Мягкие Литографские Функционализация и структурирование оксида свободного кремния и германия

В данном протоколе описывается способ структурирования безокисного кремния и германия с помощью реактивных органических монослоев с использованием высокоэффективного и простого в исполнении метода печати. Также демонстрируется селективная функционализация структурированных подложек как малыми молекулами, так и белками. Первым этапом протокола является ковалентная модификация подложек из кремния или германия высокостабильным первичным органическим монослоем.

Это защищает нижележащий неорганический-органический интерфейс от реакционной деградации и окислительного повреждения. Ковалентно связанный поверхностный слой гидроксисукцинимидного эфира формируется для обеспечения латентных гидролитических и реакционных функциональных возможностей. На втором этапе однородные двухслойные модифицированные NHS-субстраты структурируются методом каталитической микроконтактной печати с использованием эластомерного штампа, модифицированного серной кислотой. Контакт со штампом вызывает гидролиз NHS-групп, что приводит к созданию паттернов из химически различных NHS-активированных и свободных карбоновых кислот. Затем структурированные субстраты функционализируются малыми органическими молекулами и белками.

Данный этап завершается сначала фиксацией никелированных трелло-триацетированных гетерофункциональных линкеров к NHS-функционализированным областям, а затем селективным присоединением зеленого флуоресцентного белка с гексагистамидиновым тегом. Этот подход дает отличные результаты с паттернами дифференциальной интенсивности флуоресценции, которые характеризуются высокой четкостью и исключительной стабильностью целостности даже после многократных модификаций поверхности.

Таким образом, основным преимуществом данного метода по сравнению с существующими является точность. Формирование паттерна определяется точностью самого штампа, а не диффузией. Проект был инициирован исходя из идеи о том, что методы структурирования, основанные на каталитической реакции, а не на простом осаждении, должны обладать многочисленными преимуществами.

Во-первых, катализаторы не расходуются в ходе реакции и могут использоваться многократно. Это отличает данный метод от традиционной печати или осаждения, где требуется постоянная подача новых структурирующих материалов. В нашей ранней работе мы прикрепили молекулу катализатора к зонду АСМ, после чего перемещали её по поверхности в последовательном процессе, подобно станочному инструменту, для создания структуры.

Однако использование эластомерного штампа стало логическим продолжением для применения в процессах параллельного производства. Одним из наиболее важных аспектов протокола является использование двухслойной молекулярной системы. Данная система позволяет нам одновременно модифицировать и функционализировать как оксидные, так и органические подложки.

В идеале первичный SAM должен обеспечить полное терминирование всех открытых поверхностных атомов и сформировать плотно упакованную молекулярную систему, способную защитить поверхность как от окисления, так и от деградации. Вторичный поверхностный слой должен содержать терминальные функциональные группы, которые могут быть подвергнуты дальнейшей модификации с помощью дополнительных химических превращений. Основным ограничением разрешения традиционной микроконтактной печати является диффузия паттерна и молекул.

Наши методы позволяют осуществлять химическую реакцию между катализатором, зафиксированным на стержне, и субстратом, прикрепленным к кремнию или германию. Благодаря этим свойствам наш метод позволяет более точно воспроизводить структуры очень малого размера — порядка 100 нанометров. Поскольку данный метод позволяет создавать химические паттерны, их можно функционализировать с помощью специфических реакций с различными биологическими и органическими молекулами.

Данная процедура требует использования нескольких опасных химических веществ, таких как плавиковая кислота, раствор для наночипов и пятихлористый фосфор. При работе с этими реагентами важно использовать соответствующие средства индивидуальной защиты и работать в хорошо проветриваемом помещении. Наиболее сложным этапом данного протокола является быстрый перенос хлорированных поверхностей в раствор Гриньяра.

Чтобы избежать повторного образования оксидного слоя, начните с подготовки одной кремниевой пластины. Нарежьте ее на подложки размером один квадратный сантиметр, удалите с подложек пыль и промойте их водой и фильтрованным этанолом. Затем удалите любые органические загрязнения, погрузив кремниевые подложки в стеклянную чашку с nanos.

Раствор для снятия слоя нагревают до 75 °C. После выдержки в течение 15 минут проводят промывку. Каждую подложку очищают деионизированной фильтрованной водой.

Поместите каждую подложку в 5% раствор HF на пять минут для удаления естественного оксидного слоя, затем высушите очищенный от оксида кремний потоком азота. Для получения хлорированной подложки немедленно погрузите каждый очищенный от оксида образец кремния в сцинтилляционный флакон, содержащий два миллилитра насыщенного пятихлористого фосфора в хлорбензоле. После завершения реакции.

Дайте флаконам остыть при комнатной температуре. Промойте каждую поверхность хлорбензолом и высушите в потоке фильтрованного азота. Затем поместите каждую хлорированную кремниевую поверхность в флакон под давлением, содержащий 4 мл пропаноля магния хлорида.

Инкубируйте флаконы под давлением при 130 °C в течение 24 часов. После того как флаконы под давлением охлаждены до комнатной температуры, быстро промойте каждую поверхность дихлорметаном и этанолом, а затем высушите в потоке фильтрованного азота, аналогично подготовке кремниевой подложки. Разрежьте пластину германия на квадраты со стороной один сантиметр, удалите пыль и промойте водой и фильтрованным этанолом.

Удалите органические загрязнения, погрузив подложки в чашку с ацетоном на 20 минут. Затем погрузите их в 10% раствор HCl на 15 минут. Высушите подложки потоком азота и поместите каждую хлорированную поверхность в виалу под давлением, содержащую четыре миллилитра октала хлорида магния.

Инкубируйте флаконы при 130 °C в течение 48 часов. После инкубации дайте флаконам остыть до комнатной температуры и быстро промойте каждую пластину дихлорметаном и этанолом. Высушите пластины в потоке фильтрованного азота.

Начните с того, что нанесите несколько капель раствора NHS Diaz на метил-терминированную поверхность. Дайте раствору распределиться по всей поверхности. Поместите поверхности под УФ-лампу на 30 минут.

Затем нанесите на поверхность еще несколько капель NHS Diaz и оставьте реакцию протекать в течение дополнительных 30 минут. Промойте модифицированные NHS поверхности дихлорметаном и этанолом, после чего высушите их под током фильтрованного азота.

Затем приступайте к функционализации малых молекул. В завершение проанализируйте поверхности с помощью XPS для определения элементного состава. Начните подготовку штампа, смешав натриевую соль каптоэтансульфоната с 10 миллилитрами 4N раствора HCL в диоксане.

Перемешивайте раствор при комнатной температуре в течение двух минут. Отфильтруйте хлорид натрия через тонкий стеклянный фильтр, а затем через мембранный шприцевой фильтр из ПТФЭ с размером пор 0,2 мкм. Затем возьмите прозрачный раствор туморкаптоэтансульфоновой кислоты в диоксане и выпарите диоксан при пониженном давлении.

Проведите реакцию полученной серной кислоты с двумя миллилитрами преполимерной смеси полиуретан-акрилата при комнатной температуре, а затем в вакууме при 50 °C. Обязательно полностью удалите из смеси пузырьки воздуха, чтобы обеспечить успешную полимеризацию преполимерной смеси. Важно не перегревать смесь во время реакции.

Смешайте CAPTA с фосфоновой кислотой и подвергните раствор дегазации в вакууме. Пока раствор остается вязким, налейте его на эталонную кремниевую матрицу и накройте плоским предметным стеклом, обернутым парафильмом. Затем отвердите форму, подвергнув ее воздействию УФ-излучения. После полимеризации снимите предметное стекло и парафильм, осторожно отделите штамп от матрицы, обрежьте штамп до нужного размера и промойте его этанолом и водой.

Затем высушите его потоком фильтрованного азота. Следующий этап является наиболее важным шагом протокола. Поместите штамп на поверхность модифицированной NHS подложки, не прилагая внешнего давления для их прижатия друг к другу.

Не сдвигайте штамп и не прилагайте избыточного давления. Подождите одну минуту, затем промойте подложку и штамп смесью этанола с водой, после чего снова промойте этанолом и высушите под потоком фильтрованного азота. Храните штампы при комнатной температуре для последующего анализа полученного паттерна.

