專利名稱：用于光電應(yīng)用的親和基自組裝系統(tǒng)及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用可編程功能化自組裝核酸、核酸修飾結(jié)構(gòu)，及其他選擇性親和或結(jié)合部分作為結(jié)構(gòu)單元的方法和技術(shù)，用于(1)產(chǎn)生分子光電機(jī)理；(2)納米結(jié)構(gòu)、亞微米及微米尺寸部件在硅或其他材料上組織、組裝及相互連接；(3)納米結(jié)構(gòu)、亞微米及微米尺寸部件在微電子或光電部件及裝置周邊內(nèi)組織、裝配及相互連接；(4)光電構(gòu)造、裝置及體系的產(chǎn)生、排列和制造；(5)開發(fā)一種高比特密度(大字節(jié))三維及四維光學(xué)數(shù)據(jù)存儲材料及裝置；(6)開發(fā)用于文件或商品的信息的鑒定、防偽及編碼的低密度光學(xué)存儲器。本發(fā)明也涉及相關(guān)微電子和光電子裝置、系統(tǒng)及制造平臺，在裝置自身或其他基質(zhì)材料上的所選位置提供電場傳輸及選擇性定址自組裝納米結(jié)構(gòu)、亞微米及微米尺寸部件。
相關(guān)申請資料本發(fā)明申請是1995年9月27日遞交的申請?zhí)枮?8/534，454、題為“活性可編程基質(zhì)裝置”的部分連續(xù)申請，上述申請是1994年9月9日遞交的申請?zhí)枮?8/304，657，修改后題為“包括電極的分子生物診斷系統(tǒng)”現(xiàn)已授權(quán)的部分連續(xù)申請，所述申請是1994年7月7日遞交的申請?zhí)枮?8/271，882，修改后題為“用于分子生物分析及診斷系統(tǒng)的電子緊急控制方法”現(xiàn)已授權(quán)的部分連續(xù)申請，所述申請是1993年11月1日遞交的申請?zhí)枮?8/146，504，修改后題為“用于分子生物分析及診斷系統(tǒng)的活性可編程電子裝置”現(xiàn)已授權(quán)的部分連續(xù)申請。1996年8月23日遞交的申請?zhí)枮?8/703，601、題為“與生色團(tuán)及熒光團(tuán)共軛的多核苷酸的雜交以產(chǎn)生供體到供體的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)”的申請現(xiàn)在仍在審查之中，是1994年5月5日遞交的申請?zhí)枮?8/232，233，題為“與生色團(tuán)及熒光團(tuán)共軛的多核苷酸的雜交以產(chǎn)生供體到供體的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)”，現(xiàn)已授權(quán)的專利號為5，565，322的美國專利的繼續(xù)申請，它是1991年11月7日遞交的申請?zhí)枮?7/790，262，題為“基于含有多核苷酸的生色團(tuán)及熒光團(tuán)的自組裝分子光子結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用方法”，現(xiàn)已授權(quán)的專利號為5，532，129的美國專利(通過1994年5月27日遞交的申請?zhí)枮?8/250，951的繼續(xù)申請)和1994年8月25日遞交的申請?zhí)枮?8/258，168，題為“DNA光學(xué)存儲器”的部分連續(xù)申請，所有文獻(xiàn)引入本文作為參考。
背景技術(shù)：
分子電子/光子學(xué)和納米技術(shù)領(lǐng)域?yàn)槲磥硖峁┝司薮蟮募夹g(shù)前景。納米技術(shù)被定義為基于一種一般化的將目標(biāo)構(gòu)成復(fù)雜原子類別的能力的工程技術(shù)。Drexler，美國國家科學(xué)院院刊，785275-5278(1981)。一般，納米技術(shù)意味著一種原子-原子或分子-分子控制，以便組織并構(gòu)造復(fù)雜結(jié)構(gòu)直至肉眼可見的水平。納米技術(shù)與目前用于半導(dǎo)體及集成電路工業(yè)上的平板印刷技術(shù)的自上而下的策略相反，是一種自下而上的倒置方法。納米技術(shù)的成功可歸結(jié)為可編程自組裝分子單元和分子水平機(jī)器工具，所謂的組裝器的發(fā)展，它能構(gòu)造寬范圍的分子結(jié)構(gòu)及裝置。Drexler“創(chuàng)造的發(fā)動機(jī)”雙日(Doubleday)出版公司，紐約市，紐約州(1986)。
目前，分子光電技術(shù)包括各個領(lǐng)域的科學(xué)家及工程師的無數(shù)努力。Carter等“分子電子裝置Ⅱ”，Marcel Dekker公司，紐約市，紐約州(1987)。那些領(lǐng)域包括有機(jī)聚合物基的整流器，Metzger等人“分子電子裝置Ⅱ”，Carter，ed.，Marcel Dekker，紐約市，紐約州，5-25頁(1987)，導(dǎo)電共軛聚合物，MacDiarmid等人，合成金屬，18285(1987)，有機(jī)薄膜或Langmuir-Blogett膜的電子性能，Watanable等人，合成金屬，28C473(1989)，基于電子轉(zhuǎn)移的分子漂移標(biāo)記，Hopfield等人，科學(xué)，241817(1988)，及基于合成修飾類脂的一種自組裝系統(tǒng)，形成各種不同的“管狀”微觀結(jié)構(gòu)。Singh等人，“應(yīng)用的生物活性聚合物材料”，Plenum出版社，紐約市，紐約州，239-249頁(1988)。基于共軛有機(jī)聚合物的分子光學(xué)或光裝置，Baker等人，合成金屬，28D639(1989)，以及對非線性有機(jī)材料進(jìn)行描述。Potember等人，藥學(xué)及生物學(xué)年會IEEE論文集，4/61302-1303部分(1989)。
但是，所參考的文獻(xiàn)無一描述一種成熟的或可編程水平的自組織或自組裝。典型地，實(shí)際上的完成電子及/或光子機(jī)制的分子組件為一種天然生物蛋白或其他分子。Akaike等人，藥學(xué)及生物學(xué)年會IEEE論文集，部分4/61337-1 338(1989)。目前沒有一種產(chǎn)生有效的電子或光子構(gòu)造、機(jī)制或裝置的完全合成的可編程自組裝分子的實(shí)例。
對生物系統(tǒng)中的自組裝的理解的進(jìn)展與納米技術(shù)相關(guān)。Drexler，美國國家科學(xué)院院刊，785275-5278(1981)，Drexler，“創(chuàng)造的發(fā)動機(jī)”，雙日出版公司，紐約市，紐約州(1986)。具有顯著進(jìn)展的領(lǐng)域包括光收集光合成系統(tǒng)的組織，能量轉(zhuǎn)換電子輸送系統(tǒng)，視覺過程，神經(jīng)傳導(dǎo)及組成這些系統(tǒng)的蛋白質(zhì)部件的結(jié)構(gòu)和功能。所謂生物芯片描述了合成的或生物上改進(jìn)的蛋白質(zhì)在構(gòu)造分子電子裝置中的應(yīng)用。Haddon等人，美國國家科學(xué)院會議錄，821874-1878(1985)，McAlear等人“分子電子裝置Ⅱ”，Carter ed.，Marcel Dekker公司，紐約市，紐約州，623-633頁(1987)。
為開發(fā)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，已對合成蛋白質(zhì)(多肽)進(jìn)行了一些工作。McAlear等，“分子電子裝置”，Carter ed.，Marcel Dekker，紐約市，紐約州，175-180頁(1982)。其他研究人員推測，核酸基生物芯片可能更具前途。Robinson等人，“一種生物芯片的設(shè)計(jì)一種自組裝分子尺寸存儲裝置”，蛋白質(zhì)工程，1295-300(1987)。
Watson等人，“基因的分子生物學(xué)”，第一卷，Benjamin出版社，ManloPark，加州(1987)，在理解作為所有生物有機(jī)體的基因信息載體的核酸、脫氧核苷酸或DNA的結(jié)構(gòu)及功能方面也取得了較大的進(jìn)展(參見

圖1)。在DNA中，信息通過其堿基單元腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶及胸苷(A、G、C、T)以核苷酸的線性序列編碼。DNA(或多核苷酸)的單螺旋具有獨(dú)特的識別及結(jié)合性能，通過雜交與其互補(bǔ)序列結(jié)合形成一種雙鏈核酸的雙螺旋結(jié)構(gòu)。這可能是因?yàn)楹怂峁逃械膲A基對性能A識別T，G識別C。由于任何給定的多核酸序列將僅與其精確的互補(bǔ)序列雜交，因此，這一性能將導(dǎo)致高度專一性。
除核酸的分子生物學(xué)之外，在核酸的化學(xué)合成領(lǐng)域也取得較大的進(jìn)展。這一技術(shù)已開發(fā)成如此自動化的裝置，以每小時15個核苷酸的速度，能有效地合成長度超過100個核苷酸的序列。已發(fā)展出許多技術(shù)使用官能團(tuán)對核酸進(jìn)行修飾，包括熒光團(tuán)、生色團(tuán)、親和標(biāo)記、金屬螯合物、化學(xué)活性基團(tuán)和酶。Smith等，自然，321674-69(1986)；Agarawal等，核酸研究，146227-6245(1986)；Chu等，核酸研究，163671-3691(1988)。
開發(fā)核酸的合成及修飾的動力為其在醫(yī)療診斷分析中的潛在應(yīng)用，一個也稱為DNA探針診斷的領(lǐng)域。簡單的光子機(jī)制也結(jié)合進(jìn)修飾低聚核苷酸，努力將靈敏的熒光檢測性能賦予給DNA探針診斷分析系統(tǒng)。這一手段包括完成Frster非輻射能量轉(zhuǎn)換的熒光團(tuán)和化學(xué)發(fā)光標(biāo)記低聚核苷酸。Heller等“傳染源的快速檢測及鑒定”，Kingsbury等，科學(xué)出版社，紐約市，紐約州，345-356頁(1985)。Frster非輻射能量轉(zhuǎn)換是一個過程，通過該過程，在一個波長處發(fā)光的熒光供體基團(tuán)借助于一個共振偶極偶聯(lián)過程將其吸附能量轉(zhuǎn)換至一個合適的熒光受體基團(tuán)。在合適供體和受體之間的能量轉(zhuǎn)換效率與距離的依賴關(guān)系為1/r6(參見Lakowicz等，“熒光光譜原理”Plenum出版社，紐約市，紐約州，第十章，305-337頁(1983))。
關(guān)于光子裝置，一般用開發(fā)完備的微制造技術(shù)通過密集陣列制造。但是，僅能在由所用的相對高缺陷密度的基質(zhì)限定的小面積內(nèi)集成。為了實(shí)用且經(jīng)濟(jì)，在大多數(shù)情況下，這些裝置必須用于大面積硅集成電路。這一研究的一個有意義的實(shí)例為垂直中空表面輻射激光。對于許多潛在的應(yīng)用來說，必須以大面積硅集成電路方式集成這些裝置。這些新裝置與硅的集成過程中的一個主要障礙是存在材料及幾何的不相容性。這些裝置需要在硅上以大間距陣列方式進(jìn)行集成，且性能下降最小，不會影響下邊的硅電路。過去幾年，已研制了許多在硅上集成這種化合物半導(dǎo)體裝置的部件組裝技術(shù)。這些包括混合倒裝式結(jié)合法或外延卸下法及其他直接結(jié)合法。雖然這些混合技術(shù)已取得顯著進(jìn)展，且?guī)讉€部件演示已顯示這些技術(shù)的可行性，這些方法仍不能解決幾何不相容性問題。即，當(dāng)偶聯(lián)至本體基質(zhì)時，在母基質(zhì)中制備的專門裝置的空間必須保留。這樣，在大面積部件上經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行小面積裝置集成難以行得通。
這些新裝置與硅的集成過程中的一個主要障礙為材料及幾何的不相容性。這些裝置需要在硅上以大間距陣列方式進(jìn)行集成，且性能下降最低，不會影響下邊的硅電路。過去幾年，已研制了許多在硅上集成這種化合物半導(dǎo)體裝置的部件組裝技術(shù)。這些包括混合倒裝式結(jié)合法或外延卸下法及其他直接結(jié)合法。雖然這些混合技術(shù)已取得顯著進(jìn)展，且?guī)讉€部件演示已顯示這些技術(shù)的可行性，這些方法仍不能解決幾何不相容性問題。即，當(dāng)在硅板上偶聯(lián)時，在母基質(zhì)中制備的專門裝置的空間必須保留。
現(xiàn)有技術(shù)中沒有一種集成技術(shù)能夠產(chǎn)生在大面積分布裝置的間距陣列。這樣使得采用經(jīng)濟(jì)手段從微尺寸裝置集成得到大面積部件難以實(shí)現(xiàn)。為解決這一問題，電子工業(yè)使用一種封裝技術(shù)的系統(tǒng)。但是，當(dāng)以相對小的間距在大面積范圍要求一種普通的裝置陣列，這一問題仍未解決。通過與所顯示互補(bǔ)機(jī)制相關(guān)的高成本，這一問題可能最明顯，硅活性基質(zhì)由需要分布在大面積的小晶體管組成。這樣，現(xiàn)有微處理技術(shù)限制裝置為小面積部件，且裝置密集陣列集成。但是，有許多可能來自于在大面積較大間距集成的專門裝置。
