Laboratory for Advanced Molecular Probing (LAMP)

Research Outline

1. Tip-Enhanced Raman Scattering (TERS) : 탐침 증강 라만 산란

TERS was discovered, first named, and reported in Jan. 2000 by Prof. Suh and coworkers at the Nano Analysis Lab of the Zenobi Group in ETH Zurich, Switzeraland, as his PostDoc topic, now cited more than 1,950 times. For the last two decades, TERS has been developed to provide Sub-Molecular Nano Raman imaging spatial resolution in cryogenic UHV condition, showing individual chemical bonds inside a single molecule. Representative recent reports in the field of TERS from our research group were published in Nature Comm. (Jul. 2022), etc. We are now developing Single Molecule TERS (SM-TERS) routinely operable in ambient condition to expand its applicability.

Recently, Prof Suh has been organizing a SPIE Symposium on Enhanced Spectroscopies and Nanoimaging (ESN) in TERS & NERS research area every year in San Diego, U.S.A., since 2020 as a Founding Organizer of this ESN Symposium in SPIE Optics+Photonics, together with Prof. Prabhat Verma in Osaka University.  Please visit https://spie.org/OPN/conferencedetails/enhanced-spectroscopies-nanoimaging  or  https://spie.org/OP109

탐침 증강 라만 산란(Tip-Enhanced Raman Scattering, TERS) 현상은 서영덕 교수가 스위스 연방공대 (Swiss Federal Institute of Technology (Swiss FIT) 또는 ETH Zurich) 화학과의 Prof. Renato Zenobi 교수님 연구그룹 안의 나노분석 연구실에서 1999년 1월부터 약 2년간 포스트닥 연구 주제로서 수행하던 때에 처음으로 발견되어 TERS라고 이름이 붙여졌고, 2000년 1월에 논문으로도 출판된, 이전까지는 없었던 전혀 새로운 형태의 라만 산란 현상입니다.  이 논문은 현재까지 약 1,950회 이상 피인용되었습니다.  지난 20여년간 탐침 증강 라만 산란 현상은 극저온 초고진공에서 단일 분자 내부의 화학 결합 하나 하나를 라만 신호 기반 나노이미징(Sub-Molecular Nano Raman imaging)을 통하여 매우 세밀한 공간 해상도로 보여주는 수준까지 발전되었습니다.  우리는 이제 탐침 증강 라만 산란의 응용 범위를 보다 넓히기 위하여, 상온 상압 (ambient condition)에서도 언제나 재현성있게 작동 가능한 단일분자 검출감도 TERS를 개발하고 있습니다.  탐침 증강 라만 산란(TERS) 분야에서 우리 연구 그룹으로부터 나온 최근 논문들로서는, 단일 분자가 표면에 누워있는 자세에 대한 정보까지도 보여주는 연구 논문인 Nature Comm. (2022.02.) 등이 있습니다. 

한편 2020년부터는, 서영덕 교수가 오사카대학의 Prof. Prabhat Verma 교수와 함께 TERS, NERS를 포함하는 연구분야인 "증강 분광학 및 나노이미징 (Enhanced Spectroscopies and Nanoimaging, ESN)"이라는 심포지엄을 미국 광응용학회 컨퍼런스 (SPIE Optics+Photonics, OP109) 안에 창립하여, 매년 8월마다 미국 샌디에고 컨벤션센터에서 주관하여 개최하고 있습니다.  관련 홈페이지를 참고하세요.  https://spie.org/OPN/conferencedetails/enhanced-spectroscopies-nanoimaging  or  https://spie.org/OP109

2, Nanogap-Enhanced Raman Scattering (NERS)

Prof. Suh’s research group has pioneered NERS with SMD sensitivity, another new research area of Nano Raman.  Our two pioneering reports of NERS in Nature Materials (2010) [https://www.nature.com/articles/nmat2596] and Nature Nanotechnology (2011) [https://www.nature.com/articles/nnano.2011.79] have been already cited more than 1,300 and 1,200 times up to now, respectively.  Representative recent reports  from our group in this NERS research area can be found in Nano Letters (Mar. 2024), Accounts of Chemical Research (Dec. 2016) [https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.accounts.6b00409], etc.

We are now making efforts to apply NERS for bio-medical area such as in vitro diagnosis (IVD), while doing fundamental research of NERS.

