Summary
在这项研究中，我们开发了一种低成本的基于表面增强拉曼散射（SERS）的指纹纳米探针，具有良好的生物相容性，以显示无标记活细胞生物成像并检测两种细菌菌株，详细展示了如何以无损方法获得活细胞的SERS光谱。
Abstract
表面增强拉曼散射（SERS）技术因其能够提供生物样品的分子指纹信息，以及在单细胞分析中的潜力，在生物医学领域受到越来越多的关注。这项工作旨在建立一种基于Au@carbon点纳米探针（Au@CDs）的无标记SERS生物分析的简单策略。在这里，多酚衍生的CD被用作还原剂，以快速合成核壳Au@CD纳米结构，由于协同拉曼增强机制，即使亚甲蓝（MB）的浓度低至10-9 M，也能提供强大的SERS性能。对于生物分析，Au@CDs可以作为独特的SERS纳米传感器来识别生物样品的细胞成分（例如癌细胞和细菌）。结合主成分分析，可以进一步区分不同物种的分子指纹图谱。此外，Au@CDs还可以进行无标记的SERS成像，以分析细胞内组成谱。该策略提供了一种可行的、无标记的SERS生物分析，为纳米诊断开辟了新的前景。
Introduction
单细胞分析对于揭示细胞异质性和评估细胞的综合状态至关重要。细胞对微环境的即时反应也保证了单细胞分析1。但是，当前技术存在一些限制。荧光检测可以应用于单细胞分析，但受到灵敏度低的限制。其他挑战来自细胞复杂的荧光背景和长期照射下的荧光光漂白2。表面增强拉曼散射（SERS）由于其优点，在单细胞分析方面可能符合条件，包括（1）反映固有的分子指纹信息和瞬时情况，（2）超高的表面灵敏度，（3）方便的多重检测，（4）高光稳定性，（5）检测可以量化进行比较分析，（6）避免近红外波长激发的细胞自发荧光，（7）可以在细胞水中进行检测环境，以及（8）检测可以指向小区3、4、5内的特定区域。
有两种广泛认可的机制可以将SERS理解为一种基本现象：电磁增强（EM）作为主要原因和化学增强（CM）。EM是指在给定频率的激发场中，当入射光的频率与金属中振荡的自由电子的频率相匹配时，由电磁波驱动的集体电子的振荡，从而产生表面等离子体共振（SPR）。当局部SPR（LSPR）通过入射激光撞击金属纳米颗粒（NPs）发生时，它会导致入射光的共振吸收或散射。因此，金属NPs的表面电磁场强度可以提高2到5个数量级4。然而，SERS大幅增强的关键不是单个金属NP，而是两个NP之间的差距，这会产生热点。CM从两个方面产生，包括（1）目标分子与金属NP之间的相互作用和（2）目标分子能够将电子转移到金属NP之间/从金属NP转移电子4,5。更详尽的细节可以在这些评论文章4,5中找到。以前的文献中已经提出了几种有前途的活细胞中SERS生物传感和成像方法，例如，检测凋亡细胞6，细胞器中的蛋白质7，细胞内miRNA，细胞内miRNA，细胞脂质膜，9细胞因子10和活细胞中的代谢物11，以及通过共聚焦SERS成像2鉴定和监测细胞，11,12,13.有趣的是，无标记SERS具有SERS的独特优势，可以描述内部分子光谱5。
无标记SERS的一个主要问题是合理可靠的底物。典型的SERS基板是贵金属NPs，因为它们具有出色的散射大量光的能力14。如今，纳米复合材料因其优异的物理化学性能和生物相容性而受到越来越多的关注。更重要的是，纳米复合材料可以表现出更好的SERS活性，因为纳米杂化物上的热点诱导了强烈的EM和来自其他非金属材料的额外化学增强15。例如，Fei等人使用MoS 2量子点（QD）作为还原剂来合成Au NP@MoS2QD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等人制造了由Au NPs和2D二碲化铪纳米片组成的2D SERS底物，用于食源性致病菌的无标记SERS测量17。最近，良好的电子供体碳点（CDs）被用作还原剂，无需其他还原剂或辐照来合成Au@carbon点纳米探针（Au@CDs）18，据报道，基于金核和CD壳之间的电荷转移（CT）效应，碳点（CDs）是增强SERS活性的有效材料19,20。不仅如此，CD被认为是防止金NPs聚集的封端剂和稳定剂21。此外，它为与分析物的反应开辟了更多的可能性，因为它可以提供大量的结合和活性位点20。利用上述优势，Jin等人开发了一种快速可控的方法来制备具有独特SERS特性和出色催化活性的Ag@CD NPs，用于实时监测多相催化反应18。
本文展示了一种简单且低成本的方法来制造核壳Au@CD SERS底物，以鉴定细胞成分和无标记SERS活细胞生物成像，以及检测和区分 大肠杆菌 （大肠杆菌）和 金黄色葡萄球菌 （S. aureus），这有望为疾病的早期诊断和更好地了解细胞过程。
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Protocol
1. Au@CDs的制造
注： 图 1 显示了Au@CDs的制造过程。
