DE69732305T2 - Selbstorganisierte systeme auf der basis von affinität und anordnungen für photonische oder elektronische anwendungen - Google Patents

Selbstorganisierte systeme auf der basis von affinität und anordnungen für photonische oder elektronische anwendungen Download PDF

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M. Jeffrey CABLE
C. Sadik ESENER
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Nanotronics Inc
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University of California
Nanotronics Inc
Nanotronics Imaging Inc
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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich auf Methoden und Techniken, die programmierbare funktionalisierte selbstzusammenfügende Nukleinsäuren, Nukleinsäure-modifizierte Strukturen und andere selektive Affinitäts- oder Bindungsreste als Bausteine für: (1) den Aufbau, den Zusammenbau und die Querverbindung von Nanostrukturen, Submikrometer- und Mikrometer-großen Komponenten auf Silizium oder anderen Materialien; (2) den Aufbau, den Zusammenbau und die Querverbindung von Nanostrukturen, Submikrometer- und Mikrometer-großen Komponenten innerhalb des Umfangs von mikroelektronischen oder optoelektronischen Bauteilen und Einheiten, verwenden.
  • Diese Erfindung bezieht sich ebenfalls auf damit verbundene mikroelektronische und optoelektronische Einheiten, Systeme und Herstellungsplattformen, die den Transport in einem elektrischen Feld und die selektive Adressierung von selbstzusammenfügenden Nanostrukturen, Submikrometer- und Mikrometer-großen Komponenten zu bestimmten Stellen auf der Einheit selber oder auf anderen Trägermaterialien bereitstellen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Gebiete der molekularen Elektronik/Photonik und der Nanotechnologie bieten immense technologische Aussicht für die Zukunft. Die Nanotechnologie wird als vorhergesagte Technologie, die auf der allgemeinen Fähigkeit basiert, Objekte nach komplexen atomischen Spezifikationen zu bauen, definiert (Drexler, Proc. Natl. Acad. Sci USA, 78: 5275–5278, (1981)). Im Allgemeinen meint Nanotechnologie eine Atom-für-Atom oder Molekül-für-Molekül-Steuerung des Aufbaus und der Erstellung komplexer Strukturen den ganzen Weg bis zur makroskopischen Ebene. Nanotechnologie ist, im Gegensatz zu einer top-down Strategie wie derzeitige lithographische Techniken, die in der Halbleiter- und integrierten Schaltkreis-Industrie angewandt werden, ein Bottom-up-Ansatz. Der Erfolg der Nanotechnologie kann auf der Entwicklung von programmierbaren selbstzusammenbauenden molekularen Einheiten und Werkzeugmaschinen auf molekularem Level, sogenannten Assemblierern, basieren, die die Konstruktion einer weiten Spanne von molekularen Strukturen und Einheiten ermöglichen werden (Drexler, „Engines of Creation", Doubleday Publishing Co., New York, NY (1986)).
  • Die derzeitige molekulare elektronische/photonische Technologie schließt die zahlreichen Bemühungen von Wissenschaftlern und Ingenieuren diverser Fachgebiete ein (Carter, ed., „Molecular Electronic Devices II", Marcel Dekker, Inc, New York, NY (1987)). Diese Fachgebiete schließen Gleichrichter, die auf organischen Polymeren basieren (Metzger et al., „Molecular Electronic Devices II", Carter, ed., Marcel Dekker, Inc, New York, NY, pp. 5–25 (1987)), leitfähige konjugierte Polymere (MacDiarmid et al., Synthetic Metals, 18: 285 (1987)), die elektronischen Eigenschaften von organischen Dünnfilmen oder Langmuir-Blogett-Filmen (Watanabe et al., Synthetic Metals, 28: C473 (1989)), molekulare Schieberegister, die auf Elektronentransfer basieren (Hopfield et al., Science, 241: 817 (1988)) und ein selbstzusammenfügendes System, welches auf synthetisch modifizierten Lipiden, die eine Reihe von verschiedenen „tubularen" Mikrostrukturen bilden, basiert, ein (Singh et al., „Applied Bioactive Polymeric Materials", Plenum Press, New York, NY, pp. 239–249 (1988)). Molekulare optische oder photonische Einheiten, die auf konjugierten organischen Polymeren basieren (Baker et al., Synthetic Metals, 28: D639 (1989)) und nicht-lineare organische Materialien sind ebenfalls beschrieben worden (Potember et al., Proc. Annual Conf. IEEE in Medicine and Biology, Part 4/6: 1302–1303 (1989)).
  • Jedoch beschreibt keine der zitierten Druckschriften einen technisch ausgereiften oder programmierbaren Level des Selbst-Aufbaus oder des Selbst-Zusammenbaus. Typischerweise ist der eigentliche molekulare Bestandteil, der den elektronischen und/oder photonischen Mechanismus ausführt, ein natürliches biologisches Protein oder anderes Molekül (Akaike et al., Proc. Annual Conf. IEEE in Medicine and Biology, Part 4/6: 1337–1338 (1989)). Derzeit gibt es keine Beispiele eines vollkommen synthetischen programmierbaren selbstzusammenbauenden Moleküls, das eine wirksame elektronische oder photonische Struktur, Mechanismus oder Einheit erzeugt.
  • Der Fortschritt beim Verstehen des Selbst-Zusammenbaus in biologischen Systemen ist wichtig für die Nanotechnologie (Drexler, Proc. Natl. Acad. Sci USA, 78: 5275–5278 (1981) und Drexler, „Engines of Creation", Doubleday Publishing Co., New York, NY (1986)). Gebiete bedeutsamen Fortschritts schließen den Aufbau des lichterntenden photosynthetischen Systems, die energieübertragenden Elektronentransportsysteme, den Sehprozess, die Nervenleitung und die Struktur und Funktion von den Proteinbestandteilen, die diese Systeme bilden, ein. Die sogenannten Bio-Chips bezeichneten die Verwendung von synthetisch oder biologisch modifizierten Proteinen für die Konstruktion molekularer elektronischer Bausteine (Haddon et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 82: 1874–1878 (1985), McAlear et al., "Molecular Electronic Devices II", Carter ed., Marcel Dekker, Inc., New York NY, pp. 623–633 (1987)).
  • Einige Arbeiten mit synthetischen Proteinen (Polypeptiden) wurden mit dem Ziel durchgeführt, leitfähige Netzwerke zu entwickeln (McAlear et al., "Molecular Electronic Devices", Carter ed., Marcel Dekker, New York, NY, pp. 175–180 (1982)). Andere Forscher haben spekuliert, dass Nukleinsäure-basierte Bio-Chips vielversprechender sein können (Robinson et al., "The Design of a Biochip: Self-Assembling Molecular-Scale Memory Device", Protein Engineering, 1: 295–300 (1987)).
  • Große Fortschritte wurden ebenfalls bei dem Verständnis der Struktur und Funktion von Nukleinsäuren, Desoxyribonukleinsäure oder DNA (Watson et al., in „Molecular Biology of the Gene", Vol. 1, Benjamin Publishing Co., Menlo Park, CA (1987)) gemacht, die der Träger der genetischen Information in allen lebenden Organismen ist (siehe auch 1). In der DNA ist die Information in der linearen Sequenz von Nukleotiden durch die Baseneinheiten Adenin, Guanin, Cytosin und Thymidin (A, G, C und T) kodiert. DNA-Einzelstränge (oder Polynukleotide) haben die einzigartige Eigenschaft, ihre komplementären Sequenzen zu erkennen und durch Hybridisierung zu binden, um eine doppelsträngige Nukleinsäureduplexstruktur zu bilden. Das ist aufgrund der inhärenten basen-paarenden Eigenschaften der Nukleinsäure möglich: A erkennt T und G erkennt C. Diese Eigenschaft führt zu einem sehr hohen Grad an Spezifität, da jede gegebene Polynukleotidsequenz nur an ihre exakt komplementäre Sequenz hybridisieren wird.
  • Zusätzlich zu der Molekularbiologie von Nukleinsäuren wurde auch auf dem Gebiet der chemischen Synthese von Nukleinsäuren großer Fortschritt gemacht. Diese Technologie hat sich weiterentwickelt, so dass automatisierte Instrumente nun effizient Sequenzen von über 100 Nukleotiden Länge mit Syntheseraten von 15 Nukleotiden pro Stunde synthetisieren können. Für die Modifikation von Nukleinsäuren mit funktionellen Gruppen, einschließlich Fluorophoren, Chromophoren, Affinitätslabeln, Metallchelaten, chemisch reaktiven Gruppen und Enzymen, wurden ebenfalls viele Techniken entwickelt (Smith et al., Nature, 321: 674–679 (1986); Agarawall et al., Nucleic Acids Research, 14: 6227–6245 (1986); Chu et al., Nucleic Acids Research, 16: 3671–3691 (1988)).
  • Antrieb für die Entwicklung sowohl der Synthese als auch der Modifikation von Nukleinsäuren war das Potential ihrer Verwendung in klinischen Diagnostikassays, ein Gebiet, das auch als DNA-Sonden Diagnostik bezeichnet wird. In dem Bestreben DNA-Sonden Diagnostik Assaysystemen empfindliche Fluoreszenzdetektionseigenschaften zu verleihen, wurden einfache photonische Mechanismen in modifizierte Oligonukleotide eingebaut. Dieser Ansatz schließt Fluorophor- und Chemolumineszenz-markierte Oligonukleotide ein, die einen strahlungslosen Energietransfer nach Förster ausführen (Heller et al., "Rapid Detection and Identification of Infectious Agents", Kingsbury et al., eds., Academic Press, New York, NY pp. 345–356 (1985)). Der strahlungslose Energietransfer nach Förster ist ein Prozess, durch den eine Fluoreszenzdonorgruppe, die mit einer bestimmten Wellenlänge angeregt wurde, ihre absorbierte Energie durch einen resonanten Dipol-Kopplungsprozess auf eine geeignete Fluoreszenzakzeptorgruppe überträgt. Die Effizienz des Energietransfers zwischen einer geeigneten Donor- und Akzeptorgruppe hängt mit 1/r6 vom Abstand ab (siehe Lakowicz et al., „Principles of Fluorescent Spectroscopy", Plenum Press, New York, NY, Chap. 10, pp. 305–337 (1983)).
  • Photonische Einheiten können im Allgemeinen in dichten Anordnungen unter der Verwendung hochentwickelter Mikrofabrikationstechniken hergestellt werden. Sie können jedoch nur über kleine Bereiche, die durch die relativ hohe Fehlerdichte der verwendeten Substrate begrenzt werden, zusammengefasst werden. Um brauchbar und ökonomisch machbar zu sein, müssen diese Einheiten in vielen Fällen in großflächigen integrierten Siliziumschaltkreisen verwendet werden. Ein gutes Beispiel für dieses Problem sind die oberflaechenemittierenden Laser mit vertikalem Resonator (vertical cavity surface emitting lasers). Um viele potentielle Anwendungsmöglichkeiten zu behandeln, wäre es sehr wünschenswert, diese Bausteine in großflächige Silizium-IC's einzubauen.
  • Ein Haupthindernis beim Einbau dieser neuen Einheiten in Silizium ist das Bestehen von Material- und geometrischen Inkompatibilitäten. Diese Einheiten müssen in wenigen langen Reihen mit minimalem Leistungsverlust und ohne die unterliegenden Siliziumschaltkreise zu beeinflussen auf dem Silizium eingebaut werden. Über die letzten Jahre wurde eine Reihe von Technologien zum Zusammenfügen von Bestandteilen bezüglich des Einbaus solcher Einheiten von Halbleiterverbindungen auf Silizium umfassend erforscht. Diese schließen Hybrid Flip-Chip Bindung oder epitaxiales Abheben und andere direkte Bindungsmethoden ein. Obwohl diese Hybridtechnologien bedeutsame Fortschritte gemacht und etliche Vorführungen von Bauteilen die Realisierbarkeit dieser Techniken gezeigt haben, befassen sich diese Methoden nicht mit dem Problem der geometrischen Inkompatibilität. Das heißt, die Dimensionen, mit denen die Spezialeinheiten auf ihrem Muttersubstrat angefertigt werden, müssen beibehalten werden, wenn sie auf den Host-Träger gekoppelt werden. Das macht den Einbau von kleinflächigen Einheiten auf großflächige Bestandteile ökonomisch unpraktikabel.
  • Im Stand der Technik gibt es keine Einbautechnik, die es möglich macht, eine über eine große Fläche verteilte spärliche Anordnung von Einheiten zu erzeugen, wenn die Einheiten ursprünglich dicht auf kleinen Flächen hergestellt wurden. Das macht großflächige Bestandteile, die durch den Einbau Mikrometer-großer Einheiten hergestellt wurden, ökonomisch unpraktikabel. Um dieses Problem zu lösen, verwendet die Elektronikindustrie eine Hierarchie von Packtechniken. Dennoch bleibt dieses Problem ungelöst, wenn eine regelmäßige Anordnung von Einheiten auf großen Flächen mit relativ kleiner Unterteilung benötigt wird. Dieses Problem ist wahrscheinlich durch die hohen Kosten, die mit der Implementierung von Matrix adressierten Anzeigen (matrix-addressed displays), wobei die aktive Siliziummatrix aus kleinen Transistoren besteht, die über eine große Fläche verteilt sein müssen, verbunden sind, besonders auffällig. Deshalb beschränken Mikrofabrikationstechniken aus dem Stand der Technik die Einheiten auf kleinflächige Bestandteile, worin eine dichte Anordnung von Einheiten eingebaut ist. Es gibt jedoch eine Reihe von wichtigen Anwendungen, die von dem spärlicheren Einbau von Spezialeinheiten auf großen Flächen profitieren können.
  • Eine mögliche Methode die geometrischen Beschränkungen aufzuheben ist die weitere Entwicklung von Halbleiterträgermaterialien bis zu einem Punkt, wo ihre Fehlerdichte sich der von Silizium annähert. Das ist ein langer und teurer Prozess, der stufenweisen Fortschritt erfordert. Ein zweiter Ansatz ist die Entwicklung von Spezialrobotern, die fähig sind, Mikrometer- und Submikrometer-große Einheiten handzuhaben und sie zu angemessenen Stellen zu verpfropfen. Das erscheint ebenfalls unpraktikabel, weil der Verpfropfungsprozess sequentiell bleiben wird, wobei ein Baustein nach dem anderen versetzt wird, was unpraktikable Weiterverarbeitungszeiten erfordert. In jedem Fall können diese beiden Ansätze auf Dimensionen der Hauptplatine im Bereich von 10 cm begrenzt werden.
  • Mit Bezug auf die Speicher waren datenverarbeitende Maschinen physikalisch und konzeptionell von dem Speicher, der die Daten und Programmbefehle abspeichert, getrennt. Da die Prozessorgeschwindigkeit sich über die Zeit erhöht hat, bestand fortwährend Druck nach größeren Speichern und schnellerem Zugriff. Kürzliche Fortschritte in der Prozessorgeschwindigkeit haben Systemengpässe beim Speicherzugriff verursacht. Diese Einschränkung ist entscheidend, weil Verzögerungen im Erhalten von Instruktionen oder Daten beträchtliche Prozessorwartezeiten verursachen können, was zu dem Verlust wertvoller Verarbeitungszeit führt.
  • Um diese Anliegen zu lösen, wurden verschiedene Ansätze unternommen. Im allgemeinen schließen diese Lösungen verschiedene Speicherarten, die verschiedene Eigenschaften haben, ein. Es ist zum Beispiel üblich, relativ kleine Mengen von schnellen, und typischerweise teuren, Speichern zu benutzen, die direkt mit den Prozessoreinheiten verbunden sind und typischerweise als Cache-Speicher bezeichnet werden. Zusätzlich sind größere, aber im Allgemeinen langsamere, Speicher wie DRAM oder SRAM mit der CPU verbunden. Dieser Zwischenspeicher ist oft groß genug für eine kleine Anzahl von aktuellen Anwendungen, aber nicht groß genug, um alle Systemprogramme und Daten zu fassen. Ein Massenspeicher, der gewöhnlich sehr groß, aber relativ billig ist, ist relativ langsam. Obwohl bei der Verbesserung von Größe und Geschwindigkeit von allen Speicherarten ständig Fortschritte gemacht und generell die Kosten pro Speicher-Bit gesenkt wurden, bleibt insbesondere ein beträchtlicher Bedarf noch schnellere Prozessoren zu liefern.
  • In den letzten 20 Jahren haben die meisten Massenspeicherbauteile ein rotierendes Speichermedium verwendet. Magnetische Medien wurden sowohl für „floppy" (flexible) Disks als auch „hard" Disk-Laufwerke verwendet. Die Information ist durch die An- oder Abwesenheit von Magnetisierung an definierten physikalischen Stellen auf der Disk gespeichert. Magnetische Medien sind normalerweise „lesen-schreiben"(„read-write")-Speicher, in denen der Speicher von dem System sowohl gelesen als auch beschrieben werden kann. Daten werden durch Köpfe, die nahe der Oberfläche der Disk platziert werden, auf die Disk geschrieben oder von dieser gelesen.
  • Eine neuere Entwicklung in rotierenden Massenspeichermedien sind die optischen Medien. Kompaktdisks sind „nur-lesen"(„read only")-Speicher, in welchen die An- oder Abwesenheit von physikalischen Verformungen in der Disk die Daten anzeigen. Die Information wird durch die Verwendung eines fokussierten Laserstrahls gelesen, in dem die Änderung der Reflexionseigenschaften der Disk die Datenzustände anzeigt. Im optischen Bereich gibt es ebenfalls verschiedene optische Speicher, die magnetooptische Eigenschaften beim Schreiben und Lesen der Daten verwenden. Diese Disks sind sowohl „nur-lesen"(„read only")- als auch einmal-schreiben-mehrfach-lesen"(„write once read many" („WORM"))-Laufwerke und Mehrfachlesen-Schreiben(multiple read-write)-Speicher. Im allgemeinen hat sich gezeigt, dass optische Medien, verglichen mit magnetischen Medien, eine größere Speicherkapazität, aber höhere Kosten pro Bit und begrenzte Schreibeigenschaften haben.
  • Verschiedene Vorschläge wurden für die Verwendung von Polymeren für Elektronik-basierte molekulare Speicher gemacht. Zum Beispiel offenbaren Hopfield, J. J., Onuchic, J. N., and Beratan, D. N. („A Molecular Shift Register", Science, 241, p. 817, 1988) einen Polymer-basierten Schieberegisterspeicher, welcher Ladungstransfergruppen enthält. Andere Forscher haben einen Elektronik-basierten DNA-Speicher vorgeschlagen (siehe Robinson et al „The Design of a Biochip: A Self-Assembling Molecular-Scale Memory Device", Protein Engineering, 1: 295–300 (1987)). In diesem Fall wird die DNA mit Elektronen-leitenden Polymeren für eine molekulare Speichereinheit verwendet. Beide Konzepte für diese molekularen elektronischen Speicher liefern aber keinen brauchbaren Mechanismus für die Eingabe von Daten (schreiben) und für die Ausgabe von Daten (lesen).
  • In ihren praktischen Ergebnissen waren molekulare elektronische Speicher besonders enttäuschend. Obwohl Vorschläge gemacht und minimale Existenznachweise durchgeführt wurden, wurden diese Systeme im allgemeinen nicht in die kommerzielle Realität umgesetzt. Ferner ist es ein besonderer Mangel des oben beschriebenen Systems, dass ein sequentieller Speicher für die Verwendung in den meisten Systemen typischerweise wesentlich langsamer ist als ein Arbeitsspeicher.
  • Die oben beschriebenen optischen Speicher leiden unter dem besonderen Problem, dass sie die Verwendung optischer Systeme erfordern, die in der Strahlenbeugung begrenzt sind. Das erlegt der minimalen Größe eines Daten-Bits Größenbeschränkungen auf und begrenzt dadurch die Speicherdichte. Das ist eine inhärente Beschränkung in Systemen, die ein einzelnes Daten-Bit an einer gegebenen physikalischen Speicherstelle speichern.
  • Des Weiteren wird in allen oben beschriebenen optischen Speichersystemen die Information auf einer Bit-für-Bit-Basis gespeichert, so dass nur ein einzelnes Daten-Bit durch den Zugriff auf eine gegebene physikalische Stelle im Speicher erhalten wird. Während wort-breite (word-wide) Speicherzugriffssysteme existieren, speichern sie im allgemeinen nur einen einzelnen Bit an Information an einer gegebenen Stelle und erfordern dadurch, ob durch Zugriff in einer Bit-Weise oder einer wort-breiten (word-wide) Weise, im wesentlichen dieselbe Menge an physikalischem Speicherplatz.
  • Während Systeme sich im allgemeinen in der Geschwindigkeit und der Speicherdichte verbessert und in den Kosten pro Bit verringert haben, bleibt zur Zeit eine klare Lücke zwischen Prozessorgeschwindigkeit und Systemanforderungen bestehen (siehe „New Memory Architectures to Boost Performance", Tom R. Halfhill, Byte, July, 1993, pp 86 and 87). Trotz der allgemeinen Erwünschtheit von Speichern die schneller, dichter und billiger pro Bit sind und dem spezifischen entscheidendem Bedarf nach Massenspeicher, der die Erfordernisse von moderner Prozessorsystemgeschwindigkeit erfüllen kann, ist vordem keine komplett befriedigende Lösung nähergerückt. Die grundlegenden Beschränkungen in den zur Zeit existierenden Denkmustern können durch entwicklungsmäßige Verbesserungen dieser Systeme nicht überwunden werden.
  • Das Dokument EP-A-0 617 303 offenbart einen Prozess mit einer Einheit, die durch epitaxiales Abheben erhalten wird, der den Einbau eines Wellenleiters beinhaltet. Ein anderes Dokument aus dem Stand der Technik, WO-A-96/01836, offenbart die Herstellung von DNA-funktionalisierten Fluorossphären, ihren Transport im elektrischen Feld und ihre Hybridisierung an bestimmte Stellen auf einer Unterlage.
  • Trotz der klaren Erwünschtheit von neuen und verbesserten Geräten und Methoden auf diesem Gebiet, wurde bisher keine optimale Lösung vorgeschlagen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Kommunikations-, Informationsverarbeitungs- und Datenspeicher-Technologien beginnen zusehends von hochintegrierten Anordnungen kleiner, schneller elektronischer und photonischer Einheiten abzuhängen. Während sich die Größen der Einheiten verkleinern und der Anordnungen vergrößern, werden konventionelle Einbautechniken zunehmend teurer. Die Dimension von photonischen und elektronischen Einheiten erlaubt die Verwendung molekularbiologischer Techniken für den Einbau und die Herstellung photonischer und elektronischer Anordnungsbestandteile. Diese Erfindung bezieht sich auf Methoden und Herstellungstechniken, die programmierbare funktionalisierte selbstzusammenbauende Nukleinsäuren, nukleinsäure-modifizierte Strukturen oder andere selektive Affinitäts- oder Bindungsreste als Bausteine für: (1) den Aufbau, den Zusammenbau und die Vernetzung von Nanostrukturen und Submikrometer- und Mikrometer-großen Bestandteilen aus Silizium oder anderen Materialien; (2) den Aufbau, den Zusammenbau und die Vernetzung von Nanostrukturen und Submikrometer- und Mikrometer-großen Bestandteilen innerhalb des Umfangs von mikroelektronischen oder optoelektronischen Bauteilen und Einheiten, verwenden. Diese Erfindung bezieht sich ebenfalls auf zugehörige mikroelektronische und optoelektronische Einheiten, Systeme, und Herstellungsplattformen, die den Transport im elektrischen Feld und die selektive Adressierung von selbstzusammenbauenden Nanostrukturen und Submikrometer- und Mikrometer-großen Bestandteilen an ausgewählte Stellen auf der Einheit selber oder auf anderen Trägermaterialien bereitstellen.
  • Funktionalisierte Nukleinsäure-basierte Polymere (z. B. DNA, RNA, Peptidnukleinsäuren, Methyphosphonate) stellen ein Vehikel für das Zusammenbauen einer großen Anzahl von photonischen und elektronischen Einheiten und Systemen dar, die die Basenpaar-kodierenden Eigenschaften der DNA verwenden, die es erlaubt spezifische komplementäre Doppelstrang-DNA-Strukturen auszubilden. Diese einzigartige Eigenschaft der DNA stellt einen (über die DNA-Sequenz) programmierbaren Erkennungscode bereit, der für die spezifische Platzierung und Ausrichtung von Nanostrukturen verwendet werden kann.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform schließt der Prozess, mit dem die photonischen Bausteine ausgerichtet würden, zuerst ihr Beschichten mit einer spezifischen DNA-Sequenz ein. Das Gebiet des Host-Trägers wo die Anheftung der Einheiten erwünscht ist, ist mit der spezifischen komplementären DNA-Sequenz beschichtet. Der Träger und die DNA-beschichteten Bausteine werden in eine Lösung freigesetzt und es kommt zur Hybridisierung zwischen komplementären DNA-Strängen. Die Hybridisierung verpfropft die Einheiten wirksam an ihre dazugehörigen Rezeptorstellen auf dem Träger.
  • Im Detail stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren für die Herstellung von elektronischen, photonischen oder optoelektronischen Einheiten im Mikromaßstab oder Nanomaßstab bereit, welches die folgende Schritte beinhaltet:
    • a) Herstellen von ersten Einheiten im Mikromaßstab oder Nanomaßstab auf einem ersten festen Träger,
    • (b) Freisetzen von mindestens einer ersten Einheit von dem ersten festen Träger in eine Lösung,
    • (c) Anheften mindestens einer ersten spezifischen DNA-Polymersequenz an mindestens eine erste Einheit,
    • (d) elektrophoretisches Transportieren der ersten freigesetzten Einheit mit der angehefteten spezifischen DNA-Sequenz zu einem festen Host-Träger, und
    • (e) Anheften der ersten Einheit mit der angehefteten spezifischen DNA-Sequenz an eine ausgewählte Stelle auf dem festen Host-Träger, wobei der feste Host-Träger zu der ersten spezifischen DNA-Polymersequenz auf der ersten Einheit komplementäre DNA-Polymersequenzen enthält, wobei die Anheftung die Hybridisierung der ersten spezifischen DNA-Polymersequenz auf der ersten Einheit und der komplementären DNA-Polymersequenz auf dem festen Host-Träger einschließt.
  • In einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren für die Herstellung von Einheiten im Mikromaßstab oder Nanomaßstab bereitgestellt, welches des Weiteren die folgenden Schritte einschließt: das Herstellen zweiter Bausteine auf einem zweiten festen Träger, Wiederholen der Schritte b), c), d) und e) von Anspruch 1 mit besagter zweiter Einheit, um besagte zweite Einheit an besagtem festem Host-Träger oder an der ersten Einheit anzubringen.
  • Einige potentielle Anwendungsmöglichkeiten für diese Techniken sind: (1) das Herstellen von Lichtemitter-Anordnungen auf großen Oberflächen; (2) das Herstellen von verschiedenen Hybrid-integrierten Bestandteilen einschließlich Flachbildschirmen, medizinischer Diagnostikausrüstung und Datenspeichersystemen.
  • Da die Photonik eine immer wichtigere Rolle in Informationsverarbeitung, Kommunikation und Speichersystemen spielt, wird sie schnellere, kleinere, energie-effizientere, und funktionell vielseitige integrierte Systeme zu geringeren Kosten liefern. Neue Herstellungstechniken einschließlich Nanostruktur-Herstellung, -Einbau und Selbstzusammenbautechniken werden verwendet werden. Da die Dimensionen der Einheiten auf Submikrometerebenen schrumpfen, wird es wichtig erfinderische Konzepte, die molekularbiologische Konstruktions-Konzepte und -Prinzipien, wie Herstellungstechniken für die Herstellung von integrierten photonischen und elektronischen Einheiten, zu verwenden.
  • DNA-Polymere können einen selbstzusammenbauenden Herstellungsmechanismus bereitstellen, wenn sie kovalent an organische oder metallische Strukturen im Nanomaßstab oder Bauteile aus Halbleitereinheiten im Mikrometermaßstab angeheftet sind. Dieser Mechanismus kann sowohl für die selektive Verpfropfung der Einheiten an spezifische vorprogrammierte Stellen auf einer gewünschten Oberfläche, als auch für die Cluster-Bildung von Einheiten in vorprogrammierten 2-D oder 3-D Gittern verwendet werden. Für die Verpfropfung von photonischen oder elektronischen Bauteileinheiten auf Host-Träger werden zuerst DNA-Polymere mit komplementären Sequenzen synthetisiert. Die photonischen Bauteileinheiten und gewünschten Gebiete des Host-Trägers (Rezeptorgebiete) werden mit den komplementären DNA-Sequenzen beschichtet. Dann werden die Host-Träger in eine Lösung gegeben.
  • Es ist ein Ziel dieser Erfindung Nanotechnologie und Selbstzusammenbau-Technologie durch die Entwicklung von programmierbaren selbstzusammenbauenden molekularen Konstruktionseinheiten zu ermöglichen.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • 1A und 1B zeigen die DNA-Struktur und die zugehörigen physikalischen Dimensionen.
  • 2 ist ein Flussdiagramm eines Selbstzusammenbauprozesses.
  • 3A ist eine perspektivische Skizze des Gerätes und des Verfahrens für die Umverteilung von photonischen Bausteinen, die in dichten Anordnungen hergestellt wurden, auf dem Host-Träger ohne Beschränkungen der Anordnungen durch den Mutterträger.
  • 3B ist eine perspektivische Ansicht der Cluster-Bildung von Nanosphären, um synthetische photonische Kristalle zu formen, durch DNA-unterstützten Selbstzusammenbau.
  • 4 zeigt einen Querschnitt eines Anheftungsmechanismus zur Anheftung von DNA auf Silizium.
  • 5 zeigt die Schritte für die Vorbereitung von photonischen Bausteinen für den Selbstzusammenbau.
  • 6 zeigt den Grundriss einer Struktur für die selektive Anheftung von fluoreszierenden DNA-Sequenzen an Aluminiumpads auf Silizium VLSI-Chips.
  • 7 ist der Grundriss eines UV-Schreibens/Darstellens in monomolekulare Schichten von DNA auf Silizium/Siliziumdioxid/Aluminium.
  • 8A ist ein Grundriss eines UV-Bildmaskenbeschreibens gefolgt von der Hybridisierung in optisches DNA-Speichermaterial.
  • 8B ist der Grundriss eines UV-Bildmaskenbeschreibens in optisches DNA-Speichermaterial (10 Mikrometer Auflösung).
  • 9 ist eine Querschnittsansicht von einem Gerät und einem Verfahren für die Herstellung von mehrfach beschreibbaren Materialien.
  • 10 ist eine Querschnittsansicht von einem Schritt in dem Prozess der Herstellung von beschreibbaren DNA-Materialien, wobei eine DNA-Sequenz B an eine Sequenz A, die an einen Träger gebunden ist und eine unhybridisierte Überhangsequenz für die folgende Hybridisierung freilässt, hybridisiert wird.
  • 11 ist eine Querschnittsansicht von einem Schritt in dem Prozess der Herstellung von beschreibbaren DNA-Materialien, wobei die Stelle mit der Nummer 1 vor dem Belichten mit ultravioletter Strahlung abgedeckt wird, während nicht abgedeckte Stellen dem UV-Licht ausgesetzt werden, und dadurch die Quervernetzung zwischen den Sequenzen A und B zugelassen wird.
  • 12 ist eine Querschnittsansicht von einem Schritt in dem Prozess der Herstellung von beschreibbaren DNA-Materialien, wobei eine Dehybridisierung durchgeführt wird, um die nicht quervernetzte Sequenz B von der zuvor abgedeckten Stelle zu entfernen.
  • 13 ist eine Querschnittsansicht von einem Schritt in dem Prozess der Herstellung von beschreibbaren DNA-Materialien, wobei eine funktionalisierte DNA-Sequenz C an die Sequenz B hybridisiert und der Prozess wiederholt wird.
  • 14 ist eine Querschnittsansicht von einem Schritt in dem Prozess der Herstellung von beschreibbaren DNA-Materialien, wobei die Stellen 1 und 2 abgedeckt sind, während die Stellen 3 und 4 dem UV-Licht ausgesetzt sind, was zu der Quervernetzung der Sequenzen B und C führt.
  • 15 ist eine Querschnittsansicht von einem Schritt in dem Prozess für die Herstellung von beschreibbaren DNA-Materialien, wobei eine Dehybridisierung durchgeführt wird, um Sequenz C von Stelle 2 zu entfernen, wobei an der Stelle 2 eine permanente DNA-Sequenz B vorhanden ist.
  • 16 ist eine Querschnittsansicht von einem Schritt in dem Prozess für die Herstellung von beschreibbaren DNA-Materialien, wobei eine funktionalisierte DNA-Sequenz D an eine Sequenz C hybridisiert wird.
  • 17 ist eine Querschnittsansicht von einem Schritt in dem Prozess für die Herstellung von beschreibbaren DNA-Materialien, wobei die Stellen 1, 2 und 3 abgedeckt sind, während die Stelle 4 dem Licht ausgesetzt wird, was die Quervernetzung der DNA-Sequenz D an die DNA-Sequenz C verursacht.
  • 18 ist eine Querschnittsansicht von einem Schritt in dem Prozess für die Herstellung von beschreibbaren DNA-Materialien, wobei eine Dehybridisierung durchgeführt wird, um die DNA Sequenz D von der Stelle 3 zu entfernen, während an der Stelle 3 eine permanente Sequenz C vorhanden ist und an der Stelle 4 eine permanente Sequenz D vorhanden ist.
  • 19 ist eine Querschnittsansicht von einem Schritt in dem Prozess für die Herstellung von beschreibbaren DNA-Materialien, wobei zu den Identitäten A, B, C und D komplementäre DNA-Sequenzen, die mit vier entsprechenden Fluoreszenzfarbstoffen markiert sind, hybridisiert werden, um jede Identität zu zeigen.
  • 20 ist eine Querschnittsansicht von einem Schritt in dem Prozess für die Herstellung von beschreibbaren DNA-Materialien, der die Chipoberfläche mit A, B, C und D Identitäten zeigt.
  • 21 ist eine Querschnittsansicht von einem Schritt in dem Prozess für die Herstellung von beschreibbaren DNA-Materialien, der die selektive UV-Exposition, die die Stellen 1 und 3 unhybridisierbar und die Stellen 2 und 4 hybridisierbar lässt zeigt.
  • 22 ist eine Querschnittsansicht von einem Schritt in dem Prozess für die Herstellung von beschreibbaren DNA-Materialien, die die DNA-Komplemente, die mit ihren entsprechenden Fluorophoren markiert sind, auf die Oberfläche aufgebracht zeigt, wobei nur die Stellen B und D ihre entsprechenden fluoreszierenden Komplemente hybridisieren.
  • 23A ist ein Grundrissbild der Hintergrundfluoreszenz von APS-reagierten Siliziumträgeroberflächen vor der DNA-Anheftung.
  • 23B ist ein Grundrissbild des Hintergrundfluoreszenzlevels nachdem die Einfang-DNA an den APS-reagierten Träger gebunden wurde.
  • 24A ist eine Grundrissdarstellung eines mit APS und Einfang-DNA behandelten Chips, der dann mit einer Bodipy Texas Red markierten komplementären Probensequenz über die gesamte Chipoberfläche hybridisiert wurde.
  • 24B ist eine Grundrissdarstellung einer Chipoberfläche nach der Hybridisierung von fluoreszierenden Bodipy Texas Red markierten komplementären Proben an die nicht-psolaren quervernetzte Identität auf der rechten Seite der Chipoberfläche.
  • 25A ist ein Grundrissbild der Chipoberfläche nach der Hybridisierung einer fluoreszierenden Bodipy Orange (b) komplementären Probe an die (b) Sequenzidentität auf der linken Seite der Chipoberfläche.
  • 25B ist ein Grundrissbild des Chips, nachdem sowohl die quervernetzte (B) als auch die nicht quervernetzte (A) Seite mit ihren entsprechenden fluoreszenz-markierten komplementären DNA (A) und (B) Proben hybridisiert wurden.
  • 26A ist ein Grundrissbild von 160 Nanometer Kügelchen (weiße sphärische Merkmale), die elektrostatisch an eine DNA-Polymerschicht gebunden sind, die mit teilweiser Spezifität kovalent an eine Siliziumdioxid derivatisierte Oberfläche gebunden ist, die 10 Quadratmikrometer große dunkle Merkmale besitzt, wo das DNA-Feld UV-inaktiviert wurde, und in welchen Gebieten die Nanosphären nicht binden.
  • 26B ist ein Grundrissbild eines Rasterbildes konstruiert mit 160 Nanometerkügelchen (weiße sphärische Merkmale), worin die Nanosphären elektrostatisch an eine DNA-Polymerschicht gebunden sind, die wiederum mit teilweiser Spezifität kovalent an eine Siliziumdioxid derivatisierte Oberfläche gebunden ist, wobei die dunklen Bereiche Gebiete anzeigen, wo das DNA-Feld UV-inaktiviert wurde, und in welchen Gebieten die Nanosphären nicht binden.
  • 27A, B und C sind Querschnittsansichten eines Geräts und der Verfahrensschritte für die Bildung fluoreszenz-markierter Sequenzen, wobei 27A speziell einen Träger mit einer funktionalisierten Oberfläche, 27B einen Träger mit einer funktionalisierten Oberfläche und des Weiteren mit einer Einfangsequenz A, die an die funktionalisierte Oberfläche angeheftet ist, und 27C einen Träger mit der funktionalisierten Oberfläche, Sequenz A und einer hybridisierten markierten komplementären Sequenz zeigt.
  • 28A, 28B und 28C zeigen Querschnittsansichten eines Geräts und der Verfahrensschritte für das Erstellen von Vielfarbbildern, wobei 28A einen Teil der mit BODIPY Texas Red markierten Oberfläche, 28B einen Teil der mit BODIPY Orange markierten Oberfläche und 28C den Teil der mit BODIPY Texas Red markierten und den anderen mit BODIPY Orange markierten Teil der Oberfläche zeigt.
  • 29 ist eine perspektivische Ansicht einer Flip-Chip Verbindungsanordnung, die die geometrischen Dimensionen beibehält, was zu der Kopplung kleiner dichter Anordnungen von Spezialeinheiten an lokale Regionen der Hauptplatine führt.
  • 30 zeigt eine perspektivische Ansicht der allgemeinen Verteilung von kleinen dichten Strukturen von kleinen dichten Chips auf weniger dichte Hauptplatinen.
