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KR20000057427A - 광자 및 전자 용품을 위한 친화성 자가-어셈블리 시스템 및 디바이스 - Google Patents

광자 및 전자 용품을 위한 친화성 자가-어셈블리 시스템 및 디바이스 Download PDF

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KR20000057427A
KR20000057427A KR1019990705013A KR19997005013A KR20000057427A KR 20000057427 A KR20000057427 A KR 20000057427A KR 1019990705013 A KR1019990705013 A KR 1019990705013A KR 19997005013 A KR19997005013 A KR 19997005013A KR 20000057427 A KR20000057427 A KR 20000057427A
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KR
South Korea
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dna
support
devices
component device
sequence
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KR1019990705013A
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KR100507815B1 (ko
Inventor
마이클 제이. 헬러
제프리 엠. 케이블
사딕 씨. 에세너
Original Assignee
마이클 제이. 헬러
나노트로닉스, 인크.
린다 에스. 스티븐슨
더 리전트 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아
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Publication date
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Abstract

본 발명은 프로그래밍가능한 기능화 자가-어셈블리 핵산, 핵산 변성 구조물, 및 다른 선택적 친화성 또는 결합 잔기를 빌딩 블록으로 사용하는 기술에 관한 것이다. 본 발명은 제1 부품 디바이스를 제1 지지체 상에 조립하는 단계, 제1 지지체로부터 하나 이상의 제1 부품 디바이스를 방출시키는 단계, 제1 부품 디바이스를 제2 지지체 상에 전달하는 단계 및 제1 부품 디바이스를 제2 지지체 상에 부착하는 단계를 포함하는 마이크로 크기 및 나노 크기 디바이스의 조립 방법이다. 본 발명은 또한 구조물을 전계 중에 배향시키는 방법, 친화성 서열을 반응시키는 방법 및 광활성화에 의해 발색 구조물을 조립하는 방법을 제공한다.

Description

광자 및 전자 용품을 위한 친화성 자가-어셈블리 시스템 및 디바이스 {Affinity Based Self-Assembly Systems and Devices for Photonic and Electronic Applications}
본 발명은 (1) 분자 전자 및 광자 메카니즘을 형성하기 위해; (2) 실리콘 또는 다른 재료 상에 나노구조, 서브미크론 및 미크론 크기의 부품을 구성하고, 조립하고, 상호연결하기 위해; (3) 마이크로일렉트로닉 또는 광전자 부품 및 디바이스의 주변에 나노구조, 서브미크론 및 미크론 크기의 부품을 구성하고, 조립하고, 상호연결하기 위해; (4) 광자학 및 전자학 구조, 디바이스 및 시스템을 형성하고, 배치하고, 제조하기 위해; (5) 고 비트 밀도 (대형 바이트)의 3차원 및 4차원 광학 데이터 저장 재료 및 디바이스의 개발을 위해; 및 (6) 서류 또는 상품의 보증, 위조방지 및 정보의 암호화를 위해, 빌딩 블록으로서 프로그래밍 가능한 기능화 자가-어셈블리성 핵산, 핵산 변성 구조 및 다른 선택적 친화성 또는 결합성 잔기를 사용하는 방법 및 기술에 관한 것이다. 본 발명은 또한 자가-어셈블리 나노구조, 서브미크론 및 미크론 크기의 부품을 디바이스 상의 선택된 위치로 또는 다른 기질 재료 상으로 전계 이동 시키고 선택적으로 배치시키는 관련 마이크로일렉트로닉 및 광전자 디바이스, 시스템 및 제조 플랫포옴 (platform)에 관한 것이다.
본 출원은 발명의 명칭 "Active Programmable Electronic Devices for Molecular Biological Analysis and Diagnostics" (보정됨)으로 1993년 11월 1일 출원된 미국 특허 출원 제 08/146,504호의 일부 계속 출원인 발명의 명칭 "Methods for Electronic Stringency Control for Molecular Biological Analysis and Diagnostics" (보정됨)으로 1994년 7월 7일 출원된 미국 특허 출원 제 08/271,882호의 일부 계속 출원인 발명의 명칭 "Molecular Biological Diagnostic Systems Including Electrodes" (보정됨)으로 1994년 9월 9일 출원된 미국 특허 출원 제 0-8/304,657호의 일부 계속 출원인 발명의 명칭 "Apparatus and Methods for Active Programmable Matrix Devices"으로 1995년 9월 27일 출원된 미국 특ㅎ 출원 제 08/534,454호, 현재 미국 특허 제 5,532 129호로 허여된 (1994년 5월 27일 출원된 계속 출원 제 08/250,951호), 발명의 명칭 "Self-Organizing Molecular Photonic Structures Based on Chromophore- and Fluorophore-Containing Polynucleotide and Methods of Their Use"로 1991년 11월 7일 출원된 미국 특허 출원 제 07/790,262호의 일부 계속 출원인, 현재 미국 특허 제 5,565,322호로 허여된, 발명의 명칭 "Hybridization of Polynucleotide Conjugated with Chromophores and Fluorophores to Generate Donor-to-Donor Energy Transfer System"으로 1994년 5월 5일 출원된 미국 특허 출원 제 08/232,233호의 계속인, 현재 계류중인, 발명의 명칭 "Hybridization of Polynucleotide Conjugated with Chromophores and Fluorophores to Generate Donor-to-Donor Energy Transfer System"으로 1996년 8월 23일 출원된 미국 특허 출원 제 08/703,601호, 및 발명의 명칭 "DNA Optical Storage"로 1994년 8월 25일 출원된 미국 특허 출원 제 08/258,168호의 일부 계속 출원이다 (상기 모든 문헌들은 본원에 참고 문헌으로 인용됨).
분자 전자학/광자학 및 나노기술 분야는 미래의 광대한 기술적 가능성을 제시한다. 나노기술은 물체를 복잡한 원자 명세서로 구성할 수 있는 일반화 능력을 기초로 한 계획된 기술로서 정의된다 (Drexler, Proc. Natl. Acad. Sci USA, 78:5275-5278 (1981) 참조). 나노기술은 일반적으로 거시적 수준까지 복잡한 구조를 구성하고 구성하기 위한 원자 단위 또는 분자 단위 제어를 의미한다. 나노기술은 현재 반도체 및 집적 회로 산업에서 사용되고 있는 리쏘그래픽 기술과 같은 탑-다운 (top-down) 방식과 대조적인 바텀-업 (bottom-up) 방식이다. 나노기술의 성공은 광범위한 분자 구조 및 디바이스의 구성을 가능하게 하는 프로그래밍이 가능한 자가 조립성 분자 단위 및 분자 수준 기계 장비 (소위, 어셈블러)의 개발을 토대로 할 수 있다 (Drexler, "Engines of Creation,"Doubleday Publishing Co., New York, NY (1986) 참조).
현재 분자 전자학/광학 기술은 여러 분야의 과학자 및 공학자들의 노력을 발판으로 하고 있다 (Carter ed., "Molecular Electronic Devices II," Marcel Dekker, Inc, New York, NY (1987) 참조). 이러한 분야로는 유기 중합체 기재 정류기 (Metzger et al., "Molecular Electronic Devices II," Carter, ed., Marcel Dekker, New York, NY, PP. 5-25 (1987)), 전도성 컨쥬게이티드 중합체 (MacDiarmid et al., Synthetic Metals, 18:285 (1987)), 유기 박막 또는 랑그미르-블로제트 막의 전기적 특성 (Watanabe et al., Synthetic Metals, 28:C473 (1989)), 전자 이동을 기초로 한 분자 변이 레지스터 (Hopfield et al., Science, 241:817 (1988)) 및 여러가지 다양한 "관상" 미세구조를 형성하는 합성에 의해 변성된 지질을 기재로 한 자가-결합 시스템 (Singh et al., "Applied Bioactive Polymeric Materials," Plenum Press, New York, NY, pp. 239-249 (1988))이 포함된다. 컨쥬게이티드 유기 중합체를 기재로 한 분자 광학 또는 광자 디바이스 (Baker et al., Synthetic Metals, 28:D639 (1989)) 및 비선형 유기 재료가 또한 개시되어 있다. (Potember et al., Proc.Annual Conf. IEEE in Medicine and Biology, Part 4/6:1302-1303 (1989))
그러나, 상기 언급된 문헌들 중 어느 것도 복잡하거나 프로그래밍 가능한 수준의 자가-구성 또는 자가-결합에 대해 기재한 것은 없다. 대개 전자 및(또는) 광자 메카니즘을 실행하는 실제 분자 부품은 천연 생물학적 단백질 또는 다른 분자이다 (Akaike et al., Proc. Annual Conf. IEEE in Medicine and Biology, Part 4/6: 1337-1338 (1989) 참조). 효과적인 전자 또는 광자 구조, 메카니즘 또는 디바이스를 생산하는 완전히 합성된 프로그래밍가능한 자가-어셈블리 분자의 예는 현존하지 않는다.
생물학적 시스템에서 자가-결합의 이해가 진척되는 것은 나노기술과 관련이 있다 (Drexler, Proc. Natl. Acad. Sci USA, 78:5275-5278 (1981) 및 Drexler, "Engines of Creation," Doubleday Publishing Co., New York, NY (1986) 참조). 크게 발전을 보인 영역으로는 광수확 광합성 시스템, 에너지 변환 전자 전달 시스템, 시각 작용, 신경 전달 및 이들 시스템을 구성하는 단백질 부품들의 구조 및 기능의 구성이 포함된다. 소위 바이오-칩이 분자 전자 디바이스를 구성하는 합성에 의해 또는 생물학적으로 변성된 단백질의 용도를 제시하였다 (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) 참조).
합성 단백질에 대한 몇몇 연구가 전달 조직을 개발할 목적으로 실행되었다 (McAlear et al., "Molecular Electronic Devices," Carter ed., Marcel Dekker, New York, NY, pp. 175-180 (1982) 참조). 다른 연구에서는 핵산 기재 바이오 칩이 보다 유망할 수 있을 것으로 예측되었다 (Robinson et al., "The Design of a Biochip: a Self-Assembling Molecular-Scale Memory Device," Protein Engineering, 1:295-300 (1987) 참조).
모든 살아있는 유기체에서 유전 정보의 전달자인 핵산, 데옥시리보핵산 또는 DNA의 구조와 기능을 이해하는데 많은 연구가 이루어졌다 (도 1, Watson, et al., in "Molecular Biology of the Gene," Vol. 1, Benjamin Publishing Co., Menlo Park, CA (1987) 참조). DNA에서, 정보는 염기 단위인 아데닌, 구아닌, 시토신 및 티미딘 (A, G, C 및 T)에 의해 누클레오티드의 선형 서열로 암호화된다. DNA (또는 폴리누클레오티드)의 싱글 스트랜드는 그들의 상보적 서열을 인지하고 혼성화에 의해 결합하여 더블 스트랜드의 핵산 이중 구조를 형성하는 독특한 특성을 갖고 있다. 이는 A는 T를 인식하고, G는 C를 인식하는 핵산의 고유한 염기쌍 특성 때문이다. 모든 주어진 폴리누클레오티드 서열은 그의 정확한 상보적 서열에만 혼성화할 것이기 때문에 이러한 특성으로 인해 매우 높은 수준의 특이성을 얻을 수 있다.
핵산의 분자 생물학 이외에, 핵산의 화학적 합성 분야에서도 많은 진전이 있었다. 이러한 기술이 개발됨으로써 현재 자동화된 기기들이 길이가 100 누클레오티드 이상인 서열들을 15 누클레오티드/시의 합성율로 효과적으로 합성할 수 있다. 또한, 형광단, 발색단, 친화성 라벨, 금속 킬레이트, 화학적 반응기 및 효소를 포함하는 관능기로 핵산을 변성시키는 많은 기술들이 개발되었다 (Smith et al., Nature, 321:674-679 (1986); Agarawal et al., Nucleic Acids Research, 14:6227-6245 (1986); Chu et al., Nucleic Acids Research, 16:3671-3691 (1988) 참조).
핵산의 합성 및 변성을 모두 발전시키려는 움직임은 DNA 프로브 진단으로 불리는 영역인 임상 진단 분석에서의 용도를 발판으로 하고 있다. DNA 프로브 진단 분석 시스템에 민감한 형광 검색 특성을 부여하기 위한 노력으로 변성 올리고누클레오티드에 단순한 광자 메카니즘을 도입시켰다. 이러한 시도는 폴스터 비복사 에너지 전달을 실행하는 형광단 및 화학발광 표지 올리고누클레오티드와 관련되어 있다 (Heller et al., "Rapid Detection and Identification of Infectious Agents," Kingsbury et al., eds., Academic Press, New York, NY pp. 345-356 (1985) 참조). 폴스터 비복사 에너지 전달은 한 파장에서 여기된 형광성 전자 공여기가 흡수한 에너지를 공진 쌍극자 커플링 방법에 의해 적합한 형광성 전자 수용기에 전달하는 과정이다. 적합한 전자 공여기와 수용기 사이의 에너지 전달 효율은 1/r6의 거리 의존도를 갖는다 (Lakowicz et al., "Principles of Fluorescent Spectroscopy," Plenum Press, New York, NY, Chap. 10, pp. 305-337 (1983) 참조).
광자 디바이스는, 잘 개발된 미세-조립 기술을 사용하여 조밀한 어레이로 조립할 수 있다. 그러나, 광자 디바이스는 사용되는 기판의 비교적 높은 결함 밀도에 의해서 제한되는 좁은 영역에 걸쳐서만 집적될 수 있다. 유용하고 경제적으로 유익하기 위해, 이들 디바이스는 많은 경우에 넓은 면적의 실리콘 집적 회로 내에서 사용될 수 있어야 한다. 이러한 안건의 좋은 예로 수직 공동 표면 발산 레이저가 있다. 많은 전위 사용을 가능하게 하기 위해, 이들 디바이스는 넓은 영역의 실리콘 집적 회로를 사용하여 집적시키는 것이 매우 바람직하다. 이러한 신규 디바이스를 실리콘과 집적시키는데 있어서 주요 장애는 재료의 상용성과 기하학적 비혼화성에 있어서의 문제이다. 이들 디바이스는 최소한의 성능 감소로 하부 실리콘 회로에 영향을 주지 않으면서 넓고 성긴 어레이로 실리콘 상에 집적시켜야 한다. 과거 수년에 걸쳐, 실리콘 상에 이러한 화합물 반도체 디바이스의 집적과 관련하여 많은 부품 조립 기술이 면밀히 조사되었다. 혼성화 플립-칩 결합 또는 에피텍셜 리프트-오프 (lift-off) 또는 다른 직접 결합 방법이 이에 포함된다. 이들 혼성화 기술은 큰 진전을 이룩하고 몇몇 부품 실례에서는 이들 기술의 실용화가능성이 입증되었으나, 기하학적 비혼화성의 문제에 있어서는 해결책을 제시하지 못하였다. 즉, 특수 디바이스가 그들의 모기판 상에 조립될 때 차지한 크기를 호스트 기판 상에 커플링될 때도 보존해야만 한다. 이는 넓은 면적의 부품 상에 작은 면적의 디바이스를 집적시키는 것을 경제적으로 불가능하게 한다.
이러한 신규 디바이스를 실리콘과 집적시키는데 있어서 주요 장애는 재료의 상용성과 기하학적 비혼화성에 있어서의 문제이다. 이들 디바이스는 최소한의 성능 감소로 하부 실리콘 회로에 영향을 주지 않으면서 넓고 성긴 어레이로 실리콘 상에 집적시켜야 한다. 과거 수년에 걸쳐, 실리콘 상에 이러한 화합물 반도체 디바이스의 집적과 관련하여 많은 부품 조립 기술이 면밀히 조사되었다. 혼성화 플립-칩 결합 또는 에피텍셜 리프트-오프 또는 다른 직접 결합 방법이 이에 포함된다. 이들 혼성하 기술은 큰 진전을 이룩하고 몇몇 부품 실례에서는 이들 기술의 실용화가능성이 입증되었으나, 기하학적 적합성의 문제에 있어서는 해결책을 제시하지 못하였다. 즉, 특수 디바이스가 그들의 모기판 상에 조립될 때 차지한 크기를 실리콘 보드 상에 커플링되거나 그래프팅될 때도 보존해야만 한다.
종래 기술은 디바이스를 좁은 면적 위에 조밀하게 조립할 때 넓은 면적에 분포된 디바이스의 성긴 어레이를 형성할 수 있는 집적 기술을 갖지 못했다. 따라서 미크론 크기의 디바이스를 집적하여 넓은 면적의 부품을 제조하는 것이 경제적으로 불가능하였다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 전자 산업은 포장 기술 중 한 단계를 이용한다. 그러나, 이 문제는 디바이스의 일반적인 어레이가 비교적 작은 피치를 갖는 넓은 면적 상에 필요로 할 때는 여전히 해결되지 않은 상태이다. 이러한 문제는 실리콘 활성 매트릭스가 넓은 면적에 걸쳐 분포되어야 하는 작은 트랜지스터로 이루어지는 매트릭스 어드레스 디스플레이의 실행과 관련된 높은 비용으로 인해 더욱 두드러질 것이다. 따라서, 종래의 미세조립 기술은 디바이스를 조밀한 디바이스의 어레이를 집적시켜야 하는 좁은 면적의 부품으로 제한한다. 그러나, 특수한 디바이스를 넓은 면적에 걸쳐 보다 성기게 집적시키는 것이 유리할 수 있는 중요한 경우가 많이 있다.
기하학적 제한을 제거하는 가능한 방법은 실리콘의 밀도에 근접한 밀도를 갖는 반도체 기재를 개발하는 것이다. 이것은 많은 개선을 필요로 하는 오랜 시간과 많은 비용을 요하는 과정이다. 두번째 방법은 미크론 및 서브미크론 크기의 디바이스를 취급할 수 있고 적절한 위치에 그래프팅시킬 수 있는 특수한 로봇의 개발이다. 이 또한 그래프팅 방법이 한 디바이스를 다른 디바이스 다음에야 그래프팅시킬 수 있는 순차적인 방법으로서 비현실적인 공정 시간을 필요로하기 때문에 현실적이지 못하다. 어느 것이나, 상기 두 방법은 주기판 크기를 10 ㎝ 정도로 제한한다.
메모리에 있어서는, 데이터 처리 엔진이 데이터 및 프로그램 명령을 보관하는 메모리로부터 물리적으로 및 개념적으로 분리되었다. 세월이 갈 수록 처리 속도가 빨라지기 때문에 보다 많은 메모리 및 보다 빠른 처리에 대한 요구가 계속되었다. 최근 프로세서 속도의 발전으로 메모리 접근에 있어서 시스템 병목 현상이 일어났다. 이러한 한계는 명령 또는 데이터를 얻을 때 지연되는 것이 막대한 프로세서 대기 시간을 발생시켜 귀중한 처리 시간의 낭비를 초래할 수 있기 때문에 중요하다.
이와 관련하여 다양한 시도가 있었다. 일반적으로 해결책은 여러가지 특성을 갖는 각종 유형의 메모리를 사용하는 것을 포함한다. 예를 들면, 프로세서 단위와 직접 연결된 비교적 적은 양의 빠르고, 대개는 고가인 메모리 (캐시 메모리로 불림)를 사용하는 것이 통상적이다. 그 밖에, DRAM 또는 SRAM과 같은 대용량이지만 대체로 느린 메모리가 CPU에 연결되어 있다. 이러한 중간 메모리는 소수의 상용 프로그램에는 충분히 크지만, 많은 시스템 프로그램 및 데이터를 유지하는데는 크지않다. 통상적으로 매우 크지만 비교적 저렴한 대형 저장 메모리는 상대적으로 느리다. 모든 유형의 메모리의 크기와 속도를 개선하고 메모리 비트 당 비용을 줄이는 데 있어서 지속적인 발전이 있었지만, 아직도 보다 빠른 프로세서에 대한 실질적인 필요가 존재한다.
지난 20여년간, 대부분의 대용량 저장 디바이스는 회전 메모리 매체를 사용하였다. "플로피" (유연성) 디스크 또는 "하드" 디스크 드라이브로 자기 매체가 사용되었다. 디스크 상의 정의된 물리적 위치의 자화 존재 또는 부재로서 정보가 저장된다. 통상적으로, 자기 매체는 시스템에 의해 기록될 수도 있고 판독될 수도 있는 "판독-기록 (read-write)" 메모리이다. 데이터는 디스크의 표면에 근접하게 위치한 헤드에 의해 디스크에 기록되거나 디스크로부터 판독된다.
회전 대용량 저장 매체에 있어서 보다 최근의 발전은 광학 메디아이다. 컴팩트 디스크는 메모리를 판독할 수만 있으며 디스크 내의 물리적 변형의 존재 유무가 데이터를 나타낸다. 촛점이 맞추어진 레이저 빔을 사용하여 정보를 판독하며, 이 때, 디스크로부터의 반사율 특성의 변화가 데이터 상태를 나타낸다. 광학 분야에는 또한 데이터의 기록 및 판독 시에 자기광학 특성을 이용하는 다양한 광학 메모리가 보급되어 있다. 이들 디스크는 판독만을 하기도 하고, 1회 기록하고 중복 판독하는 ("WORM", write once read many) 드라이브이기도 하며, 중복 판독-기록 메모리이기도 하다. 일반적으로 광학 매체는 자기 매체에 비해 큰 저장 용량을 갖지만 비트 당 비용이 비싸고, 기록 능력에 제한이 있는 것으로 밝혀졌다.
전자 기재 분자 메모리에 중합체를 사용하는 몇몇 제안이 있었다. 예를 들면, 호필드 (Hopfield, J. J.), 오누시크 (Onuchic, J. N.) 및 베라탄 (Beratan, D. N.)의 문헌 ["A Molecular Shift Register", Science, p. 817, 1988]이 전하 운반기를 도입한 중합체 기재 시프트 레지스터 메모리를 개시하였다. 다른 문헌들은 전자 기재 DNA 메모리를 제안하였다 (Robinson et al, "The Design of Biochip: A Self-Assembling Molecular-Scale Memory Device", Protein Engineering, 1:295-300 (1987) 참조). 이 경우, DNA는 분자 메모리 디바이스를 위한 전자 전도성 중합체와 함께 사용된다. 이들 두 분자 전자 메모리는 데이터 입력 (기록)과 데이터 출력 (판독)을 위한 실행 가능한 메카니즘을 제공하지 못한다.
분자전자 메모리는 특히 그들의 실행 결과면에서 실망스러운 성과를 보였다. 제안이 있고 최소한의 현존하는 입증 시험이 수행되었으나, 일반적으로 이들 시스템은 상업적 현실성을 보이지 못했다. 또한, 상기 시스템의 구체적인 결함은 순차적 메모리가 대부분의 시스템에 사용되는 무작위 처리 메모리 보다 대개 실질적으로 느리다는 것이다.
상기 광학 메모리는 회절 제한된 광학 시스템의 사용을 필요로 하는 특별한 문제를 안고 있다. 이는 데이터 비트의 최소 크기에 크기 제한을 가하게 되어 메모리 밀도를 제한한다. 이는 주어진 물리적 메모리 위치에 데이터의 단일 비트를 저장하는 시스템에 있어서 고유한 한계이다.
또한, 상기 광학 메모리 시스템에서는, 정보가 비트 단위로 저장되어 메모리 내의 주어진 물리적 위치를 처리함으로써 데이터의 단일 비트만이 얻어진다. 단어 단위 메모리 처리 시스템이 존재하지만, 이들은 일반적으로 주어진 위치에 정보의 단일 비트만을 저장하기 때문에 비트 단위로 또는 단어 단위로 처리되는 것에 상관 없이 실질적으로 동일한 양의 물리적 메모리 공간을 필요로 한다.
대체로 시스템의 속도 및 저장 밀도가 증가되고 비트 당 비용이 감소되었지만 여전히 프로세서 속도 및 시스템 조건 간의 불균형이 남아 있다 ("New Memory Architectures to Boost Performance", Tom R. Halfhill, Byte, July, 1993, pp. 86-87 참조). 보다 빠르고, 조밀하고, 비트 당 가격이 저렴한 메모리에 대한 요구와 현대의 프로세서 시스템 속도의 요구에 부합될 수 있는 대용량 메모리에 대한 특히 중요한 요구에도 불구하고, 이제껏 완전히 만족스런 해결책은 개발되지 않았다. 현존하는 패러다임에 대한 근본적인 한계는 종래 시스템의 진보적인 향상으로 극복될 수 없다.
당 분야의 신규하고 개선된 디바이스 및 방법에 대한 분명한 요구에도 불구하고, 최적의 해결책은 제안된 바 없다.
발명의 개요
작고, 빠른 전자 및 광자 디바이스의 고집적 어레이에 대한 통신, 정보 처리 및 데이터 저장 기술의 의존도가 더욱 가중되고 있다. 디바이스의 크기가 작아지고, 어레이 크기가 커짐에 따라, 통상적인 집적 기술의 비용이 증가된다. 광자 및 전자 디바이스의 크기에 따라 광자 및 전자 어레이 부품의 집적화 및 제조를 위한 분자 생물 공학의 사용이 가능해진다. 본 발명은 (1) 분자 전자 및 광자 메카니즘을 형성하기 위해; (2) 실리콘 또는 다른 물질 상에 나노구조, 서브미크론 및 미크론 크기의 부품을 구성하고, 조립하고, 상호연결하기 위해; (3) 마이크로일렉트로닉 또는 광전자 부품 및 디바이스의 주변에 나노구조, 서브미크론 및 미크론 크기의 부품을 구성하고, 조립하고, 상호연결하기 위해; (4) 광자 및 전자 구조, 디바이스 및 시스템을 형성하고, 배치하고, 제조하기 위해; (5) 고 비트 밀도 (대형 바이트)의 3차원 및 4차원 광학 데이터 저장 재료 및 디바이스의 개발을 위해; 및 (6) 서류 또는 물품에서 정보의 검증, 위조방지 및 암호화를 위해, 빌딩 블록으로서 프로그래밍 가능한 기능화 자가-어셈블리 핵산, 핵산 변성 구조 및 다른 선택적 친화성 또는 결합성 잔기를 사용하는 방법 및 기술에 관한 것이다. 본 발명은 또한 자가-어셈블리 나노구조, 서브미크론 및 미크론 크기의 부품을 디바이스 상의 선택된 위치로 또는 다른 기재 상으로 전계 이동 시키고 선택적으로 배치시키는 관련 마이크로일렉트로닉 및 광전자 디바이스, 시스템 및 제조 플랫포옴에 관한 것이다.
기능화 핵산 기재 중합체 (예, DNA, RNA, 펩티드 핵산, 메틸포스포네이트)가 특이적 상보성 더블 스트랜드 DNA 구조를 형성하게 하는 DNA의 염기쌍 코딩 특성을 이용하여 다수의 광자 및 전자 디바이스 및 시스템을 조립하는 비히클을 구성한다. 이러한 독특한 DNA 특성은 나노구조의 특이적 배치 및 정렬에 사용될 수 있는 프로그래밍 가능한 인지 코드 (DNA 서열을 통해)를 제공한다.
바람직한 실시양태에서, 광자 디바이스를 정렬하는 방법은 먼저 광자 디바이스를 특이적 DNA 서열로 코팅하는 것을 포함한다. 디바이스 부착이 요구되는 호스트 기판 영역을 특이적 상보성 DNA 서열로 코팅한다. 기판 및 DNA 피복 디바이스를 용액 중에 넣으면 상보성 DNA 스트랜드 사이에 혼성화가 일어난다. 혼성화가 디바이스를 기판 상의 적절한 수용기 위치에 효과적으로 그래프팅시킨다.
보다 넓은 의미에서 본 발명은 제1 지지체 상에 제1 부품 디바이스를 조립하는 단계, 제1 지지체로부터 하나 이상의 제1 부품 디바이스를 방출시키는 단계, 제1 디바이스를 제2 지지체로 운반하는 단계 및 제1 부품 디바이스를 제2 지지체에 부착시키는 단계를 포함하는 마이크로 크기 및 나노 크기의 디바이스의 조립 방법에 관한 것이다.
이러한 기술이용될 수 있는 몇몇 가능한 경우로는 (1) 넓은 표면 상에서의 광발산 어레이 조립; (2) 2차원 또는 3차원 광자 크리스탈 구조의 조립; 및 (3) 평면 패널 디스플레이, 의료 진단 기구 및 데이터 저장 시스템을 비롯한 다양한 혼성-집적 부품의 제조가 있다.
광자학이 정보 처리, 통신 및 저장 시스템 분야에서 더욱더 중요한 역할을 수행함에 따라, 보다 낮은 비용으로 보다 빠르고, 작고, 전력 효율이 우수하고, 다양한 기능의 집적 시스템을 전달할 것이다. 나노 구조 조립, 집적 및 자가 조립 기술을 포함하는 신규한 조립 기술이 사용된다. 신규한 디바이스 크기가 서브미크론 수준으로 축소됨에 따라, 집적 광자 및 전자 디바이스의 조립을 위한 제작 기술로서 분자 생물학적 공학 개념 및 원리를 이용하는 독창적인 개념을 이용하는 것이 중요해졌다.
본 발명은 합성 DNA 중합체를 혼입한 나노구조, 서브미크론 및 미크론 크기의 구조에 관한 것이다. 여기에는 작은 발색단 분자로 변성된 DNA에서부터 DNA 서열로 변성된 대형 구조 (예, 미크론 크기)가 포함된다. 합성 DNA 중합체는 특이 결합 친화성을 갖도록 설계될 수 있다. 나노 규모 유기 및 금속 구조물 또는 미크론 규모 반도체 부품 디바이스에 공유적으로 결합될 때, DNA 중합체는 자가 조립성 조립 메카니즘을 제공할 수 있다. 이 메카니즘은 원하는 표면 상의 특이적으로 예비프로그램된 위치에 디바이스를 선택적으로 그래프팅시키거나 예비프로그램된 2차원 또는 3차원 격자로 디바이스를 결합시키는데 사용될 수 있다. 광자 또는 전자 부품 디바이스를 호스트 기판 상에 그래프팅시키기 위해서는 먼저 상보적 서열을 갖는 DNA 중합체를 합성한다. 광자 부품 디바이스 및 호스트 기판의 원하는 영역 (수용기 영역)을 상보성 DNA 서열로 코팅한다. 이어서, 호스트 기판을 용액에 넣는다.
본 발명의 다른 면에서는, 다중 친화성 표면 특성을 갖는 구조물을 제공하는 단계, 그 구조물을 전계 중에 배향시키는 단계 및 배향된 구조를 친화성 부위와 반응시키는 단계를 포함하는 나노 규모 및 미크론 규모 구조물의 조립 방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 면에서는, 지지체 상의 여러 위치에 제1 친화성 서열을 제공하는 단계, 제1 친화성 서열과 반응하고 혼성화되지 않은 돌출 서열을 갖는 기능화 제2 친화성 서열을 제공하는 단계 및 제1 친화성 서열과 제2 친화성 서열을 선택적으로 가교결합시키는 단계를 포함하는 다중 특성 기판 재료의 형성 방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 면에서는, 광활성화가능 영역을 선택적으로 조사하여 그 영역에 대응하는 전계를 발생시키는 단계, 전계를 포함하는 용액 중에 대전된 반응물을 제공하는 단계, 및 선택적 조사를 반복하여 발색 구조물을 순차적으로 조립하는 단계를 포함하는 발색 구조물의 조립 방법이 제공된다.
본 발명의 목적은 프로그래밍 가능한 자가 조립성 분자 구조 단위를 개발함으로써 나노기술 및 자가 조립 기술을 가능하게 하는 것이다.
도 1은 DNA 구조와 그와 관련된 물리학적 크기를 도시한다.
도 2는 자가 조립 방법의 흐름도이다.
도 3a는 마더 기판 배치 억제 없이 호스트 기판 상에 조밀한 어레이로 조립된 광자 디바이스를 재배치하는 디바이스 및 방법의 투시도이다.
도 3b는 합성 광자 크리스탈을 형성하기 위해 DNA 보조 자가 조립에 의해 나노구의 응집을 도시하는 투시도이다.
도 4는 실리콘에 DNA를 부착시키는 부착 메카니즘의 단면도이다.
도 5는 자가 조립용 광자 디바이스의 제조를 위한 단계들을 도시한다.
도 6은 실리콘 VLSI 칩 상의 알루미늄 패드에 형광 DNA 서열을 선택적으로 부착시키기 위한 구조물의 평면도이다.
도 7은 실리콘/이산화규소/알루미늄 상의 DNA 단층에 UV 기록/화상형성한 단면도이다.
도 8a는 UV 화상 마스크 기록 후 DNA 광학 저장 물질로 혼성화한 단면도이다.
도 8b는 DNA 광학 저장 물질에 UV 화상 마스크 기록한 평면도이다.
도 9는 중복 기록 물질을 제조하는 디바이스 및 방법의 단면도이다.
도 10은 DNA 기록 물질을 제조하는 방법의 한 단계를 도시하는 단면도이다.
도 11은 DNA 기록 물질을 제조하는 방법의 한 단계를 도시하는 단면도이다.
도 12는 DNA 기록 물질을 제조하는 방법의 한 단계를 도시하는 단면도이다.
도 13은 DNA 기록 물질을 제조하는 방법의 한 단계를 도시하는 단면도이다.
도 14는 DNA 기록 물질을 제조하는 방법의 한 단계를 도시하는 단면도이다.
도 15는 DNA 기록 물질을 제조하는 방법의 한 단계를 도시하는 단면도이다.
도 16은 DNA 기록 물질을 제조하는 방법의 한 단계를 도시하는 단면도이다.
도 17은 DNA 기록 물질을 제조하는 방법의 한 단계를 도시하는 단면도이다.
도 18은 DNA 기록 물질을 제조하는 방법의 한 단계를 도시하는 단면도이다.
도 19는 DNA 기록 물질을 제조하는 방법의 한 단계를 도시하는 단면도이다.
도 20은 DNA 기록 물질을 제조하는 방법의 한 단계를 도시하는 단면도이다.
도 21은 DNA 기록 물질을 제조하는 방법의 한 단계를 도시하는 단면도이다.
도 22는 DNA 기록 물질을 제조하는 방법의 한 단계를 도시하는 단면도이다.
도 23a는 DNA 부착 전의 APS-반응 실리콘 기판 표면을 위한 배경 형광의 예정된 화상을 도시한다.
도 23b는 APS-반응 기판에 포획 DNA를 결합시킨 후 배경 형광 수준의 예정된 화상을 도시한다.
도 24a는 APS와 포획 DNA로 처리한 후 전체 칩 표면을 Bodipy Texas Red 표지한 상보성 탐침 서열로 혼성화한 칩의 예정된 화상을 도시한다.
도 24b는 칩 표면의 우측 상에 non-psoralen 가교결합된 부위에 형광성 Bodipy Texas Red 표지된 상보성 탐침을 혼성화한 후의 칩 표면의 예정된 화상을 도시한다.
도 25a는 칩 표면의 좌측 상에 형광성 Bodipy Orange (b) 서열에 상기 (b)의 상보성 탐침을 혼성화한 후의 칩 표면의 평면 화상을 도시한다.
도 25b는 가교결합된 부위 (B)와 가교결합되지 않은 부위 (A)를 모두 그들 각각의 형광 표지된 상보성 DNA (A) 및 (B) 탐침으로 혼성화한 후의 칩의 평면 화상을 도시한다.
도 26a는 부분 특이성을 갖는 이산화실리콘 유도 표면에 공유적으로 결합된 DNA 중합체 층에 정전기 적으로 결합되어 있으며, DNA 부위를 UV로 불활성화시킨 10 미크론2의 어두운 모양을 갖는 160 ㎚ 비드의 평면 화상을 도시한다 (이 때, 나노구는 이 영역에 결합되어 있지 않다).
도 26b는 부분 특이성을 갖는 이산화실리콘 유도 표면에 공유적으로 결합된 DNA 중합체 층에 나노구를 정전기적으로 결합시킨 160 ㎚ 비드 (백색 구 모양)로 이루어진 패턴 화상의 평면도이다 (어두운 영역은 DNA 부위가 UV로 불활성화된 영역을 나타내고, 나노구는 이 영역에 결합되어 있지 않다).
도 27은 형광 표지한 서열을 형성하는 디바이스 및 방법의 단계에 대한 단면도이다.
도 28은 다색 화상을 제공하는 디바이스 및 방법의 단계에 대한 단면도이다.
도 29는 마더 보드의 국한된 영역 상에 특수 디바이스의 작고 조밀한 어레이를 커플링시키는 기하학적 크기를 유지하는 플립-칩 결합 어레이의 투시도이다.
도 30은 덜 조밀한 주보드 상에 작고 밀집된 칩으로부터 작고 밀집된 구조물을 전체적으로 분포시키는 투시도이다.
도 31은 선택성 글루를 사용하는 마이크로 또는 나노구조의 자가 조립을 위한 구조의 단면도로 주어진 유형의 특수 디바이스에는 특이성 DNA 중합체 글루가 제공되어 있고, 디바이스가 부착될 영역은 상보성 DNA 글루로 덮여 있다.
도 32는 특별히 유도된 미세전극 표면 상에 DNA의 선택적인 전계 부착시키는 단면도이다.
도 33은 상보성 DNA 스트랜드 간의 선택적인 DNA 혼성화에 의해 호스트 마더 보드 기판에 커플링된 마이크로 또는 나노 규모 구조물의 단면도이다.
도 34는 DNA 결합 (좌측)에 의해 제자리에 유지된 나노구조물과 고온 주기 후 야금 접촉에 의해 유지된 나노 구조물의 단면도이다.
도 35는 물리적 마스킹과 전하 가이딩에 의해 혼성화하기 전에 특수 디바이스를 배향시키기 위한 디바이스의 단면도이다.
도 36은 3차원 DNA 나노조립 기술을 이용하여 8면체를 제공하는 나노디바이스의 형성을 위한 구조물 (위)과 격자 구조로 배치되고 표면에 결합되어 3차원 디바이스를 형성하는 나노구 (아래)를 도시한다.
도 37은 디바이스의 전계 배향을 위한 방법의 단계들을 도시한다.
도 38은 전계 배향 방법의 추가 단계들을 도시한다.
도 39는 마이크로일렉트로닉마이크로일렉트로닉스 상의 나노구조 전달 및 조립의 투시도를 도시한다.
도 40은 도 39의 확대도를 도시한다.
도 41은 8 X 8 어레이의 화상을 도시한다.
도 42는 기판 또는 마더보드 상에 크기가 큰 디바이스를 부착시키고 배향시키는 디바이스를 도시한다.
도 43은 나노구조물의 조립 디바이스를 도시한다.
도 44는 나노규모 디바이스의 나노조립 디바이스를 도시한다.
도 45는 DNA 광학 저장 시스템의 투시도를 도시한다.
도 46a부터 46f는 공간 광 어드레스 방법의 단계들을 도시한다.
DNA 구조, 특성 및 합성의 측면
합성 DNA는 본 발명에 이용하는데 유용한 물질로서 많은 중요 특성을 갖는다. 가장 중요한 것은 모든 DNA 분자에 있어서 고유한 (염기 결합을 통한) 분자 인지 및 (혼성화를 통한) 자가 조립 특성이다. 다른 중요한 잇점에는 DNA를 쉽게 합성하고 다양한 관능기를 사용하여 그 구조를 용이하게 변형시키는 능력이 포함된다. 본 발명자들은 다양한 발색단 공여기와 수용기로 기능화시킨 합성 DNA의 자가 조립 어레이에 있어서 광자 및 전자 에너지 전달 메카니즘을 포괄적으로 조사하였다. 본 발명자들은 특히 이들 분자 구조 내로 또는 이들 분자 구조로부터 정보를 전달하거나 입수하는 것과 관련된 기본적인 문제에 주목하였다. 단일 파장에서 빛 에너지를 흡수하고, 미리 지정된 여러 파장에서 재발산하도록 설계된 고밀도 광학 저장 재료용으로 사용되고 있다. 본 발명자들은 또한 실리콘 표면 상의 미크론 및 서브미크론 크기 구조의 2차원 및 3차원 구성을 위해 DNA 중합체를 사용하고 있다. 이 작업은 신규한 광전자 디바이스의 개발에 관한 것이다.
DNA 분자는 본 발명과 제안된 용도에 있어서 중요한 것으로 고려되며 이는 DNA 분자가 본질적으로 프로그래밍이 가능하고 자가 조립될 수 있기 때문이다. 이러한 시스템을 설계하고, 합성하고, 구성하는 데는 몇몇 다른 합성 중합체 시스템이 일치할 수 있는 ㎚ 범위의 조절을 필요로한다. 그 밖에, DNA 분자는 비교적 아정하고 나노조립에 바람직한 물질로서 다른 많은 특성을 갖는다.
DNA 및 다른 핵산 유형 중합체를 위한 기본 기술은 합성 핵산 화학 분야에서 지난 15년간 투자된 막대한 노력의 결과이다. 분자 생물학자들은 진단, 유전자 서열 및 약물 발견을 위해 기술과 DNA 물질을 개량해왔다. 효과적인 DNA의 합성, 그의 변성, 리간드 및 발색단을 사용한 그의 표지 및 고체 지지체에 대한 공유 결합에 대한 기초적인 화학은 현재 잘 개발되어 있다. 합성 DNA는 많은 중요한 구조적, 기능적, 기계적 특성이 잘 조합된 바람직한 물질을 나타낸다.
DNA 중합체는 전자 및 광자 용품에 사용되는 현존하는 고분자 물질에 대해 3가지 중요한 잇점을 갖는다. 첫째, DNA 중합체는 반도체 또는 광자 표면의 고도의 특이적 결합 부위 아이덴티티를 인코딩하는 방법을 제공한다. 정의된 위치에 생성되는 그러한 부위들은 현미경적 (미크론) 크기, 서브미크론 크기 또는 분자 (나노미터) 크기일 수 있다. 두번째, DNA 중합체는 그러한 위치 중 임의의 것을 특이적으로 연결하는 방법을 제공한다. 사전에 프로그래밍된 DNA 중합체는 자동적으로 자가-구성된다. 마지막으로, DNA 중합체는 나노기술용 빌딩 블록을 제공하며, 진정한 분자 수준 전자 및 광자 디바이스를 형성하기 위한 자가 구성 재료이다.
DNA의 특성은 염기 부품의 수소 결합 특성 면에서 고유하다 (아데닌은 티아민과만 결합하고, 구아닌은 시스토신과만 결합한다). DNA의 특이적 염기 쌍 특성은 DNA의 상보성 서열이 서로 "혼성화"하여 더블 스트랜드 구조를 형성하게 한다. 이러한 고유한 특성이 DNA 중합체를 프로그래밍가능한 자가 조립성 구조물을 형성하는데 사용할 수 있게 한다. 따라서, 광자 디바이스에 특이성 DNA 중합체 서열 하나가 부착되어 있다면, 그 디바이스는 오직 상보성 DNA 중합체 서열로 코팅된 디바이스 또는 표면에만 결합 (혼성화)할 것이다. 다양한 DNA 서열이 사용될 수 있기 때문에, 각각 서로 다른 DNA 서열에 부착된 여러 개의 디바이스는 원칙적으로 동시에 자가-결합될 수 있다. 자가 조립성 나노조립 용품에 DNA 중합체를 사용하는 중요한 잇점을 하기에 기재하였다.
1. 자동화된 기구로 신속하고 효율적으로 DNA 중합체를 합성할 수 있다. 종래의 중합체 화학이 보다 복잡해질 수 있고 경제적으로 개발될 수 있다.
2. 자가 조립성 단위 세포에 적절한 크기 범위인 (1 ㎚ 내지 60 ㎚), 길이가 2 내지 150 개의 누클레오티드인 DNA 중합체를 합성할 수 있다.
3. 모든 원하는 염기 서열을 갖는 DNA 중합체를 합성할 수 있으며, 따라서 거의 무제한적인 특이적 연결에 대한 인지가 프로그래밍가능하다.
4. 10개의 누클레오티드 정도의 작은 고유한 서열을 갖는 DNA 중합체가 매우 특이적이며, 단지 그의 상보성 서열에만 결합할 것이다. 따라서, 3.4 ㎚ 정도로 작은 특이적 연결이 분자 단위에서 이루어지게 할 수 있다.
5. DNA 중합체를 형광단, 발색단, 친화성 라벨, 금속 킬레이트, 화학적 반응기 및 효소를 사용하여 공유적으로 표지할 수 있다. 이로써, 중요한 광자 및 전자 특성이 DNA 중합체에 바로 도입될 수 있다.
6. DNA 중합체를 그의 서열 중 임의의 위치에서 및 여러 위치에서 누클레오티드 단위로 변형시킬 수 있다. 이는 최대 성능을 위한 관능기의 배치 수단을 제공한다.
7. DNA 중합체를 고체 표면, 즉, 유리, 금속, 실리콘, 유기 중합체 및 바이오-중합체에 공유적으로 또는 비공유적으로 연결할 수 있다. 이러한 부착 화학이 현존하고 있으며 쉽게 발전될 것이다.
8. DNA 분자 자체의 골격 구조를 고도로 변성시켜 여러가지 특성을 얻을 수 있다. 그리하여, 현존하는 반도체 및 광자 기판 재료와 상용가능하다.
9. 변성된 DNA 중합체를 사용하여 3차원 구조물을 형성할 수 있으며, 따라서 초고밀도 이차 저장 수단을 얻을 수 있다.
10. 냉각 또는 가열에 의해 DNA 중합체를 가역적으로 조립 및 분해할 수 있고 또는 변성시켜 조립된 상태로 유지할 수 있다. 이것은 생성되는 시스템의 제작에 있어서, 보다 많은 선택을 가능하게 하기 때문에 자가 구성 재료에서 결정적인 특성이다.
11. DNA 중합체 (일반적으로, 핵산)의 구조적 및 조직적 특성이 잘 이해되어 있으며 간단한 컴퓨터 프로그램을 통해 쉽게 모델링할 수 있다. 따라서, ㅂ다 복잡한 분자 광자 및 전자 디바이스를 고안할 수 있다.
발명의 상세한 설명
본 발명은 전자 및 광자 메카니즘, 디바이스 및 시스템의 나노제작 및 마이크로제작에 자가-어셈블리 DNA 중합체, 변성된 DNA 중합체, DNA 유도 구조물 및 다른 친화성 결합 잔기를 사용하는 방법, 기술 및 디바이스에 관한 것이다. 본 발명은 또한 변성된 DNA 중합체, DNA 유도 구조물 및 다른 유형의 친화성 또는 대전된 구조물을 실리콘 또는 다른 표면 상에 또는 그 안에 다양한 다단계 조립, 구성 또는 결합을 가능하게 하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에서 "DNA 중합체"는 넓게는 데옥시핵산, 리보핵산 (합성 또는 천연); 펩티드 핵산 (PNA); 메틸포스포네이트 및 골격 구조가 변형되어 천연 인산 에스테르 이외에 -, + 또는 중성 종 또는 연결을 형성하는 DNA의 다른 형태를 포함하는 핵산의 중합체 또는 올리고머 형태 (선형 또는 3차원)로 정의된다. 또한, 당 또는 염기 부분이 변성되거나 치환된 DNA 형태 및 누클레오티드 또는 폴리누클레오티드 단위가 다른 단위 (인산 에스테르 스페이서 잔기, 아미노산, 펩티드, 다당류, 합성 유기 중합체, 실리콘 또는 무기 중합체, 전도성 중합체, 발색 중합체 및 나노 입자 또는 나노 구조물을 포함 (이에 제한되지 않음))로 대체된 DNA의 중합체 형태가 포함된다.
본 발명에서 "변성 또는 유도 DNA 중합체"는 넓게 DNA를 다른 분자, 구조물 또는 물질에 공유적으로 또는 비공유적으로 결합시키는 화학적 또는 생물학적 잔기 (예, 아민, 티올, 알데하이드, 카르복실기, 활성 에스테르, 비오틴 및 헵텐)으로 기능화된 핵산으로 정의된다. 발색단, 형광단, 킬레이트, 금속 이온, 아미노산, 펩티드, 단백질, 효소, 항체 또는 용해도를 변화시키는 지방족 또는 방향족 잔기 및 DNA 분자 상의 전체 전하를 대전시키는 잔기로 변성되거나 유도된 DNA 형태가 포함된다.
본 발명에서, "DNA 유도 구조물"은 넓게 나노구조물 (유기, 무기, 생물학적); 나노입자 (금, 실리카 및 다른 무기 물질); 유기 또는 중합체 나노비드; 서브미크론 디바이스, 부품, 입자 (광리쏘그래피 또는 E-빔 리쏘그래피로 제조된 실리콘 기재 디바이스) ; 및 다른 구조, 디바이스 또는 표면 상의 특정 위치에 구조물을 특이적으로 부착 또는 상호연결시키는 특이적 DNA 서열로 기능화된 미크론 규모 디바이스 또는 입자로 정의된다.
용어 "나노구조물"은 서브미크론 크기의 구조물을 말하지만, "나노" 또는 "마이크로"와 같은 용어가 미크론 규모 디바이스를 기술적으로 10 내지 180 ㎚의 길이를 갖는 DNA 중합체로 기능화시킬 수 있는 의미로 제한되어서는 안된다.
DNA의 독특한 특성이 서브미크론 및 나노 규모 구조물의 특이적 배치 및 정렬에 사용될 수 있는 프로그래밍가능한 인지 코드 (DNA 염기 서열에 의한)를 제공한다. 유기, 반도체 및 금속 화합물에 특이적 DNA 서열을 부착시키는데 요구되는 기초 화학 및 기술은 당 업계에 공지되어 있으며 그러한 용품을 실행시키기 위한 구체적인 화학은 문헌에 기재되어 있다.
바람직한 실시 양태에서, 광자 디바이스를 기판 표면에 정렬하고 고정시키는 방법은 먼저 특정 DNA 중합체 서열로 기판 표면을 코팅하는 것을 포함한다. 이어서, 특정 디바이스를 부착하고자 하는 호스트 기판의 영역을 특정 상보성 DNA 서열로 코팅한다. 기판을 DNA로 덮인 디바이스를 함유한 용액에 노출시키고, 상보성 DNA 스트랜드 간의 혼성화가 일어나도록 한다. 이 혼성화 방법이 디바이스를 기판 표면 상의 적절한 수용기 위치에 효과적으로 그래프팅시킨다. 이러한, 자가-결합 조립 방법은 예를 들면, (1) 넓은 표면적 위에 광발산 어레이를 조립하는 경우, 및 (2) 2차원 또는 3차원 광자 밴드-갭 결정 구조물을 조립하는 경우에 사용될 수 있다.
이 조립 기술은 주로 광전자학 분야 및 평면 패널 디스플레이, 의료 진단 기구 및 데이터 저장 시스템을 포함하는 각종 혼성화-집적 부품의 제작에 사용된다. 매우 작은 물리적 크기를 갖는 신규 디바이스는 양자 억제 기술에 유리하다. 대부분의 경우, 이들 디바이스는 넓은 면적 (예, 스마트 픽셀 및 디스플레이) 위에 분포시키는 것이 바람직하다. 다른 디바이스는 조밀한 일반적인 결정 격자 (예, 광자 밴드갭 결정)에 함께 사용될 수 있다. 어느 경우에나, 디바이스의 물리적 성질이 이해되었으며, 본 발명의 실행 가능한 조립 기술이 요구되고 있다. 신규 처리 기술에 있어서, DNA 자가-결합 기술은 이들 디바이스를 구성시킬 수 있다.
집적 광자 및 전자 시스템은 나노 구조 조립, 집적, 상호 연결 및 자가-결합 기술을 포함하는 조립 기술을 사용한다. 이 때, DNA 자가-결합 조립 기술은 하기 단계를 포함한다. 고도의 특이적 결합 친화성을 갖는 합성 DNA 중합체를 설계한다. DNA 중합체는 나노 크기의 유기, 금속 또는 반도체 부품 디바이스에 공유적으로 부착되었을 때, 자가-결합 조립 메카니즘을 제공한다. 이 메카니즘은 원하는 표면 상의 사전에 프로그래밍된 특정 위치에 디바이스를 선택적으로 그래프팅시키는 경우와 디바이스를 사전에 프로그래밍된 2차원 및 3차원 격자로 뭉쳐지게 하는 경우에 사용할 수 있다.
광자 부품 디바이스의 어레이를 호스트 기판 상에 그래프팅시키기 위해서는, 먼저 도 2에 도시된 바와 같이, 상보성 서열을 갖는 DNA 중합체를 합성한다. 광자 부품 디바이스와 호스트 기판의 원하는 영역 (수용기 영역)을 상보성 DNA 서열로 코팅한다. 이어서 호수트 기판을 혼성화 용액에 넣는다. 특정 DNA 중합체로 코팅된 디바이스를 또한 모 기판으로부터 용액에 방출시킨다. 방출된 디바이스는 전기적 또는 광학적으로 유도된 국한된 전계의 영향을 받으며 그들의 수용기 영역으로 민첩하게 이동될 수 있다 (전기영동). 용액의 온도, 이온 강도 또는 전계 강도를 주의깊게 조절하여 혼성화를 실행한다. 일단 디바이스들이 그들의 특정 수용기 영역에 혼성화에 의해 그래프팅되면, 용액을 제거하고, 기판을 건조시킨다. 이제는 야금 (또는 융해) 결합을 고온에서 실시하여 디바이스를 호스트 기판재에 완전히 결합시킬 수 있다. 서브미크론 및 나노 크기의 디바이스를 2차원 또는 3차원 구조물 (예, 광자 밴드-갭 결정)로 뭉치게 하는 것은 유사한 방식으로 실행할 수 있다. 이때는 호스트 기판을 나노 크기의 디바이스로 대체한다. 그러나, 큰 차이는 서로 다른 DNA 스트랜드를 나노크기의 소자에 배치하는데 사용되는 부착 기술이다.
DNA 중합체 기재 자가-결합 조립 기술은 두가지 특성을 제공한다. 첫째, 디바이스 그래프팅 (혼성화) 공정 중에 관련 디바이스들 간의 간격 (마더 기판에 정의된)을 보존해야한다는 조건을 제거함으로써, 미크론, 서브미크론 또는 나노 크기의 디바이스를 그들의 마더 기판 상에 조밀하게 조립할 수 있게 하며, 이후 호스트 기판 상에 사전에 프로그래밍한 방식으로 다시 분포시킬 수 있다 (도 3a).
상기 특성은 대형 칩 내의 인트라-칩 광학적 상호 연결에 큰 영향을 미쳤다. 광자 디바이스를 보다 비싼 작은 기판 상에 조립해야 하는 실리콘 기재 스마트 픽셀의 비용을 낮추었다. 두번째 특성은 다수의 나노크기의 디바이스를 서로에 대해 조작되고 배향되는 능력이다. 이 특성으로 인해 광자 밴드갭 특성을 보이는 원하는 배향 대칭성을 갖는 큰 격자 상수로 합성 광자 결정을 성장시킬 수 있다.
그리하여, DNA 중합체의 고도의 특이적 결합 친화성 및 자가-결합으로
1) 광자 또는 전자 미크론 또는 나노 크기의 디바이스를 매우 넓은 실리콘 또는 다른 기판 면적 위에 자가 조립되거나 집적되게 함으로써 저가의 스마트 픽셀 및 디스플레이 디바이스를 얻을 수 있고 (예, 실리콘 기판 상의 광발산 어레이의 자가-결합),
2) 유전성 나노구조물을 자가-결합시켜 광자 밴드갭 결정을 형성하게 함으로써 고도의 선택적 파장 및 튠닝가능 디바이스를 얻을 수 있고 (예, DNA 나노구의 자가-결합에 의해 형성되는 광자 밴드갭 결정층 내에 발산 디바이스의 캡슐화),
3) 발색단 분자 및 나노구조 단위를 선택적으로 자가-배치될 수 있게 함으로써 초고밀도 광학 저장 매체를 얻을 수 있고,
4) 플립-칩 용품의 경우와 같이 저가 또는 비보조 다이-투-다이 (die-to-die) 처리를 성취하기 위해, 결합 패드로서 금, 주석 또는 납땜 구조물과 같은 결합 구조물을 선택적으로 배치할 수 있다.
바람직한 실시 양태에서, 이러한 용도는 4 단계로 이루어진 방법을 필요로한다. 제1 단계는 DNA 중합체 서열의 설계 및 합성과 원하는 서브미크론 및 나노크기의 디바이스에 대한 그들의 선택적인 부착을 포함한다. 제2 단계는 특정 상보성 DNA 중합체를 호스트 기판 표면 상의 사전에 선택된 수용기 위치에 부착시키는 것을 포함한다. 제3 단계는 디바이스를 DNA 혼성화 방법에 의해 자가-결합시키는 것을 포함한다. 제4 단계는 전기적 접촉을 확립하는 것을 포함한다.
본 발명은 분자 생물학적 (DNA 구조 및 기능) 원리 및 광자 및 전자 디바이스 원리 모두에 있어서 상승 효과를 보였다. 광자 디바이스의 면에서는 매우 작은 물리적 크기를 갖는 신규한 디바이스가 여러 가지 양자 억제 기술에 유리하다. 대부분의 경우, 이들 디바이스는 넓은 면적 (예, 스마트 픽셀 및 디스플레이) 위에 분포되어야만 한다. 다른 경우에는, 이들 디바이스들은 결정 격자를 형성하기 위해 조밀하게 밀집되어야만 한다 (예, 광자 밴드갭 결정). 처리 기술 면에서, DNA 합성, 변성 및 혼성화의 개발을 토대로 자가-결합 DNA 기술은 위와 같은 기술들을 가능하게 하였다. 고체 지지체 및 각종 물질에 대한 DNA 연결은 실리콘, 금, 알루미늄 및 다른 무기 및 유기 물질에 DNA를 선택적으로 부착시키는 다양한 방법을 통해 가능하다. 많은 박막 처리 기술은 이들 DNA 방법과 보완적이다. 예를 들면, 앞서 기재한 바와 같이, 리프트-오프 방법은 DNA 서열이 부착된 미크론 및 서브미크론 디바이스를 제조하는데 쉽게 적용될 수 있다.
DNA를 기재로 하는 부품 디바이스 자가-어셈블리에 대한 기본적 방법
DNA 기재의 부품 디바이스 자가-어셈블리 방법에 대한 4가지 기술이 중요하다. 이들은 중합체 합성, DNA 부착 화학, DNA 선택성 혼성화 및 반도체 박막과 디바이스의 에피텍셜 발사이다. 다음 섹션들은 이러한 기술의 간단한 요약을 제공한다.
DNA 합성과 유도
DNA 중합체 또는 올리고머 서열의 합성, 정제 및 그들의 적합한 부착 및 발색단을 사용하는 유도는 다음과 같은 바람직한 방식으로 행할 수 있다: 잘 공지된 과정을 사용하는 자동화된 DNA 합성기 및 인광체 아미다이트 화학 과정 및 시약을 사용하여 DNA 서열을 합성한다. DNA 중합체 (폴리뉴클레오티드, 올리고뉴클레오티드, 올리고머)는 후속적인 부착 또는 관능화 반응을 위하여 화학적 결합 부위에 도입된 제1 아민기를 포함할 수 있다. 이러한 제1 아민기는 특정 서열에 대한 필요성에 따라서, DNA 구조 상 정확한 위치에 도입될 수 있다. 부착 서열은 또한 후속적인 표면 커플링 반응을 위하여 말단 리보뉴클레오티드기를 포함할 수 있다. 아미노 변형된 올리고머를 포함하는 서열은 예비 겔 전기 영동 (PAGE) 또는 고압 액체 크로마토그래피 (HPLC)에 의하여 정제될 수 있다. 말단 아미노기를 포함하는 부착 서열은 금, 은, 또는 알루미늄 금속화 물질 또는 이산화규소가 존재하는 작은 지역과 공유 결합을 위하여 설계될 수 있다. 이러한 서열은 숙시니미딜 3-(2-피리딜디티오)프로피오네이트 (SPDP)로 불리는 티올화제로 또한 유도될 수 있다. 이 특정 시약은 금속 표면에 후속적으로 부착되기 위하여 사용될 수 있는 말단 술프히드릴기를 가진 서열을 제조한다. 말단 리보뉴클레오티드기를 포함하는 다른 부착 서열은 쉬프 (Schiff) 염기 반응을 통하여 디알데히드 유도체로 전환될 수 있다. 이어서 이러한 부착 서열은 아미노프로필화 이산화규소 표면에 연결될 수 있다. 전자 또는 광자 전이 반응을 위하여 설계된 특정 서열은 그들의 적절한 발색단, 형광단, 또는 전하 전이기로 관능화될 수 있다. 다수의 이러한 기들은 상기에 설명된 화학적 결합 부위와 쉽게 연결되는 활성화 시약으로 기성품으로 구입하여 안정한 유도체를 형성한다.
고체 지지체에 DNA 부착 및 호스트 기판 물질의 제조
이 단계는 고체 지지체 물질에 대한 부착 서열의 공유 결합을 수반한다. 고체 물질에 대한 DNA 부착의 일반적 영역에서, 서열은 (i) 유리 (SiO2), (ii) 규소 (Si), (iii) (금, 은; 알루미늄), 및 (iv) 랭뮤어-블라짓 (LB) 필름을 포함하는 다수의 물질에 공유 결합된다. 유리, 규소 및 알루미늄 구조는 다음 방식으로 제조한다. 유리 및 규소 (SiO2)는 희석된 수산화나트륨 용액으로 우선 처리하고, 알루미늄은 희석된 플루오르화 수소 용액으로 희석한다. 이어서 물질은 3-아미노프로필트리에톡시실란 (APS)로 처리하여 부착 서열과의 공유 결합을 위하여 유도된다. 이는 10 % APS/톨루엔 용액 중에서 2-5 분 동안 물질을 환류시켜서 처리한다. APS로 처리한 후에, 물질을 톨루엔으로 1회, 이어서 메탄올로 세척하고 마지막으로 100℃에서 1 시간 동안 건조한다. APS 유도된 물질에 대한 부착은 0.1 M 인산나트륨 완충액 (pH 7.5) 중에서 1-2 시간 동안 특정 디알데히드 유도된 부착 올리고머와 반응시켜서 수행한다. 더욱이, 금속 (금, 은, 알루미늄)과 유기 물질에 대한 부착을 실행할 수 있다.
특수 디바이스의 그래프팅이 일어나는 지역을 묘사하기 위하여 보완적인 DNA 중합체에 대한 선택적 부착 과정이 수행될 것이다. 선택적 부착은 DNA 서열의 고유의 선택성, 선택적 부착 화학, 또는 유도된 전기 영동 운반에 의하여 실행될 수 있다. 다른 방법으로는 부착 후에, 불필요한 지역에서 DNA 가닥을 UV 방사에 의하여 파괴할 수 있다. 이 접근은 일군의 디바이스가 자가-어셈블리될 필요가 있을 때에만 유용하다. 이 접근은 정상 작동에서 후속적인 DNA 부착 방법을 배제하고, 몇몇 특수 디바이스군의 자가-어셈블리를 허용하지 않는다. 부착 화학은 DNA 중합체가 부착되는 데 사용되는 물질에 강하게 의존한다.
예를 들면, DNA를 보호 유리층으로 코팅된 규소 칩 상의 알루미늄 패드에 부착하기 위하여 알루미늄 지역을 샘플을 희석된 완충 용액에 짧은 시간 동안 침지시킴으로써 활성화시킨다. 이 방법의 마지막 결과는 노출된 알루미늄 패드가 DNA에 고도로 반응성일 때 단지 소수의 DNA 가닥만이 보호된 유리층에 부착되는 것이다. 이 물질 선택성은 편ㄹ기하고 DNA를 원하는 지역에 부착시키는 일반적인 방법이다. 물질 선택성이 UV 유도된 비활성화와 전기 영동 운반과 결합될 때, 이는 연속적으로 수행되는 반복 가능한 부착 방법을 허용한다.
몇몇 특수 디바이스의 동시 자가-어셈블리를 고찰한다. 수용체 패드는 그들이 연결될 디바이스에 따라서 어레이될 필요는 없다. 이 경우에서는, 각 패드 군은 DNA 서열이 접착될 특수 디바이스에 부착되는 그와 상보적인 특정 DNA 서열로 코팅될 필요가 있다. 수용체 패드를 "사전에 프로그램"하기 위하여, 각 DNA 서열을 적합한 패드에 연속적으로 결합시킨다. 이는 전기 영동 운반 방법을 사용하고 DNA 부착이 바람직하지 않은 패드에 음전위를 가하여 쉽게 얻을 수 있다. 동시에, 양 전압을 가하여 원하는 위치에 부착시키는 것을 강화시킬 수 있다. 다른 방법으로는, 광학적으로 유도된 전계를 사용하여 DNA 가닥을 원하는 위치로 이동시킬 수 있다. DNA 서열 부착의 두번째 세트에 대해서는, 과정을 반복한다. 단지 한 종류의 디바이스만이 호스트 기판 상에 자가-어셈블리되는 것이 필요할 때, DNA 부착 화학의 물질 선택성을 단독으로 사용하는 것이 충분하다는 것이 지적되어야 한다. DNA 혼성화가 바람직하지 않은 지역에서 UV 방사가 실행될 것이다.
부품 디바이스 제조 및 에피텍셜 리프트-오프
자가-어셈블리 방법을 위한 다른 중요한 단계는 DNA 부착을 위한 서브 미크론 및 미크론 치수 부품 디바이스의 제조, 부착 방법 중의 취급, 및 혼성화 이전의 용액으로의 그들의 최종 방출이다. 에피텍셜 리프트-오프 (ELO) 방법은 이 기술의 이러한 면을 실질적으로 향상시킬 수 있다. 두께가 20 nm 내지 10 nm인 에피텍셜 필름은 그들의 성장 기판으로부터 분리되고, 취급되고 처리될 수 있다. 예를 들면, 이 기술을 사용하여 III-V 반도체 필름을 가공된 규소 웨이퍼와 같은 외부 기판에 직접 결합시킬 수 있다. 리프트-오프 전에, 다양한 디바이스들이 여전히 모판 상에 있는 동안 필름 상에 조립할 수 있다. 자가-어셈블리 기술에서 첫번째 단계는 그래프팅되는 광자 디바이스의 제조이다. 도 5는 이 제조 단계를 위한 바람직한 방법을 묘사한다. 광자 디바이스는 ELO 방법에 의하여 요구되는 바와 같이 희생층 상에 그들의 모판 상에 표준 방식으로 조립될 수 있다. 이어서 적합한 코팅층은 이러한 디바이스 상에 침착된다. 디바이스 물질에 관하여 침착된 물질의 특성을 조절하기 위하여, 일단 염수로 방출된 디바이스의 거동을 조절할 수 있다. 예를 들면, 코팅 물질 특성을 조절하기 위하여, 용액 중의 디바이스의 방향을 조절할 수 있다. 두꺼운 폴리이미드 필름을 방적하여 ELO 방법 후에 디바이스에 물리적 지지체를 제공한다. ELO 방법을 실행하고, 얇은 필름 디바이스를 그들의 모판으로부터 제거한다. 필요한 경우, 금속층을 침착하여 광자 디바이스에 대한 양호한 전기적 접촉을 보장한다. DNA 부착 방법을 이어서 수행하고 특정 DNA 서열을 모든 금속 표면 상에 공유결합시킨다. UV 광선으로 전면을 비춰서, 광자 디바이스를 DNA 중합체로 코팅된 폴리이미드 지역의 노출을 가능하게 하는 자가 어레이 마스크로 사용한다. 이러한 지역에서는, DNA 중합체는 추가의 혼성화에 적합하지 않은 형태로 반응한다. 용매를 사용함으로써, 폴리이미드는 이어서 제거되고 추가의 혼성하 방법에 사용되는 염수로 디바이스를 방출한다.
