Raman microscopy to monitor gold (Au) covered silicon nanowire for SERS biosensing

Význam tématu

Surface enhanced Raman scattering (SERS) na povrchu zlatem pokrytých křemíkových nanovláken představuje vysoce citlivou analytickou metodu pro detekci biomolekul v reálném čase. Kombinace plasmonických vlastností zlatého povlaku s strukturou dislokovaného pole nanovláken umožňuje zvýšení absorbce světla a návratových Ramanových signálů, což je klíčové pro aplikace v diagnostice, environmentálním monitoringu a biochemické analýze.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo sledovat krok za krokem modifikaci povrchu disčástice zlatem pokrytých křemíkových nanovláken (Au/SiNWs) vedoucí k tvorbě specifického biosenzoru pro detekci avidinu pomocí biotinem modifikovaných povrchů. Prokázalo se, že morfologie nanovláken významně zvyšuje intenzitu SERS signálu a že konečná konstrukce dokáže cíleně vázat avidin prostřednictvím receptor-ligand interakcí.

Použitá instrumentace

• Thermo Scientific™ DXR3 Raman Microscope (532 nm laser, 5 mW, 50× objektiv)
• OMNIC Spectral Software pro akvizici a zpracování spekter
• Skener elektronového mikroskopu (SEM) pro top- a boční pohled na SiNWs před a po Au pokrytí

Použitá metodika

1. Produkce SiNWs na skleněných podložkách pomocí PECVD s katalytickým zlatem.
2. Fyzikální depozice Au vrstvy o tloušťce 150 nm.
3. Vznik SAM vrstvou cysteaminu (20 mM, 70 °C, overnight).
4. Konjugace NHS-biotinu v pufru PBS za pokojové teploty.
5. Inkubace s 1 µM roztokem avidinu (30 min) a následné oplachy.
6. Vizualizace a spektrální analýza po každém kroku.

Hlavní výsledky a diskuse

Disordered pole SiNWs vedlo ke ~20× silnějším Ramanovým signálům než plánární Au vrstvy, což je připsáno plasmonickému zesílení v důsledku tvaru nanostruktur. Optické obrazy ukázaly změnu barvy povrchu po každé modifikaci: zlatavé až po modrozelený odstín indikuje úspěšnou imobilizaci biotinu a následné vázání avidinu. V Ramanových spektrálních řadách se v pásmu ~1380 cm⁻¹ objevuje charakteristický píkový signál, který potvrzuje specifickou vazbu avidinu pouze u vzorků po biotinylaci; kontrolní vzorek bez biotinu takový signál nevykázal.

Přínosy a praktické využití metody

Metoda nabízí nízkonákladovou a škálovatelnou výrobu SERS substrátů na běžných mikroskopických sklíčkách při relativně nízkých teplotách. Snadná integrace s komerčními Raman spektrometry umožňuje rychlou a citlivou detekci biomolekul ve vodných prostředích, což je výhodné pro on-site analýzy v biomedicíně, potravinářství i ochraně životního prostředí.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Vývoj multiplexních SERS biosenzorů pro simultánní detekci více analytů.
• Integrace s elektrochemickými metodami pro kombinované SERS/electrochemical senzory.
• In vivo aplikace v medicínském zobrazování a monitoringu.
• Automatizace a optimalizace výroby disordered SiNW polí pro průmyslové nasazení.

Závěr

Studie ukázala, že kombinace Raman mikroskopie a mikroskopické vizualizace poskytuje komplexní pohled na chemickou i strukturní stránku konstrukce SERS substrátů. Au/SiNWs modifikované cysteaminem a biotinem efektivně vážou avidin, což demonstruje potenciál této platformy pro citlivou biosenzoriku.

Reference

1. Convertino V., Mussi V., Maiolo L., et al. Disordered array of Au covered Silicon nanowires for SERS biosensing combined with electrochemical detection. Scientific Reports 6:25099 (2016).