Advanced nanoantenna platforms for enhanced single-molecule detection at high concentrations

Abstract

(English) The ability to study the dynamics of individual biomolecules is crucial to understanding the complex organization of biological systems beyond what can be learned from ensemble averages. These single-molecule dynamics often occur at high micro- to millimolar concentrations, where conventional optical techniques cannot isolate single molecules anymore due to fundamental physical laws. This thesis explores the design, fabrication, and application of advanced nanoantenna platforms to detect individual fluorescent molecules at such high concentrations with increased sensitivity. Here, the theoretical groundwork is provided to understand the interactions between fluorescent molecules and nanoantennas. It is discussed how the single-molecule detection sensitivity of nanoantenna platforms can be quantitatively assessed through analytical models and numerical simulations. Based on these quantitative models, antenna-in-box platforms are identified to provide superior sensing performance and suitable lithography processes for their fabrication are established. Both computational and experimental evidence are presented that cleverly combining materials in hybrid antenna-in-box platforms enhances single-molecule detection sensitivity at micromolar concentrations. This improvement is attributed to decreased background signals and the use of previously unexplored coupling mechanisms inherent in the antenna-in-box architecture. Furthermore, hexagonal close-packed antenna-inbox platforms are introduced to enable highly parallelized single-molecule detection at micromolar concentrations. Notably, these hexagonally ordered platforms constitute the first demonstration of antenna-in-box platforms capable of single-molecule detection across the visible spectral range. Lastly, a correlative approach is presented that combines nonlinear fluorescence and vibrational spectroscopy to study the organization of receptor proteins in the cell membrane of living cells using nanoantennas. Measures to protect both the nanoantennas and the living cells are discussed and their effectiveness is validated. Overall, this thesis presents novel approaches for studying single-molecule dynamics at high concentrations with enhanced sensitivity. The development of these approaches was enabled through analytical and numerical modeling, the creation of new fabrication processes, and the use of appropriate experimental methods. These advancements promise to offer previously inaccessible insights into dynamics within biological systems.

(Català) La capacitat d'estudiar la dinàmica de biomolècules de forma individual és crucial per comprendre la complexa organització dels sistemes biològics amb molta més precisió i detall que l'estudi conjunt. En sistemes biològics, la dinàmica de molècules individuals passa sovint en concentracions elevades, on les tècniques òptiques convencionals no són capaces d'aïllar molècules individuals a causa de lleis físiques fonamentals. Aquesta tesi explora el disseny, la fabricació i l'aplicació de plataformes avançades de nanoantenes per estudiar amb més sensibilitat molècules fluorescents individuals a concentracions elevades. En primer lloc, es proporcionen les bases teòriques per entendre les interaccions entre molècules fluorescents i nanoantennes, avaluant la sensibilitat de detecció de molècules individuals mitjançant models analítics i simulacions numèriques. Com a conseqüència d'aquests estudis, les plataformes d'antenna-in-box s'identifiquen com aquelles que proporcionen una detecció superior i s'estableixen els processos de fabricació adequats. En segon lloc, s'aporten resultats computacionals i experimentals que demostren que la combinació de materials a plataformes híbrides d'antenna-in-box millora significativament la sensibilitat de detecció de molècules individuals a concentracions micromolars. Aquestes millores es deuen a la disminució de senyals de fons i l'ús de mecanismes d'acoblament que fins ara no havien estat explorats. A més, es presenten plataformes d'antenna-in-box densament agrupades hexagonalment que permeten la detecció altament paral·lela de molècules individuals. En particular, aquestes plataformes ordenades hexagonalment constitueixen la primera demostració de plataformes d'antenna-in-box capaces de detectar molècules individuals a través del rang espectral visible. Finalment, es presenta un enfocament correlatiu que combina fluorescència no lineal i espectroscòpia vibracional per estudiar l'organització de la membrana plasmàtica de cèl·lules vives amb nanoantenes. Es discuteixen mesures de protecció per garantir la supervivència tant de les nanoantenes com de les cèl·lules vives i se'n comprova l'eficàcia. En resum, aquesta tesi presenta nous enfocaments per estudiar la dinàmica de molècules individuals a altes concentracions amb una sensibilitat millorada gràcies a la modelització analítica i numèrica, tècniques de fabricació innovadores i mètodes experimentals apropiats. Aquests avenços prometen aportar coneixements fins ara inaccessibles sobre la dinàmica dels sistemes biològics.