Surface-enhanced Raman scattering (SERS) is a fascinating phenomenon that increases Raman signals from molecules located in metallic nanostructure by a factor of $10^6$ or more. Since its discovery in the 1970s, the interest and use of SERS have grown dramatically due to its high sensitivity and selectivity for detecting molecules. The field of SERS has now developed into a mature field and with the advent of state-of-the-art precise nanofabrication methods, single molecule detection become possible. The application of SERS has moved from physics to material science, chemistry, and more recently to biochemical applications. In this dissertation, we present the works on Au nanowires (NWs) based SERS sensors for various biochemical applications. The single-crystalline Au NW synthesized in vapor phase without surfactants have atomically smooth surface. The use of Au NWs is highly advantageous for the SERS based detection of biochemical species because their well-defined geometric architecture provides reliable reproducibility, time stability and excellent sensitivity. The detailed description covered in chapters 2-6 are as follows.
MicroRNAs (miRNAs) are emerging new biomarkers for many human diseases. To fully employ miRNAs as biomarkers for clinical diagnosis, it is most desirable to accurately determine the expression patterns of miRNAs. In chapter 2, an ultra-specific detection method of miRNAs with zeptomole sensitivity is reported by applying bi-temperature hybridizations on single-crystalline PNI sensors. This method shows near-perfect accuracy of SNPs and a very low detection limit of 100 am without any amplification or labeling steps. Furthermore, multiplex sensing capability and wide dynamic ranges of this method allows reliable observation of the expression patterns of miRNAs extracted from human tissues. The PNI sensor offers combination of ultra-specificity and zeptomole sensitivity while requiring two steps of hybridization between short oligonucleotides, which could present the best set of features for optimum miRNA sensing method.
In chapter 3, we report a nanogap-rich Au NW SERS sensor for detection of telomerase activity in various cancer cells and tissues. The nanogap-rich Au NWs were constructed by deposition of nanoparticles on single-crystalline Au NWs and provided highly reproducible SERS spectra. The telomeric substrate (TS) primer-attached nanogap-rich Au NWs can detect telomerase activity through SERS measurement after the elongation of TS primers, folding into G-quadruplex structures, and intercalation of methylene blue. The nanogap-rich Au NW sensors showed strong SERS signals only in the presence of tumor tissues excised from 16 tumor-bearing mice, while negligible signals in the presence of heated tumor tissues or normal tissues. We anticipate that nanogap-rich Au NW SERS sensors can be used for a universal cancer diagnosis and further biomedical applications including a diverse biomarker sensing.
In chapter 4, we report an extremely simple method for transferring single-crystalline Au NWs onto Au substrates for the large-scale fabrication of sensitive, reproducible, and highly stable SERS sensors. Vertically grown Au NWs on a sapphire substrate can be horizontally transferred onto an Au substrate via a simple attachment and detachment process, and the resulting Au NWs on the Au substrate are SERS active platforms. By combining Au NW SERS sensors with DNA aptamer, we successfully detected human α-thrombin as well as $Pb^{2+}$ and $Hg^{2+}$ ions in a single step. Because Au NWs can be routinely transferred onto Au substrates and because the resultant Au NW SERS sensors are highly stable and provide with high sensitivity and reproducibility of detection, these sensors hold potential for practical use in biochemical sensing.
Uranium is an essential raw material in nuclear energy generation; however, its use raises concerns about the possibility of severe damage to human health and the natural environment. In chapter 5, we report an ultrasensitive ${UO_2}^{2+}$ detection method in natural water that uses a plasmonic NW interstice (PNI) sensor combined with a DNAzyme-cleaved reaction. ${UO_2}^{2+}$ induces the cleavage of DNAzymes into enzyme strands and released strands, which include Raman-active molecules. A PNI sensor can capture the released strands, providing strong surface-enhanced Raman scattering signal. The PNI sensor operates perfectly, even in ${UO_2}^{2+}$-contaminated natural water samples. This suggests the potential usefulness of a PNI sensor in practical ${UO_2}^{2+}$-sensing applications.
Developing a well-defined nanostructure that can provide reliable SERS signals is quite important for the practical application of SERS sensors. In chapter 6, we report here a novel single NW on graphene SNOG structure as an efficient, reproducible, and stable SERS-active platform. Au NWs having a well-defined geometry on a monolayer graphene-coated metal film can form a well-defined, continuous nanogap structure that provides reproducible and stable SERS signals. The in-NW reproducibility of the SNOG platform was verified by 2D Raman mapping and the NW-to-NW reproducibility was demonstrated by the cumulative curves of 32 SERS spectra. Furthermore, the SNOG platform showed significantly improved oxidation immunity. We anticipate that SNOG platforms will be appropriate for practical biological and chemical sensor applications that demand reproducible, stable, and strong signal production.
표면 강화 라만 산란 (SERS)은 금속 나노 구조에 위치한 분자에서 라만 신호가 106 배 이상 증가되는 매력적인 현상입니다. 1970 년대에 SERS 현상이 발견 된 이래, SERS에 대한 관심과 이용이 급격하게 증가되었는데, 그 이유는 분자 검출에 있어서 SERS가 높은 감도와 선택성을 가지고 있기 때문입니다. 현재, SERS 분야는 성숙기에 이르렀으며, 최첨단 정밀한 나노 제작 방법의 등장으로, 단일 분자 검출까지 가능해졌습니다. 이 학위 논문에서는 다양한 생화학적 응용을 위한 금 나노선 기반 SERS 센서들에 대해 보고하고자 합니다. 기상으로 합성된 단결정 금 나노선은 원자적으로 매끄러운 표면을 가지고 있습니다. 금 나노선의 사용은 생화학 물질 SERS 기반 검출에 매우 유리한데, 왜냐하면 나노선의 잘 정의 된 기하학적 구조가 재현성 있고, 시간에 안정하며, 훌륭한 감도를 지닌 SERS 신호를 제공하기 때문입니다. 신뢰할 수 있는 SERS 신호를 제공하기 때문입니다. 학위 논문의 2-6장에서 다루는 설명은 다음과 같습니다.
마이크로 RNA (miRNAs)는 많은 인간 질병의 새로운 바이오 마커로 떠오르고 있습니다. 임상 진단을 위한 바이오 마커로 miRNA를 완벽히 이용하려면 miRNA의 발현 패턴을 정확하게 알 수 있는 것이 가장 이상적입니다. 제 2 장에서, 이중 혼성화 온도 조절법을 단결정 PNI 센서에 적용하여 zeptomole 감도를 지니며 초 선택적인 miRNA 검출법을 보고합니다. 이 방법은 단일 염기 서열 변형 (SNP) 들을 거의 완벽한 정확성으로 구별했으며, 증폭과정이나 라벨링 단계 없이, 100 am의 매우 낮은 검출 한계를 보여줍니다. 게다가, 멀티 플렉스 감지 능력과 센서의 넓은 동적 범위를 통해 인간 조직에서 추출한 miRNA 발현 양상을 정확하게 관찰 할 수 있었습니다. 이 PNI 센서는 2 단계의 짧은 올리고 뉴클레오타이들의 혼성화 과정이 필요하지만, 초 특이적이며 zeptomole 감도의 조합을 제공하기 때문에, 이는 궁극적인 miRNA 센싱 방법을 위한 최상의 기능을 보여줄 수 있을 것 입니다.
