Laser-Induced and Ligand-Directed Fabrication of Morphology-Controlled Gold Nanoshells

박태현 서울대학교 대학원 2022 국내박사

In this dissertation, laser-induced and ligand-directed fabrication of morphology-controlled gold nanoshells and applications of those nanoshells are mainly discussed. Gold nanoshells exhibiting hollow and porous morphologies have been fabricated via laser-induced fabrication. Nanosecond laser pulses have been employed to induce surface melting of gold nanoparticles. Also, crucial factors that affecting the photothermal structural modification of porous gold nanoshells have been investigated. The detailed effects of laser wavelengths and nanoparticle surface conditions, as well as laser fluences, in the structural modification of porous gold nanoshells induced by picosecond pulse irradiation. Furthermore, gold nanoshells having hollow, porous, and highly branched morphologies were fabricated via a seed-assembly-mediated strategy. Proper use of linking ligands and growth ligands made it possible to employ gold nanoparticle assemblies, which exhibit hollow and porous nanoshell morphologies, as seeds for anisotropic growth of gold. Brief overviews of Chapters 1-4 mentioned in this dissertation are given below. Chapter 1 describes a general introduction of plasmonic nanomaterials. Localized surface plasmon resonances are markedly characteristic property of plasmonic nanomaterials. Brief principles of the unique properties of plasmonic nanomaterials are described. As well as the properties of plasmonic nanomaterials, the various synthetic strategies to fabricate plasmonic nanomaterials are described. Especially, the light-induced fabrication of plasmonic nanomaterials are described in detail. Also, optical properties and applications of gold nanoshells are described in Chapter 1. Chapter 2 presents an employment of nanosecond laser pulses to fabricate gold nanoshells having hollow and porous morphologies. SiO2 has been utilized as a hard template inside and outside the gold nanoshells to induce welding among the gold nanoparticles that consisting the gold nanoshells without structural deformation, and subsequent etching of the SiO2 have yielded hollow and porous gold nanoshells. The hollow and porous gold nanoshells have exhibited high surface-enhanced Raman scattering efficiency for the detection of methylene blue due to their large surface area. This study suggests the new applicability of a nanosecond laser to produce gold nanostructures having unique morphologies. Chapter 3 describes the effects of laser wavelengths and nanoparticle surface conditions on the photothermal structural modification of porous gold nanoshells via irradiation with picosecond laser pulses. The laser pulses have increased the temperature of gold nanospheres, which had been produced through the melting of irradiated porous gold nanoshells, as well as porous gold nanoshells. Because the gold nanospheres exhibit strong absorption at 532 nm, the drastic and melting of porous gold nanoshells occurred under 532 nm irradiation while gradual modification took place under 355 nm irradiation. A high polyvinylpyrrolidone (PVP) concentration around the irradiated porous gold nanoshells lessened their structural and optical deformation. It is considered that the stronger binding of the surfactant to positively charged gold decreased the deformation. This study implies that the sophisticated control of irradiation factors can further expand potential applications of pulsed lasers in the preparation of plasmonic nanostructures. Chapter 4 presents the preparation of gold nanoshells having highly branched, hollow, and porous morphologies via seed-assembly-mediated fabrication. SiO2 nanoparticles and PVP molecules have been used as hard templates and linking molecules, respectively. With the help of linking PVP molecules, gold seeds have maintained the assemblies even after removal of SiO2 nanocore templates. silver ions and L-3,4-dihydroxyphenylalanine (L-DOPA) molecules have been employed as shape-directing agents. The preferential adsorption of silver and L-DOPA have resulted in anisotropic growth of gold. The highly branched gold nanoshells have exhibited strong performances in catalysis and surface-enhanced Raman scattering applications. This study suggests the seed-assembly-mediated fabrication to produce plasmonic nanostructures having unique morphologies. 레이저 조사와 리간드의 활용을 통해 형태가 제어된 금 나노 껍질 구조를 합성하고 이들을 응용하는 연구를 수행하였다. 금 나노 껍질은 넓은 파장 범위, 특히 근적외선 영역에서 표면 플라즈몬 공명 현상을 손쉽게 제어 가능하고 비슷한 크기의 다른 형태에 비해 넓은 표면적을 갖는다는 뚜렷한 장점을 가지고 있다. 이에 많은 연구에서 금 나노 껍질이 활용되고 있고 여러 응용에서의 효율 증대를 위해 다양한 구조적인 변주가 시도되고 있다. 본 연구에서는 금 나노 껍질의 구조 변주를 위해 펄스 레이저를 이용하였다. 나노초 펄스 레이저 조사를 통해 타겟 금 나노입자들의 표면 용융 현상을 유도하여 속빈 다공성의 금 나노 껍질 구조를 합성하였다. 나아가 피코초 펄스 레이저 조사를 통해 금 나노 입자의 광열 효과를 유도하고, 광열 효과에 의한 온도 상승에 따른 나노 껍질의 구조 변화 과정에서 레이저 파장과 나노 입자 표면 환경의 영향을 집중 분석하였다. 또한 씨앗 집단 매개 합성법을 도입하여 빽빽한 가지 구조를 갖는 속빈 다공성 금 나노 껍질을 합성하였다. 1 장에서는 플라즈모닉 나노 입자의 기본적인 특성에 대해 설명하였다. 플라즈모닉 나노 입자들이 갖는 대표적인 특성인 국소 표면 플라즈몬 공명 현상에 대해 기술하였다. 국소 표면 플라즈몬 공명 현상은 플라즈모닉 나노 입자의 크기와 형태에 따라 그 파장 영역이 크게 달라진다. 이에, 다양한 형태의 플라즈모닉 나노 입자를 합성하기 위한 여러 합성 전략을 소개하였다. 특히 빛을 이용한 합성법을 자세히 기술하였다. 또한 금 나노 껍질 구조의 특성과 활용 방식에 대하여 자세히 설명하였다. 2 장에서는 나노초 레이저를 조사를 통하여 속빈 다공성의 금 나노 껍질 구조를 합성하는 연구를 소개하였다. 나노초 레이저 조사를 통해 나노 껍질 형태로 배열된 금 나노 입자들에 에너지를 축적시키고, 이를 통해 나노 입자들의 표면 용융 및 입자들 간 접합을 유도하였다. 이 접합 과정에서 전체적인 나노 껍질 구조의 변형을 방지하기 위하여 산화규소 지지체를 나노 껍질 내부와 외부에 배치하였다. 레이저 조사 이후 산화규소 지지체를 녹여내어 최종적으로 속빈 다공성의 금 나노 껍질 구조를 얻을 수 있었다. 합성을 통해 얻어진 속빈 다공성의 금 나노 껍질은 높은 표면적을 보였고, 이를 활용하여 높은 표면 증강 라만 산란 효율을 얻을 수 있었다. 3 장에서는 금 나노 껍질에 피코초 레이저를 조사하여 광열 효과에 의한 구조적 변형을 얻는 과정에서 레이저 파장과 나노 껍질의 표면 환경이 미치는 영향을 집중적으로 분석하였다. 레이저 파장은 타겟 물질뿐 아니라 얻어진 생성물에도 영향을 끼치는 중요한 요인이다. 특히 본 연구에서의 생성물은 532 nm 파장에 강한 흡광을 갖는 금 나노 구체이기 때문에 표면 용융이 막 시작되는 레이저 세기에서부터 급격한 온도 상승과 구조 변화가 관찰되었다. 반면 금 나노 껍질과 나노 구체가 비슷한 정도의 흡광을 보이는 355 nm 파장의 레이저 조사 하에서는 점진적인 흡광 스펙트럼과 형태의 변화를 보였다. 한편 레이저 조사 전 샘플 용액에 금 나노 입자들의 계면 활성제로 사용되는 polyvinylpyrrolidone (PVP) 농도를 증가시키자, 레이저 조사에 따른 금 나노 껍질의 변형이 소폭 감소하는 것을 관찰하였다. 강한 빛 에너지가 가해지면 금 원자는 일시적으로 전자를 외부로 방출하고 부분적 양이온화 되는데, 이에 따라 주변 고농도의 PVP 계면 활성제와의 정전기적 상호 작용이 증가해 금 나노 껍질의 변형을 감소한다는 것을 일련의 실험을 통해 확인할 수 있었다. 4 장에서는 빽빽한 가지 구조를 갖는 속빈 다공성의 금 나노 껍질 구조를 합성하기 위하여 씨앗 집단 매개 합성법을 도입하였다. 껍질 형태의 씨앗 집단을 만들기 위해 산화규소 나노 입자를 내부 지지체로, PVP 를 계면 활성제인 동시에 금 나노 씨앗들 간 연결 매개체로 활용하였다. 충분한 농도의 PVP 계면 활성제를 이용함으로써, 산화규소 지지체 제거 후에도 금 나노 씨앗 집단을 속빈 다공성의 껍질 형태로 유지시킬 수 있었다. 여기에 L-3,4-hydroxyphenylalanine 분자와 은 이온을 환원제 겸 계면 활성제로 이용하여 속빈 다공성의 금 나노 껍질에 빽빽한 가지 구조를 형성하였다. 합성된 나노 껍질 구조는 수용액 상에서 환원 반응 촉매 실험과 표면 증강 라만 산란 실험에서 우수한 효율을 보였다.

