Deutsch
Francais
Nederlands
Svenska
Norsk
Dansk
Suomi
Espanol
Italiano
Portugues
Magyar
Polski
Cestina
Русский
Het gebruik van gouden nanopartikkels (AuNP's) in biochemische assays biedt unieke voordelen vanwege hun optische eigenschappen en stabiliteit. Een van de belangrijkste uitdagingen bij het gebruik van AuNP's in DNA-hybridisatieprotocollen is het voorkomen van nonspecifieke binding, wat de nauwkeurigheid en effectiviteit van de testresultaten kan beïnvloeden. Om dit probleem aan te pakken, stellen we een geoptimaliseerde oppervlakte-modificatie voor die de stabiliteit van de dispersie en de hybridisatie-efficiëntie van ssDNA-AuNP's verbetert.
De oppervlakte van de AuNP's wordt gemodificeerd met een zelfassemblage monolaag (SAM) van alkanethiolen. Dit proces maakt het oppervlak hydrofobisch door de intermoleculaire van der Waals-interacties tussen de methyleengroepen in de alkane-ketens. In dit specifieke geval is een protocol ontwikkeld voor het maken van 40 nm-AuNP-dimers die zijn gebaseerd op immobilisatie, conjugatie en hybridisatie van ssDNA. Het ssDNA wordt toegevoegd in een aantalverhouding van ssDNA/AuNP = 30 en de suspensies worden gedurende 1 uur bij 50°C geïncubeerd. Vervolgens worden de ssDNA-AuNP's gemodificeerd met verschillende alkanethiolen, waarvan de moleculaire lengte, hydrofobiciteit/hydrofielheid en de functionele groep aan de uiteinden van de alkane-ketens de dispergeerbaarheid en hybridisatie-efficiëntie beïnvloeden.
De modificatie van AuNP's met een monolaag van alkanethiolen zoals R16-OH, R15-COOH en R7-COOH resulteert echter in niet-specifieke binding, wat vaak leidt tot de vorming van aggregaten. Deze aggregaten kunnen ontstaan door de interactie van de hydroxyl- of carboxylgroepen aan de uiteinden van de alkanethiolen. Elektronenmicroscopie (TEM) onthult dat 71% van de deeltjes zonder alkanethiolen-modificatie als monomeren aanwezig zijn, terwijl de resterende deeltjes bestaan uit dimers, trimers en oligomeren van hogere orde. Wanneer de AuNP's echter worden gemodificeerd met alkanethiolen die een oligoethyleenglycol (EG6) eenheid bevatten, zoals R11-EG6-OH of R11-EG6-COOH, neemt de nonspecifieke binding aanzienlijk af.
De modificatie met R11-EG6-COOH, waarbij de hydroxylgroep van R11-EG6-OH wordt vervangen door een carboxylgroep, vermindert effectief de nonspecifieke binding en verbetert de hybridisatie-efficiëntie. Dit wordt aangetoond door de electrophorese-resultaten, waar de dimers goed gescheiden zijn van de monomeren, dimers en trimers, en TEM-beelden die aantonen dat de afstand tussen de deeltjes in de dimers ongeveer 10 nm bedraagt, wat vergelijkbaar is met de lengte van het ssDNA.
Het is ook belangrijk te begrijpen dat de modificatie van de AuNP-oppervlakte met alkanethiolen zoals R7-COOH de afstand tussen de deeltjes verkleint, wat resulteert in een grotere rode verschuiving in de plasmon-resonantie van het oppervlak. Dit suggereert dat er een kleiner interdeeltjesafstand is, wat op zijn beurt leidt tot verstoringen in de hybridisatie-efficiëntie. De combinatie van de EG6-keten met een functionele groep aan het uiteinde van de keten blijkt daarom de optimale strategie te zijn om de effecten van nonspecifieke binding te onderdrukken.
Naast de verbeteringen in dispergeerbaarheid en hybridisatie-efficiëntie, is het ook cruciaal te erkennen dat de elektroforetische mobiliteit van de gemodificeerde AuNP's kan variëren afhankelijk van de specifieke alkyl- of EG6-modificatie. Dit kan de interpretatie van de resultaten beïnvloeden, vooral wanneer de ladingsneutralisatie van de AuNP's optreedt door de aanwezigheid van langere alkylketens in combinatie met EG6.
Bij het selecteren van de juiste oppervlakte-modificatie voor AuNP's moet men niet alleen rekening houden met de effectiviteit in het verminderen van nonspecifieke binding, maar ook met de lange termijn stabiliteit van de suspensie en de betrouwbaarheid van de resultaten in toepassingen zoals DNA-hybridisatie-assays. Het gebruik van alkanethiolen met EG6-eenheden biedt een robuuste oplossing voor deze uitdagingen, wat het gebruik van AuNP's in biotechnologische toepassingen verder optimaliseert.
Hoe de Interparticulaire Afstand van AuNP's te Beheren door Alkanethiol-modificatie
In de ontwikkeling van goudnanodeeltjes (AuNP's) worden de oppervlaktelading en de interacties met omringende moleculen als cruciaal beschouwd voor hun functionaliteit. Een van de belangrijkste innovaties in de manipulatie van AuNP’s is het modificeren van hun oppervlak met alkanethiolen, die via van der Waals-interacties tussen alkylketens met elkaar kunnen verbinden. Dit proces maakt het mogelijk om de interparticulaire afstand te regelen en de vorming van dimers en multimeren te controleren, wat essentieel is voor verschillende toepassingen in de nanotechnologie en biomoleculaire detectie.
De belangrijkste uitdaging bij het gebruik van AuNP's in dergelijke contexten is het beheersen van de afstand tussen de deeltjes in een oplossing. Door de lengte van de alkylketens in alkanethiolen te variëren, kan deze afstand effectief worden aangepast. Dit werd gedemonstreerd met AuNP's van verschillende diameters (van 20 tot 80 nm), waarbij de kortste interparticulaire afstand werd onderzocht en geoptimaliseerd door de ketenlengte van de alkanethiolen te variëren. De variëteit aan alkanethiolen – R5, R7, R10 en R15, met alkylketenlengtes van respectievelijk 5, 7, 10 en 15 koolstofatomen – biedt verschillende mogelijkheden voor het afstemmen van de nanodeeltjesinteracties. De modificatie van het oppervlak van AuNP’s met deze alkanethiolen maakt de vorming van AuNP-dimere en hogere multimere structuren mogelijk, met een nauwkeurige controle over de afstand tussen de deeltjes.
In de experimentele opzet werden de AuNP's gewassen door centrifugatie en vervolgens opnieuw gesuspendeerd in een modificerende buffer. De alkanethiolen werden toegevoegd in specifieke verhoudingen (bijvoorbeeld 26.000 moleculen alkanethiol per AuNP voor de 40-nm deeltjes). Het mengsel werd vervolgens geïncubeerd bij 50°C gedurende een uur, waarna ongebonden alkanethiolen werden verwijderd door centrifugatie. Na het reinigen van de suspensie werden de AuNP’s verder gemodificeerd en behandeld om de dimer- of multimerformaties te verfijnen.
De gedetailleerde controle over de deeltjesdichtheid werd verder bevestigd door agarosegel-elektroforese, waarbij duidelijk gedefinieerde banden van AuNP-dimere, trimere en hogere multimeren werden gescheiden. Deze banden gaven een duidelijk onderscheid in de kleur van de verschillende suspensies, wat direct verband hield met de interparticulaire afstanden die variëren afhankelijk van de lengte van de alkylketens. De spectroscopische analyses van deze multimeren, zoals UV-vis absorptie- en transmissiespectra, bevestigden de afstemming van de interparticulaire afstand. De pieken in de absorptiespectra, bijvoorbeeld de langgolvige verschuiving in de longitudinale mode van trimers, zijn indicatief voor de mate van interactie tussen de deeltjes en de geoptimaliseerde afstanden tussen hen.
