JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
العربية

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bioengineering

المحاصرة البصرية للجسيمات النانوية البلازمونية لتوصيف التحليل الطيفي رامان المحسن للسطح في الموقع

Published: June 23, 2022
doi:
10.3791/63862
, ,
1HKUST-Shenzhen Research Institute, 2Department of Chemistry,The Hong Kong University of Science and Technology

Summary

يصف هذا البروتوكول نهجا مناسبا لدمج الاصطياد البصري والتحليل الطيفي رامان المحسن سطحيا (SERS) لمعالجة الجسيمات النانوية البلازمونية للكشف الجزيئي الحساس. بدون عوامل تجميعية ، يقوم ليزر الاصطياد بتجميع الجسيمات النانوية البلازمونية لتعزيز إشارات SERS للتحليلات المستهدفة للقياسات الطيفية في الموقع .

Abstract

يتيح التحليل الطيفي لرامان المحسن سطحيا (SERS) الكشف عن جزيئات التحليل فائقة الحساسية في مختلف التطبيقات بسبب المجال الكهربائي المحسن للهياكل النانوية المعدنية. تجميع جسيمات الفضة النانوية الناجم عن الملح هو الطريقة الأكثر شعبية لتوليد ركائز نشطة SERS. ومع ذلك ، فهو محدود بضعف قابلية التكرار والاستقرار والتوافق الحيوي. يدمج البروتوكول الحالي المعالجة البصرية والكشف عن SERS لتطوير منصة تحليلية فعالة لمعالجة ذلك. يتم الجمع بين ليزر محاصرة 1064 نانومتر وليزر مسبار رامان 532 نانومتر في مجهر لتجميع جزيئات الفضة النانوية ، والتي تولد نقاطا ساخنة بلازمونية لقياسات SERS في الموقع في البيئات المائية. بدون عوامل تجميعية ، يتيح هذا التجمع الديناميكي للجسيمات النانوية الفضية البلازمونية تعزيزا بمقدار 50 ضعفا تقريبا لإشارة جزيء التحليل. علاوة على ذلك ، فإنه يوفر تحكما مكانيا وزمنيا لتشكيل التجميع النشط ل SERS في محلول جسيمات الفضة النانوية المطلي بالتحليل بالتحليل 0.05 نانومتر ، مما يقلل من الاضطراب المحتمل للتحليل في الجسم الحي . وبالتالي ، فإن منصة SERS المدمجة في المحاصرة البصرية هذه تحمل إمكانات كبيرة لإجراء تحليلات جزيئية فعالة وقابلة للتكرار ومستقرة في السوائل ، خاصة في البيئات الفسيولوجية المائية.

Introduction

التحليل الطيفي رامان المحسن سطحيا (SERS) هو تقنية تحليلية حساسة للكشف مباشرة عن التركيب الكيميائي للجزيئات المستهدفة بتركيزات منخفضة للغاية أو حتى على مستوى الجزيء الواحد1،2،3،4. يحفز تشعيع الليزر رنين البلازمون السطحي الموضعي في الهياكل النانوية المعدنية ، ويستخدم كركائز SERS لتضخيم إشارات رامان للجزيئات المستهدفة. مجاميع الجسيمات النانوية المستحثة بالملح هي ركائز SERS المستخدمة على نطاق واسع ، والتي تخضع تلقائيا للحركة البراونية في سوائل التعليق الغروية 5,6. مزيد من التجفيف يسمح قياسات SERS مستقرة. ومع ذلك ، قد يحدث تركيز الشوائب ، مما يؤدي إلى ضوضاء في الخلفية ويسبب أضرارا لا رجعة فيها للعينات البيولوجية7. وبالتالي ، من المناسب تطوير تجمعات الجسيمات النانوية الخالية من الملح ، والتحكم في حركتها في المحلول ، وتحسين التوافق الحيوي مع الحفاظ على كفاءة القياس.

