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

Detta arbete stöddes av Finlands Akademi (projekten 286845, 308578, 303804, 267497), Jane och Aatos Erkkos stiftelse samt Sigrid Jusélius stiftelse. Arbetet utfördes under Academy of Excellence-programmet (2014 – 2019). Vi erkänner tillhandahållandet av faciliteter och teknisk support av Aalto-universitetets bioekonomi anläggningar och OtaNano – Nanomicroscopy Center (Aalto-NMC) och Micronova Nanofabrication Center.

Författarna har inget att avslöja.

Protokollet ger stor frihet och noggrannhet i form av producerade nanostrukturer. Genom att ändra utformningen av DNA origami, form av metall nanostrukturer kan styras. Den slutliga, exakta formen av metallkonstruktioner är dessutom bestäms av masken tillväxt steg (steg 9) och i mindre grad av masken etsning (steg 10) bör det inte vara Anisotrop. Om maskens tillväxt tid förlängs tillräckligt, kommer hålen i masken att börja bli stängda. Detta kan användas för att utelämna de tunnaste dragen i vissa strukturer och kontroll gap storlekar, som visas i Shen et al.34 med separerade trianglar av bowtie origami (Figur 5b). Omvänt, tunnare former kan bevaras bättre genom att förkorta oxid tillväxt tid. Detta innebär att det är möjligt att finjustera de optiska egenskaperna som visas i figur 6, inte bara genom att ändra den använda origami design, men också genom att trimma Sio2 film tillväxt.

Om mask tjockleken ändras avsevärt, måste denna förändring också återspeglas i SiO2 steg. Endast ett mycket tunt skikt av SiO2 bör etsad (2-5 nm) att knappt tränga igenom maskhålen. Detta är den känsligaste och mest avgörande delen av hela processen. Eftersom etsning tiden är extremt kort, bara 10-20 s, måste exakta inställningar experimentellt bestäms när första försöket med ny utrustning. Detta gäller även för steg 10,4 som vissa SiO2 är också etsad under a-Si etsning. Omfattningen av etsad SiO2 bestäms av selektiviteten hos de använda a-Si etch parametrar, utrustning och även individuell utrustning kalibreringar. Försiktighet bör iakttas för att inte etch bort hela SiO2 -skiktet under dessa två processer.

Ett annat känsligt steg är SiO2 -tillväxten. Tillväxtprocessen är beroende av både kammar fuktigheten och den aktuella aktiviteten hos de använda TEOS. TEOS försämras när det adsorber vatten från luften, vilket gör att det blir mindre effektivt med åldern. Detta kan manifestera som en betydligt långsammare, mindre kontrollerbar tillväxttakt inom månader även med korrekt lagring av kemikalien. 34 om det resulterande Sio2 -skiktet är tunnare än avsett, kan detta tyda på ett problem med Teos snarare än kammar luftfuktighet. Även en lägre luftfuktighet kan också resultera i lägre tillväxttakt och tunnare film, den resulterande filmen bör också vara smidigare än normalt. Under tiden ett grovt kornigt och grovt skikt skulle omvänt indikerar ett problem med hög luftfuktighet.

Det är också möjligt att utföra detta protokoll på alla andra fritt valda substrat med två krav: det måste tolerera både HF etsning (steg 12) och 200-300 ° c temperaturer av PECVD (steg 6). Temperaturen kan sänkas på ett säkert sätt till 100 ° c för PECVD av a-Si om ett känsligare substrat används, men HF kan inte undvikas om protokollet följs exakt enligt beskrivningen. För att kringgå HF, skulle tillämpningen av ett ytterligare offer skikt krävas. Om kravet på HF etsning avlägsnas, skulle detta protokoll bli förenligt med ett bredare urval av substratmaterial och metaller.

Eftersom detta protokoll består av vanligt förekommande och robusta mikro-och nanotillverkning processer, kan det kombineras med valfritt antal andra mikrofabrikationsprotokoll där små funktions storlekar och komplexa metall former önskas. Inom en snar framtid, särskilt med det kommande av låg kostnad DNA origami massproduktion31, det finns potential för denna metod för att underlätta både allmän användning och hög genomströmning nanopatterning för gränssnittsbaserad nanofotonik och plasmonik55 .

