Name: dna origami-mediated substrate nanopatterning of inorganic structures for sensing applications
Uploaded: 2019-09-27T15:00:00
Duration: 8 min 59 s
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Diese Arbeit wurde von der Akademie Finnlands (Projekte 286845, 308578, 303804, 267497), der Jane and Aatos Erkko Foundation und der Sigrid Jusélius Foundation unterstützt. Diese Arbeiten wurden im Rahmen des Exzellenzprogramms der Akademie Finnlands (2014–2019) durchgeführt. Wir würdigen die Bereitstellung von Einrichtungen und technische Unterstützung durch Aalto University Bioeconomy Facilities und OtaNano – Nanomicroscopy Center (Aalto-NMC) und Micronova Nanofabrication Center.

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Das Protokoll bietet große Freiheit und Genauigkeit in Form von produzierten Nanostrukturen. Durch die Änderung des Designs der DNA-Origami kann die Form der Metall-Nanostrukturen gesteuert werden. Die endgültige, exakte Form der Metallstrukturen wird zusätzlich durch den Maskenwachstumsschritt (Schritt 9) und in geringerem Maße durch die Maskenätzung (Schritt 10) bestimmt, sollte sie nicht anisotrop sein. Wenn die Maskenwachstumszeit genug verlängert wird, beginnen die Löcher in der Maske geschlossen zu wachsen. Dies kann verwendet werden, um die dünnsten Merkmale einiger Strukturen wegzulassen und Spaltgrößen zu kontrollieren, wie in Shen et al.34 mit getrennten Dreiecken der Fliege Origami (Abbildungen 5B) gezeigt. Umgekehrt können dünnere Formen besser erhalten werden, indem die Oxidwachstumszeit verkürzt wird. Dies bedeutet, dass es möglich ist, die in Abbildung 6dargestellten optischen Eigenschaften zu optimieren, nicht nur durch Änderung des verwendeten Origami-Designs, sondern auch durch Die Optimierung des SiO 2-Filmwachstums.

Wenn sich die Maskendicke deutlich ändert, muss diese Änderung auch im SiO2 RIE-Schritt widergespiegelt werden. Nur eine sehr dünne Schicht von SiO2 sollte geätzt werden (2-5 nm), um kaum durch die Maskenlöcher zu durchdringen. Dies ist der sensibelste und wichtigste Teil des gesamten Prozesses. Da die Ätzzeit extrem kurz ist, nur 10-20 s, müssen beim ersten Versuch mit neuen Geräten experimentell genaue Einstellungen ermittelt werden. Dies gilt auch für Schritt 10.4, da einige SiO2 auch während der a-Si Radierung geätzt werden. Der Umfang des geätzten SiO2 wird durch die Selektivität der verwendeten a-Si Etch Parameter, Geräte und sogar individuelle Gerätekalibrierungen bestimmt. Es sollte darauf geachtet werden, dass während dieser beiden Prozesse nicht die gesamte SiO2-Schicht weggeätzt wird.

Ein weiterer sensibler Schritt ist das SiO 2-Wachstum. Der Wachstumsprozess ist sowohl von der Kammerfeuchtigkeit als auch von der aktuellen Aktivität des verwendeten TEOS abhängig. TEOS degradiert, wenn es Wasser aus der Luft adsorbiert, wodurch es mit dem Alter weniger wirksam wird. Dies kann sich als deutlich langsamere, weniger kontrollierbare Wachstumsrate innerhalb von Monaten manifestieren, selbst bei ordnungsgemäßer Lagerung der Chemikalie. 34 Wenn die resultierende SiO2-Schicht dünner als vorgesehen ist, kann dies auf ein Problem mit TEOS und nicht auf Kammerfeuchtigkeit hinweisen. Während eine niedrigere Luftfeuchtigkeit auch zu einer geringeren Wachstumsrate und einem dünneren Film führen kann, sollte die resultierende Folie auch glatter als normal sein. In der Zwischenzeit würde eine grobkörnige und grobe Schicht umgekehrt auf ein Problem mit hoher Luftfeuchtigkeit hinweisen.

Es ist auch möglich, dieses Protokoll auf jedem anderen frei gewählten Substrat mit zwei Anforderungen durchzuführen: Es muss sowohl HF-Ätzen (Schritt 12) als auch die 200-300 °C-Temperaturen von PECVD (Schritt 6) vertragen. Die Temperatur kann für den PECVD von a-Si sicher auf 100 °C gesenkt werden, wenn ein empfindlicheres Substrat verwendet wird, aber HF kann nicht vermieden werden, wenn das Protokoll genau wie beschrieben befolgt wird. Um HF zu umgehen, wäre die Anwendung einer zusätzlichen Opferschicht erforderlich. Wenn die Anforderung der HF-Ätzung entfernt wird, würde dieses Protokoll mit einer breiteren Auswahl an Substratmaterialien und Metallen kompatibel werden.

Da dieses Protokoll aus häufig verwendeten und robusten Mikro- und Nanofertigungverfahren besteht, könnte es mit einer beliebigen Anzahl anderer Mikrofabrikationsprotokolle kombiniert werden, bei denen kleine Merkmalsgrößen und komplexe Metallformen gewünscht werden. In naher Zukunft, insbesondere mit der Einführung von low-cost DNA Origami Massenproduktion31, gibt es Potenzial für diese Methode, sowohl allgemeine Verwendung und High-Throughput Nanopatterning für schnittstellenbasierte Nanophotonik und Plasmonik zu erleichtern55 .

Strukturelle DNA-Nanotechnologie hat sich in den letzten zehn Jahren rasant entwickelt1,2, und die einflussreichste Entwicklung auf diesem Gebiet war wohl die Erfindung von DNA-Origami3,4. Die DNA-Origami-Technik ermöglicht die Herstellung praktisch jeder Nanoform mit genauen Strukturmerkmalen3,4. Diese leistungsstarke Methode kann in (sub)nanometerpräzisen räumlichen Anordnungen und Verankerungen anderer Nanoobjekte wie Kohlenstoffnanoröhren5, Metallnanopartikel6,7,8, 9, Enzyme/Proteine10,11,12,13 und therapeutische Materialien14,15,16,17 . Wichtig ist, dass diese Strukturen nicht nur statisch sind, sondern auch so programmiert werden können, dass sie dynamisch wirken18,19. Die unzähligen Anwendungen von DNA-Origami reichen von der Medikamentenabgabe20,21,22 bis hin zu Molekularelektronik/Plasmonik5,23,24, 25 und von der Materialwissenschaft26,27 zu neuartigen Bildgebungs- und Kalibriertechniken28.

Neben den oben genannten Anwendungen könnte die extreme räumliche Auflösung der DNA-Origami-Formen in der Nanomusterung und der filigranen Nanolithographie29,30genutzt werden. Dieses Protokoll beschreibt eine Lithographiemethode zur Erstellung diskreter und genauer anorganischer Nanostrukturen auf Substraten mit DNA-Origami-Vorlagen. Diese Schablonen können effizient in verschiedenen Formen und in großen Mengen31hergestellt und mühelos auf ausgewählten Substraten in großen Maßstäben32abgelagert werden. Diese Eigenschaften ermöglichen eine hochgradig parallele Herstellung von Milliarden von Nanostrukturen in einem Schritt im Gegensatz zu häufig verwendeten, aber eher langsamen Elektronenstrahllithographie oder anderen scanning-basierten Nanofabrikationstechniken.

Hierbei wird der Herstellungsprozess durch die Schaffung von goldförmigen, bogenförmigen Strukturen auf Siliziumnitrid- und Saphirsubstraten demonstriert; Mit anderen Worten, die räumliche Information von DNA-Origami wird auf vollständig metallische Nanostrukturen übertragen. Wie hier erläutert, ist die Technik nicht auf die ausgewählte Bowtie-DNA-Origami-Struktur beschränkt, da die Methode die Verwendung praktisch jeder DNA-Origami-Form ermöglicht. Darüber hinaus kann die Technik mit methodischen Modifikationen auf verschiedene Metalle und Substrate erweitert werden, die den Weg zur Herstellung von Metaoberflächen ebnen33.

Die oberflächengemusterten mit der DNA Origami-vermittelten Fertigung können als vielseitige Sensoren dienen; Sie können beispielsweise in der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie (SERS) eingesetzt werden. Aufgrund der geringen Abmessungen der einzelnen Nanoformen können die erstellten Oberflächen in optischen und plasmonischen Anwendungen im sichtbaren Wellenlängenbereich eingesetzt werden.

<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

Die strukturelle DNA-Nanotechnologie bietet einen gangbaren Weg, um von unten nach oben mit DNA als Baumaterial zu bauen. Die gängigste DNA-Nanofabrikationstechnik heißt DNA-Origami und ermöglicht eine hochdurchsatzhohe Synthese präziser und äußerst vielseitiger Strukturen mit Nanometer-Präzision. Hier wird gezeigt, wie die räumlichen Informationen von DNA-Origami auf metallische Nanostrukturen übertragen werden können, indem die Bottom-up-DNA-Origami mit den konventionell verwendeten Top-Down-Lithographieansätzen kombiniert werden. Dies ermöglicht die Herstellung von Milliarden winziger Nanostrukturen in einem Schritt auf ausgewählte Substrate. Das Verfahren wird mit Bowtie-DNA-Origami demonstriert, um metallische, bogenförmige Antennenstrukturen auf Siliziumnitrid- oder Saphirsubstraten zu erzeugen. Das Verfahren beruht auf dem selektiven Wachstum einer Siliziumoxidschicht auf dem Origami-Abscheidungssubstrat, was zu einer Mustermaske für die folgenden lithographischen Schritte führt. Diese mit Nanostrukturen ausgestatteten Oberflächen können aufgrund der geringen Funktionsgrößen (unter 10 nm) weiter als molekulare Sensoren (z.B. oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS)) und in verschiedenen anderen optischen Anwendungen im sichtbaren Wellenlängenbereich eingesetzt werden. Die Technik kann durch methodische Modifikationen auf andere Materialien ausgedehnt werden; Daher können die resultierenden optisch aktiven Oberflächen bei der Entwicklung von Metamaterialien und Metaoberflächen zum Einsatz kommen.

Eine schematische Figur des Bowtie DNA Origami Designs und seiner strukturellen Details sind in Abbildung 1dargestellt. Agarose-Gel-Elektrophorese und AFM werden verwendet, um die DNA-Origami-Faltung und die Qualität der PEG-Reinigung zu analysieren (Abbildung 2). Der Prozessablauf der Nanolithographieschritte ist in Abbildung 3dargestellt. Repräsentative AFM-Bilder nach dem SiO 2-Maskenwachstum sind in Abbildung 4 dargestellt (dieser Schritt ist in Abbildung 3Ddargestellt), während SEM-Bilder der endgültigen Metall-Nanostrukturen in Abbildung 5 zu sehen sind (dieser Schritt ist in Abbildung 5 dargestellt Abbildung 3H). Abbildung 6 zeigt die optische Funktionalität der metallischen Nanostrukturen, die von der Bowtie DNA Origami vorlagen.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td colspan="5">Faltpuffer (FOB) Komponentenkonzentrationen [mM]</td>
			<td></td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>Tris</td>
			<td>essigsäure</td>
			<td>Edta</td>
			<td>Magnesiumchlorid</td>
			<td>Ph</td>
		</tr>
<tr>
<td>2.5x FOB</td>
			<td>100</td>
			<td>47.5</td>
			<td>2.5</td>
			<td>31.25</td>
			<td>Nr. 8,3</td>
		</tr>
<tr>
<td>1x FOB</td>
			<td>40</td>
			<td>19</td>
			<td>1</td>
			<td>12.5</td>
			<td>Nr. 8,3</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabelle 1: Zusammensetzung des Faltpuffers (FOB).
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td>Temperaturbereich [oC]</td>
			<td>Kühlrate</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>Halten, bis gestoppt</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabelle 2: Thermische Rampe für die Fliege Origami Faltung. Nach dem Glühen wird der Origami bei 12 oC gespeichert, bis das Programm manuell gestoppt wird.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td>PECVD- und RIE-Parameter</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>gas</td>
			<td>Gasdurchfluss [sccm]</td>
			<td>Kammerdruck [mTorr]</td>
			<td>HF-Leistung [W]</td>
			<td>Temperatur [oC]</td>
			<td>Dauer [s]</td>
		</tr>
<tr>
<td>PECVD von 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 Plasmabehandlung</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 von 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 von 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 der verbleibenden 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>Tabelle 3: Prozessparameter für plasmaverstärkte chemische Dampfabscheidung (PECVD) und reaktive Ionenätzung (RIE). Die Prozessparameter für diese Geräte sind spezifisch für einzelne Instrumente und müssen bei Verwendung möglicherweise angepasst werden.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig1.jpg"> Abbildung 1: Design der Fliege DNA Origami. (A) Schematische Darstellung des Bowtie-Origami-Designs, bei dem die Kernstruktur als Doppelhelices dargestellt wird und die PolyT-Überhänge als wellenförmige Linien dargestellt werden. (B) Screenshot eines Teils des Bowtie Origami Designs in der caDNAno Software. Die roten Kreuze bezeichnen das Überspringen des Basispaares fürdie Drehkorrektur, und die T 8-Überhänge werden hinzugefügt, um stumpfes Basisstapeln zu verhindern. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig2.jpg"> Abbildung 2: Charakterisierung der Bowtie-DNA-Origami-Struktur. (A) Agarose-Gel-Elektrophorese der Bowtie-Struktur vor und nach der Poly-(Ethylenglykol) (PEG) Reinigung. Als Referenz dient das 7249 Nukleotide lange Gerüst. (B) Atomkraftmikroskopie (AFM) Bild der Bogenstrukturen vor der Reinigung. (C) AFM-Bild der Fliegestrukturen nach PEG-Reinigung. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig3.jpg"> Abbildung 3:Schema des Fertigungsprozesses (die Abmessungen sind nicht imMaßstab). (A) Würfeln und reinigen Sie das Substrat. (B) Hinterlegung einer a-Si-Schicht durch plasmaverstärkte chemische Dampfabscheidung (PECVD). *Es ist möglich, eine zusätzliche Opferschicht unter dem a-Si zu verwenden, um einen Abheben mit anderen etchant als HF zu ermöglichen. (C) Behandeln Sie die Probenoberfläche mitO2-Plasma und legen Sie DNA-Origami darauf ab. (D) Wachsen Sie die SiO2 Maske im Trockenbau. (E) Ätzen Sie eine dünne Schicht von SiO2 und durch die darunter liegende a-Si durch reaktive Ionenätzung (RIE). (F) Metall durch die Maske durch physikalische Dampfabscheidung (PVD) ablagern. (G) Abheben mit HF. (H) entfernen Sie den restlichen a-Si durch RIE. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig4.jpg">
Abbildung 4: Repräsentative AFM-Bilder von SiO2-Filmen mit dem DNA-Origami-förmigen Muster. (A) Der Scanbereich von 10 x 10 m zeigt die hohe Ausbeute der Musterbildung. (B) Ein näherer Scan zeigt die genauen Einzelmuster im SiO2-Film. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig5.jpg"> Abbildung 5: Repräsentative Rasterelektronenmikroskopie (SEM) Bilder von metallischen Nanostrukturen mit strukturell unterschiedlichen DNA-Origami. (A) Kreuzförmige DNA-Origami, d.h. sogenannte Seeman-Fliesenorigami54. (B) Bowtie-Antennen. (C) Chirale Doppel-L-Strukturen (CDL). Insets zeigen individuelle Strukturen mit Kastengrößen von 150 nm x 150 nm. Die Fertigungsausbeute exakter Strukturen beträgt bis zu 76% für die Fliege Origami undfür die anderen hier dargestellten Strukturen 50%. Diese Figur wurde von Shen et al.34angepasst und modifiziert. Die Figur wird mit Genehmigung der Autoren reproduziert und von der American Association for the Advancement of Science, 2018 veröffentlicht. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig5large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig6.jpg"> Abbildung 6: Repräsentative optische/funktionelle Eigenschaften der resultierenden Nanostrukturen. (A) Lokalisierte Oberflächen-Plasmonresonanz (LSPR) Messungen einer individuellen Gold-Bogenstruktur mit unterschiedlicher Polarisation (Farbe kodiert als orange und blau). Die durchgezogenen Linien sind gemessene Spektren und die gestrichelten Linien sind Simulationsergebnisse. Insets zeigen das SEM-Bild des gemessenen Partikels (links) und das modell, das für die Simulation verwendet wird (rechts). (B) Oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS) von Rhodamin 6G und 2,2-Bipyridin, gemessen auf einer Oberfläche, die mit Fliege-Nanostrukturen bedeckt ist. Die Basislinie jeder Probe zeigt den Signalpegel, wenn die Nanostrukturen fehlten. Diese Figur wurde von Shen et al.34angepasst und modifiziert. Die Figur wird mit Genehmigung der Autoren reproduziert und von der American Association for the Advancement of Science, 2018 veröffentlicht. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig6large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<img alt="Supplemental File 1" src="/files/ftp_upload/60313/60313sup1.jpg"> Ergänzende Datei 1: CaDNAno Datei <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/bowtie_poly-T.json" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.</a>
<img alt="Supplemental File 2" src="/files/ftp_upload/60313/60313sup2.jpg"> Ergänzende Datei 2: m13mp18 Sequenz <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/m13mp18_sequence.txt" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.</a>
<img alt="Supplemental File 3" src="/files/ftp_upload/60313/60313sup3.jpg"> Ergänzende Datei 3: Heftstrang Sequenz <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/bowtie_staple_sequences.xlsx" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.</a>

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

Hier beschreiben wir ein Protokoll zur Erstellung diskreter und genauer anorganischer Nanostrukturen auf Substraten, die DNA-Origami-Formen als Leitmotive verwenden. Die Methode wird durch die Erstellung von plasmonischen Gold-Bowtie-förmigen Antennen auf einem transparenten Substrat (Saphir) demonstriert.

DNA Origami-vermittelte Substrat Nanomusterung von anorganischen Strukturen für Sensoranwendungen

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

Dieses Protokoll kombiniert die Bottom-up-basierte DNA-Origami-Technik mit Top-Down-Nano-Fabricationsmethoden, die die parallele Herstellung von anorganischen Nanostrukturen mit Sub-10-Nanometer-Feature-Größen auf verschiedenen Substraten ermöglichen. Diese Technik kann verwendet werden, um Milliarden von genauen Nanostrukturen auf einmal zu erstellen, praktisch in jeder Form, ohne dass teure Mustermethoden erforderlich sind. Diese Methode hat das Potenzial, in Sensoranwendungen wie der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie genutzt zu werden und neuartige optische Metaoberflächen zu erzeugen.Obwohl dieses Protokoll ziemlich einfach ist, sind mehr die disziplinären Fertigungsfähigkeiten erforderlich, und daher wird die visuelle Demonstration für Forscher mit einer Vielzahl von Hintergründen nützlich sein. Demonstriert das Verfahren mit Petteri Piskunen wird Sofia Julin, eine weitere Studentin aus unserem Labor. Um den Bestand an Stapelsträngen herzustellen, mischen Sie die gleichen Mengen aller Oligonukleotide, die für die Bogenbindestruktur benötigt werden, und mischen Sie 20 Mikroliter des M13 MP18 Gerüststrangs mit 40 Mikrolitern der Stapelheftstofflösung und 40 Mikroliter 2,5 X Faltpuffer in einem 200-Mikroliter-PCR-Rohr.Dann anneal das Reaktionsgemisch in einem Thermocycler von 90 bis 27 Grad Celsius, wie in der Tabelle beschrieben. Zur Vorbereitung des Substrats etwa sieben mal sieben Millimeter Chips, die aus einem Saphirwafer geschnitten werden, mindestens 15 Minuten lang in einen Glasbehälter mit 52 Grad Celsius Aceton eintauchen, bevor sie die Chips für zwei Minuten Beschallung in einen Glasbehälter mit Isopropanol überführen. Verwenden Sie am Ende der Beschallung eine Pinzette, um die Späne aus dem Isopropanol zu entfernen und die Späne sofort mit Stickstoff bei dem höchstmöglichen Durchfluss zu trocknen, wobei die Spanoberflächen parallel zur Strömungsrichtung möglich sind.Legen Sie die getrockneten Späne für die plasmaverstärkte chemische Dampfabscheidung der amorphen Siliziumschicht in das plasmaverstärkte chemische Dampfabscheidungsgerät und legen Sie die Abscheidungsparameter entsprechend dem Instrumentenmodell und der Kalibrierung auf etwa 50 Nanometer amorphes Silizium fest. Legen Sie die Späne für die Sauerstoffplasmabehandlung der amorphen Siliziumschicht in das reaktive Ionenätzgerät und legen Sie die Ätzparameter so ein, dass Sauerstoffplasma entsprechend dem Gerätemodell und der Kalibrierung erzeugt wird. Führen Sie dann das Sauerstoffplasma-Behandlungsprogramm aus.Mischen Sie innerhalb von 30 Minuten nach der Sauerstoffplasmabehandlung fünf Mikroliter gefalteter und gereinigter DNA-Origami-Lösung mit vier MikroliterN Faltpuffer und einem Mikroliter eines Mol-Magnesiumchlorids. Legen Sie 10 Mikroliter des DNA-Origami-Gemischs auf jeden mit Sauerstoffplasma behandelten Chip ab und decken Sie die Chips für eine fünfminütige Inkubation bei Raumtemperatur ab. Am Ende der Inkubation die Spanoberflächen mit 100 Mikroliter destilliertem Wasser waschen, das Wasser ein paar Mal mit der Pipette hin- und herspülen und dabei vermeiden, die Mitten der Späne zu berühren.Nach zwei bis drei weiteren Vereisungsversuchen, wie gerade gezeigt, trocknen Sie die Späne sofort mit Stickstofffluss. Um eine Silikondioxidmaske anzubauen, mischen Sie 100 Gramm Kieselgel mit 30 Milliliter destilliertem Wasser. Die Kieselgelmischung in einen Trockenbau geben und das Gel mit einer perforierten Platte trennen.Nach 24 Stunden die Chips mit adsorbiertem DNA-Origami auf die perforierte Plattform im Trockenbau geben und eine Durchstechflasche mit 10 Milliliter Tetraethylorthosilikat auf der einen Seite der Chips und eine Durchstechflasche mit 10 Millilitern 25%Ammoniumhydroxid auf der anderen Seite der Chips platzieren. Dann versiegeln Sie die Kammer für eine 20-stündige Inkubation bei Raumtemperatur. Am Ende der Inkubation wird sich auf den Bereichen ohne DNA-Origami-Strukturen ein Siliziumdioxidfilm gebildet haben, der eine 10 bis 20 Nanometer gemusterte Maske mit DNA-Origami-förmigen Löchern bildet.Zur reaktiven Ionenätzung des Siliziumdioxids legen Sie die Chips in das reaktive Ionenätzungsgerät und setzen Sie die Ätzparameter auf ätzen nur zwei bis fünf Manometer des Siliziumdioxids, um die amorphe Siliziumschicht unter den Löchern in der Siliziumdioxidmaske zu offenbaren. Alle Ätzparameter sollten für die gewählten Instrumente optimiert werden, da die richtigen Parameter von der Art der Ausrüstung und der spezifischen Einrichtung abhängen. Möglicherweise sind einige Iterationen erforderlich.Nach dem Ausführen des anisotropen Siliziumdioxid-Plasmaätzprogramms stellen Sie die Ätzparameter so ein, dass sie die 50 Nanometer amorphe Siliziumschicht durchbohren. Führen Sie dann das isotrope Silizium-Plasm-Ätzprogramm aus. Für die physikalische Dampfabscheidung die Späne in die Verdampfungskammer des physikalischen Dampfabscheidungsinstruments laden und ein Klebstoffzielmetall auswählen.Legen Sie das Dickenkontrollprogramm für das Zielmaterial und die Dicke fest und starten Sie den Elektronenstrahl, richten Sie den Strahl auf das Ziel aus und erhöhen Sie den Strahlstrom, bis eine Abscheidungsrate von 0,05 Nanometern pro Sekunde erreicht ist. Dann verdampfen, bis eine endgültige Dicke von zwei Nanometern erreicht ist. Wählen Sie am Ende der Verdampfung das zweite Zielmetall aus, ohne die Kammer zu entlüften oder den Prozess zu unterbrechen und die Dicke einzustellen.Richten Sie den Elektronenstrahl am Ziel aus, bis eine Abscheidungsrate von 0,05 Nanometern pro Sekunde erreicht ist, bevor eine Verdampfung erreicht wird, bis eine Dicke von 20 Nanometern erreicht ist. Die DNA-Origami-förmige Metallstruktur wird durch die Siliziumdioxid-Maskenlöcher mit einer Gesamthöhe von 22 Nanometern entstehen. Nach dem Entlüften der Kammer Proben entfernen.Zum Absetzen von Flusssäure, tauchen Sie die Proben in Flusssäure-basierte Etchant und verwenden Kunststoff Pinzette, um die Proben sanft zu rühren. Warten Sie, bis die Siliziumdioxidschicht vollständig ätzt und sich die Metallschicht löst, bevor die Proben mit doppelt destilliertem Wasser und Isopropanol abspült werden. Dann trocknen Sie die Proben mit einem Stickstofffluss, wie gezeigt.Zur reaktiven Ionenätzung des verbleibenden amorphen Siliziums die Chips in das reaktive Ionenätzungsinstrument legen und die Ätzparameter für die Entfernung aller 50 Nanometer des amorphen Siliziums einstellen. Führen Sie das isotrope amorphe Silizium-Plasmaätzprogramm aus, um das verbleibende amorphe Silizium zu entfernen. Dann entfernen Sie die Proben von den reaktiven Ionenätzgeräten und lagern Sie sie in einem abgedeckten Behälter.Agarose-Gel-Elektrophorese und Atomkraftmikroskopie können verwendet werden, um die DNA-Origami-Faltung und die Qualität der Polyethylenglykol-Reinigung zu analysieren. Hier werden repräsentative Atomkraftmikroskopiebilder nach Siliziumdioxidmaskenwachstum gezeigt. Während in diesen Bildern, Rasterelektronenmikroskopie der endgültigen Metall-Nanostrukturen beobachtet werden können.In diesen Graphen wurde die optische Funktionalität der metallischen Nanostrukturen analysiert, die von der Fliege DNA Origami vorlagen. Das Wachstum der Silikondioxidmaske ist entscheidend für den Prozess und empfindlich auf die Feuchtigkeit und Reaktivität von TEOS. Daher sollten diese Parameter sorgfältig auf Reproduzierbarkeit kontrolliert werden.Wenn die DNA-Origami-Technik weiter mit hochgeordneten DNA-Mustern kombiniert wird, könnte sie den Weg für die Herstellung von Metamaterialien und Oberflächen im sichtbaren Wellenlängenbereich ebnen.

Research

JoVE Journal

Chemistry

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

Mikrofluidik-On-Chip-Capture-Cycloaddition reversibel Unbeweglichkeitseffekt kleine Moleküle oder Mehrkomponenten-Strukturen für Biosensor-Anwendungen

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

Forschung

Chemie

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

Bildung geordneter Strukturen Biomolekulare durch die Selbstorganisation von kurzen 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

Herstellung von hydrophoben Metall-organische Gerüste über Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition von Perfluoralkanen für die Beseitigung von 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-Kreuzkupplungsreaktionen von Dichloro {bis [1,1 &#39;, 1&#39;&#39; - (phosphinetriyl) tripiperidine]} katalysierte Palladium unter milden Reaktionsbedingungen

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

Hochstabile, funktionelle Hairy Nanopartikel und Biopolymere aus Holzfasern für eine nachhaltige Nanotechnologie

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

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Die Synthese von [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; Eine metastabile Sn (I) halogenidlösung Verwendung über eine Co-Kondensationstechnik Synthetisierter

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

Einblicke in die Wechselwirkungen von Aminosäuren und Peptide mit anorganischen Materialien Verwendung von Einzelmolekülkraftspektroskopie

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

Einfache Methoden zur Herstellung von nicht edlen Metall-Bulk-Elektroden für elektrokatalytische Anwendungen

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-drucken alle anorganischen Halogenid-Perowskit-Tinten für photovoltaische Anwendungen

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

Eisen-Nanodraht-Fertigung durch nanoporöses eloxiertes Aluminium und seine Charakterisierung

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