Fabrication of AuNRs-PDMS Micropillar Structure and Its Label-free SERS Detection for Regulated Living Cells

doi:10.7503/cjcu20240364

Abstract

Abstract:

In this work， gold nanorods-polydimethylsiloxane（AuNRs-PDMS） micropillar was proposed， of which topographic feature could serve as mechanical cues for cell regulation， as well as AuNRs assembly on the micropillar could serve as surface-enhanced Raman scattering（SERS） substrates for regulated cell detection. Three fabrication routes， including solvent evaporation， absorption transferring and stamp transferring， were compared and optimized towards the construction of AuNRs-PDMS micropillar with high SERS enhancement and homogeneity. The SERS performance was determined by comparing the spectra changes of 4-mercaptobenzoic acid（4-MBA） at different test points on AuNRs-PDMS micropillar. Results demonstrate that AuNRs-PDMS micropillar by stamp transferring possesses acceptable SERS enhancement with the highest homogeneity， and the relative standard deviation（RSD） of SERS intensity is 7.3%， indicating the structure is a feasible SERS substrate for label-free cell detection. Mesenchymal stem cells（MSCs）， the object for cell regulation and SERS detection， were cultured on the AuNRs-PDMS micropillar by stamp transferring and AuNRs-PDMS flat control. Compared to their counterparts， MSCs regulated by the AuNRs-PDMS micropillar show growth direction along the topographic feature and morphology changes. Meanwhile， the variation of SERS spectra illustrates the increase of lipids and the changes of protein components as well as bond stretching vibrations during cell regulation， implying that the contact guidance and morphology changes of regulated cells are associated with cell component variations. The strategy builds a bridge between cell regulation and label-free SERS detection of the regulated cells， providing deeper insight into cell-substrate interactions.

Key words: Gold nanorod, Surface-enhanced Raman scattering, Cell detection, Cell regulation

CLC Number:

O657.37

TrendMD:

WU Xiaoyu, ZHU Feng, KUANG Yuanheng, LIU Bohua, SUN Chongling, WANG Yanyan. Fabrication of AuNRs-PDMS Micropillar Structure and Its Label-free SERS Detection for Regulated Living Cells[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(3): 20240364.

