JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
العربية

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Chemistry

الكشف الكمي SERS عن حمض اليوريك عن طريق تكوين تقاطعات نانوية بلازمونية دقيقة داخل مجاميع جسيمات الذهب النانوية والقرعيات[n]uril

Published: October 03, 2020
doi:
10.3791/61682
, , , , ,
1Department of Chemistry,University College London (UCL), 2Institute for Materials Discovery,University College London (UCL)

Summary

تم تشكيل مركب مضيف ضيف من القرعيات[7] أوريل وحمض اليوريك في محلول مائي قبل إضافة كمية صغيرة إلى محلول Au NP لاستشعار التحليل الطيفي رامان الكمي المحسن للسطح (SERS) باستخدام مقياس الطيف المعياري.

Abstract

يصف هذا العمل طريقة سريعة وحساسة للغاية للكشف الكمي عن علامة حيوية مهمة، حمض اليوريك (UA)، عن طريق التحليل الطيفي لرامان المحسن سطحيا (SERS) مع حد اكتشاف منخفض يبلغ ~ 0.2 ميكرومتر لقمم مميزة متعددة في منطقة بصمات الأصابع، باستخدام مطياف معياري. يتم توسط مخطط الاستشعار الحيوي هذا من خلال تعقيد المضيف والضيف بين الدورة الكبيرة والقرعيات[7] uril (CB7) و UA، والتكوين اللاحق للتقاطعات النانوية البلازمونية الدقيقة داخل المجاميع النانوية Au NP: CB7 ذاتية التجميع. كما تم إجراء توليف سهل من Au NP للأحجام المرغوبة لركائز SERS استنادا إلى نهج الحد من السترات الكلاسيكي مع خيار يتم تسهيله باستخدام جهاز توليف آلي تم بناؤه في المختبر. يمكن توسيع هذا البروتوكول بسهولة ليشمل الكشف المتعدد الإرسال عن المؤشرات الحيوية في سوائل الجسم للتطبيقات السريرية.

Introduction

حمض اليوريك ، وهو المنتج النهائي لعملية التمثيل الغذائي لنيوكليوتيدات البيورين ، هو علامة حيوية مهمة في مصل الدم والبول لتشخيص أمراض مثل النقرس وتسمم الحمل وأمراض الكلى وارتفاع ضغط الدم وأمراض القلب والأوعية الدموية والسكري1،2،3،4،5. تشمل الطرق الحالية للكشف عن حمض اليوريك الفحوصات الأنزيمية اللونية ، والكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء والرحلان الكهربائي الشعري ، والتي تستغرق وقتا طويلا ومكلفة وتتطلب إعداد عينات متطورة6،7،8،9.

يعد التحليل الطيفي لرامان المحسن سطحيا تقنية واعدة للتشخيص الروتيني في نقطة الرعاية لأنه يسمح بالكشف الانتقائي عن الجزيئات الحيوية عبر بصمات الاهتزاز الخاصة بها ويوفر العديد من المزايا مثل الحساسية العالية والاستجابة السريعة وسهولة الاستخدام وعدم إعداد العينات أو الحد الأدنى منها. يمكن لركائز SERS القائمة على الجسيمات النانوية المعدنية النبيلة (على سبيل المثال ، Au NPs) تعزيز إشارات Raman لجزيئات التحليل بمقدار 4 إلى 10 أوامر من الحجم10 عبر التعزيز الكهرومغناطيسي القوي الناجم عن رنين البلازمون السطحي11. يمكن بسهولة تصنيع Au NPs ذات الأحجام المصممة خصيصا بدلا من التصنيع الذي يستغرق وقتا طويلا للمركبات النانوية المعدنية المعقدة12 ، وبالتالي يتم استخدامها على نطاق واسع في التطبيقات الطبية الحيوية بسبب خصائصها المتفوقة13،14،15،16. يمكن أن يؤدي ربط الجزيئات الحلقية الكبيرة ، القرعيات [n] urils (CB n ، حيثn = 5-8 ، 10) ، على سطح Au NPs إلى زيادة تعزيز إشارات SERS لجزيئات التحليل حيث يمكن لجزيئات CB المتماثلة والصلبة للغاية التحكم في التباعد الدقيق بين Au NPs وتحديد موقع جزيئات التحليل في المركز أو على مقربة من النقاط الساخنة البلازمونية عن طريق تكوين مجمعات المضيف الضيف (الشكل 1)17 ، 18,19,20. تشمل الأمثلة السابقة لدراسات SERS باستخدام Au NP: CBn nanoaggregates المتفجرات النيتروجينية ، والعطريات متعددة الحلقات ، و diaminostilbene ، والناقلات العصبية ، والكرياتينين 21،22،23،24،25 ، مع إجراء قياسات SERS إما في كوفيت أو عن طريق تحميل قطرة صغيرة على حامل عينة مصنوع خصيصا. ويعد مخطط الكشف هذا مفيدا بشكل خاص لتحديد المؤشرات الحيوية بسرعة في مصفوفة معقدة ذات قابلية عالية للتكرار.

