Name: Soft-Lithographie Funktionalisierung und Strukturierung Oxydfreie Silizium und Germanium (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-12-16T12:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 38 s
Description: Lernen Sie die Soft-Lithographie-Funktionalisierung von oxydfreiem Silizium und Germanium mit reaktiven organischen Monolagen. Diese Methode ermöglicht präzise Oberflächenmusterung für biotechnologische Anwendungen.

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1A. Primäre Monoschichtbildung on Silicon <ol><li> Cut Silizium-Wafer in 1 cm 2 Substraten, Staub und mit Wasser abspülen und gefiltert Ethanol. </li><li> Entfernen organischer Verunreinigungen durch das Eintauchen des Silizium-Substrate in einer Glasschale mit Nano Streifen bei 75 º C. Nach 15 Minuten spülen jedes Substrat mit entionisiertem, gefiltertem Wasser. </li><li> Legen Sie jedes Substrat in einer 5% igen HF-Lösung (Achtung: HF ist ein extrem gefährliches Material) auf die native Oxidschicht zu entfernen. Nach 5 Minuten trocknen oxidfreie Silizium mit Stickstoff </li><li> Um ein chloriertes Substrat zu erzeugen, sofort tauchen jedes oxidfreie Silizium Stück in einem Szintillationszähler Fläschchen mit 2 ml gesättigter PCl 5 in Chlorbenzol. Diese Lösung sollte bis 0,2 um gefiltert werden. </li><li> Montieren Sie ein Fläschchen Kondensator auf jeder Flasche und legen Sie sie in einem heatblock gesetzt bis 112 ° C für eine Stunde. </li><li> Nach beendeter Reaktion lassen Fläschchen kühl und spülen jedes Oberfläce mit Chlorbenzol und trocken unter gefiltertem Stickstoff. </li><li> Zur Bildung einer Propenyl-endet Substrat, statt jedes chlorierte Silizium-Oberfläche in einem Druck Fläschchen mit 4 ml propenyl Magnesiumchlorid. Platzieren Sie jede Druck Fläschchen in einem heatblock bei 130 ° C für 24 Stunden. </li><li> Nehmen Sie jede Druck Durchstechflasche aus dem heatblock und abkühlen lassen. </li><li> Spülen Sie jede Oberfläche schnell mit DCM und Ethanol und trocken unter gefiltertem Stickstoff. </li></ol> 1B. Primäre Monoschichtbildung auf Germanium <ol><li> Cut-Germanium-Wafer in 1cm2 Substrate, Staub und mit Wasser abspülen und gefiltert Ethanol. </li><li> Entfernen organischer Verunreinigungen durch Eintauchen der Oberfläche in einer Glasschale mit Aceton für 20 Minuten </li><li> Platzieren Sie jede Oberfläche in eine 10% ige HCl-Lösung für 15 Minuten. Dieser Prozess entfernt gleichzeitig die native Oxidschicht und chloriert der Oberfläche. Nach 5 Minuten trocknen die Substrate mit Stickstoff. </li><li> Um eine Octyl-terminierte Substrat, pla Formce jeder Germanium Oberfläche in einem Druck Fläschchen mit 4 ml Octyl Magnesiumchlorid (2 mM) chloriert. Platzieren Sie jede Druck Fläschchen in einem heatblock bei 130 ° C für 48 Stunden. </li><li> Nehmen Sie jede Druck Durchstechflasche aus dem heatblock und lassen auf Raumtemperatur abkühlen. </li><li> Spülen Sie jede Oberfläche schnell mit DCM und Ethanol und trocken unter gefiltertem Stickstoff. </li></ol> 2. NHS Substrat Funktionalisierung auf Silizium und Germanium <ol><li> Bereiten Sie eine gefilterte 0,1 M NHS-Diazirin Lösung in Tetrachlorkohlenstoff. Warnung: Halten Sie Belichtung auf ein Minimum. </li><li> Pipet ein paar Tropfen der Lösung auf die Methyl-terminierten Oberflächen. Anschließend Lösung über die gesamte Fläche verteilt. </li><li> Legen Sie die Oberflächen unter einer UV-Lampe (☐ = 254 nm, 4400/cm2 bei 0,74 Zoll). Lassen Sie die Flächen unter UV-Licht für 30 Minuten reagieren, dann fügen Sie mehr NHS-Diazirin an die Oberfläche und lassen Sie die Reaktion für weitere 30 Minuten gehen. </li><li> Spülen Sie das NHS modifiziert surfaces mit DCM und Ethanol und trocken unter gefiltertem Stickstoff. </li></ol> 3. Small Molecule Funktionalisierung <ol><li> React NHS-modifizierten Substraten in einem 20 mM tert-Butyl-Carbamoyl (Boc-) Ethylendiamin-Lösung in Dichlormethan (DCM) für zwei Stunden bei Raumtemperatur. </li><li> Nach der Reaktion, spülen Sie die Boc-modifizierte Substrat mit DCM und Ethanol. </li><li> DEPROTECT der Boc veränderte Substrat mit 25% Trifluoressigsäure (TFA) in DCM für 1 Stunde bei Raumtemperatur. </li><li> Spülen Sie die resultierende Oberfläche mit DCM, Ethanol und 