소프트 리소그래피 작용화 및 Patterning 산화물없는 실리콘과 게르마늄

본 프로토콜은 매우 효율적이고 조작이 간단한 프린팅 프로토콜을 사용하여 반응성 유기 단분자층으로 산화물이 없는 실리콘 및 게르마늄에 패턴을 형성하는 방법을 보여줍니다. 저분자와 단백질 모두를 이용한 패턴 기판의 선택적 기능화 또한 입증되었습니다. 프로토콜의 첫 번째 단계는 고도로 안정적인 1차 유기 단분자층으로 실리콘 또는 게르마늄 기판을 공유 결합 방식으로 수식하는 것입니다.

이는 하부의 무기-유기 계면을 반응성 분해 및 산화적 손상으로부터 보호합니다. 공유 결합된 하이드록시석시나이트 에스테르(hydroxy succinate ester) 오버레이어는 잠재적인 가수분해 및 반응성 기능성을 제공하기 위해 형성됩니다. 두 번째 단계로, 균일한 이층 구조의 NHS 변성 기판을 패턴화된 황산 변성 엘라스토머 스탬프를 이용한 촉매 마이크로 컨택 프린팅으로 패턴화합니다. 스탬프와의 접촉은 NHS 그룹을 가수분해하여, 화학적으로 구별되는 NHS 활성화 그룹과 유리 카르복실산의 패턴을 형성합니다. 다음으로, 패턴화된 기판을 작은 유기 분자와 단백질로 기능화합니다.

이 단계는 먼저 NI Trello Tri acetic acid 말단 헤테로 기능성 링커를 NHS 기능화 영역에 고정하고, 두 번째로 hexa histamine 태그가 붙은 녹색 형광 단백질을 선택적으로 부착함으로써 완료됩니다. 이 접근법은 차등 형광 강도 패턴을 통해 매우 명확한 결과물을 생성하며, 여러 번의 표면 개질 후에도 패턴의 무결성이 매우 안정적으로 유지됩니다.

따라서 기존 방법 대비 이 기술의 주요 장점은 정확도입니다. 패턴은 확산이 아니라 스탬프 자체의 정확도에 의해 실제로 제어됩니다. 이 프로젝트는 단순 증착이 아닌 촉매 반응에 의존하는 패턴 형성 기술이 수많은 장점을 가질 것이라는 아이디어에서 처음 시작되었습니다.

우선, 촉매는 반응 과정에서 소모되지 않으므로 여러 번 재사용할 수 있습니다. 이는 지속적으로 새로운 패턴 형성 재료를 공급해야 하는 전통적인 인쇄나 증착 방식과는 대조적입니다. 초기 연구에서 저희는 실제로 촉매 분자를 AFM 팁에 결합시킨 후, 기계 공구와 같은 직렬 공정으로 표면을 따라 끌어 패턴을 형성했습니다.

하지만 엘라스토머 스탬프는 병렬 제조 응용 분야를 위한 논리적인 확장 방식이었습니다. 이 프로토콜의 가장 중요한 측면 중 하나는 이중층 분자 시스템을 사용하는 것입니다. 이 시스템을 통해 산화물 및 유기 기판 모두에 부착 및 기능화를 수행할 수 있습니다.

이상적으로, 초기 1차 SAM은 표면에 노출된 모든 원자의 완전한 종단을 달성하고 조밀하게 충진된 분자 시스템을 형성하여, 산화와 분해 모두로부터 표면을 보호할 수 있어야 합니다. 2차 오버레이어는 말단 작용기를 포함해야 하며, 이는 추가적인 화학적 변환을 통해 더욱 수정될 수 있습니다. 전통적인 마이크로 접촉 인쇄의 해상도에 있어 중대한 제한 사항은 패턴과 분자의 확산입니다.

본 방법론은 현재 스템에 고정된 촉매와 실리콘 또는 게르마늄에 부착된 기질 사이의 화학 반응을 가능하게 합니다. 이러한 특성 덕분에, 본 기술은 100 nanometer 크기의 매우 작은 패턴의 복제를 더욱 효과적으로 실험할 수 있습니다. 또한, 이 방법은 화학적 패턴을 생성하므로, 다양한 생물학적 및 유기 분자와의 특이적 반응을 통해 이를 기능화하는 것이 가능합니다.

본 실험 과정에서는 불산, 나노 칩 솔루션, 오염화인과 같은 여러 위험 화학 물질의 사용이 필요합니다. 이러한 시약을 사용할 때는 적절한 보호복을 착용하고 환기가 잘 되는 환경에서 작업하는 것이 중요합니다. 본 프로토콜에서 가장 까다로운 부분은 염소화된 표면을 그리냐르 시약 솔루션으로 빠르게 이동시키는 것입니다.

산화층의 재형성을 방지하기 위해, 먼저 실리콘 웨이퍼를 준비합니다. 이를 1cm 정사각형 기판으로 절단하고, 기판의 먼지를 제거한 후 물과 여과된 에탄올로 헹굽니다. 그다음, nanos가 담긴 유리 접시에 실리콘 기판을 담가 유기 오염 물질을 제거합니다.

