Hier beschreiben wir ein Protokoll zur Erstellung diskreter und genauer anorganischer Nanostrukturen auf Substraten, die DNA-Origami-Formen als Leitmotive verwenden. Die Methode wird durch die Erstellung von plasmonischen Gold-Bowtie-förmigen Antennen auf einem transparenten Substrat (Saphir) demonstriert.
Die strukturelle DNA-Nanotechnologie bietet einen gangbaren Weg, um von unten nach oben mit DNA als Baumaterial zu bauen. Die gängigste DNA-Nanofabrikationstechnik heißt DNA-Origami und ermöglicht eine hochdurchsatzhohe Synthese präziser und äußerst vielseitiger Strukturen mit Nanometer-Präzision. Hier wird gezeigt, wie die räumlichen Informationen von DNA-Origami auf metallische Nanostrukturen übertragen werden können, indem die Bottom-up-DNA-Origami mit den konventionell verwendeten Top-Down-Lithographieansätzen kombiniert werden. Dies ermöglicht die Herstellung von Milliarden winziger Nanostrukturen in einem Schritt auf ausgewählte Substrate. Das Verfahren wird mit Bowtie-DNA-Origami demonstriert, um metallische, bogenförmige Antennenstrukturen auf Siliziumnitrid- oder Saphirsubstraten zu erzeugen. Das Verfahren beruht auf dem selektiven Wachstum einer Siliziumoxidschicht auf dem Origami-Abscheidungssubstrat, was zu einer Mustermaske für die folgenden lithographischen Schritte führt. Diese mit Nanostrukturen ausgestatteten Oberflächen können aufgrund der geringen Funktionsgrößen (unter 10 nm) weiter als molekulare Sensoren (z.B. oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS)) und in verschiedenen anderen optischen Anwendungen im sichtbaren Wellenlängenbereich eingesetzt werden. Die Technik kann durch methodische Modifikationen auf andere Materialien ausgedehnt werden; Daher können die resultierenden optisch aktiven Oberflächen bei der Entwicklung von Metamaterialien und Metaoberflächen zum Einsatz kommen.
Strukturelle DNA-Nanotechnologie hat sich in den letzten zehn Jahren rasant entwickelt1,2, und die einflussreichste Entwicklung auf diesem Gebiet war wohl die Erfindung von DNA-Origami3,4. Die DNA-Origami-Technik ermöglicht die Herstellung praktisch jeder Nanoform mit genauen Strukturmerkmalen3,4. Diese leistungsstarke Methode kann in (sub)nanometerpräzisen räumlichen Anordnungen und Verankerungen anderer Nanoobjekte wie Kohlenstoffnanoröhren5, Metallnanopartikel6,7,8, 9, Enzyme/Proteine10,11,12,13 und therapeutische Materialien14,15,16,17 . Wichtig ist, dass diese Strukturen nicht nur statisch sind, sondern auch so programmiert werden können, dass sie dynamisch wirken18,19. Die unzähligen Anwendungen von DNA-Origami reichen von der Medikamentenabgabe20,21,22 bis hin zu Molekularelektronik/Plasmonik5,23,24, 25 und von der Materialwissenschaft26,27 zu neuartigen Bildgebungs- und Kalibriertechniken28.
Neben den oben genannten Anwendungen könnte die extreme räumliche Auflösung der DNA-Origami-Formen in der Nanomusterung und der filigranen Nanolithographie29,30genutzt werden. Dieses Protokoll beschreibt eine Lithographiemethode zur Erstellung diskreter und genauer anorganischer Nanostrukturen auf Substraten mit DNA-Origami-Vorlagen. Diese Schablonen können effizient in verschiedenen Formen und in großen Mengen31hergestellt und mühelos auf ausgewählten Substraten in großen Maßstäben32abgelagert werden. Diese Eigenschaften ermöglichen eine hochgradig parallele Herstellung von Milliarden von Nanostrukturen in einem Schritt im Gegensatz zu häufig verwendeten, aber eher langsamen Elektronenstrahllithographie oder anderen scanning-basierten Nanofabrikationstechniken.
Hierbei wird der Herstellungsprozess durch die Schaffung von goldförmigen, bogenförmigen Strukturen auf Siliziumnitrid- und Saphirsubstraten demonstriert; Mit anderen Worten, die räumliche Information von DNA-Origami wird auf vollständig metallische Nanostrukturen übertragen. Wie hier erläutert, ist die Technik nicht auf die ausgewählte Bowtie-DNA-Origami-Struktur beschränkt, da die Methode die Verwendung praktisch jeder DNA-Origami-Form ermöglicht. Darüber hinaus kann die Technik mit methodischen Modifikationen auf verschiedene Metalle und Substrate erweitert werden, die den Weg zur Herstellung von Metaoberflächen ebnen33.
Die oberflächengemusterten mit der DNA Origami-vermittelten Fertigung können als vielseitige Sensoren dienen; Sie können beispielsweise in der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie (SERS) eingesetzt werden. Aufgrund der geringen Abmessungen der einzelnen Nanoformen können die erstellten Oberflächen in optischen und plasmonischen Anwendungen im sichtbaren Wellenlängenbereich eingesetzt werden.
Das Protokoll bietet große Freiheit und Genauigkeit in Form von produzierten Nanostrukturen. Durch die Änderung des Designs der DNA-Origami kann die Form der Metall-Nanostrukturen gesteuert werden. Die endgültige, exakte Form der Metallstrukturen wird zusätzlich durch den Maskenwachstumsschritt (Schritt 9) und in geringerem Maße durch die Maskenätzung (Schritt 10) bestimmt, sollte sie nicht anisotrop sein. Wenn die Maskenwachstumszeit genug verlängert wird, beginnen die Löcher in der Maske geschlossen zu wachsen. Dies kann verwendet werden, um die dünnsten Merkmale einiger Strukturen wegzulassen und Spaltgrößen zu kontrollieren, wie in Shen et al.34 mit getrennten Dreiecken der Fliege Origami (Abbildungen 5B) gezeigt. Umgekehrt können dünnere Formen besser erhalten werden, indem die Oxidwachstumszeit verkürzt wird. Dies bedeutet, dass es möglich ist, die in Abbildung 6dargestellten optischen Eigenschaften zu optimieren, nicht nur durch Änderung des verwendeten Origami-Designs, sondern auch durch Die Optimierung des SiO 2-Filmwachstums.
Wenn sich die Maskendicke deutlich ändert, muss diese Änderung auch im SiO2 RIE-Schritt widergespiegelt werden. Nur eine sehr dünne Schicht von SiO2 sollte geätzt werden (2-5 nm), um kaum durch die Maskenlöcher zu durchdringen. Dies ist der sensibelste und wichtigste Teil des gesamten Prozesses. Da die Ätzzeit extrem kurz ist, nur 10-20 s, müssen beim ersten Versuch mit neuen Geräten experimentell genaue Einstellungen ermittelt werden. Dies gilt auch für Schritt 10.4, da einige SiO2 auch während der a-Si Radierung geätzt werden. Der Umfang des geätzten SiO2 wird durch die Selektivität der verwendeten a-Si Etch Parameter, Geräte und sogar individuelle Gerätekalibrierungen bestimmt. Es sollte darauf geachtet werden, dass während dieser beiden Prozesse nicht die gesamte SiO2-Schicht weggeätzt wird.
Ein weiterer sensibler Schritt ist das SiO 2-Wachstum. Der Wachstumsprozess ist sowohl von der Kammerfeuchtigkeit als auch von der aktuellen Aktivität des verwendeten TEOS abhängig. TEOS degradiert, wenn es Wasser aus der Luft adsorbiert, wodurch es mit dem Alter weniger wirksam wird. Dies kann sich als deutlich langsamere, weniger kontrollierbare Wachstumsrate innerhalb von Monaten manifestieren, selbst bei ordnungsgemäßer Lagerung der Chemikalie. 34 Wenn die resultierende SiO2-Schicht dünner als vorgesehen ist, kann dies auf ein Problem mit TEOS und nicht auf Kammerfeuchtigkeit hinweisen. Während eine niedrigere Luftfeuchtigkeit auch zu einer geringeren Wachstumsrate und einem dünneren Film führen kann, sollte die resultierende Folie auch glatter als normal sein. In der Zwischenzeit würde eine grobkörnige und grobe Schicht umgekehrt auf ein Problem mit hoher Luftfeuchtigkeit hinweisen.
Es ist auch möglich, dieses Protokoll auf jedem anderen frei gewählten Substrat mit zwei Anforderungen durchzuführen: Es muss sowohl HF-Ätzen (Schritt 12) als auch die 200-300 °C-Temperaturen von PECVD (Schritt 6) vertragen. Die Temperatur kann für den PECVD von a-Si sicher auf 100 °C gesenkt werden, wenn ein empfindlicheres Substrat verwendet wird, aber HF kann nicht vermieden werden, wenn das Protokoll genau wie beschrieben befolgt wird. Um HF zu umgehen, wäre die Anwendung einer zusätzlichen Opferschicht erforderlich. Wenn die Anforderung der HF-Ätzung entfernt wird, würde dieses Protokoll mit einer breiteren Auswahl an Substratmaterialien und Metallen kompatibel werden.
Da dieses Protokoll aus häufig verwendeten und robusten Mikro- und Nanofertigungverfahren besteht, könnte es mit einer beliebigen Anzahl anderer Mikrofabrikationsprotokolle kombiniert werden, bei denen kleine Merkmalsgrößen und komplexe Metallformen gewünscht werden. In naher Zukunft, insbesondere mit der Einführung von low-cost DNA Origami Massenproduktion31, gibt es Potenzial für diese Methode, sowohl allgemeine Verwendung und High-Throughput Nanopatterning für schnittstellenbasierte Nanophotonik und Plasmonik zu erleichtern55 .
The authors have nothing to disclose.
Diese Arbeit wurde von der Akademie Finnlands (Projekte 286845, 308578, 303804, 267497), der Jane and Aatos Erkko Foundation und der Sigrid Jusélius Foundation unterstützt. Diese Arbeiten wurden im Rahmen des Exzellenzprogramms der Akademie Finnlands (2014–2019) durchgeführt. Wir würdigen die Bereitstellung von Einrichtungen und technische Unterstützung durch Aalto University Bioeconomy Facilities und OtaNano – Nanomicroscopy Center (Aalto-NMC) und 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) |