本文描述了用于DNA折纸研究的基底可重复清洁流程,包括台式RCA清洁和二氧化硅的衍生化处理。同时图示了表面制备、DNA折纸沉积、干燥参数以及简单实验装置的操作方案。
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本文描述了用于DNA折纸研究的基底可重复清洁流程,包括台式RCA清洁和二氧化硅的衍生化处理。同时图示了表面制备、DNA折纸沉积、干燥参数以及简单实验装置的操作方案。
DNA折纸结构的设计特性及其可控的单釜合成方法为诸多领域(尤其是纳米电子学)提供了令人振奋的机遇。这些应用中的许多都需要DNA纳米结构与基底之间的相互作用和粘附。由于云母具有原子级平整且易于清洁的特性,它一直是DNA折纸实验中首选的基底材料。然而,与半导体基底相比,云母的实际应用相对有限。因此,本文介绍了一种在经修饰的二氧化硅表面实现DNA折纸结构粘附的简单、稳定且可重复的方法。为了促进DNA纳米结构在二氧化硅表面的粘附,采用从水溶液中沉积3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)自组装单分子层的方法,该溶液与多种光刻胶兼容。基底必须通过美国无线电公司(RCA)清洗工艺去除所有有机物和金属污染物,并蚀刻掉天然氧化层,以确保获得平整且可功能化的表面。洁净室虽配备有硅片清洗设施,但DNA折纸缓冲液和溶液中的许多组分常因污染风险而不被允许带入洁净室。本论文描述了适用于无法进入洁净室或希望避免污染洁净室CMOS工作台的研究人员在实验室内进行小规模硅片清洗的设备配置和操作流程。此外,还讨论了调控覆盖度的相关变量,并阐述了如何识别和避免样品制备过程中常见的问题。
DNA折纸技术于2006年首次提出,利用DNA寡核苷酸的自组装特性,可构建出可设计且高度有序的纳米结构。1 已有大量结构被报道,从笑脸图案到带锁扣的三维盒子不等。2 DNA折纸可通过与多种生物分子和纳米结构功能化,从而在纳米电子学、医学和量子计算等领域产生研究应用。3 然而,其分析及许多未来应用不仅依赖于结构设计,还依赖于DNA折纸纳米结构在表面的吸附。本文所述方法涉及在两种基底上制备DNA折纸样品:云母和功能化二氧化硅。
云母是DNA折纸研究中首选的基底材料,因为它具有原子级平整的表面,层高为0.37 nm ± 0.02 nm4。云母还易于清洗,使样品制备和原子力显微镜(AFM)研究变得简便。多硅白云母的每个解理面上均含有高密度的钾离子,但当其处于水中时,这些离子会从云母表面扩散离去。为了介导DNA折纸结构与云母基底的结合,使用Mg2+来中和云母表面的负电荷,并通过静电作用将DNA的磷酸骨架与基底结合(图1A)5。在退火DNA中加入大量过量的短链(staple strands),可在云母表面获得高覆盖率和高质量的图像,这是因为DNA折纸结构在Mg2+修饰的表面上的吸附力远强于单链寡核苷酸(短链)的吸附力。其他带正电荷的离子,如Ni2+和Co2+,也可用于调控DNA在云母上的吸附行为6,7。调节溶液中单价和二价阳离子的浓度,可调控DNA折纸结构的吸附行为及表面扩散速率8。然而,在已发表的文献中,云母基底的制备以及折纸结构的沉积与冲洗步骤往往未被明确描述9。若缺乏清晰的实验方案,将难以获得可重复的实验结果。
云母是一种绝缘体,因此不适合作为纳米电子学中某些应用的基底材料。经薄原生氧化层钝化的硅具有理想的电子特性,可与先前的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容,用于构建输入/输出结构和形貌特征。在空气中储存的硅片表面通常被较厚的热氧化层或较薄但污染较重的原生氧化膜所钝化,颗粒物含量较高。与云母相比,二氧化硅的表面电荷密度低得多,且其电荷密度高度依赖于氧化层的制备方法和历史。当镁离子浓度高于150 mM时,可在经氧等离子体处理的硅基底上实现矩形DNA折纸结构的良好覆盖(最高达4/µm2);然而,该浓度和覆盖度可能随所用纳米结构的尺寸和设计而变化。10 调控表面电荷的另一种方法是在氧化层上修饰一层带正电的自组装单分子层——3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)(图1B)。APTES上的伯胺基团在pH值低于9时可发生质子化,从而改变基底的电荷性质和疏水性。11 为成功沉积完整的APTES单分子层,必须采用美国无线电公司(RCA)标准清洗流程对硅片进行适当清洗。该流程包括使用氢氧化铵与过氧化氢溶液处理(RCA1),以去除有机残留物和颗粒污染物;随后用稀氢氟酸水溶液短暂刻蚀,以去除原生氧化层及附着于其上的离子污染物;最后,样品经盐酸与过氧化氢溶液处理(RCA2),以去除金属和离子污染物,并形成一层薄而均匀的氧化层。12 大多数洁净室都设有专用于CMOS清洗流程的通风橱,并对这些区域内的使用物品有严格规定。常见的问题是钠等离子,它们可在能带中间引入陷阱态,从而破坏CMOS结构的电子性能。13 DNA折纸制备和沉积缓冲液中常用的离子可能污染CMOS清洗液,给其他使用洁净室的研究人员带来问题。因此,我们课题组使用一个专门设置的“非洁净级”CMOS清洗台,专用于DNA折纸研究中的小尺寸样品处理。该方法是传统洁净室配置的良好替代方案,可能适用于不具备洁净室CMOS工作台的实验室。
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1. 实验设计与材料准备
2. 准备云母基底
3. 将DNA折纸沉积在云母上
4. CMOS/硅片清洗装置
5. 准备和清洗硅基底
6. 在APTES功能化的硅表面沉积DNA折纸结构
7. DNA折纸样品的原子力显微镜成像与图像分析
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决定DNA折纸在基底上覆盖程度的两个变量是溶液浓度和孵育时间。此前已有文献报道DNA折纸在云母和APTES功能化二氧化硅表面的吸附特性13。表1和图2总结了沉积溶液中DNA折纸浓度与其在云母表面最终覆盖程度之间的关系,显示浓度越高,覆盖程度越高。图3展示了结合过程的时间依赖性。此前已对表面覆盖程度开展研究,以量化DNA折纸在云母及修饰二氧化硅表面的结合行为。在12 mM镁离子存在下,将DNA折纸溶于1x TAE缓冲液中,经30分钟表面吸附后,在云母上的覆盖程度达到83.3% ± 3.1%。在经APTES自组装单分子层(SAMs)修饰的二氧化硅表面,最大覆盖程度出现在60分钟时,但其值低于云母表面的最大覆盖程度。若需在APTES功能化的二氧化硅表面实现较高的表面覆盖,则需要更长的沉积时间。
有多种变量可能导致样品制备效果不佳。其中最棘手的问题是冲洗和干燥不充分。如果缓冲液未彻底冲洗干净,基底上会形成较大的聚集体(图4A)。当纳米...
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为获得稳定且理想的结果,有几个步骤需要特别强调。对于云母样品,严格按照步骤3.3和3.4所述进行彻底的清洗和干燥,可确保利用原子力显微镜(AFM)获得单个DNA折纸结构的高质量图像,避免出现代表性结果部分所述的各种问题。对于硅样品,基底的清洁度至关重要。严格且细致地执行步骤5.2中所述的清洗程序,可确保获得适当清洁的二氧化硅表面。此外,监测化学品(如过氧化氢、氢氟酸和APTES)的质量和有效性,将有助于确保实验过程顺利进行。
所描述的技术不仅限于APTES的水溶液。可通过使用APTES与三甲基氨基丙基三甲氧基硅烷氯化物(TMAC)的混合单层来调节硅表面电荷,从而促进DNA折纸结构的可变性黏附11。TMAC含有永久带正电的末端季胺基团–N(CH3)3+,而APTES的电荷则依赖于pH值。由于溶液环境不影响TMAC的质子化状态或电荷,因此通过改变TMAC在溶液中的浓度,可调节混合单层的表面电荷,进而影响基底与DNA折纸结构之间的相互作用。实验观察到,当单层表面电荷在0.75–1.5 电荷/nm
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢 Gary Bernstein 博士提供原子力显微镜的使用。
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| Research Plus 单通道移液器 - 2-20 μl | A. Daigger & Company, Inc. | EF8960D-3120000038 EACH | 可调体积 |
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| 涡旋混合器 | Thermo Scientific | M37610-33Q | |
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