[논문 리뷰] Nanoscale optical and structural characterisation of silk

Meguya Ryu, Reo Honda외 11명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 07.

Silk-based biomaterials and applications인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 나노두께(100 nm)의 종방향 미세절편을 사용하여 실리콘의 초분광 적외선(IR) 맵핑에서 10 nm 이하의 공간 해상도를 달성하였으며, 나노스케일 광학 이방성을 직접 측정할 수 있게 하였다. 분자의 정렬에 의한 1–2%의 투과도 변화를 신뢰성 있게 검출함으로써, 실리콘의 구조적 및 광학적 성질이 나노스케일에서 그대로 유지됨을 검증하였다.

ABSTRACT

Background: Nanoscale composition of silk defining its unique properties via a hierarchical structural anisotropy has to be analysed at the highest spatial resolution of tens-of-nanometers corresponding to the size of fibrils made of b-sheets, which are the crystalline building blocks of silk. Results: Nanoscale optical and structural properties of silk have been measured from 100-nm thick longitudinal slices of silk fibers with ~10 nm resolution, the highest so far. Optical sub-wavelength resolution in hyperspectral mapping of absorbance and molecular orientation were carried out for comparison at IR wavelengths 2-10 micrometers using synchrotron radiation. Conclusion: Reliable distinction of transmission changes by only 1-2% due to anisotropy of amide bands was obtained from nano-thin slices of silk.

연구 동기 및 목표

• 실리콘의 광학적 및 구조적 특성 분석에서 나노스케일 공간 해상도를 확보하는 것, 특히 β-시트 섬유 수준에서의 분석을 목표로 한다.
• 아미드 밴드의 분자 정렬에 기인한 이방성 흡수를 하이퍼스펙트럼 IR 맵핑을 통해 하이퍼스펙트럼 해상도로 신뢰성 있게 검출할 수 있는지 조사한다.
• 초박편(100 nm) 미세절편이 실리콘과 같은 연성 생고분자의 고유 광학적 및 구조적 성질을 유지하는지 검증한다.
• 나노스케일에서 투과도 및 이방성의 측정에 있어 원거리장 및 근거리장 IR 측정 기법을 비교한다.
• 나노스위치가 두꺼운 또는 거대한 표본에서 관찰되는 광학 평균화 효과를 제거하여 고유 광학 성질을 직접 측정할 수 있는지 확인한다.

제안 방법

• 초미세절단기(ultramicrotome)를 사용하여 실리콘 섬유의 종방향 100-nm 두께의 절편을 제작함으로써 광학 평균화 효과를 최소화하기 위한 나노스케일 두께를 확보한다.
• 10 nm 정도의 피크 해상도를 갖는 동기광원 기반 근거리장 스캐닝 광학 현미경(SNOM)을 사용하여 2–10 µm 범위에서 초분광 IR 맵핑을 수행한다.
• IR 파장에서의 초분광 투과도 및 지연각 측정을 통해 이방성 흡수도를 따코이즘 Δ" = k(κ∥ − κ⊥)d를 통해 평가한다.
• SNOM(근거리장) 및 원거리장 FTIR/ATR-FTIR 기법으로부터의 투과도 스펙트럼을 비교하여 다양한 측정 방식 간의 일관성을 검증한다.
• 투과도 변화를 연결하기 위해 T∥/T⊥ = exp(−2Δ") 식을 사용하여 평행 및 수직 편광 상태 간의 투과도 차이를 정량화한다.
• 구조적 이방성과 관련된 편광 의존성 흡수도 및 이방성의 평가를 위해 아미드 I, II 및 A 밴드를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘의 초분광 IR 맵핑에서 10 nm 이하의 공간 해상도를 확보할 수 있는가? 이는 나노스케일의 구조적 및 광학적 이방성을 해상할 수 있는가?
• RQ2 100-nm 두께의 실리콘 절편에서의 투과도 이방성(디코이즘)의 크기는 얼마이며, 나노스케일에서 신뢰성 있게 측정할 수 있는가?
• RQ3 초박편 미세절편이 실리콘의 고유 광학적 및 구조적 성질을 유지하는가?
• RQ4 근거리장(SNOM) 및 원거리장 IR 측정 간의 스펙트럼 특성과 분자의 정렬에 대한 감도는 어떻게 비교되는가?
• RQ5 분자의 이방성에 기인한 투과도 변화(T∥/T⊥ 등)가 현재의 나노스케일 IR 기술에서 측정 가능한 범위에 얼마나 이르는가?

주요 결과

• SNOM를 사용하여 약 10 nm의 공간 해상도를 확보하였으며, 이는 현재까지 실리콘의 나노스케일 광학 특성 분석에서 보고된 바 중 가장 높은 해상도이다.
• 분자의 정렬에 기인한 투과도 이방성은 신뢰성 있게 측정되었으며, 평행 및 수직 편광 상태 간의 투과도 변화는 1–2%에 불과하였다.
• 아미드 I에 대해 Δ" ≃ 0.027이며, 이에 따라 투과도 비율 T∥/T⊥ ≈ 97.4%로 도출되어 측정 가능한 비록 작은 이방성임을 확인하였다.
• 아미드 A에 대해 Δ" ≃ 0.014이며, T∥/T⊥ ≈ 98.6%로 도출되어 미미하지만 검출 가능한 따코이즘을 나타내었다.
• 원거리장 및 근거리장 투과도 스펙트럼 간의 정량적 유사성이 확인되어, 나노스위치에서의 SNOM 측정 신뢰성이 검증되었다.
• 100-nm 두께의 미세절편에서 실리콘의 구조적 및 광학적 성질, 즉 이방성(Δn ≈ 4×10⁻³) 및 투과도 등이 유지되었으며, 표본 제작 과정에서의 최소한의 오차가 있음을 확인하였다.