Fluorescent Nanodiamond–Gold Hybrid Particles for Multimodal Optical and Electron Microscopy Cellular Imaging

Abstract

There is a continuous demand for imaging probes offering excellent performance in various microscopy techniques for comprehensive investigations of cellular processes by more than one technique. Fluorescent nanodiamond-gold nanoparticles (FND-Au) constitute a new class of "all-in-one" hybrid particles providing unique features for multimodal cellular imaging including optical imaging, electron microscopy, and, and potentially even quantum sensing. Confocal and optical coherence microscopy of the FND-Au allow fast investigations inside living cells via emission, scattering, and photothermal imaging techniques because the FND emission is not quenched by AuNPs. In electron microscopy, transmission electron microscopy (TEM) and scanning transmission electron microscopy (STEM) analysis of FND-Au reveals greatly enhanced contrast due to the gold particles as well as an extraordinary flickering behavior in three-dimensional cellular environments originating from the nanodiamonds. The unique multimodal imaging characteristics of FND-Au enable detailed studies inside cells ranging from statistical distributions at the entire cellular level (micrometers) down to the tracking of individual particles in subcellular organelles (nanometers). Herein, the processes of endosomal membrane uptake and release of FNDs were elucidated for the first time by the imaging of individual FND-Au hybrid nanoparticles with single-particle resolution. Their convenient preparation, the availability of various surface groups, their flexible detection modalities, and their single-particle contrast in combination with the capability for endosomal penetration and low cytotoxicity make FND-Au unique candidates for multimodal optical-electronic imaging applications with great potential for emerging techniques, such as quantum sensing inside living cells.

Nanodiamonds and Their Applications in Cells

“…The contrast for electron microscopy can be further increased by combining diamond and gold nanoparticles. This approach was used by Liu et al in combination with cryo‐TEM . In their proof of principle study, they investigated the uptake of their composite particle into human lung carcinoma cells.…”

“…Since magnetic resonance signals are inherently smaller in energy, the equipment that is needed for optical detection is cheaper and simpler. Single photons can be detected, making the method very sensitive . Unlike other potential quantum sensors, the NV center is protected from external influences, works at room temperature, and can be excited by visible light …”

Engineering von Proteinen an Oberflächen: Von komplementärer Charakterisierung zu Materialoberflächen mit maßgeschneiderten Funktionen

“…Verschiedene Nanopartikel wie Metalle, [151] Halbleiter [152] oder Nanodiamanten [153] wurden durch diese aufkommende und vielseitige Proteinpassivierungsstrategie stabilisiert, um In-vitro-und In-vivo-Bioanwendungen zu ermçglichen. Verschiedene Nanopartikel wie Metalle, [151] Halbleiter [152] oder Nanodiamanten [153] wurden durch diese aufkommende und vielseitige Proteinpassivierungsstrategie stabilisiert, um In-vitro-und In-vivo-Bioanwendungen zu ermçglichen.…”

“…[153] Das Vorhandensein mehrerer Funktionalitäten der Aminosäureseitenketten der Proteine ermçglichte die Herstellung von ND-Nanogold-Hybridpartikeln durch kovalente Vernetzung der passivierenden HSA-Schicht der NDs mit den Beschichtungsliganden des Nanogolds (Abbildung 13 b). [153] Das Vorhandensein mehrerer Funktionalitäten der Aminosäureseitenketten der Proteine ermçglichte die Herstellung von ND-Nanogold-Hybridpartikeln durch kovalente Vernetzung der passivierenden HSA-Schicht der NDs mit den Beschichtungsliganden des Nanogolds (Abbildung 13 b).…”

“…Die kontrollierte Adsorption spezifischer Proteine aus biologischen Medien befindet sich noch in den Anfängen, und die oben diskutierten Ergebnisse zeigen deutlich die Bedeutung von Proteinen an Grenzflächen und ihre entscheidende Rolle bei der Steuerung der zellulären Aufnahme.U me ine bessere Kontrolle der Grenzflächen und der nachfolgenden Nanoträgereigenschaften zu erreichen, kann die Wechselwirkung zwischen Proteinen und Nanopartikeloberflächen durch kontrollierte spezifische Proteinadsorption vorgegeben werden. Verschiedene Nanopartikel wie Metalle, [151] Halbleiter [152] oder Nanodiamanten [153] wurden durch diese aufkommende und vielseitige Proteinpassivierungsstrategie stabilisiert, um In-vitro-und In-vivo-Bioanwendungen zu ermçglichen. Es gibt verschiedene Mçglichkeiten, die gewünschten Proteine als stabile Bioadhäsive an die Nanopartikel zu binden, z.…”