Zacht Lithografische functionalisering en patroonvorming Oxide-vrij silicium en germanium

Dit protocol laat zien hoe oxidevrij silicium en germanium gepatterneerd kunnen worden met reactieve organische monolagen middels een zeer efficiënt en operationeel eenvoudig printprotocol. De selectieve functionalisering van de gepatterneerde substraten met zowel kleine moleculen als eiwitten wordt eveneens gedemonstreerd. De eerste stap van het protocol is het covalent modificeren van silicium- of germaniumsubstraten met een zeer stabiele primaire organische monolaag.

Dit beschermt de onderliggende anorganisch-organische interface tegen reactieve degradatie en oxidatieve schade. De covalent gebonden hydroxysuccinimide-ester-overlaag wordt gevormd om latente hydrolytische en reactieve functionaliteiten te bieden. Als tweede stap worden de uniforme, dubbellaagse NHS-gemodificeerde substraten gepatroond via katalytische microcontactdrukking met gebruik van een stempel van elastomeer dat is gemodificeerd met zwavelzuur. Contact met de stempel hydrolyseert NHS-groepen, waardoor patronen ontstaan van chemisch verschillende NHS-geactiveerde en vrije carbonzuren. Vervolgens worden de gepatroonde substraten gefunctionaliseerd met kleine organische moleculen en proteïnen.

Deze stap wordt voltooid door eerst NI Trello. Tri-azijnzuur-getermineerde heterofunctionele linkers aan de NHS-gefunctionaliseerde regio's te fixeren en vervolgens door selectieve bevestiging van hexa-histidine-getagd groen fluorescent proteïne. De aanpak levert uitstekende resultaten op met patronen van differentiële fluorescentie-intensiteit die zeer duidelijk zijn in een patroonintegriteit die opmerkelijk stabiel blijft na meerdere oppervlaktemodificaties.

Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van bestaande methoden is de nauwkeurigheid. Het patroon wordt echt bepaald door de precisie van de stempel zelf, in tegenstelling tot diffusie. Het project is oorspronkelijk gestart vanuit de gedachte dat patroontechnieken die rusten op een katalytische reactie, in plaats van op eenvoudige depositie, talrijke voordelen moeten bieden.

Ten eerste worden de katalysatoren niet verbruikt tijdens de reactie en kunnen ze meerdere keren worden hergebruikt. Dit is in tegenstelling tot traditioneel printen of depositie, waarbij voortdurend nieuwe patroonmaterialen moeten worden toegevoegd. In ons vroege werk hebben we daadwerkelijk een katalysatormolecuul aan een AFM-tip gebonden, waarna we deze in een serieel proces, vergelijkbaar met een machinegereedschap, over het oppervlak hebben gesleept om een patroon aan te brengen.

De elastomere stempel was echter een logische uitbreiding voor parallelle fabricage-toepassingen. Een van de belangrijkste aspecten van het protocol is het gebruik van het dubbellaagse moleculaire systeem. Het systeem stelt ons in staat om zowel oxidenvrije als organische substraten te patroneren en te functionaliseren.

Idealiter moet de initiële primaire SAM een volledige terminatie van alle blootgestelde oppervlakteatomen bereiken en een dichtgepakt moleculair systeem vormen, waardoor het oppervlak kan worden beschermd tegen zowel oxidatie als degradatie. De secundaire toplaag moet terminale functionele groepen bevatten, die verder kunnen worden gemodificeerd via aanvullende chemische transformaties. De belangrijkste beperkingen voor de resolutie van traditionele microcontactprinten zijn de diffusie van het patroon en de moleculen.

Onze methoden maken een chemische reactie mogelijk tussen een katalysator die momenteel op een stam is gemobiliseerd en een substraat dat aan silicium of germanium is gebonden. Dankzij deze eigenschappen maakt onze techniek de replicatie van zeer kleine kenmerken met een grootte van 100 nanometer in grotere mate mogelijk. Omdat de methode chemische patronen creëert, is het mogelijk om deze te functionaliseren via specifieke reacties met verschillende biologische en organische moleculen.

Deze procedure vereist het gebruik van verschillende gevaarlijke chemicaliën, zoals fluorwaterstofzuur, nano chip-oplossing en fosforpentachloride. Bij het werken met deze reagentia is het belangrijk om de juiste beschermende kleding te dragen en in een goed geventileerde omgeving te werken. Het meest uitdagende deel van dit protocol is om de gechloreerde oppervlakken snel in de Grignard-oplossing over te brengen.

Om hervorming van de oxidelaag te voorkomen, begint u met het voorbereiden van een siliciumwafer. Snijd deze in substraten van één centimeter vierkant, stof de substraten af en spoel ze met water en gefilterde ethanol. Verwijder vervolgens eventuele organische verontreinigingen door de siliciumsubstraten onder te dompelen in een glazen schaal met nanos.

