Yüksek Verimli Kriyojenik Elektron Mikroskobu için Kontrollü Kalınlığa Sahip Mikro Desenli Çip İmalatı
April 21st, 2022
Grafen oksit pencereli yeni geliştirilen mikro desenli çip, mikroelektromekanik sistem teknikleri uygulanarak üretilir ve çeşitli biyomoleküllerin ve nanomalzemelerin verimli ve yüksek verimli kriyojenik elektron mikroskopisi görüntülemesini sağlar.
Bu protokol, kriyo EM kullanarak proteinleri ve farklı boyutlardaki nano malzemeleri başarılı bir şekilde gözlemlemek için nano ölçekte resim boyutunun kalınlığını düzenlemek için önemlidir. Mem'in üretim tekniği, mikroçipin seri üretimine izin verir. Ayrıca mikro desen kuyularının derinliklerinin ve tasarımlarının seçilmesini sağlar. Deneysel amaçlara bağlı olarak.
Bu teknik, ticari ilaç keşfi için kullanılan biyomoleküllerin yüksek verimli 3D yapı analizinin verimliliğini arttırmaya katkıda bulunabilir ve daha sonra silikon nitro membranları riske atan ince gofretler ve mikroçipler zor olabilir. Gofreti bükmemek veya silikon nitrat penceresine dik kuvvetler uygulamamak önemlidir. Bir silikon nitrür birikmiş silikon gofreti hekzametildikolayan çözeltisi ile kaplayarak fotoğraf direncini veya PR'yi modellemeye başlayın ve ardından gofreti bir spin kodlayıcıda 30 saniye boyunca 3000 RPM'de döndürün.
Su yüzeyini hidrofobik hale getirmek ve PR ile iyi bir kaplama performansı sağlamak için kaplanmış gofreti sıcak plaka üzerinde 30 saniye boyunca 95 santigrat derecede pişirin. Daha sonra, gofreti pozitif bir PR ile döndürün ve 90 saniye boyunca 100 santigrat derece pişirin. Spin kaplı bir PR, 500 nanometre kalınlığa sahiptir. PR kaplı gofreti, hizalayıcı kullanarak krom maskesi aracılığıyla beş saniye boyunca ultraviyole ışığa maruz bırakın.
Bir geliştirici kullanarak PR'ı bir dakika boyunca geliştirin ve gofreti deiyonize suya batırarak iki kez durulayın. Daha sonra PR desenli gofreti azot gazını su yüzeyine üfleyerek kurutun. PR'ın desenini takiben. 50 watt'lık bir radyo frekansı gücünde ve dakikada üç standart santimetreküpte kükürt hekzaflorür gazı ile laboratuarda oluşturulmuş bir reaktif iyon kazıyıcı kullanın.
Maruz kalan silikon nitrürü saniyede altı angstrom hızında kazımak. Silisyum nitrür desenli gofreti oda sıcaklığında 30 dakika boyunca asetona batırarak PR'ı ortadan kaldırın. Ardından gofret deiyonize suda iki kez durulanır ve gofret azot gazı ile kurutulur.
Maruz kalan si'yi kazımak için, silikon nitrür desenli gofreti taze hazırlanmış potasyum hidroksit çözeltisine batırın. Desenli gofretin karşı tarafında serbest duran silikon nitrür pencereleri gözlemlenene kadar sürekli karıştırılır. Kazınmış gofreti deiyonize bir su banyosuna birkaç kez batırarak temizleyin.
Sonra gofreti havada kurutun. Aşındırma kalıntılarını ortadan kaldırmak için, çip dizisinin sınırlarını bir cımbızla hafifçe bastırın ve mikro desenli olacak bir dizi çip elde edin. Daha sonra talaş dizisini taze hazırlanmış potasyum hidroksit çözeltisine 30 saniye batırın, ardından iki kez durulayın, talaşları azot gazı ile üfleyin ve bir saat boyunca havada kurutun.
Katı destek için, daha önce gösterildiği gibi sıkma kaplamalı boş bir 525 mikrometre silikon gofret hazırlayın. Gofreti pişirmeden önce silikon gofret üzerindeki yontucu ışınına tutturulur ve mikromodel silikon gofreti elde etmek için daha önce açıklandığı gibi prosedürü izleyin. Desen çipi setini bir metil iki saf littanol çözeltisine gece boyunca 60 santigrat derecede batırarak PR'yi ortadan kaldırın.
