The discovery of surfaces enhanced Raman scattering (SERS) is a landmark moment in the history of spectroscopic and analytical techniques. Significant experimental and theoretical research has been dedicated to establishing its applicability in a wide variety of ultrasensitive sensing applications. SERS has developed into a vibrant field of research and technology in the 45 years after its discovery, including biochemistry and biosensing, materials science, polymer science, catalysis, and electrochemistry. SERS in combination with nanotechnology has been recognized as a promising tool in the area of biosensing. The SERS-based assay has great potential as a multiplex detection approach due to the Raman fingerprints and signal enhancement by electromagnetic enhancement and chemical enhancement. In this work, SERS was used as a highly sensitive assay method based on specific aptamers.Aptamers are single-stranded nucleic acids, which functional roles are similar to those of antibodies as bioreceptors. Aptamers have been shown to interact with a wide variety of target molecules, including small organic molecules, proteins, viral particles, whole cells, inorganic compounds and bacteria. Much of the success of aptamers can be attributed to SELEX (systematic evolution of ligands by exponential enrichment). Aptamers and monoclonal antibodies have comparable levels of affinity when it comes to detecting targets. Meanwhile, aptamers could overcome the disadvantages of antibodies, such as, highly immunogenic, time-consuming and expensive to manufacture, and significant batch to batch variation. This work mainly focused on the development of SERS-based aptasensors for respiratory virus diagnosis.Respiratory viruses are the primary cause of illness in humans. Various virus families are capable of infecting and causing disease via the respiratory tract. Due to their capacity to spread via the respiratory route, newly emerging diseases like these have the potential to cause a pandemic and pose significant challenges to global health, with significant morbidity and mortality. Influenza viruses and coronaviruses, including Middle East respiratory syndrome coronavirus (MERS-CoV), severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV), and severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), have been related to a number of viral pneumonia epidemics worldwide. By developing a better diagnostics method of these infections, we can create strategies to defend against the more severe, potentially pandemic diseases.By taking the advantages of SERS and aptamers, several SERS-based aptasensors were specifically developed and applied for the diagnosis of respiratory viruses, such as influenza A/H1N1 and SARS-CoV-2.In chapter 2, we investigated the application of the SERS-based imaging aptasensor platform for detecting A/H1N1 virus. SERS-based aptasensors display high sensitivity for influenza A/H1N1 virus detection but improved signal reproducibility is required. Therefore, we fabricated a three-dimensional (3D) nano-popcorn plasmonic substrate with multiple hotspots which dramatically enhanced the incident field. Quantitative evaluation of A/H1N1 virus was achieved using the decrease of Raman peak intensity resulting from the release of Cy3-labeled aptamers from nano-popcorn substrate surfaces via the interaction between the aptamer deoxyribonucleic acid (DNA) and A/H1N1 virus. The SERS-based assay for detecting A/H1N1 virus had an estimated limit of detection of 97 PFU/mL and the assay time was estimated to be 20 min. In chapter 3, We developed a new SERS-based aptasensor platform capable of quantifying SARS-CoV-2 lysates with a high sensitivity. In this study, a spike protein DNA aptamer was used as a receptor for the sensible detection of SARS-CoV-2. This technique enables detecting SARS-CoV-2 with a limit of detection (LOD) of less than 10 PFU/mL within 15 min. The results of this study demonstrate the possibility of a clinical application that can dramatically improve the detection limit and accuracy.In chapter 4, in order to quickly and accurately diagnose and distinguish SARS-CoV-2 and influenza A/H1N1 concurrently, we developed a dual-mode SERS-based aptasensor. In that context, DNA aptamers that selectively bind to SARS-CoV-2 and influenza A/H1N1 were jointly immobilized on an Au nanopopcorn substrate. Raman reporters (Cy3 and RRX). Additionally, the internal standard Raman reporter (4-MBA) was introduced to reduce errors caused by variations in the measurement environment. When SARS-CoV-2 or influenza A virus approaches, the corresponding DNA aptamer selectively detaches. Using this SERS-based aptasensor, it is possible to determine whether a patient is infected with SARS-CoV-2 or influenza A.Therefore, these SERS-based aptasensors can be considered conceptually new diagnostic platforms for detecting viral pathogens, that rapidly identifies respiratory diseases to prevent their spread.