Stripoplossing verhit tot 75 °C. 15 minuten wachten en vervolgens spoelen. Reinig elk substraat met gedeïoniseerd gefiltreerd water.

Dompel elk substraat vijf minuten onder in een 5% HF-oplossing om de natuurlijke oxidelaag te verwijderen en droog het oxidevrije silicium vervolgens met stikstof. Om een gechloreerd substraat te verkrijgen, wordt elk oxidevrij stuk silicium direct ondergedompeld in een scintillatiebuisje met twee milliliters verzadigd fosforpentachloride in chloorbenzeen. Nadat de reactie voltooid is.

Laat de flesjes afkoelen op kamertemperatuur. Spoel elk oppervlak met chloorbenzeen en droog deze onder gefilterde stikstof. Plaats vervolgens elk gechloreerd siliciumoppervlak in een drukbestendig flesje dat vier milliliters propanolmagnesiumchloride bevat.

Incubeer de drukvialen 24 uur lang bij 130 °C. Zodra de drukvialen zijn afgekoeld tot kamertemperatuur, spoelt u elk oppervlak snel af met dichloormethaan en ethanol en droogt u deze onder gefilterde stikstof, vergelijkbaar met de preparatie van het siliciumsubstraat. Snijd een germaniumwafer in vierkanten van één centimeter, verwijder het stof en spoel deze af met water en gefilterde ethanol met germanium.

Verwijder organische verontreinigingen door de substraten gedurende 20 minuten onder te dompelen in een schaal met aceton. Dompel ze vervolgens gedurende 15 minuten onder in een 10% HCL-oplossing. Droog de substraten met stikstof en plaats elk gechloreerd oppervlak in een drukbuisje met vier milliliter octylmagnesiumchloride.

Incubeer de flesjes 48 uur lang bij 130 °C. Laat de flesjes na incubatie afkoelen tot kamertemperatuur en spoel elke wafer snel af met dichloormethaan en ethanol. Droog de wafers onder gefilterde stikstof.

Begin door een paar druppels NHS Diaz-oplossing op het methyl-getermineerde oppervlak te pipetteren. Laat de oplossing over het gehele oppervlak verspreiden. Plaats de oppervlakken gedurende 30 minuten onder een UV-lamp.

Voeg vervolgens meer druppels NHS Diaz toe aan het oppervlak en laat de reactie gedurende nog 30 minuten doorgaan. Spoel de NHS-gemodificeerde oppervlakken met dichloormethaan en ethanol, en droog ze onder gefilterde stikstof.

Ga vervolgens over tot het functionaliseren van de kleine moleculen. Analyseer tot slot de oppervlakken via XPS om de elementaire samenstelling te bepalen. Begin de voorbereiding van de stempel door natrium-taurocapto-ethaansulfonaat te mengen met 10 milliliters van een 4 N HCl-oplossing in dioxaan.

Roer de oplossing gedurende twee minuten bij kamertemperatuur. Filtreer het natriumchloride via een fijn glasfilter en vervolgens via een 0,2 micron PTFE-membraan spuitfilter. Neem nu de heldere oplossing van tumor capto ethane s phonic acid in dioxaan en verdamp het dioxaan onder vacuüm.

Laat het resulterende zuur reageren met twee milliliters van een prepolymerisch mengsel van polyurethaanacrylaat bij kamertemperatuur, en vervolgens onder vacuüm bij 50 °C. Zorg ervoor dat het mengsel volledig vrij is van ingesloten luchtbellen om de succesvolle polymerisatie van het prepolymerische mengsel te waarborgen. Het is belangrijk om het mengsel nooit te verhitten tijdens de reactie met mij.

Voeg CAPTA en fenolzuur toe en zet het vacuüm op om te ontgassen. Giet de oplossing, terwijl deze nog viskeus is, op de siliconen mastermatrijs en dek deze af met een plat glasplaatje dat is omwikkeld met parafilm. Hard vervolgens de mal uit door deze bloot te stellen aan UV-licht. Verwijder na polymerisatie het glasplaatje en de parafilm en pel de stempel voorzichtig van de master af; snijd de stempel op het juiste formaat en was deze met ethanol en water.

Droog het vervolgens met gefilterde stikstof. De volgende stap is de belangrijkste stap van het protocol. Plaats de stempel bovenop het NHS-gemodificeerde substraat zonder externe belasting om ze samen te houden.

Verschuif de stempel niet en oefen geen overmatige druk uit. Wacht één minuut, spoel vervolgens het substraat en de stempel af met ethanolwater en daarna opnieuw met ethanol, gevolgd door drogen onder gefilterde stikstof. Bewaar de stempels bij kamertemperatuur om het geproduceerde patroon te analyseren.