서영덕 교수는 TERS를 포함하는 나노라만 연구분야의 또다른 새로운 연구분야인 "나노갭 증강 라만 산란 (NERS)" 분야를 개척하여 이름붙이고 발전시켰습니다 (Phys. Chem. Chem. Phys. (2013)에 출판된 단일분자 나노라만 연구분야에 대한 서영덕 교수의 [https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2013/cp/c3cp44463e/unauth] 총설 논문 참조).

나노갭 증강 라만 산란 연구분야를 개척한 서교수가 이 분야에서 출판한 대표적 연구논문은 Nature Materials (2010) [https://www.nature.com/articles/nmat2596] 논문과 Nature Nanotechnology (2011) [https://www.nature.com/articles/nnano.2011.79] 논문 등이 있으며, 이 논문들은 지금까지 각각 1,300회 이상 및 1,200회 이상 피인용 되었습니다.  우리 연구팀에서 이  나노갭 증강 라만 산란 연구분야에서 출판한 최근 논문들로는 Nano Letters (Mar. 2024) 연구논문과 Accounts of Chemical Research (Dec. 2016)  [https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.accounts.6b00409] 총설 논문 등이 있습니다.  이 나노갭 증강 라만 산란 (NERS) 연구분야는 위의 TERS분야 설명에서도 밝힌 것처럼, 매년 8월에 미국 샌디에고에서 개최되는 SPIE Symposium for "Enhanced Spectroscopy and Nanoimaging (OP 109)"에서 NERS라는 키워드로 공지되어있습니다. https://spie.org/OPN/conferencedetails/enhanced-spectroscopies-nanoimaging  or  https://spie.org/OP109

우리는 이러한 나노갭 증강 라만 산란 (NERS) 현상에 대한 기초과학적 연구와 이를 바이오메디컬 분야에 적용시키는 연구를 진행하고 있습니다. 

3. UpConverting Nano Particles (UCNP) and Avalanching Nano Particles (ANP)

The first single-particle spectroscopic nano imaging on UCNPs were independently reported by Prof. Suh’s group and by Prof. P. J. Schuck’s group in 2009, respectively.  Since then Prof. Suh’s research group has been applying UCNP to single-particle-tracking live-cell imaging, small animal imaging, and super-resolution nanoscopy.  Representative recent reports from our research team on UCNP and ANP were published in Nature (May 2023), Nature (Jan 2021, Cover Article), Nature Photonics (Dec 2019 & Jul 2018), etc.

Recently, Prof. Suh, together with Prof. Schuck in Columbia University as one of the two Founding Organizers, has created the first UCNP Gordon Research Conference (GRC), and this inargural UCNP GRC has been held in June 18-23, 2023 at New Hampshire, U.S.A.. Please visit http://www.grc.org/upconverting-nanoparticles-conference/2023/

상향변환 나노입자(UpConverting Nano Particles: UCNPs)에 대한 '단일입자 분광 및 나노이미징 연구'는 2009년에 그 당시 한국화학연구원 분자고등연구그룹의 서영덕 그룹장 연구팀과, 그 당시 미국 버클리국립연구소 산하 Molecular Foundry의 P. James Schuck 박사 연구팀에 의하여 각각 독립적인 처음 논문으로 출판되었습니다. 이때를 기점으로 서교수 연구팀은 상향변환 나노입자(UCNPs)를 살아있는 세포 안에서의 단일입자 추적이미징, 소동물 체내 이미징, 초해상도 나노스코피 등에 적용시켜 왔습니다.  

이러한 "상향변환 나노입자(UCNPs)"와, 상향변환 나노입자 내부에서 광증폭 현상이 일어나서 상향변환 발광 효율을 급격히 높여주는 특수한 경우로서 최근 발견된 "광사태 나노입자 (Avalanching Nano Particles: ANP)"에 관한 연구논문들은 Nature (Jan. 2021) 표지논문과 Nature (May 2023) 등 Nature 본지논문 2편과 Nature Photonics (Dec 2019 & Jul 2018) 논문 2편 등 Nature 자매지들에 출판되었습니다.

최근에는 서교수가, 현재는 아이비리그 중 하나로서 미국 뉴욕시에 위치한 컬럼비아대학의 Prof. P. James Schuck 교수와 함께, UCNPs를 주제로 하는 고든컨퍼런스를 처음으로 창립하여, 2023년 6월 18-23일에 미국 뉴햄프셔 주에서 창립학회를 개최한 바 있습니다.  UCNP Gordon Research Conference 학회 홈페이지의 아래 링크를 참조하세요.  http://www.grc.org/upconverting-nanoparticles-conference/2023/