Characterization and electrochemical response of DNA functionalized 2 nm gold nanoparticles confined in a nanochannel array

Abstract

Los conjugados de oligonucleótidos de nanopartículas de oro polivalentes son objeto de intensa investigación. Si bien las nanopartículas de oro de 2 nm de diámetro se han modificado previamente con ADN, se conoce poco sobre su estructura y comportamiento electroquímico. En este trabajo, examinamos la influencia de diferentes estrategias de modificación superficial en la interacción entre la mesoorganización y las propiedades de reconocimiento molecular de una cadena de ADN de 27 meros. Esta cadena de ADN se funcionaliza con diferentes grupos sulfurados y se inmoviliza en nanopartículas de oro de 2 nm confinadas en una alúmina nanoporosa, operando el sistema como un arreglo de electrodos. Las coberturas superficiales se determinaron mediante EXAFS y se evaluó su rendimiento como elementos de reconocimiento para sensores basados en impedancia. Nuestros resultados demuestran que las bajas coberturas de ADN en las nanopartículas confinadas inducen una respuesta más sensible, lo que demuestra su relevancia para evitar la saturación de la cadena de ADN. El sistema logró determinar concentraciones de hasta 100 pM de la cadena complementaria, sentando así las bases para la construcción de genosensores sin marcadores a escala nanométrica.

Polyvalent gold nanoparticle oligonucleotide conjugates are subject of intense research. Even though 2 nm diameter AuNPs have been previously modified with DNA, little is known about their structure and electrochemical behavior. In this work, we examine the influence of different surface modification strategies on the interplay between the meso-organization and the molecular recognition properties of a 27-mer DNA strand. This DNA strand is functionalized with different sulfur-containing moieties and immobilized on 2 nm gold nanoparticles confined on a nanoporous alumina, working the whole system as an electrode array. Surface coverages were determined by EXAFS and the performance as recognition elements for impedance-based sensors is evaluated. Our results prove that low DNA coverages on the confined nanoparticles prompt to a more sensitive response, showing the relevance in avoiding the DNA strand overcrowding. The system was able to determine a concentration as low as 100 pM of the complementary strand, thus introducing the foundations for the construction of label-free genosensors at the nanometer scale.

Conjugados de oligonucleotídeos de nanopartículas de ouro polivalentes são objeto de intensa pesquisa. Embora AuNPs de 2 nm de diâmetro tenham sido previamente modificadas com DNA, pouco se sabe sobre sua estrutura e comportamento eletroquímico. Neste trabalho, examinamos a influência de diferentes estratégias de modificação de superfície na interação entre a meso-organização e as propriedades de reconhecimento molecular de uma fita de DNA de 27-mer. Essa fita de DNA é funcionalizada com diferentes frações contendo enxofre e imobilizada em nanopartículas de ouro de 2 nm confinadas em uma alumina nanoporosa, funcionando como um conjunto de eletrodos. As coberturas de superfície foram determinadas por EXAFS e o desempenho como elementos de reconhecimento para sensores baseados em impedância é avaliado. Nossos resultados comprovam que baixas coberturas de DNA nas nanopartículas confinadas levam a uma resposta mais sensível, mostrando a relevância em evitar a superlotação da fita de DNA. O sistema foi capaz de determinar uma concentração tão baixa quanto 100 pM da fita complementar, introduzindo assim as bases para a construção de genossensores livres de marcadores em escala nanométrica.