- 通过典型的水热处理程序18，使用柠檬酸（CA）和没食子酸（GA）制备CD溶液。将 100 μL 3.0 mg mL-1 制备的 CD 溶液加入 200 μL 10 mM 氯金酸 （HAuCl4）（参见材料表）中，在室温下持续 10 秒，直到产生紫色悬浮液。
- 在室温下以4,000× g 离心紫色悬浮液10分钟，如果难以去除Au@CD胶体，则使用移液管轻轻除去上清液。
- 用 200 μL 去离子水（电阻率为 18.2 MΩcm）重悬Au@CDs以洗涤多余的 CD。
- 重复步骤1.2并获得核壳NP，重新分散在100μL去离子水中，并储存在4°C。 NP可以存储1个月。
2. Au@CDs的表征
- 透射电子显微镜
- 将CD和Au@CD样品在-80°C下过夜，从冷冻溶液中冻干，冻干成粉末后粉碎。
- 通过超声处理将获得的粉末样品充分分散到去离子水中，以100%功率，5分钟。
- 将几滴样品悬浮液滴到覆盖有花边碳膜的铜涂层TEM网格上，并在干燥后使用透射电子显微镜在200 kV加速电压下捕获图像（参见 材料表）。
- 傅里叶变换红外光谱 （FT-IR）
- 重复步骤2.1.1以获得功率样品，将一些预干燥的KBr颗粒在研钵中研磨成粉末，加入少许样品，同时与KBr粉末混合以进行红外表征16。
- 紫外-可见-近红外（UV-vis-NIR）吸光光谱
- 以适当的浓度制备CD和Au@CDs悬浮液，以确保吸光度小于1，并进行紫外-对-近红外表征16。
- 拉曼光谱
- 打开 785 nm 半导体激光器，激光功率为 10 mW，反对放大倍率为 20 倍。将曝光持续时间设置为 5 秒，将累积数设置为 3。
- 将等体积的制备Au@CDs样品加入 5 μL 亚甲蓝 （MB） 溶液中并充分混合。
- 将一滴悬浮液放在黄铜基板上以收集SERS光谱。
3. 细胞培养
- 在补充有10%胎牛血清（FBS）和1%青霉素链霉素的Dulbecco改良Eagle培养基（DMEM）中培养人上皮肺癌细胞（A549细胞，在实验室中传代），并在37°C的加湿培养箱中用5%CO2孵育。
- 将细胞接种在96孔板（1×105 个细胞/孔）中，并用20-100μM范围内不同浓度的Au@CDs处理。 使用CCK-8检测试剂盒测量细胞活力（见 材料表）。每次处理中使用三个独立的重复项。
- 要执行 SERS 实验，请按照以下步骤操作：
- 将无菌蓝宝石芯片（参见 材料表）放入 12 孔板中，然后将细胞接种到装有 1 mL 培养基的单个孔中。将板在37°C的加湿培养箱中用5%CO2孵育过夜，以达到70%-80%汇合。
- 将Au@CDs加入单孔中并孵育4-6小时。
注意：孵育前，测试底物的稳定性，尤其是溶液相NP。这些材料在储存和使用过程中容易通过溶解、聚集和沉淀过程降解，这可能会减少电磁损失并降低SERS活性。更重要的是，对于细胞摄取，它可能在很大程度上受到NPs22的大小的影响。 - 在孵育过程中，底物将通过内吞摄取进入细胞。孵育后，在光学显微镜下观察细胞，直到细胞内看到一些黑色颗粒。
注意：如果SERS强度较弱，请尝试提高Au@CD浓度或延长孵育时间。 - 取出培养基，用磷酸盐缓冲盐水 （PBS） 轻轻冲洗蓝宝石片，然后将其浸入 PBS 中进行 SERS 检测16。
4. 细胞SERS实验
- 打开计算机，打开拉曼光谱仪，启动软件，然后打开785 nm激光器（见 材料表）。
- 单击 “新建测量 ”并开始新的光谱采集。在样品测量前用硅晶片校准17。
- 使用20倍物镜以确保观察到清晰的细胞图像，然后将物镜更换为50倍。设置激光功率从低到高以及适当的曝光时间和累积。
注意：在SERS测量之前，请检查适当的激光功率以防止不可逆的电池损坏，并确保采集参数一致。SERS强度与激光功率、光斑尺寸、积累和曝光时间有关。 - 选择要测量的单元格点，然后单击 运行。每个细胞由 20 个点测量，测量 10 个细胞以取平均值。
注意：细胞内成分很复杂，导致光谱差异很大。因此，在相似的细胞区域获取光谱并获取尽可能多的光谱。 - 保存光谱。
- 单击“ 新建简化图像采集”，然后单击 “视频查看”，选择要拍摄的范围，然后单击 “确定”。设置参数：785 nm边缘流线，中心1,200 cm-1，曝光持续时间为5秒，累积数为3，激光功率为50%。
- 单击“ 活体成像的新”，选择 “信号到基线”，设置从第一个限制 625 到第二个限制 1,700 的范围，然后单击 区域设置。然后设置正确的步骤，然后单击“ 应用”和“确定”。最后，单击 “运行 ”开始执行 SERS 映像。
5. 细菌培养和SERS测量
- 在 5 mL 的新型 Luria-Bertani （LB） 培养基中稀释大 肠杆菌 和 金黄色葡萄球菌 的过夜培养物 （1：100）（参见 材料表）。在37°C下生长至A 600 0.4至0.6后，将培养物以5,000 ×g 离心5分钟以沉淀细胞。
