כאן, אנו מתארים פרוטוקול ליצור ננו מבנים אורגניים בדידים ומדויקים על מצעים באמצעות צורות DNA אוריגמי כמו תבניות המנחה. השיטה מוכחת על ידי יצירת אנטנות זהב בצורת עניבת הפלסטיק על מצע שקוף (ספיר).
ננוטכנולוגיית דנ א מבנית מספקת מסלול בר קיימא לבנייה מלמטה-up באמצעות DNA כחומר בנייה. הטכניקה השכיחה ביותר של ה-DNA nanofabrication נקרא DNA אוריגמי, וזה מאפשר סינתזה תפוקה גבוהה של מבנים מדויקים מאוד תכליתי עם דיוק ברמת nanמטר. כאן, זה מראה איך את המידע המרחבי של אוריגמי DNA ניתן להעביר מבנים ננומתכתיים על ידי שילוב התחתון-up אוריגמי origami עם מקובל בשימוש מלמעלה-למטה גישות הליטוגרפיה. זה מאפשר הייצור של מיליארדי מבנים ננו זעירים בשלב אחד אל מצעים נבחרים. השיטה מומחש באמצעות בקשת DNA אוריגמי ליצור מבני מתכת בצורת עניבת מבנים אנטנה על הסיליקון ניטריד או מצעים ספיר. השיטה מסתמכת על הצמיחה סלקטיבי של שכבת תחמוצת הסיליקון על גבי מצע התצהיר אוריגמי, ובכך וכתוצאה מכך מסכה לאחר צעדים ליטוגרפיים. אלה משטחים מצוידים ננו מבנה יכול להיות בשימוש נוסף כחיישנים מולקולריים (g., משטח משופר ספקטרוסקופיית (SERS)) וביישומים אופטיים שונים בטווח אורך הגל הנראה בשל גודל התכונות הקטנות (sub-10 ננומטר). ניתן להרחיב את הטכניקה לחומרים אחרים באמצעות שינויים מתודולוגיים; לפיכך, המשטחים הפעילים הנובעים ממנו עשויים למצוא שימוש בפיתוח של מטאמיטים ופרצופים מטאסליים.
ננוטכנולוגיית דנ א מבנית התפתחה במהירות במהלך העשור האחרון1,2, ואת הפיתוח המשפיע ביותר בתחום יש ללא ספק ההמצאה של3dna אוריגמי 3,4. טכניקת ה-DNA אוריגמי מאפשר הייצור של כמעט כל ננוצורה עם תכונות מבניות מדויקות3,4. שיטה רבת עוצמה זו יכולה לשמש (sub) ננו-הסדר מרחבית מדויק עיגון של ננו אובייקטים אחרים, כגון צינוריות פחמן5, חלקיקי מתכת6,7,8, 9, אנזימים/חלבונים10,11,12,13 וחומרים טיפוליים14,15,16,17 . חשוב מכך, מבנים אלה אינם רק סטטי, אבל הם יכולים גם להיות מתוכנתים לפעול באופן דינאמי18,19. אינספור היישומים של ה-DNA אוריגמי טווח משלוח תרופות20,21,22 לאלקטרוניקה מולקולרית/פלאמונניקס5,23,24, 25 וממדעי החומרים26,27 עד טכניקות הדמיה וכיול הרומן28.
מלבד היישומים שהוזכרו לעיל, את הרזולוציה המרחבית הקיצונית של צורות ה-DNA אוריגמי ניתן לרתום ב nanopatterning ועדין ליתוגרפיה ננו בקנה מידה של29,30. פרוטוקול זה מתאר שיטת ליתוגרפיה ליצירת ננו מבנים אורגניים ומדויקים על מצעים באמצעות תבניות DNA אוריגמי. תבניות אלה יכולות להיות מיוצרות ביעילות בצורות שונות ובכמויות גדולות31, והופקד מאמץ על מצעים נבחרים בקשקשים גדולים32. מאפיינים אלה מאפשרים ייצור מקביל במיוחד של מיליארדי מבני ננו בשלב אחד בניגוד לשימוש נפוץ, אך איטי ליתוגרפיה של קרן אלקטרון או אחרים סריקה מבוסס על שיטות nanofabrication.
להלן, תהליך הייצור הוא הפגין על ידי יצירת מבנים בצורת עניבת הזהב בצורה על סיליקון ניטריד ומצעים ספיר; במילים אחרות, המידע המרחבי של אוריגמי ה-DNA מועבר מבנים ננו מתכתיים לחלוטין. כפי שנדונה כאן, הטכניקה אינה מוגבלת המבנה שנבחרו DNA הקשת אוריגמי מבנה מאז השיטה מאפשרת שימוש כמעט כל הצורה אוריגמי DNA. יתר על כן, עם שינויים שיטתי, הטכניקה ניתן להרחיב מתכות שונות ומצעים שונים סלילת הדרך לכיוון הייצור של מטאסאורפנים33.
המשטחים בדוגמת עם הייצור DNA אוריגמי בתיווך עשוי לשמש חיישנים תכליתי; לדוגמה, ניתן להשתמש בהם באמצעות ספקטרוסקופיה מוגברת לפני השטח (SERS). כתוצאה מהמימדים הקטנים של הצורות הננו הבודדות, המשטחים שנוצרו עשויים למצוא שימושים ביישומים אופטיים ופלמונית בטווח אורך הגל הנראה.
