Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

金ナノ粒子とCucurbit[n]urilの凝集体内の正確なプラズモニックナノ接合の形成による尿酸の定量的SERS検出

Published: October 3, 2020 doi: 10.3791/61682
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1,2
1Department of Chemistry, University College London (UCL), 2Institute for Materials Discovery, University College London (UCL)

Summary

ウリ科植物[7]ウリルと尿酸のホスト-ゲスト複合体を水溶液中で形成した後、Au NP溶液に少量添加し、モジュール式分光計を用いた定量的表面増強ラマン分光法(SERS)センシングを行った。

Abstract

この研究は、重要なバイオマーカーである尿酸(UA)を、指紋領域の複数の特徴的なピークに対して〜0.2μMの低い検出限界で表面増強ラマン分光法(SERS)を介して、モジュラー分光計を使用して定量的に検出するための迅速かつ高感度な方法を説明する。このバイオセンシングスキームは、大環状体、ウリ科植物[7]uril(CB7)、およびUAの間の宿主 - ゲスト複合体形成、およびその後の自己組織化Au NP:CB7ナノ集合体内の正確なプラズモニックナノ接合の形成によって媒介される。SERS基板にとって望ましいサイズの容易なAu NP合成も、ラボで構築された自動シンセサイザーを使用して容易にするオプションを備えた古典的なクエン酸還元アプローチに基づいて行われています。このプロトコルは、臨床応用のための体液中のバイオマーカーの多重化検出に容易に拡張することができる。

Introduction

プリンヌクレオチドの代謝の最終産物である尿酸は、痛風、子癇前症、腎疾患、高血圧、心血管疾患および糖尿病などの疾患の診断のための血清および尿中の重要なバイオマーカーである1,2,3,4,5。尿酸検出のための現在の方法には、比色酵素アッセイ、高速液体クロマトグラフィーおよびキャピラリー電気泳動が含まれるが、これらは時間がかかり、高価であり、洗練されたサンプル調製を必要とする6、7、8、9。

表面増強ラマン分光法は、振動指紋を介して生体分子を選択的に検出でき、高感度、迅速な応答、使いやすさ、サンプル調製がゼロまたは最小限に抑えられるなど、多くの利点を提供するため、日常的なポイントオブケア診断に有望な技術です。貴金属ナノ粒子(例えば、Au NPs)に基づくSERS基板は、表面プラズモン共鳴11によって引き起こされる強力な電磁増強を介して、分析物分子のラマンシグナルを4〜10桁10桁増強することができる。カスタマイズされたサイズのAu NPは、複雑な金属ナノコンポジット12の時間のかかる製造とは対照的に容易に合成することができ、したがって、その優れた特性13、14、15、16のために生物医学的用途において広く使用されている。大環状分子であるウリ科植物[n]urils(CBn、ここでn = 5-8, 10)をAu NPの表面上に付着させることで、高度に対称で剛直なCB分子がAu NP間の正確な間隔を制御し、ホスト-ゲスト複合体の形成を介してプラズモニックホットスポットの中心または近接する分析物分子を局在させることができるため、分析物分子のSERSシグナルをさらに高めることができます(図1)17、18,19,20。Au NP:CBnナノ凝集体を用いたSERS研究の以前の例には、ニトロ爆発物、多環芳香族化合物、ジアミノスチルベン、神経伝達物質およびクレアチニン21、22、23、24、25が含まれ、SERS測定はキュベット内で、またはカスタムメイドのサンプルホルダーに小さな液滴を装填することによって行われる。この検出スキームは、高い再現性で複雑なマトリックス中のバイオマーカーを迅速に定量するために特に有用である。

本明細書では、CB7と重要なバイオマーカーUAの宿主 - ゲスト複合体を形成し、水性媒体中のAu NPのCB7媒介凝集を介して0.2μMの検出限界を有するUAを定量するための容易な方法が、診断および臨床用途に有望であるモジュラー分光計を用いて実証された。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Au NPの合成