تم اعتماد الاصطياد البصري للتحكم في الركائز المعدنية المختلفة وتسهيل عمليات الكشف عن SERS8،9،10،11،12،13،14. يتم إنشاء مصيدة بصرية عن طريق التركيز بإحكام لشعاع الليزر لتوليد حقل قوة بصرية ، والذي يجذب الأجسام الصغيرة إلى المنطقة الأعلى كثافة حول التركيز15,16. في الآونة الأخيرة ، تم استخدام الفخاخ البصرية لتطوير منصات استشعار بلازمونية قابلة للتكرار وحساسة لمختلف التطبيقات ، وعرض مزاياها الفريدة في تحديد موقع الهياكل النانوية المعدنية النشطة SERS والتحكم فيها في الحلول17،18،19،20،21،22،23،24 . يقدم هذا البروتوكول نهجا للجمع بين الملقط البصري والمجهر الطيفي رامان لتجميع جسيمات الفضة النانوية ديناميكيا (AgNPs) وتثبيتها ضد الحركة البراونية في حل لقياسات SERS الفعالة. في منطقة تجميع AgNP ، يمكن تعزيز إشارة 3,3′-dithiobis [6-nitrobenzoic acid] bis(succinimide) ester (DSNB) ، وهي جزيئات تحليلية مغلفة على سطح AgNPs ، بحوالي 50 ضعفا. هذا النهج مناسب لتحليل الجزيئات الحيوية الحساسة غير المتوافقة مع عوامل السد الكيميائي25،26،27. علاوة على ذلك ، فإنه يوفر التحكم المكاني والزماني لإنشاء مجموعة AgNP النشطة من SERS. وهذا يتيح الكشف في الموقع في البيئات المائية ، مما قد يقلل من استخدام AgNPs ويقلل من الاضطراب في التحليل في الجسم الحي 28،29،30. بالإضافة إلى ذلك ، فإن مجموعة AgNP المستحثة بالاصطياد البصري مستقرة وقابلة للتكرار وعكسها31,32. وبالتالي ، فهي منصة واعدة للكشف عن جزيئات التحليل في المحاليل وفي ظل الظروف الفسيولوجية حيث لا ينطبق التجميع الناجم عن الملح.

في هذه الدراسة ، تم دمج ليزر محاصرة 1064 نانومتر ، ووحدة الكشف عن القوة ، ومصدر إضاءة برايتفيلد في نظام الفحص المجهري البصري للملقط لمعالجة بصرية وتصور الجسيمات. كما تم دمج ليزر مسبار رامان 532 نانومتر في المجهر ومحاذاة ليزر الاصطياد في غرفة العينة. ومن أجل الاكتساب الطيفي، تم جمع الضوء المتناثر وإعادة توجيهه إلى مطياف (الشكل 1).

