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

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

השמנה אופטית של ננו-חלקיקים פלסמוניים עבור אפיונים של ספקטרוסקופיית ראמאן משופרת בפני השטח באתרו

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

Summary

הפרוטוקול הנוכחי מתאר גישה נוחה לשילוב לכידה אופטית וספקטרוסקופיית רמאן משופרת על פני השטח (SERS) כדי לתפעל ננו-חלקיקים פלסמוניים לזיהוי מולקולרי רגיש. ללא חומרים צוברים, לייזר הלכידה מרכיב ננו-חלקיקים פלסמוניים כדי לשפר את אותות ה-SERS של אנליזות מטרה עבור מדידות ספקטרוסקופיות באתרן .

Abstract

ספקטרוסקופיית ראמאן משופרת על פני השטח (SERS) מאפשרת זיהוי רגיש במיוחד של מולקולות אנליטיות ביישומים שונים הודות לשדה החשמלי המשופר של ננו-מבנים מתכתיים. צבירה של ננו-חלקיקי כסף המושרה על-ידי מלח היא השיטה הפופולרית ביותר ליצירת מצעים פעילים ב-SERS; עם זאת, הוא מוגבל על ידי יכולת שכפול ירודה, יציבות ותאימות ביולוגית. הפרוטוקול הנוכחי משלב מניפולציה אופטית וזיהוי SERS כדי לפתח פלטפורמה אנליטית יעילה לטיפול בכך. לייזר לכידה של 1064 ננומטר ולייזר גשושית ראמאן בגודל 532 ננומטר משולבים במיקרוסקופ כדי להרכיב ננו-חלקיקי כסף, היוצרים נקודות חמות פלסמוניות למדידות in situ SERS בסביבות מימיות. ללא חומרים צוברים, הרכבה דינמית זו של ננו-חלקיקי כסף פלסמוניים מאפשרת שיפור של פי 50 בערך של אות מולקולת האנליטה. יתר על כן, הוא מספק בקרה מרחבית וטמפורלית ליצירת מכלול SERS-active בתמיסת ננו-חלקיקי כסף בציפוי אנליטי של 0.05 ננומטר, אשר ממזערת את פוטנציאל ההפרעה לניתוח in vivo . לפיכך, פלטפורמת SERS משולבת לכידה אופטית זו טומנת בחובה פוטנציאל גדול לניתוחים מולקולריים יעילים, ניתנים לשחזור ויציבים בנוזלים, במיוחד בסביבות פיזיולוגיות מימיות.

Introduction

ספקטרוסקופיית ראמאן משופרת על פני השטח (SERS) היא טכניקה אנליטית רגישה לגילוי ישיר של המבנה הכימי של מולקולות מטרה בריכוזים נמוכים במיוחד או אפילו ברמת המולקולה הבודדת 1,2,3,4. קרינת לייזר משרה תהודה מקומית של פלסמון פני השטח בננו-מבנים מתכתיים, המשמשים כמצעי SERS להגברת אותות הראמן של מולקולות מטרה. אגרגטים ננו-חלקיקיים המושרים על ידי מלח הם מצעי SERS הנמצאים בשימוש נרחב, אשר עוברים באופן ספונטני תנועה בראונית בנוזלי תרחיף קולואידיים 5,6. ייבוש נוסף מאפשר מדידות SERS יציבות; עם זאת, ריכוז זיהומים עלול להתרחש, אשר מציג רעשי רקע וגורם נזק בלתי הפיך דגימות ביולוגיות7. לפיכך, יש צורך לפתח צבירות ננו-חלקיקים נטולות מלח, לשלוט בתנועתם בתמיסה, ולשפר את התאימות הביולוגית תוך שמירה על יעילות המדידה.

השמנה אופטית אומצה כדי לשלוט במצעים מתכתיים שונים ולהקל על זיהוי SERS 8,9,10,11,12,13,14. מלכודת אופטית נוצרת על ידי מיקוד הדוק של קרן לייזר ליצירת שדה כוח אופטי, המושך עצמים קטנים לאזור בעוצמה הגבוהה ביותר סביב המוקד15,16. לאחרונה, מלכודות אופטיות שימשו לפיתוח פלטפורמות חישה פלסמוניות ניתנות לשחזור ורגישות עבור יישומים שונים, המציגות את היתרונות הייחודיים שלהן באיתור ובקרה של מיקום ננו-מבנים מתכתיים פעילים בפתרונות 17,18,19,20,21,22,23,24 . הפרוטוקול הנוכחי מציג גישה לשילוב פינצטה אופטית וספקטרוסקופיה של ראמאן כדי להרכיב באופן דינמי ננו-חלקיקי כסף (AgNPs) ולייצב אותם כנגד התנועה הבראונית בפתרון למדידות SERS יעילות. באזור ההרכבה של AgNP, ניתן לשפר את האות של אסטר 3,3′-dithiobis[6-nitrobenzoic acid] bis(succinimide) (DSNB), מולקולות אנליט המצופות על פני השטח של AgNPs, בכ-50 פעמים. גישה זו מתאימה לניתוח ביומולקולות רגישות שאינן תואמות לחומרים כימיים 25,26,27. יתר על כן, הוא מספק שליטה מרחבית וזמנית כדי ליצור את מכלול AgNP הפעיל ב- SERS. זה מאפשר זיהוי in situ בסביבות מימיות, מה שיכול להפחית את השימוש ב- AgNPs ולמזער הפרעות עבור ניתוח in vivo 28,29,30. בנוסף, מכלול AgNP הנגרם על ידי השמנה אופטית הוא יציב, ניתן לשחזור והפיך31,32. לפיכך, זוהי פלטפורמה מבטיחה לאיתור מולקולות אנליטיות בתמיסות ובתנאים פיזיולוגיים שבהם הצבירה המושרה על ידי מלח אינה ישימה.

במחקר הנוכחי, לייזר לכידת 1064 ננומטר, מודול גילוי כוח ומקור תאורת שדה בהיר משולבים במערכת מיקרוסקופיית הפינצטה האופטית למניפולציה אופטית והדמיה של חלקיקים. לייזר גשושית ראמאן בגודל 532 ננומטר שולב גם הוא במיקרוסקופ ויושר עם לייזר הלכידה בתא הדגימה. לצורך רכישה ספקטרלית, אור מפוזר נאסף והופנה לספקטרומטר (איור 1).

