Her beskriver vi en protokol til at skabe diskrete og nøjagtige uorganiske nanostrukturer på substrater ved hjælp af DNA origami figurer som vejledende skabeloner. Metoden er demonstreret ved at skabe plasmoniske guld Bowtie-formede antenner på et gennemsigtigt substrat (Sapphire).
Strukturel DNA-nanoteknologi giver en bæredygtig vej til at bygge fra bunden med DNA som byggemateriale. Den mest almindelige DNA nanofabrication teknik kaldes DNA origami, og det giver høj gennemløb syntese af præcise og meget alsidige strukturer med nanometer-niveau præcision. Her er det vist, hvordan den rumlige information af DNA origami kan overføres til metalliske nanostrukturer ved at kombinere bottom-up DNA origami med konventionelt anvendte top-down litografi tilgange. Dette gør det muligt at fremstilling af milliarder af små nanostrukturer i ét trin på udvalgte substrater. Metoden er demonstreret ved hjælp af Bowtie DNA origami til at skabe metalliske Bowtie-formede antenne strukturer på silicium nitrid eller safir substrater. Metoden er afhængig af den selektive vækst af et siliciumoxid lag på toppen af origami deposition substrat, hvilket resulterer i en mønstmaskning for følgende litografiske trin. Disse nanostruktur udstyrede overflader kan anvendes yderligere som molekylære sensorer (f. eks. overflade forstærket Raman-spektroskopi (SERS)) og i forskellige andre optiske applikationer ved det synlige bølgelængde område på grund af de små funktions størrelser (sub-10 nm). Teknikken kan udvides til andre materialer gennem metodologiske ændringer; Derfor kan de resulterende optisk aktive overflader finde anvendelse i udviklingen af metamaterialer og metasurfaces.
Strukturel DNA nanoteknologi har hurtigt udviklet sig i løbet af det seneste årti1,2, og den mest indflydelsesrige udvikling på området har velsagtens været opfindelsen af DNA origami3,4. DNA origami teknikken tillader fabrikation af stort set enhver nanoform med nøjagtige strukturelle funktioner3,4. Denne kraftfulde metode kan anvendes i (sub) nanometer-præcise rumlige arrangement og forankring af andre Nano-objekter, såsom Carbon Nanorør5, metal nanopartikler6,7,8, 9, enzymer/proteiner10,11,12,13 og terapeutiske materialer14,15,16,17 . Vigtigere er, at disse strukturer ikke blot statiske, men de kan også programmeres til at handle på en dynamisk måde18,19. De utallige anvendelser af DNA-origami spænder fra levering af lægemidler20,21,22 til molekylær elektronik/plasmonics5,23,24, 25 og fra materialevidenskab26,27 til nye billeddannelses-og kalibrerings teknikker28.
Ud over de ovennævnte anvendelser kunne den ekstreme rumlige opløsning af DNA-origami figurerne udnyttes i nanopatterning og delikat nanoskala litografi29,30. Denne protokol beskriver en litografi metode til at skabe diskrete og præcise uorganiske nanostrukturer på substrater ved hjælp af DNA origami skabeloner. Disse skabeloner kan produceres effektivt i forskellige former og i store mængder31og deponeres ubesværet på udvalgte substrater i store skalaer32. Disse egenskaber giver mulighed for en meget parallel fabrikation af milliarder af nanostrukturer i et trin i modsætning til almindeligt anvendte, men snarere langsom elektronstråle litografi eller andre scannings baserede nanofabrikation teknikker.
Heri er fabrikationsprocessen demonstreret ved at skabe guld Bowtie-formede strukturer på silicium nitrid og safir substrater; med andre ord, den rumlige information af DNA origami er overført til helt metalliske nanostrukturer. Som diskuteret her, teknikken er ikke begrænset til den valgte Bowtie DNA origami struktur, da metoden gør det muligt at bruge næsten enhver DNA origami form. Desuden kan teknikken med metodiske modifikationer udvides til at omfatte forskellige metaller og substrater, der baner vejen mod fabrikation af metasurfaces33.
Overfladerne mønstrede med DNA origami-medieret fabrikation kan tjene som alsidige sensorer; for eksempel kan de anvendes i overflade forstærket Raman spektroskopi (SERS). Som et resultat af de små dimensioner af de enkelte nanoformer, kan de skabte overflader finde anvendelser i optiske og plasmoniske applikationer på det synlige bølgelængde område.
Protokollen giver stor frihed og nøjagtighed i form af producerede nanostrukturer. Ved at ændre designet af DNA-origami, kan formen af metal nanostrukturerne styres. Den endelige, nøjagtige form af metalstrukturer er desuden bestemt af masken vækst trin (trin 9) og i mindre grad ved masken ætsning (trin 10) bør det ikke være Anisotropic. Hvis masken vækst tiden er udvidet nok, vil hullerne i masken begynde at vokse lukket. Dette kan bruges til at udelade de tyndeste funktioner i nogle strukturer og kontrol Gap størrelser, som påvist i Shen et al.34 med adskilte trekanter af Bowtie origami (figur 5b). Omvendt kan tyndere former bedre bevares ved at forkorte oxidvæksttiden. Det betyder, at det er muligt at tune de optiske egenskaber, der vises i figur 6, ikke blot ved at ændre det anvendte origami-design, men også ved at indstille SIO2 -filmens vækst.
Hvis maskens tykkelse ændres markant, skal denne ændring også afspejles i SiO2 Rie-trinnet. Kun et meget tyndt lag af SiO2 skal ætses (2-5 nm) for næppe at gennembore maske hullerne. Dette er den mest følsomme og afgørende del af hele processen. Da ætsning tid er ekstremt kort, kun 10-20 s, nøjagtige indstillinger skal eksperimentelt bestemmes, når først forsøgt med nyt udstyr. Dette gælder også for trin 10,4 som nogle SiO2 er også ætset under a-Si ætsning. Omfanget af ætset SiO2 bestemmes af selektiviteten af de anvendte a-Si-etch-parametre, udstyr og endda individuelle kalibreringer af udstyr. Der bør udvises forsigtighed for ikke at etch væk hele SiO2 lag under disse to processer.
Et andet følsomt skridt er SiO2 vækst. Vækstprocessen er afhængig af både kammer fugtigheden og den aktuelle aktivitet af de anvendte TEOER. TEOS nedbrydes, da det Adsorber vand fra luften, hvilket får det til at blive mindre effektiv med alderen. Dette kan manifestere sig som en betydeligt langsommere, mindre kontrollerbar vækstrate inden for måneder selv med korrekt opbevaring af kemikaliet. 34 hvis den resulterende SIO2 lag er tyndere end beregnet, dette kan indikere et problem med Teos snarere end kammer fugtighed. Mens en lavere luftfugtighed også kan resultere i lavere vækstrate og tyndere film, bør den resulterende film også være glattere end normalt. I mellemtiden vil et groft kornet og groft lag omvendt indikere et problem med høj luftfugtighed.
Det er også muligt at udføre denne protokol på enhver anden frit valgt substrat med to krav: det skal tolerere både HF ætsning (trin 12) og 200-300 °C temperaturer af PECVD (trin 6). Temperaturen kan sænkes sikkert til 100 °C for PECVD af a-si, hvis der anvendes et mere følsomt substrat, men HF kan ikke undgås, hvis protokollen følges nøjagtigt som beskrevet. For at omgå HF ville det være nødvendigt at anvende et yderligere offer lag. Hvis kravet om HF-ætsning fjernes, vil denne protokol blive kompatibel med et bredere udvalg af substrat materialer og metaller.
Da denne protokol består af almindeligt anvendte og robuste mikro-og nanofabrikering processer, det kunne kombineres med en række andre mikrofabrikation protokoller, hvor små funktioner størrelser og komplekse metal former ønskes. I den nærmeste fremtid, især med de kommende billige DNA origami masseproduktion31, der er potentiale for denne metode til at lette både generel brug og høj gennemløb nanopatterning for grænseflade-baserede nanoftonik og plasmonics55 .
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet af Finlands Akademi (projekter 286845, 308578, 303804, 267497), Jane og Aatos Erkko Foundation og Sigrid Jusélius Foundation. Dette arbejde blev udført under Academy of Finland Centers of Excellence program (2014 – 2019). Vi anerkender levering af faciliteter og teknisk support fra Aalto University Bioeconomy faciliteter og OtaNano-Nanomicroscopy Center (Aalto-NMC) og 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) |