Method Article
הפרוטוקול הנוכחי מתאר גישה נוחה לשילוב לכידה אופטית וספקטרוסקופיית רמאן משופרת על פני השטח (SERS) כדי לתפעל ננו-חלקיקים פלסמוניים לזיהוי מולקולרי רגיש. ללא חומרים צוברים, לייזר הלכידה מרכיב ננו-חלקיקים פלסמוניים כדי לשפר את אותות ה-SERS של אנליזות מטרה עבור מדידות ספקטרוסקופיות באתרן .
ספקטרוסקופיית ראמאן משופרת על פני השטח (SERS) מאפשרת זיהוי רגיש במיוחד של מולקולות אנליטיות ביישומים שונים הודות לשדה החשמלי המשופר של ננו-מבנים מתכתיים. צבירה של ננו-חלקיקי כסף המושרה על-ידי מלח היא השיטה הפופולרית ביותר ליצירת מצעים פעילים ב-SERS; עם זאת, הוא מוגבל על ידי יכולת שכפול ירודה, יציבות ותאימות ביולוגית. הפרוטוקול הנוכחי משלב מניפולציה אופטית וזיהוי SERS כדי לפתח פלטפורמה אנליטית יעילה לטיפול בכך. לייזר לכידה של 1064 ננומטר ולייזר גשושית ראמאן בגודל 532 ננומטר משולבים במיקרוסקופ כדי להרכיב ננו-חלקיקי כסף, היוצרים נקודות חמות פלסמוניות למדידות in situ SERS בסביבות מימיות. ללא חומרים צוברים, הרכבה דינמית זו של ננו-חלקיקי כסף פלסמוניים מאפשרת שיפור של פי 50 בערך של אות מולקולת האנליטה. יתר על כן, הוא מספק בקרה מרחבית וטמפורלית ליצירת מכלול SERS-active בתמיסת ננו-חלקיקי כסף בציפוי אנליטי של 0.05 ננומטר, אשר ממזערת את פוטנציאל ההפרעה לניתוח in vivo . לפיכך, פלטפורמת SERS משולבת לכידה אופטית זו טומנת בחובה פוטנציאל גדול לניתוחים מולקולריים יעילים, ניתנים לשחזור ויציבים בנוזלים, במיוחד בסביבות פיזיולוגיות מימיות.
ספקטרוסקופיית ראמאן משופרת על פני השטח (SERS) היא טכניקה אנליטית רגישה לגילוי ישיר של המבנה הכימי של מולקולות מטרה בריכוזים נמוכים במיוחד או אפילו ברמת המולקולה הבודדת 1,2,3,4. קרינת לייזר משרה תהודה מקומית של פלסמון פני השטח בננו-מבנים מתכתיים, המשמשים כמצעי SERS להגברת אותות הראמן של מולקולות מטרה. אגרגטים ננו-חלקיקיים המושרים על ידי מלח הם מצעי SERS הנמצאים בשימוש נרחב, אשר עוברים באופן ספונטני תנועה בראונית בנוזלי תרחיף קולואידיים 5,6. ייבוש נוסף מאפשר מדידות SERS יציבות; עם זאת, ריכוז זיהומים עלול להתרחש, אשר מציג רעשי רקע וגורם נזק בלתי הפיך דגימות ביולוגיות7. לפיכך, יש צורך לפתח צבירות ננו-חלקיקים נטולות מלח, לשלוט בתנועתם בתמיסה, ולשפר את התאימות הביולוגית תוך שמירה על יעילות המדידה.
