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

עבודה זו היתה נתמכת על ידי האקדמיה של פינלנד (פרויקטים 286845, 308578, 303804, 267497), קרן Erkko של ג'יין ואטוס, ואת הקרן הסיגליליליוס. עבודה זו בוצעה תחת האקדמיה של פינלנד מרכזים של תוכנית מצוינות (2014-2019). אנו מכירים במתן מתקנים ותמיכה טכנית באמצעות מתקני הביוכלכלה של אוניברסיטת אלטו ומרכז OtaNano-Nanomicroscopy Center (Aalto-NMC) ומרכז מירורובה נאנאטיאבריציה.

. למחברים אין מה לגלות

הפרוטוקול מספק חופש ודיוק רב בצורה של ננו מבנים המיוצרים. על ידי שינוי העיצוב של אוריגמי ה-DNA, את הצורה של מבני ננו מתכת ניתן לשלוט. הצורה הסופית והמדויקת של מבני המתכת נקבעת בנוסף על-ידי שלב הצמיחה של המסכה (שלב 9) ובמידה פחותה יותר על-ידי תחריט המסיכה (שלב 10) לא יהיה אניסוטרופי. אם זמן צמיחת המסיכה מורחב מספיק, החורים במסכה יתחילו לגדול. זה יכול לשמש כדי להשמיט את התכונות הדק ביותר של מבנים מסוימים ובקרה בגדלים הפער, כפי שמתואר שן ואח אל.34 עם משולשים מופרדים של אוריגמי עניבת הקשת (דמויות 5b). לעומת זאת, צורות רזה יכול להישמר טוב יותר על ידי קיצור זמן צמיחת תחמוצת. משמעות הדבר היא כי ניתן לכוונן את המאפיינים האופטיים המוצגים באיור 6, לא רק על ידי שינוי עיצוב אוריגמי משומשים, אלא גם על ידי כוונון הצמיחה של הסרט SiO2 .

אם עובי המסיכה משתנה באופן משמעותי, השינוי חייב להיות משתקף גם בשלב SiO2 RIE. רק שכבה דקה מאוד של SiO2 צריך להיות חרוט (2-5 nm) כדי בקושי לחדור דרך חורי המסכה. זהו החלק הרגיש והמכריע ביותר של התהליך כולו. כיוון שזמן החריטה קצר ביותר, רק 10-20 s, יש לקבוע את ההגדרות המדויקות כאשר ניסיון ראשון עם ציוד חדש. זה נכון גם עבור שלב 10.4 כמו כמה SiO2 נחרט גם במהלך התחריט a-Si. מידת התחריט של SiO2 נקבעת על ידי הסלקטיביות של הפרמטרים המשמשים א-Si, הציוד ואפילו ציוד פרטני כיול. הטיפול צריך להילקח לא לחרוט את כל שכבת SiO2 במהלך שני תהליכים אלה.

צעד רגיש נוסף הוא הצמיחה של SiO2 . תהליך הגדילה תלוי הן בלחות הקאמרית והן בפעילות השוטפת של השימוש ב-TEOS. TEOS מדבר כפי שהוא הופך מים מהאוויר, גורם לו להיות פחות יעיל עם הגיל. זה יכול להתבטא כקצב צמיחה איטי באופן משמעותי, פחות שניתן לשליטה בתוך חודשים אפילו עם אחסון נאות של הכימיקל. 34 אם שכבת התוצאה של SiO2 רזה יותר מאשר מיועדת, זה יכול להצביע על בעיה עם teos ולא לחות קאמרית. בעוד לחות נמוכה יותר יכול לגרום גם שיעור צמיחה נמוכה יותר הסרט רזה, הסרט המתקבל צריך גם להיות חלק יותר מהרגיל. בינתיים שכבה גסה וגסה מצביעה לעומת בעיה בלחות גבוהה.

כמו כן, ניתן לבצע פרוטוקול זה בכל מצע אחר שנבחר באופן חופשי עם שתי דרישות: הוא חייב לסבול גם את החריטה HF (שלב 12) ואת הטמפרטורות של 200-300 ° צ' (שלב 6). ניתן להוריד את הטמפרטורה בביטחה ל 100 ° c עבור הפקונים של א-סי אם משתמשים במצע רגיש יותר, אך לא ניתן להימנע משימוש ב-HF אם הפרוטוקול מלווה בדיוק כפי שמתואר. כדי לעקוף את ה-HF, היישום של שכבת הקרבה נוספת יידרש. אם הדרישה של תחריט ה-HF מוסרת, פרוטוקול זה יהפוך לתואם למבחר רחב יותר של חומרי מצע ומתכות.

