センシング用途のための無機構造のDNA折り紙媒介基板ナノパターニング

このプロトコルは、ボトムアップベースのDNA折り紙技術とトップダウンナノファブリケーション法を組み合わせることで、異なる基板上のサブ10ナノメートルの特徴サイズを持つ無機ナノ構造の並列製作を可能にします。この技術は、高価なパターン化方法を必要とせずに、事実上あらゆる形で、一度に数十億の正確なナノ構造を作成するために使用することができます。この方法は、表面強化ラマン分光法などのセンシング用途で活用される可能性を秘めており、新しい光学メタサーフェスを作成します。

このプロトコルはかなり簡単ですが、より多くの懲戒製作スキルが必要であり、したがって、視覚的なデモンストレーションは、様々な背景を持つ研究者のために有用であろう。ペッテリ・ピスクネンとの手順を実証することは、私たちの研究室のもう一人の卒業生ソフィア・ジュリンになります。ステープルストランドのストックを作るために、蝶ネクタイ構造に必要なすべてのオリゴヌクレオチドを同量混合し、M13 MP18足場鎖の20マイクロリットルをステープルストック溶液の40マイクロリットル、200マイクロリットルの折りたたみバッファーの40マイクロリットルを200マイクロリットルPCRチューブに混ぜます。

次に、サーモサイクラー中の反応混合物を90〜27°Cの温度で表に示すようにアニールします。基板を準備するには、サファイアウエハーから切り取られたチップを52°Cのアセトンのガラス容器に少なくとも15分間浸し、2分間超音波処理のためにイソプロパノールのガラス容器にチップを移します。超音波処理の終わりには、ピンセットを使用してイソプロパノールからチップを取り除き、すぐにチップ表面が流れの方向に平行な最高の流れで窒素でチップを乾燥させます。

アモルファスシリコン層のプラズマ強化化学気相成長の場合、乾燥したチップをプラズマ強化された化学気相蒸着装置に入れ、計器モデルとキャリブレーションに従って堆積パラメータを設定し、約50ナノメートルのアモルファスシリコンを成長させます。非晶質シリコン層の酸素プラズマ処理のために、チップを反応性イオンエッチング装置に入れ、エッチングパラメータを設定して、機器モデルとキャリブレーションに従って酸素プラズマを生成します。次に、酸素プラズマ処理プログラムを実行します。

酸素プラズマ処理から30分以内に、折り畳み精製されたDNA折り紙溶液5マイクロリットルと、折りたたみバッファー4マイクロリットル、塩化モルマグネシウム1マイクロリットルを混合します。各酸素プラズマ処理チップにDNA折り紙混合物10マイクロリットルを堆積させ、室温で5分間インキュベーションするためにチップをカバーします。インキュベーションの最後に、チップ表面を100マイクロリットルの蒸留水で洗い、チップの中心に触れないようにピペットで水を数回リンスします。

ちょうど実証したように2〜3回灰を上げ、すぐに窒素の流れでチップを乾燥させます。二酸化ケイ素マスクを成長させるためには、蒸留水の30ミリリットルとシリカゲルの100グラムを混合します。シリカゲル混合物をデシケーターに入れ、パーフォープレートでゲルを分離します。

24時間後、吸着したDNA折り紙を含むチップをデシケーターの穿フォしたプラットフォームに置き、チップの片側にテトラエチルオルソケイ酸塩10ミリリットルを含むバイアルと、チップの反対側に25%水酸化アンモニウムの10ミリリットルを含むバイアルを置きます。その後、室温で20時間のインキュベーションのためにチャンバーを密封します。インキュベーションの終わりには、DNA折り紙構造のない領域に二酸化ケイ素膜が形成され、DNA折り紙の形をした穴を持つ10〜20ナノメートルのパターンマスクが作成されます。

二酸化ケイ素の反応性イオンエッチングの場合は、チップを反応性イオンエッチング装置に入れ、二酸化ケイ素の2~5つのマノメーターのみをエッチングして、二酸化ケイ素マスクの穴の下の非晶質シリコン層を明らかにします。正しいパラメータは機器の種類と特定の設定に依存するので、すべてのエッチングパラメータは、選択された機器に最適化する必要があります。いくつかの反復が必要な場合があります。

異方性二酸化ケイ素プラズマエッチングプログラムを実行した後、50ナノメートルの非晶質シリコン層を貫通するエッチングパラメータを設定します。次に等方性シリコンプラスムエッチングプログラムを実行する。物理的な蒸着の場合、物理的な蒸着器具の蒸発チャンバーにチップをロードし、接着剤ターゲット金属を選択します。

ターゲット材料と厚さの厚さ制御プログラムを設定し、電子ビームを開始し、ビームを目標に合わせ、毎秒0.05ナノメートルの堆積速度に達するまでビーム電流を増加させます。その後、2ナノメートルの最終的な厚さに達するまで蒸発します。蒸発の終わりに、チャンバーを通したり、プロセスを中断することなく、第二のターゲット金属を選択し、厚さを設定します。

20ナノメートルの厚さに達するまで蒸発する前に、毎秒0.05ナノメートルの堆積速度が達成されるまで、電子ビームをターゲットに位置合わせます。DNA折り紙形の金属構造は、全高22ナノメートルの二酸化ケイ素マスク穴を通して作成されます。チャンバーを通して、サンプルを取り除きます。

フッ化水素酸リフトオフの場合は、フッ化水素酸ベースのエッチャントにサンプルを浸し、プラスチックピンセットを使用してサンプルを軽く攪拌します。二酸化ケイ素層が完全にエッチングし、金属層が取り外されるのを待ってから、サンプルを二重蒸留水とイソプロパノールですすいでください。次に、サンプルを窒素の流れで乾燥させます。

残りの非晶質シリコンの反応性イオンエッチングの場合、チップを反応性イオンエッチング装置に入れ、50ナノメートルのアモルファスシリコンの除去を通してエッチングパラメータを設定します。等方性の異形シリコンプラズマエッチングプログラムを実行して、残りの非晶質シリコンを除去します。次に、反応性イオンエッチング装置からサンプルを取り出し、覆われた容器に保管します。

アガロースゲル電気泳動と原子間力顕微鏡法を用いて、DNA折り紙の折り畳みとポリエチレングリコール精製の品質を解析することができます。ここで、二酸化ケイ素マスクの成長後の代表的な原子間力顕微鏡画像が示されている。これらの画像では、最終金属ナノ構造体の走査型電子顕微鏡が観察される。

これらのグラフでは、蝶ネクタイDNA折り紙によって鋳造された金属ナノ構造の光学的機能性を分析した。二酸化ケイ素マスクの成長はプロセスにとって非常に重要であり、TEOSの湿度と反応性にかなり敏感です。したがって、これらのパラメータは、再現性のために慎重に制御する必要があります。

DNA折り紙技術が高度に順序付けられたDNAパターンとさらに組み合わされれば、目に見える波長範囲でメタマテリアルや表面を作製する道を開く可能性があります。