Hoe de Dynamische Bereik van DNA Detectie te Verhogen met Gouden Nanodeeltjes

In recente studies is het mogelijk gebleken om de detectielimieten van doel-DNA te verhogen door het gebruik van gouden nanodeeltjes (AuNPs), wat de nauwkeurigheid van kwantificering verbetert, vooral bij de detectie van virussen zoals HIV en HCV. De RNA-concentratie van deze virussen varieert van 50 tot 106 moleculen/mL voor HIV en kan oplopen tot 108 moleculen/mL voor HCV. In zulke gevallen is het vaak beter om de maximale kwantificatielimiet te verhogen, in plaats van de onbekende monster te verdunnen, omdat dit artefacten van verdunning kan voorkomen. Dit opent de weg naar nauwkeurigere metingen van lage concentraties van doel-DNA in biologische monsters.

Daarnaast werd er een focus gelegd op het gebruik van AuNP-dimeren, die werden gevormd door de AuNPs met behulp van alkylketens. Het is bekend dat zulke aggregaten of multimeren van AuNPs bijzonder aantrekkelijk zijn voor toepassingen zoals oppervlakte-versterkte Raman-spectroscopie (SERS). De eigenschappen van deze multimeren zorgen voor een sterkere veldversterking (de zogenaamde 'hotspot') tussen de deeltjes, die het mogelijk maakt om biomarkers op het niveau van een enkel molecuul te detecteren. Dit maakt SERS een krachtige techniek voor het label-vrij detecteren van ziektebiomarkers.

Om de formatie van AuNP-dimeren verder te verbeteren, werden AuNPs met carboxyl-groep-terminerende alkanethiolen geconjugeerd, en werd de lengtes van de alkylketens aangepast om de afstand tussen de deeltjes te regelen. Deze benadering bleek effectief in het vermijden van ongewenste aggregatie van de deeltjes, vooral bij AuNPs met diameters variërend van 20 tot 80 nm. Deze controle over de inter-deeltjesafstand is essentieel, omdat de Raman-versterkingfactor sterk afhankelijk is van de grootte van de tussenruimte tussen de deeltjes en de grootte van de deeltjes zelf.

De techniek van het aanbrengen van AuNP-dimeren via van der Waals-interacties tussen de alkylketens biedt een eenvoudigere en snellere manier om efficiënte dimers te vormen zonder ingewikkelde chemische reacties. Het gebruik van dit protocol is niet alleen nuttig voor het verhogen van de detectiegevoeligheid in laboratoriumomgevingen, maar kan ook bijdragen aan de ontwikkeling van point-of-care diagnostische tools voor het snel opsporen van virale infecties en andere ziekten.

Naast het gebruik van AuNPs voor DNA-detectie, omvat de methode ook de synthese van enkelstrengs-DNA (ssDNA) en het conjugeren daarvan met AuNPs via alkanethiolen. Dit proces, dat nauwkeurige controle vereist over de interacties tussen de moleculen, werd geoptimaliseerd om zowel de efficiëntie van de hybridisatie als de stabiliteit van de conjugaten te verbeteren. Het gebruik van alkanethiolen met verschillende functionele groepen (zoals –COOH of –OH) geeft flexibiliteit in het ontwerpen van de conjugaten, afhankelijk van de vereiste applicatie.

Wat betreft de experimenten die werden uitgevoerd, werden verschillende technieken gebruikt om de eigenschappen van de AuNPs te karakteriseren, waaronder transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), UV-vis spectroscopie, en Raman-spectroscopie. Deze technieken maakten het mogelijk om de inter-deeltjesafstand in de dimeren te meten en de effectiviteit van de Raman-versterking te evalueren. Bovendien werden numerieke simulaties uitgevoerd om de elektromagnetische velden rondom de AuNPs te analyseren, wat verdere inzichten verschafte in het optimaliseren van de detectie.