- 将沉淀重悬于1mL PBS中，然后进行5分钟5,000 × g 离心（室温下）两次。
- 将细菌培养物与Au@CDs混合，并直接在SERS平台下方观察混合物。
6. 数据分析
- 平滑光谱并校正基线。
- 对处理后的数据执行主成分分析（PCA）16。
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Representative Results
Au@CDs的制造如图1所示。CD由CA和GA通过典型的水热工艺制备18。Au@CDs是在室温下通过CD在水性介质中还原HAuCl4来快速合成的。CD和Au@CDs的大小和形态可以通过TEM和高分辨率（HR）TEM23观察到。制备的CD是单分散的，尺寸接近2-6nm（图2A）。球形金核涂有一层约2.1nm的CD壳（图2B，C和补充图1）。
为了确认CD和Au@CDs的结构，记录了FT-IR光谱以分析有机官能团（图2D）。3,000-3,600/2,500-2,800 cm-1、1,251/1,629 cm-1和1,471 cm-1的带可分别分配给O-H拉伸振动、C=O拉伸振动和C-O拉伸振动，分别为24,25。此外，1,741 cm-1处的拉伸振动带与C-C 24有关。来自GA和CA的一些官能团也存在于CD和Au@CDs中，表明NPs的成功合成。 CD的紫外-可见吸收光谱在265nm处具有特征峰，表明碳核26中存在分离的芳香族结构，该结构在还原时消失。Au@CDs光谱在545nm处表现出特征峰，该峰与金核的SPR吸收带相关，表明复合纳米结构的制造（图2E）。
如图3A，B所示，即使MB浓度低至10-9 M，与金NPs相比，Au@CDs表现出优异的SERS性能。增强因子（EF）可以通过以下公式16计算，其中I SERS和I 0分别表示SERS光谱和法向拉曼的拉曼强度，C SERS和C0分别表示用于SERS和拉曼测量的底物分子的浓度。以1,620 cm-1的MB计算，Au@CDs EF接近2.1×105，大约是金NPs（6.8×104）的3倍。
可以检测到一些特征峰，例如770 cm-1（C-H的面内弯曲），1,398 cm-1（C-N的对称拉伸）和1,625 cm-1（C-C环拉伸），这与报道的文献一致27。 同时，检测10-5 M至10-9 M的MB，取1,620 cm-1处的SERS波段进行定量;线性关系定义为 y = 0.2437x + 2.1756 （R2 = 0.9922）（图 3B）。除灵敏度外，重现性和长期稳定性都是SERS底物的重要指标。因此，SERS光谱在20个点上随机获取，表现出较高的相似性（图3C，D）;在1个月内收集了4个光谱，在4 °C放置1个月后仍检测到MB的特征峰，在950 cm-1、1,185 cm-1和1,620 cm-1下的平均SERS活性仅分别显示出约5.43%、11.44%和13.94%的衰减程度（图3E），表明Au@CD底物具有良好的重现性和长期稳定性。
在本细胞SERS测量中，首先测试了NPs的细胞毒性。Au@CDs（20-100μM）几乎没有显示对A549细胞的细胞毒性（图3F）。上述结果表明，Au@CDs在活细胞中应用于无标记SERS测量的潜力很高。 如图4所示，Au@CD组装的SERS衬底提供了从800到1,700 cm-1的细胞组件的集成SERS映射。已经观察到，在A549细胞的SERS映射中，Au@CD NP聚集体表现出明显的SERS信号，没有噪声背景（图4B）。 图4C显示了来自不同细胞点的三个光谱，证明了不同细胞质区域中组分的异质性以及Au@CDs作为用于单细胞分析的SERS探针的优越性。A549细胞的平均光谱如图 4A所示，可以观察到丰富的细胞信息。 表 1提供了详细的特征峰分配。
此外，Au@CDs还表现出检测和区分两种细菌菌株的良好能力。获得的光谱与已发表的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌文献非常相似，例如苯丙氨酸为1,030 cm-1，环状呼吸的核酸为741 cm-1（图5A，B），这验证了SERS测量的可靠性28。表2提供了详细的特征峰分配28,29,30,31。PCA模型的鉴别效果也很好（图5C，D）。
图1：Au@CDs合成途径示意图。 请点击此处查看此图的大图。
图2：CD和Au@CDs的代表性特征 。 （A）CD的HRTEM图像。 比例尺：10纳米。（B） Au@CDs的透射电镜图像。比例尺：100 nm。（C）Au@CDs界面区域的HRTEM图像。比例尺：10 nm;插图：2 纳米。（D） 原始 GA、CA 和制备的 CD 和Au@CDs的 FT-IR 光谱。（E） CDs、金NPs和Au@CDs的紫外可见吸收光谱。 请点击此处查看此图的大图。
图3：Au@CDs的SERS活动。 （A）块状MB（10-5 M，黑线）和10-9 M MB（蓝线和绿线）溶液的SERS光谱。（B）不同浓度（10-9-10-5 M）下MB的SERS光谱。插入：SERS波段在MB的1,620 cm-1处的线性关系，y = 0.2437x + 2.1756（R2 = 0.9922）。SERS底物重现性（C）、相对标准偏差（RSD）直方图（10-7 M处MB峰为1,620 cm-1）（D）和长期稳定性（E）实验的结果。（F）以Au@CD浓度梯度孵育24小时后A549细胞的细胞活力。请点击此处查看此图的大图。
图 4：A549 细胞的指纹分析和无标记 SERS 成像。 （A）A549细胞的平均SERS谱图。（B）A549细胞的明场，SERS映射和合并图像。比例尺：20 μm。 （C） 1、2 和 3 合并图像中标记的不同细胞点的 SERS 光谱。请点击此处查看此图的大图。
图5：两种细菌菌株的指纹分析。大肠杆菌（A）和金黄色葡萄球菌（B）的平均SERS光谱。2D PCA（C）和3D PCA（D）对两种细菌菌株的鉴别分析。请点击此处查看此图的大图。
表1：A549细胞拉曼峰的分配。 缩写：Pro = 脯氨酸;HYP = 羟脯氨酸;Tyr = 酪氨酸;Trp = 色氨酸;Phe = 苯丙氨酸;A = 腺嘌呤;T = 胸腺嘧啶;C = 胞嘧啶;G = 鸟嘌呤;弯曲=弯曲;str = 拉伸;def = 变形;扭曲=扭曲;呼吸=呼吸;摇摆=摇摆;sym = 对称;不对称 = 不对称;bk = 主干。 请按此下载此表格。
表2：大肠杆菌和金黄色葡萄球菌拉曼峰的分配。缩写：Tyr = 酪氨酸;Phe = 苯丙氨酸;A = 腺嘌呤;G = 鸟嘌呤;str = 拉伸;def = 变形;呼吸=呼吸;sym = 对称。请按此下载此表格。
补充图1：Au@CDs的动态光散射研究。请点击此处下载此文件。
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Discussion
综上所述，已经成功制造了具有2.1 nm超薄CD外壳的Au@CDs。纳米复合材料表现出比纯金NPs更高的SERS灵敏度。此外，Au@CDs在重现性和长期稳定性方面具有出色的性能。进一步的研究包括将Au@CDs作为底物，对A549细胞进行SERS成像31并检测两种细菌菌株32。已经证明，Au@CDs可以用作超灵敏的SERS探针，主要基于金NPs和CD之间的化学增强。
在以前的协议中，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，必须确保卓越的SERS底物配方以及正确的浓度，这可以通过染料分子进行验证。随后，SERS光谱在每个细胞点都不一致，因为生物样品是复杂和动态的。
如果取更大的激光光斑，来自不同点的SERS光谱会更相似。值得注意的是，同一蜂窝点的SERS光谱可能不符合不同的激光功率。人们普遍认为，生物样品的平均SERS光谱是一致的;因此，尽可能多地获得相同蜂窝区域的SERS频谱，然后平均几个不同的蜂窝区域至关重要。此外，细胞内SERS检测灵敏度容易受到背景信号的影响。拉曼背景信号主要来自三个方面，包括（1）衬底，如蓝宝石、硅片等，（2）SERS探针，（3）生物样品。因此，建议尽可能选择没有背景噪声的基材，尽管这很困难。
与传统的拉曼光谱相比，SERS可以将信号强度大幅提高33个数量级。在这项工作中，选择金来制造复合NPs，因为它具有更好的优化尺寸和形状的能力，比银34具有更小的细胞毒性以及更多的化学惰性和坚固性。同时，附着在金表面的CD壳可以减少细胞与金属NPs之间的相互作用33。总之，上述结果表明，无标记SERS是一种非侵入性和非破坏性技术，可以在单细胞水平上提供分析物的固有化学组成35。
先前的研究表明，在原生指纹信息失真的情况下，控制适当的检测环境和时间至关重要5。因此，必须确保细胞没有损伤，以获得可靠的光谱。其他挑战包括：（1）对于细胞内SERS测量，SERS活性金NPs可能与细胞内成分（如蛋白质，脂质或核酸）相互作用4。因此，需要考虑生物相容性和SERS信号分配;（2）SERS检测过程中持续激光照射可能会损害细胞毒性或生物样品;（3）如图5A，B所示，便携式SERS平台仍然存在一些局限性 - 拉曼强度或可检测的信号不如图4所示。
此外，当与液滴微流控36、深度学习37、机器学习38、催化发夹组装放大技术39和荧光技术40等其他技术相结合时，这些集成策略可以发展SERS的优越性。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
这项工作得到了国家自然科学基金（32071399和62175071）、广州市科技计划（2019050001）、广东省基础与应用基础研究基金（2021A1515011988）和医学光电科学与技术教育部重点实验室（福建师范大学）开放基金（JYG2009）的支持。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 10x PBS buffer (Cell culture) | Langeco Technology | BL316A | |
| 6 well cell culture plate | LABSELECT | 11110 | |
| Cell Counting Kit-8 (CCK-8) | GLPBIO | GK10001 | |
| Citric acid | Shanghai Aladdin Biochemical Technology | C108869 | |
| CO2 incubator | Thermo Fisher Technologies | 3111 | |
| Constant temperature magnetic agitator | Sartorius Scientific Instruments | SQP | |
| Cryogenic high speed centrifuge | Shanghai Boxun | SW-CJ-2FD | |
| DMEM high glucose cell culture medium | Procell | PM150210 | |
| Electronic balance | Sartorius Scientific Instruments | SQP | |
| Enzyme marker | Thermo Fisher Technologies | 3111 | |
| Fetal bovine serum | Zhejiang Tianhang Biological Technology | 11011-8611 | |
| Figure 1 | Figdraw. | ||
| Fourier infrared spectrometer | Thermo, America | Nicolet 380 | |
| Freeze dryer | Tecan | Infinite F50 | |
| Gallic acid | Shanghai Aladdin Biochemical Technology | G104228 | |
| Handheld Raman spectrometer | OCEANHOOD, Shanghai, China | Uspectral-PLUS | |
| HAuCl4 | Guangzhou Pharmaceutical Company (Guangzhou) | ||
| High resolution transmission electron microscope | Thermo Fisher Technologies | FEI Tecnai G2 Spirit T12 | |
| High temperature autoclave | Shanghai Boxun | YXQ-LS-50S  |
|
| Inverted microscope | Nanjing Jiangnan Yongxin Optical | XD-202 | |
| LB Broth BR | Huankai picoorganism | 028320 | |
| Medical ultra-low temperature refrigerator | Thermo Fisher Technologies | ULTS1368 | |
| Methylene blue | Sigma-Aldrich | ||
| Pancreatin Cell Digestive Solution | beyotime | C0207 | |
| Penicillin streptomycin double resistance | Shanghai Boxun | YXQ-LS-50S |
|
| Pure water meter | Millipore, USA | Milli-Q System | |
| Raman spectrometer | Renishaw | ||
| Sapphire chip | beyotime | ||
| Thermostatic water bath | Changzhou Noki | ||
| Ultra-clean table | Shanghai Boxun | SW-CJ-2FD | |
| Uv-visible light absorption spectrometer | MADAPA, China | UV-6100S | |
| Wire 3.4 | Renishaw |
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