단일 금 나노 입자의 화학적 표면 감쇠 효과와 주변 매질 굴절률에 따른 민감도

Abstract

플라즈모닉 금 나노 입자는 국지 표면 플라즈몬 공명 (Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR) 현상에 의해 그들의 모양, 크기, 주변 매질의 굴절률(RI) 등에 따라 독특한 광학적 특성을 가진다. 이러한 금 나노 입자는 생체 친화적이고, 높은 화학적 안정성을 가지며 표면 개질이 쉽다는 장점이 있어 많은 분야에서 응용되고 있다. 특히 금 나노 입자는 주변 매질의 굴절률에 따른 스펙트럼의 이동으로 LSPR 바이오 센서에 사용될 수 있을 뿐만 아니라 표면에 부착되는 물질에 의한 화학적 계면 감쇠 (Chemical Interface Damping, CID) 현상으로 인해 야기되는 LSPR 선폭의 변화를 바탕으로 바이오센서, 약물 전달 및 에너지 분야 등 응용 분야가 다양하다. 하지만 아직까지 화학적 계면 감쇠 현상에 대한 정보가 많이 부족하며 금 나노 입자의 응용 가능성을 높이기 위해 단일 입자 수준에서의 더 많은 연구가 필요하다. 본 연구에서는 주사 전자 현미경 (Scanning Electron Microscope, SEM)과 암시야 (Dark-Field, DF) 현미경, 자외선-가시광선 분광기 (UV-Vis spectroscope, UV-Vis)를 사용하여 단일 금 나노 입자의 광특성을 분석하였다. 첫째, 상대적으로 잘 알려지지 않은 금 나노큐브 (gold nanocube, AuNC)의 광특성에 대해 알아보았다. 둘째, 크기는 같고 모양이 다른 구형의 금 나노 입자 (gold nanosphere, AuNS)와 AuNC를 사용하여 주변 매질 굴절률에 따른 민감도 (RI sensitivity)에 금 나노 입자의 모양이 어떠한 영향을 미치는지에 대해 알아보았다. 그리고 2차 미분에 의한 변곡점을 이용하여 RI sensitivity를 향상시켰다. 셋째, host 물질로 Cucurbit[n]urils (CB[n])라는 물질을 사용하고 guest 물질로 항암제를 사용하여 항암제의 캡슐화와 방출을 CID로 측정하였다. 넷째, 각각 다른 전하량과 결합 상수를 가지는 guest 물질에 따른 CID 현상을 측정하여 전하량과 결합 상수와 CID 현상과의 상관관계에 대해 알아보았다. 이러한 RI sensitivity에 대한 금 나노 입자의 모양 효과와 RI sensitivity를 향상시킬 수 있는 방법은 LSPR 바이오 센서에 대한 응용 가능성을 넓힌다. 또한, complex를 CID에 적용한 실험 결과들은 CID에 대한 보다 높은 이해를 돕고, CID의 다양한 응용 가능성을 제시한다.|Plasmonic gold nanoparticles have unique optical properties due to their localized surface plasmon resonance (LSPR) phenomena, depending on their shape, size, refractive index (RI) of the surrounding medium and so on. These gold nanoparticles have been applied in many fields because they have the advantages of being biocompatible, having high chemical stability and easy surface modification. Gold nanoparticles can be used in LSPR biosensors by spectral shifts along the refractive index of the surrounding medium, as well as changes in LSPR linewidths caused by chemical interface damping (CID) by materials attached to the surface. Based on this, there are various applications such as biosensor, drug delivery and energy fields. However, there is still a lack of information on chemical interface damping effect, and further studies at the single particle level are needed to increase the possibility of applying gold nanoparticles. In this study, we used Scanning Electron Microscope (SEM), Dark-Field (DF) microscopy, and UV-Vis spectroscopy (UV-Vis) to analyze the optical properties of single gold nanoparticles. First, the optical properties of relatively unknown gold nanocubes (AuNCs) were examined. Second, spherical gold nanospheres (AuNSs) and AuNCs with the same size (50 nm) and the different shape were used to investigate the effect of the shape of gold nanoparticles on the RI sensitivity according to the refractive index of the surrounding medium. RI sensitivity was improved by using the inflection point by the second derivative. Third, we measured encapsulation and release of drug by applying CID using Cucurbit[n]uril (CB[n]) as the host materials and anticancer agent as the guest materials. Fourth, the correlation between the charge amount, the binding constant and the CID phenomenon was observed by measuring the CID phenomenon according to the guest materials having each different charge amount and binding constant. The shape effect of the gold nanoparticles on the RI sensitivity and the method of improving the RI sensitivity broaden the applicability of the LSPR biosensor. In addition, the experimental results of applying the complex to CID help to better understand CID and suggest various applications of CID.