Siliziumdioxid-Diatomeenschalen mit Au-Nanopartikeln ermöglichen eine empfindliche Analyse von Molekülen für biologische, Sicherheits- und Umweltanwendungen

Hintergrund

Kieselalgen sind einzellige Algen, die massiv auf der Erde vorkommen und über 100.000 Arten in aquatischen (Ozeane, Seen, Flüsse) und semiaquatischen (Feuchtgebiete und Böden) Nischen verteilen. Sie tragen zu schätzungsweise 40–50% des gesamten organischen Materials in den Ozeanen und zu ~ 20% der Umwandlung von Kohlendioxid in organische Verbindungen (dh Photosynthese) in der Biosphäre bei [1,2,3].

Diatomeen werden durch eine funktionelle Siliziumdioxidhülle (Frustules) mit einer komplexen Mikrometer-Architektur und einer zwischen den Spezies unterschiedlichen Porengröße geschützt. Kieselalgenschalen weisen aufgrund ihrer Mikrostruktur Werte der spezifischen Festigkeit von bis zu ~ 1700 kN m/kg auf, die deutlich über denen anderer natürlicher Zell-, Verbund- und Seidenmaterialien einschließlich Spinnenseide (1000 kN m/kg) liegen [4,5, 6,7]. Darüber hinaus zeigen aufgrund der Regelmäßigkeit und Symmetrie im Gitter der auf der Stumpfoberfläche ausgerichteten Poren oft Diatomeenrahmen natürliche optische Eigenschaften und zeigen Lichtkonvergenz, Konzentration und Einfangeffekte, abhängig von der Porengeometrie und -topologie, der Wellenlänge und dem Ventil Ausrichtung [8,9,10,11,12].

Somit sind Kieselalgen natürliche (im Gegensatz zu künstlichen), reichlich vorhandenen, kostengünstigen und leicht zugänglichen dreidimensionalen Mikro- oder Nanostrukturen, die zu ihrer Herstellung keine traditionellen Techniken der Nanofabrikation erfordern, und angesichts ihrer Größe, Morphologie, und deren Eigenschaften zeigen das Potenzial zur Verwendung als Miniatursensoren, Medikamentenabgabekapseln und andere Mikrovorrichtungen [2, 13, 14]. Trotz dieses Versprechens gibt es jedoch relativ wenige Anwendungen von Diatomeen in der Nanotechnologie [15,16,17], möglicherweise weil Diatomeenschalen für viele Strukturen den erforderlichen Träger darstellen, aber weitere Funktionalisierungen (Modifikationen) notwendig sind, um diesen Strukturen die korrekte Funktionen.

In diesem Brief , demonstrieren wir eine Methode zur Funktionalisierung von Kieselalgenschalen mit Au-Nanopartikeln. Dadurch entstehen Geräte mit mehreren Skalen in einem hierarchischen Aufbau. Jede Schale ist ein Siliziumdioxid-Zylinder mit einem durchschnittlichen Durchmesser von d ~ 8 μm und Höhe h ~ 10 μm (Abb. 1a und zusätzliche Datei 1). Schalenoberflächen weisen dichte Porenmuster auf, die ungefähr kreisförmig sind und deren Größe im engen Intervall p . variiert _s = 200 ± 40 nm (Abb. 1b, c). Gold-Nanopartikel werden dann gleichmäßig über die äußere Oberfläche der Schalen verteilt, mit einem durchschnittlichen Durchmesser der Partikel von Au − np _s ~20 nm und kleine Abweichungen um den Mittelwert (Abb. 1b, c). Da hier Kieselalgenschalen aus Diatomeenerde gewonnen werden, also eine kostengünstige, theoretisch unbegrenzte Quelle für Frustule (Zusatzdatei 2), liefert die Methode in kurzer Zeit große Mengen an Nanogeräten (Abb. 1d, e).

Künstlerische Darstellung von Kieselalgenschalen aus Siliziumdioxid, die als Mikrometerzylinder mit einem durchschnittlichen Durchmesser von d . erscheinen ~8 μm und Höhen größer als h> 10 μm, Porenreihen schmücken die äußere Oberfläche der Kieselalgen (a ). REM-Aufnahmen von mit Gold-Nanopartikeln funktionalisierten Siliciumdioxidschalen (D24-Systeme), aufgenommen bei niedrigen (b ) und hoch (c ) Vergrößerungsfaktoren. Aus diesen kann man das regelmäßige Muster von Poren beobachten, die die Kieselalgenoberfläche durchdringen, die mit zufällig verteilten Goldnanopartikeln mit einer Porengröße von ~200 nm und einer Teilchengröße von ~20 nm dekoriert ist. Großfeld-REM (d ) und optisch (e ) Bilder von D24-Systemen bewerten die Fähigkeit des Funktionalisierungsprozesses, große Mengen von Mikrogeräten herzustellen. Die fluoreszenzmikroskopische Untersuchung von D24-Systemen nach der Inkubation mit fluoreszierenden gelben 50 nm-Mikrokügelchen zeigt die Selektivität, Spezifität und Sensitivität des Geräts (f )

