वर्तमान प्रोटोकॉल संवेदनशील आणविक पहचान के लिए प्लास्मोनिक नैनोकणों में हेरफेर करने के लिए ऑप्टिकल ट्रैपिंग और सतह-वर्धित रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी (एसईआरएस) को एकीकृत करने के लिए एक सुविधाजनक दृष्टिकोण का वर्णन करता है। एजेंटों को एकत्रित किए बिना, फँसाने वाला लेजर सीटू स्पेक्ट्रोस्कोपिक माप के लिए लक्ष्य विश्लेषण के एसईआरएस संकेतों को बढ़ाने के लिए प्लास्मोनिक नैनोकणों को इकट्ठा करता है।
सतह-संवर्धित रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी (एसईआरएस) धातु नैनोस्ट्रक्चर के बढ़े हुए विद्युत क्षेत्र के कारण विभिन्न अनुप्रयोगों में विश्लेषण अणुओं के अतिसंवेदनशील पता लगाने में सक्षम बनाता है। नमक-प्रेरित चांदी नैनोपार्टिकल एकत्रीकरण एसईआरएस-सक्रिय सब्सट्रेट उत्पन्न करने के लिए सबसे लोकप्रिय तरीका है; हालाँकि, यह खराब प्रजनन क्षमता, स्थिरता और जैव संगतता द्वारा सीमित है। वर्तमान प्रोटोकॉल इसे संबोधित करने के लिए एक कुशल विश्लेषणात्मक मंच विकसित करने के लिए ऑप्टिकल हेरफेर और एसईआरएस का पता लगाने को एकीकृत करता है। चांदी के नैनोकणों को इकट्ठा करने के लिए एक 1064 एनएम ट्रैपिंग लेजर और 532 एनएम रमन जांच लेजर को माइक्रोस्कोप में जोड़ा जाता है, जो जलीय वातावरण में सीटू एसईआरएस माप के लिए प्लास्मोनिक हॉटस्पॉट उत्पन्न करता है। एजेंटों को एकत्र किए बिना, यह गतिशील प्लास्मोनिक सिल्वर नैनोपार्टिकल असेंबली विश्लेषण अणु संकेत की लगभग 50 गुना वृद्धि को सक्षम बनाता है। इसके अलावा, यह एसईआरएस-सक्रिय असेंबली बनाने के लिए स्थानिक और लौकिक नियंत्रण प्रदान करता है जितना कम 0.05 एनएम विश्लेषण-लेपित चांदी नैनोपार्टिकल समाधान, जो विवो विश्लेषण के लिए संभावित गड़बड़ी को कम करता है। इसलिए, यह ऑप्टिकल ट्रैपिंग-एकीकृत एसईआरएस प्लेटफ़ॉर्म तरल पदार्थों में कुशल, प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य और स्थिर आणविक विश्लेषण के लिए बड़ी क्षमता रखता है, खासकर जलीय शारीरिक वातावरण में।
सतह-संवर्धित रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी (एसईआरएस) अल्ट्रालो सांद्रता पर या यहां तक कि एकल-अणु स्तर 1,2,3,4 पर लक्ष्य अणुओं की रासायनिक संरचना का सीधे पता लगाने के लिए एक संवेदनशील विश्लेषणात्मक तकनीक है। लेजर विकिरण धातु नैनोस्ट्रक्चर में स्थानीयकृत सतह प्लाज्मोन अनुनाद को प्रेरित करता है, जिसका उपयोग लक्ष्य अणुओं के रमन संकेतों को बढ़ाने के लिए एसईआरएस सब्सट्रेट के रूप में किया जाता है। नमक-प्रेरित नैनोपार्टिकल समुच्चय व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले एसईआरएस सब्सट्रेट हैं, जो अनायास कोलाइडयन निलंबन तरल पदार्थ 5,6 में ब्राउनियन गति से गुजरते हैं। आगे सुखाने स्थिर एसईआरएस माप की अनुमति देता है; हालांकि, अशुद्धता एकाग्रता हो सकती है, जो पृष्ठभूमि शोर का परिचय देती है और जैविक नमूनों को अपरिवर्तनीय क्षति का कारण बनतीहै 7. इसलिए, नमक मुक्त नैनोपार्टिकल एकत्रीकरण विकसित करना, समाधान में उनके आंदोलन को नियंत्रित करना और माप दक्षता बनाए रखते हुए जैव संगतता में सुधार करना प्रासंगिक है।
