纳米接触印刷的制作方法

专利名称：纳米接触印刷的制作方法
纳米接触印刷 发明背景近年来，有相当多的努力旨在理解纳米级的新现象，已经制造和表征 了各种纳米结构的新材料。刚刚开始设计具有诱人性质的新器件。对于将 改变我们生活的新一代廉价的和创新的工具的期望极高。将新一套期望和 不期望的性质与全新一族材料和制造方法组合到一起将能够得到我们就 在十年前甚至不可能想像的器件。金属纳米颗粒以及半导体量子点的库仑 阻塞、来自半导体纳米颗粒的窄带荧光发射、纳米线和纳米管的量子化弹道式传导(quantized ballistic conduction)只是会影响我们设计光学和电子器 件的方式的少数新材料/现象。关于纳米器件和制造技术的综述，参见 Bashir， Si(per/a妝e am/ Mfcro欲w"wms (2001)， 29(1): 1-16; Xia等人，C/ ew. Aev. (1999)，卯1823-1848;和Gonsalves等人，^dw"ced A/afeA7'^s (2001), 73(10): 703-714，这些文献的全部教导均引入本文作为参考。纳米科学(并且主要是纳米技术)的第一阶段主要是开发和表征基于无 机半导体和金属的新材料和器件。其一个原因是电子束光刻法(e-beam lithography)(能够构建纳米级结构和器件的最早工具之一)是在无机底材上 形成无机材料图案的技术。近年来的明显进步是开发了基于扫描探针显微 镜(SPM)的新的高度通用的纳米光刻术(nanolithography)。使用各种类型的 SPM，现在能够通过诱导定位化学修饰或者通过形成自组装单层(SAM)而 在各种有机和无机底材上形成图案。例如，Mirkin和合作者已经开发了基 于原子力显微镜(AFM)的技术(蘸笔纳米光刻术(Dip Pen Nanolithography)， DPN)，其中能够通过将分子从显微镜尖受控制地传递至底材来产生SAM, 其分辨率低于5 nm (参见Lee等人，Scfe"ce (2002)， "5: 1702-1705; Demers 等人，JMgew. Oze附./脱(2001), W(16): 3069- 3071; Hong等人，5We"ce (1999), 256: 523-525; Piner等人，^ie"ce (1999)， 2S3: 661-663; Demers等人， /W. ￡d (2001)， 40(16): 3071-3073; Demers等人，Sc/e"ce(2002)， 2961836-1838，美国专利申请公布2002/0063212、 2003/0049381、 2003/0068446和2003/0157254，这些文献的全部教导均引入本文作为参 考)。这样的技术的开发代表了重大突破，因为现在不仅能够基于无机物， 而且能够基于有机物和生物材料来构建器件。基于有机物的纳米材料可能 提供许多能够在纳米级有效调节的有趣性质。由于这些新的制造技术以及 在表面和超分子化学方面基本概念的阐明，目前正在大量开发新的器件。使用基于有机物和无机物的纳米光刻技术，目前正在制造许多不同的 纳米器件(例如纳米晶体管、纳米传感器和纳米导波器)。然而，为了预言 纳米技术将具有多大的影响，人们必须估计复杂器件的制造速度。已经假 定器件制造时间(和重复性)会是纳米技术中的主要限制因素。尤其是，还 没有解决如何大规模生产的问题。 具有微接触印刷(micro-contact printing)的等价物对于纳米技术将是合 意的由Whitesides和合作者设计的冲压技术(参见美国专利5,512,131、 5,900,160、 6,048,623、 6,180,239、 6,322,979，这些文献的全部教导均引入本文作为参考)已经彻底改变了人们设计微器件的方式，并且已经因允许非 化学工作者构建像bio-MEMS—样复杂的器件而具有巨大影响。不幸的是， 微接触印刷具有一些分辨率限制，这限制了它在纳米技术中的应用。Chou 和在Princeton的合作者近期致力于该问题。他们在美国专利5,772,905和 6,309,580以及美国专利申请公布2002/0167117 、 2003/0034329 、 2003/0080471和2003/0080472中讨论的方法基于硬模具(即由无机材料制 成的模具)，所述硬模具被冲压到覆盖硅晶片的软聚合物膜上，上述文献的 全部教导均引入本文作为参考。所印刷的底材通常由金属线或半导体材料 组成(参见Chou等人，Nature(2002)， 477: 835-837;和Austin等人，J.Vac.Sci. Technol.B(2002),20(2): 665-667，这些文献的全部教导均引入本文作 为参考)。用于制造纳米级器件的现有纳米光刻技术的一个缺陷是许多器件的 各部分(features)在一系列步骤中制造。因此，这些技术可用于相对简单的 器件，但制造具有许多部分的器件可能需要大得不能承受的时间量。致力 于该问题的一个努力是制造用于SPM的多尖阵列(Zhang等人，Mwotec/mo/ogv (2002)， 212，该文献的全部教导均引入本文作为参考)。 尽管这样的方法可能能够平行地制造可能数十或数百个纳米器件，但开发 如下纳米级冲压技术将是合意的，所述技术通过在一个加工步骤中生产器 件上的许多部分而更好地促进大量生产。发明概述本发明的方法补充近年已开发并且经常需要复杂仪器的化学导向纳 米光刻技术。例如，已经证明使用蘸笔纳米光刻术能够制造DNA测试阵 列。 一旦构建了这些器件的主体，则能够使用本发明的教导来印刷用于检 测例如生物危害的大量廉价和极敏感的器件，而无需复杂的仪器和材料。 因为传递过程基于自组装，所以除制造主体外的所有步骤均能够在极大面 积和多个底材上平行进行。在一方面，本发明是形成主体的互补图像的方法。所述方法包括提供主体，所述主体包含结合至第一底材以形成图案的第一套分子。当所述第 一套分子包括核酸时，所述第一套分子包括具有不同序列的多种核酸。所 述方法还包括通过吸引力或形成键，在所述第一套分子上组装第二套分 子。所述第二套分子中的每个分子均包括活性官能团和被吸引至或结合至 所述第一套分子中的一个或多个分子上的识别组分。所述方法还包括使所 述第二套分子的活性官能团与第二底材的表面接触以在所述第二套分子 与所述第二底材之间形成键，破坏所述第一套分子与所述第二套分子之间 的吸引力或键以形成所述主体的互补图像，和任选地将组装、接触和破坏 步骤重复一次或多次。所述第二套分子中的每个分子还可以包括下列组分中的一种或多种 暴露的官能团、将所述活性官能团连接至所述识别组分上的共价键或第一 间隔基或者将所述暴露的官能团连接至所述识别组分上的共价键或第二 间隔基。可以通过使所述主体与包含所述第二套分子的溶液接触而在所述 第一套分子上组装所述第二套分子。例如，可以通过含有所述第二套分子 的溶液的毛细管作用来使所述主体与所述第二底材保持接触，并且可以通 过蒸发所述溶液来破坏所述第一和第二套分子之间的吸引力或键。所述第二套分子可以包括两种或更多种不同的分子，这些分子可以具 有不同的识别组分、不同的暴露的官能团或者既具有不同的识别组分又具 有不同的暴露的官能团。所述两种或更多种不同的分子可以在所述第二底 材上形成图案，所述图案具有包括两种或更多种高度的剖面。所述两种或 更多种不同的分子中的至少一种可以包括第一间隔基，而所述两种或更多 种不同的分子中的另一种可以具有长度不同于所述第一间隔基的第二间 隔基或者可以没有间隔基。在另一实施方案中，可以通过施加热或者通过 使所述第一套分子与所述第二套分子之间的键与具有高离子强度的溶液 接触来破坏所述键。在一些实施方案中，所述第一套分子中的每个分子的组分均可以是核 酸序列，且所述第二套分子的识别组分可以是与所述第一套分子上的核酸序列至少80%、至少卯％、至少95%或至少99%互补的核酸序列。可以通 过使所述第一和第二套分子之间的键与酶接触来破坏所述键。所述核酸序 列可以包括DNA、 RNA、修饰的核酸序列或其组合。所述第一套分子、 第二套分子或两者可以包括肽核酸序列。所述方法还可以包括在底材的表面上形成一种或多种金属、金属氧化 物或其组合的图案，和使所述表面与所述第一套分子接触。在该实施方案 中，所述第一套分子中的每个分子均具有活性官能团，所述活性官能团在 所述金属或金属氧化物与所述第一套分子的分子之间形成键以形成包含 结合至所述底材以形成图案的第一套分子的主体。在一个实施方案中，所述第二底材表面的至少一部分可以不含所述第 二套分子。所述方法还可以包括使所述第二底材的表面与反应物接触，和 除去所述第二套分子以暴露所述第二底材的一部分表面，所述反应物被选 择为对所述第二套分子是化学惰性的并且降解至少所述第二底材的表面 层，从而降解所述第二底材的不含所述第二套分子的那部分表面。例如， 本发明可以包括在不含所述第二套分子的那部分第二底材表面上沉积材 料，和除去所述第二套分子以暴露所述第二底材的一部分表面。所述第一 和第二套分子之间的吸引力可以是磁性的。在另一方面，本发明是形成主体或主体的一部分的复制品的方法。所述方法包括提供包含结合至第一底材以形成图案的第一套分子的主体，通 过形成键而在所述第一套分子上组装第二套分子，使所述第二套分子的活 性官能团与第二底材的表面接触以在所述第二套分子与第二底材之间形 成键，破坏所述第一套分子与所述第二套分子上的识别组分之间的键以形 成所述主体的互补图像，通过形成键在所述互补图像的第二套分子上组装 第三套分子，使所述第三套分子的活性官能团与第三底材的表面接触以在 所述第三套分子与所述第三底材之间形成键，破坏所述第二套分子与所述 第三套分子上的识别组分之间的键以形成所述主体或所述主体的一部分 的复制品，和任选地将组装所述第三套分子、接触所述第三套分子的活性 基团和破坏所述第二套分子与所述第三套分子之间的键的步骤重复一次 或多次。在另一方面，本发明是组合物，其包含结合至第一底材上的第一套分 子的第一图案和包含通过第二套分子中的每个分子上的活性官能团结合 至第二底材上的所述第二套分子的图案的互补图像。当所述第一套分子包 括核酸序列时，所述第一套分子包括具有不同序列的多种核酸，且所述第 二套分子中的每个分子均具有识别组分，所述识别组分结合至来自所述第 一套分子的分子中的至少一部分上。具有所述第一图案的第一底材可以是 可重复使用的主体。在另一方面，本发明是用于在底材上印刷分子图案的试剂盒。所述试 剂盒包含主体，所述主体包含结合至底材上的第一套分子的图案和第二套 分子，所述第二套分子中的每个分子均包括活性官能团和结合至所述第一 套分子上的识别组分。分子如DAN链中贮存的信息量可能是巨大的。本发明的方法可能以 大量平行的方式(即以一个或仅几个步骤中而非许多步骤)传递该信息。因 此能够以一个步骤制造现在使用多步技术构建的器件。该机会将使研究和 器件制造的方向转向提高所制造的底材的复杂性。作为简单的实例，如果 用在具有一系列(例如50个)纳和微流体通道(其具有定义所述通道的壁的 50种不同类型的DNA链)的1皿2底材上制造主体，则用本发明的方法在 一个印刷步骤中，人们能够在1 mn^底材上制造所述一系列的纳和微流体通道的互补图像，它们各自的壁被以不同方式官能化真正的芯片上实验 室。本发明的教导的独特特征是使用本发明的平行方法复印(并因此复制) 主体本身。这是相对于任何现有方法的重大优点。巨大的生产线通常需要 许多主体。结合现有模具的磨损，这意味着需要持续生产主体。在本发明 的方法中， 一旦生产了主体，就能够从它生产所述主体的复制品，然后会 使用这些新的主体印刷最终的器件。重复性应得到改善，而且会只必须使 用以系列模式生产部分的第一主体制造仪器制造所述第一主体。本发明的方法是革命性的，这不仅是因为它能够用于印刷有机SAM， 而且因为该方法能够用于传递多种类型的信息(例如化学+形状)和以平行 模式复制主体。附图简述参考附图中所示的特定实施方案描述本发明。附图中的实施方案作为 实例显示，而绝非意味着限制。

图1A-D是用于产生互补图像的本发明的方法的一个实施方案的图示。图2是结合至第二套分子上的第一套分子的图示。 图3A和3B是具有结合至底材的表面上的核酸分子的单层的主体的 AFM图像。图3C是图3A中所示主体的互补图像的AFM图像。图3D是图3B中所示主体的互补图像的AFM图像。图4A是具有以栅格图案结合至底材上的核酸的主体的AFM图像。图4B是图4A中所示主体的互补图像的AFM图像。定义用于本文时，"主体"是具有以随机或非随机图案结合至底材的表面 上的第一套分子的底材。在一个实施方案中，所述第一套分子以非随机图 案结合至所述主体上。所述第一套分子可以包括一种或多种不同的分子。所述图案中编码的信息可以来自所述底材的表面上每个分子的位置和/或所述分子的化学性质(例如来自具有特定核酸序列的第一套分子的分子将特异性地结合至具有互补序列的核酸分子上)。用于本文时，"主体的互补图像"指底材上的图像，当所述主体上的图案是不对称的时，该图像是所述主体或其部分中编码的空间和/或化学信息的镜像，或者当所述主体上的图像是对称的时，该图像是所述主体或其部分中编码的空间和/或化学信息的复本。在一个实施方案中，通过将第二套分子结合至第二底材而形成所述互补图像。例如，如果结合至所述主体的第一套分子是形成非中心对称图案的核酸分子，则所述主体的互补图像将是用第二套分子在第二底材上形成的所述主体的镜像，所述第二套分子 是具有与来自所述第一套分子的核酸序列中的至少一部分互补的序列的核酸。在一些实施方案中，传递至所述互补图像上的化学信息与所述主体 上的信息不完全相同，但其是允许来自所述主体的信息的至少一部分被复 制的足够信息。例如，当所述第一和第二套分子是核酸分子时，来自所述 第一套分子的分子中的至少三个或多个连续碱基可以与来自所述第二套 分子的三个或多个连续碱基互补。例如，所述第一和第二套分子上至少80%、至少90%、至少95%或至少99%的核酸序列可以是互补的。通过为 所述第二套分子选择只与结合至所述主体上的第一套分子中的一部分分 子结合的分子，能够由所述主体上的一部分图案形成互补图像。当所述第 二套分子只与所述第一套分子中的一部分分子结合时，所述互补图像的高 度剖面(heightprofile)可以具有两个或多个水平。此外，互补图像可以只编 码所述主体中编码的空间信息的镜像，或者可以编码所述主体中编码的化 学和空间信息两者。例如，如果结合至所述主体的第一套分子是形成不对 称图案的核酸分子，则所述主体的互补图像将是用第二套分子在第二底材 上形成的所述主体的镜像，所述第二套分子是具有与来自所述第一套分子 的核酸序列中的至少一部分互补的序列的核酸。在该实例中，空间和化学 信息均被从所述主体传递至所述互补图像。而且，只有一部分所述化学信 息可以被传递至所述互补图像。例如，当所述主体上的第一套分子是核酸 分子时，则形成所述互补图像的第二套分子可以是只与一部分所述主体上的核酸序列互补(例如不与整个序列互补)的核酸序列。用于本文时，"主体的复制品"是主体的图案中编码的空间和/或化学 信息的复本。所述复制品可以是所述主体的仅一部分图案的复本，或者可 以是所述主体的整个图案的复本。此外，主体的复制品可以只复制所述主 体的空间信息，或者可以复制所述主体中编码的空间和化学信息两者。此 外，主体的复制品可以复制所述化学信息中的仅一部分。"分子中编码的化学信息"指所述分子(通常，以特定构象)特异性地 结合至另一个分子上或结合至特定类型的分子上的能力。例如，特定的核酸序列可以特异性地结合至互补序列上，或者蛋白A可以特异性地结合至 免疫球蛋白上。用于本文时，术语"图案"指结合至底材上的一套分子中每个分子的 空间位置以及所述一套分子中每个分子的化学结构。用于本文时，术语"硅烷"指具有下列结构式的官能团<formula>formula see original document page 23</formula>上面结构式中的R2每次出现独立地选自-H、烷基、芳基、烯基、炔基和 芳基烷基。用于本文时，术语"氯硅烷"指具有下列结构式的官能团<formula>formula see original document page 23</formula>上面结构式中的R6每次出现独立地选自-C1或-OR2，条件是至少一个& 为-Cl。优选地，每个R6均为-C1。用于本文时，术语"间隔基"指连接分子的两个组分的二价基团。示 例性间隔基包括亚烷基、亚杂烷基、亚杂环垸基、亚烯基、亚炔基、亚芳 基、亚杂芳基、亚芳基垸基和亚杂芳基烷基，其中所述亚垸基、亚杂垸基、亚杂环烷基、亚烯基、亚炔基、亚芳基、亚杂芳基、亚芳基垸基或亚杂芳 基垸基可以是取代或未取代的。用于本文时，术语"烷基"指完全饱和的直链或支链Q-C2。烃或环状<:3-<:2()烃。烷基可以是取代或未取代的。术语"亚垸基"指具有连接到至少两个部分的至少两个点的垸基(例如 亚甲基、亚乙基、亚异丙基等)。亚垸基可以是取代或未取代的。"烯基"是具有一个或多个双键的直链或支链CVC2o烃或环状c3-c2()烃。烯基可以是取代或未取代的。"亚烯基"指具有连接到至少两个部分的至少两个点的烯基。亚烯基 可以是取代或未取代的。"炔基"是具有一个或多个三键的直链或支链C2-C2Q烃或环状c3-c20烃。炔基可以是取代或未取代的。"亚炔基"指具有连接到至少两个部分的至少两个点的炔基。亚炔基 可以是取代或未取代的。"亚杂烷基"指具有式-X-((亚垸萄-X"-的基团，其中X为-O-、 -NR广 或-S-;且q为l至10的整数。R,是氢、烷基、芳基、芳基垸基、烯基、 炔基、杂芳基、杂芳基烷基或杂环垸基。亚杂烷基可以是取代或未取代的。当单独使用或作为另一个部分(例如芳基垸基等)的部分用于本文时， 术语"芳基"指碳环芳族基团如苯基。芳基还包括稠合多环芳环系统，其 中碳环芳环稠合至另一个碳环芳环(例如l-萘基、2-萘基、l-蒽基、2-蒽基 等)，或者其中碳环芳环稠合至一个或多个碳环非芳环(例如四氢化萘、茚 满等)。亚芳基稠合至碳环、非芳环的连接点可以在芳环或非芳环上。芳基 可以是取代或未取代的。"亚芳基"指具有连接到至少两个部分的至少两个点的芳基(例如亚苯 基等)。亚芳基可以是取代或未取代的。"芳基烷基"指通过亚烷基连接基连接至另一个部分的芳基。芳基垸 基可以是取代或未取代的。当亚芳基烷基被取代时，取代基可以在所述芳 基烷基的芳环或亚烷基部分上。用于本文时，"亚芳基垸基"指具有连接到至少两个部分的至少两个点的芳基烷基。第二个连接点能够在芳环或亚垸基上。亚芳基烷基可以是 取代或未取代的。当亚芳基垸基被取代时，取代基可以在所述亚芳基垸基 的芳环或亚垸基部分上。用于本文时，术语"杂芳基"指含有K 2、 3或4个选自氮、硫或氧 的杂原子的芳族杂环。杂芳基可以稠合至一个或两个环如环垸基、杂环垸 基、芳基或杂芳基。杂芳基连接至分子的点可以在所述杂芳基、环垸基、 杂环烷基或芳基环上，且所述杂芳基可以通过碳或杂原子连接。杂芳基的 实例包括咪唑基、呋喃基、吡咯基、噻吩基、噁唑基、噻唑基、异噁唑基、 噻二唑基、噁二唑基、吡啶基、嘧啶基、吡嗪基、哒嗪基、喹啉基、异喹 啉基、巧l唑基、苯并噁唑基、苯并呋喃基、苯并噻唑基、中氮茚基、咪唑 并吡啶基、吡唑基、三唑基、异噻唑基、噁唑基、四唑基、苯并咪唑基、 苯并噁唑基、苯并噻唑基、苯并噻二唑基、苯并噁二唑基、吲哚基、四氢 吲哚基、氮杂吲哚基、咪唑并吡啶基、喹唑啉基、嘌呤基、吡咯并[2，3]嘧 啶基、吡唑并[3，4]嘧啶基或苯并(b)噻吩基，它们各自任选被取代。杂芳基 可以是取代或未取代的。"亚杂芳基"指具有连接到至少两个部分的至少两个点的杂芳基。亚 杂芳基可以是取代或未取代的。"杂芳基垸基"指通过亚烷基连接基连接至另一个部分的杂芳基。杂 芳基烷基可以是取代或未取代的。当亚杂芳基烷基被取代时，取代基可以 在所述杂芳基垸基的芳环或亚烷基部分上。杂芳基垸基可以是取代或未取 代的。"亚杂芳基垸基"指具有连接到至少两个部分的至少两个点的杂芳基 烷基。亚杂芳基垸基可以是取代或未取代的。"杂环烷基"指含有一个或多个(例如一至四个)氧、氮或硫的非芳环 (例如吗啉、哌啶、哌嗪、吡咯烷和硫代吗啉)。杂环垸基可以是取代或未 取代的。"亚杂环烷基"指具有连接到至少两个部分的至少两个点的杂环垸 基。亚杂环烷基可以是取代或未取代的。垸基、亚垸基、烯基、亚烯基、炔基、亚炔基、杂烷基、亚杂烷基、杂环垸基、亚杂环垸基、芳基、亚芳基、芳基垸基、亚芳基烷基、杂芳基、 亚杂芳基、杂芳基烷基和亚杂芳基烷基的合适取代基包括在本发明的方法 中所用的反应条件下稳定的任何取代基。取代基的实例包括芳基(例如苯 基)、芳基垸基(例如苄基)、硝基、氰基、卤素(例如氟、氯和溴)、垸基(例 如甲基、乙基、异丙基、环己基等)、卤代烷基(例如三氟甲基)、烷氧基(例如甲氧基、乙氧基等)、羟基、-NR3R4、 -NR3C(0)R5、 -C(0)NR3R4、 -C(0)R3、 -C(0)OR3、 -OC(0)R5，其中R3和R4每次出现独立地为-H、烷基、芳基或 芳基垸基；且R5每次出现独立地为烷基、芳基或芳基垸基。烷基、亚垸基、亚杂环烷基以及烯基、亚烯基、炔基、亚炔基的任何 饱和部分还可以被=0和-S取代。当亚杂垸基、杂环垸基、亚杂环垸基、杂芳基或亚杂芳基含有氮原子 时，它可以是取代或未取代的。当杂芳基或亚杂芳基的芳环中的氮原子具 有取代基时，所述氮可以是季氮。用于本文时，术语"核酸"或"寡核苷酸"指核苷酸的聚合物。通常， 核酸包含至少三个核苷酸。所述聚合物可以包含天然核苷(即腺苷、胸苷、 鸟苷、胞苷、尿苷、脱氧腺苷、脱氧胸苷、脱氧鸟苷和脱氧胞苷)或修饰的 核苷。修饰的核苷酸的实例包含碱基修饰的核苷(例如阿糖胞苷、肌苷、异 鸟苷、水粉蕈素、假尿苷、2,6-二氨基嘌呤、2-氨基嘌呤、2-硫代胸苷、3-脱氮-5-杂氮胞苷、2'-脱氧尿苷、3-硝基吡咯、4-甲基吲哚、4-硫代尿苷、 4-硫代胸苷、2-氨基腺苷、2-硫代胸苷、2-硫代尿苷、5-溴胞苷、5-碘尿苷、 肌苷、6-氮杂尿苷、6-氯嘌呤、7-脱氮腺苷、7-脱氮鸟苷、8-氮杂腺苷、8-叠氮腺苷、苯并咪唑、Ml-甲基腺苷、吡咯并嘧啶、2-氨基-6-氯嘌呤、3-甲基腺苷、5-丙炔基胞苷、5-丙炔基尿苷、5-溴尿苷、5-氟尿苷、5-甲基胞 苷、7-脱氮腺苷、7-脱氮鸟苷、8-氧代腺苷、8-氧代鸟苷、0(6)-甲基鸟嘌 呤和2-硫代胞苷)、化学或生物学修饰的碱基(例如甲基化的碱基)、修饰的 糖(例如2'-氟核糖、2'-氨基核糖、2'-叠氮核糖、2'-0-甲基核糖、L-对映异 构的核苷阿拉伯糖和己糖)、修饰的磷酸基团(例如硫代磷酸和5'-N-亚磷酰 胺连接)及其组合。用于核酸的化学合成的天然和修饰的核苷酸单体可商 购。用于本文时，术语"肽核酸(PNA)"指具有肽主链的聚合物，其中天 然或非天然核酸碱基连接至每个氨基酸残基。^:核酸描述于Hanvey等人, Scie"ce (1992), MS: 1481-1485，该文献的全部教导均引入本文作为参考。 PNA能够特异性地结合至具有与所述PNA的序列互补的至少三个连续碱 基(例如六个连续碱基)的序列的核酸或另一个PNA。在一个实施方案中， 所述PNA与所述核酸或第二 PNA至少80%、至少90%、至少95%或至少 99%互补。用于本文时，术语"吸引力"指将两个或多个分子拉到一起的力。吸 弓I力的实例包括具有净正电荷的分子对具有净负电荷的分子的吸引、偶极 -偶极吸引和磁吸引。除非指明为共价键，术语"结合"包括共价和非共价结合，如氢键、 离子键、静电相互作用、磁相互作用、共价键和范德华键。用于本文时，术语"识别组分"是能够特异性地结合至另一个分子上 的分子组分。用于本文时，"特异性结合"是指当分子的识别组分结合一个或多个 其它分子或复合物时，其特异性足以区别所述分子或复合物与样品的其它 组分或污染物。包含识别组分的分子及其靶是常规的，在此没有详述。用 于制备和利用这样的系统的技术是本领域中公知的，且示例于Tijssen, P., "Laboratory Techniques in Biochemistry and Molecular Biology Practice and Theories of Enzyme Immunoassays" (1988)， eds. Burdon禾口 Knippenberg， New York: Elsevier的出版物中，该文献的全部教导均引入本文作为参考。示例 性识别组分及其靶包括核酸/互补核酸、抗原/抗体、抗原/抗体片段、抗生 物素蛋白/生物素、抗生蛋白链菌素/生物素、蛋白A/Ig、凝集素/碳水化合 物和适体/靶。用于本文时，"适体"指选择性地结合至靶上的非天然存在的核酸。 形成适体的核酸可以由天然存在的核苷、修饰的核苷、具有插入在一个或 多个核苷之间的烃连接基(例如亚烷基)或聚醚连接基(例如PEG连接基)的 天然存在的核苷、具有插入在一个或多个核苷之间的烃或PEG连接基的修 饰的核苷或其组合组成。在一个实施方案中，核酸配体的核苷酸或修饰的核苷酸能够被烃连接基或聚醚连接基代替，条件是该取代基本上不降低所 述核酸配体的结合亲和力和选择性(例如，适体对耙的解离常数应该不大于约lxlO"M)。适体的靶分子是结合至所述适体的三维化学结构。然而， 所述适体不是核酸靶的简单线性互补序列，而可以包括通过被其它结构如 发夹环中断的互补Watson-Crick碱基配对结合的区域。发明详述本发明的方法涉及基于分子(尤其是有机分子)的可逆自组装的分子图 案冲压和/或器件。该方法适于冲压几乎任何纳米构造的(nanofabricated)无 机和/或有机器件，且能够用于将大量信息从一个底材传递到另一个底材。 该技术的工作原理完全不同于任何现有的纳米构造技术。在本发明的一个实施方案中，使用包含具有以图案结合到至少一个表 面上的第一套分子的底材的主体，通过可逆超分子化学(例如氢键、离子键、 共价键、静电相互作用、范德华相互作用、磁相互作用或其组合)诱导第二 套分子的组装。通过使用基本上不可逆的表面化学，使所述第二套分子连 接到底材的表面上，并随后破坏所述第一套分子与所述第二套分子之间的 可逆键。用于本文时，术语"基本上不可逆"指所述第二套分子通过如下 键连接至所述底材的表面，该键在将破坏所述第一和第二套分子之间的键 的条件下是稳定的。超分子键可以用作形状传递的机理；这避免了所述主 体与被冲压的底材之间机械接触的需要，并因此构成了相对于Chou和合 作者开发的纳米压印(nano-imprinting)的主要进步。该方法定制用以可靠地 传递有机图案。使用有机分子允许大量变化，并能够同时传递多个表面特 征。参考图1，在一个实施方案中，形成主体的互补图像的方法包括提供 主体10，其包含结合至第一底材14以形成图案的第一套分子12。所述第 一套分子12可以包括间隔基11和识别组分13。通过形成键，在所述第一 套分子上组装第二套分子16。所述第二套分子包括活性官能团18和识别 组分20，所述识别组分20结合至所述第一套分子12的识别组分13 (参见 图2，其提供了结合至所述第一套分子的第二套分子的放大图)。然后使所述第二套分子16的活性官能团18与第二底材22的表面接触。所述活性 官能团与所述第二底材的表面反应以在所述第二套分子与所述第二底材 之间形成键。在一个实施方案中，可以使所述第二底材的剩余暴露表面进 一步与另一组分子24接触，所述另一组分子24各自具有活性官能团，如 具有硫醇取代基的烷烃，例如巯基己醇，其能够结合至所述表面以覆盖所 述第二底材的暴露的表面。然后破坏所述第一套分子与所述第二套分子之 间的键，并且结合至所述第二底材上的第二套分子形成所述主体10的互 补图像26。 一旦已经通过破坏所述第一和第二套分子之间的键分离所述主 体和所述互补图像，就能够将所述主体重复使用一次或多次以形成额外的 互补图像。在一个实施方案中，所述互补图像的至少一个部分的侧面尺寸 小于200nm或更小，例如为100 nm或更小、50 nm或更小或者20 nm或 更小。
在一个实施方案中，所述第二套分子还可以包括下列组分中的一种或 多种暴露的官能团28;将所述活性官能团连接至所述识别组分的共价键 或第一间隔基30;和将所述暴露的官能团连接至所述识别组分的共价键或 第二间隔基。
所述第二套分子可以包括两种或更多种不同的分子。例如，所述第二 套分子中的两种或更多种分子可以具有不同的识别组分，如不同的核酸序 列，或者所述第二套分子中的两种或更多种分子可以既具有不同的识别组 分又具有不同的暴露的官能团。在一些实施方案中，来自所述第一套分子 的一种或多种分子决定来自所述第二套分子的每个分子结合在何处。
在一个实施方案中，所述第二套分子中的两种或更多种不同的分子在 所述第二底材上形成图案，所述图案具有包括两种或更多种高度的剖面。 例如，所述第二套分子中的分子可以包括两种或更多种不同长度的间隔基 30。所述间隔基的长度差异可以使得传递到所述第二底材的分子图像具有 不同的高度。
在一个实施方案中，通过使所述主体与包含所述第二套分子的溶液接 触，在所述第一套分子上组装所述第二套分子。在将主体上的图案传递至 第二底材的一种方法中，通过含有所述第二套分子的溶液的毛细管作用使所述主体与所述第二底材保持接触。还可以施加机械力(例如l(T3 Pa至1 GPa)以将两个底材保持在一起。例如，所述力的级别可以为约l(r3Pa、l Pa、 lKPa、 1MPa或lGPa。然后缓慢蒸发含有所述第二套分子的溶液，使得 所述主体和所述第二底材更接近，并促进所述第二套分子结合至所述第二 底材。
可以通过氢键、离子键、共价键、静电相互作用、范德华相互作用、
磁相互作用、7C-键相互作用或其组合形成所述第一套分子与所述第二套分
子之间的键。在一个实施方案中，通过施加热来破坏所述第一套分子与所
述第二套分子之间的键。或者或另外地，通过使所述第一套分子与所述第
二套分子之间的键与具有高离子强度的溶液或极性溶剂接触来破坏所述
键。在再一个实施方案中，通过使所述第一套分子与所述第二套分子之间 的键与具有高离子强度的溶液接触并施加热来破坏所述键。或者，通过使
所述第一套分子与所述第二套分子之间的键与含有破坏所述键的酶的溶 液接触来破坏它们。通常，能够破坏所述第一套分子与所述第二套分子之 间的键而不破坏大多数所述第二套分子与所述第二底材之间的键。
所述第二套分子上的活性官能团可以是能够结合至所述第二底材的 表面的基团。例如，当所述第二套分子上的活性官能团是硫醇基或受保护 的硫醇基时，所述第二底材的表面可以是金、银、铜、镉、锌、钯、铂、 汞、铅、铁、铬、锰、鸨或任何这些金属的混合物或合金。用于本文时， 术语"活性官能团"是能够反应以与底材的表面形成键的基团。保持和脱
保护硫醇基的方法能够在Greene禾Q Wuts， "Protective Groups in Organic Synthesis", John Wiley & Sons (1991)中找到，该文献的全部教导均引入本 申请作为参考。可以将受保护的硫醇基脱保护，然后使它们与底材表面反 应。在另一个实例中，所述第二套分子上的活性官能团是硅垸或氯硅垸， 且所述第二底材的表面是掺杂硅或未掺杂硅、玻璃、熔凝硅石，或者是具 有氧化表面的任何底材，例如二氧化硅、氧化铝、磷酸钙陶瓷和羟基化的 聚合物。可以将未羟基化的表面等离子蚀刻以产生能够与硅垸反应的氧化 基团。在另一个实例中，所述第二套分子上的活性官能团是羧酸，且所述 第二底材的表面是氧化物，如二氧化硅、氧化铝、石英或玻璃，或者是氧化的聚合物表面。在另一个实例中，所述第二套分子上的活性官能团是腈 或异腈，且所述第二底材的表面是铂、钯或其任何合金。在另一个实例中， 所述第二套分子上的活性官能团是异羟肟酸，且所述第二底材的表面是铜 或铝。还可以使用膦酸将所述第二套分子连接至铝底材。
在一个实施方案中，所述第一套分子中的至少一些分子包括结合至所 述第二套分子中的一个或多个分子上的识别组分。例如，所述第一套分子 中的每个分子均可以包括核酸序列识别组分。在一个实施方案中，所述第
一套分子中的每个分子均包括核酸序列，例如DAN、 RNA、修饰的核酸 序列或它们的组合，且所述第二套分子的识别组分是核酸序列。在一个实 施方案中，所述第二套分子中的每个分子的核酸识别组分均可以与来自所 述第一套分子的分子中的至少一个分子的至少一部分核酸序列互补。例 如，来自所述第二套分子的分子中的三个或多个连续核酸碱基(例如六个或 多个核酸碱基)与来自所述第一套分子的分子中的三个或多个连续核酸碱 基(例如六个或多个核酸碱基)互补。在另一个实例中，所述第一套分子上 的至少80%、至少90%、至少95%或至少99°/。的核苷酸与它们所结合的来 自所述第二套分子的那些分子互补。当将所述第二套分子组装在所述第一 套分子上时，所述第二套分子会与来自所述第一套分子的具有与所述第二 套分子的核酸识别组分互补的序列的分子或其部分杂交。在该实施方案 中，使结合至所述主体的第一套分子在促进杂交的条件下与所述第二套分 子的溶液接触。促进杂交的条件是本领域技术人员已知的。在Ausebd, F. M. 等人,Current Protocols in Molecular Biology, Greene Publishing Assoc. and Wiley-Interscience, 1989中讨论了杂交条件的一般描述，该文献的教导引 入本文作为参考。诸如序列长度、碱基组成、杂交序列之间的错配百分比、 温度和离子强度的因素影响核酸杂交体的稳定性。
在一个实施方案中，所述第一套分子包括具有不同核酸序列识别组分 的两种或更多种不同的分子。在该实施方案中，所述第二套分子包括具有 与所述第一套分子中的至少一个分子互补的核酸序列或其部分的分子。在 一个实施方案中，通过使来自所述第一套分子的杂交分子与第二套分子之 间的氢键与酶接触来破坏所述氢键。例如，来自解旋酶家族的酶可以用于破坏杂交核酸分子之间的键。已经报道各种解旋酶将双链寡核苷酸去杂
交。例如，大肠杆菌Rep、大肠杆菌DnaB、大肠杆菌UvrD (也称为解旋 酶II)、大肠杆菌RecBCD、大肠杆菌RecQ、噬菌体T7 DNA解旋酶、人 RECQL系列；WRN(RECQ2)、 BLM(RECQL3)、 RECQL4、 RECQL5、 S. Pomberqhl、秀丽隐杆线虫(C. elegance)T04A11,6 (通常，解旋酶名称源自 酶的来源生物)。解旋酶可以分成两种类型1)沿着核酸链在3'方向上移动 的解旋酶；和2)沿着核酸链在5'方向上移动的解旋酶。通常，通过考虑具 体杂交核酸的结构受阻来选择用于破坏杂交核酸之间的氢键的具体解旋 酶类型。可以添加稳定单链DNA的辅因子如单链DNA结合蛋白(SSB)。
破坏两个杂交核酸之间的键的另一种方法是使用限制性内切核酸酶， 它们识别特定的碱基序列并在核酸序列的特定位置处裂解两条链。限制性 内切核酸酶的实例包括Bamffl、 EcoRI和BstXI。使用酶将核酸去杂交的 其它方法倉g够在Lubert Stryer， Biochemistry, 4th Edition; Benjamin Lewin， Gene VII; Kristen Moore Picha和Smita S. Patel， "Bacteriophage T7 DNA Helicase Binds dTTP， Forms Hexamers, and Binds DNA in the Absence of Mg2+，，， C/zem. (1998)， Vol. 273， Issue 42， 27315-27319; Sheng Cui，
Raffaella Klima, Alex Ochem, Daniele Arosio, Arturo Falaschi禾卩Alessandro Vindigni， "Characterization of the DNA画unwinding Activity of Human RECQl ， a Helicase Specifically Stimulated by Human Replication Protein A，" 5/o/. CVze附.(2003)， Vol. 27& Issue 3， 1424-1432; Umezu， K.和Nakay咖a, H. (1993), / Afo/.万fo/" 230: 1145-1150; Nakayama, K.， Irino， N.禾口 Nakayama, H.， Mo/. G饥(1985)，識266-271; Kusano， K" Berres， M, E.禾口 Engels， W. R" (1999)， " 1027-1039; Ozsoy, A. Z., Sekelsky， J. J.和
Matson, S. W., M/c/eic爿"VZs (2001)， 29: 2986-299中找到，这些文献的 全部教导均引入本文作为参考。
在另一实施方案中，所述第一套分子中的每个分子的组分均为肽核酸 (PNA)，且所述第二套分子的识别组分是PNA序列。或者，来自所述第一 套分子的每个分子的组分均为肽核酸(PNA)，且所述第二套分子的识别组 分是核酸序列，或反之亦然。PNA分子以类似于核酸杂交至其它核酸的方式杂交至其它PNA分子和核酸序列。在一个实施方案中，来自所述第二套分子的至少一个或多个分子必需具有与来自所述第一套分子的分子中 的至少三个连续碱基(例如六个连续碱基)互补的至少三个连续碱基(例如六个连续碱基)。在另一个实例中，所述第一套分子上至少80%、至少90%、 至少95%或至少99%的核苷酸与来自它们所结合的第二套分子的那些分 子互补。或者，通过施加热、通过使键与具有高离子强度或极性的溶液接触、 通过施加磁场或电场或上述方法的任何组合来破坏所述第一套分子与所 述第二套分子之间的键。当一套分子结合至底材的表面时，所述分子可以彼此交叠或堆叠，从 而一部分分子将暴露在所述底材的表面上。所述暴露的官能团可以是疏 水、亲水或两亲官能团。此外，所述暴露的官能团可以是选择性地结合各 种生物学或其它化学物质如蛋白质、抗体、抗原、糖和其它碳水化合物等 的官能团。所述暴露的官能团可以包括任何特异性或非特异性结合对的成 员，如下列非限制性列表的任意成员抗体/抗原、抗体/半抗原、酶/底物、 酶/抑制剂、酶/辅因子、结合蛋白/底物、载体蛋白/底物、凝集素/碳水化合 物、受体/激素、受体/效应物、核酸的互补链、阻抑物/诱导物等。所述暴 露的官能团的其它实例包括但不限于-OH、 -CONH-、 -CONHCO-、 -NH2、 -NH-、 -COOH、 -COOR、 -CSNH-、 -NCV、 -S02、 -SH、 -RCOR-、 -RCSR-、 -RSR、 -ROR画、-P(V3、 -OS03_2、國S(V、 -COCT、 -SOCT、 -RSOR-、 -CONR2、 -(OCH2CH2)nOH (其中n= l-20，优选l-8)、-CH3、-P03H-、-2-咪唑、-N(CH3)2、 -N(R)2、 -P03H2、 -CN、 -(0 2^^3(其中11=1-20，优选l-8)和烯烃，其中 R为氢、烃、卤代烃、蛋白质、酶、碳水化合物、凝集素、激素、受体、 抗原、抗体或半抗原。所述暴露的官能团可以包括保护基，其可以被除去以进一步修饰所述 主体的互补图像或复制品。例如，可以使用可光除去的保护基。各种正性 光活性基团在本领域中是已知的，例如硝基芳族化合物如邻硝基苄基衍生 物或苄基磺酰基。可光除去的保护基描述于例如美国专利5,143,854中， 该文献的全部教导均引入本文作为参考，以及Patchomik, ": 6333(1970)和Amit等人,JOC，39: 192 (1974)，这两篇文献均引入本文作为参考。 在一个实施方案中，可以通过将所述第二套分子中的至少一个分子的 暴露的官能团结合至金属或金属离子来进一步修饰所述互补图像。例如， 所述暴露的官能团可以包括在其末端的胺、酰胺、亚硝酰基、氰基、羰基、 硫醇、硫代羰基、硒代羰基、烯基、芳基、芳基垸基、杂芳基、杂芳基烷 基或环戊二烯基，或者包括具有一个或多个双键或共轭7T系统的线性或环 状有机基团。这些基团可以配位有金属如铁、钴、镍、金、银、锌、钾、 磷、硒、钠、铂、钯、钛、钒、钼、镁、铼、钌和锇的原子或离子。当适 当的螯合基团太大或在其它方面不适合在沉积过程中被置于所述第二套 分子上时，可以修饰所述第二套分子以将适当的螯合基团连接到至少一部 分所述分子上。例如，使用与下文关于将所述第二套分子的识别组分连接 至间隔基所术相同的偶联化学，可以将卟啉或咕啉环连接到至少一部分所 述第二套分子。或者或另外地，所述第二套分子可以包括肽序列或一段酶 或其它蛋白质，它们的功能是结合金属原子或离子。在一些实施方案中， 金属原子或离子可以配位至两个、三个或多个所述第二套分子的官能团。 所述第一和第二套分子的第一和第二间隔基可以独立地选自亚垸基、 亚杂烷基、亚杂环垸基、亚烯基、亚炔基、亚芳基、亚杂芳基、亚芳基烷 基和亚杂芳基垸基。所述亚烷基、亚杂烷基、亚杂环烷基、亚烯基、亚炔 基、亚芳基、亚杂芳基、亚芳基烷基和亚杂芳基垸基间隔基可以是取代或 未取代的。在一个实施方案中，所述第一或第二间隔基中的任一个或者所 述第一和第二间隔基两者均被一个或多个卤素和/或羟基取代。在另一个实施方案中，用通过硅烷或其它活性官能团固定到所述底材 上的间隔基制造被沉积的底材。所述间隔基的末端包括活性基团如环氧或 羧酸盐。在该实施方案中，所述第二套分子的识别组分20包括活性基团， 所述活性基团与所述间隔基上的活性基团反应以在所述间隔基与所述识 别组分之间产生共价键。例如，所述识别组分可以是胺端基的分子，例如 胺端基的DNA。羧基端基的分子也与环氧基反应以形成酸酐。可以用于 将所述第二套分子偶联至底材上的一套间隔基的其它化学包括酸酐-羟基、 碳二亚胺偶联、羧酸盐与胺、羟基和其它基团的反应以及本领域技术人员已知的其它偶联反应。可以选择反应条件以保持所述识别组分的稳定性。 例如，尽管一些识别组分对热或特定溶剂而言是不稳定的，但它们对在短 时间(例如几小时)暴露至这样的条件而言是稳定的。在一些实施方案中， 所述第二套分子与所述间隔基的末端上的活性基团不与它们本身反应，以 防止所沉积的间隔基或分子相互连接而不是将所述第二套分子连接至所 述底材。可以通过本领域技术人员已知的任何方法制备所述主体(参见Xia等 人，C/2ew. T ev. (1999)，卯1823-1848，该文献的全部教导均引入本文作为参 考)。例如，形成所述主体的方法可以是纳米图案形成(nanopatteming)方法。 在一个实施方案中，通过使用电子束光刻法，在底材的表面上形成一种或 多种金属、金属氧化物或其组合的图案来制备所述主体。然后使所述底材 的表面与第一套分子接触。在该实施方案中，每个所述第一套分子均具有活性官能团，所述活性官能团在所述金属或金属氧化物与所述第一套分子 中的分子之间形成键，从而将所述第一套分子结合至底材上，形成具有结 合至所述底材以形成图案的第一套分子的主体。用于形成所述主体的活性 基团和底材材料可以与用于将所述第二套分子形成图案的活性基团和底 材材料相同或不同。或者，可以使用蘸笔纳米光刻术来制备所述主体。使用蘸笔纳米光刻 术制备分子形成图案的底材的方法描述于Schwartz,丄flwg7wi^ (2002), 4041-4046和Piner等人，Sc/e"ce (1999)， 2S3: 661-663，这两篇文献的全部教导均引入本文作为参考。或者，可以使用替代光刻(replacement Uthography)、纳米阴影 (nanoshading)或纳米移植(nanografting)来制备所述主体。这些方法描述于 Sun等人,J^GS (2002), "4(11): 2414-2415; Amro等人，Z""g/ww>" (2000), M: 3006-3009; Liu等人，A^"o丄e故rs (2002)， 2(8): 863-867;和Liu等人，Jcc. A仏(2000)， W: 457-466;这些文献的全部教导均引入本文作为参考。另一个实施方案是以下光刻法(lithographic method),其中第二底材表 面的至少一部分不含所述第二套分子。在该实施方案中，使所述第二底材 的暴露的表面与反应物接触，所述反应物选择为对作为防染剂(resist)的所述第二套分子是化学惰性的，并可降解至少所述第二底材的表面层，从而 降解所述第二底材的不含所述第二套分子的那部分表面。例如，所述反应 物是活性离子蚀刻化合物。然后除去所述第二套分子以暴露所述第二底材 的一部分表面。在另一个实施方案中，第二底材表面的至少一部分不含所述第二套分 子，并且将材料沉积至不含所述第二套分子的那部分第二底材表面上。所 沉积的材料的实例包括半导体、电介质、金属、金属氧化物、金属氮化物、 金属碳化物及其组合。然后除去所述第二套分子以暴露所述第二底材的一 部分表面。在本发明的一个方面，形成主体的互补图像的方法包括通过吸引力在 所述第一套分子上组装第二套分子。吸引力的实例包括将具有净正电荷的 分子吸引至具有净负电荷的分子、偶极-偶极吸引和磁吸引。在一个实施方 案中，所述吸引力是磁力。在一个实例中，当所述吸引力是磁力时，来自 所述第一套分子与来自所述第二套分子的一个或多个分子包括铁或氧化 铁组分。在该实施方案中，能够通过施加磁场来破坏所述第一套分子与所 述第二套分子之间的吸引力。在本发明的另一个方面，所述方法包括形成主体或其部分的复制品。 用于本发明的方法的该实施方案中的主体包含结合至第一底材以形成图 案的第一套分子。通过形成键，在所述第一套分子上组装第二套分子。所 述第二套分子包括活性官能团和结合至所述第一套分子的识别组分。然后 使所述第二套分子的活性官能团与第二底材的表面接触。所述活性官能团 与所述第二底材的表面反应以在所述第二套分子与所述第二底材之间形 成键。然后破坏所述第一套分子与所述第二套分子之间的键，结合至所述 第二底材的第二套分子形成所述主体的互补图像。然后通过形成键，在所 述互补图像的第二套分子上组装第三套分子。第三套分子中的每个分子均 包括活性官能团和结合至所述第二套分子的识别组分。然后使所述第三套 分子的活性官能团与第三底材的表面接触。所述第三底材的表面与所述第 三套分子的活性官能团反应以在所述第三套分子与所述第三底材之间形 成键。然后破坏所述第二套分子与所述第三套分子之间的键，结合至所述第三底材的第三套分子形成所述主体的图案或其部分的复制品。 一旦已经 分离了所述互补图像和所述复制品，就可以将所述互补图像重复使用一次 或多次以形成额外的复制品。在一个实施方案中，所述复制品的至少一个部分的侧面尺寸为200 nm或更小，例如100 nm或更小、50 nm或更小或 20 nm或更小。形成复制品的方法与用于形成互补图像的方法相同，只是使用所述主 体的互补图像作为模板(或"主体")以将所述图案传递至所述第三底材。 因此，上面公开的关于所述第二套分子与所述第二底材的实施方案和实例 也分别适用于所述第三套分子与第三底材。此外，用于在所述第一套分子 上组装第二套分子及用于破坏所述第一和第二套分子之间的键的条件的 实例也能够同样地适用于用于在所述第二套分子上组装所述第三套分子 及用于破坏所述第三和第二套分子之间的键的条件。在另一个实施方案中，本发明涉及用于产生主体的互补图像的分子印 刷^1,其中所述主体具有结合至第一底材的第一套分子。所述分子印刷机 包含用于将第二套分子的溶液递送至所述主体的表面的器件和用于使所 述第二套分子与第二底材接触的器件。在该实施方案中，所述第二套分子 包括活性官能团；和结合至所述第一套分子的识别组分。所述设备可以包括含有所述第二套分子的一个或多个贮库和用于将 主体固定在位置上以递送所述含有所述第二套分子的溶液的一个或多个 容器或组件。此外，所述设备可以包括用于将所述第二套分子的溶液从所 述贮库传递至使用所述主体的表面的计算机控制的器件。所述设备还可以 包括将所述主体固定至所述第二底材的夹子。还可以控制所述第二套分子 的溶液和含有所述主体的容器的温度。所述设备还可以包括含有溶液的贮 库和用于递送所述溶液的器件，所述溶液用于破坏所述第一和第二分子之 间的键，如具有高离子强度的溶液或含有将破坏所述键的酶的溶液。此外， 在所述第二底材己经结合至所述第二套分子后，可以使用加热元件来加热 与结合的第一和第二套分子接触的溶液以破坏所述键。用于传递溶液和控 制温度的计算机控制的器件可以是任何各种常用的实验室自动器械，如由 Harrison等人，5zotec/zm々wes, ": 88-97 (1993); Fujita等人，5/otec/w/^es, 9:584-591 (1990); Wada等人，T ev. iw^ww.， 54: 1569-1572 (1983)公开的 那些，所有这些文献的教导均引入本文作为参考。合适的实验室自动器械 也可商购，例如Applied Biosystems 800型Catalyst (Foster City, Calif.)。在一个实施方案中，所述设备还包括用于在所述第一套分子与所述第二套分 子之间的键已被破坏后分离所述第二底材和所述主体的器件。通过考虑下列实施例，将进一步理解本发明的这些和其它方面，这些 实施例用于说明本发明的某些具体实施方案，并非用于限制由权利要求书 定义的其范围。实施例实施例1: DNA单层的互补图像的制备 A. DNA溶液的制备在使用前，用75% HzS04和25% H202的溶液清洗所有玻璃仪器。所 用的所有水均是超纯水(18Mf2/cm)。第一DNA 5'-/5-硫醇MC6-D/ACG CAA CTT CGG GCT CTT-3'购自 Integrated DNA Technologies, Inc. (IDT)， Coraville, IA。所有DNA链均以从 制造商处接受的状态使用。以l [ig/mL的浓度将第一DNA溶于水中，分 成50iiL的较小等份，并贮存在-20'C下。当使用一部分该溶液时，通过将 等份在含二硫苏糖醇(DTT)的40 mM缓冲溶液(0.17 M磷酸钠，pH 8)中放 置16 hr来还原它。根据制造商的说明书，使用尺寸排阻层析法(来自 Pharmacia Biotech的NAP 10柱)来分离寡核苷酸和DTT反应的副产物。使 用10 mM磷酸钠缓冲液(pH 6.8)来平衡柱和洗脱寡核苷酸。由溶液在260 nm处的吸光度计算所得DNA溶液的浓度。在第一 DNA的情况下(即，使 用DNA形成主体)，将1M磷酸钾缓冲溶液(pH 3.8)添加到DNA溶液中以 提高溶液的离子强度。DNA的最终浓度为4-5 pM。在第二 DNA溶液的情况下(即，使用DNA形成互补图像)，添加在TE 缓冲液(IO mM Tris缓冲剂pH 7.2和1 mM EDTA)中的1M NaCl以提高溶 液的离子强度。所用的第二DNA购自Integrated DNA Technologies, Inc. (IDT)， Coraville, IA，并具有如下结构5V5硫醇MC6-D/AAG AGC CCGAAG TTG CGT-3'。B. 具有DNA单层的主体的制备使用云母上的干净和原子上平坦的金作为底材。将该底材在上面制备 的第一 DNA溶液中放置5天以使DAN结合至底材的表面。用1M磷酸钾 缓冲液将底材漂洗两次，并用水漂洗五次。将底材在1 mM间隔基硫醇6-巯基-l-己醇水溶液中暴露2hr以使单链DNA的非特异性吸附最小化，然 后用水漂洗五次。C. 互补图像的制备将步骤B中制备的主体在第二 DNA溶液中浸泡2小时以使互补DNA 与结合至主体的DNA杂交。用在TE缓冲液中的1M NaCl将底材漂洗两 次，并用水漂洗五次。使第二云母底材上的干净金与主体接触，从而使两个金表面相互面 对，且它们之间有少量的水。施加小的机械力以将两个底材推到一起。随 着两个底材之间的水蒸发，表面之间的间隔由于毛细管吸引力增大而减 小。因此，第二DNA的硫醇基接近第二底材并与它结合。在约5hr后， 将底材在TE缓冲液中的lMNaCl(70。C)浸泡20min。底材(g卩，主体和互 补图像)自动分离，用在TE缓冲液中的lMNaCl漂洗两次，并用水漂洗五 次，然后风干。使用AFM敲击模式将主体(参见图3A和3B)及互补图像(参 见图3C和3D)两者成像。D. 錢DNA完全覆盖第一底材表面。由于单层和尖端之间的强烈相互作用， 彻底覆盖使得AFM成像困难。传递至第二底材的层也被完全覆盖。实施例2:金栅格的图案传递将AFM校准金栅格在实施例1中所述的第一 DNA分子的4 pM溶液 中浸泡5天以产生形成图案的主体。将主体在1 mM6-巯基-l-己醇水溶液中暴露2 hr以使单链DNA的非特异性吸附最小化，然后用水漂洗5次并 风干。然后将主体在实施例1中所述的第二 DNA的6 nM溶液中暴露2 小时，从而发生杂交。将第二云母上的金底材放在主体上，从而使两个金 表面相互面对，且它们之间有少量的水。施加小的机械力将两个底材推到 一起。在约5 hr后，将底材在TE缓冲液中的1MNaCl (70。C)中浸泡20 min。 两个底材(即，主体和互补图像)自动分离，用在TE缓冲液中的1M NaCl 漂洗两次，并用水漂洗五次，然后风干。使用AFM敲击模式将主体和互 补图像两者成像(分别参见图4A和4B)。实施例3: DNA芯片的制造如Demer等人，CAeAW, /"f. ￡d (2001)， 40: 3071-3073所述，使用 蘸笔纳米光刻术制备主体，该文献的全部教导均引入本文作为参考。为了 制备主体，使云母底材上的金表面与l-十八硫醇(ODT)在乙醇中的1 mM 溶液接触5 min以用ODT分子覆盖暴露的金表面。然后将底材浸入1,16-巯基十六酸(MHA)的1 mM溶液中，并通过使表面与约0.5 nN的力接触以 产生100 nm的圆点而使用原子力显微镜的尖端使置换结合至表面的ODT 分子。溶液中的MHA结合至圆点的暴露的金表面。在pH 4.5下，用1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDAC)在0.1 M吗啉/乙磺酸 中的10 mg/mL溶液活化MHA的羧酸基团，然后用pH 9.5的0.1M硼酸钠 /硼酸缓冲液溶液漂洗。将用l-正己胺基团修饰的DNA在硼酸盐缓冲液中 的25 mM的溶液放在底材的表面上。DNA的胺基团结合至活化的MHA 分子，形成100nm直径的DNA圆点。用不同胺修饰的DNA分子将形成 MHA圆点和使DNA分子结合至MHA圆点的程序重复多次以形成DNA 阵列部分为约100 nm的主体。使用主体将DNA序列的互补图像阵列印刷到第二底材上，其中每个 DNA序列均与主体上的一个DNA分子互补，并且位于第二底材上与其在 主体上的互补序列为镜像的位置。通过用己基硫醇连接基修饰一套DNA 分子而制备互补图像阵列，所述一套DNA分子包括与主体上的DNA分子 互补的所有DNA分子。将硫醇修饰的DNA分子放置在pH 6.8的含1 MNaCl磷酸盐缓冲液中。将主体在含有硫醇改性的DNA分子的溶液中浸泡 2 hr，然后从溶液中取出主体，用在TE缓冲液中的1M NaCI漂洗一次， 并用水漂洗五次。使第二云母底材上的干净金与主体接触，从而使两个金表面相互面 对，且它们之间有少量的水。施加小的机械力以将两个底材推到一起。随 着两个底材之间的水蒸发，表面之间的间隔由于毛细管吸引力的增加而减 小。因此，硫醇修饰的DNA分子的硫醇基接近第二底材并与它结合。在 约5hr后，将底材在TE缓冲液中的lMNaCl(70'C)中浸泡20min。底材 自动分离，用在TE缓冲液中的lMNaCl漂洗两次，并用水漂洗五次，然 后风干。能够使用主体制备一个或多个额外的互补图像。实施例4: DNA阵列的互补图像的制备购买DNA芯片并用作第一主体。DNA芯片具有12 x 12正方形阵列， 其中每个正方形为300 nm x 300 nm，并且具有连接于底材的不同DNA序 列，总计有144种不同的DNA序列。300nmx300nm正方形沿着底材表 面的x-轴和y-轴间隔100 nm。使用主体在第二底材上印刷DNA序列的12xl2互补图像阵列，其中 每个DNA序列均与主体上的一个DNA分子互补，并位于第二底材上与在 主体上其互补序列的镜像的位置。用己基硫醇连接基修饰一套DNA分子， 所述一套DNA分子包括与主体上的DNA分子互补的所有DNA分子(即 144种不同的互补DNA序列)。将硫醇改性的DNA分子放置在pH 6.8的 含1 MNaCl的磷酸盐缓冲液中。将主体在含有硫醇改性的DNA分子的溶 液中浸泡2hr，然后从溶液中取出主体，用在TE缓冲液中的lMNaCl漂 洗一次，并用水漂洗五次。使云母底材上的干净金与主体接触，从而使新底材的金表面面对DNA 分子的12x 12阵列。两个表面之间有少量的水。施加小的机械力将两个 底材推到一起。随着两个底材之间的水蒸发，表面之间的间隔由于毛细管 吸引力的增加而减小。因此，硫醇修饰的DNA分子的硫醇基接近第二底 材并与它结合。在约5hr后，将底材在TE缓冲液中的lMNaCl(7(TC)中浸泡20min。底材自动分离，用在TE缓冲液中的lMNaCl漂洗两次，并 用水漂洗五次，然后风干。互补图像具有DNA分子的12x12阵列，它们 与主体上的DNA分子互补。按照相同的程序，能够使用主体制备一个或 多个额外的互补图像阵列。此外，按照该程序，能够将第一主体复制一次或多次，只是使用互补 图像代替主体，并在互补图像上组装第三套144个DNA分子，这些DNA 分子具有与第一主体上的DNA分子相同的序列并用己基硫醇连接基修 饰。然后按照上面关于第一主体和第二底材所述，使云母上的第三个金底 材与互补图像接触。结合至第三底材并与互补图像分离的第三套DNA是 第一主体的复制品。通过考虑本文公开的发明说明书或实践，本发明的其它实施方案对本 领域技术人员会是明显的。希望说明书和实施例只被认为是示例性的，本 发明的真正范围和精神由所附权利要求指明。
权利要求
1.形成主体的互补图像的方法，其包括a)提供主体，其包含结合至第一底材以形成图案的第一套分子，其中当所述第一套分子包括核酸时，所述第一套分子包括具有不同序列的多种核酸；b)通过吸引力或形成键，在所述第一套分子上组装第二套分子，其中所述第二套分子中的每个分子均包括i)活性官能团；和ii)被吸引至或结合至所述第一套分子中的一个或多个分子上的识别组分；c)使所述第二套分子的活性官能团与第二底材的表面接触，从而在所述第二套分子与所述第二底材之间形成键；d)破坏所述第一套分子与所述第二套分子之间的吸引力或键，从而形成所述主体的互补图像；和e)任选地将b)至d)重复一次或多次。
2. 权利要求1的方法，其中所述第二套分子中的每个分子还包括下列 组分中的一种或多种-a) 暴露的官能团；b) 将所述活性官能团连接至所述识别组分的共价键或第一间隔基;和c) 将所述暴露的官能团连接至所述识别组分的共价键或第二间隔基。
3. 权利要求2的方法，其中通过使所述主体与包含所述第二套分子的 溶液接触，在所述第一套分子上组装所述第二套分子。
4，权利要求3的方法，其中通过含有所述第二套分子的溶液的毛细管 作用使所述主体与所述第二底材保持接触。
5. 权利要求4的方法，其中破坏所述吸引力或键包括蒸发所述溶液。
6. 权利要求3的方法，其中所述第二套分子包括两种或更多种不同的分子。
7. 权利要求6的方法，其中所述第二套分子中的两种或更多种分子具 有不同的识别组分。
8. 权利要求6的方法，其中所述第二套分子中的两种或更多种分子既 具有不同的识别组分又具有不同的暴露的官能团。
9. 权利要求6的方法，其中所述第二套分子中的两种或更多种不同的 分子在所述第二底材上形成图案，所述图案具有包括两种或更多种高度的 剖面。
10. 权利要求9的方法，其中所述两种或更多种不同的分子中的至少 一种包括第一间隔基，而所述两种或更多种不同的分子中的另一种不包括 间隔基或者包括长度不同于所述第一间隔基的第二间隔基。
11. 权利要求2的方法，其中所述互补图像的至少一个部分的侧面尺 寸为200nm或更小、100nm或更小、50 nm或更小或20 nm或更小。
12. 权利要求2的方法，其中在所述第一套分子与所述第二套分子之 间形成的键为氢键、离子键、磁相互作用、静电相互作用、7t-键相互作用、 共价键、范德华键或其组合。
13. 权利要求12的方法，其中通过施加热来破坏所述第一套分子与所 述第二套分子之间的键。
14. 权利要求12的方法，其中通过使所述第一套分子与所述第二套分 子之间的键与具有高离子强度的溶液接触来破坏所述键。
15. 权利要求2的方法，其中所述第二套分子上的活性官能团是硫醇 基、受保护的硫醇基、硅烷、氯硅垸、羧酸、腈、异腈、异羟肟酸或膦酸。
16. 权利要求2的方法，其中所述第二底材的表面是掺杂硅或未掺杂 硅、玻璃、熔凝硅石、二氧化硅、氧化铝、磷酸钙陶瓷、羟基化的聚合物、 氧化的聚合物表面、氧化物、铂、钯、铝、金、银、铜、镉、锌、荥、铅、3铁、铬、锰、钨、包含上述金属中的至少一种的合金或包含上述金属中的 至少一种的混合物。
17. 权利要求2的方法，其中所述第一套分子中的每个分子的组分均 为核酸序列，且所述第二套分子的识别组分为与所述第一套分子上的核酸 序列至少80%、至少90%、至少95%或至少99%互补的核酸序列。
18. 权利要求17的方法，其中通过使所述第一套分子与所述第二套分 子之间的键与酶接触来破坏所述键。
19. 权利要求17的方法，其中所述第一和第二套分子的核酸序列选自 DNA、 RNA、修饰的核酸序列及其组合。
20. 权利要求2的方法，其中所述第一套分子中的每个分子的组分均 为肽核酸(PNA)序列，且所述第二套分子的识别组分是PNA序列。
21. 权利要求2的方法，其中所述第二套分子中的每个分子的暴露的 官能团不存在或者独立地选自-OH、 -CONH-、 -CONHCO-、 -NH2、 -NH-、 -COOH、 -COOR、 -CSNH-、 -N02-、 -S02、 -SH、 -RCOR-、 -RCSR-、 -RSR、 -ROR國、-P043、國OS(V2、 -S03-、 -COO-、 -SOO陽、-RSOR-、 -CONR2、 -(OCH2CH2)nOH (其中n= l-20，优选l-8)、-CH3、-P03H-、-2-咪唑、-N(CH3)2、 -NR2、 -P03H2、 -CN、 -(CF2)nCF3 (其中n= 1-20，优选1-8)、卟啉、咕啉环、 肽序列和烯烃，其中R为氢、烃、卣代烃、蛋白质、酶、碳水化合物、凝集素、激素、 受体、抗原、抗体或半抗原。
22. 权利要求21的方法，其还包括将所述第二套分子中的至少一个分 子的暴露的官能团结合至金属或金属离子。
23. 权利要求2的方法，其中所述第二套分子具有第一间隔基、第二 间隔基或第一和第二间隔基，且所述间隔基独立地选自亚垸基、亚杂垸基、 亚杂环烷基、亚烯基、亚炔基、亚芳基、亚杂芳基、亚芳基烷基和亚杂芳 基垸基，其中所述亚垸基、亚杂烷基、亚杂环烷基、亚烯基、亚炔基、亚芳基、亚杂芳基、亚芳基烷基或亚杂芳基垸基可以是取代或未取代的。
24. 权利要求23的方法，其中所述亚烷基、亚杂烷基、亚杂环烷基、 亚烯基、亚炔基、亚芳基、亚杂芳基、亚芳基垸基和亚杂芳基烷基的取代 基选自卤素和羟基。
25. 权利要求2的方法，其还包括a) 在底材的表面上形成一种或多种金属、金属氧化物或其组合的图案；b) 使所述表面与所述第一套分子接触，其中所述第一套分子中的每个 分子均具有活性官能团，所述活性官能团在所述金属或金属氧化物与所述 第一套分子的分子之间形成键，从而形成包含结合至所述底材以形成图案 的第一套分子的主体。
26. 权利要求2的方法，其中提供所述主体包括使用蘸笔纳米光刻术 形成所述主体。
27. 权利要求2的方法，其中所述第二底材表面的至少一部分不含所 述第二套分子。
28. 权利要求27的方法，其还包括a) 使所述第二底材的表面与反应物接触，所述反应物被选择为对所述 第二套分子是化学惰性的并且降解至少所述第二底材的表面层，从而降解 所述第二底材的不含所述第二套分子的那部分表面；和b) 除去所述第二套分子以暴露所述第二底材的一部分表面。
29. 权利要求28的方法，其中所述反应物是活性离子蚀刻化合物。
30. 权利要求27的方法，其还包括a) 在不含所述第二套分子的那部分第二底材表面上沉积材料；和b) 除去所述第二套分子以暴露所述第二底材的一部分表面。
31. 权利要求30的方法，其中所沉积的材料选自半导体、电介质、金 属、金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物及其组合。
32. 权利要求2的方法，其中通过磁力吸引力在所述第一套分子上组 装所述第二套分子。
33. 权利要求32的方法，其中通过施加磁场来破坏所述第一套分子与 所述第二套分子之间的吸引力。
34. 权利要求32的方法，其中所述第二套分子中的一个或多个分子的 识别组分是铁或氧化铁颗粒。
35. 形成主体或其部分的复制品的方法，其包括a) 提供主体，其包含结合至第一底材以形成图案的第一套分子；b) 通过形成键，在所述第一套分子上组装第二套分子，其中所述第二 套分子中的每个分子均包括i) 活性官能团；和ii) 结合至所述第一套分子上的识别组分；c) 使所述第二套分子的活性官能团与第二底材的表面接触，从而在所 述第二套分子与所述第二底材之间形成键；d) 破坏所述第一套分子与所述第二套分子之间的键，从而形成所述主 体的互补图像；e) 通过形成键，在所述互补图像的第二套分子上组装第三套分子，其 中所述第三套分子中的每个分子均包括-i) 活性官能团；和ii) 结合至所述第二套分子上的识别组分；f) 使所述第三套分子的活性官能团与第三底材的表面接触，从而在所 述第三套分子与所述第三底材之间形成键；g) 破坏所述第二套分子与所述第三套分子之间的键，从而形成所述主 体或其部分的复制品；和h) 任选地将e)至g)重复一次或多次。
36. 权利要求35的方法，其中所述第二套分子中的每个分子任选地还 包括将所述活性官能团连接至所述识别组分的间隔基，且所述第三套分子中的每个分子还包括下列组分中的一种或多种a) 暴露的官能团；b) 将所述活性官能团连接至所述识别组分的共价键或第一间隔基;和 C)将所述暴露的官能团连接至所述识别组分的共价键或第二间隔基。
37. 权利要求36的方法，其中通过使所述互补图像与包含所述第三套分子的溶液接触，在所述第二套分子上组装所述第三套分子。
38. 权利要求37的方法，其中通过含有所述第三套分子的溶液的毛细 管作用使所述互补图像与所述第三底材保持接触。
39. 权利要求38的方法，其中蒸发所述溶液。
40. 权利要求36的方法，其中所述第三套分子包括两种或更多种不同 的分子。
41. 权利要求40的方法，其中所述第三套分子中的两种或更多种分子 具有不同的识别组分。
42. 权利要求40的方法，其中所述第三套分子中的两种或更多种分子 既具有不同的识别组分又具有不同的暴露的官能团。
43. 权利要求40的方法，其中所述第三套分子中的两种或更多种不同 的分子在所述第三底材上形成图案，所述图案具有包括两种或更多种高度 的剖面。
44. 权利要求36的方法，其中所述复制品或其部分的至少一个部分的 侧面尺寸为200nm或更小、lOOnm或更小、50 nm或更小或20 ran或更小。
45. 权利要求36的方法，其中在所述第二套分子与所述第三套分子之 间形成的键为氢键、离子键、磁相互作用、静电相互作用、共价键、兀-键 相互作用、范德华键或其组合。
46. 权利要求45的方法，其中通过施加热来破坏所述第二套分子与所述第三套分子之间的键。
47. 权利要求45的方法，其中通过使所述第二套分子与所述第三套分 子之间的键与具有高离子强度的溶液接触来破坏所述键。
48. 权利要求36的方法，其中所述第二套分子中的每个分子的组分均 为核酸序列，且所述第三套分子的识别组分为与所述第二套分子的识别组 分至少80°/。、至少卯％、至少95%或至少99%互补的核酸序列。
49. 权利要求48的方法，其中所述第二套分子包括具有不同核酸序列 的两种或更多种分子。
50. 权利要求48的方法，其中所述第三套分子中的两种或更多种分子 具有不同的核酸序列。
51. 权利要求48的方法，其中通过使所述第二套分子与所述第三套分 子之间的键与酶接触来破坏所述键。
52. 权利要求48的方法，其中所述第一套分子中的一种或多种分子的 组分是核酸序列。
53. 权利要求52的方法，其中所述第一、第二和第三套分子的核酸序 列选自DNA、 RNA、修饰的核酸序列及其组合。
54. 权利要求36的方法，其中所述第一套分子中的每个分子的组分均 为肽核酸(PNA)序列，且所述第一和第二套分子的识别组分是PNA序列。
55. 权利要求36的方法，其中所述第三套分子中的每个分子的暴露的 官能团不存在或者独立地选自-OH、 -CONH-、 -CONHCO-、 -NH2、 -NH-、 画COOH、國COOR、 -CSNH-、 -N02、 -S02、 -SH、 -RCOR-、陽RCSR-、 -RSR、 -ROR腸、—P(V3、 -OS032、 -S03_、 -COO、 —SOCT、画RSOR-、 -GONR2、 -(OCH2CH2)nOH(其中n= l-20,优选l-8)、-CH3、-P03lT、-2-咪唑、-N(CH3)2、 -NR2、 -P03H2、 -CN、 -(0 2^^3(其中11=1-20，优选1-8)、卟啉、咕啉环 和烯烃，其中R为氢、烃、卤代烃、蛋白质、酶、碳水化合物、凝集素、激素、受体、抗原、抗体或半抗原。
56. 权利要求55的方法，其还包括将所述第三套分子中的至少一个分 子的暴露的官能团结合至金属或金属离子的步骤。
57. 权利要求36的方法，其中所述第二套分子中的分子具有间隔基， 且所述第三套分子中的分子具有第一和第二间隔基，且所述间隔基独立地 选自亚烷基、亚杂垸基、亚杂环垸基、亚烯基、亚炔基、亚芳基、亚杂芳 基、亚芳基垸基和亚杂芳基烷基，其中所述亚烷基、亚杂垸基、亚杂环烷 基、亚烯基、亚炔基、亚芳基、亚杂芳基、亚芳基烷基或亚杂芳基垸基可 以是取代或未取代的。
58. 权利要求57的方法，其中所述亚垸基、亚杂烷基、亚杂环垸基、 亚烯基、亚炔基、亚芳基、亚杂芳基、亚芳基垸基和亚杂芳基烷基的取代 基选自卤素和羟基。
59. 权利要求36的方法，其还包括a) 使用电子束光刻法，在底材的表面上形成一种或多种金属、金属氧 化物或其组合的图案；b) 使所述表面与所述第一套分子接触，其中所述第一套分子中的每个 分子均具有活性官能团，所述活性官能团在所述金属或金属氧化物与所述 第一套分子的分子之间形成键，从而形成包含结合至所述底材以形成图案 的第一套分子的主体。
60. 权利要求36的方法，其中所述第三底材表面的至少一部分不含所 述第三套分子。
61. 权利要求60的方法，其还包括a) 使所述第三底材的表面与反应物接触，所述反应物被选择为对所述 第三套分子是化学惰性的并且降解至少所述第三底材的表面层，从而降解 所述第三底材的不含所述第三套分子的那部分表面；和b) 除去所述第三套分子以暴露所述第三底材的一部分表面。
62. 权利要求61的方法，其中所述反应物是活性离子蚀刻化合物。
63. 权利要求60的方法，其还包括a) 在不含所述第三套分子的那部分第三底材表面上沉积材料；和b) 除去所述第三套分子以暴露所述第三底材的一部分表面。
64. 权利要求63的方法，其中所沉积的材料选自半导体、电介质、金 属、金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物及其组合。
65. 组合物，其包含a) 结合至第一底材上的第一套分子的第一图案，其中当所述第一套分 子包括核酸序列时，所述第一套分子包括具有不同序列的多种核酸；和b) 互补图像，其包括通过第二套分子中的每个分子上的活性官能团结 合至第二底材上的所述第二套分子的图案，其中所述第二套分子中的每个 分子均具有识别组分，所述识别组分结合至来自所述第一套分子的分子中 的至少一部分上。
66. 权利要求65的组合物，其中所述第二套分子中的每个分子还包括 下列组分中的一种或多种a) 暴露的官能团；b) 将所述活性官能团连接至所述识别组分的共价键或第一间隔基；和c) 将所述暴露的官能团连接至所述识别组分的共价键或第二间隔基。
67. 权利要求66的组合物，其中所述第二套分子包括两种或更多种不 同的分子。
68. 权利要求67的组合物，其中所述第二套分子中的两种或更多种分 子具有不同的识别组分。
69. 权利要求67的组合物，其中所述第二套分子中的两种或更多种分 子既具有不同的识别组分又具有不同的暴露的官能团。
70. 权利要求69的组合物，其中所述第二套分子中的两种或更多种不 同的分子在所述第二底材上形成图案，所述图案具有包括两种或更多种高度的剖面。
71. 权利要求70的组合物，其中所述两种或更多种不同的分子中的至 少一种包括第一间隔基，而所述两种或更多种不同的分子中的另一种不包 括间隔基或者包括长度不同于所述第一间隔基的第二间隔基。
72. 权利要求66的组合物，其中所述互补图像的至少一个部分的侧面 尺寸为200nm或更小、100nm或更小、50 nm或更小或20 nm或更小。
73. 权利要求66的组合物，其中在所述第一套分子与所述第二套分子 之间形成的键为氢键、离子键、磁相互作用、静电相互作用、共价键、兀-键相互作用、范德华键或其组合。
74. 权利要求66的组合物，其中所述第二套分子上的活性官能团是硫 醇基、受保护的硫醇基、硅烷、氯硅垸、羧酸、腈、异腈、异羟肟酸或膦
75. 权利要求66的组合物，其中所述第二底材的表面是掺杂硅或未掺 杂硅、玻璃、熔凝硅石、二氧化硅、氧化铝、磷酸钙陶瓷、羟基化的聚合 物、氧化的聚合物表面、氧化物、铂、钯、铝、金、银、铜、镉、锌、汞、 铅、铁、铬、锰、钨、包含上述金属中的至少一种的合金或包含上述金属 中的至少一种的混合物。
76. 权利要求66的组合物，其中所述第一套分子中的每个分子的组分 均为核酸序列，且所述第二套分子的识别组分为与所述第一套分子的核酸 序列至少80%、至少90%、至少95%或至少99%互补的核酸序列。
77. 权利要求76的组合物，其中所述第一和第二套分子的核酸序列选 自DNA、 RNA、修饰的核酸序列及其组合。
78. 权利要求76的组合物，其中所述第一套分子中的每个分子的组分 均为肽核酸(PNA)序列，且所述第二套分子的识别组分是PNA序列。
79. 权利要求73的组合物，其中所述第二套分子中的每个分子的暴露 的官能团不存在或者独立地选自-OH、 -CONH-、 -CONHCO-、 -NH2、 -NH-、-COOH、誦COOR、 -CSNH-、國N(V、 -S02、 -SH、 -RCOR-、 -RCSR-、 -RSR、 -ROR-、 -PCV3、 -OS(V2、 -S03、 -COCT、 -SOCT、 -RSOR-、 -CONR2、 -(OCH2CH2)nOH (其中n= 1-20，优选l-8)、-CH3、画P03HV2-咪唑、-N(CH3)2、 -NR2、 -P03H2、 -CN、 -(CF2)nCF3(其中n= 1-20，优选1-8)、 B卜啉、咕啉环 和烯烃，其中R为氢、烃、齒代烃、蛋白质、酶、碳水化合物、凝集素、激素、 受体、抗原、抗体或半抗原。
80. 权利要求79的组合物，其还包含金属或金属离子，所述金属或金 属离子结合至来自所述第二套分子的至少一个分子的暴露的官能团上。
81. 权利要求66的组合物，其中所述第二套分子中的每个分子均具有 第一间隔基、第二间隔基或第一和第二间隔基，且所述间隔基独立地选自 亚烷基、亚杂垸基、亚杂环垸基、亚烯基、亚炔基、亚芳基、亚杂芳基、 亚芳基烷基和亚杂芳基烷基，其中所述亚垸基、亚杂垸基、亚杂环烷基、 亚烯基、亚炔基、亚芳基、亚杂芳基、亚芳基烷基或亚杂芳基垸基可以是 取代或未取代的。
82. 权利要求81的组合物，其中所述亚垸基、亚杂垸基、亚烯基、亚 炔基、亚芳基、亚杂芳基、亚杂环烷基、亚芳基烷基和亚杂芳基烷基的取 代基选自卤素和羟基。
83. 权利要求66的组合物，其中所述第二底材表面的至少一部分不含 所述第二套分子。
84. 权利要求65的组合物，其中具有所述第一图案的所述第一底材是 可重复使用的主体。
85. 用于在底材上印刷分子图案的试剂盒，其包含a) 主体，其包含结合至底材上的第一套分子的图案；和b) 第二套分子，其中所述第二套分子中的每个分子均包括i) 活性官能团；和ii) 结合至所述第一套分子上的识别组分。
86. 权利要求85的试剂盒，其中所述第二套分子中的每个分子还包括 下列组分中的一种或多种a) 暴露的官能团；b) 将所述活性官能团连接至所述识别组分的共价键或第一间隔基；和c) 将所述暴露的官能团连接至所述识别组分的共价键或第二间隔基。
87. 权利要求86的试剂盒，其中所述第二套分子包括两种或更多种不 同的分子。
88. 权利要求85的试剂盒，其中所述第二套分子中的两种或更多种分 子具有不同的识别组分。
89. 权利要求85的试剂盒，其中所述第二套分子中的两种或更多种分 子既具有不同的识别组分又具有不同的暴露的官能团。
90. 权利要求89的试剂盒，其中所述两种或更多种不同的分子中的至 少一种包括第一间隔基，而所述两种或更多种不同的分子中的另一种不包 括间隔基或者包括长度不同于所述第一间隔基的第二间隔基。
91. 权利要求86的试剂盒，其中所述主体的至少一个部分的侧面尺寸 小于200腦。
92. 权利要求86的试剂盒，其中所述第二套分子中的每个分子的识别 组分均能够通过氢键、离子键、共价键、范德华键、磁相互作用、7T-键相 互作用、静电相互作用或任何它们的组合结合至所述第一套分子中的至少 一个分子上。
93. 权利要求92的试剂盒，其还包含具有高离子强度的溶液，所述溶 液能够破坏所述第一套分子与所述第二套分子之间的键。
94. 权利要求86的试剂盒，其还包含结合至所述第二套分子的活性官 能团上的第二底材。
95. 权利要求86的试剂盒，其中所述第二套分子上的活性官能团是硫 醇基、受保护的硫醇基、硅烷、氯硅烷、羧酸、腈、异腈、异羟肟酸或膦酸。
96. 权利要求86的试剂盒，其中所述第二底材的表面是掺杂硅或未掺 杂硅、玻璃、熔凝硅石、二氧化硅、氧化铝、磷酸钙陶瓷、羟基化的聚合 物、氧化的聚合物表面、氧化物、铂、钯、铝、金、银、铜、镉、锌、汞、 铅、铁、铬、锰、钨、包含上述金属中的至少一种的合金或包含上述金属 中的至少一种的混合物。
97. 权利要求94的试剂盒，其中所述第一套分子中的每个分子的组分 均为核酸序列，且所述第二套分子的识别组分为与至少一种来自所述第一 套分子的核酸序列至少80%、至少90%、至少95%或至少99%互补的核酸 序列。
98. 权利要求97的试剂盒，其中所述第二套分子包括两种或更多种不 同的分子。
99. 权利要求98的试剂盒，其中所述第一套分子包括具有不同核酸序 列的两种或更多种分子。
100. 权利要求98的试剂盒，其中所述第二套分子中的两种或更多种 分子具有不同的核酸序列。
101. 权利要求97的试剂盒，其还包含具有酶的溶液，所述酶能够破 坏所述第一套分子与所述第二套分子之间的键。
102. 权利要求97的试剂盒，其中所述第一和第二套分子的核酸序列 选自DNA、 RNA、修饰的核酸序列及其组合。
103. 权利要求97的试剂盒，其中所述第一套分子中的每个分子的组 分均为肽核酸(PNA)序列，且所述第二套分子的识别组分是PNA序列。
104. 权利要求86的试剂盒，其中所述第二套分子中的每个分子的暴 露的官能团不存在或者独立地选自-OH、-CONH-、-CONHCO-、-NH2、-NH-、 -COOH、 -COOR、 -CSNH-、 -N02\ -S02、國SH、 -RCOR-、 -RCSR-、画RSR、 國ROR-、 -P(V3、 -OS(V2、陽S(V、画COCT、 -SOO、画RSOR-、 -CONR2、-(OCH2CH2)nOH(其中n=卜20，优选l國8)、-CH3、-P03HV2國咪唑、-N(CH3)2、 -NR2、 -P03H2、 -CN、《CF2)nCF3(其中n= 1-20，优选1-8)、 B卜啉、咕啉环 和烯烃，其中R为氢、烃、卤代烃、蛋白质、酶、碳水化合物、凝集素、激素、 受体、抗原、抗体或半抗原。
105. 权利要求104的试剂盒，其还包含金属或金属离子，所述金属或 金属离子能够结合至所述第二套分子中的至少一个分子的暴露的官能团 上。
106. 权利要求86的试剂盒，其中所述第二套分子中的每个分子均具 有第一间隔基、第二间隔基或第一和第二间隔基，且所述间隔基独立地选 自亚烷基、亚杂垸基、亚杂环烷基、亚烯基、亚炔基、亚芳基、亚杂芳基、 亚芳基烷基和亚杂芳基烷基，其中所述亚垸基、亚杂烷基、亚杂环烷基、 亚烯基、亚炔基、亚芳基、亚杂芳基、亚芳基垸基或亚杂芳基垸基可以是 取代或未取代的。
107. 权利要求106的试剂盒，其中所述亚垸基、亚杂烷基、亚杂环烷 基、亚烯基、亚炔基、亚芳基、亚杂芳基、亚芳基垸基和亚杂芳基烷基的 取代基选自卤素和羟基。
全文摘要
本发明涉及基于分子的可逆自组装的分子图案冲压方法和/或器件。在一个实施方案中，形成主体的互补图像的方法包括提供主体，其具有结合至第一底材(14)以形成图案的第一套分子(12)；通过形成键，在所述第一套分子(12)上组装第二套分子(16)，所述第二套分子(16)具有活性官能团(18)和暴露的官能团(28)；使所述活性官能团(18)与第二底材(22)的表面接触，所述活性官能团(18)与所述第二底材(22)的表面反应，在所述第二套分子(16)与所述第二底材(22)之间形成键；使所述第二底材(22)的剩余暴露表面与另一组分子(24)接触；破坏所述第一套分子(12)与所述第二套分子(16)之间的键，所述第二套分子(16)结合至所述第二底材(22)，形成所述主体的互补图像(26)。能够将所述主体重复使用一次或多次以形成额外的互补图像。
文档编号B32B5/02GK101218089SQ200580050101
公开日2008年7月9日 申请日期2005年4月12日 优先权日2005年4月12日
发明者A·A·于, F·斯泰拉奇 申请人:麻省理工学院