Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

الحمض النووي اوريغامي--بوساطة نانوباتيرنينج الركيزة من الهياكل غير العضوية لتطبيقات الاستشعار

Published: September 27, 2019 doi: 10.3791/60313
Automatic Translation
1, 1, 1, 1,2, 3, 1,4, 1,4
1Biohybrid Materials, Department of Bioproducts and Biosystems, Aalto University, 2University of Jyväskylä, Nanoscience Center, Department of Biological and Environmental Science, University of Jyväskylä, 3University of Jyväskylä, Nanoscience Center, Department of Physics, University of Jyväskylä, 4HYBER Center of Excellence, Department of Applied Physics, Aalto University

Summary

هنا ، ونحن وصف بروتوكول لخلق النانو غير العضوية منفصلة ودقيقه علي ركائز باستخدام الاشكال اوريغامي الحمض النووي كقوالب التوجيهية. ويتجلى هذا الأسلوب من خلال خلق الذهب plasmonic هوائيات علي شكل bowtie علي ركيزة شفافة (الياقوت).

Abstract

توفر تكنولوجيا النانو الهيكلية للحمض النووي طريقا صالحا للبناء من أسفل إلى اعلي باستخدام الحمض النووي كمواد البناء. ويسمي تقنيه nanofabrication الحمض النووي الأكثر شيوعا اوريغامي الحمض النووي ، وانه يسمح تخليق عاليه الانتاجيه من الهياكل الدقيقة وتنوعا للغاية مع دقه نانومتر مستوي. هنا ، فانه يظهر كيف يمكن نقل المعلومات المكانية من الحمض النووي اوريغامي إلى النانو المعدنية من خلال الجمع بين الحمض النووي من أسفل إلى اعلي اوريغامي مع نهج الطباعة الحجرية من اعلي إلى أسفل المستخدمة تقليديا. وهذا يسمح تلفيق المليارات من النانو صغيره في خطوه واحده علي ركائز مختاره. ويتجلى هذا الأسلوب باستخدام القوس الحمض النووي اوريغامي لإنشاء هياكل هوائي علي شكل ربطه المعدنية علي نيرايد السيليكون أو ركائز الياقوت. يعتمد الأسلوب علي النمو الانتقائي لطبقه أكسيد السيليكون علي راس الركيزة ترسب اوريغامي ، مما ادي إلى قناع زخرفه للخطوات الحجرية التالية. ويمكن استخدام هذه الأسطح المجهزة بالنانو كاجهزه استشعار جزيئيه (علي سبيل المثال ، الطيفي المحسن لسطح رامان) وفي مختلف التطبيقات البصرية الأخرى في نطاق الطول الموجي المرئي نظرا لاحجام المعالم الصغيرة (الفرعية 10 نانومتر). ويمكن توسيع نطاق هذه التقنية لتشمل مواد أخرى من خلال التعديلات المنهجية ؛ ولذلك ، فان الأسطح النشطة بصريا الناتجة قد تجد استخدامها في تطوير ميتاماتيريالس و metasurfaces.

Introduction

وقد تطورت تكنولوجيا النانو الهيكلية الحمض النووي بسرعة خلال العقد الأخير1،2، والتنمية الأكثر تاثيرا في هذا المجال يمكن القول ان اختراع الحمض النووي اوريغامي3،4. تقنيه اوريغامي الحمض النووي يسمح تلفيق تقريبا اي نانوشكل مع الميزات الهيكلية دقيقه3,4. ويمكن استخدام هذه الطريقة القوية في (sub) نانومتر-الترتيب المكاني دقيقه ورسو الكائنات النانو الأخرى ، مثل الأنابيب النانويه الكربونية5، النانويه المعدنية6،7،8، 9، الانزيمات/البروتينات10،11،12،13 والمواد العلاجية14،15،16،17 . والاهم من ذلك ان هذه الهياكل ليست جامده فحسب ، ولكن يمكن برمجتها أيضا للعمل بطريقه ديناميكية18و19. التطبيقات التي لا تعد ولا تحصي من الحمض النووي اوريغامي نطاق من تسليم المخدرات20،21،22 إلى الكترونيات الجزيئية/plasmonics5،23،24، 25 ومن [متريلس] علم26,27 إلى رواية تصوير ومعايره تقنيات28.

والي جانب التطبيقات المذكورة أعلاه ، يمكن تسخير الدقة المكانية المتطرفة من الاشكال اوريغامي الحمض النووي في نانوباتيرنينج وحساسة الطباعة الحجرية النانو29،30. يصف هذا البروتوكول أسلوب الطباعة الحجرية لإنشاء النانو غير العضوية المنفصلة والدقيقة علي ركائز باستخدام قوالب اوريغامي الحمض النووي. هذه القوالب يمكن ان تنتج بكفاءة في مختلف الاشكال وبكميات كبيره31، وأودعت جهد علي ركائز مختاره علي نطاقات واسعه32. هذه الخصائص تسمح تلفيق موازيه للغاية من المليارات من النانو في خطوه واحده بدلا من استخدامها بشكل شائع ولكن بطيئه بالأحرى الطباعة الحجرية شعاع الكترون أو غيرها من تقنيات nanofabrication المسح القائم.

هنا ، يتم التدليل علي عمليه التصنيع من خلال إنشاء هياكل الذهب علي شكل bowtie علي نيرايد السيليكون وركائز الياقوت. وبعبارة أخرى ، يتم نقل المعلومات المكانية من الحمض النووي اوريغامي إلى النانو المعدنية تماما. كما نوقشت هنا ، لا تقتصر هذه التقنية علي هيكل اوريغامي المحددة الحمض النووي لان الطريقة تمكن من استخدام اي شكل من اشكال اوريغامي الحمض النووي تقريبا. وعلاوة علي ذلك ، مع التعديلات المنهجية ، ويمكن توسيع هذه التقنية إلى مختلف المعادن وركائز تمهيد الطريق نحو تصنيع metasurfaces33.

السطوح منقوشة مع الحمض النووي اوريغامي--بوساطة تلفيق قد تكون بمثابه أجهزه استشعار متعددة الاستخدامات. علي سبيل المثال ، فانها يمكن ان تستخدم في تحسين السطح الطيفي رامان (الموزعين). ونتيجة للابعاد الصغيرة لاشكال النانو الفردية ، قد تجد الأسطح التي تم إنشاؤها استخدامات في التطبيقات البصرية والبلازما في نطاق الطول الموجي المرئي.