  • 31 zeigt eine Querschnittsansicht einer Struktur für den Selbstzusammenbau von Mikro- oder Nanostrukturen, welche ein selektives Klebemittel verwendet, in welchem Spezialeinheiten eines gegebenen Typs mit einem spezifischen DNA-Polymerklebstoff bereitgestellt werden, wobei die Gebiete, wo diese Einheiten angeheftet werden müssen, mit dem komplementären DNA-Klebstoff bedeckt sind.
  • 32 zeigt eine Querschnittsansicht einer selektiven elektrischen Feldabscheidung von DNA auf die speziell derivatisierten Mikroelektroden-Oberflächen.
  • 33 zeigt eine Querschnittsansicht einer Struktur im Mikrometer- oder Nanometermaßstab, die durch selektive DNA- Hybridisierung zwischen komplementären DNA-Strängen an ihren Hauptplatinen Host-Träger gekoppelt ist.
  • 34 zeigt eine Querschnittsansicht von Nanostrukturen, die durch eine DNA-Bindung (linke Seite) an ihrem Platz gehalten werden und Nanostrukturen, die durch einen metallurgischen Kontakt nach einem Hochtemperaturzyklus (rechte Seite) gehalten werden.
  • 35 zeigt eine Querschnittsansicht eines Gerätes für die Orientierung von Spezialeinheiten durch physikalisches Abdecken und Lenken durch Ladung vor der Hybridisierung.
  • 36 zeigt Strukturen für die Bildung von Nanoeinheiten, welche einen Achtflächner durch die Verwendung von 3-D DNA Nanokonstruktionstechniken (oben) und, um eine 3-D-Einheit herzustellen, in Gitterstrukturen angeordnete und an die Oberfläche gebundene Nanosphären (unten) bereitstellt.
  • 37 zeigt die Schritte in einem Prozess für die Orientierung von Einheiten durch ein elektrisches Feld.
  • 38 zeigt weitere Schritte in dem Prozess zur Orientierung in einem elektrischen Feld.
  • 39 zeigt eine perspektivische Ansicht von dem Transport von Nanostrukturen und dem Zusammenbau auf einer mikroelektronischen Anordnungs-Einheit.
  • 40A–40H zeigen die größere Umgebung von 39, wobei 40A negativ geladene Typ 1 Nanostrukturen zeigt, die sie sich zu einer positiv vorgespannten Mikrostelle bewegen, 40B angesammelte Nanostrukturen an der positiv vorgespannten Mikrostelle zeigt, 40C negativ geladene Typ 2 Nanostrukturen, die über die Anordnung eingeführt und an der positiv vorgespannten Mikrostelle angehäuft wurden, zeigt, 40D sowohl Typ 1 als auch Typ 2 Nanostrukturen angehäuft an ihren jeweiligen Stellen zeigt, 40E den elektronisch unterstützten Selbstzusammenbau, der beginnt wenn Mikrostelle Nummer 1 negativ vorgespannt wird und eine zentrale Mikrostelle positiv vorgespannt wird, was die negativ geladenen Typ 1 Nanostrukturen veranlasst, sich zu der zentralen Lokation zu bewegen, zeigt, 40F an die spezifische Mikrostelle akkumulierte und hybridisierte Typ 1 Nanostrukturen zeigt, 40G durch die negative Vorspannung der Mikrostelle Nummer 8 und die positive Vorspannung der zentralen Stelle an die zentrale Stelle bewegte Typ 2 Nanostrukturen zeigt und 40H Typ 2 Nanostrukturen zeigt, die komplementäre DNA-Sequenzen beinhalten und an Typ 1 Nanostrukturen hybridisiert sind.
  • 41 zeigt ein Bild einer 8 × 8 Anordnung.
  • 42 zeigt ein Gerät für die Anheftung und Orientierung von größeren Einheiten auf einem Träger oder einer Hauptplatine.
  • 43 zeigt ein Gerät für die Herstellung von Nanostrukturen.
  • 44 zeigt ein Gerät für die Nanoherstellung von Einheiten im Nanomaßstab.
  • 45 zeigt eine perspektivische Ansicht von einem optischen DNA-Speichersystem.
  • 46A–46F zeigen Schritte in einem räumlichen Licht adressierenden Prozess.
  • Wichtige Aspekte von DNA Struktur, Eigenschaften und Synthese
  • Synthetische DNA besitzt eine Reihe von wichtigen Eigenschaften, die sie zu einem verwendbaren Material für die Anwendungen dieser Erfindungen machen. Die wichtigsten sind die molekularen Erkennungs- (über Basenpaare) und Selbstzusammenbau- (über Hybridisierung) Eigenschaften, die allen DNA-Molekülen innewohnend sind. Andere wichtige Vorteile schließen die Möglichkeit DNA einfach synthetisieren und ihre Struktur leicht mit einer Vielfalt von funktionellen Gruppen modifizieren zu können ein. Wir haben die photonischen und elektronischen Energietransfermechanismen in selbstzusammengebauten Anordnungen aus synthetischer DNA, die mit einer großen Anzahl von Donor- und Akzeptorchromophorgruppen funktionalisiert ist, umfassend untersucht. Besondere Aufmerksamkeit haben wir den grundlegenden Problemen, die an der Kommunikation oder dem Hinein- und Hinausbekommen von Informationen in und aus diesen molekularen Strukturen beteiligt sind, geschenkt. Diese grundlegende Arbeit wird nun auf potentielle Anwendungen für optische Speichermaterialien hoher Dichte angewendet, die konstruiert wurden, um Lichtenergie einer einzelnen Wellenlänge zu absorbieren und bei vorherbestimmten multiplen Wellenlängen zu re-emittieren. Wir verwenden nun auch DNA-Polymere für den zwei- und dreidimensionalen Aufbau von Mikrometer- und Submikrometer-großen Strukturen auf Siliziumoberflächen. Diese Arbeit zielt auf die Entwicklung von neuen optoelektronischen Einheiten ab.
  • Das DNA-Molekül wird für diese Erfindung und die vorgeschlagenen Anwendungen als wichtig angesehen, weil es inhärent programmierbar ist und sich selbst zusammensetzen kann. Das Gestalten, Synthetisieren und Aufbauen dieser Systeme erfordert eine Steuerung im Nanometerbereich, der wenige andere synthetische Polymersysteme gewachsen sind. Zusätzlich sind DNA-Moleküle relativ stabil und haben eine Reihe von anderen Eigenschaften, die sie zu einem bevorzugten Material für die Nanoherstellung machen.
  • Die zugrundeliegende Technologie für DNA und andere Polymere vom Nukleinsäuretyp kommt von der enormen Anstrengung, die über die letzten fünfzehn Jahre in die Chemie synthetischer Nukleinsäuren investiert wurde. Molekularbiologen haben in ihrem Streben nach Diagnostik, genetischem Sequenzieren, und Medikamentenentdeckung Techniken und DNA-Materialien verfeinert. Die grundlegende Chemie für die effiziente Synthese von DNA, ihre Modifizierung, ihre Markierung mit Liganden und Chromophoren und ihre kovalente Bindung an feste Träger sind nun gut entwickelte Technologien. Synthetische DNA stellt das bevorzugte Material dar, in dem so viele wichtige strukturelle, funktionelle und mechanistische Eigenschaften kombiniert werden können.
  • DNA-Polymere haben drei wichtige Vorteile gegenüber jedem der derzeitigen polymeren Materialien, die für elektronische und photonische Anwendungen verwendet werden. Als erstes stellen DNA-Polymere eine Methode bereit, hochspezifische Bindungsstellenidentitäten auf Halbleiter oder photonische Oberflächen zu kodieren. Diese, an bestimmten Orten hergestellten, Stellen können von mikroskopischen (Mikrometer), Submikrometer oder sogar molekularen (Nanometer) Dimensionen sein. Zweitens bieten DNA-Polymere eine Möglichkeit, jede dieser Stellen spezifisch zu verbinden. Die vorprogrammierten DNA-Polymere organisieren sich automatisch selbst. Schließlich stellen DNA-Polymere die Einheiten für die Nanotechnologie bereit; sie sind selbstorganisierende Materialien zum Erstellen elektronischer und photonischer Einheiten auf einem echten molekularen Level.
  • Die Spezifität von DNA ist inhärent in den Wasserstoffbrücken-Bindungseigenschaften der Basenkomponenten enthalten (Adenin paart nur mit Thymin und Guanin paart nur mit Cytosin). Diese spezifischen Basenpaarungseigenschaften der DNA erlauben komplementären Sequenzen von DNA miteinander zu „hybridisieren", um die Doppelstrangstruktur zu bilden. Es ist diese inhärente Eigenschaft, die es DNA-Polymeren erlaubt, zum Bilden programmierbarer selbstzusammenbauender Strukturen verwendet zu werden. Demzufolge wird eine photonische Einheit, wenn sie eine spezifische DNA- Polymersequenz angeheftet hat, nur an eine Einheit oder Oberfläche binden (hybridisieren), die mit der komplementären DNA-Polymersequenz beschichtet ist. Da eine große Vielfalt von DNA-Sequenzen verwendet werden kann, können im Prinzip vielfache Einheiten, wobei jede an eine verschiedene DNA-Sequenz angeheftet ist, gleichzeitig selbstzusammengebaut werden. Im Folgenden sind die wichtigen Vorteile der Verwendung von DNA-Polymeren für die Anwendung in der selbstzusammenbauenden Nanoherstellung aufgelistet:
    • 1. DNA-Polymere können sowohl schnell als auch effizient mit automatisierten Instrumenten synthetisiert werden. Das Entwickeln konventioneller Polymerchemie kann bedeutend aufwendiger und teurer sein.
    • 2. DNA-Polymere können in Längen von 2 bis 150 Nukleotiden synthetisiert werden, was der angemessene Größenbereich (1 nm bis 60 nm) für selbstzusammenbauende Einheitszellen ist.
    • 3. DNA-Polymere können mit jeder gewünschten Basensequenz synthetisiert werden, wodurch sie die programmierbare Erkennung einer fast unbegrenzte Anzahl von spezifischen Verbindungen bereitstellen.
    • 4. DNA-Polymere mit einzigartigen Sequenzen von so wenigen wie zehn Nukleotiden sind hoch spezifisch und werden nur an ihre komplementären Sequenzen binden. Auf diese Weise erlaubt das Material das Bilden spezifischer Verbindungen, so klein wie 3,4 nm, zwischen molekularen Einheiten.
    • 5. DNA-Polymere können kovalent mit Flurophoren, Chromophoren, Affinitätsmarkern, Metallchelaten, chemisch reaktiven funktionellen Gruppen und Enzymen markiert werden. Das erlaubt das direkte Einbauen wichtiger photonischer und elektronischer Eigenschaften in die DNA-Polymere.
    • 6. DNA-Polymere können an jeder Position in ihrer Sequenz und an verschiedenen Stellen innerhalb der einzelnen Nukleotideinheit modifiziert werden. Das bietet die Möglichkeit, funktionelle Gruppen nach der maximale Leistung zu positionieren.
    • 7. DNA-Polymere können sowohl kovalent als auch nicht-kovalent an feste Oberflächen wie Glas, Metall, Silizium, organische Polymere und Biopolymere gebunden werden. Diese Anheftungschemie ist sowohl existent als auch leicht zu entwickeln.
    • 8. Die Rückgratstruktur des DNA-Moleküls selbst kann stark modifiziert sein, um verschiedene Eigenschaften zu erzielen. Auf diese Weise besteht Kompatibilität mit bestehenden Halbleiter- und photonischen Trägermaterialien.
    • 9. Modifizierte DNA-Polymere können verwendet werden, um dreidimensionale Strukturen zu bilden und dadurch zu Entwürfen von Sekundärspeichern mit ultrahoher Dichte zu führen.
    • 10. DNA-Polymere können durch Abkühlen und Erhitzen reversibel zusammengesetzt und auseinandergebaut oder, um in dem zusammengesetzten Zustand zu bleiben, modifiziert werden. Das ist eine entscheidende Eigenschaft für selbstorganisierende Materialien, da es mehr Optionen in der Herstellung von daraus entstehenden Systemen erlaubt.
    • 11. Die strukturellen und organisatorischen Eigenschaften von DNA-Polymeren (Nukleinsäuren im allgemeinen) sind gut verstanden und können leicht durch einfache Computerprogramme modelliert werden. Dadurch können komplexere molekulare photonische und elektronische Einheiten entwickelt werden.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich auf Verfahren, Techniken und Einheiten, die selbstzusammenbauende DNA-Polymere, modifizierte DNA-Polymere und DNA-derivatisierte Strukturen für die Nano- und Mikroherstellung von elektronischen und photonischen Mechanismen, Einheiten und Systemen verwenden. Diese Erfindung bezieht sich ebenfalls auf Prozesse, die Multiplex und Multi-Schritt Herstellung, Aufbau oder Zusammenbau von modifizierten DNA-Polymeren, DNA-derivatisierten Strukturen und anderen Arten von Affinitäts- oder geladenen Strukturen in komplexere Strukturen auf oder in Silizium oder anderen Oberflächen erlauben. Für die Zwecke dieser Erfindung werden „DNA-Polymere" allgemein als polymere oder oligomere Formen (linear oder dreidimensional) von Nukleinsäuren definiert und schließen Desoxyribonukleinsäuren, Ribonukleinsäuren (synthetisch oder natürlich), Peptidnukleinsäuren (PNA), Methyphosphonate und andere Formen von DNA, in welchen die Rückgratstruktur modifiziert wurde, um negative, positive oder neutrale Spezies herzustellen, oder die andere Bindungen als die natürlichen Phosphatester besitzt, ein. Ebenfalls eingeschlossen sind Formen von DNA, in welchen die Zucker oder Basenuntereinheit modifiziert oder substituiert worden sind, und polymere Formen von DNA, in denen Nukleotid- oder Polynukleotideinheiten mit anderen Einheiten durchsetzt sind, die Phosphatesterabstandsreste, Aminosäuren, Peptide, Polysaccharide, synthetische organische Polymere, Silizium oder inorganische Polymere, leitfähige Polymere, chromophore Polymere und Nanopartikel oder Nanostrukturen einschließen, aber nicht darauf begrenzt sind.
  • Für den Zweck dieser Erfindung sind „modifizierte oder derivatisierte DNA-Polymere" allgemein als Nukleinsäuren definiert, die mit chemischen oder biologischen Resten (z. B. Aminen, Thiolen, Aldehyden, Carboxylgruppen, aktiven Estern, Biotin und Haptenen) funktionalisiert wurden, welche der DNA erlauben, kovalent oder nicht-kovalent an andere Moleküle, Strukturen oder Materialien angeheftet zu werden. Ebenfalls eingeschlossen sind Formen von DNA, die mit Chromophoren, Flurophoren, Chelaten, Metallionen, Aminosäuren, Peptiden, Proteinen, Enzymen, Antikörpern oder aliphatischen oder aromatischen Resten, die die Löslichkeit verändern, und Resten, die die Nettoladung des DNA-Moleküls ändern, modifiziert wurden.
  • Für den Zweck dieser Erfindung sind „DNA-derivatisierte Strukturen" allgemein definiert als Nanostrukturen (organisch, anorganisch, biologisch), Nanopartikel (Gold, Silizium und andere anorganische Materialien), organische oder polymere Nanokügelchen, Submikrometereinheiten, Bestandteile, Partikel (Silizium-basierte Einheiten, die durch Photolithographie oder E-Strahl-Lithographie produziert wurden) und Einheiten oder Partikel im Mikrometermaßstab, die mit einer spezifischen DNA-Sequenz, die der Struktur erlaubt, spezifisch an eine andere Struktur, Einheit oder an eine spezifische Stelle auf einer Oberfläche angeheftet oder quer verbunden zu werden, funktionalisiert worden sind.
  • Während sich der Ausdruck „Nanostruktur" auf Submikrometer-große Strukturen bezieht, ist nicht beabsichtigt, dass Begriffe wie „Nano- oder Mikro" in dem Sinne begrenzt sind, dass eine Einheit im Mikrometermaßstab mit DNA-Polymeren, die technisch eine Länge von 10 bis 180 Nanometern haben, funktionalisiert werden kann.
  • Die einzigartigen Eigenschaften der DNA stellen einen programmierbaren Erkennungscode (über die DNA-Basensequenz) bereit, der für die spezifische Platzierung und die Ausrichtung von Strukturen im Submikrometer- und Nanomaßstab verwendet werden kann. Die grundlegende Chemie und Technologie, die für die Anheftung von spezifischen DNA-Sequenzen an organische, Halbleiter- und metallische Verbindungen erforderlich ist, ist in der Technik bekannt und die spezifische Chemie für das Durchführen solcher Anwendungen ist beschrieben.
  • In der bevorzugten Ausführungsform schließt der Prozess, durch den photonische Einheiten ausgerichtet und an einer Trägeroberfläche fixiert werden, zuerst ihr Beschichten mit einer spezifischen DNA-Polymersequenz ein. Das Gebiet des Host-Trägers, wo die Anheftung der spezifischen Einheit gewünscht wird, würde dann mit der spezifischen komplementären DNA-Sequenz beschichtet. Der Träger würde einer Lösung, die die DNA-bedeckten Einheiten enthält, ausgesetzt und der Hybridisierung zwischen komplementären DNA-Strängen würde erlaubt zu erfolgen. Dieser Hybridisierungsprozess verpfropft die Einheiten wirksam an ihre zugehörigen Rezeptorstellen auf der Substratoberfläche. Dieser Selbstzusammenbauherstellungsprozess kann z. B. für die Herstellung von Lichtemitter Anordnungen auf großen Oberflächengebieten verwendet werden.
  • Diese Herstellungstechnik findet große Anwendung in dem Feld der Optoelektronik und in der Herstellung von verschiedenen Hybrid-integrierten Komponenten, einschließlich Flachbildschirmen, medizinischer Diagnostikausrüstung und Datenspeichersysteme. Neue Einheiten mit sehr kleinen physikalischen Dimensionen nutzen verschiedene Quantenbeschränkungs(quantum confinement)-Techniken aus. In den meisten Fällen sind diese Einheiten vorzugsweise über große Flächen verteilt (z. B. Smart-Pixels und Displays). Andere Einheiten können in dichten geordneten Kristallgittern zusammengebracht werden (z. B. photonische Bandlückenkristalle). In beiden Fällen ist die Physik der Einheiten jetzt verstanden, und durchführbare Herstellungstechniken für diese Erfindungen sind gefordert. Im Hinblick auf neue Prozessierungstechniken ermöglicht die DNA Selbstzusammenbautechnologie die Konstruktion dieser Einheiten.
  • Integrierte photonische und elektronische Systeme verwenden die erfindungsgemäßen Herstellungstechnologien, einschließlich Nanostrukturherstellung, Einbau, Verbindung und Selbstzusammenbautechniken. Für solche Anwendungen schließt die DNA Selbstzusammenbauherstellungstechnologie die folgenden Schritte ein. Synthetische DNA-Polymere werden mit hochspezifischen Bindungsaffinitäten gestaltet. Wenn sie kovalent an Bestandteile von organischen, metallischen oder Halbleiter-Einheiten im Nanomaßstab angeheftet sind, stellen DNA-Polymere einen Selbstzusammenbauherstellungsmechanismus bereit. Dieser Mechanismus kann sowohl für die selektive Verpfropfung von Einheiten an spezifische vorprogrammierte Stellen auf einer gewünschten Oberfläche als auch für die Anhäufung von Einheiten in vorprogrammierten zwei- und dreidimensionalen Gittern verwendet werden.
