High performance gold nanorods and silver nanocubes in surface-enhanced Raman spectroscopy of pesticides

The behavior of Au nanorods and Ag nanocubes as analytical sensors was evaluated for three different classes of herbicides. The use of such anisotropic nanoparticles in surface-enhanced Raman scattering (SERS) experiments allows the one to obtain the spectrum of crystal violet dye in the single molecule regime, as well as the pesticides dichlorophenoxyacetic acid (2,4-D), trichlorfon and ametryn. Such metallic substrates show high SERS performance at low analyte concentrations making them adequate for use as analytical sensors. Density functional theory (DFT) calculations of the geometries and vibrational wavenumbers of the adsorbates in the presence of silver or gold atoms were used to elucidate the nature of adsorbate-nanostructure bonding in each case and support the enhancement patterns observed in each SERS spectrum.

Gellan gum-coated gold nanorods: an intracellular nanosystem for bone tissue engineering

Gold nanorods (AuNRs) have emerged as an exceptional nanotool for a myriad of applications ranging from cancer therapy to tissue engineering. However, their surface modification with biocompatible and stabilizing biomaterials is crucial to allow their use in a biological environment. Herein, low-acyl gellan gum (GG) was used to coat AuNRs surface, taking advantage of its stabilizing, biocompatible and gelling features. The layer-by-layer based strategy implied the successive deposition of poly(acrylic acid), poly(allylamine hydrochloride) and GG, which allowed the formation of a GG hydrogel-like shell with 7 nm thickness around individual AuNRs. Stability studies in a wide range of pH and salt concentrations showed that the polysaccharide coating can prevent AuNRs aggregation. Moreover, a reversible pH-responsive feature of the nanoparticles was observed. Cytocompatibility and osteogenic ability of GG-coated AuNRs was also addressed. After 14 days of culturing within SaOS-2, an osteoblast-like cell line, in vitro studies revealed that AuNRs-GG exhibit no cytotoxicity, were internalized by the cells and localized inside lysosomes. AuNRs-GG combined with osteogenic media enhanced the mineralization capacity two-fold, as compared to cells exposed to osteogenic media alone. The proposed system has shown interesting features for osteogenesis, and further insights might be relevant for drug delivery, tissue engineering and regenerative medicine.

In vivo photothermal tumour ablation using gold nanorods

Less invasive and more effective cancer treatments have been the aim of research in recent decades, e.g. photothermal tumour ablation using gold nanorods. In this study we investigate the cell death pathways activated, and confirm the possibility of CTAB-coated nanoparticle use in vivo. Nanorods were synthesized by the seeding method; some of them were centrifuged and washed to eliminate soluble CTAB. The MTT cytotoxicity test was performed to evaluate cytotoxicity, and the particles' viability after their synthesis was assessed. Once it had been observed that centrifuged and washed nanorods are harmless, and that nanoparticles must be used within 48 h after their synthesis, in vivo hyperthermic treatment was performed.After irradiation, a tumour biopsy was subjected to a chemiluminescence assay to evaluate membrane lipoperoxidation, and to a TRAP assay to evaluate total antioxidant capacity. There was a 47 ºC rise in temperature observed at the tumour site. Animals irradiated with a laser (with or without nanorods) showed similar membrane lipoperoxidation, more intense than in control animals. The antioxidant capacity of experimental animal tumours was elevated. Our results indicate that necrosis is possibly the cell death pathway activated in this case, and that nanorod treatment is worthwhile.

Plasmon-enhanced dynamic light scattering of gold nanorods in bulk and near a wall

