यहाँ, हम मार्गदर्शक टेम्पलेट के रूप में डीएनए origami आकार का उपयोग कर substrates पर असतत और सटीक अकार्बनिक नैनोस्ट्रक्चर बनाने के लिए एक प्रोटोकॉल का वर्णन. विधि एक पारदर्शी सब्सट्रेट (sapphire) पर प्लाज्मोनिक सोने bowti के आकार का एंटेना बनाने के द्वारा प्रदर्शन किया है।
संरचनात्मक डीएनए नैनोप्रौद्योगिकी निर्माण सामग्री के रूप में डीएनए का उपयोग कर नीचे से निर्माण के लिए एक व्यवहार्य मार्ग प्रदान करता है। सबसे आम डीएनए नैनोफेब्रिकेशन तकनीक को डीएनए origami कहा जाता है, और यह नैनोमीटर स्तर परिशुद्धता के साथ सटीक और अत्यधिक बहुमुखी संरचनाओं के उच्च थ्रूपुट संश्लेषण की अनुमति देता है। यहाँ, यह दिखाया गया है कि कैसे डीएनए origami के स्थानिक जानकारी पारंपरिक रूप से इस्तेमाल किया ऊपर से नीचे लिथोग्राफी दृष्टिकोण के साथ नीचे अप डीएनए origami के संयोजन के द्वारा धातु नैनोस्ट्रक्चर को स्थानांतरित किया जा सकता है. यह चयनित substrates पर एक कदम में छोटे नैनोस्ट्रक्चर के अरबों के निर्माण की अनुमति देता है. सिलिकॉन नाइट्राइड या नीलम substrates पर धातु bowti के आकार एंटीना संरचनाओं बनाने के लिए bowti डीएनए origami का उपयोग कर विधि का प्रदर्शन किया है। विधि origami जमाव सब्सट्रेट के शीर्ष पर एक सिलिकॉन ऑक्साइड परत के चयनात्मक विकास पर निर्भर करता है, इस प्रकार लिथोग्राफिक चरणों का पालन करने के लिए एक पैटर्न मुखौटा में जिसके परिणामस्वरूप. इन नैनोस्ट्रक्चर से सुसज्जित सतहों को आणविक सेंसर (जैसे, सतह-एन्हांस्ड रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी (एसईआर) के रूप में और छोटी सुविधा आकार (उप-10 एनएम) के कारण दृश्य तरंगदैर्ध्य रेंज में विभिन्न अन्य ऑप्टिकल अनुप्रयोगों में आगे इस्तेमाल किया जा सकता है। तकनीक methodological संशोधनों के माध्यम से अन्य सामग्री के लिए बढ़ाया जा सकता है; इसलिए, परिणामस्वरूप ऑप्टिकली सक्रिय सतहों metamaterials और metasurfaces के विकास में उपयोग मिल सकता है.
स्ट्रक्चरल डीएनए नैनोटेक्नोलॉजी हाल के दशक1,2के दौरान तेजी से विकसित हुई है और इस क्षेत्र में सबसे प्रभावशाली विकास यकीनन डी एन ए ओरिगमी3,4का आविष्कार रहा है . डीएनए origami तकनीक सटीक संरचनात्मक सुविधाओं के साथ लगभग किसी भी नैनोशेप के निर्माण की अनुमति देता है3,4. इस शक्तिशाली विधि का उपयोग (उप) नैनोमीटर-प्राज्ञ स्थानिक व्यवस्था में किया जा सकता है और अन्य नैनो-ऑब्जेक्ट्स, जैसे कार्बन नैनोट्यूब5,धातु नैनोकणों6,7,8, 9, एंजाइमों / प्रोटीन10,11,12,13और चिकित्सीय सामग्री14,15 ,16,17 . महत्वपूर्ण बात यह है कि ये संरचनाएं केवल स्थिर नहीं हैं , बल्कि उन्हें गतिशील तरीके से कार्य करने के लिए भी प्रोग्राम किया जा सकताहै 18,19. डीएनए origami के अनगिनत अनुप्रयोगों दवा वितरण से लेकर20,21,22 आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स / 25 और सामग्री विज्ञान से26,27 उपन्यास इमेजिंग और अंशांकन तकनीक28.
उपर्युक्त अनुप्रयोगों के अलावा , डीएनए ओरिगमी आकृतियों के चरम स्थानिक संकल्प का नैनोपैटर्निंग और नाजुक नैनोस्केल लिथोग्राफी29,30में इस्तेमाल किया जा सकता है . यह प्रोटोकॉल डीएनए origami टेम्पलेट्स का उपयोग कर substrates पर असतत और सटीक अकार्बनिक नैनोस्ट्रक्चर बनाने के लिए एक लिथोग्राफी विधि का वर्णन करता है। इन टेम्पलेटों को विभिन्न आकृतियों में कुशलतापूर्वक तैयार किया जा सकता है और बडी मात्रा में31में , और बड़े पैमाने पर चुने गए सबस्ट्रों पर आसानी से जमा किया जा सकता है. इन गुणों के रूप में आमतौर पर इस्तेमाल किया लेकिन बल्कि धीमी गति से इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी या अन्य स्कैनिंग आधारित नैनोनिर्माण तकनीक के विरोध में एक कदम में नैनोस्ट्रक्चर के अरबों की एक अत्यधिक समानांतर निर्माण की अनुमति देते हैं।
इसमें, निर्माण प्रक्रिया सिलिकॉन नाइट्राइड और नीलम substrates पर सोने bowti के आकार की संरचनाओं बनाने के द्वारा प्रदर्शन किया है; दूसरे शब्दों में, डीएनए origami के स्थानिक जानकारी पूरी तरह से धातु नैनोस्ट्रक्चर करने के लिए स्थानांतरित कर दिया है। के रूप में यहाँ चर्चा की, तकनीक चयनित bowti डीएनए origami संरचना तक ही सीमित नहीं है के बाद से विधि लगभग किसी भी डीएनए origami आकार के उपयोग में सक्षम बनाता है. इसके अलावा, व्यवस्थित संशोधनों के साथ, तकनीक विभिन्न धातुओं और substrates के लिए बढ़ाया जा सकता है metasurfaces33के निर्माण की दिशा में मार्ग प्रशस्त.
डीएनए origami-मध्यस्थ निर्माण के साथ पैटर्न सतहों बहुमुखी सेंसर के रूप में सेवा कर सकते हैं; उदाहरण के लिए, वे सतह बढ़ाया रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी (Ers) में इस्तेमाल किया जा सकता है. व्यक्तिगत नैनोआकार के छोटे आयामों का एक परिणाम के रूप में, बनाया सतहों दृश्य तरंगदैर्ध्य रेंज में ऑप्टिकल और प्लाज्मोनिक अनुप्रयोगों में उपयोग करता है मिल सकता है।
प्रोटोकॉल महान स्वतंत्रता और उत्पादन नैनोस्ट्रक्चर के आकार में सटीकता प्रदान करता है. डीएनए origami के डिजाइन को बदलने से, धातु नैनोस्ट्रक्चर के आकार को नियंत्रित किया जा सकता है। धातु संरचनाओं के अंतिम, सटीक आकार अतिरिक्त मुखौटा विकास कदम द्वारा निर्धारित किया जाता है (चरण 9) और मुखौटा नक्षलसे द्वारा एक कम डिग्री करने के लिए (चरण 10) यह anisotropic नहीं होना चाहिए. यदि मुखौटा विकास समय काफी बढ़ाया है, मुखौटा में छेद बंद हो जाना शुरू कर देंगे. यह कुछ संरचनाओं और नियंत्रण अंतराल आकार की thinnest सुविधाओं को छोड़ने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, के रूप में शेन एट अल में प्रदर्शन34 bowti origami के अलग त्रिकोण के साथ (चित्र 5B). इसके विपरीत, पतले आकार बेहतर ऑक्साइड विकास समय को छोटा करके संरक्षित किया जा सकता है. इसका मतलब यह है कि यह न सिर्फ इस्तेमाल किया origami डिजाइन बदलकर, लेकिन यह भी SiO2 फिल्म विकास ट्यूनिंग द्वारा, चित्रा 6में प्रदर्शित ऑप्टिकल गुणों धुन करने के लिए संभव है।
मुखौटा मोटाई काफी बदल गया है, तो वह परिवर्तन भी SiO2 RIE चरण में परिलक्षित होना चाहिए। केवल SiO2 की एक बहुत पतली परत (2-5 एनएम) मुश्किल से मुखौटा छेद के माध्यम से छेद करने के लिए etched किया जाना चाहिए. यह पूरी प्रक्रिया का सबसे संवेदनशील और महत्वपूर्ण हिस्सा है। के बाद से उत्कीर्णन समय बहुत कम है, केवल 10-20 s, सटीक सेटिंग्स प्रयोगात्मक निर्धारित किया जाना चाहिए जब पहली बार नए उपकरणों के साथ प्रयास किया. यह भी चरण 10.4 के लिए सच है के रूप में कुछ SiO2 भी a-Si etching के दौरान etched है. etched SiO2 की हद तक इस्तेमाल किया ए-सी आदि मानकों, उपकरण और यहां तक कि व्यक्तिगत उपकरण अंशांकन की चयनात्मकता द्वारा निर्धारित किया जाता है। इन दो प्रक्रियाओं के दौरान पूरे SiO2 परत को दूर नहीं करने के लिए ध्यान रखा जाना चाहिए।
एक अन्य संवेदनशील कदम SiO2 विकास है. विकास प्रक्रिया कक्ष आर्द्रता और प्रयुक्त TEOS की वर्तमान गतिविधि दोनों पर निर्भर है। TEOS कम हो जाता है के रूप में यह हवा से पानी adsorbs, यह उम्र के साथ कम प्रभावी बनने के लिए कारण. यह भी रासायनिक के उचित भंडारण के साथ महीनों के भीतर एक काफी धीमी, कम नियंत्रणीय विकास दर के रूप में प्रकट कर सकते हैं. 34 यदि परिणामी SiO2 परत इरादा से पतली है, यह कक्ष आर्द्रता के बजाय TEOS के साथ एक समस्या का संकेत कर सकते हैं. जबकि एक कम आर्द्रता भी कम विकास दर और पतली फिल्म में परिणाम कर सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप फिल्म भी सामान्य से चिकनी होना चाहिए. इस बीच एक मोटे दानेदार और किसी न किसी परत विपरीत उच्च आर्द्रता के साथ एक समस्या का संकेत होगा.
यह भी दो आवश्यकताओं के साथ किसी भी अन्य स्वतंत्र रूप से चुना सब्सट्रेट पर इस प्रोटोकॉल प्रदर्शन करने के लिए संभव है: यह दोनों HF etching सहन करना चाहिए (चरण 12) और PECVD के 200-300 डिग्री सेल्सियस तापमान (चरण 6). तापमान सुरक्षित रूप से एक-सी के PECVD के लिए 100 डिग्री सेल्सियस के लिए कम किया जा सकता है अगर एक अधिक संवेदनशील सब्सट्रेट प्रयोग किया जाता है, लेकिन HF से बचा नहीं जा सकता है अगर प्रोटोकॉल बिल्कुल के रूप में वर्णित का पालन किया है. HF को दरकिनार करने के लिए, एक अतिरिक्त बलि परत के आवेदन की आवश्यकता होगी. HF etching की आवश्यकता हटा दिया जाता है, तो इस प्रोटोकॉल सब्सट्रेट सामग्री और धातुओं की एक व्यापक चयन के साथ संगत हो जाएगा।
इस प्रोटोकॉल के रूप में आमतौर पर इस्तेमाल किया और मजबूत सूक्ष्म और नैनोनिर्माण प्रक्रियाओं के होते हैं, यह अन्य microfabrication प्रोटोकॉल जहां छोटी सुविधा आकार और जटिल धातु आकार वांछित हैं की किसी भी संख्या के साथ जोड़ा जा सकता है. निकट भविष्य में, विशेष रूप से कम लागत वाले डीएनए origami जन उत्पादन31के आने के साथ, इस विधि के लिए दोनों सामान्य उपयोग और उच्च throughput नैनोपैटर्निंग इंटरफ़ेस आधारित नैनोफोटोनिक्स और प्लाज्मोनिक्स 55 की सुविधा के लिए संभावित है .
The authors have nothing to disclose.
यह काम फिनलैंड की अकादमी (परियोजनाओं 286845, 308578, 303804, 267497), जेन और Aatos Erkko फाउंडेशन, और सिग्रिड जुसलियस फाउंडेशन द्वारा समर्थित किया गया था. यह कार्य फिनलैंड सेंटर्स ऑफ एक्सीलेंस प्रोग्राम (2014-2019) के तहत किया गया था। हम Aalto विश्वविद्यालय Bioeconomy सुविधाएं और OtaNano द्वारा सुविधाओं और तकनीकी सहायता के प्रावधान को स्वीकार करते हैं – Nanomicroscopy केंद्र (Aalto-NMC) और Micronova Nanofabrication केंद्र.
Acetone | Honeywell | 40289H | Semiconductor grade ULSI, ≥ 99.5 % |
Agarose | Fisher Bioreagents | 1036603 | Low-EEO, multi-purpose and molecular biology grade |
Ammonium hydroxide | Fisher Chemical | 10652251 | 25 % ammonia solution, Certified AR for Analysis, d = 0.91 |
BRANSON 5510 | Branson | Ultrasonic bath | |
Dimension Icon | Bruker | Atomic force microscope | |
Electron-beam evaporator IM-9912 | Instrumentti Mattila | Evaporator for PVD | |
Ethidium bromide | Sigma Aldrich | E8751 | Fluorescent dye for DNA staining |
Eon Microplate spectrophotometer | BioTek | UV/Vis spectrophotometer used for DNA origami concentration measurements | |
Gel Doc XR+ Documentation System | BioRad | Gel imaging system | |
Gel Loading Dye, Blue (6×) | New England Biolabs | B7021S | Bromophenol blue-based loading dye for agarose gel electrophoresis |
G-storm GS1 Thermal cycler | Gene Technologies | ||
HBR 4 | IKA | Heating bath | |
Hydrofluoric acid | Honeywell | 40213H | Semiconductor grade, 49.5-50.5 % |
Isopropanol | Honeywell | 40301H | Semiconductor grade VLSI, ≥ 99.8 % |
Magnesium chloride | Sigma Aldrich | M8266 | Anhydrous, ≥ 98 % |
Mini-Sub Cell GT Horizontal Electrophoresis System | BioRad | ||
Plasmalab 80+ PECVD | Oxford Instruments | PECVD system | |
Plasmalab 80+ RIE | Oxford Instruments | RIE system | |
Poly(ethylene glycol) | Sigma Aldrich | 89510 | BioUltra, 8,000 |
PowerPac HC High-Current Power Supply | BioRad | ||
Sapphire substrate (Al2O3) | University Wafer | Thickness: 430 μm, Polish: DSP, Size: 50.8 mm | |
Sigma VP | Zeiss | Scanning electron microscope | |
Silica gel | Merck | 1019691000 | With indicator (orange gel), granulate ~1-3 mm |
Single-stranded Scaffold DNA, type p7249 | Tilibit Nanosystems | At 100 nM concentration | |
Sodium chloride | Sigma Aldrich | S9888 | ACS reagent, ≥ 99.0 % |
Staple strands (oligonucleotides) | Integrated DNA Technologies | Sequences can be ordered e.g. at 100 micromolar in Rnase-free water | |
TAE buffer (50×) pH 8.0 | VWR Chemicals | 444125D | Electran Electrophoresis grade |
Take3 micro-volume plate | BioTek | Used for DNA origami concentration measurements | |
Tetraethyl orthosilicate | Sigma Aldrich | 86578 | ≥ 99.0 % (GC) |