Protocol

1. התקנה אופטית הפנה קרן לייזר של 532 ננומטר (מקור עירור ראמאן) ליציאת הפלקס של מיקרוסקופ הפינצטה האופטי (ראו טבלת חומרים). יישר את קרן הלייזר בגודל 532 ננומטר למסלולי הסטריאו הדו-שכבתיים של מיקרוסקופ הפינצטה האופטי באמצעות מראה דיכרואית בעלת מעבר ארוך של 750 ננומטר כדי להשתלב עם קרני הלייזר המקוריות כדי להתמקד בתא הדגימה. אסוף את האור המפוזר לאחור מתא הדגימה באמצעות מראה דיכרואית בעלת מעבר ארוך של 750 ננומטר והפנה אותו לספקטרומטר המכיל מצלמת מטען מצומדת מטען מקורר בנוזל חנקן (CCD) (ראו טבלת חומרים). הניחו מסנן חריץ 532 ננומטר לפני חריץ הכניסה של הספקטרומטר לפני הרכישה הספקטרלית.הערה: יש להשתמש בהגנה על העיניים כאשר הלייזר מופעל, וקרן הלייזר חייבת להיות כלולה באזור בטוח. 2. ייצור של AgNPs מחממים 50 מ”ל של 1 mM AgNO3 תמיסה מימית בבקבוק בעל תחתית עגולה בזמן הרתיחה. הוסף 1.0 מ”ל של תמיסת טריסודיום ציטראט 0.1 M טיפה לתוך תמיסה מימית מבושלת AgNO3 . שומרים את התערובת רותחת במשך 16 דקות תחת ערבוב קבוע. מצננים את התערובת לטמפרטורת החדר. צבע צהבהב הוא ציין. צנטריפוגה הקולואידים AgNP ב 2000 × גרם במשך 5 דקות בטמפרטורת החדר ולאחר מכן להסיר את supernatant באמצעות פיפטה. החזירו את הקולואידים של AgNP עם 1 מ”ל של מים שעברו דה-יוניזציה (התנגדות של 18.2 MΩ ס”מ). חזור על שלבים 2.5 ו- 2.6 שלוש פעמים כדי להסיר את חומר ההפחתה השיורי. אפיינו את התפלגות הגודל של ה-AgNPs באמצעות מיקרוסקופיית אלקטרונים סורקת (SEM) ופיזור אור דינמי (DLS)33 כדי לאשר את אחידות ה-AgNPs (איור 2). ריכוז AgNP הוערך כ-0.1 ננומטר על ידי ספיגת UV34.הערות: בשל הריכוז הנמוך, ניתן לשמור על פתרון מלאי AgNP ללא אשכולות במשך 2-3 שבועות. אין צורך בחומרים מייצבים. אם נצפה משקע בתמיסת המלאי של AgNP, הוכן פתרון AgNP חדש בהתאם לפרוטוקול לעיל. 3. אינטראקציה של מולקולת האנליזה DSNB ו- AgNP הוסף 200 μL של 2 mM DSNB (ראה טבלת חומרים) ל-1 מ”ל של קולואיד AgNP ודגרה בטמפרטורת החדר למשך 3 שעות כדי לצפות שכבה של DSNB על פני השטח של AgNP על ידי היווצרות קשר Ag-S בין AgNP ל- DSNB35. ייצוג סכמטי של אינטראקציה זו מוצג באיור 3. צנטריפוגה AgNP ב 2,000 × גרם במשך 5 דקות בטמפרטורת החדר ולהסיר את supernatant. יש להשעות את ה-AgNP-DSNB עם 1 מ”ל של מים שעברו דה-יוניזציה. חזור על שלבים 3.2 ו- 3.3 שלוש פעמים כדי להסיר עודפי DSNB. הקלט את הספקטרום הנראה לעין UV של קולואיד AgNP ותמיסת AgNP-DSNB.הערה: ספקטרום זה מראה תזוזת שיא קליטה מכ-420 ננומטר ל-450 ננומטר, מה שמצביע על הציפוי המוצלח של DSNB על פני השטח של AgNP (איור 3). 4. הכנת תא דגימה ויצירת מכלול AgNP למדידת SERS נקו את מגלשת הזכוכית וכסו במים ואתנול. חברו את סרט המסגרת (עובי 0.25 מ”מ, ראו טבלת חומרים) לשקופית הזכוכית כדי ליצור תא (1.0 ס”מ אורך × 1.0 ס”מ רוחב × 0.25 מ”מ גובה). הוסף כמה טיפות של תמיסת AgNP-DSNB (בסביבות 25 μL) לתוך המסגרת. שים את הכיסוי על סרט המסגרת ואטום אותו (איור 4). הוסף חנקן נוזלי למיכל של מצלמת CCD מקוררת חנקן נוזלי עד שהטמפרטורה מגיעה ל -120 °C. חסום את נתיב קרן הגשושית ראמאן באמצעות מסך בטיחות לייזר מגנטי (ראו טבלת חומרים), ולאחר מכן הפעל את לייזר מקור העירור ראמאן בגודל 532 ננומטר. תקן את תא הדגימה באמצעות פתרון AgNP-DSNB במחזיק התא. הוסיפו מים למטרה הטבולה במים (הגדלה של פי 60 עם מפתח צמצם מספרי A של 1.2) כפי שמוצג באיור 1. לאחר מכן הניחו את מחזיק התא מיד על המיקרו-במה שמעל המטרה. טפלו שמן טבילה על גבי הכיסוי והניחו את המעבה הטבול בשמן כדי לדמיין חלקיקים במצלמת המיקרוסקופ. כוונן את מיקום Z של המטרה על-ידי סיבוב ידית המיקרוסקופ עד שקרן הגשושית Raman בגודל 532 ננומטר תתמקד במשטח הזכוכית התחתון של התא, ותראה נקודה לבנה במצלמת המיקרוסקופ (איור 5).התאם את מיקומי X ו- Y של המיקרו-שלב כדי להזיז את התא כדי למקם את האזור המרכזי של החדר בנקודה הלבנה. פתח את תוכנת בקרת הפינצטה האופטית (ראה טבלת חומרים) והשתמש בבקרת הג’ויסטיק המצוידת כדי להזיז את לייזר ההשמנה של 1064 ננומטר (מסומן על-ידי עיגול אדום במערכת הפינצטה האופטית) כדי לחפוף עם הנקודה הלבנה (איור 5). לאחר מכן, כוונן את ידית המיקרוסקופ כדי להזיז את מיקום Z של המטרה כלפי מעלה.הערה: היעלמות הנקודה הלבנה בתמונת מצלמת המיקרוסקופ מצביעה על כך שקרן הגשושית Raman בגודל 532 ננומטר ממוקדת בתוך התא. הפעל את לייזר לכידת 1064 ננומטר כדי למשוך AgNPs בתא הדגימה וליצור מכלול AgNP פלסמוני.הערה: האיסוף של AgNPs גורם לנקודה כהה בתא הדגימה (איור 6B).כבו את קרן הלייזר הלכודה כדי למנוע התחממות יתר או היווצרות בועות בעת הצורך.הערה: הגדל את עוצמת הלייזר ההשמנה ואת זמן ההקרנה אם אין היווצרות נראית לעין של מכלול AgNP. התאם את המיקום של מיקרו-שלב הדגימה כדי למקם את הכתם הכהה של מכלול AgNP הפלסמוני מתחת למיקוד של קרן הגשושית Raman בגודל 532 ננומטר למדידות ספקטרוסקופיות. מקם את מסנני הצפיפות הנייטרלית (ND) מול שקע הלייזר Raman בגודל 532 ננומטר כדי להתאים את ההספק ל-10 mW. הזן את זמן הרכישה (10 שניות למחקר הנוכחי, איור 6) בלוח ההגדרות בתוכנת הספקטרום (ראה טבלת חומרים) ולחץ על לחצן רכישה כדי להתחיל את הרכישה הספקטרלית.הערה: זה יוצר את ספקטרום ה-SERS של מולקולות האנליט (DSNB בתוצאה המייצגת ובאיור 6).

