本文介绍一种在无氧化物的硅和锗表面构建反应性有机单分子层图案的简单方法，并展示了对图案化基底进行小分子和蛋白质功能化的应用。该方法可完全保护表面免受化学氧化，精确控制微细结构的形貌，并易于实现化学选择性区分的图案化。
本文内容
摘要
摘要
混合电子器件的开发在很大程度上依赖于通过稳定界面将（生物）有机材料与无机半导体集成，该界面能够实现高效的电子传输，并保护底层基底免受氧化降解。第IV族半导体可通过高度有序的自组装单分子层（SAMs）进行有效保护，这些单分子层由简单的烷基链组成，可作为阻隔有机溶液和水溶液的不可渗透屏障。然而，简单的烷基SAMs呈惰性，难以适用于传统的图案化技术。将有机分子体系固定在半导体表面的动机在于赋予表面新的功能，从而提供光学、电子、机械性能以及化学和生物活性。
微接触印刷（μCP）是一种在多种表面上对自组装单分子膜（SAMs）进行图案化的软光刻技术。1-9 尽管该方法简单且具有高度通用性，但其应用迄今主要局限于贵金属表面，尚未在诸如无氧化物硅和锗等具有重要技术意义的基底上实现良好的图案转移。此外，由于该技术依赖墨水扩散将图案从弹性体转移到基底，此类传统印刷方法的分辨率本质上受限，通常只能达到约1 μm。10-16
与传统印刷技术不同，无墨微接触印刷（μCP）图案化依赖于固定在表面的底物与结合在印章上的催化剂之间的特定反应。由于该技术不依赖于扩散性自组装单分子层（SAM）的形成，因此显著拓展了可图案化表面的多样性。此外，无墨技术避免了分子扩散带来的特征尺寸限制，能够复制非常小的（<200 nm）结构。17-23 然而，迄今为止，无墨μCP主要被用于图案化相对无序的分子体系，这些体系无法保护底层表面免受降解。
本文报道了一种简单、可靠的高通量方法，用于在钝化的硅和锗表面构建反应性有机单分子层图案，并展示了在图案化基底上选择性地接合小分子和蛋白质。该技术利用在无氧化物的硅和锗表面预先形成的 NHS 反应性双层体系。通过经磺酸基修饰的丙烯酸酯印章以图案特异性方式水解 NHS 基团，从而生成化学性质不同的图案区域，分别含有 NHS 活化基团和游离羧酸基团。许多微接触印刷（μCP）技术的分辨率存在一个显著限制，即使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料，其缺乏实现高保真转移所必需的机械刚性。为克服这一限制，我们采用了聚氨酯丙烯酸酯聚合物，这是一种相对刚性的材料，可方便地用不同的有机基团进行功能化。我们的图案化方法可完全保护硅和锗表面免受化学氧化，精确控制图案特征的形状和尺寸，并可便捷地获得化学性质可区分的图案区域，进一步用于接合有机分子和生物分子。该方法具有普适性，适用于其他技术上重要的表面。
方案
1A. 硅基底上原代单层膜的形成
- 将硅片切割成1 cm2的基底，去除灰尘后用水和过滤乙醇冲洗。
- 将硅基底浸入盛有Nano strip的玻璃皿中，在75ºC下除去有机污染物。15分钟后，用去离子过滤水冲洗每个基底。
- 将每个基底放入5% HF溶液中（警告：HF为极度危险物质），以去除天然氧化层。5分钟后，用氮气吹干无氧化层的硅片。
- 为制备氯化基底，立即将无氧化层的硅片浸入含有2 ml饱和PCl5氯苯溶液的闪烁瓶中。该溶液应过滤至0.2 μm。
- 在每个闪烁瓶上安装回流冷凝管，并将其置于设定为112°C的加热块中反应一小时。
- 反应完成后，让闪烁瓶冷却，然后用氯苯冲洗每个表面，并在过滤氮气下干燥。
- 为形成丙烯基终止的基底，将每个氯化硅表面放入含有4 ml丙烯基氯化镁的压力瓶中。将每个压力瓶置于130°C的加热块中反应24小时。
- 将每个压力瓶从加热块中取出，使其冷却。
