Surface-enhanced Raman spectroscopy biosensing: In vivo diagnostics and multimodal imaging

Analytical Chemistry

Volumn 88, Issue 13, 2016, Pages 6638-6647

  Henry, Anne Isabelle ^a   Sharma, Bhavya ^a,b   Cardinal, M Fernanda ^a   Kurouski, Dmitry ^a,c   Van Duyne, Richard P ^a  

^a NORTHWESTERN UNIVERSITY   (United States)

^b UNIVERSITY OF TENNESSEE   (United States)

^c BOEHRINGER INGELHEIM PHARMACEUTICALS INC   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

LIGHT TRANSMISSION; RAMAN SPECTROSCOPY;

ANALYTICAL TOOL; BIOSENSING; CLINICAL DIAGNOSTICS; IN-VIVO; MULTI-MODAL IMAGING; STAND -ALONE; SURFACE ENHANCED RAMAN SPECTROSCOPY; TARGET ANALYTES;

CHEMICAL ANALYSIS;

ANTIBODY; ANTINEOPLASTIC AGENT; BIOLOGICAL MARKER; DOXORUBICIN; FLUORESCENT DYE; NANOPARTICLE;

ANIMAL; CHEMISTRY; CONFOCAL MICROSCOPY; GENETIC PROCEDURES; HUMAN; METABOLISM; MOUSE; MULTIMODAL IMAGING; NEOPLASM; NUDE MOUSE; RAMAN SPECTROMETRY;

ANIMALS; ANTIBODIES; ANTINEOPLASTIC AGENTS; BIOMARKERS; BIOSENSING TECHNIQUES; DOXORUBICIN; FLUORESCENT DYES; HUMANS; MICE; MICE, NUDE; MICROSCOPY, CONFOCAL; MULTIMODAL IMAGING; NANOPARTICLES; NEOPLASMS; SPECTRUM ANALYSIS, RAMAN;

EID: 84979085659     PISSN: 00032700     EISSN: 15206882     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/acs.analchem.6b01597     Document Type: Review

References (102)