Protocol

1. تصميم اوريغامي الحمض النووي

ملاحظه: في هذا البروتوكول ، يتم وصف عمليه نانوباتيرنينج باستخدام ثنائي الابعاد (2D) بووتي الحمض النووي اوريغامي هيكل (الشكل 1)34. لتصميم شكل جديد من الحمض النووي اوريغامي ، اتبع الإرشادات التالية:

  1. تصميم الشكل المطلوب وتسلسل حبلا الاساسيه المطلوبة من اوريغامي الحمض النووي باستخدام caDNAno35. لإنتاج شقه ، اوريغامي طبقه واحده ، وتوظيف الخيار شعريه مربع من caDNAno وضبط يدويا تباعد كروس عن طريق تخطي بعض القواعد في التصميم (انظر الشكل 1 وملف cadnano تكميليه) لأزاله تطور الهيكلية الناتجة من المربع شعريه التعبئة36،37.
  2. تمديد نهايات كل الحلزون الحمض النووي مع خيوط تحتوي علي بولي-T (8 nt) يتدلى. وهذا سوف يمنع multimerization من الكائنات من خلال التفاعلات التراص قاعده حاده (الشكل 1 وملف cadnano التكميلية).
  3. تشغيل تحليل حسابي للتصميم. Cando38،39 يمكن استخدامها للتنبؤ الشكل ثلاثي الابعاد (3d) وصلابة الهيكلية من اوريغامي الحمض النووي. CanDo هو أيضا أداه مفيده لتكرار عدد من التخطي الاساسيه اللازمة لتصحيح تويست وضبط التصميم وفقا لذلك.
  4. في caDNAno ، اختر طول السقالة المفضل وتوليد خيوط التدبيس اللازمة لطي الهيكل. لهيكل ربطه ، وتستخدم 7249 nt طويلة M13mp18 سقالة و 205 خيوط التدبيس فريدة من نوعها (انظر الملف cadnano التكميلية).
    ملاحظه: هناك أيضا الاداات الحسابية الأخرى المتاحة لتصميم الحمض النووي اوريغامي الهياكل40،41،42،43. اعتمادا علي أداه مختاره/البرمجيات ، ويمكن أيضا استخدام أدوات محاكاة أخرى43،44.

2. الجمعية من الحمض النووي اوريغامي

  1. جعل الأسهم من خيوط التدبيس عن طريق خلط كميات متساوية من جميع الكريات القلة اللازمة للهيكل ربطه (في مجموع 205 الدبابيس)34. وينبغي لقله الكريات الوحيدة ان يكون لها نفس التركيز الاولي (علي سبيل المثال ، 100 μM في المياه الحرة RNase).
  2. اعداد الحمض النووي اوريغامي رد فعل الخليط في كميات 100 μL في 0.2 أنبوب PCR مل بخلط 20 μL من حبلا سقالة M13mp18 (نوع p7249 ، في 100 nM) ، 40 μL من حل الأسهم الاساسيه ، حيث كل حبلا هو في 500 nM (الذي يعطي ~ 10x الفائض المولي من المواد الغذائية مقارنه إلى سقالة) و 40 μL من 2.5 x العازلة للطي (فوب). فوب يحتوي علي تريس-حمض الخليك-ايثيل الصوديوم حمض (أدتا) العازلة (تاي) تستكمل مع MgCl2. انظر الجدول 1 لتركيزات مكونات فوب.
  3. [اننيل] الرد فعل خليط في ثيرموسيكلير من 90 [ك] إلى 27 [ك.]. استخدم المنحدر الحراري للطي المعروض في الجدول 2.

3. تنقيه اوريغامي الحمض النووي

ملاحظه: يمكن أزاله الكمية الزائدة من خيوط التدبيس من محلول اوريغامي الحمض النووي باستخدام غير مدمره بولي (الاثيلين جلايكول) (PEG) طريقه تنقيه. والبروتوكول مقتبس من ستال et al.45.

  1. تمييع 200 μL من تجميعها الحمض النووي اوريغامي الهياكل مع 600 μL من 1x فوب (انظر الجدول 1) للحصول علي حجم بداية 800 μl.
  2. مزيج المحلول الحمضية الحمض النووي المخفف 1:1 مع 800 μL من PEG العازلة هطول الامطار (15 ٪ PEG 8000 (ث/ف) ، 1x تاي ، 505 mM كلوريد الصوديوم) وتخلط جيدا عن طريق التنضيد ذهابا وإيابا.
  3. الطرد المركزي الخليط لمده 30 دقيقه في 14,000 x g ودرجه حرارة الغرفة.
  4. بعناية أزاله ماده طافي باستخدام ماصه.
  5. أضافه 200 μL من 1x فوب وتخلط بلطف عن طريق التنضيد. يمكن أيضا أضافه كميه مختلفه من فوب 1x للحصول علي تركيز الحمض النووي اوريغامي المطلوب.
  6. لأذابه هياكل اوريغامي الحمض النووي (بيليه شفافة صغيره في الجزء السفلي من الأنبوب) ، احتضان PEG الحمض النووي المنقي اوريغامي الهياكل بين عشيه وضحيها في درجه حرارة الغرفة.
  7. تقدير تركيز اوريغامي الحمض النووي بعد تنقيه PEG عن طريق قياس الامتصاص في الطول الموجي من 260 نانومتر باستخدام الاشعه فوق البنفسجية/Vis الطيف الطيفي. استخدام قانون البيره لامبرت ومعامل الانقراض من 1.1 ∙ 108 م-1 سم-1 لحساب6. تركيز الحمض النووي النموذجي اوريغامي بعد تنقيه PEG هو 15-20 nM.
  8. تخزين PEG الحمض النووي المنقي اوريغامي الهياكل في 4 ° c. هياكل اوريغامي الحمض النووي وعاده ما تكون مستقره لعده أشهر حتى كميات كبيره من الأوراق المالية يمكن ان تكون مستعدة للاستخدام في وقت لاحق.
    ملاحظه: يمكن أيضا أزاله الكمية الزائدة من خيوط التدبيس باستخدام تقنيات تنقيه أخرى46، مثل الترشيح الدوار47، ومعدل طرد48 و الاغاروز هلام استخراج49. هياكل اوريغامي الحمض النووي مستقره في مجموعه متنوعة من الحلول العازلة50، وإذا لزم الأمر ، يمكن تغيير وسط التخزين بعد تنقيه PEG من خلال الترشيح تدور51.

4. اجبرز هلام الكهربائي

ملاحظه: يمكن التحقق من جوده للطي وأزاله خيوط التدبيس الزائدة باستخدام الكهربائي هلام اجبرز.

  1. اعداد ~ 2 ٪ (ث/الخامس) هلام الاغاروزها عن طريق أضافه 1 غرام من اجنشا و 45 مل من تاي 1x إلى قارورة erlenmeyer. يسخن الخليط في الميكروويف حتى يذوب تماما ، ويتم إنتاج حل واضح.
  2. يبرد المحلول تحت الماء الجاري حتى تصبح القارورة مريحه للمس (50 – 60 درجه مئوية).
  3. أضافه 5 مل من 110 mM MgCl2 و 40 μl من محلول بروميد ايثيديوم (0.58 ملغ مل-1) إلى الحل ويهز الخليط بلطف.
    تحذير: بروميد ايثيديوم هو مسرطن محتمل ويجب معالجته بعناية.
  4. اعداد صينية صب هلام وصب السائل اجنشا في صينية الصب. دع الهلام يصلب في درجه حرارة الغرفة لمده 30 دقيقه علي الأقل.
  5. أزاله هلام من صينية الصب ووضعه في غرفه الكهربائي هلام. ملء الغرفة مع تشغيل العازلة (1x تاي مع 11 مم MgCl2).
  6. أضافه 1 μL من 6x هلام التحميل صبغ لكل 5 μL من محلول العينة وتخلط جيدا. تحميل العينات عن طريق الأنابيب بعناية المبلغ المطلوب من الحلول عينه في جيوب هلام منفصلة.
  7. تشغيل هلام اجبرزت في الجهد المستمر من 95 V لمده 45 دقيقه. الحفاظ علي الغرفة الكهربائي هلام علي حمام الجليد لتشغيل لتجنب الاضرار الحرارة إلى هلام.
  8. تصور الهلام تحت الضوء فوق البنفسجي باستخدام نظام التصوير هلام (الشكل 2ا).

5. اعداد الركيزة (الشكل 3ا)

ملاحظه: يتم تنفيذ كافة الخطوات التالية داخل غرفه نظيفه ، باستثناء النمو2 سيو (الخطوة 9). كما يمكن استبدال خطوات التنظيف بالتنظيف القياسي القائم علي حل الضاري إذا لم تكن هذه العملية كافيه لأزاله جميع المخلفات من الركيزة.

  1. قطع 7 مم × 7 مم رقائق من رقاقه لاستخدامها كركيزة. بالنسبة للخطيئة ، استخدم منشار السيليكون ، قلم قاطع الماس أو تطبيق مماثل. سيتطلب الزفير الdicing (Al2O3) أداه متخصصة أو شفره المنشار. حجم رقاقه لا تحتاج إلى ان تكون علي وجه الدقة.
  2. تنظيف الرقائق.
    1. تزج رقائق مكعبات في كوب مع الأسيتون الساخنة (الأسيتون يسخن إلى 52 درجه مئوية) والحفاظ عليها ساخنه لمده 15 دقيقه علي الأقل. اعتمادا علي نظافة البداية من الركيزة ، قد يكون من الضروري وقتا أطول.
    2. في حين انها لا تزال في حمام الأسيتون الساخنة ، فرك بلطف رقائق مع مسحه من القطن لأزاله ميكانيكيا اي الأفلام بقايا.
    3. باستخدام ملاقط ، ورفع رقائق من الأسيتون الساخنة واستخدام زجاجه غسل لشطف لهم مع درجه حرارة الغرفة الأسيتون.
    4. تزج رقائق في كوب مع ايزوبروبانول و اولتراسوكاتي لمده 2 دقيقه.
    5. رفع رقائق من الايزوبروبانول مع ملاقط وتجفيفها علي الفور وبدقه باستخدام تدفق النيتروجين. فقط لمس وعقد الجانبين وحواف رقائق ، والمناطق التي تغطيها ملاقط لن تجف بشكل صحيح ، وترك بقايا محتمله وغيرها من التلوث علي مناطق الاتصال. للحصول علي أفضل النتائج ، واستخدام تدفق عاليه قدر الإمكان وعقد السطوح رقاقه موازيه لاتجاه التدفق.
  3. تخزين رقائق في حاويه مغطاه داخل غرفه الأبحاث لاستخدامها في وقت لاحق.

6-البلازما-تعزيز ترسب بخار الكيميائية (PECVD) من طبقه السليكون غير متبلور (ا-Si) (الشكل 3ب)

  1. وضع رقائق في المعدات PECVD.
  2. اعداد المعلمات ترسب لتنمو تقريبا 50 nm من السليكون غير متبلور (ا-Si). تختلف الإعدادات الدقيقة حسب طراز المعدات والمعايرة. انظر الجدول 3 للاطلاع علي المعلمات المستخدمة هنا. تشغيل برنامج ترسيب ا-Si لتنمو الطبقة.
  3. بعد معالجه ، تخزين رقائق في حاويه مغطاه في ظروف غرفه نظيفه القياسية.

7. الأوكسجين البلازما العلاج من الطبقة ا-Si (الشكل 3ب)

ملاحظه: هذه الخطوة سوف تجعل سطح الركيزة مشحونة سلبا قليلا و hydrophilic ، بحيث يمكن ان تكون هياكل اوريغامي الحمض النووي في وقت لاحق كثفت علي نحو فعال علي السطح مع مساعده من أيونات المغنيسيوم اضافيه.

  1. ضع الرقائق في معدات النقش أيون التفاعلية (RIE).
  2. اعداد المعلمات النقش لتوليد البلازما الأوكسجين. مره أخرى ، تختلف الإعدادات الدقيقة حسب طراز المعدات والمعايرة. انظر الجدول 3 للاطلاع علي المعلمات المستخدمة هنا. تشغيل برنامج علاج البلازما الأوكسجين.
  3. الاستمرار في الخطوة التالية فورا كما ستتدهور اثار العلاج بسرعة. عاده ، ينبغي استخدام ركائز في غضون 30 دقيقه المقبل بعد العلاج البلازما.

8. ترسب الحمض النووي اوريغامي (الشكل 3ج)

  1. اعداد مزيج اوريغامي الحمض النووي لترسب عن طريق خلط 5 μL من حل اوريغامي الحمض النووي مطوية/تنقيه (~ 20 نانومتر) مع 4 μL من 1x فوب و 1 μL من 1 M MgCl2. الحل الناتج يحتوي علي ~ 10 نيوتن متر الحمض النووي اوريغامي وتقريبا 100 مم من Mg2 +.
  2. إيداع 10 μL من خليط اوريغامي الحمض النووي علي رقاقه الأكسجين المعالجة البلازما واحتضان مغطاه لمده 5 دقائق في درجه حرارة الغرفة. تغطيه يمنع التجفيف غير مقصوده والإيدز في أزاله الملح الدخيلة وهياكل اوريغامي الحمض النووي في وقت لاحق.
  3. بعد الحضانة ، وغسل السطح عن طريق الأنابيب الاولي 100 μL من الماء المقطر (علي سبيل المثال ، ميليق) علي رقاقه. شطف الماء ذهابا وإيابا بضع مرات مع الماصة ، مع تجنب لمس مركز الرقاقة. قم بازاله معظم الماء من السطح باستخدام الماصة. وهذا يسبب فقط الممتصة بشكل صحيح اوريغامي علي البقاء علي السطح.
  4. كرر هذه الدورة الغسيل (الخطوات 8.3) 3 إلى 4 مرات.
  5. بعد الغسيل ، جفف العينة فورا مع تدفق النيتروجين. القيام بذلك بنفس الطريقة التي تجفيف في اعداد الركيزة (الخطوة 5). من المهم لتجفيف العينة بدقه قدر الإمكان.
    ملاحظه: كثافة الهياكل المودعة التالي كثافة النانو المعدنية يمكن تعديلها عن طريق ضبط تركيز الحمض النووي اوريغامي و Mg2 + في حل ترسب. ارتفاع Mg2 + تركيز يحسن التصاق الحمض النووي اوريغامي التالي يزيد من الكثافة, ولكن في نهاية المطاف سوف يسبب أيضا التكتل من هياكل اوريغامي الحمض النووي. التالي ، في المقام الأول ينبغي تعديل تركيز الحمض النووي اوريغامي أولا.

