En ny publikation från Opto-Electronic Advances diskuterar etikettfri spårdetektion av biomolekyler genom vätskegränssnittsassisterad ytförstärkt Raman-spridning med hjälp av ett mikrofluidiskt chip.

Ytförstärkt Raman-spridning (SERS) har uppmärksammats inom bioteknik. Det beror på dess höga känslighet för lokaliserad ytplasmonresonans hos nanostrukturerade metaller. Spårdetektering av biomolekyler med hög molekylvikt är fortfarande utmanande eftersom behandling av SERS-substrat med kopplings- eller tvärbindningsmedel krävs. Forskarna använde vätskegränssnitt som hjälpte SERS att realisera etikettfri spårdetektering av biomolekyler. Resultaten tyder på att det är lovande för tidig diagnos av virusinfektion och Alzheimers.

Ytförstärkt Raman-spridning (SERS), baserad på en optisk närfältseffekt inducerad av ytplasmonen av nanopartiklar av ädelmetall eller nanostrukturer exciterade av laserstrålning, förstärker Raman-signalerna upp till 10 ¹⁴ gånger jämfört med vanliga Raman. På grund av sin ökade intensitet fortsätter SERS-tekniken att locka till sig ett växande intresse för spårnivådetektion och analys av biomaterial. Det har ökat intresset för områden som avbildning av organeller i en enda cell, spårning av cancerceller och identifiering av biomarkörer.

SERS-tekniken kan användas inom det biomedicinska området för sjukdomsdiagnostik i ett tidigt skede och även vid tumörterapi. Även om förbättringsfaktorn för SERS vanligtvis sträcker sig från 10 ⁶ – 10 ⁸ på grund av användningen av nya SERS-substrat och metoder, är detektion av singelmolekyler med etikettfri SERS ogenomförbar på grund av SERS-blinkning, varvid ursprunget till detta fenomen beror på att analytmolekyler flyr från hotspots. Dessutom är biomolekyler, inklusive deoxiribonukleinsyra (DNA) och proteiner, svåra att detektera direkt av SERS. Ytterligare behandlingar med ett SERS-substrat behövs för att binda biomolekylerna.

Forskargruppen föreslog LI-SERS, som uppnår en SERS-förbättringsfaktor som är större än 10 ¹⁴ , mycket högre än den vanliga SERS-metoden. Det mikrofluidiska SERS-chippet hade ett Ag-Cu SERS-substrat integrerat i en inbäddad glasmikrokanal. Hybrid femtosekund (fs) laserbehandling skapade gräsets mikrokanal.

Den hybrida fs-laserbehandlingen möjliggör skapandet av mer komplicerade 3D-strukturer med förbättrade funktioner för biochips, sensorer och mikroelektroniska enheter. När gränssnittet mellan analytlösningen och luft på SERS-substratet i mikrofluidkanalen bestrålades av Raman-excitationslasern, ökades LI-SERS-intensiteten med sex storleksordningar jämfört med vanlig SERS. Mekanismen för LI-SERS tillskrevs den synergetiska effekten av Marangoni-flödet inducerat av laserbestrålning och optisk infångning. Den laserbestrålningen skulle rikta analytmolekylerna till de heta fläckarna där de uppsamlade molekylerna fångas av optisk kraft. Följaktligen immobiliserades analytmolekylerna på SERS-substratet med uppnåendet av stark Raman-spridning.

Denna studie visade att LI-SERS-metoden är tillämpbar för mer praktisk användning. Det är specifikt användbart för spårdetektion av etikettfria biomolekyler med stora molekylära massor, inklusive DNA-baser, DNA-sekvenser och β-Amyloid (Aβ). På grund av den ultrahöga känsligheten och självimmobiliseringen av LI-SERS erhölls diskriminering av DNA-baser och DNA-sekvenser med en detektionsgräns på 1 fM utan att kräva ytterligare behandlingar med kopplings- eller tvärbindningsmedel. Dessutom kan LI-SERS-tekniken detektera etikettfri Aβ, en biomarkör för Alzheimers sjukdom, vid nivåer under 1 pM, och med en linjär korrelation mellan Raman-signalen och Aβ-koncentrationen i intervallet 1 nM–1 pM som uppnås. Den etikettfria bioavkänningsförmågan hos LI-SERS erbjuder stor potential för tidig diagnos av sjukdomar på kliniker.

Sammanfattningsvis har forskarna gett en översikt över omfattningen av LI-SERS-metoden för spårdetektion av biomolekyler i mikrofluidiska SERS-chips med särskild hänvisning till ultraspårdetektion av DNA-baser och Aβ. En vätskegränsyta fick bildas i mikrokanalen. Marangoni-flödet och optiska fångsteffekter inducerade av LI-SERS visade en detektionsgräns på 1 fM för märkningsfria DNA-baser. Anmärkningsvärda egenskaper hos LI-SERS-metoden, inklusive den ultrahöga känsligheten och mångsidigheten förknippad med insamling och självimmobiliserande analytmolekyler på hot spots, kommer att vara fördelaktiga för sjukdomsdiagnoser i tidiga skeden såsom virusinfektioner och Alzheimers sjukdom. + Utforska vidare

Ny SERS-metod utvecklad för att fånga målmolekyler