CN103180055B - 制备具有受控的纳米级粒子覆盖率的表面的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及纳米表面和特别是梯度基纳米表面。根据本发明的实施方案，一种表面结合梯度是通过沿着平面表面分布的纳米粒子来产生的。这种程序明显的降低了所需要制备的表面的数目，以及吸附和附着现象分析的方法误差。

Description

制备具有受控的纳米级粒子覆盖率的表面的方法
发明领域
本发明通常涉及表面化学领域。更具体的，本发明涉及具有纳米尺寸性能的表面。
发明背景
固体表面与活的生物组织的相互作用问题是在医学技术领域中，例如生物材料、生物传感器、和受控的给药中重复的主题。其他应用领域是食品加工技术和生物技术加工化学、其中存在着与生物产生的物质期望的或者不期望的相互作用的领域。因此，一直需要具有改进的功能和特性的新材料，日益需要适于特定应用领域的试验表面改性。
纳米技术领域在过去几十年内已经取得了重大的进步，这主要归因于这样的事实，即，结构尺寸为1-1000nm的纳米结构化材料在优化与生物流体和活体组织的相互作用方面具有非常令人感兴趣的性能。本专利申请的核心是最近出版的论文，其描述了一种制造具有大约10nm的纳米结构的纳米结构化固体表面的方法[1]。该方法包括使得平坦的金表面与硫醇端接的、直链烷烃(二硫醇)反应，来将一个硫醇基团结合到金表面，而另一硫醇端将形成原质硫醇基团的覆盖毯层。
将尺寸8-12nm的带负电金粒子的稳定胶体溶液与所述表面接触，并且将该金粒子吸附到前述的原质硫醇基团上。已经观察到吸附粒子之间的距离可以通过改变吸附过程中所用的柠檬酸盐缓冲液的离子强度来进行控制。当缓冲液的摩尔浓度(浓度)在10-0nM变化时，距离(中心到中心)会在10-100nm变化，这是通过用扫描电镜(SEM)的目测试验来判断的。类似的结果已经更早的在表面带电的聚合物粒子的静电稳定的溶液到矿物表面例如玻璃、二氧化硅或者云母上的粒子吸附试验中得以证明[2-5]。另外，类似的结果还已经在带负电的金表面纳米粒子从静电稳定的溶液到玻璃表面或者二氧化硅表面(其由于化学改性而带正电)上的吸附中已经提出[6]。
静电控制的粒子吸附的原理表示在图2中。将含有表面带电的纳米粒子200的静电稳定的溶液202施涂到烧杯201中(图2A)。将制备表面203引入到该容器中(图2B)，并且使粒子200依靠静电、半共价、共价或者其他类型的键合来结合到表面203上，这导致在一段时间后获得了稳定的吸附(图2C)。这些粒子彼此间具有某些距离r。
这种条件代表了用于吸附的终端条件，并且延长的培养时间不会对粒子的表面覆盖率产生任何进一步的影响。当将该表面从粒子溶液中除去时，两个相邻粒子之间的距离可以通过根据DLVO理论的相互作用的成对电势来评估[1，7]，图3。
简言之，成对电势U(r)(这里r是两个粒子间的距离)可以作为来源于粒子间分散力的吸引电势U吸引(r)以及来源于粒子间的静电排斥的排斥电势U排斥(r)之和来计算。
排斥电势的形状可以以不同的形式来计算，但是总是随着所谓的德拜距离而变化，其是粒子表面外的电势下降的近似度量。短的德拜距离表示排斥电势在粒子表面外快速下降。德拜距离依次取决于粒子溶液202的离子强度，并且可以表达为：
κ - 1 = [ ϵϵ 0 kT 1000 e 2 N A 2 I ] 1 / 2
这里ε是相对介电常数，ε0是真空介电常数I，k是Boltzmann常数，T是温度，e是元电荷，NA是阿伏加德罗常数和离子强度是：
I = 1 2 Σ i = 1 n c i z i 2
这里ci和zi是溶液中i离子的摩尔浓度和电荷。
德拜距离和排斥电势的范围因此随着胶体溶液202中的离子浓度的增加而降低。这意味着当满足下面的条件时，对于更小的r来说，每个粒子可以更紧密的结合到表面上的其他粒子上。
U ( r ) kT = 1 λ
这里U(r)是成对电势，kT是热能和λ是常数。
如上面和[1，8]中所述的用二硫醇和金纳米粒子制备的表面已经被用于生物试验中。在这些试验中，粒子间的空间是用共轭的马来酰亚胺试剂来排斥蛋白质的，其快速地共价键合到二硫醇基团上。该马来酰亚胺是与聚乙二醇(PEG)共轭的，其导致粒子间的空间对于蛋白质和细胞来说变成排斥性的。吸附的金粒子上的表面随后可以用硫醇试剂例如具有甲基的硫醇来改性，其赋予了该吸附的金粒子疏水特性。以此方式制造的金粒子的表面在纳米范围内具有非常高的受控化学结构和物理组织，其使得这样的表面很适于不同种类的附着研究。所述的方法对于附着研究是非常灵活的，这归因于相对大量的市售的具有马来酰亚胺功能的物质(其能够在吸附的粒子间结合)以及硫醇试剂(其能够结合到吸附的金粒子上)。
已经进行了类似的试验，这里通过所谓的“浸涂”工艺将聚合物稳定的金纳米粒子施用到二氧化硅和玻璃表面上[9]。要注意的是这种方法没有利用粒子间的静电排斥来控制它们在整个表面上的铺展，而代之以通过在溶液中包围粒子的聚合物结构来限定所述距离。这些粒子和吸附表面之间的相互作用是弱的，这就是为什么粒子在吸附后必须烧结在基底中，其是这样的方法，在其中包围性聚合物也从表面消失。金粒子周围的表面因此变成下面的二氧化硅基底，其可以用官能化硅烷例如PEG改性的硅烷进行改性，这使得这种表面能够抗生物附着。粒子表面可以用硫醇试剂改性，例如共轭到所谓的RGD-肽(一种氨基酸序列，其调节细胞间的相互作用)上的硫醇。
在这个试验中，还描述了静电稳定的溶液中的聚合物粒子吸附到带电矿物表面上，并且根据上面的说明书，吸附的粒子间的距离已经用静电排斥来控制[10]。该吸附的表面具有本来的净电荷，或者通过化学改性例如用官能化硅烷改性来带电。表面和粒子之间的键主要是静电性质的。具有吸附的聚合物粒子的表面已经被用作平版印刷模板，使用该模板，聚合物粒子覆盖的部分表面被转化成尺寸为10-1000nm的金的孤岛，其被基底表面材料所包围。该包围性基底表面然后例如用聚-L-赖氨酸-PEG来改性。赖氨酸是带正电的聚合物，其被吸附到带负电的表面上，并且当用PEG共轭时，在某些情况中使得这些表面抗生物附着。该金表面然后可以用硫醇试剂例如直链烷烃硫醇改性，其使得该金表面疏水。蛋白质例如蛋白质层粘连蛋白可以吸附到这些疏水表面。这样的表面已经被用于研究细胞增殖和表面相互作用。
全部上述工艺可以用于研究表面纳米结构对于附着过程的重要性，并且可以作为平台用于设计具有期望的生物特性的材料。
大部分附着研究是在具有恒定的化学结构的表面上进行的。当研究一种类型的表面改性的重要性时，通常的实践是使用几个制备表面来独立地分析附着现象。但是，这种程序是耗时和耗劳动力的，因为对于每个系列试验必须制备几个制备表面。另外，测量的方法误差会是相对大的，这意味着旨在研究的附着现象的解释会是不正确的或者遗漏的。
一种用于限制这种方法误差和降低制备表面的时间消耗的方法是在表面上产生化学特性中的梯度。这样的方法的一个例子是所谓的“可润湿性梯度”，一端疏水和另一端亲水的表面[11]。在这些端点之间，发现了受控的和连续的化学特性梯度。这种类型的表面梯度明显降低了制备时间以及方法误差，并且经常用于学术研究中[12-14]。
在表面上制备连续化学梯度的几个方法是已知的，它们之一是公知的扩散方法，图1。在这种情况中，方法的作用是这样，即，将试剂001例如甲基氯硅烷在高密度溶剂002例如三氯乙烯乙酸酯(三-)中混合。该混合物然后在不同的低密度溶剂003例如二甲苯下层化。在这些层之间是表面004，例如在其上将形成梯度的玻璃。在溶剂开始彼此扩散的时间中，这里同样试剂组001也扩散和结合到表面004上。在特定的扩散时间，在亲水玻璃表面上发生了疏水甲基的键合梯度[11]。有多少试剂结合到表面的某个位置上，和因此这个位置上的疏水性是多少是通过在这个位置的表面上试剂组001的浓度与在其过程中表面已经曝露于该试剂溶液的时间相结合来确定的。这意味着所获得的梯度的特性是通过动态控制来确定的。
用上述方法来制造粒子密度上的均匀梯度应该是困难的，因为纳米粒子从静电稳定的溶液到表面(其结合了这些粒子)上的结合通常是一种与粒子的扩散速率相比非常快的过程。与小分子例如甲基氯硅烷的扩散速率相比，这是低的。已经尝试通过改变粒子浓度和培养时间来控制表面上的纳米粒子间距离，这里纳米粒子已经从静电稳定的溶液吸附到结合性表面上，其显示了难以控制粒子的低密度梯度。同样，该粒子没有表现出与上述的它们在静电控制吸附之后相同的表面上的组织一致性[6，15]。
最近，已经公开了金粒子在二氧化硅基底上的梯度，这里键合粒子的结构化是良好的[16]。在[16]中所述的这种梯度是根据改进的“浸涂”方法来制造的，但是没有使用静电控制或者扩散梯度。所获得的梯度具有受限的动态，并且最小的粒子距离是大约50nm。该梯度是在粒子和该粒子顶上的RGD肽之间用PEG来化学改性的。该梯度表面随后用于研究细胞附着的试验中。通常，这个公开文献公开了由于上述原因，制造金粒子的表面键合密度梯度是令人感兴趣的。但是，根据[16]中生产梯度的技术方案明显比本发明更复杂。
发明内容
因此，本发明优选寻求减弱、减轻或消除一种或多种的本领域上述的缺陷和单个或任意组合的不足，并且通过提供一种根据附加权利要求的方法、表面、产品和用途来解决至少上述问题。
