Master's Thesis

Ordered and disordered arrays of colloidal nanoparticles for biomolecule detection

Final Thesis 9.54 MB

Author of thesis: Ing. Filip Ligmajer, Ph.D.

Acad. year: 2012/2013

Supervisor: prof. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D.

Reviewer: prof. RNDr. Bohuslav Rezek, Ph.D.

Abstract:

This thesis deals with guided self-assembly of gold nanoparticles from their colloidal solutions onto silicon substrates and possible employment of nanoparticles for detection of biomolecules. It was found that by adjustment of solution pH and surface chemistry modification by means of electron beam irradiation it is possible to facilitate nanoparticle deposition to patterns with almost single particle precision. Spectroscopic ellipsometry was then employed in analysis of self-assembled layers of nanoparticles and its combination with a theory of effective medium approximation has proven the ability to assess nanoparticle dimensions and volume fractions. By experiments with thiolated oligonucleotides it has been shown that using ellipsometry one can detect even with very subtle changes in nanoparticle environment caused by biomolecules, thus promising its possible use in the field of biodetection.

Keywords:

metallic nanoparticles, colloidal gold, silicon, spectroscopic ellipsometry, biodetection, oligonucleotides, self-assembly

Date of defence

17.06.2013

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Applied Sciences in Engineering (N3901-2)

Field of study

Physical Engineering and Nanotechnology (M-FIN)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
prof. RNDr. Jiří Komrska, CSc. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Ivan Křupka, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Filip Ligmajer ve své diplomové práci navázal na experimenty z bakalářského studia, pokračoval hned v dalším semestru ve čtvrtém ročníku. Přístup k experimentům, jejich vyhodnocení, prezentace, interpretace a hledání nových směrů výzkumu jsou u bc. Ligmajera na úrovni studenta doktorandského studia. Dokazuje to zejména fakt, že práce vznikla v podstatě za nepřítomnosti školitele (neboť jsem byl na delší dobu v zahraničí) a student tak prokázal maximální možnou samostatnost. Svou prací přispěl k publikaci v kvalitním časopise a nejnovější výsledky s detekcí biomolekul jsou příslibem pro publikaci další. Práci nelze hodnotit jinak než A a jsem rád, že bc. Ligmajer bude pokračovat v doktorském studiu.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené vysledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Práce je celkově pěkně a přehledně zpracována. Práce ke každému tématu uvádí přiměřenou rešeršní část a popis používaných metod. Následně student prezentuje řadu vlastních originálních měření a výpočtů. Na základě jejich interpretace vyvozuje jasné závěry a perspektivy pro využití těchto výsledků v dalším výzkumu i aplikacích.

Z mého pohledu nejzajímavější a nejvíce originální částí práce je přímá modifikace křemíkových substrátů nízkoenergetickým elektronovým svazkem a následné využití pro samouspořádávání zlatých nanočástic do různých útvarů, a to dokonce s možností výběru pozitivních či negativních obrazců. Podařilo se přitom cíleně překonat nebo naopak využít známý faktor kontaminace povrchu v elektronovém mikroskopu. Zajímavou a originální částí je také zkoumání optických vlastností Au nanočástic deponovaných na povrch a kritická analýza a diskuze vhodné teorie efektivního prostředí pro popis tohoto systému. To je využito pro následnou charakterizaci komplexů Au nanočástic s oligonukleotidy. Diplomant tak zcela naplnil cíle práce.

V práci naopak bylo místy obtížné odlišit přechod mezi obecnější rešeršní části a popisem vlastní konkrétní práce a výsledků. Také by možná bylo vhodnější nepoužívat „in our group“ ale cíleně „we did“ (ve smyslu autor diplomové práce), aby bylo jasnější, kdo co dělal. Místy by popis metod a materiálů mohl být konkrétnější: např. jaké nanočástice, jaká kyselina a koncentrace pro posun pH apod. Postrádal jsem také číselné vyhodnocení některých veličin, jako například hustoty pokrytí nanočásticemi, které je z dostupných dat relativně snadné. Toho se týkají i otázky k zodpovězení při obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. vysledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. 1)Jaká je typická hustota pokrytí povrchu Au nanočásticemi při použité metodě?
  2. 2)Pokrytí oblastí Au nanočásticemi nevypadá a pravděpodobně není souvislé. Lze hustotu nějak ovlivnit parametry přípravy? Jaká hustota je pro zamýšlené aplikace žádoucí?
  3. 3)Kromě elipsometrie byly použity ještě nějaké další metody pro charakterizaci Au nanočástic s oligonukleotidy? Např. fluorescenční mikroskopie, která by jasně ukázala přítomnost, uniformitu rozložení a schopnost reakce oligonukleotidů, nebo alespoň SEM nebo AFM, které by ukázaly změnu tvaru či tloušťky nanočástic?
  4. 4)Práce uvádí různé komerční výrobce Au nanočástic, nenalezl jsem ale, jaké byly konkrétně použité nanočástice? Drobná připomínka: Popis obrázku „Fig. 2.2: An atomic resolution image…“ neuvádí o jakou se jedná metodu, pravděpodobně HR-TEM?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová