Name: Nanowzorce substratów DNA origami struktur nieorganicznych do zastosowań detekcyjnych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-09-27T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 59 s
Description: Poznaj metodę tworzenia nanostruktur nieorganicznych z użyciem DNA origami jako matrycy. Technika umożliwia równoległą produkcję miliardów precyzyjnych struktur, takich jak plazmoniczne anteny złote, z zastosowaniem w spektroskopii Ramana i metapowierzchniach optycznych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Prace te były wspierane przez Akademię Fińską (projekty 286845, 308578, 303804, 267497), Fundację Jane i Aatos Erkko oraz Fundację Sigrid Jusélius. Prace te zostały zrealizowane w ramach programu Centra Doskonałości Akademii Finlandii (2014–2019). Potwierdzamy zapewnienie zaplecza i wsparcia technicznego przez Aalto University Bioeconomy Facilities oraz OtaNano – Nanomicroscopy Center (Aalto-NMC) i Micronova Nanofabrication Center.

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Protokół zapewnia dużą swobodę i dokładność w kształcie wytwarzanych nanostruktur. Zmieniając konstrukcję origami DNA, można kontrolować kształt nanostruktur metalowych. Ostateczny, dokładny kształt struktur metalowych jest dodatkowo determinowany przez etap wzrostu maski (Krok 9) oraz w mniejszym stopniu przez trawienie maski (Krok 10), jeśli nie jest ono anizotropowe. Jeśli czas wzrostu maski zostanie wystarczająco wydłużony, otwory w masce zaczną się zamykać. Można to wykorzystać do pominięcia najcieńszych cech niektórych struktur i kontrolowania rozmiarów przerw, jak pokazano w Shen et al.34 z oddzielonymi trójkątami origami z muszką (ryc. 5B). I odwrotnie, cieńsze kształty mogą być lepiej zachowane poprzez skrócenie czasu wzrostu tlenku. Oznacza to, że możliwe jest dostrojenie właściwości optycznych przedstawionych na rysunku 6, nie tylko poprzez zmianę zastosowanej konstrukcji origami, ale także poprzez dostrojenie wzrostu filmu SiO2 .

Jeśli grubość maski zostanie znacznie zmieniona, zmiana ta musi być również odzwierciedlona w kroku SiO2 RIE. Tylko bardzo cienka warstwa SiO2 powinna być wytrawiona (2-5 nm), aby ledwo przebijała przez otwory maski. Jest to najbardziej wrażliwa i kluczowa część całego procesu. Ponieważ czas trawienia jest niezwykle krótki, tylko 10-20 s, dokładne ustawienia muszą zostać eksperymentalnie określone przy pierwszej próbie z nowym sprzętem. Dotyczy to również kroku 10.4, ponieważ część SiO2 jest również wytrawiana podczas trawienia a-Si. O tym, jak bardzo trawiony jest SiO2 decyduje selektywność zastosowanych parametrów wytrawiania a-Si, wyposażenia, a nawet kalibracji poszczególnych urządzeń. Należy uważać, aby podczas tych dwóch procesów nie wytrawić całej warstwy SiO2 .

Kolejnym wrażliwym krokiem jest wzrost SiO2 . Proces wzrostu jest zależny zarówno od wilgotności komory, jak i aktualnej aktywności zastosowanego TEOS. TEOS ulega degradacji, ponieważ adsorbuje wodę z powietrza, co powoduje, że z wiekiem staje się mniej skuteczny. Może to objawiać się znacznie wolniejszym, mniej kontrolowanym tempem wzrostu w ciągu kilku miesięcy, nawet przy prawidłowym przechowywaniu substancji chemicznej. 34 Jeśli powstała warstwa SiO2 jest cieńsza niż powinna, może to wskazywać na problem z TEOS, a nie na wilgotność w komorze. Chociaż niższa wilgotność może również skutkować niższym tempem wzrostu i cieńszą folią, powstała folia powinna być również gładsza niż normalnie. Tymczasem gruboziarnista i szorstka warstwa wskazywałaby na problem z wysoką wilgotnością.

Możliwe jest również wykonanie tego protokołu na dowolnym innym dowolnie wybranym podłożu z dwoma wymaganiami: musi tolerować zarówno trawienie HF (krok 12), jak i temperatury 200-300 °C PECVD (krok 6). Temperaturę można bezpiecznie obniżyć do 100 °C dla PECVD a-Si, jeśli używane jest bardziej wrażliwe podłoże, ale HF nie można uniknąć, jeśli protokół jest przestrzegany dokładnie tak, jak opisano. Aby obejść HF, wymagane byłoby zastosowanie dodatkowej warstwy protektorowej. Jeśli wymóg trawienia HF zostanie usunięty, protokół ten stanie się kompatybilny z szerszym wyborem materiałów podłoża i metali.

Ponieważ protokół ten składa się z powszechnie stosowanych i solidnych procesów mikro- i nanoprodukcyjnych, można go łączyć z dowolną liczbą innych protokołów mikrowytwarzania, w których pożądane są małe rozmiary elementów i złożone kształty metalu. W niedalekiej przyszłości, zwłaszcza wraz z nadejściem taniej masowej produkcji origami DNA31, istnieje potencjał, aby metoda ta ułatwiła zarówno powszechne zastosowanie, jak i wysokoprzepustowe nanowzorce dla nanofotoniki i plazmoniki opartej na interfejsie55.

Nanotechnologia strukturalna DNA szybko rozwinęła się w ciągu ostatniej dekady1,2, a najbardziej wpływowym osiągnięciem w tej dziedzinie było prawdopodobnie wynalezienie origami DNA3,4. Technika origami DNA pozwala na wytworzenie praktycznie dowolnego nanokształtu o dokładnych cechach strukturalnych3,4. Ta potężna metoda może być stosowana w precyzyjnym (sub)nanometrowym układzie przestrzennym i zakotwiczeniu innych nanoobiektów, takich jak nanorurki węglowe5, nanocząstki metali6,7,8,9, enzymy/białka10,11,12,13 i materiały terapeutyczne14,15,16,17. Co ważne, struktury te są nie tylko statyczne, ale można je również zaprogramować tak, aby działały w sposób dynamiczny18,19. Niezliczone zastosowania origami DNA obejmują dostarczanie leków20,21,22 do elektroniki molekularnej/plazmoniki5,23,24,25 oraz od materiałoznawstwa26,27 do nowatorskiego obrazowania i kalibracji techniques28.

Oprócz zastosowań wymienionych powyżej, ekstremalna rozdzielczość przestrzenna kształtów origami DNA może być wykorzystana w nanowzorcach i delikatnej litografii nanoskalowej29,30. Protokół ten opisuje metodę litograficzną do tworzenia dyskretnych i dokładnych nieorganicznych nanostruktur na podłożach przy użyciu matryc origami DNA. Szablony te mogą być efektywnie produkowane w różnych kształtach i dużych ilościach31, i bez wysiłku umieszczane na wybranych podłożach w dużych skalach32. Właściwości te pozwalają na wysoce równoległe wytwarzanie miliardów nanostruktur w jednym kroku, w przeciwieństwie do powszechnie stosowanej, ale raczej powolnej litografii wiązką elektronów lub innych technik nanowytwarzania opartych na skanowaniu.

Tutaj proces produkcji jest demonstrowany poprzez tworzenie struktur w kształcie złotej muszki na podłożach z azotku krzemu i szafiru; innymi słowy, informacja przestrzenna origami DNA jest przenoszona do całkowicie metalicznych nanostruktur. Jak omówiono tutaj, technika ta nie ogranicza się do wybranej struktury origami DNA z muszką, ponieważ metoda ta umożliwia użycie praktycznie dowolnego kształtu origami DNA. Co więcej, dzięki metodycznym modyfikacjom, technika może zostać rozszerzona na różne metale i podłoża, torując drogę do wytwarzania metasurfaces33.

Powierzchnie wzorowane za pomocą DNA za pośrednictwem origami mogą służyć jako wszechstronne czujniki; na przykład, mogą być używane w powierzchniowo wzmocnionej spektroskopii Ramana (SERS). Ze względu na niewielkie gabaryty poszczególnych nanokształtów, powstałe powierzchnie mogą znaleźć zastosowanie w aplikacjach optycznych i plazmonicznych w zakresie widzialnym długości fali.

<table><tbody><tr><td>Aceton</td><td>Honeywell</td><td>40289H</td><td>Półprzewodnikowy gatunek ULSI, &ge; 99,5 %</td></tr><tr><td>Agaroza</td><td>Bioreagenty Fishera</td><td>1036603</td><td>Nisko-EEO, wielozadaniowy i klasy biologii molekularnej</td></tr><tr><td>Wodorotlenek amonu</td><td>Fisher Chemical</td><td>10652251</td><td>25% roztwór amoniaku, certyfikowany AR do analizy, d = 0,91</td></tr><tr><td>BRANSON 5510</td><td>Kąpiel ultradźwiękowa</td> <td>Branson</td><td></td></tr><tr><td>Ikona wymiaru</td><td>Bruker</td><td></td><td>Mikroskop sił atomowych</td></tr><tr><td>Parownik wiązki elektronów IM-9912</td><td>Parownik Instrumentti Mattila</td><td></td><td>do</td></tr><tr><td>bromku etydyny</td> PVD <td>Sigma Aldrich</td><td>E8751</td><td>Barwnik fluorescencyjny do barwienia DNA</td></tr><tr><td>Spektrofotometr Eon Microplate Spektrofotometr</td><td>BioTek</td><td></td><td>UV/Vis używany do pomiarów</td></tr> <tr><td>stężenia origami DNASystem Dokumentacji Gel Doc XR+ System obrazowania</td><td>BioRad</td><td></td><td>Gel</td></tr><tr><td>Loading Dye, Niebieski (6&razy;)</td><td>New England Biolabs</td><td>B7021S</td><td>Barwnik obciążeniowy na bazie błękitu bromofenolowego do elektroforezy w żelu agarozowym</td></tr><tr><td>G-storm GS1 Termocykler</td><td>Gene Technologies</td><td></td><td></td></tr><tr><td>HBR 4</td><td>IKA</td><td></td><td>Łaźnia grzewcza</td></tr><tr><td>Kwas fluorowodorowy</td><td>Honeywell</td><td>40213H</td><td>Klasa półprzewodnikowa, 49,5-50,5</td></tr>% <tr><td>Izopropanol</td><td>Honeywell</td><td>40301H</td><td>Klasa półprzewodnikowa VLSI, &ge; 99,8 %</td></tr><tr><td>Chlorek magnezu</td><td>Sigma Aldrich</td><td>M8266</td><td>Bezwodny, &ge; 98 %</td></tr><tr><td>Mini-Sub Cell GT System do elektroforezy poziomej</td><td>BioRad</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Plasmalab 80+ PECVD</td><td>Oxford Instruments</td><td></td><td>System PECVD</td></tr><tr><td>Plasmalab 80+ RIE</td><td>Oxford Instruments</td><td></td><td>RIE system</td></tr><tr><td>Poli(glikol etylenowy)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>89510</td><td>BioUltra, 8,000</td></tr><tr><td>PowerPac HC Zasilacz wysokoprądowy</td><td>Podłoże BioRad</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Sapphire (Al2O3)</td><td>Grubość wafla</td><td></td><td>uniwersyteckiego: 430 &mu; m, polski: DSP, Rozmiar: 50,8 mm</td></tr><tr><td>Sigma VP</td><td>Zeiss</td><td></td><td>Skaningowy mikroskop elektronowy</td></tr><tr><td>Żel krzemionkowy</td><td>Merck</td><td>1019691000</td><td>Ze wskaźnikiem (pomarańczowy żel), granulat ~1-3 mm</td></tr><tr><td>Rusztowanie jednoniciowe DNA, typ p7249</td><td>Tilibit Nanosystems</td><td></td><td>Przy stężeniu 100 nM</td></tr><tr><td>Chlorek sodu</td><td>Sigma Aldrich</td><td>S9888</td><td>Odczynnik ACS, &ge; 99,0 %</td></tr><tr><td>Nici zszywkowe (oligonukleotydy)</td><td>Zintegrowane technologie</td><td></td> DNA <td>Sekwencje można zamówić np. przy 100 mikromolach w wodzie wolnej od rnazy</td></tr><tr><td>Bufor TAE (50&krotnie) pH 8,0</td><td>VWR Chemicals</td><td>444125D</td><td>Electran Klasa elektroforezy</td></tr><tr><td>Take3 mikro-objętość</td><td>BioTek</td><td></td><td>Używany do pomiarów stężenia DNA origami</td></tr><tr><td>Ortokrzemian tetraetylu</td><td>Sigma Aldrich</td><td>86578</td><td>&ge; 99.0 % (GC)</td></tr></tbody></table>

nanowzorce substratów dna origami struktur nieorganicznych do zastosowań detekcyjnych

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

Nanotechnologia strukturalnego DNA stanowi realną drogę do budowania od dołu do góry przy użyciu DNA jako materiału konstrukcyjnego. Najpopularniejsza technika nanowytwarzania DNA nazywa się origami DNA i umożliwia wysokoprzepustową syntezę dokładnych i bardzo wszechstronnych struktur z precyzją na poziomie nanometrów. W tym miejscu pokazano, w jaki sposób informacja przestrzenna origami DNA może być przeniesiona do metalicznych nanostruktur poprzez połączenie oddolnego origami DNA z konwencjonalnie stosowanymi podejściami litografii odgórnej. Pozwala to na wytworzenie miliardów maleńkich nanostruktur w jednym kroku na wybranych podłożach. Metoda została zademonstrowana przy użyciu origami DNA z muszki do tworzenia metalicznych struktur antenowych w kształcie muszki na podłożach z azotku krzemu lub szafiru. Metoda ta opiera się na selektywnym wzroście warstwy tlenku krzemu na wierzchu podłoża do osadzania origami, w wyniku czego uzyskuje się maskę wzorcową do naśladowania etapów litografii. Te wyposażone w nanostrukturę powierzchnie mogą być dalej wykorzystywane jako czujniki molekularne (np. spektroskopia Ramana ze wzmocnieniem powierzchniowym (SERS)) oraz w różnych innych zastosowaniach optycznych w zakresie widzialnych długości fal ze względu na małe rozmiary elementów (poniżej 10 nm). Technika ta może zostać rozszerzona na inne materiały poprzez modyfikacje metodologiczne; W związku z tym uzyskane optycznie aktywne powierzchnie mogą znaleźć zastosowanie w rozwoju metamateriałów i metapowierzchni.

Schematyczny rysunek projektu origami DNA w kształcie kokardki oraz jego szczegóły strukturalne przedstawiono na Rysunku 1. Elektroforeza w żelu agarozowym oraz AFM są wykorzystywane do analizy zwijania origami DNA oraz jakości oczyszczania za pomocą PEG (Rysunek 2). Przepływ procesu etapów nanolitografii przedstawiono na Rysunku 3. Reprezentatywne obrazy AFM po wzroście maski SiO2 pokazano na Rysunku 4 (etap ten przedstawiono na Rysunku 3D), natomiast obrazy SEM końcowych metalicznych nanostruktur można zobaczyć na Rysunku 5 (etap ten przedstawiono na Rysunku 3H). Rysunek 6 demonstruje funkcjonalność optyczną metalicznych nanostruktur wytworzonych na matrycy z origami DNA w kształcie kokardki.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1">
	<tbody>
		<tr>
			<td colspan="5">Stężenia składników buforu fałdowania (FOB) [mM]</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>Tris</td>
			<td>Kwas octowy</td>
			<td>EDTA</td>
			<td>Chlorek magnezu</td>
			<td>pH</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2,5x FOB</td>
			<td>100</td>
			<td>47.5</td>
			<td>2.5</td>
			<td>31.25</td>
			<td>~8,3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1x FOB</td>
			<td>40</td>
			<td>19</td>
			<td>1</td>
			<td>12.5</td>
			<td>~8,3</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
Tabela 1: Skład buforu do zwijania (FOB).
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Zakres temperatur [oC]</td>
			<td>Szybkość chłodzenia</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>90-70</td>
			<td>-0.2 &#176;C / 8 s</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>70-60</td>
			<td>-0.1 &#176;C / 8 s</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>60-27</td>
			<td>-0.1 &#176;C / 2 s</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>12</td>
			<td>Przytrzymać do momentu zatrzymania</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
Tabela 2: Profil rampy termicznej dla składania origami w kształcie kokardy.Po wyżarzaniu origami będzie przechowywane w temperaturze 12 oC do momentu ręcznego zatrzymania programu.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1">
	<tbody >
		<tr >
			<td >Parametry PECVD i RIE</td>
			<td ></td>
			<td ></td>
			<td ></td>
			<td ></td>
			<td ></td>
			<td ></td>
		</tr >
		<tr >
			<td ></td>
			<td >Gaz</td>
			<td >Przepływ gazu [sccm]</td>
			<td >Ciśnienie w komorze [mTorr]</td>
			<td >Moc RF [W]</td>
			<td >Temperatura [oC]</td>
			<td >Czas trwania [s]</td>
		</tr >
		<tr >
			<td >PECVD a-Si</td>
			<td >5% SiH4 w N2</td>
			<td >500</td>
			<td >1000</td>
			<td >15</td>
			<td >250</td>
			<td >90</td>
		</tr >
		<tr >
			<td ></td>
			<td ></td>
			<td ></td>
			<td ></td>
			<td ></td>
			<td ></td>
			<td ></td>
		</tr >
		<tr >
			<td >Obróbka plazmą O2</td>
			<td >O2</td>
			<td >50</td>
			<td >40</td>
			<td >200</td>
			<td >30</td>
			<td >1200</td>
		</tr >
		<tr >
			<td ></td>
			<td ></td>
			<td ></td>
			<td ></td>
			<td ></td>
			<td ></td>
			<td ></td>
		</tr >
		<tr >
			<td >RIE SiO2</td>
			<td >CHF3</td>
			<td >25</td>
			<td ></td>
			<td ></td>
			<td ></td>
			<td ></td>
		</tr >
		<tr >
			<td ></td>
			<td >Ar</td>
			<td >25</td>
			<td >30</td>
			<td >100</td>
			<td >25</td>
			<td >10-22</td>
		</tr >
		<tr >
			<td >RIE a-Si</td>
			<td >O2</td>
			<td >8</td>
			<td ></td>
			<td ></td>
			<td ></td>
			<td ></td>
		</tr >
		<tr >
			<td ></td>
			<td >SF6</td>
			<td >100</td>
			<td >90</td>
			<td >50</td>
			<td >30</td>
			<td >35</td>
		</tr >
		<tr >
			<td >RIE pozostałego a-Si</td>
			<td >O2</td>
			<td >8</td>
			<td ></td>
			<td ></td>
			<td ></td>
			<td ></td>
		</tr >
		<tr >
			<td ></td>
			<td >SF6</td>
			<td >100</td>
			<td >90</td>
			<td >50</td>
			<td >30</td>
			<td >35-40</td>
		</tr >
	</tbody >
</table>
Tabela 3: Parametry procesu dla plazmowo-wspomaganego chemicznego osadzania z fazy gazowej (PECVD) oraz reaktywnego trawienia jonowego (RIE).Parametry procesu dla tych urządzeń są specyficzne dla poszczególnych instrumentów i mogą wymagać dostosowania podczas użytkowania.
<img alt="Rysunek 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig1.jpg" /> 
Rysunek 1: Projekt origami DNA w kształcie muszki. (A) Schematyczne przedstawienie projektu origami w kształcie muszki, w którym struktura rdzenia ukazana jest jako podwójne helisy, a nawisy polyT jako linie faliste. (B) Zrzut ekranu fragmentu projektu origami w kształcie muszki w oprogramowaniu caDNAno. Czerwone krzyżyki oznaczają pominięcie par zasad w celu korekcji skręcenia, a nawisy T8 zostały dodane, aby zapobiec staplowaniu zasad na tępych końcach. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Rysunek 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig2.jpg" /> 
Rysunek 2: Charakterystyka struktury origami DNA w kształcie muszki. (A) Elektroforeza w żelu agarozowym struktury w kształcie muszki przed i po oczyszczaniu za pomocą glikolu polietylenowego (PEG). Jako referencję wykorzystano rusztowanie (scaffold) o długości 7249 nukleotydów. (B) Obraz z mikroskopii sił atomowych (AFM) struktur w kształcie muszki przed oczyszczaniem. (C) Obraz z AFM struktur w kształcie muszki po oczyszczaniu PEG. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig2large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Rysunek 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig3.jpg" /> 
Rysunek 3: Schemat procesu wytwarzania (wymiary nie są w skali). (A) Docięcie i czyszczenie podłoża. (B) Osadzanie warstwy a-Si metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej wspomaganego plazmą (PECVD). *Możliwe jest zastosowanie dodatkowej warstwy poświęcalnej pod a-Si, aby umożliwić lift-off przy użyciu innego trawia niż HF. (C) Traktowanie powierzchni próbki plazmą O2 i osadzanie na niej origami DNA. (D) Hodowla maski SiO2 w desykatorze. (E) Trawienie cienkiej warstwy SiO2 oraz znajdującej się pod nią warstwy a-Si metodą reaktywnego trawienia jonowego (RIE). (F) Osadzanie metalu przez maskę metodą fizycznego osadzania z fazy gazowej (PVD). (G) Lift-off przy użyciu HF. (H) Usunięcie pozostałego a-Si metodą RIE. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig3large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Rysunek 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig4.jpg" />
Rycina 4: Reprezentatywne obrazy AFM warstwy SiO2 z wzorem uformowanym przez origami DNA. (A) Obszar skanowania 10 μm x 10 μm wykazuje wysoką wydajność tworzenia wzoru. (B) Skan o większym powiększeniu 3 μm x 3 μm pokazuje precyzyjne pojedyncze wzory w warstwie SiO2. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig4large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Rysunek 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig5.jpg" /> 
Rysunek 5: Reprezentatywne obrazy z transmisyjnej mikroskopii elektronowej (SEM) nanostruktur metalicznych uformowanych na matrycach z różnych strukturalnie origami DNA. (A) DNA origami w kształcie krzyża, tzn. tzw. origami z płytek Seemana54. (B) Anteny w kształcie kokardki. (C) Chiralne struktury podwójnego L (CDL). Wstawki pokazują pojedyncze struktury o rozmiarach okna 150 nm x 150 nm. Wydajność wytwarzania dokładnych struktur wynosi do 76% dla origami w kształcie kokardki i ~ 50% dla pozostałych zaprezentowanych tutaj struktur34. Rysunek został zaadaptowany i zmodyfikowany na podstawie pracy Shen i wsp.34. Rysunek powielono za zgodą autorów i wydawcy The American Association for the Advancement of Science, 2018. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig5large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Rysunek 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60313/60313fig6.jpg" /> 
Rysunek 6: Reprezentatywne właściwości optyczne/funkcjonalne otrzymanych nanostruktur. (A) Pomiary lokalnego powierzchniowego rezonansu plazmonowego (LSPR) pojedynczej złotej struktury typu bowtie przy różnej polaryzacji (oznaczonej kolorami pomarańczowym i niebieskim). Linie ciągłe przedstawiają widma zmierzone, a linie przerywane wyniki symulacji. Wstawki pokazują obraz SEM zmierzonej cząstki (po lewej) oraz model wykorzystany do symulacji (po prawej). (B) Powierzchniowo wzmocniona spektroskopia Ramana (SERS) rodaminy 6G oraz 2,2-bipirydyny zmierzona na powierzchni pokrytej nanostrukturami typu bowtie. Linia bazowa dla każdej próbki pokazuje poziom sygnału w przypadku braku nanostruktur. Rysunek został zaadaptowany i zmodyfikowany na podstawie pracy Shen et al.34. Rysunek powielony za zgodą autorów i opublikowany przez The American Association for the Advancement of Science, 2018. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/60313fig6large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Plik uzupełniający 1" src="/files/ftp_upload/60313/60313sup1.jpg" /> 
Plik uzupełniający 1: Plik CaDNAno <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/bowtie_poly-T.json" target="_blank">Prosimy kliknąć tutaj, aby pobrać ten plik.</a>
<img alt="Plik uzupełniający 2" src="/files/ftp_upload/60313/60313sup2.jpg" /> 
Plik uzupełniający 2: sekwencja m13mp18 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/m13mp18_sequence.txt" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.</a>
<img alt="Plik uzupełniający 3" src="/files/ftp_upload/60313/60313sup3.jpg" /> 
Plik uzupełniający 3: Sekwencja nici stapler <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60313/bowtie_staple_sequences.xlsx" target="_blank">Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.</a>

Tutaj opisujemy protokół tworzenia dyskretnych i dokładnych nieorganicznych nanostruktur na podłożach, używając kształtów origami DNA jako szablonów prowadzących. Metoda jest demonstrowana poprzez tworzenie plazmonicznych złotych anten w kształcie muszki na przezroczystym podłożu (szafirze).

Nanowzorce substratów DNA origami struktur nieorganicznych do zastosowań detekcyjnych

Structural DNA nanotechnology provides a viable route for building from the bottom-up using DNA as construction material. The most common DNA ...

Protokół ten łączy technikę origami DNA opartą na oddolnej podstawie z metodami nanowytwarzania od góry do dołu, umożliwiając równoległe wytwarzanie nieorganicznych nanostruktur o rozmiarach poniżej 10 nanometrów na różnych podłożach. Technika ta może być wykorzystana do stworzenia miliardów dokładnych nanostruktur jednocześnie, praktycznie w dowolnym kształcie, bez konieczności stosowania drogich metod modelowania. Metoda ta może zostać wykorzystana w zastosowaniach detekcyjnych, takich jak spektroskopia Ramana ze wzmocnieniem powierzchniowym, a także w tworzeniu nowych metapowierzchni optycznych.Chociaż protokół ten jest dość prosty, potrzebne są bardziej dyscyplinarne umiejętności produkcyjne, a zatem demonstracja wizualna będzie przydatna dla badaczy z różnych środowisk. Procedurę z Petteri Piskunen zademonstruje Sofia Julin, kolejna studentka z naszego laboratorium. Aby przygotować zapas pasm odcinkowych, wymieszaj równe ilości wszystkich oligonukleotydów potrzebnych do budowy muszki i wymieszaj 20 mikrolitrów nici rusztowania M13 MP18 z 40 mikrolitrami roztworu podstawowego zszywek i 40 mikrolitrami buforu składanego 2,5 X w probówce do PCR o pojemności 200 mikrolitrów.Następnie wyżarzać mieszaninę reakcyjną w termocyklerze od 90 do 27 stopni Celsjusza, jak opisano w tabeli. Aby przygotować podłoże, zanurz około siedmiu do siedmiu milimetrów wiórów wyciętych z szafirowej płytki w szklanym pojemniku z acetonem o temperaturze 52 stopni Celsjusza na co najmniej 15 minut przed przeniesieniem wiórów do szklanego pojemnika z izopropanolem na dwie minuty sonikacji. Pod koniec sonikacji należy użyć pęsety, aby usunąć wiórki z izopropanolu i natychmiast wysuszyć wiórki azotem przy najwyższym możliwym przepływie, z powierzchniami wiórów równoległymi do kierunku przepływu.W przypadku chemicznego osadzania z fazy gazowej warstwy krzemu wspomaganego plazmą, umieść wysuszone wióry w przyrządzie do chemicznego osadzania z fazy gazowej wzmocnionej plazmą i ustaw parametry osadzania zgodnie z modelem przyrządu i kalibracją, aby wyhodować około 50 nanometrów amorficznego krzemu. W celu obróbki plazmą tlenową warstwy amorficznego krzemu, umieść chipy w przyrządzie do trawienia jonów reaktywnych i ustaw parametry trawienia, aby wygenerować plazmę tlenową zgodnie z modelem przyrządu i kalibracją. Następnie uruchom program obróbki plazmą tlenową.W ciągu 30 minut od obróbki plazmą tlenową wymieszaj pięć mikrolitrów złożonego i oczyszczonego roztworu origami DNA z czterema mikrolitrami buforu fałdowego i jednym mikrolitrem jednego molowego chlorku magnezu. Umieść 10 mikrolitrów mieszaniny origami DNA na każdym chipie poddanym plazmie tlenowej i przykryj chipy na pięciominutową inkubację w temperaturze pokojowej. Pod koniec inkubacji umyj powierzchnie chipów 100 mikrolitrami wody destylowanej, kilkakrotnie spłukując wodę tam iz powrotem pipetą, unikając dotykania środków chipsów.Po spopieleniu jeszcze dwa do trzech razy, jak pokazano, natychmiast wysusz wióry przepływem azotu. Aby wyhodować maskę z dwutlenku krzemu, wymieszaj 100 gramów żelu krzemionkowego z 30 mililitrami wody destylowanej. Umieść mieszaninę żelu krzemionkowego w eksykatorze i oddziel żel za pomocą perforowanej płytki.Po 24 godzinach umieścić chipsy z zaadsorbowanym origami DNA na perforowanej platformie w eksykatorze i umieścić fiolkę zawierającą 10 mililitrów ortokrzemianu tetraetylu po jednej stronie chipsów i fiolkę zawierającą 10 mililitrów 25% wodorotlenku amonu po drugiej stronie chipsów. Następnie zamknij komorę na 20-godzinną inkubację w temperaturze pokojowej. Pod koniec inkubacji na obszarach bez struktur origami DNA utworzy się film dwutlenku krzemu, tworząc 10 do 20 nanometrową maskę wzorzystą z otworami w kształcie origami DNA.W celu reaktywnego wytrawiania jonowego dwutlenku krzemu należy umieścić chipy w przyrządzie do wytrawiania jonami reaktywnymi i ustawić parametry trawienia tak, aby wytrawiać tylko dwa do pięciu manometrów dwutlenku krzemu, aby odsłonić amorficzną warstwę krzemu pod otworami w masce dwutlenku krzemu. Wszystkie parametry trawienia powinny być zoptymalizowane pod kątem wybranych instrumentów, ponieważ prawidłowe parametry zależą od rodzaju sprzętu i konkretnej konfiguracji. Może być potrzebne kilka iteracji.Po uruchomieniu programu anizotropowego wytrawiania plazmowego dwutlenku krzemu ustaw parametry trawienia tak, aby przebijały się przez 50-nanometrową warstwę amorficznego krzemu. Następnie uruchom program do izotropowego wytrawiania plazmą krzemową. W przypadku fizycznego osadzania z fazy gazowej należy załadować wióry do komory parowania przyrządu do fizycznego osadzania z fazy gazowej i wybrać klej do metalu docelowego.Ustaw program kontroli grubości dla materiału docelowego i grubości i uruchom wiązkę elektronów, wyrównując wiązkę do celu i zwiększając prąd wiązki, aż do osiągnięcia szybkości osadzania 0,05 nanometra na sekundę. Następnie odparowują, aż do osiągnięcia końcowej grubości dwóch nanometrów. Pod koniec parowania należy wybrać drugi metal docelowy bez odpowietrzania komory lub przerywania procesu i ustawić grubość.Ustaw wiązkę elektronów względem celu, aż zostanie osiągnięta szybkość osadzania 0,05 nanometra na sekundę, a następnie odparuj, aż do osiągnięcia grubości 20 nanometrów. Metalowa struktura DNA w kształcie origami zostanie stworzona przez otwory w masce z dwutlenku krzemu o łącznej wysokości 22 nanometrów. Po odpowietrzeniu komory usunąć próbki.W celu usunięcia kwasu fluorowodorowego zanurz próbki w wytrawiaczu na bazie kwasu fluorowodorowego i delikatnie wymieszaj próbki za pomocą plastikowej pęsety. Poczekaj, aż warstwa dwutlenku krzemu całkowicie się wytrawi, a warstwa metalu oderwie się przed spłukaniem próbek podwójnie destylowaną wodą i izopropanolem. Następnie wysuszyć próbki strumieniem azotu, jak pokazano.W celu reaktywnego wytrawiania jonowego pozostałego krzemu amorficznego, umieść wióry w przyrządzie do trawienia jonami reaktywnymi i ustaw parametry trawienia w celu usunięcia wszystkich 50 nanometrów krzemu amorficznego. Uruchom program izotropowego wytrawiania plazmą krzemu amorficznego, aby usunąć pozostały krzem amorficzny. Następnie wyjmij próbki ze sprzętu do trawienia jonów reaktywnych i przechowuj je w zakrytym pojemniku.Elektroforeza w żelu agarozowym i mikroskopia sił atomowych mogą być wykorzystane do analizy fałdowania DNA origami i jakości oczyszczania glikolu polietylenowego. Tutaj pokazano reprezentatywne obrazy z mikroskopii sił atomowych po wzroście maski z dwutlenku krzemu. Na tych obrazach można zaobserwować skaningową mikroskopię elektronową końcowych nanostruktur metalowych.Na tych wykresach przeanalizowano funkcjonalność optyczną metalicznych nanostruktur, wyznaczonych za pomocą origami DNA z muszką. Wzrost maski z dwutlenku krzemu ma kluczowe znaczenie dla tego procesu i jest dość wrażliwy na wilgotność i reaktywność TEOS. Dlatego parametry te powinny być dokładnie kontrolowane pod kątem odtwarzalności.Jeśli technika origami DNA zostanie dodatkowo połączona z wysoce uporządkowanymi wzorcami DNA, może to utorować drogę do wytwarzania metamateriałów i powierzchni w widzialnym zakresie długości fal.

dna-origami-mediated-substrate-nanopatterning-inorganic-structures

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

W niniejszej pracy opisujemy prostą metodę wzorowania wolnego od tlenków krzemu i germanu za pomocą reaktywnych monowarstw organicznych oraz demonstrujemy funkcjonalizację wzorowanych podłoży małymi cząsteczkami i białkami. Podejście to zapewnia całkowitą ochronę powierzchni przed utlenianiem chemicznym, umożliwia precyzyjną kontrolę nad morfologią struktur oraz zapewnia łatwy dostęp do wzorów rozróżnialnych chemicznie.

Funkcjonalizacja i wzorowanie krzemu oraz germanu beztlenkowego metodą miękkiej litografii

Przedstawiamy prostą metodę wytwarzania ultrawysokiej gęstości pionowo uporządkowanych małocząsteczkowych nanodrutów organicznych. Metoda ta pozwala na syntezę złożonych, heterostrukturalnych hybrydowych geometrii nanodrutów, które można niedrogo hodować na dowolnych podłożach. Struktury te mają potencjalne zastosowania w elektronice organicznej, optoelektronice, detekcji chemicznej, fotowoltaice i spintronice.

Układ ultrawysokiej gęstości pionowo ustawionych małocząsteczkowych nanodrutów organicznych na dowolnych podłożach

Origami DNA to potężna metoda wytwarzania precyzyjnych obiektów w nanoskali poprzez programowanie samoorganizacji cząsteczek DNA. Tutaj opisujemy protokół składania robota reagującego biologicznie z origami DNA, jego oczyszczania i barwienia ujemnego do obrazowania pod mikroskopem elektronowym transmisyjnym (TEM).

Składanie i charakterystyka bioresponsywnego robota z DNA Origami

Prosta, solidna i skalowalna technika funkcjonalizacji i samodzielnego montażu makroskopowych warstw nanocząstek-ligandów na podłożach bez szablonów jest opisana w tym protokole.

Technika funkcjonalizacji i samoorganizacji makroskopowych warstw monowarstwowych nanocząstek-ligand na podłożach bez szablonów

Opisujemy wytwarzanie i charakterystykę systemów nanobiologicznych łączących nanostrukturalne podłoża z unieruchomionymi białkami i aptamerami. Przedstawiono odpowiednie etapy eksperymentalne obejmujące litograficzną produkcję substratów nanostrukturalnych, biofunkcjonalizację i charakterystykę spektroskopii Ramana wzmocnionej powierzchniowo (SERS). Wykazano detekcję SERS białek unieruchomionych powierzchniowo oraz sondowanie wiązania białko-ligand i aptamer-ligand.

Powierzchniowo wzmocniona spektroskopia Ramana wykrywanie biomolekuł przy użyciu nanostrukturalnych substratów wytworzonych przez EBL

Opisano powtarzalne procesy czyszczenia substratów używanych w badaniach origami DNA, w tym czyszczenie RCA na stole i derywatyzację tlenku krzemu. Zilustrowano protokoły przygotowania powierzchni, osadzania origami DNA, parametrów suszenia i prostych konfiguracji eksperymentalnych.

Przygotowanie substratów miki i krzemu do analizy DNA origami i eksperymentów

Kwasy nukleinowe są powszechnymi analitami do oceny systemów biologicznych; jednak stronniczość wynikająca z manipulacji enzymatycznych może budzić niepokój. W tym miejscu opisano metodę bezznacznikowego wykrywania kwasów nukleinowych za pomocą polianiliny. Ta czuła, ekonomiczna technologia czujników może rozróżniać różnice między pojedynczymi nukleotydami między cząsteczkami.

Czujnik kwasów nukleinowych na bazie polianiliny

Przedstawiono protokół wytwarzania dużego obszaru nanowzorzystego podłoża z małych form o nanowzorze do badania nanotopograficznej modulacji zachowania komórek.

Ekspandowanie nanowzorzystych substratów przy użyciu techniki ściegu do nanotopograficznej modulacji zachowania komórek

Prezentowana jest prosta metoda wytwarzania nano-mikro wieloskalowych struktur dla funkcjonalnych powierzchni, poprzez agregację nanowłókien wytworzonych za pomocą anodowego filtra z tlenku glinu.

Wieloskalowe struktury agregowane za pomocą nadrukowanych nanowłókien dla powierzchni funkcjonalnych

Opisujemy szczegółowy protokół opartego na origami łączenia złotych nanoprętów w chiralne metamolekuły plazmoniczne z silnymi reakcjami chiroptycznymi. Protokół nie ogranicza się do konfiguracji chiralnych i może być łatwo dostosowany do wytwarzania różnych architektur plazmonicznych.

Składanie złotych nanoprętów w chiralne metamolekuły plazmoniczne za pomocą szablonów DNA Origami

Ten protokół demonstruje pomiary jednocząsteczkowego wzmocnionego powierzchniowo rozpraszania Ramana (SERS) za pomocą nanoanteny DNA origami (DONA) w połączeniu z kolokalizowaną mikroskopią sił atomowych (AFM) i pomiarami Ramana.

Pomiary rozpraszania Ramana wzmocnionego powierzchniowo pojedynczej cząsteczki możliwe dzięki nanoantenom origami plazmonicznego DNA

Poznaj metodę tworzenia nanostruktur nieorganicznych z użyciem DNA origami jako matrycy. Technika umożliwia równoległą produkcję miliardów precyzyjnych struktur, takich jak plazmoniczne anteny złote, z zastosowaniem w spektroskopii Ramana i metapowierzchniach optycznych.

Nanowzorce substratów DNA origami struktur nieorganicznych do zastosowań detekcyjnych

Przeglądaj więcej filmów