DNA 종이 접기 분석 및 실험에 대한 운모와 실리콘 기판의 제조
Summary
Reproducible cleaning processes for substrates used in DNA origami research are described, including bench-top RCA cleaning and derivatization of silicon oxide. Protocols for surface preparation, DNA origami deposition, drying parameters, and simple experimental set-ups are illustrated.
Abstract
The designed nature and controlled, one-pot synthesis of DNA origami provides exciting opportunities in many fields, particularly nanoelectronics. Many of these applications require interaction with and adhesion of DNA nanostructures to a substrate. Due to its atomically flat and easily cleaned nature, mica has been the substrate of choice for DNA origami experiments. However, the practical applications of mica are relatively limited compared to those of semiconductor substrates. For this reason, a straightforward, stable, and repeatable process for DNA origami adhesion on derivatized silicon oxide is presented here. To promote the adhesion of DNA nanostructures to silicon oxide surface, a self-assembled monolayer of 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) is deposited from an aqueous solution that is compatible with many photoresists. The substrate must be cleaned of all organic and metal contaminants using Radio Corporation of America (RCA) cleaning processes and the native oxide layer must be etched to ensure a flat, functionalizable surface. Cleanrooms are equipped with facilities for silicon cleaning, however many components of DNA origami buffers and solutions are often not allowed in them due to contamination concerns. This manuscript describes the set-up and protocol for in-lab, small-scale silicon cleaning for researchers who do not have access to a cleanroom or would like to incorporate processes that could cause contamination of a cleanroom CMOS clean bench. Additionally, variables for regulating coverage are discussed and how to recognize and avoid common sample preparation problems is described.
Introduction
먼저 2006 년에 도입 된 DNA 종이 접기의 DNA 올리고 뉴클레오티드의 자기 조립 특성이 설계 가능한 높은 순서 나노 구조를 제조 사용합니다. 구조의 무수한가보고되고있다 1, 웃는 3 차원 상자를 래치하는면에 이르기까지. 2 DNA 종이 접기가 작용 될 수있다 다양한 생체 분자 및 나노 구조와 나노 전자, 의학, 양자 컴퓨팅 연구의 응용 프로그램에 상승을 제공합니다. (3) 그러나, 분석 및 많은 미래의 응용 프로그램뿐만 아니라 구조 설계에 따라, 또한 표면에 DNA 종이 접기 나노 구조의 접착에 있습니다. 운모 관능 규소 산화물 :이 논문에 설명 된 방법은 기판의 두 종류의 DNA 접기 샘플의 제조와 관련된.
이 0.02 nm의 나노 ± 0.37의 층 높이로, 원자 평면이기 때문에 운모는 DNA 종이 접기 연구에 대한 선택의 기판이다. (4) 또한 EAS입니다ILY 샘플 준비 및 원자 힘 현미경 (AFM) 연구는 간단하게 정리. 백운모 각 벽개면 칼륨의 높은 밀도를 포함하고 있지만, 이러한 경우에 물에 이온은 운모 표면에서 멀리 확산. 운모 기판에 DNA 접기의 결합을 중재하는, 마그네슘 2+ 운모 음전하 리버스 정전 기판 (도 1A)에 DNA 포스페이트 골격에 결합하는 데 사용된다. 어닐링 된 DNA의 5 혼합물 대형의 존재하에 마그네슘 2+로 끝나는 표면에 DNA 종이 접기의 부착이 단일 가닥 올리고 뉴클레오티드 (주식 가닥)의 접착력보다 훨씬 강력하기 때문에 주식 가닥의 과잉은 운모에 높은 범위와 좋은 이미지를 제공합니다. 니켈 2+ 2+ 및 Co를 포함하는 다른 양으로 하전 된 이온은 운모에 DNA의 접착력을 제어하기 위해 사용될 수있다. 6,7 adhE 유전자를 매개 할 수있는 용액과 일가 가의 양이온의 농도를 변화DNA 종이 접기의 시온과 표면 확산 속도. 8 그러나, 운모 기판을 준비하고 증착하고 종이 접기를 세정에 대한 프로토콜은 종종 명시 적으로 명확한 프로토콜없이 출판 원고에. 9 설명되지는 재생 가능한 결과를 얻기 어려울 수 있습니다.
운모는 절연체이므로 일부 나노 전자 응용을위한 기판으로서 적합하지 않다. 얇은 자연 산화물과 패시베이션 실리콘 입 / 출력 구조 및 지형지 물을 생성하기에 앞서 무료 금속 산화물 반도체 (CMOS) 공정과의 호환성을 포함한 바람직한 전기적 성질을 갖는다. 공기에 저장된 실리콘 웨이퍼는 두꺼운 열 산화물 또는 높은 입자 개수와 비교적 더러운 얇은 자연 산화막 중 하나와 비활성화된다. 산화 규소 운모보다 훨씬 더 낮은 표면 전하 밀도를 가지며, 전하 밀도는 산화물 준비 및 이력에 크게 의존한다. 마그네슘에 이온 농도는 ABO150 mm로했습니다, 좋은 커버리지 (최대 4 / μm의 2) 직사각형의 DNA 종이 접기의 산소 플라즈마 처리 된 실리콘 기판에 달성 될 수있다; 그러나,이 농도 범위는 사용되는 크기와 나노 구조물의 설계에 따라 달라질 수있다. (10)를 대체 프로토콜을 표면 전하를 튜닝하기에 3- 아미노 프로필 트리에 톡시 실란 (APTES) (도 1b)의 양이온 성 자기 조립 단분자막을 첨부하는 것 산화물. APTES에 일차 아민을 기판의 전하 및 소수성을 수정 9 이하 pH 값에서 양성자 화 될 수있다. APTES의 완전한 단층 11 성공적으로 증착되는, 실리콘 적절 아메리카 라디오 공사 (RCA) 프로토콜을 사용하여 청소해야 . 이러한 프로토콜은 유기 잔류 물 및 입자 오염물을 제거 수산화 암모늄과 과산화수소 용액 (RCA1)의 치료를 포함한다. 수성 플루오르 화 수소산 용액에 짧은 에칭과 함께 자연 산화물 층을 제거산화물을 준수 어떤 이온 성 오염 물질. 마지막으로, 샘플은 얇고 균일 한 산화물 층을 금속 이온 오염 물질을 제거하고 형성하는 염산 및 과산화수소 용액 (RCA2)에 노출되어있다. (12) 대부분의 크린룸가 사용될 수 있는지에 대한 엄격한 규칙으로, CMOS 청소 프로토콜 후드를 지정했다 이 분야에서. 일반적인 문제는 midbandgap 트랩을 생성하여 CMOS 구조의 전자 성질을 방해 할 수 나트륨과 같은 이온의 형태로 제공됩니다. (13) 이온 일반적으로 사용하는 다른 연구자에 대한 문제의 CMOS 화장실을 오염시키고 원인이 될 수 DNA 종이 접기 준비 및 증착 버퍼에 사용 클린 룸. 이러한 이유로, 우리 그룹은 벤치 청소 '더러운'의 CMOS DNA 종이 접기 연구에 사용되는 작은 샘플 용으로 배열 사용합니다. 이 프로세스는 기존의 클린 룸 셋업에 좋은 대안이며, 클린 룸의 CMOS 벤치에 액세스 할 수없는 실험실에 적합 할 수있다.
Protocol
Representative Results
Discussion
일관되고 이상적인 결과를 달성하기 위해 강조해야 할 몇 가지 단계가 있습니다. 운모 샘플 엄격한 철저한 세척을 다음과 같이 3.3 및 3.4에서와 같이, 정권 건조 개별 DNA 접기의 고품질 화상이 대표 결과 섹션에서 설명한 다양한 문제없이 AFM을 이용하여 달성 될 수 있다는 것을 보장한다. 실리콘 샘플을위한 가장 중요의 기판의 청결도이다. 철저 꼼꼼하게 단계 5.2에서 설명한 세정 절차에 따라 적?…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors thank Dr. Gary Bernstein for use of the AFM.
Materials
| Eppendorf epT.I.P.S. Reloads, capacity 2-200 μL | VWR International, LLC | 22491733 | 10 reload tray of 96 tips |
| Microcentrifuge Tubes, Polypropylene | VWR International, LLC | 87003-290 | 0.65 mL, natural |
| Research Plus Pippete – Single Channel – 20-200 μL | A. Daigger & Company, Inc. | EF8960F-3120000054 EACH | Adjustable Volume |
| Research Plus Pippete – Single Channel – 2-20 μL | A. Daigger & Company, Inc. | EF8960D-3120000038 EACH | Adjustable Volume |
| Scotch 237 Permanent Double-Sided Tape | Office Depot, Inc. | 602710 | 3/4" x 300", Pack of 2 |
| Vortex Mixer | Thermo Scientific | M37610-33Q | |
| Wafer container single, 2" (50 mm), 60 mm x 11 mm | Electron Microscopy Sciences | 64917-2 | 6 per pack |
| 6" Wafer, P-type, <100> orientation, w/ primary flat | Nova Electronic Materials, Ltd. | GC49266 | |
| Powder-Free Nitrile Examination Gloves | VWR International, LLC | 82062-428 | Catalog number is for size large |
| High Accuracy Noncontact probes with Au reflective coating | K-Tek Nanotechnology, Inc. | HA_NC/15 | |
| Autoclave Pan | A. Daigger & Company, Inc. | NAL692-5000 EF25341C | |
| Sol-Vex II Aggressive Gloves, Size: 9-9.5; 15 mil, 13 inch – 1 dz | Spectrum Chemical Mfg. Corp. | 106-15055 | Before use, rinse with water and scrub together until no bubbles form on the gloves. |
| Tweezers PTFE 200 mm Square | Dynalon Corp. | 316504-0002 | |
| Muscovite Mica Sheets V-5 Quality | Electron Microscopy Sciences | 71850-01 | 10 per pack |
| Mica Disc, 10 mm | Ted Pella, Inc | 50 | Mica discs are optional |
| Scriber Diamon Pen for Glassware | VWR International, LLC | 52865-005 | |
| Scintillation Vials, Borosilicate Glass, with Screw Cap – 20 mL | VWR International, LLC | 66022-060 | Case of 500, with attached polypropylene cap and pulp foil liner |
| 4 x 5 Inch Top PC-200 Hot Plate, 120 V/60 Hz | Dot Scientific, Inc. | 6759-200 | |
| Straight-Sided Glass Jars, Wide Mouth | VWR International, LLC | 89043-554 | Case of 254, caps with pulp/vinyl liner attached |
| Standar-Grade Glass Beaker, 250 mL Capacity | VWR International, LLC | 173506 | |
| Beakers, PTFE | VWR International, LLC | 89026-022 | For use with HF |
| Shallow form watch glass, 3" | VWR International, LLC | 66112-107 | Case of 12 |
| Plastic Storage Container | VWR International, LLC | 470195-354 | For secondary container |
| General-Purpose Liquid-In-Glass Thermometers | VWR International, LLC | 89095-564 | |
| High precision and ultra fine tweezers | Electron Microscopy Sciences | 78310-0 | |
| Polycarbonate Faceshield | Fisher Scientific, Inc. | 18-999-4542 | |
| Neoprene Apron | Fisher Scientific, Inc. | 19-810-609 | |
| Calcium Gluconate, Calgonate | W.W Grainger, Inc. | 13W861 | Tube, 25 g |
| Hydrogen Peroxide 30 % CR ACS 500 mL | Fisher Scientific, Inc. | H325 500 | HARMFUL, TOXIC |
| 3-Aminopropyltriethoxysilane | Gelest Inc. | SIA0610.0-25GM | Let warm to room temperature before use. |
| Ammonium hydroxide, 2.5 L | Fisher Scientific, Inc. | A669-212 | HARMFUL, TOXIC |
| Hydrochloric acid | Fisher Scientific, Inc. | A144-212 | HARMFUL, TOXIC |
| Hydrofluoric acid | Fisher Scientific, Inc. | A147-1LB | HARMFUL, TOXIC |
| MultiMode Nanoscope IIIa | Veeco Instruments, Inc. | n/a | Any AFM capable of tapping mode is suitable for analysis |
| Dunk basket | Made in lab | Made in lab | The dunk basket was made using the bottom of a PTFE bottle with holes drilled in, PTFE handle, and all PTFE screws. |
Referencias
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