Neste estudo, desenvolvemos uma nanossonda de impressão digital baseada em espalhamento Raman (SERS) de baixo custo com biocompatibilidade favorável para mostrar bioimagem de células vivas livre de marcação e detectar duas cepas bacterianas, mostrando em detalhes como obter espectros SERS de células vivas em um método não destrutivo.
A tecnologia de espalhamento Raman aprimorado por superfície (SERS) tem atraído cada vez mais atenção no campo biomédico devido à sua capacidade de fornecer informações moleculares de impressões digitais de amostras biológicas, bem como seu potencial em análises de célula única. Este trabalho visa estabelecer uma estratégia simples para bioanálise SERS livre de marcação baseada em nanossondas de Au@carbon pontos (Au@CDs). Aqui, CDs derivados de polifenóis são utilizados como redutor para sintetizar rapidamente nanoestruturas de Au@CD núcleo-casca, o que permite um poderoso desempenho SERS mesmo quando a concentração de azul de metileno (MB) é tão baixa quanto 10-9 M, devido ao mecanismo cooperativo de realce Raman. Para a bioanálise, Au@CDs pode servir como um nanossensor SERS exclusivo para identificar os componentes celulares de bioamostras (por exemplo, células cancerosas e bactérias). As impressões digitais moleculares de diferentes espécies podem ser distinguidas após a combinação com a análise de componentes principais. Além disso, Au@CDs também permitem imagens SERS sem marcação para analisar perfis de composição intracelular. Essa estratégia oferece uma bioanálise SERS viável e livre de marcas, abrindo uma nova perspectiva para o nanodiagnóstico.
A análise unicelular é essencial para o estudo da revelação da heterogeneidade celular e para a avaliação do estado abrangente da célula. A resposta instantânea da célula ao microambiente também justifica a análise de célula única1. No entanto, existem algumas limitações para as técnicas atuais. A detecção de fluorescência pode ser aplicada à análise de célula única, mas é limitada pela baixa sensibilidade. Outros desafios surgem do complicado fundo de fluorescência das células e do fotoclareamento por fluorescência sob irradiação de longa duração2. O espalhamento Raman intensificado por superfície (SERS) pode se qualificar em termos de análise de célula única devido às suas vantagens, incluindo (1) refletir a informação intrínseca da impressão digital molecular e a situação instantânea, (2) sensibilidade superficial ultra-alta, (3) detecção multiplex conveniente, (4) alta fotoestabilidade, (5) detecção pode ser quantificada para análise comparativa, (6) evitar a autofluorescência celular com a excitação do comprimento de onda NIR, (7) a detecção pode ser realizada em um aquoso celular e (8) a detecção pode ser direcionada para uma região específica dentro da célula 3,4,5.
Existem dois mecanismos amplamente reconhecidos para entender o SERS como um fenômeno fundamental: o realce eletromagnético (ME) como razão dominante e o realce químico (CM). EM refere-se, em uma dada frequência do campo excitante, à oscilação de elétrons coletivos impulsionados por ondas eletromagnéticas quando a frequência da luz incidente coincide com a frequência de elétrons livres oscilando no metal, dando origem à ressonância plasmônica de superfície (SPR). Quando a SPR localizada (LSPR) ocorre através do laser incidente colidindo com as nanopartículas metálicas (NPs), leva à absorção ou espalhamento ressonante da luz incidente. Consequentemente, a intensidade do campo eletromagnético superficial dos NPs metálicos pode ser aumentada em duas a cinco ordens4. No entanto, a chave para o enorme aprimoramento no SERS não é um único NP de metal, mas a lacuna entre dois NPs, o que cria pontos quentes. O MC é gerado a partir de dois lados, incluindo (1) interações entre moléculas-alvo e NPs metálicos e (2) moléculas-alvo capazes de transferir elétrons de/para NPs metálicos 4,5. Detalhes mais exaustivos podem ser encontrados nesses artigos de revisão 4,5. Vários métodos promissores para biosensoriamento e imagem de SERS em células vivas foram apresentados na literatura anterior, por exemplo, a detecção de células apoptóticas6, proteínas em organelas7, miRNAs intracelulares8, membranas lipídicas celulares9,citocinas10 e metabólitos11 em células vivas, bem como a identificação e monitoramento de células por imagens confocais SERS2, 11,12,13. Curiosamente, o SERS livre de rótulos apresenta a vantagem única do SERS, que pode descrever espectros moleculares internos5.