10% (w / v) Kaliumhydrogencarbonat in Wasser und trocknen Sie unter gefiltertem Stickstoff. </li><li> Analysieren Sie alle Oberflächen mit XPS auf die elementare Zusammensetzung zu bestimmen. </li></ol> 4. Saure Polyurethanacrylat Stamp (PUA) Vorbereitung <ol><li> Verdünnen Acrylat-A um 30% mit Trimethylolpropan Ethoxylat Triacrylat B zur Verringerung der Viskosität. Add Photoinitiatoren C und D der Reaktionsmischung (Abb.Abbildung 6). </li><li> Add Natrium-2-mercaptoethanesulfonate (0,2 g, 1,22 mmol) zu einer 4N HCl-Lösung in Dioxan (10 ml) zugegeben und bei Raumtemperatur für 2 Minuten. </li><li> Filter aus dem Natriumchlorid zuerst durch ein feines Glas-Filter und dann durch einen 0,2 μ m PTFE-Membran Spritzenfilter, um eine klare Lösung von 2-Mercaptoethansulfonsäure in Dioxan leisten. </li><li> Man dampft Dioxan unter vermindertem Druck </li><li> React die daraus resultierenden sulfonsäure mit 2 ml des Polyurethan-Acrylat-präpolymeren Mischung bei Raumtemperatur und anschließend unter Vakuum bei 50 ° C. Achten Sie darauf, völlig frei das Gemisch aus Luftblasen. </li><li> Kühlen Sie die resultierende Lösung auf Raumtemperatur erwärmt und polymerisieren zwischen zwei Objektträger aus Glas oder einem Glasträger und ein Meister durch Bestrahlung mit UV-Licht für 2 Stunden bei Raumtemperatur. </li><li> Nach der Polymerisation, sorgfältig schälen Stempel aus dem Master und waschen Sie den Stempel mit Ethanol und Wasser und trocknen Sie mit gefilterter nitrogen. </li></ol> 5. Katalytische Druck-und SEM / AFM-Analyse <ol><li> Legen Sie die entsprechenden Polyurethan-Acrylat-Stempel auf der Oberseite des NHS-modifizierte Substrat bei Raumtemperatur für 1 Minute ohne externe Last, um sie zusammenzuhalten. </li><li> Nach der Reaktion trennen die Stempel und Substrat. </li><li> Spülen Sie das Substrat mit Ethanol, Wasser und Ethanol dann trocken mit gefiltertem Stickstoff. </li><li> Spülen Sie den Stempel mit Ethanol, Wasser und Ethanol dann trocken mit gefiltertem Stickstoff. </li><li> Halten Briefmarken bei Raumtemperatur vor der nächsten Anwendung. </li><li> Analysieren Sie die erzeugte Muster mit Kontakt-Modus seitlichen atomic force microsopy (AFM) und Rasterelektronenmikroskopie (SEM) </li></ol> 6. Protein Strukturierung und Fluoreszenz-Mikroskopie <ol><li> Tauchen Sie die NHS-gemusterten bifunktionellen Substrat in Lysin-N, N-diessigsäure (20 mM) und Et 3 N (100 mM) in DMF: H20 (1:1) bei Raumtemperatur für 1 Stunde und danach mitWasser und Ethanol. </li><li> Inkubieren Sie die Substrate in einem 50 mM NiSO4 Lösung für 5 min bei Raumtemperatur. </li><li> Spülen Sie die Chelat-Substrate übermäßig mit Wasser und Bindungspuffer (20 mM NaP, 250 mM NaCl, 10 mM Imidazol, pH 7,5) und tauchen Sie in eine gefilterte GFP-Lösung (~ 40 μ M) für 1 Stunde bei 0 ° C. </li><li> Sofort gründlich die Substrate mit Bindungspuffer durch PBS (pH 7,4) folgten. </li><li> Keep Substrate hydriert in PBS bei 0 ° C, bis sie bereit für die Fluoreszenzmikroskopie Analyse wurden. </li></ol> 7. Protein Strukturierung und Fluoreszenz-Mikroskopie <ol><li> Tauchen Sie die NHS-gemusterten bifunktionellen Substrat in Lysin-N, N-diessigsäure (20 mM) und Et 3 N (100 mM) in DMF: H 2 0 (1:1) bei Raumtemperatur für 1 Stunde und anschließend mit Wasser gespült und Ethanol. </li><li> Inkubieren Sie die Substrate in einem 50 mM NiSO 4-Lösung für 5 min bei Raumtemperatur. </li><li> Spülen Sie die Chelat-Substrate übermäßig wit Wasser und Bindungspuffer (20 mM NaP, 250 mM NaCl, 10 mM Imidazol, pH 7,5) und tauchen Sie in eine gefilterte GFP-Lösung (~ 40 pM) für 1 Stunde bei 0 ° C. </li><li> Sofort gründlich die Substrate mit Bindungspuffer durch PBS (pH 7,4) folgten. </li><li> Keep Substrate hydriert in PBS bei 0 ° C, bis sie bereit für die Fluoreszenzmikroskopie Analyse wurden. </li></ol> 8. Repräsentative Ergebnisse: Ein Beispiel für Soft-Lithographie katalytische Nanostrukturierung ist in Abbildung 7 gezeigt. Der Ansatz schafft chemoselektive Muster auf oxidfreie Silizium und Germanium, die orthogonal mit ungleichen chemischen und biologischen Einheiten funktionalisiert werden können. Die Reaktion zwischen dem NHS-functioanlized Substrat und die katalytische gemusterten Stempel führt zur Hydrolyse von