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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この研究は、フィンランドアカデミー(プロジェクト286845、308578、303804、267497)、ジェーンとアトス・エルッコ財団、シグリッド・ジュセリウス財団によって支援されました。この研究は、フィンランド・アカデミー・オブ・エクセレンス・プログラム(2014-2019)の下で行われました。我々は、アアルト大学バイオエコノミー施設及びオタナノナノナノナノナノナノ(Aalto-NMC)およびマイクロノバナノファブリケーションセンターによる施設及び技術支援の提供を認める。

著者は何も開示していない。

プロトコルは生産されたナノ構造の形の大きい自由そして正確さを提供する。DNA折り紙の設計を変えることで、金属ナノ構造の形状を制御することができます。金属構造の最終的な、正確な形状は、マスク成長工程(ステップ9)によってさらに決定され、マスクエッチング(ステップ10)によってより少ない程度に対向性ではない場合。マスクの成長時間が十分に延長されると、マスクの穴が閉じ始めます。これは、弓折り紙の三角形を分離したShen et al.34で示されているように、いくつかの構造の最も薄い特徴を省略し、ギャップサイズを制御するために使用することができます(図5B)。逆に、より薄い形状は、酸化物の成長時間を短縮することによってより良く保存することができる。これは、使用する折り紙の設計を変更するだけでなく、SiO2フィルムの成長を調整することによっても、図6に表示される光学特性を調整することが可能であることを意味します。

マスクの厚さが大幅に変更された場合は、その変更も SiO2 RIE ステップに反映する必要があります。SiO2の非常に薄い層だけがマスク穴を通してかろうじて突き刺すためにエッチング(2-5 nm)する必要があります。これは、プロセス全体の中で最も敏感で重要な部分です。エッチング時間は非常に短く、わずか10〜20sなので、新しい機器を最初に試みたときに正確な設定を実験的に決定する必要があります。これは、一部の SiO2が a-Si エッチング中にエッチングされる場合も同様です。エッチングされたSiO2の範囲は、使用されるa-Siエッチングパラメータ、機器、さらには個々の機器のキャリブレーションの選択性によって決定されます。これら2つのプロセスの間にSiO2層全体をエッチングしないように注意する必要があります。

もう一つの敏感なステップは、SiO2の成長です。成長プロセスは、チャンバー湿度と使用されるTEOSの現在の活性の両方に依存します。TEOSは空気から水を吸着すると劣化し、経年とともに効果が低下します。これは、化学物質の適切な貯蔵を行っても、数ヶ月以内に著しく遅く、制御不能な成長率として現れる可能性があります。34得られたSiO2層が意図したよりも薄い場合、これは室内湿度ではなくTEOSに問題を示す可能性がある。湿度が低いと、成長率が低くなりフィルムが薄くなることもありますが、得られるフィルムも通常よりも滑らかでなければなりません。一方、粗粒状の粗い層は、逆に高湿度の問題を示します。

また、2つの要件を持つ他の自由に選択された基板上でこのプロトコルを実行することも可能です:それは、HFエッチング(ステップ12)とPECVDの200-300°C温度の両方を許容しなければなりません(ステップ6)。より感度の高い基板を使用すれば、a-SiのPECVDの温度を安全に100°Cに下げることができますが、プロトコルに正確に従えばHFは避けられません。HF を回避するには、追加の犠牲層の適用が必要になります。HFエッチングの要件が除去された場合、このプロトコルは、基板材料および金属のより広い選択と互換性を持つようになります。

このプロトコルは、一般的に使用され、堅牢なマイクロファブリケーションプロセスで構成されているので、小さな特徴サイズと複雑な金属形状が望まれる他のマイクロファブリケーションプロトコルの任意の数と組み合わせることができます。近い将来、特に低コストのDNA折り紙量産31の来て、この方法は、インターフェイスベースのナノフォトニクスとプラズモニクス55のための一般的な使用とハイスループットナノパターニングの両方を容易にする可能性があります55.

