La fonctionnalisation douce lithographiques et les motifs sans oxyde silicium et de germanium

Ce protocole montre comment structurer du silicium exempt d'oxyde dans du germanium à l'aide de monocouches organiques réactives, en utilisant un protocole d'impression hautement efficace et simple à mettre en œuvre. On y démontre également la fonctionnalisation sélective des substrats structurés avec des petites molécules ainsi qu'avec des protéines. La première étape du protocole consiste à modifier de façon covalente des substrats de silicium ou de germanium avec une monocouche organique primaire hautement stable.

Ceci protège l'interface organique-inorganique sous-jacente contre la dégradation réactive et les dommages oxydatifs. Une couche superficielle d'esters d'hydroxyamide liés de façon covalente est formée afin de fournir des fonctions latentes d'hydrolyse et de réactivité. Dans une deuxième étape, les substrats modifiés en bicouche uniforme d'NHS sont structurés par impression catalytique en microcontact, en utilisant un tampon élastomère modifié par un groupe acide sulfonique ; le contact avec le tampon hydrolyse les groupes NHS, formant ainsi des motifs constitués d'acides carboxyliques activés par NHS et d'acides carboxyliques libres, chimiquement distincts. Ensuite, les substrats structurés sont fonctionnalisés avec des petites molécules organiques et des protéines.

Cette étape est réalisée dans un premier temps en fixant sur les régions fonctionnalisées NHS des linkers hétérofonctionnels terminés par de l'acide triacétique, puis, dans un second temps, par l'attachement sélectif d'une protéine verte fluorescente portant une étiquette hexa-histidine. Cette approche donne d'excellents résultats, avec des motifs de fluorescence différentielle dont l'intensité est nette, présentant un patron d'intégrité remarquablement stable après plusieurs modifications de surface.

Ainsi, le principal avantage de cette technique par rapport aux méthodes existantes réside dans sa précision. Le motif est en effet contrôlé par la précision du tampon lui-même, plutôt que par la diffusion. Ce projet a été initialement conçu à partir de l'idée que les techniques de structuration s'appuyant sur une réaction catalytique, plutôt que sur un simple dépôt, doivent présenter de nombreux avantages.

Premièrement, les catalyseurs ne sont pas consommés lors de la réaction et peuvent être réutilisés plusieurs fois, contrairement aux méthodes traditionnelles d'impression ou de dépôt où il est nécessaire d'approvisionner continuellement de nouveaux matériaux pour le façonnage. Dans nos premiers travaux, nous avons en effet fixé une molécule de catalyseur à une pointe de microscopie à force atomique (A FM), puis nous l'avons déplacée le long de la surface selon un processus sériel, similaire à un outil machine, afin de réaliser le motif.

Mais le cachet élastomère constituait une extension logique pour des applications de fabrication parallèle. L'un des aspects les plus importants du protocole est l'utilisation du système moléculaire en bicouche. Ce système nous permet à la fois de lier et de fonctionnaliser des substrats organiques et dépourvus d'oxyde.

Idéalement, le SAM primaire initial devrait assurer la terminaison complète de tous les atomes exposés en surface et former un système moléculaire compact, capable de protéger la surface contre l'oxydation et la dégradation. La couche secondaire superposée devrait contenir des groupes fonctionnels terminaux, pouvant être modifiés ultérieurement par des transformations chimiques supplémentaires. Les limitations importantes concernant la résolution de l'empreinte par microcontact classique sont la diffusion du motif et celle des molécules.

Notre méthode permet une réaction chimique entre un catalyseur actuellement fixé sur une tige et un substrat lié au silicium ou au germanium. En raison de ces propriétés, notre technique permet d'expérimenter la reproduction de motifs très petits de taille inférieure à 100 nanomètres. Ou encore, comme la méthode crée des motifs chimiques, il est possible de les fonctionnaliser par des réactions spécifiques avec différentes molécules biologiques et organiques.

Cette procédure nécessite l'utilisation de plusieurs produits chimiques dangereux, tels que l'acide fluorhydrique, la solution de nano puces et le pentachlorure de phosphore. Lorsque vous manipulez ces réactifs, il est important de porter des vêtements de protection adéquats et de travailler dans un environnement bien ventilé. La partie la plus délicate de ce protocole consiste à transférer rapidement les surfaces chlorées dans la solution de Greenard.

Pour éviter la reformation de la couche d'oxyde, commencez par préparer un wafer en silicium 11. Découpez-le en substrats carrés d'un centimètre de côté, dépoussiérez les substrats puis rincez-les à l'eau et à l'éthanol filtré. Ensuite, éliminez toute contamination organique en immergeant les substrats de silicium dans un récipient en verre contenant des nanos.

