SERS nanoprobes for bio-application

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.

Graphical abstract

Keywords

functional nanoprobes / metal nanoparticles / surface-enhanced Raman scattering / bio-conjugation / magnetic properties / theranostic materials

References

[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

Acknowledgement

The authors express our appreciations to former and current members of the Zhong Research Group and collaborators who have made contributions to the work described in this article. Portions of the research are supported by the National Natural Science Foundation (Grant Nos. 0848701, 1100736) and SUNY Research Collaboration Fund, and in part by the Scientific Research Foundation of SIT (YJ2015-9) and SEC (ZZyy15099).

RIGHTS & PERMISSIONS

2014 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg