KR20140027033A - Inorganic-organic nanofiber composite substrates for fast and sensitive trace analysis based on surface enhanced raman scattering and the method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 표면-증강 라만 산란(Surface Enhanced Raman Scattering,SERS)에 기초한 물질의 미량 분석을 위한 유무기 나노섬유 복합체 기판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다양한 라만 염료(Raman dye)에 의해 유도된 금속 나노입자들의 응집체들이 가교결합성 폴리머 하이드로겔 성질을 가진 나노섬유 내부에 다양한 밀도로 균일하게 함입된 나노섬유 복합체 기판 및 이의 제조방법, 그리고 이들의 응용에 관한 것이다.
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to organic-inorganic nanofiber composite substrates for trace analysis of materials based on Surface Enhanced Raman Scattering (SERS), more particularly metals derived from various Raman dyes. The present invention relates to a nanofiber composite substrate in which aggregates of nanoparticles are uniformly embedded at various densities inside a nanofiber having crosslinkable polymer hydrogel properties, and a method of manufacturing the same, and an application thereof.
오늘날 환경오염 문제가 심각해지면서 각종 중금속 및 유기인계 화합물과 같은 환경오염 물질의 조기 검출에 대한 필요성이 증대되고 있다. 또한, 국제사회에서 테러에 의한 위협이 고조되면서 탄저 및 사린과 같은 각종 바이오테러 물질의 조기 검출에 대한 필요성 또한 증대되고 있다. 따라서, 필드(field)에서 상기와 같은 위험물질을 신속하고 정확하게 검출하여 그 확산을 차단하는 것은 매우 중요한 과제가 아닐 수 없으며, 이러한 각종 화학물질의 극미량 분석 기술의 개발은 환경 모니터링, 법과학 및 국토방위 분야에서 매우 중요한 문제로 대두되고 있는 실정이다.As the environmental pollution problem becomes serious, the need for early detection of environmental pollutants such as various heavy metals and organophosphorus compounds is increasing. In addition, as the threat of terrorism increases in the international community, the need for early detection of various bioterrorism substances such as anthrax and sarin is increasing. Therefore, it is very important to quickly and accurately detect such dangerous substances in the field and to block their diffusion, and the development of trace amount analysis techniques of various chemicals is environmental monitoring, forensic science, and homeland defense. This is a very important issue in the field.
기존의 환경 오염물질 등의 분석 기술은 복잡한 전처리 과정을 필요로 할 뿐만 아니라, 이동이 불가능하거나 매우 불편한 대형의 분석장비를 필요로 하여, 분석시 오랜 시간과 노력이 소요된다는 단점이 있었다. Existing analytical technologies such as environmental pollutants require complicated pretreatment processes, and also require large-scale analysis equipment that is not mobile or very inconvenient.
이와 관련하여, 근래에는 표면 증강 라만산란(Surface Enhanced Raman Scattering,SERS)은 높은 민감도(sensitivity)로 인해 화학물질(chemical)을 탐지하고 생화학적으로 분석하는 방법으로 각광받고 있다. In this regard, recently, Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) has been spotlighted as a method of detecting and biochemically analyzing chemicals due to its high sensitivity.
이 분야에서는 믿을만한 SERS 기질로 이용할 수 있는 특정 구조에 대한 연구가 계속되고 있다. 금 및 나노입자들을 원하는 모양 및 형상으로 만들기 위해서, 이온빔 리소그래피, 전자빔 리소그래피, 나노스피어 리소그래피 및 진공 증발에 관심을 두고 있고, 작은 나노입자를 나노클러스터로 모으는 방법이 이용되고 있다. 이 기술들은 재현성 높은 SERS를 가지는 금 및 은 나노입자의 나노클러스터를 만드는 데 이용된다. In this area, research continues on specific structures that can be used as reliable SERS substrates. In order to bring the gold and nanoparticles into the desired shape and shape, attention is drawn to ion beam lithography, electron beam lithography, nanosphere lithography and vacuum evaporation, and methods of gathering small nanoparticles into nanoclusters have been used. These techniques are used to make nanoclusters of gold and silver nanoparticles with highly reproducible SERS.
그러나 이 기술들은 비용이 많이 들고 대량 생산이 어려운 문제점이 있다. 경제적이고 안정적이며 믿을 수 있는 SERS 기질을 만들기 위해서 실리콘 나노와이어 어레이로 은 나노입자를 코팅하거나[Zhang, M. L., C. Q. Yi, et al. 2008 Applied Physics Letters 92(19); 및 Zhang, B. H., H. S. Wang, et al. 2008 Advanced Functional Materials 18(16): 2348-2355], 금 나노입자를 가지는 다공성 알루미늄 막[Ko, H. and V. V. Tsukruk 2008 Small 4(11): 1980-1984.], 할로우 금 나노구체 및 나노쉘과 컨쥬게이션된 항체[Lee, S., H. Chon, et al. 2009, Biosensors & Bioelectronics 24(7): 2260-2263]에 대한 기술이 보고되었다. 그러나 분자 진동의 증강이 높게 일어나서 편재화된 플라스몬 중심의 수가 적어지기 때문에 증강 효과가 효과적으로 일어나지 않는 단점이 있다. However, these technologies are expensive and difficult to mass produce. Coating silver nanoparticles with silicon nanowire arrays to produce an economical, stable and reliable SERS substrate [Zhang, M. L., C. Q. Yi, et al. 2008 Applied Physics Letters 92 (19); And Zhang, B. H., H. S. Wang, et al. 2008 Advanced Functional Materials 18 (16): 2348-2355], porous aluminum membranes with gold nanoparticles [Ko, H. and VV Tsukruk 2008 Small 4 (11): 1980-1984.], Hollow gold nanospheres and nanoshells Antibodies conjugated with Lee, S., H. Chon, et al. 2009, Biosensors & Bioelectronics 24 (7): 2260-2263. However, there is a disadvantage that the enhancement effect does not occur effectively because the increase in molecular vibration occurs so that the number of localized plasmon centers decreases.
현재, SERS에 사용 가능한 기판은 라만 산란의 증강 및 검출에 다양한 결함을 가지고 있다. 라만 산란 신호는 일반적으로, 특히 플랫(flat) 기판에서 매우 약하다. 약한 라만 신호는 라만 산란 신호를 검출하고 측정하는 것을 어렵게 하여, 따라서 분자 종을 검출하고 확인하는 것을 어렵게 한다. 더욱이, 사용할 수 있는 기판이 라만 산란 신호를 증강시키더라도, 증강된 라만 산란 신호는 대개 기판의 국부적인 에어리어(localized area)에만 있으며 기판 표면에 걸쳐 균일하지 않다. 국부적인 증강된 라만 산란 신호의 에어리어는 기판 표면의 전 에어리어와 비교하면 기하급수적으로 작다. 라만 산란 신호의 에어리어 및 기판 표면의 에어리어의 큰 격차는 신호를 찾아 위치시키는 것을 부담스럽게 하며 따라서 분자 종을 검출하고 확인하는 것을 부담스럽게 한다.
Currently, substrates available for SERS have various defects in the enhancement and detection of Raman scattering. Raman scattering signals are generally very weak, especially on flat substrates. Weak Raman signals make it difficult to detect and measure Raman scattering signals, thus making it difficult to detect and identify molecular species. Moreover, even though the usable substrate augments the Raman scattering signal, the enhanced Raman scattering signal is usually only in the localized area of the substrate and is not uniform across the substrate surface. The area of the locally enhanced Raman scattering signal is exponentially small compared to the entire area of the substrate surface. Large gaps in the area of the Raman scattering signal and the area of the substrate surface are burdensome to locate and locate the signal and thus to detect and identify molecular species.
이에 본 발명자들은 라만 염료(Raman dye)에 의해 유도된 금속 나노입자들의 응집체들을 제조하고, 이 금속 나노입자 응집체들을 전기유체역학적 분사 (electrohydrodynamic (EHD) jetting) 방법을 이용해서 가교결합성 폴리머 하이드로겔 성질을 가진 나노섬유 내부에 다양한 밀도로 균일하게 함입시킨, 새로운 유무기 나노섬유 복합체 기판을 제조함으로써, 라만 염료에 의해 유도된 표면-증강 라만 산란에 의한 내부 표준 신호(Internal standard signal)를 기준으로 분석 물질에 대한 신호 세기를 효과적으로 비교 및 검출할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
Accordingly, the present inventors prepared aggregates of metal nanoparticles induced by Raman dye, and the metal nanoparticle aggregates were crosslinked polymer hydrogel using an electrohydrodynamic (EHD) jetting method. Based on the internal standard signal by surface-enhanced Raman scattering induced by Raman dye, by fabricating a new organic-inorganic nanofiber composite substrate uniformly embedded at various densities inside a nanofiber having properties. The present invention was completed by confirming that the signal strength for an analyte can be effectively compared and detected.
본 발명의 목적은 표면-증강 라만 산란에 기초한 고속 및 고감도 미량 분석용 유무기 나노섬유 복합체 기판 및 이의 제조 방법을 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide an organic-inorganic nanofiber composite substrate for high speed and high sensitivity trace analysis based on surface-enhanced Raman scattering and a method of manufacturing the same.
본 발명의 다른 목적은 상기 나노섬유 복합체 기판을 이용하여 표면-증강 라만 산란(Surface Enhanced Raman Scattering,SERS)에 의한 물질 분석 방법을 제공하는데 있다.
Another object of the present invention is to provide a material analysis method by Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) using the nanofiber composite substrate.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 In order to solve the above problems,
가교결합성 폴리머 하이드로겔 나노섬유 내부에, 라만 염료에 의한 금속나노입자들의 응집체(클러스터)가 균일하게 분포되어 있는 것을 특징으로 하는, 표면-증강 라만 산란 분석용 나노섬유 복합체 기판을 제공한다. Provided is a nanofiber composite substrate for surface-enhanced Raman scattering analysis, characterized in that agglomerates (clusters) of metal nanoparticles by Raman dyes are uniformly distributed in a crosslinkable polymer hydrogel nanofiber.
가교결합성 폴리머로는 폴리(아크릴아미드-코-아크릴레이트)[poly(acrylamide-co-acrylic acid, poly(AAm-co-AA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-코-스테아릴 아크릴레이트)[Poly (N-isopropyl acrylamide-co-stearyl acrylate), Poly(NIPAm-co-SA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-코-알릴아민)[poly(N-isopropylacrylamide-co-allylamine), poly(NIPAM-co-AA)], 및 아크릴 부분(acrylic moiety)을 가지는 poly(NIPAM-co-AA) 등을 사용할 수 있고, 본 발명의 일 실시예에서는 폴리(아크릴아미드-코-아크릴레이트)[poly(acrylamide-co-acrylic acid, poly(AAm-co-AA)]을 사용하였다.Crosslinkable polymers include poly (acrylamide-co-acrylic acid, poly (AAm-co-AA)], poly (N-isopropyl acrylamide-co-stearyl acrylic Poly (N-isopropyl acrylamide-co-stearyl acrylate), Poly (NIPAm-co-SA), poly (N-isopropyl acrylamide-co-allylamine) ), poly (NIPAM-co-AA)], and poly (NIPAM-co-AA) having an acrylic moiety, and the like, and in one embodiment of the present invention, poly (acrylamide-co-acrylic) Rate) [poly (acrylamide-co-acrylic acid, poly (AAm-co-AA)]] was used.
특히, 상기 가교결합은 물리적, 화학적 또는 광개시적으로 이루어질 수 있는데, 바람직하게는 자외선(UV) 광개시적으로 이루어지는 것이 좋다.In particular, the crosslinking may be made physically, chemically or photoinitially, preferably ultraviolet (UV) photoinitiated.
또한, 금속 나노입자의 응집에 사용되는 라만 염료는 로다민6G, 로다민 B 이소티오시아네이트(RBITC), 아데닌, 4-아미노-피라졸(3,4-d)피리미딘, 2-플루오로아데닌, N6-벤조일아데닌, 키네틴, 디메틸-알릴-아미노-아데닌, 제아틴(zeatin), 브로모-아데닌, 8-아자-아데닌, 8-아자구아닌, 6-머캅토퓨린, 4-아미노-6-머캅토피라졸로(3,4-d)피리민딘, 8-머캅토아데닌, 및 9-아미노-아크리딘 등을 사용할 수 있고, 본 발명의 일 실시예에서는 로다민 B 이소티오시아네이트(RBITC)를 사용하였다.In addition, Raman dyes used for aggregation of metal nanoparticles are rhodamine 6G, rhodamine B isothiocyanate (RBITC), adenine, 4-amino-pyrazole (3,4-d) pyrimidine, 2-fluoro Adenine, N6-benzoyladenine, kinetin, dimethyl-allyl-amino-adenine, zeatin, bromo-adenine, 8-aza-adenine, 8-azaguanine, 6-mercaptopurine, 4-amino-6 -Mercaptopyrazolo (3,4-d) pyrimindine, 8-mercaptoadenin, 9-amino-acridine and the like can be used, and in one embodiment of the invention Rhodamine B isothiocyanate (RBITC) ) Was used.
금속 나노입자는 은, 금, 구리, 및 이들의 혼합물 등으로부터 선택될 수 있는데, 바람직하게는 은(실버) 나노입자를 사용할 수 있다.The metal nanoparticles can be selected from silver, gold, copper, mixtures thereof, and the like, and preferably silver (silver) nanoparticles can be used.
상기 금속 나노입자는 1~00 nm의 직경 크기를 가지는 것이 바람직하고, 상기 금속 나노입자 응집체(클러스터)는 60~100 nm의 직경 크기를 가지는 것이 바람직하다.
Preferably, the metal nanoparticles have a diameter of 1 to 00 nm, and the metal nanoparticle aggregates (clusters) preferably have a diameter of 60 to 100 nm.
본 발명은 다른 구체예로써, 다음을 포함하는 상기 표면-증강 라만 산란 분석용 나노섬유 복합체 기판 제조방법을 제공한다:In another embodiment, the present invention provides a method for preparing a nanofiber composite substrate for surface-enhanced Raman scattering analysis, including:
(i) 시드(seed) 금속 나노입자를 라만 염료에 의해 응집하여 금속 나노클러스터(nanocluster)를 형성하는 단계;(i) aggregating the seed metal nanoparticles with a Raman dye to form a metal nanocluster;
(ii) 상기 금속 나노클러스터(nanocluster)를 코팅시키는 단계; (ii) coating the metal nanoclusters;
(iii) 전기수력적 분사(Electrohydrodynamic jetting) 방법을 통해 가교결합성 폴리머 하이드로겔 나노섬유에 상기 금속 나노클러스터를 함입시키는 단계; 및(iii) incorporating said metal nanoclusters into crosslinkable polymer hydrogel nanofibers through an electrohydrodynamic jetting method; And
(iv) 가교결합성 폴리머 하이드로겔을 가교결합시키는 단계.(iv) crosslinking the crosslinkable polymer hydrogel.
각 단계에서 사용되는 주요한 구성성분에 대한 설명은 앞서 설명한 바와 같다.The description of the main components used in each step is as described above.
(ii)단계에서, 상기 금속 나노클러스터(nanocluster)의 코팅은 아비딘(avidin), 스트렙타비딘(streptavidin), BSA(bovine serum albumin), 인슐린(insulin), 콩단백질, 카제인, 젤라틴 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 단백질로 코팅할 수 있는데, 이를 통해 금속 나노클러스터를 안정화시키는 효과를 수득할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 BSA(bovine serum albumin)로 은 나노클러스터를 코팅하였다.In step (ii), the coating of the metal nanocluster (nanocluster) is avidin (avidin), streptavidin (streptavidin), BSA (bovine serum albumin), insulin (insulin), soy protein, casein, gelatin and mixtures thereof It can be coated with a protein selected from the group consisting of, through which the effect of stabilizing the metal nanoclusters can be obtained. In one embodiment of the present invention, silver nanoclusters were coated with bovine serum albumin (BSA).
그리고, (iii) 단계에서, 가교결합성 폴리머 하이드로겔 나노섬유에 상기 금속 나노클러스터를 함입시킬 때, 라만 염료 종류와 농도 조절; 금속나노입자 응집체들의 밀도 조절; 또는 전기유체역학적 분사 조절을 통해, 다양한 밀도로 금속 나노입자들의 응집체를 고르게 분포시킬 수 있는 장점이 있다.
And, in step (iii), when incorporating the metal nanocluster into the crosslinkable polymer hydrogel nanofibers, adjusting the type and concentration of Raman dye; Density control of metal nanoparticle aggregates; Alternatively, through electrohydrodynamic injection control, there is an advantage in that the aggregates of the metal nanoparticles can be evenly distributed at various densities.
또한, 본 발명은 또 다른 구체예로서, 표면-증강 라만 산란 분석용 나노섬유 복합체 기판을 이용하여 수용액 상에서 분석물질을 검출하는 것을 특징으로 하는, 표면-증강 라만 산란 분석방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에서는 말라카이트 그린(malachite green, MGITC)을 대상으로 분석을 수행하였다.In another aspect, the present invention provides a surface-enhanced Raman scattering analysis method, characterized in that the analyte is detected in an aqueous solution using a nanofiber composite substrate for surface-enhanced Raman scattering analysis. In one embodiment of the present invention, the analysis was performed on malachite green (MGITC).
특히, 상기 분석방법은 상기 기판 내 존재하는 라만 염료에 의해 유도된 표면-증강 라만 산란에 의한 일정한 내부 표준 신호(Internal standard signal) 세기를 기준으로 비교분석할 수 있어 효과적이다.In particular, the analytical method is effective because it can be compared based on a constant internal standard signal (Internal standard signal) intensity by surface-enhanced Raman scattering induced by the Raman dye present in the substrate.
그리고, 본 발명의 분석방법은 분석물질이 0.01~6ppm, 바람직하게는 0.5~6ppm 의 농도로 존재하는 경우에, 즉, 극미량의 경우에도 검출 가능하므로, 더욱 유용하게 활용될 수 있을 것이다.
In addition, the analytical method of the present invention may be more useful since the analyte is present at a concentration of 0.01 to 6 ppm, preferably 0.5 to 6 ppm, that is, even in the case of a trace amount.
본 발명은 가교결합성 폴리머 하이드로겔 나노섬유 내부에 라만 염료에 의한 금속나노입자들의 응집체(클러스터)가 균일하게 분포되어 있는 것을 특징으로 하는, 표면-증강 라만 산란 분석용 나노섬유 복합체 기판과 이의 응용에 관한 것으로, 라만 염료에 의한 금속나노입자들의 응집체의 분포 밀도를 분석 물질에 따라 다양하게 조절할 수 있고, 표면-증강 라만 산란에 의해 일정한 세기를 나타내는 라만 염료에 의한 내부 표준 신호(Internal standard signal)를 기준으로 삼아, 분석 물질에 대한 라만 신호 세기를 비교 분석함으로써 효과적으로 검출하는데 유용하다.
The present invention provides a surface-enhanced Raman scattering analysis nanofiber composite substrate and application thereof, characterized in that the aggregate (cluster) of metal nanoparticles by Raman dye is uniformly distributed in the crosslinkable polymer hydrogel nanofibers. In this regard, the distribution density of aggregates of metal nanoparticles by Raman dye can be varied according to the analyte, and the internal standard signal by Raman dye exhibiting a constant intensity by surface-enhanced Raman scattering As a reference, it is useful for effective detection by comparative analysis of Raman signal strength for an analyte.
도 1(A)는 표면-증강 라만 산란에 기초한 고속 및 고감도 바이오센싱 및 물질의 미량분석을 위해 다양한 라만 염료(Raman dye)에 의해 유도된 금속나노입자들의 응집체들을 제조하고, 도 1(B)는 금속나노입자 응집체들을 전기수력학적(전기유체역학적) 분사 (electrohydrodynamic (EHD) jetting) 방법을 이용해서 고분자 하이드로겔 성질을 가진 나노섬유 내부에 다양한 밀도로 균일하게 함입시킨 새로운 유무기 나노섬유 복합체 기판 제조 방법에 대한 본 발명의 모식도이다. 도 1(C)는 수용액 상에 존재하는 MGITC를 유무기 나노섬유 복합체 기판을 이용하여 정량 및 정성 분석하는 모식도이다.
도 2(A)는 라만 염료(RBITC)에 의해 은 나노입자 응집체가 형성되는 동안의 UV-Vis 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 도 2(B)는 Dynamic light scattering (DLS)를 이용하여 은 나노입자 응집체의 크기를 분석한 그래프이다. 도 2(C, D)는 은나노 입자, 은 나노 입자의 응집체의 투과 전자현미경 사진이다. 도 2(E, F)는 은나노입자 응집체의 형성동안 배양 시간에 따른 라만 신호 변화 및 주요 라만 피크 강도를 응집반응시간에 대해 나타낸 그래프이다.
도 3(A)는 UV crosslinkable-poly(acrylamide-co-acrylic acid); UV-P(AAm-co-AA)의 탄소 이중결합 (C=C)을 이용하여 UV 가교결합하는 모식도이다. 도 3(B)는 NMR을 통하여 분석한 UV-P(AAm-co-AA) 스펙트럼이며, 도 3(C)는 UV를 조사하기 전 조사 후 나타나는 UV-P(AAm-co-AA)의 라만 신호를 측정한 것이다.
도 4(A)는 고분자 방사액에 은나노 응집체 입자 농도가 0.4 w/v % 포함 되어 있을 때 전기 방사시간에 따라 나타나는 나노섬유 기판의 표면-증강 라만 산란 신호의 변화 그래프 및 도 4(B)는 각각의 시간에 따른 주요 라만 피크 (1646 cm-1)에서 나타난 강도를 나타낸 것이다. 도 4(C)는 나노섬유 내 은나노 응집체 입자의 농도 증가에 따른 표면-증강 라만 산란 신호의 변화 및 도 4(D)는 각각의 농도에 따른 주요 라만 피크 (1646 cm-1)에서 나타난 강도를 나타낸 것이다.
도 5(A)는 다른 용매(물, 에탄올, 아세톤)에서의 유무기 나노섬유 복합체 기판의 표면-증강 라만 산란 신호의 변화 그래프 및 도 5(B)는 무작위로 14번의 라만 산란 신호를 측정 후 주요 라만 피크 (1646 cm-1)에서 나타난 강도에 따라 나타낸 그래프이다. 도 5(C) 및 5(D)는 다양한 pH 5?pH 12) 및 염 농도(0.02 M ? 0.1 M) 안에서 라만 산란 신호를 측정 후 주요 라만 피크 (1646 cm-1)에서 나타난 강도에 따라 나타낸 그래프이다.
도 6(A-D)는 (A-D) 상이한 배율, 7.5, 10.0, 12.5 및 15.0 w/v% 폴리머 농도에서 0.4 w/v% 농도로 은 나노입자 응집체 입자를 포함한 폴리머 나노섬유의 SEM 이미지이다. 도 6(E-F)는 수용액상에서 팽윤된 나노섬유를 통하여 분석 물질들의 확산을 측정할 수 있는, 나노 섬유의 팽창 비율을 추정하기 위한 (E) 건조상태, (F) 팽윤상태에서의 유무기 나노섬유 복합체 기판의 공초점 레이져 주사 현미경 사진이다.
도 7은 유무기 나노섬유 복합체 기판에 함입된 은나노 응집체의 양에 따른 TEM 사진이다 [은나노 응집체 입자 농도 (A, B) 0.2 w/v % (C, D) 0.4 w/v % (E, F) 0.8 w/v %].
도 8(A)는 말라카이트 그린 (MGITC)이 팽윤된 하이드로겔인 유무기 나노섬유 복합체 기판 내부를 통해 확산되어 금속나노입자 응집체 표면에 흡착하여 그의 농도에 따른 표면-증강 라만 산란 스펙트럼 및 도 8(B)는 RBITC의 내부 표준 신호(Internal standard signal)에 따른 라만 신호 세기와 발암 물질인 MGITC의 농도에 따른 라만 신호 세기와의 관계 그래프이다.FIG. 1 (A) prepares aggregates of metal nanoparticles induced by various Raman dyes for high speed and high sensitivity biosensing and trace analysis of materials based on surface-enhanced Raman scattering, and FIG. 1 (B) Is a novel organic-inorganic nanofiber composite substrate in which metal nanoparticle agglomerates are uniformly embedded at various densities inside a nanofiber having high molecular hydrogel properties by using an electrohydrodynamic (EHD) jetting method. It is a schematic diagram of this invention about a manufacturing method. 1 (C) is a schematic diagram of quantitative and qualitative analysis of MGITC present in an aqueous solution using an organic-inorganic nanofiber composite substrate.
Figure 2 (A) is a graph showing the UV-Vis spectrum during the formation of silver nanoparticle aggregates by Raman dye (RBITC). Figure 2 (B) is a graph analyzing the size of the silver nanoparticle aggregates using dynamic light scattering (DLS). 2 (C, D) are transmission electron micrographs of silver nanoparticles and aggregates of silver nanoparticles. Figure 2 (E, F) is a graph showing the Raman signal change and the main Raman peak intensity with respect to the aggregation reaction time with the culture time during the formation of silver nanoparticle aggregates.
3 (A) shows UV crosslinkable-poly (acrylamide-co-acrylic acid); It is a schematic diagram of UV crosslinking using the carbon double bond (C = C) of UV-P (AAm-co-AA). Figure 3 (B) is a UV-P (AAm-co-AA) spectrum analyzed by NMR, Figure 3 (C) is a Raman of UV-P (AAm-co-AA) appearing after irradiation before UV irradiation The signal is measured.
Figure 4 (A) is a graph of the change in the surface-enhanced Raman scattering signal of the nanofiber substrate appearing with the electrospinning time when the concentration of silver nano-aggregate particles in the polymer spinning solution containing 0.4 w / v% and Figure 4 (B) The intensity shown at the major Raman peak (1646 cm −1) over time. 4 (C) shows the change in surface-enhanced Raman scattering signal with increasing concentration of silver nanoparticle particles in nanofibers, and FIG. 4 (D) shows the intensity at major Raman peaks (1646 cm-1) at different concentrations. It is shown.
Figure 5 (A) is a graph of the change of the surface-enhanced Raman scattering signal of the organic-inorganic nanofiber composite substrate in different solvents (water, ethanol, acetone) and Figure 5 (B) after randomly measuring 14 Raman scattering signal The graph shows the intensity shown at the major Raman peak (1646 cm −1). 5 (C) and 5 (D) show the Raman scattering signal in
FIG. 6 (AD) is an SEM image of polymer nanofibers comprising silver nanoparticle aggregate particles at 0.4 w / v% concentration at (AD) different magnification, 7.5, 10.0, 12.5 and 15.0 w / v% polymer concentrations. FIG. 6 (EF) shows (E) dry and (F) organic-inorganic nanofibers in estimating the expansion ratio of nanofibers, which can measure the diffusion of analytes through swelled nanofibers in aqueous solution. Confocal laser scanning micrograph of composite substrate.
7 is a TEM image according to the amount of silver nano aggregates embedded in the organic-inorganic nanofiber composite substrate [silver nano aggregate particle concentration (A, B) 0.2 w / v% (C, D) 0.4 w / v% (E, F ) 0.8 w / v%].
FIG. 8 (A) shows the surface-enhanced Raman scattering spectrum according to the concentration of malachite green (MGITC) diffused through the inside of the organic-inorganic nanofiber composite substrate which is a swelled hydrogel and adsorbed onto the surface of the metal nanoparticle aggregates. B) is a graph of the relationship between the Raman signal strength according to the internal standard signal of RBITC and the Raman signal strength according to the concentration of MGITC, a carcinogen.
"나노입자(Nanoparticles)"란 입자의 크기가 1 ~ 1000 nm 크기의 범주에 속하는 입자이며, "마이크로입자(Microparticles)"란 1 ~ 1000 μm의 크기의 입자를 말한다."Nanoparticles" means particles whose size ranges from 1 to 1000 nm, and "microparticles" refers to particles having a size of 1 to 1000 μm.
"금속 나노클러스터(nanocluster)"란, 금속 입자들이 모여서 응집된 응집물을 의미하는 용어로서 이 분야에서 일반적으로 사용되는 용어이다.The term "nanocluster" is a term generally used in the art as a term means an aggregate in which metal particles are aggregated and aggregated.
"폴리머 또는 고분자"는 한 종류 또는 수 종류의 구성 단위가 서로에게 많은 수의 화학결합으로 중합되어 연결되어 있는 분자로 되어 있는 화합물이다. 구성 단위를 단량체(單量體)라고 하고, 중합도에 따라 이량체, 삼량체 등이라고 한다. 중합도가 큰 거대 분자를 고중합체라고 하고, 고분자 화합물(분자량이 1만 이상의 화합물)과 같은 의미로 사용되는 경우가 많다. 본 명세서에서도 폴리머와 고분자의 용어가 혼용되어 사용되고 있다.A "polymer or polymer" is a compound in which one or several constituent units are polymerized and linked to each other by a large number of chemical bonds. A structural unit is called a monomer and is called a dimer, a trimer, etc. according to polymerization degree. Macromolecules having a high degree of polymerization are often referred to as high polymers, and are often used in the same meaning as high molecular compounds (compounds having a molecular weight of 10,000 or more). In this specification, the terms polymer and polymer are used interchangeably.
"하이드로겔"은 분자 사슬간의 가교결합을 통한 3차원의 망상구조를 가진 수팽윤 고분자로서 다량의 물을 함유할 수 있으며 물에 녹지않는 성질을 가진 고분자 복합체이다. 하이드로겔이 뛰어난 흡수성을 나타내는 것은 고분자 사슬 안에 친수성 그룹들이 있기 때문이고 이들의 가교결합을 통해서 흡수된 물들이 사슬 사이에 존재할 수 있게 되는 것으로 이와 같은 흡수체계는 화학적인 작용과 물리적인 작용의 동반작용에 의해 이루어지게 된다."Hydrogel" is a water-swelling polymer having a three-dimensional network structure through crosslinking between molecular chains, and may contain a large amount of water, and is a polymer composite having insoluble properties in water. Hydrogels exhibit excellent absorbency due to the presence of hydrophilic groups in the polymer chain and the water absorbed through their crosslinking so that they can be present between the chains. Will be done by
"라만 산란(Raman scattering)"이란 입사되는 광자의 에너지(hv)가 분자의 진동 상태를 변화시키면서 다른 주파수의 에너지(hv')로 비탄성 산란되는 현상이다. 이러한 라만 산란은 광자와 상호작용하여 산란을 유도하는 분자 구조에 따라 고유의 광자 에너지 변화 형태를 나타내므로, 분자의 검출, 확인 및 분석이 가능하다. 이러한 라만 신호를 강화하여 고감도 검출을 하기 위하여 사용되는 기술 중 하나가 표면강화 라만 산란법(Surface Enhanced Raman Scattering 또는 Surface Enhanced Raman Spectroscopy)이다. 표면강화 라만 산란법은 극미세 구조물을 이용하여 국소적으로 전자기장을 강화하여 라만 신호를 증폭시키는 기술이다"Raman scattering" is a phenomenon in which the energy (hv) of incident photons is inelastic scattered at different frequencies of energy (hv ') while changing the vibration state of the molecule. Since Raman scattering exhibits a unique form of photon energy change depending on the molecular structure that interacts with photons to induce scattering, it is possible to detect, identify, and analyze molecules. One of the techniques used to enhance the Raman signal and detect high sensitivity is Surface Enhanced Raman Scattering or Surface Enhanced Raman Spectroscopy. Surface-enhanced Raman scattering is a technique that amplifies Raman signals by locally strengthening electromagnetic fields using microstructures.
