Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
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 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

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. توليف NPs الاتحاد الافريقي

  1. تخليق بذور الاتحاد الإفريقي عن طريق طريقة Turkevich التقليدية26
    1. 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 قارب وزن واستخدم ملعقة بلاستيكية بدلا من ملعقة معدنية لوزن البلورات لأن سلائف HAuCl4 ستؤدي إلى تآكل أدوات المختبرات المعدنية. يجب تنفيذ خطوة الوزن في أسرع وقت ممكن ، لأن HAuCl4 استرطابي وبالتالي سيزيد وزنه بمرور الوقت عن طريق امتصاص الماء من الغلاف الجوي. HAuCl4 شديد التآكل ويمكن أن يسبب حروقا جلدية شديدة وتلف العين. انتبه أكثر عند التعامل معها.
    2. تحضير 0.5 مل من محلول سترات الصوديوم 500 mM عن طريق إذابة 64.5 ملغ من مسحوق سترات الصوديوم مع 0.5 مل من الماء منزوع الأيونات في قارورة زجاجية.
    3. قم بتخفيف 1 مل من محلول HAuCl 4 سعة 25 ملليمتر مع 99 مل من الماء في زجاجة مغطاة باللون الأزرق سعة 250 مل لإعطاء محلول HAuCl4 سعة 100 مل من 0.25 ملليمتر.
    4. أضف 99.5 مل من محلول HAuCl4 سعة 0.25 مللي متر إلى قارورة مستديرة القاع سعة 250 مل ثلاثية العنق مزودة بمكثف. سخني المحلول إلى 90 درجة مئوية تحت التحريك القوي وحافظي على درجة الحرارة لمدة 15 دقيقة.
    5. حقن 0.5 مل من محلول سترات الصوديوم 500 مللي متر في خليط التفاعل والحفاظ على درجة الحرارة والتحريك حتى يتحول لون المحلول إلى اللون الأحمر الياقوتي.
      ملاحظة: يستغرق التفاعل حوالي 30 دقيقة.
  2. النمو البذري ل Au NPs عبر الطريقة التي يتم التحكم فيها حركيا13
    1. قم بتبريد محلول بذور Au المركب على درجة حرارة 70 درجة مئوية.
    2. تحضير 10 مل من محلول سترات الصوديوم 60 مللي متر عن طريق إذابة 154.8 ملغ من مسحوق سترات الصوديوم مع 10 مل من الماء منزوع الأيونات في قارورة زجاجية.
    3. حقن 0.67 مل من محلول HAuCl4 25 mM و 0.67 مل من محلول سترات الصوديوم 60 mM إلى بذور Au مع فاصل زمني قدره 2 دقيقة.
    4. كرر الخطوة 1.2.3 لزيادة حجم Au NPs تدريجيا إلى 40 نانومتر.
      ملاحظة: يستغرق الأمر حوالي 10 خطوات متنامية للوصول إلى 40 نانومتر. قد يعتمد العدد الفعلي للخطوات المطلوبة على الإعداد الدقيق.
  3. النمو البذري ل Au NPs باستخدام المزج الآلي (الشكل 2)
    1. انقل 25 مل من محلول بذور الاتحاد الإفريقي المحضر في القسم 1 إلى أنبوب طرد مركزي مخروطي 50 مل واتركه يبرد إلى 70 درجة مئوية في خلاط حراري.
      ملاحظة: راقب درجة الحرارة داخل الخلاط الحراري باستخدام ميزان حرارة مزدوج الحرارة يوضع في أنبوب طرد مركزي سعة 50 مل يحتوي على 25 مل من الماء.
    2. املأ حقنة Luer التي يمكن التخلص منها بقفل Luer سعة 3 مل بمحلول HAuCl 4 سعة 25ملليمتر . املأ حقنة Luer الأخرى التي يمكن التخلص منها ب 3 مل من محلول سترات الصوديوم 60 مللي متر.
    3. ضع المحاقن في مضخات المحاقن واستخدم محولات Luer-to-MicroTight لتوصيل أنابيب PEEK (قطرها الداخلي 150 ميكرومتر) بالمحاقن. أدخل الأنابيب في أنبوب الطرد المركزي الذي يحتوي على محلول بذور Au في الخلاط الحراري.
    4. اضبط كل من مضختي المحاقن على توزيع 0.1675 مل من المحلول على مدار 20 دقيقة (8.357 ميكرولتر في الدقيقة).
    5. اضبط سرعة دوران الخلاط الحراري على 700 دورة في الدقيقة واضغط على زر البدء على مضخة المحقنة التي تحتوي على محلول HAuCl 4 سعة 25مللي متر.
    6. بعد 2 دقيقة، اضغط على زر البدء في مضخة المحقنة التي تحتوي على محلول سترات الصوديوم سعة 60 ملليمتر.
    7. بعد 30 دقيقة من بدء حقن محلول HAuCl4 ، قم بإزالة aliquot من محلول Au NP للتحليل.
    8. كرر الخطوات 1.3.5 – 1.3.7 لزيادة قطر NPs Au تدريجيا حتى 40 نانومتر.
      ملاحظة: يمكن استخدام هذا الإعداد لزيادة NPs Au حتى 40 نانومتر في خطوة واحدة عن طريق زيادة حجم المواد المتفاعلة المضافة في الخطوة 1.3.4. ويتحقق ذلك عن طريق زيادة وقت الاستغناء مع الحفاظ على نفس معدل الحقن.

2. توصيف NPs الاتحاد الافريقي

  1. التحليل الطيفي للأشعة فوق البنفسجية
    1. أضف 1 مل من محلول Au NP إلى كوفيت كوارتز شبه صغير.
    2. قم بتشغيل مقياس الطيف.
    3. اضبط نطاق الطول الموجي على 400 - 800 نانومتر.
    4. احصل على طيف UV-Vis لكل عينة.
  2. تشتت الضوء الديناميكي (DLS)
    1. قم بتصفية محلول العينة إلى كوفيت بلاستيكي شبه صغير مع مرشح 0.22 ميكرومتر.
    2. قم بتشغيل أداة DLS.
    3. اضبط درجة الحرارة على 25 درجة مئوية وازن لمدة 60 ثانية.
    4. قياس الحجم الهيدروديناميكي لكل عينة.
  3. المجهر الإلكتروني الناقل (TEM)
    1. قم بإسقاط قطرة 5 ميكرولتر من محلول العينة على شبكة Cu 300-mesh المغلفة ب C وجففها في الهواء.
      ملاحظة: هناك حاجة إلى التخفيف للحصول على عينات محلول Au NP أكثر تركيزا للحصول على NPs Au المنتشرة جيدا على شبكة TEM.
    2. احصل على صور TEM متعددة لكل عينة باستخدام TEM عند جهد تسارع 200 كيلو فولت.
    3. قم بقياس قطر 200 وحدة نمطية لكل عينة باستخدام ImageJ لحساب متوسط الحجم والانحراف المعياري.

3. تشكيل مجمعات CB7-UA

  1. إعداد محلول CB7 0.4 mM
    1. أضف 4.65 ملغ من CB7 إلى قارورة زجاجية سعة 15 مل.
      ملاحظة: يتم حساب كمية CB7 بناء على وزن صيغة CB7 (= 1163 Da) الذي تم استخدامه في معظم التقارير في الأدبيات. ومع ذلك ، تحتوي العينات الصلبة CB7 عادة على الماء والهيدروكلوريك والميثانول والأملاح الأخرى المتبقية من خطوات التوليف والتنقية ، مما يساهم في الوزن الميت بنسبة 10 - 20٪ في العينة. لا يمكن إزالة المذيبات والأملاح المحاصرة عن طريق التسخين في فرن فراغ أو وسائل أخرى. تختلف كمياتها بين دفعات مختلفة من العينات ولكن يمكن تحديدها كميا باستخدام التحليل العنصري. ومع ذلك ، فإن البروتوكول المقدم ليس حساسا لوجود كمية غير محددة كميا من المذيبات والأملاح في عينات CB7.
    2. أضف 10 مل من الماء إلى القارورة وشد الغطاء.
    3. قم بإذاعة العينة في درجة حرارة الغرفة حتى تذوب المادة الصلبة CB7 تماما.
      ملاحظة: تم تصنيع CB7 وفقا للأدبيات27 ولكنه متاح أيضا تجاريا.
  2. إعداد حل UA 0.4 mM
    1. أضف 2.69 ملغ من UA إلى أنبوب طرد مركزي سعة 50 مل.
    2. أضف 40 مل من الماء إلى الأنبوب وشد الغطاء.
    3. استخدم خلاطا حراريا لتدوير محلول العينة عن طريق ضبط درجة الحرارة على 70 درجة مئوية ، والسرعة إلى 800 دورة في الدقيقة والوقت إلى 2 ساعة. اترك المحلول يبرد إلى درجة حرارة الغرفة.
      ملاحظة: UA لديه قابلية ذوبان منخفضة في الماء (0.40 mM)5. تدور لفترة أطول إذا لم يتم إذابة مسحوق UA تماما. بدلا من ذلك ، يمكن استخدام الموجات فوق الصوتية لتسهيل الانحلال.
  3. التخفيفات المتسلسلة لمحلول UA 0.4 mM
    1. قم بتخفيف 5 مل من محلول UA سعة 0.4 مل مع ماء 5 مل في قارورة زجاجية سعة 15 مل لإعطاء محلول UA سعة 10 مل من 0.2 ملليمتر. شد الغطاء والسونيكات لمدة 30 ثانية.
    2. كرر الخطوة 3.3.1 باستخدام كمية مناسبة من UA والماء كما هو موضح في الجدول 1.
  4. إعداد مجمعات CB7-UA
    1. أضف 0.75 مل من محلول CB7 سعة 0.4 مللي متر و0.75 مل من محلول UA سعة 0.4 مللي ملم إلى أنبوب سعة 1.5 مل. قم بتأمين الغطاء والسونيكات لمدة 30 ثانية.
    2. انتظر لمدة 30 دقيقة لضمان تشكيل مجمعات المضيف والضيوف.
    3. كرر الخطوة 3.4.1 - 3.4.2 باستخدام محلول UA بتركيزات مختلفة.

4. استشعار SERS من UA

  1. الإعداد التجريبي لنظام رامان (الشكل 3)
    1. قم بتشغيل ليزر He-Ne 633 نانومتر (22.5 ميجاوات).
    2. قم بتشغيل مطياف رامان المعياري.
    3. قم بتشغيل الكمبيوتر وبدء تشغيل البرنامج.
    4. انقر فوق أيقونة معالجات تطبيقات التحليل الطيفي ، ثم حدد رامان.
    5. ابدأ عملية استحواذ جديدة. اضبط وقت التكامل على 30 ثانية ، والمسح الضوئي إلى المتوسط إلى 5 و boxcar إلى 0.
    6. قم بتخزين طيف الخلفية وأدخل الطول الموجي لليزر (أي 633 نانومتر).
      ملاحظة: وقت التكامل هو الوقت المناسب لكل عملية مسح ضوئي ، والمسح الضوئي إلى المتوسط هو عدد عمليات المسح الضوئي في المتوسط لإنشاء كل طيف و boxcar هو عدد وحدات البكسل المجاورة في المتوسط28.
  2. تشكيل ركائز SERS
    1. أضف 0.9 مل من محلول Au NP 40 نانومتر و 0.1 مل من محلول CB7-UA المعقد المشكل مسبقا إلى أنبوب 1.5 مل. قم بتأمين الغطاء والسونيك حتى يتغير المحلول من الأحمر الياقوتي إلى الأرجواني.
      ملاحظة: يمكن أيضا استخدام عينات محلول Au NP التجارية المثبتة بالسترات 40 نانومتر. عادة ، يتم ضبط الكثافة البصرية لذروة رنين البلازمون السطحي الموضعي (LSPR) إلى 1 عن طريق التخفيف من عينات محلول المخزون المركز. عادة ما يتم الاحتفاظ بتركيز السترات في العينة على أنه 2 ملليمتر.
    2. انقل محلول العينة إلى كوفيت شبه صغير. ضع الكوفيت في حامل عينة رامان وأغلق الغطاء.
    3. ابدأ القياس.
    4. قم بإعداد الحفظ التلقائي لتسجيل خمسة أطياف SERS متتالية.
    5. أوقف القياس وقم بتغيير العينة.
    6. كرر الخطوة 4.2.1 – 4.2.5 باستخدام محلول CB7-UA بتركيزات مختلفة.
      ملاحظة: وجد أن وقت التجميع يعتمد على تركيز UA في المجاميع النانوية، ويتراوح من 30 ثانية ل 0.1 ميكرومتر UA إلى 30 دقيقة ل 20 ميكرومتر UA، بسبب الاختلاف في تركيز CB7 الفارغ الذي له مساهمة كبيرة في التوسط في تجميع NPs Au. بالنسبة لمجمع CB7-UA ، يتم حظر بوابة واحدة بواسطة جزيء UA الضخم ، مما يجعلها غير متاحة للربط بسطح Au NP وبالتالي غير قادرة على التوسط في تجميع NP21. العينة جاهزة للقياس عندما يتغير لون المحلول من الأحمر الياقوتي إلى الأرجواني.

5. تحليل البيانات

  1. معالجة البيانات
    1. قم بتنزيل خط الأساس وتثبيته باستخدام المكون الإضافي للمربعات الصغرى غير المتماثلة (ALS) في Origin.
      ملاحظة: يتطلب المكون الإضافي ALS OriginPro.
    2. إدراج البيانات الأولية في Origin.
    3. احسب متوسط القيمة من أطياف SERS الخمسة لكل عينة. اقسم القيمة على قوة الليزر (أي 22.5 ميجاوات) وعلى وقت التكامل (أي 30 ثانية).
    4. انقر فوق رمز ALS لفتح مربع الحوار. اضبط العامل غير المتماثل على 0.001 ، والعتبة على 0.03٪ ، وعامل التجانس على 2 وعدد التكرارات على 20 لتصحيح خط الأساس لكل طيف متوسط.
    5. ارسم أطياف SERS لتركيزات UA المختلفة باستخدام خطوط مكدسة بواسطة إزاحات y. يجب أن يكون الناتج كثافة (التهم s-1 mW-1) ضد إزاحة رامان (cm-1).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 المقاسة من صور TEM (الشكل 4E) 20.1 ± 2.1 نانومتر و 32.5 ± 2.3 نانومتر و 40.0 ± 2.2 نانومتر على التوالي ، مع حساب 200 جسيم في كل حالة. تشير هذه النتائج إلى أن هذا البروتوكول فعال في توليف NPs Au موحدة ومشتتة بشكل ضيق.

في دراسات SERS المقدمة ، تم تشكيل مجمعات المضيف والضيف من CB7 و UA مع CB7 فارغة تتوسط في تكوين تقاطعات نانوية بلازمونية دقيقة داخل Au NP: CB7 nanoaggregates ، كما هو مدعوم بإشارات UA المميزة في طيف SERS (الشكل 5A).

ويبين الجدول 2 التعيينات الخاصة بقمم رامان في CB (المميزة بالرمز +) وUA (التي تحمل علامة *). وعلى العكس من ذلك، لا يمكن ملاحظة أي إشارات SERS للمستوى UA في غياب CB7، مما يوضح الدور الرئيسي ل CB7 في تحفيز تجميع NPs Au.

تم استخدام تركيز CB7 ثابت قدره 20 ميكرومتر في معايرة SERS ل UA طوال الوقت لضمان تكوين الهياكل النانوية البلازمونية القابلة للتكرار في الموقع (أي ركائز SERS). وقد تجلت الحساسية العالية لمخطط الكشف المقدم في هذا البروتوكول من خلال ملاحظة إشارات SERS واضحة من قمم UA عند 640 سم - 1 و 1130 سم - 1 (تعزى إلى تشوه حلقة الهيكل العظمي واهتزاز C-N على التوالي) وصولا إلى ~ 0.2 ميكرومتر (الشكل 5B-D) ، وهو ما يعرف باسم حد الكشف. بالإضافة إلى ذلك ، تم الحصول على ارتباطات قوية جدا (R 2 > 0.98) بين كثافة SERS وتركيز سجل UA بواسطة قانون القدرة لكلتا القمتين ، مع وجود مناطق خطية في حدود 0.2 إلى 2 μM (الشكل 5E ، F). وتجدر الإشارة إلى أنه يمكن تقريب الارتباطات الخطية بين شدة SERS وتركيز السجل لمجموعة ضيقة من تركيزات التحليل، في حين أن إشارة SERS تقترب من 0 عندما يقترب تركيز السجل من اللانهاية السالبة (أي يقترب تركيز التحليل من 0)، كما لوحظ في بياناتنا. كما أن إشارات SERS قابلة للتكرار بدرجة كبيرة كما يتضح من أشرطة الخطأ الصغيرة الموضحة في الشكل 5E و F.

Figure 1
الشكل 1: رسم تخطيطي للتقاطعات النانوية البلازمونية الدقيقة داخل Au NP ذاتية التجميع: المجاميع النانوية CB7. يظهر Inset تكبير التقاطعات النانوية البلازمونية حيث يتم توسط التجميع بواسطة CB7 فارغ بينما يتم إثراء UA على سطح Au NPs عبر تعقيد المضيف والضيف. ويلاحظ أن المخطط لا يرسم على نطاق واسع. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: (أ) رسم تخطيطي و (ب) صورة فوتوغرافية لجهاز المزج الآلي Au NP. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: رسم تخطيطي لنظام رامان. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4: التوصيف التمثيلي لخطط العمل الوطنية للاتحاد الأفريقي. (أ) أطياف الأشعة فوق البنفسجية - Vis من Au NPs و (B) أطياف التكبير التي تظهر تحول قمم LSPR مع زيادة عدد الخطوات المتزايدة إلى 10. (ج) الحجم الهيدروديناميكي ل Au NPs و (D) المخطط المقابل لحجم الجسيمات كدالة لعدد الخطوات المتنامية. (ه) صور TEM ل Au NPs ، تظهر أحجام بذور Au و Au NPs بعد 5 و 10 خطوات نمو. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5: نتائج SERS التمثيلية للكشف عن UA داخل Au NP: المجاميع النانوية CB7. (أ) أطياف SERS من UA في وجود أو عدم وجود CB7. يتم تمييز قمم رامان من CB7 و UA ب + و * على التوالي. (ب) كامل النطاق، (ج) 600 - 700 سم-1 تكبير و (د) 1100 - 1180 سم-1 تكبير أطياف SERS من UA بتركيزات من 0 إلى 20 ميكرومتر. يتم تمييز قمم رامان الرئيسية في UA ب *. تم تصحيح الأطياف وتعويضها من أجل الوضوح. (E,F) المؤامرات المقابلة لشدة ذروة SERS ضد تركيز UA. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Conc. من حل الأسهم UA (μM) تمت إضافة مجلد من حل مخزون UA (مل) حجم الماء المضاف (مل) مجموعة من حلول أسهم UA الجديدة (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

الجدول 1: التخفيفات المتسلسلة لمحلول UA.

سي بي 7 UA
ذروة SERS (سم-1) تعيين الذروة ذروة SERS (سم-1) تعيين الذروة
446 وضع المقص الدائري 491 اهتزاز حلقة C-N-C
831 تشوه الحلقة 640 تشوه حلقة الهيكل العظمي
1375 تمدد C-N متماثل 896 N-H الانحناء
1420 تمدد C-N غير المتماثل 1020 اهتزاز الحلقة
- - 1130 اهتزاز C-N
- - 1202 N-C-C تمتد والانحناء

الجدول 2: تخصيصات قمم رامان في CB7 و UA 2,4,29.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 NPs ذات الأحجام الكبيرة (حتى 40 نانومتر) ، والتي تتطلب عادة حقن يدوية متعددة من HAuCl4 وسترات الصوديوم ، ليتم تصنيعها عن طريق الإضافة المستمرة على مدى فترة طويلة من الزمن.

يمكن إجراء مزيد من التوصيف لتوضيح الخاصية الأساسية لمجمعات CB. على سبيل المثال ، يمكن عادة تأكيد تكوين مجمعات المضيف والضيف باستخدام الرنين المغناطيسي النووي 1H (NMR) ، والذي يجب أن يظهر تحولا في المجال وتوسيع الإشارات في حالة التعقيد 21،22،25. ومع ذلك ، فإن 1H NMR لا ينطبق على UA بسبب افتقاره إلى البروتونات غير القابلة للتبادل. ويمكن أيضا استخدام تقنيات بديلة مثل الرنين المغناطيسي النووي 13درجة مئوية وقياس الطيف الكتلي لتوصيف التعقيد. يمكن قياس ثوابت الربط بين CB7 و UA باستخدام تقنيات المعايرة بالتحليل الحجمي ، مثل معايرة التحليل الطيفي UV-Vis وقياس كالوريمتر المعايرة بالتحليل الحجمي متساوي الحرارة (ITC) 21،22،25. وفي الوقت نفسه ، يمكن حساب النمذجة الجزيئية القائمة على نماذج نظرية مجال القوة والكثافة الوظيفية (DFT) للحصول على رؤى نظرية في الهندسة الملزمة لمجمعات المضيف والضيف21،22،25،29. علاوة على ذلك ، يمكن حساب أطياف الأشعة تحت الحمراء ورامان من خلال حسابات الترددات21،25،29.

SERS هي تقنية تحليلية حساسة للغاية وانتقائية تسمح بتحديد تحليلات التتبع عبر بصمات الأصابع الاهتزازية الخاصة بالجزيئات. تكتسب SERS اهتمامات عبر مختلف التخصصات العلمية ، ولا سيما الدراسات الطبية الحيوية ، بسبب إشاراتها المحسنة بشكل كبير ، ووقت اكتساب أقصر بكثير وتحمل عال للمياه السائلة (مناسبة للاستشعار في السوائل الحيوية) 30،31،32،33،34،35. على النقيض من التقارير السابقة حول استشعار UA 1،2،3،4،36،37 ، فإن البنية الصلبة ل CB7 تحدد التباعد الدقيق البالغ 0.9 نانومتر بين Au NPs عبر ربط بوابة الكربونيل بينما يمكن ل CB7 المرتبط بالسطح حبس جزيئات UA داخل تجويفها (الشكل 1 )، مما يؤدي إلى نقاط ساخنة بلازمونية قوية وموضعية، وبالتالي إشارات SERS شديدة الحساسية (تصل إلى ~ 0.2 ميكرومتر) وقابلة للتكرار (في حدود خطأ 2٪) من UA مع ارتباطات قوية جدا (R2 > 0.98) بين كثافة SERS وتركيز السجل (الشكل 5).

في محاولة لتحسين تركيز CB7 ، نلاحظ أنه تم استخدام 20 ميكرومتر CB7 لضمان تكوين ركائز SERS قابلة للتكرار. على وجه الخصوص ، يعتمد التركيز المطلق ل CB7 المستخدم على النظام الكلي (أي Au NPs ، والتحليلات وجزيئات الخلفية ، إن وجدت) 18,22. يجب استخدام تركيز أعلى من CB7 إذا كان تجميع Au NPs بطيئا جدا. على العكس من ذلك ، يجب استخدام تركيز أقل من CB7 إذا كان محلول العينة يترسب بسرعة ويؤدي إلى نوافذ قياس أقصر. من المتوقع أن يتبع تجميع Au NPs بوساطة CB7 في إعدادنا التجريبي حركية التجميع الغروي المحدود الانتشار (DLCA)19 ، حيث تم تشكيل هياكل مفتوحة وممدودة تشبه السلسلة بسرعة في البداية قبل الانضمام معا كشبكة شبه كسورية. عادة ما تحدث حركية DLCA عند نسبة CB: Au NP عالية (حسب الرقم) ، والتي تساوي 106: 1 في حالتنا. تجدر الإشارة إلى أن حمض اليوريك موجود في سوائل الجسم (مثل مصل الدم والبول) بتركيز أعلى. على سبيل المثال ، التركيز الطبيعي لحمض اليوريك هو 3.5 - 7.0 ملغ / ديسيلتر في مصل الدم38 و 16 - 100 ملغ / ديسيلتر في البول2 على التوالي (التركيز فوق أو أقل من التركيز الطبيعي يعرف باسم فرط حمض يوريك الدم ونقص حمض يوريك الدم)39. لذلك ، لا يلزم سوى كمية صغيرة جدا من العينة للكشف عن المؤشرات الحيوية في هذا المخطط شديد الحساسية حيث يتم استخدام عامل تخفيف عالي لخفض تركيز العينة إلى نطاق مناسب. هذا مهم بشكل خاص لمراقبة نقاط الرعاية للمرضى المصابين بأمراض ميؤوس من شفائها والذين يكون إفراز البول منخفضا جدا. تؤدي العينات المخففة للغاية إلى أحجام عينات أكبر وبالتالي تقليل الأخطاء في تحديد كمية المؤشرات الحيوية بسبب تبخر الماء وفقدان العينات بسبب نقل السائل ، مع إعطاء مزايا أخرى بما في ذلك تقليل تأثيرات المصفوفة25. نظرا للطبيعة الانتقائية لطريقة التحقيق هذه ، فإنها تقتصر على تحليل الجزيئات التي يمكن أن تشكل مجمعات المضيف والضيف مع CB. تجدر الإشارة إلى أنه من الممكن ملاحظة التداخلات من جزيئات أخرى لأن CB يمكن أن يرتبط بجزيئات ضيف مختلفة. ومع ذلك ، يمكن إجراء تنقية العينات مثل الرحلان الكهربائي الهلامي و HPLC قبل قياس SERS.

مخطط الكشف الموضح في هذا البروتوكول لديه القدرة على الكشف المتعدد الإرسال للمؤشرات الحيوية في مصفوفة معقدة للتطبيقات السريرية عندما يقترن بتقنيات تحليل البيانات المتقدمة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

Acknowledgments

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

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

الكيمياء، العدد 164، جسيمات الذهب النانوية، المزج الآلي، القرعيات، تعقيد المضيف والضيف، التجميع الذاتي، التحليل الطيفي لرامان المحسن سطحيا، المستشعر، المؤشرات الحيوية، تشخيص الأمراض
الكشف الكمي SERS عن حمض اليوريك عن طريق تكوين تقاطعات نانوية بلازمونية دقيقة داخل مجاميع جسيمات الذهب النانوية والقرعيات[<em>n</em>]uril
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