כמו פרוטוקול זה מורכב נפוץ תהליכים מיקרו ו nanofab, זה יכול להיות משולב עם מספר כלשהו של פרוטוקולים מיקרוייצור אחרים שבו בגדלים קטנים תכונות וצורות מתכת מורכבים הם הרצויים. בעתיד הקרוב, במיוחד עם באים בעלות נמוכה DNA אוריגמי הייצור המוני31, יש פוטנציאל עבור שיטה זו כדי להקל על שימוש כללי הן nanopatterning תפוקה גבוהה עבור ממשק מבוססי nanophotonics ו פלמונניקס55 .

ננוטכנולוגיית דנ א מבנית התפתחה במהירות במהלך העשור האחרון1,2, ואת הפיתוח המשפיע ביותר בתחום יש ללא ספק ההמצאה של3dna אוריגמי 3,4. טכניקת ה-DNA אוריגמי מאפשר הייצור של כמעט כל ננוצורה עם תכונות מבניות מדויקות3,4. שיטה רבת עוצמה זו יכולה לשמש (sub) ננו-הסדר מרחבית מדויק עיגון של ננו אובייקטים אחרים, כגון צינוריות פחמן5, חלקיקי מתכת6,7,8, 9, אנזימים/חלבונים10,11,12,13 וחומרים טיפוליים14,15,16,17 . חשוב מכך, מבנים אלה אינם רק סטטי, אבל הם יכולים גם להיות מתוכנתים לפעול באופן דינאמי18,19. אינספור היישומים של ה-DNA אוריגמי טווח משלוח תרופות20,21,22 לאלקטרוניקה מולקולרית/פלאמונניקס5,23,24, 25 וממדעי החומרים26,27 עד טכניקות הדמיה וכיול הרומן28.

מלבד היישומים שהוזכרו לעיל, את הרזולוציה המרחבית הקיצונית של צורות ה-DNA אוריגמי ניתן לרתום ב nanopatterning ועדין ליתוגרפיה ננו בקנה מידה של29,30. פרוטוקול זה מתאר שיטת ליתוגרפיה ליצירת ננו מבנים אורגניים ומדויקים על מצעים באמצעות תבניות DNA אוריגמי. תבניות אלה יכולות להיות מיוצרות ביעילות בצורות שונות ובכמויות גדולות31, והופקד מאמץ על מצעים נבחרים בקשקשים גדולים32. מאפיינים אלה מאפשרים ייצור מקביל במיוחד של מיליארדי מבני ננו בשלב אחד בניגוד לשימוש נפוץ, אך איטי ליתוגרפיה של קרן אלקטרון או אחרים סריקה מבוסס על שיטות nanofabrication.

להלן, תהליך הייצור הוא הפגין על ידי יצירת מבנים בצורת עניבת הזהב בצורה על סיליקון ניטריד ומצעים ספיר; במילים אחרות, המידע המרחבי של אוריגמי ה-DNA מועבר מבנים ננו מתכתיים לחלוטין. כפי שנדונה כאן, הטכניקה אינה מוגבלת המבנה שנבחרו DNA הקשת אוריגמי מבנה מאז השיטה מאפשרת שימוש כמעט כל הצורה אוריגמי DNA. יתר על כן, עם שינויים שיטתי, הטכניקה ניתן להרחיב מתכות שונות ומצעים שונים סלילת הדרך לכיוון הייצור של מטאסאורפנים33.

המשטחים בדוגמת עם הייצור DNA אוריגמי בתיווך עשוי לשמש חיישנים תכליתי; לדוגמה, ניתן להשתמש בהם באמצעות ספקטרוסקופיה מוגברת לפני השטח (SERS). כתוצאה מהמימדים הקטנים של הצורות הננו הבודדות, המשטחים שנוצרו עשויים למצוא שימושים ביישומים אופטיים ופלמונית בטווח אורך הגל הנראה.

