CN1278418C - 用于光电应用的亲和基自组装系统及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于功能化可编程核酸、核酸修饰结构及其他选择性亲和或结合部分作为结构单元的电场辅助自组装的方法和装置。本发明提供了一种制备微米级和纳米级装置的方法，包括以下步骤：在第一支承体上制备第一构成装置，从该第一支承体释放至少一个第一构成装置，将该第一构成装置传送至一种第二支承体，且将该第一部件附着至该第二支承体上。本发明也提供了一种制备2维和3维的分子级，纳米级和微米级结构的方法。

Description

用于光电应用的亲和基自组装系统及其装置
发明领域
本发明涉及使用可编程功能化自组装核酸、核酸修饰结构，及其他选择性亲和或结合部分作为结构单元的方法和技术，用于：(1)产生分子光电机理；(2)纳米结构、亚微米及微米尺寸部件在硅或其他材料上组织、组装及相互连接；(3)纳米结构、亚微米及微米尺寸部件在微电子或光电部件及装置周边内组织、装配及相互连接；(4)光电构造、装置及体系的产生、排列和制造；(5)开发一种高比特密度(大字节)三维及四维光学数据存储材料及装置；(6)开发用于文件或商品的信息的鉴定、防伪及编码的低密度光学存储器。本发明也涉及相关微电子和光电子装置、系统及制造平台，在装置自身或其他基质材料上的所选位置提供电场传输及选择性定址自组装纳米结构、亚微米及微米尺寸部件。
相关申请资料
本发明申请是1995年9月27日递交的申请号为08/534,454、现已授权的题为“活性可编程基质装置”的部分连续申请，上述申请是1994年9月9日递交的申请号为08/304,657，修改后题为“包括电极的分子生物诊断系统”现已颁发为美国专利N0.5632957的部分连续申请，所述申请是1994年7月7日递交的申请号为08/271,882，修改后题为“用于分子生物分析及诊断系统的电子紧急控制方法”现已授权的部分连续申请，所述申请是1993年11月1日递交的申请号为08/146,504，修改后题为“用于分子生物分析及诊断系统的活性可编程电子装置”现已现已颁发为美国专利No.5605662的部分连续申请。以及1996年8月23日递交的申请号为08/703,601、题为“与生色团及荧光团共轭的多核苷酸的杂交以产生供体到供体的能量转换系统”的申请现已授权，是1994年5月5日递交的申请号为08/232,233，题为“与生色团及荧光团共轭的多核苷酸的杂交以产生供体到供体的能量转换系统”，现已授权的专利号为5,565,322的美国专利的继续申请，它是1991年11月7日递交的申请号为07/790,262，题为“基于含有多核苷酸的生色团及荧光团的自组装分子光子结构及其应用方法”，现已授权的专利号为5,532,129的美国专利(通过1994年5月27日递交的申请号为08/250,951的继续申请)和1994年6月10日递交的申请号为08/258,168，现已授权题为“DNA光学存储器”的部分连续申请，所有文献引入本文作为参考。
发明背景
分子电子/光子学和纳米技术领域为未来提供了巨大的技术前景。纳米技术被定义为基于一种一般化的将目标构成复杂原子类别的能力的工程技术。Drexler， 美国国家科学院院刊，78：5275-5278(1981)。一般，纳米技术意味着一种原子-原子或分子-分子控制，以便组织并构造复杂结构直至肉眼可见的水平。纳米技术与目前用于半导体及集成电路工业上的平板印刷技术的自上而下的策略相反，是一种自下而上的倒置方法。纳米技术的成功可归结为可编程自组装分子单元和分子水平机器工具，所谓的组装器的发展，它能构造宽范围的分子结构及装置。Drexler“创造的发动机”双日(Doubleday)出版公司，纽约市，纽约州(1986)。
目前，分子光电技术包括各个领域的科学家及工程师的无数努力。Carter等“分子电子装置II”，Marcel Dekker公司，纽约市，纽约州(1987)。那些领域包括有机聚合物基的整流器，Metzger等人“分子电子装置II”，Carter，ed.，Marcel Dekker，纽约市，纽约州，5-25页(1987)，导电共轭聚合物，MacDiarmid等人， 合成金属，18：285(1987)，有机薄膜或Langmuir-Blogett膜的电子性能，Watanable等人， 合成金属，28：C473(1989)，基于电子转移的分子漂移标记，Hopfield等人， 科学，241：817(1988)，及基于合成修饰类脂的一种自组装系统，形成各种不同的“管状”微观结构。Singh等人，“应用的生物活性聚合物材料”，Plenum出版社，纽约市，纽约州，239-249页(1988)。基于共轭有机聚合物的分子光学或光装置，Baker等人， 合成金属，28：D639(1989)，以及对非线性有机材料进行描述。Potember等人， 药学及生物学年会IEEE论文集，4/6：1302-1303部分(1989)。
但是，所参考的文献无一描述一种成熟的或可编程水平的自组织或自组装。典型地，实际上的完成电子及/或光子机制的分子组件为一种天然生物蛋白或其他分子。Akaike等人， 药学及生物学年会IEEE论文集，部分4/6：1337-1338(1989)。目前没有一种产生有效的电子或光子构造、机制或装置的完全合成的可编程自组装分子的实例。
对生物系统中的自组装的理解的进展与纳米技术相关。Drexler， 美 国国家科学院院刊，78：5275-5278(1981)，Drexler，“创造的发动机”，双日出版公司，纽约市，纽约州(1986)。具有显著进展的领域包括光收集光合成系统的组织，能量转换电子输送系统，视觉过程，神经传导及组成这些系统的蛋白质部件的结构和功能。所谓生物芯片描述了合成的或生物上改进的蛋白质在构造分子电子装置中的应用。Haddon等人， 美国国 家科学院会议录，82：1874-1878(1985)，McAlear等人“分子电子装置II”，Carter ed.，Marcel Dekker公司，纽约市，纽约州，623-633页(1987)。
为开发导电网络，已对合成蛋白质(多肽)进行了一些工作。McAlear等，“分子电子装置”，Carter ed.，Marcel Dekker，纽约市，纽约州，175-180页(1982)。其他研究人员推测，核酸基生物芯片可能更具前途。Robinson等人，“一种生物芯片的设计：一种自组装分子尺寸存储装置”，蛋白质工程，1：295-300(1987)。
Watson等人，“基因的分子生物学”，第一卷，Benjamin出版社，ManloPark，加州(1987)，在理解作为所有生物有机体的基因信息载体的核酸、脱氧核苷酸或DNA的结构及功能方面也取得了较大的进展(参见图1)。在DNA中，信息通过其碱基单元腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶及胸苷(A、G、C、T)以核苷酸的线性序列编码。DNA(或多核苷酸)的单螺旋具有独特的识别及结合性能，通过杂交与其互补序列结合形成一种双链核酸的双螺旋结构。这可能是因为核酸固有的碱基对性能：A识别T，G识别C。由于任何给定的多核酸序列将仅与其精确的互补序列杂交，因此，这一性能将导致高度专一性。
除核酸的分子生物学之外，在核酸的化学合成领域也取得较大的进展。这一技术已开发成如此自动化的装置，以每小时15个核苷酸的速度，能有效地合成长度超过100个核苷酸的序列。已发展出许多技术使用官能团对核酸进行修饰，包括：荧光团、生色团、亲和标记、金属螯合物、化学活性基团和酶。Smith等， 自然，321：674-69(1986)；Agarawal等，核酸研究，14：6227-6245(1986)；Chu等， 核酸研究，16：3671-3691(1988)。
开发核酸的合成及修饰的动力为其在医疗诊断分析中的潜在应用，一个也称为DNA探针诊断的领域。简单的光子机制也结合进修饰低聚核苷酸，努力将灵敏的荧光检测性能赋予给DNA探针诊断分析系统。这一手段包括完成Frster非辐射能量转换的荧光团和化学发光标记低聚核苷酸。Heller等“传染源的快速检测及鉴定”，Kingsbury等，科学出版社，纽约市，纽约州，345-356页(1985)。Frster非辐射能量转换是一个过程，通过该过程，在一个波长处发光的荧光供体基团借助于一个共振偶极偶联过程将其吸附能量转换至一个合适的荧光受体基团。在合适供体和受体之间的能量转换效率与距离的依赖关系为1/r6(参见Lakowicz等，“荧光光谱原理”Plenum出版社，纽约市，纽约州，第十章，305-337页(1983))。
关于光子装置，一般用开发完备的微制造技术通过密集阵列制造。但是，仅能在由所用的相对高缺陷密度的基质限定的小面积内集成。为了实用且经济，在大多数情况下，这些装置必须用于大面积硅集成电路。这一研究的一个有意义的实例为垂直中空表面辐射激光。对于许多潜在的应用来说，必须以大面积硅集成电路方式集成这些装置。这些新装置与硅的集成过程中的一个主要障碍是存在材料及几何的不相容性。这些装置需要在硅上以大间距阵列方式进行集成，且性能下降最小，不会影响下边的硅电路。过去几年，已研制了许多在硅上集成这种化合物半导体装置的部件组装技术。这些包括混合倒装式结合法或外延卸下法及其他直接结合法。虽然这些混合技术已取得显著进展，且几个部件演示已显示这些技术的可行性，这些方法仍不能解决几何不相容性问题。即，当偶联至本体基质时，在母基质中制备的专门装置的空间必须保留。这样，在大面积部件上经济地进行小面积装置集成难以行得通。
这些新装置与硅的集成过程中的一个主要障碍为材料及几何的不相容性。这些装置需要在硅上以大间距阵列方式进行集成，且性能下降最低，不会影响下边的硅电路。过去几年，已研制了许多在硅上集成这种化合物半导体装置的部件组装技术。这些包括混合倒装式结合法或外延卸下法及其他直接结合法。虽然这些混合技术已取得显著进展，且几个部件演示已显示这些技术的可行性，这些方法仍不能解决几何不相容性问题。即，当在硅板上偶联时，在母基质中制备的专门装置的空间必须保留。
