Prospects for point-of-care pathogen diagnostics using surface-enhanced Raman scattering (SERS)

Chemical Society Reviews

Volumn 45, Issue 14, 2016, Pages 3865-3882

  Granger, Jennifer H ^a   Schlotter, Nicholas E ^a,b   Crawford, Alexis C ^a   Porter, Marc D ^a,c  

^a UNIVERSITY OF UTAH   (United States)

^b HAMLINE UNIVERSITY   (United States)

^c University of Utah   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

BIOLOGICAL MARKER;

ANIMAL; BACTERIUM; CHEMISTRY; FUNGUS; HUMAN; ISOLATION AND PURIFICATION; POINT OF CARE SYSTEM; RAMAN SPECTROMETRY; SURFACE PROPERTY; VIRUS;

ANIMALS; BACTERIA; BIOMARKERS; FUNGI; HUMANS; POINT-OF-CARE SYSTEMS; SPECTRUM ANALYSIS, RAMAN; SURFACE PROPERTIES; VIRUSES;

EID: 84978420916     PISSN: 03060012     EISSN: 14604744     Source Type: Journal    
DOI: 10.1039/c5cs00828j     Document Type: Review

References (165)

1. A. M. Caliendo D. N. Gilbert C. C. Ginocchio K. E. Hanson L. May T. C. Quinn F. C. Tenover D. Alland A. J. Blaschke R. A. Bonomo K. C. Carroll M. J. Ferraro L. R. Hirschhorn W. P. Joseph T. Karchmer A. T. MacIntyre L. B. Reller A. F. Jackson Clin. Infect. Dis. 2013 57 S139 S170
2. L. Garibyan N. Avashia J. Invest. Dermatol. 2013 133 e6 e6
3. R. M. Lequin Clin. Chem. 2005 51 2415 2418
4. L. Chang D. M. Rissin D. R. Fournier T. Piech P. P. Patel D. H. Wilson D. C. Duffy J. Immunol. Methods 2012 378 102 115
5. R. de la Rica M. M. Stevens Nat. Nanotechnol. 2012 7 821 824
6. S. Heydari G. H. Haghayegh J. Sens. Technol. 2014 4 20
7. S. Karmakar S. Kumar R. Rinaldi G. Maruccio J. Phys.: Conf. Ser. 2011 292 012002
8. M. Pelton and G. W. Bryant, Introduction to metal-nanoparticle plasmonics, Wiley-Science Wise Co-Publication, Hoboken, NJ, 2013
9. A. Barthélémy A. Fert J. P. Contour M. Bowen V. Cros J. M. De Teresa A. Hamzic J. C. Faini J. M. George J. Grollier F. Montaigne F. Pailloux F. Petroff C. Vouille J. Magn. Magn. Mater. 2002 242-245 part 1 68 76
10. G. A. Prinz Science 1998 282 1660 1663
11. J. A. Schuller E. S. Barnard W. Cai Y. C. Jun J. S. White M. L. Brongersma Nat. Mater. 2010 9 193 204
12. N. J. Halas Nano Lett. 2010 10 3816 3822
13. H. A. Atwater Sci. Am. 2007 296 56 62
14. R. P. Van Duyne Science 2004 306 985 986
15. M. D. Sonntag J. M. Klingsporn A. B. Zrimsek B. Sharma L. K. Ruvuna R. P. Van Duyne Chem. Soc. Rev. 2014 43 1230 1247
16. Y. B. Zheng B. Kiraly P. S. Weiss T. J. Huang Nanomedicine 2012 7 751 770
17. A. G. Brolo Nat. Photonics 2012 6 709 713
18. E. Ringe B. Sharma A.-I. Henry L. D. Marks R. P. Van Duyne Phys. Chem. Chem. Phys. 2013 15 4110 4129
19. M. Moskovits Rev. Mod. Phys. 1985 57 783 826
20. P. L. Stiles J. A. Dieringer N. C. Shah R. P. Van Duyne Annu. Rev. Anal. Chem. 2008 1 601 626
21. J. M. McMahon S. Li L. K. Ausman G. C. Schatz J. Phys. Chem. C 2012 116 1627 1637
