DNA origami-mediada substrato Nanopatterning de estruturas inorgânicas para aplicações de sensoriamento

Este protocolo combina a técnica de origami de DNA de baixo para cima com métodos de nanofabização de cima para baixo permitindo a fabricação paralela de nanoestruturas inorgânicas com tamanhos de características sub-10 nanômetros em diferentes substratos. Esta técnica pode ser usada para criar bilhões de nanoestruturas precisas ao mesmo tempo, praticamente em qualquer forma sem a necessidade de métodos de padronização caros. Este método tem o potencial de ser aproveitado em aplicações de sensoriamento, como espectroscopia Raman aprimorada na superfície, bem como para criar novas metasuperfícies ópticas.

Embora este protocolo seja bastante simples, mais as habilidades de fabricação disciplinar são necessárias e, portanto, a demonstração visual será útil para pesquisadores com uma variedade de origens. Demonstrando o procedimento com Petteri Piskunen estará Sofia Julin, outra estudante de pós-graduação do nosso laboratório. Para fazer o estoque de fios básicos, misture quantidades iguais de todos os oligonucleotídeos necessários para a estrutura da gravata borboleta e misture 20 microliters do fio de andaime M13 MP18 com 40 microliters da solução de estoque básico e 40 microliters de 2,5 X tampão dobrável em um tubo PCR de 200 microliter.

Em seguida, ressupere a mistura de reação em um termociclador de 90 a 27 graus Celsius, conforme descrito na tabela. Para preparar o substrato, mergulhe aproximadamente sete por sete milímetros de chips cortados de um wafer de safira em um recipiente de vidro de 52 graus Celsius acetona por pelo menos 15 minutos antes de transferir os chips para um recipiente de vidro de isopropanol por dois minutos de sonicação. No final da sonicação, use pinças para remover os chips do isopropanol e seque imediatamente os chips com nitrogênio no maior fluxo possível com as superfícies do chip paralelamente à direção do fluxo.

Para a deposição de vapor químico aprimorada por plasma da camada de silício amorfo, coloque os chips secos no instrumento de deposição de vapor químico aprimorado pelo plasma e defina os parâmetros de deposição de acordo com o modelo de instrumento e calibração para crescer aproximadamente 50 nanômetros de silício amorfo. Para o tratamento plasmágio de oxigênio da camada de silício amorfo, coloque os chips no instrumento de gravura de íons reativos e defina os parâmetros de gravura para gerar plasma de oxigênio de acordo com o modelo de instrumento e calibração. Então execute o programa de tratamento de plasma de oxigênio.

Dentro de 30 minutos do tratamento do plasma de oxigênio, misture cinco microliters de solução de origami de DNA dobrado e purificado com quatro microliters de buffer dobrável e um microliter de um cloreto de magnésio molar. Deposite 10 microliters da mistura de origami de DNA em cada chip tratado com plasma de oxigênio e cubra os chips para uma incubação de cinco minutos à temperatura ambiente. No final da incubação, lave as superfícies do chip com 100 microlitros de água destilada, enxaguando a água algumas vezes com a pipeta, evitando tocar nos centros dos chips.

Depois de ashing mais duas a três vezes como apenas demonstrado, seque imediatamente os chips com fluxo de nitrogênio. Para cultivar uma máscara de dióxido de silício, misture 100 gramas de gel de sílica com 30 mililitros de água destilada. Coloque a mistura de gel de sílica em um desiccador e separe o gel com uma placa perfurada.

Após 24 horas, coloque os chips com origami de DNA adsored na plataforma perfurada no dessecador e coloque um frasco contendo 10 mililitros de ortossilicato de tetraetil em um lado dos chips e um frasco contendo 10 mililitros de hidróxido de amônio de 25% do outro lado dos chips. Em seguida, sele a câmara para uma incubação de 20 horas em temperatura ambiente. No final da incubação, um filme de dióxido de silício terá se formado nas áreas sem as estruturas de dna origami, criando uma máscara de 10 a 20 nanômetros com orifícios em forma de origami de DNA.

Para a gravura de íons reativos do dióxido de silício, coloque os chips no instrumento de gravura de íons reativos e ajuste os parâmetros de gravura para gravar apenas dois a cinco manômetros do dióxido de silício para revelar a camada de silício amorfa sob os orifícios da máscara de dióxido de silício. Todos os parâmetros de gravação devem ser otimizados para os instrumentos escolhidos, pois os parâmetros corretos dependem do tipo de equipamento e da configuração específica. Algumas iterações podem ser necessárias.

Depois de executar o programa de gravura de plasma de dióxido de silício anisotrópico, defina os parâmetros de gravura para perfurar a camada de silício amorfo de 50 nanômetros. Em seguida, execute o programa de gravura de plasmo de silício isotrópico. Para deposição de vapor físico, carregue os chips na câmara de evaporação do instrumento de deposição de vapor físico e selecione um metal alvo adesivo.

Defina o programa de controle de espessura para o material alvo e espessura e inicie o feixe de elétrons, alinhando o feixe ao alvo e aumentando a corrente de feixe até que uma taxa de deposição de 0,05 nanômetros por segundo seja atingida. Em seguida, evaporar até que uma espessura final de dois nanômetros seja alcançada. No final da evaporação, selecione o segundo metal alvo sem desovendar a câmara ou interromper o processo e definir a espessura.

Alinhe o feixe de elétrons ao alvo até que uma taxa de deposição de 0,05 nanômetros por segundo seja alcançada antes de evaporar até que uma espessura de 20 nanômetros seja atingida. A estrutura metálica em forma de origami de DNA será criada através dos orifícios da máscara de dióxido de silício com a altura total de 22 nanômetros. Depois de ventilar a câmara, remova amostras.

Para decolagem de ácido fluorídrico, mergulhe as amostras em etchant à base de ácido fluorídrico e use pinças plásticas para agitar as amostras suavemente. Aguarde que a camada de dióxido de silício etch completamente e a camada metálica se desprende antes de enxaguar as amostras com água destilada dupla e isopropanol. Em seguida, seque as amostras com um fluxo de nitrogênio como demonstrado.

Para gravura de íons reativos do silício amorfo restante, coloque os chips no instrumento de gravura de íons reativos e defina os parâmetros de gravura para a remoção de todos os 50 nanômetros do silício amorfo. Execute o programa de gravura de plasma de silício amorfo isotrópico para remover o restante do silício amorfo. Em seguida, remova as amostras do equipamento de gravura de íons reativos e armazene-as em um recipiente coberto.

A eletroforese de gel agarose e microscopia de força atômica podem ser usadas para analisar a dobra de origami de DNA e a qualidade da purificação do polietileno glicol. Aqui, imagens representativas de microscopia de força atômica após o crescimento da máscara de dióxido de silício são mostradas. Enquanto nestas imagens, a microscopia eletrônica de varredura das nanoestruturas metálicas finais pode ser observada.

Nestes gráficos, foi analisada a funcionalidade óptica das nanoestruturas metálicas, modeladas pelo dna de gravata borboleta origami. O crescimento da máscara de dióxido de silício é crucial para o processo e é bastante sensível à umidade e reatividade do TEOS. Portanto, esses parâmetros devem ser cuidadosamente controlados para a reprodutibilidade.

Se a técnica de origami de DNA for ainda mais combinada com padrões de DNA altamente ordenados, pode abrir caminho para a fabricação de metamateriais e superfícies na faixa de comprimento de onda visível.