Name: 软平版功能化和图案无氧化硅和锗 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-12-16T12:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 38 s
Description: 学习使用反应性有机单分子层对无氧化硅和锗进行软平版图案化功能化。该方法通过催化微接触印刷实现高精度表面修饰，可用于小分子和蛋白质的选择性固定，为材料科学和生物技术领域提供稳定的化学图案制备方案。

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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。

1A. 硅基底上原代单层膜的形成
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>将每个压力瓶从加热块中取出，使其冷却。</li>
	<li>迅速用DCM和乙醇冲洗每个表面，并在过滤氮气下干燥。</li>
</ol>
1B. 在锗基底上形成原代单层膜
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>将每个耐压瓶从加热块中取出，冷却至室温。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
2. 硅和锗表面的NHS基底功能化
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
3. 小分子功能化
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>反应结束后，用 DCM 和乙醇冲洗 Boc 修饰的底物。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
4. 酸性聚氨酯丙烯酸酯印模（PUA）的制备
<ol>
	<li>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）。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>在减压条件下蒸发除去二氧六环。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
5. 催化打印及扫描电镜/原子力显微镜分析
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>反应结束后，将印章与基底分离。</li>
	<li>用乙醇、水和乙醇依次冲洗基底，然后用过滤氮气吹干。</li>
	<li>用乙醇、水和乙醇依次冲洗印章，然后用过滤氮气吹干。</li>
	<li>在下次使用前，将印章保存在室温条件下。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
6. 蛋白质图案化与荧光显微镜观察
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>将基底置于50 mM NiSO4溶液中，室温孵育5分钟。</li>
	<li>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。</li>
	<li>立即用结合缓冲液冲洗基底，随后用PBS（pH 7.4）冲洗。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
7. 蛋白质图案化与荧光显微镜观察
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>将基底置于50 mM的NiSO4溶液中，在室温下孵育5分钟。</li>
	<li>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。</li>
	<li>立即用结合缓冲液冲洗基底，随后用PBS（pH 7.4）冲洗。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
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。
<img src="/files/ftp_upload/3478/3478fig1.jpg" alt="DNA 微阵列过程示意图，展示基因分析序列中的杂交步骤。" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 1"> 图 1. 催化微接触印刷的通用示意图
<img src="/files/ftp_upload/3478/3478fig2.jpg" alt="反应性基底键合示意图；化学分层；初级单分子层；次级覆盖层。" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 2"> 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
<img src="/files/ftp_upload/3478/3478fig3.jpg" alt="无氧化物的硅和锗合成示意图，包含反应步骤、化学式和工艺流程。" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图3"> 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
<img src="/files/ftp_upload/3478/3478fig4.jpg" alt="化学反应示意图；表面紫外光引发聚合；有机合成过程。" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图4"> 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
<img src="/files/ftp_upload/3478/3478fig5.jpg" alt="化学反应过程，C 1s 结合能谱，NHS 转化为 NH2 的示意图，XPS 结果。" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图 5"> 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
<img src="/files/ftp_upload/3478/3478fig6.jpg" alt="聚合反应示意图及化学式；Si/PMMA母版和磺酸基PU印章的扫描电镜图像。" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图6"> 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
<img src="/files/ftp_upload/3478/3478fig7.jpg" alt="酸催化水解示意图，显示Si/Ge表面图案及显微镜结果。" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图7"> 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
<img src="/files/ftp_upload/3478/3478fig8.jpg" alt="带有化学式的表面图案示意图；显示图案化表面的显微镜图像。" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="图8"> 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。

<ol><li>Kumar, A., Abbott, N. L., Kim, E., Biebuyck, H. A., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Patterned+Self-Assembled+Monolayers+and+Mesoscale+Phenomena%5BTitle%5D)+AND+%22Accounts.+Chem.+Res%22%5BJournal%5D)">Patterned Self-Assembled Monolayers and Mesoscale Phenomena.</a> Accounts. Chem. Res. 28 (5), 219-226 (1995).</li>
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</ol>

我们无任何披露事项

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。

<table><tbody><tr><td>XPS 能谱仪</td><td>Kratos Analytical</td><td></td><td></td></tr><tr><td>原子力显微镜</td><td>Veeco Instruments, Inc.</td><td></td><td></td></tr><tr><td>场发射扫描电子显微镜</td><td>FEI</td><td></td><td></td></tr><tr><td>荧光显微镜</td><td>卡尔·蔡司股份公司</td><td></td><td></td></tr><tr><td>加热块</td><td>VWR 国际</td><td></td><td></td></tr><tr><td>真空泵</td><td>BOC Edwards</td><td></td><td></td></tr><tr><td>水纯化系统</td><td>EMD Millipore</td><td></td><td></td></tr><tr><td>TESP 硅探针</td><td>Veeco Instruments, Inc.</td><td></td><td></td></tr><tr><td>硅</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>压力瓶</td><td>Chemglass</td><td></td><td></td></tr><tr><td>真空 manifold</td><td>Chemglass</td><td></td><td></td></tr><tr><td>紫外灯</td><td>UVP 公司</td><td></td><td></td></tr><tr><td>印模材料</td><td>参见参考文献20和18</td><td></td><td></td></tr><tr><td>聚四氟乙烯（PTFE）注射器滤器</td><td>VWR 国际公司</td><td></td><td></td></tr><tr><td>纳米条带</td><td>Cyantek Corporation</td><td></td><td></td></tr><tr><td>HCl</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>乙醇</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>丙酮</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>HF</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>氯苯</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>PCl5</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>丙烯基氯化镁</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>氯化辛基镁</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>四氯化碳</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Boc 保护的乙二胺</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>TFA</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>巯基乙酸钠&amp;#8211;thanesulfonate </td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>二噁烷中的4N HCl溶液</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Lysine-N,N-二乙酸</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>乙基&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt;N</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>DMF</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>NiSO&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>NaP</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>NaCl</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>咪唑</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>PBS</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

无氧化物硅和锗的软光刻功能化与图案化

Soft Lithographic Functionalization and Patterning Oxide-free Silicon and Germanium

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（&lt;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。

