ГКР-метки на основе силикатных микрочастиц с адсорбированными золотыми нанозвездами
- Авторы: Иноземцева О.А.1,2, Прихожденко Е.С.1, Карташова А.М.1, Тюнина Ю.А.1,2, Захаревич А.М.1, Буров А.М.2, Хлебцов Б.Н.2
-
Учреждения:
- Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского
- Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов Российской академии наук – обособленное структурное подразделение ФГБУН Федеральный исследовательский центр “Саратовский научный центр РАН”
- Выпуск: Том 86, № 6 (2024)
- Страницы: 742-755
- Раздел: Статьи
- Статья получена: 29.05.2025
- Статья опубликована: 15.12.2024
- URL: https://cijournal.ru/0023-2912/article/view/681012
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0023291224060078
- EDN: https://elibrary.ru/VLGHAH
- ID: 681012
Цитировать
Аннотация
Большой интерес в качестве платформы для биоанализа представляют метки гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) благодаря сочетанию сильного оптического сигнала, фотостабильности и узких спектральных линий. Несмотря на значительный прогресс в области синтеза новых типов ГКР-меток на основе золотых наночастиц, получение микрочастиц, имеющих интенсивность комбинационного рассеяния, достаточную для детекции единичной метки с использованием обычного микроскопа комбинационного рассеяния (КР), является нетривиальной задачей. В данной работе были синтезированы и охарактеризованы гибридные коллоидные нанокомпозиты на основе микрочастиц диоксида кремния и золотых нанозвезд (НЗВ) состава SiO2/НЗВ/SiO2. Золотые нанозвезды двух типов, одни с плазмонным резонансом в области 700 нм и другие с двумя максимумами 650 и 900 нм, были предварительно синтезированы и адсорбированы на поверхности монодисперсных коллоидных частиц диоксида кремния диаметром 1.5 мкм. В качестве молекул с высоким сечением комбинационного рассеяния использовали три вида ароматических тиолов: 4-нитробензентиол, нафталентиол и 1,4-бензендитиол. Продемонстрирована возможность измерения ГКР-сигнала от единичной микрочастицы с вариацией интенсивности не более 20%, а также возможность мультиплексного определения различных микрочастиц на одном КР-изображении. Проведена комплексная оценка стабильности, в том числе фотостабильности, измеряемого ГКР-сигнала во времени при изменении физико-химических параметров микроокружения.
Ключевые слова
Полный текст

Об авторах
О. А. Иноземцева
Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского; Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов Российской академии наук – обособленное структурное подразделение ФГБУН Федеральный исследовательский центр “Саратовский научный центр РАН”
Автор, ответственный за переписку.
Email: Inozemtsevaoa@mail.ru
Россия, ул. Астраханская, 83, Саратов, 410012; просп. Энтузиастов, 13, Саратов, 410049
Е. С. Прихожденко
Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского
Email: Inozemtsevaoa@mail.ru
Россия, ул. Астраханская, 83, Саратов, 410012
А. М. Карташова
Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского
Email: Inozemtsevaoa@mail.ru
Россия, ул. Астраханская, 83, Саратов, 410012
Ю. А. Тюнина
Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского; Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов Российской академии наук – обособленное структурное подразделение ФГБУН Федеральный исследовательский центр “Саратовский научный центр РАН”
Email: Inozemtsevaoa@mail.ru
Россия, ул. Астраханская, 83, Саратов, 410012; просп. Энтузиастов, 13, Саратов, 410049
А. М. Захаревич
Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского
Email: Inozemtsevaoa@mail.ru
Россия, ул. Астраханская, 83, Саратов, 410012
А. М. Буров
Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов Российской академии наук – обособленное структурное подразделение ФГБУН Федеральный исследовательский центр “Саратовский научный центр РАН”
Email: Inozemtsevaoa@mail.ru
Россия, просп. Энтузиастов, 13, Саратов, 410049
Б. Н. Хлебцов
Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов Российской академии наук – обособленное структурное подразделение ФГБУН Федеральный исследовательский центр “Саратовский научный центр РАН”
Email: Inozemtsevaoa@mail.ru
Россия, просп. Энтузиастов, 13, Саратов, 410049
Список литературы
- Schlücker S. Surface‐enhanced Raman spectroscopy: concepts and chemical applications // Angew. Chemie. Int. Ed. 2014. V. 53. № 19. P. 4756–4795. https://doi.org/10.1002/anie.201205748
- Nie S., Emory S.R. Probing single molecules and single nanoparticles by surface-enhanced Raman scattering // Science 1997. V. 275. № 5303. P. 1102–1106. https://doi.org/10.1126/science.275.5303.1102
- Michaels A.M., Nirmal M., Brus L.E. Surface enhanced Raman spectroscopy of individual rhodamine 6G molecules on large Ag nanocrystals // J. Am. Chem. Soc. 1999. V. 121. № 43. P. 9932–9939. https://doi.org/10.1021/ja992128q
- Jiang., Bosnick K., Maillard M. et al. Single molecule Raman spectroscopy at the junctions of large Ag nanocrystals // J. Phys. Chem. B. 2003. V. 107. № 37. P. 9964–9972. https://doi.org/10.1021/jp034632u
- Wang Y., Yan B., Chen L. SERS tags: novel optical nanoprobes for bioanalysis // Chem. Rev. 2013. V. 113. № 3. P. 1391–1428. https://doi.org/10.1021/cr300120g
- Wang Z., Zong S., Wu L. et al. SERS-activated platforms for immunoassay: probes, encoding methods, and applications // Chem. Rev. 2017. V. 17. № 12. P. 7910–7963. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.7b00027
- Laing S., Jamieson L.E., Faulds K. et al. Surface-enhanced Raman spectroscopy for in vivo biosensing // Nat. Rev. Chem. 2017. V. 1. № 8. P. 0060. https://doi.org/10.1038/s41570-017-0060
- Smith B.R., Gambhir S.S. Nanomaterials for in vivo imaging // Chem. Rev. 2017. V. 117. № 3. P. 901–986. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.6b00073
- Wang R., Yu C., Yu F. et al. Molecular fluorescent probes for monitoring pH changes in living cells // TrAC Trends Anal. Chem. 2010. V. 29. № 9. P. 1004–1013. https://doi.org/10.1016/j.trac.2010.05.005
- Wang Y., Chen L. Quantum dots, lighting up the research and development of nanomedicine // Nanomed. Nanotech. Biol. Med. 2011. V. 7. № 4. P. 385–402. https://doi.org/10.1016/j.nano.2010.12.006
- Kneipp K., Wang Y., Kneipp H. et al. Single molecule detection using surface-enhanced Raman scattering (SERS) // Phys. Rev. Lett. 1997. V. 78. № 9. P. 1667–1670. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.78.1667
- Cao Y.C., Jin R., Mirkin C.A. Nanoparticles with Raman spectroscopic fingerprints for DNA and RNA detection // Science. 2002. V. 297. № 5586. P. 1536–1540. https://doi.org/10.1126/science.297.5586.1536
- Yuan H., Fales A.M., Khoury C.G. et al. Spectral characterization and intracellular detection of surface‐enhanced Raman scattering (SERS)‐encoded plasmonic gold nanostars // J. Raman. Spectrosc. 2013. V. 44. № 2. P. 234–239. https://doi.org/10.1002/jrs.4172
- Wang Y., Seebald J.L., Szeto D.P. et al. Biocompatibility and biodistribution of surface-enhanced Raman scattering nanoprobes in zebrafish embryos: in vivo and multiplex imaging // ACS Nano. 2010. V. 4. № 7. P. 4039–4053. https://doi.org/10.1021/nn100351h
- Doering W.E., Nie S. Spectroscopic tags using dye-embedded nanoparticles and surface-enhanced Raman scattering // Anal. Chem. 2003. V. 75. № 22. P. 6171–6176. https://doi.org/10.1021/ac034672u
- Qian X., Peng X.-H., Ansari D.O. et al. In vivo tumor targeting and spectroscopic detection with surface-enhanced Raman nanoparticle tags // Nat. Biotechnol. 2008. V. 26. № 1. P. 83–90. https://doi.org/10.1038/nbt1377
- Cheng Y., Samia A.C., Meyers J.D. et al. Highly efficient drug delivery with gold nanoparticle vectors for in vivo photodynamic therapy of cancer // J. Am. Chem. Soc. 2008. V. 130. № 32. P. 10643–10647. https://doi.org/10.1021/ja801631c
- Ghosh P., Han G., De M. et al. Gold nanoparticles in delivery applications // Adv. Drug. Deliv. Rev. 2008. V. 60. № 11. P. 1307–1315. https://doi.org/10.1016/j.addr.2008.03.016
- Grubisha D.S., Lipert R.J., Park H.-Y. et al. Femtomolar detection of prostate-specific antigen: an immunoassay based on surface-enhanced Raman scattering and immunogold labels // Anal. Chem. 2003. V. 75. № 21. P. 5936–5943. https://doi.org/10.1021/ac034356f
- Wang H., Kundu J., Halas N.J. Plasmonic nanoshell arrays combine surface‐enhanced vibrational spectroscopies on a single substrate // Angew. Chemie. Int. Ed. 2007. V. 46. № 47. P. 9040–9044. https://doi.org/10.1002/anie.200702072
- Lal S., Grady N.K., Kundu J. et al. Tailoring plasmonic substrates for surface enhanced spectroscopies // Chem. Soc. Rev. 2008. V. 37. № 5. P. 898. https://doi.org/10.1039/b705969h
- Schwartzberg A.M., Oshiro T.Y., Zhang J.Z. et al. Improving nanoprobes using surface-enhanced Raman scattering from 30-nm hollow gold particles// Anal. Chem. 2006. V. 78. № 13. P. 4732–4736. https://doi.org/10.1021/ac060220g
- Ochsenkühn M.A., Jess P.R.T., Stoquert H. et al. Nanoshells for surface-enhanced Raman spectroscopy in eukaryotic cells: cellular response and sensor development // ACS Nano. 2009. V. 3. № 11. P. 3613–3621. https://doi.org/10.1021/nn900681c
- Rycenga M., Wang Z., Gordon E. et al. Probing the photothermal effect of gold‐based nanocages with surface‐enhanced Raman scattering (SERS) // Angew. Chemie. Int. Ed. 2009. V. 48. № 52. P. 9924–9927. https://doi.org/10.1002/anie.200904382
- Fang J., Lebedkin S., Yang S. et al. A new route for the synthesis of polyhedral gold mesocages and shape effect in single-particle surface-enhanced Raman spectroscopy // Chem. Commun. 2011. V. 47. № 18. P. 5157. https://doi.org/10.1039/c1cc10328h
- Boca S.C., Astilean S. Detoxification of gold nanorods by conjugation with thiolated poly(ethylene glycol) and their assessment as SERS-active carriers of Raman tags // Nanotech. 2010. V. 21. № 23. P. 235601. https://doi.org/10.1088/0957-4484/21/23/235601
- Jiang L., Qian J., Cai F. et al. Raman reporter-coated gold nanorods and their applications in multimodal optical imaging of cancer cells // Anal. Bioanal. Chem. 2011. V. 400. № 9. P. 2793–2800. https://doi.org/10.1007/s00216-011-4894-6
- Su P.-J., Wu M.-H., Wang H.-M. et al. Circulating tumour cells as an independent prognostic factor in patients with advanced oesophageal squamous cell carcinoma undergoing chemoradiotherapy // Sci. Rep. 2016. V. 6. № 1. P. 31423. https://doi.org/10.1038/srep31423
- Senthil Kumar P., Pastoriza-Santos I., Rodríguez-González B. et al. High-yield synthesis and optical response of gold nanostars // Nanotech. 2008. V. 19. № 1. P. 015606. https://doi.org/10.1088/0957-4484/19/01/015606
- Barbosa S., Agrawal A., Rodríguez-Lorenzo L. et al. Tuning size and sensing properties in colloidal gold nanostars // Langmuir. 2010. V. 26. № 18. P. 14943–14950. https://doi.org/10.1021/la102559e
- Guerrero-Martínez A., Barbosa S., Pastoriza-Santos I. et al. Nanostars shine bright for you // Curr. Opin. Colloid. Interface. Sci. 2011. V. 16. № 2. P. 118–127. https://doi.org/10.1016/j.cocis.2010.12.007
- Fang J., Huang Y., Li X. et al. Aggregation and surface‐enhanced Raman activity study of dye‐coated mixed silver–gold colloids // J. Raman. Spectrosc. 2004. V. 35. № 11. P. 914–920. https://doi.org/10.1002/jrs.1225
- Wei G., Zhou H., Liu Z. et al. A simple method for the preparation of ultrahigh sensitivity surface enhanced Raman scattering (SERS) active substrate // Appl. Surf. Sci. 2005. V. 240. № 1–4. P. 260–267. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2004.06.116
- Su X., Zhang J., Sun L. et al. Composite organic−inorganic nanoparticles (coins) with chemically encoded optical signatures // Nano. Lett. 2005. V. 5. № 1. P. 49–54. https://doi.org/10.1021/nl0484088
- Zhang G., Qu G., Chen Y. et al. Controlling carbon encapsulation of gold nano-aggregates as highly sensitive and spectrally stable SERS tags for live cell imaging // J. Mater. Chem. B. 2013. V. 1. № 35. P. 4364. https://doi.org/10.1039/c3tb20801j
- Gandra N., Abbas A., Tian L. et al. Plasmonic planet–satellite analogues: hierarchical self-assembly of gold nanostructures // Nano. Lett. 2012. V. 12. № 5. P. 2645–2651. https://doi.org/10.1021/nl3012038
- Rossner C., Fery A. Planet-satellite nanostructures from inorganic nanoparticles: from synthesis to emerging application // MRS Commun. 2020. V. 10. № 1. P. 112–122. https://doi.org/10.1557/mrc.2019.163
- Wu L.-A., Li W.-E., Lin D.-Z. et al. Three-dimensional sers substrates formed with plasmonic core-satellite nanostructures // Sci. Rep. 2017. V. 7. № 1. P. 13066. https://doi.org/10.1038/s41598-017-13577-9
- Meng D., Ma W., Wu X. et al. DNA‐driven two‐layer core–satellite gold nanostructures for ultrasensitive microRNA detection in living cells // Small. 2020. V. 16. № 23. https://doi.org/10.1002/smll.202000003
- San Juan A.M.T., Chavva S.R., Tu D. et al. Synthesis of SERS-active core–satellite nanoparticles using heterobifunctional PEG linkers // Nanoscale. Adv. 2022. V. 4. № 1. P. 258–267. https://doi.org/10.1039/D1NA00676B
- Khlebtsov N.G., Lin L., Khlebtsov B.N. et al. Gap-enhanced Raman tags: fabrication, optical properties, and theranostic applications // Theranostics. 2020. V.10. № 5. P. 2067–2094. https://doi.org/10.7150/thno.39968
- Li Z.-Y., Xia Y. Metal nanoparticles with gain toward single-molecule detection by surface-enhanced Raman scattering // Nano. Lett. 2010. V. 10. № 1. P. 243–249. https://doi.org/10.1021/nl903409x
- Hu C., Shen J., Yan J. et al. Highly narrow nanogap-containing Au@Au core–shell SERS nanoparticles: size-dependent Raman enhancement and applications in cancer cell imaging // Nanoscale. 2016. V. 8. № 4. P. 2090–2096. https://doi.org/10.1039/C5NR06919J
- Mulvaney S.P., Musick M.D., Keating C.D. et al. Glass-coated, analyte-tagged nanoparticles: a new tagging system based on detection with surface-enhanced Raman scattering // Langmuir. 2003. V. 19. № 11. P. 4784–4790. https://doi.org/10.1021/la026706j
- Sanles-Sobrido M., Exner W., Rodríguez-Lorenzo L. et al. Design of SERS-encoded, submicron, hollow particles through confined growth of encapsulated metal nanoparticles // J. Am. Chem. Soc. 2009. V. 131. № 7. P. 2699–2705. https://doi.org/10.1021/ja8088444
- Hwang D.W., Ko H.Y., Kim S. et al. Development of a quadruple imaging modality by using nanoparticles // Chem. – A Eur. J. 2009. V. 15. № 37. P. 9387–9393. https://doi.org/10.1002/chem.200900344
- Khlebtsov B.N., Burov A.M., Zarkov S. V. et al. Surface-enhanced Raman scattering from Au nanorods, nanotriangles, and nanostars with tuned plasmon resonances // Phys. Chem. Chem. Phys. 2023. V. 25. № 45. P. 30903–30913. https://doi.org/10.1039/D3CP04541B
- Pazos-Perez N., Guerrini L., Alvarez-Puebla R.A. Plasmon tunability of gold nanostars at the tip apexes // ACS Omega. 2018. V. 3. № 12. P. 17173–18179. https://doi.org/10.1021/acsomega.8b02686
- Frens G. Controlled nucleation for the regulation of the particle size in monodisperse gold suspensions // Nat. Phys. Sci. 1973. V. 241. № 105. P. 20–22. https://doi.org/10.1038/physci241020a0
- Khlebtsov B.N., Burov A.M. Synthesis of monodisperse silica particles by controlled regrowth // Colloid Journal. 2023. V. 85. № 3. P. 376–389. https://doi.org/10.31857/S0023291223600293
- Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. Москва: Химия. 1989.
- Zou X., Ying E., Dong S. Seed-mediated synthesis of branched gold nanoparticles with the assistance of citrate and their surface-enhanced Raman scattering properties // Nanotech. 2006. V. 17. № 18. P. 4758–4764.https://doi.org/10.1088/0957-4484/17/18/038
- Hao E., Bailey R.C., Schatz G.C. et al. Synthesis and optical properties of “branched” gold nanocrystals // Nano. Lett. 2004. V. 4. № 2. P. 327–330. https://doi.org/10.1021/nl0351542
- Bakr O.M., Wunsch B.H., Stellacci F. High-yield synthesis of multi-branched urchin-like gold nanoparticles // Chem. Mater. 2006. V. 18. № 14. P. 3297–3301. https://doi.org/10.1021/cm060681i
- Xie J., Zhang Q., Lee J.Y. et al. The synthesis of SERS-active gold nanoflower tags for in vivo applications // ACS Nano. 2008. V. 2. № 12. P. 2473–2480. https://doi.org/10.1021/nn800442q
- Khlebtsov N.G., Zarkov S. V., Khanadeev V.A. et al. A novel concept of two-component dielectric function for gold nanostars: theoretical modelling and experimental verification // Nanoscale. 2020. V. 12. № 38. P. 19963–19981. https://doi.org/10.1039/D0NR02531C
- Liu C., Han Y., Wang Z. et al. Preparation of (3-aminopropyl)triethoxysilane-modified silica particles with tunable isoelectric point // Langmuir. 2024. V. 40. № 24. P. 12565–12572. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.4c01027
- Айлер Р.К. Коллоидная химия кремнезема и силикатов. Москва: Госстройиздат. 1959.
- Сидорова М.П., Кибирова Н.А., Дмитриева И.Б. Адсорбция неионогенных поверхностно-активных веществ на кварце // Коллоидный Журнал. 1979. Т. 41. С. 277–282.
- Сидорова М.П., Дмитриева И.Б., Голуб Т.П. Комплексное исследование электроповерхностных свойств кварца в растворах 1: 1 электролитов // Коллоидный Журнал. 1979. Т. 41. С. 488–493.
- Nam J.-M., Thaxton C.S., Mirkin C.A. Nanoparticle-based bio-bar codes for the ultrasensitive detection of proteins // Science. 2003. V. 301. № 5641. P. 1884–1886.https://doi.org/10.1126/science.1088755
- Shao Y., Li C., Feng Y. et al. Surface-enhanced Raman scattering and density functional theory study of 1,4-benzenedithiol and its silver complexes // Spectrochim. Acta Part. A Mol. Biomol. Spectrosc. 2013. V. 116. P. 214–219. https://doi.org/10.1016/j.saa.2013.07.037
- Liu H., Gao X., Xu C. et al. SERS tags for biomedical detection and bioimaging // Theranostics. 2022. V. 12. № 4. P. 1870–1903. https://doi.org/10.7150/thno.66859
- Wojtynek N.E., Mohs A.M. Image‐guided tumor surgery: The emerging role of nanotechnology // WIREs Nanomed. Nanobiotech. 2020. V. 12. № 4. https://doi.org/10.1002/wnan.1624
- Lane L.A. Biomedical SERS: spectroscopic detection and imaging in vivo. 2022. P. 451–522. https://doi.org/10.1142/9789811235252_0012
- Laing S., Gracie K.,Faulds K. Multiplex in vitro detection using SERS // Chem. Soc. Rev. 2016. V. 45. № 7. P. 1901–1918. https://doi.org/10.1039/C5CS00644A
Дополнительные файлы
