Hybrid nanostructures of gold/polyelectrolyte for optical biosensor

Abstract

Gold nanoparticles (Au NPs) have been receiving significant attention due to the fact that their optical properties are very sensitive to characteristics such as size, shape, state of aggregation and surrounding environment which can find potential applications in biosensors. In the present work Au NPs were prepared by two distinct methods: (i) the standard citrate method which yielded Au NPs with 14.9 ± 2.7 nm diameter and an absorption maximum (λmax) at around 522 nm, and (ii) an in situ procedure using poly(allylamine hydrochloride) (PAH) as reducing agent. The ensuing Au NPs had a diameter of 22.0 ± 3.3 nm and an absorption maximum (λmax) at around 538 nm. The effect of the reaction conditions on the materials properties was assessed by optical spectroscopy, dynamic light scattering (DLS), zeta potential measurements and transmission electron microscopy. To investigate the robustness of the ensuing citrate nanostructures, the samples were submitted to a series of washing cycles in order to assess PAH removal. Upon each cycle the materials were analyzed by visible spectroscopy and zeta potential measurements. These studies indicated that from the third cycle the amount of PAH was residual. In order to use the Au colloidal suspensions as biosensors, different strategies to modify PAH were used. The PAH chains were first functionalized with fluorescein isothiocyanate (FITC) and biotin. The chemically modified polyelectrolyte was used to coat the Au NPs prepared via the citrate method. The functionalization of the nanostructures with biotin a posteriori yielded a more sensitive system. For the Au NPs prepared in situ four different functionalization and purification routes have been explored. Only the following sequence proved successful: in situ synthesis of Au NPs, followed by reaction with FITC to ensure the pH is kept around 9; the ensuing nanostructures were then purified by centrifugation and re-dispersion to slightly acid pH and finally modification with biotin was preformed. The resulting hybrid nanostructures were characterized by visible spectroscopy, fluorescence and measurements of zeta potential. Finally, the optical response and specificity of the functionalized nanostructures towards avidin was evaluated using visible and fluorescence spectroscopies. For comparison purposes, the original Au NPs coated with PAH were used as blanks as well as nanostructures prepared specifically for this purpose which were functionalized either with FITC or with biotin. The results show that these hybrid nanostructures have potential to be used as biosensor, since a specific response was observed namely when the gold NPs were prepared via the citrate method.

As nanopartículas de ouro (NPs de Au) têm recebido uma grande atenção devido às suas propriedades óticas serem sensíveis ao tamanho, forma, estado de agregação e ao meio envolvente, o que pode potenciar a sua aplicação em bio-sensores. Neste trabalho, NPs de Au foram preparadas por dois métodos distintos: (i) o método de redução por citrato, que permite obter NPs de Au com 14.9 ± 2.7 nm de diâmetro e um máximo de absorvância (λmax) a 522 nm; e (ii) o método in situ utilizando como agente redutor o hidrocloreto de polialilamina (PAH). Estas NPs de Au têm um diâmetro de 22.0 ± 3.3 nm e um máximo de absorvância (λmax) a 538 nm. O efeito das diferentes reações nas propriedades dos nanomateriais foi avaliado por espetroscopia ótica, dispersão dinâmica de luz (DLS, do inglês dynamic light scattering), medidas de potencial zeta e microscopia electrónica de transmissão (TEM). Para avaliar a robustez das nanoestruturas, as amostras preparadas pelo método do citrato foram submetidas a uma série de ciclos de lavagens para verificar a remoção do PAH. Após cada ciclo, foram caracterizados por espectroscopia no visível e por medidas de potencial zeta. Estes estudos indicam que após o terceiro ciclo de lavagem a quantidade de PAH é residual. Para utilizar as suspensões coloidais de Au como bio-sensor, foram exploradas diferentes estratégias de funcionalização do PAH. Primeiro o PAH foi funcionalizado com o isotiocianato de fluoresceína (FITC) e com biotina. O polieletrólito quimicamente modificado resultante foi usado para revestir as NPs de Au preparadas pelo método do citrato. A funcionalização destas nanoestruturas com biotina a posterior deu origem a um sistema mais sensível. Quanto às NPs preparadas in situ foram testadas quatro estratégias de modificação e purificação tendo-se concluído que a única estratégia viável envolve a seguinte sequência: síntese das NPs de Au in situ seguida de modificação do PAH com FITC garantido que o pH da solução se mantém à volta de 9; purificação através de centrifugação/dispersão até pH ligeiramente ácido e finalmente funcionalização com a biotina. As nanoestruturas híbridas resultantes foram caracterizadas por espectroscopia no visível, fluorescência e medidas de potencial zeta. Finalmente, a resposta ótica e a especificidade das nanoestruturas funcionalizadas na presença de avidina foi avaliada por espectroscopia no visível e fluorescência. Para este fim foram utilizadas as nanoestruturas originais bem como nanoestruturas em que o PAH foi apenas funcionalizado com biotina, sem FITC e vice-versa. Os resultados indicam que estas nanoestruturas híbridas podem ser utilizadas como bio-sensor uma vez que foi observada uma resposta específica, nomeadamente quando as NPs de Au foram preparadas pelo método do citrato.