(A) Novel Synthetic Route for the Layered Zinc Hydroxide Nitrate by Electron Beam Irradiation and Synthesis and Characterization of Various Shaped Gold Nanostructures

배효선 동국대학교 2012 국내석사

In chapter І, we developed a novel and eco-friendly synthetic route for the preparation of two-dimensional layered zinc hydroxide with intercalated nitrate anions. The layered zinc hydroxide nitrate which is called ‘zinc basic salt’ in general was successfully synthesized using electron beam irradiation technique. The 2-propanol solutions containing hydrated zinc nitrate were directly irradiated with an electron-beam radiation at room temperature under atmospheric condition without any stabilizer or base molecules. Under electron beam irradiation, the reactive radicals such as hydrated electron (eaq-), H∙ and OH∙ were generated by radiolysis of water molecule in precursor. The strong reductive radical species, eaq- and H∙, were quickly scavenged by oxygen to produce relatively lower reactive radicals such as O2- and HO2. On the other hand, OH∙, oxidative radical, was scavenged by 2-propanol. During these complex reactions, the hydroxyl anions might be formed from these reactive radicals. After reaction of the precursor zinc ion and hydroxyl anions, the Zn5(OH)8(NO3)2∙2H2O was precipitated. Structure and morphology of obtained compounds were characterized by powder X-ray diffraction (XRD), field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) and high resolution transmission electron microscopy (HR-TEM). The chemical components of products were determined by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) and elemental analysis (EA). The thermal behavior of products was studied by thermogravimetric (TG) and differential thermal analysis (DTA). In chapter II, we successfully synthesized various shaped gold nanostructures which have a controlled ‘Surface plasmon resononance’ property. Gold nanostructures prepared in this study are ultimately intend to photo-thermal therapy of cancer cells remained after surgery to remove the thyroid cancer. In varied shaped gold nanostructures, we prepared gold nanoshell and gold nanorod, of which absorption wavelength is controlled to about 760 nm. To synthesize various shaped gold nanostructures, seed-mediated growth method is used generally. Gold seed nanoparticles of which size is about 2 ~ 4 nm were prepared first and further gold ion source was reduced in solution containing gold seed particles by reducing agent such as formaldehyde, sodium borohydride and ascorbic acid. The particle size of gold nanoshell synthesized in here is about 140 nm and the thickness of gold shell is about 19 nm. And the size of gold nanorod which has the controlled absorption property is about 40 nm in length and its aspect ratio is 2.9. The size and morphology of varied gold nanostructures were analyzed by high resolution-transmission electron microscopy (HR-TEM) and field emission-scanning electron microscopy (FE-SEM). The optical properties of the gold nanoshells and nanorods were analyzed by ultraviolet-visible spectroscopy (UV). The elemental composition of gold nanoshell was characterized by fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), thermogravimetry-differential thermal analysis (TG-DTA) and energy dispersive spectrometry (EDS). Zeta-potential measurement was also performed to check the surface charge transition during the preparation of gold nanoshell. Chapter I은 질산 이온이 층간에 삽입된 이차원 층상형의 아연 수산화염을 합성하기 위한 새롭고 친환경적인 합성 방법의 개발에 대한 연구이다. 층상형의 아연 수산화염은 일반적으로 “zinc basic salts”라고 불리는 물질로 본 연구에서는 전자빔의 조사를 통하여 성공적으로 합성할 수 있었다. 본 연구에서 고안된 합성 방법은 수화된 아연 질산염을 2-프로판올에 녹인 용액을 상온, 상압의 조건하에서 어떠한 염기나 안정제의 첨가 없이, 직접 전자빔을 조사하게 된다. 전자빔의 조사 과정에서, 수화된 전자 (eaq-), H∙ 또는 OH∙과 같은 활성 라디칼이 전구체 염에 포함된 물 분자의 방사분해에 의해 형성된다. eaq-이나 H∙과 같은 강한 환원성 라디칼들은 산소에 의해 O2- 또는 HO2 형태의 상대적으로 낮은 활성 라디칼을 생성하며 빠르게 사라진다. 반면, OH∙과 같은 산화형 라디칼은 용매인 2-프로판올에 의해 사라지게 되는데, 이러한 복잡한 반응이 일어나는 동안에 아마도 활성 라디칼들로부터 수산화 이온이 형성될 것이다. 전구체 아연 이온과 수산화 이온의 반응 후엔 Zn5(OH)8(NO3)2∙2H2O의 화학식을 갖는 층상형 아연 수산화염이 침전된다. 생성물의 구조와 형태에 대한 특성 분석은 분말 엑스레이 회절분석법, 주사 현미경, 고성능 투과 전자 현미경을 이용하여 수행되었고, 생성물의 화학적 구성물에 대한 분석은 적외선 분광법 및 원소 분석을 이용하여 수행하였다. 또한 생성물의 열적 특성은 열중량 분석법과 시차 열분석법을 이용하여 분석하였다. Chapter II에서는 갑상선 수술 후 잔여 암세포의 광열치료 (photo-thermal therapy)를 궁극적인 목적으로 하여, 표면 플라즈몬 공명 (surface plasmon resonance) 특성을 조절한 다양한 형태의 금 나노입자를 합성하였다. 표면 플라즈몬 공명 특성은 입자의 모양이나 크기에 따라 최대 흡수 파장을 조절할 수 있는 특성을 갖는데 이러한 특성은 입자의 크기보다는 모양, 즉 입자의 aspect ratio에 따라 더욱 뚜렷하게 변화한다. 본 연구에서는 다양한 형태의 금 나노입자 중에서도 근적외선 영역에서 최대 흡수파장을 갖는 금 나노쉘과 금 나노막대를 합성하였다. 금 나노쉘은 유전상수가 큰 핵 입자 (본 연구에서는 실리카 나노입자를 사용)를 금 껍질로 둘러싼 형태로 핵 입자와 금 껍질의 두께를 조절함으로써 표면 플라즈몬 공명 특성을 조절 할 수 있게 된다. 또한 금 나노막대의 경우엔 불순물로 첨가해 주는 AgNO3의 함량 조절을 통하여 쉽게 입자의 aspect ratio를 조절할 수 있다. 이러한 금 나노입자를 합성하는데에는 일반적으로 시드 매개 성장 (seed-mediated growth) 방법이 사용된다. 이 방법은 약 2 ~ 4 nm의 크기를 갖는 금 시드 입자를 먼저 합성하고 이러한 시드를 첨가한 용액 상에서 포름알데히드나 소듐 보로하이드라이드, 아스코빅산과 같은 환원제를 이용하여 더 첨가한 금 이온을 환원시키게 된다. 이 연구에서 합성한 금 나노쉘은 약 140 nm의 크기로 금 껍질의 두께는 약 19 nm이다. 또한 금 나노막대의 경우엔 그 크기가 약 40 nm이고 이것의 aspect ratio는 약 2.9로 나타났다. 다양한 형태의 금 나노입자의 크기와 형태는 고분해능 투과 전자현미경 (HR-TEM)과 전계 방출 주사 전자현미경 (FE-SEM)을 통해 분석하였다. 금 나노쉘과 나노 막대의 광학적 특성은 자외선-가시광선 분광기를 통해 분석하였다. 금 나노쉘의 경우, 입자의 구성요소에 대한 분석을 적외선 분광법과 열중량-시차열 분석법 (TG-DTA), 에너지분산 분광분석법 (EDS)을 통하여 수행하였고 금 나노쉘을 합성하는 각 단계에서 일어나는 표면 전하는 제타-전위 (Zeta-potential) 측정을 통해 확인하였다.

Development of SERS Active Multimodal Silver Bumpy Nanoprobes for Multiplex Biomolecule Identification

차명근 서울대학교 대학원 2019 국내박사

Recently, multimodal imaging and detection technique based on nanoprobes have been developed for providing complementary biomedical information which has huge potential in pre-clinical and clinical imaging and sensing. Especially, surface enhanced Raman scattering (SERS) based multimodal detection systems have proven to be a powerful tool for detecting multiplex biomolecules because of its extremely narrow bandwidth which is contribute to huge multiplex capability. However, some problems such as lack of multiplex signal analysis tool or signal overlapping between multiple Raman bands are exist which prevent well defined multiplex analysis with SERS-based multimodal nanoprobes. So, developing multiplex detection and analysis with spectroscopic technique using SERS signal is important issues for applying biological encoding, multiplex biomolecule identification. In addition, well-controlled SERS-based dual modal nanorprobe fabrication technique is also crucial with highly enhanced scattering properties for utilizing sensitive and accurate biomolecule identification. Various techniques about controlling nanostructures have been developed for enhancing scattering properties. Above all, morphology control of the surface of a nanostructure is a key issue in modulating its surface plasmon resonance and scattering properties. In this study, we studied about developing SERS-active multimodal silver bumpy nanoprobes for multiplex biomolecule identification. First, we introduced the dual modal silver bumpy nanoprobes for in vivo imaging and multiplexed detection of biomolecules by both photoacoustic imaging (PAI) and surface-enhanced Raman scattering (SERS) techniques. For this study, we used silica-coated silver bumpy nanoshell probes (AgNS@SiO2). AgNS@SiO2 have strong NIR-absorption and scattering properties compared with other nanostructrues, and therefore, can be a good candidate for photoacoustic (PA) and SERS multimodal imaging. We obtained PA images of the skin and SLNs of rats by injecting various kinds of Raman-labeled AgNS@SiO2. Multiplexed identifications of the injected AgNS@SiO2 were achieved by measuring SERS signals. AgNS@SiO2 have the potential to be applied in detecting cancer biomarkers by locating biomarkers quickly using PA imaging, and identification by multiplexed target measurement using SERS signals in vivo. Second, we fabricated fluorescence-SERS dual modal quantum-dot (QD) embedded silver bumpy nanoprobes for high-throughput multiplex analysis tool. We synthesized 15 kinds silica-coated silver bumpy nanoshells (AgNS@SiO2) with different Raman label compound and 3 kinds of QDs (red, green and blue) were introduced into AgNS@SiO2, total of 45 kinds of dual modal nanoprobes (FRRSERS) were prepared. Each 45 kinds of FRRSERS have strong SERS and fluorescence signal for analyzing multiplex signal. Based on this dual modal spectra, we propose a barcode-based machine learning algorithm method that distinguishes spectra with the position of the peaks first time. For verifying our newly developed identification method, we carried out model experiment related to multiplex signal and successfully identified in case of single and mixed spectra. Our developed FRRSERS and high-throughput multiplex analysis algorisms have huge potential at developing multiplex detection platform for analyzing and encoding biological target. Finally, we studied the effect of alkylamines on morphology control during one-step fabrication of silver nanoshells (NS) for highly enhanced Raman scattering. Various types of alkylamine were used to study the effects of chain length, existence of hydroxyl group and degree of alkyl chain on the surface morphology of silver NS. The alkylamines influenced the silver ion reduction and the growth of silver domains, resulting in distinctive morphology changes. The optical properties of the silver NSs of different surface morphologies were characterized by surface-enhanced Raman spectra. Especially, when long alkylamines were used, intense and uniform SERS signals were obtained at visible and NIR region and their enhancement factor (EF) were ~107. To detect cancer biomarkers in vivo, as a feasibility test, silver NSs were modified to highly NIR-active nanoprobes and successfully applied to detect colon cancer without causing non-specific interactions. Our one-step fabrication method of silver NSs is simple and can overcome various hurdles of morphology control, and can be extended to other metal nanostructures of controlled surface morphologies or shape 최근 생물학적, 의학적 정보를 알아내기 위한 나노프로브 기반으로 하는 다기능성 영상 분석법 및 바이오마커 검출 기술이 점차 발전해오고 있으며, 이러한 기술은 전임상적 의학 분야 및 임상 의학 분야에서 특히 유용하게 이용할 수 있는 방향으로 발전하고 있다. 다양한 기술 중에서, 표면 증강 라만 산란 현상을 기반으로 하는 다기능성 검출 기술은 좁은 신호의 선폭으로 인한 높은 다중성으로 인해 다중 바이오마커 검출 기술을 필요로 하는 분야를 중심으로 빠르게 발전하고 있다. 그러나 얻어진 다중 분석 신호를 처리하여 원하는 정보로 변환시킬 수 있는 방법에 관한 연구는 아직까지 제대로 이루어지지 않고 있으며, 사용할 수 있는 라만 신호 표지자 개수의 한계로 인하여 실제 다중 신호 분석 시, 라만 신호의 겹침으로 인한 다중 분석의 어려움이 존재하고 있다. 따라서 분광학적 신호를 기반으로 하는 다중 분석 검출 및 신호 처리 방법 개발은 생물학적인 인코딩 및 다중 바이오마커 분석에 있어 매우 중요하다고 볼 수 있다. 또한, 높은 향상된 산란 특성을 가지고 있는 균일한 표면 증강 라만 산란 현상 기반 다기능성 나노프로브를 제작하는 것 역시 중요하다. 이러한 향상된 다기능성 나노프로브는 고감도, 고효율 바이오마커 검출에 이용될 수 있기 때문에 나노프로브의 기반이 되는 나노구조체의 모양이나 특성을 조절할 수 있는 기술은 많은 연구자들에 의해 연구되어 왔다. 그 중에서도 나노구조체 표면의 형태의 조절을 통한 산란 특성을 조절하는 기술이 각광받고 있다. 따라서 본 연구에서는 다중 바이오마커 검출을 위한 표면 증강 라만 산란 활성 실리카-은 껍질 기반 다기능성 나노프로브를 개발하고자 한다. 이를 위해 다음과 같은 실험을 수행하였다. 첫번째로, 광음향 이미징과 표면 증강 라만 산란 기술에 의해 생체 분자 이미징 및 다중 검출을 위한 다기능성 실리카-은 껍질 기반 나노프로브를 개발하였다. 이 연구를 위해 우리는 실리카 가 코팅이 된 실리카-은 껍질 기반의 나노프로브를 새로이 개발하였다. 개발된 다기능성 나노프로브는 다른 나노 구조와 비교하여 강한 근적외선 흡수 및 산란 특성을 가지므로 광 음향 및 표면 라만 산란 기술 기반의 다기능성 이미징 기술에 적용하기에 적합하다는 것을 발견하였다. 또한 다양한 종류의 다기능성 나노프로브를 쥐의 체내에 주입함으로써 쥐의 피부와 림프절에서 나노프로브의 신호에 의한 광음향 이미징 실험을 수행하였고 성공적으로 이미징에 성공하였다. 뿐만 아니라 주입 된 나노프로브에서 나오는 표면 증강 라만 산란 기반의 다중 신호를 얻는 데에도 성공하였다. 개발된 다기능성 나노프로브는 광음향 이미징을 사용하여 바이오마커를 신속하게 찾아내고 표면 증강 라만 산란 신호를 이용하여 체내의 다중 타겟을 식별함으로써 암 바이오 마커를 탐지하는 데 적용 할 수있는 잠재력이 있을 것으로 기대된다. 두 번째로, 형광 – 표면 증강 라만 산란 활성 다기능성 양자점 (QD)이 도입된 실리카 은-껍질 기반 나노프로브를 제작하여 이를 바탕으로 다중 분석을 효율적으로 수행할 수 있는 알고리즘을 고안하였다. 기 개발된 실리카-은 껍질 나노프로브에 3 종류의 양자점 (적색, 녹색, 청색)를 도입 한 45 종류의 형광-표면 증강 라만 산란 활성 다기능성 나노프로브를 제작하는데 성공하였다. 45 종류의 다기능성 나노프로브는 다중 신호 분석을 효율적으로 수행할 수 있을 정도의 강력한 SERS 및 형광 신호를 내는 것을 다양한 광학적 측정을 통해 확인할 수 있었다. 이러한 강한 신호를 기반으로, 우리는 각 라만 스펙트럼 피크의 위치를 기반으로 하여 신호를 구별할 수 있는 바코드 기반 분석 알고리즘 방법을 제안하였다. 새로 개발 된 식별 방법을 검증하기 위해 다중 신호 관련 모델 실험을 수행하였고 단일 및 혼합 스펙트럼의 경우 성공적으로 신호의 분석이 가능함을 확인하였다. 개발된 다기능성 나노프로브 및 고효율 멀티 플렉스 분석 알고리즘은 생물학적 표적을 분석하고 인코딩하기위한 다중 검출 플랫폼을 개발하는데 있어 엄청난 잠재력을 가질 수 있을 것이다. 마지막으로, 우리는 고도로 향상된 라만 산란 특성을 위한 은 나노 껍질 합성에 있어서 알킬 아민의 종류에 따른 표면 형태의 변화에 대하여 연구하였다. 다양한 형태의 알킬 아민을 사용하여 실리카 은-껍질 나노구조체의 표면 형태에 대해서 알킬 아민의 사슬 길이, 수산기의 존재 및 알킬 사슬의 정도가 표면 형태에 미치는 영향에 관한 연구를 수행하였다. 다양한 실험을 통해서 알킬 아민을 변화시켰을때 은 이온 감소 및 은 도메인의 성장에 변화된 알킬아민이 영향을 주어 특유의 형태 변화가 일어나는 것을 확인하였다. 이렇게 합성된 다양한 표면 형태의 실리카-은 껍질 나노구조체는 크게 향상된 산란 특성을 가지는 것을 발견하였다. 특히 사슬이 긴 알킬 아민을 사용하면 가시 광선 및 근적외선 영역에서 강렬하고 균일 한 표면 증강 라만 산란 신호를 얻을 수 있었으며 최대 107 배 정도의 신호 증강이 일어남을 확인하였다. 이를 바탕으로 생체 내에서 암 바이오 마커를 검출하기 위해 개량된 실리카 은-껍질 나노구조체에 항체를 부착하여 고도 근적외선 활성 나노프로브를 제작하였고, 해당 나노프로브가 비특이적 상호 작용을 일으키지 않으면서 체내에서 암 바이오마커를 성공적으로 탐지하였음을 확인하였다. 알킬아민일 이용한 표면 형태 제어 기술은 기존의 나노구조체 형태 제어 방식의 있어서 여러 장애물을 극복 할 수 있으며 이를 바탕으로 다른 나노구조체의 표면 형태 변화에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

