Questo protocollo dimostra misurazioni di scattering Raman potenziato dalla superficie (SERS) a singola molecola utilizzando una nanoantenna origami di DNA (DONA) combinata con microscopia a forza atomica colocalizzata (AFM) e misurazioni Raman.
Lo scattering Raman potenziato dalla superficie (SERS) ha la capacità di rilevare singole molecole per le quali è richiesto un elevato miglioramento del campo. Il SERS a singola molecola (SM) è in grado di fornire informazioni spettroscopiche specifiche sulle singole molecole e quindi fornisce informazioni chimiche più dettagliate rispetto ad altre tecniche di rilevamento SM. Allo stesso tempo, c'è il potenziale per svelare informazioni dalle misurazioni SM che rimangono nascoste nelle misurazioni Raman di materiale sfuso. Questo protocollo delinea le misurazioni SM SERS utilizzando una nanoantenna origami di DNA (DONA) in combinazione con microscopia a forza atomica (AFM) e spettroscopia Raman. Una struttura a forcella di origami di DNA e due nanoparticelle d'oro sono combinate per formare i DONA, con uno spazio di 1,2-2,0 nm tra loro. Ciò consente un miglioramento del segnale SERS fino a 1011 volte, consentendo misurazioni di singole molecole. Il protocollo dimostra inoltre il posizionamento di una singola molecola di analita in un hot spot SERS, il processo di imaging AFM e la successiva sovrapposizione dell'imaging Raman per misurare un analita in un singolo DONA.
L'origami del DNA è una tecnica nanotecnologica che prevede la piegatura di filamenti di DNA in forme e modelli specifici. La capacità di creare strutture con un controllo preciso su scala nanometrica è uno dei principali vantaggi degli origami DNA1. La capacità di manipolare la materia su scala così piccola ha il potenziale per rivoluzionare una vasta gamma di campi, tra cui medicina, elettronica e scienza dei materiali2. Ad esempio, le strutture di origami del DNA sono state utilizzate per fornire farmaci direttamente alle cellule tumorali3,4, creare sensori su scala nanometrica per rilevare le malattie5,6 e creare modelli intricati sulle superfici dei materiali 6,7. Inoltre, la capacità di utilizzare origami di DNA per creare complesse strutture su scala nanometrica ha creato nuove opportunità per lo studio dei processi biologici fondamentali su scala nanometrica8.
Il Surface enhanced Raman scattering (SERS) è una solida tecnica analitica che rileva e identifica molecole a concentrazioni estremamente basse9. Si basa sull'effetto Raman, che è un cambiamento nella lunghezza d'onda della luce diffusa10. SERS richiede un substrato metallico plasmonico per migliorare il segnale Raman delle molecole adsorbite su di esso. Questo aumento può essere fino a 10 11 volte maggiore del segnale ottenuto dalla stessa molecola misurata dalla spettroscopia Raman convenzionale, rendendo il SERS un metodo altamente sensibile per analizzare tracce di sostanze11.
Il miglioramento del segnale Raman delle nanoparticelle è dovuto principalmente al potenziamento elettromagnetico basato sull'eccitazione della risonanza plasmonica di superficie localizzata (LSPR)12. In questo fenomeno, gli elettroni all'interno della nanoparticella metallica oscillano collettivamente attorno alla superficie della nanoparticella metallica durante l'incidenza della luce. Ciò si traduce nella creazione di un'onda stazionaria di elettroni nota come plasmone di superficie, che può risuonare con la luce incidente. L'LSPR migliora notevolmente il campo elettrico vicino alla superficie della particella e l'assorbimento ottico della particella è massimo alla frequenza di risonanza plasmonica. L'energia del plasmone di superficie dipende dalla forma e dalle dimensioni della nanoparticella metallica, nonché dalle proprietà del mezzo circostante13. Un miglioramento maggiore potrebbe essere ulteriormente raggiunto da accoppiamenti plasmonici, come quando due nanoparticelle sono vicine l'una all'altra a una distanza di circa 2,5 volte la lunghezza del diametro o meno14. La vicinanza fa sì che l'LSPR di entrambe le nanoparticelle interagisca tra loro, migliorando il campo elettrico nello spazio tra le particelle di diversi ordini di grandezza, superando di gran lunga il potenziamento di una singola nanoparticella15,16,17. L'entità del potenziamento è inversamente proporzionale alla distanza tra le nanoparticelle; man mano che la distanza diminuisce, appare un punto critico in cui il potenziamento è sufficiente per rilevare singole molecole (SM)18.
