Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Optisk fangst av plasmoniske nanopartikler for in situ overflateforbedrede Raman-spektroskopi karakteriseringer

Published: June 23, 2022 doi: 10.3791/63862
Automatic Translation
1,2, 1,2, 1,2
1HKUST-Shenzhen Research Institute, 2Department of Chemistry, The Hong Kong University of Science and Technology

Summary

Denne protokollen beskriver en praktisk tilnærming til å integrere optisk fangst og overflateforbedret Raman-spektroskopi (SERS) for å manipulere plasmoniske nanopartikler for sensitiv molekylær deteksjon. Uten aggregeringsmidler monterer fangstlaseren plasmoniske nanopartikler for å forbedre SERS-signalene til målanalytter for in situ spektroskopiske målinger.

Abstract

Overflateforbedret Raman-spektroskopi (SERS) muliggjør ultrasensitiv deteksjon av analyttmolekyler i forskjellige applikasjoner på grunn av det forbedrede elektriske feltet av metalliske nanostrukturer. Saltindusert sølvnanopartikkelaggregering er den mest populære metoden for generering av SERS-aktive substrater; Det er imidlertid begrenset av dårlig reproduserbarhet, stabilitet og biokompatibilitet. Denne protokollen integrerer optisk manipulasjon og SERS-deteksjon for å utvikle en effektiv analytisk plattform for å løse dette. En 1064 nm fangstlaser og en 532 nm Raman sondelaser kombineres i et mikroskop for å montere sølvnanopartikler, som genererer plasmoniske hotspots for in situ SERS-målinger i vandige miljøer. Uten aggregeringsmidler muliggjør denne dynamiske plasmoniske sølvnanopartikkelsamlingen en ca. 50 ganger forbedring av analyttmolekylsignalet. Videre gir den romlig og tidsmessig kontroll for å danne SERS-aktiv montering i så lite som 0, 05 nM analyttbelagt sølvnanopartikkelløsning, noe som minimerer potensiell forstyrrelse for in vivo-analyse . Derfor har denne optiske fangstintegrerte SERS-plattformen stort potensial for effektive, reproduserbare og stabile molekylære analyser i væsker, spesielt i vandige fysiologiske miljøer.

Introduction

Overflateforbedret Raman-spektroskopi (SERS) er en sensitiv analytisk teknikk for direkte påvisning av den kjemiske strukturen til målmolekyler ved ultralave konsentrasjoner eller til og med på enkeltmolekylnivå 1,2,3,4. Laserbestråling induserer lokalisert overflateplasmonresonans i metalliske nanostrukturer, brukt som SERS-substrater for å forsterke Raman-signalene til målmolekyler. Saltinduserte nanopartikkelaggregater er de mye brukte SERS-substratene, som spontant gjennomgår Brownian-bevegelse i kolloidale suspensjonsvæsker 5,6. Ytterligere tørking tillater stabile SERS-målinger; Imidlertid kan urenhetskonsentrasjon forekomme, noe som introduserer bakgrunnsstøy og forårsaker irreversibel skade på biologiske prøver7. Derfor er det relevant å utvikle saltfrie nanopartikkelaggregeringer, kontrollere bevegelsen i løsning og forbedre biokompatibiliteten samtidig som måleeffektiviteten opprettholdes.

Optisk fangst er vedtatt for å kontrollere forskjellige metalliske underlag og lette SERS-deteksjoner 8,9,10,11,12,13,14. En optisk felle genereres ved å fokusere en laserstråle tett for å generere et optisk kraftfelt, som tiltrekker små gjenstander til det høyeste intensitetsområdet rundt fokus15,16. Nylig har optiske feller blitt brukt til å utvikle reproduserbare og følsomme plasmoniske sensorplattformer for ulike applikasjoner, og viser sine unike fordeler ved å lokalisere og kontrollere posisjonen til SERS-aktive metalliske nanostrukturer i løsninger 17,18,19,20,21,22,23,24 . Denne protokollen introduserer en tilnærming for å kombinere optisk pinsett og Raman-spektromikroskopi for dynamisk å montere sølvnanopartikler (AgNPs) og stabilisere dem mot Brownian-bevegelse i løsning for effektive SERS-målinger. I AgNP-monteringsområdet kan signalet fra 3,3'-dithiobis[6-nitrobenzoesyre] bis(succinimid) ester (DSNB), analyttmolekyler belagt på overflaten av AgNPs, forsterkes med omtrent 50 ganger. Denne tilnærmingen er egnet for å analysere følsomme biomolekyler som er inkompatible med kjemiske kappemidler25,26,27. Videre gir den romlig og tidsmessig kontroll for å generere den SERS-aktive AgNP-enheten. Dette muliggjør in situ-deteksjon i vandige miljøer, noe som kan redusere bruken av AgNPs og minimere forstyrrelse for in vivo-analyse 28,29,30. I tillegg er den optiske fangstinduserte AgNP-enheten stabil, reproduserbar og reversibel31,32. Derfor er det en lovende plattform for å oppdage analyttmolekyler i løsninger og under fysiologiske forhold der saltindusert aggregering ikke er anvendelig.

