代謝物検出のための2Dマッピング上の電気化学的SERS

Electrochemical SERS on 2D Mapping for Metabolites Detection.

• Yow-Kuan Lin
• Ruo-Ju Tai
• Shu-Chen Wei
• Shyh-Chyang Luo

抄録

表面増強ラマン散乱（SERS）は、超低濃度の分析対象物を高感度で検出できることから、バイオ分析に広く利用されている。しかし、2次元SERS活性基質の臨床応用は、特に低濃度での正確な定量が困難であることから、依然として困難な状況にあります。本研究では、この問題を解決するために、最適化されたサンプルマッピング戦略と電気化学SERS（EC-SERS）技術を統合した分析法を提案しました。この方法を用いて，アザチオプリンの代謝物である 6-チオグアニンヌクレオチド（6-TGN）と 6-メチルメルカプトプリン（6-MMP）を検出することを目的とした実証実験を行いました。まず、酸化インジウムスズガラス上に金ナノ粒子（AuNP）を電気化学的に堆積させることにより、導電性SERS活性基板を作製した。次に、2つの代謝物をSERS活性基板のAuNPの表面にランダムに吸着させた。これは、電荷移動効果と基板表面での代謝物の再配向によるAu-S結合の形成の両方に起因していると考えられます。また、マッピング範囲を最適化することで、SERS 強度の標準偏差を効率的に低減し、10%以下の安定した標準偏差を達成することができました。これら2つの特徴により、6-TGNsと6-MMPをそれぞれ10nM、100nMの検出限界で定量分析することができました。EC-SERSとマッピング法の統合により、6-TGNsや6-MMPのように電気化学的に変調可能な分析対象物に対して、信頼性の高い定量分析プラットフォームを提供することができました。

Surface-enhanced Raman scattering (SERS) has been widely used for bioanalysis because it provides a high sensitivity for detecting analytes of ultralow concentrations. However, the clinical application of a 2D SERS-active substrate remains challenging because of the difficulty of obtaining accurate quantification, especially at low concentration. In this study, we proposed an analytical method that integrates an optimized sample mapping strategy with an electrochemical SERS (EC-SERS) technique to resolve this problem. We adopted this method to detect two metabolites of azathioprine, namely 6-thioguanine nucleotides (6-TGNs) and 6-methylmercaptopurine (6-MMP), as our proof-of-concept experiment. We first prepared a conductive SERS-active substrate by electrochemically depositing Au nanoparticles (AuNPs) on indium tin oxide glass. The two metabolites were then randomly absorbed on the surface of the AuNPs of the SERS-active substrates. When we applied a negative potential on the substrate, we observed a large enhancement of Raman intensity for both metabolites, which was attributed to both the charge transfer effect and reorientation of metabolites on the substrate surface, leading to the formation of Au-S bonds. In addition, by optimizing the mapping range, we were able to efficiently reduce the standard deviation of SERS intensity and achieve a consistent standard deviation lower than 10%. With these two features, we were able to achieve quantitative analysis of 6-TGNs and 6-MMP with a detection limit of 10 and 100 nM, respectively. The integration of EC-SERS and the mapping method provided a reliable and quantitative analytical platform for analytes, which can be electrochemically modulated, like 6-TGNs and 6-MMP.