Over the past decades, there is a strong drive towards developments of simple, convenient, and cost-effective protocols that are suitable for point-of-care-testing (POCT) in facility-limited environments. Colorimetric and fluorescent biosensing technologies have been widely used in clinical applications, such as biological imaging and sensing.$^1$ With the aim of achieving rapid, accurate, and cost-effective diagnosis, the study of novel nanomaterial in biological applications is highly demanded. Moreover, the drive to measure trace amount of biological targets imposes the new demands of the fluorescent signaling materials with increased photostability and quantum yields.$^2$ The desired signaling materials are those which are bright, photostable and amenable to conjugate biomolecules.
In chapter 2, we describe a rapid, sensitive and selective colorimetric sensing platform for biothiols in human serum, which relies on the biothiols induced aggregation of silver nanoprims (AgNPRs) and the anti-etching effect of biothiols. The developed assay utilized AgNPR, which possess a three-dimensional anisotropic structure, as a key detection component for the colorimetric detection of biothiols. The diagnostic capability and potential in practical applications of this method were demonstrated by determining biothiols in human serum. In principle, biothiols bind to the AgNPRs surface through Ag-S covalent interactions and protect the AgNPRs from etching by human serum. Thus, inhibited the “blue to yellow” color transition. Furthermore, by tuning the pH of the reaction buffer, homocysteine (Hcy) and cysteines (Cys) can be discriminated from other biothiols in human serum by observing Hcy and Cys induced aggregation of AgNPRs under different pH conditions. Based on this simple and cost-effective strategy, we determined Hcy as low as $0.028 \muM$ at pH 7 with the linear detection range from $0.5-7 \muM$ in 1% human serum. We also determined Hcy and Cys as low as $0.056 \muM and 0.022 \muM$ at pH 5 with the linear detection range from $0-9 \muM and 3-8 \muM$, respectively in 3% human serum. While reduced glutathione (r-GSH) did not induce the aggregation of AgNPRs under all pH conditions (5-10). Additionally, due to the anti-etching effect of r-GSH, it protects AgNPRs in human serum through the covalent bonding formed by the thiol group in r-GSH and AgNPRs surface. These results indicated that our strategy is suitable for rapid and convenient identification of biothiols in human serum samples.
In chapter 3, we developed a new ultrasensitive colorimetric AChE assay that exploits both aggregation and morphology transformation of silver nanoprisms (AgNPRs) with the aim of overcoming the limitations of conventional AChE assays. We believe this newly developed method is of great importance for the study of Alzheimer disease (AD) and AChE inhibitor screening.
In chapter 4, We described europium ion ($Eu^{3+}$) doped silver-silica core-shell nanoparticles ($AgNP@SiO_2$) as a rapid and selective sensing platform for the detection of tetracycline (Tc) in tap water, which relies on the energy transfer from Tc to $Eu^{3+}$ and the metal-enhanced fluorescence (MEF) of the EuTc fluorescence complex. A rationally designed $AgNP@SiO_2$ has been synthesized considering the proper metal core size, the distance between the metal core and the fluorophore, and the plasmon band overlap between the $AgNP@SiO_2$ and the EuTc complex in order to achieve sufficient fluorescence enhancement. Based on this rationally designed MEF system, 28 fold of fluorescent intensity enhancement of EuTc were observed and Tc was reliably determined down to 83.1nM. Furthermore, practical applicability of this strategy was successfully demonstrated by detecting Tc in tap water. This work highlights the advantages of the metal-silica core-shell nanoparticles as the suitable substrates for the MEF based biosensing applications.
지난 수십 년 동안, 설비가 제한된 환경에서 POCT (point-of-care-testing)에 적합한 간단하고 편리하며 비용 효율적인 프로토콜 개발에 대한 큰 관심이 이어져 왔습니다. 비색 검출 및 형광 물질을 이용한 바이오 센싱 기술은 이러한 관심에 따라 생물학적 이미징 및 검출과 같은 임상 영역에 널리 사용되어 왔습니다.$^1$ 더욱 신속하고 정확하며 비용 효과적인 진단을 목표로, 생물학적 응용 분야에서의 나노 물질에 대한 새로운 연구 또한 그 수요가 증가하고 있습니다. 또한, 미량의 생물학적 표적을 측정하기 위해 광 안정성 및 양자 수율이 개선된 형광 신호 물질에 대한 수요도 그에 따라 증가하고 있습니다.$^2$ 이러한 신호 물질은 더 밝고, 광 안정적이며 생체 분자를 접합하기 쉬운 물질입니다.
