Preparation of Au Nanostructure Arrays for Fluorometry and Biosensors Applications

The paper describes the fabrication of random and ordered gold nanostructure arrays (NSA) of different morphology using island film thermal annealing and nanoimprint lithography techniques. Structural parameters of obtained NSA were investigated using atomic force microscopy method. Spectral characteristics of obtained NSA were studied in air atmosphere, and NSA light extinction spectra exhibited an expressed plasmon peak. Spectral position of localized surface plasmon resonance can be tuned depending on geometrical parameters of nanostructures, which is an important factor for resonant investigation methods of various types of molecular structures. Proposed technological approaches can be used to implement the resonance fluorometry in electromagnetic field of nanostructures (surface-enhanced fluorescence) method and in chemical and biosensors based on localized surface plasmon resonance. When you are citing the document, use the following link http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/3496

Localized surface plasmon resonance in Au nanoprisms on glass substrates

Metal nanocrystals are actual objects for the modern biophysics mainly because of their usage in sensors based on localized surface plasmon resonance (LSPR) and as active substrates for surface-enhanced spectroscopies. This work deals with the experimental and theoretical investigation of optical properties of trigonal and hexagonal Au nanoprisms deposited on the glass substrates. It was confirmed for the studied structures that the LSPR spectra depend on the crystals shape and size. Theoretical modeling the optical properties of plasmon-supporting nanoprisms was performed using the finite-difference time-domain method. The experimentally obtained and theoretically modeled LSPR spectral positions were found to be different, which can be attributed to a high spread of nanoprism shapes and sizes in the same sample and to nanocrystals aggregation effect confirmed by microscopy data. Additionally, the distributions of the electric field in the vicinity of nanoprisms under the LSPR conditions were simulated, and a strong field intensity enhancement at the corners of the prisms was demonstrated, which implies the promising application of such plasmonic nanostructures for surfaceenhanced spectroscopy

Factor of interfacial potential for the surface plasmon-polariton resonance sensor response

In this work, we investigate how the application of an external potential difference to the sensitive gold-electrolyte interface influences the optical response of a sensor based on the surface plasmon-polariton resonance (SPPR). The SPPR resonant angle shift was registered for an aqueous solution of sulfuric acid as an electrolyte at different potential sweep rates. From the measurements of SPPR curves versus the applied voltage, the potential of zero charge of the gold electrode in the electrolyte solution was estimated. To explain the external voltage influence on the SPPR sensor response, a theoretical model was used that takes into account three factors: free electron concentration change in the space-charge layer (SCL) in the surface layer of gold, dependence of the capacity of electrical double layer at the interface on the voltage, and gold film surface roughness

Surface plasmon resonance investigation of DNA hybridization on a sensor surface using gold nanoparticles modified by specific oligonucleotides

