Qui, descriviamo un protocollo per creare nanostrutture inorganiche discrete e accurate sui substrati utilizzando forme di origami di DNA come modelli guida. Il metodo è dimostrato dalla creazione di antenne plasmoniche a forma di papillon in oro su un substrato trasparente (sapphire).
La nanotecnologia del DNA strutturale fornisce un percorso percorribile per la costruzione dal basso verso l’alto utilizzando il DNA come materiale da costruzione. La tecnica di nanofabbricazione del DNA più comune è chiamata origami del DNA e consente la sintesi ad alta velocità di strutture accurate e altamente versatili con precisione a livello di nanometri. Qui, è mostrato come le informazioni spaziali degli origami di DNA possano essere trasferite alle nanostrutture metalliche combinando gli origami di DNA bottom-up con gli approcci litografici top-down utilizzati convenzionalmente. Ciò consente la fabbricazione di miliardi di piccole nanostrutture in un solo passaggio su substrati selezionati. Il metodo è dimostrato utilizzando origami di DNA bowtie per creare strutture di antenne metalliche a forma di bowtie su nitride di silicio o substrati zaffiro. Il metodo si basa sulla crescita selettiva di uno strato di ossido di silicio sopra il substrato di deposizione origami, ottenendo così una maschera di patterning per seguire i passaggi litografici. Queste superfici dotate di nanostruttura possono essere ulteriormente utilizzate come sensori molecolari (ad esempio, spettroscopia Raman (SERS)) potenziata dalla superficie e in varie altre applicazioni ottiche a causa delle piccole dimensioni delle caratteristiche (sotto-10 nm). La tecnica può essere estesa ad altri materiali attraverso modifiche metodologiche; pertanto, le superfici otticamente attive risultanti possono trovare un uso nello sviluppo di metamateriali e metasuperfici.
La nanotecnologia del DNA strutturale si è rapidamente evoluta nel corso del recente decennio1,2, e lo sviluppo più influente nel campo è stato probabilmente l’invenzione di DNA origami3,4. La tecnica degli origami del DNA permette la fabbricazione di praticamente qualsiasi nanoforma con accurate caratteristiche strutturali3,4. Questo potente metodo può essere utilizzato nella disposizione spaziale (sub)nanometro-precisa e l’ancoraggio di altri nano-oggetti, come nanotubi di carbonio5, nanoparticelle metalliche6,7,8, 9, enzimi/proteine10,11,12,13 e materiali terapeutici14,15,16,17 . È importante sottolineare che queste strutture non sono solo statiche, ma possono anche essere programmate per agire in modo dinamico18,19. Le innumerevoli applicazioni degli origami di DNA vanno dalla somministrazione di farmaci20,21,22 all’elettronica molecolare/plasmonica5,23,24, 25 e dalla scienza dei materiali26,27 alle nuove tecniche di imaging e calibrazione28.
Oltre alle applicazioni di cui sopra, l’estrema risoluzione spaziale delle forme di origami del DNA potrebbe essere sfruttata in nanopatterning e litografia su nanoscala29,30. Questo protocollo descrive un metodo di litografia per la creazione di nanostrutture inorganiche discrete e accurate su substrati utilizzando modelli di origami di DNA. Questi modelli possono essere prodotti in modo efficiente in varie forme e in grandi quantità31, e depositati senza sforzo su substrati scelti su grandi scale32. Queste proprietà consentono una fabbricazione altamente parallela di miliardi di nanostrutture in un unico passaggio rispetto alla litografia a fascio di elettroni comunemente usata, ma piuttosto lenta, o ad altre tecniche di nanofabbricazione basate sulla scansione.
Qui, il processo di fabbricazione è dimostrato creando strutture a forma di bowtie in oro su nitrati di silicio e substrati di zaffiro; in altre parole, le informazioni spaziali degli origami del DNA vengono trasferite in nanostrutture interamente metalliche. Come discusso qui, la tecnica non è limitata alla struttura di origami del DNA bowtie selezionata poiché il metodo consente l’uso di praticamente qualsiasi forma di origami di DNA. Inoltre, con modifiche metodiche, la tecnica può essere estesa a diversi metalli e substrati spianando la strada verso la fabbricazione di metasuperfici33.
Le superfici modellate con la fabbricazione mediata dall’origami del DNA possono fungere da sensori versatili; ad esempio, possono essere utilizzati in spettroscopia Raman migliorata dalla superficie (SERS). Come risultato delle piccole dimensioni delle singole nanoforme, le superfici create possono trovare usi in applicazioni ottiche e plasmoniche alla gamma di lunghezza d’onda visibile.
Il protocollo offre grande libertà e precisione sotto forma di nanostrutture prodotte. Modificando il design degli origami del DNA, la forma delle nanostrutture metalliche può essere controllata. La forma finale ed esatta delle strutture metalliche è inoltre determinata dalla fase di crescita della maschera (Passaggio 9) e in misura minore dall’incisione della maschera (Passaggio 10) se non dovesse essere anisotropica. Se il tempo di crescita della maschera è sufficientemente prolungato, i fori nella maschera inizieranno a chiudersi. Questo può essere utilizzato per omettere le caratteristiche più sottili di alcune strutture e controllare le dimensioni dello spazio, come dimostrato in Shen et al.34 con triangoli separati dell’origami bowtie (Figure 5B). Al contrario, le forme più sottili possono essere meglio conservate accorciando il tempo di crescita dell’ossido. Ciò significa che è possibile ottimizzare le proprietà ottiche visualizzate in Figura 6, non solo cambiando il design dell’origami utilizzato, ma anche ottimizzando la crescita del film SiO2.
Se lo spessore della maschera viene modificato in modo significativo, tale modifica deve essere riflessa anche nel passo SiO2 RIE. Solo uno strato molto sottile di SiO2 deve essere inciso (2-5 nm) per penetrare a malapena attraverso i fori della maschera. Questa è la parte più sensibile e cruciale dell’intero processo. Poiché il tempo di incisione è estremamente breve, solo 10-20 s, le impostazioni esatte devono essere determinate sperimentalmente quando si tenta per la prima volta con nuove attrezzature. Questo vale anche per il passo 10.4 come alcuni SiO2 è anche inciso durante l’incisione a-Si. L’estensione del SiO2 inciso è determinato dalla selettività dei parametri di incisione a-Si utilizzati, delle attrezzature e persino delle singole calibrazioni delle apparecchiature. Bisogna fare attenzione a non incidere via l’intero strato SiO2 durante questi due processi.
Un altro passo sensibile è la crescita di SiO2. Il processo di crescita dipende sia dall’umidità della camera che dall’attività attuale del TEOS usato. TEOS si degrada come adsorbe l’acqua dall’aria, facendolo diventare meno efficace con l’età. Questo può manifestarsi come un tasso di crescita significativamente più lento, meno controllabile in pochi mesi, anche con un adeguato stoccaggio della sostanza chimica. 34 Se lo strato SiO2 risultante è più sottile del previsto, questo può indicare un problema con TEOS piuttosto che con l’umidità della camera. Mentre una minore umidità può anche provocare un tasso di crescita più basso e pellicola più sottile, la pellicola risultante dovrebbe anche essere più liscia del normale. Nel frattempo uno strato grossolano a grana e ruvido indicherebbe al contrario un problema con un’elevata umidità.
È anche possibile eseguire questo protocollo su qualsiasi altro substrato liberamente scelto con due requisiti: deve tollerare sia l’incisione HF (passo 12) che le temperature di 200-300 gradi centigradi del PECVD (fase 6). La temperatura può essere abbassata in modo sicuro a 100 gradi centigradi per il PECVD di a-Si se viene utilizzato un substrato più sensibile, ma HF non può essere evitato se il protocollo viene seguito esattamente come descritto. Per eludere HF, sarebbe necessaria l’applicazione di un ulteriore strato sacrificale. Se il requisito dell’incisione HF venisse rimosso, questo protocollo diverrebbe compatibile con una più ampia selezione di materiali e metalli del substrato.
Poiché questo protocollo è costituito da processi di micro e nanofabbricazione comunemente usati e robusti, potrebbe essere combinato con un numero qualsiasi di altri protocolli di microfabbricazione in cui si desiderano piccole dimensioni di feature e forme metalliche complesse. Nel prossimo futuro, soprattutto con l’arrivo della produzione di massa di origami di DNA a basso costo31, c’è il potenziale per questo metodo per facilitare sia l’uso generale che la nanopatterning ad alta velocità per nanofotonica basata su interfaccia e plasmonica55 .
The authors have nothing to disclose.
Questo lavoro è stato sostenuto dall’Accademia di Finlandia (progetti 286845, 308578, 303804, 267497), Jane e Aatos Erkko Foundation e La Sigrid Jusélius Foundation. Questo lavoro è stato svolto nell’ambito del programma Academy of Finland Centers of Excellence (2014-2019). Riconosciamo la fornitura di strutture e supporto tecnico da parte di Aalto University Bioeconomy Facilities e OtaNano – Nanomicroscopy Center (Aalto-NMC) e 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) |