Gebruik laterale atoomkrachtmicroscopie in contactmodus en scanning elektronenmicroscopie. In deze stap mobiliseren we GFP naar het gepatrooneerde siliciumoppervlak. We beginnen eerst met het modificeren van de geactiveerde ester met een NTA-derivaat, om vervolgens het HIIN-tag-eiwit via nikkelchelatie op het oppervlak te immobiliseren.

In deze stap is het belangrijk om het biomolecuul van belang op de juiste temperatuur te houden om ongewenste degradatie te voorkomen. Om proteïnen aan het NHS-patroon op het bifunctionele substraat te hechten, wordt dit ondergedompeld in een oplossing van lysine, nnn dia athetic acid en triethylamine. Spoel de substraten na een uur af met water, gevolgd door ethanol.

Incubeer de substraten nu vijf minuten in een chelerende oplossing van nikkelsulfaat. Spoel de substraten vervolgens af met water en bindingsbuffer, gevolgd door het onderdompelen ervan in een bad van ijskoude GFP-oplossing. Spoel de substraten een uur later af met dezelfde bindingsbuffer, gevolgd door een spoeling met PBS.

Bewaar de substraten vervolgens in PBS bij 0 °C voorafgaand aan de analyse. Analyseer ten slotte de oppervlakken via fluorescentiemicroscopie om de GFP-gemodificeerde gebieden te visualiseren. Zachte B-lithografische nanopatterning werd gebruikt om chemoselectieve patronen te creëren op oxidevrij silicium; op germanium leidt de reactie tussen het NHS-gefunctionaliseerde substraat in de katalytische patroonstempel tot de hydrolyse van NHS-groepen in gebieden van conformationeel contact, wat resulteert in een patroon van functionele substraatregio's met NHS-geactiveerde en vrije carbonzuren.

Vanwege het diffusievrije karakter van de methode ligt de resolutie dicht bij die van fotolithografie, zoals blijkt uit structuren van 125 nanometer. Deze structuren werden uniform gereproduceerd over het gehele oppervlak van het siliciumsubstraat. De afmetingen van de geprinte structuren waren identiek aan die in de corresponderende siliciummaster en de katalytische stempel.

Opmerkelijk is dat de katalytische stempel meerdere keren kan worden hergebruikt zonder verlies van efficiëntie. Chemoselectieve functionalisatie van patroons halfgeleiders werd bereikt door gebruik te maken van de differentiële reactiviteit van geactiveerde en vrije carboxylzuren. Eerst werden niello trice zuur-getermineerde heterobifunctionele linkers bevestigd aan de NHS-gefunctionaliseerde regio's en vervolgens werd het resulterende NHS-patroonoppervlak gebruikt als template voor de selectieve aanhechting van hexa histamine tag G-F-P-N-H-S patroon.

Silicium werd chemisch gefunctionaliseerd met eiwitmoleculen. Met deze aanpak was onder fluorescentiemicroscopie een duidelijk intensiteitsverschil zichtbaar tussen de GFP-gemodificeerde en de gehydrolyseerde vrije carbonzuurgebieden. De grootte en vorm van de gerepliceerde structuren zijn consistent tussen zowel de NHS-gepatroneerde als de GFP-gemodificeerde oppervlakken, wat de uitzonderlijke stabiliteit van koolstofgepassiveerde oppervlakken en de selectiviteit van de stamping-methode bevestigt.

Het gepresenteerde protocol is een vorm van inktloze microcontactprinten die universeel kan worden toegepast op elk substraat dat in staat is eenvoudige, goed geordende monolagen te ondersteunen. Omdat het proces niet afhankelijk is van inktoverdracht van stempel naar oppervlak, wordt de diffusieve resolutiebeperking van traditionele en reactieve microcontactprinten geëlimineerd.

Maakt routinematige vervaardiging van nanoschaalobjecten mogelijk. De incorporatie van een primair, zeer geordend moleculair systeem biedt volledige bescherming van de onderliggende halfgeleider tegen oxidatieschade. De vorming van CHE selectieve patenten biedt specifiek opgeloste aanhechtingspunten voor een verscheidenheid aan biologische en organische moleculen.

Door gebruik te maken van verschillende activiteiten van vrije en geactiveerde carc-cases, waren we in staat om histo-intacte eiwitten op de gecreëerde patronen te mobiliseren. Deze methode is echter niet beperkt tot histo-intacte eiwitten en kan ook worden gebruikt om andere biomoleculen, zoals DNA's en antilichamen, te immobiliseren. Na het bekijken van deze video zou u een goed begrip moeten hebben van hoe gepassiveerd silicium of germanium kan worden gemodificeerd met een moleculair systeem en een katalytisch patroon.

De NHS-gemodificeerde substraten. Tijdens het uitvoeren van deze procedure is het belangrijk om in een schone, stofvrije omgeving te werken. Het is daarnaast essentieel om de nodige veiligheidsvoorschriften na te leven bij het werken met gevaarlijke materialen zoals HF en nanos.Stripp.