Новая публикация от Opto-Electronic Advances ; В документе DOI 10.29026/oea.2022.210121 обсуждается обнаружение следов биомолекул без использования меток с помощью поверхностно-усиленного комбинационного рассеяния жидкости с использованием микрофлюидного чипа.

Поверхностно-усиленное комбинационное рассеяние (SERS) привлекло внимание в биотехнологии. Это связано с его высокой чувствительностью к локализованному поверхностному плазмонному резонансу наноструктурированных металлов. Обнаружение следов биомолекул с большой молекулярной массой остается сложной задачей, поскольку требуется обработка субстрата SERS с использованием связывающих или сшивающих агентов. Исследователи применили SERS с жидкостным интерфейсом для обнаружения следов биомолекул без меток. Результаты показывают, что это перспективно для ранней диагностики вирусной инфекции и болезни Альцгеймера.

Поверхностно усиленное комбинационное рассеяние (SERS), основанное на оптическом эффекте ближнего поля, индуцированном поверхностным плазмоном наночастиц благородных металлов или наноструктур, возбуждаемых лазерным излучением, усиливает сигналы комбинационного рассеяния до 10 14 раз по сравнению с обычным комбинационным рассеянием. Благодаря своей повышенной интенсивности метод SERS продолжает вызывать растущий интерес к обнаружению следовых количеств и анализу биоматериалов. Это вызвало повышенный интерес к таким областям, как визуализация органелл в отдельной клетке, отслеживание раковых клеток и идентификация биомаркеров.

Метод SERS может использоваться в биомедицинской области для диагностики заболеваний на ранней стадии, а также в терапии опухолей. Хотя коэффициент усиления SERS обычно колеблется от 10 6 до 10 8 из-за использования новых субстратов и методов SERS, обнаружение одиночной молекулы с помощью SERS без метки практически невозможно из-за SERS-мигания, происхождение этого явления связано с выход молекул аналита из горячих точек. Кроме того, биомолекулы, включая дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и белки, трудно обнаружить непосредственно с помощью SERS. Для связывания биомолекул необходимы дополнительные обработки субстратом SERS.

Исследовательская группа предложила LI-SERS, который обеспечивает коэффициент усиления SERS более 10 14 , что намного выше, чем при использовании обычного метода SERS. Микрофлюидный чип SERS имеет подложку SERS Ag-Cu, интегрированную во встроенный стеклянный микроканал. Гибридная фемтосекундная (fs) лазерная обработка создала микроканал травы.

Гибридная fs-лазерная обработка позволяет создавать более сложные трехмерные структуры с расширенными функциональными возможностями для биочипов, датчиков и микроэлектронных устройств. При облучении границы между раствором аналита и воздухом на подложке SERS в микрожидкостном канале рамановским лазером возбуждения интенсивность LI-SERS увеличивалась на шесть порядков по сравнению с обычным SERS. Механизм LI-SERS был приписан синергетическому эффекту потока Марангони, индуцированного лазерным облучением и оптическим захватом. Это лазерное излучение направит молекулы аналита в горячие точки, где собранные молекулы захватываются оптической силой. Следовательно, молекулы аналита были иммобилизованы на подложке SERS с достижением сильного комбинационного рассеяния.

Это исследование показало, что метод LI-SERS применим для более практического использования. Он особенно полезен для обнаружения следов биомолекул без меток с большой молекулярной массой, включая основания ДНК, последовательности ДНК и β-амилоид (Aβ). Благодаря сверхвысокой чувствительности и самоиммобилизации LI-SERS была получена дискриминация оснований ДНК и последовательностей ДНК с пределом обнаружения 1 фМ без необходимости дополнительных обработок с использованием связывающих или сшивающих агентов. Кроме того, метод LI-SERS может обнаруживать немеченый Aβ, биомаркер болезни Альцгеймера, на уровнях ниже 1 пМ и с достижением линейной корреляции между рамановским сигналом и концентрацией Aβ в диапазоне 1 нМ–1 пМ. Возможности LI-SERS для биозондирования без использования меток предлагают большой потенциал для ранней диагностики заболеваний в клиниках.

В заключение исследователи представили обзор возможностей метода LI-SERS для обнаружения следов биомолекул в микрожидкостных чипах SERS с особым упором на обнаружение ультраследов оснований ДНК и Aβ. В микроканале давали возможность образоваться жидкостной поверхности. Поток Марангони и эффекты оптического захвата, вызванные LI-SERS, продемонстрировали предел обнаружения 1 фМ для оснований ДНК без метки. Примечательные особенности метода LI-SERS, в том числе сверхвысокая чувствительность и универсальность, связанные со сбором и самоиммобилизацией молекул аналита в горячих точках, будут полезны для диагностики заболеваний на ранних стадиях, таких как вирусные инфекции и болезнь Альцгеймера .