I denna studie utvecklade vi en billig ytförbättrad Raman-spridning (SERS)-baserad fingeravtrycksnanosond med gynnsam biokompatibilitet för att visa etikettfri bioimaging av levande celler och detektera två bakteriestammar, vilket visar i detalj hur man får SERS-spektra av levande celler i en icke-destruktiv metod.
Ytförstärkt Raman-spridningsteknik (SERS) har väckt mer och mer uppmärksamhet inom det biomedicinska området på grund av dess förmåga att tillhandahålla molekylär fingeravtrycksinformation av biologiska prover, liksom dess potential i encellsanalys. Detta arbete syftar till att upprätta en enkel strategi för etikettfri SERS-bioanalys baserad på Au@carbon dot nanoprobes (Au@CDs). Här används polyfenol-härledda CD-skivor som reduktionsmedel för att snabbt syntetisera kärnskal Au@CD nanostrukturer, vilket möjliggör kraftfull SERS-prestanda även när koncentrationen av metylenblått (MB) är så låg som 10-9 M, på grund av den kooperativa Raman-förbättringsmekanismen. För bioanalys kan Au@CDs fungera som en unik SERS-nanosensor för att identifiera cellkomponenterna i bioprover (t.ex. cancerceller och bakterier). De molekylära fingeravtrycken från olika arter kan särskiljas ytterligare efter kombination med huvudkomponentanalysen. Dessutom möjliggör Au@CDs etikettfri SERS-avbildning för att analysera intracellulära kompositionsprofiler. Denna strategi erbjuder en genomförbar, etikettfri SERS-bioanalys, vilket öppnar upp för nya möjligheter för nanodiagnos.
Encellsanalys är avgörande för studier av avslöjande cellulär heterogenitet och bedömning av cellens omfattande tillstånd. Cellens omedelbara svar på mikromiljön motiverar också encellsanalys1. Det finns dock vissa begränsningar för de nuvarande teknikerna. Fluorescensdetektering kan tillämpas på encellsanalys, men den begränsas av låg känslighet. Andra utmaningar uppstår från den komplicerade fluorescensbakgrunden hos celler och fluorescensfotoblekningen under långvarig bestrålning2. Ytförstärkt Ramanspridning (SERS) kan kvalificera sig när det gäller encellsanalys på grund av dess fördelar, inklusive (1) återspeglar den inneboende molekylära fingeravtrycksinformationen och den momentana situationen, (2) ultrahög ytkänslighet, (3) bekväm multiplexdetektering, (4) hög fotostabilitet, (5) detektion kan kvantifieras för jämförande analys, (6) undvikande av cellulär autofluorescens med NIR-våglängdsexcitation, (7) detektion kan utföras i en cellulär vattenhaltig miljö och (8) detektion kan riktas till en specifik region i cellen 3,4,5.
Det finns två allmänt erkända mekanismer för att förstå SERS som ett grundläggande fenomen: elektromagnetisk förbättring (EM) som en dominerande orsak och kemisk förbättring (CM). EM hänvisar till, i en given frekvens av det spännande fältet, svängningen av kollektiva elektroner drivna av elektromagnetiska vågor när frekvensen för det infallande ljuset matchar frekvensen av fria elektroner som oscillerar i metallen, vilket ger upphov till ytplasmonresonans (SPR). När lokaliserad SPR (LSPR) inträffar genom den infallande lasern som träffar metallnanopartiklarna (NP), leder det till resonansabsorption eller spridning av det infallande ljuset. Följaktligen kan den elektromagnetiska fältintensiteten hos metall NP förbättras med två till fem ordningar4. Nyckeln till den enorma förbättringen av SERS är dock inte en enda metall-NP, utan klyftan mellan två NP, vilket skapar hot spots. CM genereras från två sidor, inklusive (1) interaktioner mellan målmolekyler och metall NP och (2) målmolekyler som kan överföra elektroner till / från metall NP 4,5. Mer uttömmande detaljer finns i dessa översiktsartiklar 4,5. Flera lovande metoder för SERS biosensing och avbildning i levande celler har presenterats i tidigare litteratur, till exempel detektion av apoptotiska celler6, proteiner i organeller7, intracellulära miRNA8, cellulära lipidmembran, 9cytokiner10 och metaboliter11 i levande celler, samt identifiering och övervakning av celler genom konfokal SERS-avbildning2, 11,12,13. Intressant nog presenterar etikettfri SERS den unika fördelen med SERS, som kan beskriva interna molekylära spektra5.
Ett viktigt problem för etikettfri SERS är ett rationellt och pålitligt substrat. Typiska SERS-substrat är ädelmetall NP på grund av deras utmärkta förmåga att sprida mycket ljus14. Numera ägnas mer och mer uppmärksamhet åt nanokompositer på grund av deras anmärkningsvärda fysikaliska och kemiska egenskaper och biokompatibilitet. Mer betydelsefullt kan nanokompositer visa bättre SERS-aktivitet på grund av den intensiva EM som induceras av de heta fläckarna på nanohybriderna och ytterligare kemisk förbättring som härrör från andra icke-metalliska material15. Till exempel använde Fei et al. MoS 2 kvantprickar (QD) som reducerare för att syntetisera Au NP@MoS2QD nanokompositer för etikettfri nära infraröd (NIR) SERS-avbildning av mus 4T1 bröstcancercell (4T1-celler)16. Li et al. tillverkade också ett 2D SERS-substrat bestående av Au NP och 2D-hafniumditelluridnanoark för etikettfria SERS-mätningar av livsmedelsburna patogena bakterier17. Nyligen har kolprickar (CD), bra elektrondonatorer, använts som reduktionsmedel utan andra reduktionsmedel eller bestrålning för att syntetisera Au@carbon punktnanoprober (Au@CDs)18, som har rapporterats vara effektiva material för att förbättra SERS-aktiviteten baserat på laddningsöverföringseffekten (CT) mellan Au-kärnor och CD-skal 19,20. Mer än så erkänns CD-skivor som täckmedel och stabilisator för att förhindra att Au NP aggregerar21. Dessutom öppnar det fler möjligheter för reaktioner med analyter, eftersom det kan ge ett stort antal bindande och aktiva platser20. Genom att utnyttja ovanstående utvecklade Jin et al. en snabb och kontrollerbar metod för att tillverka Ag@CD NP med unika SERS-egenskaper och utmärkta katalytiska aktiviteter för övervakning av heterogena katalytiska reaktioner i realtid18.
Här demonstrerades en enkel och billig metod för tillverkning av kärnskal Au@CD SERS-substrat för att identifiera cellulära komponenter och etikettfri SERS-bioimaging, samt för att detektera och differentiera Escherichia coli (E. coli) och Staphylococcus aureus (S. aureus), vilket är lovande för tidig diagnos av sjukdom och en bättre förståelse av cellulära processer.
Sammanfattningsvis har Au@CDs med ett ultratunt CD-skal på 2,1 nm framgångsrikt tillverkats. Nanokompositerna visar överlägsen SERS-känslighet än rena Au NP. Dessutom har Au@CDs utmärkt prestanda i reproducerbarhet och långsiktig stabilitet. Ytterligare forskning inkluderar att ta Au@CDs som substrat för att utföra SERS-avbildning av A549-celler31 och för att detektera två bakteriestammar32. Det har bevisats att Au@CDs kan användas som en ultrakänslig SERS-son…
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöddes av National Natural Science Foundation of China (32071399 och 62175071), Science and Technology Program of Guangzhou (2019050001), Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation (2021A1515011988) och Open Foundation of the Key Laboratory of Optoelectronic Science and Technology for Medicine (Fujian Normal University), utbildningsministeriet, Kina (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 |