Impresión óptica de nanopartículas de silicio y métodos para medir temperatura con resolución espacial en la nanoescala

Zaza, María Cecilia

Registro:

Documento:	Tesis Doctoral
Título:	Impresión óptica de nanopartículas de silicio y métodos para medir temperatura con resolución espacial en la nanoescala
Título alternativo:	Silicon-nanoparticle optical printing and methods to measure temperature with nanometric spatial resolution
Autor:	Zaza, María Cecilia
Editor:	Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Filiación:	CONICET. Centro de Investigaciones en Bionanociencias "Elizabeth Jares Erijman" (CIBION)
Publicación en la Web:	2022-11-29
Fecha de defensa:	2022-04-12
Fecha en portada:	12 de mayo 2022
Grado Obtenido:	Doctorado
Título Obtenido:	Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Ciencias Físicas
Director:	Stefani, Fernando D.
Director Asistente:	Pérez, Maximiliano S.
Consejero:	Márquez, Adriana Beatriz
Jurado:	Grinblat, Gustavo Sergio; Peinetti, Ana Sol; Huergo, María Ana
Idioma:	Español
Formato:	PDF
Handle:	http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7172_Zaza
PDF:	https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/download/tesis/tesis_n7172_Zaza.pdf
Registro:	https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/collection/tesis/document/tesis_n7172_Zaza
Ubicación:	Dep.FIS 007172
Derechos de Acceso:	Esta obra puede ser leída, grabada y utilizada con fines de estudio, investigación y docencia. Es necesario el reconocimiento de autoría mediante la cita correspondiente. Zaza, María Cecilia. (2022). Impresión óptica de nanopartículas de silicio y métodos para medir temperatura con resolución espacial en la nanoescala. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7172_Zaza

Resumen:

Las nanopartículas (NPs) coloidales proporcionan una enorme variedad de propiedades fisicoquímicas debido a que las mismas dependen del material que están compuestas, el tamaño, la forma y la química de la superficie. Sin embargo, explotar esas propiedades en dispositivos requiere un método eficaz para colocar las NPs en posiciones específicas de un sustrato, lo que sigue siendo un reto abierto de la nanotecnología. La manipulación de las NPs coloidales por medios ópticos ofrece una interesante vía para ello. La llamada impresión óptica permite organizar las NPs, una por una, en patrones y circuitos arbitrarios. Lo consigue aplicando fuerzas ópticas a las NPs, capturandolas de una suspensión coloidal y guiandolas a posiciones predeterminadas donde se fijan con precisión nanométrica. Aunque este potente enfoque ofrece una gran versatilidad, se ha limitado principalmente a las NPs metálicas porque proporcionan una interacción suficientemente fuerte con la luz a través de su resonancia de plasmón superficial localizada. El inconveniente es que las NPs metálicas sufren un aumento significativo de la temperatura cuando son iluminadas. En este contexto, la tesis se centró en dos proyectos principales. El primer proyecto trata la impresión óptica de nanopartículas de silicio (Si). Las NPs de Si poseen propiedades ópticas únicas que dependen de su tamaño, debido a sus fuertes resonancias eléctricas y magnéticas en el rango visible. Poseen una fuerte interacción con la luz con una absorción (y por tanto un calentamiento) relativamente menor, en comparación con las NPs metálicas. Sin embargo, su aplicación generalizada ha sido limitada, en comparación con otras NPs (por ejemplo, las metálicas), porque su preparación en coloides monodispersos sigue siendo un reto. La explotación de las propiedades únicas de las NPs de Si en nano y micro dispositivos requiere métodos capaces de clasificarlas y organizarlas desde una suspensión coloidal en posiciones específicas de sustratos sólidos. Como parte de esta tesis, se ha llevado a cabo un estudio teórico y experimental de la impresión óptica de NPs de Si coloidales. Se analizan cuidadosamente la precisión, la selectividad y las posibles aplicaciones de esta técnica. El hallazgo más importante es que las NPs de Si pueden imprimirse selectivamente en función de su tamaño empleando diferentes longitudes de onda debido a sus resonancias magnéticas dipolares únicas dependientes del tamaño. El segundo proyecto tuvo como objetivo obtener un método para determinar mapas de temperatura con resolución nanométrica. Aunque la obtención de estos mapas de temperatura es de gran relevancia para diversos campos de la ciencia y la tecnología, hasta ahora no existe ningún método establecido para ello. Tras analizar diferentes posibilidades, decidimos investigar dos estrategias basadas en la tecnología del origami de ADN y en el uso de NPs de oro como sistema modelo. Con el origami de ADN, es posible colocar moléculas fluorescentes en posiciones nanométricas predefinidas cerca de una NP. Hemos diseñado dos métodos en los que las moléculas fluorescentes actúan como reporteros locales de temperatura de dos maneras. Ambos métodos combinan la localización de una sola molécula por superresolución con una señal de fluorescencia sensible a la temperatura. El primer método se basa en la microscopía de superresolución DNA-PAINT (por sus siglas en inglés, DNA-based Point Accumulation for Imaging in Nanoscale Topography). En este caso, se localizan moléculas fluorescentes individuales conjugadas con hebras cortas de ADN a medida que se unen transitoriamente al origami de ADN. La información sobre la temperatura se obtiene a partir del “parpadeo” de la señal de fluorescencia en función de la temperatura, que se observa a medida que las hebras cortas de ADN se unen y se separan dinámicamente. La segunda se basa en un nuevo método de localización de moléculas individuales en un microscopio confocal con resolución temporal. Aquí, la información sobre la temperatura se obtiene a partir de las variaciones del tiempo de vida de la fluorescencia de las moléculas individuales. En el capítulo 1 de esta tesis se discuten las propiedades ópticas de las NPs metálicas y dieléctricas y se comparan en términos de absorción y disipación de calor. Se motiva la necesidad de métodos de manipulación de NPs individuales y de mediciones de temperatura en la nanoescala. Se resume el estado del arte en estos campos. En el capítulo 2 se presenta la impresión óptica de NPs de Sí por selectividad de tamaño. Se describen en detalle los fundamentos y el montaje experimental utilizado para llevar a cabo este método. Se presentan los cálculos teóricos y los trabajos previos que motivan la impresión selectiva de NPs dieléctricas y, finalmente, se demuestra la impresión óptica de NPs de Sí según su tamaño a través de su resonancia magnética dipolar utilizando diferentes longitudes de onda. En el capítulo 3, se investiga un método para obtener mapas de temperatura a nanoescala basado en cambios de la cinética de unión-desunión de ADN en ADN-PAINT. Se encontró que este tipo de mediciones involucra otros fenómenos dependientes de la temperatura. En concreto, el cambio en la tasa de parpadeo de los eventos de ADN-PAINT, el movimiento de las NPs en origamis hıbridos y el aumento en la señal de fondo bajo la iluminación con láseres de 488 nm y 561 nm deben ser controlados antes de poder acceder a mediciones de temperatura confiables. En el capítulo 4, demostramos que al sintonizar la cinética de parpadeo de las moléculas individuales con la velocidad de barrido de la imagen, es posible realizar microscopía de localización de moléculas individuales en un microscopio confocal. Utilizando un microscopio confocal con resolución temporal es posible obtener imágenes de tiempo de vida (FLIM, por sus siglas en inglés Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy) de fluorescencia súper-resueltas. Las imágenes de FLIM super resueltas tiene numerosas aplicaciones potenciales, entre las cuales se encuentran las mediciones de temperatura con resolución nanométrica, ya que el tiempo de vida de numerosos fluoróforos es sensible a la temperatura. En particular, analizamos la aplicación de este nuevo método para la obtención de imágenes superresueltas de transferencia de energía por resonancia de Forster (FRET). Finalmente, en el capítulo 5, se resumen las conclusiones del trabajo y se despliegan las perspectivas futuras.

Abstract:

Colloidal nanoparticles (NPs) provide an enormous variety of physicochemical properties due to their properties that depend on material composition, size, shape, and surface chemistry. However, exploiting those properties in devices requires an efficient method to place NPs on specific positions of a substrate, which remains an open challenge of nanotechnology. Manipulating optically colloidal NPs offers an interesting avenue to this end. The so-called optical printing enables the organization of NPs, one by one, in arbitrar patterns and circuits. It achieves this by applying optical forces to nanoparticles, capturing them from a colloidal suspension and guiding them to predetermined positions where they are fixed with nanometric precision. While this powerful approach offers great versatility, it has been mainly limited to metallic NPs because they provide a sufficiently strong interaction with light through their localized surface plasmon resonance. The drawback is that metallic NPs suffer a significant temperature increase when they are illuminated. Within this context, the thesis focused on two main projects. The first project dealt with the optical printing of Silicon (Si) nanoparticles. Si NPs possess unique size-dependent optical properties due to their strong electric and magnetic resonances in the visible range. They present a strong interaction with light with relatively lower absorption (and thus heating), in comparison to metallic NPs. However, their widespread application has been limited, in comparison to other (e.g., metallic) NPs, because their preparation on monodisperse colloids remains challenging. Exploiting the unique properties of Si NPs in nano- and microdevices calls for methods able to sort and organize them from a colloidal suspension onto specific positions of solid substrates. As part of this thesis, a theoretical and experimental study of the optical printing of colloidal Si NPs has been carried out. The precision, selectivity and potential applications of this technique are analyzed. The most important finding is that silicon nanoparticles can be selectively printed according to their size by employing different wavelengths due to their unique size-dependent dipolar magnetic resonances. The second project had the aim of obtaining a method to determine temperature maps with nanometer resolution. Even though obtaining such temperature maps is of great relevance for various fields of science and technology, so far there is no established method for this. After analyzing different possibilities, we decided to investigate two strategies based on DNA origami technology and using gold NPs as model system. With DNA origami, it is possible to place fluorescent molecules in predefined nanometric positions near the NP. We designed two methods where the fluorescent molecules act as local tempera-ture reporters. Both methods combine super-resolution single molecule localization with a temperature-sensitive signal. The first method is based on DNA-PAINT (DNA-based point accumulation for imaging in nanoscale topography) super-resolution microscopy. Here, single fluorescent molecules conjugated to short, single strands of DNA are localized as they transiently bind to the DNA-origami. The temperature information is obtained from the temperature-dependent blinking of the fluorescence signal observed as the short, single strands of DNA bind and unbind dynamically. The second is based on a new method of single-molecule localization in a time-resolved confocal microscope. Here, the temperature information is obtained from the variations of fluorescence lifetime of the single molecules. In Chapter 1 of this thesis, the optical properties of metallic and dielectric NPs are discussed and compared in terms of heat absorption and dissipation. The need for methods of manipulation of individual nanoparticles and of nanoscale temperature measurements is motivated. The state of the art of these fields is summarized. In Chapter 2, the size-selective optical printing of Si NPs is presented. The basics and the experimental setup used to carry out this method are described in detail. Theoretical calculations and previous work motivating the selective printing of dielectric NPs are presented, and finally, the size-selective optical printing of Si NPs through their dipolar magnetic resonance using different wavelengths is demonstrated. In Chapter 3, a method to obtain nanoscale temperature maps based on DNA-PAINT is investigated. First, it is demonstrated that the DNA-PAINT super-resolution imaging is intrinsically temperature dependent, mainly through two mechanisms: the dynamic binding and unbinding of short DNA strands and the photobleaching of fluorophores. Other temperature-dependent phenomena were discovered to be involved in this type of measurement. A modification in the blinking frequency of DNA-PAINT events caused by the heating laser, movement of nanoparticles in hybrid DNA-oragamis, and an increase in the background signal that compete with single molecule detection are all examples. In order to perform accurate temperature measuremets, this phenomenon should be controlled. In Chapter 4, we demonstrate that by syntonizing the blinking kinetics of single molecules to the image scanning speed, it is possible to perform single-molecule localization microscopy on a confocal microscope. Using a time-resolved confocal microscope, it is possible to obtain super-resolved fluorescence lifetime images (FLIM). Superresolved FLIM has numerous potential applications. In particular, we analyze the application of this new method for super-resolved Forster resonance energy transfer (FRET) imaging. Finally, in Chapter 5, the conclusions of the work are summarized, and future perspectives are unfolded.

Citación:

---------- APA ----------

Zaza, María Cecilia. (2022). Impresión óptica de nanopartículas de silicio y métodos para medir temperatura con resolución espacial en la nanoescala. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7172_Zaza

---------- CHICAGO ----------

Zaza, María Cecilia. "Impresión óptica de nanopartículas de silicio y métodos para medir temperatura con resolución espacial en la nanoescala". Tesis Doctoral, Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, 2022.https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7172_Zaza

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