Solution de stripping chauffée à 75 degrés Celsius. Attendre 15 minutes, puis rincer. Nettoyer chaque substrat avec de l'eau filtrée déionisée.

Plonger chaque substrat pendant cinq minutes dans une solution d’acide fluorhydrique à 5 % afin de retirer la couche d’oxyde native, puis sécher le silicium exempt d’oxyde à l’aide d’azote. Pour obtenir un substrat chloré, immerger immédiatement chaque morceau de silicium exempt d’oxyde dans un flacon de scintillation contenant deux millilitres de penta-chlorure de phosphore saturé dans le chlorobenzène. Une fois la réaction terminée.

Laisser refroidir les vials à température ambiante. Rincer chaque surface avec du chlorobenzène et sécher sous azote filtré. Ensuite, placer chaque surface de silicium chlorée dans un vial sous pression contenant quatre millilitres de chlorure de magnésium dans le propanol.

Incuber les ampoules sous pression à 130 degrés Celsius pendant 24 heures. Une fois que les ampoules sous pression ont refroidi à température ambiante, rincer rapidement chaque surface avec du dichlorométhane et de l'éthanol, puis sécher sous azote filtré, comme lors de la préparation du substrat de silicium. Couper une plaquette de germanium en carrés d'un centimètre de côté, puis enlever la poussière et rincer avec de l'eau et de l'éthanol filtré à l'aide de germanium.

Éliminer les contaminants organiques en immergeant les substrats dans une coupelle d'acétone pendant 20 minutes. Puis les immerger dans une solution de HCl à 10 % pendant 15 minutes. Sécher les substrats à l'azote et placer chaque surface chlorée dans un flacon sous pression contenant quatre millilitres de chlorure de magnésium octyle.

Incuber les vials à 130 degrés Celsius pendant 48 heures. Après l'incubation, laisser refroidir les vials à température ambiante et rincer rapidement chaque wafer avec du dichlorométhane et de l'éthanol. Sécher les wafers sous azote filtré.

Commencez par pipeter quelques gouttes de solution NHS Diaz sur la surface terminée par des groupes méthyles. Laissez la solution s'étendre sur toute la surface. Placez les surfaces sous une lampe UV pendant 30 minutes.

Ensuite, ajoutez davantage de gouttes de NHS Diaz à la surface et laissez la réaction se poursuivre pendant 30 minutes supplémentaires. Rincez les surfaces modifiées par le NHS avec du dichlorométhane et de l'éthanol, puis séchez-les sous un flux d'azote filtré.

Procédez ensuite à la fonctionnalisation des petites molécules. Enfin, analysez les surfaces par spectroscopie photoélectronique X (XPS) afin de déterminer la composition élémentaire. Commencez la préparation du tampon en mélangeant du capto-éthane-sulfonate de sodium dans 10 millilitres d'une solution de HCl quatre normale dans le dioxane.

Agiter la solution à température ambiante pendant deux minutes à partir de la solution. Filtrer le chlorure de sodium à l’aide d’un filtre en verre fin, puis à l’aide d’un filtre à seringue en membrane PTFE de 0,2 micron. Prendre maintenant la solution claire d’acide capto-éthane sulfonique dans la dioxane et évaporer la dioxane sous pression réduite.

Faites réagir l'acide sul avec deux millilitres de mélange prépolymère d'acrylate de polyuréthane, à température ambiante, puis sous vide à 50 degrés Celsius. Veillez à débarrasser complètement le mélange de l'air piégé afin d'assurer une polymérisation réussie du mélange prépolymère. Il est important de ne jamais chauffer lors de la réaction avec moi.

L'acide CAPTA atténue l'acide phonique, et lors de l'oxygénation sous vide, tant que la solution est visqueuse, versez-la sur le moule maître en silicium et recouvrez-la d'une lame de verre plate enveloppée dans du parafilm. Ensuite, durcissez le moule en l'exposant à la lumière UV. Après polymérisation, retirez la lame de verre et le film parafilm, puis décollez soigneusement le tampon du maître, taillez-le à la dimension appropriée et lavez-le à l'éthanol et à l'eau.

Ensuite, séchez-le avec de l'azote filtré. Ce qui suit est l'étape la plus importante du protocole. Placez le poinçon sur le substrat modifié au NHS sans charge externe pour les maintenir ensemble.

Ne pas frotter le tampon ni appliquer une pression excessive. Attendre une minute, puis rincer le substrat et le tampon avec de l'eau éthanolée, puis à nouveau avec de l'éthanol, suivis d'un séchage sous azote filtré. Conserver les tampons à température ambiante pour analyser le motif obtenu.

Utilisez la microscopie à force atomique latérale en mode contact et la microscopie électronique à balayage. À cette étape, nous mobilisons la GFP vers la surface de silicium gravée. Nous commençons tout d'abord par modifier l'ester activé à l'aide d'un dérivé NTA, puis immobilisons la protéine marquée HIIN sur la surface par chélation du nickel.

Il est important, lors de cette étape, de maintenir la biomolécule d'intérêt à la température appropriée afin d'éviter une dégradation indésirable. Pour fixer les protéines sur le motif NHS, sur le substrat bifonctionnel, plongez-le dans une solution de lysine, d'acide nnn dia athétique et de triéthylamine. Après une heure, rincez les substrats à l'eau, puis à l'éthanol.

Incubez maintenant les substrats pendant cinq minutes dans une solution chélatrice de sulfate de nickel. Ensuite, rincez les substrats avec de l'eau et du tampon de liaison, puis plongez-les dans un bain de solution de GFP glacée. Une heure plus tard, rincez les substrats avec le même tampon de liaison, suivie d'un rinçage dans le PBS.

Ensuite, conserver les substrats dans du PBS à zéro degré Celsius avant l'analyse. Enfin, analyser les surfaces par microscopie de fluorescence afin de visualiser les zones modifiées par la GFP. Le nano-motifage doux par lithographie B a été utilisé pour créer des motifs chimio-sélectifs sur du silicium sans oxyde et sur du germanium ; la réaction entre le substrat fonctionnalisé par le NHS et le tampon de motif catalytique conduit à l'hydrolyse des groupements NHS dans les zones de contact conformationnel, produisant ainsi un motif sur le substrat fonctionnalisé comportant des régions activées par le NHS et des acides carboxyliques libres.

En raison de la nature sans diffusion de la méthode, la résolution est proche de celle de la photolithographie, comme le montrent des motifs de 125 nanomètres. Ces motifs ont été reproduits de manière uniforme sur toute la surface du substrat en silicium. Les dimensions des motifs imprimés étaient identiques à celles du moule en silicium correspondant et du tampon catalytique.

Remarquablement, le tampon catalytique peut être réutilisé plusieurs fois sans perte d'efficacité. La fonctionnalisation chimiosélective de semiconducteurs structurés a été réalisée en exploitant les réactivités différentes des acides carboxyliques activés et libres. Tout d'abord, des linkers hétérobifonctionnels terminés par un acide tricarboxylique ont été fixés sur les régions fonctionnalisées au NHS, puis utilisés la surface structurée au NHS comme modèle pour l'attachement sélectif du motif hexa-étiquette histidine G-F-P-N-H-S.

Le silicium a été chimiofonctionnalisé avec des molécules de protéines. Grâce à cette approche en microscopie de fluorescence, une différence nette d'intensité a été observée entre les régions modifiées par la GFP et celles hydrolysées présentant des groupes acides carboxyliques libres. La taille et la forme des motifs reproduits sont cohérentes entre les surfaces fonctionnalisées au NHS et celles modifiées par la GFP, confirmant la remarquable stabilité des surfaces passivées au carbone ainsi que la sélectivité de l'approche par estampage.

Le protocole présenté constitue une forme d'encre, une impression par contact microscopique moins invasive, qui peut être appliquée universellement à tout substrat capable de supporter des monocouches simples et bien ordonnées. Étant donné que ce procédé ne repose pas sur le transfert d'encre d'un tampon vers la surface, la limitation de résolution diffusive inhérente à l'empreinte microscopique classique et réactive est éliminée.

Permettre la fabrication courante d'objets à l'échelle nanométrique. L'incorporation d'un système moléculaire primaire hautement ordonné assure une protection complète du semi-conducteur sous-jacent contre les dommages d'oxydation. La formation de brevets sélectifs CHE fournit des points d'ancrage spécifiquement définis pour une variété de molécules biologiques et organiques.

En utilisant différentes activités des cas de carcases libres et activées, nous avons pu mobiliser des protéines histo-intactes sur les motifs créés. Toutefois, cette méthode ne se limite pas aux protéines histo-intactes et peut être utilisée pour immobiliser d'autres biomolécules telles que les ADN et les anticorps. Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la manière de modifier un silicium ou un germanium passivé à l'aide d'un système moléculaire et d'un motif catalytique.

Les substrats modifiés au NHS. Lors de la réalisation de cette procédure, il est important de se rappeler de travailler dans un environnement propre et sans poussière. Il est également essentiel de prendre les précautions de sécurité nécessaires lors de l'utilisation de matériaux dangereux tels que le HF et le nanos.Stripp.