title: Nanodiamond particles for diamond magnetometry in biological systems
Creators: name: Nagl, Andreas
Publisher: name: TU Wien
Year: 2015
Subjects: subject: Magnetometry
subject: Chemische Sensoren
subject: Nanodiamentsensoren
subject: magnetometry
subject: Chemcial sensors

description: Wegen seiner außergewöhnlichen Eigenschaften (wie z.B. die Härte oder seine unerreichte thermische Leitfähigkeit) ist Diamant ein vielbeachtetes Material in den Materialwissenschaften. In letzter Zeit erlangten fluoreszierende Defekte in Diamant, speziell das Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum (NV--center), viel Aufmerksamkeit: Fluoreszierende Nanodiamenten (FNDs) wurden als vielversprechende photostabile und nicht bleichende Labels identifiziert. Das herausragendste Merkmal des NV--Centers, jedoch, ist die Möglichkeit seinen Spin-Zustand mittels Fluoreszenz auszulesen. Daher können diese Nanodiamanten (NDs) als Sensor für sehr kleine magnetische Fehler, bis hin zu einem einzelnen Elektronenspin, verwendet werden. Die Gruppe hat das hat als Ziel, Nanodiamanten zur Detektion von magnetischen Resonanzen von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) in biologischen Zellen mit Nanometer-Auflösung zu messen. In dieser Arbeit wurden Nanodiamant-Partikel und deren Interaktion mit biologischen System sowie Nanodiamant-Modikfikation (z.B. Konjugation mit Biomolekülen) für Magnetometrie im Sinn, untersucht. Nanodiamanten wurden mit dynamischer Lichtstreuung (DLS), Transmissionselektronenmikroskope (TEM), Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und Röntgenpulverdiffraktion (XRD) charakterisiert. Aggregation von Nanodiamanten in Zellmedium wurde das erste Mal untersucht: Die Wechselwirkungen zwischen Medium (mit fetalem Kälberserum (FBS)) und Nanodiamanten wurden analysiert. Überraschenderweise war Natriumchlorid die anorganische Komponente, welche fast ausschließlich für die Aggregation in DMEM Medium verantwortlich war. Die Analyse der Proteine in diesem Prozess zeigte eine gewisse Selektivität für Proteine im Serum, welche nicht denen mit der höchsten Konzentration zuzuordnen sind. Während keine Korrelation zwischen dem (theoretischen) isoelektrischen Punkt oder der molekularen Masse und der Proteinadsorption an den Nanopartikeln hergestellt werden konnte, sind für einige der identifizierten Proteine Affinitäten zu negativ geladenen Komponenten bekannt. Um das Schicksal der Nanodiamanten in Zellen zu beeinflussen, und sie zu biologisch relevanten Zielen zu dirigieren, wurden Antikörper mittels Physisorption an den Nanodiamanten gebunden. Die Experimente zeigten, dass die Adsorption der Antikörper in Zellmedium stabil ist. Zukünftige Experimente werden zeigen, ob die biologische Funktion der Antikörper in ausreichendem Maße erhalten bleibt. Es wurde gezeigt, dass ein schnelles Screening der Nanodiamant-Aufnahme in biologische Zellen prinzipiell bis zu einer Konzentration von 1 ng/mL möglich ist, was in etwa 0,2 Nanodiamant-Partikel pro Zelle entspricht (für Nanodiamanten mit 70 nm Größe und ca. 300 NV--Center pro Partikel). Nach der Implementierung dieser Methode ist ein schnelles Screening der Nanodiamanten mit verschiedenen Antikörpern und anderen Proteinen möglich, was eine schnelle Selektion der Bedingungen für ideale Nanodiamant-Aufnahme (und Targeting von biologisch relevanten Bereichen in Zellen wie z.B. Mitochondrien oder den Zellkern) erlaubt.
description: Diamond is a highly investigated material in materials science for its remarkable properties (e.g. its hardness or its unsurpassed thermal conductivity). Recently, fluorescent defects in diamond, particularly the negatively charged nitrogen-vacancy center (NV--center), have gained much attention: Fluorescent nanodiamonds (FNDs) have been identified as a promising photostable, non-bleaching fluorescence label. The most remarkable property of the NV--center, however, is the possibility to read out its spin properties by fluorescence. Therefore, these nanodiamonds (NDs) can be utlizied as a sensor for magnetic fields as small as the field of a single electron spin. The group aims to use NDs to detect magnetic resonance from reactive oxygen species (ROS) in biological cells with nanometer resolution. In this thesis, ND particles and their interactions with biological environments and ND modification (e.g. conjugation with biomolecules) for diamond magnetometry in mind are covered. NDs were characterized by dynamic light scattering (DLS), transmission electron microscopy (TEM) and x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) as well as x-ray powder diffraction (XRD). Aggregation of NDs in cellular medium was investigated for the first time: Interaction between medium (containing fetal bovine serum (FBS) as protein source) and NDs was studied. Surprisingly, nearly only sodium chloride was identified to be the inorganic compound responsible for the aggregation in DMEM medium. Analysis of the proteins involved in this process revealed a certain selectivity of NDs for other than the most abundant proteins in the serum. No correlation between protein adsorption and the (theoretical) isoelectric point or the molecular mass of the proteins could be established. However, several proteins known to bind to negatively charged compounds, also bind to NDs. In order to influence the fate of NDs in cells and direct them to a biologically relevant target, conjugation with antibodies by physisorption was achieved. Experiments revealed that the adsorption of the antibody is stable in cellular media. Future experiments will thoroughly test if the biological function of the antibodies is sufficiently preserved. A proof-of-concept showed that fast screening of the ND uptake by biological cells is principally possible for a concentration of approximately 1 ng/mL which corresponds to roughly 0.2 ND particles per cell (for NDs of 70 nm of size with approximately 300 NV--centers per particle). After implementation of this method, a fast screening of NDs with various antibodies and other proteins is possible, thus allowing fast selection of ideal ND uptake conditions (and targeting of biologically relevant areas in cells such as mitochondria or the nucleus).