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Abstract

1. 서 론

표면 증강 라만 산란(surface-enhanced Raman scattering, SERS)은 단분자 수준의 물질까지 검출이 가능한 고감도 측정 기술로 최근 많은 각광을 받고 있다. 이 SERS 효과 에 기초한 검출 기술은 감도가 뛰어나고 여러 개의 시료 를 동시에 검출 할 수 있는 장점으로 차세대 분석법으로 많은 연구가 되고 있다[1-2]. 기존의 라만 산란은 입사된 빛의 에너지가 변하는 비탄성 산란으로 빛을 특정 분자체 에 가하면 분자체 고유의 진동전이에 의해 조사된 빛과는 파장이 약간 다른 빛이 발생하는 현상을 일컫는다. 이러한 라만 산란에 기초한 라만 분광학은 분자 고유의 진동 에 너지 모드들을 보여줌으로써, 물질의 화학적 성분을 밝혀 낼 수 있다[3-5]. 하지만 빛을 받아 실제적으로 산란 시키 는 라만 산란 효율이 매우 작고 재현성이 낮기 때문에 라 만 신호 자체를 검출하는데 큰 어려움이 있다는 단점이 있다.

이러한 문제를 극복할 수 있는 방법 중의 하나로 1974 년 Fleishmann 등에 의해 앞서 말한 SERS기술이 보고되 었다. 도체인 금속 나노입자에 존재하는 수많은 자유 전자 들이 외부에서 빛 에너지를 받았을 때, 국부 표면 플라즈 몬 공명 (localized surface plasmon resonance, LSPR) 특성 이 나타나 독특한 광학적 성질을 가진다. LSPR은 금속 나 노 입자 표면과 공기, 물 등의 유전체 사이에 빛이 입사되 면 빛이 가지는 특정 에너지의 전자기장과의 공명으로 인 하여 금속 표면의 자유 전자들이 집단적으로 진동하는 현 상을 말한다[3]. 입사되는 빛의 진동수와 표면 플라즈몬의 집단 운동의 진동수가 같을 경우, 이 표면 플라즈몬 공명 으로 알려진 자유 전자의 집단적 진동을 유도하는 핫스팟 (hot-spot)에서의 강한 전자기장 증강 현상으로 인해 금속 나노입자 표면에 흡착된 분석 물질의 라만 신호를 증폭시 킨다고 알려져 있다[4]. 이러한 이유로 금속 나노입자는 높은 SERS 감도를 나타내지만 보통 기판에 부착 시 응집 현상이 발생되어 감도가 떨어지거나 불균일한 신호를 얻 을 수 밖에 없다[6]. 그러므로 기판에 부착된 입자의 응집 현상을 제어하려면, 입자의 제조 외에도 추가적으로 나노 입자의 고밀도 패킹 및 규칙적인 배열 공정이 필요하며 [6], 이는 비용, 시간 및 노동력이 부가적으로 소요된다. 따 라서 본 연구에서는, 보다 효율적인 SERS 기판 제조공정 을 위하여 금 나노입자를 실리카 나노입자 위에 고밀도로 고정시킨 실리카 코어 금 위성입자를 합성하였다. 이는 입 자의 제조공정 과정에서 이미 실리카 나노입자 표면에 금 나노입자를 배열시킨 구조이므로, 추후 기판에 부착 시에 도 그 배열이 유지가 되어 추가 공정이 필요하지 않는 장 점을 가진다. 또한 안정적인 금 나노입자 배열로 인해 규 칙적이고 감도가 높은 라만 신호를 얻을 것으로 기대된다. 그러므로 보다 실용적인 SERS 센서 기판으로 활용하기 위해 제안한 입자를 합성하고, 입자의 구조를 조정하여 SERS 감도에 미치는 영향을 확인하였다.

2. 실험방법

3. 결과 및 고찰

본 연구에서는 표면증강 라만 산란(Surface-enhanced Raman Scattering, SERS) 효과를 얻기 위하여, 그림 1과 같은 순서로 실리카 코어 금 위성 입자를 합성하였다. 졸 -젤 법을 이용하여 합성한 실리카 나노 입자 표면에 APTES로 처리하여 금속입자를 고정할 수 있는 NH₃ 기를 도입하고, 이에 작은 크기의 금 나노입자를 고정시켜 seed 입자를 제조하였다. 이에 성장용액인 금 이온 용액과 환원 제인 glucose 양을 조정하여 실리카 표면의 금 나노입자의 크기를 조정하였다.

Fig. 1.

A schematic illustration of the synthesis of silica-core gold-satellite nanoparticles (SGNPs).

Seed 입자 환원 공정의 최적화를 위하여, 우선 일정한 온도에서 환원 시간을 달리하여 금 나노입자의 성장 정도 를 TEM 사진으로 확인하였다(그림 2). 그림 2(a)는 80°C 에서 seed 입자가 분산된 용액에 성장 용액과 환원제를 투 입한 직 후, 그림 2(b), 2(c), 2(d)는 각각 3분, 5분 및 10분 동안 환원반응 후 입자의 변화를 나타내고 있다. 반응시간 3분일 때는 실리카 코어가 변형되지 않고 형태가 유지되 며, 실리카 표면의 금 나노입자의 크기가 2±1 nm 에서 25 ±5 nm 로 성장한 것을 확인할 수 있었다(그림 2(b)). 그러 나 5분 이상의 반응시간 조건에서는 실리카의 변형이 확 인되며(그림 2(c)), 특히 10분 동안 환원시킨 모든 실리카 코어가 변형되는 것을 관찰할 수 있었다(그림 2(d)). 또한, 80°C에서 seed 입자에 glucose 용액만 넣어 일정 시간 동 안 반응시켰을 때에는 코어입자가 변형되지않았으나(그림 2(e)), 성장 용액만 넣어 동일조건에서 반응 시 실리카 입 자의 변형이 발생하였다(그림 2(f)). 이 결과를 기반으로 하였을 때, 80°C에서 실리카 나노 입자의 용해 및 변형은 5 분 이상 금 이온용액에 접촉 시 발생하는 것으로 확인된다.

Fig. 2.

TEM images of as-prepared SGNPs under various reaction conditions: (a) 0, (b) 3, (c) 5 and (d) 10 min reduction at 80°C TEM image of the nanoparticles prepared by using (e) only glucose solution and (f) only growth solution with seed solution at 80°C for 10 min.

이처럼 입자의 변형 없이 외부 금 나노입자를 성장시켜 실리카 코어 금 위성 나노입자를 제조할 수 있는 조건으 로 우선 반응시간을 3분으로 설정하였다. 라만 신호 증강 을 위해 금 나노입자 간 hot-spot이 형성될 수 있도록 성 장 용액과 환원제 용액의 부피비율을 조정하였고 그에 따 른 금 나노입자의 성장 정도 및 흡광 특성을 조사하였다 (그림 3). 성장용액의 양이 금 나노입자의 성장에 미치는 영향을 알아보기 위해 Seed 입자가 분산된 용액 부피 1 ml 당 금 이온 용액을 각각 1 ml(그림 3(a)), 2.5 ml(그림 3(b)), 3.0 ml(그림 3(c)) 를 투입하였고, glucose 용액의 양 은 각각 동일한 양(0.75 ml) 을 투입하여 환원시켰다. 또 한 환원제의 양이 금 나노입자의 성장에 미치는 영향을 알아보기 위해 동일한 양의 성장용액(2.5 ml) 조건 하에서 환원제를 각각 1.5 ml(그림 3(d)), 3 ml(그림 3(e)) 투입하 여 환원시켰다. 그리고 그림 3(f)는 seed 입자 분산 용액 1 ml당 성장 용액 3 ml, 환원제 4 ml를 투입하여 얻은 입 자를 나타내고 있다. 실리카 표면의 금 위성 나노입자의 크기를 조사한 결과, seed 입자에 붙어있던 금 나노입자가 평균 약 2.5 nm의 직경이었으나, 성장 용액의 양이 증가 할수록 각각 7 ± 2 nm(그림 3(a)), 10 ± 2 nm(그림 3(b)), 13 ± 2 nm(그림 3(c)) 로 입자 크기가 증가함을 확인할 수 있었다. 이와 마찬가지로, 동일 조건에서 환원제의 양이 증가할수록 각각(그림 3(d)) 17 ± 3 nm, (그림 3(e)) 23 ± 3 nm로 증가함을 확인하였다. 또한 성장용액과 환원제의 양 모두 앞의 시료보다 많이 투입하였을 때는, 표면의 금 위성 입자의 크기가 31 ± 3 nm 수준까지 증가하였고 환원 반응 중 금 나노 입자의 크기가 커지면서 입자 간 병합이 발생하여 Au platelet 이 실리카 표면에 형성되어 거의 shell과 같은 형태가 됨을 확인할 수 있었다(그림 3(f)). 제 조한 입자들의 UV-vis 흡수 스펙트럼을 확인해보면(그림 3(g)), 가시광선에서 아무런 흡광 peak을 보이지 않았던 seed 입자와는 달리 각각 548 nm(그림 3(a)), 577 nm(그림 3(b)), 607 nm(그림 3(c)), 623 nm(그림 3(d)), 636 nm(그림 3(e)), 665 nm(그림 3(f)) 에서 최대 흡광 peak 을 나타냄 을 관찰하였다. 또한 금 위성 입자의 크기가 커질수록 최 대 흡수 peak 이 red-shift 하고 입자 간 병합에 의해 흡수 peak의 폭이 넓어짐을 확인하였다[9].

