표면 플라즈몬 공명

Surface plasmon resonance
표면 플라즈몬 공명(SPR)

표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance, SPR)은 얇은 금속 시트의 전자가 특정한 입사각을 가진 시트로 향하는 빛에 의해 여기된 후 시트와 평행하게 이동하는 현상입니다. 광원 파장이 일정하고 금속 시트가 얇다고 가정하면 SPR을 유발하는 입사각은 재료의 굴절률과 관련이 있으며 굴절률의 작은 변화로도 SPR이 관찰되지 않습니다. 이를 통해 SPR은 특정 물질(분석물)을 검출할 수 있는 가능한 기술이며 SPR 바이오센서는 다양한 중요한 바이오마커를 검출할 수 있도록 개발되었습니다.[1]

설명.

표면 플라즈몬 폴라리톤은 음의 유전율/유전 물질 계면에 평행한 방향으로 전파되는 비방사성 전자기 표면파입니다. 파동은 도체와 외부 매체(예를 들어 공기, 물 또는 진공)의 경계에 있기 때문에 이러한 진동은 분자가 전도 표면에 흡착되는 것과 같은 경계의 변화에 매우 민감합니다.[2]

표면 플라즈몬 편광자의 존재와 특성을 설명하기 위해 다양한 모델(양자 이론, Drude 모델 등) 중에서 선택할 수 있습니다. 문제에 접근하는 가장 간단한 방법은 외부 매체와 표면 사이의 주파수 의존적 상대 유전율로 설명되는 각 물질을 균질한 연속체로 취급하는 것입니다. 이 양, 이하 재료의 "유전 함수"라고 함은 복소 유전율입니다. 전자 표면 플라즈몬을 설명하는 용어가 존재하기 위해서는 전도체의 유전 상수의 실수 부분이 음수여야 하며, 유전체의 크기보다 커야 합니다. 이 조건은 공기/금속 및 물/금속 인터페이스(금속의 실제 유전 상수는 음이고 공기 또는 물의 유전 상수는 양)의 적외선 가시 파장 영역에서 충족됩니다.

LSPR(localized surface plasmon resonance)은 빛에 의해 여기되는 금속 나노입자의 집단적인 전자 전하 진동입니다. 공진 파장에서 향상된 근거리 진폭을 보여줍니다. 이 필드는 나노 입자에 매우 국한되어 있으며 나노 입자/유전체 인터페이스에서 유전체 배경으로 빠르게 감소하지만 입자에 의한 원거리 산란도 공진에 의해 향상됩니다. 광도 향상은 LSPR의 매우 중요한 측면이며 국소화는 LSPR이 나노 입자의 크기에 의해서만 제한되는 매우 높은 공간 해상도(하위 파장)를 가짐을 의미합니다. 향상된 필드 진폭 때문에 자기광학 효과와 같은 진폭에 의존하는 효과도 LSPR에 의해 향상됩니다.[3][4]

구현

오토 구성
크레취만 구성

표면 플라즈몬 편광자를 공진 방식으로 여기시키기 위해 전자 충격 또는 입사 광선을 사용할 수 있습니다(가시광선 및 적외선이 대표적입니다). 들어오는 빔은 플라즈몬의 운동량과 일치해야 합니다.[5] p편광의 경우(편광은 입사면과 평행하게 발생), 이는 빛을 유리 블록에 통과시켜 파동수(및 운동량)를 증가시키고, 주어진 파장과 각도에서 공명을 달성함으로써 가능합니다. S편광(편광은 입사면에 수직으로 발생)은 전자 표면 플라스몬을 여기시킬 수 없습니다. 전자 표면 및 자기 표면 플라스몬은 다음 분산 관계를 따릅니다.

여기서 k(ω \omega})는 파동, ε {\displaystyle varepsilon }은 상대, \mu }는 재료(1: 유리 블록, 2: 금속 필름)의 상대 투과율, ω{\ \omega}는 각 주파수이고 c {\displaystyle {c}는 진공에서의 빛의 속도입니다.

표면 플라즈몬을 지지하는 대표적인 금속은 은과 금이지만 구리, 티타늄 또는 크롬과 같은 금속도 사용되어 왔습니다.

SP파를 여기시키기 위해 빛을 사용할 때 잘 알려진 두 가지 구성이 있습니다. 오토 구성에서 빛은 일반적으로 프리즘인 유리 블록의 벽을 비추고 내부에서 완전히 반사됩니다. 얇은 금속 필름(예: 금)이 프리즘 벽에 충분히 가까이 위치하여 소멸하는 파동이 표면의 플라즈마 파동과 상호 작용하여 플라스몬을 여기시킬 수 있습니다.[6]

Kretschmann 구성(Kretschmann-Raether 구성이라고도 함)에서 금속 필름은 유리 블록 위에서 증발됩니다. 빛은 다시 유리 블록을 비추고, 금속 필름을 통해 희미한 파동이 침투합니다. 플라스몬은 필름 바깥쪽에서 흥분합니다. 이 구성은 대부분의 실제 애플리케이션에서 사용됩니다.[6]

SPR 방출

표면 플라즈몬 파동이 거친 표면과 같은 국소적인 입자나 불규칙성과 상호작용할 때 에너지의 일부가 빛으로 다시 방출될 수 있습니다. 이 방출된 빛은 다양한 방향에서 금속 필름 뒤에서 감지할 수 있습니다.

분석적 구현

표면 플라즈몬 공명은 분석 기기에서 구현할 수 있습니다. SPR 기기는 광원, 입력 방식, 분석물 인터페이스가 있는 프리즘, 검출기 및 컴퓨터로 구성됩니다.

디텍터

표면 플라즈몬 공명에 사용되는 검출기는 금속막에서 반사된 빛의 광자를 전기 신호로 변환합니다. 위치 감지 검출기(PSD) 또는 충전 결합 장치(CCD)를 사용하여 검출기로 작동할 수 있습니다.[7]

적용들

표면 플라즈몬 공명을 이용한 센서의 스킴

표면 플라즈몬은 형광, 라만 산란 및 제2하모닉 생성을 포함한 여러 분광 측정의 표면 감도를 향상시키는 데 사용되었습니다. SPR 반사율 측정은 가장 간단한 형태로 고분자, DNA 또는 단백질 등과 같은 분자 흡착을 감지하는 데 사용될 수 있습니다. 기술적으로는 최소 반사각(최대 흡수각)을 측정하는 것이 일반적입니다. 이 각도는 얇은(약 nm 두께) 막 흡착 시 0.1°의 순서로 변화합니다. (예도 참조). 다른 경우에는 흡수 파장의 변화가 뒤따릅니다.[8] 검출 메커니즘은 흡착 분자가 국부적인 굴절률의 변화를 일으켜 표면 플라즈몬파의 공진 조건을 변화시키는 것에 기초합니다. 최근 개발된 DBR(Loss-less Dielectric Multilayer) 기반의 경쟁 플랫폼에서도 동일한 원리를 활용하여 더 선명한 공진(Bloch surface wave)을 갖는 표면 전자기파를 지원합니다.[9]

적절한 광학 및 이미징 센서(예: 카메라)를 사용하여 다양한 생체고분자로 표면을 패터닝하면 기술을 표면 플라즈몬 공명 이미징(SPRI)으로 확장할 수 있습니다. 이 방법은 Brewster 각도 현미경과 다소 유사한 흡착된 분자의 양을 기반으로 이미지의 높은 대조도를 제공합니다(이 방법은 Langmuir–Blodgett 트로프와 함께 가장 일반적으로 사용됨).

나노입자의 경우 국부적인 표면 플라즈몬 진동은 나노입자를 포함하는 현탁액 또는 졸의 강렬한 색상을 유발할 수 있습니다. 귀금속의 나노입자 또는 나노와이어는 벌크 금속에 존재하지 않는 자외선-가시광선 영역에서 강한 흡수 밴드를 나타냅니다. 이와 같은 놀라운 흡수 증가는 세포 표면에 금속 나노입자를 증착시켜 태양광 전지의 광흡수를 증가시키는 데 이용되었습니다.[10] 빛이 나노선을 따라 또는 수직으로 편광될 때 이 흡수의 에너지(색상)가 달라집니다.[11] 나노입자에 대한 흡착 시 국부적인 굴절률의 변화로 인한 이 공명의 이동은 DNA 또는 단백질과 같은 생체고분자를 검출하는 데에도 사용될 수 있습니다. 관련 보완 기술로는 플라즈몬 도파로 공진, QCM, 비범한 광전송, 이중편파 간섭계 등이 있습니다.

SPR면역분석

scFv: a single-chain variable fragment of an antibody
정제된 G6 scFv의 SPR 분석. (A) MUA ‐ 변형 Au 센서 슬라이드에서의 G6 scFv 고정화의 예시적인 도식. (B) MUA ‐ 변형 Au ‐ 센서 슬라이드에서의 G6 scFv 고정화의 SPR 센소그램. (C) 관련 펩타이드에서의 Hsp70의 센소그램. scFv: 항체의 단일 사슬 가변 단편

최초의 SPR 면역분석법은 1983년 당시 스웨덴 린쾨핑 공과대학교(Linköping Institute of Technology)의 Ledberg, Nylander, Lundström에 의해 제안되었습니다.[13] 그들은 인간 IgG를 600-Ongström 은막에 흡착시켰고, 이 분석법을 사용하여 물 용액에서 항-인간 IgG를 검출했습니다. ELISA와 같은 다른 많은 면역분석법과 달리 SPR 면역분석법은 분석물의 검출을 위해 표지 분자가 필요하지 않다는 점에서 표지가 없습니다.[14][15][12] 또한 SPR에 대한 측정을 실시간으로 추적할 수 있으므로, 예를 들어 샌드위치 복합체의 평가에 특히 유용한 순차적 결합 이벤트의 개별 단계를 모니터링할 수 있습니다.

재료특성화

SPR의 특별한 구성인 다중 매개변수 표면 플라즈몬 공명은 층과 층의 스택을 특성화하는 데 사용될 수 있습니다. MP-SPR은 결합 역학 이외에도 층 실제 두께와 굴절률 측면에서 구조 변화에 대한 정보를 제공할 수 있습니다. MP-SPR은 마이크로미터 두께의 고분자뿐만 아니라 지질 표적화 및 파열,[16] CVD 증착 그래핀(3.7Å)[17] 단일 단층 측정에 성공적으로 적용되었습니다.[18]

자료해석

가장 일반적인 데이터 해석은 형성된 박막을 무한대의 연속적인 유전체 층으로 취급하는 프레넬 공식을 기반으로 합니다. 이러한 해석은 여러 가지 가능한 굴절률 및 두께 값을 초래할 수 있습니다. 일반적으로 하나의 솔루션만이 합리적인 데이터 범위 내에 있습니다. 다중 매개변수 표면 플라즈몬 공명에서 두 개의 SPR 곡선은 두 개의 서로 다른 파장에서 다양한 각도를 스캔함으로써 획득되며, 이는 두께와 굴절률 모두에 대해 고유한 솔루션을 제공합니다.

금속 입자 플라스몬은 보통 미에 산란 이론을 사용하여 모델링됩니다.

대부분의 경우 세부 모델이 적용되지 않지만 센서는 특정 애플리케이션에 맞게 보정되고 보정 곡선 내에서 보간과 함께 사용됩니다.

신규 애플리케이션

SPR 계측의 다재다능성으로 인해 이 기술은 다른 접근 방식과 잘 일치하여 생물 의학 및 환경 연구와 같은 다양한 분야에서 새로운 응용으로 이어집니다.

나노기술과 결합하면 SPR 바이오센서는 나노입자를 치료용 임플란트의 운반체로 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 알츠하이머 병의 치료에 있어서, 나노 입자는 표적화된 방법으로 치료 분자를 전달하는 데 사용될 수 있습니다.[19] 일반적으로 SPR 바이오센싱은 이 기술이 라벨이 없고 비용이 낮으며 Point of Care 환경에서 적용 가능하며 소규모 연구 집단에 대해 더 빠른 결과를 생성할 수 있기 때문에 생물 의학 분야의 다른 접근 방식에 비해 장점을 보여주고 있습니다.

환경 오염 물질에 대한 연구에서 SPR 계측은 이전의 크로마토그래피 기반 기술을 대체할 수 있습니다. 현재의 오염 연구는 시간이 지남에 따라 생태계의 오염 증가를 모니터링하기 위해 크로마토그래피에 의존합니다. 새롭게 등장하는 오염물질인 클로로펜 검출에 Kretschmann 프리즘 구성의 SPR 계측기를 사용하였을 때, SPR은 크로마토그래피 기법과 유사한 정밀도 및 정확도 수준을 가짐을 입증하였습니다.[20] 또한 SPR 감지는 고속의 간단한 분석을 통해 크로마토그래피 기술을 능가합니다.

예

층별 자기조립

SPR 곡선은 얇은(약 38 나노미터) 금 센서에 고분자 전해질과 점토 광물 자가 조립 필름을 흡착하는 동안 측정됩니다.

표면 플라즈몬 공명 분광법의 첫 번째 일반적인 응용 중 하나는 금 기판에 흡착된 자가 조립 나노 필름의 두께(및 굴절률)를 측정하는 것이었습니다. 공명 곡선은 흡착된 필름의 두께가 증가함에 따라 더 높은 각도로 이동합니다. 이 예는 '정적 SPR' 측정입니다.

고속 관찰을 원할 때 공명점 바로 아래의 각도(최소 반사각)를 선택하고, 그 지점의 반사율 변화를 측정할 수 있습니다. 이른바 '다이나믹 SPR' 측정입니다. 데이터의 해석은 측정 중에 필름의 구조가 크게 변하지 않는다고 가정합니다.

구속상수결정

결합 및 해리 신호
Biacore 출력 예제

SPR은 분자 상호작용의 실시간 동역학을 연구하는 데 사용될 수 있습니다. 두 리간드 사이의 친화도를 결정하는 것은 평형 해리 상수를 설정하는 것을 포함하며, 이는 곱 몫에 대한 평형 값을 나타냅니다. 이 상수는 해리 속도를 결합 속도로 나눈 값으로 계산되는 동적 SPR 매개 변수를 사용하여 결정할 수 있습니다.

이 과정에서 SPR 결정의 덱스트란 표면에 리간드가 고정됩니다. 마이크로 플로우 시스템을 통해 분석물이 포함된 용액이 리간드로 덮인 표면 위에 주입됩니다. 리간드에 대한 분석물의 결합은 SPR 신호의 증가를 유발합니다(반응 단위, RU로 표시됨). 결합 시간 후, 분석물이 없는 용액(일반적으로 버퍼)이 미세유체에 도입되어 리간드와 분석물 사이의 결합 복합체의 해리를 개시합니다. 분석물이 리간드에서 해리됨에 따라 SPR 신호가 감소합니다. 이러한 연관성('on rate', ka)과 해리 속도('off rate', kd)로부터 평형 해리 상수('결합 상수', KD)를 계산할 수 있습니다.

감지된 SPR 신호는 입사광이 금층의 표면 플라즈몬과 전자기적으로 '커플링'된 결과입니다. 이 상호작용은 금-용액 계면의 층 특성에 특히 민감하며, 일반적으로 단 몇 나노미터 두께입니다. 물질이 표면에 결합하면 빛이 반사되는 방식이 달라져 반사각에 변화가 생기는데, 이를 SPR 실험에서 신호로 측정할 수 있습니다. 한 가지 일반적인 응용 분야는 항체-항원 상호작용의 동역학을 측정하는 것입니다.

열역학적 해석

SPR 바이오센서는 다양한 온도에서 측정이 용이하므로 열역학적 분석을 수행하여 연구된 상호작용을 더 잘 이해할 수 있습니다. 일반적으로 4 ~ 40 °C의 다양한 온도에서 측정을 수행함으로써 결합 및 해리 속도 상수를 활성화 에너지와 연관시키고 결합 엔탈피, 결합 엔트로피, 깁스 자유 에너지 및 열용량을 포함한 열역학적 매개변수를 얻을 수 있습니다.

쌍별 에피토프 매핑

SPR은 실시간 모니터링이 가능하기 때문에 샌드위치 구성의 항체 간 적합성을 조사할 때 순차적 결합 이벤트의 개별 단계를 철저히 평가할 수 있습니다. 또한, 중첩된 항원결정부의 항체가 동시에 상호작용할 수 있는 것에 비해 약독화된 신호와 연관될 것이기 때문에 항원결정부의 매핑을 허용합니다.

이노베이션스

자기 플라즈몬 공명

최근 자성 표면 플라즈몬에 대한 관심이 있습니다. 이것들은 큰 음의 자기 투과성을 가진 물질을 필요로 하는데, 이것은 메타 물질의 건설과 함께 최근에야 이용 가능하게 된 특성입니다.

그래핀

금 위에 그래핀을 겹치면 SPR 센서 성능이 향상되는 것으로 나타났습니다.[21] 탁월한 전기 전도성으로 감지 감도를 높입니다. 그래핀의 넓은 표면적은 또한 낮은 굴절률이 간섭을 최소화하면서 생체 분자의 고정화를 용이하게 합니다. 그래핀을 다른 물질과 통합하여 SPR 감도를 향상시키면 SPR 센서의 잠재력이 확장되어 보다 광범위한 응용 분야에서 실용화됩니다. 예를 들어, 그래핀의 향상된 감도는 은 SPR 센서와 함께 사용될 수 있으며, 소변 내 포도당 수치를 측정하기 위한 비용 효율적인 대안을 제공합니다.[22]

그래핀은 또한 최대 500°C의 고온 어닐링에 대한 SPR 센서의 저항력을 향상시키는 것으로 나타났습니다.[23]

광섬유 SPR

SPR 기술의 최근 발전은 SPR 감지의 범위와 적용 가능성을 증가시키는 새로운 포맷을 탄생시켰습니다. 광섬유 SPR은 광섬유 끝에 SPR 센서를 통합하여 분석물이 중공 SPR 코어를 통과할 때 표면 플라스몬과 빛을 직접 결합할 수 있습니다.[24] 이 포맷은 향상된 감도를 제공하고 컴팩트한 감지 장치를 개발할 수 있도록 하여 현장에서 원격 감지가 필요한 애플리케이션에 특히 유용합니다.[25] 또한 분석물이 광섬유의 내부 안감에 결합할 수 있도록 표면적을 넓혔습니다.

참고 항목

참고문헌

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