CN1753724A - 肽介导的金属和磁性材料的合成 - Google Patents

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布赖恩·赖斯
毛川宾
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Abstract

本发明公开了一种使用被修饰的生物分子来制备磁性纳米晶体的方法，所述被修饰的生物分子具有能够与磁性材料特异性结合的氨基酸寡聚体。

Description

肽介导的金属和磁性材料的合成
相关申请
本申请要求Belcher等于2002年9月18日递交的临时专利申请序列号60/411,804的优先权，该文全文引入本申请作为参考。
政府资助声明
题述申请的研究由陆军基础研究中心提供部分基金，基金号No.DADD19-99-0155，政府对其享有一定权利。
另外，本申请还附有计算机可读形式的核苷酸和/或氨基酸序列表。
发明所属的技术领域
本发明涉及能够与无机物质结合的有机物质，更特异地，本发明涉及能够与包括磁性材料的金属材料紧密、直接结合的特异的肽序列。
背景技术
在生物系统中，有机分子在诸如碳酸钙以及硅石等无机物质的晶核形成以及矿石相位等过程中发挥显著的控制作用，同时在基础模块组装成生物功能所需的复杂结构中也发挥显著的控制作用。
生物方法制备的物质通常很柔软，由非常简单的基础模块分子(即，脂肪，肽，以及核酸)的集合通过非常复杂的构建体系所构成。在半导体行业中，为了在集成电路上创立最小的结构，需要一系列的光刻(lithographic)处理步骤，而生物体通常使用非共价力在许多分子组件上自发地完成它们的建筑“蓝图”。此外，在无需改变任何分子成分的前提下，这些结构通常也能够在两个或多个有用的形式间进行完美的重排。
使用“生物”材料制备新一代的微电子装置为解决传统制备方法的局限性提供了一种可能的解决方案。该方法中的关键因素是确定生物无机材料的适当的兼容性以及结合性，以及适当的基础模块的合成。
发明概述
本发明人设计了结构，并制备生物材料来介导和控制无机材料装配成可控的复杂结构，其中所述无机物质包括金属和磁性物质。本发明人特别研究了铁磁体材料，以及包括纳米颗粒材料在内的颗粒材料。利用生物材料来构建并设计具有电学、磁学或者光学特性的材料，该种方法可以减小尺寸特征，并改善对诸如材料光电特性的控制，同时还能对材料的构成进行控制。例如，在本发明研究出了一种在室温下制备一种材料的方法，而该材料在以前只能采用高温制备方法进行制备。
采用能够表达多种细菌噬菌体集合的组合肽噬菌体展示文库与淘洗技术相结合来选择能够与诸如磁性材料等金属材料(例如，Co，CoPt SmCo5，或FePt)紧密、直接结合的特定的肽序列，其中所述细菌噬菌体能够在表面表达数百万不同的肽序列。
本发明人发现，这些可与金属和磁性材料结合的分子，包括肽，能够用于控制无机物质的晶核形成，例如，已经在天然和II-VI半导体中被证实。如果蛋白质能够用于控制包括磁性物质的金属材料的晶核生成，则磁性纳米颗粒及其应用物的制备就会比传统方法要便宜并且容易得多。纳米分子金属，包括磁体和磁性材料，可被用于诸如微米级或者纳米机器，发电机，发生器，磁性存储物质，或者应用于其它任意需要磁体或被磁化的材料中。这些材料的另一应用是对包括磁性材料的金属表面进行修饰。肽可作为连接材料与磁性材料表面的连接子，从而能够完成复杂纳米结构的自我装配，而这些复杂纳米结构可作为新的电子元件的基础。
本发明人证实，这种选择结合肽的方法(利用组合肽文库和淘洗技术)还可以用于诸如磁性材料等金属材料晶核的生成和控制。目前研究的包括磁性纳米颗粒在内的金属颗粒的其它合成技术都为高温合成，这些方法都必须在惰性气体环境下进行，并需要昂贵的试剂，而且为了将包括纳米颗粒在内的颗粒加工成所需的形状以及结晶性，在合成后通常需要进一步处理和纯化。结果是，采用传统方法制备磁性纳米颗粒非常昂贵，并且不适于大规模及批量生产。而本文所述方法通常在室温下操作，使用低廉的试剂就能获得具有可控结晶性的纳米颗粒，降低了包括纳米颗粒在内的金属颗粒的合成费用，并同时能对晶体形状以及生长方向进行控制。
由肽介导的包括磁性材料在内的金属材料的合成为金属材料，包括磁性纳米颗粒的合成提供了一种价格低廉且环保的方式。目前所用的制备包括磁性纳米颗粒的金属纳米颗粒的方法非常耗时、昂贵，并且所得到的纳米颗粒包覆有机表面活性物质。这些表面活性物质不利于对纳米颗粒的进一步修饰。分子生物学领域的进步使得肽更具有功能化特征，因此，由肽生长的粒子和纳米颗粒也会很容易被功能化。肽的功能化使之易于掺入电子元件中，并且易于整合入磁性记忆元件中。
本发明的另一方面提供了一种使用诸如噬菌体等自我装配的生物分子通过基因工程方式与金属，纳米颗粒，以及磁性体或其它材料相连接而形成有序结构的方法。这些结构可以是诸如纳米尺度的排列或颗粒，或者是纳米颗粒。以噬菌体为例，可选择与特定表面(例如，半导体)具有特定结合活性的自我装配物质，籍此，可采用修饰的噬菌体以及本文所述方法来构建所选材料的整齐排序的结构。
更特异地，本发明还包括制备金属材料的组合物及方法，该金属材料可包括磁性材料、颗粒、以及纳米颗粒。一个实施方案是制备金属颗粒，包括磁性颗粒的方法，其包括下述步骤：提供一种分子，该分子包括能与磁性表面在内的金属表面特异性结合的部分；使一种或多种包括磁性材料前体在内的金属材料前体与所述分子在允许金属材料、包括磁性颗粒形成的条件下相接触。所述分子可以为，例如，诸如氨基酸寡聚体或肽等生物分子。所述寡聚体可以为，例如，7～100个氨基酸的长度，优选为7～30个氨基酸的长度，进一步优选为7～20个氨基酸的长度，并且可以为组合文库的一部分，和/或包括嵌合分子。
本文所述的包括磁性颗粒的金属材料的类型可以由诸如Co，CoPt，SmCo5，和/或FePt所形成。本发明的另一方法包括与磁性材料通过非磁力相互作用而结合的分子的识别方法，其包括下述步骤：使氨基酸寡聚体文库与磁性材料接触，从而选择与磁性材料特异性结合的寡聚体，并洗脱与磁性材料特异性结合的寡聚体。所述寡聚体文库可以为自装配分子文库，例如，为诸如M13菌体文库的噬菌体文库。该文库甚至可以包含在细菌中，并且可在外部装配。
制备磁性颗粒的方法也可以包括使引发磁性分子形成的分子与磁性材料前体物和还原剂接触的步骤。引发磁性分子形成的分子与磁性材料质前体物的接触可以在室温或者在低于诸如100，200，或者300摄氏度的温度下进行。所述分子可以为例如7～20个氨基酸长的氨基酸寡聚体。磁性颗粒可以是磁性量子圆点形式或者为薄膜形式的Co，CoPt，SmCo5，或FePt磁性颗粒。本领域技术人员可以识别出本文所述一种或多种磁性颗粒的组合可以位于一维，二维，及三维的广泛分类中，或者具有一维，二维，及三维的形状，并且可将其用于特定用途。
本发明还包括按照本文方法所制备的磁性颗粒，诸如纳米颗粒。这些磁性颗粒可以形成集成电路的一部分，所述集成电路通过下述方法制备：将磁性材料结合肽固定于基底上；使一种或多种磁性材料前体物与磁性材料结合肽在可形成磁性颗粒的条件下相接触；以及在基底上形成磁性结晶。所述磁性材料结合肽可以通过化学方式与诸如硅或者其它半导体基底连接。本发明的磁性颗粒可用于制备内存、短期或长期存储器、识别系统，或者用于本领域技术人员可能利用该类颗粒的任何应用。本发明所述磁性微米，纳米，或者毫微微米尺度颗粒的其它应用，包括微米或纳米发动机以及发电机等。
本发明另一方面涉及具有特定排列特性的纳米颗粒的制备方法。该方法通过下述步骤完成：制备诸如具有特定结合特性的M13噬菌体，将该噬菌体扩增至高浓度(例如，用细菌宿主培养物孵育噬菌体文库使之感染，复制，然后对病毒进行纯化)，并重悬该噬菌体。
采用该方法还可以制备具有三种液晶相的噬菌体，向列相的方向性排列，胆固醇型液晶相的扭曲向列结构，以及在碟状液晶相的方向性以及位置性排列。本发明的一方面提供了一种制备诸如薄膜等聚合物的方法，其包括下述步骤：将自我装配的生物分子扩增至高浓度，其中所述生物分子具有与特定半导体表面相结合的部分；使一种或多种半导体材料前体物与自我装配的生物分子相接触，以生成晶体或对晶体的生成进行控制。
本发明的另一方面提供了一种制备具有不同胆固醇相螺距的纳米颗粒的方法，该方法使用所选择的诸如M13噬菌体等与半导体表面相结合，并将噬菌体重悬至不同浓度。本发明的又一方面提供了一种用纳米颗粒阵列制备铸型薄膜的方法，该方法采用诸如基因工程的M13噬菌体并对噬菌体进行重悬。
本发明的再一方面提供了一种制备纳米颗粒薄膜的方法，其包括下述步骤：将纳米颗粒的溶液加至表面，在表面蒸发纳米颗粒的溶液，使纳米颗粒退火至表面，其中所述纳米颗粒为磁性分子。所述表面可以包括任意的显微制作的固体表面，所述分子可以通过共价或非共价键连接于所述固体表面上，该表面例如可为Langmuir-Bodgett薄膜，玻璃，功能化玻璃，锗，硅，PTFE，聚苯乙烯，砷化镓，金，银，或者任何在表面引入了氨基、羧基、巯基或者羟基官能团的物质。退火通常在惰性气体(例如，氮气)中在高温下进行。本发明的另一方面为采用上述方法制备的纳米颗粒薄膜。
附图简要说明
为了更完整地理解本发明的特点以及优点，下面结合附图对本发明进行详细说明，其中：
图1是噬菌体-基底相互反应的X-射线光电子分光光谱(XPS)元素组合确定，该确定是通过金4f-电子信号(A-C)，噬菌体鉴别半导体异质结构的模型(D)，以及二价合成肽与双成份识别连接的例子(E-F)来实现的；
图2是本发明M13噬菌体近晶排列的示意图；
图3是利用(A-B)POM，(C)AFM，(D)SEM，(E)TEM，和(F)TEM图像进行电子衍射插入所得到的A7-ZnS悬液的图形；
图4是将M13噬菌体纳米颗粒沿着x-z和z-y平面的(A)薄膜照相，(B)薄膜结构的示意图，(C)AFM图像，(D)SEM图像，(E-F)TEM图像；
图5是(A)退火的SmCo5纳米颗粒的TEM图像，(B)选择区域电子衍射图案的TEM图像，以及(C)退火的SmCo5纳米颗粒的STEM图像；
图6是结合实验的实例，显示：(A)本发明的Co-特异性噬菌体对Co的特异性，和(B)Co-特异性噬菌体在Co上的等温线；
图7是利用(A)表达选择性地与CoPt结合的7-限制性肽的噬菌体，(B)表达随机肽的噬菌体，以及(C)野生型噬菌体所制备的CoPt纳米颗粒的一系列高分辨率的TEM图像；
图8是(A)利用选择性与Co结合的12mer肽生长的Co纳米颗粒的高分辨度的TEM图像，以及(B)相应的电子衍射图形；
图9是(A)利用表达12mer肽并且对FePt具有选择性的噬菌体生长的FePt纳米颗粒的高分辨度的TEM图像，(B)电子衍射图形，其中(A)和(B)都与(C)利用野生型噬菌体生长的纳米颗粒相比较；
图10是利用选择性地与作为模板的SmCo5相结合的12mer生长的SmCo5纳米颗粒的高分辨度的TEM图像，(B)为(A)的选定区域的电子衍射图形，以及(C)为采用野生型的噬菌体所生长的SmCo5纳米颗粒，以此作为对照；