Das Gerät integriert verschiedene Skalen. (i) Die Submillimeter-Dimension der Schalen ermöglicht eine Systemmanipulation, Handhabung und Zugang. (ii) Die Mikrometergröße der Poren ermöglicht das Sammeln von Molekülen, die Selektion und (in einer komplexeren Entwicklung der Vorrichtung) die Fragmentierung. (iii) Die Nanometergröße der Au-NPs ermöglicht die Kontrolle und Verstärkung einer externen elektromagnetischen (EM) Strahlung. Somit erlaubt eine hierarchische Multiskalenarchitektur, spezifische analytische molekulare Targets aus einer Lösung zu extrahieren und sie mit oberflächenverstärkter Raman-Spektroskopie (SERS) selbst in sehr geringen Häufigkeitsbereichen zu charakterisieren. Die Inkubation mit fluoreszierenden 50 nm-Mikrosphären (Fluoresbrite® Yellow Green Microspheres – zusätzliche Datei 3) und die anschließende Fluoreszenzanalyse zeigt die Gerätelokalisierung, Selektivität, Spezifität und das Fehlen von Signalen vom Hintergrund (Rauschen) (Abb. 1f).

Ergebnisse

Funktionalisierung mit Au-NPs

Kieselgur (DE) wurde mit Piranha-Lösung gereinigt, um organische Rückstände zu entfernen. Die Proben wurden dann 120 s lang in einer verdünnten 2 %igen Fluorwasserstoffsäure (HF) aufbewahrt, um kleine Fragmente zu entfernen, die Kieselalgenoberfläche aufzurauen und die Au-Keimbildung zu fördern. Die Proben wurden dann mit Au-NPs unter Verwendung eines Photoabscheidungsprozesses dekoriert. Die Schalen wurden in DI-Wasser mit einer 0,1%igen Lösung von Chlorgoldsäure (HAuCl₄ .) suspendiert ) in Isopropylalkohol und beleuchtet mit einer UVA/UVB Osram Ultra Vitalux Lampe. Die Bestrahlungszeit, die Konzentration der Kieselalgenschalen in der Lösung und die Menge an Chlorgoldsäure wurden über signifikante Intervalle variiert, um unterschiedliche Nanopartikel-Morphologien zu erzeugen. Für die vorliegende Konfiguration haben wir 20 mg Schalen in 50 ml Lösungsmittel und rechtzeitige Injektionen von 30 μl Chlorgoldsäure alle 5 Minuten über eine Gesamtdauer von 1 h verwendet. Beachten Sie, dass die Methode keine elektrochemische Reduktion von Goldionen zu metallischem Gold wie bei der stromlosen Abscheidung impliziert [18, 19]. Im Folgenden bezeichnen wir Au-NPs-funktionalisierte Kieselalgenschalen mit der Abkürzung D24. Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) wurde verwendet, um D24-Systeme zu charakterisieren. Hochauflösende XPS-Spektren wurden mit einem Power P . aufgenommen = 100 W, Strahlenergie e = 11.7 keV, Auflösung δe = 0,1 eV, Akkumulationszeit von t = 20 Minuten Minimum. Peaks in den Spektren wurden auf den Kohlenstoffpeak C1s bei 284,8 EV Bindungsenergie bezogen. In Abb. 2 berichten wir über XPS-Spektren von Systemen vor und nach der Funktionalisierung. Wir beobachten, dass D24-Systeme nach der Funktionalisierung die Entstehung von metallischem Gold (Kernband Au4f5 bei 84 eV Bindungsenergie) und Spuren der Valenzbänder von Au4d3 (353 eV), Au4d5 (334 eV), Au5d3 (6 eV .) aufweisen ). Wir beobachten auch Spuren von Natrium (Na1s, 1071 eV und Auger-Peaks bei 497 eV) und Silizium (Si2s, 2p bei 150 und 97 eV), die auf Verunreinigungen im Substrat zurückgeführt werden, das für die Nanopartikel-Tropfenabscheidung verwendet wird. Das Vorhandensein von Kohlenstoff (C1s) in den Spektren ist zufällig, nicht mit dem Herstellungsprozess verbunden und resultiert aus der spontanen Adsorption normaler Kohlenstoffgehalte in der Atmosphäre an der Kieselalgenoberfläche. Die vorgestellte Methode zur Synthese von Nanopartikeln ermöglicht die Bildung von Nanopartikeln auf der äußeren Oberfläche der Kieselalgen und in den Poren. Zusätzliche rasterelektronenmikroskopische (REM) Bilder, die in zusätzlicher Datei 1 präsentiert werden, zeigen die Ablagerung von Au-Nanopartikeln tief in der Porenmatrix der Diatomeen. Während also Poren in der porösen Matrix die Sequestrierung, Immobilisierung und Retention von Analyten ermöglichen, ermöglichen Goldnanopartikel-Arrays den SERS-Effekt und den Nachweis von Analyten in sehr geringen Häufigkeitsbereichen. Diese Effekte sind eng miteinander verwoben.