Strukturell DNA nanoteknik har snabbt utvecklats under det senaste decenniet1,2, och den mest inflytelserika utvecklingen på området har utan tvekan varit uppfinningen av DNA origami3,4. DNA origami tekniken tillåter tillverkning av praktiskt taget alla nanoform med exakta strukturella funktioner3,4. Denna kraftfulla metod kan användas i (sub) nanometer-exakta rumsliga arrangemang och förankring av andra nano-objekt, såsom kolnanorör5, metall nanopartiklar6,7,8, 9, enzymer/proteiner10,11,12,13 och terapeutiska material14,15,16,17 . Viktigare, dessa strukturer är inte bara statiska, men de kan också programmeras att agera på ett dynamiskt sätt18,19. De otaliga tillämpningar av DNA origami sträcker sig från läkemedelsleverans20,21,22 till molekylär elektronik/plasmonics5,23,24, 25 och från materialvetenskap26,27 till ny avbildning och kalibrerings tekniker28.

Förutom de tillämpningar som nämns ovan, kan den extrema rumsliga upplösningen av DNA origami former utnyttjas i nanopatterning och delikat nanoskala litografi29,30. Detta protokoll beskriver en litografi metod för att skapa diskreta och exakta oorganiska nanostrukturer på substrat med hjälp av DNA origami mallar. Dessa mallar kan produceras effektivt i olika former och i stora mängder31, och deponeras utan ansträngning på valda substrat i stora skalor32. Dessa egenskaper tillåter en mycket parallell tillverkning av miljarder nanostrukturer i ett steg i motsats till vanliga men ganska långsam elektronstråle litografi eller andra scanning-baserade nanotillverkning tekniker.

Häri, tillverkningsprocessen visas genom att skapa guld bowtie-formade strukturer på kisel nitrid och safir substrat; med andra ord, den rumsliga informationen av DNA origami överförs till helt metalliska nanostrukturer. Som diskuteras här, tekniken är inte begränsad till den valda bowtie DNA origami struktur eftersom metoden möjliggör användning av praktiskt taget alla DNA origami form. Dessutom, med metodiska modifieringar, kan tekniken utökas till olika metaller och substrat som banar väg mot tillverkning av metasurfaces33.

Ytorna mönstrade med DNA origami-medierad tillverkning kan fungera som mångsidiga sensorer; de kan till exempel användas i ytförstärkt Raman-spektroskopi (SERS). Som ett resultat av de små dimensionerna hos de enskilda nanoformerna kan de skapade ytorna finna användningar i optiska och plasmoniska tillämpningar vid det synliga våglängdsområdet.

<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

Strukturell DNA nanoteknik ger en livskraftig väg för att bygga nerifrån och upp med hjälp av DNA som byggmaterial. Den vanligaste DNA nanotillverkning tekniken kallas DNA origami, och det möjliggör hög genomströmning syntes av noggranna och mycket mångsidiga strukturer med nanometer-nivå precision. Här är det visat hur den rumsliga informationen av DNA origami kan överföras till metalliska nanostrukturer genom att kombinera bottom-up DNA origami med konventionellt används uppifrån och ner litografi metoder. Detta möjliggör tillverkning av miljarder små nanostrukturer i ett steg på utvalda substrat. Metoden visas med bowtie DNA origami för att skapa metalliska bowtie-formade antenn strukturer på kisel nitrid eller safir substrat. Metoden bygger på selektiv tillväxt av ett kiseloxid skikt ovanpå origami deposition substrat, vilket resulterar i en mönkning mask för följande litografiska steg. Dessa nanostrukturutrustade ytor kan användas ytterligare som molekylära sensorer (t. ex. ytförstärkt Raman-spektroskopi (SERS)) och i diverse andra optiska tillämpningar vid det synliga våglängdsområdet på grund av de små funktions storlekarna (sub-10 nm). Tekniken kan utökas till andra material genom metodändringar. Därför kan de resulterande optiskt aktiva ytorna finna användning i utvecklingen av metamaterial och metasurfaces.

