Summary

Etiketfri overfladeforbedret Raman-spredningsbioanalyse baseret på Au@Carbon priknanosonder

Published: June 09, 2023
doi:

Summary

I denne undersøgelse udviklede vi en billig overfladeforbedret Raman-spredning (SERS) -baseret fingeraftryksnanosonde med gunstig biokompatibilitet for at vise etiketfri levende cellebioimaging og detektere to bakteriestammer, der viser detaljeret, hvordan man får SERS-spektre af levende celler i en ikke-destruktiv metode.

Abstract

Overfladeforbedret Raman-spredningsteknologi (SERS) har tiltrukket sig mere og mere opmærksomhed på det biomedicinske område på grund af dets evne til at levere molekylær fingeraftryksinformation om biologiske prøver samt dets potentiale i enkeltcelleanalyse. Dette arbejde har til formål at etablere en enkel strategi for etiketfri SERS-bioanalyse baseret på Au@carbon dot nanoprobes (Au@CDs). Her anvendes polyphenolafledte cd’er som reduktionsmiddel til hurtigt at syntetisere kerneskal-Au@CD nanostrukturer, hvilket muliggør kraftig SERS-ydeevne, selv når koncentrationen af methylenblåt (MB) er så lav som 10-9 M, på grund af den kooperative Raman-forbedringsmekanisme . Til bioanalyse kan Au@CDs tjene som en unik SERS nanosensor til at identificere de cellulære komponenter i bioprøver (f.eks. Kræftceller og bakterier). De molekylære fingeraftryk fra forskellige arter kan skelnes yderligere efter kombination med hovedkomponentanalysen. Derudover Au@CDs også muliggøre etiketfri SERS-billeddannelse til analyse af intracellulære sammensætningsprofiler. Denne strategi tilbyder en gennemførlig, etiketfri SERS-bioanalyse, der åbner et nyt perspektiv for nanodiagnose.

Introduction

Enkeltcelleanalyse er afgørende for undersøgelsen af afslørende cellulær heterogenitet og vurdering af cellens omfattende tilstand. Cellens øjeblikkelige reaktion på mikromiljøet garanterer også enkeltcelleanalyse1. Der er dog nogle begrænsninger for de nuværende teknikker. Fluorescensdetektion kan anvendes til enkeltcelleanalyse, men det er begrænset af lav følsomhed. Andre udfordringer opstår som følge af cellernes komplicerede fluorescensbaggrund og fluorescensfotoblegning under langvarig bestråling2. Overfladeforstærket Raman-spredning (SERS) kan kvalificere sig med hensyn til enkeltcelleanalyse på grund af dens fordele, herunder (1) reflektering af den iboende molekylære fingeraftryksinformation og den øjeblikkelige situation, (2) ultrahøj overfladefølsomhed, (3) bekvem multiplexdetektion, (4) høj fotostabilitet, (5) detektion kan kvantificeres til komparativ analyse, (6) undgå cellulær autofluorescens med NIR-bølgelængdeexcitationen, (7) detektion kan udføres i en cellulær vandig miljø, og (8) detektion kan dirigeres til et bestemt område i cellen 3,4,5.