图11是(A)Co-特异性噬菌体的AFM图像，其中Co纳米颗粒与噬菌体的P3蛋白连接，以及(B)为相应的MFM图像；
图12为(A)生物方法制备的FePt纳米颗粒的滞后同线，以及(B)对回线中央部位的更高分辨度的扫描，以阐明矫顽性；
图13为(A)生物方法制备的SmCo5纳米颗粒的滞后回线，以及(B)对回线更小部分的轴的中央部位进行的更高分辨度的扫描，以阐明矫顽性；以及
图14为本发明的(A)利用可表达P8蛋白上的CoPt特异性12mer序列的基因工程噬菌体生长的CoPt纳米颗粒的TEM，(B)同一CoPt纳米颗粒的更高分辨度的TEM图像，(C)相应的电子衍射图形，(D)类似制备的颗粒的STEM图像，(E)Pt的STEM形态图，以及(F)Co的STEM形态图。
发明详细描述
本申请要求Belcher et al.于2002年9月18日递交的临时专利申请序列号60/411,804的优先权，该文全文(包括附图，摘要，详细描述，实施例，以及序列标)引入本申请作为参考。
尽管本发明在下文中使用了多种实施方式，但是应该理解，本发明可通过多种能够特定内容进行实施，从而完成本发明。下文所述的特定实施方案仅是阐述了实施本发明的特定途径，而并非为本发明的范围作出限制。
为了理解本发明，下面进一步对一些术语进行描述。本文所述“金属材料”例如可包括但不限于，金属合金，金属氧化物，以及纯金属等，它们可以具有或不具有磁性和/或铁磁性，可以为结晶，多结晶，或无定形。金属材料还可以具有多种空间形态，包括颗粒，图案化表面，或者层状薄膜。术语“颗粒”指的是材料的尺寸和形状，其包括但不限于微米尺度的颗粒，纳米尺度的颗粒(称为纳米颗粒)，单分子的金属材料，以及本文未提及但可通过所述的生物方法控制的其它尺寸及形状。
术语结合分子被定义为结合、识别金属材料或介导金属材料生长的分子。结合分子的例子包括，但不限于：氨基酸寡聚物以及核酸寡聚物。这些结合分子可从组合文库筛选中选择，或者独立地从该类文库中合成，配对，或者制备。这些结合分子可与基底偶联，即，与表面或支架偶联，诸如M13病毒中结合分子位于病毒包衣上，或者位于多种结合分子偶联结构上。
本发明人曾经证实肽能够与半导体材料结合。在本发明中，本发明人证实结合分子，包括肽，能够与包括磁性材料在内的金属材料特异性结合。这些肽被进一步发展成为使纳米颗粒晶核形成的方法，并介导其自我装配。该类肽最主要的特征在于它们所具有的下述能力：它们能够表面特异性地识别并结合重要材料，促使尺寸限制性的结晶半导体材料的晶核形成，并控制成核的纳米颗粒的晶体相。该类肽还能控制纳米颗粒的纵横比，从而控制其光学特性。
简而言之，生物系统在极其微小尺度对非常复杂结构的装配能力促使人们有兴趣研究它们是否能够以类似的模式对非生物系统进行识别。其中最有价值的方法在于将其应用于具有电学或光学特性的材料中，但常规的研究并未选择出生物分子与该类材料之间的相互作用。本发明是基于下述认识实现的，即，生物系统能够有效、准确地将纳米级的基础模块组装成具有高度完整性、受控的尺寸、以及组成均一性的复杂的功能完善的结构。
肽序列的选择
提供随机有机聚合物储备池的一种方法是利用噬菌体展示文库，根据包含7～12个氨基酸随机肽的组合文库与M13噬菌体的pIII包衣蛋白(pIII coatprotein)相融合，从而提供了与结晶半导体结构相互反应的不同的肽。pIII包衣蛋白的5个拷贝位于噬菌体颗粒的一个末端，占据了颗粒的10-16nm。噬菌体展示方法在肽基底相互作用和编码该相互作用的DNA之间提供了物理连接。以本文的实施例为例，五个不同的单晶半导体：GaAs(100)，GaAs(111)A，GaAs(111)B，InP(100)和Si(100)。这些基底在本发明中可用作不同的晶体结构对肽基底的相互作用进行系统评价，并对方法学的一般应用进行证实。
从表面洗脱与特定晶体成功结合的蛋白序列，通过例如百万次的扩增并使之在更格条件下与基底反应。重复该步骤5次，以在文库中选择具有最佳特异性结合特性的噬菌体。在例如第三，第四，以及第五次噬菌体选择循环后，分离晶体特异性噬菌体并对其DNA进行测序。鉴别对晶体组合物(例如，与GaAs但不与Si结合)以及晶体表面(例如，与(100)GaAs但不与(111)B GaAs结合)具有选择性的肽结合。
对从GaAs(100)中选择的20个克隆进行分析，以确定与GaAs表面结合的表位结合结构域。修饰的pIII或pVIII蛋白的部分肽序列如表1所示，其揭示了暴露于GaAs肽中的类似氨基酸序列。
表1修饰的pIII或pVIII蛋白的部分肽序列
Figure A0382222600171
随着暴露于GaAs表面的数量的增多，不带电荷的极性和路易斯碱官能团的数量也增加。从第三，第四和第五循环序列的噬菌体克隆平均分别包括30％，40％和44％的极性官能团，而同时路易斯碱官能团部分增加了41％至48％至55％。在我们文库的随机12mer肽的官能团中，所观察到的路易斯碱的增加仅达到34％，这说明肽上的路易斯碱与GaAs表面的路易斯碱位点之间的相互反应可以介导这些克隆所显示出的选择性结合。
从文库中选择的修饰的12mer的预期结构可为延伸的构型，其看起来类似小肽，使得该肽比GaAs的单位单元(5.65A)要长很多。因此，只有小的结合结构域对于肽识别GaAs是必须的。这些短肽结构域如表1所示，除了具有诸如精氨酸以及谷氨酸等路易斯碱胺外，还包括富含似氨酸和苏氨酸的区域。为了确定精确的结合序列，用包括7mer和二硫化物限制性7mer文库的更短文库对表面进行筛选。利用这些降低了结合结构域的尺寸和柔性的更短文库，能使肽表面的相互反应更少，从而使选择代之间相互反应的力量增强。
利用以链球抗生物素蛋白标记的20nm胶体金颗粒标记的噬菌体对特异性结合进行定量，其中所述胶体金颗粒通过生物素化的抗体连接至M13包衣蛋白上。进行X-射线光电子光谱(XPS)元素组成分析，通过金4f-电子信号(图1A-C)的强度来监测噬菌体基底的相互反应。在没有G1-3噬菌体的情况下，抗体和金链球抗生物素蛋白并不与GaAs(100)基底相连接。因此，金-链球抗生物素蛋白结合对噬菌体是特异性的，其为噬菌体与基底结合的指示剂。采用XPS还发现由GaAs(100)分离的G1-3克隆与GaAs(100)而非Si(100)特异性结合(见图1A)。在补充模式中，通过(100)Si表面筛选的S1克隆对(100)GaAs表面的结合性很差。
一些GaAs克隆也与另一种闪锌矿结构InP(100)相结合。这种选择性结合的基础，不管是化学的、结构的或电子的，仍处于研究中。此外，在基底表面本来存在的氧化物也能改变肽结合的选择性。
发现G1-3克隆对GaAs(100)的特异性结合效果好于对GaAs的(111)A(稼末端)或(111)B(砷末端)表面的特异性结合(图1B，C)。用于选择的G1-3克隆表面浓度在(100)表面上要高于在富含镓的(111)A或者富含砷的(111)B的表面。已知这些不同的表面具有不同的化学反应性，因此也就可以理解在噬菌体与多种晶体表面的结合中所表现出的选择性了。尽管在两种111表面的大末端具有同样的几何结构，但是表面双分子层的最远端具有Ga或As原子的这种差异在比较表面重建时表现得更加明显。预计多种GaAs表面氧化物的组合物也将有所不同，这反过来会影响肽结合的特性。
图1C显示了Ga 2p电子与暴露于G1-3噬菌体克隆的基底之间结合能的强度。如从图1B所预期的结果相同，在GaAs(100)，(111)A和(111)B表面上观察到的Ga 2p的强度与金浓度成反比。金-链球抗生物素蛋白浓度的升高而使表面上Ga 2p强度下降是由于被噬菌体覆盖的表面增加了。XPS是一种样品深度大约为30埃的表面技术；因此，随着有机层厚度的增加，来自无机基底的信号则减弱。利用该研究来证实金-链球抗生物素蛋白的强度确实是由于在GaAs的表面存在含晶体特异性结合序列的噬菌体而引起的。进行的结合试验与XPS的数据相关，其中将相等数量的特异性噬菌体克隆暴露于具有相同表面积的多种半导体基底上。野生型克隆(没有随机肽插入)并未与GaAs相结合(未观察到菌斑)。对于G1-3克隆，从GaAs(100)表面洗脱的噬菌体数目比从GaAs(111)A表面洗脱的数目高12倍。
用原子力显微镜(AFM)对与GaAs(100)和InP(100)相结合的G1-3，G12-3和G7-4克隆进行成像。InP晶体具有闪锌矿结构，与GaAs具有晶体同构性，尽管In-P结合具有比GaAs结合更高的离子特性。通过AFM观察到的10-nm宽和900-nm长的噬菌体与通过透射电镜(TEM)观察到的M13噬菌体相吻合，并且观察到与M13抗体相结合的金球也与噬菌体相结合(未显示数据)。InP表面具有高浓度的噬菌体。这些数据显示，许多因素与基底识别相关，包括原子尺寸，电荷，极性，以及晶体结构等。
利用TEM观察到G1-3克隆(负染)与GaAs晶片相结合(未显示)。这些数据证实了该结合受到修饰的G1-3pIII蛋白的介导，而不是通过与主要包衣蛋白的非特异性相互作用来实现的。因此，本发明的肽可在纳米结构和异质结构的装配中介导特异性的肽-半导体相互作用(图1E)。
利用X-射线荧光显微镜来证实不同化学和结构组合物近端表面的闪锌矿表面与噬菌体的优选结合。将嵌套方形结构蚀刻至GaAs晶片；该结构包括GaAs的1um线，并且在每条线之间具有4um的SiO2间距(图1A-1B)G12-3克隆与GaAs/SiO2图形的基底进行相互反应，洗涤减少非特异性结合，以免疫荧光探针四甲基罗丹明(TMR)进行标记。发现标记的噬菌体为图1B中三条更亮的线(颜色为红色)，并且中央圆点对应于G12-3仅与GaAs相结合。该图形中的SiO2仍为未结合区域，颜色为黑色。该结果并未在对照中发现，其中对照未暴露于噬菌体，但暴露于一抗和TMR中(图1A)。利用未与噬菌体结合的G12-3肽得到相同的结果。
观察到GaAs克隆G12-3在AlGaAs上对GaAs具有基底特异性(图1C)。在室温下AlAs和GaAs具有几乎相同的晶格常数，分别为5.66A°and 5.65A°，因此三重合金AlxGal-xAs能够在GaAs基底上外延性生长。GaAs和AlGaAs具有闪锌矿结晶结构，但是G12-3克隆仅对GaAs显示出选择性结合。采用含有GaAs和Al0.98Ga0.02As交替层的多层基底。基底物质裂解并随后与G12-3反应。
利用20-nm金-链球抗生物素蛋白纳米颗粒来对G12-3克隆进行标记。扫描电镜(SEM)结果显示出异质结构内GaAs和Al0.98Ga0.02As的交替层(图1C)。利用镓和铝的X-射线元素分析对异质结构内GaAs层专有的金-链球抗生物素蛋白颗粒进行绘图，显示其对化学组合物的高度结合特异性。在图1D中，阐述了对半导体异质结构的噬菌体鉴别的模型，如在荧光和SEM图像中所见(图1A-C)。
本发明阐述了噬菌体展示文库用于对有机肽序列和无机半导体基底之间结合的识别、生长及扩增。已经将这种利用肽文库对无机晶体的肽识别和特异性延伸到其它基底中，包括GaN，ZnS，CdS，Fe3O4，Fe2O3，CdSe，ZnSe以及CaCO3。
