Количественное SERS-обнаружение мочевой кислоты путем формирования точных плазмонных нанопереходов в агрегатах наночастиц золота и кукурбита[n]uril
Summary
Хост-гостевой комплекс кукурбита[7]урила и мочевой кислоты формировали в водном растворе перед добавлением небольшого количества в раствор Au NP для количественного поверхностно-усиленного рамановского спектроскопии (SERS) с использованием модульного спектрометра.
Abstract
Эта работа описывает быстрый и высокочувствительный метод количественного обнаружения важного биомаркера, мочевой кислоты (UA), с помощью поверхностно-расширенной рамановской спектроскопии (SERS) с низким пределом обнаружения ~ 0,2 мкМ для нескольких характерных пиков в области отпечатков пальцев с использованием модульного спектрометра. Эта схема биозондирования опосредована комплексом хозяин-гость между макроциклом, кукурбитом[7]урилом (CB7) и UA, и последующим формированием точных плазмонных нанопереходов в самосборных наноагрегатах Au NP: CB7. Упрощенный синтез Au NP желаемых размеров для подложек SERS также был выполнен на основе классического подхода к восстановлению цитратов с возможностью облегчения с использованием автоматизированного синтезатора, построенного в лаборатории. Этот протокол может быть легко распространен на мультиплексированное обнаружение биомаркеров в жидкостях организма для клинического применения.
Introduction
Мочевая кислота, являющаяся конечным продуктом метаболизма пуриновых нуклеотидов, является важным биомаркером в сыворотке крови и моче для диагностики таких заболеваний, как подагра, преэклампсия, заболевания почек, гипертония, сердечно-сосудистые заболевания и сахарный диабет 1,2,3,4,5. Современные методы обнаружения мочевой кислоты включают колориметрические ферментативные анализы, высокоэффективную жидкостную хроматографию и капиллярный электрофорез, которые являются трудоемкими, дорогостоящими и требуют сложной пробоподготовки 6,7,8,9.
Поверхностно-расширенная рамановская спектроскопия является перспективным методом для рутинной диагностики в местах оказания медицинской помощи, поскольку она позволяет выборочно обнаруживать биомолекулы с помощью их вибрационных отпечатков пальцев и предлагает многочисленные преимущества, такие как высокая чувствительность, быстрый ответ, простота использования и отсутствие или минимальная подготовка образцов. Подложки SERS на основе наночастиц благородных металлов (например, Au NPs) могут усиливать рамановские сигналы молекул анализируемого вещества на 4-10 порядков10 за счет сильного электромагнитного усиления, вызванного поверхностным плазмонным резонансом11. Au NP индивидуальных размеров могут быть легко синтезированы, в отличие от трудоемкого изготовления сложных металлических нанокомпозитов12, и, таким образом, широко используются в биомедицинских приложениях благодаря их превосходным свойствам 13,14,15,16. Прикрепление макроциклических молекул, cucurbit[n]urils (CBn, где n = 5-8, 10), к поверхности Au NPs может дополнительно усилить сигналы SERS молекул анализируемого вещества, поскольку высокосимметричные и жесткие молекулы CB могут контролировать точное расстояние между Au NPs и локализовать молекулы анализируемого вещества в центре или в непосредственной близости от плазмонных горячих точек путем формирования комплексов хозяин-гость (рисунок 1)17, 18,19,20. Предыдущие примеры исследований SERS с использованием наноагрегатов Au NP: CBn включают нитроэксплозивные вещества, полициклические ароматические вещества, диаминостильбен, нейротрансмиттеры и креатинин 21,22,23,24,25, причем измерения SERS либо выполняются в кювете, либо путем загрузки небольшой капли на изготовленный на заказ держатель образца. Эта схема обнаружения особенно полезна для быстрой количественной оценки биомаркеров в сложной матрице с высокой воспроизводимостью.
В настоящем описано, что с помощью модульного спектрометра, перспективного для диагностического и клинического применения, был продемонстрирован фациальный способ формирования хост-гостевых комплексов CB7 и важного биомаркера UA, а также количественной оценки UA с пределом обнаружения 0,2 мкМ через CB7-опосредованные агрегации Au NPs в водных средах.
Protocol
Representative Results
Discussion
Описанный в протоколе автоматизированный метод синтеза позволяет воспроизводимо синтезировать Au NPs возрастающих размеров. Хотя есть некоторые элементы, которые все еще необходимо проводить вручную, такие как быстрое добавление цитрата натрия во время синтеза семян и периодическая п?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
TCL благодарна за поддержку исследовательского гранта Королевского общества 2016 R1 (RG150551) и премии UCL BEAMS Future Leader Award, финансируемой через награду институционального спонсорства EPSRC (EP/P511262/1). WIKC, TCL и IPP благодарны студенчеству, финансируемому Программой исследовательского прикрепления A*STAR-UCL через EPSRC M3S CDT (EP/L015862/1). GD и TJ хотели бы поблагодарить EPSRC M3S CDT (EP/L015862/1) за спонсирование их студенчества. TJ и TCL признают Camtech Innovations за вклад в студенчество TJ. Все авторы благодарны Фонду открытого доступа 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).