NHS-Reste in den Bereichen konformen Kontakt, was zu einem gemusterten bifunktionellen Substrat tragenden Regionen NHS aktiviert und freie Carbonsäuren. Aufgrund der diffusion der freien Natur unserer Methode erreichen wir Auflösung nahe, dass der Photolithographie. Zum Beispiel zeigt Abbildung 7 125 nm Features, die gleichmäßig über die gesamte Siliziumsubstratoberfläche reproduziert wurden. Bemerkenswert ist, kann die katalytische Stempel mehrfach ohne Effizienz wiederverwendet werden. Chemoselektive Funktionalisierung von gemusterten Halbleitern mit Biomolekülen eröffnet sich die Möglichkeit der Integration von traditionellen elektronischen Materialien mit hochselektiver biologischen Substraten für Anwendungen in der Sensorik, Diagnostik und analytischen Bereichen der Forschung. Ein Beispiel einer solchen Funktionalisierung ist in Abbildung 8, wo NHS-gemusterten Silizium selektiv mit Eiweißmolekülen funktionalisiert wurde gezeigt. Durch die Ausnutzung der Differential Reaktivitäten aktiviert und freie Carbonsäuren wir zunächst angebracht Nitrilotriessigsäure-terminierte (NTA) heterobifunktionelle Linker an die NHS-funktionalisierte Regionen und dann die daraus resultierendenNTA-strukturierte Oberfläche als Vorlage für die selektive Bindung von Hexa-Histidin-markierten GFP. Abbildung 8b zeigt deutlich, Differential Fluoreszenzintensität zwischen GFP-modifizierte und hydrolysierte freie Carbonsäure Regionen. Die Größe und Form der replizierten Funktionen sind konsistent zwischen den beiden NHS gemusterte Oberfläche (Abbildung 8a) und GFP-modifizierte Oberfläche (Abbildung 8b), bestätigt die bemerkenswerte Stabilität der Kohlenstoff-passivierte Oberflächen und die Selektivität der Stanz-Ansatz. Das Protokoll ist nicht auf His-getaggten Proteinen begrenzt und kann auf Muster anderen Biomolekülen wie DNA und Antikörpern verwendet werden. <img src="/files/ftp_upload/3478/3478fig1.jpg" alt="Abbildung 1" data-altupdatedat="1788238805000" data-alt="Abbildung 1"> Abbildung 1. Allgemeine Regelung darstellt katalytische Mikrokontaktdrucken <img src="/files/ftp_upload/3478/3478fig2.jpg" alt="Abbildung 2" data-altupdatedat="1788238805000" data-alt="Abbildung 2"> Abbildung 2. Aufbau des zweischichtigen molecular System auf Ge und Si. Primäre Alkyl Monoschicht bildet stabile Ge-C-oder Si-C-Bindungen mit dem Substrat und stellt eine chemisch inert und dicht gepackte System, das den Untergrund vor dem Abbau schützt. (B) Sekundäre Deckschicht stabil CC-Bindungen bildet mit primären Schutzschicht und bietet terminalen funktionellen Gruppen <img src="/files/ftp_upload/3478/3478fig3.jpg" alt="Abbildung 3" data-altupdatedat="1788238805000" data-alt="Abbildung 3"> Abbildung 3. Reaktionsschemata vertreten Bildung von primären Schutzfunktion Monoschichten auf Si (A) und Ge (B) <img src="/files/ftp_upload/3478/3478fig4.jpg" alt="Abbildung 4" data-altupdatedat="1788238805000" data-alt="Abbildung 4"> Abbildung 4. Chemische Funktionalisierung der primären schützenden Monoschicht mit einer hetero-Carben Spender <img src="/files/ftp_upload/3478/3478fig5.jpg" alt="Abbildung 5" data-altupdatedat="1788238805000" data-alt="Abbildung 5"> Abbildung 5. Reaktionsschema zeigt kleines Molekül Modifikationen NHS-funktionalisierten subSubstrate und die entsprechenden XPS-Spektren <img src="/files/ftp_upload/3478/3478fig6.jpg" alt="Abbildung 6" data-altupdatedat="1788238805000" data-alt="Abbildung 6"> Abbildung 6. Zusammensetzung der katalytischen Pre-polymeren Mischung, Polymerisationsbedingungen und REM-Aufnahmen des strukturierten Sulfonsäure-modifizierte Stempel und die entsprechende PMMA-Si-Master <img src="/files/ftp_upload/3478/3478fig7.jpg" alt="Abbildung 7" data-altupdatedat="1788238805000" data-alt="Abbildung 7"> Abbildung 7. SEM und AFM Reibung Bilder von strukturierten SAMs auf Si-und Ge mit einem sauren Stempel <img src="/files/ftp_upload/3478/3478fig8.jpg" alt="Abbildung 8" data-altupdatedat="1788238805000" data-alt="Abbildung 8"> Abbildung 8 Soft-lithographische Strukturierung und Funktionalisierung von passivierten Silizium mit organischen und biologischen Molekülen a:.. REM-Aufnahme der gemusterten NHS modifiziertes Substrat b:. Fluorescent Aufnahme von GFP veränderte Substrat.