Figures/Tables 7

References 36

1	Ma H.， Pan S. Q.， Wang W. L.， Yue X.， Xi X. H.， Yan S.， Wu D. Y.， Wang X.， Liu G.， Ren B.， ACS Nano， 2024， 18（22）， 14000—14019
2	Itoh T.， Prochazka M.， Dong Z. C.， Ji W.， Yamamoto Y. S.， Zhang Y.， Ozaki Y.， Chem. Rev.， 2023， 123（4）， 1552—1634
3	Liebel M.， Pazos⁃Perez N.， van Hulst N. F.， Alvarez⁃Puebla R. A.， Nat. Nanotechnol.， 2020， 15（12）， 1005—1011
4	He X.， Wei W.， Duan X.， Nanotechnol. Precis. Eng.， 2023， 6（4）， 045002
5	Chen S. Y.， Zhang X. Y.， Liu B.， Tian D.， Li Q.， Chen F.， Hu C. L.， Chen J.， Chem. J. Chinese Universities， 2021， 42（8）， 2381—2392
	陈韶云，张行颖，刘奔，田杜，李奇，陈芳，胡成龙，陈建. 高等学校化学学报， 2021， 42（8）， 2381—2392
6	Haldavnekar R.， Vijayakumar S. C.， Venkatakrishnan K.， Tan B.， ACS Nano， 2020， 14（11）， 15468—15491
7	Xia D. C.， Zhou R.， Tu B.， Cai Z. W.， Gao N.， Ji X. X.， Chang G.， Ren X. M.， He Y. B.， Chem. J. Chinese Universities， 2022， 43（3）， 67—77
	夏大成，周瑞，涂博，蔡志伟，高难，姬晓旭，常钢，任小明，何云斌. 高等学校化学学报， 2022， 43（3）， 67—77
8	Deng K.， Luo Z.， Tan L.， Quan Z.， Chem. Soc. Rev.， 2020， 49（16）， 6002—6038
9	Wei W. B.， Bai F.， Fan H. Y.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2019， 58（35）， 11956—11966
10	Xu L.， Li X. Y.， Wang X.， Zou Z. M.， Nanotechnology， 2021， 32（13）， 135601
11	Chen X. Y.， Cui A. R.， He M. Y.， Yan M.， Zhang X. C.， Ruan J.， Yang S. K.， Nano Lett.， 2023， 23（14）， 6736—6743
12	Song L.， Xu B. B.， Cheng Q.， Wang X.， Luo X.， Chen X.， Chen T.， Huang Y.， Sci. Adv.， 2021， 7（52）， eabk2852
13	Liu Y.， Kim M.， Cho S. H.， Jung Y. S.， Nano Today， 2021， 37， 101063
14	Kim M.， Panagiotakopoulou M.， Chen C.， Ruiz S. B.， Ganesh K.， Tammela T.， Heller D. A.， Nature Rev. Cancer， 2023， 23（9）， 581—599
15	Cheng Y.， Pang S. W.， Microsystems & Nanoengineering， 2023， 9（1）， 6
16	Zhang R. Y.， Duan X. X.， Zhang S. H.， Guo W. L.， Sun C.， Han Z. Y.， Nanotechnol. Precis. Eng.， 2023， 6（2）， 023003
17	Kang S.， Wu X.， Qi H.， Yang K.， Feng R.， Guo W.， Sun C.， Duan X.， Wang Y.， Small Structures， 2024， 5（5）， 2300432
18	Nemec S.， Kilian K. A.， Nat. Rev. Mater.， 2021， 6（1）， 69—83
19	Yang L. T.， Conley B. M.， Rathnam C.， Cho H. Y.， Pongkulapa T.， Conklin B.， Lee K. B.， ACS Nano， 2022， 16（4）， 5577—5586
20	He S.， Pang W.， Wu X. Y.， Yang Y.， Li W. J.， Qi H.， Sun C. L.， Duan X. X.， Wang Y. Y.， Nanoscale， 2022， 14（41）， 15281—15290
21	Zhu F.， Liu Z.， Wu X.， Xu D.， Li Q.， Chen X.， Pang W.， Duan X.， Wang Y.， Ultrasonics Sonochemistry， 2023， 100， 106618
22	Guo Q.， Wu X.， Duan X.， He S.， Pang W.， Wang Y.， J. Colloid Interface Sci.， 2021， 586， 67—74
23	Yang K.， Kang S.， Wu X.， Liu B.， Sun C.， Wang Y.， Appl. Phys. Lett.， 2023， 123（14）， 143505
24	Wang S.， Wang Z.， Tang N.， Liu C.， He S.， Liu B.， Qu H.， Duan X.， Pang W.， Wang Y.， Nanotechnology， 2019， 30（17）， 175302
25	Meitl M. A.， Zhu Z. T.， Kumar V.， Lee K. J.， Feng X.， Huang Y. Y.， Adesida I.， Nuzzo R. G.， Rogers J. A.， Nature Materials， 2006， 5（1）， 33—38
26	He S.， Pang W.， Wu X. Y.， Yang Y.， Li W. J.， Qi H.， Yang K.， Duan X. X.， Wang Y. Y.， ACS Nano， 2022， 16（5）， 8427—8439
27	Wu X.， Yang K.， He S.， Zhu F.， Kang S.， Liu B.， Sun C.， Pang W.， Wang Y.， J. Colloid Interface Sci.， 2023， 647， 429—437
28	Kesharwani P.， Ma R.， Sang L.， Fatima M.， Sheikh A.， Abourehab M. A. S.， Gupta N.， Chen Z. S.， Zhou Y.， Molecular Cancer， 2023， 22（1）， 98
29	Cao J.， Sun T.， Grattan K. T. V.， Sensor. Actuat. B： Chem.， 2014， 195， 332—351
30	Wang T.， Liang G.， Appl. Therm. Eng.， 2023， 226， 120310
31	Wang S.， Wang Y.， Chinese J. Anal. Lab.， 2019， 38（8）， 891—896
	王爽，王艳艳. 分析试验室， 2019， 38（8）， 891—896
32	Zhang C.， Qi G.， Kong J.， Diao X.， Ju X.， Wang J.， Dong S.， Jin Y.， Anal. Chem.， 2023， 95（48）， 17716—17725
33	Wang W.， Vikesland P. J.， Anal. Chem.， 2023， 95（49）， 18055—18064
34	Lee G.， Cho Y.， Kim E. H.， Choi J. M.， Chae S. S.， Lee M. G.， Kim J.， Choi W. J.， Kwon J.， Han E. H.， Kim S. H.， Park S.， Chung Y. H.， Chi S. G.， Jung B. H.， Shin J. H.， Lee J. O.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2022， 14（1）， 20—31
35	Higgins S. G.， Becce M.， Belessiotis⁃Richards A.， Seong H.， Sero J. E.， Stevens M. M.， Adv. Mater.， 2020， 32（9）， e1903862
36	Xie W.， Wei X.， Kang H.， Jiang H.， Chu Z.， Lin Y.， Hou Y.， Wei Q.， Adv. Sci.， 2023， 10（9）， 2204594

[1]	CHEN Shaoyun, ZHANG Xingying, LIU Ben, TIAN Du, LI Qi, CHEN Fang, HU Chenglong, CHEN Jian. Controllable Growth of Silver Nanoparticles on TiO₂ Tetragonal Prism Nanarrays and Its SERS Effect [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(8): 2381.
[2]	LU Feng, GONG Yi, ZHAO Ting, ZHAO Ning, JU Wenwen, FAN Quli, HUANG Wei. Seedless Synthesis of Gold Nanorods with Narrow Absorption Using Binary Surfactant Mixture [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(3): 700.
[3]	LI Qi, TIAN Du, CHEN Shaoyun, ZHONG Min, HU Chenglong, CHEN Jian. Controllable Assembling of Silver Nanosheets on Non-woven Fabric Fibers and Its SERS Effect [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(3): 736.
[4]	ZHANG Mengyao, YU Renpeng, HAN Mei, LIU Jianfang, LI Moxia, HU Jiawen, TIAN Zhongqun. Salt-Induced Self-assembly of Au Nanoparticles and Sedimentation Enables Plasmonic Black Au film with Broadband Absorption Properties [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(8): 1903.
[5]	QI Qi,LU Bingxin,CHE Yuping,WANG Yang,ZHAI Jin. Bimetallic Multi-core Nanoparticles with Dual SiO₂ Layer Au@SiO₂@Ag@SiO₂ for the Detection of Glucose^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(5): 887.
[6]	WANG Wen,TAO Xiafang,WU Yunyan,ZHAO Nan,CHENG Xiaonong,YANG Juan,ZHOU Yazhou. Fabrication and SERS Performance of “Sandwich” Structured Silver Nanoparticles/Graphene Oxide Substrates^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(4): 667.
[7]	SONG Ziqi,GONG Baijuan,WANG Lu,FENG Jing,WANG Bo,YAN Hongjing,LI Zhimin,SUN Hongchen. Polydopamine-coated Gold Nanorods for Rat Submandibular Gland Radiography^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(1): 166.
[8]	ZHANG Lutao, ZHOU Guangming, LUO Dan, CHEN Rong. Rapid Detection on Chlortetracycline Residues in Honey by Surface-enhanced Raman Spectroscopy^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2018, 39(8): 1662.
[9]	LI Kaifeng,WU Dan,CHEN Yanwei. Effect of Copper Doping on the Growth and Optical Properties of Au Nanorods^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2018, 39(5): 855.
[10]	SUN Lin, ZHANG Han, DU Yiping. Preparation of Surface Enhanced Raman Scattering Substrates Based on SBA-15 Material and the Detection of Enrofloxacin in Chicken and Chicken Feed^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2018, 39(3): 455.
[11]	XU Weiqing,GUAN Shulin,WANG Yi,WANG Xinnan,TAO Yanchun,XU Shuping. Fresh Hierarchical Periodic Silver SERS-active Substrate with the Band-aid Protecting Layer^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2018, 39(12): 2752.
[12]	MA Fangchen, LI Xin, REN Xiaohui. Ultrasensitive Detection of Malachite Green Using the Coupling Technique of Dummy Molecular Imprinting and Surface-enhanced Raman Scattering [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2017, 38(8): 1347.
[13]	JIANG Tingting, WANG Yuanfang, LIU Peilong, TIAN Yixia, LI Hao, HU Yongguo. Vancomycin Derivative Modified Silica-coated Silver Nanoplate for Surface-enhanced Raman Scattering Imaging and Antimicrobial Photodynamic Therapy of Vancomycin Resistant Bacterial Strains^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2017, 38(5): 846.
[14]	HAN Linhuan, LI Kaifeng, CHEN Yanwei. Growth of Gold Nanorods and Their Interaction with Ferric Chloride^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2017, 38(5): 706.
[15]	JIN Xintian, LIU Gang, LI Junzhe, SUN Lili, WANG Junrong, LI Junfeng, LI Pei, CHEN Wenqing, WANG Qiang, TONG Ti. Preparation of Hyaluronic Acid-modified Mesoporous Silica-coated Gold Nanorods and Their Application in Chemo-Photothermal Therapy of Cancer [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2016, 37(2): 224.