박리 용액을 75 °C로 가열합니다. 15분 동안 대기한 후 헹굽니다. 각 기판을 탈이온 여과수로 세척합니다.

각 기판을 5% HF 용액에 5분 동안 담가 자연 산화층을 제거한 후, 산화층이 제거된 실리콘을 질소로 건조합니다. 염소화된 기판을 제작하려면, 산화층이 제거된 각 실리콘 조각을 클로로벤젠에 포화된 오염화 인 2 mL가 들어 있는 신틸레이션 바이알에 즉시 담급니다. 반응이 완료된 후.

바이알을 실온에서 냉각시키십시오. 각 표면을 클로로벤젠으로 헹구고 여과된 질소 기류 하에서 건조하십시오. 다음으로, 각 염소화 실리콘 표면을 4 mL의 프로판올 마그네슘 클로라이드가 들어 있는 가압 바이알에 넣으십시오.

압력 바이알을 130 °C에서 24시간 동안 배양합니다. 압력 바이알이 실온으로 냉각되면, 실리콘 기판 준비 과정과 마찬가지로 각 표면을 디클로로메탄과 에탄올로 빠르게 헹구고 여과된 질소 기류 하에서 건조합니다. 게르마늄 웨이퍼를 1 cm 크기의 정사각형으로 절단하고, 먼지를 제거한 후 물과 여과된 에탄올로 게르마늄 표면을 헹굽니다.

기판을 아세톤이 담긴 접시에 20분 동안 담가 유기 오염물을 제거합니다. 그다음 10% HCL 용액에 15분 동안 담급니다. 질소로 기판을 건조시킨 후, 염소화된 각 표면을 4 mL의 octal magnesium chloride가 들어 있는 압력 바이알에 넣습니다.

바이알을 130 °C에서 48시간 동안 배양합니다. 배양 후 바이알을 상온으로 식히고, 각 웨이퍼를 디클로로메탄과 에탄올로 빠르게 헹굽니다. 필터링된 질소 기류 하에서 웨이퍼를 건조합니다.

먼저 메틸 말단 처리된 표면에 NHS Diaz 용액을 몇 방울 피펫팅합니다. 용액이 표면 전체에 퍼지도록 둡니다. 표면을 UV 램프 아래에 30분 동안 둡니다.

그런 다음 표면에 NHS Diaz를 몇 방울 더 첨가하고 30분 동안 추가로 반응을 진행시킵니다. NHS로 변형된 표면을 di chloro methane과 ethanol로 세척한 후, 여과된 질소 기류 하에서 건조시킵니다.

그 다음 저분자 화합물의 기능화를 진행하십시오. 마지막으로, XPS를 통해 표면을 분석하여 원소 조성을 결정하십시오. 다이옥세인에 녹인 4 N HCl 솔루션 10 mL에 소듐 투모르 캡토 에탄 설포네이트를 혼합하여 스탬프 준비를 시작하십시오.

실온에서 용액을 2분 동안 교반합니다. 미세 유리 필터로 염화나트륨을 걸러낸 후, 0.2 micron PTFE 멤브레인 시린지 필터로 다시 한번 여과합니다. 이제 dioxane에 녹아 있는 투명한 tumor capto ethane s phonic acid 용액을 취하여 감압 하에 dioxane을 증발시킵니다.

결과물인 황산을 상온에서 2 mL의 폴리우레탄 아크릴레이트 프리폴리머 혼합물과 반응시킨 후, 50 °C의 진공 상태에서 반응시키십시오. 프리폴리머 혼합물의 성공적인 중합을 보장하기 위해 혼합물 내에 갇힌 기포를 완전히 제거하십시오. 반응 시 과하게 가열하지 않는 것이 중요합니다.

CAPTA를 감쇠 포닉산(atten phonic acid)과 혼합하고, 진공 상태에서 탈포 과정을 거칩니다. 용액이 점성을 띠게 되면, 이를 패턴 실리콘 마스터 위에 붓고 파라필름으로 감싼 평평한 유리 슬라이드로 덮습니다. 그 다음 UV 광선에 노출시켜 몰드를 경화시킵니다. 중합 후, 유리 슬라이드와 파라필름을 제거하고 마스터에서 스탬프를 조심스럽게 떼어낸 뒤, 스탬프를 적절한 크기로 절단하고 에탄올과 물로 세척합니다.

그런 다음 여과된 질소로 건조합니다. 다음은 프로토콜에서 가장 중요한 단계입니다. 외부 하중을 가하지 않은 상태에서 NHS가 수식된 기판 위에 스탬프를 올려놓습니다.

스탬프를 밀거나 과도한 압력을 가하지 마십시오. 1분간 대기한 후, 기판과 스탬프를 에탄올 수용액과 에탄올로 차례대로 세척하고, 필터링된 질소 기류 하에서 건조합니다. 생성된 패턴을 분석하기 위해 스탬프를 실온에서 보관하십시오.

