Använda DNA-strukturer som byggnadsställningar, Tim Liedl, en vetenskapsman vid Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) i München, har visat att exakt placerade guldnanopartiklar kan fungera som effektiva energisändare.

Sedan starten av området 2006, laboratorier runt om i världen har undersökt användningen av "DNA-origami" för sammansättning av komplexa nanostrukturer. Metoden bygger på DNA-strängar med definierade sekvenser som interagerar via lokaliserad basparning. "Med hjälp av korta strängar med lämpliga sekvenser, vi kan koppla samman specifika regioner av långa DNA-molekyler, snarare som att forma tredimensionella strukturer genom att vika ett platt pappersark på vissa sätt, " som professor Tim Liedl vid Fysiska fakulteten vid LMU förklarar.

Bild och spegelbild

Liedl har nu använt DNA-origami för att konstruera kirala objekt, dvs strukturer som inte kan överlagras av någon kombination av rotation och translation. Istället har de "händighet", och är spegelbilder av varandra. Sådana par skiljer sig ofta åt i sina fysiska egenskaper, till exempel, i den grad som de absorberar polariserat ljus. Denna effekt kan utnyttjas på många sätt. Till exempel, det är grunden för CD-spektroskopi ('CD'en står här för 'cirkulär dikroism'), en teknik som används för att belysa den övergripande rumsliga konfigurationen av kemiska föreningar, och även hela proteiner.

I syfte att montera kirala metallstrukturer, Liedl och hans grupp syntetiserade komplexa DNA-origami-strukturer som ger exakt placerade bindningsställen för fastsättning av sfäriska och stavformade guldnanopartiklar. Ställningen fungerar därför som en mall eller form för placering av nanopartiklar på förutbestämda positioner och i en definierad rumslig orientering. "Man kan sätta ihop ett kiralt objekt baserat enbart på arrangemanget av guldnanopartiklarna, säger Liedl

Guld är inte bara kemiskt robust, som en ädel metall uppvisar den vad som kallas ytplasmonresonanser. Plasmoner är koherenta elektronoscillationer som genereras när ljus interagerar med ytan på en metallstruktur. "Man kan föreställa sig dessa svängningar som att de är som vågorna som exciteras när en vattenflaska skakas antingen parallellt eller i rät vinkel mot dess långa axel, säger Liedl.

Guldnanopartiklar som energisändare

Svängningar som exciteras i rumsligt sammanhängande guldpartiklar kan kopplas till varandra, och plasmonerna i Liedls experiment beter sig som bild och spegelbild, tack vare deras kirala läggning på origamiställningen. "Detta bekräftas av våra CD-spektroskopiska mätningar, " säger Liedl. I experimenten, de kirala strukturerna bestrålas med cirkulärt polariserat ljus och absorptionsnivån mäts som en procentandel av ingången. Detta gör att höger- och vänsterhänta arrangemang kan skiljas från varandra.

I princip, två guld nanorods borde räcka för att bygga ett kiralt föremål, eftersom de kan ordnas antingen i form av ett L eller ett inverterat L. Emellertid, stavarna som användes i experimenten låg relativt långt ifrån varandra (på nanoskala) och plasmonerna som exciterades i den ena hade liten effekt på de som genererades i den andra, dvs de två kopplade knappt till varandra alls. Men Liedl och hans kollegor hade ett trick i rockärmen. Genom lämplig omdesign av origamistrukturen, de kunde placera en guld nanosfär mellan paret av L-formade stavar, vilket effektivt förstärkte kopplingen. CD-spektroskopi avslöjade närvaron av energiövergångar, vilket bekräftar hypotesen som laget hade härlett från simuleringar.

Liedl föreställer sig två potentiella miljöer där dessa nanostrukturer kan hitta praktisk tillämpning. De kan användas för att upptäcka virus, eftersom bindningen av virala nukleinsyror till en guldpartikel kommer att förstärka CD-signalen. Dessutom, kirala plasmoniska sändare skulle kunna fungera som modellväxlingsenheter i optiska datorer, där optiska element ersätter transistorerna som är elektroniska datorers arbetshästar.