本研究开发了一种低成本、生物相容性良好的基于表面增强拉曼散射(SERS)的指纹纳米探针,可用于无标记活细胞生物成像并检测两种细菌菌株,详细展示了如何以非破坏性方法获取活细胞的SERS光谱。
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本研究开发了一种低成本、生物相容性良好的基于表面增强拉曼散射(SERS)的指纹纳米探针,可用于无标记活细胞生物成像并检测两种细菌菌株,详细展示了如何以非破坏性方法获取活细胞的SERS光谱。
表面增强拉曼散射(SERS)技术因其能够提供生物样本的分子指纹信息以及在单细胞分析中的潜力,近年来在生物医学领域受到越来越多的关注。本研究旨在建立一种基于金@碳点纳米探针(Au@CDs)的无标记SERS生物分析简易策略。在此,利用多酚衍生的碳点作为还原剂,快速合成核壳结构的Au@CD纳米材料,由于其协同拉曼增强机制,即使亚甲基蓝(MB)浓度低至10-9 M时仍表现出优异的SERS性能。在生物分析中,Au@CDs可作为独特的SERS纳米传感器,用于识别生物样本(如癌细胞和细菌)的细胞组分。结合主成分分析,可进一步区分不同物种的分子指纹。此外,Au@CDs还能够实现无标记SERS成像,用于分析细胞内成分分布。该策略为纳米诊断开辟了新前景,提供了一种可行的无标记SERS生物分析方法。
单细胞分析对于揭示细胞异质性和评估细胞的全面状态至关重要。细胞对微环境的即时响应也要求进行单细胞分析1。然而,现有技术仍存在一些局限性。荧光检测可用于单细胞分析,但其灵敏度较低。此外,细胞自身复杂的荧光背景以及在长期照射下发生的荧光漂白现象也带来了其他挑战2。表面增强拉曼散射(SERS)由于具备以下优势,可能适用于单细胞分析:(1)能够反映分子固有的指纹信息和瞬时状态;(2)极高的表面灵敏度;(3)便于实现多重检测;(4)高光稳定性;(5)检测结果可量化,便于比较分析;(6)采用近红外(NIR)波长激发可避免细胞自发荧光干扰;(7)可在细胞水相环境中进行检测;(8)可针对细胞内特定区域进行检测3,4,5。
目前普遍认可的两种机制可用于从基本现象层面理解表面增强拉曼散射(SERS):以电磁增强(EM)为主导机制,以及化学增强(CM)。电磁增强是指,在特定频率的激发场作用下,当入射光频率与金属中自由电子的振荡频率相匹配时,电磁波驱动集体电子发生振荡,从而引发表面等离激元共振(SPR)。当入射激光作用于金属纳米颗粒(NPs)并引发局域表面等离激元共振(LSPR)时,会导致入射光的共振吸收或散射。 因此,金属纳米颗粒表面的电磁场强度可增强两个到五个数量级4然而,SERS 增强效应的关键并非单个金属纳米颗粒,而是两个纳米颗粒之间的间隙,该间隙可形成热点。化学机制(CM)来源于两个方面:(1)目标分子与金属纳米颗粒之间的相互作用;(2)目标分子能够向金属纳米颗粒转移电子。4,5更详尽的细节可参见以下综述文章4,5已有若干文献报道了在活细胞中进行表面增强拉曼散射(SERS)生物传感与成像的有前景方法,例如凋亡细胞的检测6细胞器中的蛋白质7细胞内miRNA8细胞脂质膜9细胞因子10和代谢物11 在活细胞中,以及通过共聚焦SERS成像对细胞的识别与监测2,11,12,13有趣的是,无标记表面增强拉曼光谱(SERS)具有SERS的独特优势,能够描述分子内部的光谱特征5.
无标记表面增强拉曼散射(SERS)面临的一个主要问题是缺乏合理且可靠的基底。典型的SERS基底是贵金属纳米颗粒(NPs),因其具有优异的强光散射能力14。如今,由于纳米复合材料具有显著的物理化学性质和良好的生物相容性,人们对其关注日益增加。更重要的是,由于纳米杂化结构中的“热点”可产生强烈的电磁场(EM),同时非金属材料还能提供额外的化学增强效应,因此纳米复合材料可表现出更优的SERS活性15。例如,Fei等人利用二硫化钼(MoS2)量子点(QDs)作为还原剂,合成了Au NP@MoS2 QD纳米复合材料,用于小鼠4T1乳腺癌细胞(4T1细胞)的无标记近红外(NIR)SERS成像16。此外,Li等人构建了一种由金纳米颗粒(Au NPs)和二维铪碲化物(hafnium ditelluride)纳米片组成的二维SERS基底,用于食源性致病菌的无标记SERS检测17。最近,碳点(CDs)作为一种优良的电子供体,已被用作还原剂,在无需其他还原剂或辐照的条件下合成Au@碳点纳米探针(Au@CDs)18,据报道,这种材料可通过Au核与CD壳之间的电荷转移(CT)效应有效增强SERS信号19,20。不仅如此,碳点还被公认为是一种封端剂和稳定剂,可防止Au纳米颗粒发生聚集21。此外,碳点能提供大量结合位点和活性位点,从而为与分析物的进一步反应创造了更多可能性20。利用上述优势,Jin等人开发出一种快速且可控的方法,用于制备具有独特SERS特性和优异催化活性的Ag@CD纳米颗粒,可实现实时监测非均相催化反应18。
本文展示了一种简便且低成本的方法,用于制备核壳结构的金-环糊精(Au@CD)表面增强拉曼散射(SERS)基底,可用于识别细胞组分、无标记SERS活细胞生物成像,以及检测并区分大肠杆菌(Escherichia coli,E. coli)和金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus,S. aureus),该方法在疾病早期诊断及深入理解细胞过程方面具有广阔应用前景。
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1. Au@CDs 的制备
注意:图1 展示了 Au@CDs 的制备流程。
2. Au@CDs的表征
3. 细胞培养
4. 细胞表面增强拉曼散射实验
5. 细菌培养与表面增强拉曼散射测量
6. 数据分析
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Au@CDs 的制备过程如图所示 图1. 碳点由CA和GA制备 通过 一种典型的水热法18. 通过还原HAuCl快速合成了Au@CDs4 在室温水相中通过CDs形成。CDs和Au@CDs的尺寸与形貌可通过透射电子显微镜(TEM)及高分辨率(HR)TEM观察。23制备的碳点呈单一分散,尺寸较小,约为2-6 nm(图 2A)。球形金核被一层约2.1 nm的CD壳包覆(图2B,C 和 补充图 1).
为了确认 CDs 和 Au@CDs 的结构,通过记录傅里叶变换红外光谱(FT-IR)来分析有机官能团(图...
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综上所述,已成功制备出具有2.1 nm超薄碳点(CD)壳层的Au@CDs纳米复合材料。该纳米复合材料表现出优于纯金纳米颗粒(Au NPs)的表面增强拉曼散射(SERS)灵敏度。此外,Au@CDs在重现性和长期稳定性方面也表现出优异性能。后续研究包括将Au@CDs作为SERS基底用于A549细胞的SERS成像31 以及两种细菌菌株的检测32。研究已证实,Au@CDs可作为超灵敏的SERS探针,其增强机制主要基于金纳米颗粒与碳点之间的化学增强效应。
在之前方案的SERS测量过程中有几个关键点。首先,在将Au@CDs应用于细胞和细菌样品之前,必须确保使用性能优良的SERS基底配方以及合适的浓度,这一点可通过染料分子进行验证。其次,由于生物样品具有复杂性和动态性,细胞中各检测位点的SERS谱图并不一致。
若采用较大的激光光斑,来自不同点的表面增强拉曼光谱(SERS)将更为相似。需要注意的是,同一细胞位点在不同激光功率下测得的SER...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作得到了国家自然科学基金(32071399 和 62175071)、广州市科技计划项目(2019050001)、广东省基础与应用基础研究基金(2021A1515011988)以及中国教育部光电子科学与技术重点实验室(福建师范大学)开放基金(JYG2009)的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 10x PBS缓冲液(细胞培养) | Langeco Technology | BL316A | |
| 6孔细胞培养板 | LABSELECT | 11110 | |
| 细胞计数试剂盒-8(CCK-8) | GLPBIO | GK10001 | |
| 柠檬酸 | 上海阿拉丁生化科技 | C108869 | |
| CO2 培养箱 | Thermo Fisher Technologies | 3111 | |
| 恒温磁力搅拌器 | Sartorius Scientific Instruments | SQP | |
| 冷冻高速离心机 | 上海博迅 | SW-CJ-2FD | |
| DMEM高糖细胞培养基 | Procell | PM150210 | |
| 电子天平 | Sartorius Scientific Instruments | SQP | |
| 酶标仪 | Thermo Fisher Technologies | 3111 | |
| 胎牛血清 | 浙江天航生物科技 | 11011-8611 | |
| 图1 | Figdraw. | ||
| 傅里叶变换红外光谱仪 | Thermo, 美国 | Nicolet 380 | |
| 冷冻干燥机 | Tecan | Infinite F50 | |
| 没食子酸 | 上海阿拉丁生化科技 | G104228 | |
| 手持式拉曼光谱仪 | OCEANHOOD, 中国上海 | Uspectral-PLUS | |
| HAuCl4 | 广州医药公司(广州) | ||
| 高分辨率透射电子显微镜 | Thermo Fisher Technologies | FEI Tecnai G2 Spirit T12 | |
| 高温高压灭菌锅 | 上海博迅 | YXQ-LS-50S ![]() | |
| 倒置显微镜 | 南京江南永新光学 | XD-202 | |
| LB肉汤BR | 环凯微生物 | 028320 | |
| 医用超低温冰箱 | Thermo Fisher Technologies | ULTS1368 | |
| 亚甲蓝 | Sigma-Aldrich | ||
| 胰蛋白酶细胞消化液 | beyotime | C0207 | |
| 青霉素-链霉素双抗 | 上海博迅 | YXQ-LS-50S ![]() | |
| 纯水仪 | Millipore, 美国 | Milli-Q System | |
| 拉曼光谱仪 | Renishaw | ||
| 蓝宝石芯片 | beyotime | ||
| 恒温水浴锅 | 常州诺基 | ||
| 超净工作台 | 上海博迅 | SW-CJ-2FD | |
| 紫外-可见光吸收光谱仪 | MADAPA, 中国 | UV-6100S | |
| 线缆3.4 | Renishaw |
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