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Das vorgestellte Protokoll ist eine Form oder tintenlosen Mikrokontaktdrucken, die universell auf jedem Untergrund, das einfache wohlgeordneten Monoschichten angewendet werden kann. In diesem Verfahren überträgt ein Stempel-immobilisierte Katalysator ein Muster auf einer Oberfläche tragen entsprechenden funktionellen Gruppen. Da der Prozess nicht auf Farbübertragung von der Stempelsteuer verlassen, um die diffusive Auflösung Begrenzung der traditionellen und reaktive mCP Oberfläche vermieden wird, erlaubt Routine Herstellung von nanoskaligen Objekten. Der Einbau eines primären hoch geordneten molekularen Systems bietet umfassenden Schutz der darunter liegenden Halbleiter vor Oxidation Schäden. Gleichzeitig unterstützt die Methode Immobilisierung von sperrigen reaktiven Gruppen durch die Verwendung eines sekundären reaktiven Deckschicht, die zusammen das System lässt sich sowohl Schutz und Funktionalisierung. Die Technik beginnt mit der Bildung von stabilen Kohlenstoff-Bindungen Oberfläche ermöglicht für chemisch inert Primary Monoschicht, die als eine wirksame Barriere gegen Oxidbildung dient. Die Bildung einer sekundären reaktiven Deckschicht bietet Terminal NHS funktionellen Gruppen, die als Befestigungspunkte für eine Vielzahl von chemischen und biologischen Einheiten dienen. Diese stabile doppelschichtigen molekularen System wird anschließend strukturiert mit unseren katalytischen mCP Ansatz. Der Ansatz in dieser Studie präsentierten bietet eine allgemeine Methode zur Strukturierung von Halbleiter-Substraten mit einer breiten Palette von organischen und biologischen Materialien. Die Möglichkeit, gemusterte organische Halbleiter-Schnittstellen ohne aufwendige, komplexe Instrumente zu schaffen bietet zahlreiche Möglichkeiten in Bereichen wie Elektronik, Nanotechnologie, Biochemie und Biophysik.

<table border="1"><tbody><tr><th> Name des Reagenzes </th><th> Firma / Modell </th></tr><tr><td> XPS-Spektrometer </td><td> Kratos Axis-Ultra- </td></tr><tr><td> Atomic Force Microscope </td><td> Veeco D3100 </td></tr><tr><td> SEM-FEG Mikroskop </td><td> FEI XL30 </td></tr><tr><td> Fluoreszenzmikroskop </td><td> Zeiss Axio Imager </td></tr><tr><td> Heatblock </td><td> VWR </td></tr><tr><td> Vakuumpumpe </td><td> BOC Edwards </td></tr><tr><td> Wasserreinigungssystem </td><td> Millipore </td></tr><tr><td> TESP Silizium-Sonden </td><td> Veeco </td></tr><tr><td> Silizium </td><td></td></tr><tr><td> Pressure Vials </td><td> Chemglass </td></tr><tr><td> Vakuumkammer </td><td> Chemglass </td></tr><tr><td> UV-Lampe </td><td> UVP </td></tr><tr><td> Stamp Werkstoff </td><td> Siehe Referenzen 20 und 18 </td></tr><tr><td> PFTE Spritzenvorsatzfilter </td><td> VWR </td></tr><tr><td> Nano-Streifen </td><td> Cyantek </td></tr><tr><td> HCl </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> Ethanol </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> Aceton </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> HF </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> Chlorbenzol </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> PCl5 </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> Propenyl Magnesiumchlorid </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> Octyl Magnesiumchlorid </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> Tetrachlorkohlenstoff </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> Boc geschützten Ethylendiamin </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> TFA </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> Natrium-2-mercaptoethanesulfonate </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> 4N HCl-Lösung in Dioxan </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> Lysin-N, N-diessigsäure </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> Et 3 N </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> DMF </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> NiSO 4 </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> NaP </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> NaCl </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> Imidazol </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> PBS </td&gt; <td> Sigma </td></tr></tbody></table>

soft-lithographie funktionalisierung und strukturierung oxydfreie silizium und germanium

Soft Lithographic Functionalization and Patterning Oxide-free Silicon and Germanium

Die Entwicklung von Hybrid-elektronischen Geräten beruht zu einem großen Teil auf die Integration von (bio) organische Materialien und anorganische Halbleiter durch eine stabile Schnittstelle, die eine effiziente Elektronentransport ermöglicht und schützt die darunter liegenden Substrate vor oxidativem Abbau. Gruppe IV-Halbleitern können effektiv mit hoch geordneten selbstorganisierten Monoschichten (SAMs) von einfachen Alkyl-Ketten, die als undurchlässige Sperren sowohl organische als auch wässrige Lösungen handeln komponiert geschützt werden. Einfache Alkyl SAMs sind jedoch inert und nicht zugänglich zu traditionellen Mustern Techniken. Die Motivation zur Immobilisierung von organischen molekularen Systemen auf Halbleiterbasis ist, um neue Funktionen an die Oberfläche, die optische, elektronische und mechanische Funktion, sowie chemische und biologische Aktivität liefern verleihen können. Mikrokontaktdruck (μ CP) ist ein soft-lithographischen Technik zur Strukturierung SAMs auf unzähligen Oberflächen. 1-9 Trotz seiner einfhohen Oxophilie und Vielseitigkeit hat der Ansatz weitgehend auf edle Metalloberflächen begrenzt und ist nicht gut für die Strukturübertragung auf technologisch wichtigen Substraten wie oxidfreie Silizium und Germanium entwickelt. Darüber hinaus, weil diese Technik beruht auf der Diffusion von Tinte auf Muster aus dem Elastomer auf das Substrat übertragen, ist die Auflösung einer solchen traditionellen Druck im Wesentlichen auf nahe 1 μ m. 10-16 begrenzt Im Gegensatz zu traditionellen Druckverfahren setzt tintenlosen μ CP Muster auf eine bestimmte Reaktion zwischen einer Oberfläche immobilisierten Substrat und einem Stempel-Katalysators gebunden. Da die Technik nicht auf diffusive SAM-Bildung angewiesen, es erweitert die Vielfalt der strukturierbare Oberflächen. Darüber hinaus entfällt die tintenlosen Technik die Funktion Größenbeschränkungen durch molekulare Diffusion auferlegt, die Erleichterung der Replikation von sehr kleinen (&lt;200 nm) Funktionen. 17-23 jedoch bis jetzt, tintenlosen μ CP wurde in erster Linie zur Strukturierung relativ ungeordneten molekularen Systemen, die nicht schützen Untergründe vor dem Abbau verwendet. Hier berichten wir über eine einfache, zuverlässige High-Throughput-Verfahren zur Strukturierung passiviert Silizium und Germanium mit reaktiven organischen Monoschichten und zeigen selektive Funktionalisierung der strukturierten Substraten mit beiden kleinen Molekülen und Proteinen. Die Technik nutzt eine vorgeformte NHS-reaktiven zweischichtigen System auf oxidfreie Silizium und Germanium. Die NHS-Einheit ist in einem Muster-spezifischen Art und Weise mit einer Sulfonsäure-modifiziertem Acrylat Stempel auf chemisch unterschiedliche Muster von NHS-aktiviert und freie Carbonsäuren produzieren hydrolysiert. Eine erhebliche Einschränkung der Auflösung vieler μ CP-Techniken ist die Verwendung von PDMS Material, das die mechanische Festigkeit, die für High-Fidelity-Transfer fehlt. Zur Linderung dieser Einschränkung haben wir ausgenutzt einem Polyurethan-Acrylat-Polymer, einem relativ starren Material, das zuleicht mit verschiedenen organischen Resten funktionalisiert. Unsere Strukturierung Ansatz vollständig schützt sowohl Silizium und Germanium aus der chemischen Oxidation, ermöglicht eine präzise Kontrolle über die Form und Größe der gemusterten Features und bietet leichten Zugang zu chemisch diskriminiert Muster, die weiter mit organischen und biologischen Molekülen funktionalisiert werden kann. Der Ansatz ist allgemein und für andere technologisch relevanten Flächen.

Hier beschreiben wir eine einfache Methode zur Strukturierung oxidfreie Silizium und Germanium mit reaktiven organischen Monoschichten und demonstrieren Funktionalisierung der strukturierten Substraten mit kleinen Molekülen und Proteinen. Der Ansatz vollständig schützt Oberflächen durch chemische Oxidation, ermöglicht eine präzise Kontrolle über Funktion Morphologie und bietet leichten Zugang zu chemisch diskriminiert Muster.

Soft-Lithographie Funktionalisierung und Strukturierung Oxydfreie Silizium und Germanium

Die Entwicklung hybrider elektronischer Bauelemente beruht in weitem Umfang auf der Integration von (bio)organischen Materialien und anorganischen Halbleitern durch ein ...