표면 증강 라만 산란(SERS)의 발견은 분광 및 분석 기술의 역사에서의 획기적인 순간이다. 다양한 초고감도 감지 응용 분야에서 적용 가능성을 확립하기 위해 상당한 실험적 및 이론적 연구를 수행했다. SERS는 발견 후 45년 동안 생화학 및 바이오 센싱, 재료 과학, 고분자 과학, 촉매 및 전기화학을 포함하는 활발한 연구 및 기술 분야로 발전했다. 나노기술과 결합된 SERS는 바이오 센싱 분야에서 유망한 도구로 인식되어 왔다. SERS 기반 분석은 라만 지문 스펙트럼, 전자기 증강 및 화학적 신호 증강 기능을 가지고 있기 때문에 다중 검사 방법으로서 큰 잠재력을 가지고 있다. 본 연구에서 SERS는 특정한 압타머 기반의 매우 민감한 측정 방법으로 사용된다.압타머는 단일 사슬 핵산으로, 기능적 역할은 생체 수용체로서의 항체의 역할과 유사하다. 압타머는 작은 유기 분자, 단백질, 바이러스 입자, 전체 세포, 무기 화합물 및 박테리아를 비롯한 다양한 표적 분자와 상호 작용하는 것으로 나타났다. 압타머의 성공은 대부분 SELEX (systematic evolution of ligands by exponential enrichment)에 기인한다. 압타머와 단일 클론 항체는 표적 탐지와 관련하여 비슷한 수준의 친화력을 가지고 있다. 한편, 압타머는 높은 면역원성, 시간 소모적, 제조 비용, 상당한 배치 간 편차와 같은 항체의 단점을 극복할 수 있다. 이 연구는 주로 호흡기 바이러스 진단을 위한 SERS 기반 aptasensor 개발에 중점을 두었다. 호흡기 바이러스는 인류 질병의 주요 원인이다. 여러가지 바이러스는 호흡기를 통해 감염될 수 있고 질병을 일으킬 수 있다. 호흡기를 통한 전파능력으로 말미암아, 이와 같이 새롭게 출현하는 질병들은 대유행을 초래하여 전 세계 건강에 중대한 도전과제를 제기하며, 현저한 발병률과 사망률을 갖고 있다. 중동호흡기증후군 코로나바이러스 (MERS-CoV), 중증급성호흡기증후군 코로나바이러스 (SARS-CoV), 중증급성호흡기증후군 코로나바이러스 2 (SARS-CoV-2)를 포함한 인플루엔자 바이러스와 코로나바이러스는 이미 많은 바이러스성 폐렴과 함께 세계적으로 유행하고 있다. 이러한 감염에 대한 더 나은 진단 방법을 개발함으로써, 우리는 더 심각하고 잠재적으로 유행성 질병을 방어할 전략을 세울 수 있다.SERS와 압타머의 이점을 이용하여, SERS 기반의 여러 aptasensor를 인플루엔자 A/H1N1과 SARS-CoV-2와 같은 호흡기 바이러스 진단에 적용하여 개발하였다.제2장에서는, 인플루엔자 A /H1N1 바이러스 검출을 위한 SERS 기반의 이미징 aptasensor에 대해 연구하였다. SERS 기반의 생체 인식 센서는 인플루엔자 A /H1N1 바이러스 검사에 높은 민감도를 보이고 있으나 신호 재현성을 높여야 한다. 그래서 우리는 여러 개의 핫스팟을 가진 3차원 (3D) 나노-팝콘 플라스마 기판을 제작하였다. 디옥시리보핵산 (DNA) 압타머와 인플루엔자 A/H1N1 바이러스 간의 상호작용을 통해, Cy3-labeled 압타머가 나노 팝콘 기질의 표면에서 방출되어 라만신호가 감소된다. 이에 따라, 인플루엔자 A/H1N1 바이러스의 정량 평가가 이루어졌다. SERS 기반의 A/H1N1 검사의 추정 범위는 97 PFU/mL이며, 추정 검사 시간은 20분이다.제3장에서는 SARS-CoV-2 용해물을 고감도로 정량 할 수 있는 새로운 SERS 기반 aptasensor 플랫폼을 개발했다. 본 연구에서는 SARS-CoV-2의 유능한 검출을 위한 수용체로 스파이크 단백질 DNA 앱타머를 사용하였다. 이 기술은 15분 이내에 10 PFU/mL 미만의 검출 한계(LOD)로 SARS-CoV-2를 검출할 수 있다. 이 연구의 결과는 검사 한계와 정확성을 현저하게 높일 수 있을 뿐만 아니라 임상 응용 가능성도 가지고 있음을 증명하였다.제4장에서는 SARS-CoV-2와 인플루엔자 A/H1N1바이러스를 빠르고 정확하게 동시에 진단하고 구별하기 위해 듀얼 모드 SERS 기반의 맞춤형 센서를 개발하였다. 이 경우 라만리포트 분자 (Cy3과 RRX)로 표기된 DNA 압타머가 Au 나노팝콘 기질에 함께 붙어 SARS-CoV-2와 인플루엔자 A/H1N1 바이러스를 선택적으로 결합할 수 있게 된다. 또 내부 표준 라만 리포트 분자 (4-MBA)를 도입해 환경 변화에 따른 측정 오차를 줄였다. SARS-CoV-2나 인플루엔자 A/H1N1 바이러스가 접근하면 해당 DNA 압타머를 선택적으로 분리한다. SERS 기반의 aptasensor를 이용하면 환자가 SARS-CoV-2에 감염됐는지, A/H1N1에 감염됐는지 판별할 수 있다.따라서 이러한 SERS 기반의 aptasensor는 바이러스 병원체를 탐지하는 새로운 진단 플랫폼으로 개념적으로 간주될 수 있으며, 호흡기 질환을 빠르게 식별하여 전파를 방지할 수 있다.