Characterization of Self-Assembled Protein Monomolecular Layer and Protein-Substrate Interface

Abstract

In this Master's thesis, we studied the self-assembly of a hydrophobin protein named HFBI and the possibility to use directed self-assembly with silicon surfaces. Additionally, a generic silicon template was designed and fabricated in order to enable electrical characterization of self-assembled hydrophobin monolayers in a controlled conguration setup. The directed self-assembly of HFBI protein monolayer was studied on a patterned Si{SiO2 surface. The monolayer of a protein variant (nCys-HFBI) was transferred onto the substrate after an HF dip. The sample was next immersed in a solution containing 15 nm Au nanoparticles, which were known to bind to the cystein terminal of the protein. The outcome was investigated using Scanning Electron Microscope (SEM) and Atomic Force Microscope (AFM). A clear contrast in protein adhesion and non-adhesion was observed between silicon and silicon dioxide areas, respectively. This was a new result for the patterning of HFBI protein monolayers. Electrical characterization of the Au-nanoparticle covered nCys-HFBI on top of Highly Oriented Pyrolytic Graphite (HOPG) was performed using Conductive Atomic Force Microscopy (C-AFM). The measured conductance map corresponded with the internanoparticle distance observed in AFM and SEM images. Additionally, a thousand fold dirence in conductivity was measured between plain protein monolayer and protein monolayer with 15 nm Au nanoparticles. Part of this work included the design and fabrication of a generic template for silicon{hydrophobin interface studies. The process consisted of the fabrication of a silicon template and a stencil mask, which was used as a hard mask during the evaporation of Au contacts on top of the protein monolayer. Electrical transport measurements were carried out on the nal device at room temperature and at cryogenic temperatures (77 K and 4 K). The results indicated that the protein{silicon interface device is feasible to produce and, additionally, electrical transport measurements of the self-assembled hydrophobin monolayer can be performed with the device.

Tässä diplomityössä tutkittiin HFBI-nimisen hydrofobiiniproteiinin itsejärjestäytymistä sekä mahdollisuutta käyttää ohjattua itsejärjestäytymistä piipintojen yhteydessä. Lisäksi työssä suunniteltiin yleiskäyttöinen piialusta, joka mahdollisti itsejärjestäytyneiden yksimolekyylikerrosten sähköisen karakterisoinnin hyvin määritellyssä mittauskokoonpanossa.

HFBI-proteiinin ohjattua itsejärjestäytymistä tutkittiin kuvioidulla Si-Si02 -pinnalla. nCys-HFBI.proteiinivariantin muodostama yksimolekyylikerros siirrettiin piialustalle lyhyen HF etsauksen jälkeen. Näyte altistettiin liuokselle, joka sisälsi 15 nm kultananopartikkeleita, joiden tiedettiin kiinnittyvän proteiinin kysteiiniryhmään. Lopputulosta tarkasteltiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (SEM) ja atomivoimamikroskoopilla (AFM). Proteiiniyksimolekyylikerroksen havaittiin tarttuvan vain piipintoihin, eikä ollenkaan piidioksidipintoihin. Tämä on uusi tulos HFBI-proteiinikalvojen kuvioinnissa.

Johtavaa AFM:ää (C-AFM) käytettiin tarkastelemaan pyrolyyttisen grafiitin (HOPG) päälle siirrettyä nCys-HFBI -yksimolekyylikerrosta, jonka pinnalla oli 15 nm kultananopartikkeleita. Mitattu johtavuuskartta vastasi AFM ja SEM kuvissa havaittua nanopartikkeleiden välistä etäisyyttä. Proteiinikerroksen, jonka päällä oli kultananopartikkeli, johtavuuden havaittiin olevan noin tuhatkertainen pelkkään proteiinikerrokseen verrattuna.

Osa tästä työstä koostui yleiskäyttöisen piialustan suunnittelemisesta ja valmistamisesta piihydrofobiini-rajapinnan tutkimiseksi. Prosessiin sisältyi piialustan ja stensiilimaskin valmistaminen. Stensiilimaskia käytettiin kultakerroksen höyrystämiseen proteiiniyksimolekyylikerroksen päälle. Proteiinikerroksen sähköisiä ominaisuuksia mitattiin valmistetun komponentin avulla huoneenlämmössä ja matalissa lämpötiloissa (77 K ja 4 K). Tuloksien perusteella voidaan todeta, että valmistettu komponentti soveltuu pii-proteiini-rajapinnan ja proteiiniyksimolekyylikerroksen sähköisten ominaisuuksien tutkimiseen.