Quantitativer SERS-Nachweis von Harnsäure durch Bildung präziser plasmonischer Nanoverbindungen in Aggregaten von Goldnanopartikeln und Cucurbit[n]uril
Summary
Ein Host-Gast-Komplex aus Cucurbit[7]uril und Harnsäure wurde in einer wässrigen Lösung gebildet, bevor eine kleine Menge in die Au NP-Lösung für die quantitative oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS) mit einem modularen Spektrometer gegeben wurde.
Abstract
Diese Arbeit beschreibt eine schnelle und hochempfindliche Methode zum quantitativen Nachweis eines wichtigen Biomarkers, Harnsäure (UA), mittels oberflächenverstärkter Raman-Spektroskopie (SERS) mit einer niedrigen Nachweisgrenze von ~0,2 μM für mehrere charakteristische Peaks im Fingerabdruckbereich unter Verwendung eines modularen Spektrometers. Dieses Biosensorschema wird durch die Wirt-Gast-Komplexierung zwischen einem Makrozyklus, Kürbis[7]uril (CB7) und UA und der anschließenden Bildung präziser plasmonischer Nanoverbindungen innerhalb der selbstorganisierten Au NP: CB7-Nanoaggregate vermittelt. Eine einfache Au NP-Synthese der gewünschten Größen für SERS-Substrate wurde ebenfalls auf der Grundlage des klassischen Citratreduktionsansatzes mit der Option durchgeführt, mit einem im Labor gebauten automatisierten Synthesizer erleichtert zu werden. Dieses Protokoll kann leicht auf den Multiplex-Nachweis von Biomarkern in Körperflüssigkeiten für klinische Anwendungen erweitert werden.
Introduction
Harnsäure, das Endprodukt des Stoffwechsels von Purinnukleotiden, ist ein wichtiger Biomarker in Blutserum und Urin für die Diagnose von Krankheiten wie Gicht, Präeklampsie, Nierenerkrankungen, Bluthochdruck, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Diabetes 1,2,3,4,5. Zu den aktuellen Methoden für den Harnsäurenachweis gehören kolorimetrische enzymatische Assays, Hochleistungsflüssigkeitschromatographie und Kapillarelektrophorese, die zeitaufwendig und teuer sindund eine ausgeklügelte Probenvorbereitung erfordern 6,7,8,9.
Die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie ist eine vielversprechende Technik für die routinemäßige Point-of-Care-Diagnose, da sie die selektive Detektion von Biomolekülen über ihre Vibrationsfingerabdrücke ermöglicht und zahlreiche Vorteile wie hohe Empfindlichkeit, schnelle Reaktion, Benutzerfreundlichkeit und keine oder nur minimale Probenvorbereitung bietet. SERS-Substrate auf Basis von Edelmetall-Nanopartikeln (z.B. Au NPs) können die Raman-Signale der Analytmoleküle durch starke elektromagnetische Verstärkung durch Oberflächenplasmonenresonanz 11 um 4 bis10 Größenordnungen10 verstärken. Au NPs mit maßgeschneiderten Größen können im Gegensatz zur zeitaufwändigen Herstellung komplexer Metall-Nanokomposite12 leicht synthetisiert werden und werden daher aufgrund ihrer überlegenen Eigenschaften13,14,15,16 häufig in biomedizinischen Anwendungen eingesetzt. Die Anlagerung makrozyklischer Moleküle, Kürbis[n]urile (CB n, wobei n = 5-8, 10), an die Oberfläche von Au-NPs kann die SERS-Signale der Analytmoleküle weiter verstärken, da die hochsymmetrischen und starren CB-Moleküle den genauen Abstand zwischen den Au-NPs kontrollieren und die Analytmoleküle im Zentrum oder in unmittelbarer Nähe zu den plasmonischen Hotspots durch Bildung von Wirt-Gast-Komplexen lokalisieren können (Abbildung 1)17, 18,19,20. Frühere Beispiele für SERS-Studien mit Au NP: CBn Nanoaggregate umfassen Nitrosprengstoffe, polyzyklische Aromaten, Diaminostilbene, Neurotransmitter und Kreatinin 21,22,23,24,25, wobei die SERS-Messungen entweder in einer Küvette oder durch Laden eines kleinen Tröpfchens auf einen maßgefertigten Probenhalter durchgeführt werden. Dieses Nachweisschema ist besonders nützlich, um Biomarker in einer komplexen Matrix mit hoher Reproduzierbarkeit schnell zu quantifizieren.
Hierin wurde eine einfache Methode zur Bildung von Wirt-Gast-Komplexen von CB7 und einem wichtigen Biomarker UA und zur Quantifizierung von UA mit einer Nachweisgrenze von 0,2 μM über CB7-vermittelte Aggregationen von Au-NPs in wässrigen Medien unter Verwendung eines modularen Spektrometers demonstriert, das für diagnostische und klinische Anwendungen vielversprechend ist.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das im Protokoll beschriebene automatisierte Syntheseverfahren ermöglicht es, Au NPs zunehmender Größe reproduzierbar zu synthetisieren. Obwohl es einige Elemente gibt, die noch manuell durchgeführt werden müssen, wie die schnelle Zugabe von Natriumcitrat während der Saatgutsynthese und die regelmäßige Überprüfung, um sicherzustellen, dass der PEEK-Schlauch sicher ist, ermöglicht diese Methode Au NPs großer Größe (bis zu 40 nm), die normalerweise mehrere manuelle Injektionen von HAuCl4 und Natriu…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
TCL ist dankbar für die Unterstützung durch den Royal Society Research Grant 2016 R1 (RG150551) und den UCL BEAMS Future Leader Award, der durch den Institutional Sponsorship Award des EPSRC (EP/P511262/1) finanziert wird. WIKC, TCL und IPP danken der Studentenschaft, die durch das A*STAR-UCL Research Attachment Programme durch das EPSRC M3S CDT (EP/L015862/1) finanziert wird. GD und TJ danken dem EPSRC M3S CDT (EP/L015862/1) für das Sponsoring ihres Stipendiums. TJ und TCL würdigen Camtech Innovations für ihren Beitrag zum Studium von TJ. Alle Autorinnen und Autoren danken dem UCL Open Access Fund.
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).