目前已经设计了具有双成份识别的二价合成肽(图1E-F)，该类肽具有在半导体结构上介导纳米颗粒定位至特定位置的能力。这些有机和无机对能为新一代的复杂、精密的电子结构的加工提供有力的基础模块。
金属和磁性材料
在本发明中，对结合分子的特异性结合和识别以未曾预料的方式延伸至许多金属材料，所述金属材料包括但不限于：磁性和铁磁性金属，包括颗粒以及纳米颗粒。将表达大量噬菌体集合的组合肽噬菌体展示文库与生物淘洗技术相结合，来选择能与包括磁性金属(例如，Co，SmCo5，CoPt和FePt)的金属材料进行紧密、直接结合并能识别所述金属材料的特异性肽序列，其中所述噬菌体能够在其表面表达数百万的不同的肽序列。本发明人还发现这些磁性材料结合肽可用于控制无机材料的晶核形成，如在天然的以及III-V和II-VI半导体中所证实的一样。如果蛋白质可被用于控制磁性材料的晶核形成，则磁性纳米颗粒能够采用比传统方法更为经济、容易的方法进行制备。这些纳米分子磁体和磁性材料可被用于诸如微米或毫微级计算机，发电机，发生器，磁存储器，或者用于可能利用该类磁体或者可被磁性化的任何应用。该类材料的另一应用是对磁性材料的表面进行修饰。所述肽可作为将其它材料连接到磁性材料表面的连接子，从而使得复杂的纳米结构能够进行自我装配，进而形成新的电子元件的基础。
本发明人还发现，这种选择结合肽的方法(利用组合肽文库以及淘洗技术)还未被用于磁性材料中，并且肽类还从未被用于控制磁性材料的晶核生成。目前有许多对合成磁性纳米颗粒进行研究的技术。所有这些研究都是基于下述认识的，即，为了获得所需形状和结晶性而利用高温合成纳米颗粒的方法必须在惰性气体环境中进行，并且需要昂贵的试剂，而且合成后还需要进一步纯化的步骤。结果使得采用传统模式制备磁性纳米颗粒非常昂贵并且不利于大规模进行。本文所述方法可以采用便宜的试剂在室温下进行，即能得到具有可控制的结晶性的纳米颗粒，从而使之成为一种较便宜的合成磁性纳米颗粒的方法。该方法还可用于控制晶体结构以及晶体定向。
肽介导的磁性材料的合成提供了一种非常便宜并且对环境友好的磁性纳米颗粒的合成方法。目前制备磁性纳米颗粒的方法非常费时，而且昂贵。此外，目前所用的方法所得到的纳米颗粒还包被有有机表面活性物质。这些表面活性物质使得对纳米颗粒的进一步修饰变得不容易。分子生物学领域的进展使得肽能够进行功能化，这暗示也可能对由肽省长纳米颗粒很容易进行功能化，从而使之容易掺入到电子元件以及整合到磁性记忆元件。
目前用于制备磁性纳米颗粒的方法非常昂贵并且费时，其需要高温、惰性气体氛围、昂贵的试剂、并需要进行纯化以及合成后修饰。而本文中用于合成磁性纳米颗粒的新方法使用肽来介导颗粒的生成，从而克服了上述问题，并使得颗粒的合成更为快速及便宜。另外，该方法还能更好地控制晶体的结构以及方向性。
采用已知技术能够制备足够的肽，使之用于制备大量的纳米颗粒。可以使用基因工程方法设计的微生物来制备所需的一种或多种肽。所述一种或多种肽可以为例如M13噬菌体的一种包衣蛋白。可以进一步将噬菌体设计为在另外的包衣蛋白内表达该种蛋白。此外，可将细菌，例如E.coli.设计为在一个或多个模型中或者在所需的位置表达所需的肽。使用肽对采用本文方法制备的磁性材料进行定位的一个显著优点在于，它们对半导体制备过程没有固有的限制，而使用例如光刻等却局限于二维。本发明的肽可以用于矩阵中，或者涉及矩阵，该矩阵使得肽能够进行三维定位或者合成。然后可将这些肽形成为薄膜、线性、或者为条纹状、层状、点状、凹槽状，可以形成在开口的表面、侧边、或者底部等。
磁性纳米结构具有多种应用，包括记忆元件、传感器、铁磁流体等。本文所述材料、颗粒、以及纳米颗粒对所有领域都可适用。
进一步地，本发明的金属和磁性材料可用于包括下述应用的方法中。另外的应用包括治疗、诊断、工程、对反应进行处理的化学工程、细胞、以及环境应用的工程等。例如，可进行磁性分离(包括对反应步骤的大规模的大量分离)。其它应用包括纯化、治疗、生物配伍、药物输送、造影剂成像、以及对可通过外部设定地质的磁性材料的(体内)定位等。药物输送可包括将颗粒与药物相偶联，或者通过化学疗法然后利用磁场在体内定位等。适宜的例子设计可产生细胞穿透。另外还可应用于血尿检测中。在工程学应用中，可利用可控制纵横比的磁性颗粒与包括荧光和双折射物质的光学活性物质相偶联来制备显示元件。可制备传感器元件，其中结合行为改变与结合元件偶联的磁性颗粒的转动惯量。转动惯量的改变可通过偏振衰退来进行检测，包括使用偶联的光学活性物质。其它的应用包括储存。可以制备存储器，其中读出与磁场随时间变化的反应相关。写入步骤与特定部分和特定位置的结合相关。细胞学应用包括细胞修饰以及细胞控制。在细胞修饰中，可调节磁性颗粒的尺寸使之能够穿透细胞，其中颗粒与试剂相偶联。可将磁场用作穿透的原动力。这可用于转染过程。在细胞控制中，与磁性颗粒偶联的试剂能够进入细胞，从而使得随时间变化的磁场能够控制细胞内的反应。
磁性分离的例子包括基于传统亲和力的体外分离以及体内试剂的定位。在基于亲和力的分离中，由于纳米颗粒尺寸小而纵横比大，并且对尺寸和形状的分配具有很好的控制，因此这种磁性纳米颗粒具有优势。另一优势是颗粒是否具有高磁性容电率。颗粒可为长形并能够在磁场中旋转，因而从形状效应得到额外的力。每毫克的试剂可获得更强大的分离力。在对体内试剂的定位中，磁性颗粒可与试剂偶联进行注射或者摄取。可将外部空间变化的场应用于主体使得颗粒在最高梯度B的区域聚集。小尺寸的颗粒加上试剂能够使试剂到达组织，或者穿透细胞。
更特异地，本发明人使用组合肽噬菌体展示文库(即，在其表面表达数百万不同肽序列的噬菌体的大量组合)以及生物淘洗技术来选择与磁性材料(E-Co，CoPt，FePt)直接紧密结合的特异的肽序列。通过选择和鉴别能以高亲和性与磁性材料相互反应的特异的肽序列，人们可以快速容易地鉴别能用于控制磁性纳米结构晶核形成的肽。用肽来控制磁性纳米颗粒的晶核形成能够使磁性纳米结构的合成在温和条件下进行。传统的制备磁性纳米颗粒的方法通常需要详细的合成计划以及繁杂的纯化步骤，这暗示肽介导的晶核形成将为纳米颗粒的合成提供一种更为便宜的替代方法。
本发明的一个特殊优点在于本方法选择的肽能够使选择出的肽与磁性材料特异性地直接结合。已经证明这些肽具有选择性地使磁性纳米结构以受控的结晶性形成晶核的能力。目前，已经将Co纳米颗粒制备成具有六角形紧密结合的Co，将CoPt和FePt纳米颗粒制备成于传统的不胀钢相连的层状结晶性物质。这些结晶结构具有其相关材料的最大磁性感受性，这些材料在纳米尺度范围保持所需的磁性特征。这些特征使得这些材料能够作为制备下一代磁性记忆元件的极好的被选物。目前的记忆元件是采用密度为16.3Gb/in2的CoCr合金进行制备的。这些纳米颗粒的极小尺寸使得密度为terabit/in2范围的记忆元件的制备更加容易。利用本发明，可制备具有HCP P6/mm结晶性的SmCo5纳米颗粒。
利用肽来控制纳米颗粒的晶核形成还能进一步促进纳米颗粒的功能化。传统方法制备的纳米颗粒通常被疏水的表面活性剂所包被，从而使得进一步的功能化(活性化或者活性基团的连接)难于进行。按照本文公开的方法制备的纳米颗粒被肽所包被，利用本领域技术人员公知的多种化学或生物学技术将很容易对该类纳米颗粒进行功能化。对这些纳米颗粒的进一步功能化将可能使之自我装配成复杂的结构以及记忆元件。
利用肽来控制结晶性从而制备颗粒以及纳米颗粒的方法由于具有小尺度，高度磁性感受性，以及易于制备的优点，因此可能使磁性记录工业发生革新性的改变。
实施例1肽制备、分离、选择以及定性
肽选择。在含有0.1％TWEEN-20的Tris-缓冲盐水(TBS)中使噬菌体展示或者肽文库与半导体或其它晶体相接触，以减少在表面上噬菌体-噬菌体之间的相互反应。室温振摇1小时后，用10倍的Tris-缓冲盐水洗涤表面，该Tris-缓冲盐水的pH为7.5，TWEEN-20的浓度从0.1％增加至0.5％(v/v)。通过加入甘氨酸-HCl(pH2.2)将噬菌体从表面洗脱10分钟，转移至另一管中，然后用Tris-HCl(pH9.1)中和。对洗脱的噬菌体进行滴定，比较结合活性。
将洗脱的噬菌体暴露于基底3个循环之后，与宿主大肠杆菌(E.coli)ER2537进行混合，铺于LB XGal/IPTG板上。由于文库噬菌体来源于携带lacZα基因的M13mp19载体，因此当将其置于含有Xgal(5-溴-4-氯-3-吲哚-β-D-半乳糖苷)和IPTG(异丙基-(3-D-硫代半乳糖苷)的培养基时，噬菌体斑为蓝色。采用蓝/白筛选来选择随机肽插入的噬菌体斑。从板上收集菌斑并对DNA进行测序。
基底制备。利用X-射线衍射来确定基底的方向性，并利用适宜的化学特异性蚀刻来除去其固有氧化物。在GaAs和InP表面检测下述蚀刻：NH4OH∶H2O(1∶10)，HCl∶H2O(1∶10)，H3PO4∶H2O2∶H2O(3∶1∶50)，蚀刻时间为1分钟和10分钟。利用HCl∶H2O蚀刻1分钟，然后用去离子水冲洗1分钟，可得到GaAs和InP具有最佳元素比和最少氧化物生成的蚀刻表面。但是，由于在最初的文库筛选中采用氢氧化铵来蚀刻GaAs，因此该种蚀刻用于所有其它GaAs基底的例子。Si(100)晶片采用HF∶H2O 1∶40蚀刻1分钟，然后用去离子水冲洗，以此进行蚀刻。将所有表面直接从冲洗溶液中取出，然后立刻投入噬菌体文库中。利用AFM和XPS对未暴露于噬菌体的控制基底的表面进行定性以及绘制图谱，以确定蚀刻过程的有效性。
通过分子束取向附生使GaAs和Al0.98Ga0.02As的多层基底在GaAs(100)表面生长。取向附生生长层在5×1017cm-3的水平为Si-掺杂性(n-型)。
抗体和金标记。对于XPS，SEM和AFM的实例，在Tris缓冲盐水中将基底暴露于噬菌体中，然后将其投入抗-fd噬菌体-生物素偶联物(1∶500溶于磷酸缓冲液中，购自Sigma)中30分钟，该抗体为fd噬菌体pIII蛋白的抗体，然后用磷酸缓冲液冲洗。将溶于磷酸缓冲盐水(PBS，Sigma)的链球抗生物素蛋白-20nm胶体金标记(1∶200)与生物素偶联的噬菌体通过生物素-链球抗生物素蛋白相互反应进行连接；将表面暴露于标记物30分钟，然后用PBS冲洗几次。
X-射线光电子分光光谱(XPS)。对于XPS实例需要利用下述条件来保证通过XPS观察到的金信号来源于与噬菌体结合的金，而不是与GaAs表面的非特异性抗体相互作用。将制备的GaAs(100)表面暴露于下述条件下：(1)抗体和链球抗生物素蛋白-金标记，但没有噬菌体；(2)G1-3噬菌体和链球抗生物素蛋白-金标记，但没有抗体；以及(3)链球抗生物素蛋白-金标记，没有G1-3噬菌体或者抗体。
所用的XPS设备为Physical Electronics Phi ESCA 5700，其具有制造单频1,487-eV X-射线的铝阳极。当金标记噬菌体(如上所述)后，将所有样品立即导入小室中，以减少GaAs表面的氧化，然后在高真空下抽吸过夜，以在XPS小室中降低样品的除气作用。
