Summary
Здесь мы опишем простой способ структурирования свободного оксида кремния и германия с реактивными органического монослоя и продемонстрировать функционализации узорной подложках с малых молекул и белков. Подход полностью защищает поверхности от химического окисления, обеспечивает точный контроль над особенность морфологии, а также предоставляет доступ к химическому дискриминации моделей.
Protocol
1А. Первичное формирование монослоя на кремнии
- Вырезать кремниевой пластины в 1 см 2 подложки, пыли и промыть водой и фильтруют этанола.
- Удаление органических загрязнений, погружая кремниевые подложки в стеклянную посуду содержащие Nano полосы при 75 º C. Через 15 минут, смойте каждой подложке с деионизированной, фильтруют воду.
- Место каждого субстрата в 5% раствор HF (Предупреждение: HF является чрезвычайно опасного материала), чтобы удалить родной слой оксида. Через 5 минут сухой оксида свободного кремния с азотом
- Для производства хлорированных подложки, немедленно погрузить каждого оксида свободного кусок кремния в сцинтилляционный флакон с 2 мл насыщенного PCl 5 в хлорбензола. Это решение должно быть отфильтрованы до 0,2 мкм.
- Соберите флакон конденсатора на вершине каждого флакона и поместить их в heatblock набор до 112 ° С в течение одного часа.
- После завершения реакции, не говоря флаконах прохладно и промойте каждый surfaсе с хлорбензола и сухой фильтруется под азотом.
- Для формирования пропенил-подложки завершается, место каждого хлорированной поверхности кремния в давлении флакон, содержащий 4 мл пропенил хлорида магния. Место каждого флакона давление в heatblock при 130 ° С в течение 24 часов.
- Каждую давление флакон из heatblock и дайте остыть.
- Промыть каждую поверхность быстро с DCM и этанола и сухой фильтруется под азотом.
1В. Первичное формирование монослоя на германий
- Вырезать германия пластин в 1cm2 субстратов, пыли и промыть водой и фильтруют этанола.
- Удаление органических загрязнений путем погружения поверхностей в стеклянную посуду содержащие ацетон в течение 20 минут
- Место каждой поверхности в 10% HCl раствор на 15 минут. Этот процесс одновременно удаляет родной слой оксида и chlorinates поверхности. Через 5 минут сухой подложках с азотом.
- Для формирования октил-завершенная подложки, пласе каждого хлорированной поверхности германия в давлении флакон, содержащий 4 мл октил хлористого магния (2 мМ). Место каждого флакона давление в heatblock при 130 ° С в течение 48 часов.
- Каждую давление флакон из heatblock и дайте остыть до комнатной температуры.
- Промыть каждую поверхность быстро с DCM и этанола и сухой фильтруется под азотом.
2. NHS Субстрат Функционализация по кремния и германия
- Подготовка фильтруется 0,1 М NHS-diazirine решение в четыреххлористого углерода. Предупреждение: Держать освещенности до минимума.
- Внесите несколько капель раствора на метил прекращено поверхностей. Разрешить решение распространяться по всей поверхности.
- Место поверхностей под УФ лампой (☐ = 254 нм, 4400/cm2 на 0,74 дюйма). Разрешить поверхности реагировать под УФ-светом в течение 30 минут, затем добавить больше NHS-diazirine на поверхность и пусть реакции продолжить еще в течение 30 минут.
- Промыть NHS изменение сurfaces с DCM и этанола и сухой фильтруется под азотом.
3. Малые молекулы Функционализация
- Реагировать NHS модифицированных субстратов в 20 ммоль трет-бутил карбамоил (Boc-) этилендиамин решение в дихлорметан (DCM) в течение двух часов при комнатной температуре.
- После реакции, промойте Бок модифицированные подложки с DCM и этанола.
- Deprotect подложки Бок изменить с помощью 25% трифторуксусной кислоты (ТФК) в DCM в течение одного часа при комнатной температуре.
- Промыть полученной поверхности с DCM, этанола и 10% (вес / объем) бикарбоната калия в воде и под сухой фильтруется азота.
- Анализ всех поверхностей XPS для определения элементного состава.
4. Кислотные Полиуретановые Акрилат Stamp (PUA) подготовка
- Развести акрилат на 30% с триметилолпропана этоксилат B triacrylate для снижения вязкости. Добавить фотоинициаторы С и D к реакционной смеси (рис.Юр 6).
- Добавить натрия 2-mercaptoethanesulfonate (0,2 г, 1,22 ммоль) в 4N раствор HCl в диоксане (10 мл) и перемешивали при комнатной температуре в течение 2 минут.
- Фильтр от хлорида натрия сначала через фильтр тонкой очистки стекла, а затем через 0,2 μ м ПТФЭ мембраны шприц фильтр, чтобы позволить себе прозрачный раствор из 2-mercaptoethanesulfonic кислоты в диоксане.
- Evaporate диоксана при пониженном давлении
- Реагировать в результате сульфокислоты с 2 мл полиуретан-акриловой prepolymeric смеси при комнатной температуре, а затем в вакууме при температуре 50 ° C. Убедитесь, что вы полностью свободны от смеси осталось воздуха.
- Охладите полученный раствор до комнатной температуры и полимеризуются между двумя стеклянными предметные стекла или предметное стекло и мастер под воздействием ультрафиолетового излучения в течение 2 часов при комнатной температуре.
- После полимеризации, тщательно очистить марку от мастера и вымыть штамп с этанолом и водой и насухо фильтруется nitrogen.
5. Каталитический Печать и SEM / АСМ анализ
- Место соответствующее полиуретан-акриловой штамп на вершину NHS-модифицированный подложке при комнатной температуре в течение одной минуты, без внешней нагрузки, чтобы держать их вместе.
- После реакции отдельной печатью и субстратом.
- Промыть подложка с этанолом, водой и этанолом затем насухо фильтруется азота.
- Промыть штамп с этанолом, водой и этанолом затем высушить с фильтром азота.
- Держите марки при комнатной температуре до следующего применения.
- Анализ производится узора с помощью контактного режима боковой атомного microsopy силы (АСМ) и сканирующей электронной микроскопии (SEM)
6. Структурирование Белок и флуоресцентная микроскопия
- Погрузитесь NHS узором бифункциональных субстрата в лизин-N, N-diacetic кислоты (20 мм) и Et 3 N (100 мм) в ДМФА: H20 (1:1) при комнатной температуре в течение 1 ч и затем промытьводы и этанола.
- Инкубируйте субстратов в 50 мМ NiSO4 решение в течение 5 мин при комнатной температуре.
- Промыть хелатной субстратов чрезмерно водой и связывающем буфере (20 мМ NaP, 250 мМ NaCl, 10 мМ имидазола, рН 7,5) и погрузите в раствор фильтруется GFP (μ ~ 40 М) в течение 1 часа при температуре 0 ° С.
- Немедленно промыть подложках с обязательным последующим буфера PBS (рН 7,4).
- Держите субстратов гидратированных в PBS при 0 ° С, пока они не были готовы к флуоресцентного анализа микроскопии.
7. Структурирование Белок и флуоресцентная микроскопия
- Погрузитесь NHS узором бифункциональных субстрата в лизин-N, N-diacetic кислоты (20 мм) и Et 3 N (100 мм) в ДМФА: H 2 0 (1:1) при комнатной температуре в течение 1 часа, а затем промыть водой и этанола.
- Инкубируйте субстратов в 50 мМ NiSO 4 решение в течение 5 мин при комнатной температуре.
- Промыть хелатной субстратов чрезмерно шго воды и буфера для связывания (20 мМ NaP, 250 мМ NaCl, 10 мМ имидазола, рН 7,5) и погрузите в раствор фильтруется GFP (~ 40 мкм) в течение 1 часа при температуре 0 ° С.
- Немедленно промыть подложках с обязательным последующим буфера PBS (рН 7,4).
- Держите субстратов гидратированных в PBS при 0 ° С, пока они не были готовы к флуоресцентного анализа микроскопии.
8. Представитель Результаты:
Примером мягкой литографических каталитического структурирование нано показано на рисунке 7. Подход создает chemoselective узоры на оксид без кремния и германия, который может быть ортогонально функционализированных разнородных химических и биологических остатков. Реакция между NHS-functioanlized субстрата и каталитическая узорный штамп приводит к гидролизу фрагменты NHS в районах конформного контакта, уступая узорной бифункциональных подложки подшипник регионов NHS активируется и свободных карбоновых кислот. Из-за diffusионных свободной природы нашего метода, мы достигаем разрешение близко к фотолитографии. Например, на рисунке 7 показана 125 нм особенности, которые были равномерно воспроизводить по всей поверхности кремниевой подложки. Примечательно, что каталитический штамп может быть повторно использован несколько раз без потери эффективности.
Chemoselective функционализации узорной полупроводников с биомолекул открывает перспективу интеграции традиционных электронных материалов с высокой избирательностью биологических субстратах для применения в зондирования, диагностических и аналитических областях исследований. Примером такой функционализации показано на рисунке 8, где NHS узором кремния выборочно функционализированных белковых молекул. Воспользовавшись дифференциальной реакционной способности активировать и свободных карбоновых кислот, мы сначала наносится нитрилотриуксусная кислоты прекращается (НТА) гетеробифункциональных линкеров к NHS-функционализированных регионах, а затем использовать полученныйНТА-узорчатой поверхности в качестве шаблона для селективного крепления гекса-гистидина с меткой GFP. Рисунке 8б ясно показывает, дифференциальная интенсивность флуоресценции GFP между модифицированными и гидролизуется свободной карбоновой кислоты регионах. Размер и форма реплицировать функции согласуются между обеими поверхности NHS узорной (рис. 8а) и GFP-модифицированной поверхности (рис. 8, б), что подтверждает замечательную стабильность углерод-пассивируется поверхности и селективность штамповки подход. Протокол не ограничивается его с метками белка, и может быть использована для картины других биомолекул, включая ДНК и антител.
Рисунок 1. Общая схема представляющих каталитического печати микроконтактной
Рисунок 2. Структура би-слоистых мolecular системы на Ge и Si. Первичная монослоя алкил образует устойчивые Ge-C или Si-C связей с подложкой и обеспечивает химически инертны и плотной упаковкой система, которая защищает подстилающей поверхности от деградации. (Б) Вторичный overlayer формы устойчивые связи CC с первичным защитным слоем и обеспечивает функциональный терминал групп
Рисунок 3. Реакция схемы представляющая формирование первичных защитных монослоев на Si () и Ge (В)
Рисунок 4. Химическая функционализации первичных защитных монослоя с гетеробифункциональных доноров карбенового
Рисунок 5. Реакция схема демонстрирует незначительные изменения молекулы NHS-функционализированных субложках и соответствующие спектры XPS
Рисунок 6. Состав каталитического предварительно полимерные смеси, условий полимеризации, и СЭМ изображения узорной сульфокислоты модифицированных печать и соответствующие ПММА-Si мастера
Рисунок 7. РЭМ и АСМ-изображения трения узорчатого ЗРК на Si и Ge с кислой печать
Рисунок 8 Soft-литографических структурирование и функционализации пассивируется кремния с органическими и биологическими молекулами:.. SEM образ узорной NHS-модифицированный субстрат б. Флуоресцентная микрофотография подложки GFP изменен.
Discussion
Представлен протокол формы или бескраскового печати микроконтактной, которые могут быть универсально применяться к любой подложке способна поддерживать простой и упорядоченной монослоев. В этом методе, штамп-иммобилизованных катализаторов переводов шаблон для опорной поверхности соответствующих функциональных групп. Поскольку процесс не зависит от чернил переход от штампа к поверхности диффузионного ограничения разрешение традиционных и реактивной μCP отпадает, что позволяет рутинного производства наноразмерных объектов. Включение первичной высоко упорядоченных молекулярных система обеспечивает полную защиту основного полупроводникового от окисления повреждения. В то же время, поддерживает метод иммобилизации громоздких реактивных групп за счет использования вторичных реактивных overlayer, вместе система обеспечивает как защиту, так и функционализации.
Техники начинается с формирования устойчивых углерод-поверхность облигаций позволяет химически инертный primarу монослоя, который служит эффективным барьером для образования оксидов. Формирование вторичного реактивного overlayer обеспечивает терминал NHS функциональные группы, которые служат точками крепления для различных химических и биологических остатков. Это устойчивое двухслойных молекулярной системы, впоследствии узорной используя наш подход каталитического μCP. Подход, представленный в данном исследовании, предлагает общий метод для подложек структурирование полупроводника с широким спектром органических и биологических материалов. Возможность создавать узорные органических полупроводниковых интерфейсы без дорогостоящих, сложных приборов предлагает многочисленные возможности в таких областях, как электроника, нанотехнологии, биохимия и биофизика.
Disclosures
Нам нечего раскрывать
Acknowledgments
Мы признаем, финансовой поддержке NSF награду 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).