Magnetic Nanoparticles Embedded Silver Nanoshell as Highly Sensitive SERS Probe

박소연 서울대학교 대학원 2017 국내석사

SERS (Surface-enhanced Raman scattering) is an efficient tool for multiplexed analysis of various targets because it has unique signal patterns with narrow band width and is stable to photo-bleaching. The structure of metal substrate is very important in obtaining strong SERS signals. So far, various approaches have been tried to develop new types of metal substrate for sensitive detection of targets at low concentration. In this thesis, a new type of SERS nanoprobe was synthesized which has hundreds of iron oxide magnetic nanoparticles at the core part, and silver shell at the outer part. (Magnetic silver Nanoshell, M AgNS) The surface of silver shell has bumpy structure, which could lead to the formation of ‘hot spots’, affording strong SERS signal. Besides, SERS signal could be further intensified by magnetic-induced aggregation. Through this M AgNS nanoprobe, 4-fluorothiophenol (4-FBT) was detected at low concentration as 1 μM, which corresponds to 16 ppb. Thiram and malathion, which are mainly used pesticides in the farm, were also detected at low concentrations using the aggregated M AgNS. The limit of detection (LOD) for thiram was 10 μM, which corresponds to 3 ppm. M AgNS nanoprobe is expected to be utilized in on-site detection of various analytes at low concentrations using a 785 nm portable Raman system.

Surface-enhanced raman scattering active plasmonic nanoparticles for encoding and in vitro/in vivo multiplex detection

