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Fritz Kohlrausch Preis der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft an Rinaldo Trotta

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Bildquelle: Robert Herbst, POINT OF VIEW (http://pov.at). ...  more of Fritz Kohlrausch Preis der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft an Rinaldo Trotta (Titel)

Video Online: "Embedding a Single Quantum Dot into a Photonic Crystal Cavity"

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Artikel OÖNachrichten: "Rinaldo Trotta: Der 1,5-Millionen-Euro-Forscher"

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Our recent work (Nature Comm.7, 10375, 2016) on tunable entangled photons from QDs has been recently highlighted in the Laser Focus World magazine!

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Back Cover of Phys. Status Solidi A 3/2016

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Winner of Science Slam Linz and the Austrian Final in Vienna 2016: Martyna Grydlik!!!

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"Wenn es in der Physik funkt...", Artikel in der PRESSE

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Dr. DI(FH) Jürgen Danzberger

Natural Membranes and Nanostructured Surfaces for Biomolecule Detection

Kurzfassung

Nanometer-genaue Positionierung von Biomolekülen auf flachen Oberflächen ist ein
herausforderndes, aber immer mehr an Bedeutung gewinnendes Thema. Heutzutage werden
in vielen medizinisch diagnostischen Tests Muster von Proteinen und DNA im Mikrometer-
Maßstab eingesetzt. Tausendfach kleineren Strukturen innerhalb dieser Tests bieten in
Zukunft die Möglichkeit auf derselben Fläche mehr Untersuchungen wie etwa DNA- und
Gensequenzierungen durchzuführen und effiziente Aussagen bezüglich Gendefekten und
Schäden in der DNA zu treffen. Diese Proteinmuster werden zusätzlich eine Rolle in der
Untersuchung der Zellaktivierung und Zell-Zell Kommunikation im Falle einer
Immunantwort spielen.
In dieser Arbeit werden zwei unterschiedliche Methoden für die Herstellung solcher
nanostrukturierten Muster beschrieben.
Die Elektronenstrahllithographie (EBL) zeigt, dass diese klassische Top-down Methode
kombiniert mit der Bottom-up Herstellung von DNA-Tetraeder konventionelle
Immobilisierungsmethoden hinsichtlich Spezifizität und Menge an gebundenen Biomolekülen
um einem Faktor von bis zu sieben überbieten kann. Zusätzlich weisen beide
Herstellungsansätze einzigartige Eigenschaften auf. Der Top-down Ansatz bietet
ausgezeichnete Kontrolle über die laterale Position der erzeugten Nanoinseln auf der
Probenoberfläche, während sich mittels der Bottom-up Herstellung die Anordnung der
Biomoleküle auf diesen Inseln im Sub-Nanometerbereich beeinflussen lässt, ein Ergebnis, das
mit einer Einzeltechnik nicht erreicht werden kann.
Die zweite beschriebene Methode, Elektronenstrahl-induzierte Deposition (EBID), ist eine
Photolack-freie Lithographie Technik mit der Muster auf, mit Polymer überzogenen,
Substraten generiert werden. Der chemische Aufbau dieser Polyethylenglycol-Filme wird
durch den Elektronenstrahl dabei so verändert, dass Biomoleküle nur an die beschriebenen
Stellen binden, nicht jedoch an die umgebenden Regionen. Mit dieser Methode konnten
einige Schlüsselparameter für die Biofunktionalisierung von Oberflächen kontrolliert werden,
wie etwa ein außergewöhnlich hoher Kontrast von über 1000 zwischen Molekülen gebunden
auf geschriebenen und nicht-geschriebenen Flächen. Zusätzlich konnte man zeigen, dass die
Biomoleküldichte auf verschieden-geschriebenen Flächen innerhalb eines Feldes über einen
Bereich von drei Größenordnungen manipuliert werden kann.
Um diese wissenschaftliche Aussage zu bekräftigen wurde ein Elektronendosis-abhängiges
Grauwertbild von Mona Lisa hergestellt damit die Leistungsfähigkeit der Nanostrukturierung
gezeigt.
Diese zwei beschriebenen Methoden stellen sehr flexible Werkzeuge dar und können unter
anderem dabei helfen, die Interaktion und Kommunikation von Immunzellen in Bezug auf
ihre Reaktion gegenüber Krankheitserregern zu verstehen. Zell-Zell-Interaktionen werden
über Proteinmuster vermittelt und Forscher sind daran interessiert diese Interaktionen zu
kopieren, indem man eine Zelle durch Proteinmuster-präsentierende Glasplättchen austauscht
und sie so für mikroskopische Techniken zugänglicher macht.Wie bereits erwähnt, liegt ein
großer Vorteil der zwei Methoden darin, Muster auch in transparente Substrate wie Indium-
Zinn-Oxid zu schreiben, womit sich diese Proben auch für optische Ausleseverfahren eignen.
Im Speziellen erwartet man, dass die EBID-Biofunktionalisierungsplattform ihren Beitrag in
der biophysikalischen Zellforschung leistet, wo die Dichte und räumliche Anordnung von
Biomolekülen von Relevanz sind und ihre volle Stärke in der Kombination mit
hochauflösenden Einzelmolekül-Auslesemethoden entfalten wird.
Die Charakterisierung der in dieser Arbeit hergestellten Nanostrukturen erfolgte vorwiegend
mittels Rasterelektronen- (SEM) und Atomkraftmikroskopie (AFM). Das zusätzliche
Potential der Atomkraftmikroskopie als biosensorisches Analyse-Tool wurde mittels
simultaner Oberflächen- und Erkennungskraftmikroskopie zur Detektion von Heparansulfat
auf menschlichen Hautzellen demonstriert.

Abstract

Nanoscaled positioning of biomolecules on flat surfaces is a challenging but upcoming
important issue. Today, many medical diagnostic tests use protein- or DNA-patterned
substrates on the microscale. Going smaller by a factor of 1000 in future such tests will permit
more investigations like DNA- and Genome-sequencing within the same given array and
provide more accurate conclusions regarding Genome-defects and DNA-damages. These
protein patterns may also play a role in the research of cell activation and how cells
communicate in the case of an immune response. In this thesis two different routines for the
fabrication of such nanostructured patterns are demonstrated.
With the firstly performed electron beam lithography (EBL) technique it is shown that this
classical top-down route can be synergistically combined with the bottom-up fabrication of
DNA tetrahedra, and thereby surpassing conventional immobilization techniques in terms of
specificity and amount of captured biomolecules by a factor of up to seven. In addition, both
approaches have unique properties. The top-down route allows perfect control over the lateral
position of the fabricated nano-features on the sample surface and with the bottom-up strategy
the arrangement of biomolecules on these features can be influenced with subnanometer
precision, an outcome that could not have been achieved with a single technique.
The second routine, electron beam induced deposition (EBID), is a resist-less lithography
technique where patterns are generated in polymer-coated substrates. The chemistry of this
polyethylene glycol (PEG) films is changed by the electron beam in a way that biomolecules
only bind to the deposited areas but not to the surrounding surface. With this strategy
unequaled control over several key parameters regarding the bio-functionalization of surfaces
was achieved, including a remarkably high contrast of over 1000 between molecules bound to
written and non-written areas. Furthermore, the biomolecule-density can be handled over
three orders of magnitude in differently written areas within the same array.To demonstrate
this scientific statement an electron-dose dependent gray-scale image of Mona Lisa was
created that visualizes the power of nano-scale patterning. These two routines are very
flexible tools and will help in the scientific study of immune cell interaction and
communication in matters of their pathogenic response. Cell-to-cell communication can be
effected by protein patterns and researchers are interested in copying these interactions by the
exchange of one cell with protein patterns presenting glass substrates, since then they are
easier to observe with microscopic techniques.
As mentioned a significant advantage of the two approaches is that patterns can be fabricated
on transparent slides such as plain or indium-tin-oxide (ITO), coated glass which make them
very interesting for optical read-out techniques. It is expected that especially the EBID biofunctionalization
platform will contribute to biophysical cell research where the density and
the spatial arrangement of biomolecules are relevant and it will be at least more powerful in
combination with high resolution, single-molecule read-out methods.
For the characterization of the fabricated nanostructures scanning electron- (SEM) and atomic
force microscopy (AFM) were used. The additional potential of AFM to act as a bio-sensing
analytical tool is demonstrated by the simultaneous topography and recognition imaging
method TREC for the detection of heparan sulfate on human skin cells.