现有技术中没有一种集成技术能够产生在大面积分布装置的间距阵列。这样使得采用经济手段从微尺寸装置集成得到大面积部件难以实现。为解决这一问题，电子工业使用一种封装技术的系统。但是，当以相对小的间距在大面积范围要求一种普通的装置阵列，这一问题仍未解决。通过与所显示互补机制相关的高成本，这一问题可能最明显，硅活性基质由需要分布在大面积的小晶体管组成。这样，现有微处理技术限制装置为小面积部件，且装置密集阵列集成。但是，有许多可能来自于在大面积较大间距集成的专门装置。
用于消除几何极限的一种可能的方法为进一步开发半导体基质材料，使其缺陷密度达到硅的缺陷密度。这是一个长期且昂贵的工艺，要求逐渐取得进展。第二种可能的方法为开发特种机器人，该机器人能操作微米和亚微米装置，且能将它们结合至适宜地方。这也似乎不实际，因为结合过程将保持按照次序，其中一个装置可能在另一个之后结合，这需要不切实际的处理次数。在任何情况中，这些方法可能限于10cm量级的主板尺寸。
对于存储器，数据处理引擎与存储数据和程序命令的存储器在实体上和概念上相分离。当处理器速度随着时间而增加时，就不断需要更大的存储器和更快的存储速度。在处理器速度上的最近发展使得访问存储器成为系统的瓶颈。由于在获得指令或数据中可能引起明显的存储器等待时间，结果造成消耗宝贵的处理时间，因此这种限制是关键的。
多种方法用于解决这些问题。通常，该解决方案包括利用多种类型具有不同属性的存储器。例如，一般利用相对少量的快速的，并且一般较昂贵的存储器直接与处理器单元连接，并且一般称为高速缓冲存储器。另外，较大容量，但是通常较慢，如DRAM或SRAM这样的存储器与CPU(中央处理单元)相连。该中介存储器对于小量的当前应用来说通常足够大，但是不大到足以容纳所有系统程序和数据。大容量存储器通常非常大，但是相对便宜并且相对较慢。尽管人们不断地在所有类型的存储器的尺寸和速度上进行改进，并通常降低每位存储空间的成本，但是特别是对更快的处理器来说仍然存在实质性的需要。
在近20年来，大多数大容量存储器利用旋转存储介质。磁性介质已经用于“软”盘和“硬”盘。信息是通过对该磁盘上的特定物理位置进行磁化或去磁而存储的。一般来说，磁性介质是“读-写”存储器其中该存储器可以由系统写入和读出。通过把读写头置于靠近该磁盘表面可一在该磁盘上写入或读出数据。
一种最近开发的旋转大容量存储介质是光介质。光盘是只读存储器，它通过在盘的表面上的物理变形来存储数据。该信息通过利用聚焦激光束来读取，其中在该盘上的反射特性的改变表示该数据状态。在光学领域中也有各种在读写数据时使用磁光性的光学存储器。这些磁盘为只读光盘、只写一次可读多次(“WORM”)驱动器，和多次读写存储器。一般，与磁介质相比，光学介质被证实具有较大的存储容量，但每比特的成本较高，且写能力有限。
已有几种使用聚合物作为电子基的分子存储器的方案。例如，Hopfield，J.J.，Onuchic，J.N.ji及Beratan，D.N.，“一种分子漂移寄存器”， 科学，241，817页，1988年公开了一种带有电荷转换基团的聚合物基漂移寄存存储器。其他研究者已提出一种电子基DNA存储器(参见Robinson等，“一种生物芯片的设计：一种自组装分子水平存储装置”， 蛋 白质工程，1：295-300(1987))。在此情况下，带有电子传导聚合物的DNA用作一种分子存储装置。对于这些分子电子存储器的原理不提供一种可行的机制用于输入数据(写)和输出数据(读)。
分子电子存储的实际结果特别令人失望。当提出方案时，进行最小存在论证，一般这些系统还未转换成商品。进一步地，上述该系统的特别不足之处为：用于大多数系统时，一种典型的序列存储器比一种随机达到存储器要慢得多。
上述的光学存储器存在特殊问题，要求所用的光学系统限制衍射。这样对一种数据比特的最小尺寸强使尺寸限制，从而限制存储密度。这是在一个给定物理存储位置存储单一比特数据的一种系统的先天局限性。
进一步地，在上述所有光学存储系统中，信息按一个一个比特进行存储，这样通过达到存储器中的一个给定物理位置得到单一比特的数据。尽管字长存储器存取系统确实存在，但是一般它们仅在一个给定位置存储单一比特的信息，这样不管是采取比特方式或者字长方式，都要求大量等量的物理存储空间。
当系统的速度和存储密度增加时，每比特的成本下降，目前，在处理器速度与系统要求之间还有一个明显的差别。一般参见，“新的存储构造以便改善性能”，Tom R.Halfhill，Byte，1993年7月，86页和87页。一般存储器速度越快，每比特越密且便宜，虽然如此，对于能满足现代处理器系统速度的要求的大容量存储器的特别关键需要目前没有取得完全令人满意的解决方法。目前存在的实例的本质缺陷不能通过那些系统的发展来克服。
虽然对本领域的新的装置和改进的装置有清醒的要求，但是，以前一直没有取得最佳答案。
发明摘要
通讯、信息处理及数据存储都日渐依赖于小而快的光电装置的高度集成阵列。当装置尺寸下降且阵列尺寸增加时，传统的集成技术将变得更加费用高昂。光电装置的尺寸允许采用分子生物工程进行光电阵列部件的集成和制造。本发明涉及使用可编程功能化自组装核酸、核酸修饰结构，及其他选择性亲和或结合部分作为结构单元的方法学和技术，用于：(1)产生分子光电机理；(2)纳米结构、亚微米及微米尺寸部件在硅或其他材料上组织、组装及相互连接；(3)纳米结构、亚微米及微米尺寸部件在微电子或光电部件及装置的周边内组织、装配及相互连接；(4)光电构造、装置及体系的产生、排列和制造；(5)开发一种高比特密度(大字节)三维及四维光学数据存储材料及装置；(6)开发文件或商品信息的鉴定、防伪及编码的低密度光学存储。本发明也涉及相关微电子和光电子装置、系统及制造平台，在装置自身或其他基质材料上的所选位置提供电场传输及选择性定址自组装纳米结构、亚微米及微米尺寸部件。
功能化核酸基聚合物(如：DNA、RNA、肽核酸、甲基膦酸酯)组成一种载体以组装许多光电装置及系统，使用DNA的碱基对编码性能允许形成特异互补的双螺旋DNA结构。DNA的这一独特性能提供一种可编程识别码(借助于DNA序列)，用于纳米结构的特别放置及排列。
在优选实施方案中，光装置被排列的方法，包括用特定的DNA序列对其进行第一涂覆。需要附着该装置的母体基质上的区域用特异的互补DNA序列涂覆。该基质和DNA涂覆的装置被放进一种溶液中，且在互补DNA链之间发生杂交。杂交作用可有效地将该装置结合进该基质上的合适接受位置。
更广泛地，在这方面，该发明涉及一种制造微尺寸和纳米尺寸装置的方法，包括以下步骤：在第一支承体上制造第一构成装置，至少从该第一支承体释放一个第一部件，将该第一部件传送至一个第二支承体，且将该第一部件附加至该第二支承体。
这些技术的某些潜在应用为：(1)在大表面上制备光辐射阵列；(2)两维或三维光结晶构造的组装；(3)各种杂种集成部件的制备，包括平板显示、医学诊断装置和数据存储系统。
由于光子学在信息处理、通讯和存储系统中起着越来越大的作用，它将提供更快、更小、更有效、功能可塑的廉价集成系统。包括纳米结构制造，集成和自组装技术的新的制造技术被采用。当装置尺寸缩至亚微米水平时，使用该发明概念，分子生物工程概念及原理作为集成光电装置的制造技术变得越来越重要。
本发明涉及包括合成DNA聚合物的纳米结构，亚微米和微米尺寸结构。这包括用小的发光团分子修饰的DNA，至用DNA序列修饰的大结构(例如微米尺寸)。合成DNA聚合物能设计成具有高度特异的亲和力。当共价结合至纳米尺寸的有机和金属结构或微米尺寸半导体部件时，DNA聚合物能提供一种自组装制备机制。该机制能用于将该装置选择性结合至所期望的表面上特定的预选位置，并将该装置聚集成预选的2维或3维点阵。对于光电装置组件装置结合进母体基质，首先合成具有互补序列的DNA聚合物。光构成装置和母体基质的期望区域(接受体区域)涂覆有该互补DNA序列。然后，将母体基质引入至一种溶液中。
本发明提供了如下方面：
方面1.一种制备微米级和纳米级结构的方法，包括以下步骤：
提供一种微米级或纳米级结构，具有一种第一特定DNA序列和一种第二特定DNA序列，该具有所说的第一和第二特定DNA序列的结构具有一种不均一的电荷分布，
提供一种本体支承体，其上具有一种第三特定DNA序列，
将具有第一和第二特定DNA结构的结构在电场中定向，从而将第一DNA序列或第二DNA序列选择性地定向于该本体支承体上的第三DNA序列，和
将定向的第一或第二DNA序列与第三DNA序列杂交。
方面2.根据方面1所述的制备微米级和纳米级结构的方法，其中，第一DNA序列与第三DNA序列互补。
方面3.根据方面1所述的制备微米级和纳米级结构的方法，其中，该第一DNA序列与一种第四DNA特异序列杂交，该第四DNA特异序列本身与第三DNA特异序列互补，并可与其杂交。
方面4.根据方面1的方法，其中所述第一和第二特定DNA序列以四面体排列方式排列。
方面5.根据方面1的方法，其中所述第一和第二特定DNA序列以极性排列方式排列。
方面6.根据方面1的方法，其中所述微米级或纳米级结构为纳米球。
方面7.根据方面1的方法，其中所述微米级或纳米级结构为量子界限装置。
方面8.根据方面1的方法，其中所述微米级或纳米级结构为纳米棒。
方面9.根据方面1的方法，其中所述微米级或纳米级结构为精细像素。
方面10.根据方面1的方法，其中所述微米级或纳米级结构为光子装置。
方面11.根据方面10的方法，其中所述光子装置为光子带隙装置。
方面12.根据方面1的方法，其中所述结构以层状结构排列。
方面13.根据方面1的方法，其中所述结构以2维结构排列。
方面14.根据方面1的方法，其中所述结构以3维结构排列。
基质本发明的一个目的在于通过开发可编程自组装分子构造单元使得纳米技术和自组装技术成为可能。
附图简要说明
图1A和1B显示DNA结构及相应的物理尺寸。
图2为自组装工艺的流程图。
图3A为在母体基质上制成密阵列光装置的再分布，而没有母基质的布置约束的装置和方法的透视图。
图3B为由DNA辅助自组装而形成的合成光结晶的纳米球群的透视图。
图4显示将DNA附加至硅上的附加机制的截面图。
图5显示用于自组装的光装置制备步骤。
图6显示将荧光DNA序列选择性结合至硅VLSI(超大规模集成电路)芯片上的铝垫的平面图。