構造DNAナノテクノロジーは、近年1、2の間に急速に進化し、この分野で最も影響力のある開発は間違いなくDNA折り紙3、4の発明であった。DNA折り紙技術は、正確な構造特徴3、4を持つ事実上あらゆるナノ形状の製造を可能にします。この強力な方法は、(サブ)ナノメートルの正確な空間配置とカーボンナノチューブ5、金属ナノ粒子6、7、8などの他のナノオブジェクトの固定で使用することができます。9, 酵素/タンパク質10,11,12,13および治療材料14,15,16,17.重要なのは、これらの構造は単に静的であるだけでなく、動的な方法で動作するようにプログラムすることもできます18,19.DNA折り紙の無数のアプリケーションは、薬物送達20、21、22から分子エレクトロニクス/プラズモニクス5、23、24まで及びます。 25と材料科学26、27から新規イメージングおよびキャリブレーション技術28まで。

上記のアプリケーションに加えて、DNA折り紙形状の極端な空間分解能は、ナノパターニングおよび繊細なナノスケールリソグラフィ29、30で利用することができる。このプロトコルは、DNA折り紙テンプレートを用いて基質上に離散的で正確な無機ナノ構造を作成するためのリソグラフィ法について説明する。これらのテンプレートは、様々な形状および大量31で効率的に製造することができ、大スケール32で選択された基板に楽に堆積することができる。これらの特性により、一般的に使用されるのではなく、電子ビームリソグラフィやその他の走査ベースのナノファブリケーション技術とは対照的に、1ステップで数十億個のナノ構造の高度に並列化することができます。

ここで、製造プロセスは、窒化ケイ素およびサファイア基板上に金弓状の構造を作成することによって実証される。言い換えれば、DNA折り紙の空間情報は完全に金属ナノ構造に転送される。ここで論じるように、この技術は、選択された弓状DNA折り紙構造に限定されない。さらに、系統的な改変により、この技術は、メタサーフェス33の製造に向けて道を開く異なる金属および基板に拡張することができる。

DNA折り紙媒介加工でパターン化された表面は、汎用性の高いセンサとして機能する場合があります。例えば、それらは表面増強されたラマン分光法(SERS)で使用することができる。個々のナノ形状の小さな寸法の結果として、作成された表面は、可視波長範囲で光学およびプラズモニックアプリケーションでの使用を見つけることができます。

<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

構造DNAナノテクノロジーは、DNAを建設材料として使用してボトムアップから構築するための実行可能なルートを提供します。最も一般的なDNAナノファブリケーション技術はDNA折り紙と呼ばれ、ナノメートルレベルの精度で正確で汎用性の高い構造のハイスループット合成を可能にします。ここでは、ボトムアップDNA折り紙と従来用のトップダウンリソグラフィ法アプローチを組み合わせることにより、DNA折り紙の空間情報を金属ナノ構造に伝達する方法を示す。これにより、選択した基板上に1ステップで数十億個の小さなナノ構造を作製することができます。この方法は、ボウタイDNA折り紙を使用して、窒化ケイ素またはサファイア基板上に金属弓形のアンテナ構造を作成するために実証されています。この方法は、折り紙堆積基板の上に酸化ケイ素層の選択的成長に依存し、したがって、リソグラフィステップに続くパターニングマスクをもたらす。これらのナノ構造を装備した表面は、分子センサ(例えば、表面強化ラマン分光法(SERS))として、および小さな特徴サイズ(サブ10nm)に起因する可視波長範囲の様々な他の光学用途で使用することができます。技術は、方法論的な変更を通じて他の材料に拡張することができます。したがって、得られる光学的に活性な表面は、メタマテリアルおよびメタサーフェスの開発に使用される可能性があります。

