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

Questo lavoro è stato sostenuto dall'Accademia di Finlandia (progetti 286845, 308578, 303804, 267497), Jane e Aatos Erkko Foundation e La Sigrid Jusélius Foundation. Questo lavoro è stato svolto nell'ambito del programma Academy of Finland Centers of Excellence (2014-2019). Riconosciamo la fornitura di strutture e supporto tecnico da parte di Aalto University Bioeconomy Facilities e OtaNano – Nanomicroscopy Center (Aalto-NMC) e Micronova Nanofabrication Center.

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Il protocollo offre grande libertà e precisione sotto forma di nanostrutture prodotte. Modificando il design degli origami del DNA, la forma delle nanostrutture metalliche può essere controllata. La forma finale ed esatta delle strutture metalliche è inoltre determinata dalla fase di crescita della maschera (Passaggio 9) e in misura minore dall'incisione della maschera (Passaggio 10) se non dovesse essere anisotropica. Se il tempo di crescita della maschera è sufficientemente prolungato, i fori nella maschera inizieranno a chiudersi. Questo può essere utilizzato per omettere le caratteristiche più sottili di alcune strutture e controllare le dimensioni dello spazio, come dimostrato in Shen et al.34 con triangoli separati dell'origami bowtie (Figure 5B). Al contrario, le forme più sottili possono essere meglio conservate accorciando il tempo di crescita dell'ossido. Ciò significa che è possibile ottimizzare le proprietà ottiche visualizzate in Figura 6, non solo cambiando il design dell'origami utilizzato, ma anche ottimizzando la crescita del film SiO2.

Se lo spessore della maschera viene modificato in modo significativo, tale modifica deve essere riflessa anche nel passo SiO2 RIE. Solo uno strato molto sottile di SiO2 deve essere inciso (2-5 nm) per penetrare a malapena attraverso i fori della maschera. Questa è la parte più sensibile e cruciale dell'intero processo. Poiché il tempo di incisione è estremamente breve, solo 10-20 s, le impostazioni esatte devono essere determinate sperimentalmente quando si tenta per la prima volta con nuove attrezzature. Questo vale anche per il passo 10.4 come alcuni SiO2 è anche inciso durante l'incisione a-Si. L'estensione del SiO2 inciso è determinato dalla selettività dei parametri di incisione a-Si utilizzati, delle attrezzature e persino delle singole calibrazioni delle apparecchiature. Bisogna fare attenzione a non incidere via l'intero strato SiO2 durante questi due processi.

Un altro passo sensibile è la crescita di SiO2. Il processo di crescita dipende sia dall'umidità della camera che dall'attività attuale del TEOS usato. TEOS si degrada come adsorbe l'acqua dall'aria, facendolo diventare meno efficace con l'età. Questo può manifestarsi come un tasso di crescita significativamente più lento, meno controllabile in pochi mesi, anche con un adeguato stoccaggio della sostanza chimica. 34 Se lo strato SiO2 risultante è più sottile del previsto, questo può indicare un problema con TEOS piuttosto che con l'umidità della camera. Mentre una minore umidità può anche provocare un tasso di crescita più basso e pellicola più sottile, la pellicola risultante dovrebbe anche essere più liscia del normale. Nel frattempo uno strato grossolano a grana e ruvido indicherebbe al contrario un problema con un'elevata umidità.

È anche possibile eseguire questo protocollo su qualsiasi altro substrato liberamente scelto con due requisiti: deve tollerare sia l'incisione HF (passo 12) che le temperature di 200-300 gradi centigradi del PECVD (fase 6). La temperatura può essere abbassata in modo sicuro a 100 gradi centigradi per il PECVD di a-Si se viene utilizzato un substrato più sensibile, ma HF non può essere evitato se il protocollo viene seguito esattamente come descritto. Per eludere HF, sarebbe necessaria l'applicazione di un ulteriore strato sacrificale. Se il requisito dell'incisione HF venisse rimosso, questo protocollo diverrebbe compatibile con una più ampia selezione di materiali e metalli del substrato.