Dieses Protokoll zeigt, wie man siliziumfreies Silizium in Germanium mit reaktiven organischen Monolagen mithilfe eines äußerst effizienten und in der Handhabung einfachen Druckverfahrens strukturieren kann. Es wird außerdem die selektive Funktionalisierung der strukturierten Substrate mit kleinen Molekülen sowie Proteinen demonstriert. Der erste Schritt des Protokolls besteht darin, Silizium- oder Germaniumsubstrate kovalent mit einer hochstabilen primären organischen Monolage zu modifizieren.Dies schützt die zugrundeliegende anorganisch-organische Grenzfläche vor reaktiver Degradation und oxidativen Schäden. Die kovalent gebundene Hydroxyamid-Ester-Deckschicht wird gebildet, um latente hydrolytische und reaktive Funktionalitäten bereitzustellen. In einem zweiten Schritt werden die uniformen zweilagigen, mit NHS modifizierten Substrate durch katalytisches Mikrokontaktdrucken strukturiert, wobei ein mit sulfonsäuremodifiziertem elastomerem Stempel kontaktiert wird; der Kontakt mit dem Stempel hydrolysiert die NHS-Gruppen und bildet somit Muster aus chemisch unterschiedlichen, NHS-aktivierten und freien Carbonsäuren. Anschließend werden die strukturierten Substrate mit kleinen organischen Molekülen und Proteinen funktionalisiert.Dieser Schritt wird zunächst durch die Fixierung von NI-Trioxyessigsäure-terminierten heterofunktionalen Linkern an NHS-funktionlisierten Bereichen und anschließend durch die selektive Bindung von hexahistidinmarkiertem grün fluoreszierendem Protein abgeschlossen. Die Methode liefert hervorragende Ergebnisse mit Mustern unterschiedlicher Fluoreszenzintensität, die sehr deutlich sind und eine bemerkenswert stabile Integritätsstruktur nach mehrfachen Oberflächenmodifizierungen aufweisen.Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden liegt also in der Genauigkeit. Das Muster wird tatsächlich durch die Präzision des Stempels selbst bestimmt, nicht durch Diffusion. Das Projekt wurde ursprünglich auf der Idee basierend initiiert, dass Strukturierungstechniken, die auf katalytischen Reaktionen anstelle einfacher Abscheidung beruhen, zahlreiche Vorteile aufweisen müssen.Einerseits werden Katalysatoren während der Reaktion nicht verbraucht und können mehrfach wiederverwendet werden, im Gegensatz zu herkömmlichen Druck- oder Abscheidungsmethoden, bei denen kontinuierlich neue Strukturierungsmaterialien zugeführt werden müssen. In unserer frühen Arbeit haben wir tatsächlich ein Katalysatormolekül an eine AFM-Spitze gebunden und dieses dann wie ein Werkzeugmaschinenteil in einem seriellen Prozess über die Oberfläche gezogen, um Strukturen zu erzeugen.Doch der elastomere Stempel war eine logische Erweiterung für parallele Fertigungsanwendungen. Einer der wichtigsten Aspekte des Protokolls ist die Verwendung des zweischichtigen molekularen Systems. Das System ermöglicht es uns, sowohl zu ätzen als auch oxidfreie und organische Substrate zu funktionalisieren.Im Idealfall sollte der anfängliche primäre SAM eine vollständige Abdeckung aller freiliegenden Oberflächenatome erreichen und ein dicht gepacktes molekulares System bilden, das die Oberfläche sowohl vor Oxidation als auch vor Zersetzung schützt. Die sekundäre Deckschicht sollte terminale funktionelle Gruppen enthalten, die durch zusätzliche chemische Umsetzungen weiter modifiziert werden können. Die wesentlichen Einschränkungen hinsichtlich der Auflösung der traditionellen Mikrokontaktdrucktechnik sind die Diffusion des Musters und der Moleküle.Unsere Methode ermöglicht eine chemische Reaktion zwischen einem Katalysator, der derzeit auf einem Stamm immobilisiert ist, und einem an Silizium oder Germanium gebundenen Substrat. Aufgrund dieser Eigenschaften erlaubt unsere Technik die Reproduktion sehr kleiner Strukturen mit einer Größe von weniger als 100 Nanometern. Oder da die Methode chemische Muster erzeugt, ist es möglich, diese durch gezielte Reaktionen mit verschiedenen biologischen und organischen Molekülen zu funktionalisieren.Dieses Verfahren erfordert die Verwendung mehrerer gefährlicher Chemikalien, wie Flusssäure, Nano-Chip-Lösung und Phosphorpentachlorid. Beim Arbeiten mit diesen Reagenzien ist es wichtig, die geeignete Schutzkleidung zu tragen und in einer gut belüfteten Umgebung zu arbeiten. Der schwierigste Teil dieses Protokolls besteht darin, die chlorierten Oberflächen schnell in die Grignard-Lösung zu überführen.Um die Neubildung der Oxidschicht zu vermeiden, bereiten Sie zunächst eine Silizium-111-Wafer vor. Schneiden Sie ihn in quadratische Substrate mit einer Kantenlänge von einem Zentimeter, entfernen Sie Staub von den Substraten und spülen Sie sie mit Wasser und filtriertem Ethanol ab. Entfernen Sie anschließend jegliche organische Kontamination, indem Sie die Siliziumsubstrate in eine Glaswanne mit Nanos tauchen.Lösung zum Abstreifen auf 75 Grad Celsius erwärmen. 