以动态组合模式“蘸笔”纳米刻蚀技术制造纳米图形的方法

摘要

一种以动态组合模式“蘸笔”纳米刻蚀技术制造纳米图形的方法，采用以下步骤：A.对基底表面进行处理，使其达到原子级的平整；B.对原子力显微镜针尖进行修饰，将针尖直接浸入到蛋白质或DNA或其他感兴趣的溶液中约几分钟后，拿起吹干，备用；C.对环境温度、湿度进行控制；D.制造纳米图形：用修饰后的针尖先在基底表面上扫描成像，选定所需要的区域；用该针尖在选定的区域上制造纳米图形；仍然用此针尖对所制造的纳米图形进行再次扫描成像，检查所制造的图形。弥补了现有技术的不足，不但可实现在柔软的生物大分子表面制造纳米图形的工作，同时也可在其他物体表面制造纳米图形。

说明书

技术领域

本发明属于微观科学领域，特别是纳米操纵、制造技术。

背景技术

当今，纳米科学技术发展十分迅速，作为纳米科学技术之一的纳米操纵技术的发展给我们创造了新的机遇来完成原来技术所不可能实现的工作。“蘸笔”纳米刻蚀技术的发明使我们能够通过原子力显微镜(AFM)，操纵纳米级原子力显微镜针尖，将蘸在针尖上的物质沉积到物体表面，制造出纳米图形。但是，利用现有的“蘸笔”纳米刻蚀技术(DPN)已能在不同的物体表面如导体、半导体表面上进行，但不能实现在柔软的生物大分子上制作纳米级图形的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动态组合模式“蘸笔”纳米刻蚀方法(CD-DPN)，弥补现有技术的不足，实现在柔软的生物分子上制作纳米图形的目标。

为了将DPN技术应用到生命科学领域，在此介绍采用CD-DPN技术在单个DNA生物大分子上制造的纳米阵列，或者说采用CD-DPN技术对单个DNA分子纳米水平上的定位修饰。为了强调CD-DPN分子不但可实现在柔软的生物大分子表面制造纳米图形的工作，它同时也可在其他物体表面制造纳米图形的优势，我们采用CD-DPN技术在云母的表面也制备了纳米图形。

采用D-DPN纳米操纵技术制造纳米图形的步骤如下：

1.基底表面的处理：可分别采用疏水表面和亲水表面的基底表面来制造纳米阵列。新解理的云母表面和干净的玻璃表面基本为亲水表面，如需要可直接用于纳米图形的制造。如需疏水表面可将云母或玻璃采用5％-1‰的3-氨基丙基硅烷(APTES)水溶液处理活化，硅片本身疏水性较强，可直接作为疏水表面来制备纳米图形。无论基底是疏水的表面还是亲水的表面，处理过的或未经处理的表面，都需达到原子级的平整；

2.原子力显微镜针尖的修饰：将针尖直接浸入到蛋白质或DNA或其他感兴趣的溶液中约几分钟后，拿起吹干，备用；

3.环境温度、湿度的控制：温度可在20-30C间。而湿度需根据不同的基底表面性质与所制造的纳米图形的溶液不同来调整，如APTES修饰的云母表面，湿度需达到70％以上才比较适合制备蛋白质纳米阵列；而在新解理的云母表面上，用蛋白质溶液制备纳米图形，30％以上的湿度就可以了。

4.以下过程就是D-DPN技术制造纳米图形的步骤：

●用修饰后的针尖先在基底表面上扫描成像，选定所需要的区域；

●仍然用此针尖在选定的区域上制作纳米图形如纳米点、纳米线、纳米阵列等；

●仍然用此针尖对所制造的纳米图形进行再次扫描成像，检查所制造的图形。

附图说明

图1为利用本发明在单个DNA分子上制造的纳米阵列。

图2为本发明动态组合模式“蘸笔”纳米刻蚀技术(CD-DPN)步骤示意图。

图3为利用本发明在云母基底表面上制造的纳米阵列。

具体实施方式

实施例1  在柔软的生物大分子上制造的纳米图形

单个DNA分子上蛋白质纳米阵列的制造，可以采用以下步骤：

1.将新解理的云母用1％的APTES溶液处理活化后，放在干燥皿中备用(具体操作步骤，请参见名称为“一种用于DNA操纵的云母衬底的制造方法”的发明专利，申请号：00116715.4，申请日：20000623)；

2.将DNA样品溶液滴在经活化的云母上，利用分子梳技术将DNA分子拉直并固定。具体做法是，用TE缓冲液将λDNA稀释到浓度1-20ng/ul范围内，取出2-5ul上述溶液点在APTES修饰的云母一端，用干净的盖玻片或云母片轻轻与液滴接触，慢慢地将整个盖玻片或云母沿着APTES云母的表面移动。在此过程中，由于水流弯月面的作用将DNA拉直，ATPES云母对DNA的吸附作用，使其固定在基底上。样品在空气中或氮气中干燥后，准备用AFM进行扫描成像和操纵；

3.AFM针尖用蛋白质溶液修饰1分钟后，吹干备用；

4.将修饰好的针尖安装在AFM上；

5.采用AFM对拉直的DNA分子进行扫描成像，确定好需要制作纳米图形的区域；

6.在此区域内选定好一根拉直的单个DNA分子。在单个DNA分子上制备纳米图形或着说对单个DNA分子进行纳米尺度上的定位修饰，可选择在基底上只有一个DNA分子或多个DNA分子的区域，但要锁定单个DNA分子上需被修饰的确切位置；

7.利用AFM的动态组合模式“蘸笔”纳米刻蚀技术(CD-DPN)，将蘸在AFM针尖上的蛋白质溶液沉积在原来选定位置上一单个DNA分子上某个特定点的位置上用于制造纳米图形。

CD-DPN技术的具体操作过程如下：步骤1：先用AFM的轻敲模式，获得所选定区域的形貌图像，再在此区域内进一步确定某一个具体位置；步骤2：在此位置上进行接触模式的扫描，使蘸在AFM针尖上的蛋白质溶液逐渐沉积到衬底的表面上，从而实现纳米图形的制造；步骤3；将接触模式转换成轻敲模式，再次对原来所选定的区域进行成像扫描，获得形貌图像，从而实现对制造好的纳米图形的检查，如图2所示。从图2中，可以看出CD-DPN的特点在于：在整个纳米图形的制作过程，接触模式与轻敲模式之间的转换可随机的进行而无须将针尖抬起，退出操作系统。也就是说CD-DPN是通过轻敲模式—接触模式，或轻敲模式—接触模式—轻敲模式间不停的转换，来实现纳米图形的制作。当在单个拉直的DNA分子上制造纳米阵列时，先选定感兴趣的单个DNA分子，再锁定单个DNA分子上的特定区段。此时，降低AFM针尖高度使AFM针尖直接与DNA分子接触，使蘸在针尖上的物质转移到DNA分子上来。接触的时间根据不同需要来定，纳米点或线的尺度越大所需接触的时间就越长。当一个纳米点制造好后，立刻将AFM针尖的高度抬高扫描，就可获得已经制备好的纳米图形的图像。通过这样不断的锁定目标，降低针尖高度、抬高针尖高度的过程就可在DNA分子上制造纳米图形，甚至实现了对单个DNA分子的定位修饰。

如用荧光标记的蛋白质溶液作为修饰AFM针尖的溶液，制作好的纳米图形也可采用荧光显微镜检测方法来检测，与AFM一起来相互验证所获得的结果。

本实验所得到的结果是在NanoScope IIIa，AFM MutiMode系统(DigitalIntruments/Veeco，Inc.，Santa Barbara，CA)上完成的。扫描头为E或J型。AFM的探针为(MikroMasch公司)NSC 11(弹性系数4.5Nm^-1)非接触硅针尖。

本实验例中使用的AFM针尖为单个针尖。成像和操纵时的温度控制在25℃左右，湿度在75％左右。

实施例2  在其他物体表面制造的纳米图形

APTES云母上纳米阵列的制造，可以采用以下步骤：

1.将新解理的云母用1％的APTES溶液处理活化后，放在干燥皿中备用(具体操作步骤，请参见名称为“一种用于DNA操纵的云母衬底的制造方法”的发明专利，申请号：00116715.4，申请日：20000623)；

2.将用于制造纳米图形的溶液(此例中为蛋白质溶液)修饰AFM针尖几分钟后，吹干备用；

3.将修饰好的针尖安装在AFM上；

4.采用AFM对云母表面进行扫描成像，确定好需要制作纳米图形的区域；

5.利用AFM的动态组合模式“蘸笔”纳米刻蚀技术(CD-DPN)将蘸在AFM针尖上的蛋白质溶液沉积在原来选定的区域上，形成阵列上的一个纳米点。如需要可及时再次扫描成像，检查已经沉积在云母表面上的纳米点，也可以不经检查，通过调整X轴或Y轴的参数，转换到另外一处位置，直接进行另外一个纳米点的制作。这样，不断的转换X轴或Y轴的参数，再进行纳米点的制作，就可得到所设计的纳米图形，本例结果为2X4的纳米阵列。纳米点的大小在30纳米以下，点的高度在1.5纳米以下，点与点之间的间距约在150-200纳米间，它可根据实际需要调整；

实验结果显示：如图3所示，本实验例中使用的的AFM针尖为单个针尖，也可以是双针尖或者针尖阵列。

成像和操纵时的温度控制在25℃左右，湿度在75％左右。