Surface-enhanced Raman spectroscopy on CVD graphene-DNA composites

Abstract

La espectroscopia Raman mejorada en superficie (SERS) es un método analítico que mejora la sensibilidad de las señales de dispersión Raman. Los investigadores han utilizado SERS para investigar diversos sistemas químicos y biológicos, incluyendo proteínas, células y ADN. Debido a su composición molecular distinta y a sus propiedades físicas y químicas específicas, la aparición del grafeno proporciona excelentes nanoplataformas para fabricar sustratos activos para SERS. 2,3 En el grafeno, el orbital 2pz restante de cada átomo de carbono hibridado sp2 constituye un gran enlace π deslocalizado del grafeno, que favorece la adsorción de ADN en la superficie del carbono a través de interacciones π − π entre los anillos aromáticos del grafeno y los grupos que contienen N de las bases de ADN.4 El objetivo principal de este proyecto de investigación es sintetizar un compuesto de grafenoADN por CVD y revelar la existencia de la respuesta SERS en el grafeno. Se depositó ADN procedente de un cultivo de bacterias Staphylococcus a diferentes concentraciones 376,2 ng/µL, 409, 8 ng/µL, y 543, 2 ng/µL sobre grafeno en sustrato SiO2/Si. A continuación, se realizó una caracterización via espectroscopia Raman utilizando un láser de 532 nm. En primer lugar, se explica que el SERS sobre grafeno se basa principalmente en el mecanismo químico (CM) debido a las interacciones molécula-sustrato y de una transferencia de carga efectiva entre ellos, que se representan por nuevos modos Raman en los espectros SERS, mapeos y efecto de dopaje. Además, se explica cómo los cambios en la posición de las bandas 2D y G del grafeno son el resultado de efectos intrínsecos del dopaje de carga o de la deformación entre el dsADN y el grafeno. Además, los espectros SERS mostraron bandas superpuestas procedentes de las nucleobases del dsADN debido a que la estructura helicoidal lo limita a través del par de bases más cercano. Se depositó una muestra limpia de ADN (409 8 ng/µL) se depositó sobre sustrato SiO2/Si para comparar la señal Raman del ADN sobre este sustrato con la obtenida en presencia de grafeno, que potencia la respuesta vibrónica de la molécula de dos formas i) apagando la fluorescencia derivada de la biomolécula, lo que hace que las vibraciones principales de un ADN se hagan evidentes, y ii) debido a la fuerte interacción electrostática entre el ADN y el grafeno, esta interacción da lugar a un aumento de la línea D, un desplazamiento al rojo de la línea G y un desplazamiento al azul de la línea 2D del grafeno. Por otra parte, se empleó una técnica alternativa, la espectroscopia Raman infrarroja transformada de Fourier (FTIR), para medir el ADN prístino. Sin embargo, debido a la dilución y baja concentración de ADN en agua( ng/µL), los espectros FTIR obtenidos dificultan las vibraciones del ADN en las fuertes del agua. Como resultado, en esta tesis, confirmamos: i) el empleo de grafeno sirve como plataforma de detección y sustrato óptimo para medir la presencia de biomoléculas de concentración ultrabaja, ii) la fuerte interacción de las biomoléculas con el grafeno potencia la señal Raman, lo que presenta muchas ventajas, como una preparación más sencilla, menor coste, mejor biocompatibilidad y quenching de la fluorescencia, como se demostrará a lo largo de esta tesis.