강호만 서울대학교 대학원 2014 국내박사

바이오 응용 분야에서 다중 분석을 위해선 여러 가지 대상 물질을 동시에 검출하기 위한 다중 신호를 내는 프로브가 필요한데, 이러한 프로브는 신호간 중첩이 적어야 할 뿐만 아니라, 미량의 생체표지자를 대상으로 하여 정량이 가능하고 측정 민감도가 높아야 한다. 현재 가장 많이 사용하고 있는 형광 프로브 및 양자점(Quantum dot)은 신호 대역폭(bandwidth)이 넓어서 여러 신호를 동시에 서로 구별하기 어려울 뿐 아니라, 체내 자가 발광 현상으로 인한 민감도 저하, 별개의 광원을 사용해야 하는 번거로움 등 제한 요소가 다수 존재하게 된다. 최근 다중 분석의 필요성이 강조되면서 다양한 방법이 제안되어 왔는데, 특히 신호 민감도가 뛰어난 것으로 알려진 광신호를 이용한 다중 정량 분석 기술은 아직까지 많은 개발이 이루어지지 않아 주목 받는 기술이라 할 수 있다. 광신호를 이용한 다중 분석 방법 중 라만 산란 신호는 형광에 비해 100배 이상 좁은 신호대역폭을 가지므로 가장 우수한 다중 신호표지 방법으로 인정받고 있으며, 나노 플라즈모닉스를 기반으로 한 표면 증강 라만 산란(SERS, Surface-enhanced Raman Scattering) 신호를 이용하면 형광에 준하는 신호 민감도를 얻을 수 있게 된다. 본 논문에서는 펩타이드 인코딩 및 체내에서 다중 검출을 위한 표면 증강 라만 나노입자들(SERS probe/dot)의 개발 및 표지 방법을 고안하였다. 첫째로 간단하고 효과적인 표면 증강 라만 산란 기반의 펩타이드 인코딩 방법을 개발 하였다. 진단 시약 선도물질을 탐색하기 위해 가장 많이 사용되고 있는 방법에는 레진 비드를 이용한 조합화학 방법이 있으며, 비교적 손쉽게 수백만 종류의 화합물 혹은 펩타이드 등의 라이브러리를 합성하고, 이러한 라이브러리로부터 생물학적 분석을 통해 진단 시약 선도 물질을 발굴해 낸다. 진단 시약 탐색은 매우 많은 수를 대상으로 분석 해야 하기 때문에, 이러한 일련의 작업을 보다 쉽고 빠르게 하기 위해서는 수백만 개의 표적을 효율적으로 표지하고 탐색하는 인코딩 기술이 요구된다. Fmoc 합성법을 이용하여 펩타이드를 텐타젤 비드(35 μm)에 합성하였다. 펩타이드를 합성하는 과정에서 텐타젤 비드에 여러 종류의 신호를 내는 SERS dot을 조합하여 인코딩하였고, 이러한 인코딩은 SERS dot이 마이크로 비드 표면에 물리적인 흡착을 함으로서 이루어 졌다. 마이크로 비드는 2종류의 SERS dot을 조합하여 인코딩 할 경우, 이론적으로 약 10,000 개 이상의 각기 다른 코드를 부여할 수 있다. SERS dot을 이용한 인코딩의 경우의 장점은 다음과 같다. 몇 종류의 라만 표지 화합물부터도 수 많은 수의 코드를 만들 수 있고, 라만 신호의 선 폭이 매우 좁아 신호간의 겹침이 거의 없고, 하나의 레이져 광원으로 여러 종류의 신호를 동시에 읽어낼 수 있다. 둘째로는 약 125 nm 크기의 실리카 나노입자 표면에 수 십 개의 은 나노입자를 도입하고, 이를 금 이온과의 환원력 차이를 이용해 속이 빈 금/은 합금 나노 구조체를 만들었다. 이때 넣어준 금 이온의 양에 따라 점차적으로 속이 빈 구조체가 형성됨을 확인하였고, 속이 빈 나노 구조체가 형성됨에 따라 나노프로브의 최대 흡광 파장이 최초 490 nm 영역에서 최대 840 nm 영역까지 적색 편이(red shift) 하게 되었다. 따라서, 근적외선 영역에서 민감한 나노 프로브는 금 이온 전구체의 양을 조절함으로써 신호의 세기를 최적할 수 있었고, 최적화 된 나노프로브는 근적외선 광원 (785 nm)을 사용하여 SERS 스펙트럼을 측정하였을 경우, 은 나노입자로 구성된 초기 상태와 비교하여 약 4 배 가량의 신호 증가효과가 있었다. 이렇게 제조된 나노프로브는 근적외선 영역의 빛을 사용하였을 때 도입된 분자의 라만 산란신호가 약 10^5 배 증가되었고, 이렇게 증강된 라만 신호로 인해 각각의 개별 나노프로브에서도 라만신호를 검출 할 수 있었다. 이것과는 대조적으로 기존에 주로 사용하던 구형의 금 나노입자(80 nm)에서는 각각의 개별 나노입자 수준에서는 라만 신호를 얻을 수 없었다. 개별 나노프로브의 신호 특성을 살펴보았을 때 개발된 나노프로브는 신호의 세기뿐만 아니라, ensemble average 효과로 인해 신호의 균일성 또한 비교적 우수한 것으로 관측되어 추후 정량적인 분석을 더욱 용이하게 할 수 있는 가능성을 나타내었다. 또한, 개발된 근적외선 민감 나노프로브를 살아있는 실험 쥐에 주입하였고, 라만 측정 장치를 사용하여 실험 쥐의 체내에 존재하는 나노프로브의 신호를 측정하는데 성공하였다. 더 나아가 예시로써 세 가지 종류의 서로 다른 나노 프로브를 생체 내에 동시 주입하여, 각각의 특정 신호가 구별될 수 있음을 보여 줌으로써 다수의 대상 물질에 선택적으로 결합한 각각의 나노 프로브를 동시에 분석해 낼 수 있음을 보였다. 마지막으로 은 나노쉘 기반의 근적외선 라만 표지 나노입자를 개발하였다. 실리카나노 중심입자와 은나노 껍질 구조로 이루어져 있는 은 나노쉘은 우수한 라만 증강 효과와 가시광영역에서 근적외선 영역까지 표면 플라즈몬 파장이 쉽게 변조될 수 있기 때문에 현재 많은 주목을 받고 있다. 하지만 현재까지 알려진 은 나노쉘을 만드는 방법은 상대적으로 복잡한 합성과정이 문제가 되어왔다. 본 논문에서는 은 나노쉘기반의 근적외선에서 민감한 표면증강라만 산란 나노입자를 복잡한 과정이나, 금속 씨앗이 없이 만드는 방법을 고안하였다. 제조된 은 나노쉘표면은 울퉁불퉁한 모양으로 실리카 표면을 완전히 덥고 있었으며, 은 나노쉘의 두께는 약 32 nm에서 76 nm까지 쉽게 조절 가능하였다. 은나노쉘 기반의 근적외선 민감 표면 증강 라만 산란 나노입자는 우수한 라만 신호세기를 나타내었고, 증강 인수는 6.4×10^5 이었다. 또한, 이 나노 프로브를 세포 내로 흡입시키고, 이를 살아 있는 쥐의 조직에 주입하고, 추적한 결과 살아있는 쥐의 생체조직 내에서도 3일 가량 추적이 가능함을 보였다. SERS (surface-enhanced Raman scattering) technology has broadened the applications of Raman spectroscopy in biomedical analysis field. Recently, we have developed SERS active nanoparticles (SERS probe/dot), which have many advantages; a lack of photo-bleaching, narrow band width and a use of single laser excitation for detection of multiple targets. They were successfully utilized in peptide encoding and identifying biological molecules in vivo system. In chaper 1, simple and efficient surface-enhanced Raman scattering (SERS) based encoding method for high-throughput screening (HTS) system was discribed. Recently, the preparation and screening of compound libraries remain one of the most challenging tasks in drug discovery, biomarker detection, and biomolecular profiling processes. So far, several distinct encoding/decoding methods such as chemical encoding, graphical encoding, and optical encoding have been reported to identify active compounds from those libraries. Peptides were synthesized on TentaGel (TG) microbead (35 μm) by using Fmoc chemistry. During peptide coupling, the TG microbeads were encoded by the combination of several kinds of SERS dots, which are physically adsorbed on the microbead surface. When the microbead was encoded by the combination of 2 kinds of the SERS dots, more than 10,000 codes can be generated. The advantages of this SERS dots based encoding method lies in the availability of a large number of Ramam active molecules which can be utilized as Raman label compounds. Moreover, a single excitation is used for the detection of multiple encodings. In chapter 2, near-IR (NIR)-sensitive Plasmonic Au/Ag hollow-shell (HS) assemblies on the surface of silica nanospheres were described. The diameter of the HS interior was adjusted from 3 to 11 nm by varying the amount of Au(3+) added, which resulted in a red-shift of their plasmonic extinction of Ag/Au nanoparticle toward the NIR window (700–900 nm). The red-shifted plasmonic extinction of NIR SERS dots caused enhanced SERS signals in the NIR optical window where endogenous tissue absorption coefficients are more than two orders of magnitude lower than those for ultra-violet and visible light. In particular, a single NIR SERS dot could be detected with high reproducibility owing to approximately 3×10^5 times SERS enhancement on average and a large number of SERS-active sites on single silica nanosphere. The signals from NIR SERS dots were detectable effectively from 8-mm depth in animal tissues. Three kinds of NIR SERS dots, which were injected into live animal tissues, produced strong SERS signals from deep tissues without spectral overlap, demonstrating their potential for in vivo multiplex detection of specific target molecules. In chapter 3, silver nanoshell based NIR SERS nanoprobes were described. Silver nanoshells (AgNSs) composed of a dielectric core and a silver shell are of great interest due to excellent SERS sensitivity, and to their tunable surface plasmon frequencies in the NIR spectral region, so called biological window (700-900 nm). Previous synthetic approaches to AgNS have not been satisfactory for the effective synthesis under mild conditions. Here, we first report a seedless and single-step synthetic method for bumpy AgNSs, and AgNS based NIR-sensitive SERS nanoprobes. The bumpy AgNSs were fabricated in fully extended form without using seed metals under a mild condition (1h, 25 oC) and the silver shell thickness could be easily controlled in the range of ~32 nm to ~76 nm. In particular, the NIR-SER probes, bumpy AgNSs coded with simple aromatic compounds, were capable of generating strong SERS signal from a single particle level in the NIR window (average SERS enhancement factor value 6.4 ×10^5). In addition, NIR-SERS probes were successfully applied to cell tracking in living animals using a portable Raman system.

