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Theses Year : 2021

Hybrid plasmonic nanostructures assembled on active DNA origamis

Nanostructures hybrides plasmoniques assemblées sur des origamis d’ADN stimulables

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Abstract

Combining gold nanoparticles and synthetic DNA nanostructures is particularly attractive: on the one hand, gold particlesexhibit a combination of exceptional optical properties - allowed by their plasmon resonances - and physico-chemicalstability; while DNA nanotechnology provides an extremely rich toolbox to design nanoscale actuators whose morphologycan be actively and specifically modulated. It is then possible to program the assembly of complex hybrid nanostructures whose optical properties are sensitive, at the single structure level, to pre-selected physicochemical stimuli.During this thesis, I developed synthesis methods to produce dimers of 40 nm gold nanoparticles assembled around dynamic DNA origamis; but also, experimental tools to characterize their optical properties at the single nanostructure level. These Y-shaped DNA origamis are designed in such a way that their morphology can be modified by various external stimuli: interaction with specific DNA strands, pH modulation or recognition of a chemical analyte (organicmolecule or specific cation). This conformation change leads to a modification of the distance between the two goldparticles, each placed on one arm of the Y: the modification of the plasmon coupling strength can then be detected, foreach dimer, by scattering spectroscopy or on a simple color camera.These experimental developments have allowed me to study and optimize these hybrid nanostructures in order to correlate their plasmon resonances with the conformation of the DNA origami. In particular, I studied the dependence of these optical properties when modulating the local ionic strength, the pH but also by shifting the shape of the origami. This deformation is produced either by a DNA strand displacement reaction or by folding a DNA quadruplex at low pH (i-motif),demonstrating the versatility of these DNA nanoactuators. In practice, I observed that the morphology of the dimers issensitive both to the conformation of the origami and to interactions between the gold nanoparticles that are probablyof an electrostatic nature. This work opens many perspectives for the design of intelligent optical contrast agents or to develop nanosensors, visible with the naked eye, and compatible with single molecule detection.
Conjuguer des nanoparticules d’or et des nanostructures synthétiques faites d’ADN est particulièrement attrayant :d’un côté les particules d’or présentent une conjonction de propriétés optiques exceptionnelles - permises par leurs résonances plasmon - et de stabilité physico-chimique ; tandis que les nanotechnologies ADN fournissent une boîte à outil riche pour concevoir des actuateurs nanométriques dont la morphologie peut être modulée activement et de manière spécifique. Il est alors possible de programmer l’assemblage de nanostructures hybrides complexes dont les propriétés optiques, à l’échelle de l’objet individuel, sont sensibles à des stimuli physicochimiques présélectionnés.Au cours de cette thèse, j’ai développé, à la fois, des méthodes de synthèse de dimères de nanoparticules d’or de40 nm assemblés autour d’origamis d’ADN dynamiques ; mais aussi des outils de caractérisation de leurs propriétés optiques à l’échelle de la nanostructure individuelle. Ces origamis d’ADN en forme de Y sont conçus de telle sorte à ce que leur morphologie puisse être modifiée par différents stimuli externes : interaction avec des brins d’ADN spécifiques,modulation du pH ou reconnaissance d’un analyte chimique (molécule organique ou cation spécifique). Ce changement de conformation entraine une modification de la distance entre les deux particules d’or, posée chacune sur un bras du Y: la modification du couplage plasmon peut alors être détectée, pour chaque dimère, par spectroscopie de diffusion ou sur une simple caméra couleur.Ces développements expérimentaux m’ont permis d’étudier et d’optimiser ces nanostructures hybrides afin de corréler leur résonance plasmon avec la conformation de l’origami. J’ai ainsi étudié la dépendance de ces propriétés optiques en modulant la force ionique locale, le pH mais aussi en déformant l’origami d’ADN. Cette déformation est produite soit par une réaction de strand displacement, soit par le repliement d’un quadruplex d’ADN à pH acide (i-motif), démontrant la versatilité de ces nanoactuateurs en ADN. J’ai ainsi observé que la morphologie des dimères était sensible, à la fois, à la conformation de l’origami et à des interactions, probablement électrostatiques, entre les nanoparticules d’or. Ces travaux ouvrent de nombreuses perspectives pour la conception d’agents de contraste optique intelligents ou de nanocapteurs observables à l’oeil nu et potentiellement sensibles à la molécule individuelle.
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Dates and versions

tel-03361374 , version 1 (01-10-2021)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03361374 , version 1

Cite

Elise Gayet. Nanostructures hybrides plasmoniques assemblées sur des origamis d’ADN stimulables. Physique [physics]. Université Paris sciences et lettres, 2021. Français. ⟨NNT : 2021UPSLS054⟩. ⟨tel-03361374⟩
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