Introduction
まず、2006年に導入され、DNAの折り紙は、設計可能と高秩序 ナノ構造を生成するためにDNAオリゴヌクレオチドの自己集合の性質を利用しています。1構造の無数の報告されており、スマイリーの範囲は、3次元ボックスをラッチするために直面している。2 DNA折り紙を官能化することができます様々な生体分子やナノ構造で、研究ナノエレクトロニクスへの応用、医学、量子コンピューティングを生じさせる。3しかし、解析、多くの将来のアプリケーションだけでなく、構造設計上だけでなく、表面へのDNA折り紙のナノ構造の接着性に依存しています。マイカ、官能シリコン酸化：この原稿に記載された方法は、基板の2つのタイプの上のDNA折り紙の試料の調製に関連しています。
マイカは、0.02 nmで±0.37 nmでの層の高さで、原子レベルで平坦であるため、DNA折り紙の研究のために選択される基板である。4また、EASですILY試料調製及び原子間力顕微鏡（AFM）研究が単純な作り、清掃。白雲母は、各切断面におけるカリウムの高い密度を含むが、ときに、水中のこれらのイオンは、雲母表面から離れて拡散します。マイカ基板にDNA折り紙の結合を媒介するためにはMg 2+雲母の負の電荷を逆転させ、静電的に基板（ 図1A）のDNAのリン酸骨格に結合するために使用される。アニーリングしたDNAの5混合物を大型の存在下でMg 2+を -末端表面へのDNA折り紙の付着が一本鎖オリゴヌクレオチド（ステープルストランド）の密着性よりもはるかに強力であるため、ステープルストランドの行き過ぎは、雲母に高いカバレッジと良好な画像を与えます。のNi 2+及びCo 2+などの他の正に荷電したイオンは、雲母上のDNAの付着を制御するために用いることができる。6,7のadhEを媒介することができる溶液中の一価および二価陽イオンの濃度を変化させますDNA折り紙のシオンと表面拡散速度。8しかし、折り紙を雲母基板を用意し、堆積し、すすぎのためのプロトコルは、多くの場合、明示的に公表された原稿に記載されていない。9明確なプロトコルがなければ、再現性のある結果を得ることが困難であることができます。
マイカは、絶縁体であるため、ナノエレクトロニクスにおけるいくつかの用途のための基質として適していません。薄い自然酸化物で不動態化シリコンは、入力/出力構造及び地形を作成する前の相補型金属酸化膜半導体（CMOS）プロセスとの適合性などの望ましい電気特性を有します。空気中に格納されたシリコンウェーハは厚い熱酸化膜や高微粒子数と、比較的汚れている薄い自然酸化膜のいずれかで不動態化されています。シリコン酸化物は、雲母よりもはるかに低い表面電荷密度を有し、電荷密度は、酸化物の調製および履歴に大きく依存します。マグネシウムのイオン濃度は、ABO150 mMのは、長方形のDNA折り紙の（4個/μm2まで）の良好な被覆率は、酸素プラズマ処理したシリコン基板上に達成することができまし。しかし、この濃度とカバレッジが使用されているナノ構造のサイズ及び設計に応じて変更することができる。10表面電荷を調整するための別のプロトコルには、3-アミノプロピルトリエトキシシラン（APTES）のカチオン性の自己組織化単分子膜（ 図1B）を取り付けることです酸化物。 APTESで第一級アミンは、基板の電荷および疎水性を変更する、9以下のpH値でプロトン化することができる。うまく堆積するAPTESの完全な単分子層11、シリコンが適切にアメリカのラジオ·コーポレーション（RCA）プロトコルを使用して洗浄されなければなりません。これらのプロトコルは、有機残留物及び粒子汚染物を除去するための水酸化アンモニウム及び過酸化水素溶液（RCA1）での治療を含みます。フッ酸水溶液中の短いエッチングはと一緒に自然酸化膜を除去します酸化物に付着する任意のイオン性汚染物。最後に、サンプルは、金属及びイオン性汚染物を除去し、薄く均一な酸化物層を形成するために塩酸と過酸化水素水溶液（RCA2）にさらされている。12ほとんどのクリーンルームを用いることができるかについての厳格な規則で、CMOS洗浄プロトコルのフードを指定していますこれらの分野で。一般的な問題はmidbandgapトラップを作成することにより、CMOS構造の電気的特性を破壊することができナトリウムなどのイオンの形で付属しています。一般的に、DNA折り紙の準備および堆積バッファに使用される13イオンはCMOS浴を汚染し、使用して他の研究者のための問題を引き起こす可能性クリーンルーム。このような理由から、私たちのグループは、ベンチのクリーニング「汚い」CMOSは、DNA折り紙の研究のために使用される小型のサンプルのために特別に配置された使用しています。このプロセスは、従来のクリーンルームのセットアップに良い代替であり、クリーンルームCMOSベンチへのアクセスを持っていない研究室に適しています。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1.実験計画と材料の準備
- 実験に使用されるDNA折り紙の設計、濃度、および機能を決定します。14〜16をここでは、/ Mg 2+を溶液（40mMのTris塩基、20mMの1×TAEで調製したDNA折り紙の長方形のデザインを使用します酢酸、2mMのEDTAおよび12mMの酢酸マグネシウム、pH8.0）で17
- すべてのチップ、チューブ、および容器をオートクレーブが使用されます。これらの材料は、互換性のあるすべてのオートクレーブでなければなりません。
- すすぎ用滅菌水の供給を準備します。 18MΩのxセンチ水約500mlで無菌の瓶を埋める、ホットプレート上の場所は、オフキャップで5分間沸騰し、ホットプレートのオフ瓶を取り、容器上に配置されただけで締め付けられていない蓋を冷まします。冷蔵庫に保管し、毎月または必要なときに新規供給を準備します。
マイカ基板を用意する2。
- （適切なサイズに基板をカットはさみ1件センチ×1cmの正方形）。マイカは、薄くて脆いです。あるいは、切断を必要としない円盤状でマイカを購入。
- 両面テープを使用して、雲母を切断。マイカは、イオンをインターカレーションにより分離さ鉱物の層で構成された両面テープに貼り付けたときに、それぞれの層が剥離することができる。18
- それはテープにしっかりと接着されているを確認して、まだテープディスペンサーで両面テープでマイカの正方形を配置します。慎重マイカとテープ間のピンセットをスライドさせて、一番上の層を除去し、テープ上に残ることになります。すぐに除去した後、マイカ広場は、そのクリーンな側が下向きになります。コンテナに格納する前に、雲母をひっくり返していることを確認してください。
- ほとんどのトップ層と十分な洗浄の完全な除去を確実にするために、この3〜4回繰り返します。
- あるいは、両面テープの切れ端で、容器やテーブルトップにマイカを接着し、sに二枚を使用にダニと最マイカ層を剥がします。別の方法は、DNAを堆積し、すすぎとによるサポートへの第2の接着に困難なサンプルを乾燥させることができるが、マイカが正しく、どちらの場合にも消去されます。
マイカ3.堆積DNA折り紙
- 簡単に言えば、溶液中のナノ構造の均一な分散を確実にするためにボルテックスミキサーを用いてDNA折り紙のバイアルを混ぜます。
- ピペットピペットチップが基板に接触しないことを確実にマイカ上に溶液4μL、。十分なカバレッジを確保するために、約10分間、マイカ上のDNA折り紙を残します。堆積時間は、所望の被覆率と同様に使用するDNA折り紙の濃度（ 図2及び3）に応じて変化します。
- シンクまたは他の液体の容器の上に100μlの滅菌水を使用して、マイカ基板のオフのDNA折り紙のソリューションを洗い流します。ピンセットを使用して、雲母をピックアップ。に水をピペット基板、ピンセットの先端に向かって落下の流れに。余分な水分を除去するために、鋭い動き下向きにマイカを振ります。水は試料の汚染を回避するために、ピンセットに向かって流れるように直立ピンセットを持ちます。
- 1分間の窒素の定常流（N 2）を用いて基板を乾燥させます。余分な水分が除去されていることを確認します。滅菌水の追加の100μlでリンスを繰り返します。さらに3分間N 2を有する基板を乾燥させます。完全に乾燥した基質は、成功した原子間力顕微鏡（AFM）分析（ 図4）のために必要です。
- 密閉容器にAFMまたはストアを使用して基板を分析します。
4. CMOS /シリコンクリーニングセットアップ
- 注意：CMOSセットアップを使用する場合は、すべての回で個人用保護具を使用します。試薬は、強酸、強塩基、フッ化水素酸（HF）、およびCA強い酸化剤を含みます試薬は適切に処分されていない場合のn廃溶剤と反応します。以下の安全上の注意事項に従ってください。
- 家のない他のプロセスやセットアップと化学フード中CMOSベンチ。
- CMOSベンチを使用した場合、すべての回でニトリル手袋、白衣、安全ゴーグル、大規模な工業ニトリル手袋、スピルエプロン、およびフェースシールドを着用してください。
- 溶液を調製したときの二次格納容器などのプラスチックタブを使用します。
- 濃縮されたHFを処理するためのビーカーを測定する不活性フッ素化ポリマーを使用してください。
- 任意の皮膚の露出のための応急処置として、グルコン酸カルシウム軟膏を使用できるようにします。
- 唯一の適切な訓練を受けた担当者が処理を行うことができます。
- 常にラボの他のメンバーは、緊急の場合に存在することを確認します。
- フードの近くにある全ての化学物質のMSDS情報を保管してください。
- 機関のか、同社の化学物質流出と露光政策に精通していること。
注：HFは容易に皮膚に浸透と暴露が発生した場合、骨や損傷神経に影響を与える、カルシウム捕捉剤です。濃縮フッ酸の数ミリリットルの皮膚暴露は危険でさえ致命的なことができます。露出が発生しないようにするために必要な対策を確立します。
- 独立したホットプレート上の別の250mlのガラスビーカーにRCA1及びRCA2を実行します。各ビーカーには、攪拌棒を含むべきです。攪拌棒が電球に強打しないようにクランプされた温度計を用いて溶液の温度を監視します。蒸発濃縮の影響を軽減するために時計のガラスを使用して、ビーカーをカバーしています。
- RCA1準備
- 測定ビーカーを用いて指定RCA1ビーカーに18MΩのxセンチ50mlの水を置きます。
- ビーカーに濃水酸化アンモニウム15mlの（NH 4 OH）を加えます。水25mlで測定ビーカーをすすぎ、RCA1ビーカーにすすぎ水を追加します。
- ホットプレート上で加熱し、攪拌機の電源を入れ、70℃にRCA1浴をもたらします。 RCA1ビーカーに30％過酸化水素（H 2 O 2）を15mlを加えます。 H 2 O 2を添加された後、1時間以内にRCA1ソリューションを使用してください。過酸化物の15mlを浴にたびに追加される場合、浴は三日の期間内で複数回使用することができます。
