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.

Key words： functional nanoprobes; metal nanoparticles; surface-enhanced Raman scattering; bio-conjugation; magnetic properties; theranostic materials

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).

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