سطح تعزيز رامان الطيفي كشف الجزيئات الحيوية عن طريق EBL مصنعة ذات البنية النانومترية ركائز
Summary
We describe the fabrication and characterization of nano-biological systems interfacing nanostructured substrates with immobilized proteins and aptamers. The relevant experimental steps involving lithographic fabrication of nanostructured substrates, bio-functionalization, and surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) characterization, are reported. SERS detection of surface-immobilized proteins, and probing of protein-ligand and aptamer-ligand binding is demonstrated.
Abstract
وتفيد التقارير تصنيع وتوصيف أنظمة نانو البيولوجي المكورات التواصل النانو المعدنية على دعامات متينة مع الجزيئات الحيوية يجمد. يتم وصف تسلسل كامل من الخطوات التجريبية ذات الصلة، التي تنطوي على تلفيق ركائز ذات البنية النانومترية باستخدام شعاع الالكترون الطباعة الحجرية، تجميد الجزيئات الحيوية على ركائز، وتوصيف لها استغلت سطح تعزيز رامان الطيفي (SERS). ويعمل ثلاثة تصاميم مختلفة من أنظمة نانو البيولوجي، بما في ذلك البروتين A، بروتين ملزمة الجلوكوز، وأبتمر DNA الدوبامين ملزمة. في الحالتين الأخيرتين، ربط بروابط منها، D-الجلوكوز والدوبامين، كما يتم تضمين. ويجمد ثلاثة أنواع من الجزيئات الحيوية على ركائز ذات البنية النانومترية بطرق مختلفة، ويتم الإبلاغ عن نتائج التصوير SERS. قدرات SERS للكشف عن وسائط الذبذبات من البروتينات يجمد السطح، وكذلك لالتقاط بروتين يجندوأظهر د أبتمر يجند ملزمة. النتائج أيضا توضيح تأثير هندسة البنية النانوية السطحية، والجزيئات الحيوية استراتيجية تجميد النشاط رامان من الجزيئات وجود أو عدم ويجند ملزمة للأطياف SERS المكتسبة.
Introduction
قدرات لتطوير وتميز أنظمة نانو البيولوجي المكورات التواصل النانو الصلبة والبوليمرات البيولوجية أصبحت ذات أهمية متزايدة لمزيد من التقدم في الجيل القادم والحيوية والاستشعار عن بعد والحيوي يشتغل التقنيات 1،2. وهذا ينطوي على دراسات متعددة التخصصات في عدد من المجالات البحثية، مثل تصنيع المكونات ذات الصلة الحالة الصلبة (الأقطاب الكهربائية الدقيقة أو النانوية، والطلاء الهندسة نانو، أسلاك، أو الجسيمات النانوية) 2،3،4. تجميد الجزيئات الحيوية على السطوح لخلق bioconjugates المرجوة 5،6،7. ومراقبة نانو البيولوجي واجهات 1. في معظم الحالات، واختيار من تلفيق الأمثل، والحيوية functionalization، وأساليب توصيف هي بقوة بين ذات الصلة. بوضوح، واختيار تقنيات nanofabrication سوف تكون مدفوعة من قبل متطلبات المكونات الصلبة للنظام، كونها تعتمد إلى حد كبير على طريقة الكشف، والتي تويتم تحديد آر من طبيعة البوليمرات الحيوية المعنية والغرض من مراقبة واجهة.
من مجموعة واسعة من التقنيات المستخدمة لتوصيف أنظمة bioconjugate 1،3، سطح تعزيز رامان الطيفي (SERS) برز كأسلوب واعد للغاية للكشف عن الأنواع الكيميائية والبيولوجية على الأسطح 8،9،10،11. SERS توظف نثر غير مرن للضوء أحادي اللون بواسطة الجزيئات الحيوية-يجمد السطح (الشكل 1) السماح للأسر التوقيعات فريدة الموافق الاهتزازات الجزيئية. هذه القدرة على التمييز بين جزيئات مختلفة دون إشراك التسميات، والكيمياء المعقدة، أو الخطوات تستغرق وقتا طويلا، يجعل SERS طريقة يحتمل أن تكون فعالة جدا في الكشف عن الحيوية. وثمة ميزة أخرى مهمة من SERS هي الحساسية العالية. الإثارة من البلازمونات السطحية المحلية التي كتبها ضوء التفاعل مع النانو المعادن النبيلة (ركائز SERS) يزيد بشكل كبير من كثافة العملياتensity من رامان نثر من قبل الحليلة، والسماح للكشف عن كميات صغيرة جدا من الجزيئات، من الطبقات الوحيدة وصولا الى حد جزيء واحد 8،9،10،11. وأخيرا، فإن معظم الجزيئات الحيوية تتطلب المحاليل المائية لتكون مستقرة. لأن الماء في كثير من الأحيان والنشاط رامان محدود، والتقليل إشارة الخلفية من عينات المائية 9. وقد عرضت تطبيقات SERS زيادة هائلة خلال العقد الماضي (10). ومع ذلك، فإن التحدي نوقش كثيرا من SERS هو أن تعزيز الكهرومغناطيسي من رامان نثر يعتمد بشكل كبير على الحجم والشكل، والمباعدة بين الولادات النانو المعدنية حيث يتم بفعل موجات plasmonic 11،12،13. من أجل تحقيق قياسات SERS فعالة وقابلة للتكرار، والسيطرة على مطلوب هندسة الركيزة في أبعاد النانو.
