Kvantitativ SERS-deteksjon av urinsyre via dannelse av presise plasmoniske nanoforskrifter innen aggregater av gull nanopartikler og Cucurbit[n]uril

Summary

Et vertsgjestkompleks av cucurbit[7]uril og urinsyre ble dannet i en vandig løsning før det ble lagt til en liten mengde i Au NP-løsningen for kvantitativ overflateforbedret Raman spektroskopi (SERS) sensing ved hjelp av et modulært spektrometer.

Abstract

Dette arbeidet beskriver en rask og svært følsom metode for kvantitativ deteksjon av en viktig biomarkør, urinsyre (UA), via overflateforbedret Raman spektroskopi (SERS) med en lav deteksjonsgrense på ~ 0,2 μM for flere karakteristiske topper i fingeravtrykksregionen, ved hjelp av et modulært spektrometer. Denne biosensing ordningen formidles av vertsgjestkompleksasjonen mellom en makrocycle, cucurbit[7]uril (CB7) og UA, og den påfølgende dannelsen av presise plasmoniske nanojunksjoner i den selvmonterte Au NP: CB7 nanoaggregates. En facile Au NP-syntese av ønskelige størrelser for SERS-substrater har også blitt utført basert på den klassiske citratreduksjonsmetoden med et alternativ som skal forenkles ved hjelp av en lab-bygget automatisert synthesizer. Denne protokollen kan lett utvides til multiplekset påvisning av biomarkører i kroppsvæsker for kliniske applikasjoner.

Introduction

Urinsyre, som er sluttproduktet av metabolisme av purinkjernerotider, er en viktig biomarkør i blodserum og urin for diagnostisering av sykdommer som gikt, preeklampsi, nyresykdommer, hypertensjon, kardiovaskulære sykdommer og diabetes 1,2,3,4,5. Dagens metoder for urinsyredeteksjon inkluderer kolorimetriske enzymatiske analyser, høy ytelse flytende kromatografi og kapillær elektroforese, som er tidkrevende, dyre og krever sofistikert prøvepreparering 6,7,8,9.

Overflateforbedret Raman-spektroskopi er en lovende teknikk for rutinemessig pleiediagnose, da den tillater selektiv deteksjon av biomolekyler via vibrasjonsfingeravtrykkene og tilbyr mange fordeler som høysensitivitet, rask respons, brukervennlighet og ingen eller minimal prøvepreparering. SERS-substrater basert på edle metall nanopartikler (f.eks. Au NPs) kan forbedre Raman-signalene til analyttmolekylene med 4 til 10 størrelsesordener¹⁰ via sterk elektromagnetisk forbedring forårsaket av overflateplasmonresonans¹¹. Au NPs av skreddersydde størrelser kan enkelt syntetiseres i motsetning til den tidkrevende fabrikasjonen av komplekse metall nanokompositter¹², og er dermed mye brukt i biomedisinske applikasjoner på grunn av deres overlegne egenskaper 13,14,15,16. Vedlegg av makrosykliske molekyler, cucurbit[n]urils (CBn, hvor n = 5-8, 10), på overflaten av Au NPs kan ytterligere forbedre SERS-signalene til analyttmolekylene, da de svært symmetriske og stive CB-molekylene kan kontrollere den nøyaktige avstanden mellom Au NPs og lokalisere analyttmolekylene i sentrum eller i nærheten av de plasmoniske hotspots via dannelse av vertsgjestkomplekser (figur 1)17, ¹⁷ 18,19,20. Tidligere eksempler på SERS-studier ved hjelp av Au NP: CBn nanoaggregater inkluderer nitroeksplosive midler, polysykliske aromatiske stoffer, diaminostilbene, nevrotransmittere og kreatinin 21,22,23,24,25, med SERS-målingene enten utført i en cuvette eller ved å laste en liten dråpe på en skreddersydd prøveholder. Denne deteksjonsordningen er spesielt nyttig for raskt å kvantifisere biomarkører i en kompleks matrise med høy reproduserbarhet.

Heri ble en facile-metode for å danne vertsgjestkomplekser av CB7 og en viktig biomarkør UA, og for å kvantifisere UA med en deteksjonsgrense på 0,2 μM via CB7-medierte aggregasjoner av Au NPs i vandige medier demonstrert ved hjelp av et modulært spektrometer, som er lovende for diagnostiske og kliniske applikasjoner.

Protocol

1. Syntese av Au NPs Syntese av Au frø via den konvensjonelle Turkevich metode26 Forbered 10 ml 25 mM HAuCl4-oppløsning ved å oppløse 98,5 mg HAuCl4· 3H2O forløper med 10 ml deionisert vann i et hetteglass med glass.MERK: Overfør en liten mengde HAuCl4 forløper til en veiebåt og bruk en plastspatel i stedet for metallisk spatel for å veie ut krystallene fordi HAuCl4 forløper vil korrodere metall labware. Veietr…

Representative Results

I den presenterte Au NP-syntesen viser UV-Vis-spektraet et skifte av LSPR-toppene fra 521 nm til 529 nm etter 10 voksende trinn (figur 4A,B), mens DLS-dataene viser en smal størrelsesfordeling ettersom størrelsen på Au NPs øker fra 25,9 nm til 42,8 nm (figur 4C,D). Gjennomsnittsstørrelsene på G0, G5 og G10 målt fra TEM-bilder (figur 4E) er henholdsvis 20,1 ± 2,1 nm, 32,5 ± 2,3 nm og 40,0 ±…

Discussion

Den automatiserte syntesemetoden beskrevet i protokollen gjør at Au NPs av økende størrelser kan reproduseres. Selv om det er noen elementer som fortsatt må utføres manuelt, for eksempel rask tilsetning av natriumsitrat under frøsyntesen og kontroller regelmessig for å sikre at PEEK-slangen er sikker, tillater denne metoden Au NPs av store størrelser (opptil 40 nm), som vanligvis vil kreve flere manuelle injeksjoner av HAuCl₄ og natriumsitrat, syntetiseres via kontinuerlig tillegg over lang tid.

<…

Materials

40 nm gold nanoparticles	NanoComposix	AUCN40-100M	NanoXact, 0.05 mg/ mL, bare (citrate)
Centrifuge tube	Corning Falcon	14-432-22	50 mL volume
Cucurbit[7]uril	Lab-made		see ref. 19
Gold(III) chloride trihydrate	Sigma aldrich	520918	≥99.9% trace metals basis
Luer lock disposable syringe	Cole-Parmer	WZ-07945-15	3 mL volume
Luer-to-MicroTight adapter	LuerTight	P-662	360 μm outer diameter Tubing to Luer Syringe
PEEK tubing	IDEX	1572	360 μm outer diameter, 150 μm inner diameter
PEEK tubing cutter	IDEX	WZ-02013-30	Capillary Polymer Chromatography Tubing Cutter For 360 µm to 1/32" OD tubing
Raman spectrometer	Ocean Optics	QE pro
Sodium citrate tribasic dihydrate	Sigma aldrich	S4641	ACS reagent, ≥99.0%
Sonicator
Standard Probe	Digi-Sense	WZ-08516-55	Type-K
Syringe pump	Aladdin	ALADDIN2-220	2 syringes, maximum syringe volume 60 mL
Thermocouple thermometer	Digi-Sense	WZ-20250-91	Single-Input Thermocouple Thermometer with NIST-Traceable Calibration
ThermoMixer	Eppendorf	5382000031	With an Eppendorf SmartBlock for 50 mL tubes
Uric acid	Sigma aldrich	U2625	≥99%, crystalline