- 水で十分に測定ビーカーをすすぎ、適切なRCA1の廃棄ボトルにリンスを捨てます。
- RCA2準備
- 十分にすすぎ測定ビーカーを用いて指定RCA2のビーカーに18MΩのxセンチ水70mlを追加します。
- 濃縮された塩酸（HCl）の15ミリリットルを追加します。 20mlの水で測定ビーカーをすすぎ、RCA2ビーカーに追加します。
- 溶液を70℃に達するまで、ホットプレートの熱と撹拌速度を向上させます。
- 30％H 2 O 2を15mlを加えます。 RCA1浴と同様に、H 2 O 2を添加してから1時間以内に、このソリューションを使用します。さらに、バスH 2 O 2 15mlを各使用の前に追加された場合は三日の期間内に複数回再使用することができます。
- HF溶液の調製
- 不活性のフッ素化ポリマーのビーカーに50mlの水を置きます。
- メジャービーカーを測定するプラスチック中濃フッ酸（49％）の4ミリリットルと不活性フッ素化ポリマーのビーカーに追加します。
- HFビーカーにすすぎ水を加え、50mlの水の合計でビーカーを測定するプラスチックを洗浄します。水で十分に測定ビーカーを洗浄し、指定されたHFの廃棄物容器に洗浄液を廃棄します。
5.シリコン基板の準備とクリーニング
- チップにシリコンウェーハを切断
- シリコンウエハの平坦な研磨面に垂直と平行格子方向を特定します。これらの方向は、切断正方形を容易にするために使用されます。以下の手順は、cleavに関係します<110>のシリコンをると、他の結晶方位に適していないかもしれません。
- 例えば、ナプキンのような柔らかい表面にシリコンウエハ研磨側を上向きにして、配置します。主なフラットエッジに沿ったウエハの底部は、ダイヤモンド先端付きスクライブペンを静かにニックの使用します。ニックの下に、このようなクリップとして、小さなワイヤーを置き、静かにニックのいずれかの側に指やピンセットを置き、押し下げてウエハに圧力を加えます。これを行うと、自然劈開方向の結晶格子線に沿って半分にウェハを分離します。
- 別のナプキンで、鉛筆と定規で、上部とナプキンの底部の両方にドットをマークすることによって、正方形の所望の幅を測定します。直線でこれらのドットを接続します。これがあっても正方形の指針となります。
- ウエハの一方はエッジ最初に測定線との間の線に対してフラッシュナプキンのを半分にして、新たにPIEC垂直壊れステップ5.1.2で繰り返し配置しますESは現在、切断された四角形の幅にする必要があります。ナプキンに水平にウエハを入れます。垂直線の間に配置し、ステップ5.1.2の処理を繰り返します。
- 傷つけないように、DI水で満たされた清浄なバイアルに、新たに切断されたウエハチップを保管してください。シリコンチップは無期限に保存することができますが、実験を開始する前に洗浄する必要があります。
- シリコンのCMOSクリーニング
- RCA1溶液は、適切な温度に達したとき、酸素の気泡がチップとビーカーの壁に形成される。2 "直径の不活性のフッ素化ポリマーのバスケットを使用して溶液中に10 1センチメートルX 1cmのシリコンチップ8個を沈める場合なし泡立ちは、H 2 O 2が劣化する、発生します。一緒に粘着するチップを保つために上下に数分ごとにバスケットを攪拌し、10〜20分間、溶液中のチップを残します。
- シリコンチップを含むバスケットを持ち上げ、よく排水します。 Tの上にバスケットを移動しますと廃棄物のビーカーO 18MΩのxセンチ水で十分に洗い流してください。洗浄ビーカーに浸し、軽く引くとアップダウンの20秒間。バスケットを排出し、廃棄物のビーカーに水で十分に洗い流してください。指定RCA1の廃液ボトルに廃棄物のビーカーを空にし、水で補充します。
- RCA1洗浄が完了した後、10〜20秒1:50 HFビーカーにバスケットを置きます。チップとHFを混合し、穏やかに上下運動を使用してください。 HFは完全に離れて排出させるためにダンクバケツを持ち上げます。
注：チップ表面は、疎水性であるべきです。水がチップを濡らし、その代わりに、高い接触角を有する液滴を形成しません。これは、酸化ケイ素がエッチング除去され、チップは、現在のSi-H結合によって終端されていることを示します。 - 洗浄ビーカーを置き、プラスチック製の浴槽でビーカーをすすぎ、すすぎビーカーの上にバスケットを移動し、18MΩのx cmの水で洗い流してください。洗濯ビーカーにバスケットを水没し、20秒間攪拌します。
- 第2のドレインとrinsを完了18MΩのxセンチ水と電子サイクル。すすぎビーカーに洗浄水をダンプし、水で洗浄ビーカーを補充します。指定されたプラスチック製のHF廃液ボトルの中に、すべての廃棄物を注ぎます。
- RCA2溶液は、適切な温度に達したときに、バスケットを使用して溶液中のシリコンチップを浸します。 10〜20分間、溶液中に残します。チップは現在、原因薄い（1-2 nm）の酸化膜の成長に親水性となります。
- 適切な時間後に削除し、RCA1と同様のすすぎの手順に従ってください。適切なRCA2の廃棄物容器に廃棄物を処分します。プラスチックピンセットでバスケットから各チップを取り除くには、水ですすぎ、窒素でブロー乾燥。
- プラスチックウェハボックスまたは18MΩのxセンチメートルの水のバイアルに保管チップ。洗浄後約3日間水に保存した場合、シリコンはきれい残ります。作業領域が適切にクリーンアップされ、CMOSの手袋の外側を洗浄されていることを確認します。 CMを残します乾燥するフードでOSの手袋。
6. APTES官能シリコン上のDNA折り紙の堆積
- シリコン上に自己組織化単分子膜の形成
- 開口部の前に室温に温まるAPTES。ボトルは寒すぎる場合は、結露が保存中にAPTESの加水分解を引き起こし、発生することがあります。 18MΩのxセンチメートルの水の1,980μLと混合するクリーンシンチレーションバイアルおよび渦にAPTESの20μlを添加します。すぐにこのソリューションを使用してください。
- シンチレーションバイアルで洗浄されたシリコンチップの反射側を上向きにして置き、それをキャップし、20分間放置します。ピンセットを使用してチップを取り外し、水200μLとN 2流で1分間乾燥してすすいでください。
- APTES官能シリコン上のDNA折り紙を堆積
注：官能シリコン上のDNA折り紙を堆積するための手順は、雲母上に堆積させるためのものと同様です。- 簡単に説明すると、溶液のDNA折り紙バイアルピペット4μLを混ぜますシリコン基板上に。必要に応じて、官能シリコンはマイカ基板よりも疎水性であるように、基板全体をカバーするために使用されるDNA折り紙溶液の体積を増加させます。ダウン堆積溶液を押して、長い堆積中の蒸発を防ぐために、カバーガラスを使用してください。
- 解決策は（表面被覆率の時間と濃度の影響を図2と図3を参照）を使用濃度およびカバレッジ希望のために必要な時間の量放置。滅菌18MΩのxセンチ水100μlで基板を洗浄し、1分間N 2で乾燥させます。
- 滅菌水の追加の100μlでリンス繰り返して、N 2で3分間基板を乾燥させます。
- さらに実験やイメージングを行うことができるようになるまでクリーン容器にサンプルを保管してください。サンプルは、どのようにムーに応じてストレージの約1〜2週間後に、微粒子の蓄積を示し始めますCHそれらが処理されます。
DNA折り紙試料の7 AFMイメージングと画像解析
- 画像化目的のために空気中のタッピングモードでAFMを使用してください。モードをタップすると、最小限の力がコンタクトモードと比較して、脆弱なナノ構造体に適用されることを保証します。
注：イメージングパラメータは、機器に依存することになります。提示されたすべての画像は、マルチモードナノスコープIIIa族を使用して捕捉しました。 - 非接触/金反射コーティングと、空気中のタッピングモードAFMのためのプローブ、〜300 kHzでの共振周波数（公称）を選択し、40 N / mでの定数を強制し、先端半径<10 nmの。
- プロセスとナノスコープ解析ソフトウェアを使用してAFM画像を分析します。 ImageJのを使用してカバレッジ計算を実行します。19
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
二つの変数は、基板上のDNA折り紙の適用範囲を決定する：溶液濃度と露光時間。吸着マイカ上のDNA折り紙の特性および官能シリコン酸化APTESは、以前に報告されている。13を堆積溶液と雲母の最終被覆量でDNA折り紙の濃度との関係は、増加する濃度の結果を示し、 表1および図2に要約されています増加した報道で。結合の時間依存性を図3に見られる。表面被覆以前雲母、変性酸化シリコン表面上にDNA折り紙の結合挙動を定量化するために研究しました。 1×TAE緩衝液中の12mMのマグネシウム中のDNA折り紙は、表面に30分の吸収時間後に雲母の83.3パーセント±3.1％をカバーしています。 APTESのSAMで修飾された酸化シリコンの最大カバレッジは、雲母上の最大被覆率よりも小さい60分、後に観察されます。 A高い表面被覆率は、酸化ケイ素官能APTESに必要とされる場合、より長い堆積時間が必要です。
貧しいサンプル調製を引き起こす可能性がありますいくつかの変数があります。最も厄介が不十分すすぎと乾燥です。緩衝液が適切にすすがれていない場合、大きな凝集体は、基板（ 図4A）上に形成されます。 「DNA折り紙アイランドは'（ 図4B）ナノ構造が表面にマグネシウム塩のパッチに付着した場合に観察されています。最後に、高被覆サンプルに、それが困難なAFMを用いたナノ構造体を区別することができ、個々のDNA折り紙（ 図4C）との間のブリッジ過剰な緩衝液成分を有することが可能です。これらの結果は、マイカとシリコン基板の両方のために完全に洗浄し、乾燥プロトコルに従うことによって回避することができます。
酸化ケイ素基板上APTESフィルムの形成は、同様の問題を引き起こすことができます。シリコンウェハが持っています除去されなければならない粗い酸化シリコン層と、それを官能化することができる前に改質滑らかに、薄い酸化シリコン層。適切に洗浄されたシリコン基板を、 図5Aに示されています。シリコンウエハーの洗浄時に、これは、2つのチップを試薬（ 図5B）への曝露をブロックする、相互に詰まるすることが可能であるように、シリコンチップの数が高すぎないことを確認することが重要です。洗浄されたシリコンが複数週間18MΩXセンチ水に格納されている場合には、汚染物質層を改革し、recleaningが必要です。 APTES供給も試料調製に問題を引き起こす可能性があります。 APTES単分子層を容易に形成するための基礎である、加水分解によって重合する。20この重合の程度はAPTESが曝される水の濃度に依存します。時間をかけて繰り返し使用することにより、水がAPTESボトル内部に凝縮し、汚染することが可能です供給。得られた重合は、基板（ 図5C）に準拠して大きな凝集体を生成します。増加した粗さおよび凝集体の存在は、困難なAFMを用いたDNAナノ構造を同定することができます。それは冷蔵庫にビニール袋にAPTESボトルを保管し、APTESは結露を避けるために開く前に室温に暖かいボトル聞かせすることをお勧めします。
図1（A）及びマイカ（B）上のDNA折り紙比較するための模式的な結合機構（縮尺通りではない）官能化酸化ケイ素をAPTES。マイカとの結合は、二価カチオン、通常のMg 2+の存在によって媒介されます。プロトン化アミンの単層は、3-アミノプロピルトリエトキシシランは、シリコン酸化物基板上の接着を促進するために使用されて終了しました。
<IMGのALT = "図2" SRC = "/ファイル/ ftp_upload / 52972 / 52972fig2highres.jpg"幅= "700" />
図2. AFM像（A）は2 nMの、（B）4 nMであり、雲母上の（C）6 nMの。すべての画像のための高さスケールは5 nmでの10分間の堆積の後に変数のカバレッジを示します 。
図1×TAE緩衝液中の2 nmのDNA折り紙のための表面被覆率で3動向、12mMのMg 2+を 。MICA =紫色のラインと円マーカー、APTESは=黄色の線と三角形のマーカー。 N =標準誤差の決意で3。
図4.悪いすすぎと乾燥が上のナノ構造の（A）基板上に解凝集、（B）のDNA折り紙の島、および（C）の架橋を引き起こす可能性があります過剰な緩衝塩の存在下で高被覆サンプルで全画像の高さスケールは5 nmです。
図5（A）クリーンシリコンは1平方ミクロン以上の0.5オングストローム未満のRMS粗さを持っている必要があります。完全なAPTES SAMは、（B）。1平方ミクロン以上の1 AよりRMS粗少なく持っている必要があり、良好な自然酸化物上に堆積された1平方ミクロン以上の2.29 nmでのRMS粗さと不完全洗浄したシリコン酸化物上に形成された膜をAPTES。 。APTES膜のギャップと粗さに注意してください（C）は、凝縮された廃棄物で汚染APTESのサンプルから形成された表面をAPTES; APTESボトル中での加水分解は、大きな粒子を形成しています。すべての画像のための高さスケールは5nmです。
varyinでマイカ基板の表1パーセントカバレッジ測定G DNA折り紙の溶液濃度。すべての堆積時間は10分です。
| DNA折り紙ソリューション | マイカ基板上％のカバレッジ |
| 2 nMで | 8.49±2.67（N = 5） |
| 4 nMで | 55.89±5.65（N = 3） |
| 6 nMで | 77.44±1.89（N = 4） |
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
一貫して理想的な結果を達成するために強調される必要があるいくつかのステップがあります。マイカサンプルについては、厳格かつ徹底的なすすぎ以下と政権を乾燥させる、ステップ3.3および3.4のように、個々のDNA折り紙の高品質の画像が代表的な結果のセクションで説明し、様々な問題もなく、AFMを用いて達成することができるようになります。シリコン試料のための主要な重要性の基板の清浄度です。徹底的に細心の注意を払って、ステップ5.2において概説クリーニング手順に続いて適切に洗浄されたシリコン酸化物表面が達成されることを保証します。また、品質や、過酸化水素、フッ化水素酸、およびAPTESなどの化学物質の有効性をモニタリング、手続きがスムーズに実行されることを確認します。
記載された技術は、APTESの水溶液のみに限定されるものではありません。 APTESとtrimethylaminopropyltrimethoxysilylクロリド（TMAC）の混合単分子膜は、私たちすることができますチューニングするEDシリコン表面電荷と変数のDNA折り紙の接着を促進する。11は、TMACは、永久的に帯電した端子の第四級アミンが含まれている-N（CH 3）3 +、APTESのpH依存性の電荷と比較しました。溶液環境はプロトン化状態やTMAC缶曲の溶液濃度の混合単分子膜の表面電荷を変化させるTMACを担当し、影響し、基板とDNA折り紙の間の相互作用に影響を与えることはありませんので。最適な結合DNA折り紙40％TMAC濃度100％を含むのSAMに対応する2nmの 0.75〜1.5電荷/の表面電荷を有する単層のために観察されました。この最適表面電荷はAPTESのSAM上で約110折り紙/μm2でとTMACのSAMの120折り紙/μm2でのDNA折り紙のカバレッジを促しました。
シリコンの一つの利点は、リソグラフィパターニングプロセスとの互換性です。高マグネシウム濃度は、シリコンのDNA折り紙の選択的結合を促進するためにプラズマ処理されたシリコン酸化物と共に使用することができます。堆積溶液から試料を除去する際に注意が離れてマグネシウムイオンをすすぎ、そしてDNA折り紙を変形しないように注意する必要があります。21,22 APTES処理形態は、共有結合の酸化シリコン表面に陽イオンを付着し、その緩衝液または水での洗浄またはすすぎを行います添付のDNA折り紙を損傷しません。 「分子リフトオフ」方法は、シリコン基板をパターニングし、DNA折り紙の接着を促進するための別の可能な経路です。シリコン基板は、電子ビームリソグラフィを用いてパターニングし、APTESは、露出した基板上に堆積されます。フォトレジストのリフトオフ後、DNA折り紙を優先APTESに結合する、パターン化表面上に堆積させることができる。23
基板とDNA折り紙の相互作用は、研究およびアプリケーションの新たな道を開く、その安定性を変化させます。 DNAのorigam私は雲母に付着したナノ構造の寸法と最小の化学変化の可視そのまま150℃に加熱することができる。24。これは、ナノ構造は、70℃以上の脱ハイブリダイズ完了している溶液中のDNA折り紙の脆弱、とは全く対照的である。25、 26この安定性は、加熱された酸化シリコン基板上に保持される。27でも、例えばヘキサン、トルエン、およびエタノールのような多様な溶媒系において、ナノ構造体の形状及びカバレッジが維持されています。 DNA折り紙の驚くべき安定性は、プラズマ強化蒸着、一般的なフォトレジストおよび溶媒の使用、及びユニークな化学的堆積環境、先に互換性がないと考えられていたアプリケーションは、DNA折り紙と組み合わせて使用することができることを示しています。しかし、DNAの折り紙は、その機能を維持するかどうかはまだ不明であり、可能な用途を制限することができます。
高温でのDNA折り紙の安定性が、sおよび溶媒系の限られた数が決定されている中で、基板上のDNA折り紙の長期安定性は依然として不明です。滅菌技術の使用は、可能な汚染を回避する必要があるが、これは表面の堆積後回避することができません。イメージングと試料分析は、試料調製後ほぼすぐに完了する必要があります。サンプルは、粒子状の蓄積と壊れたDNAナノ構造体を含む、サンプルの劣化の様々な例がしばしば特定される（週より大きい）が長すぎるために格納されている場合。ナノエレクトロニクス、バイオセンシング、および他の基板ベースのDNA折り紙用途における可能性の研究の道は、DNAの時間依存性の不安定化によって制限され得ます。長期間にわたって安定性を必要とする用途のためにこれらの技術の限界を識別することは、さらなる調査が必要です。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Eppendorf epT.I.P.S. Reloads, capacity 2-200 μl | VWR International, LLC | 22491733 | 10 reload tray of 96 tips |
| Microcentrifuge Tubes, Polypropylene | VWR International, LLC | 87003-290 | 0.65 ml, natural |
| Research Plus Pippete - Single Channel - 20-200 μl | A. Daigger & Company, Inc. | EF8960F-3120000054 EACH | Adjustable Volume |
| Research Plus Pippete - Single Channel - 2-20 μl | A. Daigger & Company, Inc. | EF8960D-3120000038 EACH | Adjustable Volume |
| Scotch 237 Permanent Double-Sided Tape | Office Depot, Inc. | 602710 | 3/4" x 300", Pack of 2 |
| Vortex Mixer | Thermo Scientific | M37610-33Q | |
| Wafer container single, 2" (50 mm), 60 mm x 11 mm | Electron Microscopy Sciences | 64917-2 | 6 per pack |
| 6" Wafer, P-type, <100> orientation, w/ primary flat | Nova Electronic Materials, Ltd. | GC49266 | |
| Powder-Free Nitrile Examination Gloves | VWR International, LLC | 82062-428 | Catalog number is for size large |
| High Accuracy Noncontact probes with Au reflective coating | K-Tek Nanotechnology, Inc. | HA_NC/15 | |
| Autoclave Pan | A. Daigger & Company, Inc. | NAL692-5000 EF25341C | |
| Sol-Vex II Aggressive Gloves, Size: 9-9.5; 15 mil, 13 inch - 1 dz | Spectrum Chemical Mfg. Corp. | 106-15055 | Before use, rinse with water and scrub together until no bubbles form on the gloves. |
| Tweezers PTFE 200 mm Square | Dynalon Corp. | 316504-0002 | |
| Muscovite Mica Sheets V-5 Quality | Electron Microscopy Sciences | 71850-01 | 10 per pack |
| Mica Disc, 10 mm | Ted Pella, Inc | 50 | Mica discs are optional |
| Scriber Diamon Pen for Glassware | VWR International, LLC | 52865-005 | |
| Scintillation Vials, Borosilicate Glass, with Screw Cap - 20 ml | VWR International, LLC | 66022-060 | Case of 500, with attached polypropylene cap and pulp foil liner |
| 4 x 5 Inch Top PC-200 Hot Plate, 120 V/60 Hz | Dot Scientific, Inc. | 6759-200 | |
| Straight-Sided Glass Jars, Wide Mouth | VWR International, LLC | 89043-554 | Case of 254, caps with pulp/vinyl liner attached |
| Standar-Grade Glass Beaker, 250 ml Capacity | VWR International, LLC | 173506 | |
| Beakers, PTFE | VWR International, LLC | 89026-022 | For use with HF |
| Shallow form watch glass, 3" | VWR International, LLC | 66112-107 | Case of 12 |
| Plastic Storage Container | VWR International, LLC | 470195-354 | For secondary container |
| General-Purpose Liquid-In-Glass Thermometers | VWR International, LLC | 89095-564 | |
| High precision and ultra fine tweezers | Electron Microscopy Sciences | 78310-0 | |
| Polycarbonate Faceshield | Fisher Scientific, Inc. | 18-999-4542 | |
| Neoprene Apron | Fisher Scientific, Inc. | 19-810-609 | |
| Calcium Gluconate, Calgonate | W.W Grainger, Inc. | 13W861 | Tube, 25 g |
| Hydrogen Peroxide 30% CR ACS 500 ml | Fisher Scientific, Inc. | H325 500 | HARMFUL, TOXIC |
| 3-Aminopropyltriethoxysilane | Gelest Inc. | SIA0610.0-25GM | Let warm to room temperature before use. |
| Ammonium hydroxide, 2.5 L | Fisher Scientific, Inc. | A669-212 | HARMFUL, TOXIC |
| Hydrochloric acid | Fisher Scientific, Inc. | A144-212 | HARMFUL, TOXIC |
| Hydrofluoric acid | Fisher Scientific, Inc. | A147-1LB | HARMFUL, TOXIC |
| MultiMode Nanoscope IIIa | Veeco Instruments, Inc. | Any AFM capable of tapping mode is suitable for analysis | |
| Dunk basket | Made in lab | Made in lab | The dunk basket was made using the bottom of a PTFE bottle with holes drilled in, PTFE handle, and all PTFE screws. |
References
- Rothemund, P. W. K. Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns. Nature. 440, 297-302 (2006).
