La fonctionnalisation douce lithographiques et les motifs sans oxyde silicium et de germanium

1A. Formation primaire monocouche sur silicium Couper en tranches de silicium de 1 cm 2 substrats, la poussière et rincer à l'eau et l'éthanol filtré. Retirez la contamination organique en submergeant les substrats de silicium dans un plat en verre contenant Nano bande à 75 º C. Après 15 minutes, rincer chaque substrat avec déminéralisée, eau filtrée. Placez chaque substrat dans une solution à 5% HF (Attention: HF est un matériau extrêmement dangereux) pour enlever la couche d'oxyde natif. Après 5 minutes à sec du silicium sans oxyde d'azote Pour produire un substrat chlorés, immédiatement plonger chaque morceau sans oxyde de silicium dans un flacon à scintillation contenant 2 ml d'eau saturée PCl 5 dans le chlorobenzène. Cette solution doit être filtrée à 0,2 um. Assemblez un condenseur flacon sur le dessus de chaque flacon et les placer dans un heatblock ensemble à 112 ° C pendant une heure. Après la réaction est terminée, laissez refroidir et rincer les flacons de chaque surfaCE avec le chlorobenzène et le sèche sous azote filtré. Pour former un substrat propényl-termine, place chaque surface de silicium chlorés dans un flacon sous pression contenant 4 ml de chlorure de magnésium propényle. Placer chaque flacon de pression dans un heatblock à 130 ° C pendant 24 heures. Prenez chaque flacon la pression de la heatblock et laisser refroidir. Rincez chaque surface rapidement avec DCM et de l'éthanol et sèche sous azote filtré. 1B. Formation monocouche primaire sur Germanium Couper plaquette de germanium dans les substrats de 1cm2, la poussière et rincer à l'eau et l'éthanol filtré. Retirez la contamination organique en submergeant les surfaces dans un plat en verre contenant l'acétone pendant 20 minutes Placez chaque surface dans une solution de HCl à 10% pendant 15 minutes. Ce procédé élimine simultanément la couche d'oxyde natif et chlore à la surface. Après 5 minutes sécher les substrats à l'azote. Pour former un substrat octyl-fin, l'APLCE de chaque surface de germanium chlorés dans un flacon sous pression contenant 4 ml de chlorure de magnésium octyle (2 mM). Placer chaque flacon de pression dans un heatblock à 130 ° C pendant 48 heures. Prenez chaque flacon la pression de la heatblock et laisser refroidir à température ambiante. Rincez chaque surface rapidement avec DCM et de l'éthanol et sèche sous azote filtré. 2. La fonctionnalisation du substrat de la NHS au silicium et de germanium Préparer une filtrée à 0,1 M NHS diazirine solution dans le tétrachlorure de carbone. Attention: Gardez exposition à la lumière à un minimum. Pipet quelques gouttes de la solution sur les surfaces à terminaison méthyle. Laisser la solution se répandre à travers toute la surface. Placez les surfaces sous une lampe UV (254 nm = ☐, 4400/cm2 à 0,74 pouces). Laisser les surfaces à réagir sous la lumière UV pendant 30 minutes, puis ajouter plus de NHS-diazirine à la surface et laisser la réaction se développer pendant 30 minutes supplémentaires. Rincer le NHS modifiées surfaces avec DCM et de l'éthanol et sèche sous azote filtré. 3. La fonctionnalisation de petites molécules Réagir NHS modifiés substrats dans un 20 mM de tert-butyle carbamoyle (Boc-) solution éthylènediamine dans du dichlorométhane (DCM) pour deux heures à température ambiante. Après la réaction, rincer le substrat Boc-modifié avec DCM et de l'éthanol. Déprotéger le substrat Boc modifié en utilisant 25% d'acide trifluoroacétique (TFA) dans le DCM pendant une heure à température ambiante. Rincer la surface résultante avec du DCM, l'éthanol et 10% (p / v) de bicarbonate de potassium dans l'eau et sécher sous azote filtré. Analyser toutes les surfaces par XPS pour déterminer la composition élémentaire. 4. Acides polyuréthane acrylate de timbre (PUA) Préparation Diluer l'acrylate A par 30% avec B triacrylate de triméthylolpropane éthoxylé pour réduire la viscosité. Ajouter photo-initiateurs C et D au mélange réactionnel (Fig.Ure 6). Ajouter de sodium 2-mercaptoethanesulfonate (0,2 g, 1,22 mmol) à une solution HCl 4N dans le dioxane (10 ml) et agiter à température ambiante pendant 2 minutes. Filtrer le chlorure de sodium d'abord à travers un filtre de verre fin, puis à travers une seringue 0,2 μ m membrane en PTFE filtre pour donner une solution claire de l'acide 2-mercaptoethanesulfonic dans le dioxane. Evaporer le dioxane sous pression réduite Réagir l'acide sulfonique résultant avec 2 ml de mélange de polyuréthane-acrylate prépolymère à température ambiante puis sous vide à 50 ° C. Soyez sûr de complètement libre le mélange de bulles d'air piégées. Refroidir la solution obtenue à température ambiante et polymérisation entre deux lames de microscope en verre ou une lame de verre et d'une maîtrise par l'exposition aux rayons UV pendant 2 heures à température ambiante. Après polymérisation, détachez soigneusement le timbre hors du maître et laver le timbre à l'éthanol et l'eau et sécher avec nitroge filtréen. 5. Impression catalytique et SEM / AFM Analyse Placez le correspondant de polyuréthane-acrylate de timbre sur le dessus du substrat NHS modifiés à la température ambiante pendant une minute sans charge externe pour les tenir ensemble. Après la réaction, séparer le timbre et le substrat. Rincez le substrat avec de l'éthanol, l'eau et l'éthanol puis sécher à l'azote filtré. Rincez le timbre avec l'éthanol, l'eau et l'éthanol puis sécher à l'azote filtré. Gardez des timbres à la température ambiante avant l'application suivante. Analyser le modèle produit en utilisant le mode de contact microsopy latéraux à force atomique (AFM) et microscopie électronique à balayage (MEB) 6. La modélisation des protéines et de microscopie à fluorescence Immerger le substrat NHS motifs bifonctionnels en lysine-N, N-diacétique (20 mM) et Et3N (100 mM) dans du DMF: H20 (1:1) à température ambiante pendant 1 heure puis rincé avecl'eau et l'éthanol. Incuber les substrats dans une solution de 50 mM NiSO4 pendant 5 min à température ambiante. Rincez les substrats chélatés abondamment à l'eau et de tampon de liaison (20 NaP mM, 250 mM NaCl, 10 mM imidazole, pH 7,5) et plonger dans une solution de GFP filtré (M ~ μ 40) pendant 1 heure à 0 ° C. Immédiatement rincer les substrats avec tampon de liaison suivie par PBS (pH 7,4). Gardez substrats hydratés dans du PBS à 0 ° C jusqu'à ce qu'ils soient prêts pour l'analyse de microscopie par fluorescence. 7. La modélisation des protéines et de microscopie à fluorescence Immerger le substrat NHS motifs bifonctionnels en lysine-N, N-diacétique (20 mM) et Et3N (100 mM) dans du DMF: H 2 0 (1:1) à température ambiante pendant 1 heure puis on rince avec de l'eau et l'éthanol. Incuber les substrats dans un 50 mM NiSO 4 solution pendant 5 min à température ambiante. Rincez les substrats chélatés trop wl'eau et des vec tampon de liaison (20 NaP mM, 250 mM NaCl, 10 mM imidazole, pH 7,5) et plonger dans une solution de GFP filtré (~ 40 pM) pendant 1 heure à 0 ° C. Immédiatement rincer les substrats avec tampon de liaison suivie par PBS (pH 7,4). Gardez substrats hydratés dans du PBS à 0 ° C jusqu'à ce qu'ils soient prêts pour l'analyse de microscopie par fluorescence. 8. Les résultats représentatifs: Un exemple de soft-lithographiques patterning nano catalytique est montré dans la figure 7. L'approche crée des modèles sur le chimiosélective sans oxyde de silicium et de germanium, qui peuvent être fonctionnalisés avec orthogonalement chimiques dissemblables et des groupements biologiques. La réaction entre le substrat NHS functioanlized et le cachet de catalyseur à motifs conduit à l'hydrolyse des fractions du NHS dans les zones de contact conforme, produisant un motif bifonctionnel portant substrat régions du NHS activé et les acides carboxyliques libres. En raison de la diffusions nature libre de notre méthode, nous obtenons la résolution proche de celle de la photolithographie. Par exemple, la figure 7 montre les caractéristiques 125 nm, qui ont été uniformément reproduit à travers la surface entière substrat de silicium. Remarquablement, le timbre de catalyseur peuvent être réutilisés plusieurs fois sans perte d'efficacité. Fonctionnalisation chimiosélective de semi-conducteurs à motifs avec des biomolécules ouvre la perspective de l'intégration de matériaux traditionnels électronique avec très sélective des substrats biologiques pour des applications dans la détection, de diagnostic et d'analyse des domaines de recherche. Un exemple de fonctionnalisation est montré dans la figure 8, où NHS motifs de silicium a été sélectivement fonctionnalisées avec des molécules de protéines. En exploitant les réactivités différentiel de activées et les acides carboxyliques libres, nous avons d'abord fixé à terminaison acide nitrilotriacétique (NTA) linkers hétérobifonctionnels pour les régions du NHS-fonctionnalisés, puis utilisé le résultatNTA-modelé la surface comme un modèle pour la fixation sélective de l'hexa-histidine-taggés GFP. Figure 8b montre clairement l'intensité de fluorescence différentielle entre la GFP modifiée et hydrolysé de régions exemptes d'acides carboxyliques. La taille et la forme des fonctions répliquées sont compatibles entre les deux motifs de surface du NHS (figure 8a) et GFP modifiée de surface (Figure 8b), confirmant la remarquable stabilité du carbone passivé surfaces et la sélectivité de l'approche d'emboutissage. Le protocole n'est pas limité à son-protéine marquée, et peut être utilisé pour des biomolécules autre motif, y compris l'ADN et des anticorps. Figure 1. Schéma général représentant l'impression par microcontact catalytique Figure 2. Structure des bi-couches msystème de olecular sur Ge et Si. Primaire monocouche alkyle formes stables de Ge-C ou Si-C des liens avec le substrat et fournit un système chimiquement inerte et fermer emballé qui protège la surface sous-jacente de la dégradation. (B) de surcouche secondaire forme des liaisons CC stable avec couche protectrice primaire et fournit fonctionnel terminal des groupes Figure 3. Schémas de réaction représentant la formation de monocouches primaires de protection sur Si (A) et Ge (B) Figure 4. Fonctionnalisation chimique de la monocouche de protection primaire avec un donateur carbène hétérobifonctionnels Le schéma réactionnel Figure 5. Démontrant modifications à petite molécule de NHS-fonctionnalisés sousdémontre et les spectres correspondants XPS Figure 6. Composition du catalyseur pré-polymères du mélange, les conditions de polymérisation, et les images au MEB de l'acide sulfonique motifs modifiés de timbre et de la correspondante de PMMA-Si maître Figure 7. SEM et des images de friction AFM de SAM calqué sur Si et Ge avec un timbre acides Figure 8 Soft-lithographie structuration et la fonctionnalisation de silicium passivé avec des molécules organiques et biologiques a:.. L'image SEM de la NHS motifs modifiés substrat B:. Micrographie fluorescentes de la GFP modifiées substrat.