Cascas de diatomáceas de sílica adaptadas com nanopartículas de Au permitem a análise sensível de moléculas para aplicações biológicas, de segurança e ambientais

Resumo

As cascas de diatomáceas são um material natural e teoricamente ilimitado composto de dióxido de silício, com padrões regulares de poros penetrando em sua superfície. Por suas características, as conchas de diatomáceas prometem ser usadas como transportadores de drogas, dispositivos sensores ou outros microdispositivos de baixo custo e altamente eficientes. Aqui, demonstramos conchas de diatomáceas funcionalizadas com nanopartículas de ouro para a coleta e detecção de analitos biológicos (albumina de soro bovino - BSA) e poluentes químicos (óleo mineral) em faixas de baixa abundância, para aplicações em bioengenharia, medicina, segurança e monitoramento de poluição.

Histórico

As diatomáceas são algas unicelulares maciçamente presentes na Terra com mais de 100.000 espécies distribuídas em nichos aquáticos (oceanos, lagos, rios) e semi-aquáticos (pântanos e solos). Eles contribuem com cerca de 40-50% do conteúdo total de material orgânico nos oceanos e com ~ 20% da conversão de dióxido de carbono em compostos orgânicos (ou seja, fotossíntese) na biosfera [1,2,3].

As diatomáceas são protegidas por uma concha funcional de dióxido de silício (frústulas) com uma arquitetura complexa em escala micrométrica e um tamanho de poro que varia entre as espécies. Devido à sua microestrutura, as conchas de diatomáceas mostram valores de resistência específica de até ~ 1700 kN m / kg que ficam bem acima daqueles de outros materiais celulares, compostos e de seda naturais, incluindo seda de aranha (1000 kN m / kg) [4,5, 6,7]. Além disso, devido à regularidade e simetria na rede de poros alinhados na superfície da frustula, muitas vezes quadros de diatomáceas mostram propriedades ópticas naturais e revelam convergência de luz, concentração e efeitos de aprisionamento, dependendo da geometria e topologia dos poros, comprimento de onda e válvula orientação [8,9,10,11,12].

Assim, as diatomáceas são naturais (em oposição às artificiais), abundantes, de baixo custo e facilmente acessíveis em micro ou nanoescala tridimensionais que não requerem técnicas tradicionais de nanofabricação para sua produção e, em vista de sua escala, morfologia, e propriedades dos mesmos, apresentam potencial para serem utilizados como sensores em miniatura, cápsulas de administração de drogas e outros microdispositivos [2, 13, 14]. No entanto, apesar dessa promessa, existem relativamente poucas aplicações de diatomáceas em nanotecnologia [15,16,17], possivelmente porque, enquanto as conchas de diatomáceas representam o suporte necessário para muitas estruturas, outras funcionalizações (modificações) são necessárias para fornecer a essas estruturas funções corretas.

Nesta carta , demonstramos um método para funcionalizar conchas de diatomáceas de sílica com nanopartículas de Au. Isso resulta em dispositivos com várias escalas em um design hierárquico. Cada concha é um cilindro de dióxido de silício com um diâmetro médio d ~ 8 μm e altura h ~ 10 μm (Fig. 1a e arquivo adicional 1). As superfícies da casca incorporam padrões densos de poros que são aproximadamente de forma circular e seu tamanho varia no intervalo estreito p _s =200 ± 40 nm (Fig. 1b, c). Nanopartículas de ouro são então distribuídas uniformemente sobre a superfície externa das cascas, com um diâmetro médio das partículas de Au - np _s ~ 20 nm e pequenos desvios em torno da média (Fig. 1b, c). Uma vez que as conchas de diatomáceas são aqui derivadas de terra de diatomáceas, que é uma fonte de frustula de baixo custo e teoricamente ilimitada (Arquivo adicional 2), o método produz grandes volumes de nanodispositivos em um curto espaço de tempo (Fig. 1d, e).

