构建纳米图形和纳米结构的操纵方法技术

一种构建纳米图形和纳米结构的操纵方法，该方法包括下列步骤：（１）用３－氨基丙基三乙氧基硅烷（ＡＰＴＥＳ）处理基底表面，形成ＡＰＴＥＳ基底表面；（２）ＡＰＴＥＳ基底表面在高温下退火；（３）将生物大分子样品溶液滴加在ＡＰＴＥＳ基底表面，利用二维分子梳技术将样品分子拉直，在ＡＰＴＥＳ基底表面形成样品分子网络；（４）利用原子力显微镜（ＡＦＭ）对样品分子进行成像；（５）根据纳米图形和纳米结构设计，对选定的样品分子图形进行选位；（６）用“逐线反馈纳米操纵技术”对样品分子进行纳米操纵，即利用原子力显微镜的探针对同一条线进行第二次扫描时，借助探针针尖对样品分子施力大小而进行切割或推的操纵，经过多次操纵获得由生物大分子构成的纳米图形和纳米结构。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及线性生物大分子，特别是一种在固体表面利用“分子梳”和原子力显微镜操纵线性生物大分子。本专利技术的技术解决方案，概略地说，本专利技术就是采用宏观操纵和纳米操纵相结合的方法，简单地说，就是通过宏观操纵将生物大分子拉直并构成二维网络，再利用原子力显微镜进行纳米操纵，进行切割、推的操纵，构成纳米图形和纳米结构。具体地说一种构建纳米图形和纳米结构的操作方法，其特征在于该方法包括下列步骤(1)用3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)处理基底表面，形成APTES基底表面；(2)APTES基底表面在高温下退火；(3)将生物大分子样品溶液滴加在APTES基底表面，利用二维分子梳技术将样品分子拉直，在APTES基底表面形成样品分子网络；(4)利用原子力显微镜(AFM)对样品分子进行成像；(5)根据纳米图形和纳米结构设计，对选定的样品分子图形进行选位；(6)用“逐线反馈纳米操纵技术”对样品分子进行纳米操纵，即利用原子力显微镜的探针对同一条线进行第二次扫描时，借助探针针尖对样品分子施力大小进行切割或推的操纵，经过多次操纵获得由生物大分子构成的纳米图形和纳米结构所说的基底可以是云母，也可以是硅。所说的基底为云母，即新剥离的云母表面用0.5～1％的APTES水溶液处理2分钟，用双蒸水洗涤后，在80℃～200℃环境下烘烤1～4小时，然后放在干燥器中备用。所说生物大分子样品可以为DNA、RNA、蛋白质、蛋白质和DNA复合物或其他复合物。所说的原子力显微镜的探针可对处于液体或真空环境的样品进行操纵。图2是利用原子力显微镜切割DNA分子操纵示意图。图3是利用旋转离心力将DNA分子拉直的装置及过程示意图。图4是DNA分子在云母表面形成一条条直线的原子力显微镜探测结果-DNA线AFM图像。图5是DNA网络用原子力显微镜探测所获得的图像。图6是应用纳米操纵技术形成纳米图形过程的AFM图像。图7是利用纳米操纵技术构建的DNA文字图形的AFM图像。图8是利用纳米操纵技术形成DNA纳米结构过程的AFM图像。图9是利用纳米操纵技术形成纳米级波浪结构的AFM图像。附图说明图10是对蛋白质进行纳米切割的AFM图像。本专利技术利用DNA样品，包括下列步骤1、用3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)处理基底表面，形成APTES基底表面；为了在固态表面即基底表面构建稳定的、精确的DNA图形，基底必须满足两个要求。首先，在大气、水或真空环境下DNA分子能在其表面吸附。吸附力要适当，从而使得DNA链能被AFM针尖移动。第二，基底必须很稳定，而且在AFM针尖的纳米操纵过程对它也不能产生严重的破坏。为达到这些目的，我们采用了可控的方法来修饰一个固态基底，例如云母或硅。3-氨基丙基-三乙氧基硅氧烷(APTES)被用来处理云母或硅的表面。然后，APTES处理过的表面须进行一个退火的过程，从而控制其对DNA分子的吸附能力。(关于基底处理以适合于DNA拉直的要求，请参见我们的专利胡钧，黄一波，张益 ，欧阳振乾，李民乾。一种用于DNA操纵的云母衬底的制造方法。专利技术专利，申请号00116715.4，申请日20000623)；2、APTES基底表面在高温下退火，例如，云母基底，即新剥离的云母表面用0.5～1％的APTES水溶液处理2分钟，用双蒸水洗涤后，在80℃-200℃环境下烘烤1-4小时，然后放在干燥器中备用；3、将DNA溶液滴加在APTES基底表面利用二维分子梳技术将DNA分子拉直，形成DNA网络。分子梳技术在固体表面拉直DNA其拉伸方向可以控制。因此经过几次分子梳操纵，就可以在表面形成DNA网络。通过对DNA溶液的浓度调整，网格尺寸可以被控制在纳米水平。