Gli origami di DNA rappresentano una tecnologia chiave in grado di organizzare in modo efficiente le nanoparticelle plasmoniche per sfruttare e ottimizzare l'accoppiamento plasmonico19. Allo stesso tempo, le molecole di interesse possono essere posizionate con precisione nel punto in cui il rilevamento ottico è più efficiente. Ciò è stato dimostrato con nanoantenne plasmoniche basate su origami di DNA per la rilevazione di fluorescenza20. A differenza del rilevamento di etichette fluorescenti, SERS offre la possibilità di rilevare un'impronta chimica diretta di una molecola, rendendo il SERS a singola molecola molto attraente per il rilevamento e il monitoraggio di reazioni chimiche e studi meccanicistici. Gli origami di DNA possono anche essere usati come maschera per fabbricare nanostrutture plasmoniche con forme ben definite21, anche se la possibilità di posizionare le molecole bersaglio con precisione nel punto caldo viene quindi persa.
Utilizzando la microscopia a forza atomica colocalizzata (AFM) e le misure Raman, possiamo ottenere gli spettri Raman da una singola nanoantenna di origami di DNA (DONA) e potenzialmente una singola molecola se posta nella posizione di massimo miglioramento del segnale. Il DONA comprende una forchetta per origami di DNA e due nanoparticelle posizionate con precisione, completamente rivestite con DNA complementare ai filamenti estesi attaccati agli origami di DNA. Dopo l'ibridazione del DNA, le nanoparticelle sono legate alla forcella dell'origami del DNA con uno spazio di 1,2-2,0 nm tra le superfici delle nanoparticelle22. Tale assemblaggio crea un punto caldo tra le nanoparticelle con un aumento del segnale fino a 1011 volte, come calcolato dalle simulazioni FDTD (Finite Difference Time Domain)22, consentendo così misurazioni SM SERS. Tuttavia, il volume del potenziamento più elevato è piccolo (nell'intervallo 1-10 nm3 ), e di conseguenza le molecole bersaglio devono essere posizionate con precisione in questo punto caldo. La forcella origami DNA consente il posizionamento di una singola molecola tra le due nanoparticelle utilizzando un ponte a forcella del DNA e un'adeguata chimica di accoppiamento. Tuttavia, osservare tali SM negli spettri Raman è molto impegnativo22. In alternativa, le nanoparticelle possono essere completamente rivestite con la molecola bersaglio, come un colorante TAGRA, per consentire singole misurazioni DONA con un'intensità SERS più elevata21. In questo caso, il TAMRA è attaccato covalentemente al filamento di rivestimento del DNA (Figura 1).
1. Assemblaggio forcella origami DNA
2. Rivestimento di nanoparticelle d'oro (AuNP)
NOTA: Una versione modificata del protocollo Liu et al.23 è stata utilizzata per rivestire gli AuNP e il processo di rivestimento ha comportato il congelamento della soluzione di AuNP-DNA.
3. Assemblaggio DONA
4. Elettroforesi su gel
NOTA: Le nanoparticelle non legate nella soluzione DONA vengono rimosse mediante elettroforesi su gel di agarosio.
5. Colocalizzazione delle misure AFM e Raman
Seguendo il protocollo, si dovrebbe assicurarsi che la forcella dell'origami DNA sia assemblata correttamente; il metodo preferito per esaminare la struttura delle forcelle è l'imaging AFM. La maggior parte delle forcelle dovrebbe essere solida, senza braccia rotte. D'altra parte, il ponte tra le braccia è difficile da immaginare a causa del suo diametro ridotto e dell'elevata flessibilità; richiede anche una punta AFM molto affilata (Figura 2).
Il cambiamento di colore della soluzione in ogni fase del processo di rivestimento AuNP indica che tutto funziona correttamente. Il colore inizia rosso intenso con solo gli AuNP, ma non appena il DNA viene aggiunto, cambia in rosso violaceo scuro. Il congelamento cambia il colore in viola e, dopo lo scongelamento, lo riporta al rosso intenso (Figura 3A). La figura 3B mostra gli spettri di assorbanza degli AuNP nudi e degli AuNP rivestiti di DNA.
Successivamente, nelle fasi di assemblaggio DONA, il colore rimane rosso intenso durante l'intero processo. Durante la purificazione del gel di agarosio, una banda di dimero appare sopra la banda AuNP libera, la banda più veloce del campione. Questa banda di dimero corrisponde ai DONA e viene successivamente tagliata e spremuta per estrarre il campione (Figura 4).
Infine, per le misure di colocalizzazione, l'imaging AFM del campione viene eseguito alla ricerca di DONA (Figura 5). Successivamente, gli spettri Raman da singoli DONA vengono raccolti e confrontati per garantire che gli spettri ottenuti provengano da molecole TAMRA (Figura 6).
Figura 1: Rappresentazione schematica della forcella degli origami del DNA e del DONA completamente assemblato. (A) Dimensioni della forcella degli origami del DNA con un ponte lungo 90 nucleotidi. (B) Vista laterale schematica di un DONA assemblato, con due AuNP e la forcella degli origami del DNA in mezzo. (C) Vista schematica dall'alto del DONA assemblato che mostra la posizione di posizionamento dell'SM al centro del ponte. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 2: Immagine AFM delle forcelle degli origami DNA dopo l'assemblaggio. Le forcelle sono ben formate, con il ponte visibile in alcune delle forche. Le forcelle hanno un'altezza compresa tra 1,5-2 nm. Barra della scala = 500 nm. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 3: Spettri di sviluppo del colore e di assorbanza degli AuNP. (A) Tubi che mostrano il colore della soluzione di AuNP in diverse fasi. (1) Colore rosso intenso della soluzione AuNP nuda. (2) Rosso violaceo scuro dopo l'aggiunta del DNA di rivestimento agli AuNP. (3) Colore viola dopo aver congelato la miscela DNA-AuNP del rivestimento. (4) Il colore ritorna al rosso intenso dopo lo scongelamento della miscela. (B) Spettri di assorbanza degli AuNP a 60 nm, che mostrano lo spostamento del picco di assorbanza da AuNP nudi (tubo 1) ad AuNP rivestiti di DNA (tubo 4). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 4: Gel di agarosio della soluzione DONA. Entrambe le corsie hanno lo stesso campione e sia la banda dimero (DONA) che la banda AuNP libera sono chiaramente visibili. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 5: Immagine AFM dei DONA. (A) L'immagine mostra più strutture DONA; questa immagine AFM viene utilizzata per le misure di colocalizzazione. (B) Immagine ingrandita del DONA cerchiato e sezione trasversale verticale del DONA. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 6: Spettri SERS di DONA dotati di AuNP TAMRA completamente rivestiti e di una singola molecola TAGRA. Le linee della griglia verticale indicano i principali picchi TAGRA. I principali picchi TAMRA sono visibili nel TAMRA AuNP completamente rivestito. Sebbene il rapporto segnale-rumore per gli spettri SM TAMRA sia inferiore, i picchi principali sono identificabili: 1.360 cm-1: allungamento C-C; 1.509 cm-1: allungamento C=C; 1.536 cm-1: C=C stretching; 1.654 cm-1: C=O stretching. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Tabella 1: Elenco delle graffette della forchetta origami DNA. Clicca qui per scaricare questa tabella.
Tabella 2: Elenco dei filamenti di DNA modificati. Clicca qui per scaricare questa tabella.
SM SERS è un potente strumento che consente ai ricercatori di studiare il comportamento e le interazioni delle singole molecole all'interno di un campione1. Tale tecnica consente l'analisi di sistemi a un livello di sensibilità senza precedenti, fornendo nuove informazioni sul comportamento fondamentale delle singole molecole e sulla distribuzione delle proprietà chimiche o fisiche su un insieme di molecole, e aiuta a identificare intermedi rilevanti nei processi chimici. Tuttavia, posizionare una singola molecola nel punto caldo assicurandosi allo stesso tempo che il punto caldo abbia un miglioramento della superficie sufficiente può essere piuttosto impegnativo27. I DONA descritti in questo protocollo possono posizionare con precisione una singola molecola nel punto caldo tra due nanoparticelle d'oro, garantendo al contempo un miglioramento della superficie di 1011 volte.
