In 1977, Jeanmaire and Van Duyne and Albrecht and Creighton independently observed that adsorption of pyridine to electrochemically roughened silver surfaces could increase the Raman signals of pyridine by a factor of ~$10^6$.$^{1,2}$ This striking discovery was denoted Surface-enhanced Raman Scattering (SERS) effect and immediately became the subject of intensive study.$^3$ After its discovery more than 30 years ago, SERS was expected to have major impact as a sensitive analytical technique and tool for fundamental studies of surface molecules as well as biomedical applications. Unfortunately, the lack of reliable and reproducible SERS signals limited its applicability. In recent years, the synthesis of well-defined nanostructures, the discovery of single molecule SERS, and the design of SERS active platform that maximize the electromagnetic enhancement are driving the resurgence of this field in both fundamentals and applications.
In this dissertation, we present the works on SERS using single crystalline noble metal nanowires (NWs). The Au and Ag NWs synthesized in vapor phase have atomically smooth surfaces and thus they can be used as well-defined and well-characterized SERS active platforms. Initially, the optical properties of noble metal NWs were discussed in conjunction with theoretical calculations. This allows us to find simple and reproducible SERS active nanostructures. Secondly, the NW based SERS active platforms were used for molecular detection. These nanostructures enable to detect various analytes such as avidin and various metal ions. Last, the biomedical applications of NW based SERS sensors were presented. The multiplex pathogen DNAs sensing and single nucleotide polymorphism (SNP) detection were possible using these SERS sensors. The abstracts for each chapter are as follows.
$\emph{Chapter 1. Optical Properties of Well-defined Surface-enhanced Raman Scattering Active Nanostructures}$
Well-defined SERS active systems were fabricated by single crystalline Au and Ag NWs. Crossed and parallel NW pairs were constructed by using a nanomanipulator to create SERS hot spots in the form of NW junction. SERS spectra of brilliant cresyl blue (BCB), $\It{p}$-mercaptoaniline ($\It{p}$MA), and $\It{p}$-mercaptobenzoic acid ($\It{p}$MBA) were observed at the junction of two NWs. The SERS enhancement and polarization dependence are correlated well with the enhanced electric field intensities calculated by the finite difference time domain (FDTD) method for specific NW geometries. These simple and effective SERS active systems have a practical advantage that the hot spots can be readily located and visualized by an optical microscope. In order to create the facile SERS hot spots, we fabricated a single metal NW on a metal film structure. Optical excitation of this novel sandwich nanostructure provides a line of SERS hot spots (a SERS hot line) at the gap between the NW and the film. The high quality SERS spectra of BCB, benzenethiol (BT), and adenine (A) measured from single NW-on-film structure were reported.
We then turn to a study of surface plasmon propagation by using NW-on-film structure. The coupling of free space photons to surface plasmon modes of Ag NW on Ag film was demonstrated. The launch of propagating plasmons, and the emission of photons, is selective and occurs only at the ends of the Ag NW. The emitted light is maximal when the incident light is polarized parallel to the long axis of NW. In particular, the Ag NW-on-film can reduce the propagation loss compared with the Ag NW on Si substrate. This result offers a potential strategy for optimizing plasmon coupling into nanoscale metallic waveguides.
$\emph{Chapter 2. Nanowire based Surface-enhanced Raman Scattering Molecular Sensor}$
In chapter 2, we report a new type of molecular sensor using Au NW?Au nanoparticles (NPs) conjugated system. This Au particle-on-wire sensor is fabricated by the self-assembly of biotinylated Au NPs on a biotinylated Au NW through avidin; this creates hot spots between NW and NPs that strongly enhance the Raman signal. The number of the Au NPs attached to the NW is reproducibly proportional to the concentration of the avidin, and is also proportional to the measured SERS signals.
We also report a ultrasensitive Au NW-on-film SERS sensor for mercuric ion ($Hg^{2+}$) detection based on a structure-switching aptamer. When the target $Hg^{2+}$ binds with aptamer, the Raman reorter-labeled DNAs are released by the structure displacement of aptamer. These DNAs were hybridized with probe DNAs attached Au NW-on-film sensor and provide enhnaced SERS signals. By using this sensor, $Hg^{2+}$ has been identified with a low detection limit of 100 pM and a linear dynamic range of $10^{-10} to $10^{-7}$ M.
Furthermore, we have demonstrated the multiplex detection of metal ions by combining individually modified multiple Au NWs together on one Au film. The $Hg^{2+}$, $Pb^{2+}$, and $Ag^+$ could be detected selectively on the use of T-rich DNAs, C-rich DNAs, and modified thrombin binding aptamer (TBAA) attached Au NWs. From this Au NWs-on-film sensor, we successfully detected $Hg^{2+}$ at a low concentration of 500 pM, $Ag^+$ of 1 nM, and $Pb^{2+}$ of 50 nM, resepctively.
$\emph{Chapter 3. Biomedical Application of Nanowire based Surface-enhanced Raman Scattering Sensor}$
The Au particle-on-wire system that can be used as a specific, sensitive, and multiplex DNA sensor is developed. A pattern formed by multiple Au NW sensors provides positional address and identification for each sensor. By using this system, multiplex sensing of target DNAs was possible in a quantitative manner with a detection limit of 10 pM. Target DNAs from reference bacteria and clinical isolates were successfully identified by this sensor system, enabling diagnostics for infectious diseases.
Secondly, we present Au NW based SERS sensor combined with S1 nuclease for the detection of single base mismatches in DNA. This sensor provides reproducible SERS signals only in the presence of perfectly matched sequences in DNA with high accuracy, aided by the single stranded DNA (ssDNA) specific degradation of S1 nuclease. Moreover, point mutations in DNAs related to Wilson disease (WD) and Avellino corneal dystrophy (ACD) were successfully identified by this sensor, enabling diagnostic for genetic diseases.
표면 증강 라만 산란 현상은 귀금속 나노 구조의 핫 스팟 영역에 분자가 존재할 경우, 그 분자의 라만 신호가 ~ $10^6$ 이상 증가하는 현상으로, 발견된 이후부터 지금까지 고감도의 분석 기술로써의 응용을 위한 많은 연구가 진행되어 왔다. 특히, 1990년대 후반부터 폭발적으로 발전한 나노 기술과 융합되면서 현재는 새로운 르네상스 시대를 보내고 있다고 하여도 과언이 아니다. 이전까지 표면 증강 라만 산란 분석법은 단 분자 검출까지도 가능한 고감도를 보여주면서도 라만 신호의 재현성이 문제가 되어 실제적 응용에 어려움을 가지고 있었는데, 나노 물질 및 나노 구조의 정밀한 합성 및 제작이 가능해지면서 이러한 단점을 상당 부분 극복하였고 실용적 응용 단계에 진입하고 있다.
우리는 대부분의 연구팀들이 반도체 나노 물질의 합성에만 사용하던 기상 이송법을 이용하여 단결정 귀금속 나노선의 합성에 성공하였다. 이 방법을 통해 합성된 나노선은 매끈한 표면을 가지고 있기 때문에, 나노 구조의 표면 형태에 매우 민감한 표면 증강 라만 산란 연구에 가장 적합하다. 우리는 금과 은의 나노선을 이용하여 표면 증강 라만 산란 현상이 일어나는 핫 스팟 영역을 제어 할 수 있었고, 이 영역에서의 물리적 현상에 대해 실험적, 이론적으로 연구하였다. 이러한 연구를 통하여 교차된 나노선, 금속 필름 위의 나노선, 나노선 위에 균일하게 정렬된 나노 입자 구조와 같은 나노선을 기반으로 한 표면 증강 라만 산란 활성 구조를 개발하였다.
이렇게 개발된 나노선 기반 표면 증강 라만 산란 활성 구조를 이용하여 아비딘과 같은 생분자와 수은, 납, 은 이온과 같은 오염 물질의 검출에 성공하였다. 아비딘은 바이오틴과의 특징적인 결합을 사용하여 나노선 위에 나노 입자가 자기 조립되도록 유도하였고, 이로 인해 증가된 라만 신호를 관찰하여 정량적으로 검출할 수 있었다. 금속 이온의 검출은 이들과 선택적으로 반응하는 압타머의 구조 전환 반응을 사용하였다. 검출 용액에 특정 금속 이온이 존재하는 경우에만 압타머와 결합이 일어나고, 라만 표지 분자-DNA를 내놓게 된다. 이러한 DNA의 구조 변화에 의하여 금 필름 위의 금 나노선 구조의 라만 신호 변화로 금속 이온을 검출 할 수 있었다.
마지막으로, 우리는 고 감도의 특성을 보여주는 나노선 기반 표면 증강 라만 산란 센서를 실제 질병 진단을 목적으로 하는 생의학 분야에 접목시켜 보았다. 병원균의 특정 DNA에만 결합할 수 있는 탐침 DNA 조각을 금 나노선에 붙여서, 임상 시료에서 뽑아낸 DNA가 금 나노선에 부착된 탐침 DNA와 결합하는지를 라만 신호를 통해 확인할 수 있었고, 결국 감염 병균의 종류를 알 수 있었다. 이 센서는 나노선을 패턴화 함으로써 다양한 감염 병균을 동시에 진단할 수 있었다. 또한, 병원균 DNA의 검출 외에도 유전자 변형으로 인한 질병 진단에도 응용해 보았다. 안과 질환의 일종인 아벨리노 각막 이영양증과 간 기능의 저하를 유발하는 윌슨병은 대표적인 유전자 변형 질환으로, 우리는 금 나노선 기반 센서와 단일 가닥 DNA 만을 선택적으로 분해시키는 S1 nuclease 효소를 이용하여 아벨리노 질환 및 윌슨병 관련 DNA의 단일 염기 서열 변형을 검출하는데 성공하였다.
표면 증강 라만 산란 현상은 고감도, 분자 특이성과 같은 장점을 가지고 있는 분석 기술이지만, 신호 재현성의 문제로 실제 응용이 쉽지 않았다. 우리는 이 분석 기술에 적합한 귀금속 나노선을 이용하여 분자 검출 및 질병 진단 용 센서의 개발에 성공하였다. 앞으로 더욱 발전될 나노 기술과 바이오 기술의 융합을 통하여 보다 작고, 빠르며, 정확하면서, 쉽게 진단이 가능한 생의학 센서의 개발이 가능 할 것으로 기대된다.
