Raman spectroscopy (RS), including surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) serves as a new diagnostic technique for monitoring neurotransmitters at physiologically relevant values: a sensitive technique that provides the structural information of released compounds and spatial information about their release sites. However, highly stable SERS detection still challenges for precise identification of neurotransmitters due to the weak analyte affinity of neurotransmitters and instability of SERS substrates. Conventional SERS studies still struggle for the single molecule-level SERS detection due to a low signal-to-noise ratio and uncertainties in signal intensity. Spread spectrum Raman spectroscopy (ss-RS) is a novel approach for completely resolving the technical barrier of existing SERS or biosensing techniques by applying the spread-spectrum technology well-known in optical telecommunication to the biomolecule detection. This method efficiently removes all the noises including even fluorescence signals. In particular, this method simultaneously encodes SERS signals (lifetime of psec less than the modulation frequency) in the same pattern as the spreading code under spreading coded light excitation. In contrast, fluorescence signals (lifetime of nsec greater than the modulation frequency) are encoded in a distorted pattern and then substantially suppressed by near-zero cross-correlation between the fluorescence signals and the spreading cose. This spread spectrum SERS detection has successfully demonstrated exceptionally high SNR improvement over three orders-of-magnitude by encoding and decoding of spreading codes based on correlation process. The experimental results clearly demonstrate that spread spectrum SERS allows label-free SERS detection of dopamine, serotonin, acetylcholine, GABA, and glutamate neurotransmitters down to the attomolar level. Raman spectroscopy (RS), which can quantitatively analyze distinctive spectral features specific for target molecules, has been developed as a promising method for noninvasive diabetes diagnosis. Tear glucose detection using spread spectrum Raman spectroscopy for noninvasive diabetes diagnosis is experimentally verified. The spread spectrum RS further allows the selective RS detection of glucose in artificial tear down to the nanomolar level. From clinical trial results of human-based tear glucose using ss-RS, we have successfully verified high correlation between tear and blood glucose. The proposed method overcomes the limitation of conventional SERS techniques and provides a new alternative for early diagnosis of neurological disease and real-time and noninvasive diabetes diagnosis. This ultrasensitive performance allows label-free SERS analysis at a single molecular level as well as quantitative molecular diagnostics. Moreover, the spreading coded light excitation can give a new route for developing highly sensitive, high speed, low-cost and handheld biomedical spectroscopic techniques in UV, visible, and infrared even to terahertz ranges. This spread spectrum light excitation driven SERS technique provides a new paradigm for ultrasensitive SERS/RS detection or other ultrasensitive optical biosensing applications. Moreover, this noise-free SERS detection can also serve as a high impact and key tool for label-free small molecule assays including single molecule DNA sequencing, metagenomics, or epigenetic analysis, not only neurotransmitters. The results of this study will make solely technical advances and also have significant impacts on interdisciplinary communities of the following researchers applying cutting-edge technologies in other fields for resolving the technical barrier of the biomolecular detection.
표면증강라만분광법(SERS)을 포함한 라만분광법 (RS)는 분자 단위에서 화합물의 구조와 공간에 대한 정확한 정보를 제공하는 고감도 측정기술로써, 인체 내 매우 낮은 농도로 분비되는 신경전달물질을 모니터링하기 위한 새로운 진단 기술로 각광을 받고 있다. 그러나 SERS 기판의 불안정한 특성과 신경전달물질의 낮은 친화성으로 인하여, SERS 검출 기술의 재현성과 안정성은 여전히 극복하지 못한 문제로 남아있다. 또한 기존의 SERS 연구는 낮은 신호대잡음비와 신호 세기의 불확실성으로 인해 단일 분자 수준의 SERS 검출에 여전히 어려움을 겪고 있다. 본 연구에서는 암호화된 광 여기를 이용하여 잡음을 실질적으로 제거하는 대역 확산 라만분광법(Spread Spectrum RS, ss-RS)을 처음으로 제안하였으며, 성공적으로 구현하여 우수한 잡음 제거 및 신호대잡음비 향상 특성을 검증하였다. 대역 확산 라만분광법(ss-RS)은 확산 코드로 레이저 신호를 여기한 후 확산 코드의 우수한 자기상관(peak autocorrelation) 및 상호상관(near-zero cross-correlation) 특성을 이용하여 형광 신호를 포함한 모든 잡음신호를 제거하고 SERS를 포함한 라만 신호를 복원함으로써, SERS 및 RS 신호의 신호대잡음비를 획기적으로 향상시킨다. 대역 확산 라만분광법에 의한 잡음 제거 기술은 광통신 분야에서 잘 알려진 대역확산 기법을 생체 분자 검출에 적용하여 기존 SERS 또는 바이오 센싱 기술의 기술적 장벽을 완전히 해결하기 위한 새로운 접근 방법이다. 대역 확산 라만분광법(ss-RS)은 도파민, 세로토닌, 아세틸콜린, 가바(GABA) 및 글루타메이트 5종의 신경전달물질을 아토몰 (10-18 M) 수준까지 측정하였다. 이는 도파민, 가바, 세로토닌과 같은 신경 전달 물질에 대한 기존 SERS 기술의 현재 검출 한계가 나노 플라즈모닉 또는 나노 유체와 같은 모든 최첨단 엔지니어링 기술이 통합되더라도 여전히 나노몰 (10-9 M) 수준임에 비하면 약 106배 이상 향상된 결과이며, 시간 해상도도 100분의 1 이상 단축되었다. 또한 비침습적 당뇨병 진단 방법으로 포도당에 대한 고유의 라만 스펙트럼을 측정하여 정량적으로 분석하는 라만 분광법에 있어, 대역확산 기법의 우수한 잡음 제거 및 신호대잡음비 향상 성능을 적용하여 기존 라만 분광기의 검출 한계를 극복함으로써, 눈물에서 포도당을 측정하여 비침습적 당뇨 진단이 가능함을 임상 실험을 통하여 성공적으로 검증하였다. 대역확산 표면증강라만분광법 및 라만분광법은 기존 검출 기술의 한계를 극복하여, 표지없이 생체 분자를 정확하게 측정하는 초고감도 분석 도구로써, 신경질환을 조기에 진단하고 실시간 비침습적으로 당뇨를 진단하는 새로운 대안을 제시한다. 또한 단일분자 DNA 시퀀싱, 메타 유전체학을 포함한 표지 없는 소분자 분석을 위한 핵심 도구 역할을 할 수 있으며, 생체 분자 검출의 기술적 장벽을 해결하기 위해 다른 분야의 최첨단 기술을 적용하는 학제간 커뮤니티에도 상당한 영향을 미칠 것으로 기대한다.
