Материалы на основе ДНК для нанотехнологий и наноразмерных устройств

В последнее время лавинообразно увеличивается количество сообщений, в которых молекулы нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) появляются в качестве объекта исследований в области нанотехнологий и / или в качестве материала для наноразмерных устройств. Во многих случаях сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) является наиболее мощным и информативным инструментом исследования. Исследования, а также точные манипуляции могут быть выполнены таким образом. Что есть важно, когда СЗМ применяется для экспериментов на молекулярном уровне? Проиллюстрируем три аспекта:

• подходящие зонды;
• субстраты и протоколы осаждения;
• долгосрочная стабильность АСМ.

Резкость зонда определяет разрешение

Крошечные особенности рельефа не могут быть обнаружены, если радиус наконечника зонда слишком велик. При изображении с помощью обычного зонда ширина молекулы ДНК обычно составляет 10-20 нм, тогда как реальный диаметр нити составляет около 2 нм. Ниже показаны короткие фрагменты ДНК poly (dG) – poly (dC), нанесенные на модифицированный высокоориентированный пиролитический графит (HOPG) (см. Рисунок 1). Можно увидеть небольшие размотанные одноцепочечные фрагменты (жирная стрелка на скане) и даже спиральный шаг молекулы ДНК (тонкие стрелки) достаточно острым наконечником (как наконечник зонда, показанный на входе).

Рисунок 1. Короткие фрагменты поли (dG) – поли (dC), нанесенные на модифицированный HOPG

Осаждение ДНК: субстраты и процедуры

Крепление на слюду с помощью неорганических катионов

Рисунок 2. Молекулы ДНК (плазмиды) были нанесены на поверхность слюды из раствора, содержащего Mg2 +

Предварительная обработка слюды чистой водой увеличивает плотность поверхностного отрицательного заряда (из-за потери катионов). Связывание ДНК в этом случае происходит быстро и прочно, кольцевая плазмида уплотняется (А). Свежеотщепленная поверхность имеет более низкую плотность отрицательного заряда, таким образом, связывание ДНК происходит медленнее, и происходит латеральная диффузия во время осаждения (B).

Крепление на слюду с помощью органических молекул

Рисунок 3. Плазмидная ДНК, нанесенная на поверхность слюды, предварительно обработанную APTES ((3-аминопропил) триэтоксисилан).

Плазмидную ДНК наносят на поверхность слюды, предварительно обработанную APTES. Вложение происходит относительно быстро.

Связывание с HOPG

Рисунок 4. Плазмидная ДНК, нанесенная на поверхность HOPG, предварительно обработана органическим модификатором (CH2) n (NCRH2CO) m – NH2. Приложение происходит относительно медленно.

Стабильность AFM необходима для точных и долгосрочных манипуляций

Рисунок 5. Низкотемпературные дрейфы

Температурные сдвиги являются серьезным препятствием для длительных экспериментов на небольших полях. Исключение - исследования с помощью сканирующих 3d микроскопов, где поддержиается стабильная среда. Типичные значения дрейфа составляют 10-15 нм в час в лучших коммерческих устройствах АСМ. Благодаря этому объекты с размерами в десятки нанометров могут быть потеряны при длительных наблюдениях. На левом изображении показано, как углеродная нанотрубка (которая похожа на ДНК по своим размерам) может перемещаться зондом АСМ. Правая часть сканов показывает этот объект в длительном эксперименте. Смещение за 7 часов достаточно мало, и в поле зрения остаются те же частицы.

Манипуляции на малых полях, коррекция замкнутого контура (CL)

Рисунок 6. Атомная решетка слюды, полученная с помощью датчиков CL

Датчики с замкнутым контуром (CL) необходимы для правильного перемещения зонда и манипуляций. Поскольку датчики CL создают некоторый электронный шум, они обычно не используются ниже 100 нм. Техника от Nanomagnetic Instruments позволяет коррекцию CL даже ниже 10 нм. Выше - атомная решетка слюды, полученная с помощью датчиков CL.