Representative Results

כהוכחת היתכנות, DSNB נבחרה כמולקולת האנליט וצופה על פני השטח של AgNPs. ספקטרום ה-SERS הטיפוסי של DSNB המשופר על-ידי מכלול AgNP הפלסמוני וה-AgNP המפוזר מוצג באיור 6. ללא לייזר הלכידה, ה-AgNPs המפוזרים בתא הדגימה יצרו ספקטרום שחור (איור 6A) בעת עירור על-ידי לייזר הגשושית ראמאן. אות SERS חלש ורחב נצפה בערך 1380-1450 ס”מ-1, השיא האופייני של DSNB ממתיחה סימטרית NO2 שלו, אשר עולה בקנה אחד עם דוחות הספרות35,36. מאחר שה-AgNPs המפוזרים היו תחת תנועה בראונית, הצמתים הבין-חלקיקיים היו גדולים ולא יציבים, כפי שמודגם באיור 6C. לפיכך, הגברת האות SERS של DSNB הייתה נמוכה עבור ה- AgNPs המפוזרים. AgNPs נאספים כדי ליצור מכלול AgNP פלסמוני כאשר לייזר הלכידה מופעל. הגדלת ההספק והארכת זמן ההקרנה של לייזר הלכידה יכולות למשוך יותר AgNPs וליצור כתם כהה, כפי שמוצג באיור 6B. כאן, הפעלנו כוח לייזר לכידה של 700 mM וזמן הקרנה של 20 שניות כדי ליצור מכלול AgNP פלסמוני בתמיסת AgNP מצופה DSNB 0.05 nM במיקום וברגע המיועדים. ספקטרום ה-SERS של DSNB התקבל באזור של מכלול AgNP הפלסמוני (איור 6A, אדום). רצועת הראמן החזקה ב-930 ס”מ-1 מוקצית לרטט הניטרו, והרצועות הגדולות ב-1078 ס”מ-1, 1152 ס”מ-1 ו-1191 ס”מ-1 תואמות ככל הנראה את מתיחת ה-N-C-O התמציתית החופפת למצבי הטבעת הארומטיים של DSNB 35,37. רצועות התכונות ב-1385 ס”מ-1 ו-1444 ס”מ-1 נובעות ממתיחת הניטרו הסימטרית של DSNB והן משופרות באופן משמעותי ומעט זזות עקב התגובה עם פני השטח של AgNP35,37. בהתבסס על טביעות האצבע של SERS שדווחו בעבר של DSNB35,36,37, הרצועה בגודל 1579 ס”מ-1 הוקצתה למצב הטבעת הארומטית של DSNB. העוצמות הכוללות של DSNB במכלול AgNP הפלסמוני היו גבוהות יותר מאלו של ה-AgNP המפוזר. בהתחשב בעוצמת השיא האופייני ב-1444 ס”מ-1, מכלול AgNP הפלסמוני יכול לספק שיפור של פי 50 בערך של אות ה-SERS של DSNB בהשוואה לזה של ה-AgNP המפוזר. כפי שניתן לראות באיור 7, ספקטרום SERS של DSNB נרשם שוב ושוב (20 פעמים) עבור מכלול AgNP בניסוי, והדגים תכונות רטט זהות. העוצמות של הפסגות האופייניות של DSNB ב-1152 ס”מ−1, 1444 ס”מ−1 ו-1579 ס”מ−1 על פני 20 ספקטרום SERS אלה שורטטו כהיסטוגרמות עם סטיות תקן יחסיות (RSD) של 6.88%, 6.59% ו-5.48%, בהתאמה. זה אימת עוד יותר את יכולת השכפול והיציבות. לפיכך, גישה זו אמינה למניפולציה של ננו-חלקיקים פלסמוניים וזיהוי SERS של מולקולות אנליטיות בתמיסה. איור 1: ייצוג סכמטי של הפלטפורמה הספקטרוסקופית Raman המצומדת לפינצנבים אופטיים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה. איור 2: הכנת AgNP למדידת SERS . (A) תמונת SEM של AgNP. (B) התפלגות הגודל של AgNP לפי DLS. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה. איור 3: אינטראקציה של AgNP ו-DSNB. (A) סכמת הציפוי של DSNB על פני השטח של AgNP. (B) ספקטרום הנראה UV של AgNP ו- AgNP-DSNB. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה. איור 4: סכמת הכנת תא דגימה . (A) תהליך הכנת תא הדגימה. (ב) תא דגימה מוכן. סרגל קנה מידה = 1 ס”מ. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה. איור 5: מיקום חופף של לייזר ראמאן 532 ננומטר ולייזר לכידה של 1064 ננומטר. (A) מיקום של לייזר ראמאן 532 ננומטר המסומן על-ידי נקודה לבנה. (B) מיקום לייזר השמנה של 1064 ננומטר המסומן בעיגול אדום. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה. איור 6: ספקטרום SERS טיפוסי של מולקולות האנליט המשופרות על-ידי מכלול AgNP הפלסמוני. (A) ספקטרום SERS של DSNB במכלול AgNP הפלסמוני (אדום) ו-AgNP המפוזר (שחור). (B) מכלול AgNP הפלסמוני כאשר לייזר הלכידה מופעל מראה כתם כהה תחת הדמיה מיקרוסקופית. (C) ה-AgNP המפוזר כאשר לייזר ההשמנה כבוי.(D) המחשה של מנגנון היווצרות ההרכבה של AgNP. (E) עוצמת SERS תלוית ריכוז בהיעדר לייזר הלכידה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה. איור 7: יכולת שכפול של אות SERS של DSNB. (A) ספקטרום 20 SERS של DSNB במכלול AgNP הפלסמוני שנרשם שוב ושוב בניסוי. (B) היסטוגרמות של עוצמות ה-DSNB האופייניות מגיעות לשיא של 1152 ס”מ-1 (RSD = 6.88%), 1444 ס”מ-1 (RSD = 6.59%), ו-1579 ס”מ-1 (RSD = 5.48%). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה. איור 8: מכלול AgNP שנוצר תחת פרמטרים ניסיוניים שונים. (A) עוצמת לייזר השמנה שונה; זמן הקרנה 20 שניות וריכוז AgNP 0.05 ננומטר. (ב) זמן הקרנה שונה; לכידת כוח לייזר 700 mW וריכוז AgNP 0.05 nM. (ג) ריכוז AgNP שונה; זמן הקרנה 20 שניות ולכידת כוח לייזר 700 mW. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה. איור משלים 1: תמונות מצלמת המיקרוסקופ של מכלול AgNP בסדרת זמן כאשר לייזר הלכידה כבה. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