"분석물 또는 분석 대상"이란 용어는 검출 및/또는 확인하고자 하는 모든 원자, 화학물질, 분자, 화합물, 조성물 또는 응집물을 의미한다. 이러한 분석물의 비제한적인 예로는, 아미노산, 펩타이드, 폴리펩타이드, 단백질, 글리코프로테인, 리포프로테인, 뉴클레오사이드, 뉴클레오타이드, 올리고뉴클레오타이드, 핵산, 당, 탄수화물, 올리고사카라이드, 폴리사카라이드, 지방산, 지질, 호르몬, 대사산물, 사이토카인, 케모카인, 수용체, 신경전달물질, 항원, 알레르겐, 항체, 기질, 대사산물, 보조인자, 억제제, 약물, 약학물, 영양물, 프리온, 독소, 독물, 폭발물, 살충제, 화학무기제, 생체유해성 제제, 방사선동위원소, 비타민, 헤테로사이클릭 방향족 화합물, 발암물질, 돌연변이유발요인, 마취제, 암페타민, 바르비투레이트, 환각제, 폐기물 및/또는 오염물을 들 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 환경 오염원 중 하나인 말라카이트 그린을 분석하였다.The term "analyte or analyte" means any atom, chemical, molecule, compound, composition, or aggregate that is to be detected and / or identified. Non-limiting examples of such analytes 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, prions, toxins, toxins, explosives, pesticides, Chemical inorganic agents, biohazardous agents, radioisotopes, vitamins, heterocyclic aromatic compounds, carcinogens, mutagens, anesthetics, amphetamines, barbiturates, hallucinogens, wastes and / or contaminants. In one embodiment of the present invention, malachite green, one of environmental pollutants, was analyzed.
"표지" 또는 "라벨"는 직접 또는 간접적으로 시약, 예를 들어 핵산 프로브 또는 항체에 컨쥬게이팅 되거나 융합되고 컨쥬게이팅 되거나 융합된 시약의 검출을 용이하게 하는 화합물 또는 조성물을 의미한다. 표지는 그 자체가 검출될 수 있거나 (예를 들어, 방사성 동위원소 표지 또는 형광 표지), 효소 표지의 경우에, 검출가능한 기질 화합물 또는 조성물의 화학적 변형을 촉매 할 수 있다. 이러한 검출 라벨은 효소, 형광물, 리간드, 발광물, 미소입자(microparticle), 레독스 분자 및 방사선 동위원소로 이루어진 그룹중에서 선택할 수 있으며, 반드시 이로 제한되는 것은 아니다. By "label" or "label" is meant a compound or composition that directly or indirectly facilitates the detection of a reagent conjugated to, fused, conjugated or fused to a reagent, eg, a nucleic acid probe or antibody. The label may itself be detected (eg, a radioisotope label or a fluorescent label) or, in the case of an enzyme label, may catalyze the chemical modification of the detectable substrate compound or composition. Such a detection label may be selected from the group consisting of enzymes, fluorescent materials, ligands, luminescent materials, microparticles, redox molecules and radioisotopes, but is not necessarily limited thereto.
본 명세서를 통해, 문맥에서 달리 필요하지 않으면, "포함하다" 및 "포함하는"이란 말은 제시된 단계 또는 원소, 또는 단계 또는 원소들의 군을 포함하나, 임의의 다른 단계 또는 원소, 또는 단계 또는 원소들의 군이 배제되지는 않음을 내포하는 것으로 이해하여야 한다.Throughout this specification, the words " comprising "and" comprising ", unless the context requires otherwise, include the stated step or element, or group of steps or elements, but not to any other step or element, And that they are not excluded.
본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미로 사용된다. 또한 본 명세서에는 바람직한 방법이나 시료가 기재되나, 이와 유사하거나 동등한 것들도 본 발명의 범주에 포함된다.
All technical terms used in the present invention are used in the sense that they are generally understood by those of ordinary skill in the relevant field of the present invention unless otherwise defined. Also, preferred methods or samples are described in this specification, but similar or equivalent ones are also included in the scope of the present invention.
이하 본 발명에 대하여 구체적으로 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 표면 증강 라만 산란(Surface enhanced Raman scattering, SERS) 분석에 사용하는 기판에 관한 것이다.The present invention relates to a substrate for use in Surface enhanced Raman scattering (SERS) analysis.
표면 증강 라만 산란(Surface enhanced Raman scattering, SERS)-기반 검출 방법은 고감도 분석법으로 각광을 받고 있다. 분석물 함유 용액 및 라만 리포터가 붙은 면역-금 나노입자가 연속적으로 첨가되고, 리포터 분자의 특징적인 SERS 피크의 세기(intensity) 변화를 측정하여 특정 마커를 정량적으로 분석할 수 있다. 리포터 분자가 거친 금속 표면에 흡착되고 여기광(레이저 광)에 노출되면, 측정 접점(hot spot junction)이라고 알려진 리포터 분자의 SERS 활성 사이트에서 전자기적이고 화학적인 증강이 발생하여 SERS 신호가 대폭 증가한다(Kneipp, J. et al., 2006. Nnao Lett. 6, 2225-2231). 이 증강 효과는 종래 라만 및 형광 검출법이 가지는 단점인 저감도성의 문제를 해결한다.Surface enhanced Raman scattering (SERS) -based detection methods are in the spotlight for high sensitivity analysis. Analyte-containing solutions and immuno-gold nanoparticles with Raman reporters can be added sequentially and specific markers can be quantitatively analyzed by measuring the change in intensity of the characteristic SERS peak of the reporter molecule. When the reporter molecule is adsorbed on a rough metal surface and exposed to excitation light (laser light), electromagnetic and chemical enhancement occurs at the SERS active site of the reporter molecule, known as the hot spot junction, resulting in a significant increase in the SERS signal. Kneipp, J. et al., 2006. Nnao Lett. 6, 2225-2231). This enhancement effect solves the problem of low sensitivity, which is a disadvantage of conventional Raman and fluorescence detection methods.
SERS는 단일분자 수준에서 생체이미징 및 생체신호를 고감도로 측정할 수 있는 기술로 발전해 왔다. 나노 구조 금속 표면에 흡착된 서로 다른 분자들의 라만 신호는, 은, 금, 구리 등의 경우에 매우 높게 나타난다. 거친 금속 기질 표면에 라만 활성 분자들이 흡착되면, 그들의 SERS 신호는 증가한다. 그 이유는 측정 접점(hot spot junctions)의 매우 편재화된 플라스몬 중심에서 발생하는 전자기 및 화학 증강 현상 때문이다. 전자기현상은, 거친 금속 기질 또는 금속 응집체 표면과 연관된 국소 표면 플라스몬 공명과 관련이 있다. 반면, 화학 증강은 직접적 전하 이동 또는 홀-쌍 발광(hole-pair excitation process)과 연관되어 있다.SERS has evolved into a technology that can measure bioimaging and bio signals with high sensitivity at the single molecule level. Raman signals of different molecules adsorbed on nanostructured metal surfaces are very high in the case of silver, gold and copper. When Raman active molecules are adsorbed on the rough metal substrate surface, their SERS signal increases. The reason for this is the electromagnetic and chemical enhancement that occurs at the highly localized plasmon centers of hot spot junctions. Electromagnetism is associated with local surface plasmon resonance associated with rough metal substrates or metal aggregate surfaces. Chemical enhancement, on the other hand, is associated with direct charge transfer or hole-pair excitation processes.
단일분자 수준을 감지하기 위해서는 SERS 신호가 엄청나게 증강되어야 한다. 단일 분자의 SERS 감지를 위해 은 콜로이드성 나노입자 응집체가 처음 사용되었다[Nie, S. M. and S. R. Emery 1997 Science 275(5303): 1102-1106.]. 이후의 연구 결과들을 통해, 은 나노클러스터가 초감도 감지를 위해 가장 적합하다는 것이 알려졌다[Kneipp, J., H. Kneipp, et al. 2006, Nano Letters 6(10): 2225-2231.]. 만약 라만 리포터 분자가 나노클러스터의 접점에 존재한다면, 신호 세기가 엄청나게 증가한다[Chen, J. W., Y. Lei, et al. 2008, Analytical and Bioanalytical Chemistry 392(1-2): 187-193.]. 입자들 사이의 거리, 금속 플라스몬 영역의 고유 특징, 나노입자의 크기와 농도 그리고 레이저 강도는 신호 증강을 조절하는 중요한 파라미터이다. To detect single molecule levels, the SERS signal must be greatly enhanced. Silver colloidal nanoparticle aggregates were first used for SERS detection of single molecules [Nie, S. M. and S. R. Emery 1997 Science 275 (5303): 1102-1106.]. Subsequent studies have shown that silver nanoclusters are best suited for ultrasensitive detection [Kneipp, J., H. Kneipp, et al. 2006, Nano Letters 6 (10): 2225-2231.]. If the Raman reporter molecule is present at the junction of the nanocluster, the signal strength increases tremendously [Chen, J. W., Y. Lei, et al. 2008, Analytical and Bioanalytical Chemistry 392 (1-2): 187-193.]. The distance between the particles, the inherent characteristics of the metal plasmon region, the size and concentration of the nanoparticles and the laser intensity are important parameters controlling signal enhancement.
SERS 기질 또는 기판으로 이용할 수 있는 특정 구조에 대한 연구가 계속되고 있다. 금 및 나노입자들을 원하는 모양 및 형상으로 만들기 위해서, 이온빔 리소그래피, 전자빔 리소그래피, 나노스피어 리소그래피 및 진공 증발에 관심을 두고 있고, 작은 나노입자를 나노클러스터로 모으는 방법이 이용되고 있지만, 이러한 기술들은 비용이 많이 들고 대량 생산이 어려운 문제점이 있고, 서로 다른 화학 및 생물 환경에서의 나노클러스터의 안정성이 매우 중요하다. Research into specific structures that can be used as SERS substrates or substrates continues. In order to bring gold and nanoparticles into the desired shape and shape, attention is drawn to ion beam lithography, electron beam lithography, nanosphere lithography and vacuum evaporation, and methods of gathering small nanoparticles into nanoclusters are used, but these techniques are costly. There is a problem that it is heavy and difficult to mass-produce, and the stability of the nanoclusters in different chemical and biological environments is very important.
또한, 대부분 화학물질 미량분석용 화학센서로 종래 개발된 표면-증강 라만 산란 기판 자체에는 라만 염료에 의해 유도된 표면-증강 라만 산란에 의한 내부 표준 신호(Internal standard signal)가 존재하지 않으므로, 내부 표준에 따른 재현성있는 미량 분석이 어려움이 존재한다.In addition, since most surface-enhanced Raman scattering substrates, which are conventionally developed as chemical sensors for chemical microanalysis, have no internal standard signal due to surface-enhanced Raman scattering induced by Raman dyes, There is a difficulty in reproducible trace analysis.
현재 개발된 표면-증강 라만 산란 기판의 경우, 검출 가능한 부분이 제한적이기 때문에 미량 분석에 필요로 하는 핵심 기술에 한계가 있어 왔다.Currently developed surface-enhanced Raman scattering substrates have been limited in the core technology required for trace analysis because of the limited detectable portion.
그러나, 본 발명의 표면-증강 라만 산란 분석용 나노섬유 복합체 기판은 이러한 요구를 만족시키는 새로운 개념의 기판으로써, 분석 물질의 고속 및 고감도 미량 분석이 가능하고, 화학적 안정성, 데이타 재현성을 실현할 수 있다.However, the nanofiber composite substrate for surface-enhanced Raman scattering analysis of the present invention is a new concept substrate that satisfies these requirements, and enables high-speed and high-sensitivity trace analysis of analytes, and realizes chemical stability and data reproducibility.
즉, 본 발명자들은 고속 및 고감도 미량 분석 및 바이오센싱을 위해 금속나노입자들을 다양한 라만 염료(Raman dye)에 의해 유도된 금속 나노입자들의 응집체(클러스터)들을 제조하고, 이 금속나노입자 응집체들을 전기수력학적(전기유체역학적) 분사 (electrohydrodynamic (EHD) jetting) 방법을 이용해서 고분자(폴리머) 하이드로겔 성질을 가진 나노섬유 내부에 다양한 밀도로 균일하게 함입시켜 화학적으로 안정화시키고, 폴리머 하이드로겔 성질을 가진 새로운 유무기 나노섬유 복합체 기판의 팽윤된 구조 (swollen sturucture)를 통하여 분석 물질이 확산되는 방법을 통해서, 위험 약물의 검출이 가능한 고속 및 고감도 미량 분석이 가능할 뿐만 아니라, 화학적 안정성, 데이타 재현성을 실현하였다.
That is, the present inventors produce aggregates (clusters) of metal nanoparticles induced by various Raman dyes of metal nanoparticles for high speed and high sensitivity trace analysis and biosensing, and the metal nanoparticle aggregates are subjected to electrohydrodynamics. Chemically stabilized by uniform incorporation into various concentrations of nanofibers with polymer (hydrogel) hydrogel properties using electrohydrodynamic (EHD) jetting. By spreading the analyte through the swollen sturucture of the organic-inorganic nanofiber composite substrate, not only high-speed and high sensitivity trace analysis for detecting dangerous drugs, but also chemical stability and data reproducibility were realized.
따라서, 본 발명은 일 관점에서 Therefore, the present invention in one aspect
가교결합성 폴리머 하이드로겔 나노섬유 내부에, 라만 염료에 의한 금속나노입자들의 응집체(클러스터)가 균일하게 분포되어 있는 것을 특징으로 하는, 표면-증강 라만 산란 분석용 나노섬유 복합체 기판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.In the cross-linkable polymer hydrogel nanofibers, aggregates (clusters) of metal nanoparticles by Raman dyes are uniformly distributed, the surface-enhanced Raman scattering analysis nanofiber composite substrate and a method for manufacturing the same It is about.
본 발명의 기판은 가교결합성 폴리머 하이드로겔 성질을 가진 나노섬유 내부에, 라만 염료(Raman dye)에 의해 유도된 금속 나노입자들의 응집체인 나노 클러스터들을 균일한 밀도로 함유하고 있다.The substrate of the present invention contains nano clusters, which are aggregates of metal nanoparticles induced by Raman dye, in a uniform density inside a nanofiber having crosslinkable polymer hydrogel properties.
특히, 수성 환경 (Aqueous conditions)에서 유무기 나노섬유 복합체 기판을 안정시키기 위해, 폴리머 하이드로겔 나노섬유는 물리적, 화학적 또는 광개시적으로 가교결합을 형성하는데, 예를 들어, 열적 가교결합 (Thermal chemical crosslinking) 또는 높은 온도에서의 표면-증강 라만 산란 신호의 손실을 최소화하는 광개시 화학결합 (Photo-initiated chemical crosslinking)을 이용해서 가교결합을 형성하고 수용액 상에서 팽윤되는(swollen) 특성을 가진다.In particular, in order to stabilize organic-inorganic nanofiber composite substrates in aqueous conditions, the polymer hydrogel nanofibers form physically, chemically or photoinitially crosslinks, for example, thermal chemicals. crosslinking or photo-initiated chemical crosslinking that minimizes loss of surface-enhanced Raman scattering signals at high temperatures to form crosslinks and swollen in aqueous solution.
이러한 팽윤된 하이드로겔 기판 내부를 통해, 수용액 상에 용해되어 있는 분석 물질들이 확산 (Diffusion) 되어 금속나노입자 응집체 표면에 흡착함으로써, 라만 염료에 의해 유도된 표면-증강 라만 산란 신호에 기초해서 물질들의 고속 및 고감도 미량 분석이 가능한 것이다.Through this swollen hydrogel substrate, analytes dissolved in an aqueous solution are diffused and adsorbed onto the surface of the metal nanoparticle aggregates, thereby allowing the analysis of materials based on the surface-enhanced Raman scattering signal induced by the Raman dye. High speed and high sensitivity trace analysis is possible.
이 때, 본 발명의 표면-증강 라만 산란 기판 자체에 존재하는 라만 염료에 의해 유도된 표면-증강 라만 산란에 의한 내부 표준 신호(Internal standard signal)의 일정한 세기를 기준으로 하여, 분석 물질에 대한 라만 신호 세기를 비교 분석함으로써 분석물을 효과적으로 검출할 수 있다.