Simple synthesis of monodisperse Ag, Ir nanoparticles and Au nanoshells by controlling growth rate

윤성수 서울대학교 융합과학기술대학원 2012 국내석사

본 연구를 통해 단분산 은 나노 입자, 금 나노쉘, 이리듐 나노 입자를 합성하였다. 은 나노 합성에 대한 주된 반응은 실내 온도 조건하에서의 질산은 화합물의 수소화붕소나트륨에 의한 환원 반응이다. 단분산 은 나노입자를 합성할 때 pluronic P123과 EDTA는 환원속도 조절 및 분산성에 대해 매우 중요한 역할을 수행한다. Pluronic P123은 capping agent로 사용되고 EDTA는 질산은의 환원 속도를 줄이는 ligand로 사용된다. 금 나노쉘은 은 나노 입자의 galvanic replacement reaction에 의해 합성되었다. 급격한 치환반응으로 인한 입자간 뭉침 현상을 최소화하기 위해 금 이온 용액의 주입 속도 조절이 필요하였으며 실린지 펌프를 이용한 저속 용액 주입법으로 금 나노쉘의 분산성을 향상시킬 수 있었다. 이리듐 나노 입자는 에틸렌 글리콜을 환원제로 사용하는 폴리올 공정에 의해 합성되었다. 나노입자의 성장에 관계된 하한 한계 조건은 온도의 경우 약 85 ℃, 이리듐 용액 농도의 경우 3.75 mM로 확인되었다. 또한 seed-mediated growth method를 통해 이리듐 나노입자의 성장을 유도하였으며 실린지 펌프를 이용한 용액 주입속도 조절로 보다 큰 이리듐 나노입자를 합성할 수 있었다. In this study, monodisperse silver nanoparticles, gold nanoshells, iridium nanoparticles were synthesized. The main reaction for synthesizing silver nanoparticles is the sodium borohydride reduction of silver nitrate at room temperature. When synthesizing monodisperse silver nanoparticles, pluronic P123 and EDTA had taken an important role in controlling reduction rate and dispersibility. Pluronic P123 was used as capping agent and EDTA was used as ligand for slowing down the reduction rate of silver nitrate. Gold nanoshells were synthesized by galvanic replacement reaction of the as-prepared silver nanoparticles. A syringe pump was used for controlling the injection rate of gold stock solution. Iridium nanoparticles were synthesized by polyol process which uses ethylene glycol as reducing agent. The lowest limit condition with growth of nanoparticles was approximately 85 ℃ for temperature and 3.75 mM for concentration of iridium solution. Also the larger iridium nanoparticles could be synthesized by using syringe pump for controlling slow injection rate.

Label Compound Trapped Ag Nano-gap Bumpy Shell for Highly Sensitive Surface-Enhanced Raman Scattering

이현미 서울대학교 대학원 2015 국내석사

Surface-enhanced Raman scattering (SERS) is an ultrasensitive vibrational spectroscopic technique which has been applied to various analytical area, especially in bio-sensing and bio-imaging. Recently, this technique has been used to design novel SERS tags consisting of noble metallic nanoparticles (NPs) and specific Raman reporter molecules (RMs). However, the conventional synthetic approaches for SERS tags have been suffered from multi-step and low signal stability. Previously, single-step synthesis of Ag nanoshells (Ag NSs) were reported by our group. In the present work, a further study was performed on the single-step synthesis of SERS tags having nano-gap structure leading to generate highly enhanced unique Raman signal. Ag nano-gap bumpy shells (Ag NBSs) were successfully synthesized in single-step. This unusual burst growth of Ag NBSs was attributed to simultaneous addition of small RMs to reaction media, which in turn led to small Ag NPs formation and simultaneous adsorption of both Ag NPs and RMs. Ag NBSs showed substantially enhanced Raman intensity and better stability over one month period of storage than Ag NSs-based SERS tags prepared by conventional method. Furthermore, various kinds of Ag NBSs were prepared using different Raman RMs, and the possibility for use as multiplex cellular imaging was demonstrated.

Photothermal ablation of head and neck squamous cell carcinoma by gold nanoparticle loaded macrophages

홍석진 고려대학교 대학원 2014 국내박사

ABSTRACT Objective: The purpose of this study is to investigate the effect of photothermal treatment (PTT) with gold nanoshells (NS) using a macrophage (Ma)-mediated delivery system in a head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC) cell line. Materials and Methods: The human HNSCC cell line (FaDU) and the rat Ma (NR8383) were used for both monolayer and spheroid experiments. Macrophages were loaded with gold nanoshells. In spheroid models, the cytotoxicity of FaDU cell spheroid with NS loaded Ma was compared to the one of FaDU cell spheroid with empty Ma (without NS). Monolayers and spheroids were exposed to increasing intensity of 810nm laser light. The effect of laser ablation treatment was evaluated by MTS assay and spheroid growth kinetics. Live/dead assay was performed by two-photon fluorescence microscopy. Results: PTT-treated hybrid FaDU spheroid with NS loaded Ma showed significant cell death after exposure to near-infrared laser light in the live/dead assay. In kinetic analysis of spheroid growth, PTT-treated hybrid FaDU spheroids containing NS loaded Ma displayed a significant decrease in growth compared with spheroids containing empty Ma (without NS) (p<0.001). The cell viability of PTT-treated FaDU/NS-loaded Ma monolayers determined by MTS assay decreased in dose-dependent manner of laser intensity and NS-loaded Ma count. Conclusion: Near-infrared laser irradiation of HNSCC monolayers or spheroids incorporating NS loaded Ma resulted in significant growth inhibition in an irradiance and gold NS concentration dependent manner. With further development, photothermal treatment with gold nanoparticle loaded macrophages has the potential to improve the quality of life of patients with head and neck cancer by providing a minimally invasive modality for cancer treatment.