ボウタイDNA折り紙のデザインとその構造の詳細の概略図を図1に示します。アガロースゲル電気泳動とAFMは、DNA折り紙の折りたたみとPEG精製の品質を分析するために使用されます(図2)。ナノリソグラフィーステップのプロセスフローを図3に示します。SiO2マスクの成長後の代表的なAFM画像を図4に示します(このステップは図3Dに示しています)が、最終的な金属ナノ構造体のSEM画像を図5に示します(このステップは図5に示されています(このステップは図5に示されています。図 3H)。図6は、弓ネクタイDNA折り紙によってテンプレート化された金属ナノ構造体の光学的機能を示す。
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td colspan="5">折りたたみバッファー(FOB)成分濃度 [mM]</td>
			<td></td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>トリス</td>
			<td>酢酸</td>
			<td>Edta</td>
			<td>塩化マグネシウム</td>
			<td>博士</td>
		</tr>
<tr>
<td>2.5x フォブ</td>
			<td>100</td>
			<td>47.5</td>
			<td>2.5</td>
			<td>31.25</td>
			<td>~8,3</td>
		</tr>
<tr>
<td>1xフォブ</td>
			<td>40</td>
			<td>19</td>
			<td>1</td>
			<td>12.5</td>
			<td>~8,3</td>
		</tr>
</tbody></table>表1:折りたたみバッファー(FOB)の組成。
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td>温度範囲[oC]</td>
			<td>冷却速度</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>停止するまで保留</td>
		</tr>
</tbody></table>表2:蝶ネクタイ折り紙折りたたみのためのサーマルランプ。アニーリング後、折り紙はプログラムが手動で停止するまで12°Cに保存されます。
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td>PECVD パラメータと RIE パラメータ</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>ガス</td>
			<td>ガスの流れ [sccm]</td>
			<td>室内圧力 [mTorr]</td>
			<td>RFパワー [W]</td>
			<td>温度[oC]</td>
			<td>継続時間 [s]</td>
		</tr>
<tr>
<td>a-Si の PECVD</td>
			<td>5% SiH4で 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プラズマ処理</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>SiO2のRIE
</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>a-Si の RIE</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>残りの a-Si の RIE</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>表3:プラズマ増強化学蒸着(PECVD)および反応性イオンエッチング(RIE)のプロセスパラメータ。これらのデバイスのプロセスパラメータは、個々の機器に固有であり、使用時に適応する必要がある場合があります。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig1.jpg"> 図1:蝶ネクタイDNA折り紙のデザイン。(A)コア構造が二重ヘリックスで表示され、ポリTオーバーハングが波線で描かれている弓折り紙の概略図。(B)caDNAnoソフトウェアの蝶ネクタイ折り紙デザインの一部のスクリーンショット。赤い十字は、ツイスト補正のためにスキップするベースペアを示し、T8-オーバーハングは、鈍いエンドのベーススタッキングを防ぐために追加されます。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig1large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig2.jpg"> 図2:弓ネクタイDNA折り紙構造の特徴付け。(A)ポリ(エチレングリコール)(PEG)精製前後の弓構造のアガロースゲル電気泳動。7249ヌクレオチド長い足場が参照として使用される。(B)浄化前の蝶ネクタイ構造の原子力顕微鏡(AFM)画像。(C)PEG精製後の蝶ネクタイ構造のAFM画像。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig2large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig3.jpg"> 図3:製造工程フローのスキーム(寸法はスケールではない)。(A)基板をサイコロと清掃します。(B)プラズマ増強化学蒸着(PECVD)によりa-Si層を堆積させます。*a-Siの下に追加の犠牲層を採用し、HF.(C)以外のエッチングでリフトオフを可能にし、試料表面をO2プラズマで処理し、DNA折り紙を堆積させることができます。(D)SiO2マスクをデシケータで成長させる。(E)SiO2の薄い層をエッチングし、その下のa-Siを通して反応性イオンエッチング(RIE)を行う。(F)物理的な蒸着(PVD)によりマスクを通して金属を堆積する。(G)HF.(H)RIE によって残りの a-Si を取り外します。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig3large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig4.jpg">
図4:DNA折り紙形パターンを持つSiO2フィルムの代表的なAFM画像。 (A)10 μm x 10 μmの走査面積は、パターン形成の高い収率を示す。(B)近い 3 μm x 3 μm スキャンは、SiO2フィルム内の正確な個々のパターンを示します。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig4large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig5.jpg"> 図5:構造的に異なるDNA折り紙でテンプレート化された金属ナノ構造の代表的な走査型電子顕微鏡(SEM)画像。(A)十字型DNA折り紙、すなわち、いわゆるシーマンタイル折り紙54。(B)ボウタイアンテナ。(C)キラルダブルL(CDL)構造。インセットは、150 nm x 150 nm のボックスサイズを持つ個々の構造を示します。正確な構造の製造収率は、弓折り紙の場合は最大76%、ここで表示される他の構造については~50%である。この図は、Shen et al.34から適応および変更されています。この図は著者の許可を得て再現され、2018年アメリカ科学振興協会によって出版されました。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig5large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig6.jpg"> 図6:得られたナノ構造の代表的な光学的/機能的特性。(A)異なる偏光(オレンジ色と青色でコード化された色)を持つ個々の金弓構造の局所的な表面プラズモン共鳴(LSPR)の測定値。実線はスペクトルを測定し、破線はシミュレーション結果です。インセットは、測定されたパーティクル(左)とシミュレーションに使用するモデル(右)のSEMイメージを示します。(B)表面強化ラマン分光法(SERS)のローダミン6Gと2,2-ビピリジンを弓ナノ構造で覆われた表面で測定した。各サンプルのベースラインは、ナノ構造体が存在しなかったときにシグナルレベルを示す。この図は、Shen et al.34から適応および変更されています。この図は著者の許可を得て再現され、2018年アメリカ科学振興協会によって出版されました。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig6large.jpg" target="_blank">この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Supplemental File 1" src="/files/ftp_upload/60313/60313sup1.jpg"> 補足ファイル1:CaDNAnoファイル<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/bowtie_poly-T.json" target="_blank">ここをクリックしてこのファイルをダウンロードしてください。</a>
<img alt="Supplemental File 2" src="/files/ftp_upload/60313/60313sup2.jpg"> 補足ファイル2:m13mp18シーケンス<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/m13mp18_sequence.txt" target="_blank">このファイルをダウンロードするにはここをクリックしてください。</a>
<img alt="Supplemental File 3" src="/files/ftp_upload/60313/60313sup3.jpg"> 補足ファイル3:ステープルストランドシーケンス<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/bowtie_staple_sequences.xlsx" target="_blank">このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>

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

ここでは、DNA折り紙形状を誘導テンプレートとして用いて基質上に離散的で正確な無機ナノ構造を作成するプロトコルについて述べた。この方法は、透明基板(サファイア)上にプラズモニックゴールド弓形アンテナを作成することによって実証されています。

センシング用途のための無機構造のDNA折り紙媒介基板ナノパターニング

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

このプロトコルは、ボトムアップベースのDNA折り紙技術とトップダウンナノファブリケーション法を組み合わせることで、異なる基板上のサブ10ナノメートルの特徴サイズを持つ無機ナノ構造の並列製作を可能にします。この技術は、高価なパターン化方法を必要とせずに、事実上あらゆる形で、一度に数十億の正確なナノ構造を作成するために使用することができます。この方法は、表面強化ラマン分光法などのセンシング用途で活用される可能性を秘めており、新しい光学メタサーフェスを作成します。このプロトコルはかなり簡単ですが、より多くの懲戒製作スキルが必要であり、したがって、視覚的なデモンストレーションは、様々な背景を持つ研究者のために有用であろう。ペッテリ・ピスクネンとの手順を実証することは、私たちの研究室のもう一人の卒業生ソフィア・ジュリンになります。ステープルストランドのストックを作るために、蝶ネクタイ構造に必要なすべてのオリゴヌクレオチドを同量混合し、M13 MP18足場鎖の20マイクロリットルをステープルストック溶液の40マイクロリットル、200マイクロリットルの折りたたみバッファーの40マイクロリットルを200マイクロリットルPCRチューブに混ぜます。次に、サーモサイクラー中の反応混合物を90〜27°Cの温度で表に示すようにアニールします。基板を準備するには、サファイアウエハーから切り取られたチップを52°Cのアセトンのガラス容器に少なくとも15分間浸し、2分間超音波処理のためにイソプロパノールのガラス容器にチップを移します。超音波処理の終わりには、ピンセットを使用してイソプロパノールからチップを取り除き、すぐにチップ表面が流れの方向に平行な最高の流れで窒素でチップを乾燥させます。アモルファスシリコン層のプラズマ強化化学気相成長の場合、乾燥したチップをプラズマ強化された化学気相蒸着装置に入れ、計器モデルとキャリブレーションに従って堆積パラメータを設定し、約50ナノメートルのアモルファスシリコンを成長させます。非晶質シリコン層の酸素プラズマ処理のために、チップを反応性イオンエッチング装置に入れ、エッチングパラメータを設定して、機器モデルとキャリブレーションに従って酸素プラズマを生成します。次に、酸素プラズマ処理プログラムを実行します。酸素プラズマ処理から30分以内に、折り畳み精製されたDNA折り紙溶液5マイクロリットルと、折りたたみバッファー4マイクロリットル、塩化モルマグネシウム1マイクロリットルを混合します。各酸素プラズマ処理チップにDNA折り紙混合物10マイクロリットルを堆積させ、室温で5分間インキュベーションするためにチップをカバーします。インキュベーションの最後に、チップ表面を100マイクロリットルの蒸留水で洗い、チップの中心に触れないようにピペットで水を数回リンスします。ちょうど実証したように2〜3回灰を上げ、すぐに窒素の流れでチップを乾燥させます。二酸化ケイ素マスクを成長させるためには、蒸留水の30ミリリットルとシリカゲルの100グラムを混合します。シリカゲル混合物をデシケーターに入れ、パーフォープレートでゲルを分離します。24時間後、吸着したDNA折り紙を含むチップをデシケーターの穿フォしたプラットフォームに置き、チップの片側にテトラエチルオルソケイ酸塩10ミリリットルを含むバイアルと、チップの反対側に25%水酸化アンモニウムの10ミリリットルを含むバイアルを置きます。その後、室温で20時間のインキュベーションのためにチャンバーを密封します。インキュベーションの終わりには、DNA折り紙構造のない領域に二酸化ケイ素膜が形成され、DNA折り紙の形をした穴を持つ10〜20ナノメートルのパターンマスクが作成されます。二酸化ケイ素の反応性イオンエッチングの場合は、チップを反応性イオンエッチング装置に入れ、二酸化ケイ素の2~5つのマノメーターのみをエッチングして、二酸化ケイ素マスクの穴の下の非晶質シリコン層を明らかにします。正しいパラメータは機器の種類と特定の設定に依存するので、すべてのエッチングパラメータは、選択された機器に最適化する必要があります。いくつかの反復が必要な場合があります。異方性二酸化ケイ素プラズマエッチングプログラムを実行した後、50ナノメートルの非晶質シリコン層を貫通するエッチングパラメータを設定します。