השמנה אופטית אומצה כדי לשלוט במצעים מתכתיים שונים ולהקל על זיהוי SERS 8,9,10,11,12,13,14. מלכודת אופטית נוצרת על ידי מיקוד הדוק של קרן לייזר ליצירת שדה כוח אופטי, המושך עצמים קטנים לאזור בעוצמה הגבוהה ביותר סביב המוקד15,16. לאחרונה, מלכודות אופטיות שימשו לפיתוח פלטפורמות חישה פלסמוניות ניתנות לשחזור ורגישות עבור יישומים שונים, המציגות את היתרונות הייחודיים שלהן באיתור ובקרה של מיקום ננו-מבנים מתכתיים פעילים בפתרונות 17,18,19,20,21,22,23,24 . הפרוטוקול הנוכחי מציג גישה לשילוב פינצטה אופטית וספקטרוסקופיה של ראמאן כדי להרכיב באופן דינמי ננו-חלקיקי כסף (AgNPs) ולייצב אותם כנגד התנועה הבראונית בפתרון למדידות SERS יעילות. באזור ההרכבה של AgNP, ניתן לשפר את האות של אסטר 3,3'-dithiobis[6-nitrobenzoic acid] bis(succinimide) (DSNB), מולקולות אנליט המצופות על פני השטח של AgNPs, בכ-50 פעמים. גישה זו מתאימה לניתוח ביומולקולות רגישות שאינן תואמות לחומרים כימיים 25,26,27. יתר על כן, הוא מספק שליטה מרחבית וזמנית כדי ליצור את מכלול AgNP הפעיל ב- SERS. זה מאפשר זיהוי in situ בסביבות מימיות, מה שיכול להפחית את השימוש ב- AgNPs ולמזער הפרעות עבור ניתוח in vivo 28,29,30. בנוסף, מכלול AgNP הנגרם על ידי השמנה אופטית הוא יציב, ניתן לשחזור והפיך31,32. לפיכך, זוהי פלטפורמה מבטיחה לאיתור מולקולות אנליטיות בתמיסות ובתנאים פיזיולוגיים שבהם הצבירה המושרה על ידי מלח אינה ישימה.
במחקר הנוכחי, לייזר לכידת 1064 ננומטר, מודול גילוי כוח ומקור תאורת שדה בהיר משולבים במערכת מיקרוסקופיית הפינצטה האופטית למניפולציה אופטית והדמיה של חלקיקים. לייזר גשושית ראמאן בגודל 532 ננומטר שולב גם הוא במיקרוסקופ ויושר עם לייזר הלכידה בתא הדגימה. לצורך רכישה ספקטרלית, אור מפוזר נאסף והופנה לספקטרומטר (איור 1).
1. התקנה אופטית
2. ייצור של AgNPs
3. אינטראקציה של מולקולת האנליזה DSNB ו- AgNP
4. הכנת תא דגימה ויצירת מכלול AgNP למדידת SERS
כהוכחת היתכנות, DSNB נבחרה כמולקולת האנליט וצופה על פני השטח של AgNPs. ספקטרום ה-SERS הטיפוסי של DSNB המשופר על-ידי מכלול AgNP הפלסמוני וה-AgNP המפוזר מוצג באיור 6. ללא לייזר הלכידה, ה-AgNPs המפוזרים בתא הדגימה יצרו ספקטרום שחור (איור 6A) בעת עירור על-ידי לייזר הגשושית ראמאן. אות SERS חלש ורחב נצפה בערך 1380-1450 ס"מ-1, השיא האופייני של DSNB ממתיחה סימטרית NO2 שלו, אשר עולה בקנה אחד עם דוחות הספרות35,36. מאחר שה-AgNPs המפוזרים היו תחת תנועה בראונית, הצמתים הבין-חלקיקיים היו גדולים ולא יציבים, כפי שמודגם באיור 6C. לפיכך, הגברת האות SERS של DSNB הייתה נמוכה עבור ה- AgNPs המפוזרים.