I denne studien er en 1064 nm fangstlaser, kraftdeteksjonsmodul og brightfield belysningskilde integrert i det optiske pinsettmikroskopisystemet for optisk manipulasjon og visualisering av partikler. En 532 nm Raman sonde laser ble også innlemmet i mikroskopet og justert med fangst laser i prøvekammeret. Ved spektralinnhenting ble tilbakespredt lys samlet og omdirigert til et spektrometer (figur 1).

Protocol

1. Optisk oppsett

  1. Rett en 532 nm laserstråle (Raman-eksitasjonskilde) inn i fleksporten på det optiske pinsettmikroskopet (se materialtabellen).
  2. Juster 532 nm laserstrålen i stereo dobbeltlagsbanene til det optiske pinsettmikroskopet med et 750 nm langpassert dikroisk speil for å kombinere med de originale fangstlaserstrålene for å fokusere på prøvekammeret.
  3. Samle det tilbakespredte lyset fra prøvekammeret ved hjelp av et 750 nm langpassert dikroisk speil og omdiriger det til et spektrometer som inneholder et flytende nitrogenkjølt ladningskoblet enhet (CCD) kamera (se Materialtabell). Plasser et 532 nm hakkfilter foran inngangsspalten til spektrometeret før spektralinnsamling.
    MERK: Øyevern må brukes når laseren er slått på, og laserstrålen må være inne i et trygt område.

2. Fabrikasjon av AgNPs

  1. Varm 50 ml 1 mM AgNO3 vandig løsning i en rundbunnet kolbe mens du koker.
  2. Tilsett 1,0 ml 0,1 M trinatriumsitratoppløsning dråpevis i den kokte AgNO3 vandige oppløsningen.
  3. Hold blandingen kokende i 16 minutter under konstant omrøring.
  4. Avkjøl blandingen til romtemperatur. Gulaktig farge observeres.
  5. Sentrifuge AgNP-kolloidene ved 2000 × g i 5 minutter ved romtemperatur og fjern deretter supernatanten ved hjelp av en pipette.
  6. Resuspender AgNP-kolloidene med 1 ml avionisert vann (resistivitet på 18,2 MΩ cm).
  7. Gjenta trinn 2,5 og 2,6 tre ganger for å fjerne det gjenværende reduksjonsmiddelet.
  8. Karakteriser størrelsesfordelingen til AgNP-ene ved hjelp av skanningelektronmikroskopi (SEM) og dynamisk lysspredning (DLS)33 for å bekrefte ensartetheten til AgNP-ene (figur 2). AgNP-konsentrasjonen ble estimert til 0,1 nM ved UV-absorbans34.
    MERKNADER: På grunn av den lave konsentrasjonen kan AgNP-lagerløsningen opprettholdes uten klynger i 2-3 uker. Ingen stabiliserende midler er nødvendig. Hvis det ble observert et bunnfall i AgNP-stamløsningen, ble det utarbeidet en ny AgNP-løsning i henhold til protokollen ovenfor.

3. Interaksjon mellom DSNB-analyttmolekylet og AgNP

  1. Tilsett 200 μL 2 mM DSNB (se Materialfortegnelse) til 1 ml AgNP-kolloid og inkuber ved romtemperatur i 3 timer for å belegge et lag DSNB på overflaten av AgNP ved dannelsen av Ag-S-bindingen mellom AgNP og DSNB35. En skjematisk fremstilling av denne interaksjonen er vist i figur 3.
  2. Sentrifuge AgNP ved 2000 × g i 5 minutter ved romtemperatur og fjern supernatanten.
  3. Resuspender AgNP-DSNB med 1 ml avionisert vann.
  4. Gjenta trinn 3.2 og 3.3 tre ganger for å fjerne overflødig DSNB.
  5. Ta opp de UV-synlige spektrene til AgNP-kolloidet og AgNP-DSNB-løsningen.
    MERK: Dette spekteret viser en absorpsjonstoppforskyvning fra ca. 420 nm til 450 nm, noe som indikerer vellykket belegg av DSNB på overflaten av AgNP (figur 3).

4. Klargjøring av prøvekammer og generering av AgNP-montering for SERS-måling

  1. Rengjør glassglasset og dekselet med vann og etanol.
  2. Fest rammebåndet (0,25 mm tykkelse, se Materialfortegnelse) til glassglasset for å lage et kammer (1,0 cm lengde × 1,0 cm bredde × 0,25 mm høyde).
  3. Tilsett noen dråper av AgNP-DSNB-løsningen (rundt 25 μL) i rammen.
  4. Sett dekselet på rammebåndet og forsegl det (figur 4).
  5. Tilsett flytende nitrogen i beholderen til det flytende nitrogenkjølte CCD-kameraet til temperaturen når -120 °C.
  6. Blokker Raman-sondestrålebanen ved hjelp av en magnetisk lasersikkerhetsskjerm (se Materialtabell), og slå deretter på 532 nm Raman eksitasjonskildelaser.
  7. Fest prøvekammeret med AgNP-DSNB-løsningen på kammerholderen. Legg vann til det vannsenkbare målet (60x forstørrelse med en 1,2 numerisk blenderåpning A på 1,2) som vist i figur 1. Plasser deretter kammerholderen umiddelbart på mikrostadiet over målet.
  8. Slipp nedsenkningsolje på toppen av dekselet og plasser den olje-nedsenkede kondensatoren for å visualisere partikler på mikroskopkameraet.
  9. Juster Z-posisjonen til målet ved å vri på mikroskopets knapp til 532 nm Raman-sondestrålen er fokusert på den nederste glassoverflaten i kammeret, og viser en hvit flekk på mikroskopkameraet (figur 5).
    1. Juster X- og Y-posisjonene til mikrotrinnet for å flytte kammeret for å plassere den sentrale delen av kammeret på den hvite flekken. Åpne den optiske pinsettkontrollprogramvaren (se Materialfortegnelse) og bruk den utstyrte joystickkontrollen til å flytte 1064 nm overlappingslaseren (indikert med en rød sirkel i det optiske pinsettsystemet) for å overlappe med den hvite flekken (figur 5).
    2. Deretter justerer du mikroskopets knapp for å flytte Z-posisjonen til målet opp.
      MERK: Forsvinningen av den hvite flekken i mikroskopkamerabildet indikerer at 532 nm Raman-sondestrålen er fokusert inne i kammeret.
  10. Slå på 1064 nm fangstlaseren for å tiltrekke AgNPs i prøvekammeret og opprett en plasmonisk AgNP-enhet.
    MERK: Samlingen av AgNPs resulterer i et mørkt sted i prøvekammeret (figur 6B).
    1. Skru ned laserstrålen for overlapping for å unngå overoppheting eller bobledannelse når det er nødvendig.
      MERK: Øk fangstlasereffekten og bestrålingstiden hvis det ikke er noen tilsynelatende dannelse av AgNP-enheten.
  11. Juster posisjonen til prøvemikrostaget for å plassere den mørke flekken til den plasmoniske AgNP-enheten under fokus på 532 nm Raman-sondestrålen for spektroskopiske målinger.
  12. Plasser filtrene med nøytral tetthet (ND) foran 532 nm Raman-laseruttaket for å justere effekten til 10 mW. Skriv inn anskaffelsestiden (10 s for denne studien, figur 6) i innstillingspanelet i spektrumprogramvaren (se Materialtabell) og klikk på Skaff deg-knappen for å starte spektralinnsamlingen.
    MERK: Dette genererer SERS-spekteret til analyttmolekylene (DSNB i det representative resultatet og figur 6).

Representative Results

Som bevis på konseptet ble DSNB valgt som analyttmolekylet og belagt på overflaten av AgNPs. De typiske SERS-spektrene til DSNB forsterket av den plasmoniske AgNP-samlingen og dispergert AgNP er vist i figur 6. Uten fangstlaseren genererte de dispergerte AgNP-ene i prøvekammeret et svart spektrum (figur 6A) ved eksitasjon av Raman-sondelaseren. Et svakt og bredt SERS-signal ble observert på ca. 1380-1450 cm-1, den karakteristiske toppen av DSNB fra den symmetriske NO 2-strekningen, noe som stemmer overens med litteraturrapporter 35,36. Siden de spredte AgNP-ene var under brownsk bevegelse, var interpartikkelkryssene store og ustabile, som illustrert i figur 6C. Dermed var SERS-signalforsterkningen av DSNB lav for de spredte AgNP-ene.

AgNPs samles for å danne en plasmonisk AgNP-montering når fangstlaseren er på. Å øke kraften og forlenge bestrålingstiden til fangstlaseren kan tiltrekke seg flere AgNPs og generere et mørkt sted, som vist i figur 6B. Her brukte vi en fangstlasereffekt på 700 mM og en 20 s bestrålingstid for å lage en plasmonisk AgNP-enhet i en 0,05 nM DSNB-belagt AgNP-løsning på et bestemt sted og øyeblikk. SERS-spekteret av DSNB ble oppnådd i regionen av den plasmoniske AgNP-forsamlingen (figur 6A, rød). Det sterke Raman-båndet ved 930 cm-1 er tilordnet nitrosaksevibrasjonen, og de store båndene ved 1078 cm-1, 1152 cm-1 og 1191 cm-1 tilsvarer sannsynligvis succinimidyl N-C-O-strekningen som overlapper med de aromatiske ringmodusene til DSNB 35,37. Funksjonsbåndene ved 1385 cm-1 og 1444 cm-1 stammer fra den symmetriske nitrostrekningen til DSNB og er betydelig forbedret og litt forskjøvet på grunn av reaksjonen med overflaten av AgNP35,37. Basert på de tidligere rapporterte SERS-fingeravtrykkene til DSNB35,36,37, ble båndet på 1579 cm-1 tildelt den aromatiske ringmodusen til DSNB. Den totale intensiteten av DSNB i den plasmoniske AgNP-samlingen var høyere enn for den dispergerte AgNP. Med tanke på intensiteten til den karakteristiske toppen ved 1444 cm-1, kan den plasmoniske AgNP-enheten gi omtrent en 50 ganger forbedring av SERS-signalet til DSNB sammenlignet med det dispergerte AgNP. Som vist i figur 7 ble SERS-spektra av DSNB registrert gjentatte ganger (20 ganger) for AgNP-forsamlingen i eksperimentet, og demonstrerte identiske vibrasjonsfunksjoner. Intensiteten av de karakteristiske toppene til DSNB ved 1152 cm−1, 1444 cm−1 og 1579 cm−1 over disse 20 SERS-spektrene ble plottet som histogrammer med relative standardavvik (RSD) på henholdsvis 6,88 %, 6,59 % og 5,48 %. Dette verifiserte ytterligere reproduserbarheten og stabiliteten. Derfor er denne tilnærmingen pålitelig for å manipulere plasmoniske nanopartikler og SERS-deteksjon av analyttmolekyler i oppløsning.

