Summary
Qui si descrive un metodo semplice per patterning senza ossido di silicio e germanio funzionalizzazione con reattivo monostrati organici e dimostrare dei substrati fantasia con piccole molecole e proteine. L'approccio protegge completamente le superfici da ossidazione chimica, fornisce un controllo preciso sulla morfologia caratteristica, e consente un accesso immediato ai modelli chimicamente discriminati.
Abstract
Lo sviluppo di dispositivi elettronici ibridi si basa in gran parte l'integrazione di (bio) e materiali organici semiconduttori inorganici attraverso un interfaccia stabile che permette di trasporto efficienti elettroni e protegge i substrati di fondo dalla degradazione ossidativa. Gruppo di semiconduttori IV può essere efficacemente protetti con altamente ordinato monostrati auto-assemblati (SAM), composto di semplici catene alchiliche che agiscono da barriera impermeabile alle soluzioni sia organici e acquosi. Semplice SAM alchil, tuttavia, sono inerti e non riconducibili alle tecniche tradizionali di patterning. La motivazione per immobilizzare i sistemi organici molecolari su semiconduttori è quello di impartire una nuova funzionalità per la superficie in grado di fornire funzioni ottiche, elettroniche e meccaniche, così come l'attività chimiche e biologiche.
Stampa microcontact (CP μ) è un soft-tecnica litografica per SAM patterning su superfici miriade. 1-9 Nonostante la sua semplicity e versatilità, l'approccio è stato in gran parte limitato a superfici di metallo nobile e non è stato ben sviluppato per il trasferimento di substrati modello tecnologicamente importanti, come l'ossido senza silicio e germanio. Inoltre, poiché questa tecnica si basa sulla diffusione di inchiostro per trasferire il pattern da elastomero di substrato, la risoluzione di tali stampa tradizionale si limita essenzialmente a vicino a 1 μ m. 10-16
In contrasto con la stampa tradizionale, senza inchiostro patterning CP μ si basa su una specifica reazione tra una superficie immobilizzato sottofondo e un francobollo legato catalizzatore. Perché la tecnica non si basa su diffusive formazione SAM, si espande in modo significativo la diversità delle superfici patternable. Inoltre, la tecnica senza inchiostro evita le limitazioni delle funzionalità dimensioni imposte dalla diffusione molecolare, facilitando la replica di caratteristiche molto piccole (<200 nm). 17-23 Tuttavia, fino ad ora, senza inchiostro μ CP è stato utilizzato principalmente per patterning sistemi relativamente disordinati molecolare, che non proteggono le superfici sottostanti dal degrado.
Qui riportiamo un semplice, affidabile high-throughput metodo per patterning passivato silicio e germanio con reattivo monostrati organici e dimostrare funzionalizzazione selettiva dei substrati fantasia sia con piccole molecole e proteine. La tecnica utilizza una NHS-reattiva preformate sistema doppo strato di ossido senza silicio e germanio. La porzione NHS viene idrolizzato in un modello specifico modo con un acido-modificato timbro sulfonic acrilato di produrre modelli chimicamente distinti di NHS-attivato e gli acidi carbossilici. Un limite significativo alla risoluzione di molte tecniche CP μ è l'uso di materiale PDMS che manca la rigidità meccanica necessaria per il trasferimento ad alta fedeltà. Per ovviare a questa limitazione abbiamo utilizzato un poliuretano acrilato polimeri, un materiale relativamente rigido che può esserefacilmente funzionalizzati con differenti frazioni organiche. Il nostro approccio patterning protegge completamente sia silicio e germanio da ossidazione chimica, fornisce un controllo preciso sulla forma e le dimensioni delle caratteristiche fantasia, e dà accesso immediato ai modelli chimicamente discriminati che può essere ulteriormente funzionalizzati con molecole sia organici e biologici. L'approccio è generale ed applicabile ad altre superfici tecnologicamente rilevanti.
Protocol
1A. Monostrato Formazione Primaria su Silicio
- Taglio wafer di silicio in 1 centimetro due substrati, polvere e risciacquare con acqua ed etanolo filtrata.
- Eliminare la contaminazione organica immergendo i substrati di silicio in un piatto di vetro contenente Nano striscia a 75 º C. Dopo 15 minuti, risciacquare con acqua deionizzata ogni substrato, acqua filtrata.
- Luogo ogni substrato in una soluzione al 5% HF (Attenzione: HF è un materiale estremamente pericoloso) per rimuovere lo strato di ossido nativo. Dopo 5 minuti a secco senza l'ossido di silicio con l'azoto
- Per produrre un substrato clorurati, subito immergere ogni pezzo senza ossido di silicio in una fiala di scintillazione contenente 2 ml di satura PCl 5 in clorobenzene. Questa soluzione deve essere filtrata a 0,2 micron.
- Montare un condensatore fiala sopra ogni flacone e metterli in una heatblock set a 112 ° C per un'ora.
- Dopo la reazione è completa, lasciate raffreddare e risciacquare fiale ogni surface con clorobenzene e secco sotto azoto filtrata.
- Per formare un propenil-termina substrato, posto ogni superficie di silicio clorurati in un flaconcino di pressione contenente 4 ml di cloruro di magnesio propenil. Luogo ogni flacone pressione in un heatblock a 130 ° C per 24 ore.
- Prendere ogni fiala di pressione fuori dal heatblock e lasciate raffreddare.
- Sciacquare ogni superficie rapidamente con DCM ed etanolo e secco sotto azoto filtrata.
1B. Monostrato Formazione primaria sul Germanio
- Taglio wafer germanio nei supporti 1cm2, polvere e risciacquare con acqua ed etanolo filtrata.
- Eliminare la contaminazione organica immergendo le superfici in un piatto di vetro contenente acetone per 20 minuti
- Luogo ogni superficie in una soluzione al 10% di HCl per 15 minuti. Questo processo elimina contemporaneamente lo strato di ossido nativo e clorurati la superficie. Dopo 5 minuti asciugare i substrati con azoto.
- Per formare un substrato ottil-terminated, place ogni clorurati superficie germanio in un flaconcino di pressione contenente 4 ml di cloruro di magnesio ottile (2 mm). Luogo ogni flacone pressione in un heatblock a 130 ° C per 48 ore.
- Prendere ogni fiala di pressione fuori dal heatblock e lasciate raffreddare a temperatura ambiente.
- Sciacquare ogni superficie rapidamente con DCM ed etanolo e secco sotto azoto filtrata.
2. NHS Funzionalizzazione substrato su silicio e germanio
- Preparare una filtrata 0,1 M NHS-diazirine soluzione in tetracloruro di carbonio. Attenzione: Mantenere l'esposizione alla luce al minimo.
- Pipetta alcune gocce della soluzione sulle superfici metile terminale. Permettere alla soluzione di diffondere su tutta la superficie.
- Posizionare le superfici sotto una lampada UV (☐ = 254 nm, 4400/cm2 a 0,74 pollici). Lasciare le superfici di reagire ai raggi UV per 30 minuti, quindi aggiungere più NHS-diazirine alla superficie e lasciare che la reazione di proseguire per altri 30 minuti.
- Sciacquare la modifica NHS surfaces con DCM ed etanolo e secco sotto azoto filtrata.
3. Molecola Funzionalizzazione piccoli
- Reagire NHS-modified substrati in una 20 mm ter-butil carbamoil (Boc-) etilendiammina soluzione in diclorometano (DCM) per due ore a temperatura ambiente.
- Dopo la reazione, lavare i Boc-modified substrato con DCM e etanolo.
- Deprotect il substrato Boc modificati utilizzando il 25% acido trifluoroacetico (TFA) in DCM per un'ora a temperatura ambiente.
- Sciacquare la superficie risultante con DCM, etanolo e 10% (w / v) di bicarbonato di potassio in acqua e asciugare sotto azoto filtrata.
- Analizzare tutte le superfici con XPS per determinare la composizione elementare.
4. Acida poliuretano Acrilato Timbro (PUA) Preparazione
- Diluire acrilato A del 30% con B triacrylate trimetilolpropano etossilato per ridurre la viscosità. Aggiungi fotoiniziatori C e D per la miscela di reazione (Fig.URE 6).
