المحاصرة البصرية للجسيمات النانوية البلازمونية لتوصيف التحليل الطيفي رامان المحسن للسطح في الموقع
يونيو 23, 2022
يصف هذا البروتوكول نهجا مناسبا لدمج الاصطياد البصري والتحليل الطيفي رامان المحسن سطحيا (SERS) لمعالجة الجسيمات النانوية البلازمونية للكشف الجزيئي الحساس. بدون عوامل تجميعية ، يقوم ليزر الاصطياد بتجميع الجسيمات النانوية البلازمونية لتعزيز إشارات SERS للتحليلات المستهدفة للقياسات الطيفية في الموقع .
يوفر هذا البروتوكول تحكما مكانيا وزمنيا لتجميع الجسيمات النانوية النشطة في SERS في حالة عدم وجود عوامل تجميع لتحقيق الكشف الحساس عن التحليلات المستهدفة. الميزة الرئيسية لطريقتنا هي عدم استخدام عوامل التجميع لتوليد مجموعة الجسيمات النانوية النشطة SERS لذلك يتم استخدامها بشكل مناسب لتحليل الجزيئات الحيوية الحساسة في ظل الظروف الفسيولوجية. إنها منصة واعدة للكشف عن جزيئات التحليل مثل المؤشرات الحيوية للمرض في المحاليل وتحت الظروف الفسيولوجية في نظام الموائع الدقيقة.
عند استخدام هذه الطريقة لأول مرة ، قد يحتاج الباحث إلى ضبط طاقة الليزر المحاصرة ، ووقت التشعيع ، وتركيز الجسيمات النانوية الفضية لتحقيق أفضل أداء. للبدء ، قم بتوجيه شعاع ليزر 532 نانومتر إلى المنفذ المرن لمجهر الملقط البصري. قم بمحاذاة شعاع الليزر الذي يبلغ طوله 532 نانومتر في مسارات الاستريو مزدوجة الطبقة لمجهر الملقط البصري مع مرآة ثنائية اللون طويلة التمرير بطول 750 نانومتر لدمجها مع أشعة الليزر الأصلية للاحتباس للتركيز على غرفة العينة.
اجمع الضوء المتناثر من غرفة العينة باستخدام مرآة ثنائية اللون طويلة التمرير بطول 750 نانومتر وأعد توجيهها إلى مطياف يحتوي على كاميرا جهاز مقترن بالشحن مبرد بالنيتروجين السائل. ضع مرشحا من الشق 532 نانومتر أمام فتحة مدخل مقياس الطيف قبل الاكتساب الطيفي. نظف الشريحة الزجاجية وقم بتغطية الانزلاق بالماء والإيثانول.
قم بتوصيل شريط الإطار بالشريحة الزجاجية لإنشاء غرفة. أضف بضع قطرات من محلول DSNB للجسيمات النانوية الفضية في الإطار. ضع الغطاء على شريط الإطار وقم بإغلاقه.
أضف النيتروجين السائل إلى حاوية كاميرا الجهاز المقترن بالشحن المبرد بالنيتروجين السائل حتى تصل درجة الحرارة إلى 120 درجة مئوية تحت الصفر. قم بحظر مسار شعاع مسبار رامان باستخدام شاشة أمان ليزر مغناطيسية ، ثم قم بتشغيل ليزر مصدر إثارة رامان الذي يبلغ طوله 532 نانومتر. قم بإصلاح غرفة العينة باستخدام محلول DSNB للجسيمات النانوية الفضية على حامل الغرفة.
أضف الماء إلى الهدف المغمور بالماء ، ثم ضع حامل الغرفة على الفور على المسرح الدقيق فوق الهدف. قم بإسقاط زيت الغمر أعلى الغطاء ووضع المكثف المغمور بالزيت لتصور الجسيمات على كاميرا المجهر. اضبط موضع Z للهدف عن طريق تدوير مقبض المجهر حتى يتم تركيز شعاع مسبار رامان الذي يبلغ طوله 532 نانومتر على السطح الزجاجي السفلي للحجرة ، مما يظهر بقعة بيضاء على كاميرا المجهر.
اضبط مواضع X و Y للمرحلة الدقيقة لتحريك الغرفة لوضع المنطقة الوسطى من الغرفة في البقعة البيضاء. افتح برنامج التحكم البصري في الملقط واستخدم التحكم في عصا التحكم المجهزة لتحريك ليزر الاصطياد 1،064 نانومتر للتداخل مع البقعة البيضاء. بعد ذلك ، اضبط مقبض المجهر لتحريك موضع Z للهدف لأعلى.
قم بتشغيل ليزر الاصطياد بسعة 1،064 نانومتر لجذب جسيمات الفضة النانوية في غرفة العينة وإنشاء مجموعة جسيمات الفضة النانوية البلازمونية. اخفض شعاع الليزر المحاصر لتجنب ارتفاع درجة الحرارة أو تكوين الفقاعات عند الحاجة. اضبط موضع المرحلة الدقيقة للعينة لوضع البقعة المظلمة من مجموعة الجسيمات النانوية الفضية البلازمونية تحت تركيز شعاع مسبار رامان الذي يبلغ طوله 532 نانومتر لإجراء قياسات طيفية.
ضع مرشحات الكثافة المحايدة أمام منفذ ليزر رامان بسعة 532 نانومتر لضبط الطاقة إلى 10 ميجاوات. أدخل وقت الاكتساب في لوحة الإعداد في برنامج الطيف وانقر على زر الحصول لبدء الاكتساب الطيفي. بدون ليزر المحاصرة ، ولدت الجسيمات النانوية الفضية المنتشرة في غرفة العينة طيفا أسود.
يمكن أن تؤدي زيادة الطاقة وتمديد وقت تشعيع ليزر الاصطياد إلى جذب المزيد من الجسيمات النانوية الفضية وتوليد بقعة داكنة. وبما أن جسيمات الفضة النانوية المشتتة كانت تحت الحركة البراونية، فإن تقاطعات الجسيمات كانت كبيرة وغير مستقرة. كانت الكثافة الإجمالية ل DSNB في مجموعة الجسيمات النانوية الفضية البلازمونية أعلى من تلك الموجودة في جسيم الفضة النانوي المشتت.
وبالنظر إلى شدة الذروة المميزة عند 1، 444 سنتيمترا معكوسا، يمكن أن توفر مجموعة الجسيمات النانوية الفضية البلازمونية تعزيزا بمقدار 50 ضعفا تقريبا لإشارة رامان الطيفية المعززة سطحيا ل DSNB مقارنة بالجسيمات النانوية الفضية المشتتة. تم رسم شدة القمم المميزة ل DSNB عند 1 و 152 و 1 و 444 و 1 ، 579 سم عكسيا عبر أطياف رامان ال 20 المعززة بالسطح كرسوم بيانية مع انحرافات معيارية نسبية تبلغ 6.88 و 6.59 و 5.48٪ على التوالي. أهم شيء في هذا الإجراء هو تحديد موقع ليزر مسبار رامان 532 نانومتر وتداخله مع ليزر الاصطياد 1،064 نانومتر.
تمهد هذه التقنية الطريق للباحثين للكشف عن جزيئات التحليل مع التحكم المكاني والزماني في ظل الظروف الفسيولوجية للتحليل المستقبلي في الجسم الحي.
نظرة عامة
يصف هذا البروتوكول طريقة لدمج الحصر البصري مع مطيافية رامان المحسنة بالسطح (SERS) للتحكم في الجسيمات النانوية البلازمونية من أجل الكشف الجزيئي عالي الحساسية. يتيح هذا النهج إجراء قياسات طيفية في الموقع دون الحاجة إلى استخدام عوامل تجميع، مما يعزز إشارات SERS للمواد المراد تحليلها.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- علم الأعصاب
- الفيزياء الحيوية
- الكيمياء التحليلية
خلفية علمية
- يُعد الاحتجاز البصري ومطيافية رامان المحسنة سطحياً (SERS) تقنيتين قويتين للكشف الجزيئي.
