Surface plasmon resonance investigation of DNA hybridization on a sensor surface using gold nanoparticles modified by specific oligonucleotides

Abstract

Aim. To investigate an influence of the oligonucleotide concentration on their immobilization on the surface of gold nanoparticles (AuNPs), and to study interactions between the AuNPs modified by various oligonucleotides and the oligonucleotides immobilized on the chip of the SPR-based DNA-sensor. Methods. Oligonucleotide immobilization on the surface of AuNPs was investigated by fluorescence spectrometry. The interactions of citrate-stabilized AuNPs modified by oligonucleotides with the oligonucleotides immobilized on the chip of the DNA-sensor were studied by the surface plasmon resonance spectrometry. Results. The initial oligonucleotide concentration influences the level of their immobilization on the surface of citrate-stabilized AuNPs: up to 200 nM the dependence was close to linear, and then saturation was observed at ~ 26 molecules per particle or ~ 0.5×10¹³ molecules cm⁻². In contrast, the efficiency of immobilization gradually decreased with an increase in the initial oligonucleotide concentration. Using the SPR-based DNA-sensor, the efficient hybridization between oligonucleotides immobilized on the sensor chip and complementary oligonucleotides of various length (short T2-11m and long T2-18m) immobilized on the surface of AuNPs was demonstrated. In case of AuNPs modified by short oligonucleotides, efficient thermal and chemical regenerations of the bioselective element of the DNA-sensor were achieved. Conclusions. Oligonucleotide immobilization on the surface of AuNPs directly depends on the initial oligonucleotide concentration, whereas the initial oligonucleotide concentration and the efficiency of their immobilization on the surface of AuNPs demonstrate the inverse relationship. The efficient hybridization of the oligonucleotides of various lengths immobilized on AuNPs with the oligonucleotides immobilized on the sensor surface as well as the possibility of thermal or chemical regeneration allow the sensor reuse and a strong amplification of the sensor signal.

Мета. Вивчення впливу концентрації олігонуклеотидів на їх іммобілізацію на поверхні наночастинок золота (AuNPs) та виявлення деяких особливостей взаємодії AuNPs, модифікованих різними олігонуклеотидами, з олігонуклеотидами, іммобілізованими на чипі ДНК-сенсора поверхневого плазмонного резонансу. Методи. Рівень іммобілізації олігонуклеотидів на поверхні AuNPs досліджували флуоресцентною спектрометрією. Взаємодія стабілізованих цитратом AuNPs, модифікованих олігонуклеотидами, з олігонуклеотидами, іммобілізованими на чипі ДНК-сенсора, вивчали за допомогою спектрометрії поверхневого плазмонного резонансу. Результати. При іммобілізації олігонуклеотидів на поверхні стабілізованих цитратом AuNPs початкова концентрація олігонуклеотидів впливає на рівень їх іммобілізації: до 200 нМ залежність була близькою до лінійної, а потім спостерігали наближення до насичення (~26 молекул на одну частинку або ~0,5 × 10¹³ молекул см⁻²). На відміну від цього, ефективність іммобілізації поступово зменшується разом із збільшенням початкової концентрації олігонуклеотидів. Використовуючи ДНК-сенсор поверхневого плазмонного резонансу, продемонстрували ефективну гібридизацію між олігонуклеотидами, іммобілізованими на сенсорному чипі, та комплементарними олігонуклеотидами різної довжини (короткі T2-11m і довгі T2-18m), іммобілізованими на поверхні AuNPs. У випадку AuNPs, модифікованих короткими олігонуклеотидами, були досягнуті ефективні термічна та хімічна регенерація біоселективного елемента ДНК-сенсора. Висновки. Рівень іммобілізації олігонуклеотидів на поверхні AuNPs прямо пропорційно залежить від вихідної концентрації олігонуклеотидів, тоді як вихідна концентрація олігонуклеотидів та ефективність їх ім-мобілізації на поверхні AuNPs демонструють зворотний зв’язок. Ефективна гібридизація олігонуклеотидів різної довжини, іммобілізованих на AuNPs, з олігонуклеотидами, іммобілізованими на поверхні сенсора, а також можливість термічної або хімічної регенерації дозволяють багаторазово використовувати сенсор та досягати величезного підсилення сенсорного сигналу.

Цель. Изучение влияния концентрации олигонуклеотидов на их иммобилизацию на поверхности наночастиц золота (AuNPs) и выявление некоторых особенностей взаимодействия AuNPs, модифицированных различными олигонуклеотидами, с олигонуклеотидами, иммобилизованными на чипе ДНК-сенсора поверхностного плазмонного резонанса. Методы. Уровень иммобилизации олигонуклеотидов на поверхности AuNPs исследовали флуоресцентной спектрометрией. Взаимодействие стабилизированных цитратом AuNPs, модифицированных олигонуклеотидами, с олигонуклеотидами, иммобилизованными на чипе ДНК-сенсора, изучали с помощью спектрометрии поверхностного плазмонного резонанса. Результаты. При иммобилизации олигонуклеотидов на поверхности стабилизированных цитратом AuNPs начальная концентрация олигонуклеотидов влияет на уровень их иммобилизации: до 200 нМ зависимость была близка к линейной, а затем наблюдали приближение к насыщению (~26 молекул на одну частицу или ~0,5 × 10¹³ молекул см⁻²). В отличие от этого, эффективность иммобилизации постепенно уменьшается вместе с увеличением начальной концентрации олигонуклеотидов. Используя ДНК-сенсор поверхностного плазмонного резонанса, продемонстрировали эффективную гибридизацию между олигонуклеотидами, иммобилизованными на сенсорном чипе, и комплементарными олигонуклеотидами различной длины (короткие T2-11m и длинные T2-18m), иммобилизованными на поверхности AuNPs. В случае AuNPs, модифицированных короткими олигонуклеотидами, были достигнуты эффективные термическая и химическая регенерация биоселективного элемента ДНК-сенсора. Выводы. Уровень иммобилизации олигонуклеотидов на поверхности AuNPs пря-мо пропорционально зависит от исходной концентрации олигонуклеотидов, тогда как исходная концентрация оли-гонуклеотидов и эффективность их иммобилизации на поверхности AuNPs демонстрируют противоположную связь. Эффективная гибридизация олигонуклеотидов различной длины, иммобилизованных на AuNPs, с олигонуклеотидами, иммобилизованными на поверхности сенсора, а также возможность термической или химической ре-генерации позволяют многократно использовать сенсор и достигать огромного усиления сенсорного сигнала.