Las cáscaras de diatomeas de sílice diseñadas con nanopartículas de Au permiten el análisis sensible de moléculas para aplicaciones biológicas, de seguridad y medioambientales

Resumen

Las conchas de diatomeas son un material natural, teóricamente ilimitado, compuesto de dióxido de silicio, con patrones regulares de poros que penetran a través de su superficie. Por sus características, los caparazones de diatomeas prometen ser utilizados como portadores de medicamentos, dispositivos sensores u otros microdispositivos de bajo costo y altamente eficientes. Aquí, demostramos conchas de diatomeas funcionalizadas con nanopartículas de oro para la recolección y detección de analitos biológicos (albúmina de suero bovino, BSA) y contaminantes químicos (aceite mineral) en rangos de abundancia baja, para aplicaciones en bioingeniería, medicina, seguridad y monitoreo de contaminación.

Antecedentes

Las diatomeas son algas unicelulares masivamente presentes en la tierra con más de 100.000 especies distribuidas en nichos acuáticos (océanos, lagos, ríos) y semiacuáticos (humedales y suelos). Contribuyen a aproximadamente un 40-50% del contenido total de material orgánico en los océanos y al ~ 20% de la conversión de dióxido de carbono en compuestos orgánicos (es decir, fotosíntesis) en la biosfera [1,2,3].

Las diatomeas están protegidas por una capa de dióxido de silicio funcional (frústulas) con una arquitectura compleja a escala micrométrica y un tamaño de poro que varía entre especies. Debido a su microestructura, las conchas de diatomeas muestran valores de resistencia específica de hasta ~ 1700 kN m / kg que están muy por encima de los de otros materiales naturales celulares, compuestos y de seda, incluida la seda de araña (1000 kN m / kg) [4,5, 6,7]. Además, debido a la regularidad y simetría en la red de poros alineados en la superficie de la frústula, a menudo los marcos de diatomeas muestran propiedades ópticas naturales y revelan convergencia de luz, concentración y efectos de atrapamiento, según la geometría y topología de los poros, la longitud de onda y la válvula. orientación [8,9,10,11,12].

Así, las diatomeas son estructuras tridimensionales a micro o nanoescala naturales (en oposición a las artificiales) abundantes, de bajo costo y de fácil acceso que no requieren de las técnicas tradicionales de nanofabricación para su producción y, a la vista de su escala, morfología, y sus propiedades, muestran potencial para ser utilizados como sensores en miniatura, cápsulas de administración de fármacos y otros microdispositivos [2, 13, 14]. Sin embargo, a pesar de esta promesa, hay relativamente pocas aplicaciones de las diatomeas en nanotecnología [15,16,17], posiblemente porque, si bien las conchas de diatomeas representan el soporte necesario para muchas estructuras, son necesarias más funcionalizaciones (modificaciones) para proporcionar a estas estructuras la funciones correctas.

En esta carta , demostramos un método para funcionalizar conchas de diatomeas de sílice con nanopartículas de Au. Esto da como resultado dispositivos con múltiples escalas en un diseño jerárquico. Cada capa es un cilindro de dióxido de silicio con un diámetro medio d ~ 8 μm y altura h ~ 10 μm (Fig. 1a y archivo adicional 1). Las superficies de la concha incorporan patrones densos de poros que son de forma aproximadamente circular y su tamaño varía en el intervalo estrecho p _s =200 ± 40 nm (Fig. 1b, c). Luego, las nanopartículas de oro se distribuyen uniformemente sobre la superficie externa de las conchas, con un diámetro medio de las partículas de Au - np _s ~ 20 nm y pequeñas desviaciones alrededor de la media (Fig. 1b, c). Dado que las conchas de diatomeas se derivan aquí de la tierra de diatomeas, que es una fuente de frústula de bajo costo, teóricamente ilimitada (archivo adicional 2), el método produce grandes volúmenes de nanodispositivos en poco tiempo (Fig.1d, e).

