用于传感应用的DNA折纸介导的无机结构基底纳米图案化

该方案结合了自下而上的DNA折纸技术与自上而下的纳米制造方法，可在不同基底上并行制备特征尺寸小于10纳米的无机纳米结构。该技术能够一次性精确制造数十亿个纳米结构，几乎可形成任意形状，且无需依赖昂贵的图案化方法。该方法有望应用于表面增强拉曼光谱等传感领域，也可用于构建新型光学超表面。

尽管本实验方案相对简单，但仍需要较高的跨学科制备技能，因此，对于不同背景的研究人员而言，可视化演示将非常有帮助。本次实验操作将由本实验室的另一位研究生索菲亚·朱林（Sofia Julin）与佩特里·皮斯库宁（Petteri Piskunen）共同示范。制备 staples 链母液时，取构建蝴蝶结结构所需的所有寡核苷酸等量混合；随后，在一个 200 微升的 PCR 管中，加入 20 微升 M13 MP18 支架链、40 微升 staples 母液以及 40 微升 2.5 × 折叠缓冲液。

然后，按照表格中的说明，将反应混合物在热循环仪中从90°C退火至27°C。制备基底时，将从蓝宝石晶圆上切割的约7 mm × 7 mm的芯片浸入盛有52°C丙酮的玻璃容器中，至少超声处理15分钟，随后将芯片转移至盛有异丙醇的玻璃容器中，超声处理2分钟。超声结束后，用镊子将芯片从异丙醇中取出，并立即用氮气吹干，氮气流速调至最高，吹干时使芯片表面与气流方向平行。

对于非晶硅层的等离子体增强化学气相沉积，将干燥后的芯片放入等离子体增强化学气相沉积仪器中，并根据仪器型号和校准情况设定沉积参数，生长约50纳米的非晶硅层。对于非晶硅层的氧气等离子体处理，将芯片放入反应离子刻蚀仪器中，并根据仪器型号和校准情况设定刻蚀参数以产生氧气等离子体，然后运行氧气等离子体处理程序。

在氧气等离子体处理后的30分钟内，将5微升折叠并纯化的DNA折纸溶液与4微升折叠缓冲液和1微升1摩尔的氯化镁混合。将10微升DNA折纸混合液滴加到每片经氧气等离子体处理的芯片上，并盖上盖片，在室温下孵育5分钟。孵育结束后，用100微升蒸馏水清洗芯片表面，使用移液器将水来回冲洗数次，注意避免触碰芯片的中心区域。

按照上述方法再进行两到三次灰化后，立即用氮气流干燥芯片。为了生长二氧化硅掩模，将100克硅胶与30毫升蒸馏水混合。将硅胶混合物放入干燥器中，并用带孔板将凝胶分隔开。

24小时后，将吸附有DNA折纸结构的芯片放置于干燥器内的穿孔平台上，在芯片的一侧放置含有10毫升正硅酸四乙酯的试剂瓶，另一侧放置含有10毫升25%氢氧化铵的试剂瓶。然后密封腔室，在室温下孵育20小时。孵育结束后，未被DNA折纸结构覆盖的区域将形成二氧化硅薄膜，从而产生具有DNA折纸形状孔洞的10至20纳米图案化掩模。

对于二氧化硅的反应离子刻蚀，将芯片放入反应离子刻蚀仪器中，并设置刻蚀参数，仅刻蚀2至5纳米的二氧化硅，以暴露二氧化硅掩模孔洞下方的非晶硅层。所有刻蚀参数应根据所选用的仪器进行优化，因为合适的参数取决于设备类型和具体配置，可能需要进行多次调试。

运行各向异性二氧化硅等离子体刻蚀程序后，设置刻蚀参数以穿透50纳米非晶硅层。然后运行各向同性硅等离子体刻蚀程序。进行物理气相沉积时，将芯片装入物理气相沉积仪器的蒸发腔室，并选择一种粘附性金属靶材。

为靶材和目标厚度设置厚度控制程序，启动电子束，将光束对准靶材并逐渐增加束流，直至达到每秒0.05纳米的沉积速率。随后开始蒸发，直至最终厚度达到2纳米。蒸发结束后，在不放空腔室或中断过程的情况下选择第二种靶金属，并设定其厚度。

调整电子束至目标位置，直至沉积速率达到0.05纳米每秒，然后开始蒸发，直至厚度达到20纳米。DNA折纸形状的金属结构将通过二氧化硅掩模上的孔形成，总高度为22纳米。放气后取出样品。

对于氢氟酸剥离，将样品浸入基于氢氟酸的刻蚀液中，并使用塑料镊子轻轻搅拌样品。待二氧化硅层完全刻蚀且金属层脱落后，用双蒸水和异丙醇冲洗样品。然后如图所示，用氮气流吹干样品。

对于剩余非晶硅的反应离子刻蚀，将芯片放入反应离子刻蚀仪中，并设置刻蚀参数，以完全去除全部50纳米的非晶硅。运行各向同性非晶硅等离子体刻蚀程序，去除剩余的非晶硅。随后从反应离子刻蚀设备中取出样品，并将其存放在带盖容器中。

琼脂糖凝胶电泳和原子力显微镜可用于分析DNA折纸的折叠情况以及聚乙二醇纯化的质量。此处展示了二氧化硅掩模生长后的代表性原子力显微镜图像。在这些图像中，还可观察到最终金属纳米结构的扫描电子显微镜结果。

在这些图中，分析了由领结形 DNA 折纸模板化的金属纳米结构的光学功能。二氧化硅掩模的生长对整个过程至关重要，且对 TEOS 的湿度和反应活性较为敏感。因此，应严格控制这些参数以确保可重复性。

如果DNA折纸技术能进一步与高度有序的DNA图案相结合，则有望推动可见光波长范围内的超材料和表面结构的制备。