الشكل 1. بكالوريوسالهيم من سطح تعزيز رامان الطيفي.
طرق عديدة تستخدم لصنع ركائز SERS 11،12،13 ويمكن تصنيف تقريبا إلى أسفل إلى أعلى ومن أعلى إلى أسفل الأساليب. طرق النوع الأول توظف مختلف عمليات التجميع الذاتي أو التركيب الكيميائي موجهة لإنتاج النانو. تناولت في كثير من الأحيان وتشمل الأمثلة تجميد الجسيمات النانوية monodisperse على دعامات صلبة 11،12،13، الحرارية، تفل، أو ترسب الكهروكيميائية من الأفلام المعادن الخشنة 11،12، ومختلف أساليب التركيب الكيميائي 13. على الرغم من أن هذه التقنيات تميل إلى أن تكون بسيطة وغير مكلفة نسبيا، معظمهم تحدى بسبب عدم وجود السيطرة على موقع الهياكل، ومحدود استنساخ عينة إلى عينة.
في المقابل، وتقنيات الطباعة الحجرية من أعلى إلى أسفل توظف أدوات تلاعب مثل حزم الجسيمات لخلق أنماط المطلوب على السطوح. واحدة من الأكثر استخداماأساليب طباعة حجرية نانوية، شعاع الالكترون الطباعة الحجرية (EBL)، ويوفر سيطرة رائعة على المظاهر تراجعت لأقل من 10 نانومتر، وأيضا المرونة للسماح للتصاميم الركيزة مختلفة على دعامات صلبة 11،12. في EBL، شعاع من الإلكترونات ركز صولا الى بقعة من بضعة نانومتر في بمسح قطر عبر سطح من مادة حساسة الإلكترون (مقاومة) مما تسبب في تغير كيميائي في المناطق المكشوفة. لهجة إيجابية تقاوم مثل polymethylmethacrylate (PMMA)، والإلكترون النتائج التعرض شعاع في انفصال من سلاسل البوليمر يؤلف مقاومة، مما يؤدي إلى زيادة القابلية للذوبان في المذيبات المناسب (المطور). وتشمل عملية شعاع الإلكترون الطباعة الحجرية تدور طلاء طبقة موحدة للمقاومة على ركيزة. التعرض للمواد المستهدفة مقاومة في فراغ الغرفة مع شعاع الالكترون. والتنمية من العينة لإزالة المناطق القابلة للذوبان.
الدعم عازلة تحت النانو المعدنية، مثل السيليكا تنصهر، لها بالتابعين تبين أن زيادة كبيرة في شدة في SERS نظرا لتوطين موجات plasmonic مقارنة مع غيرها من المواد مثل السيليكون 14،15. ومع ذلك الزخرفة EBL على ركائز عازلة، ولا سيما على المقياس النانوي، ينطوي على تحديات كبيرة بسبب تهمة تراكم أثناء التعرض. سابقا، لقد أظهرنا 16،17 أن هذه الصعوبات يمكن التغلب عليها عن طريق وضع طبقات البوليمر الموصلة فوق مقاومة الشكل 2 يوضح التخطيطي لعملية تلفيق الشاملة باستخدام التعرض EBL والتنمية تليها ترسب المعادن والاقلاع لإنتاج النانو المعدنية على تنصهر الدعم السيليكا. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2. مخطط هlectron شعاع الطباعة الحجرية، ترسب المعادن، وعملية الاقلاع الخطوات المستخدمة لتصنيع النانو المعدنية على ركائز عازلة 16-19. في هذه الورقة، نقدم سلسلة كاملة من الخطوات العملية التي تنطوي على SERS ركائز تلفيق من قبل EBL، الحيوية functionalization من ركائز، و جمع أطياف رامان. وتناول ثلاثة تصاميم استكشافها في أعمالنا الأخيرة 18،19 (انظر أرقام 3 و 4، والجدول 1). في التصميم 1، وثبتوا المؤتلف البروتين وعلى اساس بين functionalized الحيوي النانو الاتحاد الافريقي على دعم 18 من السيليكا تنصهر (FS)، وأظهر الكشف SERS من البروتين. في التصميم 2، المؤتلف ويجمد البروتين 21،26،27 مع وبدون يجند (D-الجلوكوز) ملزم الجلوكوز عن طريق علامات الحامض الاميني في فراغات بين النانو حج على FS ني المغلفة، وملزمة من الجلوكوز للبروتين تم الكشف. في تصميم 3، thiolated DN-ملزمة الدوبامينويجمد وأبتمر 19،23 على النانو الاتحاد الافريقي على FS، والربط الدوبامين التي كتبها أبتمر يجمد ويتجلى. بما في ذلك جميع الخطوات التجريبية ذات الصلة من إعداد الركيزة لاكتساب أطياف رامان، وممثل من الجزيئات الحيوية واستراتيجيات تجميد مختلفة، وهذه الأمثلة هي مفيدة لمجموعة واسعة من التطبيقات، من أبحاث التنقيب استجواب واجهات نانو البيولوجي التي كتبها SERS في تطوير SERS أجهزة الاستشعار من الجزيئات الصغيرة التي توظف بروتين أو ملزمة كوسيلة من وسائل التعرف على أبتمر يجند. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3. مخططات ثلاثة تصاميم تمثيلية باستخدام الجزيئات الحيوية المختلفة، وطرق immobilizaنشوئها، والركيزة المواد: (A) البروتين وثبتوا على المعدن النبيل نانو النقاط بين functionalized من قبل أحادي الطبقة الذاتي تجميعها (SAM) من حمض 11 mercaptodecanoic (MUA) في الماء DI. (B) الموسومة الحامض الاميني الجلوكوز البروتين (GBP) ملزمة المعقد مع D-الجلوكوز ثبتوا على سطح الركيزة بين النبيلة المعادن نانو النقاط. (C) ثيول-إنهاء الدوبامين ملزمة أبتمر مع الانتهاء من الدوبامين (DBA) ثبتوا على المعادن النبيلة نانو النقاط. انظر مزيد من التفاصيل في الجدول 1. وفي تصميم 2 يتضح من لوحة (B)، تم إعداد عينة من دون يجند المقابلة أيضا للمقارنة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل (4).الجزيئات الحيوية المستخدمة في ثلاثة تصاميم: (A) البروتين A؛ (B) الجلوكوز بروتين ملزمة وD-الجلوكوز. (C) الدوبامين أبتمر DNA والدوبامين ملزمة. الهياكل العالي البروتين في (أ) و (ب) وتتخذ من البروتين بنك المعلومات، PDB ID 1BDD 20 و 2HPH 21، على التوالي، وتعادل مع VMD لLINUXAMD64، الإصدار 1.9.1 22. ومن المتوقع هيكل الثانوي أبتمر في (ج) من تسلسل 23 باستخدام ValFold 24 البرمجيات وتعادل مع PseudoViewer 3.0 25. الرسائل G، A، T، C وتتوافق مع جوانين، الأدينين، الثيمين، والنيوكليوتيدات السيتوزين، على التوالي. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
| تصميم 1 </td> | تصميم 2 | تصميم 3 | |
| البوليمر الحيوي | البروتين A | الجلوكوز بروتين ملزمة (GBP) | أبتمر ملزم الدوبامين (DBA) |
| غلاف | حمض 11 Mercaptoundecanoic (MUA) أحادي الطبقة الذاتي تجميعها (SAM) | علامات الحامض الاميني | linkers ثيول |
| يجند | لا شيء | D-الجلوكوز | الدوبامين |
| حل | منزوع الأيونات (DI) المياه | عازلة فوسفات البوتاسيوم | تريس (hydroxymethyl) aminomethane (تريس) وحمض ethylenediaminetetraacetic (EDTA) العازلة؛ الفوسفات مخزنة المالحة (PBS) |
| الركيزة | هياكل الاتحاد الافريقي على FS | هياكل حج على ني المغلفة FS | هياكل الاتحاد الافريقي على FS |
| ع منقوشةعصام | 4 ميكرون × 10 ميكرون | 4 × 8 ميكرون ميكرون | 4 ميكرون × 10 ميكرون |
| نمط | النقاط الاتحاد الافريقي، 50 نانومتر الملعب | النقاط حج و 40 نانومتر الملعب | السداسي الاتحاد الافريقي، 200 نانومتر الملعب |
| السداسي حج و 200 نانومتر الملعب | الاتحاد الافريقي منصات غير منظم | ||
| حج منصات غير منظم | |||
| جرعات التعرض EBL | النقاط: | النقاط: 105 μC / سم 2 | السداسي: 180 μC / سم 2 |
| مجموعة I 120 μC / سم 2 | السداسي: 170 μC / سم 2 | ||
| مجموعة II 96 μC / سم 2 | |||
| مجموعة III 72μC / سم 2 | |||
| الليزر الطول الموجي الإثارة | 532 نانومتر | 532 نانومتر | 780 نانومتر |
الجدول 1. ثلاثة تصاميم أنظمة نانو البيولوجي.
