Gap-plasmon based fluorescence correlation spectroscopy

국문 초록 (Abstract)

고전 광학에서 입사광은 회절 한계에 의하여 감소될 수 있는 크기에 제한을 받는다. 아베(Abbe) 회절 한계에 따르면 입사광의 크기는 주로 입사광의 파장과 사용된 광학 시스템의 개구 수(numerical aperture, NA)에 의해 결정된다. 이 회절 한계를 극복하기 위해서 다른 방법론이 광학 시스템에 적용되어야 하며 나노 스케일에서의 광 제어를 이루기 위해서 많은 종류의 연구가 수행되어왔다. 본 논문은 플라스모닉스 기술이 회절 한계를 극복한 나노 스케일 영역에서 광신호를 국소화 및 조정하여 높은 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio, SNR) 및 정밀도로 생물학적 정보를 획득할 수 있음을 보였다.
본 논문은 먼저 제 2 장에서 나노 스케일 물질의 플라스몬 특성을 조사하기 위해 박막의 광열 반응을 고려한 반복 계산 방법을 사용하여 금속 나노 구조의 전기장 분포와 열팽창을 분석하였다. 다양한 입사 조건에서 플라스몬 금속 박막의 전기장 향상 및 에너지 흡수의 측정이 가능한 탐침 기반의 측정법을 제시하였다. 또한, 비대칭 다층 계에서의 파동 분산 관계에 의해 설명될 수 있는 금 박막의 누설 방사(leakage radiation, LR)를 조사하였다. LR은 금속 박막의 표면 플라스몬 폴라리톤(surface plasmon polariton, SPP)의 전파를 시각화하며 이를 통하여 금속 표면의 굴절률 분포를 확인할 수 있다. 본 논문은 누설 방사 현미경(leakage radiation microscopy, LRM) 및 표면 플라스몬 공명 현미경(surface plasmon resonance microscopy, SPRM) 기술의 성능을 하드웨어 및 소프트웨어적으로 개선시킬 수 있는 방법에 대하여 논의하였다. 제 3 장은 다양한 크기 및 주기를 가지는 원형, 마름모꼴, 삼각형 모양의 나노 구조에 초단파 펄스가 가해졌을 때 인가되는 국소화된 표면 플라스몬(localized surface plasmon, LSP)에 대하여 살펴본다. 더 나아가, 플라스몬 구조에 인가되는 입사광의 특성을 조정함으로써 회절 한계로 제한된 영역 내에서 근접장 분포의 공간 제어가 가능하며, 고해상도 형광 이미징에 적용이 가능함을 보여주었다. 제 4 장에서는 18 nm 갭을 갖는 플라스몬 나노 구조체 어레이가 형광 상관 분석법 (fluorescence correlation spectroscopy, FCS)의 성능을 개선할 수 있음을 입증하였다. FCS는 형광 신호의 자기 상관 함수로부터 분자의 확산 및 결합 상호 작용과 같은 특성을 조사하는데 용이한 기술로, 특히 세포 내 및 세포막 상의 생체 분자의 운동 특성을 조사하는데 적용된다. FCS는 일반적으로 회절 한계에 의해 제한된 관찰 부피를 사용하여 수행되어 왔다. 예를 들어, 공초점 현미경을 사용한 실험 조건 하에서 FCS는 횡축으로 약 200 nm 및 종축으로 600 nm으로 제한된 관찰 부피를 갖는다. 본 논문에서는, 플라스몬을 사용하여 개선된 형광 상관 분광법(plasmonic-enhanced fluorescence correlation spectroscopy, pFCS)이 생체 분자의 운동 특성 연구에 어떻게 기여할 수 있는지 탐구하였다. p-FCS는 입사광을 나노 갭에 국소화시켜 회절 한계보다 작은 영역에서 생체분자를 관찰할 수 있도록 하였다. 나노 갭 내에 국소화된 전자기장은 근접장 주사 광학 현미경(near-field scanning optical microscopy, NSOM)을 사용하여 실험적으로 확인되었다. 이러한 나노 스케일 영역에서의 전자기장 국소화는 회절한계보다 작은 산란 단면을 가지며 LR의 세기를 증대한다. 본 논문에서는 소실파 내에서 동시에 표면 플라스몬 공명(surface plasmon resonance, SPR) 이미징을 수행할 수 있는 영상장치를 구축하여, 나노 입자를 높은 정밀도로 추적할 수 있게 하였다. 제 2 장과 3 장에서 논의한 바와 같이, 플라스몬 나노 구조체의 근접장 증폭은 형광 여기와 LR 강도 모두를 향상시킬 수 있음을 입증하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In classical optics, there is a theoretical limitation of the size to which a focused incident beam can be reduced. The size is mainly governed by the incident wavelength and a numerical aperture of an optical system. To break this diffraction limit, other methodologies should be employed to the optical system and many kinds of research have been performed to achieve a nanoscale light confinement. In this sense, plasmonics can be substantial to manipulate the optical signal within the nanoscale area and collect biological information from the sample with a high signal-to-noise ratio (SNR) and precision.
