상에 형성된 표면 플라즈몬 활성층을 도시하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 분광 분석 센서의 섬유 및 섬유 상에 형성된 표면 플라즈몬 활성층을 도시하는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분광 분석 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 5a 및 도 5b는 상기 제조 방법에 따른 결과물들을 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 분광 분석 센서의 제조 장치를 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 각각 상기 실험예에 의해 얻어진 분광 분석 센서와 비교예에 따른 분광 분석 센서의 광학 이미지이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 분광 분석 센서들의 건조 상태 및 수분에 젖은 상태의 광학 사진 이미지이다.
도 9a는 폴리카보네이트 섬유들 상에 금속 나노입자가 코팅된 분광 분석 센서의 광학 사진 이미지이고, 도 9b는 분광 분석 센서의 주사전자현미경 이미지이다.
도 10a는 본 발명의 실시예에 따른 분광 분석 센서를 이용한 아세타미노펜의 라만 스펙트럼이며, 도 9b는 비교예에 따른 섬유층 상에 아세타미노펜의 라만 스펙트럼이다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명은 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형되는 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는" 는 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다.　 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다.　 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 섬유층 또는 다른 층 "상에(on)" 형성된 층에 대한 언급은 상기 섬유층 또는 다른 층의 바로 위에 형성된 층을 지칭하거나, 상기 섬유층 또는 다른 층 상에 형성된 중간 층 또는 중간 층들 상에 형성된 층을 지칭할 수도 있다. 또한, 당해 기술 분야에서 숙련된 자들에게 있어서, 다른 형상에 "인접하여(adjacent)" 배치된 구조 또는 형상은 상기 인접하는 형상에 중첩되거나 하부에 배치되는 부분을 가질 수도 있다.
본 명세서에서, "아래로(below)", "위로(above)", "상부의(upper)", "하부의(lower)", "수평의(horizontal)" 또는 "수직의(vertical)"와 같은 상대적 용어들은, 도면들 상에 도시된 바와 같이, 일 구성 부재, 층 또는 영역들이 다른 구성 부재, 층 또는 영역과 갖는 관계를 기술하기 위하여 사용될 수 있다. 이들 용어들은 도면들에 표시된 방향뿐만 아니라 소자의 다른 방향들도 포괄하는 것임을 이해하여야 한다.
이하에서, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들(및 중간 구조들)을 개략적으로 도시하는 단면도들을 참조하여 설명될 것이다. 이들 도면들에 있어서, 예를 들면, 부재들의 크기와 형상은 설명의 편의와 명확성을 위하여 과장될 수 있으며, 실제 구현시, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 된다. 또한, 도면의 부재들의 참조 부호는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부재를 지칭한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 분광 분석 센서(100)의 사시도이고, 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 섬유들(10F)의 단면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 분광 분석 센서(100)는 복수의 섬유들(10F)을 포함하는 섬유층(10); 및 복수의 섬유들(10F)의 표면 상에 형성된 표면 플라즈몬 활성층(SP)을 포함한다. 섬유층(10)의 복수의 섬유들(10F)은 적어도 서로 다른 두 방향들로 연장되어 상호 간에 접촉되고, 섬유층(10)의 표면으로부터 내부로 형성된 기공을 가지면서 3차원 입체를 형성할 수 있다. 기공은 후술하는 바와 같이 섬유층(10)의 표면으로부터 내부까지 복수의 섬유들(10F)의 표면에 코팅될 고분자 바인더 및 도전성 나노입자들의 이동 경로를 제공할 수 있다.
일부 실시예에서, 복수의 섬유들(10F)은 천연 섬유 및 합성 섬유 중 어느 하나 또는 모두를 포함할 수 있다. 상기 천연 섬유는, 예를 들면, 면, 마, 모 또는 견일 수 있다. 상기 합성 섬유는 예를 들면, 레이온, 나일론, 셀룰로오스, 아크릴, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌테레프탈레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에테르설폰, 폴리에테르에테르케톤, 폴리페니렌설파이드, 폴리비닐리덴 플로라이드, 또는 이들의 공중합체와 같은 유도체일 수 있다. 그러나, 전술한 재료는 예시적이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 시료 채취를 위해 와이퍼 방식이 필요한 경우 분광 분석 센서의 재료로서 셀룰로오스 또는 폴리에스테르와 같은 부드럽고 가요성이 큰 섬유 재료가 사용될 수 있으며, 시료 채취를 위해 필터 방식이 필요한 경우에는 강도와 내화학성이 큰 폴리카보네이트와 같은 섬유 재료가 사용될 수 있다.
다른 실시예에서, 분광 분석 센서에 의해 채취될 시료가 존재하는 물건 및 장소, 시료의 종류 및/또는 분광 분석 방법에 따라 복수의 섬유들(10F)의 재료는 강도, 탄성, 수축성, 내열성 또는 내화학성과 같은 특성을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 복수의 섬유들(10F)은 다른 폴리머계 재료, 석유 피치, 또는 콜타르일 수도 있다.
다른 실시예에서, 복수의 섬유들(10F)은 분광 분석을 위한 입사광 또는 출력광을 섬유들을 따라 전달할 수 있는 광섬유를 포함할 수 있다. 이 경우, 섬유층(10)은 복수의 광섬유 다발로 구성되거나 전술한 천연 섬유 및/또는 합성 섬유와 광섬유가 혼합된 직조 또는 부직포 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 섬유층(10)이 복수의 천연 섬유들 및/또는 합성 섬유들 사이에 섬유층(10)의 표면 밖으로 광을 방출하도록 복수의 광섬유들이 불규칙한 형태로 노출되거나 혼방될 수 있다.
섬유층(10)을 구성하는 복수의 섬유들(10F)은 균일한 길이 또는 서로 다른 길이로 세그먼트화되거나 단일한 연속적 섬유일 수도 있다. 일부 실시예에서, 복수의 섬유들(10F)은 부직포, 직조 또는 이들의 조합된 구조를 가질 수 있다. 도 1a는 부직포 조직을 갖는 복수의 섬유들(10F)로 이루어진 섬유층(10)을 개시한다. 이러한 섬유 구조는 압축 공정을 통해 단위 부피 내 섬유들의 밀도를 증가시킬 수도 있다.
섬유층(10)의 상부 표면에는 돌출되는 적어도 하나 이상의 무정형의 섬유 돌기가 제공될 수 있다. 무정형의 섬유 돌기들은 섬유층(10)의 표면 거칠기를 조절하거나 섬유층(10)이 측정될 시료의 포집을 용이하게 한다.
제조 측면에서, 섬유층(10)은 복수의 섬유들(10F)을 랜덤하게 비산시키거나 섞고, 선택적으로는 교락 공정을 수행하여 부직포 구조를 얻거나, 직조 공정을 통해 직조 구조와 같은 규칙적인 구조를 얻을 수 있다. 이러한 제조 방법은 예시적이며, 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니다. 표면 플라즈몬 활성층(SP)은 복수의 섬유들(10F)의 표면 상에 형성될 수 있다. 표면 플라즈몬 활성층(SP)은 외부로부터 입사되는 광에 의해 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonane; SPR)을 발생시켜 시료에 포함된 분석 대상인 타겟 물질을 검출하기 위한 신호를 증폭시켜 재현성과 신뢰성이 있는 분광 분석을 가능하게 한다.
예를 들면, 상기 표면 플라즈몬 활성층(SP)은 표면 플라즈몬 활성층(SP) 표면의 화학적 및 물리적 환경에 따른 변화, 예를 들면, 이들에 접하는 매질의 굴절률 변화에 따른 최대 흡수율 또는 산란율을 갖는 플라즈몬 공명 파장 및/또는 흡수율의 변화를 검출함으로써 시료 내의 타겟 물질을 식별하거나, 상기 타겟 물질의 시료 내 농도를 구할 수 있도록 한다. 또한, 표면 플라즈몬 활성층(SP)에 의해, 입사 광인 라만 레이저가 표면 플라즈몬 활성층(SP)의 표면에서 표면 플라즈몬(Surface Plasmon)을 발생시키고, 상기 표면 플라즈몬이 상기 시료의 특정 분자와 상호작용을 함으로써, 특정 분자의 검출을 위한 표면 증강 라만 분석(Surface-enhanced Raman Spectroscopy: SERS)이 수행될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 분광 분석 센서(100)는 표면 플라즈몬 활성층(SP)의 기재가 되는 섬유들(10F)의 가요성(flexibility)에 의해 분석될 시료가 존재하는 물건 또는 생물체의 표면의 다양한 형상이나 재질에 대응하여 상기 표면에 섬유층(10)을 문지르는 방식으로 시료를 채취할 수 있으며, 그에 따라 측정될 시료의 대상이 다양화되고 시료의 준비 과정이 단순화될 수 있다. 예를 들면, 유리 및 금속과 같은 비탄성적이거나 플라스틱과 같은 탄성체라도 섬유에 비해 낮은 가요성을 갖는 평판형 기재의 경우, 분광 분석시 시료를 별도로 채취하여 분광 분석 센서 상에 도포하여야 하지만, 섬유층 구조의 분광 분석 센서(100)는 그 자체에 의해 시료의 채취와 분석이 이루어질 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 액상 시료의 경우 섬유층(10) 내의 기공에 의해 섬유층(10) 내부로 빨리 흡수되어, 시료의 채취가 신속하게 이루어질 수도 있으며, 기공 내부로 흡수된 상기 시료들은 섬유층(10) 내에 장시간 동안 안전하게 유지될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분광 분석 센서의 섬유(10F) 및 섬유(10F) 상에 형성된 표면 플라즈몬 활성층(SP)을 도시하는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 섬유(10F)는 도 1a를 참조하여 전술한 섬유층(10)을 구성하는 세그먼트화된 복수의 섬유 필라멘트들 중 하나 또는 섬유층(10)을 구성하는 단일한 섬유이다. 섬유(10F)의 표면 상의 표면 플라즈몬 활성층(SP)은 도전성 나노입자들(20)을 포함할 수 있다. 이들 도전성 나노입자들(20)은 상기 도전성 나노입자들을 섬유(10F)의 표면 상에 고정하는 고분자 바인더(20)를 포함할 수 있다.
고분자 바인더(20)는 도전성 나노입자들(20)을 내포하도록 섬유(10F)의 표면 상에 도전성 나노입자들(20)의 직경보다 더 큰 두께로 형성될 수 있다. 일부 실시예에서는, 2개층 이상으로 응집된 도전성 나노입자들(20)이 고분자 바인더(20)에 내포될 수 있도록 고분자 바인더(20)는 충분한 두께를 가질 수도 있다.
다른 실시예에서, 고분자 바인더(20)는 도전성 나노입자들(20)의 직경보다 작은 두께로 형성될 수 있으며, 이 경우, 도전성 나노입자들(20)의 표면이 고분자 바인더(20)의 외부로 노출될 수 있다. 도 2는 고분자 바인더(20)의 외부로 도전성 나노입자들(20)의 표면이 노출된 것을 예시한다. 고분자 바인더(20)의 두께 및 그에 따른 도전성 나노입자들(20)의 층의 수 또는 노출 정도는 후술하는 혼합 용매의 고분자 바인더(20)와 도전성 나노입자들의 혼합비 및/또는 고분자 바인더(20)의 농도 또는 건조 공정의 온도 및 시간에 의해 조절될 수 있다.
고분자 바인더(20)의 분자량은 약 1,000 kDal 내지 약 60,000 kDal의 범위 내일 수 있다. 상기 분자량이 약 1,000 kDal 미만인 경우에는 섬유층 상에 고정되는 도전성 나노입자들의 접합력이 충분하지 않으며, 분자량이 60,000 kDal을 초과하는 경우에는 후술하는 액상 코팅 공정에서 점성이 과다하여 섬유층(10)의 내부로 고분자 바인더(20)와 도전성 나노입자들(20)의 전달이 용이하지 않아, 도전성 나노입자들(20)을 섬유들(10F) 상에 균일하게 코팅하는 것이 어렵다.
고분자 바인더(20)는 적합한 용매 내에서 용해될 때 이온성을 갖는 고분자일 수 있다. 예를 들면, 고분자 바인더(20)는 양이온성 고분자일 수 있으며, 폴리다이알릴다이메틸암모늄 클로라이드(poly diallydimethylammonium chloride), 폴리알릴아민 하이드로클로라이드(poly allylamine hydrochloride), 폴리비닐벤질트리메틸 암모늄 클로라이드(poly 4-vinylbenzyltrimethyl ammonium chloride), 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine) 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 고분자 바인더(20)은 음이온성 고분자일 수 있으며, 폴리아크릴산(poly acrylic acid), 폴리소디움 스티렌 술포네이트(poly sodium 4-styrene sulfonate), 폴리비닐술포닉산(poly vinylsulfonic acid), 폴리소디움염(poly sodium salt), 폴리아미노산 (poly amino acids) 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 고분자들은 예시적이며, 양성 또는 음성의 이온성기를 갖는 중합체 또는 공중합체들, 전술한 고분자 주쇄에 양성 또는 음극성 이온성기가 결합된 고분자들, 다른 합성 수지, 또는 천연 수지일 수도 있다.
도전성 나노입자들(30)은 10 nm 내지 200 nm의 평균 직경을 가질 수 있으며, 구형, 나노 튜브, 나노 컬럼, 나노 로드, 나노 기공, 나노 와이어 중 어느 하나 또는 이들이 조합된 형상을 가질 수 있다. 이들 입자들은 상기 형상에 따라 속이 꽉 찬 형태이거나 다공질 또는 중공형일 수 있다. 상기 도전성 나노입자들은, 탄소, 흑연, 준금속, 금속, 상기 준금속 또는 금속의 합금, 도전성 금속 산화물, 금속 질화물의 도전성 입자이거나, 유리 또는 고분자 절연성 비드 상에 금속 박막과 같은 도전층이 코팅된 코어 쉘 구조의 입자일 수 있다. 일 실시예에서, 도전성 나노입자들(30)은 금, 은과 같은 귀금속일 수 있다.
상기 준금속은, 안티몬(Sb), 게르마늄(Ge) 및 비소(As) 중 어느 하나 또는 이들의 합금일 수 있다. 상기 금속은 금속, 전이 금속 또는 전이후 금속으로서, 타이타늄(Ti), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 스탄튬(Sc), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 인듐(In), 주석(Sn), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 네오븀(Nb), 몰리브데늄(Mo), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 파라듐(Pd), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 스트론튬(Sr), 텅스텐(W) 또는 카드뮴(Cd), 탄탈륨(Ta), 타이타늄(Ti), 타이타늄(Ti) 또는 이들의 합금일 수 있다.
상기 도전성 금속 산화물로서, 인듐 틴 옥사이드(ITO), 인듐 아연 옥사이드(IZO), 알루미늄 도프된 아연 산화물(AZO), 갈륨 인듐 아연 산화물(GIZO) 또는 아연 산화물(ZnO)이 비제한적으로 예시될 수 있다. 또한, 상기 도전성 질화물로서, 텅스텐 질화물(WN)이 비제한적으로 예시될 수 있다.
일 실시예에서, 표면 플라즈몬 활성층(SP)의 두께는 10nm 내지 500nm의 범위 내일 수 있다. 표면 플라즈몬 활성층(SP)의 두께가 10nm 미만인 경우, 표면 플라즈몬 활성층(SP)에 의한 분광 분석 신호의 증폭 효과가 미미하여 시료 내 타겟 물질의 분석을 위한 신호의 세기가 분석 가능 범위에 미치지 못할 수 있다. 또한, 표면 플라즈몬 활성층(SP)의 두께가 500nm를 초과하는 경우에는 타겟 물질의 분석을 위한 신호의 세기가 크게 증폭됨과 동시에 오차범위도 함께 커져 시료 분석의 정확성이 낮아질 수 있다.
섬유층(10)의 표면과 내부의 기공을 통해 섬유층(10)을 구성하는 복수의 섬유들(10F) 상에 표면 플라즈몬 활성층(SP)이 균일하게 형성된 경우, 섬유층(10)에 피착된 분석 시료의 측정 결과가 재현성을 가질 수 있다. 또한, 섬유들(10F)의 1차원 선형 구조는 공간적으로 규칙적으로 또는 랜덤하게 배열되어 3차원 구조를 이루면서 평판 구조의 다른 유리 또는 플라스틱과 같은 기재에 비해 표면적을 향상시켜 상기 평판 구조에 비해 표면 플라즈몬 활성층(SP)의 함유량을 증가시켜 분석 신호의 강도를 증가시킴으로써 감도 향상을 달성할 수 있다.
도전성 나노입자(30)에 의한 SPR은 표면 증강 라만 분석(Surface-enhanced Raman Spectroscopy: SERS)뿐만 아니라, 나노구조체에 기인하는 국소표면 플라즈몬 공명(localized surface plasmon resonance; LSPR)에 의한 분광 분석을 가능하게 한다. 상기 LSPR은 나노입자들 또는 나노 구조체 표면의 화학적 및 물리적 환경에 따른 변화, 예를 들면, 이들에 접하는 매질의 굴절률 변화에 따른 최대 흡수율 또는 산란율을 갖는 플라즈몬 공명 파장의 변화를 검출함으로써 특정 분자를 식별하거나, 특정 분자의 매질 내 농도를 구할 수 있고, 상기 굴절률의 변화에 고감도를 갖기 때문에 비표지(label-free) 방식에 의해 검지가 이루어질 수 있기 때문에, 종래의 프리즘 결합(prism coupling)에 의한 파형 플라즈몬을 이용한 벌크 SPR 센서에 비하여 많은 장점을 갖는다.
또한, 본 발명의 분광 분석 센서는 섬유층(10)의 구조적인 특성으로 인하여 가요성(flexibility)를 갖고 표면 거칠기(surface roughness)가 크기 때문에, 시료가 존재하는 다양한 표면의 프로파일에 대응할 수 있으며, 시료에 대한 센서의 접촉 표면적이 증가될 수 있으므로, 적은 양의 시료를 쉽게 채취할 수 있고, 표면 플라즈몬에 의해 기판의 측정 감도를 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 분광 분석 센서의 섬유(10F) 및 섬유(10F) 상에 형성된 표면 플라즈몬 활성층(SP)을 도시하는 단면도이다. 섬유 및 표면 플라즈몬 활성층(SP)에 관하여는 전술한 내용을 참조할 수 있다.
도 3을 참조하면,표면 플라즈몬 활성층(SP)은 도전성 나노입자들과 이들을 섬유(10F)의 표면 상에 고정하는 고분자 바인더를 포함할 수 있다. 도 3은 도전성 나노입자들이 단일층으로 서로 응집된 구조를 도시하지만, 이는 예시적이며, 도 2를 참조하여 전술한 바와 같이 2 개 이상의 복수층을 갖거나, 이산적 구조를 가질 수도 있다. 또한, 도전성 나노입자들은 고분자 바인더 내에 내포되거나 밖으로 노출될 수도 있다. 이에 따라, 고정 물질(40)은 외부로 노출된 고분자 바인더, 및/또는 도전성 나노입자(30)의 표면 상에 형성될 수 있다.
고정 물질(L)은 상기 타겟 물질과 결합 가능한 저분자 화합물, 항원, 항체, 단백질, 펩타이드, DNA, RNA, PNA, 효소, 효소 기질, 호르몬, 호르몬 수용체, 관능기를 포함하는 합성 시약 중 어느 하나, 이의 모사물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 이의 고정 방법에 관하여는 공지의 기술이 참조될 수 있다. 또한, 상기 타겟 물질은 아미노산, 펩티드, 폴리펩티드, 단백질, 당단백질, 지단백질, 뉴클레오시드, 뉴클레오티드, 올리고뉴클레오티드, 핵산, 당, 탄수화물, 올리고당, 다당류, 지방산, 지질, 호르몬, 대사물질, 사이토카인, 케모카인, 수용체, 신경 전달 물질, 항원, 알레르겐, 항체, 기질, 대사물질, 보조 인자, 저해제, 약물, 약제, 영양소, 플리온, 독소, 독, 폭약, 살충제, 화학적 교전제, 생물위험제, 박테리아, 바이러스, 방사선 동위원소, 비타민, 헤테로시클 방향족 화합물, 카르시노겐, 뮤타겐, 마약, 암페타민, 바르비투레이트, 환각제, 폐기물 및 오염물 중 어느 하나 이상일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분광 분석 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 5a 및 도 5b는 상기 제조 방법에 따른 결과물들을 도시한다.
도 4와 함께 도 5a를 참조하면, 이온성 고분자 바인더(20S) 및 도전성 나노입자들을 포함하는 혼합 용액(SV)을 준비한다(S10). 혼합 용액(SV)은 고분자 바인더(20S)를 적합한 용매(SV)에 용해시키고, 도전성 나노입자들(30S)을 용매(SV)에 분산시켜 혼합 용액(PL)을 제조할 수 있다(S10). 다른 실시예로서, 고분자 바인더(20S)는 모노머와 같은 저분자량 전구체로 용매(SV) 내에 용해되고, 후속 단계, 예를 들면, S20, S30, 또는 그 이후에 추가적으로 가교 단계를 통해 고분자화될 수 있다. 고분자 바인더(20S)와 도전성 나노입자들(30S)은 혼합 용액 내에서 서로 엉겨, 고분자 바인더(20S)에 플럭스(flux 또는 흐름)가 발생하는 경우 고분자 바인더(20S)의 플럭스의 방향으로 도전성 나노입자들(30S)의 플럭스가 발생할 수 있다.
용매(SV)는 증류수 또는 탈이온수와 같은 물, 지방족 알코올, 지방족 케톤, 지방족 카르복실산 에스테르, 지방족 카르복실산 아미드, 방향족 탄화수소, 지방족 탄화수소, 아세토니트릴, 지방족 술폭시드 또는 이들의 혼합물 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 용매(SV)는 이온성 고분자 바인더(20S)가 쉽게 용해될 수 있는 공지의 다른 극성 용매일 수도 있다.
혼합 용액(PL) 내에는 혼합 용액(PL)의 총 중량에 대하여 고분자 바인더(20S)가 A 중량 0.01 내지 10 % 의 범위 내로 첨가되고, 도전성 나노입자(30S)는 A 몰농도 0.01% 내지 10%의 범위 내로 첨가될 수 있다. 나머지는 용매로 채워질 수 있다. 선택적으로는, 알긴산, 일간산 유도체 및 이들의 혼합물과 같은 적합한 분산 안정제, 또는 붕산, 오르토인산, 아세트산, 아스코르브산, 및 구연산과 같은 pH 조절제가 첨가될 수 있다. 또는, 광감성 고분자 바인더인 경우에는 가교 반응을 위하여 광개시제가 더 첨가될 수도 있다.
도 4와 함께 도 5b를 참조하면, 혼합 용액(PL) 내에 섬유층(10)을 침지시킨다(S20). 섬유층(10)은 혼합 용액(PL) 내에서 자유 배치가 되거나 클램프와 같은 기구에 의해 고정될 수 있다. 또한, 2 이상의 섬유층들이 침지될 수 있다. 다른 실시예에서는, 용매(SV) 내에 먼저 섬유층(10)을 침지시키고, 고분자 바인더(20S)와 도전성 나노입자들(30S)을 분산 및 용해시킬 수도 있다.
섬유층(10)은 침지 단계 이전에 세정되거나 표면 플라즈몬 활성층의 부착을 위해 표면 처리될 수 있다. 일 실시예에서, 섬유층(10)은 광촉매가 코팅될 수 있다. 광촉매는 졸겔법과 같은 방법에 의하여 제조될 수 있고, 분무 또는 도포에 의하여 섬유들(10F)에 코팅될 수 있다. 상기 광촉매는 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 산화텅스텐(WO3) 등이 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 광촉매는 혼합 용액(PL) 내에 분산될 수도 있다.
이와 같이 섬유층(10)이 혼합 용액(SV) 내에 침지된 상태에서 전기장(E)을 인가한다(S30). 전기장(E)은 직류, 교류 또는 이의 복합 파형을 가질 수 있다. 직류 전기장의 경우, 전기장(E))의 방향은 섬유층(10)의 주면, 예를 들면 상부 표면에 수직한 방향으로 인가될 수 있으며, 그 방향은 이온성 고분자 바인더(20S)의 극성에 따라 결정될 수 있다. 예를 들면, 도 5b에 도시된 바와 같이 섬유층(10)의 상부 표면으로부터 하부 표면으로 도전성 나노입자들(30S)을 전달하고자 한다면, 양이온성 고분자 바인더가 사용된 경우 연직 하방으로 전계를 형성할 수 있다. 반대로, 음이온성 고분자 바인더가 사용된 경우, 연직 상방으로 전계를 형성할 수도 있다. 다른 실시예에서, 전기장(E)이 교류 전기장인 경우 전기장(E)의 방향은 여하의 방향일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 전기장(E)은 서로 다른 방향의 전계를 갖거나 서로 다른 종류의 신호를 갖는 복수의 전기장을 포함할 수도 있다.
전기장(E)에 의해 하전된 고분자 바인더(20S)의 전기 영동이 가능해진다. 그에 따라, 고분자 바인더(20S)의 플럭스가 발생하고 고분자 바인더(20S)의 플럭스가 도전성 나노입자들(30S)의 플럭스를 발생시킨다. 상기 플럭스는 전기장(E)에 의해 활성화되고 더 큰 운동 에너지를 갖도록 가속되어 섬유층(10)의 표면 및 섬유층(10)의 기공을 통해 내부로 고분자 바인더(20S)와 도전성 나노입자들(30S)이 전달될 수 있다.
섬유들(10F)의 표면 상으로 전달된 고분자 도전성 나노입자들(30S)과 고분자 바인더(20S)의 운동 에너지는 전기장은 3차원적으로 배열될 섬유들(10F)의 표면 상에 실질적으로 랜덤한 방향으로 전달되고 높은 운동에너지로 인하여 섬유들(10F)의 표면 상에 균일하게 코팅될 수 있다. 또한, 섬유들(10F)의 상부 표면 상에 도전성 나노입자들이 고밀도로 균일하게 코팅될 수 있다.
일 실시예에서, 섬유층(10)은 전기적으로 플로팅 상태에 있으며, 전기장(E)은 혼합 용액(SV)의 외부에서 형성되고, 혼합 용액(SV) 내부로 관통될 수 있다. 전기장(E)은, 전술한 바와 같이 정전기장, 교류 전기장 또는 다른 파형을 가질 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 전기장(E)은 챔버 내에서의 플라즈마 방전에 의해 생성될 수 있으며, 이에 관하여는 도 5를 참조하여 후술하도록 한다.
이후, 섬유층(10)에 도전성 나노입자들(30S)이 충분히 코팅되고 고정되면, 혼합 용액(50)으로부터 섬유층(10)을 회수한다. 단계 S30의 소요 시간은 통상의 교반 공정으로 코팅하는 것에 비해 10초 내지 5 분으로 극도로 짧은 시간이다. 이후, 회수된 섬유층(10)의 건조 단계를 수행하거나, 고분자 바인더의 가교 반응을 위해 자외선 또는 열을 조사할 수도 있다. 일부 실시예에서는, 섬유층(10)에 대한 세정이 이루어질 수 있다. 상기 세정에 의해 미고정된 도전성 나노입자들 또는 고분자 바인더가 제거되고, 이후 건조 공정에 의해 고분자 바인더의 수축이 일어날 수 있다. 이 경우, 도 2를 참조하여 전술한 바와 같이, 섬유들(10F)에 코팅된 고분자 바인더(20)가 수축되면서 도전성 나노입자들(30)의 일부 표면이 노출될 수 있다.
전술한 실시예에서는 부직포 구조의 섬유층을 미리 제조하여 금속 나노입자의 코팅 공정이 수행되었지만, 이는 예시적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 복수의 섬유들의 가닥들 상에 금속 나노입자의 코팅 공정을 먼저 수행하고 이를 회수한 후, 직조 또는 부직포 가공 공정을 수행하여 섬유층 형태의 분광 분석 센서를 제조할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 분광 분석 센서의 제조 장치(1000)를 도시한다.
도 6을 참조하면, 제조 장치(1000)는 전기장(E)의 발생 장치이다. 제조 장치(1000)는 전계 발생을 위한 2 개의 전극, 즉, 애노드(AE)와 캐소드(CE)를 가질 수 있다. 애노드(SE)와 캐소드(CE)는 복수 개일 수 있으며, 서로 다른 방향의 전계를 갖도록 공간적으로 배치될 수도 있다.
일 실시예에서, 제조 장치(1000)는 기체 방전에 의한 전계를 생성할 수 있는 적합한 가스 공급 수단을 더 포함할 수도 있다. 애노드(AE)와 캐소드(CE) 사이에 의해 정의되는 공간으로 가스(P)가 화살표 A로 지시한 바와 같이 인입되고, 연속적으로 화살표 B로 나타낸 바와 같이 가스(P)가 방출된다. 가스(P)의 방출 또는 애노드(AE)와 캐소드(CE) 사이 공간의 감압을 위해 펌프 시스템(미도시)이 제공될 수 있다.
가스(P)는 애노드(AE)와 캐소드(CE) 중 어느 하나 또는 이들 모두로부터 제공될 수 있으며, 이를 위하여, 애노드(AE)와 캐소드(CE)는 샤워 헤드와 유사한 모양의 관통홀을 가질 수 있다. 상기 가스는 헬류(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 질소(N2), 및 공기 중 어느 하나 또는 이들의 혼합 기체를 포함할 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며, 가스(P)는 다른 반응성 기체일 수 있다.
캐소드(CE)에는 가스(P)의 기체 방전, 즉 플라즈마 발생을 위한 교류 발생기(RF generator)가 전기적으로 결합될 수 있으며, 애노드(AE)는 접지될 수 있다. 또는, 위와 같은 교류 방전이 아닌 직류 방전을 위해 애노드(AE)에는 양의 전압이 인가되고, 캐소드(CE)에는 음의 전압이 인가될 수도 있다. 캐소드(CE)와 애노드(AE) 사이에 혼합 용액(50) 내에 섬유층(10)이 침지된 용기(60)를 재치한 후, 플라즈마 발생을 위해 애노드(AE) 및/또는 캐소드(CE)에 전원이 공급된 채로 수초 내지 수분간 나노입자들의 고정 공정을 수행한다. 애노드(AE)로부터 용기(60) 사이의 거리는 0.5 cm 내지 40 cm 간격을 유지할 수 있다.
도 5의 제조 장치(1000)에서는 캐소드(CE)의 교류 발생기에 전원이 인가되면, 캐소드(CE)는 셀프 바이어스(self-bias)에 의해 음의 전위를 갖게 되고, 이로써, 접지된 애노드(AE)와 캐소드(CE) 사이에 화살표 방향의 전기장(E)이 생성된다. 이에 의해 혼합 용액 내의 도전성 나노입자(30)들과 고분자 바인더(20)의 흐름이 발생하고, 이를 수초 내지 수분 지속함으로써, 섬유층(10) 상에 도전성 나노입자들을 고정할 수 있다.
도시된 애노드(AE)와 캐소드(CE)의 위치는 서로 반대일 수도 있다. 또한, 애노드(AE)은 평평한 것에 한하지 않고, 뚜껑과 같이 측벽을 가짐으로써 기체 방전 공간을 한정하거나 챔버의 본체일 수도 있다. 일부 실시예에서, 상기 기체 방전을 위한 상기 공간의 압력은 상압이거나 상압 미만의 진공 상태일 수 있으며, 이를 위해 제조 장치(1000)에 진공 펌프가 제공될 수도 있다. 전술한 플라즈마 장치는 용량 결합형 플라즈마 챔버이지만, 다른 유도 결합형 플라즈마 또는 다른 플라즈마 소스를 더 포함할 수도 있다.
실험예
고분자 바인더로서 0.01 중량%의 ethlyleneglycolamine 를 첨가하고, 도전성 나노입자로서 평균 직경이 50nm인 0.05 중량%의 금 나노입자들을 용매인 증류수에 첨가하고 교반하여 혼합 용액을 제조하였다. 상기 금 나노입자가 코팅될 섬유층으로서 폴리에스테르 패브릭을 증류수로 세정 및 표면 처리한 후, 상기 혼합 용액 내에 침지하였다.
이후, 고분자 바인더에 결합된 금 나노입자가 상기 폴리에스테르 패브릭에 상기 혼합 용액을 전기장 발생 장치 내에 설치하고 전기장을 상기 혼합 용액 내로 인가하여 코팅 반응을 진행하였다. 플라즈마 챔버 내에 상기 혼합 용액과 폴리에스테르 패브릭이 담긴 용기를 플라즈마 챔버 내에 재치하고 플라즈마를 방전시켜 상기 전기장을 인가하였다. 플라즈마 방전을 30초간 실시하고, 섬유층을 회수하여 건조함으로써, 본 발명의 실시예에 따른 분광 분석 센서를 제조하였다. 본 실험예와 대비되는 실험으로서 상기 혼합 용액 내에 폴리에스테르 패브릭을 전기장을 인가하지 않고 교반 공정을 4시간 수행하고 회수한 후 건조하여 비교예에 따른 분광 분석 센서를 제조하였다.
도 7a 및 도 7b는 각각 상기 실험예에 의해 얻어진 분광 분석 센서(200a)와 비교예에 따른 분광 분석 센서(200b)의 광학 이미지이다. 도 7a를 참조하면, 실험예에 따른 분광 분석 센서(200a)가 비교예에 따른 분광 분석 센서(200b)에 비하여 색상이 짙으며, 전 면적에 걸쳐 색상이 균일하다. 이로부터, 본 발명의 실시예에 따르면, 섬유층에 표면 플라즈몬 활성층을 더 균일하고 고밀도로 코팅시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 분광 분석 센서들의 건조 상태(Dry; 1a, 1b, 1c, 1d) 및 수분에 젖은 상태(Wet; 1b, 2b, 3b, 4b)의 광학 사진 이미지이다. 각 시료들은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 것으로서, 이미지 (1a, 1b), (2a, 2b), (3a, 3b) 및 (4a, 4b)는 각각 도전성 나노입자를 코팅하지 아니한 경우, 도전성 나노입자를 1배, 2배 및 3배로 농도를 달리하여 30초 동안 전기장하의 코팅 공정을 수행하여 제조된 것이다. 건조 상태의 시료 분석용 기판보다 젖은 상태의 시료 분석용 기판의 색상이 짙음을 확인할 수 있다.
표면 증강 라만분광법의 분석 감도가 월등히 뛰어난 이유는 도전성 나노입자의 국소 표면 플라즈몬 공명 현상에 따른 표면 라만신호의 증폭에 기인한다. 따라서, 도전성 나노입자가 기질의 표면에 잘 고정되어 국소표면 플라즈몬 공명 현상이 발현할 수 있어야만 표면증강 라만현상을 발현할 수 있는 센서의 기질로 사용될 수 있다. 이러한 국소표면 플라즈몬 공명의 발현 여부는 도전성 나노입자가 코팅된 기질 주변의 굴절률을 인위적으로 변화시켜 흡광도의 변화여부, 즉 색의 짙은 정도를 측정하여 확일할 수 가 있다.
도 8은 도전성 나노입자가 코팅된 지질을 굴절률이 1인 공기중에 노출한 다음(1a,2a,3a,4a), 굴절률이 1.333에 해당하는 물에 노출(1b,2b,3b,4b)시켜 그 색변화를 측정한 결과이다. 도8을 참조하면, 도전성 나노입자가 코팅되지 아니한 경우(1a)는 도전성 나노입자가 코팅되지 않은 지질로 주변의 굴절률이 1.333(물)로 증가된 경우(1b)에서도 색의 변화가 나타나지 않는다. 그러나, 도전성 나노입자가 코팅된 경우(2a,3a,4a)는 주변 굴절률이 1(공기)에서 1.333(물)로 증가됨(2a,3a,4a)에 따라, 도전성 나노입자 코팅패턴의 흡광도가 월등히 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 흡광도 증가현상은 도전성 나노입자의 코팅정도가 증가함에 따라 더욱 현저히 증가함을 나타낸다. 따라서, 도전성 나노입자가 고밀도로 코팅된 분광 분석 센서의 경우 국소표면 플라즈몬 공명현상을 뚜렷하게 발현하며 표면증강 라만현상이 더 증폭될 수 있으므로, 소량의 시료도 정확하게 분석할 수 있다.
도 9a는 폴리카보네이트 섬유들 상에 금속 나노입자가 코팅된 분광 분석 센서(300)의 광학 사진 이미지이고, 도 9b는 분광 분석 센서(300)의 주사전자현미경 이미지이다.
도 9a를 참조하면, 폴리카보네이트 섬유들을 기재로 하는 부직포 구조의 분광 분석 센서(300)는 금 나노입자를 코팅한 후 전술한 폴리에스테르 섬유들을 기재로 하는 분광 분석 센서에 비하여 더 짙은 색상을 나타낸다. 폴리카보네이트 섬유들을 기재로 하는 부직포 구조의 분광 분석 센서(300)는 강도가 높고, 내화학성을 가지므로 와이퍼는 물론 필터 방식으로도 시료 채취가 가능하다. 또한, 도 9b를 참조하면, 분광 분석 센서(300)의 바인더층에 금 나노입자가 고밀도로 코팅됨을 확인할 수 있다.
도 10a는 본 발명의 실시예에 따른 분광 분석 센서를 이용한 아세타미노펜의 라만 스펙트럼이며, 도 9b는 비교예에 따른 섬유층 상에 아세타미노펜의 라만 스펙트럼이다.
도 10a를 참조하면, 금 나노입자들이 코팅된 폴리카보네이트 섬유 기재의 분광 분석 센서에서는 아세타미노펜의 결합 구조에 기초한 라만 시프트 신호가 나타나며, 그 피크의 크기는 검출가능하기에 충분히 크고 재현성있는 라만 스펙트럼이 얻어진다. 또한, 도 10b를 참조하면, 금 나노입자가 코팅되지 않은 폴리카보네이트 섬유 기재에서는 신호 검출을 위해 신호 증폭시 라만 시프트 신호와 노이즈가 모두 증폭되어 라만시프트 신호의 검출이 도 10a의 라만 시프트 신호보다 어려우며, 재현성이 없다.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (25)

  1. 가요성의 복수의 섬유들을 포함하는 섬유층; 및
    상기 복수의 섬유들의 표면 상에 형성된 표면 플라즈몬 활성층을 포함하는 분광 분석 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 섬유들은 부직포, 직조, 다발 또는 이들의 조합된 구조를 갖는 분광 분석 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면 플라즈몬 활성층은 도전성 나노입자들 및 상기 도전성 나노입자들을 상기 복수의 섬유들의 표면 상에 고정하는 고분자 바인더를 포함하는 분광 분석 센서.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 도전성 나노입자들은 응집된 구조를 갖는 분광 분석 센서.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 도전성 나노입자들은 구형, 나노 튜브, 나노 컬럼, 나노 로드, 나노 기공, 및 나노 와이어 중 어느 하나 또는 이들이 조합된 형상을 갖는 분광 분석 센서.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 도전성 나노입자들은 탄소, 흑연, 준금속, 금속, 상기 준금속 또는 준금속의 도전성 산화물, 또는 상기 준금속 또는 금속의 도전성 질화물의 입자들을 포함하거나, 절연성 비드 상에 상기 입자들이 코팅된 코어 쉘 구조의 입자 또는 이들의 조합을 포함하는 분광 분석 센서.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 준금속은, 안티몬(Sb), 게르마늄(Ge) 및 비소(As) 중 어느 하나 또는 이들의 합금을 포함하고,
    상기 금속은 금속, 전이 금속 또는 전이후 금속으로서, 타이타늄(Ti), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 스탄튬(Sc), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 인듐(In), 주석(Sn), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 네오븀(Nb), 몰리브데늄(Mo), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 파라듐(Pd), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 스트론튬(Sr), 텅스텐(W) 또는 카드뮴(Cd), 탄탈륨(Ta), 타이타늄(Ti), 타이타늄(Ti) 또는 이들의 합금을 포함하며,
    상기 도전성 산화물은 인듐 틴 옥사이드(ITO), 인듐 아연 옥사이드(IZO), 알루미늄 도프된 아연 산화물(AZO), 갈륨 인듐 아연 산화물(GIZO), 아연 산화물(ZnO) 또는 이들의 혼합물을 포함하는 분광 분석 센서.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면 플라즈몬 활성층의 두께는 10nm 내지 500nm의 범위 내인 것을 특징으로 하는 분광 분석 센서.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 섬유들은 천연 섬유 및 합성 섬유 중 어느 하나 또는 모두를 포함하는 분광 분석 센서.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 섬유층의 표면은 상기 복수의 섬유들이 돌출되어 제공된 무정형의 표면 플라즈몬 섬유 돌기들을 포함하는 분광 분석 센서.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 섬유층은 상기 복수의 섬유들 사이의 기공을 포함하는 분광 분석 센서.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자 바인더는 양이온성 고분자 또는 음이온성 고분자를 포함하는 분광 분석 센서.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면 플라즈몬 활성층 상에 분석될 타겟 물질과 특이적 결합이 가능한 고정 물질을 더 포함하는 분광 분석 센서.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 고정 물질은 저분자 화합물, 항원, 항체, 단백질, 펩타이드, Deoxyribo Nucleic Acid(DNA), Ribo Nucleic Acid(RNA), Peptide Nucleic Acid (PNA), 효소, 효소 기질, 호르몬, 호르몬 수용체, 관능기를 포함하는 합성 시약 중 어느 하나, 이의 모사물, 또는 이들의 조합을 포함하는 분광 분석 센서.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 타겟 물질은 아미노산, 펩티드, 폴리펩티드, 단백질, 당단백질, 지단백질, 뉴클레오시드, 뉴클레오티드, 올리고뉴클레오티드, 핵산, 당, 탄수화물, 올리고당, 다당류, 지방산, 지질, 호르몬, 대사물질, 사이토카인, 케모카인, 수용체, 신경 전달 물질, 항원, 알레르겐, 항체, 기질, 대사물질, 보조 인자, 저해제, 약물, 약제, 영양소, 플리온, 독소, 독, 폭약, 살충제, 화학적 교전제, 생물위험제, 박테리아, 바이러스, 방사선 동위원소, 비타민, 헤테로시클 방향족 화합물, 카르시노겐, 뮤타겐, 마약, 암페타민, 바르비투레이트, 환각제, 폐기물 및 오염물 중 어느 하나 이상인 분광 분석 센서.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 분광 분석 센서는 표면 증강 라만 분석(Surface-enhanced Raman Spectroscopy: SERS), 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance: SPR), 국소 표면 플라즈몬 공명(Local Plasmaon Resonance: LSPR), 흡수율 및/또는 형광 모드로 사용되는 분광 분석 센서.
  17. 이온성 고분자 바인더 및 도전성 나노입자들을 포함하는 혼합 용액을 제공하는 단계;
    상기 혼합 용액 내에 복수의 섬유들을 침지시키는 단계; 및
    상기 도전성 나노입자들이 상기 복수의 섬유들의 표면 상에 코팅되도록 상기 복수의 섬유들이 침지된 상기 혼합 용액에 전기장을 인가하는 단계를 포함하는 분광 분석 센서의 제조 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 복수의 섬유들은 상기 도전성 나노입자들이 코팅되기 이전에 또는 이후에 섬유층 구조를 가지며,
    상기 복수의 섬유들은 부직포, 직조 또는 이들의 조합된 구조를 갖는 분광 분석 센서의 제조 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 복수의 섬유들은 천연 섬유 및 합성 섬유 중 어느 하나 또는 모두를 포함하는 분광 분석 센서의 제조 방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 도전성 나노입자들은 구형, 나노 튜브, 나노 컬럼, 나노 로드, 나노 기공, 및 나노 와이어 중 어느 하나 또는 이들이 조합된 형상을 갖는 분광 분석 센서의 제조 방법.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 도전성 나노입자들은 탄소, 흑연, 준금속, 금속, 상기 준금속 또는 준금속의 도전성 산화물, 또는 상기 준금속 또는 금속의 도전성 질화물의 입자들을 포함하거나, 절연성 비드 상에 상기 입자들이 코팅된 코어 쉘 구조의 입자 또는 이들의 조합을 포함하는 분광 분석 센서의 제조 방법.
  22. 제 17 항에 있어서,
    상기 이온성 고분자 바인더는 폴리다이알릴다이메틸암모늄 클로라이드(poly diallydimethylammonium chloride), 폴리알릴아민 하이드로클로라이드(poly allylamine hydrochloride), 폴리비닐벤질트리메틸 암모늄 클로라이드(poly 4-vinylbenzyltrimethyl ammonium chloride), 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine) 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 포함하는 양이온성 고분자, 또는 폴리아크릴산(poly acrylic acid), 폴리소디움 스티렌 술포네이트(poly sodium 4-styrene sulfonate), 폴리비닐술포닉산(poly vinylsulfonic acid), 폴리소디움염(poly sodium salt), 폴리아미노산 (poly amino acids) 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 포함하는 음이온성 고분자를 포함하는 분광 분석 센서의 제조 방법.
  23. 제 17 항에 있어서,
    상기 전기장은 정전기장 또는 교류 전기장인 분광 분석 센서의 제조 방법.
  24. 제 17 항에 있어서,
    상기 전기장은 플라즈마 방전에 의해 생성되는 분광 분석 센서의 제조 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 플라즈마 방전을 위한 기체는, 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 질소(N2), 및 공기 중 어느 하나 또는 이들의 혼합 기체를 포함하는 분광 분석 센서의 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110548864A (zh) * 2019-08-13 2019-12-10 安徽师范大学 一种荧光丝胶铂纳米簇及其制备方法和应用

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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WO2016099954A1 (en) * 2014-12-15 2016-06-23 Plexense, Inc. Surface plasmon detection apparatuses and methods
JP6409679B2 (ja) * 2015-05-29 2018-10-24 コニカミノルタ株式会社 プラズモンセンサーチップ及び球状酸化亜鉛粒子の製造方法
US10996172B2 (en) 2017-04-28 2021-05-04 National Institute Of Material Science Surface-functionalized nanostructures for molecular sensing applications
WO2019045406A2 (ko) * 2017-08-28 2019-03-07 사회복지법인 삼성생명공익재단 표적 유전자 검출용 장치 및 이를 이용하여 표적 유전자를 검출하는 방법
CN109470683B (zh) * 2018-10-23 2021-09-10 江苏大学 一种以sers基底结合多元线性回归模型进行2,4-d快速检测的方法
WO2021015105A1 (ja) * 2019-07-19 2021-01-28 王子ホールディングス株式会社 光学センサシート
KR102815210B1 (ko) * 2021-01-21 2025-05-30 한국재료연구원 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판, 이의 제조방법, 및 이를 이용한 신속 분석방법
KR102800694B1 (ko) * 2021-01-21 2025-04-30 한국재료연구원 3차원 플라즈모닉-하이드로젤 이중 네트워크 복합구조를 포함하는 기판, 이의 제조방법 및 이를 이용한 초고속 분석방법
KR102819088B1 (ko) * 2021-12-22 2025-06-12 한국재료연구원 신속 고감도 병원체 검출 장치 및 이를 이용한 병원체 분석 방법
WO2022158877A1 (ko) * 2021-01-21 2022-07-28 한국재료연구원 3차원 나노플라즈모닉 복합구조를 포함하는 기판, 이의 제조방법, 및 이를 이용한 신속 분석방법
JP7759079B2 (ja) * 2021-03-29 2025-10-23 地方独立行政法人神奈川県立産業技術総合研究所 センサ基板の製造方法、センサ基板、センサシステム、及びラマン散乱光検出方法
KR102550235B1 (ko) * 2021-05-13 2023-06-30 (주) 비비비 광원을 이용한 핵산 증폭 장치
US11959859B2 (en) 2021-06-02 2024-04-16 Edwin Thomas Carlen Multi-gas detection system and method
CN114675016A (zh) * 2022-03-23 2022-06-28 宿迁市智芯生物科技有限公司 Au@Pd核壳八面体纳米酶双信号放大SPR检测探针制备方法
CN119198647B (zh) * 2024-09-02 2025-05-27 武汉理工大学 一种光纤生物传感器、生物检测装置及其生物检测方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004234865A (ja) * 2003-01-28 2004-08-19 Sony Corp カーボンナノチューブ配列材料とその製造方法、炭素繊維配列材料とその製造方法、及び電界放出表示素子
