Проливая свет на ДНК-оригами. Применения в фотонике

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Фотоника и ДНК-нанотехнологии удачно дополняют друг друга благодаря возможности использования ДНК-наноструктур для создания сложных нано-оптических систем. Яркие примеры такого сотрудничества можно найти при применении метода ДНК-оригами к задаче создания элементной базы фотоники: контролируемая манипуляция световыми полями диктует высокие требования к точности размещения элементов (наномасштаб), которым можно удовлетворить, адресно прикрепляя желаемые нанообъекты к свернутой требуемым образом молекуле ДНК. В данном обзоре, завершающим цикл работ по применению ДНК-оригами, мы рассмотрим несколько успешных примеров подобного рода сотрудничества.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Максим Евгеньевич Степанов

Московский педагогический государственный университет (МПГУ)

Email: ua_khokhryakova@mpgu.su
ORCID iD: 0000-0002-0332-1235
Scopus Author ID: 57195265809
ResearcherId: AAB-6181-2022

м. н. с., кафедра теоретической физики им. Э. В. Шпольского, м. н. с. лаборатория физики перспективных материалов и наноструктур

Россия, Москва

Ульяна Александровна Хохрякова

Московский педагогический государственный университет (МПГУ)

Автор, ответственный за переписку.
Email: ua_khokhryakova@mpgu.su

бакалавр по направлению «Фундаментальная физика», лаборант-исследователь молодежной лаборатории биофотоники и наноинженерии

Россия, Москва

Татьяна Владимировна Егорова

Московский педагогический государственный университет (МПГУ)

Email: ua_khokhryakova@mpgu.su
ORCID iD: 0000-0002-7554-5246
Scopus Author ID: 56868341400
ResearcherId: P-9982-2017

к. б. н., заведующая молодежной лабораторией биофотоники и наноинженерии

Россия, Москва

Константин Арутюнович Магарян

Московский педагогический государственный университет (МПГУ)

Email: ua_khokhryakova@mpgu.su
ORCID iD: 0000-0003-4754-4657
ResearcherId: A-4208-2014

к. ф.- м. н., кафедра теоретической физики им. Э. В. Шпольского, с. н. с. лаборатории физики перспективных материалов и наноструктур

Россия, Москва

Наумов Андрей Витальевич

Московский педагогический государственный университет (МПГУ); Физический институт им. П. Н. Лебедва РАН, Троицкое обособленное подразделение (ТОП ФИАН)

Email: ua_khokhryakova@mpgu.su
ORCID iD: 0000-0001-7938-9802
Scopus Author ID: 7201349036
ResearcherId: E-8905-2010

член-корр. РАН, д.ф-м.н., руководитель, заведующий кафедрой, член-корр. РАН, доцент