图7为一种紫外线写/成像至硅/二氧化硅/铝上的DNA单层的平面图。
图8A是在杂交之后写入DNA光学贮存材料的紫外线影像掩膜的平面图。
图8B是写入DNA光学贮存材料(10微米分辨率)的紫外线影像掩膜的平面图。
图9为制备多重写材料的一种装置和方法的截面图。
图10为制备DNA写材料工艺的一个步骤的截面图，其中DNA序列B与结合在基质上的序列A杂交，留下一个没有杂交的悬挂序列，用于随后的杂交。
图11为制备DNA写材料工艺的一个步骤的截面图，其中，位置1被掩盖，没有被紫外线曝光，而没有掩盖的部分被曝光，使序列A和B之间发生交联。
图12为制备DNA写材料工艺的一个步骤的截面图，其中进行了去杂交，以从事先掩盖的位点除去没有交联的序列B。
图13为制备DNA写材料工艺的一个步骤的截面图，其中，功能化的DNA序列C与序列B杂交，以及重复的过程。
图14为制备DNA写材料工艺的一个步骤的截面图，其中，位点1和2被掩盖，而位点3和4被曝光，导致序列B和C的交联。
图15为制备DNA写材料工艺的一个步骤的截面图，其中进行了去杂交，以从位点2除去序列C，在位点2存在一个永久性DNA序列B。
图16为制备DNA写材料工艺的一个步骤的截面图，其中，功能化的DNA序列D与序列C杂交。
图17为制备DNA写材料工艺的一个步骤的截面图，其中，位点1，2和3被掩盖，而位点4被曝光，导致DNA序列D和C的交联。
图18为制备DNA写材料工艺的一个步骤的截面图，其中进行了去杂交，以从位点3除去序列D，在位点3存在一个永久性序列C，在位点4存在一个永久性序列D。
图19为制备DNA写材料工艺的一个步骤的截面图，其中，与用四种各自的荧光染料标记的A，B，C和D标识互补的DNA序列被杂交，以显示每一种标识。
图20为制备DNA写材料工艺的一个步骤的截面图，显示具有A，B，C和D标识的芯片表面。
图21为制备DNA写材料工艺的一个步骤的截面图，显示选择性紫外线曝光，使位点1和3不可杂交，位点2和4可杂交。
图22为制备DNA写材料工艺的一个步骤的截面图显示在表面上施用的用它们各自的发荧光团标记的DNA互补物，其中仅有B和D与它们各自的荧光互补物杂交。
图23A为DNA附着前，APS-反应的硅基质表面的背景荧光的平面图像。
图23B是在捕获DNA被结合至APS反应的基质后背景荧光水平的平面图。
图24A为一种与APS和捕获DNA反应，然后与遍布整个芯片表面的BODIPY Texas红色标记互补探针序列杂交的芯片平面图像。
图24B为杂交作用后的芯片表面的平面图，一种荧光BODIPY Texas红色标记互补探针杂交作用至该芯片表面右侧的非补骨脂素(non-psoralen)交联标识。
图25A为杂交作用后的芯片表面的平面图，一种荧光BODIPY Texas橙色(b)标记互补探针杂交至该芯片表面左侧的序列标识。
图25B为交联(B)和非交联(A)侧与相应的荧光标记互补DNA(A)和(B)探针杂交后的芯片平面图。
图26A为电子束缚于一种DNA聚合物层的160纳米珠(白色球状特征)的平面图，该聚合物层共轭束缚于一种具有部分特证的二氧化硅衍生化表面，带有10平方微米的黑色特征，其中DNA场已被紫外线去活性，纳米球不被束缚于这些区域。
图26B为与160纳米珠(白色球状特征)构造的一种晶格图像的平面图，其中，纳米球被电子束缚于一种DNA聚合物层，该聚合物层共轭束缚于一种具有部分特征的二氧化硅衍生化表面，黑色区域显示DNA场被紫外线去活性，纳米球不被束缚于这些区域。
图27A，B和C为形成荧光标记序列的一种装置和方法的截面图，其中，图27A显示一种具有功能化表面的基质，图27B显示具有功能化的表面并在该功能化的表面上具有附着的捕获序列A的基质，图27C显示具有功能化的表面，序列A和杂交的标记的互补序列的基质。
图28为提供多色图像的一种装置和方法的截面图，其中，图28A显示使用BODIPY德克萨斯红标记的表面的一部分，图28B显示使用BODIPY橙标记的表面的一部分，图28C显示使用BODIPY德克萨斯红标记的表面的一部分和使用BODIPY橙标记的其它部分。
图29为一种倒装式结合束缚排列的透视图，该排列保存几何尺寸，导致特别装置的小的致密阵列偶联至母板的局部区域。
图30显示从小的致密芯片到较少致密母板的小的致密结构的球形分布的透视图。
图31显示一种使用一种选择性胶质的微米或纳米结构自组装构造的截面图，其中给定类型特殊装置配有一种特定的DNA聚合物胶质，这些装置必须附加的区域涂覆有互补DNA胶质。
图32为DNA在特别衍生化微电极表面上进行选择性电场沉积的截面图。
图33为通过在互补DNA螺旋之间进行选择性杂交作用，将一种微米或纳米结构偶联至其本体母板基质的截面图。
图34为通过一种DNA束缚(左手侧)和通过高温循环(右手侧)后的一种冶金接触支承的纳米结构的截面图。
图35为通过物理掩蔽和电荷定向进行杂交之前，用于专门装置定位的一种装置的截面图。
图36显示形成纳米装置的结构，通过使用3维DNA纳米结构技术(顶部)提供一种八面体，纳米球排列成点阵构造并束缚至表面上以产生一种3维装置(较低)。
图37显示装置的电场定位的工艺步骤。
图38显示电场定位工艺的进一步步骤。
图39显示在微电子阵列装置上纳米结构转换及组装的透视图。
图40A-40H是图39的放大图，其中图40A显示负充电的1类纳米结构向正偏压的微位点移动，图40B显示在正偏压微位点上纳米结构的积累，图40C显示在该阵列中引入的负充电的2类纳米结构并在正偏压微位点的积累，图40D显示1类和2类纳米结构在它们各自位点的聚集，图40E显示当1号微位点被加上负偏压并且中心微位点被加上正偏压造成负充电的1类纳米结构向中心位点移动时，电助自组装的开始，图40F显示1类纳米结构在特定微位点的积累和杂交，图40G显示通过将8号微位点加负偏压和中心位点加正偏压2类纳米结构向中心位点的移动，图40H显示含有互补DNA序列的2类纳米结构与1类纳米结构的杂交。
图41显示一种8×8阵列图像。
图42显示用于在一种基质或母板上的较大尺寸装置的附加和定位的装置。
图43显示用于制备纳米结构的一种装置。
图44显示一种用于纳米级装置的纳米制备的一种装置。
图45为DNA光学存储系统的透视图。
图46A-F显示一种空间光寻址工艺步骤。
DNA结构、性能及合成的量要内容
合成的DNA具有许多重要性能，使其成为这些发明应用的一种有用材料。所有DNA分子的最重要性能为分子识别性能(借助于碱基对)和自组装性能(借助于杂交作用)。其他重要优点包括方便合成DNA的能力。且能用各种不同的官能团修饰其结构。我们已经深入研究了用各种不同供体和受体生色团功能化的合成DNA在自组装安排中的光电能量转换机制。我们特别注意了涉及通讯和在这些分子结构中输入和取出信息的基本问题。这些基础工作已用于高密光学存储材料的潜在应用，它们被设计成在一个单波长处吸收能量并在预定多波长处再次激发。现在，我们在硅表面上使用DNA聚合物作为微米及亚微米结构的两维及三维组织。这项工作已被定位于开发最新光电装置。
DNA分子对本发明和提议中的应用很重要，这是由于其特有的可编程和自组装性能。设计、合成、及组织这些系统要求进行纳米级的控制，几乎没有其它合成聚合物能满足这一要求。此外，DNA分子相对稳定且具有许多其它特性，使之能作为优选的纳米制造中的材料。
用于DNA及其它核酸类聚合物的下列技术来自于在合成核酸化学领域过去十五年作出的巨大努力。分子生物学家已经在诊断、基因测序和药物开发方面的研究中改进了技术和DNA材料。用于有效合成DNA及其修饰、使用配体和生色团的标记，以及与固态支承体的共价连接的基础化学现已成为发展完善的技术。合成DNA表示优选材料，许多重要结构、官能团及机械性能可结合进该优选材料中。
与目前用于光电应用的任何聚合物材料相比，DNA聚合物具有三个重要优点。首先，DNA聚合物提供了一种在半导体或光子表面上编码特有的高度特异性结合位点的方式。在特定位置产生的这些位点可以是微米级、亚微米级或甚至是分子尺寸(纳米级)的。其次，DNA聚合物提供了一种专门连接这些位置中任何位置的方法。编程的DNA聚合物能够自动进行自行排列。最后，DNA聚合物为纳米技术提供了组合单元；它们是生成真正分子水平光电装置的自组织材料。
DNA的特异性是其基本组成(腺嘌呤仅与胸腺嘧啶结合，鸟嘌呤仅与胞嘧啶结合)的氢键所固有的。DNA的这些特异碱基配对性能使DNA互补链之间“杂交”在一起形成双螺旋结构，正是这一固有的特性使DNA能够用来形成可编程自组装结构。这样，当一个特异的DNA聚合物序列结合到光子装置上时，它就只能与涂有互补DNA聚合物序列的装置或表面相结合。由于可以采用各种各样的DNA序列，故在原则上可以同时自组装多个装置，每个装置与不同的DNA序列结合。下面列出了使用DNA聚合物进行自组装纳米制备应用的重要优点：
1.DNA聚合物可以采用自动化仪器快速而有效地合成。传统的聚合物化学显然更复杂，且开发成本高。
2.合成DNA聚合物的长度从2到150个核苷酸，这是用于自组装单元的合适的尺寸范围(1nm到60nm)。
3.合成DNA聚合物可具有任何所需的碱基对序列，因而可对几乎无数个连接提供可编程识别。
4.DNA聚合物具有少到10个核苷酸的独特序列，该序列对其互补序列具有高度的特异性且只与其互补序列结合。这样，DNA聚合物就允许分子单元间有小到3.4纳米的特异性连接。
5.DNA聚合物可以通过共价键用荧光团、生色团、亲和标记物、金属螯合物、化学反应性基团或酶进行标记。这可以将重要的光电特性直接结合进DNA聚合物中。
6.DNA聚合物可以在序列中的任何位置、或者在单个核苷酸单元中的几个位置进行修饰，这就提供了一种获得最大效率的功能团定位方式。
7.DNA聚合物可以通过共价键或非共价键结合到固体表面上：玻璃、金属、硅、有机聚合物和生物大分子。这些附着化学已存在，且是容易开发的。
8.DNA聚合物本身的主链结构可进行高度修饰以产生不同的性能。这样，就与已有的半导体和光子基质材料相互兼容。
9.修饰的DNA聚合物可用来形成三维结构，从而导致超高密度的次级储存技术。