Der er to bredt anerkendte mekanismer til at forstå SERS som et grundlæggende fænomen: elektromagnetisk forbedring (EM) som en dominerende årsag og kemisk forbedring (CM). EM refererer til, i en given frekvens af det spændende felt, svingningen af kollektive elektroner drevet af elektromagnetiske bølger, når frekvensen af det indfaldende lys matcher frekvensen af frie elektroner, der oscillerer i metallet, hvilket giver anledning til overfladeplasmonresonans (SPR). Når lokaliseret SPR (LSPR) forekommer gennem den indfaldende laser, der rammer metalnanopartiklerne (NP’er), fører det til resonansabsorption eller spredning af det indfaldende lys. Derfor kan overfladen elektromagnetisk feltintensitet af metal NP’er forbedres med to til fem ordrer4. Nøglen til den enorme forbedring i SERS er imidlertid ikke en enkelt metal NP, men kløften mellem to NP’er, hvilket skaber hot spots. CM genereres fra to sider, herunder (1) interaktioner mellem målmolekyler og metal-NP’er og (2) målmolekyler, der er i stand til at overføre elektroner til / fra metal-NP’er 4,5. Mere udtømmende detaljer findes i disse oversigtsartikler 4,5. Flere lovende metoder til SERS biosensing og billeddannelse i levende celler er blevet præsenteret i tidligere litteratur, for eksempel påvisning af apoptotiske celler6, proteiner i organeller7, intracellulære miRNA’er8, cellulære lipidmembraner,9 cytokiner 10 og metabolitter 11 i levende celler samt identifikation og overvågning af celler ved konfokal SERS-billeddannelse 2, 11,12,13. Interessant nok præsenterer etiketfri SERS den unikke fordel ved SERS, som kan beskrive interne molekylære spektre5.

Et stort problem for etiketfri SERS er et rationelt og pålideligt substrat. Typiske SERS-substrater er ædelmetal NP’er på grund af deres fremragende evne til at sprede meget lys14. I dag lægges der mere og mere vægt på nanokompositter på grund af deres bemærkelsesværdige fysiske og kemiske egenskaber og biokompatibilitet. Mere markant kan nanokompositter vise bedre SERS-aktivitet på grund af den intense EM induceret af hot spots på nanohybriderne og yderligere kemisk forbedring, der stammer fra andre ikke-metalmaterialer15. For eksempel brugte Fei et al. MoS 2 kvantepunkter (QD’er) som reduktionsmidler til at syntetisere AuNP@MoS 2 QD nanokompositter til etiketfri nær-infrarød (NIR) SERS-billeddannelse af mus 4T1 brystkræftcelle (4T1-celler)16. Li et al. fremstillede også et 2D SERS-substrat bestående af Au NP’er og 2D hafniumditelluridnanoark til etiketfri SERS-målinger af fødevarebårne patogene bakterier17. For nylig er kulstofprikker (CD’er), gode elektrondonorer, blevet brugt som reduktionsmidler uden andre reduktionsmidler eller bestråling til at syntetisere Au@carbon dot nanoprober (Au@CDs)18, som er rapporteret at være effektive materialer til at forbedre SERS-aktiviteten baseret på ladningsoverførselseffekten (CT) mellem Au-kerner og CD-skaller 19,20. Mere end det anerkendes cd’er som capping agent og en stabilisator for at forhindre Au NP’er i at aggregere21. Derudover åbner det flere muligheder for reaktioner med analysander, da det kan give et stort antal bindende og aktive steder20. Ved at udnytte ovenstående udviklede Jin et al. en hurtig og kontrollerbar metode til fremstilling af Ag@CD NP’er med unikke SERS-egenskaber og fremragende katalytiske aktiviteter til overvågning af heterogene katalytiske reaktioner i realtid18.

Heri blev der demonstreret en let og billig metode til fremstilling af kerneskal- Au@CD SERS-substrater til identifikation af cellulære komponenter og etiketfri SERS levende cellebilleddannelse samt til at detektere og differentiere Escherichia coli (E. coli) og Staphylococcus aureus (S. aureus), som lover godt for tidlig diagnose af sygdom og en bedre forståelse af cellulære processer.

Protocol

1. Fremstilling af Au@CDs BEMÆRK: Figur 1 illustrerer en fabrikationsprocedure for Au@CDs. Forbered CD-opløsning ved hjælp af citronsyre (CA) og gallinsyre (GA) via en typisk hydrotermisk behandlingsprocedure18. Der tilsættes 100 μL 3,0 mg ml-1 af den tilberedte CD-opløsning i 200 μL 10 mM chloraurinsyre (HAuCl4) (se materialetabellen) ved stuetemperatur i 10 …

