Золото-функционализированные фрустулы диатомовых водорослей: иерархический наноприбор для высокочувствительного SERS-определения биомолекул и экологических загрязнителей

Аннотация

Кремнезовые фрустулы диатомовых водорослей — природные диоксид кремния оболочки с высокоупорядоченными пористыми решетками, которые можно использовать как дешевые, высокопроизводительные платформы для захвата и детекции молекул. Представлен масштабируемый метод фотоосадки, равномерно покрывающий фрустулы 20-нм золотыми наночастицами, создающий иерархический наноприбор (D24), сочетающий макроскопическую манипулябельность, микрометрический захват аналита и нанометрическую поверхностно-усиленную Рамановскую спектроскопию (SERS). Приборы D24 захватывают серумальный альбумин грызуна (BSA) и минеральное масло при концентрациях до 10⁻¹⁶ М и 50 ppm соответственно, демонстрируя потенциал для биомедицинской диагностики, контроля безопасности и экологического мониторинга.

Введение

Диатомы — повсеместные одноклеточные водоросли, дающие 40–50% океанической органики и 20% глобальной фиксации CO₂. Их фрустулы — микрометрические кремнезовые цилиндры диаметром ≈ 8 мкм и высотой > 10 мкм — обладают исключительной удельной прочностью (~ 1700 кН·м⁻¹) и естественными фотонными свойствами благодаря регулярным пористым решеткам (диаметр 200 ± 40 нм). Эти атрибуты делают диатомы привлекательными для нанотехнологий, однако практические приложения ограничены, так как требуется дополнительная функционализация для придания сенсорных способностей.

Здесь демонстрируется простой, масштабируемый процесс фотоосадки, равномерно наносящий золотые наночастицы на диатомовые раковины, создающий многоуровневую архитектуру для эффективного захвата аналита и SERS-детекции. Метод использует диатомит — пищевую, дешевую сырьевая базу — для получения больших объемов приборов D24 за менее чем час.

Результаты

Функционализация Au наночастицами

После очистки диатомита пираньевым раствором и обработки 2% HF для шероховатия поверхности, раковины взвешивали в 0,1% растворе HAuCl₄ в изопропаноле и облучали УФ-А/УФ-Б светом. Контролируя концентрацию раковин, инъекцию золотосодержащего предшественника и время облучения (1 ч, 20 мг раковин в 50 мл, 30 мкл HAuCl₄ каждые 5 мин), достигали плотного, равномерного покрытия 20-нм Au наночастиц как на внешней поверхности, так и внутри пор.

Расканирующая электронная микроскопия (SEM) подтвердила, что наночастицы занимают поры и внешнюю поверхность раковины (Рис. 1b,c). Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) выявила металлическое золото (Au 4f₅/₂ при 84 эВ) и характерные признаки валентной зоны, подтверждая успешную функционализацию (Рис. 2).

Электромагнитное усиление поля

Моделирование конечными элементами описало систему D24 как диэлектрик (n = 1,3) с гексагональной пористой решеткой и 125 Au наночастицами на пору. При облучении TM-плоской волной 633 нм (1 Вт) локальное электрическое поле у наночастиц достигало |E| ≈ 3 × 10⁸ В/м, давая коэффициент усиления поля Q ≈ 10² и SERS-усиление Q_SERS ≈ 10⁸. Усиление варьировалось с углом падения θ, колебля между |E| ≈ 1,5 × 10⁸ В/м (θ = 20°) и |E| ≈ 4 × 10⁸ В/м (θ = 50°), но оставалось достаточным для надежного детектирования во всех ориентациях (Рис. 3).

SERS-анализ BSA

Инкубация приборов D24 в растворе BSA 10⁻¹⁶ М (1 мг/мл) в течение 10 мин привела к захвату BSA внутри 200-нм пор. Рамановские спектры, полученные лазером 633 нм (0,18 мВт), показали четкие SERS-пики при 1392, 1556–1576 и 1670 см⁻¹, соответствующие ароматическим вибрациям, амидным полосам и растяжению COO⁻ (Рис. 4a). Рамановское маппирование подтвердило однородное распределение BSA по прибору (Рис. 4c,d).

SERS-анализ минерального масла

Приборы D24 захватывали минеральное масло (ММ) из водных эмульсий до 50 ppm. Рамановские спектры демонстрировали характерные полосы сissor-вибраций CH₂ (1450 см⁻¹) и растяжения CH (2850–2923 см⁻¹), линейно масштабирующиеся с концентрацией ММ (Рис. 5a). Маппирование при 1450 и 2900 см⁻¹ разрешало распределение ММ с субмикрометрическим разрешением (Рис. 5c,d).

Обсуждение

Платформа D24 интегрирует захват, удержание и детекцию в одном портативном приборе. В отличие от традиционных SERS-субстратов, требующих внешней депониции аналита, D24 одновременно служит концентратором мишени и сенсором, позволяя мониторинг в реальном времени в сложных матрицах. Иерархический дизайн позволяет вводить приборы в биологические циркуляторные системы, где они могут секвестировать биомаркеры и сообщать о состояниях болезней с высокой пространственной и временной разрешающей способностью.

Ранние работы демонстрировали диатомовые SERS-субстраты с серебром или безэлектролитической золотой осадкой, но эти подходы либо иммобилизовали фрустулы, либо требовали более сложной химии. Наш метод фотоосадки быстр, масштабируем и требует минимальной пост-обработки, делая его пригодным для крупносерийного производства.

Заключение

Установлен быстрый, экономичный протокол производства золото-покрытых фрустул диатом (D24), захватывающих молекулы и обеспечивающих SERS-усиление. Приборы детектируют BSA при 10⁻¹⁶ М и минеральное масло при 50 ppm, подчеркивая их потенциал для аналитической химии, биомедицинской диагностики, пищевой безопасности и экологического мониторинга.

Методы

Расканирующая электронная микроскопия

Образцы D24 монтировали на углеродной ленте и визуализировали на Zeiss Auriga Compact FE-SEM (вторичные электроны и обратное рассеяние) для морфологии и распределения Au.

Флуоресцентный анализ

Приборы инкубировали с 50-нм микросферами Fluoresbrite® Yellow Green (соотношение 1:10), затем обрабатывали на конфокальном микроскопе Leica TCS-SP2 (лазер ArUV, возбуждение 441 нм, эмиссия 485 нм). Изображения покрывали 975 × 750 мкм² и усреднялись для снижения шума.

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

XPS выполняли на PHI Versa Probe II с 100-Вт Al Kα источником (11,7 кэВ). Обзорные спектры (≥ 20 мин) и высокоразрешающие (0,1 эВ) реферировали к C 1s (284,8 эВ).

Электромагнитное моделирование

COMSOL Multiphysics 5.3 смоделировал элементарную ячейку с 125 20-нм Au сферами на диэлектрике с индексом 1,3. TM-плоская волна 633 нм (1 Вт) освещала ячейку, распределения полей вычислялись с идеально согласованными слоями и магнитными проводящими границами.

Рамановская спектроскопия

Рамановское маппирование использовали микро-Рамановский микроскоп Renishaw inVia с HeNe лазером 633 нм (0,18 мВт). Спектры снимали 20× объективом с интеграцией 20 с на точку.

Аббревиатуры

BSA

Серумальный альбумин грызуна

D24 systems

Кремнезовые диатомовые раковины, функционализированные золотыми наночастицами

DE

Диатомит

MO

Минеральное масло

SERS

Поверхностно-усиленная Рамановская спектроскопия