Dans cette étude, nous avons développé une nanosonde d’empreintes digitales basée sur la diffusion Raman améliorée en surface (SERS) à faible coût avec une biocompatibilité favorable pour montrer la bioimagerie de cellules vivantes sans marquage et détecter deux souches bactériennes, montrant en détail comment obtenir des spectres SERS de cellules vivantes dans une méthode non destructive.
La technologie de diffusion Raman améliorée en surface (SERS) attire de plus en plus l’attention dans le domaine biomédical en raison de sa capacité à fournir des informations moléculaires sur les empreintes digitales d’échantillons biologiques, ainsi que de son potentiel dans l’analyse de cellules uniques. Ce travail vise à établir une stratégie simple de bioanalyse SERS sans marquage basée sur Au@carbon nanosondes à points (Au@CDs). Ici, les CD dérivés de polyphénols sont utilisés comme réducteur pour synthétiser rapidement des nanostructures de noyau et de coquille Au@CD, ce qui permet de puissantes performances SERS même lorsque la concentration de bleu de méthylène (MB) est aussi faible que 10-9 M, en raison du mécanisme coopératif d’amélioration Raman. Pour la bioanalyse, Au@CDs peut servir de nanocapteur SERS unique pour identifier les composants cellulaires des échantillons biologiques (par exemple, les cellules cancéreuses et les bactéries). Les empreintes moléculaires de différentes espèces peuvent être distinguées après combinaison avec l’analyse en composantes principales. En outre, Au@CDs permettent également l’imagerie SERS sans marquage pour analyser les profils de composition intracellulaire. Cette stratégie offre une bioanalyse SERS réalisable et sans marque, ouvrant de nouvelles perspectives pour le nanodiagnostic.
L’analyse unicellulaire est essentielle pour l’étude de la révélation de l’hétérogénéité cellulaire et l’évaluation de l’état global de la cellule. La réponse instantanée de la cellule au microenvironnement justifie également une analyse unicellulaire1. Cependant, il y a certaines limites aux techniques actuelles. La détection de fluorescence peut être appliquée à l’analyse d’une seule cellule, mais elle est limitée par une faible sensibilité. D’autres défis découlent du fond de fluorescence complexe des cellules et du photoblanchiment en fluorescence sous irradiation à long terme2. La diffusion Raman améliorée en surface (SERS) peut être qualifiée en termes d’analyse unicellulaire en raison de ses avantages, notamment (1) reflétant les informations moléculaires intrinsèques de l’empreinte digitale et la situation instantanée, (2) sensibilité de surface ultra-élevée, (3) détection multiplex pratique, (4) photostabilité élevée, (5) détection peut être quantifiée pour une analyse comparative, (6) éviter l’autofluorescence cellulaire avec l’excitation de longueur d’onde NIR, (7) la détection peut être effectuée dans un aqueux cellulaire environnement, et (8) la détection peut être dirigée vers une région spécifique de la cellule 3,4,5.
Il existe deux mécanismes largement reconnus pour comprendre le SERS comme un phénomène fondamental : l’amélioration électromagnétique (EM) comme raison dominante et l’amélioration chimique (CM). EM se réfère, dans une fréquence donnée du champ excitant, à l’oscillation d’électrons collectifs entraînés par des ondes électromagnétiques lorsque la fréquence de la lumière incidente correspond à la fréquence des électrons libres oscillant dans le métal, donnant lieu à la résonance plasmonique de surface (SPR). Lorsque la SPR localisée (LSPR) se produit par le laser incident qui frappe les nanoparticules métalliques (NP), elle conduit à l’absorption ou à la diffusion par résonance de la lumière incidente. Par conséquent, l’intensité du champ électromagnétique de surface des NP métalliques peut être augmentée de deux à cinq ordres4. Cependant, la clé de l’énorme amélioration du SERS n’est pas un seul NP métallique, mais l’écart entre deux NP, ce qui crée des points chauds. La CM est générée de deux côtés, y compris (1) les interactions entre les molécules cibles et les NP métalliques et (2) les molécules cibles capables de transférer des électrons vers/depuis les NP métalliques 4,5. Des détails plus exhaustifs peuvent être trouvés dans ces articles 4,5. Plusieurs méthodes prometteuses de biodétection et d’imagerie SERS dans les cellules vivantes ont été présentées dans la littérature antérieure, par exemple, la détection des cellules apoptotiques6, des protéines dans les organites7, des miARN intracellulaires8, des membranes lipidiques cellulaires9,des cytokines10 et des métabolites11 dans les cellules vivantes, ainsi que l’identification et la surveillance des cellules par imagerie confocale SERS2, 11,12,13. Fait intéressant, le SERS sans marquage présente l’avantage unique du SERS, qui peut décrire les spectres moléculaires internes5.
