Silica diatomeeënschalen op maat gemaakt met Au-nanodeeltjes maken gevoelige analyse van moleculen mogelijk voor biologische, veiligheids- en milieutoepassingen

Resultaten

Functionalisatie met Au–NP's

Diatomeeënaarde (DE) werd gereinigd met piranha-oplossing om organische resten te verwijderen. Monsters werden vervolgens 120 seconden in een verdunde 2% fluorwaterstofzuur (HF) -oplossing gehouden om kleine fragmenten te verwijderen, het oppervlak van diatomeeën op te ruwen en Au-kiemvorming te bevorderen. Monsters werden vervolgens versierd met Au-NP's met behulp van een fotodepositieproces. Schelpen werden gesuspendeerd in DI-water met 0,1% oplossing van chloorgoudzuur (HAuCl₄ ) in isopropylalcohol en verlicht met een UVA/UVB Osram Ultra Vitalux lamp. De bestralingstijd, de concentratie van diatomeeënschillen in oplossing en de hoeveelheid chloorgoudzuur werden gedurende significante intervallen gevarieerd om verschillende morfologieën van nanodeeltjes te produceren. Voor de huidige configuratie gebruikten we 20 mg schelpen in 50 ml oplosmiddel en tijdige injecties van 30 μl chloorgoudzuur om de 5 minuten, voor een totale duur van 1 uur. Merk op dat de methode geen elektrochemische reductie van goudionen tot metallisch goud impliceert zoals bij stroomloze depositie [18, 19]. In het volgende zullen we met Au-NP's gefunctionaliseerde diatomeeënschelpen aangeven met de afkorting D24. Röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) werd gebruikt om D24-systemen te karakteriseren. XPS-spectra met hoge resolutie werden verkregen met behulp van een power P = 100 W, straalenergie e = 11,7 keV, resolutie δe = 0.1 eV, accumulatietijd van t = 20 min minimaal. Pieken in de spectra werden verwezen naar de koolstofpiek C1s bij 284,8 ev bindingsenergie. In Fig. 2 rapporteren we XPS-spectra van systemen voor en na functionalisering. We zien dat, na functionalisering, D24-systemen de opkomst van metallisch goud vertonen (kernband Au4f5 bij 84 ev bindingsenergie), en sporen van de valentiebanden geassocieerd met Au4d3 (353 eV), Au4d5 (334 eV), Au5d3 (6 eV ). We zien ook sporen van natrium (Na1s, 1071 eV en Auger-pieken bij 497 eV) en silicium (Si2s, 2p bij 150 en 97 eV), die worden toegeschreven aan verontreinigingen in het substraat dat wordt gebruikt voor druppelafzetting van nanodeeltjes. Aanwezigheid van koolstof (C1s) in de spectra is toeval, niet geassocieerd met het fabricageproces, en is het gevolg van de spontane adsorptie van normale koolstofniveaus in de atmosfeer aan het diatomeeënoppervlak. De gepresenteerde methode voor de synthese van nanodeeltjes maakt de vorming van nanodeeltjes op het buitenoppervlak van de diatomeeën en in de poriën mogelijk. Aanvullende scanning elektronenmicroscopie (SEM) beelden gepresenteerd in aanvullend bestand 1 tonen afzetting van Au nanodeeltjes diep in de poriematrix van de diatomeeën. Dus, terwijl poriën in de poreuze matrix analyten sekwestratie, immobilisatie en retentie mogelijk maken, maakt een gouden nanodeeltjes-array het SERS-effect en de detectie van analyten in zeer lage abundanties mogelijk. Deze effecten zijn nauw met elkaar verweven.

XPS-spectra van siliciumdioxide-diatomeeënschaal voor (onderste diagram) en na (bovenste diagram) functionalisering met gouden nanodeeltjes

