Computer assisted detection and quantification of single adsorbing nanoparticles by differential surface plasmon microscopy

Sidorenko, Irina; Nizamov, Shavkat; Hergenröder, Roland; Zybin, A.; Kuzmichev, A. N.; Kiwull, B.; Nießner, Reinhard; Mirsky, Vladimir M.

doi:10.1007/s00604-015-1599-0

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“…Once a nanoparticle has bound on the sensor surface, it causes a weak optical signal, which can be visualized only after some preprocessing [ 23 ]. The crucial step of this analysis is the formation of the differential record acting as a dynamic correction of the background and providing a possibility to compensate not only the static background signal but also some background drift.…”

Section: Resultsmentioning

confidence: 99%

“…The images with field of view of about 1.3–1.5 mm 2 were read at ~15 frames per second at full resolution by the Beagleboard-XM single-board computer, averaged over 16 consecutive frames and recorded by PC for further analysis by the homemade software. Initial version of this software was reported in [ 23 ] whereas the advanced version based on cluster analysis of images and template matching algorithms was presented in [ 27 ].…”

Section: Methodsmentioning

confidence: 99%

“…Using this approach, metallic and organic nanoparticles have been detected and binding of DNA modified gold nanoparticles to the surface coated by a complementary DNA sequence have been shown [ 21 ]. The technique can be used also in air [ 22 , 23 ] where the difference in the refractive index between analyte and environment is much higher. It was also applied for detection of viruses [ 24 ] and for tracking of mitochondria in the living cells [ 25 ].…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

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Plasmonic detection and visualization of directed adsorption of charged single nanoparticles to patterned surfaces

2016

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It has recently been shown that surface plasmon microscopy (SPM) allows single nanoparticles (NPs) on sensor surfaces to be detected and analyzed. The authors have applied this technique to study the adsorption of single metallic and plastic NPs. Binding of gold NPs (40, 60 and 100 nm in size) and of 100 nm polystyrene NPs to gold surfaces modified by differently ω-functionalized alkyl thiols was studied first. Self-assembled monolayers (SAM) with varying terminal functions including amino, carboxy, oligo(ethylene glycol), methyl, or trimethylammonium groups were deposited on gold films to form surfaces possessing different charge and hydrophobicity. The affinity of NPs to these surfaces depends strongly on the type of coating. SAMs terminated with trimethylammonium groups and carboxy group display highly different affinity and therefore were preferred when creating patterned charged surfaces. Citrate-stabilized gold NPs and sulfate-terminated polystyrene NPs were used as negatively charged NPs, while branched polyethylenimine-coated silver NPs were used as positively charged NPs. It is shown that the charged patterned areas on the gold films are capable of selectively adsorbing oppositely charged NPs that can be detected and analyzed with an ~1 ng⋅mL−1 detection limit. Graphical abstractSelf-assembled monolayers of ω-functionalized alkyl thiols were deposited on a gold layer of a patterned sensor array. The charge-selective binding of single nanoparticles to such surfaces was registered by wide-field surface plasmon microscopy. Electronic supplementary materialThe online version of this article (doi:10.1007/s00604-016-1956-7) contains supplementary material, which is available to authorized users.

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Section: Resultsmentioning

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Section: Methodsmentioning

confidence: 99%

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

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Plasmonic detection and visualization of directed adsorption of charged single nanoparticles to patterned surfaces

2016

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“…Weitere Verbesserungen des Detektionslimits können durch Vergrößerung der Sensoroberfläche, Optimierung der Diffusionsbedingungen oder aktive Ansammlung der NPs nahe der Sensoroberfläche (z. B. durch Elektrophorese) erreicht werden.…”

Section: Figureunclassified

“…Aus thermodynamischen Gründen läuft der Auflösungs‐ und Schrumpfungsprozess, nachdem er einmal in Gang gesetzt wurde, bis zur vollständigen Auflösung des NP oder bis zum Verlust des elektrischen Kontaktes mit der Goldoberfläche ab. Über die komplette elektrochemische Auflösung von Ag‐NPs wurde bereits berichtet …”

Section: Figureunclassified

Einzelnachweis und elektrochemisch unterstützte Identifizierung adsorbierter Nanopartikel mit Oberflächenplasmonen‐Mikroskopie

