Figura 1. Schema del sistema di fabbricazione laser per chip SERS microfluidici. Credito:Compuscript Ltd
Una nuova pubblicazione da Opto-Electronic Advances discute il rilevamento di tracce senza etichetta di biomolecole mediante lo scattering Raman con superficie migliorata con interfaccia liquida utilizzando un chip microfluidico.
La diffusione Raman potenziata dalla superficie (SERS) ha attirato l'attenzione nella biotecnologia. È dovuto alla sua elevata sensibilità alla risonanza plasmonica superficiale localizzata dei metalli nanostrutturati. Il rilevamento di tracce di biomolecole con un grande peso molecolare rimane impegnativo perché è necessario il trattamento del substrato SERS utilizzando agenti di accoppiamento o reticolazione. I ricercatori hanno applicato il SERS assistito da un'interfaccia liquida per realizzare il rilevamento di tracce senza etichetta di biomolecole. I risultati suggeriscono che è promettente per la diagnosi in fase iniziale dell'infezione da virus e dell'Alzheimer.
Il Surface-enhanced Raman scattering (SERS), basato su un effetto di campo vicino ottico indotto dal plasmone superficiale di nanoparticelle di metalli nobili o nanostrutture eccitate dalla radiazione laser, amplifica i segnali Raman fino a 10 14 volte rispetto al normale Raman. Grazie alla sua maggiore intensità, la tecnica SERS continua ad attirare un crescente interesse per il rilevamento a livello di tracce e l'analisi dei biomateriali. Ha aumentato l'interesse in campi come l'imaging degli organelli in una singola cellula, il monitoraggio delle cellule tumorali e l'identificazione di biomarcatori.
La tecnica SERS può essere utilizzata in campo biomedico per la diagnosi precoce di malattie e anche nella terapia dei tumori. Sebbene il fattore di miglioramento di SERS sia in genere compreso tra 10 6 – 10 8 a causa dell'uso di nuovi substrati e metodi SERS, il rilevamento di singole molecole da parte di SERS senza etichetta è impraticabile a causa del lampeggiamento del SERS, l'origine di questo fenomeno è dovuta alla fuga di molecole di analita dagli hotspot. Inoltre, le biomolecole, compreso l'acido desossiribonucleico (DNA) e le proteine, sono difficili da rilevare direttamente dal SERS. Sono necessari ulteriori trattamenti con un substrato SERS per legare le biomolecole.
Figura 2. (a) Schema della fabbricazione (b) Fotografia del chip SERS microfluidico (c) Immagine del microscopio ottico che mostra il substrato SERS. Immagini SEM di (d) pellicola metallica originale, (e) increspature generate dalla prima scansione laser e (f) nanodot generati dalla seconda scansione laser (Inserire:basso ingrandimento dell'immagine SEM). (g) Spettri Raman di 10-9 M Rhodamine 6G (R6G) su substrati SERS nanostrutturati 2-D (nero) e 1-D (rosso). Credito:Compuscript Ltd
Il team di ricerca ha proposto LI-SERS, che raggiunge un fattore di miglioramento SERS maggiore di 10 14 , molto più alto del normale metodo SERS. Il chip SERS microfluidico presentava un substrato SERS Ag-Cu integrato in un microcanale di vetro incorporato. L'elaborazione laser ibrida a femtosecondi (fs) ha creato il microcanale dell'erba.
L'elaborazione laser ibrida fs consente la creazione di strutture 3D più complicate con funzionalità avanzate per biochip, sensori e dispositivi microelettronici. Quando l'interfaccia tra la soluzione dell'analita e l'aria sul substrato SERS nel canale microfluidico è stata irradiata dal laser di eccitazione Raman, l'intensità LI-SERS è stata aumentata di sei ordini di grandezza rispetto al SERS normale. Il meccanismo di LI-SERS è stato attribuito all'effetto sinergico del flusso Marangoni indotto dall'irradiazione laser e dall'intrappolamento ottico. Quell'irradiazione laser dirigerebbe le molecole dell'analita verso i punti caldi dove le molecole raccolte sono intrappolate dalla forza ottica. Di conseguenza, le molecole dell'analita sono state immobilizzate sul substrato SERS con il raggiungimento di un forte scattering Raman.
Questo studio ha dimostrato che il metodo LI-SERS è applicabile per un uso più pratico. È particolarmente utile per il rilevamento di tracce di biomolecole prive di etichetta con grandi masse molecolari, comprese basi di DNA, sequenze di DNA e β-amiloide (Aβ). A causa della sensibilità ultraelevata e dell'autoimmobilizzazione di LI-SERS, è stata ottenuta la discriminazione delle basi del DNA e delle sequenze di DNA con un limite di rilevamento di 1 fM senza richiedere trattamenti aggiuntivi con agenti di accoppiamento o reticolazione. Inoltre, la tecnica LI-SERS può rilevare l'Aβ privo di etichette, un biomarcatore del morbo di Alzheimer, a livelli inferiori a 1 pM e con una correlazione lineare tra il segnale Raman e la concentrazione di Aβ nell'intervallo 1 nM-1 pM raggiunto. La capacità di biorilevamento senza etichetta di LI-SERS offre un grande potenziale per la diagnosi precoce delle malattie nelle cliniche.
In conclusione, i ricercatori hanno fornito una panoramica dell'ambito del metodo LI-SERS per il rilevamento di tracce di biomolecole nei chip SERS microfluidici con particolare riferimento al rilevamento di tracce ultra di basi di DNA e Aβ. Un'interfaccia liquida è stata lasciata formare nel microcanale. Il flusso Marangoni e gli effetti di intrappolamento ottico indotti da LI-SERS hanno dimostrato un limite di rilevamento di 1 fM per basi di DNA prive di etichetta. Le caratteristiche notevoli del metodo LI-SERS, tra cui l'altissima sensibilità e versatilità associate alla raccolta e all'autoimmobilizzazione delle molecole di analita sui punti caldi, saranno utili per la diagnosi di malattie in fase iniziale come le infezioni virali e il morbo di Alzheimer. + Esplora ulteriormente