9. نمو قناع سيو2 (الشكل 3د)

ملاحظه: يمكن تنفيذ هذه الخطوة خارج غرفه الأبحاث. سينتج الإصدار التالي نمط نغمه سالبه ، ولكن من الممكن تعديل العملية لإنتاج نمط نغمه ايجابيه بدلا من ذلك. يتم تكييف عمليه النمو سيو2 من surwade وآخرون52، وضعت مزيد من الكتاب53، وأخيرا الأمثل لهذا البروتوكول.

  1. تاخذ المجففة القابلة للإغلاق (1.5 L) ، طبق بيتري الذي يناسب داخل المجفف (اختياري) وصفيحه مثقبه التي يمكن ان تعمل كمنصة داخل المجففة.
  2. خذ 100 غرام من هلام السيليكا ومزجها مع 30 غرام من الماء المقطر في طبق بيتري أو مباشره في المجفف. القيام بهذه الخطوة ويفضل علي الأقل 24 ساعة مقدما للسماح لهلام السيليكا لتحقيق الاستقرار.
    ملاحظه: يتم استخدام هذا للسيطرة علي الرطوبة داخل المجففة ، التالي أيضا معدل النمو والمورفولوجية من الفيلم سيو2 . ارتفاع الرطوبة يؤدي إلى ارتفاع معدل وخشونة هيكل. بدلا من ذلك ، يمكن الشفاء هلام السيليكا في غرفه الاختبار المناخية.
  3. وضع هلام السيليكا في المجفف وفصلها مع لوحه مثقبه.
  4. وضع رقائق مع كثف الحمض النووي اوريغامي ، فضلا عن قارورة مفتوحة من (الطازجة) 10 مل من رباعي ايثيل العظام (TEOS) وقارورة أخرى من 10 مل من هيدروكسيد الأمونيوم 25 ٪ (NH4OH) في المجفف ، علي منصة مثقبه. تعيين قوارير بالقرب من وعلي الجانبين المعاكس من العينات. يفضل استخدام الفلين قارورة أو قاعده مسطحه مماثله لرفع قليلا من رقائق من المنصة.
    تحذير: كل من NH4OH و teos ضاره في حاله ملامسه الجلد والابخره الخاصة بهم يمكن ان يسبب تهيج لكل من العينين والاجهزه التنفسية. يستخدم في منطقه جيده التهوية ويرتدي قفازات واقيه وحماية للعين وملابس واقيه.
  5. ختم الغرفة واحتضان لمده 20 ساعة في درجه حرارة الغرفة. وهذا سوف ينمو الفيلم سيو2 في المناطق التي لا توجد فيها هياكل اوريغامي الحمض النووي ، وخلق قناع منقوشة 10-20 nm مع ثقوب علي شكل اوريغامي الحمض النووي (الشكل 4).
  6. أزاله العينات من الغرفة بعد الحضانة. يخزن في حاويه مغطاه. يمكن إيقاف المعالجة هنا. التخلص من TEOS المستخدمة و NH4آوه. يمكن استخدام دفعه من هلام السيليكا 2-3 مرات إذا تم الاحتفاظ بها مختومه داخل المجففة بين الاستخدامات والمستخدمة في غضون 2-3 أسابيع.

10. النقش أيون رد الفعل (RIE) من سيو2 و a-Si (الشكل 3ه)

  1. ضع الرقائق في معدات النقش أيون التفاعلية (RIE).
  2. اعداد المعلمات النقش لحفر فقط 2-5 nm من سيو2 من أجل الكشف عن طبقه Si تحت الثقوب في قناع سيو2 . يجب تحديد الإعدادات الدقيقة تجريبيا للمعدات الفردية. وترد المعايير المستخدمة هنا في الجدول 3. تشغيل برنامج النقش البلازما سيو2 المتباينة.
  3. اعداد المعلمات النقش ليخترق من خلال 50 nm الطبقة ا-Si. وترد المعايير المستخدمة هنا مره أخرى في الجدول 3. تشغيل برنامج النقش البلازما a-Si الانسيابية.
  4. قم بازاله العينات من معدات RIE والمخزن المغطي. ويمكن تعليق المعالجة مره أخرى هنا.

11-ترسيب البخار الفيزيائي للمعادن (الشكل 3(و))

  1. تحميل رقائق في غرفه التبخر من الصك الترسيب الفيزيائي للبخار.
  2. اختيار المعادن المستهدفة. أولا ، اختر معدن لاصق. هنا ، يتم استخدام 2 نانومتر من الكروم (Cr).
  3. اعداد برنامج التحكم سمك للمواد الهدف وسمك. أسلوب التحكم هو الاداه المعتمدة. هنا ، يتم استخدام الكوارتز الكريستال المجهرية (QCM). يتم تعديل سمك يقاس بواسطة كثافة المواد المستهدفة و Z-عامل ويحتاج إلى تصحيح من قبل عامل الاداات المحددة تجريبيا التي هي خاصه بالنسبة للجهاز وكل المواد المستهدفة.
  4. بدء شعاع الكترون ، ومحاذاة شعاع إلى الهدف وزيادة شعاع الحالي حتى يتم التوصل إلى معدل ترسب 0.05 نانومتر/ثانيه. تتبخر حتى يتم التوصل إلى سمك النهائي من 2 نانومتر.
  5. اختيار المعدن الهدف الثاني (مثل الذهب) دون تنفيس الغرفة أو مقاطعه العملية. ستسمح الانقطاعات أو التنفيس للمعدن اللاصق ببدء الاكسده وتقليل قابليته للاستخدام كماده لاصقه.
  6. كرر الخطوات 11.3 إلى 11.4. تتبخر حتى يتم الوصول إلى 20 نانومتر. وهذا سيخلق الحمض النووي اوريغامي علي شكل هيكل معدني من خلال الثقوب القناع سيو2 مع ارتفاع إجمالي 22 نانومتر.
  7. تنفيس الغرفة وأزاله العينات.
  8. يمكن إيقاف المعالجة هنا إذا تم تخزين العينات التي تم تغطيتها.

12-الرفع مع حمض الهيدروفلوروريك (HF) (الشكل 3ز)

  1. صب 50 ٪ القائم علي أساس HF الحل في حاويه بلاستيكية مناسبه. لا ينبغي استخدام HCl للخليط ، لان HCl سوف حفر Cr في العينة.
    تحذير: HF هو تاكل للغاية ، يسبب تهيج شديد والحروق ويمكن ان تكون مميته علي ملامسه الجلد أو في حاله استنشاقه. استخدام HF فقط في غطاء الدخان مخصصه أو مقاعد البدلاء الرطب التهوية مع المئزر واقيه ، قفازات مقاومه للكيماويات وقناع الوجه ، أو الحماية الكيميائية الكاملة خلاف ذلك.
  2. تزج العينات في الميل القائم علي HF ويحرك برفق مع ملاقط بلاستيكية.
  3. انتظر لطبقه سيو2 لحفر تماما وطبقه معدنيه لفصل. الوقت سوف تختلف بشكل ملحوظ اعتمادا علي كثافة ثقوب القناع. وهناك عدد أكبر من الثقوب تترجم إلى النقش أسرع. إذا كان من الصعب تقشر طبقه معدنيه ، ويمكن استخدام ultrasonication وجيزة لمده 5 إلى 10 ليالي.
  4. بمجرد فصل الفيلم المعدني ، شطف العينات مع الماء المقطر المزدوج و الايزوبروبانول.
  5. بعد الشطف ، تجف العينات مع تدفق النيتروجين بنفس الطريقة كما أوعز لاعداد الركيزة (الخطوة 5). تجنب ملاقط الاتصال مع مركز رقاقه ، كما ان هذا قد يدمر النانو شكلت.
    ملاحظه: يمكن تخزين العينات ومعالجه المعلقة هنا.

13. ري من المتبقية ا-Si (الشكل 3ح)

  1. ضع الرقائق في معدات النقش أيون التفاعلية (RIE).
  2. اعداد المعلمات النقش لأزاله شامله من جميع 50 nm من ا-Si. المعلمات يمكن ان تكون هي نفسها كما في الخطوة 10 ، ولكن وقتا أطول قليلا النقش (40 s) يمكن استخدامها لضمان أزاله جميع Si. انظر الجدول 3 للاطلاع علي المعلمات المستخدمة هنا.  تشغيل الانسيابية a-Si البلازما برنامج النقش لأزاله المتبقية ا-Si.
  3. قم بازاله العينات من معدات RIE والمخزن المغطي. سيؤدي هذا إلى إنهاء معالجه العينة.

14. المجهر القوه الذرية (فؤاد)

ملاحظه: المجهرية القوه الذرية والمسح المجهري الكترون يمكن استخدامها لرصد نجاح نمو الفيلم و زخرفه وكذلك إلى صوره مطوية الحمض النووي اوريغامي الهياكل (الشكل 2ب ، ج). يمكن تخطي الخطوة اعداد نموذج التالية إذا تم معالجه العينات من الخطوات 5-13 يتم imaged.

  1. اعداد عينه لفؤاد
    1. لصوره اوريغامي الحمض النووي مطوية ، واتخاذ رقاقه من الركيزة ميكا.
    2. نعلق رقاقه ميكا إلى شريحة المجهر الزجاجي باستخدام لاصق.
    3. اعداد 10 μL من محلول الحمض النووي اوريغامي عن طريق تمييع ~ 20 nM الحمض النووي الأوراق المالية اوريغامي 50 مرات في 1x فوب إلى تركيز تقريبا 0.4 nM. ويتم التخفيف من أجل منع الازدحام الركيزة.
    4. قشر الطبقة العليا من ورقه الميكا قباله مع شريط ضعيف للحصول علي المشقوق الطازجة ، والسطح المشحون.
    5. إيداع حل اوريغامي الحمض النووي المخفف علي الميكا المشقوق الطازجة واحتضان العينة مغطاه لمده دقيقه واحده في درجه حرارة الغرفة.
    6. بعد الحضانة ، اغسل السطح 3-4 مرات مع 100 μL من الماء المقطر باستخدام ماصه. وهذا يسبب فقط الممتصة بشكل صحيح اوريغامي علي البقاء علي السطح.
    7. إيداع 100 μL من الماء المقطر علي سطح الميكا.
    8. أماله وبحده الاستفادة من الشريحة المجهر علي الطاولة لفصل معظم المياه.
    9. كرر هذه الدورة الغسيل 3-4 مرات.
    10. جفف العينة جيدا بتدفق النيتروجين بعد الغسيل مباشره. ثم تكون العينة جاهزه لتصوير فؤاد.
  2. وضع عينات اوريغامي الحمض النووي أو رقائق معالجتها في فؤاد واجراء مسح. حجم المسح الضوئي من 1-10 μm هو مناسبه لحل بشكل صحيح الهياكل.

15. مسح المجهر الكتروني (SEM)

  1. ضع العينات في SEM. ويمكن استخدام رقائق المجهزة كما هي (لا حاجه إلى مزيد من اعداد العينة).
  2. اختيار الجهد التسارع. استخدام الفولتية منخفضه (5-10 kV) للحد من اثار الشحن منذ الركيزة عينه (ال2O3 أو الخطيئة) هو عازل.
  3. مسح اي مجالات الاهتمام. قلل من أوقات المسح لتقليل الشحن وتجنب ترسب التلوث.

Representative Results

ويرد الرقم التخطيطي للتصميم الحمض النووي الربطة اوريغامي وتفاصيلها الهيكلية في الشكل 1. يتم استخدام الكهربائي هلام agarose و فؤاد لتحليل الحمض النووي للطي اوريغامي ونوعيه الربط تنقيه (الشكل 2). يتم عرض تدفق عمليه الخطوات نانوليثوغرافي في الشكل 3. ممثل فؤاد الصور بعدسيو 2 يظهر النمو قناع في الشكل 4 (ويصور هذه الخطوة في الشكل 3د) ، في حين صور SEM من النانو المعدنية النهائية يمكن ان ينظر اليه في الشكل 5 (ويصور هذه الخطوة في الشكل 3حاء). يوضح الشكل 6 الوظيفة البصرية لهياكل النانو المعدنية التي تصنعها اوريغامي الحمض النووي الربطة.

للطي العازلة (فوب) تركيزات المكون [مم]
تريس حمض الخليك EDTA كلوريد المغنيسيوم الرقم الهيدروجيني
2.5 x فوب 100 47.5 2.5 31.25 ~ 8 ، 3
1x فوب 40 19 1 12.5 ~ 8 ، 3

الجدول 1: تكوين المخزن المؤقت للطي (فوب).

نطاق درجه الحرارة [oC] معدل التبريد
90-70 -0.2 درجه مئوية/8 ثانيه
70-60 -0.1 درجه مئوية/8 ثانيه
60-27 -0.1 درجه مئوية/2 ثانيه
12 الانتظار حتى التوقف

الجدول 2: منحدر الحرارية للطي الربطة اوريغامي. بعد الصلب ، سيتم تخزين اوريغامي في 12 سج حتى يتم إيقاف البرنامج يدويا.

المعلمات PECVD و RIE
الغاز تدفق الغاز [sccm] ضغط الغرفة [mTorr] RF السلطة [W] درجه الحرارة [oC] المدة [باللغات]
PECVD من ا-Si 5% SiH4 في N2 500 1000 15 250 90
O2 علاج البلازما O2 50 40 200 30 1200
RIE من سيو2 3 فرنك سويسري 25
ع 25 30 100 25 10-22
ري اي سي O2 8
SF6 100 90 50 30 35
ري من المتبقية ا-Si O2 8
SF6 100 90 50 30 35-40

الجدول 3: بارامترات عمليه لترسيب البخار الكيميائي المعزز بالبلازما (PECVD) والنقش الأيوني التفاعلي (RIE). ان معلمات العملية لهذه الاجهزه خاصه بالأداات الفردية وقد تحتاج إلى تكييفها عند استخدامها.

