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

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

In Situ Yüzey Geliştirilmiş Raman Spektroskopisi Karakterizasyonları için Plazmonik Nanopartiküllerin Optik Yakalanması

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

Summary

Mevcut protokol, hassas moleküler algılama için plazmonik nanopartikülleri manipüle etmek üzere optik yakalama ve yüzey ile geliştirilmiş Raman spektroskopisini (SERS) entegre etmek için uygun bir yaklaşımı açıklamaktadır. Ajanları toplamadan, yakalama lazeri, in situ spektroskopik ölçümler için hedef analitlerin SERS sinyallerini geliştirmek üzere plazmonik nanopartikülleri bir araya getirir.

Abstract

Yüzey ile geliştirilmiş Raman spektroskopisi (SERS), metalik nanoyapıların gelişmiş elektrik alanı nedeniyle çeşitli uygulamalarda analit moleküllerinin ultra hassas bir şekilde algılanmasını sağlar. Tuz kaynaklı gümüş nanopartikül agregasyonu, SERS-aktif substratlar üretmek için en popüler yöntemdir; Bununla birlikte, zayıf tekrarlanabilirlik, stabilite ve biyouyumluluk ile sınırlıdır. Mevcut protokol, bunu ele almak için verimli bir analitik platform geliştirmek için optik manipülasyon ve SERS algılamasını entegre eder. Bir 1064 nm yakalama lazeri ve bir 532 nm Raman probu lazeri, sulu ortamlarda in situ SERS ölçümleri için plazmonik sıcak noktalar üreten gümüş nanopartikülleri birleştirmek için mikroskopta birleştirilir. Ajanları toplamadan, bu dinamik plazmonik gümüş nanopartikül tertibatı, analit molekülü sinyalinin yaklaşık 50 kat iyileştirilmesini sağlar. Ayrıca, SERS-aktif tertibatı 0,05 nM kadar düşük bir analit kaplı gümüş nanopartikül çözeltisinde oluşturmak için mekansal ve zamansal kontrol sağlar, bu da in vivo analiz için potansiyel bozulmayı en aza indirir. Bu nedenle, bu optik yakalama entegre SERS platformu, sıvılarda, özellikle sulu fizyolojik ortamlarda verimli, tekrarlanabilir ve kararlı moleküler analizler için büyük bir potansiyele sahiptir.

Introduction

Yüzey ile güçlendirilmiş Raman spektroskopisi (SERS), hedef moleküllerin kimyasal yapısını ultra düşük konsantrasyonlarda veya hatta tek molekül seviyesi 1,2,3,4’te doğrudan tespit etmek için hassas bir analitik tekniktir. Lazer ışınlaması, hedef moleküllerin Raman sinyallerini yükseltmek için SERS substratları olarak kullanılan metalik nanoyapılarda lokalize yüzey plazmon rezonansını indükler. Tuz kaynaklı nanopartikül agregaları, kolloidal süspansiyon sıvılarında kendiliğinden Brownian hareketine uğrayan yaygın olarak kullanılan SERS substratlarıdır 5,6. Daha fazla kurutma, kararlı SERS ölçümlerine izin verir; Bununla birlikte, arka plan gürültüsüne neden olan ve biyolojik numunelerde geri dönüşü olmayan hasara neden olan safsızlık konsantrasyonu oluşabilir7. Bu nedenle, tuzsuz nanopartikül agregasyonları geliştirmek, çözeltideki hareketlerini kontrol etmek ve ölçüm verimliliğini korurken biyouyumluluğu geliştirmek uygundur.

Çeşitli metalik substratları kontrol etmek ve SERS algılamalarını kolaylaştırmak için optik yakalama benimsenmiştir 8,9,10,11,12,13,14. Bir optik tuzak, küçük nesneleri odak15,16 etrafındaki en yüksek yoğunluklu bölgeye çeken bir optik kuvvet alanı oluşturmak için bir lazer ışınını sıkıca odaklayarak oluşturulur. Son zamanlarda, optik tuzaklar, çeşitli uygulamalar için tekrarlanabilir ve hassas plazmonik algılama platformları geliştirmek için kullanılmaya başlanmış ve SERS-aktif metalik nanoyapıların 17,18,19,20,21,22,23,24 numaralı çözeltilerdeki konumunu bulma ve kontrol etmede benzersiz avantajlarını göstermiştir. . Mevcut protokol, gümüş nanopartikülleri (AgNP’ler) dinamik olarak birleştirmek ve verimli SERS ölçümleri için çözeltide Brownian hareketine karşı stabilize etmek için optik cımbız ve Raman spektro-mikroskopisini birleştirmek için bir yaklaşım sunmaktadır. AgNP montaj bölgesinde, AgNP’lerin yüzeyinde kaplanmış analit molekülleri olan 3,3′-dithiobis [6-nitrobenzoik asit] bis(süksinimid) esterin (DSNB) sinyali yaklaşık 50 kat arttırılabilir. Bu yaklaşım, kimyasal kapak ajanları25,26,27 ile uyumlu olmayan hassas biyomoleküllerin analizi için uygundur. Ayrıca, SERS-aktif AgNP derlemesini oluşturmak için uzamsal ve zamansal kontrol sağlar. Bu, sulu ortamlarda in situ algılamayı mümkün kılar, bu da AgNP’lerin kullanımını azaltabilir ve in vivo analiz 28,29,30 için bozulmayı en aza indirebilir. Ek olarak, optik yakalama kaynaklı AgNP grubu kararlı, tekrarlanabilir ve geri dönüşümlüdür31,32. Bu nedenle, çözeltilerdeki ve tuz kaynaklı agregasyonun uygulanamadığı fizyolojik koşullar altında analit moleküllerini tespit etmek için umut verici bir platformdur.

Bu çalışmada, 1064 nm yakalama lazeri, kuvvet algılama modülü ve parlak alan aydınlatma kaynağı, optik manipülasyon ve parçacıkların görselleştirilmesi için optik cımbız mikroskopi sistemine entegre edilmiştir. 532 nm Raman prob lazeri de mikroskopa dahil edildi ve numune odasındaki yakalama lazeri ile hizalandı. Spektral edinim için, geri saçılan ışık toplandı ve bir spektrometreye yönlendirildi (Şekil 1).

Protocol

1. Optik kurulum 532 nm lazer ışınını (Raman uyarma kaynağı) optik cımbız mikroskobunun esnek portuna yönlendirin (bkz. 532 nm lazer ışınını, numune odasına odaklanmak üzere orijinal yakalama lazer ışınlarıyla birleştirmek için 750 nm uzun geçişli dikroik ayna ile optik cımbız mikroskobun stereo çift katmanlı yollarına hizalayın. 750 nm uzun geçişli dikroik ayna kullanarak numune odasından geriye saçılan ışığı toplayın ve sıvı-azot soğutmalı yük bağlantılı cihaz (CCD) kamerası içeren bir spektrometreye yönlendirin (bkz. Spektral edinimden önce spektrometrenin giriş yarığının önüne 532 nm çentik filtresi yerleştirin.NOT: Lazer açıldığında göz koruması kullanılmalı ve lazer ışını güvenli bir alanda tutulmalıdır. 2. AgNP’lerin Üretimi 50 mL’lik 1 mM AgNO3 sulu çözeltiyi kaynatırken yuvarlak tabanlı bir şişede ısıtın. Kaynamış AgNO3 sulu çözeltisine damla damla 1.0 mL 0.1 M trisodyum sitrat çözeltisi ekleyin. Karışımı sürekli karıştırarak 16 dakika kaynatın. Karışımı oda sıcaklığına soğutun. Sarımsı renk gözlenir. AgNP kolloidlerini oda sıcaklığında 5 dakika boyunca 2000 × g’da santrifüj edin ve ardından bir pipet kullanarak süpernatantı çıkarın. AgNP kolloidlerini 1 mL deiyonize su ile yeniden askıya alın (18.2 MΩ cm direnç). Artık indirgeyici maddeyi çıkarmak için 2,5 ve 2,6 numaralı adımları üç kez yineleyin. AgNP’lerin homojenliğini doğrulamak için taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve dinamik ışık saçılması (DLS)33 kullanarak AgNP’lerin boyut dağılımını karakterize edin (Şekil 2). AgNP konsantrasyonu, UV absorbansı34 ile 0.1 nM olarak tahmin edildi.NOTLAR: Düşük konsantrasyon nedeniyle, AgNP stok çözeltisi 2-3 hafta boyunca kümelenmeden muhafaza edilebilir. Stabilize edici ajanlara gerek yoktur. AgNP stok çözeltisinde bir çökelti gözlenirse, yukarıdaki protokolü izleyerek yeni bir AgNP çözeltisi hazırlanmıştır. 3. DSNB analit molekülü ve AgNP etkileşimi 1 mL AgNP kolloidine 200 μL 2 mM DSNB ekleyin ( Malzeme Tablosuna bakınız) ve AgNP ile DSNB35 arasında Ag-S bağının oluşmasıyla AgNP yüzeyinde bir DSNB tabakası kaplamak için oda sıcaklığında 3 saat inkübe edin. Bu etkileşimin şematik bir temsili Şekil 3’te gösterilmiştir. AgNP’yi oda sıcaklığında 5 dakika boyunca 2.000 × g’da santrifüj yapın ve süpernatanı çıkarın. AgNP-DSNB’yi 1 mL deiyonize su ile yeniden askıya alın. Fazla DSNB’yi kaldırmak için 3.2 ve 3.3 adımlarını üç kez yineleyin. AgNP kolloid ve AgNP-DSNB çözeltisinin UV tarafından görülebilen spektrumlarını kaydedin.NOT: Bu spektrum, AgNP yüzeyinde DSNB’nin başarılı bir şekilde kaplandığını gösteren yaklaşık 420 nm’den 450 nm’ye bir absorpsiyon tepe kayması göstermektedir (Şekil 3). 4. SERS ölçümü için numune odasının hazırlanması ve AgNP tertibatının oluşturulması Cam sürgüyü ve kapağı su ve etanol ile temizleyin. Bir bölme oluşturmak için çerçeve bandını (0,25 mm kalınlık, bkz. Malzeme Tablosu) cam slayta takın (1,0 cm uzunluk × 1,0 cm genişlik × 0,25 mm yükseklik). Çerçeveye birkaç damla AgNP-DSNB çözeltisi (yaklaşık 25 μL) ekleyin. Kapak fişini çerçeve bandına yerleştirin ve kapatın (Şekil 4). Sıcaklık -120 °C’ye ulaşana kadar sıvı azot soğutmalı CCD kameranın kabına sıvı azot ekleyin. Manyetik lazer güvenlik ekranı kullanarak Raman probu ışın yolunu engelleyin (bkz. Malzeme Tablosu), ardından 532 nm Raman uyarma kaynağı lazerini açın. AgNP-DSNB çözeltisi ile numune haznesini hazne tutucusuna sabitleyin. Suya batırılmış hedefe (1,2 sayısal açıklık A ile 60x büyütme) Şekil 1’de gösterildiği gibi su ekleyin. Ardından, hazne tutucuyu hemen hedefin üzerindeki mikro sahneye yerleştirin. Daldırma yağını kapak kapağının üzerine bırakın ve mikroskop kamerasındaki parçacıkları görselleştirmek için yağa batırılmış kondenseri konumlandırın. 532 nm Raman prob ışını odanın alt cam yüzeyine odaklanana ve mikroskop kamerasında beyaz bir nokta gösterene kadar mikroskop topuzunu çevirerek hedefin Z konumunu ayarlayın (Şekil 5).Odayı hareket ettirmek için mikro aşamanın X ve Y konumlarını ayarlayın ve odanın merkezi bölgesini beyaz noktaya yerleştirin. Optik cımbız kontrol yazılımını açın ( Malzeme Tablosuna bakın) ve 1064 nm yakalama lazerini (optik cımbız sisteminde kırmızı bir daire ile gösterilir) beyaz nokta ile üst üste binecek şekilde hareket ettirmek için donanımlı joystick kontrolünü kullanın (Şekil 5). Ardından, hedefin Z konumunu yukarı taşımak için mikroskopun düğmesini ayarlayın.NOT: Mikroskop kamerası görüntüsündeki beyaz noktanın kaybolması, 532 nm Raman prob ışınının odanın içine odaklandığını gösterir. Numune odasındaki AgNP’leri çekmek ve plazmonik bir AgNP tertibatı oluşturmak için 1064 nm yakalama lazerini açın.NOT: AgNP’lerin toplanması örnek odasında karanlık bir noktaya neden olur (Şekil 6B).Gerektiğinde aşırı ısınmayı veya kabarcık oluşumunu önlemek için tutucu lazer ışınını aşağı çevirin.NOT: AgNP tertibatında belirgin bir oluşum yoksa, yakalama lazer gücünü ve ışınlama süresini artırın. Plazmonik AgNP tertibatının karanlık noktasını spektroskopik ölçümler için 532 nm Raman prob ışınının odağının altına yerleştirmek için numune mikro aşamasının konumunu ayarlayın. Gücü 10 mW’a ayarlamak için nötr yoğunluklu (ND) filtreleri 532 nm Raman lazer prizinin önüne yerleştirin. Spektrum yazılımındaki ayar paneline edinme süresini (bu çalışma için 10 sn, Şekil 6) girin (bkz. Malzeme Tablosu) ve spektral edinimi başlatmak için Al düğmesine tıklayın.NOT: Bu, analit moleküllerinin SERS spektrumunu oluşturur (temsili sonuçtaki DSNB ve Şekil 6).

Representative Results

Kavramın kanıtı olarak, DSNB analit molekülü olarak seçildi ve AgNP’lerin yüzeyine kaplandı. Plazmonik AgNP tertibatı ve dağılmış AgNP ile güçlendirilmiş DSNB’nin tipik SERS spektrumları Şekil 6’da gösterilmiştir. Yakalama lazeri olmadan, numune odasındaki dağınık AgNP’ler, Raman prob lazeri tarafından uyarılması üzerine siyah bir spektrum (Şekil 6A) üretti. Yaklaşık 1380-1450 cm-1’de, DSNB’nin simetrik NO 2 gerilmesinden karakteristik zirvesi olan ve literatür raporları35,36 ile tutarlı olan zayıf ve geniş bir SERS sinyali gözlenmiştir. Dağılmış AgNP’ler Brownian hareketi altında olduğundan, parçacıklar arası kavşaklar Şekil 6C’de gösterildiği gibi büyük ve kararsızdı. Bu nedenle, DSNB’nin SERS sinyal amplifikasyonu, dağınık AgNP’ler için düşüktü. AgNP’ler, yakalama lazeri açıkken plazmonik bir AgNP düzeneği oluşturmak için toplanır. Gücü arttırmak ve yakalama lazerinin ışınlama süresini uzatmak, Şekil 6B’de gösterildiği gibi daha fazla AgNP çekebilir ve karanlık bir nokta oluşturabilir. Burada, belirlenen bir yerde ve anda 0,05 nM DSNB kaplamalı AgNP çözeltisinde plazmonik bir AgNP tertibatı oluşturmak için 700 mM’lik bir yakalama lazer gücü ve 20 s ışınlama süresi uyguladık. DSNB’nin SERS spektrumu plazmonik AgNP grubu bölgesinde elde edildi (Şekil 6A, kırmızı). 930 cm-1’deki güçlü Raman bandı nitro makas titreşimine atanır ve 1078 cm-1, 1152 cm-1 ve 1191 cm-1’deki büyük bantlar muhtemelen DSNB 35,37’nin aromatik halka modlarıyla örtüşen süksinimidil N-C-O gerilmesine karşılık gelir. 1385 cm-1 ve 1444 cm-1’deki özellik bantları, DSNB’nin simetrik nitro gerilmesinden kaynaklanır ve AgNP35,37’nin yüzeyi ile reaksiyona bağlı olarak önemli ölçüde geliştirilmiş ve hafifçe kaydırılmıştır. DSNB35,36,37’nin daha önce bildirilen SERS parmak izlerine dayanarak, 1579 cm-1’deki bant DSNB’nin aromatik halka moduna atandı. Plazmonik AgNP düzeneğindeki DSNB’nin genel yoğunluğu, dağılmış AgNP’ninkinden daha yüksekti. 1444 cm-1’deki karakteristik zirvenin yoğunluğu göz önüne alındığında, plazmonik AgNP tertibatı, dağınık AgNP’ninkine kıyasla DSNB’nin SERS sinyalinin yaklaşık 50 kat artmasını sağlayabilir. Şekil 7’de gösterildiği gibi, DSNB’nin SERS spektrumları, deneydeki AgNP montajı için tekrar tekrar (20 kez) kaydedildi ve aynı titreşimsel özellikleri gösterdi. Bu 20 SERS spektrumu boyunca DSNB’nin 1152 cm-1, 1444 cm-1 ve 1579 cm-1’deki karakteristik zirvelerinin yoğunlukları, sırasıyla% 6.88,% 6.59 ve% 5.48’lik bağıl standart sapmalara (RSD) sahip histogramlar olarak çizildi. Bu, tekrarlanabilirliği ve kararlılığı daha da doğruladı. Bu nedenle, bu yaklaşım plazmonik nanopartiküllerin manipüle edilmesi ve çözeltideki analit moleküllerinin SERS tespiti için güvenilirdir. Resim 1: Optik cımbız kuplajlı Raman spektroskopik platformunun şematik gösterimi. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 2: SERS ölçümü için AgNP’nin hazırlanması. (A) AgNP’nin SEM görüntüsü. (B) AgNP’nin DLS ile boyut dağılımı. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 3: AgNP ve DSNB’nin etkileşimi. (A) AgNP yüzeyindeki DSNB kaplamasının şeması. (B) AgNP ve AgNP-DSNB’nin UV tarafından görülebilen spektrumları. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 4: Numune haznesi hazırlama şeması. (A) Numune haznesi hazırlama işlemi. (B) Hazırlanmış numune odası. Ölçek çubuğu = 1 cm. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 5: 532 nm Raman lazer ve 1064 nm yakalama lazerinin üst üste binme konumu. (A) Beyaz nokta ile gösterilen 532 nm Raman lazerin konumu. (B) Kırmızı daire ile gösterilen 1064 nm yakalama lazerinin konumu. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 6: Plazmonik AgNP tertibatı tarafından güçlendirilen analit moleküllerinin tipik SERS spektrumları. (A) Plazmonik AgNP düzeneğinde (kırmızı) ve dağılmış AgNP’de (siyah) DSNB’nin SERS spektrumları. (B) Yakalama lazeri açıkken plazmonik AgNP tertibatı, mikroskobik görselleştirme altında karanlık bir nokta gösterir. (C) Yakalama lazeri kapalıyken dağılmış AgNP. (D) AgNP montaj oluşum mekanizmasının gösterimi. (E) Yakalama lazerinin yokluğunda konsantrasyona bağlı SERS yoğunluğu. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 7: DSNB’nin SERS sinyalinin tekrarlanabilirliği. (A) Deneyde tekrar tekrar kaydedilen plazmonik AgNP düzeneğinde DSNB’nin 20 SERS spektrumu. (B) Karakteristik DSNB yoğunluklarının histogramları 1152 cm-1 (RSD =% 6.88), 1444 cm-1 (RSD =% 6.59) ve 1579 cm-1’de (RSD =% 5.48) zirve yapar. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 8: Farklı deneysel parametreler altında üretilen AgNP tertibatı. (A) Farklı yakalama lazer gücü; ışınlama süresi 20 s ve AgNP konsantrasyonu 0.05 nM. (B) Farklı ışınlama süresi; yakalama lazer gücü 700 mW ve AgNP konsantrasyonu 0.05 nM. (C) Farklı AgNP konsantrasyonu; ışınlama süresi 20 s ve lazer gücü 700 mW. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Ek Şekil 1: AgNP montajının mikroskop kamerası görüntüleri, yakalama lazeri kapatıldığında zaman serilerinde. Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.

Discussion

Bu çalışma, in situ moleküler karakterizasyonlar için optik yakalama ve SERS tespitini birleştiren analitik bir platform sunmaktadır. 532 nm’lik bir Raman probu ışını, odağı birleştirmek ve geri saçılma geometrisinde ek spektroskopik ölçümler için toplamak için stereo çift katmanlı yollar aracılığıyla 1064 nm yakalama lazer ışını ile birleştirildi. Yakalama lazer ışını, plazmonik sıcak noktalar oluşturmak için AgNP’leri bir araya getirdi, ardından çözeltideki analit moleküllerinin SERS sinyalini üretmek için Raman probu lazer ışınının uyarılması izledi. Kavramın bir kanıtı olarak, AgNP’lerin yüzeyinde kaplanmış olan DSNB’nin tespiti gösterildi. Yakalayan lazer ışını tarafından kontrol edilen AgNP montaj bölgesinde, DSNB sinyalinde, çevredeki dağınık AgNP’lere kıyasla yaklaşık 50 kat iyileşme sağlandı. Sunulan platformdaki çözelti fazı SERS ölçümlerinde analit moleküllerinin benzer bir yüksek sinyalli amplifikasyonu tekrarlanabilir bir şekilde elde edildi.

SERS sinyal amplifikasyonunu etkileyen kritik adım, optik yakalama kaynaklı bir AgNP tertibatı oluşturmaktır. Analit moleküllerinin SERS sinyali, yakalama lazer gücü, ışınlama süresi ve AgNP konsantrasyonu gibi deneysel parametrelerin ince ayarlanmasıyla optimize edilebilir. Şekil 8’de gösterildiği gibi, daha yüksek bir yakalama lazer gücü kullanmak, AgNP montaj oluşumunun verimliliğini artırabilir. Tekrarlanabilir AgNP tertibatları, yakalama lazerinin gücü 450 mW’tan 700 mW’a çıkarılarak elde edilmiştir. Bununla birlikte, 950 mW’den daha yüksek bir yakalama lazer gücü, aşırı ısınmaya ve kabarcık üretimi38’e neden olabilir. Bu nedenle, dinamik bir AgNP montajı oluşturmak için orta derecede yakalama lazer gücü önerilir. Benzer şekilde, daha uzun bir ışınlama süresi, AgNP montajlarının oluşumunu teşvik etmek için yararlıdır. Şekil 8B, ışınlama süresi 5-20 s’den arttığında net bir küresel AgNP düzeneğinin oluştuğunu göstermektedir. Bununla birlikte, AgNP tertibatı 60 s ışınlamasından sonra bozuldu. Ek olarak, AgNP düzeneğinin oluşumu, Şekil 8C’de gösterildiği gibi, 0,01 nM’den 0,05 nM’ye kadar daha yüksek bir AgNP konsantrasyonunda hızlandırılırken, 0,25 nM’de hızla aşırı ısınmıştır. Belirgin bir AgNP montaj oluşumu yoksa, yakalama lazer gücünün ve ışınlama süresinin arttırılması önerilir. Kararlı bir AgNP tertibatı oluşturulduktan sonra, potansiyel termal hasarı önlemek için yakalama lazeri geri çevrilmelidir.