Impressão artística de conchas de diatomáceas de dióxido de silício, que aparecem como cilindros de micrômetro com um diâmetro médio de d ~ 8 μm e alturas maiores que h > 10 μm, arranjos de poros decoram a superfície externa das diatomáceas ( a ) Microgramas SEM de cascas de sílica funcionalizadas com nanopartículas de ouro (sistemas D24) adquiridos em baixo ( b ) e alto ( c ) fatores de ampliação. Destes, pode-se observar o padrão regular de poros que permeiam a superfície das diatomáceas decoradas com nanopartículas de ouro distribuídas aleatoriamente, com tamanho de poro ~ 200 nm e tamanho de partícula ~ 20 nm. SEM de campo grande ( d ) e óptico ( e ) imagens de sistemas D24 avaliam a capacidade do processo de funcionalização para produzir grandes volumes de microdispositivos. A inspeção de microscopia de fluorescência de sistemas D24 após incubação com microesferas fluorescentes amarelas de 50 nm revela a seletividade, especificidade e sensibilidade dos dispositivos ( f )

O dispositivo integra escalas diferentes. (i) A dimensão sub-milimétrica das cápsulas permite a manipulação, manuseio e acesso ao sistema. (ii) O tamanho do micrômetro dos poros permite a coleta de moléculas, seleção e (em evoluções mais sofisticadas do dispositivo) fragmentação. (iii) O tamanho nanométrico dos Au – NPs permite o controle e a amplificação de uma radiação eletromagnética (EM) externa. Assim, uma arquitetura multi-escala hierárquica permite extrair alvos moleculares analíticos específicos de uma solução e caracterizá-los usando espectroscopia Raman de superfície aprimorada (SERS), mesmo em faixas de abundância muito baixas. A incubação com microesferas fluorescentes de 50 nm (Fluoresbrite® Yellow Green Microspheres - Arquivo adicional 3) e a análise de fluorescência subsequente indicam a localização dos dispositivos, seletividade, especificidade e ausência de sinal de fundo (ruído) (Fig. 1f).

Resultados

Funcionalização com Au – NPs

Terra diatomácea (DE) foi limpa com solução de piranha para remoção de resíduos orgânicos. As amostras foram então mantidas por 120 s em uma solução diluída de ácido fluorídrico (HF) a 2% para remover pequenos fragmentos, tornar a superfície das diatomáceas áspera e promover a nucleação de Au. As amostras foram então decoradas com Au – NPs usando um processo de foto-deposição. As conchas foram suspensas em água DI com solução de 0,1% de ácido cloroáurico (HAuCl ₄ ) em álcool isopropílico e iluminado com uma lâmpada UVA / UVB Osram Ultra Vitalux. O tempo de irradiação, a concentração de conchas de diatomáceas em solução e a quantidade de ácido cloroáurico foram variados em intervalos significativos para produzir diferentes morfologias de nanopartículas. Para a configuração atual, usamos 20 mg de conchas em 50 ml de solvente e injeções oportunas de 30 μl de ácido cloroáurico a cada 5 min, por uma duração total de 1 h. Observe que o método não implica redução eletroquímica de íons de ouro em ouro metálico como na deposição sem eletrodos [18, 19]. A seguir, indicaremos cascas de diatomáceas funcionalizadas com Au – NPs com a abreviatura D24. A espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS) foi usada para caracterizar os sistemas D24. Espectros XPS de alta resolução foram adquiridos usando um poder P =100 W, energia do feixe e =11,7 keV, resolução δe =0,1 eV, tempo de acumulação de t =20 min mínimo. Os picos nos espectros foram referenciados ao pico de carbono C1s a 284,8 ev de energia de ligação. Na Fig. 2, relatamos os espectros de XPS dos sistemas antes e depois da funcionalização. Observamos que, após a funcionalização, os sistemas D24 apresentam o surgimento de ouro metálico (banda central Au4f5 a energia de ligação de 84 ev), e traços das bandas de valência associadas a Au4d3 (353 eV), Au4d5 (334 eV), Au5d3 (6 eV ) Também observamos traços de sódio (Na1s, 1071 eV e picos Auger em 497 eV) e silício (Si2s, 2p em 150 e 97 eV), que são atribuídos a contaminantes no substrato usado para deposição de gotas de nanopartículas. A presença de carbono (C1s) nos espectros é mera coincidência, não associada ao processo de fabricação, e resulta da adsorção espontânea de níveis normais de carbono contido na atmosfera para a superfície da diatomácea. O método apresentado para a síntese de nanopartículas permite a formação de nanopartículas na superfície externa das diatomáceas e dentro dos poros. Imagens adicionais de microscopia eletrônica de varredura (SEM) apresentadas no arquivo adicional 1 demonstram a deposição de nanopartículas de Au no interior da matriz de poros das diatomáceas. Assim, enquanto os poros na matriz porosa permitem o sequestro, imobilização e retenção de analitos, a matriz de nanopartículas de ouro permite o efeito SERS e a detecção de analitos em faixas de abundância muito baixas. Esses efeitos estão intimamente ligados.

