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Nanostar and Tunable Au Core-Ag Shell Nanoparticle Attached Atomic Force Microscopy Tip

초록/요약

원자힘 현미경을 기반으로한 팁 증강 근접장 광학 현미경 여러 생명현상을 실제 단분자 수준에서 측정하기 위한 연구가 최근들어 활발 하게 진행 되고 있다. 최근 광학핀셋 방법, 자기구슬 방법 그리고 원자힘 현미경 (atomic force microscopy, AFM) 등을 이용하여 단분자간의 상호작용력을 측정하고 분석함으로써 생명현상을 더욱 심도있게 이해 할 수 있다. 그중에서도 원자힘 현미경 기술은 고해상도로 표면 이미징이 가능하고 생체 분자의 특이적 상호 작용력을 측정함으로써 단분자 연구에 이용 되고 있다. 이러한 점을 기반으로 원자힘 현미경과 공초점 현미경 기술을 융합 함으로써 팁 증강 근접장 광학 현미경 (tip enhanced near field optical microscopy, TENOM) 이 개발 되었다. TENOM은 단색화장치 (monochromator) / 전하결합소자 (CCD), 고민감 광학다이오드 (avalanche photodiode, APD) 그리고 공초점 현미경을 원자힘 현미경과 융함 함으로써 원자힘 현미경이 가지는 한계를 넘어 표면 분자들의 라만 (Raman) 분석뿐만 아니라 매우 민감하게 단일 형광 측정도 가능 하게 되었다. 레이져 빛을 원자힘 현미경 팁 끝에 조사함으로써 나타나는 신호의 팁 증강 (tip enhanced) 현상을 이용하여 매우 국소적인 영역에서 나타나는 광학적 성질을 측정 할 수 있게 되었다. 특히 Ag 또는 Au 가 코팅된 원자힘 현미경 팁을 사용하여 증강된 신호를 얻을 수 있다. 팁 증강 라만 산란 (tip enhanced Raman scattering) 의 경우 분자와 원자힘 현미경 팁이 매우 가깝게 위치할 경우 크게 증강된 라만 신호를 얻을 수 있으며, 팁 증강 형광 (tip enhanced fluorescence) 역시 크게 증강된 형광을 측정 할 수 있을 뿐만 아니라 일반적인 공초점 현미경의 분해능 한계를 뛰어 넘어 100 nm 이하의 분해능을 얻을 수 있다. 나노스타 입자가 도입된 원자힘 현미경 팁을 이용한 팁 증강 라만과 형광 현미경 연구 원자힘 현미경을 사용하면 서로 상보적인 서열을 가지는 DNA-DNA 간 상호작용력을 측정 할 수 있다. 서로 다른 길이의 상보적인DNA 간 상호작용력 차이를 응용하여 원자힘 현미경 팁 끝에 단 한 개의 나노입자를 도입 할 수 있다. 이러한 단일 나노입자가 도입된 원자힘 현미경 팁을 이용하여 성장이라는 방법을 통해 나노스타 입자를 탐침 끝에 도입 시킬 수 있다. 나노스타가 도입된 원자힘 현미경 팁에 레이져 빛을 조사하면, 나노스타 입자 끝의 뾰족한 가지 끝 부분에 처음 조사한 빛 보다 더 강력한 전자기장이 생성 된다. 이러한 점을 응용하여 나노스타가 도입된 원자힘 현미경 팁을 만들어 큰 팁 증강 신호를 얻을 수 있다. 일반적으로 나노스타를 만들 때 사용하는 방법은 계면 활성제를 첨가 하여 특정 단면을 통제해 비등방성 모양으로 만들 수 있다. 하지만 나노입자 표면에 계면 활성제가 일반적으로 강하게 흡착함으로써 원치 않는 신호가 섞여 측정 될 수 있다. 새롭게 제시하는 나노스타 성장법은 이러한 점을 사전에 차단 하였다. 나노스타가 도입된 원자힘 현미경 팁은 팁 증강 라만과 팁 증강 형광 기술에 사용 할 수 있다. 팁 증강 라만법의 경우 crystal violet (CV)이 도입된 표면에서 10배 정도의 라만 신호 증강 효과를 보였다. 또한 팁 증강 형광법의 경우에는 팁 증강 효과를 극명하게 보기 위해 낮은 양자점 효율 (quantum yield) 를 보이는 DiI 형광체를 사용하였다. DiI를 이용한 팁 증강 형광법의 경우 최대 100배의 형광 증강 효과 및 일반적인 공초점 현미경 분해능을 뛰어 넘는 수준을 보여 주었다 (>100 nm). 이러한 새로운 팁 제작 방법을 제시함으로써 좀더 깊은 광학적 현상을 이해하고 팁 제작 방법을 다양화 할 수 있다. 조절 가능한 Au 코어–Ag 쉘 나노입자가 도입된 원자힘 현미경 팁을 이용한 팁 증강 라만 분광학 연구 서로 다른 길이의 DNA-DNA 상호작용력 차이를 응용하면5 nm Au나노입자를 원자힘 현미경 팁 끝에 도입 할 수 있다. 5 nm Au나노입자는 라만 신호를 증강하기에는 크기가 충분히 크지 않아 Ag 성장 용액을 이용함으로써 Au 나노입자 표면에 Ag 이온이 환원되게 하였다. Ag 성장 용액을 이용하여 Au코어-Ag 쉘 나노입자를 원자힘 현미경 팁에 도입 할 수 있다. Ag-코팅은 환원제와 Ag 이온 용액을 섞어 주고 반응 시간을 조절 함으로써 다양한 크기의 나노입자를 원자힘 현미경 팁 끝에 도입 시킬 수 있다. 특히 강력한 환원제가 아닌 마일드 (mild) 한 환원제를 사용함으로써 비특이적 성장을 줄이고 특이적으로 원하는 부분에서만 성장이 가능하였다. Au코어-Ag 쉘 나노입자가 도입된 원자힘 현미경 팁을 이용하여 크게 증강된 라만 신호를 얻을 수 있다. 특히 다양한 크기의 Au코어-Ag 쉘 나노입자가 도입된 원자힘 현미경 팁을 사용하여 biphenyl-4-thiol (BPT) 를Au 필름 위에 단일 박막층으로 도입 후 팁 증강 라만 신호를 측정 하였다. 이때 측정된 라만 신호의 증강은 FDTD 시뮬레이션 결과와 유사한 경향성을 보였다. 본 연구를 통해 단일 Au코어-Ag 쉘 나노입자를 높은 수율로 원자힘 현미경 팁 끝에 도입 할 수 있었다. 앞으로 속이 빈 나노입자를 원자힘 현미경 팁 끝에 도입한다면 이전보다 더 큰 증강 라만 신호를 얻을 수 있을 것으로 예상 한다.

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초록/요약

Chapter 1. Atomic Force Microscopy Based Tip Enhanced Near Field Optical Microscopy Atomic force microscopy (AFM) has been used to image nanostructures and it has established for biological system for single molecule investigation. Additionally, various technologies such as optical tweezer, magnetic tweezer are developed for research of single molecule by interaction measurement. Since 2000 year, optical microscopy is combined with AFM. After its invention, tip enhanced near field optical technique has been developed for single molecule detection. Therefore, tip enhanced near field optical microscopy (TENOM) has shown high spatial resolution optical images combined with highly enhanced signal. TENOM is shown to be applicable to Raman enhancement and enhanced fluorescence. TENOM is based on antenna effect by sharp metallic probes. Raman scattering is based on the inelastic scattering of radiation. Raman scattering photon has extremely small cross section, but it can be enhanced by several order on noble (Au, Ag) metal surface. It is called surface enhanced Raman scattering (SERS). Tip enhanced Raman spectroscopy (TERS) is based on SERS phenomenon. TERS provides chemical information on nanoscale. Enhanced Raman signal is generated on contacted edge of the tip on surface. Therefore, TERS detects more localized area than normal Raman and SERS technique, and it is useful for single molecule research. Fluorescence emission yield is changed by distance from noble metal surface. Fluorescence is enhanced when close to metal surface (sub nanometer). It is called metal enhanced fluorescence (MEF). Tip enhanced Fluorescence microscopy (TEFM) provides increased signal by noble metal tip. Substantial signal enhancement exhibits when tip-sample distance is close, while fluorescence quenching is observed below about 5 nm. Sharp noble metal probe is critical point of TENOM experiment. However, the making method of representative and noble probes is still a need for approach.   Chapter 2. Nanostar Probes for Tip Enhanced Raman and Fluorescence Microscopy To overcome the current limit of tip-enhanced spectroscopy that is based on metallic nano-probes, we developed a new scanning probe with a metallic nanostar, a nanoparticle with sharp spikes. A Au nanoparticle of 5 nm was first attached to the end of a tip through DNA-DNA hybridization and mechanical pick-up. The nanoparticle was converted to a nanostar with a core diameter of ~70 nm and spike lengths between 50 nm and 80 nm through the reduction of Au3+ with ascorbic acid in the presence of Ag+. Fabrication yields of such tips exceeded 60%, and more than 80% of such tips showed mechanical durability sufficient for use in scanning microscopy. Effectiveness of the new probes for tip-enhanced Raman scattering (TERS) and tip-enhanced fluorescence (TEF) was confirmed. The probes exhibited the necessary enhancement for TEF, and the tip-on and tip-off ratios varied between 5 and 100. This large tip-to-tip variability may arise from the uncontrolled orientation of the apexes of the spike with respect to the sample surface, which calls for further fabrication improvement. The result overall supports a new fabrication approach for the probe that is effective for tip-enhanced spectroscopy.   Chapeter 3. A Tunable Au Core-Ag Shell Nanoparticle Tip for Tip Enhanced Raman Spectroscopy A single Au nanoparticle (NP) with a diameter of 5 nm was transferred to the end of a Si-tip through a picking process, and an Ag shell with a controlled thickness was formed on the Au core. By carrying out tip-enhanced Raman scattering (TERS) measurements on biphenyl-4-thiol (BPT) with the Au@Ag NP-tip (overall diameter of 22-60 nm), we confirm that such tips show a plasmonic local-field enhancement that is sufficient for tip-enhanced spectro-microscopy. We believe that the Au@Ag NP-tip preparation procedure can be extended to NPs with various geometries such as hollow shells or octahedrons, which may offer increased sensitivity and spatial resolution in tip-enhanced spectro-microscopy in addition to the improved reproducibility for the TERS activities.

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목차

Abstract i
Contents v
List of Figures viii
List of Tables xxii

Chapter I. Atomic Force Microscopy Based Tip Enhanced Near Field Optical Microscopy

I. Introduction 2
1.1. Single Molecule Force Spectroscopy (SMFS) 2
1.2. Atomic Force Microscopy (AFM) 4
1.3. Suface Preparation Method for Single Molecule Force Spectroscopy 8
1.4. Tip Enhanced Near Field Optical Microscopy (TENOM) 12
1.5. Raman Scattering 16
1.6. Metal Enhanced Fluorescence (MEF) 21
II. Applications of AFM Based Tip Enhanced Near Field Optical Microscopy 25
2.1. Tip Enhanced Raman Spectroscopy (TERS) 25
2.2. Tip Enhanced Fluorescence Microscopy (TEFM) 31
III. Conclusion 34
IV. References 35

Chapter II. Nanostar Probes for Tip Enhanced Raman and Fluorescence Microscopy

I. Introduction 40
II. Experimental Section 43
2.1. General Information 43
2.2. Chemicals 43
2.3. TENOM Set-Up 44
2.4. Preparation of Nanostar Attached Probes 46
2.5. Spin Coating of PMMA 46
III. Results and Discussion 48
3.1. Synthesis and Optical Properties of Nanostars 48
3.2. Synthesis of Single Nanoparticle Attached Probes 52
3.3. Measurement of Tip Enhanced Raman Scattering 61
3.4. Measurement of Tip Enhanced Fluorescence 65
3.5. Dig Phenomenon of Fluorescence by Gold Coated Probes 68
3.6. Discussions 70
IV. Conclusion 71
V. References 73

Chapter III. A Tunable Au Core-Ag Shell Nanoparticle Tip for Tip Enhanced Raman Spectroscopy

I. Introduction 79
II. Experimental Section 82
2.1. General Information 82
2.2. Set-Up for Tip Enhanced Raman Spectroscopy 84
III. Results and Discussion 86
3.1. Single Au@Ag Nanoparticle Tip for Tip Enhanced Spectroscopy 86
3.2. Measurement of Tip Enhanced Raman Scattering 91
IV. Conclusion 102
V. References 107

Summary in Korean 111

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