단일 금 나노 막대의 화학적 계면 감쇠에 미치는 크기 효과와 바이오 센서의 응용

Abstract

금속 나노 입자 중 금, 은, 구리와 같은 귀금속 나노 입자는 독특한 광학적 특성으로 인해 다양한 분야에서 응용되고 있다. 특히 금 나노 입자(gold nanoparticle, AuNP)의 경우 국지 표면 플라즈몬 공명(localized surface plasmon resonance, LSPR)을 기반으로 한 센서분야에 많이 연구되어지고 있다. 다양한 모양의 금 나노 입자 중에서도 막대모양 입자의 경우 비등방성 모양을 가지고 있어 굴절률 기반의 바이오 센서에서 좋은 감도를 가진다. 금 나노 막대(gold nanorod, AuNR)에서 플라즈몬 감쇠는 LSPR 선폭을 넓혀준다. 그 중 화학적 계면 감쇠(chemical interface damping, CID)는 플라즈몬 금 나노 입자에서 균일한 LSPR 선폭을 넓히는 주요 붕괴 과정 중 하나이지만 가장 잘 이해되지 않은 감쇠 메커니즘이다. 본 논문에서는 CID를 더 잘 이해하기 위해 단일 AuNR을 주사 전자 현미경(scanning electron microscope, SEM)과 암시야(dark-field, DF) 현미경을 이용한 연구를 수행하였다. 먼저, 25 nm의 고정 직경에서 3가지 다른 종횡비(aspect ratio, AR)를 갖는 단일 AuNR에서 균일한 LSPR 선폭의 크기에 따른 확장을 조사했다. LSPR 선폭은 표면으로의 hot electron의 평균 거리가 감소하기 때문에 단일 AuNR의 AR이 감소할수록 증가했다. 둘째, 단일 AuNR에 흡착된 thiol 분자가 균일한 LSPR 선폭에 미치는 영향을 조사했다. LSPR 선폭은 1-alkanethiol의 탄소사슬 길이가 증가함에 따라 넓어졌다. 셋째, 서로 다른 크기의 단일 AuNR에서 LSPR 선폭에 대한 주변 매질의 굴절률 변화의 영향을 조사하였다. LSPR 선폭은 매질의 유전상수가 증가하여도 거의 일정하게 유지되었다. 마지막으로 실제 생체 분자를 사용하여 CID 효과를 확인하기위한 연구를 수행했으며 biotinylated BSA 분자가 검출될 수 있음을 입증하였다. |Among the metal nanoparticles, noble metal nanoparticles such as gold, silver, and copper have been applied in various fields due to their unique optical properties. In particular, gold nanoparticles (AuNP) have been studied extensively in the field of sensors based on localized surface plasmon resonance (LSPR). Of the various gold nanoparticles, rod-shaped particles have an anisotropic shape and thus have good sensitivity in a refractive index-based biosensor. In gold nanorods (AuNR), the plasmon attenuation broadens the LSPR linewidth. Among them, chemical interface damping (CID) is one of the major decay processes for widening the uniform LSPR linewidth in plasmonic gold nanoparticles, but it is the least understood damping mechanism. In this paper, a single AuNR was studied using a scanning electron microscope (SEM) and a dark-field (DF) microscope to better understand the CID. First, we examined the extent of uniform LSPR linewidth in a single AuNR with three different aspect ratios (AR) at a fixed diameter of 25 nm. The LSPR linewidth increased as the AR of a single AuNR decreased as the average distance of hot electrons to the surface decreased. Second, the effect of thiol molecules adsorbed on a single AuNR on the uniform LSPR linewidth was investigated. The LSPR linewidth increased as the carbon chain length of 1-alkanethiol increased. Third, the influence of the change of the refractive index of the surrounding medium on the LSPR linewidth in a single AuNR of different sizes was investigated. The LSPR linewidth remained almost constant even when the dielectric constant of the medium increased. Finally, we have conducted a study to investigate CID effects using real biomolecules, biotinylated BSA, and demonstrated that biotinylated BSA molecules can be detected based on the CID of single AuNRs.