10.DNA聚合物可以通过冷却和加热可逆进行组装和解散，或修饰以保持其组装状态。这是用于自组装材料的一个典型特征，因为在制备所得系统中允许多向选择。
11.DNA聚合物的结构和组织(一般为核酸)已被人们完全了解，且可通过简单的计算机程序方便地控制。所以，能够设计更复杂的光电分子装置。
发明详述
本发明涉及使用自组装DNA聚合物、修饰的DNA聚合物、DNA衍生化结构和其它亲和键合物质进行光电机制、装置和系统的纳米制备和微米制备的方法学、技术和装置。本发明还涉及允许多形式和多步骤的制备工艺，修饰DNA聚合物的组织或组装，DNA衍生结构，和其它类型的亲和力或结合进在硅或其它表面上或表面内复杂结构的充电构造。
本发明中的“DNA聚合物”广泛定义作核酸的聚合物或寡聚物形式(线性或三维)，包括：脱氧核糖核酸、核糖核酸(合成或天然)、肽核酸(PNA)、甲基膦酸酯；以及其它形式的DNA，其主链结构已被修饰，产生负的、正的或中性种类，或除天然磷酸酯以外的连接。还包括DNA的各种形式，其中，糖或碱部分已被修饰或取代；DNA的聚合物形式，核苷酸或多核苷酸单元与其它单元散置，其它单元包括但不限于磷酸酯间隔部分、氨基酸、肽、多糖、合成有机聚合物、硅或无机聚合物、导电聚合物、生色聚合物以及纳米粒子或纳米结构。
本发明的“修饰的或衍生的DNA聚合物”广泛定义为用化学或生物部分(如：胺、硫醇、醛、羧基、活性酯、生物素和半抗原)作功能团的核酸，允许DNA通过共价键或非共价键结合至其它分子、结构或材料。也包括已被下列基团修饰或衍生的DNA的形式，这些基团为生色团、荧光团、螯合物、金属离子、氨基酸、肽、蛋白质、酶、抗体，或改变溶解度的脂肪或芳香部分，改变DNA分子净电荷的部分。
本发明的“DNA衍生结构”广泛定义为纳米结构(有机、无机、生物)；纳米粒子(金、硅胶、以及其它无机材料)；有机或聚合物纳米珠(或纳米球)；亚微米装置、部件、粒子(通过光刻技术或电子束蚀刻技术生成的硅基装置)；微米级装置或用特定DNA序列做官能团的粒子，允许该结构特异地附加于或相互连接至另一结构、装置，或一种表面的特定位置。
当“纳米结构”指亚微米尺寸结构时，术语，如“纳”或“微”不限于能用技术上具有10-180纳米长度的DNA聚合物做官能团的微米级装置这个意义上。
DNA的独特性能提供一种可编程识别码(借助于DNA碱基序列)，能用作亚微米和纳米结构的特别布局。要求将特定DNA序列结合至有机、半导体、以及金属化合物的基本化学和技术对于本领域和完成这种应用的化学家都是已知的。
在优选实施方案中，光电装置排列并固定于基质表面的工艺包括：首先用特异DNA聚合物序列涂敷在基质表面，然后在希望结合特定装置的主体基质表面涂敷特异互补性DNA聚合物。该基质还要浸泡在含DNA包覆的装置的溶液中，这样就能发生互补DNA链之间的杂交。这一杂交过程使该装置有效地结合至基质表面上合适的受体位置。这种自组装制备工艺能用于，例如：(1)在较大表面区域制备光辐射阵列，(2)制备两维或三维光带隙晶体结构。
这种制备技术主要应用于光电领域及制备各种杂种-集成部件中，包括平盘显示器、医药诊断装置和数据存储系统。具有很小物理尺寸的新型装置利用各种量子界限技术。在大多数情况下，这些装置优选分布于较大区域(如：精细像素)。其它装置可能在密的规则晶体点阵聚集(如：光带隙晶体)。在两种情况下，装置的物理学可被理解，且需要这些发明的可行的制备技术。对于新的工艺技术，DNA自组装技术允许构造这些装置。
集成光电系统使用本发明的制备技术，包括纳米结构制备、集成、相互连接和自组装技术。对于这种应用，DNA自组装制备技术涉及以下步骤。合成DNA聚合物被设计成具有高度特异亲和力。当共价连接至纳米级有机、金属或半导体构成装置时，DNA聚合物提供一种自组装制备机制。这种机制能将装置选择性连接至一个期望表面的预编程位置，也能将装置集束至预编程的两维和三维点阵。
为将光子构成装置排列至一种本体基质上，首先合成带有互补序列的DNA聚合物，如图2所示。该光子构成装置和本体基质的期望区域(受体区域)涂覆有互补DNA序列。然后将本体基质引入一种杂交溶液。从母基质也释放涂覆有特定DNA聚合物的装置至该溶液中。在电子或光子诱导局部场(电泳)的影响下，该释放装置能被主动传送至其受体区域。通过仔细控制溶液的温度、离子强度、或电场强度来完成杂交作用。一旦该装置通过杂交作用结合至其特定受体区域，就除去溶液并使基质干燥。在较高温度下能完成金相(共晶)结合，以便将装置完全结合至本体基质材料。以相似的方式能使亚微米和纳米级元件集束成两维或三维结构(如：光子带隙晶体)。在此情况下，本体基质被其它纳米级元件所取代。但是，其主要差别是用于在纳米级元件上定位不同的DNA螺旋的连接技术。
基于DNA聚合物的自组装制备技术具有两个独特的特征。首先，通过取消在装置结合(杂交)工艺过程中，保持相对装置间隔(由母基质定义)的要求，该技术能在母基质上密集制备微米、亚微米或纳米级装置，然后在本体基质上以预编程方式进行再分布(图3.a)。
这种特征对大芯片内的芯片内光学相互连接的可行性具有极度的冲击。它降低了光电装置必须在更昂贵的较小基质上制备的精细像素的硅成本。第二个特征是能控制并使许多纳米级装置彼此定位(如：有机或金属纳米球)。这一特征允许带有大晶格常数并具有期望的定向对称性的合成光子晶体的“增长”，表现为光子带隙性能(图3.b)。
因此，DNA聚合物的高度特异结合亲和力和自组装导致：
(1)通过在硅或其它基质的较大区域自组装并集成光电微米或纳米装置，降低精细像素装置的成本，即：在硅基质上一种光辐射排列的自组装，
(2)通过自组装介电纳米结构以形成光带隙晶体得到高度选择性波长和可调装置，即：DNA纳米球的自组装所产生的光子带隙晶体层内辐射装置的密封，
(3)通过选择性自定位生色团分子和纳米结构单元得到超高密度光存储介质，
(4)结合结构的选择性定位如：金、锡或如结合填料的焊接结构，例如，为达到低成本或独立的模具对模具工艺，如：用于倒装式结合法应用。
在优选实施方案中，这些应用在工艺上要求四个步骤。第一步涉及DNA聚合物序列的设计和合成，及其选择性连接至感兴趣的亚微米和纳米级装置。第二，特定的互补DNA聚合物连接至本体基质表面上的预选择受体位置。第三，通过DNA杂交工艺的装置的自组装。第四步工艺涉及建立电接触。
本发明以协同方式将分子生物学(DNA结构和功能)和光电装置原理结合在一起。就光子装置而言，带有很小物理尺寸的崭新装置利用各种量子界限技术。在大多数情况下，这些装置不许分布在大区域(如精细像素)。其它情况下，这些装置必须密集以形成规则晶体点阵(如光子带隙晶体)。关于工艺技术，自组装DNA技术及其完善开发的DNA合成、修饰、以及杂交作用对于这些应用是一种有效的技术。借助于各种选择性连接DNA至硅、金、铝和其它无机和有机材料的方法可使DNA与固态支承体和各种其它材料进行连接。许多薄膜工艺技术与这些DNA工艺高度互补。例如，以下将详述，卸下工艺能方便地适用于生产带有DNA序列的微米和亚微米装置。
DNA基构成装置自组装的关键工艺
四种技术对于DNA基构成装置自组装工艺非常重要。它们是，DNA聚合物合成，DNA附着化学，DNA选择性杂交作用，以及半导体薄膜和装置的外延卸下。在以下部分，我们将给出这些技术的概要。
DNA合成及其衍生化
以下述优选方式可完成DNA聚合物或寡聚物的合成、纯化、用合适的附着及生色基团衍生等任务：DNA序列的合成采用自动DNA合成器和氨基膦酸酯(phosphoramidite)化学步骤及试剂，以及公知步骤。在化学键接点，DNA聚合物(多核苷酸、寡聚核苷酸、寡聚物)能有伯氨基，用于次一级的附着或功能化反应。根据特定序列的要求，这些伯氨基能在DNA结构的精确位置结合。附着序列也能含有一种终止核糖核苷酸基团，用于次一级表面偶联反应。序列，包括氨基修饰寡聚物，能用制备式凝胶电泳(PAGE)或高压液相色谱进行纯化处理。带有终止氨基基团的附着序列能设计成共价键，连接至有金属化特征的金、银或铝，或连接至有二氧化硅存在的小区域。用一种称作琥珀酰亚氨基3-(2-吡啶联硫基)丙酸盐(SPDP)能衍生化这些序列。这种特定的试剂产生一个带有一种能用作次一级的附着至金属表面的终止硫氢基的序列。借助于Schiff碱反应，含有一种终止核糖核苷酸基团的其它附着序列能转换成二醛衍生物。然后这些附着序列可被偶联至氨基丙基化的二氧化硅表面上。设计成用于光电转换响应的特别序列能用合适的生色团、荧光团或电荷转换基团进行功能化处理。许多这类基团作为活性试剂，方便地与上述化学结合点偶联，以形成稳定的衍生物。
DNA附着于固态支承体上和本体基质材料的制备
这一步骤涉及将附着序列共价结合于固态支承材料上。在DNA附着于固态材料的一般区域，序列已经共价附着于许多材料上，包括：(i)玻璃(SiO2)，(ii)硅(Si)，(iii)金属(金、银、铝)，和(iv)Langmuir-blodgett(LB)膜。按以下方式制备玻璃、硅和铝结构。首先用稀释的氢氧化钠溶液处理玻璃和二氧化硅(SiO2)，用稀释的氢氟酸溶液处理铝。然后用3-氨丙基三乙氧基甲硅烷(APS)进行处理，使这些材料与附着序列共价偶联。在10％的APS/甲苯溶液中对这些材料进行回流处理2-5分钟即可完成共价偶联步骤。用APS处理之后，用甲苯清洗材料，然后用甲醇清洗，最终在100C下干燥1小时。在0.1M的磷酸钠缓冲液中(pH7.5)与特定的二醛衍生附着寡聚物(见图4)反应1-2小时可完成附着至APS衍生材料的步骤。此外，也能完成附着至金属(金、银、铝)和有机特征物质的步骤。
为了叙述发生特定装置结合的区域，可能要完成互补DNA聚合物的选择性附着步骤。通过使用DNA序列固有的选择性、选择性附着化学或通过直接电泳传送，能实现该选择性附着。或者在附着之后，通过紫外线辐射可破坏不需要区域的DNA螺旋。只有当一组装置需要自组装时，这一方法才有用。终止步骤将正常操作，排除随后的DNA附着工艺，且不允许几个特定装置组的自组装。附着化学强烈依赖于DNA聚合物可能附着的材料。
例如，为了将DNA附着至涂覆有一种保护玻璃层的硅芯片上的铝板上，通过将样品短期浸入一种稀释的缓冲HF溶液中，使铝区域活化。这一过程的最终结果是，仅有极少几个DNA螺旋附着在保护玻璃层上，而暴露的铝板对DNA为高度反应性的。这种材料选择性是一种将DNA附着于所期望区域的方便而普通的方式。当材料的选择性与紫外线引导失活性和电泳传送结合时，将允许循序重复完成附着工艺。
考虑几类特定装置的同时自组装的工艺。受体板需要根据它们将要偶联的装置进行分组。在此情况下，要求用一种特定的DNA序列进行涂覆每个板组，该DNA序列与附着在键接其上的特定装置的DNA序列互补。为了“预编程”该受体板，每个DNA序列循序附着于合适的板上。通过使用电泳传送工艺和对DNA不期望附着的板施加一种负电荷都能简单地达到这一目的。同时，施加一种正电荷能增强期望位置的附着效果。另外，一种光学诱导电场能用于将DNA螺旋迁移至所期望的位置。应该指出的是，当在本体基质上仅有一类装置要求自组装时，单独使用DNA附着化学的材料选择性就足够了。将在不期望发生DNA杂交作用的区域进行紫外线辐射。
构成装置的制备和外延卸下
自组装工艺的另一个关键步骤是用于DNA附着的亚微米和微米级部件的制备，在附着工艺过程中的处理，杂交作用之前最终释放至溶液中。外延卸下(ELO)工艺能改进这一技术的这些方面。厚度范围是20nm-10mm的外延膜已经与其生长基质分开，且被加工及制作。例如，使用这一技术，薄III-V半导体膜已被直接结合至外来的基质，如加工的硅晶片。卸下操作之前，能在仍位于其母基质的膜上制备各种装置。自组装技术的第一步是制备将进行结合的光子装置。图5描述了这一制备步骤的优选工艺流程。ELO工艺所要求的一种牺牲层的母基质上，以一种标准形式制备该光子装置。然后在这些装置上沉积一种合适的涂层。通过控制所沉积的材料相对于装置材料的特性，可控制释放至该盐水溶液的装置的特性。例如，通过控制涂层材料的性能，能控制该溶液中装置的方向。ELO工艺之后，一种厚的聚合物膜被旋转以提供对该装置的一种物理支承。完成ELO工艺，该薄膜装置与其母基质分离。通过使用等离子体浸蚀，聚酰亚胺支承膜隐蔽在没有装置的区域。若需要，一种金属层能被沉积以保证与光子装置的良好电接触。然后完成该DNA附着工艺，且一种特定的DNA序列共价连接至所有金属表面上。通过用一种紫外线光辐射该前表面，该光子装置用作自排列掩膜，使涂覆有DNA聚合物的聚酰亚胺暴露。在这些区域内聚合物反应形成一种不适于进一步杂交的形式。通过使用一种溶剂，然后可除去该聚酰亚胺，且该装置释放至用于进一步杂交过程的盐水溶液。
选择性DNA杂交技术
一旦该主体基质进行预编程，且该装置释放至该溶液中，就会进行自组装过程。有两种不同的杂交方法：(1)传统的杂交，(2)用电场进行的主动杂交。
对于传统的杂交过程，所有装置可以同时释放到溶液中。通过缓慢搅拌存在于适当的杂交温度和离子强度溶液中的装置，随着适当的装置受体对开始接触，就会发生互补DNA螺旋的杂交。所发生杂交的几率可能直接与进行接触的适当的装置主体对的几率相关。由于该几率的分布极可能是随机的，故该过程可能要进行较长的时间才能在大的表面上达到令人满意的杂交产率，除非溶液是用该装置饱和的。为了改善选择性和排列精度，在杂交过程中可以采用几个可控的加热和冷却循环。在加热过程中，弱的杂交组分会解离，以便增加形成强键的机会。
对于主动或电杂交，采用母板本身或另一个电极阵列制备装置来产生局部电场，这将在所选区域吸引和富集所选的组分装置。对于该过程，母板或制备装置具有可用作为电极的位点。在所选受体位点和辅助电极之间的溶液中施加一个电压。受体位点的偏压(+)与所选装置的净电荷(-)极性相反，故影响了这些装置的电泳转移和富集，因而增加了杂交和结合的速率。采用电子或光子寻址可以选择性地开启或关闭这些位点。可以适当的频率施加脉冲直流或偏置交流电场，以消除不想要的装置类型的筛分效应。
也可以保护的方式利用电场效应。在此情况下，受体的偏压(-)与装置的净电荷相同(-)。则该装置被这些区域推斥，而只与带相反电荷(+)或中性的部位发生反应或结合。主动电场转移可用来进行多形式和多步骤的构成装置的寻址，以及在母板排列上的任何位置的结构。
在杂交作用中的另一个重要的考虑是在母基质或本体基质上的光子装置的排列的精确性。假定圆柱式光子装置的旋转为恒定的。在此情况下，若该装置和本体板的直径为d，在干燥工艺之前，用天然杂交工艺首先可达到d/2的排列精确性。具有大于d/2偏离的偏离装置在杂交工艺过程中将不能形成一种强键，在杂交工艺的加热和冷却循环中将不能保持在原位。当使用主动电场杂交时，可能达到较好的排列精确性和定向效果。一旦从溶液中取去基质，干燥过程中增加的表面张力能进一步改善其排列精确性。
金相结合
杂交作用之后，通过形成具有很高键合强度的双螺旋DNA结构，特定装置将置于其合适的位置。通过浸洗和之后的干燥工艺来清洗整个组装。DNA键合强度保持于稳定状态，使装置稳定定位。但是，在该工艺过程中的这一点，本体基质和光子装置之间没有电接触。在本体基质和光子装置之间达到表现为电阻接触的金相键合的一种方法是使用可在低温条件下通过共晶键接将板和装置结合在一起的导电材料。第二个方法是：在对DNA附着活性的一种金属层下使用具有低熔点的金属，像锡或铟。当通过DNA键合使光子装置定位后，热的应用将导致金相键合的形成。在键内DNA聚合物将解离，根据所用的初始DNA加载因素，可能仅使接触电阻增加。
自组装辐射器阵列的开发
作为使用本发明的一个实例，可有利地形成辐射器阵列。特定的DNA聚合物序列可共价附着至半导体光辐射二极管(LED)上，而互补DNA序列可附着至位于本体硅基质的受体板上。紫外线/DNA图案形成技术可用作在涂层表面的DNA的选择性活化/失活。然后使用互补荧光DNA探针测试所有DNA衍生试验结构和材料的选择性杂交能力。与特定DNA序列进行衍生作用的LED试验装置可以与互补DNA序列衍生的试验基质杂交。
自组装光子带隙结构的研制
用DNA自组装技术可形成光子器件或晶体。光子带隙结构是人为的以两维或三维排列方式的周期点阵结构，由合适尺寸、密度和分离性的元件组成。这种构造导致光子密度状态的改进和电磁波扩散缝隙的出现。的确，已经表明光子带隙构造在特定光波长处操作。光子带隙材料的潜在应用包括修正一种激光的自发辐射，达到超低阈空转(threshold lazing)、改善的波引导结构而不会有辐射损失、崭新的光学调节器等。
在本发明的一个方面，高介电常数的纳米棒或球置于低介电常数的介质中。一个三维宝石网格结构紧密填充的四面连接介电球(直径200nm，折光指数3.6)嵌入如空气这样的低介电常数介质中表现出了光子带隙。本发明涉及通过在低介电材料中自组装具有所需几何尺寸的高介电常数元件来制备光子晶体的新方法。为了制备这样的结构，且在网格位点获得所需的网格尺寸和纳米元件，采用了在纳米元件上选择性结合DNA序列和有限的DNA螺旋序列的杂交。具有磁性能的金属球可具有附着的DNA链。该磁性能也可以用于控制球(或二维晶体的棒)的方向。该金属球可以浸泡在DNA溶液中，用磁场进行排列，且受紫外光的照射。这一技术允许二维和三维光子带隙结构在活性光电装置周围以最小的制备复杂性“生长”。此外，由于连接纳米球的DNA键有一些柔性，故该技术还可以提供一种可调光子带隙结构的方法。电子定向将在下面的“纳米球和亚微米装置的电场定向合成工艺”中讨论。
上述各种DNA聚合物(寡聚核苷酸)序列的尺寸范围为20mer-50mer(聚体)，可通过使用氨基膦酸酯(phosphoramidite)化学，在自动DNA序列上进行合成。较长的DNA序列一般要求结合较大的目标至表面上，原因在于结合力必须足以克服要除去该目标的力(如：剪切力)。使用聚合物链反应技术(PCR)，可构造较长的DNA序列(＞50mers)。DNA序列可进一步用合适的官能团(胺、硫醇、醛、荧光团等)进行衍生。所有序列可用聚丙烯酰胺凝胶电泳或HPLC进行提纯。提纯之后，所有序列可在用于提纯的分析聚丙烯酰胺凝胶上进行检测，然后通过杂交分析进行特定性测试。
几个DNA序列可用于开发和测试其它的用于共价附着各种有机聚合物基纳米球、半导体、及其它材料基质(金、银、铟、锡氧化物等)的化学方法。其它的附着化学方法提供了用于选择性附着至不同半导体材料的选择性和可塑性。
特定DNA聚合物序列可共价附着于半导体测试结构和互补DNA序列，以便测试基质(母板)材料。紫外线/DNA图形技术可用于在涂层表面DNA的活化/失活。然后，使用互补荧光DNA探针，测试所有DNA衍生测试结构和材料的选择性杂交。
使用传统技术(温度、盐和离液序列高试剂)和电子技术(电泳)，与用特定DNA序列衍生的纳米球、纳米粒子和半导体测试结构杂交，以检测用互补DNA序列衍生的测试基质(母板)。该杂交技术可优化为最高选择性和最少量的非特异结合。
发光二极管阵列的制备
特定DNA聚合物序列可共价附着于半导体发光二极管(LED)装置，和互补DNA序列至母板材料。紫外线/DNA图形技术可用于在涂层表面DNA的选择性活化/失活。之后，用特定DNA序列衍生的发光二极管被杂交至用互补DNA序列衍生的测试基质(母板)。
一种光子晶体结构的自组装制备
多重特定DNA聚合物标识可结合进纳米粒子或纳米球，用于围绕位于母板材料上的辐射测试装置的自组装。紫外线/DNA图形技术可用于在涂层表面DNA的选择性活化/失活。与特定DNA序列衍生的纳米粒子可被杂交至位于与互补DNA聚合物衍生的基质上的辐射测试装置。
自组装的进一步内容
本发明用一种“自组装”技术提供平行且覆盖较大区域(一侧能达几米)的自组装特定装置。在这一步骤中，每个待结合的装置都或多或少“知道”在母板上的定位。本发明涉及一种基于生物系统中遇到的可编程自组装原理的新的集成技术。这种新技术消除了结合过程中对尺寸的要求。我们的目的在于使用DNA(脱氧核糖核酸)聚合物作为“选择性胶”在硅上进行微米/纳米结构的自组装，从而在大面积母板上开发间隔集成这些构造的技术。这样可达到高精确性、低成本、装置由具有不同真实密度的材料组成，如图30所示。这个步骤依赖于在所有生物系统中发现的可编程自组装原理，且使用公知的合成DNA化学作为可用的工艺。这些技术包括：(1)使用外延卸下工艺，从母基质中除去特定装置，(2)用我们公司专门研制的DNA附着化学，在特定装置上附着选择性DNA聚合物序列，(3)在母基质的合适位置选择性附着互补DNA聚合物序列，(4)用互补DNA螺旋的杂交作用完成自组装。这样使用DNA聚合物序列作为一种优秀且很具选择性的胶，以便将微米/纳米级专门装置附着至母板的预定区域(见图31)。
选择性DNA杂交作用和电场传送技术
将DNA序列杂交至附着于固态支承材料上的互补DNA序列的技术广泛用于许多生物技术、分子生物学、医疗诊断等应用中。一般，杂交反应在含有合适缓冲电解质盐(氯化钠、磷酸钠)的水溶液中完成。温度是一个控制严谨性(专一性)及杂交反应速率的一个重要因子。将DNA序列杂交至半导体材料的技术是已知的。首先是一种紫外线光刻技术方法，允许在固态支承材料，如：二氧化硅和各种金属上的DNA杂交进行印刷和图案形成。第二种方法是将DNA-纳米结构(特定DNA序列附着至纳米结构)电泳传送至基质材料的所选位置。用DNA进行紫外线光刻技术首先涉及用一种特定附着DNA聚合物序列的一种分子层涂覆一种基质材料。通过曝光于紫外线辐射(300nm)几秒钟，一种合适的掩膜能用作DNA附着层的印刷和图案形成。使曝光于紫外线的基质区域的DNA变成与互补DNA序列的杂交作用失活，即：不能形成双螺旋结构。图7显示采用一种电子显微镜网格状线，用10微米线形成一种硅结构上的荧光DNA图案。经紫外线形成图案之后，该材料用一种互补荧光标记DNA探针分子进行杂交，并检测表荧光(epifluorescent)显微镜检术。荧光图像显示了互补探针被杂交的区域(有荧光)，以及不发生杂交作用的区域(无荧光)。除DNA基紫外线光刻技术工艺之外，其它电场基工艺允许衍生化DNA和充电荧光纳米球被电泳传送，且沉积于固态支承体的选择性显微位置。本技术的基本方法和装置如图32所示。负电荷DNA、亚微米或微米级结构能悬浮于水溶液中，且借助于电场被传送至偏移正电荷的显微位置，相对于其它偏移负电荷位置。这是一种特别重要的技术，其原因在于，它能提供一种将特别标记装置传送至基质材料的特定位置的机制。
微米/纳米级结构制备
我们的自组装技术的第一步是制备专门用于结合的装置。在此情况下，在ELO工艺所要求的一种牺牲层上，以一种标准方式在母基质上制备专门装置，然后将一种合适的涂层沉积于这些装置上，以保证在盐溶液中具有布朗类运动。通过控制相对于装置材料的该沉积材料的特征，一旦释放至盐溶液，装置的行为可被控制。如，通过控制涂层材料性能，我们能控制溶液中装置的方向。一旦装置被涂覆，ELO工艺之后，一种厚聚酰亚胺膜可形成以提供对该装置的一种物理支承。可进行ELO工艺，且薄膜装置可与其母基质分离。通过采用等离子体蚀刻，聚酰亚胺膜可被隐蔽，以便提供足够的步骤防止出现连续的金属层。之后完成DNA附着工艺，一种特定DNA序列可被共价附着至所有金属表面。通过用来自于该装置前表面的紫外线光进行辐射，曝光和未保护的DNA区可能被破坏或变成不适合进一步杂交的形式。通过采用一种合适的溶剂，将除去聚酰亚胺，且该装置可被释放至用于进一步杂交工艺的盐溶液中。
母板基质的制备
为了描述将要进行特异性装置的结合的区域，必须对互补DNA聚合物进行选择性结合。可以通过采用DNA序列固有的选择性、选择性结合化学，或者通过定向的电泳转移来实现这种选择性结合。在结合之后，还可以通过紫外辐射除去不希望区域的DNA链。只有当装置的一个组需要自组装时该方法才是有用的。
如前所述，DNA结合化学强烈地依赖于所用的DNA聚合物可被结合上去的材料。比如，要把DNA结合到涂有保护性玻璃涂层的硅芯片上的铝板，我们首先要通过把该样品短时浸泡在稀HF溶液中来活化铝区域。这一过程的最终目的是只有极少数DNA链结合到保护性玻璃层上，而暴露的铝板对DNA有很强的反应活性。这一材料的选择性是将DNA结合到所希望区域的方便而常用的方法。当该材料选择性与紫外照射失活和电泳转移过程相结合时，就可依次进行重复的结合过程。考虑到几类特异性装置的同时自装置，需要根据将与板偶合的装置来对该板进行分组。在此情况下，每个板组需要涂敷与结合到特异装置(DNA能够键合到该装置)的DNA序列互补的特异DNA序列。为了对母板进行预编程，每个DNA序列可以依次键合到适当的板上。通过采用电泳过程和对不需结合DNA的板施加负电压很容易实现这一点。同时，还可施加正电压来增加所需位置的DNA结合。对于第二组DNA序列结合，可以采用不同的电压程序重复上述步骤。这样，当需要同时进行多个装置的自组装时，通过在板上施加合适的正负电压组合可以对接受板的母板进行编程。当只有一类装置需要在母板上进行自组装时，单独采用DNA结合化学的材料选择性就足够了。
特异DNA聚合物：一种选择性胶
一旦母板预编程，专门装置被释放且在盐溶液浴中自由移动，就发生自组装过程。在合适的(杂交)严谨性温度下，通过轻轻地搅动溶液中的装置，当合适的装置-板进入接触时(见图33)，互补DNA螺旋的杂交作用允许发生。可采用不同的方法来达到这一过程。
传统杂交和电子杂交
在本方法中，所有装置可同时释放至该溶液中，杂交过程的概率可直接涉及进入接触的合适设备板对的概率。在很简单的假设下，杂交作用的概率Ph大致可跟总的板面积Ap与母板面积Amb之比有关
Ph∝NAp/Amb
其中，N为溶液中专门装置基团之一的真实密度。由于概率分布是随机的，这一过程可进行很长时间，以得到合理的杂交率。另一方面，要求溶液饱含专门装置。这样可能会增加该过程的成本，并限制能进行自组装的专门装置类型数量。为了改进选择性和排列精确性，在杂交过程中，将完成几轮加热和冷却循环。在加热循环中，弱杂交部件可被解离，以增加形成较强键的机会。
外延卸下工艺
自组装工艺的一个关键部分是制备用于DNA附着的微米/纳米级装置，杂交之前，在附着过程中的加工和最终释放至盐溶液中。最普通的ELO方法为在合金的AlGaAs系列上使用HF酸的选择性。富铝合金以1mm/小时的速率蚀刻，富镓合金的蚀刻速率小于0.1nm/小时，几乎测不出。一种AlAs的中间层溶解，允许上部外延层简单地漂离该基质。其它分离方法也已经使用，包括机械分割(CLEFT)，总的基质蚀刻至一个蚀刻终止层。厚度范围为10nm至20nm之间的外延膜已经与其生长基质分离、被加工并制造。
例如，使用本技术，III-V半导体薄膜被直接键接至别的基质上，如：加工的硅晶片。ELO膜的机械韧性允许按基质外形形成一种完整膜，生成一种强且完善的键。之后，ELO技术在一种工程基质上产生一种单片类外延薄膜。卸下之前，在仍位于母基质的膜上制备各种装置。ELO技术在某种意义上代表一种杂种方法，如：倒装式隆起安装(flip-chip solderbump mounting)，和完全单片方法(fully monolithic approach)，如：直接杂外延(direct hetero-epitaxy)，之间的中间方法；但是，ELO技术结合了两者的优点。ELO是一种真实膜技术，允许在一种III-V薄膜边缘和一种硅微芯片基质上来回通过的薄膜金属排列。同时，该薄膜生长点阵匹配，且基本上为均相外延。对少数载体装置，如光辐射，最为重要的材料质量从未遭到破坏。ELO技术比杂种倒装式(hybrid flip-chip)技术优越之点包括具有低封装电容和高存储密度。对于高速微电路，排列电容必须很低。性能损失不仅是增加的动力消耗负担。由于金属接线的串联电阻不可忽略，RC时间常数将最终起作用，以限制与可能会成为严厉的动力消耗问题无关的光电微电路的速度。关于技术的工作尺寸，最终可达的存储密度或多或少增加。因此，在这方面，ELO可提供比结合物隆起技术(solder bump technique)更多。
加工的硅微电路的ELO膜结合要求考虑微芯片沉积氧化表面的超细级不平整度。表面不平整度干扰范式力或金相键的质量。
直流电场下的系列杂交作用
为增加杂交概率，第二种方法是分别引入每个装置组，并将该专门装置限制在偏离正电荷附近区域。通过向板施加一种合适的电压，在直流电场作用下能完成这一限制作用。该电场效应可看作上述方程中N值，即：面积比的增加，或等同的装置密度增加。但是，在此情况下，每个装置组必须循序引入，这样，不需的装置组不会影响正确装置到达该板。
在交流电场下的平行杂交作用
循序杂交的缺点是制备成本因专门设备类型增加而增加。另一个方法是将所有装置类型引入溶液中，施加一种初始直流电压，以产生围绕每个板的装置分布，然后，施加一种合适频率的交流电压，以消除不需装置类型的屏蔽效应。交流电场效应可看作一种较强搅拌机制。
金相键
杂交工艺之后，通过形成具有很高键合强度的双螺旋DNA结构，专门装置被置于其合适的位置。通过浸洗清洁整个组装，然后进行干燥。DNA键合强度保持在强的状态，并将装置保持在原位。在此点，主体基质与光装置之间没有电接触。一种得到主体基质和光装置之间显示欧姆接触的金相键的方法是在垫片和装置上使用在低温下能共晶键合在一起的导电材料。第二个方法是在对DNA附着有活性的一种金属层下，使用低熔点金属，如：锡或铟。在此情况下，隆起必须制成纳米级尺寸。当通过DNA键固定该装置时，在两种情况下，热的应用都将导致金相键和电阻接触的形成。DNA聚合物将保持在键内，但可能仅依据所用初始DNA加载因子增加接触电阻。图34显示上述工艺。
专门装置的排列及定位
在自组装步骤中需要注意的关键问题之一是专门装置在母板的板上排列的精度。我们首先假定专门装置具有环形基面，这样该工艺能恒定旋转。在此情况下，假定板的直径为d，则用DNA键合工艺可达到d/2的排列精度。大于d/2偏移的装置将在杂交工艺中不会形成一个强键，且在杂交工艺的加热和冷却循环中不保持在原位。此外，若使用上文介绍的纳米隆起技术，形成金相键的高温循环完成之后，该装置可以用与倒装式结合的C4技术相似的方式对板进行自排列。
如果专门性装置不具有环形对称基且需要以一定的方向放置在板上，就会出现更为困难的问题。可以采用两种不同的方法在适当的方向键合。作为第一种方法，采用适当形式的二氧化硅层以物理的方式屏蔽掉在错误方向定位的特异装置，如图35所示。只有当装置具有正确的方向时，装置才能固定到板上。另一种对装置定向的方法是在DNA杂交之前采用库仑力。通过离子移植技术，或电子束蚀刻技术曝光，在板或装置上某些特定部位可以实现相反符号的电荷组合。这些电荷形式将装置引入其合适的定位。如图35所示，两种方法可一起使用，以提供专门装置的合适位置的DNA键。
纳米球和亚微米装置的电场定向合成工艺
电场合成最好被应用于产生具有多重DNA表面标识的纳米结构或微米结构(如：纳米球、纳米微粒、亚微米和微米级装置)。这些多重表面标识可以位于微粒表面的不同坐标上的特定DNA序列的形式存在。这些坐标可以是，例如，极性的或四面体性质的，并赋予潜在的自组装性能，允许纳米结构形成2维和3维光电结构(如光子带隙结构)。图36(上部)显示一种在极和赤道位置上具有多重DNA序列标识的纳米球(直径为20nm)的一般性示意图。图36(下部)也显示能通过将纳米球杂交在一起而形成的某些简单结构。
图37显示制备这种纳米球的初始步骤。在步骤(1)中，一种合适的功能化纳米球(带有胺基团)与醛修饰的具有序列标识(A)的寡聚核苷酸反应。标识(A)指的是一个DNA中碱基对的独特序列，比如一个20mer(20聚体)的具有5’-GCACCGATTCGAT ACCGTAG-3’序列的寡聚核苷酸(SEQ ID#1)。在步骤2中，寡聚核苷酸(A)修饰的纳米球杂交到一个埋有电极的微区表面，该表面具有互补的A’序列(5’-CTACGGTATCGAATCGGTGC-3’)(SEQID #2)，该(A’)序列含有一种交联剂(补骨脂素，psoralen)，并延伸至一种具有(B)标识(5’TTCAGGCAATTGATCGTACA-3’)(SEQ ID #3)的第二序列，它本身杂交至一种共价连接至表面上的(B’)DNA序列(5’-TGTACGATCAATTGCCTGAA-3’)(SEQ ID #4)。在步骤3中，对已杂交的纳米球给予短时的紫外线辐射，导致在(A/A’)杂交序列内的补骨脂素(psoralen)部分被共价交联。该纳米球现从表面上被去杂交(被动地或电子地)。该纳米球现在表面的极位置的具有一种被赋予的(B)DNA序列标识。图38显示加工过程的连续性。在步骤4和5中，(B)DNA序列标识修饰的纳米球现被“部分杂交”至一个新的微位置，该位置本身被杂交至(C-A’)序列，一种共价连接至该表面上的互补C’序列。(C)DNA序列不同于(A)DNA和(B)DNA序列。借助于(A/A’)DNA序列，该(B)DNA序列纳米珠部分杂交至该表面，但是，不在该表面上以任何特定方式定向。由于该(B)DNA纳米球在表面上具有非均匀性负电荷分布(由于(B)DNA的富裕电荷，可在一个电场定向)。在步骤6中，第二电极定位于较低电极之上，一种强度足够定向纳米球的电场强度被施加，但不从表面使纳米球去杂交。图38显示用(B)和(C)序列进行极性定向的纳米球；该电极的相对位置能产生电场，得到对(B)DNA和(C)DNA序列相对位置的其它角度。当纳米球处于正确排列时，能完全被杂交(A’-C/C’)，通过降低温度，然后置于紫外线辐射，以便进行交联(A/A’)序列。一旦去杂交，将产生一种具有相对极位置(北极和南极)的带有(B)DNA和(C)DNA序列的纳米球。我们相信，重复该工艺两次以上能在极/赤道或四面体坐标上产生带有(B)DNA、(C)DNA、(D)DNA和(E)DNA标识的纳米球。
多步骤和多重合成及制备工艺和装置
各种技术和装置能用于完成多步骤和多重合成和制备。图39显示一种在一个8×8基质上排列64个微电极的微电子点阵装置，四个较大控制电极位于基质之外。位于该装置上的电极结构具有的尺寸范围是约1微米至几厘米，或大规模时的尺寸更大，或这些装置的宏观形式。渗透层和/或模板材料可置于这种装置中，允许该装置用于在基质材料上完成多步骤或多重反应和制备步骤。这样，装置能用于在“自身”以及制备装置上进行多步骤和多重反应，从而在各种基质上产生组装系统。我们定义“多步骤”工艺，即：在该装置的一个或多个位置有一个以上合成或制备步骤。“多重”工艺涉及在装置的不同位置的不同部件的合成和制备。
图40显示多步骤传送工艺，且用这种装置能完成纳米球或纳米粒子的定位。在该图的这个序列中，负电荷纳米结构(类型1)被传送，且从本体溶液中浓缩于阵列左侧的特定微位置。通过漂离微位置，相对于控制电极漂离负极达到以上目的。在电场内的负电荷类型1纳米结构被传送，且在特定微位置浓缩(电泳)。类型1纳米结构可为具有特定DNA序列的各种装置或结构，它具有特定的DNA序列，允许它们在该装置自身的其它特定位置进行杂交，或杂交至其它含有互补DNA序列的纳米结构上。
在下一个步骤中，类型2纳米结构在该装置右侧的特定微位置被传送和浓缩。在下一个步骤中，类型1纳米结构传送至位于有互补DNA附着的阵列中心的特定位置。类型1纳米结构杂交并特异地附着于这些位置。类型2纳米结构现与类型1纳米结构一样，被传送至相同的中心位置。类型2纳米结构含有附着的互补类型1纳米结构的DNA序列。类型2纳米结构杂交并变成一个在类型1纳米结构上的束缚层。
图40中的步骤的顺序仅叙述用这些装置和自组装纳米结构、亚微米和微米尺寸结构完成的无数多步骤和多重制备情况之一。特定DNA序列附着于上述结构上。我们把这些工艺称作DNA衍生化结构的电场辅助自组装。例如，图41显示一种光序列，将200纳米荧光纳米球被传送至在一个8×8微电极阵列装置上的选择出的微位置。该微位置的尺寸为50μm×50μm。负电荷200nm荧光纳米球被快速传送并浓缩至正电荷微位置。在其它试验工作中，纳米球从该装置的一个位置移至其它位置，且在这些位置上可能形成纳米结构的各种点阵或排列。
大结构的定位和定向
本发明的一个有用的应用涉及在基质上或模板材料上的较大尺寸(10-100微米)装置的附着和定向。这一工艺示于图42中。在本实例中，一种装置被选择性地与四个不同的DNA序列进行衍生，而该母板被选择性地与四个互补序列进行衍生。之后，通过上文关于杂交用的被动和主动电场所述的工艺，该装置被允许杂交并附着至母板基质上。
在微电子参数内的纳米制备
本发明的应用范围涉及在微电子、光电子和光子部件等参数内的纳米结构和亚微米装置排列的纳米制备。在这些情况下，通过传统程序设计并建设微电子装置，但是含有设计成纳米结构和亚微米部件的自组装的某些区域。例如，图43显示了一种这样的装置。在这个实例中，采用传统的光刻技术技术，在硅上建造的一种微电子装置具有带有一种下埋微电极的阱结构。这种微电极现用于完成在微电子部件参数内各种纳米结构和亚微米部件的电场辅助自组装。这一技术允许将微电子部件和纳米级部件进行互连，并产生非常密的集成电路，包括多层部件(3D制备)的排列。这样，本发明被认为是一种协调传统微电子(光电子)制备技术和自组装纳米制备技术的途径。
在纳米参数内的纳米制备
在本发明的范围之内，本技术允许该序列选择性键接的DNA序列基质的纳米制备用一组纳米级或亚微米配置组装，这些配置是通过原子力、显微镜、电子束或其它亚微米制备技术进行沉积的。图44显示了这一技术的一个实例。在这个实例中，四个亚微米附着结构被沉积至一种合适的基质材料上。其中两个结构能被选择性活化，用于随后的DNA序列(即：仅用于硫醇附着化学)的附着。另两个材料结构能被选择性活化，用于另一类特定的附着化学(即：用于硅烷醛/胺附着化学的二氧化硅)。从这些位置中，能附着两个不同的DNA序列。在进一步的步骤中，互补DNA序列被杂交，它跨越两个不同位置，形成一种平方参数。从其它DNA序列的合适位置能杂交至参数DNA，最终在基质内形成一种具有选择性杂交点的基质结构。从基质纳米结构的这些类型中(有选择性DNA标识)，能完成各种两维和三维纳米制备。
用于光学写入的方法和设备
DNA光学存储涉及生色团DNA聚合物的设计和合成，该DNA聚合物在一个单一波长处吸收光能，并在预定的多波长处反射。我们的工作表明：DNA聚合物能以自组织方式附着至固体表面，并被制成具有设计功能的单元池。我们表明：附着于固体表面的DNA聚合物能表现为多重生色响应、光能转换和淬灭。图6和图7显示结果涉及将荧光DNA聚合物附着至二氧化硅和铝表面，以及紫外线在这些基质表面上的DNA单层内的写入(成像)。
用于DNA光学存储的紫外线写入机制
有四种不同的将信息写进DNA基质材料中的机制：(i)在DNA序列内胸苷的立体紫外线失活；(ii)荧光团和生色团的立体紫外线失活；(iii)淬灭生色团的立体紫外线失活；(iv)通过交联对随后的杂交的立体紫外线激活或失活(如：补骨脂素psoralen)。
图8a和b显示用一种标识语掩膜和一种四色写入掩膜进行的紫外线写入/杂交结果。这代表在硅基质上DNA单层产生的图像，互补荧光DNA序列被杂交至该硅基质上。
紫外线/补骨脂素写过程-步骤1
关于紫外线/补骨脂素写过程，图9至19显示了用于制备一种“四个标识的DNA基质材料”的完整过程。
这一过程使用补骨脂素交联剂给予基质材料上的多重DNA标识。当曝光于低能量紫外线光(365nm)时，DNA中嵌入的补骨脂素化合物能将DNA螺旋共价交联于一起。用补骨脂素连接DNA螺旋允许在基质表面上产生多重标识。
图9显示共价连接至硅/铝/二氧化硅基质表面的具有标识(A)的DNA序列。该芯片表面首先与氨丙基三乙氧基硅烷(APS)试剂反应，在基质表面上，提供用于附着DNA序列的胺基团。用核糖核苷基团在捕获DNA序列(A)的终端位置进行功能化，该核糖核苷基团随后被氧化，形成一种胺反应性二醛基团。该DNA(A)序列能被共价偶联至APS功能化基质表面上的氨基团。为说明起见，图中显示了四种单个DNA螺旋，作为叙述四种潜在写标识信号区的一种方式(指图中的位置)。在实际材料中，每个信号区都约有2.5×104至2.5×105个DNA螺旋(信号区尺寸优选250平方纳米)。
图10显示，通过杂交一种(B)标识补骨脂素修饰的DNA序列来起始该写标识过程，该修饰DNA序列也部分与存在于所有四个信号区(位置)的(A)标识捕获序列互补。补骨脂素分子嵌入杂交双螺旋DNA内。
图11显示一种紫外线掩膜，现用于盖住信号区1，而信号区2、3、4被曝光。未盖住的信号区(2、3、4)用低能量紫外线光(365nm)辐射。紫外线曝光引起杂交双螺旋DNA内嵌入的补骨脂素分子共价交联至该螺旋上。
图12显示整个表面现经受去杂交工艺。在信号区1中的未交联(B)标识DNA序列被除去，并将(A)标识DNA序列留在那个位置。现具有(B)标识DNA序列的信号区2、3、4在其原位。
图13显示用含有部分(B)标识序列DNA互补物的(C)标识DNA序列重复该工艺，杂交至信号区2、3、4上的(B)序列。
图14至18本质上叙述了图9至13中显示的过程的重复。完成时，含有四个不同的DNA标识序列(A、B、C、D)的每个最终材料位于一个不同的信号区中。
图19显示，在这一点，通过将四个荧光标记互补序列杂交至表面上，可检测四个DNA序列(A、B、C、D)的专一性。每个信号区现在应产生其特定的荧光色。
紫外线/补骨脂素写过程-步骤2
通过另一个掩膜和紫外线曝光过程完成实际信息的紫外线写工艺(至四个DNA标识基质)(见图20、21和22)。在此情况下，一种较高能量的紫外线辐射(254nm)使紫外线曝光区的DNA不可杂交。当DNA曝光于这种较高能量紫外线辐射时，DNA序列内的胸苷基进行二聚，从而阻止发生进一步的杂交作用。这一步骤用于使每个信号区失活或“关闭”。当荧光标记互补DNA序列杂交至该材料时，只有具备杂交互补DNA序列的信号区将发出合适的荧光。这是一种机制，通过它将数据选择性写进DNA中。
图20和21显示“打开”B、D标识，且“关闭”A和C标识。进行紫外线写过程之前，位于1、2、3、4四个信号区的特定A、B、C、D序列被杂交。通过盖住信号区2和4，将该表面曝光于高能紫外线辐射(254nm)来起始该写过程。通过紫外线曝光(曝光)，使信号区1和3有效失活并不可杂交，而信号区2和4中的DNA序列保持可杂交状态。
图22显示现在如何用荧光DNA互补物将材料杂交至四个DNA标识，但是，只有互补至B和D标识的荧光DNA将有效地杂交，且产生最终的荧光。完成紫外线写过程，现在在B、D信号区内有两种不同的荧光，而A、C信号区内没有任何荧光。
两色DNA写工艺的试验演示
我们已经演示了使用紫外线/补骨脂素的两种颜色写过程。以下将描述工艺过程和写步骤。图23A和B、图24A和B、图25A和B显示基质和荧光写材料的实际照片。图27A、B、C，以及图28A、B、C提供该工艺的进一步图形描述。
步骤1：用氨丙基三乙氧基硅烷(APS)处理一种对照芯片表面(二氧化硅/铝/硅)。图23-A显示由于背景荧光的相对低能量，该芯片基本为黑色。图27-A代表该工艺在这一点时的材料状况。所有照片都采用Jenalumar Epi-荧光显微镜/Hannanatsu增强CCD(电荷耦合装置)照相机/Argus Ten成象系统而得。
步骤2：第二对照芯片表面(APS反应的)与含有合适的碱基组成的DNA(A)标识捕获序列反应，用于随后的补骨脂素交联。在3’端上带有一个核糖基团的该DNA(A)序列被氧化成一种二醛，与表面上的氨基反应，从而共价附着DNA的。图23-B显示有DNA(A)存在，但没有荧光互补DNA时的基质表面照片。由于背景荧光的低能量，该芯片表面仍显示为黑色。图27-B代表该工艺在这一点上的材料。
步骤3：用Bodipy Texas红色荧光标记互补序列对已经过APS反应，且有DNA(A)捕获序列附着的第三对照芯片表面进行杂交。图24-A显示产生强红荧光的整个芯片表面。图27-C代表该工艺在这一点上的材料。
步骤4：用APS处理第四芯片，然后如步骤2所述将(A)标识DNA捕获序列附着在该表面上。
步骤5：之后，在整个表面上，将补骨脂素分子附着的互补(B)标识序列杂交至(A)标识序列。
步骤6：盖住该芯片表面的一半，而另一半曝光于低能量紫外线光中。这样引起(A)标识DNA序列与(B)标识DNA序列的共价交联。
步骤7：之后，用0.1M的氢氧化钠溶液处理该表面，以便除去(去杂交)芯片盖住一侧未交联的DNA。在这一点，该芯片的一半被共价连接的(B)标识DNA序列包覆，一半含有原始(A)标识DNA序列。
步骤8：用BODIPY Texas红色荧光染料(激发最大值为595nm，发射最大值为626nm)标记的互补(A)标识DNA序列现在被杂交至该芯片上。该互补荧光(A)标识DNA序列仅杂交含有该(A)标识捕获序列的芯片表面的一半(图24-B)。图28-A代表该工艺在这一点上的材料。在第五芯片上重复步骤4至步骤7。
步骤9：然后，将仅与(B)标识序列互补的用BODIPY橙色荧光染料(激发最大值为558nm，发射最大值为568nm)标记的序列与整个芯片表面杂交。这一DNA序列仅杂交至含有(B)标识的芯片的一半(图25-A)。图28-B代表该工艺在这一点上的材料。
步骤10：将仅与(A)标识捕获序列互补，用Bodipy Texas红色荧光染料标记的序列与第五芯片杂交。这一荧光标记DNA仅附着至含有(A)标识的芯片的一半。现在，该芯片含有两种带有对应颜色的标识(图25-B)。图28-C代表该工艺在这一点上的材料。结果显示，两个不同序列分别专一地杂交至一个芯片表面的两个不同部分(图24-B、25-A、25-B)，我们有理由相信上述方案确实能在硅基质表面上产生多重标识。
160nm球在基质上结合的试验演示
图26A和26B显示将160nm DNA衍生荧光纳米球附着至一种DNA衍生二氧化硅表面的结果。该纳米球被结合至带有活性DNA的图像部分，与DNA失活部分相反。该结合被认为是由于静电和杂交相互作用而产生的。
低密度光学记忆应用
DNA基光学数据存储和记忆的许多重要用途可能涉及有关文件、金融、商标和其它领域。对于这些“低密度”应用的基于荧光能量转换和生色团DNA机制的使用比实际应用中使用的条码和其它方法更具优越性，其原因在于，要想伪造这种信息或代码极端困难。
一种光电光学记忆写系统和装置
DNA聚合物可用于许多光电应用。使用DNA聚合物的主要应用之一为高密光学数据存储介质。在这个应用中，生色团DNA聚合物在一个单一波长处吸收光能，且在预定的多波长处再辐射(见图45)。一方面，这些发明涉及一种称作光电写工艺的方法。这一工艺涉及使用空间光定位至一种光活性基质材料，产生显微电场，之后影响充电生色团(颜色)DNA在这些选择性位置上的选择性传送和附着。
操作原理
光电写工艺涉及的基本原理示于图46.a和46.b中。所建议的写基质将是一种光电活性基质材料(如：一种光导膜)，DNA聚合物序列将附着于该材料上。每个这样的DNA序列都将具有多重标识。为说明起见，图46.a显示含有具有三种标识(A、B、C)的DNA序列的三个光活性点。一种含有生色团DNA的溶液，具有互补标识(A’)，将曝光于基质材料上，一种反电极将置于该溶液中，并降低了基质材料。基质材料上的特定微位置现能被空间光定位活化，引起该位置上的材料充电(见图46.b)。电荷的产生会在溶液中产生一种电场，引起带有相反电荷的分子吸引至该位置，或排斥带有相同电荷标识的分子。天然DNA将含有一种净负电荷，且将迁移至具有正电荷的位置。合成DNA’可在净负电荷、净正电荷或中性状态下完成。图46.b显示中心微位置2的光活性，生色团DNA(A’)迁移至这个位置，然后结合至(杂交至)该DNA(A)标识序列位置。当电场强度足够高时，DNA生色团单元的传送和浓缩过程将极快，在1到2秒之内出现。
图46.c至46.f显示在特定微位置产生多色的工艺。图46.c显示一组六个微位置，每个都含有一种带有A、B、C序列标识(这些图仅显示一个捕获螺旋)的DNA聚合物。进行在位置1、3、5处的空间光定位。生色团DNA A’序列(红)被传送，浓缩并选择性杂交至这些位置。图46.d显示用于下一步生色团DNA B’序列(绿色)的重复的过程。现在进行在位置1、3、4处的空间光定位。生色团DNA B’序列被传送，浓缩并选择性杂交至这些位置。图46.e显示用于下一步生色团DNA C’序列(兰色)的重复的过程。现在进行在位置1、3、5、6处的空间光定位。生色团DNA C’序列被传送，浓缩并选择性杂交至这些位置。完成了写过程，图46.f显示最终的光学材料，在微位置1和3具有生色团DNA A’/B’/C’(红/绿/兰)，在微位置5具有生色团DNA A’/C’(红/兰)，在微位置4具有生色团DNA B’(绿)，在微位置6具有生色团DNA C’(兰)，在微位置2没有任何生色团DNA(无色)。
除光导材料的空间光活化之外，也存在其它替代方法。例如，电极阵列装置可通过空间光定位进行开关。在另一个实施例中，电极阵列可通过电子仪器进行开关。
为了清楚和理解的目的，通过演示和实例，详细描述了上述发明，但是，很显然对于那些本领域普通技术人员而言，对本发明的某些改变和改进，都在权利要求书范围之内。

Claims (14)

1.一种制备微米级和纳米级结构的方法，包括以下步骤：
提供一种微米级或纳米级结构，具有一种第一特定DNA序列和一种第二特定DNA序列，该具有所说的第一和第二特定DNA序列的结构具有一种不均一的电荷分布，
提供一种本体支承体，其上具有一种第三特定DNA序列，
将具有第一和第二特定DNA结构的结构在电场中定向，从而将第一DNA序列或第二DNA序列选择性地定向于该本体支承体上的第三DNA序列，和
将定向的第一或第二DNA序列与第三DNA序列杂交和交联。
2.根据权利要求1所述的制备微米级和纳米级结构的方法，其中，第一DNA序列与第三DNA序列互补。
3.根据权利要求1所述的制备微米级和纳米级结构的方法，其中，该第一DNA序列与一种第四DNA特异序列杂交，该第四DNA特异序列本身与第三DNA特异序列互补，并可与其杂交。
4.根据权利要求2的方法，其中所述第一和第二特定DNA序列以四面体排列方式排列。
5.根据权利要求2的方法，其中所述第一和第二特定DNA序列以极性排列方式排列。
6.根据权利要求2的方法，其中所述微米级或纳米级结构为纳米球。
7.根据权利要求2的方法，其中所述微米级或纳米级结构为量子界限装置。
8.根据权利要求2的方法，其中所述微米级或纳米级结构为纳米棒。
9.根据权利要求2的方法，其中所述微米级或纳米级结构为精细像素。
10.根据权利要求2的方法，其中所述微米级或纳米级结构为光子装置。
11.根据权利要求10的方法，其中所述光子装置为光子带隙装置。
12.根据权利要求2的方法，其中所述结构以层状结构排列。
13.根据权利要求2的方法，其中所述结构以2维结构排列。
14.根据权利要求2的方法，其中所述结构以3维结构排列。
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