Россия, Москва; Троицк

Список литературы

  1. M. E. Stepanov, U. A. Khokhryakova, T. V. Egorova, K. A. Magaryan, A. V. Naumov. Shedding light on DNA origami. PHOTONICS Russia. 2024; 18 (1): 72–80. doi: 10.22184/1993-7296.FRos.2022.16.8.600.602. М. Е. Степанов, У. А. Хохрякова, Т. В. Егорова, К. А. Магарян, А. В. Наумов. Проливая свет на ДНК-оригами. PHOTONICS Russia. 18 (2024) 72–80.doi: 10.22184/1993-7296.FRos.2022.16.8.600.602.
  2. M. E. Stepanov, U. A. Khokhryakova, T. V. Egorova, K. A. Magaryan, A. V. Naumov. Shedding light on DNA origami: Practice. PHOTONICS Russia. 18 (2024) 166–174. doi: 10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.2.166.174. М. Е. Степанов, У. А. Хохрякова, Т. В. Егорова, К. А. Магарян, А. В. Наумов. Проливая свет на ДНК-оригами: практика использования. PHOTONICS Russia. 18 (2024) 166–174. doi: 10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.2.166.174.
  3. Klimov V.V. Optical nanoresonators. Phys. Usp. 2023;66: 263–287.doi: 10.3367/UFNe.2022.02.039153S.
  4. A. F. Koenderink. Single-Photon Nanoantennas, ACS Photonics, 4 (2017) 710–722.
  5. E. M. Roller, L. V. Besteiro, C. Pupp, L. K. Khorashad, A. O. Govorov, T. Liedl. Hot spot-mediated non-dissipative and ultrafast plasmon passage, Nat Phys, 13 (2017) 761–765.
  6. P. Zhan, T. Wen, Z. G. Wang, Y. He, J. Shi, T. Wang, X. Liu, G. Lu, B. Ding. DNA Origami Directed Assembly of Gold Bowtie Nanoantennas for Single-Molecule Surface-Enhanced Raman Scattering, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 57 (2018) 2846–2850.
  7. A. Puchkova, C. Vietz, E. Pibiri, B. Wunsch, M. Sanz Paz, G. P. Acuna, P. Tinnefeld. DNA Origami Nanoantennas with over 5000-fold Fluorescence Enhancement and Single-Molecule Detection at 25 muM, Nano Lett., 15 (2015) 8354–8359.
  8. R. Chikkaraddy, V. A. Turek, N. Kongsuwan, F. Benz, C. Carnegie, T. van de Goor, B. de Nijs, A. Demetriadou, O. Hess, U. F. Keyser, J. J. Baumberg. Mapping Nanoscale Hotspots with Single-Molecule Emitters Assembled into Plasmonic Nanocavities Using DNA Origami, Nano Lett., 18 (2018) 405–411.
  9. M. Raab, C. Vietz, F. D. Stefani, G. P. Acuna, P. Tinnefeld. Shifting molecular localization by plasmonic coupling in a single-molecule mirage, Nat Commun, 8 (2017) 13966.
  10. A. Kuzyk, R. Schreiber, Z. Fan, G. Pardatscher, E. M. Roller, A. Hogele, F. C. Simmel, A. O. Govorov, T. Liedl. DNA-based self-assembly of chiral plasmonic nanostructures with tailored optical response, Nature, 483 (2012) 311–314.
  11. C. Zhou, X. Duan, N. Liu. A plasmonic nanorod that walks on DNA origami, Nat Commun, 6 (2015) 8102.
  12. A. Kuzyk, Y. Yang, X. Duan, S. Stoll, A. O. Govorov, H. Sugiyama, M. Endo, N. Liu. A light-driven three-dimensional plasmonic nanosystem that translates molecular motion into reversible chiroptical function, Nat Commun, 7 (2016) 10591.
  13. A. Mostafa, Y. Kanehira, A. Dutta, S. Kogikoski, Jr., I. Bald. Single-Molecule Surface-Enhanced Raman Scattering Measurements Enabled by Plasmonic DNA Origami Nanoantennas, J Vis Exp, (2023).
  14. C. Steinhauer, R. Jungmann, T. L. Sobey, F. C. Simmel, P. Tinnefeld. DNA origami as a nanoscopic ruler for super-resolution microscopy, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 48 (2009) 8870–8873.
  15. H. Ijas, S. Nummelin, B. Shen, M. A. Kostiainen, V. Linko. Dynamic DNA Origami Devices: from Strand-Displacement Reactions to External-Stimuli Responsive Systems, Int J Mol Sci, 19 (2018).
  16. C. Zhou, X. Duan, N. Liu. DNA-Nanotechnology-Enabled Chiral Plasmonics: From Static to Dynamic, Acc. Chem. Res., 50 (2017) 2906–2914.
