CC BY
20
УДК 621.382.032.27, 621.3.049.774
А.О. Пучкова1, П.А. Соколов1, К.Г. Лопатько2, Н.А. Касьяненко1 1 Санкт-Петербургский государственный университет 2 Национальный университет биоресурсов и природопользования
Фиксация ДНК на поверхности кремния для создания матрицы при формировании нанопроволок
В работе предлагается простой и эффективный метод создания ДНК-шаблонных нанопроволок на поверхности кремния. Метод основан на электрохимическом восстановлении ионов Ag+, связанных с молекулами ДНК на подложке. Важным отличием его от существующих в настоящий момент способов является отсутствие химических восстановителей, а подложка кремния используется в качестве донора электронов, необходимых для образования кластеров серебра. В результате получаются протяженные нанопроволоки, состоящие из кластеров серебра диаметром 30 нм.
Ключевые слова: фиксация ДНК, нанопроволоки, восстановление серебра, ДНК-шаблоны, наноэлектроника, нанобиотехнологии, кремний, металлизация ДНК.
Стремительное уменьшение размеров схем твердотельной электроники обязывает к поиску и разработке новых методов создания наноразмерных элементов. Огромные надежды в этой области возлагаются на механизмы самоорганизации, в том числе так называемые «bottom-up» подходы. Осуществить подобные процессы можно с использованием биополимеров, причем наиболее перспективным объектом для подобных манипуляций является молекула ДНК, обладающая уникальными свойствами [1-3]. Принцип комплементарности пар оснований уже используется для самосборки наноструктур заданной формы (ДНК-оригами). Высокая плотность заряда и значительная жесткость двойной спирали молекулы, длина которой может достигать нескольких микрометров при толщине 2 нанометра, способствуют использованию ДНК для изготовления нанопроволок. Однако использование свободной ДНК в наноэлектронных схемах затруднительно из-за низкой проводимости макромолекулы (в сухом состоянии она является диэлектриком [4]). Вместе с тем ДНК может служить отличным каркасом при изготовлении нанопроволок на основе различных металлов. Используя комплексообразование ДНК с ионами металлов в растворе и последующее восстановление последних, можно получать нанопроволоки из Cu [5], Co [6], Au [7], Ag [8] и других металлов. При металлизации ДНК также применяются и металлические наночастицы [9]. Изготавливаемые таким образом структуры называются ДНК-шаблонными нанопроволоками. Наибольший интерес вызывают серебряные нанопроволоки, которые могут быть использованы как контакты к электронным устройствам [10], высокочувствительные биосенсоры [11], а также датчики влажности [12]. Существует большое количество работ, описывающих процедуру восстановления связанных с молекулой ДНК ионов серебра при помощи химических реагентов [13], электролиза [14] и света [12].
В работе описывается метод создания ДНК-шаблонных нанопроволок, основанный на восстановлении ионов Ag+ на поверхности ДНК. Рассматривается также результат использования готовых наночастиц серебра. Описываемые способы отличаются от предложенных в литературе ранее сочетанием простоты и эффективности, что обусловлено использованием кремниевой подложки, на которую крепятся молекулы ДНК. Кремний и служит источником электронов для восстановления серебра.
Материалы и методы. В работе использовали ДНК тимуса теленка фирмы «Sigma», молекулярная масса которой M = 8-106 Да была определена по значению характеристической вязкости в 0,15 M NaCl. Концентрацию ДНК определяли спектрофотометрически по разнице поглощения гидролизованных в 6% HCIO4 растворов при двух длинах волн (270 и 290 нм). Нативность ДНК контролировали по величине коэффициента молярной экстинкции при 260 нм. ДНК растворяли в бидистиллированной воде, а потом доводили концентрацию соли до 0,005 М NaCl. Используемые базовые растворы содержали ДНК в концентрации 2,5 ■ 10-3% Фиксацию ДНК на поверхность монокристалла кремния проводили следующим образом. Подложки размером 0,5 х 4 х 6 мм3
вырезали из пластин монокристаллического эпитаксиального кремния п- и p-типа проводимости. Концентрация легирующей примеси в пластинах n-типа составляла Nd — 7 ■ 1014 см-3, p-типа Na — 4 ■ 1014 см-3. Подложки протравливали в смеси (HF + 10 ■ H2O) в течение 1 минуты при комнатной температуре, затем промывали струей дистиллированной воды. После чего на поверхность образцов наносили 30 мкл раствора ДНК в 0,005 M NaCl, с добавлением 0,005 М MgCl2. После 10-ти минут выдержки в темноте подложку промывали струей дистиллированной воды для удаления незафиксированных макромолекул. Сформированные структуры использовали в качестве шаблонов для формирования нанопроволок.
Создание нанопроволок. Проводили металлизацию предварительно высаженных на поверхность кремния n-типа молекул ДНК путем нанесения раствора AgNO3 в концентрации 0,005 М. Образец выдерживали в темноте в течение 15 минут, промывали дистиллированной водой, после чего на образец капали 0,004 М раствор гидрохинона и выдерживали еще 15 минут в темноте. Затем образец промывали и высушивали.
Проводили металлизацию ДНК и на поверхности кремния p-типа. Для этого на поверхность с предварительно высаженными молекулами ДНК на 1 час наносили раствор AgNO3 в концентрации 0,005 М. После этого образец промывали и высушивали.
При использовании наночастиц на необработанную поверхность кремния (без дополнительного травления в плавиковой кислоте) наносили на 10 минут раствор AlCl3 [6H2O] с последующим промыванием большим количеством воды. После чего раствор ДНК, содержащий ионы магния (0,005 М MgCl2), наносили на поверхность на 10 минут, затем его смывали водой в одном направлении. На зафиксированные таким образом на поверхности кремния n-типа вытянутые молекулы ДНК наносили водный раствор наночастиц серебра в концентрации 50 мг/л. После 15-ти минут выдержки образец промывали и высушивали.
Получаемые структуры наблюдали с использованием атомного силового микроскопа (АСМ) (NanoScope 4am Veeco), ионного гелиевого микроскопа (СИМ) (Zeiss ORION) и сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) (Zeiss SUPRA 40VP). Измерения, проведенные с помощью СЭМ и СИМ, проводили в Междисциплинарном ресурсном центре СПбГУ по направлению «Нанотехнологии».
Результаты и их обсуждение. При
фиксации описанным выше способом молекул ДНК на поверхности кремния в присутствии ионов Mg2+ наблюдалось формирование фибрилл, состоящих из нескольких параллельно уложенных цепей молекул ДНК (рис. 1). Длина таких структур достигала десятков микрометров при высоте около 20-30 нм.
Можно предположить, что роль ионов магния в процессе фиксации ДНК на поверхности кремния сводится к следующему. Ионы магния в водном растворе всегда гидратированы [15], поэтому можно ожидать, что они связываются с силанольными группами [16] на поверхности кремния через свою гидратную оболочку. При этом они не теряют способности электростатически связываться с фосфатными группами молекулы ДНК [17], что способствует закреплению макромолекул на поверх- Рис. 1. Фибриллы ДНК на поверхности кремния.
ности. АСМ-изображение
Можно предположить, что сила сцепления макромолекул с подложкой и относительная гид-рофобность поверхности кремния влияют на вид формируемых структур. Действительно, после фиксации ДНК из раствора образцы направленно промываются струей воды. Указанные выше причины влияют и на вытягивание макромолекул под действием потока, и на процесс формирования фибрилл.
30.0 пт
1.0 цт
Полученные фибриллы молекул ДНК на поверхности кремния n-типа использовали при изготовлении серебряных нанопроволок.
После проведения процесса металлизации описанным выше способом наблюдалось формирование достаточно однородных кластеров серебра, равномерно закрепленных на макромолекуле (рис. 2a). С учетом некоторого занижения реальной высоты объектов и уширения их поперечных размеров из-за конечных размеров зонда АСМ можно заключить, что диаметр кластеров составляет примерно 30 нм (рис. 2b, c).
Указанный в методе гидрохинон нужен только для формирования структур большей однородности, но не для восстановления серебра, так как фибриллы ДНК покрывались кластерами серебра и до обработки гидрохиноном. Но в этом случае размер кластеров был гораздо больше (рис. 3).
Механизм металлизации ДНК в этом случае может быть представлен следующим образом. Ионы Ag+ связываются с отрицательно заряженными молекулами ДНК в растворе. Так как поверхность кремния n-типа, на которую фиксированы молекулы ДНК, является полупроводником с основными носителями заряда электронами, то восстановление серебра идет за счет туннелирования электронов через ДНК из кремния. Таким образом, в данном случае процесс восстановления серебра носит электрохимический характер.
Ещё одним доводом в пользу этого предположения является результат металлизации ДНК-фибрилл на поверхности кремния p-типа. При проведении аналогичной процедуры металлизации (до обработки гидрохиноном) на кремнии p-типа восстановление серебра идет не так эффективно (рис. 4а). С нашей точки зрения, это объясняется меньшей концентрацией электронов и, как следствие, худшей восстановительной способностью кремния p-типа. При облучении кремния p-типа светом в инфракрасном диапазоне (длина волны 890 нм), приводящим к генерации дополнительных электрон-дырочных пар, количество кластеров, покрывающих ДНК, увеличивается — металлизация значительно улучшается (рис. 4b).
В качестве дополнительного метода контроля металлизации ДНК на кремнии использовали сканирующий ионный гелиевый микроскоп ORION (рис. 5). Снимки были выполнены в режиме регистрации вторичных электронов при сканировании пучком ионов гелия с энергией 33 кэВ. Использование сканирующей ионной микроскопии позволяет избежать артефактов измерения размера кластеров металла. Однако и в этом случае оценка размеров кластеров дает примерно 30 нм. Малый ток ионного пучка (менее 1 пА) не оказывает существенного негативного воздействия на исследуемый объект.