Um grande problema para o SERS sem rótulo é um substrato racional e confiável. Os substratos SERS típicos são NPs de metais nobres devido à sua excelente capacidade de espalhar muita luz14. Atualmente, cada vez mais atenção é dada aos nanocompósitos devido às suas notáveis propriedades físico-químicas e biocompatibilidade. Mais significativamente, os nanocompósitos podem apresentar melhor atividade de SERS devido ao intenso EM induzido pelos pontos quentes nos nanohíbridos e ao aumento químico adicional proveniente de outros materiais não metálicos15. Por exemplo, Fei e col. usaram pontos quânticos (QDs) MoS 2 como redutores para sintetizar nanocompósitos Au NP@MoS2QD para imagens SERS de infravermelho próximo (NIR) livres de marcação de células de câncer de mama 4T1 de camundongo (células 4T1)16. Além disso, Li e col. fabricaram um substrato SERS 2D consistindo de NPs de Au e nanofolhas de ditelureto de háfnio 2D para medidas SERS livres de rótulos de bactérias patogênicas transmitidas por alimentos17. Recentemente, pontos de carbono (CDs), bons doadores de elétrons, têm sido usados como redutores sem outros redutores ou irradiação para sintetizar nanossondas de Au@carbon pontos (Au@CDs)18, que têm sido relatados como materiais eficientes para aumentar a atividade do SERS com base no efeito de transferência de carga (CT) entre núcleos de Au e cascas de CD19,20. Mais do que isso, os CDs são reconhecidos como o agente de tampamento e um estabilizador para evitar que os NPs de Au agreguem21. Além disso, abre mais possibilidades de reações com analitos, pois pode fornecer um grande número de sítios de ligação e ativos20. Aproveitando o exposto, Jin e col. desenvolveram um método rápido e controlável para fabricação de NPs Ag@CD com propriedades SERS únicas e excelentes atividades catalíticas para monitorar reações catalíticas heterogêneas em tempo real18.
Neste trabalho, foi demonstrado um método fácil e de baixo custo para a fabricação de substratos SERS Au@CD core-shell para identificar componentes celulares e bioimagem de células vivas SERS livres de marcação, bem como para detectar e diferenciar Escherichia coli (E. coli) e Staphylococcus aureus (S. aureus), o que é promissor para o diagnóstico precoce da doença e uma melhor compreensão dos processos celulares.
Em resumo, Au@CDs com um shell de CD ultrafino de 2,1 nm foram fabricadas com sucesso. Os nanocompósitos apresentam sensibilidade SERS superior às NPs puras de Au. Além disso, Au@CDs possuem excelente desempenho em reprodutibilidade e estabilidade a longo prazo. Outras pesquisas incluem tomar Au@CDs como substratos para realizar imagens SERS de células A54931 e detectar duas cepas bacterianas32. Foi provado que Au@CDs pode ser usado como uma sonda SERS ultrassensível p…
The authors have nothing to disclose.
Este trabalho foi apoiado pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (32071399 e 62175071), pelo Programa de Ciência e Tecnologia de Guangzhou (2019050001), pela Fundação de Pesquisa Básica e Aplicada de Guangdong (2021A1515011988) e pela Fundação Aberta do Laboratório Chave de Ciência e Tecnologia Optoeletrônica para Medicina (Universidade Normal de Fujian), Ministério da Educação da 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 |