Un problème majeur pour le SERS sans étiquette est un substrat rationnel et fiable. Les substrats SERS typiques sont des NP de métaux nobles en raison de leur excellente capacité à diffuser beaucoup de lumière14. De nos jours, de plus en plus d’attention est accordée aux nanocomposites en raison de leurs propriétés physiques et chimiques remarquables et de leur biocompatibilité. Plus important encore, les nanocomposites peuvent présenter une meilleure activité SERS en raison de l’intense EM induite par les points chauds sur les nanohybrides et de l’amélioration chimique supplémentaire provenant d’autres matériaux non métalliques15. Par exemple, Fei et coll. ont utilisé des pointsquantiques MoS 2 (QD) comme réducteurs pour synthétiser des nanocomposites AuNP@MoS 2 QD pour l’imagerie SERS dans le proche infrarouge (NIR) sans marquage de cellules cancéreuses du sein 4T1 de souris (cellules 4T1)16. En outre, Li et al. ont fabriqué un substrat SERS 2D composé de NP Au et de nanofeuilles de ditellurure de hafnium 2D pour des mesures SERS sans marquage de bactéries pathogènes d’origine alimentaire17. Récemment, les points de carbone (CD), bons donneurs d’électrons, ont été utilisés comme réducteurs sans autres réducteurs ni irradiation pour synthétiser Au@carbon nanosondes à points (Au@CDs)18, qui ont été signalées comme des matériaux efficaces pour améliorer l’activité SERS basée sur l’effet de transfert de charge (CT) entre les noyaux Au et les coquilles CD19,20. De plus, les CD sont reconnus comme l’agent de coiffage et un stabilisateur pour empêcher les NP Au d’agréger21. En outre, il ouvre plus de possibilités de réactions avec les analytes, car il peut fournir un grand nombre de sites de liaison et actifs20. Tirant parti de ce qui précède, Jin et al. ont développé une méthode rapide et contrôlable pour fabriquer des NP Ag@CD dotés de propriétés SERS uniques et d’excellentes activités catalytiques pour surveiller des réactions catalytiques hétérogènes en temps réel18.
Ici, une méthode facile et peu coûteuse pour fabriquer des substrats de base Au@CD de SERS afin d’identifier les composants cellulaires et la bioimagerie de cellules vivantes SERS sans marque, ainsi que de détecter et de différencier Escherichia coli (E. coli) et Staphylococcus aureus (S. aureus) a été démontrée, ce qui est prometteur pour le diagnostic précoce de la maladie et une meilleure compréhension des processus cellulaires.
En résumé, Au@CDs avec une coque CD ultramince de 2,1 nm ont été fabriquées avec succès. Les nanocomposites présentent une sensibilité SERS supérieure à celle des NP Au purs. En outre, Au@CDs possèdent d’excellentes performances en termes de reproductibilité et de stabilité à long terme. D’autres recherches comprennent la prise de Au@CDs comme substrats pour effectuer l’imagerie SERS des cellules A54931 et pour détecter deux souches bactériennes32. Il …
The authors have nothing to disclose.
Ce travail a été soutenu par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (32071399 et 62175071), le Programme pour la science et la technologie de Guangzhou (2019050001), la Fondation de recherche fondamentale et appliquée du Guangdong (2021A1515011988) et la Fondation ouverte du Laboratoire clé des sciences et technologies optoélectroniques pour la médecine (Université normale du Fujian), Ministère de l’éducation, Chine (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 |