Functionalization לליתוגרפיות רך אוקסיד ללא דפוסים סיליקון גרמניום

פרוטוקול זה מדגים כיצד ליצור תבניות של סיליקון נטול תחמוצת ובגרמניום באמצעות שכבות מונומולקולריות אורגניות ריאקטיביות, תוך שימוש בפרוטוקול הדפסה יעיל מאוד ופשוט תפעולית. כמו כן, מוצגת פונקציונליזציה סלקטיבית של מצעי התבנית הן עם מולקולות קטנות והן עם חלבונים. השלב הראשון של הפרוטוקול הוא שינוי קוולנטי של מצעי סיליקון או גרמניום באמצעות שכבה מונומולקולרית אורגנית ראשונית ויציבה מאוד.

פעולה זו מגנה על הממשק האורגני-אי-אורגני שבבסיס מפני פירוק ריאקטיבי ונזק חמצוני. שכבת כיסוי של אסטר הידרוקסי-אמידי מקושרת קוולנטית נוצרת כדי לספק פונקציונליות הידרוליטית וריאקטיבית חבויה. כשלב שני, המצעים בעלי השכבה הכפולה האחידה שעברו מודיפיקציה של NHS מעובים בתבנית באמצעות הדפסת מיקרו-מגע קטליטית, תוך שימוש בחותמת אלסטומרית שעברה מודיפיקציה של חומצה סולפונית. המגע עם החותמת מביא להידרוליזה של קבוצות NHS, ובכך נוצרו תבניות של חומצות קרבוקסיליות חופשיות ו-NHS מופעלות, הנבדלות זו מזו מבחינה כימית. לאחר מכן, המצעים המעובים בתבניות עוברים פונקציונליזציה באמצעות חלבונים ומולקולות אורגניות קטנות.

שלב זה מושלם תחילה על ידי קיבוע של NI Trello. מקשרי hetero functional המסתיימים ב-Tri acetic acid לאזורים הפונקציונליים של NHS, ושנית, על ידי חיבור סלקטיבי של חלבון פלואורסצנטי ירוק המסומן ב-hexa histamine. גישה זו מניבה תוצאות מצוינות עם תבניות של עוצמת פלואורסצנציה דיפרנציאלית שהן ברורות למדי בתבנית של שלמות שהיא יציבה להפליא לאחר מספר שינויים של פני השטח.

יתרונה המרכזי של טכניקה זו על פני שיטות קיימות הוא הדיוק. התבנית נשלטת למעשה על ידי הדיוק של החותמת עצמה, בניגוד לתהליך של דיפוזיה. הפרויקט החל במקור מהרעיון שטכניקות של יצירת תבניות המסתמכות על תגובה קטליטית, בניגוד להשקעה פשוטה, חייבות להניב יתרונות רבים.

ראשית, הזראה אינם נסלקים בתגובה וניתן להשתמש בהם שוב מספר פעמים. זאת בניגוד להדפסה או שיקוע מסורתיים, שבהם יש צורך באספקה רציפה של חומרי דפוס חדשים. בעבודתנו המוקדמת, קשרנו למעשה מולקולת זרחור לקצה של AFM, ולאחר מכן גררנו אותה לאורך פני השטח בתהליך סדרתי, בדומה לכלי עיבוד שבייתו, כדי ליצור דפוס.

אולם החותמת האלאסטומרית הייתה הרחבה לוגית ליישומים של ייצור מקבילי. אחד ההיבטים החשובים ביותר של הפרוטוקול הוא השימוש במערכת מולקולרית דו-שכבתית. מערכת זו מאפשרת לנו הן להצמיס והן להפעיל פונקציונלית מצעים אורגניים ומצעים חופשיים מחמצנים.

באופן אידיאלי, ה-Sam הראשוני צריך להשיג סגירה מלאה של כל האטומים החשופים על פני השטח וליצור מערכת מולקולרית צפופה, שתוכל להגן על פני השטח הן מחמצון והן מפירוק. השכבה העליונה המשנית צריכה להכיל קבוצות פונקציונליות טרמינליות, שניתן יהיה לשנות בהמשך באמצעות טרנספורמציות כימיות נוספות. המגבלות המשמעותיות לרזולוציה של הדפסת מיקרו-מגע מסורתית הן הדיפוזיה של התבנית והמולקולות.