Espectros XPS de concha de diatomácea de dióxido de silício antes (diagrama inferior) e após (diagrama superior) funcionalização com nanopartículas de ouro

Simulação de campo EM em torno de D24 / Au – NPs

Usamos simulações de computador e análise de elementos finitos (FEA) para avaliar o campo EM em torno de matrizes de nanopartículas de ouro no sistema D24 (métodos e arquivo adicional 4). Uma vez que os padrões de orifícios na diatomácea revelam uma simetria hexagonal (Fig. 3a) semelhante a um cristal fotônico, usamos um esquema numérico para avaliar se uma geometria semelhante, decorada com uma distribuição uniforme de nanopartículas de Au, pode aumentar localmente o sinal EM. Os padrões simulados de poros foram reproduzidos a partir de uma imagem SEM real (Fig. 3b). Um máximo de 125 partículas foram colocadas em torno de cada poro e entre os poros (Fig. 3b). Nós aproximamos o campo EM incidente com uma onda plana linearmente polarizada TM com comprimento de onda central λ =633 nm, potência P _inc =1 W, e densidade de potência associada I =2,5 × 10 ⁸ W / cm ² . Nas simulações, a casca da diatomácea foi descrita por um dielétrico com índice de refração n _D24 =1,3 e o meio circundante e os poros foram considerados ar com n _ar =1. Au – NPs foram modelados usando a formulação de Rakic e colegas [20]. Os resultados indicam (Fig. 3c) que o campo EM amplificado pelo sistema é distribuído de forma desigual no volume de interesse, com o campo EM preferencialmente concentrado em torno das nanopartículas de ouro, onde atinge intensidades tão altas quanto | E | ~ 3 × 10 ⁸ V / m, e fatores de melhoria associados Q ~ 10 ² se considerarmos o campo EM e Q ~ 10 ⁸ se considerarmos os efeitos da espectroscopia Raman de superfície aumentada (SERS). (Nesse caso, o aumento é proporcional à amplitude do campo elétrico local para a potência de quatro [21]). Visto que em aplicações práticas a superfície das diatomáceas pode ser orientada aleatoriamente em relação a uma radiação externa, é interessante analisar o comportamento de | E | em função da direção θ que a normal da superfície da diatomácea forma com a onda de propagação da TM (Fig. 3e). No θ =0 - 70 ^° intervalo, | E | oscila entre ~ 1,5 × 10 ⁸ V / m =| E | _min em θ =20 ^° e ~ 4 × 10 ⁸ V / m =| E | _máx em θ =50 ^° . Assim, a intensidade do campo EM é severamente influenciada pela maneira como os sistemas D24 são posicionados em uma superfície para análise e inspeção sucessivas. Observe, entretanto, que mesmo na pior configuração, os valores calculados de | E | _min são suficientemente grandes para produzir uma análise robusta e sensível do sinal associado à propagação do campo EM.

