Nanowzorce substratów DNA origami struktur nieorganicznych do zastosowań detekcyjnych

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