Multiplexing of molecules with high sensitivity and selectivity is an essential technology in various fields. Detection of multiple species can significantly reduce analytical time and help provide thorough information from a single sample in applications such as diagnostics, pollution tests, and food safety. So far, various sensor technologies based on electrochemical response and optical signals have been developed to achieve multiplex detection. However, single electrochemical sensing components lack selectivity and thus fabrication of sensor arrays or data processing such as principle component analysis (PCA) is an inevitable step. Recently, reporter-based surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) has drawn much attention as a sensing technology for multiplex detection of trace-amount molecules. Despite its single-molecule level sensitivity and characteristic spectra of Raman reporter molecules, reporter-based SERS still faces the challenge of false positive response. In this thesis, multiplex detection via direct signal of target molecules is achieved by functionalizing aptamers onto SERS substrates with highly dense hot spots. Single-stranded DNA aptamers were anchored onto 3-dimensional plasmonic nanostructures consisted of well-ordered 20 nm Au nanorods by covalent thiolate bonds. The resulting aptamer-functionalized SERS substrates were able to selectively multiplex 3 different small molecules down to the nM level and also perform quantitative analysis for mixed samples of various compositions with high reproducibility.
미량 물질에 대해 고민감도/고선택성을 가지는 다중 및 복합 검출 기술은 다양한 분야에 필수적이다. 단일 측정을 통한 다중 분자 검출은 분석 시간을 단축시키고 단일 샘플에 대해 더욱 풍부한 정보를 취득함에 있어 질병 진단, 환경오염 관리, 식품 안전 등의 분야에서 의미를 가진다. 지금까지 전기화학적, 광학적 신호를 통한 다양한 다중 검출 센서가 개발되었으나, 전기화학적 신호를 읽는 단일 소자는 선택성을 가지지 못하여 센서 배열을 제작하거나 주성분 분석법 (PCA)을 이용하는 것이 불가피하다. 최근 리포터 분자 기반 표면 증강 라만 산란(SERS)은 리포터 분자의 높은 민감도와 고유한 스펙트럼에 기인하여 미량 물질의 다중 검출을 위한 기술로 떠오르고 있다. 하지만 위양성 문제 및 간접적 검출의 신뢰도 한계를 여전히 해결하지 못하고 있다. 본 학위논문에서는 고밀도의 핫스팟을 가지는 SERS 기판에 압타머를 기능화함으로써 구현한 표적 분자의 직접적 라만 신호를 검출하는 SERS를 제안한다. 단일 가닥 DNA 압타머를 정렬된 20 nm 금 나노막대로 이루어진 3차원 플라즈모닉 나노구조체에 thiol 공유결합을 통해 고정하여 제작된 압타머-기능화 SERS 기판은 높은 재현성으로 nM 수준까지의 민감도와 3 종 혼합물에 대해 선택적 다중 검출을 나타내었다.