根据第一方面，提供了一种用于制备沿着固体表面的连续梯度沉积的和带电荷的纳米粒子的方法，其中每单位面积的表面上沉积的和带电荷的纳米粒子的数目在该表面的一端上是相对高的，并且在该表面的相对端上是相对低的。在沉积时，沉积粒子之间的距离是通过溶液中的纳米粒子之间的静电排斥来调节的。溶液中的粒子的静电排斥度是通过将盐溶液扩散到包含纳米粒子的溶液中来获得的。
这是有利的，因为它能够在表面上形成改进的梯度的纳米粒子。
盐溶液的扩散可以通过在一层包含纳米粒子的基本上无盐的溶液下以相对高的密度和浓度来形成一层盐溶液来获得，而且连续梯度是通过盐溶液中的盐的扩散时间和浓度来调节。
在一种实施方案中，盐溶液的扩散可以是如下来获得的：将盐溶液保持在存储器中，与纳米粒子悬浮液接触，所述的悬浮液进一步包含基质，其允许纳米粒子扩散，但是阻止对流，和将纳米粒子悬浮液与固体表面接触。
这是有利的，因为它能够在两个维度上形成梯度。
该纳米粒子可以由金属、陶瓷例如玻璃或聚合物材料组成。
该固体表面可以由金属、陶瓷例如玻璃或聚合物材料组成。
纳米粒子和表面之间的键合力可以包含共价键、库仑相互作用、金属键、范德华键、氢键、偶极-偶极键或者离子-偶极键。
在一种实施方案中，该表面是具有键合的二硫醇试剂的金，和该纳米粒子共价键合到该金表面上所键合的二硫醇分子的硫醇基团上。
在一种实施方案中，将带负电荷、但是非表面结合性粒子与表面结合性纳米粒子进行混合。
这是有利的，因为它能够改进分散和防止形成表面结合性纳米粒子的簇。
该方法可以进一步包含将第一单独表面和第二单独表面增加到所述表面上，其中该第一单独表面具有类似于纳米粒子的表面化学，和该第二单独表面具有类似于所述表面的表面化学。
在一种实施方案中，将刻度线增加到表面上。
这种方案的优点是它能够简化附着分析的微观分析。
根据第二方面，提供了一种表面，其具有连续梯度沉积的和带电荷的纳米粒子。
该梯度长度可以是1mm-50mm。
该纳米粒子的平均直径可以是10-60nm。
该纳米粒子间的平均距离在梯度的一端可以是大约10-60nm而在梯度的另一端是大约100-150nm。
在一种实施方案中，该梯度是线性的。
该纳米粒子和/或所述表面可以由金属、陶瓷例如玻璃或者聚合物材料组成。
该纳米粒子和/或所述表面可以具有共轭到它们上的化合物。该化合物可以选自二硫醇基团、硫醇基团例如甲基端接的、氨基端接的、酸端接的、肽端接的、糖类共轭的或者PEG共轭的硫醇、或者硫醇硅烷；PEG例如聚-L-赖氨酸-PEG、PEG改性的硅烷、马来酰亚胺-PEG；和氨基硅烷。
根据第三方面，提供了一种用于分析附着现象的装置，其包含根据第二方面的梯度表面、第一单独表面和第二单独表面，其中这些表面是分离的，并且该第一单独表面具有类似于纳米粒子的表面化学，和该第二单独表面具有类似于所述表面的表面化学。
该纳米粒子、所述表面、第一单独表面或第二单独表面可以具有共轭到它们上的相同或者不同的化合物，其中该化合物可以选自硫醇基团例如甲基端接的、氨基端接的、酸端接的、肽端接的、糖类共轭的或者PEG共轭的硫醇、或者硫醇硅烷；PEG例如聚-L-赖氨酸-PEG、PEG改性的硅烷、马来酰亚胺-PEG；和氨基硅烷。
根据第四方面，提供了根据第二方面的表面或者根据第三方面的装置的用途，其用于附着分析。
该分析可以基于表面等离子体共振(SPR)、电化学、光学显微学或者扫描电子显微镜学(SEM)。
本发明提供了优于现有技术的优点，即，它能够在表面上形成改进的梯度的纳米粒子。
附图说明
本发明能够获得的这些和其他方面、特征和优点将从本发明以下实施方案的说明，附图参考而变得显而易见和阐明，在其中
图1和2是现有技术的方法图示；
图3是DLVO理论的物理图示；
图4是根据一种实施方案的方法图示；
图5是根据另一种实施方案的方法图示；
图6-10是实施方案的图示；
图11是根据本发明实施方案的表面的概观，用SEM分析；
图12表示了用SPR分析的两种梯度的结果；
图13是根据一种实施方案的梯度的行扫描，以及用于正对照表面的行扫描；和
图14-16是根据本发明实施方案的分析结果。
实施方案的说明
本发明的几个实施方案将在下面根据附图来更详细的描述，以使本领域技术人员能够实施本发明。但是，本发明可以体现为许多不同的形式，并且不应当解释为对这里所阐明的实施方案的限制。更确切些，提供这些实施方案来使得本公开将是透彻和完整的，并且将本发明的范围完全地传达给本领域技术人员。该实施方案不限制本发明，而本发明仅仅受限于附加的专利权利要求。此外，在附图所示的具体实施方案的详细说明中所用的术语目的并非本发明的限制。
根据本发明的一方面，提供了一种方法，用于方便的制造具有一定梯度并吸附有纳米粒子的表面。在一种实施方案中，该方法可以如下来描述。
1.一维扩散
在根据图4的实施方案中，将平面203(其具有结合来自静电稳定粒子溶液的表面带静电的纳米粒子200的能力)置于小瓶401中。然后将具有表面带电粒子200的无盐或者几乎无盐的溶液402加入到该小瓶中。将具有相对高密度的盐溶液403在无盐溶液402下以一定的方式仔细地层化，以使得与溶液403和402之间的重力相关的相水平与表面203的下部水平。及时的，盐溶液403将扩散到无盐溶液402中从而以此形成离子强度的梯度。
如本领域技术人员所理解的，该表面不需要是平面，而是可以具有任意一种曲率或形状。
当缓冲液中接近表面203的离子强度增加时，粒子间与静电有关的排斥降低。该粒子因此逐渐彼此更靠近地吸附到表面上，并且最高密度的粒子最接近于溶液402和403之间的初始相水平。最低密度的粒子处于小瓶的上层，在这里离子强度较低，并且因此静电排斥最高。在受控的扩散时间之后，溶液通过下面相同的管404从小瓶中排空，其是当在含粒子的无盐溶液402下层化盐溶液403时使用的。
在不存在对流和从所述表面的较低水平(x=0mm)到小瓶底部的距离是足够的时，而且从所述表面较低的水平(x=0mm)到无盐溶液402表面的距离是足够的时，而且在不允许扩散持续太长时间时，所述溶液中的盐浓度在表面203上的逐渐分布可以在一维上用菲克第二扩散定律描述：
∂ c ∂ t = D ∂ 2 ∂ x 2 c
其中，对于上述条件：
c ( x , t ) = 1 2 c 0 ( 1 - erf x 2 Dt )
这里c是摩尔盐浓度，x是在小瓶中与x=0有关的位置(其与表面203的较低水平一致)，t是扩散时间，c0是溶液403在t=0时的盐浓度，和D是所讨论的盐的扩散常数。
这意味着所获得的粒子梯度的长度和斜率可以通过改变初始盐浓度c0和扩散时间t来改变，这赋予该制造方法大的灵活性。
图5所示的本发明进一步发展使用了小瓶501，其使得几个表面以与图4所述扩散相同的程序来使用。这种方法的一个优点是小瓶中的全部表面将曝露于相同的金粒子溶液，盐溶液的摩尔浓度，和扩散时间。这确保了表面可以在相同的制备中以高的一致率来制备。
与图1和更早的公开文献[11]中所述有关的扩散方法与本发明所述具有技术类似性，但是在几个关键方面上不同。最重要的差异是：所述组分纳米粒子(其将结合到所述表面上)是作为恒定浓度存在的，并且不扩散为梯度；扩散的盐不结合到该表面上；产生梯度的因素(纳米粒子间的梯度静电排斥)是在溶液中的纳米粒子上发生的，而非在表面上。
2.二维扩散
使用一维扩散方法，梯度表面是在一维上获得的，例如在该梯度的一端上具有高密度的键合粒子，而在另一端上具有较低密度。在根据图6的一种实施方案中，描述了在表面上制造圆形梯度的粒子。图6A是侧视图，图6B是顶视图。
将平面203置于皮氏培养皿601的底部上。将一种无盐或者几乎无盐的悬浮液602(其包含纳米粒子和基质，该基质允许纳米粒子扩散，但是同时防止了对流)倾倒到该皮氏培养皿中。这样的悬浮液可以由多糖的水溶液组成，其含有粒子形式例如用于凝胶过滤的凝胶粒子例如Sephadexg-25或者类似材料。在将游离溶剂例如水从平面悬浮液层除去后，将存储器603例如圆片吸墨纸置于该悬浮液上。存储器603事先用高摩尔浓度的盐溶液403进行了填充，例如通过将吸墨纸浸泡到这样的溶液中来填充。因此这种系统是给定扩散时间的。溶液403将在悬浮液602中扩散，并且该圆形扩散前端将在不久后到达表面203，其最后将产生具有放射状浓度梯度离子的圆形表面。最后，将悬浮液602用溶剂例如水冲洗掉。最终的结果是吸附粒子的圆形表面，该粒子在所述表面的中间密度是最高的，而朝着周边是最低的。
所述本发明的一个重要方面是分析动力学，其是具有最高数目的吸附粒子/单位表面的表面梯度的部分与具有最低数目的吸附粒子/单位表面的相同梯度表面的部分之间的范围。这个范围越大，在附着和吸附试验中可以获得更多的分析信息。一种误差的方法来源会是在无盐溶剂（例如水）中低浓度的电粒子具有以不可预知的图案不规则地结合到表面上的倾向。这样的不规则图案使得另外的附着和吸附试验更难以解释。在根据图6C的一种实施方案中，提供了一种用于防止形成不规则图案的方法。该方法包含将带电荷的、表面结合性粒子200与带电荷的粒子604(其不结合到表面203上)进行混合。后者粒子的功能是改进带电的和结合性粒子在溶液中的分散，来使得结合图案不会变得不规则。
典型的试验和评价方法
具有键合粒子的梯度面积通常是1-50mm，例如1-10mm。在这个表面上可以进行生物聚合物的吸附试验和细胞的附着试验。试验结果因此会与每单位面积上的键合纳米粒子的连续梯度有关。在简单的生物聚合物吸附试验中，可以使用表面敏感的、光学方法。在包括全细胞的试验中，光学显微镜方法可以用于详细研究细胞以及荧光显微镜法可以用于研究细节。
在本发明的一个应用，图7中，将粒子梯度施用到表面700上，刻度已经增加到该表面上，来促进通过显微镜的分析。该刻度线可以是垂直线702、水平线703或径向线的704。刻度和刻度线可以处于不同的范围，来适应不同类型的分析例如用于目测分析的mm范围或者用于光学显微镜方法或者SEM分析的10-500微米的范围，其描述在图7B，705中。刻度线的组成可以是完全或者部分雕刻穿过粒子结合的表面例如二硫醇改性的金表面，以便曝露下面的基底例如玻璃或者二氧化硅。可选择的，该刻度线可以是脊，例如在金中，在粒子结合表面例如硫醇硅烷改性的玻璃或者二氧化硅表面上。该表面图案优选是用照相平版印刷技术来制造。
在本发明的另一应用，图8中，纳米粒子梯度表面203或者700存在于芯片表面800例如载玻片上，连同两个另外的单独表面801和802。根据两个实施方案，图8A是顶视图，图8B和8C是侧视图。该两个另外的单独表面是以这样的方式来化学改性的，即，其中一个表面802被赋予与纳米粒子的表面相同的表面化学，然而另一表面801被赋予与梯度中包围粒子的表面相同的化学。当全部三个表面存在于生物试验（例如细菌吸附）中时，操作者可以通过显微镜检查细菌是否吸附到梯度表面的区域上。该操作者还获得了关于细菌如何吸附到表面(该表面不包含纳米粒子，但是仅仅是未混合的表面化学)上的信息。以此方式，操作者能够确定细菌的附着是否与纳米粒子存在与否有关，以及哪些粒子密度是吸附所必需的。不同的表面203/700，801，802可以借助于隔离物803在芯片800上隔开，目的是促进所述表面的使用和制作。隔离物可以由在芯片800上的表面203/700，801和802之间的雕刻或者空间以曝露出下面的基底804的方式来构成。可选择的，该隔离物可以由表面203/700，801和802之间的脊组成，特别是这里粒子梯度已经施用到下面基底804的那些情况中。
本发明的一个应用是一种产品，例如包含表面的芯片，例如具有上述三个表面的载玻片；1.金纳米粒子梯度表面，这里该金纳米粒子梯度是在二硫醇改性的金表面上制造的，在其上粒子间的游离二硫醇已经与马来酰亚胺-PEG反应，并且该粒子表面已经与官能化硫醇例如甲基端接的、氨基端接的、酸端接的或者肽端接的硫醇反应；2.金表面，其已经是改性的二硫醇和马来酰亚胺-PEG；3.金表面，其已经用与粒子表面相同的官能化硫醇进行了改性。
本发明的一个应用是一种包含表面的产品，例如具有上述三个表面的载玻片；1.金纳米粒子梯度表面，这里该金纳米粒子梯度是在二硫醇改性的金表面上制造的，在其上粒子间的游离二硫醇已经与马来酰亚胺共轭的分子，例如甲基端接的、氨基端接的、酸端接的或者肽端接的分子、磷酸化的分子、杂环化合物、芳烃、羰基化物、糖、无机物、含金属的粒子反应，并且该粒子表面已经与PEG共轭的硫醇反应。2.金表面，其已经用二硫醇和马来酰亚胺共轭的分子，例如甲基端接的、氨基端接的、酸端接的或者肽端接的分子改性；3.金表面，其已经用与粒子表面相同的官能化硫醇进行了改性。
本发明的一个应用是一种包含表面的产品，例如具有上述三个表面的载玻片；1.金纳米粒子梯度表面，这里该金纳米粒子梯度是在二硫醇改性的金表面上制造的，在其上粒子间的游离的二硫醇已经与马来酰亚胺-PEG反应；2.金表面，其已经是改性的二硫醇和马来酰亚胺-PEG；3.纯金表面。使用这种产品，操作者能够选择应当使用的硫醇试剂。
有大量的能够影响附着的市售硫醇，例如用氨基共轭的硫醇、单和多糖。
本发明的一个应用是一种包含表面的产品，例如具有上述三个表面的载玻片；1.金纳米粒子梯度表面，这里该金纳米粒子梯度是在二硫醇改性的金表面上制造的；2.金表面，其已经是改性的二硫醇；3.纯金表面。使用这种产品，操作者能够选择要键合到粒子间的马来酰亚胺试剂和要键合到粒子上的硫醇试剂二者。因此进一步提高了试验改变的可能性。
本发明的一个应用是一种包含表面的产品，例如具有上述三个表面的载玻片；1.金纳米粒子梯度表面，这里该金纳米粒子梯度是在硫醇硅烷改性的玻璃或者二氧化硅表面上制造的，这里粒子间游离的硫醇硅烷已经与马来酰亚胺PEG反应，和这里粒子上的表面已经与官能化硫醇，例如甲基端接的、氨基端接的、酸端接的或者肽端接的硫醇反应；2.玻璃或者二氧化硅表面，其已经用硫醇硅烷和马来酰亚胺-PEG改性；3.金表面，其已经用与粒子表面相同的官能化硫醇进行了改性。
本发明的一个应用是一种包含表面的产品，例如具有上述三个表面的载玻片；1.金纳米粒子梯度表面，这里该金纳米粒子梯度是在硫醇硅烷改性的玻璃或者二氧化硅表面上制造的，这里粒子间的游离硫醇硅烷已经与马来酰亚胺PEG反应；2.玻璃或者二氧化硅表面，其已经用硫醇硅烷和马来酰亚胺PEG改性；3.未改性的金表面。使用这种产品，操作者能够选择要使用的硫醇试剂。
本发明的一个应用是一种包含表面的产品，例如具有上述三个表面的载玻片；1.金纳米粒子梯度表面，这里该金纳米粒子梯度是在硫醇-或者氨基硅烷改性的玻璃或者二氧化硅表面上制造的，这里粒子下和粒子间的硅烷已经以这样的方式被除去，例如通过等离子体处理被除去，来将粒子在玻璃或者二氧化硅表面上烧结，这里粒子间的表面已经与PEG-硅烷反应和粒子的表面已经与官能化硫醇，例如甲基端接的、氨基端接的、酸端接的或者肽端接的硫醇反应；2.玻璃或者二氧化硅表面，其已经是改性的PEG-硅烷；3.金表面，其已经用与粒子表面相同的官能化硫醇进行了改性。
本发明的一个应用是一种包含表面的产品，例如具有上述三个表面的载玻片；1.金纳米粒子梯度表面，这里该金纳米粒子梯度是在硫醇或者氨基硅烷改性的玻璃或者二氧化硅表面上制造的，并且粒子的表面已经与官能化硫醇，例如PEG端接的、甲基端接的、氨基端接的、酸端接的或者肽端接的硫醇反应；2.玻璃或者二氧化硅表面，其已经是改性的硫醇-或者氨基硅烷；3.金表面，其已经用与粒子表面相同的官能化硫醇进行了改性。
本发明的一个应用是一种包含表面的产品，例如具有上述三个表面的载玻片；1.金纳米粒子梯度表面，这里该金纳米粒子梯度是在硫醇-或者氨基硅烷改性的玻璃或者二氧化硅表面上制造的，这里粒子下和粒子间的硅烷已经以这样的方式被除去，例如通过等离子体处理被除去，来将粒子在玻璃或者二氧化硅表面上烧结，这里粒子间的表面已经与PEG-硅烷反应；2.玻璃或者二氧化硅表面，其已经是改性的PEG-硅烷；3.未改性的金表面。使用这种产品，操作者能够选择要使用的硫醇试剂。
本发明的一个应用是一种包含表面的产品，例如具有上述三个表面的载玻片；1.金纳米粒子梯度表面，这里该金纳米粒子梯度是在硫醇-或者氨基硅烷改性的玻璃或者二氧化硅表面上制造的，这里粒子下和粒子间的硅烷已经以这样的方式被除去，例如通过等离子体处理被除去，来将粒子在玻璃或者二氧化硅表面上烧结；2.玻璃或者二氧化硅表面；3.未改性的金表面。使用这种产品，操作者能够选择表面化学和改性不同的表面的方法。
对于上述应用来说，可以分别制造三个典型的表面，然后用粘接剂结合到载玻片上。也可以直接在载玻片上制备这些表面。
对于简单的生物聚合物吸附试验来说，可以使用表面敏感光学方法例如椭圆光度法和表面等离子体共振(SPR)。SPR的一种特定例子是所谓的成像SPR(iSPR)方法，其能够同时量化在完全的梯度区域中吸附性纳米粒子和随后的生物附着二者(参见实施例)。图9A示意了用于梯度表面的iSPR分析的装置。将用于例如[17]中所述成像SPR的设备900(其通常是用计算机905控制的)用于与SPR-基底接触，该基底通常包含玻璃表面901，薄金层902已经施用到该表面上。位于该金层上的是含有溶液的腔室904，例如以金层能够与该溶液接触的方式包含着缓冲液。腔室904可以具有入口907和出口908，并且充当了灌注系统来从表面上传入和传出溶液和被分析物。
在本发明的一种应用中，金表面902已经用层903化学改性，来结合来自溶液的纳米粒子，并且一定梯度的纳米粒子已经施用到该表面上。在该梯度表面不同位置的SPR-响应分析会与这个位置上的局部密度有关。在生物附着的情况中，例如在梯度表面上发生蛋白质、血小板或者细菌吸附的情况中，这也可以作为附加的响应来检测，图9B。
近来，电化学技术，特别是阻抗的测量已经被用于研究细胞与表面的相互作用[18]。电化学技术也可以用于评估电极表面上的纳米粒子数目。对于导电性纳米粒子例如金来说尤其如此[19]。在图10所述的本发明的一种应用中，将纳米粒子梯度施用到表面1000上，其是由导电材料的粒子结合性表面1001制成的，该导电材料已经用化学1003改性来结合纳米粒子。表面1001是以这样的方式置于非导电性基底1002上的，即，充当了电极的表面1001是彼此电隔离的。该纳米粒子梯度是以这样的方式制造的，即，在表面1000上的粒子结合性电极表面1获得了高粒子密度，而在表面1000上的粒子结合性电极表面n获得了低粒子密度。通过使用表面1000例如图4的表面203，并且让表面1000上的位置0符合图4的x=0时，这成为可能。
