（材料學(xué)專業(yè)論文）材料表面圖案化及蛋白質(zhì)的選擇性吸附.pdf

武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 中文摘要 生物分子在材料表面上的吸附對(duì)許多實(shí)際應(yīng)用如表面生物診斷、生物傳感 器和生物醫(yī)學(xué)器件等都是十分重要的。材料表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)、親疏水性及拓?fù)?結(jié)構(gòu)等對(duì)蛋白質(zhì)的吸附及細(xì)胞的黏附和生長(zhǎng)具有非常重要的影響。在目前的生 命科學(xué)領(lǐng)域中，利用表面微圖案化來(lái)獲取材料與生物分子( 蛋白質(zhì)) 以及周圍 環(huán)境間相互作用信息從而研究和評(píng)價(jià)材料的生物相容性或進(jìn)行生物分子的檢測(cè) 成為一個(gè)十分活躍的研究熱點(diǎn)。 目前使材料表面圖案化并具有吸附或排斥生物分子功能的途徑有很多，諸 如微接觸印刷、毛細(xì)微模塑、電子束刻蝕等，但是這些技術(shù)都存在自身的不足 之處，如過(guò)程的控制、選材的特殊要求、保真度、可重復(fù)性等。真空紫外光( v a c u u m u l t r a v i o l e t ，) 刻蝕技術(shù)具有成本低、重復(fù)性好、高保真的加工特點(diǎn)，不僅可 以實(shí)現(xiàn)對(duì)聚合物材料表面性質(zhì)的微調(diào)控，還可以一次大面積地進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的 微加工。雖然在材料表面圖案化及微電子線路制作方面有一些成功的報(bào)道， 但采用v u v 光刻技術(shù)調(diào)控材料表面性質(zhì)和微結(jié)構(gòu)并以此來(lái)控制生物分子吸附的 的選擇性，構(gòu)筑亞微米級(jí)的生物微圖案成功報(bào)道較少。本文即采用了真空紫外 光刻蝕技術(shù)以及借助自組裝單分子膜的方法對(duì)相關(guān)聚合物材料表面性質(zhì)和結(jié)構(gòu) 進(jìn)行微調(diào)控，以控制生物分子的選擇性吸附，在構(gòu)筑亞微米級(jí)生物圖案方面進(jìn) 行了一些探索。主要的研究結(jié)果如下： ( 1 ) 利用波長(zhǎng)為1 7 2n m 真空紫外光處理改性聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯 ( p o l y t h y l e n et e r e p h t h a l a t e ，p e t ) 材料表面，采用自組裝單分子膜的方法在p e t 表面自組裝十八烷基三甲氧基硅烷單分子膜。采用傅立葉紅外以及靜態(tài)水接觸 角測(cè)試對(duì)反應(yīng)前后的p i t 表面進(jìn)行了一系列表征，證實(shí)了自組裝單分子膜的成 功，同時(shí)也表明采用該方法可以對(duì)基材進(jìn)行表面改性。 ( 2 ) 選用兩種較常用的生物醫(yī)用材料：聚二甲基硅氧烷( p o l y ( d i m e t h y l s i l o x a n e ) ， p d m s ) 和聚甲基丙烯酸甲酯( p o l y m e t h y lm e t h a c r y l a t e ，p m m a ) ，采用真空紫外 光( v u v ) 刻蝕的方法對(duì)其進(jìn)行表面圖案化。掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡 測(cè)試對(duì)表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的表征結(jié)果顯示刻蝕技術(shù)可對(duì)上述兩種材料表面進(jìn) 行圖案化的微加工，并且構(gòu)筑了一系列微納米結(jié)構(gòu)的微通道。x 射線光電子能譜 ( x p s ) 對(duì)光照處理過(guò)的材料表面化學(xué)成分分析表明真空紫外光照前后表面區(qū)域 的化學(xué)組成發(fā)生了變化，而且靜態(tài)水接觸角的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)表面化學(xué)組 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 成的變化導(dǎo)致了其表面性質(zhì)的改變：經(jīng)吖處理的材料表面的親水性得到了顯 著的提高。 ( 3 ) 對(duì)圖案化以及官能化的p m m a 表面進(jìn)行了熒光蛋白質(zhì)的吸附試驗(yàn)。共聚 焦顯微分析的結(jié)果表明，經(jīng)處理的p m m a 材料圖案化表面對(duì)蛋白質(zhì)的吸附具有 選擇性，可以構(gòu)筑亞微米級(jí)的蛋白質(zhì)圖案。 關(guān)鍵詞：圖案化，真空紫外光刻，蛋白質(zhì)吸附，自組裝單分子膜 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t t h ea d s o r p t i o no fb i o l o g i c a lm o l e c u l e so nt h em a t e r i a ls u r f a c ei sv e r yi m p o r t a n t f o rm a n yp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ss u c ha sb i o d i a g n o s t i c s ，b i o s e n s o r s ，a n db i o m e d i c a l d e v i c e sa n ds oo n m a t e r i a ls u r f a c es t r u c t u r e ，h y d r o p h i l i c i t ya n dt o p o g r a p h yh a v e g r e a te f f e c t so np r o t e i na d s o r p t i o n , c e l la d h e s i o na n dg r o w t h i nt h ec u r r e n tl i f e s c i e n c e s ，i no r d e rt os t u d ya n de v a l u a t eb i o c o m p a t i b i l i t yo fm a t e r i a l so rd e t e c t b i o l o g i c a lm o l e c u l e s ， i tc a l lb eo b t a i n e dt h ei n t e r a c t i o ni n f o r m a t i o nb e t w e e nt h e m a t e r i a l sa n db i o l o g i c a lm o l e c u l e s ( p r o t e i n ) ，a sw e l la st h es u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t b ys u r f a c em i c r o - p a t t e r n i n g , w h i c hh a sb e c o m e av e r ya t t r a c t i v er e s e a r c hf o c u s a t p r e s e n t ，t h e r e a r e m a n yt e c h n o l o g i e s s u c ha sm i c r o - c o n t a c tp r i n t i n g , m i c r o f l u i d i c sa n de l e c t r o nb e a ml i t h o g r a p h yc a nm i c r o - p a t t e r n i n gt h es u r f a c ea n d f u n c t i o n a l i z e dm a t e r i a ls u r f a c ew h i c hc a na d s o r bo rr e j e c tb i o l o g i c a lm o l e c u l e s b u t m a n yo ft h e mh a v et h e i ro w l ls h o r t a g e s ，s u c ha st h ep r o c e s so fc o n t r o l ，s e l e c t i o no f t h es p e c i a lr e q u i r e m e n t s ，f i d e l i t ya n dr e p e a t a b i l i t y v a c u u mu l t r a v i o l e tl i g h t ( v u v ) l i t h o g r a p h yt e c h n o l o g yw i t hl o wc o s t ，g o o dr e p r o d u c i b i l i t y , h i g h - f i d e l i t yp r o c e s s i n g c h a r a c t e r i s t i c sc a nb e a c h i e v e dm i c r o r e g u l a t i o np r o p e r t i e so fp o l y m e rm a t e r i a l s u r f a c e ，a n da l s oc a r r i e do u tal a r g e - s c a l et o p o g r a p h ym i c r o - f a b r i c a t i o n t h e r ea r e f e w 跚c c e s sr e p o r t si nc o n t r o lo fb i o l o g i c a lm o l e c u l es e l e c t i v ea d s o r p t i o n ，a n dt h e f a b r i c a t i o no fs u b m i c r o nb i o l o g i c a lp a r e m sb yv a c u u mu l t r a v i o l e tl i g h tl i t h o g r a p h y , a l t h o u g ht h e r ea r es o m es u c c e s s f u ls t u d i e so np a t t e r n i n go fm a t e r i a ls u r f a c ea n d f a b r i c a t i o no fm i c r o e l e c t r o n i cc i r c u i tb yv u v l i t h o g r a p h yt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , i no r d e rt or e g u l a t et h ep r o p e r t i e sa n dt o p o g r a p h i e so fr e l a t e dm a t e r i a ls u r f a c ea n d c o n t r o lt h es e l e c t i v ea d s o r p t i o no fb i o l o g i c a lm o l e c u l e ，a sw e l la sf a b r i c a t e s u b - m i c r o nb i o l o g i c a lm o l e c u l ep a a e m sb yv a c u u mu l t r a v i o l e tl i g h tl i t h o g r a p h ya n d s e l f - a s s e m b l e dm o n o l a y e r s p r i m a r yf i n d i n g sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) p o l y e t h y l e n et e r e p h t h a l a t e ( p e t ) s u r f a c ew a sm o d i f i e db yv a c u u m u l t r a v i o l e t l i g h ti naw a v e l e n g t ho f1 7 2n l l l ，a n do c t a d e c y l t r i m e t h o x y s i l a n ew a ss e l f - a s s e m b l e d o nv u vt r e a t e d s u r f a c e t h es t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e so ft h ep e ts u r f a c ew e r e c h a r a c t e r i z e db yf o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e da n ds t a t i cw a t e rc o n t a c ta n g l et e s t , t h e r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h