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。

混合电子器件的开发在很大程度上依赖于通过……将（生物）有机材料与无机半导体集成在一起

本方案展示了如何利用一种高效且操作简便的印刷技术，通过反应性有机单分子层在锗中对无氧化物的硅进行图案化。同时，还演示了对图案化基底进行小分子和蛋白质的选择性功能化。该方案的第一步是通过高度稳定的初级有机单分子层，对硅或锗基底进行共价修饰。这可以保护底层的无机-有机界面免受反应性降解和氧化损伤。通过形成共价连接的羟基酰胺酯覆盖层，以提供潜在的水解和反应功能。第二步，利用带有图案化磺酸修饰的弹性印章，通过催化微接触印刷对均匀的双层NHS修饰基底进行图案化；印章接触使NHS基团水解，从而形成化学性质不同的NHS活化区域与游离羧酸区域的图案。随后，将图案化基底用小分子有机物和蛋白质进行功能化修饰。该步骤首先通过将三乙酸终止的杂双功能连接剂固定到 NHS 功能化区域，然后选择性地连接六组氨酸标记的绿色荧光蛋白来完成。该方法可获得优异的结果，呈现出差异性荧光强度的清晰图案，且在经历多次表面修饰后，图案完整性仍表现出显著的稳定性。因此，与现有方法相比，该技术的主要优势在于其精确性。图案的形成实际上由印章本身的精度所控制，而非依赖于扩散作用。该项目最初源于一种设想：依赖催化反应而非简单沉积的图案化技术必然具有诸多优势。一方面，催化剂在反应中不会被消耗，可以多次重复使用，而不像传统的印刷或沉积技术那样需要持续提供新的图案化材料。在我们早期的研究中，我们实际上是将一个催化剂分子固定在原子力显微镜（AFM）探针尖端，然后像机床一样通过串行方式在表面拖动该分子进行图案化。但弹性印章是用于并行制造应用的合理延伸。该方案最重要的方面之一是使用双层分子系统。该系统使我们能够同时蚀刻并功能化无氧化物和有机基底。理想情况下，初始的主自组装单分子层（SAM）应能完全终止所有暴露在表面的原子，并形成紧密排列的分子体系，从而保护表面免受氧化和降解。次级覆盖层应含有末端官能团，可通过进一步的化学反应进行修饰。传统微接触印刷技术分辨率的主要限制因素是图案和分子的扩散。我们的方法通过催化剂与连接在硅或锗上的底物之间发生的化学反应来实现。由于该特性，本技术能够实验复制更小至100纳米尺寸的微细结构。此外，由于该方法可形成化学图案，因此可通过与不同生物分子和有机分子的特异性反应对这些图案进行功能化修饰。该实验步骤需要使用多种危险化学品，例如氢氟酸、纳米芯片溶液和五氯化磷。操作这些试剂时，务必穿戴适当的防护服，并在通风良好的环境中进行。本方案中最困难的步骤是将氯化后的表面迅速转移至格林纳德溶液中。为避免氧化层重新形成，首先准备一个硅（111）晶圆。将其切割成一厘米见方的基底，清除基底上的灰尘，并用去离子水和过滤的乙醇冲洗。接着，将硅基底浸入盛有纳米级溶液的玻璃皿中，以去除任何有机污染物。将洗脱液加热至75摄氏度。等待15分钟后冲洗。用去离子过滤水清洗每个基底。将每种衬底在5%的HF溶液中浸泡五分钟，以去除原生氧化层，然后用氮气吹干无氧化层的硅片。为制备氯化衬底，立即将每块无氧化层的硅片浸入含有两毫升饱和五氯化磷氯苯溶液的闪烁瓶中。反应完成后。让小瓶在室温下冷却。用氯苯冲洗每个表面，并在过滤的氮气下干燥。接下来，将每个氯化硅表面放入含有4 mL丙醇氯化镁的压力小瓶中。将压力瓶在130摄氏度下孵育24小时。待压力瓶冷却至室温后，用二氯甲烷和乙醇快速冲洗每个表面，并在过滤氮气下干燥，操作方式与硅基底的制备相同。将锗晶圆切割成1厘米见方的小片，用去离子水和过滤的乙醇冲洗并去除灰尘，同时使用锗进行处理。通过将基底浸入盛有丙酮的器皿中20分钟以去除有机污染物。随后将其浸入10% HCl溶液中15分钟。用氮气吹干基底，并将每块氯化表面置于含有4毫升辛基氯化镁的加压小瓶中。将小瓶在130摄氏度下孵育48小时。孵育结束后，让小瓶冷却至室温，然后用二氯甲烷和乙醇快速冲洗每个晶片。在过滤的氮气下干燥晶片。首先，用移液器吸取少量 NHS 重氮溶液滴加到甲基封端表面，使溶液覆盖整个表面。将表面置于紫外灯下照射 30 分钟。然后向表面再添加几滴 NHS 叠氮试剂，继续反应 30 分钟。用二氯甲烷和乙醇冲洗 NHS 修饰的表面，并在过滤的氮气下干燥。然后对小分子进行功能化处理。最后通过XPS分析表面，以确定其元素组成。开始制备印章时，将十巯基乙烷磺酸钠加入10毫升四当量的HCl二氧六环溶液中。将溶液在室温下搅拌两分钟。通过细玻璃滤器过滤除去氯化钠，再经0.2微米聚四氟乙烯（PTFE）膜针头滤器过滤。取所得澄清的肿瘤捕获乙烷磺酸二噁烷溶液，在减压条件下蒸除二噁烷。将所得的磺酸与2毫升聚氨酯丙烯酸酯预聚物混合物在室温下反应，然后在50摄氏度下减压反应。务必确保混合物完全去除截留的空气，以保证预聚物混合物成功聚合。在与甲基反应时，切勿加热。将CAPTA与亚磷酸混合，并在真空条件下进行氧化。当溶液呈黏稠状态时，将其倒入硅胶母模上，并用包裹了聚甲醛的平整玻璃片覆盖。随后通过暴露于紫外光下固化模具。聚合完成后，移除玻璃片和聚甲醛薄膜，小心地将印章从母模上剥离下来，裁剪至合适尺寸，并用乙醇和水清洗。然后用过滤的氮气吹干。以下是该实验方案中最关键的步骤：将印章置于经NHS修饰的基底上方，不施加任何外部负载以使其自然贴合。切勿运输印章或施加过大压力。等待一分钟后，先用乙醇水溶液冲洗基底和印章，再用乙醇冲洗一次，随后在过滤氮气下干燥。将印章在室温下保存，以分析所形成的图案。采用接触模式下的侧向原子力显微镜和扫描电子显微镜。在这一步骤中，我们将GFP迁移至图案化的硅表面。首先，我们用NTA衍生物修饰活性酯，然后通过镍螯合将HIIN标签蛋白固定在表面。在此步骤中，保持目标生物分子处于适当温度至关重要，以避免发生非预期的降解。为了将蛋白质连接到NHS图案化的双功能基底上，需将其浸入含有赖氨酸、nnn二酸和三乙胺的溶液中。一小时后，依次用水和乙醇冲洗基底。将基底在硫酸镍螯合溶液中孵育五分钟。接着，用去离子水和结合缓冲液冲洗基底，随后将其浸入冰冻的绿色荧光蛋白（GFP）溶液中。一小时后，用相同的结合缓冲液冲洗基底，再用磷酸盐缓冲液（PBS）冲洗。然后将底物置于零摄氏度的磷酸盐缓冲液（PBS）中保存，直至进行分析。最后通过荧光显微镜分析表面，以观察GFP修饰区域。软刻蚀光刻纳米图案化技术被用于在无氧化物的硅和锗表面构建化学选择性图案；在催化图案印章中，NHS功能化底物发生反应，导致构象接触区域的NHS基团发生水解，从而形成含有NHS活化区和游离羧酸基团的功能化底物图案区域。由于该方法无需扩散，其分辨率接近光刻技术，可实现125纳米的特征结构。这些特征在整个硅基底表面均被均匀复制。所打印特征的尺寸与相应的硅模板和催化印章中的特征完全一致。值得注意的是，该催化印章可多次重复使用而不会降低效率。通过利用活化羧酸与游离羧酸反应性的差异，实现了对图案化半导体的化学选择性功能化。首先将末端带有三羧酸的异双功能连接分子固定在 NHS 功能化的区域，然后利用所得的 NHS 图案表面作为模板，选择性地结合六组氨酸标签 G-F-P-N-H-S 图案。硅表面通过化学功能化修饰了蛋白质分子。利用该方法在荧光显微镜下观察，经GFP修饰的区域与水解生成的游离羧酸区域之间呈现出明显的荧光强度差异。NHS图案化表面与GFP修饰表面所复制的特征在尺寸和形状上均保持一致，证实了碳钝化表面具有优异的稳定性，以及印章转移方法的良好选择性。本方案是一种墨水形式，采用较少的微接触印刷技术，可普遍应用于任何能够支持简单有序单分子层的基底。由于该过程不依赖于墨水从印章向表面的转移，传统及反应性微接触印刷中的扩散分辨率限制得以消除。实现纳米级物体的常规制造。引入一种主要的、高度有序的分子体系，可完全保护底层半导体免受氧化损伤。CHE选择性专利的形成提供了特异性解析的连接位点，可用于连接多种生物分子和有机分子。通过利用游离态和激活态的游离羧基酯酶的不同活性，我们能够在所构建的图案上固定组织完整蛋白。然而，该方法不仅限于组织完整蛋白，还可用于固定其他生物分子，如DNA和抗体。观看本视频后，您应能够充分理解如何利用分子体系和催化图案对钝化的硅或锗表面进行修饰。NHS修饰的底物。在进行此操作时，重要的是要记住在洁净无尘的环境中操作。在使用HF和nanos.Stripp等危险材料时，也必须采取必要的安全预防措施。

