Shape Dependency of Gold Nanoparticles Performance as Oligonucleotide Based Biosensors

Abstract

Gullnanopartikler vokser raskt frem som et alternativ til tradisjonelle biosensorer og kan bli skreddersydd til spesifikke mål som antigen, proteiner og viralt RNA. De kan også syntetiseres i en rekke former og størrelser, som alle har sine egne optiske egenskaper. Formen og størrelsen på disse partiklene gir dem ulik sensitiviet og prestasjon til spesifikke formål, og for å kunne brukes som biosensorer må de funksjonaliseres gjennom prosesser ofte bestående av flere steg. Målet med denne oppgaven var å syntetisere, funksjonalisere og sammenligne prestasjonen av tre vanlige gullnanopartikler når brukt som biosensorer, og samtidig optimalisere hvert steg for å ende opp med en repeterbar prosess for hver av disse partiklene. De tre partikkelformene som ble syntetisert var runde, stavformede og kråkebolle-lignende, og de ble alle funksjonalisert med en enkelttrådet DNA-sekvens som var komplementær med en spesifikk sekvens i den første utgaven av SARS-CoV-2 virusets RNA.

Innledningsvis ble tre ulike syntetiseringsmetoder testet ut for å oppnå de tre ulike partikkelformene, og alle disse metodene var synteser der et "nanopartikkel-frø" ble laget først for å så bygges på for å få større partikler eller ulike former. De ferdige nanopartiklene ble karakterisert med hensyn på størrelse, form, størrelsesforhold og zetapotensial. Syntesen av nanosfærer måtte optimaliseres for å produsere nanopartikler med lik størrelse hver gang, og de kråkebolleformede nanopartklene ble undersøkt for å finne ut hvor stabile de var og om syntesen kunne reproduseres. Gjennom disse undersøkelsene ble det funnet ut at disse nanopartiklene var mindre stabile enn de to andre og at syntesen var mindre repeterbar. Det ble observert morfologiske endringer over tid og partiklene var bare stabil i løsning i litt over ti minutter.

Funksjonaliseringen ble gjort ulikt for hver type nanopartikkel. De enkleste å funksjonalisere var nanosfærene, som kunne bli funksjonalisert direkte med tiol-modifiserte oligonukleotider. Nanostavene ble først funksjonalisert med PEG-tiol, før det ble gjort et ligand-bytte for å oppnå MUA-funksjonaliserte nanostaver. Dette ligand-byttet krevde at det ble gjort endringer i prosessen, og både nanokråkebollene og nanostavene ble funksjonalisert med amin-modifiserte oligonukleotider gjennom en EDC/NHS kobling. PEG- og MUA-funksjonaliseringen ble verifisert basert på FTIR-analyser, endringer i zetapotensialer og endringer i dispergerbarhet i vann og etanol. På grunn av mangel på tid og tilgjengelige metoder kunne ikke funksjonaliseringen med oligonukleotider bli verifisert, men nanopartiklene ble fremdles testet ut som biosensorer.

Disse testene viste at nanostavene hadde høyest potensial for brukt som oligonukleotid-baserte biosensorer ettersom det ble observert endringer i både absorbansintensitet og skift i topppunkt-bølgelengde. Nanokråkebollene viste noe potensial som biosensorer, men på grunn av mange begrensninger og ulemper, var disse ikke et godt alternativ som biosensor. Nanosfærene viste de minste endringene etter at de ble inkubert med viralt RNA, men viste antydninger til å kunne ha en god effekt i noen resultater. De er derfor også verdt å se nærmere på.

Gold nanoparticles are rapidly emerging as an alternative to traditional biosensors and have the potential of being tailored to specific targets such as antigens, proteins and viral RNA. They can also be synthesized in numerous shapes and sizes, all with their own optical properties. The shape and size of the particles gives them different sensitivity and performance for specific uses, and they have to be functionalized often in multi-step processes to be usable as biosensors. The aim of this thesis was to synthesize, functionalize and compare the biosensing performance of three common gold nanoparticles, while optimizing each step to create a repeatable pathway for the preparation of each of the particle. The three shapes were spherical, rod-shaped and sea-urchin like, and they were all functionalized with a single stranded DNA sequence which was complementary to a specific sequence of the initial SARS-CoV-2 virus RNA.

Firstly, three different synthesis methods were tested to get the three particle shapes, all building on first synthesizing a seed solution before using those to create larger sized particles or specific shapes. These resulting particles were characterized to find their size, shape, aspect ratios and zeta potentials. The synthesis of nanospheres had to be optimized to get the same sized particles each time and the nanourchins were studied both in terms of repeatability of the synthesis and stability. It was found that the synthesis was less repeatable and the particles were less stable compared to the other two shapes. There were observed morphological changes over longer periods of time and the particles were only stable in solution for just over ten minutes after sonication and vortex.

The functionalization was done differently for each type of particle. The simplest to functionalize were the nanospheres, which could be functionalized directly with thiol-modified oligonucleotides. The nanorods were first functionalized with thiolated PEG, before performing a ligand exchange to achieve a MUA-capping. This ligand exchange required changes to be made to an existing protocol, which were implemented with great success. The nanourchins were functionalized directly with MUA, and both the nanourchins and nanorods were functionalized with amine-modified oligonucleotides through EDC/NHS coupling. The PEG- and MUA-functionalizations were verified through FTIR analyses, changes in zeta potential and looking at dispersbility changes in water and ethanol before and after the functionalization. Due to lack of available methods and time, the success of the oligonucleotide functionalization could not be confirmed, but the particles were still tested as biosensors.

These tests found that the nanorods had the highest potential for use as oligonucleotide based biosensors as they portrayed both changes in absorbance intensity and peak wavelength shifts. The nanourchins also showed some potential, but there were also many limitations and drawbacks with their use, making them the least viable option. The nanospheres showed perhaps the least clear changes when incubated with the target RNA, but did in some experiments show some potential which makes them interesting to look further into.