ソフトリソグラフィ機能化およびパターニング酸化物フリーシリコンとゲルマニウム

このプロトコルでは、非常に効率的で操作が簡単なプリンティングプロトコルを用いて、反応性有機単分子膜により酸化物フリーのシリコンおよびゲルマニウムをパターニングする方法を示します。また、低分子とタンパク質の両方を用いたパターン基板の選択的機能化についても実証します。本プロトコルの最初のステップは、高安定性の一次有機単分子膜を用いて、シリコンまたはゲルマニウム基板を共有結合的に修飾することです。

これにより、下地の無機・有機界面を反応性劣化および酸化損傷から保護します。共有結合で連結されたヒドロキシスクシンイミドエステルのオーバーレイヤーは、潜在的な加水分解能および反応性機能を提供するために形成されます。第二のステップとして、均一な二層構造のNHS修飾基板を、パターニングされたスルホン酸修飾エラストマースタンプを用いた触媒マイクロコンタクトプリンティングによってパターニングします。スタンプとの接触によりNHS基が加水分解され、化学的に異なるNHS活性化基と遊離カルボン酸のパターンが形成されます。次に、パターニングされた基板を低分子有機化合物およびタンパク質で機能化します。

このステップは、まずNHS官能基化領域にトリ酢酸末端のヘテロ機能性リンカーを固定し、次にヘキサヒスタジンタグ付き緑色蛍光タンパク質を選択的に結合させることで完了します。このアプローチにより、複数の表面修飾後も極めて安定したパターンの完全性と、非常に明確な蛍光強度の差を持つパターンが得られ、優れた結果をもたらします。

したがって、既存の手法に対する本手法の主な利点は、その精度にあります。パターンは、拡散ではなく、スタンプ自体の精度によって完全に制御されます。このプロジェクトは、単純な堆積ではなく触媒反応に依存するパターニング技術には、数多くの利点があるはずだという考えから当初開始されました。

第一に、触媒は反応で消費されないため、繰り返し再利用することが可能です。これは、常に新しいパターン形成材料を供給し続ける必要がある従来の印刷や堆積とは異なります。初期の研究では、実際に触媒分子をAFMチップに結合させ、それを工作機械のようなシリアルプロセスで表面に沿って移動させることでパターン形成を行いました。

しかし、エラストマーstampは、並列製造アプリケーションへの論理的な拡張でありました。このプロトコルにおいて最も重要な点の一つは、二層分子システムの使用です。このシステムにより、酸化物および有機基材の両方を修飾および機能化することが可能になります。

理想的には、最初の一次SAM（自己組織化単分子膜）によって、表面に露出したすべての原子を完全に終端させ、最密充填分子システムを形成させることで、酸化と劣化の両方から表面を保護できるようにします。二次オーバーレイヤーには末端官能基を含ませることで、さらなる化学変換による修飾を可能にします。従来のマイクロコンタクトプリンティングにおける解像度の大きな制限要因は、パターンと分子の拡散です。

本手法では、ステム上に固定化された触媒と、シリコンまたはゲルマニウムに結合した基質との間の化学反応を利用します。これらの特性により、本技術では100 nmという極めて微細なサイズのパターンの複製をより高度に実験することが可能です。また、本手法によって化学的なパターンが形成されるため、さまざまな生物学的分子や有機分子を用いた特異的な反応を通じて、それらを機能化させることが可能です。

この手順では、フッ化水素酸、ナノチップ溶液、五塩化リンなどのいくつかの有害化学物質を使用する必要があります。これらの試薬を取り扱う際は、適切な保護服を着用し、換気の良い環境で作業することが重要です。このプロトコルで最も困難な部分は、塩素化された表面を迅速にグリニャール溶液に移動させることです。

酸化層の再形成を避けるため、まずシリコンウェハーを準備します。これを1 cm角の基板に切り分け、基板の埃を除去した後、水とろ過済みエタノールで洗浄します。次に、ナノスを含むガラス容器にシリコン基板を浸し、有機汚染物質を除去します。

