Gold nanostructures are considered to be the best material for a very stable and superior bio-active surface in a variety of organic, inorganic, and biochemical environments, and Au-S bonds have been widely employed as substrates since various functional molecules can be easily and densely fixed on a substrate. We synthesized single-crystalline Au nanoplates that were smooth at the atomic level without surface contamination and defects using only gold slug. Unlike conventional gold films, this Au nanoplate has an atomically smooth surface over a range of hundreds of microns in size and can be constructed that are very well aligned from coupled metal-molecule interfaces. In addition, we have developed a high sensitive and selectivity SERS sensor for the diagnosis of disease using the combination of [Au nanoplate + Au nanoparticle] based on the ultraclean and ultraflat geometry of Au nanoplate. It can immobilize the bioreceptors very uniformly on the surface, maximizing their ability to regulate antibody orientation.
In chapter 2, we demonstrate the charge transport properties of a self-assembled organic monolayer on Au nanoplates with conductive probe atomic force microscopy (CP-AFM). Atomically flat Au nanoplates, a few hundred micrometers on each side, that have only (111) surfaces, were synthesized using the chemical vapor transport method; these nanoplates were employed as the substrates for hexadecanethiol (HDT) self-assembled monolayers (SAMs). Atomic-scale high resolution images show ($\surd$3×$\surd$3)R30$^\circ$ molecular periodicity, indicating a well-ordered structure of the HDT on the Au nanoplates. We observed reduced friction and adhesion forces on the HDT SAMs on Au nanoplates, compared with Si substrates, which is consistent with the lubricating nature of HDT SAMs. The electrical properties, such as I–V characteristics and current as a function of load, were measured using CP-AFM. We obtained a tunneling decay constant ($\beta$) of 0.57 $\AA^{−1}$, including through-bond ($\beta$tb = 0.99 $\AA^{−1}$) and through-space ($\beta$ts = 1.36 $\AA^{−1}$) decay constants for the two-pathway model. This indicates that the charge transport properties of HDT SAMs on Au nanoplates are consistent with those on a Au (111) film, suggesting that SAMs on nanoplates can provide a new building block for molecular electronics.
In chapter 3, We report the characterization and formation of catechol-terminated molecules immobilized on gold nanoplates (Au NPLs) using N-(3,4-dihydroxyphenethyl)-2-mercaptoacetamide (Cat-EAA-SH). Single-crystalline Au NPLs, synthesized using a one-step chemical vapor transport method, have ultraclean and ultraflat surfaces that make Cat-EAA-SH molecules aligned into a well-ordered network of a large-scale. Topographic study of the catechol-terminated molecules on Au NPLs using atomic force microscopy (AFM) showed more orderly orientation and higher density, leading to significantly higher adhesion as observed from local force-distance curves than those on other Au surfaces. These coherently aligned catechol-terminated molecules on the atomically smooth gold surface led to significantly more reproducible and thus more physico-chemically meaningful measurements than was possible before by employing rough gold surfaces.
In chapter 4, we report a ultrasensitive SERS platform using a ultraclean and ultraflat single-crystalline Au nanoplate to detect GPC1, which is a new biomarker of pancreatic cancer, and expressed on the surface of tumor-derived exosomes. Unlike conventional Au films, Cys3-protein G was uniformly immobilized by Au-S bonds on Au nanoplate with atomically smooth surfaces without defects over the entire nanoplate that has a size of several hundred microns, and the antigen binding site of the antibody can be immobilized on the substrate without denaturation as protein G binds specifically to the Fc region of the antibody. We fabricated a SERS sensor using a substrate composed of [Au nanoplate + protein G + anti-GPC1] and modified Au nanoparticles. The SERS signals intensified as the GPC1 peptide concentration increased. This intensity increased linearly within a concentration range of 10 aM to 10 fM, enabling the quantitative detection of GPC1 peptide, and estimated the detection limit of this method to be 10 aM. SERS analysis can distinguish between positive and negative GPC1 in a variety of samples from peptides, cell lines, and clinical samples with high sensitivity and specificity. In addition, we was performed to dilute the serum to detect exosomes at a concentration as low as about 2,000 times and to improve sensitivity and specificity. This indicates that the usefulness of pancreatic cancer as a biomarker and the possibility of early diagnosis of disease.
