Recently, Nanotechnology has been emerged as an important research area and studied by many researchers. For increasing understanding of nanosized world, necessity of nanosized electrode has been emphasized. One dimensional nanoelectrode means which has at least one of its critical dimensions is in nanometer scale. Due to its unique structural properties, nanoeletrodes can detect or providing small signal which macro sized probe cannot. Nanoelectrodes are widely used for analyzing biological event at submicron level and biochemical sensor. For detecting these microscopic changes, robust and reproducible nanoprobe is needed. We report vapor transport method for single crystalline and atomically flat gold nanostructure. Au nanoelectrode was fabricated with tungsten tip using micromanipulation. Then, insulation was conducted for linked part between gold nanostructure and tungsten tip. Firstly, fabricated Au nanoelectrodes ability as an electrode was verified through simple electrochemical experiment, then applicability as a sensor tool was also tested by arsenic ion detection experiment.
In chapter 2, Surface modification of Au nanowire electrode was carried out for hydrogen peroxide detection at single cell level. Reactive oxygen species (ROSs) are kinds of important biomolecules which concerns cell signaling process and homeostasis. Among various ROSs, $H_2O_2$ is a main molecule for oxygen involved metabolism. Overexpression of $H_2O_2$ can cause aging of cell, apoptosis and even transformation to cancer cell. Prussian blue, which is even called ‘artificial enzyme’, shows great properties as a $H_2O_2$ transducer. In this experiment, mechanical stimulation was given to living Hela cell, which cause oxidative stress to cell. Then, $H_2O_2$ are overexpressed and released from the cell, $H_2O_2$ release was detected selectively using Prussian blue modified Au nanowire electrode. Upon insertion of Au nanowire electrode doesn’t cause severe damage to cell, we could successfully detect $H_2O_2$ release inside and outside of cell. We anticipate that Au nanowire electrode platform can increase understanding of single cell metabolism.
In chapter 3, Au nanoprobe was employed for regenerative astaxanthin milking from Haematococcus pluvialis. Milking of microalgae, the process of reusing the biomass for continuous production of target compounds can strikingly overcome the time and cost constraints associated with biorefinery. This process can significantly improve production efficiency of highly valuable chemicals, for example, astaxanthin (AXT) from Haematococcus pluvialis. Detailed understanding of the biological process of cell survival and AXT reaccumulation after extraction would be of great help for successful milking. Here we report extraction of AXT from a single cell of H. pluvialis through incision of the cell wall by a gold nanoscalpel (Au-NS), which allows single-cell analysis of wound healing and reaccumulation of AXT.
Interestingly, upon the Au-NS incision, the cell could reaccumulate AXT at a rate two times faster than the control cells. Efficient extraction as well as minimal cellular damage, keeping cells alive, could be achieved with the optimized shape and dimensions of Au-NS: a well-defined sharp tip, thickness under 300 nm, and 1-3 $\mu m$ of width. The demonstration of regenerative extraction of AXT at a single cell level hints toward the potential of a milking process for continuous recovery of target compounds from microalgae while keeping the cells alive.
In chapter 4, we report site specific delivery of GFP interfering siRNA using Au nanowire probe. siRNA, short interference Ribose nucleic acid, interfere specific target mRNA to prohibit transcript of protein, so that It has been emerged as a one of important materials for gene therapy. However, it is hard to deliver siRNA with high efficiency and targeted site because of endosomal escape in intracellular environment, so that not all RNA interference process is revealed. Here we use Au-S bond to modify surface of Au nanoprobe with GFP-suppressing siRNA, then through micro-manipulation which is based on its one dimensional structural strength, siRNA was delivered site specifically to nuclear, cytoplasm of hela cell. We followed change of cell fluorescent based on delivered site. We expect that Au nanoprobe based delivery platform can unveil the detailed RNAi process through direct delivery of target siRNA to various specific sites.
