플라즈모닉 나노구조의 광학적 특성을 활용한 생체 진단 시스템 설계 = A study on optical characteristics of plasmonic nanostructures for biological diagnostic system design

국문 초록 (Abstract)

POCT는 기존의 중앙 검사실 방식의 진단 기술과 달리, 환자 근처나 진료 현장에서 시행되어 신속한 의료 조치를 가능하게 한다. 그러나 대표적인 POCT 기술인 PCR과 RPA는 온도 제어 장비로 인해 휴대성과 현장 접근성이 떨어지며, PCR의 긴 분석 시간과 RPA와 LFIA의 낮은 민감도는 실사용에 한계로 작용한다. 이러한 한계를 극복하기 위해 플라즈모닉 나노구조의 LSPR 특성을 활용하는 전략이 제시되었다. LSPR은 빛이 플라즈모닉 나노 구조에 조사되었을 때, 나노구조의 크기, 형상, 재료, 인접 구조와의 상호작용 등에 따라 구조 표면에 강한 국소 전기장 증폭되어 흡수와 산란이 향상되는 현상이다. 나노구조의 구조적 특징에 따라 광학 특성이 매우 달라지기 때문에, 이를 해석하고 분석하는 것이 설계에 있어 매우 중요하다. 본 연구에서는 다중물리-다중스케일 시뮬레이션을 통해 다양한 플라즈모닉 나노구조의 광학적 특성을 분석하고 각 구조 기반의 POCT 시스템 성능을 예측하였다. 먼저 파동 광학 시뮬레이션과 열 전달 시뮬레이션을 통해 BiND를 활용한 PCR 시스템을 평가한 결과, 단일 금속 디스크 대비 광열 전환 효율과 온도 상승 효율이 향상되었고, 약 30초 만에 95 °C에 도달하였다. 두 번째로 AuNS의 광학 특성을 분석한 결과, AuNS의 높이가 증가할수록 흡수율이 상승하여 높이 500 nm에서 100%에 근접했으며, 열- 유체 시뮬레이션에서 약 40°C에 안정적으로 도달해 RPA 조건을 5초 이내로 충족함을 확인했다. 마지막으로 AuDS의 LFIA 적용 가능성을 확인한 결과, AuDS 위 AuNP 크기 증가에 따라 나노갭에서의 플라즈모닉 핫스팟 발생하며, 이로 인해 AuDS의 소광 강도가 비약적으로 증가하는 것을 확인하였다. 본 연구는 다중물리–다중스케일 구조 해석을 통해 LSPR 지배 변수와 성능 간 상관관계를 정량화하고, 핵산 증폭과 LFIA에 적합한 플라즈모닉 구조 설계 가이드를 제시함으로써 향후 현장진단검사 기술의 성능 향상과 고도화에 기여할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 표 목 차 i
• 그 림 목 차 i
• 약 어 설 명 iv
• 국 문 요 약 v
• I. 서론 1
• 1. 연구 배경 1
• (1) 현장진단검사 1
• (2) 국소 표면 플라즈몬 공명 2
• (3) 기존 LSPR 기반 POCT 연구 3
• 2. 본 연구의 필요성 4
• II. 금-티타늄 이종 금속 나노 디스크의 광열 특성 분석 5
• 1. 지배 방정식 5
• (1) 파동 광학 시뮬레이션 5
• (2) 열 전달 시뮬레이션 6
• 2. 시뮬레이션 모델링 7
• (1) 파동 광학 모델 도메인 7
• (2) 파동 광학 모델 경계조건 및 물성 8
• (3) 열 전달 모델 도메인 9
• (4) 열 전달 모델 경계조건 및 물성 10
• 3. BiND의 광열 전환 성능 분석 11
• 4. BiND 기반 PCR 시스템 온도 예측 시뮬레이션 19
• III. 금 나노 스파이크 구조의 광열 성능 분석 20
• 1. 지배 방정식 20
• (1) 파동 광학 시뮬레이션 20
• (2) 열-유체 시뮬레이션 20
• 2. 시뮬레이션 모델링 21
• (1) 파동 광학 모델 도메인 21
• (2) 파동 광학 모델 경계조건 및 물성 23
• (3) 열-유체 모델 도메인 및 경계조건 24
• (4) 열-유체 모델 재료 물성 25
• 3. AuNS 높이에 따른 광열 전환 성능 분석 26
• 4. 반응 챔버 내 온도 예측 시뮬레이션 및 실험적 검증 34
• IV. 금 입자가 부착된 실리카 입자의 광학 성능 분석 37
• 1. 지배 방정식 37
• (1) 파동 광학 시뮬레이션 37
• 2. 시뮬레이션 모델링 38
• (1) 파동 광학 모델 도메인 38
• (2) 파동 광학 모델 경계조건 및 물성 40
• 3. AuDS의 나노 갭에 따른 광학 특성 분석 41
• 4. AuNS의 플라즈모닉 커플링 분석 45
• V. 결론 49
• 참고문헌 50
• ABSTRACT 53
• 감사의 글 55