Kwantitatieve SERS-detectie van urinezuur via de vorming van nauwkeurige plasmonische nanojunctionen in aggregaten van gouden nanodeeltjes en cucurbit[n]uril

Summary

Een gastheer-gastcomplex van cucurbit[7]uril en urinezuur werd gevormd in een waterige oplossing voordat een kleine hoeveelheid werd toegevoegd aan Au NP-oplossing voor kwantitatieve oppervlakte-verbeterde Raman-spectroscopie (SERS) detectie met behulp van een modulaire spectrometer.

Abstract

Dit werk beschrijft een snelle en zeer gevoelige methode voor de kwantitatieve detectie van een belangrijke biomarker, urinezuur (UA), via oppervlakte-verbeterde Raman-spectroscopie (SERS) met een lage detectiegrens van ~ 0,2 μM voor meerdere karakteristieke pieken in het vingerafdrukgebied, met behulp van een modulaire spectrometer. Dit biosensingschema wordt gemedieerd door de gastheer-gastcomplexatie tussen een macrocyclus, cucurbit[7]uril (CB7) en UA, en de daaropvolgende vorming van precieze plasmonische nanojuncties binnen de zelfgeassembleerde Au NP: CB7 nanoaggregaten. Een gemakkelijke Au NP-synthese van gewenste afmetingen voor SERS-substraten is ook uitgevoerd op basis van de klassieke citraatreductiebenadering met een optie die kan worden gefaciliteerd met behulp van een in het laboratorium gebouwde geautomatiseerde synthesizer. Dit protocol kan gemakkelijk worden uitgebreid tot multiplexed detectie van biomarkers in lichaamsvloeistoffen voor klinische toepassingen.

Introduction

Urinezuur, het eindproduct van het metabolisme van purinenucleotiden, is een belangrijke biomarker in bloedserum en urine voor de diagnose van ziekten zoals jicht, pre-eclampsie, nierziekten, hypertensie, hart- en vaatziekten en diabetes 1,2,3,4,5. De huidige methoden voor urinezuurdetectie omvatten colorimetrische enzymatische assays, hoogwaardige vloeistofchromatografie en capillaire elektroforese, die tijdrovend en duur zijn en een geavanceerde monstervoorbereiding vereisen 6,7,8,9.

Oppervlakte-verbeterde Raman-spectroscopie is een veelbelovende techniek voor routinematige point-of-care-diagnose, omdat het selectieve detectie van biomoleculen mogelijk maakt via hun trillingsvingerafdrukken en tal van voordelen biedt, zoals hoge gevoeligheid, snelle respons, gebruiksgemak en geen of minimale monstervoorbereiding. SERS-substraten op basis van edelmetaalnanodeeltjes (bijv. Au NP’s) kunnen de Raman-signalen van de analytmoleculen met 4 tot 10 ordes van magnitude¹⁰ verbeteren via sterke elektromagnetische versterking veroorzaakt door oppervlakteplasmonresonantie¹¹. Au NP’s van op maat gemaakte maten kunnen gemakkelijk worden gesynthetiseerd in tegenstelling tot de tijdrovende fabricage van complexe metalen nanocomposieten¹², en worden dus veel gebruikt in biomedische toepassingen vanwege hun superieure eigenschappen 13,14,15,16. Aanhechting van macrocyclische moleculen, cucurbit[n]urils (CBn, waarbij n = 5-8, 10), op het oppervlak van Au NP’s de SERS-signalen van de analytmoleculen verder kan verbeteren, aangezien de zeer symmetrische en stijve CB-moleculen de precieze afstand tussen de Au NP’s kunnen regelen en de analytmoleculen in het midden of in de nabijheid van de plasmonische hotspots kunnen lokaliseren via de vorming van gastheer-gastcomplexen (figuur 1)^17; 18,19,20. Eerdere voorbeelden van SERS-studies met Au NP: CBn nanoaggregaten omvatten nitroexplosieven, polycyclische aromaten, diaminostilbeen, neurotransmitters en creatinine 21,22,23,24,25, waarbij de SERS-metingen worden uitgevoerd in een cuvette of door een klein druppeltje op een op maat gemaakte monsterhouder te laden. Dit detectieschema is bijzonder nuttig om biomarkers snel te kwantificeren in een complexe matrix met een hoge reproduceerbaarheid.