제 2 장에서는 바이오티올(biothiol)에 의해 유도되는 AgNPRs의 응집 현상과 바이오티올의 안티-에칭(anti-etching) 효과를 이용한, 신속하고 민감하며 선택적인 인간 혈청 내 바이오티올 비색 검출 플랫폼에 대해 설명합니다. 개발된 분석법은 3차원 이방성 구조를 갖는 AgNPR을 바이오티올의 비색 검출을 위한 핵심 검출 요소로 활용했습니다. 이 플랫폼을 통해 인간 혈청에서 바이오티올을 검출함으로써, 실용적인 응용 가능성과 임상 진단 능력을 입증하였습니다. 원칙적으로, 바이오티올은 Ag-S 공유결합을 통해 AgNPR 표면에 결합하고 AgNPR을 인간 혈청에 의한 에칭(etching)으로부터 보호합니다. 이에 따라 "파란색에서 노란색으로"의 색상 변화를 억제했습니다. 또한, 반응 완충액(buffer)의 pH를 조정함으로써, 상이한 pH 조건 하에서 AgNPR의 Hcy 및 Cys 에 의해 유도된 응집을 관찰하고 이를 통해 호모시스테인 (Hcy) 및 시스테인 (Cys)을 인간 혈청 내의 다른 바이오티올로부터 구별할 수 있습니다. 이 간단하고 비용 효율적인 전략을 바탕으로, 우리는 1 % 인간 혈청에서 $0.5-7\muM$의 선형 검출 범위로 pH 7에서 $0.028 \muM$의 Hcy를 검출하였습니다. 또한, pH 5 조건의 3 % 인간 혈청에서 Hcy와 Cys를 각각 $0-9 \muM과 3-8 \muM$의 선형 검출 범위로 $0.056 \muM과 0.022 \muM$ 의 낮은 농도로 검출하는 데 성공했습니다. 환원된 글루타티온 (r-GSH)은 모든 pH 조건 (5~10)에서 AgNPR의 응집을 유도하지 않았습니다. 또한, r-GSH는 안티 에칭 효과, 즉 r-GSH의 티올 그룹과 AgNPR 표면에 형성된 공유 결합을 통해 인간 혈청 내의 AgNPR을 보호합니다. 이러한 결과는 우리의 전략이 인간 혈청 샘플에서 바이오티올의 신속하고 편리한 식별에 적합하다는 것을 나타냅니다.
3 장에서 우리는 기존의 AChE 분석법의 한계를 극복하기 위해 AgNPRs의 응집 및 형태 변화을 이용하는 새로운 초고감도 비색 AChE 분석법을 개발했습니다. 우리는 새로 개발된 이 방법이 알츠하이머 병 (Alzheimer disease, AD) 연구 및 AChE 억제제 검사에 매우 중요하다고 생각합니다.
4 장에서, 우리는 유로퓸 이온 ($Eu^{3+}$)으로 도핑된 은-실리카(silver-silica) 코어-쉘(core-shell) 나노입자 ($AgNP@SiO_2$)를 수돗물의 테트라사이클린 (Tc) 검출을 위한 신속하고 선택적 감지 플랫폼으로 활용하는 방법을 설명했습니다. 이는 테트라사이클린에서 유로퓸 이온으로의 에너지 전달 및 EuTc 형광 복합체의 금속-강화 형광 (metal-enhanced fluorescence, MEF)에 의존합니다. $AgNP@SiO_2$는 적절한 금속 코어 크기, 금속 코어와 형광체 사이의 거리 및 충분한 형광 증진을 달성하기 위해 $AgNP@SiO_2$와 EuTc 착물 사이의 플라스몬 밴드 중첩을 고려하여 합리적으로 설계되고 합성되었습니다. 이렇게 설계된 MEF 시스템을 기반으로, EuTc의 형광 강도 강화가 28 배 관찰되었고, Tc는 83.1nM까지 정확하게 결정되었습니다. 또한 수돗물에서 Tc를 성공적으로 검출함으로써 이 전략의 실제 적용 가능성을 입증할 수 있었습니다. 이 연구는 MEF 기반 바이오 센싱 분야에 적합한 기질인 금속-실리카 코어-셸 나노 입자의 장점을 강조합니다.
