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        ACS Sens.:用于檢測單乳腺癌細胞中重金屬的表面增強拉曼散射活性納米纖維
        2021/6/11 16:21:34 易絲幫

        DOI: 10.1021/acssensors.1c00332

         

        汞離子(Hg2+)和銀離子(Ag+)是對人體健康危害最大的兩種污染物。在本工作中,研究者構建了覆蓋有4-巰基吡啶(4-Mpy)修飾金納米粒子的表面增強拉曼散射(SERS)活性納米纖維,以檢測Hg2+和Ag+。實驗結果表明,所觀察到的光譜變化源自(i)4-Mpy上的氮與金屬離子之間的配位,以及(ii)4-Mpy分子取向(相對于金屬表面從平坦到更垂直)的綜合效應。使用一對特征拉曼峰(在約428和約708cm-1處)的相對強度來量化金屬離子濃度,與基于單個SERS峰的信號開啟或信號關閉檢測相比,這極大地提高了測量的可重復性。密度泛函理論計算表明,該方法對Hg2+的檢出限低于對Ag+的檢出限(5 vs. 100nM),與Ag+和N相比,Hg2+和N之間的相互作用能更強??梢酝ㄟ^分別向Hg2+和Ag+樣品中加入乙二胺四乙酸鹽和Cl–來掩蓋Hg2+和Ag+離子。經證實,這些納米傳感器具有良好的靈敏度、高重現性和出色的選擇性。此外,由于本文所述的SERS納米傳感器的納米尺寸,可以在亞細胞水平檢測活體乳腺癌細胞中的Hg2+,從而達到高空間分辨率和最小的細胞損傷。

         

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        圖1.(a)42nm AuNPs的代表性TEM圖像和(b)4-Mpy功能化前后(標稱表面覆蓋率為115%)AuNP懸浮液的紫外可見吸收光譜。(a)中的插圖顯示了基于數個TEM圖像中100多個AuNPs計數得出的AuNP尺寸分布。


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        圖2.在4-Mpy功能化的42nm AuNP懸浮液(pH4.5)中孵育后,尖端(頂部,400nm比例尺)和直徑約1μm(底部,100nm比例尺)的PS-P4VP刷層覆蓋納米纖維的SEM圖像,每個圖像右上角第一行表示時間。每個圖像右上角的第二行表示(a-c)從尖端開始沿1μm長度沉積在納米纖維上的AuNPs絕對數,或(d-f)直徑約為1μm的AuNP密度。


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        圖3.(a)在1μM Hg2+中孵育指定時間后,4-Mpy修飾AuNP覆蓋納米纖維的垂直偏移SERS光譜。(b)縮放(a)中的橙色矩形區域。(c)強度比I708/I428隨孵育時間的變化而變化。(d)(b)的光譜歸一化到428cm-1處的強度。


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        圖4.(a)在1μM Hg2+中孵育指定時間后,納米傳感器低頻區域的SERS光譜。(b)孵育30分鐘前后高頻區域的SERS光譜(在428cm-1處歸一化)和(c)具有較低(名義上115%)和較高(名義上2300%)4-Mpy表面覆蓋率的納米傳感器的SERS光譜。(d)Au表面上的4-Mpy模型,其中θ=0°表示Au表面上的平伏吸附幾何結構。(e)使用(d)中的模型模擬4-Mpy的拉曼光譜與繞Y軸旋轉角θ的函數關系。(f)擬議的檢測機制示意圖,為簡單起見,4-Mpy在與Hg2+配位前后分別顯示為完全平坦和垂直。


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        圖5.納米傳感器在所示濃度下暴露于(a)Hg2+和(c)Ag+ 30分鐘后的SERS光譜。強度比I708/I428與(b)Hg2+和(d)Ag+濃度的函數關系,插圖表示對數濃度的線性圖,Hg2+的對數濃度范圍為5nM至5μM,Ag+的對數濃度范圍為100nM至5μM;通過對三個獨立制備的傳感器的三次重復測量來估計誤差線。


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        圖6.SERS的再現性由(a)在六個直徑為200nm的隨機納米傳感器的尖端上獲得的SERS光譜進行說明。使用(b)1089cm-1峰的絕對強度和(c)708cm-1譜帶強度(相對于428cm-1譜帶)的相應條形圖。


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        圖7.納米傳感器在暴露于(a)含FeCl3、AlCl3、CuCl2、PbCl2、Co(NO3)2、NiCl2和CaCl2(濃度為1μM)的PBS以及(b)含MgSO4的PBS后的歸一化SERS光譜。Ag+(1μM)、掩蔽劑NaCl(0.2M)以及FeCl3、AlCl3、CuCl2、PbCl2、Co(NO3)2、NiCl2和CaCl2(每種濃度為1μM)的水性混合物(“Ag混合物”);Hg2+(1μM)、掩蔽劑EDTA(0.02M)和與Ag混合物相同的其他鹽的水性混合物(“Hg混合物”);與空白水溶液以及含Hg2+和Ag+的PBS溶液相比(PBS中NaCl、KH2PO4和NaHPO4濃度分別為0.15M、1.1mM和5.6mM)。(c)相應強度比I708/I428的條形圖;根據三個不同的傳感器估計圖7c中的誤差線。


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        圖8.從(a)未經Hg2+處理(空白)以及(b)經濃度為0.68和(c)68μm的Hg2+處理的活MCF-7細胞中提取30分鐘后納米傳感器的代表性SERS光譜。(d)基于至少10個細胞的數據(每個細胞使用一個納米傳感器進行三次測量)得出的相應強度比,顯示為平均值±SD,并通過GraphPad Prism軟件進行分析(Sidak多重比較試驗,雙向ANOVA),其中ns表示無顯著差異,*p≤0.05和***p≤0.001。


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