15 Minuten warten, dann spülen. Jedes Substrat mit deionisiertem, gefiltertem Wasser reinigen.Legen Sie jedes Substrat für fünf Minuten in eine 5 %ige HF-Lösung, um die native Oxidschicht zu entfernen, und trocknen Sie das oxidfreie Silizium mit Stickstoff. Um ein chloriertes Substrat herzustellen, tauchen Sie jedes oxidfreie Siliziumstück sofort in ein Szintillationsfläschchen, das zwei Milliliter gesättigtes Phosphorpentachlorid in Chlorbenzol enthält. Nach Abschluss der Reaktion.Lassen Sie die Vials bei Raumtemperatur abkühlen. Spülen Sie jede Oberfläche mit Chlorbenzol ab und trocknen Sie sie unter gefiltertem Stickstoff. Anschließend bringen Sie jede chlorierte Siliziumoberfläche in ein Druckvial, das vier Milliliter Propanol-Magnesiumchlorid enthält.Die Druckgefäße 24 Stunden lang bei 130 Grad Celsius inkubieren. Nachdem die Druckgefäße auf Raumtemperatur abgekühlt sind, jede Oberfläche schnell mit Dichlormethan und Ethanol abspülen und unter gefiltertem Stickstoff trocknen, wie bei der Vorbereitung des Silizium-Substrats. Eine Germanium-Scheibe in Quadrate mit einer Kantenlänge von einem Zentimeter z schneiden und mit Wasser sowie gefiltertem Ethanol abspülen und entstauben.Entfernen Sie organische Verunreinigungen, indem Sie die Substrate 20 Minuten lang in eine Schale mit Aceton eintauchen. Tauchen Sie sie anschließend 15 Minuten lang in eine 10 %ige HCl-Lösung ein. Trocknen Sie die Substrate mit Stickstoff und legen Sie jede chlorierte Oberfläche in ein Druckgefäß, das vier Milliliter Octylmagnesiumchlorid enthält.Inkubieren Sie die Gefäße bei 130 Grad Celsius für 48 Stunden. Nach der Inkubation lassen Sie die Gefäße auf Raumtemperatur abkühlen und spülen Sie jede Probe schnell mit Dichlormethan und Ethanol ab. Trocknen Sie die Proben unter gefiltertem Stickstoff.Beginnen Sie damit, einige Tropfen der NHS-Diaz-Lösung auf die methylierte Oberfläche zu pipettieren. Lassen Sie die Lösung über die gesamte Oberfläche verteilen. Stellen Sie die Oberflächen 30 Minuten lang unter eine UV-Lampe.Fügen Sie anschließend weitere Tropfen NHS Diaz zur Oberfläche hinzu und lassen Sie die Reaktion weitere 30 Minuten lang ablaufen. Spülen Sie die NHS-modifizierten Oberflächen mit Dichlormethan und Ethanol und trocknen Sie sie unter gefiltertem Stickstoff.Dann fahren Sie mit der Funktionalisierung der kleinen Moleküle fort. Analysieren Sie abschließend die Oberflächen mittels XPS, um die elementare Zusammensetzung zu bestimmen. Beginnen Sie die Herstellung des Stempels, indem Sie Natriumtumorcaptoethansulfonat in 10 Milliliter einer vierfach normalen HCl-Lösung in Dioxan einrühren.Rühren Sie die Lösung bei Raumtemperatur zwei Minuten lang. Filtrieren Sie das Natriumchlorid durch einen feinen Glasfilter und anschließend durch einen 0,2-Mikron-PTFE-Membranspritzenfilter. Nehmen Sie nun die klare Lösung der Tumor-Capto-Ethan-S-Phonsäure in Dioxan und verdampfen Sie das Dioxan unter vermindertem Druck.Reagieren Sie die resultierende Säure mit zwei Millilitern Polyurethanacrylat, vorgepolymerer Mischung bei Raumtemperatur und anschließend unter Vakuum bei 50 Grad Celsius. Stellen Sie sicher, dass die Mischung vollständig von eingeschlossener Luft befreit ist, um eine erfolgreiche Polymerisation der vorgepolymeren Mischung zu gewährleisten. Es ist wichtig, niemals zu erhitzen, wenn die Reaktion mit mir erfolgt.CAPTA atten phonic acid und, während die Sauerstoffung unter Vakuum erfolgt, die Lösung, solange sie viskos ist, auf das strukturierte Silikonabformwerkzeug gießen und mit einer flachen Glasplatte abdecken, die in Parafilm eingewickelt ist. Anschließend die Form durch Bestrahlung mit UV-Licht aushärten. Nach der Polymerisation die Glasplatte und den Parafilm entfernen und den Stempel vorsichtig vom Werkzeug ablösen, auf die geeignete Größe zus schneiden und mit Ethanol sowie Wasser waschen.Anschließend mit filtriertem Stickstoff trocknen. Der folgende Schritt ist der wichtigste Schritt des Protokolls. Das Stempel auf die NHS-modifizierte Unterlage legen, ohne äußere Belastung, um sie zusammenzuhalten.Den Stempel nicht schleudern oder zu starken Druck ausüben. Eine Minute warten, dann das Substrat und den Stempel mit Ethanol-Wasser und anschließend erneut mit Ethanol spülen und danach unter gefiltertem Stickstoff trocknen. Die Stempel bei Raumtemperatur lagern, um das erzeugte Muster zu analysieren.Verwenden Sie die laterale Rasterkraftmikroskopie im Kontaktmodus und die Rasterelektronenmikroskopie. In diesem Schritt mobilisieren wir GFP auf die strukturierte Siliziumoberfläche. Zunächst modifizieren wir den aktivierten Ester mit einem NTA-Derivat und immobilisieren anschließend das HIIN-Tag-Protein über Nickelchelatbildung auf der Oberfläche.In diesem Schritt ist es wichtig, ein Biomolekül der Untersuchung bei der geeigneten Temperatur zu halten, um unerwünschte Degradation zu vermeiden. Um Proteine an das NHS-Muster auf dem bifunktionellen Substrat zu binden, tauchen Sie es in eine Lösung aus Lysin, nnn Dia athetic acid und Triethylamin. Nach einer Stunde spülen Sie die Substrate mit Wasser, gefolgt von Ethanol, ab.Incubieren Sie die Substrate nun fünf Minuten lang in einer chelatisierenden Lösung aus Nickelsulfat. Spülen Sie die Substrate anschließend mit Wasser und Bindungspuffer ab und tauchen Sie sie in ein Bad aus eiskalter GFP-Lösung. Eine Stunde später spülen Sie die Substrate erneut mit dem gleichen Bindungspuffer und anschließend mit PBS ab.Danach die Substrate vor der Analyse in PBS bei null Grad Celsius lagern. Abschließend die Oberflächen mittels Fluoreszenzmikroskopie analysieren, um die GFP-modifizierten Bereiche sichtbar zu machen. Die weiche B-lithografische Nanomusterung wurde verwendet, um chemoselektive Muster auf siliziumfreiem Silizium und auf Germanium zu erzeugen; die Reaktion zwischen dem NHS-funktionellen Substrat im katalytischen Musterstempel führt zu einer Hydrolyse der NHS-Gruppen in Bereichen des konformationellen Kontakts und ergibt ein Muster durch funktionelle Substratbereiche, die NHS-aktivierte und freie Carbonsäuren aufweisen.Aufgrund der diffusionsfreien Natur der Methode liegt die Auflösung nahe an der der Fotolithographie, wie an 125 Nanometer großen Strukturen zu sehen ist. Diese Strukturen wurden einheitlich über die gesamte Oberfläche des Siliziumsubstrats reproduziert. Die Abmessungen der gedruckten Strukturen entsprachen genau denen des entsprechenden Siliziummasters und des katalytischen Stempels.Bemerkenswerterweise kann der katalytische Stempel mehrfach wiederverwendet werden, ohne an Effizienz zu verlieren. Die chemoselektive Funktionalisierung von strukturierten Halbleitern wurde erreicht, indem die unterschiedlichen Reaktivitäten von aktivierten und freien Carbonsäuren ausgenutzt wurden. Zunächst wurden dreifach carboxylterminierte heterobifunktionelle Linkermoleküle an den NHS-funktionellisierten Bereichen fixiert und anschließend als Vorlage auf der resultierenden NHS-Strukturoberfläche für die selektive Anheftung des Hexahistidin-Tags G-F-P-N-H-S-Muster verwendet.Silizium wurde chemisch mit Proteinen funktionalisiert. Mit diesem Ansatz zeigte die Fluoreszenzmikroskopie einen deutlichen Unterschied in der Intensität zwischen GFP-modifizierten Bereichen und hydrolysierten, freien Carbonsäuregruppen. Größe und Form der replizierten Strukturen stimmen sowohl auf NHS-musterierten als auch auf GFP-modifizierten Oberflächen überein, was die bemerkenswerte Stabilität kohlenstoffpassivierter Oberflächen sowie die Selektivität der Stempeltechnik bestätigt.Das vorgestellte Protokoll ist eine Form des Ink-diffusive micro contact printing, das universell auf jedes Substrat angewendet werden kann, das die Bildung einfacher, geordneter Monolagen ermöglicht. Da der Prozess nicht auf der Übertragung der Tinte von einem Stempel auf die Oberfläche beruht, entfällt die durch Diffusion bedingte Auflösungsbegrenzung des herkömmlichen und reaktiven micro contact printing.Ermöglicht die routinemäßige Herstellung von nanoskaligen Objekten. Die Einbindung eines primären, hochgeordneten molekularen Systems bietet vollständigen Schutz des zugrundeliegenden Halbleiters vor Oxidationsschäden. Die Bildung von CHE-selektiven Patenten stellt speziell aufgelöste Angriffspunkte für eine Vielzahl biologischer und organischer Moleküle bereit.Indem wir unterschiedliche Aktivitäten von freien und aktivierten Carc-Fällen nutzten, konnten wir histo-intakte Proteine auf den erzeugten Mustern mobilisieren. Diese Methode beschränkt sich jedoch nicht auf histo-intakte Proteine, sondern kann auch zur Immobilisierung anderer Biomoleküle wie DNA und Antikörper verwendet werden. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man passivierte Silizium- oder Germaniumoberflächen mit einem molekularen System und katalytischem Muster modifiziert.Die NHS-modifizierten Substrate. Bei der Durchführung dieses Verfahrens ist es wichtig, sich daran zu erinnern, in einer sauberen, staubfreien Umgebung zu arbeiten. Es ist außerdem wichtig, die notwendigen Sicherheitsvorkehrungen zu treffen, wenn mit gefährlichen Materialien wie HF und nanos.Stripp gearbeitet wird.

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Forschung

JoVE Journal

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Biotechnik

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