es u c c e s so fs e l f - a s s e m b l e dm o n o l a y e ra n dt h em o d i f i c a t i o no f h i 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 s u r f a c ep r o p e r t i e s ( 2 ) s u b m i c r o n p a t t e r n s o nt w oc o m m o n l yb i o m e d i c a l m a t e r i a l ( p o l y ( d i m e t h y l s i l o x a n e ) ( p d m s ) a n dp o l y m c t h y lm e t h a c r y l a t e ( p m m a ) ) s u r f a c e , sw e r e f a b r i c a t e db yv a c u u mu l t r a v i o l e tl i g h tl i t h o g r a p h y t h et o p o g r a p h i e so ft h ep a t t e m e , d s u r f a c ew e r ec h a r a c t e r i z e da n da n a l y z e db ya t o m i cf o r c em i c r o s c o p y)a n d s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) t h er e s u l t ss h o w e dt h a ti tc a nf a b r i c a t e m i c r o - p a t t e r na n dm i c r o e h a n n e l so ns u r f a c eb yv u vl i t h o g r a p h y t h er e s u l to fx - r a y p h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y ( s ) o fi r r a d i a t e ds u r f a c es u g g e s t e dt h a tt h e r e a r c c h e m i c a lc o m p o s i t i o nc h a n g e si nr a d i a t e dr e g i o n t h ed a t ao fs t a t i cw a t e rc o n t a c t a n g l es u g g e s t e dt h a tt h ec h a n g e so fs u r f a c ep r o p e r t i e sr e s u l ti nc h e m i c a lc o m p o s i t i o n c h a n g e s ，t h e r ew c r ce v i d e n c es h o w e dt h a tt h eh y d r o p h i l i c i t yo fv u v t r e a t e d s u r f a c e w a si m p r o v e d ( 3 ) s e l e c t i v ea d s o r p t i o no ff l u o r e s c e n c ep r o t e i no np m m a p a t t e r ns u r f a c ew a s a n a l y z e db yc o n f o c a lm i c r o s c o p ya n a l y s i s i ts h o w e dt h a tt h et r e a t e dp m m ap a t t e r n s u r f a c eh a st h es e l e c t i v ea d s o r p t i o no fp r o t e i n ，t h e r e f o r e ，as u b - m i c r o np r o t e i n p a t t e r n sc a n b ef a b r i c a t e db y l i t h o g r a p h y k e yw o r d s ：p a t t e r n e d ；v a c u u m u l t r a v i o l e t l i g h t a d s o r p t i o n ；s e l f - a s s e m b l e dm o n o l a y e r 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明，所里交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研 究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其 他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成聚，也不包含為獲得武漢理工大學(xué)或其它教育 機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過(guò)的材料。與我一同工作的麗志對(duì)本研究所做的任何 貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 簽名：曼壘蟄h 期：蘭至墨堡 學(xué)位論文使用授權(quán)書 本入黨全了解武漢理工大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有 權(quán)保留并向困家有關(guān)郝門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允 勻：論文拔查閱 和借閱。本人授權(quán)武漢理工大學(xué)可吼將本學(xué)位論文的全部?jī)?nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)癢 進(jìn)行撿索，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存或i 1 ：編本學(xué)位論文。網(wǎng)時(shí) 授權(quán)經(jīng)武漢理= l 二大學(xué)認(rèn)可的豳家有關(guān)機(jī)構(gòu)或論文數(shù)據(jù)庫(kù)使用或收錄本學(xué)位論 文，并向社會(huì)公眾提供信息服務(wù)。 ( 保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 簽名：燃譬師簽名： 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第1 章前言 微米和納米尺度上表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的微加工( m i c r o f a b r i c a t i o n ) 或圖案化 ( p a t t e r n i n g ) 已經(jīng)逐漸成為當(dāng)代科學(xué)和技術(shù)發(fā)展的中心。許多現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的 機(jī)會(huì)都來(lái)源于新型微觀結(jié)構(gòu)的構(gòu)造或現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的微型化。例如化學(xué)和生物微分 析、生物芯片、微體積反應(yīng)器、組合合成、微光學(xué)元件、微機(jī)電系統(tǒng)和微流道 系統(tǒng)等l j 叫。許多情況下，尺寸的減小可以提高器件的性能，如在生物傳感器領(lǐng) 域里，由于傳感器結(jié)構(gòu)的微型化導(dǎo)致其靈敏度提高，檢出限量大大降低；在生 物學(xué)領(lǐng)域里，微結(jié)構(gòu)區(qū)域里固定生物分子( 如蛋白質(zhì)或d n a 分子) 數(shù)的減少甚 至達(dá)到單個(gè)分子，為拓寬對(duì)各種生物界面特殊識(shí)別性能的理解提供一個(gè)非常有 效的手段，因此，亞微米級(jí)生物分子圖案化成為當(dāng)今一個(gè)非?；钴S的研究熱點(diǎn)。 生物分子在材料表面上的吸附對(duì)許多實(shí)際應(yīng)用如表面生物診斷、生物傳感 器和生物醫(yī)學(xué)器件等都是十分重要的。材料表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)、親疏水性及拓?fù)?結(jié)構(gòu)等對(duì)蛋白質(zhì)的吸附及細(xì)胞的黏附和生長(zhǎng)具有非常重要的影響。在目前的生 命科學(xué)領(lǐng)域中，利用表面改性和微圖案化來(lái)獲取它們與生物分子以及周圍環(huán)境 間相互作用信息，其實(shí)用目的之一是實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)學(xué)、工業(yè)與環(huán)境中具有重要意義 的各種分子的檢測(cè)。另外，微圖案化的培養(yǎng)基底上特定區(qū)域可能被用來(lái)啟動(dòng)蛋 白質(zhì)吸附和細(xì)胞貼附，而另外的區(qū)域則起到抗蛋白和抑制細(xì)胞貼附的作用，在 某種水平上實(shí)現(xiàn)人們組織并控制細(xì)胞在表面上的生長(zhǎng)等行為的愿望1 5 一。 為了使研究的生物分子及其相互作用的過(guò)程、結(jié)果能更好地為人們所解析， 希望這些生物分子在特定的基底上能有明確的定位并按照人們預(yù)定的方式呈現(xiàn) 其復(fù)雜的過(guò)程或結(jié)果，為此，需要許多表面改性處理與圖案構(gòu)筑等微加工工藝。 目前許多表面改性手段都是基于物理的旋涂或涂覆等【7 9 1 。而圖案的微加工手 段也是各異的，而如何能采用一種方法既能改變材料表面性質(zhì)又同時(shí)能使表面 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)得到加工，即人為可控的使材料表面特定區(qū)域具有特異性將是研究的 熱點(diǎn)。 1 1 材料表面官能化 在現(xiàn)代技術(shù)中，利用各種表面改性手段，可以提高材料結(jié)合力、潤(rùn)滑性、 生物相容性，在保護(hù)膜、非線性光學(xué)元件、生物傳感器等方面有廣泛的應(yīng)用前 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 景。在多數(shù)情況下，研究者在材料表面特定的區(qū)域引入特定的化學(xué)基團(tuán)、生物 分子，賦予各個(gè)區(qū)域各自獨(dú)特的功能，使得該材料表面具有多重功能。例如在 目標(biāo)基材表面旋涂聚合物薄膜的方法，常用于材料表面的化學(xué)改性。聚合物薄 膜的制備至今為止，大多是基于物理吸附，如旋涂、l b 膜技術(shù)等，聚合物與基 材表面靠微弱的范德華力或氫鍵連接，存在附著力低，穩(wěn)定性差，薄膜厚度不 能精確控制，不易進(jìn)行微納米結(jié)構(gòu)圖案化等缺點(diǎn)1 1 0 l 。解決上述問(wèn)題的理想的方 法則是利用分子自組裝技術(shù)，例如，化學(xué)吸附自組裝薄膜技術(shù)、靜電吸附自組 裝薄膜技術(shù)、電化學(xué)催化聚合方法等。 1 1 1 分子自組裝 分子自組裝指分子在氫鍵、靜電、疏水親脂作用、范德華力等弱力作用下， 自發(fā)地構(gòu)筑具有特殊結(jié)構(gòu)和形狀的集合體的過(guò)程【1 0 l 。大分子自組裝形成的高分 子超分子( 結(jié)構(gòu)) 體系開(kāi)辟了材料化學(xué)的一個(gè)新領(lǐng)域，液晶、膠束、二維薄膜、三 維骨架等都可通過(guò)自組裝合成制備，在分子構(gòu)造，光、電、磁信息轉(zhuǎn)換及處理 器件等方面有廣泛的應(yīng)用潛能。在自組裝過(guò)程中，基于非共價(jià)結(jié)合的微單元自 發(fā)組織并聚集成穩(wěn)定有序的結(jié)構(gòu)。最終的結(jié)構(gòu)是達(dá)到平衡狀態(tài)而具有最低自由 能。因?yàn)樽罱K自組裝結(jié)構(gòu)是要接近或達(dá)到熱力學(xué)平衡，趨于避免缺蝌7 l 。自組裝 在生物學(xué)系統(tǒng)中是細(xì)胞及其成分形成的途徑。蛋白質(zhì)、細(xì)胞等生物分子結(jié)構(gòu)都 是非常的復(fù)雜和微小，它們的形成在生物系統(tǒng)中揭示了自組裝可以為形成特定 圖案的微納米結(jié)構(gòu)提供途徑。 1 1 2 自組裝單分子膜 自組裝單分子膜( s e l f - a s s e m b l e dm o n o l a y e r s ，s a m s ) 是近2 0 年來(lái)發(fā)展起來(lái) 的一種新型的有機(jī)超薄膜，其制備技術(shù)及表征方法已得到很大發(fā)展。1 9 4 6 年 z i s m a n 等就報(bào)道了表面活性物質(zhì)在潔凈金屬表面上吸附而形成單分子膜的現(xiàn) 象，但此項(xiàng)工作真正興起始于上世紀(jì)8 0 年代。1 9 8 0 年s a g i v 報(bào)道了十八烷基三 氯硅烷在硅片上形成的s a m s ，1 9 8 3 年n u z z o 等成功地制備了烷基硫化物在金 表面的s a m s 。