Functionalization حجرية ناعمة وخالية من الزخرفة أوكسيد السيليكون والجرمانيوم

يوضح هذا البروتوكول كيفية تشكيل أنماط على السيليكون الخالي من الأكاسيد وفي الجرمانيوم باستخدام طبقات أحادية عضوية تفاعلية عبر بروتوكول طباعة عالي الكفاءة وبسيط تشغيلياً. كما يتم استعراض الوظيفية الانتقائية للركائز المطبوعة باستخدام كل من الجزيئات الصغيرة والبروتينات. تتمثل الخطوة الأولى من البروتوكول في تعديل ركائز السيليكون أو الجرمانيوم تساهمياً باستخدام طبقة أحادية عضوية أولية عالية الاستقرار.

يحمي هذا الواجهة العضوية غير العضوية الأساسية من التحلل التفاعلي والتلف التأكسدي. وتتشكل الطبقة العلوية من إستر الهيدروكسي أميد المرتبط تساهمياً لتوفير وظائف تحللية وتفاعلية كامنة. وكخطوة ثانية، يتم تشكيل الركائز المعدلة بـ NHS ثنائية الطبقة والمنتظمة عبر الطباعة الدقيقة بالتلامس الحفزي باستخدام ختم مطاطي معدل بحمض السلفونيك؛ حيث يؤدي التلامس مع الختم إلى تحلل مجموعات NHS، مما يشكل أنماطاً من أحماض كربوكسيلية حرة ومفعلة بـ NHS متميزة كيميائياً. بعد ذلك، يتم وظيفياً تفعيل الركائز المطبوعة باستخدام جزيئات عضوية صغيرة وبروتينات.

تكتمل هذه الخطوة أولاً بتثبيت الروابط الوظيفية المتباينة المنتهية بحمض ثلاثي الأسيتيك على المناطق الوظيفية من NHS، وثانياً عن طريق الربط الانتقائي للبروتين الفلوري الأخضر المسمى بـ hexa histamine. وينتج عن هذا النهج نتائج ممتازة من حيث أنماط كثافة الفلورة التفاضلية التي تبدو واضحة تماماً في نمط من التكامل المستقر بشكل ملحوظ بعد عمليات تعديل متعددة للسطح.

لذا فإن الميزة الرئيسية لهذه التقنية مقارنة بالطرق الحالية تكمن في الدقة؛ حيث يتم التحكم في النمط من خلال دقة الختم نفسه بدلاً من الانتشار. وقد انطلق المشروع في الأصل من فكرة مفادها أن تقنيات التنميط التي تعتمد على التفاعل الحفزي، بدلاً من الترسيب البسيط، يجب أن توفر مزايا عديدة.

أولاً، لا تُستهلك المحفزات في التفاعل ويمكن إعادة استخدامها عدة مرات. وهذا يختلف عن الطباعة التقليدية أو الترسيب حيث تكون بحاجة باستمرار إلى توفير مواد نمطية جديدة. في عملنا المبكر، قمنا فعلياً بربط جزيء محفز بطرف مجهر القوة الذرية (AFM)، ومن ثم سحبنا هذا الطرف على طول السطح في عملية تسلسلية تشبه عمل الآلات الميكانيكية لإنشاء النمط.

ولكن كان الختم المرن امتداداً منطقياً لتطبيقات التصنيع المتوازي. وأحد أهم جوانب هذا البروتوكول هو استخدام النظام الجزيئي ثنائي الطبقة، حيث يتيح لنا هذا النظام ربط وتفعيل الركائز العضوية والخالية من الأكاسيد على حد سواء.

من الناحية المثالية، يجب أن يحقق نظام أحادي الطبقة ذاتي التجميع (Sam) الأولي إنهاءً كاملاً لجميع الذرات المكشوفة على السطح، وتكوين نظام جزيئي متراص، مما يمكنه من حماية السطح من الأكسدة والتحلل على حد سواء. وينبغي أن تحتوي الطبقة الفوقية الثانوية على مجموعات وظيفية طرفية، والتي يمكن تعديلها بشكل أكبر من خلال تحولات كيميائية إضافية. وتتمثل القيود الكبيرة التي تحول دون دقة الطباعة المجهرية بالتلامس التقليدية في انتشار النمط والجزيئات.

تسمح طرقنا بإجراء تفاعل كيميائي بين محفز مثبت حالياً على ساق ومادة تفاعل مرتبطة بالسيليكون أو الجرمانيوم. وبسبب هذه الخصائص، تتيح تقنيتنا تكرار ميزات ذات أحجام صغيرة جداً تصل إلى 100 nanometer بشكل أكبر. ونظراً لأن هذه الطريقة تنشئ أنماطاً كيميائية، فمن الممكن إكسابها وظائف محددة من خلال تفاعلات مع جزيئات بيولوجية وعضوية مختلفة.

يتطلب هذا الإجراء استخدام العديد من المواد الكيميائية الخطرة، مثل حمض الهيدروفلوريك، ومحلول الرقاقة النانوية، وخماسي كلوريد الفوسفور. وعند التعامل مع هذه الكواشف، من الضروري ارتداء ملابس الوقاية المناسبة والعمل في بيئة جيدة التهوية. ويتمثل الجزء الأكثر صعوبة في هذا البروتوكول في نقل الأسطح المكلورة بسرعة إلى محلول جرينيارد.

من أجل تجنب إعادة تشكيل طبقة الأكسيد، ابدأ بتجهيز رقاقة سيليكون واحدة. قم بتقطيعها إلى ركائز مربعة بطول سنتيمتر واحد، ثم قم بإزالة الغبار عن الركائز وشطفها بالماء والإيثانول المفلتر. بعد ذلك، قم بإزالة أي تلوث عضوي عن طريق غمر ركائز السيليكون في وعاء زجاجي يحتوي على nanos.

يتم تسخين محلول الإزالة إلى 75 °C. انتظر لمدة 15 دقيقة، ثم قم بالشطف. نظف كل ركيزة باستخدام مياه منزوعة الأيونات ومفلترة.

اغمر كل ركيزة لمدة خمس دقائق في محلول 5%HF لإزالة طبقة الأكسيد الطبيعية، ثم جفف السيليكون الخالي من الأكسيد باستخدام النيتروجين. ولإنتاج ركيزة مكلورة، اغمر كل قطعة سيليكون خالية من الأكسيد فوراً في قارورة وميض تحتوي على ملي لترين من خماسي كلوريد الفسفور المشبع في الكلوروبنزين. بعد اكتمال التفاعل.

اترك القوارير تبرد في درجة حرارة الغرفة. اشطف كل سطح باستخدام الكلوروبنزين وجففه تحت تيار من النيتروجين المفلتر. بعد ذلك، ضع كل سطح سيليكون مكلور في قارورة ضغط تحتوي على أربعة مليليتر من كلوريد المغنيسيوم البروبانولي.

قم بحضن قوارير الضغط عند 130 °C لمدة 24 ساعة. وبمجرد أن تبرد قوارير الضغط إلى درجة حرارة الغرفة، اشطف كل سطح بسرعة باستخدام ثنائي كلورو ميثان والإيثانول، ثم جففها تحت تيار من النيتروجين المفلتر كما هو متبع في تحضير ركيزة السيليكون. قم بتقطيع رقاقة جرمانيوم إلى مربعات بحجم 1 cm، ثم قم بإزالة الغبار وشطفها بالماء والإيثانول المفلتر باستخدام الجرمانيوم.

أزل الملوثات العضوية عن طريق غمر الركائز في طبق من الأسيتون لمدة 20 دقيقة. ثم اغمرها في محلول 10%HCL لمدة 15 دقيقة. جفف الركائز باستخدام النيتروجين وضع كل سطح مكلور في قارورة ضغط تحتوي على أربعة ملليلتر من كلوريد المغنيسيوم الثماني.

قم بتحضين القوارير عند 130 °C لمدة 48 ساعة. بعد التحضين، اترك القوارير تبرد حتى تصل إلى درجة حرارة الغرفة، ثم اشطف كل رقاقة بسرعة باستخدام di chloro methane والإيثانول. جفف الرقاقات تحت تيار من النيتروجين المفلتر.

ابدأ بنقل بضع قطرات من محلول NHS Diaz باستخدام الماصة على السطح المنتهي بمجموعة الميثيل. اترك المحلول ينتشر على كامل السطح. ضع الأسطح تحت مصباح UV لمدة 30 دقيقة.

بعد ذلك، أضف المزيد من قطرات NHS Diaz إلى السطح واترك التفاعل يستمر لمدة 30 دقيقة إضافية. اغسل الأسطح المعدلة بـ NHS باستخدام ثنائي كلورو ميثان والإيثانول، ثم جففها تحت تيار من النيتروجين المفلتر.

بعد ذلك، ابدأ بعملية وظيفية الجزيئات الصغيرة. وأخيرًا، قم بتحليل الأسطح باستخدام XPS لتحديد التركيب العنصري. ابدأ بتجهيز الختم عن طريق خلط sodium tumor capto ethane sulfonate في 10 milliliters من محلول HCL بتركيز four normal في dioxane.

قم بتقليب المحلول في درجة حرارة الغرفة لمدة دقيقتين. قم بترشيح كلوريد الصوديوم باستخدام مرشح زجاجي دقيق، ثم عبر مرشح حقنة غشائي PTFE بمسامية 0.2 micron. الآن خذ المحلول الرائق من tumor capto ethane s phonic acid في dioxane وقم بتبخير dioxane تحت ضغط منخفض.

قم بتفاعل حمض السلفونيك الناتج مع 2 mL من خليط مسبق البلمرة من أكريلات البولي يوريثين في درجة حرارة الغرفة، ثم تحت تفريغ هوائي عند 50 °C. تأكد من تخليص الخليط تماماً من أي فقاعات هواء محتبسة لضمان نجاح بلمرة الخليط مسبق البلمرة. ومن المهم عدم التسخين المفرط أثناء التفاعل مع المادة.

أضف حمض الفونيك المضعف إلى CAPTA، وأثناء عملية الأكسجة تحت الفراغ، اسكب المحلول بينما لا يزال لزجاً فوق القالب السيليكوني الرئيسي وقم بتغطيته بشريحة زجاجية مسطحة ملفوفة بفيلم البارافورم. ثم قم بمعالجة القالب بتعريضه للأشعة فوق البنفسجية UV. بعد عملية البلمرة، أزل الشريحة الزجاجية وفيلم البارافورم وقم بتقشير الختم بعناية عن القالب الرئيسي، ثم قص الختم إلى الحجم المناسب واغسله باستخدام الإيثانول والماء.

ثم قم بتجفيفه باستخدام النيتروجين المفلتر. الخطوة التالية هي الأهم في هذا البروتوكول. ضع الختم فوق الركيزة المعدلة بـ NHS دون تسليط أي حمل خارجي لتثبيتهما معاً.

تجنب إزاحة الختم أو تسليط ضغط مفرط. انتظر لمدة دقيقة واحدة، ثم اشطف الركيزة والختم باستخدام مزيج من الإيثانول والماء ثم بالإيثانول مرة أخرى، يليه التجفيف تحت تيار من النيتروجين المفلتر. تُحفظ الأختام في درجة حرارة الغرفة لتحليل النمط الناتج.

استخدم مجهر القوة الذرية الجانبي في وضع التلامس والمجهر الإلكتروني الماسح. في هذه الخطوة، نقوم بتثبيت بروتين GFP على سطح السيليكون المُنقّش. نبدأ أولاً بتعديل الإستر المنشط باستخدام مشتق NTA، ثم نثبت البروتين الذي يحمل وسم HIIN على السطح من خلال مخلبية النيكل.

من المهم في هذه الخطوة الحفاظ على الجزيء الحيوي المستهدف في درجة الحرارة المناسبة لتجنب التحلل غير المرغوب فيه. ولربط البروتينات بنمط NHS، وبالركيزة ثنائية الوظيفة، اغمرها في محلول من اللايسين، وحمض nnn dia athetic، والتري إيثيلامين. بعد مرور ساعة، اشطف الركائز بالماء ثم بالإيثانول.

الآن، قم بتحضين الركائز لمدة خمس دقائق في محلول مخلبي من كبريتات النيكل. بعد ذلك، اشطف الركائز بالماء ومحلول الربط المنظم، ثم اغمرها في حمام من محلول GFP المبرد بالثلج. وبعد مرور ساعة واحدة، اشطف الركائز باستخدام محلول الربط المنظم نفسه، يليه الشطف بمحلول PBS.

ثم تُخزن الركائز في PBS عند صفر درجة مئوية قبل التحليل. وأخيراً، تُحلل الأسطح باستخدام المجهر الفلوري لتصوير المناطق المعدلة بـ GFP. تم استخدام الطباعة الحجرية النانوية الرخوة B لإنشاء أنماط انتقائية كيميائياً على السيليكون الخالي من الأكسيد، وعلى الجرمانيوم، يؤدي التفاعل بين الركيزة الوظيفية NHS في ختم النمط الحفزي إلى التحلل المائي لمجموعات NHS في مناطق التلامس التشكيلي، مما ينتج نمطاً من الركيزة الوظيفية التي تحمل مناطق من أحماض كربوكسيلية منشطة بـ NHS وأخرى حرة.

نظراً للطبيعة الخالية من الانتشار لهذه الطريقة، فإن الدقة تكون قريبة من دقة الطباعة الضوئية، كما يتضح في المعالم التي يبلغ حجمها 125 nanometer. وقد أُعيد إنتاج هذه المعالم بشكل منتظم عبر كامل سطح ركيزة السيليكون. وكانت أبعاد المعالم المطبوعة مطابقة لتلك الموجودة في قالب السيليكون الرئيسي والختم الحفاز المقابلين.

ومن المثير للاهتمام أنه يمكن إعادة استخدام الختم الحفاز عدة مرات دون فقدان الكفاءة. وقد تم إنجاز الوظائف الكيميائية الانتقائية لأشباه الموصلات ذات الأنماط من خلال استغلال التفاعلية التفاضلية لأحماض الكربوكسيليك المنشطة والحرة. أولاً، تم تثبيت روابط ثنائية الوظيفة غير متجانسة منتهية بحمض النييلو ثلاثي (niello trice acid) على المناطق الوظيفية من NHS، ثم استُخدم سطح نمط NHS الناتج كقالب للربط الانتقائي لنمط G-F-P-N-H-S ذو علامة الهيستامين السداسية.

تمت وظيفية السليكون كيميائياً باستخدام جزيئات البروتين. وباستخدام هذا النهج تحت المجهر الفلوري، ظهر فرق واضح في الشدة بين المناطق المعدلة بـ GFP ومناطق حمض الكربوكسييل الحر المتمأصل. كما كان حجم وشكل الميزات المكررة متسقين بين كل من الأسطح المنقوشة بـ NHS والأسطح المعدلة بـ GFP، مما يؤكد الاستقرار الملحوظ للأسطح المتمتة بالكربون وانتقائية نهج الختم.

يمثل البروتوكول المعروض شكلاً من أشكال الطباعة المجهرية بالتلامس باستخدام الحبر، والتي يمكن تطبيقها عالمياً على أي ركيزة قادرة على دعم الطبقات الأحادية البسيطة والمنظمة. ونظراً لأن العملية لا تعتمد على نقل الحبر من الختم إلى السطح، فقد تم التخلص من قيود دقة الانتشار الموجودة في الطباعة المجهرية بالتلامس التقليدية والتفاعلية.

يسمح بالتصنيع الروتيني للأجسام نانوية المقياس. ويوفر دمج نظام جزيئي أولي عالي التنظيم حماية كاملة لأشباه الموصلات الأساسية من أضرار الأكسدة. كما يوفر تكوين براءات الاختراع الانتقائية لـ CHE نقاط ربط عالية الدقة لمجموعة متنوعة من الجزيئات البيولوجية والعضوية.

من خلال استخدام أنشطة مختلفة من أغلفة الكربين (carc) الحرة والمنشطة، تمكنا من تثبيت بروتينات سليمة نسيجياً على الأنماط التي تم إنشاؤها. ومع ذلك، فإن هذه الطريقة لا تقتصر على البروتينات السليمة نسيجياً، بل يمكن استخدامها لتثبيت جزيئات حيوية أخرى مثل DNAs والأجسام المضادة. بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن تكتسب فهماً جيداً لكيفية تعديل السيليكون أو الجرمانيوم الخامل باستخدام نظام جزيئي ونمط حفزي.

ركائز NHS المعدلة. عند محاولة تنفيذ هذا الإجراء، من المهم تذكر العمل في بيئة نظيفة وخالية من الغبار. ومن المهم أيضاً اتخاذ احتياطات السلامة اللازمة عند التعامل مع المواد الخطرة مثل HF و nanos.Stripp.