At this time, based on the constant intensity of the internal standard signal by the surface-enhanced Raman scattering induced by the Raman dye present in the surface-enhanced Raman scattering substrate of the present invention, Raman for the analyte By analyzing the signal strength comparatively, the analyte can be effectively detected.
본 발명의 표면-증강 라만 산란 분석용 나노섬유 복합체 기판을 제조하기 위해, 일 구체예로서 하기의 방법으로 제조할 수 있다:To prepare the nanofiber composite substrate for surface-enhanced Raman scattering analysis of the present invention, it can be prepared by the following method as one embodiment:
(i) 시드(seed) 금속 나노입자를 라만 염료에 의해 응집하여 금속 나노클러스터(nanocluster)를 형성하는 단계;(i) aggregating the seed metal nanoparticles with a Raman dye to form a metal nanocluster;
(ii) 상기 금속 나노클러스터(nanocluster)를 코팅시키는 단계; (ii) coating the metal nanoclusters;
(iii) 전기수력적 분사(Electrohydrodynamic jetting) 방법을 통해 가교결합성 폴리머 하이드로겔 나노섬유에 상기 금속 나노클러스터를 함입시키는 단계; 및(iii) incorporating said metal nanoclusters into crosslinkable polymer hydrogel nanofibers through an electrohydrodynamic jetting method; And
(iv) 가교결합성 폴리머 하이드로겔을 가교결합시키는 단계
(iv) crosslinking the crosslinkable polymer hydrogel
상기 제조방법은 도 1에 개략적인 모식도로 도시하였다.The manufacturing method is shown in a schematic diagram in FIG.
이하, 상기 방법을 보다 구체적으로 설명하면서, 본 발명을 더욱 상세히 기술토록 한다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail while explaining the above method in more detail.
'시드(seed) 금속 나노입자'는 금속 나노 클러스터를 만들기 위한 종자(seed)가 되는 금속입자를 의미하고, 상기 금속은 은, 금, 구리, 및 이들의 혼합물 등으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 본 발명의 일 실시예서는 은(실버) 나노입자를 사용하였다.'Seed metal nanoparticle' means a metal particle that becomes a seed for making metal nano clusters, and the metal may be selected from the group consisting of silver, gold, copper, mixtures thereof, and the like. . In one embodiment of the present invention used silver (silver) nanoparticles.
본 발명에서는 시드 금속 나노입자의 응집(aggrigation)은 라만 염료(Raman dye)에 의해 이루어진다. 즉, 라만 염료에 의해 시드 금속 나노입자들의 응집체, 즉 나노 클러스터를 제조한다. 본 발명 명세서에서는 응집체 또는 클러스터의 용어를 혼용하여 사용하고 있다.In the present invention, aggregation of the seed metal nanoparticles is performed by Raman dye. That is, agglomerates of seed metal nanoparticles, ie nano clusters, are produced by Raman dyes. In the present specification, the terms aggregate or cluster are used interchangeably.
라만 염료는 라만 활성 유기 화합물을 의미하며, 이 기술분야에서 널리 사용되는 것이라면 어느 것이나 제한 없이 사용할 수 있다. 본 발명에서 상기 라만 염료는 다양하게 포함될 수 있다. 구체적인 예를 들면, 로다민6G, 로다민 B 이소티오시아네이트(RBITC), 아데닌, 4-아미노-피라졸(3,4-d)피리미딘, 2-플루오로아데닌, N6-벤조일아데닌, 키네틴, 디메틸-알릴-아미노-아데닌, 제아틴(zeatin), 브로모-아데닌, 8-아자-아데닌, 8-아자구아닌, 6-머캅토퓨린, 4-아미노-6-머캅토피라졸로(3,4-d)피리민딘, 8-머캅토아데닌, 및 9-아미노-아크리딘 등을 들 수 있으나 반드시 이로 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 일 실시예에서는 로다민 B 이소티오시아네이트(RBITC)를 사용하였다.Raman dye means a Raman active organic compound, and any one widely used in the art may be used without limitation. In the present invention, the Raman dye may be included in various ways. Specific examples include rhodamine 6G, rhodamine B isothiocyanate (RBITC), adenine, 4-amino-pyrazole (3,4-d) pyrimidine, 2-fluoroadenine, N6-benzoyladenine, kinetin , Dimethyl-allyl-amino-adenine, zeatin, bromo-adenine, 8-aza-adenine, 8-azaguanine, 6-mercaptopurine, 4-amino-6-mercaptopyrazolo (3,4 -d) pyrimindine, 8-mercaptoadenine, 9-amino-acridine and the like, but are not necessarily limited thereto. In one embodiment of the invention Rhodamine B isothiocyanate (RBITC) was used.
라만 염료에 의해 응집시킨 금속 나노클러스터(nanocluster)의 크기는 10~1000 nm일 수 있으며, 60~100 nm가 더욱 바람직하다.The size of the metal nanocluster (nanocluster) aggregated by the Raman dye may be 10 ~ 1000 nm, more preferably 60 ~ 100 nm.
예를 들어, 상기 시드 나노입자 각각의 크기가 1에서 100 nm 이고 상기 나노클러스터 크기가 10~1000 nm일 때 라만 신호가 최대가 된다.
For example, when the size of each of the seed nanoparticles is 1 to 100 nm and the nanocluster size is 10 to 1000 nm, the Raman signal is maximized.
다음으로, 상기 금속 나노클러스터(nanocluster)를 코팅함으로써 안정화(stabilization)시킨다.Next, stabilization is performed by coating the metal nanoclusters.
금속 나노클러스터를 코팅하는 단백질의 종류에는 제한이 없으며 이 기술분야에서 널리 사용되는 것이라면 어느 것이나 사용할 수 있다. 예를 들면, 아비딘(avidin), 스트렙타비딘(streptavidin), BSA(bovine serum albumin), 인슐린(insulin), 콩단백질, 카제인, 젤라틴 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 본 발명의 일 실시예서는 BSA(bovine serum albumin)로 나노 클러스터를 코팅하여 안정화시켰다.
There is no restriction on the type of protein coating the metal nanocluster, and any protein can be used as long as it is widely used in the art. For example, they may be selected from the group consisting of avidin, streptavidin, bovine serum albumin, BSA, insulin, soy protein, casein, gelatin, and mixtures thereof. In one embodiment of the present invention was stabilized by coating the nano clusters with bovine serum albumin (BSA).
이하는 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 (i) 및 (ii) 단계의 공정 모식도이다.The following is a process schematic diagram of the steps (i) and (ii) according to an embodiment of the present invention.
상기 그림은 본 발명의 실시예에 따른 은 나노클러스터, 은나노입자 응집체 (AgNCs) 형성의 메커니즘을 나타낸다. 6 ~ 13 nm 범위의 직경을 가지는 최초 시드 입자가, 응집제 및 라만 리포터로서 상이한 유기 염색약을 도입함으로써 응집되었다. 상기 입자들은, 이미 존재하는(preexisting) 은 시드의 표면에서 소듐 시트레이트 삼염기 디하이드레이트에 의해 감소된 은 이온으로부터 동시에 성장하였다. 그리고 BSA로부터 안정화제를 첨가하여 상기 클러스터를 안정화시켰다.
The figure shows the mechanism of silver nanocluster, silver nanoparticle aggregates (AgNCs) formation according to an embodiment of the present invention. Initial seed particles having diameters in the range of 6 to 13 nm were aggregated by introducing different organic dyes as flocculants and Raman reporters. The particles grew simultaneously from silver ions reduced by sodium citrate tribase dihydrate at the surface of the silver seed that already existed. And stabilizer was added from the BSA to stabilize the cluster.
이어서, 상기 코팅된 금속 나노클러스터(nanocluster)를 전기수력적 공동분사(Electrohydrodynamic co-jetting) 방법을 통해 가교결합성 폴리머 하이드로겔 나노섬유에 균일하게 함입시키고, 상기 폴리머들을 가교결합시킨다.The coated metal nanoclusters are then uniformly incorporated into the crosslinkable polymer hydrogel nanofibers through an electrohydrodynamic co-jetting method and the polymers are crosslinked.
전기수력적(전기 유체역학적) 분사법에 의해 분사하여 가교결합성 폴리머 하이드로겔이 상기 금속 나노 클러스터를 둘러싸서 캡슐화된다.
The crosslinkable polymer hydrogel is encapsulated surrounding the metal nanocluster by spraying by electrohydrodynamic (electrohydrodynamic) spraying.
전기수력적 분사 (Electrohydrodynamic jetting, EHD jetting)는 다른 모양 및 크기를 가지는 폴리머성 나노섬유 및 나노입자의 제작을 위한 용이한 기술로서 일반적으로 사용된다. 주로 조절 가능한 파라미터의 조작은 1) 폴리머 용액의 점도, 전기 전도성, 및 표면 장력, 2) 두 전극 사이 적용되는 전압 및 거리 및 3) 다수의 마이크로미터 내지 소수의 나노미터의 범위인 다양한 폴리머성 나노구조를 생성하는 것을 야기하는 흐름율을 포함한다. 그 중에서도, 전기수력적 공동분사법 (Electrohydrodynamic co-jetting, EHD co-jetting)은 멀리 폴리머 용액의 평형 라미나 흐름(equilibrated laminar flow)이 2개의 상을 가지는 테일러 콘 (Taylor cone)의 꼭지점으로부터 전하-전하 척력 (charge to charge repulsion)에 의해 얇은 제트스트림 형태 (jet stream)로 분사되도록 한다.
Electrohydrodynamic jetting (EHD jetting) is commonly used as an easy technique for the fabrication of polymeric nanofibers and nanoparticles of different shapes and sizes. Manipulation of mainly adjustable parameters can include: 1) viscosity of the polymer solution, electrical conductivity, and surface tension, 2) voltage and distance applied between the two electrodes, and 3) a range of polymeric nanometers to a few nanometers. It includes the flow rate that results in creating the structure. Among other things, electrohydrodynamic co-jetting (EHD co-jetting) is a charge from the vertex of a Taylor cone where the equilibrated laminar flow of the polymer solution is two phases away. -To be jetted in a thin jet stream by charge to charge repulsion.
한편, 가교결합성 고분자(폴리머)는 친수성 폴리머라면 어느 것이나 제한 없이 사용할 수 있다.The crosslinkable polymer (polymer) can be used without limitation as long as it is a hydrophilic polymer.
본 발명의 폴리머는 가교결합 (Thermal crosslinking)이 가능한 공중합체 폴리머로서, 예를 들어, 폴리(아크릴아미드-코-아크릴레이트)[poly(acrylamide-co-acrylic acid, poly(AAm-co-AA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-코-스테아릴 아크릴레이트)[Poly (N-isopropyl acrylamide-co-stearyl acrylate), Poly(NIPAm-co-SA)], 폴리(N-이소프로필 아크릴아미드-코-알릴아민)[poly(N-isopropylacrylamide-co-allylamine), poly(NIPAM-co-AA)], 및 아크릴 부분(acrylic moiety)을 가지는 poly(NIPAM-co-AA)로 등으로 구성된 군으로부터 선택되는 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다. 본 발명의 일 구체예에서는 폴리(아크릴아미드-코- 아크릴레이트)[poly(AAm-co-AA)]를 사용하였다.The polymer of the present invention is a copolymer polymer capable of crosslinking. For example, poly (acrylamide-co-acrylic acid, poly (AAm-co-AA) ], Poly (N-isopropyl acrylamide-co-stearyl acrylate) [Poly (N-isopropyl acrylamide-co-stearyl acrylate), Poly (NIPAm-co-SA)], poly (N-isopropyl acrylamide Group consisting of poly (N-isopropylacrylamide-co-allylamine), poly (NIPAM-co-AA), and poly (NIPAM-co-AA) having an acrylic moiety. Preferred but not limited to In one embodiment of the invention poly (acrylamide-co-acrylate) [poly (AAm-co-AA)] was used.
수용성 폴리머의 "가교결합(cross-linking)"은 물에 노출될 때 용해되는 것에 대한 저항성을 주는 것에 매우 중요하다. 폴리머 사슬의 내부 분자 가교결합은 이런 나노섬유가 수용성 조건과 같은 실질적으로 가용화 환경에서 원래의 구조를 유지시키는데 도움을 준다, 이것은 또한 나노섬유가 상당한 양의 물을 포함하는 소프트 히드로겔로서 작용하게 하는데 도움을 준다. 생분해성 폴리머로 구성된 히드로겔은 조직 복구 및 약물 전달 담체에 광범위하게 이용되고 있다. The "cross-linking" of water soluble polymers is very important for giving resistance to dissolution when exposed to water. Internal molecular crosslinking of the polymer chains helps these nanofibers maintain their original structure in substantially solubilizing environments such as water-soluble conditions, which also allows the nanofibers to act as soft hydrogels containing significant amounts of water. To help. Hydrogels composed of biodegradable polymers are widely used in tissue repair and drug delivery carriers.
하이드로겔의 가교결합은 물리적, 화학적 및 광개시적 가교결합을 포함하는 다양한 기작을 통해 달성될 수 있다. 물리적 또는 화학적으로 가교결합된 나노구조체는 안정되고 수용성 환경에서 이용될 수 있다. 특히, 다중 구획의 히드로겔 나노입자 및 나노섬유의 제작은 전기수력적 공동분사 동안 외부적으로 적용되는 전기장 하에서 다른 고분자 용액의 유동학적 양립성 및 동적 순서에 의존한다. 전기수력적 공동분사 동안 고분자 용액의 유체 역학적 특성의 유지는 균일한 다중 구획의 나노입자 및 나노섬유를 생산하기 위해 가장 임계적인 파라미터가 될 수 있다. 나노섬유 내에 화학적 가교결합은 고분자 용액에 첨가되는 가교결합제가 필요하고, 이는 전기수력적 공동분사의 공정 동안 유동학적 특성을 간섭할 수 있다. 그러나, 정전 및 소수성 상호작용을 기초로 한 물리적 가교결합은 가교결합제 없이 전기수력적 공동분사를 통해 유동학적 특성 상수를 만든다. Crosslinking of hydrogels can be accomplished through a variety of mechanisms including physical, chemical and photoinitiated crosslinking. Physically or chemically crosslinked nanostructures can be used in a stable and water soluble environment. In particular, the fabrication of multiple compartments of hydrogel nanoparticles and nanofibers relies on the rheological compatibility and dynamic order of different polymer solutions under an externally applied electric field during electrohydraulic co-injection. The maintenance of the hydrodynamic properties of the polymer solution during electrohydraulic co-injection can be the most critical parameter for producing uniform multi-part nanoparticles and nanofibers. Chemical crosslinking in nanofibers requires a crosslinking agent to be added to the polymer solution, which can interfere with rheological properties during the electrohydraulic coinjection process. However, physical crosslinks based on electrostatic and hydrophobic interactions create rheological property constants through electrohydraulic co-injection without crosslinkers.
그러므로, 본 발명의 가교결합성 고분자(폴리머)들로 캡슐화된 금속 나노클러스터를 가열하거나 자외선을 처리하면, 상기 금속 나노클러스터를 둘러싸는 폴리머 사이에 가교결합이 형성되어 상기 금속 나노클러스터-폴리머 사이에 네트워크가 형성된다. 그리고, 이러한 가교결합을 통한 네트워크를 형성으로 인해 물에 용해되지 않는다.
Therefore, when the metal nanoclusters encapsulated with the crosslinkable polymers (polymers) of the present invention are heated or subjected to ultraviolet rays, crosslinks are formed between the polymers surrounding the metal nanoclusters and thus the metal nanoclusters-polymers are formed. A network is formed. And, due to the formation of a network through such a crosslinking is not dissolved in water.
이하는 본 발명의 일 실시예에 따른 (iii) 및 (iv) 단계의 공정 모식도이다The following is a process schematic diagram of steps (iii) and (iv) according to an embodiment of the present invention.
상기 그림은 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리머 나노섬유 내 은나노입자 응집체를 캡슐화시키는 전형적인 전기 방사 장치를 보여준다. 친수성, 생체적합성 및 UV 가교결합성 폴리머 UV-poly(acrylamide-co-acrylic acid), UV-P(AAm-co-AA)의 수용액 중 은나노입자 응집체의 모노분산된 현탁액에서, UV-P(AAm-co-AA)는 플라스틱 시린지 펌프에 부착된 얼룩 없는 스틸 캐필러리가 장착된 플라스틱 시린지에 채워진다. 디지털 사진은 전기분사(electrospraying) 실험 동안 taylor cone, jet stream, 및 jet breakup의 형성을 보여준다.
The figure shows a typical electrospinning apparatus for encapsulating silver nanoparticle aggregates in polymer nanofibers according to one embodiment of the invention. In a monodisperse suspension of silver nanoparticle aggregates in an aqueous solution of a hydrophilic, biocompatible and UV crosslinkable polymer UV-poly (acrylamide-co-acrylic acid), UV-P (AAm-co-AA), UV-P (AAm) co-AA) is filled in a plastic syringe equipped with a stain-free steel capillary attached to a plastic syringe pump. Digital photographs show the formation of taylor cones, jet streams, and jet breakups during electrospraying experiments.
상기 방법으로 제조된, 본 발명의 표면-증강 라만 산란 분석용 나노섬유 복합체 기판은 폴리머 하이드로겔 나노섬유 내부에, 라만 염료에 의한 금속나노입자들의 응집체가 균일하게 분포되어 있는 것을 특징으로 한다. The nanofiber composite substrate for surface-enhanced Raman scattering analysis of the present invention prepared by the above method is characterized in that agglomerates of metal nanoparticles by Raman dyes are uniformly distributed inside the polymer hydrogel nanofibers.
이 때, (i) 라만 염료 종류와 농도 조절, (ii) 금속나노입자 응집체들의 밀도 조절, (iii) 전기유체역학적 분사 조절을 통해, 다양한 밀도로 금속 나노입자들의 응집체를 고르게 분포시킬 수 있다.At this time, it is possible to uniformly distribute the aggregates of the metal nanoparticles at various densities through (i) controlling the type and concentration of Raman dye, (ii) controlling the density of the metal nanoparticle aggregates, and (iii) controlling the electrohydrodynamic spraying.
또한, 본 발명의 표면-증강 라만 산란 분석용 나노섬유 복합체 기판는 제조방법이 어렵지 않아서 제조비용도 경제적이다. In addition, the nanofiber composite substrate for surface-enhanced Raman scattering analysis of the present invention is not difficult to manufacture the manufacturing cost is also economical.
원하는 클러스터 사이즈의 금속 나노입자 응집체에 유도된 염료(라만 염료), 단백질 코팅에 의한 안정화 그리고 연속적으로 고분자(폴리머)를 이용한 캡슐화 공정을 거친다. The dye (Raman dye) induced in the aggregate of metal nanoparticles of the desired cluster size is stabilized by protein coating and subsequently encapsulated using a polymer (polymer).
앞서 설명한 바와 같이, 고분자 폴리머는 바이오하이브리드, 비독성 그리고 하이드로겔 폴리머이고, 캡슐화는 전기수력적 분사기술을 이용한다. 이 고분자 폴리머는 수용성 환경에서 잘 부풀고 소프트 매트릭스 상태가 되어서 금속 나노클러스터를 잘 붙드는 역할을 한다. 전기수력적 분사(electrohydrodynamic jettig, 이하, EHD 분사)는 다양한 폴리머 내부에 많은 무기 나노입자를 캡슐화하는 데 잘 이용되고 있는 기술이다[Yoshida, M., K. H. Roh, et al. 2009, Advanced Materials 21(48): 4920]. EHD 분사 후, 고분자 폴리머는 열적으로 또는 광으로 경화되어 수용성 환경(aqueous media)에 놓인 나노프로브를 안정화시킨다. 내부에 라만 활성 중심을 가지는, 가교결합(crosslinked)된 폴리머는 바이오센싱 및 바이오이미징에 쓰이는 민감한 SERS 기질로 이용될 수 있다.
As described above, the polymeric polymers are biohybrid, non-toxic and hydrogel polymers, and the encapsulation uses electrohydraulic injection techniques. The polymer swells in a water-soluble environment and becomes a soft matrix to hold metal nanoclusters well. Electrohydrodynamic jettig (EHD injection) is a technique that is well used to encapsulate many inorganic nanoparticles inside various polymers [Yoshida, M., KH Roh, et al. 2009, Advanced Materials 21 (48): 4920]. After EHD injection, the polymer polymer is thermally or light cured to stabilize the nanoprobe placed in aqueous media. Crosslinked polymers with Raman active centers therein can be used as sensitive SERS substrates for biosensing and bioimaging.
한편, 본 발명은 다른 관점에서, 이러한 표면-증강 라만 산란 분석용 나노섬유 복합체 기판을 이용하는 물질 분석방법에 관한 것이다.On the other hand, the present invention relates to a material analysis method using the nanofiber composite substrate for surface-enhanced Raman scattering analysis in another aspect.
분석대상으로서 물질은 제한은 없다. 예를 들어, 발암 물질 등의 위해성 물질로서, 디피콜린산(dipicolinic acid;DPA), 말라카이트 그린(malachite green; MG) 등을 유용하게 검출하여 분석할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 말라카이트 그린(malachite green; MG)을 분석물질로 하였다.There is no limit to the substance to be analyzed. For example, dipicolinic acid (DPA), malachite green (MG), and the like can be usefully detected and analyzed as a dangerous substance such as a carcinogen. In one embodiment of the present invention, malachite green (MG) was used as an analyte.
말라카이트그린(malachite green)은 초록색의 공업용 색소이자 세균방지제로, 양식업에서는 기생충, 곰팡이 및 박테리아 감염 방지제로 사용되어 왔지만, 1950년대부터 어류에 대한 독성이 상당히 강한 것으로 밝혀지면서 지난 1991년 미국에서 사용을 금지시켰고, 유럽과 중국도 2002년 식용어류에 대 한 말라카이트그린의 사용을 규제하고 있으며, 우리나라 역시 유독 화학물질로 분류하여 규제하고 있다. Malachite green is a green industrial pigment and antibacterial agent that has been used in aquaculture for parasites, fungi and bacterial infections, but since its use in the United States in 1991, malachite green has been found to be highly toxic to fish. In 2002, Europe and China also regulated the use of malachite greens for edible fish in 2002. Korea also regulates toxic chemicals.
특히, 본 발명의 표면-증강 라만 산란 분석용 나노섬유 복합체 기판 자체에는 금속 나노 클러스터 제조시 이용한 라만 염료가 존재하고 있기 때문에, 표면-증강 라만 산란에 의해 일정한 세기를 나타내는 이의 내부 표준 신호(Internal standard signal)를 기준으로 삼아, 분석 물질에 대한 라만 신호 세기를 비교 분석함으로써 효과적으로 검출할 수 있는 장점이 있다.In particular, the surface-enhanced Raman scattering analysis nanofiber composite substrate itself has a Raman dye used in the manufacture of metal nano-cluster, so that its internal standard signal exhibiting a constant intensity by surface-enhanced Raman scattering (Internal standard) On the basis of the signal, there is an advantage that can be effectively detected by comparing the Raman signal strength for the analyte.
종래, 대부분 화학물질 미량분석용 화학센서로 개발된 표면-증강 라만 산란 기판 자체에는 라만 염료에 의해 유도된 표면-증강 라만 산란에 의한 내부 표준 신호(Internal standard signal)가 존재하지 않으므로, 내부 표준에 따른 재현성있는 미량 분석이 어려웠지만, 본 발명은 내부 표준 신호가 존재하므로 이러한 문제점을 해결할 수 있는 것이다.
Conventionally, the surface-enhanced Raman scattering substrate itself, which is mostly developed as a chemical sensor for chemical microanalysis, does not have an internal standard signal due to surface-enhanced Raman scattering induced by Raman dye. Although reproducible trace analysis was difficult, the present invention solves this problem since an internal standard signal exists.
본 발명의 일 실시예에서는, 미량으로 용액 상에 용해되어 있는 발암 물질인 말라카이트 그린(malachite green, MGITC)이, 팽윤된 하이드로겔인 유무기 나노섬유 복합체 기판 내부를 통해 확산되어 금속 나노입자 응집체 표면에 흡착하여 나타나는, 이의 농도에 따른 표면-증강 라만 산란 스펙트럼을 관찰함으로써 말라카이트 그린을 검출 및 분석하였다.In one embodiment of the present invention, malachite green (MGITC), a carcinogenic substance dissolved in a small amount in solution, is diffused through the organic-inorganic nanofiber composite substrate, which is a swollen hydrogel, to surface a metal nanoparticle aggregate. Malachite green was detected and analyzed by observing surface-enhanced Raman scattering spectra according to its concentration, which appeared by adsorption to.
특히, 표면-증강 라만 산란 기판 자체에 존재하는 RBITC 라만 염료에 의해 유도된 표면-증강 라만 산란에 의한 일정한 내부 표준 신호(Internal standard signal) 세기와 비교하여, 말라카이트 그린의 농도 증가에 따른 라만 신호 세기의 변화를 관찰함으로써 정량 평가를 수행하였다. In particular, Raman signal strength with increasing concentration of malachite green, compared to the constant internal standard signal intensity due to surface-enhanced Raman scattering induced by RBITC Raman dye present on the surface-enhanced Raman scattering substrate itself Quantitative evaluation was performed by observing changes in.
상기 그림은 본 발명의 일 실시예에 따른, SERS 기술에 따른 MGITC의 흔적 분석에 대한 모식도를 나타낸다. 가교결합된 폴리머성 나노섬유가 하이드로겔 특성을 포함하고, 염색약 분자들이 매트릭스를 투과할 수 있게하며, 은 나노클러스터 상에서 흡수되게 한다. 들어오는 레이저 빔이 은나노입자 응집체 상에 흡수된 염색 분자와 상호작용하여, MGITC 용액 침지 전 및 후에 기질로부터 각각의 라만 신호를 생성하였다.
The figure shows a schematic diagram for trace analysis of MGITC according to SERS technology according to an embodiment of the present invention. Crosslinked polymeric nanofibers include hydrogel properties, allow dye molecules to penetrate the matrix, and allow them to be absorbed on silver nanoclusters. The incoming laser beam interacted with the staining molecules absorbed on the silver nanoparticle aggregates, generating respective Raman signals from the substrate before and after the MGITC solution immersion.
한편, 본 발명의 방법에 의해 특히 0.5-6 ppm의 MGITC 농도 범위와 SERS 신호가 1차 선형 관계를 가지고, 검출 가능한 분석물질의 한계 농도를 검출 한계 농도(Limit of detection, LOD)로 정의하는데, 현재까지 실시예에 따라 LOD는 약 0.5 ppm (part per million)까지 가능한 바, 미량으로 존재하는 광범위한 표적 물질의 검출에 유용하게 사용될 수 있다. 주요 미량 분석법으로 사용되고 있는 대표적인 종래 기술로 Liquid chromatography mass spectroscopy (LC-MS)가 대표적으로 사용되고 있는데, SERS에 기초한 MGITC 분석 물질의 LOD는 현재까지 약 1-2 ppb (part per billion)까지 보고되고 있어, LC-MS의 LOD와 상응하는 검출 한계가 가능하다. On the other hand, according to the method of the present invention, the MGITC concentration range of 0.5-6 ppm and the SERS signal have a linear linear relationship, and the limit concentration of the analyte that can be detected is defined as a limit of detection (LOD). To date, according to the embodiment LOD is possible up to about 0.5 ppm (part per million), it can be useful for the detection of a wide range of target substances present in trace amounts. Liquid chromatography mass spectroscopy (LC-MS) is a typical conventional technique used as a major microanalysis method, and the LOD of SGI-based MGITC analytes has been reported to about 1-2 ppb (part per billion) to date. However, detection limits corresponding to the LOD of LC-MS are possible.
본 발명에서 (i) 라만 염료 종류와 농도 조절, (ii) 금속나노입자 응집체들의 밀도 조절, (iii) 전기유체역학적 분사 조절을 통해 다양한 밀도로 금속 나노입자들의 응집체를 고르게 분포시켜 약 1 ppb 이하의 LC-MS의 LOD와 상응하는 검출 한계를 극복하는 것이 가능하다.
In the present invention, (i) controlling the type and concentration of Raman dye, (ii) controlling the density of the metal nanoparticle aggregates, and (iii) controlling the electrohydrodynamic spraying to uniformly distribute the aggregates of the metal nanoparticles at various densities to about 1 ppb or less. It is possible to overcome the detection limit corresponding to the LOD of LC-MS.
이와 같이, 본 발명은 가교결합성 폴리머 하이드로겔 나노섬유 내부에, 라만 염료에 의한 금속나노입자들의 응집체가 균일하게 분포되어 있는 것을 특징으로 하는, 표면-증강 라만 산란 분석용 나노섬유 복합체 기판을 이용하여 미량의 물질을 효과적으로 검출하고 비교분석할 수 있는 방법에 관한 것이다.As described above, the present invention uses a nanofiber composite substrate for surface-enhanced Raman scattering analysis, characterized in that agglomerates of metal nanoparticles by Raman dye are uniformly distributed in the crosslinkable polymer hydrogel nanofibers. The present invention relates to a method for effectively detecting and comparing a trace amount of a substance.
앞서 설명한 모든 특징들은 본 발명의 표면-증강 라만 산란 분석용 나노섬유 복합체 기판이 바이오센싱 및 바이오이미징 도구로 사용하는 데 유용한 특징이 될 수 있다.
All of the features described above may be useful for the surface-enhanced Raman scattering analysis nanofiber composite substrates used as biosensing and bioimaging tools.
실시예Example
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these examples are for illustrative purposes only and that the scope of the present invention is not construed as being limited by these examples.
실험 재료Experimental material
은 니트레이트(질산은), 소듐 보로하이드라이드, 소듐 시트레이트 삼염기 디하이드레이트, BSA(bovine serum albumin), 로다민 B 이소티오시아네이트 결합된 덱스트란 RITC-덱스트란(MW 70 kDa), 로다민 B 이소티오시아네이트 (RBITC 혼합된 아이소머), 2-하이드록시-2-메틸프로페논, 아세톤, 알부민-플루오레세인 이소티오시아네이트 결합된 (FITC-BSA), 에틸렌 글리콜 무수물, 크로토노닐 클로라이드(crotonoyl chloride), 말라카이트그린 이소티오시아네이트(Malachite green isothiocyanate) 및 소듐 하이드록사이드(=98%)를 Sigma Aldrich로부터 구입하였다. Poly(acrylamide-co-acrylicacid, sodium salts), P(AAm-co AA) (MW 200 kDa; 10% acrylic acids)를 Polysciences Inc 로부터 구입하고, 모든 시약들을 받아서 사용하였다.
Silver nitrate (silver nitrate), sodium borohydride, sodium citrate tribasic dihydrate, bovine serum albumin (BSA), rhodamine B isothiocyanate bound dextran RITC-dextran (MW 70 kDa), rhodamine B isothiocyanate (RBITC mixed isomer), 2-hydroxy-2-methylpropenone, acetone, albumin-fluorescein isothiocyanate bound (FITC-BSA), ethylene glycol anhydride, crotononyl Crotonoyl chloride, Malachite green isothiocyanate and sodium hydroxide (= 98%) were purchased from Sigma Aldrich. Poly (acrylamide-co-acrylicacid, sodium salts), P (AAm-co AA) (MW 200 kDa; 10% acrylic acids) were purchased from Polysciences Inc and received and used all reagents.
