Au nanostructures are the most commonly used metal materials due to their biocompatibility and easy-to-modification properties. We synthesized ultraclean and ultraflat single-crystalline Au nanostructures without surfactants and catalyst using vapor transport method in furnace system. Au nanowire (NW) and Au nanoplate (NPL)-based biosensors are applied for the detection of various biomolecules including pathogens, heavy metals, radioactive-species and intractable disease biomarkers. By further developing these applications, we fabricated the ultra-sensitive and ultra-selective Au nanostructures-based biosensors to detect glucose as diabetes-monitoring marker and diverse cancer biomarkers such as gastric cancer, breast cancer and ovarian cancer.
In chapter 2, we report nanogap-rich Au NW surface-enhanced Raman scattering (SERS) sensor for the detection of telomerase activity. Nanogap-rich Au NW was prepared by sputtering Au atoms at the surface of Au NW for 210 s. By varying the sputtering time, nanogap-rich Au NW exhibited the maximized SERS signals and the high reproducibility with 4.80 % of the relative standard deviations. Au nanoparticles were uniformly and densely deposited on the whole Au NW. This sensor can detect telomerase activity down to 0.2 cells/mL due to its high sensitivity and reproducibility. Importantly, nanogap-rich Au NW sensor can detect the high telomerase activity in gastric and breast cancer tissues excised from 16 tumor-bearing mice, which demonstrates that this sensor diagnosis of gastric and breast cancers.
In chapter 3, we present Au NPL-Au NP SERS sensor for the sensitive and selective detection of ovarian cancer biomarker, human epididymis protein 4 (HE4). By analyzing the SERS signals and the number of NPs measured from SEM images at various HE4 concentrations, we found that this sensor could detect HE4 antigens down to $10^{-17} M$ (10 aM). Moreover, our Au NPL-Au NP SERS sensor exhibits high SERS signals in HE4 samples while SERS signals are hardly showed in BSA, CRP and CYFRA 21-1 samples. The antigen binding sites are fully exposed by well-oriented antibodies on the ultraclean and ultraflat surface of Au NPL, which is minimized the non-specific binding and background signals. Therefore, we anticipate that Au NPL-Au NP sensor can be applied in early diagnosis of ovarian cancer by measuring HE4 antigen.
In chapter 4, we report ordered intermetallic Au-Cu NW electrode for the selective detection of glucose against ascorbic acid (AA). We synthesized Au₃Cu and AuCu₃ NW by modifying the position of Au NW-grown sapphire substrates. To investigate the electrocatalytic performance of Au, Au₃Cu and AuCu₃ NW, we fabricated the single NW electrodes and detected glucose. In Au NW electrode, the selective detection of glucose is not possible because the oxidation peak of glucose overlaps with that of AA. However, Au₃Cu NW electrode exhibits the additional current wave at - 0.16 V for the detection of glucose, which is not showed for the detection of AA. More importantly, this Au₃Cu NW electrode can selectively detect glucose even in the mixture of glucose and AA. Therefore, Au₃Cu NW electrode can be used in the selective detection of glucose without the interfering effect of AA. Single-crystalline Au NW and Au NPL can be usefully applied in the cancer diagnosis and diabetes monitoring fields. Further, we anticipated that theses sensors can be used as valuable sensors in biomedical fields.
금 나노구조체는 생채적합성과 쉬운 표면 개질 성질로 인해 바이오 센서 개발에 있어 가장 많이 이용되는 금속 재료이다. 우리는 가열 화로 시스템에서 증기 이송법을 이용해 계면활성제 및 촉매의 사용 없이 매우 깨끗하고 매우 평평한 단결정 금 나노구조를 합성하였다. 금 나노선 및 금 나노판 기반의 바이오 센서들은 병원균, 중금속, 방사능 물질, 난치성 질병 바이오마커 검출 등과 같은 다양한 생분자 검출에 사용되어 왔다. 이것을 더 발전시켜, 우리는 위암, 유방암, 난소암과 같은 다양한 암 바이오마커를 검출하고 당뇨병 모니터링 마커인 글루코스를 검출하는 민감하고 고선택적인 금 나노구조체 기반의 바이오센서를 개발하였다.
챕터 2에서, 우리는 텔로머레이즈의 활성을 검출할 수 있는 나노갭이 풍부한 금 나노선 표면증강라만산란 센서를 보고한다. 나노갭이 풍부한 금 나노선은 금 나노선 표면에 금 원자를 210 초동안 스퍼터링함으로써 간단하게 준비되었다. 스퍼터링 시간을 달리함으로써, 나노갭이 풍부한 금 나노선은 가장 높은 표면증강라만산란 신호와 상대 표준 편차 4.80 % 의 매우 우수한 신호 재현성을 보여주었다. 금 나노입자들은 금 나노선 전체에 걸쳐 매우 균일하고 밀도 높게 증착되었다. 이 센서는 높은 민감도와 신호 재현성으로 인해 텔로머레이즈 활성은 0.2 HeLa cells/mL 까지 검출할 수 있었다. 중요하게도, 나노갭 풍부 금 나노선 센서는 16 마리 암 발생 쥐에서 제거한 위암 조직과 유방암 조직에서 매우 높은 텔로머레이즈 활성을 측정할 수 있었는데, 이것은 위암과 유방암의 진단이 가능함을 증명하였다.
챕터 3에서, 우리는 난소암 바이오마커인 인간 부고환 단백질 4를 민감하고 선택적으로 검출하기 위한 금 나노판-금 나노입자 표면증강라만산란 센서를 제시한다. 다양한 HE4 농도에서 투과전자현미경 이미지에서 얻은 나노입자 개수와 표면증강라만산란 신호를 분석해보았을 때, 이 센서는 $10^{-17} M$ (10 aM) 까지 검출이 가능한 센서임을 확인하였다. 게다가, 우리의 Au 나노판-Au 나노입자 표면증강라만 센서는 HE4, BSA, CRP, CYFRA 21-1 의 검출 실험에서 HE4 만 선택적으로 검출하였다. 매우 깨끗하고 매우 평평한 표면을 가진 금 나노판 위에 매우 잘 정렬된 항체들에 의해서 항원 인식 자리를 완전히 노출시켰으며, 그에 따라 비특이적결합과 백그라운드 신호를 최소화 하였다. 따라서, 금 나노판-금 나노입자 센서가 HE4 측정을 통한 난소암의 조기진단에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
챕터 4에서, 아스코르빈산에 대한 글루코스의 선택적 검출을 위한 정렬된 금속간 화합물 Au-Cu 나노선 전극을 보고한다. 우리는 Au 나노선이 합성된 사파이어 기판의 위치를 조절함으로써 Au₃Cu 및 AuCu₃ 나노선을 합성할 수 있었다. Au, Au₃Cu, AuCu₃ 나노선의 전기촉매적 성능을 조사하기 위해, 텅스텐 팁에 나노선을 부착시킴으로써 단일 나노선 전극을 제작하였고 그것을 이용해 글루코스를 검출해 보았다. Au 나노선 전극에서는 글루코스의 산화 피크와 아스코르빈산의 산화 피크가 겹쳐 글루코스의 선택적 검출이 불가능 하였다. 하지만, Au₃Cu 나노선 전극은 글루코스 검출에 있어 -0.16 V 에서 추가적인 산화 전류 웨이브를 보여주었는데, 이것은 아스코르빈산에서는 전혀 관찰되지 않았다. 더욱 중요하게도, 이 Au₃Cu 나노선 전극은 글루코스와 아스코르빈산이 함께 존재하는 용액에서도 글루코스만을 선택적으로 검출할 수 있었다. 따라서, Au₃Cu 전극은 아스코르빈산의 방해효과 없이 글루코스의 선택적 검출로 사용될 수 있다. 단결정 금 나노선 및 금 나노판 기반의 바이오 센서는 암 바이오마커들과 글루코스를 검출함으로써 암 진단 및 당뇨 모니터링 분야에 유용하게 사용될 수 있다. 더 나아가, 우리는 이 센서들이 바이오 메디컬 분야에 가치있는 센서로 사용될 수 있을 것으로 기대한다.