Imagem SEM de uma rede hexagonal de poros na superfície da diatomácea reproduzindo um cristal fotônico ( a ) O tamanho, a forma e a topologia dos poros do protótipo real e os padrões aleatórios de NPs de ouro distribuídos entre os poros foram replicados em uma caixa de ferramentas de análise numérica de elemento finito (FEA) ( b ) A saída das simulações é o campo EM e o aprimoramento do campo EM em torno dos agregados de nanopartículas de ouro, com um campo EM máximo de quase ~ 3 10 ⁸ V / m ( c ) A distribuição EM mostra a sensibilidade à orientação da superfície dos poros em relação à radiação incidente externa ( d ) Variando o ângulo de incidência entre a radiação externa e o normal da superfície dos poros em intervalos significativos, descobrimos que a intensidade máxima do campo EM oscila entre ~ 1,5 10 ⁸ e ~ 4 10 ⁸ V / m ( e )

A análise FEM apresentada na Fig. 3a-c simula o campo EM em geometrias planas 2D simplificadas - para esta configuração, o campo EM evolui em torno das nanopartículas de Au na superfície externa da diatomácea. No entanto, no esquema tridimensional da Fig. 3d e outras imagens apresentadas no arquivo adicional 4, nanopartículas de ouro são distribuídas ao longo da superfície interna dos poros. Este esquema, mais semelhante ao protótipo físico real, indica que os analitos adsorvidos pelos dispositivos D24 podem interagir com o campo EM - e sendo detectados - para qualquer localização recíproca de poro / analito. Portanto, mesmo que SERS seja um efeito de curto alcance e o campo EM decaia com uma potência de três da distância das nanopartículas de ouro [22], a coleta de analito e a colocalização de analito / poro garantem as capacidades de detecção do dispositivo. Além disso, demonstramos a localização do analito nos poros com imagens adicionais de fluorescência de alta ampliação de sistemas D24 carregados com nanoesferas Yellow Green 50 nm (arquivo adicional 3). A sobreposição espacial entre o sinal de fluorescência e os dispositivos de diatomácea D24 e o pequeno sinal de fundo demonstram que a captação do analito é altamente eficiente, deixando nenhum ou mínimo resíduo.

Análise SERS de BSA na solução

Aqui, avaliamos a capacidade dos dispositivos D24 de operar como agentes de coleta molecular e dispositivos de detecção em sistemas biológicos. Incubamos dispositivos D24 em uma solução contendo albumina de soro bovino (BSA) em um ⁻¹⁶ Concentração M, com abundância relativa de 1 mg de dispositivos D24 em 1 ml de solução. A complexa rede de aberturas que penetra na diatomácea representa um filtro capaz de absorver as moléculas com diâmetro hidrodinâmico menor que o tamanho do poro. Considerando que, para a configuração presente, o tamanho médio dos poros é de quase 200 nm, as proteínas BSA com um comprimento de comprimento característico de ~ 6 nm [21] se acumulariam facilmente na matriz de poros. Após 10 minutos de incubação, os sistemas D24 foram separados e extraídos da solução inicial por sedimentação. Dispositivos D24 contendo BSA foram posicionados na plataforma de um microscópio micro-Raman Renishaw inVia para análise.