1. Kim, B. Y. S.; Rutka, J. T.; Chan, W. C. W. N. N. Engl. J. Med. 2010, 363, 2434-2443 10.1056/NEJMra0912273
2. Caruso, F.; Hyeon, T.; Rotello, V. M. Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 2537-2538 10.1039/c2cs90005j
3. Chow, E. K.-H.; Ho, D. Sci. Transl. Med. 2013, 216rv214 10.1126/scitranslmed.3005872
4. Barz, M.; Luxenhofer, R.; Schillmeier, M. Nanomedicine 2015, 10, 3089-3091 10.2217/nnm.15.156
5. Chen, G.; Roy, I.; Yang, C.; Prasad, P. N. Chem. Rev. 2016, 116, 2826-2885 10.1021/acs.chemrev.5b00148
6. Thompson, M. Analyst 2004, 129, 671-671 10.1039/b409906k
7. Kranz, C.; Eaton, D. C.; Mizaikoff, B. Anal. Bioanal. Chem. 2011, 399, 2309-2311 10.1007/s00216-010-4631-6
8. Howes, P. D.; Chandrawati, R.; Stevens, M. M. Science 2014, 346, 1247390 10.1126/science.1247390
9. Swierczewska, M.; Liu, G.; Lee, S.; Chen, X. Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 2641-2655 10.1039/C1CS15238F
10. Dreaden, E. C.; Alkilany, A. M.; Huang, X.; Murphy, C. J.; El-Sayed, M. A. Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 2740-2779 10.1039/C1CS15237H
11. Dieringer, J. A.; McFarland, A. D.; Shah, N. C.; Stuart, D. A.; Whitney, A. V.; Yonzon, C. R.; Young, M. A.; Zhang, X.; Van Duyne, R. P. Faraday Discuss. 2006, 132, 9-26 10.1039/B513431P
12. Fleischmann, M.; Hendra, P. J.; McQuillan, A. Chem. Phys. Lett. 1974, 26, 163-166 10.1016/0009-2614(74)85388-1
13. Jeanmaire, D. L.; Van Duyne, R. P. J. J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. 1977, 84, 1-20 10.1016/S0022-0728(77)80224-6
14. Albrecht, M. G.; Creighton, J. A. J. Am. Chem. Soc. 1977, 99, 5215-5217 10.1021/ja00457a071
15. Sharma, B.; Frontiera, R. R.; Henry, A.-I.; Ringe, E.; Van Duyne, R. P. Mater. Today 2012, 15, 16-25 10.1016/S1369-7021(12)70017-2
16. Nie, S.; Emory, S. R. Science 1997, 275, 1102-1106 10.1126/science.275.5303.1102
17. Kneipp, K.; Wang, Y.; Kneipp, H.; Perelman, L. T.; Itzkan, I.; Dasari, R. R.; Feld, M. S. Phys. Rev. Lett. 1997, 78, 1667-1670 10.1103/PhysRevLett.78.1667
18. Henry, A.-I.; Bingham, J. M.; Ringe, E.; Marks, L. D.; Schatz, G. C.; Van Duyne, R. P. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 9291-9305 10.1021/jp2010309
19. Ringe, E.; Sharma, B.; Henry, A.-I.; Marks, L. D.; Van Duyne, R. P. Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 4110-4129 10.1039/c3cp44574g
20. Cialla, D.; März, A.; Böhme, R.; Theil, F.; Weber, K.; Schmitt, M.; Popp, J. Anal. Bioanal. Chem. 2012, 403, 27-54 10.1007/s00216-011-5631-x
21. Kleinman, S. L.; Frontiera, R. R.; Henry, A.-I.; Dieringer, J. A.; Van Duyne, R. P. Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 21-36 10.1039/C2CP42598J
22. Sharma, B.; Fernanda Cardinal, M.; Kleinman, S. L.; Greeneltch, N. G.; Frontiera, R. R.; Blaber, M. G.; Schatz, G. C.; Van Duyne, R. P. MRS Bull. 2013, 38, 615-624 10.1557/mrs.2013.161
23. Alvarez-Puebla, R. A.; Liz-Marzán, L. M. Small 2010, 6, 604-610 10.1002/smll.200901820
24. Wang, Y.; Yan, B.; Chen, L. Chem. Rev. 2013, 113, 1391-1428 10.1021/cr300120g
25. Fabris, L. J. Opt. 2015, 17, 114002 10.1088/2040-8978/17/11/114002
26. Cialla, D.; Pollok, S.; Steinbrücker, C.; Weber, K.; Popp, J. Nanophotonics 2014, 3, 383-411 10.1515/nanoph-2013-0024
27. Bonifacio, A.; Cervo, S.; Sergo, V. Anal. Bioanal. Chem. 2015, 407, 8265-8277 10.1007/s00216-015-8697-z
28. Xie, W.; Schlücker, S. Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 5329-5344 10.1039/c3cp43858a
29. Austin, L. A.; Osseiran, S.; Evans, C. L. Analyst 2016, 141, 476-503 10.1039/C5AN01786F
30. Vendrell, M.; Maiti, K. K.; Dhaliwal, K.; Chang, Y.-T. Trends Biotechnol. 2013, 31, 249-257 10.1016/j.tibtech.2013.01.013
31. Schmidt-Ullrich, R.; Verma, S. P.; Wallach, D. F. H. Biochem. Biophys. Res. Commun. 1975, 67, 1062-1069 10.1016/0006-291X(75)90782-2
32. Verma, S. P.; Schmidt-Ullrich, R.; Thompson, W. S.; Wallach, D. F. H. Cancer Res. 1977, 37, 3490-3493
33. Devpura, S.; Barton, K. N.; Brown, S. L.; Palyvoda, O.; Kalkanis, S.; Naik, V. M.; Siddiqui, F.; Naik, R.; Chetty, I. Med. Phys. 2014, 41, 050901 10.1118/1.4870981
34. Gajjar, K.; Heppenstall, L. D.; Pang, W.; Ashton, K. M.; Trevisan, J.; Patel, I. I.; Llabjani, V.; Stringfellow, H. F.; Martin-Hirsch, P. L.; Dawson, T.; Martin, F. L. Anal. Methods 2013, 5, 89-102 10.1039/C2AY25544H
35. Jermyn, M.; Mok, K.; Desroches, J.; Mercier, J.; Saint-Arnaud, K.; Bernstein, L.; Guiot, M.-C.; Petrecca, K.; Leblond, F. In Biomedical Optics 2014; Optical Society of America, Miami, FL, April 26-30, 2014; p BS5A.4.
36. Almond, L. M.; Hutchings, J.; Shepherd, N.; Barr, H.; Stone, N.; Kendall, C. J. Biophotonics 2011, 4, 685-695 10.1002/jbio.201100041
37. Patil, C. A.; Krishnamoorthi, H.; Ellis, D. L.; van Leeuwen, T. G.; Mahadevan-Jansen, A. Proc. SPIE 2010, 7548, 75480L-75480L-75486 10.1117/12.843708
38. Lee, S.; Chon, H.; Lee, J.; Ko, J.; Chung, B. H.; Lim, D. W.; Choo, J. Biosens. Bioelectron. 2014, 51, 238-243 10.1016/j.bios.2013.07.063
39. Devpura, S.; Thakur, J. S.; Sarkar, F. H.; Sakr, W. A.; Naik, V. M.; Naik, R. Vib. Spectrosc. 2010, 53, 227-232 10.1016/j.vibspec.2010.03.009
40. Auner, A.; Kast, R.; Rabah, R.; Poulik, J.; Klein, M. Pediatr. Surg. Int. 2013, 29, 129-140 10.1007/s00383-012-3211-6
41. Kast, R.; Tucker, S.; Killian, K.; Trexler, M.; Honn, K.; Auner, G. Cancer Metastasis Rev. 2014, 33, 673-693 10.1007/s10555-013-9489-6
42. Kirsch, M.; Schackert, G.; Salzer, R.; Krafft, C. Anal. Bioanal. Chem. 2010, 398, 1707-1713 10.1007/s00216-010-4116-7
43. Kallaway, C.; Almond, L. M.; Barr, H.; Wood, J.; Hutchings, J.; Kendall, C.; Stone, N. Photodiagn. Photodyn. Ther. 2013, 10, 207-219 10.1016/j.pdpdt.2013.01.008
44. Zhou, Y.; Liu, C.-H.; Sun, Y.; Pu, Y.; Boydston-White, S.; Liu, Y.; Alfano, R. R. J. Biomed. Opt. 2012, 17, 116021-116021 10.1117/1.JBO.17.11.116021
45. Old, O. J.; Fullwood, L. M.; Scott, R.; Lloyd, G. R.; Almond, L. M.; Shepherd, N. A.; Stone, N.; Barr, H.; Kendall, C. Anal. Methods 2014, 6, 3901-3917 10.1039/c3ay42235f
46. Zavaleta, C. L.; Smith, B. R.; Walton, I.; Doering, W.; Davis, G.; Shojaei, B.; Natan, M. J.; Gambhir, S. S. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2009, 106, 13511-13516 10.1073/pnas.0813327106
47. Samanta, A.; Maiti, K. K.; Soh, K.-S.; Liao, X.; Vendrell, M.; Dinish, U. S.; Yun, S.-W.; Bhuvaneswari, R.; Kim, H.; Rautela, S.; Chung, J.; Olivo, M.; Chang, Y.-T. Angew. Chem., Int. Ed. 2011, 50, 6089-6092 10.1002/anie.201007841
48. Maiti, K. K.; Dinish, U. S.; Samanta, A.; Vendrell, M.; Soh, K.-S.; Park, S.-J.; Olivo, M.; Chang, Y.-T. Nano Today 2012, 7, 85-93 10.1016/j.nantod.2012.02.008
49. Keren, S.; Zavaleta, C.; Cheng, Z.; de la Zerda, A.; Gheysens, O.; Gambhir, S. S. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2008, 105, 5844-5849 10.1073/pnas.0710575105
50. Bohndiek, S. E.; Wagadarikar, A.; Zavaleta, C. L.; Van de Sompel, D.; Garai, E.; Jokerst, J. V.; Yazdanfar, S.; Gambhir, S. S. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2013, 110, 12408-12413 10.1073/pnas.1301379110
51. Jokerst, J. V.; Cole, A. J.; Bohndiek, S. E.; Gambhir, S. S. Proc. SPIE 2014, 8943, 894366-894311 10.1117/12.2036776
52. Zavaleta, C. L.; Garai, E.; Liu, J. T. C.; Sensarn, S.; Mandella, M. J.; Van de Sompel, D.; Friedland, S.; Van Dam, J.; Contag, C. H.; Gambhir, S. S. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2013, 110, E2288-E2297 10.1073/pnas.1211309110
53. McVeigh, P. Z.; Mallia, R. J.; Veilleux, I.; Wilson, B. C. J. Biomed. Opt. 2013, 18, 046011-046011 10.1117/1.JBO.18.4.046011
54. Mallia, R. J.; McVeigh, P. Z.; Fisher, C. J.; Veilleux, I.; Wilson, B. C. Nanomedicine 2015, 10, 89-101 10.2217/nnm.14.80
55. Qian, X.; Peng, X.-H.; Ansari, D. O.; Yin-Goen, Q.; Chen, G. Z.; Shin, D. M.; Yang, L.; Young, A. N.; Wang, M. D.; Nie, S. Nat. Biotechnol. 2007, 26, 83-90 10.1038/nbt1377
56. Dinish, U. S.; Balasundaram, G.; Chang, Y.-T.; Olivo, M. Sci. Rep. 2014, 4, 4075 10.1038/srep04075
57. Matousek, P.; Clark, I. P.; Draper, E. R. C.; Morris, M. D.; Goodship, A. E.; Everall, N.; Towrie, M.; Finney, W. F.; Parker, A. W. Appl. Spectrosc. 2005, 59, 393-400 10.1366/0003702053641450
58. Matousek, P.; Draper, E. R. C.; Goodship, A. E.; Clark, I. P.; Ronayne, K. L.; Parker, A. W. Appl. Spectrosc. 2006, 60, 758-763 10.1366/000370206777886955
59. Stone, N.; Baker, R.; Rogers, K.; Parker, A. W.; Matousek, P. Analyst 2007, 132, 899-905 10.1039/b705029a
60. Stone, N.; Faulds, K.; Graham, D.; Matousek, P. Anal. Chem. 2010, 82, 3969-3973 10.1021/ac100039c
61. Stone, N.; Kerssens, M.; Lloyd, G. R.; Faulds, K.; Graham, D.; Matousek, P. Chem. Sci. 2011, 2, 776-780 10.1039/c0sc00570c
62. Xie, H.-n.; Stevenson, R.; Stone, N.; Hernandez-Santana, A.; Faulds, K.; Graham, D. Angew. Chem., Int. Ed. 2012, 51, 8509-8511 10.1002/anie.201203728
63. Sharma, B.; Ma, K.; Glucksberg, M. R.; Van Duyne, R. P. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 17290-17293 10.1021/ja409378f
64. Yuen, J. M.; Shah, N. C.; Walsh, J. T., Jr.; Glucksberg, M. R.; Van Duyne, R. P. Anal. Chem. 2010, 82, 8382-8385 10.1021/ac101951j
65. Ma, K.; Yuen, J. M.; Walsh, J. T.; Glucksberg, M. R.; Van Duyne, R. P. Anal. Chem. 2011, 83, 9146-9152 10.1021/ac202343e
66. Orringer, D. A.; Chen, T.; Huang, D.-L.; Armstead, W. M.; Hoff, B. A.; Keep, R. F.; Philbert, M.; Kopelman, R.; Sagher, O. Neurosurgery 2010, 66, 736 10.1227/01.NEU.0000367631.02903.50
67. Lüdemann, L.; Hamm, B.; Zimmer, C. Magn. Reson. Imaging 2000, 18, 1201-1214 10.1016/S0730-725X(00)00223-X
68. Beljebbar, A.; Dukic, S.; Amharref, N.; Manfait, M. Anal. Bioanal. Chem. 2010, 398, 477-487 10.1007/s00216-010-3910-6
69. Wang, G.; Zhang, J.; Gao, H.; Weir, V.; Yu, H.; Cong, W.; Xu, X.; Shen, H.; Bennett, J.; Furth, M.; Wang, Y.; Vannier, M. PLoS One 2012, 7, e39700 10.1371/journal.pone.0039700
70. Ali, Z.; Abbasi, A. Z.; Zhang, F.; Arosio, P.; Lascialfari, A.; Casula, M. F.; Wenk, A.; Kreyling, W.; Plapper, R.; Seidel, M.; Niessner, R.; Knöll, J.; Seubert, A.; Parak, W. Anal. Chem. 2011, 83, 2877-2882 10.1021/ac103261y
71. Weissleder, R.; Pittet, M. J. Nature 2008, 452, 580-589 10.1038/nature06917
72. Hao, R.; Xing, R.; Xu, Z.; Hou, Y.; Gao, S.; Sun, S. Adv. Mater. 2010, 22, 2729-2742 10.1002/adma.201000260
73. Sailor, M. J.; Park, J.-H. Adv. Mater. 2012, 24, 3779-3802 10.1002/adma.201200653
74. Hembury, M.; Chiappini, C.; Bertazzo, S.; Kalber, T. L.; Drisko, G. L.; Ogunlade, O.; Walker-Samuel, S.; Krishna, K. S.; Jumeaux, C.; Beard, P.; Kumar, C. S. S. R.; Porter, A. E.; Lythgoe, M. F.; Boissière, C.; Sanchez, C.; Stevens, M. M. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2015, 112, 1959-1964 10.1073/pnas.1419622112
75. Jin, Y.; Jia, C.; Huang, S.-W.; O'Donnell, M.; Gao, X. Nat. Commun. 2010, 1, 41 10.1038/ncomms1042
76. Yuan, H.; Fales, A. M.; Khoury, C. G.; Liu, J.; Vo-Dinh, T. J. Raman Spectrosc. 2013, 44, 234-239 10.1002/jrs.4172
77. Indrasekara, A. S. D. S.; Paladini, B. J.; Naczynski, D. J.; Starovoytov, V.; Moghe, P. V.; Fabris, L. Adv. Healthcare Mater. 2013, 2, 1370-1376 10.1002/adhm.201200370
78. Kang, B.; Afifi, M. M.; Austin, L. A.; El-Sayed, M. A. ACS Nano 2013, 7, 7420-7427 10.1021/nn403351z
79. Song, J.; Zhou, J.; Duan, H. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 13458-13469 10.1021/ja305154a
80. Cui, Y.; Zheng, X.-S.; Ren, B.; Wang, R.; Zhang, J.; Xia, N.-S.; Tian, Z.-Q. Chem. Sci. 2011, 2, 1463-1469 10.1039/c1sc00242b
81. Wang, Z.; Zong, S.; Li, W.; Wang, C.; Xu, S.; Chen, H.; Cui, Y. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 2993-3000 10.1021/ja208154m
82. Wang, Z.; Zong, S.; Chen, H.; Wang, C.; Xu, S.; Cui, Y. Adv. Healthcare Mater. 2014, 3, 1889-1897 10.1002/adhm.201400092
83. Ju, K.-Y.; Lee, S.; Pyo, J.; Choo, J.; Lee, J.-K. Small 2015, 11, 84-89 10.1002/smll.201401611
84. Carrouée, A.; Allard-Vannier, E.; Même, S.; Szeremeta, F.; Beloeil, J.-C.; Chourpa, I. Anal. Chem. 2015, 87, 11233-11241 10.1021/acs.analchem.5b02419
85. Peng, Y.-K.; Tsang, S. C. E.; Chou, P.-T. Mater. Today 2015, 10.1016/j.mattod.2015.11.006
86. Fales, A. M.; Yuan, H.; Vo-Dinh, T. Langmuir 2011, 27, 12186-12190 10.1021/la202602q
87. Raghavan, V.; Connolly, J. M.; Fan, H. M.; Dockery, P.; Wheatley, A.; Keogh, I.; Olivo, M. J. Nanomed. Nanotechnol. 2014, 5, 238 10.4172/2157-7439.1000238
88. Xu, M.; Wang, L. V. Rev. Sci. Instrum. 2006, 77, 041101 10.1063/1.2195024
89. Wang, L. V.; Hu, S. Science 2012, 335, 1458-1462 10.1126/science.1216210
90. Amendola, V.; Scaramuzza, S.; Litti, L.; Meneghetti, M.; Zuccolotto, G.; Rosato, A.; Nicolato, E.; Marzola, P.; Fracasso, G.; Anselmi, C.; Pinto, M.; Colombatti, M. Small 2014, 10, 2476-2486 10.1002/smll.201303372
91. Kircher, M. F.; de la Zerda, A.; Jokerst, J. V.; Zavaleta, C. L.; Kempen, P. J.; Mittra, E.; Pitter, K.; Huang, R.; Campos, C.; Habte, F.; Sinclair, R.; Brennan, C. W.; Mellinghoff, I. K.; Holland, E. C.; Gambhir, S. S. Nat. Med. 2012, 18, 829-834 10.1038/nm.2721
92. McLeod, E.; Wei, Q.; Ozcan, A. Anal. Chem. 2015, 87, 6434-6445 10.1021/acs.analchem.5b01381
93. Yu, W. W.; White, I. M. Analyst 2013, 138, 1020-1025 10.1039/C2AN36116G
94. Kurouski, D.; Large, N.; Chiang, N.; Greeneltch, N.; Carron, K. T.; Seideman, T.; Schatz, G. C.; Van Duyne, R. P. Analyst 2016, 141, 1779-1788 10.1039/C5AN01921D
95. Thakor, A. S.; Luong, R.; Paulmurugan, R.; Lin, F. I.; Kempen, P.; Zavaleta, C.; Chu, P.; Massoud, T. F.; Sinclair, R.; Gambhir, S. S. Sci. Transl. Med. 2011, 3, 79ra33 10.1126/scitranslmed.3001963
96. Kurouski, D.; Van Duyne, R. P. Anal. Chem. 2015, 87, 2901-2906 10.1021/ac504405u
97. Zhang, K.; Zhao, J.; Xu, H.; Li, Y.; Ji, J.; Liu, B. ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 16767-16774 10.1021/acsami.5b04534
98. Nel, A.; Xia, T.; Meng, H.; Wang, X.; Lin, S.; Ji, Z.; Zhang, H. Acc. Chem. Res. 2013, 46, 607-621 10.1021/ar300022h
99. Dykman, L. A.; Khlebtsov, N. G. Chem. Rev. 2014, 114, 1258-1288 10.1021/cr300441a
100. Heo, Y. J.; Takeuchi, S. Adv. Healthcare Mater. 2013, 2, 43-56 10.1002/adhm.201200167
101. Ruckh, T. T.; Clark, H. A. Anal. Chem. 2014, 86, 1314-1323 10.1021/ac402688k
102. Gao, W.; Emaminejad, S.; Nyein, H. Y. Y.; Challa, S.; Chen, K.; Peck, A.; Fahad, H. M.; Ota, H.; Shiraki, H.; Kiriya, D.; Lien, D.-H.; Brooks, G. A.; Davis, R. W.; Javey, A. Nature 2016, 529, 509-514 10.1038/nature16521