En schematisk siffra på bowtie DNA origami design och dess strukturella detaljer visas i figur 1. Aguppstod gel elektrofores och AFM används för att analysera DNA origami vikning och kvaliteten på PEG rening (figur 2). Processflödet för nanolithografistegen visas i figur 3. Representativa AFM bilder efter SiO2 mask tillväxt visas i figur 4 (detta steg avbildas i figur 3D), medan SEM-bilder av de slutliga metallnanostrukturerna kan ses i figur 5 (detta steg avbildas i Figur 3H). Figur 6 visar den optiska funktionaliteten hos den metalliska nanostrukturer mallbaserat av bowtie DNA origami.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td colspan="5">Vikbuffert (FOB) komponentkoncentrationer [mM]</td>
			<td></td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>Tris</td>
			<td>Ättiksyra</td>
			<td>Edta</td>
			<td>Magnesiumklorid</td>
			<td>Ph</td>
		</tr>
<tr>
<td>2.5 x FOB</td>
			<td>100</td>
			<td>47,5</td>
			<td>2,5</td>
			<td>31,25</td>
			<td>~ 8, 3</td>
		</tr>
<tr>
<td>1x FOB</td>
			<td>40</td>
			<td>19</td>
			<td>1</td>
			<td>12,5</td>
			<td>~ 8, 3</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabell 1: vikningsbuffertens sammansättning (FOB).
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td>Temperaturområde [oC]</td>
			<td>Kylhastighet</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>Håll ned tills stoppad</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabell 2: termisk ramp för bowtie origami vikning. Efter glödgning, origami kommer att lagras vid 12 oC tills programmet stoppas manuellt.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1"><tbody>
<tr>
<td>PECVD-och RIE-parametrar</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>Gas</td>
			<td>Gas flöde [SCCM]</td>
			<td>Kammartryck [mTorr]</td>
			<td>RF-effekt [W]</td>
			<td>Temperatur [oC]</td>
			<td>Varaktighet [s]</td>
		</tr>
<tr>
<td>PECVD av a-Si</td>
			<td>5% SiH4 i 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 plasma behandling</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 av 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 av 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 av resterande 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>Tabell 3: process parametrar för plasma-förstärkt kemisk ångdeposition (PECVD) och reaktiv jonetsning (Rie). Processparametrarna för dessa enheter är specifika för enskilda instrument och de kan behöva anpassas när de används.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig1.jpg"> Figur 1: design av bowtie DNA origami. (A) schematisk representation av bowtie origami design där kärn strukturen visas som dubbla alfahelixar och Polyt-överhäng avbildas som vågiga linjer. (B) skärmdump av en del av bowtie origami design i cadnano programvaran. De röda kors betecknar bas paret hoppa för twist korrigering, och T8-överhäng läggs till för att förhindra trubbiga-end Base-stapling. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig1large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig2.jpg"> Figur 2: karaktärisering av bowtie DNA origami struktur. A) agaros gel-elektrofores av bowtie-strukturen före och efter poly (etylenglykol) (PEG) rening. Den 7249 nukleotider lång byggnadsställning används som referens. Batomkraft mikroskopi (AFM) bild av bowtie strukturer före rening. (C) AFM bild av bowtie strukturer efter PEG rening. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig2large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig3.jpg"> Figur 3: system för tillverkningsprocess flöde (dimensionerna är inte i skala). (A) tärningar och Rengör underlaget. (B) deponera ett a-Si-skikt genom plasmaförstärkt kemisk förångningsdeposition (pecvd). * Det är möjligt att anställa ytterligare ett offer skikt under a-Si för att möjliggöra lyft av med andra etsmedel än HF. (C) behandla provet ytan med O2 plasma och insättning DNA origami på den. (D) odla Sio2 -masken i exsickator. (E) etch ett tunt skikt av Sio2 och genom a-Si under den genom reaktiv JONETSNING (Rie). (F) deponera metall genom masken genom fysisk ångdeposition (PVD). (G) lyft av med HF. (H) ta bort återstående a-Si av Rie. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig3large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig4.jpg">
Figur 4: representativa AFM-bilder av Sio2 -film med DNA origami-formade mönstret. (A) 10 μm x 10 μm skanningsområde visar den höga avkastningen av mönstret bildas. (B) en tätare skanning på 3 μm x 3 μm visar de exakta individuella mönstren i Sio2 -filmen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig4large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig5.jpg"> Figur 5: representativ scanning elektronmikroskopi (SEM) bilder av metalliska nanostrukturer mallbaserat med strukturellt olika DNA origami. (A) KORSFORMADE DNA origami, dvs, så kallade Seeman kakel origami54. (B) bowtie-antenner. C) kirala dubbel-l (CDL) strukturer. Insets visar enskilda konstruktioner med kartong storlekar på 150 Nm x 150 Nm. Tillverkningen avkastningen av exakta strukturer är upp till 76% för bowtie origami och ~ 50% för de andra strukturer som visas här34. Denna siffra har anpassats och modifierats från Shen et al.34. Figurera reproduceras med tillåtelse av författarna och publicerat av Amerikananslutningen för befordran av vetenskap, 2018. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig5large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig6.jpg"> Figur 6: representativa optiska/funktionella egenskaper hos resulterande nanostrukturer. (A) lokaliserad yta Plasmon resonans (lspr) mätningar av en individuell guld bowtie struktur med olika polarisering (färgkodade som orange och blå). De heldragna linjerna mäts spektra och de streckade linjerna är simuleringsresultat. Insets visar SEM-bilden av den uppmätta partikeln (vänster) och den modell som används för simulering (höger). (B) ytförstärkt Raman-spektroskopi (SERS) av rodamin 6G och 2, 2-bipyridin mätt på en yta täckt med bowtie nanostrukturer. Baslinjen för varje prov visar signalnivån när nanostrukturerna saknades. Denna siffra har anpassats och modifierats från Shen et al.34. Figurera reproduceras med tillåtelse av författarna och publicerat av Amerikananslutningen för befordran av vetenskap, 2018. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig6large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Supplemental File 1" src="/files/ftp_upload/60313/60313sup1.jpg"> Kompletterande fil 1: CaDNAno fil <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/bowtie_poly-T.json" target="_blank">vänligen klicka här för att ladda ner denna fil.</a>
<img alt="Supplemental File 2" src="/files/ftp_upload/60313/60313sup2.jpg"> Kompletterande fil 2: m13mp18 sekvens <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/m13mp18_sequence.txt" target="_blank">vänligen klicka här för att ladda ner denna fil.</a>
<img alt="Supplemental File 3" src="/files/ftp_upload/60313/60313sup3.jpg"> Kompletterande fil 3: häftning strand sekvens <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/bowtie_staple_sequences.xlsx" target="_blank">vänligen klicka här för att ladda ner denna fil.</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