A Figura 4a relata os espectros Raman medidos da cápsula D24 (i), de BSA puro (ii), de conchas de diatomáceas não funcionalizadas BSA + (iii) e de sistemas BSA + D24 (iv). Observe que na última configuração, os sistemas geram efeitos SERS. Na Tabela 1 , relatamos uma comparação direta e uma tentativa de atribuição de picos medidos nos sistemas com (iii) e sem (ii) efeitos SERS. Enquanto BSA ainda é detectável em conchas de diatomáceas simples, nanopartículas de Au em sistemas D24 destacam a presença dos componentes aromáticos de BSA em 1392 cm ⁻¹ e em 1556-1576 cm ⁻¹ banda. O pico em 1670 cm ⁻¹ é sugestivo da presença de Amida I na amostra, que por sua vez sugere β - conformação da folha visível com SERS. O pico correspondente no micro Raman simples está localizado a 1658 cm ⁻¹ , que sugere de forma diferente um α estrutura em hélice. Ao mesmo tempo, o aprimoramento relevante do COO - alongamento simétrico em 1392 cm ⁻¹ sugere fortes interações eletrostáticas com a superfície de diatomáceas / ouro [23]. Varreduras da matriz SERS de amostras sobre áreas finitas foram realizadas na frequência central f =1576 cm ⁻¹ para avaliar a reparabilidade, confiabilidade e sensibilidade das medições (Fig. 4b). O gráfico raster do sinal SERS em duas configurações diferentes (Fig. 4c, d) indica a capacidade do sistema de reconstruir a distribuição espacial do conteúdo de BSA em conchas em faixas de abundância cada vez mais baixas. Em experimentos relatados anteriormente [24], investigamos o aquecimento local induzido pela amplificação EM e plasmônicos. Embora tenhamos observado incrementos de temperatura relevantes e seletivos ao local associados a dispositivos nano-fotônicos em um substrato, com valores absolutos de temperaturas tão altas quanto ~ 400 K, no entanto, a potência do laser associada a esses incrementos deve ser definida na faixa de 10 mW, ou seja, duas ordens de magnitude maior do que a intensidade da potência do laser P =0,18 mW usado para medições de corrente. Portanto, neste caso, os efeitos do aquecimento artificial e possíveis mudanças conformacionais nas proteínas são desprezados. Mudanças conformacionais e mudanças no conteúdo relativo de β - folhas em proteínas são ativadas por campos de temperatura externamente aplicados a partir de ~ 340 K [25].

Espectros Raman de BSA puro, BSA adsorvido por conchas de dióxido de silício e BSA adsorvido por sistemas D24, nos últimos dois experimentos, a concentração inicial de BSA foi de 10 ⁻¹⁶ ( a ) Inspeção de microscopia óptica de sistemas D24 após incubação com BSA ( b ); Mapa Raman de BSA adquirido em sistemas D24 individuais ( c , d )

Análise SERS de óleo mineral

Os dispositivos D24 foram demonstrados na análise e detecção de óleo mineral em fatores de diluição cada vez mais baixos. O óleo mineral é um subproduto da destilação do petróleo para a produção de gasolina. Ele contém misturas leves de alcanos superiores com as parafinas deste óleo mineral variando de cerca de C ₁₈ para C ₄₀ :corresponde aproximadamente à composição do óleo de base para a fabricação de óleos lubrificantes ou hidráulicos [26]. Em um comentário recente [26], é recomendado reduzir a exposição ao óleo mineral para níveis inferiores a ~ 50 mg / kg, ou seja, 50 ppm. A análise de óleo mineral (m.o.) e produtos relacionados é, portanto, de interesse na poluição ambiental e na segurança alimentar. m.o foi examinado usando espectroscopia Raman seguindo os métodos descritos na análise BSA anterior.