将表面1000用于与电解质例如缓冲液在电化学室1004中接触，该电化学室也可以具有入口1005和出口1006来促进电解质和被分析物向表面1000的传输。除了位于表面1000上的电极1-n之外，对于某些应用来说必需加入另外的参照电极1007和反电极1008来用于该电解质。在一些应用中，电极1007和/或1008也可以置于表面1000上。表面1000和在某些情况中在1007和1008上的全部电极1-n是通过电化学参照1009的系统分别连接。系统1009可以是能够进行不同类型的电化学参照的系统，例如伏安法、电流分析法、电量分析、阻抗光谱法或者阻抗测量法。可选择的，系统1009可以是设计用于单个类型的电化学测量例如阻抗测量的系统。来自表面1000上不同电极的电化学响应可以在表面1000上不同电极之间测量，或者通过使用在常规三电极装置中的电极1007和1008来测量[20]。当测量时，来自表面1000不同位置的不同电极的电化学响应会与这个位置处的粒子密度有关。如果生物附着例如细胞附着发生在梯度表面上，则这也可以作为另外的，通常是电化学响应的负性变化来检测。如果氧化还原活性物质与表面接触，则这也可以作为另外的，通常是电化学响应的正性变化来检测。
实施例1.用SEM评价逐渐粒子吸附
尺寸11×20mm的金表面是通过在SiO2基底上首先蒸发5nm Cr和然后蒸发200nm Au来制造的。根据[1，8]中详细描述的程序将它们清洗和提供单层的二硫醇。简言之，将该清洁的金表面在辛烷二硫醇的乙醇溶液中培养，在这里它们与二硫苏糖醇(DDT)反应。金粒子直径大约10nm的静电稳定的金粒子溶液是根据[1，8]中详细描述的程序来制造的。将该金溶液在16000g离心来降低溶液的离子强度，并且为了提高粒子浓度。在离心分离后，将金粒子粒料在电导率18.2MΩ*cm的纯水中稀释到大约55nM的粒子浓度。将这个粒子溶液转移到根据图5设计的梯度制造容器中，其后将大量二硫醇制备的表面置于相同的容器中，并且到底部的特定距离相同。这里在将浓度为1M和pH4.0的柠檬酸盐缓冲液置于该梯度容器的底部后，使得该表面下面的空间被这种缓冲液所填充。然后将该柠檬酸盐缓冲液在30分钟内扩散到所述表面上，其后从梯度容器的下面排空所述溶液来停止所述程序。在不同的应用中，将浓度50mM的柠檬酸盐缓冲液施用到表面下面，并且在小于90分钟内扩散，与在30分钟下用1M缓冲液所获得的相比，这产生了具有更小斜率的更长梯度。该表面是用SEM在梯度表面的不同位置上分析的。图案的选择在图11中给出。
实施例2.通过iSPR评价逐渐粒子吸附
具有10nm金纳米粒子的线性梯度是如实施例1所述通过二硫醇化学来制备的。使用其上大约50nm的Au薄层已经蒸发的基底玻璃表面。这些表面适于通过表面等离子体共振SPR分析，在梯度制造后，将表面置于用于成像SPR的仪器中，其详细描述在[17]中。分析了两种不同的梯度，参见图12。一种梯度已经用50mM柠檬酸盐缓冲液来制备，其扩散了90分钟(“长”梯度)，和一个梯度已经用1M柠檬酸盐缓冲液制备30分钟(“短”梯度)。每个粒子梯度还与马来酰亚胺-PEG反应，来使得分散粒子间的生物附着最小，并且在粒子上具有辛烷硫醇，其使得粒子表面疏水来促进生物附着。在每个梯度表面上分析了大约1×5mm的区域。在这些区域中，将梯度的全部基本部分成图。在3D图z轴中给出的SPR波长是与金纳米粒子的表面覆盖率成比例的。在图13中，“短”梯度的行扫描是与用于正对照表面(在这种情况中表面仅仅用辛烷二硫醇改性)和用辛烷二硫醇和马来酰亚胺-PEG改性的负对照表面的行扫描一起提出的。每个行扫描代表了全部表面扫描的平均。
实施例3.用iSPR和荧光显微镜法评价纤维蛋白原吸附和血小板在疏水纳米粒子梯度上的吸附。
具有10nm金纳米粒子的“短”梯度是在设计用于SPR分析的金表面上制造的，然后根据上面的实施例2用马来酰亚胺-PEG和辛烷硫醇改性。这产生了疏水粒子相对于蛋白质排斥性PEG背景的梯度。将该表面用iSPR分析。以一定的次序，将纤维蛋白原(0.5mg/ml的PBS溶液)5分钟和然后是血小板(基本上来自健康捐献者的无血清制剂)30分钟吸附到具有梯度的表面、正对照表面(仅仅二硫醇)和负对照表面(用马来酰亚胺-PEG改性的二硫醇)。在图14中，给出了梯度表面和正控制表面的来自纤维蛋白原和血小板吸附的响应。蓝色曲线表示纤维蛋白原的吸附，绿色曲线表示来自纤维蛋白原和血小板二者的累积响应。来自下面的表面响应(对应于图13所示)已经被从图14的结果中减去。要注意的是正表面沿着该表面均匀地吸附了纤维蛋白原和血小板二者，而梯度表面逐渐吸附了蛋白质和血小板二者。负对照表面没有产生明显的响应。在血小板吸附后，将表面用PBS缓冲液清洗，并且用2%的戊二醛固定15分钟。将该表面根据常规方案着色(着色肌动蛋白骨架)和用荧光显微镜法在表面的不同位置上进行分析。图15表示了在分别具有高(A)和低(B)粒子覆盖率的位置上的代表性血小板。
实施例4.评价微生物到疏水纳米粒子梯度上的附着。
具有10nm金纳米粒子的“长”梯度是在用根据上面的实施例2用马来酰亚胺-PEG和辛烷硫醇改性的金表面上制造的。这产生了疏水粒子相对于蛋白质排斥性PEG背景的梯度。有菌毛的大肠杆菌（Fimbriated E.coli）是在静态条件下吸附到表面上的，并且曝露于受控的清洗10分钟。其余的细菌用吖啶橙和DAPI着色，其后将该表面在放大性玻璃和荧光显微镜下分析。图16表示了在低放大倍率时具有用吖啶橙着色的吸附的大肠杆菌（E.coli）的梯度表面以及正对照表面(辛烷硫醇)和负对照表面(用马来酰亚胺-PEG改性的二硫醇)的截面。在梯度不同位置上纳米粒子的表面覆盖率是通过SEM来确定的。在每个图中表示了相对表面覆盖率。插图表示了在更大的放大倍率用DAP着色的两种细菌。细菌分布在20%表面覆盖率时明显变化。
虽然上面已经参照具体实施方案来描述了本发明，但是目的并非限制于此处所阐述的具体形式。而是，本发明仅仅限于附加的权利要求，并且不同于上面的其他实施方案同样可能的处于这些附加的权利要求的范围内。
在权利要求中，术语“包含/包含着”不排除存在着其他元素或者步骤。此外，虽然单个列出，但是多个手段、元素或方法步骤可以通过例如单个单元或者前体来执行。此外，虽然单个特征可以包括在不同的权利要求中，但是它们可以可能有利的组合，并且包括在不同的权利要求中不意味着特征的组合是不可行的和/或不是有利的。另外，单数指代不排除多个。术语“一个”、“一种”、“第一”、“第二”等不排除多个。权利要求中的附图标记仅仅是作为澄清性的例子来提供的，并且不应当解释为对权利要求范围的任何限制。
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Claims (12)

1.一种用于制备沿着固体表面(203)的连续梯度的沉积的和带电荷的纳米粒子(200)的方法，其中每单位面积的表面(203)上沉积的和带电荷的纳米粒子(200)的数目在该表面的一端上是相对高的，并且在该表面的相对端上是相对低的，和其中在沉积时，沉积粒子之间的距离是通过溶液(402)中的纳米粒子之间的静电排斥来调节的，特征在于溶液(402)中的粒子的静电排斥度是通过将盐溶液(403)扩散到包含纳米粒子的溶液(402)中来获得的。
2.权利要求1的方法，其中盐溶液(403)的扩散通过在一层包含纳米粒子的基本上无盐的溶液(402)下以相对高的密度和浓度来形成一层盐溶液来获得的，和连续梯度是通过盐溶液(403)中的盐的扩散时间和浓度来调节的。
3.根据权利要求1或者2的方法，其中盐溶液(403)的扩散是如下来获得的：将盐溶液(403)保持在存储器(603)中，与纳米粒子悬浮液(602)接触，所述的悬浮液进一步包含基质，其允许纳米粒子扩散，但是阻止对流，和将纳米粒子悬浮液(602)与固体表面(203)接触。
4.根据权利要求1或者2的方法，其中该纳米粒子(200)是由金属、陶瓷、或者聚合物材料组成的。
5.根据权利要求1或者2的方法，其中该纳米粒子(200)是由玻璃组成的。
6.根据权利要求1或者2的方法，其中该固体表面(203)是由金属、陶瓷、或者聚合物材料组成的。
7.根据权利要求1或者2的方法，其中该固体表面(203)是由玻璃组成的。
8.根据权利要求1或者2的方法，其中纳米粒子(200)和表面(203)之间的键合力包含共价键、库仑相互作用、金属键、范德华键、氢键、偶极-偶极键或者离子-偶极键。
9.根据权利要求1或者2的方法，其中该表面(203)是具有键合的二硫醇试剂的金，和该纳米粒子(200)共价键合到该金表面上所键合的二硫醇分子的硫醇基团上。
10.根据权利要求1或者2的方法，其中将带负电荷、但是非表面结合性粒子(604)与表面结合性纳米粒子(200)进行混合。
11.根据权利要求1或者2的方法，其进一步包含将第一单独表面(801)和第二单独表面(802)增加到表面(203)上，其中该第一单独表面(801)具有类似于纳米粒子(200)的表面化学，和该第二单独表面(802)具有类似于表面(203)的表面化学。
12.根据权利要求1或者2的方法，其进一步包含将刻度线(702，703，704)增加到表面(203)上。
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