1A. Tworzenie pierwotnej monowarstwy na krzemie
- Potnij wafle krzemowe na podłoża o powierzchni 1cm2, odpyl je i wypłucz wodą oraz filtrowanym etanolem.
- Usuń zanieczyszczenia organiczne, zanurzając podłoża krzemowe w szalkach szklanych zawierających Nano strip w temperaturze 75ºC. Po 15 minutach wypłucz każde podłoże dejonizowaną, filtrowaną wodą.
- Umieść każde podłoże w 5% roztworze HF (Ostrzeżenie: HF jest materiałem niezwykle niebezpiecznym), aby usunąć natywną warstwę tlenku. Po 5 minutach osusz krzem pozbawiony tlenku azotem.
- Aby uzyskać podłoże chlorowane, natychmiast zanurz każdy kawałek krzemu pozbawionego tlenku w fiolce scyntylacyjnej zawierającej 2 ml nasyconego PCl5 w chlorobenzenie. Roztwór ten powinien zostać przefiltrowany przez filtr 0,2 μm.
- Zamontuj kondensator do fiolek na każdej z nich i umieść je w bloku grzewczym ustawionym na 112°C na jedną godzinę.
- Po zakończeniu reakcji pozwól fiolkom ostygnąć, wypłucz każdą powierzchnię chlorobenzenem i osusz pod strumieniem filtrowanego azotu.
- Aby utworzyć podłoże z grupami propenylowymi na końcach, umieść każdą chlorowaną powierzchnię krzemu w fiolce ciśnieniowej zawierającej 4 ml chlorku propenylomagnezowym. Umieść każdą fiolkę ciśnieniową w bloku grzewczym w temperaturze 130 °C na 24 godziny.
- Wyjmij każdą fiolkę ciśnieniową z bloku grzewczego i pozostaw do ostygnięcia.
- Szybko wypłucz każdą powierzchnię DCM i etanolem, a następnie osusz pod strumieniem filtrowanego azotu.
1B. Tworzenie pierwotnej monowarstwy na germanie
- Potnij płytek germanowe na podłoża o wymiarach 1cm2, odpyl i przepłucz wodą oraz filtrowanym etanolem.
- Usuń zanieczyszczenia organiczne, zanurzając powierzchnie w naczyniu szklanym zawierającym aceton na 20 minut.
- Umieść każdą powierzchnię w 10% roztworze HCl na 15 minut. Proces ten jednocześnie usuwa natywną warstwę tlenku i chloruje powierzchnię. Po 5 minutach wysusz podłoża azotem.
- Aby utworzyć podłoże zakończone grupami oktylowymi, umieść każdą chlorowaną powierzchnię germanu w fiolce ciśnieniowej zawierającej 4 ml chlorku oktylomagnezowego (2 mM). Umieść każdą fiolkę ciśnieniową w bloku grzewczym w temperaturze 130 °C na 48 godzin.
- Wyjmij każdą fiolkę ciśnieniową z bloku grzewczego i pozostaw do ostygnięcia do temperatury pokojowej.
- Szybko przepłucz każdą powierzchnię DCM i etanolem, a następnie wysusz pod strumieniem filtrowanego azotu.
2. Funkcjonalizacja podłoża NHS na krzemie i germanie
- Przygotować przefiltrowany roztwór NHS-diaziryny 0,1 M w tetrachlorku węgla. Ostrzeżenie: Należy ograniczyć ekspozycję na światło do minimum.
- Nanieść pipetą kilka kropli roztworu na powierzchnie zakończone grupami metylowymi. Pozostawić roztwór do całkowitego rozprowadzenia się na całej powierzchni.
- Umieścić powierzchnie pod lampą UV (☐=254 nm, 4400/cm2 w odległości 0,74 cala). Pozostawić powierzchnie do reakcji pod światłem UV przez 30 minut, następnie dodać na powierzchnię kolejną porcję NHS-diaziryny i kontynuować reakcję przez dodatkowe 30 minut.
- Przepłukać powierzchnie zmodyfikowane NHS za pomocą DCM i etanolu, a następnie osuszyć pod strumieniem przefiltrowanego azotu.
3. Funkcjonalizacja małych cząsteczek
- Poddać podłoża zmodyfikowane NHS reakcji w 20 mM roztworze tert-butylo-karbamoilowej (Boc-) etylenodiaminy w dichlorometanie (DCM) przez dwie godziny w temperaturze pokojowej.
- Po zakończeniu reakcji przepłukać podłoże zmodyfikowane Boc DCM oraz etanolem.
- Przeprowadzić deprotekcję podłoża zmodyfikowanego Boc, stosując 25% kwas trifluorooctowy (TFA) w DCM przez jedną godzinę w temperaturze pokojowej.
- Przepłukać otrzymaną powierzchnię DCM, etanolem oraz 10% (w/v) wodorowęglanem potasu w wodzie, a następnie wysuszyć pod strumieniem filtrowanego azotu.
- Przeanalizować wszystkie powierzchnie za pomocą XPS w celu określenia składu pierwiastkowego.
4. Przygotowanie kwaśnej stempla z akrylanu poliuretanu (PUA)
- Rozcieńczyć akrylan A o 30% triakrylanem etoksylanu trimetylolpropanu B w celu zmniejszenia lepkości. Do mieszaniny reakcyjnej dodać fotoinicjatory C i D (Rysunek 6).
- Dodać 2-merkaptoetanosulfonian sodu (0,2 g, 1,22 mmol) do roztworu 4N HCl w dioksanie (10 ml) i mieszać w temperaturze pokojowej przez 2 minuty.
- Odfiltrować chlorek sodu najpierw przez gęsty filtr szklany, a następnie przez membranowy filtr strzykawkowy PTFE 0,2 μm, aby otrzymać klarowny roztwór kwasu 2-merkaptoetanosulfonowego w dioksanie.
- Odparować dioksan pod zmniejszonym ciśnieniem.
- Poddać otrzymany kwas sulfonowy reakcji z 2 ml prepolimerowej mieszaniny poliuretan-akrylanu w temperaturze pokojowej, a następnie w próżni w temperaturze 50 °C. Należy upewnić się, że mieszanina została całkowicie oczyszczona z uwięzionych pęcherzyków powietrza.
- Schłodzić otrzymany roztwór do temperatury pokojowej i spolimeryzować pomiędzy dwiema szklanymi płytkami mikroskopowymi lub płytką szklaną a matrycą poprzez naświetlanie światłem UV przez 2 godziny w temperaturze pokojowej.
- Po polimeryzacji ostrożnie oddzielić stempel od matrycy, przemyć stempel etanolem i wodą, a następnie wysuszyć przefiltrowanym azotem.
5. Drukowanie katalityczne oraz analiza SEM/AFM
- Umieść odpowiednią stempel z poliuretanu-akrylanu na wierzchu podłoża zmodyfikowanego NHS w temperaturze pokojowej przez jedną minutę, bez przykładania zewnętrznego obciążenia, aby utrzymać je razem.
- Po zakończeniu reakcji oddziel stempel od podłoża.
- Przepłucz podłoże etanolem, wodą i ponownie etanolem, a następnie wysusz za pomocą filtrowanego azotu.
- Przepłucz stempel etanolem, wodą i ponownie etanolem, a następnie wysusz za pomocą filtrowanego azotu.
- Przechowuj stemple w temperaturze pokojowej przed kolejnym zastosowaniem.
- Przeanalizuj otrzymany wzór, wykorzystując mikroskopię sił atomowych (AFM) w trybie kontaktowym z pomiarem sił bocznych oraz skaningową mikroskopię elektronową (SEM).
6. Wzorcowanie białek i mikroskopia fluorescencyjna
- Zanurzyć dwufunkcyjne podłoże z wzorem NHS w kwasie lizynowo-N,N-dioctowym (20 mM) i Et3N (100 mM) w DMF:H20 (1:1) w temperaturze pokojowej przez 1 h, a następnie wypłukać wodą i etanolem.
- Inkubować podłoża w 50 mM roztworze NiSO4 przez 5 min w temperaturze pokojowej.
- Obficie wypłukać chelatowane podłoża wodą i buforem wiążącym (20 mM NaP, 250 mM NaCl, 10mM imidazolu, pH 7,5), a następnie zanurzyć w przefiltrowanym roztworze GFP (˜40 μM) na 1 h w 0°C.
- Natychmiast wypłukać podłoża buforem wiążącym, a następnie PBS (pH 7,4).
- Przechowywać podłoża w stanie uwodnienia w PBS w 0°C do momentu rozpoczęcia analizy za pomocą mikroskopii fluorescencyjnej.
7. Wzorowanie białek i mikroskopia fluorescencyjna
- Zanurz podłoże bifunkcyjne z wzorem NHS w kwasie lizyno-N,N-diocetowym (20 mM) i Et3N (100 mM) w DMF:H20 (1:1) w temperaturze pokojowej przez 1 hr, a następnie wypłucz wodą i etanolem.
- Inkubuj podłoża w 50 mM roztworze NiSO4 przez 5 min w temperaturze pokojowej.
- Obficie wypłucz chelatowane podłoża wodą oraz buforem wiążącym (20 mM NaP, 250 mM NaCl, 10mM imidazolu, pH 7.5) i zanurz w przefiltrowanym roztworze GFP (˜40 μM) na 1 hr w 0°C.
- Niezwłocznie wypłucz podłoża buforem wiążącym, a następnie PBS (pH 7.4).
- Przechowuj podłoża w stanie nawodnionym w PBS w 0°C aż do momentu przeprowadzenia analizy za pomocą mikroskopii fluorescencyjnej.
8. Reprezentatywne wyniki:
Przykład katalitycznego nanowzorowania metodą miękkiej litografii przedstawiono na Ryc. 7. Podejście to pozwala na tworzenie wzorów chemoselektywnych na wolnym od tlenków krzemie i germanie, które mogą być ortogonalnie funkcjonalizowane różnymi grupami chemicznymi i biologicznymi. Reakcja pomiędzy podłożem funkcjonalizowanym NHS a katalityczną stemplą wzorującą prowadzi do hydrolizy grup NHS w obszarach kontaktu konformalnego, co skutkuje otrzymaniem wzorowanego podłoża bifunkcyjnego zawierającego obszary aktywowanych przez NHS oraz wolnych kwasów karboksylowych. Dzięki brakowi dyfuzji w zastosowanej metodzie osiągamy rozdzielczość zbliżoną do fotolitografii. Na przykład Ryc. 7 przedstawia elementy o rozmiarze 125 nm, które zostały jednorodnie odwzorowane na całej powierzchni podłoża krzemowego. Co istotne, katalityczna stempla może być wielokrotnie używana bez utraty wydajności.
Chemoselektywna funkcjonalizacja wzorowanych półprzewodników biomolekułami otwiera perspektywę integracji tradycyjnych materiałów elektronicznych z wysoce selektywnymi substratami biologicznymi do zastosowań w badaniach nad sensoryką, diagnostyką i analizą. Przykład takiej funkcjonalizacji przedstawiono na Rysunku 8, gdzie krzem z wzorem NHS został selektywnie funkcjonalizowany cząsteczkami białek. Wykorzystując różną reaktywność aktywowanych i wolnych kwasów karboksylowych, najpierw przymocowano heterobifunkcyjne łączniki zakończone kwasem nitrilotrioctowym (NTA) do obszarów funkcjonalizowanych NHS, a następnie wykorzystano powstałą powierzchnię z wzorem NTA jako matrycę do selektywnego przyłączenia GFP z tagiem heksahistydynowym. Rysunek 8b wyraźnie pokazuje różnicę w intensywności fluorescencji pomiędzy obszarami modyfikowanymi GFP a obszarami z hydrolizowanymi wolnymi kwasami karboksylowymi. Rozmiar i kształt odwzorowanych struktur są zgodne zarówno dla powierzchni z wzorem NHS (Rysunek 8a), jak i powierzchni modyfikowanej GFP (Rysunek 8b), co potwierdza wyjątkową stabilność powierzchni pasywowane węglem oraz selektywność metody stemplowania. Protokół nie ogranicza się do białek z tagiem His i może być stosowany do wzorowania innych biomolekuł, w tym DNA i przeciwciał.

Rysunek 1. Ogólny schemat przedstawiający katalityczny druk mikrokontaktowy

Rysunek 2. Struktura dwuwarstwowego systemu molekularnego na Ge i Si. Pierwotna monowarstwa alkilowa tworzy stabilne wiązania Ge-C lub Si-C z podłożem i stanowi chemicznie obojętny, gęsto upakowany układ, który chroni leżącą powierzchnię przed degradacją. (b) Wtórna nadwarstwa tworzy stabilne wiązania C-C z pierwotną warstwą ochronną i dostarcza końcowe grupy funkcyjne

Rysunek 3. Schematy reakcji przedstawiające tworzenie pierwotnych warstw ochronnych na Si (A) i Ge (B)

Rysunek 4. Funkcjonalizacja chemiczna podstawowej ochronnej monowarstwy heterobifunkcyjnym donorem karbenu

Rysunek 5. Schemat reakcji przedstawiający modyfikacje małymi cząsteczkami podłoży funkcjonalizowanych NHS oraz odpowiadające im widma XPS

Rysunek 6. Skład katalitycznej mieszaniny przedpolimerowej, warunki polimeryzacji oraz obrazy SEM wzorowanego stempla modyfikowanego kwasem sulfonowym i odpowiadającej mu matrycy PMMA-Si

Rysunek 7. Obrazy tarcia SEM i AFM dla wzorowanych SAM na Si i Ge z zastosowaniem stempla kwasowego

Rycina 8. Wzorowanie miękkolitograficzne i funkcjonalizacja pasywnego krzemu cząsteczkami organicznymi i biologicznymi. a: Obraz SEM wzorowanego podłoża zmodyfikowanego NHS. b: Mikrofotografia fluorescencyjna podłoża zmodyfikowanego GFP.