- Aggiungi sodio 2-mercaptoethanesulfonate (0,2 g, 1.22 mmol) ad una soluzione HCl 4N in diossano (10 ml) e mescolare a temperatura ambiente per 2 minuti.
- Filtrare fuori il cloruro di sodio prima attraverso un filtro di vetro fine e poi attraverso una membrana di 0,2 μ m siringa in PTFE filtro per permettere una soluzione limpida di 2-mercaptoethanesulfonic acido diossano.
- Diossano evaporare a pressione ridotta
- Reagire l'acido solfonico risultante con 2 ml di poliuretano acrilato miscela prepolymeric a temperatura ambiente e poi sotto vuoto a 50 ° C. Assicurati di liberare completamente la miscela di bolle d'aria intrappolate.
- Raffreddare la soluzione risultante a temperatura ambiente e polimerizzare tra due lastre di vetro microscopio o un vetrino e un maestro per esposizione a luce UV per 2 ore a temperatura ambiente.
- Dopo la polimerizzazione, con attenzione buccia fuori il timbro del maestro e lavare il timbro con etanolo e l'acqua e asciugare con nitroge filtratan.
5. Stampa catalitica e SEM / Analisi AFM
- Posizionare il corrispondente poliuretano acrilato timbro sulla parte superiore del NHS-modified substrato a temperatura ambiente per un minuto in assenza di carico esterno per tenerli insieme.
- Dopo la reazione, a parte il timbro e il substrato.
- Sciacquare il substrato con l'etanolo, l'acqua, etanolo e poi asciugare con azoto filtrato.
- Sciacquare il timbro con l'etanolo, l'acqua, etanolo e poi asciugare con azoto filtrato.
- Conservare i francobolli a temperatura ambiente prima della successiva applicazione.
- Analizza la struttura prodotta utilizzando la modalità di contatto laterale microsopy forza atomica (AFM) e microscopia elettronica a scansione (SEM)
6. Proteine Patterning e Microscopia a fluorescenza
- Immergere il SSN-fantasia substrato bifunzionale in lisina-N, N-diacetic acido (20 mm) e Et 3 N (100 mm) in DMF: H20 (1:1) a temperatura ambiente per 1 ora e poi sciacquato conacqua ed etanolo.
- Incubare i substrati in 50 mM NiSO4 soluzione per 5 minuti a temperatura ambiente.
- Sciacquare i substrati chelati con abbondante acqua e tampone vincolante (20 NaP mm, 250 mm NaCl, 10 mM imidazolo, pH 7,5) e immergere in una soluzione filtrata GFP (~ 40 μ M) per 1 ora a 0 ° C.
- Sciacquare immediatamente i substrati con tampone vincolante seguito da PBS (pH 7,4).
- Mantenere idratata substrati in PBS a 0 ° C fino a quando non erano pronti per l'analisi microscopia a fluorescenza.
7. Proteine Patterning e Microscopia a fluorescenza
- Immergere il SSN-fantasia substrato bifunzionale in lisina-N, N-diacetic acido (20 mm) e Et 3 N (100 mm) in DMF: H 2 0 (1:1) a temperatura ambiente per 1 ora e poi risciacquate con acqua ed etanolo.
- Incubare i substrati in un 50 mm Niso 4 soluzione per 5 minuti a temperatura ambiente.
- Sciacquare i substrati chelati eccessivamente wacqua-esima e binding buffer (20 mM NaP, 250 mM NaCl, 10 mM imidazolo, pH 7,5) e immergere in una soluzione filtrata GFP (~ 40 mM) per 1 ora a 0 ° C.
- Sciacquare immediatamente i substrati con tampone vincolante seguito da PBS (pH 7,4).
- Mantenere idratata substrati in PBS a 0 ° C fino a quando non erano pronti per l'analisi microscopia a fluorescenza.