Impresión artística de las conchas de diatomeas de dióxido de silicio, que aparecen como cilindros micrométricos con un diámetro medio de d ~ 8 μm y alturas superiores a h > 10 μm, matrices de poros decoran la superficie externa de las diatomeas ( a ). Micrografías SEM de capas de sílice funcionalizadas con nanopartículas de oro (sistemas D24) adquiridas a baja ( b ) y alto ( c ) factores de magnificación. A partir de estos, se puede observar el patrón regular de poros que impregnan la superficie de la diatomea decorada con nanopartículas de oro distribuidas al azar, con un tamaño de poro de ~ 200 nm y un tamaño de partícula de ~ 20 nm. SEM de campo grande ( d ) y óptico ( e ) Las imágenes de los sistemas D24 evalúan la capacidad del proceso de funcionalización para producir grandes volúmenes de microdispositivos. La inspección por microscopía de fluorescencia de los sistemas D24 después de la incubación con microesferas amarillas fluorescentes de 50 nm revela la selectividad, especificidad y sensibilidad de los dispositivos ( f )

El dispositivo integra diferentes escalas. (i) La dimensión submilimétrica de las carcasas permite la manipulación, manipulación y acceso al sistema. (ii) El tamaño micrométrico de los poros permite la recolección de moléculas, la selección y (en una evolución más sofisticada del dispositivo) la fragmentación. (iii) El tamaño nanométrico de los Au-NP permite el control y la amplificación de una radiación electromagnética (EM) externa. Por lo tanto, una arquitectura jerárquica de múltiples escalas permite extraer dianas moleculares analíticas específicas de una solución y caracterizarlas utilizando espectroscopía Raman de superficie mejorada (SERS) incluso en rangos de abundancia muy bajos. La incubación con microesferas fluorescentes de 50 nm (Fluoresbrite® Yellow Green Micropheres — Archivo adicional 3) y el análisis de fluorescencia subsiguiente indican la localización, selectividad, especificidad y ausencia de señal del fondo (ruido) de los dispositivos (Fig. 1f).

Resultados

Funcionalización con Au-NP

La tierra de diatomeas (DE) se limpió con una solución de piraña para eliminar los residuos orgánicos. A continuación, las muestras se mantuvieron durante 120 s en una solución diluida de ácido fluorhídrico (HF) al 2% para eliminar pequeños fragmentos, hacer rugosa la superficie de las diatomeas y promover la nucleación de Au. Luego, las muestras se decoraron con Au-NP mediante un proceso de fotodeposición. Las cáscaras se suspendieron en agua desionizada con una solución al 0,1% de ácido cloroáurico (HAuCl ₄ ) en alcohol isopropílico e iluminado con una lámpara UVA / UVB Osram Ultra Vitalux. El tiempo de irradiación, la concentración de conchas de diatomeas en solución y la cantidad de ácido cloroáurico se variaron en intervalos significativos para producir diferentes morfologías de nanopartículas. Para la configuración actual, se utilizaron 20 mg de conchas en 50 ml de disolvente e inyecciones oportunas de 30 μl de ácido cloroáurico cada 5 min, por una duración total de 1 h. Nótese que el método no implica la reducción electroquímica de iones de oro en oro metálico como en la deposición no electrolítica [18, 19]. A continuación, indicaremos las conchas de diatomeas funcionalizadas Au-NP con la abreviatura D24. Se utilizó espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) para caracterizar los sistemas D24. Los espectros XPS de alta resolución se adquirieron utilizando una potencia P =100 W, energía del haz e =11,7 keV, resolución δe =0,1 eV, tiempo de acumulación de t =20 min mínimo. Los picos en los espectros se referenciaron al pico de carbono C1s a 284,8 ev de energía de enlace. En la Fig. 2, informamos los espectros XPS de los sistemas antes y después de la funcionalización. Observamos que, después de la funcionalización, los sistemas D24 muestran la aparición de oro metálico (banda núcleo Au4f5 a 84 ev energía de enlace), y trazas de las bandas de valencia asociadas a Au4d3 (353 eV), Au4d5 (334 eV), Au5d3 (6 eV). ). También observamos trazas de Sodio (Na1s, 1071 eV y picos Auger a 497 eV) y Silicio (Si2s, 2p a 150 y 97 eV), que se atribuyen a contaminantes en el sustrato utilizado para la deposición de gotas de nanopartículas. La presencia de carbono (C1s) en los espectros es una coincidencia, no asociada al proceso de fabricación, y resulta de la adsorción espontánea de niveles normales de carbono contenidos en la atmósfera a la superficie de la diatomea. El método presentado para la síntesis de nanopartículas permite la formación de nanopartículas en la superficie externa de las diatomeas y dentro de los poros. Imágenes adicionales de microscopía electrónica de barrido (SEM) presentadas en el archivo adicional 1 demuestran la deposición de nanopartículas de Au en el interior de la matriz de poros de las diatomeas. Entonces, mientras que los poros en la matriz porosa permiten el secuestro, inmovilización y retención de analitos, la matriz de nanopartículas de oro permite el efecto SERS y la detección de analitos en rangos de abundancia muy bajos. Estos efectos están estrechamente entrelazados.