Bovendien werd de interparticulaire afstand van de AuNP-dimere direct gemeten via cryo-transmissie-elektronenmicroscopie (cryo-TEM), wat de nauwkeurigheid van de spectroscopische resultaten bevestigde. De cryo-TEM beelden toonden aan dat de interparticulaire afstanden varieerden van ongeveer 1.0 ± 0.42 nm voor R5-modificatie tot 3.9 ± 0.85 nm voor R15-modificatie. Deze resultaten kwamen overeen met de geobserveerde verschuivingen in de absorptiepieken, wat de invloed van de alkylketenlengte op de nanodeeltjesinteracties en hun samensmelting onderstreept.
Een andere belangrijke bevinding was dat de mate van rode verschuiving in de absorptiepieken direct verband hield met de lengte van de alkylketen. Hoe korter de keten, hoe kleiner de interparticulaire afstand en hoe groter de verschuiving naar langere golflengten in de absorptiespectra. De simulaties van de spectroscopische gegevens via de eindige-differentiemethode (FDTD) ondersteunden deze observaties en toonden de afstemming van de spectroscopische eigenschappen van trimers in verschillende configuraties aan.
Het beheersen van de afstanden tussen AuNP's door middel van alkanethiol-modificatie biedt niet alleen inzicht in fundamentele fysisch-chemische interacties, maar opent ook de deur naar toepassingen in biosensoren, nanomaterialen en opto-elektronische componenten. Het vermogen om de interparticulaire afstand met precisie aan te passen kan de prestaties van systemen die afhankelijk zijn van kolloïdale deeltjes, zoals biosensoren voor DNA-kwantificatie of chemische detectie, aanzienlijk verbeteren.
De variëteit aan technieken om deze structuren te karakteriseren, zoals spectroscopie en TEM, biedt niet alleen mogelijkheden voor academisch onderzoek, maar ook voor industriële toepassingen. Het begrijpen van de dynamiek van interparticulaire interacties, evenals de rol van de modificatie van oppervlakken, is van essentieel belang voor de vooruitgang in de nanotechnologie en de praktische implementatie van nanomaterialen in diverse technologische en medische domeinen.
Hoe beïnvloeden vibronische koppelingen en exciton-plasmon koppelingen de kwantumdynamica in moleculaire systemen?
In moleculaire systemen kunnen de interacties tussen ladingsdelocalisatie over het moleculaire ruggengraat en de koppeling aan lokale trillingen de kwantumdynamica aanzienlijk beïnvloeden. Dit geldt zowel voor geïsoleerde moleculen als voor geaggregeerde dunne films, hoewel dergelijke effecten nog niet experimenteel zijn onderzocht. Het doel van dit hoofdstuk is om recent experimenteel werk te herzien en te bespreken waarin vibronische koppelingen in squaraine-moleculen en de koppelingen van excitonen in geaggregeerde squaraine-dunne films aan plasmonische modi worden onderzocht, met behulp van geavanceerde ultrakorte pomp-sonde en twee-dimensionale elektronische spectroscopie (2DES).
De verkregen resultaten worden gebruikt om hybride nanostructuren te ontwerpen, bestaande uit goud-nanoslitraalstellingen bedekt met J-geaggregeerde squaraine-dunne films. Deze nanostructuren worden vervolgens bestudeerd met behulp van 2DES met een tijdresolutie van 10 fs, wat leidt tot het eerste tijd-domeinonderzoek naar coherente exciton-plasmon koppelingen in dergelijke systemen.
In de context van organische moleculen hebben vibronische koppelingen met hoge-frequentie koolstof-koolstof backbone-modi (met frequenties in het bereik van 1500 cm−1) functionele relevantie. Deze koppelingen beïnvloeden de optische en elektronische eigenschappen van de moleculen, wat van cruciaal belang is voor het begrijpen van de dynamica van excitonen in dergelijke systemen. De trillingsperiode van deze koppelingen, ongeveer 22 fs, legt een bovengrens vast voor de tijdresolutie van het experimentele opzet die nodig is om het effect van de vibratiebeweging op de moleculaire eigenschappen te temporiseren.
Het bereiken van sterke exciton-plasmon (X-SPP) koppeling vereist koppelingsterkten die de inverse dephasetijd overschrijden. De dephasetijden van plasmonische modi in metalen nanostructuren liggen doorgaans in het bereik van enkele tientallen femtoseconden. Het onderzoeken van sterke exciton-plasmon koppeling in dit regime vereist dus experimenten met een tijdresolutie van minder dan 10 fs om de oscillatoire energiedoorstroomprocessen die de sterke koppeling aandrijven, temporeel te kunnen resolveren. Hoewel de pomp-sonde- en 2DES-technieken zeer ontwikkeld zijn, bevinden we ons nog steeds op de grens van wat momenteel experimenteel haalbaar is.
Om deze experimenten uit te voeren, werd een opstelling ontwikkeld die een tijdresolutie van beter dan 10 fs combineert met korte acquisitietijden, mogelijk gemaakt door het gebruik van een laser-systeem met hoge herhalingssnelheid en een gevoelige detectieschema. Het hart van deze opstelling is een inherent fase-stabiele common-path interferometer, het Translating Wedge-based Identical pulse eNcoding System (TWINS), dat is bewezen een eenvoudige en relatief kosteneffectieve oplossing te zijn voor het genereren van fase-gelockte excitatie-pulsparen voor 2DES.
De TWINS-opstelling gebruikt een paar van s- en p-gepolariseerde bundelcomponenten die door twee paar birefringente wiggen met verschillende oriëntaties van hun optische as bewegen. Deze propagatie resulteert in een fasetra vertraging die proportioneel is aan de optische eigenschappen van het wiggenmateriaal en de positie van de motorische stage die de wiggen aanstuurt. Door de beweging van de wiggen kan de vertraging met een precisie van beter dan λ/250 worden gecontroleerd, waardoor nauwkeurige vertraging scans tot ongeveer 1 ps mogelijk zijn binnen slechts 10 seconden.
De gebruikte pulsenergie in de experimenten is afkomstig van een op maat gemaakte, niet-collineaire parametrische versterker (NOPA), die is aangedreven door een Yb-gebaseerd vezelversterkersysteem. Deze systemen produceren VIS/NIR-NOPA-pulsen die een spectrum van 650 nm tot 900 nm bestrijken, en door het gebruik van chirped spiegels wordt de pulsduur teruggebracht tot minder dan 10 fs. Deze pulsen worden vervolgens in de 2DES-opstelling gevoerd, waarbij de pump-pulsen periodiek worden in- en uitgeschakeld en de tweede pomp-puls met een tijdvertraging van de eerste pomp-puls naar de proefmonsters wordt gericht.
Deze geavanceerde opstelling is cruciaal voor het verkrijgen van de vereiste signaal-ruisverhouding die essentieel is voor de validiteit van de metingen. Het gebruik van deze techniek stelt ons in staat om dynamica van exciton-plasmon koppelingen te onderzoeken met een ongekende tijdresolutie en om nieuwe inzichten te verkrijgen in de moleculaire interacties die de kwantumdynamica bepalen in hybride nanostructuren.
Van bijzonder belang is het begrip dat het gedrag van excitonen en plasmonen niet enkel afhankelijk is van de sterkte van de koppeling tussen moleculen en metalen, maar ook van de specifieke opstelling van de experimenten, waaronder de keuze van de gebruikte technologieën voor tijd-resolutie, fase-stabiliteit en signaal-ruisverhouding. Zonder deze geavanceerde technieken zouden we de snelle en subtiele processen die ten grondslag liggen aan de sterkere koppelingen tussen excitonen en plasmonen niet kunnen waarnemen of begrijpen.