Aim. To investigate an influence of the oligonucleotide concentration on their immobilization on the surface of gold nanoparticles (AuNPs), and to study interactions between the AuNPs modified by various oligonucleotides and the oligonucleotides immobilized on the chip of the SPR-based DNA-sensor. Methods. Oligonucleotide immobilization on the surface of AuNPs was investigated by fluorescence spectrometry. The interactions of citrate-stabilized AuNPs modified by oligonucleotides with the oligonucleotides immobilized on the chip of the DNA-sensor were studied by the surface plasmon resonance spectrometry. Results. The initial oligonucleotide concentration influences the level of their immobilization on the surface of citrate-stabilized AuNPs: up to 200 nM the dependence was close to linear, and then saturation was observed at ~ 26 molecules per particle or ~ 0.5×10¹³ molecules cm⁻². In contrast, the efficiency of immobilization gradually decreased with an increase in the initial oligonucleotide concentration. Using the SPR-based DNA-sensor, the efficient hybridization between oligonucleotides immobilized on the sensor chip and complementary oligonucleotides of various length (short T2-11m and long T2-18m) immobilized on the surface of AuNPs was demonstrated. In case of AuNPs modified by short oligonucleotides, efficient thermal and chemical regenerations of the bioselective element of the DNA-sensor were achieved. Conclusions. Oligonucleotide immobilization on the surface of AuNPs directly depends on the initial oligonucleotide concentration, whereas the initial oligonucleotide concentration and the efficiency of their immobilization on the surface of AuNPs demonstrate the inverse relationship. The efficient hybridization of the oligonucleotides of various lengths immobilized on AuNPs with the oligonucleotides immobilized on the sensor surface as well as the possibility of thermal or chemical regeneration allow the sensor reuse and a strong amplification of the sensor signal.Мета. Вивчення впливу концентрації олігонуклеотидів на їх іммобілізацію на поверхні наночастинок золота (AuNPs) та виявлення деяких особливостей взаємодії AuNPs, модифікованих різними олігонуклеотидами, з олігонуклеотидами, іммобілізованими на чипі ДНК-сенсора поверхневого плазмонного резонансу. Методи. Рівень іммобілізації олігонуклеотидів на поверхні AuNPs досліджували флуоресцентною спектрометрією. Взаємодія стабілізованих цитратом AuNPs, модифікованих олігонуклеотидами, з олігонуклеотидами, іммобілізованими на чипі ДНК-сенсора, вивчали за допомогою спектрометрії поверхневого плазмонного резонансу. Результати. При іммобілізації олігонуклеотидів на поверхні стабілізованих цитратом AuNPs початкова концентрація олігонуклеотидів впливає на рівень їх іммобілізації: до 200 нМ залежність була близькою до лінійної, а потім спостерігали наближення до насичення (~26 молекул на одну частинку або ~0,5 × 10¹³ молекул см⁻²). На відміну від цього, ефективність іммобілізації поступово зменшується разом із збільшенням початкової концентрації олігонуклеотидів. Використовуючи ДНК-сенсор поверхневого плазмонного резонансу, продемонстрували ефективну гібридизацію між олігонуклеотидами, іммобілізованими на сенсорному чипі, та комплементарними олігонуклеотидами різної довжини (короткі T2-11m і довгі T2-18m), іммобілізованими на поверхні AuNPs. У випадку AuNPs, модифікованих короткими олігонуклеотидами, були досягнуті ефективні термічна та хімічна регенерація біоселективного елемента ДНК-сенсора. Висновки. Рівень іммобілізації олігонуклеотидів на поверхні AuNPs прямо пропорційно залежить від вихідної концентрації олігонуклеотидів, тоді як вихідна концентрація олігонуклеотидів та ефективність їх ім-мобілізації на поверхні AuNPs демонструють зворотний зв’язок. Ефективна гібридизація олігонуклеотидів різної довжини, іммобілізованих на AuNPs, з олігонуклеотидами, іммобілізованими на поверхні сенсора, а також можливість термічної або хімічної регенерації дозволяють багаторазово використовувати сенсор та досягати величезного підсилення сенсорного сигналу.Цель. Изучение влияния концентрации олигонуклеотидов на их иммобилизацию на поверхности наночастиц золота (AuNPs) и выявление некоторых особенностей взаимодействия AuNPs, модифицированных различными олигонуклеотидами, с олигонуклеотидами, иммобилизованными на чипе ДНК-сенсора поверхностного плазмонного резонанса. Методы. Уровень иммобилизации олигонуклеотидов на поверхности AuNPs исследовали флуоресцентной спектрометрией. Взаимодействие стабилизированных цитратом AuNPs, модифицированных олигонуклеотидами, с олигонуклеотидами, иммобилизованными на чипе ДНК-сенсора, изучали с помощью спектрометрии поверхностного плазмонного резонанса. Результаты. При иммобилизации олигонуклеотидов на поверхности стабилизированных цитратом AuNPs начальная концентрация олигонуклеотидов влияет на уровень их иммобилизации: до 200 нМ зависимость была близка к линейной, а затем наблюдали приближение к насыщению (~26 молекул на одну частицу или ~0,5 × 10¹³ молекул см⁻²). В отличие от этого, эффективность иммобилизации постепенно уменьшается вместе с увеличением начальной концентрации олигонуклеотидов. Используя ДНК-сенсор поверхностного плазмонного резонанса, продемонстрировали эффективную гибридизацию между олигонуклеотидами, иммобилизованными на сенсорном чипе, и комплементарными олигонуклеотидами различной длины (короткие T2-11m и длинные T2-18m), иммобилизованными на поверхности AuNPs. В случае AuNPs, модифицированных короткими олигонуклеотидами, были достигнуты эффективные термическая и химическая регенерация биоселективного элемента ДНК-сенсора. Выводы. Уровень иммобилизации олигонуклеотидов на поверхности AuNPs пря-мо пропорционально зависит от исходной концентрации олигонуклеотидов, тогда как исходная концентрация оли-гонуклеотидов и эффективность их иммобилизации на поверхности AuNPs демонстрируют противоположную связь. Эффективная гибридизация олигонуклеотидов различной длины, иммобилизованных на AuNPs, с олигонуклеотидами, иммобилизованными на поверхности сенсора, а также возможность термической или химической ре-генерации позволяют многократно использовать сенсор и достигать огромного усиления сенсорного сигнала

Plasmon-enhanced fluorometry based on gold nanostructure arrays. Method and device

In this work, we describe a method of surface-enhanced fluorometry, based on the phenomenon of localized surface plasmon resonance in unordered gold nanostructure arrays. The theoretical approach for the model system “gold nanoparticle-dielectric spacer” in the electrostatic approximation by solution of Laplace’s equation is considered. The developed technology for manufacturing the plasmonic substrates as well as design of the novel laser-based compact fluorometer are presented. The arrays of gold nanostructures on solid substrates (nanochips) coated with different thicknesses of SiO₂ were developed and fabricated by thermal annealing of gold island films with subsequent dielectric spacer deposition. As an example for verification of the proposed method, the fluorescence properties of the system “gold nanostructures array – SiO₂ dielectric coating – Rhodamine 6G” were studied. It has been shown that enhancement of dye emission up to 22 times for dielectric coating with the thickness of about 20 nm is possible. Presented method is of importance for the development of the novel nanoscale sensors, biomolecular assays and nanoplasmonic devices

Smart nanocarriers for drug delivery: controllable LSPR tuning

Gold nanostructures are considered as a potential platform for building smart nanocarriers that will form the basis of novel methods of targeted delivery and controlled release of drugs. However, to ensure maximum efficiency of gold nanoparticles upon the drug release via the plasmon-enhanced photothermal effect, it is necessary to optimize their spectral parameters for operation in the human body that requires both theoretical research and development of appropriate methods for nanostructures fabrication. In this work, mathematical modeling of light extinction spectral dependences for gold nanostructures of different morphology was performed to determine their geometric parameters that provide the occurrence of localized surface plasmon resonance (LSPR) in the red and near infrared regions of the spectrum, where the transparency window of biological tissues exists. Based on the results of previous studies and computer modeling, using hollow gold nanoshells to construct smart nanocarriers was found to be most reasonable. A protocol for production of these nanoparticles based on “silver-gold” galvanic replacement reaction, which is accompanied by a controlled shift of the LSPR wavelength position, was proposed and described in detail. It is shown that the loading of model biomolecules in hollow gold nanoshells significantly changes the output optical parameters of the system under investigation, which should be taken into account for matching with the laser excitation wavelength during the development of smart nanocarriers

Surface plasmon resonance investigation of DNA hybridization on a sensor surface using gold nanoparticles modified by specific oligonucleotides

Aim. To investigate an influence of the oligonucleotide concentration on their immobilization on the surface of gold nanoparticles (AuNPs), and to study interactions between the AuNPs modified by various oligonucleotides and the oligonucleotides immobilized on the chip of the SPR-based DNA-sensor. Methods. Oligonucleotide immobilization on the surface of AuNPs was investigated by fluorescence spectrometry. The interactions of citrate-stabilized AuNPs modified by oligonucleotides with the oligonucleotides immobilized on the chip of the DNA-sensor were studied by the surface plasmon resonance spectrometry. Results. The initial oligonucleotide concentration influences the level of their immobilization on the surface of citrate-stabilized AuNPs: up to 200 nM the dependence was close to linear, and then saturation was observed at ~ 26 molecules per particle or ~ 0.5×10¹³ molecules cm⁻². In contrast, the efficiency of immobilization gradually decreased with an increase in the initial oligonucleotide concentration. Using the SPR-based DNA-sensor, the efficient hybridization between oligonucleotides immobilized on the sensor chip and complementary oligonucleotides of various length (short T2-11m and long T2-18m) immobilized on the surface of AuNPs was demonstrated. In case of AuNPs modified by short oligonucleotides, efficient thermal and chemical regenerations of the bioselective element of the DNA-sensor were achieved. Conclusions. Oligonucleotide immobilization on the surface of AuNPs directly depends on the initial oligonucleotide concentration, whereas the initial oligonucleotide concentration and the efficiency of their immobilization on the surface of AuNPs demonstrate the inverse relationship. The efficient hybridization of the oligonucleotides of various lengths immobilized on AuNPs with the oligonucleotides immobilized on the sensor surface as well as the possibility of thermal or chemical regeneration allow the sensor reuse and a strong amplification of the sensor signal.Мета. Вивчення впливу концентрації олігонуклеотидів на їх іммобілізацію на поверхні наночастинок золота (AuNPs) та виявлення деяких особливостей взаємодії AuNPs, модифікованих різними олігонуклеотидами, з олігонуклеотидами, іммобілізованими на чипі ДНК-сенсора поверхневого плазмонного резонансу. Методи. Рівень іммобілізації олігонуклеотидів на поверхні AuNPs досліджували флуоресцентною спектрометрією. Взаємодія стабілізованих цитратом AuNPs, модифікованих олігонуклеотидами, з олігонуклеотидами, іммобілізованими на чипі ДНК-сенсора, вивчали за допомогою спектрометрії поверхневого плазмонного резонансу. Результати. При іммобілізації олігонуклеотидів на поверхні стабілізованих цитратом AuNPs початкова концентрація олігонуклеотидів впливає на рівень їх іммобілізації: до 200 нМ залежність була близькою до лінійної, а потім спостерігали наближення до насичення (~26 молекул на одну частинку або ~0,5 × 10¹³ молекул см⁻²). На відміну від цього, ефективність іммобілізації поступово зменшується разом із збільшенням початкової концентрації олігонуклеотидів. Використовуючи ДНК-сенсор поверхневого плазмонного резонансу, продемонстрували ефективну гібридизацію між олігонуклеотидами, іммобілізованими на сенсорному чипі, та комплементарними олігонуклеотидами різної довжини (короткі T2-11m і довгі T2-18m), іммобілізованими на поверхні AuNPs. У випадку AuNPs, модифікованих короткими олігонуклеотидами, були досягнуті ефективні термічна та хімічна регенерація біоселективного елемента ДНК-сенсора. Висновки. Рівень іммобілізації олігонуклеотидів на поверхні AuNPs прямо пропорційно залежить від вихідної концентрації олігонуклеотидів, тоді як вихідна концентрація олігонуклеотидів та ефективність їх ім-мобілізації на поверхні AuNPs демонструють зворотний зв’язок. Ефективна гібридизація олігонуклеотидів різної довжини, іммобілізованих на AuNPs, з олігонуклеотидами, іммобілізованими на поверхні сенсора, а також можливість термічної або хімічної регенерації дозволяють багаторазово використовувати сенсор та досягати величезного підсилення сенсорного сигналу.Цель. Изучение влияния концентрации олигонуклеотидов на их иммобилизацию на поверхности наночастиц золота (AuNPs) и выявление некоторых особенностей взаимодействия AuNPs, модифицированных различными олигонуклеотидами, с олигонуклеотидами, иммобилизованными на чипе ДНК-сенсора поверхностного плазмонного резонанса. Методы. Уровень иммобилизации олигонуклеотидов на поверхности AuNPs исследовали флуоресцентной спектрометрией. Взаимодействие стабилизированных цитратом AuNPs, модифицированных олигонуклеотидами, с олигонуклеотидами, иммобилизованными на чипе ДНК-сенсора, изучали с помощью спектрометрии поверхностного плазмонного резонанса. Результаты. При иммобилизации олигонуклеотидов на поверхности стабилизированных цитратом AuNPs начальная концентрация олигонуклеотидов влияет на уровень их иммобилизации: до 200 нМ зависимость была близка к линейной, а затем наблюдали приближение к насыщению (~26 молекул на одну частицу или ~0,5 × 10¹³ молекул см⁻²). В отличие от этого, эффективность иммобилизации постепенно уменьшается вместе с увеличением начальной концентрации олигонуклеотидов. Используя ДНК-сенсор поверхностного плазмонного резонанса, продемонстрировали эффективную гибридизацию между олигонуклеотидами, иммобилизованными на сенсорном чипе, и комплементарными олигонуклеотидами различной длины (короткие T2-11m и длинные T2-18m), иммобилизованными на поверхности AuNPs. В случае AuNPs, модифицированных короткими олигонуклеотидами, были достигнуты эффективные термическая и химическая регенерация биоселективного элемента ДНК-сенсора. Выводы. Уровень иммобилизации олигонуклеотидов на поверхности AuNPs пря-мо пропорционально зависит от исходной концентрации олигонуклеотидов, тогда как исходная концентрация оли-гонуклеотидов и эффективность их иммобилизации на поверхности AuNPs демонстрируют противоположную связь. Эффективная гибридизация олигонуклеотидов различной длины, иммобилизованных на AuNPs, с олигонуклеотидами, иммобилизованными на поверхности сенсора, а также возможность термической или химической ре-генерации позволяют многократно использовать сенсор и достигать огромного усиления сенсорного сигнала