A Figura 5a exibe os espectros Raman medidos em relação às únicas cápsulas D24 (i), ao único m.o. (ii), e a uma emulsão de m.o. e água DI em diferentes concentrações (iii). O dióxido de silício é o principal componente dos sistemas D24 (i). Na faixa considerada de frequências 600-3200 cm ⁻¹ , observamos picos Raman na banda de 950 cm ⁻¹ , associado a uma dispersão de segunda ordem do silício, e na banda de 2130 cm ⁻¹ , associado ao −SiH ₂ alongamento [27]. O m.o . espectro (ii) é caracterizado pelo pico em 1450 cm ⁻¹ , indicativo do CH ₂ vibração da tesoura e os picos na faixa de 2850–2923 cm ⁻¹ região, atribuível ao alongamento CH [28]. Espectros Raman relativos a D24 após adsorção com m.o. em diferentes concentrações variando de 0,05 a 200 μl / ml indicam que o conteúdo relativo de m.o. na emulsão é codificado nas bandas 1450 e 2850–2923 cm ⁻¹ . Quanto maior o conteúdo de m.o. na emulsão, maiores são os picos Raman nessas faixas de frequência. Notavelmente, a análise D24 é sensível a m.o. diluições tão baixas quanto 0,050 μl / ml ≡ 50 ppm, (m. o.:água DI), que é o valor limite acima do qual as preocupações com segurança, toxicidade ou poluição podem aumentar. Mapas Raman de m.o. a uma diluição de 10 μl / ml são medidos sobre uma superfície D24 e relatados na inserção da Fig. 5b. Os mapas são calculados nas frequências centrais f =1450 cm ⁻¹ (Fig. 5c) e f =2900 cm ⁻¹ (Fig. 5d). Em todos os casos, a intensidade Raman é proporcional ao conteúdo de m.o. na concha de diatomáceas, e o m.o. o perfil é reconstruído com resolução submicrométrica.

Espectros Raman de sistemas D24, óleo mineral puro e óleo mineral adsorvido por sistemas D24 em concentrações cada vez mais baixas ( a ) Imagem óptica de sistemas D24 após incubação com óleo mineral e sedimentação ( b ) Mapas Raman de óleo mineral adsorvido por um microdispositivo D24 adquirido em f =1450 cm ⁻¹ ( c ) e f =2900 cm ⁻¹ ( d )

Discussão

O esquema descrito permite a captura, localização, sequestro e detecção do analito. Analitos adsorvidos por diatomáceas D24 porosas podem ser facilmente coletados, manipulados, separados e divididos em alíquotas em amostras. Cada amostra é constituída por (i) diatomáceas funcionalizadas carregadas com (ii) analitos específicos. Assim, uma amostra é uma combinação do analito e do dispositivo necessário para detectá-lo. Diferentes alíquotas podem ser processadas usando configurações Raman simples, armazenadas para análises futuras, talvez mantidas em uma geladeira ou freezer por longos períodos de tempo. Assim, os sistemas D24 são um dispositivo híbrido que opera em simbiose com as moléculas alvo que se deseja analisar. Embora os substratos SERS tradicionais ou nanopartículas de metal tenham sido usados isoladamente, e a interação entre o substrato SERS e o analito ocorra em episódios intermitentes e muitas vezes limitada no momento da medição, os sistemas D24 integram o sensor e a molécula alvo em um dispositivo individual multifuncional, gerenciável e portátil. Além disso, diferentemente dos substratos SERS tradicionais, os sistemas D24 são suficientemente pequenos para atuar como rastreadores. Liberados nos circuitos de microcirculação, os sistemas D24 serão transportados através das artérias, arteríolas e microvasos do tecido vivo, interagirão com o sangue e produtos residuais de células, internalizarão analitos, peptídeos e biomarcadores e operarão análises de biomoléculas com elevada dimensão espacial e resolução temporária. Mapas analíticos de biomoléculas podem ser, por sua vez, associados ao risco individual de câncer, risco patológico ou estado fisiológico de um paciente para apoiar decisões médicas e planejar intervenções.

Observe que a ideia de usar diatomáceas como microcápsulas para detecção não é completamente nova. No entanto, trabalhos relatados anteriormente se afastam de nossa análise em uma extensão que depende de contribuições individuais, conforme explicado na seção subsequente.

Na referência [29], Ren e colegas usaram simulações para explorar os aprimoramentos do campo elétrico gerados por nanopartículas plasmônicas revestidas na superfície de conchas esqueléticas de diatomáceas. Em seguida, eles prepararam substratos SERS montando nanopartículas de prata em superfícies de diatomáceas. Embora dispositivos semelhantes atinjam excelentes fatores de aumento de detecção, as diatomáceas são imobilizadas em um substrato e não podem ser administradas livremente na microcirculação, dentro de fluidos ou soluções biológicas, compartimentos biológicos, aquedutos, canais, água do mar, fluxos e correntes oceânicas, para fins biológicos ou técnicos formulários.