22. K.-i. Yoshida T. Itoh H. Tamaru V. Biju M. Ishikawa Y. Ozaki Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2010 81 115406
23. K. C. Bantz A. F. Meyer N. J. Wittenberg H. Im O. Kurtulus S. H. Lee N. C. Lindquist S.-H. Oh C. L. Haynes Phys. Chem. Chem. Phys. 2011 13 11551 11567
24. M. M. Harper K. S. McKeating K. Faulds Phys. Chem. Chem. Phys. 2013 15 5312 5328
25. F. J. García-Vidal J. B. Pendry Phys. Rev. Lett. 1996 77 1163 1166
26. M. Fan G. F. S. Andrade A. G. Brolo Anal. Chim. Acta 2011 693 7 25
27. M. J. Mulvihill X. Y. Ling J. Henzie P. Yang J. Am. Chem. Soc. 2010 132 268 274
28. T. M. Cotton R. A. Uphaus D. Mobius J. Phys. Chem. 1986 90 6071 6073
29. B. J. Kennedy S. Spaeth M. Dickey K. T. Carron J. Phys. Chem. B 1999 103 3640 3646
30. K. Kneipp Y. Wang H. Kneipp L. T. Perelman I. Itzkan R. R. Dasari M. S. Feld Phys. Rev. Lett. 1997 78 1667 1670
31. M. Fleischmann P. J. Hendra A. J. McQuillan Chem. Phys. Lett. 1974 26 163 166
32. M. G. Albrecht J. A. Creighton J. Am. Chem. Soc. 1977 99 5215 5217
33. D. L. Jeanmaire R. P. Van Duyne J. Electroanal. Chem. 1977 84 1 20
34. T. E. Rohr T. Cotton N. Fan P. J. Tarcha Anal. Biochem. 1989 182 388 398
35. P. J. Tarcha, T. E. Rohr, J. J. Markese, T. Cotton and B. N. Rospendowski, US Pat., 5376556, 1994
36. H.-Y. Park, R. J. Lipert and M. D. Porter, Nanosensing: Materials and Devices, in Proceedings of SPIE, ed., M. Saif Islam, and, A. K. Dutta, 2004, vol. 5593, pp. 464-477
37. D. A. Stuart A. J. Haes C. R. Yonzon E. M. Hicks R. P. Van Duyne IEE Proc.: Nanobiotechnol. 2005 152 13 32
38. F. Yan T. Vo-Dinh Sens. Actuators, B 2007 121 61 66
39. M. D. Porter R. J. Lipert L. M. Siperko G. Wang R. Narayanan Chem. Soc. Rev. 2008 37 1001 1011
40. D. Graham R. Goodacre Chem. Soc. Rev. 2008 37 883 884
41. K. Hering D. Cialla K. Ackermann T. Dörfer R. Möller H. Schneidewind R. Mattheis W. Fritzsche P. Rösch J. Popp Anal. Bioanal. Chem. 2008 390 113 124
42. M. D. Porter M. C. Granger L. M. Siperko R. J. Lipert ECS Trans. 2009 16 3 22
43. C. L. Zavaleta B. R. Smith I. Walton W. Doering G. Davis B. Shojaei M. J. Natan S. S. Gambhir Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2009 106 13511 13516
44. M. D. Porter, M. C. Granger, L. M. Siperko and R. J. Lipert, Proc. SPIE, Micro- and Nanotechnology Sensors, Systems, and Applications III, 80311T, May 13, 2011, vol. 8031
45. L. Rodriguez-Lorenzo L. Fabris R. A. Alvarez-Puebla Anal. Chim. Acta 2012 745 10 23
46. S. McAughtrie K. Faulds D. Graham J. Photochem. Photobiol., C 2014 21 40 53
47. R. A. Tripp R. A. Dluhy Y. Zhao Nano Today 2008 3 31 37
48. Y. H. Ngo W. L. Then W. Shen G. Garnier J. Colloid Interface Sci. 2013 409 59 65
49. T. Vo-Dinh M. Y. K. Hiromoto G. M. Begun R. L. Moody Anal. Chem. 1984 56 1667 1670
50. B. Sharma R. R. Frontiera A.-I. Henry E. Ringe R. P. Van Duyne Mater. Today 2012 15 16 25
51. S. Uskoković-Marković M. Jelikić-Stankov I. Holclajtner-Antunović P. Durević J. Med. Biochem. 2013 32 96 103
52. D. A. Henderson Science 1999 283 1279 1282
53. B. Graham, J. Talent, R. Larsen and L. Kidder, Bio-Response Report Card, http://www.biotech-now.org/health/2011/10/bioterrorism-ten-years-later
54. J. Bordet E. Renaux Ann. Inst. Pasteur 1930 45 1 25
55. B. Moore R. S. Williams Biochem. J. 1911 5 181 187
56. R. T. Hewlett G. N. Hall J. Hyg. 1911 11 473 480
57. T. Vo-Dinh G. D. Griffin K. R. Ambrose Appl. Spectrosc. 1986 40 696 700
58. O. Lazcka F. J. D. Campo F. X. Muñoz Biosens. Bioelectron. 2007 22 1205 1217
59. S. K. Arya A. Singh R. Naidoo P. Wu M. T. McDermott S. Evoy Analyst 2011 136 486 492
60. Y. H. Lai S. Koo S. H. Oh E. A. Driskell J. D. Driskell Anal. Methods 2015 7 7249 7255
61. A. H. Peruski L. H. Johnson Iii L. F. Peruski Jr J. Immunol. Methods 2002 263 35 41
62. M. Seaver J. D. Eversole J. J. Hardgrove W. K. Cary D. C. Roselle Aerosol Sci. Technol. 1999 30 174 185
63. N. Jouvenet P. D. Bieniasz S. M. Simon Nature 2008 454 236 240
64. H. Yu J. W. Raymonda T. M. McMahon A. A. Campagnari Biosens. Bioelectron. 2000 14 829 840
65. R. Vidžiūnaité N. Dikiniené V. Miliukiené P. Mikulskis J. Kulys J. Biolumin. Chemilumin. 1995 10 193 198
66. L. A. Lane X. Qian S. Nie Chem. Rev. 2015 115 10489 10529
67. S. Nie S. R. Emory Science 1997 275 1102 1106
68. D. S. Grubisha R. J. Lipert H.-Y. Park J. Driskell M. D. Porter Anal. Chem. 2003 75 5936 5943
69. X. Zhang M. A. Young O. Lyandres R. P. Van Duyne J. Am. Chem. Soc. 2005 127 4484 4489
70. S. Xu X. Ji W. Xu X. Li L. Wang Y. Bai B. Zhao Y. Ozaki Analyst 2004 129 63 68
71. J. D. Driskell C. G. Larrick C. Trunell Langmuir 2014 30 6309 6313
72. A. Lopez F. Lovato S. Hwan Oh Y. H. Lai S. Filbrun E. A. Driskell J. D. Driskell Talanta 2016 146 388 393
73. R. P. van Duyne K. L. Haller R. I. Altkorn Chem. Phys. Lett. 1986 126 190 196
74. K. L. Norrod L. M. Sudnik D. Rousell K. L. Rowlen Appl. Spectrosc. 1997 51 994 1001
75. T. O. Deschaines K. T. Carron Appl. Spectrosc. 1997 51 1355 1359
76. S. E. J. Bell N. M. S. Sirimuthu Chem. Soc. Rev. 2008 37 1012 1024
77. L. Libioulle Y. Houbion J. M. Gilles Rev. Sci. Instrum. 1995 66 97 100
78. C. Burda X. Chen R. Narayanan M. A. El-Sayed Chem. Rev. 2005 105 1025 1102
79. C. J. Murphy T. K. Sau A. M. Gole C. J. Orendorff J. Gao L. Gou S. E. Hunyadi T. Li J. Phys. Chem. B 2005 109 13857 13870
80. W. E. Doering M. E. Piotti M. J. Natan R. G. Freeman Adv. Mater. 2007 19 3100 3108
81. E. P. Hoppmann W. W. Yu I. M. White Appl. Spectrosc. 2014 68 909 915
82. P. M. Fierro-Mercado S. P. Hernandez-Rivera Int. J. Spectrosc. 2012 2012 7
83. X. Zhou W. Li M. Wu S. Tang D. Liu Appl. Surf. Sci. 2014 292 537 543
84. X. Dou T. Takama Y. Yamaguchi H. Yamamoto Y. Ozaki Anal. Chem. 1997 69 1492 1495