- Anderson, E. S., et al. Self-assembly of a nanoscale DNA box with a controllable lid. Nature. 459, 73-77 (2009).
- Wang, Z., Ding, B. Engineering DNA Self-Assemblies as Templates for Functional Nanostructures. Acc. Chem. Res. 47, 1654-1662 (2014).
- Xu, K., et al. Graphene Visualizes the First Water Adlayers on Mica at Ambient Conditions. Science. 329, 1188-1191 (2010).
- Bustamante, C., et al. Circular DNA-molecules imaged in air by scanning force microscopy. Biochemistry. 31, 22-26 (1992).
- Hsueh, C., et al. Localized Nanoscopic Surface Measurements of Nickel-Modified Mica for Single-Molecule DNA Sequence Sampling. ACS Appl Mater. Interfaces. 2, 3249-3256 (2010).
- Pastre, D., et al. Anionic polyelectrolyte adsorption on mica mediated by multivalent cations: A solution to DNA imaging by atomic force microscopy under high ionic strengths. Langmuir. 22, 6651-6660 (2006).
- Woo, S., et al. Self-assembly of two-dimensional DNA origami lattices using cation-controlled surface diffusion. Nature Communications. 5, 4889 (2014).
- Vesenka, J., et al. Substrate preparation for reliable imaging of DNA molecules with the scanning force microscope. Ultramicroscopy. 42-44, 1243-1249 (1992).
- Adsorption studies of DNA origami on silicon dioxide. Albrechts, B., et al. 21st Micromechanics and Micro Systems Europe Workshop 2010, , (2010).
- Sarveswaran, K., et al. Adhesion of DNA Nanostructures and DNA Origami to lithographically patterned self-assembled monolayers in Si[100]. Proc. of SPIE-Soc. Opt. Eng. 7637, 76370M-1 (2010).
- Kern, W., Puotien, D. A. Cleaning solutions based on hydrogen peroxide for use in silicon semiconductor technology. RCA Rev. 31, 187-206 (1970).
- Pillers, M., Goss, V., Lieberman, M. Electron-Beam Lithography and Molecular Liftoff for Directed Attachment of DNA Nanostructures on Silicon: Top-down Meets Bottom-up. Acc. Chem. Res. 47, 1759-1767 (2014).
- Saccá, B., Niemery, C. M. DNA Origami: The Art of Folding DNA. Angew. Chem. Int. Ed. 51, 58-66 (2012).
- Douglas, S. M., et al. Rapid prototyping of 3D DNA-origami shapes with caDNAno. Nucleic Acids Res. 37, 5001-5006 (2009).
- Ben-Ishay, E., et al. Designing a Bio-responsive Robot from DNA. Origami. J. Vis. Exp. (77), e50268 (2013).
- Woo, S., et al. Programmable molecular recognition based on the geometry of DNA nanostructures. Nature Chemistry. 3, 620-627 (2011).
- Schlegel, M. L., et al. Cation sorption on the muscovite (001) surface in chloride solutions using high-resolution X-ray reflectivity. Geochim. Cosmochim. Acta. 70, 3549-3565 (2006).
- Rasband, W. S., Howarter, J. A., et al. National Institutes of Health. Langmuir. 22, Bethesda, Maryland, USA. 11142-11147 (2006).
- Kershner, R. J., et al. Placement and orientation of individual DNA shapes on lithographically patterned surfaces. Nature Nanotechnology. 4, 557-561 (2009).
- Hung, A. M., et al. Large-area spatially ordered arrays of gold nanoparticles directed by lithographically confined DNA origami. Nature Nanotechnology. 5, 121-126 (2010).
- Sarveswaran, K., et al. et al.Adhesion of DNA nanostructure and DNA origami to lithographically patterned self-assembled monolayers on Si[100. Proc. SPIE-Int. Soc. Opt. Eng. 7637, 76370M (2010).
- Pillers, M. A., Lieberman, M. Thermal stability of DNA origami on mica. J. Vac. Sci. Technol. B. 32, 040602 (2014).
- Song, J., et al. Direct Visualization of Transient Thermal Response of a DNA. Origami. J. Am. Chem. Soc. 134, 9844 (2012).
- Wei, X., et al. Mapping the thermal behavior of DNA origami nanostructures. J. Am. Chem. Soc. 135 (16), 6165-6176 (2013).
- Hyojeong Kim,, et al. Stability of DNA Origami Nanostructures under Diverse Chemical Environments. Chem. Mater. 26, 5265-5273 (2014).
