Surface-Controlled Adsorption of Plasmonic DNA Origami Nanostructures for Single-Molecule Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS)

Wang, Zunhao

doi:10.7795/110.20240208

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Surface-Controlled Adsorption of Plasmonic DNA Origami Nanostructures for Single-Molecule Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS)

English
German

The quantitative detection of biomolecules, such as proteins and peptides, at low concentration levels plays a crucial role in facilitating early diagnosis and monitoring of prevalent diseases. Given the increasing utilization of metrological quantification in life sciences and the mandatory quality assurance requirements in routine laboratories, the need for SI-traceable methods to quantify such biomarkers has become urgent.

This thesis aims to investigate the quantification of substances at the single-molecule level using Surface-enhanced Raman Spectroscopy (SERS), with a specific focus on employing the Polar Surface Array (PSA) as a selective-adsorbing substrate for single-molecule studies. The primary objective is to overcome the challenges associated with nanostructure agglomeration and establish a reliable and efficient SERS-based method for the detection and quantification of individual molecules.

The results in this thesis involve the preparation of DNA origami-based hybrid nanostructures, the fabrication of the PSA using electron beam lithography, and the subsequent selective adsorption of hybrid nanostructures onto the PSA. The SERS technique, combined with Atomic Force Microscopy, was employed to quantify substances at the single-molecule level. Key findings include the successful isolation and identification of single hybrid nanostructures on the PSA. Moreover, this research introduces the application of the isotope dilution method at the single-molecule level by verifying and quantifying the isotopologue of molecules through the utilization of SERS in conjunction with the PSA.

This research presents a pioneering approach for the quantification of single molecules through SERS on an adsorption-controlled and tuneable substrate. By overcoming the challenge of nanostructure agglomeration, the PSA provides a highly effective and reliable platform for quantification of molecules at extremely low concentrations, and studying the over-time dynamics of single plasmonic hot spots. Furthermore, the research sheds light on the principles and benefits of SERS for single-molecule analysis, thus highlighting its specificity and its potential, in combination with the isotope dilution method, for metrological molecular quantification.

Die quantitative Detektion von Biomolekülen wie Proteinen und Peptiden in geringen Konzentrationen spielt eine entscheidende Rolle bei der Früherkennung und Überwachung von Krankheiten. Angesichts der zunehmenden Anwendung metrologischer Quantifizierungs-methoden in den Lebenswissenschaften sowie der gesetzlich vorgeschriebenen Qualitäts-sicherungsanforderungen in der Routinelabor besteht ein dringender Bedarf an SI-rückführbaren Methoden zur Quantifizierung solcher Biomarker.

Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Quantifizierung von Substanzen auf Einzelmolekülebene mithilfe der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie (SERS) und insbesondere die Verwendung des Polar Surface Arrays (PSA) als selektiv adsorbierendes Substrat für Einzelmolekülstudien. Das Hauptziel besteht darin, die mit der Agglomeration von Nanostrukturen verbundenen Herausforderungen zu überwinden und eine zuverlässige und effiziente SERS-basierte Methode zur Detektion und Quantifizierung einzelner Moleküle zu etablieren.

Die Ergebnisse dieser Arbeit umfassen die Herstellung von DNA-Origami-basierten hybriden Nanostrukturen, die Herstellung des PSA mittels Elektronenstrahllithografie und die anschließende selektive Adsorption hybrider Nanostrukturen auf dem PSA. Die SERS-Technik in Kombination mit der Rasterkraftmikroskopie wurde zur Quantifizierung von Substanzen auf Einzelmolekülebene verwendet. Wesentliche Ergebnisse umfassen die erfolgreiche Isolierung und Identifizierung einzelner hybrider Nanostrukturen auf dem PSA. Darüber hinaus führt diese Arbeit die Anwendung der Isotopenverdünnungsmethode auf Einzelmolekülebene ein, indem die Isotopologe von Molekülen durch die Verwendung von SERS in Verbindung mit dem PSA verifiziert und quantifiziert werden.

Diese Arbeit präsentiert einen wegweisenden Ansatz zur Quantifizierung einzelner Moleküle mittels SERS auf einem adsorptionsgesteuerten und einstellbaren Substrat. Durch Über-windung der Herausforderung wie Agglomeration von Nanostrukturen bietet das PSA eine äußerst effektive und zuverlässige Plattform zur Quantifizierung von Molekülen in extrem niedrigen Konzentrationen sowie zur Untersuchung der zeitlichen Entwicklung von einzelnen plasmonischen Hot Spots. Darüber hinaus wirft die Forschung Licht auf die Prinzipien und Vorteile von SERS für die Einzelmolekülanalyse und betont dessen Spezifität und Potenzial in Kombination mit der Isotopenverdünnungsmethode zur metrologischen molekularen Quantifizierung.