Representative Results

Fremstilling af Au@CDs er illustreret i figur 1. CD’erne blev fremstillet fra CA og GA via en typisk hydrotermisk proces18. Au@CDs blev hurtigt syntetiseret ved at reducere HAuCl4 med cd’er i vandige medier ved stuetemperatur. Størrelsen og morfologien af cd’er og Au@CDs kan observeres af TEM og højopløsnings-TEM23. De forberedte cd’er er monodisperserede med små størrelser på næsten 2-6 nm (<strong c…

Discussion

Sammenfattende er Au@CDs med en ultratynd cd-skal på 2, 1 nm blevet fremstillet med succes. Nanokompositterne viser overlegen SERS-følsomhed end rene AU-NP’er. Au@CDs også have fremragende ydeevne i reproducerbarhed og langsigtet stabilitet. Yderligere forskning omfatter at tage Au@CDs som substrater til at udføre SERS-billeddannelse af A549-celler31 og til at detektere to bakteriestammer32. Det er bevist, at Au@CDs kan bruges som en ultrafølsom SERS-sonde, hovedsageli…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev støttet af National Natural Science Foundation of China (32071399 og 62175071), Science and Technology Program of Guangzhou (2019050001), Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation (2021A1515011988) og Open Foundation of the Key Laboratory of Optoelectronic Science and Technology for Medicine (Fujian Normal University), Undervisningsministeriet, Kina (JYG2009).

Materials

10x PBS buffer (Cell culture) Langeco Technology BL316A
6 well cell culture plate LABSELECT 11110
Cell Counting Kit-8 (CCK-8) GLPBIO GK10001
Citric acid Shanghai Aladdin Biochemical Technology C108869
CO2 incubator Thermo Fisher Technologies 3111
Constant temperature magnetic agitator Sartorius Scientific Instruments SQP
Cryogenic high speed centrifuge Shanghai Boxun SW-CJ-2FD
DMEM high glucose cell culture medium Procell PM150210
Electronic balance Sartorius Scientific Instruments SQP
Enzyme marker Thermo Fisher Technologies 3111
Fetal bovine serum Zhejiang Tianhang Biological Technology 11011-8611
Figure 1 Figdraw.
Fourier infrared spectrometer Thermo, America Nicolet 380
Freeze dryer Tecan Infinite F50
Gallic acid Shanghai Aladdin Biochemical Technology G104228
Handheld Raman spectrometer OCEANHOOD, Shanghai, China Uspectral-PLUS
HAuCl4 Guangzhou Pharmaceutical Company (Guangzhou)
High resolution transmission electron microscope Thermo Fisher Technologies FEI Tecnai G2 Spirit T12
High temperature autoclave Shanghai Boxun YXQ-LS-50S Equation 2
Inverted microscope Nanjing Jiangnan Yongxin Optical XD-202
LB Broth BR Huankai picoorganism 028320
Medical ultra-low temperature refrigerator Thermo Fisher Technologies ULTS1368
Methylene blue Sigma-Aldrich
Pancreatin Cell Digestive Solution beyotime C0207
Penicillin streptomycin double resistance Shanghai Boxun YXQ-LS-50S Equation 2
Pure water meter Millipore, USA Milli-Q System
Raman spectrometer Renishaw
Sapphire chip beyotime
Thermostatic water bath Changzhou Noki
Ultra-clean table Shanghai Boxun SW-CJ-2FD
Uv-visible light absorption spectrometer MADAPA, China UV-6100S
Wire 3.4 Renishaw