<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

ננוטכנולוגיית דנ א מבנית מספקת מסלול בר קיימא לבנייה מלמטה-up באמצעות DNA כחומר בנייה. הטכניקה השכיחה ביותר של ה-DNA nanofabrication נקרא DNA אוריגמי, וזה מאפשר סינתזה תפוקה גבוהה של מבנים מדויקים מאוד תכליתי עם דיוק ברמת nanמטר. כאן, זה מראה איך את המידע המרחבי של אוריגמי DNA ניתן להעביר מבנים ננומתכתיים על ידי שילוב התחתון-up אוריגמי origami עם מקובל בשימוש מלמעלה-למטה גישות הליטוגרפיה. זה מאפשר הייצור של מיליארדי מבנים ננו זעירים בשלב אחד אל מצעים נבחרים. השיטה מומחש באמצעות בקשת DNA אוריגמי ליצור מבני מתכת בצורת עניבת מבנים אנטנה על הסיליקון ניטריד או מצעים ספיר. השיטה מסתמכת על הצמיחה סלקטיבי של שכבת תחמוצת הסיליקון על גבי מצע התצהיר אוריגמי, ובכך וכתוצאה מכך מסכה לאחר צעדים ליטוגרפיים. אלה משטחים מצוידים ננו מבנה יכול להיות בשימוש נוסף כחיישנים מולקולריים (g., משטח משופר ספקטרוסקופיית (SERS)) וביישומים אופטיים שונים בטווח אורך הגל הנראה בשל גודל התכונות הקטנות (sub-10 ננומטר). ניתן להרחיב את הטכניקה לחומרים אחרים באמצעות שינויים מתודולוגיים; לפיכך, המשטחים הפעילים הנובעים ממנו עשויים למצוא שימוש בפיתוח של מטאמיטים ופרצופים מטאסליים.

דמות סכמטית של העיצוב הקשת אוריגמי origami ופרטים מבניים שלה מוצגים באיור 1. Agarose ג'ל אלקטרופורזה AFM משמשים כדי לנתח את קיפול ה-DNA אוריגמי ואת איכות הטיהור של יתד (איור 2). זרימת התהליך של הצעדים ננוליתוגרפיה מוצג באיור 3. מייצגים של תמונות AFM לאחר הצמיחה SiO2 מסכה מוצגים באיור 4 (שלב זה מתואר באיור 3ד), בעוד שתמונות SEM של הננו מתכת הסופי ניתן לראות באיור 5 (שלב זה מתואר ב איור 3ח). איור 6 מדגים את הפונקציונליות האופטית של מבני ננו מתכתי התבנית על ידי ה-DNA לעניבת הקשת אוריגמי.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td colspan="5">מאגר מתקפל (FOB) ריכוזי רכיבים [mM]</td>
			<td></td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>טריס</td>
			<td>חומצה אצטית סינתטית</td>
			<td>אדטה</td>
			<td>מגנזיום כלוריד</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>טבלה 1: הרכב של מאגר מתקפל (FOB).
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td>טווח טמפרטורות [oC]</td>
			<td>מקצב קירור</td>
		</tr>
<tr>
<td>90-70</td>
			<td>-0.2 ° צ'/8 s</td>
		</tr>
<tr>
<td>70-60</td>
			<td>-0.1 ° צ'/8 s</td>
		</tr>
<tr>
<td>60-27</td>
			<td>-0.1 ° צ'/2 s</td>
		</tr>
<tr>
<td>12</td>
			<td>המתן עד שייעצר</td>
		</tr>
</tbody></table>שולחן 2: השיפוע התרמי עבור קיפול אוריגמי עניבת. לאחר הריפוי, אוריגמי יהיה מאוחסן 12 oC עד התוכנית היא נעצרה באופן ידני.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td>הפרמטרים של הספרייה</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>גז</td>
			<td>תזרים גז [sccm]</td>
			<td>לחץ קאמרי [mTorr]</td>
			<td>כוח RF [W]</td>
			<td>טמפ ' [oC]</td>
			<td>משך [s]</td>
		</tr>
<tr>
<td>בעלי הגוון של א-סי</td>
			<td>5% SiH4 ב 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 טיפול פלזמה</td>
			<td>מיכלהשני
</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 של SiO2
</td>
			<td>המשך3
</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 של א-סי</td>
			<td>מיכלהשני
</td>
			<td>8</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>מיכל ה, SF6
</td>
			<td>100</td>
			<td>90</td>
			<td>50</td>
			<td>30</td>
			<td>35</td>
		</tr>
<tr>
<td>RIE של הנותרים-Si</td>
			<td>מיכלהשני
</td>
			<td>8</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>מיכל ה, SF6
</td>
			<td>100</td>
			<td>90</td>
			<td>50</td>
			<td>30</td>
			<td>35-40</td>
		</tr>
</tbody></table>שולחן 3: הליך הפרמטרים של התצהיר של אדי כימיקלים משופרים פלזמה (פקאנטי) וחריטה של היונים התגובתית (RIE). פרמטרי התהליך עבור התקנים אלה הם ספציפיים למכשירים בודדים וייתכן שיהיה צורך להתאים אותם בעת השימוש בהם.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig1.jpg"> איור 1: עיצוב של אוריגמי הקשת בעניבת-DNA. (א) ייצוג סכמטי של עיצוב הקשת אוריגמי שבו מבנה הליבה מוצג כהטיות כפולות ו-polyt-overhangs מתוארים כמו קווים גליים. (ב) צילום מסך של חלק של עיצוב בקשת אוריגמי בתוכנה cadnano. הצלבים האדומים מציינות את זוג הבסיס מדלג על תיקון טוויסט, ו-T8-overhangs מתווספים כדי למנוע קהה-end בסיס בערימה. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig2.jpg"> איור 2: אפיון המבנה של הקשת בעניבת DNA אוריגמי. (א) אגנה ג'ל אלקטרופורזה של מבנה עניבת הקשת לפני ואחרי פולי (אתילן גליקול) (פג) טיהור. 7249 נוקלאוטידים לגרדום ארוך משמש כהפניה. (ב) הדימוי של מיקרוסקופ כוח אטומי (afm) של המבנים עניבת הקשת לפני הטיהור. (ג) afm תמונה של מבנים עניבת הקשת לאחר הטיהור של יתד. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig3.jpg"> איור 3: הערכה של זרימת תהליך הייצור (הממדים אינם בקנה מידה). (א) לקוביות ולנקות את המצע. (ב) הפקדת שכבת א-סי על-ידי הפקדת אדי כימית משופרת באמצעות פלזמה (פקלב). * ניתן להשתמש בשכבת הקרבה נוספת תחת א-סי כדי לאפשר ההמראה באמצעות etchant שאינו HF. (ג) לטפל משטח לדוגמה עם O2 פלזמה והפקדה DNA אוריגמי על זה. (ד) לגדל את מסיכת SiO2 ב desiccator. (ה) לחרוט שכבה דקה של SiO2 ודרך הא-סי מתחתיו על ידי תחריט יונים תגובתי (RIE). (ו) הפקדה מתכת דרך המסכה על ידי התצהיר אדים פיזיים (pvd). (G) להרים-OFF עם HF. (H) להסיר את הנותרים a-Si על ידי RIE. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig3large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig4.jpg">
איור 4: תמונות afm הנציג של הסרט SiO2 עם דפוס בצורת אוריגמי DNA. (A) 10 יקרומטר x 10 יקרומטר שטח סריקה מדגים את התשואה הגבוהה של היווצרות תבנית. (ב) קרוב יותר 3 יקרומטר x 3 יקרומטר סריקה מראה דפוסים בודדים מדויקים בסרט SiO2 . <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig4large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig5.jpg"> איור 5: הנציג סריקת מיקרוסקופ אלקטרוני (SEM) תמונות של ננו מבנים מתכתיים בתבנית עם אוריגמי שונים מבנית DNA. (A) בצורת צלב DNA אוריגמי, כלומר, מה שנקרא אריחי seeman אוריגמי54. (ב) אנטנות לעניבות. (ג) מבנה כפול-L (cdl). Insets להראות מבנים בודדים עם גדלי תיבות של 150 ננומטר x 150 nm. התשואה הייצור של מבנים מדויקים הוא עד 76% עבור אוריגמי עניבת הקשת ו ~ 50% עבור מבנים אחרים המוצגים כאן34. נתון זה הותאם והשתנה מ שן ואח '.34. הדמות מופצת באישורו של המחברים ופרסמה האגודה האמריקנית לקידום המדע, 2018. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig5large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig6.jpg"> איור 6: תכונות של מייצגים אופטיים/פונקציונליים של מבני ננו וכתוצאה מכך. (A) מותאם לפני השטח מקומי תהודה (lspr) מדידות של מבנה הקשת זהב בודדים עם קיטוב שונים (צבעמקודדכמו כתום וכחול). הקווים המוצקים הם ספקטרום נמדד והקווים המקווקו הם תוצאות הדמיה. מערכות insets מציגות את תמונת ה-SEM של החלקיק הנמדד (משמאל) ואת המודל המשמש להדמיה (מימין). (ב) משופר המשטח ספקטרוסקופיית (מנתחי) של rhodamine 6g ו 2, 2-bipyridine נמדד על פני השטח מכוסה מבנים ננוtie הקשת. קו הבסיס של כל מדגם מציג את רמת האות כאשר הננו-מבנים נעדרו. נתון זה הותאם והשתנה מ שן ואח '.34. הדמות מופצת באישורו של המחברים ופרסמה האגודה האמריקנית לקידום המדע, 2018. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig6large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Supplemental File 1" src="/files/ftp_upload/60313/60313sup1.jpg"> משלים קובץ 1: הקובץ CaDNAno <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/bowtie_poly-T.json" target="_blank">נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.</a>
<img alt="Supplemental File 2" src="/files/ftp_upload/60313/60313sup2.jpg"> משלים קובץ 2: m13mp18 רצף <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/m13mp18_sequence.txt" target="_blank">נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.</a>
<img alt="Supplemental File 3" src="/files/ftp_upload/60313/60313sup3.jpg"> משלים קובץ 3: רצף סטרנד הידוק <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/bowtie_staple_sequences.xlsx" target="_blank">נא לחץ כאן כדי להוריד את הקובץ.</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

כאן, אנו מתארים פרוטוקול ליצור ננו מבנים אורגניים בדידים ומדויקים על מצעים באמצעות צורות DNA אוריגמי כמו תבניות המנחה. השיטה מוכחת על ידי יצירת אנטנות זהב בצורת עניבת הפלסטיק על מצע שקוף (ספיר).

DNA אוריגמי-תיווך המצע Nanopatterning של מבנים אורגניים עבור יישומים חישה

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

פרוטוקול זה משלב את טכניקת אוריגמי DNA מלמטה למעלה עם שיטות nanofabrication מלמעלה למטה המאפשר ייצור מקביל של nanostructures אנאורגני עם תת 10 ננומטר תכונה גדלים על מצעים שונים. טכניקה זו יכולה לשמש ליצירת מיליארדי ננו-מבנים מדויקים בבת אחת, כמעט בכל צורה ללא צורך בשיטות דפוס יקרות. שיטה זו יש פוטנציאל להיות רתום יישומים חישה כגון ספקטרוסקופיה ראמן משופרת פני השטח, כמו גם כדי ליצור metasurfaces אופטי חדש.למרות פרוטוקול זה הוא פשוט למדי, יותר את כישורי ייצור משמעתי נדרשים ולכן, הדגמה חזותית יהיה שימושי עבור חוקרים עם מגוון רחב של רקעים. הפגנת ההליך עם פטרי Piskunen יהיה סופיה ג'ולין, עוד סטודנט לתואר שני מהמעבדה שלנו. כדי להפוך את המלאי של גדילי סיכה, לערבב כמויות שוות של כל oligonucleotides הדרושים למבנה עניבת פרפר ולערבב 20 microliters של גדיל פיגום M13 MP18 עם 40 microliters של פתרון מלאי מצרך ו 40 microliters של 2.5 חיץ קיפול X בצינור PCR 200 מיקרוליטר.ואז anneal תערובת התגובה בתרמוצ'ילר מ 90 עד 27 מעלות צלזיוס כמתואר בטבלה. כדי להכין את המצע, לטבול כ 7 על 7 מילימטרים שבבים לחתוך מן רקיק ספיר במיכל זכוכית של 52 מעלות צלזיוס אצטון לפחות 15 דקות לפני העברת השבבים לתוך מיכל זכוכית של איזופרופנול במשך שתי דקות של sonication. בסוף sonication, להשתמש פינצטה כדי להסיר את השבבים מן isopropanol ומיד לייבש את השבבים עם חנקן בזרימה הגבוהה ביותר האפשרית עם משטחי השבב במקביל לכיוון הזרימה.לתצהיר אדים כימיים משופרים בפלזמה של שכבת הסיליקון האמורפית, מניחים את השבבים המיובשים במכשיר התצהיר הכימי המשופר בפלזמה ומגדירים את פרמטרי התצהיר בהתאם לדגם המכשיר וכיולו כדי לגדל כ -50 ננומטר של סיליקון אמורפי. לטיפול בפלסמת חמצן בשכבת הסיליקון האמורפית, מניחים את השבבים בכלי תחריט היונים תגובתי ומגדירים את פרמטרי התחריט ליצירת פלזמת חמצן בהתאם לדגם המכשיר וכיולו. ואז להפעיל את תכנית טיפול פלזמת חמצן.תוך 30 דקות מטיפול פלזמת החמצן, מערבבים חמישה מיקרוליטרים של תמיסת אוריגמי DNA מקופלת ומטוהרת עם ארבעה מיקרוליטרים של חיץ מתקפל ומיקרוליטר אחד של מגנזיום כלוריד אחד. הפקד 10 microliters של תערובת אוריגמי DNA על כל שבב פלזמה חמצן מטופלים לכסות את השבבים עבור דגירה חמש דקות בטמפרטורת החדר. בסוף הדגירה, לשטוף את משטחי השבב עם 100 microliters של מים מזוקקים, לשטוף את המים קדימה ואחורה כמה פעמים עם פיפטה תוך הימנעות לגעת במרכזי השבבים.לאחר אפר פעמיים עד שלוש פעמים נוספות כפי שהוכח רק, מיד לייבש את השבבים עם זרימת חנקן. כדי לגדל מסכת דו תחמוצת הסיליקון, יש לערבב 100 גרם של ג'ל סיליקה עם 30 מיליליטר מים מזוקקים. מניחים את תערובת ג'ל סיליקה לתוך desiccator ולהפריד את הג'ל עם צלחת מחוררת.לאחר 24 שעות, מניחים את השבבים עם אוריגמי DNA מסוכך על הפלטפורמה מחוררת במייבש ולהמקם בקבוקון המכיל 10 מיליליטר של אורתוסיליט tetraethyl בצד אחד של השבבים בקבוקון המכיל 10 מיליליטר של 25% אמוניום הידרוקסיד בצד השני של השבבים. ואז לאטום את התא עבור דגירה 20 שעות בטמפרטורת החדר. בסוף הדגירה, סרט דו תחמוצת הסיליקון ייווצר על האזורים ללא מבנים אוריגמי DNA, יצירת מסכה בדוגמת 10 עד 20 ננומטר עם חורים בצורת אוריגמי DNA.לחריטת יון תגובתי של דו תחמוצת הסיליקון, מניחים את השבבים לתוך מכשיר תחריט היונים תגובתי ומגדירים את פרמטרי התחריט לחרוט רק שניים עד חמישה מדי מונים של דו תחמוצת הסיליקון כדי לחשוף את שכבת הסיליקון האמורפית מתחת לחורים במסכת הסיליקון הדו-חמצני. יש לייעל את כל פרמטרי התחריט עבור המכשירים שנבחרו, גם כאשר הפרמטרים הנכונים תלויים בסוג הציוד ובהגדרה הספציפית. ייתכן שיהיה צורך בכמה שינויים.לאחר הפעלת תוכנית תחריט פלזמה סיליקון דו חמצני anisotropic, להגדיר את הפרמטרים תחריט לנקב דרך שכבת סיליקון אמורפי 50 ננומטר. לאחר מכן הפעל את תוכנית תחריט פלסם סיליקון איזוטרופי. לתצהיר אדים פיזיים, העמיסו את השבבים לתא האידוי של מכשיר התצהיר של האדים הפיזיים ובחרו מתכת יעד דבק.הגדר את תוכנית בקרת העובי עבור חומר היעד ועובי ולהתחיל את קרן האלקטרונים, יישור הקרן ליעד והגדלת זרם הקרן עד קצב התצהיר של 0.05 ננומטר לשנייה הוא הגיע. ואז להתאדות עד עובי סופי של שני ננומטר הוא הגיע. בסוף האידוי, בחר את מתכת היעד השנייה מבלי לפרוק את התא או להפריע לתהליך ולהגדיר את העובי.יש ליישר את קרן האלקטרונים למטרה עד לקבלת קצב תצהיר של 0.05 ננומטר לשנייה לפני ההתאדות עד להגעה לעובי של 20 ננומטר. מבנה מתכת בצורת אוריגמי DNA ייווצר דרך חורי מסכת דו תחמוצת הסיליקון עם הגובה הכולל של 22 ננומטר. לאחר אוורור התא, להסיר דגימות.לקבלת הרמת חומצה הידרופלואורית, לטבול את הדגימות תחריט מבוסס חומצה הידרופלואורית ולהשתמש פינצטה פלסטיק כדי לערבב את הדגימות בעדינות. המתן עד ששכבת הסיליקון הדו-חמצני תחריט לחלוטין ושכבת המתכת תתנתק לפני שטיפה של הדגימות במים מזוקקים כפולים וב- isopropanol. ואז לייבש את הדגימות עם זרימת חנקן כפי שהוכח.עבור תחריט יון תגובתי של הסיליקון האמורפי הנותר, מניחים את השבבים לתוך מכשיר תחריט יון תגובתי ולהגדיר את הפרמטרים תחריט באמצעות הסרת כל 50 ננומטר של סיליקון אמורפי. הפעל את תוכנית תחריט פלזמה סיליקון איזוטרופית אמורפית כדי להסיר את הסיליקון האמורפי הנותר. לאחר מכן להסיר את הדגימות מציוד תחריט יון תגובתי ולאחסן אותם במיכל מכוסה.אלקטרופורזה ג'ל אגרוז מיקרוסקופיה כוח אטומי יכול לשמש כדי לנתח את קיפול אוריגמי DNA ואת האיכות של טיהור פוליאתילן גליקול. כאן מוצגות תמונות מיקרוסקופיות של כוח אטומי מייצג לאחר צמיחת מסכת דו תחמוצת הסיליקון. בעוד בתמונות אלה, סריקת מיקרוסקופ אלקטרונים של nanostructures המתכת הסופי ניתן לראות.בגרפים אלה, הפונקציונליות האופטית של nanostructures מתכתי, בתבנית על ידי אוריגמי DNA עניבת פרפר, נותח. צמיחת מסכת דו תחמוצת הסיליקון חיונית לתהליך והיא רגישה למדי ללחות ולתאקטיביות של TEOS. לכן, פרמטרים אלה צריכים להיות נשלטים בקפידה לשחזור.אם טכניקת אוריגמי DNA משולבת עוד יותר עם דפוסי DNA מסודרים מאוד, זה יכול לסלול את הדרך לייצור של metamaterials ומשטחים בטווח אורך הגל הנראה.

Research

JoVE Journal

Chemistry

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

Microfluidic תגובת Capture-חיי בן אשר על השבב כדי לשתק הפיך מולקולות קטנות או מבני Multi-רכיב עבור יישומי Biosensor

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

היווצרות של מבני Biomolecular הוזמנו על ידי ההרכבה העצמית של פפטידים קצרים

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

הכנת מסגרות מתכת אורגנית הידרופובי באמצעות פלזמה משופרת שיקוע הכימי של Perfluoroalkanes להסרת אמוניה

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

תגובות חוצה צימוד Mizoroki-לעזאזל האיצו ידי dichloro {bis [1,1 &#39;, 1&#39;&#39; - tripiperidine (phosphinetriyl)]} פלדיום בתנאי תגובה מתון

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

מאוד יציבים, חלקיקים שעירים פונקציונליים Biopolymers סיבי עץ: לקראת ננוטכנולוגיה קיימא

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

הסינתזה של [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; שימוש metastable Sn (I) פתרון Halide מסונתז באמצעות טכניקה Co-עיבוי

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

תובנה לתוך האינטראקציות של חומצות אמינו פפטידים עם חומרים אורגניים באמצעות ספקטרוסקופיית חיל מולקולה בודדת

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

שיטות פשוטות להכנת הלא אצילי מתכת בתפזורת אלקטרודות עבור יישומים Electrocatalytic

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

הדפסת צבעי הדיו פרוביסקיט הליד אורגניים ליישומים פוטו הזרקת דיו

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

ברזל יצוק בייצור ננו-נקבובי אלומיניום ואיפיון

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