Fig. 3.

TEM images of SGNPs prepared by using 1 ml of seed nanoparticle solution with various growth solution concentrations; (a) 1 ml, (b) 2.5 ml and (c) 3 ml under the constant amount of glucose (0.75 ml of 5 mM glucose solution). TEM images of SGNPs synthesized by using 1 ml of seed nanoparticle solution with various amount of reductant (d) 1.5 ml (e) 3 ml of 5 mM glucose solution under the contant amount of growth solution (2.5 ml) and (f) the nanoparticles prepared with 4 ml glucose solution and of 3 ml of growth solution, (g) Their corresponding UV spectra.

실리카 코어 금 위성입자의 라만 증강효과를 확인하기 위해, 앞서 합성한 입자 중 각각(그림 3(b)) 577 nm, (그림 3(c)) 607 nm, (그림 3(e)) 636 nm, (그림 3(f)) 663 nm 영 역에서 UV-vis 최대 흡광 peak 을 나타내는 실리카 코어 금 위성 입자들을 선별하고 동일한 농도로 PVP 기판에 고 정하였다. 그림 4(a)#x007E;(d)의 SEM 사진에서 보는 것처럼 4 종의 입자의 기판 내 분산도 및 응집도는 유사하였다. 라 만 레이저는 633 nm의 파장을 사용하였고, 준비된 기판을 라만 활성 물질 benzenethiol 용액을 사용하여 금 위성 입 자 표면에 코팅시켰다. 그림 4(e)의 라만 스펙트럼에서 볼 수 있는 것처럼, benzenethiol만 있을 경우, 아무런 신호가 나타나지 않았으며, Seed 입자 기판의 경우에도 마찬가지 로 라만 신호를 발견할 수 없었다. 그러나 실리카 코어 금 위성 입자 기판에서는 692, 997, 1021, 1072, 1181, 1572 cm^-1 에서 확연히 라만 peak을 확인할 수 있었으며 이는 Benzenthiol의 주요 peak과 일치하였다[10-11]. 또한 실리 카 코어 표면의 금 위성입자의 크기가 커질수록 라만 peak의 세기가 증가함을 확인 하였다. 이는 환원반응으로 인하여 금 위성입자가 성장함에 따라 입자 간격이 좁아지 면서 이에 강력한 전자기장이 형성되는 hot-spot이 생성되 기 때문인 것으로 생각된다. 또한, 레이저 파장인 633 nm 와 거의 일치하는 흡광 파장을 보이는 입자(그림 4(c))가 가장 높은 라만 신호세기를 보였지만, 가장 장파장대의 흡 광 peak(663 nm) 을 보이는 입자(그림 4(d))의 경우 오히 려 라만 peak 세기가 낮아지는 결과가 나타났다. 특히 라 만 레이저 파장과 유사한 흡광 파장을 보이는 입자가 라 만 신호의 최대 증가 값을 보였는데, 이는 입자의 표면 플 라즈몬 공명(surface plasmonic resonance, SPR) 현상으로 인하여 전자기장 증대가 최대가 되어 나타나는 현상으로 사료된다[12-13]. 또한 라만 신호 증강을 나타내는 인자 Enhancement Factor (EF)는 다음 식으로 계산할 수 있다.

