專利名稱：利用超分子的自組裝和金屬著色制備納米芯片的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生成納米尺度的或更小尺度的圖形的方法，其包含下述步驟在基底上生成超分子薄膜，通過退火來誘導(dǎo)超分子的自組裝從而形成規(guī)則結(jié)構(gòu)，利用金屬對(duì)所述規(guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇性著色，然后蝕刻金屬著色的薄膜。本發(fā)明還涉及一種制備納米芯片的方法，該方法包含將生物受體與所形成的超分子納米芯片或者基底相連接的步驟。
背景技術(shù)：
目前，表面圖形的形成已經(jīng)使用聚合物薄膜作為光刻膠通過光刻技術(shù)來實(shí)現(xiàn)了。但是采用這種方法來制備納米尺度的、高度精確的圖形卻遇到了許多困難，這是因?yàn)槭艿侥軌蚴褂玫墓獠úㄩL(zhǎng)的限制，以及受到適于這類光波波長(zhǎng)的設(shè)備和技術(shù)的限制，同時(shí)還受到聚合物本身分辨率的限制。
從1990年開始，已經(jīng)在光刻技術(shù)中嘗試采用新的光刻膠，并嘗試采用更短波長(zhǎng)的光波來增加圖形的分辨率。此外，一種全新概念的作圖技術(shù)，例如采用軟蝕刻的納米作圖技術(shù)已經(jīng)開始出現(xiàn)。這類技術(shù)具有作圖便宜并且能夠連續(xù)操作的優(yōu)點(diǎn)。然而，其分辨率極限在約100nm的水平，并且很難再增加它的分辨率水平，因此使得整體密度(integration density)增加。
此外，韓國(guó)專利No.KR 10/263671B1公開了一種利用超分子作為作圖材料來生成納米尺度的精細(xì)圖形的方法。在該方法中，使用了一種附加的緩沖層來確保精細(xì)圖形的厚度處于溝槽(groove)內(nèi)，該緩沖層為過度蝕刻提供了一定的邊緣，同時(shí)為了減小溝槽的尺寸在緩沖層上還形成了隔片(spacer)。然而，處理步驟非常多，圖形尺寸在幾十納米的水平。
韓國(guó)專利No.KR 2002-0089528A公開了一種小尺度的、自組裝的結(jié)構(gòu)來形成廣泛應(yīng)用于微電子工業(yè)上的器件(devices)。該申請(qǐng)中公開的自組裝方法提供了一種與表面聯(lián)合來形成芯片的能力，但是其本身卻無法在表面的邊界內(nèi)通過自組裝來確定形成器件材料的位置。因此，為了在表面的邊界內(nèi)形成器件需要有單獨(dú)的定位技術(shù)，在自組裝方法中采用了適宜的定位技術(shù)來形成一種能夠在整合電路中作為單獨(dú)部分的結(jié)構(gòu)。這種定位技術(shù)能夠通過光刻來確定結(jié)構(gòu)的邊界，指導(dǎo)生成方法或者其它定位技術(shù)，從而通過自組裝來形成有圖形基底并在基底上裝配器件。
自組裝的結(jié)構(gòu)能夠與通過傳統(tǒng)的化學(xué)或物理沉積技術(shù)(depositiontechnique)生成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)合，并且整合電路能夠包含整合的光學(xué)部件?？衫眉{米顆粒的分散來生成自組裝的結(jié)構(gòu)，其中所需要的結(jié)構(gòu)是通過對(duì)物質(zhì)表面條件以及溫度和濃度條件進(jìn)行調(diào)節(jié)來獲得的。使用一端與基底表面結(jié)合、另一端與納米顆?；瘜W(xué)結(jié)合的連接子(linker)，利用該連接子能進(jìn)行選擇性連接，從而導(dǎo)致納米顆粒的自組裝過程。
另一種選擇性連接方法是使用自然的相互作用(natural interaction)，例如利用靜電或者化學(xué)相互作用來誘導(dǎo)納米顆粒的自組裝過程，其中納米顆粒沉積在微孔中，從而使得它們被定位在多孔區(qū)域定義的邊界內(nèi)。在某些材料中也能發(fā)現(xiàn)所述的微孔，例如無機(jī)氧化物或者二維有機(jī)晶體，適宜的微孔也可以通過諸如離子研磨或者化學(xué)蝕刻來生成。然而，該方法具有下述缺點(diǎn)其過程復(fù)雜，并且圖形間的距離仍在幾十至一百納米的水平。
另外，韓國(guó)專利No.2003-0023191A還公開了一種利用自組裝的單分子層來生成納米尺度的超細(xì)圖形的方法。該方法包括下述步驟在基底上生成具有取代末端基團(tuán)的芳香亞胺的分子層，選擇性結(jié)合及切割芳香亞胺分子層的取代基團(tuán)，水解所得的芳香亞胺分子層，由此使得圖形可在短時(shí)間內(nèi)形成。然而，本方法制備的圖形尺度仍保持在幾十納米的水平。
此外，還有關(guān)于浸沾筆納米光刻術(shù)(dip-pen nanolithography)的報(bào)道，其中將原子力顯微鏡的針尖浸上對(duì)固態(tài)基底具有化學(xué)親和性的表面活性劑分子，從而在基底上形成納米圖形，這類似于筆尖用墨水在紙上書寫的過程(Piner，R.D.et al.，Science，283661，1999)。該項(xiàng)技術(shù)有很大的優(yōu)點(diǎn)采用超尖銳的探針，能夠得到小至5nm特定分辨率的高分辨率圖形。然而，該項(xiàng)技術(shù)中，圖形必須在一系列過程中分別生成，為了得到所需的圖形需要很長(zhǎng)的時(shí)間，因此難于將該項(xiàng)技術(shù)直接應(yīng)用于大規(guī)模的生產(chǎn)中。
如上所述，盡管可應(yīng)用多種方法，包括利用紫外光和X-射線的光刻和蝕刻的方法，但是生成小于100nm的圖形就已達(dá)到了極限。為了解決這一問題，目前廣泛研究的自下而上的方法(bottom-up methods)開始代替現(xiàn)有的自上而下的方法(top-down methods)。
自下而上的方法是利用分子的自組裝來形成微觀結(jié)構(gòu)，在這種基礎(chǔ)技術(shù)中，已知下述方法利用掃描電鏡來分析超分子的微觀結(jié)構(gòu)的方法(Hudson，S.D.et al.，Science，278449，1997)，一篇文章證實(shí)說，超分子的取向根據(jù)基底的表面性質(zhì)進(jìn)行變化(Jung，H.T.et al.，Macromolecules，353717，2002)。然而，該出版物僅描述了超分子的微觀結(jié)構(gòu)分析以及超分子的取向。
此外，還有利用嵌段共聚物(block copolymers)來制備小于100nm的圖形，例如采用嵌段共聚物來形成規(guī)則圖形的方法以及利用金屬著色來形成點(diǎn)狀圖形(dot-shaped pattern)的方法(Park，M.et al.，Science，2761401，1997)。然而，采用上述方法制備的圖形仍然在幾十納米或更大尺度的水平，這是由于它們依賴共聚物的分子鏈。而且，采用嵌段共聚物存在下述問題所形成圖形的縱橫比不大，薄膜的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且不容易給出針對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)取向。
同時(shí)，在現(xiàn)今的研究中，微陣列蛋白芯片對(duì)診斷蛋白體學(xué)具有重要作用。在基底表面的多肽陣列上運(yùn)用光刻的早期陣列技術(shù)(US 5,143,854)近來已被多種方法嘗試使用。特別是，在包括抗原-抗體對(duì)以及酶聯(lián)免疫吸附檢測(cè)在內(nèi)的多種免疫檢測(cè)中進(jìn)行開發(fā)微陣列的重要性正在逐漸增加。
但是，卻不容易使蛋白質(zhì)芯片比DNA芯片更小、或者將蛋白質(zhì)芯片整合進(jìn)或排列到一實(shí)質(zhì)格式(substantial format)中來增加敏感性。也就是，DNA寡核苷酸的晶格圖形可利用光刻技術(shù)在基底表面制備，但是對(duì)于包含幾百個(gè)氨基酸的蛋白質(zhì)來說，為了精確診斷疾病，在基底表面需要具有更高密度的更加高度整合的晶格圖形(例如，一個(gè)抗體必須有約1400個(gè)氨基酸)。但是要滿足這一要求并不容易。
另一問題是，在變性條件下對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行操作很容易喪失它們的三維結(jié)構(gòu)(Bemard，A.et al.，Anal.Chem.，738，2001)，因而使得對(duì)蛋白的操作具有許多限制性。
對(duì)上述問題的解決依賴于在不喪失三維結(jié)構(gòu)的情況下，蛋白質(zhì)將以多高的分辨率被排列。對(duì)于這一問題，有很多解決方案，迄今已經(jīng)提出了噴墨印、即需即印技術(shù)、微接觸印刷術(shù)、以及IBM采用的軟光刻技術(shù)等。但是，采用這些方法形成的陣列仍具有幾十微米至幾毫米的空隙，并且未能開發(fā)出具有高密度的活樣品(real-life samples)同時(shí)保持蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的高度整合的診斷蛋白質(zhì)納米芯片。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明人進(jìn)行了細(xì)致的研究，開發(fā)出一種較簡(jiǎn)單的形成幾納米尺度的超高密度圖形的方法，本發(fā)明人利用超分子的自組裝和選擇性的金屬著色生成了幾納米或者更小尺度的溝槽形或者柱形圖形(groove-or pillar-shaped pattern)，并將生物受體與生成的圖形相連接，從而完成了本發(fā)明。
本發(fā)明的目的在于利用超分子的自組裝和選擇性金屬著色來提供一種形成幾個(gè)納米或者更小尺度的超分子圖形的方法。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種在基底上或基底的金屬薄膜上形成納米圖形的方法，其包含利用超分子納米圖形作為遮膜(mask)來蝕刻基底或金屬薄膜的步驟。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種制備分隔膜的方法，其包括將多個(gè)采用上述方法制備的具有納米圖形的基底相互結(jié)合的步驟。
本發(fā)明的再一目的在于提供一種制備生物納米芯片的方法，其包括將生物受體與采用上述方法制得的納米圖形相連接的步驟，以及采用上述方法制備的生物納米芯片。


圖1是超分子自組裝過程的示意圖。圖1a描述了盤形樹枝狀化合物(1)和扇形超分子(2)自組裝成圓柱狀結(jié)構(gòu)(3)然后排列成三維六邊形結(jié)構(gòu)(4)。圖1b描述了錐形分子(5)被組裝為球形結(jié)構(gòu)(6)并排列成三維規(guī)則結(jié)構(gòu)(7)；圖2是本發(fā)明的形成納米圖形來制備生物納米芯片的方法；圖3顯示了超分子自組裝成六角柱形規(guī)則結(jié)構(gòu)的透射電鏡圖；圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明生成的納米圖形的掃描電鏡圖；圖5顯示了制備金屬薄膜納米圖形過程的示意圖；圖6顯示了利用生物分子與金屬薄膜納米圖形的結(jié)合來制備生物納米芯片的示意圖。
具體實(shí)施例方式
為了完成上述目的，本發(fā)明提供了一種生成超分子納米圖形的方法，其包含下述步驟(a)在基底上生成超分子薄膜，(b)通過退火來自組裝超分子以形成規(guī)則結(jié)構(gòu)；(c)用金屬對(duì)所形成的規(guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇性著色；以及(d)蝕刻金屬選擇性著色的薄膜，移去沒有被金屬著色的薄膜部分。
本發(fā)明制備納米圖形的方法在步驟(a)之前可以優(yōu)選進(jìn)一步包括修飾基底表面的步驟，從而調(diào)節(jié)圖形結(jié)構(gòu)的取向?；妆砻娴男揎梼?yōu)選在基底表面形成一種金屬或者非金屬薄膜、自組裝的單層(SAM)或者其它適用作圖形末端的薄膜?？杀挥糜诒景l(fā)明的基底的例子包括多種材料，例如硅、玻璃、熔鑄硅、以及聚合物。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，具有下述式(1)的化合物被用作超分子，但是任何自組裝的超分子都可不受限制地被使用。
(式I) 自組裝的超分子的例子包括盤形樹突狀化合物(1)、扇形超分子(2)、桿狀鏈形或者錐形分子(5)。扇形超分子的例子包括下式(2)結(jié)構(gòu)的化合物，盤形超分子的例子包括下式(3)的化合物，錐形超分子的例子包括下式(4)的化合物
(式2) (式3) (式4)
這些超分子通過諸如范德華力等物理次級(jí)鍵來形成規(guī)則結(jié)構(gòu)，而不象由單聚體形成多聚體需要共價(jià)鍵結(jié)合。這類超分子在適宜的溫度或者濃度、或外部磁場(chǎng)或電場(chǎng)等條件下自組裝成某些精細(xì)結(jié)構(gòu)。用于本發(fā)明的式(1)的超分子與扇形樹突狀化合物相對(duì)應(yīng)。如圖1a所示，這種扇形樹突狀化合物能自組裝成盤形結(jié)構(gòu)(I)，然后組裝為圓柱狀結(jié)構(gòu)(3)，最后形成三維六角形結(jié)構(gòu)(4)。此外，如圖1b所示，錐形超分子(5)被自組裝為球形(6)，然后排列成三維規(guī)則結(jié)構(gòu)(7)。
在本發(fā)明中，步驟(a)中的薄膜優(yōu)選通過旋轉(zhuǎn)涂布、摩擦(rubbing)的方法來形成，或者通過溶液擴(kuò)散而在水面形成薄膜；上述步驟(b)中，優(yōu)選對(duì)所用超分子采用高于它們的液晶轉(zhuǎn)換溫度進(jìn)行加熱，然后緩慢冷卻進(jìn)行退火。此外，在上述步驟(c)中的金屬著色優(yōu)選利用四氧化釕(RuO4)對(duì)薄膜的中間部分選擇性著色，步驟(d)優(yōu)選利用反應(yīng)離子蝕刻方法進(jìn)行。
在另一方面，本發(fā)明提供了一種在基底或者金屬薄膜上形成納米圖形的方法，該包含利用上述方法制備的超分子納米圖形作為遮膜來蝕刻基底或金屬薄膜的步驟。在該方法中，對(duì)基底或金屬薄膜的蝕刻優(yōu)選通過離子蝕刻和/或離子研磨來完成。
在又一方面，本發(fā)明提供了一種制備分隔膜的方法，它包括將本發(fā)明所形成的多個(gè)基底的納米圖形互相結(jié)合的步驟。
再一方面，本發(fā)明提供了一種制備用作高密度記錄材料的磁性金屬薄膜納米圖形的方法，該方法包括下述步驟(a)在基底上形成磁性金屬薄膜；(b)在磁性金屬薄膜上形成自組裝的超分子薄膜；(c)自組裝超分子退火形成規(guī)則結(jié)構(gòu)；(d)用金屬對(duì)形成的規(guī)則結(jié)構(gòu)選擇性著色；(e)蝕刻金屬選擇性著色的薄膜來去除未被金屬著色的薄膜部分，從而制備超分子的納米圖形；以及(f)利用超分子納米圖形作為遮膜來蝕刻磁性金屬薄膜。在該方法中，磁性金屬優(yōu)選選自Fe，Ni，Co，Cr，Pt，及其合金。
此外，本發(fā)明還提供了一種制備生物納米芯片的方法，其包括將生物受體與溝槽形的基底納米圖形相連接的步驟。本發(fā)明還提供了采用上述方法制備的生物納米芯片，其中生物受體與溝槽形的基底納米圖形相結(jié)合。
在另一方面，本發(fā)明提供了一種制備生物納米芯片的方法，其包括下述步驟(a)在基底上形成對(duì)生物受體具有親合力的薄膜；(b)在對(duì)生物受體具有親合力的薄膜上形成自組裝超分子薄膜；(c)通過退火來自組裝超分子以形成規(guī)則結(jié)構(gòu)；(d)用金屬對(duì)所形成的規(guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇性著色；(e)蝕刻金屬著色的薄膜以除去未被金屬著色的薄膜部分，從而制備超分子的納米圖形；(f)利用超分子納米圖形作為遮膜，蝕刻對(duì)生物受體具有親合力材料的薄膜，以形成柱形金屬納米圖形；以及(g)使生物受體與對(duì)生物受體具有親合力材料的納米圖形結(jié)合。本發(fā)明還提供了采用上述方法制備的生物納米芯片，其中生物受體與對(duì)柱形生物受體具有親合力物質(zhì)的納米圖形相結(jié)合。
在本發(fā)明中，生物受體優(yōu)選選自下述物質(zhì)蛋白質(zhì)、肽類、脂類、寡核苷酸、PNAs、氨基酸、DNAs、酶底物、配基、輔助因子、碳水化合物以及RNAs。優(yōu)選通過使用結(jié)合助劑來連接生物受體與基底的納米圖形，從而完成蛋白質(zhì)與納米圖形結(jié)合的步驟。結(jié)合輔助物優(yōu)選為在碳基團(tuán)末端連接有醛基、胺基或亞胺基的化學(xué)物質(zhì)。更特異地，生物受體與納米圖形的連接可通過下述方法完成在基底表面聯(lián)上醛基、在生物受體的末端連接胺基，然后通過誘導(dǎo)胺-醛反應(yīng)來完成連接。
本文所用的術(shù)語“生物納米芯片”被定義為包括生物芯片和生物傳感器，其中與生物材料連接或反應(yīng)的生物受體與納米圖形相連接。
下面將對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，首先將超分子以1-wt％的濃度溶解于四氫呋喃(THF)溶劑中，然后將所得的溶液施用于基底上以形成超分子薄膜。優(yōu)選使用旋轉(zhuǎn)涂布、摩擦(rubbing)、或者溶液擴(kuò)散的方法來形成超分子的薄膜。在本實(shí)施例中，采用硅晶片作為基底，并且未對(duì)基底表面進(jìn)行修飾(圖2a)。
然后，將超分子加熱至高于它們的液晶相變溫度，使它們進(jìn)行自組裝。由于本發(fā)明使用的超分子的液晶相變溫度約為230℃，因此將其加熱至240℃然后緩慢冷卻。這樣，超分子自組裝成柱形微觀結(jié)構(gòu)(圖2b)。
現(xiàn)在要對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中利用退火使超分子自組裝的過程進(jìn)行描述。
可通過退火來對(duì)超分子的性質(zhì)進(jìn)行修飾，適于退火的起始材料包括高溫分解制備的超分子。用作起始物質(zhì)的超分子還可在不同的條件下進(jìn)行至少一次預(yù)熱的步驟。對(duì)激光高溫分解形成的超分子進(jìn)行預(yù)熱處理能增強(qiáng)其結(jié)晶性，并能除去諸如碳原子等雜質(zhì)，還可能通過與另外的氧或來自氣態(tài)或非氣態(tài)化合物原子的結(jié)合來改變其化學(xué)計(jì)量。超分子優(yōu)選在能提供均勻加熱的烤爐中進(jìn)行加熱。處理?xiàng)l件通常很溫和，從而不會(huì)產(chǎn)生大量的燒結(jié)顆粒。因此，加熱溫度優(yōu)選低于起始物質(zhì)和產(chǎn)物的熔點(diǎn)。如果熱處理涉及組合物的變化，即使在溫和的加熱溫度下分子的尺寸和形狀也會(huì)變化。
自組裝的結(jié)構(gòu)在材料/基底的表面上或者在表面內(nèi)生成。自組裝結(jié)構(gòu)以定向的島狀(positioned islands)形式定位在邊界內(nèi)，每個(gè)結(jié)構(gòu)都能作為電路的一個(gè)元件或者具有多個(gè)元件的組合器件。尤其是，每個(gè)結(jié)構(gòu)可以是整合電路的一個(gè)元件，該元件的例子包括電子零件、光學(xué)器件以及光子晶體。
為了在預(yù)先確定的邊界內(nèi)形成結(jié)構(gòu)，需要對(duì)結(jié)構(gòu)的邊界進(jìn)行界定，并需要單獨(dú)的自組裝步驟，從而形成自組裝結(jié)構(gòu)。界定結(jié)構(gòu)邊界的步驟中使用了一種外力來界定結(jié)構(gòu)邊界。通常不可能通過自組裝步驟本身來界定結(jié)構(gòu)邊界。當(dāng)結(jié)合了組合物/材料后，其自組裝是基于組合物/物質(zhì)的天然功能(natural sensing function)，從而在所得結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了自然排序。通常，盡管定向步驟可在自組裝步驟之前或之后完成，但處理步驟的特性也能預(yù)示著某些排序。凈效應(yīng)導(dǎo)致一個(gè)具有邊界內(nèi)區(qū)域的自組裝結(jié)構(gòu)，其中該區(qū)域被納米顆粒所覆蓋，而邊界外的區(qū)域卻并未被納米顆粒所覆蓋。界定邊界的過程與自組裝步驟相連接，需要在邊界內(nèi)活化自組裝的步驟、或者在邊界外區(qū)域使區(qū)域失活。通常，為完成活化步驟或者失活步驟，必須運(yùn)用外力。
可利用透射電鏡來對(duì)基底上超分子組裝成了規(guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行確認(rèn)。采用與本發(fā)明所述相同的條件來制備樣品，利用透射電鏡拍攝的樣品的照片如圖3所示。圖3的照片顯示，超分子自組裝為六角柱形的規(guī)則結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)在將描述本發(fā)明利用金屬對(duì)自組裝超分子的規(guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行著色的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。
首先，將RuO4溶液和用超分子薄膜包被的基底放置在玻璃容器中，并且溶液與基底不要直接接觸。在該過程中，當(dāng)RuO4溶液中的Ru金屬擴(kuò)散進(jìn)氣相中時(shí)，基底上的超分子薄膜被Ru金屬所著色。著色的Ru金屬與薄膜的某些部分發(fā)生選擇性的化學(xué)反應(yīng)。
盡管本發(fā)明中使用了RuO4，但是本發(fā)明中也可以使用四氧化鋨(OsO4)或者其它能夠?qū)Τ肿有纬傻慕Y(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇性著色的金屬。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，由于被超分子薄膜包被的基底需要進(jìn)行金屬著色步驟并且進(jìn)行接下來的蝕刻步驟，因此基底上超分子薄膜的給定部分將被除去，從而最終得到納米圖形器件。在這一蝕刻步驟中，可以不受限制地使用半導(dǎo)體設(shè)備制備過程中的任何常規(guī)方法。例如，可利用諸如KCN-KOH混合溶液或者HF水溶液等蝕刻溶液、或者通過反應(yīng)離子蝕刻(RIE)或離子研磨來完成蝕刻步驟。
根據(jù)本發(fā)明上述優(yōu)選實(shí)施例形成的納米圖形能夠用作重要的表面基底，通過多種生物受體與納米圖形的反應(yīng)來形成所需的芯片，它們將在制備具有高整合密度和小尺度的生物芯片中發(fā)揮重要的作用。
生物芯片通常采用直接將生物分子連接到基底上，或者通過連接分子將生物分子連接到基底上。例如，為制備DNA芯片、蛋白質(zhì)芯片或者蛋白傳感器，必須將生物受體(例如，DNAs、抗體或酶)連接到固態(tài)基底的表面，醛基與基底表面相連接，胺基與生物受體相連接，從而使得生物受體和基底表面可通過胺基和醛基之間的化學(xué)鍵來進(jìn)行連接，以此來制備所需的生物器件。
本發(fā)明生物芯片中DNA芯片的制備方法包括利用點(diǎn)樣(spotting)方法將預(yù)先制備的探針與固態(tài)基底表面相連接的步驟。在這種情況下，將與胺基結(jié)合的探針溶解于1X至7X，優(yōu)選2X至5X，更優(yōu)選3X的SSC緩沖溶液(0.45M NaCl，15mM C6H5Na3O7，pH 7.0)中，然后利用微陣列點(diǎn)樣儀將其點(diǎn)樣至連接了醛基的基底上。然后，利用醛基與胺基間的相互反應(yīng)將探針固定在基底上。所用探針的濃度大于10pmol/μl，優(yōu)選大于50pmol/μl，更優(yōu)選大于100pmol/μl。與探針結(jié)合的胺基和與基底結(jié)合的醛基在濕度為70-90％、優(yōu)選80％的條件下相互反應(yīng)4-8小時(shí)，優(yōu)選5-7小時(shí)，最優(yōu)選約6小時(shí)，使得探針固定在基底上。
點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)能夠轉(zhuǎn)換為其相反結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)這一目的，將硅或氮化硅(SiN)沉積到具有所形成的點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)的基底上，使得結(jié)構(gòu)外的部分被硅或氮化硅所填充。然后，移去最初的點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)，從而使其轉(zhuǎn)化為孔狀結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例下面將結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。很顯然，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)@些實(shí)施例進(jìn)行多種修飾，并且本發(fā)明并非囿于這些實(shí)施例。所述實(shí)施例僅是為了進(jìn)一步解釋本發(fā)明。
實(shí)施例1超分子的合成本發(fā)明中所用的式(1)的超分子是通過下述反應(yīng)方案(1)的步驟進(jìn)行合成的。對(duì)該超分子的掃描電鏡分析證實(shí)了該超分子為納米尺度的或更小尺度的規(guī)則圓柱結(jié)構(gòu)。
(反應(yīng)圖解1) 實(shí)施例2基底表面修飾在本發(fā)明中，采用硅晶片作為基底。如果需要，可在基底表面形成金屬的、非金屬的、或其它的薄膜。
實(shí)施例3超分子薄膜的形成將實(shí)施例1中合成的超分子溶解于四氫呋喃(THF)溶劑中。將所得溶液旋轉(zhuǎn)涂布(spin-coated)于實(shí)施例2的硅晶片上，以形成薄膜(圖2a)。在該實(shí)施例中，2,000-3,000rpm持續(xù)10-30秒的條件下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)涂布。在該旋轉(zhuǎn)涂布過程中，可適當(dāng)改變薄膜的厚度。
實(shí)施例4退火將超分子薄膜加熱至240℃然后緩慢冷卻，形成規(guī)則的微觀結(jié)構(gòu)(圖2b)。本發(fā)明所用的超分子在240℃自組裝，該溫度可根據(jù)所用的超分子的種類來進(jìn)行變化。在該溫度下，超分子具有足以進(jìn)行自組裝的活動(dòng)性，并自組裝成最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。對(duì)本發(fā)明所用的超分子來說，圓柱體排列為六角形的三維結(jié)構(gòu)是最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例5用四氧化釕(RuO4)進(jìn)行著色由于可利用RuO4對(duì)超分子在中央部分進(jìn)行選擇性著色，因此將超分子暴露于RuO4中持續(xù)幾分鐘，從而采用Ru金屬對(duì)中央部分進(jìn)行化學(xué)著色(圖2c)。
當(dāng)將超分子暴露于RuO4中時(shí)，Ru金屬擴(kuò)散到空氣中從而使得超分子薄膜被Ru金屬著色。Ru金屬與某些反應(yīng)基團(tuán)(例如，醚鍵、醇、苯環(huán)、以及胺)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得超分子在與超分子柱的中央部分相對(duì)應(yīng)的位置被Ru金屬著色。
根據(jù)超分子種類的不同，可利用其它金屬來替代該著色金屬。例如，四氧化鋨(OsO4)與諸如碳雙鍵、醇、醚鍵以及胺等反應(yīng)基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
實(shí)施例6蝕刻下面將對(duì)金屬著色的超分子薄膜進(jìn)行蝕刻處理，由于著色金屬和超分子之間蝕刻速率的差別，點(diǎn)形結(jié)構(gòu)(dot-shaped structures)仍保持在超分子柱的中央部分(圖2d)。圖4顯示了該點(diǎn)形結(jié)構(gòu)構(gòu)像的掃描電鏡圖像。在該實(shí)施例中，利用CF4氣體處理約100秒來完成蝕刻。蝕刻時(shí)間不應(yīng)在所有情況下都相同，其根據(jù)設(shè)備會(huì)有所變化。因此，需要有調(diào)整蝕刻條件的測(cè)試步驟。
實(shí)施例7在基底上形成納米圖形的方法采用實(shí)施例1-6所得到的超分子納米圖形作為遮膜來蝕刻基底，從而在基底上形成納米圖形。在本發(fā)明中，在基底上沒有形成中間層。但是，如果在基底和超分子薄膜之間形成另一薄膜層，則點(diǎn)形納米圖形在接下來的蝕刻步驟中作為遮膜。也就是說，當(dāng)對(duì)表面暴露的中間薄膜層進(jìn)行蝕刻時(shí)，不蝕刻膜上形成點(diǎn)形圖形的部分，從而將超分子層形成的圖形轉(zhuǎn)移到中間薄膜層。這根據(jù)中間薄膜層所用的材料而發(fā)生變化。如果中間薄膜層為金屬薄膜層，則可通過反應(yīng)離子蝕刻和離子研磨的方法來進(jìn)行蝕刻。蝕刻條件與每種薄膜層的特性相一致。
實(shí)施例8通過生物受體與溝槽形納米圖形的連接來制備生物納米芯片為了將生物受體與實(shí)施例7中形成的溝槽形基底納米圖形相連接，在基底上連接醛基，在生物受體的末端連接胺基基團(tuán)，然后利用胺基-醛基反應(yīng)將生物受體連接到基底。
實(shí)施例9通過生物受體與柱形納米圖形相連接來制備生物納米芯片在基底上形成對(duì)生物受體具有極佳親合力的材料的薄膜，然后，采用實(shí)施例1-6的方法來形成超分子納米圖形。使用超分子納米圖形作為遮膜，通過離子研磨來制備對(duì)生物受體具有親合力的物質(zhì)薄膜的納米圖形(圖5)。
在該實(shí)施例中，采用金(Au)作為對(duì)生物受體具有親合力的材料。金能選擇性地與含有巰基(-SH)的生物受體(例如，肽和蛋白質(zhì))相結(jié)合。采用金的這一特性，可使生物分子選擇性地與金納米圖形相結(jié)合，從而制備高密度的生物納米芯片(圖6)。
如上所述，本發(fā)明提供了一種制備生物納米芯片的開創(chuàng)性方法，它是通過將生物受體與納米尺度或更小尺度的溝槽形或者柱形圖形相結(jié)合來制備的，其中所述的溝槽狀或者柱狀圖形采用超分子的自組裝和選擇性金屬著色來形成。
權(quán)利要求
1.一種制備超分子納米圖形的方法，其包含下述步驟(a)在基底上形成超分子薄膜；(b)通過退火來自組裝超分子，形成規(guī)則結(jié)構(gòu)；(c)利用金屬對(duì)所形成的規(guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇性著色；(d)蝕刻金屬選擇性著色的薄膜，除去沒有被金屬著色的薄膜部分。
2.權(quán)利要求1的方法，其中在步驟(a)之前還進(jìn)一步包括修飾基底表面的步驟，從而調(diào)節(jié)圖形結(jié)構(gòu)的取向。
3.權(quán)利要求2的方法，其中對(duì)基底表面的修飾是通過在基底表面上形成金屬和非金屬、有機(jī)薄膜來實(shí)現(xiàn)的。
4.權(quán)利要求1的方法，其中的超分子為盤形樹突狀化合物、扇形超分子或者錐形超分子。
5.權(quán)利要求4的方法，其中所述的超分子是具有下述式(1)的化合物 (式1)
6.權(quán)利要求1的方法，其中步驟(b)是通過加熱至高于它們的液晶相變溫度，然后緩慢冷卻來進(jìn)行的。
7.權(quán)利要求1的方法，其中步驟(c)是通過使用四氧化釕對(duì)薄膜的中間部分進(jìn)行選擇性著色來實(shí)現(xiàn)的。
8.一種在基底上或者金屬薄膜上形成納米圖形的方法，其包含采用權(quán)利要求1所形成的超分子納米圖形來蝕刻基底或者金屬薄膜的步驟。
9.一種制備分隔膜的方法，其包括將權(quán)利要求8所形成的多個(gè)基底納米圖形互相結(jié)合。
10.一種制備用于高密度記錄材料的磁性金屬薄膜納米圖形的方法，其包含下述步驟(a)在基底上形成磁性金屬薄膜；(b)在磁性金屬薄膜上形成自組裝的超分子薄膜；(c)通過退火自組裝超分子來形成規(guī)則結(jié)構(gòu)；(d)用金屬對(duì)形成的規(guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇性著色；(e)蝕刻金屬選擇性著色的薄膜以除去未被金屬著色的薄膜部分，從而制備超分子的納米圖形；以及(f)利用超分子納米圖形作為遮膜來蝕刻磁性金屬薄膜。
11.權(quán)利要求10的方法，其中所述的磁性金屬優(yōu)選選自Fe，Ni，Co，Cr，Pt，以及它們合金。
12.一種制備生物納米芯片的方法，其包含將生物材料與權(quán)利要求8方法制得的溝槽形的基底納米圖形相連接的步驟。
13.按照權(quán)利要求12的方法制備的生物納米芯片，其中生物受體與溝槽形的基底納米圖形相連接。
14.權(quán)利要求13的生物納米芯片，其中生物受體與一種化學(xué)物質(zhì)結(jié)合，該化學(xué)物質(zhì)在碳基團(tuán)末端連接醛基、胺基或亞胺基。
15.一種制備生物納米芯片的方法，其包含下述步驟(a)在基底上形成對(duì)生物受體具有親合力材料的薄膜；(b)在對(duì)生物受體具有親合力的薄膜上形成自組裝超分子薄膜；(c)通過退火自組裝超分子，形成規(guī)則結(jié)構(gòu)；(d)用金屬對(duì)所形成的規(guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇性著色；(e)蝕刻金屬著色的薄膜以除去未被金屬著色的薄膜部分，從而制備超分子的納米圖形；(f)利用超分子納米圖形作為遮膜來蝕刻對(duì)生物受體具有親合力的材料的薄膜，形成柱形金屬納米圖形；以及(g)使生物受體與對(duì)生物受體具有親合力的材料的納米圖形相連接。
16.權(quán)利要求15的方法，其中所述的超分子為具有下述式(1)結(jié)構(gòu)的化合物 (式1)
17.權(quán)利要求16的方法，其中對(duì)生物受體具有親合力的材料的薄膜進(jìn)行蝕刻，以形成柱形納米圖形的步驟包含使用反應(yīng)離子蝕刻和/或離子研磨。
18.權(quán)利要求17的方法，其中對(duì)生物受體具有親合力的材料是金屬。
19.權(quán)利要求15的方法，其中所述金屬為金。
20.一種按照權(quán)利要求15的方法制備的生物納米芯片，其中生物受體與對(duì)生物受體具有親合力的材料的柱形納米圖形相結(jié)合。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種生成納米尺度的或更小尺度的圖形的方法，其包含下述步驟在基底上生成超分子薄膜，通過退火來誘導(dǎo)超分子的自組裝從而形成規(guī)則結(jié)構(gòu)，利用金屬對(duì)所述規(guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇性著色，然后蝕刻金屬著色的薄膜。本發(fā)明還涉及一種制備納米芯片的方法，該方法包含將生物受體與所形成的超分子納米芯片或者基底相連接的步驟。
文檔編號(hào)C12M1/00GK1572721SQ20041004755
公開日2005年2月2日 申請(qǐng)日期2004年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月22日
發(fā)明者鄭喜臺(tái), 權(quán)起暎, 李修林 申請(qǐng)人:韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院