一种阵列纳米沟道的制备方法与蚕丝蛋白薄膜

1.本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种阵列纳米沟道的制备方法与蚕丝蛋白薄膜。


背景技术：

2.电子束光刻(electron-beam lithography，ebl)作为下一代光刻技术，以其分辨率高和性能稳定被认为是在22纳米节点以下最具有发展前景的光刻技术之一，光刻技术的进步往往与光刻材料发展密不可分。近年来，电子束作为纳米尺度的光刻技术对光刻材料提出了更高的要求。光刻胶是微电子及半导体等领域广泛用于基底图案化的介质材料，主要成分为各类树脂和有机溶剂。
3.电子束光刻胶是一类涂敷在衬底表面通过电子束曝光实现图形传递的光刻材料，根据聚合物照射前后发生交联还是化学键断裂可以将电子束光刻胶分为正性胶和负性胶。光刻胶在电子束曝光后，其聚合物发生化学键断裂，而断裂的聚合物碎片易溶于显影液，则为正性光刻胶。反之当曝光后，光刻胶由小分子交联聚合为大分子，曝光后的光刻胶难溶解于显影液，则为负性光刻胶。
4.为实现光刻胶材料的绿色化和天然化，天然蛋白质也已被用作类光刻胶材料，通过紫外和电子束光刻实现了图案化。但目前，紫外光刻实现蛋白质薄膜图案化需要加入光引发剂，对蛋白质进行改性，工艺复杂；电子束加工形成的蛋白质薄膜结构与同类电子束光刻胶相比，深宽比较小，且难以达到亚十纳米尺度。
5.另一方面，近年来，随着微加工技术，mems技术以及电子技术的日益成熟，微流控芯片开始向集成化、微型化方向发展。目前微流控芯片比较典型的加工方式主要有模塑法、光刻阳模热压法、激光切蚀法、微机械加工等。模塑法是用光刻和刻蚀的方法先制出阳模(所需通道部分突起)，然后浇注液态的高分子材料。将固化后的高分子材料与阳模剥离就得到具有微通道的芯片，模塑法限于某些易固化的高分子材料，实用价值尚待研究。光刻阳模热压法中使用的模具只能加工一种形状的微沟道，且模具材质较脆，使用寿命较短，成本高。激光切蚀法可用于在聚甲基丙烯酸甲酯，聚碳酸酯等可光解高分子材料上加工微通道，对技术设备要求较高，加工沟道侧壁较为粗糙。而微机械加工的设备较为昂贵且远没有普及，并且其微尺寸刀具采用纯机械的方式在有机材质上进行沟道加工，使得单个微尺寸刀具的寿命较短。此外其他加工方法也存在一些问题，如金属丝热压法，其加工沟道的线性度不够。总之，上述微流控芯片的微沟道制作方法在实际应用过程中受到诸多条件限制。


技术实现要素：

6.基于现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种阵列纳米沟道的制备方法与蚕丝蛋白薄膜。
7.依据本发明技术方案的第一方面，提供一种阵列纳米沟道的制备方法其包括以下步骤：
8.步骤s1，提取蚕丝蛋白，通过将蚕丝溶解或悬浮在水中，进而提取一种或多种蚕丝蛋白溶液；
9.步骤s2，基于步骤s1得到的蚕丝蛋白溶液制备蚕丝蛋白薄膜，将一种所述溶液形成薄膜；
10.步骤s3，基于步骤s2得到的制备蚕丝蛋白薄膜层；其中将蚕丝蛋白薄膜蒸发水，由此形成蚕丝蛋白薄膜层。
11.步骤s4，制备多层阵列纳米沟道。
12.其中，步骤s1提取蚕丝蛋白进一步包括获取蚕丝丝素步骤s11：蚕茧壳剪成大约1cm2的碎片，放入沸腾的碳酸钠溶液中30分钟，重复两次，然后用去离子水冲洗脱胶4-5次，最后将丝素放在40℃烘箱中烘干。
13.进一步地，步骤s1提取蚕丝蛋白进一步包括获取蚕丝蛋白溶解步骤s12：在干燥的蚕丝蛋白中加入质量体积比为20％的溴化锂溶液，并放入烘箱中4小时得到蚕丝蛋白-溴化锂溶液。
14.更进一步地，步骤s2制备蚕丝蛋白薄膜进一步包括步骤s21，获取蚕丝蛋白单层薄膜：取1ml浓度为7wt％的蚕丝蛋白溶液用旋涂仪旋涂在1cm
×
1cm的硅片上，旋涂速率为1000rpm，然后在90℃热板烘烤5min，得到厚度为350nm的蚕丝蛋白单层薄膜；
15.优选地，步骤s2制备蚕丝蛋白薄膜进一步包括步骤s22，将旋涂好薄膜的硅片放入甲醇中浸泡10分钟，丝蛋白薄膜转换成正胶。
16.另外地，步骤s2制备蚕丝蛋白薄膜进一步包括步骤s23，将片子置入电子束曝光系统，在表面曝光出宽200nm，长2cm的阵列长方形图案，相邻长方形间的间距为2微米。电子束曝光系统的曝光条件是：加速电压100kv，电子束曝光剂量500μc/cm2。
17.进一步地，步骤s4制备多层阵列纳米沟道进一步包括步骤s401，获取蚕丝蛋白单层薄膜：取1ml浓度为7wt％的蚕丝蛋白溶液用旋涂仪旋涂在1cm
×
1cm的硅片上，旋涂速率为1000rpm，然后在90℃热板烘烤5min，得到厚度为350nm的蚕丝蛋白单层薄膜。
18.另外地，构建一种基于蚕丝蛋白的微流控沟道，沟道尺寸能精确到数十纳米的范围。具体方法是逐层构建蚕丝蛋白薄膜，并依次用高能电子束辐照薄膜的特定区域，以改变薄膜的蛋白分子结构，被辐照的区域水溶性发生变化。对于正胶薄膜层，则用电子束刻蚀沟道区域，负胶层则全部辐照，最后一次完成显影后，正胶层辐照过的区域溶解于水并形成沟道，而负胶层则全部留下将各层的沟道隔离开。
19.依据本发明技术方案的第二方面，提供一种依据上述阵列纳米沟道的制备方法制备的蚕丝蛋白薄膜，所述蚕丝蛋白薄膜用于光刻胶。进一步地，所述蚕丝蛋白薄膜用于电子束光刻胶。
20.与现有技术相比较，本发明阵列纳米沟道制备方法与蚕丝蛋白薄膜的有益效果在于：
21.1、用蚕丝蛋白作为沟道的构建材料，它具有很好的生物兼容性，可以进一步对沟道内表面的蛋白分子做特定的生物修饰，并用于相关的生物分子检测，比如药物的手性识别和对映体分离；
22.2、该纳米沟道是通过对丝素蛋白薄膜电子束光刻，然后在水中显影溶解形成，而且薄膜材质柔软。基于薄膜材质特征和加工工艺流程，可以在电子束光刻完成后从硅基底
薄膜揭下薄膜，并贴附于非平面的弯曲基底(比如圆柱面)再显影形成沟道。也就是说，薄膜的外观形状是可以根据应用场合加以改造的，而不是只能贴合在平面上；
23.3、纳米沟道是用电子束光刻工艺形成，该工艺尺寸可以精确控制到10纳米以内，比刀具加工形成的沟道精度更高，沟道的平整度和线性度良好。在大分子分离和筛选应用中，对沟道宽度的控制要求较高，用电子束光刻形成的沟道方便形成不同的尺寸以及各种复杂的沟道结构；
24.4、用该方法形成的结构，沟道不仅可以位于膜平面内，而且沟道也可以垂直于平面。进一步，可以实现平行和垂直与薄膜平面的两种方向沟道相互结合、相互垂直贯通结构。传统的热膜压法不能形成三维复杂的中空结构，机械加工则在复杂沟道的对准上存在困难，传统的光刻和rie刻蚀工艺都很难实现，而用本发明的多次电子束光刻并一次显影完成沟道的方式，不仅便于实现复杂沟道的对准工艺，而且溶解形成的沟道不易坍塌变形，结构稳定；
25.5、本发明的多层膜结构，不仅可以用蚕丝蛋白光刻胶制备，而且很方便在其中插入其他材料制备形成的薄膜，可以插入溶液塑模、旋涂或铸塑到适当的支持物上而形成。除了硅片之外，支持物的类型通常没有限制，聚苯乙烯、玻璃或硅烷的支持物(或对所用的溶剂是抗性的任何其它表面)可以称为适当的支持物。
附图说明
26.附图1为依据本发明的实施例1中的天蚕丝光刻胶样品图。
27.附图2为依据本发明的实施例1中的天蚕丝蛋白薄膜图。
28.附图3为依据本发明实施例1中天蚕丝蛋白薄膜在光学显微镜中放大的图片。
29.附图4为依据发明实施例2中天蚕丝蛋白薄膜正胶电子束刻蚀出的条纹图案。
30.附图5为依据发明实施例3中天蚕丝蛋白薄膜正胶电子束刻蚀出的条纹图案。
31.附图6为发明实施例4中天蚕丝蛋白薄膜正胶和负胶制成的单层纳米通道示意图。
32.附图7为发明实施例4中天蚕丝蛋白薄膜正胶和负胶制成的多层纳米通道示意图。
具体实施方式
33.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
34.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
35.本技术人经过研究发现，天蚕丝和柞蚕丝蛋白与家蚕一样，有着丰富的二级结构，
在辐射下也具有结构转变的特征，所以，我们可以将丝蛋白溶液旋涂成一定厚度的薄膜，用电子束辐照并显影后，得到不同的图案。另外，丝蛋白溶液形成的薄膜，经过甲醇浸泡后蛋白结构发生变化，从负胶变成正胶，它们的显影液都是水。
36.本发明公布了一种阵列纳米沟道的制备方法。本发明还涉及蚕丝蛋白薄膜的产品和组合物，以及用电子束对丝蛋白薄膜加工形成微纳米沟道的工艺。本发明在于构建一种基于蚕丝蛋白的微流控沟道，沟道尺寸能精确到数十纳米的范围。具体方法是逐层构建蚕丝蛋白薄膜，并依次用高能电子束辐照薄膜的特定区域，以改变薄膜的蛋白分子结构，被辐照的区域水溶性发生变化。对于正胶薄膜层，则用电子束刻蚀沟道区域，负胶层则全部辐照，最后一次完成显影后，正胶层辐照过的区域溶解于水并形成沟道，而负胶层则全部留下将各层的沟道隔离开。
37.本发明的一种阵列纳米沟道的制备方法，其包括以下步骤：
38.步骤s1，提取蚕丝蛋白，通过将蚕丝溶解或悬浮在水中，进而提取一种或多种蚕丝蛋白溶液；
39.步骤s2，基于步骤s1得到的蚕丝蛋白溶液制备蚕丝蛋白薄膜，将一种所述溶液形成薄膜；
40.步骤s3，基于步骤s2得到的制备蚕丝蛋白薄膜层；其中将蚕丝蛋白薄膜蒸发水，由此形成蚕丝蛋白薄膜层。
41.步骤s4，制备多层阵列纳米沟道。
42.其中，步骤s1提取蚕丝蛋白具体包括以下步骤：
43.步骤s11，获取蚕丝丝素：蚕茧壳剪成大约1cm2的碎片，放入沸腾的碳酸钠溶液中30分钟，重复两次，然后用去离子水冲洗脱胶4-5次，最后将丝素放在40℃烘箱中烘干；
44.步骤s12，蚕丝蛋白溶解：在干燥的蚕丝蛋白中加入质量体积比为20％的溴化锂溶液，并放入烘箱中4小时得到蚕丝蛋白-溴化锂溶液；
45.步骤s13，蚕丝蛋白透析：将蚕丝蛋白-溴化锂溶液倒入透析袋中，然后放入去离子水中透析48小时；
46.步骤s14，蚕丝蛋白过滤：透析之后的蚕丝蛋白溶液用5μm孔径的微孔过滤器过滤两次获得蚕丝蛋白溶液。
47.步骤s2制备蚕丝蛋白薄膜具体包括以下步骤：
48.步骤s21，获取蚕丝蛋白单层薄膜：取1ml浓度为7wt％的蚕丝蛋白溶液用旋涂仪旋涂在1cm
×
1cm的硅片上，旋涂速率为1000rpm，然后在90℃热板烘烤5min，得到厚度为350nm的蚕丝蛋白单层薄膜；
49.步骤s22，将旋涂好薄膜的硅片放入甲醇中浸泡10分钟，丝蛋白薄膜转换成正胶；
50.步骤s23，将片子置入电子束曝光系统，在表面曝光出宽200nm，长2cm的阵列长方形图案，相邻长方形间的间距为2微米。电子束曝光系统的曝光条件是：加速电压100kv，电子束曝光剂量500μc/cm2；
51.步骤s24，在硅片表面旋涂一层浓度蚕丝蛋白溶液，厚度为1μm，然后在90℃热板烘烤10min，得到第二层蚕丝蛋白单层薄膜；
52.步骤s25，将片子置入电子束曝光系统，降低加速电压，使得电子束的穿透深度刚好为1μm，第二层负胶薄膜在电子束曝光后不再溶于水；
53.步骤s26，将曝光的片子放入水中显影，显影时间为120s，轻微震荡，使第一层薄膜中曝光后的丝蛋白完全溶解，形成贯通的单层纳米沟道。
54.步骤s4制备多层阵列纳米沟道具体包括以下步骤：
55.步骤s401，获取蚕丝蛋白单层薄膜：取1ml浓度为7wt％的蚕丝蛋白溶液用旋涂仪旋涂在1cm
×
1cm的硅片上，旋涂速率为1000rpm，然后在90℃热板烘烤5min，得到厚度为350nm的蚕丝蛋白单层薄膜；
56.步骤s402，将旋涂好薄膜的硅片放入甲醇中浸泡10分钟，丝蛋白薄膜转换成正胶；
57.步骤s403，将片子置入电子束曝光系统，在表面曝光出宽200nm，长2cm的阵列长方形图案，相邻长方形间的间距为2微米。电子束曝光系统的曝光条件是：加速电压100kv，电子束曝光剂量500μc/cm2；
58.步骤s404，在硅片表面旋涂一层浓度蚕丝蛋白溶液，厚度为1μm，然后在90℃热板烘烤10min，得到第二层蚕丝蛋白单层薄膜；
59.步骤s405，将片子置入电子束曝光系统，降低加速电压，使得电子束的穿透深度刚好为1μm，第二层负胶薄膜在电子束曝光后不再溶于水；
60.步骤s406，取1ml浓度为7wt％的蚕丝蛋白溶液用旋涂仪旋涂在1cm
×
1cm的硅片上，旋涂速率为1000rpm，然后在90℃热板烘烤5min，得到厚度为350nm的第三层蚕丝蛋白薄膜；
61.步骤s407，将旋涂好薄膜的硅片放入甲醇中浸泡，控制浸泡时间，将表层350nm厚的丝蛋白薄膜转换成正胶，而对第二层负胶无影响；
62.步骤s408，将片子置入电子束曝光系统，在表面曝光出宽200nm，长2cm的阵列长方形图案，相邻长方形间的间距为2微米。通过改变加速电压和电子束曝光剂量等条件，确保曝光厚度为350nm，而不对第二层丝蛋白薄膜产生影响；
63.步骤s409，在硅片表面旋涂一层浓度蚕丝蛋白溶液，厚度为1μm，然后在90℃热板烘烤10min，得到第四层蚕丝蛋白单层薄膜；
64.步骤s410，将片子置入电子束曝光系统，降低加速电压，使得电子束的穿透深度刚好为1μm，第四层负胶薄膜在电子束曝光后不再溶于水；
65.步骤s411，将曝光的片子放入水中显影，显影时间为120s，轻微震荡，使第一和第三层薄膜中曝光后的丝蛋白完全溶解，形成贯通的双层纳米沟道。
66.下面结合实施例来说明本发明的具体步骤的细节。
67.实施例1
68.取1ml浓度为7wt％的蚕丝蛋白溶液用旋涂仪旋涂在1cm
×
1cm的硅片上，旋涂速率为1000rpm，然后在90℃热板烘烤5min，得到厚度为350nm的蚕丝蛋白单层薄膜。实施结果如图1、2、3所示。
69.实施例2
70.取1ml浓度为7wt％的蚕丝蛋白溶液用旋涂仪旋涂在1cm
×
1cm的硅片上，旋涂速率为1000rpm，然后在90℃热板烘烤5min，得到厚度为350nm的蚕丝蛋白单层薄膜；将旋涂好薄膜的硅片放入甲醇中浸泡10分钟，丝蛋白薄膜转换成正胶；将片子置入电子束曝光系统，在表面曝光出宽200nm，长2cm的阵列长方形图案，相邻长方形间的间距为2微米。电子束曝光系统的曝光条件是：加速电压100kv，电子束曝光剂量500μc/cm2。图4是丝蛋白正胶薄膜，电
子束光刻并显影后的条纹，凹形条纹为丝曝光后的丝蛋白溶解后留下的沟道。
71.实施例3
72.取1ml浓度为7wt％的蚕丝蛋白溶液用旋涂仪旋涂在1cm
×
1cm的硅片上，旋涂速率为1000rpm，然后在90℃热板烘烤5min，得到厚度为350nm的蚕丝蛋白单层薄膜；将片子置入电子束曝光系统，在表面曝光出宽200nm，长2cm的阵列长方形图案，相邻长方形间的间距为2微米。电子束曝光系统的曝光条件是：加速电压100kv，电子束曝光剂量500μc/cm2。图5是丝蛋白负胶薄膜，电子束光刻并显影后的条纹，凸形条纹为光刻胶。
73.实施例4
74.附图6为发明实施例4中天蚕丝蛋白薄膜正胶和负胶制成的单层纳米通道示意图。其详细地示出了天蚕丝蛋白薄膜正胶和负胶制成的单层纳米通道；在具体的实施中，也可以对其具体参数做出修改和微调。
75.在下面依据图6给出实施例4的各步骤详细参考示意。
76.(1)取1ml浓度为7wt％的蚕丝蛋白溶液用旋涂仪旋涂在1cm
×
1cm的硅片上，旋涂速率为1000rpm，然后在90℃热板烘烤5min，得到厚度为350nm的蚕丝蛋白单层薄膜；(2)将旋涂好薄膜的硅片放入甲醇中浸泡10分钟，丝蛋白薄膜转换成正胶；(3)将片子置入电子束曝光系统，在表面曝光出宽200nm，长2cm的阵列长方形图案，相邻长方形间的间距为2微米。电子束曝光系统的曝光条件是：加速电压100kv，电子束曝光剂量500μc/cm2；(4)在硅片表面旋涂一层浓度蚕丝蛋白溶液，厚度为1μm，然后在90℃热板烘烤10min，得到第二层蚕丝蛋白单层薄膜；(5)将片子置入电子束曝光系统，降低加速电压，使得电子束的穿透深度刚好为1μm，第二层负胶薄膜在电子束曝光后不再溶于水；(6)将曝光的片子放入水中显影，显影时间为120s，轻微震荡，使第一层薄膜中曝光后的丝蛋白完全溶解，形成贯通的沟道。工艺步骤如图6所示。
77.实施例5
78.制备多层阵列纳米沟道。与单层纳米沟道的工艺相似，在依次旋涂第一、二层正、负胶和电子束光刻完成后，旋涂第三层丝蛋白350nm厚薄膜并在甲醇中浸泡转换成正胶，完成电子束光刻后旋涂第四层1μm厚丝蛋白薄膜，再用电子束辐照使第四层负胶完全曝光。最后置入去离子水中显影，轻微震荡，使第一、三层薄膜中曝光后的丝蛋白完全溶解，形成贯通的阵列沟道。两层纳米沟道器件结构如图7所示。
79.本发明提供了利用蚕丝蛋白构建薄膜，并进一步加工成纳米通道的结构，可广泛应用于微流道分子检测和识别等领域。该方法构建的纳米沟道，克服了微机械加工法难以实现的多层阵列的复杂结构，相较于激光刻蚀法制备的沟道壁更光滑尺寸更精准，在识别结构相似的分子时具有优势。特别地，该方法是逐层构建蚕丝蛋白薄膜并用电子束光刻使特定区域变性，最后一次显影溶解正性光刻胶并形成沟道，结构稳定不易坍塌，而且可以附着在外形的基材上。应用相同方法，也可选择在负性光刻胶中形成沟道，正性光刻胶作为沟道隔离层，实现在特定场合的应用。
80.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。