  • Für die Verpfropfung einer Anordnung von photonischen Bauteileinheiten auf einen Host-Träger werden zuerst DNA-Polymere mit komplementären Sequenzen synthetisiert, wie in 2 gezeigt. Die photonischen Bauteileinheiten und gewünschten Gebiete auf dem Host-Träger (Rezeptor-Gebiete) werden mit den komplementären DNA-Sequenzen beschichtet. Der Host-Träger wird dann in eine Hybridisierungslösung eingeführt. Die mit spezifischen DNA-Polymeren beschichteten Einheiten werden ebenfalls von ihrem Mutterträger in die Lösung freigesetzt. Die freigesetzten Einheiten können unter dem Einfluss von elektrischen oder optisch induzierten lokalen Feldern (Elektrophorese) aktiv zu ihren Rezeptorgebieten transportiert werden. Die Hybridisierung wird durch die vorsichtige Regelung der Temperatur der Lösung, der Ionenstärke oder der elektrischen Feldstärke durchgeführt. Sind die Einheiten erst mal über Hybridisierung zu ihren spezifischen Rezeptorgebieten verpfropft, wird die Lösung entfernt und das Substrat getrocknet. Metallurgische (oder eutektische) Bindung, um die Einheiten voll an das Host-Trägermaterial zu binden, kann nun bei höheren Temperaturen durchgeführt werden. Die Anhäufung von Elementen im Submikrometer und Nanomaßstab in 2D- oder 3D-Strukturen (z. B. photonische Bandlückenkristalle) kann in einer vergleichbaren Weise durchgeführt werden. In diesem Fall wird der Host-Träger durch andere Elemente im Nanomaßstab ersetzt. Ein großer Unterschied ist jedoch die Anheftungstechnik, die verwendet wird, um verschiedene DNA-Stränge auf den Elementen im Nanomaßstab zu positionieren.
  • Die Selbstzusammenbauherstellungstechnik, die auf DNA-Polymeren basiert, bietet zwei einzigartige Eigenschaften. Erstens erlaubt die Technik, durch das Beseitigen des Erfordernis der Konservierung relativer Einheitsabstände (wie durch den Mutterträger definiert) während des Einheitsverpfropfungsprozesses (Hybridisierung), die Einheiten in Mikrometer-, Submikrometer- oder Nanomaßstab dicht auf ihrem Muttersubstrat herzustellen und dann in einer vorprogrammierten Weise auf dem Host-Träger umzuverteilen (3a).
  • Diese Eigenschaft hat tiefgreifenden Einfluss auf die Realisierbarkeit von optischen Intra-Chip Verbindungen in großen Chips. Es senkt die Kosten von Silizium-basierten Smart-Pixeln, wo photonische Einheiten auf teureren kleineren Trägern hergestellt werden müssen. Die zweite Eigenschaft ist die Fähigkeit, eine große Anzahl von Einheiten im Nanomaßstab (z. B. organische oder metallische Nanosphären) zu manipulieren und in Beziehung zueinander zu orientieren. Diese Eigenschaft erlaubt das „Wachstum" synthetischer photonischer Kristalle mit großen Gitterkonstanten, die die gewünschten Orientierungssymmetrien für das Zeigen von photonischen Bandlückeneigenschaften besitzen (3b).
  • Folglich können die hochspezifischen Bindungsaffinitäten und der Selbstzusammenbau von DNA-Polymeren zu:
    • (1) niedrigen Kosten von Smart-Pixeln und Anzeige-Einheiten, dadurch dass photonischen oder elektronischen Einheiten im Mikrometer- oder Nanometermaßstab ermöglicht wird sich selbst zusammenzubauen und über sehr große Flächen von Silizium oder anderen Trägern eingebaut zu werden, d. h. dem Selbstzusammenbau einer Anordnung von Lichtemittern auf einem Siliziumträger,
    • (2) hochselektiven Wellenlängen und einstellbaren Einheiten, dadurch dass dielektrischen Nanostrukturen ermöglicht wird sich selbst zusammenzubauen, um photonische Bandlückenkristalle auszubilden, d. h. das Einschließen von Emittereinheiten in einer photonischen Bandlückenkristallschicht, die durch den Selbstzusammenbau von DNA-Nanosphären geschaffen worden ist,
    • (3) optischen Speichermedien ultrahoher Dichte, dadurch dass eine selektive Selbstpositionierung von Chromophormolekülen und Nanostruktureinheiten ermöglich wird, und
    • (4) der selektiven Positionierung von Bindungsstrukturen, wie Gold, Zinn oder Lötstrukturen, wie Bindungslötaugen, z. B. um niedrige Kosten oder nicht unterstützte Rohchip-zu-Rohchip (die-to-die) Weiterverarbeitung, z. B. für Flip-Chip Anwendungen, zu erreichen, führen.
  • In der bevorzugten Ausführungsform erfordern diese Anwendungen vier Schritte in dem Prozess. Der erste schließt den Entwurf und die Synthese von DNA-Polymersequenzen und ihre selektive Anheftung an Einheiten im Submikrometer oder Nanomaßstab, die von Interesse sind, ein. Zweitens, die Anheftung von spezifischen komplementären DNA-Polymeren an vorgewählte Rezeptorstellen auf einer Host-Trägeroberfläche. Drittens, der Selbstzusammenbau von den Einheiten durch den DNA-Hybridisierungsprozess. Der vierte Prozess schließt das Erstellen der elektrischen Kontakte ein.
  • Diese Erfindung bringt molekularbiologische (DNA Struktur und Funktion) und die Prinzipien photonischer und elektronischer Einheiten in einer synergistischen Weise zusammen. Auf der Seite photonischer Einheiten, nutzen neue Einheiten mit sehr kleinen physikalischen Dimensionen verschiedene Quantenbeschränkungs(quantum confinement")-Techniken aus. In den meisten Fällen müssen diese Einheiten über große Flächen verteilt werden (z. B. Smart Pixel und Displays). In anderen Fällen müssen diese Einheiten dicht zusammengebracht werden, um geordnete Kristallgitter zu formen (z. B. photonische Bandlückenkristalle). In Hinsicht auf die Weiterverarbeitungstechniken sind Selbstzusammenbau-DNA-Techniken mit ihrer gut entwickelten Grundlage von DNA-Synthese, Modifikation und Hybridisierung, Technologien, die diese Anwendungen ermöglichen. Die DNA-Bindung an feste Träger und verschiedene andere Materialien ist über eine Vielfalt von Prozessen für die selektive Anheftung von DNA an Silizium, Gold, Aluminium und andere anorganische und organische Materialien möglich. Eine Reihe von Dünnfilm-Weiterverarbeitungstechniken ergänzen sich mit diesen DNA-Prozessen. Zum Beispiel kann, wie später beschrieben wird, der Abhebungsprozess einfach angepasst werden, um Einheiten im Mikrometer- oder Submikrometermaßstab mit angehefteten DNA-Sequenzen zu produzieren.
  • Schlüsselprozesse für den DNA-basierten Selbstzusammenbau von Bauteileinheiten
  • Vier Techniken sind wichtig für den DNA-basierten Selbstzusammenbau von Bauteileinheiten. Das sind die DNA-Polymersynthese, die DNA-Anheftungschemie, die selektive DNA-Hybridisierung und das epitaxiales Abheben von Halbleiter- Dünnfilmen und -Einheiten. In den folgenden Absätzen liefern wir kurze Zusammenfassungen dieser Techniken.
  • DNA-Synthese und Derivatisierung
  • Die Synthese von DNA-Polymeren oder oligomeren Sequenzen, ihre Reinigung und ihre Derivatisierung mit den entsprechenden Anheftungs- und Chromophorgruppen kann in der folgenden bevorzugten Weise ausgeführt werden: DNA-Sequenzen werden unter Verwendung automatisierter DNA-Synthetisierer und Verfahren und Reagenzien der Phosphoramiditchemie, durch das Verwenden gut bekannter Verfahren synthetisiert. DNA-Polymere (Polynukleotide, Oligonukleotide, Oligomere) können, eingebaut an chemischen Bindungsstellen, primäre Aminogruppen für folgende Anheftungs- oder Funktionalisierungsreaktionen besitzen. Diese primären Aminogruppen können, entsprechend der Verwendung dieser bestimmten Sequenz, an bestimmten Stellen in der DNA-Struktur eingebaut werden. Anheftungssequenzen können auch eine terminale Ribonukleotidgruppe für folgende Oberflächenkopplungsreaktionen beinhalten. Die Sequenzen, einschließlich der amino-modifizierten Oligomere, können durch präparative Gelelektrophorese (PAGE) oder Hochdruckflüssigkeitschromatographie (HPLC) gereinigt werden. Anheftungssequenzen mit terminalen Aminogruppen können für die kovalente Bindung an mit Gold, Silber oder Aluminium metallisierte Merkmale oder an kleine Flächen, wo Siliziumdioxid vorhanden ist, konstruiert werden. Diese Sequenzen können mit einem Thiolierungsreagenz, das Succinimidyl-3-(2-pyridyldithio)-propionat (SPDP) genannt wird, weiter derivatisiert werden. Dieses besondere Reagenz erzeugt eine Sequenz mit einer terminalen Sulfhydrylgruppe, die für die folgende Anheftung an Metalloberflächen verwendet werden kann. Andere Anheftungssequenzen, die eine terminale Ribonukleotidgruppe enthalten, können über eine Schiff'sche Base Reaktion in ein Dialdehydderivat umgewandelt werden. Diese Anheftungssequenzen können dann an aminopropylierte Siliziumdioxidoberflächen gekoppelt werden. Spezifische Sequenzen, die für elektronische oder photonische Übertragunsreaktionen entworfen wurden, können mit ihren entsprechenden Chromophoren, Flurophoren oder Ladungsübertragungsgruppen funktionalisiert werden. Viele dieser Gruppen sind standardmäßig als aktivierte Reagenzien, die bereitwillig mit den oben beschriebenen chemischen Bindungsstellen koppeln, um stabile Derivate zu bilden, verfügbar.
  • DNA-Anheftung an feste Träger und Herstellung der Host- Trägermaterialien
  • Dieser Schritt schließt das kovalente Koppeln der Anheftungssequenzen an feste Trägermaterialien ein. In dem allgemeinen Gebiet der DNA-Anheftung an feste Materialien wurden Sequenzen kovalent an eine Reihe von Materialien angeheftet, die: (i) Glas (SiO2), (ii) Silizium (Si), (iii) Metalle (Gold, Silber, Aluminium), und (iv) Langmuir-Blodgett (LB) Filme einschließen. Glas, Silizium, und Aluminiumstrukturen wurden in der folgenden Weise hergestellt. Glas und Silizium (SiO2) werden zuerst mit verdünnter Natriumhydroxydlösung und Aluminium mit verdünnter Fluorwasserstofflösung behandelt. Die Materialien werden dann für die kovalente Verbindung mit der Anheftungssequenz durch die Behandlung mit 3-Aminopropyltriethoxysilan (APS) derivatisiert. Das wird durch das Waschen der Materialien für 2–5 Minuten in einer 10%-igen APS/Toluollösung durchgeführt. Nach der Behandlung mit APS werden die Materialien einmal mit Toluol, dann mit Methanol gewaschen und schließlich für 1 Stunde bei 100°C getrocknet. Anheftung an die APS- derivatisierten Materialien wird durch die Reaktion mit den spezifischen Dialdehyd-derivatisierten Anheftungsoligomeren (siehe 4) für 1–2 Stunden in 0,1 M Natriumphosphatpuffer (pH 7,5) durchgeführt. Zusätzlich kann die Anheftung an Metall (Gold, Silber, Aluminium) und organische Merkmale durchgeführt werden.
  • Um die Gebiete, wo die Verpfropfung der Spezialeinheiten stattfinden wird, abzugrenzen, kann ein selektives Anheftungsverfahren für das komplementäre DNA-Polymer durchgeführt werden. Die selektive Anheftung kann durch das Verwenden der inhärenten Selektivität von DNA-Sequenzen, selektive Anheftungschemie oder durch direkten elektrophoretischen Transport realisiert werden. Alternativ können nach der Anheftung die DNA-Stränge in ungewollten Regionen durch UV-Strahlung zerstört werden. Dieser Ansatz ist nur dann verwendbar, wenn eine Gruppe von Einheiten selbstzusammengesetzt werden muss. Dieser Ansatz würde in normalen Verfahren folgende DNA-Anheftungsprozesse ausschließen und den Selbstzusammenbau von verschiedenen Gruppen von Spezialeinheiten nicht erlauben. Die Anheftungschemie ist stark von den verwendeten Materialien abhängig, an die die DNA-Polymere angeheftet werden können.
  • Um zum Beispiel DNA an Aluminiumpads auf einem Siliziumchip, der mit einer schützenden Glasschicht beschichtet ist, anzuheften, werden die Aluminiumregionen durch das Eintauchen der Probe für eine kurze Zeitspanne in eine verdünnte, gepufferte HF-Lösung aktiviert. Das Endergebnis dieses Prozesses ist, dass nur wenige DNA-Stränge an die schützende Glasschicht angeheftet werden, während die ausgesetzten Aluminiumpads gegenüber der DNA hochreaktiv sind. Diese Materialselektivität ist eine geeignete und übliche Möglichkeit, um DNA an die gewünschten Regionen anzuheften. Wenn die Materialselektivität mit gezielter UV- Inaktivierung und elektrophoretischem Transport kombiniert wird, erlaubt das das sequentielle Durchführen von wiederholbaren Anheftungsprozessen.
  • Der gleichzeitige Selbstzusammenbau von verschiedenen Arten von Spezialeinheiten wird in Erwägung gezogen. Die Rezeptorpads müssen entsprechend der Einheit, an die sie gekoppelt werden sollen, gruppiert werden. In diesem Fall muss jede Pad-Gruppe mit einer spezifischen DNA-Sequenz beschichtet werden, die komplementär zu der DNA-Sequenz ist, die an die Spezialeinheit angeheftet ist, an die es gebunden würde. Um die Rezeptorpads „vorzuprogrammieren", wird jede DNA-Sequenz sequentiell an die entsprechenden Pads geheftet. Das kann leicht durch das Verwenden des elektrophoretischen Transportprozesses und durch das Anlegen eines negativen Potentials an die Pads, wo die DNA-Anheftung nicht erwünscht ist, erreicht werden. Gleichzeitig kann eine positive Spannung angelegt werden, um die Anheftung an die gewünschten Stellen zu verstärken. Alternativ kann ein optisch induziertes elektrisches Feld verwendet werden, um die DNA-Stränge an die gewünschten Stellen wandern zu lassen. Für einen zweiten Satz von DNA-Sequenzanheftung, wird das Verfahren wiederholt. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass, wenn nur ein Typ von Einheiten auf dem Host-Träger selbstzusammengesetzt werden muss, die Verwendung der Materialselektivität von DNA-Anheftungschemie allein ausreichend ist. Es würde die UV-Bestrahlung der Regionen durchgeführt, wo die DNA-Hybridisierung nicht erwünscht ist.
  • Herstellung von Bauteileinheiten und epitaxiales Abheben
  • Ein weiterer Schlüsselschritt für den Selbstzusammenbauprozess ist die Herstellung von Bauteileinheiten im Submikrometer- und Mikrometermaßstab für die DNA-Anheftung, ihre Handhabung während des Anheftungsprozesses und schließlich ihre Freisetzung in die Lösung vor der Hybridisierung. Der epitaxiale Abhebungs(ELO)-Prozess kann diese Aspekte dieser Technik wesentlich verbessern. Epitaxiale Filme im Dickenbereich von 20 nm bis 10 mm wurden von ihren Wachstumsträgern getrennt, gehandhabt und manipuliert. Durch das Verwenden dieser Technik wurden z. B. dünne III–V Halbleiterfilme direkt an fremde Träger, wie zum Beispiel prozessierte Siliziumwafer gebunden. Vor dem Abheben können verschiedene Einheiten auf den Filmen hergestellt werden, während sie noch auf ihren Mutterträgern sind. Der erste Schritt in unserer Selbstzusammenbautechnik ist die Herstellung von den photonischen Einheiten, die verpfropft werden sollen. 5 beschreibt einen bevorzugten Prozessablauf für diesen Herstellungsschritt. Die photonischen Einheiten werden in einer Standardweise auf ihrem Mutterträger auf einer Opferschicht, wie bei dem ELO-Prozess erforderlich, hergestellt. Eine passende Beschichtungsschicht wird dann auf diesen Einheiten abgelagert. Durch das Steuern der Eigenschaften des abgelagerten Materials in Bezug auf die Einheitsmaterialien kann das Verhalten dieser Einheiten gesteuert werden, wenn sie erst einmal in die Salzlösung freigesetzt wurden. Durch die Steuerung der Beschichtungsmaterialeigenschaften kann z. B. die Ausrichtung der Einheiten in der Lösung gesteuert werden. Ein dicker Polyimidfilm wird gesponnen, um den Einheiten nach dem ELO-Prozess einen physikalischen Träger bereitzustellen. Der ELO-Prozess wird durchgeführt und die Dünnfilmeinheiten werden von ihrem Mutterträger getrennt. Die Polyimidhaltemembran wird in Gebieten ohne Einheiten durch das Verwenden von Plasmaätzung vertieft. Dann wird der DNA-Anheftungsprozess durchgeführt und eine spezifische DNA-Sequenz kovalent an alle Metalloberflächen angeheftet. Durch das Bestrahlen der Frontoberfläche mit UV-Licht werden die photonischen Einheiten als eine selbstausrichtende Maske benutzt, die die Belichtung von mit DNA-Polymer beschichteten Polyimidgebieten ermöglichen. In diesen Gebieten reagieren die DNA-Polymere zu einer Form, die nicht für weitere Hybridisierung geeignet ist. Durch die Verwendung eines Lösungsmittels kann das Polyimid dann entfernt werden und die Einheiten in die Salzlösung, die für die weiteren Hybridisierungsprozesse benutzt wird, freigesetzt werden.
  • Selektive DNA-Hybridisierungstechniken
  • Wenn das Host-Substrat erst einmal vorprogrammiert ist und die Bauteileinheiten in die Lösung freigesetzt sind, kann der Selbstzusammenbauprozess stattfinden. Zwei verschiedene Ansätze für die Hybridisierung sind anwendbar: (1) konventionelle Hybridisierung und (2) aktive Hybridisierung durch das Verwenden eines elektrischen Feldes.
  • Für den konventionellen Hybridisierungsprozess müssen alle Einheiten gleichzeitig in die Lösung freigesetzt werden. Durch leichtes Schütteln der Einheiten in der Lösung bei der geeigneten Hybridisierungsstringenztemperatur und Ionenstärke, findet die Hybridisierung der komplementären DNA-Stränge statt, da die passenden Einheits-Rezeptor-Paare in Kontakt kommen. Die Wahrscheinlichkeit der stattfindenden Hybridisierung kann direkt mit der Wahrscheinlichkeit des In-Kontakt-Kommens der richtigen Einheits-Host-Pad-Paare in Beziehung gesetzt werden. Da die Wahrscheinlichkeitsverteilung höchstwahrscheinlich zufällig ist, kann dieser Prozess länger brauchen, um vernünftige Hybridisierungserträge auf großen Oberflächengebieten zu erzielen, sofern die Lösung nicht mit den Einheiten gesättigt ist. Um die Selektivität und die Ausrichtungsgenauigkeit zu verbessern, können während des Hybridisierungsprozesses mehrere kontrollierte Heiz- und Kühlzyklen durchgeführt werden. Während des Heizzyklus werden schwach hybridisierte Bestandteile abdissoziiert, um die Chancen der Bildung stärkerer Bindungen zu erhöhen.
  • Für die aktive oder elektronische Hybridisierung werden die Hauptplatine selbst oder ein anderes Herstellungsgerät zur Elektrodenanordnung verwendet, um lokale elektrische Felder zu erzeugen, die ausgewählte Bauteileinheiten an ausgewählte Stellen anziehen und konzentrieren. Für diesen Prozess hat die Hauptplatine oder das Herstellungsgerät Stellen, die als Elektroden benutzt werden können. Über die Lösung wird zwischen ausgewählten Rezeptorstellen und Hilfselektroden ein Potential angelegt. Rezeptorstellen die entgegen (+) der Nettoladung (–) auf ausgewählten Einheiten vorgespannt sind, beeinflussen nun den elektrophoretischen Transport und die Konzentration dieser Einheiten und erhöhen dadurch die Hybridisierungs- und Bindungsrate. Diese Stellen können durch das Verwenden von elektronischer oder photonischer Adressierung selektiv an- und ausgeschaltet werden. Ein pulsierendes elektrisches Gleichstrom- oder vorgespanntes wechselstromfeld kann mit einer passenden Frequenz angelegt werden, um die Abschirmwirkung von ungewollten Einheitstypen zu beseitigen.
  • Die Wirkung des elektrischen Feldes kann auch in einer schützenden Weise verwendet werden. In diesem Fall sind die Rezeptorstellen nun genauso vorgespannt (–) wie die Nettoladung (–) auf den Einheiten. Die Einheiten werden dann von diesen Regionen abgestoßen und interagieren mit oder binden an nur den/die Regionen, die die entgegengesetzte Ladung (+) besitzen oder neutral sind. Der aktive Transport im elektrischen Feld kann verwendet werden, um Multiplex- und Multi-Schritt-Adressierung von Bauteileinheiten und Strukturen zu jeder Stelle auf der Hauptplatinenanordnung durchzuführen.
  • Eine weitere wichtige Überlegung während der Hybridisierung ist die Ausrichtungsgenauigkeit der photonischen Einheiten auf der Hauptplatine oder dem Host-Träger. Für zylindrische photonische Einheiten wird angenommen, dass die Rotation invariant ist. In diesem Fall, wenn der Durchmesser der Einheit und des Host-Pads d ist, kann zuerst mit dem natürlichen Hybridisierungsprozess vor dem Trocknungsprozess eine Ausrichtungsgenauigkeit von d/2 erreicht werden. Einheiten, die mit mehr als d/2 Verlagerung versetzt sind, werden während dem Hybridisierungsprozess keine starke Bindung ausbilden und werden während den Heiz- und Kühlzyklen des Hybridisierungsprozesses nicht am Platz gehalten werden. Eine bessere Ausrichtungsgenauigkeit und Orientierung ist möglich, wenn die aktive elektrische Feldhybridisierung verwendet wird. Wenn die Substrate erst einmal aus der Lösung entfernt sind, kann eine gesteigerte Oberflächenspannung während des Trocknungsprozesses die Ausrichtungsgenauigkeit weiter verbessern.
  • Metallurgische Bindung
  • Nach dem Hybridisierungsprozess werden die Spezialeinheiten durch die Ausbildung einer Doppelstrang-DNA-Struktur, die eine sehr hohe Bindungsstärke hat, an ihren passenden Stellen gehalten. Die gesamte Anordnung wird dann durch Spülen gereinigt und dann getrocknet. Die DNA-Bindungsstärke bleibt in dem festen Zustand erhalten und dient dazu, die Einheiten an ihrem Platz zu halten. An diesem Punkt des Prozesses besteht jedoch kein elektrischer Kontakt zwischen dem Host-Träger und den photonischen Einheiten. Eine Methode, um eine metallurgische Bindung zu erreichen, die einen ohmschen Kontakt zwischen dem Host-Träger und der photonischen Einheit darstellt, ist es, auf den Pads und den Einheiten die eutektisch bei niedrigen Temperaturen aneinander gebunden werden können, leitfähige Materialien zu verwenden. Eine zweite Methode ist es, Metalle mit niedrigen Schmelztemperaturen wie Lötzinn oder Indium unter einer Metallschicht zu verwenden, die gegenüber der DNA-Anheftung aktiv ist. Während die photonischen Einheiten durch DNA-Bindungen an ihrem Platz gehalten werden, führt die Anwendung von Hitze zu der Bildung einer metallurgischen Bindung. Innerhalb der Bindung wird sich das DNA-Polymer auflösen, kann aber, abhängig von dem anfänglich verwendeten DNA-Beladungsfaktor, nur zu einer erhöhten Kontaktresistenz beitragen.
  • Entwicklung von selbstzusammengebauten Emitter-Anordnungen
  • Als ein Beispiel des Nutzwertes dieser Erfindungen können vorteilhaft Emitter-Anordnungen gebildet werden. Spezifische DNA-Polymersequenzen können kovalent an lichtemittierende Halbleiter-Dioden (LED) angeheftet und die komplementären DNA-Sequenzen an Rezeptor-Pads auf dem Siliziumhostträger angeheftet werden. UV/DNA-Rastertechniken können für die selektive Aktivierung/Inaktivierung von DNA auf den beschichteten Oberflächen verwendet werden. Alle DNA-derivatisierten Teststrukturen und Materialien werden dann auf die selektive Hybridisierbarkeit durch das Verwenden komplementärer fluoreszierender DNA-Proben getestet. LED-Testeinheiten, die mit spezifischen DNA-Sequenzen derivatisiert wurden, können an Testträger, die mit komplementären DNA-Sequenzen derivatisiert wurden, hybridisiert werden.
  • Entwicklung von selbstzusammengebauten photonischen Bandlückenstrukturen
  • Dieser Teil der Beschreibung bildet keinen Teil der beanspruchten Erfindung. Er hat nur illustrative Zwecke.
  • Photonische Kristalle können durch das Verwenden der DNA-Selbstzusammenbautechnik gebildet werden. Photonische Bandlückenstrukturen sind künstliche regelmäßige Gitterstrukturen in zwei- oder dreidimensionaler Anordnung und sind aus Elementen von geeigneten Dimensionen, Dichten und Abgrenzungen zusammengesetzt. Solche Strukturen führen zu der Modifikation der photonischen Dichte von Zuständen und einer Lücke in der Streuung elektromagnetischer Wellen. Tatsächlich wurden photonische Bandlückenstrukturen gezeigt, die bei spezifischen optischen Wellenlängen wirksam werden. Potentielle Anwendungen von photonischen Bandlückenmaterialien schließen das Zuschneiden der spontanen Emission eines Lasers ein, um ultraniedrige Schwellenwerte, verbesserte Wellenleitungsstrukturen ohne Strahlungsverlust, neue optische Modulatoren etc. zu erzielen.
  • In einem Aspekt werden Stäbe oder Kugeln im Nanomaßstab mit höherer dielektrischer Konstante in einem Medium mit einer niedrigeren dielektrischen Konstante positioniert. Eine dreidimensionale Diamantgitteranordnung von dichtgepackten tetrahedral verbundenen dielektrischen Kugeln (200 nm im Durchmesser und mit einem Brechungsindex von 3,6), die in einem Medium mit einer niedrigeren dielektrischen Konstante wie Luft eingebettet ist, zeigt photonische Bandlücken. Das bezieht sich auf Möglichkeiten photonische Kristalle durch den Selbstzusammenbau von Elementen mit einer hohen dielektrischen Konstante und den gewünschten Geometrien in Materialien mit einer niedrigeren dielektrischen Konstante zu konstruieren. Um so eine Struktur zu konstruieren und die gewünschte Kristallgittergeometrie und Nanoelemente an den Gitterstellen zu erhalten, wird die selektive Anheftung von DNA-Sequenzen an die Nanoelemente und die Hybridisierung von begrenzten Sequenzen von DNA-Strängen verwendet. Metallkugeln, die magnetische Eigenschaften aufweisen, können angeheftete DNA-Stränge haben. Die magnetischen Eigenschaften können verwendet werden, um die Ausrichtung der Kügelchen (oder Stäbe für 2-D-Kristalle) zu steuern. Die Metallkugeln können in eine DNA-Lösung eingetaucht, durch das Verwenden eines magnetischen Feldes ausgerichtet und unter UV-Strahlung belichtet werden. Diese Technik erlaubt das „Wachsenlassen" von 2-D und 3-D photonischen Bandlückenstrukturen um aktive optoelektronische Einheiten herum mit einem Minimum an Herstellungsaufwand. Zusätzlich kann diese Technik ebenfalls eine Möglichkeit darstellen, einstellbare photonische Bandlückenstrukturen zu verwirklichen, da die DNA-Bindungen, welche die Nanokugeln verbinden, einigermaßen flexibel sind. Dieser Prozess für die elektronische Ausrichtung wird unter „Verfahren für die Ausrichtung und Synthese von Nanokugeln und Einheiten im Submikrometermaßstab im elektrischen Feld" weiter unten diskutiert.
  • Die verschiedenen oben beschriebenen DNA-Polymer(Oligonukletiod)-Sequenzen im Größenbereich von 20 bis 50 Nukleotiden, können mit automatisierten DNA-Synthetisierern unter Verwendung der Phosphoramiditchemie synthetisiert werden. Im allgemeinen sind längere DNA-Sequenzen erforderlich, um größere Objekte an Oberflächen zu binden, weil die Bindungsstärke ausreichend sein muss, um Kräfte (z. B. Scherkräfte), die zum Entfernen des Objektes neigen, zu überwinden. Längere DNA-Sequenzen (> 50 Nukleotide) können durch das Verwenden der Polymerase-Kettenreaktion-(PCR)-Technik hergestellt werden. Die DNA-Sequenzen können mit geeigneten funktionellen Gruppen (Amine, Thiole, Aldehyde, Flurophore, etc.) weiter derivatisiert werden. Alle Sequenzen können entweder durch PAGE Gelelektrophorese oder HPLC gereinigt werden. Nach der Reinigung können alle Sequenzen auf analytischen PAGE Gelen auf Reinheit überprüft und dann durch Hybridisierungsanalyse auf Spezifität getestet werden.
  • Etliche DNA-Sequenzen können zum Entwickeln und Testen zusätzlicher Chemien für die kovalente Anheftung an verschiedene Nanokügelchen, die auf organischen Polymeren, Halbleitern, und anderen Trägermaterialien (Glas, Gold, Indium-Zinnoxid, etc.) basieren, verwendet werden. Zusätzliche Anheftungschemien stellen mehr Optionen und größere Flexibilität für die Anheftungsselektivität an verschiedene Halbleitermaterialien bereit.
  • Spezifische DNA-Polymersequenzen können kovalent an Halbleiterteststrukturen und die komplementäre DNA-Sequenzen an Testträgermaterialien (Hauptplatinen) angeheftet werden. UV/DNA-Rastertechniken können für die selektive Aktivierung/Inaktivierung von DNA auf der beschichteten Oberfläche verwendet werden. Alle DNA-derivatisierten Teststrukturen und Materialien werden dann auf selektive Hybridisierbarkeit durch das Verwenden komplementärer fluoreszierender DNA-Proben getestet.
  • Nanokügelchen, Nanopartikel und Halbleiterteststrukturen, die mit spezifischen DNA-Sequenzen derivatisiert sind, werden nun durch das Verwenden sowohl konventioneller (Temperatur, Salz, und chaotrope Agenzien) als auch elektronischer (elektrophoretischen) Techniken an die Testträger (Hauptplatinen), die mit den komplementären DNA-Sequenzen derivatisiert sind, hybridisiert. Die Hybridisierungstechniken können bezüglich der höchsten Selektivität und der geringsten Menge an nichtspezifischer Bindung optimiert werden.
  • Herstellung einer LED-Anordnung Spezifische DNA-Polymersequenzen können kovalent an lichtemittierende Halbleiter-Dioden (LED) Bauteileinheiten und die komplementären DNA-Sequenzen an Hauptplatinenmaterialien angeheftet werden. UV/DNA-Rastertechniken können für die selektive Aktivierung/Inaktivierung von DNA auf den beschichteten Oberflächen verwendet werden. Mit spezifischen DNA-Sequenzen derivatisierte LED-Teileinheiten werden dann an Testträger (Hauptplatinen), die mit komplementären DNA-Sequenzen derivatisiert sind, hybridisiert.
  • Selbstzusammenbauherstellung einer photonischen Kristallstruktur
  • Mehrere spezifische DNA-Polymeridentitäten können für den Selbstzusammenbau um Emittertesteinheiten herum, die auf Hauptplatinenmaterialien lokalisiert sind, in Nanopartikel oder Nanokügelchen eingebaut werden. UV/DNA-Rastertechniken können für die selektive Aktivierung/Inaktivierung von DNA auf der beschichteten Oberfläche verwendet werden. Mit spezifischen DNA-Sequenzen derivatisierte Nanopartikel werden nun an Emittertesteinheiten, die auf dem Träger (Hauptplatinen) lokalisiert und mit komplementären DNA-Polymeren derivatisiert sind, hybridisiert.
  • Weitere Aspekte des Selbstzusammenbaus
  • Diese Erfindung ermöglicht den Zusammenbau von Spezialeinheiten nebeneinander und über große Flächen (bis zu mehreren Metern auf einer Seite) durch das Verwenden einer „Selbstzusammenbau" Technik. In diesem Ansatz „weiß" jede zu verpfropfende Einheit irgendwie, wo es auf der Hauptplatine zu sein hat. Diese Erfindung bezieht sich auf eine neue Einbautechnik, die auf programmierbaren Selbstzusammenbauprinzipien basiert, die in biologischen Systemen gefunden werden. Diese neue Technik beseitigt das Erfordernis einer Konservierung der Dimension während des Verpfropfungsprozesses. Unser Ziel ist es, den Selbstzusammenbau von Mikro-/Nanostrukturen auf Silizium durch das Verwenden von DNA(Desoxyribonukleinsäure)-Polymeren als „selektiven Klebstoffen" zu zeigen und dadurch Techniken für das verstreute Integrieren dieser Strukturen auf großflächige Hauptplatinen zu entwickeln. Wie in 30 gezeigt, bringt dies mit niedrigen Kosten und einer hohen Präzision Einheiten zusammen, die aus verschiedenen Materialien mit verschiedenen realen Dichten gemacht sind. Dieser Ansatz beruht auf den in allen biologischen Systemen gefundenen Prinzipien des programmierten Selbstzusammenbaus, und verwendet die bestehende gut verstandene synthetische DNA-Chemie als Prozess, der das ermöglicht. Diese Technik schließt ein: 1) das Entfernen der Spezialeinheiten von ihrem Muttersubstrat durch das Verwenden des epitaxialen Abhebungsprozesses, 2) das Anheften selektiver DNA-Polymersequenzen auf die Spezialeinheiten durch die in unserer Firma speziell entwickelte DNA-Anheftungschemie, 3) das selektive Anheften komplementärer DNA-Polymersequenzen an passende Stellen auf dem Hauptplatinenträger und 4) das Durchführen des Selbstzusammenbaus durch das Verwenden von komplementären DNA-Strängen. Diese verwendet DNA-Polymersequenzen als einen schlauen und sehr selektiven Klebstoff, um Mikrometer-/Nanometer-große Spezialeinheiten an bestimmte Stellen auf einer Hauptplatine anzuheften (siehe 31).
  • Selektive DNA-Hybridisierung und Transporttechniken im elektrische Feld
  • Techniken für die Hybridisierung von DNA-Sequenzen an komplementäre DNA-Sequenzen, die an feste Trägermaterialien angeheftet sind, sind gut bekannt und werden in vielen biotechnologischen, molekularbiologischen und klinischen Diagnostikanwendungen verwendet. Im allgemeinen werden Hybridisierungsreaktionen in wässrigen Lösungen durchgeführt, welche passende Pufferelektrolytsalze (z. B. Natriumchlorid, Natriumphosphat) enthalten. Die Temperatur ist ein wichtiger Parameter für die Kontrolle der Stringenz (Spezifität) und der Rate der Hybridisierungsreaktionen. Es existieren Techniken für die Hybridisierung von DNA-Sequenzen an Halbleitermaterialien. Die erste ist eine UV-lithographische Methode, die das Aufdrucken oder Rastern von DNA-Hybridisierung auf festen Trägermaterialien, wie Siliziumdioxid und verschiedenen Metallen, erlaubt. Die zweite ist eine Methode für das elektrophoretische Transportieren von DNA-Nanostrukturen (Nanostrukturen, an die spezifische DNA-Sequenzen angeheftet sind) zu ausgewählten Stellen auf Substratmaterialien. Die Technik für die UV-Lithographie mit DNA schließt zuerst das Beschichten eines Trägermaterials mit einer molekularen Schicht von spezifischen Anheftungs-DNA-Polymersequenzen ein. Eine angemessene Maske kann benutzt werden, um durch das Belichten für mehrere Sekunden mit UV-Strahlung (300 nm) ein Muster auf die Anheftungsschicht der DNA aufzudrucken. Die DNA in den Gebieten des Substrates, die dem UV-Licht ausgesetzt sind, wird gegenüber der Hybridisierung mit ihrer komplementären DNA-Sequenz inaktiv, d. h. sie ist nicht in der Lage, eine Doppelstrangstruktur zu bilden. 7 zeigt fluoreszierende DNA auf einer Siliziumstruktur, die durch das Verwenden eines Elektronenmikroskopgitterrasters mit 10 Mikrometer Linien gerastert wurde. Nach der UV-Rasterung wird das Material mit einer komplementären fluoreszenzmarkierten DNA-Probe hybridisiert, und durch Epifluoreszenzmikroskopie untersucht. Die Fluoreszenzbildanalyse zeigt, wo die komplementäre Probe hybridisiert hat (fluoreszierend) und wo keine Hybridisierung stattgefunden hat (keine Fluoreszenz). Zusätzlich zu DNA- basierten Prozessen UV-photolithographischer Art, erlauben andere Prozesse, die auf einem elektrischen Feld basieren, der derivatisierten DNA und geladenen fluoreszierenden Nanokügelchen elektrophoretisch transportiert und auf ausgewählten mikroskopischen Stellen auf festen Trägern abgelagert zu werden. Die grundlegende Methode und das Gerät für diese Technologie ist in 32 gezeigt. Die negativ geladene DNA, Strukturen im Submikrometer- oder Mikrometermaßstab können in wässrigen Lösungen suspendiert und über ein elektrisches Feld (Elektrophorese in Lösungen) zu mikroskopischen Stellen, die relativ zu anderen, negativ vorgespannten Stellen, positiv vorgespannt sind, transportiert werden. Das ist deswegen eine besonders wichtige Technik, da sie einen Mechanismus liefert, den Transport spezifisch markierter Einheiten zu spezifischen Stellen auf einem Trägermaterial zu regeln.
  • Erstellen von Strukturen im Mikrometer- und Nanometermaßstab
  • Der erste Schritt in unserer Selbstzusammenbautechnik ist die Vorbereitung der Spezialeinheiten zum Verpfropfen. In diesem Fall werden die Spezialeinheiten in einer Standardweise auf ihrem Mutterträger auf einer Opferschicht, die für den ELO-Prozess erforderlich ist, hergestellt. Eine passende Beschichtungsschicht wird dann auf diesen Einheiten abgelagert, um sicherzustellen, dass sie eine Brown-ähnliche Bewegung in der Salz-Lösung besitzen. Durch das Steuern der Eigenschaften der abgelagerten Materialien in Bezug auf die Materialien der Einheiten, kann das Verhalten dieser Einheiten gesteuert werden, wenn sie erst einmal in die Salzlösung freigesetzt sind. Zum Beispiel können wir durch das Steuern der Eigenschaften des Beschichtungsmaterials die Richtung der Einheit in der Lösung bestimmen. Wenn die Einheiten erst einmal beschichtet sind, kann ein dicker Polyimidfilm gesponnen werden, um den Einheiten nach dem ELO-Prozess einen physikalischen Träger zu liefern. Der ELO-Prozess kann ausgeführt und die Dünnfilmeinheiten von ihrem Mutterträger getrennt werden. Durch das Verwenden von Plasmaätzung kann der Polyimidfilm vertieft werden, um ausreichende Schwellen bereitzustellen, um zu verhindern, dass die Metallschicht kontinuierlich ist. Der DNA-Anheftungsprozess wird dann durchgeführt und eine spezifische DNA-Sequenz kann kovalent auf alle Metalloberflächen angeheftet werden. Durch die Bestrahlung mit einem UV-Licht von der Frontoberseite der Einheit, können die DNA-Schichten, die exponiert und nicht geschützt sind, zerstört oder in eine Form gebracht werden, die für weitere Hybridisierung nicht geeignet ist. Durch die Verwendung eines angemessenen Lösungsmittels wird das Polyimid dann entfernt und die Einheiten können in die Salzlösung, die für den weiteren Hybridisierungsprozess verwendet wird, freigesetzt werden.
  • Vorbereitung des Hauptplatinenträgers
  • Um die Gebiete, wo die Verpfropfung der Spezialeinheiten stattfinden wird, abzugrenzen, muss eine selektive Anheftungsprozedur für das komplementäre DNA-Polymer ausgeführt werden. Die selektive Anheftung kann durch das Verwenden der inhärenten Selektivität von DNA-Sequenzen, selektive Anheftungschemien, oder durch gezielten elektrophoretischen Transport verwirklicht werden. Alternativ können die DNA-Stränge in ungewollten Regionen nach der Anheftung durch UV-Bestrahlung zerstört werden. Dieser Ansatz ist nur dann brauchbar, wenn eine Gruppe von Einheiten selbst zusammengesetzt werden muss.
  • Wie in früheren Teilen beschrieben, ist die DNA-Anheftungschemie stark von den verwendeten Materialien abhängig, an die die DNA-Polymere angeheftet werden. Um z. B. DNA an Aluminiumpads auf einem Silizium-Chip, der mit mit einer schützenden Glasschicht beschichtet ist, anzuheften, aktivieren wir zuerst die Aluminiumregionen durch das Eintauchen der Probe für eine kurze Zeitspanne in eine verdünnte, gepufferte HF-Lösung. Das Endergebnis dieses Prozesses ist, dass nur wenige DNA-Stränge an die schützende Glasschicht angeheftet werden, während die exponierten Aluminiumstellen gegenüber der DNA hochreaktiv sind. Diese Materialselektivität ist ein günstiger und geeigneter Weg, um DNA an die gewünschten Regionen anzuheften. Wenn die Materialselektivität mit UV-gerichteter Inaktivierung und einem elektrophoretischen Transportprozess kombiniert wird, erlaubt das das sequentielle Ausführen wiederholter Anheftungsprozesse. Zu berücksichtigen ist der gleichzeitige Selbstzusammenbau von verschiedenen Arten von Spezialeinheiten. Die Pads müssen dann entsprechend der Einheit, an die sie gekoppelt werden sollen, gruppiert werden. In diesem Fall muss jede Pad-Gruppe mit einer spezifischen DNA-Sequenz, die komplementär zu der an die Spezialeinheit angehefteten DNA-Sequenz ist, an die sie gebunden werden wird, beschichtet werden. Um die Hauptplatinenstellen vorzuprogrammieren, kann jede DNA-Sequenz sequentiell an die richtigen Stellen angeheftet werden. Das kann einfach durch das Verwenden des Elektrophoreseprozesses und durch das Anlegen eines negativen Potentials an die Pads, wo die DNA-Anheftung nicht erwünscht ist, erreicht werden. Gleichzeitig kann eine positive Spannung angelegt werden, um die Anheftung an gewünschte Stellen zu verstärken. Für einen zweiten Satz von DNA-Sequenzanheftung kann die Prozedur mit einem anderen Satz von Programmierspannungen wiederholt werden. So können die Empfangspads der Hauptplatine durch das Anlegen eines geeigneten Satzes von positiven und negativen Potentialen an die Pads programmiert werden, wenn der Selbstzusammenbau von vielfältigen Arten von Einheiten gleichzeitig ausgeführt werden muss. Wenn nur eine Art von Einheit auf der Hauptplatine selbstzusammengebaut werden muss, ist die Verwendung der Materialselektivität der DNA-Anheftungschemie alleine ausreichend.
  • Spezifische DNA-Polymere: Ein selektiver Klebstoff
  • Ist die Hauptplatine erst einmal vorprogrammiert und die Spezialeinheiten freigesetzt und bewegen sich frei in dem Salzlösungsbad, kann der Selbstzusammenbauprozess stattfinden. Bei der richtigen (Hybridisierungs-) Stringenztemperatur und durch das sanfte Schütteln der Einheiten in der Lösung kann der Hybridisierung von komplementären DNA-Strängen erlaubt werden stattzufinden, wenn die richtigen Einheits-/Pad-Paare in Kontakt kommen (siehe 33). Um diesen Prozess zu erzielen, können etliche verschiedene Methoden untersucht werden.
  • Konventionelle und elektronische Hybridisierung
  • In diesen Methoden können alle Einheiten gleichzeitig in die Lösung freigesetzt werden und die Wahrscheinlichkeit des Stattfindens eines Hybridisierungsprozesses kann direkt zu der Wahrscheinlichkeit des in-Kontakt-Kommens der richtigen Einheits-/Stellenpaare in Beziehung gesetzt werden. Unter sehr vereinfachenden Annahmen kann die Wahrscheinlichkeit einer Hybridisierung Ph grob zu dem Verhältnis zwischen der insgesamt verfügbaren Pad-Fläche Ap und der Fläche der Hautplatine Amb in Beziehung gesetzt werden. Ph ∝ NAp/Amb wo N die reale Dichte von einer der Gruppen der Spezialeinheiten in der Lösung ist. Da erwartet wird, dass der Wahrscheinlichkeitsverteilung zufällig ist, kann dieser Prozess sehr lange Zeit brauchen, um vernünftige Hybridisierungsausbeuten zu erhalten. Alternativ kann es erforderlich sein, dass die Lösung mit den Spezialeinheiten gesättigt ist. Das kann die Kosten des Prozesses erhöhen und die Anzahl von Arten von Spezialeinheiten begrenzen, die selbstzusammengebaut werden können. Um die Selektivität und die Ausrichtungsgenauigkeit zu erhöhen, werden während des Hybridisierungsprozesses Heiz- und Kühlzyklen durchgeführt. Während des Heizzyklus können schwach hybridisierte Komponenten abdissoziieren, um die Chance auf das Ausbilden stärkerer Verbindungen zu erhöhen.
  • Epitaxialer Abhebungsprozess
  • Ein Schlüsselanteil des Selbstzusammenbauprozesses ist die Herstellung der Einheiten im Mikrometer-/Nanometermaßstab für die DNA-Anheftung, ihre Handhabung während der Anheftung und schließlich ihre Freisetzung in die Salzlösung vor der Hybridisierung. Der gängigste ELO Ansatz ist das Verwenden der Selektivität von verdünnter HF-Säure für die AlGaAs-Reihe von Legierungen. Die aluminiumreichen Legierungen werden mit einer Rate von ungefähr 1 mm/hr verätzt, während die Ätzrate für galliumreiche Legierungen, mit weniger als 0,1 nm/h, nahezu nicht nachweisbar ist. Eine Zwischenschicht von AlAs löst sich auf, und erlaubt den oberen epitaxialen Schichten einfach von dem Träger wegzugleiten. Andere Trennungsmethoden, einschließlich mechanischer Spaltung (CLEFT) und totaler Trägerabätzung bis zu einer Ätz-Stopschicht, wurden ebenfalls verwendet. Epitaxiale Filme im Dickenbereich zwischen 20 nm und 10 mm wurden von ihren Wachstumsträgern getrennt, gehandhabt und manipuliert.
  • Durch das Verwenden dieser Technik wurden z. B. dünne III–V Halbleiterfilme direkt an fremde Trägermaterialien, wie z. B. prozessierte Silizium-Wafer, gebunden. Die mechanische Flexibilität von ELO-Filmen erlaubt eine perfekte Anpassung des Filmes an die Topographie des Trägers, was eine starke und vollständige Verbindung erzeugt. Dann erzeugt die ELO-Technik auf einem konstruierten Trägermaterial einen monolithisch-ähnlichen epitaxialen Dünnfilm. Vor dem Abheben können verschiedene Einheiten auf den Filmen hergestellt werden, während sie noch auf ihren Mutterträgern sind. Die ELO-Technik liegt irgendwo zwischen einem Hybridansatz, wie z. B. Flip-Chip Lötzinnperlenmontage und einem voll monolithischen Ansatz, wie z. B. direkte Hetero-Epitaxie, kombiniert jedoch die Vorteile von beiden. ELO ist eine echte Dünnfilmtechnologie, die eine Dünnfilmmetallverdrahtung erlaubt, die vor und zurück über die Kante eines dünnen III–V Filmes und auf einen Siliziummikrochipträger verläuft. Gleichzeitig wird der Dünnfilm passend zum Gitter und im wesentlichen homo-epitaxial wachsen gelassen. Die Materialqualität, die für Minderheits-Trägereinheiten wie z. B. Lichtemitter von äußerster Wichtigkeit ist, wird niemals beeinträchtigt. Vorteile der ELO-Technologie gegenüber Hybrid Flip-Chip Technologie schließen eine niedrige Packkapazität und hohe Packdichten ein. Für Hochgeschwindigkeitsmikroschaltkreise muss die Kapazität der Verdrahtung sehr niedrig sein. Die Strafe ist nicht nur die Belastung durch eine zusätzliche Energieverschwendung. Da der Vorwiderstand von Metallverbindungen nicht vernachlässigbar ist, wird die RC-Zeitkonstante letztlich die Geschwindigkeit von optoelektronischen Mikroschaltkreisen ungeachtet von Energievergeudungsproblemen, so schwerwiegend sie auch sein mögen, beschränken. Die äußerste erreichbare Packdichte ist hinsichtlich der Arbeitsdimensionen der Technologien einigermaßen gestaffelt. Deswegen kann die ELO in diesem Aspekt mehr ermöglichen als die Lötperlentechnik.
  • Die Verpfropfung von ELO-Filmen auf bearbeitete Mikroschaltkreise erfordert das Berücksichtigen der ultrafeinen Rauhigkeit der aufgebrachten Oxidoberfläche des Mikrochips. Die Oberflächenrauhigkeit stört die Qualität von van der Waals oder metallurgischen Bindungen.
  • Sequentielle Hybridisierung unter elektrischem Gleichstromfeld
  • Um die Wahrscheinlichkeit der Hybridisierung zu erhöhen, ist eine zweite Methode das separate Einführen jeder Einheitsgruppe und das Beschränken der Spezialeinheiten in Regionen nahe den positiv vorgespannten Stellen. Diese Beschränkung kann unter dem Einfluss eines elektrischen Gleichstromfeldes durch das Anlegen einer geeigneten positiven Spannung an die Stellen gemacht werden. Der Effekt des elektrischen Feldes kann als Erhöhen des Verhältnisses der Flächen oder äquivalentes Erhöhen der Einheitsdichte, N, in obiger Gleichung, gesehen werden. In diesem Fall muss jedoch jede Einheitsgruppe sequentiell eingeführt werden, so dass ungewollte Einheitsgruppen die richtigen Einheiten nicht vom Erreichen der Stellen abschirmen.
  • Parallele Hybridisierung unter einem elektrischen Wechselstromfeld
  • Der Nachteil der sequentiellen Hybridisierung ist, dass sie die Kosten der Herstellung erhöht, da die Arten von Spezialeinheiten erhöht werden. Eine alternative Methode ist das gleichzeitige Einführen aller Einheitstypen in die Lösung, das Anlegen einer anfänglichen Gleichstromspannung um eine Verteilung der Einheiten um jede Stelle zu erzeugen, und dann eine Wechselstromspannung bei einer geeigneten Frequenz anzulegen, um den Abschirmungseffekt der ungewollten Einheitstypen auszuschalten. Der Effekt eines Wechselstromfeldes kann als ein stärkerer Durchmischungsmechanismus gesehen werden.
  • Metallurgische Verbindungen
  • Nach dem Hybridisierungsprozess werden die Spezialeinheiten durch das Bilden einer Doppelstrang-DNA-Struktur, die eine sehr hohe Bindungsstärke hat, an ihren passenden Plätzen gehalten. Die gesamte Anordnung wird dann durch Spülen gereinigt und dann getrocknet. An diesem Punkt besteht kein elektrischer Kontakt zwischen der Hauptplatine und den Spezialeinheiten. Die DNA-Bindungsstärke bleibt in dem festen Zustand erhalten und dient dazu, die Einheiten an ihrem Platz zu halten. Eine Methode, um eine metallurgische Verbindung mit ohmschen Kontakt zu erhalten, ist es, auf den Pads und Einheiten, die bei niedrigen Temperaturen eutektisch aneinander gebunden werden können, leitfähige Materialien zu verwenden. Eine zweite Methode ist das Verwenden von Metallen mit niedrigen Schmelztemperaturen wie zum Beispiel Zinn oder Indium unter einer Metallschicht, die gegenüber der Anheftung von DNA aktiv ist. In diesem Fall müssen die Lötperlen in Nanometerdimensionen hergestellt werden. Während die Einheiten durch die DNA-Bindungen an ihrem Platz gehalten werden, wird in beiden Fällen die Anwendung von Hitze zu der Bildung einer metallurgischen Verbindung und eines ohmschen Kontaktes führen. Das DNA-Polymer wird innerhalb der Verbindung bestehen bleiben, aber kann, abhängig von dem verwendeten anfänglichen DNA-Beladungsfaktor, nur zu einem erhöhten Kontaktwiderstand beitragen. 34 zeigt den oben beschriebenen Prozess.
  • Ausrichtung und Orientierung der Spezialeinheiten
  • Eines der kritischen Probleme, das in dem Ansatz zum Selbstzusammenbau behandelt werden muss, ist die Genauigkeit, mit der die Spezialeinheiten an die Pads auf der Hauptplatine ausgerichtet werden können. Wir werden zuerst annehmen, dass die Spezialeinheiten eine kreisförmige Basis haben, so dass der Prozess rotationsinvariant ist. In diesem Fall wird erwartet, dass, wenn der Durchmesser des Pads d ist, mit dem DNA-Verbindungsprozess eine Ausrichtungsgenauigkeit von d/2 erreicht werden kann. Einheiten, die mehr als d/2 versetzt sind, werden während dem Hybridisierungsprozess keine starke Bindung bilden und würden während der Heiz- und Kühlzyklen des Hybridisierungsprozesses nicht am Platz gehalten werden. Zusätzlich können die Einheiten nach dem Hochtemperaturzyklus zum Bilden der metallurgischen Bindungen in einer ähnlichen Weise, wie sie bei der C4-Technologie für die Flip-Chip-Verbindung verwendet wird, an die Pads selbstausgerichtet werden, wenn die Nanolötperlentechnologie, die kurz in der vorherigen Passage behandelt wird, verwendet wird.
  • Ein schwierigeres Problem besteht, wenn die Spezialeinheiten keine kreisförmig symmetrische Basis haben und mit einer bestimmten Ausrichtung auf den Pads platziert werden müssen. Für das Binden in der richtigen Ausrichtung können zwei verschiedene Ansätze verwendet werden. Als ein erster Ansatz werden passend gerasterte Siliziumdioxidschichten verwendet, um Spezialeinheiten mit falschen Ausrichtungen physikalisch auszublenden, wie in 35 gezeigt. Die Einheiten passen nur auf die Pads, wenn sie die richtige Ausrichtung besitzen. Ein anderer Ansatz zum Ausrichten der Einheiten ist das Verwenden von Coulomb-Kräften vor der Hybridisierung der DNA. Durch Ionenimplantation oder dem Belichten mit einer Elektronenstrahllithographie kann in bestimmten Stellen auf den Pads und auf den Einheiten ein Ladungsaufbau mit entgegengesetzten Vorzeichen verwirklicht werden. Diese Ladungsmuster führen die Einheiten in ihren richtigen Ausrichtungen. Wie in 35 zu sehen ist, können beide Ansätze zusammen verwendet werden, um eine DNA-Verbindung mit der richtigen Ausrichtung der Spezialeinheiten bereitzustellen.
  • Verfahren für die Ausrichtung und Synthese von Einheiten im Submikrometermaßstab im elektrischen Feld
  • Die Synthese im elektrischen Feld wird bevorzugt für die Herstellung von Nanostrukturen oder Mikrostrukturen (z. B. Einheiten im Submikrometer- und Mikrometermaßstab) mit vielfältigen DNA-Oberflächenidentitäten angewendet. Diese vielfältigen Oberflächenidentitäten können in Form spezifischer DNA-Sequenzen sein, die an unterschiedlichen Koordinaten auf der Partikeloberfläche lokalisiert sind. Diese Koordinaten können zum Beispiel in ihrer Natur polar oder tetrahedral sein und potentielle Selbstzusammenbaueigenschaften verleihen, die den Nanostrukturen erlauben, zwei- und dreidimensionale photonische und elektronische Strukturen zu bilden (wie beispielsweise photonische Bandlückenstrukturen). 36 (oben) zeigt ein verallgemeinertes Diagramm einer Nanosphäre (20 nm Durchmesser) mit vielfältigen DNA-Sequenzidentitäten in polaren und äquatorialen Positionen. In der folgenden Erklärung wird eine Nanosphäre nur für illustrative Zwecke als ein Beispiel für zu hybridisierenden Mikro- oder Nanoeinheiten genommen. 36 (untere) zeigt ebenfalls einige einfache Strukturen, die durch das Aneinanderhybridisieren der Nanosphären gebildet werden können.
  • 37 zeigt die anfänglichen Schritte für die Herstellung solcher Nanostrukturen. In Schritt (1) wird eine passend funktionalisierte Nanosphäre (mit Aminogruppen) mit Aldehyd-modifizierten Oligonukleotiden mit der Sequenzidentität (A) zur Reaktion gebracht. Identität (A) bezieht sich auf eine einzige Basensequenz in der DNA; z. B. ein 20-mer Oligonukleotid mit einer 5'-GCACCGATTCGAT ACCGTAG-3'-Sequenz (Sequenz ID Nr. 1). In Schritt 2 werden die Oligo(A)-modifizierten Nanosphären an die Oberfläche einer Mikrolokation (mit einer darunter liegenden Elektrode) hybridisiert, die eine komplementäre (A')-Sequenz besitzt (5'-CTACGGTATCGAATCGGTGC-3') (Sequenz ID Nr. 2). Die (A')-Sequenz enthält ein Quervernetzungsagens (Psolaren) und erstreckt sich in eine zweite Sequenz mit der Identität (B) (5'-TTCAGGCAATTGATCGTACA-3') (Sequenz ID Nr. 3), die wiederum an eine DNA-Sequenz (B') (5'TGTACGATCAATTGC CTGAA-3') (Sequenz ID Nr. 4), die kovalent an die Oberfläche gebunden ist, hybridisiert wurde. In Schritt 3 werden die hybridisierten Nanosphären nun kurz einer UV-Bestrahlung ausgesetzt, die die Psolarenreste innerhalb der (A/A')-hybridisierten Sequenz veranlasst, sich kovalent querzuvernetzen. Die Nanosphären werden nun von der Oberfläche dehybridisiert (passiv oder elektronisch). Die Nanosphären haben nun an eine polare Position auf der Struktur eine (B) DNA-Sequenzidentität übermittelt bekommen. 38 zeigt die Fortsetzung des Prozessierungsschemas. In Schritten 4 und 5 werden nun die mit der DNA-Sequenzidentität(B) modifizierten Nanosphären an eine neue Mikrolokation „teilweise hybridisiert", die wiederum an eine (C–A') Sequenz hybridisiert wurde, die zu einer C'-Sequenz komplementär ist, die kovalent an die Oberfläche gebunden ist. Die (C) Sequenz unterscheidet sich von den (A) und (B) DNA-Sequenzen. Die Nanokügelchen mit der (B) DNA-Sequenz hybridisieren teilweise über die (A/A') DNA-Sequenzen an die Oberfläche, sind jedoch nicht in einer bestimmten Weise auf der Oberfläche ausgerichtet. Weil die Nanosphären mit der (B) DNA eine ungleichmäßige negative Ladungsverteilung auf ihrer Oberfläche haben (aufgrund der Extraladung der (B) DNA) können sie in einem elektrischen Feld ausgerichtet werden. In Schritt 6 wird eine zweite Elektrode über der unteren Elektrode positioniert und eine elektrische Feldstärke angelegt, die stark genug ist, um die Nanosphären auszurichten, aber sie nicht von der Oberfläche dehybridisiert. Während 38 die Nanosphären im Hinblick auf die (B) und (C) Sequenzen in einer polaren Ausrichtung zeigt, kann die relative Positionierung der Elektroden elektrische Felder erzeugen, die andere Winkel für die relativen Positionen der (B) und (C) DNA-Sequenzen ergeben. Wenn die Nanosphären in ihrer korrekten Ausrichtung sind, können sie durch das Erniedrigen der Temperatur komplett hybridisiert (A'–C/C') und dann einer UV-Bestrahlung ausgesetzt werden, um die (A/A')-Sequenzen querzuvernetzen. Nach der Dehybridisierung erzeugt das eine Nanosphäre mit (B) und (C) DNA-Sequenzen mit relativen polaren (Nord- und Süd)-Positionen. Wir glauben, dass das Wiederholen des Prozesses für zwei weitere Male Nanosphären mit (B), (C), (D) und (E) DNA-Identitäten in polar/äquatorial oder tetrahedralen Koordinaten erzeugen kann.
  • Multischritt- und Multiplex-Synthese und – Herstellungstechniken und -Einheiten
  • Verschiedene Techniken und Einheiten können verwendet werden, um Multischritt- und Multiplexsynthese und -herstellung durchzuführen. 39 zeigt eine mikroelektronische Anordnungs-Einheit mit 64 Mikroelektroden, die in einer 8 × 8 Matrix angeordnet sind, und vier größeren Kontrollelektroden, die sich gerade außerhalb der Matrix befinden. Die Elektrodenstrukturen auf der Einheit können sich von einer Größe von ~1 Mikrometer bis zu mehreren Zentimetern oder mehr in großmaßstäblichen oder makroskopischen Versionen dieser Einheiten erstrecken. Über solchen Einheiten können Durchdringungsschichten und/oder Matrizenmaterialien platziert werden, was den Einheiten erlauben würde, zum Durchführen von Multischritt- und Multiplexsynthesereaktionen und Herstellungsschritten auf Trägermaterialien verwendet zu werden. So können die Einheiten für Multischritt- und Multiplexreaktionen und Herstellung auf „sich selbst" genauso wie als Herstellungseinheiten, die die zusammengesetzten Systeme auf verschiedenen Trägermaterialien herstellen, verwendet werden. Wir definieren „Multischritt"-Prozesse als die, die mehr als einen Synthese- oder Herstellungsschritt an einer oder mehr Stellen auf der Einheit haben; und „Multiplex" als Prozesse, die die Synthese oder Herstellung von verschiedenen Bestandteilen an unterschiedlichen Stellen auf der Einheit einschließen.
  • 40 zeigt den Prozess, durch den der Multischritttransport und die Positionierung von Nanosphären oder Nanopartikeln, unter der Verwendung solcher Einheiten, durchgeführt werden kann. In dieser Abfolge von Figuren werden negativ geladene Nanostrukturen (Typ 1) von der Bulk-Lösung auf spezifische Mikrostellen auf der linken Seite der Anordnung transportiert und konzentriert. Das wird durch das, relativ zu den negativ vorgespannten Kontrollelektroden, positive Vorspannen der Mikrostellen erreicht. Die negativ geladenen Typ 1 Nanostrukturen in dem elektrischen Feld werden zu den spezifischen Mikrostellen transportiert und konzentriert (elektrophoretisch). Die Typ 1 Nanostrukturen können verschiedene Einheiten oder Strukturen sein, die spezifische DNA-Sequenzen besitzen, die ihnen erlauben, an andere spezifische Stellen auf der Einheit selbst oder an andere Nanostrukturen, die komplementäre DNA-Sequenzen enthalten, zu hybridisieren.
  • Im nächsten Schritt werden Typ 2 Nanostrukturen zu spezifischen Mikrostellen auf der rechten Seite der Einheit transportiert und konzentriert. In den nächsten Schritten werden die Typ 1 Nanostrukturen zu spezifischen Mikrostellen in der Mitte des Arrays, die komplementäre DNA angeheftet haben, transportiert. Die Typ 1 Nanostruktur hybridisiert und wird spezifisch an diese Stellen angeheftet. Die Typ 2 Nanostrukturen werden nun zu der selben zentralen Stelle wie die Typ 1 Nanostrukturen transportiert. Die Typ 2 Nanostrukturen enthalten angeheftete DNA-Sequenzen, die komplementär zu den Typ 1 Nanostrukturen sind. Die Typ 2 Nanostrukturen hybridisieren und bilden eine Begrenzungsschicht über den Typ 1 Nanostrukturen.
  • Es ist beabsichtigt, dass diese Abfolge von Schritten in 40 nur eines von zahlreichen Multischritt- und Multiplexherstellungsszenarien darstellt, die mit diesen Einheiten und selbstzusammenbauenden Nanostrukturen, Submikrometer- und Mikrometer großen Strukturen, an die spezifischen DNA-Sequenzen angeheftet sind, durchgeführt werden können. Wir beziehen uns auf diese Prozesse als den durch ein elektrisches Feld gestützten Selbstzusammenbau von DNA-derivatisierten Strukturen. Als Beispiel zeigt 41 eine Abfolge von Photos, die den Transport von 200 Nanometer großen fluoreszierenden Nanosphären zu definierten Mikrostellen auf einer 8 × 8 Mikroelektroden-Anordnungs-Einheit demonstrieren. Die Mikrostellen sind 50 μm × 50 μm groß. Die negativ geladenen 200 nm fluoreszierenden Nanosphären werden schnell transportiert und auf den positiv geladenen Mikrostellen konzentriert. In anderen experimentellen Arbeiten wurden Nanosphären von einer Stelle zu einer anderen Stelle auf der Einheit bewegt und es ist möglich, verschiedene Muster oder Anordnungen von Nanostrukturen auf diesen Einheiten zu bilden.
  • Positionierung und Ausrichtung großer Strukturen
  • Eine verwendbare Anwendung dieser Technik schließt die Anheftung und Ausrichtung von größeren (10 bis 100 Mikrometer) Einheit auf Träger- oder Hauptplatinenmaterialien ein. Dieser Prozess ist in 42 gezeigt. In diesem Beispiel wird eine Einheit selektiv mit vier verschiedenen DNA-Sequenzen derivatisiert und die Hauptplatine wird selektiv mit den vier komplementären Sequenzen derivatisiert. Den Einheiten wird dann erlaubt zu hybridisieren und sich durch die Prozesse, die in vorigen Teilen über passive und aktive Verfahren zur Hybridisierung in einem elektrischen Feld beschrieben wurden, an den Hauptplatinenträger anzuheften.
  • Nanoherstellung innerhalb mikroelektronischer Parameter
  • Innerhalb des Umfangs dieser Erfindung befinden sich Anwendungen, die die Nanoherstellung von Anordnungen von Nanostrukturen und Einheiten im Submikrometermaßstab innerhalb der Parameter von mikroelektronischen, optoelektronischen und optischen Bestandteilen einschließen. In diesen Fällen werden mikroelektronische Einheiten durch klassische Vorgehensweisen entworfen und gebaut, aber enthalten Gebiete, die für den Selbstzusammenbau von Nanostrukturen und Submikrometerbestandteilen konstruiert sind. 43 zeigt als Beispiel eine solche Einheit. In diesem Beispiel hat eine mikroelektronische Einheit, die in Silizium durch das Verwenden klassischer photolithographischer Techniken gebaut wurde, eine Brunnen(well)-struktur mit einer darunter liegenden Mikroelektrode. Diese Mikroelektrode wird nun verwendet, um den durch ein elektrisches Feld gestützten Selbstzusammenbau von verschiedenen Nanostrukturen und Bauteilen im Submikrometermaßstab, die von einer festen Unterlage freigesetzt wurden, innerhalb der Parameter der mikroelektronischen Bauteile durchzuführen. Diese Technik erlaubt die Quervernetzung zwischen den mikroelektronischen Bauteilen und den Bauteilen im Nanomaßstab, genauso wie die Erzeugung von viel dichter eingebauten Einheiten, einschließlich Anordnungen von multiplen Bauteilschichten (3D Herstellung). Auf diese Weise wird diese Erfindung als eine Möglichkeit angesehen, beides, klassische mikroelektronische (optoelektronische) Herstellungstechniken und selbstzusammenbauenden Nanoherstellungstechniken, synergistisch zu verbinden.
  • Nanoherstellung innerhalb von Nanomaßstabsparameter
  • Innerhalb des Bereiches dieser Erfindung befinden sich Techniken, die die Nanoherstellung einer Matrix von selektiv bindenden DNA-Sequenzen, die mit einer Gruppe von Positionen im Nano- oder Submikrometermaßstab, die durch atomische Kräfte, Mikroskop, E-Strahl oder andere Submikrometerherstellungstechniken abgelagert wurden, zusammengebaut werden soll, erlauben. 44 zeigt ein Beispiel dieser Methode. In diesem Beispiel werden vier Anheftungsstrukturen im Submikrometermaßstab auf einem passenden Trägermaterial abgelagert. Zwei der Strukturen sind aus einem Material, das selektiv für die folgende Anheftung von DNA-Sequenzen aktiviert werden kann (d. h. Gold für die Thiolanheftungschemie). Die anderen beiden sind aus einem Material, das selektiv für eine andere spezifische Anheftungschemie (d. h. Siliziumdioxid für die Silanaldehyd- /Aminanheftungschemie) aktiviert werden können. Von diesen Stellen können zwei verschiedene DNA-Sequenzen angeheftet werden. In weiteren Schritten werden komplementäre DNA-Sequenzen, die die zwei unterschiedlichen Stellen überbrücken, hybridisiert, und bilden einen Quadrat-Parameter. Von der richtigen Position können andere DNA-Sequenzen an die Parameter-DNA hybridisiert werden, und bilden letztlich eine Matrixstruktur, die selektive Hybridisierungsstellen innerhalb der Matrix besitzt. Von diesen Arten von Matrixnanostrukturen (mit selektiven DNA-Identitäten) können eine Reihe von zwei- und dreidimensionalen Nanoherstellungen durchgeführt werden.
  • Der übrige Teil der Beschreibung gehört nicht zu der beanspruchten Erfindung und ist nur für illustrative Zwecke.
  • Verfahren und Gerät für optisches Schreiben
  • Optischer DNA-Speicher schließt die Konstruktion und Synthese von chromophoren DNA-Polymeren ein, die Lichtenergie bei einer einzelnen Wellenlänge absorbieren und bei vorherbestimmten multiplen Wellenlängen reemittieren. Unsere Arbeit zeigt, dass DNA-Polymere in einer selbstorganisierten Art und Weise auf feste Oberflächen angeheftet und in Einheitszellen, die die geplante Funktionalität haben, gebracht werden können. Wir haben gezeigt, dass DNA-Polymere, die an feste Oberflächen angeheftet sind, multiple chromophore Reaktionen, photonischen Energietransfer und Quenching zeigen können. 6 und 7 zeigen Ergebnisse, die mit der Anheftung von fluoreszierenden DNA-Polymeren an Siliziumdioxid- und Aluminiumoberflächen und dem UV-Schreiben (Darstellung) in Einzelschichten von DNA auf der Oberfläche dieser Substrate in Beziehung stehen.
  • UV-Schreibmechanismus für optischen DNA-Speicher
  • Es existieren vier verschiedene Mechanismen, durch die Information in DNA-Trägermaterialien geschrieben werden kann: i) räumliche UV-Inaktivierung von Thymidinen in DNA-Sequenzen; ii) räumliche UV-Aktivierung von Flurophoren und Chromophoren; iii) räumliche UV-Inaktivierung oder Aktivierung von Quencher-Chromophoren und iv) räumliche UV-Aktivierung oder Inaktivierung von der folgenden Hybridisierung durch Quervernetzung (z. B. Psolarene).
  • 8a und b zeigen UV-Schreib-/Hybridisierungsergebnisse, die eine Logomaske und eine Vierfarben-Schreibmaske verwenden. Diese stellen Bilder dar, die in Einzelschichten von DNA auf Siliziumträgern, an die komplementäre fluoreszierende DNA-Sequenzen hybridisiert sind, erzeugt werden.
  • UV/Psolaren-Schreibprozess – Schritt 1
  • Bezüglich des UV/Psolaren-Schreibprozesses zeigen die 9 bis 19 schematisch den vollständigen Prozess für die Herstellung eines „vier Identitäten DNA-Trägermaterials".
  • Dieser Prozess verleiht Trägermaterialien durch das Verwenden von Psolaren-Cross-Linking-Agenzien multiple DNA-Identitäten. In DNA interkalierte Psolaren-Verbindungen sind in der Lage DNA-Stränge miteinander kovalent querzuvernetzen, wenn sie Niedrigenergie UV-Licht (365 nm) ausgesetzt werden. Das Verbinden von DNA-Strängen mit Psolaren erlaubt das Erzeugen multipler Identitäten auf Substratoberflächen.
  • 9 zeigt DNA-Sequenzen mit Identität (A), die kovalent auf die Silizium/Aluminium/Siliziumdioxid-Trägeroberfläche angeheftet wurden. Die Chipoberfläche wird zuerst mit Aminopropyltriethoxysilan(APS)-Reagenz zur Reaktion gebracht, was auf der Trägeroberfläche Aminogruppen für die Anheftung der DNA-Sequenzen bereitstellt. Die DNA-Einfangsequenzen (A) sind in ihrer terminalen Position mit einer Ribonukleosidgruppe funktionalisiert, die anschließend oxidiert wird, um eine aminreaktive Dialdehydgruppe zu bilden. Die DNA (A) Sequenzen können nun kovalent an die Aminogruppen auf der APS-funktionalisierten Trägeroberfläche gebunden werden. Zu illustrativen Zwecken zeigen die Figuren vier individuelle DNA-Stränge als eine Möglichkeit, vier potentielle Schreibidentitätsquadranten (auf die als Stellen in den Figuren Bezug genommen wird) darzustellen. In dem tatsächlichen Material befinden sich ~2,5 × 104 bis 2,5 × 105 DNA-Stränge pro Quadrant (die Quadrantgröße beträgt vorzugsweise ungefähr 250 Quadratnanometer).
  • 10 zeigt, dass der Schreibidentitätsprozess durch die Hybridisierung einer Psolaren-modifizierten (B) DNA-Sequenz Identität, die auch teilweise komplementär zu der (A) Einfangsequenz Identität ist, die in allen vier Quadranten (Stellen) vorhanden ist, initiiert wird. Die Psolarenmoleküle interkalieren in die hybridisierte Doppelstrang-DNA.
  • 11 zeigt eine UV-Maske, die nun verwendet wird, um Quadrant 1 zu blockieren, während die Quadranten 2, 3 und 4 exponiert sind. Die unmaskierten Quadranten (2, 3 und 4) werden mit Niedrigenergie UV-Licht (365 nm) bestrahlt. Die UV-Exposition bewirkt, dass die in die hybridisierte Doppelstrang-DNA interkalierten Psolaren-Moleküle die Stränge kovalent quervernetzen.
  • 12 zeigt die gesamte Oberfläche, die nun einem Dehybridisierungsprozess unterworfen wird. Die nicht quervernetzten (B) DNA-Sequenzen in Quadrant 1 werden entfernt, und lassen an dieser Position die DNA-Sequenzen der (A)-Identität zurück. Die Quadranten 2, 3 und 4 haben nun die (B) Identitäts-DNA-Sequenz an ihren Stellen.
  • 13 zeigt den Prozess, der nun mit einer DNA-Sequenz der Identität (C) wiederholt wird, die ein teilweises Komplement zur DNA der Identität (B) enthält, und die an die (B) Sequenz in den Quadranten 2, 3 und 4 hybridisiert wird.
  • Die 14 bis 18 zeigen im wesentlichen das Wiederholen der Prozesse, die in 9 bis 13 gezeigt sind. Wenn abgeschlossen, enthält das endgültige Material vier verschiedene DNA-Identitätssequenzen (A, B, c und D), wobei jede in einem unterschiedlichen Quadranten lokalisiert ist.
  • An diesem Punkt zeigt 19, wo man die Spezifität der vier DNA-Sequenzen (A, B, c und D) durch das Hybridisieren der vier fluoreszenzmarkierten komplementären Sequenzen an die Oberfläche überprüfen kann. Jeder Quadrant sollte nun seine spezifische Fluoreszenzfarbe erzeugen.
  • UV/Psolaren-Schreibprozess – Schritt 2
  • Der gegenwärtige Informations-UV-Schreibprozess (auf die vier DNA-Identitätsträger) wird durch ein anderes Maskierungs- und UV-Expositionsverfahren durchgeführt (siehe 20, 21 und 22). In diesem Fall wird eine höher energetische UV-Strahlung (254 nm) verwendet, um die DNA in den UV-exponierten Regionen unhybridisierbar zu machen. Wenn die DNA diesem höher energetischen UV-Licht ausgesetzt wird, dimerisieren die Thymidin-Basen innerhalb der DNA-Sequenz und verhindern das Auftreten jeder weiteren Hybridisierung. Dieses Verfahren kann demnach verwendet werden, um die individuellen Quadranten zu inaktivieren oder „sie abzuschalten". Wenn die fluoreszenzmarkierten komplementären DNA-Sequenzen an das Material hybridisiert werden, werden nur die Quadranten mit hybridisierbaren komplementären DNA-Sequenzen, die entsprechende Fluoreszenzfarbe besitzen. Das ist der Mechanismus, durch den Daten selektiv in DNA geschrieben werden können.