In the last chapter, surface enhanced Raman scattering (SERS) sensor was fabricated by Au nanowire for uranyl ion sensor. Uranium is an essential raw material in nuclear energy generation; however, its use raises concerns about the possibility of severe damage to human health and the natural environment. In this work, we report an ultrasensitive uranyl ion ($UO_2^{2+}$) detection method in natural water that uses a plasmonic nanowire interstice (PNI) sensor combined with a DNAzyme-cleaved reaction. ($UO_2^{2+}$) induces the cleavage of DNAzymes into enzyme strands and released strands, which include Raman-active molecules. A PNI sensor can capture the released strands, providing strong surface-enhanced Raman scattering signal. The combination of a PNI sensor and a DNAzyme-cleaved reaction significantly improves the ($UO_2^{2+}$) detection performance, resulting in a detection limit of 1 pM and high selectivity. More importantly, the PNI sensor operates perfectly, even in ($UO_2^{2+}$)-contaminated natural water samples. This suggests the potential usefulness of a PNI sensor in practical ($UO_2^{2+}$)-sensing applications. We anticipate that diverse toxic metal ions can be detected by applying various ion-specific DNA-based ligands to PNI sensors.
최근, 나노기술은 중요한 연구분야로 떠오르고 있으며 수많은 연구자들에 의해 연구되고 있다. 따라서, 나노 세계에 대한 이해를 높이기 위해, 나노크기의 전극의 필요성 또한 대두되고 있다. 일차원 나노전극이란, 최소한 하나의 임계치수가 나노미터 등급을 갖는 것을 의미한다. 그것의 독특한 구조적 성질 때문에 나노전극은 매크로크기의 탐침들은 하지 못하는 작은 신호를 검출하거나 제공할 수 있다. 나노전극은 마이크로 이하 수준의 생물학적인 현상을 분석하거나 생화학 센서로 다양하게 이용되고 있다. 그러한 미세한 변화를 관찰하기 위해서는, 안정하고 재현성있는 나노전극이 필요하다. 우리는 기상 이송법을 이용한 단결정이며 원자적으로 평평한 금 나노구조를 만든 것을 보고한다. 금 나노전극은 텅스텐 팁과 함께 마이크로-매니퓰레이션을 통해 제작되었다. 이어서, 금 나노구조와 텅스텐 팁 사이의 연결 부위를 절연하였다. 첫 번째로, 제작된 금 나노전극의 전극으로써의 능력이 간단한 전기화학적 실험을 통해 확인되었고, 이어서 센서 툴로의 응용가능성이 비소 이온 검출 실험을 통해 테스트 되었다.
챕터 2에서는, 단일 세포 수준에서 과산화수소의 검출을 위한 금나노선 전극의 표면개질이 수행되었다. 활성 산소 족은 중요한 생분자의 일종으로 세포 신호 전달 과정이나 항상성 유지에 관여한다. 다양한 활성산소족중, 과산화수소는 산소가 포함된 신진대사 과정의 주요 분자이다. 과산화수소의 과별은 세포의 노화, 죽음 그리고 심지어는 암세포로의 변이를 유발한다. 프러시안 블루는, 인공 효소라고도 불릴 만큼 과산화수소 변환기로써 뛰어난 성질을 보여준다. 이 실험에서, 세포에 산화 스트레스를 유발하는 기계적인 자극이 살아있는 헬라 세포에 주어졌다. 뒤이어, 과산화수소는 과발현되어 세포로부터 방출되었고, 과산화수소의 방출은 프러시안 블루로 개질된 금 나노선 전극에 의해 선택적으로 검출되었다. 금 나노선 전극의 삽입이 세포에 심각한 손상을 가하지 않기 때문에, 우리는 세포의 안과 밖에서 성공적으로 과산화수소를 검출할 수 있었다. 우리는 금 나노선 전극 플랫폼이 단일 세포 신진대사의 이해를 높일 수 있을 것이라고 기대한다.
