إعداد ميكا والسيليكون ركائز لDNA اوريغامي التحليل والتجريب
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
لأول مرة في عام 2006، اوريغامي DNA تستخدم طبيعة الذاتي تجميع من [أليغنوكليوتيد DNA لإنتاج النانو designable وأمر غاية. 1 تم الإبلاغ عن عدد لا يحصى من الهياكل، بدءا من الوجوه المبتسمة لصناديق مغلق 3-الأبعاد. يمكن functionalized 2 DNA اوريغامي مع مختلف الجزيئات الحيوية والنانو، مما أدى إلى التطبيقات البحثية في الإلكترونيات النانوية، والطب، والحوسبة الكمومية. 3 ومع ذلك، فإن التحليل والعديد من التطبيقات في المستقبل، لا يعتمد فقط على التصميم الهيكلي، ولكن أيضا على التصاق النانو اوريغامي DNA على الأسطح. الطرق الموضحة في هذه المخطوطة تتعلق إعداد عينات DNA اوريغامي على نوعين من ركائز: الميكا وأكسيد السيليكون functionalized.
الميكا هو الركيزة الاختيار للدراسات اوريغامي الحمض النووي لأنه مسطح بالذرة، مع ارتفاع طبقة من 0.37 نانومتر ± 0.02 نانومتر. 4 وهو أيضا قمة شرق آسياتنظيف إيلي، مما يجعل إعداد العينات ومجهر القوة الذرية (AFM) دراسات واضحة. يحتوي ميكا بلدية موسكو كثافة عالية من البوتاسيوم في كل طائرة الانقسام، ولكن هذه الأيونات منتشر بعيدا عن سطح الميكا عندما تكون في الماء. للتوسط الربط اوريغامي الحمض النووي لالركيزة الميكا، ويستخدم المغنيسيوم 2+ لعكس شحنة سالبة من الميكا وكهربية ربط العمود الفقري الفوسفات الحمض النووي لالركيزة (الشكل 1A). 5 مخاليط DNA صلب بحضور كبير تجاوزات من خيوط الأساسية تعطي تغطية عالية وصور جيدة على الميكا لأن التصاق اوريغامي الحمض النووي لالمغنيسيوم 2+ سطح -terminated هو أقوى بكثير من التصاق [أليغنوكليوتيد واحدة الذين تقطعت بهم السبل (خيوط الأساسية). غيرها من أيونات موجبة الشحنة، بما في ذلك ني 2+ والتعاون 2+ يمكن أن تستخدم للسيطرة على التصاق DNA على الميكا. 6،7 تغيير تركيز أحادي التكافؤ وثنائي التكافؤ الكاتيونات في حل يمكن التوسط adheسيون ونشرها سطح معدلات اوريغامي DNA. 8 ومع ذلك، غالبا ما لا يوصف بروتوكول لإعداد ركائز الميكا وإيداع والشطف اوريغامي صراحة في المخطوطات التي تم نشرها. 9 بدون بروتوكول واضح، يمكن أن النتائج استنساخه يكون من الصعب الحصول عليها.
الميكا هو عازل، لذلك ليست مناسبة باعتبارها الركيزة لبعض التطبيقات في الإلكترونيات النانوية. السيليكون تخمل مع أكسيد الأصلي رقيقة له خصائص الإلكترونية مرغوب فيه، بما في ذلك التوافق مع إمكانية أشباه الموصلات أكسيد المعادن (CMOS) تجهيز مسبق لإنشاء إدخال الهياكل / الإخراج والميزات الطبوغرافية. ومطلية رقائق السليكون المخزنة في الهواء إما مع أكسيد الحراري سميكة أو رقيقة فيلم أكسيد الأصلي الذي هو القذرة نسبيا، مع عدد الجسيمات عالية. أكسيد السيليكون لديه أقل من ذلك بكثير كثافة الشحنة السطحية من الميكا، وكثافة الشحنة تعتمد بشكل كبير على إعداد أكسيد والتاريخ. في المغنيسيوم ABO تركيزات أيونهاء 150 ملم، التغطيات جيدة (تصل إلى 4 / ميكرون 2) اوريغامي DNA مستطيلة يمكن تحقيقه على الأكسجين البلازما تعامل ركائز السيليكون. ومع ذلك، هذا التركيز والتغطية قد تتغير اعتمادا على حجم وتصميم النانو المستخدمة. 10 إن بروتوكول بديل لضبط الشحنة السطحية هو إرفاق أحادي الطبقة الموجبة من 3 aminopropyltriethoxysilane (APTES) (الشكل 1B) الذاتي تجميعها ل أكسيد. يمكن البروتونية وأمين أساسي على APTES في قيم الرقم الهيدروجيني أقل من 9 وتعديل التهمة وللا مائية الركيزة. 11 لأحادي الطبقة كاملة من APTES تودع بنجاح، والسيليكون يجب أن تنظف بشكل مناسب باستخدام هيئة الإذاعة الأمريكية (RCA) البروتوكولات . وتشمل هذه البروتوكولات العلاج في هيدروكسيد الأمونيوم ومحلول بيروكسيد الهيدروجين (RCA1) لإزالة المخلفات العضوية والملوثات الجسيمات. A حفر قصيرة في محلول حامض الهيدروفلوريك يزيل طبقة أكسيد الأم جنبا إلى جنب معأي ملوثات الأيونية التي تلتزم أكسيد. أخيرا، تتعرض العينات إلى حمض الهيدروكلوريك ومحلول بيروكسيد الهيدروجين (RCA2) لإزالة المعادن والملوثات الأيونية وتشكيل رقيقة، وطبقة أكسيد موحدة. وقد عينت 12 معظم غرف الأبحاث أغطية للبروتوكولات التنظيف CMOS، مع قواعد صارمة حول ما يمكن استخدامه في هذه المجالات. وهناك مشكلة مشتركة تأتي في شكل أيونات مثل الصوديوم، والذي يمكن أن يعطل خصائص الإلكترونية من الهياكل CMOS من خلال خلق الفخاخ midbandgap. تستخدم 13 الأيونات عادة في إعداد وترسب مخازن اوريغامي الحمض النووي يمكن أن يلوث حمامات CMOS ويسبب مشاكل للباحثين آخرين باستخدام الغرفة نظيفة. لهذا السبب، يستخدم مجموعتنا CMOS "القذرة" تنظيف مقاعد البدلاء رتبت خصيصا لعينات صغيرة تستخدم للبحث اوريغامي DNA. هذه العملية هي بديل جيد للالتقليدي غرف الأبحاث انشاء وربما تكون مناسبة للمختبرات التي ليس لديها إمكانية الوصول إلى مقعد CMOS غرف الأبحاث.
Protocol
Representative Results
Discussion
هناك العديد من الخطوات التي من الضروري التأكيد على تحقيق نتائج متسقة ومثالية. للحصول على عينات والميكا، وبعد الشطف صارم وشامل وتجفيف النظام، كما هو الحال في الخطوات 3.3 و 3.4، وضمان صور عالية الجودة من اوريغامي DNA الفردية يمكن أن يتحقق باستخدام AFM دون مشاكل مختلفة المبي?…
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. Biochemistry. 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).
