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 af plasmoniske nanopartikler til in situ overfladeforstærkede Raman-spektroskopikarakteriseringer

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

Den nuværende protokol beskriver en bekvem tilgang til integration af optisk fangst og overfladeforbedret Raman-spektroskopi (SERS) til at manipulere plasmoniske nanopartikler til følsom molekylær detektion. Uden aggregeringsmidler samler fangstlaseren plasmoniske nanopartikler for at forbedre SERS-signalerne fra målanalytter til in situ-spektroskopiske målinger.

Abstract

Overfladeforbedret Raman-spektroskopi (SERS) muliggør ultrasensitiv detektion af analysandmolekyler i forskellige applikationer på grund af det forbedrede elektriske felt af metalliske nanostrukturer. Saltinduceret sølvnanopartikelaggregering er den mest populære metode til generering af SERS-aktive substrater; det er dog begrænset af dårlig reproducerbarhed, stabilitet og biokompatibilitet. Den nuværende protokol integrerer optisk manipulation og SERS-detektion for at udvikle en effektiv analytisk platform til at løse dette. En 1064 nm fangstlaser og en 532 nm Raman sondelaser kombineres i et mikroskop for at samle sølvnanopartikler, som genererer plasmoniske hotspots til in situ SERS-målinger i vandige miljøer. Uden aggregeringsmidler muliggør denne dynamiske plasmoniske sølvnanopartikelsamling en ca. 50 gange forbedring af analysandmolekylesignalet. Desuden giver det rumlig og tidsmæssig kontrol til dannelse af den SERS-aktive enhed i så lavt som 0,05 nM analysandbelagt sølvnanopartikelopløsning, hvilket minimerer den potentielle forstyrrelse til in vivo-analyse . Derfor har denne optiske fangstintegrerede SERS-platform et stort potentiale for effektive, reproducerbare og stabile molekylære analyser i væsker, især i vandige fysiologiske miljøer.

Introduction

Overfladeforbedret Raman-spektroskopi (SERS) er en følsom analytisk teknik til direkte påvisning af den kemiske struktur af målmolekyler ved ultralave koncentrationer eller endda på enkeltmolekyleniveau 1,2,3,4. Laserbestråling inducerer lokaliseret overfladeplasmonresonans i metalliske nanostrukturer, der anvendes som SERS-substrater til at forstærke Raman-signalerne fra målmolekyler. Saltinducerede nanopartikelaggregater er de meget anvendte SERS-substrater, som spontant gennemgår brownsk bevægelse i kolloide suspensionsvæsker 5,6. Yderligere tørring muliggør stabile SERS-målinger; Der kan dog forekomme urenhedskoncentration, som indfører baggrundsstøj og forårsager uoprettelig skade på biologiske prøver7. Derfor er det relevant at udvikle saltfrie nanopartikelaggregeringer, kontrollere deres bevægelse i opløsning og forbedre biokompatibiliteten, samtidig med at måleeffektiviteten opretholdes.

Optisk fangst er blevet vedtaget for at kontrollere forskellige metalliske substrater og lette SERS-detektioner 8,9,10,11,12,13,14. En optisk fælde genereres ved tæt at fokusere en laserstråle for at generere et optisk kraftfelt, der tiltrækker små objekter til det højeste intensitetsområde omkring fokus15,16. For nylig er optiske fælder blevet brugt til at udvikle reproducerbare og følsomme plasmoniske sensorplatforme til forskellige applikationer, der viser deres unikke fordele ved at lokalisere og kontrollere positionen af SERS-aktive metalliske nanostrukturer i løsninger 17,18,19,20,21,22,23,24 . Den nuværende protokol introducerer en tilgang til at kombinere optisk pincet og Raman-spektromikroskopi for dynamisk at samle sølvnanopartikler (AgNP'er) og stabilisere dem mod brownsk bevægelse i opløsning til effektive SERS-målinger. I AgNP-samlingsområdet kan signalet af 3,3'-dithiobis[6-nitrobenzoesyre] bis (succinimid) ester (DSNB), analysandmolekyler belagt på overfladen af AgNP'er, forbedres med ca. 50 gange. Denne fremgangsmåde er egnet til analyse af følsomme biomolekyler, der er uforenelige med kemiske afdækningsmidler25,26,27. Desuden giver det rumlig og tidsmæssig kontrol til at generere den SERS-aktive AgNP-samling. Dette muliggør in situ-detektion i vandige miljøer, hvilket kan sænke brugen af AgNP'er og minimere forstyrrelse for in vivo-analyse 28,29,30. Derudover er den optiske fangstinducerede AgNP-samling stabil, reproducerbar og reversibel31,32. Derfor er det en lovende platform til påvisning af analysandmolekyler i opløsninger og under fysiologiske forhold, hvor saltinduceret aggregering ikke er anvendelig.

I denne undersøgelse er en 1064 nm fangstlaser, kraftdetekteringsmodul og brightfield-belysningskilde integreret i det optiske pincetmikroskopisystem til optisk manipulation og visualisering af partikler. En 532 nm Raman sondelaser blev også inkorporeret i mikroskopet og justeret med fangstlaseren i prøvekammeret. Til spektral erhvervelse blev backscattered lys indsamlet og omdirigeret til et spektrometer (figur 1).

Protocol

1. Optisk opsætning

  1. Ret en 532 nm laserstråle (Raman excitationskilde) ind i flexporten på det optiske pincetmikroskop (se Materialetabel).
  2. Juster 532 nm laserstrålen ind i stereodobbeltlagsbanerne i det optiske pincetmikroskop med et 750 nm langpasseret dikroisk spejl for at kombinere med de originale fældelaserstråler for at fokusere på prøvekammeret.
  3. Det tilbagespredte lys opsamles fra prøvekammeret ved hjælp af et 750 nm langpasseret dikroisk spejl, og omdiriger det til et spektrometer indeholdende et CCD-kamera (liquid-nitrogen-cooled charge-coupled device) (se Materialetabel). Placer et 532 nm hakfilter foran spektrometerets indgangsspalte inden spektral erhvervelse.
    BEMÆRK: Øjenbeskyttelse skal bruges, når laseren er tændt, og laserstrålen skal være indeholdt i et sikkert område.

2. Fremstilling af AgNP'er

  1. Opvarm 50 ml vandig opløsning på 1 mM AgNO3 i en rundbundet kolbe under kogning.
  2. Der tilsættes 1,0 ml 0,1 M trinatriumcitrat dråbevis i den kogte AgNO3 vandige opløsning.
  3. Hold blandingen kogende i 16 minutter under konstant omrøring.
  4. Afkøl blandingen til stuetemperatur. Gullig farve observeres.
  5. Centrifuge AgNP-kolloider ved 2000 × g i 5 minutter ved stuetemperatur, og fjern derefter supernatanten ved hjælp af en pipette.
  6. Resuspend AgNP-kolloiderne med 1 ml de-ioniseret vand (resistivitet på 18,2 MΩ cm).
  7. Gentag trin 2.5 og 2.6 tre gange for at fjerne det resterende reduktionsmiddel.
  8. Karakteriser størrelsesfordelingen af AgNP'erne ved hjælp af scanningselektronmikroskopi (SEM) og dynamisk lysspredning (DLS)33 for at bekræfte ensartetheden af AgNP'erne (figur 2). AgNP-koncentrationen blev anslået til 0,1 nM ved UV-absorbans34.
    BEMÆRKNINGER: På grund af den lave koncentration kan AgNP-stamopløsningen opretholdes uden klyngedannelse i 2-3 uger. Der kræves ingen stabiliserende midler. Hvis der blev observeret et bundfald i AgNP-stamopløsningen, blev der fremstillet en ny AgNP-opløsning efter ovennævnte protokol.

3. Interaktion mellem DSNB-analysandmolekylet og AgNP

  1. Der tilsættes 200 μL 2 mM DSNB (se materialetabel) til 1 ml AgNP-kolloid og inkuberes ved stuetemperatur i 3 timer for at belægge et lag DSNB på overfladen af AgNP ved dannelsen af Ag-S-bindingen mellem AgNP og DSNB35. En skematisk gengivelse af denne interaktion er vist i figur 3.
  2. AgNP centrifugeres ved 2.000 × g i 5 minutter ved stuetemperatur, og supernatanten fjernes.
  3. Resuspend AgNP-DSNB med 1 ml de-ioniseret vand.
  4. Gentag trin 3.2 og 3.3 tre gange for at fjerne overskydende DSNB.
  5. Optag de UV-synlige spektre af AgNP-kolloid- og AgNP-DSNB-opløsningen.
    BEMÆRK: Disse spektre viser et absorptionstopskift fra ca. 420 nm til 450 nm, hvilket indikerer den vellykkede belægning af DSNB på overfladen af AgNP (figur 3).

4. Forberedelse af prøvekammer og generering af AgNP-samling til SERS-måling

  1. Rengør glasrutsjebanen og dæksel med vand og ethanol.
  2. Fastgør rammebåndet (0,25 mm tykkelse, se Materialebord) til glasglasset for at skabe et kammer (1,0 cm længde × 1,0 cm bredde × 0,25 mm højde).
  3. Tilsæt et par dråber af AgNP-DSNB-opløsningen (ca. 25 μL) i rammen.
  4. Sæt dækslikket på rammebåndet og forsegl det (figur 4).
  5. Tilsæt flydende nitrogen til beholderen på det flydende nitrogenkølede CCD-kamera, indtil temperaturen når -120 °C.
  6. Bloker Raman-sondestrålebanen ved hjælp af en magnetisk lasersikkerhedsskærm (se Materialetabel), og tænd derefter 532 nm Raman excitationskildelaseren.
  7. Fastgør prøvekammeret med AgNP-DSNB-opløsningen på kammerholderen. Der tilsættes vand til det vandsænkede mål (60x forstørrelse med en 1,2 numerisk blænde A på 1,2) som vist i figur 1. Placer derefter kammerholderen straks på mikroscenen over målet.
  8. Drop nedsænkningsolie oven på dækslet, og placer den olienedsænkede kondensator for at visualisere partikler på mikroskopkameraet.
  9. Juster målets Z-position ved at dreje mikroskopets knap, indtil 532 nm Raman-sondestrålen er fokuseret på kammerets nederste glasoverflade og viser en hvid plet på mikroskopkameraet (figur 5).
    1. Juster X- og Y-positionerne på mikroscenen for at flytte kammeret for at placere kammerets centrale område ved den hvide plet. Åbn softwaren til styring af den optiske pincet (se Materialetabel), og brug den udstyrede joystick-kontrol til at flytte 1064 nm fældelaseren (angivet med en rød cirkel i det optiske pincetsystem) til at overlappe med den hvide plet (figur 5).
    2. Indstil derefter mikroskopets knap for at flytte målets Z-position op.
      BEMÆRK: Forsvinden af den hvide plet i mikroskopkameraets billede indikerer, at 532 nm Raman-sondestrålen er fokuseret inde i kammeret.
  10. Tænd for 1064 nm fældelaseren for at tiltrække AgNP'er i prøvekammeret og opret en plasmonisk AgNP-samling.
    BEMÆRK: Indsamlingen af AgNP'er resulterer i en mørk plet i prøvekammeret (figur 6B).
    1. Skru ned for opsamlingslaserstrålen for at undgå overophedning eller bobledannelse, når det er nødvendigt.
      BEMÆRK: Forøg fangstlasereffekten og bestrålingstiden, hvis der ikke er nogen tilsyneladende dannelse af AgNP-samlingen.
  11. Juster placeringen af prøvemikrostadiet for at placere den mørke plet af den plasmoniske AgNP-samling under fokus for 532 nm Raman-sondestrålen til spektroskopiske målinger.
  12. Placer ND-filtrene (neutral-density) foran 532 nm Raman-laserudløbet for at justere effekten til 10 mW. Indtast anskaffelsestiden (10 s for denne undersøgelse, figur 6) i indstillingspanelet i spektrumsoftwaren (se Materialetabel), og klik på knappen Antag for at starte den spektrale erhvervelse.
    BEMÆRK: Dette genererer SERS-spektret af analysandmolekylerne (DSNB i det repræsentative resultat og figur 6).

Representative Results

Som proof of concept blev DSNB valgt som analysandmolekyle og belagt på overfladen af AgNP'er. De typiske SERS-spektre af DSNB forbedret af den plasmoniske AgNP-samling og dispergeret AgNP er vist i figur 6. Uden fangstlaseren genererede de dispergerede AgNP'er i prøvekammeret et sort spektrum (figur 6A) ved excitation af Raman-sondelaseren. Et svagt og bredt SERS-signal blev observeret ved ca. 1380-1450 cm-1, den karakteristiske top af DSNB fra dens symmetriske NO 2-strækning, hvilket er i overensstemmelse med litteraturrapporter 35,36. Da de spredte AgNP'er var under brownsk bevægelse, var interpartikelkrydsene store og ustabile, som illustreret i figur 6C. Således var SERS-signalforstærkningen af DSNB lav for de spredte AgNP'er.

AgNP'er samles for at danne en plasmonisk AgNP-samling, når fangstlaseren er tændt. Forøgelse af effekten og forlængelse af bestrålingstiden for fangstlaseren kan tiltrække flere AgNP'er og generere en mørk plet, som vist i figur 6B. Her anvendte vi en fangstlasereffekt på 700 mM og en 20 s bestrålingstid til at skabe en plasmonisk AgNP-samling i en 0,05 nM DSNB-belagt AgNP-opløsning på et bestemt sted og tidspunkt. SERS-spektret af DSNB blev opnået i regionen af den plasmoniske AgNP-samling (figur 6A, rød). Det stærke Raman-bånd ved 930 cm-1 er tildelt nitro-saksningsvibrationen, og de store bånd ved 1078 cm-1, 1152 cm-1 og 1191 cm-1 svarer sandsynligvis til den succinimidyl N-C-O-strækning, der overlapper de aromatiske ringtilstande i DSNB 35,37. Funktionsbåndene ved 1385 cm-1 og 1444 cm-1 stammer fra DSNB's symmetriske nitro-strækning og er signifikant forbedret og lidt forskudt på grund af reaktionen med overfladen af AgNP35,37. Baseret på de tidligere rapporterede SERS-fingeraftryk af DSNB35,36,37 blev båndet ved 1579 cm-1 tildelt DSNB's aromatiske ringtilstand. De samlede intensiteter af DSNB i den plasmoniske AgNP-samling var højere end for den spredte AgNP. I betragtning af intensiteten af den karakteristiske top ved 1444 cm-1 kan den plasmoniske AgNP-samling give ca. 50 gange forbedring af SERS-signalet fra DSNB sammenlignet med det dispergerede AgNP. Som vist i figur 7 blev SERS-spektre af DSNB registreret gentagne gange (20 gange) for AgNP-enheden i eksperimentet, hvilket viste identiske vibrationsfunktioner. Intensiteten af DSNB's karakteristiske toppe ved 1152 cm-1, 1444 cm-1 og 1579 cm-1 på tværs af disse 20 SERS-spektre blev plottet som histogrammer med relative standardafvigelser (RSD) på henholdsvis 6,88%, 6,59% og 5,48%. Dette bekræftede yderligere reproducerbarheden og stabiliteten. Derfor er denne tilgang pålidelig til manipulation af plasmoniske nanopartikler og SERS-detektion af analysandmolekyler i opløsning.

