CN102300800A - 磁构图方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于对基板进行构图的方法和装置。该方法包括以下步骤：提供至少一个磁性图案生成器(100b)，该至少一个磁性图案生成器被配置为可操作用于根据期望图案调制磁场，以使磁场改变磁性能；在所述基板(102)附近施加经调制的磁场，在所述基板顶部形成要获得的相互作用区域的特定图案；以及使所述基板与磁性粒子(106)相互作用，同时在所经调制的磁场的施加下，所述磁性粒子被吸引到所述特定图案限定的选定相互作用区域，同时基本不被吸引到该相互作用区域外部的区域，由此在所述基板的顶部形成与所述磁性粒子相互作用的区域的所述特定图案。所述期望图案对应于针对预定磁场分布曲线、并位于距样本所位于的所述磁性图案生成器预定距离处的所述特定图案。

Description

磁构图方法和系统
技术领域
本发明总体上属于构图技术领域并且涉及利用磁性粒子进行构图。 
参考文献 
以下文献被认为恰当地用于理解本发明的背景的目的： 
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背景技术
通过普通光刻术进行的纳米器件的生产需要应用短波长辐射并使用能够用作光刻胶的特殊聚合物。这种方法提出了重要的工程及材料科学挑战。光刻术在分辨率方面的发展实际上是增加分辨率以及由此增加半导体晶片上的特征密度的限制步骤[4]。然而，光刻术在进一步降低最小特征尺寸方面面临严重挑战。光刻术中缩小临界尺寸涉及到开发复杂并且昂贵的系统，并在未来甚至需要更昂贵的工具[5]。 
对表面进行化学构图已经成为许多研究的焦点[1，6]并且广泛用于生物科技应用 [7]。通过从基于STM和/或AFM的高分辨率、低处理量技术到各种基于打印的方法[2，4-7，10]和到基于光刻术的构图方法[1]变化的各种方法执行对表面的化学构图。还已经开发了通过组合微电子工艺和化学构图所生产的器件。对于生物科技应用，已经开发了各种软光刻方法[8，9]。所有这些方法中的公共特征是它们使用弹性体作为压模、模具或掩模(而不是刚性光掩模)来生成微图案或微结构。然而，这些技术中的大多数都受限于一个阶段，并且对同一表面的随后构图由于对准问题而非常复杂。此外，通常用于化学构图的方法对于金属沉积、刻蚀、以及对于通常地生产基于半导体的器件并不是互补的。 
同样，几种不同技术推动了用于微电子应用的光刻术的前进。这些技术当中有离轴照射(OAI，off-axis illumination)技术、光学临近校正(OPC，optical proximity correction)技术、浸没式光刻和相移掩模技术。利用OPC或相移的光掩模制造起来复杂并且极其昂贵。 
大多数微米和亚微米生产工艺基于自顶向下的方法，以光刻术为进行高处理量的表面构图的基本工具[1]。当针对基于分子的器件或针对混合有机半导体器件试图化学地进行表面构图时，光刻术是有问题的，因为它要求用可能会造成污染或干扰进一步的化学工艺的光刻胶覆盖表面。此外，将光刻术与化学构图相结合要求从吸附溶剂移出基板，由此使基板暴露于空气和污染物。此外，当前采用光刻技术不能够在管的内部进行构图或者不能导出所吸收的化学品的作为基板上位置的函数的浓度梯度。 
在很多应用中，操纵微量的化学物质(例如，化学试剂)或生物物质(例如，多孔材料、聚合物、蛋白质、DNA等)的能力是重要的。这些应用属于组织工程、生物技术、微量分析和微量合成(microsynthesis)等领域。根据应用，操纵可以涉及对物质进行定位(例如，构图)、分离和/或传输。 
一种操纵物质的方法涉及对基于磁性的系统的使用。通常，目标物质包含或嵌入有磁性材料(例如，通过利用磁珠对物质作标签)并且能够利用磁场吸引或分离该物质。在许多情况下，物质被吸向构图于基板上的磁性区域。随后，这些物质可以在基板上形成由这些磁性区域限定的图案。 
在溶液中发生的普通化学过程和体内(in vivo)化学之间的重要差别在于生物系统的典型的连续的过程。即，在活体内，空间和时间在依次发生的反应中分离，而在体外(in vitro)，需要将反应物和产物从物理上分离，以便进行连续的过程。然而，当 引入芯片上实验室(Lab-on-a-chip，LOC)的概念时，这种差别被弥合了。LOC中与微全分析系统(micro-total analysis system)相关的微流体技术[11]已经在迅速发展并且毫无疑会使化学、制药、医疗和食品行业[12]发生革命性变化。在通常的LOC系统中，微通道是最普通并且不可缺少的组件之一，通过该微通道能够实现样本的预浓缩和分离或混合。因此，可以将这些过程的结果传送到期望区域，以执行相应的反应和检测任务[13]。从而，典型的LOC元件具有两类组件：微通道和反应/检测室。 
一般描述 
本发明提供了一种基于“自底向上(bottom-up)″方法利用磁性粒子的新颖的构图技术。应当理解的是，尽管一些已知的方法使得能够通过使用磁场对化学物质和/或生物物质进行定位，这些已知技术通常需要在基板中或者基板上制造的磁性组件和/或要求目标物质包含或嵌入在磁性材料中。 
应当注意的是，一般已知的“自底向上”的化学光刻方法具有相对低的处理量，该相对低的处理量能够通过非常高的并行性来克服，非常高的并行性可能昂贵并且可能引入降低产率的缺陷。已经开发了诸如微接触纳米光刻(nanolithography)的各种“打印”方案[2]，它们确实可以被扩大到高处理量，但是通常限于生产的单个阶段并且涉及到与表面接触，这可能影响其他化学过程。与诸如纳米接触印刷和纳米压印光刻的其它平行光刻技术[9]相比，本发明的磁光刻(ML，Magneto Lithography)方法是背面光刻技术，其具有易于以高对准精度并且对所有层以同样的效率生产多层的优点。 
因此，本发明提供了一种对基板进行构图的方法。该方法包括以下步骤：提供至少一个磁性图案生成器，该至少一个磁性图案生成器被配置为可操作用于根据期望图案调制磁场(即，使磁场改变磁性能)；在基板附近施加经调制的磁场(例如，通过磁性图案生成器施加磁场)，由此形成具有磁性能的期望图案的磁场，该期望图案与在基板顶部待获得的相互作用区域的特定图案相对应；以及使所述基板与磁性粒子相互作用，同时在所述磁场的施加下，所述磁性粒子被吸引到由所述特定图案所限定的选定相互作用区域，同时基本不被吸引到该相互作用区域外部的区域，由此在所述基板的顶部形成与所述磁性粒子相互作用的区域的特定图案。所述期望图案对应于针对预定磁场分布曲线的、并位于距所述磁性图案生成器预定距离处的所述特定图案，其中样本位于所述预定距离处。 
根据本发明的教导，向基板施加磁场，其中磁场分布曲线(强度)以预定方式在基板的平面内变化。这可以通过利用至少一个磁性图案生成器实现，磁性图案生成器根据期望图案提供施加的磁场的磁性变化性能。 
磁性图案生成器可以包括容纳在磁场源和要构图的基板之间的一个或多个物理元件；或者可以由用于电性影响磁场性能(分布曲线)的对磁场源的操作来构成。因此，在一些实施方式中，所述磁性图案生成器是置于产生磁场的磁体(磁场源)和基板之间的掩模，该掩模位于基板的顶面或背面，或者与基板的背面间隔开。 
在另一些实施方式中，磁性图案生成器基于计算机中使用的硬盘设备的原理，并且能够通过利用磁头改变磁性方向来电子地获取磁场空间分布。在这种情况下，类似于硬盘设备中存在的磁头的磁头用于将磁场构图到磁介质上，具体地说，构图到硬盘介质上。这是可以通过使用软件将图案(例如，在计算机屏幕上构图的图样)转换成构图到磁介质(例如，硬盘介质)上的磁场形状来实现。然后将硬盘介质从硬盘驱动器取出，并用作磁性图案生成器。然后可以将金属或聚合物薄膜沉积在经构图的硬盘介质的顶部。当将硬盘介质用作磁性图案生成器时，于是可以应用根据本发明的教导的负或正的磁光刻方法将磁性纳米粒子用来覆盖薄膜。在对薄膜进行构图之后，取下该膜，可以重新使用硬盘。 
因此，在一些实施方式中，通过磁性介质实现磁场的施加。所述方法包括以下步骤：可控地改变磁场的磁性方向，由此电子地获取磁性介质上的磁场空间图案；在经构图的介质的顶部沉积膜；使该膜所覆盖的磁性介质与磁性粒子相互作用，由此在磁性介质的顶部形成经构图的膜。电子地获取磁场空间图案的步骤包括：应用计算机算法，用于将预定数据图案转换成磁性介质上的磁性形状。 
该装置可以包括控制单元，其被配置为可操作用于控制磁性图案生成器的操作，以形成与要在基板上获得的特定图案相对应的磁场空间图案。控制单元可以包括处理器，该处理器被预编程为将预定数据图案转换成磁性介质上的磁性分布曲线。 
掩模可以包括通过磁性源进行构图的磁性介质，该磁性源是被控制单元可操作的，以改变施加到磁性介质上的磁场的磁性方向，使得能够电子地获取磁场空间图案。该磁性介质可以包括硬盘介质。 
因此通过利用例如垂直地施加到基板上的永磁场，使磁场分布曲线构图在基板上。通过移除磁场的效应来移除磁性粒子。 
例如，磁性图案生成器是限定施加的磁场的空间分布和形状的磁性掩模(例如，顺磁性金属掩模或抗磁性掩模)。这导致形成基板上的能够与磁性粒子相互作用的间隔开区域的图案。该磁性粒子可以是铁磁性纳米粒子。 
然后，磁性(纳米)粒子(NP)根据掩模感生出的磁场与基板相互作用(例如，根据掩模感生出的磁场驻留在基板上)，从而在基板材料和粒子之间的相互作用的间隔开的区域的基板顶面上形成图案。应当注意的是，磁场具有控制和引导垂直于表面的NP的能力。在本实施方式中，NP不是与基板化学结合，而是通过磁场保持在适当位置。它们起到光刻胶在传统光刻法中所起的相同的作用，但与光刻过程相比，在本发明的ML技术中，在单个操作中发生涂覆、曝光于能量以及对抗蚀剂的显影。在处理之后，即，在沉积或刻蚀之后，将NP冲洗掉。 
在一些实施方式中，所构图的表面的特征(即，分辨率)超过了掩模的特征(即，分辨率)。在非平衡态下以短时间和低的磁性NP浓度应用本发明的方法时，本发明的方法还提供了宽度比掩模的线宽更窄的图案。这是由于通过掩模限定的线宽内的磁场的梯度。由于施加在NP上的力取决于磁场的梯度和NP的磁偶极矩，因此可以在基板上获得比掩模上的线条更细的构图的线条。因此，与磁性粒子的浓度梯度相互作用的区域的图案具有比磁场的梯度的相应特征尺寸更窄的特征尺寸，使得经构图的基板的特征小于通过磁性图案生成器形成的磁场性能的图案的特征。经构图的基板的特征可以是亚微米量级。在一些实施方式中，选择磁性粒子的尺寸和相应的磁场，来获得均匀的图案。图案的特征和均匀度通过适当地选择施加磁场的持续时间和磁性粒子的浓度进行控制。 
因此，本发明还为形成吸附密度的梯度做准备，使得表面的性能作为位置的函数逐渐改变。例如，使表面逐渐疏水，使得疏水作用的梯度从10nm量级改变到mm量级。这能够通过在表面上施加磁场的梯度来实现。结果，如果控制过程的时间，就获得了纳米粒子的密度的梯度。然后，例如，在纳米粒子之间吸附A型分子，并且在移除纳米粒子之后，在当前没有粒子的区域上吸附B型分子。结果，根据磁场的梯度获得了分子A和分子B的密度变化。因此，在一些实施方式中，本发明的方法包括以下步骤：向基板附近施加磁场的梯度，使基板与磁性粒子相互作用，形成与磁性粒子的浓度梯度相互作用的区域的图案，该浓度梯度与磁场的梯度的强度相对应。 
类似于光刻法，本发明能够用于应用正途径/模式或负途径/模式。因此可以利用 正和/或负的光刻法在基板上形成与磁性粒子相互作用的区域的图案。 
在一些实施方式中(即，正模式)，磁性粒子通过与基板的化学识别和/或生物识别与基板发生化学反应或相互作用。因此，磁性粒子在掩模感生出磁场的选定位置处固定不动，得到经构图的基板。在其它实施方式(即，负模式)中，磁性粒子与基板反应，阻挡基板上选定的相互作用区域与反应剂发生反应。从而，特定反应剂还可以应用于相互作用的区域之间的空间内的基板。在这种情况下，磁性粒子不与基板发生反应，并且一旦它们对基板进行了构图，它们阻挡了它们在基板上的位置。粒子没有覆盖的暴露的区域可以由化学地结合到基板的分子覆盖。 
在一些实施方式中，基板利用自组装单层进行官能化。 
在一些实施方式中，所述方法包括使反应剂与基板相互作用的步骤。磁性粒子阻挡反应剂结合到基板，并且通过移除磁场的效应来移除磁性粒子，形成负构图的基板。 
可以通过从物理上移开磁性图案生成器来移除磁性粒子。这可以与象声处理或冲洗的其它方法相结合地应用。 
在一些实施方式中，该方法还包括以下步骤：通过化学识别和/或生物识别使第一反应剂与基板相互作用；使第一反应剂所覆盖的基板与吸引在选定的相互作用区域处的磁性粒子相互作用；使第二反应剂与基板相互作用；磁性粒子阻挡第一试剂与第二反应剂之间的识别，并移除磁性粒子，形成负构图的基板。 
在其它实施方式中，该方法包括以下步骤：提供第二磁性图案生成器，该第二磁性图案生成器被配置为可操作用于根据第二期望图案提供施加在该第二磁性图案生成器上的磁场的磁性变化性能；通过第二磁性图案生成器向具有特定图案的基板的附近施加磁场，由此在基板的顶部上形成磁场的第二图案；并且，使磁性粒子与基板相互作用，同时在磁场的施加下，粒子被吸引到第二期望磁性图案限定的第二选定相互作用区域处，在具有特定图案的基板顶部形成与粒子相互作用的间隔开的区域的第二图案。 
应当理解的是，根据本发明，这种相互作用的隔离开的区域的图案的形成不需要掩模与基板之间的任何物理接触，并且不在基板上形成任何表面起伏。掩模可以具有非平面表面。在基板的附近施加形成相互作用图案的磁场图案。可以在介质内向基板施加该相互作用图案，该介质可以是气体(空气)或溶剂。基板可以浸入到包含磁性粒子的溶剂和/或一种或更多种反应剂中。 
本发明能够以亚微米分辨率对表面进行化学构图。本发明的磁光刻(ML)方法简化了化学表面构图，因为它不需要会污染基板的抗蚀剂，并且因此能够对大的表面进行快速构图，而不必面临污染问题或者不必从溶液中移除该基板。此外，本发明的ML方法不依赖于表面的形貌和平坦度(即，不受表面的形貌和平坦度的影响)并且因此能够在粗糙的表面上执行该方法，并且该方法能够对管的内部进行化学构图，这将在下面进一步详述。 
根据本发明的技术，磁性粒子和磁性掩模都不是要吸收到基板上的材料的一部分和基板的一部分。同样，本发明提供了对不能够(容易地)通过化学光刻的材料沉积/移除过程以及光刻法接近的表面进行构图(例如对管的内表面进行构图)。基板可以是非平面表面，并且具体地说，可以是管，粒子被吸引到管的内表面上由期望图案限定的选定相互作用区域处，由此在基板的内表面形成与粒子相互作用的区域的图案。由于应用了磁性掩模，因此可以具有高的生产量。不象其它光刻方法，本方法还能够应用为背面光刻法，其具有易于以高对准精度和针对所有层的相同效率生产多层的优点，而不管层数是多少。此外，本方法允许多步式过程的形成，而不用从溶液移除基板。本特征在反应物需要保持在受控条件下时对于生物相关的应用是有利的。从而反应剂可以包括生物分子。因此，能够在范围较广的表面上应用正和负的ML方法，以利用小或大分子或者利用对化学环境敏感的生物分子进行构图。 
在一些实施方式中，可以利用抗磁性线对掩模进行构图，抗磁性线形成了与外部施加的磁场相反的磁场。掩模可以包括抗磁性线和顺磁性线二者，以在基板上形成任何需要的磁场。 
如上所指出的，本发明有利地提供了对管内部进行化学构图。这使得管能够起连续反应器的作用，其中，流过的特定反应剂的分子能够依次与覆盖了磁性粒子的区域内的内表面反应。对此，保持将磁性粒子吸引到表面区域的磁场被依次施加到管的连续区域上。 
还提供了一种用于制造微电子器件的方法，该方法包括：上述方法；将基板置于刻蚀机中特定时间，将与粒子相互作用的区域的图案用作刻蚀掩模，并通过移除磁场的效应来移除磁性粒子，由此形成经刻蚀的区域的图案。该经刻蚀的区域的图案具有比磁场的梯度的相应特征尺寸更窄的特征尺寸，使得基板上的图案的特征尺寸小于通过磁性图案生成器形成的图案的特征尺寸。 
此外，本发明能够使两个元件，即，微通道和反应室，统一成第三类型的元件，即，管反应器，其组合了二者的性能。这通过利用磁-光刻(Magneto-Lithography，ML)方法实现，该方法允许对微通道管的内部进行化学构图。因此，本发明能够对内管表面进行化学和生化构图，尤其是在将小直径的管用作针对LOC的有效反应器时。LOC功能能够在微通道内执行，由此减少生产时间并减少需要处理的材料量。新的元件(即，管反应器)允许通过应用非常简单并且廉价的技术执行连续过程。通过利用酶或反应物对管的内部进行构图，可以将管用作传输元件和用作反应器，其中，溶液中的基板与管的内表面上先前吸附的分子反应。 
在一些实施方式中，本方法包括：对基板的连续区域顺序地施加磁场。 
在其它实施方式中，可以将导电线阵列用作掩模。当电流渡过这些线时，在其附近形成磁场。通过顺序地切换电流，可以使粒子逐步吸附到掩模的不同区域。这就是所谓的“动态掩模”，它不需要施加磁场，因为流过这些线的电流感生出的磁场是足够的，或者可以结合永磁场使用，以便通过施加透过流过导电线的电流的附加场来改变磁场。本发明的方法可以包括在所述导电线上顺序地切换电流，以切换导致连续图案的磁场。 
此外，如上所述，在本领域中需要提供一种单独的构图方法，以应用于微电子器件的高分辨率(即，数十纳米量级)、高产量生产，以及作为独立过程或组合过程的化学构图应用。将同一方法用于所有类型的表面构图的能力简化了将电学过程与化学/生物识别过程相结合的应用相关的生产过程。 
本发明的ML方法可以应用于普通的微电子过程，例如，刻蚀和沉积和/或离子注入过程。 
通过应用三维掩模，可以获得高密度构图表面，并且可以校正对各种参数的调节，并且使用低于10nm直径的具有强磁场的磁性粒子能够提供与用传统光刻法获得的尺寸相当或甚至更小的临界尺寸。因此，本方法能够形成尺寸小于当前临界尺寸(不受光刻法参数的限制)的微电子器件，并且能够以低于100nm的分辨率对表面进行化学和/或生物材料的构图。可以使用连续过程，并且该连续过程能够应用于非平面表面。 
应当注意的是，本发明的ML技术不限于磁性器件的制造，如先前报告的，用于基于磁性的光刻法[10]。 
作为其多个广泛方面之一，本发明还提供了通过上述方法制造的构图的结构。根 据本发明的另一个广泛方面，提供了一种用于对基板进行构图的装置。该装置包括：磁性源，用于产生磁场；以及至少一个磁性图案生成器，其被配置成对磁场进行调制，以根据与要在基板上获得的特定图案相对应的期望图案提供磁场的磁性变化性能。 
在一些实施方式中，该磁性源是多桩磁体或是包围管状基板的磁体。该管被配置为可操作用于成管反应器，使得能够在所述管反应器内执行连续反应。在一些实施方式中，本发明提供了将构图的基板用于催化在空间上被局部化的区域中的溶液反应的反应的能力。第一反应剂可以包括催化剂，形成催化剂的构图的区域，由此使用经构图的基板，以在空间上被局部化的区域中的至少一个化学反应处进行催化。催化剂可以包括酶，使得化学反应是酶促反应。第一反应剂可以包括第一酶，而第二反应剂可以包括第二酶，由此导致连续的酶促反应。具体地说，通过本发明的使用ML方法，可以以低于100nm的分辨率使蛋白质局域化在表面上的预定义的点处。因此催化剂的构图的区域可以包括在预定义的点处。这可以通过使用负ML来执行，以将疏水单层的线自组装到疏水单层所覆盖的平坦金表面上。 
附图说明
为了理解本发明并明白如何在实践中实施本发明，现在仅通过非限制性示例，参照附图来描述实施方式，附图中： 
图1a是本发明的磁性构图方法的一般图示； 
图1b是本发明的磁光刻(Magneto-Lithography，ML)方法用于正方法和负方法的图示； 
图2a表示了本发明的磁光刻(ML)方法中使用的在线条之间具有20μm间隔的线条构图掩模； 
图2b-2e表示在利用图2a的线条构图掩模以1，4-苯二甲硫醇的自组装单层进行了官能化的镀金玻璃基板上的正ML图案的SEM图像； 
图2f表示了本发明的磁光刻(ML)方法中使用的在线条之间具有20μm间隔的栅格构图掩模； 
图2g-2h表示在利用图2f的栅格构图掩模以1，4-苯二甲硫醇的自组装单层进行了官能化的镀金玻璃基板上的负ML构图的SEM图像； 
图3是例示了根据本发明的教导的用于利用铁环掩模在玻璃表面上组装生物素 -亲和素(Biotin-Avidin)单层的负ML方法的图示； 
图4a例示了玻璃基板上吸附的Av-FITC分子的荧光，同心暗环图案是利用图3的负ML方法阻止了磁性NP的区域； 
图4b例示了在利用图3的负ML方法在没有磁场的情况下使基板暴露于Av-FITC之后，外环图案消失后的荧光； 
图4c表示沿图4a和图4b中示出的虚线的荧光强度分布曲线； 
图5是本发明的用于通过疏水/亲水单层对镀金硅进行构图的磁光刻(ML)方法图示； 
图6是例示了利用水滴测量的后退接触角(receding contact angles，CA)与在将单层覆盖的基板浸入GFP溶液中之后从GFP测量的510nm处的荧光强度之间的比较的图； 
图7a-7d是暴露于GFP之后经构图的表面的SEM图像；具体地，图7a是在吸收了50μg ml-1的磁性NP并将基板暴露于磁场2分钟之后获得的；图7b是在吸收了5μgml-1的磁性NP并将基板暴露于磁场2分钟之后获得的；图7c是GFP的均匀的30nm线宽图案的SEM图像，而图7d是图7c中所示线条的三维图像； 
图8a例示了在对应于掩模上的图案的线宽的1.5、3.5和7.5倍的距离处磁性掩模线宽的顶部的磁场分布；图8b是示出了在对应于掩模上的图案的线宽的1.5、3.5和7.5倍的距离处具有最强强度磁场的位置的图； 
图9是本发明的ML方法的包括刻蚀和沉积过程的图示； 
图10a是完全覆盖有用于刻蚀的100nm厚的钴层的三维掩模的扫描电子显微镜(SEM)图像；图10b-10d是通过刻蚀过程获得的图案的以各种放大率观察到的SEM图像； 
图11a是将顺磁性10nm厚的钴层线用于限定磁场分布的平坦掩模的SEM图像；图11b-11c是通过刻蚀过程获得的图案的以各种放大率观察到的SEM图像； 
图12a-12d是经过了使基板暴露于不同浓度下的纳米粒子溶液5分钟之后获得刻蚀过程所获得的图案的SEM图像； 
图13a-13e是利用本发明的方法在沉积50nm的Cr之后获得的SEM图像；具体地，图13a是用于对具有磁性纳米粒子的基板进行构图的掩模的SEM图像；图13b是在根据掩模感生的场使磁性纳米粒子组装到基板上之后这些磁性纳米粒子的SEM 图像；图13c是组装在图13b中用虚线圆圈标记的一个位置上的纳米粒子的SEM图像；图13d-13e是在将纳米粒子移除的剥离(lift-off)过程之后所得的结构的SEM图像； 
图14a-14d是例示了将硬盘介质用作磁性图案生成器的图像；具体地，图14a是构图到金基板上的图案的光学显微镜图像；图14b是构图到金基板上的图案的SEM图像；图14c-14d是采用高分辨率构图的相同图案的SEM图像。 
图15a是描述了通过应用根据本发明的教导的正ML对内管表面进行构图的流程图；图15b是从通过15a的正ML过程进行了构图的管内吸附的纳米粒子的两个波段观察到的荧光素和磺酰罗丹明两者的荧光的图像； 
图16a是描述了通过应用根据本发明的教导的负ML对管的内表面进行逐步表面构图的流程图；图16b是从通过图16a的负ML过程进行了构图的管观察到的荧光的图像； 
图17a是描述了用于在管中应用ML的多桩(multi-peg)磁体的示意图；图17b示出了通过利用负ML以酶脲酶进行了构图的图17a的管；图17c示出了从指示剂颜色的变化获得的沿管的pH值的变化；以及 
图18a是通过对管内表面上的蛋白质葡萄糖氧化酶(GOx)和辣根过氧物酶(HRP)进行构图获得的管内部的连续酶促反应的示意图；图18b是从这一连续反应得到的被观察为暗点的参与氧化四甲基联苯胺(TMB)的图像。 
具体施方式 
参照图1a，例示了本发明用于对基板进行构图的装置。装置1000包括用于产生磁场的磁场源100A，以及一个或更多个磁性图案生成器，图中示出了单个这样的生成器100B。磁性图案生成器100B被配置成对磁场进行适当调制，以提供磁场的根据期望图案的磁性变化性能。磁性图案生成器100B可以包括物理元件(即，静态掩模(例如，磁性掩模，或者预先经过构图的硬盘介质))或使磁场分布曲线发生变化的电子调制器(即，所谓的“动态”或“虚拟”掩模)，或者可以由物理元件或电子调制器组成。因此，磁场源100A和磁性图案生成器100B一起工作以产生根据期望图案(与要在基板上获得的一定图案相对应)所调制的磁场。 
另外在装置1000中优选设置的是控制单元100C。控制单元100C通常是其中包 括数据输入/输出工具、数据处理和分析工具以及存储器工具的计算机系统。例如，在动态或虚拟掩模的情况下，控制单元(即，其处理器)将预定数据图案(存储在存储器工具中)转换成在基板(例如，沉积到磁性介质(如预先经过构图的硬盘介质)上的中间图案上的膜)上产生特定图案(形状)的磁场分布曲线。 
参照图1b，示出了针对本发明的正ML过程和负ML过程的具体但非限制性示例。该技术执行如下： 
在步骤1中，在要进行“化学构图”的基板102的附近形成磁场图案。在本示例中，这通过利用磁性掩模100来实现，磁性掩模100置于基板102的背面，即，基板102的与要构图的表面背对的表面上。该掩模为根据如上所述的相互作用区域的图案配置。然后将设置在掩模100下方的磁体104(例如，永磁体)所产生的磁场透过掩模100施加到基板102上，掩模100限定了所施加的场的空间分布和形状。因此，掩模100感生出透过掩模的图案朝向基板102的磁场。在步骤2中，铁磁性纳米粒子(NP)106根据掩模100限定的场与基板102相互作用。在该示例中，这种相互作用通过将粒子沉积到基板102上实现。 
在正方法(步骤4)中，铁磁性NP 106通过与基板102的化学识别来进行化学反应或相互作用。从而，铁磁性NP 106仅在掩模100感生出磁场的选定位置(相互作用的区域)处固定不动，得到经构图的基板。 
在负方法(步骤3，5)中，铁磁性NP 106对于基板102是惰性的。因此，一旦将它们沉积到基板102上，NP 106便阻挡它们在基板102上的结合位点以防与另一反应剂108发生反应，如步骤3所示。在吸附反应剂108之后，将NP 106移除(步骤5)，得到经负构图的基板102。 
应当注意的是，磁性粒子与基板之间的相互作用在移除磁场的作用之后被中断。这可以通过将磁性掩模从基板物理地移开(例如，在掩模区域是铁磁性的情况下)来实现，或者通过切断透过固定安装的掩模施加的磁场(例如，在掩模区域是顺磁性的情况下)来实现。 
参照图2a-2h，例示了利用本发明的教导的正ML构图的具体但非限制性示例，其中，使用了利用二硫酚(1，4-苯二甲硫醇)的自组装单层进行了官能化的镀金玻璃基板。制备钴掩模以用于对基板进行磁场构图。应当注意的是，钴纳米粒子(NP)的组装能够通过磁场引起，以便生成钴超晶[3]。使用两种掩模：一种利用线条进行 构图(图2a)，而另一种利用栅格进行构图(图2f)，二者的线条之间都具有20μm的间隔。通过永磁体经由钴掩模感生出100G的磁场，同时使基板浸入FeO4NP(10nm直径)的溶液中15分钟。然后，移除掩模，并冲洗基板。由于FeO4NP与曝露于表面的硫醇基发生反应，正ML的结果是在基板上复制了掩模图案。由于与磁场的相互作用，NP被选择性地吸附到场最大的表面位置处并在这些位置处与单层的硫醇官能团发生反应。这些图像示出了1μm到5μm宽的线条，线条间具有20μm的间隔。应当理解的是，通过仔细调整沉积时间，能够获得宽度比掩模中线条的宽度更窄的图案。这是由于由掩模限定的线宽内的磁场的梯度。磁场在中心处比边缘更强。结果，NP首选被组织在线条的中心。 
本发明的负ML方法可以通过几种方法执行。例如，可以通过将生物素分子结合到玻璃表面来阻挡磁性NP，或者，另选地，通过磁性NP可以阻挡将生物素单层吸附到基板上，然后磁性NP可以用于阻止生物素-亲和素生物识别过程。 
参照例示了负ML方法的图3，其中，玻璃基板102暴露于包含三甲氧基氨基硅烷105和FeO4NP 106的溶液中的环形构图的磁性掩模100。在步骤1中，磁性NP 106被吸引至磁场较强的位置处并保护这些位置(即，相互作用的区域)不与溶液中的氨基硅烷105反应。FeO4NP 106相对于玻璃基板是惰性的，因此与三甲氧基氨基硅烷到基板的化学吸附相比，FeO4NP 106被磁场更快地吸引至基板的选定区域。因此，在本示例中，在溶液中提供三甲氧基氨基硅烷和FeO4NP的混合物是可能的。从而，惰性FeO4NP 106根据通过环形构图的掩模所施加的磁场被组织到基板102上。该过程导致表面的未覆盖有NP 106的位置的选择性的硅烷化。由于磁性NP 106对于裸玻璃表面是惰性的，因此它们能够在移除磁性掩模/磁场(步骤2)之后从表面移除(例如，通过冲洗或气流)。在下一步骤(步骤3)中，利用与氨基官能构图的表面反应的NHS生物素107(N-羟基丁二酰亚胺-生物素)使基板生物素化。 
为了演示本发明的方法在构图的多个阶段中的成功，将制备的生物素化玻璃表面暴露于具有环形图案的第二磁性掩模100′。第二环形构图的磁性掩模100′较大，并且与先前的环形掩模100同心。然后使基板102暴露于荧光团标记的亲和素(Av-FITC)110和磁性NP 106的溶液(步骤4)。再次，磁性NP 106通过由环形构图的掩模施加的磁场吸引，从而被组装成环。因此，NP 106下面的生物素基团107被保护起来并且不与Av-FITC 110相互作用。该负ML过程的结果是具有两个同心圆环 的经构图的表面。内环表示负ML，其中防止了分子与基板之间的反应，而外环防止了已经吸附的分子与溶液中的分子之间的相互作用。第二负ML过程是可逆的，因为移除磁性掩模100′使得磁性NP离开环形位置(步骤5)。因此，这些位置的生物素基团107被脱保护，并且溶液中的Av-FITC分子110能够与生物素基团107相互作用(步骤6)。然而，这不是在直接吸附于玻璃基板上的过程中执行负ML时的情况。 
参照图4a，例示了在图3中例示的负ML方法中吸附在玻璃基板上Av-FITC分子的荧光，同心暗环图案是阻挡了磁性NP的位置。内环由阻挡了生物素分子到玻璃表面的结合的磁性NP形成，而外环由阻挡了生物素-亲和素生物识别过程的磁性NP形成。 
图4b例示了在没有磁场的情况下使基板暴露于Av-FITC之后，外环图案消失后的荧光。 
图4c例示了沿图4a和图4b中示出的虚线的荧光强度分布曲线。沿(a)中的虚线的强度分布曲线表示为线200。区域202表示作为在没有磁场的情况下将基板暴露于Av-FITC的结果，外环图案消失后沿(b)中的虚线的强度分布曲线。沿图案(虚线)的荧光强度分布曲线例示了负ML过程的不可逆的性质，如在内环图案中观察到的，该内环图案即使在无磁性掩模时利用Av-FITC处理之后仍然是暗的。内环示出了Av-FITC的可以忽略的非特定吸附性，其证明了由于负ML导致的该区域中缺乏生物素基团。另一方面，在没有磁场的情况下，外环图案在基板暴露于Av-FITC之后消失。这是因为，在移除磁场之后，先前吸附的生物素分子由于移除NP而脱保护，并且能够约束Av-FITC。因此，该过程是可逆的。 
参照图5，例示了通过利用本发明的ML方法的负模式的由疏水/亲水单层对镀金硅基板进行构图。疏水分子的线被构图于覆盖有亲水分子的表面上。接着，将该表面暴露于GFP并且进行冲洗。一系列200nm厚的金基板被覆盖有由疏水/亲水剂的混合物构成的自组装单层。使用不同摩尔分数的疏水/亲水剂以逐渐改变金基板的疏水性。 
通过利用放置在基板102的背面(即，在与要构图的表面相背对的表面)的磁性掩模100在基板102的附近形成磁场图案。然后将由设置在掩模100下方的永磁体104生成的磁场透过掩模100施加到基板102上，掩模100限定了所施加的场的空间分布和形状。因此，掩模100感生出通过掩模的图案朝向基板102的磁场。在步骤1中，根据掩模100限定的场分布曲线，惰性铁磁性纳米粒子(NP)106(例如，甲苯 中溶解的10nm直径的Fe3O4)被吸至金基板102(例如，通过电子束蒸发器镀了200nm的高质量金层的硅基板(300μm厚))。在该示例中，这种相互作用通过将粒子沉积到基板102上来实现。接着，将具有氢氧基头部基团、11-巯基-1-十一烷醇(11MUD＝HS-C11OH)的亲水反应剂/试剂150自组装到基板上的没有覆盖有NP的位置处(步骤2)。NP 106阻挡了在基板上的结合位点，防止与亲水反应剂150的反应。吸附了亲水反应剂150之后，在步骤3中，将磁性掩模100移除并且将基板102经声波处理并进行冲洗以便去掉磁性NP 106。然后，在步骤4中，将疏水反应剂152(十六烷硫醇(HDT＝SH-C15CH3))吸附在基板102上之前覆盖有NP 106的区域。在该具体但非限定性示例中，两种分子HDT和11MUD都溶解(10mM溶液)在乙醇中；吸附时间是室温下3小时。为了验证对疏水反应剂的构图，使用绿色荧光蛋白(GFP)来验证GFP与疏水表面的反应是否比与亲水表面的反应更强。在最后阶段(步骤5)中，将表面暴露于GFP 154，GFP 154吸附在疏水线上152并且从亲水背景150被排斥。 
参照图6，比较了利用水滴测量的后退接触角(CA)和在将单层覆盖的基板浸入10nM GFP溶液中30分钟之后从GFP测量的510nm处的荧光强度。从图中可以看到，在0.2HDT的摩尔分数处存在接触角的突变。在该变化之后，CA保持为恒量。接触角的这种类似阶跃式变化可以表示相位分离，其中，各分子形成仅包括一种类型的分子的域。水滴在大的面积上被拉平，从而受到疏水域的影响；因此，它们在由亲水/疏水混合物制成的单层的情况下具有大接触角。对来自GFP的荧光的监测显示表面上GFP的量与HDT的摩尔分数线性相关。该发现再次与各分子的独立域的形成保持一致。GFP被更好地吸附在疏水域上，从而随着它们浓度的增加，更多的GFP被吸附并且更多的荧光被观察到。因此，GFP有效地用于纳米量级的疏水图案的检测。 
图7a-7d是结合图5描述的过程中形成的构图的表面在暴露于GFP之后的SEM图像。GFP呈现为针对蛋白质的SEM图像的亮线，如前面已经报告的。图7a中，在吸附了暴露于磁场2分钟的高浓度(50μg ml-1)的磁性NP之后，获利了低分辨率(宽于1μm)的线。如图7b所示，当使用稀释(5μg ml-1)的磁性NP溶液并且使该磁性NP溶液再暴露于磁场2分钟时，获得大约30nm宽度的更窄的线。蛋白质被吸附在疏水线上并从亲水背景被排斥。 
图7c是GFP的均匀的30nm线宽图案的SEM图像，而图7d是图7c中所示线条 的三维图像。 
应当理解的是，尽管事实是感生出磁场的磁性掩模100中的线条具有50μm的宽度，但是也实现了30nm的分子构图。通过如图7a-7b所示降低NP的浓度，或者通过缩短吸附时间获得了较高的分辨率，使得系统不达到均衡。在这些条件下，NP首选被吸附在高场部分，即，仅被吸附在磁性线条的中心处。这是因为掩模所限定的线宽内磁场的梯度在中心处比掩模线条的边缘处更强，如同将在下面结合图8a-8b进一步详述的。 
图8a-8b示出了掩模上的磁场的模拟结果，该掩模上的磁场作为到掩模的距离的函数。通过利用COMSOL程序计算了掩模上的磁场分布。图8a例示了在对应于掩模上的图案的线宽的1.5、3.5和7.5倍的距离处磁性掩模线宽的顶部的磁场分布。图8b是示出了在对应于掩模上的图案的线宽的1.5、3.5和7.5倍的距离处具有最强强度磁场的位置的图。 
清楚演示了本发明的技术的有趣性能：当基板距离掩模相对远时，基板上的磁场变弱；然而，其在掩模上的线条的中心处出现峰值，从而能够引起对纳米粒子的吸附，图案比掩模上的图案窄得多。应当注意的是，获得的线宽是相当均匀的。其均匀度取决于NP的尺寸，因为当NP越小时，能够获得的线条越均匀。然而，较小的NP具有较小的磁偶极子，从而需要较高的永磁场。对于10nm直径的粒子，并且由于三个粒子限定线宽，30nm线条的宽度具有±30％的波动。 
参照图9，例示了包括刻蚀和沉积步骤的ML方法的具体但非限制性示例。通过利用在基板上方产生约100高斯(Gause)的恒定场的永磁体104在基板102的顶部对磁场进行构图。由顺磁性图案制成的掩模100在基板的背面被置于磁体与基板之间。掩模可以是上面通过传统光刻法构图有顺磁性金属的平面，或者是完全覆盖有顺磁性金属的经构图的三维结构。在后者中，基板的形状限定了掩模上的磁场。将整个组装的系统(磁体、掩模和晶片)暴露于包含磁性纳米粒子106的溶液。纳米粒子106根据场中梯度强度组装在基板102上。然后将该系统置于刻蚀机中或蒸发器中，并对基板进行处理。然后移除纳米粒子106。 
为了进行沉积和刻蚀，当利用顺磁性金属对掩模进行构图时利用光刻法，或者利用图中所示的硅片的三维非平面掩模，来制备掩模。在后者情况下，利用光刻法和通过引用合并于此的WO2009/113063中描述的连续离子等离子体刻蚀法制作硅尖阵列， 此后在整个掩模上蒸发顺磁性金属钴层。由于尖的非平面特征在特定点处感生出了的强磁场，因此通过利用非平面掩模，可以获得高密度的高分辨率图案。 
在该具体而非限制性示例中，使掩模保持在薄硅基板(300μm厚)的背面。将永磁体夹持在掩模100的背面，以在硅基板102上形成约100高斯的平均磁场。然后使硅基板102暴露于稳定在水溶液中的10μg ml-1Fe3O4NP(10nm直径)106中。NP的浓度和晶片浸入在溶液中的时间限定了在刻蚀或沉积之后获得的特征的分辨率和均匀度。 
在刻蚀的情况下，将硅基板102置于离子等离子刻蚀机ICP-RIE中，并用SF6气体刻蚀15秒，使用磁性NP 106作为刻蚀掩模，而不使用常用的光刻胶。在完成刻蚀过程之后，对硅基板102进行冲洗并利用热乙醇经声波处理10分钟，然后利用水进行漂洗并通过氮流进行干燥。 
参照图10a，示出了掩模的扫描电子显微镜(SEM)图像，而图10b-10d例示了通过刻蚀基板获得的约100nm直径和100nm高度的硅柱的、以各种放大率(10μm、2μm、100nm)观察到的图案。该过程中使用的掩模是非平面的，并且通过对具有100nm厚钴层的三维的经构图的硅片进行涂敷来生产。 
图11a例示了基于沉积在平坦硅片上的100nm厚钴线条的不同掩模。在图11b-11c中，以两种不同放大率(2μm，250nm)示出了刻蚀图案。在没有对该过程进行优化的情况下获得了图10b-10d和图11b-11c中都示出的结果，因此结构的均匀度不理想。然而，即使在这些条件下，也获得了清晰的结构。如上所述，应当注意的是，不象传统的光刻法中，在本发明的ML技术中，获得的结构与掩模上的那些结构不同。该技术对掩模上的图案所产生的基板上的磁场形状敏感，而不对掩模自身的图案敏感。因此，为获得基板上的图案的特定形状，需要对掩模上的图案的形状进行模拟，以在基板上产生需要的图案。 
图12a-12d呈现了通过利用图11a中所示的掩模施加磁场使基板暴露于NP之后通过对硅进行刻蚀获得的SEM图像。该结果是在暴露时间保持恒定(5分钟)时针对溶液中的各种NP浓度获得的。具体地说，图12a例示了针对10mg ml-1的浓度的刻蚀；图12b是针对1mg ml-1的浓度，图12c是针对300μg ml-1的浓度，而图12d是针对100μg ml-1的浓度。 
如所清楚示出的，类似于传统的光刻法中执行的优化，可以控制并优化结构的再现性和均匀度。 
利用图13a中示出的掩模执行金属沉积。通过在三维构图的硅基板上沉积50nm厚的铬层来制造掩模。当将基板暴露于永磁体和掩模产生的磁场时，磁性NP组装在硅基板上，如图13b-13c所示。在金属沉积之后，在丙酮中经声波处理执行剥离过程5分钟。所得结构示出在图13d-13e中。所得到的结构非常均匀并且可再现。 
应当注意的是，NP倾向于在多层结构中进行组装。应当理解的是，如果基板上组装的NP会形成单层，将不会完全覆盖表面，并且间隔开的空区域会保留在该层中，导致处理的严重不均匀性。多层结构是由开始在基板上的高梯度磁场区域处进行组装的第一组NP感生出的磁场产生。多层簇确保了NP图案的不透明性，从而有益于掩模的均匀性。磁性NP上施加的力由下式给出： 
F = ΔχV ( ▿ · B ) B μ 0 - 1 , - - - ( 1 )
其中，B是通量密度(特斯拉)，Δχ是对象及其环境之间的磁化系数差(对于空气中顺磁性材料为103-105m-3)，V是体积(对于10nm直径的粒子为1x10-19cm3)，而μ0是真空磁导率常数。 
施加在基板上的平均磁场大约10-2特斯拉。在保持较好的均匀性的同时减小图案尺寸，例如线条的宽度，需要利用更小的粒子，例如，2nm的粒子。粒子的尺寸使得能够获得大约20±3nm的线宽。假设NP的磁偶极子与其体积成比例，并且场的梯度将随着场成比例增大，则对2nm粒子起作用所需要的磁场大约为0.1特斯拉。 
在其它实施方式中，磁性图案生成器是基于计算机中使用的硬盘装置的原理，并且能够通过利用磁头改变磁性方向来电子地磁场空间图案。 
在这一点上，参照图14a-14d，将硬盘介质用作磁性图案生成器。图14a是构图到通过利用硬盘介质作为磁性图案生成器制作的金基板上的图案的光学显微镜图像，将类似于硬盘装置中存在的磁头的磁头用于将磁场电子地构图到磁介质上，尤其是构图到硬盘介质上。这可以通过使用软件将图案(例如，在计算机屏幕上构图的图样)转换成构图到磁介质(例如，硬盘介质)上的磁场形状来实现。然后将硬盘介质从硬盘驱动器取出，并用作磁性图案生成器。然后可以将金属或聚合物薄膜沉积在经构图的硬盘介质的顶部。当将硬盘介质用作磁性图案生成器时，于是可以应用根据本发明教导的负或正的磁光刻法将磁性纳米粒子用来覆盖薄膜。在对薄膜进行构图之后，取下该膜，可以重新使用硬盘。图14b是构图到金基板上的同样的图案在更高的分辨率(20μm)下的SEM图像；图14c-14d是采用高分辨率构图(2μm和20nm)的相同 图案的SEM图像。 
参照图15a，图15a是描述了通过应用根据本发明的教导的正ML对内管表面进行构图的流程图。在该具体但非限制性示例中，内管表面为200μm直径的玻璃管140，该200μm直径的玻璃管140被浸入到双环己烷(BCH)溶液中并且通过巯基丙基三甲氧基硅烷142进行官能化(例如，10mM巯基丙基三甲氧基硅烷室温下4小时)。通过荧光素144和磺酰罗丹明146包覆10nm直径的磁性NP(Fe3O4)。通过磁场使NP与荧光团溶液分离，然后将NP在乙醇中稀释。利用永磁体在管140上施加磁场(例如，大约100高斯)。荧光素标记的磁性NP 144被注入到管中并被吸附在磁场梯度最大的位置处。半小时之后，利用乙醇冲洗该管，并将磁场移到另一位置处。接着，将磺酰罗丹明标记的磁性NP 146注入到管中，并且它们集中在新的位置处。半小时之后，利用乙醇冲洗该管，并用氮对该管进行干燥。该过程得到从吸附在构图的管内的纳米粒子的两个波段观察到的荧光素和磺酰罗丹明二者的荧光。 
图16a是描述了通过应用根据本发明的教导的负ML对内管表面进行构图的流程图。通过氨基丙基三甲氧基硅烷使玻璃管160的内部(例如，200μm直径)官能化(步骤1)(例如，使管在室温下浸入具有10mM氨基丙基三甲氧基硅烷的甲醇溶液中4小时)；然后，在沿着管的一个位置施加磁场161(大约100高斯)，并将包含Fe3O4NP的溶液162(例如，具有1mg ml-1Fe3O4NP)注入到该管中(步骤2)。NP 162在施加磁场161的位置被排列为环形。在下一步骤，N-羟基丁二酰亚胺-生物素(NHS-生物素)溶液(例如，具有1mg ml-1NHS-生物素)与氨基官能的构图表面反应例如1小时。覆盖有NP 162的位置被保护起来，因此不与NHS-生物素反应(步骤3)。该过程导致用于生物素化的在表面上没有覆盖有NP的位置处的选择性位置。由于磁性NP与表面不反应，因此能够通过在移除磁性掩模之后冲洗表面来移除磁性NP(步骤4)。为了演示本方法在对管的内表面进行构图的多个阶段的成功，使所制备的生物素化管在第二位置处暴露于磁场161′。将NP 162注入到管中(步骤5)。然后使基板暴露于磷酸盐缓冲溶液(pH 8)，例如，具有荧光团标记的亲和素((Av-FITC)，例如，5μg 100μl-1Av-FITC)的50mM磷酸盐缓冲溶液(步骤6)。磁性NP再次被磁场吸引并组装于新的位置处。因此，NP下面的生物素基团受到保护并且不与Av-FITC相互作用。 
该负ML过程得到具有如图16b所示的两个带的构图的表面。左带表示负ML， 其中，生物素-NSH分子与内管表面中的胺基之间的反应被阻止，而右带由阻止了已经吸附的生物素分子和溶液中的Av-FITC之间的相互作用的NP得到。第二负ML过程是可逆的，因为移除磁体使得磁性NP释放(步骤7)。随后，这些位置处的生物素基团被解除保护，并且注入到管中的Av-FITC分子能够与所吸附的生物素基团相互作用(步骤8)，如图16b所示。 
因此，本发明提供了以相对小的分子对管的内表面进行构图的能力。对于连续过程，溶液中的反应剂与表面上吸附的反应剂之间的反应被局部化。 
因此，本发明还提供了采用酶对管的内部进行构图的能力。在这一点上，参照图17a-17c，例示了利用本发明的负ML方法在管(200μm直径)内部不同位置处构图的酶脲酶的环。首选，通过氨基丙基三甲氧基硅烷改变管的内表面。在室温下使该管浸入到具有10mM氨基丙基三甲氧基硅烷的甲醇溶液中4小时。接着，将管暴露于多桩(muliti-peg)磁体(例如，感生出大约100高斯的磁场)，并且将磁性NP(例如，1mg ml-1的溶液)注入该管中。磁性NP根据磁性桩感生出的磁场沿管排列，如图17a所示。通过注入0.05MHEPES缓冲溶液(pH 7.3，在有例如在室温下用2小时培养时间的0.01M 1-乙基-3-(3-(二甲氨基)丙基)碳二亚胺(EDC)的情况下包含0.5mgml-1脲酶(例如，来自刀豆(jack beans)，3型，E.C.3.5.1.5))来实现脲酶到氨基丙基硅烷的共价偶合。随后，脲酶共价结合到没有被磁性NP保护的胺基中。NP被通过对管进行冲洗移除。使包含尿素(例如，0.1M尿素)和pH值指示剂的溶液流过/涌过该管。在对脲酶进行了构图的区域，酶使尿素分解，生成NH3。结果，该区域中的pH值增加，并且指示剂在脲酶结合处使其颜色从红色改变到绿色/蓝色。如图17b中清楚示出的，高pH值区域呈现为在管内部的点。可以基于指示剂的颜色的变化来分析沿管的pH值变化，并在图17c中示出了pH值变化。该实验证明了利用酶在管内部进行构图的能力，并且它提供了使酶和尿素之间的反应局域化的直接证据。 
一旦证明了使酶促反应局限于管内的能力，就可以针对连续酶促反应应用本发明的负ML。在这种情况下，蛋白质葡萄糖氧化酶(GOx)和辣根过氧物酶(HRP)被吸附在管(例如，200μm直径的管)的内表面上的明确限定的位置处，如图18a所示。首选，通过氨基丙基三甲氧基硅烷改变管的内表面。在室温下将该管浸入具有10mM氨基丙基三甲氧基硅烷的甲醇溶液中4小时。接着，将该管暴露于多桩磁体(例如，其感生出大约100高斯的磁场)，并且将磁性NP注入到该管中。根据磁性桩感生出 的磁场使磁性NP沿管排列。通过注入缓冲溶液(例如，0.05M HEPES缓冲溶液(pH7.3，在有例如室温下用2小时培养时间的1-乙基-3-(3-(二甲氨基)丙基)碳二亚胺(EDC)的情况下(例如，0.01M EDC)包含0.5mg ml-1GOx(例如，来自黑曲霉(Aspergillus niger)，E.C.11.3.4))来实现GOx到氨基丙基硅烷基的共价偶合。随后，GOx共价结合到没有被磁性NP保护的胺基中。 
通过对管进行冲洗来移除NP。接着，执行ML的二次循环，以由磁性NP利用在GOx结合位点感生出磁场的多桩磁体来保护GOx结合位点。然后，通过注入缓冲溶液(例如，0.05MHEPES缓冲溶液)(在有EDC(例如，0.01M EDC，在室温下用2小时的培养时间)的情况下包含0.3mg ml-1HRP(E.C.111.1.7))来执行HRP到氨基丙基硅烷的共价偶合。随后，HRP与位于GOx结合位点之间的氨基共价结合。通过向管中注入具有2，2，5，5’四甲基-联苯胺(TMB)的葡萄糖来开始管中的连续酶促反应。TMB被溶解在乙醇中，然后利用0.1M缓冲磷酸盐(pH 6.0且具有50mM葡萄糖)稀释，以生成包括1mM TMB和2％(v/v)乙醇的葡萄糖溶液。葡萄糖被GOx和O2氧化，生成葡萄糖酸和H2O2。H2O2扩散到HRP结合位点处，并且HRB通过H2O2生物催化TMB的氧化，生成不溶的产物。 
图18b示出了通过HRP的位置处的不溶产物的成份所生成的点表示的连续酶促反应的结果。一组控制实验证明了仅在所有组份存在时，即，GOx和HRP都被吸附并且葡萄糖和TMB都溶解在该溶液中时，才生成该不溶产物。 
因此，本发明提供了对管的内部进行构图并且将所构图的基板用于在空间上被局部化的区域中催化溶液反应中的反应的能力。 

Claims (53)

1.一种对基板进行构图的方法，该方法包括以下步骤：
提供至少一个磁性图案生成器，该至少一个磁性图案生成器被配置为可操作用于根据期望图案调制磁场，以使所述磁场的磁性能改变；
在所述基板附近施加经调制的磁场，由此在所述基板顶部生成要获得的相互作用区域的特定图案；以及
使所述基板与磁性粒子相互作用，同时在施加所述经调制的磁场的情况下，所述磁性粒子被吸引到所述特定图案所限定的选定相互作用区域，同时基本不被吸引到所述相互作用区域外部的区域，由此在所述基板的顶部形成与所述磁性粒子相互作用的区域的所述特定图案。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述期望图案对应于针对预定磁场分布曲线的、并位于距所述磁性图案生成器预定距离处的所述特定图案，其中样本位于所述预定距离处。
3.根据权利要求1到2中任意一项所述的方法，其中，所述磁性图案生成器是置于产生所述磁场的磁体和所述基板之间的掩模，所述掩模位于所述基板的顶面或背面。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述掩模是由导电线制成的动态掩模，而在通过所述导电线施加电流的情况下，在所述导电线附近形成磁场。
5.根据权利要求4所述的方法，该方法包括在所述导电线上连续地切换电流，以切换导致连续的构图的磁场。
6.根据权利要求1到5中任意一项所述的方法，其中，所述磁性粒子是铁磁性纳米粒子。
7.根据权利要求1到6中任意一项所述的方法，该方法还包括通过移除所述磁场的效应来移除所述磁性粒子。
8.根据权利要求1到7中任意一项所述的方法，其中，利用正光刻法在所述基板上形成与所述磁性粒子相互作用的区域的图案。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述磁性粒子经由与所述基板的化学识别与所述基板相互作用。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述磁性粒子经由与所述基板的生物识别与所述基板相互作用。
11.根据权利要求1到7中任意一项所述的方法，其中，利用负光刻法在所述基板上形成与所述磁性粒子相互作用的区域的图案。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述磁性粒子与所述基板不反应，阻挡所述基板上的所述选定相互作用区域与反应剂发生反应。
13.根据权利要求11和12所述的方法，该方法还包括使反应剂与所述基板相互作用；所述磁性粒子阻挡所述反应剂与所述基板的结合，并且通过移除所述磁场的效应来移除所述磁性粒子，形成负构图的基板。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，通过物理上移开所述磁性图案生成器来移除所述磁性粒子。
15.根据权利要求11所述的方法，该方法还包括以下步骤：经由化学识别和/或生物识别使第一反应剂与所述基板相互作用；使所述第一反应剂所覆盖的所述基板与被吸引在所述选定相互作用区域的磁性粒子相互作用；使第二反应剂与所述基板相互作用；所述磁性粒子阻挡所述第一试剂与所述第二反应剂之间的识别；以及移除所述磁性粒子，形成负构图的基板。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第一反应剂包括催化剂，形成所述催化剂的经构图的区域，由此使用经构图的基板催化在空间上被局部化的区域中的至少一个化学反应。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述催化剂包括酶，使得所述化学反应是酶促反应。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述催化剂的所述经构图的区域包括在预定点处。
19.根据权利要求15到18中任意一项所述的方法，其中，所述第一反应剂包括第一酶，而所述第二反应剂包括第二酶，由此导致连续的酶促反应。
20.根据权利要求1到19中任意一项所述的方法，该方法包括以下步骤：提供第二磁性图案生成器，该第二磁性图案生成器被配置为可操作用于根据第二期望图案提供施加在该第二磁性图案生成器上的磁场的磁性变化性能；通过所述第二磁性图案生成器向具有所述特定图案的所述基板的附近施加磁场，由此在所述基板的顶部上形成磁场的第二图案；以及使磁性粒子与所述基板相互作用，同时在施加所述磁场的情况下，所述粒子被吸引到所述第二期望磁性图案限定的第二选定相互作用区域，在具有所述特定图案的所述基板顶部形成与所述粒子相互作用的间隔开的区域的第二图案。
21.根据权利要求1到20中任意一项所述的方法，该方法包括将所述基板浸入到溶液中。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述溶液包含以下中的至少一项：磁性粒子、以及一种或更多种反应剂。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述反应剂包括生物分子。
24.根据权利要求1到23中任意一项所述的方法，其中，所述基板利用自组装单层进行官能化。
25.根据权利要求1到24中任意一项所述的方法，其中，所述基板具有非平面表面。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述基板是管，所述粒子被吸引在所述管的内表面上的由所述期望图案限定的选定相互作用区域处，由此在所述基板的内表面形成与所述粒子相互作用的区域的图案。
27.根据权利要求1到26中任意一项所述的方法，该方法包括对所述基板的连续区域顺序地施加所述磁场。
28.根据权利要求1到27中任意一项所述的方法，该方法包括以下步骤：向所述基板附近施加所述磁场的梯度，使所述基板与所述磁性粒子相互作用，形成与磁性粒子的浓度梯度相互作用的区域的图案，该浓度梯度与所述磁场的梯度的强度相对应。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，与所述磁性粒子的浓度梯度相互作用的区域的所述图案具有比所述磁场的所述梯度的相应特征尺寸更窄的特征尺寸，使得经构图的基板的特征小于通过所述磁性图案生成器形成的磁场性能的图案的特征。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述经构图的基板的特征为亚微米量级。
31.根据权利要求1到30中任意一项所述的方法，该方法包括选择所述磁性粒子的尺寸和相应的磁场，以获得均匀的图案。
32.根据权利要求29到31中任意一项所述的方法，其中，通过适当选择施加所述磁场的持续时间和所述磁性粒子的浓度来控制所述图案的特征和均匀度。
33.根据权利要求1到32中任意一项所述的方法，其中，通过磁性介质实现所述施加磁场的步骤；所述方法包括以下步骤：可控地改变所述磁场的磁方向，由此电子地获取所述磁性介质上的磁场空间图案；在经构图的介质的顶部沉积膜；使被所述膜覆盖的所述磁性介质与磁性粒子相互作用，由此在所述磁性介质的顶部形成经构图的膜。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，电子地获取所述磁场空间图案的步骤包括：应用计算机算法，以将预定数据图案转换成所述磁性介质上的磁形状。
35.一种制造微电子器件的方法，该方法包括：权利要求1-34中所述的方法；将所述基板置于刻蚀机上特定时间，将与所述粒子相互作用的区域的所述图案用作刻蚀掩模，并通过移除所述磁场的效应来移除所述磁性粒子，由此形成经刻蚀区域的图案。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，所述经刻蚀区域的图案具有比所述磁场的所述梯度的相应特征尺寸更窄的特征尺寸，使得所述基板上的图案的特征尺寸小于通过所述磁性图案生成器形成的图案的特征尺寸。
37.一种构图结构，该构图结构由根据权利要求1到36中任意一项所述的方法制造。
38.一种对基板进行构图的装置，该装置包括：磁性源，用于产生磁场；以及至少一个磁性图案生成器，其被配置成根据与要在所述基板上获得的特定图案相对应的期望图案对所述磁场进行调制，以提供所述磁场的磁性变化性能。
39.根据权利要求38所述的装置，其中，所述期望图案对应于针对预定磁场分布曲线的、并位于距所述磁性图案生成器预定距离处的所述特定图案，其中样本位于所述预定距离处。
40.根据权利要求38或39所述的装置，其中，所述磁性图案生成器是置于产生所述磁场的磁体和所述基板之间的掩模，所述掩模位于所述基板的顶面或背面。
41.根据权利要求40所述的装置，其中，所述掩模是由导电线制成的动态掩模，而在通过所述导电线施加电流的情况下，在所述导电线附近形成磁场。
42.根据权利要求40所述的装置，其中，利用以下线中的至少一种对所述掩模进行构图：抗磁性线、顺磁性线和铁磁性线。
43.根据权利要求40到42中任意一项所述的装置，其中，所述掩模是非平面结构。
44.根据权利要求38到43中任意一项所述的装置，其中，所述磁性源是永磁体。
45.根据权利要求38到43中任意一项所述的装置，其中，所述磁性源是多桩磁体。
46.根据权利要求38到45中任意一项所述的装置，其中，所述基板是管，所述粒子被吸引在所述管内部由所述期望图案限定的选定相互作用区域处，由此在所述基板的内表面形成与所述粒子相互作用的区域的图案。
47.根据权利要求46所述的装置，其中，所述磁性源是围绕所述管的磁体。
48.根据权利要求46或47所述的装置，其中，所述管被配置为可操作用于管反应器，使得能够在所述管反应器内执行连续的反应。
49.根据权利要求38到48中任意一项所述的装置，该装置包括控制单元，其被配置为可操作用于控制磁性图案生成器的操作，以形成与要在所述基板上获得的所述特定图案相对应的磁场空间图案。
50.根据权利要求49所述的装置，其中，所述掩模包括通过所述磁性源进行构图的磁性介质，该磁性源被所述控制单元操作，以改变施加到所述磁性介质上的磁场的磁方向，使得能够电子地获取所述磁场空间图案。
51.根据权利要求50所述的装置，其中，所述控制单元包括处理器，该处理器被预编程为将预定数据图案转换成所述磁性介质上的磁分布曲线。
52.根据权利要求49所述的装置，其中，所述磁性介质包括硬盘介质。
53.根据权利要求38所述的装置，其中，所述至少一个磁性图案生成器包括经构图的磁性介质。
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