Используйте латеральную атомно-силовую микроскопию в контактном режиме и сканирующую электронную микроскопию. На данном этапе мы иммобилизируем GFP на структурированной поверхности кремния. Сначала мы модифицируем активированный эфир производным NTA, затем иммобилизируем белок с HIIN-меткой на поверхности посредством хелатирования никелем.

На этом этапе важно поддерживать интересующую биомолекулу при соответствующей температуре, чтобы избежать нежелательной деградации. Чтобы прикрепить белки к NHS-паттерну на бифункциональной подложке, погрузите ее в раствор лизина, nnn-диацетиловой кислоты и триэтиламина. Через час промойте подложки водой, а затем этанолом.

Теперь инкубируйте подложки в течение пяти минут в хелатирующем растворе сульфата никеля. Затем промойте подложки водой и связывающим буфером, после чего погрузите их в ванночку с ледяным раствором GFP. Спустя один час промойте подложки тем же связывающим буфером, а затем промойте их в PBS.

Затем храните субстраты в PBS при 0 °C до проведения анализа. В завершение проанализируйте поверхности с помощью флуоресцентной микроскопии для визуализации модифицированных GFP участков. Мягкая Б-литографическая наноструктуризация использовалась для создания хемоселективных паттернов на безокисном кремнии; на германии реакция между функционализированным NHS субстратом и штампом с каталитическим паттерном приводит к гидролизу NHS-групп в зонах конформного контакта, что в результате создает паттерн на функциональном субстрате, состоящий из областей с NHS-активированными и свободными карбоновыми кислотами.

Благодаря отсутствию диффузии в данном методе разрешение приближается к разрешению фотолитографии, что подтверждается созданием структур размером 125 nanometer. Эти структуры были равномерно воспроизведены по всей поверхности кремниевой подложки. Размеры напечатанных структур были идентичны размерам на соответствующей кремниевой мастер-форме и каталитическом штампе.

Примечательно, что каталитический штамп можно использовать многократно без потери эффективности. Хемоселективная функционализация структурированных полупроводников была осуществлена за счет использования различной реакционной способности активированных и свободных карбоновых кислот. Сначала к областям, функционализированным NHS, присоединяли гетеробифункциональные линкеры с тремя терминальными кислотными группами, а затем полученная поверхность с NHS-паттерном использовалась в качестве шаблона для селективного прикрепления гексагистаминового тега G-F-P-N-H-S.

Кремний был подвергнут хемофункционализации молекулами белка. При использовании данного подхода в условиях флуоресцентной микроскопии наблюдалась явная разница в интенсивности между областями, модифицированными GFP, и областями со свободными гидролизованными карбоксильными группами. Размер и форма воспроизведенных структур совпадают как для поверхностей с NHS-паттерном, так и для поверхностей, модифицированных GFP, что подтверждает высокую стабильность пассивированных углеродом поверхностей и селективность метода штамповки.

Представленный протокол является разновидностью микроконтактной печати с использованием чернил, которую можно универсально применять к любому субстрату, способному поддерживать простые хорошо упорядоченные монослои. Поскольку процесс не зависит от переноса чернил со штампа на поверхность, диффузионное ограничение разрешения, характерное для традиционной и реактивной микроконтактной печати, устраняется.

Обеспечение возможности рутинного изготовления наноразмерных объектов. Внедрение первичной высокоупорядоченной молекулярной системы обеспечивает полную защиту нижележащего полупроводника от окислительного повреждения. Формирование селективных патентов CHE создает специально определенные точки прикрепления для различных биологических и органических молекул.

Используя различную активность свободных и активированных каркасов CARC, нам удалось иммобилизовать на созданных паттернах белки с сохраненной нативной структурой. Однако данный метод не ограничен только белками с нативной структурой и может быть использован для иммобилизации других биомолекул, таких как ДНК и антитела. После просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о том, как модифицировать пассивированный кремний или германий с помощью молекулярной системы и каталитического паттерна.

Модифицированные субстраты NHS. При выполнении данной процедуры важно помнить о необходимости работы в чистой, обеспыленной среде. Также важно соблюдать необходимые меры предосторожности при работе с опасными материалами, такими как HF и nanos.Stripp.