References

  1. Zenobi, R. Single-cell metabolomics: analytical and biological perspectives. Science. 342 (6163), 1243259 (2013).
  2. Dong, C., et al. Simultaneous visualization of dual intercellular signal transductions via SERS imaging of membrane proteins dimerization on single cells. ACS Nano. 16 (9), 14055-14065 (2022).
  3. Lane, L. A., Qian, X., Nie, S. SERS nanoparticles in medicine: from label-free detection to spectroscopic tagging. Chemical Reviews. 115 (19), 10489-10529 (2015).
  4. Langer, J., et al. Present and future of surface-enhanced Raman scattering. ACS Nano. 14 (1), 28-117 (2020).
  5. Zong, C., et al. Surface-enhanced Raman spectroscopy for bioanalysis: reliability and challenges. Chemical Reviews. 118 (10), 4946-4980 (2018).
  6. Jiang, X., et al. Surface-enhanced Raman scattering-based sensing in vitro: facile and label-free detection of apoptotic cells at the single-cell level. Analytical Chemistry. 85 (5), 2809-2816 (2013).
  7. Qi, G., Diao, X., Hou, S., Kong, J., Jin, Y. Label-free SERS detection of protein damage in organelles under electrostimulation with 2D AuNPs-based nanomembranes as substrates. Analytical Chemistry. 94 (43), 14931-14937 (2022).
  8. Wang, J., et al. Trimer structures formed by target-triggered AuNPs self-assembly inducing electromagnetic hot spots for SERS-fluorescence dual-signal detection of intracellular miRNAs. Biosensors and Bioelectronics. 224, 115051 (2023).
  9. Živanović, V., Milewska, A., Leosson, K., Kneipp, J. Molecular structure and interactions of lipids in the outer membrane of living cells based on surface-enhanced Raman scattering and liposome models. Analytical Chemistry. 93 (29), 10106-10113 (2021).
  10. Cong, L., et al. Microfluidic droplet-SERS platform for single-cell cytokine analysis via a cell surface bioconjugation strategy. Analytical Chemistry. 94 (29), 10375-10383 (2022).
  11. Tan, Z., Zhu, C., Han, L., Liao, X., Wang, C. SERS and dark-field scattering dual-mode detection of intracellular hydrogen peroxide using biocompatible Au@ COF nanosensor. Sensors and Actuators B: Chemical. 373, 132770 (2022).
  12. Pan, X. T., et al. Super-long SERS active single silver nanowires for molecular imaging in 2D and 3D cell culture models. Biosensors. 12 (10), 875 (2022).
  13. Liu, Z., et al. A two-dimensional fingerprint nanoprobe based on black phosphorus for bio-SERS analysis and chemo-photothermal therapy. Nanoscale. 10 (39), 18795-18804 (2018).
  14. Bruzas, I., Lum, W., Gorunmez, Z., Sagle, L. Advances in surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) substrates for lipid and protein characterization: sensing and beyond. Analyst. 143 (17), 3990-4008 (2018).
  15. Li, D., et al. SERS analysis of carcinoma-associated fibroblasts in a tumor microenvironment based on targeted 2D nanosheets. Nanoscale. 12 (3), 2133-2141 (2020).
  16. Fei, X., et al. Synthesis of Au NP@MoS2quantum dots core@shell nanocomposites for SERS bio-analysis and label-free bio-imaging. Materials. 10 (6), 650 (2017).
  17. Li, Y., et al. Rapid label-free SERS detection of foodborne pathogenic bacteria based on hafnium ditelluride-Au nanocomposites. Journal of Innovative Optical Health Sciences. 13 (5), 2041004 (2020).
  18. Jin, J., et al. Precisely controllable core-shell Ag@ carbon dots nanoparticles: application to in situ super-sensitive monitoring of catalytic reactions. ACS Applied Materials & Interfaces. 8 (41), 27956-27965 (2016).
  19. Luo, P., Li, C., Shi, G. Synthesis of gold@ carbon dots composite nanoparticles for surface enhanced Raman scattering. Physical Chemistry Chemical Physics. 14 (20), 7360-7366 (2012).
  20. Li, L., et al. Accurate SERS monitoring of the plasmon mediated UV/visible/NIR photocatalytic and photothermal catalytic process involving Ag@carbon dots. Nanoscale. 13 (2), 1006-1015 (2021).
  21. Wang, X., et al. Reduced state carbon dots as both reductant and stabilizer for the synthesis of gold nanoparticles. Carbon. 64, 499-506 (2013).