原子力显微镜(AFM)。所用的AFM为装配有Zeiss Axiovert 100s-2tv的Digital Instruments Bioscope，通过G扫描器以尖端扫描的模式进行操作。利用tapping模式将图像显示于空气中。AFM探测器为具有125mm悬臂的蚀刻硅，刚度常数为20±100Nm-1，在其共振频率200±400kHz附近驱动。扫描速率为1±5mms-1。利用一级平面使图像水平从而除去样品倾斜。
透射电镜(TEM)。在60kV下利用Philips EM208摄取TEM图像。利用GaAs片(500mm)将G1-3噬菌体(以1∶100稀释于TBS中)进行孵育，离心从未结合的噬菌体中分离颗粒，以TBS冲洗，然后重悬于TBS中。样品用2％乙酸双氧铀进行染色。
扫描电镜(SEM)。将G12-3噬菌体(以1∶100稀释于TBS中)用新鲜裂解的异质结构表面孵育30分钟，然后用TBS冲洗。将G12-3噬菌体用20nm胶体金进行标记。利用装配有Hitachi 4700场发射扫描电子显微镜的Norian检测系统在5kV下收集SEM和元素图谱图像。
实施例2生物膜
本发明人发现，有机-无机杂交材料可为新材料和元件提供新的路径。尺寸控制的纳米颗粒为半导体冲洗提供光学和电学可调节的特性，并且有机添加物能够调节无机形态、相位、以及晶核形成方向。生物冲洗的单分散特性使得该系统与高度有序的近晶排列结构具有相容性。利用本发明的方法创建了通过基因工程、自我装配，以及对特定半导体具有识别域的诸如M13噬菌体等生物分子来得到高度有序的纳米尺度以及多长度尺度陈列的II-VI族半导体材料。
利用本发明的组合以及方法，通过本文描述的识别和自我排序系统，可得到纳米和多尺度范围阵列的半导体材料。半导体的识别和自我排序可用于电子元件的显微装配，该方法超过了目前所用的光刻的能力。对这些材料的应用包括：诸如发光显示器等光电元件、光学检测器和激光；快速连接器；以及纳米尺度的计算机和生物传感器。利用本发明方法创建的生物膜的其它应用包括整齐排序的液晶显示器以及有机-无机显示技术。
薄膜、纤维和其它结构甚至还可包括高密度传感器，用于检测生物毒素在内的小分子。其它应用包括光学涂覆和光学开关。任选地，医学移植物或者骨移植物的骨架；可以利用本文所述的一种或多种材料进行构建，可为其单层或多层，或者为条纹状，甚至为其任意组合，所有这些对本领域技术人员都是显而易见的。
本发明的其它应用包括电子和磁性界面，或者为用于诸如量子计算机等高密度存储介质的3D电子纳米结构的构建。作为选择地，利用本发明的薄膜或矩阵可用于构建病毒的高密度稳定储存介质，这些病毒可用于医疗用途，并可被重新应用于生物相容性疫苗、佐剂、以及疫苗容器等。基于量子点图形的信息存储可用于鉴别，例如，在装甲或编码构造中用于鉴别敌友等。这种纳米纤维甚至可用于编码和鉴别钱币。
在纳米尺度建立整齐排序、良好控制、二维和三维结构是构建下一代的光学、电子和磁性材料和元件的主要目的。目前用于制备纳米颗粒的方法在长度尺度以及材料类型方面受到限制。本发明开发出诸如M13噬菌体等具有自我装配特性的有机或无机分子或粒子，从而扩大了可应用的半导体材料的排列、尺度、以及纳米颗粒的尺度以及范围等。
本发明人还发现具有各项异性形状的单分散生物材料是构建有序排列结构的替代途径。利用对特异的半导体表面具有识别域(肽或按计算寡聚体)的基因工程M13噬菌体完成了II-VI族半导体材料的纳米-和多长度尺度的排列。
Seth及其同事发现Fd病毒近晶排列结构具有位置性和方向性排列。Fd病毒的近晶结构可能用于结构的多尺度和纳米尺度的排列，以构建纳米颗粒的二维和三维排列。采用噬菌体M13是因为其能够被基因学修饰，已经成功选择出其与Fd病毒具有相同的形状。因此，M13是近晶结构的理想来源，它能用于纳米颗粒的多尺度和纳米尺度的排序。
本发明人使用了组合筛选方法来寻找含有能够与半导体表面结合的肽插入序列的M13噬菌体。这些半导体表面包括诸如硫化锌，硫化镉，以及硫化铁等物质。利用分子生物学技术将与特异半导体材料和材料表面结合的噬菌体组合文库克隆进行克隆，并扩增至足以用于液晶形成的浓度。
纤维状的噬菌体Fd具有长棍状(长度：880nm；直径：6.6nm)以及单分散分子量(分子量：1.64×107)。这些特性使得噬菌体在高浓度溶液中具有感胶离子液晶行为。利用噬菌体的各向异性形状通过使用生物选择性和自我装配将其构建成整齐排序的纳米颗粒层。利用常规扩增方法来制备单分散的噬菌体。在本发明中，对类似的纤维状噬菌体M13进行基因修饰使之与诸如硫化锌，硫化镉，以及硫化铁等纳米颗粒进行结合。
已经证实噬菌体的中尺度排列能够形成纳米颗粒的纳米尺度的排列。这些纳米颗粒进一步被排列为微米级结构域以及厘米级的尺度。半导体纳米颗粒显示出量子限制作用，并且能在液晶内被合成以及排序。
利用AFM，TEM，和SEM对含有特异肽插入序列的噬菌体M13悬液进行定性。利用样品观察到纳米颗粒的均匀的2D和3D排序。
AFM。所用的AFM为装配有Zeiss Axiovert100s-2tv的Digital InstrumentsBioscope，通过G扫描器以尖端扫描的模式进行操作。利用tapping模式将图像显示在空气中。AFM探测器为具有125mm悬臂的蚀刻硅，刚度常数为20±100Nm-1，在其共振频率200±400kHz附近驱动。扫描速率为1±5mms-1。利用一级平面使图像水平从而除去样品倾斜。图2A和2B为利用AFM观察到的M13噬菌体近晶排列的示意图。
TEM。在60kV下利用Philips EM208摄取TEM图像。G1-3噬菌体(以1∶100稀释于TBS中)与半导体材料孵育30分钟，离心从未结合的噬菌体中分离颗粒，以TBS润洗，然后重悬于TBS中。样品用2％乙酸双氧铀进行染色。
SEM。噬菌体(以1∶100稀释于TBS中)与新鲜裂解的异质结构表面孵育30分钟，然后用TBS冲洗。将G12-3噬菌体用20nm胶体金进行标记。利用装配有Hitachi 4700场发射扫描电子显微镜的Norian检测系统在5kV下收集SEM和元素图谱图像。
利用常规的分子生物学技术对半导体表面具有特异结合特性的基因工程M13噬菌体进行扩增并纯化。取3.2mL的噬菌体悬液(浓度：～107噬菌体/ul)和4ml过夜培养物，加入至400ml的LB培养基中，进行大规模扩增。扩增后，沉淀出～30mg的沉淀物。通过在室温下向掺入了A7噬菌体悬液的ZnCl2中加入Na2S溶液来制备悬液。最高浓度的A7噬菌体悬液通过分别向～30mg的噬菌体沉淀中加入20ul的1mM ZnCl2和Na2S进行制备。利用269nm时的消光系数为3.84mg/mL来测定浓度。
当各向同性的悬液的浓度增加时，观察到具有方向性排列的向列相，具有扭转向列相结构的胆固醇相，以及具有方向性以及位置性排列的近晶相。这些相在没有纳米颗粒的Fd病毒中观察到。
偏振光显微镜(POM)。通过偏振光显微镜对M13噬菌体进行定性。将每一种悬液填入直径0.7mm的玻璃毛细管中。在平行偏振光下，高浓度的悬液(127mg/mL)显示出闪光的颜色[5]并且在交叉偏振光下显示出近晶质地(图3A)。图3B中的胆固醇旋距可通过改变表2中悬液的浓度进行控制。制备样品24小时后测量旋距长度并进行显微照相。
表2胆固醇旋距和浓度之间的关系
  浓度(mg/ml)   旋距长度(um)
  76.30   31.9
  71.22   51.6
  56.38   84.8
  50.52   101.9
  43.16   163.7
  37.04   176.1
  27.54   259.7
AFM。为了进行AFM观察，取5ul的M13悬液(浓度：30mg/mL)在8mm×8mm的利用3-氨基丙基三乙基硅烷在干燥器中硅烷化4小时的云母基底上干燥24小时。利用tapping模式在空气中成像。利用各向异性的M13噬菌体观察自我装配排列的结构，为880nm长，6.6nm宽。在图3C中，M13噬菌体展开位于图象中，形成近晶排列。
SEM。为了进行SEM观察，制备噬菌体的临界点干燥样品和ZnS纳米颗粒近晶分子悬液(噬菌体悬液的浓度127mg/mL)。在图3D中，观察到富含纳米颗粒的区域和富含噬菌体的区域。纳米颗粒和噬菌体之间的分离长度与噬菌体的长度相当。通过电子衍射方式采用以TEM稀释的近晶悬液样品来确认ZnS闪锌矿六方形结晶的结构(图3E和3F)。
生物膜的制备。利用400ul的Tris缓冲盐水(TBS，pH7.5)和200ul加入了1mM Na2S的1mM ZnCl2重悬噬菌体沉淀。室温振摇24小时后，将悬液(置于1mL的eppindorff管中)置于干燥器中缓慢干燥1周。在管内形成～15um厚的半透膜。该膜如图4A所示，用镊子将其小心地取出。生物膜的示意图如图4B所示。
生物膜的SEM观察。利用SEM观察A7-ZnS膜的纳米尺度的噬菌体排列。为了进行SEM分析，将膜切开，然后用2nm的铬在氩气氛围中通过真空沉积来包被膜。图4D通过样品观察到了高度紧密排列的结构。单个噬菌体的平均长度895nm与噬菌体的880nm类似。该膜显示出近晶状拟A或拟C薄片状的形态，其在纳米颗粒和噬菌体层之间显示出周期性。周期的长度与噬菌体的响应。纳米颗粒的平均尺寸为～20nm，与单个颗粒的TEM观察类似。
生物膜的TEM观察。通过将薄膜在环氧树脂(LR white)中包埋1天，然后通过加入10ul促进剂使之聚合，观察到了ZnS纳米颗粒的排列。加工后，将树脂利用莱卡超微切片机切成薄片。将切得的50nm的薄片悬于蒸馏水中，拾起置入空白金格栅中。平行排列的纳米颗粒位置很低，如在图4E-F中相应的x-z平面的示意图所观察到的。
由于每一噬菌体具有5个拷贝的A7部分，每一A7部分识别一个纳米颗粒(2-3nm大小)，排列为大约20nm宽并且长度延伸超过2微米。20nm宽2微米长的小棒平行排列，棒之间距离700nm。这种差别可能来自于Marvin小组所报道的通过TEM观察到的噬菌体层的所述近晶排列。还观察到类似于纳米颗粒层的y-z轴，与图1F所示类似。排列颗粒的SAED图案说明ZnS颗粒具有闪锌矿六方形结构。
生物膜的AFM观察：利用AFM观察了病毒薄膜的表面定向。在图4C中，显示噬菌体形成了平行排列的人字形图案，其在多数被称为近晶O表面的相邻噬菌体轴(director normal)之间几乎为直角。该薄膜显示出噬菌体轴(normal director)的长范围的排序，一直延伸至几十微米。在一些区域当两个结构域层彼此相遇时，两个或者三个多长度尺度的噬菌体平行排列，直至延伸为近晶C排序结构。
利用识别及自我排序系统来对半导体材料进行纳米和多长度尺度排列增加了对电子元件进行纤维加工的可能性。这些元件可能超越目前光刻的性能。对这类材料其它可能的应用包括诸如发光显示器等光电元件、光学检测器、激光、快速连接器、以及纳米尺度的计算机和生物传感器。
实施例III.金属和磁性材料的形成
利用噬菌体展示技术来开发与磁性材料选择性结合的新肽。在这些特定研究中，通过首先合成磁性材料的胶体分散系来制备磁性材料的薄膜。然后将这些胶体溶液成滴包被到Si晶片上，在N2下退火，得到所需的晶体结构。然后在这些薄膜(E-Co，CoPt，和FePt)上进行噬菌体展示，从而找出与每一基底选择性结合的肽。然后通过将表达目的肽的噬菌体、金属盐、以及还原剂混合使这些肽能够用于使特定的纳米颗粒形成晶核。
具有受控尺寸和组成的纳米颗粒的合成具有重要的以及科技意义。在最近几年中，有众多的文献报导了含有金属的纳米颗粒以及可显著控制所得纳米颗粒的尺寸和形状的半导体的合成。近来发现，通过噬菌体文库鉴别的肽能够与无机表面选择性结合，可被用于控制半导体纳米颗粒的晶核形成。这种情况下，所述肽能够控制所得纳米颗粒的尺寸，形状，组成，甚至结晶性。由于肽在控制半导体纳米颗粒中的成功，使得人们有兴趣将该技术应用于其它材料。
人们特别感兴趣并且在商业上可应用的一类材料是铁磁性材料，包括颗粒以及纳米颗粒。铁磁性材料是磁性记录工业的基础，每年要花费数十亿美元。目前所用元件中利用CoCr合金进行数据存储，这是由于该种合金具有高磁性感受性并且易于制备。其它材料目前仍处于开发中。该类材料中的一种为金属Co，其磁各向异性(magnetic anisotropy)在107ergs/cm3范围。这种较高的磁各向异性说明小至10nm直径的颗粒仍能用作单个的结构域并起到记忆元件的作用。目前的技术中使用的记忆元件其结构域的尺寸在几百纳米的范围，因此研究出在10nm尺寸范围的Co纳米颗粒将是一个巨大的进步，并将促进更致密的记忆元件的产生。更加令人感兴趣的铁磁性材料为Pt的磁性合金，更特异地为FePt和CoPt。这些材料具有非常大的磁各向异性(108ergs/cm3)，由于不胀钢的影响，Fe和Pt原子层排使得晶格常数发生扰动，从而使得Pt形成磁性状态。这些系统具有的高各向异性说明小至2nm的纳米颗粒在室温下也可能用作铁磁性材料，这暗示它们可用于开发具有非常高密度的记忆元件。
由于这些系统具有很大的磁各向异性，因此在合成含有这些材料的颗粒和纳米颗粒的研究中投入了较多努力。发展了多种不同的合成方法来合成ε-Co，FePt以及CoPt等，但是这些方法都具有相同的缺点。所有这些合成方法都依赖于高温下表面活性物质存在时纳米颗粒的有限沉淀。所有这些纳米颗粒必须在惰性气体环境中并且需要昂贵试剂存在的情况下才能制备，从而使之非常昂贵，并且不利于大规模生产。此外，这些制备通常需要对颗粒进行进一步的修饰，包括通过高温退火获得所需的结晶性，以及通过尺寸选择性沉淀来获得颗粒的单分散群等。这些额外的合成步骤增加了这些合成方法的费用。
由于这些材料有重要的商业价值，因此需要一种新的合成策略。用肽介导的磁性材料的生物合成提供了一条替代途径。这些研究中，在目的磁性材料(Co，CoPt，SmCo5，和FePt)上进行噬菌体展示选择，以鉴别与磁性材料以高亲和力特异性结合的肽。对这些肽进行定性后，即可用于控制磁性纳米颗粒的晶核形成。在这些研究中，将表达目的肽的噬菌体与目的金属的金属盐进行混合。然后加入还原剂(NaBH4)以生成纳米颗粒。利用TEM对形成的纳米颗粒进行定性。本发明的合成方法在一般条件下进行，从而为已有的合成磁性纳米颗粒的方法提供了一条相当便宜的替代途径。
对磁性纳米颗粒的X-射线衍射分析
在噬菌体展示中，需要生成磁性表面用作基底。为完成这一过程，需要按照传统方式制备磁性纳米颗粒，然后成滴包被于Si晶片上。在噬菌体展示研究开始前，需要利用X-射线衍射(XRD)对所述表面进行定性，从而保证该材料具有适宜的结晶性。
ε-Co所得到的XRD图谱与从文献得到的图谱相一致，在45度和50度之间显示出三个峰，这一组的三个峰与ε-Co的(221)，(310)，和(311)晶面相对应，因此具有特殊性。FePt和CoPt的图谱也与文献的图谱相对应，对于FePt11其与FePt和CoPt的(001)，(110)，(111)，(200)，(002)，(210)，(112)，以及(202)晶面相对应。SmCo5的XRD与HCP SmCo5的文献值相对应，其峰值相对应为(101)，(110)，和(111)晶面。这是首次报道HCP SmCo5纳米颗粒的合成。图5A为SmCo5纳米颗粒的高分辨度TEM图像，图5B为TEM图像的一个选择区域，显示了电子衍射图。在衍射图上的几个点与HCP SmCo5的已知晶面相对应(图51B)。图5C是退火的SmCo5纳米颗粒的STEM图像，显示了其尺寸、形状、以及整体形态学。
结合噬菌体的序列分析和结合实验
表3列出了利用噬菌体展示选择的所有肽与目的磁性材料结合的能力。
表3.所选择的克隆与磁性材料的结合特性。
  物质   7-限制序列   12mer序列
  ε-Co   *   ALSPHSAPLTLY(SEQ ID NO.：15)
  CoPt   NAGDHAN(SEQ ID NO.：12)   SVSVGMKPSPRP(SEQ ID NO.：16)
  FePt   SKNSNIL(SEQ ID NO.：13)   HNKHLPSTQPLA(SEQ ID NO.：17)
  SmCo5   TKPSWQ(SEQ ID NO.：14)   WDPYSHLLQHPQ(SEQ ID NO.：18)
*对于ε-Co，没有在7-限制性文库得到共有序列。
这些选择的序列都是与金属表面具有高亲和性的有效序列。在几个序列中出现了组氨酸残基。由于组氨酸具有咪唑侧链，因此其与金属具有很好的连接性，因此出现于这些序列中。除了CoPt的7-限制性序列，所分离的用于Pt合金的所有序列都包含赖氨酸残基。据信赖氨酸-Pt之间的相互反应对于顺铂(一种抗癌药物)的功能十分重要。赖氨酸-Pt之间的相互反应暗示这些序列与所述物质选择性结合，但是，本发明并不局限于已知或未知的任何相互反应的机制。
特异性结合实验。为了确定分离的噬菌体与磁性基底的亲和性，进行了两项研究。在第一项研究中，将几种不同的含肽噬菌体暴露于Co表面中，所述Co表面包含我们的Co特异性噬菌体，随机噬菌体，以及野生型噬菌体。另外，将Co特异性噬菌体暴露于几种不同的物质表面。结果如图6所示。与随机噬菌体以及野生型噬菌体文库序列相比，Co特异性噬菌体对Co具有相对较高的亲合力(图6A)。另外，Co特异性噬菌体对Co的亲合力大于对Si的亲合力，这说明它们优选与Co表面相结合。
在第二项研究中，将Co表面浸入Co特异性噬菌体的溶液中。以不同浓度的噬菌体对该研究进行数次重复。对所吸附的噬菌体相对于噬菌体浓度进行作图(图6B)，显示出噬菌体吸附到Co表面是按照被分析物吸附到表面上的朗缪尔模式进行的。由于吸附为朗缪尔模式，因此在所吸附的噬菌体与浓度之间建立倒数点的话，则其具有线性相关性(未显示)。该线的倾斜度相当于结合常数，对于Co，噬菌体的kads为2×10-12M。这是对噬菌体和无机表面之间结合的热力学常数的首次测量，从而难于对其进行解释，但是该结合常数的大小可与其它几种生物学相互反应进行比较。该方法可用于CoPt和FePt系统。
两项研究都说明利用噬菌体展示筛选的肽具有与Co而不与其它材料的特异结合特性。该特异性能够用于对包括磁性材料的金属材料的生成进行介导。
通过肽介导的晶核形成所制备的纳米颗粒的TEM分析
在本发明的一个实施方案中，利用肽来修饰和/或控制结晶性从而制备纳米颗粒。利用表3的7-限制性序列所生长的CoPt纳米颗粒还拍摄了高分辨度的TEM图像(未显示)。这些纳米颗粒的晶格间距为0.19和0.22nm，与L10 CoPt的晶格间距相对应。
还对利用野生型噬菌体所生长的纳米颗粒拍摄了高分辨度的TEM图像，也对利用具有随机肽插入的噬菌体所生长的CoPt纳米颗粒进行上述图像的拍摄(未描述)。在这两个对照研究中，也形成纳米颗粒，但是其缺少用CoPt选择性肽生长的颗粒所具有的结晶性。在噬菌体集合不存在以及沉淀出溶液的情况下，所生长的纳米颗粒几乎不可能具有TEM图像。
还对利用表达12mer肽的噬菌体所生长的FePt纳米颗粒拍摄了高分辨度的TEM图像，该12mer的肽对于FePt具有选择性(未描述)。这些纳米颗粒具有与CoPt纳米颗粒类似的晶格间距，说明它们由L10 FePt所组成。对上述诸如在野生型噬菌体存在下生长的FePt纳米颗粒等颗粒还进行了电子衍射分析。这些纳米颗粒同样缺少利用FePt选择性肽生长的纳米颗粒所具有的结晶性。同样，在显示图象之前，纳米颗粒在噬菌体集合不存在以及沉淀出溶液的情况下生长。
利用表1的7-限制性序列所生长的CoPt纳米颗粒的高分辨度TEM图像如图7所示。这些纳米颗粒的晶格间距大约为0.22nm，与HCP Co的文献值0.19nm有很好的相关性(图7A)。也采用一个选定的区域来观察纳米颗粒的电子衍射谱(未显示)。在衍射图谱上出现的几条带与HCP Co的晶面相对应，显示纳米颗粒实际上由HCP Co所构成。在利用野生型噬菌体(图7C)以及非特异性噬菌体(图7B)进行的对比实验中，也有纳米颗粒形成，但是缺少利用CoPt选择性肽生长的颗粒所具有的结晶性。在噬菌体集合不存在以及沉淀出溶液的情况下，所生长的纳米颗粒几乎不可能具有TEM图像。
图8显示了利用表达12mer肽的噬菌体生长的Co纳米颗粒的高分辨度TEM图像，该12mer的肽对于Co具有选择性(图8A)。这些颗粒中的晶格间距为0.2nm，与HCP Co的文献值(0.19nm)相对应。采用一个选定的区域来观察所述纳米颗粒的电子衍射谱(图8B)。在衍射图谱上出现的几条带与HCP Co的晶面相对应，显示纳米颗粒实际上由HCP Co所构成。在利用野生型噬菌体、非特异性噬菌体以及无噬菌体所进行的对比实验中，Co颗粒发生聚集，并沉淀出溶液(未显示)。
图9A显示了利用表达12mer肽的噬菌体所生长的FePt纳米颗粒的高分辨度TEM图像，该12mer的肽对于FePt具有选择性。这些纳米颗粒具有与CoPt纳米颗粒类似的晶格间距，很可能由L10 FePt所构成。图9B是相应的电子衍射图谱，图9C是在野生型噬菌体存在下生长的FePt纳米颗粒的图像。在野生型噬菌体不存在时，纳米颗粒缺少利用FePt选择性噬菌体所生长的纳米颗粒所具有的结晶性。另外，在呈像之前，纳米颗粒在噬菌体集合不存在以及沉淀出溶液的情况下生长。
还对利用表达12mer肽的噬菌体所生长的SmCo5纳米颗粒拍摄了高分辨度TEM图像，其中该12mer的肽对于SmCo5具有选择性(图10A)。采用一个选定的区域来观察电子衍射谱(图10B)。在衍射图谱上出现的几条带与HCP SmCo5的晶面相对应。利用SmCo5系统进行了对照实验，显示出与Co系统类似的结果，即，当使用非特异性噬菌体时，纳米颗粒聚集和/或沉淀出溶液。该类颗粒的TEM图像显示出一些结晶结构域，但是该材料的大部分为无定形态。
对纳米颗粒采用MFM进行描述
利用磁力显微镜(MFM)来描述纳米颗粒的磁性特性。首先对用于使Co纳米颗粒形成晶核的噬菌体拍摄原子力图像(图11A)。在噬菌体的末端，纳米颗粒明显地大量聚集，显示P3蛋白控制纳米颗粒的晶核形成。还拍摄了相应的MFM图像以验证这些结果(图11B)。由于噬菌体为非磁性的，因此在图像中不能看到噬菌体，但是纳米颗粒的聚集仍能清晰看到，这显示纳米颗粒具有高度的磁各向异性。
SQUID。在本发明的一个实施方案中，可利用超导量子干涉仪(SQUID)磁力计对纳米颗粒的磁性特性进行定量。利用SQUID磁性测量进一步对颗粒进行定性。利用SQUID来测量在噬菌体上表达的12mer肽生长的FePt纳米颗粒的室温滞后回线(图12A)。还测量了扫描中央部分的高分辨度滞后回线以证实矫顽磁性的存在(图12B)。这些样品具有相对较低的矫顽磁性(约50Oe)。这些数据是在一般条件下生长的铁磁性纳米颗粒的第一实施例。还测量了利用生物学方法制备的SmCo5纳米颗粒的滞后回线(图13)。这些纳米颗粒的滞后作用非常大(400Oe)。由于SmCo5的大型样品具有比FePt更高的矫顽磁性值，因此该结果与预期相符。
P8包衣蛋白的磁特异性肽
在本发明的一个实施方案中，利用在M13噬菌体的P3蛋白上表达的物质特异性噬菌体来制备具有磁性行为的纳米颗粒。p3蛋白仅存在于棒状噬菌体的一端，并且以有限的数目存在(每个噬菌体3-5个拷贝)。作为选择地，p8包衣蛋白沿着噬菌体的长度进行表达，并且每个噬菌体有几百个拷贝。基于这一原因，对p8蛋白进行设计使之表达CoPt特异性肽，并且沿着噬菌体长度的方向使CoPt纳米颗粒形成晶核。该物质制备的一个实例如下所述。还可以在无需进行不恰当实验的情况下使用对本领域技术人员显而易见的其它方法。
为了使得包括磁性颗粒和纳米颗粒的磁性材料形成晶核，应将带有或不带有噬菌体的肽加热至足够高的温度进行燃烧，并除去在高温退火步骤中与骨架相连的结合分子。例如，可数次加热到500℃或者1,000℃从而达到最佳燃烧及去除效果。所述温度还可以在金属退火的范围内，其中多晶结构域能够熔合为单晶结构域。
方法学
材料。氯化钐(III)，乙酰丙酮化铂(II)(Pt(Acac)2，二氢六氯铂酸(H2PtCl6)，以及八羰基钴(Co2(CO)8)购自Alfa Aesar。五羰基铁(Fe(CO)5)，氯化钴(II)(CoCl2)，氯化亚铁(II)(FeCl2)，氧化三辛基磷化氢(TOPO)，硼氢化钠(NaBH4)，油酸胺，以及油酸购自Aldrich。
ε-Co的纳米尺度的合成。Co纳米颗粒采用下述方法制备：首先将0.6g的Co2(CO)8溶解于5ml的邻-二氯代苯中。将该混合物搅拌1小时以溶解Co，在氩气氛围下在500ml三颈反应烧瓶中混入20ml邻-二氯代苯，0.416mg的TOPO，以及0.2ml的油酸。然后将该混合物加热至100摄氏度。接着将混合物暴露于真空中5分钟，除去所有溶解的O2和H2O。混合物加热至沸腾(180摄氏度)，然后加入Co溶液。混合物变成黑色，然后产生CO气体云。回流20分钟后，将反应液冷却至室温。为了纯化颗粒，将3ml的Co纳米颗粒溶液与3ml的乙醇混合。1小时后，将混合物在10,000rpm离心5分钟。沉淀用3ml的CH2Cl2重悬，然后加入3ml乙醇，重复离心步骤。然后将沉淀物用3ml的CH2Cl2重悬。
FePt纳米颗粒的合成。在氩气氛围下将20mL苯基醚，0.205g的Pt(Acac)2，以及0.358g 1，2-四癸烷二醇混合，然后加热至100℃，接着加入0.16ml油酸，0.17ml油酸胺，以及0.13ml Fe(CO)5。将混合物加热至300℃然后回流30分钟，冷却至室温。采用与Co纳米颗粒类似的方法对FePt纳米颗粒进行纯化。
CoPt纳米颗粒的合成。制备过程与FePt类似，但用0.16g的Co2(CO)8代替0.13ml的Fe(CO)5。
SmCo5纳米颗粒的合成。采用诱使沉淀的方法来制备SmCo5纳米颗粒。该技术是对以前的纳米颗粒制备方法进行修改得到的。取38.75mg的CoCl2与16.0mg的SmCl3相混合，然后溶解于20ml的苯基醚中。接着向混合物中加入0.357mL的油酸，然后再氩气氛围下加热至100℃。随即加入1.35ml的三辛基磷化氢。接着将混合物暴露于真空中10分钟，除去所有溶解的O2和H2O。真空净化溶液后，将其加热至290℃，使苯基醚沸腾。然后加入1ml的superhydride溶液。该溶液立刻从蓝变黑。然后将黑色混合物回流20分钟，冷却至室温。
薄膜形成。为制备用于噬菌体展示选择的薄膜，将纳米颗粒的胶体金溶液成滴包被载Si片上。使溶液蒸发。对于FePt和CoPt，接下来在氮气氛围下将薄片于700℃退火30分钟，以形成L10相。对所有薄片进行XRD分析以保证它们为所需材料。
肽的选择。利用噬菌体展示文库技术来寻找专门与ε-Co以及CoPt和FePt的L10-相相结合的肽。特异地，使用Ph.D.-12(tm)和Ph.D.-7CTM噬菌体展示肽文库试剂盒以1L(或起始量)的噬菌体展示文库为起始，启动对磁性基底(溶于1mL的TBS中)的选择。对于ε-Co，在10mM溶于TBST的NaBH4溶液中进行选择。淘洗5个循环后，分离肽和该肽的DNA，利用University of Texas DNA Core Facility得到序列。分析这些与噬菌体上的肽展示相对应的序列以确定共有序列。对DNA序列的分析包括每一位置上氨基酸的百分丰度。由于在前两个循环中可能有非特异性结合，因此仅对最后三次淘洗进行分析。
结合亲合力。为了确定肽与ε-Co以及CoPt和FePt结合的特异性，对结合亲合力进行了测定。从共有肽淘洗研究中得到滴定数值并与不产生ε-Co，CoPt和FePt的野生型和随机肽的滴定数值进行比较。然后利用不同浓度的噬菌体来进行淘洗研究，以确定噬菌体与目的金属表面的结合常数。
肽介导的Co的晶核形成。将大约880ul的H2O与100ul的1mM CoCl2和20ul的噬菌体溶液(pfu＝1011)相混合。将混合物轻柔搅拌30分钟，然后加入100mM的NaBH4 100ul。振摇该溶液，然后再孵育5分钟。随后加入溶于CH2Cl2的TOPO和油酸的溶液100ml。振摇混合物并轻柔搅拌1小时。此时CH2Cl2层变成深灰色。对几种不同的噬菌体，包括Co-1，Co-2，野生型噬菌体，以及无噬菌体的TBS溶液，重复该步骤。
肽介导的CoPt的晶核形成。为了形成晶核，将50ul 1mM的CoCl2溶液与50ul 1mM的H2PtCl6混合。然后加入10ml的噬菌体溶液(pfu＝1011)。将混合物轻柔搅拌30分钟，然后加入20ul 100mM的NaBH4。立即振摇该溶液并置入玻璃杯中保持30分钟。终溶液为黄色。
肽介导的FePt的晶核形成。制备过程与CoPt类似，但用FeCl2溶液代替CoCl2。
肽介导的SmCo5的晶核形成。制备过程与Co类似，但用16.7ul 1mM的SmCl3和83ul 1mM的CoCl2代替100ul 1mM的CoCl2。
肽的P8表达。将以20ml LB培养基1∶100稀释的遗传修饰的E.coli扩增过夜，然后生长至O.D.＝0.6。加入盐酸四环素(1000X)和100mM的IPTG使终浓度为1mM。IPTG由于在装配过程中掺入至病毒包衣中，因此在细胞内促使生成修饰的p8蛋白。不振摇静置该混合物1小时。一小时后以辅助噬菌体进行转染，然后在39℃振摇过夜。随后分离噬菌体并通过离心和PEG沉淀进行纯化。然后将扩增的噬菌体沉淀重悬于10ml的TBS(pH7.5)中，并用18MW的水进行透析。向1ml扩增的噬菌体储存液中加入0.5ml的5mMCoCl2和5mM H2PtCl6，其中所述扩增的噬菌体储存液已经通过旋转除去上清。振摇60分钟后，加入作为0.5ml还原剂的100mM NaBH4。
沿着电子衍射谱的选定区域对纳米颗粒进行TEM分析，其中所述选定区域具有许多与CoPt晶面的预期值相对应的条带。还摄取了一个噬菌体的STEM图像，其中该噬菌体具有沿着P8蛋白生长的CoPt纳米颗粒。该结构的长度与噬菌体的长度(800nm)相对应。图14A描述了纳米颗粒的TEM图像，图14B描述了具有选定区域电子衍射谱(图14C)的解析图像，该选定区域具有许多与CoPt晶面的预期值相对应的条带。具有沿着P8蛋白生长的CoPt纳米颗粒的一个噬菌体的STEM图像如图14D所示。对Pt(图14E)和Co(图14F)的EDS定位显示出Co和Pt都沿着所述结构的长端被发现，并且浓度相同。
本发明证实噬菌体展示文库可用于鉴别与磁性材料结合的肽。这种鉴别非常快速，并且节约费用，且几乎不需要额外的材料。因此可将这些肽用于控制磁性纳米颗粒的晶核形成，帮助用户对所得纳米颗粒的尺寸，组成，以及洁净性进行控制。这些肽能够在一般条件下合成纳米颗粒，从而使之成为目前合成策略的一种替代途径。
进一步对噬菌体展示文库以及生物淘洗的实验方法进行描述，例如，在Belcher et al.的下述美国专利申请中：(1)″Biological Control of NanoparticleNucleation，Shape，and Crystal Phase″；2003/0068900，2003年4月10日公布；(2)″Nanoscale Ordering of Hybrid Materials Using Genetically EngineeredMesoscale Virus″；2003/0073104，2003年4月17日公布；(3)″BiologicalControl of Nanoparticles″；2003/0113714，2003年6月19日公布；以及(4)″Molecular Recognition of Materials″；2003/0148380，2003年8月7日公布。
本发明的应用还包括对下述参考文献的应用。使用超顺磁性材料用于磁性共振成像如U.S.Patent No.5,262,176 to Palmacci et al.(Nov.16，1993)中所述，其包括使用以聚合物覆盖的胶体和超顺磁金属氧化物，该文献全文引入本文作为参考。超顺磁性材料也在例如Lee Josephson et al.，BioconjugateChem.，1999，10，186-191中有所描述，其包括由肽序列衍生出的以超顺磁性氧化铁颗粒包被的生物相容性右旋糖苷，该文献全文引入本文作为参考。本文应用还包括磁性共振成像以及磁性分离。J.Manuel Perez et al.，J.Am.Chem.Soc.，2003，125，10192-10193描述了将病毒诱导的磁性纳米颗粒的自我装配用于包括MRI的磁性纳米传感器，该传感器能够检测包括核酸和蛋白质的多种靶物质。该文献全文引入本文作为参考。
最后，可利用本领域公知的多种方法来对表面进行图案化，包括显微平版印刷和纳米平版印刷以及使用抗蚀剂等，并对包括功能化的自我装配单层在内的单层进行自我装配。
尽管本文对本发明的多个实施方案进行使用、描述，但是应该看出，本发明提供了多种可使用的发明概念，这些发明概念包括广泛的特定内容。本文所述实施方案仅是为了对本发明的特定实施途径以及使用进行描述，而并非为了对本发明的范围进行限制。
                            序列表
              SEQUENCE LISTING
<110>得克萨斯州立大学董事会
<120>肽介导的金属和磁性材料的合成
<130>027053-0120
<140>PCT/US03/29555
<141>2003-09-22
<150>60/411,804
<151>2002-09-18
<160>18
<170>PatentIn Ver.3.2
<210>1
<211>12
<212>PRT
<213>人工序列
<220>
<223>人工序列的描述：合成肽
<400>1
Ala Met Ala Gly Thr Thr Ser Asp Pro Ser Thr Val
  1               5                  10
<210>2
<211>12
<212>PRT
<213>人工序列
<220>
<223>人工序列的描述：合成肽
<400>2
Ala Ala Ser Pro Thr Gln Ser Met Ser Gln Ala Pro
  1               5                  10
<210>3
<211>12
<212>PRT
<213>人工序列
<220>
<223>人工序列的描述：合成肽
<400>3
His Thr His Thr Asn Asn Asp Ser Pro Asn Gln Ala
  1               5                  10
<210>4
<211>12
<212>PRT
<213>人工序列
<220>
<223>人工序列的描述：合成肽
<400>4
 Asp Thr Gln Gly Phe His Ser Arg Ser Ser Ser Ala
   1               5                  10
<210>5
<211>12
<212>PRT
<213>人工序列
<220>
<223>人工序列的描述：合成肽
<400>5
Thr Ser Ser Ser Ala Leu Gln Pro Ala His Ala Trp
  1               5                  10
<210>6
<211>12
<212>PRT
<213>人工序列
<220>
<223>人工序列的描述：合成肽
<400>6
Ser Glu Ser Ser Pro Ile Ser Leu Asp Tyr Arg Ala
  1               5                  10
<210>7
<211>12
<212>PRT
<213>人工序列
<220>
<223>人工序列的描述：合成肽
<400>7
Ser Thr His Asn Tyr Gln Ile Pro Arg Pro Pro Thr
  1               5                  10
<210>8
<211>12
<212>PRT
<213>人工序列
<220>
<223>人工序列的描述：合成肽
<400>8
His Pro Phe Ser Asn Glu Pro Leu Gln Leu Ser Ser
  1               5                  10
<210>9
<211>12
<212>PRT
<213>人工序列
<220>
<223>人工序列的描述：合成肽
<400>9
Gly Thr Leu Ala Asn Gln Gln Ile Phe Leu Ser Ser
  1               5                  10
<210>10
<211>12
<212>PRT
<213>人工序列
<220>
<223>人工序列的描述：合成肽
<400>10
His Gly Asn Pro Leu Pro Met Thr Pro Phe Pro Gly
  1               5                  10
<210>11
<211>12
<212>PRT
<213>人工序列
<220>
<223>人工序列的描述：合成肽
<400>11
Arg Leu Glu Leu Ala Ile Pro Leu Gln Gly Ser Gly
  1               5                  10
<210>12
<211>7
<212>PRT
<213>人工序列
<220>
<223>人工序列的描述：合成肽
<400>12
Asn Ala Gly Asp His Ala Asn
  1               5
<210>13
<211>7
<212>PRT
<213>人工序列
<220>
<223>人工序列的描述：合成肽
<400>13
Ser Lys Asn Ser Asn Ile Leu
  1               5
<210>14
<211>7
<212>PRT
<213>人工序列
<220>
<223>人工序列的描述：合成肽
<400>14
Thr Lys Pro Ser Val Val Gln
  1               5
<210>15
<211>12
<212>PRT
<213>人工序列
<220>
<223>人工序列的描述：合成肽
<400>15
Ala Leu Ser Pro His Ser Ala Pro Leu Thr Leu Tyr
  1               5                  10
<210>16
<211>12
<212>PRT
<213>人工序列
<220>
<223>人工序列的描述：合成肽
<400>16
Ser Val Ser Val Gly Met Lys Pro Ser Pro Arg Pro
  1               5                  10
<210>17
<211>12
权利要求书
(按照条约第19条的修改)
1.一种制备磁性材料的方法，包括下述步骤：
提供一种分子，该分子含有与磁性材料的表面特异性结合的部分；以及
在允许磁性材料形成的条件下，使一种或多种磁性材料前体与该分子接触。
2.一种制备磁性材料的方法，包括使促发磁性材料形成的分子与磁性材料前体和还原剂相接触的步骤。
3.一种制备磁性材料的方法，包括下述步骤：
将磁性材料结合分子与基底相联接；
在形成磁性材料的条件下，使一种或多种磁性材料前体与磁性材料结合分子相接触；以及
生成磁性材料。
4.权利要求1、2或3的方法，其中所述分子包括与磁性材料的表面特异性结合的氨基酸寡聚体。
5.权利要求1、2或3的方法，其中所述分子选自组合文库筛选。
6.权利要求1、2或3的方法，其进一步包括分离磁性材料的步骤。
7.权利要求1、2或3的方法，其中所述分子被进一步定义为包括自我装配分子部分的肽。
8.权利要求7的方法，其中所述自我装配分子为噬菌体。
9.权利要求1、2或3的方法，其中所述磁性材料为纳米颗粒。
10.权利要求1、2或3的方法，其中所述分子包括在其表面上暴露有一个或多个磁性材料结合氨基酸寡聚体的嵌合蛋白。
11.利用结合分子和一种或多种磁性材料前体制备的磁性材料。
12.在金属盐和还原剂存在下利用磁性金属特异性结合分子制备的磁性材料。
13.权利要求11或12的磁性材料，其中所述磁性材料包括纳米颗粒。
14.一种组合物，其包括与ε-Co特异性结合的肽。
15.一种组合物，其包括与CoPt特异性结合的肽。
16.一种组合物，其包括与FePt特异性结合的肽。
17.一种组合物，其包括与SmCo5特异性结合的肽。
18.一种组合物，其包括与铁磁性表面特异性结合的肽。
19.与铁磁性材料特异性结合的分子的分离方法，其包括下述步骤：
使分子文库与磁性材料相接触；
从文库中除去未结合的分子；以及
从磁性材料中洗脱结合的分子。
20.权利要求19的方法，其中所述分子文库进一步被定义为包括噬菌体展示文库。
21.权利要求19的方法，其中所述分子文库进一步被定义为包括组合化学文库。
22.权利要求19的方法，其中所述分子包括与磁性材料特异性结合的氨基酸寡聚体。
23.制备颗粒薄膜的方法，包括下述步骤：
将颗粒的溶液加至表面；其中所述颗粒使用结合分子进行合成；
蒸发表面上纳米颗粒的溶液；以及
使颗粒退火连接到表面上，从而构建颗粒薄膜。
24.权利要求23的方法，其中所述颗粒为纳米颗粒。
25.一种制备金属材料的方法，其包括下述步骤：
提供一种分子，该分子包括与金属表面特异性结合的部分；以及
在允许金属材料形成的条件下，使一种或多种金属材料前体与所述分子相接触。
26.一种制备磁性材料的方法，包括下述步骤：在300℃或以下的温度下，使能与磁性材料特异性结合的分子与磁性材料前体相接触，以形成磁性材料。
27.一种制备金属材料的方法，包括下述步骤：在300℃或以下的温度下，使能与金属材料特异性结合的分子与金属材料前体相接触，以形成金属材料。
28.一种组合物，其包括寡聚肽和磁性材料，其中所述寡聚肽与磁性材料特异性结合。
29.一种组合物，其包括SmCo5纳米颗粒。
30.一种金属材料，其包括结合分子合成的颗粒。
31.一种金属材料，其包括结合分子合成的金属纳米颗粒的集合，所述金属纳米颗粒通过退火由多晶变为单晶材料。
32.一种金属材料，其包括结合分子合成的金属纳米颗粒的集合，所述金属纳米颗粒独立地由病毒所合成。

Claims (143)

1.一种制备磁性材料的方法，包括下述步骤：
提供一种含有能与磁性材料表面特异性结合部分的分子；以及
在允许磁性材料材料形成的条件下，使一种或多种磁性材料前体与该分子接触。
2.权利要求1的方法，其中所述磁性材料为颗粒。
3.权利要求1的方法，其中所述磁性材料为纳米颗粒。
4.权利要求1的方法，其中所述磁性材料为铁磁性材料。
5.权利要求1的方法，其中所述磁性材料为铁磁性纳米颗粒。
6.权利要求1的方法，其中所述分子包括与磁性材料的表面特异性结合的氨基酸寡聚体。
7.权利要求6的方法，其中所述寡聚体的长度为约7至约100个氨基酸。
8.权利要求6的方法，其中所述寡聚体的长度为约7至约20个氨基酸。
9.权利要求1的方法，其中所述分子选自组合文库筛选。
10.权利要求7的方法，其中所述磁性材料包括Co，SmCo5，CoPt或FePt。
11.权利要求1的方法，其进一步包括分离磁性材料的步骤。
12.权利要求11的方法，其中所述磁性材料与基底相连接。
13.权利要求1的方法，其中所述分子被进一步定义为包括自我装配分子部分的肽。
14.权利要求13的方法，其中所述自我装配分子为噬菌体。
15.权利要求13的方法，其中所述自我装配分子生长在细菌中。
16.制备磁性材料的方法，包括使促发磁性材料形成的分子与磁性材料前体和还原剂相接触的步骤。
17.权利要求16的方法，其中所述接触在室温下进行。
18.权利要求16的方法，其中所述接触在约350℃或者低于该温度下进行。
19.权利要求16的方法，其中所述分子为氨基酸寡聚体。
20.权利要求16的方法，其中所述分子为包括约7至100个氨基酸的氨基酸寡聚体。
21.权利要求16的方法，其中所述分子为包括约7至20个氨基酸的氨基酸寡聚体。
22.权利要求16的方法，其中所述分子进一步包括自我装配的病毒颗粒。
23.权利要求16的方法，其中所述磁性材料包括Co，CoPt，SmCo5或FePt磁性材料。
24.权利要求16的方法，其中所述磁性材料为磁性量子点。
25.权利要求22的方法，其中所述自我装配病毒颗粒用于产生铸型薄膜。
26.权利要求16的方法，其中所述磁性材料为颗粒。
27.权利要求16的方法，其中所述磁性材料为纳米颗粒。
28.权利要求16的方法，其中所述磁性材料为铁磁性材料。
29.权利要求16的方法，其中所述磁性材料为铁磁性纳米颗粒。
30.按照权利要求1的方法所制备的磁性材料。
31.按照权利要求16的方法所制备的磁性材料。
32.制备磁性材料的方法，包括下述步骤：
将磁性材料结合分子与基底相联接；
在形成磁性材料的条件下，使一种或多种磁性材料前体与磁性材料结合分子相接触；以及
生成磁性材料。
33.权利要求32的方法，其中所述磁性材料为铁磁性材料。
34.权利要求32的方法，其中所述磁性材料为颗粒。
35.权利要求32的方法，其中所述磁性材料为纳米颗粒。
36.权利要求32的方法，其中所述磁性材料为铁磁性纳米颗粒。
37.权利要求32的方法，其中所述磁性材料结合分子包括在其表面上暴露有一个或多个磁性材料结合氨基酸寡聚体的嵌合蛋白。
38.权利要求32的方法，其中所述磁性材料结合分子为氨基酸寡聚体。
39.权利要求32的方法，其中所述磁性材料结合分子包括约7至100个氨基酸寡聚体。
40.权利要求32的方法，其中所述磁性材料结合分子包括约7至20个氨基酸寡聚体。
41.权利要求32的方法，其中所述磁性材料结合分子与基底化学连接。
42.权利要求32的方法，其中所述磁性材料结合分子包括具有自我装配的病毒颗粒的嵌合蛋白。
43.权利要求32的方法，其中所述磁性材料包括Co，CoPt，SmCo5或者FePt。
44.权利要求32的方法，其中所述方法用于制备薄膜。
45.权利要求32的方法，其中所述基底包括图形化的表面，所述磁性材料结合分子仅固定于图形化表面的图形上。
46.权利要求32方法所制备的磁性材料。
47.利用结合分子和一种或多种磁性材料前体制备的磁性材料。
48.权利要求47的磁性材料，其中所述结合分子包括结合氨基酸寡聚体部分。
49.权利要求48的磁性材料，其中所述寡聚体包括约7至100个氨基酸。
50.权利要求48的磁性材料，其中所述结合寡聚体包括约7至20个氨基酸。
51.权利要求47的磁性材料，其中所述磁性材料为铁磁性材料。
52.权利要求47的磁性材料，其中所述磁性材料包括颗粒。
53.权利要求47的磁性材料，其中所述磁性材料包括纳米颗粒。
54.权利要求47的磁性材料，其中所述磁性材料铁磁性纳米颗粒。
55.权利要求47的磁性材料，其中所述磁性材料在低于350摄氏度的温度下形成。
56.权利要求47的磁性材料，其中所述磁性材料选自Co，CoPt，SmCo5或者FePt。
57.在金属盐和还原剂存在下利用磁性金属特异性结合分子制备的磁性材料。
58.权利要求57的磁性材料，其中所述材料为铁磁性材料。
59.权利要求58的磁性材料，其中所述材料为铁磁性纳米颗粒材料。
60.权利要求59的磁性材料，其中所述结合分子包括结合氨基酸寡聚体部分。
61.一种组合物，其包括与ε-Co特异性结合的肽。
62.权利要求61的组合物，其中所述肽与ε-Co的结晶表面特异性结合。
63.权利要求61的组合物，其中所述肽的结合包括ALSPHSAPLTLY(SEQ ID NO.：15)序列。
64.一种组合物，其包括与CoPt特异性结合的肽。
65.权利要求64的组合物，其中所述肽与CoPt的结晶表面特异性结合。
66.权利要求64的组合物，其中所述肽包括NAGDHAN(SEQ ID NO.：12)序列。
67.权利要求64的组合物，其中所述肽包括SVSVGMKPSPRP(SEQID NO.：16)序列。
68.一种组合物，其包括与FePt特异性结合的肽。
69.权利要求68的组合物，其中所述肽与FePt的结晶表面特异性结合。
70.权利要求68的组合物，其中所述肽包括SKNSNIL(SEQ ID NO.：13)序列。
71.权利要求68的组合物，其中所述肽包括HNKHLPSTQPLA(SEQID NO.：17)序列。
72.一种组合物，其包括与SmCo5特异性结合的肽。
73.权利要求72的组合物，其中所述肽与SmCo5的结晶表面特异性结合。
74.权利要求72的组合物，其中所述与SmCo5结合的肽包括TKPSVVQ(SEQ ID NO.：14)序列。
75.权利要求72的组合物，其中所述与SmCo5结合的肽包括WDPYSHLLQHPQ(SEQ ID NO.：18)序列。
76.一种组合物，其包括与铁磁性表面特异性结合的肽。
77.权利要求76的组合物，其中所述肽与铁磁性表面的结晶表面特异性结合。
78.一种与铁磁性材料特异性结合的分子的分离方法，其包括下述步骤：
使分子文库与磁性材料相接触；
从文库中除去未结合的分子；以及
从磁性材料中洗脱结合的分子。
79.权利要求78的方法，其进一步包括确定与磁性材料结合分子的分子结构的步骤。
80.权利要求78的方法，其中所述分子文库进一步被定义为包括噬菌体文库。
81.权利要求78的方法，其中所述分子文库进一步被定义为包括噬菌体展示文库。
82.权利要求78的方法，其中所述分子文库进一步被定义为包括组合化学文库。
83.权利要求78的方法，其中所述分子文库进一步被定义为包括肽文库。
84.权利要求78的方法，其中所述磁性材料为铁磁性。
85.权利要求78的方法，其中所述分子包括与磁性材料特异性结合的氨基酸寡聚体。
86.制备颗粒薄膜的方法，包括下述步骤：
将颗粒的溶液加至表面；其中所述颗粒使用结合分子进行合成；
蒸发表面上纳米颗粒的溶液；以及
使颗粒退火连接到表面上，从而构建颗粒薄膜。
87.权利要求86的方法，其中所述颗粒为磁性的。
88.权利要求86的方法，其中所述颗粒为铁磁性的。
89.权利要求86的方法，其中所述颗粒为纳米颗粒。
90.权利要求86的方法，其中所述颗粒为铁磁性纳米颗粒。
91.权利要求86的方法，其中所述纳米颗粒的溶液为溶解于溶剂中的磁性纳米颗粒，所述纳米颗粒选自ε-Co，Co，SmCo5，CoPt，FePt，及其组合。
92.权利要求86的方法，其中对所述溶剂进行蒸发。
93.权利要求86的方法，其中所述表面为显微加工的固体表面，所述分子可通过共价或非共价键与该表面相连接，该表面选自Langmuir-Bodgett薄膜，玻璃，功能化玻璃，锗，硅，PTFE，聚苯乙烯，砷化镓，金，银，或者任何在表面上掺入了氨基，羧基，巯基，或者羟基官能团的材料。
94.权利要求86的方法，其中所述退火条件为：在惰性气体氛围下、在至少700摄氏度的温度下、退火时间至少为30分钟。
95.按照权利要求86的方法制备的颗粒薄膜。
96.一种制备金属材料的方法，其包括下述步骤：
提供一种分子，该分子包括与金属表面特异性结合的部分；以及
在允许金属材料形成的条件下，使一种或多种金属材料前体与所述分子相接触。
97.权利要求96的方法，其中所述金属材料的形成在还原剂存在的条件下进行。
98.权利要求96的方法，其中所述分子包括与金属表面特异性结合的氨基酸寡聚体部分。
99.权利要求96的方法，其中所述特异性结合的寡聚体部分的长度为约7至约100个氨基酸。
100.权利要求96的方法，其中所述特异性结合的寡聚体部分的长度为约7至约20个氨基酸。
101.权利要求96的方法，其中所述金属材料为磁性的。
102.权利要求96的方法，其中所述金属材料为铁磁性的。
103.权利要求96的方法，其中所述金属材料为颗粒。
104.权利要求96的方法，其中所述金属材料为纳米颗粒。
105.权利要求96的方法，其中所述金属材料为铁磁性纳米颗粒并且所述分子包括氨基酸寡聚体。
106.制备磁性材料的方法，包括下述步骤：在300℃或以下的温度下，使与磁性材料特异性结合的分子与磁性材料前体相接触，以形成磁性材料。
107.权利要求106的方法，其中所述温度为200℃或以下。
108.权利要求106的方法，其中所述温度为100℃或以下。
109.权利要求106的方法，其中所述分子包括与磁性材料特异性结合的肽。
110.权利要求106的方法，其中所述分子包括与磁性材料特异性结合的寡聚肽。
111.权利要求106的方法，其中所述磁性材料为结晶材料。
112.权利要求106的方法，其中所述磁性材料为铁磁性材料。
113.权利要求106的方法，其中所述磁性材料包括颗粒。
114.权利要求106的方法，其中所述磁性材料包括纳米颗粒。
115.权利要求106的方法，其中所述接触和形成在溶液中进行，并且所述磁性材料不从溶液中沉淀出来。
116.制备金属材料的方法，包括下述步骤：在300℃或以下的温度下，使与金属材料特异性结合的分子与金属材料前体相接触，以形成金属材料。
117.权利要求116的方法，其中所述温度为200℃或以下。
118.权利要求116的方法，其中所述温度为100℃或以下。
119.权利要求116的方法，其中所述分子包括肽。
120.权利要求116的方法，其中所述分子包括寡聚肽。
121.权利要求116的方法，其中所述金属材料为结晶材料。
122.权利要求116的方法，其中所述金属材料为铁磁性材料。
123.权利要求116的方法，其中所述金属材料包括颗粒。
124.权利要求116的方法，其中所述金属材料包括纳米颗粒。
125.权利要求116的方法，其中所述接触和形成在溶液中进行，并且所述金属材料不从溶液中沉淀出来。
126.一种组合物，其包括寡聚肽和磁性材料，其中所述寡聚肽与磁性材料特异性结合。
127.权利要求126的组合物，其中所述磁性材料为铁磁性材料。
128.权利要求126的组合物，其中所述磁性材料包括磁性合金。
129.权利要求126的组合物，其中所述磁性材料包括颗粒。
130.权利要求126的组合物，其中所述磁性材料包括纳米颗粒。
131.一种组合物，其包括SmCo5纳米颗粒。
132.权利要求131的组合物，其中所述SmCo5纳米颗粒为HCP纳米颗粒。
133.一种金属材料，其包括结合分子合成的颗粒。
134.权利要求133的金属材料，其中所述颗粒为磁性的。
135.权利要求133的金属材料，其中所述颗粒为铁磁性的。
136.权利要求133的金属材料，其中所述颗粒为纳米颗粒。
137.权利要求133的金属材料，其中所述结合分子合成的颗粒不含有生物分子，该生物分子是通过加热除去的。
138.权利要求133的金属材料，其中所述进述颗粒的纵横比大于50。
139.权利要求133的金属材料，其中所述金属颗粒被延长并且在任意长末端包括功能化区域。
140.权利要求133的金属材料，其中所述金属颗粒被延长并且在任意长末端具有促进结合的区域。
141.权利要求133的金属材料，其中所述材料在加热前被固定。
142.一种金属材料，其包括结合分子合成的金属纳米颗粒的集合，所述金属纳米颗粒通过退火由多晶变为单晶材料。
143.一种金属材料，其包括结合分子合成的金属纳米颗粒的集合，所述金属纳米颗粒独立地由病毒所合成。
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