ПРИМЕНЕНИЕ СПЕКТРОСКОПИИ ПОГЛОЩЕНИЯ И ДИНАМИЧЕСКОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА В ИССЛЕДОВАНИЯХ СИСТЕМ ЗОЛОТЫХ НАНОЧАСТИЦ + ДНК

Аннотация

Метод динамического рассеяния света (ДРС) является широко используемым лабораторным тестом для оценки дисперсного состава золей, однако он не свободен от ряда недостатков. Для быстрой приближенной оценки среднего размера и концентрации золотых наночастиц (ЗНЧ) в диапазоне 15–100 нм разумные значения дает спектроскопия поглощения с использованием аналитической и графической зависимостей, приведенных в работе. Для частиц с диаметром 3–15 нм в работе приведен калибровочный график для определения размера, основанный на измерении отношения пиков поглощения в максимуме и при 450 нм. Обсуждаются сравнительные достоинства и недостатки различных методов и отмечается, что метод ДРС является на сегодняшний день единственным методом для невозмущающей и чувствительной диагностики сравнительно медленных агрегационных процессов с характерными временами порядка минут. В качестве примера рассмотрено применение ДРС для оценки концентрации олигонуклеотидов (коротких фрагментов одноцепочечной ДНК (оцДНК)). Метод основан на регистрации среднего размера агрегатов, формирующихся при гибридизации оцДНК в системе, содержащей конъюгаты ЗНЧ с оцДНК зондами и комплементарные им оцДНК-мишени. 

DOI: 
10.18500/1817-3020-2017-17-3-136-149
Литература

1. Berne B. J., Pecora R. Dynamic Light Scattering with Applications to Chemistry, Biology, and Physics. Mineola, N.Y. : Dover Publ., 2000. 384 p.

2. Roebben G., Ramirez-Garcia S., Hackley V. A., Roesslein M., Klaessig F., Kestens V., Lynch I., Garner C. M., Rawle A., Elder A., Colvin V. L., Kreyling W., Krug H. F., Lewicka, Z. A., McNeil S., Nel A., Patri A., Wick P., Wiesner M., Xia T., Oberdörster G., Dawson K. A. Interlaboratory comparison of size and surface charge measurements on nanoparticles prior to biological impact assessment // J. Nanopart. Res. 2011. Vol. 13. P. 2675−2687.

3. Speed D., Westerhoff P., Sierra-Alvarez R., Draper R., Pantano P., Aravamudhan S., Chen K. L., Hristovski K., Herckes P., Bi X., Yang Y., Zeng C., Otero-Gonzalez L., Mikoryak C., Wilson B. A., Kosaraju K., Tarannum M., Crawford S., Yi P., Liu X., Babu S. V., Moinpour M., Ranville J., Montano M., Corredor C., Posner J., Shadman F. Physical, chemical, and in vitro toxicological characterization of nanoparticles in chemical mechanical planarization suspensions used in the semiconductor industry : Towards environmental health and safety assessments // Environ. Sci. : Nano. 2015. Vol. 2. P. 227−244.

4. Gambinossi F., Mylon S. E., Ferri J. K. Aggregation kinetics and colloidal stability of functionalized nanoparticles // Adv. Colloid Interfac. 2015. Vol. 222. P. 332−349.

5. Zhu X., Li J., He H., Huang M., Zhang X., Wang S. Application of nanomaterials in the bioanalytical detection of disease-related genes // Biosens. Bioelectron. 2015. Vol. 74. P. 113−133.

6. Zheng T., Bott S., Huo Q. Techniques for accurate sizing of gold nanoparticles using dynamic light scattering with particular application to chemical and biological sensing based on aggregate formation // ACS Appl. Mater. Inter. 2016. Vol. 8. P. 21585−21594.

7. Siddiqi K. S., Husen A. Recent advances in plant-mediated engineered gold nanoparticles and their application in biological system // J. Trace Elem. Med. Bio. 2017. Vol. 40. P. 10−23.

8. Дыкман Л. А., Богатырев В. А., Щеголев С. Ю., Хлеб- цов Н. Г. Золотые наночастицы : Синтез, свойства, биомедицинское применение. М. : Наука, 2008. 319 с.

9. Khlebtsov N. G., Dykman L. A. Optical properties and biomedical applications of plasmonic nanoparticles // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2010. Vol. 111. P. 1−35.

10. Dykman L., Khlebtsov N. Gold nanoparticles in biomedical applications : Recent advances and perspectives // Chem. Soc. Rev. 2012. Vol. 41. P. 2256−2282.

11. Khlebtsov N. G., Bogatyrev V. A., Dykman L. A., Khlebtsov B. N., Englebienne P. A multilayer model for gold nanoparticle bioconjugates : application to study of gelatin and human IgG adsorption using extinction and light scattering spectra and the dynamic light scattering method // Colloid J. 2003. Vol. 65. P. 622−635.

12. Jans H., Liu X., Austin L., Maes G., Huo Q. Dynamic light scattering as a powerful tool for gold nanoparticle bioconjugation and biomolecular binding studies // Anal. Chem. 2009. Vol. 81. P. 9425−9432.

13. Kalluri J. R., Arbneshi T., Khan S. A., Neely A., Candice P., Varisli B. Use of gold nanoparticles in a simple colorimetric and ultrasensitive dynamic light scattering assay : Selective detection of arsenic in groundwater // Angew. Chem. Int. Ed. 2009. Vol. 48. P. 9668−9671.

14. Bell N. C., Minelli C., Shard A. G. Quantitation of IgG protein adsorption to gold nanoparticles using particle size measurement // Anal. Methods. 2013. Vol. 5. P. 4591−4601.

15. Alex S. A., Chakraborty D., Chandrasekaran N., Mukherjee A. A comprehensive investigation of the differential interaction of human serum albumin with gold nanoparticles based on the variation in morphology and surface functionalization // RSC Adv. 2016. Vol. 6. P. 52683−52694.

16. Sutariya P. G., Pandya A., Lodha A., Menon S. K. A simple and rapid creatinine sensing via DLS selectivity, using calix[4]arene thiol functionalized gold nanoparticles // Talanta. 2016. Vol. 147. P. 590−597.

17. Liu X., Huo Q. A washing-free and amplifi cation-free one-step homogeneous assay for protein detection using gold nanoparticle probes and dynamic light scattering // J. Immunol. Methods. 2009. Vol. 349. P. 38−44.

18. Miao X., Zou S., Zhang H., Ling L. Highly sensitive carcinoembryonic antigen detection using Ag@Au coreshell nanoparticles and dynamic light scattering // Sensor. Actuat. B-Chem. 2014. Vol. 191. P. 396−400.

19. Witten K. G., Bretschneider J. C., Eckert T., Richtering W., Simon U. Assembly of DNA-functionalized gold nanoparticles studied by UV/Vis-spectroscopy and dynamic light scattering // Phys. Chem. Chem. Phys. 2008. Vol. 10. P. 1870−1875.

20. Dynamic Light Scattering (DLS), Malvern, UK. URL: http://www.malvern.com/en/products/technology/ dynamic-light-scattering/default.aspx (дата обращения: 4.01.17).

21. Khlebtsov B. N., Khlebtsov N. G. On the measurement of gold nanoparticle sizes by the dynamic light scattering method // Colloid J. 2011. Vol. 73. P. 118–127.

22. Хлебцов Б. Н., Ханадеев В. А., Пылаев Т. Е., Хлебцов Н. Г. Метод динамического рассеяния света в исследованиях силикатных и золотых наноча- стиц // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Физика. 2017. Т. 17, вып. 2. С. 71–84. DOI: 10.18500/1817- 3020-2017-17-2-71-84.

23. Khlebtsov B. N., Khanadeev V. A., Khlebtsov N. G. Determination of the size, concentration, and refractive index of silica nanoparticles from turbidity spectra // Langmuir. 2008. Vol. 24. P. 8964−8970.

24. Khanadeev V. A., Khlebtsov B. N., Khlebtsov N. G. Optical properties of gold nanoshells on monodisperse silica cores : experiment and simulations // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2017. Vol. 187. P. 1−9.

25. Khlebtsov N. G., Bogatyrev V. A., Dykman L. A., Melnikov A. G. Spectral extinction of colloidal gold and its biospecifi c conjugates // J. Colloid Interface Sci. 1996. Vol. 180. P. 436−445.

26. Haiss W., Thanh N. T. K., Aveard J., Fernig D. G. Determination of size and concentration of gold nanoparticles from UV-Vis spectra // Anal. Chem. 2007. Vol. 79. P. 4215−4221.

27. Njoki P. N., Lim I.-I. S., Mott D., Park H.-Y., Khan B., Mishra S., Sujakumar R., Luo J., Zhong C.-J. Size correlation of optical and spectroscopic properties for gold nanoparticles // J. Phys. Chem. B. 2007. Vol. 111. P. 14664−14669.

28. Khlebtsov N. G. Determination of size and concentration of gold nanoparticles from extinction spectra // Anal. Chem. 2008. Vol. 80. P. 6620−6625.

29. Pylaev T., Khanadeev V., Khlebtsov B., Dykman L., Bogatyrev V., Khlebtsov N. Colorimetric and dynamic light scattering detection of DNA sequences by using positively charged gold nanorods and nanospheres : A comparative study // Nanotechnology. 2011. Vol. 22. P. 285501 (11 p).

30. Amendola V., Meneghetti M. Size evaluation of gold nanoparticles by UV-vis spectroscopy // J. Phys. Chem. C. 2009. Vol. 113. P. 4277−4285.

31. Chithrani B. D., Ghazani A. A., Chan W. C. W. Determining the size and shape dependence of gold nanoparticle uptake into mammalian cells // Nano Lett. 2006. Vol. 6. P. 662–668.

32. Scaffardi L. B., Tocho J. O. Size dependence of refractive index of gold nanoparticles // Nanotechnology. 2006. Vol. 17. P. 1309.

33. Sancho-Parramon J. Surface plasmon resonance broadening of metallic particles in the quasi-static approximation : a numerical study of size confi nement and interparticle interaction effects // Nanotechnology. 2009. Vol. 20. P. 235706.

34. Maltsev V. P., Chernyshev A. V., Semyanov K. A., Soini E. Absolute real-time measurement of particle size distribution with the fl ying light-scattering indicatrix method // Appl. Opt. 1996. Vol. 35. P. 3275.

35. Shifrin K. S., Tonna G. Inverse problems related to light scattering in the atmosphere and ocean // Advances in Geophysics. N.Y. : Academic Press, 1993. Vol. 34. P. 175−252.

36. Khlebtsov B. N., Bogatyrev V. A., Dykman L. A., Khlebtsov N. G. Spectra of resonance light scattering of gold nanoshells : effects of polydispersity and limited electron free path // Opt. Spectrosc. 2007. Vol. 102. P. 233−241.

37. Van der Zande B. M. I., Dhont Jan K. G., Bohmer Marcel R., Philipse A. P. Colloidal dispersions of gold rods characterized by dynamic light scattering and electrophoresis // Langmuir. 2000. Vol. 16. P. 459−464.

38. Rodríguez-Fernández J., Pérez-Juste J., Liz-Mar zán L. M., Lang P. R. Dynamic light scattering of short Au rods with low aspect ratios // J. Phys. Chem. C. 2007. Vol. 111. P. 5020−5025.

39. Khlebtsov N. G. On the dependence of the light scattering intensity on the averaged size of polydisperse particles : comments on the paper by M. S. Dyuzheva et al. (Colloid J. 2002, vol. 64, no. 1, p. 39) // Colloid. J. 2003. Vol. 65, № 5. P. 652−655.

40. Klyubin V. V., Bungov V. N. A comparison of results obtained by solution of the inverse problem of correlation spectroscopy with the use of the CONTIN and KLUB packages // Colloid J. 1998. Vol. 60. P. 313−318.

41. Khlebtsov N. G., Bogatyrev V. A., Dykman L. A., Khlebtsov B. N., Krasnov Ya. M. Differential light scattering spectroscopy : a new approach to studies of colloidal gold nanosensors // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2004. Vol. 89. P. 133−142.

42. Bogatyrev V. A., Dykman L. A., Khlebtsov B. N., Khlebtsov N. G. Measurement of mean size and evaluation of polydispersity of gold nanoparticles from spectra of optical absorption and scattering // Opt. Spectrosc. 2004. Vol. 96. P. 128−135.

43. Khlebtsov B. N., Zharov V. P., Melnikov A. G., Tuchin V. V., Khlebtsov N. G. Optical amplifi cation of photothermal therapy with gold nanoparticles and nanoclusters // Nanotechnology. 2006. Vol. 17. P. 5167−5179.

44. He W., Huang C. Z., Li Y. F., Xie J. P., Yang R. G., Zhou P. F., Wang J. One-step label-free optical genosensing system for sequence-specific DNA related to the human immunodeficiency virus based on the measurements of light scattering signals of gold nanorods // Anal. Chem. 2008. Vol. 80. P. 8424–8430.

45. Darbha G. K., Ra U. S., Singh A. K., Ray P. C. Gold nanorod based sensing of sequence specific HIV-1 virus DNA using hyper Rayleigh scattering spectroscopy // Chem. Eur. J. 2008. Vol. 14. P. 3896– 3903.

46. Ma Z., Tian L., Wang T., Wang C. Optical DNA detection based on gold nanorods aggregation // Anal. Chim. Acta. 2010. Vol. 673. P. 179–184.

Краткое содержание (на английском языке): 
Полный текст в формате PDF (на русском языке):