從此幾種制備s a m s 的體系逐漸成熟和發(fā)展起來(lái)。自組裝單分子 膜具有更高的有序性和取向性、高密堆積、低缺陷和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)1 1 1 1 2 1 ， 已在減小摩擦和抗磨損等方面得到應(yīng)用。此外，自組裝技術(shù)在制備多層復(fù)合膜、 2 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 大分子物質(zhì)、納米顆粒及超晶格等方面也進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用 1 3 】。酶、蛋白質(zhì)、 d n a 等生物分子自組裝體系不僅保持了生物分子獨(dú)特的生物功能，同時(shí)又為 信息、電子科學(xué)的發(fā)展提供了微型化、智能化的材料。隨著生物技術(shù)的進(jìn)一步 發(fā)展和材料性能的進(jìn)一步提高，生物大分子自組裝體系將得到更深入的研究和 更廣泛的運(yùn)用。 自組裝單分子膜是指固體表面吸附活性物質(zhì)而形成的有序分子膜，基本的 原理是利用固液或固氣界面間的化學(xué)吸附或化學(xué)反應(yīng)，分子自發(fā)吸附在固液， 氣界面形成熱力學(xué)穩(wěn)定、緊密捧列、二維有序的單層膜。從結(jié)構(gòu)上可以分為三 部分i “i ，如圖1 - 1 ：一是分子的頭基，它與基材表面反應(yīng)點(diǎn)以共價(jià)鍵、離子鍵等 結(jié)合。反應(yīng)放熱，活性分子盡可能的占據(jù)基底表面的特殊位置上，有將吸附分 子推向緊密堆積的趨勢(shì)。二是烷基鏈或衍生基團(tuán)，分子鏈之間靠范德華力作用， 使活性分子在表面有序且緊密的排列。三是分子末端基團(tuán)，如一s h 、o h 、c o o n 、 c h = c h 等，選擇不同的末端基團(tuán)，將獲得不同物理化學(xué)性能的界面或借助其 反應(yīng)活性構(gòu)筑多層膜。 由于自組裝單分子膜制各方法簡(jiǎn)單、成膜效果好。穩(wěn)定性強(qiáng)、膜層厚度及 性質(zhì)可通過(guò)改變成膜分子鏈長(zhǎng)和端基活性基團(tuán)靈活控制，因此成為組成超分子 體系和分子器件的有效手段，在制膜技術(shù)、傳感技術(shù)、微電子技術(shù)等領(lǐng)域都有 著廣闊的發(fā)展前景【1 ”。此外，高度有序、均勻、可靈活設(shè)計(jì)不同官能團(tuán)的單分 子膜提供了固定生物分子的微環(huán)境，對(duì)生物傳感器的發(fā)展及實(shí)用也具有重要意 義。分子自組裝的技術(shù)方法有很多，主要有l(wèi) - b 膜技術(shù)、旋涂、接枝成膜法、 物理吸附的分子沉積法以及化學(xué)吸附的自組裝等。 烷基鏈或 衍生基團(tuán) 黝飄，囝一化糾洲 “”“”。_ 壚_ 圖1 - 1 自組裝單分子膜結(jié)構(gòu)示意圖 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 2 1l - b 膜技術(shù) 1 9 1 9 年，l a n g m u i r 與b l o d g e t t 一起通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，漂浮在水面上的長(zhǎng)鏈脂 肪酸一類物質(zhì)可以通過(guò)簡(jiǎn)單的浸漬方法轉(zhuǎn)移到固體基片表面形成單分子膜。由 于是l a n g m u i r 和b l o d g e t t 二人合作發(fā)明了通過(guò)轉(zhuǎn)移單分子層制備單層膜與多層 膜的方法，因此這種方法被稱為l - b 法，利用這種方法所制備的薄膜被稱為l - b 膜【1 1 】。l - b 膜的研究對(duì)分子電子學(xué)、分子生物學(xué)、膜模擬化學(xué)等學(xué)科的發(fā)展是有 意義的，但在實(shí)際應(yīng)用方面存在一些問(wèn)題。l - b 膜技術(shù)的缺點(diǎn)表現(xiàn)在，需要專用 設(shè)備，在成膜過(guò)程中操作必須極為精細(xì)，要避免缺損及折皺；薄膜的結(jié)合力( 主 要是范德華力) 或氫鍵體系的穩(wěn)定性不高，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，分子的取向與排 列可能發(fā)生變化；另外對(duì)基片的形狀也有相當(dāng)嚴(yán)格的限制，同時(shí)很難制備大面 積的樣品【5 】。因此，要以低成本制備無(wú)缺陷的、性能穩(wěn)定的l - b 膜，并使其尺寸 能夠滿足制造器件的要求是相當(dāng)困難的。 1 1 2 2 物理吸附的分子沉積法 將表面帶正電荷的基片浸入陰離子聚電解質(zhì)溶液中，因靜電吸引，陰離子 聚電解質(zhì)吸附到基片表面使基片表面帶負(fù)電，然后將表面帶負(fù)電荷的基片再浸 入陽(yáng)離子聚電解質(zhì)溶液中，如此重復(fù)就可以得到多層聚電解質(zhì)自組裝膜。這樣 可制取有機(jī)分子與其它組分的多層復(fù)合超薄膜。 1 1 2 3 化學(xué)吸附的自組裝 由于化學(xué)吸附的自組裝單分子膜與材料表面是靠化學(xué)鍵合而吸附的，因此該 方法主要用于以圖形化自組裝膜為模板的納米結(jié)構(gòu)制備技術(shù)。將其結(jié)合光輻射、 微接觸印刷、等離子體刻蝕等方法獲得了廣泛應(yīng)用。例如t a t o nks 和g u i r e e e 【1 4 】將水溶液里包含光敏二苯甲酮疏水嵌段和低分子量聚環(huán)氧乙烷親水嵌段 的二嵌段共聚物用紫外光照射后，共聚物自發(fā)地以共價(jià)鍵吸附到疏水表面上， 自組裝成為可以減少細(xì)菌粘附的s a m s 。這種自組裝單分子膜由于是化學(xué)吸附， 具有更高的有序性和取向性、高密堆積、低缺陷和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。 材料表面官能化是化學(xué)吸附制作s a m s 的前提條件。波長(zhǎng)為1 7 2n m 的真空 紫外光具有較高能量，足以使材料表面產(chǎn)生活性反應(yīng)點(diǎn)，從而可以自組裝單分 4 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 子膜。為了研究材料表面與生物分子之間的作用，就要對(duì)材料表面的性質(zhì)進(jìn)行 微觀調(diào)控，而微觀調(diào)控的前提就需要進(jìn)行材料表面的微圖案化。 1 2 材料表面亞微米級(jí)圖案化 表面圖案化是指在至少一維的方向上生成微米或納米級(jí)的規(guī)則表面結(jié)構(gòu)。 