Figure 1
Figur 1: Skematisk gengivelse af den optiske pincetkoblede Raman-spektroskopiske platform. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2: Forberedelse af AgNP til SERS-måling. (A) SEM-billede af AgNP. (B) Størrelsesfordeling af AgNP efter DLS. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3: Interaktion mellem AgNP og DSNB. (A) Skematisk af belægningen af DSNB på overfladen af AgNP. (B) UV-synlige spektre af AgNP og AgNP-DSNB. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 4
Figur 4: Skematisk fremstilling af prøvekammer. (A) Forberedelse af prøvekammer. (B) Forberedt prøvekammer. Skalastang = 1 cm. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 5
Figur 5: Positionsoverlapning af 532 nm Raman laser og 1064 nm fangstlaser. (A) Position af 532 nm Raman laser angivet med hvid plet. (B) Placering af 1064 nm fangstlaser angivet med rød cirkel. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 6
Figur 6: Typiske SERS-spektre af analysandmolekylerne forstærket af den plasmoniske AgNP-samling. (A) SERS-spektre af DSNB ved den plasmoniske AgNP-samling (rød) og den dispergerede AgNP (sort). (B) Den plasmoniske AgNP-samling, når fangstlaseren er tændt, viser en mørk plet under mikroskopisk visualisering. (C) Den dispergerede AgNP, når fangstlaseren er slukket. (D) Illustration af mekanismen for dannelse af AgNP-samling. E) Koncentrationsafhængig SERS-intensitet uden fældelaser. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 7
Figur 7: Reproducerbarhed af SERS-signal fra DSNB. (A) 20 SERS-spektre af DSNB ved den plasmoniske AgNP-samling registreret gentagne gange i eksperimentet. (B) Histogrammer af intensiteten af de karakteristiske DSNB-toppe ved 1152 cm-1 (RSD = 6,88%), 1444 cm-1 (RSD = 6,59%) og 1579 cm-1 (RSD = 5,48%). Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 8
Figur 8: AgNP-samling genereret under forskellige eksperimentelle parametre. (A) forskellig fangstlasereffekt bestrålingstid 20 s og AgNP-koncentration 0,05 nM. B) forskellig bestrålingstid fange lasereffekt 700 mW og AgNP koncentration 0,05 nM. C) forskellig koncentration af AgNP bestrålingstid 20 s og fangst lasereffekt 700 mW. Klik her for at se en større version af denne figur.

Supplerende figur 1: Mikroskopkameraets billeder af AgNP-samling i tidsserier, da fangstlaseren blev slukket. Klik her for at downloade denne fil.

Discussion

Denne undersøgelse rapporterer en analytisk platform, der kombinerer optisk fangst og SERS-detektion til in situ molekylære karakteriseringer. En 532 nm Raman sondestråle blev kombineret med en 1064 nm fangende laserstråle gennem stereo dobbeltlagsveje for at kombinere fokus og indsamle til yderligere spektroskopiske målinger i backscattering geometri. Fangstlaserstrålen samlede AgNP'er til dannelse af plasmoniske hotspots efterfulgt af excitation af Raman-sondelaserstrålen for at generere SERS-signalet fra analysandmolekylerne i opløsning. Som et bevis på konceptet blev detektionen af DSNB demonstreret, som var belagt på overfladen af AgNP'er. I AgNP-samlingsområdet, der styres af fangstlaserstrålen, blev der opnået en ca. 50 gange forbedring af DSNB-signalet sammenlignet med de omgivende spredte AgNP'er. En lignende højsignalforstærkning af analysandmolekyler i opløsningsfasens SERS-målinger på den præsenterede platform blev reproducerbart.

Det kritiske trin, der påvirker SERS-signalforstærkning, danner en optisk fangstinduceret AgNP-samling. SERS-signalet fra analysandmolekylerne kan optimeres ved at finjustere eksperimentelle parametre såsom fangstlasereffekt, bestrålingstid og AgNP-koncentration. Som vist i figur 8 kan brug af en højere fangstlasereffekt øge effektiviteten af AgNP-samlingsdannelse. Reproducerbare AgNP-samlinger blev opnået ved at øge effekten af fangstlaseren fra 450 mW til 700 mW. En diffuseringslasereffekt højere end 950 mW kan dog fremkalde overophedning og boblegenerering38. Således anbefales moderat fangstlaserkraft for at skabe en dynamisk AgNP-samling. Tilsvarende er en længere bestrålingstid nyttig til fremme af dannelsen af AgNP-samlinger. Figur 8B viser, at der blev dannet en klar sfærisk AgNP-samling, da bestrålingstiden steg fra 5-20 s. AgNP-enheden blev imidlertid forvrænget efter 60 s bestråling. Derudover blev dannelsen af AgNP-enheden accelereret ved en højere AgNP-koncentration fra 0,01 nM til 0,05 nM, mens den hurtigt blev overophedet ved 0,25 nM, som vist i figur 8C. Hvis der ikke er nogen tilsyneladende AgNP-samlingsdannelse, anbefales det at øge fangstlasereffekten og bestrålingstiden. Ved generering af en stabil AgNP-enhed skal fangstlaseren skrues ned for at undgå potentiel termisk skade.

SERS-aktiviteten af den optiske fældeinducerede AgNP-samling blev tilskrevet en stigning i den lokale AgNP-koncentration i fangstlaserbestrålingsområdet, som er den mørke plet i figur 6B. I den flydende AgNP-opløsning kan den optiske fælde kontinuerligt tiltrække AgNP'er til at akkumulere og danne plasmoniske hotspots i et begrænset rum i interpartikelkrydsene. Dette giver et forbedret elektrisk felt, der forbedrer SERS-effekten. Det blev yderligere verificeret af det stærkere SERS-signal opnået ved en højere AgNP-koncentration (1,00 nM) sammenlignet med det svagere SERS-signal erhvervet ved en lavere AgNP-koncentration (0,05 nM) uden fangstlaseren, som vist i figur 6E.

Desuden har positionskontrol af den plasmoniske AgNP-samling i opløsning mod brownsk bevægelse ved optisk fangst forbedret effektiviteten og stabiliteten af SERS-målinger betydeligt. Sensorer med høj kapacitet kan udføres, når de er tilsluttet det mikrofluidiske system. Sammenlignet med den traditionelle saltinducerede aggregering af nanopartikler til generering af SERS-aktive substrater tillader vores platform dynamisk dannelse af plasmoniske AgNP-samlinger på det designede sted og øjeblik med høj fleksibilitet26,28. Desuden fungerer det effektivt ved nanomolære AgNP-koncentrationer og muliggør rumlig-tidsmæssig manipulation af SERS-aktive hotspots til in situ-spektroskopiske målinger i opløsninger. Denne dynamiske AgNP-samling blev gradvist adskilt på få minutter, da fangstlaseren blev slukket. Uden fangstlaseren forsvandt AgNP-enheden næsten på 20 minutter, som vist i supplerende figur 1. Dette kan minimere indflydelsen på detektionssystemet og udviser stort potentiale for forskellige bioapplikationer, især påvisning af biomolekyler (DNA, RNA og protein) under fysiologiske og in vivo-forhold. Denne dynamiske AgNP-samling giver imidlertid en mindre forbedringsfaktor end saltinducerede AgNP-aggregater2, og derfor kræves yderligere modifikation og udvikling.

Afslutningsvis giver integrationen af optisk fangst og SERS-detektion en bekvem metode til at kontrollere plasmoniske nanopartikler og opnå reproducerbar SERS-signalforbedring til detektion af analysandmolekyler i opløsninger med høj effektivitet, stabilitet og biokompatibilitet.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Vi anerkender finansieringsstøtten fra videnskabs-, teknologi- og innovationskommissionen i Shenzhen Kommune (nr. JCYJ20180306174930894), Zhongshan Municipal Bureau of Science and Technology (2020AG003) og Research Grant Council of Hong Kong (Project 26303018). Vi anerkender også prof. Chi-Ming Che og hans finansieringsstøtte fra "Laboratory for Synthetic Chemistry and Chemical Biology" under Health@InnoHK-programmet, der blev lanceret af Innovation and Technology Commission, regeringen i Hong Kong Special 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

Bioengineering udgave 184
Optisk fangst af plasmoniske nanopartikler til <em>in situ</em> overfladeforstærkede Raman-spektroskopikarakteriseringer
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