Aquí, describimos un protocolo para crear nanoestructuras inorgánicas discretas y precisas en sustratos utilizando formas de origami de ADN como plantillas guía. El método se demuestra mediante la creación de antenas plasmónicas en forma de pajarita de oro en un sustrato transparente (zafiro).
La nanotecnología de ADN estructural proporciona una ruta viable para la construcción desde abajo hacia arriba utilizando el ADN como material de construcción. La técnica de nanofabricación de ADN más común se llama origami de ADN, y permite la síntesis de alto rendimiento de estructuras precisas y altamente versátiles con precisión a nivel de nanómetro. Aquí, se muestra cómo la información espacial del origami de ADN se puede transferir a nanoestructuras metálicas combinando el origami de ADN de abajo hacia arriba con los enfoques de litografía de arriba hacia abajo utilizados convencionalmente. Esto permite la fabricación de miles de millones de nanoestructuras diminutas en un paso sobre sustratos seleccionados. El método se demuestra utilizando origami de ADN bowtie para crear estructuras metálicas de antena en forma de pajar en sustratos de nitruro de silicio o zafiro. El método se basa en el crecimiento selectivo de una capa de óxido de silicio en la parte superior del sustrato de deposición de origami, lo que resulta en una máscara de patrón para seguir los pasos litográficos. Estas superficies equipadas con nanoestructuras se pueden utilizar como sensores moleculares (por ejemplo, espectroscopia Raman mejorada en superficie (SERS)) y en varias otras aplicaciones ópticas en el rango de longitud de onda visible debido a los pequeños tamaños de característica (sub-10 nm). La técnica puede extenderse a otros materiales a través de modificaciones metodológicas; por lo tanto, las superficies ópticamente activas resultantes pueden encontrar uso en el desarrollo de metamateriales y metasuperficies.
La nanotecnología del ADN estructural ha evolucionado rápidamente durante la última década1,2, y el desarrollo más influyente en el campo ha sido sin duda la invención del origami de ADN3,4. La técnica de origami de ADN permite la fabricación de prácticamente cualquier nanoforma con características estructurales precisas3,4. Este potente método se puede utilizar en la disposición espacial (sub)nanómetro-precisa y el anclaje de otros nano-objetos, tales como nanotubos de carbono5, nanopartículas metálicas6,7,8, 9, enzimas/proteínas10,11,12,13 y materiales terapéuticos14,15,16,17 . Es importante destacar que estas estructuras no son meramente estáticas, sino que también se pueden programar para actuar de forma dinámica18,19. Las innumerables aplicaciones del origami de ADN van desde la administración de fármacos20,21,22 a la electrónica molecular / plasmónica5,23,24, 25 y desde la ciencia de los materiales26,27 a las técnicas de imagen y calibración novedosas28.
Además de las aplicaciones mencionadas anteriormente, la resolución espacial extrema de las formas de origami de ADN podría aprovecharse en nanopatrones y delicada litografía a nanoescala29,30. Este protocolo describe un método de litografía para crear nanoestructuras inorgánicas discretas y precisas en sustratos utilizando plantillas de origami de ADN. Estas plantillas se pueden producir eficientemente en varias formas y en grandes cantidades31,y depositarse sin esfuerzo en sustratos elegidos a grandes escalas32. Estas propiedades permiten una fabricación altamente paralela de miles de millones de nanoestructuras en un solo paso en comparación con la litografía de haz de electrones comúnmente utilizada, sino más bien lenta u otras técnicas de nanofabricación basadas en escaneo.
En este documento, el proceso de fabricación se demuestra mediante la creación de estructuras en forma de pajarita de oro en sustratos de nitruro de silicio y zafiro; en otras palabras, la información espacial del origami de ADN se transfiere a nanoestructuras totalmente metálicas. Como se explica aquí, la técnica no se limita a la estructura de origami de ADN de paja seleccionada, ya que el método permite el uso de prácticamente cualquier forma de origami de ADN. Además, con modificaciones metódicas, la técnica se puede extender a diferentes metales y sustratos allanando el camino hacia la fabricación de metasuperficies33.
Las superficies modeladas con la fabricación mediada por origami de ADN pueden servir como sensores versátiles; por ejemplo, se pueden utilizar en espectroscopia Raman (SERS) mejorada en superficie. Como resultado de las pequeñas dimensiones de las nanoformas individuales, las superficies creadas pueden encontrar usos en aplicaciones ópticas y plasmónicas en el rango de longitud de onda visible.