  22. Zhu, M., et al. Physicochemical properties determine nanomaterial cellular uptake, transport, and fate. Accounts of Chemical Research. 46 (3), 622-631 (2013).
  23. Li, L., et al. SERS monitoring of photoinduced-enhanced oxidative stress amplifier on Au@ carbon dots for tumor catalytic therapy. Light: Science & Applications. 11 (1), 286 (2022).
  24. Fiori, F., et al. Highly photostable carbon dots from citric acid for bioimaging. Materials. 15 (7), 2395 (2022).
  25. Chen, X., et al. Preparation of carbon dots-based nanoparticles and their research of bioimaging and targeted antitumor therapy. Journal of Biomedical Materials Research. Part B, Applied Biomaterials. 110 (1), 220-228 (2022).
  26. Chen, M., et al. Red, green, and blue light-emitting carbon dots prepared from gallic acid for white light-emitting diode applications. Nanoscale Advances. 4 (1), 14-18 (2022).
  27. Byram, C., Moram, S. S. B., Shaik, A. K., Soma, V. R. Versatile gold based SERS substrates fabricated by ultrafast laser ablation for sensing picric acid and ammonium nitrate. Chemical Physics Letters. 685, 103-107 (2017).
  28. Efrima, S., et al. Understanding SERS of bacteria. Journal of Raman Spectroscopy. 40 (3), 277-288 (2009).
  29. Movasaghi, Z., Rehman, S., Rehman, I. U. Raman spectroscopy of biological tissues. Applied Spectroscopy Reviews. 42 (5), 493-541 (2007).
  30. Mushtaq, A., et al. Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) for monitoring colistin-resistant and susceptible E. coli strains. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 278, 121315 (2022).
  31. Mosier-Boss, P. A., Sorensen, K. C., George, R. D., Obraztsova, A. SERS substrates fabricated using ceramic filters for the detection of bacteria. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 153, 591-598 (2016).
  32. Zhang, P., et al. Dynamic insights into increasing antibiotic resistance in Staphylococcus aureus by label-free SERS using a portable Raman spectrometer. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 273, 121070 (2022).
  33. Li, J. F., Zhang, Y. J., Ding, S. Y., Panneerselvam, R., Tian, Z. Q. Core-shell nanoparticle-enhanced Raman spectroscopy. Chemical Reviews. 117 (7), 5002-5069 (2017).
  34. Bodelon, G., Montes-Garcia, V., Perez-Juste, J., Pastoriza-Santos, I. Surface-enhanced Raman scattering spectroscopy for label-free analysis of P. aeruginosa quorum sensing. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology. 8, 143 (2018).
  35. Weiss, R., et al. Surface-enhanced Raman spectroscopy of microorganisms: limitations and applicability on the single-cell level. Analyst. 144 (3), 943-953 (2019).
  36. Oliveira, K., et al. Multiplex SERS phenotyping of single cancer cells in microdroplets. Advanced Optical Materials. 11 (1), 2201500 (2023).
  37. Ho, C. S., et al. Rapid identification of pathogenic bacteria using Raman spectroscopy and deep learning. Nature Communications. 10 (1), 4927 (2019).
  38. Spedalieri, C., Kneipp, J. Surface enhanced Raman scattering for probing cellular biochemistry. Nanoscale. 14 (14), 5314-5328 (2022).
  39. Weng, S. Y., et al. Highly sensitive and reliable detection of microRNA for clinically disease surveillance using SERS biosensor integrated with catalytic hairpin assembly amplification technology. Biosensors & Bioelectronics. 208, 114236 (2022).
  40. Wang, J. W., et al. Target-triggered nanomaterial self-assembly induced electromagnetic hot-Spot Generation for SERS-fluorescence dual-mode in situ monitoring MiRNA-guided phototherapy. Analytical Chemistry. 93 (41), 13755-13764 (2021).

Play Video

Cite This Article
Zheng, Y., Xiao, X., Li, Z., Shao, Y., Chen, J., Guo, Z., Zhong, H., Liu, Z. Label-Free Surface-Enhanced Raman Scattering Bioanalysis Based on Au@Carbon Dot Nanoprobes. J. Vis. Exp. (196), e65524, doi:10.3791/65524 (2023).

View Video