CN1332270C

CN1332270C - 利用超分子的自组装和金属化合物着色制备碳纳米管芯片和生物芯片的方法

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Publication number: CN1332270C
Application number: CNB2004100462863A
Authority: CN
Inventors: 郑喜台; 郑大焕; 权起暎; 李修林; 崔度桓
Original assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST
Current assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST; Korea Institute of Science and Technology KIST
Priority date: 2003-06-05
Filing date: 2004-06-04
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2024-06-04
Also published as: US20040245209A1; KR20040105319A; KR100549103B1; CN1601383A; JP3951141B2; JP2005049334A

Abstract

本发明涉及一种生成碳纳米管(CNT)纳米芯片的方法，其包含下述步骤：在基底上生成超分子薄膜，其中基底上沉积有CNR合成所用的金属催化剂，通过退火来诱导超分子的自组装从而形成规则结构，利用金属化合物对所形成的规则结构进行选择性着色，然后蚀刻金属化合物着色的薄膜以形成纳米尺度或者更小尺度的图形，采用所形成的金属化合物对超分子进行染色，利用染色后的超分子纳米图形来形成金属催化剂的纳米图形，并在所形成的金属催化剂图形上纵向生长碳纳米管(CNT)s，本发明还涉及制备生物芯片的方法，其包括将生物受体与所制备的CNT芯片相连接。

Description

利用超分子的自组装和金属化合物着色制备碳纳米管芯片和生物芯片的方法

技术领域

本发明涉及一种制备制备碳纳米管(CNT)纳米芯片的方法，其包含下述步骤：在基底上生成超分子薄膜，通过退火来诱导超分子的自组装从而形成规则图形，利用金属化合物对所形成的规则图形进行选择性着色，然后蚀刻金属化合物着色的薄膜，从而形成纳米尺度的或者更小尺度的金属催化剂图形并在所形成的金属催化剂图形上纵向生长碳纳米管(CNT)。本发明还涉及一种制备生物芯片的方法，该方法包含将生物受体与上述制备的CNT芯片相连接的步骤。

背景技术

目前，表面图形的形成已经使用聚合物薄膜作为光刻胶通过光刻技术来实现了。但是采用这种方法来制备纳米尺度的、高度精确的图形却遇到了许多困难，这是因为受到能够使用的光波波长的限制，以及受到适于这类光波波长的设备和技术的限制，同时还受到聚合物本身分辨率的限制。

从1990年开始，已经在光刻技术中尝试采用新的光刻胶，并尝试采用更短波长的光波来增加图形的分辨率。此外，一种全新概念的作图技术，例如采用软蚀刻的纳米作图技术已经开始出现。这类技术具有作图便宜并且能够连续操作的优点。然而，其分辨率极限在约100nm的水平，并且很难再增加它的分辨率水平，因此使得整体密度(integration density)增加。

此外，韩国专利No.KR 10/263671B1公开了一种利用超分子作为作图材料来生成纳米尺度的精细图形的方法。在该方法中，使用了一种附加的缓冲层来确保精细图形的厚度处于沟槽(groove)内，该缓冲层为过度蚀刻提供了一定的边缘，同时为了减小沟槽的尺寸在缓冲层上还形成了隔片(spacer)。然而，处理步骤非常多，图形尺寸在几十纳米的水平。

韩国专利No.KR 2002-0089528A公开了一种小尺度的、自组装的结构来形成广泛应用于微电子工业上的器件(devices)。该申请中公开的自组装方法提供了一种与表面联合来形成芯片的能力，但是其本身却无法在表面的边界内通过自组装来确定形成器件材料的位置。因此，为了在表面的边界内形成器件需要有单独的定位技术，在自组装方法中采用了适宜的定位技术来形成一种能够在整合电路中作为单独部分的结构。这种定位技术能够通过光刻来确定结构的边界，指导生成方法或者其它定位技术，从而通过自组装来形成有图形基底并在基底上装配器件。

自组装的结构能够与通过传统的化学或物理沉积技术(depositiontechnique)生成的结构进行结合，并且整合电路能够包含整合的光学部件。可利用纳米颗粒的分散来生成自组装的结构，其中所需要的结构是通过对物质表面条件以及温度和浓度条件进行调节来获得的。使用一端与基底表面结合、另一端与纳米颗粒化学结合的连接子(1inker)，利用该连接子能进行选择性连接，从而导致纳米颗粒的自组装过程。

