Entwicklung von DNA-Origami-Nanoadaptern für die Einzekmolekül-Positionierung in Nanoaperturen und der Einfluss eines plasmonischen Systems auf den Förster-Resonanzenergietransfer

Pibiri, Enrico

Nanophotonische Strukturen sind in der Lage das Licht zu kontrollieren und auch zu manipulieren. Ein prominentes Beispiel sind Zero-Mode-Waveguides (Nullmodenwellenleiter) welche auch als Nanoaperturen bezeichnet werden. Diese dienen der Einzelmolekülfluoreszenzspektroskopie als Beobachtungskammern. Durch das kleine Beobachtungsvolumen können biologisch relevante Prozesse bei den nötigen Substratkonzentrationen untersucht werden. Um das Maximum aus dieser Technik zu holen, ist es notwendig, dass jeder ZMW mit genau einem Molekül beladen wird. In dieser Arbeit werden Nanostrukturen auf Basis der DNA-Origami Technik präsentiert, welche als Nanoadapter fungieren. Mithilfe dieser DNA-Origami Nanoadapter kann die Top-Down Technik der nanoskaligen Strukturen mit der Bottom-Up Technik der molekularen chemischen Welt verbunden werden. Durch den Einsatz der Nanoadapter können die ZMWs mit genau einem Molekül beladen werden. Die DNA-Origami-Nanoadapter erhöhen die Beladungsquote mit einzelnen Molekülen weit über die übliche Poisson-Verteilung und erhöhen gleichzeitig auch die Homogenität der spektroskopischen Eigenschaften der Fluoreszenzfarbstoffe in den Nanoaperturen. Neben den ZMWs spielen metallische Nanopartikel eine wichtige Rolle. Durch die Wechselwirkung mit Licht sind die Nanopartikel in der Lage lokalisierte Oberflächenplasmonen auszubilden. Diese Plasmonen haben einen großen Einfluss auf die fotophysikalischen Eigenschaften des Fluorophors, wenn dieser sich in unmittelbarer Nähe der Nanopartikel befindet. Durch diese Konstellation kann die Fluoreszenz des Fluorophors erheblich verstärkt werden. Aufgrund dieser Eigenschaft ist es interessant, welchen Einfluss die Nanopartikel auf den Förster-Resonanz-Energie-Transfer (FRET) besitzen. Um einen genauen Einblick über den Einfluss der plasmonischen Struktur auf den FRET-Mechanismus zu erhalten, wurde eine Nanoantenne auf Basis der DNA-Origami Technik verwendet. Dadurch ist es möglich, das FRET-Paar exakt im Hotspot zweier Nanopartikel zu platzieren. In dieser Arbeit wird der Einfluss des plasmonischen Systems im Hinblick auf die FRET-Effizienz und auf die FRET-Rate näher untersucht. Dazu kommen Goldnanopartikel unterschiedlicher Größen zum Einsatz, um den Einfluss auf den FRET-Mechanismus besser zu untersuchen. Die Energietransfereffizienz wird durch die Präsenz der Goldnanopartikel verringert und die Messungen zeigen, dass die Nanopartikel einen schwachen Einfluss auf die Energietransferrate haben.

Nanotechnology is an integral part of the world of chemistry. Progress in this area enabled the fabrication of “nanophotonic” structures capable of controlling and manipulating light at the nanoscale. A prominent example are zero mode waveguides also known as nanoapertures. These small holes are used as detection volumes for single molecule fluorescence applications. Biological processes can now be observed in the relevant concentration range that is necessary for most enzymes. In this work, DNA origami nano-adapters are presented to connect top down nanostructures with the bottom world of chemistry. Through the incorporation of these nano-adapters the single molecule occupation of ZMWs can be strongly enhanced. Every zmws can be filled with exact one molecule. The DNA origami nano-adapters thus overcome Poissonian statics of molecule positioning und further improve the photophysical homogeneity of the immobilized fluorescent dyes. Besides the ZMWs, metallic nanoparticles play an important role in the field on nanophotonics. This nanosized objects are exploited as optical antennas since they are capable of concentrating incident light through the excitation of localized surface plasmons. Thus these nanoparticles have a major influence on the photophysical properties of the fluorophores placed at the immediate vicinity of the nanoparticles. This constellation can significantly increase the fluorescence intensity of the fluorophore. Due to this property, it is interesting to determine what influence the nanoparticles have on the Förster-Resonance-Energy-Transfer (FRET). FRET has established itself as an important tool in biophysical chemistry. To get a detailed insight about the influence of the plasmonic structure on the FRET mechanism a nanoantenna based on the DNA origami technique was used. Thereby it is possible to place the FRET pair a control distance to a single nanoparticle. In this work, the influence of the plasmonic systems on the FRET efficiency and FRET-rate is studied. Moreover, two different systems, which differ in her FRET-efficiency (one with a high- and the other with a low FRET-value), are used. In addition, gold-nanoparticles of different sizes are exploited to better examine the influence on the FRET mechanism. The energy transfer efficiency is reduced in the present of gold nanoparticles and the measurements show that the nanoparticles have a weak influence on the energy transfer rate.

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Pibiri, Enrico: Entwicklung von DNA-Origami-Nanoadaptern für die Einzekmolekül-Positionierung in Nanoaperturen und der Einfluss eines plasmonischen Systems auf den Förster-Resonanzenergietransfer. 2018.

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