专利名称：使用肽或核酸微图案结构产生碳纳米管的方法
背景技术：
发明领域本发明一般涉及碳纳米管技术，更具体而言，涉及用于产生碳纳米管的图案化阵列(patterned array)的方法和系统。
背景技术：
碳纳米管可以被认为是被卷起来形成柱形管的石墨片。石墨片的基本重复单元由碳原子的六角形环组成，具有大约1.42的碳-碳键长。取决于它们如何被制造，所述管可以是多壁或单壁的。
纳米管的结构特征为它们提供了独特的物理性质。纳米管可以具有可达钢的100倍的机械强度，并且长度可达2mm。它们表现出金属或者半导体的电特性，这取决于纳米管的手性或扭曲的程度。碳纳米管已经被用作电导体和电场发射器(electron field emitter)。碳纳米管的电子特性部分由管的直径和长度决定。
碳纳米管对于微电子器件和微传感器的制造已经变得日益重要。然而，目前不存在可有效产生附着于基板的区域110、310的碳纳米管的有序的纳米级或微米级装配组件的方法，在该基板上，纳米管在区域110、310内的分布是非随机的。使用目前的方法，纳米管在附着于基板的每一区域110、130内的分布基本上是随机的。对于各种引入碳纳米管的电和/或机械设备而言，这样的随机分布不能提供最佳的性能特征。因此，对于有效产生附着于基板的碳纳米管的有序的纳米级或微米级装配的方法存在需求。
附图简述
图1图解了使用附着于核酸120的催化剂纳米粒子140产生碳纳米管的图案化阵列的示例性方法。
图2图解了用于产生碳纳米管的图案化阵列的碳纳米管的示例性组成，其包括附着于肽210的催化剂纳米粒子230。
图3图解了使用附着于肽210的催化剂纳米粒子230产生碳纳米管的图案化阵列的示例性方法。
图4图解了单链DNA的流体排列(fluidic alignment)的示例性方法。
发明详述 如更详细的公开，本文所提供的是用于产生纳米管的方法，所述方法包括将一种或多种催化剂粒子140、230附着到一种或多种聚合物120、210分子上，将聚合物分子120、210附着到基板上，一般地去除聚合物120、210分子，以及在催化剂纳米粒子140、230上产生碳纳米管。所述聚合物分子120、210可以是，例如是核酸120或肽210；在纳米管被产生之前，其任选地被排列。
如此处所用，“一个(a)”或“一个(an)”可以指一个或多于一条。
如此处所用，词语“大约(about)”当被应用于数字时，指的是在该数字增加百分之十和减去百分之十的范围内。例如“大约100(about100)”是指在90和110之间的任何数字。
“核酸(Nucleic acid)”120包括DNA(脱氧核糖核酸)、RNA(核糖核酸)、单链、双链或三链以及其任何化学修饰。该词语也包括任何已知的核酸类似物120，包括但不限于肽核酸120(PNA)、核酸类似肽(NAAP)120以及锁核酸120(LNA)。“核酸(nucleic acid)”120几乎可以为任何长度，从2个或多个碱基的寡核苷酸150直到全长染色体DNA分子。“核酸(nucleic acid)”120包括但不限于寡核苷酸150和多核苷酸。尽管在天然出现的核酸120中的核苷酸残基一般通过磷酸二酯键被连接在一起，这在本公开的方法的范围内，然而核苷酸残基可以通过磷酸二酯键或通过任何其它类型的已知共价连接而结合。
词语“蛋白质(protein)”210、“多肽(polypeptide)”210和“肽(peptide)”210在本文中被互换用于指聚合分子120、210，所述聚合分子120、210装配自天然出现的氨基酸、非天然出现的氨基酸、氨基酸类似物和/或氨基酸衍生物。在这些词语之间的区别主要是长度，本领域普通技术人员将会意识到，在下列公开中提到蛋白质210、多肽210和肽210之处，该词语包括任何长度的聚合物120、210。尽管天然出现的蛋白质210、多肽210和肽210中的氨基酸残基一般通过肽键被结合在一起，这在本公开方法的范围内，然而，所述氨基酸残基可以通过肽键或其它任何类型的已知共价连接而结合。
碳纳米管具有强电子特性，所述电子特性由管的长度和直径调节。管长对电子波函数的影响的简单估计由下式给出ΔE＝hvF/2L 其中ΔE代表能级分裂(energy level splitting)，L为管长，h是普朗克常数，vF是费米速率(8.1×105m/sec)(Venem等，“ImagingElectron Wave of Carbon Nanotubes”，Los Alamos Physics Preprintscond-mat/9811317，23 Nov.1996)。电子能级之间的差异与纳米管的长度成反比，观察到越长的管具有越细的分裂。
碳纳米管的电子特性也是管直径的函数。基本能隙(最高占据分子轨道-最低未占分子轨道)与管直径的关系可以通过函数来模拟。
Egap＝2y0acc/d 其中y0是碳-碳紧束缚重叠能(carbon-carbon tight bondingoverlap energy)(2.7±0.1eV)，acc是最邻近的碳-碳距离(0.142nm)，d是管直径(Jeroen等，Nature 39159-62，1998)。当能量增加超过费米能级时，被称为范霍夫奇点(van Hove singularity)的态密度中的尖峰出现在特定的能级(Odomet Nature 39162-64，1998)。
在本发明的某些实施方案中，纳米管具有大约10至100nm、100至200nm、200至500nm、500nm至1μm、1至2μm、2至5μm、5至10μm、10至20μm和/或50至100μm的长度。在其它的实施方案中，可以使用长度达1-2mm的较长纳米管。在一些实施方案中，可以使用直径为大约1至1.5nm的单壁碳纳米管。在其它实施方案中，可以使用大约1至2nm、2至3nm、1至5nm和/或2-10nm的纳米管直径。不限制待使用的纳米管的长度和/或直径，并且事实上，任何长度或直径的纳米管被考虑在内，包括单壁和双壁纳米管。在本发明的具体实施方案中，纳米管的直径和长度可以被选择为落在具体尺寸范围内。如下面所讨论，至少部分通过所使用的催化剂纳米粒子140、230的大小，可以确定纳米管直径。控制纳米管长度的很多方法是已知的(例如美国专利号6,283,812)，并且可以使用任何此类已知的方法。
本文所公开的具体实施方案涉及生产方法和/或包括附着于基板的图案化纳米管阵列的设备。在各种实施方案中，可以控制纳米管间的平均距离、纳米管距离的范围或者甚至在基板上的纳米管分布的具体图案。这样的纳米管阵列对于很多应用是有用的，包括但不限于小型电子、化学和分子设备的制造、用在扫描探针显微术中的探针、分子导线(molecular wire)、整合入超速随机存取存储器(Rueckes等，Science 2894，2000)、场效应晶体管、单电子晶体管、场致发射体阵列、平面屏幕面板(flat screen panel)、机电式传感器、分子开关(molecularswitch)和碳纳米管阵列的任何其它已知的应用。
已知多种碳纳米管的产生方法，包括碳弧放电(carbon-arcdischarge)、通过碳氢化合物的催化热解的化学气相沉积、等离子体辅助的化学气相沉积、含催化金属的石墨靶(graphite target)的激光切割以及凝聚相电解(condensed-phase electrolysis)。(例如参见美国专利号6,258,401、6,283,812和6,297,592)。然而，这样的已知的方法不会导致纳米管以精确地图案化阵列附着在基板上。
在本发明的各种实施方案中，使用附着于聚合物120、210例如核酸120或肽210的催化纳米粒子140、230，可以产生附着于基板的碳纳米管的图案化阵列。因为在纳米管合成之前，聚合物120、210分子可以以有序图案附着在基板上，所以所形成的纳米管以有序的图案附着在基板上，这是由含催化剂的聚合物120、210分子在基板上的分布决定的。在纳米管产生之前，聚合物分子120、210可以被去除，例如通过在空气或氧气中加热到大约600至800℃。
使用催化剂纳米粒子140、230例如铁蛋白产生碳纳米管的方法是已知的。(例如参见Dai，Ace.Chem.Res.351035-44，2002；Kim等，Nano Letters 2703-708，2002；Bonard等，Nano Letters2665-667，2002；Zhang等，Appl.Phys.A 74325-28，2002；美国专利号6,232,706和6,346,189)。一般地，在大约500至1000℃的温度下，通过使烃气(例如CH4、C2H4)流经含催化剂的管式反应器，使用H2气协流来提供还原环境，催化剂纳米粒子140、230与化学气相沉积(CVD)技术结合使用。催化剂纳米粒子140、230充当碳纳米管形成和生长的核化点。在这样的条件下，所形成的碳纳米管的直径似乎是所使用的催化剂纳米粒子140、230的直径的函数(Dai，2002)。已经表明，纳米管形成的机理涉及将分解的碳原子吸收到纳米粒子140、230中，以形成固态碳-金属溶液，随后是碳原子过度饱和并从纳米粒子140、230中沉淀出来，以及它们掺入到生长纳米管的基质中去(Dai，2002)。
为进一步控制纳米管阵列的排列，在外部电场存在下，通过CVD技术可以生长碳纳米管，其中使用一对或多对附着于基板的微细加工电极，电场强度为大约1至5V/μm(每微米瓦特)(例如Dai，2002)。电场在生长的单壁碳纳米管(SWNTs)中诱发了与它们的长轴平行的偶极子，迫使所述纳米管平行于电场生长。在各种实施方案中，使用具有不同定向的电场的一对或多对电极，纳米管可以彼此成角度排列。据报告，通过电场的纳米管排列对于CVD生长所使用的温度下的热波动是稳定的(Dai，2002)。
此类方法已经被用于产生附着于基板例如硅芯片的碳纳米管的阵列，其中通过控制催化剂纳米粒子140、230在基板上的分布，例如通过标准光-或电子-束光刻、屏蔽(shadow masking)或微接触印刷术(microcontact printing)，可以确定纳米管所形成的区域110、310(Bonard等，2002)。然而，纳米管分布的图案在基板上的每一个这样的区域110、310中是基本上随机的，对纳米管-纳米管距离或在每个区域110、310内的纳米管分布的精确图案具有少许或没有控制。使用本文所公开的方法，通过将催化剂纳米粒子140、230附着到聚合物120、210例如蛋白质210、肽210或核酸120上的一种或多种已选位置上，确定相邻纳米管之间的距离，以及控制在基板上的各个区域110、310之内的纳米管分布的图案是有可能的。因为聚合物120、210本身可以被促使以有序的图案在基板上集中在一起，例如通过使用病毒外壳蛋白聚合物210，或通过使用已知构型的核酸120或肽210，结合分子排列技术(molecular alignment technique)，所以产生这样的碳纳米管的阵列是可能的，其中在芯片上的每个已选区域110、310内纳米管的间隔和分布可以是确定的。
多种关于聚合物120、210分子的分子排列的已知技术是可以使用的，包括但不限于使用光钳(optical tweezer)(例如Walker等，FEBSLett.45939-42，1999；Smith等，Am.J.Phys.6726-35，1999)、直流(DC)和/或交流(AC)电场(例如Adjari and Prost，Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.884468-71，1991)、具有铁磁纳米粒子140、230的磁场、微流体流动(流体动力的)和/或分子梳理(molecular combing)(例如美国专利号5,840,862；6,054,327；6,344,319)。排列的方法不受限制，并且可以使用任何已知的方法。可以结合如上面所讨论的排列碳纳米管的技术，使用附着至基板的聚合物120、210分子的分子排列技术。
可以确定催化剂纳米粒子140、230在个体聚合物120、210分子上的附着位点。例如，可以使用对蛋白质210或肽210上的特定氨基酸残基的链霉抗生物素修饰，以便在三维蛋白质210或肽210结构上的选择位点上结合生物素化铁蛋白140、230。可选地，链霉抗生物素修饰的寡核苷酸150探针可以被用于与单链DNA分子120上的选择位置杂交，随后是生物素化铁蛋白140、230的结合。许多关于蛋白质210、肽210、核酸120和其它聚合物120、210的位点特异性修饰技术是已知的，并且可以被用在本公开的方法中。例如，可以化学合成肽210或核酸120，在聚合物120、210序列内的预定的位置上，将修饰氨基酸(例如生物素化赖氨酸，或生物胞素220)或修饰核苷酸引入生长聚合物120、210中。然后，可以使用修饰氨基酸或核苷酸残基，将催化剂纳米粒子140、230附着到聚合物120、210上的特定位置上。氨基酸的类似物或核苷酸也可以用于纳米粒子140、230的位点特异性附着。可选地，在使用标准技术合成之后，特定类型的残基例如蛋白质210或肽210中的半胱氨酸或赖氨酸残基可以被化学修饰。然后，修饰氨基酸残基担当催化剂纳米粒子140、230的附着位点。在其它的选择中，侧链特异性试剂可以被用于产生纳米粒子140、230结合位点。例如，生物素-PE-马来酰亚胺(Dojindo Molecular Technologies，Inc.，Gaithersburg，MD)可以与蛋白质210或肽210的半胱氨酸残基反应，或与巯基修饰核苷酸反应。然后，可以使用生物素部分160，以附着亲和素-铁蛋白偶联的纳米粒子140、230。
尽管在在此所公开的本发明的示例性实施方案中显示了蛋白质210、肽210和单链核酸120，但所述实施方案并不限于聚合物120、210的任何具体形式。在可选的实施方案中，可能的是修饰寡核苷酸150与双链核酸120发生结合，以形成可以结合催化剂纳米粒子140、230的三链结构的短片段。可选地，除核酸120、肽210和蛋白质210之外，其它类型的已知聚合物120、210可以被用于纳米粒子140、230附着。这样的聚合物120、210可以包括但不限于脂质、多糖、糖脂、糖蛋白、脂多糖类、脂蛋白、烷类、烯类、炔类、脂肪酸、磷脂、鞘脂等。在某些实施方案中，可以使用支化聚合物120、210，例如支化核酸120或支化蛋白质210。
蛋白质包被的铁纳米粒子140、230例如铁蛋白是商业可得的，包括作为生物素160或亲和素170的偶联物(例如Vector Laboratories，Burlingame，CA；E-Y Laboratories，Inc.，San Mateo，CA)，其适合附着于聚合物120、210分子。可选地，确定尺寸的纳米粒子140、230可以通过已知的方法制备(例如Li等，J.Phys.Chem.B，10511424-431，2001)。例如，可以将可控数量的Fe3+原子插入到脱铁铁蛋白的核中(Zhang等，2002)。在空气中煅烧，例如在800℃煅烧5min，去除铁蛋白外壳，并氧化铁核，导致产生了平均尺寸为大约1.5nm不连续的Fe2O3纳米粒子140、230，其适合SWNTs的催化生长(Dai，2002)。对所使用的纳米粒子140、230的类型没有限制。尽管所公开的方法涉及使用含铁铁蛋白纳米粒子140、230，然而可以使用其它已知类型的催化剂纳米粒子140、230，例如非铁蛋白铁纳米粒子140、230，镍纳米粒子140、230，钴纳米粒子140、230，钼纳米粒子140、230，锌纳米粒子140、230，钌纳米粒子140、230和/或合金纳米粒子140、230。唯一的要求是催化剂纳米粒子应当能够催化碳纳米管形成。
如此处所指出，一般在纳米管产生期间，去除聚合物分子。然而，在此处所公开的本方法的某些方面，催化剂是钼纳米粒子140、230，在纳米管产生期间，不去除聚合物120、210分子。
在一个实施方案中，本发明提供了使用附着于核酸120的催化剂纳米粒子而产生的碳纳米管的阵列。可以通过任何已知的技术制备所使用的核酸分子120。在本发明的一个实施方案中，核酸120可以是天然出现的单链或双链DNA分子。用于制备及分离各种形式的细胞核酸120的方法是已知的(例如参见Guide to Molecular Cloning Techniques，eds.Berger and Kimmel，Academic Press，New York，NY，1987；MolecularCloningALaboratory Manual，2nd Ed.，eds.Spring Harbor，NY，1989)。在合适的情况下，使用已知的技术，例如限制酶消化(restrictionendonuclease digestion)和凝胶电泳或高压液相层析(HPLC)，天然出现的核酸120可以被限制，并被分为较短长度片段。在制备双链核酸120的方面，在碳纳米管从附着于核酸或附着于与核酸120杂交的寡核苷酸的催化剂纳米粒子140、230上形成之前，核酸120一般被烧掉，并任选变性。
天然出现的核酸120可以是单链或双链的。在使用双链氨基酸120之处，可以通过已知的技术分离该链，例如加热到大约95℃大约5分钟，以分离两个链，在附着于基板之前或者在附着于基板之后进行。可以使用单链核酸120，以促进与特定探针序列的杂交，例如生物素160偶联的寡核苷酸150。
天然出现的核酸120或其片段可以是任何选择长度。在本发明的某些实施方案中，可以使用长度达大约10,000个碱基对(10kb)或大约3.4μm长度的天然出现的核酸120。较大长度的天然出现的核酸120直至全长染色体DNA是已知的，并且可以被用在本公开的方法中。在需要高度可重复分级的DNA片段120之处，质粒、粘粒、细菌染色体或已知大小的其它天然核酸120可以被复制，纯化，例如，并用已知的单位点限制酶切割，以产生精确尺寸的双链核酸分子120。
在本发明的其它实施方案中，可以使用非天然出现的核酸120。例如，通过标准扩增技术，例如聚合酶链反应(PCR3)扩增，可以制备双链核酸120。扩增可以利用旨在结合模板的引物对，并产生任何选择尺寸-长度可达数千碱基对一的扩增片段(扩增子)。核酸120扩增的方法在本领域是熟知的。
其它来源的非天然出现的核酸120包括化学合成的核酸120。这样的核酸120可以从商业来源获得(例如Midland Certified Reagents，Midland TX；Proligo，Boulder，CO)。可选地，使用可以购自商业卖方的很多种寡核苷酸150合成仪(例如Applied Biosystems，Foster City，CA)，可以化学合成核酸120。一般地，化学合成的核酸120的大小稍微有限。在大约55至100个核苷酸被掺入之后，掺入的效率导致产物的低产率。然而，可以增加较短的寡核苷酸150的长度，例如通过重叠互补序列的杂交，然后是连接。核酸120的化学合成使得修饰核苷酸或核苷酸类似物得以掺入，其可以在核酸120序列中的任何选择位点上被掺入，并可以担当催化剂纳米粒子140、230的附着位点。在本发明的可选的实施方案中，使用与修饰寡核苷酸150的杂交，可以定位纳米粒子140、230附着位点。这样的寡核苷酸150可以被设计为仅与核酸120序列上的一个位点结合，并且可以被修饰为，例如通过生物素化，促进纳米粒子140、230的附着，例如亲和素-铁蛋白纳米粒子140、230。
在本发明的各种实施方案中，通过附着于固体表面，核酸分子120可以被固定不动。通过多种已知的方法，包括非共价连接或共价连接，可以实现核酸分子120的固定化。例如，通过用链霉抗生物素或亲和素170包被固体表面，以及生物素160偶联的核酸120的结合作用，可以实现所述固定。通过用poly-L-Lys或氨基硅烷包被硅、石英、聚合物表面例如PDMS(聚二甲基硅氧烷)或其它固体表面，随后使用双功能交联剂，进行氨基或者巯基修饰核酸120的共价连接，也可以实现所述固定。潜在应用的双功能交联剂包括戊二醛、双功能环氧乙烷、乙二醇二缩水甘油醚和碳二亚胺，例如1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺。
通过5′-磷酸化核酸120与化学修饰表面例如酸处理的硅的直接共价连接，固定化可以发生。通过与交联剂的缩合，可以形成核酸120与固体表面之间的共价键。该方法主要促进了核酸120通过它们的5′-磷酸的5′-连接。
通过首先硅烷化表面，然后用碳二亚胺或戊二醛活化，核酸120可以与所述表面结合。可选的步骤可以使用试剂例如3-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷或氨基丙基三甲氧基硅烷(APTS)与通过由氨基连接体连接的核酸120，所述氨基连接体在DNA合成期间在分子的3′或者5′端被掺入。固定核酸120的其它方法是已知的，并且可以使用。
在本发明的某些方面中，捕捉寡核苷酸150可以与表面结合。捕捉寡核苷酸150将与附着于催化剂纳米粒子140、230的核酸120的特定序列杂交。在可选的方面，在核酸120与捕捉寡核苷酸150杂交之后，一组用催化剂纳米粒子140、230标记的寡核苷酸150可以与结合的核酸120杂交。
并不限定被用于固定核酸120的表面的类型。在各种实施方案中，固定表面可以是石英、硅、氧化硅、二氧化硅、四氮化三硅、锗或者本领域中已知的任何其它表面，只要所述表面对于在碳纳米管形成期间可以达到高达1000℃的温度应用而言是稳定的。
在本发明的一些实施方案中，在碳纳米管的合成之前，可以将核酸120或其它聚合物120、210分子排列在基板上。使用已知技术，首先将核酸120附着在基板上的特定区域110、310上。例如，使用光或电子束光刻、屏蔽或微接触印刷术，基板可以用金的薄膜进行图案装饰(例如Bonard等，2002)。硫醇修饰的核酸可以与在基板上的金片110、310共价结合。将蛋白质210、核酸120和其它聚合物120、210附着于基板的特定区域110、310的方法是熟知的，并且可以使用任何这样的已知方法，包括但不限于光刻和蚀刻、激光烧蚀、分子束外延、浸沾笔纳米图形制作技术(dip-pen nanolithography)、化学气相沉积(CVD)制造、电子束或聚焦离子束技术或印迹技术(imprintingtechnique)。
使用多种已知技术中的任何一项，可以排列附着的核酸120。在基板上排列核酸120的示例性方法被称为分子梳理。(例如参见Bensimon等，Phys.Rev.Lett.744754-57，1995；Michalet等，Science2771518-23，199；美国专利号5,840,862；6,054,327；6,225,055；6,248,537；6,265，153；6,303,296和6,344,319)。在该技术中，核酸120或其它亲水聚合物120、210在一端或两端附着到基板上，例如硅芯片。将基板和附着的核酸120浸入溶液中，例如含水缓冲液，并从该溶液中缓慢取回。空气-水-基板界面移动的作用是排列附着的核酸120，平行于弯液面(meniscus)移动的方向。
所使用的聚合物120、210排列的方法不受限制，并且可以是任何已知方法，包括但不限于使用光钳、DC和/或AC电场、微流体流动和/或应用于附着的铁磁纳米粒子140、230的磁场被考虑在内。在另一个非限制性实施例中，通过自由流动电泳(free flow electrophoresis)可以将核酸120或其它带电聚合物120、210排列在基板上(例如Adjariand Prost，Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.884468-71，1991)。表面可以包括导电和不导电材料的交替带，其功能是作为电极，或者可以使用其它类型的微电极。在交流电场存在下，包括带电残基的聚合物120、210，例如核酸120上的磷酸基团，将与电场对准(Adjari and Prost，1991)。该方法并不限于核酸120，可以被应用于蛋白质210或其它含有带电基团的聚合物120、210。当聚合物120、210上的电荷未固定的情况下，净电荷可以被操纵，例如通过改变溶液的pH。
已经展示了各种类型的聚合物分子(即分子导线或串连分子链)的流体排列(Bensimon等，Science，2651096-98(1994))(双链DNA)；Lieber等，Science，291630(2001)(半导体纳米线)；Lienemann等，Nanoletters，1345(2001)(单链DNA)。然而，关于这些方法的一个问题是对于短的分子导线具有低的排列产率(alignment yield)。因为下面的原因，单链DNA特别难于排列1)流动经常不能提供足够的曳力，以打破分子内碱基配对(Hansma，等，Nucleic Acids Res.24713(1996))；2)单链核酸是非常柔韧的，这使得在干燥之后使它们不松弛是困难的；3)在被排列之前，一些分子附着于高度带正电的表面；4)由于单链核酸的短高度，对单链核酸的原子力显微术(AFM)观察是困难的。
为试图解决这些问题，在进行流体排列(fluidic alignment)以打破分子内碱基配对之前，Lienemann等(2001)加热了DNA。尽管这在排列产率上获得了适度的成功，但加热步骤使核酸上的通过杂交而附着的任何特征变性。因此，诸如核酸导向的图案化应用用本方法是不可能的。
因此，本文所提供的是在没有加热变性的情况下以高产率排列短分子导线(short molecular wire)420的方法，如在图4中所示。根据本方法，双链DNA410例如噬菌体ΣDNA附着在分子导线420的两端，在固着表面(anchor surface)上进行流体排列。在某些实施例的固着表面是带正电的表面430。此方法，除了其它名称外，在此被称为“双链DNA/强制流动排列(double-stranded DNA/forced flow alignment)”。
用于排列分子导线420(molecular wire 420)的方法包括连接分子导线420与双链DNA分子410，以产生双链DNA/分子导线杂交分子440，将其施用于带正电的表面430，使用流体排列，将其与带正电的表面430对齐。此外，所述方法一般包括使双链DNA/分子导线杂交分子在表面430上干燥。分子导线420“夹在”在双链DNA/分子导线杂交分子440中的两个双链核酸410之间。
在某些方面，分子导线420是单链核酸120。在其它方面，分子导线是肽。在某些方面，例如，分子导线420包括催化剂纳米粒子140、230，例如铁蛋白纳米粒子，其直接或间接结合，或者包括结合配偶体，例如催化剂纳米粒子可以结合的生物素或亲和素。因此，在某些方面，分子导线420是单链核酸分子120，例如单链DNA，其附着于催化纳米粒子140、230。此外，所述方法也可以包括在催化剂纳米粒子140、230上产生碳纳米管。
在某些方面，寡核苷酸150与单链核酸分子120分子导线420结合，所述分子导线420夹在双链DNA/分子导线杂交分子440上的双链DNA410之间。例如，寡核苷酸150可以是一个修饰的寡核苷酸150，或者是一群修饰的寡核苷酸150，其与单链DNA120杂交。此外，修饰的寡核苷酸150、460或一群修饰的寡核苷酸150、460可以通过直接或间接附着于催化纳米粒子140如铁蛋白而被修饰，如在下文中更详细地公开。在这些方面，夹在双链DNA/分子导线杂交分子440上的双链DNA410之间的单链DNA120为如在下文中所公开的捕捉寡核苷酸120，其与修饰的寡核苷酸150、460杂交。例如，可以用生物素部分修饰寡核苷酸150，所述生物素部分通过亲和素部分与催化纳米粒子140连接。
用在本文所提供的用在双链DNA/强制流动排列方法中的双链DNA120并不限于特定的核苷酸序列，但是一般长度在大约100至1,000,000核苷酸之间，在某些方面，长度在500至50,000核苷酸之间。在某些方面，双链DNA为噬菌体λ-DNA。连接双链DNA与分子导线例如单链DNA和肽的方法在本领域是已知的。例如，DNA连接酶可以被用于连接双链DNA与单链DNA。
本文所提供的双链DNA/强制流动排列的方法在分子导线例如单链DNA上提供了更大的张力，其在双链DNA上产生，并传递到连接的分子导线上。因此，可以避免诸如加热变性这样的步骤。此外，在干燥之后，双链DNA牢固地附着于表面，并担当锚，以使通过双链DNA结合在每端的分子导线将保持它们的线性构型。另外，较少带正电的表面是排列必需的，这进一步增加了定位收率。最后，使用AFM或荧光显微镜检术，长双链DNA易于显现。这使得分子导线例如单链DNA通过跟随双链DNA而可见。
应当理解，对于双链DNA/强制流动排列，可以使用很多不同的带正电的表面。例如，固定表面可以是石英、硅、氧化硅、二氧化硅、四氮化三硅、锗或者本领域中已知的任何其它表面，只要所述表面是带正电的，并且对于在碳纳米管形成期间可以达到高达1000℃的温度应用是稳定的。
在本文方法的一方面，环状M13 DNA被限制酶切割而形成单链DNA，并与对m13 DNA具体序列具有特异性的生物素标记的短链杂交。然后将所述M13 DNA在任何一侧与λ-噬菌体DNA连接。然后生物素标记被用于附着亲和素-铁蛋白分子。
很多技术可以被用于使催化剂纳米粒子附着于排列的或没有排列的核酸。本发明的示例性实施方案，图解了使用附着于基板的核酸120而产生图案化阵列的方法，公开在图1中。在基板上的核酸120附着区110例如金片110被用于附着核酸聚合物120。附着区110无论在何处可以是1nm至大约100nm大小或更大，可达1μm大小。对于某些应用，可以使用尺寸大于1μm的附着区110。取决于应用，纳米管所附着的基板结构可以由导电和/或不导电材料组成，这在本领域中是熟知的。
在图1所图解的实施例中，聚合物120是单链DNA分子。聚合物120的一端可以被共价修饰，例如用硫醇基团，以附着于基板上的DNA结合区110。例如，使用光钳、分子梳、磁场、微流体流动和/或自由流动电泳，可以排列附着于基板的DNA分子120。在本发明的具体实施方案中，用第二个基团130可以修饰核酸120的另一端，以便在排列之后将DNA120固着在基板上。可选地，通过将正电荷应用于基板，并干燥基板上的DNA分子120，可以固定DNA分子120。在某些方面，使用如本文所公开的双链DNA/强制流动排列，可以排列DNA分子120。可以使用上面讨论的将核酸120附着于基板的其它已知方法。
在本发明的一些实施方案中，链霉抗生物素包被的微球可以被用于鉴定和/或定量DNA分子120。可以量化附着于区域110的DNA分子120的数量，例如通过测量DNA-球复合体(DNA-bead complex)的弹簧张力(spring tension)，或者通过肉眼观察染料染色的DNA分子120。在某些实施方案中，具有附着于金片110的单DNA分子120是可能的。
如在图1中所示，使用与修饰寡核苷酸150的杂交，催化剂纳米粒子140可以附着于DNA聚合物120。寡核苷酸150的序列可以被设计为仅与每个DNA聚合物120内的一个互补序列结合，或者可以被设计为与每个DNA分子120上的多重部位结合。通过选择杂交用的合适的互补序列，可以选择相邻寡核苷酸150之间的位置和距离。
在本示例性实施方案中，寡核苷酸150可以在一端上与生物素部分160结合。为促进纳米粒子140结合，寡核苷酸150的生物素160标记端的序列可以被设计为使其与DNA分子120不是互补的。因此，寡核苷酸150的生物素160标记端将从基板的表面伸出来。这促进了生物素160标记端的非共价结合，例如与亲和素部分170偶联的催化剂纳米粒子140非共价结合。因为结合相互作用伴随一对一的化学计量发生，每个寡核苷酸150将仅附着一个催化剂纳米粒子140。在本非限制性实施例中，每个催化剂纳米粒子140包括生物素170偶联的铁蛋白分子140。非杂交寡核苷酸150和非偶联纳米粒子140可以从基板上被洗去，例如使用具有非离子型表面活性剂的含水缓冲液。通过扫描电镜术(SEM)、透射电镜术(TEM)、扫描探针电镜术(SPM)或其它已知技术，可以核实纳米粒子140在基板上的分布。
本领域普通技术人员将意识到，本发明的公开的实施方案并不受限制，并且可以使用将核酸120附着于基板和/或将催化剂纳米粒子140附着于核酸120的其它技术。在一些情况下，核酸120可以被直接修饰为结合铁蛋白140，例如通过将生物素160标记核苷酸直接引入DNA分子120中。在本发明可选的实施方案中，使用连接基团例如寡核苷酸150可以通过减少位阻来促进纳米粒子140结合。
一旦催化剂纳米粒子140附着到基板上，使用如上所公开的CVD技术，可以在纳米粒子140上生长碳纳米管。在纳米管合成之后，通过例如在空气或氧中加热到大约600至800℃，可以将残存的DNA分子120从基板上去除，留下氧化铁纳米管的有序阵列附着在基板上。
在下面的讨论中，词语“蛋白质(protein)”210和“蛋白质(proteins)”210被用于指任何长度的氨基酸聚合物210，包括肽210、多肽210和蛋白质210。
在另一个实施方案中，本文所提供的是使用附着于肽或蛋白质的催化剂纳米粒子产生碳纳米管的阵列的方法。纯化蛋白质210可以从多种商业来源购买，例如Sigma Chemicals(St.Louis，MO)、Bio-RadLaboratories(Hercules，CA)、Promega(Madison，WI)以及许多其它公司。使用本领域中熟知的技术，也可以从多种来源纯化蛋白质210。此类技术一般包括将细胞或组织匀浆的最初粗分级分离，和/或提取到蛋白质210和非蛋白质分级分离中。分级分离可以利用例如在水溶液、洗涤剂和/或有机溶剂中的不同的溶解度，通过酶消化除去污染物，用硫酸铵、聚乙二醇、抗体、加热变性以及类似方法沉淀蛋白质210，然后是超速离心。通过透析、超滤和/或有机相萃取可以除去低分子量污染物。
使用层析和/或电泳技术可以进一步纯化蛋白质210，这些技术包括但不限于离子交换层析、凝胶排阻层析、聚丙烯酰胺凝胶电泳、亲和层析、免疫亲和层析、羟磷灰石层析、疏水作用层析、反相层析、等电聚焦、快速蛋白质液相层析(FPLC)和高压液相层析(HPLC)。免疫亲和层析和其它基于免疫学的技术取决于对感兴趣蛋白质210具有特异性的单克隆或多克隆抗体的使用。这样的抗体可以商业购买，或者可以使用本领域中已知的标准技术制备(例如Harlow and Lane，AntibodiesA Laboratory Manual，Cold Spring Harbor Laboratory，ColdSpring Harbor，NY，1988)。
在本发明可选的实施方案中，使用具有mRNA模板的体外翻译系统可以表达蛋白质210。用于进行体外翻译的试剂盒是从商业来源得到的，例如Ambion(Austin，TX)、Promega(Madison，WI)、AmershamPharmacia Biotech(Piscataway，NJ)、Invitrogen(Carlsbad，CA)和Novagen(Madison，WI)。此类试剂盒可以使用总RNA、纯化聚腺苷酰化mRNA和/或纯化个体mRNA种类。通常使用的体外翻译系统基于兔网织红细胞裂解物、麦胚提取物或大肠杆菌(E.coli)提取物。所述系统含有粗细胞提取物，包括核蛋白体亚单位、转运RNAs(tRNAs)、氨酰基-tRNA合成酶、起始、延伸和终止因子和/或翻译所需的所有其它成分。在本发明的某些实施方案中，存在于这样的提取物中的天然氨基酸可以以一种或多种不同类型的标记氨基酸被补充，例如生物胞素220。
在本发明的某些实施方案中，体外翻译可以偶联产生mRNAs的基因转录。此类偶联的转录/翻译系统可以使用PCR扩增产物和/或插入到标准表达载体例如BACs(细菌人工染色体)、YACs(酵母人工染色体)、粘粒、质粒、噬菌体和/或其它已知的表达载体中的DNA序列。偶联的转录/翻译系统从商业系统是可得的(例如Proteinscript3 II kit，Ambion，Austin，TX；Quick Coupled System，Promega，Madison，W；Expressway，Invitrogen，Carlsbad，CA)。
也可以将编码感兴趣蛋白质210的核酸120掺入用于转化到宿主细胞中并产生编码蛋白质210的表达载体中。可以表达完整的基因，或者可以表达编码部分蛋白质210的基因的片段。可以将编码感兴趣蛋白质210(一种或多种)的基因或基因片段通过标准克隆技术插入到表达载体中。
在本发明的其它实施方案中，通过化学合成可以制备待使用的蛋白质210。各种自动的蛋白质合成仪是商业可得的，并且可以依照已知的方案使用。(例如参见Stewart and Young，Solid Phase Synthesis，2ded.，Pierce Chemical Co.，1984；Tam等，J.Am.Chem.Soc.，1056442，1983；Merrifield，Science，232341-347，1986；Barany and Merrifield，ThePeptides，Gross and Meienhofer，eds.，Academic Press，New York，pp.1-284，1979)。通过这样的方法，可以容易地合成短蛋白质210序列，通常长度可达大约50至100个氨基酸。这样的合成蛋白质210可以被设计为在蛋白质210序列之内的特定位置上含有修饰氨基酸残基和/或氨基酸类似物。通过化学合成和纯化较短片段，以及将所述片段共价交联在一起，例如通过碳二亚胺催化的肽键形成，可以制备较长的合成蛋白质。然而，一般通过将编码感兴趣的蛋白质210的合适的核酸120序列克隆到如上面所讨论的表达载体中，制备较长蛋白质210。在本发明各种各样的实施方案中，可以使用长度可达大约100个氨基酸残基的蛋白质210(大小为大约20至40nm)。在其它实施方案中，可以使用在10个氨基酸残基至数千氨基酸残基的全长蛋白质210之间的任何长度的蛋白质210。
在本发明的一些实施方案中，待使用的合成蛋白质210可以被设计为表现出特定的三维结构，和/或，自发地装配为蛋白质210的有序四级聚集体(ordered quaternary aggregates)(例如Aggeli等，Proc.Natl.Acad.Sci.USA，9811857-11862，2001；Brown，等，J.Am.Chem.Soc.，1246846-48，2002)。一级蛋白质210结构(氨基酸序列)对二级和三极结构的影响是本领域中已知的。
基于经验规则，例如那些由Chou and Fasman(Adv.Enzymol.4745-148，1978)所提出的规则，蛋白质210结构的计算机模拟已经被用于预测二级结构的类型，例如α螺旋、β折叠和回折。每种类型的氨基酸残基被分配一个形成不同类型的二级结构的概率值，并且一个移动的窗口运算法则寻找可能结构的区域。在使用全程合成的蛋白质210合成时，通过掺入高百分比的α螺旋形成残基，可以设计特定类型的二级结构，例如α螺旋。通过掺入螺旋终止子(例如脯氨酸残基)，可以设计螺旋的端部。
使用多种已知的分子模拟技术，可以预测三级(三维)蛋白质210结构，所述分子模拟技术包括但不限于Monte Carlo模拟(例如Sadanobuand Goddard，J.Chem.Phys.1066722，1997)、能量最低化、分子动力学(例如van Gunsteren and Berendsen，Angew.Chem.Int.Ed.Engl.29992-1023，1990)、topomer取样方法(例如Debe等Proc.Nat.Acad.Sci.USA，962596-2601，1999)和其它已知方法。预测蛋白质210三级结构的标准计算机模拟程序是可得的(例如AMBER，http://www.amber.ucsf.edu/amber；X-PLOR，Yale University，New Haven，CT；INSIGHT，Molecular Simulation Inc.，San Diego，CA；CHARMM，Harvard University，Cambridge，MA；DISCOVER，Molecular Simulations Inc.，San Diego，CA；GROMOS，ETH Zurich，Zurich，Switzerland)。
含有蛋白质210结构信息的各种各样的示例性数据库和/或预测蛋白质210结构的计算机程序被示于下面的表1中。(也可参见http://www.aber.ac.uk/～phiwww/prof；http://www.embl-heidelberg.de/cgi/predator_serv.pl；http://www.embl-heidelberg.de/predictprotein/ppDoPredDef.html)。
表1.蛋白质结构数据库
设计能够形成蛋白质210的四级装配的蛋白质210序列的方法在本领域中是已知的。例如Aggeli等(2001)公开了反平行的β片层结构，它基于11个氨基酸残基的、棒状单体210，其能够在溶液中进行一维自组装，从而形成三级结构的规则阵列，被称为带(tape)、丝带(ribbon)、小纤维(fibril)和纤维。8nm宽的小纤维被观察到是非常稳定的。因为单体210被设计为具有不同的上和下表面(例如亲水的和疏水的)，这样的结构在硅基板上的自组装应当导致规则重复的亚单位210的有序、二维阵列。由Aggeli等(2001)所公开的棒状单体210结构表现出固有的手性，原因在于L-氨基酸的手性本质，这导致三级结构的缠绕。在不需要缠绕的应用中，交替使用L-和D-氨基酸可以消除单体210手性，并改进单体210的平面装配物的稳定性。
在另外一个非限制性实施例中，Brown等(2002)讨论了从新设计的蛋白质210的模板指导装配，其由被设计为装配成为反平行β片层的63个氨基酸残基单体210组成。单体210由6个β链组成，每一个长度为7个氨基酸。片层的两侧被设计为高度疏水的，或者是高度亲水的。蛋白质210的单体溶液暴露于高度有序的热解石墨(highlyordered pyrolytic graphite(HOPG))表面，其包括晶体的六角形阵列。结果显示，单体210装配成为覆盖HOPG表面的片层状结构，该结构具有不同的部分，彼此在120°显示出三个优选的方向。据认为，装配蛋白质210的3-重对称是通过下面的石墨的六角形结构而赋予的。蛋白质210堆积在无定形碳表面，不会导致蛋白质210的有序阵列。蛋白质210的此类总装配体可以被用于涂敷基板例如硅芯片的区域110、310。因为下面的硅在结构上不是六角形的，所以期望蛋白质210装配物将表现出2-重对称而不是3-重对称。
用于将蛋白质单体210以有序阵列附着于基板的这些以及其它已知方法，可以被用在本文所公开的方法和设备中。可以使用自发装配为有序阵列的天然出现的蛋白质210，例如病毒外壳蛋白210。可选地，可以购买或化学合成被设计为装配成有序阵列的合成蛋白质210。可以用在蛋白质210的一级和三级结构中的特定位置上掺入的修饰氨基酸残基(例如生物胞素220)或氨基酸类似物，生产合成蛋白质210。使用已知的侧链特异性试剂(例如Bell and Bell，Proteins and catalyst，Ch.7 and 8，Pretive-Hall，Inc.，Englewood Cliffs，NJ 1988)，可以化学修饰天然出现的蛋白质210。在任一情况中，催化剂纳米粒子140、230可以在选择位置上附着于蛋白质210，例如使用如上面所讨论的生物素160和亲和素170部分之间的结合作用。可选地，催化剂纳米粒子140、230可以附着于抗体或抗体片段，所述抗体或抗体片段与蛋白质单体210上的特定位置结合。在其它选择中，核酸120序列可以在选择位置上附着于蛋白质210，并与含有附着催化剂纳米粒子140、230的寡核苷酸150杂交。
使用已知的分子排列方法(molecular alignment method)，例如如上面所讨论的分子梳、光钳、微流体流动、磁场、自由流动电泳等，可以排列蛋白质210。使用标准技术，例如通过碳二亚胺或戊二醛的硅烷化和活化，可以将蛋白质210附着到基板上。可选的方法可以使用试剂，例如3-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷(GOP)，或经氨基基团连接的氨基丙基三甲氧基硅烷(APTS)。可以使用其它已知的方法，例如在金片110、310上形成微型图案的巯基苯甲酸和/或巯基十六酸单层(例如Liu and Amro，Proc.Natl.Acad.Sci.USA，995165-70，2002)。在这种情况下，巯基部分与金片110、310结合，使蛋白质210得以附着，例如通过碳二亚胺催化形成在单层上的酸部分与末端或侧链氨基基团之间的共价键。可选地，酸-酸二聚体氢键可以发生在单层上的羧基和蛋白质210之间。使用4-巯基苯甲酸的自组装单层(self-assemblingmonolayers(SAM))，也可以将蛋白质固定化在金片110、301上。在本发明其它可选的实施方案中，金结合蛋白质210(例如Brown，NanoLett.1394，2001)可以被用于将蛋白质210直接附着到金片110、310上。并不限制方法，可以使用将蛋白质分子210附着和/或排列到基板上的任何已知的方法。
在本发明的具体实施方案中，蛋白质单体210可以被连接在一起，例如形成多联体和/或蛋白质210的链。蛋白质210连接和串连的方法一般是已知的(例如Thompson and Ellman，Chem.Rev.96555-600，1996；Cotton and Muir，Chemistry&Biology 6R247，1999；Nilsson等，Organic Lett.21939，2000)，并且可以使用任何这样的已知方法。
在图2和图3中，公开了本发明的示例性实施方案，其图解使用附着于基板的蛋白质120产生碳纳米管的图案化阵列的方法。
图2显示了示例性蛋白质210，包括氨基酸、氨基酸类似物和/或修饰氨基酸的线性高聚物210。在本非限制性实施例中，某些赖氨酸残基已经被生物胞素220取代，生物胞素220是赖氨酸的生物素化的形式。在这种情况下，蛋白质210可以通过化学合成产生，在合成过程中引入生物胞素220。可选地，合成或天然出现的蛋白质210或蛋白质210可以被化学修饰，以便在合成或翻译后连接生物素160或其它纳米粒子230结合基团。当使用合成蛋白质210时，使用已知的方法，蛋白质210序列可以被设计为形成特定的二级、三极和/或四级结构(例如Aggeli等，2001；Brown等，2002)。例如，在Brown等(2002)中公开的合成蛋白质210含有很多赖氨酸残基，一个或多个赖氨酸残基可以被生物胞素220取代。因为此类残基位于由蛋白质210所形成的β片层的亲水面上，所以生物素部分160将暴露于含水介质，在那里它们可以结合亲和素170偶联的铁蛋白纳米粒子230。Brown等(2002)的蛋白质210已经显示出在HOPG表面上装配为有序阵列，并且可以被用于涂敷基板例如硅芯片上的选择区域310。在本发明的可选实施方案中，使用已知的技术，单体蛋白质210可以潜在地被连接成为蛋白质210的链或多联体。
在本发明的示例性实施方案中，合成蛋白质210可以附着到基板上，例如通过引入末端半胱氨酸残基，并将巯基附着到业已涂敷到基板选择区域310的金单层上。可选地，微型图案的巯基苯甲酸和/或巯基十六酸单层可以与涂敷到基板选择区域310上的金单层共价结合。末端酸基可以与蛋白质210上的末端或侧链氨基共价连接，例如使用水溶性碳二亚胺。实施例不受限制，并且可以使用将蛋白质210附着到基板上的任何方法。为检查附着于基板的蛋白质210的数量和图案，通过荧光显微镜检术可以显现染料染色的蛋白质210。可选地，通过SPM技术，例如原子力显微术(AFM)或扫描隧道显微术(STM)，可以显现纳米粒子230偶联的蛋白质210。
图3图解了附着于基板的示例性纳米粒子230偶联的蛋白质210。例如末端半胱氨酸残基可以与基板上的金涂敷区域310共价结合。通过任何已知的分子排列技术，例如光钳、电泳、磁场、分子梳、微流体流动等，可以排列附着的蛋白质210。排列之后，蛋白质210可以被固定化在基板上，例如通过干燥。
在蛋白质210附着到基板之前或之后，催化剂纳米粒子230可以附着到蛋白质210上。在本发明的实施方案中，当蛋白质210自组装到基板上时，在蛋白质210阵列已经形成之后附着纳米粒子230是有益的。在本非限制性实施例中，亲和素170偶联的铁蛋白纳米粒子230可以暴露于蛋白质210上的生物胞素基团220。生物素170与生物胞素220之间的一对一的结合发生了，导致每个生物胞素残基220附着到一个铁蛋白纳米粒子230上。这将导致在基板的选择区域310上的催化剂纳米粒子230被安排形成有序阵列。在洗涤基板并干燥以除去未结合纳米粒子230之后，通过如上所公开的CVD方法可以形成碳纳米管。通过如上所公开的在空气或氧中加热，可以除去残余的蛋白质210和纳米粒子230的铁蛋白成分，留下被碳纳米管的有序阵列所附着的基板。因为蛋白质210可以在基板上聚集成为高度有序的阵列，其中纳米粒子230附着在规则重复的间隔上，所以可以确定相邻纳米管的距离，以及排列在每个区域310内的纳米管的图案。
尽管在上面已经描述了本发明，然而，应当理解，修改和变化包括在本发明的精神和范围之内。因此，本发明仅仅通过所附的权利要求书限定。
权利要求
1.一种方法，包括a)将一个或多个催化剂纳米粒子附着到一个或多个聚合物分子上；b)将所述聚合物分子附着到基板上；c)除去所述聚合物分子；和d)在所述催化剂纳米粒子上产生碳纳米管。
2.权利要求1所述的方法，其中所述聚合物为肽、蛋白质或核酸。
3.权利要求2所述的方法，其中所述聚合物是肽或蛋白质。
4.权利要求2所述的方法，其中所述聚合物是核酸。
5.权利要求1所述的方法，其中将单个催化剂纳米粒子附着到每个聚合物分子上。
6.权利要求1所述的方法，其中将两个或多个催化剂纳米粒子附着到每个聚合物分子上。
7.权利要求1所述的方法，其中将每个催化剂纳米粒子附着到所述聚合物分子的预选位置上。
8.权利要求1所述的方法，其中在所述聚合物分子附着到所述基板之前，所述催化剂纳米粒子附着到所述聚合物分子上。
9.权利要求1所述的方法，其中在所述聚合物分子附着到所述基板之后，所述催化剂纳米粒子附着到所述聚合物分子上。
10.权利要求1所述的方法，其中所述纳米管以有序阵列附着到所述基板上。
11.权利要求9所述的方法，其中所述相邻碳纳米管之间的距离是相同的。
12.权利要求1所述的方法，其中所述碳纳米管附着到所述基板的已选区域上。
13.权利要求11所述的方法，其中所述纳米管在所述每个已选区域内的分布是非随机的。
14.权利要求1所述的方法，进一步包括在所述基板上排列所述聚合物分子。
15.权利要求13所述的方法，其中所述聚合物分子是通过光钳、直流电场、交流电场、磁场、分子梳理或微流体流动而排列的。
16.权利要求15所述的方法，其中所述聚合物分子是通过双链DNA/强制流动排列而排列的。
17.权利要求1所述的方法，其中所述催化剂纳米粒子包括铁蛋白。
18.权利要求1所述的方法，进一步包括用烃气使用化学气相沉积产生所述碳纳米管。
19.权利要求1所述的方法，其中使用生物素-亲和素或生物素-链霉抗生物素结合，将所述纳米粒子附着到所述聚合物上。
20.权利要求1所述的方法，其中所述基板包括硅、氧化硅、二氧化硅、四氮化三硅、锗、一种或多种金属和/或石英。
21.权利要求1所述的方法，其中所述催化剂纳米粒子包括铁、镍、钼、钴、锌、钌和/或钴。
22.一种设备，包括附着在基板的一个或多个已选区域上的碳纳米管的有序阵列，所述纳米管以非随机图案排列在所述每个区域内。
23.权利要求22所述的设备，其中所述相邻纳米管之间的距离是相同的。
24.权利要求22所述的设备，其中所述每个纳米管附着在催化剂纳米粒子上。
25.权利要求22所述的设备，其中所述纳米管在直径上是相同的。
26.一种系统，包括附着在基板上的碳纳米管的有序阵列，所述纳米管通过包括下述步骤的方法产生a)将一个或多个催化剂纳米粒子附着到一个或多个聚合物分子上；b)将所述聚合物分子附着到基板上；和c)在所述催化剂纳米粒子上产生所述碳纳米管。
27.权利要求26所述的系统，其中所述聚合物为肽、蛋白质或核酸。
28.权利要求26所述的系统，其中所述基板包括硅、氧化硅、二氧化硅、四氮化三硅、锗、一种或多种金属和/或石英。
29.权利要求26所述的系统，其中所述催化剂纳米粒子包括铁、镍、钼、钴、锌、钌和/或钴。
30.权利要求26所述的系统，其中所述催化剂纳米粒子包括铁蛋白。
31.一种用于排列分子导线的方法，包括a)连接所述分子导线与双链DNA分子，以产生双链DNA/分子导线杂交分子；b)将所述双链DNA/分子导线杂化物应用到固定表面上；和c)使用流体排列，将所述双链DNA/分子导线杂化物排列到所述固定表面上。
32.权利要求31所述的方法，进一步包括将双链DNA/分子导线杂交分子干燥到所述表面上。
33.权利要求32所述的方法，其中所述分子导线是单链核酸。
34.权利要求33所述的方法，其中所述单链核酸是单链DNA。
35.权利要求32所述的方法，其中所述分子导线附着到催化剂纳米粒子上。
36.权利要求35所述的方法，进一步包括从所述催化剂纳米粒子上产生碳纳米管。
37.权利要求33所述的方法，其中所述双链DNA是噬菌体λ-DNA。
38.权利要求33所述的方法，进一步包括杂交寡核苷酸与单链核酸。
全文摘要
在此所公开的方法、设备和系统涉及碳纳米管的有序阵列。在本发明的具体实施方案中，通过一种方法形成纳米管阵列，所述方法包括将催化剂纳米粒子(140、230)附着到聚合物(120、210)分子上；将聚合物(120、210)分子附着到基板上；除去聚合物(120、210)分子；和在催化剂纳米粒子(140、230)上产生碳纳米管。聚合物(120、210)分子排列技术。纳米管阵列可以附着到基板的已选区域(110、310)上。在已选区域(110、310)内，纳米管被非随机地分布。在此所公开的其它实施方案涉及设备，其包括附着于基板的纳米管的有序阵列；以及系统，其包括附着于基板的碳纳米管的有序阵列，它们由所要求的方法产生。在某些实施方案中，本文提供了通过连接分子导线与双链DNA分子而排列分子导线的方法。
文档编号H01L51/00GK101014532SQ200480037602
公开日2007年8月8日 申请日期2004年12月24日 优先权日2003年12月31日
发明者X·苏, N·桑达拉拉简, M·山川, A·伯林, L·孙, Y·张 申请人:英特尔公司