另一种选择性连接方法是使用自然的相互作用(natural interaction)，例如利用静电或者化学相互作用来完成纳米颗粒的自组装过程，其中纳米颗粒沉积在微孔中，从而使得它们被定位在多孔区域定义的边界内。在某些材料中也能发现所述的微孔，例如无机氧化物或者二维有机晶体，适宜的微孔也可以通过诸如离子研磨或者化学蚀刻来生成。然而，该方法具有下述缺点：其过程复杂，并且图形间的距离仍在几十至一百纳米的水平。

另外，韩国专利No.2003-0023191A还公开了一种利用自组装的单分子层来生成纳米尺度的超细图形的方法。该方法包括下述步骤：在基底上生成具有取代末端基团的芳香亚胺的分子层，选择性结合及切割芳香亚胺分子层的取代基团，水解所得的芳香亚胺分子层，由此使得图形可在短时间内形成。然而，本方法制备的图形尺度仍保持在几十纳米的水平。

此外，还有关于浸沾笔纳米光刻术(dip-pen nanolithography)的报道，其中将原子力显微镜的针尖浸上对固态基底具有化学亲和性的表面活性剂分子，从而在基底上形成纳米图形，这类似于笔尖用墨水在纸上书写的过程(Piner，R.D.et al.，Science，283：661，1999)。该项技术有很大的优点：采用超尖锐的探针，能够得到小至5nm特定分辨率的高分辨率图形。然而，该项技术中，图形必须在一系列过程中分别生成，为了得到所需的图形需要很长的时间，因此难于将该项技术直接应用于大规模的生产中。

如上所述，尽管可应用多种方法，包括利用紫外光和X-射线的光刻和蚀刻的方法，但是生成小于100nm的图形就已达到了极限。为了解决这一问题，目前广泛研究的自下而上的方法(bottom-up methods)开始代替现有的自上而下的方法(top-down methods)。

自下而上的方法是利用分子的自组装来形成微观结构，在这种基础技术中，已知下述方法：利用扫描电镜来分析超分子的微观结构的方法(Hudson，S.D.et al.，Science，278：449，1997)，一篇文章证实说，超分子的取向根据基底的表面性质进行变化(Jung，H.T.et al.，Macromolecules，35：3717，2002)。然而，该出版物仅描述了超分子的微观结构分析以及超分子的取向。

此外，还有利用嵌段共聚物(block copolymers)来制备小于100nm的图形，例如采用嵌段共聚物来形成规则图形的方法以及利用金属化合物着色来形成点状图形(dot-shaped pattern)的方法(Park，M.et al.，Science，276：1401，1997)。然而，采用上述方法制备的图形仍然在几十纳米或更大尺度的水平，这是由于它们依赖共聚物的分子链。而且，采用嵌段共聚物存在下述问题：所形成图形的纵横比不大，薄膜的结构复杂，并且不容易给出针对薄腹的结构取向。

同时，在现今的研究中，微芯片蛋白芯片对诊断蛋白体学具有重要作用。在基底表面的多肽芯片上运用光刻的早期芯片技术(US 5,143,854)近来已被多种方法尝试使用。特别是，在包括抗原-抗体对以及酶联免疫吸附检测在内的多种免疫检测中进行开发微芯片的重要性正在逐渐增加。

但是，却不容易使蛋白质芯片比DNA芯片更小、或者将蛋白质芯片整合进或排列到一实质格式(substantial format)中来增加敏感性。也就是，DNA寡核苷酸的晶格图形可利用光刻技术在基底表面制备，但是对于包含几百个氨基酸的蛋白质来说，为了精确诊断疾病，在基底表面需要具有更高密度的更加高度整合的晶格图形(例如，一个抗体必须有约1400个氨基酸)。但是要满足这一要求并不容易。

另一问题是，在变性条件下对蛋白质进行操作很容易破坏它们的三维结构(Bernard，A.et al.，Anal.Chem.，73：8，2001)，因而使得对蛋白的操作具有许多困难。

对上述问题的解决依赖于：在不丧失三维结构的情况下，蛋白质将以多高的分辨率被排列。对于这一问题，有很多解决方案，迄今已经提出了喷墨印、即需即印技术、微接触印刷术、以及IBM采用的软光刻技术等。但是，采用这些方法形成的芯片仍具有几十微米至几毫米的空隙，并且未能开发出能够使活样品(real-life samples)高密度整合并同时保持蛋白质三维结构的诊断蛋白质纳米芯片。

由于CNT具有良好的结构钢性、化学稳定性、能够作为具有半导体性能或者金属性能的理想的一维(1D)“量子线”、具有很大的纵横比、以及内部空置(empty interior)，因此可以将CNT广泛用作平面显示器、晶体管、能量池(energy reservoirs)等基础材料，以及用作多种纳米尺度的传感器。

利用已知的CVD合成方法的CNT生成方法包括：首先将Fe，Ni，Co或者这三种金属的合金沉积(depositing)在基底上作为金属催化剂，然后用水稀释的HF蚀刻沉积的基底，将样品放置于石英舟上，接下来将石英舟插入CVD设备的反应器(reactor)后，再进一步利用NH₃气体在750～1050℃蚀刻金属催化剂薄膜以形成纳米尺度的精细金属催化剂颗粒。由于CNT在精细金属催化剂颗粒上生成，因此在CVD合成方法中形成精细金属催化剂颗粒就是一个重要的步骤。但是，在该方法中，不可能将金属催化剂排列成具有规则间距的图形化形式。因此，为了以规则的间距纵向排列CNT，对金属催化剂进行排列是非常重要的。

为了解决这一问题，已有报道采用电子束光刻(e-beam lithography)在镍催化剂芯片上生长CNT(Li，J.et al.，Nano Letter， 3；597-602，2003)。但是，将这种方法应用于大尺度的基底以及大规模的制备时则有许多限制。

最近，已经进行了很多研究来检测蛋白质-蛋白质以及蛋白质-配体之间的反应，这些检测是通过将生物材料固定于CNT后的电化学变化来进行的(Dai，H.et al.，ACC.Chem.Res.，35：1035-44，2002；Sotiropoulou，S.et al.，Anal.Bioanal.Chem.，375：103-5，2003；Erlanger，B.F.et al.，Nano Lett，1：465-7，2001；Azamian，B.R.et al.，JACS，124：12664-5，2002)。

采用CNT用作生物芯片之所以会吸引公众注意力，是因为如下原因：首先，它不需要标记；其次，它对于电子或者电化学信号的变化具有高度敏感性；第三，由于其具有化学功能基团，因此它能够在水溶液中反应而无需使蛋白质变性(deterioration)。将生物系统应用于良好排序并且是新纳米材料的CNT中，这将分别在疾病诊断(遗传性疾病)、蛋白质组学以及纳米生物技术等各领域产生重要的融合技术。

此外，最近还出现了许多CNT在生物工程领域的应用。这暗示可将CNT应用于生物芯片，例如葡萄糖生物传感器、检测蛋白质、以及检测某一DNA序列等(Sotiropoulou，S.et al.，Anal.Bioanal.Chem.，375：103-5，2003；Chen，R.J.et al.，Proc.Natl.Acad.Sci.USA，100：4984-9，2003；Cai，H.et al.，Anal.Bioanal.Chem.，375：287-93，2003)。目前，检测生物芯片反应结果的最普遍的方法是采用常规的荧光物质以及同位素(Toriba，A.et al.，Biomed.Chromatogr.，17：126-32，2003；Syrzycka，M et al，Anal.Chim.Acta，484：1-14，2003 ； Rouse，J.H.et al.，Nano Lett.，3：59-62，2003)。但是，由于正在尝试进行容易、精确地检测电子以及电化学信号的新方法，因此对作为新材料的CNT的需求在逐渐增加。

制备高密度的CNT多模式(multiplayer)、连接其上的DNA并检测互补DNA的方法可用于基因型、突变检测、病原体鉴别以及类似领域。已有报道说，将PNA(肽核酸：DNA类似物)位置特异性地固定在单壁CNT上，检测到它对探针DNA的互补性结合(Williams，K.A.et al.，Nature，420：761，2001)。还有-实例叙述了利用电化学方法将寡核苷酸固定到CNT芯片上，并通过鸟嘌呤的氧化来检测DNA(Li，J.et al.，Nano Lett，3：597-602，2003)。但是，这些方法并未提供将CNT用于制备和开发生物芯片。

最近公开了一种利用CNT的高容量(high capacity)的生物分子检测传感器(WO 03/016901 A1)。该篇专利公开了一种多通道型(multi-channel type)的生物芯片，它是利用化学连接子并连接多种类型的受体，将CNT排列在基底上而制备得到的。但是，它具有对环境变化相对较弱的缺点。

发明内容

因此，本发明人进行了细致的研究，开发出一种较简单的形成几个纳米尺度的超高密度图形的方法，本发明人采用超分子的自组装和选择性的金属化合物着色、并在所形成的图形上纵向生长CNT的方法生成了几纳米或者更小尺度的金属催化剂图形，从而制备CNT芯片并完成本发明。

本发明的目的在于提供一种制备CNT芯片的方法，其包括下述步骤：利用超分子的自组装和选择性金属化合物着色来生成金属催化剂，并在金属催化剂的纳米图形上来排列CNT。

本发明的另一目的在于提供一种制备生物芯片的方法，其包括将生物受体连接到采用上述方法制备的CNT芯片上。

附图说明

图1是超分子自组装过程的示意图。图1a描述于盘形树枝状化合物(1)和扇形超分子(2)自组装成圆柱状结构(3)然后排列成三维六边形结构(4)。图1b描述了锥形分子(5)被自组装为球形结构(6)并排列成三维规则结构(7)；

图2是形成用于制备本发明生物芯片的纳米图形和CNT芯片的步骤的示意图；

图3显示了在生长的CNT末端引入羧基基团并移去顶帽(cap)的步骤的示意图；

图4显示了超分子自组装成六角柱形规则结构的透射电镜图；

图5显示了根据本发明生成的纳米图形的扫描电镜图。

具体实施方式

为了完成上述目的，本发明提供了一种生成碳纳米管(CNT)内米芯片的方法，其包含下述步骤：(a)将Fe，Ni，Co或者这三种金属的合金在基底上形成金属催化剂薄膜；(b)在金属催化剂薄膜上诱导自组装来形成超分子薄膜；(c)通过退火来自组装超分子以形成规则结构；(d)用金属化合物对所形成的规则结构进行选择性着色；(e)通过蚀刻移去没有被金属化合物染色的部分，其中将金属化合物染色的薄膜用作掩膜(mask)，从而形成被金属化合物染色的超分子纳米图形；(f)利用超分子纳米图形作为掩膜，通过离子研磨来形成金属催化剂的纳米图形；以及(g)在金属催化剂超分子的纳米图形上纵向排列CNTs。

在本发明的一个实施例中，具有下述式(1)的化合物被用作超分子，但是任何自组装的超分子都可不受限制地被使用。

(式I)

自组装的超分子的例子包括盘形树突状化合物(1)、扇形超分子(2)、杆状链形或者锥形分子(5)。扇形超分子的例子包括下式(2)结构的化合物，盘形超分子的例子包括下式(3)的化合物，锥形超分子的例子包括下式(4)的化合物：

(式2)：

(式3)：

(式4)：

这些超分子通过诸如范德华力等物理次级键来形成规则结构，而不象由单聚体形成多聚体需要共价键结合。这类超分子在适宜的温度或者浓度、或外部磁场或电场等条件下自组装成某些精细结构。用于本发明的式(1)的超分子与扇形树突状化合物相对应。如图1a所示，这种扇形树突状化合物能自组装成盘形结构(I)，然后组装为圆柱状结构(3)，最后形成三维六角形结构(4)。此外，如图1b所示，锥形超分子(5)被自组装为球形(6)，然后排列成三维规则结构(7)。

在本发明中，步骤(b)中的薄膜优选通过旋转涂布、摩擦(rubbing)的方法来形成，或者通过溶液扩散而在水面形成薄膜；上述步骤(c)中的退火优选对所用超分子采用高于它们的液晶转换温度进行加热，然后再缓慢冷却的方法进行。此外，在上述步骤(d)中的金属化合物着色优选利用四氧化钉(RuO₄)对薄膜的中间部分进行选择性着色，步骤(e)优选利用反应离子蚀刻方法进行。

在本发明中，可利用本领域公知的CNT生长方法在基底的纳米图形上形成CNT，但是优选CNT通过等离子化学气相沉积、热化学气相沉积(thermalchemical vapor deposition)、电泳或者机械方法在基底上纵向生长CNTs(韩国专利No.KR 2002-0001260A)。

本发明还可以包含利用等离子体(plasma)处理纵向合成的CNT芯片末端从而暴露羧基基团的步骤。在该方法中，用等离子体处理CNT芯片末端暴露的羧基基团后，可与多种生物受体进行化学连接。

另一方面，本发明提供了一种制备生物芯片的方法，其中生物受体与采用上述方法制备的CNT芯片相连接，所述生物受体选自蛋白质、肽、氨基酸、DNA、PNA、酶底物、配体、辅助因子、碳水化合物、脂类、寡核苷酸、以及RNA。

在该方法中，将生物受体与CNTs连接的步骤可通过下述步骤实现：将与生物受体的净电荷具有相反极性的电荷用于CNTs上(KR 2003-0014997A)，或者利用结合辅助物来完成。结合辅助物优选是在碳基团末端连有醛、胺或亚胺基团的化学物质。

在本发明中，提供了一种制备生物芯片的方法，其包括通过酰胺键使具有氨基基团(NH₂)的生物受体与上述的末端羧基基团裸露的CNT芯片相连接的步骤。在本发明中为生成酰胺键优选使用偶联剂以及偶联辅助物(couplingaid)。

诸如蛋白质、肽、以及氨基酸等生物受体本身分别具有等电点，根据离子强度或者溶液的pH值不同可具有中性离子、阴离子或者阳离子的净电荷。而且，通过调节溶液的条件来调节所述生物受体和具有某种电荷的CNTs之间的静电相互反应以及疏水相互反应，可在芯片的所需位置上移动或者排列相同或者不同种类的生物受体。

在另一个实施例中，本发明提供了生物芯片，其中的生物受体与上述CNT芯片相连接，所述生物受体选自蛋白质、肽、氨基酸、DNA、PNA、酶底物、配体、辅助因子、碳水化合物、脂类、寡核苷酸、以及RNA。

根据本发明，可应用电场将蛋白质特异性的受体与芯片上的CNT纳米芯片选择性连接，其中所述蛋白质特异性的受体与疾病相关的靶蛋白选择性连接。能够与多种靶蛋白相互反应的生物受体还可利用与CNTs彼此具有不同电荷的电场来与CNTs选择性连接，其中的靶蛋白涉及多种疾病。因此，可能通过一步快速、大量地在一个芯片上诊断多种疾病。

本文所用的术语“生物纳米芯片”被定义为包括生物芯片和生物传感器，其中与生物材料连接或反应的生物受体与纳米图形相连接。

下面将对本发明进行详细描述。

在本发明中，在基底上形成Fe，Ni，Co，或者这三种金属催化剂的合金来作为金属催化剂，利用热沉积、电子束沉积、测位仪(spotter)等在基底上纵向生长CNT。利用本文描述的超分子纳米图形将所形成的金属催化剂薄膜排列为金属催化剂芯片(图2)。

根据本发明的一个优选实施例，首先将超分子以1-wt％的浓度溶解于四氢呋喃(THF)溶剂中，然后将所得的溶液施用于基底上以形成超分子薄膜。优选使用旋转涂布、摩擦(rubbing)的方法来形成超分子的薄膜、或者通过溶液扩散在水面上形成薄膜。在本实施例中，采用硅晶片作为基底，并将用作金属催化剂Fe，Ni，Co，或者这三种金属催化剂的合金沉积到硅晶片上，并且未对基底表面进行修饰(图2a)。

然后，将超分子加热至高于它们的液晶相变温度，使它们进行自组装。由于本发明使用的超分子的液晶相变温度约为230℃，因此将其加热至240℃然后缓慢冷却。这样，超分子自组装成柱形微观结构(图2b)。

现在要对本发明优选实施例中利用退火使超分子自组装的过程进行描述。

可通过退火来对超分子的性质进行修饰，适于退火的起始材料包括高温分解制备的超分子。用作起始物质的超分子还可在不同的条件下进行至少一次预热的步骤。对激光高温分解形成的超分子进行预热处理能增强其结晶性，并能除去诸如碳原子等杂质，还可能通过与另外的氧或来自气态或非气态化合物原子的结合来改变其化学计量。超分子优选在能提供均匀加热的烤炉中进行加热。处理条件通常很温和，从而不会产生大量的烧结颗粒。因此，加热温度优选低于起始物质和产物的熔点。如果热处理涉及组合物的变化，即使在温和的加热温度下分子的尺寸和形状也会变化。

自组装的结构在材料/基底的表面上或者在表面内生成。自组装结构以定向的岛状(positioned islands)形式定位在边界内，每个结构都能作为电路的一个元件或者具有多个元件的组合器件。尤其是，每个结构可以是整合电路的一个元件，该元件的例子包括电子零件、光学器件以及光子晶体。

为了在预先确定的边界内形成结构，需要对结构的边界进行界定，并需要单独的自组装步骤，从而形成自组装结构。界定结构边界的步骤中使用了一种外力来界定结构边界。通常不可能通过自组装步骤本身来界定结构边界。当结合了组合物/材料后，其自组装是基于组合物/物质的天然功能(natural sensing function)，从而在所得结构中产生了自然排序。通常，尽管定向步骤可在自组装步骤之前或之后完成，但处理步骤的特性也能预示着某些排序。净效应导致一个具有边界内区域的自组装结构，其中该区域被纳米颗粒所覆盖，而边界外的区域却并未被纳米颗粒所覆盖。界定边界的过程与自组装步骤相连接，需要在边界内活化自组装的步骤、或者在边界外区域使区域失活。通常，为完成活化步骤或者失活步骤，必须运用外力。

可利用透射电镜来对基底上超分子组装成了规则结构进行确认。采用与本发明所述相同的条件来制备样品，利用透射电镜拍摄的样品的照片如图4所示。图4的照片显示，超分子自组装为六角柱形的规则结构。

现在将描述本发明利用金属化合物对自组装超分子的规则结构进行着色的一个优选实施例。

首先，将RuO₄溶液和用超分子薄膜包被的基底放置在玻璃容器中，并且溶液与基底不要直接接触。在该过程中，当RuO₄溶液中的Ru金属扩散进气相中时，基底上的超分子薄膜被Ru金属所着色。着色的Ru金属与薄膜的某些部分发生选择性的化学反应。

尽管本发明中使用了RuO₄，但是本发明中也可以使用四氧化锇(OsO₄)或者其它能够对超分子形成的结构进行选择性着色的金属化合物。

根据本发明的一个优选实施例，由于被超分子薄膜包被的基底需要进行金属化合物着色步骤并且进行接下来的蚀刻步骤，因此基底上超分子薄膜的一部分将被除去，从而最终得到纳米图形器件。在这一蚀刻步骤中，可以不受限制地使用半导体设备制备过程中的任何常规方法(图2c)。例如，可利用诸如KCN-KOH混合溶液或者HF水溶液等蚀刻溶液、或者通过反应离子蚀刻(RIE)来完成蚀刻步骤。

在实施例中，最终在基底上形成金属催化剂的纳米图形，其中采用以所形成的金属化合物染色的纳米图形作为掩膜进行离子研磨，从而形成Fe，Co，Ni，或者这三种金属催化剂的合金的芯片，并将其用作催化剂，籍此在基底上生成CNT(图2d)。

可利用现有技术中已知的方法来合成CNT。在该方法中，将C₂H₂，CH₄，C₂H₄，C₂H₆，或者CO用作反应气体，可通过化学气相沉积、热化学气相沉积等来纵向生长CNT。如果通过金属催化剂纳米图形来形成CNT，由于单个图形的直径低于10nm，则能够形成具有非常小直径的CNT。

本发明还包括将羧基基团引入纵向生长的CNT末端的步骤，通过利用等离子体对CNT末端进行处理而打开CNT的末端顶帽，从而可结合生物材料(图3)。

根据上面描述的本发明的优选实施例所形成的CNT纳米芯片能够用作重要的表面基底，通过多种生物受体与CNT纳米芯片的反应来形成所需的芯片，它们将在制备具有高整合密度和小尺度的生物芯片中发挥重要的作用。

生物芯片通常采用直接将生物分子连接到基底上，或者通过连接分子将生物分子连接到基底上。例如，为制备DNA芯片、蛋白质芯片或者蛋白传感器，必须将生物受体(例如，DNAs、抗体或酶)与CNT相连接，可通过引入到CNT末端的羧基基团与上述生物材料的胺基基团通过酰胺键相连接，以此来制备所需的生物芯片。

本发明生物纳米芯片中DNA芯片的制备方法包括利用点样(spottmg)方法将预先制备的探针与固态基底表面相连接的步骤。在这种情况下，将与胺基结合的探针溶解于1X至7X，优选2X至5X，更优选3X的SSC缓冲溶液(0.45M NaCl，15mM C₆H₅Na₃O₇，pH7.0)中，然后利用微芯片点样仪将其点样至具有裸露的羧基基团末端的CNT上。然后，利用醛基与胺基间的相互反应将探针固定在基底上。所用探针的浓度大于10pmol/μl，优选大于50pmol/μl，更优选大于100pmol/μl。与探针结合的胺基与引入至CNT末端的羧基基团湿度为70-90％、优选80％的条件下相互反应4-8小时，优选5-7小时，最优选约6小时，使得探针固定在CNT末端。在该方法中采用酰胺偶联试剂并采用EDC/NHS作为辅助物。

实施例

下面将结合实施例对本发明进行详细描述。很显然，本领域技术人员能够对这些实施例进行多种修饰，并且本发明并非囿于这些实施例。所述实施例仅是为了进一步解释本发明。

实施例1：超分子的合成

本发明中所用的式(1)的超分子是通过下述反应方案(1)的步骤进行合成的。对该超分子的扫描电镜分析证实了该超分子为纳米尺度的或更小尺度的规则圆柱结构(图4)。

(反应图解1)

实施例2：基底表面修饰

在本发明中，利用热沉积、电子束沉积、或者测位仪(spotter)等方法将上述金属催化剂沉积到硅晶片上，从而形成Fe，Ni，Co，或者这三种金属催化剂的合金的薄膜，以此作为催化剂来合成CNT(图2a)。

实施例3：超分子薄膜的形成

将实施例1中合成的超分子溶解于四氢呋喃(THF)溶剂中。将所得溶液旋转涂布(spin-coated)于实施例2的硅晶片上，以形成薄膜(图2a)。在该实施例中，在2,000-3,000rpm持续10-30秒的条件下进行旋转涂布。在该旋转涂布过程中，可适当改变薄膜的厚度。

实施例4：退火

将超分子薄膜加热至240℃然后缓慢冷却，形成规则的微观结构(图3b)。本发明所用的超分子在240℃自组装，该温度可根据所用的超分子的种类来进行变化。在该温度下，超分子具有足以进行自组装的活动性，并自组装成最稳定的结构。对本发明所用的超分子来说，圆柱体排列为六角形的三维结构是最稳定的结构。图4显示了超分子自组装成六角柱形规则结构的透射电镜图。

实施例5：用四氧化钌(RuO₄)进行着色

由于可利用RuO₄对超分子在中央部分进行选择性着色，因此将超分子暴露于RuO₄蒸气中持续几分钟，从而采用RuO₄金属化合物对中央部分进行化学着色(图2c)。

当将超分子暴露于RuO₄中时，RuO₄金属化合物扩散到空气中从而使得超分子薄膜被RuO₄金属化合物着色。RuO₄金属化合物与某些反应基团(例如，醚键、醇、苯环、以及胺)发生化学反应，使得超分子在与超分子柱的中央部分相对应的位置被RuO₄金属化合物着色。

根据超分子种类的不同，可利用其它金属化合物来替代该着色金属化合物。例如，四氧化锇(OsO₄)与诸如碳双键、醇、醚键以及胺等反应基团发生化学反应。

实施例6：蚀刻

下面将对金属着色的超分子薄膜进行蚀刻处理，由于着色金属和超分子之间蚀刻速率的差别，点形结构(dot-shaped structures)仍保持在超分子柱的中央部分(图2c)。图5显示了该点形结构构像的扫描电镜图像。在该实施例中，利用CF₄气体处理约100秒来完成蚀刻。蚀刻时间不应在所有情况下都相同，其根据设备会有所变化。因此，需要有调整蚀刻条件的测试步骤。

实施例7：在基底上形成纳米图形的方法

采用实施例1-6所得到的金属化合物染色的超分子纳米图形作为掩膜来蚀刻金属催化剂薄膜，从而形成金属催化剂纳米图形。在本发明中，用于CNT合成的金属催化剂薄膜在基底和超分子薄膜之间形成，所形成的点状纳米图形(dot-shaped nanopattern)在接下来的蚀刻步骤中作为掩膜(图2c)。

也就是说，当对表面暴露的中间薄膜层进行蚀刻时，不蚀刻上面形成了以RuO4金属化合物染色的点状图形的薄膜的较低部分，从而将超分子层形成的图形转移到中间薄膜层。这根据中间薄膜层所用的材料而发生变化。如果中间薄膜层为用于CNT合成的金属催化剂薄膜层，则可通过离子研磨的方法来进行蚀刻，并且蚀刻条件与每种薄膜层的特性相一致(图2d)。

实施例8：CNT芯片的制备

将诸如C₂H₂，CH₄，C₂H₄，C₂H₆，CO等反应性气体应用于一小室(chamber)中，然后将具有高频率的电源(power)应用于两个电极上，引起辉光放电(glow electric discharge)，从而在实施例7形成的金属催化剂纳米芯片上纵向合成并生长CNT。通过固定的金属催化剂的规则排列使得合成的CNT在基底上形成CNT芯片(图2e)。

此外，可利用与现有技术(Huang，S，et al.J.Phys.Chem.B，106：3543，2002)中所述类似的方法对纵向生长的CNT利用等离子体进行处理，通过移去末端部分的顶帽而将羧基基团引入至CNT。然后，可将多种生物受体与CNT化学连接。

实施例9：通过生物材料或生物受体与CNT芯片相连接来制备生物芯片为了使生物受体与按照实施例8制备的CNT芯片相连接，可将与生物受体的净电荷相反极性的电荷运用到CNT上(KR 2003-0014997A)，也可使用结合辅助物(图2f)。结合辅助物优选是在碳基团末端连有醛、胺或亚胺基团的化学物质。

此外，可将具有氨基基团(NH₂)的生物受体与按照实施例8所形成的具有裸露的羧基基团的CNT芯片末端通过酰胺键相互连接，以此来制备生物芯片。在该方法中，优选采用EDC((1-ethyl-3-(3-dimethylamini-propyl)arbodiimidehydrochloride))作为偶联试剂，采用NHS(N-hydroxysuccinimide)以及NHSS(N-hydroxysulfosuccinimide)作为偶联辅助物。

如上所述，本发明提供了一种制备CNT芯片的方法，其包括生成CNT合成中的催化剂图形的步骤以及在图形上排列CNT的步骤，其中生成CNT合成中的催化剂图形的步骤中，是利用通过超分子的自组装以及金属化合物的选择性着色而生成的柱形纳米图形作为掩罩来完成的。此外，本发明还提供了一种制备生物芯片的方法，其是通过将生物材料或者生物材料结合生物受体连接到CNT纳米芯片上制备得到的。

Claims

1.一种制备碳纳米管纳米芯片的方法，其包含下述步骤：

(a)在基底上形成金属催化剂薄膜，其中金属催化剂选自Fe、Ni、Co、以及所述金属的合金；

(b)在金属催化剂薄膜上诱导自组装，形成超分子薄膜，所述超分子为盘形树突状化合物、扇形超分子或者锥形超分子；

(c)通过退火来自组装超分子，形成规则结构；

(d)用金属化合物对所形成的规则结构进行选择性着色，所述金属化合物选自四氧化钌或四氧化锇；

(e)通过蚀刻去除没有被金属化合物染色的部分，其中将金属化合物染色的薄膜用作掩罩，从而形成被金属化合物染色的超分子纳米图形；

(f)利用超分子纳米图形作为掩罩，通过离子研磨来形成金属催化剂的纳米图形；以及

(g)在金属催化剂超分子的纳米图形上纵向排列碳纳米管。

2.权利要求1的方法，其中所述的超分子是具有下述式(1)的化合物：

3.权利要求1的方法，其中步骤(c)是通过加热至高于超分子的液晶相变温度，然后缓慢冷却来进行的。

4.权利要求1的方法，其还包括将等离子体处理得到的羧基基团暴露于纵向形成的碳纳米管纳米芯片末端的步骤。

5.一种制备生物芯片的方法，其中生物受体与采用权利要求1的方法制得的碳纳米管纳米芯片相连接，所述生物受体选自蛋白质、肽、氨基酸、DNA、PNA、酶底物、配体、辅助因子、碳水化合物、脂类、寡核苷酸、以及RNA。

6.权利要求5所述的方法，其中通过应用电场将生物受体与碳纳米管纳米芯片相连接。

7.权利要求6所述的方法，其中将与生物受体的净电荷相反极性的电荷应用于碳纳米管纳米芯片。

8.权利要求6的方法，其中利用结合辅助物将碳纳米管纳米芯片与生物受体连接。

9.权利要求8的方法，其中的结合辅助物是在碳基团末端连有醛、胺或亚胺基团的化学物质。

10.一种制备生物芯片的方法，其包括将具有氨基基团的生物受体与权利要求4的方法制得的碳纳米管纳米芯片的羧基基团的末端相连接的步骤。

11.权利要求10的方法，其包括采用偶联试剂和偶联辅助物来诱导生成酰胺键的步骤。

12.按照权利要求5的方法制备的生物芯片，其中生物受体与碳纳米管纳米芯片相连接，所述生物受体选自蛋白质、肽、氨基酸、DNA、PNA、酶底物、配体、辅助因子、碳水化合物、脂类、寡核苷酸、以及RNA。

13.一种检测生物材料与生物受体之间反应的方法，其包括使用权利要求12所述的生物芯片。

14.一种按照权利要求10的方法制得的生物芯片，其中生物受体通过酰胺键与碳纳米管纳米芯片相连接，所述的生物受体选自蛋白质、肽、氨基酸、DNA、PNA、酶底物、配体、辅助因子、碳水化合物、脂类、寡核苷酸、以及RNA。

15.一种检测生物材料与生物受体之间反应的方法，其包括利用权利要求14所述的生物芯片。