Aqui, descrevemos um protocolo para criar nanoestruturas inorgânicas discretas e precisas em substratos usando formas de DNA origami como modelos orientadores. O método é demonstrado através da criação de antenas de ouro plasmônicas em forma de bowtie em um substrato transparente (safira).
A nanotecnologia de DNA estrutural fornece uma rota viável para a construção do bottom-up usando o DNA como material de construção. A técnica de nanofabricação de DNA mais comum é chamada de DNA origami, e permite a síntese de alta produtividade de estruturas precisas e altamente versáteis com precisão de nível nanômetro. Aqui, mostra-se como a informação espacial do origami de DNA pode ser transferida para nanoestruturas metálicas, combinando o origami de DNA bottom-up com as abordagens de litografia de cima para baixo convencionalmente usado. Isso permite a fabricação de bilhões de nanoestruturas minúsculas em um passo para substratos selecionados. O método é demonstrado usando origami de DNA bowtie para criar estruturas metálicas em forma de antena bowtie em substratos de nitreto de silício ou safira. O método baseia-se no crescimento seletivo de uma camada de óxido de silício em cima do substrato de deposição de origami, resultando assim em uma máscara de padronização para seguir etapas litográficas. Estas superfícies nanostructure-equipadas podem mais ser usadas como sensores moleculars (por exemplo, Espectroscopia Raman superfície-realçada (SERS)) e em várias outras aplicações óticas na escala visível do comprimento de onda devido aos tamanhos pequenos da característica (secundário-10 nanômetro). A técnica pode ser estendida a outros materiais através de modificações metodológicas; Conseqüentemente, as superfícies opticamente ativas resultantes podem encontrar o uso no desenvolvimento de metamateriais e de metasurfaces.
A nanotecnologia de DNA estrutural evoluiu rapidamentedurante a década recente1,2, eo desenvolvimento mais influente no campo tem sido, semdúvida, ainvenção do DNA origami3,4. A técnica de DNA origami permite a fabricação de praticamente qualquer nanoforma com características estruturais precisas3,4. Este método poderoso pode ser usado em (sub) nanômetro-arranjo espacial preciso e ancoragem de outros nano-objetos, tais como nanotubos de carbono5, nanopartículas de metal6,7,8, 9, enzimas/proteínas10,11,12,13 e materiais terapêuticos14,15,16,17 . É importante ressaltar que essas estruturas não são meramente estáticas, mas também podem ser programadas para atuar de forma dinâmica18,19. As inúmeras aplicações de DNA origami variam de entrega de drogas20,21,22 a eletrônica molecular/plasmonics5,23,24, 25 e da ciência dos materiais26,27 às técnicas novas da imagem latente e da calibração28.
Além das aplicações mencionadas acima, a resolução espacial extrema das formas DNA origami poderia ser aproveitado em aspectos e delicada litografia nanoescala29,30. Este protocolo descreve um método de litografia para a criação de nanoestruturas inorgânicas discretas e precisas em substratos usando modelos de DNA origami. Estes moldes podem eficientemente ser produzidos em várias formas e em grandes quantidades31, e depositados sem esforço em carcaças escolhidas em escalas grandes32. Estas propriedades permitem uma fabricação altamente paralela de bilhões de nanoestruturas em uma etapa em oposição à litografia de feixe de elétrons comumente usada, mas bastante lenta ou outras técnicas de nanofabricação baseadas em digitalização.
Nisto, o processo de fabricação é demonstrado pela criação de estruturas em forma de bowtie ouro em nitreto de silício e substratos de safira; em outras palavras, a informação espacial do DNA origami é transferida para nanoestruturas totalmente metálicas. Como discutido aqui, a técnica não se limita à estrutura selecionada do origami do ADN do bowtie desde que o método permite o uso de virtualmente toda a forma do origami do ADN. Além disso, com modificações metódicas, a técnica pode ser estendida a diferentes metais e substratos pavimentando o caminho para a fabricação de superfícies33.
As superfícies padronizadas com o DNA de fabricação mediada por origami podem servir como sensores versáteis; por exemplo, podem ser usados na Espectroscopia Raman superfície-realçada (SERS). Como resultado das pequenas dimensões das nanoformas individuais, as superfícies criadas podem encontrar usos em aplicações ópticas e plasmonicas na faixa de comprimento de onda visível.
O protocolo proporciona grande liberdade e precisão na forma de nanoestruturas produzidas. Mudando o projeto do origami do ADN, a forma das nanoestruturas do metal pode ser controlada. A forma final, exata das estruturas metálicas é determinada adicionalmente pela etapa de crescimento da máscara (etapa 9) e em um grau menor pelo condicionamento da máscara (etapa 10) se não deve ser anisotropic. Se o tempo de crescimento da máscara for estendido o suficiente, os furos na máscara começarão a crescer. Isso pode ser usado para omitir as características mais finas de algumas estruturas e tamanhos de Gap de controle, como demonstrado em Shen et al.34 com triângulos separados do origami bowtie (figuras 5b). Inversamente, formas mais finas podem ser melhor preservadas encurtando o tempo de crescimento do óxido. Isso significa que é possível ajustar as propriedades ópticas exibidas na Figura 6, não apenas mudando o design de origami usado, mas também ajustando o crescimento do filme sio2 .
Se a espessura da máscara for alterada significativamente, essa alteração também deve ser refletida na etapa SiO2 rie. Somente uma camada muito fina de SiO2 deve ser gravada (2-5 nanômetro) para perfurar mal através dos furos da máscara. Esta é a parte mais sensível e crucial de todo o processo. Uma vez que o tempo de condicionamento é extremamente curto, apenas 10-20 s, as configurações exatas devem ser experimentalmente determinadas quando a primeira tentativa com novos equipamentos. Isto é igualmente verdadeiro para a etapa 10,4 porque algum SiO2 é gravado igualmente durante o condicionamento a-si. A extensão do SiO2 gravado é determinada pela seletividade dos parâmetros de a-si etch usados, equipamentos e até mesmo calibrações de equipamentos individuais. Deve-se tomar cuidado para não gravar fora toda a camada SiO2 durante estes dois processos.
Outro passo sensível é o crescimento do SiO2 . O processo de crescimento depende tanto da umidade da câmara como da atividade atual do TEOS utilizado. TEOS degrada como ele adsorvem a água do ar, fazendo com que ele se torne menos eficaz com a idade. Isso pode se manifestar como uma taxa de crescimento significativamente mais lenta e menos controlável dentro de meses, mesmo com o armazenamento adequado do produto químico. 34 se a camada de sio2 resultante for mais fina do que a pretendida, isto pode indicar um problema com TEOS em vez da humidade da câmara. Enquanto uma umidade mais baixa também pode resultar em menor taxa de crescimento e filme mais fino, o filme resultante também deve ser mais suave do que o normal. Enquanto isso, uma camada grosseira e áspera seria, inversamente, indicar um problema com alta umidade.
Também é possível executar este protocolo em qualquer outro substrato livremente escolhido com dois requisitos: deve tolerar tanto a gravura HF (passo 12) e as temperaturas de 200-300 ° c de PECVD (passo 6). A temperatura pode ser abaixada com segurança a 100 ° c para o PECVD de a-si se um substrato mais sensível é usado, mas a HF não pode ser evitada se o protocolo é seguido exatamente como descrito. Para contornar a IC, seria necessária a aplicação de uma camada sacrificial adicional. Se a exigência da gravura do HF é removida, este protocolo tornar-se-ia compatível com uma seleção mais larga de materiais e de metais da carcaça.
Como este protocolo consiste em processos de micro e nanofabricação comumente usados e robustos, ele pode ser combinado com qualquer número de outros protocolos de microfabricação, onde são desejados tamanhos de recursos pequenos e formas de metal complexas. Em um futuro próximo, especialmente com a vinda de baixo custo de DNA origami massa-produção31, há potencial para este método para facilitar o uso geral e aspectos de alta taxa de transferência para nanofotônica baseado em interface e plasmónicos55 .
The authors have nothing to disclose.
Este trabalho foi apoiado pela Academia da Finlândia (projetos 286845, 308578, 303804, 267497), a Fundação Jane e Aatos Erkko, e a Fundação Sigrid Jusélius. Este trabalho foi realizado no âmbito do programa de centros de excelência da Academia da Finlândia (2014 – 2019). Reconhecemos o fornecimento de instalações e suporte técnico pelas instalações da Universidade Aalto bioeconomia e OtaNano-centro de Nanomicroscopia (Aalto-NMC) e Micronova Nanofabrication Center.
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) |