챕터 3에서는 금 나노탐침이 Haematococcus pluvialis로부터 재생가능한 아스타잔틴(AXT) 밀킹을 위해 응용되었다. 미세조류에서 밀킹은, 목표 화합물의 지속적인 생산을 위한 바이오매스의 재활용과정으로 biorefinery와 관련된 시간과 가격 제한들을 현저하게 극복할 수 있다. 이 과정은 예를 들면, Haematococcus pluvialis로부터 아스타잔틴과 같이 고부가가치 물질의 생산 효율을 매우 증가 시킬 수 있다. 이 챕터에서 우리는 금 나노메스를 이용해 세포벽을 절개함으로써 H. pluvialis 단일 세포로부터 AXT를 추출하고, 상처치유와 AXT의 재축적에 대한 단일세포 분석에 대해 보고한다.
흥미롭게도, 금 나노메스의 절개로 인해 세포는 AXT를 대조샘플에 비해 2배 빠른 속도로 재축적할 수 있었다. 최소의 세소 손상, 세포의 생존 유지뿐 만 아니라 효율적인 추출이 금 나노메스의 최적화된 모양과 치수: 잘 정의된 날카로운 끝, 300 nm 이하의 두께, 1-3 um의 너비를 통해 얻어질 수 있었다. 단일 세포에서 AXT의 재생가능한 추출의 시연은 세포의 생존을 유지하면서 미세조류로부터 목표 화합물의 지속적인 회복을 위한 밀킹 과정의 가능성의 힌트를 제공한다.
챕터 4에서는, 우리는 금 나노 탐침을 이용한 GFP 방해 siRNA의 특정 위치 전달에 대해 보고한다. 짧은 간섭 리보스 핵산, siRNA는 특정 목표 mRNA를 간섭하여 단백질의 전사를 막기 때문에 유전자 치료에 있어 중요한 물질중의 하나로 부상하고 있다. 하지만, 세포 내 환경에서 엔도조말 탈출 때문에 높은 효율과 특정 위치에 전달하기 어렵게 되므로, 모든 RNA 간섭 과정이 밝혀지지 않았다. 여기서 우리는 Au-S 결합을 이용하여 금 나노탐침의 표면을 GFP 억제 siRNA로 개질하였고, 1 차원 구조적 장점에 기반한 마이크로-매니퓰레이션을 통해 siRNA를 hela 세포의 핵과 세포질에 위치 특정적으로 전달하였다. 우리는 전달된 위치에 기반하여 세포의 형광변화를 추적하였다. 우리는 금 나노탐침 기반 전달 플랫폼이 목표 siRNA를 다양한 특정 위치에 직접적으로 전달함으로써 자세한 RNAi 과정을 밝힐 수 있을 것이라고 기대한다.
마지막 챕터에서는, 금 나노선을 이용해 우라늄 이온 센서를 위한 SERS 센서가 개발되었다. 우라늄은 핵 에너지 발전에 필수적인 원료 물질이지만 우라늄의 사용은 인간 건강과 자연 환경에 심각한 손상의 가능성을 야기한다. 이 연구에서, 우리는 DNAzyme-cleaved 반응과 결합된 플라즈모닉 나노선 간극 센서를 이용하여 자연수에서의 초고감도 우라늄 이온 검출법을 보고한다. 우라늄 이온은 DNAzyme을 효소 가닥과 라만 활성 분자를 포함하는 방출 가닥으로 자른다. PNI 센서는 강한 SERS 신호를 제공하는 방출 가닥을 붙잡을 수 있다. PNI 센서와 DNAzyme-cleaved 반응의 조합은 우라늄 이온 검출 능력을 매우 증가시켜 1 pM의 검출한계와 높은 선택성의 결과를 나타냈다. 더욱 중요하게, PNI 센서는 우라늄 이온이 들어있는 자연수 샘플에서도 완벽하게 작동했다. 이 결과는 PNI 센서의 실제 우라늄 이온 검출에 잠재적인 사용성을 제안한다. 우리는 다양한 독성 금속 이온이 이온 특정 DNA 기반 리간드를 PNI 센서에 응용함으로써 검출될 것이라고 기대한다.