XPS-Spektren einer Siliziumdioxid-Diatomeenschale vor (unteres Diagramm) und nach (oberes Diagramm) Funktionalisierung mit Gold-Nanopartikeln

Simulation des EM-Feldes um D24/Au-NPs

Wir haben Computersimulationen und Finite-Elemente-Analyse (FEA) verwendet, um das EM-Feld um Arrays von Goldnanopartikeln im D24-System zu bewerten (Methoden und zusätzliche Datei 4). Da Lochmuster in der Diatomee eine hexagonale Symmetrie aufweisen (Abb. 3a), die einem photonischen Kristall ähnelt, haben wir ein numerisches Schema verwendet, um zu bewerten, ob eine ähnliche Geometrie, dekoriert mit einer gleichmäßigen Verteilung von Au-Nanopartikeln, das EM-Signal lokal verstärken kann. Simulierte Porenmuster wurden aus einem echten SEM-Bild reproduziert (Abb. 3b). Um jede Pore und zwischen den Poren wurden maximal 125 Partikel platziert (Abb. 3b). Wir haben das einfallende EM-Feld mit einer TM-linear polarisierten ebenen Welle mit der zentralen Wellenlänge λ . angenähert = 633 nm, Leistung P _inc = 1 W und zugehörige Leistungsdichte I = 2,5 × 10 ⁸ W/cm ² . In den Simulationen wurde die Kieselalgenschale durch ein Dielektrikum mit Brechungsindex n . beschrieben _D24 = 1.3 und das umgebende Medium und die Poren wurden mit n . als Luft betrachtet _Luft =  1. Au-NPs wurden nach der Formulierung von Rakic ​​und Kollegen modelliert [20]. Die Ergebnisse zeigen (Abb. 3c), dass das vom System verstärkte EM-Feld im interessierenden Volumen ungleichmäßig verteilt ist, wobei das EM-Feld vorzugsweise um die Gold-Nanopartikel konzentriert ist, wo es Intensitäten von bis zu |E|~3 × . erreicht 10 ⁸ V/m und zugehörige Verstärkungsfaktoren Q~10 ² wenn wir das EM-Feld und Q~10 ⁸ . betrachten wenn wir die Effekte der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie (SERS) berücksichtigen. (In diesem Fall ist die Verstärkung proportional zur Amplitude des lokalen elektrischen Felds hoch vier [21]). Da in praktischen Anwendungen die Kieselalgenoberfläche in Bezug auf eine externe Strahlung zufällig orientiert sein kann, ist es von Interesse, das Verhalten von |E| . zu analysieren als Funktion der Richtung θ, die die Normale der Diatomeenoberfläche mit der sich ausbreitenden TM-Welle bildet (Abb. 3e). Im θ = 0 − 70 ^° Intervall, |E| schwankt zwischen ~1,5 × 10 ⁸ V/m = |E|_min bei θ = 20 ^° und ~4 × 10 ⁸ V/m = |E|_max bei θ = 50 ^° . Somit wird die Intensität des EM-Feldes stark davon beeinflusst, wie D24-Systeme zur sukzessiven Analyse und Inspektion auf einer Oberfläche positioniert werden. Beachten Sie jedoch, dass selbst in der schlechtesten Konfiguration berechnete Werte von |E|_min ausreichend groß sind, um eine robuste und empfindliche Analyse des Signals zu liefern, das mit der Ausbreitung des EM-Feldes verbunden ist.

REM-Aufnahme eines hexagonalen Porengitters auf der Kieselalgenoberfläche, die einen photonischen Kristall reproduziert (a ). Porengröße, Form und Topologie des realen Prototyps sowie zufällige Muster von Gold-NPs, die zwischen den Poren verteilt sind, wurden in einer numerischen Finite-Elemente-Analyse (FEA)-Toolbox (b ). Das Ergebnis der Simulationen ist das EM-Feld und die EM-Feldverstärkung um die Aggregate von Goldnanopartikeln mit einem maximalen EM-Feld von fast ~3 10 ⁸ V/m (c ). Die EM-Verteilung zeigt die Empfindlichkeit gegenüber der Ausrichtung der Porenoberfläche in Bezug auf die externe einfallende Strahlung (d ). Wenn wir den Einfallswinkel zwischen der externen Strahlung und der Normalen der Porenoberfläche über signifikante Intervalle variieren, stellen wir fest, dass die maximale EM-Feldstärke zwischen ~1,5 10 ⁸ . oszilliert und ~4 10 ⁸ V/m (e )