El protocolo proporciona una gran libertad y precisión en la forma de nanoestructuras producidas. Al cambiar el diseño del origami de ADN, se puede controlar la forma de las nanoestructuras metálicas. La forma final y exacta de las estructuras metálicas está determinada adicionalmente por el paso de crecimiento de la máscara (Paso 9) y en menor grado por el grabado de la máscara (Paso 10) en caso de que no sea anisotrópico. Si el tiempo de crecimiento de la máscara se extiende lo suficiente, los agujeros en la máscara comenzarán a crecer cerrado. Esto se puede utilizar para omitir las características más delgadas de algunas estructuras y tamaños de brecha de control, como se muestra en Shen et al.34 con triángulos separados de la pajarita origami (Figuras 5B). Por el contrario, las formas más delgadas se pueden conservar mejor al acortar el tiempo de crecimiento del óxido. Esto significa que es posible ajustar las propiedades ópticas mostradas en la Figura 6,no sólo cambiando el diseño de origami utilizado, sino también ajustando el crecimiento de la película SiO2.
Si el grosor de la máscara se cambia significativamente, ese cambio también debe reflejarse en el paso SiO2 RIE. Sólo una capa muy delgada de SiO2 debe ser grabada (2-5 nm) para apenas perforar a través de los agujeros de la máscara. Esta es la parte más sensible y crucial de todo el proceso. Dado que el tiempo de grabado es extremadamente corto, sólo 10-20 s, los ajustes exactos deben determinarse experimentalmente cuando se intenta por primera vez con equipos nuevos. Esto también es cierto para el paso 10.4 ya que algunos SiO2 también se graban durante el grabado a-Si. La extensión del SiO2 grabado viene determinado por la selectividad de los parámetros de etch a-Si utilizados, equipos e incluso calibraciones individuales de equipos. Se debe tener cuidado de no grabar toda la capa de SiO2 durante estos dos procesos.
Otro paso sensible es el crecimiento de SiO2. El proceso de crecimiento depende tanto de la humedad de la cámara como de la actividad actual del TEOS utilizado. TEOS se degrada a medida que absorbe el agua del aire, haciendo que se vuelva menos eficaz con la edad. Esto puede manifestarse como una tasa de crecimiento significativamente más lenta y menos controlable en cuestión de meses, incluso con el almacenamiento adecuado del producto químico. 34 Si la capa siO2 resultante es más delgada de lo previsto, esto puede indicar un problema con TEOS en lugar de humedad de la cámara. Mientras que una humedad más baja también puede resultar en una menor tasa de crecimiento y una película más delgada, la película resultante también debe ser más suave de lo normal. Mientras tanto, una capa gruesa granulada y áspera indicaría por el contrario un problema con la alta humedad.
También es posible realizar este protocolo en cualquier otro sustrato libremente elegido con dos requisitos: Debe tolerar tanto el grabado HF (Paso 12) como las temperaturas de 200-300 oC de PECVD (Paso 6). La temperatura se puede bajar de forma segura a 100 oC para el PECVD de a-Si si se utiliza un sustrato más sensible, pero la IC no se puede evitar si el protocolo se sigue exactamente como se describe. Para eludir hf, se requeriría la aplicación de una capa de sacrificio adicional. Si se elimina el requisito del grabado HF, este protocolo se volvería compatible con una selección más amplia de materiales de sustrato y metales.
Como este protocolo consiste en procesos de micro y nanofabricación de uso común y robustos, podría combinarse con cualquier número de otros protocolos de microfabricación donde se desean pequeños tamaños de características y formas metálicas complejas. En un futuro próximo, especialmente con la llegada de la producción en masa de origami de ADN de bajo costo31, existe la posibilidad de que este método facilite el uso general y el nanopatrón de alto rendimiento para nanofotónica sin interfaz y plasmónica55 .
The authors have nothing to disclose.
Este trabajo fue apoyado por la Academia de Finlandia (proyectos 286845, 308578, 303804, 267497), la Fundación Jane y Aatos Erkko y la Fundación Sigrid Jusélius. Este trabajo se llevó a cabo en el marco del Programa de Centros de Excelencia de la Academia de Finlandia (2014-2019). Reconocemos la provisión de instalaciones y apoyo técnico por parte de Las Instalaciones de Bioeconomía de la Universidad de Aalto y OtaNano – Centro de Nanomicroscopía (Aalto-NMC) y el Centro de Nanofabricación de Micronova.
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) |