제 3 장에서는 다양한 암세포와 조직으로부터 텔로머라아제 활성을 검출하기 위한 나노 갭이 풍부한 금 나노선 SERS 센서를 보고 합니다. 나노갭이 풍부한 금 나노선은 단결정 금 나노선에 나노 입자를 증착하여 제작되었으며, 재현성 높은 SERS 스펙트럼을 제공합니다. 텔로미어 기질 (TS) 프라이머 부착 후, 텔로미어 기질 (TS) 프라이머를 센서에 부착시킨 뒤에, 텔로미어 기질을 신장 시키고, G-quadruplex 구조로 폴딩 시킨 다음에, 마지막으로 메틸렌 블루를 intercalation 하여 SERS 신호를 측정하고 이를 통해 텔로머라아제 활성을 검출 할 수 있습니다. 나노 갭이 풍부한 금 나노선 SERS 센서는 종양을 가진 쥐 16 마리로부터 절제 한 종양 조직에서만 강력한 SERS 신호를 보였으며, 정상 조직이나 열을 가한 종양 조직에서는 매우 약한 SERS 신호를 보였습니다. 우리는 나노 갭이 풍부한 금 나노선 SERS 센서가 보편적인 암 진단과 다양한 바이오 마커 검출을 포함한 생체 의학 응용 분야에 사용될 수 있을 것으로 기대 합니다.
제 4 장에서 우리는 민감하고 재현성 있으며 매우 안정적인 대면적 SERS 센서의 제작을위한 기판 위에 단결정 금 나노선을 전달하는 매우 간단한 제작 방법을 보고합니다. 사파이어기판에 수직으로 성장한 금 나노선은 간단한 부착, 분리 과정을 통해 금 기판 위에 수평으로 이동 할 수 있으며, 그 결과 금 기판위 금 나노선들은 SERS 활성 플랫폼이 됩니다. DNA aptamer 와 제작된 플랫폼을 결합시킴으로써, 우리는 단일 단계로 납, 수은 이온뿐만 아니라 인간 트롬빈을 성공적으로 검출 할 수 있었습니다. 금 나노선은 금 기판 위에 간편하게 옮길 수 있고, 제작된 금 나노선 SERS 센서는 매우 안정적이며 높은 감도와 재현성을 제공하기 때문에, 이 센서 실용적인 생화학물질 검출에 응용될 것으로 기대됩니다.
우라늄은 원자력 발전에 필수적인 원료입니다. 그러나 우라늄의 사용은 인간 건강과 자연 환경에 심각한 손상 가능성을 야기합니다. 제 5 장에서 우리는 DNAzyme 절단 반응과 결합된 PNI 센서를 사용하여 자연수에서 고감도로 우라늄 이온을 검출하는 방법을 보고 합니다. 우라늄 이온은 DNAzyme 을 효소 가닥과 라만 활성 분자를 포함하는 방출 가닥으로 자릅니다. PNI 센서는 방출 가닥을 포착하여, 강한 SERS 신호를 제공합니다. 게다가 PNI 센서는 우라늄이 이온이 들어 있는 자연수 샘플에서도 완벽히 작동합니다. 이는 PNI 센서가 실용적인 우라늄 이온 검출이 가능함을 보여줍니다.
신뢰 할 수 있는 SERS 신호를 제공하는 잘 정의 된 나노 구조를 개발 하는 것은 SERS 센서의 실제 응용에 있어 매우 중요합니다. 제 6 장에서, 우리는 효율적이고 재현성 높으며 안정적인 SERS 활성 플랫폼으로서 그래핀위 단일 나노선 (SNOG) 구조를 보고합니다. 단분자층의 그래핀으로 코팅된 금속 박막에 잘 정의된 구조를 갖는 금 나노선은 연속적이고 균일한 나노 갭 구조 형성을 통해 재현성 있고 안정적인 SERS 신호를 제공할 수 있습니다. SNOG 플랫폼의 나노선 내부의 재현성은 2D 라만 맵핑 실험을 통해 검증하였고, 나노선간의 재현성은 여러 개의 SERS 스펙트럼 누적 곡선에 의해 확인하였습니다. 또한 SNOG 플랫폼은 매우 향상된 부식 방지 작용을 보여 주었습니다. 우리는 제작된 SNOG 플랫폼이 재현성과 안정성 그리고 강력한 SERS 신호를 요구하는 실제 생화학적 센서의 응용에 적합 할 것으로 기대합니다
