Burada, dna origami şekillerini kılavuz şablonlar olarak kullanarak substratlarda ayrık ve doğru inorganik nanoyapılar oluşturmak için bir protokol açıklıyoruz. Yöntem şeffaf bir substrat (safir) üzerinde plazmonik altın papyon şeklinde antenler oluşturarak gösterilmiştir.
Yapısal DNA nanoteknolojisi, dna’yı inşaat malzemesi olarak kullanarak aşağıdan yukarıya doğru inşa etmek için uygun bir rota sağlar. En yaygın DNA nanofabrikasyon tekniği DNA origami denir, ve nanometre düzeyinde hassas doğru ve son derece çok yönlü yapıların yüksek verimli sentezi sağlar. Burada, DNA origamisinin uzamsal bilgilerinin, aşağıdan yukarıya DNA origamisi ile geleneksel olarak kullanılan yukarıdan aşağıya litografi yaklaşımları birleştirilerek metalik nanoyapılara nasıl aktarılabildiği gösterilmiştir. Bu, seçilen yüzeylere bir adımda milyarlarca küçük nanoyapının üretilmesine olanak sağlar. Yöntem silikon nitrür veya safir substratlar üzerinde metalik papyon şeklinde anten yapıları oluşturmak için papyon DNA origami kullanılarak gösterilmiştir. Yöntem origami birikimi substrat üstüne bir silikon oksit tabakasının seçici büyüme dayanır, böylece litografik adımları takip etmek için bir desenleme maskesi ile sonuçlanan. Bu nanoyapı donanımlı yüzeyler, küçük özellik boyutları (sub-10 nm) sayesinde moleküler sensörler (örn. yüzeyle geliştirilmiş Raman spektroskopisi (SERS)) ve görünür dalga boyu aralığındaki çeşitli optik uygulamalarda daha fazla kullanılabilir. Teknik metodolojik modifikasyonlar yoluyla diğer malzemelere genişletilebilir; bu nedenle, ortaya çıkan optik aktif yüzeyler metamalzemelerin ve meta yüzeylerin geliştirilmesinde kullanılabilir.
Yapısal DNA nanoteknoloji hızla son on yıl içinde gelişti1,2, ve alanında en etkili gelişme tartışmalı DNA origami buluşu olmuştur3,4. DNA origami tekniği doğru yapısal özellikleri ile hemen hemen her nanoshape imalatı sağlar3,4. Bu güçlü yöntem kullanılabilir (alt)nanometre-hassas mekansal düzenleme ve diğer nano-nesnelerin demirleme, karbon nanotüpler gibi5, metal nano tanecikleri6,7,8, 9, enzimler / proteinler10,11,12,13 ve terapötik malzemeler14,15,16,17 . Daha da önemlisi, bu yapılar sadece statik değildir, ama aynı zamanda dinamik bir şekilde hareket etmek için programlanabilir18,19. DNA origami sayısız uygulamaları ilaç teslim20,21,22 moleküler elektronik / plazmonics5,23,24aralığı , 25 ve malzeme bilimi26,27 yeni görüntüleme ve kalibrasyon teknikleri28.
Yukarıda belirtilen uygulamaların yanı sıra, DNA origami şekillerin aşırı uzamsal çözünürlüğü nanodesenleme ve hassas nanoölçekli litografi29,30harnessed olabilir. Bu protokol, DNA origami şablonları kullanarak substratlarda ayrık ve doğru inorganik nanoyapılar oluşturmak için bir litografi yöntemini açıklar. Bu şablonlar verimli bir şekilde çeşitli şekillerde ve büyük miktarlarda31üretilebilir ve büyük ölçeklerde seçilen yüzeylere zahmetsizce yatırılabilir32. Bu özellikler, yaygın olarak kullanılan ancak daha çok yavaş elektron ışını litografisi veya diğer tarama tabanlı nanofabrikasyon teknikleri yerine bir adımda nanoyapıların milyarlarca son derece paralel üretim sağlar.
Burada, üretim süreci silikon nitrür ve safir yüzeyler üzerinde altın papyon şeklinde yapılar oluşturarak gösterilmiştir; başka bir deyişle, DNA origami mekansal bilgi tamamen metalik nanoyapılara aktarılır. Burada tartışıldığı gibi, yöntem hemen hemen herhangi bir DNA origami şekli kullanımını sağlar beri teknik seçilen papyon DNA origami yapısı ile sınırlı değildir. Ayrıca, metodik modifikasyonlar ile, teknik farklı metaller ve yüzeyler metayüzeyler33imalatı yolunda döşeme genişletilebilir.
DNA origami aracılı imalatı ile desenli yüzeyler çok yönlü sensörler olarak hizmet verebilir; örneğin, yüzeyle geliştirilmiş Raman spektroskopisinde (SERS) kullanılabilirler. Tek tek nanoşekillerin küçük boyutlarının bir sonucu olarak, oluşturulan yüzeyler görünür dalga boyu aralığında optik ve plazmonik uygulamalarda kullanımlar bulabilir.
Protokol, üretilen nanoyapıların şeklinde büyük bir özgürlük ve doğruluk sağlar. DNA origami tasarımı değiştirerek, metal nanoyapıların şekli kontrol edilebilir. Metal yapıların son, tam şekli ayrıca maske büyüme adımı (Adım 9) ve daha az bir dereceye kadar maske gravür tarafından belirlenir (Adım 10) anizotropik olmamalıdır. Maske büyüme süresi yeterince uzamışsa, maskedeki delikler kapanmaya başlar. Bu, shen ve ark.34’te bowtie origami’nin ayrılmış üçgenleri ile gösterildiği gibi, bazı yapıların en ince özelliklerini atlamak ve boşluk boyutlarını kontrol etmek için kullanılabilir (Şekil 5B). Tersine, ince şekiller oksit büyüme süresini kısaltarak daha iyi korunabilir. Bu, Şekil 6’dagörüntülenen optik özellikleri sadece kullanılan origami tasarımını değiştirerek değil, Aynı zamanda SiO2 film büyümesini ayarlayarak ayarlamanın mümkün olduğu anlamına gelir.
Maske kalınlığı önemli ölçüde değiştirilirse, bu değişikliğin SiO2 RIE adımına da yansıtılması gerekir. SiO2 sadece çok ince bir tabaka (2-5 nm) ancak maske delikleri delmek için kazınmalıdır. Bu tüm sürecin en hassas ve önemli parçasıdır. Gravür süresi son derece kısa olduğundan, sadece 10-20 s, tam ayarları deneysel olarak yeni ekipman ile ilk denendiğinde belirlenmelidir. Bazı SiO2 de a-Si gravür sırasında kazınmış olduğu gibi Bu da Adım 10.4 için de geçerlidir. Kazınmış SiO2’nin kapsamı, kullanılan a-Si etch parametrelerinin, ekipmanlarının ve hatta bireysel ekipman kalibrasyonlarının seçiciliği ile belirlenir. Bu iki işlem sırasında Tüm SiO2 tabakasını ettenmemeye özen izlenmelidir.
Bir diğer hassas adım da SiO2 büyümesidir. Büyüme süreci hem oda nemine hem de kullanılan TEOS’un mevcut aktivitesine bağlıdır. TEOS, suyu havadan söken gibi bozularak yaşla birlikte daha az etkili hale gelmesine neden olur. Bu kimyasal uygun depolama bile ay içinde önemli ölçüde daha yavaş, daha az kontrol edilebilir büyüme hızı olarak tezahür edebilir. 34 Ortaya çıkan SiO2 tabakası planlanandan daha inceyse, bu oda nemi yerine TEOS ile ilgili bir soruna işaret edebilir. Daha düşük nem de daha düşük büyüme hızı ve ince film neden olabilir iken, ortaya çıkan film de normalden daha yumuşak olmalıdır. Bu arada kaba taneli ve pürüzlü bir tabaka tersine yüksek nem ile ilgili bir sorun gösterir.
Bu protokolü iki gereksinimle serbestçe seçilmiş diğer herhangi bir alt tabakada da gerçekleştirmek mümkündür: Hem HF gravürünü (Adım 12) hem de 200-300 °C PECVD (Adım 6) sıcaklıklarını tolere etmelidir. Daha hassas bir substrat kullanılırsa a-Si PECVD için sıcaklık güvenli bir şekilde 100 °C’ye düşürülebilir, ancak protokol tam olarak açıklandığı gibi takip edilirse HF’den kaçınılamaz. HF atlatmak için, ek bir kurban tabakası uygulanması gerekli olacaktır. HF gravür gereksinimi ortadan kalkarsa, bu protokol daha geniş bir substrat malzeme ve metal seçimi ile uyumlu hale gelecektir.
Bu protokol yaygın olarak kullanılan ve sağlam mikro ve nanofabrikasyon işlemlerinden oluştuğu ndan, küçük özellik boyutları ve karmaşık metal şekillerin istendiği diğer mikroüretim protokolleri ile birleştirilebilir. Yakın gelecekte, özellikle düşük maliyetli DNA origami seri üretim31geliyor, arayüz tabanlı nanofotonik ve plazmonics 55 için hem genel kullanımı ve yüksek iş çıkışlı nanopatterning kolaylaştırmak için bu yöntem için potansiyel vardır .
The authors have nothing to disclose.
Bu çalışma Finlandiya Akademisi (286845, 308578, 303804, 267497 projeleri), Jane ve Aatos Erkko Vakfı ve Sigrid Jusélius Vakfı tarafından desteklenmiştir. Bu çalışma Finlandiya Mükemmellik Merkezleri Akademisi Programı (2014-2019) kapsamında gerçekleştirilmiştir. Aalto Üniversitesi Biyoekonomi Tesisleri ve OtaNano – Nanomikroskobu Merkezi (Aalto-NMC) ve Mikronova Nanofabrikasyon Merkezi tarafından tesis ve teknik destek sağlanmasını kabul ediyoruz.
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) |