Au@Carbon noktalı nanoproblara dayalı etiketsiz yüzeyde geliştirilmiş Raman saçılma biyoanalizi
Summary
Bu çalışmada, etiketsiz canlı hücre biyogörüntülemesini göstermek ve iki bakteri suşunu tespit etmek için uygun biyouyumluluğa sahip, düşük maliyetli, yüzeyde geliştirilmiş Raman saçılımı (SERS) tabanlı bir parmak izi nanoprobu geliştirdik ve canlı hücrelerin SERS spektrumlarının tahribatsız bir yöntemle nasıl elde edileceğini ayrıntılı olarak gösterdik.
Abstract
Yüzeyde geliştirilmiş Raman saçılımı (SERS) teknolojisi, biyolojik numunelerin moleküler parmak izi bilgilerini sağlama yeteneğinin yanı sıra tek hücreli analizdeki potansiyeli nedeniyle biyomedikal alanda giderek daha fazla ilgi görmüştür. Bu çalışma, Au@carbon noktalı nanoproblara (Au@CDs) dayalı etiketsiz SERS biyoanalizi için basit bir strateji oluşturmayı amaçlamaktadır. Burada, polifenolden türetilen CD’ler, işbirlikçi Raman geliştirme mekanizması sayesinde metilen mavisi (MB) konsantrasyonu 10-9 M kadar düşük olduğunda bile güçlü SERS performansına izin veren çekirdek-kabuk Au@CD nanoyapıları hızlı bir şekilde sentezlemek için indirgeyici olarak kullanılır. Biyoanaliz için Au@CDs, biyonumunelerin hücresel bileşenlerini (örneğin, kanser hücreleri ve bakteriler) tanımlamak için benzersiz bir SERS nanosensörü olarak hizmet edebilir. Farklı türlere ait moleküler parmak izleri, ana bileşen analizi ile birleştirildikten sonra daha da ayırt edilebilir. Ek olarak, Au@CDs hücre içi bileşim profillerini analiz etmek için etiketsiz SERS görüntülemeyi de mümkün kılar. Bu strateji, uygulanabilir, etiketsiz bir SERS biyoanalizi sunarak nanotanı için yeni bir olasılık sunar.
Introduction
Tek hücre analizi, hücresel heterojenliği ortaya çıkarma ve hücrenin kapsamlı durumunu değerlendirme çalışması için gereklidir. Hücrenin mikro çevreye anında tepki vermesi de tek hücreli analizigaranti eder 1. Bununla birlikte, mevcut tekniklerin bazı sınırlamaları vardır. Floresan algılama, tek hücreli analize uygulanabilir, ancak düşük hassasiyetle sınırlıdır. Diğer zorluklar, hücrelerin karmaşık floresan arka planından ve uzun süreli ışınlama altında floresan fotoağartmadankaynaklanmaktadır 2. Yüzeyde geliştirilmiş Raman saçılması (SERS), (1) içsel moleküler parmak izi bilgisini ve anlık durumu yansıtmak, (2) ultra yüksek yüzey hassasiyeti, (3) uygun multipleks algılama, (4) yüksek fotostabilite, (5) algılama, karşılaştırmalı analiz için ölçülebilir, (6) NIR dalga boyu uyarımı ile hücresel otofloresandan kaçınmak, (7) algılama hücresel bir suda gerçekleştirilebilir ortam ve (8) algılama,hücre 3,4,5 içindeki belirli bir bölgeye yönlendirilebilir.
SERS’i temel bir fenomen olarak anlamak için geniş çapta tanınan iki mekanizma vardır: baskın bir neden olarak elektromanyetik güçlendirme (EM) ve kimyasal güçlendirme (CM). EM, heyecan verici alanın belirli bir frekansında, gelen ışığın frekansı metalde salınan serbest elektronların frekansıyla eşleştiğinde elektromanyetik dalgalar tarafından yönlendirilen kolektif elektronların salınımını ifade eder ve yüzey plazmon rezonansına (SPR) yol açar. Lokalize SPR (LSPR), metal nanopartiküllere (NP’ler) çarpan gelen lazer yoluyla meydana geldiğinde, gelen ışığın rezonans absorpsiyonuna veya saçılmasına yol açar. Sonuç olarak, metal NP’lerin yüzey elektromanyetik alan yoğunluğu iki ila beş sıra4 ile arttırılabilir. Bununla birlikte, SERS’deki büyük gelişmenin anahtarı, tek bir metal NP değil, sıcak noktalar oluşturan iki NP arasındaki boşluktur. CM, (1) hedef moleküller ve metal NP’ler arasındaki etkileşimler ve (2) hedef moleküllerin metal NP’lere/NP’lerden elektron aktarabilmesi dahil olmak üzere iki taraftan üretilir 4,5. Bu inceleme makalelerinde daha ayrıntılı ayrıntılar bulunabilir 4,5. Canlı hücrelerde SERS biyoalgılama ve görüntüleme için birkaç umut verici yöntem önceki literatürde sunulmuştur, örneğin, apoptotik hücrelerin6, organellerdekiproteinlerin 7, hücre içi miRNA’ların8, hücresel lipid membranlarının,9 sitokinlerin10 ve metabolitlerin11 canlı hücrelerde saptanmasının yanı sıra konfokal SERS görüntüleme ile hücrelerin tanımlanması ve izlenmesi2, 11,12,13. İlginç bir şekilde, etiketsiz SERS, dahili moleküler spektrumlarıtanımlayabilen SERS’in benzersiz avantajını sunar 5.
Etiketsiz SERS için önemli bir sorun, rasyonel ve güvenilir bir alt tabakadır. Tipik SERS alt tabakaları, çok fazla ışık saçma konusundaki mükemmel kapasiteleri nedeniyle asil metal NP’lerdir14. Günümüzde, dikkat çekici fiziksel ve kimyasal özellikleri ve biyouyumlulukları nedeniyle nanokompozitlere giderek daha fazla önem verilmektedir. Daha da önemlisi, nanokompozitler, nanohibritler üzerindeki sıcak noktaların neden olduğu yoğun EM ve diğer metal olmayan malzemelerden kaynaklanan ek kimyasal güçlendirme nedeniyle daha iyi SERS aktivitesi gösterebilir15. Örneğin, Fei ve ark. fare 4T1 meme kanseri hücresinin (4T1hücreleri) etiketsiz yakın kızılötesi (NIR) SERS görüntülemesi için Au NP@MoS2 QD nanokompozitleri sentezlemek için indirgeyici olarak MoS 2 kuantum noktalarını (QD’ler) kullandılar16. Ayrıca, Li ve ark. gıda kaynaklı patojenik bakterilerin etiketsiz SERS ölçümleri için Au NP’ler ve 2D hafniyum ditellürid nano tabakalardan oluşan bir 2D SERS substratı üretti17. Son zamanlarda, iyi elektron donörleri olan karbon noktaları (CD’ler), Au çekirdekleri ve CD kabukları arasındaki yük transferi (CT) etkisine dayalı olarak SERS aktivitesini arttırmak için etkili malzemeler olduğu bildirilen Au@carbon noktalı nanoprobları (Au@CDs)18 sentezlemek için başka indirgeyiciler veya ışınlama olmadan indirgeyiciler olarak kullanılmıştır19,20. Bunun da ötesinde, CD’ler, Au NP’lerin21 toplanmasını önlemek için kapatma maddesi ve bir dengeleyici olarak kabul edilir. Ek olarak, çok sayıda bağlanma ve aktif bölge20 sağlayabildiği için analitlerle reaksiyonlar için daha fazla olasılık açar. Yukarıdakilerden yararlanarak, Jin ve ark. heterojen katalitik reaksiyonları gerçek zamanlı olarak izlemek için benzersiz SERS özelliklerine ve mükemmel katalitik aktivitelere sahip Ag@CD NP’ler üretmek için hızlı ve kontrol edilebilir bir yöntem geliştirdi18.
Burada, hücresel bileşenleri tanımlamak ve etiketsiz SERS canlı hücre biyogörüntülemesinin yanı sıra Escherichia coli (E. coli) ve Staphylococcus aureus’u (S. aureus) tespit etmek ve ayırt etmek için çekirdek-kabuk Au@CD SERS substratlarının üretilmesi için kolay ve düşük maliyetli bir yöntem gösterilmiştir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Özetle, 2.1 nm’lik ultra ince CD kabuğuna sahip Au@CDs başarıyla üretilmiştir. Nanokompozitler, saf Au NP’lerden daha üstün SERS duyarlılığı gösterir. Ayrıca, tekrarlanabilirlik ve uzun vadeli stabilite açısından mükemmel performansa Au@CDs. Daha ileri araştırmalar, A549 hücrelerinin31 SERS görüntülemesini gerçekleştirmek ve iki bakteri suşunu32 tespit etmek için Au@CDs substrat olarak almayı içerir. Au@CDs’nin esas olarak Au NP’ler ve CD’ler a…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (32071399 ve 62175071), Guangzhou Bilim ve Teknoloji Programı (2019050001), Guangdong Temel ve Uygulamalı Temel Araştırma Vakfı (2021A1515011988) ve Tıp için Optoelektronik Bilim ve Teknoloji Anahtar Laboratuvarı (Fujian Normal Üniversitesi), Çin Eğitim Bakanlığı (JYG2009) tarafından desteklenmiştir.
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  |
|
| 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 |
Riferimenti
- Zenobi, R. Single-cell metabolomics: analytical and biological perspectives. Science. 342 (6163), 1243259 (2013).
- 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).
- 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).
- Langer, J., et al. Present and future of surface-enhanced Raman scattering. ACS Nano. 14 (1), 28-117 (2020).
- Zong, C., et al. Surface-enhanced Raman spectroscopy for bioanalysis: reliability and challenges. Chemical Reviews. 118 (10), 4946-4980 (2018).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Wang, X., et al. Reduced state carbon dots as both reductant and stabilizer for the synthesis of gold nanoparticles. Carbon. 64, 499-506 (2013).
- Zhu, M., et al. Physicochemical properties determine nanomaterial cellular uptake, transport, and fate. Accounts of Chemical Research. 46 (3), 622-631 (2013).
- 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).
- Fiori, F., et al. Highly photostable carbon dots from citric acid for bioimaging. Materials. 15 (7), 2395 (2022).
- 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).
- 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).
- 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).
- Efrima, S., et al. Understanding SERS of bacteria. Journal of Raman Spectroscopy. 40 (3), 277-288 (2009).
- Movasaghi, Z., Rehman, S., Rehman, I. U. Raman spectroscopy of biological tissues. Applied Spectroscopy Reviews. 42 (5), 493-541 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Weiss, R., et al. Surface-enhanced Raman spectroscopy of microorganisms: limitations and applicability on the single-cell level. Analyst. 144 (3), 943-953 (2019).
- Oliveira, K., et al. Multiplex SERS phenotyping of single cancer cells in microdroplets. Advanced Optical Materials. 11 (1), 2201500 (2023).
- Ho, C. S., et al. Rapid identification of pathogenic bacteria using Raman spectroscopy and deep learning. Nature Communications. 10 (1), 4927 (2019).
- Spedalieri, C., Kneipp, J. Surface enhanced Raman scattering for probing cellular biochemistry. Nanoscale. 14 (14), 5314-5328 (2022).
- 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).
- 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).
