Summary
Her beskriver vi en enkel metode for mønster oksid-free silisium og germanium med reaktive organiske monolayers og demonstrere funksjonalisering av mønstrede substrater med små molekyler og proteiner. Tilnærmingen beskytter fullstendig overflater fra kjemisk oksidasjon, gir presis kontroll over funksjonen morfologi, og gir lett tilgang til kjemisk diskriminert mønstre.
Abstract
Utviklingen av hybrid elektroniske enheter baserer seg i stor grad på integrering av (bio) organisk materiale og uorganiske halvledere gjennom et stabilt grensesnitt som muliggjør effektiv elektron transport og beskytter underliggende substrat fra oksidativ nedbrytning. Gruppe IV halvledere kan effektivt beskyttes med svært bestilt self-montert monolayers (Sams) består av enkle alkyl kjeder som fungerer som ugjennomtrengelig barrierer både organiske og vannholdige løsninger. Simple alkyl Sams imidlertid inert og ikke mottakelig for tradisjonelle mønster teknikker. Motivasjonen for immobilizing økologiske molekylære systemer på halvledere er å formidle ny funksjonalitet til overflaten som kan gi optiske, elektroniske og mekaniske funksjon, samt kjemiske og biologiske aktivitet.
Microcontact utskrift (μ CP) er en soft-litografiske teknikken for mønster Sams på utallige underlag. 1-9 tross Simp sinlicity og allsidighet har tilnærmingen vært stort sett begrenset til edle metall overflater og har ikke blitt godt utviklet for mønsteret overføring til teknologisk viktige underlag som oksid-free silisium og germanium. Videre, fordi denne teknikken er avhengig av blekket diffusjon å overføre mønsteret fra elastomer til underlaget, er oppløsningen av slik tradisjonell trykking hovedsak begrenset til nær 1 μ m. 10-16
I motsetning til tradisjonell trykking, avhengig inkless μ CP mønster på en spesifikk reaksjon mellom en overflate-immobilisert substrat og et stempel-bundet katalysator. Fordi teknikken ikke stole på diffusive SAM formasjon, utvider det betydelig mangfold av patternable overflater. I tillegg obviates inkless teknikken funksjonen størrelsen begrensninger som følger av molekylær diffusjon, tilrettelegging replikering av svært små (<200 nm) funksjoner. 17-23, men til nå, inkless μ CP har vært hovedsakelig brukt til mønster relativt uordnede molekylære systemer, som ikke beskytter underliggende overflater fra degradering.
Her rapporterer vi en enkel, pålitelig high-throughput metode for mønster passivert silisium og germanium med reaktive organiske monolayers og demonstrere selektiv funksjonalisering av mønstrede substrater med både små molekyler og proteiner. Teknikken utnytter en prefabrikkert NHS-reaktivt bilayered system på oksid-free silisium og germanium. NHS moiety er hydrolyseres i et mønster-spesifikk måte med en sulfonic syre-modifisert acrylate stempel å produsere kjemisk distinkte mønstre av NHS-aktivert og gratis karboksylsyrer. En vesentlig begrensning til oppløsningen av mange μ CP teknikker er bruk av PDMS materiale som mangler mekanisk stivhet nødvendig for high fidelity overføring. For å avhjelpe denne begrensningen vi benyttet en polyuretan akrylat polymer, et relativt stivt materiale som kanlett functionalized med forskjellige organiske moieties. Våre mønster tilnærming beskytter fullstendig både silisium og germanium fra kjemisk oksidasjon, gir presis kontroll over formen og størrelsen på mønstrede funksjoner, og gir lett tilgang til kjemisk diskriminert mønstre som kan bli ytterligere functionalized med både organiske og biologiske molekyler. Tilnærmingen er generell og gjelder for andre teknologisk relevant overflater.
Protocol
1A. Primær Monolayer Formation på Silicon
- Skjær silisium wafer til 1 cm to substrater, støv og skyll med vann og filtreres etanol.
- Fjern organisk forurensning ved å nedsenke silisium substrater i et glassfat med Nano stripe på 75 º C. Etter 15 minutter, skyll hver substrat med avionisert, filtrert vann.
- Plasser hver underlaget i en 5% HF løsning (Advarsel: HF er et ekstremt farlig stoff) for å fjerne den innfødte oksidsjiktet. Etter 5 minutter tørker den oksid-free silisium med nitrogen
- For å produsere en klorert substrat, umiddelbart senk hver oksid-free silisium brikke i et scintillation hetteglass som inneholder 2 ml mettet PCL 5 i chlorobenzene. Denne løsningen bør filtreres til 0,2 mikrometer.
- Sett sammen et hetteglass kondensator på toppen av hvert hetteglass og plassere dem i en heatblock satt til 112 ° C i én time.
- Etter at reaksjonen er ferdig, la ampuller kjølig og skyll hver surface med chlorobenzene og tørr i henhold filtrert nitrogen.
- Å danne en propenyl-opphører substrat, sted hvert klorerte silisium overflate i en presset hetteglass inneholder 4 ml propenyl magnesiumklorid. Sted hvert trykket hetteglass i en heatblock ved 130 ° C i 24 timer.
- Ta hver press hetteglass ut av heatblock og la avkjøles.
- Skyll hver overflate raskt med DCM og etanol og tørt i henhold filtrert nitrogen.
1B. Primær Monolayer Formation på Germanium
- Skjær germanium wafer inn 1cm2 underlag, støv og skyll med vann og filtreres etanol.
- Fjern organisk forurensning ved å nedsenke flater i et glassfat som inneholder aceton i 20 minutter
- Plasser hver overflate i en 10% HCl løsning for 15 minutter. Denne prosessen fjerner samtidig de innfødte oksidsjiktet og chlorinates overflaten. Etter 5 minutter tørk substrater med nitrogen.
- Å danne en oktyl-avsluttet substrat, place hver klorerte germanium overflaten i en presset hetteglass inneholder 4 ml oktyl magnesiumklorid (2 mm). Sted hvert trykket hetteglass i en heatblock ved 130 ° C i 48 timer.
- Ta hver press hetteglass ut av heatblock og la avkjøles til romtemperatur.
- Skyll hver overflate raskt med DCM og etanol og tørt i henhold filtrert nitrogen.
2. NHS Substrat funksjonalisering på Silisium og Germanium
- Utarbeide en filtrert 0,1 M NHS-diazirine løsning i karbontetraklorid. Advarsel: Hold lyseksponering til et minimum.
- Pipet noen dråper av løsningen på metyl avsluttet overflater. La løsning spredt over hele overflaten.
- Plasser flater under en UV lampe (☐ = 254 nm, 4400/cm2 på 0.74 inches). La flater for å reagere under UV lys i 30 minutter, deretter legge til flere NHS-diazirine til overflaten og la reaksjonen fortsette i ytterligere 30 minutter.
- Skyll NHS endret eurfaces med DCM og etanol og tørt i henhold filtrert nitrogen.
3. Små Molecule funksjonalisering
- React NHS-modifiserte substrater i en 20 mM tert-butyl carbamoyl (Boc-) etylendiamintartrat løsning i diklormetan (DCM) i to timer i romtemperatur.
- Etter reaksjonen, skyll Boc-modifisert substrat med DCM og etanol.
- Deprotect den Boc endret underlaget med 25% trifluoroacetic syre (TFA) i DCM en time ved romtemperatur.
- Skyll den resulterende overflaten med DCM, etanol og 10% (w / v) kalium bikarbonat i vann og tørke i henhold filtrert nitrogen.
- Analysere alle overflater av XPS å bestemme elementære sammensetning.
Fire. Surt Polyuretan Acrylate Stamp (Pua) Forberedelse
- Fortynn acrylate A med 30% med Trimethylolpropane ethoxylate triacrylate B for å redusere viskositet. Legg photoinitiators C og D til reaksjonsblandingen (Figure 6).
- Legg natrium 2-mercaptoethanesulfonate (0,2 g, 1,22 mmol) til en 4N HCl løsning i dioxane (10 ml) og rør i romtemperatur i 2 minutter.
- Filter av natriumklorid først gjennom et fint glass filter og deretter gjennom et 0,2 μ m PTFE membran sprøyte filter for å ha råd til en klar løsning av 2-mercaptoethanesulfonic syre i dioxane.
- Fordampe dioxane henhold redusert trykk
- React den resulterende sulfonic syre med 2 ml av polyuretan-acrylate prepolymeric blandingen ved romtemperatur, og deretter under vakuum ved 50 ° C. Pass på å fullstendig fri blandingen fra luftbobler.
- Avkjøl den resulterende løsningen til romtemperatur og polymerisere mellom to glass mikroskop lysbilder eller en glass-slide og en master ved eksponering for UV lys i 2 timer i romtemperatur.
- Etter polymerisasjon, nøye skrelle stempel av master og vaske stempel med etanol og vann og tørk med filtrert nitrogen.
5. Katalytisk Trykking og SEM / AFM Analyse
- Plasser tilsvarende polyuretan-acrylate stempel på toppen av NHS-modifiserte substrat ved romtemperatur i ett minutt uten ytre belastning å holde dem sammen.
- Etter reaksjonen, skille stempel og underlaget.
- Skyll underlaget med etanol, vann og etanol tørk med filtrert nitrogen.
- Skyll stempel med etanol, vann og etanol tørk med filtrert nitrogen.
- Hold frimerker ved romtemperatur før neste program.
- Analyser produsert mønster ved hjelp kontakt modus lateral atomic force microsopy (AFM) og scanning elektron mikroskopi (SEM)
Seks. Protein Mønster og Fluorescent Mikroskopi
- Senk NHS-mønstrede bifunctional substrat i Lysine-N, N-diacetic syre (20 mm) og Et 3 N (100 mm) i DMF: H20 (1:1) ved romtemperatur i 1 time og deretter skylles medvann og etanol.
- Inkuber substrater i en 50 mM NiSO4 løsning for 5 min ved romtemperatur.
- Skyll chelated underlag med store mengder vann og forpliktende buffer (20 mM NAP, 250 mM NaCl, 10mm imidazol, 7,5 pH) og senk i en filtrert GFP løsning (~ 40 μ M) for 1 t ved 0 ° C.
- Skyll den substrater med binding buffer etterfulgt av PBS (pH 7,4).
- Hold underlag hydrert i PBS ved 0 ° C til de var klare for fluorescens mikroskopi analyse.
7. Protein Mønster og Fluorescent Mikroskopi
- Senk NHS-mønstrede bifunctional substrat i Lysine-N, N-diacetic syre (20 mm) og Et 3 N (100 mm) i DMF: H 2 0 (1:1) ved romtemperatur i 1 time og deretter skylles med vann og etanol.
- Inkuber substrater i en 50 mM NISO 4 løsning for 5 min ved romtemperatur.
- Skyll chelated underlag overdrevet wed vann og binding buffer (20 mM NAP, 250 mM NaCl, 10mm imidazol, 7,5 pH) og senk i en filtrert GFP løsning (~ 40 mm) for 1 t ved 0 ° C.
- Skyll den substrater med binding buffer etterfulgt av PBS (pH 7,4).
- Hold underlag hydrert i PBS ved 0 ° C til de var klare for fluorescens mikroskopi analyse.
8. Representant Resultater:
Et eksempel på soft-litografiske katalytisk nano mønster er vist i Figur 7. Tilnærmingen skaper chemoselective mønstre på oksid-free silisium og germanium, som kan orthogonally functionalized med ulike kjemiske og biologiske moieties. Reaksjonen mellom NHS-functioanlized substrat og katalytiske mønstrede stempel fører til hydrolyse av NHS moieties i områder med konforme kontakt, gir en mønstret bifunctional substrat bærende regioner i NHS aktivert og gratis karboksylsyrer. På grunn av den diffusion frie natur av vår metode, oppnår vi oppløsning nær det av fotolitografi. For eksempel viser figur 7 125 nm funksjoner, som var jevnt gjengitt over hele silisium substrat overflaten. Bemerkelsesverdig, kan den katalytiske stempel bli gjenbrukt flere ganger uten å miste effektivitet.