השיטות שלנו מאפשרות תגובה כימית בין זרז המנויף כעת על גבי גבעול לבין סובסטרט המחובר לסיליקון או גרמניום. בשל תכונות אלו, הטכניקה שלנו מאפשרת שחזור רב יותר של תכונות בגודל קטן מאוד של 100 nanometer. כמו כן, מכיוון שהשיטה יוצרת דפוסים כימיים, ניתן לבצע להם פונקציונליזציה באמצעות תגובות ספציפיות עם מולקולות ביולוגיות ואורגניות שונות.

נוהל זה מחייב שימוש במספר כימיקלים מסוכנים, כגון חומצה פלואורית, תמיסת ננו-צ'יפ וזרחן פנטה-כלוריד. בעת עבודה עם ריאגנטים אלו, חשוב ללבוש ביגודי מגן מתאימים ולעבוד בסביבה מאווררת היטב. החלק המאתגר ביותר בפרוטוקול זה הוא העברתם המהירה של המשטחים הכלוריים אל תמיסת הגריניאר.

על מנת למנוע היווצרות מחודשת של שכבת התחמוצת, התחל בהכנת פרוסת סיליקון אחת. חתוך אותה למצעים ריבועיים בגודל סנטימטר אחד, נקה את המצעים מאבק ושטוף אותם במים ובאתנול מסונן. לאחר מכן, הסר כל זיהום אורגני על ידי טבילת מצעי הסיליקון בתוך כלי זכוכית המכיל nanos.

מחממים את תמיסת ההסרה ל-75 °C. ממתינים 15 דקות, ולאחר מכן שוטפים. מנקים כל תשתית במים מזוקקים ומסוננים.

השרו כל מצע למשך חמש דקות בתמיסת 5%HF כדי להסיר את שכבת התחמוצת הטבעית, ולאחר מכן ייבשו את הסיליקון הנקי מתחמוצות באמצעות חנקן. כדי להפיק מצע מכלור, טבלו מיד כל פיסת סיליקון נקייה מתחמוצות בתוך מבחנת סינפילציה (scintillation vial) המכילה שני מיליליטר של פוספורס פנטה-כלוריד (phosphorus Penta chloride) רווי בכלורובנזן. לאחר השלמת התגובה.

הניחו לבקבוקונים להתקרר בטמפרטורת החדר. שטפו כל משטח ב-chloro benzene וייבשו תחת חנקן מסונן. לאחר מכן, העבירו כל משטח סיליקון מכלור לתוך בקבוקון לחץ המכיל ארבעה milliliters של propanol Magnesium chloride.

דגרו את מבחנות הלחץ בטמפרטורה של 130 °C למשך 24 שעות. לאחר שמבחנות הלחץ התקררו לטמפרטורת החדר, שטפו במהירות כל משטח ב-di chloro methane ובאתנול וייבשו תחת חנקן מסונן, בדומה להכנת מצע סיליקון. חתכו פרוסת גרמניום לריבועים של 1 cm, נקו מאבק ושטפו במים ובאתנול מסונן עם גרמניום.

הסיר מזהמים אורגניים על ידי טבילת התשתיות בצלחת עם acetone למשך 20 דקות. לאחר מכן, טבול אותן בתמיסת 10%HCL למשך 15 דקות. ייבש את התשתיות בעזרת חנקן והעבר כל משטח שעבר כלור לתוך בקבוקon לחץ המכיל ארבעה milliliters של octal magnesium chloride.

דגרו את המבחנות בטמפרטורה של 130 °C למשך 48 שעות. לאחר הדגירה, המתינו לקירור המבחנות לטמפרטורת החדר ושטפו במהירות כל פרוסת סיליקון (wafer) באמצעות di chloro methane ואתנול. ייבשו את הפרוסות תחת זרם חנקן מסונן.

התחילו בהטפת מספר טיפות של NHS Diaz Solution על השטח המסתיים במתיל. אפשרו לתמיסה להתפשט על פני כל השטח. הניחו את המשטחים תחת מנורת UV למשך 30 דקות.

לאחר מכן, הוסיפו טיפות נוספות של NHS Diaz לפני השטח והניחו לתגובה להימשך למשך 30 דקות נוספות. שטפו את המשטחים שעברו מודיפיקציית NHS באמצעות di chloro methane ואתנול, ויבשו אותם תחת חנקן מסונן.