Protocol
Representative Results
Discussion
تكتسب SERS اعتراف باعتبارها تقنية قوية للغاية في الكشف عن الحيوية التي تقدم العديد من المزايا الفريدة. العلاقة مع الاهتزازات الجزيئية تسمح بتحديد انتقائي "بصمات الأصابع" في التحاليل محددة من SERS الأطياف، في حين أن حساسية عالية للغاية يجعل من الممكن الكشف عن كميات صغيرة جدا من الحليلة 9،10،11،35. وعلاوة على ذلك، SERS هو أسلوب غير تدميري وهذا هو أيضا غير حساس نسبيا على المياه، وبالتالي هي مناسبة بشكل جيد للغاية لأنها تحقق المواد البيولوجية في بيئتها الطبيعية المائية 9. النتائج المقدمة تؤكد هذه المزايا فضلا عن مزيد من تثبت إمكانات قوية من SERS باعتباره مرنة جدا تقنية خالية من التسمية من الكشف الحيوي. في ثلاثة تصاميم توظيف الطبقات الوحيدة من مختلف الجزيئات الحيوية-يجمد الركيزة، تم الكشف عن وسائط رامان يمكن أن تعزى بثقة إلى التحاليل معينة. أن الكشف عن هذه الجزيئات الحيوية، سص بروابط كل منها، وقد أثبتت توظيف الأسطح المستوية من السيليكا تنصهر مثل دعم ركائز SERS، ويجعل من التصاميم متوافقة مع الالكترونيات الحالية والإعدادات على microfluidics، واعدا العديد من التطبيقات في العلاقة مع البنى الحيوية الإلكترونية تفاعل المواد البيولوجية مع أسطح الإلكترونية الناشئة وأجهزة كهربائية 2،3. الأهم من ذلك، في اثنين من ثلاثة تصاميم وقد تجلى الكشف عن SERS ملزمة محددة من جزيئات صغيرة مثل الجلوكوز والدوبامين، وتوظيف الطبقات الوحيدة من البروتين يجمد السطح وأبتمر، على التوالي، حيث أن عناصر الاعتراف.
ومع ذلك، ينبغي أن تؤخذ عدة جوانب رعاية من أجل تحقيق كفاءة SERS الحيوي الكشف في الإعداد "على رقاقة". أولا وقبل كل شيء، تحديا المعروفة التي هو شائع لمعظم الجزيئات الحيوية هو ميلها أن تتحلل، خاصة عندما تتعرض لظروف غير طبيعية مثل ENVI الجافةاجلنوبية أو ضوء الليزر مكثفة. في جميع أنحاء بروتوكول، أكدنا على أهمية دائما الحفاظ على العينات البيولوجية بين functionalized منغمسين في الحلول المناسبة أثناء التجربة بأكملها، من إعداد العينات إلى اقتناء أطياف رامان. لهذا الأخير، وقد تم تصميم غرفة واقية من المياه المخصصة (الشكل 7) لتجنب التبخر من السائل خلال التعرض ليزر. مدة التعرض وكثافة الليزر وينبغي أيضا أن يقتصر كما هو موضح في الخطوة 5.3 من البروتوكول لتجنب الضرر من العينات.
تم العثور على نتائج الكشف SERS حساسية للهندسة الركيزة العاملين، وخاصة الفصل بين سمة من سمات النانو المعدنية. كما يستنتج من أرقام 8 و 9، وشدة SERS من تصميم 1 عينات تعتمد بقوة على عرض الفجوات بين الاتحاد الافريقي نانو النقاط على السيليكا تنصهر فيها. من أصل ثلاثة صفائف nanodots الاتحاد الافريقي اختبار طن هذا التصميم (الشكل 8)، ويتحقق أعلى كثافة رامان مع صفيف الأول، الذي لديه أضيق الفجوات بين ملامح الاتحاد الافريقي وبالتالي فإنه يوفر أكثر كفاءة تعزيز المجال الكهرومغناطيسي. كما يوضح الشكل 9، مطلوب السيطرة على فصل بين ميزة على مستوى 10-20 نانومتر أو أقل. توظيف EBL لافتعال ركائز SERS، كما هو موضح هنا، يوفر قرار كفاءة خصيصا للسيطرة على الاعراض من الفجوات بين الميزة. مع EBL إيجابية لهجة مقاومة مثل PMMA، وحجم الثقوب في أقنعة PMMA يمكن أن تختلف ببساطة عن طريق تغيير جرعات التعرض. بعد الإقلاع هذه النتائج في أحجام مختلفة من النقاط المعدنية المصنعة، ويمكن ضبطها عرض الفجوات بين النقاط على النحو المرغوب فيه عن طريق تحديد التعرض EBL السليم جرعات 18.
التحدي الآخر هو الأمثل للهندسة SERS الركيزة لتطبيق محدد للكشف الحيوي. على الرغم من أن تأثير ط تعزيزncreases مع انخفاض الفجوات بين ميزة، وحجم كبير نسبيا من الجزيئات البيولوجية يفرض قيودا على مدى ضيق قد تكون الثغرات. وهذا واضح من نتائج لتصميم 2، حيث طريقة تجميد هو من النوع الذي يربط البروتين بكفاءة إلا إلى السطح بين النقاط المعادن النبيلة، ولكن ليس على النقاط نفسها (انظر الشكل 3B). كما يستنتج من الشكل 10، أطياف SERS لمنصات حج غير منظم لا تظهر أي فرق من الحليلة. على الرغم من أن منصات المعرض بنية النانو بلورية مع وجود ثغرات بين الجزر رقيقة جدا (انظر الشكل 6F) هذه الفجوات ضيقة جدا لاستيعاب جزيء البروتين. بعدا آخر من التعقيد يضاف عندما يكون البروتين يجند ملزم ليتم الكشف. في الشكل 10، والعصابات SERS CH هي أكثر وضوحا في أطياف محددة من يجند GBP مما كانت عليه في واحدة خالية من يجند، الذي قد يفسر نظريا عن تغيير في التشكل GBPعلى ربط D-الجلوكوز 2 7،27، مما أدى إلى هيكل أكثر جامدة مع زيادة النشاط رامان. إذا كان أحد يقارن بين ركائز ذات البنية النانومترية، والفرقة CH من البروتين الخالية من يجند هو أقوى في أطياف SERS تم الحصول عليها مع الركيزة نانو النقاط، في حين أن كل من البروتين والجلوكوز CH العصابات من البروتين ملزمة يجند أكثر وضوحا مع نانو السداسي الركيزة. ويتوقع أن تؤدي هذه الاختلافات في اثنين من العوامل، وتوافر الفضاء بين حج يتميز حيث يمكن للGBP ربط ني، وقابلية البروتين الخالية من ملزمة يجند ويجند في تعزيز الكهرومغناطيسي للرامان نثر في "النقاط الساخنة" بين هذه الميزات. من جهة، ونمط نانو النقاط يوفر مساحة أكبر نسبيا بين ميزة حيث ني الطلاء هو متاح للبروتين لربط، وهو ما قد يفسر أكثر وضوحا CH الفرقة لاحظ لGBP خالية من الجلوكوز في حج نانو النقاط الركيزة. من ناحية أخرى، وذلك بسبب struc من غير موحدة البنية (انظر الشكل 6D)، حج نانو السداسي قد تكون عرضة لإظهار تعزيز الكهرومغناطيسي أقوى في تضييق الفجوات بين الجزر داخل حج نانو السداسي مما أدى إلى العصابات أقوى CH الاهتزاز من GBP محددة الجلوكوز على الركيزة نانو السداسي. بعض تفاصيل هذا التفاعل تتطلب مزيدا من التحقق، والاستفادة المثلى من ركائز SERS للالتحاليل المعقدة التي تنطوي على البروتينات الكبيرة مثل GBP لا يزال في طور الإعداد.
بوضوح، والكشف عن SERS من يجند ملزمة بتوظيف الجزيئات الحيوية يجمد كعنصر الاعتراف ومما يسهل فقط عندما يجند هو رامان نشط في المنطقة المحددة، في حين أن المكونات الأخرى ليست كذلك. هذا هو الحال بالنسبة للتصميم 3، حيث يتم الحصول على SERS وضوحا عصابات محددة أبتمر الدوبامين (الشكل 11). الزوج أبتمر-الدوبامين المعارض خصوصية ممتازة ويضم الطيف SERS العصابات وضوحا دون أي إشارة الخلفية كبيرة.