ऑप्टिकल ट्रैपिंग को विभिन्न धातु सब्सट्रेट को नियंत्रित करने और एसईआरएस डिटेक्शन 8,9,10,11,12,13,14 की सुविधा के लिए अपनाया गया है। एक ऑप्टिकल बल क्षेत्र उत्पन्न करने के लिए लेजर बीम को कसकर ध्यान केंद्रित करके एक ऑप्टिकल जाल उत्पन्न होता है, जो फोकस15,16 के आसपास उच्चतम तीव्रता वाले क्षेत्र में छोटी वस्तुओं को आकर्षित करता है। हाल ही में, ऑप्टिकल ट्रैप का उपयोग विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य और संवेदनशील प्लास्मोनिक सेंसिंग प्लेटफार्मों को विकसित करने के लिए किया गया है, जो समाधान 17,18,19,20,21,22,23,24 में एसईआरएस-सक्रिय धातु नैनोस्ट्रक्चर की स्थिति का पता लगाने और नियंत्रित करने में अपने अनूठे फायदे प्रदर्शित करते हैं . वर्तमान प्रोटोकॉल गतिशील रूप से चांदी नैनोकणों (एजीएनपी) को इकट्ठा करने और कुशल एसईआरएस माप के लिए समाधान में ब्राउनियन गति के खिलाफ उन्हें स्थिर करने के लिए ऑप्टिकल चिमटी और रमन स्पेक्ट्रो-माइक्रोस्कोपी को संयोजित करने के लिए एक दृष्टिकोण का परिचय देता है। एजीएनपी असेंबली क्षेत्र में, 3,3′-डिथियोबिस [6-नाइट्रोबेंज़ोइक एसिड] बीआईएस (सक्सिनिमाइड) एस्टर (डीएसएनबी) का संकेत, एजीएनपी की सतह पर लेपित विश्लेषण अणुओं को लगभग 50 गुना बढ़ाया जा सकता है। यह दृष्टिकोण रासायनिक कैपिंगएजेंटों 25,26,27 के साथ असंगत संवेदनशील बायोमोलेक्यूल्स का विश्लेषण करने के लिए उपयुक्त है। इसके अलावा, यह एसईआरएस-सक्रिय एजीएनपी असेंबली उत्पन्न करने के लिए स्थानिक और अस्थायी नियंत्रण प्रदान करता है। यह जलीय वातावरण में सीटू का पता लगाने में सक्षम बनाता है, जो एजीएनपी के उपयोग को कम कर सकता है और विवो विश्लेषण 28,29,30 के लिए गड़बड़ी को कम कर सकता है। इसके अलावा, ऑप्टिकल ट्रैपिंग-प्रेरित एजीएनपी असेंबली स्थिर, प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य और प्रतिवर्ती31,32 है। इसलिए, यह समाधानों में और शारीरिक परिस्थितियों में विश्लेषण अणुओं का पता लगाने के लिए एक आशाजनक मंच है जहां नमक-प्रेरित एकत्रीकरण लागू नहीं होता है।
वर्तमान अध्ययन में, ऑप्टिकल हेरफेर और कणों के दृश्य के लिए ऑप्टिकल चिमटी माइक्रोस्कोपी प्रणाली में 1064 एनएम ट्रैपिंग लेजर, बल का पता लगाने मॉड्यूल और ब्राइटफील्ड रोशनी स्रोत को एकीकृत किया गया है। एक 532 एनएम रमन जांच लेजर भी माइक्रोस्कोप में शामिल किया गया था और नमूना कक्ष में फँसाने लेजर के साथ गठबंधन किया गया था। वर्णक्रमीय अधिग्रहण के लिए, बैकस्कैटर्ड प्रकाश एकत्र किया गया था और एक स्पेक्ट्रोमीटर (चित्रा 1) में पुनर्निर्देशित किया गया था।
वर्तमान अध्ययन एक विश्लेषणात्मक मंच की रिपोर्ट करता है जो सीटू आणविक लक्षण वर्णन के लिए ऑप्टिकल ट्रैपिंग और एसईआरएस का पता लगाने को जोड़ती है। एक 532 एनएम रमन जांच बीम को स्टीरियो डबल-लेयर मार्गों के माध्यम से 1064 एनएम ट्रैपिंग लेजर बीम के साथ जोड़ा गया था ताकि फोकस को संयोजित किया जा सके और बैकस्कैटरिंग ज्यामिति में अतिरिक्त स्पेक्ट्रोस्कोपिक माप के लिए इकट्ठा किया जा सके। ट्रैपिंग लेजर बीम ने प्लास्मोनिक हॉटस्पॉट बनाने के लिए एजीएनपी को इकट्ठा किया, इसके बाद समाधान में विश्लेषण अणुओं के एसईआरएस सिग्नल को उत्पन्न करने के लिए रमन जांच लेजर बीम की उत्तेजना हुई। अवधारणा के प्रमाण के रूप में, डीएसएनबी का पता लगाने का प्रदर्शन किया गया था, जिसे एजीएनपी की सतह पर लेपित किया गया था। फँसाने वाले लेजर बीम द्वारा नियंत्रित एजीएनपी असेंबली क्षेत्र में, आसपास के बिखरे हुए एजीएनपी की तुलना में डीएसएनबी के सिग्नल में लगभग 50 गुना वृद्धि हासिल की गई थी। प्रस्तुत मंच पर समाधान-चरण एसईआरएस माप में विश्लेषण अणुओं का एक समान उच्च-संकेत प्रवर्धन पुनरुत्पादन प्राप्त किया गया था।
एसईआरएस सिग्नल प्रवर्धन को प्रभावित करने वाला महत्वपूर्ण कदम एक ऑप्टिकल ट्रैपिंग-प्रेरित एजीएनपी असेंबली बना रहा है। विश्लेषण अणुओं के एसईआरएस सिग्नल को ठीक-ट्यूनिंग प्रयोगात्मक मापदंडों जैसे फंसाने वाली लेजर शक्ति, विकिरण समय और एजीएनपी एकाग्रता द्वारा अनुकूलित किया जा सकता है। जैसा कि चित्रा 8 में दिखाया गया है, एक उच्च फँसाने वाली लेजर शक्ति का उपयोग करके एजीएनपी असेंबली गठन की दक्षता में वृद्धि हो सकती है। प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य एजीएनपी असेंबली को फंसाने वाले लेजर की शक्ति को 450 मेगावाट से 700 मेगावाट तक बढ़ाकर प्राप्त किया गया था। हालांकि, 950 मेगावाट से अधिक एक फँसाने वाली लेजर शक्ति ओवरहीटिंग और बबल जनरेशन38 को प्रेरित कर सकती है। इस प्रकार, एक गतिशील एजीएनपी असेंबली बनाने के लिए मध्यम ट्रैपिंग लेजर पावर की सिफारिश की जाती है। अनुरूप रूप से, एजीएनपी विधानसभाओं के गठन को बढ़ावा देने के लिए एक लंबा विकिरण समय उपयोगी है। चित्रा 8 बी से पता चलता है कि एक स्पष्ट गोलाकार एजीएनपी असेंबली का गठन किया गया था जब विकिरण समय 5-20 एस से बढ़ गया था। हालांकि, एजीएनपी असेंबली 60 एस विकिरण के बाद विकृत हो गई थी। इसके अलावा, एजीएनपी असेंबली का गठन 0.01 एनएम से 0.05 एनएम तक उच्च एजीएनपी एकाग्रता पर त्वरित किया गया था, जबकि इसे 0.25 एनएम पर जल्दी से गर्म किया गया था, जैसा कि चित्रा 8 सी में दिखाया गया है। यदि कोई स्पष्ट एजीएनपी असेंबली गठन नहीं है, तो फंसाने वाली लेजर शक्ति और विकिरण समय में वृद्धि की सिफारिश की जाती है। एक स्थिर एजीएनपी असेंबली की पीढ़ी पर, संभावित थर्मल क्षति से बचने के लिए ट्रैपिंग लेजर को ठुकरा दिया जाना चाहिए।
ऑप्टिकल ट्रैपिंग-प्रेरित एजीएनपी असेंबली की एसईआरएस गतिविधि को फंसाने वाले लेजर विकिरण क्षेत्र में स्थानीय एजीएनपी एकाग्रता में वृद्धि के लिए जिम्मेदार ठहराया गया था, जो चित्रा 6 बी में अंधेरा स्थान है। तरल एजीएनपी समाधान में, ऑप्टिकल ट्रैप इंटरपार्टिकल जंक्शनों में एक सीमित स्थान में प्लास्मोनिक हॉटस्पॉट जमा करने और बनाने के लिए एजीएनपी को लगातार आकर्षित कर सकता है। यह एक बढ़ाया विद्युत क्षेत्र पैदा करता है जो एसईआरएस प्रभाव को बढ़ाता है। यह आगे फंसाने लेजर के बिना एक कम एजीएनपी एकाग्रता (0.05 एनएम) पर अधिग्रहित कमजोर एसईआरएस संकेत की तुलना में एक उच्च एजीएनपी एकाग्रता (1.00 एनएम) पर प्राप्त मजबूत एसईआरएस संकेत द्वारा सत्यापित किया गया था, जैसा कि चित्रा 6 ई में दिखाया गया है।
इसके अलावा, ऑप्टिकल ट्रैपिंग द्वारा ब्राउनियन गति के खिलाफ समाधान में प्लास्मोनिक एजीएनपी असेंबली की स्थिति नियंत्रण ने एसईआरएस माप की दक्षता और स्थिरता में काफी सुधार किया है। माइक्रोफ्लुइडिक सिस्टम से जुड़े होने पर उच्च-थ्रूपुट सेंसिंग आयोजित की जा सकती है। एसईआरएस-सक्रिय सब्सट्रेट उत्पन्न करने के लिए नैनोकणों के पारंपरिक नमक-प्रेरित एकत्रीकरण की तुलना में, हमारा मंच उच्च लचीलेपन26,28 के साथ डिज़ाइन किए गए स्थान और क्षण पर प्लास्मोनिक एजीएनपी असेंबली के गतिशील गठन की अनुमति देता है। इसके अलावा, यह नैनोमोलर एजीएनपी सांद्रता पर कुशलतापूर्वक काम करता है और समाधानों में सीटू स्पेक्ट्रोस्कोपिक माप के लिए एसईआरएस-सक्रिय हॉटस्पॉट के स्थानिक-अस्थायी हेरफेर को सक्षम बनाता है। यह गतिशील एजीएनपी असेंबली धीरे-धीरे कुछ ही मिनटों में अलग हो गई जब ट्रैपिंग लेजर को बंद कर दिया गया था। फँसाने लेजर के बिना, एजीएनपी विधानसभा लगभग 20 मिनट में गायब हो गई, जैसा कि पूरक चित्रा 1 में दिखाया गया है। यह पहचान प्रणाली पर प्रभाव को कम कर सकता है और विभिन्न जैव-अनुप्रयोगों के लिए बड़ी क्षमता प्रदर्शित करता है, विशेष रूप से शारीरिक और विवो स्थितियों में बायोमोलेक्यूल्स (डीएनए, आरएनए और प्रोटीन) का पता लगाना। हालांकि, यह गतिशील एजीएनपी असेंबली नमक-प्रेरित एजीएनपी समुच्चय2 की तुलना में एक छोटा वृद्धि कारक प्रदान करती है, और इसलिए, आगे संशोधन और विकास की आवश्यकता होती है।
अंत में, ऑप्टिकल ट्रैपिंग और एसईआरएस डिटेक्शन का एकीकरण प्लास्मोनिक नैनोकणों को नियंत्रित करने और उच्च दक्षता, स्थिरता और जैव संगतता वाले समाधानों में विश्लेषण अणुओं का पता लगाने के लिए प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य एसईआरएस सिग्नल वृद्धि प्राप्त करने के लिए एक सुविधाजनक तरीका प्रदान करता है।
The authors have nothing to disclose.
हम शेन्ज़ेन नगर पालिका के विज्ञान, प्रौद्योगिकी और नवाचार आयोग से वित्त पोषण समर्थन को स्वीकार करते हैं (सं। जेसीवाईजे 20180306174930894), झोंगशान म्यूनिसिपल ब्यूरो ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी (2020 एजी003), और रिसर्च ग्रांट काउंसिल ऑफ हांगकांग (प्रोजेक्ट 26303018)। हम पीपुल्स रिपब्लिक ऑफ चाइना के हांगकांग विशेष प्रशासनिक क्षेत्र की सरकार, नवाचार और प्रौद्योगिकी आयोग द्वारा शुरू किए गए Health@InnoHK कार्यक्रम के तहत “सिंथेटिक रसायन विज्ञान और रासायनिक जीवविज्ञान के लिए प्रयोगशाला” से प्रोफेसर ची-मिंग चे और उनके वित्त पोषण समर्थन को भी स्वीकार करते हैं।
1064 nm trapping laser | IPG Photonics, United States | 1064 nm CW Yb fiber laser, 10W | ||
3,3'-Dithiobis[6-nitrobenzoic acid] bis(succinimide) ester | Biosynth Carbosynth | FD15467 | ||
532 nm Raman excitation source | CNI, China | MLL-III-532 | ||
Bluelake software | LUMICKS, Netherlands | version 1.6.12 | optical tweezer control software | |
Frame tape | Thermo Fisher Scientific, Inc | AB-0576 | ||
Immersion oil | Cargille Laboratories, Inc | 16482 | ||
Liquid nitrogen-cooled charge-coupled device (CCD) camera | Teledyn Princeton Instrument, United States | 400B eXcelon | ||
Long-pass dichroic mirror | AHF, Germany | F48-801 | ||
Magnetic laser safety screen | ThorLabs | TPSM2 | ||
Optical tweezer microscope | LUMICKS, Netherlands | m-trap | ||
Silver nitrate | Sigma-Aldrich China, Inc. | S8157 | ||
Spectrometer | Teledyn Princeton Instrument, United States | IsoPlane SCT-320 | ||
Trisodium citrate | Sigma-Aldrich China, Inc. | S4641 | ||
WinSpec software | Teledyn Princeton Instrument, United States | version 2.6.24.0 | spectrum software |