Poiché questo protocollo è costituito da processi di micro e nanofabbricazione comunemente usati e robusti, potrebbe essere combinato con un numero qualsiasi di altri protocolli di microfabbricazione in cui si desiderano piccole dimensioni di feature e forme metalliche complesse. Nel prossimo futuro, soprattutto con l'arrivo della produzione di massa di origami di DNA a basso costo31, c'è il potenziale per questo metodo per facilitare sia l'uso generale che la nanopatterning ad alta velocità per nanofotonica basata su interfaccia e plasmonica55 .

La nanotecnologia del DNA strutturale si è rapidamente evoluta nel corso del recente decennio1,2, e lo sviluppo più influente nel campo è stato probabilmente l'invenzione di DNA origami3,4. La tecnica degli origami del DNA permette la fabbricazione di praticamente qualsiasi nanoforma con accurate caratteristiche strutturali3,4. Questo potente metodo può essere utilizzato nella disposizione spaziale (sub)nanometro-precisa e l'ancoraggio di altri nano-oggetti, come nanotubi di carbonio5, nanoparticelle metalliche6,7,8, 9, enzimi/proteine10,11,12,13 e materiali terapeutici14,15,16,17 . È importante sottolineare che queste strutture non sono solo statiche, ma possono anche essere programmate per agire in modo dinamico18,19. Le innumerevoli applicazioni degli origami di DNA vanno dalla somministrazione di farmaci20,21,22 all'elettronica molecolare/plasmonica5,23,24, 25 e dalla scienza dei materiali26,27 alle nuove tecniche di imaging e calibrazione28.

Oltre alle applicazioni di cui sopra, l'estrema risoluzione spaziale delle forme di origami del DNA potrebbe essere sfruttata in nanopatterning e litografia su nanoscala29,30. Questo protocollo descrive un metodo di litografia per la creazione di nanostrutture inorganiche discrete e accurate su substrati utilizzando modelli di origami di DNA. Questi modelli possono essere prodotti in modo efficiente in varie forme e in grandi quantità31, e depositati senza sforzo su substrati scelti su grandi scale32. Queste proprietà consentono una fabbricazione altamente parallela di miliardi di nanostrutture in un unico passaggio rispetto alla litografia a fascio di elettroni comunemente usata, ma piuttosto lenta, o ad altre tecniche di nanofabbricazione basate sulla scansione.

Qui, il processo di fabbricazione è dimostrato creando strutture a forma di bowtie in oro su nitrati di silicio e substrati di zaffiro; in altre parole, le informazioni spaziali degli origami del DNA vengono trasferite in nanostrutture interamente metalliche. Come discusso qui, la tecnica non è limitata alla struttura di origami del DNA bowtie selezionata poiché il metodo consente l'uso di praticamente qualsiasi forma di origami di DNA. Inoltre, con modifiche metodiche, la tecnica può essere estesa a diversi metalli e substrati spianando la strada verso la fabbricazione di metasuperfici33.

Le superfici modellate con la fabbricazione mediata dall'origami del DNA possono fungere da sensori versatili; ad esempio, possono essere utilizzati in spettroscopia Raman migliorata dalla superficie (SERS). Come risultato delle piccole dimensioni delle singole nanoforme, le superfici create possono trovare usi in applicazioni ottiche e plasmoniche alla gamma di lunghezza d'onda visibile.

<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

La nanotecnologia del DNA strutturale fornisce un percorso percorribile per la costruzione dal basso verso l'alto utilizzando il DNA come materiale da costruzione. La tecnica di nanofabbricazione del DNA più comune è chiamata origami del DNA e consente la sintesi ad alta velocità di strutture accurate e altamente versatili con precisione a livello di nanometri. Qui, è mostrato come le informazioni spaziali degli origami di DNA possano essere trasferite alle nanostrutture metalliche combinando gli origami di DNA bottom-up con gli approcci litografici top-down utilizzati convenzionalmente. Ciò consente la fabbricazione di miliardi di piccole nanostrutture in un solo passaggio su substrati selezionati. Il metodo è dimostrato utilizzando origami di DNA bowtie per creare strutture di antenne metalliche a forma di bowtie su nitride di silicio o substrati zaffiro. Il metodo si basa sulla crescita selettiva di uno strato di ossido di silicio sopra il substrato di deposizione origami, ottenendo così una maschera di patterning per seguire i passaggi litografici. Queste superfici dotate di nanostruttura possono essere ulteriormente utilizzate come sensori molecolari (ad esempio, spettroscopia Raman (SERS)) potenziata dalla superficie e in varie altre applicazioni ottiche a causa delle piccole dimensioni delle caratteristiche (sotto-10 nm). La tecnica può essere estesa ad altri materiali attraverso modifiche metodologiche; pertanto, le superfici otticamente attive risultanti possono trovare un uso nello sviluppo di metamateriali e metasuperfici.