- 迅速用DCM和乙醇冲洗每个表面，并在过滤氮气下干燥。
1B. 在锗基底上形成原代单层膜
- 将锗晶圆切割成1 cm²的基底，去除灰尘后用水和过滤乙醇冲洗。
- 将表面浸入盛有丙酮的玻璃皿中20分钟，以去除有机污染物。
- 将每个表面置于10% HCl溶液中15分钟。此过程可同时去除天然氧化层并对表面进行氯化。5分钟后用氮气吹干基底。
- 为制备辛基终止的基底，将每个氯化的锗表面放入含有4 ml辛基氯化镁（2 mM）的耐压瓶中。将每个耐压瓶置于130 °C的加热块中反应48小时。
- 将每个耐压瓶从加热块中取出，冷却至室温。
- 用二氯甲烷（DCM）和乙醇快速冲洗每个表面，并在过滤氮气下吹干。
2. 硅和锗表面的NHS基底功能化
- 在四氯化碳中配制过滤的 0.1 M NHS-重氮甲基溶液。警告：尽量减少光照暴露。
- 将数滴该溶液滴加到甲基封端的表面，使其溶液在整块表面铺展。
- 将表面置于紫外灯下（☐=254 nm，0.74 英寸处强度为 4400/cm²），在紫外光下反应 30 分钟，然后向表面添加更多 NHS-重氮甲基试剂，继续反应 30 分钟。
- 用二氯甲烷和乙醇冲洗 NHS 修饰的表面，并在过滤氮气下吹干。
3. 小分子功能化
- 在室温下，将 NHS 修饰的底物与 20 mM 叔丁氧羰基（Boc-）乙二胺的二氯甲烷（DCM）溶液反应两小时。
- 反应结束后，用 DCM 和乙醇冲洗 Boc 修饰的底物。
- 在室温下，使用含 25% 三氟乙酸（TFA）的 DCM 溶液处理 Boc 修饰的底物一小时，以去除保护基团。
- 依次用 DCM、乙醇以及含 10%（w/v）碳酸氢钾的水溶液冲洗所得表面，并在过滤后的氮气下干燥。
- 通过 X 射线光电子能谱（XPS）分析所有表面，以确定其元素组成。
4. 酸性聚氨酯丙烯酸酯印模（PUA）的制备
- 用三羟甲基丙烷乙氧基化三丙烯酸酯 B 将丙烯酸酯 A 稀释 30% 以降低黏度。向反应混合物中加入光引发剂 C 和 D（图 6）。
- 将巯基乙磺酸钠（0.2 g，1.22 mmol）加入到 10 ml 二氧六环中的 4N HCl 溶液中，在室温下搅拌 2 分钟。
- 首先通过细玻璃滤器过滤除去氯化钠，然后通过 0.2 μm 聚四氟乙烯（PTFE）膜针头滤器过滤，得到二氧六环中巯基乙磺酸的澄清溶液。
- 在减压条件下蒸发除去二氧六环。
- 将所得磺酸与 2 ml 聚氨酯-丙烯酸酯预聚物混合物在室温下反应，随后在 50 °C 下真空条件下继续反应。务必彻底去除混合物中截留的气泡。
- 将所得溶液冷却至室温，并在两片玻璃显微镜载玻片之间或一片玻璃载玻片与一个母模之间，于室温下暴露于紫外光照射 2 小时进行聚合。
- 聚合完成后，小心地将印章从母模上剥离，用乙醇和水清洗印章，并用过滤的氮气吹干。
5. 催化打印及扫描电镜/原子力显微镜分析
- 将相应的聚氨酯-丙烯酸酯印章在室温下置于 NHS 修饰的基底上，持续一分钟，无需施加外部负载即可使其贴合。
- 反应结束后，将印章与基底分离。
- 用乙醇、水和乙醇依次冲洗基底，然后用过滤氮气吹干。
- 用乙醇、水和乙醇依次冲洗印章，然后用过滤氮气吹干。
- 在下次使用前，将印章保存在室温条件下。
- 使用接触模式横向原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）分析所形成的图案。
6. 蛋白质图案化与荧光显微镜观察
- 将NHS图案化的双功能基底浸入Lysine-N,N-二乙酸（20 mM）和Et3N（100 mM）的DMF:H20（1:1）溶液中，室温下反应1小时，然后用水和乙醇冲洗。
- 将基底置于50 mM NiSO4溶液中，室温孵育5分钟。
- 用大量水和结合缓冲液（20 mM NaP，250 mM NaCl，10 mM 咪唑，pH 7.5）冲洗螯合后的基底，随后将其浸入过滤后的GFP溶液（˜40 μM）中，0°C下孵育1小时。
- 立即用结合缓冲液冲洗基底，随后用PBS（pH 7.4）冲洗。
- 将基底在0°C的PBS中保持湿润，直至准备进行荧光显微镜分析。
7. 蛋白质图案化与荧光显微镜观察
- 将NHS图案化的双功能基底浸入含有Lysine-N,N-二乙酸（20 mM）和三乙胺（Et3N，100 mM）的DMF:H2O（1:1）溶液中，在室温下反应1小时，随后用水和乙醇冲洗。
- 将基底置于50 mM的NiSO4溶液中，在室温下孵育5分钟。
- 用大量水和结合缓冲液（20 mM NaP，250 mM NaCl，10 mM 咪唑，pH 7.5）冲洗螯合后的基底，然后将其浸入过滤后的GFP溶液（˜40 μM）中，在0°C下孵育1小时。
- 立即用结合缓冲液冲洗基底，随后用PBS（pH 7.4）冲洗。
- 将基底在0°C下保存于PBS中以保持湿润，直至进行荧光显微镜分析。
8. 代表性结果：
软光刻催化纳米图案化的一个示例展示于 图7该方法可在无氧化物的硅和锗表面创建化学选择性图案，并能与不同的化学和生物官能团进行正交功能化。NHS功能化基底与催化图案化印章之间的反应导致在紧密接触区域发生NHS基团的水解，从而获得具有NHS活化区域和游离羧酸区域的图案化双功能基底。由于本方法无需扩散，其分辨率接近光刻技术。例如， 图7 显示出125 nm的特征结构，且在整个硅基底表面均匀复制。值得注意的是，该催化印章可多次重复使用，而不会丧失效率。
图案化半导体与生物分子的化学选择性功能化，为将传统电子材料与高选择性生物底物相整合提供了可能，有望应用于传感、诊断及分析研究领域。此类功能化的一个示例如下所示： 图8，其中 NHS 图案化的硅片被选择性地与蛋白质分子功能化。通过利用活化羧酸与游离羧酸的反应性差异，我们首先将末端为次氮基三乙酸（NTA）的异双功能连接分子固定在 NHS 功能化区域，随后利用所得的 NTA 图案化表面作为模板，选择性地结合六组氨酸标签绿色荧光蛋白（GFP）。 图8b 清晰地显示出GFP修饰区域与水解游离羧酸区域之间的荧光强度差异。两种NHS图案化表面复制特征的大小和形状均保持一致。图8a）以及GFP修饰的表面（图8b)，证实了碳钝化表面的显著稳定性以及印章转印方法的选择性。该方案不仅限于带组氨酸标签的蛋白质，还可用于图案化其他生物分子，包括DNA和抗体。
图 1. 催化微接触印刷的通用示意图
图 2. 在 Ge 和 Si 上的双层分子体系结构。初级烷基单分子层与基底形成稳定的 Ge-C 或 Si-C 键，构成化学惰性且紧密排列的体系，保护底层表面免受降解。(b) 次级覆盖层与初级保护层形成稳定的 C-C 键，并提供末端官能团
图3. 表示在Si（A）和Ge（B）上形成初级保护单分子层的反应方程式
图4. 利用杂双功能卡宾供体对初级保护单分子层进行化学功能化
图 5. 反应示意图，展示 NHS 功能化基底的小分子修饰及其相应的 XPS 谱图
图6. 催化预聚混合物的组成、聚合条件，以及图案化磺酸基修饰印章和相应PMMA-Si母版的扫描电镜图像
图7. 使用酸性印章在Si和Ge表面制备的图案化自组装单分子膜的扫描电镜和原子力显微镜摩擦图像
图8. 利用有机分子和生物分子对钝化硅表面进行软光刻图案化与功能化。a：NHS修饰基底的扫描电镜图像。b：GFP修饰基底的荧光显微图像。
讨论
本方案是一种无墨微接触印刷技术，可普遍应用于任何能够支持简单有序单分子层的基底。该方法中，固定在印章上的催化剂将图案转移至具有相应官能团的表面。由于该过程不依赖于墨水从印章向表面的转移，传统及反应性μCP中的扩散导致的分辨率限制得以消除，从而实现了纳米尺度结构的常规制备。通过引入一个高度有序的主分子体系，可完全保护底层半导体免受氧化损伤。同时，该方法利用次级反应性覆盖层实现大体积反应基团的固定化；该体系因此兼具保护与功能化双重功能。
该技术首先形成稳定的碳-表面键，从而获得化学惰性的初级单分子层，可有效抑制氧化物的生成。随后构建含有末端NHS功能基团的次级反应性覆盖层，为多种化学和生物分子提供连接位点。这一稳定的双层分子体系随后通过我们的催化微接触印刷（μCP）方法进行图案化。本研究提出的方法为在半导体基底上图案化多种有机和生物材料提供了一种通用策略。无需昂贵且复杂的仪器即可构建图案化的有机-半导体界面，这在电子学、纳米技术、生物化学和生物物理学等领域具有广泛的应用前景。
致谢
我们感谢美国国家科学基金会（NSF）项目CMMI-1000724提供的经费支持。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| XPS 能谱仪 | Kratos Analytical | ||
| 原子力显微镜 | Veeco Instruments, Inc. | ||
| 场发射扫描电子显微镜 | FEI | ||
| 荧光显微镜 | 卡尔·蔡司股份公司 | ||
| 加热块 | VWR 国际 | ||
| 真空泵 | BOC Edwards | ||
| 水纯化系统 | EMD Millipore | ||
| TESP 硅探针 | Veeco Instruments, Inc. | ||
| 硅 | |||
| 压力瓶 | Chemglass | ||
| 真空 manifold | Chemglass | ||
| 紫外灯 | UVP 公司 | ||
| 印模材料 | 参见参考文献20和18 | ||
| 聚四氟乙烯（PTFE）注射器滤器 | VWR 国际公司 | ||
| 纳米条带 | Cyantek Corporation | ||
| HCl | Sigma-Aldrich | ||
| 乙醇 | Sigma-Aldrich | ||
| 丙酮 | Sigma-Aldrich | ||
| HF | Sigma-Aldrich | ||
| 氯苯 | Sigma-Aldrich | ||
| PCl5 | Sigma-Aldrich | ||
| 丙烯基氯化镁 | Sigma-Aldrich | ||
| 氯化辛基镁 | Sigma-Aldrich | ||
| 四氯化碳 | Sigma-Aldrich | ||
| Boc 保护的乙二胺 | Sigma-Aldrich | ||
| TFA | Sigma-Aldrich | ||
| 巯基乙酸钠–thanesulfonate | Sigma-Aldrich | ||
| 二噁烷中的4N HCl溶液 | Sigma-Aldrich | ||
| Lysine-N,N-二乙酸 | Sigma-Aldrich | ||
| 乙基3N | Sigma-Aldrich | ||
| DMF | Sigma-Aldrich | ||
| NiSO4 | Sigma-Aldrich | ||
| NaP | Sigma-Aldrich | ||
| NaCl | Sigma-Aldrich | ||
| 咪唑 | Sigma-Aldrich | ||
| PBS | Sigma-Aldrich |
参考文献
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