Nanoscale Assembly Using DNA and Electromagnetic Fields

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2013-10-04
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2013
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
110 + app. 62
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 139/2013
Abstract
In this work we demonstrate the control of nanoparticles and nanostructures with the help of the DNA origami method and dielectrophoresis. DNA nanotechnology is a subfield of nanotechnology where DNA is used as a construction material. The DNA origami method is a recent development in the field which enables the assembly of nanoparticles with nanometer scale accuracy through self-assembly. Here we take advantage of the method for efficient deposition and alignment of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs). Especially the alignment of SWCNTs on substrates has been a major challenge for commercialization of SWCNT based devices, to which our approach could offer a potential solution. As an example, a crossed carbon nanotube junction, a basic geometry for a carbon nanotube transistor, is constructed. The high yields of assembled structures as well as correct alignment of SWCNTs are verified with atomic force microscopy. The DNA origami method is used also for assembling a bow-tie antenna configuration from silver nanoparticles. The optical response of the system is based on the hybridization of the individual nanoparticle surface plasmon resonance modes. The formation of the structures is verified with transmission electron microscopy and complemented with agarose gel electrophoresis. The configuration could have potential use as an optical DNA sensor. The sensor performance is investigated with finite-difference time-domain numerical simulations. In addition to assembling nanoparticles, control over the DNA origami structure itself is demonstrated with dendrons and external trigger signals. Efficient control over the structure formation is investigated with atomic force microscopy, agarose gel electrophoresis and dynamic light scattering experiments. The external trigger signals can be chosen by choosing the dendron structure. We demonstrate our concept with dendrons which can be triggered either with UV-radiation or with a mild reducing agent such as dithiothretoil. Dielectrophoresis is an electromechanical technique for manipulating micro-and nanoparticles. Here the method is used for developing a new nanoimprint lithographic technique named field-induced nanoimprint lithography. In this technique nanoelectrodes are used for producing dielectrophoretically a pattern of nanoparticles on a re-usable master stamp, which is then used for transferring the nanoparticle pattern on a target substrate by mechanical contact. Dielectrophoresis is also used for producing chains of gold nanoparticles between nano- and microelectrodes. The chains are investigated for sensing purposes with impedance studies.

Tämä väitöskirja käsittelee nanohiukkasten ja nanorakenteiden kontrollointia nanomittakaavassa DNA-origami-tekniikan sekä dielektroforeesin avulla. DNA-origami-tekniikka on DNA-nanoteknologian viimeaikaisimpia saavutuksia, jossa DNA:a käytetään geneettisen informaation säilömisen sijaan rakennusmateriaalina. Tässä väitöskirjassa DNA-rakenteita käytetään etenkin erilaisten nanopartikkelien kiinnittämiseen ja asemoimiseen. Ensimmäisenä DNA-origamien sovellutuskohteena osoitamme menetelmän yksiseinäisten hiilinanoputkien kontrolloituun asemoimiseen. Osoitamme lähestymistavan tehokkuuden muun muassa rakentamalla ristiliitoksen kahdesta yksiseinäisestä hiilinanoputkesta - rakenteen, jota voi käyttää hiilinanoputkitransistorina. Vastaavanlaisia rakenteita on erittäin vaikea tuottaa kontrolloidusti perinteisillä menetelmillä, mikä on ollut yksi este hiilinanoputkiin perustuvien laitteiden kaupallistamisessa. Hiilinanoputkien asemoinnin lisäksi sovellamme DNA-origami-tekniikkaa antennirakenteen kokoamiseen hopeananohiukkasista. Todistamme rakenteiden syntymisen atomivoima- sekä läpäisyelektronimikroskoopin avulla. Varmennamme tuloksemme myös geelielektroforeesin avulla. Yhtenä antennirakenteemme sovellutuksena voi olla DNA-anturi; tutkimme myös rakenteemme soveltuvuutta kyseiseen tarkoitukseen numeeristen simulaatioiden avulla. Viimeisenä DNA-origami-tekniikkaan liittyvänä tutkimuksena osoitamme, kuinka DNA-rakennetta itseään voidaan kontrolloida dendronien sekä ulkoisten signaalien avulla. Osoitamme atomivoimamikroskooppi-, geelielektroforeesi- sekä dynaamisten valonsirontakokeiden avulla pystyvämme tehokkaasti kontrolloimaan DNA-rakenteiden muodostumisen. Kontrollisignaalit määräytyvät käytettyjen dendronirakenteiden mukaan. Kokeissamme kontrollisignaaleja ovat ultraviolettivalo sekä mieto redusoiva aine dithiothretoil. Dielektroforeesi on elektromekaaninen menetelmä, jonka avulla voi kontrolloida mikro- sekä nanokokoluokan hiukkasia sähkökenttien gradienttien avulla. Käytämme metodia uuden nanopainamismenetelmän kehittämiseen. Menetelmän pääkomponentti on leimasin, johon kuvioimme nanoelektrodit. Käytämme näitä elektrodeja muodostamaan haluttuja kuvioita nanohiukkasista sähkökenttien gradienttien avulla. Lopulta siirrämme kyseisen kuvion halutulle alustalle mekaanisen painamisen avulla. Nanopainamismenetelmän lisäksi käytämme dielektroforeesia muodostaaksemme nanohiukkasketjuja kultananohiukkasista mikro- sekä nanoelektrodien avulla. Teemme myös impedanssimittauksia kyseisillä ketjuilla anturisovellutusta varten.
Description
Supervising professor
Törmä, Päivi, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Thesis advisor
Ikkala, Olli, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Kostiainen, Mauri, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Keywords
DNA nanotechnology, DNA origami, electromechanics, nano-optics, DNA-nanoteknologia, DNA origami, elektromekaniikka, nano-optiikka
Parts
  • [Publication 1]: A.-P. Eskelinen, A. Kuzyk, T. K. Kaltiaisenaho, M. Y. Timmermans, A. G. Nasibulin, E. I. Kauppinen, and P. Törmä. Assembly of Single-Walled Carbon Nanotubes on DNA-Origami Templates through Streptavidin-Biotin Interaction. Small, 7, 6, 746-750, 3 2011.
  • [Publication 2]: A.-P. Eskelinen, R. J. Moerland, M. A. Kostiainen, and P. Törmä. Self-Assembled Silver Nanoparticles in a Bow-Tie Antenna Configuration. Submitted to Small, 29 pages 2013.
  • [Publication 3]: A.-P. Eskelinen, H. Rosilo, A. Kuzyk, P. Törmä, and M. A. Kostiainen. Controlling the Formation of DNA Origami Structures with External Signals. Small, 8, 13, 2016-2020, 9 2012.
  • [Publication 4]: T. K. Hakala, V. Linko, A.-P. Eskelinen, J. J. Toppari, A. Kuzyk, and P. Törmä. Field-Induced Nanolithography for High-Throughput Pattern Transfer. Small, 5, 23, 2683-2686, 12 2009.
  • [Publication 5]: C. Leiterer, S. Berg, A.-P. Eskelinen, A. Csaki, M. Urban, P. Törmä, and W. Fritzsche. Assembling Gold Nanoparticle Chains Using an AC Electrical Field: Electrical Detection of Organic Thiols. Sensors and Actuators B: Chemical, 176, 368-373, 1 2013.
Citation