Una figura schematica della progettazione di origami di DNA bowtie e dei suoi dettagli strutturali sono mostrati nella Figura 1. L'elettroforesi gel di Agarose e l'AFM sono utilizzati per analizzare il ripiegamento degli origami del DNA e la qualità della purificazione del PEG (Figura 2). Il flusso di processo dei passaggi di nanolitografia viene visualizzato nella Figura 3. Le immagini AFM rappresentative dopo la crescita della maschera SiO2 sono mostrate nella Figura 4 (questo passaggio è illustrato nella Figura 3D),mentre le immagini SEM delle nanostrutture metalliche finali sono visibili nella Figura 5 (questo passaggio è illustrato in Figura 3H). La Figura 6 illustra la funzionalità ottica delle nanostrutture metalliche basate sull'origami del DNA del bowtie.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td colspan="5">Concentrazioni dei componenti del buffer di piegatura (FOB) [mM]</td>
			<td></td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>Tris</td>
			<td>Acido acetico</td>
			<td>Edta</td>
			<td>Cloruro di magnesio</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 USD</td>
		</tr>
<tr>
<td>1x FOB</td>
			<td>40</td>
			<td>19</td>
			<td>1</td>
			<td>12.5</td>
			<td>8,3 USD</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabella 1: Composizione del buffer di piegatura (FOB).
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td>Intervallo di temperatura [oC]</td>
			<td>Velocità di raffreddamento</td>
		</tr>
<tr>
<td>90-70</td>
			<td>-0,2 gradi centigradi / 8 s</td>
		</tr>
<tr>
<td>70-60</td>
			<td>-0,1 Gradi centigradi / 8 s</td>
		</tr>
<tr>
<td>60-27</td>
			<td>-0,1 S / 2 s</td>
		</tr>
<tr>
<td>12</td>
			<td>Tenere premuto fino a quando non si ferma</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabella 2: rampa termica per il ripiegamento degli origami bowtie. Dopo l'annealing, l'origami verrà conservato a 12 oC fino a quando il programma non viene arrestato manualmente.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td>Parametri PECVD e RIE</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>gas</td>
			<td>Flusso di gas [sccm]</td>
			<td>Pressione della camera [mTorr]</td>
			<td>Potenza RF [W]</td>
			<td>Temperatura [oC]</td>
			<td>Durata [s]</td>
		</tr>
<tr>
<td>PECVD di 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 trattamento al plasma</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 di 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 di 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 di rimanere 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>Tabella 3: Parametri di processo per la deposizione di vapore chimico potenziato al plasma (PECVD) e l'incisione reattiva (RIE). I parametri di processo per questi dispositivi sono specifici per i singoli strumenti e potrebbe essere necessario adattarli quando utilizzati.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig1.jpg"> Figura 1: Progettazione dell'origami del DNA bowtie. (A) Rappresentazione schematica del disegno degli origami bowtie in cui la struttura del nucleo è mostrata come doppie eliche e le sporgenpite polit sono rappresentate come linee ondulate. (B) Screenshot di una parte del design degli origami di papillon nel software caDNAno. Le croci rosse indicano il salto della coppia di basi per la correzione della torsione e vengono aggiunti i montanti T8per evitare il smussato di base. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig1large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig2.jpg"> Figura 2: Caratterizzazione della struttura degli origami del DNA delbowtie. (A) Agarose gel elettroforesi della struttura bowtie prima e dopo la purificazione di poli(etilene glicole) (PEG). Lo scaffold lungo 7249 nucleotidi viene utilizzato come riferimento. (B) Immagine di microscopia a forza atomica (AFM) delle strutture del papillon prima della purificazione. (C) Immagine AFM delle strutture del papillon dopo la purificazione PEG. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig2large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig3.jpg"> Figura 3: Schema del flusso del processo di fabbricazione (le dimensioni non sono in scala). (A) Dadi e pulire il substrato. (B) Depositare uno strato a-Si mediante deposizione di vapore chimico potenziata al plasma (PECVD). È possibile impiegare uno strato sacrificale aggiuntivo sotto l'a-Si per consentire il decollo con etchant diverso da HF. (C) Trattare la superficie del campione con O2 plasma e depositare origami di DNA su di esso. (D) Far crescere la maschera SiO2 in desiccatore. (E) Incidere uno strato sottile di SiO2 e attraverso l'A-Si sotto di esso da incisione iosgione reattiva (RIE). (F) Depositare il metallo attraverso la maschera per deposizione fisica del vapore (PVD). (G) Il sollevamento con HF. (H) rimuove l'a-Si rimanente da RIE. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig3large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig4.jpg">
Figura 4: Immagini AFM rappresentative della pellicola SiO2 con il modello a forma di origami di DNA. (A) l'area di scansione di 10 m x 10 m dimostra l'elevato rendimento della formazione del modello. (B) Una scansione più vicina di 3 m x 3 m mostra i singoli modelli precisi nella pellicola SiO2. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig4large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig5.jpg"> Figura 5: Immagini rappresentative dimicroscopia elettronica a scansione(SEM) di nanostrutture metalliche basate su origami di DNA strutturalmente diversi. (A) Origami di DNA a forma di croce, cioè la cosiddetta piastrella Seeman origami54. (B) Antenne Bowtie. (C) Strutture chiral doppia L (CDL). I rientri mostrano singole strutture con dimensioni di scatola di 150 nm x 150 nm. La resa di fabbricazione di strutture esatte è fino al 76% per l'origami bowtie e al 50% per le altre strutture qui esposte34. Questa cifra è stata adattata e modificata da Shen et al.34. La figura è riprodotta con il permesso degli autori e pubblicata da The American Association for the Advancement of Science, 2018. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig5large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig6.jpg"> Figura 6: Proprietà ottiche/funzionali rappresentative delle nanostrutture risultanti. (A) Misurazioni localizzate della risonanza dei plasmoni di superficie (LSPR) di una singola struttura a pezze d'oro con polarizzazione diversa (colore codificato come arancione e blu). Le linee solide vengono misurate spettrale e le linee tratteggiate sono risultati di simulazione. Gli insiemi mostrano l'immagine SEM della particella misurata (a sinistra) e il modello utilizzato per la simulazione (a destra). (B) Superficie migliorata spettroscopia Raman (SERS) di rhodamine 6G e 2,2-bipyridine misurata su una superficie coperta con nanostrutture bowtie. La linea di base di ogni campione mostra il livello del segnale quando le nanostrutture erano assenti. Questa cifra è stata adattata e modificata da Shen et al.34. La figura è riprodotta con il permesso degli autori e pubblicata da The American Association for the Advancement of Science, 2018. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig6large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Supplemental File 1" src="/files/ftp_upload/60313/60313sup1.jpg"> Supplemental File 1: File CaDNAno <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/bowtie_poly-T.json" target="_blank">Fare clic qui per scaricare questo file.</a>
<img alt="Supplemental File 2" src="/files/ftp_upload/60313/60313sup2.jpg"> File supplementare 2: sequenza m13mp18 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/m13mp18_sequence.txt" target="_blank">Fare clic qui per scaricare questo file.</a>
<img alt="Supplemental File 3" src="/files/ftp_upload/60313/60313sup3.jpg"> File supplementare 3: Sequenza di filamento di pinzatura di pinzatura di pinzatura <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/bowtie_staple_sequences.xlsx" target="_blank">Fare clic qui per scaricare questo file.</a>