הפרוטוקול מספק חופש ודיוק רב בצורה של ננו מבנים המיוצרים. על ידי שינוי העיצוב של אוריגמי ה-DNA, את הצורה של מבני ננו מתכת ניתן לשלוט. הצורה הסופית והמדויקת של מבני המתכת נקבעת בנוסף על-ידי שלב הצמיחה של המסכה (שלב 9) ובמידה פחותה יותר על-ידי תחריט המסיכה (שלב 10) לא יהיה אניסוטרופי. אם זמן צמיחת המסיכה מורחב מספיק, החורים במסכה יתחילו לגדול. זה יכול לשמש כדי להשמיט את התכונות הדק ביותר של מבנים מסוימים ובקרה בגדלים הפער, כפי שמתואר שן ואח אל.34 עם משולשים מופרדים של אוריגמי עניבת הקשת (דמויות 5b). לעומת זאת, צורות רזה יכול להישמר טוב יותר על ידי קיצור זמן צמיחת תחמוצת. משמעות הדבר היא כי ניתן לכוונן את המאפיינים האופטיים המוצגים באיור 6, לא רק על ידי שינוי עיצוב אוריגמי משומשים, אלא גם על ידי כוונון הצמיחה של הסרט SiO2 .
אם עובי המסיכה משתנה באופן משמעותי, השינוי חייב להיות משתקף גם בשלב SiO2 RIE. רק שכבה דקה מאוד של SiO2 צריך להיות חרוט (2-5 nm) כדי בקושי לחדור דרך חורי המסכה. זהו החלק הרגיש והמכריע ביותר של התהליך כולו. כיוון שזמן החריטה קצר ביותר, רק 10-20 s, יש לקבוע את ההגדרות המדויקות כאשר ניסיון ראשון עם ציוד חדש. זה נכון גם עבור שלב 10.4 כמו כמה SiO2 נחרט גם במהלך התחריט a-Si. מידת התחריט של SiO2 נקבעת על ידי הסלקטיביות של הפרמטרים המשמשים א-Si, הציוד ואפילו ציוד פרטני כיול. הטיפול צריך להילקח לא לחרוט את כל שכבת SiO2 במהלך שני תהליכים אלה.
צעד רגיש נוסף הוא הצמיחה של SiO2 . תהליך הגדילה תלוי הן בלחות הקאמרית והן בפעילות השוטפת של השימוש ב-TEOS. TEOS מדבר כפי שהוא הופך מים מהאוויר, גורם לו להיות פחות יעיל עם הגיל. זה יכול להתבטא כקצב צמיחה איטי באופן משמעותי, פחות שניתן לשליטה בתוך חודשים אפילו עם אחסון נאות של הכימיקל. 34 אם שכבת התוצאה של SiO2 רזה יותר מאשר מיועדת, זה יכול להצביע על בעיה עם teos ולא לחות קאמרית. בעוד לחות נמוכה יותר יכול לגרום גם שיעור צמיחה נמוכה יותר הסרט רזה, הסרט המתקבל צריך גם להיות חלק יותר מהרגיל. בינתיים שכבה גסה וגסה מצביעה לעומת בעיה בלחות גבוהה.
כמו כן, ניתן לבצע פרוטוקול זה בכל מצע אחר שנבחר באופן חופשי עם שתי דרישות: הוא חייב לסבול גם את החריטה HF (שלב 12) ואת הטמפרטורות של 200-300 ° צ’ (שלב 6). ניתן להוריד את הטמפרטורה בביטחה ל 100 ° c עבור הפקונים של א-סי אם משתמשים במצע רגיש יותר, אך לא ניתן להימנע משימוש ב-HF אם הפרוטוקול מלווה בדיוק כפי שמתואר. כדי לעקוף את ה-HF, היישום של שכבת הקרבה נוספת יידרש. אם הדרישה של תחריט ה-HF מוסרת, פרוטוקול זה יהפוך לתואם למבחר רחב יותר של חומרי מצע ומתכות.
כמו פרוטוקול זה מורכב נפוץ תהליכים מיקרו ו nanofab, זה יכול להיות משולב עם מספר כלשהו של פרוטוקולים מיקרוייצור אחרים שבו בגדלים קטנים תכונות וצורות מתכת מורכבים הם הרצויים. בעתיד הקרוב, במיוחד עם באים בעלות נמוכה DNA אוריגמי הייצור המוני31, יש פוטנציאל עבור שיטה זו כדי להקל על שימוש כללי הן nanopatterning תפוקה גבוהה עבור ממשק מבוססי nanophotonics ו פלמונניקס55 .
The authors have nothing to disclose.
עבודה זו היתה נתמכת על ידי האקדמיה של פינלנד (פרויקטים 286845, 308578, 303804, 267497), קרן Erkko של ג’יין ואטוס, ואת הקרן הסיגליליליוס. עבודה זו בוצעה תחת האקדמיה של פינלנד מרכזים של תוכנית מצוינות (2014-2019). אנו מכירים במתן מתקנים ותמיכה טכנית באמצעות מתקני הביוכלכלה של אוניברסיטת אלטו ומרכז OtaNano-Nanomicroscopy Center (Aalto-NMC) ומרכז מירורובה נאנאטיאבריציה.
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) |