Real-time SERS Detection of Wound-induced Signals in Plants with PDDA-functionalized Bumpy Silver Nanoshells

신동욱 서울대학교 대학원 2021 국내석사

Real-time detection of phytohormones in the living plants is critical for understanding the plant defense response, and monitoring of growth conditions. Herein, poly(diallyldimethylammonium chloride) (PDDA)-functionalized bumpy silver nanoshells (AgNS@PDDA) were developed as surface-enhanced Raman scattering (SERS) nanoprobes that can detect phytohormones in plants. AgNS@PDDA represents high SERS enhancement, and NIR activity, so that the strong SERS intensity was observed by the 785 nm photoexcitation. We obtained the distinctive SERS spectra of following three species with AgNS@PDDA: adenosine triphosphate (ATP), indole-3-acetic acid (IAA), and salicylic acid (SA), which can interact with PDDA through electrostatic attraction and hydrogen bonding. In watercress (Nasturtium officinale) leaf, AgNS@PDDA localized at the extracellular space of the mesophyll after infiltration through the stomata pores. We obtained the wound-induced SERS spectra of AgNS@PDDA in watercress leaf, and confirmed that three SERS peaks are correspond to the IAA with AgNS@PDDA Raman spectra. In addition, we demonstrate the potential application of real-time plant hormones detection by observing the increasing of IAA peaks over time from the wound-induced SERS spectra. These results indicate that the AgNS@PDDA is a highly sensitive nanosensors for use as a real-time monitoring plant defense responses. 살아있는 식물로부터 호르몬을 실시간 검출하는 것은 식물 방어 체계를 이해하고 식물의 생장 조건을 모니터링하는 관점에서 매우 중요하다. 우리는 이번 연구에서 식물 내 호르몬을 검출할 수 있는 표면 증강 산란 (Surface-enhanced Raman scattering) 나노프로브인 PDDA로 싸여진 은 나노 껍질 (AgNS@PDDA)를 개발하였다. AgNS@PDDA는 높은 SERS 증강과 NIR 활성을 나타내므로 785 nm의 들뜸 레이저로부터 강한 SERS 세기를 나타낸다. 우리는 AgNS@PDDA와 함께 PDDA와 정전기적 인력과 수소 결합으로 상호작용할 수 있는 세 가지 물질 (ATP, IAA, SA)에 대해 각각의 특징적인 SERS 스펙트럼을 얻었다. 물냉이의 잎으로 들어간 AgNS@PDDA는 주로 해면 조직 세포의 바깥 공간에 위치한다. 물냉이의 잎에 상처를 유발하여 얻은 SERS 스펙트럼에서는 세개의 봉우리가 AgNS@PDDA와 함께 측정한 IAA의 봉우리들과 일치하는 것을 확인하였다. 더불어 우리는 상처 유발 SERS 스펙트럼으로부터 IAA의 신호가 시간에 따라 점점 증가하는 것을 관찰하여 식물 호르몬의 실시간 검출에 대한 적용 가능성을 입증하였다. 이 결과들은 AgNS@PDDA가 식물 방어체계를 실시간 모니터링할 수 있는 고감도의 나노센서로 활용될 수 있음을 보여준다.