  17. Potapkin O. D. Projection electron beam lithography for nanotechnology / O. D. Potapkin, B. V. Troshin. Bulletin of the RAS: Physics. 2010; 74(7):1015 – 1019. doi: 10.3103/S1062873810070270. – EDN MXEPJL. Потапкин О. Д. Трошин Б. В. Проекционная электронно-лучевая литография для нанотехнологий. Известия РАН. Серия физическая. 2010; 74(7):1056–1060. EDN MTJICJ.
  18. Salashchenko N. N. Project for manufacturing a Russian EUV nanolithographer for the fabrication of chips according to technological standards of 22 nm / N. N. Salashchenko, N. I. Chkhalo. Bulletin of the RAS: Physics. 2011; 75(1): 44–48. doi: 10.3103/S1062873811010229. – EDN OHUXRX. Салащенко Н. Н. Проект изготовления российского ЭУФ-нанолитографа для производства СБИС по технологическим нормам 22 нм / Н. Н. Салащенко, Н. И. Чхало. Известия РАН. Серия физическая. 2011; 75(1): 49–53. EDN NDJNKB.
  19. Demina P.A., Khaydukov K.V., Rocheva V.V., Akasov R.A., Generalova A.N., Khaydukov E.V. Technology Of Infrared Photopolymerization. Photonics Russia. 2022; 16(8): 600–603. doi: 10.22184/1993-7296.FRos.2022.16.8.600.602. П. А. Демина, К. В. Хайдуков, В. В. Рочева [и др.]. Технология инфракрасной фотополимеризации. Фотоника. 2022; 16(8): 600–603. doi: 10.22184/1993-7296.FRos.2022.16.8.600.602. – EDN CDDTVR.
  20. Maydykovskiy A.I., Apostolov D.A., Mamonov E.A. et al. Two-Photon Laser Lithography of Functional Microstructures of Integrated Photonics: Waveguides, Microcavities, and Prism Input/Output Adapters of Optical Radiation. Jetp Lett. 2023;117: 32–37. https://doi.org/10.1134/S0021364022602743 Майдыковский, Д. А. Апостолов, Е. А. Мамонов [и др.]. Двухфотонная лазерная печать функциональных микроструктур интегральной фотоники: волноводов, микрорезонаторов и призменных адаптеров ввода/вывода оптического излучения. Письма в ЖЭТФ. 2023; 117(1-2(1):37–42. doi: 10.31857/S1234567823010044. – EDN NVEROV.
  21. Kolymagin, D.A., Chubich, D.A., Shcherbakov, D.A. et al. Waveguide Structures and Photon Splitters Fabricated via Direct (3 + 1)D Laser Printing. Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2023; 87: 1779–1784. https://doi.org/10.1134/S1062873823704051 Д. А. Колымагин, Д. А. Чубич, Д. А. Щербаков [и др.]. Волноведущие структуры и фотонные разветвители, созданные методом прямого (3 + 1)D лазерного письма. Известия РАН. Серия физическая. 2023; 87(12):1695–1700. doi: 10.31857/S0367676523702927. – EDN QUWEWR.
  22. M. E. Stepanov, S. A. Khorkina, A. I. Arzhanov [et al.]. Near-field effects in nodes of a gold nanonet grown by laser ablation in superfluid helium: crossover between “hot spots“ such as «tip» and “gap. Jetp Lett. 2024; 120(3-4):231–237. doi: 10.31857/S0370274X24080129. – EDN UMVIVR. М. Е. Степанов, С. А. Хоркина, А. И. Аржанов [и др.]. Ближнеполевые эффекты в узлах золотой наносети, выращенной лазерной абляцией в сверхтекучем гелии: кроссовер между “горячими точками” типа “острие” и “зазор”. Письма в ЖЭТФ. 2024; 120(3-4):231–237. doi: 10.31857/S0370274X24080129. – EDN UMVIVR.
  23. Bukharov D. N., Osipov A. V., Kucherik A. O. et al. Modeling the Formation of Noble Metal Nanocluster Systems during Deposition from a Colloid Solution. Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2023;87:1680–1686. https://doi.org/10.3103/S1062873823703884 Д. Н. Бухаров, А. В. Осипов, А. О. Кучерик, С. М. Аракелян. Моделирование процессов формирования систем нанокластеров благородных металлов при осаждении из коллоидного раствора. Известия РАН. Серия физическая. 2023; 87(11):1619–1625. doi: 10.31857/S0367676523702800. – EDN FTAUZO.