  1. 従来のトルケビッチ法によるAu種子の合成26
    1. 98.5 mgのHAuCl4·3H2O前駆体をガラスバイアル中の10mLの脱イオン水と共に使用する。
      注:HAuCl 4前駆体は金属ラボウェアを腐食させるため、少量のHAuCl4前駆体を計量ボートに移し、金属ヘラの代わりにプラスチックヘラを使用して結晶を計量します。HAuCl4は吸湿性であり、したがって大気から水を吸収することによって時間の経過とともにその重量を増加させるので、計量ステップは可能な限り迅速に行われるべきである。HAuCl4は非常に腐食性であり、重度の皮膚火傷および眼の損傷を引き起こす可能性がある。取り扱いには特に注意してください。
    2. 64.5mgのクエン酸ナトリウム粉末を0.5mLの脱イオン水でガラスバイアルに溶解して、0.5mLの500mMクエン酸ナトリウム溶液を調製する。
    3. 250 mL の青い蓋付きボトルで 1 mL の 25 mM HAuCl 4 溶液を 99 mL の水で希釈し、100 mL の 0.25 mM HAuCl4 溶液を得た。
    4. 99.5 mL の 0.25 mM HAuCl4 溶液を、コンデンサーを備えた 250 mL の三つ口ナスフラスコに加えます。激しく撹拌しながら溶液を90°Cに加熱し、温度を15分間維持する。
    5. 500 mM クエン酸ナトリウム溶液 0.5 mL を反応混合物に注入し、溶液の色がルビーレッドに変わるまで温度と攪拌を維持する。
      注:反応には約30分かかります。
  2. 運動学的に制御された方法によるAu NPsの播種成長
    1. 合成したAuシード溶液を70°Cに冷却する。
    2. 154.8mgのクエン酸ナトリウム粉末を10mLの脱イオン水でガラスバイアルに溶解して、10mLの60mMクエン酸ナトリウム溶液を調製する。
    3. 0.67 mL の 25 mM HAuCl4 溶液および 0.67 mL の 60 mM クエン酸ナトリウム溶液を 2 分間の時間間隔で Au 種子に注入します。
    4. 手順 1.2.3 を繰り返して、Au NP のサイズを徐々に 40 nm まで増やします。
      注:40nmに達するまでに約10の成長ステップが必要です。実際に必要なステップ数は、正確なセットアップに依存する場合があります。
  3. 自動シンセサイザーを用いたAu NPの播種成長(図2)
    1. セクション1で調製したAuシード溶液25 mLを50 mL円錐遠心管に移し、サーモミキサーで70°Cまで冷却した。
      メモ: 25 mL の水を含む 50 mL の遠沈管に入れた熱電対温度計を使用して、サーモミキサー内の温度を監視します。
    2. 3 mL ルアーロック使い捨てシリンジに 2.5 mL の 25 mM HAuCl4 溶液を充填します。別の3 mLルアーロック使い捨てシリンジに2.5 mLの60 mMクエン酸ナトリウム溶液を充填します。
    3. シリンジをシリンジポンプに入れ、Luer-to-MicroTightアダプタを使用してPEEKチューブ(内径150μm)をシリンジに接続します。サーモミキサーでAuシード溶液を入れた遠沈管にチューブを挿入します。
    4. 両方のシリンジポンプをセットして、0.1675 mL の溶液を 20 分間 (1 分あたり 8.357 μL) 分注します。
    5. サーモミキサーの回転数を 700 rpm に設定し、25 mM HAuCl4 溶液を含むシリンジポンプで Start を押します。
    6. 2分後、60mMクエン酸ナトリウム溶液を含むシリンジポンプで 開始 を押します。
    7. HAuCl4溶液注入を開始してから30分後、分析のためにAu NP溶液のアリコートを除去する。
    8. 手順 1.3.5 ~ 1.3.7 を繰り返して、Au NP の直径を 40 nm まで徐々に拡大します。
      注: このセットアップは、ステップ 1.3.4 で添加される反応物の量を増やすことによって、Au NP を 1 ステップで最大 40 nm まで成長させるために使用できます。これは、同じ注入速度を維持しながら調剤時間を増加させることによって達成される。