هنا ، تم عرض طريقة سهلة لتشكيل مجمعات مضيف ضيف من CB7 وعلامة حيوية مهمة UA ، وتحديد كمية UA مع حد اكتشاف يبلغ 0.2 ميكرومتر عبر تجميعات CB7 بوساطة Au NPs في الوسائط المائية باستخدام مقياس الطيف المعياري ، وهو أمر واعد للتطبيقات التشخيصية والسريرية.

Protocol

1. توليف NPs الاتحاد الافريقي تخليق بذور الاتحاد الإفريقي عن طريق طريقة Turkevich التقليدية26 تحضير 10 مل من محلول HAuCl 4 25 mM عن طريق إذابة 98.5 ملغ من HAuCl4· 3H2O السلائف مع 10 مل من الماء منزوع الأيونات في قارورة زجاجية.ملاحظة: انقل كمية صغيرة من سلائف HAuCl 4 إلى قار?…

Representative Results

في توليف Au NP المقدم ، تظهر أطياف UV-Vis تحولا في قمم LSPR من 521 نانومتر إلى 529 نانومتر بعد 10 خطوات متنامية (الشكل 4 A ، B) بينما تظهر بيانات DLS توزيعا ضيقا للحجم حيث يزداد حجم Au NPs من 25.9 نانومتر إلى 42.8 نانومتر (الشكل 4C ، D). يبلغ متوسط أحجام G0 و G5 و G10 المق…

Discussion

تسمح طريقة التوليف الآلي الموصوفة في البروتوكول بتوليف Au NPs ذات الأحجام المتزايدة بشكل متكرر. على الرغم من وجود بعض العناصر التي لا تزال بحاجة إلى تنفيذها يدويا ، مثل الإضافة السريعة لسترات الصوديوم أثناء تخليق البذور والتحقق بشكل دوري للتأكد من أن أنابيب PEEK آمنة ، فإن هذه الطريقة تسمح ل Au…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

تي سي إل ممتنة للدعم المقدم من منحة الجمعية الملكية للأبحاث 2016 R1 (RG150551) وجائزة UCL BEAMS Future Leader Award الممولة من خلال جائزة الرعاية المؤسسية من قبل EPSRC (EP/P511262/1). WIKC و TCL و IPP ممتنون للمنحة الدراسية الممولة من برنامج A*STAR-UCL RESEARCH ATTACHMENT من خلال EPSRC M3S CDT (EP/L015862/1). تود GD و TJ أن تشكر EPSRC M3S CDT (EP / L015862/1) على رعاية طلابها. تعترف TJ و TCL بابتكارات Camtech للمساهمة في طلاب TJ. جميع المؤلفين ممتنون لصندوق الوصول المفتوح UCL.

Materials

40 nm gold nanoparticles NanoComposix AUCN40-100M NanoXact, 0.05 mg/ mL, bare (citrate)
Centrifuge tube Corning Falcon 14-432-22 50 mL volume
Cucurbit[7]uril Lab-made see ref. 19
Gold(III) chloride trihydrate Sigma aldrich 520918 ≥99.9% trace metals basis
Luer lock disposable syringe Cole-Parmer WZ-07945-15 3 mL volume
Luer-to-MicroTight adapter LuerTight P-662 360 μm outer diameter Tubing to Luer Syringe
PEEK tubing IDEX 1572 360 μm outer diameter, 150 μm inner diameter
PEEK tubing cutter IDEX WZ-02013-30 Capillary Polymer Chromatography Tubing Cutter For 360 µm to 1/32" OD tubing
Raman spectrometer Ocean Optics QE pro
Sodium citrate tribasic dihydrate Sigma aldrich S4641 ACS reagent, ≥99.0%
Sonicator
Standard Probe Digi-Sense WZ-08516-55 Type-K
Syringe pump Aladdin ALADDIN2-220 2 syringes, maximum syringe volume 60 mL
Thermocouple thermometer Digi-Sense WZ-20250-91 Single-Input Thermocouple Thermometer with NIST-Traceable Calibration
ThermoMixer Eppendorf 5382000031 With an Eppendorf SmartBlock for 50 mL tubes
Uric acid Sigma aldrich U2625 ≥99%, crystalline
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Villa, J. E. L., Poppi, R. J. A portable SERS method for the determination of uric acid using a paper-based substrate and multivariate curve resolution. Analyst. 141 (6), 1966-1972 (2016).
  2. Westley, C., et al. Absolute Quantification of Uric Acid in Human Urine Using Surface Enhanced Raman Scattering with the Standard Addition Method. Analytical Chemistry. 89 (4), 2472-2477 (2017).
  3. Zhao, L., Blackburn, J., Brosseau, C. L. Quantitative Detection of Uric Acid by Electrochemical-Surface Enhanced Raman Spectroscopy Using a Multilayered Au/Ag Substrate. Analytical Chemistry. 87 (1), 441-447 (2015).
  4. Goodall, B. L., Robinson, A. M., Brosseau, C. L. Electrochemical-surface enhanced Raman spectroscopy (E-SERS) of uric acid: a potential rapid diagnostic method for early preeclampsia detection. Physical Chemistry Chemical Physics. 15 (5), 1382-1388 (2013).
  5. Lytvyn, Y., Perkins, B. A., Cherney, D. Z. I. Uric Acid as a Biomarker and a Therapeutic Target in Diabetes. Canadian Journal of Diabetes. 39 (3), 239-246 (2015).
  6. Ali, S. M. U., Ibupoto, Z. H., Kashif, M., Hashim, U., Willander, M. A Potentiometric Indirect Uric Acid Sensor Based on ZnO Nanoflakes and Immobilized Uricase. Sensors. 12 (3), 2787-2797 (2012).
  7. Yu, J., Wang, S., Ge, L., Ge, S. A novel chemiluminescence paper microfluidic biosensor based on enzymatic reaction for uric acid determination. Biosensors and Bioelectronics. 26 (7), 3284-3289 (2011).
  8. Yang, Y. D. Simultaneous determination of creatine, uric acid, creatinine and hippuric acid in urine by high performance liquid chromatography. Biomedical Chromatography. 12 (2), 47-49 (1999).
  9. Zhao, S., Wang, J., Ye, F., Liu, Y. M. Determination of uric acid in human urine and serum by capillary electrophoresis with chemiluminescence detection. Analytical Biochemistry. 378 (2), 127-131 (2008).
  10. Fang, Y., Seong, N. H., Dlott, D. D. Measurement of the Distribution of Site Enhancements in Surface-Enhanced Raman Scattering. Science. 321 (5887), 388-392 (2008).
  11. Jeong, H. H., et al. Dispersion and shape engineered plasmonic nanosensors. Nature Communications. 7, 11331 (2016).
  12. Alula, M. T., et al. Preparation of silver nanoparticles coated ZnO/Fe3O4 composites using chemical reduction method for sensitive detection of uric acid via surface-enhanced Raman spectroscopy. Analytica Chimica Acta. 1073, 62-71 (2019).
  13. Bastús, N. G., Comenge, J., Puntes, V. Kinetically Controlled Seeded Growth Synthesis of Citrate-Stabilized Gold Nanoparticles of up to 200 nm: Size Focusing versus Ostwald Ripening. Langmuir. 27 (17), 11098-11105 (2011).
  14. Jeong, H. H., et al. Selectable Nanopattern Arrays for Nanolithographic Imprint and Etch-Mask Applications. Advanced Science. 2 (7), 1500016 (2016).
  15. Loh, X. J., Lee, T. C., Dou, Q., Deen, G. R. Utilising inorganic nanocarriers for gene delivery. Biomaterials Science. 4 (1), 70-86 (2016).
  16. Celiz, A. D., Lee, T. C., Scherman, O. A. Polymer-Mediated Dispersion of Gold Nanoparticles: Using Supramolecular Moieties on the Periphery. Advanced Materials. 21 (38), 3937-3940 (2009).
  17. Lee, T. C., Scherman, O. A. Formation of Dynamic Aggregates in Water by Cucurbit[5]uril Capped with Gold Nanoparticles. ChemComm. 46 (14), 2438-2440 (2010).