선택성 DNA 혼성화 기술
호스트 기판이 일단 사전 프로그램되고, 부품 디바이스가 용액으로 방출되면, 자가-어셈블리 방법이 발생할 수 있다. 혼성화에 대한 2개의 서로 다른 접근 방법을 적용할 수 있다: (1) 통상적 혼성화 및 (2) 전계를 사용하는 활성 혼성화.
통상적 혼성화 방법을 위하여, 보든 디바이스들을 동시에 용액으로 방출할 수 있다. 용액 중의 디바이스를 적합한 혼성화 긴급 온도와 이온세기에서 온건하게 교반시킴으로써, 적절한 디바이스-수용체 짝이 접촉하게 되는 것에 따라서 상보적 DNA 가닥의 혼성화가 발생한다. 발생하는 혼성화의 가능성은 적합한 디바이스-호스트 패드 짝이 접촉하게 되는 가능성에 직접적으로 관련될 수 있다. 확률분포는 가장 무작위적일 것 같고, 용액이 디바이스로 포화되지 않는다면 이 방법은 넓은 지역 표면 상에 온당한 혼성화 수율을 얻는 것이 더 오래 걸릴 수 있다. 선택성 및 어레이 정밀도를 향상시키기 위하여 몇몇 조절된 가열 및 냉각 주기를 혼성화 방법 중에 실행할 수 있다. 가열 주기 중에, 약한 혼성화 성분이 해리되어 더 강한 결합을 형성할 기회를 증가시킨다.
활성 또는 전자 혼성화를 위하여, 모판 그 자체 또는 다른 전극 어레이 제조 디바이스는 선택된 위치에서 선택된 부품 디바이스를 유인하고 집중시키는 국부화 전계를 제조하는 데 사용된다. 이 방법을 위하여 모판 또는 제조 디바이스는 전극으로 사용될 수 있는 부위를 가진다. 전위는 선택된 수용체 부위와 보조 전극 사이의 용액을 가로질러 적용된다. 선택된 디바이스 상에 알짜전하 (-)에 대한 반대 (+)로 편향된 수용체 부위는 전기 영동 운반 및 이러한 디바이스의 농도에 영향을 주어 혼성화 및 결합의 속도를 증가시킨다. 이러한 부위는 전자 또는 광자 어드레싱을 사용하여 선택적으로 스위치를 켜고 끌 수 있다. 펄스발생 DC 또는 편향 AC 전계는 적합한 진동수로 적용하여 원하지 않는 디바이스 형태의 선발 효과를 제거한다.
전계 효과는 보호적인 방식으로 사용될 수도 있다. 이 경우에서는, 수용체 패드를 디바이스 상에 알짜전하 (-)로 동일한 (-)로 편향시킨다. 이어서 디바이스를 이러한 지역으로부터 반발되고 단지 반대 전하 (+) 또는 중성인 지역과 상호작용하거나 결합한다. 활성 전계 운반은 모판 어레이 상에 부품 디바이스 및 구조의 다중 송신 및 다단계 어드레싱을 실행하는 데 사용될 수 있다.
혼성화 중에 중요하게 고려하여야 할 다른 것은 모판 또는 호스트 기판 상의 광자 디바이스의 어레이 정밀도이다. 원통 광자 디바이스회전이 불변하는 것으로 가정한다. 이 경우에서는, 디바이스 및 호스트 패드 직경이 d이면, 어레이 정밀도 d/2를 건조 방법 전에 중성 혼성화 방법으로 우선 이룰 수 있다. d/2 미스얼라인먼트 이상으로 잘못 어레이된 디바이스는 혼성 방법 중에 강한 결합을 형성하지 않고 혼성화 방법의 가열 및 냉각 주기 중에 제자리에 유지되지 않는다. 양호한 어레이 정밀도와 배향이 활성 전계 혼성화를 사용할 때 가능하다. 기판이 용액으로부터 일단 제거되면, 건조 방법 중의 증가된 표면 장력이 어레이 정밀도를 더 향상시킬 수 있다.
야금 결합
혼성화 방법 후에 매우 결합강도가 높은 2가닥 DNA 구조의 형성을 통하여 특수 디바이스를 적당한 위치에 보유한다. 이어서 전체 결합체를 세척하고 건조하여 세정시킨다. DNA 결합강도는 고체 상태로 유지되고, 디바이스를 제 자리에 유지시킨다. 그러나 이 방법의 시점에서, 호스트 기판과 광자 디바이스 사이의 어떠한 전기적 접촉이 없다. 호스트 기판과 광자 디바이스 사이의 저항 접촉을 나타내는 야금 결합을 달성하는 한 가지 방법은 저온에서 함께 공융 결합할 수 있는 패드 및 디바이스 상의 전도성 물질을 사용하는 것이다. 두 번째 방법은 DNA 부착에 활성인 금속층 하에서 땜납 또는 인듐과 같은 저 융점 금속을 사용하는 것이다. 광자 디바이스가 DNA 결합에 의하여 제자리에 유지되는 동안, 열의 적용은 야금 결합의 형성을 초래할 것이다. DNA 중합체는 결합 안에서 분해되지만 사용되는 초기 DNA 충진도에 의존하는 증가된 접촉 저항에 기여할 수 있다.
자가-어셈블리 이미터 어레이의 개발
이러한 발명의 유용의 한 예로, 이미터 어레이가 유리하게 형성될 수 있다. 특정 DNA 중합체 서열은 반도체 발광 다이오드 (LED)에공유결합으로 부착될 수 있고 상보적인 DNA 서열은 호스트 규소 기판 상에 수용체 패드에 부착될 수 있다. UV/DNA 모형 기술은 코팅된 표면 상에 DNA의 선택적인 활성화/비활성화를 위하여 사용될 수 있다. 이어서 모든 DNA 유도된 시험 구조 및 물질은 상보적 형광 DNA 프로브를 사용하여 선택성 혼성화에 대하여 시험될 것이다. 특정 DNA 서열로 유도된 LED 시험 디바이스는 상보적인 DNA 서열로 유도된 시험 기판에 혼성화될 수 있다.
자가-어셈블리 광자 밴드 갭 구조
광자 또는 광석을 DNA 자가-어셈블리 기술을 사용하여 형성할 수 있다. 광자 밴드갭 구조는 2차원 또는 3차원 어레이로 인공적인 주기적 격자 구조이고 적절한 치수, 밀도 및 간격의 부재로 이루어진다. 이러한 구조는 전자기 파장 분산의 상태와 간격의 광자 밀도의 변형을 야기한다. 또한, 특정 광학 파장에서 작용하는 광자 밴드갭 구조가 설명되었다. 광자 밴드갭 물질의 전위 적용은 레이저의 자발적인 발사를 맞추어 초저 역치 지연, 방사 손실이 없는 향상된 파장 유도 구조, 신규 광학 변조기 등을 얻는다.
본 발명의 다른 면에서, 높은 비유전율의 나노 크기의 막대 또는 구를 낮은 저유전율의 매질 중에 위치시킨다. 밀집한 4면체로 연결된 유전체 구의 3차원 다이아몬드 격자 어레이 (직경 200 nm 및 굴절률 3.6)을 공기가 광자 밴드갭을 나타내는 것과 같이 저 비유전율 매질 중에 매장시킨다. 본 발명은 고 비유전율 부재를 저 비유전율 물질의 원하는 기하학으로 자가-어셈블리시켜서 광자 광석을 구성하는 새로운 방법에 관한 것이다. 이러한 구조를 구성하고 원하는 격자 기하와 격자 부위에서 나노 부재를 얻기 위하여 나노 부재에 대한 DNA 서열의 선택성 부착과 DNA 가닥의 유한 서열의 혼성화를 사용한다. 자기 특성을 나타내는 금속 구는 DNA 가닥을 부착시킨다. 자기 특성은 구 (또는 2-D 광석을 위한 막대)의 배향을 조절하기 위하여 사용할 수 있다. 금속 구는 DNA 용액 중에 침지시키고, 자기장을 사용하여 어레이하고, UV 방사 하에 노출시킬 수 있다. 이 기술은 2D와 3D 광자 밴드 갭 구조가 조립 복잡도가 최소인 활성 광전자 디바이스 주위에서 "커지는" 것을 허용한다. 또한, 나노구를 연결하는 DNA 결합이 다소 유연하기 때문에, 이 기술은 조정 가능한 광자 밴드갭 구조를 실행하는 방법을 제공할 수도 있다. 전자 배향 에 대한 방법은 "Process for Electric Field Orientation Synthesis of Nanospheres and Sub-Micron Devices"에 설명되었다.
20머 내지 50 머 크기 범위의 상기에 설명된 다양한 DNA 중합체 (올리고뉴클레오티드) 서열을 포스포라미다이트 화학을 사용하여 자동 DNA 합성기 상에 합성한다. 결합력이 대상을 제거하려는 힘 (예, 전단력)을 압도하기에 충분해야 하기 때문에, DNA 서열이 길수록 일반적으로는 표면에 큰 대상물을 결합하는 것이 요구된다. 긴 DNA 서열 (〉 50머)은 중합화 연쇄 반응 (PCR) 기술을 사용하여 구성될 수 있다. DNA 서열은 적절한 관능기 (아민, 티올, 알데히드, 형광단 등)로 더 유도될 수 있다. 모든 서열들은 PAGE 겔 전기 영동 또는 HPLC로 정제될 수 있다. 정제 후에, 모든 서열들은 순도에 대하여 분석적 PAGE 겔 상에서 점검하고, 이어서 혼성화 분석에 의하여 특수성을 시험한다.
몇몇 DNA 서열은 다양한 유기 중합체 기재의 나노구, 반도체, 및 다른 재료 기판 (유리, 금, 산화 인듐주석 등)에 공유 결합 부착을 위한 부가의 화학을 개발하고 시험하기 위하여 사용될 수 있다. 부가적인 부착 화학은 서로 다른 반도체 재료에 대한 부착 선택성의 보다 다양한 선택과 융통성을 제공한다.
특정 DNA 중합체 서열은 반도체 시험 구조에 공유결합으로 부착될 수 있고, 상보적 DNA 서열은 시험 기판 (모판) 재료에 부착될 수 있다. UV/DNA 패터닝 기술을 코팅된 표면 상에 DNA의 선택적 활성화/비활성화에 대하여 사용할 수 있다. 이어서 모든 DNA 유도된 시험 구조 및 재료는 상보적 형광 DNA 프로브를 사용하여 선택성 혼성화를 위하여 시험될 것이다.
특성 DNA 서열로 유도된 나노구, 나노입자, 및 반도체 시험 구조는 통상적 (온도, 염 및 혼돈제) 및 전자 (전기 영동) 기술을 사용하여 상보적 DNA 서열로 유도된 시험 기판 (모판)에 혼성화시켰다. 혼성화 기술은 고도의 선택성과 최소의 비특이적 결합의 양을 위하여 사용된다.
LED 어레이의 조립
특정 DNA 중합체 서열은 반도체 발광 다이오드 (LED) 부품 디바이스에 상보적 DNA 서열은 모판 재료에 공유결합으로 부착할 수 있다. UV/DNA 패터닝 기술은 코팅된 표면 상에 DNA의 활성화/비활성화에 대하여 사용할 수 있다. 특정 DNA 서열로 유도된 LED 성분 디바이스는 이어서 상보적 DNA 서열로 유도된 시험 기판 (모판)에 혼성화하였다.
광자 광석 구조의 자가-어셈블리 조립
다수의 특정 DNA 중합체 항등원을 모판 재료 상에 위치하는 이미터 시험 디바이스 주위에 자가-어셈블리를 위한 나노입자 또는 나노구로 혼입한다. UV/DNA 패터닝 기술을 코팅된 표면 상에 DNA의 활성화/비활성화에 대하여 사용할 수 있다. 특정 DNA 서열로 유도된 LED 성분 디바이스는 이어서 상보적 DNA 서열로 유도된 시험 기판 (모판)에 혼성화하였다.
자가-어셈블리의 추가 일면
본 발명은 "자가-어셈블리" 기술을 사용하여 병행으로 및 큰 면적 상에 (한 측면이 수 미터 이하) 특수 디바이스를 결합하는 것을 제공한다. 이 접근에서, 그래프팅되는 각 디바이스는 어떻게든지 해서 모판 상에 그 자신이 어디에 정해지는지를 "이해한다". 본 발명은 생물학적 시스템에서 마주치는 프로그램 가능한 자가-어셈블리 원리에 기초를 둔 새로운 집적 기술이다. 이 새로운 기술은 그래프팅 방법 중에 치수 보존의 요구를 없앤다. 본 목적은 "선택성 글루"로 DNA (디옥시리보핵산) 중합체를 사용하는 규소 상의 마이크로/나노 구조의 자가-어셈블리를 설명하는 것이고, 그로 인하여 넓은 면적 모판 상에 이러한 구조를 성기게 집적하는 기술을 개발한다. 이는 고도의 정밀도, 저렴한 비용, 도 30에서 도시되는 바와 같은 서로 다른 실재 밀도를 가진 서로 다른 재료로 구성된 디바이스를 이끈다. 이 접근은 모든 생물학적 시스템에서 발견되는 프로그램 가능한 자가-어셈블리의 원리에 달려 있고, 가능한 방법으로 기존의 잘 알려진 합성 DNA 화학을 사용한다. 이러한 기술은 1) 에피텍셜 리프트-오프 방법을 사용하여 모판으로부터 특수 디바이스를 제공하고, 2) 특히 본 회사에서 개발된 DNA 부착 화학을 사용하여 특수 디바이스 상에 선택성 DNA 중합체 서열을 부착하고, 3) 모판에 적절한 위치에 상보적 DNA 중합체 서열을 선택적으로 부착하고, 4) 상보적 DNA 가닥의 혼성화를 사용하여 자가-어셈블리를 수행하는 것을 포함한다. 이는 DNA 중합체 서열을 기판 상에 지정된 지역에 미크론/나노 크기의 특수 디바이스를 부착시키는 매우 고성능이고 매우 선택성인 글루로 사용한다.
선택성 DNA 혼성화 및 전계 운반 기술
고체 지지체 재료에 부착된 상보적 DNA 서열에 대한 DNA 서열의 혼성화 기술은 다양한 생물 공학, 분자 생물학, 및 임상 진단 적용에 잘 알려져 있고 사용된다. 일반적 혼성화 반응은 적절한 완충액 전해질 염 (예, 염화나트륨, 인산나트륨)을 포함하는 수용액 중에서 수행된다. 온도는 혼성화 반응의 긴급 (특이성) 온도와 속도를 조절하기 위한 중요한 파라미터이다. 기술들은 반도체 재료에 대한 DNA 서열의 혼성에 대해 존재한다. 첫 번째는 이산화 규소 및 다양한 금속과 같은 고체 지지체 재료 상에 DNA 혼성화의 패턴을 형압하는 것을 허용하는 UVC 석판 인쇄 방법이다. 두 번째는 기판 재료 상에 선택된 위치에 DNA-나노구조 (특정 DNA 서열이 부착되는 나노구조)를 전기 영동으로 운반하는 방법이다. DNA를 사용하는 UV 석판 인쇄를 위한 기술은 우선 특정 부착 DNA 중합체 서열의 분자층으로 기판 재료를 코팅하는 것을 수반한다. 적절한 마스크를 사용하여 수 초 동안 UV 조사 (300 nm)에 노출시켜서 DNA 부착층에 패턴을 형압한다. UV 광에 노출된 기판 상 영역의 DNA는 그의 상보적 DNA 서열과의 혼성화에 비활성이 되며, 즉, 이는 이중 가닥 구조를 형성할 수 없다. 규소 구조 상에 형광성 DNA를 나타내는 도 7은 전자 현미경 그리드 패턴을 사용하여 10 미크론 선으로 무늬를 넣는다. UV 패터닝 후에 재료를 상보적 형광성으로 분류된 DNA 프로브로 혼성화되고 외형광성 현미경법으로 조사한다. 형광성 상 분석은 상보적 프로브가 혼성화되는 (형광성) 곳 및 혼성화가 일어나지 않는 (비형광성) 곳을 나타낸다. DNA 기초의 UV 광석판술형 방법 외에도, 다른 전계를 기초로 하는 방법은 유도화된 DNA와 충전된 형광성 나노구가 고체 지지체 상의 선택성 현미경 위치 상으로 전기 영동으로 운반되고 침착되게 한다. 이 기술에 대한 기본적 방법 및 디바이스는 도 32에 나타난다. 음으로 하전된 DNA, 서브 미크론 또는 미크론-크기의 구조는 수용액 중에서 현탁되고 전계 (용액 중에 전기 영동)을 통하여 음으로 편향된 다른 위치에 비하여 양으로 편향된 현미경 위치로 운반될 수 있다. 이것은 이 기술이 특정하게 분류된 디바이스를 기판 재료 상의 특정 위치로 운반하는 매커니즘을 제공한다는 점에서 특히 중요하다.
미크론/나노 크기의 구조 제조
자가-어셈블리 기술의 첫번째 단계는 그래프팅에 대한 특수 디바이스의 제조이다. 이 경우에서는, 특수 디바이스는 ELO 방법에서 요구되는 바와 같이 희생층 상의 모판 상에서 표준 방식으로 제조된다. 이어서 적합한 코팅층을 이러한 디바이스 상에 침착시켜 그들이 염수 중에서 브라운 운동을 하도록 한다. 디바이스 재료에 대하여는 침착된 물질의 특성을 조절함으로써 일단 염수로 방출된 디바이스의 거동을 조절할 수 있다. 예를 들면, 코팅 재료 특성을 조절함으로써 본 발명자들은 용액 중의 디바이스의 방향을 조절할 수 있다. 디바이스가 일단 코팅되면, 두꺼운 폴리이미드 필름을 가공하여 ELO 방법 후에 디바이스의 물리적 지지체를 제공할 수 있다. ELO 방법을 수행할 수 있고 얇은 필름 디바이스를 그들의 모판으로부터 분리할 수 있다. 플라스마 에칭을 사용하여 폴리이미드 필름에 홈을 내어 금속층이 연속되지 못하게 하는 충분한 단계를 제공할 수 있다. 이어서 DNA 부착 방법을 수행하고 특정 DNA 서열을 모든 금속 표면 상에 공유결합으로 부착시킬 수 있다. 디바이스의 전면에서의 UV 광으로 자극하여, 노출되고 보호되지 않은 DNA 영역은 파괴되거나 추가 혼성화에 적합하지 않은 형태로 될 수 있다. 적합한 용매를 사용함으로써, 폴리이미드를 제거하고 디바이스를 추가 혼성 방법에 사용되는 염수로 방출할 수 있다.
모판 기판의 제조
특수 디바이스의 그래프팅이 발생하는 영역을 설명하기 위하여, 상보적 DNA 중합체에 대한 선택성 부착 과정을 수행해야 한다. DNA 서열의 고유 선택성, 선택성 부착 화학, 또는 유도된 전기 영동 운반을 이용하여 선택성 부착을 실행할 수 있다. 다른 방법으로는 부착 이후에, 불필요한 지역의 DNA 가닥을 UV 방사로 파괴할 수 있다. 이 접근법은 디바이스의 한 군만이 자가 접합성일 필요가 있을 때에만 유용하다.
앞서 설명된 바와 같이, DNA 부착 화학은 DNA 중합체가 부착되는 데 사용되는 재료에 크게 좌우된다. 예를 들면, DNA를 보호 유리층으로 코팅된 규소 칩 상의 알루미늄 패드에 부착시키기 위하여, 본 발명자들은 우선 샘플을 짧은 시간 동안 희석 완충 HF 용액 중에 침지시켜서 알루미늄 영역을 활성화시킨다. 이 방법의 마지막 결과는 노출된 알루미늄 패드가 DNA에 고도로 반응성일 때, 소수의 DNA 가닥만이 보호 유리층에 부착되는 것이다. 재료 선택성이 UV 유도된 비활성과 전기 영동 운반 방법을 겸할 때, 이것은 연속적으로 수행되는 반복 가능한 부착 방법을 허용한다. 몇몇 특수 디바이스의 동시 자가-어셈블리를 고찰한다. 이어서 패드는 그들이 연결되는 디바이스에 따라서 무리지어질 필요가 있다. 이 경우에서는, 각 패드 군은 DNA 서열이 접착될 특수 디바이스에 부착되는 DNA 서열에 상보적인 특정 DNA 서열로 코팅될 필요가 있다. 모판 패드를 "사전에 프로그램"하기 위하여, 각 DNA 서열을 적합한 패드에 연속적으로 결합시킬 수 있다. 이는 전기 영동 운반 방법을 사용하고 DNA 부착이 바람직하지 않은 패드에 음전위를 가하여 쉽게 얻을 수 있다. 동시에, 양 전압을 가하여 원하는 위치에 부착시키는 것을 강화시킬 수 있다. DNA 서열 부착의 두번째 세트에 대해서는, 프로그램된 서로 다른 전압 세트로 반복할 수 있다. 이와 같이, 다중 디바이스의 자가-어셈블리이 동시에 수행되는 것이 필요할 때, 패드를 수용하는 모판을 패드에 적합한 세트의 양전위 및 음전위를 가하여 프로그램할 수 있다. 단지 한 종류의 디바이스만이 모판 상에 자가-어셈블리되는 것이 필요할 때, DNA 부착 화학의 재료 선택성을 단독으로 사용하는 것이 충분하다.
특정 DNA 중합체: 선택성 글루
모판이 사전 프로그램되고 특수 디바이스가 방출되어 염수조에서 자유롭게 움직이면, 자가-어셈블리 방법을 수행할 수 있다. 적합한 (혼성화) 긴급 온도에서, 디바이스를 용액 중에 서서히 교반시킴으로써, 상보적 DNA 가닥의 혼성화는 적당한 디바이스-패드 짝이 접촉하게 될 때 (도 33 참조) 발생할 수 있다. 이 방법을 완수하기 위하여 몇몇 서로 다른 방법을 연구할 수 있다.
통상적 혼성화 및 전자 혼성화
이 방법에서는 모든 디바이스를 용액에 동시에 방출할 수 있고, 발생하는 혼성화 방법의 가능성은 적당한 디바이스-패드 짝이 접촉하게 되는 가능성과 직접적으로 관련될 수 있다. 매우 단순화된 가정 하에서, 혼성화 Ph의 가능성은 유효한 총 패드 영역 Ap대 모판 영역 Amb의 비에 대충 관련될 수 있다.
Ph∝ NAp/Amb
상기식에서 N은 용액 중의 특수 디바이스 군 중 하나의 실제 밀도이다. 확률분포가 무작위인 것으로 예상되기 때문에, 이 방법은 온당한 혼성화 수율을 얻기 위해서는 매우 오랜 시간이 걸릴 수 있다. 다른 방법으로는 이는 용액이 특수 디바이스로 포화되는 것을 필요로 할 수 있다. 이는 방법 비용을 상승시키고 자가-어셈블리될 수 있는 특수 디바이스의 형태를 제한할 수 있다. 선택성 및 어레이 정밀도를 향상시키기 위하여 몇몇 가열과 냉각 주기가 혼성화 방법 중에 수행될 것이다. 가열 주기 중에, 약하게 혼성화된 성분을 해리시켜 더 강한 결합을 형상하는 기회를 증가시킬 수 있다.
에피텍셜 리프트-오프 방법
자가-어셈블리 방법의 중요 부분은 DNA 부착용 미크론/나노 크기의 디바이스의 제조, 부착 중의 취급 및 마지막으로 혼성화 이전에 염수로의 그들의 방출이다. 가장 대중적인 ELO 접근법은 Al GaAs 합금 시리즈에서 희석 HF 용액의 선택성을 이용하는 것이다. 알루미늄이 풍부한 합금은 대략 1 mm/hr의 속도로 에칭하는 한편, 갈륨이 풍부한 합금의 에칭 속도는 0.1 mm/hr로 거의 측정되지 않는다. AlAs의 중간층이 용해되어 상부 에피텍셜층이 기판으로부터 멀리 밀려나가게 한다. 기계적 분열 (CLEFT), 및 에칭 차단층까지 전체 기판 에칭하는 것을 포함하는 다른 분리 방법을 또한 사용한다. 두께가 20 nm 내지 10 nm인 에피텍셜 필름을 그의 성장 기판으로부터 분리하고, 처리하고 이용한다.
예를 들면, 이 기술을 이용하여 얇은 III-V 반도체 필름을 가공된 규소 웨이퍼와 같은 외기판에 직접 접착시킨다. ELO 필름의 기계적 유연성은 기판 지세에 대한 필름의 완전한 정합을 허용하고, 이는 강하고 완전한 결합을 야기한다. ELO 기술은 이어서 처리된 기판 상에 단일 칩과 같은 에피텍셜 박 필름을 제조한다. 리프트-오프 이전에, 다양한 디바이스를 모판 상에 있을 때 필름 상에 조립할 수 있다. ELO 기술은 플립 칩 땜납 범프 설치와 같은 혼성 접근과 직접 헤테로-에피택시와 같은 완전한 단일 칩 사이에 중간물 어딘가에서 유효하다; 그러나, 이는 둘 다의 장점을 겸한다. ELO는 얇은 필름이 얇은 III-V 필름의 경게 상 및 규소 미소-칩 기판 상으로 앞뒤로 통과하도록 하는 진짜 얇은 필름 기술이다. 동시에, 얇은 필름은 격자와 맞고 실질적으로는 단일 에피텍셜로 커진다. 광 이미터와 같은 소수 캐리어 디바이스를 위한 최고 중요한 재료 특성은 절대로 절충되지 않는다. 혼성 플립-칩 기술에 대한 ELO 기술의 장점은 저 포장 용량 및 고 포장 밀도를 포함한다. 고속 초소형 회로에 대하여, 전선 용량은 매우 낮아야 한다. 형벌은 추가 전력 낭비의 단순한 부담은 아니다. 금속 연결의 연속 저항은 매우 작지 않기 때문에, RC 시간 상수는 심각할 수도 있는 전원 낭비 문제와 상관없이 광전자 공학 초소형 회로의 속도를 제한하는 것으로 궁극적으로 작용할 것이다. 궁극적인 얻을 수 있는 포장 밀도는 기술의 작업 면적에 대해서 정해진다. 그러므로, ELO는 이러한 면에서 납땜 범프 기술 이상의 것을 제공할 수 있다.
가공된 규소 초소형 회로 상의 ELO 필름 그래프팅은 마이크로칩의 침착딘 산화물 표면의 초미립크기의 조도의고려를 요구한다. 표면 조도는 반데르발스 또는 야금 결합의 특성을 방해한다.
DC 전계 하에서 연속적인 혼성화
혼성화의 가능성을 상승시키기 위하여, 두번째 방법이 각 디바이스 군에 개별적으로 도입되고 양으로 편향된 패드와 가까운 영역 안에서 특수 디바이스와 한정한다. 적합한 양전압을 패드에 가하여 DC 전계의 영향 하에서 이러한 제한이 이루어질 수 있다. 이어서 면적의 비가 증가하거나 동등하게는 상기 식에서 디바이스 밀도, N가 증가함에 따라서 전계의 효과가 나타내어질 수 있다. 그러나, 이러한 경우에서 각 디바이스군은 연속적으로 도입되어 바람직하지 못하 디바이스군이 적당한 디바이스가 패드에 도달하는 것으로부터 보호해야 한다.
AC 전계 하에서 평형 혼성화
연속적인 혼성화의 단점은 특수 디바이스가 증가함에 따라서 제조 비용이 증가한다는 것이다. 다른 방법은 모든 디바이스 형태를 동시에 용액에 도입하고, 각 패드 주위 디바이스를 분산시키기 위하여 초기 DC 전압을 가하고, 이어서 바람직하지 못한 디바이스 형태의 차단 효과를 제거하기에 적합한 진동수로 AC 전압을 가하는 것이다. AC장의 효과는 강한 교반 메커니즘으로 나타내어진다.
야금 결합
혼성화 방법 후에 특수 디바이스는 매우 결합세기가 높은 이중 가닥 DNA 구조의 형성을 통하여 적합한 위치에 유지된다. 이어서 전체 결합체는 세척하고 나서 건조하여 세정시킨다. 이 시점에서는 모판과 특수 디바이스 사이의 전기적 접촉은 없다. DNA 결합강도는 고체 상태로 유지되고, 디바이스를 제 자리에 유지시킨다. 저항 접촉을 가지는 야금 결합을 달성하는 한 가지 방법은 저온에서 함께 공융 결합할 수 있는 패드 및 디바이스 상에 전도성 물질을 사용하는 것이다. 두 번째 방법은 DNA 부착에 활성인 금속층 하에서 땜납 또는 인듐과 같은 저 융점 금속을 사용하는 것이다. 이 경우에서 범프는 나노미터 크기로 제조되어야 한다. 디바이스가 DNA 결합에 의하여 제자리에 유지되는 동안, 두 가지 경우에서 열을 가하는 것은 야금 결합과 저항 접촉의 형성을 초래할 것이다. DNA 중합체는 결합 안에서 존재하지만 사용되는 초기 DNA 충진도에 의존하는 증가된 접촉 저항에 기여할 수 있다. 도 34는 상기에 설명되는 방법을 도시한다.
특수 디바이스의 어레이 및 배향
자가-어셈블리 접근법으로 설명될 필요가 있는 중요한 논점 중 하나는 특수 디바이스가 모판 상에 패드에 어레이될 수 있는 정밀도이다. 본 발명자는 우선 특수 디바이스가 회전이 불변하는 방법이도록 순환성 염기를 가지는 것으로 가정한다. 이 경우에서는, 패드 직경이 d이면, 어레이 정밀도 d/2를 DNA 결합 방법으로 얻을 수 있다. d/2 미스얼라인먼트 이상으로 잘못 어레이된 디바이스는 혼성 방법 중에 강한 결합을 형성하지 않고 혼성화 방법의 가열 및 냉각 주기 중에 제자리에 유지되지 않는다. 더욱이, 상기 부분에서 설명된 나노 범프 기술이 이용된다면, 야금 결합을 형성하는 고온 주기 이후에, 플립 칩 결합에 사용된 C4 기술에서와 동일한 방식으로 디바이스를 패드에 자가-어셈블리시킬 수 있다.
특수 디바이스가 순환성 대칭 염기를 가지지 않고, 패드 상의 특정 배향으로 배치될 필요가 있다면 더 어려운 문제점이 발생한다. 적당한 배향을 가진 결합을 위한 두개의 서로 다른 접근법을 사용할 수 있다. 첫번째 접근법으로, 적당하게 만들어진 이산화규소 층을 도 35에 도시디는 바오 같이 배향이 잘못된 특수 디바이스를 물리적으로 숨기는 데 사용한다. 디바이스는 그들의 배향이 바를 때에만 패드 상에 맞을 것이다. 디바이스를 배향시키는 다른 접근법은 DNA 혼성화 이전에 쿨롱 힘을 사용하는 것이다. 이온 주입, 또는 e-광선 석판술 노출에 의하여 반대 부호의 전하 충전이 패드 상 및 디바이스 상의 특정 지역에서 실행될 수 있다. 이러한 전한 패턴은 적당한 배향으로 디바이스를 유도한다. 도 35에서 보뎌지는 바와 같이, 두 가지 접근법은 특수 디바이스의 배향이 적당한 DNA 결합을 제공하는 데 함께 사용될 수 있다.
나노구 및 서브 미크론 디바이스의 전계 배향 합성 방법
전계 합성을 다중 DNA 표면 아이덴티티를 포함한 나노구조 또는 미세구조 (예, 나노구, 나노입자, 서브 미크론 및 미세 크기의 디바이스)를 제조하는 데 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 다중 표면 아이덴티티는 입자 표면 상에 서로 다른 좌표에 위치하는 특정 DNA 서열의 형태일 수 있다. 이러한 좌표는 실제로 극성 또는 4면체일 수 있고, 나노구조가 2차원 및 3차원 광자 및 잔자 구조 (광자 밴드갭 구조와 같은)를 형성하게 하는 가능한 자가-어셈블리 특성을 부여할 수 있다. 도 36 (상단)은 극성 및 적도 위치에서 다중 DNA 서열 아이덴티티를 갖는 나노구 (20 nm 직경)의 일반적 다이아그램을 나타낸다. 도 36 (하단)은 나노구를 함께 혼성화시킴으로써 형성될 수 있는 간단한 구조도 나타낸다.
도 37은 이러한 나노구조를 제조하는 초기 단계를 나타낸다. 단계 (1)에서, 적합하게는 관능화된 나노구 (아민기를 가진)는 서열 아이덴티티 (A)를 포함하는 알데히드 변경된 올리고뉴클레오티드와 반응시킨다. 아이덴티티 (A)는 DNA 중의 염기의 염기의 독특한 서열, 예컨대, 5'-GCACCGATTCGAT ACCGTAG-3' 서열을 가진 20머 올리고머뉴클레오티드를 언급한다. 단계 2에서, 올리고 (A) 변형된 나노구는 상보적 A' 서열 (5'-CTACGGTATCGAATCGGTGC-3')을 갖는 미소위치 표면에 혼성화된다. (A') 서열은 가교결합제 (프소라렌)를 포함하고 (B) 아이덴티티 (5'-TTCAGGCAATTGATCGTACA-3')를 포함하는 부차적 서열로 연신하고, 또한 공유결합으로 표면에 연결된 (B') DNA 서열 (5'-TGTACGATCAATTGC CTGAA-3')로 혼성화된다. 단계 3에서, 혼성화된 나노구는 (A/A') 혼성화된 서열안에 프소라렌 잔기가 공유결합으로 교차결합되게 하는 UV 조사에 단기간의 노출시키는 것이다. 나노구는 표면으로부터 탈혼성화시킨다 (무저항적으로 또는 전자적으로). 나노구는 기판 상의 극성 위치에 부여되는 (B) DNA 서열 아이덴티티를 가진다. 도 38은 가공 계획의 연속을 나타낸다. 단계 4와 5에서, (B) DNA 서열 아이덴티티가 변형된 나노구는 표면에 공유결합으로 연결되는 상보적 C' 서열에 대하여, (C-A') 서열로 혼성되는 새로운 미소위치에 "부분적으로 혼성된다". (C) 서열은 (A) 및 (B) DNA 서열과 다르다. (B) DNA 서열 나노비드는 (A/A') DNA 서열을 통하여 표면으로 부분적으로 혼성화되지만, 그들은 표면 상에 임의의 특정 방식으로 배향되지 않는다. (B) DNA 나노구가 그들의 표면 상에 비균일한 음 전하 분포를 가지기 때문에 ((B) DNA로부터 여분의 전하로 인하여), 이들은 전계에서 배향될 수 있다. 단계 6에서, 제2 전극은 낮은 전극 상에 위치하고, 전계 세기는 나노구를 배향시키기에 충분히 강하게 가해지지만, 표면으로부터 이들을 탈혼성화하지 않는다. 도 38은 (B) 및 (C) 서열에 관하여, 극성 배향의 나노구를 나타내는 한편, 전극의 상대적 위치가 (B) 및 (C) DNA 서열의 상대적 위치에 대한 다른 각을 산출하는 전계를 제공할 수 있다. 나노구가 그들의 바른 어레이일 때, 그들은 온도를 낮춰서 완전히 혼성화시키고 나서, (A/A') 서열을 가교결합시키기 위하여 UV 조사에 노출시킨다. 탈혼성화에 있어서, 이는 상대적인 극성 (북 및 남) 위치에서 (B) 및 (C) DNA 서열을 가진 나노구를 제공한다. 본 발명자는 본 방법을 2회 이상 반복하여 극성/적도 또는 4면체 좌표에서 (B), (C), (D), 및 (E) DNA 아이덴티티를 가지는 나노구를 제조할 수 있는 것으로 생각하였다.
다단계 및 다중 합성 및 조립 기술과 디바이스
다양한 기술 및 디바이스를 사용하여 다단계 및 다중 합성 및 조립을 수행할 수 있다. 도 39는 8 X 8 매트릭스 중에 어레이된 64 미소 전극을 가진 마이크로일렉트로닉 어레이 디바이스, 및 바로 매트릭스 바깥의 4개의 큰 조절 전극을 도시한다. 디바이스 상의 전극 구조는 이러한 디바이스의 대규모 또는 거시적 변형으로 ~1 미크론 내지 수 cm 이상의 범위일 수 있다. 침투층 및(또는) 형판 재료를 디바이스가 기판 재료 상에서 다단계 및 다중 합성 반응 및 조립 단계를 수행하는 데 사용되도록 하는 이러한 디바이스 위에 놓을 수 있다. 그러므로, 디바이스는 "그 자체" 위의 다단계 및 다중 반응 및 조립뿐만 아니라 다양한 기판 재료 상에 접착된 시스템을 제공하는 제조 디바이스를 위하여 사용될 수 있다. 본 발명자들은 "다단계" 방법을 하나 이상의 위치에서 둘 이상의 합성 또는 조립 단계를 갖는 방법으로, "다중"을 디바이스상의 서로 다른 위치에서 서로 다른 성분의 합성 또는 조립을 포함하는 방법으로 정의한다.
도 40은 다단계 운반 및 나노구 또는 나노입자의 위치가 이러한 디바이스를 사용하여 수행할 수 있는 방법을 도시한다. 이 도면의 서열에서, 음으로 하전된 나노구조 (1 형태)는 어레이의 왼쪽 면에서 특정 미소위치 상으로 벌크 용액으로부터 운반되고 집중된다. 이는 음으로 편향된 조절 전극에 대하여 양인 미소위치를 편향시킴으로써 이룰 수 있다. 전계 안의 음으로 하전된 1 형태 나노구조는 특정 미소위치에서 운반되고 집중된다 (전기 영동으로). 1 형태 나노구조는 이들이 그 디바이스 상에 다른 특정 위치에서 또는 상보적 DNA ㄴ서열을 포함하는 다른 나노구조로 혼성화하는 것을 허용하는 특정 DNA 서열을 갖는 다양한 디바이스 또는 구조일 수 있다.
다음 단계에서, 2 형태 나노구조는 디바이스의 오른쪽 상에 특정 미소위치에서 운반되고 집중된다. 다음 단계에서는, 1 형태 나노구조는 부착된 상보적 DNA를 갖는 어레이의 중앙에서 특정 미소위치로 운반된다. 1 형태 나노구조는 부착된 상보적 DNA를 갖는 어레이의 중앙에서 특정 미소위치로 운반된다. 1 형태 나노구조는 혼성화하고 이러한 위치에 특정적으로 부착된다. 2 형태 나노구조는 1 형태 나노구조에서와 같이 동일한 중앙 위치로 운반된다. 2 형태 나노구조는 1 형태 나노구조에 상보적인 부착된 DNA 서열을 포함한다. 2 형태 나노구조는 혼성화하고 1 형태 나노구조 상에 접착된 층이 된다.
도 40의 단계의 서열은 이러한 디바이스 및 특정 DNA 서열이 부착되는 자가 접착 나노구조, 서브 미크론 및 미크론 크기의 구조로 수행될 수 있는 다수의 다단계 및 다중 조립 시나리오 중 하나 만을 묘사하는 것이다. 본 발명자들은 이러한 방법을 DNA 유도된 구조의 전계에 의한 자가-어셈블리로 언급한다. 예로서, 도 41은 200 나노미터 크기의 형광단 나노구를 8 x 8 미소 전극 어레이 디바이스 상의 선택된 미소위치로 운반하는 것을 설명하는 사진의 서열을 도시한다. 미소위치의 크기는 50 μm x 50 μm이다. 음으로 하전된 200 nm 형광성 나노구는 양으로 하전된 미소위치로 신속하게 운반되고 집중된다. 다른 실험 작업에서, 나노구는 디바이스 상의 한 위치에서 다른 위치로 이동하고, 이러한 디바이스 상의 나노구조의 다양한 패턴 또는 어레이를 형성하는 것이 가능하다.
큰 구조의 배치 및 배향
본 발명의 유용한 적용은 기판 또는 모판 재료 상에 큰 (10-100 미크론) 크기의 디바이스의 부착 및 배향을 포함한다. 이 방법은 도 42에 도시된다. 이 예에서, 디바이스는 4개의 서로 다른 DNA 서열로 선택적으로 유도되고, 모판은 4개의 상보적 서열로 선택적으로 유도된다. 이어서 디바이스는 혼성화되고 혼성을 위한 무저항성 및 활성 전계 방법에 대하여 상기 부분에 설명된 방법에 의하여 모판 기판에 부착된다.
마이크로 전자공학 파라미터 이내의 나노조립
마이크로일렉트로닉 공학, 광전자 공학, 및 광학 성분 내로 나노구조 및 서브 미크론 디바이스 어레이의 나노조립을 포함하는 적용은 본 발명의 범위 내이다. 이러한 경우에서는, 마이크로일렉트로닉 공학 디바이스는 전통적인 과정에 의하여 설계되고 만들어지지만, 나노구조 및 서브 미크론 성분의 자가-어셈블리를 위하여 설계되는 영역을 포함한다. 예로서, 도 43은 하나의 이러한 디바이스를 도시한다. 이 예에서는, 전통적인 사진 석판 기술을 이용하여 규소로 만들어진 마이크로일렉트로닉 공학 디바이스는 기초를 이루는 마이크로 미소 전극을 포함하는 구조를 가진다. 이 미소 전극은 다양한 나노구조 및 서브 미크론 성분의 전계에 의한 자가-어셈블리를 미소 전극 성분의 파라미터 내에서 수행하기 위하여 사용된다. 이 기술은 미소 전극 성분과 나노 크기의 성분 사이의 상호 연관뿐만 아니라 성분들의 다중층 (3D 조립)의 어레이를 포함하는 훨씬 조밀한 집적 디바이스의 창조를 허용한다. 그러므로, 본 발명은 전통적인 마이크로일렉트로닉 공학 (광전자 공학) 조립 기술과 자가-어셈블리 나노조립 기술 둘 다에 공동 작용하는 방법으로 간주된다.
나노 크기의 파라미터 이내의 나노조립
원자력, 현미경, e-광선, 또는 다른 서브미크론 조립 기술에 의하여 침착된 일군의 나노 크기 또는 서브마이크로 위치에 접착된 선택적 결합 DNA 서열 매트릭스의 나노조립을 허용하는 기술은 본 발명의 범위 안이다. 도 44는 이러한 방법론의 예를 도시한다. 이 예에서, 4개의 서브마이크론 부착 구조를 적합한 기판 재료 상에 침착시킨다. 구조 중 둘은 DNA 서열 (즉, 티올 부착 화학을 위한 금)의 후속적인 부착에 선택적으로 활성화될 수 있는 물질이다. 구조 중 다른 둘은 다른 특정 부착 화학 (즉, 실란 알데히드/아민 부착 화학을 위한 이산화규소) 물질을 위하여 선택적으로 활성화될 수 있는 물질이다. 이러한 위치로부터 2개의 서로 다른 DNA 서열을 부착할 수 있다. 추가의 단계에서, 제곱 파라미터를 형성하는 2개의 서로 다른 위치를 연결하는 상보적 DNA 서열을 혼성화한다. 궁극적으로 매트릭스 내의 선택적 혼성화 부위를 갖는 매트릭스 구조를 형성하여, 다른 DNA 서열의 적당한 위치로부터 파라미터 DNA로 혼성화될 수 있다. 이러한 형태의 매트릭스 나노구조 (선택성 DNA 아이덴티티)로부터 다양한 2차원 및 3차원 나노조립을 수행할 수 있다.
광학 기록 방법 및 디바이스
DNA 광학 저장은 단일 파장에서 빛 에너지를 흡수하고 예정된 여러 파장에서 다시 발산하는 발색 DNA 중합체의 설계 및 합성을 포함한다. 본 발명자들의 연구에 따르면, DNA 중합체는 자가-구성 방식으로 고체 표면에 부착될 수 있고 설계된 관능성을 갖는 단위 세포들을 형성할 수 있는 것으로 나타났다. 본 발명자들은 고체 표면에 부착된 DNA 중합체가 다중 발색 반응, 광자 에너지 전달 및 켄칭 작용을 보일 수 있음을 입증하였다. 도 6 및 도 7은 형광성 DNA 중합체를 이산화규소 및 알루미늄 표면에 부착시키는 것과 관련된 결과와 이들 기판 표면 상의 DNA 단층에 UV 기록 (화상 형성)과 관련된 결과를 도시한다.
DNA 광학 저장을 위한 UV 기록 메카니즘
DNA 기재에 정보를 기록할 수 있는 4가지 메카니즘이 존재한다.
i) DNA 서열 내에 티미딘의 공간적 UV 불활성화;
ii) 형광단 및 발색단의 공간적 UV 불활성화;
iii) 켄칭 발색단의 공간적 UV 불활성화 또는 활성화; 및
iv) 가교결합 (프소라렌)에 의한 후속 혼성화의 공간적 UV 활성화 또는 불활성화.
도 8a 및 b는 로고 마스크와 4색 기록 마스크를 사용한 UV 기록/혼성화 결과를 도시한다. 상보성 형광 DNA 서열이 혼성화된 실리콘 기판 상의 DNA 단층에 형성된 화상을 도시하고 있다.
UV/프소라렌 기록 방법-단계 1
UV/프소라렌 기록 방법에 관하여 도 9 및 19가 "4개의 아이덴티티 DNA 기판 재료"를 제조하는 방법 전체를 개략적으로 도시한다.
이 방법은 프소라렌 가교결합제를 사용하여 기판 재료에 다중 DNA 아이덴티티를 부여한다. 저에너지 UV 광 (365 ㎚)에 노출할 때 DNA 삽입 프소라렌 화합물은 DNA 스트랜드를 서로 공유적으로 가교결합할 수 있다. DNA 스트랜드를 프소라렌으로 결합시키면 기판 표면 상에 다중 아이덴티티를 형성할 수 있다.
도 9는 규소/알루미늄/이산화규소 기판 표면에 공유적으로 부착된 아이덴티티 (A)를 갖는 DNA 서열을 도시한다. 칩 표면을 먼저 아미노프로필트리에톡시실란 (APS) 시약과 반응시키면, APS가 DNA 서열 부착을 위해 기판 표면 상에 아민기를 제공한다. 포획 DNA 서열 (A)를 후에 산화되어 아민 반응성 디알데히드 기를 형성하는 리보투클레오시드기로 관능화한다. 이제 DNA (A) 서열은 APS 관능화 기판 표면 상의 아민 기에 공유적으로 결합될 수 있다. 예시로서, 도면은 4개의 가능한 기록 아이덴티티 사분원 (도면에서는 위치로 칭함)를 도시하는 방식으로 4개 DNA 스트랜드를 도시한다. 실제 재료에서는 사분원 (사분원 크기는 약 250 ㎚2가 바람직하다) 당 2.5 X 105DNA 스트랜드가 존재한다.
도 10은 4개 사분원 (위치) 모두에 존재하는 (A) 아이덴티티 포획 서열에 부분적으로 상보적인 (B) 아이덴티티 프소라렌 변성 DNA 서열을 혼성화함으로써 기록 아이덴티티 방법을 개시하는 것을 도시한다. 프소라렌 분자는 혼성화 더블 스트랜드 DNA 내에 삽입되어 있다.
도 11은 사분원 2, 3 및 4를 노출시키고 사분원 1은 UV 마스크를 사용하여 차광한 것을 도시한다. 마스크를 덮지 않은 사분원 (2, 3 및 4)을 저에너지 UV 광 (365 ㎚)로 조사하였다. UV 노출로 혼성화 더블 스트랜드 DNA 내의 삽입된 프소라렌 분자가 스트랜드에 공유적으로 가교결합한다.
도 12는 전체 표면을 탈혼성화시키는 것을 도시한다. 사분원 1 내의 가교결합되지 않은 (B) 아이덴티티 DNA 서열을 제거하고, 그 자리에 (A) 아이덴티티 DNA 서열을 남겼다. 이제 사분원 2, 3 및 4는 그 위치에 (B) 아이덴티티 DNA 서열을 갖는다.
도 13은 부분적인 (B) 아이덴티티 DNA 상보물을 함유하고 사분원 2, 3 및 4에서 (B) 서열에 혼성화되는 (C) 아이덴티티 DNA 서열로 위의 방법을 반복하는 것을 도시한다.
도 14는 도 9부터 도 13에 도시된 방법을 그대로 반복한 것을 도시한다. 방법이 완결되면, 최종 물질은 각각의 사분원에 위치하는 4개의 분리된 DNA 아이덴티티 서열 (A, B, C 및 D)를 함유한다.
도 19는 4개의 형광 표지된 상보성 서열을 표면에 혼성화시킴으로써 4개의 DNA 서열 (A, B, C 및 D)의 특이성을 검사할 수 있는 시점을 나타낸다. 이제 각각의 사분원은 그의 특정 형광색을 나타내야 한다.
UV/프소라렌 기록 방법-단계 2
다른 마스킹 및 UV 노출 절차로 (4개의 DNA 아이덴티티 기판에 대한) 실제 정보 UV 기록 방법을 실행한다 (도 20, 21 및 22 참조). 이 경우에는, 고에너지 UV 조사 (254 ㎚)를 사용하여 UV 노출된 영역 내의 DNA를 비혼성화성으로 만든다. DNA를 이러한 고에너지 UV 광에 노출시키면, DNA 서열 내의 티미딘 염기가 이량체가 되어 추가 혼성화가 일어나는 것을 방지한다. 따라서, 이 절차는 개별 4분원을 불활성화시키거나 "중단(turn off)"시키는데 사용될 수 있다. 형광 표지한 상보성 DNA 서열을 기재에 혼성화시킬 때, 혼성화가능한 상보성 DNA를 갖는 사분원만이 적절한 형광 색을 가질 것이다. 이 메카니즘으로 데이타를 DNA에 선택적으로 기록할 수 있다.
도 20 및 21은 B와 D 아이덴티티를 작동(turn on)시키고, A와 C 아이덴티티를 중단시키는 것을 도시한다. UV 기록 방법을 시작하기 전에, 4개의 사분원 1, 2, 3 및 4 모두의 특이성 A, B, C 및 D 서열은 혼성화가능하다. 기록 방법은 사분원 2와 4를 마스킹하고, 표면을 고에너지 (254 ㎚) UV 조사에 노출시킴으로써 시작한다. 사분원 1과 3은 이제 UV 노출에 의해 효과적으로 불활성화되거나 또는 비혼성화가능해졌고, 2와 4의 DNA 서열은 혼성화가능한 상태로 남아 있다.
도 22는 어떻게 형광 DNA 상보성을 갖는 기재가 4개의 DNA 아이덴티티 모두에 혼성화되지만, 형광성 DNA 상보물만이 B와 D 아이덴티티에 효과적으로 혼성화되어 최종 형광색을 발색시키는지를 도시한다. UV 기록 방법이 완결되면, 기재는 이제 B와 D 사분원에 2개의 다른 형광색을 갖고, A와 C 사분원에는 형광색을 갖지 않는다.
본 발명자들은 프소라렌/UV 방법을 사용하는 2색 기록을 입증하였다. 일련의 방법 및 기록 단계들을 이후에 서술한다. 도 23A와 B, 24A와 B 및 25A와 B는 기판 및 형광 기록 기재의 실제 사진을 도시한다. 도 27A, B와 C 및 28A, B와 C는 방법의 보다 개략적인 서술을 제공한다.
단계 1: 제어 칩 표면 (이산화규소/알루미늄/규소)를 아미노프로필트리에톡시실란 (APS)로 처리하였다. 도 23A는 배경 형광 수준이 비교적 낮기 때문에 칩 표면이 기본적으로 흑색으로 나타남을 도시한다. 도 27A는 이 시점에서 기재를 개략적으로 도시한다. 모든 사진을 제나루마 에피-형광 현미경/함마마쯔 인텐시파이드 CCD 카메라/아르구스 텐 화상형성 시스템을 사용하여 촬영하였다.
단계 2: 이어서, 제2 제어 칩 표면 (APS 반응)을 후속 프소라렌 가교결합에 적당한 염기 조성물을 함유하는 DNA (A) 아이덴티티 포획 서열과 반응시켰다. DNA(A) 서열은 디알데히드로 산화되는 3' 말단 상에 리보기를 가지며, 이것은 표면 상의 아민기와 반응하여 DNA를 공유적으로 부착시킨다. 도 23B는 DNA(A)는 존재하지만 임의의 형광 상보성 DNA는 존재하지 않는 기판 표면의 사진을 도시한다. 배경 형광 수준이 상대적으로 낮기 때문에 칩 표면은 여전히 흑색으로 나타난다. 도 27B는 이 시점에서 기재를 개략적으로 도시한다.
단계 3: APS 반응하고, DNA(A) 포획 서열이 부착된 제3 제어 칩 표면을 Bodipy Texas Red 형광 표지한 상보성 서열과 혼성화시킨다. 도 24A는 진한 형광 적색을 발색하는 전체 칩 표면을 도시한다. 도 27C는 이 시점에서의 기재를 개략적으로 도시한다.
단계 4: 제4 칩을 APS로 처리하고, (A) 아이덴티티 DNA 포획 서열을 단계 2에서와 같이 표면에 결합시킨다.
단계 5: 프소라렌 분자를 부착시킨 상보성 (B) 아이덴티티 서열을 전체 표면에 결처 (A) 아이덴티티에 혼성화시킨다.
단계 6: 칩 표면의 1/2을 마스킹하고, 나머지 1/2을 저에너지 (365 ㎚) UV 광에 노출시킨다. 이로써 (A) 아이덴티티 DNA 서열과 (B) 아이덴티티 DNA 서열이 공유적으로 가교결합된다.
단계 7: 이어서 표면을 0.1 N 수산화나트륨 용액으로 처리하여 칩의 마스킹한 부분으로부터 가교결합되지 않은 DNA를 제거한다 (탈혼성화시킨다).
단계 8: Bodipy Texas 적색 형광 염료로 표지된 상보성 (A) 아이덴티티 DNA 서열 (최대 595 ㎚에서 여기하고 최대 626 ㎚에서 발산)을 칩에 혼성화한다. 상보성 형광 (A) 아이덴티티 DNA 서열을 (A) 아이덴티티 포획 서열을 함유한 칩 표면의 1/2에만 혼성화시킨다 (도 24B). 도 28A는 이 시점의 재료를 개략적으로 도시한다. 단계 4부터 7을 제5 칩 표면에 대해 반복한다.
단계 9: 이어서 (B) 아이덴티티 서열에만 상보성인 Bodipy 오렌지 형광 염료 (최대 558 ㎚에서 여기 및 최대 568 ㎚에서 발산)로 표지된 서열을 전체 칩에 혼성화한다. 이 DNA 서열은 (B) 아이덴티티를 함유한 칩의 1/2에만 혼성화한다 (도 25A). 도 28B는 이 시점에서 재료를 개략적으로 도시한다.
도 10: Bodipy Texas 적색 형광 염료로 표지된 (A) 아이덴티티 포획 서열에만 상보성인 서열을 제5 칩에 혼성화한다. 다시 이 형광 표지된 DNA를 (A) 아이덴티티를 함유한 칩의 1/2에만 부착한다. 이제 칩은 대응하는 색을 갖는 아이덴티티를 모두 함유한다 (25B). 도 28C는 이 시점에서 재료를 개략적으로 도시한다. 칩 표면의 2개의 분리된 부분에 2개의 별도의 서열을 배타적으로 혼성화시키는 것을 도시함으로써 본 발명자들은 상기 프로토콜이 실제로 규소 기판 표면 상에 다중 아이덴티티를 생성할 수 있음을 확신하게 되었다.
기판에 결합한 160 ㎚ 나노구의 실험 증명
도 26A와 26B는 160 ㎚ DNA 유도 형광성 나노구를 DNA 유도 이산화규소 표면에 부착시킨 결과를 도시한다. 나노구는 DNA 불활성화 구간의 맞은편 활성 DNA를 갖는 화상 구간에 결합되어 있다. 혼성화 상호작용 뿐만 아니라 정전기적 상호작용에 의해 결합이 이루어진 것으로 믿어진다.
저밀도 광학 메모리 용품
여러개의 DNA 기재 광학 데이터 저장 및 메모리의 중요한 용도는 서류, 화폐, 라벨 및 다른 아이템에 도입되는 분야에서 가능하다. 이러한 "저밀도" 용품에 형광 에너지 전달 및 발색단 DNA 기재 메카니즘을 사용하는 것은 정보화 또는 코드화와 같은 위조가 어렵기 때문에 바코드 및 다른 사용되는 방법 보다 유리하다.
광전자 광학 메모리 기록 시스템 및 디바이스
DNA 중합체를 많은 광자 및 전자 용품에 사용할 수 있다. DNA 중합체를 사용하는 중요한 용도 중 하나는 고밀도 광학 데이터 저장 매체이다. 이 경우, 발색단 DNA 중합체는 단일 파장에서 빛 에너지를 흡수하고, 예정된 여러 파장에서 재발산한다 (도 45). 다른 측면에서, 본 발명은 소위 광전자 기록 방법으로 불리는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 광활성 기판 재료에 공간 광 어드레스를 사용하여 마이크로 크기의 전계를 발생시키고, 이어서 대전된 발색단 (유색) DNA를 그 선택된 위치에 선택적으로 전달하고 부착하는 것을 포함한다.
작업 원리
광자/전자 판족 방법에 이용된 기본 원리는 도 46A 및 46B에 도시되어 있다. 제안된 기록 기판은 광전자 활성화 매트릭스 재료 (예, 광전도성 필름)이며, 이 위에 DNA 중합체 서열이 부착된다. 이 DNA 서열은 각각 여러개의 아이덴티티를 갖는다. 예시를 위해, 도 46A는 3개의 아이덴티티 (A, B 및 C)를 갖는 DNA 서열을 함유하는 3개의 광활성화 부위를 도시한다. 상보성 아이덴티티 (A')를 갖는 발색단 DNA를 함유하는 용액을 기판 재료에 노출시키고 카운터 전극을 용액과 아래 기판 재료 위에 위치시킨다. 기판 재료 상의 특정 미소위치를 공간 광 어드레싱에 의해 활성화하여 그 위치의 재료에 전하를 발생시킨다 (도 46B). 전하가 용액 내의 전계 중에 발생되면, 반대로 대전된 분자는 그 위치에 끌어당겨지고, 같게 대전된 아이덴티티 분자는 밀려난다. 중성 DNA는 합 - 전하를 함유하며, + 대전된 위치로 이동할 것이다. 합성 DNA는 - 전하, + 전하 또는 중성 상태로 제조될 수 있다. 도 46b는 중앙 미소 위치 2의 광활성화를 도시하며, 이 때 발색단 DNA (A')가 이 위치로 이동하여 DNA (A) 아이덴티티 서열 위치에 (결합)혼성화된다. 전계 강도가 충분히 크면, DNA 발색단 단위의 이동 및 집중화가 매우 빨라 1 내지 2초 내에 이루어진다.
특정 미소위치에 여러가지 색을 형성시키는 방법이 46c부터 46f에 도시되어 있다. 도 46c는 각각이 A, B 및 C 서열 아이덴티티를 갖는 DNA 중합체를 함유하는 6개의 미소위치를 도시한다 (오직 하나의 포획 스트랜드만이 도면에 도시되어 있다). 위치 1, 3 및 5의 공간 광 어드레싱을 수행한다. 이들 위치에 발색단 DNA A' 서열 (적색)을 선택적으로 운반하고, 집중화하고 혼성화한다. 도 46d는 다음 발색단 DNA B' 서열 (녹색)을 위해 반복된 방법을 도시한다. 위치 1, 3 및 4의 공간 광 어드레싱을 수행한다. 이들 위치에 발색단 DNA B' 서열을 선택적으로 운반하고, 집중화하고 혼성화한다. 도 46e는 다음 발색단 DNA C' 서열 (청색)을 위해 반복된 방법을 도시한다. 위치 1, 3, 5 및 6의 공간 광 어드레싱을 수행한다. 이들 위치에 발색단 DNA C' 서열을 선택적으로 운반하고, 집중화하고 혼성화한다. 기록 공정이 완결되면, 도 46f는 미소위치 1 및 3에 발색단 DNA A'/B'/C'(적색/녹색/청색)을 갖고, 미소 위치 5에 발색단 DNA A'/C' (적색/청색)을 갖고, 미소 위치 4에 발색단 DNA B' (녹색)을 갖고, 미소위치 6에 발색단 DNA C' (청색)을 갖고, 미소위치 2에 발색단 DNA (무색)을 갖는 최종 광학 재료를 도시한다.
광전도성 재료의 공간 광활성화 외에, 다른 대체물이 존재한다. 예를 들면, 전극 어레이 디바이스를 공간 광 어드레싱에 의해 스위치할 수 있다. 또 다른 예로, 전극 어레이를 전자디바이스에 의해 스위치할 수 있다.
상기 발명을 명백하게 하고 이해를 위해 예시 및 실시예로 상세히 기재하였으나 첨부된 청구 범위의 사상으로부터 벗어남이 없이 변화 및 수정이 가능함을 본 발명의 교시에 비추어 당업자는 분명히 이해할 수 있다.

Claims (32)

  1. 제1 부품 디바이스를 제1 지지체 상에 조립하는 단계,
    하나 이상의 제1 부품 디바이스를 제1 지지체로부터 방출시키는 단계,
    제1 부품 디바이스를 제2 지지체에 운반하는 단계, 및
    제1 부품 디바이스를 제2 지지체에 부착하는 단계
    를 포함하는 마이크로 크기 및 나노 크기 디바이스의 조립 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제1 부품 디바이스가 레이저인 마이크로 크기 및 나노 크기 디바이스의 조립 방법.
  3. 제1항에 있어서, 제1 부품 디바이스가 디스플레이 소자인 마이크로 크기 및 나노 크기 디바이스의 조립 방법.
  4. 제3항에 있어서, 디스플레이 소자가 능동 디스플레이 소자인 마이크로 크기 및 나노 크기 디바이스의 조립 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 디바이스 방출 단계가 에피텍셜 리프트-오프 (lift-off)에 의해 수행되는 마이크로 크기 및 나노 크기 디바이스의 조립 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 운반이 유체를 통해 수행되는 마이크로 크기 및 나노 크기 디바이스의 조립 방법.
  7. 제6항에 있어서, 적어도 제2 지지체와 부착된 디바이스를 건조시키는 단계를 더 포함하는 마이크로 크기 및 나노 크기 디바이스의 조립 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 운반이 전기 영동에 의해 수행되는 마이크로 크기 및 나노 크기 디바이스의 조립 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 디바이스를 제2 지지체에 부착하는 것이 그래프팅에 의해 수행되는 마이크로 크기 및 나노 크기 디바이스의 조립 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    제2 부품 디바이스를 제3 지지체 상에 조립하는 단계,
    하나 이상의 제2 부품 디바이스를 제3 지지체로부터 방출시키는 단계,
    제2 부품 디바이스를 제2 지지체에 운반하는 단계, 및
    제2 부품 디바이스를 제2 지지체에 부착하는 단계
    를 더 포함하는 마이크로 크기 및 나노 크기 디바이스의 조립 방법.
  11. 제10항에 있어서, 제2 부품 디바이스를 제2 지지체에 부착하는 마이크로 크기 및 나노 크기 디바이스의 조립 방법.
  12. 제10항에 있어서, 제2 부품 디바이스를 제1 부품 디바이스에 부착하는 마이크로 크기 및 나노 크기 디바이스의 조립 방법.
  13. 제1항에 있어서, 제1 지지체 및 제2 지지체가 물리적으로 별개의 구조물인 마이크로 크기 및 나노 크기 디바이스의 조립 방법.
  14. 제1항에 있어서, 제1 지지체 및 제2 지지체가 공통 구조물 중의 독립된 영역인 마이크로 크기 및 나노 크기 디바이스의 조립 방법.
  15. 제10항에 있어서, 제1 지지체 및 제3 지지체가 물리적으로 별개의 구조물인 마이크로 크기 및 나노 크기 디바이스의 조립 방법.
  16. 제10항에 있어서, 제1 지지체 및 제3 지지체가 공통 구조물 중의 독립된 영역인 마이크로 크기 및 나노 크기 디바이스의 조립 방법.
  17. 제1항에 있어서, 제1 부품 디바이스가 이미터를 포함하는 이미터 어레이인 마이크로 크기 및 나노 크기 디바이스의 조립 방법.
  18. 제1항에 있어서, 제1 부품 디바이스가 발색 메모리 유니트를 포함하는 광학 메모리인 마이크로 크기 및 나노 크기 디바이스의 조립 방법.
  19. 제1항에 있어서, 제2 지지체에 부착된 제1 부품 디바이스 상에 구조물을 형성하는 단계를 더 포함하는 마이크로 크기 및 나노 크기 디바이스의 조립 방법.
  20. 제19항에 있어서, 조합된 제1 부품 디바이스와 부착된 구조물이 광자 밴드 갭 디바이스를 형성하는 마이크로 크기 및 나노 크기 디바이스의 조립 방법.
  21. 제1항에 있어서, 제2 지지체 상에 접촉점을 형성하는 단계를 더 포함하는 마이크로 크기 및 나노 크기 디바이스의 조립 방법.
  22. 제2항에 있어서, 제2 지지체 상에 전도성 물질을 전달하고 부착시킴으로써 접촉점을 형성하는 마이크로 크기 및 나노 크기 디바이스의 조립 방법.
  23. 제1항에 있어서, 제2 지지체가 모(母)기판을 포함하는 마이크로 크기 및 나노 크기 디바이스의 조립 방법.
  24. 구조물에 다중 친화성 표면 아이덴티티 (identity)를 제공하는 단계,
    상기 구조물을 전계 중에 배향시키는 단계, 및
    배향된 구조물과 친화성 부위를 반응시키는 단계
    를 포함하는 마이크로 크기 및 나노 크기 디바이스의 조립 방법.
  25. 제21항에 있어서, 상기 다중 친화성 표면 아이덴티티가 극성 방식으로 어레이된 마이크로 크기 및 나노 크기 디바이스의 조립 방법.
  26. 제21항에 있어서, 상기 다중 친화성 표면 아이덴티티가 4면체 방식으로 어레이된 마이크로 크기 및 나노 크기 디바이스의 조립 방법.
  27. 지지체 상의 여러 위치에 제1 친화성 서열을 제공하는 단계,
    제1 친화성 서열과 반응하고, 비혼성화된 돌출 서열을 갖는 기능화 제2 친화성 서열을 제공하는 단계,
    제1 친화성 서열과 제2 친화성 서열을 선택적으로 가교결합시키는 단계
    를 포함하는 다중 아이덴티티 기판 재료의 형성 방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 가교결합이 프소라렌 (psoralen)의 UV 조사에 의해 수행되는 다중 아이덴티티 기판의 형성 방법.
  29. 광활성화가능한 영역을 선택적으로 조사하여 그 영역에 대응하는 전계를 발생시키는 단계,
    대전된 반응물을 전계를 포함하는 용액 중에 제공하는 단계, 및
    선택적 조사를 반복하여 발색 구조물을 순차적으로 어셈블리 (assembly)하는 단계
    를 포함하는 발색 구조물의 어셈블리 방법.
  30. 제29항에 있어서, 상기 광활성화가능 영역이 광전도성 물질을 포함하는 발색 구조물의 어셈블리 방법.
  31. 제29항에 있어서, 상기 광활성화가능 영역이 공간 광 어드레스에 의해 스위치되는 전극 어레이를 포함하는 발색 구조물의 어셈블리 방법.
  32. 제29항에 있어서, 상기 광활성화가능 영역이 전자공학에 의해 스위치되는 전극 어레이를 포함하는 발색 구조물의 어셈블리 방법.
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