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.
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.
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.
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…
The authors have nothing to disclose.
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).
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 | |
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 | |
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 |