El presente protocolo describe un enfoque conveniente para integrar la captura óptica y la espectroscopia Raman mejorada en superficie (SERS) para manipular nanopartículas plasmónicas para la detección molecular sensible. Sin agentes agregadores, el láser de captura ensambla nanopartículas plasmónicas para mejorar las señales SERS de los analitos objetivo para mediciones espectroscópicas in situ .
La espectroscopia Raman mejorada en superficie (SERS) permite la detección ultrasensible de moléculas de analito en diversas aplicaciones debido al campo eléctrico mejorado de las nanoestructuras metálicas. La agregación de nanopartículas de plata inducida por sal es el método más popular para generar sustratos activos SERS; sin embargo, está limitado por una escasa reproducibilidad, estabilidad y biocompatibilidad. El protocolo actual integra la manipulación óptica y la detección SERS para desarrollar una plataforma analítica eficiente para abordar esto. Un láser de captura de 1064 nm y un láser de sonda Raman de 532 nm se combinan en un microscopio para ensamblar nanopartículas de plata, que generan puntos calientes plasmónicos para mediciones SERS in situ en ambientes acuosos. Sin agentes agregadores, este conjunto dinámico de nanopartículas plasmónicas de plata permite una mejora de aproximadamente 50 veces de la señal de la molécula de analito. Además, proporciona control espacial y temporal para formar el ensamblaje activo SERS en una solución de nanopartículas de plata recubiertas de analito de tan solo 0,05 nM, lo que minimiza la perturbación potencial para el análisis in vivo . Por lo tanto, esta plataforma SERS integrada en trampeo óptico tiene un gran potencial para análisis moleculares eficientes, reproducibles y estables en líquidos, especialmente en entornos fisiológicos acuosos.
La espectroscopia Raman mejorada en superficie (SERS) es una técnica analítica sensible para detectar directamente la estructura química de las moléculas diana en concentraciones ultrabajas o incluso a nivel de molécula única 1,2,3,4. La irradiación láser induce resonancia localizada de plasmones superficiales en nanoestructuras metálicas, utilizadas como sustratos SERS para amplificar las señales Raman de las moléculas diana. Los agregados de nanopartículas inducidos por sal son los sustratos SERS ampliamente utilizados, que experimentan espontáneamente movimiento browniano en líquidos de suspensión coloidal 5,6. El secado adicional permite mediciones SERS estables; Sin embargo, puede producirse una concentración de impurezas, lo que introduce ruido de fondo y causa daños irreversibles a las muestras biológicas7. Por lo tanto, es pertinente desarrollar agregaciones de nanopartículas sin sal, controlar su movimiento en solución y mejorar la biocompatibilidad manteniendo la eficiencia de medición.
Se ha adoptado el atrapamiento óptico para controlar diversos sustratos metálicos y facilitar las detecciones SERS 8,9,10,11,12,13,14. Una trampa óptica se genera enfocando firmemente un rayo láser para generar un campo de fuerza óptica, que atrae objetos pequeños a la región de mayor intensidad alrededor del foco15,16. Recientemente, las trampas ópticas se han utilizado para desarrollar plataformas de detección plasmónica reproducibles y sensibles para diversas aplicaciones, mostrando sus ventajas únicas en la localización y control de la posición de nanoestructuras metálicas activas SERS en soluciones 17,18,19,20,21,22,23,24 . El protocolo actual introduce un enfoque para combinar pinzas ópticas y espectromicroscopía Raman para ensamblar dinámicamente nanopartículas de plata (AgNP) y estabilizarlas contra el movimiento browniano en solución para mediciones SERS eficientes. En la región de ensamblaje de AgNP, la señal del éster de bis(succinimida) (DSNB) de 3,3′-ditiobis[6-ácido nitrobenzoico], moléculas de analito recubiertas en la superficie de AgNPs, puede mejorarse en aproximadamente 50 pliegues. Este enfoque es adecuado para analizar biomoléculas sensibles incompatibles con agentes de taponado químico25,26,27. Además, proporciona control espacial y temporal para generar el ensamblaje AgNP activo de SERS. Esto permite la detección in situ en ambientes acuosos, lo que podría disminuir el uso de AgNPs y minimizar la perturbación para el análisis in vivo 28,29,30. Además, el conjunto AgNP inducido por atrapamiento óptico es estable, reproducible y reversible31,32. Por lo tanto, es una plataforma prometedora para detectar moléculas de analito en soluciones y en condiciones fisiológicas donde la agregación inducida por sal no es aplicable.
En el presente estudio, un láser de captura de 1064 nm, un módulo de detección de fuerza y una fuente de iluminación de campo claro se integran en el sistema de microscopía de pinza óptica para la manipulación óptica y la visualización de partículas. Un láser de sonda Raman de 532 nm también se incorporó al microscopio y se alineó con el láser de captura en la cámara de muestra. Para la adquisición espectral, se recogió luz retrodispersada y se redirigió a un espectrómetro (Figura 1).
El presente estudio reporta una plataforma analítica que combina trampeo óptico y detección SERS para caracterizaciones moleculares in situ . Un haz de sonda Raman de 532 nm se combinó con un rayo láser de captura de 1064 nm a través de vías estéreo de doble capa para combinar el enfoque y la recolección de mediciones espectroscópicas adicionales en geometría de retrodispersión. El rayo láser de captura ensambló AgNPs para formar puntos calientes plasmónicos, seguido de la excitación del rayo láser de sonda Raman para generar la señal SERS de las moléculas de analito en solución. Como prueba de concepto, se demostró la detección de DSNB, que se recubrió en la superficie de AgNPs. En la región de ensamblaje de AgNP controlada por el rayo láser de captura, se logró una mejora de aproximadamente 50 veces en la señal de DSNB en comparación con los AgNP dispersos circundantes. Se obtuvo de forma reproducible una amplificación similar de alta señal de moléculas de analito en las mediciones SERS en fase de solución en la plataforma presentada.
El paso crítico que afecta la amplificación de la señal SERS es formar un conjunto AgNP inducido por atrapamiento óptico. La señal SERS de las moléculas de analito se puede optimizar ajustando parámetros experimentales como la potencia del láser de captura, el tiempo de irradiación y la concentración de AgNP. Como se muestra en la Figura 8, el uso de una mayor potencia láser de captura puede aumentar la eficiencia de la formación del ensamblaje AgNP. Los ensamblajes de AgNP reproducibles se obtuvieron aumentando la potencia del láser de captura de 450 mW a 700 mW. Sin embargo, una potencia láser de atrapamiento superior a 950 mW puede inducir sobrecalentamiento y generación de burbujas38. Por lo tanto, se recomienda una potencia láser de captura moderada para crear un conjunto dinámico de AgNP. Análogamente, un tiempo de irradiación más largo es útil para promover la formación de ensamblajes AgNP. La Figura 8B muestra que se formó un conjunto de AgNP esférico claro cuando el tiempo de irradiación aumentó de 5 a 20 s. Sin embargo, el conjunto AgNP se distorsionó después de la irradiación de 60 s. Además, la formación del conjunto AgNP se aceleró a una concentración de AgNP más alta, de 0,01 nM a 0,05 nM, mientras que se sobrecalentó rápidamente a 0,25 nM, como se muestra en la Figura 8C. Si no hay una formación aparente de ensamblaje de AgNP, se recomienda aumentar la potencia del láser de captura y el tiempo de irradiación. Tras la generación de un conjunto estable de AgNP, el láser de captura debe reducirse para evitar posibles daños térmicos.
La actividad SERS del conjunto de AgNP inducido por trampeo óptico se atribuyó a un aumento en la concentración local de AgNP en la región de irradiación láser de atrapamiento, que es el punto oscuro en la Figura 6B. En la solución de AgNP fluídica, la trampa óptica puede atraer continuamente AgNPs para acumular y formar puntos calientes plasmónicos en un espacio confinado en las uniones de interpartículas. Esto produce un campo eléctrico mejorado que mejora el efecto SERS. Se verificó aún más por la señal SERS más fuerte obtenida a una concentración de AgNP más alta (1.00 nM) en comparación con la señal SERS más débil adquirida a una concentración de AgNP más baja (0.05 nM) sin el láser de captura, como se muestra en la Figura 6E.
Además, el control de posición del ensamblaje plasmónico de AgNP en solución, contra el movimiento browniano, mediante captura óptica ha mejorado significativamente la eficiencia y la estabilidad de las mediciones SERS. La detección de alto rendimiento se puede realizar cuando se conecta al sistema microfluídico. En comparación con la agregación tradicional inducida por sal de nanopartículas para generar sustratos activos SERS, nuestra plataforma permite la formación dinámica de ensamblajes plasmónicos de AgNP, en la ubicación y momento diseñados, con alta flexibilidad26,28. Además, funciona eficientemente a concentraciones nanomolares de AgNP y permite la manipulación espacio-temporal de puntos calientes activos SERS para mediciones espectroscópicas in situ en soluciones. Este conjunto dinámico de AgNP se desmontó gradualmente en unos pocos minutos cuando se apagó el láser de captura. Sin el láser de captura, el conjunto AgNP casi desapareció en 20 minutos, como se muestra en la Figura suplementaria 1. Esto puede minimizar la influencia en el sistema de detección y exhibe un gran potencial para diversas aplicaciones biológicas, especialmente la detección de biomoléculas (ADN, ARN y proteína) en condiciones fisiológicas e in vivo. Sin embargo, este ensamblaje dinámico de AgNP proporciona un factor de mejora más pequeño que los agregados de AgNP inducidos por sal2 y, por lo tanto, se requieren más modificaciones y desarrollos.
En conclusión, la integración de la captura óptica y la detección SERS proporciona un método conveniente para controlar las nanopartículas plasmónicas y lograr una mejora de la señal SERS reproducible para detectar moléculas de analito en soluciones con alta eficiencia, estabilidad y biocompatibilidad.
The authors have nothing to disclose.
Reconocemos el apoyo financiero de la Comisión de Ciencia, Tecnología e Innovación de la Municipalidad de Shenzhen (No. JCYJ20180306174930894), la Oficina Municipal de Ciencia y Tecnología de Zhongshan (2020AG003) y el Consejo de Subvenciones de Investigación de Hong Kong (Proyecto 26303018). También reconocemos al Prof. Chi-Ming Che y su apoyo financiero del “Laboratorio de Química Sintética y Biología Química” bajo el Programa Health@InnoHK lanzado por la Comisión de Innovación y Tecnología del Gobierno de Hong Kong Región Administrativa Especial de la República Popular China.
1064 nm trapping laser | IPG Photonics, United States | 1064 nm CW Yb fiber laser, 10W | ||
3,3'-Dithiobis[6-nitrobenzoic acid] bis(succinimide) ester | Biosynth Carbosynth | FD15467 | ||
532 nm Raman excitation source | CNI, China | MLL-III-532 | ||
Bluelake software | LUMICKS, Netherlands | version 1.6.12 | optical tweezer control software | |
Frame tape | Thermo Fisher Scientific, Inc | AB-0576 | ||
Immersion oil | Cargille Laboratories, Inc | 16482 | ||
Liquid nitrogen-cooled charge-coupled device (CCD) camera | Teledyn Princeton Instrument, United States | 400B eXcelon | ||
Long-pass dichroic mirror | AHF, Germany | F48-801 | ||
Magnetic laser safety screen | ThorLabs | TPSM2 | ||
Optical tweezer microscope | LUMICKS, Netherlands | m-trap | ||
Silver nitrate | Sigma-Aldrich China, Inc. | S8157 | ||
Spectrometer | Teledyn Princeton Instrument, United States | IsoPlane SCT-320 | ||
Trisodium citrate | Sigma-Aldrich China, Inc. | S4641 | ||
WinSpec software | Teledyn Princeton Instrument, United States | version 2.6.24.0 | spectrum software |