Подготовка слюды и кремниевых подложках для ДНК оригами анализа и экспериментированию
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
Впервые представленная в 2006 году, ДНК-оригами использует самоорганизации природа ДНК-олигонуклеотидов для получения DESIGNABLE и высоко упорядоченные наноструктуры. 1 множество структур сообщалось, начиная от смайликов в запертом 3-мерные ящики. 2 ДНК-оригами можно функционализирован с различными биомолекул и наноструктур, что приводит к научно-исследовательских приложений в наноэлектронике, медицины и квантовых вычислений. 3 Тем не менее, анализ и многие будущие приложения не зависит только от структурного дизайна, но и на адгезии оригами ДНК наноструктур на поверхности. Методы, описанные в этой рукописи относятся к подготовке образцов ДНК оригами на двух типах субстратов: слюды и функционализованного оксида кремния.
Слюда является субстратом выбора для исследований ДНК-оригами, потому что это атомарно плоской, с высоты слоя 0,37 нм ± 0,02 нм. 4 Также EASIly очистить, делая пробоподготовки и атомно-силовой микроскопии (АСМ) исследования проста. Мусковита содержит высокую плотность калия в каждой плоскости спайности, но эти ионы диффундируют от поверхности слюды, когда в воде. Для посредником связывание ДНК-оригами в подложке из слюды, Mg 2+ используется для обратного отрицательный заряд слюды и электростатическим связать фосфат ДНК костяк подложки (рис 1А). 5 Смеси отожженной ДНК в присутствии большой эксцессы основных нитей дать высокий охват и хорошие изображения на слюду, потому что сцепление ДНК-оригами, чтобы 2+ -завершённый поверхности Mg гораздо сильнее, чем адгезия одноцепочечных олигонуклеотидов (штапельные прядей). Другие положительно заряженные ионы, в том числе Ni 2+ и Со 2+ может быть использован для управления адгезию ДНК на слюде. 6,7 Изменение концентрации одновалентных и двухвалентных катионов в растворе может опосредовать адгезивСион и поверхностной диффузии ставки оригами ДНК. 8 Однако, протокол для подготовки подложки из слюды и хранение и промывка оригами часто явно не описанные в опубликованных рукописей. 9 Без четкого протокола, воспроизводимые результаты могут быть трудно получить.
Слюда является диэлектриком, поэтому она не подходит в качестве субстрата для некоторых применений в наноэлектроники. Кремний пассивируются тонким родной оксида имеет желательные электронные свойства, в том числе совместимость с предварительного бесплатный полупроводниковый металл-оксид (CMOS) обработки, чтобы создать входных / выходных структур и топографические характеристики. Кремниевые пластины, хранящиеся в воздухе пассивируются либо с толщиной термического оксида или тонкой оксидной пленки родной, относительно грязный, с увеличенным количеством частиц. Оксид кремния имеет значительно меньшую плотность поверхностного заряда, чем слюды, и плотность заряда сильно зависит от подготовки оксида и истории. В концентрации ионов магния о воспитанииве 150 мм, хорошие покрытия (до 4 / мкм 2) прямоугольной оригами ДНК может быть достигнуто на кислорода в плазме лечение кремниевых подложках; Однако, эта концентрация и охват может изменяться в зависимости от размера и конструкции наноструктур используется. 10 альтернативный протокол для настройки поверхностный заряд, чтобы прикрепить катионный, собранного монослой 3-аминопропилтриэтоксисилана (APTES) (Фигура 1В) в оксид. Первичный амин на APTES можно протонированные при значениях рН ниже 9, изменяя заряд и гидрофобность субстрата. 11 Для полного монослоя APTES быть успешно хранение, кремний должен быть соответствующим образом очищен с помощью Радио корпорейшн оф Америка (RCA) протоколы , Эти протоколы включают процедуры в гидроксида аммония и растворы пероксида водорода (RCA1) для удаления органических остатков и примесей частиц. Короче травления в водном растворе плавиковой кислоты удаляет родной слой оксида вместе слюбые ионных примесей, которые прилипают к оксиду. Наконец, образцы подвергают воздействию соляной кислоты и раствора перекиси водорода (RCA2), чтобы удалить металл и ионных примесей и образуют тонкий однородный слой оксида. 12 Большинство чистых помещений обозначили капюшоны для протоколов очистки CMOS, со строгими правилами о том, что может быть использовано в этих областях. Общая проблема приходит в форме ионов, таких как натрий, которые могут нарушить электронные свойства КМОП структур путем создания midbandgap ловушки. 13 Ионы широко используется в ДНК-оригами подготовки и нанесения буферов может загрязнить ванны CMOS и вызвать проблемы для других исследователей, использующих чистый номер. По этой причине, наша группа использует «грязные» КМОП уборка скамейки расположены специально для малых выборок, используемых для ДНК-оригами исследований. Этот процесс является хорошей альтернативой традиционному чистых помещений установки и могут быть пригодны для лабораторий, которые не имеют доступа к чистой комнате CMOS скамейке.
Protocol
Representative Results
Discussion
Есть несколько шагов, которые должны быть подчеркнул достичь последовательных и идеальные результаты. Для образцов слюды, следующих строгий и тщательный промывание и сушка режим, как в шагах 3.3 и 3.4, будет гарантировать, что высокое качество изображения индивидуальной ДНК-оригами могу?…
Disclosures
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. |
References
- Rothemund, P. W. K. Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns. Nature. 440, 297-302 (2006).
- Anderson, E. S., et al. Self-assembly of a nanoscale DNA box with a controllable lid. Nature. 459, 73-77 (2009).
- Wang, Z., Ding, B. Engineering DNA Self-Assemblies as Templates for Functional Nanostructures. Acc. Chem. Res. 47, 1654-1662 (2014).
- Xu, K., et al. Graphene Visualizes the First Water Adlayers on Mica at Ambient Conditions. Science. 329, 1188-1191 (2010).
- Bustamante, C., et al. Circular DNA-molecules imaged in air by scanning force microscopy. 생화학. 31, 22-26 (1992).
- Hsueh, C., et al. Localized Nanoscopic Surface Measurements of Nickel-Modified Mica for Single-Molecule DNA Sequence Sampling. ACS Appl Mater. Interfaces. 2, 3249-3256 (2010).
- Pastre, D., et al. Anionic polyelectrolyte adsorption on mica mediated by multivalent cations: A solution to DNA imaging by atomic force microscopy under high ionic strengths. Langmuir. 22, 6651-6660 (2006).
- Woo, S., et al. Self-assembly of two-dimensional DNA origami lattices using cation-controlled surface diffusion. Nature Communications. 5, 4889 (2014).
- Vesenka, J., et al. Substrate preparation for reliable imaging of DNA molecules with the scanning force microscope. Ultramicroscopy. 42-44, 1243-1249 (1992).
- Albrechts, B., et al. Adsorption studies of DNA origami on silicon dioxide. , (2010).
- Sarveswaran, K., et al. Adhesion of DNA Nanostructures and DNA Origami to lithographically patterned self-assembled monolayers in Si[100]. Proc. of SPIE-Soc. Opt. Eng. 7637, 76370M-1 (2010).
- Kern, W., Puotien, D. A. Cleaning solutions based on hydrogen peroxide for use in silicon semiconductor technology. RCA Rev. 31, 187-206 (1970).
- Pillers, M., Goss, V., Lieberman, M. Electron-Beam Lithography and Molecular Liftoff for Directed Attachment of DNA Nanostructures on Silicon: Top-down Meets Bottom-up. Acc. Chem. Res. 47, 1759-1767 (2014).
- Saccá, B., Niemery, C. M. DNA Origami: The Art of Folding DNA. Angew. Chem. Int. Ed. 51, 58-66 (2012).
- Douglas, S. M., et al. Rapid prototyping of 3D DNA-origami shapes with caDNAno. Nucleic Acids Res. 37, 5001-5006 (2009).
- Ben-Ishay, E., et al. Designing a Bio-responsive Robot from DNA. Origami. J. Vis. Exp. (77), e50268 (2013).
- Woo, S., et al. Programmable molecular recognition based on the geometry of DNA nanostructures. Nature Chemistry. 3, 620-627 (2011).
- Schlegel, M. L., et al. Cation sorption on the muscovite (001) surface in chloride solutions using high-resolution X-ray reflectivity. Geochim. Cosmochim. Acta. 70, 3549-3565 (2006).
- Rasband, W. S., Howarter, J. A., et al. National Institutes of Health. Langmuir. 22, 11142-11147 (2006).
- Kershner, R. J., et al. Placement and orientation of individual DNA shapes on lithographically patterned surfaces. Nature Nanotechnology. 4, 557-561 (2009).
- Hung, A. M., et al. Large-area spatially ordered arrays of gold nanoparticles directed by lithographically confined DNA origami. Nature Nanotechnology. 5, 121-126 (2010).
- Sarveswaran, K., et al. et al.Adhesion of DNA nanostructure and DNA origami to lithographically patterned self-assembled monolayers on Si[100. Proc. SPIE-Int. Soc. Opt. Eng. 7637, 76370M (2010).
- Pillers, M. A., Lieberman, M. Thermal stability of DNA origami on mica. J. Vac. Sci. Technol. B. 32, 040602 (2014).
- Song, J., et al. Direct Visualization of Transient Thermal Response of a DNA. Origami. J. Am. Chem. Soc. 134, 9844 (2012).
- Wei, X., et al. Mapping the thermal behavior of DNA origami nanostructures. J. Am. Chem. Soc. 135 (16), 6165-6176 (2013).
- Hyojeong Kim, ., et al. Stability of DNA Origami Nanostructures under Diverse Chemical Environments. Chem. Mater. 26, 5265-5273 (2014).