Na referência [30], Chen e seus colegas prensaram terra de diatomáceas revestidas com nanopartículas de Au em comprimidos milimétricos duros em forma de botão. Em seguida, eles usaram esses tablets SERS para analisar a composição química do suor écrino em impressões digitais latentes, que é uma aplicação brilhante e muito prática do dispositivo na medicina. No entanto, é específico e a análise ainda é executada em nível de macroescala.

Na referência [31], o grupo liderado por Luca De Stefano funcionalizou a frustula de diatomácea com nanopartículas de Au usando deposição sem eletrodos. Em seguida, eles testaram o dispositivo usando p-mercaptoanilina (pMA). O pMA pode formar monocamada automontada em superfícies de metal e, portanto, é usado como uma molécula de sonda de superfície em SERS. A deposição não eletrolítica é uma técnica avaliada para a síntese de nanopartículas de ouro em uma superfície autocatalítica que permite obter alto controle sobre o tamanho e a densidade das partículas [18, 19, 32]. Diferentemente desta abordagem, usamos aqui um processo de fotodeposição que é mais direto, rápido e requer nenhum ou mínimo tratamento da amostra em comparação com a deposição sem eletrodos. No entanto, a abordagem proposta por De Stefano é promissora e merece ser verificada ainda mais em aplicações biológicas ou ambientais.

Conclusões

Desenvolvemos maneiras de modificar a terra de diatomáceas econômica, facilmente acessível e abundante para obter dispositivos sensores em miniatura, onde os poros das conchas de diatomáceas têm a capacidade de capturar moléculas em solução e as nanopartículas de ouro amplificam o sinal de espectroscopia de várias ordens de magnitude para revelar moléculas em faixas de baixa abundância de outra forma inatingíveis. Demonstramos dispositivos D24 semelhantes na análise de proteínas BSA biológicas em solução e para a detecção de traços de óleo mineral em uma emulsão binária com água. Em ambos os casos, revelamos moléculas alvo em baixas diluições até 10 ⁻¹⁶ M para BSA e 50 ppm para óleo mineral. Os dispositivos podem encontrar aplicações em química analítica, vigilância e avaliação de risco biológico, segurança alimentar, monitoramento de contaminantes e vigilância em águas do mar, aquedutos e água potável.

Métodos

Microscopia Eletrônica de Varredura de Amostras

Cascas de sílica funcionalizadas com nanopartículas de Au (sistemas D24) foram dispersas diretamente em uma fita adesiva de carbono para imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV). As amostras foram fotografadas usando um Zeiss Auriga Compact FE-SEM equipado com detector de elétrons secundários InLens, para imagens morfológicas, e detector de Back Scattering anular, para imagens de contraste Z (a fim de destacar a presença de Au).

Características da Terra Diatomácea usada neste estudo

O material de diatomácea usado neste estudo foi uma terra de diatomácea de alta qualidade de grau alimentício fornecida por Perma-Guard (Perma-Guard Europe Sollaris Sp. Z o.o., Otwock, Polônia) como uma amostra livre de 1 kg de Fossil Shell Flour®. Seu preço de mercado atual é de aproximadamente 16 euros por 1 kg. É composta por conchas cilíndricas da extinta diatomácea Melosira preicelanica. Sua fração principal constitui sílica amorfa (até 94%), seguida por esmectitas (~ 3%), caulinita (~ 2%), feldspatos (~ 1%), calcita (> 1%) e quartzo (> 1%) . A moagem em moinho de martelo de baixa velocidade foi realizada para homogeneizar o tamanho das partículas. As propriedades principais (incluindo propriedades físicas e ópticas) de Fossil Shell Flour® são tamanho médio de partícula:10 μm, resíduo da tela de malha:2%; índice de refração:1,43; absorção de óleo:120%; brilho (filtro verde):85; gravidade específica:2,2; área de superfície:44,2 m ² / g; pH:8,0; volume total dos poros:0,132 cm ³ / g; microporos (<20 Å):14%; mesoporos (20–500 Å):65%.

Análise de fluorescência de sistemas D24

Os sistemas D24 foram incubados com Microesferas Fluoresbrite® Yellow Green com diâmetro de 50 nm por 10 min, com proporção D24:partículas fluorescentes =1:10. Em seguida, coletamos os sistemas D24 da solução e os colocamos no estágio óptico de um sistema invertido de microscopia confocal de varredura a laser Leica TCS-SP2®. Todas as medidas foram realizadas com laser ArUv. O furo de agulha (80 μm) e a potência do laser (80% da potência) foram mantidos ao longo de cada experimento. A fluorescência amarela (semelhante ao FITC) foi excitada usando um λ ₁ =Linha de excitação de 441 nm e imagens confocais foram coletadas no máximo de emissão λ ₂ =485 nm usando x 10/20 objetivas. As imagens foram adquiridas em uma região de interesse de 975 × 750 μm ² e foram calculadas em média em quatro linhas e dez quadros para melhorar a qualidade e reduzir o ruído. As imagens foram digitalizadas em 1280 × 960 pixels.

Análise de amostras por espectroscopia de fotoelétrons de raio X

Os espectros de fotoelétrons de raios-X foram registrados em uma espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS) Versa Probe II (PHI, Chanassen US) pelo modo de análise de grande área onde o monocromato Al feixe anódico de 100 μm, potência de 100 W, normal para o superfície, é rasterizada sobre uma área de 1400 × 300 μm ² com o analisador a 45 ° em relação à superfície da amostra. Os espectros de pesquisa foram adquiridos com um tempo de acumulação de pelo menos 20 min na energia passa-alta (187 keV), enquanto os espectros de alta resolução dos elementos de interesse foram adquiridos a 11,7 keV com a mesma potência e resolução de 0,1 eV. Os espectros foram analisados pelo software Multipack (PHI, Chanassen USA) e todos os picos foram referenciados aos picos de carbono adventícios C1s a 284,8 eV de energia de ligação.

Simulação do campo eletromagnético nos sistemas D24

Para calcular numericamente o perfil do campo elétrico em toda a estrutura decorada, um modelo 3D do método dos elementos finitos (FEM) foi desenvolvido empregando o software comercial COMSOL Multiphysics 5.3. As simulações foram conduzidas em uma única célula unitária cúbica, onde 125 partículas foram colocadas na superfície da superfície dielétrica padronizada. A resposta óptica geral foi investigada como uma função do ângulo incidente do campo eletromagnético que foi aproximado como uma onda plana polarizada linearmente TM (arquivo adicional 4). A periodicidade do sistema foi levada em consideração aplicando-se as condições de contorno de Floquet nas faces laterais da célula unitária, perpendicular ao plano de incidência; posteriormente, os resultados foram periodicamente estendidos para a visualização da matriz de diatomáceas (arquivo adicional 4). Um comprimento de onda de λ =633,0 nm foi definido. A potência da radiação incidente foi escolhida arbitrariamente como P _inc = 1 W, the unit cell area equals 3.9 × 10⁻¹³ m² and the resulting intensity is I = 2.5 × 10⁻⁸ W/cm² (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 _air = 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 and y axes direction.

Abreviações

BSA:: Bovine serum albumin
D24 systems:: Silicon dioxide diatom shells functionalized with gold nanoparticles
DE:: Diatomaceous earth
MO:: Mineral oil
SERS:: Surface-enhanced Raman spectroscopy

Nanopartículas de ouro de formato redondo:efeito do tamanho da partícula e da concentração no crescimento da raiz de Arabidopsis thaliana Uma análise comparativa in vivo de nanopartículas de óxido de cobre e zinco biossintetizadas por vias de administração intraperitoneal e intravenosa em ratos

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

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