2016

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Zahlreiche Studien belegen die Toxizität einiger industriell hergestellter Nanopartikel (NPs) für Mensch und Umwelt. [1][2][3] Ausdiesem Grund sind Methoden für eine hochempfindliche Detektion und Identifizierung von Nanomaterialien sehr wichtig.H ier stellen wir eine neue Te chnik vor,b ei der eine hçchst empfindliche Oberflächenplasmonen-Mikroskopie (surface plasmon microscopy,S PM) mit einem elektrochemischen Verfahren kombiniert wird. Durch diese Te chnik werden Zählung,N achverfolgung und elektrochemische Identifizierung jedes einzelnen NP auf der Sensoroberfläche ermçglicht. Die SPM-Methode wurde ursprünglich als bildgebende Refraktometrie entwickelt, [4] um die Leistungsfä-higkeit integraler Oberflächenplasmonenresonanz(SPR)-Biosensoren zu erhçhen. [5] Jüngste Verçffentlichungen zeigen, dass die Adsorption einzelner NPs an die Oberfläche eines SPM-Sensors charakteristische Bildmuster erzeugt, [6][7][8][9][10] die sich mit elektrodynamischen Modellen beschreiben lassen.[11] Diese Bildmuster hängen von Grçße,F orm und komplexem Brechungsindex des Materials der NPs ab; jedoch besteht auch eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass NPs aus verschiedenen Materialien ähnliche Bildmuster bei ihrer Adsorption aufweisen. Für die chemische Identifizierung der NPs wurde daher die Echtzeitzählung jedes einzelnen auf dem SPM-Sensor adsorbierten Partikels mit der Erfassung von ¾nderungen im SPM-Bild während der elektrochemischen Behandlung ergänzt. Die individuelle elektrochemische Analyse erfolgt durch optische Auslesung und umgeht somit viele Limitierungen der Impakt-Elektrochemie [12,13] oder integraler elektrochemischer Methoden. [14] Der Einsatz der Kretschmann-Konfiguration für die SPM-Technik (Abbildung 1) ermçglicht die Überwachung einer makroskopischen Sensoroberfläche,s odass bis zu einer Million adsorbierte Nanopartikel simultan nachverfolgt werden kçnnen.Die Methode ist in drei Schritte unterteilt (Abbildung 2): Im ersten Schritt erfolgt die Adsorption der NPs auf der Sensoroberfläche bei kathodischem Potential. Dabei werden die adsorbierten NPs detektiert und gezählt, und es wird die Adsorptionsgeschwindigkeit bestimmt. Durch einen Waschschritt werden nicht adsorbierte NPs aus der Messzelle eluiert. Schließlich wird das Potential der Goldelektrode (SPMSensoroberfläche) in anodische Richtung abgefahren, und das Verschwinden der zuvor adsorbierten NPs aus dem Bild wird detektiert. Der Wert des Elektrodenpotentials,b ei dem sich die erfassten NPs auflçsen und verschwinden, gibt Auskunft über ihre chemische Zusammensetzung.Die Adsorption eines einzelnen Nanopartikels auf der Sensoroberfläche wird durch die ¾nderung seines SPMBildmusters erfasst. Diese ¾nderungen sind gering,w erden aber nach einer Aufbereitung des ursprünglichen SPM-EinAbbildung 1. Aufbau der SPM für die Detektion, Nachverfolgung und in-situ-elektrochemische Behandlungadsorbierter NPs. Die Goldschicht der Sensoroberfläche erfüllt zwei Funktionen:als plasmonische Sensorschicht und als Arbeitselektrode für die Kontrolle des Redoxzustandes der adsorbie...

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Fortschritte in der optischen Einzelmoleküldetektion: Auf dem Weg zu höchstempfindlichen Bioaffinitätsassays

et al. 2020

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Computer assisted detection and quantification of single adsorbing nanoparticles by differential surface plasmon microscopy

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Plasmonic detection and visualization of directed adsorption of charged single nanoparticles to patterned surfaces

Plasmonic detection and visualization of directed adsorption of charged single nanoparticles to patterned surfaces

Einzelnachweis und elektrochemisch unterstützte Identifizierung adsorbierter Nanopartikel mit Oberflächenplasmonen‐Mikroskopie

Fortschritte in der optischen Einzelmoleküldetektion: Auf dem Weg zu höchstempfindlichen Bioaffinitätsassays

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