Détection SERS quantitative de l’acide urique par la formation de nanojonctions plasmoniques précises dans des agrégats de nanoparticules d’or et de cucurbitacées
Summary
Un complexe hôte-invité de cucurbit[7]uril et d’acide urique a été formé dans une solution aqueuse avant d’ajouter une petite quantité dans la solution Au NP pour la détection quantitative par spectroscopie Raman améliorée en surface (SERS) à l’aide d’un spectromètre modulaire.
Abstract
Ce travail décrit une méthode rapide et très sensible pour la détection quantitative d’un biomarqueur important, l’acide urique (UA), via la spectroscopie Raman améliorée en surface (SERS) avec une faible limite de détection d’environ 0,2 μM pour de multiples pics caractéristiques dans la région des empreintes digitales, à l’aide d’un spectromètre modulaire. Ce schéma de biodétection est médié par la complexation hôte-invité entre un macrocycle, un cucurbit[7]uril (CB7) et un UA, et la formation ultérieure de nanojonctions plasmoniques précises dans les nanoagrégats Au NP: CB7 auto-assemblés. Une synthèse Facile au NP des tailles souhaitables pour les substrats SERS a également été réalisée sur la base de l’approche classique de réduction du citrate avec une option à faciliter à l’aide d’un synthétiseur automatisé construit en laboratoire. Ce protocole peut être facilement étendu à la détection multiplexée de biomarqueurs dans les fluides corporels pour des applications cliniques.
Introduction
L’acide urique, qui est le produit final du métabolisme des nucléotides puriques, est un biomarqueur important dans le sérum sanguin et l’urine pour le diagnostic de maladies telles que la goutte, la prééclampsie, les maladies rénales, l’hypertension, les maladies cardiovasculaires et le diabète 1,2,3,4,5. Les méthodes actuelles de détection de l’acide urique comprennent les essais enzymatiques colorimétriques, la chromatographie liquide à haute performance et l’électrophorèse capillaire, qui prennent du temps, sont coûteuses et nécessitent une préparation d’échantillon sophistiquée 6,7,8,9.
La spectroscopie Raman améliorée en surface est une technique prometteuse pour le diagnostic de routine au point de service, car elle permet la détection sélective des biomolécules via leurs empreintes de vibration et offre de nombreux avantages tels qu’une sensibilité élevée, une réponse rapide, une facilité d’utilisation et une préparation d’échantillon nulle ou minimale. Les substrats SERS à base de nanoparticules de métaux nobles (par exemple, Au NP) peuvent améliorer les signaux Raman des molécules d’analyte de 4 à 10 ordres de grandeur10 via une forte amélioration électromagnétique causée par la résonance plasmoniquede surface 11. Les AU NP de tailles sur mesure peuvent être facilement synthétisés par opposition à la fabrication fastidieuse de nanocomposites métalliques complexes12, et sont donc largement utilisés dans les applications biomédicales en raison de leurs propriétés supérieures 13,14,15,16. La fixation de molécules macrocycliques, cucurbit[n]urils (CBn, où n = 5-8, 10), à la surface des NP Au peut encore améliorer les signaux SERS des molécules analytiques car les molécules CB hautement symétriques et rigides peuvent contrôler l’espacement précis entre les NP Au et localiser les molécules analytiques au centre ou à proximité des points chauds plasmoniques via la formation de complexes hôte-invité (Figure 1)17, 18,19,20. Les exemples précédents d’études SERS utilisant Au NP: CBn nanoagrégats comprennent les nitroexplosifs, les aromatiques polycycliques, le diaminostilbène, les neurotransmetteurs et la créatinine 21,22,23,24,25, les mesures SERS étant effectuées soit dans une cuvette, soit en chargeant une petite gouttelette sur un porte-échantillon sur mesure. Ce schéma de détection est particulièrement utile pour quantifier rapidement les biomarqueurs dans une matrice complexe à haute reproductibilité.
Ici, une méthode facile pour former des complexes hôte-invité de CB7 et un important biomarqueur UA, et pour quantifier UA avec une limite de détection de 0,2 μM via des agrégations médiées par CB7 de AU NP dans des milieux aqueux a été démontrée à l’aide d’un spectromètre modulaire, ce qui est prometteur pour les applications diagnostiques et cliniques.
Protocol
Representative Results
Discussion
La méthode de synthèse automatisée décrite dans le protocole permet de synthétiser de manière reproductible les AU NP de tailles croissantes. Bien que certains éléments doivent encore être effectués manuellement, tels que l’ajout rapide de citrate de sodium pendant la synthèse des graines et la vérification périodique pour s’assurer que le tube PEEK est sécurisé, cette méthode permet des AU NP de grandes tailles (jusqu’à 40 nm), ce qui nécessiterait généralement plusieurs injections manuelles de…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
TCL est reconnaissant du soutien de la Royal Society Research Grant 2016 R1 (RG150551) et du UCL BEAMS Future Leader Award financé par le prix institutional Sponsorship award de l’EPSRC (EP/P511262/1). WIKC, TCL et IPP sont reconnaissants envers la bourse d’études financée par le programme de participation à la recherche A*STAR-UCL par le biais de l’EPSRC M3S CDT (EP/ L015862/1). GD et TJ tiennent à remercier l’EPSRC M3S CDT (EP/L015862/1) pour avoir parrainé leur bourse d’études. TJ et TCL remercient Camtech Innovations pour sa contribution à la bourse d’études de TJ. Tous les auteurs sont reconnaissants envers le Fonds de libre accès de l’UCL.
Materials
| 40 nm gold nanoparticles | NanoComposix | AUCN40-100M | NanoXact, 0.05 mg/ mL, bare (citrate) |
| Centrifuge tube | Corning Falcon | 14-432-22 | 50 mL volume |
| Cucurbit[7]uril | Lab-made | see ref. 19 | |
| Gold(III) chloride trihydrate | Sigma aldrich | 520918 | ≥99.9% trace metals basis |
| Luer lock disposable syringe | Cole-Parmer | WZ-07945-15 | 3 mL volume |
| Luer-to-MicroTight adapter | LuerTight | P-662 | 360 μm outer diameter Tubing to Luer Syringe |
| PEEK tubing | IDEX | 1572 | 360 μm outer diameter, 150 μm inner diameter |
| PEEK tubing cutter | IDEX | WZ-02013-30 | Capillary Polymer Chromatography Tubing Cutter For 360 µm to 1/32" OD tubing |
| Raman spectrometer | Ocean Optics | QE pro | |
| Sodium citrate tribasic dihydrate | Sigma aldrich | S4641 | ACS reagent, ≥99.0% |
| Sonicator | |||
| Standard Probe | Digi-Sense | WZ-08516-55 | Type-K |
| Syringe pump | Aladdin | ALADDIN2-220 | 2 syringes, maximum syringe volume 60 mL |
| Thermocouple thermometer | Digi-Sense | WZ-20250-91 | Single-Input Thermocouple Thermometer with NIST-Traceable Calibration |
| ThermoMixer | Eppendorf | 5382000031 | With an Eppendorf SmartBlock for 50 mL tubes |
| Uric acid | Sigma aldrich | U2625 | ≥99%, crystalline |
References
- Villa, J. E. L., Poppi, R. J. A portable SERS method for the determination of uric acid using a paper-based substrate and multivariate curve resolution. Analyst. 141 (6), 1966-1972 (2016).
- Westley, C., et al. Absolute Quantification of Uric Acid in Human Urine Using Surface Enhanced Raman Scattering with the Standard Addition Method. Analytical Chemistry. 89 (4), 2472-2477 (2017).
- Zhao, L., Blackburn, J., Brosseau, C. L. Quantitative Detection of Uric Acid by Electrochemical-Surface Enhanced Raman Spectroscopy Using a Multilayered Au/Ag Substrate. Analytical Chemistry. 87 (1), 441-447 (2015).
- Goodall, B. L., Robinson, A. M., Brosseau, C. L. Electrochemical-surface enhanced Raman spectroscopy (E-SERS) of uric acid: a potential rapid diagnostic method for early preeclampsia detection. Physical Chemistry Chemical Physics. 15 (5), 1382-1388 (2013).
- Lytvyn, Y., Perkins, B. A., Cherney, D. Z. I. Uric Acid as a Biomarker and a Therapeutic Target in Diabetes. Canadian Journal of Diabetes. 39 (3), 239-246 (2015).
- Ali, S. M. U., Ibupoto, Z. H., Kashif, M., Hashim, U., Willander, M. A Potentiometric Indirect Uric Acid Sensor Based on ZnO Nanoflakes and Immobilized Uricase. Sensors. 12 (3), 2787-2797 (2012).
- Yu, J., Wang, S., Ge, L., Ge, S. A novel chemiluminescence paper microfluidic biosensor based on enzymatic reaction for uric acid determination. Biosensors and Bioelectronics. 26 (7), 3284-3289 (2011).
- Yang, Y. D. Simultaneous determination of creatine, uric acid, creatinine and hippuric acid in urine by high performance liquid chromatography. Biomedical Chromatography. 12 (2), 47-49 (1999).
- Zhao, S., Wang, J., Ye, F., Liu, Y. M. Determination of uric acid in human urine and serum by capillary electrophoresis with chemiluminescence detection. Analytical Biochemistry. 378 (2), 127-131 (2008).
- Fang, Y., Seong, N. H., Dlott, D. D. Measurement of the Distribution of Site Enhancements in Surface-Enhanced Raman Scattering. Science. 321 (5887), 388-392 (2008).
- Jeong, H. H., et al. Dispersion and shape engineered plasmonic nanosensors. Nature Communications. 7, 11331 (2016).
- Alula, M. T., et al. Preparation of silver nanoparticles coated ZnO/Fe3O4 composites using chemical reduction method for sensitive detection of uric acid via surface-enhanced Raman spectroscopy. Analytica Chimica Acta. 1073, 62-71 (2019).
- Bastús, N. G., Comenge, J., Puntes, V. Kinetically Controlled Seeded Growth Synthesis of Citrate-Stabilized Gold Nanoparticles of up to 200 nm: Size Focusing versus Ostwald Ripening. Langmuir. 27 (17), 11098-11105 (2011).
- Jeong, H. H., et al. Selectable Nanopattern Arrays for Nanolithographic Imprint and Etch-Mask Applications. Advanced Science. 2 (7), 1500016 (2016).
- Loh, X. J., Lee, T. C., Dou, Q., Deen, G. R. Utilising inorganic nanocarriers for gene delivery. Biomaterials Science. 4 (1), 70-86 (2016).
- Celiz, A. D., Lee, T. C., Scherman, O. A. Polymer-Mediated Dispersion of Gold Nanoparticles: Using Supramolecular Moieties on the Periphery. Advanced Materials. 21 (38), 3937-3940 (2009).
- Lee, T. C., Scherman, O. A. Formation of Dynamic Aggregates in Water by Cucurbit[5]uril Capped with Gold Nanoparticles. ChemComm. 46 (14), 2438-2440 (2010).
- Lee, T. C., Scherman, O. A. A Facile Synthesis of Dynamic Supramolecular Aggregates of Cucurbit[n]uril (n = 5-8) Capped with Gold Nanoparticles in Aqueous Media. Chemistry-A European Journal. 18 (6), 1628-1633 (2012).
- Taylor, R. W., et al. Precise Subnanometer Plasmonic Junctions for SERS within Gold Nano- particle Assemblies Using Cucurbit[n]uril “Glue”. ACS Nano. 5 (5), 3878-3887 (2011).
- Peveler, W. J., et al. Cucurbituril-mediated quantum dot aggregates formed by aqueous self-assembly for sensing applications. ChemComm. 55 (38), 5495-5498 (2019).
- Chio, W. I. K., et al. Selective Detection of Nitroexplosives Using Molecular Recognition within Self-Assembled Plasmonic Nanojunctions. The Journal of Physical Chemistry C. 123 (25), 15769-15776 (2019).
- Kasera, S., Biedermann, F., Baumberg, J. J., Scherman, O. A., Mahajan, S. Quantitative SERS Using the Sequestration of Small Molecules Inside Precise Plasmonic Nanoconstructs. Nano Letters. 12 (11), 5924-5928 (2012).
- Taylor, R. W., et al. In Situ SERS Monitoring of Photochemistry within a Nanojunction Reactor. Nano Letters. 13 (12), 5985-5990 (2013).
- Kasera, S., Herrmann, L. O., Barrio, J. d., Baumberg, J. J., Scherman, O. A. Quantitative Multiplexing with Nano-Self-Assemblies in SERS. Scientific Reports. 4, 6785 (2014).
- Chio, W. I. K., et al. Dual-triggered nanoaggregates of cucurbit[7]uril and gold nanoparticles for multi-spectroscopic quantification of creatinine in urinalysis. Journal of Materials Chemistry C. 8, 7051-7058 (2020).
- Turkevich, J., Stevenson, P. C., Hillier, J. A study of the nucleation and growth processes in the synthesis of colloidal gold. Discussions of the Faraday Society. 11, 55-75 (1951).
- Lagona, J., Mukhopadhyay, P., Chakrabarti, S., Issacs, L. The cucurbit[n]uril family. Angewandte Chemie International Edition. 44 (31), 4844-4870 (2005).
- . OceanView Installation and Operation Manual Available from: https://www.oceaninsight.com/globalassets/catalog-blocks-and-images/manuals–instruction-old-logo/software/oceanviewio.pdf (2013)
- Mahajan, S., et al. Raman and SERS spectroscopy of cucurbit[n]urils. Physical Chemistry Chemical Physics. 12 (35), 10429-10433 (2010).
- Langer, J., et al. Present and Future of Surface-Enhanced Raman Scattering. ACS Nano. 14 (1), 28-117 (2020).
- Pilot, R., et al. A Review on Surface-Enhanced Raman Scattering. Biosensors. 9 (2), 57 (2019).
- Bantz, K. C., et al. Recent progress in SERS biosensing. Physical Chemistry Chemical Physics. 13 (24), 11551-11567 (2011).
- Moore, T. J., et al. In Vitro and In Vivo SERS Biosensing for Disease Diagnosis. Biosensors. 8 (2), 46 (2018).
- Bonifacio, A., Cervo, S., Sergo, V. Label-free surface-enhanced Raman spectroscopy of biofluids: fundamental aspects and diagnostic applications. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 407 (27), 8265-8277 (2015).
- Jeong, H. H., Choi, E., Ellis, E., Lee, T. C. Recent advances in gold nanoparticles for biomedical applications: from hybrid structures to multi-functionality. Journal of Materials Chemistry B. 7 (22), 3480-3496 (2019).
- Premasiri, W. R., Clarke, R. H., Womble, M. E. Urine Analysis by Laser Raman Spectroscopy. Lasers in Surgery and Medicine. 28 (4), 330-334 (2001).
- Lu, Y., et al. Superhydrophobic silver film as a SERS substrate for the detection of uric acid and creatinine. Biomedical Optics Express. 9 (10), 4988-4997 (2018).
- Feig, D. I., et al. Serum Uric Acid: A Risk Factor and a Target for Treatment. Journal of the American Society of Nephrology. 17 (4), 69-73 (2006).
- Maiuolo, J., Oppedisano, F., Gratteri, S., Muscoli, C., Mollace, V. Regulation of uric acid metabolism and excretion. International Journal of Cardiology. 213, 8-14 (2016).
