Altın Nanopartikülleri ve Cucurbit [n]uril Agregaları İçinde Hassas Plazmonik Nanokavşakların Oluşumu Yoluyla Ürik Asidin Kantitatif SERS Tespiti
Summary
Modüler bir spektrometre kullanarak kantitatif yüzey ile geliştirilmiş Raman spektroskopisi (SERS) algılaması için Au NP çözeltisine az miktarda eklenmeden önce sulu bir çözeltide cucurbit[7]uril ve ürik asitten oluşan bir konakçı-konuk kompleksi oluşturulmuştur.
Abstract
Bu çalışma, modüler bir spektrometre kullanarak, parmak izi bölgesindeki çoklu karakteristik zirveler için ~ 0,2 μM’lik düşük algılama sınırına sahip yüzeyle geliştirilmiş Raman spektroskopisi (SERS) yoluyla önemli bir biyobelirteç olan ürik asidin (UA) kantitatif tespiti için hızlı ve oldukça hassas bir yöntemi açıklamaktadır. Bu biyosensing şemasına, bir makro döngü, cucurbit [7] uril (CB7) ve UA arasındaki konakçı-konuk kompleksi ve daha sonra kendi kendine monte edilmiş Au NP: CB7 nanoagregaları içinde hassas plazmonik nanokavşakların oluşumu aracılık eder. SERS substratları için arzu edilen boyutların basit bir Au NP sentezi, klasik sitrat indirgeme yaklaşımına dayanarak, laboratuar yapımı otomatik bir sentezleyici kullanılarak kolaylaştırılma seçeneği ile gerçekleştirilmiştir. Bu protokol, klinik uygulamalar için vücut sıvılarındaki biyobelirteçlerin çoklanmış tespitine kolayca genişletilebilir.
Introduction
Pürin nükleotidlerin metabolizmasının son ürünü olan ürik asit, gut, preeklampsi, böbrek hastalıkları, hipertansiyon, kardiyovasküler hastalıklar ve diyabet gibi hastalıkların tanısında kan serumu ve idrarda önemli bir biyobelirteçtir 1,2,3,4,5. Ürik asit tespiti için mevcut yöntemler arasında kolorimetrik enzimatik testler, yüksek performanslı sıvı kromatografisi ve kılcal elektroforez bulunmaktadır ve bunlar zaman alıcı, pahalı ve sofistike numune hazırlamagerektirir 6,7,8,9.
Yüzey ile geliştirilmiş Raman spektroskopisi, titreşim parmak izleri aracılığıyla biyomoleküllerin seçici tespitine izin verdiği ve yüksek hassasiyet, hızlı tepki, kullanım kolaylığı ve hiç veya minimum numune hazırlama gibi sayısız avantaj sunduğu için rutin bakım noktası teşhisi için umut verici bir tekniktir. Asil metal nanopartiküllere (örneğin, Au NP’ler) dayanan SERS substratları, yüzey plazmon rezonansı 11’in neden olduğu güçlü elektromanyetik iyileştirme yoluyla analit moleküllerinin Raman sinyallerini 4 ila10 büyüklük10 sırasına kadar artırabilir. Özel boyutlardaki Au NP’ler, karmaşık metal nanokompozitlerin zaman alıcı üretiminin aksine kolayca sentezlenebilir12 ve bu nedenle üstün özellikleri nedeniyle biyomedikal uygulamalarda yaygın olarak kullanılır13,14,15,16. Makrosiklik moleküllerin, cucurbit[n]urillerin (CB n, burada n = 5-8 , 10), Au NP’lerin yüzeyine bağlanması, yüksek simetrik ve sert CB molekülleri Au NP’ler arasındaki hassas aralığı kontrol edebildiğinden ve ana konakçı-misafir komplekslerinin oluşumu yoluyla merkezde veya plazmonik sıcak noktalara yakın yerlerde analize edebildiğinden, analit moleküllerinin SERS sinyallerini daha da artırabilir (Şekil 1)17, 18,19,20. Au NP: CBn nanoagregaları kullanan SERS çalışmalarının önceki örnekleri arasında nitropatlayıcılar, polisiklik aromatikler, diaminostilben, nörotransmiterler ve kreatinin21,22,23,24,25 bulunur ve SERS ölçümleri ya bir küvette ya da özel yapım bir numune tutucuya küçük bir damlacık yüklenerek gerçekleştirilir. Bu algılama şeması, yüksek tekrarlanabilirliğe sahip karmaşık bir matristeki biyobelirteçleri hızlı bir şekilde ölçmek için özellikle yararlıdır.
Burada, CB7’nin konakçı-misafir komplekslerini ve önemli bir biyobelirteç UA’yı oluşturmak ve sulu ortamda CB7 aracılı Au NP agregasyonları yoluyla 0.2 μM’lik bir tespit limiti ile UA’yı ölçmek için kolay bir yöntem, tanısal ve klinik uygulamalar için umut verici olan modüler bir spektrometre kullanılarak gösterilmiştir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Protokolde açıklanan otomatik sentez yöntemi, artan boyutlardaki Au NP’lerin tekrarlanabilir şekilde sentezlenmesini sağlar. Tohum sentezi sırasında hızlı bir şekilde sodyum sitrat ilavesi ve PEEK borusunun güvenli olduğundan emin olmak için periyodik olarak kontrol edilmesi gibi hala manuel olarak yapılması gereken bazı elementler olmasına rağmen, bu yöntem genellikle HAuCl4 ve sodyum sitratın birden fazla manuel enjeksiyonunu gerektiren büyük boyutlarda (40 nm’ye kadar) Au NP’lere izin …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
TCL, Royal Society Research Grant 2016 R1 (RG150551) ve EPSRC (EP/P511262/1) tarafından Kurumsal Sponsorluk ödülü ile finanse edilen UCL BEAMS Geleceğin Lideri Ödülü’nün desteğine minnettardır. WIKC, TCL ve IPP, EPSRC M3S CDT (EP / L015862 / 1) aracılığıyla A*STAR-UCL Araştırma Ek Programı tarafından finanse edilen Öğrenciliğe minnettardır. GD ve TJ, EPSRC M3S CDT’YE (EP/L015862/1) öğrenciliklerine sponsor oldukları için teşekkür eder. TJ ve TCL, Camtech Innovations’ı TJ’nin öğrenciliğine katkılarından dolayı takdir eder. Tüm yazarlar UCL Açık Erişim Fonu’na minnettardır.
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).