접촉 모드의 측면 원자 힘 현미경(atomic force microscopy)과 주사 전자 현미경(scanning electron microscopy)을 사용합니다. 이 단계에서는 GFP를 패턴화된 실리콘 표면에 고정합니다. 먼저 활성 에스테르(activated ester)를 NTA 유도체로 수식한 다음, 니켈 킬레이션을 통해 HIIN 태그 단백질을 표면에 고정합니다.

이 단계에서는 원치 않는 분해를 방지하기 위해 관심 있는 생체 분자를 적절한 온도로 유지하는 것이 중요합니다. 단백질을 NHS 패턴의 이작용성 기질에 부착하려면, lysine, nnn dia athetic acid 및 triethylamine 용액에 기질을 담그십시오. 1시간 후, 기질을 물로 헹구고 이어서 에탄올로 헹굽니다.

이제 기질을 황산니켈 킬레이트 용액에서 5분 동안 배양합니다. 다음으로, 기질을 물과 결합 버퍼로 세척한 후, 얼음처럼 차가운 GFP 용액 조에 담급니다. 1시간 후, 기질을 동일한 결합 버퍼로 세척하고, 이어서 PBS로 세척합니다.

그 후 분석 전까지 기질을 0 °C의 PBS에 보관하십시오. 마지막으로 형광 현미경을 통해 표면을 분석하여 GFP가 변형된 영역을 시각화하십시오. 산화막이 없는 실리콘 위에 화학 선택적 패턴을 생성하기 위해 소프트 B 리소그래피 나노 패턴법이 사용되었으며, 게르마늄의 경우 촉매 패턴 스탬프 내 NHS 기능화 기질 사이의 반응으로 인해 접촉 영역의 NHS 작용기가 가수분해되어, NHS 활성 및 유리 카르복실산 영역을 포함하는 기능성 기질 패턴이 생성됩니다.

본 방법은 확산이 일어나지 않는 특성 덕분에, 125 nanometer 크기의 패턴에서 확인할 수 있듯이 포토리소그래피에 근접한 해상도를 가집니다. 이러한 패턴들은 실리콘 기판 표면 전체에 걸쳐 균일하게 재현되었습니다. 프린팅된 패턴의 치수는 해당 실리콘 마스터 및 촉매 스탬프의 치수와 동일했습니다.

놀랍게도, 촉매 스탬프는 효율 저하 없이 여러 번 재사용할 수 있습니다. 활성화된 카르복실산과 자유 카르복실산의 반응성 차이를 이용하여 패턴 반도체의 화학 선택적 기능화가 수행되었습니다. 먼저 niello trice acid 말단 헤테로 이중 기능성 링커를 NHS 기능화된 영역에 부착한 다음, 결과물인 NHS 패턴 표면을 템플릿으로 사용하여 hexa histamine tag G-F-P-N-H-S 패턴을 선택적으로 부착하였습니다.

실리콘을 단백질 분자로 화학적 기능화하였습니다. 형광 현미경을 이용하여 이 접근법을 적용한 결과, GFP로 변형된 영역과 가수분해된 유리 카르복실산 영역 사이에 뚜렷한 강도 차이가 나타났습니다. 복제된 패턴의 크기와 모양이 NHS 패턴 표면과 GFP 변형 표면 모두에서 일관되게 나타났으며, 이는 탄소 패시베이션 표면의 탁월한 안정성과 스탬핑 접근법의 선택성을 입증합니다.

제시된 프로토콜은 단순하고 잘 정렬된 단분자층을 형성할 수 있는 모든 기판에 보편적으로 적용 가능한 잉크리스 마이크로 접촉 인쇄 방식입니다. 이 공정은 스탬프에서 표면으로의 잉크 전이에 의존하지 않으므로, 기존의 반응성 마이크로 접촉 인쇄에서 나타나는 확산 분해능의 한계가 제거되었습니다.

나노스케일 물체의 일상적인 제조를 가능하게 합니다. 고도로 정렬된 1차 분자 시스템의 통합은 하부 반도체를 산화 손상으로부터 완전히 보호합니다. CHE 선택적 특허의 형성은 다양한 생물학적 및 유기 분자를 위한 특수 분해능의 부착 지점을 제공합니다.

활성화 및 비활성화된 carc 케이스의 서로 다른 활성을 이용하여, 생성된 패턴 위에 조직 내 온전한 단백질(histo intact proteins)을 고정화할 수 있었습니다. 하지만 이 방법은 조직 내 온전한 단백질에만 국한되지 않으며, DNA나 항체와 같은 다른 생체 분자를 고정화하는 데에도 사용될 수 있습니다. 이 영상을 시청한 후에는 분자 시스템과 촉매 패턴을 사용하여 패시베이션 처리된 실리콘 또는 게르마늄을 수정하는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다.

NHS 변형 기판입니다. 이 절차를 수행할 때는 먼지가 없는 깨끗한 환경에서 작업하는 것이 중요합니다. 또한 HF 및 nanos.Stripp와 같은 위험 물질을 다룰 때는 필요한 안전 예방 조치를 취하는 것이 중요합니다.