具体见图1；4、利用原子力显微镜(AFM)对DNA分子进行成像；5、根据所需构建的纳米图形和纳米结构设计，对选定的DNA图形进行选位；6、利用AFM的逐线反馈纳米操纵技术对DNA分子进行纳米操纵。通常的纳米操纵的过程为首先，为了获得一幅图像，选定感兴趣的区域；接下来，通过增加力来驱动AFM针尖与选定区域接触，从而利用AFM针尖的移动进行不同的纳米操纵。我们的“逐线反馈纳米操纵”的具体过程就是先用AFM轻敲模式(tapping)扫描一条线，获得这条线的信息(力，或者它所转换成的高度)，然后对同一条线进行第二次接触模式(Contact)扫描时实现对这条线的操纵(见图2)。Tapping模式成像时的力非常小，对样品造成的破坏比接触模式(Contact)要小得多。另外，“逐线反馈纳米操纵”技术的优点是，纳米操纵可以在一条扫描线后进行监视和调整。这样的操纵可以获得很高的精确性，切割DNA时的空间精确度达到＜5nm，而这主要是受针尖尺度的限制。而且整个成像和操纵过程不用退出AFM的反馈系统而连续进行。利用“逐线反馈纳米操纵”技术不仅可以实行纳米“切割”，还可以进行纳米的“推”操纵。在“推”操纵时，操作类似于“切割”，但力要小于切割时的域值，通常要小10nN(随针尖的不同而变化)。这样，扫描区域内吸附在表面的物质将被AFM针尖清除掉，留下来的则是我们所需要的DNA图形，从而完成了纳米图形的构建。另外，“推”的操作还可以诱导基底上的DNA分子形成纳米颗粒和纳米棒。下面再举例说明各种纳米图形和纳米结构的操纵。实施例1 DNA线基底的处理采用了硅烷化的云母作为基底。即新剥离的云母表面用0.5-1％的3-氨基丙基-三乙氧基硅氧烷(3-aminopropyl triethanoxysilane，APTES)水溶液处理，时间为2分钟。处理过的APTES-云母表面用双蒸水洗涤后，在120℃干燥几个小时，然后放置在干燥器中备用。DNA样品准备和拉直操纵。λDNA购自Sigma公司(美国)；DNA用TE缓冲液(例如40mM Tris-HCl，1mM EDTA)稀释至1～5ng/μl，取4μl上述DNA溶液滴加在处理好的APTES-云母表面，然后将带DNA溶液的APTES-云母放置于一个旋转装置上(Yi Zhang，Qihua Xiong，Bin Li，Shitao Lou，Zhenqian Ouyang，Jun Hu，Minqian Li.Stretching DNA molecules with acentrifugal method and imaging with Atomic Force Microscope.ProbeMicroscopy 2000，Vol.2，No.1，31-36；如图3所示)。进行拉直操纵时，旋转装置的转速(ω)控制在200～300rpm，而液滴中心离转轴的距离为2cm。在这样的转速下，DNA液滴在APTES-云母表面移动的平均速度大约为1cm/s。DNA溶液从APTES-云母表面被甩掉后，样品表面立即在空气中干燥，然后进行AFM探测。APTES-云母表面的样品由NaNoScope IIIa AFM系统(Digital Instrument，美国)成像。采用轻敲模式AFM成像，扫描头为E或J型。AFM针尖为硅针尖(Silicn-MDT Ltd.，俄罗斯)。所有的图像均在大气条件下获取，相对湿度控制为30～40％。AFM探测的结果显示DNA在云母表面形成了一条条的直线(见图4)。AFM图像扫描范围为7μm×本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种构建纳米图形和纳米结构的操作方法，其特征在于该方法包括下列步骤： （１）用３－氨基丙基三乙氧基硅烷（ＡＰＴＥＳ）处理基底表面，形成ＡＰＴＥＳ基底表面； （２）ＡＰＴＥＳ基底表面在高温下退火； （３）将生物大分子样品溶液滴加在ＡＰＴＥＳ基底表面，利用二维分子梳技术将样品分子拉直，在ＡＰＴＥＳ基底表面形成样品分子网络； （４）利用原子力显微镜（ＡＦＭ）对样品分子进行成像； （５）根据纳米图形和纳米结构设计，对选定的样品分子图形进行选位； （６）用“逐线反馈纳米操纵技术”对样品分子进行纳米操纵，即利用原子力显微镜的探针对同一条线进行第二次扫描时，借助探针针尖对样品分子施力大小而进行切割或推的操纵，经过多次操纵获得由生物大分子构成的纳米图形或纳米结构。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡钧，哈特曼，李民乾，
申请(专利权)人：中国科学院上海原子核研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]