Name: dna origami-mediated substrate nanopatterning of inorganic structures for sensing applications
Uploaded: 2019-09-27T15:00:00
Duration: 8 min 59 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about DNA Origami-Mediated Substrate Nanopatterning of Inorganic Structures for Sensing Applications at JoVE.com

Dit werk werd gesteund door de Academie van Finland (projecten 286845, 308578, 303804, 267497), de Jane en Aatos Erkko Foundation en de Sigrid Jusélius Foundation. Dit werk werd uitgevoerd onder de Academie van Finland Centers of Excellence Programme (2014 – 2019). Wij erkennen de beschikbaarstelling van faciliteiten en technische ondersteuning door Aalto University Bioeconomy facilities en OtaNano – Nanomicroscopy Center (Aalto-NMC) en Micronova NanoFabrication Center.

De auteurs hebben niets te onthullen.

Het protocol biedt grote vrijheid en nauwkeurigheid in de vorm van geproduceerde nanostructuren. Door het ontwerp van de DNA-origami te veranderen, kan de vorm van de metalen nanostructuren worden bestuurd. De uiteindelijke, exacte vorm van de metalen constructies wordt bovendien bepaald door de masker groeistap (stap 9) en in mindere mate door het masker etsen (stap 10) moet het niet anisotrope. Als de masker groeitijd voldoende is verlengd, zullen de gaten in het masker beginnen te groeien. Dit kan worden gebruikt om de dunste kenmerken van sommige structuren weg te laten en de verschillen in grootte te controleren, zoals gedemonstreerd in Shen et al.34 met gescheiden driehoeken van de bowtie origami (figuren 5b). Omgekeerd kunnen dunnere vormen beter worden bewaard door de oxide groeitijd te verkorten. Dit betekent dat het mogelijk is om de optische eigenschappen weergegeven in Figuur 6, niet alleen door het veranderen van de gebruikte origami ontwerp, maar ook door het afstemmen van de SiO2 film groei af te stemmen.

Als de dikte van het masker aanzienlijk verandert, moet die verandering ook worden weerspiegeld in de SiO2 RIE Step. Slechts een zeer dunne laag van SiO2 moet worden geëtst (2-5 nm) om amper door de masker gaten te boren. Dit is het meest gevoelige en cruciale deel van het hele proces. Aangezien de etsen tijd is extreem kort, alleen 10-20 s, exacte instellingen moeten experimenteel worden bepaald wanneer eerst geprobeerd met nieuwe apparatuur. Dit geldt ook voor stap 10,4 omdat sommige SiO2 ook is geëtst tijdens de a-Si etsen. De omvang van de geëtste SiO2 wordt bepaald door de selectiviteit van de gebruikte a-si etch parameters, apparatuur en zelfs individuele kalibraties van apparatuur. Er moet voor worden gezorgd dat de hele SiO2 -laag tijdens deze twee processen niet wordt weggeetst.

Een andere gevoelige stap is de SiO2 -groei. Het groeiproces is afhankelijk van zowel de luchtvochtigheid van de kamer als de huidige activiteit van de gebruikte TEO'S. TEOS degradeert als het water uit de lucht absorbeert, waardoor het minder effectief wordt met de leeftijd. Dit kan manifesteren als een aanzienlijk langzamer, minder beheersbare groeisnelheid binnen maanden zelfs met de juiste opslag van de chemische stof. 34 als de resulterende SiO2 -laag dunner is dan bedoeld, kan dit duiden op een probleem met Teos in plaats van kamer vochtigheid. Hoewel een lagere luchtvochtigheid ook kan resulteren in lagere groeisnelheid en dunnere film, moet de resulterende film ook gladder zijn dan normaal. Ondertussen een grove korrelige en ruwe laag zou omgekeerd duiden op een probleem met een hoge luchtvochtigheid.

Het is ook mogelijk om dit protocol uit te voeren op elk ander vrij gekozen substraat met twee vereisten: het moet zowel HF-etsen (stap 12) als de 200-300 °C temperaturen van PECVD (stap 6) tolereren. De temperatuur kan veilig worden verlaagd tot 100 °C voor de PECVD van a-Si als een gevoeliger substraat wordt gebruikt, maar HF kan niet worden vermeden als het protocol exact wordt gevolgd zoals beschreven. Om HF te omzeilen, zou de toepassing van een extra opofferings laag nodig zijn. Als de eis van de HF-etsen wordt verwijderd, zou dit protocol compatibel worden met een bredere selectie van substraat materialen en metalen.

Aangezien dit protocol bestaat uit veelgebruikte en robuuste micro-en nano fabricageprocessen, kan het worden gecombineerd met een willekeurig aantal andere microfabricage protocollen waarbij kleine functie groottes en complexe metalen vormen gewenst zijn. In de nabije toekomst, vooral met de komst van voordelige DNA-origami-massaproductie31, is er potentieel voor deze methode om zowel algemeen gebruik als hoge doorvoer te vergemakkelijken voor op interfaces gebaseerde nanophotonics en plasmonics55 .

Structurele DNA nanotechnologie is snel geëvolueerd in de afgelopen decennium1,2, ende meest invloedrijke ontwikkeling in het veld is aantoonbaar de uitvinding van de DNA-origami3,4. De DNA origami techniek maakt fabricage van vrijwel elke nanovorm met nauwkeurige structurele functies3,4. Deze krachtige methode kan worden gebruikt in (sub) nanometer-precieze ruimtelijke ordening en verankering van andere nano-objecten, zoals koolstof nanobuisjes5, metalen nanodeeltjes6,7,8, 9, enzymen/eiwitten10,11,12,13 en therapeutische materialen14,15,16,17 . Belangrijk is dat deze structuren niet alleen statisch zijn, maar ook kunnen worden geprogrammeerd om op een dynamische manier18,19te handelen. De talloze toepassingen van DNA-origami variëren van de levering van geneesmiddelen20,21,22 tot moleculaire elektronica/plasmonics5,23,24, 25 en van materiaalkunde26,27 tot nieuwe beeldvormings-en kalibratie technieken28.

Naast de bovengenoemde toepassingen, kan de extreme ruimtelijke resolutie van de DNA-origami vormen worden benut in nanodeeltjes en delicate nanoschaal lithografie29,30. Dit protocol beschrijft een lithografische methode voor het maken van discrete en nauwkeurige anorganische nanostructuren op substraten met behulp van DNA origami templates. Deze templates kunnen efficiënt worden geproduceerd in verschillende vormen en in grote hoeveelheden31, en moeiteloos op gekozen ondergronden op grote schalen32worden afgezet. Deze eigenschappen maken een zeer parallelle fabricage van miljarden nanostructuren in één stap mogelijk, in tegenstelling tot veelgebruikte maar nogal langzame elektronenstraal lithografie of andere op scans gebaseerde nano fabricagetechnieken.

Hierin wordt het fabricageproces gedemonstreerd door het creëren van gouden bowtie vormige structuren op siliciumnitride en Sapphire substraten; met andere woorden, de ruimtelijke informatie van DNA origami wordt overgebracht naar volledig metallische nanostructuren. Zoals hier besproken, is de techniek niet beperkt tot de geselecteerde bowtie DNA-origami structuur, omdat de methode het gebruik van vrijwel elke vorm van DNA-origami mogelijk maakt. Bovendien kan de techniek met methodische modificaties worden uitgebreid tot verschillende metalen en substraten die de weg effenen voor de fabricage van meta metasurgezichten33.

De oppervlakken met een patroon van de DNA-origami-gemedieerde fabricage kunnen als veelzijdige sensoren dienen; ze kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt in de oppervlakte verbeterde Raman-spectroscopie (SERS). Als gevolg van de kleine afmetingen van de individuele nanovormen, kunnen de gecreëerde oppervlakken gebruik in optische en plasmonische toepassingen in het zichtbare golflengtebereik vinden.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:1256px;" width="1255">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:351px;">Acetone</td>
			<td style="width:205px;">Honeywell</td>
			<td style="width:165px;">40289H</td>
			<td style="width:535px;">Semiconductor grade ULSI, &#8805; 99.5 %</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Agarose</td>
			<td>Fisher Bioreagents</td>
			<td>1036603</td>
			<td>Low-EEO, multi-purpose and molecular biology grade</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Ammonium hydroxide</td>
			<td>Fisher Chemical</td>
			<td>10652251</td>
			<td>25 % ammonia solution, Certified AR for Analysis, d = 0.91</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">BRANSON 5510</td>
			<td>Branson</td>
			<td></td>
			<td>Ultrasonic bath</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Dimension Icon</td>
			<td>Bruker</td>
			<td></td>
			<td>Atomic force microscope</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Electron-beam evaporator IM-9912</td>
			<td>Instrumentti Mattila</td>
			<td></td>
			<td>Evaporator for PVD</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Ethidium bromide</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>E8751</td>
			<td>Fluorescent dye for DNA staining</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Eon Microplate spectrophotometer</td>
			<td>BioTek</td>
			<td></td>
			<td>UV/Vis spectrophotometer used for DNA origami concentration measurements</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Gel Doc XR+ Documentation System</td>
			<td>BioRad</td>
			<td></td>
			<td>Gel imaging system</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Gel Loading Dye, Blue (6&#215;)</td>
			<td>New England Biolabs</td>
			<td>B7021S</td>
			<td>Bromophenol blue-based loading dye for agarose gel electrophoresis</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">G-storm GS1 Thermal cycler</td>
			<td>Gene Technologies</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">HBR 4</td>
			<td>IKA</td>
			<td></td>
			<td>Heating bath</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Hydrofluoric acid</td>
			<td>Honeywell</td>
			<td>40213H</td>
			<td>Semiconductor grade, 49.5-50.5 %</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Isopropanol</td>
			<td>Honeywell</td>
			<td>40301H</td>
			<td>Semiconductor grade VLSI, &#8805; 99.8 %</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Magnesium chloride</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>M8266</td>
			<td>Anhydrous, &#8805; 98 %</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Mini-Sub Cell GT Horizontal Electrophoresis System</td>
			<td>BioRad</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Plasmalab 80+ PECVD</td>
			<td>Oxford Instruments</td>
			<td></td>
			<td>PECVD system</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Plasmalab 80+ RIE</td>
			<td>Oxford Instruments</td>
			<td></td>
			<td>RIE system</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Poly(ethylene glycol)</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>89510</td>
			<td>BioUltra, 8,000</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">PowerPac HC High-Current Power Supply</td>
			<td>BioRad</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Sapphire substrate (Al2O3)</td>
			<td>University Wafer</td>
			<td></td>
			<td>Thickness: 430 &#956;m, Polish: DSP, Size: 50.8 mm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Sigma VP</td>
			<td>Zeiss</td>
			<td></td>
			<td>Scanning electron microscope</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Silica gel</td>
			<td>Merck</td>
			<td>1019691000</td>
			<td>With indicator (orange gel), granulate ~1-3 mm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Single-stranded Scaffold DNA, type p7249</td>
			<td>Tilibit Nanosystems</td>
			<td></td>
			<td>At 100 nM concentration</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Sodium chloride</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>S9888</td>
			<td>ACS reagent, &#8805; 99.0 %</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Staple strands (oligonucleotides)</td>
			<td>Integrated DNA Technologies</td>
			<td></td>
			<td>Sequences can be ordered e.g. at 100 micromolar in Rnase-free water</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">TAE buffer (50&#215;) pH 8.0</td>
			<td>VWR Chemicals</td>
			<td>444125D</td>
			<td>Electran Electrophoresis grade</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Take3 micro-volume plate</td>
			<td>BioTek</td>
			<td></td>
			<td>Used for DNA origami concentration measurements</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Tetraethyl orthosilicate</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>86578</td>
			<td>&#8805; 99.0 % (GC)</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

dna origami-mediated substrate nanopatterning of inorganic structures for sensing applications

Structurele DNA nanotechnologie biedt een levensvatbare route voor het bouwen van de bottom-up met behulp van DNA als bouwmateriaal. De meest voorkomende DNA-nano fabricagetechniek wordt DNA-origami genoemd, en het maakt een hoge doorvoer synthese mogelijk van nauwkeurige en zeer veelzijdige structuren met een nauwkeurige nanometer-niveau. Hier wordt getoond hoe de ruimtelijke informatie van DNA-origami kan worden overgebracht naar metallische nanostructuren door de bottom-up DNA-origami te combineren met de conventioneel gebruikte top-down lithografie benaderingen. Dit maakt de vervaardiging van miljarden kleine nanostructuren in één stap op geselecteerde ondergronden mogelijk. De methode wordt gedemonstreerd met behulp van bowtie DNA origami om metalen bowtie vormige antenne structuren te creëren op siliciumnitride of saffier substraten. De methode is gebaseerd op de selectieve groei van een siliciumoxide laag bovenop de origami afzetting substraat, wat resulteert in een patroon masker voor de volgende lithografische stappen. Deze oppervlakken met nano structuur kunnen verder worden gebruikt als moleculaire sensoren (bijv. oppervlakte-versterkte Raman-spectroscopie (SERS)) en in diverse andere optische toepassingen op het zichtbare golflengtebereik vanwege de kleine functie groottes (sub-10 nm). De techniek kan worden uitgebreid naar andere materialen door middel van methodologische modificaties; Daarom kunnen de resulterende optisch actieve oppervlakken gebruik in de ontwikkeling van meta materialen en Metasequoia vinden.

Een schematische figuur van het bowtie DNA origami ontwerp en de structurele details zijn weergegeven in Figuur 1. Agarose-gel elektroforese en AFM worden gebruikt om de DNA-origami vouwen en de kwaliteit van de PEG-zuivering te analyseren (Figuur 2). De processtroom van de nanolithografie stappen wordt weergegeven in Figuur 3. Representatieve AFM-beelden na SiO2 masker groei zijn weergegeven in Figuur 4 (deze stap is afgebeeld in Figuur 3D), terwijl SEM-afbeeldingen van de definitieve metalen nanostructuren kunnen worden gezien in Figuur 5 (deze stap is afgebeeld in Figuur 3H). Figuur 6 demonstreert de optische functionaliteit van de metallic nanostructuren die door de bowtie DNA-origami zijn gemaakt.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td colspan="5">Opklapbare buffer (FOB) component concentraties [mM]</td>
			<td></td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>Tris</td>
			<td>Azijnzuur</td>
			<td>Edta</td>
			<td>Magnesium chloride</td>
			<td>Ph</td>
		</tr>
<tr>
<td>2.5 x FOB</td>
			<td>100</td>
			<td>47,5</td>
			<td>2,5</td>
			<td>31,25</td>
			<td>~ 8, 3</td>
		</tr>
<tr>
<td>1x FOB</td>
			<td>40</td>
			<td>19</td>
			<td>1</td>
			<td>12,5</td>
			<td>~ 8, 3</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabel 1: samenstelling van de vouw buffer (FOB).
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td>Temperatuurbereik [oC]</td>
			<td>Koelsnelheid</td>
		</tr>
<tr>
<td>90-70</td>
			<td>-0,2 °C/8 s</td>
		</tr>
<tr>
<td>70-60</td>
			<td>-0,1 °C/8 s</td>
		</tr>
<tr>
<td>60-27</td>
			<td>-0,1 °C/2 s</td>
		</tr>
<tr>
<td>12</td>
			<td>Vasthouden tot gestopt</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabel 2: thermische helling voor de bowtie origami vouwen. Na het gloeien wordt de origami opgeslagen op 12 oC totdat het programma handmatig wordt gestopt.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td>PECVD en RIE parameters</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>Gas</td>
			<td>Gasstroom [SCCM]</td>
			<td>Druk op de kamer [mTorr]</td>
			<td>RF-vermogen [W]</td>
			<td>Temperatuur [oC]</td>
			<td>Duur [s]</td>
		</tr>
<tr>
<td>PECVD van a-Si</td>
			<td>5% SiH4 in N2
</td>
			<td>500</td>
			<td>1000</td>
			<td>15</td>
			<td>250</td>
			<td>90</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
<tr>
<td>O2 plasma behandeling</td>
			<td>O2
</td>
			<td>50</td>
			<td>40</td>
			<td>200</td>
			<td>30</td>
			<td>1200</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
<tr>
<td>RIE van SiO2
</td>
			<td>CHF3
</td>
			<td>25</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>Ar</td>
			<td>25</td>
			<td>30</td>
			<td>100</td>
			<td>25</td>
			<td>10-22</td>
		</tr>
<tr>
<td>RIE van a-Si</td>
			<td>O2
</td>
			<td>8</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>SF6
</td>
			<td>100</td>
			<td>90</td>
			<td>50</td>
			<td>30</td>
			<td>35</td>
		</tr>
<tr>
<td>RIE van de resterende a-Si</td>
			<td>O2
</td>
			<td>8</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>SF6
</td>
			<td>100</td>
			<td>90</td>
			<td>50</td>
			<td>30</td>
			<td>35-40</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabel 3: procesparameters voor plasma-enhanced chemical vapor depositie (PECVD) en reactieve Ion etsen (RIE). De procesparameters voor deze apparaten zijn specifiek voor individuele instrumenten en moeten mogelijk worden aangepast wanneer ze worden gebruikt.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig1.jpg"> Figuur 1: ontwerp van de bowtie DNA origami. (A) Schematische weergave van het bowtie origami-ontwerp waarin de kern structuur wordt weergegeven als dubbele helices en de polyt-uitsteeklengten worden afgebeeld als golvende lijnen. (B) Screenshot van een deel van het bowtie origami-ontwerp in de cadnano-software. De rode kruisjes duiden op het basis paar dat voor de twist correctie springt, en de T8-uitsteeklengten worden toegevoegd om botte-end base-stacking te voorkomen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig1large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig2.jpg"> Figuur 2: karakterisering van de bowtie DNA origami structuur. (A) agarose gel elektroforese van de bowtie structuur voor en na poly (ethyleenglycol) (PEG) zuivering. De 7249 nucleotiden Long steiger wordt gebruikt als referentie. (B) atoom kracht MICROSCOPIE (AFM) afbeelding van de bowtie structuren vóór de zuivering. (C) AFM beeld van de bowtie structuren na Peg zuivering. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig2large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig3.jpg"> Figuur 3: schema van fabricageproces stroom (de afmetingen zijn niet in schaal). (A) dobbelstenen en reinig de ondergrond. B) stort een a-Si-laag door plasma-versterkte chemische damp AFZETTING (PECVD). * Het is mogelijk om een extra opofferings laag onder de a-Si te gebruiken om de lift uit te schakelen met andere-etsmiddel dan HF. (C) behandel het monster oppervlak met O2 plasma en stort het DNA-origami erop. (D) kweek het SiO2 masker in desiccator. E) etch een dun laagje SiO2 en door de a-Si eronder door reactieve Ion etsen (RIE). F) stort metaal door het masker door fysische damp AFZETTING (PVD). G) heffen met HF. (H) Verwijder de resterende a-Si door RIE. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig3large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig4.jpg">
Figuur 4: representatieve AFM beelden van SiO2 film met het DNA origami gevormde patroon. A) het scangebied van 10 μm x 10 μm demonstreert de hoge opbrengst van de patroonvorming. B) een nauwkeuriger scan van 3 μm x 3 μm toont de precieze individuele patronen in de SiO2 -film. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig4large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig5.jpg"> Figuur 5: representatieve Scanning elektronenmicroscopie (SEM) beelden van metallische NANOstructuren met structureel verschillende DNA-origami. (A) cross-vormige DNA-origami, dat wil zeggen, zogenaamde Seeman tegel origami54. (B) bowtie antennes. (C) chirale dubbel-l (CDL) structuren. Insets vertonen individuele structuren met een doos grootte van 150 Nm x 150 Nm. De fabricage opbrengst van exacte structuren is tot 76% voor de bowtie origami en ~ 50% voor de andere structuren die hier worden weergegeven34. Dit cijfer is aangepast en aangepast van Shen et al.34. Het cijfer wordt gereproduceerd met toestemming van de auteurs en gepubliceerd door de American Association for the vooruitgang van de wetenschap, 2018. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig5large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig6.jpg"> Figuur 6: representatieve optische/functionele eigenschappen van resulterende nanostructuren. (A) gelokaliseerde oppervlakte Plasmon resonantie (lspr) metingen van een individuele gouden bowtie structuur met verschillende polarisatie (kleur gecodeerd als oranje en blauw). De ononderbroken lijnen worden gemeten Spectra en de onderbroken lijnen zijn simulatieresultaten. Insets tonen het SEM-beeld van het gemeten deeltje (links) en het model dat wordt gebruikt voor simulatie (rechts). B) oppervlakte versterkte Raman-SPECTROSCOPIE (Sers) van Rhodamine 6G en 2, 2-bipyridine, gemeten op een oppervlak bedekt met bowtie nanostructuren. De baseline van elk monster toont het signaalniveau wanneer de nanostructuren afwezig waren. Dit cijfer is aangepast en aangepast van Shen et al.34. Het cijfer wordt gereproduceerd met toestemming van de auteurs en gepubliceerd door de American Association for the vooruitgang van de wetenschap, 2018. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig6large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.</a>
<img alt="Supplemental File 1" src="/files/ftp_upload/60313/60313sup1.jpg"> Aanvullend bestand 1: CaDNAno-bestand <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/bowtie_poly-T.json" target="_blank">Klik hier om dit bestand te downloaden.</a>
<img alt="Supplemental File 2" src="/files/ftp_upload/60313/60313sup2.jpg"> Aanvullend bestand 2: m13mp18 volgorde <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/m13mp18_sequence.txt" target="_blank">Klik hier om dit bestand te downloaden.</a>
<img alt="Supplemental File 3" src="/files/ftp_upload/60313/60313sup3.jpg"> Aanvullend bestand 3: niet-streng volgorde <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/bowtie_staple_sequences.xlsx" target="_blank">Klik hier om dit bestand te downloaden.</a>

Watch this Scientific Journal Video about DNA Origami-Mediated Substrate Nanopatterning of Inorganic Structures for Sensing Applications at JoVE.com

DNA Origami-Mediated Substrate Nanopatterning of Inorganic Structures for Sensing Applications

Hier beschrijven we een protocol om discrete en nauwkeurige anorganische nanostructuren op substraten te maken met behulp van DNA-origami vormen als leidende templates. De methode wordt aangetoond door het creëren van plasmonic gouden bowtie-vormige antennes op een transparante ondergrond (Sapphire).

DNA origami-gemedieerde substraat nano-Atterning van anorganische structuren voor sensing toepassingen

Structural DNA nanotechnology provides a viable route for building from the bottom-up using DNA as construction material. The most common DNA ...

Dit protocol combineert de bottom-up gebaseerde DNA origami techniek met top-down nanofabricage methoden waardoor de parallelle fabricage van anorganische nanostructuren met sub-10 nanometer functie maten op verschillende substraten. Deze techniek kan worden gebruikt om miljarden nauwkeurige nanostructuren in één keer te creëren, vrijwel in elke vorm zonder de noodzaak van dure patronenmethoden. Deze methode heeft het potentieel om te worden benut in het ontdekken van toepassingen zoals oppervlak verbeterde Raman spectroscopie, evenals om nieuwe optische metasurfaces te creëren.Hoewel dit protocol vrij eenvoudig is, zijn meer disciplinaire fabricagevaardigheden nodig en daarom zal visuele demonstratie nuttig zijn voor onderzoekers met verschillende achtergronden. Het aantonen van de procedure met Petteri Piskunen zal Sofia Julin, een andere grad student van ons lab. Om de voorraad van nietje strengen te maken, meng gelijke hoeveelheden van alle oligonucleotiden die nodig zijn voor de vlinderdas structuur en meng 20 microliters van de M13 MP18 steiger streng met 40 microliter van de nietjes voorraad oplossing en 40 microliters van 2,5 X vouwen buffer in een 200 microliter PCR buis.Dan anneal de reactie mengsel in een thermocycler van 90 tot 27 graden Celsius zoals beschreven in de tabel. Om het substraat voor te bereiden, dompel ongeveer zeven bij zeven millimeter chips uit een saffierwafer in een glazen container van 52 graden Celsius aceton gedurende ten minste 15 minuten voordat u de chips in een glazen container van isopropanol gedurende twee minuten van sonicatie. Gebruik aan het einde van de sonicatie een pincet om de chips uit de isopropanol te verwijderen en droog de spanen onmiddellijk met stikstof op de hoogst mogelijke stroom met de spaanvlakken parallel aan de richting van de stroom.Voor plasma-verbeterde chemische dampdepositie van de amorfe siliciumlaag, plaats de gedroogde chips in het plasma-verbeterde chemische damp depositie instrument en stel de depositie parameters volgens het instrument model en kalibratie te groeien ongeveer 50 nanometer van amorf silicium. Voor zuurstofplasmabehandeling van de amorfe siliciumlaag plaatst u de chips in het reactieve ionenetsinstrument en stelt u de etsparameters in om zuurstofplasma te genereren volgens het instrumentmodel en de kalibratie. Voer dan het zuurstofplasma behandelingsprogramma uit.Meng binnen 30 minuten na de zuurstofplasmabehandeling vijf microliter gevouwen en gezuiverde DNA-origami-oplossing met vier microliters vouwbuffer en één microliter van één molaire magnesiumchloride. Deponeren 10 microliter van het DNA-origamimengsel op elke zuurstofplasma behandelde chip en bedek de chips gedurende een incubatie van vijf minuten bij kamertemperatuur. Aan het einde van de incubatie, was de spaanoppervlakken met 100 microliters gedestilleerd water, spoel het water heen en weer een paar keer met de pipet, terwijl het vermijden van het aanraken van de centra van de chips.Na ashing twee tot drie keer zoals net aangetoond, onmiddellijk droog de chips met stikstof stroom. Om een siliciumdioxidemasker te kweken, meng 100 gram silicagel met 30 milliliter gedestilleerd water. Plaats het silicagelmengsel in een desiccator en scheid de gel met een geperforeerde plaat.Na 24 uur plaatst u de chips met geadsorbeerde DNA-origami op het geperforeerde platform in de desiccator en plaatst u een flesje met 10 milliliter tetraethyl orthosilicaat aan de ene kant van de chips en een flesje met 10 milliliter 25%ammoniumhydroxide aan de andere kant van de chips. Sluit vervolgens de kamer af voor een incubatie van 20 uur bij kamertemperatuur. Aan het einde van de incubatie zal een siliciumdioxidefilm zich hebben gevormd op de gebieden zonder de DNA-origamistructuren, waardoor een masker met 10 tot 20 nanometer met PATROON ontstaat met DNA-origamivormige gaten.Voor reactieve ionenets van het siliciumdioxide plaatst u de spanen in het reactieve ionenetsinstrument en stelt u de etsparameters in om slechts twee tot vijf manometers van het siliciumdioxide te etsen om de amorfe siliciumlaag onder de gaten in het siliciumdioxidemasker te onthullen. Alle etsparameters moeten worden geoptimaliseerd voor de gekozen instrumenten, omdat de juiste parameters afhankelijk zijn van het type apparatuur en de specifieke opstelling. Sommige iteraties kunnen nodig zijn.Na het uitvoeren van de anisotropische siliciumdioxide plasma etsprogramma, stel de etsparameters te doorboren door de 50 nanometer amorfe silicium laag. Voer dan het isotropische silicium plasm etsprogramma uit. Laad de spanen voor fysieke dampdepositie in de verdampingskamer van het fysieke dampdepositie-instrument en selecteer een lijmdoelmetaal.Stel het diktecontroleprogramma in voor het doelmateriaal en de dikte en start de elektronenbundel, lijn de bundel uit op het doel en verhoog de bundelstroom tot een depositiesnelheid van 0,05 nanometer per seconde is bereikt. Verdampen vervolgens tot een uiteindelijke dikte van twee nanometer is bereikt. Selecteer aan het einde van de verdamping het tweede doelmetaal zonder de kamer te ontluchten of het proces te onderbreken en stel de dikte in.Lijn de elektronenbundel uit op het doel tot een 0,05 nanometer per seconde afzettingssnelheid wordt bereikt voordat verdampen tot een dikte van 20 nanometer is bereikt. De DNA origami vormige metalen structuur zal worden gemaakt door middel van de siliciumdioxide masker gaten met de totale hoogte van 22 nanometer. Na het ontluchten van de kamer, verwijder monsters.Voor hydrofluorzuur liftoff, dompel de monsters in fluorwaterstof zuur gebaseerde etchant en gebruik plastic pincet om de monsters zachtjes te roeren. Wacht tot de siliciumdioxidelaag volledig is geseetsd en dat de metaallaag is losgemaakt voordat u de monsters met dubbel gedestilleerd water en isopropanol spoelt. Droog vervolgens de monsters met een stikstofstroom zoals aangetoond.Voor reactieve ionenets van het resterende amorfe silicium, plaats de spanen in het reactieve ionenetsinstrument en stel de etsparameters in voor door verwijdering van alle 50 nanometers van het amorfe silicium. Voer het isotropische amorfe siliciumplasmaetsprogramma uit om het resterende amorfe silicium te verwijderen. Verwijder vervolgens de monsters uit de reactieve ionenetsapparatuur en bewaar ze in een overdekte container.Agarose gel elektroforese en atomaire kracht microscopie kan worden gebruikt om de DNA origami vouwen en de kwaliteit van de polyethyleen glycol zuivering te analyseren. Hier worden representatieve atomaire krachtmicroscopiebeelden getoond na de groei van het siliciumdioxidemasker. Terwijl in deze beelden, scanning elektronenmicroscopie van de uiteindelijke metalen nanostructuren kan worden waargenomen.In deze grafieken werd de optische functionaliteit van de metalen nanostructuren, sjabloon door de vlinderdas DNA origami, geanalyseerd. Siliciumdioxide masker groei is cruciaal voor het proces en is nogal gevoelig voor de vochtigheid en reactiviteit van TEOS. Daarom moeten deze parameters zorgvuldig worden gecontroleerd op reproduceerbaarheid.Als de DNA-origamitechniek verder wordt gecombineerd met zeer geordende DNA-patronen, zou het de weg kunnen effenen voor de fabricage van metamaterialen en oppervlakken op de zichtbare golflengte.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Microfluidic On-chip Capture-cycloaddition Reaction to Reversibly Immobilize Small Molecules or Multi-component Structures for Biosensor Applications

Microfluïdische On-chip Capture-cycloadditiereactie omkeerbaar Immobiliseer Small Molecules of Multi-component Structuren voor biosensortoepassingen

Methods  for rapid surface immobilization of bioactive small molecules with control over  orientation and immobilization density are highly desirable for ...

Formation of Ordered Biomolecular Structures by the Self-assembly of Short Peptides

Vorming van Bestelde Biomoleculaire structuren door de zelf-assemblage van korte peptiden

In nature, complex functional structures are formed by the self-assembly of biomolecules under mild conditions. Understanding the forces that control ...

Preparation of Hydrophobic Metal-Organic Frameworks via Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition of Perfluoroalkanes for the Removal of Ammonia

Voorbereiding van hydrofobe Metal-Organic Frameworks via Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition van perfluoralkanen voor de verwijdering van ammoniak

Plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) of perfluoroalkanes has long been studied for tuning the wetting properties of surfaces. For high ...

Mizoroki-Heck Cross-coupling Reactions Catalyzed by Dichloro{bis[1,1',1''-(phosphinetriyl)tripiperidine]}palladium Under Mild Reaction Conditions

Mizoroki-Heck Cross-coupling Reactions Catalyzed by Dichloro{bis[1,1',1''-phosphinetriyltripiperidine]}palladium Under Mild Reaction Conditions

Mizoroki-Heck De koppeling gekatalyseerd door Dichloro {bis [1,1 &#39;, 1&#39;&#39; - (phosphinetriyl) tripiperidine]} palladium onder milde Reactieomstandigheden

Dichloro-bis(aminophosphine) complexes of palladium with the general formula of [(P{(NC5H10)3-n(C6H11)n})2Pd(Cl)2] (where n = 0-2), belong to a new family ...

Highly Stable, Functional Hairy Nanoparticles and Biopolymers from Wood Fibers: Towards Sustainable Nanotechnology

Sterk Stabiel, Functioneel Hairy Nanodeeltjes en Biopolymeren uit houtvezels: Towards Sustainable Nanotechnologie

Nanoparticles, as one of the key materials in nanotechnology and nanomedicine, have gained significant importance during the past decade. While ...

The Synthesis of [Sn10(Si(SiMe3)3)4]2- Using a Metastable Sn(I) Halide Solution Synthesized via a Co-condensation Technique

The Synthesis of [Sn10SiSiMe334]2- Using a Metastable SnI Halide Solution Synthesized via a Co-condensation Technique

De synthese van [Sn<sub&gt; 10</sub&gt; (Si (SiMe<sub&gt; 3</sub&gt;)<sub&gt; 3</sub&gt;)<sub&gt; 4</sub&gt;]<sup&gt; 2</sup<sup&gt; -</sup&gt; Met behulp van een Metastabiel Sn (I) Halide Solution bereid met een Co-condensatie Techniek

The number of well-characterized metalloid tin clusters, synthesized by applying the disproportionation of a metastable Sn(I) halide in the presence of a ...

Insights into the Interactions of Amino Acids and Peptides with Inorganic Materials Using Single-Molecule Force Spectroscopy

Inzicht in de interacties van aminozuren en peptiden met anorganische materialen met behulp van enkel-molecuul Force Spectroscopie

The interactions between proteins or peptides and inorganic materials lead to several interesting processes. For example, combining proteins with minerals ...

Simple Methods for the Preparation of Non-noble Metal Bulk-electrodes for Electrocatalytic Applications

Eenvoudige methoden voor de bereiding van niet-edele metalen bulk-elektroden voor elektrokatalytische toepassingen

The rock material pentlandite with the composition Fe4.5Ni4.5S8 was synthesized via high temperature synthesis from the elements. The structure and ...

Inkjet Printing All Inorganic Halide Perovskite Inks for Photovoltaic Applications

Inkjet printen van alle anorganische halogenide perovskiet inkten voor fotovoltaïsche toepassingen

A method for synthesizing photoactive inorganic&#160;perovskite quantum dot inks and an inkjet printer deposition method, using the synthesized inks, are ...

Iron Nanowire Fabrication by Nano-Porous Anodized Aluminum and its Characterization

Ijzer-Nanodraad fabricage door nano-poreus geanodiseerd aluminium en de karakterisering ervan

Magnetic nanowires possess unique properties that have attracted the interest of different fields of research, including basic physics, biomedicine, and ...