Le présent protocole décrit une approche pratique pour intégrer le piégeage optique et la spectroscopie Raman améliorée en surface (SERS) pour manipuler des nanoparticules plasmoniques pour la détection moléculaire sensible. Sans agents d’agrégation, le laser de piégeage assemble des nanoparticules plasmoniques pour améliorer les signaux SERS des analytes cibles pour des mesures spectroscopiques in situ .
La spectroscopie Raman améliorée en surface (SERS) permet la détection ultrasensible de molécules d’analytes dans diverses applications en raison du champ électrique accru des nanostructures métalliques. L’agrégation de nanoparticules d’argent induite par le sel est la méthode la plus populaire pour générer des substrats actifs SERS; Cependant, il est limité par une reproductibilité, une stabilité et une biocompatibilité médiocres. Le protocole actuel intègre la manipulation optique et la détection SERS pour développer une plate-forme analytique efficace pour résoudre ce problème. Un laser de piégeage de 1064 nm et un laser de sonde Raman de 532 nm sont combinés dans un microscope pour assembler des nanoparticules d’argent, qui génèrent des points chauds plasmoniques pour les mesures SERS in situ dans des environnements aqueux. Sans agents d’agrégation, cet assemblage dynamique de nanoparticules d’argent plasmonique permet une augmentation d’environ 50 fois du signal de la molécule d’analyte. De plus, il fournit un contrôle spatial et temporel pour former l’assemblage SERS-actif dans une solution de nanoparticules d’argent recouverte d’analyte aussi peu que 0,05 nM, ce qui minimise la perturbation potentielle pour l’analyse in vivo . Par conséquent, cette plate-forme SERS intégrée au piégeage optique offre un grand potentiel pour des analyses moléculaires efficaces, reproductibles et stables dans les liquides, en particulier dans les environnements physiologiques aqueux.
La spectroscopie Raman améliorée en surface (SERS) est une technique analytique sensible permettant de détecter directement la structure chimique des molécules cibles à des concentrations ultrafaibles ou même au niveau de la molécule unique 1,2,3,4. L’irradiation laser induit une résonance plasmonique de surface localisée dans des nanostructures métalliques, utilisées comme substrats SERS pour amplifier les signaux Raman des molécules cibles. Les agrégats de nanoparticules induits par le sel sont les substrats SERS largement utilisés, qui subissent spontanément un mouvement brownien dans les liquides de suspension colloïdale 5,6. Un séchage supplémentaire permet des mesures SERS stables; Cependant, une concentration d’impuretés peut se produire, ce qui introduit un bruit de fond et provoque des dommages irréversibles aux échantillons biologiques7. Par conséquent, il est pertinent de développer des agrégations de nanoparticules sans sel, de contrôler leur mouvement en solution et d’améliorer la biocompatibilité tout en maintenant l’efficacité de la mesure.
Le piégeage optique a été adopté pour contrôler divers substrats métalliques et faciliter les détections SERS 8,9,10,11,12,13,14. Un piège optique est généré en focalisant étroitement un faisceau laser pour générer un champ de force optique, qui attire de petits objets dans la région de plus haute intensité autour du foyer15,16. Récemment, les pièges optiques ont été utilisés pour développer des plates-formes de détection plasmonique reproductibles et sensibles pour diverses applications, montrant leurs avantages uniques dans la localisation et le contrôle de la position des nanostructures métalliques actives SERS dans les solutions 17,18,19,20,21,22,23,24 . Le présent protocole introduit une approche permettant de combiner des pincettes optiques et la spectro-microscopie Raman pour assembler dynamiquement des nanoparticules d’argent (AgNP) et les stabiliser contre le mouvement brownien en solution pour des mesures SERS efficaces. Dans la région d’assemblage de l’AgNP, le signal de l’ester de bis(succinimide) (DSNB) de 3,3′-dithiobis[6-nitrobenzoïque], des molécules d’analyte recouvertes à la surface des AgNP, peut être multiplié par environ 50. Cette approche est adaptée à l’analyse de biomolécules sensibles incompatibles avec les agents de coiffage chimique25,26,27. De plus, il fournit un contrôle spatial et temporel pour générer l’assemblage AgNP actif SERS. Cela permet une détection in situ dans des environnements aqueux, ce qui pourrait réduire l’utilisation des AgNP et minimiser les perturbations pour l’analyse in vivo 28,29,30. De plus, l’ensemble AgNP induit par piégeage optique est stable, reproductible et réversible31,32. Il s’agit donc d’une plate-forme prometteuse pour détecter les molécules d’analyte dans des solutions et dans des conditions physiologiques où l’agrégation induite par le sel n’est pas applicable.
Dans la présente étude, un laser de piégeage de 1064 nm, un module de détection de force et une source d’éclairage à fond clair sont intégrés au système de microscopie optique pour la manipulation optique et la visualisation des particules. Un laser à sonde Raman de 532 nm a également été incorporé dans le microscope et aligné avec le laser de piégeage dans la chambre d’échantillonnage. Pour l’acquisition spectrale, la lumière rétrodiffusée a été recueillie et redirigée vers un spectromètre (Figure 1).
La présente étude fait état d’une plateforme analytique qui combine le piégeage optique et la détection SERS pour les caractérisations moléculaires in situ . Un faisceau de sonde Raman de 532 nm a été combiné à un faisceau laser piégeant de 1064 nm à travers des voies stéréo à double couche pour combiner la mise au point et la collecte pour des mesures spectroscopiques supplémentaires en géométrie de rétrodiffusion. Le faisceau laser de piégeage a assemblé des AgNP pour former des points chauds plasmoniques, suivi de l’excitation du faisceau laser de la sonde Raman pour générer le signal SERS des molécules d’analyte en solution. À titre de preuve de concept, la détection de DSNB a été démontrée, qui a été revêtue à la surface des AgNP. Dans la région d’assemblage AgNP contrôlée par le faisceau laser de piégeage, une augmentation d’environ 50 fois du signal du DSNB par rapport aux AgNP dispersés environnants a été obtenue. Une amplification similaire à haut signal des molécules d’analyte dans les mesures SERS en phase de solution sur la plate-forme présentée a été obtenue de manière reproductible.
L’étape critique affectant l’amplification du signal SERS est la formation d’un assemblage AgNP induit par piégeage optique. Le signal SERS des molécules de l’analyte peut être optimisé en ajustant des paramètres expérimentaux fins tels que la puissance du laser de piégeage, le temps d’irradiation et la concentration d’AgNP. Comme le montre la figure 8, l’utilisation d’une puissance laser de piégeage plus élevée peut augmenter l’efficacité de la formation de l’assemblage AgNP. Des assemblages AgNP reproductibles ont été obtenus en augmentant la puissance du laser de piégeage de 450 mW à 700 mW. Cependant, une puissance laser de piégeage supérieure à 950 mW peut induire une surchauffe et la génération debulles38. Ainsi, une puissance laser de piégeage modérée est recommandée pour créer un assemblage AgNP dynamique. De même, un temps d’irradiation plus long est utile pour favoriser la formation d’assemblages AgNP. La figure 8B montre qu’un assemblage d’AgNP sphérique clair s’est formé lorsque le temps d’irradiation est passé de 5 à 20 s. Cependant, l’assemblage AgNP a été déformé après une irradiation de 60 s. De plus, la formation de l’assemblage AgNP a été accélérée à une concentration plus élevée d’AgNP, de 0,01 nM à 0,05 nM, alors qu’il a été rapidement surchauffé à 0,25 nM, comme le montre la figure 8C. S’il n’y a pas de formation apparente d’assemblage AgNP, il est recommandé d’augmenter la puissance du laser de piégeage et le temps d’irradiation. Lors de la génération d’un assemblage AgNP stable, le laser de piégeage doit être abaissé pour éviter les dommages thermiques potentiels.
L’activité SERS de l’assemblage AgNP induit par piégeage optique a été attribuée à une augmentation de la concentration locale d’AgNP dans la région d’irradiation laser de piégeage, qui est la tache sombre de la figure 6B. Dans la solution fluidique d’AgNP, le piège optique peut continuellement attirer les AgNP pour s’accumuler et former des points chauds plasmoniques dans un espace confiné dans les jonctions interparticulaires. Cela donne un champ électrique amélioré qui améliore l’effet SERS. Elle a également été vérifiée par le signal SERS plus fort obtenu à une concentration d’AgNP plus élevée (1,00 nM) par rapport au signal SERS plus faible acquis à une concentration d’AgNP plus faible (0,05 nM) sans le laser de piégeage, comme le montre la figure 6E.
De plus, le contrôle de position de l’ensemble AgNP plasmonique en solution, contre le mouvement brownien, par piégeage optique a considérablement amélioré l’efficacité et la stabilité des mesures SERS. La détection à haut débit peut être effectuée lorsqu’elle est connectée au système microfluidique. Par rapport à l’agrégation traditionnelle de nanoparticules induite par le sel pour générer des substrats actifs SERS, notre plateforme permet la formation dynamique d’assemblages AgNP plasmoniques, à l’emplacement et au moment prévus, avec une grande flexibilité26,28. De plus, il fonctionne efficacement à des concentrations nanomolaires d’AgNP et permet la manipulation spatio-temporelle de points chauds actifs SERS pour des mesures spectroscopiques in situ en solutions. Cet assemblage dynamique AgNP s’est progressivement démonté en quelques minutes lorsque le laser de piégeage a été éteint. Sans le laser de piégeage, l’assemblage AgNP a presque disparu en 20 minutes, comme le montre la figure supplémentaire 1. Cela peut minimiser l’influence sur le système de détection et présente un grand potentiel pour diverses applications biologiques, en particulier la détection de biomolécules (ADN, ARN et protéines) dans des conditions physiologiques et in vivo. Cependant, cet assemblage dynamique AgNP fournit un facteur d’amélioration plus faible que les agrégats AgNPinduits par le sel 2, et par conséquent, d’autres modifications et développements sont nécessaires.
En conclusion, l’intégration du piégeage optique et de la détection SERS fournit une méthode pratique pour contrôler les nanoparticules plasmoniques et obtenir une amélioration reproductible du signal SERS pour détecter les molécules d’analyte dans des solutions à haute efficacité, stabilité et biocompatibilité.
The authors have nothing to disclose.
Nous reconnaissons le soutien financier de la Commission des sciences, de la technologie et de l’innovation de la municipalité de Shenzhen (No. JCYJ20180306174930894), le Bureau municipal de la science et de la technologie de Zhongshan (2020AG003) et le Conseil des subventions de recherche de Hong Kong (Projet 26303018). Nous remercions également le professeur Chi-Ming Che et son soutien financier du « Laboratoire de chimie synthétique et de biologie chimique » dans le cadre du programme Health@InnoHK lancé par la Commission de l’innovation et de la technologie de la Région administrative spéciale du gouvernement de Hong Kong de la République populaire de Chine.
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 |