Please wait a minute...
Frontiers of Chemical Science and Engineering

ISSN 2095-0179

ISSN 2095-0187(Online)

CN 11-5981/TQ

邮发代号 80-969

2019 Impact Factor: 3.552

Frontiers of Chemical Science and Engineering  2015, Vol. 9 Issue (4): 428-441   https://doi.org/10.1007/s11705-015-1536-0
  本期目录
SERS nanoprobes for bio-application
Han-Wen Cheng1,2,*(),Jin Luo2,Chuan-Jian Zhong2,*()
1. School of Chemical and Environmental Engineering, Shanghai Institute of Technology, Shanghai 201418, China
2. Department of Chemistry, State University of New York at Binghamton, Binghamton, NY 13902, USA
 全文: PDF(1899 KB)   HTML
Abstract

The ability to tune the size, shape, composition and surface properties impart nanoparticles with the desired functions for bio-application. This article highlights some of the recent examples in the exploration of metal (e.g., gold and silver) nanoparticles, especially those with magnetic properties and bio-conjugated structures, as theranostic nanoprobes. Such nanoprobes exhibit tunable optical, spectroscopic, magnetic, and electrical properties for signal amplifications. Examples discussed in this article will focus on the nanoproble-enhanced colorimetric detection and surface enhanced Raman scattering (SERS) detection of biomarkers or biomolecules such as proteins and DNAs. The understanding of factors controlling the biomolecular interactions is essential for the design of SERS nanoprobes with theranostic functions.

Key wordssurface-enhanced Raman scattering    functional nanoprobes    bio-conjugation    metal nanoparticles    magnetic properties    theranostic materials
收稿日期: 2015-06-21      出版日期: 2015-11-26
Corresponding Author(s): Han-Wen Cheng,Chuan-Jian Zhong   
 引用本文:   
. [J]. Frontiers of Chemical Science and Engineering, 2015, 9(4): 428-441.
Han-Wen Cheng,Jin Luo,Chuan-Jian Zhong. SERS nanoprobes for bio-application. Front. Chem. Sci. Eng., 2015, 9(4): 428-441.
 链接本文:  
https://academic.hep.com.cn/fcse/CN/10.1007/s11705-015-1536-0
https://academic.hep.com.cn/fcse/CN/Y2015/V9/I4/428
Fig.1  
Fig.2  
Fig.3  
Fig.4  
Fig.5  
Fig.6  
Fig.7  
Fig.8  
Fig.9  
Fig.10  
Fig.11  
1 Wang  Y Q, Yan  B, Chen  L X. SERS tags: Novel optical nanoprobes for bioanalysis. Chemical Reviews, 2013, 113(3): 1391–1428
2 Kneipp  J, Kneipp  H, Rice  W L, Kneipp  K. Optical probes for biological applications based on surface-enhanced Raman scattering from indocyanine green on gold nanoparticles. Analytical Chemistry, 2005, 77(8): 2381–2385
3 Driskell  J D, Lipert  R J, Porter  M D. Labeled gold nanoparticles immobilized at smooth metallic substrates: Systematic investigation of surface plasmon resonance and surface-enhanced Raman scattering. Journal of Physical Chemistry B, 2006, 110(35): 17444–17451
4 Hao  E, Schatz  G C. Electromagnetic fields around silver nanoparticles and dimers. Journal of Chemical Physics, 2004, 120(1): 357–366
5 Barhoumi  A, Zhang  D, Tam  F, Halas  N J. Surface-enhanced Raman spectroscopy of DNA. Journal of the American Chemical Society, 2008, 130(16): 5523–5529
6 Chon  H, Lee  S, Son  S W, Oh  C H, Choo  J. Highly sensitive immunoassay of lung cancer marker carcinoembryonic antigen using surface-enhanced Raman scattering of hollow gold nanospheres. Analytical Chemistry, 2009, 81(8): 3029–3034
7 Crew  E, Yan  H, Lin  L Q, Skeete  Z, Kotlyar  T, Tchah  N, Lee  J, Bellavia  M, Goodshaw  I, Joseph  P, Luo  J, Gal  S, Zhong  C J. DNA assembly and enzymatic cutting in solutions: A gold nanoparticle based SERS detection strategy. Analyst (London), 2013, 138(17): 4941–4949
8 Lin  L Q, Crew  E, Yan  H, Shan  S, Skeete  Z, Mott  D, Krentsel  T, Yin  J, Chernova  N A, Luo  J, Engelhard  M H, Wang  C, Li  Q B, Zhong  C J. Bifunctional nanoparticles for SERS monitoring and magnetic intervention of assembly and enzyme cutting of DNAs. Journal of Materials Chemistry. B, Materials for Biology and Medicine, 2013, 1(34): 4320–4330
9 Njoki  P N, Lim  I I S, Mott  D, Park  H Y, Khan  B, Mishra  S, Sujakumar  R, Luo  J, Zhong  C J. Size correlation of optical and spectroscopic properties for gold nanoparticles. Journal of Physical Chemistry C, 2007, 111(40): 14664–14669
10 Stoeva  S I, Huo  F, Lee  J S, Mirkin  C A. Three-layer composite magnetic nanoparticle probes for DNA. Journal of the American Chemical Society, 2005, 127(44): 15362–15363
11 Lim  I I S, Chandrachud  U, Wang  L, Gal  S, Zhong  C J. Assembly-disassembly of DNAs and gold nanoparticles: A strategy of intervention based on oligonucleotides and restriction enzymes. Analytical Chemistry, 2008, 80(15): 6038–6044
12 Hnilova  M, Khatayevich  D, Carlson  A, Oren  E E, Gresswell  C, Zheng  S, Ohuchi  F, Sarikaya  M, Tamerler  C. Single-step fabrication of patterned gold film array by an engineered multi-functional peptide. Journal of Colloid and Interface Science, 2012, 365(1): 97–102
13 Bonham  A J, Braun  G, Pavel  I, Moskovits  M, Reich  N O. Detection of sequence-specific protein-DNA interactions via surface enhanced resonance Raman scattering. Journal of the American Chemical Society, 2007, 129(47): 14572–14573
14 Sun  L, Yu  C, Irudayaraj  J. Surface-enhanced Raman scattering based nonfluorescent probe for multiplex DNA detection. Analytical Chemistry, 2007, 79(11): 3981–3988
15 Lim  D K, Jeon  K S, Hwang  J H, Kim  H, Kwon  S, Suh  Y D, Nam  J M. Highly uniform and reproducible surface-enhanced Raman scattering from DNA-tailorable nanoparticles with 1-nm interior Gap. Nature Nanotechnology, 2011, 6(7): 452–460
16 Mark  P R, Fabris  L. Understanding nanoparticle assembly: A simulation approach to SERS-active dimers. Journal of Colloid and Interface Science, 2012, 369(1): 134–143
17 Lim  I I S, Zhong  C J. Molecularly-mediated processing and assembly of nanoparticles: Exploring the interparticle interactions and structures. Accounts of Chemical Research, 2009, 42(6): 798–808
18 Doering  W E, Piotti  M E, Natan  M J, Freeman  R G. SERS as a foundation for nanoscale, optically detected biological labels. Advanced Materials, 2007, 19(20): 3100–4108
19 Lim  I I S, Njoki  P N, Park  H Y, Wang  X, Wang  L, Mott  D, Zhong  C J. Gold and magnetic oxide/gold core/shell nanoparticles as bio-functional nanoprobes. Nanotechnology, 2008, 19(30): 305102
20 Park  H Y, Schadt  M J, Wang  L, Lim  I I S, Njoki  P N, Kim  S H, Jang  M Y, Luo  J, Zhong  C J. Fabrication of magnetic core@shell Fe-oxide@Au nanoparticles for interfacial bio-activity and bio-separation. Langmuir, 2007, 23(17): 9050–9056
21 Yan  H, Lim  I I S, Zhang  L C, Gao  S C, Mott  D, Le  Y, An  D L, Zhong  C J. Rigid, conjugated and shaped arylethynes as mediators for the assembly of gold nanoparticles. Journal of Materials Chemistry, 2011, 21(6): 1890–1901
22 Alvarez-Puebla  R A, Liz-Marzán  L M. Traps and cages for universal SERS detection. Chemical Society Reviews, 2012, 41(1): 43–51
23 Li  L, Hutter  T, Finnemore  A S, Huang  F M, Baumberg  J J, Elliott  S R, Steiner  U, Mahajan  S. Metal oxide nanoparticle mediated enhanced Raman scattering and its use in direct monitoring of interfacial chemical reactions. Nano Letters, 2012, 12(8): 4242–3246
24 Zhou  X, Xu  W L, Wang  Y, Kuang  Q, Shi  Y F, Zhong  L B, Zhang  Q Q. Fabrication of cluster/shell Fe3O4/Au nanoparticles and application in protein detection via a SERS method. Journal of Physical Chemistry C, 2010, 114(46): 19607–19613
25 Jun  B H, Noh  M S, Kim  J Y, Kim  G S, Kang  H M, Kim  M S, Seo  Y T, Baek  J H, Kim  J H, Park  J Y, Kim  S Y, Kim  Y K, Hyeon  T W, Cho  M H, Jeong  D H, Lee  Y S. Multifunctional silver-embedded magnetic nanoparticles as SERS nanoprobes and their applications. Small, 2010, 6(1): 119–125
26 Tao  C A, An  Q, Zhu  W, Yang  H W, Li  W N, Lin  C X, Xu  D, Li  G T. Cucurbit[n]urils as a SERS hot-spot nanocontainer through bridging gold nanoparticles. Chemical Communications, 2011, 47(35): 9867–9869
27 Wang  L, Xu  L, Kuang  H, Xu  C, Kotov  N A. Dynamic nanoparticle assemblies. Accounts of Chemical Research, 2012, 45(11): 1916–1926
28 Jones  M R, Osberg  K D, Macfarlane  R J, Langille  M R, Mirkin  C A. Templated techniques for the synthesis and assembly of plasmonic nanostructures. Chemical Reviews, 2011, 111(6): 3736–3827
29 Giljohann  D A, Seferos  D S, Daniel  W L, Massich  M D, Patel  P C, Mirkin  C A. Gold nanoparticles for biology and medicine. Angewandte Chemie International Edition, 2010, 49(19): 3280–3294
30 Lin  M, Pei  H, Yang  F, Fan  C, Zuo  X. Applications of gold nanoparticles in the detection and identification of infectious diseases and biothreats. Advanced Materials, 2013, 25(25): 3490–3496
31 Ye  S, Mao  Y, Guo  Y, Zhang  S. Enzyme-based signal amplification of surface-enhanced Raman scattering in cancer-biomarker detection. Trends in Analytical Chemistry, 2014, 55: 43–54
32 Barrow  S J, Funston  A M, Wei  X, Mulvaney  P. DNA-directed self-assembly and optical properties of discrete 1D, 2D and 3D plasmonic structures. Nano Today, 2013, 8(2): 138–167
33 Njoki  P N, Luo  J, Kamundi  M M, Lim  I I S, Zhong  C J. Aggregative growth in size-controlled growth of monodispersed gold nanoparticles. Langmuir, 2010, 26(16): 13622–13629
34 Shields  S P, Richards  V N, Buhro  W E. Nucleation control of size and dispersity in aggregative nanoparticle growth. A study of the coarsening kinetics of thiolate-capped gold nanocrystals. Chemistry of Materials, 2010, 22(10): 3212–3225
35 Luo  J, Maye  M M, Han  L. Kariuki  N N, Jones  V W, Lin  Y, Engelhard  M H, Zhong  C J. Spectroscopic characterizations of molecularly-linked gold nanoparticle assemblies upon thermal treatment. Langmuir, 2004, 20(10): 4254–4260
36 Lim  S, Ouyang  J, Luo  J, Wang  L, Zhou  S, Zhong  C J. Multifunctional fullerene-mediated assembly of gold nanoparticles. Chemistry of Materials, 2005, 17(26): 6528–6531
37 Lim  S, Vaiana  C, Zhang  Z Y, Zhang  Y J, An  D L, Zhong  C J. X-shaped rigid arylethynes to mediate the assembly of nanoparticles. Journal of the American Chemical Society, 2007, 129(17): 5368–5369
38 Schadt  M J, Cheung  W, Luo  J, Zhong  C J. Molecularly-tuned size selectivity in thermal processing of gold nanoparticles. Chemistry of Materials, 2006, 18(22): 5147–5148
39 Maye  M M, Zheng  W X, Leibowitz  F L, Ly Nv  K, Zhong  C J. Heating-induced evolution of thiolate-encapsulated gold nanoparticles: A strategy for size and shape manipulations. Langmuir, 2000, 16(2): 490–497
40 Maye  M M, Zhong  C J. Manipulating core-shell reactivities for processing nanoparticle sizes and shapes. Journal of Materials Chemistry, 2000, 10(8): 1895–1901
41 Mott  D, Galkowski  J, Wang  L, Luo  J, Zhong  C J. Synthesis of size-controlled and shaped copper nanoparticles. Langmuir, 2007, 23(10): 5740–5745
42 Wang  L Y, Luo  J, Fan  Q, Suzuki  M, Suzuki  I S, Engelhard  M H, Lin  Y, Kim  N, Wang  J Q, Zhong  C J. Synthesis and characterization of monolayer-capped PtVFe nanoparticles with controllable sizes and composition. Journal of Physical Chemistry B, 2005, 109: 21593–21601
43 Wang  L Y, Park  H Y, Lim  I I S, Schadt  M J, Mott  D, Luo  J, Wang  X, Zhong  C J. Core@shell nanomaterials: Gold-coated magnetic oxide nanoparticles. Journal of Materials Chemistry, 2008, 18(23): 2629–2635
44 Wang  X, Wang  L Y, Lim  I I S, Bao  K, Mott  D, Park  H Y, Luo  J, Hao  S, Zhong  C J. Synthesis, characterization and potential application of MnZn ferrite and MnZn ferrite@Au nanoparticles. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2009, 9(5): 3005–3012
45 Wang  L Y, Luo  J, Shan  S, Crew  E, Yin  J, Zhong  C J. Bacterial inactivation using silver-coated magnetic nanoparticles as functional antimicrobial agents. Analytical Chemistry, 2011, 83(22): 8688–8695
46 Wang  L Y, Wang  X, Luo  J, Wanjala  B N, Wang  C, Chernova  N, Engelhard  M H, Bae  I T, Liu  Y, Zhong  C J. Core-shell structured ternary magnetic nanocubes. Journal of the American Chemical Society, 2010, 132(50): 17686–17689
47 Zeng  H, Rice  P M, Wang  S X, Sun  S. Shape-controlled synthesis and shape-induced texture of MnFe2O4 nanoparticles. Journal of the American Chemical Society, 2004, 126(37): 11458–11459
48 Wang  L Y, Luo  J, Maye  M M, Fan  Q, Rendeng  Q, Engelhard  M H, Wang  C M, Lin  Y H, Zhong  C J. Iron oxide-gold core-shell nanoparticles and thin film assembly. Journal of Materials Chemistry, 2005, 15(18): 1821–1832
49 Lim  I I S, Ip  W, Crew  E, Njoki  P N, Mott  D, Zhong  C J, Pan  Y, Zhou  S. Homocysteine-mediated reactivity and assembly of gold nanoparticles. Langmuir, 2007, 23(2): 826–833
50 Jin  R, Wu  G, Li  Z, Mirkin  C A, Schatz  G C. What controls the melting properties of DNA-linked gold nanoparticles assemblies? Journal of the American Chemical Society, 2003, 125(6): 1643–1654
51 Lytton-Jean  A K R, Han  M S, Mirkin  C A. Microarray detection of duplex and triplex DNA binders with DNA-modified gold nanoparticles. Analytical Chemistry, 2007, 79(15): 6037–6041
52 Li  H, Rothberg  L J. Label-free colorimetric detection of specific sequences in genomic DNA amplified by the polymerase chain reaction. Journal of the American Chemical Society, 2004, 126(35): 10958–10961
53 Wang  Z, Kanaras  A G, Bates  A D, Cosstick  R, Brust  M. Enzymatic DNA processing on gold nanoparticles. Journal of Materials Chemistry, 2004, 14(4): 578–580
54 Porter  M D, Lipert  R J, Siperko  L M, Wang  G, Narayanana  R. SERS as a bioassay platform: Fundamentals, design, and applications. Chemical Society Reviews, 2008, 37(5): 1001–1011
