一种基于力化学反应的分子图案化表面的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于力化学反应的分子图案化表面的制备方法，包括如下步骤：(1)模板与基底的修饰：将一端为力响应官能团，另一端为具有生物亲和性的二元结构分子作为打印墨水分子；将生物亲和分子修饰的模板作为力化学打印的图案模板，可用以富集墨水分子；将力响应官能团修饰的基底作为图案转移对象，可与力响应墨水发生力化学反应，制得图案化表面；(2)力化学压印：在墨水环境中将模板与基底接触，施加压力使墨水分子与官能化基底力促共价结合，从而将墨水分子按模板的图案化固定到基底上。本发明专利技术具有低成本，高通量的特点，分子图案分辨率高，稳定性高，并且能保持生物分子的活性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于力化学反应的分子图案化表面的制备方法


[0001]本专利技术涉及生物
，具体涉及一种基于力化学反应的分子图案化表 面的制备方法。

技术介绍

[0002]随着微纳图案化加工技术的发展，集成电路在半导体上实现了小型化，极 大地满足了人们对电子信息设备的需求，同时也激发了科学家们将微纳图案化 加工技术应用到生物领域的热情。微纳米精度的加工技术使得调控细胞外微环 境甚至操控单个细胞成为可能，早期的探索就是将微纳制造技术加工的图案化 表面用于研究细胞的黏附、生长等基础细胞生物学研究。除此之外，还有研究 将生物分子通过微纳制造技术图案化结合到表面，小型化的生物分子阵列可以 作为微型的生化反应实验室(即生物芯片)，用于生物样品检测分析。生物分子 图案的小型化能提高检测信号密度，从而显著提高生物芯片的灵敏度。
[0003]早期的生物分子阵列采用微量点样等方法制备，图案精度只能控制在几十 微米。而目前最先进的极紫外光刻机精度已经达到了13nm的水平，光刻技术 具有极高的分辨率和高通量等优点，是半导体行业中最为重要的工艺技术，因 此，科学家们自然而然地将光刻技术应用于生物分子的表面图案化。光刻机直 接图案化加工的是旋涂在晶圆表面的光刻胶，而不能直接将生物分子连接到表 面上，只能先将硅烷偶联剂结合到显影后暴露衬底的图案区域，再通过后续反 应接枝生物分子。类似地还有电子束曝光技术和纳米压印技术，这些技术直接 图案化加工的是表面的抗蚀剂，暴露表面图案区域后再修饰生物分子。这两种 技术相较于光刻都有各自的优点，但由于技术原理不同，不可避免地存在一些 各自的不足。从德布罗意的物质波理论可以知道，电子是一种波长比紫外光更 短的波。根据衍射极限公式，采用电子束对抗蚀剂进行加工能将精度提高到纳 米量级。但电子束曝光存在着耗时长，产率低等缺点。使用预设纳米图案的模 板直接转印到衬底上能在保证图案分辨率的前提下，同时提高产率并降低成本。 纳米压印技术使用热塑性材料作为抗蚀剂旋涂在衬底表面，在高温下通过模板 与衬底间的接触并施加高压将图案转移到衬底表面介质上，然而刚性模板与衬 底间只要存在小颗粒或褶皱就会严重影响加工质量。因此采用弹性模板的图案 转移技术应运而生，微接触印刷技术就是采用较软的聚二甲基硅氧烷作为模板 材料，通过蘸取墨水的方式直接将墨水分子转印到衬底上。相较于上述三种加 工抗蚀剂的图案化技术，直接转移墨水分子的图案化技术避免了高温，高压和 真空等严苛条件，更适用于生物分子的图案化固定。生物分子(特别是蛋白质) 需要在模拟生理环境的缓冲溶液才能维持其生物活性，墨水溶液从模板转移到 衬底的过程中会发生严重扩散，最终导致生物分子图案精度大大降低。墨水的 扩散受溶液粘滞性，接触时间等因素影响，使用原子力显微镜探针来蘸取墨水 进行书写能精确地控制接触时间和书写速度，这种蘸水笔蚀刻技术能实现相当 于探针尖端尺寸的精度(约30nm)，但存在产率低的天然缺陷，几乎不可能实 现商用。
[0004]目前能进行图案化加工的技术有很多，这些技术都有着独特的优点，在特 定领域中都有着独到的优势，但是没有哪一种技术可以在兼具高图案精度，高 质量，高产率和低成本等优点的同时仍能保持生物分子的活性。从2010
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2019 年全球生物芯片的相关专利数来看，美国拥有着25万件公开专利，处于绝对的 领先地位。我国虽然拥有12％的生物芯片相关学术论文发表数，但相关专利数 却不足5万件，科研成果转换率较低。新冠疫情以来，我国生物芯片的需求量 持续扩大，市场规模高速增长，因此发展生物芯片的上游制造技术迫在眉睫， 研发新型的生物分子图案化技术能推动我国生物芯片相关技术的发展。

技术实现思路

[0005]针对上述缺陷，本专利技术提供了一种基于力化学反应的分子图案化表面的制 备方法，该技术通过模板与衬底的接触并施加压力，将溶液环境中的力响应墨 水共价结合到表面。
[0006]为了达到上述专利技术目的，本专利技术所采用的技术方案如下：本专利技术的一种基 于力化学反应的分子图案化表面的制备方法，包括如下步骤：
[0007](1)模板与基底的修饰：将一端为力响应官能团，另一端为具有生物亲和 性的二元结构分子作为打印墨水分子；将生物亲和分子修饰的模板作为力化学 打印的图案模板，可用以富集墨水分子；将力响应官能团修饰的基底作为图案 转移对象，可与力响应墨水发生力化学反应，制得图案化表面；
[0008](2)力化学压印：在墨水环境中将模板与基底接触，施加压力使墨水分子 与官能化基底力促共价结合，从而将墨水分子按模板的图案化固定到基底上。
[0009]进一步地，在步骤(1)中，对于硅和氮化硅模板，首先用丙酮对其表面进 行清洗，再将其依次浸泡在70
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100℃的铬酸和食人鱼洗液中，纯水冲洗再吹干 后依次修饰氨基硅烷化试剂的乙醇溶液和戊二醛水溶液，随后再用链霉亲和素 或含镍亲和树脂对其进行修饰；对于聚二甲基硅氧烷模板，首先用乙醇对其表 面进行清洗后置于紫外臭氧环境中处理，随后用盐酸多巴胺包覆在其表面，最 后再修饰链霉亲和素或含镍亲和树脂；对于硅基底而言，首先将其置于丙酮中 进行超声清洗，再将其依次浸泡在70
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100℃的铬酸和食人鱼洗液中，纯水冲洗 再吹干后依次修饰氨基硅烷化试剂。
[0010]进一步地，在步骤(2)中，力化学压印：将具有力响应端和生物亲和端的 墨水分子溶解在模拟生理环境的缓冲溶液中，将其浸入步骤(1)所述的官能化 模板和基底之间，施加压力使墨水分子结合到基底上，释放使模板重新富集墨 水分子，再反复压印以提高表面墨水分子结合量。
[0011]进一步地，对步骤(2)制备的图案化表面进行表征：图案化结合了墨水分 子的表面可以通过原子力显微镜或荧光显微镜等手段表征，对于原子力显微镜 表征，直接将得到的图案化表面进行冲洗吹干即可进行扫图表征；对于荧光显 微镜表征，需先用牛血清白蛋白或吐温20等试剂将图案化表面上的非特异性结 合位点进行封闭，再用荧光标记的链霉亲和素或量子点进行荧光染色，最后再 用荧光显微镜进行表征。
[0012]进一步地，在步骤(1)中，所述的模板通过生物亲和作用富集墨水的。
[0013]进一步地，在步骤(1)中，所述的生物亲和作用包括：
[0014]S1生物素和链霉亲和素的亲和作用；
[0015]S2组氨酸标签和含镍亲和树脂的亲和作用。
[0016]以上两种生物亲和作用早有报道并被广泛应用，而采用生物亲和作用来富 集墨水分子是本专利技术首次提出的。
[0017]更进一步地，在步骤(1)中，所述的模板的材料为硅、氮化硅或聚二甲基 硅氧烷。
[0018]进一步地，在步骤(2)中，所述的图案转印过程涉及力化学反应的。
[0019]进一步地，在步骤(2)中，所述的力化学反应涉及官能团包括：
[0020]S1马来酰亚胺和氨基的力化学反应
[0021][0022]S2碳碳双键和巯基的力化学反应
[0023][0024]S3本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于力化学反应的分子图案化表面的制备方法，其特征在于包括如下步骤：(1)模板与基底的修饰：将一端为力响应官能团，另一端为具有生物亲和性的二元结构分子作为打印墨水分子；将生物亲和分子修饰的模板作为力化学打印的图案模板，可用以富集墨水分子；将力响应官能团修饰的基底作为图案转移对象，可与力响应墨水发生力化学反应，制得图案化表面；(2)力化学压印：在墨水环境中将模板与基底接触，施加压力使墨水分子与官能化基底力促共价结合，从而将墨水分子按模板的图案化固定到基底上。2.如权利要求1所述的基于力化学反应的分子图案化表面的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，对于硅和氮化硅模板，首先用丙酮对其表面进行清洗，再将其依次浸泡在70
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100℃的铬酸和食人鱼洗液中，纯水冲洗再吹干后依次修饰氨基硅烷化试剂的乙醇溶液和戊二醛水溶液，随后再用链霉亲和素或含镍亲和树脂对其进行修饰；对于聚二甲基硅氧烷模板，首先用乙醇对其表面进行清洗后置于紫外臭氧环境中处理，随后用盐酸多巴胺包覆在其表面，最后再修饰链霉亲和素或含镍亲和树脂；对于硅基底而言，首先将其置于丙酮中进行超声清洗，再将其依次浸泡在70
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100℃的铬酸和食人鱼洗液中，纯水冲洗再吹干后依次修饰氨基硅烷化试剂。3.如权利要求2所述的基于力化学反应的分子图案化表面的制备方法，其特征在于：在步骤(2)中，力化学压印：将具有力响应端和生物亲和端的墨水分子溶解在模拟生理环境的缓冲溶液中，将其浸入(1)所述的官能化模板和基底之间，施加压力使墨水分子结合到基底上，释放使模板重新富集墨水分子，再反复压印以提高表面墨水...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅岳海，曹毅，秦猛，王炜，黄文茂，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：