Lo spazio tra le nanoparticelle è fondamentale affinché l'assemblaggio DONA raggiunga il miglioramento della superficie richiesto per gli studi SM SERS. I DONA sono ottimizzati per nanoparticelle sferiche con dimensioni comprese tra 60 e 80 nm. Inoltre, la qualità delle nanoparticelle può influire significativamente sull'ibridazione delle nanoparticelle con le forchette di origami del DNA; Quando le nanoparticelle utilizzate nella fase di rivestimento sono più vecchie di 6 mesi, l'efficienza dell'ibridazione inizia a diminuire.
Un altro aspetto critico del protocollo è che i passaggi che richiedono un rapporto esatto tra i componenti devono essere seguiti con precisione, altrimenti i DONA non saranno formati correttamente. La forcella per origami DNA è estremamente sensibile al protocollo di ramping della temperatura, con cambiamenti che influenzano l'integrità della struttura o impediscono la formazione di forchette.
La generazione di carbonio amorfo è un problema significativo durante le misurazioni SERS perché i suoi picchi sono tipicamente nello stesso intervallo dell'area delle impronte digitali per molte molecole (1.200-1.700 cm-1). Mentre la formazione non è ancora completamente compresa, di solito è associata ad alta potenza laser o lunghi tempi di integrazione28. Per precauzione, è necessario utilizzare la potenza laser più bassa e il tempo di integrazione più breve possibile. Tuttavia, questo non è facilmente realizzabile perché è necessario raggiungere un equilibrio tra ottenere il segnale SERS desiderato ed evitare la generazione di carbonio amorfo.
I DONA sono molto versatili come sistema SM per quanto riguarda i diversi tipi e forme di nanoparticelle che potrebbero essere utilizzate, come sfere d'argento, fiori d'oro o stelle. Inoltre, la molecola in esame può essere facilmente sostituita cambiando solo il filamento di DNA al centro del ponte, senza modifiche alla procedura. Il passaggio a proteine come il citocromo C potrebbe essere fatto avendo un filamento di cattura del DNA modificato dalla piridina nel ponte, che legherebbe il citocromo C e garantirebbe che sia nel punto caldo per le misurazioni SM SERS22. Ciò si traduce anche nella scelta flessibile del laser per l'irradiazione, potenzialmente utilizzando un laser che offre il massimo miglioramento.
In sintesi, questo metodo è affidabile per assemblare strutture DONA e utilizzarle per misure di spettroscopia Raman potenziata dalla superficie di una singola molecola.
Gli autori non hanno interessi finanziari concorrenti o altri conflitti di interesse.
Questa ricerca è stata sostenuta dal Consiglio europeo della ricerca (CER; consolidator Grant No. 772752).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
100 kDa MWCO Amicon filters, 0.5 mL | Merck | UFC5100BK | |
10x TAE buffer (0.4 M Tris, 0.2 M acetic acid, 0.01 M EDTA) | SIGMA Aldrich | T9650 | |
60 nm goldspheres, bare (citrate) | NanoComposix | AUCN60 | |
ACCESS-NC-A AFM probes | SCHAEFER-TEC | ||
Agarose powder | SIGMA Aldrich | 9012-36-6 | |
AuNP DNA coating strands | IDT | ||
AuNP DNA coating strands (TAMRA) | SIGMA Aldrich | ||
Glycerol | SIGMA Aldrich | 56-81-5 | |
Heraeus Fresco 17 centrifuge | Thermo Fisher Scientific | ||
HORIBA OmegaScope with a LabRAM HR evolution | HORIBA | ||
Magnesium chloride | SIGMA Aldrich | 7786-30-3 | |
Nanofork DNA bridge strand (TAMRA) | Metabion | ||
Nanofork DNA staple strands | SIGMA Aldrich | ||
ParafilmM | Carl Roth | CNP8.1 | |
Primus 25 Thermocycler | Peqlab/VWR | ||
Silicon wafer | Siegert wafer | BW14076 | |
Single-stranded scaffold DNA, type p7249 (M13mp18) | Tilibit nanosystems | ||
TCEP solution | SIGMA Aldrich | 51805-45-9 |
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