  24. Filippova Y. A., Bizhetskiy A. S., Papugaeva A. V. et al. FeNi Nanowires as a Promising Filler for Magnetic Sensitive Gel. Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2023;87: 1483–1487. https://doi.org/10.3103/S1062873823703537. Ю. А. Филиппова, А. С. Бижецкий, А. В. Папугаева [и др.]. FeNi нанопроволоки как перспективный наполнитель магниточувствительного геля. Известия РАН. Серия физическая. 2023; 87(10):1452–1456. doi: 10.31857/S0367676523702538. – EDN PQEEQH.
  25. Yu. V. Filatov, A. S. Kukaev, V. Yu. Venediktov, A. A. Sevryugin, E. V. Shalymov. Microoptical Gyros Based on Whispering Gallery Mode Resonators. Photonics Russia. 2023;17(1): 26–44. doi: 10.22184/1993-7296.FRos.2023.17.1.26.44. – EDN HOAVAU. Ю. В. Филатов, А. С. Кукаев, В. Ю. Венедиктов, А. А. Севрюгин, Е. В. Шалымов. Микрооптические гироскопы на основе резонаторов мод шепчущей галереи. Фотоника. 2023;17(1): 26–44. doi: 10.22184/1993-7296.FRos.2023.17.1.26.44. – EDN HOAVAU.
  26. A. P. Tarasov, L. A. Zadorozhnaya, V. M. Kanevsky. The nature of optical amplification in small diameter ZnO microarrays with whispering gallery modes. Jetp Lett. 2024; 119(11–12): 875–881. doi: 10.31857/S1234567824120024. – EDN HMXNNM. А. П. Тарасов, Л. А. Задорожная, В. М. Каневский. Природа оптического усиления в микростержнях ZnO малого диаметра с модами шепчущей галереи. Письма в ЖЭТФ. 2024; 119(11–12): 875–881. doi: 10.31857/S1234567824120024. – EDN HMXNNM.
  27. V. A. Zheltikov, D. D. Platonov, S. Khydyrova, D. D. Vasilev, K. M. Moiseev. Review of Superconducting Microstrip Single-¬photon Detectors. Photonics Russia. 2022; 16(7):528–537. doi: 10.22184/1993-7296.FRos.2022.16.7.528.537. – EDN BYXUYO. В. А. Желтиков, Д. Д. Платонов, С. Хыдырова, К. М. Моисеев, Д. Д. Васильев. Обзор сверхпроводниковых микрополосковых однофотонных детекторов. Фотоника. 2022; 16(7):528–537. doi: 10.22184/1993-7296.FRos.2022.16.7.528.537. – EDN BYXUYO.
  28. M. S. Kovalev, I. M. Podlesnykh, K. E. Pevchikh, S. I. Kudryashov. NearInfrared Planar Photonics Based on Hyperdoped Silicon: Prospects. Photonics Russia. 2024;18(2):136–151. doi: 10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.2.136.151. – EDN CGUVBX. М. С. Ковалев, И. М. Подлесных, К. Э. Певчих, С. И. Кудряшов. Планарная фотоника ближнего инфракрасного диапазона на основе сверхлегированного кремния: перспективы. Фотоника. 2024;18(2):136–151. doi: 10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.2.136.151. – EDN CGUVBX.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Примеры использования ДНК-оригами в фотонике: a) нановолновод для малодиссипативной передачи энергии через взаимодействие плазмонов (адаптировано с изменениями из [5]); b) изготовление SERS-наноструктур в виде димеров в форме галстука-бабочки (адаптировано с изменениями из [6]); c) изготовление сферических димеров для усиления флуоресценции (адаптировано с изменениями из [7]); d) геометрия частица-на-зеркале для изучения локальной плотности оптических состояний в горячей точке (адаптировано с изменениями из [8]); e) мираж единичных молекул, наблюдаемый вблизи плазмонных наноструктур (адаптировано с изменениями из [9]); f) изготовление оптически активных анизотропных плазмонных наноструктур (адаптировано с изменениями из [10]); g) пример динамического ДНК-оригами изменяющего конфигурацию в ответ на изменение состава раствора (адаптировано с изменениями из [11]); h) пример изменения конфигурации ДНК-оригами в ответ на световое воздействие (рисунок адаптирован с изменениями из работы [12])

Скачать (1MB)
Метаданные

© Степанов М.Е., Хохрякова У.А., Егорова Т.В., Магарян К.А., Витальевич Н.А., 2024