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Research

科研

JoVE Journal

Bioengineering

生物工程

软平版功能化和图案无氧化硅和锗

本方案描述了一种与微加工工艺兼容的在SiO2表面进行细胞图案化的技术。通过光刻法将预设的聚对二甲苯-C（parylene-C）图案印制在SiO2晶圆上。在孵育血清（或其他激活溶液）后，细胞特异性地黏附于下方的聚对二甲苯-C区域，并沿其轮廓生长，而在SiO2区域则被排斥。...

在光刻定义的聚对二甲苯-C：SiO 上进行细胞图案化2 底物

本文介绍了一种用于灵活制备微机电系统（MEMS）结构与器件的三维增材微制造策略（称为“微砌筑”）。该方法结合基于转移印刷的微/纳米尺度材料组装技术，以及由快速热退火实现的材料键合技术。...

用于三维增材微制造的微砌筑技术

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用于单电子泵送的硅金属-氧化物-半导体量子点

本报告介绍了一种简单且易于操作的技术，利用低压真空将细胞和底物填充至微流控通道中，用于生物学研究。...

一种用于蛋白质和细胞图案化的多功能方法

我们提出一种用于曲面图像传感器的可变形横向NIPIN光电晶体管阵列的详细制备方法。该光电晶体管阵列采用开放网状结构，由薄硅岛和可拉伸金属互连组成，具有柔韧性和可拉伸性。使用参数分析仪表征所制备光电晶体管的电学特性。...

基于横向NIPIN光电晶体管的柔性图像传感器制备

提出了一种通过理论计算和实验验证来降低在硅上具有半圆柱形空隙的锗外延层中贯穿位错（TD）密度的方法。展示了基于贯穿位错与表面之间通过像力相互作用的计算结果、贯穿位错密度的测量结果以及透射电子显微镜对贯穿位错的观测结果。...

基于硅上含半圆柱形孔隙锗外延层的位错减少的理论计算与实验验证

本研究介绍了利用光刻和干法刻蚀技术在SiO2/Si晶圆上制备具有倒锥形和双重倒锥形轮廓的微腔和微柱结构的微加工工艺。所获得的微结构表面表现出显著的液体排斥性能，尽管二氧化硅本身具有亲水性，但仍能在润湿性液体下实现空气的稳定长期截留。...

通过刻蚀包含反向和双重反向凹腔或柱状结构的气体截留微结构使SiO2/Si表面具有超疏性

本文介绍了一种在实心及多孔硅片上实现亚20纳米形状精度的三维微结构金属辅助化学刻印技术方案。...

金属辅助电化学纳米压印多孔与实心硅片

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硅基外延纳米结构α-石英薄膜：从材料到新型器件

已开发出一种通用的等离子体光刻技术，可用于生成稳定的表面图案，以引导细胞附着。该技术可用于构建细胞网络，包括模拟天然组织的细胞网络，并已应用于研究多种不同类型的细胞。...

等离子体光刻表面图案化用于构建细胞网络

学习使用反应性有机单分子层对无氧化硅和锗进行软平版图案化功能化。该方法通过催化微接触印刷实现高精度表面修饰，可用于小分子和蛋白质的选择性固定，为材料科学和生物技术领域提供稳定的化学图案制备方案。

无氧化物硅和锗的软光刻功能化与图案化

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