Voor onderzoekers en professionals die werken met nanodeeltjes in biomedische toepassingen, biedt deze benadering een krachtige manier om de kwantificering van DNA te verbeteren, met implicaties voor diagnostiek en biomarker detectie op moleculair niveau. Door de inter-deeltjesafstand en de grootte van AuNPs nauwkeurig te regelen, kunnen ze efficiënt worden ingezet voor het detecteren van ziekteverwekkers, met een hoge gevoeligheid en zonder de noodzaak voor labels.

Hoe het Dynamisch Bereik van Target-DNA Detectie kan Worden Geoptimaliseerd bij Gebruik van AuNPs

Het gebruik van goudnanodeeltjes (AuNPs) in de kwantificering van DNA is een veelbelovende methode die precisie biedt bij lage concentraties van Target-DNA. De resultaten van elektrophorese-experimenten met AuNPs, waarbij probe-DNA moleculen op het oppervlak van de deeltjes zijn geconjugeerd, maken duidelijk hoe het dynamisch bereik van Target-DNA detectie kan worden beïnvloed door de concentratie van de AuNPs en de dichtheid van probe-DNA moleculen per deeltje. Dit bereik is cruciaal voor de nauwkeurigheid van de kwantificering, vooral bij lage en hoge concentraties van Target-DNA.

In experimenten die worden gepresenteerd in figuur 3.8a, wordt de verhouding tussen de concentratie van Target-DNA en de intensiteit van de elektroforesebanden geanalyseerd. Voor concentraties van Target-DNA onder de 156 pM, worden de monomeren, dimers, trimers en tetramers duidelijk gescheiden, zonder dat de hogere-orde multimeren zichtbaar zijn. De band intensiteit van deze lagere-order multimeren wordt geanalyseerd en de gegevens worden weergegeven in een histogram, dat de geïntegreerde intensiteit van de banden laat zien. Het is belangrijk om te begrijpen dat voor de detectie van Target-DNA concentraties onder de 156 pM, het noodzakelijk is om een analytische kalibratiecurve op te stellen, waarbij de intensiteit van de dimeren, trimeren en tetrameren wordt opgeteld. Dit helpt bij het verkrijgen van betrouwbare resultaten voor lage concentraties van Target-DNA.

Verder blijkt uit figuur 3.9a dat de concentratie van AuNPs een significante invloed heeft op het dynamisch bereik van Target-DNA detectie. Wanneer de concentratie van AuNPs wordt verlaagd, zoals in het geval van 133 pM, verschuift de bovengrens van het dynamisch bereik naar lagere Target-DNA concentraties. Dit komt doordat de vorming van hogere-orde multimeren en aggregaten al bij lagere concentraties optreedt, wat de gevoeligheid van de detectie verlaagt. Bovendien wordt de bandintensiteit verzwakt, waardoor de detectie van lagere concentraties moeilijker wordt.

Aan de andere kant, wanneer de concentratie AuNPs wordt verhoogd tot 534 pM, verschuift de bovengrens van het dynamisch bereik naar hogere concentraties van Target-DNA. Dit leidt echter ook tot een verzwakking van de resolutie van de elektroforesebanden, wat het moeilijk maakt om nauwkeurige metingen te verrichten. Het gebruik van een te hoge concentratie AuNPs kan daardoor de detectiecapaciteit belemmeren door de bandresolutie te verminderen.

Bovendien blijkt uit experimenten waarbij het aantal probe-DNA moleculen per AuNP wordt gevarieerd, dat het dynamisch bereik ook sterk afhankelijk is van de dichtheid van de probe-DNA moleculen op het oppervlak van de AuNPs. In gevallen waarbij slechts 10 probe-DNA moleculen per AuNP worden gebruikt, verschuift de bovengrens van het dynamisch bereik naar 625 pM Target-DNA. Dit kan leiden tot verminderde detectiesensitiviteit bij lage concentraties van Target-DNA, omdat de dimerisatie-efficiëntie laag is. Aan de andere kant, wanneer het aantal probe-DNA moleculen wordt verhoogd tot 150 per AuNP, nemen de efficiëntie van de assemblage toe, maar kan dit leiden tot deformatie van de elektroforesebanden door aggregatie.

De algemene conclusie die kan worden getrokken uit de experimenten is dat voor een breed dynamisch bereik, de concentratie van AuNPs relatief groot moet zijn en het aantal probe-DNA moleculen per deeltje klein moet zijn. Dit voorkomt de onderdrukking van de lagere-orde multimeren en voorkomt dat de elektroforesebanden vervagen. Bij gebruik van kleinere AuNPs, bijvoorbeeld kleiner dan 40 nm in diameter, kan de resolutie van de elektroforese verbeteren, wat de diagnostische toepassingen kosteneffectiever maakt door het verbruik van AuNPs te verminderen.

Wat zijn de nieuwste ontwikkelingen in optische beveiligingskleuren door interferentie, diffractie en plasmonen?

Kleuren die ontstaan door structurele effecten zijn van groot belang voor optische beveiliging, waarbij een verscheidenheid aan technieken wordt toegepast om zowel esthetische als functionele voordelen te behalen. Een van de meest interessante benaderingen is het gebruik van interferentie-effecten, die worden gegenereerd door de interactie van licht met laagdikte structuren. Deze structuren kunnen worden afgesteld door de dikte van de tussenruimte tussen twee reflecterende oppervlakken, wat de kleureigenschappen beïnvloedt. Dit fenomeen wordt aangeduid als iriserende kleuren, die intrinsiek zijn voor monolaagstructuren. Het is de combinatie van esthetiek en technologische innovatie die zulke structuren zo aantrekkelijk maakt. De veelzijdigheid van kleuren die hierdoor kunnen worden bereikt, evenals de enorme visuele impact die ze hebben, maakt deze technologie bijzonder belangrijk voor toepassingen in beveiliging.

Een van de moeilijkste kleuren om te verkrijgen in dit type structuur is de rode kleur. Dit wordt onder andere veroorzaakt door de complexiteit van het creëren van een kleur die zowel een hoge reflectie-efficiëntie als een beperkte afhankelijkheid van de invalshoek biedt. Een voorbeeld van een veelbelovende benadering wordt getoond in een studie van Yang et al., waarbij gebruik wordt gemaakt van een Fabry-Perot-laagstructuur die twee lagen van materiaal met een hoge brekingsindex (Germanium) combineert met een laagverlies materiaal (siliconen nitraat). Deze structuur resulteert in een efficiënte reflectie van ongeveer 70% in het rode spectrum en behoudt een stabiele kleurweergave zelfs bij invalshoeken tussen 0 en ±50°.

Een andere benadering is het gebruik van plasmons, die ontstaan door de interactie van licht met nanodeeltjes van metalen. Plasmon-gebaseerde kleuren, die al in de geschiedenis van glas-in-loodramen werden gebruikt, worden tegenwoordig ook onderzocht voor structurele kleuren. Hierbij speelt de plasmon-resonantie, die optische effecten genereert door de specifieke interactie van licht met metaaldeeltjes, een cruciale rol. Bij plasmon-gebaseerde kleuren kunnen zowel gedelocaliseerde als gelokaliseerde plasmonen betrokken zijn. Gedelocaliseerde plasmons interageren alleen met licht van een specifieke polarisatie, wat betekent dat een aanzienlijk deel van het licht niet effectief kan bijdragen aan de kleureffecten, wat de efficiëntie beperkt. Bij gelokaliseerde plasmons, die worden gedragen door nanostructuren, is het mogelijk om veel hogere efficiënties te behalen, hoewel de fabricage van dergelijke nanostructuren technisch uitdagender is.

Wat belangrijk is bij het begrijpen van deze technologieën, is dat het ontwerp en de fabricage van structurele kleuren vaak een evenwicht vereisen tussen visuele effecten, efficiëntie en de technische haalbaarheid van de productie. De keuze van materialen, de nanostructuren en de precisie van de fabricageprocessen zijn van cruciaal belang voor het behalen van de gewenste resultaten. Verder is het belangrijk te realiseren dat, hoewel structurele kleuren veelbelovend zijn voor toepassingen zoals optische beveiliging, het succes van deze technologie niet alleen afhankelijk is van de esthetische kwaliteit van de kleuren, maar ook van de robuustheid en de weerstand tegen vervalsing.

Hoe beïnvloeden moleculaire adsorptie-effecten de interacties tussen excitonen en ladingdragers in CNTs?

De adsorptietijd van de moleculen op koolstofnanobuizen (CNT’s) blijkt ongeveer een orde van grootte langer te zijn dan de desorptietijd, wat de herschrijfingssnelheid van optische geheugen in nanobuizen beperkt. Deze tijdsverschillen worden gedomineerd door de moleculaire collisie frequentie, die wordt beïnvloed door factoren zoals de temperatuur en luchtvochtigheid. Dit laat zien hoe belangrijk de moleculaire interacties zijn voor het functioneren van nanotube-gebaseerde geheugensystemen.

Ondanks verschillende experimenten met hogere desorptiepulsen, observeerden we geen duidelijke afhankelijkheid van de adsorptietijd ten opzichte van de kracht van de desorptiepuls. Dit gebrek aan afhankelijke verhouding komt doordat de adsorptietijd enkel afhankelijk is van de moleculaire botsingsfrequentie, zolang de koelingstijd van het monster geen invloed heeft op de experimentele resolutie. De mogelijkheid om de adsorptietijd te verkorten door de luchtvochtigheid te verhogen, ontstaat doordat de botsingsfrequentie van moleculen wordt bepaald door de partiële druk van deze moleculen.

De tijdsafhankelijke metingen van de adsorptie- en desorptietijden tonen aan dat de nanotubes geschikt zijn voor ultrasmall optische geheugenapparaten en schakelaars binnen fotonische circuits, die de grenzen van traditionele fotonische caviteiten overschrijden. Het voordeel van deze systemen is het gebruik van verschillende chiraliteiten en polarisatieselectiviteit, waarmee individuele nanotubes, zelfs wanneer ze dicht bij elkaar liggen, benaderd kunnen worden. Het functionele geheugen van de nanotube wordt mogelijk gemaakt door slechts een paar moleculen aan het oppervlak, die gekoppeld zijn aan de karakteristieke absorptiepiek door de sterke effecten van screening.

Naast de optische eigenschappen van CNT’s, hebben moleculaire adsorptie-effecten ook invloed op de interacties tussen excitonen en trionen, de geladen excitonen. Door de adsorptie van moleculen op de oppervlakte van de CNT verandert de dielektrische screening, wat de energieën van zowel excitonen als trionen beïnvloedt. Dit werd gedemonstreerd door fotoluminescentie (PL) spectroscopie met behulp van suspensie-nanobuizen in een veld-effect configuratie. De gemeten PL spectra vertoonden duidelijke verschillen tussen de schone en geadsorbeerde toestanden van de nanotubes. In de geadsorbeerde toestand werden de resonanties van zowel de E11- als E22-exciton verschoofd naar lagere energieën, wat duidt op de effecten van de moleculaire adsorptie op de elektronische eigenschappen van de nanotube.

Verder zijn de spanningsafhankelijke spectroscopiemetingen van de nanotube onthullend: in de geadsorbeerde toestand wordt een kleinere energieverschil tussen de exciton- en trion-pieken waargenomen dan in de schone toestand. Dit komt doordat de adsorptie van moleculen de binding van trionen verzwakt door de verhoogde screening, wat resulteert in een kleinere energieverschil. De verkleining van de elektronbandgap door de adsorptie van moleculen verandert ook de neutrale puntspanning, die verschuift als gevolg van de veranderingen in de chemische potentiaal van de nanotube of de werkfunctie van het contactmetaal.