BNL-forskare använde DNA-linkers med tre bindningsställen (svarta "strängar") för att koppla ihop guld-nanopartiklar (orange och röda sfärer) och fluorescerande färgämnesmolekyler (blå sfärer) taggade med komplementära DNA-sekvenser. Dessa enheter är självmonterade för att bilda ett kroppscentrum kubiskt gitter med nanopartiklar i hörnen och i mitten, och fluorescerande färgämnesmolekyler däremellan.
(PhysOrg.com) – Forskare vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory rapporterar om den första framgångsrika sammansättningen av 3-D flerkomponentstrukturer i nanoskala med avstämbara optiska egenskaper som innehåller ljusabsorberande och -emitterande partiklar. Detta jobb, använda syntetiskt DNA som en programmerbar komponent för att länka nanopartiklarna, demonstrerar mångsidigheten hos DNA-baserad nanoteknik för tillverkning av funktionella klasser av material, särskilt optiska sådana, med möjliga applikationer i solenergiomvandlingsanordningar, sensorer, och kretsar i nanoskala. Forskningen publicerades online den 29 september, 2010, i journalen Nanobokstäver .
"För första gången har vi visat en strategi för montering av 3-D, väldefinierad, optiskt aktiva strukturer som använder DNA-kodade komponenter av olika typer, ” sa huvudförfattaren Oleg Gang från Brookhavens Center for Functional Nanomaterials (CFN). Liksom tidigare verk av Gang och hans kollegor, denna teknik utnyttjar den höga specificiteten av bindning mellan komplementära DNA -strängar för att länka partiklar samman på ett exakt sätt.
I den aktuella studien, DNA-linkermolekylerna hade tre bindningsställen. De två ändarna av strängarna var designade för att binda till komplementära strängar på "plasmoniska" guldnanopartiklar - partiklar i vilka en viss våglängd av ljus inducerar en kollektiv oscillation av de ledande elektronerna, vilket leder till stark absorption av ljus vid den våglängden. Den inre delen av varje DNA-linker kodades för att känna igen en komplementär sträng kemiskt bunden till en fluorescerande färgämnesmolekyl. Denna inställning resulterade i självmontering av 3-D kroppscentrerade kubiska kristallina strukturer med guldnanopartiklar placerade i varje hörn av kuben och i mitten, med färgämnesmolekyler vid definierade positioner däremellan.
Forskarna visade också att de sammansatta strukturerna kan ställas in dynamiskt genom att ändra saltkoncentrationen i lösningen där de bildas. Förändringar i salthalt ändrar längden på de negativt laddade DNA-molekylerna, vilket leder till reversibel sammandragning och expansion av hela gallret med cirka 30 procent i längd.
"Det har länge varit förstått att avståndet mellan metallnanopartiklar och parade färgämnesmolekyler kan påverka de senares optiska egenskaper, ”Sa Matthew Sfeir, medförfattare och en optisk forskare vid CFN. I detta experiment, expansionen och sammandragningen av kristallgittret som utlöstes av förändringarna i saltkoncentrationen möjliggjorde en dramatisk modulering av ett optiskt svar:en trefaldig ökning av emissionshastigheten för de fluorescerande molekylerna observerades.
De resulterande 3D-strukturerna skulle kunna ställas in genom att justera saltkoncentrationen. När saltkoncentrationen ökade, kristallerna drog ihop sig med cirka 30 procent, minska avståndet (D) mellan partiklarna. Denna sammandragning i avstånd mellan partiklar hade en dramatisk effekt på fluorescensen av färgämnesmolekylerna, få dem att cirkulera fotoner snabbare, som indikeras av färgskalan till vänster om kristallbilderna (se bilden nedan), som sträcker sig från nästan 2 nanosekunder per cykel för det fria färgämnet (A), till cirka 0,7 nanosekunder per cykel i större gitter (C), till strax över 0,3 nanosekunder per cykel för de sammandragna kristallerna (E).
Dessa resultat bestämdes med en kombination av röntgenspridning med liten vinkel vid Brookhavens National Synchrotron Light Source (NSLS) och tidsupplösta fluorescerande metoder vid CFN. "Denna kombination av synkrotronbaserade strukturella metoder och tidsupplösta optiska bildtekniker gav ovärderlig direkt insikt i förhållandet mellan strukturen och fluorescerande egenskaperna hos dessa ljusemitterande arrayer, sa gänget.
”Vår studie tar upp viktiga frågor om självmontering av system från komponenter av flera typer. Sådana system möjliggör möjligen modulering av egenskaper hos enskilda komponenter, och kan leda till uppkomsten av nytt beteende på grund av kollektiva effekter. Denna sammansättningsmetod kan användas för att utforska sådant kollektivt beteende hos tredimensionella nanooptiska arrayer - till exempel, påverkan av det plasmoniska gittret på kvantprickar.
"En förståelse för dessa interaktioner skulle vara relevant för att utveckla nya optiska material för solceller, fotokatalys, datoranvändning, och ljusavgivande applikationer. Vi har nu ett tillvägagångssätt för att skapa dessa strukturer och ytterligare studera dessa effekter. ”
