Diseño de nano-estructuras plasmónicas para espectroscopía SERS ultrasensible: comparaciónentre el autoensambladoy labioconjugación

Abstract

En este trabajo, se presenta una estrategia sencilla para generar nanoestructuras plasmónicas por autoensamblado y bioconjugación de nanoesferas (NSs) de Au, para ser aplicadas como plataformas de espectroscopia Raman incrementada por superficie (SERS). Mediante el reconocimiento molecular altamente específico entre biotina y estreptavidina (STV) se generan dímeros con una distancia interpartícula de alrededor de 8 nm, mientras que en ausencia de STV la agregación no direccionada de la superficie de las NSs genera aglomerados compactos con distancia interpartícula de 5 nm debido a los puente hidrógeno que se establecen entre moléculas de biotina funcionalizadas. Ambos sustratos permiten detectar concentraciones de biotina picomolares (1x10-12 M). Sin embargo, los factores de incremento analíticos (AEF) son un orden de magnitud mayor en el caso de los dímeros (107) que en el caso de los aglomerados compactos (106). Utilizando los grandes incrementos de campo eléctrico se utilizaron estos sustratos para detectar un analito externo, Rodamina 6G (RH6G), y se determino que los dímeros generan incrementos de un orden de magnitud mayor (105) que el uso de aglomerados compactos (104). La dependencia de la longitud de onda y las diferencias en los AEF para los sustratos diméricos y los aglomerados compactos de NSs de Au se correlacionaron con simulaciones electrodinámicas rigurosas. Los dímeros generados son en sí un nuevo tipo de un sustrato SERS que puede ser autocalibrado donde selectivamente se puede “atrapar” moléculas biotiniladas por STV y situándolas en la zona de máximo incremento de campo electromagnético. Por otra parte, el estudio de las propiedades ópticas de los aglomerados compactos permitió el desarrollo de un procedimiento general para hacer una predicción cuantitativa de la respuesta SERS de este tipo de nanoestructuras.

In this work, we report a simple strategy to obtain ultrasensitive SERS nanostructures by self-assembly and bioconjugation of Au nanospheres (NSs). Homodimer aggregates with an interparticle gap of around 8 nm are generated in aqueous dispersions by the highly specific molecular recognition of biotinylated Au NSs to streptavidin (STV), while compact-tight Au NS aggregates with a gap of 5 nm are formed in the absence of STV due to hydrogen bonding among biotinylated NSs. Both types of aggregates depict the capability to detect biotin concentrations lower than 1x10-12 M. Nevertheless, it was found that dimers are better SERS substrates as they generate enhancements one order of magnitude bigger than the compact-tight aggregates (107 and 106, respectively). Quite interesting, the AEF for an external analyte, Rhodamine 6G (RH6G), using the dimer aggregates is also 1 order of magnitude greater (105) than using compact-tight aggregates (around 104). The dependence on the wavelength and the differences of the AEF for Au random aggregates and dimers are rationalized with rigorous electrodynamic simulations. The dimers obtained afford a new type of an in situ self-calibrated and reliable SERS substrate where biotinylated molecules can selectively be “trapped” by STV and located in the nanogap enhanced plasmonic field. On the other hand, the study of the optical properties of compact-tight aggregates allow to develop a general procedure to make a quantitative prediction of the SERS response tight-compact clusters that is demonstrated to be quite general independent of the metal (Ag or Au) and size of the individual NSs of the cluster.