85. S. P. Mulvaney M. D. Musick C. D. Keating M. J. Natan Langmuir 2003 19 4784 4790
86. D. O. Ansari, D. A. Stuart and S. Nie, Proc. SPIE, Imaging, Manipulation, and Analysis of Biomolecules and Cells: Fundamentals and Applications III, 82, 2005, vol. 5699, DOI: 10.1117/12.591178
87. J. D. Driskell K. M. Kwarta R. J. Lipert M. D. Porter J. D. Neill J. F. Ridpath Anal. Chem. 2005 77 6147 6154
88. J. Ni R. J. Lipert G. B. Dawson M. D. Porter Anal. Chem. 1999 71 4903 4908
89. H.-Y. Park, PhD thesis, Iowa State University, 2005
90. K. Faulds W. E. Smith D. Graham Analyst 2005 130 1125 1131
91. Y. C. Cao R. Jin C. A. Mirkin Science 2002 297 1536 1540
92. R. L. McCreery M. Fleischmann P. Hendra Anal. Chem. 1983 55 146 148
93. J. M. Bello V. A. Narayanan D. L. Stokes T. Vo Dinh Anal. Chem. 1990 62 2437 2441
94. A. S. Fauci Clin. Infect. Dis. 2001 32 675 685
95. R. Lozano et al. Lancet 2012 380 2095 2128
96. NIH, National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID), NIAID Emerging Infectious Diseases/Pathogens, http://www.niaid.nih.gov/topics/BiodefenseRelated/Biodefense/Pages/CatA.aspx
97. D. E. Gottschling, R. D. Grober and M. Sailor, Defense Science Study Group 1998-1999, Institute for Defense Analyses, 2000, ch. 1-13, vol. 1, pp. 187-206
98. J. Christensen L. Nørgaard R. Bro S. B. Engelsen Chem. Rev. 2006 106 1979 1994
99. L. He E. Lamont B. Veeregowda S. Sreevatsan C. L. Haynes F. Diez-Gonzalez T. P. Labuza Chem. Sci. 2011 2 1579 1582
100. G. A. Balint Toxicology 1974 2 77 102
101. R. Gao J. Ko K. Cha J. Ho Jeon G.-e. Rhie J. Choi A. J. deMello J. Choo Biosens. Bioelectron. 2015 72 230 236
102. K. Ryu A. J. Haes H.-Y. Park S. Nah J. Kim H. Chung M.-Y. Yoon S.-H. Han J. Raman Spectrosc. 2010 41 121 124
103. M. B. Wabuyele T. Vo-Dinh Anal. Chem. 2005 77 7810 7815
104. H.-N. Wang A. M. Fales A. K. Zaas C. W. Woods T. Burke G. S. Ginsburg T. Vo-Dinh Anal. Chim. Acta 2013 786 153 158
105. H. T. Ngo H.-N. Wang A. M. Fales B. P. Nicholson C. W. Woods T. Vo-Dinh Analyst 2014 139 5655 5659
106. S. Shanmukh L. Jones J. Driskell Y. Zhao R. Dluhy R. A. Tripp Nano Lett. 2006 6 2630 2636
107. S. Shanmukh L. Jones Y. P. Zhao J. D. Driskell R. A. Tripp R. A. Dluhy Anal. Bioanal. Chem. 2008 390 1551 1555
108. C. W. Burt and S. Schappert, Ambulatory care visits to physician offices, hospital outpatient departments, and emergency departments: United States, 1999-2000, National Center for Health Statistics, 2004, vol. 13
109. K. Hadjigeorgiou, E. Kastanos, A. Kyriakides and C. Pitris, Proc. SPIE, Optical Diagnostics and Sensing XII: Toward Point-of-Care Diagnostics; and Design and Performance Validation of Phantoms Used in Conjunction with Optical Measurement of Tissue IV, 82290D Cyprus, Greece, 2012, vol. 8229, DOI: 10.1117/12.907997