AgNPs נאספים כדי ליצור מכלול AgNP פלסמוני כאשר לייזר הלכידה מופעל. הגדלת ההספק והארכת זמן ההקרנה של לייזר הלכידה יכולות למשוך יותר AgNPs וליצור כתם כהה, כפי שמוצג באיור 6B. כאן, הפעלנו כוח לייזר לכידה של 700 mM וזמן הקרנה של 20 שניות כדי ליצור מכלול AgNP פלסמוני בתמיסת AgNP מצופה DSNB 0.05 nM במיקום וברגע המיועדים. ספקטרום ה-SERS של DSNB התקבל באזור של מכלול AgNP הפלסמוני (איור 6A, אדום). רצועת הראמן החזקה ב-930 ס"מ-1 מוקצית לרטט הניטרו, והרצועות הגדולות ב-1078 ס"מ-1, 1152 ס"מ-1 ו-1191 ס"מ-1 תואמות ככל הנראה את מתיחת ה-N-C-O התמציתית החופפת למצבי הטבעת הארומטיים של DSNB 35,37. רצועות התכונות ב-1385 ס"מ-1 ו-1444 ס"מ-1 נובעות ממתיחת הניטרו הסימטרית של DSNB והן משופרות באופן משמעותי ומעט זזות עקב התגובה עם פני השטח של AgNP35,37. בהתבסס על טביעות האצבע של SERS שדווחו בעבר של DSNB35,36,37, הרצועה בגודל 1579 ס"מ-1 הוקצתה למצב הטבעת הארומטית של DSNB. העוצמות הכוללות של DSNB במכלול AgNP הפלסמוני היו גבוהות יותר מאלו של ה-AgNP המפוזר. בהתחשב בעוצמת השיא האופייני ב-1444 ס"מ-1, מכלול AgNP הפלסמוני יכול לספק שיפור של פי 50 בערך של אות ה-SERS של DSNB בהשוואה לזה של ה-AgNP המפוזר. כפי שניתן לראות באיור 7, ספקטרום SERS של DSNB נרשם שוב ושוב (20 פעמים) עבור מכלול AgNP בניסוי, והדגים תכונות רטט זהות. העוצמות של הפסגות האופייניות של DSNB ב-1152 ס"מ−1, 1444 ס"מ−1 ו-1579 ס"מ−1 על פני 20 ספקטרום SERS אלה שורטטו כהיסטוגרמות עם סטיות תקן יחסיות (RSD) של 6.88%, 6.59% ו-5.48%, בהתאמה. זה אימת עוד יותר את יכולת השכפול והיציבות. לפיכך, גישה זו אמינה למניפולציה של ננו-חלקיקים פלסמוניים וזיהוי SERS של מולקולות אנליטיות בתמיסה.
איור 1: ייצוג סכמטי של הפלטפורמה הספקטרוסקופית Raman המצומדת לפינצנבים אופטיים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 2: הכנת AgNP למדידת SERS . (A) תמונת SEM של AgNP. (B) התפלגות הגודל של AgNP לפי DLS. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 3: אינטראקציה של AgNP ו-DSNB. (A) סכמת הציפוי של DSNB על פני השטח של AgNP. (B) ספקטרום הנראה UV של AgNP ו- AgNP-DSNB. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 4: סכמת הכנת תא דגימה . (A) תהליך הכנת תא הדגימה. (ב) תא דגימה מוכן. סרגל קנה מידה = 1 ס"מ. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 5: מיקום חופף של לייזר ראמאן 532 ננומטר ולייזר לכידה של 1064 ננומטר. (A) מיקום של לייזר ראמאן 532 ננומטר המסומן על-ידי נקודה לבנה. (B) מיקום לייזר השמנה של 1064 ננומטר המסומן בעיגול אדום. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 6: ספקטרום SERS טיפוסי של מולקולות האנליט המשופרות על-ידי מכלול AgNP הפלסמוני. (A) ספקטרום SERS של DSNB במכלול AgNP הפלסמוני (אדום) ו-AgNP המפוזר (שחור). (B) מכלול AgNP הפלסמוני כאשר לייזר הלכידה מופעל מראה כתם כהה תחת הדמיה מיקרוסקופית. (C) ה-AgNP המפוזר כאשר לייזר ההשמנה כבוי.(D) המחשה של מנגנון היווצרות ההרכבה של AgNP. (E) עוצמת SERS תלוית ריכוז בהיעדר לייזר הלכידה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 7: יכולת שכפול של אות SERS של DSNB. (A) ספקטרום 20 SERS של DSNB במכלול AgNP הפלסמוני שנרשם שוב ושוב בניסוי. (B) היסטוגרמות של עוצמות ה-DSNB האופייניות מגיעות לשיא של 1152 ס"מ-1 (RSD = 6.88%), 1444 ס"מ-1 (RSD = 6.59%), ו-1579 ס"מ-1 (RSD = 5.48%). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 8: מכלול AgNP שנוצר תחת פרמטרים ניסיוניים שונים. (A) עוצמת לייזר השמנה שונה; זמן הקרנה 20 שניות וריכוז AgNP 0.05 ננומטר. (ב) זמן הקרנה שונה; לכידת כוח לייזר 700 mW וריכוז AgNP 0.05 nM. (ג) ריכוז AgNP שונה; זמן הקרנה 20 שניות ולכידת כוח לייזר 700 mW. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
איור משלים 1: תמונות מצלמת המיקרוסקופ של מכלול AgNP בסדרת זמן כאשר לייזר הלכידה כבה. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
המחקר הנוכחי מדווח על פלטפורמה אנליטית המשלבת השמנה אופטית וזיהוי SERS לאפיונים מולקולריים in situ . קרן גשושית ראמאן באורך 532 ננומטר שולבה עם קרן לייזר לוכדת של 1064 ננומטר דרך מסלולים דו-שכבתיים סטריאופוניים כדי לשלב מיקוד ואיסוף למדידות ספקטרוסקופיות נוספות בגאומטריה של פיזור אחורי. קרן הלייזר הלכודה הרכיבה AgNPs כדי ליצור נקודות חמות פלסמוניות, ולאחר מכן עירור של קרן הלייזר של הגשושית ראמאן כדי ליצור את אות ה-SERS של מולקולות האנליזה בתמיסה. כהוכחת היתכנות, הודגם זיהוי של DSNB, שהיה מצופה על פני השטח של AgNPs. באזור ההרכבה של AgNP הנשלט על ידי קרן הלייזר הלוכדת, הושג שיפור של פי 50 בערך באות של DSNB בהשוואה ל- AgNPs המפוזרים שמסביב. הגברה דומה של אותות גבוהים של מולקולות אנליטיות במדידות SERS של פאזת התמיסה על הפלטפורמה המוצגת התקבלה באופן משוחזר.
השלב הקריטי המשפיע על הגברת אות SERS הוא יצירת מכלול AgNP אופטי המושרה על ידי השמנה. ניתן למטב את אות ה-SERS של מולקולות האנליזה על ידי כוונון עדין של פרמטרים ניסיוניים כגון עוצמת הלייזר הלכידה, זמן ההקרנה וריכוז AgNP. כפי שניתן לראות באיור 8, שימוש בעוצמת לייזר השמנה גבוהה יותר יכול להגביר את היעילות של היווצרות מכלול AgNP. מכלולי AgNP הניתנים לשחזור התקבלו על ידי הגדלת כוחו של לייזר הלכידה מ 450 mW ל 700 mW. עם זאת, עוצמת לייזר לכידה גבוהה מ-950 mW עלולה לגרום להתחממות יתר וליצירת בועות38. לפיכך, כוח לייזר השמנה מתון מומלץ ליצור הרכבה AgNP דינמית. באופן אנלוגי, זמן הקרנה ארוך יותר שימושי לקידום היווצרותם של מכלולי AgNP. איור 8B מראה כי מכלול AgNP כדורי ברור נוצר כאשר זמן ההקרנה עלה מ-5-20 שניות. עם זאת, מכלול AgNP היה מעוות לאחר הקרנה של 60 שניות. בנוסף, היווצרות מכלול AgNP הואצה בריכוז AgNP גבוה יותר, מ-0.01 ננומטר ל-0.05 ננומטר, בעוד שהיא התחממה במהירות ב-0.25 ננומטר, כפי שניתן לראות באיור 8C. אם אין היווצרות הרכבה של AgNP נראית לעין, מומלץ להגדיל את עוצמת לייזר הלכידה ואת זמן ההקרנה. עם יצירת מכלול AgNP יציב, יש לכבות את לייזר הלכידה כדי למנוע נזק תרמי פוטנציאלי.
פעילות ה-SERS של מכלול AgNP המושרה על-ידי השמנה אופטית יוחסה לעלייה בריכוז AgNP המקומי באזור קרינת לייזר הלכידה, שהוא הכתם הכהה באיור 6B. בתמיסת AgNP הנוזלית, המלכודת האופטית יכולה למשוך ברציפות AgNPs להצטבר וליצור נקודות חמות פלסמוניות בחלל סגור בצמתים הבין-חלקיקיים. זה מניב שדה חשמלי משופר אשר משפר את אפקט SERS. הוא אומת עוד יותר על ידי אות ה-SERS החזק יותר שהתקבל בריכוז AgNP גבוה יותר (1.00 ננומטר) בהשוואה לאות ה-SERS החלש יותר שנרכש בריכוז AgNP נמוך יותר (0.05 ננומטר) ללא לייזר הלכידה, כפי שניתן לראות באיור 6E.
יתר על כן, בקרת המיקום של מכלול AgNP הפלסמוני בתמיסה, כנגד התנועה הבראונית, על ידי השמנה אופטית שיפרה משמעותית את היעילות והיציבות של מדידות SERS. חישת תפוקה גבוהה יכולה להתבצע כאשר היא מחוברת למערכת המיקרופלואידית. בהשוואה לצבירה המסורתית של ננו-חלקיקים הנגרמים על-ידי מלח כדי ליצור מצעים פעילים ב-SERS, הפלטפורמה שלנו מאפשרת היווצרות דינמית של מכלולי AgNP פלסמוניים, במיקום וברגע המתוכננים, עם גמישות גבוההשל 26,28. יתר על כן, הוא פועל ביעילות בריכוזי AgNP ננומולריים ומאפשר מניפולציה מרחבית-טמפורלית של נקודות חמות פעילות SERS למדידות ספקטרוסקופיות באתרן בתמיסות. מכלול AgNP דינמי זה התפרק בהדרגה תוך מספר דקות כאשר לייזר הלכידה כבה. ללא לייזר הלכידה, מכלול AgNP כמעט נעלם תוך 20 דקות, כפי שניתן לראות באיור משלים 1. זה יכול למזער את ההשפעה על מערכת הגילוי ומציג פוטנציאל גדול ליישומים ביולוגיים שונים, במיוחד זיהוי של ביומולקולות (DNA, RNA וחלבון) בתנאים פיזיולוגיים ו- in vivo. עם זאת, הרכבה דינמית זו של AgNP מספקת גורם שיפור קטן יותר מאשר אגרגטים AgNPהמושרים במלח 2, ולכן נדרשים שינויים ופיתוח נוספים.
לסיכום, השילוב של השמנה אופטית וזיהוי SERS מספק שיטה נוחה לשליטה בננו-חלקיקים פלסמוניים ולהשגת שיפור אות SERS הניתן לשחזור כדי לזהות מולקולות אנליטיות בפתרונות בעלי יעילות גבוהה, יציבות ותאימות ביולוגית.
למחברים אין מה לחשוף.
אנו מכירים בתמיכת המימון של ועדת המדע, הטכנולוגיה והחדשנות של עיריית שנזן (לא. JCYJ20180306174930894), הלשכה העירונית למדע וטכנולוגיה של ז'ונגשאן (2020AG003), ומועצת מענקי המחקר של הונג קונג (פרויקט 26303018). אנו מכירים גם בפרופ' צ'י-מינג צ'ה ובתמיכתו במימון "המעבדה לכימיה סינתטית וביולוגיה כימית" במסגרת תוכנית Health@InnoHK שהושקה על ידי ועדת החדשנות והטכנולוגיה, האזור המנהלי המיוחד של ממשלת הונג קונג של הרפובליקה העממית של סין.
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 |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved