En este estudio, desarrollamos una nanosonda de huellas dactilares basada en dispersión Raman mejorada en superficie (SERS) de bajo costo con biocompatibilidad favorable para mostrar bioimágenes de células vivas sin marcadores y detectar dos cepas bacterianas, mostrando en detalle cómo obtener espectros SERS de células vivas en un método no destructivo.
La tecnología de dispersión Raman mejorada en superficie (SERS) ha atraído cada vez más atención en el campo biomédico debido a su capacidad para proporcionar información de huellas moleculares de muestras biológicas, así como a su potencial en el análisis de una sola célula. Este trabajo tiene como objetivo establecer una estrategia simple para el bioanálisis de SERS sin marcaje basada en nanosondas de puntos Au@carbon (Au@CDs). Aquí, los CD derivados de polifenoles se utilizan como reductor para sintetizar rápidamente nanoestructuras de Au@CD núcleo-capa, lo que permite un potente rendimiento de SERS incluso cuando la concentración de azul de metileno (MB) es tan baja como 10-9 M, debido al mecanismo cooperativo de mejora Raman. Para el bioanálisis, Au@CDs puede servir como un nanosensor SERS único para identificar los componentes celulares de las muestras biológicas (por ejemplo, células cancerosas y bacterias). Las huellas moleculares de diferentes especies se pueden distinguir aún más después de la combinación con el análisis de componentes principales. Además, Au@CDs también permiten obtener imágenes SERS sin etiquetas para analizar los perfiles de composición intracelular. Esta estrategia ofrece un bioanálisis SERS factible y sin marcas, lo que abre una nueva perspectiva para el nanodiagnóstico.
El análisis de una sola célula es esencial para el estudio de la revelación de la heterogeneidad celular y la evaluación del estado integral de la célula. La respuesta instantánea de la célula al microambiente también justifica el análisis de una sola célula1. Sin embargo, existen algunas limitaciones en las técnicas actuales. La detección de fluorescencia se puede aplicar al análisis de una sola célula, pero está limitada por la baja sensibilidad. Otros desafíos surgen del complicado fondo de fluorescencia de las células y el fotoblanqueo de fluorescencia bajo irradiación a largo plazo2. La dispersión Raman mejorada en superficie (SERS) puede calificar en términos de análisis de una sola célula debido a sus ventajas, que incluyen (1) reflejar la información intrínseca de la huella dactilar molecular y la situación instantánea, (2) sensibilidad superficial ultra alta, (3) detección múltiplex conveniente, (4) alta fotoestabilidad, (5) la detección se puede cuantificar para análisis comparativo, (6) evitar la autofluorescencia celular con la excitación de longitud de onda NIR, (7) la detección se puede realizar en un acuoso celular y (8) la detección se puede dirigir a una región específica dentro de la célula 3,4,5.
Existen dos mecanismos ampliamente reconocidos para entender el SERS como un fenómeno fundamental: el realce electromagnético (EM) como razón dominante y el realce químico (MC). EM se refiere, en una frecuencia dada del campo de excitación, a la oscilación de electrones colectivos impulsados por ondas electromagnéticas cuando la frecuencia de la luz incidente coincide con la frecuencia de los electrones libres que oscilan en el metal, dando lugar a la resonancia de plasmones superficiales (SPR). Cuando la SPR localizada (LSPR) se produce a través del láser incidente que incide en las nanopartículas metálicas (NP), conduce a la absorción o dispersión resonante de la luz incidente. En consecuencia, la intensidad del campo electromagnético superficial de los NP metálicos puede aumentarse de dos a cinco órdenes4. Sin embargo, la clave de la enorme mejora en SERS no es un solo NP de metal, sino el espacio entre dos NP, lo que crea puntos calientes. La CM se genera a partir de dos lados, incluyendo (1) las interacciones entre las moléculas diana y las NPs metálicas y (2) las moléculas diana que son capaces de transferir electrones hacia/desde las NPs metálicas 4,5. Se pueden encontrar detalles más exhaustivos en estos artículos de revisión 4,5. En la literatura previa se han presentado varios métodos prometedores para la biodetección y la obtención de imágenes de SERS en células vivas, por ejemplo, la detección de células apoptóticas6, proteínas en orgánulos7, miARN intracelulares8, membranas lipídicas celulares,9citocinas10 y metabolitos11 en células vivas, así como la identificación y monitorización de células mediante imágenes SERSconfocales 2, 11,12,13. Curiosamente, el SERS sin etiquetas presenta la ventaja única del SERS, que puede describir espectros moleculares internos5.