EM-veld simuleren rond D24/Au–NPs

We hebben computersimulaties en eindige-elementenanalyse (FEA) gebruikt om het EM-veld rond arrays van gouden nanodeeltjes in het D24-systeem te evalueren (methoden en aanvullend bestand 4). Omdat patronen van gaten in de diatomeeën een hexagonale symmetrie onthullen (figuur 3a) die lijkt op een fotonica-kristal, hebben we een numeriek schema gebruikt om te evalueren of een vergelijkbare geometrie, versierd met een uniforme verdeling van Au-nanodeeltjes, het EM-signaal lokaal kan verbeteren. Gesimuleerde patronen van poriën werden gereproduceerd van een echt SEM-beeld (figuur 3b). Er werden maximaal 125 deeltjes rond elke porie en tussen de poriën geplaatst (figuur 3b). We benaderden het invallende EM-veld met een TM lineair gepolariseerde vlakke golf met centrale golflengte λ = 633 nm, vermogen P _inc = 1 W, en bijbehorende vermogensdichtheid I = 2.5 × 10 ⁸ W/cm ² . In de simulaties werd diatomeeënschil beschreven door een diëlektricum met brekingsindex n _D24 = 1.3 en het omringende medium en de poriën werden als lucht beschouwd met n _lucht =1. Au-NP's werden gemodelleerd met behulp van de formulering van Rakic ​​en collega's [20]. Resultaten geven aan (Fig. 3c) dat het EM-veld versterkt door het systeem ongelijk verdeeld is in het volume van interesse, waarbij het EM-veld bij voorkeur geconcentreerd is rond de gouden nanodeeltjes, waar het intensiteiten bereikt die zo hoog zijn als |E|~3 × 10 ⁸ V/m en bijbehorende verbeteringsfactoren Q~10 ² als we kijken naar het EM-veld en Q~10 ⁸ als we kijken naar de oppervlakteversterkte Raman-spectroscopie (SERS) effecten. (In dat geval is de verbetering evenredig met de amplitude van het lokale elektrische veld tot de macht vier [21]). Aangezien in praktische toepassingen het oppervlak van diatomeeën willekeurig kan worden georiënteerd ten opzichte van een externe straling, heeft het enig belang om het gedrag van |E| te analyseren. als functie van de richting θ die de normaal van het diatomeeënoppervlak vormt met de zich voortplantende TM-golf (figuur 3e). In de θ = 0 − 70 ^° interval, |E| schommelt tussen ~1,5 × 10 ⁸ V/m = |E|_min bij θ = 20 ^° en ~4 × 10 ⁸ V/m = |E|_max bij θ = 50 ^° . De intensiteit van het EM-veld wordt dus sterk beïnvloed door de manier waarop D24-systemen op een oppervlak worden geplaatst voor opeenvolgende analyse en inspectie. Merk echter op dat zelfs in de slechtste configuratie, berekende waarden van |E|_min zijn voldoende groot om een ​​robuuste en gevoelige analyse te geven van het signaal dat verband houdt met de voortplanting van het EM-veld.

SEM-beeld van een hexagonaal rooster van poriën op het diatomeeënoppervlak dat een fotonisch kristal reproduceert (a ). Poriëngrootte, vorm en topologie van het echte prototype, en willekeurige patronen van gouden NP's verdeeld over de poriën, werden gerepliceerd in een toolbox voor numerieke eindige elementenanalyse (FEA) (b ). De output van de simulaties is het EM-veld en de EM-veldverbetering rond de aggregaten van gouden nanodeeltjes, met een maximaal EM-veld van bijna ~3 10 ⁸ V/m (c ). EM-verdeling toont gevoeligheid voor de oriëntatie van het porieoppervlak ten opzichte van de uitwendige invallende straling (d ). Door de invalshoek tussen de externe straling en de normaal van het porieoppervlak over significante intervallen te variëren, vinden we dat de maximale EM-veldintensiteit schommelt tussen ~1,5 10 ⁸ en ~4 10 ⁸ V/m (e )

FEM-analyse gepresenteerd in Fig. 3a-c simuleert het EM-veld in vereenvoudigde 2D vlakke geometrieën - voor deze configuratie evolueert het EM-veld rond de Au-nanodeeltjes op het externe diatomeeënoppervlak. Niettemin worden gouden nanodeeltjes in het driedimensionale schema van Fig. 3d en andere afbeeldingen gepresenteerd in het aanvullende bestand 4 langs het binnenoppervlak van de poriën verdeeld. Dit schema, dat meer lijkt op het echte fysieke prototype, geeft aan dat de analyten die door de D24-apparaten worden geadsorbeerd, kunnen interageren met het EM-veld - en worden gedetecteerd - voor elke reciproke porie / analyt-lokalisatie. Dus zelfs als SERS een korte-afstandseffect is en het EM-veld vervalt met een macht van drie van de afstand tot de gouden nanodeeltjes [22], verzekeren analyt-oogst en analyt/porie-colocalisatie de detectiemogelijkheden van het apparaat. Verder demonstreren we de lokalisatie van de analyt in de poriën met extra fluorescentiebeelden met hoge vergroting van D24-systemen geladen met geelgroene 50 nm nanosferen (aanvullend bestand 3). Ruimtelijke overlap tussen het fluorescentiesignaal en de D24-diatomeeënapparaten en het verdwijnend kleine achtergrondsignaal tonen aan dat de opname van analyten zeer efficiënt is en geen of minimale residuen achterlaat.

SERS-analyse van BSA in oplossing

Hier beoordelen we het vermogen van D24-apparaten om te werken als moleculaire oogstmiddelen en detectieapparaten in biologische systemen. We hebben D24-apparaten geïncubeerd in een oplossing die runderserumalbumine (BSA) bevat in een 10 ⁻¹⁶ M-concentratie, met een relatieve hoeveelheid van 1 mg D24-apparaten in 1 ml oplossing. Het complexe netwerk van openingen dat in de diatomeeën dringt, vertegenwoordigt een filter dat de moleculen kan absorberen met een hydrodynamische diameter die kleiner is dan de poriegrootte. Gezien het feit dat, voor de huidige configuratie, de gemiddelde poriegrootte bijna 200 nm is, zouden BSA-eiwitten met een karakteristieke lengte van ~-6 nm [21] zich gemakkelijk ophopen in de poriematrix. Na 10 minuten na incubatie werden D24-systemen gescheiden en door sedimentatie uit de oorspronkelijke oplossing geëxtraheerd. D24-apparaten met BSA werden voor analyse op het werkgebied van een Renishaw inVia micro-Raman-microscoop geplaatst.

Figuur 4a geeft de gemeten Raman-spectra weer van de D24-capsule (i), van pure BSA (ii), van BSA + niet-gefunctionaliseerde diatomeeënschillen (iii) en van BSA + D24-systemen (iv). Merk op dat in de laatste configuratie de systemen SERS-effecten opleveren. In tabel 1, we rapporteren een directe vergelijking en een voorlopige toewijzing van pieken gemeten in de systemen met (iii) en zonder (ii) SERS-effecten. Hoewel BSA nog steeds detecteerbaar is in eenvoudige diatomeeënschillen, benadrukken Au-nanodeeltjes in D24-systemen de aanwezigheid van de aromatische componenten van BSA op 1392 cm ⁻¹ en in de 1556–1576 cm ⁻¹ band. De piek op 1670 cm ⁻¹ suggereert de aanwezigheid van Amide I in het monster, wat op zijn beurt suggereert β - bladconformatie zichtbaar met SERS. De overeenkomstige piek in eenvoudige micro Raman bevindt zich op 1658 cm ⁻¹ , die op een andere manier een α . suggereert -helix structuur. Tegelijkertijd is de relevante verbetering van de COO-symmetrische rek bij 1392 cm ⁻¹ suggereert sterke elektrostatische interacties met het diatomeeën/gouden oppervlak [23]. SERS-matrixscans van monsters over eindige gebieden werden uitgevoerd op de centrale frequentie f = 1576 cm ⁻¹ om de repareerbaarheid, betrouwbaarheid en gevoeligheid van de metingen te beoordelen (Fig. 4b). Rasterplot van SERS-signaal in twee verschillende configuraties (Fig. 4c, d) geven het systeemvermogen aan om de ruimtelijke verdeling van BSA-inhoud over shells te reconstrueren in verdwijnend lage abundantiebereiken. In eerder gerapporteerde experimenten [24] hebben we lokale verwarming onderzocht die wordt veroorzaakt door EM-amplificatie en plasmonics. Hoewel we relevante en locatieselectieve temperatuurverhogingen hebben waargenomen die verband houden met nano-fotonica-apparaten op een substraat, met absolute waarden van temperaturen tot ~ -400 K, moet het laservermogen dat aan deze verhogingen is gekoppeld niettemin worden ingesteld in het bereik van 10 mW, dat wil zeggen:twee ordes van grootte hoger dan de laservermogensintensiteit P = 0,18 mW gebruikt voor stroommetingen. Daarom worden in dit geval kunstmatige verhittingseffecten en mogelijke conformationele veranderingen in eiwitten verwaarloosd. Conformationele veranderingen en veranderingen in de relatieve inhoud van β - vellen in eiwitten worden geactiveerd door extern aangebrachte temperatuurvelden vanaf ~ 340 K [25].

Raman-spectra van pure BSA, BSA geadsorbeerd door siliciumdioxide-omhulsels en BSA geadsorbeerd door D24-systemen, in de laatste twee experimenten was de beginconcentratie van BSA 10 ⁻¹⁶ (een ). Optische microscopie inspectie van D24-systemen na incubatie met BSA (b ); Raman-kaart van BSA verkregen via individuele D24-systemen (c , d )

SERS-analyse van minerale olie

D24-apparaten werden gedemonstreerd in de analyse en detectie van minerale olie in steeds lagere verdunningsfactoren. Minerale olie is een bijproduct van de destillatie van aardolie om benzine te produceren. Het bevat lichte mengsels van hogere alkanen met de paraffinen van deze minerale olie variërend van ongeveer C ₁₈ naar C ₄₀ :het komt ruwweg overeen met de samenstelling van basisolie voor de productie van smeer- of hydraulische oliën [26]. In een recent commentaar [26] wordt aanbevolen de blootstelling aan minerale olie te verminderen tot niveaus lager dan ~-50 mg/kg, d.w.z. 50 ppm. Analyse van minerale olie (m.o.) en aanverwante producten is daarom van belang bij milieuvervuiling en voedselveiligheid. m.o werd onderzocht met behulp van Raman-spectroscopie volgens de methoden die zijn beschreven in de vorige BSA-analyse.

Afbeelding 5a toont de gemeten Raman-spectra ten opzichte van de enige D24-capsules (i), tot de enige m.o. (ii), en tot een emulsie van m.o. en DI-water in verschillende concentraties (iii). Siliciumdioxide is het hoofdbestanddeel van de D24-systemen (i). In het beschouwde frequentiebereik 600–3200 cm ⁻¹ , zien we Raman-pieken in de band 950 cm ⁻¹ , geassocieerd met een tweede-orde verstrooiing van Silicium, en in de band 2130 cm ⁻¹ , gekoppeld aan de −SiH₂ uitrekken [27]. De m.o. spectrum (ii) wordt gekenmerkt door de piek bij 1450 cm ⁻¹ , indicatief voor de CH₂ schaartrillingen en de pieken in de 2850–2923 cm ⁻¹ regio, toe te schrijven aan CH stretching [28]. Raman-spectra ten opzichte van D24 na adsorptie met m.o. bij verschillende concentraties variërend van 0,05 tot 200 l/ml geven aan dat het relatieve gehalte aan m.o. in de emulsie is gecodeerd in de banden 1450 en 2850–2923 cm ⁻¹ . Hoe hoger het gehalte aan m.o. in de emulsie, hoe hoger de Raman-pieken in deze frequentiebereiken. Opmerkelijk is dat D24-analyse gevoelig is voor m.o. verdunningen van slechts 0,050 μl/ml ≡ 50 ppm (m.o. : DI-water), dat is de drempelwaarde waarboven bezorgdheid over veiligheid, toxiciteit of vervuiling kan stijgen. Ramankaarten van m.o. bij een verdunning van 10 l/ml worden gemeten over een D24-oppervlak en gerapporteerd in de inzet van Fig. 5b. De kaarten worden berekend op de centrale frequenties f = 1450 cm ⁻¹ (Fig. 5c) en f = 2900 cm ⁻¹ (Fig. 5d). In alle gevallen is de Raman-intensiteit evenredig met het gehalte aan m.o. in de diatomeeënschelp, en de m.o. profiel wordt gereconstrueerd met een resolutie van minder dan een micrometer.

Raman-spectra van D24-systemen, pure minerale olie en minerale olie geadsorbeerd door D24-systemen in steeds lagere concentraties (a ). Optisch beeld van D24-systemen na incubatie met minerale olie en sedimentatie (b ). Raman-kaarten van minerale olie geadsorbeerd door een D24-microapparaat verkregen bij f = 1450 cm ⁻¹ (c ) en f = 2900 cm ⁻¹ (d )