生物分子纳米图样构建及其纳米复型研究

论文摘要

纳米加工是指制造具有人造样式纳米结构的过程。目前,认为这些结构的最小尺寸要≤100纳米。基于光刻蚀和扫描束刻蚀的常规纳米加工技术已能用于大规模生产,但这些方法面临诸多限制。非常规的纳米加工方法主要包括基于聚合物的塑模、压痕、转印技术、扫描探针刻蚀技术、分子自组装技术等。这些技术目前尚局限于科研领域,但它们拥有最终成为低成本的纳米生产方法的潜能。非常规纳米加工技术的一个重要领域是使用一组有机材料来复制纳米图样,这些纳米图样通过塑模、压痕和转印的方法转移至其它材料。随着具有分子级复型能力聚合物材料的出现,能够用于复型的母板也更加多样。本论文重点关注生物分子构建的纳米图形的可复型问题。分别以两种生物大分子：DNA分子和多肽小分子GAV-9在云母表面构建纳米图样,并用作聚合物复型的母板,以聚二甲基硅氧烷（PDMS和h-PDMS）和聚氨酯（PU）为复型材料,进行了聚合物复型研究。主要采用原子力显微镜对生物分子模板,复型材料进行形貌表征。为了检测母板的制备、复型或再复型的情况,本论文首先发展和建立了基于原子力显微镜的两种新的重定位和反向重定位方法,以便跟踪和表征母板的形成过程,研究各种处理条件对母板的影响,原位比较母板在复型前后的变化、以及复型或再复型在聚合物表面形成的阴版或阳版图样。DNA分子一直被视作构建分子器件／纳米导线的重要材料,但是否可以用聚合物材料复型出其结构一直是个挑战性的课题。本论文首先运用分子梳技术在两种不同修饰的云母表面构建了DNA单分子图样,并尝试将其结构复型至PDMS表面,结果表明,DNA单分子图样可以在PDMS和h-PDMS上形成阴版图样。多肽小分子GAV-9是与神经退行性疾病相关的三种蛋白α-synuclein, amyloidβ和prion蛋白的一段疏水性同源序列（VGGAVVAGV）,本实验室在前期研究工作中发现GAV-9可以在亲水性云母表面以站立模式形成规整有序的纳米纤维结构。该自组装形成的纳米纤维结构更适合作为非常规纳米加工技术中的复型用母版,来探索生物分子图样被复型的可行性。本论文采用原位的溶液中自组装方法构建得到多种GAV-9纳米纤维图样,经清洗、吹干处理后进行聚合物复型,实验结果表明其形貌可以在纳米尺度上被h-PDMS复型,并可经PU进行再次复型,最后在PU聚合物表面获得与母板相对应的阳版纳米图样。图样的保真度尚好,纵向复型精度可以达到1 nm以下,但纵向高度低于原GAV-9纳米纤维的高度。总体而言,以DNA构建的纳米图样用于聚合物复型仍然面临较大挑战,但规整有序的GAV-9自组装纳米纤维图样可以被较好地复型,显示出这类短肽分子自组装模板在非常规纳米加工技术方面具有一定的应用潜力,也表明将“从下至上”和“从上至下”两种方法结合起来的思路具有一定可行性。未来这类技术的发展取决于对聚合物材料、分子模板纳米图样形成机理和聚合物与生物分子模板相互作用的深入研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 纳米科技与纳米加工
• 1.1.1 纳米加工方法概述
• 1.1.2 常规纳米加工技术
• 1.1.3 非常规纳米加工技术
• 1.1.4 纳米加工技术小结
• 1.2 利用生物分子构建纳米图样的国内外进展情况
• 1.3 本论文结构和内容简介
• 第二章 聚合物复型方法及复型情况原位检测技术的建立
• 2.1 原子力显微镜技术的成像原理及应用
• 2.2 本论文采用的液体下轻敲模式成像
• 2.3 复型聚合物材料的选择和聚合物复型方法的建立
• 2.3.1 材料与方法
• 2.3.2 结果与讨论
• 2.4 用于复型情况原位检测的重定位和反向重定位技术
• 2.4.1 正向重定位和反向重定位的概念
• 2.4.2 正向重定位技术
• 2.4.3 反向重定位技术
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于DNA分子模板的纳米图样构建和聚合物复型
• 3.1 前言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 实验材料和仪器
• 3.2.2 云母衬底的修饰制备
• 3.2.3 DNA分子模板的制备
• 3.2.4 对拉直DNA单分子纳米图样模板的复型方法
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 云母基底的修饰
• 3.3.2 纳米图案的构建及AFM成像
• 3.3.3 DNA分子模板的聚合物复型
• 3.4 本章小结
• 第四章 GAV-9短肽自组装的纳米图样构建和聚合物复型
• 4.1 前言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 GAV肽段合成与溶液配制
• 4.2.2 云母片的准备
• 4.2.3 微量滴定法原位观察GAV-9肽段在云母表面自组装
• 4.2.4 AFM重定位成像
• 4.2.5 GAV-9分子模板的清洗过程
• 4.2.6 聚合物复型过程
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 不同方法构建GAV-9自组装纳米纤维结构
• 4.3.2 模板的清洗
• 4.3.3 聚合物复型
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 论文总结
• 5.1.1 研究思路的创新
• 5.1.2 方法上的创新
• 5.2 展望
• 5.2.1 生物大分子模具用于构建功能分子器件的进一步评价
• 5.2.2 生物大分子与高分子聚合物的相互作用过程的研究
• 5.2.3 DNA分子模板复型技术的优化
• 5.2.4 短肽自组装机制的深刻认识
• 5.2.5 AFM重定位成像技术的常规化
• 参考文献
• 缩略语表
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文目录