110. E. K. Kastanos A. Kyriakides K. Hadjigeorgiou C. Pitris J. Raman Spectrosc. 2010 41 958 963
111. H. Bottemiller, New Estimates Lower Incidence of Food Poisoning, http://www.foodsafetynews.com/2010/12/cdc-releases-new-foodborne-illness/#.VjEJeivv4o5
112. H. Bottemiller, Annual Foodborne Illnesses Cost $77 Billion, Study Finds, http://www.foodsafetynews.com/2012/01/foodborne-illness-costs-77-billion-annually-study-finds/#.VjEMdyvv4o4
113. M. N. Guerini T. M. Arthur S. D. Shackelford M. Koohmaraie J. Food Prot. 2006 69 1007 1011
114. Y. Wang S. Ravindranath J. Irudayaraj Anal. Bioanal. Chem. 2011 399 1271 1278
115. J. Wang X. Xie J. Feng J. C. Chen X.-j. Du J. Luo X. Lu S. Wang Int. J. Food Microbiol. 2015 204 66 74
116. E. J. Dufek B. Ehlert M. C. Granger T. M. Sandrock S. L. Legge M. G. Herrmann A. W. Meikle M. D. Porter Analyst 2010 135 2811 2817
117. A. Assaf C. B. Y. Cordella G. Thouand Anal. Bioanal. Chem. 2014 406 4899 4910
118. K. L. Rule P. J. Vikesland Environ. Sci. Technol. 2009 43 1147 1152
119. Associated-Press, Americans spent a record $56 billion on pets last year, http://www.cbsnews.com/news/americans-spent-a-record-56-billion-on-pets-last-year/
120. Cornell University, College of Veterinary Medicine, Animal Health Diagnostic Center Test and Fee Schedule, 2014, pp. 1-36
121. B. J. Yakes R. J. Lipert J. P. Bannantine M. D. Porter Clin. Vaccine Immunol. 2008 15 227 234
122. B. J. Yakes R. J. Lipert J. P. Bannantine M. D. Porter Clin. Vaccine Immunol. 2008 15 235 242
123. K. Stevenson Cattle Practice 2012 18 104 109
124. V. J. Timms M. M. Gehringer H. M. Mitchell G. Daskalopoulos B. A. Neilan J. Microbiol. Methods 2011 85 1 8
125. K. Over P. G. Crandall C. A. O'Bryan S. C. Ricke Crit. Rev. Microbiol. 2011 37 141 156
126. M. A. Firpo K. M. Boucher S. J. Mulvihill Theor. Biol. Med. Modell. 2014 11 34
127. K. E. Poruk M. A. Firpo D. G. Adler S. J. Mulvihill Ann. Surg. 2013 257 17
128. J. Ren H. Cai Y. Li X. Zhang Z. Liu J.-S. Wang Y. L. Hwa Y. Zhang Y. Yang Y. Li S.-W. Jiang Expert Rev. Mol. Diagn. 2010 10 787 798
129. A. A. Ellington I. J. Kullo K. R. Bailey G. G. Klee Clin. Chem. 2010 56 186 193
130. J. A. Bastarache T. Koyama N. E. Wickersham D. B. Mitchell R. L. Mernaugh L. B. Ware J. Immunol. Methods 2011 367 33 39
131. S. T. Chang J. M. Zahn J. Horecka P. L. Kunz J. M. Ford G. A. Fisher Q. T. Le D. T. Chang H. Ji A. C. Koong J. Transl. Med. 2009 7 105
132. M. Pla-Roca R. F. Leulmi S. Tourekhanova S. Bergeron V. Laforte E. Moreau S. J. C. Gosline N. Bertos M. Hallett M. Park D. Juncker Mol. Cell. Proteomics 2012 11 M111.011460
133. K. K. Maiti U. S. Dinish A. Samanta M. Vendrell K.-S. Soh S.-J. Park M. Olivo Y.-T. Chang Nano Today 2012 7 85 93
134. G. Zheng F. Patolsky Y. Cui W. U. Wang C. M. Lieber Nat. Biotechnol. 2005 23 1294 1301
