Block-Copolymer-Templated Gold Nanoparticle Arrays for Sensitivity Enhancement of Surface Plasmon Resonance Biosensing

Abstract

In CHAPTER I, the concepts and sensing application of surface plasmon resonance phenomenonaredescribed.The excitation of surface plasmons (SPs) by light results in the collective oscillation of free electrons with respect to the metallic surface in resonance with the light field. This phenomenon is known as the surface plasmon resonance (SPR). SPR is a surface-sensitive analytical technique based on the ability to detect dielectric constant changes induced by molecular adsorption at a noble metal film. Thus, it has been widely applied for biosensing to study various interactions and recent state-of-the-art applications of SPR biosensors are summarized. The extremely intense and highly confined electromagnetic fields induced by the LSPR also provide a very sensitive probe to detect small changes in the dielectric environment around the nanostructures.Manyresearch efforts have been aimed at the signal enhancement via SPR coupling effect. We also summarized several representative examples for enhanced SPR sensing using plasmonic coupling concept. Besides, block copolymer (BCP) self-assembly was mentioned as a facile and powerful route to fabricate highly ordered nanostructures. In CHAPTER II, we suggested a simple strategy for the fabrication of 2-dimensional plasmonic Au NPs array on SPR sensor chip via BCP self-assembly. Polystyrene-block-poly(2-vinylpyridine) diblock copolymer was used as a template for the generation of Au NPs array and Au NPs were functionalized with biotin for further biomolecular detection. The order of regularity of the array wascontrolled by varying the loading protocol of AuNPs. Morphology study was carried out using atomic force microscopy (AFM), scanning electron microscopy (SEM) and ImageJ software. The sequential fabrication process was monitored by SPR spectroscopy measurements. In CHAPTER III, we suggested that the BCP-templated Au NP arrays were used for enhancing the sensitivity of SPR-coupling-based streptavidin sensing. BCP-templated Au NP arrays can be one of the promising solutions for the improvement of sensitivity in SPR sensing because of its simple and bottom-up approach fabrication while top-down methods are mostly studied previously. Effect of the amount of Au NPs on the substrate and array morphology on the sensing performance was compared. The normalized angular sensitivity was compared with control experiment which was conducted on bare 50nm-Au film despite the amount of probe molecules was much less. LSPR of Au NPs was effectively coupled with SPs of Au film, and a specific random Au nanocluster array prepared by 30 min dipping time showed 8.92 times higher sensitivity enhancement factor compared with a control experimental model.;본 연구에서는 국소적 표면 플라즈몬 공명 현상을 제어하고 평판 표면 플라즈몬 공명 현상과의 커플링을 통해 표면 플라즈몬 공명 현상 기반의 바이오 센서의 감도 증가 연구를 위한 금 나노입자 어레이의 연구에 관해 소개하였다. 첫 번째 장에서는, 표면 플라즈몬 공명 현상의 일반적인 개념과 그 센싱 응용에 관해 소개하였다. 표면 플라즈몬 공명 현상은 나노 크기 수준의 귀금속 표면 전자의 집단적인 진동 운동이 갖는 고유의 벡터와 외부에서 입사하는 빛의 벡터가 일치하는 조건에서 공명이 일어남으로써 증폭된 장이 유도되는 현상이다. 표면 플라즈몬 공명 현상은 표면에 민감한 분석 기술로, 귀금속 박막의 표면의 흡착에 의한 유전율 상수의 변화를 감지한다. 또한 국소 표면 플라즈몬 현상에 의해 유도된 국한된 장도 나노구조체 주변의 작은 유전율 변화를 감지하는 매우 민감한 탐침이다. 최근에는 신호를 증폭시키기 위해 금 나노구조체 또는 귀금속 나노입자를 이용하는 연구도 활발하게 진행되고 있고, 관련 연구 동향을 소개하였다. 또한, 블록공중합체의 자기조립 현상에 대한 일반적인 개념과 그 응용에 대하여 소개하였다. 두 번째 장에서는, 블록공중합체 자기조립을 이용하여 2차원의 금 나노입자 어레이의 제조 방법과 센서로의 응용 가능성에 대한 연구결과를 소개하였다. PS-b-P2VP의 역마이셀의 단층막을 만든 후, 후처리 또는 후처리 과정 없이 금 나노입자 어레이를 만든다. 이렇게 만든 금 나노 입자 어레이의 특성과 표면 구조와 형태를 AFM과 SEM으로 관찰하였고, 이를 이용해 이미지제이 소프트웨어로 분석하였다. 금 나노입자에는 싸이올-바이오틴을 도입시켜 바이오센싱에 응용하고자 하였다. 세 번째 장에서는, 바이오틴과 스트렙타비딘을 이용한 표면 플라즈몬 공명 현상 기반의 바이오 센싱을 살펴보고, 금 나노입자를 도입하여 표면 플라즈몬 공명 현상의 신호를 증폭시키는 전략에 대한 연구결과를 소개하였다. 금 박막 표면의 바이오틴과 선택적인 결합을 하는 스트렙타비딘을 도입한 후 표면 플라즈몬 공명 각도의 변화와 감도향상 정도를 어레이의 특성에 따라 비교 분석하였다.