Protocol

1. الإعداد البصري قم بتوجيه شعاع ليزر 532 نانومتر (مصدر إثارة رامان) إلى المنفذ المرن لمجهر الملقط البصري (انظر جدول المواد). قم بمحاذاة شعاع الليزر 532 نانومتر في مسارات الاستريو مزدوجة الطبقة لمجهر الملقط البصري مع مرآة ثنائية اللون طويلة التمرير 750 نانومتر للاندماج مع أشعة الليزر الأصلية للاحتباس للتركيز على غرفة العينة. اجمع الضوء المتناثر من غرفة العينة باستخدام مرآة ثنائية اللون طويلة التمرير بطول 750 نانومتر وأعد توجيهها إلى مطياف يحتوي على كاميرا جهاز مقترن بالشحنة (CCD) مبردة بالنيتروجين السائل (انظر جدول المواد). ضع مرشحا من الدرجة 532 نانومتر أمام شق مدخل مقياس الطيف قبل الاكتساب الطيفي.ملاحظة: يجب استخدام حماية العين عند تشغيل الليزر، ويجب احتواء شعاع الليزر داخل منطقة آمنة. 2. تصنيع AgNPs سخني 50 مل من محلول مائي AgNO3 سعة 1 مللي متر في قارورة مستديرة القاع أثناء الغليان. أضف 1.0 مل من محلول سترات ثلاثي الصوديوم 0.1 م قطرة إلى محلول AgNO3 المائي المسلوق. حافظ على غليان الخليط لمدة 16 دقيقة تحت التحريك المستمر. يبرد الخليط إلى درجة حرارة الغرفة. لوحظ اللون المصفر. الطرد المركزي للغرويات AgNP في 2000 × غرام لمدة 5 دقائق في درجة حرارة الغرفة ثم إزالة supernatant باستخدام ماصة. أعد تعليق الغرويات AgNP مع 1 مل من الماء غير المتأين (مقاومة 18.2 MΩ سم). كرر الخطوتين 2.5 و2.6 ثلاث مرات لإزالة عامل الاختزال المتبقي. توصيف توزيع حجم AgNPs باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) وتشتت الضوء الديناميكي (DLS)33 لتأكيد توحيد AgNPs (الشكل 2). وقدر تركيز AgNP ب 0.1 نانومتر بواسطة امتصاص الأشعة فوق البنفسجية34.ملاحظات: نظرا للتركيز المنخفض ، يمكن الحفاظ على محلول مخزون AgNP دون تجميع لمدة 2-3 أسابيع. لا توجد عوامل استقرار مطلوبة. إذا لوحظ وجود راسب في محلول مخزون AgNP ، فقد تم إعداد حل AgNP جديد وفقا للبروتوكول أعلاه. 3. تفاعل جزيء تحليل DSNB و AgNP أضف 200 ميكرولتر من 2 mM DSNB (انظر جدول المواد) إلى 1 مل من غروانية AgNP واحتضنها في درجة حرارة الغرفة لمدة 3 ساعات لتغطية طبقة من DSNB على سطح AgNP عن طريق تكوين رابطة Ag-S بين AgNP و DSNB35. ويبين الشكل 3 تمثيلا تخطيطيا لهذا التفاعل. قم بطرد مركزي AgNP عند 2000 × جم لمدة 5 دقائق في درجة حرارة الغرفة وقم بإزالة السوبرناتانت. أعد تعليق AgNP-DSNB مع 1 مل من الماء غير المؤين. كرر الخطوتين 3.2 و3.3 ثلاث مرات لإزالة DSNB الزائدة. سجل الأطياف المرئية للأشعة فوق البنفسجية لمحلول AgNP الغرواني و AgNP-DSNB.ملاحظة: تظهر هذه الأطياف تحولا في ذروة الامتصاص من حوالي 420 نانومتر إلى 450 نانومتر، مما يشير إلى الطلاء الناجح ل DSNB على سطح AgNP (الشكل 3). 4. إعداد غرفة العينة وتوليد تجميع AgNP لقياس SERS تنظيف الشريحة الزجاجية والغطاء بالماء والإيثانول. قم بتوصيل شريط الإطار (بسماكة 0.25 مم، انظر جدول المواد) بالشريحة الزجاجية لإنشاء غرفة (بطول 1.0 سم × عرض 1.0 سم × 0.25 مم). أضف بضع قطرات من محلول AgNP-DSNB (حوالي 25 ميكرولتر) إلى الإطار. ضع الغطاء على شريط الإطار وختمه (الشكل 4). أضف النيتروجين السائل إلى حاوية كاميرا CCD المبردة بالنيتروجين السائل حتى تصل درجة الحرارة إلى -120 درجة مئوية. قم بحظر مسار شعاع مسبار رامان باستخدام شاشة أمان ليزر مغناطيسية (انظر جدول المواد)، ثم قم بتشغيل ليزر مصدر إثارة رامان 532 نانومتر. قم بإصلاح غرفة العينة باستخدام حل AgNP-DSNB على حامل الغرفة. أضف الماء إلى الهدف المغمور بالماء (تكبير 60x مع فتحة عددية 1.2 A من 1.2) كما هو موضح في الشكل 1. ثم ضع حامل الغرفة على الفور على المسرح المصغر فوق الهدف. قم بإسقاط زيت الغمر فوق الغطاء ووضع المكثف المغمور بالزيت لتصور الجسيمات على كاميرا المجهر. اضبط موضع Z للهدف عن طريق تدوير مقبض المجهر حتى يتم تركيز شعاع مسبار Raman 532 نانومتر على السطح الزجاجي السفلي للغرفة ، مما يظهر بقعة بيضاء على كاميرا المجهر (الشكل 5).اضبط الوضعين X و Y للمرحلة الدقيقة لتحريك الغرفة لوضع المنطقة الوسطى من الغرفة في البقعة البيضاء. افتح برنامج التحكم البصري في الملقط (انظر جدول المواد) واستخدم عنصر التحكم في عصا التحكم المجهز لتحريك ليزر الاصطياد 1064 نانومتر (المشار إليه بدائرة حمراء في نظام الملقط البصري) للتداخل مع البقعة البيضاء (الشكل 5). بعد ذلك ، اضبط مقبض المجهر لتحريك موضع Z للهدف لأعلى.ملاحظة: يشير اختفاء البقعة البيضاء في صورة كاميرا المجهر إلى أن شعاع مسبار رامان 532 نانومتر يتركز داخل الغرفة. قم بتشغيل ليزر الاصطياد 1064 نانومتر لجذب AgNPs في غرفة العينة وإنشاء مجموعة AgNP البلازمونية.ملاحظة: يؤدي تجمع AgNPs إلى بقعة داكنة في غرفة العينة (الشكل 6B).اخفض شعاع الليزر المحاصر لتجنب ارتفاع درجة الحرارة أو تكوين الفقاعات عند الحاجة.ملاحظة: قم بزيادة طاقة ليزر المحاصرة ووقت التشعيع إذا لم يكن هناك تكوين واضح لتجميع AgNP. اضبط موضع المرحلة المجهرية للعينة لوضع البقعة المظلمة لتجميع AgNP البلازموني تحت تركيز شعاع مسبار رامان 532 نانومتر للقياسات الطيفية. ضع مرشحات الكثافة المحايدة (ND) أمام منفذ ليزر رامان 532 نانومتر لضبط الطاقة إلى 10 ميجاوات. أدخل وقت الاقتناء (10 ثوان لهذه الدراسة، الشكل 6) في لوحة الإعداد في برمجيات الطيف (انظر جدول المواد) وانقر على زر الاكتساب لبدء الاكتساب الطيفي.ملاحظة: يولد هذا طيف SERS لجزيئات التحليل (DSNB في النتيجة التمثيلية والشكل 6).

Representative Results

كدليل على المفهوم ، تم اختيار DSNB كجزيء تحليلي ومغلف على سطح AgNPs. ويبين الشكل 6 أطياف SERS النموذجية ل DSNB المعززة بتجميع AgNP البلازموني وAgNP المشتت. بدون ليزر الاصطياد ، ولدت AgNPs المشتتة في غرفة العينة طيفا أسود (الشكل 6A) عند الإثارة بواسطة ليزر مسبار رامان. لوحظت إشارة SERS ضعيفة وواسعة النطاق عند حوالي 1380-1450 سم-1 ، وهي الذروة المميزة ل DSNB من امتدادها المتماثل NO2 ، والذي يتوافق مع تقارير الأدبيات35,36. وبما أن ال AgNPs المتناثرة كانت تحت الحركة البراونية، فإن تقاطعات الجسيمات البينية كانت كبيرة وغير مستقرة، كما هو موضح في الشكل 6C. وبالتالي ، كان تضخيم إشارة SERS ل DSNB منخفضا بالنسبة ل AgNPs المشتتة. يتم جمع AgNPs لتشكيل مجموعة AgNP البلازمونية عندما يكون ليزر الاصطياد قيد التشغيل. يمكن أن تؤدي زيادة الطاقة وتمديد وقت تشعيع ليزر الاصطياد إلى جذب المزيد من AgNPs وتوليد بقعة مظلمة ، كما هو موضح في الشكل 6B. هنا ، قمنا بتطبيق قوة ليزر محاصرة تبلغ 700 mM ووقت تشعيع 20 ثانية لإنشاء مجموعة AgNP بلازمونية في حل AgNP مغلف ب 0.05 نانومتر DSNB في موقع ولحظة محددين. تم الحصول على طيف SERS من DSNB في منطقة تجميع AgNP البلازموني (الشكل 6A ، الأحمر). يتم تعيين نطاق رامان القوي عند 930 سم-1 لاهتزاز مقص النيترو ، ومن المحتمل أن تتوافق النطاقات الكبيرة عند 1078 سم-1 و 1152 سم-1 و 1191 سم-1 مع امتداد سكسينيميديل N-C-O المتداخل مع أوضاع الحلقة العطرية ل DSNB 35,37. تنشأ نطاقات الميزات عند 1385 سم-1 و 1444 سم-1 من امتداد النيترو المتماثل ل DSNB ويتم تعزيزها بشكل كبير وتحويلها قليلا بسبب التفاعل مع سطح AgNP35,37. استنادا إلى بصمات SERS المبلغ عنها سابقا ل DSNB35,36,37 ، تم تعيين النطاق عند 1579 cm-1 إلى وضع الحلقة العطرية ل DSNB. كانت الكثافة الإجمالية ل DSNB في تجميع AgNP البلازموني أعلى من تلك الموجودة في AgNP المشتتة. بالنظر إلى شدة الذروة المميزة عند 1444 سم – 1 ، يمكن أن توفر مجموعة AgNP البلازمونية تعزيزا بمقدار 50 ضعفا تقريبا لإشارة SERS الخاصة ب DSNB مقارنة بإشارة AgNP المشتتة. كما هو موضح في الشكل 7 ، تم تسجيل أطياف SERS من DSNB مرارا وتكرارا (20 مرة) لتجميع AgNP في التجربة ، مما يدل على ميزات اهتزازية متطابقة. تم رسم شدة القمم المميزة ل DSNB عند 1152 سم −1 و 1444 سم − 1 و 1579 سم − 1 عبر أطياف SERS ال 20 هذه كرسوم بيانية مع انحرافات معيارية نسبية (RSD) بنسبة 6.88٪ و 6.59٪ و 5.48٪ على التوالي. وقد تحقق ذلك أيضا من قابلية التكاثر والاستقرار. وبالتالي ، فإن هذا النهج موثوق به لمعالجة الجسيمات النانوية البلازمونية والكشف عن SERS لجزيئات التحليل في المحلول. الشكل 1: التمثيل التخطيطي لمنصة رامان الطيفية البصرية المقترنة بالملقط. الشكل 2: إعداد AgNP لقياس SERS . (A) صورة SEM ل AgNP. (ب) توزيع حجم AgNP حسب DLS. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 3: تفاعل AgNP و DSNB. (A) مخطط لطلاء DSNB على سطح AgNP. (ب) الأطياف المرئية للأشعة فوق البنفسجية ل AgNP و AgNP-DSNB. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 4: مخطط إعداد غرفة العينة. (أ) عملية إعداد غرفة العينة. (ب) غرفة العينة المعدة. شريط المقياس = 1 سم. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل. الشكل 5: تداخل الموضع بين ليزر رامان 532 نانومتر وليزر محاصرة 1064 نانومتر. (أ) موضع ليزر رامان 532 نانومتر المشار إليه ببقعة بيضاء. (ب) موضع ليزر محاصر 1064 نانومتر مبين بدائرة حمراء. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 6: أطياف SERS النموذجية لجزيئات التحليل المعززة بتجميع AgNP البلازموني. (A) أطياف SERS من DSNB في تجميع AgNP البلازموني (الأحمر) و AgNP المشتت (الأسود). (ب) تظهر مجموعة AgNP البلازمونية عندما يكون ليزر الاصطياد قيد التشغيل بقعة داكنة تحت التصور المجهري. (ج) AgNP المشتت عند إيقاف تشغيل ليزر الاصطياد. (D) توضيح لآلية تكوين تجميع AgNP. (ه) شدة SERS المعتمدة على التركيز في غياب ليزر الاصطياد. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 7: قابلية تكرار إشارة SERS من DSNB. (A) 20 أطياف SERS من DSNB في مجموعة AgNP البلازمونية المسجلة بشكل متكرر في التجربة. (ب) رسم بياني لشدة قمم DSNB المميزة عند 1152 سم-1 (RSD = 6.88٪) ، 1444 سم -1 (RSD = 6.59٪) ، و 1579 سم -1 (RSD = 5.48٪). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل 8: تجميع AgNP المتولد بموجب معلمات تجريبية مختلفة . (أ) طاقة ليزر محاصرة مختلفة. وقت التشعيع 20 ثانية وتركيز AgNP 0.05 نانومتر. (ب) وقت التشعيع المختلف؛ محاصرة طاقة الليزر 700 ميجاوات وتركيز AgNP 0.05 نانومتر. (ج) اختلاف تركيز AgNP؛ وقت التشعيع 20 ثانية ومحاصرة طاقة الليزر 700 ميجاوات. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. الشكل التكميلي 1: صور كاميرا المجهر لتجميع AgNP في سلسلة زمنية عند إيقاف تشغيل ليزر الاصطياد. يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الملف.

Discussion

تشير هذه الدراسة إلى منصة تحليلية تجمع بين الاصطياد البصري والكشف عن SERS للتوصيفات الجزيئية في الموقع . تم الجمع بين شعاع مسبار رامان 532 نانومتر مع شعاع ليزر محاصر 1064 نانومتر من خلال مسارات ستيريو مزدوجة الطبقة للجمع بين التركيز والجمع للحصول على قياسات طيفية إضافية في هندسة التشتت الخلفي. قام شعاع الليزر المحاصر بتجميع AgNPs لتشكيل نقاط ساخنة بلازمونية ، تليها إثارة شعاع ليزر مسبار رامان لتوليد إشارة SERS لجزيئات التحليل في المحلول. كدليل على المفهوم ، تم إثبات اكتشاف DSNB ، الذي كان مغلفا على سطح AgNPs. في منطقة تجميع AgNP التي يسيطر عليها شعاع الليزر الاصطيادي ، تم تحقيق تحسين حوالي 50 ضعفا في إشارة DSNB مقارنة ب AgNPs المشتتة المحيطة. تم الحصول على تضخيم مماثل عالي الإشارة لجزيئات التحليل في قياسات SERS في مرحلة الحل على المنصة المقدمة.

تتمثل الخطوة الحاسمة التي تؤثر على تضخيم إشارة SERS في تشكيل مجموعة AgNP المستحثة بالاصطياد البصري. يمكن تحسين إشارة SERS لجزيئات التحليل عن طريق ضبط المعلمات التجريبية مثل قوة ليزر المحاصرة ، ووقت التشعيع ، وتركيز AgNP. كما هو موضح في الشكل 8 ، يمكن أن يؤدي استخدام طاقة ليزر احتجاز أعلى إلى زيادة كفاءة تكوين تجميع AgNP. تم الحصول على مجموعات AgNP القابلة للتكرار عن طريق زيادة قوة ليزر الاصطياد من 450 ميجاوات إلى 700 ميجاوات. ومع ذلك ، فإن قوة ليزر محاصرة أعلى من 950 ميجاوات قد تحفز ارتفاع درجة الحرارة وتوليد الفقاعة38. وبالتالي ، يوصى باستخدام طاقة ليزر محاصرة معتدلة لإنشاء مجموعة AgNP ديناميكية. وبالمثل ، فإن وقت التشعيع الأطول مفيد لتعزيز تشكيل جمعيات AgNP. ويبين الشكل 8 باء أن مجموعة AgNP كروية واضحة تشكلت عندما زاد وقت التشعيع من 5-20 ثانية. ومع ذلك ، تم تشويه مجموعة AgNP بعد تشعيع 60 ثانية. بالإضافة إلى ذلك ، تم تسريع تشكيل مجموعة AgNP بتركيز AgNP أعلى ، من 0.01 نانومتر إلى 0.05 نانومتر ، في حين تم تسخينها بسرعة عند 0.25 نانومتر ، كما هو موضح في الشكل 8C. إذا لم يكن هناك تشكيل تجميع AgNP واضح ، فمن المستحسن زيادة قوة ليزر الاصطياد ووقت التشعيع. عند إنشاء مجموعة AgNP مستقرة ، يجب رفض ليزر الاصطياد لتجنب التلف الحراري المحتمل.

ويعزى نشاط SERS لتجميع AgNP الناجم عن الاصطياد البصري إلى زيادة تركيز AgNP المحلي في منطقة التشعيع بالليزر المحاصر، وهي البقعة المظلمة في الشكل 6B. في محلول AgNP المائع ، يمكن للمصيدة البصرية جذب AgNPs باستمرار لتراكم وتشكيل نقاط ساخنة بلازمونية في مساحة ضيقة في تقاطعات الجسيمات البينية. ينتج عن ذلك مجال كهربائي محسن يعزز تأثير SERS. كما تم التحقق منه من خلال إشارة SERS الأقوى التي تم الحصول عليها بتركيز AgNP أعلى (1.00 نانومتر) مقارنة بإشارة SERS الأضعف المكتسبة بتركيز AgNP أقل (0.05 نانومتر) بدون ليزر الاصطياد ، كما هو موضح في الشكل 6E.

علاوة على ذلك ، فإن التحكم في موضع مجموعة AgNP البلازمونية في المحلول ، ضد الحركة البراونية ، عن طريق الاصطياد البصري قد حسن بشكل كبير من كفاءة واستقرار قياسات SERS. يمكن إجراء استشعار عالي الإنتاجية عند توصيله بنظام الموائع الدقيقة. بالمقارنة مع التجميع التقليدي الناجم عن الملح للجسيمات النانوية لتوليد ركائز نشطة SERS ، تسمح منصتنا بالتكوين الديناميكي لمجموعات AgNP البلازمونية ، في الموقع واللحظة المصممين ، بمرونة عالية26,28. وعلاوة على ذلك، فإنه يعمل بكفاءة في تركيزات AgNP النانوية ويتيح التلاعب المكاني والزماني للنقاط الساخنة النشطة في SERS للقياسات الطيفية في الموقع في المحاليل. تم تفكيك مجموعة AgNP الديناميكية هذه تدريجيا في بضع دقائق عند إيقاف تشغيل ليزر الاصطياد. بدون ليزر الاصطياد ، اختفت مجموعة AgNP تقريبا في 20 دقيقة ، كما هو موضح في الشكل التكميلي 1. هذا يمكن أن يقلل من التأثير على نظام الكشف ويظهر إمكانات كبيرة لمختلف التطبيقات الحيوية ، وخاصة الكشف عن الجزيئات الحيوية (الحمض النووي والحمض النووي الريبي والبروتين) في ظل الظروف الفسيولوجية وفي الجسم الحي. ومع ذلك ، فإن هذا التجمع الديناميكي AgNP يوفر عامل تعزيز أصغر من مجاميع AgNP المستحثة بالملح2 ، وبالتالي ، هناك حاجة إلى مزيد من التعديل والتطوير.

في الختام ، يوفر دمج الاصطياد البصري والكشف عن SERS طريقة ملائمة للتحكم في الجسيمات النانوية البلازمونية وتحقيق تعزيز إشارة SERS القابلة للتكرار للكشف عن جزيئات التحليل في حلول ذات كفاءة عالية واستقرار وتوافق حيوي.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

نحن نعترف بالدعم التمويلي المقدم من لجنة العلوم والتكنولوجيا والابتكار التابعة لبلدية شنتشن (No. JCYJ20180306174930894) ، ومكتب بلدية تشونغشان للعلوم والتكنولوجيا (2020AG003) ، ومجلس منح البحوث في هونغ كونغ (المشروع 26303018). كما نعرب عن تقديرنا للبروفيسور تشي مينغ تشي ودعمه التمويلي من “مختبر الكيمياء الاصطناعية والبيولوجيا الكيميائية” في إطار برنامج Health@InnoHK الذي أطلقته لجنة الابتكار والتكنولوجيا التابعة لحكومة منطقة هونغ كونغ الإدارية الخاصة التابعة لجمهورية الصين الشعبية.

Materials

1064 nm trapping laser IPG Photonics, United States 1064 nm CW Yb fiber laser, 10W
3,3'-Dithiobis[6-nitrobenzoic acid] bis(succinimide) ester  Biosynth Carbosynth FD15467
532 nm Raman excitation source CNI, China MLL-III-532
Bluelake software LUMICKS, Netherlands version 1.6.12 optical tweezer control software
Frame tape Thermo Fisher Scientific, Inc AB-0576
Immersion oil Cargille Laboratories, Inc 16482
Liquid nitrogen-cooled charge-coupled device (CCD) camera Teledyn Princeton Instrument, United States 400B eXcelon
Long-pass dichroic mirror AHF, Germany F48-801
Magnetic laser safety screen ThorLabs TPSM2
Optical tweezer microscope LUMICKS, Netherlands m-trap
Silver nitrate Sigma-Aldrich China, Inc. S8157
Spectrometer Teledyn Princeton Instrument, United States IsoPlane SCT-320
Trisodium citrate Sigma-Aldrich China, Inc. S4641
WinSpec software Teledyn Princeton Instrument, United States version 2.6.24.0 spectrum software
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Stiles, P. L., Dieringer, J. A., Shah, N. C., Van Duyne, R. P. Surface-enhanced Raman spectroscopy. Annual Review of Analytical Chemistry. 1 (1), 601-626 (2008).
  2. Xu, L. J., et al. Label-free detection of native proteins by surface-enhanced Raman spectroscopy using iodide-modified nanoparticles. Analytical Chemistry. 86 (4), 2238-2245 (2014).
  3. Le Ru, E. C., Etchegoin, P. G. Single-molecule surface-enhanced raman spectroscopy. Annual Review of Physical Chemistry. 63, 65-87 (2012).
  4. Huang, J. A., et al. SERS discrimination of single DNA bases in single oligonucleotides by electro-plasmonic trapping. Nature Communications. 10 (1), 1-10 (2019).
  5. Chan, M. Y., Leng, W., Vikesland, P. J. Surface-enhanced Raman spectroscopy characterization of salt-induced aggregation of gold nanoparticles. ChemPhysChem. 19 (1), 24-28 (2018).
  6. Le Ru, E. C., Meyer, M., Etchegoin, P. G. Proof of single-molecule sensitivity in Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) by means of a two-analyte technique. Journal of Physical Chemistry B. 110 (4), 1944-1948 (2006).
  7. Schultz, Z. Not too hot: the importance of optimizing laser power for surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) measurements. Spectroscopy. 36 (8), 18-20 (2021).
  8. Svedberg, F., Käll, M. On the importance of optical forces in surface-enhanced Raman scattering (SERS). Faraday Discussions. 132, 35-44 (2006).
  9. Svedberg, F., Li, Z., Xu, H., Käll, M. Creating hot nanoparticle pairs for surface-enhanced Raman spectroscopy through optical manipulation. Nano Letters. 6 (12), 2639-2641 (2006).
  10. Liu, Z., Hung, W. H., Aykol, M., Valley, D., Cronin, S. B. Optical manipulation of plasmonic nanoparticles, bubble formation and patterning of SERS aggregates. Nanotechnology. 21 (10), 105304 (2010).
  11. Spadaro, D., et al. Optical trapping of plasmonic mesocapsules: Enhanced optical forces and SERS. Journal of Physical Chemistry C. 121 (1), 691-700 (2017).
  12. Ottevaere, H., et al. Optical trapping of particles combined with confocal Raman spectroscopy in an optofluidic chip. Optical Design and Fabrication 2017. , (2017).
  13. Koya, A. N., et al. Novel plasmonic nanocavities for optical trapping-assisted biosensing applications. Advanced Optical Materials. 8 (7), 1901481 (2020).
  14. Yuan, Y., et al. Optical trapping-assisted SERS platform for chemical and biosensing applications: Design perspectives. Coordination Chemistry Reviews. 339, 138-152 (2017).
  15. Ashkin, A., Dziedzic, J. M., Yamane, T. Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams. Nature. 330 (6150), 769-771 (1987).
  16. Ashkin, A. Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasers. Proceedings of the National Academy of Sciences. 94 (10), 4853-4860 (1997).
  17. Dang, H., et al. Reproducible and sensitive plasmonic sensing platforms based on Au-nanoparticle-internalized nanodimpled substrates. Advanced Functional Materials. 31 (49), 1-10 (2021).
  18. Lafuente, M., et al. Plasmonic MOF thin films with Raman internal standard for fast and ultrasensitive SERS detection of chemical warfare agents in ambient air. ACS Sensors. 6 (6), 2241-2251 (2021).
  19. Chen, H., et al. SERS imaging-based aptasensor for ultrasensitive and reproducible detection of influenza virus A. Biosensors and Bioelectronics. 167, 112496 (2020).
  20. Chen, L., et al. Label-free plasmonic assisted optical trapping of single DNA molecules. Optics Letters. 46 (6), 1482 (2021).
  21. Farid, S., et al. Rainbows at the end of subwavelength discontinuities: plasmonic light trapping for sensing applications. Advanced Optical Materials. 9 (24), 1-18 (2021).
  22. Lin, S., et al. Tetragonal superlattice of elongated rhombic dodecahedra for sensitive SERS determination of pesticide residues in fruit. ACS Applied Materials and Interfaces. 12 (50), 56350-56360 (2020).
  23. Tiwari, S., Khandelwal, U., Sharma, V., Kumar, G. V. P. Single molecule surface enhanced Raman scattering in a single gold nanoparticle-driven thermoplasmonic tweezer. Journal of Physical Chemistry Letters. 12 (49), 11910-11918 (2021).
  24. Fukushima, T., et al. Visualization of molecular trapping at plasmonic metal nanostructure by surface-enhanced Raman scattering imaging. Journal of Nanophotonics. 14 (2), 1 (2020).
  25. Yuan, Y., et al. Optical trapping-assisted SERS platform for chemical and biosensing applications: Design perspectives. Coordination Chemistry Reviews. 339, 138-152 (2017).
  26. Foti, A., et al. Optical aggregation of gold nanoparticles for SERS detection of proteins and toxins in liquid environment: towards ultrasensitive and selective detection. Materials. 11 (3), 440 (2018).
  27. Dinish, U. S., et al. Single molecule with dual function on nanogold: Biofunctionalized construct for in vivo photoacoustic imaging and SERS biosensing. Advanced Functional Materials. 25 (15), 2316-2325 (2015).
  28. Tong, L., Righini, M., Gonzalez, M. U., Quidant, R., Käll, M. Optical aggregation of metal nanoparticles in a microfluidic channel for surface-enhanced Raman scattering analysis. Lab on a Chip. 9 (2), 193-195 (2009).
  29. Messina, E., et al. Plasmon-enhanced optical trapping of gold nanoaggregates with selected optical properties. ACS Nano. 5 (2), 905-913 (2011).
  30. Hwang, H., et al. In situ dynamic measurements of the enhanced SERS signal using an optoelectrofluidic SERS platform. Lab on a Chip. 11 (15), 2518-2525 (2011).
  31. Fazio, B., et al. SERS detection of biomolecules at physiological pH via aggregation of gold nanorods mediated by optical forces and plasmonic heating. Scientific Reports. 6 (1), 26952 (2016).
  32. Schlücker, S. Surface-enhanced raman spectroscopy: Concepts and chemical applications. Angewandte Chemie – International Edition. 53 (19), 4756-4795 (2014).
  33. Verma, P., Maheshwari, S. K. Preparation of sliver and selenium nanoparticles and its characterization by dynamic light scattering and scanning electron microscopy. Journal of microscopy and ultrastructure. 6 (4), 182-187 (2018).
  34. Paramelle, D., et al. A rapid method to estimate the concentration of citrate capped silver nanoparticles from UV-visible light spectra. Analyst. 139 (19), 4855-4861 (2014).
  35. Zhang, Y., et al. Facile SERS-active chip (PS@Ag/SiO2/Ag) for the determination of HCC biomarker. Sensors and Actuators B: Chemical. 272, 34-42 (2018).
  36. Cheng, M., et al. SERS immunosensor of array units surrounded by particles: A platform for auxiliary diagnosis of hepatocellular carcinoma. Nanomaterials. 10 (10), 1-11 (2020).
  37. Grubisha, D. S., Lipert, R. J., Park, H. -. Y., Driskell, J., Porter, M. D. Femtomolar detection of prostate-specific antigen: an immunoassay based on surface-enhanced raman scattering and immunogold labels. Analytical Chemistry. 75 (21), 5936-5943 (2003).
  38. Wang, S., Fu, L., Zhang, Y., Wang, J., Zhang, Z. Quantitative evaluation and optimization of photothermal bubble generation around overheated nanoparticles excited by pulsed lasers. Journal of Physical Chemistry C. 122 (42), 24421-24435 (2018).

Tags

Optical TrappingPlasmonic NanoparticlesSurface-enhanced Raman SpectroscopySERS-active Nanoparticle AssemblyAnalyte DetectionBiomarker DetectionMicrofluidic System532-nanometer LaserLiquid-nitrogen-cooled Charge-coupled Device CameraSilver NanoparticlesDSNB SolutionRaman Excitation Source Laser

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Dai, X., Qiu, W., Huang, J. Optical Trapping of Plasmonic Nanoparticles for In Situ Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Characterizations. J. Vis. Exp. (184), e63862, doi:10.3791/63862 (2022).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image