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

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

Optische overvulling van plasmonische nanodeeltjes voor in situ oppervlakte-verbeterde Raman-spectroscopiekarakteriseringen

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

Summary

Het huidige protocol beschrijft een handige benadering voor het integreren van optische vangmethoden en oppervlakte-verbeterde Raman-spectroscopie (SERS) om plasmonische nanodeeltjes te manipuleren voor gevoelige moleculaire detectie. Zonder aggregeringsmiddelen assembleert de vanglaser plasmonische nanodeeltjes om de SERS-signalen van doelanalyten te verbeteren voor in situ spectroscopische metingen.

Abstract

Surface-enhanced Raman spectroscopie (SERS) maakt de ultragevoelige detectie van analytmoleculen in verschillende toepassingen mogelijk vanwege het verbeterde elektrische veld van metalen nanostructuren. Zout-geïnduceerde zilver nanodeeltjesaggregatie is de meest populaire methode voor het genereren van SERS-actieve substraten; het wordt echter beperkt door slechte reproduceerbaarheid, stabiliteit en biocompatibiliteit. Het huidige protocol integreert optische manipulatie en SERS-detectie om een efficiënt analytisch platform te ontwikkelen om dit aan te pakken. Een 1064 nm trapping laser en een 532 nm Raman probe laser worden gecombineerd in een microscoop om zilveren nanodeeltjes te assembleren, die plasmonische hotspots genereren voor in situ SERS-metingen in waterige omgevingen. Zonder aggregeringsmiddelen maakt deze dynamische plasmonische zilveren nanodeeltjesassemblage een ongeveer 50-voudige verbetering van het analytmolecuulsignaal mogelijk. Bovendien biedt het ruimtelijke en temporele controle om de SERS-actieve assemblage te vormen in zo laag als 0,05 nM analyt-gecoate zilveren nanodeeltjesoplossing, die de potentiële verstoring voor in vivo analyse minimaliseert. Vandaar dat dit optisch trapping-geïntegreerde SERS-platform een groot potentieel heeft voor efficiënte, reproduceerbare en stabiele moleculaire analyses in vloeistoffen, vooral in waterige fysiologische omgevingen.

Introduction

Surface-enhanced Raman spectroscopie (SERS) is een gevoelige analytische techniek voor het direct detecteren van de chemische structuur van doelmoleculen bij ultralage concentraties of zelfs op het niveauvan één molecuul 1,2,3,4. Laserbestraling induceert gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantie in metalen nanostructuren, gebruikt als SERS-substraten om de Raman-signalen van doelmoleculen te versterken. Zout-geïnduceerde nanodeeltjesaggregaten zijn de veelgebruikte SERS-substraten, die spontaan Brownse beweging ondergaan in colloïdale suspensievloeistoffen 5,6. Verder drogen maakt stabiele SERS-metingen mogelijk; er kan echter een onzuiverheidsconcentratie optreden die achtergrondgeluid veroorzaakt en onomkeerbare schade aan biologische monsters veroorzaakt7. Daarom is het relevant om zoutvrije nanodeeltjesaggregaties te ontwikkelen, hun beweging in oplossing te regelen en de biocompatibiliteit te verbeteren met behoud van meetefficiëntie.

Optische trapping is toegepast om verschillende metalen substraten te controleren en SERS-detecties 8,9,10,11,12,13,14 te vergemakkelijken. Een optische val wordt gegenereerd door een laserstraal strak te focussen om een optisch krachtveld te genereren, dat kleine objecten aantrekt naar het gebied met de hoogste intensiteit rond de focus15,16. Onlangs zijn optische vallen gebruikt om reproduceerbare en gevoelige plasmonische detectieplatforms voor verschillende toepassingen te ontwikkelen, die hun unieke voordelen weergeven bij het lokaliseren en regelen van de positie van SERS-actieve metalen nanostructuren in oplossingen 17,18,19,20,21,22,23,24 . Het huidige protocol introduceert een aanpak om optische pincetten en Raman-spectromicroscopie te combineren om zilvernanodeeltjes (AgNP’s) dynamisch samen te stellen en te stabiliseren tegen Brownse beweging in oplossing voor efficiënte SERS-metingen. In het AgNP-assemblagegebied kan het signaal van de 3,3′-dithiobis[6-nitrobenzoëzuur] bis(succinimide)ester (DSNB), analytmoleculen gecoat op het oppervlak van AgNP’s, met ongeveer 50 vouwen worden versterkt. Deze aanpak is geschikt voor het analyseren van gevoelige biomoleculen die onverenigbaar zijn met chemische afdekmiddelen 25,26,27. Bovendien biedt het ruimtelijke en temporele controle om de SERS-actieve AgNP-assemblage te genereren. Dit maakt in situ detectie in waterige omgevingen mogelijk, wat het gebruik van AgNP’s kan verlagen en verstoring voor in vivo analyse kan minimaliseren 28,29,30. Bovendien is de door optische vangmethoden geïnduceerde AgNP-assemblage stabiel, reproduceerbaar en omkeerbaar 31,32. Daarom is het een veelbelovend platform voor het detecteren van analytmoleculen in oplossingen en onder fysiologische omstandigheden waar zoutgeïnduceerde aggregatie niet van toepassing is.

In de huidige studie zijn een 1064 nm trappinglaser, krachtdetectiemodule en brightfield-verlichtingsbron geïntegreerd in het optische pincetmicroscopiesysteem voor optische manipulatie en visualisatie van deeltjes. Een 532 nm Raman-sondelaser werd ook in de microscoop opgenomen en uitgelijnd met de vanglaser in de monsterkamer. Voor spectrale acquisitie werd backscattered licht verzameld en omgeleid naar een spectrometer (figuur 1).