<p class="jove_content"> مسبقا المستقبل للتكنولوجيا SERS التسمية رسوم ستشمل الاختبارات واسعة من SERS تعزيز إشارة الجزيئات الحيوية 'مع مجموعة واسعة من مختلف التصاميم البنية النانوية السطحية. استخدام الكتابة المباشر شعاع الالكترون الطباعة الحجرية إلى افتعال مختلف النانو مع مستوى رائع من السيطرة على الحجم والشكل، وبين ميزة الفصل، جنبا إلى جنب مع بروتوكولات إعداد العينات المعروضة هنا، من شأنه أن يسهل المقارنة وعبر المصادقة على النتائج التي تم الحصول عليها من قبل مجموعات بحثية مختلفة. وهذا من شأنه مواجهة التحدي الرئيسي لاستنساخ عندما يتم ملفقة SERS ركائز توظيف بديل "أسفل إلى أعلى" أساليب 11،12،13، والسماح لتحسين السيطرة على حجم البنية النانوية المعدنية وموقفها تجاه تحديد موثوق للتصميم الأمثل الركيزة لمجموعة متنوعة واسعة من التطبيقات. قابلية هذه التقنيات قد تحسنت لاحقا من خلال الجمع بين EBL مع أساليب طباعة حجرية نانوية التكميلية مثل نانوالطباعة الحجرية بصمة نحو 19 في المستقبل الانتاج الكبير للتصاميم النانومترية الحجم الأمثل توظيف التقنيات EBL الانضباطي.Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to thank: David Wishart, Valentyna Semenchenko, Mark McDermott, Michael Woodside, and Albert Cao for their help in developing and preparing the protein conjugates as well as the DNA aptamer; T. M. Fahim Amin, Mosa Sharmin Aktar, and Trevor Olsen for their assistance in the sample preparation, Jonathan Mane for his assistance in generating images of the molecular structures; and the funding sources including the National Research Council of Canada – National Institute for Nanotechnology (NRC-NINT), Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC), and the University of Alberta for supporting the work.
Materials
| 11-Mercaptoundecanoic acid (MUA) | Sigma Aldrich (www.sigmaalrich.com) |
450561 ALDRICH | Used for surface functionalization in Design 1 |
| Conductive polymer | Mitsubishi Rayon (www.mrc.co.jp) |
aquaSAVE-57xs | A 70 nm thick layer is used as anti-charging coating for EBL exposures |
| D-glucose | Collaborator Lab. | Ligand in Design 2 | |
| Dopamine | Collaborator Lab. | Ligand in Design 3 | |
| Dopamine binding aptamer (DBA) | Integrated DNA Technologies Inc. (www.idtdna.com) |
5'- /Thiol Modifier C6 S-S/ AAAAAAAAAA GTCTCTGTGT GCGCCAGAGA ACACTGGGGC AGATATGGGC CAGCACAGAA TGAGGCCC-3' | Biopolymer in Design 3 |
| Fused silica wafers | Mark Optics www.markoptics.com |
||
| Glucose binding protein (GBP) | Collaborator Lab. (www.ncbi.nlm.nih.gov/protein/gi|145579532) |
PDB ID 2HPH | Biopolymer in Design 2 |
| High vacuum grease | Dow Corning (www.dowcorning.com) |
Used to seal water-proof chamber, step 5.1 | |
| Hydrogen Peroxide 30%, H2O2 | J.T. Baker | Used for pirahna solution, step 1.2 | |
| N-ethyl-N'-(3-(dimethylamino) propyl) carbodiimide (EDC) | Sigma Aldrich www.sigmaaldrich.com |
03450 FLUKA | Used for immobilization of biopolymer in Design 1 |
| N-Hydroxysuccinimide (NHS) | Sigma Aldrich (www.sigmaaldrich.com) |
130672 ALDRICH | Used for immobilization of biopolymer in Design 1 |
| Potassium phosphate buffer | Collaborator Lab. | Buffer used in Raman sampling | |
| Phosphate buffered | Collaborator Lab. | Solvent in Design 3 | |
| saline (PBS) | |||
| Polymethylmethacrylate (PMMA) 950 A2 | MicroChem (www.microchem.com) |
A 90 nm thick layer is used as EBL positive tone resist | |
| Recombinant protein A | Protein Mods Inc (www.proteinmods.com) |
PDB ID 1BDD (www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?structureId=1bdd) |
Biopolymer in Design 1 |
| Sulfuric acid 96%, H2SO4 | J.T. Baker | Used for pirahna solution, step 1.2 | |
| Tris(hydroxymethyl)aminomethane (TRIS) and ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) buffer | Sigma Aldrich (www.sigmaaldrich.com) |
T9285 SIGMA | Buffer in Design 3 |