Espectros XPS de la capa de diatomeas de dióxido de silicio antes (diagrama inferior) y después (diagrama superior) de la funcionalización con nanopartículas de oro

Simulación de campo EM alrededor de D24 / Au – NP

Usamos simulaciones por computadora y análisis de elementos finitos (FEA) para evaluar el campo EM alrededor de matrices de nanopartículas de oro en el sistema D24 (Métodos y archivo adicional 4). Dado que los patrones de agujeros en la diatomea revelan una simetría hexagonal (Fig. 3a) que se asemeja a un cristal fotónico, utilizamos un esquema numérico para evaluar si una geometría similar, decorada con una distribución uniforme de nanopartículas de Au, puede mejorar localmente la señal EM. Se reprodujeron patrones simulados de poros a partir de una imagen SEM real (Fig. 3b). Se colocaron un máximo de 125 partículas alrededor de cada poro y entre los poros (Fig. 3b). Aproximamos el campo EM incidente con una onda plana polarizada linealmente TM con longitud de onda central λ =633 nm, potencia P _inc =1 W y densidad de potencia asociada I =2,5 × 10 ⁸ W / cm ² . En las simulaciones, la cáscara de diatomeas fue descrita por un dieléctrico con índice de refracción n _D24 =1.3 y el medio circundante y los poros se consideraron aire con n _aire =1. Los NP de Au se modelaron utilizando la formulación de Rakic et al. [20]. Los resultados indican (Fig. 3c) que el campo EM amplificado por el sistema se distribuye de manera desigual en el volumen de interés, con el campo EM preferentemente concentrado alrededor de las nanopartículas de oro, donde alcanza intensidades tan altas como | E | ~ 3 × 10 ⁸ V / m y factores de mejora asociados Q ~ 10 ² si consideramos el campo EM y Q ~ 10 ⁸ si consideramos los efectos de la espectroscopia Raman mejorada de superficie (SERS). (En cuyo caso, la mejora es proporcional a la amplitud del campo eléctrico local a la potencia de cuatro [21]). Dado que en aplicaciones prácticas la superficie de la diatomea puede orientarse aleatoriamente con respecto a una radiación externa, tiene cierto interés analizar el comportamiento de | E | en función de la dirección θ que forma la normal de la superficie de la diatomea con la propagación de la onda TM (Fig. 3e). En el θ =0 - 70 ^° intervalo, | E | oscila entre ~ 1,5 × 10 ⁸ V / m =| E | _min a θ =20 ^° y ~ 4 × 10 ⁸ V / m =| E | _max a θ =50 ^° . Por tanto, la intensidad del campo electromagnético se ve muy influida por la forma en que los sistemas D24 se colocan en una superficie para su análisis e inspección sucesivos. Sin embargo, observe que incluso en la peor configuración, los valores calculados de | E | _min son lo suficientemente grandes para producir un análisis robusto y sensible de la señal asociada a la propagación del campo EM.

Imagen SEM de una red hexagonal de poros en la superficie de la diatomea que reproduce un cristal fotónico ( a ). El tamaño, la forma y la topología del poro del prototipo real, y los patrones aleatorios de NP de oro distribuidos entre los poros, se replicaron en una caja de herramientas de análisis numérico de elementos finitos (FEA) ( b ). ). El resultado de las simulaciones es el campo EM y la mejora del campo EM alrededor de los agregados de nanopartículas de oro, con un campo EM máximo de casi ~ 3 10 ⁸ V / m ( c ). La distribución EM muestra sensibilidad a la orientación de la superficie de los poros con respecto a la radiación incidente externa ( d ). Variando el ángulo de incidencia entre la radiación externa y la normal de la superficie del poro en intervalos significativos, encontramos que la intensidad máxima del campo EM oscila entre ~ 1.5 10 ⁸ y ~ 4 10 ⁸ V / m ( e )