Protocol

1. Optische installatie Richt een laserstraal van 532 nm (Raman excitatiebron) in de flexpoort van de optische pincetmicroscoop (zie Materiaaltabel). Lijn de 532 nm laserstraal uit in de stereo dubbellaagse paden van de optische pincetmicroscoop met een 750 nm long-pass dichroïsche spiegel om te combineren met de originele vanglaserstralen om zich te concentreren op de monsterkamer. Verzamel het teruggekaatste licht uit de monsterkamer met behulp van een 750 nm lange dichroïsche spiegel en leid het om naar een spectrometer met een ccd-camera (liquid-nitrogen-gekoeld charge-coupled device) (zie materiaaltabel). Plaats een 532 nm inkepingsfilter voor de ingangsspleet van de spectrometer voor spectrale acquisitie.OPMERKING: Oogbescherming moet worden gebruikt wanneer de laser is ingeschakeld en de laserstraal moet zich in een veilige omgeving bevinden. 2. Fabricage van AgNP’s Verwarm 50 ml waterige oplossing van 1 mM AgNO3 tijdens het koken in een kolf met ronde bodem. Voeg druppelsgewijs 1,0 ml 0,1 M trinatriumcitraatoplossing toe aan de gekookte waterige oplossing agNO3 . Laat het mengsel 16 minuten koken onder constant roeren. Koel het mengsel af tot kamertemperatuur. Geelachtige kleur wordt waargenomen. Centrifugeer de AgNP-colloïden op 2000 × g gedurende 5 minuten bij kamertemperatuur en verwijder vervolgens het supernatant met een pipet. Resuspendeer de AgNP colloïden met 1 ml gedeïoniseerd water (weerstand van 18,2 MΩ cm). Herhaal stap 2.5 en 2.6 driemaal om het resterende reductiemiddel te verwijderen. Karakteriseer de grootteverdeling van de AgNP’s met behulp van scanning elektronenmicroscopie (SEM) en dynamische lichtverstrooiing (DLS)33 om de uniformiteit van de AgNP’s te bevestigen (figuur 2). De AgNP-concentratie werd geschat op 0,1 nM door UV-absorptie34.OPMERKINGEN: Vanwege de lage concentratie kan de AgNP-voorraadoplossing gedurende 2-3 weken zonder clustering worden gehandhaafd. Er zijn geen stabilisatoren nodig. Als een neerslag werd waargenomen in de AgNP-stamoplossing, werd een nieuwe AgNP-oplossing bereid volgens het bovenstaande protocol. 3. Interactie van het DSNB-analytmolecuul en AgNP Voeg 200 μL 2 mM DSNB (zie materiaaltabel) toe aan 1 ml AgNP colloïde en incubeer bij kamertemperatuur gedurende 3 uur om een laag DSNB op het oppervlak van AgNP te coaten door de vorming van de Ag-S-binding tussen AgNP en DSNB35. Een schematische weergave van deze interactie is weergegeven in figuur 3. Centrifugeer de AgNP bij 2.000 × g gedurende 5 minuten bij kamertemperatuur en verwijder het supernatant. Resuspendeer de AgNP-DSNB met 1 ml gedeïoniseerd water. Herhaal stap 3.2 en 3.3 driemaal om overtollige DSNB te verwijderen. Noteer de UV-zichtbare spectra van de AgNP colloïde en AgNP-DSNB oplossing.OPMERKING: Deze spectra tonen een absorptiepiekverschuiving van ongeveer 420 nm naar 450 nm, wat wijst op de succesvolle coating van DSNB op het oppervlak van AgNP (figuur 3). 4. Voorbereiding van de monsterkamer en generatie van AgNP-assemblage voor SERS-meting Reinig de glazen glijbaan en de dekselplaat met water en ethanol. Bevestig de frametape (0,25 mm dikte, zie materiaaltabel) aan de glasschuif om een kamer te creëren (1,0 cm lengte × 1,0 cm breed × 0,25 mm hoogte). Voeg een paar druppels AgNP-DSNB-oplossing (ongeveer 25 μL) toe aan het frame. Plaats de coverslip op de frametape en sluit deze af (figuur 4). Voeg vloeibare stikstof toe aan de container van de ccd-camera met vloeibare stikstof tot de temperatuur -120 °C bereikt. Blokkeer het Raman-sondestraalpad met behulp van een magnetisch laserveiligheidsscherm (zie Materiaaltafel) en schakel vervolgens de Raman-excitatiebronlaser van 532 nm in. Bevestig de monsterkamer met de AgNP-DSNB-oplossing op de kamerhouder. Voeg water toe aan het in water ondergedompelde objectief (60x vergroting met een 1,2 numeriek diafragma A van 1,2) zoals weergegeven in figuur 1. Plaats de kamerhouder vervolgens onmiddellijk op het microtrap boven het objectief. Laat dompelolie op de coverlip vallen en plaats de in olie ondergedompelde condensor om deeltjes op de microscoopcamera te visualiseren. Pas de Z-positie van het objectief aan door aan de knop van de microscoop te draaien totdat de 532 nm Raman-sondestraal is gericht op het onderste glazen oppervlak van de kamer, met een witte vlek op de microscoopcamera (figuur 5).Pas de X- en Y-posities van de microtrap aan om de kamer te verplaatsen om het centrale deel van de kamer op de witte vlek te plaatsen. Open de optische pincetbesturingssoftware (zie Materiaaltabel) en gebruik de uitgeruste joystickbediening om de 1064 nm-vanglaser (aangegeven door een rode cirkel in het optische pincetsysteem) te laten overlappen met de witte vlek (figuur 5). Stem vervolgens de knop van de microscoop af om de Z-positie van het objectief omhoog te bewegen.OPMERKING: Het verdwijnen van de witte vlek in het camerabeeld van de microscoop geeft aan dat de 532 nm Raman-sondestraal in de kamer is gericht. Schakel de 1064 nm-vanglaser in om AgNP’s in de monsterkamer aan te trekken en een plasmonische AgNP-assemblage te maken.OPMERKING: Het verzamelen van AgNP’s resulteert in een donkere vlek in de monsterkamer (figuur 6B).Zet de vanglaserstraal lager om oververhitting of bellenvorming te voorkomen wanneer dat nodig is.OPMERKING: Verhoog het vanglaservermogen en de bestralingstijd als er geen duidelijke vorming van de AgNP-assemblage is. Pas de positie van het monstermicrobeeld aan om de donkere vlek van de plasmonische AgNP-assemblage onder de focus van de 532 nm Raman-sondebundel te plaatsen voor spectroscopische metingen. Plaats de ND-filters (neutral-density) voor de Raman-laseruitgang van 532 nm om het vermogen aan te passen tot 10 mW. Voer de acquisitietijd (10 s voor deze studie, figuur 6) in het instellingspaneel in de spectrumsoftware in (zie Materiaaltabel) en klik op de knop Verwerven om de spectrale acquisitie te starten.OPMERKING: Dit genereert het SERS-spectrum van de analytmoleculen (DSNB in het representatieve resultaat en figuur 6).

Representative Results

Als proof of concept werd DSNB gekozen als het analytmolecuul en gecoat op het oppervlak van AgNP’s. De typische SERS-spectra van DSNB versterkt door de plasmonische AgNP-assemblage en gedispergeerde AgNP zijn weergegeven in figuur 6. Zonder de vanglaser genereerden de gedispergeerde AgNP’s in de monsterkamer een zwart spectrum (figuur 6A) bij excitatie door de Raman-sondelaser. Een zwak en breed SERS-signaal werd waargenomen bij ongeveer 1380-1450 cm-1, de karakteristieke piek van DSNB vanaf zijn symmetrische NO2-rek, wat consistent is met literatuurrapporten35,36. Omdat de verspreide AgNP’s onder Brownse beweging stonden, waren de interparticle junctions groot en onstabiel, zoals geïllustreerd in figuur 6C. De SERS-signaalversterking van DSNB was dus laag voor de verspreide AgNP’s. AgNP’s worden verzameld om een plasmonische AgNP-assemblage te vormen wanneer de vanglaser is ingeschakeld. Het verhogen van het vermogen en het verlengen van de bestralingstijd van de vanglaser zou meer AgNP’s kunnen aantrekken en een donkere vlek kunnen genereren, zoals weergegeven in figuur 6B. Hier pasten we een vanglaservermogen van 700 mM en een bestralingstijd van 20 s toe om een plasmonische AgNP-assemblage te creëren in een 0,05 nM DSNB-gecoate AgNP-oplossing op een aangewezen locatie en moment. Het SERS-spectrum van DSNB werd verkregen in het gebied van de plasmonische AgNP-assemblage (figuur 6A, rood). De sterke Raman-band op 930 cm-1 wordt toegewezen aan de nitro scissoring-trilling, en de grote banden op 1078 cm-1, 1152 cm-1 en 1191 cm-1 komen waarschijnlijk overeen met de succinimidyl N-C-O-stretch die overlapt met de aromatische ringmodi van DSNB35,37. De feature bands op 1385 cm-1 en 1444 cm-1 komen voort uit de symmetrische nitro stretch van DSNB en zijn aanzienlijk verbeterd en licht verschoven door de reactie met het oppervlak van AgNP35,37. Op basis van de eerder gerapporteerde SERS-vingerafdrukken van DSNB 35,36,37 werd de band bij 1579 cm-1 toegewezen aan de aromatische ringmodus van DSNB. De totale intensiteiten van DSNB in de plasmonische AgNP-assemblage waren hoger dan die van de gedispergeerde AgNP. Gezien de intensiteit van de karakteristieke piek bij 1444 cm-1, kan de plasmonische AgNP-assemblage ongeveer een 50-voudige verbetering van het SERS-signaal van DSNB bieden in vergelijking met dat van de gedispergeerde AgNP. Zoals te zien is in figuur 7, werden SERS-spectra van DSNB herhaaldelijk (20 keer) geregistreerd voor de AgNP-assemblage in het experiment, waarbij identieke trillingskenmerken werden aangetoond. De intensiteiten van de karakteristieke pieken van DSNB bij 1152 cm−1, 1444 cm−1 en 1579 cm−1 over deze 20 SERS-spectra werden uitgezet als histogrammen met relatieve standaardafwijkingen (RSD) van respectievelijk 6,88%, 6,59% en 5,48%. Dit bevestigde verder de reproduceerbaarheid en stabiliteit. Daarom is deze aanpak betrouwbaar voor het manipuleren van plasmonische nanodeeltjes en SERS-detectie van analytmoleculen in oplossing. Figuur 1: Schematische weergave van het optische pincet gekoppelde Raman spectroscopische platform. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 2: Voorbereiding van AgNP voor SERS-meting. (A) SEM-afbeelding van AgNP. (B) Grootteverdeling van AgNP door DLS. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 3: Interactie van AgNP en DSNB. (A) Schematische weergave van de coating van DSNB op het oppervlak van AgNP. (B) UV-zichtbare spectra van AgNP en AgNP-DSNB. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 4: Schematische samenstelling van de monsterkamervoorbereiding. (A) Voorbereidingsproces van de monsterkamer. (B) Voorbereide monsterkamer. Schaalbalk = 1 cm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 5: Positie overlappende van 532 nm Raman laser en 1064 nm trapping laser. (A) Positie van 532 nm Raman laser aangegeven door witte vlek. (B) Positie van 1064 nm vanglaser aangegeven door een rode cirkel. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 6: Typische SERS-spectra van de analytmoleculen versterkt door de plasmonische AgNP-assemblage. (A) SERS-spectra van DSNB op de plasmonische AgNP-assemblage (rood) en de gedispergeerde AgNP (zwart). (B) De plasmonische AgNP-assemblage wanneer de vanglaser aan staat, toont een donkere vlek onder microscopische visualisatie. (C) De gedispergeerde AgNP wanneer de vanglaser is uitgeschakeld. (D) Illustratie van het mechanisme van AgNP-assemblagevorming. (E) Concentratieafhankelijke SERS-intensiteit in afwezigheid van de vanglaser. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 7: Reproduceerbaarheid van SERS-signaal van DSNB. (A) 20 SERS-spectra van DSNB op de plasmonische AgNP-assemblage die herhaaldelijk in het experiment is geregistreerd. (B) Histogrammen van de intensiteiten van de karakteristieke DSNB-pieken bij 1152 cm-1 (RSD = 6,88%), 1444 cm-1 (RSD = 6,59%), en 1579 cm-1 (RSD = 5,48%). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 8: AgNP-assemblage gegenereerd onder verschillende experimentele parameters. (A) Verschillende vanglaservermogen; bestralingstijd 20 s en AgNP-concentratie 0,05 nM. (B) Verschillende doorstralingstijd; vanglaservermogen 700 mW en AgNP-concentratie 0,05 nM. c) verschillende agnp-concentraties; bestralingstijd 20 s en opvanglaservermogen 700 mW. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Aanvullende figuur 1: De microscoopcamerabeelden van AgNP-assemblage in tijdreeksen wanneer de vanglaser werd uitgeschakeld. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Discussion

De huidige studie rapporteert een analytisch platform dat optische trapping en SERS-detectie combineert voor in situ moleculaire karakteriseringen. Een 532 nm Raman-sondestraal werd gecombineerd met een 1064 nm trapping laserstraal via stereo dubbellaagse paden om focus te combineren en te verzamelen voor extra spectroscopische metingen in backscattering-geometrie. De trappinglaserstraal assembleerde AgNP’s om plasmonische hotspots te vormen, gevolgd door excitatie van de Raman-sondelaserstraal om het SERS-signaal van de analytmoleculen in oplossing te genereren. Als proof of concept werd de detectie van DSNB gedemonstreerd, die op het oppervlak van AgNP’s werd gecoat. In het AgNP-assemblagegebied dat wordt bestuurd door de vanglaserstraal, werd een ongeveer 50-voudige verbetering van het signaal van DSNB bereikt in vergelijking met de omringende verspreide AgNP’s. Een vergelijkbare hoogsignaalversterking van analytmoleculen in de oplossingsfase SERS-metingen op het gepresenteerde platform werd reproduceerbaar verkregen.

De kritieke stap die van invloed is op de versterking van het SERS-signaal is het vormen van een door optische vangmethoden geïnduceerde AgNP-assemblage. Het SERS-signaal van de analytmoleculen kan worden geoptimaliseerd door experimentele parameters zoals het opvanglaservermogen, de bestralingstijd en de AgNP-concentratie te verfijnen. Zoals te zien is in figuur 8, kan het gebruik van een hoger vanglaservermogen de efficiëntie van AgNP-assemblagevorming verhogen. Reproduceerbare AgNP-assemblages werden verkregen door het vermogen van de vanglaser te verhogen van 450 mW naar 700 mW. Een vanglaservermogen hoger dan 950 mW kan echter oververhitting en bubbelgeneratie38 veroorzaken. Daarom wordt een matig vanglaservermogen aanbevolen om een dynamische AgNP-assemblage te creëren. Analoog is een langere bestralingstijd nuttig voor het bevorderen van de vorming van AgNP-assemblages. Figuur 8B laat zien dat een duidelijke bolvormige AgNP-assemblage werd gevormd toen de bestralingstijd toenam van 5-20 s. De AgNP-assemblage was echter vervormd na 60 s bestraling. Bovendien werd de vorming van de AgNP-assemblage versneld bij een hogere AgNP-concentratie, van 0,01 nM tot 0,05 nM, terwijl deze snel oververhit raakte bij 0,25 nM, zoals weergegeven in figuur 8C. Als er geen duidelijke AgNP-assemblagevorming is, wordt het verhogen van het vanglaservermogen en de bestralingstijd aanbevolen. Bij het genereren van een stabiele AgNP-assemblage moet de vanglaser worden uitgeschakeld om mogelijke thermische schade te voorkomen.

De SERS-activiteit van de door optische vangmethoden geïnduceerde AgNP-assemblage werd toegeschreven aan een toename van de lokale AgNP-concentratie in het vanglaserbestralingsgebied, de donkere vlek in figuur 6B. In de fluidische AgNP-oplossing kan de optische val continu AgNP’s aantrekken om zich op te hopen en plasmonische hotspots te vormen in een besloten ruimte in de interdeeltje-juncties. Dit levert een versterkt elektrisch veld op dat het SERS-effect versterkt. Het werd verder geverifieerd door het sterkere SERS-signaal verkregen bij een hogere AgNP-concentratie (1,00 nM) in vergelijking met het zwakkere SERS-signaal verkregen bij een lagere AgNP-concentratie (0,05 nM) zonder de trappinglaser, zoals weergegeven in figuur 6E.

Bovendien heeft de positieregeling van de plasmonische AgNP-assemblage in oplossing, tegen Brownse beweging, door optische overvulling de efficiëntie en stabiliteit van SERS-metingen aanzienlijk verbeterd. High-throughput detectie kan worden uitgevoerd wanneer aangesloten op het microfluïdische systeem. Vergeleken met de traditionele zout-geïnduceerde aggregatie van nanodeeltjes om SERS-actieve substraten te genereren, maakt ons platform de dynamische vorming van plasmonische AgNP-assemblages mogelijk, op de ontworpen locatie en het moment, met een hoge flexibiliteit26,28. Bovendien werkt het efficiënt bij nanomolaire AgNP-concentraties en maakt het de ruimtelijk-temporele manipulatie van SERS-actieve hotspots mogelijk voor in situ spectroscopische metingen in oplossingen. Deze dynamische AgNP-assemblage werd geleidelijk in enkele minuten gedemonteerd toen de vanglaser werd uitgeschakeld. Zonder de vanglaser verdween de AgNP-assemblage bijna in 20 minuten, zoals te zien is in aanvullende figuur 1. Dit kan de invloed op het detectiesysteem minimaliseren en vertoont een groot potentieel voor verschillende biotoepassingen, met name de detectie van biomoleculen (DNA, RNA en eiwit) onder fysiologische en in vivo omstandigheden. Deze dynamische AgNP-assemblage biedt echter een kleinere verbeteringsfactor dan zoutgeïnduceerde AgNP-aggregaten2, en daarom zijn verdere modificatie en ontwikkeling vereist.

Kortom, de integratie van optische vallen en SERS-detectie biedt een handige methode om plasmonische nanodeeltjes te controleren en reproduceerbare SERS-signaalverbetering te bereiken om analytmoleculen te detecteren in oplossingen met een hoge efficiëntie, stabiliteit en biocompatibiliteit.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

We erkennen de financiële steun van de Science, Technology and Innovation Commission van de gemeente Shenzhen (nr. JCYJ20180306174930894), Zhongshan Municipal Bureau of Science and Technology (2020AG003) en Research Grant Council of Hong Kong (Project 26303018). We erkennen ook Prof. Chi-Ming Che en zijn financiële steun van “Laboratorium voor Synthetische Chemie en Chemische Biologie” in het kader van het Health@InnoHK-programma dat is gelanceerd door de Innovation and Technology Commission, de speciale administratieve regio van de regering van Hong Kong van de Volksrepubliek China.

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