Gezielte Mikro- und Nanointegration von DNA und DNA-Superstrukturen in mikrostrukturierte Chiplayouts

Wolff, Andreas GND

In dieser Arbeit wurden Techniken zur gezielten Integration von DNA-Molekülen vorgestellt und optimiert. Dies ermöglicht eine Nutzung der DNA als Gerüst-Molekül für Nanometer-skalige, elektrische Bauelemente. Dazu ist eine anschließende metallische Funktionalisierung nötig. Die DNA-basierte Nano-Konstruktion („bottomup“) erfolgte dabei mittels „self-assembly“. Sie erlaubt eine präzise gesteuerte („guided“) Integration der DNA in vorhandene „top-down“ Mikrostrukturen sowie deren anschließende Funktionalisierung (biomolekular). Der Einsatz von assemblierten DNA-Superstrukturen (G-Wires) als biomolekularer Baustein konnte zusätzlich zu langen DNA-Molekülen gezeigt werden. Durch die präzise korrelative Charakterisierung der integrierten Strukturen während und nach den Integrationsschritten konnte die Optimierung und Etablierung bis hin zur Integration von DNA-Einzelmolekülen mittels Dielektrophorese erzielt werden. Die Integration von Lambda-DNA wurde vom Schichtsilikat Glimmer auf Glas- und Siliziumsubstrate übertragen. Auf unstrukturierten Substraten erfolgte die Streckung durch die Methode des eintrocknenden Tropfens. Dabei haben unterschiedliche Oberflächeneigenschaften einen Einfluss auf das Streckungsverhalten der DNAMoleküle. Weitere entscheidende Faktoren sind die Tropfengröße und die DNAKonzentration. Das Optimum liegt bei einer DNA-Konzentration von 6 ng/mL und einem Tropfenvolumen von 0,5 μL. Auf mikrostrukturierten Substraten hängt die Effizienz der Elektrodenüberbrückung mit DNA-Strängen entscheidend von der DNA-Konzentration sowie der Vorzugsrichtung während des Eintrocknens ab. Einzelmolekül-Brücken können bei niedrigen DNA-Konzentrationen realisiert werden. Als weitere Methode kann auf mikrostrukturierten Substraten die Dielektrophorese zur Streckung und Positionierung der DNA-Moleküle in die Elektrodenspalten angewandt werden. Der Parameterkomplex umfaßt dabei Frequenz, Spannung, Elektrodenlayout, Reaktionszeit, DNA-Konzentration, Leitfähigkeit des Mediums und Temperatur. Entscheidende Eckparameter und Schwellenwerte der Integration von DNAMolekülen sind die Frequenz und die Spannung des elektrischen Wechselfeldes sowie das Elektrodenlayout der mikrostrukturierten Substrate. Die optimale Integration von DNA-Einzelmolekülen wird bei niedriger Spannung (0,5 V), mittlerer Frequenz (100 kHz) und längeren Dielektrophoresezeiten (20 min) reproduzierbar erzielt.

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Wolff, Andreas: Gezielte Mikro- und Nanointegration von DNA und DNA-Superstrukturen in mikrostrukturierte Chiplayouts. 2009.

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