Transportprozesse von anisotropen metallischen Nanopartikeln wie zum Beispiel Gold-Nanostäbchen in komplexen Flüssigkeiten und/oder begrenzten Geometrien spielen eine bedeutende Rolle in einer Vielzahl von biomedizinischen und industriellen Anwendungen. Ein Weg zu einem tiefen, grundlegenden Verständnis von Transportmechanismen ist die Verwendung zweier leistungsstarker Methoden - dynamischer Lichtstreuung (DLS) und resonanzverstärkter Lichtstreuung (REDLS) in der Nähe einer Grenzfläche. In dieser Arbeit wurden nanomolare Suspensionen von Gold-Nanostäbchen, stabilisiert mit Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB), mit DLS sowie in der Nähe einer Grenzfläche mit REDLS untersucht. Mit DLS wurde eine wellenlängenabhängige Verstärkung der anisotropen Streuung beobachtet, welche sich durch die Anregung von longitudinaler Oberflächenplasmonenresonanz ergibt. Die hohe Streuintensität nahe der longitudinalen Oberflächenplasmonenresonanzfrequenz für Stäbchen, welche parallel zum anregenden optischen Feld liegen, erlaubte die Auflösung der translationalen Anisotropie in einem isotropen Medium. Diese wellenlängenabhängige anisotrope Lichtstreuung ermöglicht neue Anwendungen wie etwa die Untersuchung der Dynamik einzelner Partikel in komplexen Umgebungen mittels depolarisierter dynamischer Lichtstreuung. In der Nähe einer Grenzfläche wurde eine starke Verlangsamung der translationalen Diffusion beobachtet. Hingegen zeigte sich für die Rotation zwar eine ausgeprägte aber weniger starke Verlangsamung. Um den möglichen Einfluss von Ladung auf der festen Grenzfläche zu untersuchen, wurde das Metall mit elektrisch neutralem Polymethylmethacrylat (PMMA) beschichtet. In einem weiteren Ansatz wurde das CTAB in der Gold-Nanostäbchen Lösung durch das kovalent gebundene 16-Mercaptohexadecyltrimethylammoniumbromid (MTAB) ersetzt. Daraus ergab sich eine deutlich geringere Verlangsamung.

Anti-PSMA antibody-coupled gold nanorods detection by optical and electron microscopies

While cancer is one of the greatest challenges to public health care, prostate cancer was chosen as cancer model to develop a more accurate imaging assessment than those currently available. Indeed, an efficient imaging technique which considerably improves the sensitivity and specificity of the diagnostic and predicting the cancer behavior would be extremely valuable. The concept of optoacoustic imaging using home-made functionalized gold nanoparticles coupled to an antibody targeting PSMA (prostate specific membrane antigen) was evaluated on different cancer cell lines to demonstrate the specificity of the designed platform. Two commonly used microscopy techniques (indirect fluorescence and scanning electron microscopy) showed their straightforwardness and versatility for the nanoparticle binding investigations regardless the composition of the investigated nanoobjects. Moreover most of the research laboratories and centers are equipped with fluorescence microscopes, so indirect fluorescence using Quantum dots can be used for any active targeting nanocarriers (polymers, ceramics, metals, etc.). The second technique based on backscattered electron is not only limited to gold nanoparticles but also suits for any study of metallic nanoparticles as the electronic density difference between the nanoparticles and binding surface stays high enough. Optoacoustic imaging was finally performed on a 3D cellular model to assess and prove the concept of the developed platform.

Photoacoustic effect measurement in aqueous suspensions of gold nanorods caused by low-frequency and low-power near-infrared pulsing laser irradiation

When aqueous suspensions of gold nanorods are irradiated with a pulsing laser (808 nm), pressure waves appear even at low frequencies (pulse repetition rate of 25 kHz). We found that the pressure wave amplitude depends on the dynamics of the phenomenon. For fixed concentration and average laser current intensity, the amplitude of the pressure waves shows a trend of increasing with the pulse slope and the pulse maximum amplitude.We postulate that the detected ultrasonic pressure waves are a sort of shock waves that would be generated at the beginning of each pulse, because the pressure wave amplitude would be the result of the positive interference of all the individual shock waves.

Evaluation of the bioaccumulation kinetics of gold nanorods in vital mammalian organs by mean of TXRF spectrometry

This work presents the first application of total-reflection X-ray fluorescence (TXRF) spectrometry, a new and powerful alternative analytical method, to evaluation of the bioaccumulation kinetics of gold nanorods (GNRs) in various tissues upon intravenous administration in mice. The analytical parameters for developed methodology by TXRF were evaluated by means of the parallel analysis of bovine liver certified reference material samples (BCR-185R) doped with 10 μg/g gold. The average values (n = 5) achieved for gold measurements in lyophilized tissue weight were as follows: recovery 99.7%, expanded uncertainty (k = 2) 7%, repeatability 1.7%, detection limit 112 ng/g, and quantification limit 370 ng/g. The GNR bioaccumulation kinetics was analyzed in several vital mammalian organs such as liver, spleen, brain, and lung at different times. Additionally, urine samples were analyzed to study the kinetics of elimination of the GNRs by this excretion route. The main achievement was clearly differentiating two kinds of behaviors. GNRs were quickly bioaccumulated by highly vascular filtration organs such as liver and spleen, while GNRs do not show a bioaccumulation rates in brain and lung for the period of time investigated. In parallel, urine also shows a lack of GNR accumulation. TXRF has proven to be a powerful, versatile, and precise analytical technique for the evaluation of GNRs content in biological systems and, in a more general way, for any kind of metallic nanoparticles.

Perpendicularly self-oriented and shape-controlled L1(0)-FePt nanorods directly synthesized by a temperature-modulated process

The synthesis and self-assembly of tetragonal phase-containing L1(0)-Fe(55)Pt(45) nanorods with high coercive field is described. The experimental procedure resulted in a tetragonal/cubic phase ratio close to 1:1 for the as-synthesized nanoparticles. Using different surfactant/solvent proportions in the process allowed control of particle morphology from nanospheres to nanowires. Monodisperse nanorods with lengths of 60 +/- 5 nm and diameters of 2-3 nm were self-assembled in a perpendicular oriented array onto a substrate surface using hexadecylamine as organic spacer. Magnetic alignment and properties assigned, respectively, to the shape anisotropy and the tetragonal phase suggest that the self-assembled materials are a strong candidate to solve the problem of random magnetic alignment observed in FePt nanospheres leading to applications in ultrahigh magnetic recording (UHMR) systems capable of achieving a performance of the order of terabits/in(2).

Plasmonic nanorods and nanoparticle-assemblies

Die vorliegenden Dissertation beschäftigt sich mit plasmonischen Nanopartikeln, deren Wechselwirkung mit Licht in einer Plasmonenschwingung resultiert. Suspensionen dieser Partikel zeigen kräftige Farben, da sich die Resonanzfrequenz der Plasmonenschwingung im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrum befindet. Durch die Veränderung interner (Material, Größe, Form) oder externer Parameter (Brechungsindex der Umgebung, Abstand zu anderen plasmonischen Partikeln) lässt sich die Farbe der Partikel verändern, eine Verschiebung der Resonanzfrequenz kann beobachtet werden. Ihre Sensitivität gegenüber äußeren Bedingungen ist der Grund, weshalb plasmonische Nanopartikel als Sensoren eingesetzt werden können. Wichtig ist hierbei nicht nur, dass die Partikel eine hohe Sensitivität zeigen, sondern auch die Möglichkeit, reproduzierbar Partikel zu synthetisieren, die experimentellen Anforderungen entsprechen. In der vorliegenden Arbeit wird das Wachstum von reinen Gold- und mit Silber beschichteten Goldnanostäbchen untersucht. Des Weiteren werden plasmonische Nanopartikel als Orientierungs-, Brechungsindex- und Abstandssensoren verwendet. Die Synthese von Goldnanostäbchen erfolgt auf nasschemischen Weg, ihr anisotropes Wachstum aus isotropen Keimen wird durch zahlreiche Faktoren beeinflusst. In diesem Zusammenhang wurde ein Wachstumsmodell entwickelt, das neben dem Vorhandensein eines Stabilisators auch die Rolle von Bromid- und Silberionen herausstellt, die durch selektive Adsorption das Wachstum bestimmter Kristallflächen inhibieren. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Potentialdifferenz zwischen Reduktions- und Oxidationsmittel klein sein muss, um ein langsames selektives Wachstum zu gewährleisten. rnDurch das Aufwachsen einer dünnen Silberschicht auf Goldnanostäbchen verbessert sich deren Qualität im Bezug auf die heterogene Linienbreite. Der “Plasmonic Focusing Effect”, die Änderung der Steigung des linearen Zusammenhangs von Plasmonenresonanz und Aspektverhältnis, konnte theoretisch berechnet und experimentell verifiziert werden. Durch die Aufnahme zeitaufgelöster Spektren und die Untersuchung des Verlaufs der Reaktion wurden sowohl Reaktionsordnung, als auch Aktivierungsenergie ermittelt. Das so gefundene kinetische Model erlaubt zudem die Vorhersage des Reaktionsprodukts zu verschiedenen Zeiten. rnEinzelne Goldnanostäbchen wurden in einer Gelmatrix bei verschiedenen Temperaturen untersucht, die Aufnahme der zeitlichen Variation der polarisationsabhängigen Streuintensität konnte genutzt werden, um den Kollaps des Gels zu charakterisieren. Neben der Verwendung einzelner plasmonischer Nanopartikel wurden auch Dimere, bestehend aus zwei Goldnanokugeln, untersucht. Nach der Kalibrierung der Resonanzfrequenz gegenüber des Abstandes der beiden Partikel durch externe Methoden (Lichtstreuung, Cryo- Elektronenmikroskopie) wurde der so gefundene exponentielle Zusammenhang verwendet, um sowohl den Brechungsindex der Umgebung, als auch den Abstand der beiden Goldnanokugeln zu bestimmen. Des Weiteren wurden Goldnanopartikeldimere benutzt, um ein als Linker verwendetes thermoresponsives Elastin-Polymer bei verschiedenen Temperaturen zu charakterisieren. Neben Aggregaten aus zwei Goldnanokugeln wurden auch so genannte “core-satellite” Strukturen synthetisiert, die um einen großen Goldnanopartikelkern viele kleine Goldnanopartikel tragen. Diese Partikel haben eine theoretisch vorhergesagte höhere Sensitivität gegenüber Brechungsindexänderungen, was in ersten Experimenten gezeigt werden konnte.

Synthesis and surface modification of silver and gold nanoparticles. Nanomedicine applications against Glioblastoma Multiforme.

In the last decades noble metal nanoparticles (NPs) arose as one of the most powerful tools for applications in nanomedicine field and cancer treatment. Glioblastoma multiforme (GBM), in particular, is one of the most aggressive malignant brain tumors that nowadays still presents a dramatic scenario concerning median survival. Gold nanorods (GNRs) and silver nanoparticles (AgNPs) could find applications such as diagnostic imaging, hyperthermia and glioblastoma therapy. During these three years, both GNRs and AgNPs were synthesized with the “salt reduction” method and, through a novel double phase transfer process, using specifically designed thiol-based ligands, lipophilic GNRs and AgNPs were obtained and separately entrapped into biocompatible and biodegradable PEG-based polymeric nanoparticles (PNPs) suitable for drug delivery within the body. Moreover, a synergistic effect of AgNPs with the Alisertib drug, were investigated thanks to the simultaneous entrapment of these two moieties into PNPs. In addition, Chlorotoxin (Cltx), a peptide that specifically recognize brain cancer cells, was conjugated onto the external surface of PNPs. The so-obtained novel nanosystems were evaluated for in vitro and in vivo applications against glioblastoma multiforme. In particular, for GNRs-PNPs, their safety, their suitability as optoacoustic contrast agents, their selective laser-induced cells death and finally, a high tumor retention were all demonstrated. Concerning AgNPs-PNPs, promising tumor toxicity and a strong synergistic effect with Alisertib was observed (IC50 10 nM), as well as good in vivo biodistribution, high tumor uptake and significative tumor reduction in tumor bearing mice. Finally, the two nanostructures were linked together, through an organic framework, exploiting the click chemistry azido-alkyne Huisgen cycloaddition, between two ligands previously attached to the NPs surface; this multifunctional complex nanosystem was successfully entrapped into PNPs with nanoparticles’ properties maintenance, obtaining in this way a powerful and promising tool for cancer fight and defeat.

Sensing applications of biofunctionalised plasmonic gold nanoparticles

Plasmonische Metallnanopartikel bündeln, verstärken und beeinflussen Licht auf nanoskopischer Ebene. Diese grundlegende Eigenschaft kommt von koheränten, kollektiven Schwingungen der Leitungsbandelektronen, die von einfallendem Licht resonant angeregt und lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR) oder ‚Partikelplasmonen‘ genannt werden. Plasmonen in Metallnanopartikeln wurden bisher z.B. zur Erkennen von pathogenen Biomolekülen, bei der photothermischen Therapie und zur Verbesserung der Effizienz von Solarzellen verwendet. In dieser Arbeit werde ich meinen Fokus auf die Synthese und Funktionalisierung von Goldnanopartikeln zur Anwendung als Sensoren legen.rnrnKürzliche Verbesserungen in der nasschemischen Synthese haben zur Herstellung von Goldnanopartikel mit unterschiedlichen Formen und Größen geführt, die sich in ihren Sensoreigenschaften unterscheiden. Unter den unterschiedlichen Sensorgeometrien sind Goldnanostäbchen die bevorzugte Form zur Biomolekül-Sensorik durch LSPR. Nanostäbchen werden durch eine positiv geladene CTAB-Schicht stabilisiert, die Proteine bei neutralem pH-Wert anziehen kann. Die Adsorption und Desorption von Proteinen an der Nanopartikeloberfläche und damit die Bindungskinetiken von Proteinen kann auf Einzelmolekülebene erforscht werden. Ich zeige hier eine Studie mit hoher örtlicher und zeitlicher Auflösung um einzelne Bindungsereignisse von Fibronectin auf Goldnanostäbchen darzustellen.rnrnGoldnanostäbchen müssen mit spezifischen biologischen Erkennungselementen funktionalisiert werden um eine Analyterkennung oder Proteinwechselwirkung zu erreichen. Ich funktionalisiere Goldnanostäbchen mit kurzen DNA-Sequenzen (Aptamer-Sequenzen und NTA konjugierten Polihymidinen) und habe anhand diese unterschiedlich sensitiven Partikel eine Studie mit verschiedenen Analyten (oder Protein-Protein Wechselwirkungen) erfolgreich durchgeführt.rn rnPlasmonen von Nanopartikel-Clustern koppeln miteinander, was ihre Resonanzenergie ändert. Der kontrollierte Zusammenbau von Nanopartikeln zu Dimeren oder höher geordneten Strukturen wie ‚Core-Satellites‘ können dazu dienen ihre Sensitivität zu erhöhen. Diese Cluster bieten eine hohe Sensitivität auf Grund der Anwesenheit von plasmonischen Hotspots in der Lücke zwischen zwei Partikeln. Die Plasmonkopplung ist ein Phänomen, das abhängig vom Abstand zweier Partikel zueinander ist und bildet somit die Basis von sogenannten Plasmon-Linealen. Ich habe eine Strategie entwickelt um Dimere aus Hsp90 funktionalisierten Goldnanosphären zu bilden. Diese Technik wird nicht durch Ausbleichen oder das Blinken von Farbstoffen limitiert und ich zeige zum ersten Mal wie man dadurch dynamische Proteinkonformationen untersuchen kann.rn

A method to obtain the thermal parameters and the photothermal transduction efficiency in an optical hyperthermia device based on laser irradiation of gold nanoparticles

Optical hyperthermia systems based on the laser irradiation of gold nanorods seem to be a promising tool in the development of therapies against cancer. After a proof of concept in which the authors demonstrated the efficiency of this kind of systems, a modeling process based on an equivalent thermal-electric circuit has been carried out to determine the thermal parameters of the system and an energy balance obtained from the time-dependent heating and cooling temperature curves of the irradiated samples in order to obtain the photothermal transduction efficiency. By knowing this parameter, it is possible to increase the effectiveness of the treatments, thanks to the possibility of predicting the response of the device depending on the working configuration. As an example, the thermal behavior of two different kinds of nanoparticles is compared. The results show that, under identical conditions, the use of PEGylated gold nanorods allows for a more efficient heating compared with bare nanorods, and therefore, it results in a more effective therapy.

Dispositius nanoplasmònics basats en polaritons anti-simètrics per apliacacions biosensores i nanofotòniques

Presentem un estudi teòric comparatiu de les sensibilitats en volum dels sensors d’índex de refracció basats en polaritó de plasmó superficial (SPP) i en ressonància localitzada de plasmó superficial (LSPR). Els resultats demostren que el sensor SPP, àmpliament conegut i comercialitzat, ofereix una major sensibilitat en volum comparada amb la del sensor LSPR, estant aquest últim basat en l’ús de nanorods d’or. A més, la figura de mèrit del sensor LSPR, emprada per a analitzar la seva capacitat sensora, exhibeix una regió sensora òptima quan la longitud d’ona de ressonància es troba propera a 700 nm.

Understanding the Effect of Adsorption Geometry over Substrate Selectivity in the Surface-Enhanced Raman Scattering Spectra of Simazine and Atrazine

This paper studies the selectivity of Well-defined Au and Ag nanostructures as substrates for the SERS, (surface-enhanced Raman scattering) detection of simazine (6-chloro-N,N`-diethyl-1,3,5-triazine-2,4-diamine) and atrazine (6-chloro-N-ethyl-N`-isopropyl-1,3,5-triazine-2,4-diamine). Our data showed that simazine and atrazine displayed similar SERS spectra when the Au was employed as substrate. Conversely, distinct SERS signatures were obtained upon the utilization of Ag substrates. Density functional theory (DFT) calculations and vibrational assignments suggested that, while simazine and atrazine adsorbed on Au via the N3 position of the triazine ring, simazine adsorbed on Ag via N3 and atrazine via N5. The results presented herein demonstrated that the adsorption geometry of analyte molecules can play a central role over substrate selectivity in SERS, which is particularly important in applications involving ultrasensitive analysis of mixtures containing structurally similar molecules.