To investigate the plasmonic properties of nanoscale materials, we first analyzed a field distribution and a thermal expansion of metallic nanostructures which were compared with an iterative calculation method considering the opto-thermal response of thin films in Chapter 2. The experimental results had a good agreement with calculation methods. The results have provided direct measurements of optical responses of plasmonic thin films by measuring field enhancements and absorption with various incident conditions. In addition, we have investigated the leakage radiation (LR) of gold thin films which can be explained by the dispersion relation in the asymmetric multi-layered system. We have discussed a good advantage of LR to visualize the surface plasmon polariton (SPP) propagation on gold thin films and how to improve the imaging performance. In Chapter 3, we have explored spatial field localization under ultrashort light pulses based on localized surface plasmon (LSP) by three-dimensional geometrical nanoapertures, which were circular, rhombic, and triangular with various combinations of size and period. Moreover, it was shown that plasmonic nanostructures enable spatial control of near-field distribution within the diffraction-limited area and also applicable to high-resolution fluorescence imaging. In Chapter 4, it was shown that the performance of fluorescence correlation spectroscopy (FCS) could be improved using plasmonic nanostructure arrays which have an 18-nm gap. FCS is a well-known technique that enables molecular detection to obtain biological information such as properties of diffusion and binding interaction by acquiring an autocorrelation of fluorescence fluctuation. FCS is typically conducted using a diffraction-limited volume in which target molecules diffuse. Under the typical experimental condition of confocal microscopy, diffraction-limited FCS has a volume of 200-nm lateral width and 600-nm axial length. We have explored how plasmon-enhanced FCS (p-FCS) was feasible and potential for biomolecular study using lysosomes in the human embryonic kidney (HEK) 293 cells. The p-FCS have provided arrays of sub-diffraction-limited light volume. The field localization within a nanodimer’s gap was confirmed experimentally using near-field scanning optical microscopy (NSOM). Those nanoscale localizations have much smaller scattering cross-section with higher SNR. We have established p-FCS imaging set-up which was able to perform surface plasmon resonance (SPR) imaging simultaneously in the evanescent field, allowing tracking nanoscale molecules with improved precision. As discussed in Chapters 2 and 3, it has been demonstrated that near-field amplification of plasmonic nanostructure had improved both fluorescence excitation and LR intensity.
It should be emphasized that plasmonic nanostructures confining electromagnetic field into the nanoscale area have great potential in various biomedical engineering applications. In the dissertation, we have demonstrated near-field and far-field properties of plasmonic nanostructures and their applications for biological studies. The properties and performance of plasmonic nanostructures are expected to be investigated in more extensive areas of research as a critical component of nanotechnology and to find more applications for delivery of nanoscale biomolecular information.