ADN Origami-Mediated Substrate Nanopatterning of Inorganic Structures for Sensing Applications

Ce protocole combine la technique de l’origami à base ascendante d’ADN avec des méthodes de nanofabrication descendantes permettant la fabrication parallèle de nanostructures inorganiques avec des tailles de caractéristiques inférieures à 10 nanomètres sur différents substrats. Cette technique peut être utilisée pour créer des milliards de nanostructures précises à la fois, pratiquement sous n’importe quelle forme sans avoir besoin de méthodes de modelage coûteuses. Cette méthode a le potentiel d’être exploitée dans des applications de détection telles que la spectroscopie Raman améliorée en surface, ainsi que de créer de nouvelles métasurfaces optiques.

Bien que ce protocole soit assez simple, les compétences disciplinaires en fabrication sont plus nécessaires et, par conséquent, la démonstration visuelle sera utile pour les chercheurs ayant une variété d’antécédents. Sofia Julin, une autre étudiante diplômée de notre laboratoire, fera la démonstration de la procédure avec Petteri Piskunen. Pour faire le stock de brins de base, mélanger des quantités égales de tous les oligonucléotides nécessaires à la structure du nœud papillon et mélanger 20 microlitres du brin d’échafaudage M13 MP18 avec 40 microlitres de la solution de stock de base et 40 microlitres de tampon pliant de 2,5 X dans un tube PCR de 200 microlitres.

Puis anneal le mélange de réaction dans un thermocycleur de 90 à 27 degrés Celsius comme indiqué dans le tableau. Pour préparer le substrat, plonger environ sept par sept millimètres de copeaux coupés à partir d’une gaufrette saphir dans un récipient en verre de 52 degrés Celsius d’acétone pendant au moins 15 minutes avant de transférer les copeaux dans un récipient en verre d’isopropanol pendant deux minutes de sonication. À la fin de la sonication, utiliser des pinces à épiler pour enlever les copeaux de l’isopropanol et sécher immédiatement les copeaux avec de l’azote au débit le plus élevé possible avec les surfaces des copeaux parallèles à la direction du débit.

Pour le dépôt de vapeur chimique améliorée par plasma de la couche de silicium amorphe, placez les copeaux séchés dans l’instrument de dépôt de vapeur chimique amélioré par plasma et définissez les paramètres de dépôt selon le modèle d’instrument et l’étalonnage pour cultiver environ 50 nanomètres de silicium amorphe. Pour le traitement plasmatique à l’oxygène de la couche de silicium amorphe, placez les copeaux dans l’instrument réactif de gravure irional et définissez les paramètres de gravure pour générer du plasma d’oxygène selon le modèle d’instrument et l’étalonnage. Ensuite, exécutez le programme de traitement plasmatique de l’oxygène.

Dans les 30 minutes qui ont après le traitement au plasma d’oxygène, mélanger cinq microlitres de solution origami à ADN plié et purifié avec quatre microlitres de tampon pliant et un microlitre d’un chlorure de magnésium molaire. Déposez 10 microlitres du mélange d’origami d’ADN sur chaque puce traitée au plasma d’oxygène et couvrez les copeaux pendant une incubation de cinq minutes à température ambiante. À la fin de l’incubation, laver les surfaces des copeaux avec 100 microlitres d’eau distillée, en rinçant l’eau d’avant en arrière à quelques reprises avec la pipette tout en évitant de toucher les centres des copeaux.

Après avoir ashing deux à trois fois de plus comme il vient de le démontrer, séchez immédiatement les copeaux avec le flux d’azote. Pour faire pousser un masque de dioxyde de silicium, mélanger 100 grammes de gel de silice avec 30 millilitres d’eau distillée. Placer le mélange de gel de silice dans un dessiccator et séparer le gel avec une plaque perforée.

Après 24 heures, placez les copeaux avec de l’origami d’ADN adsorbé sur la plate-forme perforée dans le dessicator et placez un flacon contenant 10 millilitres d’orthosilicate de tétraéthyle d’un côté des copeaux et un flacon contenant 10 millilitres d’hydroxyde d’ammonium de l’autre côté des copeaux. Sceller ensuite la chambre pendant une incubation de 20 heures à température ambiante. À la fin de l’incubation, un film de dioxyde de silicium se sera formé sur les zones sans les structures d’origami d’ADN, créant un masque à motifs de 10 à 20 nanomètres avec des trous en forme d’origami d’ADN.

Pour la gravure iration réactive du dioxyde de silicium, placez les copeaux dans l’instrument réactif de gravure ion et réglez les paramètres de gravure pour graver seulement deux à cinq manomètres du dioxyde de silicium pour révéler la couche de silicium amorphe sous les trous dans le masque de dioxyde de silicium. Tous les paramètres de gravure doivent être optimisés pour les instruments choisis, car les paramètres corrects dépendent du type d’équipement et de la mise en place spécifique. Certaines itérations pourraient être nécessaires.

Après avoir mis en œ exécution le programme anisotropique de gravure plasmatique de dioxyde de silicium, définissez les paramètres de gravure pour percer à travers la couche de silicium amorphe de 50 nanomètres. Ensuite, exécutez le programme isotrope de gravure de silicium plasmique. Pour le dépôt physique de vapeur, chargez les copeaux dans la chambre d’évaporation de l’instrument de dépôt physique de vapeur et sélectionnez un métal cible adhésif.

Définissez le programme de contrôle de l’épaisseur du matériau cible et de l’épaisseur et démarrez le faisceau d’électrons, alignant le faisceau sur la cible et augmentant le courant du faisceau jusqu’à ce qu’un taux de dépôt de 0,05 nanomètre par seconde soit atteint. Puis évaporer jusqu’à ce qu’une épaisseur finale de deux nanomètres soit atteinte. À la fin de l’évaporation, sélectionnez le deuxième métal cible sans évacuer la chambre ou interrompre le processus et régler l’épaisseur.

Alignez le faisceau d’électrons sur la cible jusqu’à ce qu’un taux de dépôt de 0,05 nanomètre par seconde soit atteint avant de s’évaporer jusqu’à ce qu’une épaisseur de 20 nanomètres soit atteinte. La structure métallique en forme d’origami d’ADN sera créée par les trous de masque de dioxyde de silicium avec la hauteur totale de 22 nanomètres. Après avoir aéré la chambre, retirer les échantillons.

Pour le décollage de l’acide fluorhydrique, immerger les échantillons dans de l’etchant à base d’acide fluorhydrique et utiliser des pinces à épiler en plastique pour remuer délicatement les échantillons. Attendez que la couche de dioxyde de silicium se détache complètement et que la couche métallique se détache avant de rincer les échantillons avec de l’eau distillée double et de l’isopropanol. Ensuite, séchez les échantillons avec un flux d’azote tel que démontré.

Pour la gravure irion réactive du silicium amorphe restant, placez les copeaux dans l’instrument réactif de gravure ion et définissez les paramètres de gravure pour l’enlèvement des 50 nanomètres du silicium amorphe. Exécutez le programme isotrope de gravure plasmatique de silicium amorphe pour enlever le silicium amorphe restant. Retirez ensuite les échantillons de l’équipement réactif de gravure irion et rangez-les dans un contenant couvert.

L’électrophoresis de gel d’Agarose et la microscopie de force atomique peuvent être employées pour analyser le pliage d’origami d’ADN et la qualité de la purification de glycol de polyéthylène. Ici, des images représentatives de microscopie de force atomique après croissance de masque de dioxyde de silicium sont montrées. Alors que dans ces images, la numérisation de la microscopie électronique des nanostructures métalliques finales peut être observée.

Dans ces graphiques, la fonctionnalité optique des nanostructures métalliques, modélisée par l’origami d’ADN du nœud papillon, a été analysée. La croissance du masque de dioxyde de silicium est cruciale pour le processus et est plutôt sensible à l’humidité et à la réactivité de TEOS. Par conséquent, ces paramètres doivent être soigneusement contrôlés pour la reproductibilité.

Si la technique de l’origami d’ADN est encore combinée avec des modèles d’ADN très ordonnés, elle pourrait ouvrir la voie à la fabrication de métamatériaux et de surfaces à la plage de longueur d’onde visible.