El análisis FEM presentado en la Fig. 3a-c simula el campo EM en geometrías planas 2D simplificadas; para esta configuración, el campo EM evoluciona alrededor de las nanopartículas de Au en la superficie externa de la diatomea. Sin embargo, en el esquema tridimensional de la Fig. 3d y otras imágenes presentadas en el Archivo Adicional 4, las nanopartículas de oro se distribuyen a lo largo de la superficie interna de los poros. Este esquema, más parecido al prototipo físico real, indica que los analitos adsorbidos por los dispositivos D24 pueden interactuar con el campo EM, y ser detectados, para cualquier localización recíproca de poro / analito. Entonces, incluso si SERS es un efecto de corto alcance y el campo EM decae con una potencia de tres de la distancia de las nanopartículas de oro [22], la recolección de analitos y la colocalización de analitos / poros aseguran las capacidades de detección del dispositivo. Además, con este fin, demostramos la localización del analito en los poros con imágenes de fluorescencia adicionales de gran aumento de los sistemas D24 cargados con nanoesferas de color verde amarillo de 50 nm (archivo adicional 3). La superposición espacial entre la señal de fluorescencia y los dispositivos de diatomeas D24 y la pequeña señal de fondo demuestran que la captación de analitos es altamente eficiente y no deja residuos mínimos o nulos.

Análisis SERS de BSA en solución

Aquí, evaluamos la capacidad de los dispositivos D24 para operar como agentes de recolección molecular y dispositivos de detección en sistemas biológicos. Incubamos los dispositivos D24 en una solución que contenía albúmina de suero bovino (BSA) en un 10 ⁻¹⁶ Concentración M, con una abundancia relativa de 1 mg de dispositivos D24 en 1 ml de solución. La compleja red de aberturas que penetra en la diatomea representa un filtro que puede absorber las moléculas con un diámetro hidrodinámico menor que el tamaño de los poros. Teniendo en cuenta que, para la configuración actual, el tamaño medio de los poros es de casi 200 nm, las proteínas BSA con un tamaño de longitud característico de ~ 6 nm [21] se acumularían fácilmente dentro de la matriz de los poros. Después de 10 minutos de incubación, los sistemas D24 se separaron y se extrajeron de la solución inicial mediante sedimentación. Los dispositivos D24 que contienen BSA se colocaron en el escenario de un microscopio Renishaw inVia micro-Raman para su análisis.

La Figura 4a informa los espectros Raman medidos de la cápsula D24 (i), de BSA pura (ii), de las conchas de diatomeas no funcionalizadas BSA + (iii) y de los sistemas BSA + D24 (iv). Observe que en la última configuración, los sistemas producen efectos SERS. En la Tabla 1 , reportamos una comparación directa y una asignación tentativa de picos medidos en los sistemas con (iii) y sin (ii) efectos SERS. Si bien BSA todavía es detectable en conchas de diatomeas simples, las nanopartículas de Au en los sistemas D24 destacan la presencia de los componentes aromáticos de BSA a 1392 cm ⁻¹ y en el 1556-1576 cm ⁻¹ banda. El pico a 1670 cm ⁻¹ sugiere la presencia de Amida I en la muestra, que a su vez sugiere β - conformación de la hoja visible con SERS. El pico correspondiente en micro Raman simple se encuentra a 1658 cm ⁻¹ , que sugiere de manera diferente un α -estructura de hélice. Al mismo tiempo, la mejora relevante del estiramiento simétrico COO a 1392 cm ⁻¹ sugiere fuertes interacciones electrostáticas con la superficie de diatomeas / oro [23]. Se llevaron a cabo escaneos de matriz SERS de muestras sobre áreas finitas a la frecuencia central f =1576 cm ⁻¹ para evaluar la reparabilidad, confiabilidad y sensibilidad de las mediciones (Fig. 4b). El diagrama de trama de la señal SERS en dos configuraciones diferentes (Fig. 4c, d) indica la capacidad del sistema de reconstruir la distribución espacial del contenido de BSA a través de las conchas en rangos de abundancia extremadamente bajos. En experimentos publicados anteriormente [24], hemos investigado el calentamiento local inducido por la amplificación EM y plasmónicos. Si bien observamos incrementos de temperatura relevantes y selectivos para el sitio asociados a los dispositivos nanofotónicos en un sustrato, con valores absolutos de temperaturas tan altas como ~ 400 K, no obstante, la potencia del láser asociada a estos incrementos debe establecerse en el rango de 10 mW, es decir, dos órdenes de magnitud más alta que la intensidad de potencia del láser P =0,18 mW utilizado para medidas de corriente. Por lo tanto, en este caso, se desprecian los efectos de calentamiento artificial y los posibles cambios conformacionales en las proteínas. Cambios conformacionales y cambios en el contenido relativo de β - las láminas de las proteínas se activan mediante campos de temperatura aplicados externamente a partir de ~ 340 K [25].