它在超分子科學(xué)、材料科學(xué)，微電子學(xué)及細(xì)胞生物學(xué)等方面均有重要的科學(xué)意 義和應(yīng)用價(jià)值【5 1 。表面圖案化主要用于表面物理性質(zhì)的調(diào)控。微觀尺度的表面結(jié) 構(gòu)可以用來(lái)控制黏附、摩擦及浸潤(rùn)等材料表面性質(zhì)，該性質(zhì)與分子間相互作用 和表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)密切相關(guān)【1 5 】。選擇性吸附和表面特異性識(shí)別更是要求控制表面 的各向異性性質(zhì)。在微電子領(lǐng)域，人們已經(jīng)開(kāi)始探討圖案化表面材料用作高密 度磁性存儲(chǔ)介質(zhì)的可能性。量子點(diǎn)陣激光、量子級(jí)聯(lián)激光和單電子二極管的出 現(xiàn)也從根本上改變了傳統(tǒng)器件的基本概念。在細(xì)胞生物學(xué)方面，表面圖案化可 用來(lái)控制附著細(xì)胞的空間分布，發(fā)展新型快速的診斷方法及構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。表 面圖案化在納米反應(yīng)器、微型陣列器件、組合化學(xué)與藥物篩選等方面的潛在應(yīng) 用也是巨大并可預(yù)見(jiàn)的【5 j 。 在目前的生命科學(xué)領(lǐng)域中，利用表面微圖案化來(lái)獲取材料與生物分子( 蛋 白質(zhì)) 以及周圍環(huán)境間相互作用信息從而研究和評(píng)價(jià)材料的生物相容性或進(jìn)行 生物分子的檢測(cè)是具有重要意義的。表面圖案化可用多種技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，近年 來(lái)各種物理、化學(xué)、生物的新表面圖案化技術(shù)不斷涌現(xiàn)，目前已經(jīng)有很多材料 表面微加工的方法，如軟刻蝕以及光刻蝕等1 7 9 】都能使材料表面圖案化，但是要 使圖案化的材料表面具有良好的生物相容性，特別是潤(rùn)濕性，往往需要進(jìn)行第 二次表面改性處理。 1 2 1 軟刻蝕 隨著半導(dǎo)體集成工藝最小線寬向1 0 0n l l l 以下的尺度延伸，由于受到光學(xué)衍 射和制作透鏡或支撐光刻模板材料透明度的限制【1 6 j ，科學(xué)家們開(kāi)始積極尋找操 作簡(jiǎn)便且又可以精確復(fù)制由昂貴設(shè)備生產(chǎn)的微圖案的技術(shù)。由哈佛大學(xué) w h i t e s i d c s 教授研究小組集體研發(fā)出的軟刻蝕技術(shù)為形成和制作微米、納米圖案 提供了簡(jiǎn)便、有效、價(jià)廉的途徑。它是一類基于自組裝和復(fù)制模塑等原理的非 光刻微納米加工方法，用一個(gè)表面帶有凹凸圖案的彈性模板作為圖案轉(zhuǎn)移中介， 5 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 其加工分辨率可達(dá)到幾十納米。與傳統(tǒng)光刻技術(shù)相比，它不需要昂貴的大型設(shè) 備，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)二維圖形的復(fù)制還可以進(jìn)行曲面刻蝕，制作三維結(jié)構(gòu)；還能 方便地控制微接觸印刷表面的化學(xué)物理性質(zhì)【r 丌，適應(yīng)于多種材料、大面積、批 量生產(chǎn)。軟刻蝕因其低成本，高效，操作簡(jiǎn)易而倍受人們的關(guān)注。 目前，軟刻蝕已發(fā)展成為包括微接觸印屆t ( m i c r o c o n t a c tp r i n t i n g , j u c p ) 、復(fù)制 模塑( r e p l i c am o l d i n g ，g e m ) 、微轉(zhuǎn)移模型( m i c r o t r a n s f e rm o l d i n g , 姍哪、毛細(xì) 微模塑( m i c r o m o l d i n gi nc a p i l l a r i e s ，m i m i c ) 、溶劑輔助微模塑( s o l v e n t a s s i s t e d m i c r o m o l d i n g , s a m i m ) 等在內(nèi)的表面圖案化的常用技術(shù)手段【1 7 j 。 1 2 1 1 微接觸印刷【1 6 1 微接觸印刷運(yùn)用自組裝( 特別是自組裝單分子層) 形成各種材料的微圖案或 微結(jié)構(gòu)。通過(guò)光學(xué)或電子束光刻得到模板。壓模材料的化學(xué)前體在模板中固化， 聚合成型后從模板中脫離，便得到了進(jìn)行微接觸印刷所要求的壓模，常用材料 是p d m s 。接著通過(guò)浸有硫醇等的軟模板( 如p d m s 模板) 與基板接觸，在基板 上形成自組裝單分子膜，從而把p d m s 上的圖案?jìng)鬟f給基板詹它是一種形成高質(zhì) 量微結(jié)構(gòu)的新的低成本方法，可以直接應(yīng)用于制作大面積、簡(jiǎn)單圖案。但在亞 微米尺度，印刷時(shí)硫醇分子的擴(kuò)散將影響對(duì)比度，并使印出的圖形變寬。 1 2 1 2 復(fù)制模塑【9 】 將預(yù)聚物澆鑄在p d m s 模板上，交聯(lián)固化后，聚合物表面上就形成了與p d m s 模板互補(bǔ)但與源模板相似的圖案。軟模板復(fù)制模塑可用于納米加工，用它可以 制作高聚物如聚氨酯p u 等的圖案。加熱或紫外光固化的聚合物，只要不含溶劑， 交聯(lián)時(shí)收縮率小于3 ，都可采用此方法進(jìn)行表面圖案化。其過(guò)程是由范德華 相互作用、潤(rùn)濕和填充模板動(dòng)力學(xué)等因素決定的。簡(jiǎn)單易行和價(jià)格低廉的特點(diǎn) 使得復(fù)制模塑在納米加工中有著潛在的應(yīng)用前景。 1 2 1 3 微轉(zhuǎn)移模型1 1 9 1 可用于產(chǎn)生分立的和連接的微結(jié)構(gòu)。把一薄層預(yù)聚物置于p d m s 模板上，多 余的液體利用n 2 流等方法除去。然后把p d m s 倒置于基板表面，用紫外光照或加 熱使預(yù)聚物交聯(lián)固化。去掉p d m s 模板后，就把在p d m s 模板上形成的預(yù)聚物微 6 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖案?jìng)鬟f給了基板。它最大的優(yōu)點(diǎn)是容易在曲面上制作微結(jié)構(gòu)。 1 2 1 4 毛細(xì)微模塑1 2 0 1 將p d m s 模板置于基板之上，并與基板表面緊密接觸。