Discussion

המחקר הנוכחי מדווח על פלטפורמה אנליטית המשלבת השמנה אופטית וזיהוי SERS לאפיונים מולקולריים in situ . קרן גשושית ראמאן באורך 532 ננומטר שולבה עם קרן לייזר לוכדת של 1064 ננומטר דרך מסלולים דו-שכבתיים סטריאופוניים כדי לשלב מיקוד ואיסוף למדידות ספקטרוסקופיות נוספות בגאומטריה של פיזור אחורי. קרן הלייזר הלכודה הרכיבה AgNPs כדי ליצור נקודות חמות פלסמוניות, ולאחר מכן עירור של קרן הלייזר של הגשושית ראמאן כדי ליצור את אות ה-SERS של מולקולות האנליזה בתמיסה. כהוכחת היתכנות, הודגם זיהוי של DSNB, שהיה מצופה על פני השטח של AgNPs. באזור ההרכבה של AgNP הנשלט על ידי קרן הלייזר הלוכדת, הושג שיפור של פי 50 בערך באות של DSNB בהשוואה ל- AgNPs המפוזרים שמסביב. הגברה דומה של אותות גבוהים של מולקולות אנליטיות במדידות SERS של פאזת התמיסה על הפלטפורמה המוצגת התקבלה באופן משוחזר.

השלב הקריטי המשפיע על הגברת אות SERS הוא יצירת מכלול AgNP אופטי המושרה על ידי השמנה. ניתן למטב את אות ה-SERS של מולקולות האנליזה על ידי כוונון עדין של פרמטרים ניסיוניים כגון עוצמת הלייזר הלכידה, זמן ההקרנה וריכוז AgNP. כפי שניתן לראות באיור 8, שימוש בעוצמת לייזר השמנה גבוהה יותר יכול להגביר את היעילות של היווצרות מכלול AgNP. מכלולי AgNP הניתנים לשחזור התקבלו על ידי הגדלת כוחו של לייזר הלכידה מ 450 mW ל 700 mW. עם זאת, עוצמת לייזר לכידה גבוהה מ-950 mW עלולה לגרום להתחממות יתר וליצירת בועות38. לפיכך, כוח לייזר השמנה מתון מומלץ ליצור הרכבה AgNP דינמית. באופן אנלוגי, זמן הקרנה ארוך יותר שימושי לקידום היווצרותם של מכלולי AgNP. איור 8B מראה כי מכלול AgNP כדורי ברור נוצר כאשר זמן ההקרנה עלה מ-5-20 שניות. עם זאת, מכלול AgNP היה מעוות לאחר הקרנה של 60 שניות. בנוסף, היווצרות מכלול AgNP הואצה בריכוז AgNP גבוה יותר, מ-0.01 ננומטר ל-0.05 ננומטר, בעוד שהיא התחממה במהירות ב-0.25 ננומטר, כפי שניתן לראות באיור 8C. אם אין היווצרות הרכבה של AgNP נראית לעין, מומלץ להגדיל את עוצמת לייזר הלכידה ואת זמן ההקרנה. עם יצירת מכלול AgNP יציב, יש לכבות את לייזר הלכידה כדי למנוע נזק תרמי פוטנציאלי.

פעילות ה-SERS של מכלול AgNP המושרה על-ידי השמנה אופטית יוחסה לעלייה בריכוז AgNP המקומי באזור קרינת לייזר הלכידה, שהוא הכתם הכהה באיור 6B. בתמיסת AgNP הנוזלית, המלכודת האופטית יכולה למשוך ברציפות AgNPs להצטבר וליצור נקודות חמות פלסמוניות בחלל סגור בצמתים הבין-חלקיקיים. זה מניב שדה חשמלי משופר אשר משפר את אפקט SERS. הוא אומת עוד יותר על ידי אות ה-SERS החזק יותר שהתקבל בריכוז AgNP גבוה יותר (1.00 ננומטר) בהשוואה לאות ה-SERS החלש יותר שנרכש בריכוז AgNP נמוך יותר (0.05 ננומטר) ללא לייזר הלכידה, כפי שניתן לראות באיור 6E.

יתר על כן, בקרת המיקום של מכלול AgNP הפלסמוני בתמיסה, כנגד התנועה הבראונית, על ידי השמנה אופטית שיפרה משמעותית את היעילות והיציבות של מדידות SERS. חישת תפוקה גבוהה יכולה להתבצע כאשר היא מחוברת למערכת המיקרופלואידית. בהשוואה לצבירה המסורתית של ננו-חלקיקים הנגרמים על-ידי מלח כדי ליצור מצעים פעילים ב-SERS, הפלטפורמה שלנו מאפשרת היווצרות דינמית של מכלולי AgNP פלסמוניים, במיקום וברגע המתוכננים, עם גמישות גבוההשל 26,28. יתר על כן, הוא פועל ביעילות בריכוזי AgNP ננומולריים ומאפשר מניפולציה מרחבית-טמפורלית של נקודות חמות פעילות SERS למדידות ספקטרוסקופיות באתרן בתמיסות. מכלול AgNP דינמי זה התפרק בהדרגה תוך מספר דקות כאשר לייזר הלכידה כבה. ללא לייזר הלכידה, מכלול AgNP כמעט נעלם תוך 20 דקות, כפי שניתן לראות באיור משלים 1. זה יכול למזער את ההשפעה על מערכת הגילוי ומציג פוטנציאל גדול ליישומים ביולוגיים שונים, במיוחד זיהוי של ביומולקולות (DNA, RNA וחלבון) בתנאים פיזיולוגיים ו– in vivo. עם זאת, הרכבה דינמית זו של AgNP מספקת גורם שיפור קטן יותר מאשר אגרגטים AgNPהמושרים במלח 2, ולכן נדרשים שינויים ופיתוח נוספים.

לסיכום, השילוב של השמנה אופטית וזיהוי SERS מספק שיטה נוחה לשליטה בננו-חלקיקים פלסמוניים ולהשגת שיפור אות SERS הניתן לשחזור כדי לזהות מולקולות אנליטיות בפתרונות בעלי יעילות גבוהה, יציבות ותאימות ביולוגית.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

אנו מכירים בתמיכת המימון של ועדת המדע, הטכנולוגיה והחדשנות של עיריית שנזן (לא. JCYJ20180306174930894), הלשכה העירונית למדע וטכנולוגיה של ז’ונגשאן (2020AG003), ומועצת מענקי המחקר של הונג קונג (פרויקט 26303018). אנו מכירים גם בפרופ’ צ’י-מינג צ’ה ובתמיכתו במימון “המעבדה לכימיה סינתטית וביולוגיה כימית” במסגרת תוכנית Health@InnoHK שהושקה על ידי ועדת החדשנות והטכנולוגיה, האזור המנהלי המיוחד של ממשלת הונג קונג של הרפובליקה העממית של סין.

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