For the past couple of decades, plasmonic nanoparticles such as Au and Ag have employed for wide applications as sensors and probes due to their unique optical properties originated from localized surface plasmon resonance (LSPR). We mainly utilize enhanced scattering light in the visible region. This resonant scattering light is highly sensitive to the surrounding environment; therefore, it can detect minute changes on the surface of nanoparticles. In addition, it provides high optical stability, which gives a great advantage as an imaging probe. Here, we used such enhanced scattering phenomenon of the plasmonic nanoparticles to monitor chemical reactions and biological processes at the nanometer level in real time. In chapter I, background knowledges and recent studies related to LSPR are introduced. In chapter II, the experimental in-situ observations during nanoscale reactions, including (1) Galvanic replacement reaction depending on the temperature and (2) sulfidation by cysteine, using Ag nanocubes as an ideal probe template are demonstrated. Introduction of the flow cell set-up and reaction temperature control allow us to monitor the nanoscale chemical reactions in an environment similar to the actual reaction conditions. In chapter III, we investigated the rotational movement of membrane protein (epidermal growth factor receptor, EGFR) in living cells using a nano-dimer structure assembled with oligonucleotides. This study enables visualization of protein rotation and conformational change, and furthermore provides insights into the activation mechanism.
지난 이십여 년간 금, 은 나노입자는 국소 표면 플라즈몬 공명현상에서 비롯된 독특한 광학적 성질 때문에 센서 및 탐침으로 활발히 응용되어왔다. 플라즈몬에 의해 주로 가시광선 영역에서 증대된 산란현상을 이용하는 것인데, 공명된 산란광은 주변 환경에 매우 민감하므로 나노입자의 표면에서 일어나는 세밀한 변화를 탐지할 수 있으며, 높은 광학적 안정성을 제공하기 때문에 이미징 탐침으로서 큰 장점이 있다. 본 연구에서는, 플라즈몬 나노입자의 증대된 산란현상을 이용하여 나노 수준의 화학 반응 및 생물학적 과정을 실시간 관찰하고자 하였다. 챕터 I에서는 국소 표면 플라즈몬 공명에 대한 배경 지식과 최근 연구된 다양한 관찰 및 탐지 연구에 대하여 소개하였다. 챕터 II에서는 정육면체 은 나노 입자의 (1) 온도에 따른 갈바닉 치환반응과, (2) 시스테인을 이용한 황화 반응을 실시간 관찰한 연구결과를 설명하였다. 특히 흐름 셀 도입과 반응 온도 조절을 통해 다양한 나노 수준의 화학반응을 실제 반응 환경과 유사한 환경에서 실시간 관찰할 수 있다. 챕터 III에서는 올리고 뉴클레오티드를 매개로 조립한 금 나노 이합체를 이용하여 살아있는 세포에서 막 단백질(상피세포 성장인자 수용체)의 회전운동을 관찰 연구하였다. 이를 통하여 단백질 회전운동과 구조변화를 가시화할 수 있었고, 더 나아가 활성화 메커니즘을 이해하는데 도움을 줄 수 있다.
