无氧化物硅和锗的软光刻功能化与图案化

本方案展示了如何利用一种高效且操作简便的印刷技术，通过反应性有机单分子层在锗中对无氧化物的硅进行图案化。同时，还演示了对图案化基底进行小分子和蛋白质的选择性功能化。该方案的第一步是通过高度稳定的初级有机单分子层，对硅或锗基底进行共价修饰。

这可以保护底层的无机-有机界面免受反应性降解和氧化损伤。通过形成共价连接的羟基酰胺酯覆盖层，以提供潜在的水解和反应功能。第二步，利用带有图案化磺酸修饰的弹性印章，通过催化微接触印刷对均匀的双层NHS修饰基底进行图案化；印章接触使NHS基团水解，从而形成化学性质不同的NHS活化区域与游离羧酸区域的图案。随后，将图案化基底用小分子有机物和蛋白质进行功能化修饰。

该步骤首先通过将三乙酸终止的杂双功能连接剂固定到 NHS 功能化区域，然后选择性地连接六组氨酸标记的绿色荧光蛋白来完成。该方法可获得优异的结果，呈现出差异性荧光强度的清晰图案，且在经历多次表面修饰后，图案完整性仍表现出显著的稳定性。

因此，与现有方法相比，该技术的主要优势在于其精确性。图案的形成实际上由印章本身的精度所控制，而非依赖于扩散作用。该项目最初源于一种设想：依赖催化反应而非简单沉积的图案化技术必然具有诸多优势。

一方面，催化剂在反应中不会被消耗，可以多次重复使用，而不像传统的印刷或沉积技术那样需要持续提供新的图案化材料。在我们早期的研究中，我们实际上是将一个催化剂分子固定在原子力显微镜（AFM）探针尖端，然后像机床一样通过串行方式在表面拖动该分子进行图案化。

但弹性印章是用于并行制造应用的合理延伸。该方案最重要的方面之一是使用双层分子系统。该系统使我们能够同时蚀刻并功能化无氧化物和有机基底。

理想情况下，初始的主自组装单分子层（SAM）应能完全终止所有暴露在表面的原子，并形成紧密排列的分子体系，从而保护表面免受氧化和降解。次级覆盖层应含有末端官能团，可通过进一步的化学反应进行修饰。传统微接触印刷技术分辨率的主要限制因素是图案和分子的扩散。

我们的方法通过催化剂与连接在硅或锗上的底物之间发生的化学反应来实现。由于该特性，本技术能够实验复制更小至100纳米尺寸的微细结构。此外，由于该方法可形成化学图案，因此可通过与不同生物分子和有机分子的特异性反应对这些图案进行功能化修饰。

该实验步骤需要使用多种危险化学品，例如氢氟酸、纳米芯片溶液和五氯化磷。操作这些试剂时，务必穿戴适当的防护服，并在通风良好的环境中进行。本方案中最困难的步骤是将氯化后的表面迅速转移至格林纳德溶液中。

为避免氧化层重新形成，首先准备一个硅（111）晶圆。将其切割成一厘米见方的基底，清除基底上的灰尘，并用去离子水和过滤的乙醇冲洗。接着，将硅基底浸入盛有纳米级溶液的玻璃皿中，以去除任何有机污染物。

将洗脱液加热至75摄氏度。等待15分钟后冲洗。用去离子过滤水清洗每个基底。

将每种衬底在5%的HF溶液中浸泡五分钟，以去除原生氧化层，然后用氮气吹干无氧化层的硅片。为制备氯化衬底，立即将每块无氧化层的硅片浸入含有两毫升饱和五氯化磷氯苯溶液的闪烁瓶中。反应完成后。

让小瓶在室温下冷却。用氯苯冲洗每个表面，并在过滤的氮气下干燥。接下来，将每个氯化硅表面放入含有4 mL丙醇氯化镁的压力小瓶中。

将压力瓶在130摄氏度下孵育24小时。待压力瓶冷却至室温后，用二氯甲烷和乙醇快速冲洗每个表面，并在过滤氮气下干燥，操作方式与硅基底的制备相同。将锗晶圆切割成1厘米见方的小片，用去离子水和过滤的乙醇冲洗并去除灰尘，同时使用锗进行处理。

通过将基底浸入盛有丙酮的器皿中20分钟以去除有机污染物。随后将其浸入10% HCl溶液中15分钟。用氮气吹干基底，并将每块氯化表面置于含有4毫升辛基氯化镁的加压小瓶中。

将小瓶在130摄氏度下孵育48小时。孵育结束后，让小瓶冷却至室温，然后用二氯甲烷和乙醇快速冲洗每个晶片。在过滤的氮气下干燥晶片。

首先，用移液器吸取少量 NHS 重氮溶液滴加到甲基封端表面，使溶液覆盖整个表面。将表面置于紫外灯下照射 30 分钟。

然后向表面再添加几滴 NHS 叠氮试剂，继续反应 30 分钟。用二氯甲烷和乙醇冲洗 NHS 修饰的表面，并在过滤的氮气下干燥。

然后对小分子进行功能化处理。最后通过XPS分析表面，以确定其元素组成。开始制备印章时，将十巯基乙烷磺酸钠加入10毫升四当量的HCl二氧六环溶液中。

将溶液在室温下搅拌两分钟。通过细玻璃滤器过滤除去氯化钠，再经0.2微米聚四氟乙烯（PTFE）膜针头滤器过滤。取所得澄清的肿瘤捕获乙烷磺酸二噁烷溶液，在减压条件下蒸除二噁烷。