20 40 $0 80 100 пт
Рис. 2. а) Серебряные нанопроволоки на поверхности кремния п-типа после проведения процедуры металлизации; Ь) продольное сечение нанопроволоки; с) типичное поперечное сечение кластера. АСМ-изображение
1 5.0 пт
0.0 2.0 цт
Рис. 4. ДНК-фибриллы на поверхности кремния р-типа после процесса металлизации серебром (а) и после облучения инфракрасным светом (Ь). АСМ-изображение
Металлизация ДНК-фибрилл, сформированных на окисленной поверхности кремния п-типа, может быть осуществлена при помощи уже готовых наночастиц серебра. Исходя из изображений, полученных с помощью сканирующих электронного и гелиевого микроскопов (рис. 6а, Ь), можно предположить, что наночастицы серебра, имеющие кубическую форму, закрепились вдоль молекул ДНК на поверхности кремния.
Таким образом, была проведена металлизация молекул ДНК на поверхности кремния. Используемый метод отличает предельная простота, а получаемые нанопроволоки имеют хорошо организованную структуру. Использование наночастиц для металлизации ДНК требует дополнительных исследований.
Рис. 6. Упорядоченные наночастицы серебра, высаженные на поверхность кремния после фиксации ДНК. а) СЭМ-изображение, масштаб 200 нм; b) — СИМ-изображение, масштаб 100 нм
Литература
1. Seeman N.C. Design and Engineering of Nucleic Acid Nanoscale Assemblies // Current Opinion in Structural Biology. — 1996. — V. 6, N 4. — P. 519-526.
2. Alivisatos P., Johnsson K., Peng X. [et al.] Organisation of ‘nanocrystalmolecules’ using DNA // Nature. — 1996. — V. 382. — P. 609-611.
3. Goodman R.P., Schaap I.A.T., Tardin C.F. [et al.] Rapid chiral assembly of rigid DNA building blocks for molecular nanofabrication // Science. — 2005. — V. 310, N 5754. — P. 1661-1665.
4. Storm A., Noort J., Vries S. [et al.] Insulating behavior for DNA molecules between nanoelectrodes at the 100 nm length scale // Applied Physics Letters. — 2001. — V. 79. — P. 3881-3883.
5. Monson C.F., Woolley A.T. DNA-templated construction of copper nanowires // Nano lett. — 2003. — V. 3, N 3. — P. 359.
6. Gu Q., Cheng C.D., Haynie D.T. [et al.] Cobalt metallization of DNA: toward magnetic nanowires // Nanotechnology. — 2005. — V. 16, N 8. — P. 1358.
7. Satti A., Aherne D. Fitzmaurice DNA-templated Assembly of Conducting Gold Nanowires // Chem. Mater. — 2007. — V. 19, N 7. — P. 1543.
8. Braun E., Eichen Y., Sivan U. [et al.] DNA-templated assembly and electrode attachment of a conducting silver wire // Nature. — 1998. — V. 391, N 19. — P. 775.
9. Braun G., Inagaki K., Estabrook R. [et al.] Gold Nanoparticle Decoration of DNA on Silicon // Langmuir. — 2005. — V. 21, N. 23. — P. 10699-10701.
10. Keren K., Rotem S. Berman, Buchstab E. [et al.] DNA-Templated Carbon Nanotube Field-Effect Transistor // Science. — 2003. — 302. — P. 1380-1382.
11. Zhao K., Chang Q., Chen X. [et al.] Synthesis and application of DNA-templated silver nanowires for ammonia gas sensing // Materials Science and Engineering. — 2009. — 29. — P. 1191-1195.
12. Lu J., Yang L., Xie A. [et al.] DNA-templated photo-induced silver nanowires: Fabrication and use in detection of relative humidity // Biophysical Chemistry. — 2009. — V. 145, I. 2-3. — P. 91-97.
13. Anatoly A. Zinchenko, Damien Baigl [et al.] Conformational Behavior of Giant DNA through Binding with Ag+ and Metallization // Biomacromolecules. — 2008. — 9, N 7. — P. 1981-1987.
14. Cui S. [et al.] Construction of silver nanowires on DNA template by an electrochemical technique // Materials and Design — 2007. — 28, N 2. — P. 722-725.
15. Felice C., Lightstone, Eric Schwegler, Randolph Q. Hoodet [et al.] A first principles molecular dynamics simulation of the hydrated magnesium ion 549-555 // Chemical Physics Letters. — 2001. — 343. — P. 549--555.
16. Kiselev A. and Lygin V. IR Spectra of Surface Compounds and Adsorbed Substances. — Moscow: Nauka, 1972.
17. Anastassopoulou J. [et al.] Supramolecular Assemblies Containing Nucleic Bases and Magnesium (II) Hexahydrate Ions // Journal of Angewandte Chemie. — 2003. — V. 36, N 5. — P. 511-513.
Поступила в редакцию 27.04.2011.
