Gold-Coated Black Silicon Nanostructured Surfaces for SERS and SALDI-MS Multimodal Imaging of Biological Applications

Abstract

La caracterització in situ de la composició molecular dels teixits biològics és indispensable en la investigació clínica, farmacèutica i forense. Les tècniques d’imatge molecular, com l’espectrometria de masses d’imatge i les imatges per espectroscòpia Raman, empren materials nanoestructurats per abordar reptes com la baixa sensibilitat, l’especificitat i la resolució lateral. L’objectiu d’aquesta tesi és dissenyar, fabricar, avaluar i aplicar un substrat nanoestructurat basat en or i silici (que denominem “AuBSi”) compatible amb aplicacions d’espectrometria de masses d’imatges per desorció/ionització per làser assistides per superfície (SALDI-MS) i espectroscòpia Raman intensificada per superfície (SERS). Els resultats demostren que el substrat AuBSi és reproduïble, fàcil de fer servir, rendible i altament fiable. Assegura una fàcil preparació de la mostra i és totalment compatible amb les dues modalitats d’imatge, cosa que permet un enfocament veritablement multimodal. Mostrem que hi ha una unificació entre els formats de dades SALDI i SERS que permet la integració completa del flux de treball de processament d’imatges i el co-registre d’imatges.. S’han provat les capacitats d’obtenció d’imatges del substrat AuBSi en diverses solucions d’estàndards, seccions histològiques de teixit animal (fetge, ronyó i cervell de ratolí) i empremtes dactilars. L’anàlisi multimodal d’empremtes dactilars va destacar les excel·lents capacitats del substrat per acoblar imatges SALDI i SERS, alhora que s’aconsegueix pal·liar les limitacions de cada tècnica. Així doncs, el substrat AuBSi desenvolupat en aquesta tesi facilita els estudis de metabolòmica in situ dirigits i/o no dirigits per a diversos camp com la investigació clínica, medioambiental, forense i farmacèutica.

La caracterización in situ de la composición molecular de los tejidos biológicos es indispensable en la investigación clínica, farmacéutica y forense. Las técnicas de imagen molecular, como la espectrometría de masas de imagen y las imágenes por espectroscopia Raman, emplean materiales nanoestructurados para abordar desafíos como la baja sensibilidad, la especificidad y la resolución lateral. El objetivo de esta tesis es diseñar, fabricar, evaluar y aplicar un sustrato nanoestructurado basado en oro y silicio (que denominamos “AuBSi”) compatible con aplicaciones de espectrometría de masas de imágenes por desorción / ionización por láser asistidas por superficie (SALDI-MS) y espectroscopía Raman intensificada por superficie (SERS). Los resultados demuestran que el sustrato AuBSi es reproducible, fácil de usar, rentable y altamente confiable. Garantiza una fácil preparación de la muestra y es totalmente compatible con ambas modalidades de imagen, lo que permite un enfoque verdaderamente multimodal. Mostramos que existe una unificación entre los formatos de datos SALDI y SERS, que permite la integración completa del flujo de trabajo de procesamiento de imágenes y el coregistro de imágenes.Se han probado las capacidades de obtención de imágenes del sustrato AuBSi en varias soluciones de estándares, secciones histológicas de tejido animal (hígado, riñón y cerebro de ratón) y huellas dactilares. El análisis multimodal de huellas dactilares destacó las excelentes capacidades del sustrato para acoplar imágenes SALDI y SERS, al tiempo que se consiguen paliar las limitaciones de cada técnica. Así, el sustrato AuBSi desarrollado en esta tesis facilita los estudios de metabolómica in situ dirigidos y / o no dirigidos para diversos campos como la investigación clínica, medioambiental, forense y farmacéutica.

Characterising in situ the molecular composition of biological tissues is an indispensable tool in clinical, pharmaceutical and forensic research. Imaging modalities such as mass spectrometry imaging and Raman spectroscopy imaging employ nanostructured materials for addressing challenges such as low sensitivity, specificity and lateral resolution. The aim of this thesis is to design, fabricate, evaluate and apply a gold- and silicon-based nanostructured substrate (named AuBSi) compatible with surface-assisted laser desorption/ionization (SALDI) and surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) imaging applications. Results demonstrate that the AuBSi substrate is reproducible, user-friendly, cost effective and highly reliable. It ensures easy sample preparation and is fully compatible with both imaging modalities, enabling a genuine multimodal approach. We show that there is a unification between SALDI and SERS data formats that allows the full integration of the image processing workflow and the straightforward coregistration of images. We tested the imaging capabilities of the AuBSi on several standard solutions, animal tissue sections (mouse liver, kidney and brain) and fingerprints. The multimodal analysis of fingerprints highlighted the excellent capabilities of the substrate to couple SALDI and SERS imaging, while dealing with the challenges of each technique. Thus, the AuBSi substrate developed in this thesis facilitates targeted and/or untargeted in situ metabolomics studies for various fields such as clinical, environmental, forensics, and pharmaceutical research.