将所得的磺酸与2毫升聚氨酯丙烯酸酯预聚物混合物在室温下反应，然后在50摄氏度下减压反应。务必确保混合物完全去除截留的空气，以保证预聚物混合物成功聚合。在与甲基反应时，切勿加热。

将CAPTA与亚磷酸混合，并在真空条件下进行氧化。当溶液呈黏稠状态时，将其倒入硅胶母模上，并用包裹了聚甲醛的平整玻璃片覆盖。随后通过暴露于紫外光下固化模具。聚合完成后，移除玻璃片和聚甲醛薄膜，小心地将印章从母模上剥离下来，裁剪至合适尺寸，并用乙醇和水清洗。

然后用过滤的氮气吹干。以下是该实验方案中最关键的步骤：将印章置于经NHS修饰的基底上方，不施加任何外部负载以使其自然贴合。

切勿运输印章或施加过大压力。等待一分钟后，先用乙醇水溶液冲洗基底和印章，再用乙醇冲洗一次，随后在过滤氮气下干燥。将印章在室温下保存，以分析所形成的图案。

采用接触模式下的侧向原子力显微镜和扫描电子显微镜。在这一步骤中，我们将GFP迁移至图案化的硅表面。首先，我们用NTA衍生物修饰活性酯，然后通过镍螯合将HIIN标签蛋白固定在表面。

在此步骤中，保持目标生物分子处于适当温度至关重要，以避免发生非预期的降解。为了将蛋白质连接到NHS图案化的双功能基底上，需将其浸入含有赖氨酸、nnn二酸和三乙胺的溶液中。一小时后，依次用水和乙醇冲洗基底。

将基底在硫酸镍螯合溶液中孵育五分钟。接着，用去离子水和结合缓冲液冲洗基底，随后将其浸入冰冻的绿色荧光蛋白（GFP）溶液中。一小时后，用相同的结合缓冲液冲洗基底，再用磷酸盐缓冲液（PBS）冲洗。

然后将底物置于零摄氏度的磷酸盐缓冲液（PBS）中保存，直至进行分析。最后通过荧光显微镜分析表面，以观察GFP修饰区域。软刻蚀光刻纳米图案化技术被用于在无氧化物的硅和锗表面构建化学选择性图案；在催化图案印章中，NHS功能化底物发生反应，导致构象接触区域的NHS基团发生水解，从而形成含有NHS活化区和游离羧酸基团的功能化底物图案区域。

由于该方法无需扩散，其分辨率接近光刻技术，可实现125纳米的特征结构。这些特征在整个硅基底表面均被均匀复制。所打印特征的尺寸与相应的硅模板和催化印章中的特征完全一致。

值得注意的是，该催化印章可多次重复使用而不会降低效率。通过利用活化羧酸与游离羧酸反应性的差异，实现了对图案化半导体的化学选择性功能化。首先将末端带有三羧酸的异双功能连接分子固定在 NHS 功能化的区域，然后利用所得的 NHS 图案表面作为模板，选择性地结合六组氨酸标签 G-F-P-N-H-S 图案。

硅表面通过化学功能化修饰了蛋白质分子。利用该方法在荧光显微镜下观察，经GFP修饰的区域与水解生成的游离羧酸区域之间呈现出明显的荧光强度差异。NHS图案化表面与GFP修饰表面所复制的特征在尺寸和形状上均保持一致，证实了碳钝化表面具有优异的稳定性，以及印章转移方法的良好选择性。

本方案是一种墨水形式，采用较少的微接触印刷技术，可普遍应用于任何能够支持简单有序单分子层的基底。由于该过程不依赖于墨水从印章向表面的转移，传统及反应性微接触印刷中的扩散分辨率限制得以消除。

实现纳米级物体的常规制造。引入一种主要的、高度有序的分子体系，可完全保护底层半导体免受氧化损伤。CHE选择性专利的形成提供了特异性解析的连接位点，可用于连接多种生物分子和有机分子。

通过利用游离态和激活态的游离羧基酯酶的不同活性，我们能够在所构建的图案上固定组织完整蛋白。然而，该方法不仅限于组织完整蛋白，还可用于固定其他生物分子，如DNA和抗体。观看本视频后，您应能够充分理解如何利用分子体系和催化图案对钝化的硅或锗表面进行修饰。

NHS修饰的底物。在进行此操作时，重要的是要记住在洁净无尘的环境中操作。在使用HF和nanos.Stripp等危险材料时，也必须采取必要的安全预防措施。