Espectros Raman de BSA puro, BSA adsorbido por capas de dióxido de silicio y BSA adsorbido por sistemas D24, en los dos últimos experimentos, la concentración inicial de BSA fue 10 ⁻¹⁶ ( a ). Inspección por microscopía óptica de los sistemas D24 después de la incubación con BSA ( b ); Mapa Raman de BSA adquirido en sistemas D24 individuales ( c , d )

Análisis SERS de aceite mineral

Los dispositivos D24 se demostraron en el análisis y detección de aceite mineral en factores de dilución cada vez más bajos. El aceite mineral es un subproducto de la destilación del petróleo para producir gasolina. Contiene mezclas ligeras de alcanos superiores con las parafinas de este aceite mineral en un rango de aproximadamente C ₁₈ a C ₄₀ :corresponde aproximadamente a la composición del aceite base para la fabricación de aceites lubricantes o hidráulicos [26]. En un comentario reciente [26], se recomienda reducir la exposición al aceite mineral a niveles inferiores a ~ 50 mg / kg, es decir, 50 ppm. Por lo tanto, el análisis de aceite mineral (m.o.) y productos relacionados es de interés en la contaminación ambiental y la seguridad alimentaria. m.o se examinó mediante espectroscopia Raman siguiendo los métodos descritos en el análisis BSA anterior.

La Figura 5a muestra los espectros Raman medidos en relación con las cápsulas D24 de la suela (i), con la m.o. de la suela. (ii), y a una emulsión de m.o. y agua desionizada en diferentes concentraciones (iii). El dióxido de silicio es el componente principal de los sistemas D24 (i). En el rango considerado de frecuencias 600–3200 cm ⁻¹ , observamos picos Raman en la banda 950 cm ⁻¹ , asociado a una dispersión de silicio de segundo orden, y en la banda 2130 cm ⁻¹ , asociado al −SiH ₂ estiramiento [27]. El m.o . el espectro (ii) se caracteriza por el pico a 1450 cm ⁻¹ , indicativo del CH ₂ la vibración de las tijeras y los picos en los 2850-2923 cm ⁻¹ región, atribuible al estiramiento CH [28]. Espectros Raman relativos a D24 después de la adsorción con m.o. a diferentes concentraciones que oscilan entre 0,05 y 200 μl / ml indican que el contenido relativo de m.o. en la emulsión está codificado en las bandas 1450 y 2850-2923 cm ⁻¹ . Cuanto mayor sea el contenido de m.o. en la emulsión, más altos son los picos de Raman en estos rangos de frecuencia. Sorprendentemente, el análisis D24 es sensible a m.o. diluciones tan bajas como 0.050 μl / ml ≡ 50 ppm, (m. o.:agua desionizada), que es el valor límite umbral por encima del cual pueden aumentar las preocupaciones de seguridad, toxicidad o contaminación. Mapas raman de m.o. a una dilución de 10 µl / ml se miden sobre una superficie D24 y se informa en el recuadro de la Fig. 5b. Los mapas se calculan en las frecuencias centrales f =1450 cm ⁻¹ (Fig. 5c) y f =2900 cm ⁻¹ (Figura 5d). En todos los casos, la intensidad Raman es proporcional al contenido de m.o. en la concha de diatomeas, y el m.o. El perfil se reconstruye con una resolución submicrométrica.