Un problema importante para los SERS sin etiquetas es un sustrato racional y confiable. Los sustratos SERS típicos son NP de metales nobles debido a su excelente capacidad para dispersar una gran cantidad de luz14. Hoy en día, se presta cada vez más atención a los nanocompuestos debido a sus notables propiedades físicas y químicas y su biocompatibilidad. Y lo que es más importante, los nanocompuestos pueden mostrar una mejor actividad SERS debido a la intensa EM inducida por los puntos calientes de los nanohíbridos y a la mejora química adicional procedente de otros materiales no metálicos15. Por ejemplo, Fei et al. utilizaron puntos cuánticos (QD) MoS 2 como reductores para sintetizar nanocompuestos de Au NP@MoS2QD para obtener imágenes SERS de infrarrojo cercano (NIR) sin etiquetas de células de cáncer de mama 4T1 de ratón (células 4T1)16. Además, Li et al. fabricaron un sustrato SERS 2D que consistía en NPs de Au y nanoláminas de diteluro de hafnio 2D para mediciones SERS sin marcaje de bacterias patógenas transmitidas por los alimentos17. Recientemente, los puntos de carbono (CD), buenos donantes de electrones, se han utilizado como reductores sin otros reductores o irradiación para sintetizar nanosondas de puntos de Au@carbon (Au@CDs)18, que se ha informado que son materiales eficientes para mejorar la actividad de SERS basada en el efecto de transferencia de carga (CT) entre los núcleos de Au y las capas de CD19,20. Más que eso, los CD son reconocidos como el agente de recubrimiento y un estabilizador para evitar que los Au NP agreguen21. Además, abre más posibilidades de reacciones con analitos, ya que puede proporcionar un gran número de sitios de unión y activos20. Aprovechando lo anterior, Jin et al. desarrollaron un método rápido y controlable para la fabricación de NPs Ag@CD con propiedades SERS únicas y excelentes actividades catalíticas para monitorear reacciones catalíticas heterogéneas en tiempo real18.
En este trabajo, se demostró un método fácil y de bajo costo para fabricar sustratos de SERS Au@CD core-shell para identificar componentes celulares y bioimágenes de células vivas SERS sin marcadores, así como para detectar y diferenciar Escherichia coli (E. coli) y Staphylococcus aureus (S. aureus), que es prometedor para el diagnóstico temprano de enfermedades y una mejor comprensión de los procesos celulares.
En resumen, se han fabricado con éxito Au@CDs con una carcasa de CD ultrafina de 2,1 nm. Los nanocompuestos muestran una sensibilidad SERS superior a la de los NP de Au puros. Además, Au@CDs poseen un excelente rendimiento en reproducibilidad y estabilidad a largo plazo. Otras investigaciones incluyen la toma de Au@CDs como sustratos para realizar imágenes SERS de células A54931 y para detectar dos cepas bacterianas32. Se ha demostrado que Au@CDs puede utilizarse como u…
The authors have nothing to disclose.
Este trabajo contó con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (32071399 y 62175071), el Programa de Ciencia y Tecnología de Guangzhou (2019050001), la Fundación de Investigación Básica y Básica Aplicada de Guangdong (2021A1515011988) y la Fundación Abierta del Laboratorio Clave de Ciencia y Tecnología Optoelectrónica para la Medicina (Universidad Normal de Fujian), Ministerio de Educación, China (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 |