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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Este trabajo fue apoyado por la Academia de Finlandia (proyectos 286845, 308578, 303804, 267497), la Fundación Jane y Aatos Erkko y la Fundación Sigrid Jusélius. Este trabajo se llevó a cabo en el marco del Programa de Centros de Excelencia de la Academia de Finlandia (2014-2019). Reconocemos la provisión de instalaciones y apoyo técnico por parte de Las Instalaciones de Bioeconomía de la Universidad de Aalto y OtaNano – Centro de Nanomicroscopía (Aalto-NMC) y el Centro de Nanofabricación de Micronova.

Los autores no tienen nada que revelar.

El protocolo proporciona una gran libertad y precisión en la forma de nanoestructuras producidas. Al cambiar el diseño del origami de ADN, se puede controlar la forma de las nanoestructuras metálicas. La forma final y exacta de las estructuras metálicas está determinada adicionalmente por el paso de crecimiento de la máscara (Paso 9) y en menor grado por el grabado de la máscara (Paso 10) en caso de que no sea anisotrópico. Si el tiempo de crecimiento de la máscara se extiende lo suficiente, los agujeros en la máscara comenzarán a crecer cerrado. Esto se puede utilizar para omitir las características más delgadas de algunas estructuras y tamaños de brecha de control, como se muestra en Shen et al.34 con triángulos separados de la pajarita origami (Figuras 5B). Por el contrario, las formas más delgadas se pueden conservar mejor al acortar el tiempo de crecimiento del óxido. Esto significa que es posible ajustar las propiedades ópticas mostradas en la Figura 6,no sólo cambiando el diseño de origami utilizado, sino también ajustando el crecimiento de la película SiO2.

Si el grosor de la máscara se cambia significativamente, ese cambio también debe reflejarse en el paso SiO2 RIE. Sólo una capa muy delgada de SiO2 debe ser grabada (2-5 nm) para apenas perforar a través de los agujeros de la máscara. Esta es la parte más sensible y crucial de todo el proceso. Dado que el tiempo de grabado es extremadamente corto, sólo 10-20 s, los ajustes exactos deben determinarse experimentalmente cuando se intenta por primera vez con equipos nuevos. Esto también es cierto para el paso 10.4 ya que algunos SiO2 también se graban durante el grabado a-Si. La extensión del SiO2 grabado viene determinado por la selectividad de los parámetros de etch a-Si utilizados, equipos e incluso calibraciones individuales de equipos. Se debe tener cuidado de no grabar toda la capa de SiO2 durante estos dos procesos.

Otro paso sensible es el crecimiento de SiO2. El proceso de crecimiento depende tanto de la humedad de la cámara como de la actividad actual del TEOS utilizado. TEOS se degrada a medida que absorbe el agua del aire, haciendo que se vuelva menos eficaz con la edad. Esto puede manifestarse como una tasa de crecimiento significativamente más lenta y menos controlable en cuestión de meses, incluso con el almacenamiento adecuado del producto químico. 34 Si la capa siO2 resultante es más delgada de lo previsto, esto puede indicar un problema con TEOS en lugar de humedad de la cámara. Mientras que una humedad más baja también puede resultar en una menor tasa de crecimiento y una película más delgada, la película resultante también debe ser más suave de lo normal. Mientras tanto, una capa gruesa granulada y áspera indicaría por el contrario un problema con la alta humedad.

También es posible realizar este protocolo en cualquier otro sustrato libremente elegido con dos requisitos: Debe tolerar tanto el grabado HF (Paso 12) como las temperaturas de 200-300 oC de PECVD (Paso 6). La temperatura se puede bajar de forma segura a 100 oC para el PECVD de a-Si si se utiliza un sustrato más sensible, pero la IC no se puede evitar si el protocolo se sigue exactamente como se describe. Para eludir hf, se requeriría la aplicación de una capa de sacrificio adicional. Si se elimina el requisito del grabado HF, este protocolo se volvería compatible con una selección más amplia de materiales de sustrato y metales.

Como este protocolo consiste en procesos de micro y nanofabricación de uso común y robustos, podría combinarse con cualquier número de otros protocolos de microfabricación donde se desean pequeños tamaños de características y formas metálicas complejas. En un futuro próximo, especialmente con la llegada de la producción en masa de origami de ADN de bajo costo31, existe la posibilidad de que este método facilite el uso general y el nanopatrón de alto rendimiento para nanofotónica sin interfaz y plasmónica55 .

La nanotecnología del ADN estructural ha evolucionado rápidamente durante la última década1,2, y el desarrollo más influyente en el campo ha sido sin duda la invención del origami de ADN3,4. La técnica de origami de ADN permite la fabricación de prácticamente cualquier nanoforma con características estructurales precisas3,4. Este potente método se puede utilizar en la disposición espacial (sub)nanómetro-precisa y el anclaje de otros nano-objetos, tales como nanotubos de carbono5, nanopartículas metálicas6,7,8, 9, enzimas/proteínas10,11,12,13 y materiales terapéuticos14,15,16,17 . Es importante destacar que estas estructuras no son meramente estáticas, sino que también se pueden programar para actuar de forma dinámica18,19. Las innumerables aplicaciones del origami de ADN van desde la administración de fármacos20,21,22 a la electrónica molecular / plasmónica5,23,24, 25 y desde la ciencia de los materiales26,27 a las técnicas de imagen y calibración novedosas28.

Además de las aplicaciones mencionadas anteriormente, la resolución espacial extrema de las formas de origami de ADN podría aprovecharse en nanopatrones y delicada litografía a nanoescala29,30. Este protocolo describe un método de litografía para crear nanoestructuras inorgánicas discretas y precisas en sustratos utilizando plantillas de origami de ADN. Estas plantillas se pueden producir eficientemente en varias formas y en grandes cantidades31,y depositarse sin esfuerzo en sustratos elegidos a grandes escalas32. Estas propiedades permiten una fabricación altamente paralela de miles de millones de nanoestructuras en un solo paso en comparación con la litografía de haz de electrones comúnmente utilizada, sino más bien lenta u otras técnicas de nanofabricación basadas en escaneo.

En este documento, el proceso de fabricación se demuestra mediante la creación de estructuras en forma de pajarita de oro en sustratos de nitruro de silicio y zafiro; en otras palabras, la información espacial del origami de ADN se transfiere a nanoestructuras totalmente metálicas. Como se explica aquí, la técnica no se limita a la estructura de origami de ADN de paja seleccionada, ya que el método permite el uso de prácticamente cualquier forma de origami de ADN. Además, con modificaciones metódicas, la técnica se puede extender a diferentes metales y sustratos allanando el camino hacia la fabricación de metasuperficies33.

Las superficies modeladas con la fabricación mediada por origami de ADN pueden servir como sensores versátiles; por ejemplo, se pueden utilizar en espectroscopia Raman (SERS) mejorada en superficie. Como resultado de las pequeñas dimensiones de las nanoformas individuales, las superficies creadas pueden encontrar usos en aplicaciones ópticas y plasmónicas en el rango de longitud de onda visible.

<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 nanotecnología de ADN estructural proporciona una ruta viable para la construcción desde abajo hacia arriba utilizando el ADN como material de construcción. La técnica de nanofabricación de ADN más común se llama origami de ADN, y permite la síntesis de alto rendimiento de estructuras precisas y altamente versátiles con precisión a nivel de nanómetro. Aquí, se muestra cómo la información espacial del origami de ADN se puede transferir a nanoestructuras metálicas combinando el origami de ADN de abajo hacia arriba con los enfoques de litografía de arriba hacia abajo utilizados convencionalmente. Esto permite la fabricación de miles de millones de nanoestructuras diminutas en un paso sobre sustratos seleccionados. El método se demuestra utilizando origami de ADN bowtie para crear estructuras metálicas de antena en forma de pajar en sustratos de nitruro de silicio o zafiro. El método se basa en el crecimiento selectivo de una capa de óxido de silicio en la parte superior del sustrato de deposición de origami, lo que resulta en una máscara de patrón para seguir los pasos litográficos. Estas superficies equipadas con nanoestructuras se pueden utilizar como sensores moleculares (por ejemplo, espectroscopia Raman mejorada en superficie (SERS)) y en varias otras aplicaciones ópticas en el rango de longitud de onda visible debido a los pequeños tamaños de característica (sub-10 nm). La técnica puede extenderse a otros materiales a través de modificaciones metodológicas; por lo tanto, las superficies ópticamente activas resultantes pueden encontrar uso en el desarrollo de metamateriales y metasuperficies.

Una figura esquemática del diseño del origami de ADN bowtie y sus detalles estructurales se muestran en la Figura 1. La electroforesis de gel de agarosa y el AFM se utilizan para analizar el plegado del origami de ADN y la calidad de la purificación de PEG(Figura 2). El flujo de proceso de los pasos de nanolitografía se muestra en la Figura 3. Las imágenes AFM representativas después del crecimiento de la máscara de SiO2 se muestran en la Figura 4 (este paso se muestra en la Figura 3D),mientras que las imágenes SEM de las nanoestructuras metálicas finales se pueden ver en la Figura 5 (este paso se representa en Figura 3H). La Figura 6 demuestra la funcionalidad óptica de las nanoestructuras metálicas plantilladas por el origami de ADN bowtie.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td colspan="5">Concentraciones de componentes de búfer plegable (FOB) [mM]</td>
			<td></td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>Tris</td>
			<td>Acido acético</td>
			<td>Edta</td>
			<td>Cloruro de magnesio</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>8,3 euros</td>
		</tr>
<tr>
<td>1x FOB</td>
			<td>40</td>
			<td>19</td>
			<td>1</td>
			<td>12.5</td>
			<td>8,3 euros</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabla 1: Composición del tampón plegable (FOB).
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td>Rango de temperatura [oC]</td>
			<td>Tasa de enfriamiento</td>
		</tr>
<tr>
<td>90-70</td>
			<td>-0,2 oC / 8 s</td>
		</tr>
<tr>
<td>70-60</td>
			<td>-0,1 oC / 8 s</td>
		</tr>
<tr>
<td>60-27</td>
			<td>-0,1 oC / 2 s</td>
		</tr>
<tr>
<td>12</td>
			<td>Mantenga pulsado hasta que se detenga</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabla 2: Rampa térmica para el pliegue de pajarita origami. Después del recocido, el origami se almacenará a 12 oC hasta que el programa se detenga manualmente.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td>Parámetros PECVD y RIE</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>Gas</td>
			<td>Flujo de gas [sccm]</td>
			<td>Presión de cámara [mTorr]</td>
			<td>Potencia RF [W]</td>
			<td>Temperatura [oC]</td>
			<td>Duración [s]</td>
		</tr>
<tr>
<td>PECVD de a-Si</td>
			<td>5% SiH4 en 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>Tratamiento plasmático O2</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 de 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 de 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 de permanecer 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>Tabla 3: Parámetros del proceso para la deposición de vapor químico mejorada por plasma (PECVD) y el grabado de iones reactivos (RIE). Los parámetros de proceso para estos dispositivos son específicos de instrumentos individuales y es posible que deban adaptarse cuando se utilizan.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig1.jpg"> Figura 1: Diseño del origami de ADN bowtie. (A) Representación esquemática del diseño de origami bowtie en el que la estructura del núcleo se muestra como hélices dobles y los voladizos de poliT se representan como líneas onduladas. (B) Captura de pantalla de una parte del diseño de bowtie origami en el software caDNAno. Las cruces rojas denotan que el par base se salta para la corrección de torsión, y los voladizos T8se agregan para evitar el apilamiento de base de extremo romo. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig1large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig2.jpg"> Figura 2: Caracterización de la estructura del origami de ADN de pajarita. (A) Electroforesis de gel de agarosa de la estructura de la pajarita antes y después de la purificación de poli(etilenglicol) (PEG). El andamio largo 7249 nucleótidos se utiliza como referencia. (B) Imagen de microscopía de fuerza atómica (AFM) de las estructuras bowtie antes de la purificación. (C) Imagen AFM de las estructuras bowtie después de la purificación PEG. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig2large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig3.jpg"> Figura 3: Esquema del flujo del proceso de fabricación (las dimensiones no están en escala). (A) Dados y limpie el sustrato. (B) Depositar una capa a-Si por deposición de vapor químico mejorada por plasma (PECVD). *Es posible emplear una capa de sacrificio adicional debajo del a-Si para permitir el despegue con etchant distinto de HF. (C) Tratar la superficie de la muestra con plasma O2 y depositar el origami de ADN en ella. (D) Haga crecer la máscara SiO2 en el desecador. (E) Etch una fina capa de SiO2 y a través del a-Si debajo de ella por grabado de iones reactivos (RIE). (F) Depositar metal a través de la máscara por deposición física de vapor (PVD). (G) Despegue con HF. (H) eliminar el a-Si restante por RIE. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig3large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig4.jpg">
Figura 4: Imágenes Representativas de AFM de la película DeO2 con el patrón en forma de origami de ADN. (A) 10 ám x 10 m área de escaneo demuestra el alto rendimiento de la formación del patrón. (B) Una exploración más cercana de 3 m x 3 m muestra los patrones individuales precisos en la película de SiO2. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig4large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig5.jpg"> Figura 5: Imágenes representativas de microscopía electrónica de barrido(SEM) de nanoestructuras metálicas plantilladas con origami de ADN estructuralmente diferente. (A) Origami de ADN en forma de cruz, es decir, el llamado origami de azulejos Seeman54. (B) Antenas Bowtie. (C) Estructuras quirales de doble L (CDL). Los inserciones muestran estructuras individuales con tamaños de caja de 150 nm x 150 nm. El rendimiento de fabricación de las estructuras exactas es de hasta 76% para el pajarita de origami y del 50% para las otras estructuras que se muestran aquí34. Esta figura ha sido adaptada y modificada de Shen et al.34. La figura se reproduce con permiso de los autores y publicada por the American Association for the Advancement of Science, 2018. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig5large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig6.jpg"> Figura 6: Propiedades ópticas/funcionales representativas de las nanoestructuras resultantes. (A) Mediciones de resonancia de plasmón superficial localizada (LSPR) de una estructura de pajarita de oro individual con diferente polarización (color codificado como naranja y azul). Las líneas sólidas se miden espectros y las líneas discontinuas son resultados de simulación. Los recuadros muestran la imagen SEM de la partícula medida (izquierda) y el modelo utilizado para la simulación (derecha). (B) Espectroscopia Raman mejorada de superficie (SERS) de rodamina 6G y 2,2-bipiridina medida en una superficie cubierta con nanoestructuras bowtie. La línea de base de cada muestra el nivel de señal cuando las nanoestructuras estaban ausentes. Esta figura ha sido adaptada y modificada de Shen et al.34. La figura se reproduce con permiso de los autores y publicada por the American Association for the Advancement of Science, 2018. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig6large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Supplemental File 1" src="/files/ftp_upload/60313/60313sup1.jpg"> Archivo Suplementario 1: Archivo CaDNAno <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/bowtie_poly-T.json" target="_blank">Haga clic aquí para descargar este archivo.</a>
<img alt="Supplemental File 2" src="/files/ftp_upload/60313/60313sup2.jpg"> Archivo suplementario 2: secuencia m13mp18 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/m13mp18_sequence.txt" target="_blank">Haga clic aquí para descargar este archivo.</a>
<img alt="Supplemental File 3" src="/files/ftp_upload/60313/60313sup3.jpg"> Archivo suplementario 3: Secuencia de hilo básico <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/bowtie_staple_sequences.xlsx" target="_blank">Haga clic aquí para descargar este archivo.</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

Aquí, describimos un protocolo para crear nanoestructuras inorgánicas discretas y precisas en sustratos utilizando formas de origami de ADN como plantillas guía. El método se demuestra mediante la creación de antenas plasmónicas en forma de pajarita de oro en un sustrato transparente (zafiro).

Nanopatrón de nanopatrón de nanopatrón de sustrato mediado por origami de ADN para aplicaciones de cizallamiento

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

Este protocolo combina la técnica de origami de ADN basada en abajo hacia arriba con métodos de nanofabricación de arriba hacia abajo que permiten la fabricación paralela de nanoestructuras inorgánicas con tamaños de características de nanómetros sub-10 en diferentes sustratos. Esta técnica se puede utilizar para crear miles de millones de nanoestructuras precisas a la vez, prácticamente en cualquier forma sin la necesidad de costosos métodos de modelado. Este método tiene el potencial de aprovecharse en aplicaciones de detección como la espectroscopia Raman mejorada en superficie, así como para crear nuevas metasuperficies ópticas.Aunque este protocolo es bastante sencillo, se necesitan más habilidades disciplinarias de fabricación y, por lo tanto, la demostración visual será útil para los investigadores con una variedad de antecedentes. Demostrando el procedimiento con Petteri Piskunen estará Sofia Julin, otra estudiante de posgrado de nuestro laboratorio. Para hacer el stock de hebras de grapas, mezcle las cantidades iguales de todos los oligonucleótidos necesarios para la estructura de la pajarita y mezcle 20 microlitros del hilo de andamios M13 MP18 con 40 microlitros de la solución de material básico y 40 microlitros de búfer plegable 2.5 X en un tubo PCR de 200 microlitros.A continuación, recocido la mezcla de reacción en un termociclo de 90 a 27 grados Celsius como se describe en la tabla. Para preparar el sustrato, sumerja aproximadamente siete por siete milímetros de virutas cortadas de una oblea de zafiro en un recipiente de vidrio de 52 grados Celsius acetona durante al menos 15 minutos antes de transferir las virutas en un recipiente de vidrio de isopropanol durante dos minutos de sonicación. Al final de la sonicación, utilice pinzas para eliminar las virutas del isopropanol y seque inmediatamente las virutas con nitrógeno en el flujo más alto posible con las superficies de la viruta paralelas a la dirección del flujo.Para la deposición de vapor químico mejorada por plasma de la capa de silicio amorfo, coloque las virutas secas en el instrumento de deposición de vapor químico mejorado por plasma y establezca los parámetros de deposición de acuerdo con el modelo de instrumento y la calibración para que crezcan aproximadamente 50 nanómetros de silicio amorfo. Para el tratamiento del plasma de oxígeno de la capa de silicio amorfo, coloque las virutas en el instrumento de grabado de iones reactivos y establezca los parámetros de grabado para generar plasma de oxígeno de acuerdo con el modelo de instrumento y la calibración. A continuación, ejecute el programa de tratamiento de plasma de oxígeno.Dentro de los 30 minutos del tratamiento del plasma de oxígeno, mezcle cinco microlitros de solución de origami de ADN plegado y purificado con cuatro microlitros de tampón plegable y un microlitro de un cloruro de magnesio molar. Deposite 10 microlitros de la mezcla de origami de ADN en cada chip tratado con plasma de oxígeno y cubra los chips durante una incubación de cinco minutos a temperatura ambiente. Al final de la incubación, lave las superficies de la viruta con 100 microlitros de agua destilada, enjuagando el agua de un lado a otro varias veces con la pipeta evitando tocar los centros de las virutas.Después de cenizar de dos a tres veces más como se acaba de demostrar, secar inmediatamente las virutas con flujo de nitrógeno. Para cultivar una mascarilla de dióxido de silicio, mezcla 100 gramos de gel de sílice con 30 mililitros de agua destilada. Coloque la mezcla de gel de sílice en un desecador y separe el gel con una placa perforada.Después de 24 horas, coloque las virutas con origami de ADN adsorbido en la plataforma perforada en el desecador y coloque un vial que contenga 10 mililitros de ortosilicato de tetraetilo en un lado de las virutas y un vial que contenga 10 mililitros de hidróxido de amonio al 25% en el otro lado de las virutas. A continuación, selle la cámara durante una incubación de 20 horas a temperatura ambiente. Al final de la incubación, se habrá formado una película de dióxido de silicio en las áreas sin las estructuras de origami de ADN, creando una máscara con patrones de 10 a 20 nanómetros con agujeros en forma de origami de ADN.Para el grabado de iones reactivos del dióxido de silicio, coloque las virutas en el instrumento de grabado de iones reactivos y establezca los parámetros de grabado para grabar sólo dos a cinco manómetros del dióxido de silicio para revelar la capa de silicio amorfo debajo de los agujeros en la máscara de dióxido de silicio. Todos los parámetros de grabado deben optimizarse para los instrumentos elegidos, ya que los parámetros correctos dependen del tipo de equipo y de la configuración específica. Es posible que se necesiten algunas iteraciones.Después de ejecutar el programa de grabado de plasma de dióxido de silicio anisotrópico, establezca los parámetros de grabado para perforar a través de la capa de silicio amorfo de 50 nanómetros. A continuación, ejecute el programa de grabado de plasmo de silicio isotrópico. Para la deposición física de vapor, cargue las virutas en la cámara de evaporación del instrumento de deposición de vapor físico y seleccione un metal de destino adhesivo.Establezca el programa de control de espesor para el material y el espesor objetivo e inicie el haz de electrones, alineando el haz con el objetivo y aumentando la corriente del haz hasta que se alcance una velocidad de deposición de 0,05 nanómetros por segundo. A continuación, evapore hasta alcanzar un espesor final de dos nanómetros. Al final de la evaporación, seleccione el segundo metal de destino sin ventilar la cámara o interrumpir el proceso y establecer el espesor.Alinee el haz de electrones con el objetivo hasta que se alcance una tasa de deposición de 0,05 nanómetros por segundo antes de evaporarse hasta alcanzar un espesor de 20 nanómetros. La estructura metálica en forma de origami de ADN se creará a través de los orificios de la máscara de dióxido de silicio con la altura total de 22 nanómetros. Después de ventilar la cámara, retire las muestras.Para el despegue del ácido fluorhídrico, sumerja las muestras en un grabado a base de ácido fluorhídrico y utilice pinzas de plástico para agitar suavemente las muestras. Espere a que la capa de dióxido de silicio se escaba por completo y la capa de metal se desensoste antes de enjuagar las muestras con agua destilada doble e isopropanol. A continuación, seque las muestras con un flujo de nitrógeno como se ha demostrado.Para el grabado de iones reactivos del silicio amorfo restante, coloque las virutas en el instrumento de grabado de iones reactivos y establezca los parámetros de grabado para la eliminación de los 50 nanómetros del silicio amorfo. Ejecute el programa de grabado de plasma de silicio amorotómico isotrótropo para eliminar el silicio amorfo restante. A continuación, retire las muestras del equipo de grabado de iones reactivos y guárdelas en un recipiente cubierto.La electroforesis de gel de agarosa y la microscopía de fuerza atómica se pueden utilizar para analizar el plegado de origami de ADN y la calidad de la purificación de polietilenglicol. Aquí, se muestran imágenes representativas de microscopía de fuerza atómica después del crecimiento de la máscara de dióxido de silicio. Mientras que en estas imágenes, se puede observar la microscopía electrónica de barrido de las nanoestructuras metálicas finales.En estos gráficos, se analizó la funcionalidad óptica de las nanoestructuras metálicas, plantillasdas por el origami de ADN de pajarita. El crecimiento de la máscara de dióxido de silicio es crucial para el proceso y es bastante sensible a la humedad y reactividad de TEOS. Por lo tanto, estos parámetros deben controlarse cuidadosamente para su reproducibilidad.Si la técnica del origami de ADN se combina aún más con patrones de ADN altamente ordenados, podría allanar el camino para la fabricación de metamateriales y superficies en el rango de longitud de onda visible.

Research

JoVE Journal

Chemistry

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

Microfluidic Reacción en el chip de captura-cicloadición para inmovilizar reversiblemente pequeñas moléculas o estructuras de múltiples componentes para aplicaciones de biosensores

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

Investigación

Química

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

Formación de estructuras biomoleculares ordenada por el auto-ensamblaje de péptidos cortos

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

Preparación de hidrófobos orgánicos marcos de metal a través de Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition de perfluoroalcanos para la eliminación de amoniaco

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 reacciones de acoplamiento cruzado catalizadas por dicloro bis {[1,1 &#39;, 1&#39;&#39; - (phosphinetriyl) tripiperidine]} paladio en condiciones de reacción suaves

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

Altamente estable, funcional Hairy nanopartículas y biopolímeros con fibras de madera: Hacia Nanotecnología Sostenible

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

La Síntesis de [Sn<sub&gt; 10</sub&gt; (Si (de SiMe<sub&gt; 3</sub&gt;)<sub&gt; 3</sub&gt;)<sub&gt; 4</sub&gt;]<sup&gt; 2</sup<sup&gt; -</sup&gt; Uso de un metaestable Sn (I) solución de haluro sintetizada a través de una técnica de co-condensación

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

Miradas en torno a las interacciones de los aminoácidos y péptidos con materiales inorgánicos Uso de una sola molécula de la Fuerza Espectroscopia

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

Métodos simples para la preparación de electrodos a granel no metálicos no nobles para aplicaciones electrocatalíticas

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

Inyección de tinta impresión todos halogenuros inorgánicos perovskita tintas para aplicaciones fotovoltaicas

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

Fabricación de Nanowire de Hierro de Aluminio Anodizado Nano-Porous y su Caracterización

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