Graphene-DNA origami-based nano-electro-mechanical-system (NEMS)

Abstract

Nanoelectromechanical Systems (NEMS) are a class of devices integrating electrical and mechanical functionality on the nanoscale. Deoxyribonucleic Acid (DNA) origami are folded structures that can be three-dimensional and are usually based on binding short staple strands to a backbone, called a scaffold strand. These can have uses in many fields, e.g., biosensing or electronics. A fluorophore is a molecule whose energy states can be excited by absorbed radiation. Therefore, a transition to an excited state occurs, and the electrons can then return to the ground state by releasing their energy either by fluorescence or by non-radiative decay. A hybrid DNA origami-fluorophore-Graphene platform for nearfield sensing and emerging DNA memory applications was developed in this work. Fluorophores at various positions were added along the DNA origami tetrahedron architecture at specific distances from the substrate, while its supporting structure was functionalized with Graphene. The Graphene substrate coverage allowed for Resonance Energy Transfer (RET) from the fluorophores to this material, which led to a characteristic decrease in the lifetime of the fluorescence decay in the vicinity of the surface (known as fluorescence quenching). A mathematical function can describe this effect, which converts fluorescence lifetime to dye-to-Graphene distances. DNA origami were prepared in a mixed solution of strands and then purified. The surface comprises a Graphene monolayer, functionalized by linker molecules and a DNA strand that binds to the origami. Binding sites were set at chosen heights in the origami so that new complementary strands substituted with a fluorophore could be added and set in place by DNA hybridization. These are the so-called target strands. Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy (FLIM) was used to characterize the fluorescence lifetimes of chosen sample areas. The distance distribution of the fluorophores relative to the Graphene layer was determined and displayed using fluorescence lifetime fitting algorithms and a fluorescence lifetime to-distance conversion model, verified by the experimental results. The fluorescence quenching effect was demonstrated as capable of being manipulated through changes in the Fermi level of Graphene upon electrostatic gating. Both fluorescence intensity and lifetime value changes in measurements performed under an applied gating voltage, indicate that the tetrahedral origami structures are strained by the electric field, thereby changing the dye-to-Graphene distances. It was then determined that the DNA origami could work either as a fluorescence switch or a high-resolution distance-sensitive device, depending on the applied voltage range, and exciting developments in sensors based on this system are expected.

Sistemas nanoeletromecânicos (NEMS) são uma classe de dispositivos que integram funcionalidade elétricas e mecânicas à nanoscala. Origami de DNA são estruturas orgânicas que podem ser tridimensionais e geralmente têm como base a ligação de pequenas sequências de grampos a uma espinha dorsal. Estas disposições podem ter usos em muitas áreas de tecnologia, como por exemplo biossensores ou dispositivos eletrónicos. Um fluoróforo é uma molécula cujos estados de energia podem ser excitados por radiação absorvida. Por consequência, ocorre uma transição da molécula para um estado excitado e, em seguida, os eletrões podem retornar ao estado fundamental, libertando a sua energia por fluorescência ou por decaimentos não radiativos. Neste trabalho de investigação, foi desenvolvida uma plataforma híbrida de origami de DNA-fluoróforo Grafeno para deteção de efeitos de campo à nanoescala e também para aplicações emergentes de me mórias não voláteis baseadas em DNA. Fluoróforos foram adicionados em várias posições ao longo da estrutura tetraédrica do origami de DNA, a distâncias específicas de um substrato, enquanto a sua es trutura de suporte foi funcionalizada com Grafeno. A cobertura do substrato com Grafeno permitiu a Transferência Ressonante de Energia (RET) dos fluoróforos para este material, levando a uma diminuição característica no tempo de vida do decaimento de fluorescência na vizinhança da superfície (conhecida como extinção de fluorescência). Uma função matemática pode descrever este efeito, convertendo o tempo de vida da fluorescência em distâncias entre fluoróforo e o Grafeno. O origami de DNA foi preparado numa solução de sequências, tendo sido posteriormente purificada. A superfície é composta por uma monocamada de grafeno, funcionalizada por moléculas ligantes e uma fita de DNA que se liga ao origami. Foram definidas posições de ligação em diferentes alturas no origami, de modo a que novas fitas complementares modificadas com um fluoróforo pudessem ser adicionadas e imobilizadas nesses locais por hibridização de DNA. Estas são designadas sequências-alvo. A microscopia de imagem de tempos de vida de fluorescência (FLIM) foi usada para caracterizar os tempos de vida de fluorescência das áreas escolhidas na amostra. A distribuição de distância dos fluoróforos em relação à camada de Grafeno foi determinada usando algoritmos de ajuste de tempo de vida de fluorescência e um modelo de conversão para distância, que foi comprovado pelos resultados experimentais. O efeito de extinção de fluorescência foi demonstrado como manipulável através de mudanças no nível de Fermi do Grafeno mediante excitação eletroestática. As variações de ambas as medições de intensidade de fluorescência e do seu tempo de vida, realizadas sob uma tensão aplicada, indiciam que as estruturas tetraédricas do origami são deformadas pelo campo elétrico, alterando assim as distâncias entre o fluoróforo e o Grafeno. Foi então determinado que o origami de DNA poderia funcionar como um interruptor de fluorescência ou um dispositivo de alta resolução sensível para medição de distâncias, dependendo da gama de tensões aplicadas, sendo esperados desenvolvimentos inovadores em sensores baseados nesta abordagem.