Synthesis of Plasmon-Enhanced Fluorescence-Active Nanostructures and Their Applications

Abstract

플라즈몬 강화 형광(Plasmon-enhanced Fluorescence)은 플라즈모닉(plasmonic) 나노구조체에 근접해 위치한 형광체의 광신호가 증폭되는 현상을 일컫는다. 일반적으로 플라즈모닉 나노구조는 탄성 산란(elastic scattering)의 형태로 외부 빛에 반응하기 때문에 자체적인 형광 발광 정도는 매우 낮다. 그러나 국소 표면 플라즈몬 공명(localized surface plasmon resonance, LSPR)은 플라즈모닉 나노구조 주위에 전자기장을 고도로 밀집시킴으로써 형광체의 신호가 증폭될 수 있는 환경을 제공한다. 1980년대 초에 처음 발견된 플라즈몬 강화 형광은, 수십 년의 연구 기간을 거치는 동안 형광체의 신호 증폭 효율을 결정하는 요소들이 밝혀지며 최대 1,000,000 배에 달하는 광 신호 증폭 효과를 나타내 큰 주목을 받고 있다. 본 학위논문은 플라즈모닉 나노구조체를 기반으로 고효율의 플라즈몬 강화 형광 활성 나노구조를 제작하고 이를 응용한 연구내용을 담고 있다. 제 1장에서는 제 2장과 제3장에서 수행한 연구 내용을 이해하는 데에 도움이 되는 플라즈몬 강화 형광에 대한 배경 사항을 기술하였다. 구체적으로, 플라즈몬 강화 형광의 이론적 배경·광신호의 증폭 효율을 결정하는 주요한 요소·플라즈몬 강화 형광 활성 나노구조체의 예시·플라즈몬 강화 형광의 응용 예시가 요약되어 있다. 제 2장에서는 데옥시리보핵산(deoxyribonucletic acid, DNA)을 매개로 하여 강하고 정량적인 플라즈몬 강화 형광 신호를 방출하는 핵-껍질(core-shell) 나노직육면체(nanocuboid)를 합성하고 이를 마이크로어레이(microarray) 기반 마이크로알엔에이(microRNA) 검출에 응용한 연구 내용을 기술하였다. 제 3 장에서는 넓은 파장 범위의 플라즈몬 강화 형광 활성을 갖는 은 기반 다층 나노구조를 고수율로 균일하게 합성한 연구내용을 기술하였다. 제 2장과 제 3장의 연구 내용은 공통적으로 플라즈몬 강화 형광 현상의 실제적 응용을 궁극적인 목표로 설정하고 수행하였다. 제작된 플라즈몬 강화 형광 나노구조가 실제적으로 활용되기 위해서는 합성된 결과물이 균일하고 안정적인 신호를 발생해야 한다. 또한 단순한 신호의 증폭 여부를 확인하는 것에 더하여, 실제적 응용 상황에서 기존에 사용되던 형광 물질에 비교 우위가 있는지를 증명하는 것이 필요하다. 제 2장에서의 마이크로어레이 기반 마이크로RNA 검출 결과는 기존에 활용되는 형광체와의 동일한 조건에서의 비교를 통해 성능 우위를 직접적으로 증명한 사례로서 중요한 의미를 갖는다고 할 수 있다.

Plasmon-enhanced fluorescence (PEF) refers to a phenomenon in which the optical signal of a fluorescent emitter located in the vicinity of a plasmonic nanostructure is amplified.In general, since plasmonic nanostructures react to external light in the form of elastic scattering, their own fluorescence emission level is low. However, localized surface plasmon resonance (LSPR) provides an environment in which the signal of a fluorescent emitter can be amplified by highly concentrated electromagnetic fields around plasmonic nanostructures. PEF was first discovered in the early 1980s, and factors that determine the signal amplification efficiency of fluorescent emitters have been identified during the decades of research. In recent years, it is attracting great attention by showing a fluorescence signal amplification effect of up to 1,000,000 times. This thesis contains the research contents of the fabrication and application of highly efficient PEF-active nanostructures. highly efficient PEF-active nanostructure In Chapter 1, background information on plasmon-enhanced fluorescence is described, which is helpful in understanding the research conducted in Chapter 2 and 3. Specifically, the theoretical background of PEF, a major factor determining the enhancement efficiency of an optical signal, examples of PEF-active nanostructures, and applications of PEF are summarized. In Chapter 2, core-shell nanocuboids that emits a strong and quantitative PEF signal were synthesized and applied to microarray-based miRNA detection. In Chapter 3, the research contents of high yield synthetic strategy for Ag-based multilayer nanostructures with remarkable PEF activity in a broad wavelength range were described. The research contents in Chapter 2 and Chapter 3 were conducted with the ultimate goal of the practical application of PEF phenomenon. In order for the fabricated PEF-active nanostructures to be practically utilized, the synthesized outputs have to generate uniform and stable signal. Also, in addition to simply confirming whether a fluorescent signal is amplified, it is necessary to prove whether there are comparative advantages over the conventional fluorescent materials in practical application fields. The microarray-based miRNA detection results in Chapter 2 can be said to have important significance as an example of directly demonstrating the superiority of performance through comparison with the existing fluorescent emitter under the same conditions.