In this research, we have studied varied biological applications of single crystalline gold nanowires (Au NWs) and gold nanoplates (Au NPLs), which are synthesized via chemical vapor transport method. For clear demonstration, this thesis comprises four chapters. The first chapter contains the general introduction for various synthesis methods and applications of gold nanostructures. The second chapter demonstrates the application of Au NWs in monitoring neuronal activities. The third chapter and fourth chapter illustrate the development of surface-enhanced Raman scattering (SERS) sensors for molecular detection and malaria diagnosis employing Au particle-on-plate SERS platform. The detailed descriptions covered in chapter 2-4 are as follows.
In chapter 2, we recorded neural activities of somatosensory cortex using a Au NW electrode (Au NWE) with a diameter of around 100 nm. Reduced electrode dimension and mechanically desirable characteristics enabled the Au NWE to be inserted into a live rat's brain with minimal tissue damage. In addition, excellent electric conductivity allowed in vivo extracellular recordings from single and multiple neurons. Especially, by using the Au NWE, it was possible to dominantly monitor neural activities originated from a single neuron. It is expected that the Au NWE can be used as a highly capable electrode for monitoring electrophysiological activities from a specific target cell and finding out neural circuits which require long-term recordings.
In chapter 3, we utilized Au NPLs to provide ideal surfaces for SERS sensor. Avidin was sandwiched between two biotinylated nanostructures, Au NPL and Au nanoparticles (NPs), creating SERS-active sites to enhance Raman signal. We also constructed the same sandwich assays on Au film and compared the molecular detection capabilities of Au NPL-based sensor with the Au film-based one. The Au NPL-based platform showed the linear correlation between SERS signals and until 10 pM of avidins could be detected. On the other hand, Au film-based platform could not analyze the target under 1 nM. We expect that SERS sensor based on ultraclean and ultraflat Au NPLs can contribute to the development of biosensor with high sensitivity and low detection limit.
In chapter 4, we have fabricated a SERS aptasensor to detect Plasmodium lactate dehydrogenase (pLDH), which is a critical biomarker for malaria. To develop a robust malaria diagnostic biosensor for malaria-endemic regions, thermally stable aptamers were used as capture probes and Au particle-on-plate SERS platform was applied as a detection method. SERS intensity of the sensor showed correlation with the concentration of the pLDH and the pLDH was successfully detected until 10 pM. It is expected that this aptamer-based SERS platform will play an important role in the fabrication of practical diagnostic tools for malaria.
우리는 화학기상이송법을 통해 합성한 단결정 금 나노선 및 금 나노판의 다양한 생물학적 응용과 생화학적 응용에 관한 연구를 하였다. 명확한 서술을 위해, 본 학위 논문은 총 4 개의 장으로 구성되어있다. 1 장에서는 다양한 금 나노 물질의 합성 방법 및 생화학, 생물학적 응용에 대한 개괄적인 내용을 서술하였고, 2 장에서는 화학기상이송법을 통해 합성한 금 나노선을 생체 신경 신호 측정에 응용한 연구에 대해 기술하였다. 3 장과 4 장에서는 화학기상이송법을 이용해 합성한 금 나노판을 표면 증강 라만 산란 (surface-enhanced Raman scattering, SERS) 센서 제작에 응용한 연구에 대해 기술하였다. 각 연구에 대한 자세한 내용은 아래와 같다.
제 2장에서, 우리는 100 nm의 직경을 가지는 금 나노선 전극을 이용하여 감각 피질에서 일어나는 신경 활동을 기록한 것을 보고한다. 금 나노선의 작은 직경과 우수한 기계적 특성은 금 나노선 전극이 살아있는 쥐의 뇌 조직에 최소한의 세포 손상과 함께 삽입될 수 있도록 하였다. 또한, 금 나노선의 우수한 전기적 특성 덕분에 금 나노선 전극으로 신경 세포로부터 나오는 전기적 신호를 읽을 수 있었으며, 특히 하나의 신경 세포로부터 나오는 신경 신호를 우세하게 기록할 수 있었다. 금 나노선 전극은 특정 신경 세포에서 나오는 신경 신호를 관찰하거나 장기간 뇌의 신호 측정을 통해 뇌의 회로를 밝혀낼 때 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.
제 3장에서, 우리는 SERS 센서 제작에 이상적인 표면을 제공하기 위하여 금 나노판을 도입하였다. Avidin은 biotin으로 개질된 금 나노판과 biotin으로 개질된 금 나노입자와 복합체를 이루며 포획되었으며, 이들의 결합은 라만 신호를 증폭시키는 SERS-active site를 형성하였다. 또한 우리는 금 박막 위에 동일한 sandwich assay 를 형성한 후, 이것의 avidin 검출 능력을 금 나노판 기반의 SERS 플랫폼과 비교해 보았다. 금 나노판 기반의 SERS 센서의 경우, SERS 세기와 avidin 농도가 비례 관계를 보였으며, 검출 한계는 10 pM 이었다. 반면, 금 박막 기반의 SERS 센서의 경우, 1 nM 이하의 avidin 농도에서는 농도 별 SERS 세기 경향성이 보이지 않았고 정량이 불가능하였다. 우리는 깨끗하고 평평한 금 나노판을 기반으로 제작한 SERS 센서가 높은 감도와 낮은 검출한계를 가진 biosensor를 제작하는데 중요하게 기여할 수 있을 것으로 기대한다.
제 4 장에서, 우리는 말라리아의 중요한 biomarker인 Plasmodium lactate dehydrogenase (pLDH) 를 검출할 수 있는 SERS aptasensor 를 제작한 것에 대해 보고한다. 말라리아 풍토성 영역에서 제대로 작동할 수 있는 말라리아 진단 센서를 개발하기 위하여, 열적으로 안정한 aptamer와 Au particle-on-plate SERS 플랫폼을 적용하여 말라리아 진단 SERS센서를 제작하였다. pLDH의 농도가 낮아질수록 센서에서 측정된 라만 신호 세기 또한 감소하는 경향성을 확인하였으며 센서의 검출한계는 10 pM이었다. Aptamer를 이용한 금 나노판 기반의 SERS 센서는 실질적인 말라리아 진단 방법의 발전에 큰 기여를 할 것으로 생각된다.
