Research

Research

전자기장 응집효과가 극대화된 새로운 플라즈모닉 나노프레임 입자설계 및 광학적 특성 분석

  • POSTED DATE : 2020-08-24
  • WRITER : 화학과
  • HIT : 270
  • Research Areas : Analytical Chemistry
  • Researcher : 박성호교수, 유성재, 김정원

복잡성이 증가된 나노입자 합성과정 및 Single-particle SERS 특징


전자기장 응집효과가 극대화된 새로운 플라즈모닉 나노프레임 입자설계 및 광학적 특성 분석


공기 중에 떠다니는 몸에 해로운 물질을 신속하게 알아낼 수 있을까? 예를 들어 산업 현장에서 발생하는 휘발성이 강한 발암 물질을 검지하여, 신속하게 근로자들에게 알려줄 수 있다면 근로 환경이 더 안전해질 수 있을 것이다. 또한 미세먼지에 포함되어 있을 수 있는 몸에 해로운 물질에 대한 정보를 쉽게 알아 낼 수 있다면, 공공안전에 큰 도움이 될 것이다. 이를 위한 분석방법으로 표면증강라만산란법이(SERS) 고려될 수 있다.

Surface enhanced Raman scattering (SERS)은 저 농도 화학/바이오 물질에 대한 정성/정량 분석이 가능한 정교한 광 분석기법이다. 나노입자를 이용하여 인체에 해로운 화학물질이나 바이러스물질을 검출하는 다양한 응용연구가 활발히 이루어지고 있다. 이름에서 알 수 있듯이 SERS기법은 플라즈모닉 성질을 갖는 금속표면과 표면에 흡착된 분석물질 사이에 물리적/화학적 상호작용을 통하여 증강된 라만 산란신호를 측정하는 것이다. 지난 30년동안, 라만신호 세기에 주된 영향을 미치는 근거리 전자기장 증강 정도를 극대화하는 연구로서, 플라즈모닉 단일입자 내에 10 nm 이하의 nanogap를 형성시켜 근거리 전자기장을 극대화하는 연구가 많이 이루어지고 있었다. 하지만, 지금까지 합성된 플라즈모닉 단일나노입자들의 Hot spot은 전체 단일입자표면적 대비 2% 정도로 작은 면적만 차지하고 있었고 이로 인해 재현성 있고 강한 세기를 갖는 라만 신호를 얻는데 제한이 있었다.

 이러한 문제점을 해결하는 방법을 최근 화학과 박성호 교수 연구팀이 제시하고 있어 학계의 큰 관심을 끌고 있다. 연구팀은 근거리 전자기장이 강하게 증강되는 Hot spot area가 극대화된 이중 나노프레임구조를 세계최초로 개발했다. 박성호 교수 연구팀은 수용액 상에서 진행되는 다양한 화학반응들을 개발하였고, 이를 이용하여 정교한 다단계 합성과정을 설계함으로써 최종적으로 백금 프레임을 주형으로 하는 복잡한 구조의 금 이중 나노 프레임을 성공적으로 합성하였다. 해당 연구 성과는 2019년 12월 과학기술분야 세계적인 학술지인 네이쳐 커뮤니케이션즈 (Nature Communications, IF 11.880)에 게재됐다. 또한 연구팀은 정교한 나노입자의 구조 설계를 통해 표면 증강 라만 산란법을 이용하여 단일 나노입자에서 분석물질의 라만 신호를 도출하고자 하였다. 그 결과 이중 금 나노 프레임 사이에서 형성되는 전자기장 – 핫존 (Hot-zone) - 증강이 단일 나노 입자에서 라만 신호를 유도한다는 사실을 관찰했다. 단일 나노 입자에서 편광된 빛의 방향에 상관없이 재현성, 균일도, 세기면에서 우수한 라만 신호를 가진다는 것을 확인하였다. 해당 연구 성과는 2020년 5월 나노 레터스 (Nano Letters, IF 12.344)와 2020년 6월 미국화학회지 (Journal of the American Chemical Society, IF 14.612)에 게재되었다. 또한, 해당 논문은 SERS 분야에서 독창성을 인정받아 Journal of American Chemical Society 저널의 “주목할 만한 연구 성과(spotlights paper)”로 선정이 되었다. 이어서 연구팀은 나노프레임 구조를 활용해 6개의 금 나노 구형 입자가 금속 브릿지로 연결된 3차원 구조체를 제작하였다. 해당 연구의 독창성을 인정받아 그 내용이 2020년 9월 미국화학회지 (Journal of the American Chemical Society, IF 14.612)에 게재되었다. 최근 7개월간 연구팀은 일련의 연구 결과를 세계적인 저널에 시리즈로 게재를 하고 있다. 4편의 연구 결과를 통해 나노 입자의 정교한 조절과 분석 방법론을 제시하였고, 이를 이용한 극 저농도의 물질을 빛을 이용해 손쉽게 검지하는 활로를 개척하는데 선봉에 나서고 있다. 나노, 광학, 센서, 바이오 등의 다양한 분야에서 큰 파장 효과를 가져올 것으로 기대된다.


*논문제목:"Two-Dimensional Nanoframes with Dual Rims" (Nature Communications, 2019년 12월)
*참여연구진: 유성재 (1저자, 성균관대 박사과정), 박성호 (교신저자, 성균관대 교수)

*논문제목:"Synthesis and Single-Particle Surface-Enhanced Raman Scattering Study of Plasmonic Tripod Nanoframes with Y-Shaped Hot-Zones" (Nano Letters, 2020년 5월)
*참여연구진: 김정원 (1저자, 성균관대 박사과정), 박성호 (교신저자, 성균관대 교수)

*논문제목:"Silver Double Nanorings with Circular Hot Zone" (JACS, 2020년 6월)
*참여연구진: 유성재 (1저자, 성균관대 박사과정), 박성호 (교신저자, 성균관대 교수)

*논문제목:“Three-dimensional Gold Nanosphere Hexamers Linked with Metal Bridges: Near-Field Focusing for Single Particle Surface Enhanced Raman Scattering” (JACS, 2020년 08월)
*참여연구진: 유성재 (1저자, 성균관대 박사과정), 박성호 (교신저자, 성균관대 교수)