Här beskriver vi ett protokoll för att skapa diskreta och exakta oorganiska nanostrukturer på substrat med hjälp av DNA origami former som vägledande mallar. Metoden demonstreras genom att skapa plasmoniska guld bowtie-formade antenner på ett transparent substrat (safir).

DNA origami-medierad substrat Nanopatterning av oorganiska strukturer för avkänning av applikationer

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

Detta protokoll kombinerar bottom-up-baserade DNA origami teknik med top-down nanofabricering metoder som möjliggör parallell tillverkning av oorganiska nanostrukturer med sub-10 nanometer funktionen storlekar på olika substrat. Denna teknik kan användas för att skapa miljarder exakta nanostrukturer på en gång, praktiskt taget i någon form utan att behöva dyra mönstermetoder. Denna metod har potential att utnyttjas i avkänning applikationer såsom ytan förbättrad Raman spektroskopi, samt att skapa nya optiska metaytor.Även om detta protokoll är ganska enkelt, mer disciplinära fabricering färdigheter behövs och därför kommer visuell demonstration vara användbar för forskare med olika bakgrunder. Demonstrerar proceduren med Petteri Piskunen blir Sofia Julin, en annan grad student från vårt labb. För att göra beståndet av stapelsträngar, blanda lika stora mängder av alla de oligonukleotider som behövs för flugastrukturen och blanda 20 mikroliter av M13 MP18-byggnadsställningssträngen med 40 mikroliter av stapellagslösningen och 40 mikroliter med 2,5 X vikbuffert i ett 200 mikroliter PCR-rör.Sedan glödg reaktionsblandningen i en thermocycler från 90 till 27 grader Celsius som beskrivs i tabellen. För att förbereda substratet, sänk ner cirka sju gånger sju millimeters spån som skärs från en safirrån i en glasbehållare på 52 grader Celsius aceton i minst 15 minuter innan du överför chipsen till en glasbehållare av isopropanol under två minuters ultraljudsbehandling. I slutet av ultraljudsbehandling, använd pincett för att ta bort spånorna från isopropanolen och omedelbart torka spånorna med kväve vid högsta möjliga flöde med spånytorna parallellt med flödets riktning.För plasmaförstärkt kemiskt ångdeposition av det amorfa kiselskiktet, placera de torkade spånaderna i det plasmaförstärkt kemiska ångdeponeringsinstrumentet och ställ in depositionsparametrarna enligt instrumentmodellen och kalibreringen för att odla cirka 50 nanometer av amorft kisel. För syreplasmabehandling av det amorfa kiselskiktet, placera flisen i det reaktiva jonetsningsinstrumentet och ställ in etsningsparametrarna så att de genererar syreplasma enligt instrumentmodellen och kalibreringen. Kör sedan programmet för behandling av syrgasplasma.Inom 30 minuter efter syreplasmabehandlingen, blanda fem mikroliter av vikta och renad DNA origami lösning med fyra mikroliter av vikbuffert och en mikroliter av en molar magnesiumklorid. Deponera 10 mikroliter av DNA origami blandningen på varje syre plasma-behandlat chip och täcka chips för en fem minuters inkubation vid rumstemperatur. Vid slutet av inkubationen, tvätta spånytorna med 100 mikroliter av destillerat vatten, skölja vattnet fram och tillbaka några gånger med pipetten samtidigt som du undviker att röra vid spånmens centra.Efter aska två till tre gånger som bara visat, omedelbart torka flis med kväve flöde. För att odla en kiseldioxidmask, blanda 100 gram kiselgel med 30 milliliter destillerat vatten. Placera kiselgelblandningen i en exsiccator och separera gelen med en perforerad platta.Efter 24 timmar, placera chips med adsorberad DNA origami på perforerade plattformen i exsiccator och placera en injektionsflaska som innehåller 10 milliliter tetraethyl ortosiliat på ena sidan av chips och en injektionsflaska som innehåller 10 milliliter av 25%ammoniumhydroxid på andra sidan av chipsen. Sedan försegla kammaren för en 20 timmars inkubation i rumstemperatur. I slutet av inkubationen, en kiseldioxid film kommer att ha bildats på områdena utan DNA origami strukturer, skapa en 10 till 20 nanometer mönstrad mask med DNA origami formade hål.För reaktiv jonetsning av kiseldioxiden, placera flisen i det reaktiva jonetsningsinstrumentet och ställ in etsningsparametrarna på att etsa endast två till fem manometrar av kiseldioxiden för att avslöja det amorfa kiselskiktet under hålen i kiseldioxidmasken. Alla etsningsparametrar bör optimeras för de valda instrumenten, eftersom de korrekta parametrarna beror på typ av utrustning och specifik uppsättning upp. Vissa iterationer kan behövas.Efter att ha kört anisotrop kiseldioxid plasmaetsning programmet, ställa in etsning parametrarna att tränga igenom 50 nanometer amorft kiselskiktet. Kör sedan det isotropiska programmet för etsning av kiselplasm. För fysisk ångdeposition, ladda flisen i avdunstningskammaren av instrumentet för fysisk ångdeponering och välj en självhäftande målmetall.Ställ in tjocklekskontrollprogrammet för målmaterialet och tjockleken och starta elektronstrålen, rikta strålen mot målet och öka strålströmmen tills en depositionsgrad på 0,05 nanometer per sekund har uppnåtts. Sedan avdunstar tills en slutlig tjocklek av två nanometer nås. I slutet av avdunstningen väljer du den andra målmetallen utan att avlufta kammaren eller avbryta processen och ställa in tjockleken.Rikta elektronstrålen mot målet tills en 0,05 nanometer per sekund depositionshastighet uppnås innan avdunstning tills en 20 nanometertjocklek nås. DNA origami formade metallstruktur kommer att skapas genom kiseldioxid mask hål med den totala höjden av 22 nanometer. Efter avluftning av kammaren, ta bort prover.För lyft av fluorvätesyra, sänk ned proverna i fluorvätesyrabaserad etsmedel och använd plastpincett för att röra om proverna försiktigt. Vänta tills kiseldioxidskiktet etsar helt och metallskiktet att lossna innan du sköljer proverna med dubbelt destillerat vatten och isopropanol. Torka sedan proverna med ett kväveflöde som påvisats.För reaktiv jonetsning av den återstående amorfa kiseln, placera flisen i det reaktiva jonetsningsinstrumentet och ställ in etsningsparametrarna för genom borttagning av alla 50 nanometer av det amorfa kisel. Kör det isotropa amorfa silikonplasmaetsningsprogrammet för att avlägsna det återstående amorfa kiselt. Ta sedan bort proverna från den reaktiva jonetsningsutrustningen och förvara dem i en täckt behållare.Agarose gelelektrofores och atomkraftmikroskopi kan användas för att analysera DNA origami-vikningen och kvaliteten på den polyetylenglykol rening. Här visas representativa atomkraftmikroskopibilder efter kiseldioxidmasktillväxt. Även i dessa bilder, kan scanning elektronmikroskopi av de slutliga metall nanostrukturer observeras.I dessa grafer analyserades den optiska funktionaliteten hos de metalliska nanostrukturerna, mallade av flugan DNA origami. Kiseldioxid mask tillväxt är avgörande för processen och är ganska känslig för fuktighet och reaktivitet av TEOS. Därför bör dessa parametrar kontrolleras noggrant för reproducerbarhet.Om DNA origami tekniken kombineras ytterligare med mycket beställt DNA-mönster, det kan bana väg för tillverkning av metamaterial och ytor på det synliga våglängdsområdet.

Research

JoVE Journal

Chemistry

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

Mikroflödes On-chip Capture-cykloadditionsreaktion att reversibelt Immobilisera små molekyler eller flerkomponent Strukturer för Biosensor Applications

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

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

Bildning av Beställda Biomolecular Structures av självorganisering av korta peptider

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

Beredning av hydrofoba metal-organic frame via Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition av perfluoralkaner för borttagning av ammoniak

Plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) of perfluoroalkanes has long been studied for tuning the wetting properties of surfaces. For high ...

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

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

Mizoroki-Heck-Arg-kopplingsreaktioner katalyserade av diklor {bis [1,1 &#39;, 1&#39;&#39; - (phosphinetriyl) tripiperidine]} palladium under milda reaktionsbetingelser

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

Mycket stabil, funktionell Hairy Nanopartiklar och Biopolymerer av träfibrer: Towards Sustainable Nanoteknik

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

Syntes av [Sn<sub&gt; 10</sub&gt; (Si (SiMe<sub&gt; 3</sub&gt;)<sub&gt; 3</sub&gt;)<sub&gt; 4</sub&gt;]<sup&gt; 2</sup<sup&gt; -</sup&gt; Med hjälp av en meta Sn (I) Halide Lösning syntetiseras via en Co-kondensation Technique

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

Insikter Interaktioner av aminosyror och peptider med oorganiska material med hjälp av enda molekyl Force spektroskopi

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

Enkla metoder för framställning av icke-ädelmetall-bulkelektroder för elektrokatalytiska tillämpningar

The rock material pentlandite with the composition Fe4.5Ni4.5S8 was synthesized via high temperature synthesis from the elements. The structure and ...

Inkjet Printing All Inorganic Halide Perovskite Inks for Photovoltaic Applications

Inkjet utskrifter alla oorganiska halogenidföreningar perovskit bläck för solcellsapplikationer

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

Järn Nanowire tillverkning av Nano-porös anodiserad aluminium och dess karakterisering

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