DNA-capped silver nanoparticles for stochastic nanoparticle impact electrochemistry

  • DNA modifizierte Silber Nanopartikel für stochastische elektrochemische Nanopartikel-Kollisionsexperimente

Nörbel, Lena; Offenhäusser, Andreas (Thesis advisor); Simon, Ulrich (Thesis advisor)

Jülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag (2021)
Buch, Doktorarbeit

In: Schriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Information = information 66
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (VI, 142 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

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.

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