Sensing applications of biofunctionalised plasmonic gold nanoparticles

Plasmonische Metallnanopartikel bündeln, verstärken und beeinflussen Licht auf nanoskopischer Ebene. Diese grundlegende Eigenschaft kommt von koheränten, kollektiven Schwingungen der Leitungsbandelektronen, die von einfallendem Licht resonant angeregt und lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR) oder ‚Partikelplasmonen‘ genannt werden. Plasmonen in Metallnanopartikeln wurden bisher z.B. zur Erkennen von pathogenen Biomolekülen, bei der photothermischen Therapie und zur Verbesserung der Effizienz von Solarzellen verwendet. In dieser Arbeit werde ich meinen Fokus auf die Synthese und Funktionalisierung von Goldnanopartikeln zur Anwendung als Sensoren legen.rnrnKürzliche Verbesserungen in der nasschemischen Synthese haben zur Herstellung von Goldnanopartikel mit unterschiedlichen Formen und Größen geführt, die sich in ihren Sensoreigenschaften unterscheiden. Unter den unterschiedlichen Sensorgeometrien sind Goldnanostäbchen die bevorzugte Form zur Biomolekül-Sensorik durch LSPR. Nanostäbchen werden durch eine positiv geladene CTAB-Schicht stabilisiert, die Proteine bei neutralem pH-Wert anziehen kann. Die Adsorption und Desorption von Proteinen an der Nanopartikeloberfläche und damit die Bindungskinetiken von Proteinen kann auf Einzelmolekülebene erforscht werden. Ich zeige hier eine Studie mit hoher örtlicher und zeitlicher Auflösung um einzelne Bindungsereignisse von Fibronectin auf Goldnanostäbchen darzustellen.rnrnGoldnanostäbchen müssen mit spezifischen biologischen Erkennungselementen funktionalisiert werden um eine Analyterkennung oder Proteinwechselwirkung zu erreichen. Ich funktionalisiere Goldnanostäbchen mit kurzen DNA-Sequenzen (Aptamer-Sequenzen und NTA konjugierten Polihymidinen) und habe anhand diese unterschiedlich sensitiven Partikel eine Studie mit verschiedenen Analyten (oder Protein-Protein Wechselwirkungen) erfolgreich durchgeführt.rn rnPlasmonen von Nanopartikel-Clustern koppeln miteinander, was ihre Resonanzenergie ändert. Der kontrollierte Zusammenbau von Nanopartikeln zu Dimeren oder höher geordneten Strukturen wie ‚Core-Satellites‘ können dazu dienen ihre Sensitivität zu erhöhen. Diese Cluster bieten eine hohe Sensitivität auf Grund der Anwesenheit von plasmonischen Hotspots in der Lücke zwischen zwei Partikeln. Die Plasmonkopplung ist ein Phänomen, das abhängig vom Abstand zweier Partikel zueinander ist und bildet somit die Basis von sogenannten Plasmon-Linealen. Ich habe eine Strategie entwickelt um Dimere aus Hsp90 funktionalisierten Goldnanosphären zu bilden. Diese Technik wird nicht durch Ausbleichen oder das Blinken von Farbstoffen limitiert und ich zeige zum ersten Mal wie man dadurch dynamische Proteinkonformationen untersuchen kann.rnPlasmonic metal nanoparticles focus, amplify and manipulate light at the nanoscale level. This fundamental property comes from the collective coherent oscillations of conduction band electrons resonantly excited by incident light in metal nanoparticles called Localised Surface Plasmon Resonance (LSPR) or ‘particle plasmons’. Plasmons in metal nanoparticles have been used for sensing of disease relevant biomolecules, in photothermal therapy and to improve the efficiency of solar cells. In this thesis, I will focus on synthesis and functionalisation aspects of gold nanoparticles to carry out sensing applications with these.rnrn Recent improvements in wet chemical synthesis have led to production of gold nanoparticles with different shapes and sizes that differ in their sensing capabilities. Among the various shapes, gold nanorods are often the most preferred shape for biomolecule sensing by LSPR. The nanorods are stabilised by a positively charged CTAB layer that can attract proteins at near neutral pH. The adsorption and desorption of proteins can be studied at single molecule level to decipher the binding kinetics of proteins on the nanoparticle surface. I describe such a study performed with high spatial and temporal resolution to determine the single binding events of fibronectin onto gold nanorods.rnrnGold nanorods must be functionalised with specific biorecognition elements to perform analyte detection or study interaction between proteins in a multiplexed manner. I functionalise gold nanorods with short DNA sequences (aptamer sequences and NTA conjugated polythymidines) and successfully performed multiple analyte (or protein-protein interactions) with these functionalised particles.rnrnPlasmons of clustered nanoparticles couple which changes the resonance energy. Controlled assembly of nanospheres into dimers and higher order structures such as core-satellites can serve as a means to enhance their sensitivity. These clusters offer higher senstivity due to presence of plasmonic hotspots in the interparticle gap region. The plasmonic coupling is a distance dependent phenomena which forms the basis of plasmon rulers. I have developed a strategy to produce Hsp90 functionalised dimers of gold nanospheres. This technique does not suffer from photobleaching and photoblinking effects (as in dyes) and is shown for the first time to study protein (Hsp90) conformational dynamics. rnr