次に等方性シリコンプラスムエッチングプログラムを実行する。物理的な蒸着の場合、物理的な蒸着器具の蒸発チャンバーにチップをロードし、接着剤ターゲット金属を選択します。ターゲット材料と厚さの厚さ制御プログラムを設定し、電子ビームを開始し、ビームを目標に合わせ、毎秒0.05ナノメートルの堆積速度に達するまでビーム電流を増加させます。その後、2ナノメートルの最終的な厚さに達するまで蒸発します。蒸発の終わりに、チャンバーを通したり、プロセスを中断することなく、第二のターゲット金属を選択し、厚さを設定します。20ナノメートルの厚さに達するまで蒸発する前に、毎秒0.05ナノメートルの堆積速度が達成されるまで、電子ビームをターゲットに位置合わせます。DNA折り紙形の金属構造は、全高22ナノメートルの二酸化ケイ素マスク穴を通して作成されます。チャンバーを通して、サンプルを取り除きます。フッ化水素酸リフトオフの場合は、フッ化水素酸ベースのエッチャントにサンプルを浸し、プラスチックピンセットを使用してサンプルを軽く攪拌します。二酸化ケイ素層が完全にエッチングし、金属層が取り外されるのを待ってから、サンプルを二重蒸留水とイソプロパノールですすいでください。次に、サンプルを窒素の流れで乾燥させます。残りの非晶質シリコンの反応性イオンエッチングの場合、チップを反応性イオンエッチング装置に入れ、50ナノメートルのアモルファスシリコンの除去を通してエッチングパラメータを設定します。等方性の異形シリコンプラズマエッチングプログラムを実行して、残りの非晶質シリコンを除去します。次に、反応性イオンエッチング装置からサンプルを取り出し、覆われた容器に保管します。アガロースゲル電気泳動と原子間力顕微鏡法を用いて、DNA折り紙の折り畳みとポリエチレングリコール精製の品質を解析することができます。ここで、二酸化ケイ素マスクの成長後の代表的な原子間力顕微鏡画像が示されている。これらの画像では、最終金属ナノ構造体の走査型電子顕微鏡が観察される。これらのグラフでは、蝶ネクタイDNA折り紙によって鋳造された金属ナノ構造の光学的機能性を分析した。二酸化ケイ素マスクの成長はプロセスにとって非常に重要であり、TEOSの湿度と反応性にかなり敏感です。したがって、これらのパラメータは、再現性のために慎重に制御する必要があります。DNA折り紙技術が高度に順序付けられたDNAパターンとさらに組み合わされれば、目に見える波長範囲でメタマテリアルや表面を作製する道を開く可能性があります。

Research

JoVE Journal

Chemistry

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

可逆小分子またはバイオセンサー応用のためのマルチコンポーネント構造を固定化するために、マイクロ流体オンチップキャプチャ - 環化反応

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

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高安定、機能毛深いナノ粒子と木材繊維からバイオポリマー：持続可能なナノテクノロジーに向けて

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

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[Snとの合成<sub&gt; 10</sub&gt;シリコン（Si（サイム<sub&gt; 3</sub&gt;）<sub&gt; 3</sub&gt;）<sub&gt; 4</sub&gt;]<sup&gt; 2</sup<sup&gt; -</sup&gt;準安定のSn（I）の共縮技術を介して合成ハロゲン化物溶液を使用しました

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

単一分子力分光法を用いて無機材料とアミノ酸とペプチドの相互作用への洞察

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

電気化学的応用のための非貴金属バルク電極の調製のための簡単な方法

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Inkjet Printing All Inorganic Halide Perovskite Inks for Photovoltaic Applications

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

ナノ多孔質陽極酸化アルミニウムによる鉄ナノワイヤー製造とその特性

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