זיהוי SERS כמותי של חומצת שתן באמצעות היווצרות של ננו-צווים פלסמוניים מדויקים בתוך אגרגטים של ננו-חלקיקי זהב ו-Cucurbit[n]uril
Summary
קומפלקס מארח-אורח של cucurbit[7]uril וחומצת שתן נוצר בתמיסה מימית לפני שהוסיף כמות קטנה לתמיסת Au NP עבור חישת ספקטרוסקופיית ראמאן (SERS) כמותית משופרת על פני השטח באמצעות ספקטרומטר מודולרי.
Abstract
עבודה זו מתארת שיטה מהירה ורגישה מאוד לזיהוי כמותי של סמן ביולוגי חשוב, חומצת שתן (UA), באמצעות ספקטרוסקופיית ראמאן משופרת על פני השטח (SERS) עם מגבלת זיהוי נמוכה של ~ 0.2 מיקרומטר עבור פסגות אופייניות מרובות באזור טביעת האצבע, באמצעות ספקטרומטר מודולרי. סכמת ביוסנסינג זו מתווכת על-ידי קומפלקס בין קומפלקס בין מקרו-מחזור, cucurbit[7]uril (CB7) ו-UA, וההיווצרות שלאחר מכן של ננו-צווים פלסמוניים מדויקים בתוך Au NP המורכב מעצמו: ננו-אגרגטים של CB7. סינתזת Au NP facile של גדלים רצויים עבור מצעי SERS בוצעה גם היא על סמך גישת הפחתת הציטראט הקלאסית עם אפשרות להקלה באמצעות סינתיסייזר אוטומטי שנבנה במעבדה. ניתן להרחיב פרוטוקול זה בקלות לזיהוי מרובב של סמנים ביולוגיים בנוזלי גוף ליישומים קליניים.
Introduction
חומצת שתן, שהיא התוצר הסופי של חילוף החומרים של נוקלאוטידים פורין, היא סמן ביולוגי חשוב בסרום הדם ובשתן לאבחון מחלות כגון שיגדון, רעלת הריון, מחלות כליות, יתר לחץ דם, מחלות לב וכלי דם וסוכרת 1,2,3,4,5. השיטות הנוכחיות לזיהוי חומצות שתן כוללות בדיקות אנזימטיות צבעוניות, כרומטוגרפיה נוזלית בעלת ביצועים גבוהים ואלקטרופורזה נימית, שהן גוזלות זמן רב, יקרות ודורשות הכנת דגימה מתוחכמת 6,7,8,9.
ספקטרוסקופיית ראמאן המשופרת על פני השטח היא טכניקה מבטיחה לאבחון נקודתי שגרתי, שכן היא מאפשרת זיהוי סלקטיבי של ביו-מולקולות באמצעות טביעות האצבעות של הרטט שלהן ומציעה יתרונות רבים כגון רגישות גבוהה, תגובה מהירה, קלות שימוש והכנת דגימה ללא דגימה או מינימלית. מצעי SERS המבוססים על ננו-חלקיקי מתכת אצילים (לדוגמה, Au NPs) יכולים לשפר את אותות הראמן של מולקולות האנאליט ב-4 עד 10 סדרי גודל10 באמצעות שיפור אלקטרומגנטי חזק הנגרם על ידי תהודת פלסמון פני השטח11. ניתן לסנתז בקלות Au NPs בגדלים מותאמים אישית, בניגוד לייצור הגוזל זמן רב של ננו-קומפוזיטים מתכתיים מורכבים12, ולכן נעשה בהם שימוש נרחב ביישומים ביו-רפואיים בשל תכונותיהם המעולות 13,14,15,16. חיבור של מולקולות מקרוציקליות, cucurbit[n]urils (CBn, כאשר n = 5-8, 10), על פני השטח של Au NPs יכול לשפר עוד יותר את אותות ה-SERS של מולקולות האנאליטים, שכן מולקולות ה-CB הסימטריות והנוקשות ביותר יכולות לשלוט במרווח המדויק בין ה-Au NPs ולמקם את מולקולות האנאליט במרכז או בסמיכות לנקודות החמות הפלסמוניות באמצעות היווצרות של קומפלקסים מארחים-אורחים (איור 1)17, 18,19,20. דוגמאות קודמות למחקרי SERS שהשתמשו ב-Au NP: CBn nanoaggregates כוללים ניטרו-אקספלוזיבים, ארומטיים פוליציקליים, דיאמינוסטילבן, מוליכים עצביים וקריאטינין 21,22,23,24,25, כאשר מדידות ה-SERS מבוצעות בקובטה או על ידי העמסת טיפה קטנה על מחזיק דגימה מותאם אישית. ערכת זיהוי זו שימושית במיוחד לכימות מהיר של סמנים ביולוגיים במטריצה מורכבת עם יכולת שכפול גבוהה.
כאן, הודגמה שיטה פזיזה ליצירת קומפלקסים מארחים-אורחים של CB7 ו-UA חשוב של סמנים ביולוגיים, ולכימות UA עם מגבלת זיהוי של 0.2 μM באמצעות צבירה בתיווך CB7 של Au NPs במדיה מימית באמצעות ספקטרומטר מודולרי, המבטיח ליישומים אבחוניים וקליניים.
Protocol
Representative Results
Discussion
שיטת הסינתזה האוטומטית המתוארת בפרוטוקול מאפשרת ל- Au NPs בגדלים הולכים וגדלים להיות מסונתזים באופן רנדוקטיבי. למרות שיש כמה אלמנטים שעדיין צריכים להתבצע באופן ידני, כגון הוספה מהירה של נתרן ציטראט במהלך סינתזת הזרעים ובדיקה מעת לעת כדי להבטיח כי צינורות PEEK מאובטחים, שיטה זו מאפשרת Au NPs של ג?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
TCL אסירת תודה על התמיכה ממענק המחקר של החברה המלכותית 2016 R1 (RG150551) ופרס המנהיג העתידי של UCL BEAMS הממומן באמצעות פרס החסות המוסדית על ידי EPSRC (EP/P511262/1). WIKC, TCL ו- IPP אסירי תודה לסטודנטיות הממומנת על ידי תוכנית ההתקשרות למחקר A *STAR-UCL באמצעות EPSRC M3S CDT (EP/L015862/1). GD ו- TJ רוצים להודות ל- EPSRC M3S CDT (EP / L015862/1) על מתן חסות לסטודנטיות שלהם. TJ ו-TCL מודים ל-Camtech Innovations על תרומה לסטודנטיות של TJ. כל הכותבים אסירי תודה לקרן הגישה הפתוחה של UCL.
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 |
References
- Villa, J. E. L., Poppi, R. J. A portable SERS method for the determination of uric acid using a paper-based substrate and multivariate curve resolution. Analyst. 141 (6), 1966-1972 (2016).
- Westley, C., et al. Absolute Quantification of Uric Acid in Human Urine Using Surface Enhanced Raman Scattering with the Standard Addition Method. Analytical Chemistry. 89 (4), 2472-2477 (2017).
- Zhao, L., Blackburn, J., Brosseau, C. L. Quantitative Detection of Uric Acid by Electrochemical-Surface Enhanced Raman Spectroscopy Using a Multilayered Au/Ag Substrate. Analytical Chemistry. 87 (1), 441-447 (2015).
- Goodall, B. L., Robinson, A. M., Brosseau, C. L. Electrochemical-surface enhanced Raman spectroscopy (E-SERS) of uric acid: a potential rapid diagnostic method for early preeclampsia detection. Physical Chemistry Chemical Physics. 15 (5), 1382-1388 (2013).
- Lytvyn, Y., Perkins, B. A., Cherney, D. Z. I. Uric Acid as a Biomarker and a Therapeutic Target in Diabetes. Canadian Journal of Diabetes. 39 (3), 239-246 (2015).
- Ali, S. M. U., Ibupoto, Z. H., Kashif, M., Hashim, U., Willander, M. A Potentiometric Indirect Uric Acid Sensor Based on ZnO Nanoflakes and Immobilized Uricase. Sensors. 12 (3), 2787-2797 (2012).
- Yu, J., Wang, S., Ge, L., Ge, S. A novel chemiluminescence paper microfluidic biosensor based on enzymatic reaction for uric acid determination. Biosensors and Bioelectronics. 26 (7), 3284-3289 (2011).
- Yang, Y. D. Simultaneous determination of creatine, uric acid, creatinine and hippuric acid in urine by high performance liquid chromatography. Biomedical Chromatography. 12 (2), 47-49 (1999).
- Zhao, S., Wang, J., Ye, F., Liu, Y. M. Determination of uric acid in human urine and serum by capillary electrophoresis with chemiluminescence detection. Analytical Biochemistry. 378 (2), 127-131 (2008).
- Fang, Y., Seong, N. H., Dlott, D. D. Measurement of the Distribution of Site Enhancements in Surface-Enhanced Raman Scattering. Science. 321 (5887), 388-392 (2008).
- Jeong, H. H., et al. Dispersion and shape engineered plasmonic nanosensors. Nature Communications. 7, 11331 (2016).
- Alula, M. T., et al. Preparation of silver nanoparticles coated ZnO/Fe3O4 composites using chemical reduction method for sensitive detection of uric acid via surface-enhanced Raman spectroscopy. Analytica Chimica Acta. 1073, 62-71 (2019).
- Bastús, N. G., Comenge, J., Puntes, V. Kinetically Controlled Seeded Growth Synthesis of Citrate-Stabilized Gold Nanoparticles of up to 200 nm: Size Focusing versus Ostwald Ripening. Langmuir. 27 (17), 11098-11105 (2011).
- Jeong, H. H., et al. Selectable Nanopattern Arrays for Nanolithographic Imprint and Etch-Mask Applications. Advanced Science. 2 (7), 1500016 (2016).
- Loh, X. J., Lee, T. C., Dou, Q., Deen, G. R. Utilising inorganic nanocarriers for gene delivery. Biomaterials Science. 4 (1), 70-86 (2016).
- Celiz, A. D., Lee, T. C., Scherman, O. A. Polymer-Mediated Dispersion of Gold Nanoparticles: Using Supramolecular Moieties on the Periphery. Advanced Materials. 21 (38), 3937-3940 (2009).
- Lee, T. C., Scherman, O. A. Formation of Dynamic Aggregates in Water by Cucurbit[5]uril Capped with Gold Nanoparticles. ChemComm. 46 (14), 2438-2440 (2010).
- Lee, T. C., Scherman, O. A. A Facile Synthesis of Dynamic Supramolecular Aggregates of Cucurbit[n]uril (n = 5-8) Capped with Gold Nanoparticles in Aqueous Media. Chemistry-A European Journal. 18 (6), 1628-1633 (2012).
- Taylor, R. W., et al. Precise Subnanometer Plasmonic Junctions for SERS within Gold Nano- particle Assemblies Using Cucurbit[n]uril “Glue”. ACS Nano. 5 (5), 3878-3887 (2011).
- Peveler, W. J., et al. Cucurbituril-mediated quantum dot aggregates formed by aqueous self-assembly for sensing applications. ChemComm. 55 (38), 5495-5498 (2019).
- Chio, W. I. K., et al. Selective Detection of Nitroexplosives Using Molecular Recognition within Self-Assembled Plasmonic Nanojunctions. The Journal of Physical Chemistry C. 123 (25), 15769-15776 (2019).
- Kasera, S., Biedermann, F., Baumberg, J. J., Scherman, O. A., Mahajan, S. Quantitative SERS Using the Sequestration of Small Molecules Inside Precise Plasmonic Nanoconstructs. Nano Letters. 12 (11), 5924-5928 (2012).
- Taylor, R. W., et al. In Situ SERS Monitoring of Photochemistry within a Nanojunction Reactor. Nano Letters. 13 (12), 5985-5990 (2013).
- Kasera, S., Herrmann, L. O., Barrio, J. d., Baumberg, J. J., Scherman, O. A. Quantitative Multiplexing with Nano-Self-Assemblies in SERS. Scientific Reports. 4, 6785 (2014).
- Chio, W. I. K., et al. Dual-triggered nanoaggregates of cucurbit[7]uril and gold nanoparticles for multi-spectroscopic quantification of creatinine in urinalysis. Journal of Materials Chemistry C. 8, 7051-7058 (2020).
- Turkevich, J., Stevenson, P. C., Hillier, J. A study of the nucleation and growth processes in the synthesis of colloidal gold. Discussions of the Faraday Society. 11, 55-75 (1951).
- Lagona, J., Mukhopadhyay, P., Chakrabarti, S., Issacs, L. The cucurbit[n]uril family. Angewandte Chemie International Edition. 44 (31), 4844-4870 (2005).
- . OceanView Installation and Operation Manual Available from: https://www.oceaninsight.com/globalassets/catalog-blocks-and-images/manuals–instruction-old-logo/software/oceanviewio.pdf (2013)
- Mahajan, S., et al. Raman and SERS spectroscopy of cucurbit[n]urils. Physical Chemistry Chemical Physics. 12 (35), 10429-10433 (2010).
- Langer, J., et al. Present and Future of Surface-Enhanced Raman Scattering. ACS Nano. 14 (1), 28-117 (2020).
- Pilot, R., et al. A Review on Surface-Enhanced Raman Scattering. Biosensors. 9 (2), 57 (2019).
- Bantz, K. C., et al. Recent progress in SERS biosensing. Physical Chemistry Chemical Physics. 13 (24), 11551-11567 (2011).
- Moore, T. J., et al. In Vitro and In Vivo SERS Biosensing for Disease Diagnosis. Biosensors. 8 (2), 46 (2018).
- Bonifacio, A., Cervo, S., Sergo, V. Label-free surface-enhanced Raman spectroscopy of biofluids: fundamental aspects and diagnostic applications. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 407 (27), 8265-8277 (2015).
- Jeong, H. H., Choi, E., Ellis, E., Lee, T. C. Recent advances in gold nanoparticles for biomedical applications: from hybrid structures to multi-functionality. Journal of Materials Chemistry B. 7 (22), 3480-3496 (2019).
- Premasiri, W. R., Clarke, R. H., Womble, M. E. Urine Analysis by Laser Raman Spectroscopy. Lasers in Surgery and Medicine. 28 (4), 330-334 (2001).
- Lu, Y., et al. Superhydrophobic silver film as a SERS substrate for the detection of uric acid and creatinine. Biomedical Optics Express. 9 (10), 4988-4997 (2018).
- Feig, D. I., et al. Serum Uric Acid: A Risk Factor and a Target for Treatment. Journal of the American Society of Nephrology. 17 (4), 69-73 (2006).
- Maiuolo, J., Oppedisano, F., Gratteri, S., Muscoli, C., Mollace, V. Regulation of uric acid metabolism and excretion. International Journal of Cardiology. 213, 8-14 (2016).