- غالبًا ما تتطلب الطرق التقليدية عوامل تجميع، والتي قد تتداخل مع التحليل الحساس للجزيئات الحيوية.
- تقدم هذه الدراسة نهجاً جديداً يلغي الحاجة إلى مثل هذه العوامل.
- تعتبر هذه الطريقة مناسبة للظروف الفسيولوجية، مما يجعلها قابلة للتطبيق في الكشف عن المؤشرات الحيوية.
الهدف من الدراسة
- تطوير بروتوكول لتجميع جسيمات نانوية نشطة بتقنية SERS دون استخدام عوامل تجميع.
- تعزيز حساسية الكشف الجزيئي في البيئات الفسيولوجية.
- توفير منصة للتحليل المستقبلي للجزيئات الحيوية داخل الجسم (in vivo).
الطرق المستخدمة
- دمج تقنية الاحتجاز البصري مع مطيافية تشتت رامان المحسنة سطحياً (SERS) للتحكم في الجسيمات النانوية.
- استخدام ليزر بطول موجي 532-nanometer للإثارة وليزر احتجاز بطول موجي 1,064-nanometer.
- ضبط قدرة الليزر ووقت التشعيع لتحقيق التجميع الأمثل للجسيمات النانوية.
- جمع البيانات الطيفية باستخدام كاميرا CCD مبردة بالنيتروجين السائل.
النتائج الرئيسية
- أظهر تجميع جسيمات الفضة النانوية البلازمونية تعزيزاً في إشارة SERS بمقدار 50 ضعفاً مقارنة بالجسيمات النانوية المشتتة.
- تم الكشف عن القمم المميزة للمواد المُحللة باستمرار وبكثافة عالية.
- كانت الانحرافات المعيارية النسبية للقمم منخفضة، مما يشير إلى قياسات موثوقة.
- تسمح هذه الطريقة بالتحكم الدقيق في الجوانب المكانية والزمانية لتجميع الجسيمات النانوية.
الاستنتاجات
- توفر هذه التقنية تقدماً ملموساً في الكشف عن الجزيئات الحيوية تحت الظروف الفسيولوجية.
- يعزز غياب عوامل التجميع من موثوقية النتائج.
- قد تشمل التطبيقات المستقبلية التحليل الحي (in vivo) للمؤشرات الحيوية للأمراض.
الأسئلة الشائعة
الأهمية التنفيذية في القطاع الصناعي
تعالج منصات SERS المتكاملة مع الاحتجاز الضوئي حاجة ماسة للكشف الجزيئي فائق الحساسية والقابل للتكرار في بيئات ذات صلة فسيولوجياً دون استخدام عوامل تجميع كيميائية. وتعزز هذه القدرة الثقة التنبؤية في اكتشاف المؤشرات الحيوية في مراحلها المبكرة، كما تدعم تدفقات عمل تحليلية قوية لاستقصاء الأنظمة ذات الصلة بالأمراض. كما يتيح التحكم المكاني والزماني للطريقة في تجميع الجسيمات النانوية إجراء تحليلات موثوقة ومنخفضة الاضطراب، وهي تحليلات ضرورية لمسارات البحوث الانتقالية.
التطبيقات الاستراتيجية في البحث والتطوير في مجال الأدوية الحيوية
الاكتشاف المبكر والتحقق من الهدف
- يتيح الاستجواب المباشر للأهداف الجزيئية الحيوية في المحلول تحت الظروف الفسيولوجية.
- يقلل من الغموض الميكانيكي عن طريق إزالة تداخل عوامل التجميع في الكشف الجزيئي.
- يدعم التحقق الوظيفي من الأهداف من خلال تعزيز إشارة SERS الكمية والقابلة للتكرار.
- يسهل الثقة التنبؤية في تحديد المؤشرات الحيوية المبكرة وفرزها.
الفحص وتطوير المقايسة
- توفير منصة قياسية خالية من التكتلات لتحضير تجمعات نشطة بتقنية SERS في الأنظمة الموائعية الدقيقة أو الأنظمة المائية.
- تقديم مخرجات كمية وقابلية تكرار عالية مع انحراف معياري نسبي منخفض عبر القياسات.
- تمكين تطوير مقايسات قابلة للتوسع لفحص المركبات أو المؤشرات الحيوية الحساسة.
- دعم التقييم الموثوق لجزيئات المادة المحللة عند تركيزات أقل من النانومولار.
الأبحاث الترجمية وما قبل السريرية
- يتماشى مع تحليل الأنظمة ذات الصلة بالأمراض من خلال تمكين الكشف في الموقع (in situ) ضمن البيئات الفسيولوجية.
- يحافظ على الاستمرارية الانتقالية من مرحلة الاكتشاف وصولاً إلى التحقق قبل السريري عن طريق تقليل اضطراب العينات.
- يقلل المخاطر المرتبطة بقرارات التطوير من خلال توفير بيانات توصيف جزيئية قوية وقابلة للتكرار.
- يدعم سير عمل تحليلات المؤشرات الحيوية في الجسم الحي (in vivo) مستقبلاً.
تكامل مسار العمل وسير العمل
تتكامل طريقة الحصر الضوئي-SERS هذه ضمن السلسلة الممتدة من مرحلة الاكتشاف وصولاً إلى الدراسات قبل السريرية، مما يدعم اختبار الفرضيات، والتحقق من الأهداف، وسير عمل المؤشرات الحيوية الانتقالية.
- بيولوجيا الاكتشاف: تسهل الكشف القائم على الفرضيات عن المواد التحليلية وتوضيح المسارات في بيئات شبيهة بالبيئات الأصلية.
- الفحص: يقدم مخرجات SERS كمية وقابلة للتكرار لتقييم جاهزية المقايسة والمركبات.
- التحليلات: يوفر قياسات طيفية قوية ومخرجات إحصائية للمقارنة بين الظروف المختلفة.
- الأبحاث الانتقالية: تتيح مواءمة المؤشرات الحيوية والاستمرارية في النماذج قبل السريرية بأقل قدر من الاضطراب.
- إعادة الاستخدام المؤسسي: يوفر قدرة تحليلية قابلة لإعادة الاستخدام وخالية من التجميع لتلبية احتياجات الكشف الجزيئي المتنوعة.
التأثير التشغيلي والمؤسسي
- القيمة العلمية: تعزز الثقة التنبؤية والتحقق من الأهداف من خلال تمكين الكشف الحساس والقابل للتكرار دون وجود شوائب ناتجة عن التكتل.
- القيمة التشغيلية: توحد عملية تشكيل وتوصيف التجمعات النشطة بتقنية SERS لضمان سير عمل قابل للتطوير والتكرار.
- القيمة الاستراتيجية: تحسن جودة قرارات المتابعة أو الإيقاف وكفاءة رأس المال من خلال تقليل المخاطر التحليلية في المراحل المتأخرة.
- تأثير المحفظة: تدعم ترتيب الأولويات المعدلة حسب المخاطر ودفع برامج المؤشرات الحيوية والأهداف إلى الأمام.
اعتبارات التنفيذ
- يتطلب خبرة في الاحتجاز البصري، وأجهزة SERS، والتحليل الطيفي.
- يتطلب الوصول إلى مجاهر الملقط البصري ثنائية الليزر ومطيافات CCD المبردة بالنيتروجين السائل.
- يستلزم توحيد معايير محاذاة الليزر، والقدرة، ومعلمات الاستحواذ بين الفرق المختصة.
- قابل للتكيف مع مختلف أنظمة الجسيمات النانوية المطلية بالمحللات ومنصات الموائع الدقيقة.
- قد يعتمد الأداء على التداخل المكاني الدقيق والتحكم البيئي وفقاً لما يدعمه البروتوكول.
