DNA Origami-vermittelte Substrat Nanomusterung von anorganischen Strukturen für Sensoranwendungen

Dieses Protokoll kombiniert die Bottom-up-basierte DNA-Origami-Technik mit Top-Down-Nano-Fabricationsmethoden, die die parallele Herstellung von anorganischen Nanostrukturen mit Sub-10-Nanometer-Feature-Größen auf verschiedenen Substraten ermöglichen. Diese Technik kann verwendet werden, um Milliarden von genauen Nanostrukturen auf einmal zu erstellen, praktisch in jeder Form, ohne dass teure Mustermethoden erforderlich sind. Diese Methode hat das Potenzial, in Sensoranwendungen wie der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie genutzt zu werden und neuartige optische Metaoberflächen zu erzeugen.

Obwohl dieses Protokoll ziemlich einfach ist, sind mehr die disziplinären Fertigungsfähigkeiten erforderlich, und daher wird die visuelle Demonstration für Forscher mit einer Vielzahl von Hintergründen nützlich sein. Demonstriert das Verfahren mit Petteri Piskunen wird Sofia Julin, eine weitere Studentin aus unserem Labor. Um den Bestand an Stapelsträngen herzustellen, mischen Sie die gleichen Mengen aller Oligonukleotide, die für die Bogenbindestruktur benötigt werden, und mischen Sie 20 Mikroliter des M13 MP18 Gerüststrangs mit 40 Mikrolitern der Stapelheftstofflösung und 40 Mikroliter 2,5 X Faltpuffer in einem 200-Mikroliter-PCR-Rohr.

Dann anneal das Reaktionsgemisch in einem Thermocycler von 90 bis 27 Grad Celsius, wie in der Tabelle beschrieben. Zur Vorbereitung des Substrats etwa sieben mal sieben Millimeter Chips, die aus einem Saphirwafer geschnitten werden, mindestens 15 Minuten lang in einen Glasbehälter mit 52 Grad Celsius Aceton eintauchen, bevor sie die Chips für zwei Minuten Beschallung in einen Glasbehälter mit Isopropanol überführen. Verwenden Sie am Ende der Beschallung eine Pinzette, um die Späne aus dem Isopropanol zu entfernen und die Späne sofort mit Stickstoff bei dem höchstmöglichen Durchfluss zu trocknen, wobei die Spanoberflächen parallel zur Strömungsrichtung möglich sind.

Legen Sie die getrockneten Späne für die plasmaverstärkte chemische Dampfabscheidung der amorphen Siliziumschicht in das plasmaverstärkte chemische Dampfabscheidungsgerät und legen Sie die Abscheidungsparameter entsprechend dem Instrumentenmodell und der Kalibrierung auf etwa 50 Nanometer amorphes Silizium fest. Legen Sie die Späne für die Sauerstoffplasmabehandlung der amorphen Siliziumschicht in das reaktive Ionenätzgerät und legen Sie die Ätzparameter so ein, dass Sauerstoffplasma entsprechend dem Gerätemodell und der Kalibrierung erzeugt wird. Führen Sie dann das Sauerstoffplasma-Behandlungsprogramm aus.

Mischen Sie innerhalb von 30 Minuten nach der Sauerstoffplasmabehandlung fünf Mikroliter gefalteter und gereinigter DNA-Origami-Lösung mit vier MikroliterN Faltpuffer und einem Mikroliter eines Mol-Magnesiumchlorids. Legen Sie 10 Mikroliter des DNA-Origami-Gemischs auf jeden mit Sauerstoffplasma behandelten Chip ab und decken Sie die Chips für eine fünfminütige Inkubation bei Raumtemperatur ab. Am Ende der Inkubation die Spanoberflächen mit 100 Mikroliter destilliertem Wasser waschen, das Wasser ein paar Mal mit der Pipette hin- und herspülen und dabei vermeiden, die Mitten der Späne zu berühren.

Nach zwei bis drei weiteren Vereisungsversuchen, wie gerade gezeigt, trocknen Sie die Späne sofort mit Stickstofffluss. Um eine Silikondioxidmaske anzubauen, mischen Sie 100 Gramm Kieselgel mit 30 Milliliter destilliertem Wasser. Die Kieselgelmischung in einen Trockenbau geben und das Gel mit einer perforierten Platte trennen.

Nach 24 Stunden die Chips mit adsorbiertem DNA-Origami auf die perforierte Plattform im Trockenbau geben und eine Durchstechflasche mit 10 Milliliter Tetraethylorthosilikat auf der einen Seite der Chips und eine Durchstechflasche mit 10 Millilitern 25%Ammoniumhydroxid auf der anderen Seite der Chips platzieren. Dann versiegeln Sie die Kammer für eine 20-stündige Inkubation bei Raumtemperatur. Am Ende der Inkubation wird sich auf den Bereichen ohne DNA-Origami-Strukturen ein Siliziumdioxidfilm gebildet haben, der eine 10 bis 20 Nanometer gemusterte Maske mit DNA-Origami-förmigen Löchern bildet.

Zur reaktiven Ionenätzung des Siliziumdioxids legen Sie die Chips in das reaktive Ionenätzungsgerät und setzen Sie die Ätzparameter auf ätzen nur zwei bis fünf Manometer des Siliziumdioxids, um die amorphe Siliziumschicht unter den Löchern in der Siliziumdioxidmaske zu offenbaren. Alle Ätzparameter sollten für die gewählten Instrumente optimiert werden, da die richtigen Parameter von der Art der Ausrüstung und der spezifischen Einrichtung abhängen. Möglicherweise sind einige Iterationen erforderlich.

Nach dem Ausführen des anisotropen Siliziumdioxid-Plasmaätzprogramms stellen Sie die Ätzparameter so ein, dass sie die 50 Nanometer amorphe Siliziumschicht durchbohren. Führen Sie dann das isotrope Silizium-Plasm-Ätzprogramm aus. Für die physikalische Dampfabscheidung die Späne in die Verdampfungskammer des physikalischen Dampfabscheidungsinstruments laden und ein Klebstoffzielmetall auswählen.

Legen Sie das Dickenkontrollprogramm für das Zielmaterial und die Dicke fest und starten Sie den Elektronenstrahl, richten Sie den Strahl auf das Ziel aus und erhöhen Sie den Strahlstrom, bis eine Abscheidungsrate von 0,05 Nanometern pro Sekunde erreicht ist. Dann verdampfen, bis eine endgültige Dicke von zwei Nanometern erreicht ist. Wählen Sie am Ende der Verdampfung das zweite Zielmetall aus, ohne die Kammer zu entlüften oder den Prozess zu unterbrechen und die Dicke einzustellen.

Richten Sie den Elektronenstrahl am Ziel aus, bis eine Abscheidungsrate von 0,05 Nanometern pro Sekunde erreicht ist, bevor eine Verdampfung erreicht wird, bis eine Dicke von 20 Nanometern erreicht ist. Die DNA-Origami-förmige Metallstruktur wird durch die Siliziumdioxid-Maskenlöcher mit einer Gesamthöhe von 22 Nanometern entstehen. Nach dem Entlüften der Kammer Proben entfernen.

Zum Absetzen von Flusssäure, tauchen Sie die Proben in Flusssäure-basierte Etchant und verwenden Kunststoff Pinzette, um die Proben sanft zu rühren. Warten Sie, bis die Siliziumdioxidschicht vollständig ätzt und sich die Metallschicht löst, bevor die Proben mit doppelt destilliertem Wasser und Isopropanol abspült werden. Dann trocknen Sie die Proben mit einem Stickstofffluss, wie gezeigt.

Zur reaktiven Ionenätzung des verbleibenden amorphen Siliziums die Chips in das reaktive Ionenätzungsinstrument legen und die Ätzparameter für die Entfernung aller 50 Nanometer des amorphen Siliziums einstellen. Führen Sie das isotrope amorphe Silizium-Plasmaätzprogramm aus, um das verbleibende amorphe Silizium zu entfernen. Dann entfernen Sie die Proben von den reaktiven Ionenätzgeräten und lagern Sie sie in einem abgedeckten Behälter.

Agarose-Gel-Elektrophorese und Atomkraftmikroskopie können verwendet werden, um die DNA-Origami-Faltung und die Qualität der Polyethylenglykol-Reinigung zu analysieren. Hier werden repräsentative Atomkraftmikroskopiebilder nach Siliziumdioxidmaskenwachstum gezeigt. Während in diesen Bildern, Rasterelektronenmikroskopie der endgültigen Metall-Nanostrukturen beobachtet werden können.

In diesen Graphen wurde die optische Funktionalität der metallischen Nanostrukturen analysiert, die von der Fliege DNA Origami vorlagen. Das Wachstum der Silikondioxidmaske ist entscheidend für den Prozess und empfindlich auf die Feuchtigkeit und Reaktivität von TEOS. Daher sollten diese Parameter sorgfältig auf Reproduzierbarkeit kontrolliert werden.

Wenn die DNA-Origami-Technik weiter mit hochgeordneten DNA-Mustern kombiniert wird, könnte sie den Weg für die Herstellung von Metamaterialien und Oberflächen im sichtbaren Wellenlängenbereich ebnen.