실험방법Experimental Method
1. UV- Vis 및 라만 측정1. UV-Vis and Raman measurement
모든 UV-Vis 흡광도 스펙트럼 측정은 실온에서 UV-1800 (Shimadzu, Japan)를 이용하여 300 ~ 800 nm 파장 범위에서 수행하였다. All UV-Vis absorbance spectral measurements were performed at 300-800 nm wavelength using UV-1800 (Shimadzu, Japan) at room temperature.
최대 흡광도를 표지하여 AgNPs 및 AgNCs(은나노 입자 응집체)의 특성을 분석하였다. 샘플의 작은 표본을 명시된 시간 간격에서 빼내고, Reinshaw 2000 microscope integrated system 에서 633 nm 파장에서 여기된 He-Ne 레이저 빔 아래 라만 스펙트럼을 수득하였다. 633 nm의 파장을 가지는 He-Ne 레이저를 사용하여 10mW 레이저 파워로 라만 리포터 분자를 여기시켰다. 홀로그래픽 노치 필터를 이용하여 수집된 스펙트럼으로부터 Rayleigh lines을 제거하였다.
Maximum absorbance was labeled to characterize AgNPs and AgNCs (silver nanoparticle aggregates). Small samples of the samples were pulled out at the specified time intervals and Raman spectra were obtained under a He-Ne laser beam excited at 633 nm wavelength in a Reinshaw 2000 microscope integrated system. Raman reporter molecules were excited at 10 mW laser power using a He-Ne laser with a wavelength of 633 nm. Rayleigh lines were removed from the collected spectra using a holographic notch filter.
2. SEM, TEM 이미징2. SEM, TEM Imaging
스캐닝 전자 현미경에 의해 폴리머 나노섬유의 형태를 특징짓기 위해, 얼룩없는 스틸 시트(5x5mm)의 작은 사각형 조각들을 전기방사 동안 알루미늄 호일 표면 상에 두었다.To characterize the shape of the polymer nanofibers by scanning electron microscopy, small square pieces of unstained steel sheet (5 × 5 mm) were placed on the aluminum foil surface during electrospinning.
그 후, 이러한 섬유들을 K575X Turbo Sputter Coater를 이용하여 Pt 스퍼터링(platinum sputtering)으로 코팅하고 가속 전압 0.5 ~ 30kV에서 작동되는 SEM VEGA (TESCAN, USA)를 이용하여 이미지화하였다. 이미지들을 5.0KX, 8KX 및 10KX의 상이한 배율에서 취하였다. 투과전자현미경(Transmission electron microscopy, TEM)을 사용하여, 입자 크기 및 크기 분포 분석을 위해 단일 은 나노입자(AgNPs) 및 은 나노 입자 응집체(AgNCs)를 특징화하였다. 제조된 은 시드로서, 현탁액을 0.2μm Dismic 13Jp(ADVANTEC, Japan) 일회용 PTFE 소수성 시린지 필터를 통해 여과시키고, TEM을 위한 샘플 준비 전에 5회 희석하였다. 적은 양의 에탄올을 빠른 증발을 위해 혼합시킬 수 있다.These fibers were then coated with Pt sputtering using a K575X Turbo Sputter Coater and imaged using SEM VEGA (TESCAN, USA) operated at an acceleration voltage of 0.5-30 kV. Images were taken at different magnifications of 5.0KX, 8KX and 10KX. Transmission electron microscopy (TEM) was used to characterize single silver nanoparticles (AgNPs) and silver nanoparticle aggregates (AgNCs) for particle size and size distribution analysis. As a prepared silver seed, the suspension was filtered through a 0.2 μm Dismic 13Jp (ADVANTEC, Japan) disposable PTFE hydrophobic syringe filter and diluted five times before preparing the sample for TEM. Small amounts of ethanol can be mixed for fast evaporation.
유사하게, 준비한 은나노입자 응집체를 0.2μm filter로 여과시키고, D.I. water로 4회 희석하고 TEM grid (Ted Pella Inc. USA)상에 놓았다. 이러한 샘플들을 가속전압 80 ~ 200 kV에서 작용하는 JEM-2100F (FEG) 장 방출(Field emission) 스캐닝 투과 전자 현미경(JEOL, Germany)을 이용하여 이미지화하였다.
Similarly, the prepared silver nanoparticle aggregates were filtered through a 0.2 μm filter, diluted four times with DI water and placed on a TEM grid (Ted Pella Inc. USA). These samples were imaged using a JEM-2100F (FEG) field emission scanning transmission electron microscope (JEOL, Germany) operating at an acceleration voltage of 80-200 kV.
3. 공초점 레이저 스캐닝 현미경3. Confocal Laser Scanning Microscope
100X 대물렌즈 (오일 침지된 렌즈)로 Leica TCS SP2 (Leica, Germany) 공초점 레이저 스캐닝 현미경을 이용하여 폴리성 나노섬유를 직접적으로 커버 글래스로부터 이미지화하였다. 작은 표본의 현탁된 섬유를 커버 글라스 위에 두고, 부품 특성 및 결합 효율을 조사하였다.
Poly nanofibers were imaged directly from the cover glass using a Leica TCS SP2 (Leica, Germany) confocal laser scanning microscope with a 100 × objective (oil immersed lens). Small samples of suspended fibers were placed on the cover glass and the part properties and binding efficiency were investigated.
실시예Example 1 : One : 은나노Silver nano 입자 응집체(은 나노클러스터, Particle aggregates (silver nanoclusters, AgNCsAgNCs )의 제조)
1-1. 은 시드 입자의 합성1-1. Synthesis of Silver Seed Particles
은 시드 입자를, 논문 (J Colloid Interface Sci. 211, 122-129 (1999))에 기술되어 있는 방법대로 제조하였다. 스톡 용액의 0.5 M 은 니트레이트, 소듐 시트레이트 및 0.05 M 소듐 보로하이드라이드의 스톡 용액을 DI water에서 준비하였다. 두 용액을 각각 별도로 제조하였다. 용액 A는 50ml의 DI water 중 4mM 질산은을 함유하고 있는 반면, 용액 B는 50 ml의 DI water 중 0.6 mM 소듐 보로하이드라이드, 8 mM 소듐 시트레이트 및 2 mM 소듐 하이드록사이드를 함유하였다. 두 용액을 혼합 전 5분 동안 교반하여 농도를 균질화하였다. 용액 B에 용액 A를 첨가함으로써, 은 시드 입자를 제조하였다. 상기 반응을 어두운 조건 하 10시간 동안 수행하여 완료하였다. Silver seed particles were prepared according to the method described in the paper (J Colloid Interface Sci. 211, 122-129 (1999)). 0.5 M of stock solution A stock solution of silver nitrate, sodium citrate and 0.05 M sodium borohydride was prepared in DI water. Both solutions were prepared separately. Solution A contained 4 mM silver nitrate in 50 ml DI water, while Solution B contained 0.6 mM sodium borohydride, 8 mM sodium citrate and 2 mM sodium hydroxide in 50 ml DI water. Both solutions were stirred for 5 minutes before mixing to homogenize the concentration. Silver seed particles were prepared by adding solution A to solution B. The reaction was completed by running for 10 hours under dark conditions.
은 시드 입자를 0.2μm 필터를 통해 여과시켜 임의의 은 나노로드 또는 큰 입자들을 제거하였다. 이러한 방법으로 제조된 은 시드는 크기가 6~13nm 직경의 범위에 있었다. 이러한 입자들을 8~10℃에서 어두운 조건 하 보관하였다.
Silver seed particles were filtered through a 0.2 μm filter to remove any silver nanorods or large particles. Silver seeds prepared in this manner ranged in size from 6 to 13 nm in diameter. These particles were stored at 8-10 ° C. under dark conditions.
1-2. 1-2. 은나노Silver nano 입자 응집체( Particle aggregates ( AgNCsAgNCs )의 합성) Synthesis of
라만 수용체 및 응집제로서 RBITC로 은 나노클러스터(AgNCs)의 합성을 위해, 50 ml의 은 시드 입자를 유리 바이알에 넣고, 0.01 M RBITC, 0.5M AgNO3 및0.5M 소듐 시트레이트 용액과 혼합하여 최종 농도가 각각 7.5μM, 0.85mM 및 0.5mM이 되도록 하였다. 이 혼합물을 부드럽게 적어도 5분 동안 교반한 후, 전기적으로 가열된 오븐에서 95℃에 정해진 시간 동안 두었다. For the synthesis of silver nanoclusters (AgNCs) with RBITC as Raman acceptor and flocculant, 50 ml of silver seed particles were placed in glass vials and mixed with 0.01 M RBITC, 0.5M AgNO 3 and 0.5M sodium citrate solution to final concentration. Was 7.5 μM, 0.85 mM and 0.5 mM, respectively. The mixture was gently stirred for at least 5 minutes and then placed at 95 ° C. in an electrically heated oven for a time period.
규칙적인 시간 간격에서 샘플(300 μl each)의 작은 표본을 채취하여 클러스터 크기 및 최대 라만 강도를 최적화시키고, SERS 신호 측정을 위해 실험하였다.상기 샘플들을 1mM 소듐 시트레이트 수용액으로 5회 희석한 후, UV-Vis 흡광도 스펙트럼 측정으로 분석하였다. 최대 라만 강도가 수득되었을 때, 상기 반응을 정지시켰다. AgNCs를 함유하는 혼합물을 실온으로 빨리 냉각시키고 0.5% w/v BSA 수용액과 혼합하여 최종 농도 0.0018 5w/v가 되게 하여 AgNCs를 안정화시켰다. 현탁액을 0.2μm PTFE 소수성 시린지 필터로 여과하고 추가의 분석을 위해 상온에서 보관하였다Small samples of samples (300 μl each) were taken at regular time intervals to optimize cluster size and maximum Raman intensity and experiment for SERS signal measurements. After diluting the samples five times with 1 mM sodium citrate aqueous solution, It was analyzed by UV-Vis absorbance spectrum measurement. When the maximum Raman intensity was obtained, the reaction was stopped. AgNCs were stabilized by rapidly cooling the mixture containing AgNCs to room temperature and mixing with 0.5% w / v BSA aqueous solution to a final concentration of 0.0018 5 w / v. The suspension was filtered through a 0.2 μm PTFE hydrophobic syringe filter and stored at room temperature for further analysis.
연속적 실험을 수행하여 클러스터 크기 및 개별적인 입자 크기 최적화하고 최대 라만 신호를 달성하였다.
Successive experiments were performed to optimize cluster size and individual particle size and achieve maximum Raman signal.
실시예 2 : AgNCs 캡슐화(Encapsulation)에 따른 기판 제조Example 2 Substrate Preparation by AgNCs Encapsulation
2-1. UV-가교결합성 Poly(acrylamide-co-acrylic acid)의 합성; UV-P(AAm-co-AA)2-1. Synthesis of UV-crosslinkable poly (acrylamide-co-acrylic acid); UV-P (AAm-co-AA)
광가교결합성 폴리머를 P(AAm-co-AA) 및 Crotonoyl chloride의 반응으로부터 제조하였다. Photocrosslinkable polymers were prepared from the reaction of P (AAm-co-AA) and Crotonoyl chloride.
아크릴산의 카르복시기는 잔기를 함유하는 이중결합으로 부분적으로 변경할 수 있다. 크로토닐 클로라이드를 카르복시기와 반응시키고 이중결합을 이 위치에 도입하였다.The carboxy group of acrylic acid can be partially altered by double bonds containing residues. Crotonyl chloride was reacted with a carboxyl group and a double bond was introduced at this position.
전형적인 반응에서, 2.0x10-6M의 P(AAm-co-AA)가 실온에서 50 ml D.I.에 존재하였다. 크로토닐 클로라이드를 격렬히 교반된 폴리머 용액에 매우 천천히 첨가하여 온도 상승을 피하고, 최종 농도 0.0208M가 되게 하였다. 반응 5.0 시간 후, 상기 혼합물을 150 ml의 드라이 아세톤내로 부어 침전시켰다. 상기 침전물을 아세톤으로 3회 세척하고 어두운 조건 하 저장하였다.
In a typical reaction, 2.0 × 10 −6 M of P (AAm-co-AA) was present in 50 ml DI at room temperature. Crotonyl chloride was added very slowly to the vigorously stirred polymer solution to avoid temperature rise and to a final concentration of 0.0208 M. After 5.0 hours of reaction, the mixture was poured into 150 ml of dry acetone to precipitate. The precipitate was washed three times with acetone and stored under dark conditions.
2-2. 폴리머 나노 섬유 내 AgNCs 캡슐화(Encapsulation)2-2. Encapsulation of AgNCs in Polymer Nanofibers
준비된 AgNCs를 반복적으로7000 rpm에서 8분동안 원심분리하고 1mM 소듐 시트레이트 용액으로 3회 세척하여 임의의 과량의 BSA 및 다른 반응물들을 제거하였다.Prepared AgNCs were repeatedly centrifuged at 7000 rpm for 8 minutes and washed three times with 1 mM sodium citrate solution to remove any excess BSA and other reactants.
그 후, 적은 양의 시트레이트 이온을 함유하고 있는 DI water에 AgNCs를 재현탁하였다. UV-P(AAm-co-AA)의 15.0 w/v% 용액을DI water 중 제조하였다. RBITC-Dextran을 폴리머의 형광염색시약 0.5 w/v%으로 첨가하였다. 2-Hydroxy-2-methylpropiophenone(photoinitiator)을 0.0024 w/w% 의 폴리머의 농도에 따라 첨가하였다.The AgNCs were then resuspended in DI water containing a small amount of citrate ions. A 15.0 w / v% solution of UV-P (AAm-co-AA) was prepared in DI water. RBITC-Dextran was added at 0.5 w / v% of the fluorescent dye reagent of the polymer. 2-Hydroxy-2-methylpropiophenone (photoinitiator) was added according to the polymer concentration of 0.0024 w / w%.
다양한 양의 AgNCs를 폴리머 용액에 현탁하였다. 잘 분산된 현탁액을 21게이지(NanoNC, Korea)의 금속 관(metal capillary)이 구비된 1ml syringe (Becton-Dickinson, New Jersey, US)에 로딩하였다. 투입 시린지 펌프(KdScientific)를 사용하여 시간당 0.2ml의 연속적인 유속을 유지하였다. 고전압 공급기(NNC HV 30)의 양극(anode)을 모세관(capillary)에 연결시키고, 음극(cathode)은 알루미늄 호일(Fisherbrand, US)로 이루어진 수집한 기질(substrate)에 접촉시켰다. 전극 간 분리는 10 ~ 15 cm의 범위에서 다양화하였다.Various amounts of AgNCs were suspended in the polymer solution. The well dispersed suspension was loaded into a 1 ml syringe (Becton-Dickinson, New Jersey, US) equipped with a 21-gauge (NanoNC, Korea) metal capillary. An injection syringe pump (KdScientific) was used to maintain a continuous flow rate of 0.2 ml per hour. The anode of the high voltage supply (NNC HV 30) was connected to a capillary, and the cathode was contacted to a collected substrate made of aluminum foil (Fisherbrand, US). The separation between electrodes varied in the range of 10-15 cm.
전압은 14 ~ 17 kV에서 다양하게 적용하였고, 유속은 0.20 ~ 0.30 ml/hr 범위에서 유지하였다. 전기방사(Electrospinning) 실험을 주위 조건(ambient conditions)에서 수행하였다. 고체 상태에서 공초점 레이저 스캐닝 현미경 사용을 위한 나노섬유를 위해, 작은 커버 글래스를 알루미늄 호일 상에 놓았다. 폴리머 쇄를 가교결합시키기 위해, 320-500 nm 파장 범위에서 60mW/cm2 전력으로, Omnicure-1500A (Lumen Dynamics Group Inc. Canada)을 이용하여 30초 동안 알루미늄 호일을 UV광에 노출시켰다.
The voltage was varied at 14-17 kV and the flow rate was maintained in the range 0.20-0.30 ml / hr. Electrospinning experiments were performed at ambient conditions. For nanofibers for confocal laser scanning microscope use in the solid state, a small cover glass was placed on aluminum foil. To crosslink the polymer chains, the aluminum foil was exposed to UV light for 30 seconds using Omnicure-1500A (Lumen Dynamics Group Inc. Canada) at 60 mW / cm 2 power in the 320-500 nm wavelength range.