  • 20 und 21 zeigen das „Anschalten" der B und D Identitäten und das „Abschalten" der A und C Identitäten. Bevor der UV-Schreibprozess gestartet wird, sind die spezifischen A, B, C und D Sequenzen 1, 2, 3 und 4 in allen vier Quadranten hybridisierbar. Der Schreibprozess wird durch das Maskieren der Quadranten 2 und 4 initiiert und die Oberfläche wird der Hochenergie-UV-Strahlung (254 nm) ausgesetzt. Die Quadranten 1 und 3 werden nun wirksam inaktiviert oder durch die UV-Exposition unhybridisierbar gemacht, während die DNA-Sequenzen in 2 und 4 hybridisierbar bleiben.
  • 22 zeigt wie das Material nun mit den zu allen vier DNA-Identitäten komplementären, fluoreszierenden DNAs hybridisiert werden kann, jedoch werden nur die zu den B- und D-Identitäten komplementären, fluoreszierenden DNAs wirksam hybridisieren und die endgültigen Fluoreszenzfarben erzeugen. Mit dem abgeschlossenen UV-Schreibprozess hat das Material nun zwei verschiedene Fluoreszenzfarben in den B und D Quadranten und keine Fluoreszenzfarben in den A und C Quadranten.
  • Experimentelle Demonstration des Zwei-Farben-DNA-Schreibprozesses
  • Wir haben das Zweifarb-Schreiben durch das Verwenden des Psolaren/UV-Prozesses gezeigt. Der Ablauf der Prozesse und Schreibschritte ist unten im Text beschrieben. 23A & B, 24A & B und 25A & B zeigen die eigentlichen Photographien des Trägers und der Fluoreszenzschreibmaterialien. 27A, B & C und 28A, B und C liefern weitere schematische Beschreibungen des Prozesses.
  • Schritt 1: Die Oberfläche eines Kontrollchips (Siliziumdioxid/Aluminium/Silizium) wurde mit Aminopropyltriethoxysilan (APS) behandelt. 23A zeigt, dass die Chipoberfläche aufgrund des relativ niedrigen Levels von Hintergrundfluoreszenz grundsätzlich schwarz erscheint. 27A ist eine schematische Darstellung des Materials an diesem Punkt des Prozesses. Alle Photographien wurden unter Verwendung eines Jenalumar Epi-Fluoreszenzmikroskops, einer Hammamatsu Intensified CCD-Kamera, und des Argus Ten Imaging System gemacht.
  • Schritt 2: Die Oberfläche eines zweiten Kontrollchips (APS behandelt) wurde dann mit der DNA-Einfangsequenz der Identität (A), die die richtige Basenzusammensetzung für die folgende Psolaren-Quervernetzung enthält, zur Reaktion gebracht. Die DNA (A) Sequenz hat eine Ribogruppe am 3' Ende, die zu einem Dialdehyd oxidiert ist, das mit der Aminogruppe auf der Oberfläche reagiert, um die DNA kovalent anzuheften. 23B zeigt eine Photographie der Trägeroberfläche mit der vorhandenen DNA (A), aber ohne irgendeine fluoreszierende komplementäre DNA. Die Chipoberfläche erscheint aufgrund des relativ niedrigen Levels von Hintergrundfluoreszenz immer noch schwarz. 27B ist eine schematische Darstellung des Materials an diesem Punkt des Prozesses.
  • Schritt 3: Eine dritte Kontrollchipoberfläche, die mit APS behandelt wurde und an die die DNA (A) Einfangsequenz angeheftet ist, wird mit einer BODIPY Texas Red fluoreszenzmarkierten komplementären Sequenz hybridisiert. 24A zeigt, dass nun die gesamte Chipoberfläche eine intensive rote Fluoreszenz erzeugt. 27C ist eine schematische Darstellung des Materials an diesem Punkt des Prozesses.
  • Schritt 4: Ein vierter Chip wird mit APS behandelt und die DNA-Einfangsequenz der (A) Identität wird dann wie in Schritt 2 an die Oberfläche gebunden.
  • Schritt 5: Die komplementäre (B) Identitätssequenz, mit einem angehefteten Psolaren-Molekül, wird dann über die gesamte Oberfläche an die (A) Identitätssequenz hybridisiert.
  • Schritt 6: Eine Hälfte der Chipoberfläche wird maskiert, während die andere Hälfte Niedrigenergie-UV-Licht (365 nm) ausgesetzt wird. Das führt zu dem kovalenten Quervernetzen der (A) Identitäts-DNA-Sequenz mit der (B) Identitäts-DNA-Sequenz.
  • Schritt 7: Dann wird die Oberfläche mit einer 0,1 normalen Natriumhydroxydlösung behandelt, um die nicht quervernetzte DNA von der maskierten Seite des Chips zu entfernen (dehybridisieren). An diesem Punkt ist eine Hälfte des Chips mit der kovalent verbundenen (B) Identität bedeckt, und die andere Hälfte enthält die ursprüngliche DNA-Sequenz der Identität (A).
  • Schritt 8: Eine komplementäre DNA-Sequenz mit der Identität (A), die mit BODIPY Texas Red Fluoreszenzfarbstoff (Excitationsmaximum 595 nm und Emissionsmaximum 626 nm) markiert ist, wird nun an den Chip hybridisiert. Die komplementäre fluoreszierende DNA-Sequenz der (A) Identität hybridisiert nur auf der Hälfte der Chipoberfläche, die die (A) Identitäts-Einfangsequenz enthält (24B). 28A ist eine schematische Darstellung des Materials an diesem Punkt des Prozesses. Schritte 4 bis 7 werden auf einer fünften Chipoberfläche wiederholt.
  • Schritt 9: Eine mit dem BODIPY Orange Fluoreszenzfarbstoff (Excitationsmaximum 558 nm und Emissionsmaximum 568 nm) markierte, nur zu der Sequenz der Identität (B) komplementäre Sequenz wird dann über den gesamten Chip hybridisiert. Diese DNA-Sequenz hybridisiert nur an die Hälfte des Chips, die die (B) Identität enthält (25A). 28B ist eine schematische Darstellung des Materials an diesem Punkt des Prozesses.
  • Schritt 10: Eine Sequenz, die nur zu der (A) Identitätseinfangsequenz komplementär und mit BODIPY Texas Red Fluoreszenzfarbstoff markiert ist, wird an den fünften Chip hybridisiert. Wieder heftet sich diese fluoreszenzmarkierte DNA nur an die Hälfte des Chips, die die (A) Identität enthält. Der Chip enthält nun beide Identitäten mit ihren entsprechenden Farben (25B). 28C ist eine schematische Darstellung des Materials an diesem Punkt des Prozesses. Mit den Ergebnissen, die die ausschließliche Hybridisierung von zwei verschiedenen Sequenzen an zwei verschiedene Teile der Chipoberfläche zeigen (24B, 25A und 25 B) sind wir angemessen zuversichtlich, dass das obige Protokoll tatsächlich in der Lage ist, multiple Identitäten auf Siliziumträgeroberflächen zu erzeugen.
  • Experimentelle Demonstration der Bindung von 160 nm Nanosphären an einen Träger
  • 26A und 26B zeigen die Ergebnisse des Anheften DNA-derivatisierter, fluoreszierender 160 nm Nanosphären an eine DNA-derivatisierte Siliziumdioxidoberfläche. Die Nanosphären sind, im Gegensatz zu den DNA inaktivierten Teilen, mit der aktiven DNA an die Bildteile gebunden. Es wird angenommen, dass diese Bindung sowohl auf elektrostatische als auch auf Hybridisierungswechselwirkungen zurückzuführen ist.
  • Anwendungen von optischen Speichern niedriger Dichte
  • Eine Reihe wichtiger Anwendungen von optischen DNA-basierten Datenspeichern sind in Gebieten möglich, die die Eingliederung in Dokumente, Währungen, Etikette und andere Objekte betreffen. Die Verwendung von Fluoreszenzenergietransfer und Mechanismen, die auf chromophorer DNA basieren, für diese „Niedrig-Dichten" Anwendungen würde, aufgrund der extremen Schwierigkeit beim Versuchen solche Informationen oder Kodierungen zu fälschen, Vorteile gegenüber Strichcodes und anderen verwendeten Methoden haben.
  • Ein photoelektronisches optisches Speicherschreibsystem und Einheiten
  • DNA-Polymere können für viele photonische und elektronische Anwendungen verwendet werden. Eine der Hauptanwendungen, die DNA-Polymere verwendet, ist für optische Datenspeichermedien hoher Dichte. In dieser Anwendung absorbieren chromophore DNA-Polymere Lichtenergie bei einer einzelnen Wellenlänge und reemittieren bei vorherbestimmten multiplen Wellenlängen (siehe 45). In einem Aspekt bezieht sich diese Erfindung auf eine Methode, die photoelektronischer Schreibprozess genannt wird. Dieser Prozess schließt das Anwenden räumlicher Lichtadressierung auf ein photoaktives Trägermaterial ein, was mikroskopische elektrische Felder erzeugt, die dann den selektiven Transport und die Anheftung von geladenen, chromophoren (farbigen) DNAs an diese ausgewählten Stellen beeinflussen.
  • Ablaufprinzipien
  • Das Basisprinzip, das an dem photo/elektronischen Schreibprozess beteiligt ist, ist in 46A und 46B gezeigt. Der vorgeschlagene Schreibträger würde ein photoelektronisch aktiviertes Matrixmaterial (z. B. ein photokonduktiver Film) sein, auf den DNA-Polymersequenzen angeheftet würden. Jede dieser DNA-Sequenzen würde multiple Identitäten haben. Zu illustrativen Zwecken zeigt 46A drei photoaktivierte Stellen, die DNA-Sequenzen mit drei Identitäten (A, B und C) enthalten. Eine Lösung, die chromophore DNA mit komplementärer Identität (A') enthält, würde dann dem Trägermaterial ausgesetzt und eine über der Lösung und dem unteren Substratmaterial würde eine Gegenelektrode positioniert. Die spezifischen Mikrostellen auf dem Substratmaterial können nun durch räumliche Lichtbehandlung aktiviert werden, die dazu führt, dass an dieser Stelle in dem Material eine Ladung entsteht (siehe 46B). Das Erzeugen einer Ladung erzeugt in der Lösung ein elektrisches Feld, was zu der Anziehung von entgegengesetzt geladenen Molekülen zu der Stelle führt, oder Moleküle derselben Ladungsidentität abstößt. Natürliche DNA würde eine negative Nettoladung enthalten und wird zu einer positiv geladenen Stelle wandern. Synthetische DNAs können mit einer negativen Nettoladung, einer positiven Nettoladung oder in einem neutralen Zustand hergestellt werden. 46B zeigt die Lichtaktivierung der zentralen Mikrostelle 2, mit chromophorer DNA (A'), die zu dieser Stelle wandert und dann an die Stelle der DNA (A) Identitätssequenz bindet (hybridisiert). Wenn die elektrische Feldstärke hoch genug ist, ist der Transport und die Konzentrierung der DNA-Chromophoreinheiten extrem schnell und erfolgt in 1 bis 2 Sekunden.
  • Der Prozess zum Erzeugen multipler Farben an einer spezifischen Mikrostelle ist in den 46C bis 46F gezeigt. 46C zeigt eine Gruppe von sechs Mikrostellen, von denen jede ein DNA-Polymer mit A, B und C Sequenzidentitäten enthält (in diesen Figuren ist nur ein Fangstrang gezeigt). Räumliche Lichtadressierung der Positionen 1, 3 und 5 wird durchgeführt. Chromophore DNA A' Sequenzen (rot) werden transportiert, konzentriert und selektiv an diese Stellen hybridisiert. 46D zeigt den Prozess, der für die nächste chromophore DNA B' Sequenz (grün) wiederholt wird. Nun wird räumliche Lichtadressierung der Positionen 1, 3 und 4 durchgeführt. Chromophore DNA B' Sequenzen werden transportiert, konzentriert und selektiv an diese Stellen hybridisiert. 46E zeigt den Prozess, der für die nächste chromophore DNA C' Sequenz (blau) wiederholt wird. Nun wird die räumliche Lichtadressierung der Positionen 1, 3, 5 und 6 durchgeführt. Chromophore DNA C' Sequenzen werden transportiert, konzentriert und selektiv an diese Stellen hybridisiert. 46F zeigt das endgültige optische Material, welches nun, nachdem der Schreibprozess vollständig ist, die chromophore DNA A'/B'/C' (rot/grün/blau) an den Mikrostellen 1 und 3, chromophore DNA A'/C' (rot/blau) an Mikrostelle 5, chromophore DNA B' (grün) an Mikrostelle 4, chromophore DNA C' (blau) an Mikrostelle 6 und keine chromophore DNA (keine Farbe) an Mikrostelle 2 besitzt.
  • Zusätzlich zu der räumlichen Lichtaktivierung von photoleitfähigen Materialien existieren andere Alternativen. Zum Beispiel können Einheiten von Elektrodenanordnungen durch räumliche Lichtadressierung geschaltet werden. In noch einem anderen Beispiel können Elektrodenanordnungen durch Elektronik geschaltet werden.

Claims (20)

  1. Ein Verfahren für die Herstellung von elektronischen, photonischen oder optoelektronischen Einheiten im Mikromaßstab oder Nanomaßstab, welches die folgenden Schritte beinhaltet: a) Herstellen von ersten Einheiten im Mikromaßstab oder Nanomaßstab auf einem ersten festen Träger, b) Freisetzen von mindestens einer ersten Einheit von dem ersten festen Träger in eine Lösung, c) Anheften mindestens einer ersten spezifischen DNA-Polymersequenz an mindestens eine erste Einheit, d) elektrophoretisches Transportieren der freigesetzten ersten Einheit mit der angehefteten spezifischen DNA-Sequenz zu einem festen Host-Träger, und e) Anheften der ersten Einheit mit der angehefteten spezifischen DNA-Sequenz an eine definierte Stelle auf dem festen Host-Träger, wobei der feste Host-Träger zu der ersten spezifischen DNA-Polymersequenz auf der ersten Einheit komplementäre DNA-Polymersequenzen enthält, wobei die Anheftung die Hybridisierung der ersten spezifischen DNA-Polymersequenz auf der ersten Einheit und der komplementären DNA-Polymersequenz auf dem festen Host-Träger einschließt.
  2. Das Verfahren nach Anspruch 1 für die Herstellung von Einheiten im Mikromaßstab oder Nanomaßstab, worin die erste freigesetzte Einheit ein Laser oder ein Anzeigenelement ist.
  3. Das Verfahren nach Anspruch 2 für die Herstellung von Einheiten im Mikromaßstab oder Nanomaßstab, worin das Anzeigenelement ein aktives Anzeigenelement ist.
  4. Das Verfahren nach Anspruch 1 für die Herstellung von Einheiten im Mikromaßstab oder Nanomaßstab, worin der Schritt des Freisetzens der Einheit durch epitaxiales Abheben durchgeführt wird.
  5. Das Verfahren von Anspruch 4 für die Herstellung von Einheiten im Mikromaßstab oder Nanomaßstab, das ferner den Trocknungsschritt von mindestens dem festen Host-Träger und der angehefteten Einheit einschließt.
  6. Das Verfahren von Anspruch 1 für die Herstellung von Einheiten im Mikromaßstab oder Nanomaßstab, worin die Hybridisierung ein Verpfropfen ist.
  7. Das Verfahren von Anspruch 1 für die Herstellung von Einheiten im Mikromaßstab oder Nanomaßstab, das weiter die folgenden Schritte einschließt: Herstellen von zweiten Einheiten auf einem zweiten festen Träger, Wiederholen der Schritte b), c), d) und e) von Anspruch 1 mit den zweiten Einheiten, um die zweiten Einheiten auf dem festen Host-Träger oder der ersten Einheit anzubringen.
  8. Das Verfahren von Anspruch 1 für die Herstellung von Einheiten im Mikromaßstab oder Nanomaßstab, worin der erste feste Träger und der feste Host-Träger physikalisch verschiedene Strukturen oder getrennte Bereiche einer gemeinsamen Struktur sind.
  9. Das Verfahren von Anspruch 1 für die Herstellung von Einheiten im Mikromaßstab oder Nanomaßstab, worin die ersten freigesetzten Einheiten Emitter einschließen und die Host-Einheit eine Emitteranordnung ist.
  10. Das Verfahren von Anspruch 1 für die Herstellung von Einheiten im Mikromaßstab oder Nanomaßstab, worin die Einheit ein optischer Speicher ist.
  11. Das Verfahren von Anspruch 1 für die Herstellung von Einheiten im Mikromaßstab oder Nanomaßstab, welches, nachdem die erste Einheit an den festen Host-Träger angeheftet ist, den weiteren Schritt der Formung einer Struktur auf der ersten Einheit einschließt, worin die erste Einheit und die angeheftete Struktur zusammen eine photonische Bandlücken-Einheit bilden.
  12. Das Verfahren von Anspruch 1 für die Herstellung von Einheiten im Mikromaßstab oder Nanomaßstab, das weiter den Schritt des Ausbildens von Kontakten auf dem festen Host-Träger einschließt.
  13. Das Verfahren von Anspruch 12 für die Herstellung von Einheiten im Mikromaßstab oder Nanomaßstab, worin die Kontakte durch den Transport und das Anheften von leitfähigen Materialien auf dem festen Host-Träger gebildet werden.
  14. Das Verfahren von Anspruch 1 für die Herstellung von Einheiten im Mikromaßstab oder Nanomaßstab, worin der feste Host-Träger eine Hauptplatine einschließt.
  15. Das Verfahren von Anspruch 1 für die Herstellung von Einheiten im Mikromaßstab oder Nanomaßstab, worin die erste freigesetzte Einheit eine Halbleiter-Einheit, eine optoelektronische Einheit, eine elektronische Einheit, eine optische Struktur, eine elektrische Struktur, ein Nanokügelchen oder ein Nanopartikel ist.
  16. Das Verfahren von Anspruch 1 für die Herstellung von Einheiten im Mikromaßstab oder Nanomaßstab, worin der Transport durch die Verwendung eines elektrischen Feldes erreicht wird.
  17. Das Verfahren von Anspruch 16 für die Herstellung von Einheiten im Mikromaßstab oder Nanomaßstab, worin das elektrische Feld ein elektrisches Wechselstrom-Feld oder ein elektrisches Gleichstrom-Feld ist.
  18. Das Verfahren nach Anspruch 17 für die Herstellung von Einheiten im Mikromaßstab oder Nanomaßstab, worin das Anheften von der freigesetzten ersten Einheit an dem festen Host-Träger zumindest teilweise durch die Verwendung eines elektrischen Feldes erreicht wird.
  19. Das Verfahren nach Anspruch 1 oder 7 für die Herstellung von Einheiten im Nanomaßstab oder Mikromaßstab, worin der feste Host-Träger eine mikroelektronische Anordnung ist.
  20. Das Verfahren von Anspruch 14 für die Herstellung von Einheiten im Mikromaßstab oder Nanomaßstab, worin die Hauptplatine eine mikroelektronische Anordnung einschließt.
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