Figure 1
الشكل 1: تصميم اوريغامي الحمض النووي الربطة. (ا) التمثيل التخطيطي للتصميم اوريغامي ربطه الذي يظهر فيه الهيكل الأساسي كما الهلاليات المزدوجة و polyt-overhangs ويصور كخطوط متموجة. (B) لقطه من جزء من تصميم اوريغامي ربطه في برنامج cadnano. الصلبان الحمراء دلاله علي الزوج الأساسي تخطي لتصحيح تويست ، ويتم أضافه T8-overhangs لمنع التراص قاعده غير حاده. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: توصيف بنيه اوريغامي الحمض النووي الربطة. (ا) اجبرز هلام الكهربائي من هيكل ربطه قبل وبعد بولي (الاثيلين جلايكول) (PEG) تنقيه. يتم استخدام السقالات الطويلة 7249 كمرجع. (B) صوره المجهر القوه الذرية (فؤاد) من الهياكل ربطه قبل تنقيه. (ج) فؤاد صوره من الهياكل ربطه بعد تنقيه PEG. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: مخطط تدفق عمليه التصنيع (الابعاد ليست في الحجم). (ا) النرد وتنظيف الركيزة. (ب) إيداع طبقه ا-سي بواسطة ترسب بخار كيميائي معزز بالبلازما (pecvd). * فمن الممكن لاستخدام طبقه الذبيحة اضافيه تحت ا-Si لتمكين الإقلاع مع الانشوده غير HF. (ج) علاج سطح العينة مع O2 البلازما والحمض النووي الودائع اوريغامي علي ذلك. (د) تنمو قناع سيو2 في المجففة. (ه) حفر طبقه رقيقه من سيو2 ومن خلال ا-Si تحته عن طريق النقش أيون التفاعلية (RIE). (و) إيداع المعدن من خلال القناع عن طريق ترسيب البخار المادي. (ز) الإقلاع بالتردد العال. (ح) أزاله المتبقية-Si من قبل RIE. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.

Figure 4

الشكل 4: ممثل فؤاد الصور من الفيلم سيو2 مع نمط الحمض النووي اوريغامي علي شكل. (ا) منطقه المسح الضوئي 10 μm x 10 μm توضح الغلة العالية لتشكيل النمط. (ب) يظهر المسح الضوئي الدقيق بدقه 3 ميكرومتر × 3 ميكرومتر الأنماط الفردية الدقيقة في فيلم سيو2 . يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5: تصوير المجهر الكتروني التمثيلي (SEM) صور من النانو المعدنية templated مع اوريغامي الحمض النووي مختلفه هيكليا. (ا) اوريغامي الحمض النووي عبر الشكل ، اي ما يسمي البلاط seeman اوريغامي54. (ب) هوائيات bowtie. (ج) هياكل الازدواج المزدوج-l (cdl). Insets إظهار الهياكل الفردية مع احجام مربع من 150 nm العاشر 150 nm. الغلة تلفيق من الهياكل الدقيقة هو ما يصل إلى 76 ٪ لاوريغامي ربطه و ~ 50 ٪ للهياكل الأخرى المعروضة هنا34. وقد تم تكييف هذا الرقم وتعديله من شين وآخرون34. وقد استنسخ هذا الرقم باذن من المؤلفين ونشرته الرابطة الامريكيه للنهوض بالعلم ، 2018. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.

Figure 6
الشكل 6: الخصائص البصرية/الوظيفية التمثيلية لهياكل النانو الناتجة. (ا) قياسات رنين البلازما الموضعية المترجمة لهيكل الربطة الذهبية الفردية ذات الاستقطاب المختلف (اللون المرمز كالبرتقالي والأزرق). يتم قياس الخطوط الصلبة الأطياف والخطوط متقطع هي نتائج المحاكاة. تظهر insets صوره SEM للجسيم المقاسه (يسار) والنموذج المستخدم للمحاكاة (يمين). (B) سطح محسن رامان الطيفي (الموزعين) من رونامامين 6g و 2 ، 2-بييريددين تقاس علي سطح مغطاه النانو ربطه. يظهر خط الأساس لكل عينه مستوي الاشاره عند غياب النانو. وقد تم تكييف هذا الرقم وتعديله من شين وآخرون34. وقد استنسخ هذا الرقم باذن من المؤلفين ونشرته الرابطة الامريكيه للنهوض بالعلم ، 2018. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.

Supplemental File 1
ملف تكميلي 1: ملف CaDNAno الرجاء انقر هنا لتحميل هذا الملف.

Supplemental File 2
الملف التكميلي 2: تسلسل m13mp18 الرجاء انقر هنا لتحميل هذا الملف.

Supplemental File 3
الملف التكميلي 3: تسلسل حبلا التدبيس الرجاء انقر هنا لتحميل هذا الملف.

Discussion

البروتوكول يوفر حريه كبيره ودقه في شكل النانو المنتجة. عن طريق تغيير تصميم اوريغامي الحمض النووي ، يمكن التحكم في شكل النانو المعدنية. يتم تحديد الشكل النهائي والدقيق للهياكل المعدنية بالاضافه إلى ذلك عن طريق خطوه النمو قناع (الخطوة 9) والي درجه اقل من النقش قناع (الخطوة 10) ينبغي ان لا يكون متباين الخواص. إذا تم تمديد الوقت قناع النمو بما فيه الكفاية ، فان الثقوب في القناع تبدا في النمو إغلاق. ويمكن استخدام هذا لحذف الميزات أنحف من بعض الهياكل والتحكم في احجام الفجوة ، كما هو موضح في شن وآخرون34 مع مثلثات مفصوله من اوريغامي ربطه (الاشكال 5b). وعلي العكس من ذلك ، يمكن الحفاظ علي الاشكال ارق أفضل من خلال تقصير وقت النمو أكسيد. وهذا يعني انه من الممكن لضبط الخصائص البصرية المعروضة في الشكل 6، وليس فقط عن طريق تغيير تصميم اوريغامي المستخدمة ، ولكن أيضا عن طريق ضبط النمو السينمائي سيو2 .

إذا تم تغيير سمك قناع بشكل ملحوظ ، يجب ان ينعكس هذا التغيير أيضا في الخطوة SiO2 RIE. فقط طبقه رقيقه جدا من سيو2 يجب ان تكون محفورة (2-5 nm) لاختراق بالبالكاد من خلال ثقوب القناع. هذا هو الجزء الأكثر حساسية وحاسمه من العملية برمتها. منذ النقش الوقت قصيرة للغاية ، فقط 10-20 s ، يجب تحديد الإعدادات الدقيقة بالتجربة عند محاولة لأول مره مع المعدات الجديدة. وهذا ينطبق أيضا علي الخطوة 10.4 كما تم محفورا بعض سيو2 خلال النقش ا-Si. يتم تحديد مدي المحفورة سيو2 من قبل انتقائية من المعلمات المستخدمة ا-Si حفر ، والمعدات وحتى معايره المعدات الفردية. وينبغي الحرص علي عدم الحفر بعيدا عن كامل الطبقةالثانية خلال هاتين العمليتين.