2. Au NPの特性評価

  1. UV-Vis分光法
    1. 1mLのAu NP溶液をセミマイクロ石英キュベットに加える。
    2. 分光器をオンにします。
    3. 波長範囲を 400 ~ 800 nm に設定します。
    4. 各サンプルのUV-Visスペクトルを取得します。
  2. 動的光散乱 (DLS)
    1. サンプル溶液を0.22μmフィルターでプラスチック製のセミマイクロキュベットにろ過します。
    2. DLS インストゥルメントをオンにします。
    3. 温度を25°Cに設定し、60秒間平衡化します。
    4. 各サンプルの流体力学的サイズを測定します。
  3. 透過型電子顕微鏡(TEM)
    1. サンプル溶液の5 μLの液滴をCコーティングされた300メッシュCuグリッド上にドロップキャストし、空気中で乾燥させる。
      注: TEM グリッド上に十分に分散した Au NP を得るためには、より濃縮された Au NP 溶液サンプルに希釈が必要です。
    2. 200kVの加速電圧でTEMを使用して、サンプルごとに複数のTEM画像を取得します。
    3. ImageJを使用して各サンプルの200Au NPの直径を測定し、平均サイズと標準偏差を計算します。

3. CB7-UA複合体の形成

  1. 0.4 mM CB7溶液の調製
    1. 4.65mgのCB7を15mLのガラスバイアルに加える。
      注:CB7の量は、文献中のほとんどの報告によって採用されているCB7の式重量(=1163Da)に基づいて計算される。それにもかかわらず、CB7固体サンプルは、典型的には、合成および精製ステップから残された水、HCl、メタノールおよび他の塩を含み、サンプル中の〜10〜20%の死重量に寄与する。捕捉された溶媒および塩は、真空オーブンまたは他の手段で加熱することによって除去することができなかった。それらの量はサンプルの異なるバッチ間で異なるが、元素分析を使用して定量化することができる。しかしながら、提示されたプロトコルは、CB7サンプル中の未定量量の溶媒および塩の存在に敏感ではない。
    2. バイアルに10mLの水を加え、キャップを締めます。
    3. CB7固体が完全に溶解するまで、室温でサンプルを超音波処理する。
      注:CB7は文献27 に従って合成されたが、市販品でもある。
  2. 0.4 mM UA溶液の調製
    1. 2.69 mg の UA を 50 mL 遠沈管に加えます。
    2. チューブに40mLの水を加え、キャップを締めます。
    3. サーモミキサーを使用して、温度を70°C、速度を800rpm、時間を2時間に設定してサンプル溶液を旋回させます。溶液を室温まで冷却する。
      注: UA は水への溶解度が低い (0.40 mM)5。UA粉末が完全に溶解していない場合は、より長く旋回する。あるいは、超音波処理は、溶解を容易にするために使用することができる。
  3. 0.4 mM UA 溶液の逐次希釈
    1. 5 mL の 0.4 mM UA 溶液を 15 mL のガラスバイアル中の 5 mL の水で希釈し、10 mL の 0.2 mM UA 溶液を得た。キャップを締め、30秒間超音波処理します。
    2. 表 1 に記述されているように、適量の UA と水を使用して手順 3.3.1 を繰り返します。
  4. CB7-UA複合体の調製
    1. 0.75 mL の 0.4 mM CB7 溶液および 0.75 mL の 0.4 mM UA 溶液を 1.5 mL チューブに加えます。蓋を固定し、30秒間超音波処理します。
    2. ホスト - ゲスト複合体の形成を確実にするために 30 分間待ちます。
    3. 異なる濃度のUA溶液を使用して、ステップ3.4.1 - 3.4.2を繰り返します。

4. UAのSERSセンシング

  1. ラマンシステムの実験的セットアップ(図3)
    1. 633 nm He-Neレーザー(22.5 mW)の電源を入れます。
    2. モジュラーラマン分光計の電源を入れます。
    3. コンピュータの電源を入れ、ソフトウェアを起動します。
    4. 分光法アプリケーションウィザードアイコンをクリックし、ラマンを選択します。
    5. 新しい取得を開始します。積分時間を 30 秒、スキャンを平均に 5、ボックスカーを 0 に設定します。
    6. バックグラウンドスペクトルを保存し、レーザー波長(すなわち、633nm)を入力します。
      注:積分時間は各スキャンの時間であり、平均へのスキャンは各スペクトルを作成するために平均化されたスキャンの数であり、boxcarは平均28の隣接するピクセルの数である。
  2. SERS基板の形成
    1. 0.9 mL の 40 nm Au NP 溶液および 0.1 mL の予備形成済み CB7-UA 複合体溶液を 1.5 mL チューブに加えます。蓋を固定し、溶液がルビーレッドからパープルに変わるまで超音波処理します。
      注: 市販のクエン酸塩安定化 40 nm Au NP 溶液サンプルも使用できます。典型的には、局在型表面プラズモン共鳴(LSPR)ピークの光学密度は、濃縮原液試料からの希釈を介して1に調整される。試料中のクエン酸塩濃度は、典型的には2mMとして保持される。
    2. 試料溶液をセミマイクロキュベットに移す。キュベットをラマンサンプルホルダーに入れ、カバーを閉じます。
    3. 測定を開始します。
    4. 5つの連続したSERSスペクトルを記録するように自動保存を設定します。
    5. 測定を停止し、サンプルを変更します。
    6. 異なる濃度のCB7-UA溶液を使用して、ステップ4.2.1 - 4.2.5を繰り返します。
      注:凝集時間は、Au NPの凝集を媒介する大きな寄与を有する空のCB7の濃度の違いのために、0.1μM UAの30秒から20μM UAの30分の範囲のナノ凝集体中のUAの濃度に依存することが見出される。CB7−UA複合体の場合、1つのポータルはかさばるUA分子によって遮断され、Au NP表面への結合に利用できなくなり、したがってNP凝集21を媒介することができなくなる。溶液の色がルビーレッドからパープルに変わると、サンプルは測定の準備が整います。

5. データ解析

  1. データ処理
    1. 非対称最小二乗法(ALS)プラグインを使用したベースラインをOriginにダウンロードしてインストールします。
      メモ: ALS プラグインには OriginPro が必要です。
    2. 生データを Origin に挿入します。
    3. 各サンプルの5つのSERSスペクトルから平均値を算出する。レーザーのパワー(22.5mW)と積分時間(30秒)で値を割ります。
    4. ALS アイコンをクリックしてダイアログを開きます。非対称係数を 0.001、しきい値を 0.03%、平滑化係数を 2、反復回数を 20 に設定して、各平均スペクトルのベースラインを修正します。
    5. 異なるUA濃度のSERSスペクトルを、yオフセットによる積み上げ線を使用してプロットします。出力は、ラマンシフト(cm-1)に対する強度(カウントs-1 mW-1)でなければなりません。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

提示されたAu NP合成では、UV-Visスペクトルは10の成長ステップ後にLSPRピークの521nmから529nmへのシフトを示し(図4 A,B)、DLSデータはAu NPのサイズが25.9nmから42.8nmに増加するにつれて狭いサイズ分布を示す(図4C,D)。TEM画像から測定されたG0、G5、G10の平均サイズ(図4E)は、それぞれ20.1±2.1nm、32.5±2.3nm、40.0±2.2nmであり、それぞれのケースで200個の粒子がカウントされています。これらの結果は、このプロトコルが均一で狭く分散したAu NPの合成に有効であることを示している。

提示されたSERS研究において、CB7およびUAのホスト - ゲスト複合体は、SERSスペクトルにおける特徴的なUA信号によって支持されるように、Au NP:CB7ナノ凝集体内の正確なプラズモニックナノ接合の形成を媒介する空のCB7と共に形成された(図5A)。

CB(+でマーク)およびUA(*でマーク)のラマンピークの割り当てを 表2に示す。逆に、CB7の非存在下ではUAのSERSシグナルは観察できず、Au NPの凝集を誘発する上でのCB7の重要な役割を示している。

再現性のあるプラズモニックナノ構造(すなわち、SERS基質)のin situ形成を確実にするために、UA全体のUAのSERS滴定において、20μMの一定のCB7濃度が使用された。このプロトコルで提示された検出スキームの高感度は、640 cm-1および1130 cm-1(それぞれ骨格リング変形およびC-N振動に起因する)のUAピークからの明確なSERS信号の観察によって実証され、検出限界として知られる〜0.2μM(図5B−D)まで低下した。さらに、UAのSERS強度と対数濃度との間の非常に強い相関(R2>0.98)は、両方のピークについてべき乗則によって得られ、線形領域は0.2〜2μMの範囲に見出された(図5E、F)。我々のデータで観察されているように、SERS強度と対数濃度の間の線形相関は、狭い範囲の分析物濃度について近似することができるが、対数濃度が負の無限大に近づく(すなわち、分析物濃度が0に近づく)と、SERSシグナルは0に近づくことに留意すべきである。SERS信号は、図5E,Fに示す小さなエラーバーによって証明されるように、再現性も高いです。

Figure 1
図1:自己組織化Au NP:CB7ナノ凝集体内の正確なプラズモニックナノ接合の概略図。 挿入図はプラズモニックナノ接合のズームインを示しており、そこでは凝集が空のCB7によって媒介され、UAはホスト-ゲスト複合体形成を介してAu NPの表面に濃縮される。スキームは縮尺どおりに描画されないことに注意してください。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 2
図2:(a)自動Au NPシンセサイザの概略図および(b)写真。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 3
図3:ラマンシステムの概略図この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 4
図4:Au NPの代表的な特性評価 (A)Au NPのUV-Visスペクトルおよび(B)成長ステップ数が10に増加するにつれてLSPRピークのシフトを示すズームインスペクトル。(C)Au NPsの流体力学的サイズおよび(D)成長ステップ数の関数としての粒径の対応するプロット。(E)Au NPsのTEM画像は、5および10の成長ステップ後のAu種子およびAu NPのサイズを示す。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 5
図5:Au NP内のUA検出の代表的なSERS結果:CB7ナノ凝集体。 (a)CB7の存在下または非存在下におけるUAのSERSスペクトル。CB7およびUAのラマンピークは、それぞれ+および*によってマークされる。(B)フルレンジ、(C)600〜700 cm-1ズームインおよび(D)0〜20μMの濃度を有するUAの1100〜1180cm−1ズームインSERSスペクトル。UAの主なラマンピークは*でマークされています。スペクトルは、明瞭さのためにベースライン補正およびオフセットされた。(E,F)UAの濃度に対するSERSピーク強度の対応するプロット。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

UA原液のコンク(μM) UA原液添加の巻(mL) 添加した水(mL)の体積 新規UA原液のコンク(μM)
400 5 5 200
200 5 5 100
100 4 6 40
40 5 5 20
20 5 5 10
10 4 6 4
4 5 5 2

表1:UA溶液の逐次希釈。

シービー7 ティッカー
SERS ピーク (cm-1) ピーク割り当て SERS ピーク (cm-1) ピーク割り当て
446 リングシザーモード 491 C-N-Cリング振動
831 リング変形 640 骨格リング変形
1375 対称C-N延伸 896 N-H 曲げ
1420 非対称C-N延伸 1020 リング振動
- - 1130 C-N振動
- - 1202 N-C-C延伸および曲げ

表 2: CB7 および UA2,4,29 のラマンピークの割り当て。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

プロトコルに記載されている自動合成法により、サイズが増大するAu NPを再現性よく合成することができます。種子合成中のクエン酸ナトリウムの迅速な添加や、PEEKチューブが安全であることを確認するために定期的にチェックするなど、手動で行う必要がある要素がいくつかありますが、この方法は、通常、HAuCl 4およびクエン酸ナトリウムの複数回の手動注射を必要とする大きなサイズ(最大40nm )のAu NPを可能にします。 長期間にわたる連続添加を介して合成される。

CB複合体の基本的な性質を解明するためにさらなる特性評価を行うことができる。例えば、ホスト-ゲスト複合体の形成は、典型的には、1H核磁気共鳴(NMR)を用いて確認することができ、これは、錯化の場合にアップフィールドシフトおよびシグナルの広がりを示すはずである21、22、25。しかし、1HNMRは、交換不可能な陽子がないため、UAには適用できません。13CNMRや質量分析などの代替技術も、複合体形成を特徴付けるために採用され得る。CB7とUAとの間の結合定数は、UV-Vis分光法滴定および等温滴定熱量測定(ITC)21、22、25などの滴定技術を用いて測定することができる。一方、力場および密度汎関数理論(DFT)モデルに基づく分子モデリングは、宿主−ゲスト複合体21、22、25、29の結合幾何学に関する理論的洞察を得るために計算され得る。またIRおよびラマンスペクトルは、周波数計算21、25、29によって計算することができる。

SERSは、分子固有の振動指紋を介して微量分析物の同定を可能にする、高感度で選択的な分析技術です。SERSは、信号が大幅に強化され、取得時間がはるかに短く、液体水(生体流体のセンシングに適している)に対する高い耐性により、さまざまな科学分野、特に生物医学研究にわたって関心を集めています30,31,32,33,34,35。UAセンシング1,2,3,4,36,37に関する以前の報告とは対照的に、CB7の剛直な構造はカルボニル門脈結合を介してAu NP間の0.9nmの正確な間隔を定義し、表面結合CB7はその空洞内にUA分子をトラップすることができる(図1)は、強く局在プラズモニックホットスポットをもたらし、したがって、SERS強度と対数濃度の間に非常に強い相関(R2>0.98)を有するUAの高感度(〜0.2μMまで)および再現性(2%誤差以内)のSERS信号をもたらす(図5)。

CB7の濃度を最適化する試みにおいて、我々は、再現性のあるSERS基質の形成を確実にするために20μM CB7が使用されたことに留意する。特に、使用されるCB7の絶対濃度は、系全体(すなわち、Au NP、分析物およびバックグラウンド分子、もしあれば)に依存する18、22。Au NPの凝集が遅すぎる場合は、より高濃度のCB7を使用する必要があります。逆に、サンプル溶液が迅速に沈殿し、測定ウィンドウが短くなる場合は、より低い濃度のCB7を使用する必要があります。我々の実験環境におけるCB7によって媒介されるAu NPの凝集は、開放的で細長い鎖状構造が最初に急速に形成され、その後、準フラクタルネットワークとして結合する拡散制限コロイド凝集(DLCA)動態19に従うと予想される。DLCA動態は、典型的には、高いCB:Au NP比(数による)で起こり、我々の場合、106:1に等しい。尿酸は体液(例えば、血清、尿)中に高濃度で存在することに留意すべきである。例えば、尿酸の正常濃度は、血清38 中の3.5〜7.0mg / dLおよび尿2 中の16〜100mg / dLである(正常濃度を超えるまたは下回る濃度は、高尿酸血症および低尿酸血症として知られている)39。したがって、この高感度スキームでは、サンプルの濃度を適切な範囲に下げるために高い希釈係数が使用されるバイオマーカー検出には、ごく少量のサンプルしか必要ありません。これは、尿排泄が非常に低い末期疾患患者のポイントオブケアモニタリングにとって特に重要です。高度に希釈されたサンプルは、より大きなサンプル量をもたらし、したがって、水の蒸発および液体移動によるサンプルの損失によるバイオマーカーの定量における誤差を低減し、マトリックス効果を最小限に抑えることを含む他の利点を与える25。このプロービング法の選択的性質のために、CBと宿主 - ゲスト複合体を形成することができる分析物分子に限定される。CBは異なるゲスト分子に結合することができるので、他の分子からの干渉を観察することができることに留意すべきである。それにもかかわらず、ゲル電気泳動およびHPLCなどのサンプル精製は、SERS測定の前に行うことができる。

このプロトコルで実証された検出スキームは、高度なデータ解析技術と組み合わせると、臨床アプリケーション用の複雑なマトリックス中のバイオマーカーの多重検出の可能性を秘めています。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

著者らは開示するものは何もありません。

Acknowledgments

TCLは、王立協会研究助成金2016 R1(RG150551)およびEPSRCの機関スポンサーシップ賞(EP/P511262/1)を通じて資金提供されたUCL BEAMSフューチャーリーダー賞の支援に感謝しています。WIKC、TCL、IPPは、EPSRC M3S CDT(EP/L015862/1)を通じてA*STAR-UCL Research Attachment Programが資金提供している学生シップに感謝しています。GDとTJは、学生生活を支援してくれたEPSRC M3S CDT(EP/L015862/1)に感謝します。TJとTCLは、カムテック・イノベーションズがTJの学生生活に貢献したことを表彰します。すべての著者はUCLオープンアクセス基金に感謝しています。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

化学、第164号、金ナノ粒子、自動合成機、ウリ科植物[n]uril、宿主-ゲスト複合体形成、自己組織化、表面増強ラマン分光法、センサー、バイオマーカー、疾患診断
金ナノ粒子とCucurbit[<em>n</em>]urilの凝集体内の正確なプラズモニックナノ接合の形成による尿酸の定量的SERS検出
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Chio, W. I. K., Davison, G., Jones,… More

Chio, W. I. K., Davison, G., Jones, T., Liu, J., Parkin, I. P., Lee, T. C. 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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter