Biological applications of plasmonic metal nanoparticles

Plasmons in metal nanoparticles respond to changes in their local environment by a spectral shift in resonance. Here, the potential of plasmonic metal nanoparticles for label-free detection and observation of biological systems is presented. Comparing the material silver and gold concerning plasmonic sensitivity, silver nanoparticles exhibit a higher sensitivity but their chemical instability under light exposure limits general usage. A new approach combining results from optical dark-field microscopy and transmission electron microscopy allows localization and quantification of gold nanoparticles internalized into living cells. Nanorods exposing a negatively charged biocompatible polymer seem to be promising candidates to sense membrane fluctuations of adherent cells. Many small nanoparticles being specific sensing elements can build up a sensor for parallel analyte detection without need of labeling, which is easy to fabricate, re-usable, and has sensitivity down to nanomolar concentrations. Besides analyte detection, binding kinetics of various partner proteins interacting with one protein of interest are accessible in parallel. Gold nanoparticles are able to sense local oscillations in the surface density of proteins on a lipid bilayer, which could not be resolved so far. Studies on the fluorescently labeled system and the unlabeled system identify an influence of the label on the kinetics.

Plasmonen in metallischen Nanopartikeln reagieren auf Veränderungen in ihrer lokalen Umgebung mit einer spektralen Verschiebung der Resonanz. In dieser Arbeit wird das Potenzial der Metall-Nanopartikel für markerfreie Detektion und Beobachtung biologischer Systeme vorgestellt. Vergleicht man die Materialien Silber und Gold bezüglich plasmonischer Sensitivität, zeigen Silber Nanopartikel eine höhere Sensitivität, aber ihre chemische Instabilität unter Lichteinwirkung limitiert einen breiten Einsatz. Ein neuer Ansatz, der Ergebnisse optischer Dunkelfeld-Mikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie verbindet, ermöglicht die Lokalisierung und Quantifizierung von Gold Nanopartikeln, die von lebenden Zellen aufgenommen wurden. Nanopartikel, die einen negativ geladenen, biokompatiblen Polymer auf der Oberfläche tragen, erweisen sich als vielversprechende Kandidaten, um Membranfluktuationen adhärenter Zellen wahrzunehmen. Viele winzige Nanopartikel, die spezifische Sensorelemente sind, können zusammen einen Sensor zur parallelen Analytdetektion bilden, der keinen Marker benötigt, einfach herzustellen und wiederverwendbar ist, sowie eine Sensitivität bis hin zu nanomolaren Konzentrationen zeigt. Neben der Analytdetektion können die Bindungskinetiken zwischen verschiedenen Partnerproteinen und einem zu untersuchenden Protein parallel ermittelt werden. Gold Nanopartikel sind in der Lage, lokale Schwankungen in der Oberflächendichte von Proteinen auf einer Lipid Doppelschicht wahrzunehmen, die bisher nicht zugänglich waren. Studien am fluoreszenzmarkierten und am markerfreien System zeigen einen Einfluss des Markers auf die Kinetik.