Chemoselective funksjonalisering av mønstrede halvledere med biomolekyler åpner opp muligheten for å integrere tradisjonelle elektroniske materialer med svært selektiv biologiske substrater for applikasjoner i sensing, diagnostiske og analytiske forskningsområder. Et eksempel på slike funksjonalisering er vist i Figur 8, hvor NHS-mønstrede silisium var selektivt functionalized med protein molekyler. Ved å utnytte differensial reactivities av aktivt og gratis karboksylsyrer, må vi først festet Nitrilotriacetic syre-terminert (NTA) heterobifunctional linkere til NHS-functionalized regionene, og deretter brukt den resulterendeNTA-mønstrede overflate som en mal for den selektive festing av Hexa-histidin-merket GFP. Figur 8b viser tydelig differensial fluorescensintensitet mellom GFP-modifisert og hydrolyzed fri karboksylsyre regioner. Størrelsen og formen på replikeres funksjonene er konsistente mellom begge NHS mønstrede overflate (figur 8a) og GFP-modifisert overflate (figur 8b), bekrefter den bemerkelsesverdige stabiliteten av karbon-passivert overflater og selektivitet av stempling tilnærming. Protokollen er ikke begrenset til Hans-merket protein, og kan brukes til mønsteret andre biomolekyler, inkludert DNA og antistoffer.
Figur 1. Generell ordning representerer katalytisk microcontact utskrift
Figur 2. Struktur av bi-lag molecular systemet på Ge og Si. Primær alkyl monolayer former stabil Ge-C eller Si-C obligasjoner med underlaget og gir en kjemisk inert og tett pakket system som beskytter underlaget fra degradering. (B) Sekundært overlayer former stabil CC obligasjoner med primær beskyttende lag og gir terminal funksjonelle grupper
Figur 3. Reaction ordninger representerer dannelsen av primær beskyttende monolayers på Si (A) og Ge (B)
Figur 4. Chemical funksjonalisering av de primære beskyttende monolayer med heterobifunctional carbene donor
Figur 5. REAKSJONSSKJEMA demonstrerer lite molekyl modifikasjoner av NHS-functionalized substrates og tilsvarende XPS spektra
Figur 6. Sammensetning av katalytiske pre-polymer blanding, polymerisasjon forhold, og SEM bilder av mønstrede sulfonic syre-modifisert stempel og tilsvarende PMMA-Si mester
Figur 7.. SEM og AFM friksjon bilder av mønstrede Sams på Si og Ge med et syrlig preg
Figur 8 Soft-litografiske mønster og funksjonalisering av passiverte silisium med organiske og biologiske molekyler a:.. SEM bilde av den mønstrede NHS-endret substrat b:. Fluorescent micrograph av GFP modifisert substrat.
Discussion
Den presenterte protokollen er en form eller inkless microcontact utskrift som kan være universelt brukes på alle underlag stand til å støtte enkle velordnet monolayers. I denne metoden, overfører et stempel-immobilisert katalysator et mønster til en overflate bærer tilsvarende funksjonelle grupper. Fordi prosessen ikke stole på blekk overføring fra stempel til overflaten diffusive oppløsning begrensning av tradisjonelle og reaktiv μCP er obviated, tillater rutinemessig produksjon av nanoskala objekter. Inkorporering av en primær svært bestilt molekylære systemet gir fullstendig beskyttelse av den underliggende halvleder fra oksidering skade. Samtidig støtter metoden immobilisering av voluminøse reaktive grupper ved å benytte en sekundær reaktiv overlayer; sammen systemet oppnår både beskyttelse og funksjonalisering.
Teknikken begynner med dannelsen av stabile karbon-overflate obligasjoner noe som åpner for kjemisk inert Primary monolayer som fungerer som en effektiv barriere for oksid formasjon. Dannelse av en sekundær reaktiv overlayer gir terminal NHS funksjonelle grupper som fungerer som festepunkter for en rekke kjemiske og biologiske moieties. Denne stabile bilayered molekylære systemet er senere mønstret bruke vår katalytisk μCP tilnærming. Tilnærmingen som presenteres i denne studien gir en generell metode for mønster halvleder substrater med et bredt spekter av organiske og biologiske materialer. Evnen til å skape mønster organisk halvleder grensesnitt uten dyre, kompliserte instrumentering byr på mange muligheter i områder som elektronikk, nanoteknologi, biokjemi og biofysikk.
Disclosures
Vi har ingenting å avsløre
Acknowledgments
Vi erkjenner at finansiell støtte fra NSF award 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).