| Dicing saw | Diamond Touch Technology Inc. | Used to cut FS wafer, step 1.1 | |
| (17301 W Colfax Ave # 152, Golden, CO) | |||
| Electron beam evaporator | Kurt J. Lesker (www.lesker.com) |
Used for Au and Ag evaporation | |
| Electron beam evaporator | Johnsen Ultravac (JUV) (www.ultrahivac.com) |
JuV E-gun | Used for Ni evaporation |
| Microscope cover slips (25 mm) | Fisher Scientific (www.fishersci.ca) |
12-545-102 | Used in water-proof chamber, step 5.1 |
| Microscope slides (3×1 in.) | Fisher Scientific (www.fishersci.ca) |
Used in water-proof chamber, step 5.1 | |
| Raith 150TWO EBL exposure system | Raith Inc. (www.raith.com) |
Raith 150TWO system | Used for EBL exposures, step 2.2 |
| Raman microscope | Thermo Scientific (www.thermoscientific.com) |
Nicolet Almega XR | Used for Raman spectroscopy, step 5.3 |
| Sonicator system | Branson (www.bransonic.com) |
Used for liftoff and solutions mixing | |
| Spinner | Brewer Spinner and Hotplate (www.brewerscience.com) |
Cee 200X and Cee 1300X | Used to spin-coat PMMA and conductive polymer, step 2.1 |
References
- Sapsford, K. E., Tyner, K. M., Dair, B. J., Deschamps, J. R., Medlintz, I. L. Analyzing Nanomaterial Bioconjugates: A Review of Current and Emerging Purification and Characterization Techniques. Anal. Chem. 83, 4453-4488 (2011).
- Walcarius, A., Minteer, S. h. D., Wang, J., Yu, L., Merkoçi, A. Nanomaterials for Bio-Functionalized Electrodes: Recent Trends. J. Mater. Chem. B. 1, 4878-4908 (2013).
- Kim, J., et al. Applications, Techniques, and Microfluidic Interfacing for Nanoscale Biosensing. Microfluid. Nanofluid. 7, 149-167 (2009).
- Rassaei, L., Singh, P. S., Lemay, S. G. Lithography-Based Nanoelectrochemistry. Anal. Chem. 83, 3974-3980 (2011).
- Wong, L. S., Khan, F., Micklefield, J. Selective Covalent Protein Immobilization: Strategies and Applications. Chem. Rev. 109, 4025-4053 (2009).
- Ley, C., Holtmann, D., Mangold, K. -. M., Schrader, J. Immobilization of Histidine-Tagged Proteins on Electrodes. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 88, 539-551 (2011).
- Kim, D., Herr, A. E. Protein Immobilization Techniques for Microfluidic Assays. Biomicrofluidics. 7, 041501 (2013).
- Anker, J. N., Hall, W. P., Lyandres, O., Shah, N. C., Xhao, J., Van Duyne, R. P. Biosensing with Plasmonic Nanosensors. Nature Materials. 7, 442-453 (2008).
- Bantz, K. C., et al. Recent Progress in SERS Biosensing. Phys.Chem. 13, 11551-11567 (2011).
- Sharma, B., Frontiera, R. R., Henry, A. -. I., Ringe, E., Van Duyne, R. P. SERS: Materials, Applications, and the Future. Mater. Today. 15, 16-25 (2012).
- Kleinman, S. L., Frontiera, R. R., Henry, A. -. I., Dieringer, J. A., Van Duyne, R. P. Creating, Characterizing, and Controlling Chemistry with SERS Hot Spots. Phys.Chem.Chem.Phys. 15, 21-36 (2013).
- Fan, M., Andrade, F. S., Brolo, A. G. A Review on the Fabrication of Substrates for Surface Enhanced Raman Spectroscopy and their Applications in Analytical Chemistry. Anal. Chim. Acta. 693, 7-25 (2011).
- Cao, Y., Li, D., Jiang, F., Yang, Y., Zh, H. Engineering Metal Nanostructure for SERS Application. J. Nanomater. 123812, 1-12 (2013).
- Glembocki, O., Rendell, R., Alexson, D., Prokes, S., Fu, A., Mastro, M. Dielectric-Substrate-Induced Surface-Enhanced Raman Scattering. Phys. Rev. B. 80, 085416 (2009).
- Merlen, A., et al. Surface Enhanced Spectroscopy with Gold Nanostructures on Silicon and Glass Substrates. Surf. Sci. 605, 1214-1218 (2011).
- Muhammad, M., Buswell, S. C., Dew, S. K., Stepanova, M. Nanopatterning of PMMA on Insulating Surfaces with Various Anticharging Schemes Using 30 keV Electron Beam Lithography. J. Vac. Sci. Technol. B. 29, 06F304 (2011).
- Peters, R., Fito, T., Gutierrez-Rivera, L., Dew, S. K., Stepanova, M. Study of Multilayer Systems in Electron Beam Lithography. J. Vac. Sci. Technol. B. 31, 06F407 (2013).
- Gutierrez-Rivera, L., Peters, R., Dew, S., Stepanova, M. Application of EBL Fabricated Nanostrucutred Substrates for SERS Detection of Protein A in Aqueous Solution. J. Vac. Sci. Technol.B. 31, (2013).
- Gutierrez-Rivera, L., Peters, R., Dew, S., Stepanova, M. Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Detection of Protein-Ligand Binding Using D-glucose and Glucose Binding Protein on Nanostructured Plasmonic Substrates. , (2014).
- Peters, R. . Fabrication and Testing of Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Substrates for the Detection of Biomolecules [MSc Thesis]. , (2014).
- Gouda, H., Torigoe, H., Saito, A., Sato, M., Arata, Y., Shimada, I. Three-Dmensional Solution Structure of the B Domain of Staphylococcal Protein A: Comparisons of the Solution and Crystal Structures. Biochemistry. 31, 9665-9672 (1992).
- Cuneo, M. J., Johnson, S. J., Beese, L. S., Hellinga, H. W. High Resolution Structure of E. Coli Glucose/Galactose Binding Protein Bound with Glucose. Research Collaboratory for Structural Bioinformatics (RCSB) Protein Data Bank. , (2009).
- Humphrey, W., Dalke, A., Schulten, K. VMD – Visual Molecular Dynamics. J. Molec. Graphics. 14, 33-38 (1996).
- Walsh, R., DeRosa, M. C. Retention of Function in the DNA Homolog of the RNA Dopamine Aptamer. Biochem. Biophys. Res. Comm. 388, 732-735 (2009).
- Akitomi, J., Kato, S., Yoshida, Y., Horii, K., Furuich, M., Waga, I. ValFold: Program for the Aptamer Truncation Process. Biomed. Inf. 7, 38-40 (2011).
- Han, K., Lee, Y., Kim, W. PseudoViewer: Automatic Visualization of RNA Pseudoknots. Bioinformatics. 18, S321-S327 (2002).
- Dwyer, M. A., Hellinga, H. W. Periplasmic Binding Proteins: a Versatile Superfamily for Protein Engineering. Curr. Opin. Struct. Biol. 14, 495-504 (2004).
- Benson, D. E., Conrad, D. W. Design of Bioelectronic Interfaces by Exploiting Hinge-Bending Motions in Proteins. Science. 293, 1641-1644 (2001).
- Bozic, S., Chorzempa, J. . Pirahna Cleaning. , (2011).
- Mohammad, M. A. Raith 150TWO SOP. , (2011).
- Schmidt, M. W., et al. General Atomic and Molecular Electronic Structure System. J. Comput. Chem. 14, 1347-1363 (1993).
- Bode, B. M., Gordon, M. S. MacMolPlt: a Graphical User Interface for GAMESS. J. of Mol. Graph. Mod. 16, 133-138 (1998).
- Bright, A., Devi, T. S. R., Gunasekaran, S. Spectroscopical Vibrational Band Assignment and Qualitative Analysis of Biomedical Compounds with Cardiovascular Activity. Int. J. Chem. Tech. Res. 2, 379-388 (2010).
- Bandekar, J. Amide Modes and Protein Conformation. Biochim. Biophys. Acta. 1120, 123-243 (1992).
- Barth, A., Zscherp, C. What Vibrations Tell About Proteins. Quarterly Reviews of Biophysics. 35, 369-340 (2002).
- Chrimes, A. F., Khoshmanesh, K. h., Stoddart, P. R. M. i. t. c. h. e. l. l. A., Kalantar-Zadeh, K. Microfluidics and Raman Microscopy: Current Applications and Future Challenges. Chem. Soc. Rev. 42, 5880-5906 (2013).
- Park, S. -. K., Lee, N. -. S., Lee, S. -. H. Vibrational Analysis of Dopamine Neutral Base based on Density Functional Force Field. Bull.-Korean Chem. Soc. 21, 959-968 (2000).
- Briand, E., Salmain, M., Compère, C., Pradier, C. M. Immobilization of Protein A on SAMs for the elaboration of immunosensors. Coll. Surf. B: Biointerfaces. 53, 215-224 (2006).
- Lakowicz, L. R., et al. Radiative decay engineering: 2. Effects of Silver Island Films on Fluorescence Intensity, Lifetimes, and Resonance Energy Transfer. Analytical biochemistry. 301, 261-277 (2002).
