CN110941139B - 一种生物蛋白膜表面图案化制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物蛋白膜表面图案化制作方法，该方法包括以下步骤：S1.制备超材料阵列；S2.制备生物蛋白膜；S3.将所述超材料阵列与所述生物蛋白膜接触，通过电磁波对所述超材料阵列进行辐射；S4.移动所述生物蛋白膜，在所述生物蛋白膜表面进行图案直写；S5.通过显影液对所述生物蛋白膜进行显影。本发明不需要掩膜版，可以直接通过超材料阵列对生物蛋白膜进行加工，操作简便；本发明中经图案直写的生物蛋白膜的分辨率与超材料阵列间隙尺寸有关，可以达到纳米级分辨率，分辨率较高；本发明中的超材料阵列具有多个基元结构，该基元结构可以作为光刻直写头，使得多个光刻直写头可以同步工作，直写效率较高。

Description

一种生物蛋白膜表面图案化制作方法

技术领域

本发明涉及生物技术领域，具体涉及一种生物蛋白膜表面图案化制作方法。

背景技术

蛋白质是构成生命体的最小活性单位，即最基本的生命形式。在生命发育的不同阶段，蛋白质的种类和构成不一样；在不同组织中，细胞表达的蛋白质差异很大。基因是遗传功能单位，指令合成蛋白质。基因突变，其表达产物——蛋白质必须随之发生异常，任何疾病的发生和发展都会首先在蛋白质水平上表达出来。因此，在蛋白质层次上探讨生命活动规律，研究疾病发生的机理，不仅对于认识生命现象，而且对疾病的早期准确诊断，都有重要意义。

一些生物蛋白，例如蛛丝蛋白、蚕丝蛋白等，其水溶解特性主要由其二级结构的组成决定，其二级结构主要包括无规卷曲(random coil)、α螺旋(α-helix)和β折叠(β-sheet)，三者在水中的溶解性逐步递减。生物蛋白在外界电场作用下，作用区域中β折叠的组分比例会增大，从而在水溶液环境下形成稳定的生物蛋白微纳结构。因此，可以通过施加外界电场诱导生物蛋白构象发生改变以实现生物蛋白的图案化。然而，通过上述方法使生物蛋白实现图案化的方法尚未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生物蛋白膜表面图案化制作方法，该方法利用生物蛋白在外界电场作用下构象会发生转变的原理，通过超材料阵列间隙中的强电场诱导生物蛋白膜发生构象转变(例如由无定型态转变为结晶态或发生碳化)，从而使电场作用区域中的生物蛋白膜发生交联，通过移动生物蛋白膜，实现在生物蛋白膜表面进行图案直写，并通过显影液实现生物蛋白膜表面图案化。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种生物蛋白膜表面图案化制作方法，该方法包括以下步骤：

