通过金纳米颗粒与葫芦[n]脲聚集体中精确等离激元纳米间隙的形成实现尿酸的定量SERS检测

摘要

在水溶液中形成葫芦[7]脲与尿酸的主客体复合物后，将其少量加入金纳米粒子（Au NP）溶液中，利用模块化光谱仪进行定量表面增强拉曼光谱（SERS）检测。

摘要

本研究介绍了一种通过表面增强拉曼光谱（SERS）快速、高灵敏定量检测重要生物标志物尿酸（UA）的方法，使用模块化光谱仪在指纹区多个特征峰处实现了约0.2 μM的低检测限。该生物传感策略基于大环主体分子葫芦[7]脲（CB7）与尿酸之间的主客体络合作用，并在自组装的金纳米粒子：CB7（Au NP: CB7）纳米聚集体中形成精确的等离子体纳米间隙。此外，采用经典的柠檬酸盐还原法简便地合成了适用于SERS基底的理想尺寸金纳米粒子，亦可选择使用实验室自制的自动合成仪辅助完成。该方案可轻松拓展用于体液中多种生物标志物的多重检测，具有临床应用潜力。

引言

尿酸是嘌呤核苷酸代谢的终产物，是血液和尿液中重要的生物标志物，可用于诊断痛风、子痫前期、肾脏疾病、高血压、心血管疾病和糖尿病等疾病^1,2,3,4,5。目前检测尿酸的方法包括比色酶法、高效液相色谱法和毛细管电泳法，这些方法耗时较长、成本较高，且需要复杂的样品前处理过程^6,7,8,9。

表面增强拉曼光谱是一种有前景的常规即时诊断技术，因其可通过分子振动指纹实现生物分子的选择性检测，并具备高灵敏度、响应快速、操作简便以及无需或仅需极少样品前处理等优势。基于贵金属纳米颗粒（如 Au NPs）的 SERS 基底可将分析物分子的拉曼信号增强 4 到 10 个数量级¹⁰ 通过表面等离子体共振引起的强电磁增强¹¹. 与耗时....

方案

1. 金纳米颗粒的合成

1. 通过传统Turkevich方法合成金种子²⁶
   1. 在玻璃小瓶中，将98.5 mg HAuCl₄·3H₂O前驱体溶于10 mL去离子水中，配制10 mL 25 mM的HAuCl₄溶液。
      注意：取少量HAuCl₄前驱体置于称量舟中，使用塑料刮勺而非金属刮勺称量晶体，因为HAuCl₄前驱体会腐蚀金属实验器具。称量操作应尽可能迅速，因HAuCl₄具有吸湿性，会从空气中吸收水分而随时间增加重量。HAuCl₄具有强腐蚀性，可导致严重皮肤灼伤和眼部损伤。操作时需格外小心。
   2. 在玻璃小瓶中，将64.5 mg柠檬酸钠粉末溶于0.5 mL去离子水中，配制0.5 mL 500 mM的柠檬酸钠溶液。
   3. 在250 mL蓝盖瓶中，将1 mL 25 mM HAuCl₄溶液用99 mL水稀释，得到100 mL 0.25 mM的HAuCl₄溶液。
   4. 将99.5 mL 0.25 mM HAuCl₄溶液加入配有冷凝管的250 mL三颈圆底烧瓶中。在剧烈搅拌下加热至90 °C，并维持该温度15分钟。
   5. 向反应混合物中注入0.5 mL 500 mM....

结果

在本研究的金纳米颗粒（Au NP）合成过程中，紫外-可见光谱显示，经过10次生长步骤后，局域表面等离子体共振（LSPR）峰从521 nm红移至529 nm（图4A,B）；同时，动态光散射（DLS）数据表明，随着金纳米颗粒尺寸从25.9 nm增大至42.8 nm，其尺寸分布保持狭窄（图4C,D）。根据透射电子显微镜（TEM）图像测量得到的G0、G5和G10代颗粒的平均尺寸分别为20.1 ± 2.1 nm、32.5 ± 2.3 nm和40.0 ± 2.2 nm（每种情况下统计了200个颗粒）（图4E）。这些结果表明，该实验方案能够有效合成尺寸均一、分散性良好的金纳米颗粒。

在本研究的表面增强拉曼散射（SERS）实验中，CB7与UA形成了主客体复合物，空的CB7介导了金纳米颗粒：CB7纳米聚集体内部精确等离激元纳米间隙的形成，SERS谱图中UA.......

讨论

本方案中描述的自动合成方法可重复性地制备尺寸逐渐增大的金纳米颗粒（Au NPs）。尽管仍有一些步骤需要手动完成，例如在种子合成过程中快速加入柠檬酸钠，以及定期检查以确保聚醚醚酮（PEEK）管路固定牢固，但该方法使得大尺寸金纳米颗粒（最大可达40 nm）的合成成为可能。这类大尺寸颗粒通常需要多次手动注入HAuCl₄和柠檬酸钠，而本方法则可通过长时间连续加料实现合成。

可进一步表征以阐明CB复合物的基本性质。例如，通常可采用¹H核磁共振（NMR）确认主客体复合物的形成，若发生复合，谱图中应出现信号的化学位移上移及峰展宽^21,22,25。然而，由于尿酸（UA）缺乏不可交换的质子，¹H NMR不适用于UA的检测。可采用其他技术如¹³C NMR.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
40 nm 金纳米颗粒	NanoComposix	AUCN40-100M	NanoXact，0.05 mg/mL，裸露（柠檬酸盐）
离心管	Corning Falcon	14-432-22	50 mL 容量
葫芦[7]脲	实验室自制		参见参考文献19
三水合氯金酸	Sigma Aldrich	520918	≥99.9% 痕量金属基准
鲁尔锁一次性注射器	Cole-Parmer	WZ-07945-15	3 mL 容量
鲁尔接头转 MicroTight 适配器	LuerTight	P-662	外径 360 μm 的管路转鲁尔注射器
PEEK 管路	IDEX	1572	外径 360 μm，内径 150 μm
PEEK 管路切割器	IDEX	WZ-02013-30	适用于外径 360 µm 至 1/32" 的毛细管聚合物色谱管路切割器
拉曼光谱仪	Ocean Optics	QE pro
二水合柠檬酸三钠	Sigma Aldrich	S4641	ACS 试剂，≥99.0%
超声仪
标准探头	Digi-Sense	WZ-08516-55	K 型
注射泵	Aladdin	ALADDIN2-220	双注射器，最大注射器容量 60 mL
热电偶温度计	Digi-Sense	WZ-20250-91	单输入热电偶温度计，具备 NIST 可追溯校准
ThermoMixer	Eppendorf	5382000031	配备适用于 50 mL 管的 Eppendorf SmartBlock
尿酸	Sigma Aldrich	U2625	≥99%，结晶状