Termokemisk nanolitografi tillader nu flere kemikalier på en chip

(PhysOrg.com) - Forskere ved Georgia Tech har udviklet en nanolitografisk teknik, der kan producere højopløselige mønstre af mindst tre forskellige kemikalier på en enkelt chip ved skrivehastigheder på op til en millimeter i sekundet. De kemiske nanomønstre kan skræddersyes med enhver ønsket form og har vist sig at være tilstrækkelig stabile til, at de kan opbevares i uger og derefter bruges andre steder. Teknikken, kendt som termokemisk nanolitografi er beskrevet i december 2009-udgaven af ​​tidsskriftet Avancerede funktionelle materialer . Forskningen har anvendelser inden for en række videnskabelige områder fra elektronik til medicin.

"Styrken ved denne metode er virkelig muligheden for at producere lave omkostninger, kemiske mønstre med høj opløsning og høj tæthed på en prøve, der kan leveres i ethvert laboratorium rundt om i verden, hvor selv ikke-eksperter i nanoteknologi kan dyppe prøven i den ønskede løsning og, for eksempel, lave nano-arrays af proteiner, DNA eller nanopartikler, " sagde Elisa Riedo, lektor ved School of Physics ved Georgia Institute of Technology.

Begrebsmæssigt, teknikken er overraskende enkel. Ved hjælp af et atomkraftmikroskop (AFM), forskere opvarmer en siliciumspids og kører den over en tynd polymerfilm. Varmen fra spidsen inducerer en lokal kemisk reaktion på overfladen af ​​filmen. Denne reaktion ændrer filmens kemiske reaktivitet og omdanner den fra en inert overflade til en reaktiv, der selektivt kan binde andre molekyler. Holdet udviklede først teknikken i 2007. Nu har de tilføjet nogle vigtige nye drejninger, der skulle gøre termokemisk nanolitografi (TCNL) til et yderst nyttigt værktøj for forskere, der arbejder på nanoskala.

"Vi har skabt en måde at lave uafhængige mønstre af flere kemikalier på en chip, der kan tegnes i hvilken som helst form, du ønsker, " sagde Jennifer Curtis, adjunkt på Fysikskolen.

At være i stand til at skabe højopløsningsfunktioner af forskellige kemikalier i vilkårlige former er vigtigt, fordi nogle nanolitografiteknikker er begrænset til kun én kemi, lavere opløsninger og/eller faste former. Ud over, TCNLs hastighedskapacitet på en millimeter i sekundet gør den i størrelsesordener hurtigere end den meget brugte dip-pen nanolitografi, som rutinemæssigt klokkes med en hastighed på 0,0001 millimeter pr. sekund pr. pen.

Forskningen er muliggjort af opvarmede AFM-sondespidser, der kan skabe et hot spot så lille som et par nanometer i diameter. Sådanne tips er designet og fremstillet af samarbejdspartner professor William King ved University of Illinois, Urbana-Champaign. "Den opvarmede spids gør det muligt at dirigere kemiske reaktioner på nanoskala, " sagde Kongen.

Den nye teknik producerer flere kemiske mønstre på den samme chip ved at bruge AFM til at opvarme en polymerfilm og ændre dens reaktivitet. Chippen dyppes derefter i en opløsning, som tillader kemikalier (f.eks. proteiner eller andre kemiske linkere) i opløsningen for at binde sig til chippen på de dele, hvor den er blevet opvarmet. AFM opvarmer derefter filmen et andet sted. Chippen dyppes i en anden opløsning og igen kan et andet kemikalie binde sig til chippen.

I avisen, forskerne viser, at de kan mønstre amin, thiol, aldehyd og biotin ved hjælp af denne teknik. Men i princippet kunne TCNL bruges til næsten ethvert kemikalie. Deres arbejde viser også, at de kemiske mønstre kan bruges til at organisere funktionelle materialer på overfladen, såsom proteiner og DNA.

"Kraften ved denne teknik er, at den i princippet kan arbejde med næsten alle kemiske eller kemisk reaktive nanoobjekter. Den giver forskere mulighed for meget hurtigt at tegne mange ting, som derefter kan omdannes til en række forskellige ting, som selv kan binde sig selektivt til endnu en række andre ting. Så, det er lige meget om du er interesseret i biologi, elektronik, medicin eller kemi, TCNL kan skabe det reaktive mønster for at binde det, du vælger, " sagde Seth Marder, professor i Techs School of Chemistry and Biochemistry og direktør for Center for Organic Photonics and Electronics.

Ud over, TCNL tillader, at den kemiske skrivning udføres et sted med nanoobjektmønstret et andet, så videnskabsmænd, der ikke er eksperter i at skrive kemiske mønstre på nanoskalaen, stadig kan vedhæfte deres objekter til det. Det er teknikkens stabilitet, der gør dette muligt.

"Når du har tegnet mønsteret, den er meget stabil og ikke-reaktiv. Vi har vist, at du kan have det i mere end en måned, tag det ud og dyp det, og det vil stadig binde, " sagde Riedo.

"Jeg vil gerne tro, at flere år fra nu vil folk have adgang til et TCNL-værktøj, der gør dem i stand til at lave denne mønsterdannelse på et sted som Georgia Tech, det er meget billigere end den slags nanolitografiværktøjer, vi i øjeblikket bruger i vores rene rum, " sagde Marder.