Fig. 4.

SEM images of SERS substrates prepared by using the SGNPs showing maximum absorption peak (λ_max) at (a) 577 nm, (b) 607 nm, (c) 636 nm and (d) 663 nm and their corresponding SERS spectra of benzenethiol molecules. All SERS experiments were carried out using a micro Raman system and the samples were excited by 2.01 mW of a 633 nm He-Ne laser.

I_SERS는 실리카 코어 금 위성입자의 라만 신호 세기이며, I_REF는 라만 활성 물질로 사용된 benzenethiol의 라만 신호 세기이다. 또한 N_REF와 N_SERS는 각각 라만 레이저가 조사 되는 영역에 존재하는 benzenethiol 분자 수 및 실리카 코 어 금 위성입자에 존재하는 benzenethiol 분자 수 이다. 제조 한 실리카 코어 금 위성입자의 EF는 가장 높은 라만 신호 세기를 나타내는 입자의 경우 3.8 × 10⁶로 계산되었다.

실리카 코어 금 위성입자의 라만 검출 한계를 확인하기 위해 범용되고 있는 라만 활성물질인 rhodamine 6G (R6G) 을 사용하였고, 10⁻³~10⁻¹² M 범위의 농도로 준비 하여 실리카 코어 금 위성입자가 고정된 기판에 떨어뜨 린 후 측정하였다. 이 때 이용한 실리카 코어 금 위성입 자는 앞서 라만을 측정한 입자 중 라만 신호의 세기가 가 장 높게 나오고 흡광 파장대가 636 nm인 입자(그림 4(c)) 를 기준으로 측정하였다. 그림 5과 같이, 순수 R6G 용액 만 측정했을 때 10⁻³ M의 농도에서는 높은 라만 신호를 보이나, 그 이하의 농도에서는 라만 신호가 나타나지 않 았다. 이에 비해 실리카 코어 금 위성입자와 R6G를 함께 측정했을 때는 전체적으로 라만 신호의 세기가 더 강하 였으며, 10⁻⁸ M 농도에서도 라만 신호가 나타남을 확인하 였다. 이는 실리카 코어 금 위성입자의 SERS 효과에 의 한 결과로 보여지며, 이로 인해 R6G 용액의 검출이 약 10⁵ 배의 낮은 농도까지 가능함을 확인하였다.

Fig. 5.

Intensity of the Raman peak at 1507 cm⁻¹ of various concentrated R6G molecules (log C) with or without SGNPs substrates. All the SERS spectra were recorded with the same laser power (2.01 mW) and same acquisition time (10s).

4. 결 론

본 연구에서는 환경 및 바이오 등 다양한 분야에서 사용 되는 표면증강라만산란(surface-enhanced Raman scattering, SERS) 기반 센서에 적용하기 위해 실리카 코어 금 위성입자 를 합성하고, SERS 효과에 의한 신호 증강능을 확인하였다. 라만 신호 증강을 위하여 실리카 표면의 금 위성입자의 크 기를 조절하고자 환원제와 성장용액의 비율을 조정하였다. 그 결과 표면 금 나노입자의 성장 정도에 따른 라만 신호의 변화를 확인하였으며, 라만 레이저 파장과 유사한 파장에서 최대 흡광능을 보이는 입자가 가장 큰 SERS 효과를 보임을 확인하였다. 최적화된 실리카 코어 금 위성입자의 enhancement factor는 3.8 × 10⁶으로 계산되었고, rhodamine 6G 의 검출 한계는 10⁻⁸ M까지 가능하며 실리카 코어 금 위 성입자가 존재하지 않을 때 보다 약 10⁵ 배나 낮은 농도에서 검출이 가능하였다. 추가로 입자의 배열 및 패킹공정 없이 입자 제조공정만으로도 SERS 감지능을 증가시킬 수 있음을 확인하였으며 이는 다양한 분야에서 SERS 기반 고감도 감 지센서로의 활용이 가능할 것으로 기대된다.

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