실시예Example 3 : 은 나노 입자 크기 및 나노 클러스터 크기 3: silver nanoparticle size and nano cluster size
AgNCs 형성 동안 UV-Vis 흡광도 스펙트럼을 수득하고, 이상적인 개개의 입자 크기 및 클러스터 크기를 확인하였다. UV-Vis absorbance spectra were obtained during AgNCs formation and the ideal individual particle size and cluster size were identified.
그 결과들을 도 2에 도시하였다.The results are shown in FIG.
도 2(A)는 은나노입자 응집체 형성 동안 상이한 시간 간격에서 수집된 흡광도 스펙트럼을 보여준다. 개별적인 입자 크기가 배양시간 증가에 따라 증가함으로써, 400 nm에서 크고 좁은 흡광도 피크를 가졌다. 400 nm에서 주요한 흡광도 피크는 60분 내 429 nm까지 긴 파장대로 옮겨갔다. 50분에서의 649 nm에서 관찰되는 추가의 피크는 클러스터 형성을 가리킨다. RBITC는 555 nm에서 특징적인 피크를 가졌다.2 (A) shows absorbance spectra collected at different time intervals during silver nanoparticle aggregate formation. As individual particle sizes increased with increasing incubation time, they had large and narrow absorbance peaks at 400 nm. The major absorbance peak at 400 nm shifted to a longer wavelength up to 429 nm in 60 minutes. Additional peaks observed at 649 nm at 50 minutes indicate cluster formation. RBITC had a characteristic peak at 555 nm.
도 2 (A)는 배양 시작 때를 보여주는데, 충분한 은 이온이 감소함으로써 크기 증가가 보다 빠르게 일어나고, 커브는 시간이 40분이 지남에 따라 보다 편평하게 나타났다.
Figure 2 (A) shows the start of incubation, where the increase in size occurs more quickly with sufficient silver ions decreasing, and the curve appears flatter over
그리고, 투과 전자 현미경으로 싱글 은 나노입자 및 은 나노클러스터(AgNCs)의 직경 및 형태를 확인하였다. And, the transmission electron microscope confirmed the diameter and shape of single silver nanoparticles and silver nanoclusters (AgNCs).
결과를 도 2(C) 및 2(D)에 나타냈다. The results are shown in FIGS. 2 (C) and 2 (D).
도 2(C)는 TEM 이미지로 배양시간 60분 후 클러스터가 60 ~ 100 nm 범위 크기임을 보여주고, 도 2(D)는 단일 은 시드 입자가 6~13nm 범위 크기임을 보여준다. 배양시간의 증가에 따라 개개의 입자 크기도 증가하였고, 또한, 단일 입자들 사이의 합쳐짐이, UV-Vis 스펙트럼에서 고유하게 관찰되는 은나노입자 응집체의 형성을 가져왔다.
FIG. 2 (C) shows that the clusters range in size from 60 to 100 nm after 60 minutes of incubation time with a TEM image, and FIG. 2 (D) shows that single silver seed particles range in size from 6 to 13 nm. As the incubation time increased, the individual particle size also increased, and the coalescence between the single particles also resulted in the formation of silver nanoparticle aggregates which were uniquely observed in the UV-Vis spectrum.
실시예Example 3 : 3: AgNCsAgNCs 의 라만 신호 측정Raman signal measurement
또한, AgNCs 제조 중 라만 신호를 측정하였다.In addition, Raman signals were measured during the production of AgNCs.
도 2(E)는 응집 반응시간의 경과에 따른 은나노입자 응집체의 증가하는 라만 신호를 보여준다. 최대 라만 신호를 배양 시간 60분 후에 수득하였다. 매우 긴 배양 시간은 신호 강도 상에서 역효과를 가졌는데, 이는 아마도 보다 큰 클러스터 형성에 의한 것으로 생각된다. Figure 2 (E) shows the increasing Raman signal of the silver nanoparticle aggregates over the course of the aggregation reaction time. Maximum Raman signal was obtained after 60 minutes of incubation time. Very long incubation times had an adverse effect on signal strength, probably due to larger cluster formation.
도 2(F)는 RBITC 스펙트럼 대 배양 시간에 따른 2가지 주요한 라만 피크의 강도 플랏을 보여준다. 상이한 시간 간격에서 수집된 모든 스펙트럼 중 피크의 위치에서 주목할 만한 차이는 나타나지 않았다.
2 (F) shows intensity plots of two major Raman peaks over RBITC spectra versus incubation time. There was no noticeable difference in the position of the peak among all the spectra collected at different time intervals.
RBITC 농도를 최적화시켜 클러스터가 60 ~ 100 nm 크기로 성장한 후 최대 라만 신호를 가지도록 하였다. RBITC 및 MGITC와 같은 이소티아시아네이트 염색약은 다른 염색약과 비교하여 강한 응집 성향을 가진다. 배양시간 60분에 따른 7.5 μM RBITC의 최적 염색약 농도가 최대 SERS 신호를 생성하는 것을 발견하였다.
The RBITC concentration was optimized so that the cluster had a maximum Raman signal after growing to a size of 60-100 nm. Isothiacinate dyes such as RBITC and MGITC have a strong aggregation tendency compared to other dyes. The optimal dye concentration of 7.5 μM RBITC over 60 min incubation time was found to produce the maximum SERS signal.
은 나노입자의 콜로이드성 안정성은 은 나노입자 주변의 음전하의 시트레이트 이온의 캡핑에 의해 확인된다. 이는 라만 염색약에 의한 은 나노입자의 응집 메커니즘이, 음이온에 의한 나노입자들 사이에서 정전기적 반발이 라만 염색약이 금속 나노입자의 표면에서 흡수됨에 따라 감소한다는 원리에 의존하고 있다. 개별적 입자의 크기는 은의 추가적 축적(deposition)으로 인해 증가하고, 염색약 분자들은 높은 확률로, 합쳐지는 입자들의 결합부에서 캡쳐된다.Colloidal stability of silver nanoparticles is confirmed by the capping of negatively charged citrate ions around the silver nanoparticles. This relies on the principle that the aggregation mechanism of silver nanoparticles by Raman dye decreases as the electrostatic repulsion between nanoparticles by anions decreases as the Raman dye is absorbed on the surface of the metal nanoparticles. The size of the individual particles increases due to the additional deposition of silver and the dye molecules have a high probability of being captured at the junction of the particles to be merged.
이러한 종류의 구조체는 상기 스팟에서 존재하는 높은 전자기장 때문에 높은 라만 신호와 관련이 있다. 작은 은 시드 나노입자들은, 개별적 나노입자 25 ~ 30 nm 및 평균 응집체(클러스터) 크기 76 nm의 최대 입자 크기가 될때까지 나노입자의 증가가 이루어지는 그래프에 선명히 나타나 있듯이 매우 낮은 라만 강도를 가지고 있었다. 80 ~ 90분의 긴 배양시간 후, 응집체(클러스터) 크기는 상당히 컸고, 빨리 침전되어 신호 강도의 감소를 가져왔다.
This kind of structure is associated with high Raman signals due to the high electromagnetic fields present at the spot. The small silver seed nanoparticles had very low Raman intensity, as clearly shown in the graph of increasing nanoparticles until the maximum particle size of individual nanoparticles 25-30 nm and average aggregate (cluster) size 76 nm. After a long incubation period of 80-90 minutes, the aggregate (cluster) size was quite large and precipitated quickly resulting in a decrease in signal strength.
응집체(클러스터) 형성의 유용한 의미는 혼합물의 혼탁도(turbidity), UV-Vis 스펙트럼에서 추가된 피크의 출현, 최대 라만 신호를 증가시키는 것이다. 전기방사 동안 폴리머 나노섬유 내 AgNCs가 캡슐화되고, 폴리머는 UV광으로의 노출에 의해 가교결합한다. A useful meaning of aggregate (cluster) formation is to increase the turbidity of the mixture, the appearance of added peaks in the UV-Vis spectrum, and the maximum Raman signal. AgNCs in the polymer nanofibers are encapsulated during electrospinning and the polymer crosslinks by exposure to UV light.
이를 확인하기 위해, 수득한 섬유를 물에 노출시키고 팽윤 상태에서 CLSM 이미징에 의해 관찰하였다. To confirm this, the obtained fibers were exposed to water and observed by CLSM imaging in a swollen state.
그 결과, 도 3에 나타낸 바와 같이, 라만 신호가 매우 안정적이었고, 광 가교결합 전후에도 이들의 원래 특성 피크를 보유하고 있었다. As a result, as shown in FIG. 3, the Raman signal was very stable and retained their original characteristic peaks before and after optical crosslinking.
다른 가교결합, 예를 들어 높은 온도에서 염색약의 탈착에 의한 라만 신호의 현저한 감소를 야기하는 열적 가교결합에서 신호가 감소하는 것과 비교하여, UV가교결합 후 신호에서는 현저한 감소가 나타나지 않았다.
There was no significant reduction in the signal after UV crosslinking as compared to the decrease in the signal in thermal crosslinks which resulted in a significant decrease in Raman signal by desorption of the dye at high temperatures, for example at high temperatures.
실시예Example 5 : 다양한 파라미터와 5: various parameters 라만신호의Raman signal 관계성 Relationship
배양시간, 가교결합 종류, 온도 등에 대한 앞선 실험결과에 기초하여, 라만 신호는 다양한 파라미터, 예를 들어 폴리머 나노섬유 내 AgNCs 양 조절 또는 핫 스팟의 수를 조절함에 의해 쉽게 맞출 수 있는 파라미터의 수에 의해 조절될 수 있음을 예상할 수 있었다. Based on the results of previous experiments on incubation time, crosslinking type, temperature, etc., Raman signals can be adjusted to various parameters, such as the number of parameters that can be easily adjusted by controlling the amount of AgNCs in the polymer nanofibers or the number of hot spots. It can be expected that it can be adjusted by.
이에, 다양한 파라미터에 따른 SERS 신호 특성을 조사하였다. Therefore, the SERS signal characteristics according to various parameters were investigated.
나노 섬유 내에서 동시에 일어나는 다른 메커니즘은, 염색약 분자들이 갇힌 결합부위에서 단일 나노입자들과의 부분적 융합으로, 결합부위에서 염색약 분자들이 전자기장에 많이 위치하기 때문에 SERS 신호가 강화되는 잠재적인 핫스팟이 된다. 이러한 염색약 응집은 높은 신호 강화를 달성하는데 유용하다. 따라서, 온도, 배양 시간, 염색약 농도, 온도 및 첨가된 은 이온 양 등으로 실험을 활용하였다.
Another mechanism that occurs simultaneously in nanofibers is the partial hot fusion of single nanoparticles at the binding sites where the dye molecules are trapped, which is a potential hotspot where SERS signals are enhanced because of the large number of dye molecules located at the binding sites. Such dye aggregation is useful to achieve high signal enrichment. Therefore, the experiment was utilized for temperature, incubation time, dye concentration, temperature and amount of silver ions added.
5-1 온도와의 관계5-1 Relationship with temperature
우선, SERS 신호는 높은 온도에서 역효과를 나타냄을 알 수 있었다.First, it can be seen that the SERS signal has an adverse effect at high temperatures.
비록 다른 염색약들이 고온에서 신호로서 상이한 안정성을 가지지만, R6G 및 CV와 같은 다른 염색약에 비해서, 이소티오시아네이트기를 함유하는 염색의 경우는 이소티오시아네이트기 및 금속 입자 사이의 금속-황 결합의 결합 형성으로 인해 안정화되어 있다. 낮은 신호는, SERS효과를 감소시키는 은 나노입자로부터 염색약의 탈착에서 기인하는 것으로 생각된다. 대부분의 유기 염색약은 175℃(열적 가교결합 온도)에서 안정한 화학구조를 가지고, 염색약 분해 가능성을 제거한다. Although other dyes have different stability as a signal at high temperatures, compared to other dyes such as R6G and CV, for dyes containing isothiocyanate groups, the dyes of the metal-sulfur bond between the isothiocyanate group and the metal particles It is stabilized due to bond formation. The low signal is thought to be due to the desorption of the dye from the silver nanoparticles which reduces the SERS effect. Most organic dyes have a stable chemical structure at 175 ° C. (thermal crosslinking temperature), eliminating the possibility of dye degradation.
그러나, 내부에 라만 활성 중심을 가지는 나노섬유의 광가교결합은 SERS 신호의 현저한 저하를 방지하는 온건한 조건 하에서 이루어졌다. However, photocrosslinking of nanofibers with Raman active centers inside was achieved under moderate conditions that prevented significant degradation of the SERS signal.
P(AAm-co-AA) 및 크로토닐 클로라이드의 성공적인 폴리머화가 H1NMR 스펙트럼으로부터 확인하였다.Successful polymerization of P (AAm-co-AA) and crotonyl chloride was confirmed from the H 1 NMR spectrum.
순수 P(AAm-co-AA)는 6.640, 6.957,6.974, 6.977,6.996,7.013 및 7.030에서 크로토닐 클로라이드에 이중 결합의 특성 피크를 보이지 않았고, 이는 도 3에 도시한 바와 같이 변형된 폴리머에서도 나타났다.
Pure P (AAm-co-AA) showed no characteristic peaks of double bonds in crotonyl chloride at 6.640, 6.957,6.974, 6.977,6.996,7.013 and 7.030, which was also seen in the modified polymer as shown in FIG. .
5-2. 5-2. AgNCsAgNCs 양과의 관계 Relationship with sheep
또한, 라만 신호 강도는 스피닝 시간, 염색약 농도, 클러스터 크기 및 개개의 은 입자 크기와 같은 변하지 않는 다른 파라미터를 유지하는 동안, 폴리머 나노섬유 내 AgNCs의 양에 의존하여 변하였다.In addition, Raman signal intensity varied depending on the amount of AgNCs in the polymer nanofibers, while maintaining other unchanging parameters such as spinning time, dye concentration, cluster size and individual silver particle size.
특히, 도 4에 나타난 바와 같이 라만 강도 및 AgNCs 양 사이의 관계는 선형의 그래프로 나타났다. 따라서, 다양한 AgNCs의 양의 도입에 의해 SERS 신호를 조절할 수 있음을 예측할 수 있다. In particular, as shown in FIG. 4, the relationship between Raman intensity and AgNCs amount was shown in a linear graph. Therefore, it can be predicted that the introduction of various amounts of AgNCs can regulate the SERS signal.
나노섬유 내 캡슐화된 AgNCs(은나노입자 응집체)의 양에 대하여 RBITC 스펙트럼에서 특이적 피크의 라만 강도의 플롯을 도 4 (C, D)에 도시하였다. Plots of Raman intensity of specific peaks in the RBITC spectrum with respect to the amount of AgNCs (silver nanoparticle aggregates) encapsulated in the nanofibers are shown in FIG. 4 (C, D).
RBITC 스펙트럼으로부터 기준 피크로서 1645.9 cm-1를 선택하고, 다른 AgNCs 농도에서의 신호들을 비교하였다. 폴리머 나노섬유 내 다른 양의 AgNCs를 도입함으로써 목적하는 라만 신호를 쉽게 조절할 수 있음을 역시 알 수 있었다.
1645.9 cm −1 was selected as the reference peak from the RBITC spectrum and the signals at different AgNCs concentrations were compared. It was also found that by introducing different amounts of AgNCs in the polymer nanofibers, the desired Raman signal could be easily controlled.
5-3. 용매와의 관계5-3. Relationship to solvent
그리고, 나노섬유 내 캡슐화된 AgNCs의 라만 신호 안정성을 다른 용매에 이러한 섬유 매트를 침지함으로써 분석하였다.The Raman signal stability of AgNCs encapsulated in nanofibers was then analyzed by immersing these fiber mats in different solvents.
다른 용매, 즉, DI water, 아세톤 및 에탄올에서의 라만 신호 강도의 변화를 도 5(A)에 나타냈다. The change in Raman signal intensity in other solvents, ie DI water, acetone and ethanol, is shown in FIG. 5 (A).
신호는 안정적이었고 이러한 용매로의 노출에 따른 현저한 저하는 보이지 않았다. UV 조사에 의한 폴리머 쉘의 가교결합 때문에, SERS 기질을 안정화시키는 은 나노클러스터의 분해가 방지되기 때문으로 생각된다.
The signal was stable and no noticeable degradation following exposure to this solvent was seen. It is considered that due to the crosslinking of the polymer shell by UV irradiation, decomposition of the silver nanoclusters that stabilize the SERS substrate is prevented.
5-4. 신호의 재현성5-4. Reproducibility of the signal
한편, SERS 기질의 가장 중요한 형태 중 하나는, 특히 정량 목적의 SERS 신호의 재현성(reproducibility)이다. 라만 스펙트럼을, 나노섬유 기질의 표면에서 랜덤으로 선택한 스팟 14개에서 수집하여 신호의 재현성을 확인하였다. On the other hand, one of the most important forms of SERS substrate is the reproducibility of the SERS signal, especially for quantitative purposes. Raman spectra were collected at 14 randomly selected spots on the surface of the nanofiber substrate to confirm signal reproducibility.
이러한 결과들을 도 5 (B)에 도시하였다. These results are shown in FIG. 5 (B).
주요 피크의 강도를 다른 스팟에 표시하였다. 상당히 재현가능한 신호가 평균값으로부터 작은 편차로 나타났다.
The intensity of the main peak is indicated in other spots. Significantly reproducible signals appeared with small deviations from the mean values.
5-5. 5-5. pHpH 및 염 농도와의 관계 And salt concentration
또한, 다른 pH값에서의 신호 안정성을, 실온에서 1.0 M NaOH 및 0.5 M HCl을 이용하여 pH값을 변화시켜 1.5 ~ 11.0 범위에서 분석하였다. In addition, signal stability at different pH values was analyzed in the range of 1.5-11.0 by changing the pH value using 1.0 M NaOH and 0.5 M HCl at room temperature.
그 결과, 도 5(C)에 도시한 바와 같이, 캡슐화된 라만 활성 은나노입자 응집체의 라만 신호 강도는 pH의 넓은 범위에 걸쳐 안정적이었다. 은나노입자 응집체를 커버하는, 가교결합된 폴리머 네트워크가 이러한 기질의 고유한 특성을 보호한다. As a result, as shown in Fig. 5C, the Raman signal intensity of the encapsulated Raman active silver nanoparticle aggregate was stable over a wide range of pH. Crosslinked polymer networks, covering silver nanoparticle aggregates, protect the inherent properties of these substrates.
그리고, 상기 기질의 신호 강도를 염 농도에 걸쳐 조사하였다. 1.0 M NaCl 수용액을 클로라이드 이온의 소스로서 사용하였다.The signal intensity of the substrate was then examined over the salt concentration. A 1.0 M NaCl aqueous solution was used as the source of chloride ions.
라만 스펙트럼 결과를 도 5 (D)에 도시하였다. AgNCs 캡슐화하고 있는 나노섬유 매트는 염 농도의 넓은 범위에 걸쳐 매우 안정적인 신호를 보여주었다.
Raman spectral results are shown in Figure 5 (D). Nanofiber mats encapsulating AgNCs showed very stable signals over a wide range of salt concentrations.
실시예Example 6 : 나노 클러스터 및 나노섬유 매트의 특성 확인 6: Confirmation of properties of nanoclusters and nanofiber mats
AgNCs 캡슐화하고 있는 나노섬유 매트의 형태학적 특징 및 크기를 확인하는데 SEM 이미징을 사용하였다. SEM imaging was used to confirm the morphological characteristics and size of the nanofiber mat encapsulating AgNCs.
상기 결과를 도 6에 도시하였다.
The results are shown in FIG.
6-1. 나노 섬유 크기6-1. Nano fiber size
상기 나노섬유는 5분 동안 얼룩없는 스틸 기질 상에서 직접적으로 전기 방사로 제조되었고, 나노섬유의 직경은 220 ~ 260 nm의 범위에 있었다.The nanofibers were prepared by electrospinning directly on a stain-free steel substrate for 5 minutes, and the diameters of the nanofibers were in the range of 220-260 nm.
7.5 % w/v, 10.0 % w/v, 12.5 w/v % 및 15.0 w/v % 의 다른 폴리머 농도를 이용하여 섬유 크기 및 균일성을 좋게 만들었다. Other polymer concentrations of 7.5% w / v, 10.0% w / v, 12.5 w / v% and 15.0 w / v% were used to make good fiber size and uniformity.
더 낮은 폴리머 농도는 스트링 구조상에서 비드를 따라 나노섬유 및 나노입자의 혼합물을 보였고, 폴리머 농도의 증가에 따라, 섬유의 상대적 양이 증가하였다. Lower polymer concentrations showed a mixture of nanofibers and nanoparticles along the beads on the string structure, and as the polymer concentration increased, the relative amount of fibers increased.
또한, 12.5 w/v % 이상의 폴리머 농도를 이용하는 실험에서 스트링 구조 상 입자 및 비드가 제거되었다. 높은 폴리머 농도를 사용, 전극상의 거리 감소 및 유속 증가에 의해 나노섬유의 평균 직경이 증가함을 알 수 있었다.
In addition, particles and beads on the string structure were removed in experiments using polymer concentrations of 12.5 w / v% or higher. Using high polymer concentrations, the average diameter of the nanofibers was increased by decreasing the distance on the electrode and increasing the flow rate.
6-2. 제타 6-2. zeta 포텐셜Potential
또한, 나노입자의 표면에서 염색약의 흡착이, 클러스터 형성을 유도하는 힘인 은 콜로이드의 제타 포텐셜에서 현저한 감소를 가져왔다(데이터 도시않음).
In addition, the adsorption of the dye on the surface of the nanoparticles resulted in a significant decrease in the zeta potential of silver colloids, a force that induces cluster formation (data not shown).
6-3. 가교 결합6-3. Crosslink
또한, 공초점 레이저 스캐닝 현미경을 이용하여 가교결합된 폴리머 나노섬유 매트를 건조 상태 및 팽윤 상태에서 확인하였다.In addition, cross-linked polymer nanofiber mats were identified in a dry and swelled state using a confocal laser scanning microscope.
도 6(E)는 건조 상태에서 AgNCs를 캡슐화하고 있는 폴리머 나노섬유를 현미경하에서 직접적으로 이미지화한 것이다. 6 (E) is a direct image of the polymer nanofibers encapsulating AgNCs in a dry state under a microscope.
도 6(F)는 폴리머의 성공적인 가교결합 후 수용액 상에서 팽윤된 섬유의 이미지이다. 나노섬유를 광 가교결합하고, 1분 동안 초음파 처리 후 D.I. water에 재현탁 하였다. 상기 섬유들은 수중 침지 후 부풀어 부드러운 매트릭스로 되어 AgNCs를 홀딩하였다. 이러한 하이드로겔 특성은 많은 생물학적 장치에 매우 유용할 것이다.
6 (F) is an image of the fiber swollen in aqueous solution after successful crosslinking of the polymer. The nanofibers were optically crosslinked and resuspended in DI water after sonication for 1 minute. The fibers swelled after immersion in water to form a soft matrix to hold AgNCs. Such hydrogel properties will be very useful for many biological devices.
6-4. 다양한 양의 6-4. Varying amounts AgNCsAgNCs 도입 Introduction
또한, 장 방사 스캐닝 전파 전자 현미경(Field emission scanning transmission electron microscopy)을 이용하여, 다양한 밀도로 나노섬유 내 RBITC 기반의 AgNCs의 성공적인 캡슐화를 확인하였다.In addition, field emission scanning transmission electron microscopy was used to confirm successful encapsulation of RBITC-based AgNCs in nanofibers at various densities.
나노섬유 내 AgNCs 양 증가에 따른 라만 신호 증가는, 도 7에서 나타난 바와 같은 TEM 이미지에 의해 확인된 폴리머성 나노섬유에서 AgNCs의 증가된 밀도와 일치하였다. 즉, SERS 신호는 나노섬유 내 다양한 양의 AgNCs 도입에 의해 조절될 수 있음을 알 수 있다.
Raman signal increase with increasing amount of AgNCs in nanofibers was consistent with increased density of AgNCs in polymeric nanofibers identified by TEM images as shown in FIG. 7. That is, it can be seen that the SERS signal can be regulated by introducing various amounts of AgNCs into the nanofibers.
실시예Example 7 : 7: 말라카이트Malachite 그린 이소티오시아네이트 흔적 검출 Green Isothiocyanate Trace Detection
0.5ppm ~ 6.0ppm 범위의 다양한 농도를 가진 말라카이트 그린 이소티오시아네이트의 다른 용액을, 부피비 3:1의 물 및 에탄올 혼합물에서 준비하였다. 알루미늄 호일상에 놓여진 나노섬유 매트를 적당한 크기로 잘라서 MGITC 용액에 30분 동안 침지하였다. 상기 매트를 DI water로 3회 철저히 세척하고 라만 스펙트럽 분석에 사용하였다.Other solutions of malachite green isothiocyanates with varying concentrations ranging from 0.5 ppm to 6.0 ppm were prepared in a water and ethanol mixture in a volume ratio of 3: 1. Nanofiber mats placed on aluminum foil were cut to size and immersed in MGITC solution for 30 minutes. The mat was washed thoroughly three times with DI water and used for Raman spectr analysis.
라만 스펙트럼을 He/Ne 레이저의 일루미네이션, 633 nm 하 5초의 노출시간동안 수집하였다. 모든 샘플들을 라만스코프의 동일 조건 하에서 분석하였다. 캡쳐된 스펙트럼을 수정하고 정량 분석에 사용하였다. 분석물 검출을 위한 사용 전, 기질의 다양한 스팟에서 균일한 SERS 신호가 확인되었다.Raman spectra were collected for 5 seconds exposure time under 633 nm illumination of the He / Ne laser. All samples were analyzed under the same conditions of the Ramanscope. The captured spectra were corrected and used for quantitative analysis. Prior to use for analyte detection, uniform SERS signals were identified at various spots on the substrate.
다양한 농도의 분석물의 용액에서 나노섬유 매트의 침지 후 수집된 SERS 스펙트럼을 나노섬유 매트의 오리지널 스펙트럼과 비교하였다. 각 샘플을 적어도 5 스캔 사이클 동안 시험하였고, 결과물 SERS 스펙트럼의 평균을 구하였다. 1621 cm-1 에서 라만 강도는, 내부 라만 염색, RBITC로부터 발생하는 1646cm- 1 에서의 피크 동안 분석물과 일치하였다. 내부 피크의 강도에 대한 내부 분석물 피크 강도의 비율을, 증가하는 농도의 분석물 용액에 대해 표시하였다.SERS spectra collected after immersion of the nanofiber mat in solutions of various concentrations of analytes were compared with the original spectra of the nanofiber mat. Each sample was tested for at least 5 scan cycles and the resulting SERS spectra were averaged. Raman intensity at 1621 cm-1, the inner Raman dye, 1646cm generated from RBITC - consistent with peak for analysis in the first water. The ratio of the internal analyte peak intensity to the intensity of the internal peak is indicated for increasing concentrations of analyte solution.
에탄올-물 혼합물에서 수용성인 MGITC은 쉽게 나노섬유 내에 확산되고 높은 SERS 신호를 생성하는 나노클러스터의 표면에 흡착된다. 폴리머 나노섬유 내 확산된 후 MGITC로부터 생성되는 라만 신호를 측정하여 다양한 농도에 대해서 나타냈다. 수용액 상태에서 MGITC 의 0.5 ppm 농도까지 민감하게 검출되었다. RBITC 피크를 내부 표준으로 사용하였다.
MGITC, which is water soluble in an ethanol-water mixture, is easily adsorbed onto the surface of the nanoclusters, which diffuse into the nanofibers and produce high SERS signals. Raman signals generated from MGITC after diffusion into polymer nanofibers were measured and shown for various concentrations. Sensitively up to 0.5 ppm concentration of MGITC in aqueous solution. RBITC peak was used as internal standard.
그 결과, 도 8에 나타낸 바와 같이, MGITC 피크 강도는 농도에 따라 증가하였고, 이를 통해 농도와 라만 강도 사이에 선형 관계(linear relation)가 존재함을 확인하였다. As a result, as shown in FIG. 8, the MGITC peak intensity increased with concentration, and it was confirmed that a linear relation exists between the concentration and the Raman intensity.
RBITC 특성 피크 하 영역이 분석을 통해 일정하게 유지되는 것은 용액 내 RBITC의 심한 확산없이 우수한 안정성을 보이는 것을 의미한다. RBITC 피크 하 일정한 영역은, 점차적으로 증가하는 MGITC 피크 하 영역과 비교될 수 있는 있고, 다른 조건 아래 MGITC 스펙트럼에서 상이한 피크의 강도들에 의해 야기되는 에러를 제거하기 위해 내부 표준으로서 사용되었다. 높은 재현성있는 정량적 결과를 얻기 위해, 정량분석 툴로서 오직 분석물 하나만 사용하는 대신, 일정한 내부 신호에 대해 증가하는 분석물 SERS 신호의 비율이 중요함을 알 수 있었다.
RBITC Characteristics Keeping the area under the peak constant in the analysis means good stability without severe diffusion of RBITC in solution. The constant area under the RBITC peak can be compared to the area under increasing MGITC peaks and was used as an internal standard to eliminate errors caused by the intensities of the different peaks in the MGITC spectrum under different conditions. To obtain high reproducible quantitative results, it was found that instead of using only one analyte as a quantitative tool, the ratio of increasing analyte SERS signal to a constant internal signal is important.
Claims (24)
(i) 시드(seed) 금속 나노입자를 라만 염료에 의해 응집하여 금속 나노클러스터(nanocluster)를 형성하는 단계;
(ii) 상기 금속 나노클러스터(nanocluster)를 코팅시키는 단계;
(iii) 전기수력적 분사(Electrohydrodynamic jetting) 방법을 통해 가교결합성 폴리머 하이드로겔 나노섬유에 상기 금속 나노클러스터를 함입시키는 단계; 및
(iv) 가교결합성 폴리머 하이드로겔을 가교결합시키는 단계.A method for preparing a nanofiber composite substrate for surface-enhanced Raman scattering analysis of claim 1 comprising:
(i) aggregating the seed metal nanoparticles with a Raman dye to form a metal nanocluster;
(ii) coating the metal nanoclusters;
(iii) incorporating said metal nanoclusters into crosslinkable polymer hydrogel nanofibers through an electrohydrodynamic jetting method; And
(iv) crosslinking the crosslinkable polymer hydrogel.
라만 염료 종류와 농도 조절; 금속나노입자 응집체들의 밀도 조절; 또는 전기유체역학적 분사 조절을 통해, 다양한 밀도로 금속 나노입자들의 응집체를 고르게 분포시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.The method of claim 12, wherein in step (iii), when the metal nanocluster is incorporated into the crosslinkable polymer hydrogel nanofibers,
Raman dye type and concentration control; Density control of metal nanoparticle aggregates; Or through electrohydrodynamic spraying control, to evenly distribute the aggregates of the metal nanoparticles at various densities.
상기 기판 내 존재하는 라만 염료에 의해 유도된 표면-증강 라만 산란에 의한 일정한 내부 표준 신호(Internal standard signal) 세기를 기준으로 비교분석할 수 있는 것을 특징으로 하는 표면-증강 라만 산란 분석방법.The method of claim 21, wherein the method is
Surface-enhanced Raman scattering analysis method characterized in that it can be compared based on the constant internal standard signal (Internal standard signal) intensity by surface-enhanced Raman scattering induced by the Raman dye present in the substrate.
22. The method of claim 21, wherein said analyte is malachite green (MGITC).
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