خطوه حساسة أخرى هي النمو سيو2 . عمليه النمو تعتمد علي كل من الرطوبة الغرفة والنشاط الحالي لل TEOS المستخدمة. TEOS يحط كما انه يمتص المياه من الهواء ، مما تسبب في ان تصبح اقل فعاليه مع التقدم في السن. ويمكن ان يظهر هذا المعدل بشكل إبطا بكثير ، واقل تحكما في النمو في غضون أشهر حتى مع التخزين السليم لهذه المادة الكيميائية. 34 إذا كانت طبقه سيو2 الناتجة ارق من المقصود ، فان هذا يمكن ان يشير إلى وجود مشكله في teos بدلا من رطوبة الغرفة. في حين ان انخفاض الرطوبة يمكن ان يؤدي أيضا إلى انخفاض معدل النمو وارق الفيلم ، يجب ان يكون الفيلم الناتج أيضا أكثر سلاسة من المعتاد. وفي الوقت نفسه الخشنة الحبيبات وطبقه خشنه علي العكس تشير إلى وجود مشكله مع ارتفاع نسبه الرطوبة.

ومن الممكن أيضا لتنفيذ هذا البروتوكول علي اي الركيزة الأخرى المختارة بحريه مع اثنين من المتطلبات: يجب ان تتسامح مع كل النقش HF (الخطوة 12) ودرجات الحرارة 200-300 °C من PECVD (الخطوة 6). ويمكن خفض درجه الحرارة بأمان إلى 100 درجه مئوية لل PECVD من ا-Si إذا تم استخدام ركيزة أكثر حساسية ، ولكن لا يمكن تجنب HF إذا تم اتباع البروتوكول بالبالضبط كما هو موضح. وللالتفاف علي التردد الHF ، سيلزم تطبيق طبقه اضافيه من الذبيحة. إذا تمت أزاله متطلبات النقش HF ، وهذا البروتوكول تصبح متوافقة مع مجموعه أوسع من المواد الركيزة والمعادن.

وبما ان هذا البروتوكول يتكون من العمليات الصغرى والقوية التي يشيع استخدامها ، فانه يمكن دمجها مع اي عدد من بروتوكولات التصنيع المجهري الأخرى التي ترغب فيها احجام الميزات الصغيرة والاشكال المعدنية المعقدة. في المستقبل القريب ، وخاصه مع مجيء منخفضه التكلفة الحمض النووي اوريغامي الكتلة الإنتاج31، وهناك احتمال لهذا الأسلوب لتسهيل كل من الاستخدام العام والانتاجيه العالية نانوباتيرنينج للنانوفوتونيكس القائم علي واجهه والبلازما55 .

Disclosures

وليس لدي المؤلفين ما يفصحون عنه.

Acknowledgments

وقد حظي هذا العمل بدعم اكاديميه فنلندا (المشاريع 286845 ، 308578 ، 303804 ، 267497) ، ومؤسسه جين واياتوس ايركو ، ومؤسسه سايغريد جوييوس. وقد تم القيام بهذا العمل في اطار برنامج اكاديميه مراكز التميز في فنلندا (2014 – 2019). ونحن نعترف بتوفير المرافق والدعم التقني من قبل جامعه Aalto مرافق الاقتصاد الحيوي و OtaNano-مركز نانوميكروسكوبي (التو-السيد) ومركز ميكرونوفا Nanofabrication.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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)

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Seeman, N. C., Sleiman, H. F. DNA nanotechnology. Nature Reviews Materials. 3 (1), 17068 (2017).
  2. Linko, V., Dietz, H. The enabled state of DNA nanotechnology. Current Opinion in Biotechnology. 24 (4), 555-561 (2013).
  3. Rothemund, P. W. K. Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns. Nature. 440 (7082), 297-302 (2006).
  4. Hong, F., Zhang, F., Liu, Y., Yan, H. DNA Origami: Scaffolds for Creating Higher Order Structures. Chemical Reviews. 117 (20), 12584-12640 (2017).
  5. Maune, H. T., et al. Self-assembly of carbon nanotubes into two-dimensional geometries using DNA origami templates. Nature Nanotechnology. 5 (1), 61-66 (2010).
  6. Hung, A. M., et al. Large-area spatially ordered arrays of gold nanoparticles directed by lithographically confined DNA origami. Nature Nanotechnology. 5 (2), 121-126 (2010).
  7. Kuzyk, A., et al. DNA-based self-assembly of chiral plasmonic nanostructures with tailored optical response. Nature. 483 (7389), 311-314 (2012).
  8. Zhang, T., et al. 3D DNA Origami Crystals. Advanced Materials. 30 (28), 1800273 (2018).
  9. Julin, S., et al. DNA origami directed 3D nanoparticle superlattice via electrostatic assembly. Nanoscale. 11 (10), 4546-4551 (2019).
  10. Fu, J., Liu, M., Liu, Y., Yan, H. Spatially-Interactive Biomolecular Networks Organized by Nucleic Acid Nanostructures. Accounts of Chemical Research. 45 (8), 1215-1226 (2012).
  11. Linko, V., et al. DNA-based enzyme reactors and systems. Nanomaterials. 6 (8), 139 (2015).
  12. Ramakrishnan, S., Subramaniam, S., Stewart, A. F., Grundmeier, G., Keller, A. Regular Nanoscale Protein Patterns via Directed Adsorption through Self-Assembled DNA Origami Masks. ACS Applied Materials & Interfaces. 8 (45), 31239-31247 (2016).
  13. Grossi, G., Jaekel, A., Andersen, E. S., Saccà, B. Enzyme-functionalized DNA nanostructures as tools for organizing and controlling enzymatic reactions. MRS Bulletin. 42 (12), 920-924 (2017).
  14. Douglas, S. M., Bachelet, I., Church, G. M. A logic-gated nanorobot for targeted transport of molecular payloads. Science. 335 (6070), 831-834 (2012).
  15. Li, S., et al. A DNA nanorobot functions as a cancer therapeutic in response to a molecular trigger in vivo. Nature Biotechnology. 36 (3), 258-264 (2018).
  16. Zhao, Y. -X., et al. DNA origami delivery system for cancer therapy with tunable release properties. ACS Nano. 6 (10), 8684-8691 (2014).
  17. Kollmann, F., et al. Superstructure-Dependent Loading of DNA Origami Nanostructures with a Groove-Binding Drug. ACS Omega. 3 (8), 9441-9448 (2018).
  18. Zhang, D. Y., Seelig, G. Dynamic DNA nanotechnology using strand-displacement reactions. Nature Chemistry. 3 (2), 103-113 (2011).
  19. Ijäs, H., Nummelin, S., Shen, B., Kostiainen, M. A., Linko, V. Dynamic DNA Origami Devices: from Strand-Displacement Reactions to External-Stimuli Responsive Systems. International Journal of Molecular Sciences. 19 (7), 2114 (2018).
  20. Li, J., Fan, C., Pei, H., Shi, J., Huang, Q. Smart Drug Delivery Nanocarriers with Self-Assembled DNA Nanostructures. Advanced Materials. 25 (32), 4386-4396 (2013).
  21. Linko, V., Ora, A., Kostiainen, M. A. DNA Nanostructures as Smart Drug-Delivery Vehicles and Molecular Devices. Trends in Biotechnology. 33 (10), 586-594 (2015).
  22. Jiang, Q., Liu, S., Liu, J., Wang, Z. G., Ding, B. Rationally Designed DNA-Origami Nanomaterials for Drug Delivery In Vivo. Advanced Materials. , (2018).
  23. Shen, B., Linko, V., Dietz, H., Toppari, J. J. Dielectrophoretic trapping of multilayer DNA origami nanostructures and DNA origami-induced local destruction of silicon dioxide. Electrophoresis. 36 (2), 255-262 (2015).
  24. Kuzyk, A., Jungmann, R., Acuna, G. P., Liu, N. DNA Origami Route for Nanophotonics. ACS Photonics. 5 (4), 1151-1163 (2018).
  25. Liu, N., Liedl, T. DNA-Assembled Advanced Plasmonic Architectures. Chemical Reviews. 118 (6), 3032-3053 (2018).
  26. Bathe, M., Rothemund, M. DNA Nanotechnology: A Foundation for Programmable Nanoscale Materials. MRS Bulletin. 42 (12), 882-888 (2017).
  27. Pilo-Pais, M., Acuna, G. P., Tinnefeld, P., Liedl, T. Sculpting light by arranging optical components with DNA nanostructures. MRS Bulletin. 42 (12), 936-942 (2017).
  28. Graugnard, E., Hughes, W. L., Jungmann, R., Kostiainen, M. A., Linko, V. Nanometrology and super-resolution imaging with DNA. MRS Bulletin. 42 (12), 951-959 (2017).
  29. Zhong, J., et al. Metallized DNA nanolithography for encoding and transferring spatial information for graphene patterning. Nature Communications. 4, 1663 (2013).
  30. Zhang, G., Surwade, S. P., Zhou, F., Liu, H. DNA nanostructure meets nanofabrication. Chemical Society Reviews. 42 (7), 2488-2496 (2013).
  31. Praetorius, F., Kick, B., Behler, K. L., Honemann, M. N., Weuster-Botz, D., Dietz, H. Biotechnological mass production of DNA origami. Nature. 552 (7683), 84-87 (2017).
  32. Linko, V., et al. One-step large-scale deposition of salt-free DNA origami nanostructures. Scientific Reports. 5, 15634 (2015).
  33. Arbabi, A., Horie, Y., Bagheri, M., Faraon, A. Dielectric metasurfaces for complete control of phase and polarization with subwavelength spatial resolution and high transmission. Nature Nanotechnology. 10 (11), 937-943 (2015).
  34. Shen, B., et al. Plasmonic nanostructures through DNA-assisted lithography. Science Advances. 4 (2), (2018).
  35. Douglas, S. M., et al. Rapid prototyping of 3D DNA-origami shapes with caDNAno. Nucleic Acids Research. 37 (26), 5001-5006 (2009).
  36. Ke, Y., et al. Multilayer DNA Origami Packed on a Square Lattice. Journal of the American Chemical Society. 131 (43), 15903-15908 (2009).
  37. Dietz, H., Douglas, S. M., Shih, W. M. Folding DNA into twisted and curved nanoscale shapes. Science. 325 (5941), 725-730 (2009).
  38. Castro, C. E., et al. A primer to scaffolded DNA origami. Nature Methods. 8 (3), 221-229 (2011).
  39. Kim, D. -N., Kilchherr, F., Dietz, H., Bathe, M. Quantitative prediction of 3D solution shape and flexibility of nucleic acid nanostructures. Nucleic Acids Research. 40 (7), 2862-2868 (2011).
  40. Benson, E., et al. DNA rendering of polyhedral meshes at the nanoscale. Nature. 523 (7561), 441-444 (2015).
  41. Veneziano, R., et al. Designer nanoscale DNA assemblies programmed from the top down. Science. 352 (6923), 1534 (2016).
  42. Linko, V., Kostiainen, M. A. Automated design of DNA origami. Nature Biotechnology. 34 (8), 826-827 (2016).
  43. Nummelin, S., Kommeri, J., Kostiainen, M. A., Linko, V. Evolution of Structural DNA Nanotechnology. Advanced Materials. 30 (24), 1703721 (2018).
  44. Maffeo, C., Yoo, J., Aksimentiev, A. De novo reconstruction of DNA origami structures through atomistic molecular dynamics simulation. Nucleic Acids Research. 44 (7), 3013-3019 (2016).
  45. Stahl, E., Martin, T. G., Praetorius, F., Dietz, H. Facile and Scalable Preparation of Pure and Dense DNA Origami Solutions. Angewandte Chemie International Edition. 53 (47), 12735-12740 (2014).
  46. Shaw, A., Benson, E., Högberg, B. Purification of Functionalized DNA Origami Nanostructures. ACS Nano. 9 (5), 4968-4975 (2015).
  47. Kuzyk, A., Yurke, B., Toppari, J. J., Linko, V., Törmä, P. Dielectrophoretic Trapping of DNA Origami. Small. 4 (4), 447-450 (2008).
  48. Lin, C., Perrault, S. D., Kwak, M., Graf, F., Shih, W. M. Purification of DNA-origami nanostructures by rate-zonal centrifugation. Nucleic Acids Research. 41 (2), 40 (2013).
  49. Douglas, S. M., et al. Self-assembly of DNA into nanoscale three-dimensional shapes. Nature. 459 (7245), 414-418 (2009).
  50. Ramakrishnan, S., Ijäs, H., Linko, V., Keller, A. Structural stability of DNA origami nanostructures under application-specific conditions. Computational and Structural Biotechnology Journal. 16, 342-349 (2018).
  51. Kielar, C., et al. On the Stability of DNA Origami Nanostructures in Low-Magnesium Buffers. Angewandte Chemie International Edition. 57 (30), 9470-9474 (2018).
  52. Surwade, S. P., et al. Nanoscale growth and patterning of inorganic oxides using DNA nanostructure templates. Journal of the American Chemical Society. 135 (18), 6778-6781 (2013).
  53. Shen, B., Linko, V., Tapio, K., Kostiainen, M. A., Toppari, J. J. Custom-shaped metal nanostructures based on DNA origami silhouettes. Nanoscale. 7 (26), 11267-11272 (2015).
  54. Liu, W., Zhong, H., Wang, R., Seeman, N. C. Crystalline Two-Dimensional DNA-Origami Arrays. Angewandte Chemie International Edition. 50 (1), 264-267 (2011).
  55. Shen, B., Kostiainen, M. A., Linko, V. DNA Origami Nanophotonics and Plasmonics at Interfaces. Langmuir. 34 (49), 14911-14920 (2018).

Tags

الكيمياء ، الإصدار 151 ، الحمض النووي النانويه ، اوريغامي الحمض النووي ، النانويه المعدنية ، نانوليثوغرافي ، زخرفه الركيزة ، البصريات ، plasmonics
الحمض النووي اوريغامي--بوساطة نانوباتيرنينج الركيزة من الهياكل غير العضوية لتطبيقات الاستشعار
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Piskunen, P., Shen, B., Julin, S.,… More

Piskunen, P., Shen, B., Julin, S., Ijäs, H., Toppari, J. J., Kostiainen, M. A., Linko, V. DNA Origami-Mediated Substrate Nanopatterning of Inorganic Structures for Sensing Applications. J. Vis. Exp. (151), e60313, doi:10.3791/60313 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter