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

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

Оптическое улавливание плазмонных наночастиц для характеристик рамановской спектроскопии in situ с усиленной поверхностью

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

Summary

Настоящий протокол описывает удобный подход к интеграции оптического улавливания и поверхностно-расширенной рамановской спектроскопии (SERS) для манипулирования плазмонными наночастицами для чувствительного молекулярного обнаружения. Без агрегирующих агентов улавливающий лазер собирает плазмонные наночастицы для усиления сигналов SERS целевых аналитов для спектроскопических измерений in situ .

Abstract

Поверхностно-расширенная рамановская спектроскопия (SERS) позволяет сверхчувствительно обнаруживать молекулы анализируемого вещества в различных приложениях благодаря усиленному электрическому полю металлических наноструктур. Солеобразная агрегация наночастиц серебра является наиболее популярным методом генерации SERS-активных подложек; однако он ограничен плохой воспроизводимостью, стабильностью и биосовместимостью. Настоящий протокол объединяет оптические манипуляции и обнаружение SERS для разработки эффективной аналитической платформы для решения этой проблемы. Улавливающий лазер 1064 нм и рамановский зондовый лазер 532 нм объединены в микроскоп для сборки наночастиц серебра, которые генерируют плазмонные горячие точки для измерений SERS in situ в водных средах. Без агрегирующих агентов эта динамическая сборка плазмонных наночастиц серебра обеспечивает примерно 50-кратное усиление сигнала молекулы анализируемого вещества. Кроме того, он обеспечивает пространственное и временное управление для формирования SERS-активной сборки всего в 0,05 нМ раствора наночастиц серебра с аналитическим покрытием, что сводит к минимуму потенциальное возмущение для анализа in vivo . Следовательно, эта оптическая платформа SERS, интегрированная в улавливание, обладает большим потенциалом для эффективного, воспроизводимого и стабильного молекулярного анализа в жидкостях, особенно в водных физиологических средах.

Introduction

Поверхностно-расширенная рамановская спектроскопия (SERS) является чувствительным аналитическим методом для непосредственного обнаружения химической структуры молекул-мишеней в сверхнизких концентрациях или даже на уровне одноймолекулы 1,2,3,4. Лазерное облучение индуцирует локализованный поверхностный плазмонный резонанс в металлических наноструктурах, используемых в качестве подложек SERS для усиления рамановских сигналов молекул-мишеней. Солеобразные наночастицы являются широко используемыми субстратами SERS, которые спонтанно подвергаются броуновскому движению в коллоидных суспензионных жидкостях 5,6. Дальнейшая сушка позволяет проводить стабильные измерения SERS; однако может возникнуть концентрация примесей, которая создает фоновый шум и наносит необратимый ущерб биологическим образцам7. Следовательно, целесообразно разрабатывать бессолевые агрегации наночастиц, контролировать их движение в растворе и улучшать биосовместимость при сохранении эффективности измерений.

Оптический захват был принят для контроля различных металлических подложек и облегчения обнаружения SERS 8,9,10,11,12,13,14. Оптическая ловушка генерируется путем плотной фокусировки лазерного луча для создания оптического силового поля, которое притягивает небольшие объекты в область наибольшей интенсивности вокруг фокуса15,16. В последнее время оптические ловушки используются для разработки воспроизводимых и чувствительных плазмонных сенсорных платформ для различных применений, демонстрируя свои уникальные преимущества в обнаружении и контроле положения SERS-активных металлических наноструктур в решениях 17,18,19,20,21,22,23,24 . Настоящий протокол вводит подход к объединению оптического пинцета и рамановской спектромископии для динамической сборки наночастиц серебра (AgNP) и стабилизации их против броуновского движения в решении для эффективных измерений SERS. В области сборки AgNP сигнал 3,3′-дитиобиса[6-нитробензойной кислоты] бис(сукцинимидного) эфира (DSNB), молекул анализируемого вещества, покрытых на поверхности AgNP, может быть усилен примерно в 50 раз. Этот подход подходит для анализа чувствительных биомолекул, несовместимых с химическими укупорочными агентами 25,26,27. Кроме того, он обеспечивает пространственное и временное управление для создания SERS-активной сборки AgNP. Это позволяет обнаруживать in situ в водных средах, что может снизить использование AgNP и свести к минимуму возмущения для анализа in vivo 28,29,30. Кроме того, сборка AgNP, индуцированная оптическим улавливанием, стабильна, воспроизводима и обратима31,32. Следовательно, это перспективная платформа для обнаружения молекул анализируемого вещества в растворах и в физиологических условиях, когда агрегация, вызванная солью, неприменима.

В настоящем исследовании улавливающий лазер 1064 нм, модуль обнаружения силы и источник яркого освещения интегрированы в систему оптической микроскопии пинцета для оптического манипулирования и визуализации частиц. 532-нм рамановский зондовый лазер также был включен в микроскоп и выровнен с улавливающим лазером в камере образца. Для получения спектра обратно рассеянный свет собирали и перенаправляли в спектрометр (рисунок 1).

Protocol

1. Оптическая настройка Направьте лазерный луч 532 нм (рамановский источник возбуждения) в гибкий порт оптического пинцета (см. Таблицу материалов). Выровняйте лазерный луч 532 нм в стерео двухслойные пути оптического пинцета с помощью 750-нм длинночастотного дихроичного зеркала, чтобы объединить с оригинальными улавливающими лазерными лучами для фокусировки на камере образца. Соберите обратно рассеянный свет из камеры образца с помощью 750-нм длиннопроходного дихроичного зеркала и перенаправьте его в спектрометр, содержащий камеру с жидкостно-азотным охлаждением с зарядовой связью (ПЗС) (см. Таблицу материалов). Поместите фильтр с насечкой 532 нм перед входной щелью спектрометра перед спектральным захватом.ПРИМЕЧАНИЕ: Защита глаз должна использоваться при включении лазера, а лазерный луч должен находиться в безопасной зоне. 2. Изготовление AgNP Нагревают 50 мл водного раствора AgNO3 емкостью 1 мМ в колбе с круглым дном во время кипячения. Добавить 1,0 мл 0,1 М раствора цитрата тринатрия по каплям в кипящий водный раствор AgNO3 . Держите смесь кипящей в течение 16 мин при постоянном перемешивании. Охладить смесь до комнатной температуры. Наблюдается желтоватый цвет. Центрифугируйте коллоиды AgNP при 2000 × г в течение 5 мин при комнатной температуре, а затем удалите супернатант с помощью пипетки. Повторное суспендирование коллоидов AgNP 1 мл деионизированной воды (удельное сопротивление 18,2 МОм см). Повторите шаги 2.5 и 2.6 трижды, чтобы удалить остаточный восстановитель. Охарактеризовать распределение AgNP по размерам с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) и динамического рассеяния света (DLS)33 для подтверждения однородности AgNP (рисунок 2). Концентрация AgNP оценивалась как 0,1 нМ по УФ-абсорбции34.ПРИМЕЧАНИЯ: Из-за низкой концентрации раствор AgNP можно поддерживать без кластеризации в течение 2-3 недель. Стабилизирующие агенты не требуются. Если в растворе Запаса AgNP наблюдался осадок, то в соответствии с вышеуказанным протоколом готовили новый раствор AgNP. 3. Взаимодействие молекулы анализируемого DSNB и AgNP Добавьте 200 мкл 2 мМ DSNB (см. Таблицу материалов) к 1 мл коллоида AgNP и инкубируйте при комнатной температуре в течение 3 ч, чтобы покрыть слой DSNB на поверхности AgNP путем образования связи Ag-S между AgNP и DSNB35. Схематическое представление этого взаимодействия показано на рисунке 3. Центрифугируют AgNP при 2000 × г в течение 5 мин при комнатной температуре и удаляют супернатант. Повторное суспендирование AgNP-DSNB 1 мл деионизированной воды. Повторите шаги 3.2 и 3.3 трижды, чтобы удалить избыток DSNB. Запишите УФ-видимые спектры коллоида AgNP и раствора AgNP-DSNB.ПРИМЕЧАНИЕ: Эти спектры показывают пиковый сдвиг поглощения примерно с 420 нм до 450 нм, что указывает на успешное покрытие DSNB на поверхности AgNP (рисунок 3). 4. Подготовка пробовой камеры и генерация агрегата AgNP для измерения SERS Очистите стеклянную горку и крышку водой и этанолом. Прикрепите каркасную ленту (толщиной 0,25 мм, см. Таблицу материалов) к стеклянной горке для создания камеры (длина 1,0 см × ширина 1,0 см × высота 0,25 мм). Добавьте несколько капель раствора AgNP-DSNB (около 25 мкл) в рамку. Положите крышку на ленту рамы и запечатайте ее (рисунок 4). Добавьте жидкий азот в емкость ПЗС-камеры с жидкостным азотным охлаждением до тех пор, пока температура не достигнет -120 °C. Заблокируйте траекторию луча рамановского зонда с помощью защитного экрана магнитного лазера (см. Таблицу материалов), затем включите 532-нм рамановский лазер источника возбуждения. Закрепите камеру для отбора проб раствором AgNP-DSNB на держателе камеры. Добавьте воду к погруженному в воду объективу (60-кратное увеличение с числовым отверстием 1,2 A 1,2), как показано на рисунке 1. Затем поместите держатель камеры непосредственно на микростадию над объективом. Опустите погружное масло поверх крышки и расположите погруженный в масло конденсатор для визуализации частиц на камере микроскопа. Отрегулируйте Z-положение объектива, повернув ручку микроскопа до тех пор, пока 532-нм рамановский зондовый луч не будет сфокусирован на нижней стеклянной поверхности камеры, показывая белое пятно на камере микроскопа (рисунок 5).Отрегулируйте X- и Y-положения микростадии, чтобы переместить камеру, чтобы поместить центральную область камеры в белое пятно. Откройте программное обеспечение управления оптическим пинцетом (см. Таблицу материалов) и используйте оснащенное джойстиком управления для перемещения 1064 нм улавливающего лазера (обозначенного красным кругом в оптической системе пинцета) на перекрытие с белым пятном (рисунок 5). Затем настройте ручку микроскопа, чтобы переместить Z-положение объектива вверх.ПРИМЕЧАНИЕ: Исчезновение белого пятна на изображении камеры микроскопа указывает на то, что 532-нм рамановский зондовый луч сфокусирован внутри камеры. Включите улавливающий лазер 1064 нм для привлечения AgNP в камере образца и создания плазмонного агрегата AgNP.ПРИМЕЧАНИЕ: Сбор AgNP приводит к появлению темного пятна в камере отбора проб (рисунок 6B).Отключите улавливающий лазерный луч, чтобы избежать перегрева или образования пузырьков, когда это необходимо.ПРИМЕЧАНИЕ: Увеличьте мощность улавливающего лазера и время облучения, если нет видимого образования сборки AgNP. Отрегулируйте положение микрокаскады образца, чтобы поместить темное пятно плазмонного агрегата AgNP под фокус 532 нм рамановского зондового пучка для спектроскопических измерений. Поместите фильтры нейтральной плотности (ND) перед выходом рамановского лазера 532 нм, чтобы отрегулировать мощность до 10 мВт. Введите время сбора (10 с для настоящего исследования, рисунок 6) на панели настроек в программном обеспечении спектра (см. Таблицу материалов) и нажмите кнопку «Получить», чтобы начать спектральное приобретение.ПРИМЕЧАНИЕ: Это генерирует спектр SERS молекул анализируемого вещества (DSNB в репрезентативном результате и рисунок 6).

Representative Results

В качестве доказательства концепции DSNB был выбран в качестве молекулы анализируемого вещества и покрыт на поверхность AgNP. Типичные спектры SERS DSNB, усиленные плазмонной сборкой AgNP и дисперсными AgNP, показаны на рисунке 6. Без улавливающего лазера дисперсные AgNP в камере образца генерировали черный спектр (рисунок 6A) при возбуждении рамановским зондовым лазером. Слабый и широкий сигнал SERS наблюдался примерно на уровне 1380-1450 см-1, характерный пик DSNB от его симметричного растяжения NO2, что согласуется с литературными сообщениями35,36. Поскольку дисперсные AgNP находились под броуновским движением, межчастичные соединения были большими и нестабильными, как показано на рисунке 6C. Таким образом, усиление сигнала SERS DSNB было низким для дисперсных AgNP. AgNP собираются для формирования плазмонной сборки AgNP при включении улавливающего лазера. Увеличение мощности и увеличение времени облучения улавливающего лазера может привлечь больше AgNP и создать темное пятно, как показано на рисунке 6B. Здесь мы применили улавливающий лазер мощностью 700 мМ и временем облучения 20 с для создания плазмонной сборки AgNP в растворе AgNP с покрытием DSNB 0,05 нМ в указанном месте и моменте. Спектр SERS DSNB был получен в области плазмонной сборки AgNP (рисунок 6A, красный). Сильная рамановская полоса при 930 см-1 отнесена к вибрации нитронареза, а большие полосы при 1078 см-1, 1152 см-1 и 1191 см-1, вероятно, соответствуют сукцинимидилу N-C-O, перекрывающемуся с ароматическими кольцевыми режимами DSNB35,37. Полосы признаков при 1385 см-1 и 1444 см-1 возникают из симметричного нитрорастяжения DSNB и значительно усиливаются и слегка смещаются из-за реакции с поверхностью AgNP35,37. Основываясь на ранее сообщенных отпечатках SERS DSNB 35,36,37, полоса на 1579 см-1 была отнесена к ароматическому кольцевому режиму DSNB. Общая интенсивность DSNB в плазмонной сборке AgNP была выше, чем у дисперсного AgNP. Учитывая интенсивность характеристического пика при 1444 см-1, плазмонная сборка AgNP может обеспечить примерно 50-кратное усиление сигнала SERS DSNB по сравнению с дисперсным AgNP. Как показано на рисунке 7, спектры SERS DSNB регистрировались многократно (20 раз) для сборки AgNP в эксперименте, демонстрируя идентичные вибрационные характеристики. Интенсивности характерных пиков DSNB при 1152 см−1, 1444 см−1 и 1579 см−1 по этим 20 спектрам SERS были построены в виде гистограмм с относительными стандартными отклонениями (RSD) 6,88%, 6,59% и 5,48% соответственно. Это еще больше подтвердило воспроизводимость и стабильность. Следовательно, этот подход надежен для манипулирования плазмонными наночастицами и обнаружения SERS молекул анализируемого вещества в растворе. Рисунок 1: Схематическое изображение рамановской спектроскопической платформы, связанной с оптическим пинцетом. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Рисунок 2: Подготовка AgNP к измерению SERS. (A) SEM изображение AgNP. B) Распределение agNP по размерам по DLS. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Рисунок 3: Взаимодействие AgNP и DSNB. (A) Схема покрытия DSNB на поверхности AgNP. (B) УФ-видимые спектры AgNP и AgNP-DSNB. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Рисунок 4: Схема подготовки пробоотборной камеры. (А) Процесс подготовки пробоотборной камеры. (B) Подготовленная пробоотборная камера. Шкала = 1 см. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Рисунок 5: Положение перекрытия 532 нм рамановского лазера и 1064 нм улавливающего лазера. (A) Положение 532 нм рамановского лазера обозначается белым пятном. (B) Положение 1064 нм улавливающего лазера, обозначенное красным кругом. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Рисунок 6: Типичные спектры SERS молекул анализируемого вещества, усиленные плазмонной сборкой AgNP. (A) SERS спектры DSNB на плазмонной сборке AgNP (красный) и дисперсном AgNP (черный). (B) Плазмонная сборка AgNP при включении улавливающего лазера показывает темное пятно при микроскопической визуализации. (C) Дисперсный AgNP при выключении улавливающего лазера. (D) Иллюстрация механизма формирования сборки AgNP. (E) Концентрационно-зависимая интенсивность СЕРС в отсутствие улавливающего лазера. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Рисунок 7: Воспроизводимость сигнала SERS DSNB. (A) 20 спектров SERS DSNB на плазмонной сборке AgNP, зарегистрированной повторно в эксперименте. (B) Гистограммы интенсивности характерных пиков DSNB при 1152 см-1 (RSD = 6,88%), 1444 см-1 (RSD = 6,59%) и 1579 см-1 (RSD = 5,48%). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Рисунок 8: Сборка AgNP, генерируемая при различных экспериментальных параметрах. (A) Различная мощность улавливающего лазера; время облучения 20 с и концентрация AgNP 0,05 нМ. B) различное время облучения; мощность улавливающего лазера 700 мВт и концентрация AgNP 0,05 нМ. с) различная концентрация AgNP; время облучения 20 с и улавливающего лазера мощностью 700 мВт. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка. Дополнительный рисунок 1: Изображения камеры микроскопа сборки AgNP во временных рядах, когда улавливающий лазер был выключен. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Discussion

В настоящем исследовании сообщается об аналитической платформе, которая сочетает в себе оптический захват и обнаружение SERS для молекулярных характеристик in situ . 532-нм рамановский зондовый луч был объединен с 1064-нм улавливающим лазерным лучом через стерео двухслойные пути для объединения фокусировки и сбора для дополнительных спектроскопических измерений в геометрии обратного рассеяния. Улавливающий лазерный луч собирал AgNP для формирования плазмонных горячих точек с последующим возбуждением рамановского зондового лазерного луча для генерации сигнала SERS молекул анализируемого вещества в растворе. В качестве доказательства концепции было продемонстрировано обнаружение DSNB, которое было покрыто на поверхности AgNP. В области сборки AgNP, контролируемой улавливающим лазерным лучом, было достигнуто примерно 50-кратное улучшение сигнала DSNB по сравнению с окружающими дисперсными AgNP. Получено аналогичное высокосигнальное усиление молекул анализируемого вещества в измерениях растворно-фазы SERS на представленной платформе.

Критическим шагом, влияющим на усиление сигнала SERS, является формирование сборки AgNP, индуцированной оптическим улавливанием. Сигнал SERS молекул анализируемого вещества может быть оптимизирован путем тонкой настройки экспериментальных параметров, таких как мощность улавливающего лазера, время облучения и концентрация AgNP. Как показано на рисунке 8, использование более высокой мощности улавливающего лазера может повысить эффективность формирования сборки AgNP. Воспроизводимые сборки AgNP были получены путем увеличения мощности улавливающего лазера с 450 мВт до 700 мВт. Однако мощность улавливающего лазера выше 950 мВт может вызвать перегрев и генерацию пузырьков38. Таким образом, для создания динамической сборки AgNP рекомендуется лазер умеренной улавливающей мощности. Аналогичным образом, более длительное время облучения полезно для содействия формированию сборок AgNP. На рисунке 8В показано, что четкий сферический агрегат AgNP образовался при увеличении времени облучения с 5-20 с. Однако сборка AgNP была искажена после облучения 60 с. Кроме того, формирование сборки AgNP ускорялось при более высокой концентрации AgNP, с 0,01 нМ до 0,05 нМ, при этом она быстро перегревалась при 0,25 нМ, как показано на рисунке 8C. Если нет видимого образования сборки AgNP, рекомендуется увеличить мощность улавливающего лазера и время облучения. После создания стабильного агрегата AgNP улавливающий лазер должен быть отключен, чтобы избежать потенциального теплового повреждения.

Активность SERS в сборке AgNP, индуцированной оптическим улавливанием, объяснялась увеличением локальной концентрации AgNP в области лазерного облучения, которая является темным пятном на рисунке 6B. В текучем растворе AgNP оптическая ловушка может непрерывно притягивать AgNP для накопления и формирования плазмонных горячих точек в ограниченном пространстве в межчастичных соединениях. Это дает усиленное электрическое поле, которое усиливает эффект SERS. Это было дополнительно подтверждено более сильным сигналом SERS, полученным при более высокой концентрации AgNP (1,00 нМ) по сравнению с более слабым сигналом SERS, полученным при более низкой концентрации AgNP (0,05 нМ) без улавливающего лазера, как показано на рисунке 6E.

Кроме того, контроль положения плазмонного агрегата AgNP в растворе против броуновского движения с помощью оптического улавливания значительно повысил эффективность и стабильность измерений SERS. Высокопроизводительное зондирование может проводиться при подключении к микрофлюидной системе. По сравнению с традиционной солевой агрегацией наночастиц для генерации SERS-активных субстратов, наша платформа позволяет динамически формировать плазмонные сборки AgNP в заданном месте и моменте с высокой гибкостью26,28. Кроме того, он эффективно работает при наномолярных концентрациях AgNP и позволяет пространственно-временные манипуляции с активными горячими точками SERS для спектроскопических измерений in situ в растворах. Эта динамическая сборка AgNP постепенно разбиралась в течение нескольких минут, когда улавливающий лазер был выключен. Без улавливающего лазера сборка AgNP почти исчезла за 20 минут, как показано на дополнительном рисунке 1. Это может минимизировать влияние на систему обнаружения и демонстрирует большой потенциал для различных биоприложений, особенно для обнаружения биомолекул (ДНК, РНК и белка) в физиологических и in vivo условиях. Однако эта динамическая сборка AgNP обеспечивает меньший коэффициент усиления, чем агрегаты AgNP2, индуцированные солью, и, следовательно, требуется дальнейшая модификация и развитие.

В заключение, интеграция оптического улавливания и обнаружения SERS обеспечивает удобный метод управления плазмонными наночастицами и достижения воспроизводимого усиления сигнала SERS для обнаружения молекул анализируемого вещества в растворах с высокой эффективностью, стабильностью и биосовместимостью.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Мы признаем финансовую поддержку со стороны Комиссии по науке, технике и инновациям муниципалитета Шэньчжэня (No. JCYJ20180306174930894), Муниципальное бюро науки и техники Чжуншань (2020AG003) и Совет по исследовательским грантам Гонконга (проект 26303018). Мы также выражаем признательность профессору Чи-Мин Че и его финансовой поддержке со стороны «Лаборатории синтетической химии и химической биологии» в рамках программы Health@InnoHK, запущенной Комиссией по инновациям и технологиям правительства Специального административного района Гонконг Китайской Народной Республики.

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