等离子体纳米颗粒的光学捕获用于 原位 表面增强拉曼光谱表征

摘要

本协议描述了一种集成光学捕获和表面增强拉曼光谱（SERS）以操纵等离子体纳米颗粒以进行灵敏分子检测的便捷方法。在没有聚集剂的情况下，捕获激光器组装等离子体纳米颗粒，以增强目标分析物的SERS信号，以进行 原位 光谱测量。

摘要

由于金属纳米结构的电场增强，表面增强拉曼光谱（SERS）能够在各种应用中对分析物分子进行超灵敏检测。盐诱导的银纳米颗粒聚集是产生SERS活性底物的最常用方法;然而，它受到重现性、稳定性和生物相容性差的限制。该协议集成了光学操作和SERS检测，以开发一个有效的分析平台来解决这个问题。将1064 nm捕获激光器和532 nm拉曼探针激光器在显微镜中组合以组装银纳米颗粒，从而产生等离子体热点，用于水环境中的 原位 SERS测量。在没有聚集剂的情况下，这种动态等离子体银纳米颗粒组件可使分析物分子信号增强约50倍。此外，它还提供空间和时间控制，以在低至 0.05 nM 的分析物包被的银纳米颗粒溶液中形成 SERS 活性组件，从而最大限度地减少 体内 分析的潜在扰动。因此，这种光学捕获集成的SERS平台在液体中具有高效，可重现和稳定的分子分析的巨大潜力，特别是在水性生理环境中。

引言

表面增强拉曼光谱（SERS）是一种灵敏的分析技术，用于在超低浓度甚至^单分子水平1，^2，3，4下直接检测目标分子的化学结构。激光照射在金属纳米结构中诱导局部表面等离子体共振，用作SERS衬底以放大目标分子的拉曼信号。盐诱导的纳米颗粒聚集体是广泛使用的SERS底物，其在胶体悬浮液^5，6中自发发生布朗运动。进一步干燥可实现稳定的SERS测量;但是，可能会发生杂质浓度，从而引入背景噪音并对生物样品造成不可逆转的损害⁷。因此，开发无盐纳米颗粒聚集体，控制它们在溶液中的运动，并在保持测量效率的同时提高生物相容性是相关的。

已采用光学捕获来控制各种金属基板并促进SERS检测⁸，⁹，^10，11，^12，13，14。通过紧密聚焦激光束以产生光力场来产生光学陷阱，该光力场将小物体吸引到焦点^15，16周围的最高强度区域。近年来，光学陷阱已被用于开发用于各种应用的可重复且灵敏的等离子体传感平台，在定位和控制SERS活性金属纳米结构在溶液中的位置方面显示出其独特的优势¹⁷，¹⁸，¹⁹，²⁰，²¹，²²，^23，24.本协议引入了一种结合光学镊子和拉曼光谱显微镜来动态组装银纳米颗粒（AgNPs）并稳定它们以抵抗溶液中的布朗运动的方法，以实现有效的SERS测量。在AgNP组装区，涂覆在AgNPs表面的分析物分子3，3'-二硫代双[6-硝基苯甲酸]双（琥珀酰亚胺）酯（DSNB）的信号可以增强约50倍。该方法适用于分析与化学封端剂^25，26，27不相容的敏感生物分子。此外，它还提供空间和时间控制以生成SERS活性AgNP组件。这使得在水环境中进行原位检测成为可能，这可以降低AgNP的使用并最大限度地减少体内分析的扰动²⁸，^29，30。此外，光学捕获诱导的AgNP组装稳定，可重现且可逆^31，32。因此，它是检测溶液中分析物分子以及盐诱导聚集不适用的生理条件下分析物分子的有前途的平台。

在本研究中，将1064 nm捕获激光器、力检测模块和明场照明源集成到光学镊子显微镜系统中，用于颗粒的光学操作和可视化。532 nm拉曼探针激光器也被整合到显微镜中，并与样品室中的捕获激光器对准。对于光谱采集，收集背散射光并将其重定向到光谱仪中（图1）。

研究方案

1. 光学设置

1. 将532 nm激光束（拉曼激发源）引导到光学镊子显微镜的弯曲端口（参见 材料表）。
2. 使用750 nm长通二向色镜将532 nm激光束对准光学镊子显微镜的立体双层通路，以与原始捕获激光束相结合以聚焦在样品室上。
3. 使用750 nm长通二向色镜从样品室收集背散射光，并将其重定向到包含液氮冷却电荷耦合器件（CCD）相机的光谱仪中（参见 材料表）。在光谱采集之前，将532 nm陷波滤光片放在光谱仪入口狭缝的前面。
   注意:打开激光时必须使用护目镜，并且激光束必须包含在安全区域内。

2. 银NP的制造

1. 煮沸时在圆底烧瓶中加热 50 mL 1 mM AgNO₃ 水溶液。
2. 将 1.0 mL 的 0.1 M 柠檬酸三钠溶液滴入煮沸的 AgNO₃ 水溶液中。
3. 在不断搅拌下将混合物煮沸16分钟。
4. 将混合物冷却至室温。观察到淡黄色。
5. 在室温下以2000× g 离心AgNP胶体5分钟，然后使用移液管除去上清液。
6. 用 1 mL 去离子水（电阻率为 18.2 MΩ cm）重悬 AgNP 胶体。
7. 重复步骤2.5和2.6三次以除去残留的还原剂。
8. 使用扫描电子显微镜 （SEM） 和动态光散射 （DLS）³³ 表征 AgNP 的尺寸分布，以确认 AgNP 的均匀性（图 2）。通过紫外吸光度³⁴估计AgNP浓度为0.1nM。
   注意:由于浓度低，AgNP储备溶液可以在不聚集的情况下保持2-3周。不需要稳定剂。如果在AgNP储备溶液中观察到沉淀，则按照上述方案制备新的AgNP溶液。

3. DSNB分析物分子与AgNP的相互作用

1. 将 200 μL 2 mM DSNB（参见 材料表）加入 1 mL AgNP 胶体中，并在室温下孵育 3 小时，通过形成 AgNP 和 DSNB³⁵ 之间的 Ag-S 键在 AgNP 表面上涂覆一层 DSNB。这种交互的示意图如图 3所示。
2. 在室温下以2，000× g 离心AgNP5分钟，并除去上清液。
3. 用 1 mL 去离子水重悬 AgNP-DSNB。
4. 重复步骤 3.2 和 3.3 三次以删除多余的 DSNB。
5. 记录AgNP胶体和AgNP-DSNB溶液的紫外可见光谱。
   注意:该光谱显示吸收峰从大约420 nm到450 nm，表明DSNB在AgNP表面上成功包覆（图3）。

4. 制备样品室并生成用于SERS测量的AgNP组件

1. 用水和乙醇清洁载玻片和盖玻片。
2. 将框架胶带（0.25 毫米厚，见 材料表）连接到载玻片上以创建一个腔室（1.0 厘米长× 1.0 厘米宽× 0.25 毫米高）。
3. 将几滴 AgNP-DSNB 溶液（约 25 μL）加入框架中。
4. 将盖玻片放在框架胶带上并密封（图4）。
5. 将液氮加入液氮冷却CCD相机的容器中，直到温度达到-120°C。
6. 使用磁性激光安全屏阻挡拉曼探头光束路径（参见 材料表），然后打开 532 nm 拉曼激发源激光器。
7. 将样品室与AgNP-DSNB溶液固定在腔室支架上。向水浸物镜中加水（60倍放大倍率，1.2数值孔径A为1.2），如图 1所示。然后将腔室支架立即放在物镜上方的微载物台上。
8. 将浸油滴在盖玻片顶部，并定位油浸式冷凝器以在显微镜相机上可视化颗粒。
9. 通过转动显微镜旋钮来调整物镜的Z位置，直到532 nm拉曼探头光束聚焦在腔室的底部玻璃表面上，在显微镜相机上显示白点（图5）。
   1. 调整微载物台的 X 和 Y 位置以移动腔室以将腔室的中心区域放置在白点处。打开光学镊子控制软件（见 材料表）并使用配备的操纵杆控制移动1064 nm捕获激光器（由光学镊子系统中的红色圆圈表示）与白点重叠（图5）。
   2. 接下来，调整显微镜的旋钮以向上移动物镜的Z位置。
      注意:显微镜相机图像中白点的消失表明532 nm拉曼探头光束聚焦在腔室内。
10. 打开 1064 nm 捕获激光器以吸引样品室中的 AgNP，并创建等离子体 AgNP 组件。
    注意:AgNP的聚集导致样品室中出现黑点（图6B）。
    1. 在需要时调低捕获激光束以避免过热或形成气泡。
       注意:如果没有明显的AgNP组件形成，请增加捕获激光功率和照射时间。
11. 调整样品微载物台的位置，将等离子体AgNP组件的暗点放置在532 nm拉曼探针束的焦点下，以进行光谱测量。
12. 将中性密度 （ND） 滤光片放在 532 nm 拉曼激光出口前面，将功率调节至 10 mW。在频谱软件的设置面板中输入采集时间（本研究为10 s，图6），然后单击采集按钮开始光谱采集。
    注意:这将生成分析物分子的SERS光谱（代表性结果和 图6中的DSNB）。

结果

作为概念验证，选择DSNB作为分析物分子并包被到AgNPs的表面上。通过等离子体AgNP组装和分散AgNP增强的DSNB的典型SERS光谱如图 6所示。在没有捕获激光器的情况下，样品室中分散的AgNP在拉曼探针激光器激发时产生黑色光谱（图6A）。在大约1380-1450 ^cm-1处观察到微弱而宽的SERS信号，这是DSNB对称_NO2 拉伸的特征峰，这与文献报告^35，36一致。由于分散的AgNPs处于布朗运动下，颗粒间结很大且不稳定，如图 6C所示。因此，对于分散的AgNPs，DSNB的SERS信号放大较低。

当捕获激光开启时，AgNPs被收集以形成等离子体AgNP组件。增加捕获激光器的功率并延长照射时间可以吸引更多的AgNPs并产生黑点，如图6B所示。在这里，我们应用了700 mM的捕获激光功率和20 s的照射时间，在指定位置和时刻在0.05 nM DSNB涂层的AgNP溶液中创建等离子体AgNP组件。DSNB的SERS光谱是在等离子体AgNP组装区域获得的（图6A，红色）。930 cm-1处的强拉曼带归因于硝基剪刀振动，1078 cm-1、1152 cm-1和1191 ^cm-1处的大带可能对应于与DSNB^35，37的芳环模式重叠的琥珀酰亚胺基N-C-O拉伸。1385 cm-1和1444 ^cm-1处的特征带起源于DSNB的对称硝基拉伸，并且由于与AgNP ³⁵，³⁷表面的反应而显着增强并略有偏移。基于先前报道的DSNB³⁵，³⁶，³⁷的SERS指纹图谱^，将1579 ^cm-1处的条带分配给DSNB的芳环模式。等离子体AgNP组装体中DSNB的总体强度高于分散AgNP。考虑到1444 ^cm-1处特征峰的强度，等离子体AgNP组件可以使DSNB的SERS信号比分散的AgNP增强约50倍。如图7所示，在实验中为AgNP组件重复记录DSNB的SERS光谱（20次），显示出相同的振动特征。将这20个SERS光谱中DSNB在1152 cm−1、1444 cm⁻1和1579 cm⁻¹处的特征峰强度绘制为直方图，相对标准差（RSD）分别为6.88%、6.59%和5.48%。这进一步验证了重现性和稳定性。因此，该方法对于操纵等离子体纳米颗粒和溶液中分析物分子的SERS检测是可靠的。

图 1:光学镊子耦合拉曼光谱平台的示意图。 请点击此处查看此图的大图。

图2:用于SERS测量的 AgNP的制备。 （A）AgNP的SEM图像。（B）DLS对AgNP的粒度分布。 请点击此处查看此图的大图。

图3:AgNP和 DSNB的相互作用。 （A）AgNP表面DSNB涂层示意图。（B）AgNP和AgNP-DSNB的紫外可见光谱。 请点击此处查看此图的大图。

图 4:样品室制备示意图。 （A）样品室制备过程。（B）制备的样品室。比例尺 = 1 厘米。 请点击此处查看此图的大图。

图 5:532 nm 拉曼激光器和 1064 nm 捕获激光器的位置重叠。 （A） 532 nm 拉曼激光器的位置由白点表示。（B） 1064 nm捕获激光器的位置，用红色圆圈表示。请点击此处查看此图的大图。

图 6:通过等离子体 AgNP 组件增强的分析物分子的典型 SERS 光谱。 （A）等离子体AgNP组装体（红色）和分散AgNP（黑色）的DSNB的SERS光谱。（B）捕获激光开启时的等离子体AgNP组件在显微镜下显示出一个黑点。（C）捕获激光关闭时的分散AgNP。 （D）AgNP组装形成的机理说明。（E）在没有捕获激光的情况下浓度依赖性SERS强度。请点击此处查看此图的大图。

图7:DSNB的SERS信号的重现性。 （A）在实验中重复记录的等离子体AgNP组装处DSNB的20个SERS光谱。（B）特征性DSNB峰强度在1152 ^cm-1（RSD = 6.88%），1444 cm-1（RSD = 6.59%）和1579 ^cm-1（RSD = 5.48%）处强度的直方图。请点击此处查看此图的大图。

图8:不同实验参数下产生的AgNP组件。 （A）不同的捕获激光功率;照射时间20 s，AgNP浓度0.05 nM。（二）照射时间不同;捕获激光功率 700 mW，AgNP 浓度 0.05 nM。（c） 不同的银NP浓度;照射时间20秒，捕获激光功率700mW。 请点击此处查看此图的大图。

补充图1:关闭捕获激光时AgNP组装在时间序列中的显微镜相机图像。请点击此处下载此文件。

讨论

本研究报告了一种结合光学捕获和SERS检测的分析平台，用于 原位 分子表征。通过立体双层路径将 532 nm 拉曼探头光束与 1064 nm 捕获激光束相结合，以组合聚焦和收集，以便在反向散射几何中进行额外的光谱测量。捕获激光束组装AgNPs形成等离子体热点，然后激发拉曼探针激光束以产生溶液中分析物分子的SERS信号。作为概念验证，演示了DSNB的检测，该检测被涂覆在AgNPs的表面上。在由捕获激光束控制的AgNP组装区域中，DSNB的信号比周围分散的AgNP增强了约50倍。在所提出的平台上的液相SERS测量中，分析物分子的类似高信号放大是可重复的。

影响SERS信号放大的关键步骤是形成光捕获诱导的AgNP组件。分析物分子的SERS信号可以通过微调实验参数（如捕获激光功率、照射时间和AgNP浓度）来优化。如图 8所示，使用更高的捕获激光功率可以提高AgNP组装形成的效率。通过将捕获激光器的功率从450 mW增加到700 mW，获得了可重现的AgNP组件。然而，高于950 mW的捕获激光功率可能会引起过热和气泡产生³⁸。因此，建议使用中等捕获激光功率来创建动态AgNP组件。类似地，较长的辐照时间有助于促进AgNP组件的形成。 图8B 显示，当照射时间从5-20 s增加时，形成了清晰的球形AgNP组件。然而，AgNP组件在60 s照射后变形。此外，AgNP组装体的形成在较高的AgNP浓度下加速，从0.01 nM到0.05 nM，而在0.25 nM时迅速过热，如图 8C所示。如果没有明显的AgNP组件形成，建议增加捕获激光功率和照射时间。生成稳定的 AgNP 组件后，必须关闭捕获激光器以避免潜在的热损坏。

光学捕获诱导的AgNP组件的SERS活性归因于捕获激光照射区域中局部AgNP浓度的增加，这是 图6B中的黑点。在流体AgNP溶液中，光学陷阱可以连续吸引AgNPs在粒子间结的密闭空间内积累并形成等离子体热点。这会产生增强的电场，从而增强SERS效应。与在没有捕获激光器的情况下在较低AgNP浓度（0.05 nM）下获得的较弱SERS信号相比，在较高AgNP浓度（1.00 nM）下获得的较强SERS信号进一步验证了这一点，如图 6E所示。

此外，通过光学捕获对等离子体AgNP组件在溶液中针对布朗运动进行位置控制，显着提高了SERS测量的效率和稳定性。当连接到微流体系统时，可以进行高通量传感。与传统的盐诱导纳米颗粒聚集以产生SERS活性底物相比，我们的平台允许在设计位置和时刻动态形成等离子体AgNP组件，具有很高的灵活性^26，28。此外，它在纳摩尔AgNP浓度下高效工作，并能够对SERS活性热点进行时空操作，以进行溶液中的 原位 光谱测量。当捕获激光器关闭时，该动态AgNP组件在几分钟内逐渐拆卸。如果没有捕获激光，AgNP组件在20分钟内几乎消失，如 补充图1所示。这可以最大限度地减少对检测系统的影响，并在各种生物应用中表现出巨大的潜力，特别是在生理和 体内 条件下检测生物分子（DNA，RNA和蛋白质）。然而，这种动态AgNP组装体提供的增强因子比盐诱导的AgNP聚集体²更小，因此需要进一步的修饰和开发。

总之，光学捕获和SERS检测的集成提供了一种方便的方法来控制等离子体纳米颗粒，并实现可重现的SERS信号增强，以高效、稳定和生物相容性地检测溶液中的分析物分子。

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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