DNA折り紙解析と実験のためのマイカとシリコン基板の作製
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
まず、2006年に導入され、DNAの折り紙は、設計可能と高秩序 ナノ構造を生成するためにDNAオリゴヌクレオチドの自己集合の性質を利用しています。1構造の無数の報告されており、スマイリーの範囲は、3次元ボックスをラッチするために直面している。2 DNA折り紙を官能化することができます様々な生体分子やナノ構造で、研究ナノエレクトロニクスへの応用、医学、量子コンピューティングを生じさせる。3しかし、解析、多くの将来のアプリケーションだけでなく、構造設計上だけでなく、表面へのDNA折り紙のナノ構造の接着性に依存しています。マイカ、官能シリコン酸化：この原稿に記載された方法は、基板の2つのタイプの上のDNA折り紙の試料の調製に関連しています。
マイカは、0.02 nmで±0.37 nmでの層の高さで、原子レベルで平坦であるため、DNA折り紙の研究のために選択される基板である。4また、EASですILY試料調製及び原子間力顕微鏡（AFM）研究が単純な作り、清掃。白雲母は、各切断面におけるカリウムの高い密度を含むが、ときに、水中のこれらのイオンは、雲母表面から離れて拡散します。マイカ基板にDNA折り紙の結合を媒介するためにはMg 2+雲母の負の電荷を逆転させ、静電的に基板（ 図1A）のDNAのリン酸骨格に結合するために使用される。アニーリングしたDNAの5混合物を大型の存在下でMg 2+を -末端表面へのDNA折り紙の付着が一本鎖オリゴヌクレオチド（ステープルストランド）の密着性よりもはるかに強力であるため、ステープルストランドの行き過ぎは、雲母に高いカバレッジと良好な画像を与えます。のNi 2+及びCo 2+などの他の正に荷電したイオンは、雲母上のDNAの付着を制御するために用いることができる。6,7のadhEを媒介することができる溶液中の一価および二価陽イオンの濃度を変化させますDNA折り紙のシオンと表面拡散速度。8しかし、折り紙を雲母基板を用意し、堆積し、すすぎのためのプロトコルは、多くの場合、明示的に公表された原稿に記載されていない。9明確なプロトコルがなければ、再現性のある結果を得ることが困難であることができます。
マイカは、絶縁体であるため、ナノエレクトロニクスにおけるいくつかの用途のための基質として適していません。薄い自然酸化物で不動態化シリコンは、入力/出力構造及び地形を作成する前の相補型金属酸化膜半導体（CMOS）プロセスとの適合性などの望ましい電気特性を有します。空気中に格納されたシリコンウェーハは厚い熱酸化膜や高微粒子数と、比較的汚れている薄い自然酸化膜のいずれかで不動態化されています。シリコン酸化物は、雲母よりもはるかに低い表面電荷密度を有し、電荷密度は、酸化物の調製および履歴に大きく依存します。マグネシウムのイオン濃度は、ABO150 mMのは、長方形のDNA折り紙の（4個/μm2まで）の良好な被覆率は、酸素プラズマ処理したシリコン基板上に達成することができまし。しかし、この濃度とカバレッジが使用されているナノ構造のサイズ及び設計に応じて変更することができる。10表面電荷を調整するための別のプロトコルには、3-アミノプロピルトリエトキシシラン（APTES）のカチオン性の自己組織化単分子膜（ 図1B）を取り付けることです酸化物。 APTESで第一級アミンは、基板の電荷および疎水性を変更する、9以下のpH値でプロトン化することができる。うまく堆積するAPTESの完全な単分子層11、シリコンが適切にアメリカのラジオ·コーポレーション（RCA）プロトコルを使用して洗浄されなければなりません。これらのプロトコルは、有機残留物及び粒子汚染物を除去するための水酸化アンモニウム及び過酸化水素溶液（RCA1）での治療を含みます。フッ酸水溶液中の短いエッチングはと一緒に自然酸化膜を除去します酸化物に付着する任意のイオン性汚染物。最後に、サンプルは、金属及びイオン性汚染物を除去し、薄く均一な酸化物層を形成するために塩酸と過酸化水素水溶液（RCA2）にさらされている。12ほとんどのクリーンルームを用いることができるかについての厳格な規則で、CMOS洗浄プロトコルのフードを指定していますこれらの分野で。一般的な問題はmidbandgapトラップを作成することにより、CMOS構造の電気的特性を破壊することができナトリウムなどのイオンの形で付属しています。一般的に、DNA折り紙の準備および堆積バッファに使用される13イオンはCMOS浴を汚染し、使用して他の研究者のための問題を引き起こす可能性クリーンルーム。このような理由から、私たちのグループは、ベンチのクリーニング「汚い」CMOSは、DNA折り紙の研究のために使用される小型のサンプルのために特別に配置された使用しています。このプロセスは、従来のクリーンルームのセットアップに良い代替であり、クリーンルームCMOSベンチへのアクセスを持っていない研究室に適しています。
Protocol
Representative Results
Discussion
一貫して理想的な結果を達成するために強調される必要があるいくつかのステップがあります。マイカサンプルについては、厳格かつ徹底的なすすぎ以下と政権を乾燥させる、ステップ3.3および3.4のように、個々のDNA折り紙の高品質の画像が代表的な結果のセクションで説明し、様々な問題もなく、AFMを用いて達成することができるようになります。シリコン試料のための主要な重要性?…
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
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