Ertesi gün, çip setini deiyonize su ile iki kez durulayın. Desen çipi seti azotla kuruttuktan sonra, reaktif iyon kazıyıcı ile bir dakika boyunca 150 watt'lık bir radyo frekansı gücünde dakikada 100 standart santimetreküp oksijen gazı kullanan bir oksijen plazma işlemi ile PR kalıntılarını ortadan kaldırın. Daha sonra, PR kalıntılarını tamamen ortadan kaldırmak için mikro desenli cipsleri 30 saniye boyunca potasyum hidroksit çözeltisine batırın.
Daha sonra talaş setini durulayın ve tamamen kurulayın. Mililitre grafen oksit başına iki miligram veya çözelti 10 katını deiyonize su ile seyreltin ve tabakaların agregalarını parçalamak için seyreltilmiş çözeltiyi 10 dakika boyunca sonikleştirin. Daha sonra seyreltilmiş çözeltiye oda sıcaklığında 30 saniye boyunca 300 kez G'de santrifüj yapın.
Mikro desen çipinin silikonla kazınmış tarafını bir dakika boyunca parlatmak ve çipin yüzeyini pozitif bir yükle oluşturmak için 15 milyon amperde bir kızdırma deşarjı kullanın. İşiniz bittiğinde, çözeltinin üç mikrolitresini mikrodesen çipinin kızdırma boşaltma tarafına bırakın. Bir dakika sonra, talaş üzerindeki fazla çözeltiyi filtre kağıdı ile lekeleyin.
Aktarılan çipi bir parafin film üzerinde deiyonize su damlacıkları ile yıkayın ve fazlalığı filtre kağıdı ile lekeleyin. Damla döküm prosedürünü aktarılan tarafta iki kez ve karşı tarafta bir kez tekrarlayın. Aktarılan çipi gece boyunca oda sıcaklığında kurutun.
Fotolitografi prosedürü sırasında, mikro desen çiplerinin tasarımları, krom maskesinin farklı tasarımları kullanılarak manipüle edildi. Serbest duran silikon nitrür membranlarının sayıları ve boyutları kontrol edildi. Fabrikasyon mikro desenli çiplerin 25.000'e kadar asılı deliğe sahip olabileceği gözlendi.
Penceredeki ramen spektrumu, ek olarak, çarpma yönelimli altıgen kırılma desenlerinin temsili zirvelerini gösterdi Pencerelerin çok katmanlı olduğunu gösterdi Pencereli mikro deliğin yapısı ve derinliği, taramalı elektron mikroskobu ve atomik kuvvet mikroskobu ile incelendi. Pencerelerle birlikte mikro deliğin kuyu tipi bir yapısı, pencereli mikro desen çipinin tasarım olasılığını doğrulayan görüntülerde gözlenmiştir. Mikro desenli çip yardımıyla, kriyo elektron mikroskobu ile birkaç biyolojik örnek ve inorganik nanopartikül görüntülendi.
Saf kaplama kalınlığı gibi koşulların, desenlerin boyutuna ve tasarımına bağlı olarak yoğunluk ve mikro desen için geliştirme süresi kullanılarak optimize edilmesi önemlidir. FIB veya hatta lito grafen gibi nano püskürtme tekniklerini daha küçük uygulayarak bazı mikrometre desenleri üretilebilir ve bu da bu mikro cihazın diğer analitik tekniklerle birlikte kullanıldığı uygulamaları genişletebilir.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Genel Bakış
Grafen oksit pencereli yeni geliştirilen mikro desenli çip, biyomoleküllerin ve nanomalzemelerin kriyojenik elektron mikroskobu görüntülemesini geliştirir. Bu teknoloji, nano ölçekte verimli ve yüksek verimli analiz sağlar.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Sinirbilim
- Biyoteknoloji
- Nanoteknoloji
Arka Plan
- Protokol, nano ölçekte görüntülerin kalınlığını düzenler.
- Mikroçiplerin seri üretimi, MEMS üretim teknikleri ile kolaylaştırılmıştır.
- Mikro desen kuyularının tasarımları, belirli deneysel amaçlar için uyarlanabilir.
- Biyomoleküllerin 3D yapı analizinde verimliliği artırır.
Çalışmanın Amacı
- Biyomoleküllerin yüksek verimli görüntülemesini geliştirmek.
- Proteinlerin ve nanomalzemelerin daha iyi gözlemlenmesini sağlamak.
- Ticari ilaç keşif çabalarını desteklemek.
Kullanılan Yöntemler
- MEMS teknikleri kullanılarak mikro desenli çiplerin üretimi.
- Fotorezist desenleme için heksametildisilazan çözümünün uygulanması.
- Silikon waferlerin 3000 RPM'de döndürülmesi.
- Silikon nitrür pencerelerinde hasar görmemek için dikkatli kullanım.
Ana Sonuçlar
- Grafen oksitli mikro desenli çiplerin başarılı üretimi.
- Yüksek verimli görüntüleme yeteneğinin gösterilmesi.
- Nano ölçekte biyomoleküllerin daha iyi gözlemlenmesi.
- İlaç keşfi ve biyomoleküler analizde potansiyel uygulamalar.
Sonuçlar
- Geliştirilmiş mikro desenli çip, görüntüleme verimliliğini önemli ölçüde artırır.
- MEMS teknikleri, gelişmiş görüntüleme araçlarının ölçeklenebilir üretimini sağlar.
- Bu teknolojinin sinirbilim ve biyoteknoloji araştırmaları için geniş etkileri vardır.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
High-throughput cryogenic electron microscopy (cryo-EM) is increasingly critical for structural biology and early-stage drug discovery, yet sample preparation bottlenecks limit its predictive value and scalability. The described micro-patterned chip with controlled ice thickness and graphene oxide windows directly addresses these challenges by enabling reproducible, nanoscale sample environments for diverse biomolecules and nanomaterials. This innovation enhances structural data quality and throughput, supporting more confident target validation and portfolio triage in biopharma R&D.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables precise structural interrogation of biomolecular targets under controlled conditions.
- Reduces ambiguity in target conformation and complex assembly for mechanistic de-risking.
- Supports predictive confidence in structure-based drug design and target selection.
Screening & Assay Development
- Facilitates preparation of standardized, reproducible cryo-EM samples for downstream analysis.
- Improves assay reliability by controlling ice thickness and biomolecule localization.
- Enables scalable, high-throughput imaging workflows for compound screening campaigns.
Translational & Preclinical Research
- Supports continuity from discovery to preclinical validation by enabling imaging of both biological and inorganic nanomaterials.
- Aligns structural data with translational biomarker development when relevant.
- Provides risk-adjusted advancement by improving data quality for candidate selection.
Pipeline & Workflow Integration
This chip fabrication method integrates into the discovery-to-preclinical continuum by providing a robust platform for structural analysis, from early target validation through lead identification and translational research.
- Discovery Biology: Enhances hypothesis testing and pathway clarification via high-resolution structural data.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative imaging outputs for comparative analysis of biomolecular states.
- Analytics: Supports statistical comparison of sample conditions through controlled micro-patterning and ice thickness.
- Translational Research: Bridges discovery and preclinical imaging needs for both biological and inorganic targets.
- Enterprise Reuse: Offers a scalable, mass-producible chip platform adaptable to evolving R&D requirements.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in structural studies.
- Operational Value: Standardizes sample preparation, improving reproducibility and throughput.
- Strategic Value: Enables better go/no-go decisions and capital efficiency by reducing late-stage biological risk.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of structurally validated targets.
Implementation Considerations
- Requires expertise in MEMS fabrication, photolithography, and cryo-EM sample handling.
- Demands access to specialized instrumentation for etching, coating, and imaging.
- Necessitates cross-team standardization of chip design and sample preparation protocols.
- Adaptable to various biomolecule sizes and experimental designs through mask customization.
- Careful handling is essential to avoid wafer damage and ensure membrane integrity.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:55
Pattern the Photoresist and Silicon Nitride‐Deposited Si Wafer (SixNy)
2:31
Etching the Si and Eliminating the KOH Etching Residues
3:21
Prepare the Micro‐Patterned SixNy and Eliminate the PR
4:25
Transfer Graphene Oxide (GO) by the Drop‐Casting Method
5:30
Results: Analysis of the Micro‐Patterned Chip with GO Windows
6:35
Conclusion