Figure 1
Figur 1: Skjematisk fremstilling av den optiske pinsettkoblede Raman-spektroskopiske plattformen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Klargjøring av AgNP for SERS-måling . (A) SEM-bilde av AgNP. (B) Størrelsesfordeling av AgNP etter DLS. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: Interaksjon mellom AgNP og DSNB. (A) Skjematisk av belegget av DSNB på overflaten av AgNP. (B) UV-synlige spektra av AgNP og AgNP-DSNB. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4: Skjematisk prøvekammerpreparering . (A) Prøvekammerforberedelsesprosess. (B) Forberedt prøvekammer. Skala bar = 1 cm. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 5
Figur 5: Overlappende posisjon for 532 nm Raman-laser og 1064 nm fangstlaser. (A) Posisjon på 532 nm Raman-laser indikert med hvit flekk. (B) Posisjonen til 1064 nm overlappingslaser indikert med rød sirkel. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 6
Figur 6: Typiske SES-spektra av analyttmolekylene forsterket av den plasmoniske AgNP-samlingen. (A) SERS-spektra av DSNB ved plasmonisk AgNP-montering (rød) og dispergert AgNP (svart). (B) Den plasmoniske AgNP-enheten når fangstlaseren er på, viser en mørk flekk under mikroskopisk visualisering. (C) Den dispergerte AgNP når fangstlaseren er av. (D) Illustrasjon av mekanismen for AgNP-monteringsdannelse. (E) Konsentrasjonsavhengig SERS-intensitet i fravær av fangstlaseren. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 7
Figur 7: Reproduserbarhet av SERS-signal for DSNB. (A) 20 SERS-spektra av DSNB ved den plasmoniske AgNP-samlingen registrert gjentatte ganger i eksperimentet. (B) Histogrammer av intensitetene til de karakteristiske DSNB-toppene ved 1152 cm-1 (RSD = 6,88%), 1444 cm-1 (RSD = 6,59%) og 1579 cm-1 (RSD = 5,48%). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 8
Figur 8: AgNP-montering generert under forskjellige eksperimentelle parametere. (A) Forskjellig fangstlaserkraft; bestrålingstid 20 s og AgNP-konsentrasjon 0,05 nM. (B) Forskjellig bestrålingstid; overlapping av lasereffekt 700 mW og AgNP-konsentrasjon 0,05 nM. (C) Forskjellig AgNP-konsentrasjon; bestrålingstid 20 s og fangstlasereffekt 700 mW. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Supplerende figur 1: Mikroskopkamerabildene av AgNP-montering i tidsserier da fangstlaseren ble slått av. Vennligst klikk her for å laste ned denne filen.

Discussion

Denne studien rapporterer en analytisk plattform som kombinerer optisk fangst og SERS-deteksjon for in situ molekylære karakteriseringer. En 532 nm Raman sondestråle ble kombinert med en 1064 nm fangst laserstråle gjennom stereo dobbeltlagsbaner for å kombinere fokus og samle for ytterligere spektroskopiske målinger i backscattering geometri. Fangstlaserstrålen samlet AgNPs for å danne plasmoniske hotspots, etterfulgt av eksitering av Raman-sondelaserstrålen for å generere SERS-signalet til analyttmolekylene i oppløsning. Som et bevis på konseptet ble deteksjonen av DSNB demonstrert, som ble belagt på overflaten av AgNPs. I AgNP-monteringsområdet kontrollert av fangstlaserstrålen ble det oppnådd en omtrent 50 ganger forbedring i DSNB-signalet sammenlignet med de omkringliggende dispergerte AgNP-ene. En lignende høysignalforsterkning av analyttmolekyler i løsningsfasen SERS-målinger på den presenterte plattformen ble reproduserbart oppnådd.

Det kritiske trinnet som påvirker SERS-signalforsterkning danner en optisk fangstindusert AgNP-enhet. SERS-signalet til analyttmolekylene kan optimaliseres ved å finjustere eksperimentelle parametere som fangstlaserkraft, bestrålingstid og AgNP-konsentrasjon. Som vist i figur 8, kan bruk av en høyere fangstlasereffekt øke effektiviteten til AgNP-monteringsdannelse. Reproduserbare AgNP-enheter ble oppnådd ved å øke kraften til fangstlaseren fra 450 mW til 700 mW. Imidlertid kan en fangstlasereffekt høyere enn 950 mW indusere overoppheting og boblegenerering38. Dermed anbefales moderat fangstlaserkraft for å lage en dynamisk AgNP-enhet. Tilsvarende er en lengre bestrålingstid nyttig for å fremme dannelsen av AgNP-forsamlinger. Figur 8B viser at det ble dannet en klar sfærisk AgNP-sammenstilling når bestrålingstiden økte fra 5-20 s. AgNP-forsamlingen ble imidlertid forvrengt etter 60 s bestråling. I tillegg ble dannelsen av AgNP-forsamlingen akselerert ved en høyere AgNP-konsentrasjon, fra 0,01 nM til 0,05 nM, mens den raskt ble overopphetet ved 0,25 nM, som vist i figur 8C. Hvis det ikke er noen åpenbar AgNP-monteringsdannelse, anbefales det å øke fangstlasereffekten og bestrålingstiden. Ved generering av en stabil AgNP-enhet må fangstlaseren skrus ned for å unngå potensiell termisk skade.

SERS-aktiviteten til den optiske fangstinduserte AgNP-enheten ble tilskrevet en økning i den lokale AgNP-konsentrasjonen i fangstlaserbestrålingsområdet, som er den mørke flekken i figur 6B. I den fluidiske AgNP-løsningen kan den optiske fellen kontinuerlig tiltrekke AgNPs for å akkumulere og danne plasmoniske hotspots i et begrenset rom i interpartikkelkryssene. Dette gir et forbedret elektrisk felt som forbedrer SERS-effekten. Det ble videre verifisert av det sterkere SERS-signalet oppnådd ved en høyere AgNP-konsentrasjon (1,00 nM) sammenlignet med det svakere SERS-signalet oppnådd ved en lavere AgNP-konsentrasjon (0,05 nM) uten fangstlaseren, som vist i figur 6E.

Videre har posisjonskontroll av den plasmoniske AgNP-enheten i løsning, mot Brownian-bevegelse, ved optisk fangst betydelig forbedret effektiviteten og stabiliteten til SERS-målinger. Høy gjennomstrømningssensor kan utføres når den er koblet til det mikrofluidiske systemet. Sammenlignet med den tradisjonelle saltinduserte aggregering av nanopartikler for å generere SERS-aktive substrater, tillater plattformen vår dynamisk dannelse av plasmoniske AgNP-enheter, på det designede stedet og øyeblikket, med høy fleksibilitet26,28. Videre fungerer det effektivt ved nanomolar AgNP-konsentrasjoner og muliggjør romlig-temporal manipulering av SERS-aktive hotspots for in situ spektroskopiske målinger i løsninger. Denne dynamiske AgNP-enheten demonteres gradvis på få minutter når overlappingslaseren ble slått av. Uten fangstlaseren forsvant AgNP-enheten nesten på 20 minutter, som vist i supplerende figur 1. Dette kan minimere innflytelsen på deteksjonssystemet og viser stort potensial for ulike bioapplikasjoner, spesielt deteksjon av biomolekyler (DNA, RNA og protein) under fysiologiske og in vivo forhold. Imidlertid gir denne dynamiske AgNP-samlingen en mindre forbedringsfaktor enn saltinduserte AgNP-aggregater2, og derfor er det nødvendig med ytterligere modifikasjon og utvikling.

Avslutningsvis gir integrasjonen av optisk fangst og SERS-deteksjon en praktisk metode for å kontrollere plasmoniske nanopartikler og oppnå reproduserbar SERS-signalforbedring for å oppdage analyttmolekyler i løsninger med høy effektivitet, stabilitet og biokompatibilitet.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Vi anerkjenner finansieringsstøtten fra Science, Technology, and Innovation Commission of Shenzhen kommune (nr. JCYJ20180306174930894), Zhongshan Municipal Bureau of Science and Technology (2020AG003) og Research Grant Council of Hong Kong (Project 26303018). Vi anerkjenner også prof. Chi-Ming Che og hans finansieringsstøtte fra "Laboratorium for syntetisk kjemi og kjemisk biologi" under Health@InnoHK-programmet lansert av Innovasjons- og teknologikommisjonen, Regjeringen i Hong Kongs spesielle administrative region i Folkerepublikken Kina.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1064 nm trapping laser IPG Photonics, United States 1064 nm CW Yb fiber laser, 10W
3,3'-Dithiobis[6-nitrobenzoic acid] bis(succinimide) ester  Biosynth Carbosynth FD15467
532 nm Raman excitation source CNI, China MLL-III-532
Bluelake software LUMICKS, Netherlands version 1.6.12 optical tweezer control software
Frame tape Thermo Fisher Scientific, Inc AB-0576
Immersion oil Cargille Laboratories, Inc 16482
Liquid nitrogen-cooled charge-coupled device (CCD) camera Teledyn Princeton Instrument, United States 400B eXcelon
Long-pass dichroic mirror AHF, Germany F48-801
Magnetic laser safety screen ThorLabs TPSM2
Optical tweezer microscope LUMICKS, Netherlands m-trap
Silver nitrate Sigma-Aldrich China, Inc. S8157
Spectrometer Teledyn Princeton Instrument, United States IsoPlane SCT-320
Trisodium citrate Sigma-Aldrich China, Inc. S4641
WinSpec software Teledyn Princeton Instrument, United States version 2.6.24.0 spectrum software

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Stiles, P. L., Dieringer, J. A., Shah, N. C., Van Duyne, R. P. Surface-enhanced Raman spectroscopy. Annual Review of Analytical Chemistry. 1 (1), 601-626 (2008).
  2. Xu, L. J., et al. Label-free detection of native proteins by surface-enhanced Raman spectroscopy using iodide-modified nanoparticles. Analytical Chemistry. 86 (4), 2238-2245 (2014).
  3. Le Ru, E. C., Etchegoin, P. G. Single-molecule surface-enhanced raman spectroscopy. Annual Review of Physical Chemistry. 63, 65-87 (2012).
  4. Huang, J. A., et al. SERS discrimination of single DNA bases in single oligonucleotides by electro-plasmonic trapping. Nature Communications. 10 (1), 1-10 (2019).
  5. Chan, M. Y., Leng, W., Vikesland, P. J. Surface-enhanced Raman spectroscopy characterization of salt-induced aggregation of gold nanoparticles. ChemPhysChem. 19 (1), 24-28 (2018).
  6. Le Ru, E. C., Meyer, M., Etchegoin, P. G. Proof of single-molecule sensitivity in Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) by means of a two-analyte technique. Journal of Physical Chemistry B. 110 (4), 1944-1948 (2006).
  7. Schultz, Z. Not too hot: the importance of optimizing laser power for surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) measurements. Spectroscopy. 36 (8), 18-20 (2021).
  8. Svedberg, F., Käll, M. On the importance of optical forces in surface-enhanced Raman scattering (SERS). Faraday Discussions. 132, 35-44 (2006).
  9. Svedberg, F., Li, Z., Xu, H., Käll, M. Creating hot nanoparticle pairs for surface-enhanced Raman spectroscopy through optical manipulation. Nano Letters. 6 (12), 2639-2641 (2006).
  10. Liu, Z., Hung, W. H., Aykol, M., Valley, D., Cronin, S. B. Optical manipulation of plasmonic nanoparticles, bubble formation and patterning of SERS aggregates. Nanotechnology. 21 (10), 105304 (2010).
  11. Spadaro, D., et al. Optical trapping of plasmonic mesocapsules: Enhanced optical forces and SERS. Journal of Physical Chemistry C. 121 (1), 691-700 (2017).
  12. Ottevaere, H., et al. Optical trapping of particles combined with confocal Raman spectroscopy in an optofluidic chip. Optical Design and Fabrication 2017. , (Freeform, IODC, OFT). JTu5A.27 (2017).
  13. Koya, A. N., et al. Novel plasmonic nanocavities for optical trapping-assisted biosensing applications. Advanced Optical Materials. 8 (7), 1901481 (2020).
  14. Yuan, Y., et al. Optical trapping-assisted SERS platform for chemical and biosensing applications: Design perspectives. Coordination Chemistry Reviews. 339, 138-152 (2017).
  15. Ashkin, A., Dziedzic, J. M., Yamane, T. Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams. Nature. 330 (6150), 769-771 (1987).
  16. Ashkin, A. Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasers. Proceedings of the National Academy of Sciences. 94 (10), 4853-4860 (1997).
  17. Dang, H., et al. Reproducible and sensitive plasmonic sensing platforms based on Au-nanoparticle-internalized nanodimpled substrates. Advanced Functional Materials. 31 (49), 1-10 (2021).
  18. Lafuente, M., et al. Plasmonic MOF thin films with Raman internal standard for fast and ultrasensitive SERS detection of chemical warfare agents in ambient air. ACS Sensors. 6 (6), 2241-2251 (2021).
  19. Chen, H., et al. SERS imaging-based aptasensor for ultrasensitive and reproducible detection of influenza virus A. Biosensors and Bioelectronics. 167, 112496 (2020).
  20. Chen, L., et al. Label-free plasmonic assisted optical trapping of single DNA molecules. Optics Letters. 46 (6), 1482 (2021).
  21. Farid, S., et al. Rainbows at the end of subwavelength discontinuities: plasmonic light trapping for sensing applications. Advanced Optical Materials. 9 (24), 1-18 (2021).
  22. Lin, S., et al. Tetragonal superlattice of elongated rhombic dodecahedra for sensitive SERS determination of pesticide residues in fruit. ACS Applied Materials and Interfaces. 12 (50), 56350-56360 (2020).
  23. Tiwari, S., Khandelwal, U., Sharma, V., Kumar, G. V. P. Single molecule surface enhanced Raman scattering in a single gold nanoparticle-driven thermoplasmonic tweezer. Journal of Physical Chemistry Letters. 12 (49), 11910-11918 (2021).
  24. Fukushima, T., et al. Visualization of molecular trapping at plasmonic metal nanostructure by surface-enhanced Raman scattering imaging. Journal of Nanophotonics. 14 (2), 1 (2020).
  25. Yuan, Y., et al. Optical trapping-assisted SERS platform for chemical and biosensing applications: Design perspectives. Coordination Chemistry Reviews. 339, 138-152 (2017).
  26. Foti, A., et al. Optical aggregation of gold nanoparticles for SERS detection of proteins and toxins in liquid environment: towards ultrasensitive and selective detection. Materials. 11 (3), 440 (2018).
  27. Dinish, U. S., et al. Single molecule with dual function on nanogold: Biofunctionalized construct for in vivo photoacoustic imaging and SERS biosensing. Advanced Functional Materials. 25 (15), 2316-2325 (2015).
  28. Tong, L., Righini, M., Gonzalez, M. U., Quidant, R., Käll, M. Optical aggregation of metal nanoparticles in a microfluidic channel for surface-enhanced Raman scattering analysis. Lab on a Chip. 9 (2), 193-195 (2009).
  29. Messina, E., et al. Plasmon-enhanced optical trapping of gold nanoaggregates with selected optical properties. ACS Nano. 5 (2), 905-913 (2011).
  30. Hwang, H., et al. In situ dynamic measurements of the enhanced SERS signal using an optoelectrofluidic SERS platform. Lab on a Chip. 11 (15), 2518-2525 (2011).
  31. Fazio, B., et al. SERS detection of biomolecules at physiological pH via aggregation of gold nanorods mediated by optical forces and plasmonic heating. Scientific Reports. 6 (1), 26952 (2016).
  32. Schlücker, S. Surface-enhanced raman spectroscopy: Concepts and chemical applications. Angewandte Chemie - International Edition. 53 (19), 4756-4795 (2014).
  33. Verma, P., Maheshwari, S. K. Preparation of sliver and selenium nanoparticles and its characterization by dynamic light scattering and scanning electron microscopy. Journal of microscopy and ultrastructure. 6 (4), 182-187 (2018).
  34. Paramelle, D., et al. A rapid method to estimate the concentration of citrate capped silver nanoparticles from UV-visible light spectra. Analyst. 139 (19), 4855-4861 (2014).
  35. Zhang, Y., et al. Facile SERS-active chip (PS@Ag/SiO2/Ag) for the determination of HCC biomarker. Sensors and Actuators B: Chemical. 272, 34-42 (2018).
  36. Cheng, M., et al. SERS immunosensor of array units surrounded by particles: A platform for auxiliary diagnosis of hepatocellular carcinoma. Nanomaterials. 10 (10), 1-11 (2020).
  37. Grubisha, D. S., Lipert, R. J., Park, H. -Y., Driskell, J., Porter, M. D. Femtomolar detection of prostate-specific antigen: an immunoassay based on surface-enhanced raman scattering and immunogold labels. Analytical Chemistry. 75 (21), 5936-5943 (2003).
  38. Wang, S., Fu, L., Zhang, Y., Wang, J., Zhang, Z. Quantitative evaluation and optimization of photothermal bubble generation around overheated nanoparticles excited by pulsed lasers. Journal of Physical Chemistry C. 122 (42), 24421-24435 (2018).

Tags

Bioteknologi utgave 184
Optisk fangst av plasmoniske nanopartikler for <em>in situ</em> overflateforbedrede Raman-spektroskopi karakteriseringer
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Dai, X., Qiu, W., Huang, J. Optical… More

Dai, X., Qiu, W., Huang, J. Optical Trapping of Plasmonic Nanoparticles for In Situ Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Characterizations. J. Vis. Exp. (184), e63862, doi:10.3791/63862 (2022).

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