Reproducible cleaning processes for substrates used in DNA origami research are described, including bench-top RCA cleaning and derivatization of silicon oxide. Protocols for surface preparation, DNA origami deposition, drying parameters, and simple experimental set-ups are illustrated.
The designed nature and controlled, one-pot synthesis of DNA origami provides exciting opportunities in many fields, particularly nanoelectronics. Many of these applications require interaction with and adhesion of DNA nanostructures to a substrate. Due to its atomically flat and easily cleaned nature, mica has been the substrate of choice for DNA origami experiments. However, the practical applications of mica are relatively limited compared to those of semiconductor substrates. For this reason, a straightforward, stable, and repeatable process for DNA origami adhesion on derivatized silicon oxide is presented here. To promote the adhesion of DNA nanostructures to silicon oxide surface, a self-assembled monolayer of 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) is deposited from an aqueous solution that is compatible with many photoresists. The substrate must be cleaned of all organic and metal contaminants using Radio Corporation of America (RCA) cleaning processes and the native oxide layer must be etched to ensure a flat, functionalizable surface. Cleanrooms are equipped with facilities for silicon cleaning, however many components of DNA origami buffers and solutions are often not allowed in them due to contamination concerns. This manuscript describes the set-up and protocol for in-lab, small-scale silicon cleaning for researchers who do not have access to a cleanroom or would like to incorporate processes that could cause contamination of a cleanroom CMOS clean bench. Additionally, variables for regulating coverage are discussed and how to recognize and avoid common sample preparation problems is described.
Introdotto nel 2006, origami di DNA utilizza la natura auto-assemblaggio di oligonucleotidi di DNA per la produzione di nanostrutture progettabili e molto ordinate. 1 Una miriade di strutture sono stati segnalati, che vanno da smiley volti agganciato scatole in 3 dimensioni. 2 origami di DNA può essere funzionalizzato con varie biomolecole e nanostrutture, dando luogo ad applicazioni di ricerca in nanoelettronica, medicina e informatica quantistica. 3 Tuttavia, l'analisi e molte applicazioni future non dipendono solo sulla progettazione strutturale, ma anche l'adesione delle nanostrutture origami DNA alle superfici. I metodi descritti in questo manoscritto riguardano la preparazione dei campioni di DNA origami su due tipi di substrati: mica e ossido di silicio funzionalizzato.
Mica è il substrato di scelta per studi origami DNA perché è atomicamente piatta, con un'altezza strato di 0,37 nm ± 0,02 nm. 4 È anche easily puliti, rendendo la preparazione del campione e microscopia a forza atomica (AFM) studi semplice. Mica muscovite contiene un'alta densità di potassio in ciascun piano di clivaggio, ma questi ioni diffusa dalla superficie mica quando in acqua. Per mediare il legame di Origami DNA al substrato di mica, Mg 2+ è utilizzato per invertire la carica negativa della mica ed elettrostaticamente impegnare la spina dorsale fosfato DNA al substrato (Figura 1A). 5 Miscugli di DNA ricotto in presenza di grandi eccessi di filamenti sintetiche conferiscono elevata copertura e buone immagini sul mica perché l'adesione di origami di DNA alla 2+ superficie -terminated Mg è molto più forte l'adesione di oligonucleotidi a singolo filamento (fili fiocco). Altri ioni positivi, compresi Ni 2+ e Co 2+ possono essere utilizzati per controllare l'adesione di DNA su mica. 6,7 Modifica della concentrazione di cationi monovalenti e divalenti in soluzione può mediare Adhesione e diffusione superficie tassi di origami di DNA. 8 Tuttavia, il protocollo per la preparazione di sottofondi mica e depositando e risciacquare l'origami è spesso non esplicitamente descritta nei manoscritti pubblicati. 9 Senza un protocollo chiaro, risultati riproducibili possono essere difficili da ottenere.
Mica è un isolante, quindi non è adatto come substrato per alcune applicazioni in nanoelettronica. Silicon passivata con un ossido sottile nativo ha desiderabili proprietà elettroniche, compresa la compatibilità con trasformazione preliminare gratuito semiconduttore metallo-ossido (CMOS) per creare strutture di ingresso / uscita e le caratteristiche topografiche. Wafer di silicio memorizzati in aria sono passivate sia con un ossido termico spesso o sottile pellicola di ossido nativo che è relativamente sporca, con un elevato numero di particelle. Ossido di silicio ha una densità di carica superficiale molto più basso di mica, e la densità di carica dipende altamente preparazione di ossido e la storia. Alle concentrazioni di ioni magnesio above 150 mm, buone coperture (fino a 4 / micron 2) di forma rettangolare origami di DNA può essere realizzato su di ossigeno plasma trattato substrati di silicio; tuttavia, questa concentrazione e la copertura possono variare a seconda delle dimensioni e disegno delle nanostrutture utilizzati. 10 Un protocollo alternativo per accordare la carica superficiale è quello di collegare un cationico monostrato auto-assemblato di 3-amminopropiltrietossisilano (APTES) (Figura 1B) per l'ossido. L'ammina primaria APTES può essere protonata a valori di pH inferiori a 9, modificando la carica e idrofobicità del substrato. 11 Per un monostrato completo di APTES da depositare con successo, il silicio deve essere opportunamente pulito usando Radio Corporation of America (RCA) protocolli . Questi protocolli includono trattamenti in idrossido di ammonio e soluzioni di perossido di idrogeno (RCA1) per rimuovere i residui organici e contaminanti particellari. Una breve etch in soluzione acquosa di acido fluoridrico rimuove lo strato di ossido nativo insiemeeventuali contaminanti ionici che aderiscono al ossido. Infine, i campioni sono esposti ad una soluzione di acido cloridrico e acqua ossigenata (RCA2) per rimuovere metallo e contaminanti ionici e formare un sottile strato di ossido uniforme. 12 La maggior parte delle camere bianche hanno designato cappe per protocolli di pulizia CMOS, con regole severe su ciò che può essere usato in queste aree. Un problema comune si presenta sotto forma di ioni come il sodio, che possono disturbare le proprietà elettroniche di strutture CMOS con la creazione di trappole midbandgap. 13 ioni comunemente usato in origami di DNA di preparazione e di deposizione buffer potrebbero contaminare i bagni CMOS e causare problemi per altri ricercatori che utilizzano la camera pulita. Per questo motivo, il nostro gruppo utilizza un 'sporche "CMOS panchina di pulizia predisposto appositamente per i piccoli campioni utilizzati per la ricerca origami di DNA. Questo processo è una buona alternativa per la camera bianca tradizionale set-up e può essere adatto per i laboratori che non hanno accesso a una panchina CMOS camera bianca.
Ci sono diversi passaggi che devono essere sottolineata per ottenere risultati coerenti e ideali. Per i campioni di mica, a seguito di un rigoroso e accurato risciacquo e asciugatura regime, come nelle fasi 3.3 e 3.4, farà in modo che le immagini di alta qualità di origami di DNA dell'individuo possono essere raggiunti utilizzando AFM senza i vari problemi descritti nella sezione risultati rappresentativi. Di importanza primaria per i campioni di silicio è la pulizia del substrato. Seguendo le procedure di pulizi…
The authors have nothing to disclose.
The authors thank Dr. Gary Bernstein for use of the AFM.
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. | n/a | 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. |