Hybrid gold-DNA origami nanostructures for single molecule enhancement and sensing

Nanostructures hybrides or-origamis d'ADN pour l'exaltation et la détection de molécules uniques En tirant parti du contrôle spatial nanométrique offert par les origamis d'ADN, ce travail vise à optimiser l'interaction entre un résonateur plasmonique et une molécule unique, soit pour la détecter optiquement, soit pour manipuler ses propriétés photophysiques.Pour développer une plateforme de biocapteurs colorimétriques digitaux, des origamis d'ADN dynamiques sont utilisés comme actuateurs nanométriques sur lesquels sont assemblées des nanostructures plasmoniques hybrides. Ces nanostructures changent de morphologie lorsqu'elles interagissent avec des molécules cibles spécifiques, en particulier des brins simples d'ADN, grâce à un site actif dans l'origami qui est sensible à des réactions de déplacement de brins d'ADN (strand displacement reactions). Pour traduire ces changements de conformation en un signal optique pour la biodétection, nous exploitons la dépendance du couplage plasmon à des variations nanométriques de l'espacement entre deux nanosphères d'or, qui est modulé par allostérie. La microscopie en champ sombre permet de mesurer en champ lointain les changements de distance nanométrique dans des dimères de particules d’or individuels à l'aide d'une simple caméra couleur. La morphologie de la nanostructure hybride est influencée par la géométrie de l'origami d'ADN, mais aussi par les répulsions stériques et électrostatiques entre les nanosphères. La conformation du site actif ne peut être traduite en une réponse optique macroscopique qu'à une force ionique locale élevée, où ces répulsions sont éliminées. La détection colorimétrique en une étape de brins d'ADN uniques est réalisée soit par spectroscopie de diffusion, soit en analysant la teinte des dimères uniques dans les images à champ sombre, fournissant des réponses similaires. La cinétique et la limite de détection de ces capteurs sont étudiées avec des concentrations cibles d’ADN allant de 100 nM à 100 pM. Ces résultats soulignent le potentiel de la détection colorimétrique de brins d'ADN uniques à l'aide d'une caméra couleur.De plus, les champs exaltés et confinés des résonateurs plasmoniques, associés au contrôle nanométrique offert par les origamis d'ADN, sont utilisés pour amplifier l'interaction entre la lumière et une molécule fluorescente unique à température ambiante. À température ambiante, les propriétés optiques des émetteurs quantiques uniques sont inhibées par le couplage électron-phonon, mais l'accélération de l'émission spontanée grâce à l'effet Purcell dans des résonateurs plasmoniques peut surmonter ces limitations. Un origami d'ADN a été conçu pour accueillir une molécule d’ATTO647N unique dans le point chaud nanométrique d'un résonateur composé de dimères de nanoparticules plasmoniques. Des simulations ont montré que des nanosphères d'or de 60 nm avec des espacements inférieurs à 3 nm fournissent des facteurs de Purcell supérieurs à 105 lorsque le dipôle est orienté parallèlement à l'axe du dimère, tout en maintenant des rendements d'émission élevés. Les exaltations de champ peuvent être encore accrues par l'effet de pointe fourni par des nanocubes plasmoniques. Pour assembler des particules anisotropes avec un contrôle de l'orientation, un origami d'ADN a été conçu pour accueillir deux cubes dans une conformation pointe à pointe. Les propriétés optiques de ces nanostructures sont étudiées par spectroscopie de durée de vie de fluorescence, à l’échelle de l’émetteur unique. Ces mesures démontrent une forte réduction des durées de vie de la fluorescence en présence de dimères de nanosphères et de nanocubes d'or. Des facteurs de Purcell de l'ordre de 50 à 600 sont obtenus dans des milieux à base d'eau, tandis que dans les milieux à base de glycérol, des valeurs supérieures à 1000 sont observées. Cette approche met en évidence le potentiel des nanostructures plasmoniques pour l'étude des interactions cohérentes entre la lumière et la matière à température ambiante en utilisant des molécules fluorescentes comme émetteurs quantiques uniques.