Easy detection of enzymes with the electrochemical-SERS effect

Význam tématu

Ramanova spektroskopie nabízí jedinečné otisky molekul díky svým fingerprint vlastnostem, ale nízká citlivost ji dosud omezovala v praxi. Kombinace se SERS efektem aktivovaným elektrochemicky rozšiřuje její užití zejména v biologické analytice, kdy je možné rychle a selektivně detekovat enzymy v roztocích.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem práce bylo demonstrovat využití spectroelectrochemie ve spojení s Ramanovou spektroskopií (laser 638 nm) pro snadné odhalení dvou modelových enzymů – aldehyddehydrogenázy (ALDH) a cytochromu c. Studie popisuje postup aktivace Ag povrchu, operando měření a přiřazení charakteristických Ramanových pásem.

Použitá metodika a instrumentace

Měření probíhala v režimu operando, kdy se současně sbírají elektrochemická data a Ramanovy spektra během potenciálových cyklů.

• Elektrochemická aktivace Ag povrchu (screen-printed i konvenční): oxidace na +0,50 V následovaná redukcí až na -0,60 V respektive -0,80 V pro tvorbu nanostruktur se SERS efektem.
• SPELEC RAMAN 638 s laserem 638 nm pro vyváženou excitaci bez nadměrné fluorescenční interference.
• Software DropView SPELEC pro synchronizované snímání a analýzu spekter v reálném čase.

Použitá instrumentace

• SPELEC RAMAN 638 (638 nm laser, Raman posuv 50–4370 cm⁻¹)
• Ramanový probe pro laserovou vlnovou délku 638 nm
• Spektroelectrochemické buňky pro screen-printed a konvenční elektrody
• Ag screen-printed elektrody (C013) a konvenční Ag pracoviště, ocelový proti-elektrod, Ag/AgCl referenční elektroda
• DropView SPELEC software

Hlavní výsledky a diskuse

• Detekce ALDH (1 mg/mL) v 0,1 M KCl: optimální Raman intenzita vyplynula při -0,50 V, kde se objevily charakteristické pásy odpovídající vibracím proteinové struktury.
• Detekce cytochromu c (0,1 mg/mL) v 0,1 M KCl: nejvýraznější signál při -0,70 V. Přiřazena vibrace heme skupiny (713 cm⁻¹), deformace pyrrolů a C–C vazeb, klíčová pásma 1604 cm⁻¹ (redukované Fe) versus 1636 cm⁻¹ (oxidované Fe).
• Operando měření umožnila sledovat změny signálu v čase a snadno identifikovat optimální potenciál pro maximální SERS efekt.

Přínosy a praktické využití metody

• Rychlé a selektivní stanovení enzymů v roztocích bez potřeby značkování.
• Možnost charakterizace redoxních stavů biomolekul během měření.
• Jednoduchá implementace do QA/QC a biochemických laboratoří díky kompaktnímu přístroji a automatizaci sběru dat.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření na další biologické makromolekuly a metabolity.
• Integrace do mikrofluidních systémů pro on-line monitoring.
• Vývoj multikanálových SERS senzorů pro paralelní analýzu vzorků.
• Využití v klinické diagnostice a environmentálním sledování.

Závěr

Electrochemická aktivace Ag elektrod ve spojení s 638 nm Raman spektroskopií umožňuje snadnou a rychlou detekci enzymů jako ALDH a cytochrom c. Metoda poskytuje kvalitní fingerprint signály a navíc sleduje redoxní změny analytu v reálném čase. Tím se otevírá cesta k aplikacím v biologické analytice, diagnostice a průmyslové QC.

Reference

• Martin-Yerga D., Pérez-Junquera A., González-García M. B. a kol. Quantitative Raman Spectroelectrochemistry Using Silver Screen-Printed Electrodes. Electrochimica Acta 2018, 264, 183–190.
• Brazhe N. A., Evlyukhin A. B., Goodilin E. A. a kol. Probing Cytochrome c in Living Mitochondria with Surface-Enhanced Raman Spectroscopy. Sci Rep 2015, 5 (1), 13793.
• Hu S., Morris I. K., Singh J. P. Complete Assignment of Cytochrome c Resonance Raman Spectra via Enzymic Reconstitution with Isotopically Labeled Hemes. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115 (26), 12446–12458.