ストリップ溶液を 75 °C に加熱します。15 分間待機した後、洗浄します。各基板を脱イオンろ過水で洗浄してください。

各基板を5% HF溶液に5分間浸し、自然酸化膜を除去した後、酸化膜のないシリコンを窒素で乾燥させます。塩素化基板を作成するには、酸化膜を除去した各シリコン片を、クロロベンゼンに溶解した飽和五塩化リン 2 mLを含むシンチレーションバイアルに直ちに浸します。反応が完了した後。

バイアルを室温で冷却します。各表面をクロロベンゼンで洗浄し、ろ過窒素気流下で乾燥させます。次に、塩素化された各シリコン表面を、4 mLのプロパノールマグネシウムクロリドを含む圧力バイアルに入れます。

プレッシャーバイアルを130 °Cで24時間インキュベートします。プレッシャーバイアルが室温まで冷却した後、シリコン基板の調製と同様に、各表面をジクロロメタンとエタノールで素早くすすぎ、ろ過済み窒素気流下で乾燥させます。ゲルマニウムウェハーを1 cm角に切断し、除塵した後、水とろ過済みエタノールでゲルマニウムをすすぎます。

基材をアセトンを入れたシャーレに20分間浸し、有機汚染物質を除去します。次に、10%HCl溶液に15分間浸します。基材を窒素で乾燥させ、塩素処理した各表面を、4mLの塩化マグネシウム八水和物を含むプレッシャーバイアルに入れます。

バイアルを130 °Cで48時間インキュベートします。インキュベーション後、バイアルを室温まで冷却し、各ウェハーをジクロロメタンとエタノールで速やかに洗浄します。ろ過済み窒素気流下でウェハーを乾燥させます。

まず、メチル末端処理された表面にNHS Diaz Solutionを数滴ピペッティングします。溶液を表面全体に広げてください。その後、表面をUVランプの下に30分間置きます。

その後、NHS Diazを表面にさらに数滴滴下し、反応を30分間継続させます。NHS修飾した表面をジクロロメタンとエタノールで洗浄し、ろ過窒素気流下で乾燥させます。

次に、低分子化合物の機能化を行います。最後に、XPSを用いて表面を分析し、元素組成を決定します。ジオキサン中の4 N HCl溶液10 millilitersに、ナトリウム・タウロカプトエタンスルホン酸を混合してスタンプの調製を開始してください。

室温で溶液を2分間撹拌します。微細ガラスフィルターで塩化ナトリウムをろ過し、次いで0.2 micronのPTFEメンブレンシリンジフィルターでろ過します。得られたジオキサン中のtumor capto ethane s phonic acidの澄明な溶液を、減圧下でジオキサンを留去して蒸発させます。

得られた硫酸を2 mLのポリウレタンアクリレート前重合体混合物と室温で反応させ、その後50 °Cの真空条件下で反応させます。前重合体混合物の重合を確実に成功させるため、混合物から閉じ込められた気泡を完全に除去してください。反応時に過加熱しないことが重要です。

CAPTAにフェニル酸を添加し、真空状態で脱泡します。溶液に粘性が生じたら、それをシリコンパターンマスター上に注ぎ、パラフィルムで包んだフラットガラススライドで覆います。その後、UV光を照射してモールドを硬化させます。重合後、ガラススライドとパラフィルムを取り除き、スタンプをマスターから慎重に剥がします。スタンプを適切なサイズにカットし、エタノールと水で洗浄します。

その後、ろ過済み窒素で乾燥させます。次の工程が本プロトコルにおいて最も重要なステップです。外部から荷重をかけない状態で、NHS修飾した基板の上にスタンプを配置してください。

スタンプをずらしたり、過剰な圧力をかけたりしないでください。1分間待機した後、基板とスタンプをエタノール水で洗浄し、次に再びエタノールで洗浄し、その後、ろ過済み窒素下で乾燥させます。作製したパターンを解析するため、スタンプは室温で保存してください。

コンタクトモードによる横方向原子間力顕微鏡および走査電子顕微鏡を使用します。このステップでは、パターン化されたシリコン表面にGFPを固定化します。まず、活性エステルをNTA誘導体で修飾し、次にニッケルキレートを介してHIINタグタンパク質を表面に固定化します。

このステップでは、目的の生体分子が不必要に分解されるのを防ぐため、適切な温度に維持することが重要です。タンパク質をNHSパターン付きの二機能性基板に結合させるには、リシン、nnn dia athetic acid、およびトリエチルアミンの溶液に基板を浸します。1時間後、基板を水で、次いでエタノールで洗浄します。

次に、基板を硫酸ニッケルのキレート溶液中で5分間インキュベートします。続いて、基板を水および結合バッファーで洗浄し、氷冷したGFP溶液に浸します。1時間後、基板を同様の結合バッファーで洗浄し、最後にPBSで洗浄します。

その後、分析前に基質を0 °CのPBS中で保存します。最後に、蛍光顕微鏡を用いて表面を分析し、GFP修飾領域を可視化します。酸化物除去済みシリコン上に化学選択的パターンを作成するためにソフトBリソグラフィックナノパターニングを用い、ゲルマニウム上では、触媒パターンスタンプ内のNHS機能化基質との反応により、接触領域のNHS部位が加水分解され、NHS活性化部位と遊離カルボキシル基領域を持つ機能化基質パターンが形成されます。

本手法は拡散を伴わないため、125 nanometer の微細構造に見られるように、解像度はフォトリソグラフィーに近いレベルに達します。これらの微細構造は、シリコン基板表面全体にわたって均一に再現されました。転写された構造の寸法は、対応するシリコンマスターおよび触媒スタンプの寸法と一致していました。

注目すべきことに、この触媒スタンプは効率を低下させることなく繰り返し使用することが可能です。活性化されたカルボン酸と遊離したカルボン酸の反応性の差を利用することで、パターン化された半導体の化学選択的な機能化が達成されました。まず、ニエロ三カルボン酸末端のヘテロ二機能性リンカーをNHS機能化領域に固定し、次に、得られたNHSパターン表面をテンプレートとして、ヘキサヒスタミンタグG-F-P-N-H-Sパターンの選択的な付着を行いました。

シリコンをタンパク質分子で化学的に機能化しました。この手法を用いて蛍光顕微鏡で観察したところ、GFP修飾領域と加水分解された遊離カルボン酸領域との間に明確な強度の差が認められました。複製されたパターンのサイズと形状は、NHSパターン表面とGFP修飾表面の両方で一致しており、カーボンパッシベーション表面の優れた安定性と、スタンピング手法の選択性が確認されました。

本プロトコルは、単純で秩序ある単分子層を形成可能なあらゆる基板に普遍的に適用できる、インクレス・マイクロコンタクトプリンティングの一形式です。このプロセスは、スタンプから表面へのインク転写に依存しないため、従来のマイクロコンタクトプリンティングや反応性マイクロコンタクトプリンティングにおける拡散による解像度の限界が解消されています。

ナノスケール物体の日常的な製造を可能にします。高度に秩序化された一次分子系を組み込むことで、下層の半導体を酸化損傷から完全に保護できます。CHE選択的パターンの形成により、さまざまな生物学的および有機分子のための特殊に解像された結合点が得られます。

遊離および活性化されたcarcケースの異なる活性を利用することで、作製したパターン上に組織的に完全なタンパク質を固定化することができました。しかし、この手法は組織的に完全なタンパク質に限定されるものではなく、DNAや抗体などの他のバイオ分子の固定化にも利用可能です。このビデオを視聴することで、分子システムと触媒パターンを用いて、パッシベーション処理されたシリコンまたはゲルマニウムをどのように修飾するかについて十分な理解を得ることができるはずです。

NHS修飾基質です。この手順を行う際は、清潔でほこりのない環境で作業することが重要です。また、HFやNanosTrippなどの有害物質を扱う際は、必要な安全上の予防措置を講じることが重要です。