8. Rappresentante dei risultati:
Un esempio di soft-patterning litografico nano catalitico è mostrata in Figura 7. L'approccio crea pattern chemoselective sulla privo di ossidi di silicio e germanio, che può essere ortogonalmente funzionalizzati con prodotti chimici diversi e frazioni biologiche. La reazione tra il SSN-functioanlized substrato e il timbro catalitico fantasia porta alla idrolisi delle frazioni NHS nelle aree di contatto conformazionale, producendo una fantasia bifunzionale regioni substrato portante del NHS attivato e gli acidi carbossilici. A causa della diffusioni di natura gratuita del nostro metodo, ottenere una risoluzione vicina a quella della fotolitografia. Per esempio, la Figura 7 mostra caratteristiche di 125 nm, che sono stati riprodotti in modo uniforme su tutta la superficie del substrato di silicio. Sorprendentemente, il timbro catalitica può essere riutilizzato più volte senza perdere efficienza.
Chemoselective funzionalizzazione di semiconduttori fantasia con biomolecole apre la prospettiva di integrare i tradizionali materiali elettronici con i substrati biologici altamente selettivi per applicazioni nel rilevamento, diagnostica, e le aree di analisi della ricerca. Un esempio di tale funzionalizzazione è mostrato in figura 8, dove NHS-fantasia silicio è stata selettivamente funzionalizzati con molecole proteiche. Sfruttando la reattività differenziale di acidi carbossilici attivati e libero, per prima cosa apposta nitrilotriacetico acido-terminato (NTA) linker heterobifunctional al SSN-funzionalizzati regioni, e poi utilizzato la conseguenteNTA-superficie modellata come un modello per l'attaccamento selettivo di esa-istidina-tagged GFP. Figura 8b mostra chiaramente l'intensità di fluorescenza differenziale tra GFP-modificato e idrolizzato regioni indenni acido carbossilico. Le dimensioni e la forma delle caratteristiche replicato sono coerenti tra le due superfici NHS modellata (Fig. 8a) e GFP-modified superficie (Figura 8b), confermando la notevole stabilità del carbonio passivato superfici e la selettività del metodo di stampaggio. Il protocollo non si limita alla proteina His-tag, e può essere utilizzato per altre biomolecole modello compreso il DNA e gli anticorpi.
Figura 1. Regime generale in rappresentanza di stampa catalitico microcontact
Figura 2. Struttura del bi-strato msistema olecular su Ge e Si. Primaria monostrato alchilico forme stabili Ge-C o Si-C legami con il substrato e fornisce un sistema chimicamente inerte e chiudere imballato che protegge la superficie sottostante dal degrado. (B) overlayer secondaria forma legami stabili con primarie CC strato protettivo e fornisce terminali funzionali gruppi
Figura 3. Schemi di reazione che rappresenta la formazione di monostrati primaria di protezione su Si (A) e Ge (B)
Figura 4. Funzionalizzazione chimica del monostrato protettivo primario con un donatore carbene heterobifunctional
Reazione Figura 5. Schema dimostrando modifiche piccola molecola di NHS-funzionalizzati subStrates e gli spettri corrispondenti XPS
Figura 6. Composizione della catalitico pre-miscela polimerica, le condizioni di polimerizzazione, e le immagini SEM della fantasia solfonico acido-modificato il timbro e il corrispondente in PMMA-Si padrone
Figura 7. SEM e le immagini attrito AFM di SAM modellata su Si e Ge con un timbro acido
Figura 8 Soft-patterning litografico e funzionalizzazione del silicio passivato con molecole organiche e biologiche a:.. Immagine SEM della fantasia NHS-modified substrato b:. Micrografia di substrato fluorescente GFP modificate.
Discussion
Il protocollo presentato è una forma o di stampa microcontact senza inchiostro che può essere universalmente applicata a qualsiasi substrato in grado di supportare semplici ben ordinata monostrati. In questo metodo, un francobollo-catalizzatore immobilizzato trasferisce un modello per una superficie d'appoggio corrispondente gruppi funzionali. Poiché il processo non si basa sul trasferimento di inchiostro da timbro alla superficie della limitazione diffusiva risoluzione di μCP tradizionale e reattiva è ovviato, permettendo di produzione di routine di oggetti su scala nanometrica. L'incorporazione di un primario altamente ordinato sistema molecolare fornisce una protezione completa del semiconduttore sottostante dai danni dell'ossidazione. Allo stesso tempo, il metodo supporta immobilizzazione di ingombranti gruppi reattivi utilizzando una overlayer secondaria reattiva; insieme il sistema raggiunge sia la protezione e la funzionalizzazione.
La tecnica inizia con la formazione di stabili legami carbonio-superficie consentendo chimicamente inerte Primary monostrato che serve come una barriera efficace per la formazione di ossido. Formazione di una overlayer secondaria reattiva fornisce terminale gruppi NHS funzionali che fungono da punti di attacco per una serie di combinazione di sostanze chimiche e biologiche. Questo sistema stabile doppo strato molecolare è successivamente modellato utilizzando il nostro approccio catalitica μCP. L'approccio presentato in questo studio offre un metodo generale per substrati semiconduttori patterning con una vasta gamma di materiali organici e biologici. La possibilità di creare disegni organici semiconduttori interfacce senza costoso, strumentazione complessa offre numerose opportunità in campi quali l'elettronica, le nanotecnologie, la biochimica e la biofisica.
Disclosures
Non abbiamo nulla da rivelare
Acknowledgments
Riconosciamo l'appoggio finanziario del premio NSF CMMI-1000724.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| XPS spectrometer | Kratos Analytical | ||
| Atomic force microscope | Veeco Instruments, Inc. | ||
| SEM-FEG microscope | FEI | ||
| Fluorescent microscope | Carl Zeiss, Inc. | ||
| Heatblock | VWR international | ||
| Vacuum pump | BOC Edwards | ||
| Water purification system | EMD Millipore | ||
| TESP silicon probes | Veeco Instruments, Inc. | ||
| Silicon | |||
| Pressure Vials | Chemglass | ||
| Vacuum manifold | Chemglass | ||
| UV Lamp | UVP Inc. | ||
| Stamp Material | See references 20 and 18 | ||
| PFTE syringe filters | VWR international | ||
| Nano Strip | Cyantek Corporation | ||
| HCl | Sigma-Aldrich | ||
| Ethanol | Sigma-Aldrich | ||
| Acetone | Sigma-Aldrich | ||
| HF | Sigma-Aldrich | ||
| Chlorobenzene | Sigma-Aldrich | ||
| PCl5 | Sigma-Aldrich | ||
| Propenyl Magnesium Chloride | Sigma-Aldrich | ||
| Octyl Magnesium Chloride | Sigma-Aldrich | ||
| Carbon TetraChloride | Sigma-Aldrich | ||
| Boc protected ethylenediamine | Sigma-Aldrich | ||
| TFA | Sigma-Aldrich | ||
| Sodium 2-mercapt–thanesulfonate | Sigma-Aldrich | ||
| 4N HCl solution in dioxane | Sigma-Aldrich | ||
| Lysine-N,N-diacetic acid | Sigma-Aldrich | ||
| Et3N | Sigma-Aldrich | ||
| DMF | Sigma-Aldrich | ||
| NiSO4 | Sigma-Aldrich | ||
| NaP | Sigma-Aldrich | ||
| NaCl | Sigma-Aldrich | ||
| imidazole | Sigma-Aldrich | ||
| PBS | Sigma-Aldrich |
References
- Kumar, A., Abbott, N. L., Kim, E., Biebuyck, H. A., Whitesides, G. M. Patterned Self-Assembled Monolayers and Mesoscale Phenomena. Accounts. Chem. Res. 28 (5), 219-226 (1995).
- Kumar, A., Biebuyck, H. A., Whitesides, G. M. Patterning Self-Assembled Monolayers: Applications in Materials Science. Langmuir. 10 (5), 1498-1511 (1994).
- Kumar, A., Whitesides, G. M. Features of gold having micrometer to centimeter dimensions can be formed through a combination of stamping with an elastomeric stamp and an alkanethiol "ink" followed by chemical etching. Applied Physics Letters. 63 (14), 2002-2004 (1993).
- Wilbur, J. L., Kumar, A., Biebuyck, H. A., Kim, E., Whitesides, G. M. Microcontact printing of self-assembled monolayers: applications in microfabrication. Nanotechnology. 7 (4), 452-457 (1996).
- Wilbur, J. L., Kumar, A., Kim, E., Whitesides, G. M. Microfabrication by microcontact printing of self-assembled monolayers. Advanced Materials (Weinheim, Germany). 6 (7/8), 600-604 (1994).
- Ruiz, S. A., Chen, C. S. Microcontact printing: a tool to pattern. Soft Matter. 3 (2), 168-177 (2007).
- Perl, A., Reinhoudt, D. N., Huskens, J. Microcontact Printing: Limitations and Achievements. Advanced Materials (Weinheim, Germany). 21 (22), 2257-2268 (2009).
- Kumar, A., Biebuyck, H. A., Abbott, N. L., Whitesides, G. M. The use of self-assembled monolayers and a selective etch to generate patterned gold features. J. Am. Chem. Soc. 114 (23), 9188-9191 (1992).
- Ravoo, B. J. Microcontact chemistry: surface reactions in nanoscale confinement. Journal of Materials Chemistry. 19 (47), 8902-8906 (2009).
- Biebuyck, H. A., Larsen, N. B., Delamarche, E., Michel, B. Lithography beyond light: Microcontact printing with monolayer resists. Ibm. J. Res. Dev. 41 (1-2), 159-170 (1997).
- Delamarche, E., Schmid, H., Bietsch, A., Larsen, N. B., Rothuizen, H., Michel, B., Biebuyck, H. Transport Mechanisms of Alkanethiols during Microcontact Printing on Gold. J. Phys. Chem. B. 102 (18), 3324-3334 (1998).
- Larsen, N. B., Biebuyck, H., Delamarche, E., Michel, B. Order in microcontact printed self-assembled monolayers. J Am Chem Soc. 119 (13), 3017-3026 (1997).
- Michel, B., Bernard, A., Bietsch, A., Delamarche, E., Geissler, M., Juncker, D., Kind, H., Renault, J. P., Rothuizen, H., Schmid, H., Schmidt-Winkel, P., Stutz, R., Wolf, H. Printing meets lithography: Soft approaches to high-resolution printing. IBM Journal of Research and Development. 45 (5), 697-719 (2001).
- Libioulle, L., Bietsch, A., Schmid, H., Michel, B., Delamarche, E. Contact-Inking Stamps for Microcontact Printing of Alkanethiols on Gold. Langmuir. 15 (2), 300-304 (1999).
- Sharpe, R. B. A., Burdinski, D., Huskens, J., Zandvliet, H. J. W., Reinhoudt, D. N., Poelsema, B. Spreading of 16-Mercaptohexadecanoic Acid in Microcontact Printing. Langmuir. 20 (20), 8646-8651 (2004).
- Workman, R. K., Manne, S. Molecular Transfer and Transport in Noncovalent Microcontact Printing. Langmuir. 20 (3), 805-815 (2004).
- Li, X. -M., Peter, M., Huskens, J., Reinhoudt, D. N. Catalytic Microcontact Printing without Ink. Nano Lett. 3 (10), 1449-1453 (2003).
- Shestopalov, A. A., Clark, R. L., Toone, E. J. Inkless Microcontact Printing on Self-Assembled Monolayers of Fmoc-Protected Aminothiols. J. Am. Chem. Soc. 129 (145), 13818-13819 (2007).
- Shestopalov, A. A., Clark, R. L., Toone, E. J. Catalytic Microcontact Printing on Chemically Functionalized H-Terminated Silicon. Langmuir. 26 (3), 1449-1451 (2010).
- Shestopalov, A. A., Clark, R. L., Toone, E. J. Inkless Microcontact Printing on SAMs of Boc- and TBS-Protected Thiols. Nano Lett. 10 (1), 43-46 (2010).
- Snyder, P. W., Johannes, M. S., Vogen, B. N., Clark, R. L., Toone, E. J. Biocatalytic Microcontact Printing. J. Org. Chem. 72 (19), 7459-7461 (2007).
- Morris, C. J., Shestopalov, A. A., Gold, B. H., Clark, R. L., Toone, E. J. Patterning NHS-Terminated SAMs on Germanium. Langmuir. 27 (10), 6486-6489 (2011).
- Shestopalov, A. A., Morris, C. J., Vogen, B. N., Hoertz, A., Clark, R. L., Toone, E. J. Soft-Lithographic Approach to Functionalization and Nanopatterning Oxide-Free Silicon. Langmuir. 27 (10), 6478-6485 (2011).