135. S. F. Kingsmore Nat. Rev. Drug Discovery 2006 5 310 320
136. D. Mabey R. W. Peeling A. Ustianowski M. D. Perkins Nat. Rev. Microbiol. 2004 2 231 240
137. J. F. Pierson-Perry, J. E. Vaks, A. P. Durham, C. Fischer, C. Gutenbrunner, D. Hillyard, M. V. Kondratovich, P. Ladwig and R. A. Middleberg, EP17-A2 Evaluation of Detection Capability for Clinical Laboratory Measurement Procedures; Approved Guideline, Clinical and Laboratory Standards Institute, 950 West Valley Road, Suite 2500, Wayne, PA 19087 USA, 2nd edn, 2012
138. L. A. Currie Pure Appl. Chem. 1995 67 1699
139. D. C. Harris, Quantitative Chemical Analysis, W. H. Freeman and Company, New York, NY, 7th edn, 2007
140. S. A. Glantz, Primer of biostatistics, 1997
141. D. A. Armbruster T. Pry Clin. Biochem. Rev. 2008 29 suppl 1 S49 S52
142. J. Fan S. Upadhye A. Worster Can. J. Emerg. Med. 2006 8 19 20
143. K. Hajian-Tilaki Caspian J. Intern. Med. 2013 4 627 635
144. R. Ekins P. Edwards Clin. Chem. 1997 43 1824 1831
145. J. H. Granger M. C. Granger M. A. Firpo S. J. Mulvihill M. D. Porter Analyst 2013 138 410 416
146. K. W. Kho C. Y. Fu U. S. Dinish M. Olivo J. Biophotonics 2011 4 667 684
147. H. Chon S. Lee S.-Y. Yoon S.-I. Chang D. W. Lim J. Choo Chem. Commun. 2011 47 12515 12517
148. X. Wang X. Qian J. J. Beitler Z. G. Chen F. R. Khuri M. M. Lewis H. J. C. Shin S. Nie D. M. Shin Cancer Res. 2011 71 1526 1532
149. R. Bro Anal. Chim. Acta 2003 500 185 194
150. P. K. Hopke Anal. Chim. Acta 2003 500 365 377
151. S. Wold K. Esbensen P. Geladi Chemom. Intell. Lab. Syst. 1987 2 37 52
152. K. Gracie E. Correa S. Mabbott J. A. Dougan D. Graham R. Goodacre K. Faulds Chem. Sci. 2014 5 1030 1040
153. R. Boqué F. X. Rius Chemom. Intell. Lab. Syst. 1996 32 11 23
154. A. C. Olivieri N. M. Faber J. Ferré R. Boqué J. H. Kalivas H. Mark Pure Appl. Chem. 2006 78 633 661
155. K. Faulds R. Jarvis W. E. Smith D. Graham R. Goodacre Analyst 2008 133 1505 1512
156. I. S. Patel W. R. Premasiri D. T. Moir L. D. Ziegler J. Raman Spectrosc. 2008 39 1660 1672
157. R. Boqué M. S. Larrechi F. X. Rius Chemom. Intell. Lab. Syst. 1999 45 397 408
158. R. Boqué N. M. Faber F. X. Rius Anal. Chim. Acta 2000 423 41 49
159. P. Geladi Spectrochim. Acta, Part B 2003 58 767 782
160. S. Laing K. Gracie K. Faulds Chem. Soc. Rev. 2016 45 1901 1918
161. P. Geladi B. Sethson J. Nyström T. Lillhonga T. Lestander J. Burger Spectrochim. Acta, Part B 2004 59 1347 1357
162. K. C. Henderson E. S. Sheppard O. E. Rivera-Betancourt J.-Y. Choi R. A. Dluhy K. A. Thurman J. M. Winchell D. C. Krause Analyst 2014 139 6426 6434
163. G. McNay D. Eustace W. E. Smith K. Faulds D. Graham Appl. Spectrosc. 2011 65 825 837
164. E. P. Diamandis and T. K. Christopoulos, Immunoassay, Academic Press, New York, NY, 1996
165. D. Wild, The Immunoassay Handbook, Elsevier Ltd, Oxford, UK, 3rd edn, 2005