Espectros Raman de los sistemas D24, aceite mineral puro y aceite mineral adsorbidos por los sistemas D24 en concentraciones cada vez más bajas ( a ). Imagen óptica de los sistemas D24 después de la incubación con aceite mineral y la sedimentación ( b ). Mapas Raman de aceite mineral adsorbido por un microdispositivo D24 adquirido en f =1450 cm ⁻¹ ( c ) y f =2900 cm ⁻¹ ( d )

Discusión

El esquema descrito permite la captura, localización, secuestro y detección de analitos. Los analitos adsorbidos por diatomeas D24 porosas se pueden recolectar, manipular, separar y dividir en alícuotas en muestras fácilmente. Cada muestra está constituida por (i) diatomeas funcionalizadas cargadas con (ii) analitos específicos. Por tanto, una muestra es una combinación del analito y el dispositivo necesario para detectarlo. Se pueden procesar diferentes alícuotas utilizando configuraciones Raman simples, almacenarse para análisis futuros, tal vez guardarse en un refrigerador o congelador durante largos períodos de tiempo. Así, los sistemas D24 son un dispositivo híbrido que opera en simbiosis con las moléculas diana que se quiere analizar. Si bien los sustratos de SERS tradicionales o las nanopartículas metálicas se han utilizado hasta ahora de forma aislada, y la interacción entre el sustrato de SERS y el analito tiene lugar en episodios intermitentes y, a menudo, está limitada en el momento de la medición, los sistemas D24 integran el sensor y la molécula objetivo en un dispositivo individual multifuncional, manejable y portátil. Además, a diferencia de los sustratos SERS tradicionales, los sistemas D24 son lo suficientemente pequeños como para actuar como trazadores. Liberados en los circuitos de microcirculación, los sistemas D24 serán transportados a través de las arterias, arteriolas y microvasos del tejido vivo, interactuarán con la sangre y el producto de desecho de las células, internalizarán analitos, péptidos y biomarcadores, y operarán análisis de biomoléculas con niveles elevados y espaciales. resolución temporal. Los mapas analíticos de biomoléculas pueden, a su vez, estar asociados con el riesgo de cáncer individual, el riesgo patológico o el estado fisiológico de un paciente para respaldar las decisiones médicas y planificar intervenciones.

Tenga en cuenta que la idea de usar diatomeas como microcápsulas para detectar no es completamente nueva. Sin embargo, los trabajos informados anteriormente se apartan de nuestro análisis en una medida que depende de las contribuciones individuales, como se explica en la sección siguiente.

En referencia [29], Ren y sus colegas utilizaron simulaciones para explorar las mejoras del campo eléctrico generadas por nanopartículas plasmónicas recubiertas en la superficie de las conchas esqueléticas de diatomeas. Luego, prepararon sustratos de SERS ensamblando nanopartículas de plata en superficies de diatomeas. Si bien dispositivos similares logran excelentes factores de mejora de la detección, las diatomeas se inmovilizan en un sustrato y no pueden administrarse libremente en la microcirculación, dentro de fluidos o soluciones biológicas, compartimentos biológicos, acueductos, canales, agua de mar, corrientes oceánicas y corrientes, por motivos biológicos o técnicos. aplicaciones.

En referencia [30], Chen y sus colegas presionaron tierra de diatomeas recubierta de nanopartículas de Au en tabletas duras milimétricas con forma de botón. Luego, utilizaron estos dispositivos de tableta SERS para analizar la composición química del sudor ecrino en huellas dactilares latentes, que es una aplicación brillante y muy práctica del dispositivo en medicina. Sin embargo, es específico y el análisis aún se ejecuta a un nivel de macroescala.

En la referencia [31], el grupo liderado por Luca De Stefano funcionalizó frústula de diatomeas con nanopartículas de Au usando deposición no electrolítica. Luego, probaron el dispositivo usando p-mercaptoanilina (pMA). El pMA puede formar una monocapa autoensamblada sobre superficies metálicas y, por lo tanto, se utiliza como molécula sonda de superficie en SERS. La deposición no electrolítica es una técnica evaluada para la síntesis de nanopartículas de oro sobre una superficie autocatalítica que permite lograr un alto control sobre el tamaño y densidad de las partículas [18, 19, 32]. A diferencia de este enfoque, utilizamos aquí un proceso de fotodeposición que es más directo, más rápido y requiere un tratamiento mínimo o nulo en comparación con la deposición no electrolítica. Sin embargo, el enfoque propuesto por De Stefano es prometedor y merece ser verificado aún más en aplicaciones biológicas o ambientales.

Conclusiones

Desarrollamos formas de modificar la tierra de diatomeas abundante, económica y fácilmente accesible para obtener dispositivos sensores en miniatura donde los poros de las conchas de diatomeas tienen la capacidad de capturar moléculas en solución, y las nanopartículas de oro amplifican la señal espectroscópica de varios órdenes de magnitud para revelar moléculas en rangos de baja abundancia de otro modo inalcanzables. Demostramos dispositivos D24 similares en el análisis de proteínas biológicas BSA en solución y para la detección de trazas de aceite mineral en una emulsión binaria con agua. En ambos casos, revelamos moléculas objetivo en diluciones bajas hasta 10 ⁻¹⁶ M para BSA y 50 ppm para aceite mineral. Los dispositivos pueden encontrar aplicaciones en química analítica, vigilancia y evaluación de riesgo biológico, seguridad alimentaria, monitoreo de contaminantes y vigilancia en aguas marinas, acueductos y agua potable.

Métodos

Microscopía electrónica de barrido de muestras

Las cáscaras de sílice funcionalizadas con nanopartículas de Au (sistemas D24) se dispersaron directamente en una cinta adhesiva de carbono para obtener imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM). Se obtuvieron imágenes de las muestras utilizando un Zeiss Auriga Compact FE-SEM equipado con detector de electrones secundarios InLens, para imágenes morfológicas, y detector anular Back Scattering, para imágenes con contraste Z (con el fin de resaltar la presencia de Au).

Características de la tierra de diatomeas utilizada en este estudio

El material de diatomea utilizado en este estudio fue una tierra de diatomeas de alta calidad de grado alimenticio proporcionada por Perma-Guard (Perma-Guard Europe Sollaris Sp. Z o.o., Otwock, Polonia) como una muestra gratuita de 1 kg de Fossil Shell Flour®. Su precio de mercado actual es de ~ 16 euros por 1 kg. Está compuesto por conchas cilíndricas de la extinta diatomea de agua dulce Melosira preicelanica. Su fracción principal constituye sílice amorfa (hasta 94%), seguida de esmectitas (~ 3%), caolinita (~ 2%), feldespatos (~ 1%), calcita (> 1%) y cuarzo (> 1%). . Se realizó una trituración en un molino de martillos de baja velocidad para homogeneizar el tamaño de partícula. Las propiedades principales (incluidas las propiedades físicas y ópticas) de Fossil Shell Flour® son el tamaño medio de partícula:10 μm, residuo de la malla de malla:2%; índice de refracción:1,43; absorción de aceite:120%; brillo (filtro verde):85; gravedad específica:2,2; superficie:44,2 m ² /gramo; pH:8,0; volumen total de poros:0,132 cm ³ /gramo; microporos (<20 Å):14%; mesoporos (20-500 Å):65%.

Análisis de fluorescencia de sistemas D24

Los sistemas D24 se incubaron con Microesferas Verde Amarillo Fluoresbrite® con un diámetro de 50 nm durante 10 min, con una relación D24:partículas fluorescentes =1:10. Luego, recolectamos los sistemas D24 de la solución y los colocamos en la platina óptica de un sistema de microscopía confocal de barrido láser invertido Leica TCS-SP2®. Todas las mediciones se realizaron utilizando un láser ArUv. El agujero de alfiler (80 µm) y la potencia del láser (80% de potencia) se mantuvieron a lo largo de cada experimento. Se excitó la fluorescencia amarilla (similar a FITC) usando un λ ₁ =Se recopilaron imágenes confocales y una línea de excitación de 441 nm al máximo de emisión λ ₂ =485 nm usando objetivos × 10/20. Las imágenes se adquirieron en una región de interés de 975 × 750 μm ² y se promediaron en cuatro líneas y diez fotogramas para mejorar la calidad y reducir el ruido. Las imágenes se digitalizaron en 1280 × 960 píxeles.

Análisis de muestras por espectroscopia de fotoelectrones de rayos X

Los espectros de fotoelectrones de rayos X se registraron en una espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) Versa Probe II (PHI, Chanassen EE. UU.) Mediante el modo de análisis de área grande donde el haz anódico de mono-cromato de 100 μm, 100 W de potencia, normal al superficie, se trama sobre un área de 1400 × 300 μm ² con el analizador a 45 ° con respecto a la superficie de la muestra. Los espectros de levantamiento se adquirieron con un tiempo de acumulación de al menos 20 min a energía de paso alto (187 keV) mientras que los espectros de alta resolución de los elementos de interés se adquirieron a 11,7 keV con la misma potencia y una resolución de 0,1 eV. Los espectros se analizaron mediante el software Multipack (PHI, Chanassen EE. UU.) Y todos los picos se referenciaron a los picos de carbono adventicios C1 a una energía de unión de 284,8 eV.

Simulación del campo electromagnético dentro de los sistemas D24

Para calcular numéricamente el perfil del campo eléctrico en toda la estructura decorada, se ha desarrollado un modelo 3D del método de elementos finitos (FEM) empleando el software comercial COMSOL Multiphysics 5.3. Se han realizado simulaciones en una sola celda unitaria cúbica donde se han colocado 125 partículas en la superficie de la superficie dieléctrica modelada. La respuesta óptica general se ha investigado en función del ángulo de incidencia del campo electromagnético que se aproximó como una onda plana TM polarizada linealmente (archivo adicional 4). La periodicidad del sistema se tomó en cuenta aplicando condiciones de contorno de Floquet en los lados laterales de la celda unitaria, perpendiculares al plano de incidencia; posteriormente, los resultados se han ampliado periódicamente para visualizar la matriz de diatomeas (archivo adicional 4). Una longitud de onda de λ =633,0 nm. La potencia de la radiación incidente se eligió arbitrariamente como P _inc =1 W, el área de la celda unitaria es igual a 3,9 × 10 ⁻¹³ m ² and the resulting intensity is I = 2.5 × 10⁻⁸ W / cm ² (notice that intensity dependant non-linearity is here neglected). Regarding the materials, the diatom was optically described as a dielectric with refractive index n _diatom = 1.3, whereas the surrounding environment is air with n _aire = 1. Gold nanoparticles, modeled as perfect spheres with a diameter d = 20 nm, were modeled following the dielectric formulation reported in [20]. The geometrical domain has been discretized using tetrahedral elements. Maximum size of the mesh element has been chosen as 1/5 of the effective wavelength value that had to be resolved in each domain, depending on its refractive index. The minimum mesh element was set to r /1.5, r = 10 nm is the radius of each nano-sphere. Maxwell equations have been numerically solved within the unit cell by placing perfectly matched layers at the top and the bottom of the structure, in order to avoid unphysical reflections at the boundaries of the domain. In addition, the electromagnetic field symmetry has been exploited to reduce the computational effort of the simulation. As a result, equations are solved for a half of a diatom only, and perfect magnetic conductor boundary conditions have been imposed to the lateral sides of the unit cell, parallel to the plane of incidence, coherently with the polarization of the incident field.

Raman Analysis of Samples

D24 devices containing BSA were positioned on the stage of a Renishaw inVia micro-Raman microscope for analysis. Samples were analyzed using × 20/50 objectives of a Leica microscope. Raman spectra were excited by the 633.0 nm line of an HeNe laser in backscattering geometry and acquired with a CCD with 1024 × 1024 pixels. Laser power was adjusted as 0.18 mW and maintained constant throughout the whole measurements. Interferograms were recorded with an integration time of 20 s. Each spectrum was base line corrected with a second degree polynomial function. Raman maps were performed with a step size of 400 and 600 nm in the x y y axes direction.

Abreviaturas

BSA:: Albúmina de suero bovino
D24 systems:: Silicon dioxide diatom shells functionalized with gold nanoparticles
DE:: Diatomaceous earth
MO:: Mineral oil
SERS:: Surface-enhanced Raman spectroscopy

Nanopartículas de oro de forma redonda:efecto del tamaño de partícula y la concentración sobre el crecimiento de la raíz de Arabidopsis thaliana Un escrutinio comparativo in vivo de nanopartículas de óxido de zinc y cobre biosintetizadas por vías de administración intraperitoneal e intravenosa en ratas

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