55 Cheng  H W, Huan  S Y, Yu  R Q. Nanoparticle-based substrates for surface-enhanced Raman scattering detection of bacterial spores. Analyst (London), 2012, 137(16): 3601–3608
56 Cheng  H W, Huan  S Y, Wu  H L, Shen  G L, Yu  R Q. Surface-enhanced Raman spectroscopic detection of a bacteria biomarker using gold nanoparticle immobilized substrates. Analytical Chemistry, 2009, 81(24): 9902–9912
57 Cheng  H W, Luo  W Q, Wen  G L, Huan  S Y, Shen  G L, Yu  R Q. Surface-enhanced Raman scattering based detection of bacterial biomarker and potential surface reaction species. Analyst (London), 2010, 135(11): 2993–3001
58 Cheng  H W, Chen  Y Y, Lin  X X, Huan  S Y, Wu  H L, Shen  G L, Yu  R Q. Surface-enhanced Raman spectroscopic detection of bacillus subtilis spores using gold nanoparticle based substrates. Analytica Chimica Acta, 2011, 707(1-2): 155–163
59 Brown  K R, Walter  D G, Natan  M J. Seeding of colloidal Au nanoparticle solutions. 2. Improved control of particle size and shape. Chemistry of Materials, 2000, 12(2): 306–313
60 Zhang  X Y, Young  M A, Lyandres  O, Van Duyne  R P. Rapid detection of an anthrax biomarker by surface-enhanced Raman spectroscopy. Journal of the American Chemical Society, 2005, 127(12): 4484–4489
61 Zhang  X Y, Zhao  J, Whitney  A V, Elam  J W, Van Duyne  R P. Ultrastable substrates for surface-enhanced Raman spectroscopy: Al2O3 overlayers fabricated by atomic layer deposition yield improved anthrax biomarker detection. Journal of the American Chemical Society, 2006, 128(31): 10304–10309
62 Lim  I I S, Mott  D, Ip  W, Njoki  P N, Pan  Y, Zhou  S, Zhong  C J. Interparticle interactions in glutathione mediated assembly of gold nanoparticles. Langmuir, 2008, 24(16): 8857–8863
63 Lim  I I S, Mott  D, Engelhard  M, Pan  Y, Kamodia  S, Luo  J, Njoki  P N, Zhou  S, Wang  L, Zhong  C J. Interparticle chiral recognition of enantiomers: A nanoparticle-based regulation strategy. Analytical Chemistry, 2009, 81(2): 689–698
64 Brust  M, Walker  M, Bethell  D, Schiffrin  D J, Whyman  R. Synthesis of thiol-derivatized gold nanoparticles in a 2-phase liquid-liquid system. Chemical Communications, 1994, 7: 801–802
65 Park  H, Lee  S, Chen  L X, Lee  E K, Shin  S Y, Lee  Y H, Son  S W, Oh  C H, Song  J M, Kang  S H, Choo  J. SERS imaging of HER2-overexpressed MCF7 cells using antibody-conjugated gold nanorods. Physical Chemistry Chemical Physics, 2009, 11(34): 7444–7449
66 Wang  Y Q, Chen  L X, Liu  P. Biocompatible triplex Ag@SiO2@mTiO2 core-shell nanoparticles for simultaneous fluorescence-SERS bimodal imaging and drug delivery. Chemistry (Weinheim an der Bergstrasse, Germany), 2012, 18(19): 5935–5943
67 Zhang  W W, Wang  Y Q, Sun  X Y, Wang  W H, Chen  L X. Mesoporous titania based yolk-shell nanoparticles as multifunctional theranostic platforms for SERS imaging and chemo-photothermal treatment. Nanoscale, 2014, 6(23): 14514–14522
68 Lin  D H, Qin  T Q, Sun  X Y, Chen  L X. Graphene oxide wrapped SERS tags: Multifunctional platforms toward optical labeling, photothermal ablation of bacteria, and the monitoring of killing effect.  ACS  Applied  Materials &  Interfaces,  2014,  6(2):  1320–1329
69 Niu  X J, Chen  H Y, Wang  Y Q, Wang  W H, Sun  X Y, Chen  L X. Upconversion fluorescence-SERS dual-mode tags for cellular and in vivo imaging. ACS Applied Materials & Interfaces, 2014, 6(7): 5152–5160
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed