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方法文章

基于金@碳点纳米探针的无标记表面增强拉曼散射生物分析

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DOI:

10.3791/65524

2023年6月9日

本文内容

摘要

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。

摘要

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。

引言

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 coliE. coli)和金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureusS. 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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方案

1. Au@CDs 的制备

注意:图1 展示了 Au@CDs 的制备流程。

  1. 使用柠檬酸(CA)和没食子酸(GA)制备CD溶液 通过 一种典型的水热处理步骤18加入100 µL的3.0 mg/mL-1 将制备好的CD溶液取一定量加入200 µL的10 mM氯金酸(HAuCl₄)溶液中4)(参见 材料表室温下振荡10秒,直至形成紫色悬液。
  2. 将紫色悬液在4,000 × g 室温孵育10分钟,若去除Au@CD胶体较为困难,可使用移液器小心吸除上清液。
  3. 用200 µL去离子水(电阻率为18.2 MΩ·cm)重悬Au@CDs,以洗涤过量的CDs。
  4. 重复步骤1.2,获得核壳纳米颗粒,重新分散于100 µL去离子水中,4 °C保存。纳米颗粒可保存1个月。

2. Au@CDs的表征

  1. 透射电子显微镜(TEM)
    1. 将CD和Au@CD样品在-80 °C下冷冻过夜,从冷冻溶液中进行冻干,冻干后研磨成粉末。
    2. 通过超声处理,在100%功率下处理5分钟,将所得粉末样品充分分散于去离子水中。
    3. 将少量样品悬浮液滴加到覆盖有网状碳膜的铜镀膜TEM载网上,干燥后使用加速电压为200 kV的透射电子显微镜采集图像(参见材料表)。
  2. 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)
    1. 重复步骤2.1.1以获得粉末样品,在研钵中将少量预干燥的KBr颗粒研磨成粉末,加入少量样品,并同时与KBr粉末混合,用于红外表征16
  3. 紫外-可见-近红外(UV-vis-NIR)吸收光谱
    1. 制备适当浓度的CDs和Au@CDs悬浮液,确保吸光度低于1,并进行UV-vis-NIR表征16
  4. 拉曼光谱
    1. 开启785 nm半导体激光器,激光功率设为10 mW,物镜放大倍数为20倍。设置曝光时间为5秒,累积次数为三次。
    2. 将等体积的制备好的Au@CDs样品加入5 µL亚甲基蓝(MB)溶液中,并充分混合。
    3. 将一滴悬浮液滴加到黄铜基底上,采集表面增强拉曼散射(SERS)光谱。

3. 细胞培养

  1. 在添加了10%胎牛血清(FBS)和1%青霉素-链霉素的杜尔贝科改良伊格尔培养基(DMEM)中培养人肺上皮癌细胞(A549细胞,实验室传代培养),并将细胞置于37 °C、5% CO2的湿润培养箱中孵育。
  2. 将细胞以每孔1 × 105个细胞的密度接种于96孔板中,并用不同浓度(20–100 µM范围内)的Au@CDs处理。使用CCK-8试剂盒检测细胞活力(参见材料表)。每种处理设置三个独立重复。
  3. 进行SERS实验时,请按以下步骤操作:
    1. 将无菌蓝宝石芯片(参见材料表)放入12孔板中,然后将细胞以1 mL培养基接种至单个孔中。将培养板置于37 °C、5% CO2的湿润培养箱中孵育过夜,使细胞融合度达到70%–80%。
    2. 向单个孔中加入Au@CDs,并孵育4–6小时。
      注意:在孵育前,需检测基底的稳定性,尤其是溶液相纳米颗粒(NPs)。这些材料在储存和使用过程中易发生溶解、聚集和沉降,可能导致电磁损耗降低,从而减弱SERS活性。更重要的是,对于细胞摄取而言,纳米颗粒的尺寸可能产生显著影响22
    3. 在孵育过程中,基底将通过内吞作用进入细胞。孵育结束后,在光学显微镜下观察细胞,直至在细胞内观察到少量黑色颗粒。
      注意:若SERS信号较弱,可尝试提高Au@CDs的浓度或延长孵育时间。
    4. 移除培养基,用磷酸盐缓冲液(PBS)轻轻冲洗蓝宝石芯片,并将其浸入PBS中用于SERS检测16

4. 细胞表面增强拉曼散射实验

  1. 打开计算机,开启拉曼光谱仪,启动软件,然后打开 785 nm 激光器 (参见材料表)。
  2. 点击新建测量,开始新的光谱采集。在样品测量前,使用硅片进行校准17 。
  3. 使用 20 倍物镜以确保观察到清晰的细胞图像,然后更换为 50 倍物镜。将激光功率从低到高设置,并设定合适的曝光时间和累加次数。
    注意:在进行表面增强拉曼光谱(SERS)测量前,需检查合适的激光功率,以防止对细胞造成不可逆损伤,并确保采集参数的一致性。SERS 强度与激光功率、光斑尺寸、累加次数和曝光时间相关。
  4. 选择细胞上的测量点并点击运行。每个细胞测量 20 个点,共测量 10 个细胞取平均值。
    注意:细胞内组分复杂,导致光谱差异较大。因此,应在相似的细胞区域采集光谱,并尽可能多地采集光谱数据。
  5. 保存光谱数据。
  6. 点击新建流线成像采集,然后点击视频预览,选择需要拍摄的范围,点击确定。设置参数:785 nm 边缘滤光流线,中心波数为 1,200 cm-1,曝光时间为 5 秒,累加次数为 3 次,激光功率为 50%。
  7. 点击新建活细胞成像,选择信号与基线比值,设置范围从第一限值 625 到第二限值 1,700,然后点击区域设置。接着设置合适的步长,点击应用并确定。最后点击运行,开始进行 SERS 成像。

5. 细菌培养与表面增强拉曼散射测量

  1. 将大肠杆菌(E. coli)和金黄色葡萄球菌(S. aureus)的过夜培养物按1:100比例稀释至5 mL新鲜Luria-Bertani(LB)培养基中(参见材料表)。在37 °C培养至A600为0.4至0.6后, 于5,000 × g离心5 min以收集菌体。
  2. 用1 mL PBS重悬菌体沉淀,室温下以5,000 × g离心5 min,重复两次。
  3. 将细菌培养物与Au@CDs混合,并直接在SERS平台上观察混合物。

6. 数据分析

  1. 对光谱进行平滑处理并校正基线。
  2. 使用处理后的数据进行主成分分析(PCA)16 。

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结果

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 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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讨论

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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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

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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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
10x PBS缓冲液(细胞培养)Langeco TechnologyBL316A
6孔细胞培养板LABSELECT11110
细胞计数试剂盒-8(CCK-8)GLPBIOGK10001
柠檬酸上海阿拉丁生化科技C108869
CO2 培养箱Thermo Fisher Technologies3111
恒温磁力搅拌器Sartorius Scientific InstrumentsSQP
冷冻高速离心机上海博迅SW-CJ-2FD
DMEM高糖细胞培养基ProcellPM150210
电子天平Sartorius Scientific InstrumentsSQP
酶标仪Thermo Fisher Technologies3111
胎牛血清浙江天航生物科技11011-8611
图1Figdraw.
傅里叶变换红外光谱仪Thermo, 美国Nicolet 380
冷冻干燥机TecanInfinite 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 TechnologiesFEI Tecnai G2 Spirit T12
高温高压灭菌锅上海博迅YXQ-LS-50S figure-materials-1
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 TechnologiesULTS1368
亚甲蓝Sigma-Aldrich
胰蛋白酶细胞消化液beyotimeC0207
青霉素-链霉素双抗上海博迅YXQ-LS-50S figure-materials-2
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3.4Renishaw

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