ДНК в нанотехнологиях

ДНК в нанотехнологиях

Д. С. Андреюк
НТ-МДТ, Москва, Россия.

В последнее время все чаще и чаще появляются исследования, в которых в качестве конструкционного материала при создании наноразмерных устройств используются природные макромолекулы (например, ДНК). Наиболее функциональный инструмент для манипуляций на таком уровне - это Сканирующая Зондовая Микроскопия (СЗМ). Приборы этого класса позволяют одновременно исследовать единичные молекулы и осуществлять манипуляции над ними. Рассмотрим три наиболее важных аспекта СЗМ, которые нужно учитывать при работе на молекулярном уровне.


Зонды	Подложки и протоколы крепления	Стабильность СЗМ в длительных экспериментах

Влияние остроты зонда на разрешение

Размер молекулы на АСМ изображении

Мелкие особенности рельефа могут быть не обнаружены, если радиус зонда слишком велик. При использовании стандартного зонда ширина молекулы ДНК на изображении составляет 10-20 нм, тогда как реальный диаметр — около 2 нм. На скане показаны короткие фрагменты poly(dG)–poly(dC) ДНК, закрепленные на модифицированном высокоориентированном пиролитическом графите (см. далее). При использовании DLC зонда (радиус кривизны острия ~1 нм) можно увидеть расплетенные однонитевые участки (жирная стрелка) и даже спиральную структуру молекулы (тонкие стрелки). Более подробную информацию можно найти в статье Д.Клинова “High-resolution atomic force microscopy of duplex and triplex DNA molecules”. Nanotechnology (2007), V18, N22, p.225102.

Дополнительная информация:

Острые «whisker»-зонды

Сверхострые зонды из искусственного алмаза

Усик" длиной 1 µм и радиусом 10нм, выращенный на кремниевом зонде, обеспечивает очень высокое аспектное соотношение.

Острие из искусственного алмаза, выращенное на конце зонда, короче и намного острее (радиус ~1 нм).

Крепление ДНК: подложки и процедуры

Крепление на слюду с помощью неорганических катионов

Кольцевые молекулы ДНК, закрепленные на поверхности слюды с помощью ионов Mg2+. Предварительная обработка слюды водой увеличивает поверхностную плотность отрицательных зарядов благодаря вымыванию катионов. В этом случае прикрепление ДНК более сильное и происходит быстро, поэтому на изображении молекулы выглядят компактными (А). Свежесколотая поверхность имеет более низкую поверхностную плотность зарядов, это делает возможной латеральную диффузию молекулы в процессе крепления – она «расправляется» (B).

Крепление на слюду с помощью органических молекул	Крепление на высокоориентированный пиролитический графит (HOPG)

Та же молекула плазмидной ДНК, закрепленная на поверхности слюды, обработанной APTES. Связывание происходит сравнительно быстро.	Та же молекула ДНК, закрепленная на поверхности графита, обработанной органическим реактивом (CH₂)n(NCRH₂CO)m–NH₂. Связывание происходит сравнительно медленно.

Дополнительная информация:

HOPG для СЗМ	Молекулы ДНК на слюде

Высокоориентированный пиролитический графит имеет атомногладкую поверхность и может быть сколот множество раз подобно слюде. В отличие от слюды HOPG гидрофобен.	Тестовые образцы для калибровки СЗМ приборов. Подходят для измерений в жидкости и на воздухе.

Стабильность АСМ при прецизионных и долгосрочных исследованиях

Манипуляции на малых полях: низкий термодрейф

Температурные дрейфы становятся серьезным препятствием при проведении долгосрочных экспериментов на малых полях. Обычно величина дрейфа в лучших коммерческих АСМ приборах составляет порядка 10-15 нм в час. В силу этого эффекта исследуемые образцы размером в десятки нанометров могут быть попросту потеряны в процессе наблюдения. Изображения слева иллюстрируют возможность манипуляций кремниевыми нанотрубками, схожими по своим размерам с ДНК, с помощью АСМ зонда. Пара изображений справа показывают те же объекты в долгосрочном эксперименте: смещение за 7 часов мало и наблюдаемые частицы остаются в поле зрения. Образец предоставлен Dr. H.B.Chan, кафедра физики, университет Флориды, США.

Манипуляции на малых полях: датчики обратной связи

Датчики перемещения (closed-loop) особенно важны при необходимости возвращать зонд в определенное место на скане (например, при манипуляциях). Обычно из-за собственного шума датчики не используются в масштабах меньше 100 нм. NTEGRA Therma позволяет производить CL-коррекцию на сканах меньше 10 нм. Изображение показывает атомную решетку слюды, полученную с использованием датчиков обратной связи.

Дополнительная информация:

ИНТЕГРА Терма	ИНТЕГРА Спектра

Единственный коммерческий АСМ прибор, обеспечивающий термодрейфы меньше 3 нм/ч и «closed-loop» коррекцию на сканах меньше 10 нм.	Комбинационное рассеяние комбинируемое с СЗМ для экспериментов над единичными молекулами (разрешение на плоскости для спектроскопии составляет ~50 нм). Усиленное на острие КР позволяет детектировать сигнал от единичной молекулы.