לאחר מכן, המשיכו בפונקציונליזציה של המולקולות הקטנות. לבסוף, נתחו את הפני השטח באמצעות XPS כדי לקבוע את ההרכב האלמנטרי. התחילו את הכנת החותם על ידי ערבוב של sodium tumor capto ethane sulfonate לתוך 10 milliliters של תמיסת HCL בריכוז 4N בדיוקסאן.

ערבבו את התמיסה בטמפרטורת החדר במשך שתי דקות. סננו את הנתרן כלוריד באמצעות מסנן זכוכית עדין, ולאחר מכן באמצעות מסנן מזרק ממברנת PTFE של 0.2 micron. כעת קחו את התמיסה הצלולה של tumor capto ethane s phonic acid בדיוקסאן והספירו את הדיוקסאן תחת לחץ מופחת.

הגיבו את חומצה הסולפונית שהתקבלה עם שני מיליליטרים של תערובת פוליאוריתן אקרילט פרה-פולימרית בטמפרטורה של חדר, ולאחר מכן תחת ואקום ב-50 °C. ודאו שהתערובת נקייה לחלוטין מבועות אוויר כלואות כדי להבטיח פולימריזציה מוצלחת של התערובת הפרה-פולימרית. חשוב להימנע מחימום יתר במהלך התגובה.

הוסף חומצה פונית, וכאשר החמצון מתבצע בוואקום, בעוד התמיסה סמיכה, שפוך אותה על תבנית המאסטר מסיליקון וכסה בבעיט זכוכית שטוחה העטופה בפרפילם. לאחר מכן, הקשח את התבנית על ידי חשיפה לאור UV. לאחר הפולימריזציה, הסר את בעיט הזכוכית ואת הפרפילם וקלף בזהירות את החותמת מהמאסטר, גזור את החותמת לגודל המתאים ושטוף אותה באתנול ובמים.

לאחר מכן ייבשו זאת באמצעות חנקן מסונן. השלב הבא הוא השלב החשוב ביותר בפרוטוקול. הניחו את החותמת על גבי המצע שעבר שינוי באמצעות NHS, ללא הפעלת עומס חיצוני להצמדתם.

אין להזיז את החותמת או להפעיל לחץ רב מדי. המתן דקה אחת, ולאחר מכן שטוף את התשתית ואת החותמת במים עם אתנול ולאחר מכן שוב באתנול, וייבש תחת זרם חנקן מסונן. אחסן את החותמות בטמפרטורת החדר לצורך ניתוח התבנית שהופקה.

השתמשו במיקרוסקופיית כוח אטומי (AFM) לטרסית במצב מגע ובמיקרוסקופיית אלקטרונים סורקת (SEM). בשלב זה, אנו מניידים GFP למשטח הסיליקון התבניתי. נתחיל בשינוי האסטר הפעיל באמצעות נגזרת NTA, ולאחר מכן נקבע את חלבון תג ה-HIIN למשטח באמצעות כלציה של ניקל.

בשלב זה חשוב לשמור על הביומולקולה הרלוונטית בטמפרטורה המתאימה כדי למנוע דגרדציה לא רצויה. כדי להצמיד חלבונים לתבנית ה-NHS, למצע בי-פונקציונלי, טבול אותו בתמיסה של ליזין, חומצה nnn dia athetic וטריאתילאמין. לאחר שעה, שטוף את המצעים במים ולאחר מכן באתנול.

כעת דגרו את התשתיות במשך חמש דקות בתמיסת קיליציה של ניקל סולפיה. לאחר מכן, שטפו את התשתיות במים ובבופר קישור, ולאחר מכן טבלו אותן באמבטיה של תמיסת GFP קרה בקרח. לאחר שעה, שטפו את התשתיות באותו בופר קישור, ולאחריו שטיפה ב-PBS.

לאחר מכן, יש לאחסן את התסבכים ב-PBS בטמפרטורה של zero degrees Celsius לפני האנליזה. לבסוף, יש לנתח את המשטחים באמצעות מיקרוסקופיה פלואורסצנטית כדי לה可ויזואליזציה של אזורים שעברו מודיפיקציה של GFP. נעשה שימוש בננו-תבנית ליטוגרפית רכה (Soft B lithographic nano patterning) כדי ליצור תבניות כימו-סלקטיביות על סיליקון נטול תחמוצות, ועל גרמניום, התגובה בין התסבך הפונקציונלי של NHS בחותמת התבנית הקטליטית מובילה להידרוליזה של קבוצות NHS באזורי מגע קונפורמטיים, ובכך נוצרת תבנית על תסבך פונקציונלי הנושא אזורים של חומצות קרבוקסיליות חופשיות ומופעלות על ידי NHS.

בשל אופייה של השיטה, שאינה כוללת דיפוזיה, הרזולוציה קרובה לזו של פוטוליתוגרפיה, כפי שנראה במבנים בגודל 125 nanometer. מבנים אלו שוכפלו באופן אחיד על פני כל שטח מצע הסיליקון. ממדיה של המבנים המודפסים היו זהים לאלו של תבנית הסיליקון המקבילה והחתם הקטליטי.

באופן מרשים, ניתן להשתמש בחותם הקטליטי מספר פעמים מבלי לאבד מיעילות. פונקציונליזציה כימיסלקטיבית של מוליכים למחצה דפוסים הושגה על ידי ניצול התגובתיות השונה של חומצות קרבוקסיליות מופעלות וחופשיות. ראשית, קישורי Heterobifunctional שהסתיימו בחומצה תלת-ניאלו הוצמדו לאזורים המפונקציונליים ב-NHS, ולאחר מכן שימש משטח דפוס ה-NHS שהתקבל כתבנית להצמדה סלקטיבית של דפוס hexa histamine tag G-F-P-N-H-S.

סיליקון עבר פונקציונליזציה כימית באמצעות מולקולות חלבון. בשימוש בגישה זו תחת מיקרוסקופ פלואורסצנציה, נצפתה הבדל בעוצמה ברור בין אזורים שעברו מודיפיקציה של GFP לבין אזורים של חומצה קרבוקסילית חופשית שעברה הידרוליזה. הגודל והצורה של התבניות המשוכפלות עקביים הן במשטחים בעלי דפוס NHS והן במשטחים שעברו מודיפיקציה של GFP, מה שמאשר את היציבות המרשימה של משטחים שעברו פסיבציה של פחמן ואת הסלקטיביות של גישת ההחתמה.

הפרוטוקול המוצג הוא סוג של הדפסה במיקרו-מגע (micro contact printing) ללא דיו, שניתן ליישם באופן אוניברסלי על כל תשתית המסוגלת לתמוך בשכבות מונות (monolayers) פשוטות ומסודרות. מכיוון שהתהליך אינו מסתמך על העברת דיו מהחתימה אל הפני השטח, מוסרת מגבלת הרזולוציה הדיפוזית האופיינית להדפסה במיקרו-מגע מסורתית וריאקטיבית.

מאפשר ייצור שגרתי של אובייקטים בננו-קנה מידה. שילוב של מערכת מולקולרית ראשונית ומסודרת מאוד מספק הגנה מלאה של חצי המוליך שבבסיס מהנזקים של חמצון. היווצרות של פטנטים סלקטיביים מסוג CHE מספקת נקודות חיבור בעלות רזולוציה מיוחדת למגוון של מולקולות ביולוגיות ואורגניות.

באמצעות שימוש בפעילויות שונות של מקרי carc חופשיים ומופעלים, הצלחנו לגייס חלבונים שלמים היסטולוגית על התבניות שנוצרו. עם זאת, שיטה זו אינה מוגבלת לחלבונים שלמים היסטולוגית, וניתן להשתמש בה כדי להקבע אחרים של ביו-מולקולות כגון DNAs ונוגדנים. לאחר צפייה בסרטון זה, תגיעו להבנה טובה של האופן שבו ניתן לשנות סיליקון או גרמניום שעברו פסיבציה באמצעות מערכת מולקולרית ותבנית קטליטית.

המצעים ששונו באמצעות NHS. בעת ביצוע הליך זה, חשוב לזכור לעבוד בסביבה נקייה וללא אבק. כמו כן, חשוב לנקוט באמצעי הבטיחות הנדרשים בעבודה עם חומרים מסוכנים כגון HF ו-nanos.Stripp.