Cangkang diatom silika yang disesuaikan dengan nanopartikel Au memungkinkan analisis molekul yang sensitif untuk aplikasi biologi, keselamatan, dan lingkungan

Hasil

Fungsionalisasi dengan Au–NPs

Tanah diatom (DE) dibersihkan dengan larutan piranha untuk menghilangkan residu organik. Sampel kemudian dipertahankan selama 120 detik dalam larutan asam fluorida (HF) 2% yang diencerkan untuk menghilangkan fragmen kecil, membuat permukaan diatom menjadi kasar, dan mendorong nukleasi Au. Sampel yang kemudian didekorasi dengan Au–NPs menggunakan proses foto-deposisi. Cangkang disuspensikan dalam air DI dengan larutan asam kloroaurat 0,1% (HAuCl₄ ) dalam isopropil alkohol dan disinari dengan lampu UVA/UVB Osram Ultra Vitalux. Waktu iradiasi, konsentrasi cangkang diatom dalam larutan, dan jumlah asam kloroaurat divariasikan pada interval yang signifikan untuk menghasilkan morfologi nanopartikel yang berbeda. Untuk konfigurasi saat ini, kami menggunakan 20 mg cangkang dalam 50 ml pelarut dan injeksi tepat waktu 30 l asam kloroaurat setiap 5 menit, dengan durasi total 1 jam. Perhatikan bahwa metode ini tidak menyiratkan reduksi elektrokimia ion emas menjadi emas metalik seperti pada deposisi tanpa listrik [18, 19]. Berikut ini, kami akan menunjukkan cangkang diatom yang difungsikan Au–NPs dengan singkatan D24. Spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) digunakan untuk mengkarakterisasi sistem D24. Spektrum XPS resolusi tinggi diperoleh menggunakan kekuatan P = 100 W, energi pancaran e = 11.7 keV, resolusi δe = 0.1 eV, waktu akumulasi t = 20 min. Puncak dalam spektrum direferensikan ke puncak karbon C1 pada energi ikat 284,8 ev. Pada Gambar. 2, kami melaporkan spektrum XPS sistem sebelum dan sesudah fungsionalisasi. Kami mengamati bahwa, setelah fungsionalisasi, sistem D24 menampilkan kemunculan emas metalik (pita inti Au4f5 pada energi ikat 84 ev), dan jejak pita valensi yang terkait dengan Au4d3 (353 eV), Au4d5 (334 eV), Au5d3 (6 eV ). Kami juga mengamati jejak Natrium (Na1s, 1071 eV dan Auger memuncak pada 497 eV) dan Silikon (Si2s, 2p pada 150 dan 97 eV), yang dikaitkan dengan kontaminan dalam substrat yang digunakan untuk deposisi tetesan nanopartikel. Kehadiran karbon (C1s) dalam spektrum adalah kebetulan, tidak terkait dengan proses fabrikasi, dan hasil dari adsorpsi spontan tingkat normal karbon yang terkandung di atmosfer ke permukaan diatom. Metode yang disajikan untuk sintesis nanopartikel memungkinkan pembentukan nanopartikel pada permukaan luar diatom dan di dalam pori-pori. Gambar mikroskop elektron pemindaian (SEM) tambahan yang disajikan dalam File tambahan 1 menunjukkan deposisi nanopartikel Au jauh di dalam matriks pori diatom. Jadi, sementara pori-pori dalam matriks berpori memungkinkan sekuestrasi, imobilisasi, dan retensi analit, susunan nanopartikel emas memungkinkan efek SERS dan deteksi analit dalam rentang kelimpahan yang sangat rendah. Efek ini terjalin erat.

Spektrum XPS dari cangkang diatom silikon dioksida sebelum (diagram bawah) dan setelah (diagram atas) fungsionalisasi dengan nanopartikel emas

Mensimulasikan Bidang EM Sekitar D24/Au–NP

Kami menggunakan simulasi komputer dan analisis elemen hingga (FEA) untuk mengevaluasi bidang EM di sekitar susunan nanopartikel emas dalam sistem D24 (Metode dan File tambahan 4). Karena pola lubang di diatom menunjukkan simetri heksagonal (Gbr. 3a) yang menyerupai kristal fotonik, kami menggunakan skema numerik untuk mengevaluasi apakah geometri serupa, yang didekorasi dengan distribusi nanopartikel Au yang seragam, dapat meningkatkan sinyal EM secara lokal. Pola simulasi pori-pori direproduksi dari gambar SEM nyata (Gbr. 3b). Maksimal 125 partikel ditempatkan di sekitar setiap pori dan di antara pori-pori (Gbr. 3b). Kami memperkirakan bidang EM insiden dengan gelombang bidang terpolarisasi linier TM dengan panjang gelombang pusat λ = 633 nm, daya P _termasuk = 1 W, dan kerapatan daya terkait I = 2,5 × 10 ⁸ L/cm ² . Dalam simulasi, kulit diatom digambarkan oleh dielektrik dengan indeks bias n _H24 = 1.3 dan media sekitarnya serta pori-pori dianggap sebagai udara dengan n _udara =1. Au-NPs dimodelkan menggunakan formulasi Rakic ​​dan rekan [20]. Hasil menunjukkan (Gbr. 3c) bahwa medan EM yang diperkuat oleh sistem tidak merata dalam volume yang diinginkan, dengan medan EM lebih disukai terkonsentrasi di sekitar partikel nano emas, di mana ia mencapai intensitas setinggi |E|~3 × 10 ⁸ V/m, dan faktor peningkatan terkait Q~10 ² jika kita mempertimbangkan bidang EM dan Q~10 ⁸ jika kita mempertimbangkan efek spektroskopi Raman (SERS) yang ditingkatkan permukaan. (Dalam hal ini, peningkatan sebanding dengan amplitudo medan listrik lokal pangkat empat [21]). Karena dalam aplikasi praktis permukaan diatom mungkin secara acak berorientasi terhadap radiasi eksternal, memiliki beberapa kepentingan menganalisis perilaku |E| sebagai fungsi dari arah bahwa normal permukaan diatom terbentuk dengan gelombang TM yang merambat (Gbr. 3e). Di = 0 − 70 ^° interval, |E| berosilasi antara ~1,5 × 10 ⁸ V/m = |E|_mnt di = 20 ^° dan ~4 × 10 ⁸ V/m = |E|_maks pada = 50 ^° . Dengan demikian intensitas medan EM sangat dipengaruhi oleh cara sistem D24 diposisikan pada permukaan untuk analisis dan inspeksi berturut-turut. Namun perhatikan bahwa bahkan dalam konfigurasi terburuk, nilai yang dihitung dari |E|_min cukup besar untuk menghasilkan analisis yang kuat dan sensitif dari sinyal yang terkait dengan propagasi bidang EM.

Gambar SEM dari kisi heksagonal pori-pori pada permukaan diatom yang mereproduksi kristal fotonik (a ). Ukuran pori, bentuk, dan topologi prototipe nyata, dan pola acak NP emas yang didistribusikan di antara pori-pori, direplikasi dalam kotak alat analisis elemen hingga numerik (b ). Keluaran dari simulasi adalah bidang EM dan peningkatan bidang EM di sekitar agregat nanopartikel emas, dengan bidang EM maksimum hampir ~3 10 ⁸ V/m (c ). Distribusi EM menunjukkan kepekaan terhadap orientasi permukaan pori sehubungan dengan radiasi insiden eksternal (d ). Memvariasikan sudut datang antara radiasi eksternal dan normal permukaan pori selama interval yang signifikan, kami menemukan bahwa intensitas medan EM maksimum berosilasi antara ~1,5 10 ⁸ dan ~4 10 ⁸ V/m (e )

Analisis FEM yang disajikan pada Gambar. 3a-c mensimulasikan bidang EM dalam geometri planar 2D yang disederhanakan—untuk konfigurasi ini, bidang EM berkembang di sekitar nanopartikel Au pada permukaan diatom eksternal. Namun demikian, dalam skema tiga dimensi dari Gambar. 3d dan gambar lain yang disajikan dalam file tambahan 4, nanopartikel emas didistribusikan di sepanjang permukaan internal pori-pori. Skema ini, lebih mirip dengan prototipe fisik nyata, menunjukkan bahwa analit yang diserap oleh perangkat D24 dapat berinteraksi dengan medan EM—dan terdeteksi—untuk lokalisasi timbal balik pori/analit. Jadi, bahkan jika SERS adalah efek jarak pendek dan medan EM meluruh dengan kekuatan tiga jarak dari nanopartikel emas [22], pemanenan analit dan kolokalisasi analit/pori memastikan kemampuan penginderaan perangkat. Selanjutnya, kami mendemonstrasikan lokalisasi analit dalam pori-pori dengan gambar fluoresensi pembesaran tinggi tambahan dari sistem D24 yang dimuat dengan nanospheres Kuning Hijau 50 nm (File tambahan 3). Tumpang tindih spasial antara sinyal fluoresensi dan perangkat diatom D24 dan sinyal latar belakang yang semakin kecil menunjukkan bahwa penyerapan analit sangat efisien tanpa meninggalkan residu atau minimal.

Analisis SERS BSA dalam Solusi

Di sini, kami menilai kemampuan perangkat D24 untuk beroperasi sebagai agen pemanen molekuler dan perangkat penginderaan dalam sistem biologis. Kami menginkubasi perangkat D24 dalam larutan yang mengandung bovine serum albumin (BSA) dalam 10 ⁻¹⁶ Konsentrasi M, dengan kelimpahan relatif 1 mg perangkat D24 dalam 1 ml larutan. Jaringan kompleks bukaan yang menembus ke dalam diatom merupakan filter yang dapat menyerap molekul dengan diameter hidrodinamik lebih kecil dari ukuran pori. Mempertimbangkan bahwa, untuk konfigurasi saat ini, ukuran pori rata-rata hampir 200 nm, protein BSA dengan karakteristik ukuran panjang ~ 6 nm [21] akan mudah terakumulasi dalam matriks pori. Setelah 10 menit dari inkubasi, sistem D24 dipisahkan dan diekstraksi dari larutan awal melalui sedimentasi. Perangkat D24 yang mengandung BSA ditempatkan di atas mikroskop Renishaw inVia mikro-Raman untuk dianalisis.

Gambar 4a melaporkan spektrum Raman terukur dari kapsul D24 (i), BSA murni (ii), BSA + cangkang diatom yang tidak berfungsi (iii), dan sistem BSA + D24 (iv). Perhatikan bahwa dalam konfigurasi terakhir, sistem menghasilkan efek SERS. Pada Tabel 1, kami melaporkan perbandingan langsung dan penetapan tentatif dari puncak yang diukur dalam sistem dengan (iii) dan tanpa (ii) efek SERS. Sementara BSA masih dapat dideteksi dalam cangkang diatom sederhana, nanopartikel Au dalam sistem D24 menyoroti keberadaan komponen aromatik BSA pada 1392 cm ⁻¹ dan dalam 1556–1576 cm ⁻¹ pita. Puncaknya pada 1670 cm ⁻¹ menunjukkan adanya Amida I dalam sampel, yang pada gilirannya menunjukkan β - konformasi lembar terlihat dengan SERS. Puncak yang sesuai dalam mikro Raman sederhana terletak di 1658 cm ⁻¹ , yang secara berbeda menunjukkan sebuah α -struktur heliks Pada saat yang sama, peningkatan relevan dari peregangan simetris COO- pada 1392 cm ⁻¹ menunjukkan interaksi elektrostatik yang kuat dengan permukaan diatom/emas [23]. Pemindaian matriks SERS sampel di area terbatas dilakukan pada frekuensi pusat f = 1576 cm ⁻¹ untuk menilai reparabilitas, reliabilitas, dan sensitivitas pengukuran (Gbr. 4b). Plot raster sinyal SERS dalam dua konfigurasi yang berbeda (Gbr. 4c, d) menunjukkan kemampuan sistem merekonstruksi distribusi spasial konten BSA di seluruh cangkang dalam rentang kelimpahan yang semakin rendah. Dalam percobaan yang dilaporkan sebelumnya [24], kami telah menyelidiki pemanasan lokal yang disebabkan oleh amplifikasi EM dan plasmonik. Meskipun kami mengamati peningkatan suhu yang relevan dan selektif lokasi yang terkait dengan perangkat nano-fotonik pada substrat, dengan nilai suhu absolut setinggi ~ 400 K, namun daya laser yang terkait dengan peningkatan ini harus disetel dalam kisaran 10 mW, yaitu, dua kali lipat lebih tinggi dari intensitas daya laser P = 0,18 mW digunakan untuk pengukuran arus. Oleh karena itu, dalam hal ini, efek pemanasan buatan dan kemungkinan perubahan konformasi protein diabaikan. Perubahan konformasi dan perubahan isi relatif β - lembaran dalam protein diaktifkan oleh medan suhu yang diterapkan secara eksternal mulai dari ~ 340 K [25].

Spektrum Raman BSA murni, BSA teradsorpsi oleh cangkang silikon dioksida, dan BSA teradsorpsi oleh sistem D24, dalam dua percobaan terakhir, konsentrasi awal BSA adalah 10 ⁻¹⁶ (a ). Pemeriksaan mikroskop optik sistem D24 setelah inkubasi dengan BSA (b ); Peta Raman BSA diperoleh melalui sistem D24 individu (c , d )

Analisis SERS Minyak Mineral

Perangkat D24 didemonstrasikan dalam analisis dan deteksi minyak mineral dalam faktor pengenceran yang semakin rendah. Minyak mineral adalah produk sampingan dari penyulingan minyak bumi untuk menghasilkan bensin. Ini mengandung campuran ringan alkana yang lebih tinggi dengan parafin minyak mineral ini mulai dari sekitar C ₁₈ untuk C ₄₀ :kira-kira sesuai dengan komposisi minyak dasar untuk pembuatan minyak pelumas atau hidrolik [26]. Dalam komentar terbaru [26], direkomendasikan untuk mengurangi paparan minyak mineral ke tingkat yang lebih rendah dari ~ 50 mg/kg, yaitu 50 ppm. Oleh karena itu, analisis minyak mineral (m.o.) dan produk terkait menjadi perhatian dalam pencemaran lingkungan dan keamanan pangan. m.o diperiksa menggunakan spektroskopi Raman mengikuti metode yang dijelaskan dalam analisis BSA sebelumnya.

Gambar 5a menampilkan spektrum Raman yang diukur relatif terhadap kapsul D24 tunggal (i), dengan satu-satunya m.o. (ii), dan menjadi emulsi m.o. dan air DI dalam konsentrasi yang berbeda (iii). Silikon dioksida adalah komponen utama dari sistem D24 (i). Dalam rentang frekuensi yang dipertimbangkan 600–3200 cm ⁻¹ , kami mengamati puncak Raman di pita 950 cm ⁻¹ , terkait dengan hamburan silikon orde kedua, dan pada pita 2130 cm ⁻¹ , terkait dengan SiH₂ peregangan [27]. m.o. spektrum (ii) dicirikan oleh puncak pada 1450 cm ⁻¹ , indikasi dari CH₂ getaran gunting, dan puncaknya pada 2850–2923 cm ⁻¹ wilayah, disebabkan CH peregangan [28]. Spektrum Raman relatif terhadap D24 setelah adsorpsi dengan m.o. pada konsentrasi yang berbeda mulai dari 0,05 hingga 200 l/ml menunjukkan bahwa kandungan relatif m.o. dalam emulsi dikodekan dalam pita 1450 dan 2850–2923 cm ⁻¹ . Semakin tinggi kandungan m.o. dalam emulsi, semakin tinggi puncak Raman dalam rentang frekuensi ini. Hebatnya, analisis D24 sensitif terhadap m.o. pengenceran serendah 0,050 l/ml ≡ 50 ppm, (m. o. : DI water), yaitu nilai ambang batas yang di atasnya kekhawatiran akan keselamatan, toksisitas, atau polusi dapat meningkat. Peta Raman dari m.o. pada pengenceran 10 l/ml diukur di atas permukaan D24 dan dilaporkan di awal Gambar 5b. Peta dihitung pada frekuensi pusat f = 1450 cm ⁻¹ (Gbr. 5c) dan f = 2900 cm ⁻¹ (Gbr. 5d). Dalam semua kasus, intensitas Raman sebanding dengan isi m.o. dalam kulit diatom, dan m.o. profil direkonstruksi dengan resolusi submikrometer.

Spektrum Raman dari sistem D24, minyak mineral murni, dan minyak mineral teradsorpsi oleh sistem D24 dalam konsentrasi yang semakin rendah (a ). Gambar optik sistem D24 setelah inkubasi dengan minyak mineral dan sedimentasi (b ). Peta Raman dari minyak mineral yang diserap oleh perangkat mikro D24 diperoleh di f = 1450 cm ⁻¹ (c ) dan f = 2900 cm ⁻¹ (d )