Análise Espectral Raman Assistida por Aprendizado de Máquina do Nanosensor ssDNA-SWCNT responsivo à serotonina para Maior Seletivitud contra Dopamina

Summary

O protocolo descreve a análise espectral Raman de nanosensores SWCNT envoltos em ssDNA, possibilitando a medição seletiva aprimorada da serotonina contra dopamina com a assistência de um modelo de aprendizado de máquina.

Abstract

A serotonina (5-hidroxitriptamina, 5-HT) desempenha papéis críticos na neuromodulação, mas os métodos atuais de detecção têm dificuldade em fornecer a detecção em tempo real da 5-HT com alta sensibilidade e seletividade. Anteriormente, desenvolvemos um nanosensor de serotonina no infravermelho próximo (nIRHT), que consiste em um nanotubo de carbono de parede simples envolto em ssDNA que detecta sensibilmente o 5-HT. No entanto, a resposta de fluorescência do nIRHT não pode discriminar entre 5HT e dopamina (DA), limitando suas aplicações práticas. Neste estudo, a espectroscopia Raman combinada com aprendizado de máquina supera esse desafio de seletividade. As características espectrais da banda G revelaram assinaturas distintas para a ligação entre 5HT e DA ao nIRHT, com a DA causando maior supressão na banda G. Empregamos Raman diferencial (ΔRaman) para isolar mudanças espectrais específicas do analito e treinamos três modelos de aprendizado de máquina para classificação. O modelo de floresta aleatória com ΔRaman alcançou desempenho ótimo com 95,8% de precisão, superando significativamente modelos usando espectros Raman brutos. Essa abordagem mostrou maior especificidade, com respostas negligenciáveis à acetilcolina, GABA e glutamato, e atingiu um limite de detecção de 0,1 μM adequado para aplicações fisiológicas. Essa abordagem baseada em Raman transforma o sensor de fluorescência nIRHT não seletivo em uma plataforma capaz de discriminação robusta de neurotransmissores, superando questões de seletividade na detecção molecular baseada em nanotubos de carbono de parede única (SWCNT).

Introduction

A serotonina (5-hidroxitriptamina, 5-HT) é um neurotransmissor crítico que regula o humor, a cognição, o sono e o apetite, com disfunção implicada em depressão, ansiedade e outros distúrbios^{neuropsiquiátricos.} O monitoramento em tempo real da dinâmica da serotonina em sistemas biológicos continua desafiador devido à escala de tempo de milissegundos da transmissão sináptica e ao complexo ambiente químico do tecido^{neural 2}. Apesar dos avanços significativos nas tecnologias de detecção de neurotransmissores, alcançar tanto alta sensibilidade quanto seletividade molecular para a serotonina c....

Protocol

1. Fabricação de nanosensores SWCNT nIRHT funcionalizada por ssDNA

1. Combine 1 mg de nanotubos de carbono de parede simples (SWCNTs), 100 μL de 1 mM E6#9 ssDNA e 900 μL de soro fisiológico tamponado com fosfato (PBS) em um tubo de 1,5 mL.
   ATENÇÃO: O pó de SWCNT seco é um risco potencial de inalação. Manuseie o pó dentro de uma capela química certificada e use equipamentos de proteção individual adequados, incluindo máscara e luvas.
2. Disperse a mistura usando um sonicador de banho por 5 minutos. Sonice a mistura usando um sonicador de ponta equipado com uma sonda de 3 mm a 50% de amplitude por 30 ....

Results

O nanosensor SWCNT funcionalizado por DNA ssDNA E6#9 (nIRHT), desenvolvido anteriormente pela metodologia SELEC, demonstra aprimoramento reversível de fluorescência nIR após a ligação ao 5HT, permitindo imagens 5HT in vitro e ex^{vivo 12} em tempo real. A sequência E6#9 (5'-CCCCCCCAGCACCACAGCACACTCCCCCCCC-3') envolve SWCNTs para criar sítios de ligação para 5HT. No entanto, esse sensor carece de especificidade: tanto o 5-HT quanto o DA resultam em a.......

Discussion

A análise espectroscópica Raman proporcionou um aumento significativo na especificidade do sensor nIRHT, uma capacidade não alcançável com sua resposta convencional de fluorescência. Observamos que a DA induziu uma supressão mais pronunciada da banda G⁻ (1570 ^cm-1) em comparação com a 5HT. Essas assinaturas diferenciais provavelmente surgem de orientações moleculares variadas e geometrias de ligação na superfície do SWCNT. Especificamente, a metade catecol da DA provavelmente .......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
HiPCo raw	Nanointegris
iDus1.7 InGaAs	ANDOR	DU490A-1,9
Ramantouch	Nano Fóton
Vibra Cell 130	SONICS