슈도 커패시턴스를 통한 금전극에서의 SPR반응과 표면 전하의 상관성 분석

Abstract

최근 전자공학, 생물학, 의학 등이 융합하여 저비용, 고효율의 바이오 센서를 개발하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 바이오 센서는 크게 광학적, 전기적, 기계적 방법으로 구분할 수 있는데, 이중 광학적인 방법에서 가장 많이 사용되는 센서는 SPR(Surface Plasmon Resonance) 바이오 센서이다. 본 연구는 SPR 바이오센서에 전압을 인가할 경우 SPR 이 어떻게 변하는지에 대한 연구이다. 빛에 대한 반사도를 결정하는 파라미터는 물질의 유전률과 매질의 두께이다. SPR는 두꺼운 두 매질 사이에 얇은 금속 층이 있을 때, 특정 각도로 입사된 빛에 의해 들뜬 상태가 된 표면의 plasmon의 상태를 말한다. 이때 SPR의 변수는 얇은 transition layer의 유전률과 두께가 된다. 금속에 낮은 전압을 인가할 경우 표면의 Electrical Double Layer(EDL)에 축적되는 전하에 의해서 금속표면의 아주 얇은 SCL(Space Charge Layer) 안에서의 전자 농도가 변하게 되고, 이 얇은 층에서의 유전률이 변하게 되어 SPR 각도가 변한다는 것은 기존 연구들을 통해 알려져 있다. 보다 높은 전압을 인가할 경우에는 표면에서 일어나는 faradaic process에 의해 새로운 표면 전하들이 추가되게 된다. 흡착 이온에 의한 표면 전하와 pseudocapacitance에 의한 표면 전하이고, 두 표면 전하를 정량적으로 해석하면 전체 system에 흐르는 전류성분을 이론적으로 설명할 수 있다. 표면 전하는 SCL의 유전률과 두께를 변화시키는데, 흡착 이온에 의한 표면 전하는 기존 EDL 표면 전하에 더해져 금속 SCL에서의 유전률을 증가시킨다. 하지만 pseudocapacitance의 경우는 표면에 AuOH가 새롭게 생성되는 과정이므로 금속의 SCL은 없어지고, AuOH가 새로운 SCL로 작용하게 된다. AuOH 층에서는 유전률과 두께의 변화 중 두께가 SPR에 더 영향을 많이 준다는 것을 이론적으로 증명하고 실험을 통해 검증할 수 있었다. 전압에 의한 SPR의 전체 각도의 변화는 앞서 언급한 세 표면 전하들의 영향을 각각 더해주어야 하는데, 이를 토대로 새롭게 식을 쓰면 전체 표면 전하 94μC/cm2 이하에서는 표면 전하와 SPR 각도 변화의 관계가 선형으로 나오지만, 94μC/cm2 이상에서는 표면 전하의 log값에 비례함을 증명하였다.