JP2010536033A - カンチレバーアレイのための、独立してアドレス可能な自己修正インク付け方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2008年5月21日に出願された米国特許仮出願第61/055,028号;2008年4月24日に出願された同第61/047,630号;および2007年8月8日に出願された同第60/954,732号に対して優先権を主張し、これらの開示内容全体は、参照により全体として本明細書に組み入れられる。
本明細書で記載した態様は、下記助成金の下で開発された:空軍科学研究局助成金第FA9550-08-1-0124および国立科学財団(NSF)、助成金番号EEC-0647560。政府は本発明において一定の権利を有する。
引用した参考文献は、本特許出願において後に列挙する。
本明細書では、インクをプリントまたは堆積させる方法、およびプリントのためにプリンタを準備する方法、ならびにプリントするための装置、かつ、プリンタを使用する、およびインク付けする方法を提供する。
本明細書で言及した出版物、特許出願、および特許は全て、参照により、図面、特許請求の範囲、実施例、および支援情報を含むその全体が、組み入れられる。
本明細書で引用した参考文献は全て、参照により、その全体が本明細書に組み入れられる。
チップおよびカンチレバーのアレイを含む、1つまたは複数のカンチレバー上に配置された1つまたは複数のチップからのパターニングを提供する器具を使用することができる。器具は、例えば、ディップペンナノリソグラフィーのために修飾されたAFM器具、または、ディップペンナノリソグラフィーを実施するために直接適合された同様の器具でありうる。器具は、例えば、NanoInk(Skokie IL)から入手することができ、例えば、NSCRIPTOR(商標)が挙げられる。
堆積のための表面を提供する様々な基材を使用することができる。基材は、当技術分野においてマイクロアレイを調製するために使用されるものでありうる。基材はポリマ、ガラス、セラミック、複合物、金属、半導体、酸化物、ケイ素、などでありうる。基材はモノリシック、ワンピースでありえ、または互いに配置された複数の層を含みうる。基材は無機または有機表面コーティングを含むことができる。自己組織化された単層を含む単層コーティングを使用することができる。表面は有機官能基または有機材料により官能化させることができる。例えば、基材は有機材料で修飾された無機材料表面を含むことができる。さらに、基材は無機材料に限定される必要はない。例えば、基材は、生体分子でありうる。
チップおよび基材表面は、パターニング組成物の堆積が起こり、材料がチップから表面に転写され、堆積物が形成されるように、互いに対し移動させることができる。場合によっては、堆積を促進するためにメニスカスが存在する可能性がある。チップは、堆積を望み通りに制御できるような位置にある。
チップの一次元または二次元アレイを使用することができ、それらはインクジェットプリントを用いてインク付けされるように適合させることができる。アレイはカンチレバーを含まないものでありえ、または複数のカンチレバーを含むことができ、カンチレバー上にはチップが配置される。いくつかの態様では、カンチレバーは少なくとも、一端にサポートを有し、他端にチップを有する。
パターニング組成物は、チップから基材表面への転写および堆積のために、またインクジェットプリントのためにも、製剤化し適合させることができる。組成物は、1つまたは複数の多糖、1つまたは複数のパターニング種、および1つまたは複数の化学的添加物を含む、2つ以上の成分を有することができる。パターニング組成物は、堆積過程を妨害する成分および成分の量を排除するように製剤化することができ、ここで、パターニング組成物は良好な結果を達成するのに必要とされる構成要素を含む。パターニング組成物は、堆積工程前にチップ上で、部分的に、または完全に乾燥させることができる。
インクジェットプリントは当技術分野において一般に公知である。インクジェットプリントの記載は、例えば、Madou, Fundamentals of Microfabrication, Chapter 3, CRC Press LLC(2002)において見出すことができる。インクジェットプリントを含む直接描画法は、例えば、連続モードインクジェットプリントおよびデマンドモード(ドロップオンデマンドを含む)インクジェットプリントを含む、第7章を含むDirect-Write Technologies, Sensors, Electronics, and Integrated Power Sources, Pique and Chrisey (Eds)(2002)において記載されている。また、流体分配ノズルを含むインクジェットプリントの記載、ならびにインクウェルに対する記載については、米国特許第7,034,854号も参照されたい。インク分配システムは、全体または一部において、1つまたは複数のマイクロメカニカルMEMS装置から構成されてもよく、ノズル、流体チャネル、ポンプ、および必要であれば制御電子回路が組み入れられる。
チップアレイおよびインクジェットプリントは、チップ上でのパターニング組成物の実質的な交差汚染を阻止するように適合させることができる。完全な阻止もまた達成することができる。これは、例えばチップが少なくとも100/cm2、または少なくとも500/cm2、または少なくとも1000/cm2、または実に少なくとも55,000/cm2のチップ密度で存在する態様を含む高密度チップアレイに対し特に重要でありうる。例えば、チップアレイは、チップの間隔を制御することにより適合させることができる。チップアレイはまた、異なる様式および位置で、互いに隣り合って配置されたチップの幾何学的形態により適合させることができる。チップの二次元アレイは、列間の間隔ならびに列内の間隔を調節することにより適合させることができる。1つの態様では、アレイは二次元アレイであり、1つの次元におけるチップの列に沿った約90μm未満の、および別の次元におけるチップ列の間の約90μm未満の、チップ間の間隔により特徴づけられる。
インクジェットプリントにより提供されるアドレス可能性に関係なく、インク付けの空間分解能は、インクジェットプリンタのアレイ内のペンとの位置合わせを制限する機械的ヒステリシス、ノズルのサイズ、偶発的な液滴形成の不一致、および表面上でのインクの広がりにより制限される可能性がある[19-21]。これらの問題を克服するために、化学的ウェッティングおよび表面修飾プロトコルに基づくインク滴の指向性の乾燥を可能にする自己修正インク付け戦略を開発することができる[12, 26, 27] (図5を参照されたい)。1つの態様は、チップ、例えば、角錐チップが残りの領域よりも親水性となる(またはチップはより疎水性にすることができる)ように、ペンを異方的に官能化するものである。異方的な官能化は、表面エネルギーの違いによりチップ上でのインク滴の局在化を促進することができる。異なる親水性の少なくとも2つの領域を分離する境界線を形成させることができる。チップアレイはカンチレバー上に配置することができ、チップおよびカンチレバーは、特別なチップ領域でのインク組成物の局在化を促進するように表面適合させることができる。チップは、チップ上でのパターニング組成物の局在化を促進するようにコートすることができる。これは、有機材料により修飾されていない表面を有するチップの代案である。インクジェットプリントは、チップの表面全体に配置されるように少なくとも1つの液滴を噴射する工程、続いて、乾燥により液滴を縮小させチップ上で局在化させる工程を含むことができる。
ソフトリソグラフィーおよび直接描画技術を含み、例えば、チップを用いたDPNプリンティングおよびスタンプを用いたマイクロコンタクトプリンティングを含む、接触プリンティング法は当技術分野において公知である。接触プリンティングでは、インクは、連続過程によるかまたは並行過程によるかに関係なく、コンタクトプリンタ表面から基材表面まで流れ、またはそうでなければ、堆積される。
材料および方法
材料
16-メルカプトヘキサデカン酸(MHA、90%)、1-オクタデカンチオール(ODT、98%)、およびエタノール(200アルコール度、HPLCグレード)をSigma-Aldrichから購入した。Ti(99.7%)およびAu(99.99%)ワイヤをAlfa Aesar, Ward Hillから購入した。リン脂質は全てAvanti Polar Lipids, Inc.から購入し、1,2-ジオレオイル-sn-グリセロ-3-ホスホコリン(DOPC)、1,2-ジオレオイル-sn-グリセロ-3-ホスホエタノールアミン-N-(リサミンローダミンBスルホニル)アンモニウム塩(ローダミン)、1,2-ジオレオイル-sn-グリセロ-3-ホスホエタノールアミン-N-(5-ジメチルアミノ-1-ナフタレンスルホニル)(ダンシル)、および1,2-ジオレオイル-sn-グリセロ-3-ホスホエタノールアミン-N-(カルボキシフルオレセイン)(フルオレセイン)が含まれる。
インクジェットプリントは、320pLの液滴を分配する85μm圧電制御ノズルを有するドロップオンデマンドマイクロディスペンサーシステム(Piezorray(商標)、Perkin Elmer, Inc., Waltham, MA)を使用して実行した。液滴の形成は、電圧およびパルス幅の分配条件(70V、40μsec)を調節することにより制御し、これらは、CCDカメラを使用して実時間でモニタすることができた。システムは環境チャンバに封入され、X-Y位置精度は25μmであった。インク溶液はエタノールに溶解したMHA(0.5〜10mM)、水に溶解したDOPCリン脂質(1wt%のフルオロフォア標識脂質を有する10g/Lの多重膜ベシクル)、および飽和MHA-アセトニトリル溶液を含んだ。
DPN実験を、100μmスキャナおよび閉ループ走査制御装置を備えたNScriptor(商標)(NanoInk, Inc., Skokie, IL)またはAFM(CP-III、Veeco/Thermomicroscopes, Sunnyvale, CA)を用いて実施した。DPNパターニング実験は全て、制御された環境(約40〜75%の相対湿度、20〜24℃)下で実行した。多結晶Au膜は、1Å/sの速度、<5×10-6Torrの基準圧で、SiOx上で5〜10nmのTiを、続いて25nmのAuを熱蒸着することにより調製した。
インクジェットプリントは、アレイ内で各ペンを独立してアドレスさせることが証明された。遠隔圧電制御ノズルを使用して、インクジェットプリンタは直接ピコ〜ナノリットルの体積のインクを各ペンに送達することができる。空中では、液滴直径は40〜100μmの範囲であるが、基材に衝突した場合数百μmまで増加する[19-22]。このインク付けプロトコルにより、多数の化学的に異なるインクを1Dまたは2Dペンアレイ内の各または数個のペンに送達させることができる。このアプローチを評価するために、図2Aに示すように、MHA/エタノール溶液(10mM、約320pLの液滴)で7-ペンの1Dアレイ内の1つおきのペンをアドレスし、コートすることができるか研究した。その後、このインクコートペンアレイをDPN実験で使用して、金薄膜基材上に4×4アレイの1.5μm直径のMHA特徴を作成した。露出した金のその後のエッチングにより、光学顕微鏡法により、より容易に特徴づけることができる隆起した特徴が残された;図2Bを参照されたい。4つのインク付けされたカンチレバーのみがパターンを生成したことに注目されたい。この実験により、150μm離間されたカンチレバーは交差汚染なしでアドレスされることが証明された。
Claims (109)
- 少なくとも1つのチップアレイを提供する工程;
互いに異なる少なくとも2つのパターニング組成物を提供する工程;
少なくとも2つの異なるパターニング組成物をチップの少なくともいくつか上にインクジェットプリントする工程;および
インクジェットプリントしたパターニング組成物の少なくともいくらかを基材表面上に堆積させる工程
を含み、前記チップアレイおよびインクジェットプリントが、チップ上のパターニング組成物の実質的な交差汚染を阻止するように適合される、方法。 - チップが少なくとも1,000/平方センチメートルのチップ密度で存在する、請求項1記載の方法。
- チップアレイが、チップの間隔を制御することにより適合される、請求項1記載の方法。
- チップアレイがチップの二次元アレイであり、かつ、各次元でのチップの間隔を制御することにより適合される、請求項1記載の方法。
- インクジェットプリントが、インクジェットプリンタのアレイに対する位置合わせを制御することにより適合される、請求項1記載の方法。
- インクジェットプリントが、チップ上にインクジェットプリントされるパターニング組成物の量を制御することにより適合される、請求項1記載の方法。
- 交差汚染の阻止が、交差汚染の量が約5重量%未満となるのに十分である、請求項1記載の方法。
- 実質的な交差汚染の阻止が顕微鏡法により測定される、請求項1記載の方法。
- チップアレイがカンチレバー上に配置され、該チップおよびカンチレバーが、インク組成物のチップ領域内での局在化が促進されるように表面適合される、請求項1記載の方法。
- チップアレイが二次元アレイである、請求項1記載の方法。
- チップアレイが、チップがその上に配置される複数のカンチレバーをさらに含む、請求項1記載の方法。
- チップアレイが約150μm未満のチップ間隔により特徴づけられる、請求項1記載の方法。
- アレイが二次元アレイであり、かつ、1つの次元におけるチップの列に沿った約90μm未満の、および別の次元におけるチップの列の間の約90μm未満の、チップとチップの間の間隔により特徴づけられる、請求項1記載の方法。
- チップが走査プローブ顕微鏡チップである、請求項1記載の方法。
- チップが原子間力顕微鏡チップである、請求項1記載の方法。
- チップ上にインクジェットプリントされるパターニング組成物の量が約500pLより少ない、請求項1記載の方法。
- 堆積が、少なくとも2つの異なるインク組成物を同時に堆積させることにより実施される、請求項1記載の方法。
- チップが、チップ上でのパターニング組成物の局在化が促進されるようにコートされる、請求項1記載の方法。
- インクジェットプリントが、チップが均一にコートされるように制御される、請求項1記載の方法。
- インクジェットプリントが、チップの表面全体に配置されるように少なくとも1つの液滴を噴射する工程、続いて、乾燥により液滴を縮小させチップ上で局在化させる工程を含む、請求項1記載の方法。
- 少なくとも1つのパターニング組成物を少なくとも1つのチップ上にインクジェットプリントする工程;および
インクジェットプリントされたパターニング組成物を基材表面上に堆積速度で堆積させる工程
を含み、インクジェットプリントのための条件が堆積速度を制御するように適合される、方法。 - 適合される条件が、チップ上にインクジェットプリントされるパターニング組成物の量を含む、請求項21記載の方法。
- 適合される条件が、チップ上にインクジェットされるインク滴の数を含む、請求項21記載の方法。
- 適合される条件が、均一なチップコーティングを提供するのに十分に、インク滴の数を増加させることを含む、請求項21記載の方法。
- 適合される条件が、パターニング組成物の濃度を含む、請求項21記載の方法。
- インクジェットプリントおよび堆積が、チップ上のパターニング組成物の量と輸送速度との間で直接の関係を生じさせるように実行される、請求項21記載の方法。
- チップがカンチレバー上に配置される、請求項21記載の方法。
- チップがチップアレイのうちの1つである、請求項21記載の方法。
- チップがAFMチップである、請求項21記載の方法。
- チップが走査プローブチップである、請求項21記載の方法。
- チップがナノスコピックチップである、請求項21記載の方法。
- チップが固体チップである、請求項21記載の方法。
- チップがカンチレバー上に配置される、請求項21記載の方法。
- インクジェットプリント後のチップが少なくとも約30日の保管寿命を有する、請求項21記載の方法。
- インクジェットプリントが、少なくとも1つの圧電制御ノズルを用いて実施される、請求項21記載の方法。
- チップがカンチレバー上に配置されて1つの構造を形成し、該構造がインクのチップ上への局在化を促進するように処理される、請求項21記載の方法。
- チップがカンチレバー上に配置されて1つの構造を形成し、該構造が、インクのチップ上への局在化を促進するために異なる親水性の少なくとも2つの領域が提供されるように処理される、請求項21記載の方法。
- チップがカンチレバー上に配置されて1つの構造を形成し、該構造が、インクのチップ上への局在化を促進するために異なる親水性の少なくとも2つの領域が提供されるように単層で表面処理される、請求項21記載の方法。
- チップの少なくとも一部が、親水性または疎水性にされる、請求項21記載の方法。
- チップが、チップの異なる部分で異なる親水性を有するように官能化される、請求項21記載の方法。
- 少なくとも1つのパターニング組成物を、少なくとも2つのチップを含む少なくとも1つのチップアレイ上にインクジェットプリントする工程;および
パターニング組成物をチップから基材表面上に堆積させ、複数の特徴を形成させる工程
を含み、インクジェットプリントのための条件がチップアレイにおける堆積速度の変動を制御するように適合される、方法。 - アレイが一次元アレイである、請求項41記載の方法。
- アレイが二次元アレイである、請求項41記載の方法。
- アレイが少なくとも1つのカンチレバーをさらに含む、請求項41記載の方法。
- チップの少なくともいくつかがカンチレバー上に配置される、請求項41記載の方法。
- チップ上にインクジェットプリントされるパターニング組成物がチップ上に実質的に同じ量で配置される、請求項41記載の方法。
- チップ上にインクジェットプリントされるパターニング組成物がチップから実質的に同じ拡散速度で堆積される、請求項41記載の方法。
- インクジェットプリント後のチップが少なくとも約1ヶ月の保管寿命を有する、請求項41記載の方法。
- チップが走査プローブ顕微鏡チップである、請求項41記載の方法。
- チップが原子間力顕微鏡チップである、請求項41記載の方法。
- チップが、有機材料により修飾されていない表面を含む、請求項41記載の方法。
- チップ上のパターニング組成物が、堆積時に実質的に同じ拡散速度を提供する、請求項41記載の方法。
- チップ上のパターニング組成物が約10%未満の拡散速度における標準偏差を有する、請求項41記載の方法。
- 特徴が約100nm〜約10μmである、請求項41記載の方法。
- 特徴が10nm〜約1μmである、請求項41記載の方法。
- 特徴のサイズが約10%未満の標準偏差を有する、請求項41記載の方法。
- パターニング組成物の拡散が、チップの官能化により制御される、請求項41記載の方法。
- チップが、インクジェットプリントされた組成物の局在化が促進されるように処理されている、請求項41記載の方法。
- チップが、より親水性となる、またはより疎水性となるように処理されている、請求項41記載の方法。
- チップがカンチレバー上に配置され、かつ、チップおよびカンチレバーの両方が、チップ上のインクジェットプリントされた組成物の局在化が促進されるように処理されている、請求項41記載の方法。
- 少なくとも1つのパターニング組成物を少なくとも1つのアレイ内の少なくとも1つのチップ上にインクジェットプリントする工程を含み、該チップが、チップ上のパターニング組成物の局在化が促進されるように処理されている、方法。
- チップが、より親水性となる、またはより疎水性となるように処理されている、請求項61記載の方法。
- チップがカンチレバー上に配置される、請求項61記載の方法。
- チップがカンチレバー上に配置され、かつ、該カンチレバーおよびチップが、チップ上のインクジェットプリントされた組成物の局在化が促進されるように処理される、請求項61記載の方法。
- チップが単層で処理される、請求項61記載の方法。
- チップがチップの周りの領域よりも、実質的により親水性である、請求項61記載の方法。
- チップがチップの周りの領域よりも、実質的により親水性ではない、請求項61記載の方法。
- チップがカンチレバー上に配置され、かつ、該カンチレバーがチップよりも親水性である、請求項61記載の方法。
- チップがカンチレバー上に配置され、かつ、該カンチレバーがチップよりも疎水性である、請求項61記載の方法。
- 異なる親水性を提供する処理が、異方的な官能化により作製される、請求項61記載の方法。
- チップがリソグラフィーを含む方法により処理されている、請求項61記載の方法。
- チップが、チップを膜でコートすることを含む方法により処理されている、請求項61記載の方法。
- チップがカンチレバー上に配置され、かつ、該カンチレバーの後側がさらに官能化される、請求項61記載の方法。
- チップが原子間力顕微鏡チップである、請求項61記載の方法。
- チップがナノスコピックチップである、請求項61記載の方法。
- アレイが一次元または二次元アレイである、請求項61記載の方法。
- インクジェットプリントが、約100μmまたはそれ未満の直径を有するノズルにより実施される、請求項61記載の方法。
- 使用されるチップアレイおよびインクジェットプリントが、チップ上の複数のパターニング組成物の実質的な交差汚染を阻止するように適合される、請求項61記載の方法。
- チップアレイが、チップの間隔を制御して実質的な交差汚染を阻止することにより適合されて使用される、請求項61記載の方法。
- インクジェットプリントが、インクジェットプリンタの位置合わせを制御することにより適合される、請求項61記載の方法。
- コンタクトプリンタ表面を提供する工程;
少なくとも1つのパターニング組成物をコンタクトプリンタ表面上に配置する工程;および
コンタクトプリンタ表面から基材に、配置したパターニング組成物の少なくともいくらかを堆積させる工程
を含み、コンタクトプリンタ表面が、パターニング組成物の表面上の所望の位置への局在化が促進されるように処理される、方法。 - 配置工程がインクジェットプリントにより実行される、請求項81記載の方法。
- コンタクトプリンタ表面が、ソフトリソグラフィー法のために適合される、請求項81記載の方法。
- コンタクトプリンタ表面が、マイクロコンタクトプリンティングのためのスタンプ表面である、請求項81記載の方法。
- コンタクトプリンタ表面が、直接描画堆積のためのチップである、請求項81記載の方法。
- コンタクトプリンタ表面がカンチレバーアレイを含む、請求項81記載の方法。
- コンタクトプリンタ表面がカンチレバーアレイを含み、該カンチレバーがその上にチップを含む、請求項81記載の方法。
- コンタクトプリンタ表面がカンチレバーアレイを含み、該カンチレバーがその上にAFMチップを含む、請求項81記載の方法。
- コンタクトプリンタ表面がナノスコピックチップである、請求項81記載の方法。
- コンタクトプリンタ表面が走査プローブチップである、請求項81記載の方法。
- コンタクトプリンタ表面が開口を含む、請求項81記載の方法。
- コンタクトプリンタ表面が開口を含む細長いビームを含む、請求項81記載の方法。
- コンタクトプリンタ表面が固体チップである、請求項81記載の方法。
- コンタクトプリンタ表面がAFMチップである、請求項81記載の方法。
- コンタクトプリンタ表面が、異なる親水性を有する2つの領域の間の境界線を境にして局在化を促進する、請求項81記載の方法。
- コンタクトプリンタ表面が、チップ上のパターニング組成物の局在化を促進するように処理されているチップを含む、請求項81記載の方法。
- コンタクトプリンタ表面が二次元チップアレイを含む、請求項81記載の方法。
- コンタクトプリンタ表面が、少なくとも3,000チップ/平方センチメートルのチップ密度を有する二次元チップアレイを含む、請求項81記載の方法。
- 配置工程が、インクジェットプリント工程であり、コンタクトプリンタ表面がその上にAFMチップを有するカンチレバーアレイを含む、請求項81記載の方法。
- 配置工程が、インクジェットプリント工程であり、コンタクトプリンタ表面がその上にAFMチップを有するカンチレバーアレイを含み、該アレイが約100μm未満のチップ間隔を有する、請求項81記載の方法。
- その上にチップを有するカンチレバーアレイを含み、該カンチレバーおよびチップがチップ上に堆積されたインクジェット滴の局在化を促進するように適合される、装置。
- 局在化が、親水性-疎水性境界の使用により促進される、請求項101記載の装置。
- チップがAFMチップである、請求項101記載の装置。
- アレイが二次元アレイである、請求項101記載の装置。
- アレイが、インクジェットプリントにより堆積されたパターニング組成物の交差汚染を阻止するように適合されたカンチレバー間隔を有する、請求項101記載の装置。
- チップがエラストマーチップである、請求項101記載の装置。
- チップが固体チップである、請求項101記載の装置。
- チップが万年筆チップである、請求項101記載の装置。
- インクウェルを提供する工程、
少なくとも1つのパターニング組成物をインクウェル表面上に配置する工程
を含み、インクウェル表面が、パターニング組成物の表面上の所望の位置への局在化を促進するように処理される方法。
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