S1.制备超材料阵列；

S2.制备生物蛋白膜；

S3.将所述超材料阵列与所述生物蛋白膜接触，通过电磁波对所述超材料阵列进行辐射；

S4.移动所述生物蛋白膜，在所述生物蛋白膜表面进行图案直写；

S5.通过显影液对所述生物蛋白膜进行显影。

优选的，所述步骤S1包括以下步骤：

S11.准备基底材料，在所述基底材料上形成绝缘层；

S12.在所述绝缘层的一表面光刻并刻蚀形成腐蚀窗口；

S13.在所述绝缘层的另一表面通过电子束蒸发金属材料；

S14.对蒸发有所述金属材料的基底材料进行光刻、刻蚀，形成超材料阵列；

S15.采用腐蚀液从所述腐蚀窗口释放所述超材料阵列。

优选的，所述基底材料为硅片；

所述绝缘层为氮化硅层或二氧化硅层，其通过低温化学气相沉积法形成，预应力为50MPa-200MPa，厚度为100nm-5000nm；

所述金属材料选自Cr/Au、Ti/Au、TiW/Au、Ti/Cu、TiW/Cu、Ag和Al中的一种，其厚度为1nm/10nm–500nm/5000nm；

所述腐蚀液为硅腐蚀液。

优选的，所述步骤S1包括以下步骤：

S1a.准备基底材料；

S1b.在所述基底材料上通过电子束蒸发金属材料；

S1c.对蒸发有所述金属材料的基底材料进行光刻、刻蚀，形成超材料阵列。

优选的，所述基底材料选自高阻硅、聚乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯中的一种；

所述金属材料选自Cr/Au、Ti/Au、TiW/Au、Ti/Cu、TiW/Cu、Ag和Al中的一种，其厚度为1nm/10nm–500nm/5000nm。

优选的，所述步骤S2包括以下步骤：

S21.准备生物蛋白溶液；

S22.通过旋涂处理将所述生物蛋白溶液旋涂于衬底上，形成生物蛋白膜。

优选的，所述衬底选自高阻硅、聚乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯中的一种。

优选的，所述旋涂处理的转速为1000r/min-5000r/min，所述旋涂处理的时间为10s-300s。

优选的，所述步骤S3包括以下步骤：

将所述超材料阵列蒸发有金属材料的一侧贴附于所述生物蛋白膜的表面，通过电磁波对所述超材料阵列进行辐射。

优选的，所述电磁波的场强大小为1V/cm-100MV/cm。

优选的，所述显影液为纯水。

本发明提供的生物蛋白膜表面图案化制作方法，具有如下有益效果：

1)本发明提供的生物蛋白膜表面图案化制作方法不需要掩膜版，可以直接通过超材料阵列对生物蛋白膜进行加工，操作简便；

2)本发明中经图案直写的生物蛋白膜的分辨率与超材料阵列间隙尺寸有关，可以达到纳米级分辨率，分辨率较高；

3)本发明中的超材料阵列具有多个基元结构，该基元结构可以作为光刻直写头，使得多个光刻直写头可以同步工作，直写效率较高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明实施例提供的生物蛋白膜表面图案化制作方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种制备超材料阵列的制备流程示意图，其中1为基底材料，2为绝缘层，3为腐蚀窗口，4为金属材料；

图3是本发明实施例提供的基于蒸发有金属材料的基底材料形成超材料阵列的流程示意图；

图4是本发明实施例提供的另一种制备超材料阵列的制备流程示意图，其中1为基底材料，4为金属材料；

图5是本发明实施例提供的超材料阵列的一种基元结构的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的超材料阵列的另一种基元结构的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的超材料阵列的又一种基元结构的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的制备生物蛋白膜的流程示意图；

图9是本发明实施例提供的一种超材料阵列经电磁波辐射的示意图，其中5为生物蛋白膜，6为电磁波；

图10是本发明实施例提供的另一种超材料阵列经电磁波辐射的示意图，其中5为生物蛋白膜，6为电磁波；

图11是本发明实施例提供的超材料阵列的吸收谱仿真图；

图12是本发明实施例提供的超材料阵列的电场仿真图；

图13是本发明实施例提供的一种在生物蛋白膜表面进行图案直写的示意图，其中5为生物蛋白膜，6为电磁波，7为超材料阵列；

图14是本发明实施例提供的另一种在生物蛋白膜表面进行图案直写的示意图，其中5为生物蛋白膜，6为电磁波，7为超材料阵列；

图15是本发明实施例提供的经图案直写后得到的生物蛋白膜的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。

实施例：

本发明实施例提供了一种生物蛋白膜表面图案化制作方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：

S1.制备超材料阵列；

S2.制备生物蛋白膜；

S3.将所述超材料阵列与所述生物蛋白膜接触，通过电磁波对所述超材料阵列进行辐射；

S4.移动所述生物蛋白膜，在所述生物蛋白膜表面进行图案直写；

S5.通过显影液对所述生物蛋白膜进行显影。

在本发明实施例中，如图2所示，所述步骤S1可以包括以下步骤：

S11.准备基底材料1，在所述基底材料1上形成绝缘层2。

在一些实施例中，所述基底材料1可以为双抛硅片。

在一些实施例中，所述绝缘层2可以为通过低温化学气相沉积法形成的氮化硅层，所述氮化硅层的预应力为50MPa-200MPa，厚度为100nm-5000nm。

在一个具体的示例中，取一双抛硅片，通过低温化学气相沉积法在双抛硅片上形成预应力为50MPa，厚度为100nm的氮化硅层。

在另一个具体的示例中，取一双抛硅片，通过低温化学气相沉积法在双抛硅片上形成预应力为200MPa，厚度为5000nm的氮化硅层。

当然，所述绝缘层也可以采用二氧化硅层等，本发明实施例对此不作限制。

S12.在所述绝缘层2的一表面光刻并刻蚀形成腐蚀窗口3。

在一些实施例中，所述腐蚀窗口3可以通过在所述绝缘层2的一表面光刻并干法刻蚀形成。

S13.在所述绝缘层2的另一表面通过电子束蒸发金属材料4。

在一些实施例中，所述金属材料4可以为Cr/Au，其厚度介于1nm/10nm–500nm/5000nm。

在一个具体的示例中，在所述绝缘层2的另一表面通过电子束蒸发厚度为1nm/10nm的Cr/Au。

在另一个具体的示例中，在所述绝缘层2的另一表面通过电子束蒸发厚度为500nm/5000nm的Cr/Au。

当然，所述金属材料也可以采用Ti/Au、TiW/Au、Ti/Cu、TiW/Cu、Ag或Al等，本发明实施例对此不作限制。

S14.对蒸发有所述金属材料4的基底材料1进行光刻、刻蚀，形成超材料阵列。

具体的，如图3所示，所述步骤S14可以包括以下步骤：

S141.对蒸发有所述金属材料的基底材料旋涂光刻胶，并紫外光刻，显影；

S142.通过离子束对所述金属材料进行刻蚀，形成超材料阵列；

S143.通过微波等离子体对所述超材料阵列灰化去胶。

S15.采用腐蚀液从所述腐蚀窗口释放所述超材料阵列。

在一些实施例中，所述腐蚀液可以为硅腐蚀液。

在本发明实施例中，如图4所示，所述步骤S1也可以包括以下步骤：

S1a.准备基底材料。

具体的，所述基底材料可以为太赫兹波透射率高的材料。

在一些实施例中，所述基底材料可以为双抛高阻硅。当然，所述基底材料也可以采用聚乙烯、聚丙烯或聚四氟乙烯等，本发明实施例对此不作限制。

S1b.在所述基底材料上通过电子束蒸发金属材料。

在一些实施例中，所述金属材料可以为Cr/Au，其厚度介于1nm/10nm–500nm/5000nm。其中，Cr可以作为Au与所述基底材料之间的黏附层。

在一个具体的示例中，在所述基底材料上通过电子束蒸发厚度为1nm/10nm的Cr/Au。

在另一个具体的示例中，在所述基底材料上通过电子束蒸发厚度为500nm/5000nm的Cr/Au。

当然，所述金属材料也可以采用Ti/Au、TiW/Au、Ti/Cu、TiW/Cu、Ag或Al等，本发明实施例对此不作限制。

S1c.对蒸发有所述金属材料的基底材料进行光刻、刻蚀，形成超材料阵列。所述步骤S1c形成超材料阵列的方法与所述步骤S14形成超材料阵列的方法相同，在此不再赘述。

本发明实施例中通过所述步骤S1制备出的所述超材料阵列包括多个基元结构，所述基元结构可以作为光刻直写头。如图5至图7所示，所述基元结构可以有多种，相应的，所述光刻直写头也可以有多种，例如单写头、双写头、四写头等。

具体的，如图8所示，所述步骤S2可以包括以下步骤：

S21.准备生物蛋白溶液。

本发明实施例中，所述生物蛋白为可以通过电场诱导发生构象转变的蛋白。

需要说明的是，可以根据实际需要准备适量生物蛋白溶液，本发明实施例对此不作具体限制。

S22.通过旋涂处理将所述生物蛋白溶液旋涂于衬底上，形成生物蛋白膜。

在一些实施例中，所述衬底可以为高阻硅。当然，所述衬底也可以采用聚乙烯、聚丙烯或聚四氟乙烯等，本发明实施例对此不作限制。

在一些实施例中，所述旋涂处理的转速可以为1000r/min-5000r/min，所述旋涂处理的时间可以为10s-300s。

在一个具体的示例中，将所述生物蛋白溶液滴涂于衬底上，1000r/min旋涂10s，形成生物蛋白膜。

在另一个具体的示例中，将所述生物蛋白溶液滴涂于衬底上，5000r/min旋涂300s，形成生物蛋白膜。

在本发明实施例中，所述步骤S3可以包括以下步骤：

将所述步骤S1制备出的所述超材料阵列蒸发有金属材料的一侧贴附于所述生物蛋白膜5的表面，通过电磁波对所述超材料阵列进行辐射，如图9和图10所示。其中，图9为图2所示方法制备出的所述超材料阵列经电磁波辐射的示意图，图10为图4所示方法制备出的所述超材料阵列经电磁波辐射的示意图。

本发明实施例中，所述电磁波可以为射频、微波、太赫兹波、红外光、可见光等各种电磁波。

本发明实施例中，所述超材料阵列本质上是一种人工谐振子阵列结构，它一般由制造在绝缘介质基底上呈周期性排列的亚波长金属谐振器组成。

所述超材料阵列一个最大的优势就是其在谐振状态下展现出的电场局域增强效应，即谐振时超材料阵列间隙中的电场强度可以比入射电场增强几个数量级。

如图11所示，所述超材料阵列在工作频率(Frequency)为1.0THz的状态下会发生谐振。即，所述超材料阵列在工作频率(Frequency)为1.0THz的状态为谐振状态。

如图12所示，所述超材料阵列在谐振状态下，其间隙(Gap＝100nm)中的电场强度会被大幅度增强(几十到几千倍)。

虽然一般强度的电场场强不足以使生物蛋白发生构象转变，但通过所述超材料阵列这种结构增强后，所述超材料阵列间隙中的场强足以使生物蛋白发生构象转变。

本发明实施例中，将所述超材料阵列蒸发有金属材料的一侧贴附于所述生物蛋白膜的表面，则所述超材料阵列间隙下方的生物蛋白就会发生构象转变，通过对入射电磁波的场强大小进行控制，可以使所述生物蛋白膜由溶于水变成不溶于水，甚至可以使所述生物蛋白膜直接发生碳化。

在一些实施例中，所述电磁波场强大小可以为1V/cm-100MV/cm。

在一个具体的示例中，将所述超材料阵列蒸发有金属材料的一侧贴附于所述生物蛋白膜的表面，利用场强大小为1V/cm的电磁波对所述超材料阵列进行辐射。

在另一个具体的示例中，将所述超材料阵列蒸发有金属材料的一侧贴附于所述生物蛋白膜的表面，利用场强大小为100MV/cm的电磁波对所述超材料阵列进行辐射。

具体的，所述步骤S4可以利用经电磁波辐射的所述超材料阵列作为光刻直写头，将所述生物蛋白膜放置于电动平移台(图中未示出)上，通过所述电动平移台的移动带动所述生物蛋白膜移动，从而实现在所述生物蛋白膜表面进行图案直写，如图13和图14所示。其中，图13为将图2所示方法制备出的所述超材料阵列贴附于生物蛋白膜表面进行图案直写的示意图，图14为将图4所示方法制备出的所述超材料阵列贴附于生物蛋白膜表面进行图案直写的示意图。经图案直写后得到的生物蛋白膜见图15。

本发明实施例中，经图案直写的所述生物蛋白膜的分辨率与所述超材料阵列间隙尺寸有关，可以为纳米、微米、毫米等，本发明实施例对此不作具体限制。

具体的，所述步骤S5可以利用纯水作为显影液对所述生物蛋白膜进行显影。

由以上本发明实施例提供的技术方案可知，本发明实施例利用生物蛋白在外界电场作用下构象会发生转变的原理，通过超材料阵列间隙中的强电场诱导生物蛋白膜发生构象转变(例如由无定型态转变为结晶态或发生碳化)，从而使电场作用区域中的生物蛋白膜发生交联，通过移动生物蛋白膜，实现在生物蛋白膜表面进行图案直写，并通过显影液实现生物蛋白膜表面图案化。

本发明实施例提供的生物蛋白膜表面图案化制作方法相对于现有技术具有如下优点：

1)本发明实施例提供的生物蛋白膜表面图案化制作方法不需要掩膜版，可以直接通过超材料阵列对生物蛋白膜进行加工，操作简便；

2)本发明实施例中经图案直写的生物蛋白膜的分辨率与超材料阵列间隙尺寸有关，可以达到纳米级分辨率，分辨率较高；

3)本发明实施例中的超材料阵列具有多个基元结构，该基元结构可以作为光刻直写头，使得多个光刻直写头可以同步工作，直写效率较高。

应当注意的是，以上实施例只为解释说明所用，而不应被当成是对本发明所包含内容范围的限制。由于受篇幅限制，发明人仅对较为典型的实施方法进行了描述，但本领域技术人员应当充分认识到本发明可以针对未脱离发明内容主旨的创新点及优点作相关修改，且所有这类修改都应包含在本发明所定义的和等同意义的内容范围之内。

Claims (9)

1.一种生物蛋白膜表面图案化制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.制备超材料阵列；

S2.准备生物蛋白溶液；通过旋涂处理将所述生物蛋白溶液旋涂于衬底上，形成生物蛋白膜；

S3.将所述超材料阵列与所述生物蛋白膜接触，通过电磁波对所述超材料阵列进行辐射；

S4.移动所述生物蛋白膜，在所述生物蛋白膜表面进行图案直写；

S5.通过显影液对所述生物蛋白膜进行显影。

2.根据权利要求1所述的生物蛋白膜表面图案化制作方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：

S11.准备基底材料，在所述基底材料上形成绝缘层；

S12.在所述绝缘层的一表面光刻并刻蚀形成腐蚀窗口；

S13.在所述绝缘层的另一表面通过电子束蒸发金属材料；

S14.对蒸发有所述金属材料的基底材料进行光刻、刻蚀，形成超材料阵列；

S15.采用腐蚀液从所述腐蚀窗口释放所述超材料阵列。

3.根据权利要求2所述的生物蛋白膜表面图案化制作方法，其特征在于，

所述基底材料为硅片；

所述绝缘层为氮化硅层或二氧化硅层，其通过低温化学气相沉积法形成，预应力为50MPa-200MPa，厚度为100nm-5000nm；

所述金属材料选自Cr/Au、Ti/Au、TiW/Au、Ti/Cu、TiW/Cu、Ag和Al中的一种，其厚度为1nm/10nm或500nm/5000nm；

所述腐蚀液为硅腐蚀液。

4.根据权利要求1所述的生物蛋白膜表面图案化制作方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：

S1a.准备基底材料；

S1b.在所述基底材料上通过电子束蒸发金属材料；

S1c.对蒸发有所述金属材料的基底材料进行光刻、刻蚀，形成超材料阵列。

5.根据权利要求4所述的生物蛋白膜表面图案化制作方法，其特征在于，

所述基底材料选自高阻硅、聚乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯中的一种；

所述金属材料选自Cr/Au、Ti/Au、TiW/Au、Ti/Cu、TiW/Cu、Ag和Al中的一种，其厚度为1nm/10nm或500nm/5000nm。

6.根据权利要求1所述的生物蛋白膜表面图案化制作方法，其特征在于，所述衬底选自高阻硅、聚乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯中的一种。

7.根据权利要求1所述的生物蛋白膜表面图案化制作方法，其特征在于，所述旋涂处理的转速为1000r/min-5000r/min，所述旋涂处理的时间为10s-300s。

8.根据权利要求2或4所述的生物蛋白膜表面图案化制作方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：

将所述超材料阵列蒸发有金属材料的一侧贴附于所述生物蛋白膜的表面，通过电磁波对所述超材料阵列进行辐射。

9.根据权利要求1所述的生物蛋白膜表面图案化制作方法，其特征在于，所述电磁波的场强大小为1V/cm-100MV/cm。

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