Hierin werd een gemakkelijke methode gedemonstreerd om gastheer-gastcomplexen van CB7 en een belangrijke biomarker UA te vormen en om UA te kwantificeren met een detectielimiet van 0,2 μM via CB7-gemedieerde aggregaties van Au NP’s in waterige media met behulp van een modulaire spectrometer, die veelbelovend is voor diagnostische en klinische toepassingen.

Protocol

1. Synthese van Au NP’s Synthese van Au-zaden via de conventionele Turkevich-methode26 Bereid 10 ml van 25 mM HAuCl4-oplossing door 98,5 mg HAuCl4 op te lossen 3H2O voorloper met 10 ml gedeïoniseerd water in een glazen injectieflacon.OPMERKING: Breng een kleine hoeveelheid HAuCl4-precursor over in een weegboot en gebruik een plastic spatel in plaats van een metalen spatel om de kristallen te wegen, omdat de HAuCl4-precursor</s…

Representative Results

In de gepresenteerde Au NP-synthese vertonen de UV-Vis-spectra een verschuiving van de LSPR-pieken van 521 nm naar 529 nm na 10 groeistappen (figuur 4A,B), terwijl de DLS-gegevens een smalle grootteverdeling laten zien naarmate de grootte van Au NP’s toeneemt van 25,9 nm tot 42,8 nm (figuur 4C,D). De gemiddelde groottes van G0, G5 en G10 gemeten op basis van TEM-beelden (figuur 4E) zijn respectievel…

Discussion

De geautomatiseerde synthesemethode die in het protocol wordt beschreven, maakt het mogelijk om Au NP’s van toenemende omvang reproduceerbaar te synthetiseren. Hoewel er enkele elementen zijn die nog handmatig moeten worden uitgevoerd, zoals de snelle toevoeging van natriumcitraat tijdens de zaadsynthese en periodieke controle om ervoor te zorgen dat de PEEK-slang veilig is, maakt deze methode Au NP’s van grote afmetingen (tot 40 nm) mogelijk, waarvoor gewoonlijk meerdere handmatige injecties van HAuCl₄ en nat…

Materials

40 nm gold nanoparticles	NanoComposix	AUCN40-100M	NanoXact, 0.05 mg/ mL, bare (citrate)
Centrifuge tube	Corning Falcon	14-432-22	50 mL volume
Cucurbit[7]uril	Lab-made		see ref. 19
Gold(III) chloride trihydrate	Sigma aldrich	520918	≥99.9% trace metals basis
Luer lock disposable syringe	Cole-Parmer	WZ-07945-15	3 mL volume
Luer-to-MicroTight adapter	LuerTight	P-662	360 μm outer diameter Tubing to Luer Syringe
PEEK tubing	IDEX	1572	360 μm outer diameter, 150 μm inner diameter
PEEK tubing cutter	IDEX	WZ-02013-30	Capillary Polymer Chromatography Tubing Cutter For 360 µm to 1/32" OD tubing
Raman spectrometer	Ocean Optics	QE pro
Sodium citrate tribasic dihydrate	Sigma aldrich	S4641	ACS reagent, ≥99.0%
Sonicator
Standard Probe	Digi-Sense	WZ-08516-55	Type-K
Syringe pump	Aladdin	ALADDIN2-220	2 syringes, maximum syringe volume 60 mL
Thermocouple thermometer	Digi-Sense	WZ-20250-91	Single-Input Thermocouple Thermometer with NIST-Traceable Calibration
ThermoMixer	Eppendorf	5382000031	With an Eppendorf SmartBlock for 50 mL tubes
Uric acid	Sigma aldrich	U2625	≥99%, crystalline