  18. Lee, T. C., Scherman, O. A. A Facile Synthesis of Dynamic Supramolecular Aggregates of Cucurbit[n]uril (n = 5-8) Capped with Gold Nanoparticles in Aqueous Media. Chemistry-A European Journal. 18 (6), 1628-1633 (2012).
  19. Taylor, R. W., et al. Precise Subnanometer Plasmonic Junctions for SERS within Gold Nano- particle Assemblies Using Cucurbit[n]uril “Glue”. ACS Nano. 5 (5), 3878-3887 (2011).
  20. Peveler, W. J., et al. Cucurbituril-mediated quantum dot aggregates formed by aqueous self-assembly for sensing applications. ChemComm. 55 (38), 5495-5498 (2019).
  21. Chio, W. I. K., et al. Selective Detection of Nitroexplosives Using Molecular Recognition within Self-Assembled Plasmonic Nanojunctions. The Journal of Physical Chemistry C. 123 (25), 15769-15776 (2019).
  22. Kasera, S., Biedermann, F., Baumberg, J. J., Scherman, O. A., Mahajan, S. Quantitative SERS Using the Sequestration of Small Molecules Inside Precise Plasmonic Nanoconstructs. Nano Letters. 12 (11), 5924-5928 (2012).
  23. Taylor, R. W., et al. In Situ SERS Monitoring of Photochemistry within a Nanojunction Reactor. Nano Letters. 13 (12), 5985-5990 (2013).
  24. Kasera, S., Herrmann, L. O., Barrio, J. d., Baumberg, J. J., Scherman, O. A. Quantitative Multiplexing with Nano-Self-Assemblies in SERS. Scientific Reports. 4, 6785 (2014).
  25. Chio, W. I. K., et al. Dual-triggered nanoaggregates of cucurbit[7]uril and gold nanoparticles for multi-spectroscopic quantification of creatinine in urinalysis. Journal of Materials Chemistry C. 8, 7051-7058 (2020).
  26. Turkevich, J., Stevenson, P. C., Hillier, J. A study of the nucleation and growth processes in the synthesis of colloidal gold. Discussions of the Faraday Society. 11, 55-75 (1951).
  27. Lagona, J., Mukhopadhyay, P., Chakrabarti, S., Issacs, L. The cucurbit[n]uril family. Angewandte Chemie International Edition. 44 (31), 4844-4870 (2005).
  28. . OceanView Installation and Operation Manual Available from: https://www.oceaninsight.com/globalassets/catalog-blocks-and-images/manuals–instruction-old-logo/software/oceanviewio.pdf (2013)
  29. Mahajan, S., et al. Raman and SERS spectroscopy of cucurbit[n]urils. Physical Chemistry Chemical Physics. 12 (35), 10429-10433 (2010).
  30. Langer, J., et al. Present and Future of Surface-Enhanced Raman Scattering. ACS Nano. 14 (1), 28-117 (2020).
  31. Pilot, R., et al. A Review on Surface-Enhanced Raman Scattering. Biosensors. 9 (2), 57 (2019).
  32. Bantz, K. C., et al. Recent progress in SERS biosensing. Physical Chemistry Chemical Physics. 13 (24), 11551-11567 (2011).
  33. Moore, T. J., et al. In Vitro and In Vivo SERS Biosensing for Disease Diagnosis. Biosensors. 8 (2), 46 (2018).
  34. Bonifacio, A., Cervo, S., Sergo, V. Label-free surface-enhanced Raman spectroscopy of biofluids: fundamental aspects and diagnostic applications. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 407 (27), 8265-8277 (2015).
  35. Jeong, H. H., Choi, E., Ellis, E., Lee, T. C. Recent advances in gold nanoparticles for biomedical applications: from hybrid structures to multi-functionality. Journal of Materials Chemistry B. 7 (22), 3480-3496 (2019).
  36. Premasiri, W. R., Clarke, R. H., Womble, M. E. Urine Analysis by Laser Raman Spectroscopy. Lasers in Surgery and Medicine. 28 (4), 330-334 (2001).
  37. Lu, Y., et al. Superhydrophobic silver film as a SERS substrate for the detection of uric acid and creatinine. Biomedical Optics Express. 9 (10), 4988-4997 (2018).
  38. Feig, D. I., et al. Serum Uric Acid: A Risk Factor and a Target for Treatment. Journal of the American Society of Nephrology. 17 (4), 69-73 (2006).
  39. Maiuolo, J., Oppedisano, F., Gratteri, S., Muscoli, C., Mollace, V. Regulation of uric acid metabolism and excretion. International Journal of Cardiology. 213, 8-14 (2016).

Tags

SERSUric Acid DetectionGold NanoparticlesCucurbit[n]urilBiomarker QuantificationDiagnostic ApplicationsEnvironmental MonitoringAggregation KineticsGold Seed SynthesisSeeded Growth

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Chio, W. K., Davison, G., Jones, T., Liu, J., Parkin, I. P., Lee, T. Quantitative SERS Detection of Uric Acid via Formation of Precise Plasmonic Nanojunctions within Aggregates of Gold Nanoparticles and Cucurbit[n]uril. J. Vis. Exp. (164), e61682, doi:10.3791/61682 (2020).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image