Detta protokoll beskriver ett bekvämt tillvägagångssätt för att integrera optisk fångst och ytförstärkt Raman-spektroskopi (SERS) för att manipulera plasmoniska nanopartiklar för känslig molekylär detektion. Utan aggregeringsmedel monterar fångstlasern plasmoniska nanopartiklar för att förbättra SERS-signalerna från målanalyter för in situ-spektroskopiska mätningar.
Ytförstärkt Raman-spektroskopi (SERS) möjliggör ultrakänslig detektion av analytmolekyler i olika applikationer på grund av det förbättrade elektriska fältet av metalliska nanostrukturer. Saltinducerad silvernanopartikelaggregering är den mest populära metoden för att generera SERS-aktiva substrat; Det är dock begränsat av dålig reproducerbarhet, stabilitet och biokompatibilitet. Detta protokoll integrerar optisk manipulation och SERS-detektion för att utveckla en effektiv analytisk plattform för att hantera detta. En 1064 nm fångstlaser och en 532 nm Raman-sondlaser kombineras i ett mikroskop för att montera silvernanopartiklar, som genererar plasmoniska hotspots för in situ SERS-mätningar i vattenmiljöer. Utan aggregeringsmedel möjliggör denna dynamiska plasmoniska silvernanopartikelenhet en cirka 50-faldig förbättring av analytmolekylsignalen. Dessutom ger den rumslig och tidsmässig kontroll för att bilda den SERS-aktiva enheten i så lite som 0,05 nM analytbelagd silvernanopartikellösning, vilket minimerar den potentiella störningen för in vivo-analys . Därför har denna optiska fångstintegrerade SERS-plattform stor potential för effektiva, reproducerbara och stabila molekylära analyser i vätskor, särskilt i vattenhaltiga fysiologiska miljöer.
Ytförstärkt Raman-spektroskopi (SERS) är en känslig analytisk teknik för att direkt detektera målmolekylernas kemiska struktur vid ultralåga koncentrationer eller till och med på enmolekylnivå 1,2,3,4. Laserbestrålning inducerar lokaliserad ytplasmonresonans i metalliska nanostrukturer, som används som SERS-substrat för att förstärka Raman-signalerna från målmolekyler. Saltinducerade nanopartikelaggregat är de allmänt använda SERS-substraten, som spontant genomgår brownsk rörelse i kolloidala suspensionsvätskor 5,6. Ytterligare torkning möjliggör stabila SERS-mätningar; Föroreningskoncentration kan dock förekomma, vilket medför bakgrundsbuller och orsakar irreversibel skada på biologiska prover7. Därför är det relevant att utveckla saltfria nanopartikelaggregeringar, kontrollera deras rörelse i lösning och förbättra biokompatibiliteten samtidigt som mäteffektiviteten bibehålls.
Optisk fångst har antagits för att kontrollera olika metalliska substrat och underlätta SERS-detektioner 8,9,10,11,12,13,14. En optisk fälla genereras genom att tätt fokusera en laserstråle för att generera ett optiskt kraftfält, som lockar små föremål till det högsta intensitetsområdet runt fokus15,16. Nyligen har optiska fällor använts för att utveckla reproducerbara och känsliga plasmoniska avkänningsplattformar för olika applikationer, vilket visar deras unika fördelar med att lokalisera och kontrollera positionen för SERS-aktiva metalliska nanostrukturer i lösningar 17,18,19,20,21,22,23,24 . Detta protokoll introducerar ett tillvägagångssätt för att kombinera optisk pincett och Raman-spektromikroskopi för att dynamiskt montera silvernanopartiklar (AgNPs) och stabilisera dem mot brownsk rörelse i lösning för effektiva SERS-mätningar. I AgNP-monteringsregionen kan signalen från 3,3′-dithiobis[6-nitrobensoesyra] bis(succinimid)-estern (DSNB), analytmolekyler belagda på ytan av AgNPs, förbättras med cirka 50 gånger. Detta tillvägagångssätt är lämpligt för analys av känsliga biomolekyler som är oförenliga med kemiska kapslingsmedel25,26,27. Dessutom ger den rumslig och tidsmässig kontroll för att generera den SERS-aktiva AgNP-enheten. Detta möjliggör detektering på plats i vattenmiljöer, vilket kan sänka användningen av AgNPs och minimera störningar för in vivo-analys 28,29,30. Dessutom är den optiska fångstinducerade AgNP-enheten stabil, reproducerbar och reversibel31,32. Därför är det en lovande plattform för att detektera analytmolekyler i lösningar och under fysiologiska förhållanden där saltinducerad aggregering inte är tillämplig.
I den aktuella studien integreras en 1064 nm fångstlaser, kraftdetekteringsmodul och ljusfältbelysningskälla i det optiska pincettmikroskopisystemet för optisk manipulation och visualisering av partiklar. En 532 nm Raman-sondlaser införlivades också i mikroskopet och anpassades till fångstlasern i provkammaren. För spektralförvärv samlades bakåtspritt ljus in och omdirigerades till en spektrometer (figur 1).
Denna studie rapporterar en analytisk plattform som kombinerar optisk fångst och SERS-detektion för in situ molekylära karakteriseringar. En 532 nm Raman-sondstråle kombinerades med en 1064 nm fångande laserstråle genom stereo-dubbelskiktsvägar för att kombinera fokus och samla in för ytterligare spektroskopiska mätningar i backscattering-geometri. Den svällande laserstrålen monterade AgNPs för att bilda plasmoniska hotspots, följt av excitation av Raman-sondlaserstrålen för att generera SERS-signalen från analytmolekylerna i lösning. Som ett bevis på konceptet demonstrerades detekteringen av DSNB, som var belagd på ytan av AgNPs. I AgNP-monteringsregionen som styrs av den svällande laserstrålen uppnåddes en cirka 50-faldig förbättring av signalen från DSNB jämfört med de omgivande dispergerade AgNP: erna. En liknande högsignalförstärkning av analytmolekyler i lösningsfas SERS-mätningarna på den presenterade plattformen erhölls reproducerbart.
Det kritiska steget som påverkar SERS-signalförstärkning är att bilda en optisk fångstinducerad AgNP-enhet. SERS-signalen för analytmolekylerna kan optimeras genom att finjustera experimentella parametrar som fångstlaserkraft, bestrålningstid och AgNP-koncentration. Som visas i figur 8 kan användning av en lasereffekt med högre svällning öka effektiviteten i AgNP-sammansättningsbildning. Reproducerbara AgNP-enheter erhölls genom att öka fångstlaserns effekt från 450 mW till 700 mW. En infångande lasereffekt högre än 950 mW kan dock inducera överhettning och bubbelgenerering38. Således rekommenderas måttlig svällande laserkraft för att skapa en dynamisk AgNP-enhet. Analogt är en längre bestrålningstid användbar för att främja bildandet av AgNP-enheter. Figur 8B visar att en tydlig sfärisk AgNP-enhet bildades när bestrålningstiden ökade från 5-20 s. AgNP-församlingen förvrängdes dock efter 60 s bestrålning. Dessutom accelererades bildandet av AgNP-enheten vid en högre AgNP-koncentration, från 0,01 nM till 0,05 nM, medan den snabbt överhettades vid 0,25 nM, som visas i figur 8C. Om det inte finns någon uppenbar AgNP-monteringsbildning rekommenderas att öka fångstlaserkraften och bestrålningstiden. Vid generering av en stabil AgNP-enhet måste fångstlasern stängas av för att undvika potentiell termisk skada.
SERS-aktiviteten hos den optiska fångstinducerade AgNP-enheten tillskrevs en ökning av den lokala AgNP-koncentrationen i fångstlaserbestrålningsregionen, som är den mörka fläcken i figur 6B. I den fluidiska AgNP-lösningen kan den optiska fällan kontinuerligt locka AgNPs att ackumuleras och bilda plasmoniska hotspots i ett begränsat utrymme i interpartikelkorsningarna. Detta ger ett förbättrat elektriskt fält som förstärker SERS-effekten. Det verifierades ytterligare av den starkare SERS-signalen som erhölls vid en högre AgNP-koncentration (1,00 nM) jämfört med den svagare SERS-signalen som förvärvades vid en lägre AgNP-koncentration (0,05 nM) utan fångstlasern, som visas i figur 6E.
Dessutom har positionskontroll av den plasmoniska AgNP-enheten i lösning, mot brunisk rörelse, genom optisk fångst avsevärt förbättrat effektiviteten och stabiliteten hos SERS-mätningar. Avkänning med hög genomströmning kan utföras när den är ansluten till mikrofluidsystemet. Jämfört med den traditionella saltinducerade aggregeringen av nanopartiklar för att generera SERS-aktiva substrat, tillåter vår plattform dynamisk bildning av plasmoniska AgNP-enheter, på den designade platsen och ögonblicket, med hög flexibilitet26,28. Dessutom fungerar det effektivt vid nanomolära AgNP-koncentrationer och möjliggör rumslig-tidsmässig manipulation av SERS-aktiva hotspots för in situ-spektroskopiska mätningar i lösningar. Denna dynamiska AgNP-enhet demonterades gradvis på några minuter när fångstlasern stängdes av. Utan fångstlasern försvann AgNP-enheten nästan på 20 minuter, som visas i kompletterande figur 1. Detta kan minimera påverkan på detektionssystemet och uppvisar stor potential för olika bioapplikationer, särskilt detektering av biomolekyler (DNA, RNA och protein) under fysiologiska och in vivo-förhållanden. Denna dynamiska AgNP-sammansättning ger dock en mindre förbättringsfaktor än saltinducerade AgNP-aggregat2, och därför krävs ytterligare modifiering och utveckling.
Sammanfattningsvis ger integrationen av optisk fångst och SERS-detektion en bekväm metod för att kontrollera plasmoniska nanopartiklar och uppnå reproducerbar SERS-signalförbättring för att detektera analytmolekyler i lösningar med hög effektivitet, stabilitet och biokompatibilitet.
The authors have nothing to disclose.
Vi erkänner finansieringsstödet från Science, Technology, and Innovation Commission of Shenzhen Municipality (nr. JCYJ20180306174930894), Zhongshan Municipal Bureau of Science and Technology (2020AG003) och Research Grant Council of Hong Kong (Project 26303018). Vi erkänner också prof. Chi-Ming Che och hans finansieringsstöd från “Laboratorium för syntetisk kemi och kemisk biologi” under Health@InnoHK-programmet som lanserades av Innovation and Technology Commission, Regeringen i Hong Kong Special Administrative Region i Folkrepubliken Kina.
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 |