DNA-mediated formation of one-dimensional nanostructures [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Monika Fischler

Sujets

• Physik

Informations

• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 13
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 42 Mo

Extrait

DNA-mediated formation of
one-dimensional nanostructures




Dissertation
Monika Fischler








Aachen, April 2007



DNA-mediated formation of one-dimensional
nanostructures


Von der Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften der
Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des
akademischen Grades einer Doktorin der Naturwissenschaften genehmigte
Dissertation

vorgelegt von

Diplom-Chemikerin
Monika Fischler
aus Krefeld

Berichter: Universitätsprofessor Dr. Ulrich Simon
Universitätsprofessor Dr. Joachim Mayer



Tag der mündlichen Prüfung: 30.04.2007



Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar Die vorliegende Arbeit wurde im Zeitraum von Dezember 2003 bis April 2007 am
Institut für Anorganische Chemie der RWTH Aachen durchgeführt. Parts of this thesis have been published or submitted for publication:
M. Fischler, M. Homberger, U. Simon, DNA-Mediated Assembly of Metal
Nanoparticles: Structural Features and Electrical Properties, Springer Series in
Science, 2006, in press.
M. Fischler, U. Simon, DNA-Based Assembly of Metal Nanoparticles: Structure and
Functionality, in Tapash Chakraborty (Ed.), Charge Migration in DNA: Perspectives
from Physics, Chemistry, and Biology, NanoScience and Technology, by Springer-
Verlag, Heidelberg, 2007, in press.
M. Fischler, U. Simon, H. Nir, Y. Eichen, G. A. Burley, J. Gierlich, P. M. E. Gramlich,
T. Carell, Formation of Bimetallic Ag-Au Nanowires by Metallization of Artificial DNA
Duplexes, Small 2007, 3 (6), 1049 – 1055.
M. Fischler, A. Sologubenko, J. Mayer, G. Clever, G. A. Burley, J. Gierlich, T. Carell,
U. Simon, Azide-functionalized Gold Nanoparticles and their Selective Coupling to
Alkyne-modified DNA-Duplexes via ‘Click Chemistry’, 2007, submitted.
Y. Pan, S. Neuss, A. Leifert, M. Fischler, F. Wen, U. Simon, G. Schmid, W. Brandau
and W. Jahnen-Dechent, Size Dependent Cytotoxicity of Gold Nanoparticles, 2007,
submitted.
Mein Dank gilt

Meinem Doktorvater Herrn Prof. Dr. Ulrich Simon für die Freiheit bei der Auswahl
des Themas, für die gewährte Selbständigkeit bei der Bearbeitung, die
hervorragenden Arbeitsbedingungen sowie die Gelegenheit, viele Aspekte mit ihm
kritisch zu diskutieren.
Herrn Prof. Dr. Joachim Mayer für die freundliche Übernahme des Koreferats und
für zahlreiche hilfreiche Fachgespräche in TEM Fragen.
Allen Mitgliedern des Instituts für Anorganische Chemie der RWTH Aachen für die
angenehme Arbeitsatmosphäre und die Diskussionsbereitschaft, besonders dem
Arbeitskreis Simon und den Kollegen aus Labor 206.
Herrn Prof. Dr. Thomas Carell, Dr. Guido Clever, Dr. Glenn A. Burley und Dr.
Johannes Gierlich für die hervorragende Kooperation, die Bereitstellung der
DNA Stränge und des Glu-Azid Liganden sowie die fruchtbaren Diskussionen.
Frau Dr. Alla Sologubenko für die ausgezeichnete Zusammenarbeit im Rahmen
dieses Projektes und die Durchführung der TEM Untersuchungen.
Herrn Prof. Dr. Yoav Eichen für die gute Zusammenarbeit und die Möglichkeit,
wichtige Experimente dieser Arbeit in seiner Arbeitsgruppe am Technion
durchzuführen. Seiner Arbeitsgruppe, besonders Herrn Dr. Shay Tal und Hadar Nir,
sei für die Hilfsbereitschaft und die Diskussionen in dieser Zeit gedankt
Meinen Forschungspraktikanten Jörg Meyer, Tobias Saltzmann, Jan Timper, Karl-
Heinz Heffels und Susanne Wiese sowie den Auszubildenden Arne Basler, Birgit
Houben und Stefan Chang für ihre engagierte und tatkräftige Mitarbeit.
Bernd Barnstorf, Yvonne Dienes, Jan Timper und Annika Leifert für die kritische
Durchsicht des Manuskripts.
Allen meinen Freunden für ihr Verständnis und ihre Geduld.
Ein besonderer Dank gilt meinen Eltern für ihren Rückhalt und ihre fortwährende
Unterstützung während der Jahre meines Studiums und der Promotion. Table of Contents
Table of contents
1 Introduction 1
2 Basic Knowledge 5
2.1 Nanoparticles
2.1.1 Definition 5
2.1.2 Synthesis of nanoparticles 8
2.2 DNA 11
2.2.1 DNA Synthesis 14
2.2.2 DNA as a construction material for nanoparticle assemblies 16
2.3 One-dimensional nanostructures: Status of research 19
2.3.1 Continuous metallization of DNA 19
2.3.2 Binding of preformed metal clusters to DNA 20
2.4 Methods for the binding of nanoparticles to DNA applied in this work 24
2.4.1 ‘Click’ chemistry – an approach via modified DNA bases 24
2.4.2 Cisplatin – a DNA binding complex as binding site for metal clusters 27
2.5 Characterization of metal nanoparticles and nanoparticle assemblies 30
2.5.1 Atomic force microscopy (AFM) 30
2.5.1.1 Imaging artifacts 34
2.5.2 Electron Microscopy 35
3 Concept 38
3.1 Selective binding of metal clusters to DNA strands 40
3.1.1 Binding of nanoparticles to DNA via cisplatin
3.1.2 Binding of nanoparticles to alkyne tagged DNA strands via the Cu catalyzed ‘click’
reaction 41
3.2 Continuous metallization of DNA strands 43

I Table of Contents
4 Results and Discussion 44
4.1 Particle Syntheses: Overview
4.2 Fe/Pt Nanoparticles 46
4.2.1 Modification of the Fe/Pt nanoparticles with different amine terminated ligands 49
4.2.1.1 Cysteamine 51
4.2.1.2 Propylamine 53
4.2.1.3 Ethylenediamine 54
4.2.1.4 3-Aminopropylazide 56
4.2.1.5 Propargylamine 58
4.2.1.6 Further ligands tested
4.3 Au Nanoparticles 60
4.3.1 Glutathione stabilized Au nanoparticles
4.3.2 Glutathione bisazide stabilized nanoparticles 63
4.3.2.1 Direct synthesis of glutathione bisazide terminated nanoparticles 65
4.3.2.2 One-phase Ligand exchange 66
4.3.2.3 Two-phase ligand exchange 71
4.3.2.4 Synthesis of Au clusters with a mixed ligand shell of glutathione and 55
glutathione bisazide 76
4.4 Immobilization of azide terminated nano-particles on surfaces 78
4.5 One-dimensional assembly of metal nanoparticles on DNA templates 83
4.5.1 Immobilization route via ‘click’ chemistry 83
4.5.1.1 AFM studies of glutathione bisazide stabilized nanoparticles on 300 meric DNA
templates 84
4.5.1.2 TEM studies of glutathione bisazide stabilized nanoparticles on 300 meric DNA
templates 87
4.5.1.3 AFM studies of glutathione bisazide stabilized nanoparticles on 900 meric and
2000 meric DNA templates 94
4.5.1.4 TEM studies of glutathione bisazide stabilized nanoparticles on 900 meric and 98
4.5.1.5 Gel electrophoresis experiments on glutathione bisazide stabilized
nanoparticles on 900 meric and 2000 meric DNA templates 100
II Table of Contents
4.5.2 Immobilization of Fe/Pt nanoparticles to natural DNA using cisplatin 105
4.6 Continuous metallization of DNA strands 108
4.6.1 Two step metallization method using 900 meric sugar modified DNA template 108
4.6.1.1 Membrane experiments 108
4.6.1.2 Metallization on surfaces for AFM studies 109
4.6.2 Two-step metallization of 2000 meric template strands for SEM studies 115
4.6.3 Ag metallization of 2000 meric templates in presence of excess sugar 118
4.6.3.1 Electrical addressing of DNA-templated Ag wires - preliminary results 121
5 Summary and Outlook 124
6 Experimental Part 129
6.1 Materials
6.1.1 Chemicals
6.1.2 Analytic equipment 130
6.1.3 Materials 131
6.1.4 Software 131
6.2 Surface preparation 132
6.2.1 Preparation of mica substrates
6.2.2 Preparation of silicon and glass substrates
6.2.2.1 Silanization
6.2.2.2 PDITC Coating
6.2.2.3 Propargylamine coating 133
6.3 Nanoparticle snyntheses
6.3.1 Synthesis of PtFe particles stabilized with oleylamine / oleic acid 133
6.3.2 Fe/Pt particles modified with different water soluble amine ligands 134
6.3.3 Synthesis of Au (PPh ) Cl 135 55 3 12 6
6.3.4 Glutathione stabilized Au nanoparticles 136
6.3.5 Glutathione bisazide stabilized Au nanoparticles
6.3.5.1 Direct Synthesis 136
6.3.5.2 One-phase ligand exchange 137
6.3.5.3 Two-phase ligand exchange
III Table of Contents
6.3.5.4 Au Cluster with a mixed ligand shell of glutathione and glutathione bisazide 138 55
6.4 Immobilization of azide terminated Au nanoparticles to alkyne modified
surfaces 138
6.5 Assembly of preformed nanoparticles on DNA templates 139
6.5.1 Cisplatin method 139
6.5.2 Immobilization of the nanoparticles on the DNA template by ‘click’ reaction 140
6.6 Continuous metallization of DNA strands 141
6.6.1 Metallization solutions 141
6.6.1.1 Tollens solution
6.6.1.2 Au enhancement solution
6.6.2 Bimetallic nanowires on 900 meric alkyne tagged DNA strands 141
6.6.2.1 Metallization process on the membrane
6.6.2.2 Metallization process on surfaces 142
6.6.3 Ag nanowires
6.6.4 TEM sample preparation
6.7 Gel electrophoresis 143
6.7.1 Agarose gel electrophoresis
6.7.2 Polyacrylamide gel electrophoresis
7 Appendix 144
7.1 Fe/Pt nanoparticles in biomedical appli