In the last chapter, Multivalency can improve the sensitivity of biosensor because the increased valency can strengthen the binding affinity between the receptor and target biomolecule. Here, we report surface-enhanced Raman scattering (SERS)-based immunoassay by using multivalent antibody-conjugated nanoparticles (NPs) for the first time. Multivalent antibody was generated through the ligation of Fab fragment-fused Fc binding peptide to Immunoglobulin G. This synthetic method is easy and fast due to the elimination of heterologous expression, fusion of antibody, or chemical modification steps. We constructed multivalent antibody-nanoparticle conjugate (MANC) and employed them as a SERS immunoprobe. MANCs improved the sensitivity of SERS-based immunoassay 100 times than the standard antibody-NP conjugates. We anticipate that the MANCs make us one-step closer to the practical SERS-based immunoassay.
금 나노구조체는 다양한 유기, 무기, 그리고 생화학 환경들 속에서 아주 안정하므로, 뛰어난 생활성 표면을 위한 최상의 재료로 여겨지고, Au-S 결합을 통해 다양한 기능적 분자들을 기판에 쉽게, 높은 밀도로 고정시킬 수 있기 때문에 기판으로 많이 채용되어왔다. 우리는 오직 금 슬러그만을 이용하여 기상에서 표면 오염과 결함이 없는 원자수준으로 매끈한 단결정 금 나노판을 합성하였다. 이 단결정 금 나노판은 종래의 금 필름과는 달리 사이즈가 수 백 마이크론에 달하는 전 영역에 걸쳐서 원자적으로 매끄러운 표면을 가지고, 결 맞게 연결된 금속-분자 인터페이스로부터 대단히 잘 정렬된 분자 네트워크를 구성할 수 있다. 더불어, 우리는 금 나노판의 초청정, 초편평한 기하학적 성질을 바탕으로 [금 나노판 +금 나노입자]의 결합을 사용하여 질병 진단을 위한 초 민감한 SERS 센서를 개발하였다. 아주 깨끗하고 매끈한 금 나노판은 바이오리셉터들을 표면 위에 아주 균일하게 고정시킬 수 있어서, 그들의 항체 배향 조절 능력을 극대화시킬 수 있습니다.
챕터 2에서는, 전도성 탐침 원자 힘 현미경을 이용하여 금 나노판에서 자기 조립 유기 단층의 전하 수송 특성을 증명했다. 화학적 증기 수송 방법을 사용하여 사이즈가 수 백 마이크론에 달하는 전 영역에 걸쳐서 원자적으로 매끄러운 표면을 가진 금 나노판을 합성하였다. 이 금 나노 판은 헥사 데칸 싸이올 자기 조립 단층의 기판으로 사용되었다. 원자 규모의 고해상도 이미지는 ($\surd$3 ×$\surd$3)R30$^\circ$ 분자 주기성을 나타내고, 이는 금 나노판에서 잘 배열 된 구조를 나타낸다. 우리는 금 나노판상의 헥사 데칸 싸이올 자기 조립 단층에 대한 마찰 및 접착력이 실리콘 기판과 비교하여 감소한 것을 관찰했으며 이는 헥사 데칸 싸이올 자기 조립 단층의 윤활성과 일치합니다. I-V 특성 및 부하의 함수로서의 전류와 같은 전기적 특성은 전도성 탐침 원자 힘 현미경을 사용하여 측정되었다. 우리는 through-bond ($\beta$tb = 0.99 $\AA^{−1}$) 와 through-space ($\beta$ts = 1.36 $\AA^{−1}$) 붕괴 상수를 포함하여 0.57$\AA^{−1}$의 터널링 감쇄 상수 ($\beta$) 를 얻었다. 이것은 금 나노 판상의 헥사 데칸 싸이올 자기 조립 단층의 전하 수송 특성이 금 (111) 박막의 전하 수송 특성과 일치 함을 나타내며, 금 나노판상의 자기 조립 단층이 분자 전자를 위한 새로운 빌딩 블록을 제공 할 수 있음을 나타냅니다.
챕터 3에서는 N-(3,4-dihydroxyphenethyl)-2-mercaptoacetamide (Cat-EAA-SH) 를 이용하여 금 나노 판에 고정화 된 카테콜 말단 분자의 특성화 및 형성을 보고한다. 화학 증기 수송 방법을 사용하여 합성된 단결정 금 나노판은 Cat-EAA-SH 분자를 대규모의 잘 정돈 된 네트워크로 정렬시키는 초고층 및 초박형 표면을 가지고 있습니다. 원자 힘 현미경을 사용하여 금 나노판에서 카테콜 말단 분자의 지형 연구는 다른 금 표면의 지형보다 국부적인 힘-거리 곡선에서 관찰 된 것처럼 보다 정교한 배향과 높은 밀도를 나타내었다. 금 나노판들은 카테콜 말단 분자들을 결맞게 연결함으로써 재현성 있고 최적화된 접착성 표면을 가능하게 해주기 때문에 일반적으로 사용되는 기판들보다 더 효과적으로 그들의 표면 위에 기능성 분자나 생체 세포의 고정화에 사용될 수 있어서 획기적인 화학적, 물리적, 생물의학 표면특성을 지니는 3차원 공간을 제공할 수 있을 것입니다.
챕터 4에서는, 췌장암의 신규 바이오마커인, 종양 유도 엑소좀 표면에 발현되는 GPC1을 고감도로 검출하기 위해, 우리는 아주 매끈하고 깨끗한 단결정 금 나노판을 이용하여 초고감도 SERS 플랫폼을 보고한다. 종래의 금 필름과는 달리 사이즈가 수 백 마이크론에 달하는 전 영역에 걸쳐서 결함 없이 원자적으로 매끄러운 표면을 가진 금 나노판에 Cys3-protein G 를 사용하여 Au-S 결합으로 균일하게 고정시켰고, protein G 는 항체의 Fc 영역에 특이적으로 결합함으로써 항체의 항원 결합자리를 변성 없이 기판에 잘 고정할 수 있다. 우리는 [금 나노판 + protein G + anti-GPC1] 과 개질 된 금 나노입자를 이용하여 SERS 센서를 제작했다. GPC1 펩타이드 농도가 증가함에 따라 SERS 신호 세기가 증가되었다. SERS 신호 강도는 10 aM ~ 10 fM의 농도 범위 내에서 선형적으로 증가하여 GPC1 펩타이드의 정량적 검출이 가능하였고, 이 방법의 검출 한계가 10 aM이라고 평가했다. 금 나노판을 이용한 SERS 분석은 펩타이드, 세포주, 임상 샘플의 다양한 샘플에서 GPC1 의 양성과 음성을 높은 민감도와 특이도로 구분할 수 있다. 또한, 우리의 금 나노판을 이용한 SERS 분석은 혈청을 희석하여 약 2000배 정도 낮은 농도의 엑소좀을 검출하며 높은 민감도와 정확도를 얻도록 개선하였다. 이것은 췌장암이 바이오마커로서의 유용성과 질병의 조기 진단 가능성을 뒷받침해줍니다.
마지막 챕터에서는, 우리가 새로운 SERS immunoprobe로서 다가항체-나노입자 결합체를 개발하도록 유도하였다. IgG의 Fc 영역에 항원 결합능을 가지는 fab 단편과 Fc 결합 펩타이드 (FcBP) 가 융합된 Fab-FcBP를 결합시켜 간단하게 다가항체를 제작하였다. 이 방법은 융합 단백질 발현이나 화학적 변형 과정이 필요 없기 때문에, 항체 활성의 손실 없이 다가항체를 쉽게 제작할 수 있게 해준다. 우리는 J1 펩타이드에 대한 다가항체를 제작하고, SPR을 이용해 항원에 대한 다가항체의 다원자가의 상호작용을 평가하였다. 더 나아가, 우리는 다가항체와 라만 다이, 금 나노입자를 결합시켜 탁월한 표적 결합 능력을 가진 다가항체-나노입자 SERS immunoprobe를 제작하였으며, 이를 활용해 다가항체를 이용한 SERS immunoassay를 처음으로 구현해 보았다. 그 결과, J1 펩타이드를 1 pM의 농도에서 검출할 수 있었으며, 이는 일반 J1 항체를 이용한 immunoassay보다 100배 향상된 LOD이다. 앞으로 우리는 다양한 종류의 다가항체 SERS immunoprobe를 개발하여 질병 진단, 환경 모니터링, 생화학 분석과 같은 다양한 분야에 활용하고자 한다.