KR20060062437A (ko) * 2004-12-03 2006-06-12 한국과학기술연구원 탄소나노튜브 후막 및 이를 이용한 전계방출형 표시소자,평판형 램프 및 화학센서 감지막
JP2008223133A (ja) * 2007-02-14 2008-09-25 Makoto Yoshida 炭素繊維構造体含有プリフォーム、その製造方法、これを用いた金属基複合材及びその製造方法
JP2010059561A (ja) * 2008-09-02 2010-03-18 Hokkaido Univ カーボンナノチューブが付着した導電性繊維、導電性糸、繊維構造体およびそれらの製造方法
KR20140007111A (ko) * 2012-07-06 2014-01-17 서울대학교산학협력단 광 산란과 표면 플라즈몬의 협력효과를 나타내는 금속 나노입자가 표면에 위치한 이산화티타늄 나노섬유를 포함하는 염료감응형 태양전지의 산화전극의 제조방법
KR20140039608A (ko) * 2012-09-24 2014-04-02 삼성전자주식회사 3차원 나노플라즈모닉 구조체 및 이의 제조방법

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4674878A (en) * 1985-05-09 1987-06-23 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Practical substrate and apparatus for static and continuous monitoring by surface-enhanced raman spectroscopy
DE10154030A1 (de) * 2001-11-02 2003-05-22 Basf Coatings Ag Effektgeber, wässriger Beschichtungsstoff, Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung
WO2010073260A1 (en) * 2008-12-26 2010-07-01 Jawaharlal Nehru Centre For Advanced Scientific Research Sers active paper substrate, a process and a method thereof
WO2010120531A2 (en) * 2009-04-01 2010-10-21 Cornell University Conformal particle coatings on fiber materials for use in spectroscopic methods for detecting targets of interest and methods based thereon
US8262866B2 (en) * 2009-04-09 2012-09-11 General Synfuels International, Inc. Apparatus for the recovery of hydrocarbonaceous and additional products from oil shale and sands via multi-stage condensation
WO2010134592A1 (ja) * 2009-05-22 2010-11-25 コニカミノルタホールディングス株式会社 Ｓｐｆｓ－ｌｐｆｓ系による測定方法に供するプラズモン励起センサおよびアッセイ法
WO2010147442A1 (ko) * 2009-06-19 2010-12-23 한국전자통신연구원 프리셋을 이용한 객체기반 오디오 시스템, 객체기반 오디오 제공 방법 및 객체기반 오디오 재생 방법
CN102023150B (zh) * 2009-09-15 2012-10-10 清华大学 拉曼散射基底及具该拉曼散射基底的检测系统
KR101124206B1 (ko) * 2009-11-03 2012-03-27 서울대학교산학협력단 나노구조물 센서 및 그 제조방법
WO2011063332A2 (en) * 2009-11-23 2011-05-26 3M Innovative Properties Company Microwell array articles and methods of use
PL2550513T3 (pl) * 2010-03-22 2017-06-30 Sicpa Holding Sa Selektywne pod względem długości fali nanoznaczniki sers
JP2011232149A (ja) * 2010-04-27 2011-11-17 Konica Minolta Holdings Inc プラズモン励起センサおよびその製造方法、ならびにアナライトの検出方法
US8580100B2 (en) * 2011-02-24 2013-11-12 Massachusetts Institute Of Technology Metal deposition using seed layers
JP5846580B2 (ja) * 2011-04-27 2016-01-20 国立研究開発法人物質・材料研究機構 光パターン表示媒体、光パターン算出方法及び光認証システム
KR101267834B1 (ko) * 2011-05-19 2013-05-27 씨제이제일제당 (주) 고화 방지 감미 소재 조성물 및 그의 제조 방법
US9278855B2 (en) * 2011-05-27 2016-03-08 Drexel University Flexible SERS substrates with filtering capabilities
JP2013029370A (ja) * 2011-07-27 2013-02-07 Konica Minolta Holdings Inc リガンドを高密度に配置した局在場光センサーチップ
JP2013047671A (ja) * 2011-07-27 2013-03-07 Konica Minolta Advanced Layers Inc 表面に微粒子膜を形成したセンサーチップ、その製造方法、および、アッセイ方法
CN102677212B (zh) * 2012-06-01 2013-11-13 苏州大学 一种表面增强拉曼散射活性基底及其制备方法
WO2013185167A1 (en) * 2012-06-13 2013-12-19 Monash University Metallic nanoparticle treated cellulosic substrate as a sers biodiagnostic platform

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004234865A (ja) * 2003-01-28 2004-08-19 Sony Corp カーボンナノチューブ配列材料とその製造方法、炭素繊維配列材料とその製造方法、及び電界放出表示素子
KR20060062437A (ko) * 2004-12-03 2006-06-12 한국과학기술연구원 탄소나노튜브 후막 및 이를 이용한 전계방출형 표시소자,평판형 램프 및 화학센서 감지막
JP2008223133A (ja) * 2007-02-14 2008-09-25 Makoto Yoshida 炭素繊維構造体含有プリフォーム、その製造方法、これを用いた金属基複合材及びその製造方法
JP2010059561A (ja) * 2008-09-02 2010-03-18 Hokkaido Univ カーボンナノチューブが付着した導電性繊維、導電性糸、繊維構造体およびそれらの製造方法
KR20140007111A (ko) * 2012-07-06 2014-01-17 서울대학교산학협력단 광 산란과 표면 플라즈몬의 협력효과를 나타내는 금속 나노입자가 표면에 위치한 이산화티타늄 나노섬유를 포함하는 염료감응형 태양전지의 산화전극의 제조방법
KR20140039608A (ko) * 2012-09-24 2014-04-02 삼성전자주식회사 3차원 나노플라즈모닉 구조체 및 이의 제조방법

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3139154A4 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110548864A (zh) * 2019-08-13 2019-12-10 安徽师范大学 一种荧光丝胶铂纳米簇及其制备方法和应用

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Publication number Publication date
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