Synthesis and Optical Application of Plasmonic Noble Metal Nanostructures

김준기 서울대학교 대학원 2020 국내박사

독창적이고 기능적인 플라즈모닉 귀금속 나노입자의 합성과 광학적 특성에 대해 주로 연구하였다. 다양한 합성방식으로 코어쉘, 속이 빈 껍질, 나노스파이크 그리고 나노입자 어레이 구조를 합성해보았다. 분광광도계와 라만광도계, 전자현미경 등을 이용하여 제작된 나노구조물의 광학적, 구조적 특성을 연구해보았다. 귀금속 나노입자 합성방법과 플라즈모닉 공명현상을 Chapter 1에 간략히 소개하였다. Chapter 2에서는 금 클러스터가 흡착된 Ag@SiO2 코어쉘 나노입자의 금속-증강 형광 (Metal-enhanced fluorescence, MEF)에 대해 연구하였다. 금속나노입자는 입사 광에 의해서 표면의 자유전자들이 집단적인 진동하는 표면플라즈몬공명 (surface plasmon resonance, SPR)이라는 독특한 광학적 특성을 가진다. 이러한 현상을 통해 나노입자 표면에서는 입사되는 전자기장의 세기보다 수천~수만 배 더 큰 세기로 증폭될 수 있으며, 이러한 현상을 근접장증폭이라 불리고 있다. 이러한 광학적인 기능성을 가지는 금속나노입자에 실리카 껍질을 두르면, 금속입자 표면이 보호되거나 SPR 현상을 더욱 증강시킬 수 있다. 은 나노입자는 수용액상에서 은 이온의 화학적 환원을 통해 구 형태로 합성한 다음, 실리카 물질의 전구체를 이용한 Stober method를 통해 은 나노입자 표면에 실리카 껍질을 구현하였다. TEOS 양을 달리 함에 따라 실리카 쉘 두께를 변화시켜 각기 다른 Ag@SiO2 코어쉘 나노입자를 합성한 다음, 거리-의존적인 SPR 현상을 관찰하였습니다. 보통, 나노입자는 열역학적으로 가장 안정한 구(sphere) 형태로 합성된다. 열역학적의 한계를 넘어서 좀 더 고차원적이고 기능성을 가지는 나노입자 제작에 관한 연구가 국내외 연구진에서 활발하게 진행되고 있다. 나노쉘 (nanoshell) 형태의 입자란, 실리카 같은 유전물질이 중심에 존재하고, 그 표면을 금속물질로 껍질처럼 둘러싸인 구조를 말하는데, 나노쉘입자는 구 형태의 입자보다 SPR 현상을 더욱 강하게 발현시키고, 적외선 영역 쪽에서 광학적 활성을 보이는 고기능성 구조이다. Chapter 3에서는 이전에 보고되지 않았던 구조인, 속이 비어있고 그 안쪽에 표면에 거칠기가 있는 금 나노쉘 입자를 합성에 대해 설명하였다. 나노입자의 표면이 거칠다면, 나노미터 스케일에서 전자기장을 산란시킬 수 있으므로 SPR 효과를 더욱 증강시킬 수 있다. 속이 비어있고 안쪽의 표면이 거진 나노쉘 구조를 만들기 위해 메조포러스(mesoporous) 실리카 나노입자를 주형으로 이용했는데, 메조포러스 실리카는 입자 내에 CTAB 분자들의 자가조립에 의해서 만들어진 공동이 무수히 존재하는 실리카 입자를 말한다. 메조포러스 실리카 공동에 표면처리를 통해서 자그마한 금 나노입자를 부착시키고, 화학적 환원법을 통해 금 나노입자들을 성장시킨다. 성장되는 금 나노입자들은 입자가 커짐에 따라 실리카 공동구조를 부분적으로 채우게 되고, 추후 실리카를 HF로 에칭함으로서 속이 비어있고 안쪽에 거친 표면을 가지는 금 나노쉘 (hollow and bumpy gold nanoshell, HBA NS) 합성할 수 있었다. 어떠한 금속 나노구조물에 나노스케일의 거칠기나 나노팁 형태를 부여하면 더욱 향상된 플라즈모닉 성질을 보일 수 있다. 음의 유전율을 가지는 귀금속 나노구조물은 입사하는 전자기장을 국부적으로 구속하는 능력이 가지게 되고, 특히나 나노팁과 같이 구조체의 곡률이 심하게 변화하는 곳은 그 효과가 더욱 증폭됩니다. Chapter 4에서는 입자 안의 cavity가 확실히 존재하고 표면에 나노팁이 무수한 입자를 합성하고자 노력하였다. SH-로 표면개질된 실리카 나노입자를 합성한 다음, 아주 작은 크기의 은 나노입자를 실리카 표면에 합성한다. 이후, 점진적인 galvanic replacement 반응을 통해서 실리카 표면 위에 금 나노팁이 무수하게 존재하는 나노성게 입자(spiky Au nanourchins, SANUs) 를 합성한다. HAADF-STEM 측정방식을 통해서 SANUs 입자 중간에 실리카 입자가 확실히 보이며, galvanic replacement 반응으로 금 나노껍질이 환원된 모습이 관찰된다. 또한 EDX line-mapping과 원소분석을 통해서, SANUs 입자는 속이 비어있고 금 성분이 98 wt%로 관찰되는 데 반해, 은 성분은 0.2 wt% 아주 극미량으로 구성되어있음을 확인하였다. 최종적으로 합성된 SANUs 입자에 HF로 실리카 성분을 녹여서 속이 비어있고 나노팁이 무성한 금 나노성게 (hollow and spiky Au nanourchins, HSANUs)를 얻어보았다. FIB (focused-ion beam) 기법으로 그 단면을 조사하여 HSANUs 입자 안쪽에 확연한 cavity 형태를 확인하여, 중국의 연구진들에 의해 제안된 나노성게 입자의 cavity의 크기가 확연히 비교됨을 확인하였다. 레이저를 이용한 미세구조 가공기술은 레이저 빔의 고집속성 및 시공간적 정밀함으로 인해 반도체, 전자, 메카트로닉스 등의 첨단산업 분야에서 필수적인 기술로서, 신 공정 개발에 기여해왔습니다. 광열적 부작용이 적어서 마이크로-나노 급의 형상 가공이 가능한 극초단파 레이저(ultrafast laser)의 도입과 연구가 활발히 진행되고 있는데, chapter 5에서는 극초단파 레이저 광원을 사용하여 금속 나노구조를 손쉽게 제작한 연구를 설명하였다. 나노세컨드 레이저는 연속파 레이저에 비해 강한 파워를 가짐과 동시에 비교적 열적 영역 (heat-affected zone)이 넓어서 벌크물질에 극심한 형태변화를 유도할 수 있기 때문에 top-down 방식의 제작에 유리하다 판단하였습니다. 1.3 J/cm2의 파워와 50 μm/s의 속도로 레이저를 십자가 형태로 스캔한 (cross-line scanning) 실버 페이스트 필름에서, 균일한 나노입자배열이 십자가의 왼쪽, 오른쪽 가지에 관찰되었고 위, 아래의 가지에서는 이전에 관찰되었던 미세하고 무수한 은 입자들이 제작되었다. 가로방향의 스캔으로 통해 미세하고 무수한 은 나노입자를 제작한 다음, 세로방향으로 스캔 할 때, 불균일한 에너지 분포 형태의 Gaussian form을 가지는 레이저 빔에 의해서 dewetting threshold를 넘어가는 공간적 영역에서는 dewetting 현상이 일어나 나노입자배열이 제작되는 것을 발견하였다. 십자가 레이저 스캔 모드 양식의 확장으로서, 그물모양의 레이저 스캔을 시행하면 센티미터급의 대면적의 플라즈모닉 나노구조배열을 얻을 수 있었고 강한 전자기장 증강으로 표면증강라만산란기법 (Surface-enhanced Raman scattering)을 통해서 하여금 분석하고자 하는 물질의 농도가 nM 수준으로 내려가도 충분히 검출 가능한 기능성 기판 제작에 성공하였다. In this dissertation, synthesis and optical application of plasmonic noble metal nanostructures are mainly discussed. Various methods to fabricate core-shell, nanoshells, nanospike, and nanoparticle arrays structures have been investigated. The optical and morphological properties of as-prepared nanostructures have been also studied by using UV/vis spectroscopy, Raman spectroscopy, and electron microscopy. A brief overview on preparation methods and the plasmonic resonance of noble metal nanostructures are presented in Chapter 1. Chapter 2 presents the metal-enhanced fluorescence (MEF) of gold nanoclusters adsorbed onto Ag@SiO2 core-shell nanoparticle. The static and time-resolved MEF of Au25-adsorbed Ag@SiO2 core-shell nanoparticles (NPs) has been studied systematically with variation of shell thicknesses, core sizes, and excitation wavelengths. The emission of Au25-adsorbed Ag@SiO2 NPs is blue-shifted and highly enhanced compared with that of free Au25 clusters. The photoluminescence (PL) intensity of Au25-adsorbed Ag@SiO2 NPs is higher as much as 7.4 times than that of free Au25 clusters. The increase of the radiative decay rate constant with separation is identical to that of PL enhancement, suggesting that the MEF of Au25-adsorbed Ag@SiO2 NPs arises from the increase of the radiative decay rate constant induced by the near-field enhancement of plasmonic Ag NPs. Chapter 3 describes the fabrication of hollow and bumpy Au (HBA) NSs with rough surfaces using expanded silica mesopores as templates. Because some Au seeds were located at the inner surfaces of silica mesopores, produced Au NSs have inherent inward-grown nanobumps. During seven successive reduction steps, the LSPR peak of Au nanostructures shifted progressively toward a longer wavelength as the sizes of Au seeds increased gradually. Measuring the cross-sections of HBA NSs milled by a focused ion beam, we have found that hollow and bumpy nanostructures arose from the pore structures of mSiO2 NPs. HBA NSs confine Raman-probe molecules well owing to their hollow structures and have ragged surfaces due to their inward-bumpy morphologies, exhibiting highly efficient surface-enhanced Raman scattering activity. Chapter 4 presents the fabrication of genuinely hollow Au nanourchins (HANUs) using SiO2 NPs as hard templates. Ag-SiO2 NPs were fabricated via amine-assisted reduction. Then, Au nanourchins (ANUs) were synthesized by the galvanic replacement reaction of Ag-SiO2 NPs using L-3,4-dihydroxyphenylalanine (DOPA) as a reductant and a capping agent. The silica cores of ANUs were etched using HF(aq) to produce HANUs. Measuring cross sections, we have found that HANUs have well-defined hollow morphologies. Compared with nanourchins made via DOPA-mediated reduction, HANUs hardly contain residual silver because very tiny silver seeds were used as the initiation sites of galvanic replacement. HANUs have revealed large surface-enhanced Raman scattering enhancement and a significant photothermal effect under a weak illumination. Chapter 5 describes that highly dense plasmonic silver NP arrays have been fabricated by laser-induced dewetting of commercially available silver paste as a starting bulk material. The first laser-scan mode has produced unprecedented intermediate structures, so called laser-induced fine silver nanostructures (LIFSNs) while the second laser-scan mode has transformed LIFSNs into plasmonic silver NP arrays via the dewetting of the priorly formed nanostructures. The laser-induced fabrication of silver NP arrays has been found to be very sensitive to distance from secondly irradiated laser pulses, suggesting that the fine control of laser intensity is very important. As-prepared silver NP arrays have generated numerous hot spots to show highly strong surface-enhanced Raman scattering signals.