표면 플라즈몬 공명 감도 증가를 위한 골드 나노구조체의 크기 최적화와 골관절염 진단 센서로의 응용

Abstract

Surface plasmon resonance (SPR) 분광법은 기판 표면의 굴절률 변화를 인식하여 미량의 생체물질간의 상호작용에 대하여 정량적 분석이 가능한 분석기법이다. SPR 분광법은 별도의 표지물질을 필요로 하지 않으며, 실시간으로 반응을 분석 할 수 있으며, 그러한 장점으로 기존의 전기영동법, 질량분석법, 형광분석법의 단점을 개선한 검출 기법으로 주목 되고 있다. SPR 분광법은 DNA는 8 x 105 molecules/cm2, 단백질은 2 μg/ml까지 검출이 가능한 우수한 감도를 지닌다. 그러나 이러한 감도는 고가의 정밀 광학 장비에서 구현되는 성능으로, 소형화된 저가의 산업용 장비에서는 검출 감도가 크게 낮아진다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 고가의 광학장비 없이, SPR 검출 감도 자체를 증가시킬 수 있는 기술 개발이 요구되어왔다. 최근 SPR 칩 위에 규칙적인 금속 나노구조를 배열하여 국소적 표면플라즈몬 (localized surface plasmon, LSP)와 골드 박막에 존재하는 표면 플라즈몬 폴라리톤 (surface plasmon polariton, SPP)간의 결합을 유도하여 SPR 감도 증가를 극대화하려는 노력들이 이루어지고 있다. Lidija Malic 은 2차원 골드 나노포스트 (nanopost) 구조체를 이용하여 올리고뉴클레오타이드를 검출하여 SPR 감도 증가를 보고한 바 있으며, Kyung Min Byun의 연구에서는 골드 박막 상에 나노 와이어가 주기적으로 존재하는 그레이팅 구조의 칩을 농도가 다른 에탄올 용액에 노출시켜 신호증강효과를 확인하였다. 이 두 연구에서는 나노구조체의 의한 신호증강의 이유로 LSP와 SPP간의 결합에 의하여 표면플라즈몬 폴라리톤의 파수벡터가 강화됨을 공통적으로 언급하였다.

본 연구에서는 LSP와 SPP간의 결합에 의한 표면플라즈몬 폴라리톤의 파수벡터 강화를 유도하기 위하여 골드 박막상에 삼각 골드 나노구조체를 규칙적으로 배열한 SPR칩을 제작하였다. 랭뮤어-블로제트 (Langmuir-Blodgett, LB)방법으로 제작된 대면적의 실리카 나노입자 단일막을 템플레이트로 사용하여, 골드 박막상에 삼각 골드 나노구조체를 형성하였으며, 나노구조체의 크기에 영향을 주는 실험적 인자들을 조절하여 신호감도 증강효과가 최대로 나타나는 나노구조체의 크기를 실험적으로 최적화하고자 하였다. 템플레이트를 구성하는 실리카 입자의 직경의 크기를 150, 300, 500, 700 nm로 바꿈으로써 삼각피라미드 모양의 구조체의 크기를 조절하였으며, 기저골드 박막의 두께와 골드 나노구조체의 높이를 각각 20, 35, 50 nm로 조절하여 에탄올 용액을 측정함으로써 신호감도를 확인하였다. 제조된 골드 나노 구조체 기판은 전계방출-전자주사현미경 (FE-SEM)과 원자간력 현미경 (AFM)를 통해 일정한 크기와 간격을 가지는 사면체의 골드 나노 구조체가 형성되어 있음을 확인 하였다. 골드 나노 구조체 기판의 SPR 감도 향상을 평가하기 위하여 0 ~ 40 % (w/w) 에탄올 수용액의 SPR 공명각을 측정하였다. 제조 된 기판 중 50 nm 두께의 골드 기판 위에 500 nm 실리카 나노입자의 LB 박막 형성 후 35 nm의 골드를 증착 한 조건의 나노구조체 기판에서 기존 평평한 SPR 기판 대비 가장 큰 약 106.2 % 의 감도 증가를 확인하였다. 제작한 골드 나노구조체 SPR칩을 골관절염 진단을 위한 2차원 어레이 센서로 응용하였다. 고속대량검출이 가능한 2차원 어레이 방식에서 골관절염 예후 단백질 인자인 COMP의 항원-항체 반응을 통해 저농도에서의 검출한계가 골드 나노구조체 기판에서 증가한 것을10 pM까지 확인하였다. 또한 추세선의 식에서 기울기가 나노구조체를 형성한 기판의 신호가 나노구조체가 없는 대조군 기판과 비교하여 2.01배로, 기존 골드기판과 비교하여 나노구조체가 형성된 칩에서 신호가 증가하는 결과를 보였다. 따라서 골관절염의 위험 환자군을 을 진단할 수 있는 효과적인 면역 센서로 이용될 수 있음을 확인하였다.