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

Qui, descriviamo un protocollo per creare nanostrutture inorganiche discrete e accurate sui substrati utilizzando forme di origami di DNA come modelli guida. Il metodo è dimostrato dalla creazione di antenne plasmoniche a forma di papillon in oro su un substrato trasparente (sapphire).

Il nanopatterndifid antistrato DNA Mediato delle strutture inorganiche per applicazioni di rilevamento

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

Questo protocollo combina la tecnica degli origami di DNA basata dal basso verso l'alto con metodi di nanofabbricazione dall'alto verso il basso che consentono la fabbricazione parallela di nanostrutture inorganiche con dimensioni delle caratteristiche sub-10 nanometriche su diversi substrati. Questa tecnica può essere utilizzata per creare miliardi di nanostrutture accurate contemporaneamente, praticamente in qualsiasi forma senza la necessità di costosi metodi di patterning. Questo metodo ha il potenziale per essere sfruttato in applicazioni di rilevamento come la spettroscopia Raman potenziata dalla superficie, nonché per creare nuove metasuperfici ottiche.Sebbene questo protocollo sia piuttosto semplice, sono necessarie maggiori capacità di fabbricazione disciplinare e, pertanto, la dimostrazione visiva sarà utile per i ricercatori con una varietà di background. A dimostrare la procedura con Petteri Piskunen sarà Sofia Julin, un'altra studentessa del nostro laboratorio. Per rendere lo stock di fili di base, mescolare quantità uguali di tutti gli oligonucleotidi necessari per la struttura del papillon e mescolare 20 microlitri del filamento di impalcatura M13 MP18 con 40 microlitri della soluzione di graffetta e 40 microlitri di tampone pieghevole da 2,5 X in un tubo PCR da 200 microlitri.Quindi ricottura la miscela di reazione in un termociclo da 90 a 27 gradi Celsius come delineato nella tabella. Per preparare il substrato, immergere circa sette per sette millimetri di trucioli tagliati da un wafer di zaffiro in un contenitore di vetro di 52 gradi Celsius acetone per almeno 15 minuti prima di trasferire i trucioli in un contenitore di vetro di isopropanolo per due minuti di sonicazione. Al termine della sonicazione, utilizzare le pinzette per rimuovere i trucioli dall'isopropanolo e asciugare immediatamente i trucioli con azoto al massimo flusso possibile con le superfici del truciolo parallele alla direzione del flusso.Per la deposizione di vapore chimico potenziato al plasma dello strato di silicio amorfo, posizionare i trucioli essiccati nello strumento di deposizione chimica del vapore potenziato al plasma e impostare i parametri di deposizione in base al modello dello strumento e calibrazione per far crescere circa 50 nanometri di silicio amorfo. Per il trattamento al plasma di ossigeno dello strato di silicio amorfo, posizionare i trucioli nello strumento di incisione ionica reattiva e impostare i parametri di incisione per generare plasma di ossigeno in base al modello dello strumento e alla calibrazione. Quindi eseguire il programma di trattamento del plasma di ossigeno.Entro 30 minuti dal trattamento con plasma di ossigeno, mescolare cinque microlitri di soluzione di origami di DNA piegata e purificata con quattro microlitri di tampone pieghevole e un microliter di un cloruro di magnesio molare. Depositare 10 microlitri della miscela di origami di DNA su ogni chip trattato con plasma di ossigeno e coprire i trucioli per un'incubazione di cinque minuti a temperatura ambiente. Al termine dell'incubazione, lavare le superfici del truciolo con 100 microlitri di acqua distillata, risciacquando l'acqua avanti e indietro alcune volte con la pipetta evitando di toccare i centri dei trucioli.Dopo aver ashing da due a tre volte più volte come appena dimostrato, asciugare immediatamente i trucioli con flusso di azoto. Per far crescere una maschera di biossido di silicio, mescolare 100 grammi di gel di silice con 30 millilitri di acqua distillata. Mettere la miscela di gel di silice in un essiccatore e separare il gel con una piastra perforata.Dopo 24 ore, posizionare i trucioli con origami di DNA adsorbiti sulla piattaforma perforata nell'essiccatore e posizionare una fiala contenente 10 millilitri di tetraetil ortosilicato su un lato dei trucioli e una fiala contenente 10 millilitri di idrossido di ammonio al 25% dall'altro lato dei trucioli. Quindi sigillare la camera per un'incubazione di 20 ore a temperatura ambiente. Alla fine dell'incubazione, un film di biossido di silicio si sarà formato sulle aree senza le strutture degli origami del DNA, creando una maschera modellata da 10 a 20 nanometri con fori a forma di origami di DNA.Per l'incisione reattiva degli ioni del biossido di silicio, posizionare i trucioli nello strumento di incisione ionica reattiva e impostare i parametri di incisione per incidere solo due o cinque manometri del biossido di silicio per rivelare lo strato amorfo di silicio sotto i fori nella maschera di biossido di silicio. Tutti i parametri di incisione dovrebbero essere ottimizzati per gli strumenti scelti, in quanto i parametri corretti dipendono dal tipo di attrezzatura e dall'insieme specifico. Potrebbero essere necessarie alcune iterazioni.Dopo aver eseguono il programma di incisione al plasma di biossido di silicio anisotropico, impostare i parametri di incisione per perforare attraverso lo strato di silicio amorfo da 50 nanometri. Quindi eseguire il programma di incisione del plasma di silicio isotropo. Per la deposizione fisica del vapore, caricare i trucioli nella camera di evaporazione dello strumento fisico di deposizione del vapore e selezionare un metallo bersaglio adesivo.Impostare il programma di controllo dello spessore per il materiale e lo spessore di destinazione e avviare il fascio di elettroni, allineando il fascio al bersaglio e aumentando la corrente del fascio fino a raggiungere una velocità di deposizione di 0,05 nanometri al secondo. Quindi evaporare fino a raggiungere uno spessore finale di due nanometri. Al termine dell'evaporazione, selezionare il secondo metallo bersaglio senza sfiatare la camera o interrompere il processo e impostare lo spessore.Allineare il fascio di elettroni al bersaglio fino a raggiungere una velocità di deposizione di 0,05 nanometri al secondo prima di evaporare fino a raggiungere uno spessore di 20 nanometri. La struttura metallica a forma di origami di DNA sarà creata attraverso i fori della maschera di biossido di silicio con l'altezza totale di 22 nanometri. Dopo aver sfiato la camera, rimuovere i campioni.Per il decollo dell'acido fluoridrico, immergere i campioni in incisione a base di acido fluoridrico e utilizzare pinzette di plastica per mescolare delicatamente i campioni. Attendere che lo strato di biossido di silicio si incise completamente e che lo strato metallico si distacci prima di risciacquare i campioni con acqua doppia distillata e isopropanolo. Quindi asciugare i campioni con un flusso di azoto come dimostrato.Per l'incisione reattiva degli ioni del silicio amorfo rimanente, posizionare i trucioli nello strumento di incisione ionica reattiva e impostare i parametri di incisione per la rimozione di tutti i 50 nanometri del silicio amorfo. Eseguire il programma di incisione al plasma di silicio amorfo isotropo per rimuovere il silicio amorfo rimanente. Quindi rimuovere i campioni dall'apparecchiatura di incisione ionico reattiva e conservarli in un contenitore coperto.L'elettroforesi del gel di agarosio e la microscopia a forza atomica possono essere utilizzate per analizzare la piegatura degli origami di DNA e la qualità della purificazione del polietilene glicole. Qui vengono mostrate le immagini rappresentative della microscopia a forza atomica dopo la crescita della maschera di biossido di silicio. Mentre in queste immagini si può osservare la microscopia elettronica a scansione delle nanostrutture metalliche finali.In questi grafici è stata analizzata la funzionalità ottica delle nanostrutture metalliche, modello dagli origami del DNA del papillon. La crescita della maschera di biossido di silicio è fondamentale per il processo ed è piuttosto sensibile all'umidità e alla reattività di TEOS. Pertanto, questi parametri devono essere attentamente controllati per la riproducibilità.Se la tecnica degli origami di DNA è ulteriormente combinata con modelli di DNA altamente ordinati, potrebbe spianare la strada alla fabbricazione di metamateriali e superfici all'intervallo di lunghezze d'onda visibili.

Research

JoVE Journal

Chemistry

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

Microfluidic On-chip Capture-cicloaddizione Reazione di immobilizzare reversibilmente piccole molecole o strutture multi-componenti per applicazioni Biosensor

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

Ricerca

Chimica

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Formazione di strutture biomolecolari ordinate dalla Self-assemblaggio di piccoli peptidi

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Mizoroki-Heck reazioni di cross-coupling catalizzate da dicloro {bis [1,1 &#39;, 1&#39;&#39; - (phosphinetriyl) tripiperidine]} palladio Sotto lievi condizioni di reazione

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 ...

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