Die in Abb. 3a–c dargestellte FEM-Analyse simuliert das EM-Feld in vereinfachten planaren 2D-Geometrien – bei dieser Konfiguration entwickelt sich das EM-Feld um die Au-Nanopartikel auf der äußeren Kieselalgenoberfläche herum. Nichtsdestotrotz sind in dem dreidimensionalen Schema von Fig. 3d und anderen Bildern, die in der zusätzlichen Datei 4 präsentiert werden, Gold-Nanopartikel entlang der inneren Oberfläche der Poren verteilt. Dieses Schema, das eher dem realen physikalischen Prototyp ähnelt, weist darauf hin, dass die von den D24-Geräten adsorbierten Analyten mit dem EM-Feld interagieren können – und detektiert werden – für jede reziproke Poren-/Analyt-Lokalisierung. Selbst wenn es sich bei SERS um einen Nahbereichseffekt handelt und das EM-Feld mit einer Potenz von drei des Abstands von den Goldnanopartikeln abfällt [22], stellen die Analytgewinnung und die Analyt-/Poren-Kolokalisierung die Erfassungsfähigkeiten des Geräts sicher. Zu diesem Zweck demonstrieren wir die Lokalisierung des Analyten in den Poren mit zusätzlichen, stark vergrößerten Fluoreszenzbildern von D24-Systemen, die mit gelbgrünen 50 nm-Nanokügelchen beladen sind (Zusatzdatei 3). Die räumliche Überlappung zwischen dem Fluoreszenzsignal und den D24-Diatomeen-Geräten und das verschwindend kleine Hintergrundsignal zeigen, dass die Analytaufnahme hocheffizient ist und keine oder nur minimale Rückstände hinterlässt.

SERS-Analyse von BSA in Lösung

Hier bewerten wir die Fähigkeit von D24-Geräten, als molekulare Erntemittel und Sensorgeräte in biologischen Systemen zu fungieren. Wir inkubierten D24-Geräte in einer Lösung mit Rinderserumalbumin (BSA) in einem 10 ⁻¹⁶ M-Konzentration mit einer relativen Häufigkeit von 1 mg D24-Geräten in 1 ml Lösung. Das komplexe Netz von Öffnungen, das in die Kieselalge eindringt, stellt einen Filter dar, der die Moleküle mit einem hydrodynamischen Durchmesser kleiner als die Porengröße aufnehmen kann. Wenn man bedenkt, dass für die vorliegende Konfiguration die durchschnittliche Porengröße fast 200 nm beträgt, würden sich BSA-Proteine ​​mit einer charakteristischen Längengröße von ~ 6 nm [21] leicht in der Porenmatrix anreichern. 10 Minuten nach der Inkubation wurden die D24-Systeme getrennt und durch Sedimentation aus der Ausgangslösung extrahiert. D24-Geräte, die BSA enthielten, wurden zur Analyse auf dem Tisch eines Renishaw inVia-Mikro-Raman-Mikroskops positioniert.

Abbildung 4a zeigt die gemessenen Raman-Spektren der D24-Kapsel (i), von reinem BSA (ii), von BSA + nicht-funktionalisierten Kieselalgenschalen (iii) und von BSA + D24-Systemen (iv). Beachten Sie, dass die Systeme in der letzten Konfiguration SERS-Effekte liefern. In Tabelle 1 wir berichten über einen direkten Vergleich und eine vorläufige Zuordnung von Peaks, die in den Systemen mit (iii) und ohne (ii) SERS-Effekten gemessen wurden. Während BSA in einfachen Kieselalgenschalen noch nachweisbar ist, weisen Au-Nanopartikel in D24-Systemen auf das Vorhandensein der aromatischen Komponenten von BSA bei 1392 cm ⁻¹ . hin und im Bereich von 1556–1576 cm ⁻¹ Band. Der Peak bei 1670 cm ⁻¹ deutet auf das Vorhandensein von Amid I in der Probe hin, was wiederum auf β . hinweist - Blattkonformation mit SERS sichtbar. Der entsprechende Peak im einfachen Mikro-Raman liegt bei 1658 cm ⁻¹ , die anders ein α . andeutet -Helix-Struktur. Gleichzeitig ist die relevante Steigerung der COO-symmetrischen Dehnung bei 1392 cm ⁻¹ weist auf starke elektrostatische Wechselwirkungen mit der Kieselalgen/Gold-Oberfläche hin [23]. SERS-Matrix-Scans von Proben über endliche Bereiche wurden bei der Zentralfrequenz f . durchgeführt = 1576 cm ⁻¹ um Reparierbarkeit, Zuverlässigkeit und Sensitivität der Messungen zu beurteilen (Abb. 4b). Rasterplot des SERS-Signals in zwei verschiedenen Konfigurationen (Abb. 4c, d) zeigen die Fähigkeit des Systems, die räumliche Verteilung des BSA-Gehalts über Schalen in verschwindend geringen Häufigkeitsbereichen zu rekonstruieren. In zuvor berichteten Experimenten [24] haben wir die lokale Erwärmung untersucht, die durch EM-Amplifikation und Plasmonik induziert wird. Während wir relevante und ortsselektive Temperaturerhöhungen im Zusammenhang mit Nanophotonik-Bauelementen auf einem Substrat mit absoluten Temperaturen von bis zu ~ 400 K beobachtet haben, sollte die mit diesen Erhöhungen verbundene Laserleistung dennoch im Bereich von 10 mW eingestellt werden, d. zwei Größenordnungen höher als die Laserleistungsintensität P = 0,18 mW für Strommessungen verwendet. Daher werden in diesem Fall künstliche Erwärmungseffekte und mögliche Konformationsänderungen in Proteinen vernachlässigt. Konformationsänderungen und Änderungen des relativen Gehalts von β - Schichten in Proteinen werden durch von außen angelegte Temperaturfelder ab ~ 340 K aktiviert [25].

Raman-Spektren von reinem BSA, von Siliciumdioxidhüllen adsorbiertem BSA und von D24-Systemen adsorbiertem BSA, in den letzten beiden Experimenten betrug die Anfangskonzentration von BSA 10 ⁻¹⁶ (a ). Optische Mikroskopie-Inspektion von D24-Systemen nach Inkubation mit BSA (b ); Raman-Karte von BSA, die über einzelne D24-Systeme erfasst wurde (c , d )

SERS-Analyse von Mineralöl

D24-Geräte wurden bei der Analyse und Detektion von Mineralöl in immer geringer werdenden Verdünnungsfaktoren demonstriert. Mineralöl ist ein Nebenprodukt der Destillation von Erdöl zur Herstellung von Benzin. Es enthält leichte Mischungen höherer Alkane mit den Paraffinen dieses Mineralöls im Bereich von ca. C ₁₈ zu C ₄₀ :entspricht in etwa der Zusammensetzung von Grundölen zur Herstellung von Schmier- oder Hydraulikölen [26]. In einem aktuellen Kommentar [26] wird empfohlen, die Mineralölexposition auf Werte unter ~ 50 mg/kg, d. h. 50 ppm, zu reduzieren. Die Analyse von Mineralöl (m.o.) und verwandten Produkten ist daher im Hinblick auf Umweltverschmutzung und Lebensmittelsicherheit von Interesse. m.o wurde mit Raman-Spektroskopie nach den in der vorherigen BSA-Analyse beschriebenen Methoden untersucht.

Abbildung 5a zeigt die gemessenen Raman-Spektren relativ zu den alleinigen D24-Kapseln (i), zum alleinigen m.o. (ii) und zu einer Emulsion von m.o. und DI-Wasser in verschiedenen Konzentrationen (iii). Siliziumdioxid ist der Hauptbestandteil der D24-Systeme (i). Im betrachteten Frequenzbereich 600–3200 cm ⁻¹ , beobachten wir Raman-Peaks im Band 950 cm ⁻¹ , verbunden mit einer Streuung von Silizium zweiter Ordnung, und im Band 2130 cm ⁻¹ , verbunden mit −SiH₂ Dehnung [27]. Das m.o. Spektrum (ii) ist gekennzeichnet durch den Peak bei 1450 cm ⁻¹ , indikativ für CH₂ Scherenvibration und die Spitzen im Bereich von 2850–2923 cm ⁻¹ Region, zurückzuführen auf die CH-Streckung [28]. Raman-Spektren relativ zu D24 nach Adsorption mit m.o. bei unterschiedlichen Konzentrationen von 0,05 bis 200 μl/ml zeigen an, dass der relative Gehalt an m.o. in der Emulsion ist in den Bändern 1450 und 2850–2923 cm ⁻¹ . kodiert . Je höher der Gehalt an m.o. in der Emulsion, desto höher sind die Raman-Peaks in diesen Frequenzbereichen. Bemerkenswerterweise ist die D24-Analyse empfindlich gegenüber m.o. Verdünnungen von nur 0,050 μl/ml ≡ 50 ppm (m. o. : DI water), d. h. der Schwellenwert, über dem Sicherheits-, Toxizitäts- oder Verschmutzungsbedenken steigen können. Raman-Karten von m.o. bei einer Verdünnung von 10 µl/ml werden über eine D24-Oberfläche gemessen und im Einschub von Abb. 5b angegeben. Die Karten werden bei den zentralen Frequenzen f . berechnet = 1450 cm ⁻¹ (Abb. 5c) und f = 2900 cm ⁻¹ (Abb. 5d). In allen Fällen ist die Raman-Intensität proportional zum Gehalt an m.o. in der Kieselalgenschale und die m.o. Profil wird mit Submikrometer-Auflösung rekonstruiert.

Raman-Spektren von D24-Systemen, reinem Mineralöl und von D24-Systemen adsorbiertem Mineralöl in immer geringeren Konzentrationen (a ). Optisches Bild von D24-Systemen nach Inkubation mit Mineralöl und Sedimentation (b ). Raman-Karten von Mineralöl, das von einem D24-Mikrogerät adsorbiert wurde, aufgenommen um f = 1450 cm ⁻¹ (c ) und f = 2900 cm ⁻¹ (d )

Diskussion

Das beschriebene Schema ermöglicht das Einfangen, Lokalisieren, Sequestrieren und den Nachweis von Analyten. Von porösen D24-Kieselalgen adsorbierte Analyten können leicht gesammelt, manipuliert, getrennt und in Proben aliquotiert werden. Jede Probe besteht aus (i) funktionalisierten Diatomeen, die mit (ii) spezifischen Analyten beladen sind. Somit ist eine Probe eine Kombination aus dem Analyten und der Vorrichtung, die zum Nachweis erforderlich ist. Verschiedene Aliquots können mit einfachen Raman-Aufbauten verarbeitet, für zukünftige Analysen aufbewahrt, möglicherweise über längere Zeit in einem Kühlschrank oder Gefrierschrank aufbewahrt werden. Somit sind D24-Systeme ein Hybridgerät, das in Symbiose mit den Zielmolekülen arbeitet, die man analysieren möchte. Während herkömmliche SERS-Substrate oder Metall-Nanopartikel bisher isoliert verwendet wurden und die Interaktion zwischen dem SERS-Substrat und dem Analyten in intermittierenden Episoden stattfindet und zum Zeitpunkt der Messung oft begrenzt ist, integrieren D24-Systeme den Sensor und das Zielmolekül in einem individuelles Gerät, das multifunktional, handlich und tragbar ist. Darüber hinaus sind D24-Systeme im Gegensatz zu herkömmlichen SERS-Substraten ausreichend klein, um als Tracer zu fungieren. In den Mikrozirkulationskreisläufen freigesetzt, werden D24-Systeme durch die Arterien, Arteriolen und Mikrogefäße des lebenden Gewebes transportiert, interagieren mit Blut und dem Abfallprodukt von Zellen, internalisieren Analyten, Peptide und Biomarker und betreiben die Analyse von Biomolekülen mit erhöhter räumlicher und zeitliche Auflösung. Analytische Karten von Biomolekülen können wiederum mit dem individuellen Krebsrisiko, dem pathologischen Risiko oder dem physiologischen Zustand eines Patienten in Verbindung gebracht werden, um medizinische Entscheidungen zu unterstützen und Interventionen zu planen.

Beachten Sie, dass die Idee, Kieselalgen als Mikrokapseln für die Sensorik zu verwenden, nicht ganz neu ist. Nichtsdestotrotz weichen früher berichtete Werke in einem Maße von unserer Analyse ab, das von einzelnen Beiträgen abhängt, wie im nachfolgenden Abschnitt erläutert.

In Referenz [29] verwendeten Ren und Kollegen Simulationen, um die Verstärkungen des elektrischen Felds zu untersuchen, die durch plasmonische Nanopartikel erzeugt werden, die auf der Oberfläche von Kieselalgen-Skelettschalen aufgebracht sind. Dann stellten sie SERS-Substrate her, indem sie Silbernanopartikel auf Kieselalgenoberflächen anordneten. Während ähnliche Geräte hervorragende sensorische Verstärkungsfaktoren erzielen, sind Kieselalgen auf einem Substrat immobilisiert und können nicht frei in der Mikrozirkulation, in biologischen Flüssigkeiten oder Lösungen, biologischen Kompartimenten, Aquädukten, Kanälen, Meerwasser, Meeresströmungen und -strömungen für biologische oder technische Zwecke verabreicht werden Anwendungen.

In Referenz [30] pressten Chen und Kollegen Au-Nanopartikel-beschichtete Kieselgur zu harten, knopfartigen Millimetertabletten. Dann verwendeten sie diese SERS-Tablet-Geräte, um die chemische Zusammensetzung von ekkrinem Schweiß in latenten Fingerabdrücken zu analysieren, was eine brillante, sehr praktische Anwendung des Geräts in der Medizin darstellt. Es ist jedoch spezifisch und die Analyse wird immer noch auf makroskopischer Ebene durchgeführt.

In Lit. [31] funktionalisierte die Gruppe um Luca De Stefano Diatomeenfrusteln mit Au-Nanopartikeln durch stromlose Abscheidung. Dann testeten sie das Gerät mit p-Mercaptoanilin (pMA). pMA kann selbstorganisierte Monoschichten auf Metalloberflächen bilden und wird daher als Oberflächensondenmolekül in SERS verwendet. Die stromlose Abscheidung ist eine bewertete Technik für die Synthese von Goldnanopartikeln auf einer autokatalytischen Oberfläche, die eine hohe Kontrolle über die Größe und Dichte der Partikel ermöglicht [18, 19, 32]. Anders als bei diesem Ansatz haben wir hier einen Photoabscheidungsprozess verwendet, der direkter und schneller ist und im Vergleich zur stromlosen Abscheidung keine oder nur eine minimale Probenbehandlung erfordert. Dennoch ist der von De Stefano vorgeschlagene Ansatz vielversprechend und verdient eine weitere Überprüfung in biologischen oder umweltbezogenen Anwendungen.

Schlussfolgerungen

Wir haben Wege entwickelt, um kostengünstige, leicht zugängliche und reichlich vorhandene Kieselgur zu modifizieren, um Miniatursensorvorrichtungen zu erhalten, bei denen die Poren der Kieselalgenschalen Moleküle in Lösung einfangen können und die Goldnanopartikel das Spektroskopiesignal um mehrere Größenordnungen verstärken, um dies zu enthüllen Moleküle in sonst unerreichbaren Bereichen geringer Häufigkeit. Ähnliche D24-Geräte demonstrierten wir bei der Analyse biologischer BSA-Proteine ​​in Lösung und zum Nachweis von Mineralölspuren in einer binären Emulsion mit Wasser. In beiden Fällen haben wir Zielmoleküle in geringen Verdünnungen von bis zu 10 ⁻¹⁶ . entdeckt M für BSA und 50 ppm für Mineralöl. Die Geräte können in der analytischen Chemie, der Überwachung und Bewertung biologischer Risiken, der Lebensmittelsicherheit, der Überwachung von Schadstoffen und der Überwachung von Meerwasser, Aquädukten und Trinkwasser Anwendung finden.

Methoden

Rasterelektronenmikroskopie von Proben

Mit Au-Nanopartikeln funktionalisierte Silicahüllen (D24-Systeme) wurden direkt auf einem Kohlenstoffklebeband für die rasterelektronenmikroskopische (REM) Bildgebung dispergiert. Die Proben wurden mit einem Zeiss Auriga Compact FE-SEM abgebildet, das mit einem InLens-Sekundärelektronendetektor für die morphologische Bildgebung und einem ringförmigen Rückstreudetektor für die Z-Kontrast-Bildgebung ausgestattet war (um das Vorhandensein von Au hervorzuheben).

Eigenschaften der in dieser Studie verwendeten Kieselgur

Das in dieser Studie verwendete Kieselalgenmaterial war eine hochwertige Kieselgur von Lebensmittelqualität, die von Perma-Guard (Perma-Guard Europe Sollaris Sp. z o.o., Otwock, Polen) als 1 kg kostenlose Probe von Fossil Shell Flour® bereitgestellt wurde. Der aktuelle Marktpreis beträgt ~ 16 Euro pro 1 kg. Es besteht aus zylindrischen Schalen der ausgestorbenen Süßwasserdiatomee Melosira preicelanica. Der Hauptanteil besteht aus amorpher Kieselsäure (bis 94%), gefolgt von Smektiten (~ 3%), Kaolinit (~ 2%), Feldspäten (~ 1%), Calcit (> 1%) und Quarz (> 1%) . Das Mahlen in einer langsam laufenden Hammermühle wurde durchgeführt, um die Partikelgröße zu homogenisieren. Haupteigenschaften (einschließlich physikalischer und optischer Eigenschaften) von Fossil Shell Flour® sind mittlere Partikelgröße:10 μm, Maschensiebrückstand:2 %; Brechungsindex:1,43; Ölaufnahme:120%; Helligkeit (Grünfilter):85; spezifisches Gewicht:2,2; Oberfläche:44,2 m ² /g; pH-Wert:8,0; Gesamtvolumen der Poren:0,132 cm ³ /g; Mikroporen (< 20 Å):14%; Mesoporen (20–500 Å):65 %.

Fluoreszenzanalyse von D24-Systemen

D24-Systeme wurden mit Fluoresbrite® Yellow Green Microspheres mit einem Durchmesser von 50 nm für 10 min inkubiert, mit einem Verhältnis von D24 : fluoreszierende Partikel = 1 : 10. Dann sammelten wir D24-Systeme aus der Lösung und platzierten sie auf dem optischen Tisch eines an invertiertes Leica TCS-SP2® konfokales Laserscanning-Mikroskopiesystem. Alle Messungen wurden mit einem ArUv-Laser durchgeführt. Die Lochblende (80 μm) und die Laserleistung (80 % Leistung) wurden während jedes Experiments beibehalten. Gelbe Fluoreszenz (ähnlich FITC) wurde mit einem λ . angeregt ₁ = 441 nm Anregungslinie und konfokale Bilder wurden beim Emissionsmaximum aufgenommen λ ₂ = 485 nm unter Verwendung von × 10/20 Objektiven. Die Bilder wurden über einen Bereich von 975 × 750 μm ² . aufgenommen und wurden über vier Zeilen und zehn Bilder gemittelt, um die Qualität zu verbessern und das Rauschen zu reduzieren. Bilder wurden in 1280 × 960 Pixel digitalisiert.

Röntgen-Photoelektronenspektroskopie-Analyse von Proben

Röntgen-Photoelektronenspektren wurden auf einer Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) Versa Probe II (PHI, Chanassen US) im Großflächenanalysemodus aufgenommen, bei dem der monochromatische Al-Anodenstrahl von 100 μm, 100 W Leistung, senkrecht zur Oberfläche, wird über einen Bereich von 1400 × 300 μm ² . gerastert mit dem Analysator in einem Winkel von 45° zur Probenoberfläche. Vermessungsspektren wurden mit einer Akkumulationszeit von mindestens 20 min bei Hochpassenergie (187 keV) aufgenommen, während hochauflösende Spektren der interessierenden Elemente bei 11,7 keV mit gleicher Leistung und 0,1 eV Auflösung aufgenommen wurden. Die Spektren wurden mit der Multipack-Software (PHI, Chanassen USA) analysiert und alle Peaks wurden auf die zufälligen Kohlenstoffpeaks C1s bei 284,8 eV Bindungsenergie bezogen.

Simulation des elektromagnetischen Felds in den D24-Systemen

Um das elektrische Feldprofil in der dekorierten Struktur numerisch zu berechnen, wurde ein 3D-Modell der Finite-Elemente-Methode (FEM) unter Verwendung der kommerziellen Software COMSOL Multiphysics 5.3 entwickelt. Es wurden Simulationen an einer einzelnen kubischen Elementarzelle durchgeführt, bei der 125 Partikel auf der Oberfläche der strukturierten dielektrischen Oberfläche platziert wurden. Die optische Gesamtantwort wurde als Funktion des Einfallswinkels des elektromagnetischen Felds untersucht, das als linear polarisierte ebene TM-Welle angenähert wurde (Zusatzdatei 4). Die Periodizität des Systems wurde durch die Anwendung von Floquet-Randbedingungen an den Seiten der Elementarzelle senkrecht zur Einfallsebene berücksichtigt; Anschließend wurden die Ergebnisse regelmäßig erweitert, um das Diatomeen-Array zu visualisieren (Zusatzdatei 4). Eine Wellenlänge von λ = 633,0 nm wurde eingestellt. Die Leistung der einfallenden Strahlung wurde willkürlich als P . gewählt _inc = 1 W, die Einheitszellenfläche beträgt 3,9 × 10 ⁻¹³ m ² and the resulting intensity is I  = 2.5 × 10 ⁻⁸ W/cm ² (notice that intensity dependant non-linearity is here neglected). Regarding the materials, the diatom was optically described as a dielectric with refractive index n _diatom  = 1.3, whereas the surrounding environment is air with n _air  = 1. Gold nanoparticles, modeled as perfect spheres with a diameter d  = 20 nm, were modeled following the dielectric formulation reported in [20]. The geometrical domain has been discretized using tetrahedral elements. Maximum size of the mesh element has been chosen as 1/5 of the effective wavelength value that had to be resolved in each domain, depending on its refractive index. The minimum mesh element was set to r /1.5, r  = 10 nm is the radius of each nano-sphere. Maxwell equations have been numerically solved within the unit cell by placing perfectly matched layers at the top and the bottom of the structure, in order to avoid unphysical reflections at the boundaries of the domain. In addition, the electromagnetic field symmetry has been exploited to reduce the computational effort of the simulation. As a result, equations are solved for a half of a diatom only, and perfect magnetic conductor boundary conditions have been imposed to the lateral sides of the unit cell, parallel to the plane of incidence, coherently with the polarization of the incident field.

Raman Analysis of Samples

D24 devices containing BSA were positioned on the stage of a Renishaw inVia micro-Raman microscope for analysis. Samples were analyzed using × 20/50 objectives of a Leica microscope. Raman spectra were excited by the 633.0 nm line of an HeNe laser in backscattering geometry and acquired with a CCD with 1024 × 1024 pixels. Laser power was adjusted as 0.18 mW and maintained constant throughout the whole measurements. Interferograms were recorded with an integration time of 20 s. Each spectrum was base line corrected with a second degree polynomial function. Raman maps were performed with a step size of 400 and 600 nm in the x und y axes direction.

Abkürzungen

BSA:

Bovine serum albumin

D24 systems:

Silicon dioxide diatom shells functionalized with gold nanoparticles

DE:

Diatomaceous earth

MO:

Mineral oil

SERS:

Surface-enhanced Raman spectroscopy