用于消除幾何極限的一種可能的方法為進(jìn)一步開發(fā)半導(dǎo)體基質(zhì)材料，使其缺陷密度達(dá)到硅的缺陷密度。這是一個長期且昂貴的工藝，要求逐漸取得進(jìn)展。第二種可能的方法為開發(fā)特種機(jī)器人，該機(jī)器人能操作微米和亞微米裝置，且能將它們結(jié)合至適宜地方。這也似乎不實(shí)際，因?yàn)榻Y(jié)合過程將保持按照次序，其中一個裝置可能在另一個之后結(jié)合，這需要不切實(shí)際的處理次數(shù)。在任何情況中，這些方法可能限于10cm量級的主板尺寸。
對于存儲器，數(shù)據(jù)處理引擎與存儲數(shù)據(jù)和程序命令的存儲器在實(shí)體上和概念上相分離。當(dāng)處理器速度隨著時間而增加時，就不斷需要更大的存儲器和更快的存儲速度。在處理器速度上的最近發(fā)展使得訪問存儲器成為系統(tǒng)的瓶頸。由于在獲得指令或數(shù)據(jù)中可能引起明顯的存儲器等待時間，結(jié)果造成消耗寶貴的處理時間，因此這種限制是關(guān)鍵的。
多種方法用于解決這些問題。通常，該解決方案包括利用多種類型具有不同屬性的存儲器。例如，一般利用相對少量的快速的，并且一般較昂貴的存儲器直接與處理器單元連接，并且一般稱為高速緩沖存儲器。另外，較大容量，但是通常較慢，如DRAM或SRAM這樣的存儲器與CPU(中央處理單元)相連。該中介存儲器對于小量的當(dāng)前應(yīng)用來說通常足夠大，但是不大到足以容納所有系統(tǒng)程序和數(shù)據(jù)。大容量存儲器通常非常大，但是相對便宜并且相對較慢。盡管人們不斷地在所有類型的存儲器的尺寸和速度上進(jìn)行改進(jìn)，并通常降低每位存儲空間的成本，但是特別是對更快的處理器來說仍然存在實(shí)質(zhì)性的需要。
在近20年來，大多數(shù)大容量存儲器利用旋轉(zhuǎn)存儲介質(zhì)。磁性介質(zhì)已經(jīng)用于“軟”盤和“硬”盤。信息是通過對該磁盤上的特定物理位置進(jìn)行磁化或去磁而存儲的。一般來說，磁性介質(zhì)是“讀-寫”存儲器其中該存儲器可以由系統(tǒng)寫入和讀出。通過把讀寫頭置于靠近該磁盤表面可一在該磁盤上寫入或讀出數(shù)據(jù)。
一種最近開發(fā)的旋轉(zhuǎn)大容量存儲介質(zhì)是光介質(zhì)。光盤是只讀存儲器，它通過在盤的表面上的物理變形來存儲數(shù)據(jù)。該信息通過利用聚焦激光束來讀取，其中在該盤上的反射特性的改變表示該數(shù)據(jù)狀態(tài)。在光學(xué)領(lǐng)域中也有各種在讀寫數(shù)據(jù)時使用磁光性的光學(xué)存儲器。這些磁盤為只讀光盤、只寫一次可讀多次(“WORM”)驅(qū)動器，和多次讀寫存儲器。一般，與磁介質(zhì)相比，光學(xué)介質(zhì)被證實(shí)具有較大的存儲容量，但每比特的成本較高，且寫能力有限。
已有幾種使用聚合物作為電子基的分子存儲器的方案。例如，Hopfield，J.J.，Onuchic，J.N.ji及Beratan，D.N.，“一種分子漂移寄存器”，科學(xué)，241，817頁，1988年公開了一種帶有電荷轉(zhuǎn)換基團(tuán)的聚合物基漂移寄存存儲器。其他研究者已提出一種電子基DNA存儲器(參見Robinson等，“一種生物芯片的設(shè)計(jì)一種自組裝分子水平存儲裝置”，蛋白質(zhì)工程，1295-300(1987))。在此情況下，帶有電子傳導(dǎo)聚合物的DNA用作一種分子存儲裝置。對于這些分子電子存儲器的原理不提供一種可行的機(jī)制用于輸入數(shù)據(jù)(寫)和輸出數(shù)據(jù)(讀)。
分子電子存儲的實(shí)際結(jié)果特別令人失望。當(dāng)提出方案時，進(jìn)行最小存在論證，一般這些系統(tǒng)還未轉(zhuǎn)換成商品。進(jìn)一步地，上述該系統(tǒng)的特別不足之處為用于大多數(shù)系統(tǒng)時，一種典型的序列存儲器比一種隨機(jī)達(dá)到存儲器要慢得多。
上述的光學(xué)存儲器存在特殊問題，要求所用的光學(xué)系統(tǒng)限制衍射。這樣對一種數(shù)據(jù)比特的最小尺寸強(qiáng)使尺寸限制，從而限制存儲密度。這是在一個給定物理存儲位置存儲單一比特?cái)?shù)據(jù)的一種系統(tǒng)的先天局限性。
進(jìn)一步地，在上述所有光學(xué)存儲系統(tǒng)中，信息按一個一個比特進(jìn)行存儲，這樣通過達(dá)到存儲器中的一個給定物理位置得到單一比特的數(shù)據(jù)。盡管字長存儲器存取系統(tǒng)確實(shí)存在，但是一般它們僅在一個給定位置存儲單一比特的信息，這樣不管是采取比特方式或者字長方式，都要求大量等量的物理存儲空間。
當(dāng)系統(tǒng)的速度和存儲密度增加時，每比特的成本下降，目前，在處理器速度與系統(tǒng)要求之間還有一個明顯的差別。一般參見，“新的存儲構(gòu)造以便改善性能”，Tom R.Halfhill，Byte，1993年7月，86頁和87頁。一般存儲器速度越快，每比特越密且便宜，雖然如此，對于能滿足現(xiàn)代處理器系統(tǒng)速度的要求的大容量存儲器的特別關(guān)鍵需要目前沒有取得完全令人滿意的解決方法。目前存在的實(shí)例的本質(zhì)缺陷不能通過那些系統(tǒng)的發(fā)展來克服。
雖然對本領(lǐng)域的新的裝置和改進(jìn)的裝置有清醒的要求，但是，以前一直沒有取得最佳答案。
發(fā)明摘要通訊、信息處理及數(shù)據(jù)存儲都日漸依賴于小而快的光電裝置的高度集成陣列。當(dāng)裝置尺寸下降且陣列尺寸增加時，傳統(tǒng)的集成技術(shù)將變得更加費(fèi)用高昂。光電裝置的尺寸允許采用分子生物工程進(jìn)行光電陣列部件的集成和制造。本發(fā)明涉及使用可編程功能化自組裝核酸、核酸修飾結(jié)構(gòu)，及其他選擇性親和或結(jié)合部分作為結(jié)構(gòu)單元的方法學(xué)和技術(shù)，用于(1)產(chǎn)生分子光電機(jī)理；(2)納米結(jié)構(gòu)、亞微米及微米尺寸部件在硅或其他材料上組織、組裝及相互連接；(3)納米結(jié)構(gòu)、亞微米及微米尺寸部件在微電子或光電部件及裝置的周邊內(nèi)組織、裝配及相互連接；(4)光電構(gòu)造、裝置及體系的產(chǎn)生、排列和制造；(5)開發(fā)一種高比特密度(大字節(jié))三維及四維光學(xué)數(shù)據(jù)存儲材料及裝置；(6)開發(fā)文件或商品信息的鑒定、防偽及編碼的低密度光學(xué)存儲。本發(fā)明也涉及相關(guān)微電子和光電子裝置、系統(tǒng)及制造平臺，在裝置自身或其他基質(zhì)材料上的所選位置提供電場傳輸及選擇性定址自組裝納米結(jié)構(gòu)、亞微米及微米尺寸部件。
功能化核酸基聚合物(如DNA、RNA、肽核酸、甲基膦酸酯)組成一種載體以組裝許多光電裝置及系統(tǒng)，使用DNA的堿基對編碼性能允許形成特異互補(bǔ)的雙螺旋DNA結(jié)構(gòu)。DNA的這一獨(dú)特性能提供一種可編程識別碼(借助于DNA序列)，用于納米結(jié)構(gòu)的特別放置及排列。
在優(yōu)選實(shí)施方案中，光裝置被排列的方法，包括用特別的DNA序列對其進(jìn)行第一涂覆。需要附著該裝置的母體基片上的區(qū)域用特異的互補(bǔ)DNA序列涂覆。該基片和DNA涂覆的裝置被放進(jìn)一種溶液中，且在互補(bǔ)DNA鏈之間發(fā)生雜交。雜交作用可有效地將該裝置結(jié)合進(jìn)該基片上的合適接受位置。
更廣泛地，在這方面，該發(fā)明涉及一種制造微尺寸和納米尺寸裝置的方法，包括以下步驟在第一支承體上制造第一構(gòu)成裝置，至少從該第一支承體釋放一個第一部件，將該第一部件傳送至一個第二支承體，且將該第一部件附加至該第二支承體。
這些技術(shù)的某些潛在應(yīng)用為(1)在大表面上制備光輻射陣列；(2)兩維或三維光結(jié)晶構(gòu)造的組裝；(3)各種雜交集成部件的制備，包括平板顯示、醫(yī)學(xué)診斷裝置和數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。
由于光子學(xué)在信息處理、通訊和存儲系統(tǒng)中起著越來越大的作用，它將提供更快、更小、更有效、功能可塑的廉價集成系統(tǒng)。包括納米結(jié)構(gòu)制造，集成和自組裝技術(shù)的新的制造技術(shù)被采用。當(dāng)裝置尺寸縮至亞微米水平時，使用該發(fā)明概念，分子生物工程概念及原理作為集成光電裝置的制造技術(shù)變得越來越重要。
本發(fā)明涉及包括合成DNA聚合物的納米結(jié)構(gòu)，亞微米和微米尺寸結(jié)構(gòu)。這包括用小的發(fā)光團(tuán)分子修飾的DNA，至用DNA序列修飾的大結(jié)構(gòu)(例如微米尺寸)。合成DNA聚合物能設(shè)計(jì)成具有高度特異的親和力。當(dāng)共價結(jié)合至納米尺寸的有機(jī)和金屬結(jié)構(gòu)或微米尺寸半導(dǎo)體部件時，DNA聚合物能提供一種自組裝制備機(jī)制。該機(jī)制能用于將該裝置選擇性結(jié)合至所期望的表面上特定的預(yù)選位置，并將該裝置聚集成預(yù)選的2維或3維點(diǎn)陣。對于光電裝置組件裝置結(jié)合進(jìn)母體基片，首先合成具有互補(bǔ)序列的DNA聚合物。光構(gòu)成裝置和母體基片的期望區(qū)域(接受體區(qū)域)涂覆有該互補(bǔ)DNA序列。然后，將母體基片引入至一種溶液中。
本發(fā)明的一個方面，用于制備納米級和微米級結(jié)構(gòu)的一種方法包括以下步驟提供一種具有多重親和力表面識別的結(jié)構(gòu)，將該結(jié)構(gòu)在一個電場中定向，并將定向的結(jié)構(gòu)與親和點(diǎn)進(jìn)行反應(yīng)。
本發(fā)明的另一方面，提供了一種多重識別基片材料的方法，包括以下步驟在一種支承體上的多點(diǎn)處提供一種第一親和序列，提供一種功能化的第二親和序列，該序列與第一親和序列反應(yīng)，且具有一種未雜交的懸垂序列，將第一親和序列與第二親和序列進(jìn)行選擇性交聯(lián)。
本發(fā)明的另一方面，提供一種組裝生色團(tuán)結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟選擇性輻射一個可光激活區(qū)域，從而產(chǎn)生一個對應(yīng)于該區(qū)域的一個電場，在含有該電場的溶液中提供一種充電反應(yīng)物，并重復(fù)該選擇性輻射以系列化組裝該生色團(tuán)結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的一個目的在于通過開發(fā)可編程自組裝分子構(gòu)造單元使得納米技術(shù)和自組裝技術(shù)成為可能。
附圖簡要說明圖1顯示DNA結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的物理尺寸。
圖2為自組裝工藝的流程圖。
圖3.a為在母體基片上制成密陣列光裝置的再分布，而沒有母基質(zhì)的布置約束的裝置和方法的透視圖。
圖3.b為由DNA輔助自組裝而形成的合成光結(jié)晶的納米球群的透視圖。
圖4顯示將DNA附加至硅上的附加機(jī)制的截面圖。
圖5顯示用于自組裝的光裝置制備步驟。
圖6顯示將熒光DNA序列選擇性結(jié)合至硅VLSI(超大規(guī)模集成電路)芯片上的鋁墊的平面圖。
圖7為一種紫外線寫/成像至硅/二氧化硅/鋁上的DNA單層的平面圖。
圖8為寫進(jìn)DNA光存儲器材料(10微米分辨率)的一種紫外線成像蓋的平面圖。
圖9為制備多寫材料的一種裝置和方法的截面圖。
圖10為制備DNA寫材料工藝的一個步驟的截面圖。
圖11為制備DNA寫材料工藝的一個步驟的截面圖。
圖12為制備DNA寫材料工藝的一個步驟的截面圖。
圖13為制備DNA寫材料工藝的一個步驟的截面圖。
圖14為制備DNA寫材料工藝的一個步驟的截面圖。
圖15為制備DNA寫材料工藝的一個步驟的截面圖。
圖16為制備DNA寫材料工藝的一個步驟的截面圖。
圖17為制備DNA寫材料工藝的一個步驟的截面圖。
圖18為制備DNA寫材料工藝的一個步驟的截面圖。
圖19為制備DNA寫材料工藝的一個步驟的截面圖。
圖20為制備DNA寫材料工藝的一個步驟的截面圖。
圖21為制備DNA寫材料工藝的一個步驟的截面圖。
圖22為制備DNA寫材料工藝的一個步驟的截面圖。
圖22為制備DNA寫材料工藝的一個步驟的截面圖。
圖23為捕獲DNA結(jié)合至APS-反應(yīng)基質(zhì)后的背景熒光水平的平面圖像。
圖24.a為一種與APS和捕獲DNA反應(yīng)，然后與遍布整個芯片表面的Bodipy Texas紅色標(biāo)記互補(bǔ)探針序列雜交的芯片平面圖像。
圖24.b為雜交作用后的芯片表面的平面圖，一種熒光Bodipy Texas紅色標(biāo)記互補(bǔ)探針雜交作用至該芯片表面右側(cè)的非補(bǔ)骨脂素(non oralen)交聯(lián)標(biāo)識。
圖25.a為雜交作用后的芯片表面的平面圖，一種熒光Bodipy Texas橙色(b)標(biāo)記互補(bǔ)探針雜交至該芯片表面左側(cè)的序列標(biāo)識。
圖25.b為交聯(lián)(B)和非交聯(lián)(A)側(cè)與相應(yīng)的熒光標(biāo)記互補(bǔ)DNA(A)和(B)探針雜交后的芯片平面圖。
圖26.a為電子束縛于一種DNA聚合物層的160納米珠(白色球狀特征)的平面圖，該聚合物層共軛束縛于一種具有部分特證的二氧化硅衍生化表面，帶有10平方微米的黑色特征，其中DNA場已被紫外線去活性，納米球不被束縛于這些區(qū)域。
圖26.b為與160納米珠(白色球狀特征)構(gòu)造的一種晶格圖像的平面圖，其中，納米球被電子束縛于一種DNA聚合物層，該聚合物層共軛束縛于一種具有部分特征的二氧化硅衍生化表面，黑色區(qū)域顯示DNA場被紫外線去活性，納米球不被束縛于這些區(qū)域。
圖27為形成熒光標(biāo)記序列的一種裝置和方法的截面圖。
圖28為提供多色圖像的一種裝置和方法的截面圖。
圖29為一種倒裝式結(jié)合束縛排列的透視圖，該排列保存幾何尺寸，導(dǎo)致特別裝置的小的致密陣列偶聯(lián)至母板的局部區(qū)域。
圖30顯示從小的致密芯片到較少致密母板的小的致密結(jié)構(gòu)的球形分布的透視圖。
圖31顯示一種使用一種選擇性膠質(zhì)的微米或納米結(jié)構(gòu)自組裝構(gòu)造的截面圖，其中給定類型特殊裝置配有一種特定的DNA聚合物膠質(zhì)，這些裝置必須附加的區(qū)域涂覆有互補(bǔ)DNA膠質(zhì)。
圖32為DNA在特別衍生化微電極表面上進(jìn)行選擇性電場沉積的截面圖。
圖33為通過在互補(bǔ)DNA螺旋之間進(jìn)行選擇性雜交作用，將一種微米或納米結(jié)構(gòu)偶聯(lián)至其本體母板基質(zhì)的截面圖。
圖34為通過一種DNA束縛(左手側(cè))和通過高溫循環(huán)(右手側(cè))后的一種冶金接觸支承的納米結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖35為通過物理掩蔽和電荷定向進(jìn)行雜交之前，用于專門裝置定位的一種裝置的截面圖。
圖36顯示形成納米裝置的結(jié)構(gòu)，通過使用3維DNA納米結(jié)構(gòu)技術(shù)(頂部)提供一種八面體，納米球排列成點(diǎn)陣構(gòu)造并束縛至表面上以產(chǎn)生一種3維裝置(較低)。
圖37顯示裝置的電場定位的工藝步驟。
圖38顯示電場定位工藝的進(jìn)一步步驟。
圖39顯示在微電子陣列裝置上納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換及組裝的透視圖。
圖40顯示圖39的更大周邊范圍。
圖41顯示一種8x8陣列圖像。
圖42顯示用于在一種基質(zhì)或母板上的較大尺寸裝置的附加和定位的裝置。
圖43顯示用于制備納米結(jié)構(gòu)的一種裝置。
圖44顯示一種用于納米級裝置的納米制備的一種裝置。
圖45為DNA光學(xué)存儲系統(tǒng)的透視圖。
圖46.a-f顯示一種空間光尋址工藝步驟。
DNA結(jié)構(gòu)、性能及合成的重要內(nèi)容合成的DNA具有許多重要性能，使其成為這些發(fā)明應(yīng)用的一種有用材料。所有DNA分子的最重要性能為分子識別性能(借助于堿基對)和自組裝性能(借助于雜交作用)。其他重要優(yōu)點(diǎn)包括方便合成DNA的能力。且能用各種不同的官能團(tuán)修飾其結(jié)構(gòu)。我們已經(jīng)深入研究了用各種不同供體和受體生色團(tuán)功能化的合成DNA在自組裝安排中的光電能量轉(zhuǎn)換機(jī)制。我們特別注意了涉及通訊和在這些分子結(jié)構(gòu)中輸入和取出信息的基本問題。這些基礎(chǔ)工作已用于高密光學(xué)存儲材料的潛在應(yīng)用，它們被設(shè)計(jì)成在一個單波長處吸收能量并在預(yù)定多波長處再次激發(fā)?，F(xiàn)在，我們在硅表面上使用DNA聚合物作為微米及亞微米結(jié)構(gòu)的兩維及三維組織。這項(xiàng)工作已被定位于開發(fā)最新光電裝置。
DNA分子對本發(fā)明和提議中的應(yīng)用很重要，這是由于其特有的可編程和自組裝性能。設(shè)計(jì)、合成、及組織這些系統(tǒng)要求進(jìn)行納米級的控制，幾乎沒有其它合成聚合物能滿足這一要求。此外，DNA分子相對穩(wěn)定且具有許多其它特性，使之能作為優(yōu)選的納米制造中的材料。
用于DNA及其它核酸類聚合物的下列技術(shù)來自于在合成核酸化學(xué)領(lǐng)域過去十五年作出的巨大努力。分子生物學(xué)家已經(jīng)在診斷、基因測序和藥物開發(fā)方面的研究中改進(jìn)了技術(shù)和DNA材料。用于有效合成DNA及其修飾、使用配體和生色團(tuán)的標(biāo)記，以及與固態(tài)支承體的共價連接的基礎(chǔ)化學(xué)現(xiàn)已成為發(fā)展完善的技術(shù)。合成DNA表示優(yōu)選材料，許多重要結(jié)構(gòu)、官能團(tuán)及機(jī)械性能可結(jié)合進(jìn)該優(yōu)選材料中。
與目前用于光電應(yīng)用的任何聚合物材料相比，DNA聚合物具有三個重要優(yōu)點(diǎn)。首先，DNA聚合物提供了一種在半導(dǎo)體或光子表面上編碼特有的高度特異性結(jié)合位點(diǎn)的方式。在特定位置產(chǎn)生的這些位點(diǎn)可以是微米級、亞微米級或甚至是分子尺寸(納米級)的。其次，DNA聚合物提供了一種專門連接這些位置中任何位置的方法。編程的DNA聚合物能夠自動進(jìn)行自行排列。最后，DNA聚合物為納米技術(shù)提供了組合單元；它們是生成真正分子水平光電裝置的自組織材料。
DNA的特異性是其基本組成(腺嘌呤僅與胸腺嘧啶結(jié)合，鳥嘌呤僅與胞嘧啶結(jié)合)的氫鍵所固有的。DNA的這些特異堿基配對性能使DNA互補(bǔ)鏈之間“雜交”在一起形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，正是這一固有的特性使DNA能夠用來形成可編程自組裝結(jié)構(gòu)。這樣，當(dāng)一個特異的DNA聚合物序列結(jié)合到光子裝置上時，它就只能與涂有互補(bǔ)DNA聚合物序列的裝置或表面相結(jié)合。由于可以采用各種各樣的DNA序列，故在原則上可以同時自組裝多個裝置，每個裝置與不同的DNA序列結(jié)合。下面列出了使用DNA聚合物進(jìn)行自組裝納米制備應(yīng)用的重要優(yōu)點(diǎn)1．DNA聚合物可以采用自動化儀器快速而有效地合成。傳統(tǒng)的聚合物化學(xué)顯然更復(fù)雜，且開發(fā)成本高。
2．合成DNA聚合物的長度從2到150個核苷酸，這是用于自組裝單元的合適的尺寸范圍(1nm到60nm)。
3．合成DNA聚合物可具有任何所需的堿基對序列，因而可對幾乎無數(shù)個連接提供可編程識別。
4．DNA聚合物具有少到10個核苷酸的獨(dú)特序列，該序列對其互補(bǔ)序列具有高度的特異性且只與其互補(bǔ)序列結(jié)合。這樣，DNA聚合物就允許分子單元間有小到3.4納米的特異性連接。
5．DNA聚合物可以通過共價鍵用熒光團(tuán)、生色團(tuán)、親和標(biāo)記物、金屬螯合物、化學(xué)反應(yīng)性基團(tuán)或酶進(jìn)行標(biāo)記。這可以將重要的光電特性直接結(jié)合進(jìn)DNA聚合物中。
6．DNA聚合物可以在序列中的任何位置、或者在單個核苷酸單元中的幾個位置進(jìn)行修飾，這就提供了一種獲得最大效率的功能團(tuán)定位方式。
7．DNA聚合物可以通過共價鍵或非共價鍵結(jié)合到固體表面上玻璃、金屬、硅、有機(jī)聚合物和生物大分子。這些附著化學(xué)已存在，且是容易開發(fā)的。
8．DNA聚合物本身的主鏈結(jié)構(gòu)可進(jìn)行高度修飾以產(chǎn)生不同的性能。這樣，就與已有的半導(dǎo)體和光子基質(zhì)材料相互兼容。
9．修飾的DNA聚合物可用來形成三維結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致超高密度的次級儲存技術(shù)。
10．DNA聚合物可以通過冷卻和加熱可逆進(jìn)行組裝和解散，或修飾以保持其組裝狀態(tài)。這是用于自組裝材料的一個典型特征，因?yàn)樵谥苽渌孟到y(tǒng)中允許多向選擇。
11．DNA聚合物的結(jié)構(gòu)和組織(一般為核酸)已被人們完全了解，且可通過簡單的計(jì)算機(jī)程序方便地控制。所以，能夠設(shè)計(jì)更復(fù)雜的光電分子裝置。
發(fā)明詳述本發(fā)明涉及使用自組裝DNA聚合物、修飾的DNA聚合物、DNA衍生化結(jié)構(gòu)和其它親和鍵合物質(zhì)進(jìn)行光電機(jī)制、裝置和系統(tǒng)的納米制備和微米制備的方法學(xué)、技術(shù)和裝置。本發(fā)明還涉及允許多形式和多步驟的制備工藝，修飾DNA聚合物的組織或組裝，DNA衍生結(jié)構(gòu)，和其它類型的親和力或結(jié)合進(jìn)在硅或其它表面上或表面內(nèi)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的充電構(gòu)造。
本發(fā)明中的“DNA聚合物”廣泛定義作核酸的聚合物或寡聚物形式(線性或三維)，包括脫氧核糖核酸、核糖核酸(合成或天然)、肽核酸(PNA)、甲基膦酸酯；以及其它形式的DNA，其主鏈結(jié)構(gòu)已被修飾，產(chǎn)生負(fù)的、正的或中性種類，或除天然磷酸酯以外的連接。還包括DNA的各種形式，其中，糖或堿部分已被修飾或取代；DNA的聚合物形式，核苷酸或多核苷酸單元與其它單元散置，其它單元包括但不限于磷酸酯間隔部分、氨基酸、肽、多糖、合成有機(jī)聚合物、硅或無機(jī)聚合物、導(dǎo)電聚合物、生色聚合物以及納米粒子或納米結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的“修飾的或衍生的DNA聚合物”廣泛定義為用化學(xué)或生物部分(如胺、硫醇、醛、羧基、活性酯、生物素和半抗原)作功能團(tuán)的核酸，允許DNA通過共價鍵或非共價鍵結(jié)合至其它分子、結(jié)構(gòu)或材料。也包括已被下列基團(tuán)修飾或衍生的DNA的形式，這些基團(tuán)為生色團(tuán)、熒光團(tuán)、螯合物、金屬離子、氨基酸、肽、蛋白質(zhì)、酶、抗體，或改變?nèi)芙舛鹊闹净蚍枷悴糠郑淖僁NA分子凈電荷的部分。
本發(fā)明的“DNA衍生結(jié)構(gòu)”廣泛定義為納米結(jié)構(gòu)(有機(jī)、無機(jī)、生物)；納米粒子(金、硅膠、以及其它無機(jī)材料)；有機(jī)或聚合物納米珠(或納米球)；亞微米裝置、部件、粒子(通過光刻技術(shù)或電子束蝕刻技術(shù)生成的硅基裝置)；微米級裝置或用特定DNA序列做官能團(tuán)的粒子，允許該結(jié)構(gòu)特異地附加于或相互連接至另一結(jié)構(gòu)、裝置，或一種表面的特定位置。
當(dāng)“納米結(jié)構(gòu)”指亞微米尺寸結(jié)構(gòu)時，術(shù)語，如“納”或“微”不限于能用技術(shù)上具有10-180納米長度的DNA聚合物做官能團(tuán)的微米級裝置這個意義上。
DNA的獨(dú)特性能提供一種可編程識別碼(借助于DNA堿基序列)，能用作亞微米和納米結(jié)構(gòu)的特別布局。要求將特定DNA序列結(jié)合至有機(jī)、半導(dǎo)體、以及金屬化合物的基本化學(xué)和技術(shù)對于本領(lǐng)域和完成這種應(yīng)用的化學(xué)家都是已知的。
在優(yōu)選實(shí)施方案中，光電裝置排列并固定于基體表面的工藝包括首先用特異DNA聚合物序列涂敷在基體表面，然后在希望結(jié)合特定裝置的主體基體表面涂敷特異互補(bǔ)性DNA聚合物。該基體還要浸泡在含DNA包覆的裝置的溶液中，這樣就能發(fā)生互補(bǔ)DNA鏈之間的雜交。這一雜交過程使該裝置有效地結(jié)合至基體表面上合適的受體位置。這種自組裝制備工藝能用于，例如(1)在較大表面區(qū)域制備光輻射陣列，(2)制備兩維或三維光帶隙晶體結(jié)構(gòu)。
這種制備技術(shù)主要應(yīng)用于光電領(lǐng)域及制備各種雜種-集成部件中，包括平盤顯示器、醫(yī)藥診斷裝置和數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。具有很小物理尺寸的新型裝置利用各種量子界限技術(shù)。在大多數(shù)情況下，這些裝置優(yōu)選分布于較大區(qū)域(如精細(xì)像素)。其它裝置可能在密的規(guī)則晶體點(diǎn)陣聚集(如光帶隙晶體)。在兩種情況下，裝置的物理學(xué)可被理解，且需要這些發(fā)明的可行的制備技術(shù)。對于新的工藝技術(shù)，DNA自組裝技術(shù)允許構(gòu)造這些裝置。
集成光電系統(tǒng)使用本發(fā)明的制備技術(shù)，包括納米結(jié)構(gòu)制備、集成、相互連接和自組裝技術(shù)。對于這種應(yīng)用，DNA自組裝制備技術(shù)涉及以下步驟。合成DNA聚合物被設(shè)計(jì)成具有高度特異親和力。當(dāng)共價連接至納米級有機(jī)、金屬或半導(dǎo)體構(gòu)成裝置時，DNA聚合物提供一種自組裝制備機(jī)制。這種機(jī)制能將裝置選擇性連接至一個期望表面的預(yù)編程位置，也能將裝置集束至預(yù)編程的兩維和三維點(diǎn)陣。
為將光子構(gòu)成裝置排列至一種本體基質(zhì)上，首先合成帶有互補(bǔ)序列的DNA聚合物，如圖2所示。該光子構(gòu)成裝置和本體基質(zhì)的期望區(qū)域(受體區(qū)域)涂覆有互補(bǔ)DNA序列。然后將本體基質(zhì)引入一種雜交溶液。從母基質(zhì)也釋放涂覆有特定DNA聚合物的裝置至該溶液中。在電子或光子誘導(dǎo)局部場(電泳)的影響下，該釋放裝置能被主動傳送至其受體區(qū)域。通過仔細(xì)控制溶液的溫度、離子強(qiáng)度、或電場強(qiáng)度來完成雜交作用。一旦該裝置通過雜交作用結(jié)合至其特定受體區(qū)域，就除去溶液并使基質(zhì)干燥。在較高溫度下能完成金相(共晶)結(jié)合，以便將裝置完全結(jié)合至本體基質(zhì)材料。以相似的方式能使亞微米和納米級元件集束成兩維或三維結(jié)構(gòu)(如光子帶隙晶體)。在此情況下，本體基質(zhì)被其它納米級元件所取代。但是，其主要差別是用于在納米級元件上定位不同的DNA螺旋的連接技術(shù)。
基于DNA聚合物的自組裝制備技術(shù)具有兩個獨(dú)特的特征。首先，通過取消在裝置結(jié)合(雜交)工藝過程中，保持相對裝置間隔(由母基質(zhì)定義)的要求，該技術(shù)能在母基質(zhì)上密集制備微米、亞微米或納米級裝置，然后在本體基質(zhì)上以預(yù)編程方式進(jìn)行再分布(圖3.a)。
這種特征對大芯片內(nèi)的芯片內(nèi)光學(xué)相互連接的可行性具有極度的沖擊。它降低了光電裝置必須在更昂貴的較小基體上制備的精細(xì)像素的硅成本。第二個特征是能控制并使許多納米級裝置彼此定位(如有機(jī)或金屬納米球)。這一特征允許帶有大晶格常數(shù)并具有期望的定向?qū)ΨQ性的合成光子晶體的“增長”，表現(xiàn)為光子帶隙性能(圖3.b)。
因此，DNA聚合物的高度特異結(jié)合親和力和自組裝導(dǎo)致(1) 通過在硅或其它基體較大區(qū)域自組裝并集成光電微米或納米裝置，降低精細(xì)像素裝置的成本，即在硅基體上一種光輻射排列的自組裝，(2) 通過自組裝介電納結(jié)構(gòu)以形成光帶隙晶體得到高度選擇性波長和可調(diào)裝置，即DNA納米球的自組裝所產(chǎn)生的光子帶隙晶體層內(nèi)輻射裝置的密封，(3) 通過選擇性自定位生色團(tuán)分子和納米結(jié)構(gòu)單元得到超高密度光存儲介質(zhì)，(4) 結(jié)合結(jié)構(gòu)的選擇性定位，如金、錫或如結(jié)合填料的焊接結(jié)構(gòu)，例如，為達(dá)到低成本或獨(dú)立的模具對模具工藝，如用于倒裝式結(jié)合法應(yīng)用。
在優(yōu)選實(shí)施方案中，這些應(yīng)用在工藝上要求四個步驟。第一步涉及DNA聚合物序列的設(shè)計(jì)和合成，及其選擇性連接至感興趣的亞微米和納米級裝置。第二，特定的互補(bǔ)DNA聚合物連接至本體基質(zhì)表面上的預(yù)選擇受體位置。第三，通過DNA雜交工藝的裝置的自組裝。第四步工藝涉及建立電接觸。
本發(fā)明以協(xié)同方式將分子生物學(xué)(DNA結(jié)構(gòu)和功能)和光電裝置原理結(jié)合在一起。就光子裝置而言，帶有很小物理尺寸的嶄新裝置利用各種量子界限技術(shù)。在大多數(shù)情況下，這些裝置不許分布在大區(qū)域(如精細(xì)像素)。其它情況下，這些裝置必須密集以形成規(guī)則晶體點(diǎn)陣(如光子帶隙晶體)。關(guān)于工藝技術(shù)，自組裝DNA技術(shù)及其完善開發(fā)的DNA合成、修飾、以及雜交作用對于這些應(yīng)用是一種有效的技術(shù)。借助于各種選擇性連接DNA至硅、金、鋁和其它無機(jī)和有機(jī)材料的方法可使DNA與固態(tài)支承體和各種其它材料進(jìn)行連接。許多薄膜工藝技術(shù)與這些DNA工藝高度互補(bǔ)。例如，以下將詳述，卸下工藝能方便地適用于生產(chǎn)帶有DNA序列的微米和亞微米裝置。
DNA基構(gòu)成裝置自組裝的關(guān)鍵工藝四種技術(shù)對于DNA基構(gòu)成裝置自組裝工藝非常重要。它們是，DNA聚合物合成，DNA附著化學(xué)，DNA選擇性雜交作用，以及半導(dǎo)體薄膜和裝置的外延卸下。在以下部分，我們將給出這些技術(shù)的概要。
DNA合成及其衍生化以下述優(yōu)選方式可完成DNA聚合物或寡聚物的合成、純化、用合適的附著及生色基團(tuán)衍生等任務(wù)DNA序列的合成采用自動DNA合成器和氨基膦酸酯(phosphoramidite)化學(xué)步驟及試劑，以及公知步驟。在化學(xué)鍵接點(diǎn)，DNA聚合物(多核苷酸、寡聚核苷酸、寡聚物)能有伯氨基，用于次一級的附著或功能化反應(yīng)。根據(jù)特定序列的要求，這些伯氨基能在DNA結(jié)構(gòu)的精確位置結(jié)合。附著序列也能含有一種終止核糖核苷酸基團(tuán)，用于次一級表面偶聯(lián)反應(yīng)。序列，包括氨基修飾寡聚物，能用制備式凝膠電泳(PAGE)或高壓液相色譜進(jìn)行純化處理。帶有終止氨基基團(tuán)的附著序列能設(shè)計(jì)成共價鍵，連接至有金屬化特征的金、銀或鋁，或連接至有二氧化硅存在的小區(qū)域。用一種稱作琥珀酰亞氨基3-(2-吡啶聯(lián)硫基)丙酸鹽(SPDP)能衍生化這些序列。這種特定的試劑產(chǎn)生一個帶有一種能用作次一級的附著至金屬表面的終止硫氫基的序列。借助于Schiff堿反應(yīng)，含有一種終止核糖核苷酸基團(tuán)的其它附著序列能轉(zhuǎn)換成二醛衍生物。然后這些附著序列可被偶聯(lián)至氨基丙基化的二氧化硅表面上。設(shè)計(jì)成用于光電轉(zhuǎn)換響應(yīng)的特別序列能用合適的生色團(tuán)、熒光團(tuán)或電荷轉(zhuǎn)換基團(tuán)進(jìn)行功能化處理。許多這類基團(tuán)作為活性試劑，方便地與上述化學(xué)結(jié)合點(diǎn)偶聯(lián)，以形成穩(wěn)定的衍生物。
DNA附著于固態(tài)支承體上和本體基體材料的制備這一步驟涉及將附著序列共價結(jié)合于固態(tài)支承材料上。在DNA附著于固態(tài)材料的一般區(qū)域，序列已經(jīng)共價附著于許多材料上，包括(ⅰ)玻璃(SiO2)，(ⅱ)硅(Si)，(ⅲ)金屬(金、銀、鋁)，和(ⅳ)Langmuir-blodgett(LB)膜。按以下方式制備玻璃、硅和鋁結(jié)構(gòu)。首先用稀釋的氫氧化鈉溶液處理玻璃和二氧化硅(SiO2)，用稀釋的氫氟酸溶液處理鋁。然后用3-氨丙基三乙氧基甲硅烷(APS)進(jìn)行處理，使這些材料與附著序列共價偶聯(lián)。在10％的APS/甲苯溶液中對這些材料進(jìn)行回流處理2-5分鐘即可完成共價偶聯(lián)步驟。用APS處理之后，用甲苯清洗材料，然后用甲醇清洗，最終在100℃下干燥1小時。在0.1M的磷酸鈉緩沖液中(pH7.5)與特定的二醛衍生附著寡聚物(見圖4)反應(yīng)1-2小時可完成附著至APS衍生材料的步驟。此外，也能完成附著至金屬(金、銀、鋁)和有機(jī)特征物質(zhì)的步驟。
為了敘述發(fā)生特定裝置結(jié)合的區(qū)域，可能要完成互補(bǔ)DNA聚合物的選擇性附著步驟。通過使用DNA序列固有的選擇性、選擇性附著化學(xué)或通過直接電泳傳送，能實(shí)現(xiàn)該選擇性附著。或者在附著之后，通過紫外線輻射可破壞不需要區(qū)域的DNA螺旋。只有當(dāng)一組裝置需要自組裝時，這一方法才有用。終止步驟將正常操作，排除隨后的DNA附著工藝，且不允許幾個特定裝置組的自組裝。附著化學(xué)強(qiáng)烈依賴于DNA聚合物可能附著的材料。
例如，為了將DNA附著至涂覆有一種保護(hù)玻璃層的硅芯片上的鋁板上，通過將樣品短期浸入一種稀釋的緩沖HF溶液中，使鋁區(qū)域活化。這一過程的最終結(jié)果是，僅有極少幾個DNA螺旋附著在保護(hù)玻璃層上，而暴露的鋁板對DNA為高度反應(yīng)性的。這種材料選擇性是一種將DNA附著于所期望區(qū)域的方便而普通的方式。當(dāng)材料的選擇性與紫外線引導(dǎo)失活性和電泳傳送結(jié)合時，將允許循序重復(fù)完成附著工藝。
考慮幾類特定裝置的同時自組裝的工藝。受體板需要根據(jù)它們將要偶聯(lián)的裝置進(jìn)行分組。在此情況下，要求用一種特定的DNA序列進(jìn)行涂覆每個板組，該DNA序列與附著在鍵接其上的特定裝置的DNA序列互補(bǔ)。為了“預(yù)編程”該受體板，每個DNA序列循序附著于合適的板上。通過使用電泳傳送工藝和對DNA不期望附著的板施加一種負(fù)電荷都能簡單地達(dá)到這一目的。同時，施加一種正電荷能增強(qiáng)期望位置的附著效果。另外，一種光學(xué)誘導(dǎo)電場能用于將DNA螺旋遷移至所期望的位置。應(yīng)該指出的是，當(dāng)在本體基質(zhì)上僅有一類裝置要求自組裝時，單獨(dú)使用DNA附著化學(xué)的材料選擇性就足夠了。將在不期望發(fā)生DNA雜交作用的區(qū)域進(jìn)行紫外線輻射。
構(gòu)成裝置的制備和外延卸下自組裝工藝的另一個關(guān)鍵步驟是用于DNA附著的亞微米和微米級部件的制備，在附著工藝過程中的處理，雜交作用之前最終釋放至溶液中。外延卸下(ELO)工藝能改進(jìn)這一技術(shù)的這些方面。厚度范圍是20nm-10mm的外延膜已經(jīng)與其生長基體分開，且被加工及制作。例如，使用這一技術(shù)，?、?V半導(dǎo)體膜已被直接結(jié)合至外來的基體，如加工的硅晶片。卸下操作之前，能在仍位于其母基質(zhì)的膜上制備各種裝置。自組裝技術(shù)的第一步是制備將進(jìn)行結(jié)合的光子裝置。圖5描述了這一制備步驟的優(yōu)選工藝流程。ELO工藝所要求的一種犧牲層的母基質(zhì)上，以一種標(biāo)準(zhǔn)形式制備該光子裝置。然后在這些裝置上沉積一種合適的涂層。通過控制所沉積的材料相對于裝置材料的特性，可控制釋放至該鹽水溶液的裝置的特性。例如，通過控制涂層材料的性能，能控制該溶液中裝置的方向。ELO工藝之后，一種厚的聚合物膜被旋轉(zhuǎn)以提供對該裝置的一種物理支承。完成ELO工藝，該薄膜裝置與其母基質(zhì)分離。通過使用等離子體浸蝕，聚酰亞胺支承膜隱蔽在沒有裝置的區(qū)域。若需要，一種金屬層能被沉積以保證與光子裝置的良好電接觸。然后完成該DNA附著工藝，且一種特定的DNA序列共價連接至所有金屬表面上。通過用一種紫外線光輻射該前表面，該光子裝置用作自布線掩膜，使涂覆有DNA聚合物的聚酰亞胺暴露。在這些區(qū)域內(nèi)聚合物反應(yīng)形成一種不適于進(jìn)一步雜交的形式。通過使用一種溶劑，然后可除去該聚酰亞胺，且該裝置釋放至用于進(jìn)一步雜交過程的鹽水溶液。
選擇性DNA雜交技術(shù)一旦該主體基質(zhì)進(jìn)行預(yù)編程，且該裝置釋放至該溶液中，就會進(jìn)行自組裝過程。有兩種不同的雜交方法(1)傳統(tǒng)的雜交，(2)用電場進(jìn)行的主動雜交。
對于傳統(tǒng)的雜交過程，所有裝置可以同時釋放到溶液中。通過緩慢攪拌存在于適當(dāng)?shù)碾s交溫度和離子強(qiáng)度溶液中的裝置，隨著適當(dāng)?shù)难b置受體對開始接觸，就會發(fā)生互補(bǔ)DNA螺旋的雜交。所發(fā)生雜交的幾率可能直接與進(jìn)行接觸的適當(dāng)?shù)难b置主體對的幾率相關(guān)。由于該幾率的分布極可能是隨機(jī)的，故該過程可能要進(jìn)行較長的時間才能在大的表面上達(dá)到令人滿意的雜交產(chǎn)率，除非溶液是用該裝置飽和的。為了改善選擇性和排列精度，在雜交過程中可以采用幾個可控的加熱和冷卻循環(huán)。在加熱過程中，弱的雜交組分會解離，以便增加形成強(qiáng)鍵的機(jī)會。
對于主動或電雜交，采用母板本身或另一個電極陣列制備裝置來產(chǎn)生局部電場，這將在所選區(qū)域吸引和富集所選的組分裝置。對于該過程，母板或制備裝置具有可用作為電極的位點(diǎn)。在所選受體位點(diǎn)和輔助電極之間的溶液中施加一個電壓。受體位點(diǎn)的偏壓(+)與所選裝置的凈電荷(-)極性相反，故影響了這些裝置的電泳轉(zhuǎn)移和富集，因而增加了雜交和結(jié)合的速率。采用電子或光子尋址可以選擇性地開啟或關(guān)閉這些位點(diǎn)?？梢赃m當(dāng)?shù)念l率施加脈沖直流或偏置交流電場，以消除不想要的裝置類型的篩分效應(yīng)。
也可以保護(hù)的方式利用電場效應(yīng)。在此情況下，受體的偏壓(-)與裝置的凈電荷相同(-)。然后該裝置被這些區(qū)域推斥，而只與帶相反電荷(+)或中性的部位發(fā)生反應(yīng)或結(jié)合。主動電場轉(zhuǎn)移可用來進(jìn)行多形式和多步驟的構(gòu)成裝置的尋址，以及在母板排列上的任何位置的結(jié)構(gòu)。
在雜交作用中的另一個重要的考慮是在母基質(zhì)或本體基質(zhì)上的光子裝置的布線的精確性。假定圓柱式光子裝置的旋轉(zhuǎn)為恒定的。在此情況下，若該裝置和本體板的直徑為d，在干燥工藝之前，用天然雜交工藝首先可達(dá)到d/2的布線精確性。具有大于d/2偏離的偏離裝置在雜交工藝過程中將不能形成一種強(qiáng)鍵，在雜交工藝的加熱和冷卻循環(huán)中將不能保持在原位。當(dāng)使用主動電場雜交時，可能達(dá)到較好的布線精確性和定向效果。一旦從溶液中取去基片，干燥過程中增加的表面張力能進(jìn)一步改善其布線精確性。
金相結(jié)合雜交作用之后，通過形成具有很高鍵合強(qiáng)度的雙螺旋DNA結(jié)構(gòu)，特定裝置將置于其合適的位置。通過浸洗和之后的干燥工藝來清洗整個組裝。DNA鍵合強(qiáng)度保持于穩(wěn)定狀態(tài)，使裝置穩(wěn)定定位。但是，在該工藝過程中的這一點(diǎn)，本體基質(zhì)和光子裝置之間沒有電接觸。在本體基質(zhì)和光子裝置之間達(dá)到表現(xiàn)為電阻接觸的金相鍵合的一種方法是使用可在低溫條件下通過共晶鍵接將板和裝置結(jié)合在一起的導(dǎo)電材料。第二個方法是在對DNA附著活性的一種金屬層下使用具有低熔點(diǎn)的金屬，像錫或銦。當(dāng)通過DNA鍵合使光子裝置定位后，熱的應(yīng)用將導(dǎo)致金相鍵合的形成。在鍵內(nèi)DNA聚合物將解離，根據(jù)所用的初始DNA加載因素，可能僅使接觸電阻增加。
自組裝輻射器陣列的開發(fā)作為使用本發(fā)明的一個實(shí)例，可有利地形成輻射器陣列。特定的DNA聚合物序列可共價附著至半導(dǎo)體光輻射二極管(LED)上，而互補(bǔ)DNA序列可附著至位于本體硅基質(zhì)的受體板上。紫外線/DNA圖案形成技術(shù)可用作在涂層表面的DNA的選擇性活化/失活。然后使用互補(bǔ)熒光DNA探針測試所有DNA衍生試驗(yàn)結(jié)構(gòu)和材料的選擇性雜交能力。與特定DNA序列進(jìn)行衍生作用的LED試驗(yàn)裝置可以與互補(bǔ)DNA序列衍生的試驗(yàn)基體雜交。
自組裝光子帶隙結(jié)構(gòu)的研制用DNA自組裝技術(shù)可形成光子器件或晶體。光子帶隙結(jié)構(gòu)是人為的以兩維或三維排列方式的周期點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，由合適尺寸、密度和分離性的元件組成。這種構(gòu)造導(dǎo)致光子密度狀態(tài)的改進(jìn)和電磁波擴(kuò)散縫隙的出現(xiàn)。的確，已經(jīng)表明光子帶隙構(gòu)造在特定光波長處操作。光子帶隙材料的潛在應(yīng)用包括修正一種激光的自發(fā)輻射，達(dá)到超低閾空轉(zhuǎn)(threshold 1azing)、改善的波引導(dǎo)結(jié)構(gòu)而不會有輻射損失、嶄新的光學(xué)調(diào)節(jié)器等。
在本發(fā)明的一個方面，高介電常數(shù)的納米棒或球置于低介電常數(shù)的介質(zhì)中。一個三維寶石網(wǎng)格結(jié)構(gòu)緊密填充的四面連接介電球(直徑200nm，折光指數(shù)3.6)嵌入如空氣這樣的低介電常數(shù)介質(zhì)中表現(xiàn)出了光子帶隙。本發(fā)明涉及通過在低介電材料中自組裝具有所需幾何尺寸的高介電常數(shù)元件來制備光子晶體的新方法。為了制備這樣的結(jié)構(gòu)，且在網(wǎng)格位點(diǎn)獲得所需的網(wǎng)格尺寸和納米元件，采用了在納米元件上選擇性結(jié)合DNA序列和有限的DNA螺旋序列的雜交。具有磁性能的金屬球可具有附著的DNA鏈。該磁性能也可以用于控制球(或二維晶體的棒)的方向。該金屬球可以浸泡在DNA溶液中，用磁場進(jìn)行排列，且受紫外光的照射。這一技術(shù)允許二維和三維光子帶隙結(jié)構(gòu)在活性光電裝置周圍以最小的制備復(fù)雜性“生長”。此外，由于連接納米球的DNA鍵有一些柔性，故該技術(shù)還可以提供一種可調(diào)光子帶隙結(jié)構(gòu)的方法。電子定向?qū)⒃谙旅娴摹凹{米球和亞微米裝置的電場定向合成工藝”中討論。
上述各種DNA聚合物(寡聚核苷酸)序列的尺寸范圍為20mer-50mer(聚體)，可通過使用氨基膦酸酯(phosphoramidite)化學(xué)，在自動DNA序列上進(jìn)行合成。較長的DNA序列一般要求結(jié)合較大的目標(biāo)至表面上，原因在于結(jié)合力必須足以克服要除去該目標(biāo)的力(如剪切力)。使用聚合物鏈反應(yīng)技術(shù)(PCR)，可構(gòu)造較長的DNA序列(＞50mers)。DNA序列可進(jìn)一步用合適的官能團(tuán)(胺、硫醇、醛、熒光團(tuán)等)進(jìn)行衍生。所有序列可用聚丙烯酰胺凝膠電泳或HPLC進(jìn)行提純。提純之后，所有序列可在用于提純的分析聚丙烯酰胺凝膠上進(jìn)行檢測，然后通過雜交分析進(jìn)行特定性測試。
幾個DNA序列可用于開發(fā)和測試其它的用于共價附著各種有機(jī)聚合物基納米球、半導(dǎo)體、及其它材料基質(zhì)(金、銀、銦、錫氧化物等)的化學(xué)方法。其它的附著化學(xué)方法提供了用于選擇性附著至不同半導(dǎo)體材料的選擇性和可塑性。
特定DNA聚合物序列可共價附著于半導(dǎo)體測試結(jié)構(gòu)和互補(bǔ)DNA序列，以便測試基質(zhì)(母板)材料。紫外線/DNA圖形技術(shù)可用于在涂層表面DNA的活化/失活。然后，使用互補(bǔ)熒光DNA探針，測試所有DNA衍生測試結(jié)構(gòu)和材料的選擇性雜交。
使用傳統(tǒng)技術(shù)(溫度、鹽和離液序列高試劑)和電子技術(shù)(電泳)，與用特定DNA序列衍生的納米球、納米粒子和半導(dǎo)體測試結(jié)構(gòu)雜交，以檢測用互補(bǔ)DNA序列衍生的測試基質(zhì)(母板)。該雜交技術(shù)可優(yōu)化為最高選擇性和最少量的非特異結(jié)合。
發(fā)光二極管陣列的制備特定DNA聚合物序列可共價附著于半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)裝置，和互補(bǔ)DNA序列至母板材料。紫外線/DNA圖形技術(shù)可用于在涂層表面DNA的選擇性活化/失活。之后，用特定DNA序列衍生的發(fā)光二極管被雜交至用互補(bǔ)DNA序列衍生的測試基質(zhì)(母板)。
一種光子晶體結(jié)構(gòu)的自組裝制備多重特定DNA聚合物標(biāo)識可結(jié)合進(jìn)納米粒子或納米球，用于圍繞位于母板材料上的輻射測試裝置的自組裝。紫外線/DNA圖形技術(shù)可用于在涂層表面DNA的選擇性活化/失活。與特定DNA序列衍生的納米粒子可被雜交至位于與互補(bǔ)DNA聚合物衍生的基質(zhì)上的輻射測試裝置。
自組裝的進(jìn)一步內(nèi)容本發(fā)明用一種“自組裝”技術(shù)提供平行且覆蓋較大區(qū)域(一側(cè)能達(dá)幾米)的自組裝特定裝置。在這一步驟中，每個待結(jié)合的裝置都或多或少“知道”在母板上的定位。本發(fā)明涉及一種基于生物系統(tǒng)中遇到的可編程自組裝原理的新的集成技術(shù)。這種新技術(shù)消除了結(jié)合過程中對尺寸的要求。我們的目的在于使用DNA(脫氧核糖核酸)聚合物作為“選擇性膠”在硅上進(jìn)行微米/納米結(jié)構(gòu)的自組裝，從而在大面積母板上開發(fā)間隔集成這些構(gòu)造的技術(shù)。這樣可達(dá)到高精確性、低成本、裝置由具有不同真實(shí)密度的材料組成，如圖30所示。這個步驟依賴于在所有生物系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的可編程自組裝原理，且使用公知的合成DNA化學(xué)作為可用的工藝。這些技術(shù)包括(1)使用外延卸下工藝，從母基質(zhì)中除去特定裝置，(2)用我們公司專門研制的DNA附著化學(xué)，在特定裝置上附著選擇性DNA聚合物序列，(3)在母基質(zhì)的合適位置選擇性附著互補(bǔ)DNA聚合物序列，(4)用互補(bǔ)DNA螺旋的雜交作用完成自組裝。這樣使用DNA聚合物序列作為一種優(yōu)秀且很具選擇性的膠，以便將微米/納米級專門裝置附著至母板的預(yù)定區(qū)域(見圖31)。
選擇性DNA雜交作用和電場傳送技術(shù)將DNA序列雜交至附著于固態(tài)支承材料上的互補(bǔ)DNA序列的技術(shù)廣泛用于許多生物技術(shù)、分子生物學(xué)、醫(yī)療診斷等應(yīng)用中。一般，雜交反應(yīng)在含有合適緩沖電解質(zhì)鹽(氯化鈉、磷酸鈉)的水溶液中完成。溫度是一個控制嚴(yán)謹(jǐn)性(專一性)及雜交反應(yīng)速率的一個重要因子。將DNA序列雜交至半導(dǎo)體材料的技術(shù)是已知的。首先是一種紫外線光刻技術(shù)方法，允許在固態(tài)支承材料，如二氧化硅和各種金屬上的DNA雜交進(jìn)行印刷和圖案形成。第二種方法是將DNA-納米結(jié)構(gòu)(特定DNA序列附著至納米結(jié)構(gòu))電泳傳送至基質(zhì)材料的所選位置。用DNA進(jìn)行紫外線光刻技術(shù)首先涉及用一種特定附著DNA聚合物序列的一種分子層涂覆一種基質(zhì)材料。通過置露于紫外線輻射(300nm)幾秒鐘，一種合適的淹膜能用作DNA附著層的印刷和圖案形成。使置露于紫外線光的基質(zhì)區(qū)域的DNA變成與互補(bǔ)DNA序列的雜交作用失活，即不能形成雙螺旋結(jié)構(gòu)。圖7顯示采用一種電子顯微鏡網(wǎng)格狀線，用10微米線形成一種硅結(jié)構(gòu)上的熒光DNA圖案。經(jīng)紫外線形成圖案之后，該材料用一種互補(bǔ)熒光標(biāo)記DNA探針分子進(jìn)行雜交，并檢測表熒光(epifluorescent)顯微鏡檢術(shù)。熒光圖像顯示了互補(bǔ)探針被雜交的區(qū)域(有熒光)，以及不發(fā)生雜交作用的區(qū)域(無熒光)。除DNA基紫外線光刻技術(shù)工藝之外，其它電場基工藝允許衍生化DNA和充電熒光納米球被電泳傳送，且沉積于固態(tài)支承體的選擇性顯微位置。本技術(shù)的基本方法和裝置如圖32所示。負(fù)電荷DNA、亞微米或微米級結(jié)構(gòu)能懸浮于水溶液中，且借助于電場被傳送至偏移正電荷的顯微位置，相對于其它偏移負(fù)電荷位置。這是一種特別重要的技術(shù)，其原因在于，它能提供一種將特別標(biāo)記裝置傳送至基質(zhì)材料的特定位置的機(jī)制。
微米/納米級結(jié)構(gòu)制備我們的自組裝技術(shù)的第一步是制備專門用于結(jié)合的裝置。在此情況下，在ELO工藝所要求的一種犧牲層上，以一種標(biāo)準(zhǔn)方式在母基質(zhì)上制備專門裝置，然后將一種合適的涂層沉積于這些裝置上，以保證在鹽溶液中具有布朗類運(yùn)動。通過控制相對于裝置材料的該沉積材料的特征，一旦釋放至鹽溶液，裝置的行為可被控制。如，通過控制涂層材料性能，我們能控制溶液中裝置的方向。一旦裝置被涂覆，ELO工藝之后，一種厚聚酰亞胺膜可形成以提供對該裝置的一種物理支承?？蛇M(jìn)行ELO工藝，且薄膜裝置可與其母基質(zhì)分離。通過采用等離子體蝕刻，聚酰亞胺膜可被隱蔽，以便提供足夠的步驟防止出現(xiàn)連續(xù)的金屬層。之后完成DNA附著工藝，一種特定DNA序列可被共價附著至所有金屬表面。通過用來自于該裝置前表面的紫外線光進(jìn)行輻射，置露和未保護(hù)的DNA區(qū)可能被破壞或變成不適合進(jìn)一步雜交的形式。通過采用一種合適的溶劑，將除去聚酰亞胺，且該裝置可被釋放至用于進(jìn)一步雜交工藝的鹽溶液中。
母板基質(zhì)的制備為了描述將要進(jìn)行特異性裝置的結(jié)合面積，必須對互補(bǔ)DNA聚合物進(jìn)行選擇性結(jié)合?？梢酝ㄟ^采用DNA序列固有的選擇性、選擇性結(jié)合化學(xué)，或者通過定向的電泳轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)這種選擇性結(jié)合。在結(jié)合之后，還可以通過紫外輻射除去不希望區(qū)域的DNA鏈。只有當(dāng)裝置的一個組需要自組裝時該方法才是有用的。
如前所述，DNA結(jié)合化學(xué)強(qiáng)烈地依賴于所用的DNA聚合物可被結(jié)合上去的材料。比如，要把DNA結(jié)合到涂有保護(hù)性玻璃涂層的硅芯片上的鋁板，我們首先要通過把該樣品短時浸泡在稀HF溶液中來活化鋁區(qū)域。這一過程的最終目的是只有極少數(shù)DNA鏈結(jié)合到保護(hù)性玻璃層上，而暴露的鋁板對DNA有很強(qiáng)的反應(yīng)活性。這一材料的選擇性是將DNA結(jié)合到所希望區(qū)域的方便而常用的方法。當(dāng)該材料選擇性與紫外照射失活和電泳轉(zhuǎn)移過程相結(jié)合時，就可依次進(jìn)行重復(fù)的結(jié)合過程?？紤]到幾類特異性裝置的同時自裝置，需要根據(jù)將與板偶合的裝置來對該板進(jìn)行分組。在此情況下，每個板組需要涂敷與結(jié)合到特異裝置(DNA能夠鍵合到該裝置)的DNA序列互補(bǔ)的特異DNA序列。為了對母板進(jìn)行預(yù)編程，每個DNA序列可以依次鍵合到適當(dāng)?shù)陌迳稀Ｍㄟ^采用電泳過程和對不需結(jié)合DNA的板施加負(fù)電壓很容易實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。同時，還可施加正電壓來增加所需位置的DNA結(jié)合。對于第二組DNA序列結(jié)合，可以采用不同的電壓程序重復(fù)上述步驟。這樣，當(dāng)需要同時進(jìn)行多個裝置的自組裝時，通過在板上施加合適的正負(fù)電壓組合可以對接受板的母板進(jìn)行編程。當(dāng)只有一類裝置需要在母板上進(jìn)行自組裝時，單獨(dú)采用DNA結(jié)合化學(xué)的材料選擇性就足夠了。
特異DNA聚合物一種選擇性膠一旦母板預(yù)編程，專門裝置被釋放且在鹽溶液浴中自由移動，就發(fā)生自組裝過程。在合適的(雜交)嚴(yán)謹(jǐn)性溫度下，通過輕輕地?cái)噭尤芤褐械难b置，當(dāng)合適的裝置-板進(jìn)入接觸時(見圖33)，互補(bǔ)DNA螺旋的雜交作用允許發(fā)生?？刹捎貌煌姆椒▉磉_(dá)到這一過程。
傳統(tǒng)雜交和電子雜交在本方法中，所有裝置可同時釋放至該溶液中，雜交過程的概率可直接涉及進(jìn)入接觸的合適設(shè)備板對的概率。在很簡單的假設(shè)下，雜交作用的概率Ph大致可跟總的板面積Ap與母板面積Amb之比有關(guān)Ph∝NAp/Amb
其中，N為溶液中專門裝置基團(tuán)之一的真實(shí)密度。由于概率分布是隨機(jī)的，這一過程可進(jìn)行很長時間，以得到合理的雜交率。另一方面，要求溶液飽含專門裝置。這樣可能會增加該過程的成本，并限制能進(jìn)行自組裝的專門裝置類型數(shù)量。為了改進(jìn)選擇性和布線精確性，在雜交過程中，將完成幾輪加熱和冷卻循環(huán)。在加熱循環(huán)中，弱雜交部件可被解離，以增加形成較強(qiáng)鍵的機(jī)會。
外延卸下工藝自組裝工藝的一個關(guān)鍵部分是制備用于DNA附著的微米/納米級裝置，雜交之前，在附著過程中的加工和最終釋放至鹽溶液中。最普通的ELO方法為在合金的A1GaAs系列上使用HF酸的選擇性。富鋁合金以1mm/小時的速率蝕刻，富鎵合金的蝕刻速率小于0.1nm/小時，幾乎測不出。一種A1As的中間層溶解，允許上部外延層簡單地漂離該基質(zhì)。其它分離方法也已經(jīng)使用，包括機(jī)械分割(CLEFT)，總的基質(zhì)蝕刻至一個蝕刻終止層。厚度范圍為10nm至20nm之間的外延膜已經(jīng)與其生長基質(zhì)分離、被加工并制造。
例如，使用本技術(shù)，Ⅲ-Ⅴ半導(dǎo)體薄膜被直接鍵接至別的基質(zhì)上，如加工的硅晶片。ELO膜的機(jī)械韌性允許按基質(zhì)外形形成一種完整膜，生成一種強(qiáng)且完善的鍵。之后，ELO技術(shù)在一種工程基質(zhì)上產(chǎn)生一種單片類外延薄膜。卸下之前，在仍位于母基質(zhì)的膜上制備各種裝置。ELO技術(shù)在某種意義上代表一種雜種方法，如倒裝式隆起安裝(flip-chip solderbump mounting)，和完全單片方法(fully monolithic approach)，如直接雜外延(direct hetero-epitaxy)，之間的中間方法；但是，ELO技術(shù)結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。ELO是一種真實(shí)膜技術(shù)，允許在一種Ⅲ-Ⅴ薄膜邊緣和一種硅微芯片基質(zhì)上來回通過的薄膜金屬布線。同時，該薄膜生長點(diǎn)陣匹配，且基本上為均相外延。對少數(shù)載體裝置，如光輻射，最為重要的材料質(zhì)量從未遭到破壞。ELO技術(shù)比雜種倒裝式(hybrid flip-chip)技術(shù)優(yōu)越之點(diǎn)包括具有低封裝電容和高存儲密度。對于高速微電路，布線電容必須很低。性能損失不僅是增加的動力消耗負(fù)擔(dān)。由于金屬接線的串聯(lián)電阻不可忽略，RC時間常數(shù)將最終起作用，以限制與可能會成為嚴(yán)厲的動力消耗問題無關(guān)的光電微電路的速度。關(guān)于技術(shù)的工作尺寸，最終可達(dá)的存儲密度或多或少增加。因此，在這方面，ELO可提供比結(jié)合物隆起技術(shù)(so1der bump technique)更多。
加工的硅微電路的ELO膜結(jié)合要求考慮微芯片沉積氧化表面的超細(xì)級不平整度。表面不平整度干擾范式力或金相鍵的質(zhì)量。
直流電場下的系列雜交作用為增加雜交概率，第二種方法是分別引入每個裝置組，并將該專門裝置限制在偏離正電荷附近區(qū)域。通過向板施加一種合適的電壓，在直流電場作用下能完成這一限制作用。該電場效應(yīng)可看作上述方程中N值，即面積比的增加，或等同的裝置密度增加。但是，在此情況下，每個裝置組必須循序引入，這樣，不需的裝置組不會影響正確裝置到達(dá)該板。
在交流電場下的平行雜交作用循序雜交的缺點(diǎn)是制備成本因?qū)ｉT設(shè)備類型增加而增加。另一個方法是將所有裝置類型引入溶液中，施加一種初始直流電壓，以產(chǎn)生圍繞每個板的裝置分布，然后，施加一種合適頻率的交流電壓，以消除不需裝置類型的屏蔽效應(yīng)。交流電場效應(yīng)可看作一種較強(qiáng)攪拌機(jī)制。
金相鍵雜交工藝之后，通過形成具有很高鍵合強(qiáng)度的雙螺旋DNA結(jié)構(gòu)，專門裝置被置于其合適的位置。通過浸洗清潔整個組裝，然后進(jìn)行干燥。DNA鍵合強(qiáng)度保持在強(qiáng)的狀態(tài)，并將裝置保持在原位。在此點(diǎn)，主體基片與光裝置之間沒有電接觸。一種得到主體基片和光裝置之間顯示歐姆接觸的金相鍵的方法是在墊片和裝置上使用在低溫下能共晶鍵合在一起的導(dǎo)電材料。第二個方法是在對DNA附著有活性的一種金屬層下，使用低熔點(diǎn)金屬，如錫或銦。在此情況下，隆起必須制成納米級尺寸。當(dāng)通過DNA鍵固定該裝置時，在兩種情況下，熱的應(yīng)用都將導(dǎo)致金相鍵和電阻接觸的形成。DNA聚合物將保持在鍵內(nèi)，但可能僅依據(jù)所用初始DNA加載因子增加接觸電阻。圖34顯示上述工藝。
專門裝置的布線及定位在自組裝步驟中需要注意的關(guān)鍵問題之一是專門裝置在母板的板上布線的精度。我們首先假定專門裝置具有環(huán)形基面，這樣該工藝能恒定旋轉(zhuǎn)。在此情況下，假定板的直徑為d，則用DNA鍵合工藝可達(dá)到d/2的布線精度。大于d/2偏移的裝置將在雜交工藝中不會形成一個強(qiáng)鍵，且在雜交工藝的加熱和冷卻循環(huán)中不保持在原位。此外，若使用上文介紹的納米隆起技術(shù)，形成金相鍵的高溫循環(huán)完成之后，該裝置可以用與倒裝式結(jié)合的C4技術(shù)相似的方式對板進(jìn)行自布線。
如果專門性裝置不具有環(huán)形對稱基且需要以一定的方向放置在板上，就會出現(xiàn)更為困難的問題。可以采用兩種不同的方法在適當(dāng)?shù)姆较蜴I合。作為第一種方法，采用適當(dāng)形式的二氧化硅層以物理的方式屏蔽掉在錯誤方向定位的特異裝置，如圖35所示。只有當(dāng)裝置具有正確的方向時，裝置才能固定到板上。另一種對裝置定向的方法是在DNA雜交之前采用庫侖力。通過離子移植技術(shù)，或電子束蝕刻技術(shù)置露，在板或裝置上某些特定部位可以實(shí)現(xiàn)相反符號的電荷組合。這些電荷形式將裝置引入其合適的定位。如圖35所示，兩種方法可一起使用，以提供專門裝置的合適位置的DNA鍵。
納米球和亞微米裝置的電場定向合成工藝電場合成最好被應(yīng)用于產(chǎn)生具有多重DNA表面標(biāo)識的納米結(jié)構(gòu)或微米結(jié)構(gòu)(如納米球、納米微粒、亞微米和微米級裝置)。這些多重表面標(biāo)識可以位于微粒表面的不同坐標(biāo)上的特定DNA序列的形式存在。這些坐標(biāo)可以是，例如，極性的或四面體性質(zhì)的，并賦予潛在的自組裝性能，允許納米結(jié)構(gòu)形成2維和3維光電結(jié)構(gòu)(如光子帶隙結(jié)構(gòu))。圖36(上部)顯示一種在極和赤道位置上具有多重DNA序列標(biāo)識的納米球(直徑為20nm)的一般性示意圖。圖36(下部)也顯示能通過將納米球雜交在一起而形成的某些簡單結(jié)構(gòu)。
圖37顯示制備這種納米球的初始步驟。在步驟(1)中，一種合適的功能化納米球(帶有胺基團(tuán))與醛修飾的具有序列標(biāo)識(A)的寡聚核苷酸反應(yīng)。標(biāo)識(A)指的是一個DNA中堿基對的獨(dú)特序列，比如一個20mer的具有5’-GCACCGATTCGAT ACCGTAG-3’序列的寡聚核苷酸。在步驟2中，寡聚核苷酸(A)修飾的納米球雜交到一個埋有電極的微區(qū)表面，該表面具有互補(bǔ)的A’序列(5’-CTACGGTATCGAATCGGTGC-3’)，該(A’)序列含有一種交聯(lián)劑(補(bǔ)骨脂素，psoralen)，并延伸至一種具有(B)標(biāo)識(5’TTCAGGCAATTGATCGTACA-3’)的第二序列，它本身雜交至一種共價連接至表面上的(B’)DNA序列(5’-TGTACGATCAATTGCCTGAA-3’)。在步驟3中，對已雜交的納米球給予短時的紫外線輻射，導(dǎo)致在(A/A’)雜交序列內(nèi)的補(bǔ)骨脂素(psoralen)部分被共價交聯(lián)。該納米球現(xiàn)從表面上被去雜交(被動地或電子地)。該納米球現(xiàn)具有一種賦予該結(jié)構(gòu)一種極性的(B)DNA序列標(biāo)識。圖38顯示加工過程的連續(xù)性。在步驟4和5中，(B)DNA序列標(biāo)識修飾的納米球現(xiàn)被“部分雜交”至一個新的微位置，該位置本身被雜交至(C-A’)序列，一種共價連接至該表面上的互補(bǔ)C，序列。(C)DNA序列不同于(A)DNA和(B)DNA序列。借助于(A/A’)DNA序列，該(B)DNA序列納米珠部分雜交至該表面，但是，不在該表面上以任何特定方式定向。由于該(B)DNA納米球在表面上具有非均勻性負(fù)電荷分布(由于(B)DNA的富裕電荷，可在一個電場定向)。在步驟6中，第二電極定位于較低電極之上，一種強(qiáng)度足夠定向納米球的電場強(qiáng)度被施加，但不從表面使納米球去雜交。圖38顯示用(B)和(C)序列進(jìn)行極性定向的納米球；該電極的相對位置能產(chǎn)生電場，得到對(B)DNA和(C)DNA序列相對位置的其它角度。當(dāng)納米球處于正確布線時，能完全被雜交(A’-C/C’)，通過降低溫度，然后置于紫外線輻射，以便進(jìn)行交聯(lián)(A/A’)序列。一旦去雜交，將產(chǎn)生一種具有相對極位置(北極和南極)的帶有(B)DNA和(C)DNA序列的納米球。我們相信，重復(fù)該工藝兩次以上能在極/赤道或四面體坐標(biāo)上產(chǎn)生帶有(B)DNA、(C)DNA、(D)DNA和(E)DNA標(biāo)識的納米球。
多步驟和多重合成及制備工藝和裝量各種技術(shù)和裝置能用于完成多步驟和多重合成和制備。圖39顯示一種在一個8x8基質(zhì)上排列64個微電極的微電子點(diǎn)陣裝置，四個較大控制電極位于基質(zhì)之外。位于該裝置上的電板結(jié)構(gòu)具有的尺寸范圍是約1微米至幾厘米，或大規(guī)模時的尺寸更大，或這些裝置的宏觀形式。滲透層和/或模板材料可置于這種裝置中，允許該裝置用于在基質(zhì)材料上完成多步驟或多重反應(yīng)和制備步驟。這樣，裝置能用于在“自身”以及制備裝置上進(jìn)行多步驟和多重反應(yīng)，從而在各種基質(zhì)上產(chǎn)生組裝系統(tǒng)。我們定義“多步驟”工藝，即在該裝置的一個或多個位置有一個以上合成或制備步驟。“多重”工藝涉及在裝置的不同位置的不同部件的合成和制備。
圖40顯示多步驟傳送工藝，且用這種裝置能完成納米球或納米粒子的定位。在該圖的這個序列中，負(fù)電荷納米結(jié)構(gòu)(類型1)被傳送，且從本體溶液中濃縮于陣列左側(cè)的特定微位置。通過漂離微位置，相對于控制電極漂離負(fù)極達(dá)到以上目的。在電場內(nèi)的負(fù)電荷類型1納米結(jié)構(gòu)被傳送，且在特定微位置濃縮(電泳)。類型1納米結(jié)構(gòu)可為具有特定DNA序列的各種裝置或結(jié)構(gòu)，它具有特定的DNA序列，允許它們在該裝置自身的其它特定位置進(jìn)行雜交，或雜交至其它含有互補(bǔ)DNA序列的納米結(jié)構(gòu)上。
在下一個步驟中，類型2納米結(jié)構(gòu)在該裝置右側(cè)的特定微位置被傳送和濃縮。在下一個步驟中，類型1納米結(jié)構(gòu)傳送至位于有互補(bǔ)DNA附著的陣列中心的特定位置。類型1納米結(jié)構(gòu)雜交并特異地附著于這些位置。類型2納米結(jié)構(gòu)現(xiàn)與類型1納米結(jié)構(gòu)一樣，被傳送至相同的中心位置。類型2納米結(jié)構(gòu)含有附著的互補(bǔ)類型1納米結(jié)構(gòu)的DNA序列。類型2納米結(jié)構(gòu)雜交并變成一個在類型1納米結(jié)構(gòu)上的束縛層。
圖40中的步驟的順序僅敘述用這些裝置和自組裝納米結(jié)構(gòu)、亞微米和微米尺寸結(jié)構(gòu)完成的無數(shù)多步驟和多重制備情況之一。特定DNA序列附著于上述結(jié)構(gòu)上。我們把這些工藝稱作DNA衍生化結(jié)構(gòu)的電場輔助自組裝。例如，圖41顯示一種光序列，將200納米熒光納米球被傳送至在一個8x8微電極陣列裝置上的選擇出的微位置。該微位置的尺寸為50μmx50μm。負(fù)電荷200nm熒光納米球被快速傳送并濃縮至正電荷微位置。在其它試驗(yàn)工作中，納米球從該裝置的一個位置移至其它位置，且在這些位置上可能形成納米結(jié)構(gòu)的各種點(diǎn)陣或排列。
大結(jié)構(gòu)的定位和定向本發(fā)明的一個有用的應(yīng)用涉及在基質(zhì)上或模板材料上的較大尺寸(10-100微米)裝置的附著和定向。這一工藝示于圖42中。在本實(shí)例中，一種裝置被選擇性地與四個不同的DNA序列進(jìn)行衍生，而該母板被選擇性地與四個互補(bǔ)序列進(jìn)行衍生。之后，通過上文關(guān)于雜交用的被動和主動電場所述的工藝，該裝置被允許雜交并附著至母板基質(zhì)上。
在微電子參數(shù)內(nèi)的納米制備本發(fā)明的應(yīng)用范圍涉及在微電子、光電子和光子部件等參數(shù)內(nèi)的納米結(jié)構(gòu)和亞微米裝置排列的納米制備。在這些情況下，通過傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)并建設(shè)微電子裝置，但是含有設(shè)計(jì)成納米結(jié)構(gòu)和亞微米部件的自組裝的某些區(qū)域。例如，圖43顯示了一種這樣的裝置。在這個實(shí)例中，采用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)技術(shù)，在硅上建造的一種微電子裝置具有帶有一種下埋微電極的阱結(jié)構(gòu)。這種微電極現(xiàn)用于完成在微電子部件參數(shù)內(nèi)各種納米結(jié)構(gòu)和亞微米部件的電場輔助自組裝。這一技術(shù)允許將微電子部件和納米級部件進(jìn)行互連，并產(chǎn)生非常密的集成電路，包括多層部件(3D制備)的排列。這樣，本發(fā)明被認(rèn)為是一種協(xié)調(diào)傳統(tǒng)微電子(光電子)制備技術(shù)和自組裝納米制備技術(shù)的途徑。
在納米參數(shù)內(nèi)的納米制備在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，本技術(shù)允許該序列選擇性鍵接的DNA序列基質(zhì)的納米制備用一組納米級或亞微米配置組裝，這些配置是通過原子力、顯微鏡、電子束或其它亞微米制備技術(shù)進(jìn)行沉積的。圖44顯示了這一技術(shù)的一個實(shí)例。在這個實(shí)例中，四個亞微米附著結(jié)構(gòu)被沉積至一種合適的基質(zhì)材料上。其中兩個結(jié)構(gòu)能被選擇性活化，用于隨后的DNA序列(即僅用于硫醇附著化學(xué))的附著。另兩個材料結(jié)構(gòu)能被選擇性活化，用于另一類特定的附著化學(xué)(即用于硅烷醛/胺附著化學(xué)的二氧化硅)。從這些位置中，能附著兩個不同的DNA序列。在進(jìn)一步的步驟中，互補(bǔ)DNA序列被雜交，它跨越兩個不同位置，形成一種平方參數(shù)。從其它DNA序列的合適位置能雜交至參數(shù)DNA，最終在基質(zhì)內(nèi)形成一種具有選擇性雜交點(diǎn)的基質(zhì)結(jié)構(gòu)。從基質(zhì)納米結(jié)構(gòu)的這些類型中(有選擇性DNA標(biāo)識)，能完成各種兩維和三維納米制備。
用于光學(xué)導(dǎo)線的制備方法和設(shè)備DNA光學(xué)存儲涉及生色團(tuán)DNA聚合物的設(shè)計(jì)和合成，該DNA聚合物在一個單一波長處吸收光能，并在預(yù)定的多波長處再次反射。我們的工作表明DNA聚合物能以自組織方式附著至固體表面，并進(jìn)入具有設(shè)計(jì)功能的單元池。我們表明附著于固體表面的DNA聚合物能表現(xiàn)為多重生色響應(yīng)、光能轉(zhuǎn)換和熄滅。圖6和圖7顯示結(jié)果涉及將熒光DNA聚合物附著至二氧化硅和鋁表面，且紫外線導(dǎo)線(圖像)進(jìn)入這些基質(zhì)表面上的DNA單層內(nèi)。
用于DNA光學(xué)存儲的紫外線寫入機(jī)制有四種不同機(jī)制存在，通過這些機(jī)制將信息寫進(jìn)DNA基質(zhì)材料中(ⅰ)在DNA序列內(nèi)胸苷的立體紫外線失活；(ⅱ)熒光團(tuán)和生色團(tuán)的立體紫外線失活；(ⅲ)淬滅生色團(tuán)的立體紫外線失活；(ⅳ)通過交聯(lián)次級雜交的激活或失活(如補(bǔ)骨脂素psoralen)。
圖8a和b顯示用一種徽標(biāo)掩膜和一種四色寫入掩膜進(jìn)行的紫外線寫入/雜交結(jié)果。這代表在硅基質(zhì)上DNA單層產(chǎn)生的圖像，互補(bǔ)熒光DNA序列被雜交至該硅基質(zhì)上。
紫外線/補(bǔ)骨脂素寫過程-步驟1關(guān)于紫外線/補(bǔ)骨脂素寫過程，圖9至19顯示了用于制備一種“四個標(biāo)識的DNA基質(zhì)材料”的完整過程。
這一過程給予在使用補(bǔ)骨脂素交聯(lián)劑的基質(zhì)材料上的多重DNA標(biāo)識。當(dāng)置露于低能量紫外線光(365nm)時，DNA添加的補(bǔ)骨脂素化合物能將DNA螺旋共價交聯(lián)于一起。用補(bǔ)骨脂素連接DNA螺旋允許在基質(zhì)表面上產(chǎn)生多重標(biāo)識。
圖9顯示共價連接至硅/鋁/二氧化硅基質(zhì)表面的具有標(biāo)識(A)的DNA序列。該芯片表面首先與氨丙基三乙氧基硅烷(APS)試劑反應(yīng)，在基質(zhì)表面上，提供用于附著DNA序列的胺基團(tuán)。用核糖核苷基團(tuán)在捕獲DNA序列(A)的終端位置進(jìn)行功能化，該核糖核苷基團(tuán)依次被氧化，形成一種胺反應(yīng)性二醛基團(tuán)。該DNA(A)序列能被共價偶聯(lián)至APS功能化基質(zhì)表面上的氨基團(tuán)。為說明起見，圖中顯示了四種單個DNA螺旋，作為敘述四種潛在寫標(biāo)識信號區(qū)的一種方式(指圖中的位置)。在實(shí)際材料中，每個信號區(qū)都約有2.5×104至2.5×105個DNA螺旋(信號區(qū)尺寸優(yōu)選250平方nm)。
圖10顯示，通過雜交一種(B)標(biāo)識補(bǔ)骨脂素修飾的DNA序列對該寫標(biāo)識過程進(jìn)行初始化，該修飾DNA序列也部分互補(bǔ)至存在于所有四個信號區(qū)(位置)的(A)標(biāo)識捕獲序列。補(bǔ)骨脂素分子添入雜交雙螺旋DNA內(nèi)。
圖11顯示一種紫外線掩膜，現(xiàn)用于蓋住信號區(qū)1，而信號區(qū)2、3、4被置露。未蓋住的信號區(qū)(2、3、4)用低能量紫外線光(365nm)輻射。紫外線置露引起雜交雙螺旋DNA內(nèi)添加的補(bǔ)骨脂素分子共價交聯(lián)至該螺旋上。
圖12顯示整個表面現(xiàn)經(jīng)受去雜交工藝。在信號區(qū)1中的未交聯(lián)(B)標(biāo)識DNA序列被除去，并將(A)標(biāo)識DNA序列留在那個位置?，F(xiàn)具有(B)標(biāo)識DNA序列的信號區(qū)2、3、4在其原位。
圖13顯示用含有部分(B)標(biāo)識序列DNA互補(bǔ)的(C)標(biāo)識DNA序列重復(fù)該工藝，雜交至信號區(qū)2、3、4上的(B)序列。
圖14至18本質(zhì)上敘述了圖9至13中顯示的過程的重復(fù)。完成時，含有四個不同的DNA標(biāo)識序列(A、B、C、D)的每個最終材料位于一個不同的信號區(qū)中。
圖19顯示，在這一點(diǎn)，通過將四個熒光標(biāo)記互補(bǔ)序列雜交至表面上，可檢測四個DNA序列(A、B、C、D)的專一性。每個信號區(qū)現(xiàn)在應(yīng)產(chǎn)生其特定的熒光色。
紫外線/補(bǔ)骨脂素寫過程-步驟2通過另一個掩膜和紫外線置露過程完成實(shí)際信息的紫外線寫工藝(至四個DNA標(biāo)識基質(zhì))(見圖20、21和22)。在此情況下，一種較高能量的紫外線輻射(254nm)用于再現(xiàn)在紫外線置露區(qū)未雜交的DNA。當(dāng)DNA置露于這種較高能量紫外線輻射時，DNA序列內(nèi)的胸苷基進(jìn)行二聚，且阻止發(fā)生進(jìn)一步的雜交作用。這一步驟用于使每個信號區(qū)失活或“關(guān)閉”。當(dāng)熒光標(biāo)記互補(bǔ)DNA序列雜交至該材料時，只有具備雜交互補(bǔ)DNA序列的信號區(qū)將發(fā)出合適的熒光。這是一種機(jī)制，通過它將數(shù)據(jù)選擇性寫進(jìn)DNA中。
圖21和22顯示“打開”B、D標(biāo)識，且“關(guān)閉”A和C標(biāo)識。進(jìn)行紫外線寫過程之前，位于1、2、3、4四個信號區(qū)的特定A、B、C、D序列被雜交。通過蓋住信號區(qū)2和4，將該表面置露于高能紫外線輻射(254nm)來初始化該寫工藝。通過紫外線置露，可有效地失活或去雜交，而信號區(qū)2和4中的DNA序列保持雜交狀態(tài)。
圖22顯示現(xiàn)在如何用熒光DNA互補(bǔ)將材料雜交至四個DNA標(biāo)識，但是，只有互補(bǔ)至B和D標(biāo)識的熒光DNA將有效地雜交，且產(chǎn)生最終的熒光。完成紫外線寫過程，現(xiàn)在在B、D信號區(qū)內(nèi)有兩種不同的熒光，而A、C信號區(qū)內(nèi)沒有任何熒光。
兩色DNA寫工藝的試驗(yàn)演示我們已經(jīng)演示了用紫外線/補(bǔ)骨脂素寫過程的兩種顏色。以下將描述工藝過程和寫步驟。圖23A和B、圖24A和B、圖25A和B顯示基質(zhì)和熒光寫材料的實(shí)際照片。圖27A、B、C，以及圖28A、B、C提供該工藝的進(jìn)一步圖形描述。
步驟1用氨丙基三乙氧基硅烷(APS)處理一種控制芯片表面(二氧化硅/鋁/硅)。圖23-A顯示由于背景熒光的相對低能量，該芯片基本為黑色。圖27-A代表該工藝在這一點(diǎn)時的材料狀況。所有照片都采用Jenalumar Epi-熒光顯微鏡/Hannanatsu增強(qiáng)CCD(電荷耦合裝置)照相機(jī)/Argus Ten成象系統(tǒng)而得。
步驟2第二控制芯片表面(APS反應(yīng))與含有合適的堿基位置的DNA(A)標(biāo)識捕獲序列反應(yīng)，用于次級的補(bǔ)骨脂素交聯(lián)。在3’端上帶有一個核糖基團(tuán)的該DNA(A)序列被氧化成一種二醛，與共價附著DNA的表面上的氨基反應(yīng)。圖23-B顯示有DNA(A)存在，但沒有熒光互補(bǔ)DNA時的基質(zhì)表面照片。用于背景熒光的低能量，該芯片表面仍顯示為黑色。圖27-B代表該工藝在這一點(diǎn)上的材料。
步驟3用Bodipy Texas紅色熒光標(biāo)記互補(bǔ)序列對已經(jīng)過APS反應(yīng)，且有DNA(A)捕獲序列附著的第三控制芯片表面進(jìn)行雜交。圖24-A現(xiàn)在顯示產(chǎn)生強(qiáng)紅熒光的整個芯片表面。圖27-C代表該工藝在這一點(diǎn)上的材料。
步驟4用APS和(A)標(biāo)識DNA捕獲序列處理第四控制芯片，然后如步驟2一樣，束縛至該表面上。
步驟5之后，在整個表面上，用補(bǔ)骨脂素分子附著的互補(bǔ)(B)標(biāo)識序列被雜交至(A)標(biāo)識序列。
步驟6蓋住該芯片表面的一半，而另一半置露于低能量紫外線光中。這樣引起(A)標(biāo)識DNA序列與(B)標(biāo)識DNA序列的共價交聯(lián)。
步驟7之后，用0.1M的氫氧化鈉溶液處理該表面，以便除去芯片蓋一側(cè)(未雜交)未交聯(lián)的DNA。在這一點(diǎn)，該芯片的一半被共價連接的(B)標(biāo)識DNA序列包覆，一半含有初始(A)標(biāo)識DNA序列。
步驟8用Bodipy Texas紅色熒光染料(激發(fā)最大值為595nm，發(fā)射最大值為626nm)標(biāo)記的互補(bǔ)(A)標(biāo)識DNA將被雜交至該芯片上。該互補(bǔ)熒光(A)標(biāo)識DNA序列僅雜交含有該(A)標(biāo)識捕獲序列的芯片的一半(圖24-B)。圖28-A代表該工藝在這一點(diǎn)上的材料。在第五芯片上重復(fù)步驟4至步驟7。
步驟9用Bodipy橙色熒光染料(激發(fā)最大值為558nm，發(fā)射最大值為568nm)標(biāo)記序列，僅互補(bǔ)至(B)標(biāo)識序列，之后，在整個芯片上被雜交。這一DNA序列僅雜交至含有(B)標(biāo)識的芯片的一半(圖25-A)。圖28-B代表該工藝在這一點(diǎn)上的材料。
步驟10一種序列僅互補(bǔ)至(A)標(biāo)識捕獲序列，用Bodipy Texas紅色熒光染料標(biāo)記，之后被雜交至第五芯片。這一熒光標(biāo)記DNA僅附著至含有(A)標(biāo)識的芯片的一半?，F(xiàn)在，該芯片含有兩種帶有對應(yīng)顏色的標(biāo)識(圖25-B)。圖28-C代表該工藝在這一點(diǎn)上的材料。結(jié)構(gòu)顯示，兩個不同序列分別專一的雜交至一個芯片表面的兩個不同部分(圖24-B、25-A、25-B)，我們有理由相信上述草案確實(shí)能在硅基質(zhì)表面上產(chǎn)生多重標(biāo)識。
鍵接至基質(zhì)上的160nm球的試驗(yàn)演示圖26A和26B顯示將160nm DNA衍生熒光納米球附著至一種DNA衍生二氧化硅表面的結(jié)果。該納米球被束縛至帶有活性DNA的圖像部分，與DNA失活部分相反。由于靜電和雜交相互作用而產(chǎn)生束縛。
低密度光學(xué)記憶應(yīng)用DNA基光學(xué)數(shù)據(jù)存儲和記憶的許多重要用途可能涉及有關(guān)文件、金融、商標(biāo)和其它領(lǐng)域。對于“低密度”應(yīng)用，使用熒光能量轉(zhuǎn)換和生色團(tuán)DNA基機(jī)制比實(shí)際應(yīng)用中使用的條碼和其它方法更具優(yōu)越性，其原因在于，要想偽造這種信息或代碼極端困難。
一種光電光學(xué)記憶寫系統(tǒng)和裝置DNA聚合物可用于許多光電應(yīng)用。使用DNA聚合物的主要應(yīng)用之一為高密光學(xué)數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)。在這個應(yīng)用中，生色團(tuán)DNA聚合物在一個單一波長處吸收光能，且在預(yù)定的多波長處再輻射(見圖45)。一方面，這些發(fā)明涉及一種稱作光電寫工藝的方法。這一工藝涉及使用空間光定位至一種光活性基質(zhì)材料，產(chǎn)生顯微電場，之后影響該選擇性轉(zhuǎn)換，以及充電生色團(tuán)(顏色)DNA附著至這些選擇性位置。
操作原理光電寫工藝涉及的基本原理示于圖46.a和46.b中。所建議的寫基質(zhì)將是一種光電活性基質(zhì)材料(如一種光導(dǎo)膜)，DNA聚合物序列將附著于該材料上。每個這樣的DNA序列都將具有多重標(biāo)識。為演示起見，圖46.a顯示含有具有三種標(biāo)識(A、B、C)的DNA序列的三個光活性點(diǎn)。一種含有生色團(tuán)DNA的溶液，具有互補(bǔ)標(biāo)識(A’)，將置露于基質(zhì)材料上，一種反電極將置于該溶液中，并降低了基質(zhì)材料?；|(zhì)材料上的特定微位置現(xiàn)能被空間光定位活化，引起該位置上的材料充電(見圖46.b)電荷的產(chǎn)生會在溶液中產(chǎn)生一種電場，引起帶有相反電荷的分子吸引至該位置，或排斥帶有相同電荷標(biāo)識的分子。天然DNA將含有一種凈負(fù)電荷，且將遷移至具有正電荷的位置。合成DNA’可在凈負(fù)電荷、凈正電荷或中性狀態(tài)下完成。圖46.b顯示中心微位置2的光活性，生色團(tuán)DNA(A’)遷移至這個位置，然后束縛至(雜交至)該DNA(A)標(biāo)識序列位置。當(dāng)電場強(qiáng)度足夠高時，DNA生色團(tuán)單元的轉(zhuǎn)換和濃縮過程將極快，在1到2秒之內(nèi)出現(xiàn)。
圖46.c至46.f顯示在特定微位置產(chǎn)生多色的工藝。圖46.c顯示一組六個微位置，每個都含有一種帶有A、B、C序列標(biāo)識(這些圖僅顯示一個捕獲螺旋)的DNA聚合物。完成在位置1、3、5處的空間光定位。生色團(tuán)DNA A’序列(紅)被轉(zhuǎn)換，濃縮并選擇性雜交至這些位置。圖46.d顯示重復(fù)用于下一步生色團(tuán)DNA B’序列(綠色)的工藝?，F(xiàn)已完成在位置1、3、4處的空間光定位。生色團(tuán)DNA B’序列被轉(zhuǎn)換，濃縮并選擇性雜交至這些位置。圖46.e顯示重復(fù)用于下一步生色團(tuán)DNA C’序列(蘭色)的工藝?，F(xiàn)已完成在位置1、3、5、6處的空間光定位。生色團(tuán)DNA C’序列被轉(zhuǎn)換，濃縮并選擇性雜交至這些位置。完成寫工藝，圖46.f顯示最終的光學(xué)材料，在微位置1和3具有生色團(tuán)DNA A’/B’/C’(紅/綠/蘭)，在微位置5具有生色團(tuán)DNA A’/C’(紅/蘭)，在微位置4具有生色團(tuán)DNA B’(綠)，在微位置6具有生色團(tuán)DNA C’(蘭)，在微位置6沒有任何生色團(tuán)DNA(無色)。
除光導(dǎo)材料的空間光活性之外，其它情況也存在。例如，通過空間光定位變換電極陣列。
為了清楚和理解的目的，通過演示和實(shí)例，詳細(xì)描述了上述發(fā)明，但是，很顯然對于那些本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，對本發(fā)明的某些改變和改進(jìn)，都在權(quán)利要求書范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1．一種制備微米級和納米級裝置的方法，包括以下步驟在第一支承體上制備第一部件，從該第一支承體釋放至少一個第一構(gòu)成裝置，將該第一構(gòu)成裝置傳送至第二支承體，和將該第一構(gòu)成裝置附著至該第二支承體上。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備微米級和納米級裝置的方法，其特征在于該第一構(gòu)成裝置是激光器。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備微米級和納米級裝置的方法，其特征在于該第一構(gòu)成裝置是一種顯示元件。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備微米級和納米級裝置的方法，其特征在于該顯示元件是一種活性顯示元件。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備微米級和納米級裝置的方法，其特征在于釋放裝置的步驟是通過外延卸下完成的。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備微米級和納米級裝置的方法，其特征在于所述的傳送是通過一種流體完成的。
7．根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備微米級和納米級裝置的方法，其特征在于進(jìn)一步包括至少對第二支承體和附著裝置進(jìn)行干燥的步驟。
8．根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備微米級和納米級裝置的方法，其特征在于傳送是通過電泳完成的。
9．根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備微米級和納米級裝置的方法，其特征在于裝置向第二支承體的附著是通過移植完成的。
10．根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備微米級和納米級裝置的方法，其特征在于進(jìn)一步包括以下步驟在第三支承體上制備第二部件，從該第三支承體釋放至少一個第二構(gòu)成裝置，將該第二構(gòu)成裝置傳送至第二支承體，且在該第二支承體上支承該第二裝置。
11．根據(jù)權(quán)利要求10所述的制備微米級和納米級裝置的方法，其特征在于該第二裝置被附著至該第二支承體上。
12．根據(jù)權(quán)利要求10所述的制備微米級和納米級裝置的方法，其特征在于該第二裝置被附著至該第一構(gòu)成裝置上。
13．根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備微米級和納米級裝置的方法，其特征在于該第一支承體和第二支承體的物理結(jié)構(gòu)不同。
14．根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備微米級和納米級裝置的方法，其特征在于該第一支承體和第二支承體為同一結(jié)構(gòu)的不同區(qū)域。
15．根據(jù)權(quán)利要求10所述的制備微米級和納米級裝置的方法，其特征在于該第一支承體和第三支承體的物理結(jié)構(gòu)不同。
16．根據(jù)權(quán)利要求10所述的制備微米級和納米級裝置的方法，其特征在于該第一支承體和第三支承體為同一結(jié)構(gòu)的不同區(qū)域。
17．根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備微米級和納米級裝置的方法，其特征在于該第一構(gòu)成裝置包括輻射器，而該裝置為一種輻射器陣列。
18．根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備微米級和納米級裝置的方法，其特征在于該第一構(gòu)成裝置包括生色團(tuán)記憶單元，而該裝置為一種光學(xué)記憶。
19．根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備微米級和納米級裝置的方法，其特征在于還包括在附著于該第二支承體的該第一構(gòu)成裝置上形成結(jié)構(gòu)的步驟。
20．根據(jù)權(quán)利要求19所述的制備微米級和納米級裝置的方法，其特征在于該結(jié)合的第一構(gòu)成裝置和附著結(jié)構(gòu)形成一種光子帶隙裝置。
21．根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備微米級和納米級裝置的方法，其特征在于進(jìn)一步包括在該第二支承體上形成接觸的步驟。
22．根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備微米級和納米級裝置的方法，其特征在于該接觸是通過在該第二支承體上傳送并附著導(dǎo)電材料而形成的。
23．根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備微米級和納米級裝置的方法，其特征在于該第二支承體包括一種母板。
24．一種制備微米級和納米級裝置的方法，包括以下步驟提供一種具有多重親和力表面標(biāo)識的結(jié)構(gòu)，在一電場中，對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行定向，將該定向的結(jié)構(gòu)與一種親和位點(diǎn)進(jìn)行反應(yīng)。
25．根據(jù)權(quán)利要求21所述的制備微米級和納米級裝置的方法，其特征在于多重親和力表面標(biāo)識以極方式排列。
26．根據(jù)權(quán)利要求21所述的制備微米級和納米級裝置的方法，其特征在于多重親和力表面標(biāo)識以四面體方式排列。
27．一種形成多重標(biāo)識基體材料的方法，包括以下步驟在一種支承體上的多位置提供一種多重親和序列，提供一種功能化第二親和序列，該序列與該第一親和序列反應(yīng)，且具有一種未雜交懸垂序列，且將該第一親和序列與第二親和序列進(jìn)行選擇性交聯(lián)。
28．根據(jù)權(quán)利要求27所述的形成一種多重標(biāo)識的基體的方法，其特征在于所述的交聯(lián)是通過補(bǔ)骨脂素的紫外線輻射完成的。
29．一種組裝生色團(tuán)結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟選擇性輻射一可光活化的區(qū)域，產(chǎn)生對應(yīng)于該區(qū)域的電場，在包括該電場的溶液中提供帶電的反應(yīng)物，以及重復(fù)該選擇性輻射，以順序地組裝該生色團(tuán)結(jié)構(gòu)。
30．根據(jù)權(quán)利要求29所述的組裝生色團(tuán)結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于該可光活化的區(qū)域包括一種光導(dǎo)材料。
31．根據(jù)權(quán)利要求29所述的組裝生色團(tuán)結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于該可光活化的區(qū)域包括一種通過空間光尋址進(jìn)行啟閉的電極陣列。
32．根據(jù)權(quán)利要求29所述的形成組裝該生色團(tuán)結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于該可光活化的區(qū)域包括一種由電子儀器啟閉的電極陣列。
全文摘要
本發(fā)明涉及使用可編程功能化自組裝核酸、核酸修飾結(jié)構(gòu)及其他選擇性親和力或結(jié)合部分作為結(jié)構(gòu)單元的技術(shù)。本發(fā)明是一種制備微米級和納米級裝置的方法,包括以下步驟:在第一支承體上制備第一部件,從該第一支承體釋放至少一個第一構(gòu)成裝置,將該第一構(gòu)成裝置傳送至一種第二支承體,且將該第一部件附著至該第二支承體上。本發(fā)明也提供在一個電場中定位一種結(jié)構(gòu)、反應(yīng)親和基序列,且通過光活化作用組裝生色團(tuán)結(jié)構(gòu)。
文檔編號B01L3/00GK1287689SQ97181687
公開日2001年3月14日 申請日期1997年11月26日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月6日
發(fā)明者麥克爾·J·海勒, 杰夫瑞·M·凱布爾, 賽迪爾·C·埃塞內(nèi)爾 申請人:內(nèi)諾卓尼科斯公司, 加利福尼亞大學(xué)董事會