DNA-capped silver nanoparticles for stochastic nanoparticle impact electrochemistry

Nörbel, Lena; Simon, Ulrich; Offenhäusser, Andreas

doi:10.18154/RWTH-2021-05004

DNA-capped silver nanoparticles for stochastic nanoparticle impact electrochemistry = DNA modifizierte Silber Nanopartikel für stochastische elektrochemische Nanopartikel-Kollisionsexperimente

Nörbel, Lena^RWTH*

2021

VerantwortlichkeitsangabeLena Nörbel

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag 2021

Umfang1 Online-Ressource (VI, 142 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Information = information ; 66

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Druckausgabe: 2021. - Onlineausgabe: 2021. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Offenhäusser, Andreas (Thesis advisor)^RWTH* ; Simon, Ulrich (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-03-19

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-05004
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/819376/files/819376.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
DNA (frei) ; impact electrochemistry (frei) ; microelectrodes (frei) ; nanoparticle detection (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Eine der größten Herausforderungen in der analytischen Chemie ist es, die Nachweisgrenze für einen bestimmten Analyten so zu verringern, dass die spezifische Identifizierung einer einzelnen Einheit möglich ist. Ein besonders aktives und vielversprechendes Forschungsfeld sind elektrochemische Kollisionsexperimente. Diese Methode stellt ein vielseitiges analytisches Instrument zur Charakterisierung von biomolekularer Interaktion und dem sensitiven Nachweis verschiedener biologischer Spezies dar. Die Kombination aus einem sensitiven Verstärker und Mikroelektrodenarrays ermöglicht die Detektion einzelner Silber-Nanopartikel im subpikomolaren Bereich. Die Nanopartikel sind mit biomolekularen Rezeptoren gekoppelt, welche eine Affinität für den zu analysierenden Liganden aufweisen. In dieser Konstellation fungieren die Nanopartikel als Redoxmarkierung. Auf diese Weise ist es möglich, einen redox-inaktiven Liganden elektrochemisch nachzuweisen. Die Kopplung des Rezeptors beeinflusst die Frequenz, mit welcher die Nanopartikel mit der Elektrode kollidieren und diese Frequenz dient als Messgröße. In dieser Arbeit wurde einzelsträngige DNA mit Hilfe einer Thiolgruppe an Silber-Nanopartikel gebunden. Die Kopplung wurde für verschiedene molare Verhältnisse von DNA zu Nanopartikel durchgeführt und resultierte in stabilen Nanopartikel-DNA Komplexen. Eine detaillierte Charakterisierung ergab Aufschluss über die strukturellen und physikalisch-chemischen Eigenschaften der Nanopartikel. Als Nächstes wurde das Kollisionsverhalten der DNA-funktionalisierten Nanopartikel untersucht und mit citrat-stabilisierten Partikeln verglichen. Die Kollisionswahrscheinlichkeit wird von mehreren wichtigen Faktoren beeinflusst. Generell ist die Redoxaktivität im Vergleich zu citrat-stabilisierten Partikeln verringert. Die DNA-Kopplung führt jedoch zu einer verbesserten Stabilität der Nanopartikel, weshalb die Kollisionsfrequenz bei Messungen in hohen Salzkonzentrationen erhöht ist. Hierbei sind vor allem die Ligandendichte auf der Oberfläche, sowie Konformation und Größe der DNA-Moleküle von besonderer Bedeutung. Zusätzlich wird das Kollisionsverhalten von der Zusammensetzung des Elektrolyten und dem angelegten Potential beeinflusst, jedoch in anderem Maße als bei citrat-stabilisierten Partikeln. Eine sorgfältige Einstellung der Ligandendichte ermöglicht die Herstellung stabiler Partikel unter Beibehaltung ihrer gewünschten redox-aktiven Eigenschaften. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass DNA-stabilisierte Nanopartikel eine andere Kollisionscharakteristik besitzen als Citrat-stabilisierte. Im letzten Schritt wurden die elektrochemischen Kollisionsexperimente für den Nachweis von DNA-Hybridisierung auf der Nanopartikeloberfläche verwendet. Die Ergebnisse zeigen eine verringerte Effizienz der Hybridisierung und verdeutlichen, dass der Prozess an der Partikeloberfläche um ein Vielfaches komplizierter ist als in Lösung.

One of the major challenges in analytical chemistry is reducing the detection limit of an analyte down to a level where the specific identification of a single entity is possible. In this context, nano-impact electrochemistry is one of the most active and promising research areas in the field of single-entity experiments. This method is a versatile analytical procedure for characterization and real-time monitoring of bioconjugation and biomolecular recognition events as well as for ultrasensitive detection of a variety of biological species. The combination of a highly sensitive amplifier system and high-density microelectrode arrays allows detection of single silver nanoparticle impacts down to subpicomolar concentrations. For the analyte detection, silver nanoparticles are modified with biomolecular receptors alternating their impact frequency on the electrode surface. Thus, the particles serve as redox tags converting an otherwise redox-inactive target into an electrochemically detectable species. In this work, silver nanoparticles were modified with thiolated single stranded oligonucleotides with varying molar ratios of DNA to nanoparticles. The modified conjugation protocol resulted in stable DNA-nanoparticle conjugates. In depth characterization of these conjugates gave insight into their structural and physicochemical properties. In a next step, the impact behaviour of DNA-capped nanoparticles was evaluated and compared to citrate-capped nanoparticles. Different parameters were identified to influence the impact probability. First, the surface modification results in a higher nanoparticle stability by preventing particle aggregation, which increases the impact frequency, especially in the presence of high salt concentrations. Second, the redox activity is reduced in comparison to citrate stabilized particles. In particular, the ligand surface density as well as the conformation and size of the receptor molecule were found to play a crucial role. Furthermore, the composition of the electrolyte and the applied potential affect the impact probability, but to a different extent as for citrate stabilized particles. By carefully adjusting the surface density of ligands, a high particle stability is achieved while maintaining their desired redox activity. The results demonstrate that DNA-AgNPs possess impact characteristics different from standard citrate stabilized particles. In a last step, stochastic nanoparticle impact electrochemistry was probed for the detection of DNA hybridization events on the nanoparticle surface. The results disclose decreased hybridization efficiencies on the nanoparticle surface and reveal that a surface-bound process is more complicated when compared to hybridization in solution.

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