Optik yakalama kaynaklı AgNP tertibatının SERS aktivitesi, Şekil 6B’deki karanlık nokta olan yakalama lazer ışınlama bölgesindeki yerel AgNP konsantrasyonundaki artışa bağlanmıştır. Akışkan AgNP çözümünde, optik tuzak, parçacıklar arası kavşaklarda sınırlı bir alanda plazmonik sıcak noktalar biriktirmek ve oluşturmak için AgNP’leri sürekli olarak çekebilir. Bu, SERS etkisini artıran gelişmiş bir elektrik alanı sağlar. Şekil 6E’de gösterildiği gibi, yakalama lazeri olmadan daha düşük bir AgNP konsantrasyonunda (0.05 nM) elde edilen daha zayıf SERS sinyaline kıyasla, daha yüksek bir AgNP konsantrasyonunda (1.00 nM) elde edilen daha güçlü SERS sinyali ile daha da doğrulanmıştır.

Ayrıca, plazmonik AgNP tertibatının çözelti içindeki pozisyon kontrolü, Brownian hareketine karşı, optik yakalama ile SERS ölçümlerinin verimliliğini ve kararlılığını önemli ölçüde artırmıştır. Yüksek verimli algılama, mikroakışkan sisteme bağlandığında gerçekleştirilebilir. SERS-aktif substratlar üretmek için nanopartiküllerin geleneksel tuz kaynaklı toplanmasıyla karşılaştırıldığında, platformumuz plazmonik AgNP montajlarının tasarlanan yerde ve anda, yüksek esneklikle dinamik olarak oluşturulmasına izin verir26,28. Ayrıca, nanomolar AgNP konsantrasyonlarında verimli bir şekilde çalışır ve çözeltilerde in situ spektroskopik ölçümler için SERS-aktif sıcak noktaların mekansal-zamansal manipülasyonunu sağlar. Bu dinamik AgNP tertibatı, yakalama lazeri kapatıldığında birkaç dakika içinde yavaş yavaş söküldü. Yakalama lazeri olmadan, AgNP tertibatı Ek Şekil 1’de gösterildiği gibi 20 dakika içinde neredeyse kayboldu. Bu, algılama sistemi üzerindeki etkiyi en aza indirebilir ve çeşitli biyo-uygulamalar, özellikle fizyolojik ve in vivo koşullar altında biyomoleküllerin (DNA, RNA ve protein) tespiti için büyük potansiyel sergiler. Bununla birlikte, bu dinamik AgNP düzeneği, tuz kaynaklı AgNP agregaları2’den daha küçük bir geliştirme faktörü sağlar ve bu nedenle daha fazla değişiklik ve geliştirme gereklidir.

Sonuç olarak, optik yakalama ve SERS algılamanın entegrasyonu, plazmonik nanopartikülleri kontrol etmek ve yüksek verimlilik, kararlılık ve biyouyumluluğa sahip çözeltilerdeki analit moleküllerini tespit etmek için tekrarlanabilir SERS sinyal geliştirmesi elde etmek için uygun bir yöntem sağlar.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Shenzhen Belediyesi Bilim, Teknoloji ve İnovasyon Komisyonu’nun finansman desteğini kabul ediyoruz (Hayır. JCYJ20180306174930894), Zhongshan Belediyesi Bilim ve Teknoloji Bürosu (2020AG003) ve Hong Kong Araştırma Hibe Konseyi (Proje 26303018). Ayrıca, Prof. Chi-Ming Che’ye ve Çin Halk Cumhuriyeti Hong Kong Özel İdari Bölgesi Hükümeti İnovasyon ve Teknoloji Komisyonu tarafından başlatılan Health@InnoHK Programı kapsamında “Sentetik Kimya ve Kimyasal Biyoloji Laboratuvarı” ndan aldığı finansman desteğini de kabul ediyoruz.

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