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.
Presentado por primera vez en 2006, el origami de ADN utiliza la naturaleza auto-ensamblaje de oligonucleótidos de ADN para producir nanoestructuras designable y altamente ordenados. 1 Una miríada de estructuras se han reportado, que van desde caras sonrientes a enganchada cajas de 3 dimensiones. 2 ADN origami se puede funcionalizar con diferentes biomoléculas y nanoestructuras, dando lugar a aplicaciones de investigación en nanoelectrónica, la medicina y la computación cuántica. 3 Sin embargo, el análisis y muchas aplicaciones futuras no dependen sólo de diseño estructural, sino también de la adhesión de las nanoestructuras de origami de ADN a las superficies. Los métodos descritos en este manuscrito se refieren a la preparación de muestras de origami de ADN en dos tipos de sustratos: mica y óxido de silicio funcionalizado.
Mica es el sustrato de elección para estudios de origami de ADN porque es atómicamente plana, con una altura de capa de 0,37 ± 0,02 nm nm. 4 También es EASily limpiado, por lo que la preparación de muestras y la microscopía de fuerza atómica (AFM) Estudios sencillo. Mica moscovita contiene una alta densidad de potasio en cada plano de escisión, pero estos iones se difunden fuera de la superficie de mica cuando en el agua. Para mediar en la unión de origami de ADN al sustrato mica, Mg 2+ se utiliza para invertir la carga negativa de la mica y se unen electrostáticamente el esqueleto de fosfato del ADN al sustrato (Figura 1A). 5 Las mezclas de ADN recocido en presencia de gran excesos de hilos básicos dan una alta cobertura y buenas imágenes en la mica, porque la adhesión de origami de ADN a la superficie 2+ -terminated Mg es mucho más fuerte que la adhesión de oligonucleótidos de cadena sencilla (hebras de primera necesidad). Otros iones cargados positivamente, incluyendo Ni y Co 2+ 2+ se pueden utilizar para controlar la adherencia de ADN en mica. 6,7 Cambio de la concentración de cationes monovalentes y divalentes en solución puede mediar adhetasas de origami de ADN sión y difusión superficial. 8 Sin embargo, el protocolo para la preparación de sustratos de mica y depositar y enjuagar el origami a menudo no se describe explícitamente en los manuscritos publicados. 9 Sin un protocolo claro, resultados reproducibles pueden ser difíciles de obtener.
La mica es un aislante, por lo que no es adecuado como sustrato para algunas aplicaciones en nanoelectrónica. Silicio pasivado con un óxido nativo delgada tiene propiedades electrónicas deseables, incluida la compatibilidad con el procesamiento antes de semiconductor de óxido de metal de cortesía (CMOS) para crear estructuras de entrada / salida y las características topográficas. Las obleas de silicio almacenados en el aire se pasivan ya sea con un óxido térmico de espesor o película delgada de óxido nativo que es relativamente sucio, con un alto número de partículas. El óxido de silicio tiene una densidad de carga superficial mucho más baja que la mica, y la densidad de carga es altamente dependiente de la preparación de óxido y la historia. En las concentraciones de iones de magnesio above 150 mM, buenas coberturas (hasta 4 / m 2) de origami de ADN rectangular se puede lograr sobre sustratos de silicio de plasma tratado de oxígeno; sin embargo, esta concentración y la cobertura pueden cambiar dependiendo del tamaño y el diseño de las nanoestructuras que se utiliza. 10 Un protocolo alternativo para el ajuste de la carga superficial es adjuntar un auto-ensamblado monocapa catiónica de 3-aminopropiltrietoxisilano (APTES) (Figura 1B) a el óxido. La amina primaria en APTES puede estar protonado a valores de pH por debajo de 9, la modificación de la carga y la hidrofobicidad del sustrato. 11 Para una monocapa completa de APTES para ser depositado con éxito, el silicio debe ser limpiado apropiadamente utilizando protocolos (RCA) Radio Corporation of America . Estos protocolos incluyen tratamientos en hidróxido de amonio y soluciones de peróxido de hidrógeno (RCA1) para eliminar los residuos orgánicos y los contaminantes de partículas. Un corto grabado en solución acuosa de ácido fluorhídrico elimina la capa de óxido nativo junto concualesquiera contaminantes iónicos que se adhieren al óxido. Finalmente, las muestras se exponen a una solución de ácido clorhídrico y peróxido de hidrógeno (RCA2) para eliminar el metal y contaminantes iónicos y formar una capa de óxido delgada, uniforme. 12 La mayoría de salas blancas han designado capuchas para protocolos de limpieza CMOS, con reglas estrictas sobre lo que se puede utilizar en estas áreas. Un problema común viene en la forma de iones tales como sodio, que pueden alterar las propiedades electrónicas de estructuras CMOS mediante la creación de trampas midbandgap. 13 Los iones comúnmente utilizado en origami de ADN de preparación y deposición tampones podría contaminar los baños CMOS y causar problemas para otros investigadores utilizando la habitación limpia. Por esta razón, nuestro grupo utiliza un CMOS 'sucias' banco de limpieza dispuestos específicamente para las pequeñas muestras utilizadas para la investigación de origami de ADN. Este proceso es una buena alternativa a la sala blanca tradicional puesta a punto y puede ser adecuado para laboratorios que no tienen acceso a un banco de CMOS de sala limpia.
Hay varios pasos que hay que hacer hincapié para lograr resultados consistentes y ideales. Para las muestras de mica, siguiendo un estricto y enjuague a fondo y secado régimen, como en los pasos 3.3 y 3.4, se asegurará de que las imágenes de alta calidad de origami de ADN individuales pueden alcanzarse mediante AFM sin los diversos problemas descritos en la sección de Resultados Representante. De importancia primaria para muestras de silicio es la limpieza del sustrato. Siguiendo los procedimientos de limpieza desc…
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. |