模板上的凹凸結(jié)構(gòu) 在基板上形成了一個(gè)空流道網(wǎng)絡(luò)。再利用毛細(xì)管作用，使低粘度的預(yù)聚物液體 自發(fā)地充滿流道，將預(yù)聚物固化后，移去p d m s 模板，則在基板上便形成了聚合 物圖案。但單純依靠毛細(xì)作用力來(lái)進(jìn)行熔體的成型，在非常小的面積范圍內(nèi)是 可行的，不適用于較大面積的微結(jié)構(gòu)的制備。 1 2 1 5 溶劑輔助微模塑【2 1 】 可用于在聚合物基板上加工準(zhǔn)三維的微圖案，同時(shí)它還可以用于修飾聚合 物的表面形態(tài)。將p d m s 模板用溶劑潤(rùn)濕( 此溶劑是將要圖案化的聚合物的良溶 劑) ，之后將其置于聚合物薄層上，溶劑溶解聚合物的薄層，形成聚合物的流體， 并且充滿模板的表面拓?fù)洹Ｄ０搴突逋耆佑|，當(dāng)溶劑揮發(fā)完全后( 可能通 過(guò)模板擴(kuò)散) ，流體固化形成與p d m s 模板互補(bǔ)的微圖案。 e v i s c o n t i 等人進(jìn)一步的發(fā)展并改進(jìn)了軟刻蝕技術(shù)。這些圖型化方法及操作 總結(jié)在下圖1 2 2 】。按圖順序依次為軟模塑、微流動(dòng)、微接觸印刷。這些方法均適 用于有機(jī)材料包括膠體、有機(jī)和無(wú)機(jī)半導(dǎo)體，共軛聚合物，金屬配位體，蛋白 質(zhì)及細(xì)胞的圖型化。 這三種方法都有一個(gè)共同點(diǎn)，即都需要傳統(tǒng)光刻模板在其他彈性體( 如 p d m s ) 上的結(jié)構(gòu)復(fù)制。如同光刻掩模是光刻技術(shù)的關(guān)鍵一樣，彈性模板則是軟 刻蝕技術(shù)實(shí)施的核心元件，它用于轉(zhuǎn)移由傳統(tǒng)光刻等方法制作的剛性母板上的 微圖案。低分辨率圖案的制作通常選用聚二甲基硅氧烷( p o l y d i m e t h y l s i l o x a n e ， p d m s ) 、聚氨酯( p o l y u r e t h a n e s ，p u ) 、聚酰亞胺( p o l y i m i d e , p i ) 、交聯(lián)酚醛清 漆樹(shù)脂( c r o s s 1 i n k e dn o v o l a cr e s i n ) 等材料的彈性模板【1 7 j ，分辨率低于5 0 0n m 的 圖形則需要較硬的材料，一般采用光刻、微機(jī)械、電子束刻蝕等方法制得硬母 板。因?yàn)榫哂袃?yōu)良的彈性，低表面能、高化學(xué)穩(wěn)定性、各向同性、較好的光透 性，可以與曲面基板緊密接觸，易于剝離等一系列優(yōu)點(diǎn)，聚二甲基硅氧烷成為 制作彈性模板最廣泛的材料。 7 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 s o f t 餅d 荊g c 舟湃：u 用瞄 e 互三馬 i 黧等喊 m f 確m 甜n n 匕= 三杰菡釜3 圖1 2 從左至右依次為軟模塑，微流動(dòng)，微接觸印刷方法示意剛捌 軟刻蝕憑借其優(yōu)良的特性已經(jīng)被廣泛地使用，但仍存在著一些有待克服的 缺點(diǎn)：彈性模板的變形和畸變極大地限制了圖形轉(zhuǎn)移精度及可重復(fù)性，制作復(fù) 雜多層圖案時(shí)彈性體需要以高精度的對(duì)準(zhǔn)，為了適應(yīng)復(fù)雜圖形和器件的制作， 還需要繼續(xù)發(fā)展更加完備的技術(shù)方法。 1 2 2 光刻蝕 表面圖案化技術(shù)當(dāng)前和潛在的應(yīng)用同時(shí)也推動(dòng)著圖案化技術(shù)本身不斷的發(fā) 展。光刻無(wú)疑是傳統(tǒng)而又應(yīng)用廣泛的方法?！肮饪獭币辉~最初是指在具有疏水性圖 案的親水性表面上使用非極性油墨的印刷過(guò)程。現(xiàn)在，它已成為一系列將原始 模板圖案復(fù)制到固體基底上技術(shù)的總稱。所有光刻技術(shù)的工作原理都大致相同， 它們的區(qū)別主要是使用的電磁輻射源和圖案的產(chǎn)生方式。按電磁輻射源的種類 來(lái)分，光刻技術(shù)可分為以光子為輻射源( 紫外光u v 、深紫外光d u v 、x 射線 等) 的光刻技術(shù)和高能粒子為輻射源( 電子和離子) 的光刻技術(shù)。光學(xué)光刻是 由投影光學(xué)系統(tǒng)和掩模板結(jié)合產(chǎn)生光刻圖形的，其原理與印相片相同。光刻技 術(shù)主要過(guò)程簡(jiǎn)要包括以下四步l 冽： 1 基板，最具代表性的是硅基板。基板表面都會(huì)涂覆一層感光刻蝕聚合物材料， 即光刻膠。 2 曝光，利用曝光工具使光刻膠在一定強(qiáng)度的輻射下曝光形成圖案。 3 顯影，溶劑輔助顯影過(guò)程選擇性的除去被曝光或未曝光的光刻膠。這取決于 8 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 它們的化學(xué)特性和溶解速率。 4 通過(guò)選擇性蝕刻或沉積等步驟最終將光刻膠的拓?fù)鋱D案轉(zhuǎn)移到基板表面。 1 2 2 1 電子束光刻 電子束光刻是在掃描電鏡技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，利用電磁場(chǎng)將電子束聚 焦到感光膠上而無(wú)需掩模，具有極高的分辨率，甚至可以達(dá)到原子量級(jí)因】。電 子束光刻是無(wú)掩模直寫型的，因此具有一定的靈活性，可以直接制作各種圖形， 多用于軟刻蝕中硬模板的制作。電子束光刻不受衍射現(xiàn)象限制，分辨率極限隨 著高質(zhì)量的電子源和電子光學(xué)系統(tǒng)的研制進(jìn)展越來(lái)越細(xì)。由于電子束是掃描成 像型的，因此它的生產(chǎn)率較低。而高能入射電子在光刻膠中和襯底的散射引起 鄰近效應(yīng)使曝光圖形模糊，又成為影響電子束光刻分辨率的重要因素【2 3 1 。因此， 電子束光刻的分辨率極限將主要由鄰近效應(yīng)、光刻膠的分辨率極限和光刻工藝 精度決定。 1 2 2 2x 射線光刻 x 射線光刻是深亞微米光刻技術(shù)之一，由于x 射線穿透力強(qiáng)，x 射線光刻 可用作大縱橫比結(jié)構(gòu)的制作，在微機(jī)械，徼系統(tǒng)的制作等方面具有廣闊的應(yīng)用 前景。此外，其高分辨率，大面積，高生產(chǎn)率的特性基本滿足了大生產(chǎn)的要求。 x 射線光刻系統(tǒng)一般采用反射式設(shè)計(jì)方案，由于x 射線的強(qiáng)穿透力，因此必須 采用多層交迭的反射膜來(lái)提高反射面的反射率【捌。此外，多層膜的穩(wěn)定性還需 要進(jìn)行控制。x 射線反射式掩模的研究制作和成本成為了該技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn) 題。 1 2 2 3 離子束光刻 與電子束光刻相比，由于離子散射比電子少得多，不存在鄰近效應(yīng)，因而 比電子束刻蝕具有更高的分辨率。同電子束一樣，離子束既可以用作聚焦束直 接在抗蝕劑內(nèi)描繪圖形，也可用投影曝光的方法。盡管在各種光刻技術(shù)中離 子束刻蝕可以達(dá)到更高的分辨率，但目前離子束刻蝕的研究仍較為薄弱，直接 描繪離子束光刻生產(chǎn)率太低，并且對(duì)儀器的要求較高，價(jià)格昂貴。 9 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 2 2 4 紫外光刻蝕 對(duì)光學(xué)光刻，提高光刻分辨率主要有四種途徑：采用短波長(zhǎng)光源，提高光刻 鏡頭數(shù)值孔徑，改善抗蝕劑工藝以及開(kāi)發(fā)新技術(shù)增強(qiáng)鏡頭分辨能力團(tuán)】。當(dāng)特征 線寬尺寸進(jìn)一步縮小到0 2 5 m 時(shí)，紫外光刻技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái)。制造尺寸越來(lái) 越小，分辨率要求越來(lái)越高，所用的光波長(zhǎng)應(yīng)處于深紫外光( d e e pu l t r a v i o l e t ， d u v ) 以至極紫外光( e x t r au l t r a v i o l e t ，e u v ) 波段。 相比這些微加工方法，近幾年，日本名古屋大學(xué)的t a k a i 研究小組研制開(kāi)發(fā) 出了一種具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的光刻蝕圖案化的方法真空紫外光( v a c u u m u l t r a v i o l e t ，v u v ) 刻蝕技術(shù)1 2 5 ，2 4 1 。它采用的紫外光波長(zhǎng)為1 7 2i l l n ，可以產(chǎn)生高 達(dá)7 2e v 的高能量光子，在真空條件下，與少量的0 2 作用可以產(chǎn)生高能的原子 氧，同時(shí)在光照的過(guò)程中有機(jī)材料表面的有機(jī)分子鏈斷裂，這些斷裂的分子鏈 還可與高活性原子氧反應(yīng)產(chǎn)生含氧基團(tuán)如羧基，羥基等【1 5 ，2 6 1 。由于波長(zhǎng)短而且 在真空條件下進(jìn)行，使得其進(jìn)行光刻蝕圖案化所需的要求范圍大大拓寬，更重 要的是其具有其它光刻技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)： 1 不需添加昂貴光學(xué)輔助系統(tǒng)的情況下，在適當(dāng)光強(qiáng)度下短時(shí)間內(nèi)可以進(jìn) 行大面積的光刻蝕圖案化； 2 由于具有很大的吸光系數(shù)，真空紫外光的穿透深度通常只能達(dá)到幾百納 米，因此可直接用于對(duì)聚合物材料進(jìn)行表面光刻蝕； 3 真空紫外燈的輻射過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生紅外光，因此不會(huì)導(dǎo)致樣品表面升溫 從而影響表面的可控修飾； 4 真空紫外光可以改善基材表面的潤(rùn)濕性和光接枝活性官能團(tuán)； 5 大大拓寬了制作生物圖案化基片的選材范圍。 因此利用波長(zhǎng)為1 7 2h i l l 真空紫外光刻蝕技術(shù)不僅可以對(duì)材料表面進(jìn)行自組 裝單分子膜使表面官能化，還可以進(jìn)行微圖案化刻蝕從而制備微流道，達(dá)到材 料表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變以及表面改性的雙重作用。本文將利用低成本、大面積、 高保真的真空紫外光刻蝕技術(shù)在材料表面制作亞微米級(jí)圖案，借助自組裝單分 子膜的方法再對(duì)圖案化表面進(jìn)行官能化。在保持生物分子原有的生物活性前提 下，從微結(jié)構(gòu)角度研究材料圖案化表面對(duì)蛋白質(zhì)吸附的選擇性及其機(jī)理。 1 0 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 3 生物材料與蛋白質(zhì)的相互作用 蛋白質(zhì)在生物材料表面的吸附除了與材料表面性質(zhì)的有關(guān)，還受到材料表 面與蛋白質(zhì)之間的相互作用的影響。生物分子在固體材料基片表面的吸附具有 許多的實(shí)際應(yīng)用，如表面生物診斷( s u r f a c e 。b a s e db i o a s s a y s ) 2 7 1 、生物傳感器 ( b i o s e n s o r s ) 【冽和生物醫(yī)學(xué)器件( b i o m e d i c a ld e v i c e s ) 2 9 l 等都是十分重要的。 將生物分子以一種可以控制的方式大面積地固定于固體材料的表面而仍保持其 生物活性是制作微結(jié)構(gòu)生物器件所面臨的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。為了攻克這一技術(shù)難 題，人們進(jìn)行了廣泛的研究【2 9 1 。最近一些研究工作的焦點(diǎn)集中于通過(guò)制作蛋白 質(zhì)、細(xì)胞和寡聚核苷酸的生物圖案( b i o p a t t e r n s ) 以期獲得在生物診斷和高產(chǎn)率 藥物篩選方面的應(yīng)用例。 生物分子在固體基片上的吸附通常依賴三種相互作用：物理吸附( 靜電相 互作用、疏水相互作用、氫鍵等) 【3 1 ，3 2 1 、共價(jià)鍵合 3 3 1 、和生物特異性相互作用【3 4 弼。 依靠靜電相互作用對(duì)蛋白質(zhì)分子的吸附不僅可逆而且吸附量大，更重要的是能 很好地保持被固定蛋白分子的生物性能，而且實(shí)際操作條件簡(jiǎn)單，成為將蛋白 分子固定于基片指定的位置上一種使用最廣泛的途徑。雖然已經(jīng)有人利用靜電 相互作用將蛋白分子固定在金屬氧化物基片獲得具有納米級(jí)生物圖案，并將其 制成了光學(xué)和電化學(xué)生物傳感器，但有一些研究結(jié)果并不能完全用靜電相互作 用來(lái)進(jìn)行解釋1 3 。這表明蛋白質(zhì)分子的吸附機(jī)理以及蛋白質(zhì)分子間的相互作用 機(jī)理還有待進(jìn)一步研究和探索。 在材料的生物相容性研究中，血漿蛋白在材料表面的吸附是非常重要但仍 然沒(méi)有完全闡明的問(wèn)題。當(dāng)生物材料與生理環(huán)境相接觸時(shí)，首先到達(dá)生物材料 表面的是水分子和無(wú)機(jī)鹽離子，其次是體液、血液或培養(yǎng)基中的蛋白質(zhì)分子， 最后才是細(xì)胞到