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DNA-mediated assembly of optical components for light manipulation at the nanoscale
DNA-mediated assembly of optical components for light manipulation at the nanoscale
Die Selbstorganisation von DNA ist eine leistungsstarke Bottom-Up-Herstellungstechnik, die es ermöglicht, Billionen von Nanostrukturen parallel zu produzieren. Dank der molekularen Erkennungseigenschaften und der intrinsisch hohen räumlichen Auflösung des DNA-Moleküls sind alle diese Strukturen hochgradig adressierbar und erlauben die präzise Steuerung der Position von Nanokomponenten und deren Distanzen zueinander. Diese Eigenschaften ermöglichen die Manipulation der Licht-Materie-Wechselwirkung auf der Nanoskala, wo die physikalischen Phänomene und die Eigenschaften von Strukturen von der gegenseitigen Anordnung und dem Abstand ihrer Komponenten abhängen. In dieser Arbeit werden verschiedene optisch aktive Nanokomponenten wie Fluorophore, Halbleiter-Quantenpunkte und metallische Nanopartikel in maßgeschneiderten Konfigurationen angeordnet, um verschiedene physikalische Phänomene zu untersuchen. Im ersten Teil dieser Arbeit werden DNA-Nanostrukturen verwendet, um zwei spezifische Prozesse der Lichtsammlung nachzuahmen: Farbstoff-Farbstoff-Kopplung und Fern-Energietransport. Die Kopplung von zwei Cyanin-3-Farbstoffen wird durch kovalente Verknüpfung der Moleküle mit einem DNA-Gerüst gesteuert. Durch Variation ihrer Entfernung im Sub-Nanometer-Maßstab wird eine H-Dimerisierung beobachtet. Um den Langstrecken-Energietransport zu untersuchen, wird eine 16 nm lange photonische Leitung auf einer DNA-Origami-Plattform montiert. Die Energiekaskade von einem primären Donor zu einem letzten Akzeptor wird durch Fluorophore der gleichen Art vermittelt, die in der Lage sind, einen Energietransfer durchzuführen. Dank der Modularität des DNA-Origami ist es möglich zu bestimmen, dass das Phänomen der Homo-Energieübertragung zu einer insgesamt verbesserten Ende-zu-Ende-Übertragungseffizienz führen kann. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die DNA-Selbstorganisation verwendet, um die Exziton-Plasmon-Kopplung zu untersuchen, indem ein kolloidaler Quantenpunkt in der Lücke zwischen zwei Goldnanopartikeln positioniert wird. Zu Beginn wird eine neue Methode zur Funktionalisierung kolloidaler Quantenpunkte mit DNA entwickelt. Diese neue Technik beruht auf der Affinität zwischen DNA-Basen und der Oberfläche der Nanopartikel. Im Gegensatz zu bestehenden Verfahren erfordert es keine chemisch modifizierte DNA oder spezielle Ausrüstung und kann bei Raumtemperatur in nur 15 Minuten durchgeführt werden. Anschließend werden einzelne Quantenpunkte in den Hot Spot von Plasmonenantennen aus 40 nm Goldnanopartikeln platziert. Die Anordnung basiert auf DNA-Komplementarität, Stöchiometrie und sterische Hinderung und kann auf verschiedene Materialien erweitert werden. Da nur kurze DNA-Stränge benötigt werden, um die Komponenten zu verbinden, besitzen diese Antennen eine sehr kleine Lücke (~ 6 nm), die wichtig ist, um hohe Purcell-Faktoren und plasmonische Verstärkung zu erreichen. Mit diesen Strukturen wird eine bis zu 30-fache Fluoreszenzzunahme im Vergleich zu Quantenpunkten ohne Antenne erreicht., DNA self-assembly is a powerful bottom-up fabrication technique that enables the realization of trillions of nanodevices in a parallel manner. Thanks to the molecular recognition properties and the intrinsically high spatial resolution of the DNA molecule, all of these devices are highly addressable and allow sub nanometer precise control over the distance and the positioning of nano-components. These features are highly desirable for the manipulation of light-matter interaction at the nanoscale, where the physical phenomena and the properties of devices depend on the reciprocal arrangement and distance of their components. In the work presented here, DNA self-assembly is used to arrange different optically active nano-components, such as fluorophores, semiconductor quantum dots and metallic nanoparticles, in custom-tailored configurations, in order to explore specific physical phenomena. In the first part of this work, DNA nanostructures are used to mimic two specific processes of light harvesting: dye-dye coupling and long-range energy transport. The coupling of two cyanine 3 dyes is controlled by covalently linking the molecules to a DNA stand. By varying their distance at sub nanometer scale, an H-type dimerization is observed. To study long-range energy transport, a 16 nm photonic wire is assembled on a DNA origami platform. The energy cascade from a primary donor to a final acceptor is mediated by fluorophores of the same kind able in order to perform homo-energy transfer. Thanks to the modularity of DNA origami, it is possible to demonstrate that the homo-energy transfer phenomenon can indeed lead to an overall enhancement in end-to-end transfer efficiency. In the second part of this work, DNA self-assembly is used to study exciton-plasmon coupling by positioning a colloidal quantum dot in the gap between two gold nanoparticles. To start, a new method for functionalizing colloidal quantum dots with DNA is developed. This new technique relies on the affinity between DNA bases and the capping shell of the nanoparticles. Opposed to existing methods, it is fast, does not require chemically modified DNA or specialized equipment, and it can be carried out at room temperature in as short as 15 minutes. Subsequently, single quantum dots are placed inside the hot-spot of plasmonic antennas consisting of pairs of 40 nm gold nanoparticles. The assembly is based on DNA complementarity, stoichiometry, and steric-hindrance principles, and can be extended to different materials. Since only short DNA strands are required to link the components, these antennas possess a very small gap (~6 nm), which is important to achieve high Purcell factors and plasmonic enhancement. With these devices, an increase in fluorescence of up to 30-fold is obtained in comparison to quantum dots that are not placed within the antenna.
DNA-self assembly, DNA origami, artificial light harvesting, quantum dots functionalization, fluorescence enhancement
Nicoli, Francesca
2018
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Nicoli, Francesca (2018): DNA-mediated assembly of optical components for light manipulation at the nanoscale. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Die Selbstorganisation von DNA ist eine leistungsstarke Bottom-Up-Herstellungstechnik, die es ermöglicht, Billionen von Nanostrukturen parallel zu produzieren. Dank der molekularen Erkennungseigenschaften und der intrinsisch hohen räumlichen Auflösung des DNA-Moleküls sind alle diese Strukturen hochgradig adressierbar und erlauben die präzise Steuerung der Position von Nanokomponenten und deren Distanzen zueinander. Diese Eigenschaften ermöglichen die Manipulation der Licht-Materie-Wechselwirkung auf der Nanoskala, wo die physikalischen Phänomene und die Eigenschaften von Strukturen von der gegenseitigen Anordnung und dem Abstand ihrer Komponenten abhängen. In dieser Arbeit werden verschiedene optisch aktive Nanokomponenten wie Fluorophore, Halbleiter-Quantenpunkte und metallische Nanopartikel in maßgeschneiderten Konfigurationen angeordnet, um verschiedene physikalische Phänomene zu untersuchen. Im ersten Teil dieser Arbeit werden DNA-Nanostrukturen verwendet, um zwei spezifische Prozesse der Lichtsammlung nachzuahmen: Farbstoff-Farbstoff-Kopplung und Fern-Energietransport. Die Kopplung von zwei Cyanin-3-Farbstoffen wird durch kovalente Verknüpfung der Moleküle mit einem DNA-Gerüst gesteuert. Durch Variation ihrer Entfernung im Sub-Nanometer-Maßstab wird eine H-Dimerisierung beobachtet. Um den Langstrecken-Energietransport zu untersuchen, wird eine 16 nm lange photonische Leitung auf einer DNA-Origami-Plattform montiert. Die Energiekaskade von einem primären Donor zu einem letzten Akzeptor wird durch Fluorophore der gleichen Art vermittelt, die in der Lage sind, einen Energietransfer durchzuführen. Dank der Modularität des DNA-Origami ist es möglich zu bestimmen, dass das Phänomen der Homo-Energieübertragung zu einer insgesamt verbesserten Ende-zu-Ende-Übertragungseffizienz führen kann. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die DNA-Selbstorganisation verwendet, um die Exziton-Plasmon-Kopplung zu untersuchen, indem ein kolloidaler Quantenpunkt in der Lücke zwischen zwei Goldnanopartikeln positioniert wird. Zu Beginn wird eine neue Methode zur Funktionalisierung kolloidaler Quantenpunkte mit DNA entwickelt. Diese neue Technik beruht auf der Affinität zwischen DNA-Basen und der Oberfläche der Nanopartikel. Im Gegensatz zu bestehenden Verfahren erfordert es keine chemisch modifizierte DNA oder spezielle Ausrüstung und kann bei Raumtemperatur in nur 15 Minuten durchgeführt werden. Anschließend werden einzelne Quantenpunkte in den Hot Spot von Plasmonenantennen aus 40 nm Goldnanopartikeln platziert. Die Anordnung basiert auf DNA-Komplementarität, Stöchiometrie und sterische Hinderung und kann auf verschiedene Materialien erweitert werden. Da nur kurze DNA-Stränge benötigt werden, um die Komponenten zu verbinden, besitzen diese Antennen eine sehr kleine Lücke (~ 6 nm), die wichtig ist, um hohe Purcell-Faktoren und plasmonische Verstärkung zu erreichen. Mit diesen Strukturen wird eine bis zu 30-fache Fluoreszenzzunahme im Vergleich zu Quantenpunkten ohne Antenne erreicht.

Abstract

DNA self-assembly is a powerful bottom-up fabrication technique that enables the realization of trillions of nanodevices in a parallel manner. Thanks to the molecular recognition properties and the intrinsically high spatial resolution of the DNA molecule, all of these devices are highly addressable and allow sub nanometer precise control over the distance and the positioning of nano-components. These features are highly desirable for the manipulation of light-matter interaction at the nanoscale, where the physical phenomena and the properties of devices depend on the reciprocal arrangement and distance of their components. In the work presented here, DNA self-assembly is used to arrange different optically active nano-components, such as fluorophores, semiconductor quantum dots and metallic nanoparticles, in custom-tailored configurations, in order to explore specific physical phenomena. In the first part of this work, DNA nanostructures are used to mimic two specific processes of light harvesting: dye-dye coupling and long-range energy transport. The coupling of two cyanine 3 dyes is controlled by covalently linking the molecules to a DNA stand. By varying their distance at sub nanometer scale, an H-type dimerization is observed. To study long-range energy transport, a 16 nm photonic wire is assembled on a DNA origami platform. The energy cascade from a primary donor to a final acceptor is mediated by fluorophores of the same kind able in order to perform homo-energy transfer. Thanks to the modularity of DNA origami, it is possible to demonstrate that the homo-energy transfer phenomenon can indeed lead to an overall enhancement in end-to-end transfer efficiency. In the second part of this work, DNA self-assembly is used to study exciton-plasmon coupling by positioning a colloidal quantum dot in the gap between two gold nanoparticles. To start, a new method for functionalizing colloidal quantum dots with DNA is developed. This new technique relies on the affinity between DNA bases and the capping shell of the nanoparticles. Opposed to existing methods, it is fast, does not require chemically modified DNA or specialized equipment, and it can be carried out at room temperature in as short as 15 minutes. Subsequently, single quantum dots are placed inside the hot-spot of plasmonic antennas consisting of pairs of 40 nm gold nanoparticles. The assembly is based on DNA complementarity, stoichiometry, and steric-hindrance principles, and can be extended to different materials. Since only short DNA strands are required to link the components, these antennas possess a very small gap (~6 nm), which is important to achieve high Purcell factors and plasmonic enhancement. With these devices, an increase in fluorescence of up to 30-fold is obtained in comparison to quantum dots that are not placed within the antenna.