專利名稱：肽介導(dǎo)的金屬和磁性材料的合成的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能夠與無機(jī)物質(zhì)結(jié)合的有機(jī)物質(zhì)，更特異地，本發(fā)明涉及能夠與包括磁性材料的金屬材料緊密、直接結(jié)合的特異的肽序列。
背景技術(shù)：
在生物系統(tǒng)中，有機(jī)分子在諸如碳酸鈣以及硅石等無機(jī)物質(zhì)的晶核形成以及礦石相位等過程中發(fā)揮顯著的控制作用，同時(shí)在基礎(chǔ)模塊組裝成生物功能所需的復(fù)雜結(jié)構(gòu)中也發(fā)揮顯著的控制作用。
生物方法制備的物質(zhì)通常很柔軟，由非常簡單的基礎(chǔ)模塊分子(即，脂肪，肽，以及核酸)的集合通過非常復(fù)雜的構(gòu)建體系所構(gòu)成。在半導(dǎo)體行業(yè)中，為了在集成電路上創(chuàng)立最小的結(jié)構(gòu)，需要一系列的光刻(lithographic)處理步驟，而生物體通常使用非共價(jià)力在許多分子組件上自發(fā)地完成它們的建筑“藍(lán)圖”。此外，在無需改變?nèi)魏畏肿映煞值那疤嵯?，這些結(jié)構(gòu)通常也能夠在兩個(gè)或多個(gè)有用的形式間進(jìn)行完美的重排。
使用“生物”材料制備新一代的微電子裝置為解決傳統(tǒng)制備方法的局限性提供了一種可能的解決方案。該方法中的關(guān)鍵因素是確定生物無機(jī)材料的適當(dāng)?shù)募嫒菪砸约敖Y(jié)合性，以及適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)模塊的合成。
發(fā)明概述本發(fā)明人設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)，并制備生物材料來介導(dǎo)和控制無機(jī)材料裝配成可控的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其中所述無機(jī)物質(zhì)包括金屬和磁性物質(zhì)。本發(fā)明人特別研究了鐵磁體材料，以及包括納米顆粒材料在內(nèi)的顆粒材料。利用生物材料來構(gòu)建并設(shè)計(jì)具有電學(xué)、磁學(xué)或者光學(xué)特性的材料，該種方法可以減小尺寸特征，并改善對(duì)諸如材料光電特性的控制，同時(shí)還能對(duì)材料的構(gòu)成進(jìn)行控制。例如，在本發(fā)明研究出了一種在室溫下制備一種材料的方法，而該材料在以前只能采用高溫制備方法進(jìn)行制備。
采用能夠表達(dá)多種細(xì)菌噬菌體集合的組合肽噬菌體展示文庫與淘洗技術(shù)相結(jié)合來選擇能夠與諸如磁性材料等金屬材料(例如，Co，CoPt SmCo5，或FePt)緊密、直接結(jié)合的特定的肽序列，其中所述細(xì)菌噬菌體能夠在表面表達(dá)數(shù)百萬不同的肽序列。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，這些可與金屬和磁性材料結(jié)合的分子，包括肽，能夠用于控制無機(jī)物質(zhì)的晶核形成，例如，已經(jīng)在天然和II-VI半導(dǎo)體中被證實(shí)。如果蛋白質(zhì)能夠用于控制包括磁性物質(zhì)的金屬材料的晶核生成，則磁性納米顆粒及其應(yīng)用物的制備就會(huì)比傳統(tǒng)方法要便宜并且容易得多。納米分子金屬，包括磁體和磁性材料，可被用于諸如微米級(jí)或者納米機(jī)器，發(fā)電機(jī)，發(fā)生器，磁性存儲(chǔ)物質(zhì)，或者應(yīng)用于其它任意需要磁體或被磁化的材料中。這些材料的另一應(yīng)用是對(duì)包括磁性材料的金屬表面進(jìn)行修飾。肽可作為連接材料與磁性材料表面的連接子，從而能夠完成復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)的自我裝配，而這些復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)可作為新的電子元件的基礎(chǔ)。
本發(fā)明人證實(shí)，這種選擇結(jié)合肽的方法(利用組合肽文庫和淘洗技術(shù))還可以用于諸如磁性材料等金屬材料晶核的生成和控制。目前研究的包括磁性納米顆粒在內(nèi)的金屬顆粒的其它合成技術(shù)都為高溫合成，這些方法都必須在惰性氣體環(huán)境下進(jìn)行，并需要昂貴的試劑，而且為了將包括納米顆粒在內(nèi)的顆粒加工成所需的形狀以及結(jié)晶性，在合成后通常需要進(jìn)一步處理和純化。結(jié)果是，采用傳統(tǒng)方法制備磁性納米顆粒非常昂貴，并且不適于大規(guī)模及批量生產(chǎn)。而本文所述方法通常在室溫下操作，使用低廉的試劑就能獲得具有可控結(jié)晶性的納米顆粒，降低了包括納米顆粒在內(nèi)的金屬顆粒的合成費(fèi)用，并同時(shí)能對(duì)晶體形狀以及生長方向進(jìn)行控制。
由肽介導(dǎo)的包括磁性材料在內(nèi)的金屬材料的合成為金屬材料，包括磁性納米顆粒的合成提供了一種價(jià)格低廉且環(huán)保的方式。目前所用的制備包括磁性納米顆粒的金屬納米顆粒的方法非常耗時(shí)、昂貴，并且所得到的納米顆粒包覆有機(jī)表面活性物質(zhì)。這些表面活性物質(zhì)不利于對(duì)納米顆粒的進(jìn)一步修飾。分子生物學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)步使得肽更具有功能化特征，因此，由肽生長的粒子和納米顆粒也會(huì)很容易被功能化。肽的功能化使之易于摻入電子元件中，并且易于整合入磁性記憶元件中。
本發(fā)明的另一方面提供了一種使用諸如噬菌體等自我裝配的生物分子通過基因工程方式與金屬，納米顆粒，以及磁性體或其它材料相連接而形成有序結(jié)構(gòu)的方法。這些結(jié)構(gòu)可以是諸如納米尺度的排列或顆粒，或者是納米顆粒。以噬菌體為例，可選擇與特定表面(例如，半導(dǎo)體)具有特定結(jié)合活性的自我裝配物質(zhì)，籍此，可采用修飾的噬菌體以及本文所述方法來構(gòu)建所選材料的整齊排序的結(jié)構(gòu)。
更特異地，本發(fā)明還包括制備金屬材料的組合物及方法，該金屬材料可包括磁性材料、顆粒、以及納米顆粒。一個(gè)實(shí)施方案是制備金屬顆粒，包括磁性顆粒的方法，其包括下述步驟提供一種分子，該分子包括能與磁性表面在內(nèi)的金屬表面特異性結(jié)合的部分；使一種或多種包括磁性材料前體在內(nèi)的金屬材料前體與所述分子在允許金屬材料、包括磁性顆粒形成的條件下相接觸。所述分子可以為，例如，諸如氨基酸寡聚體或肽等生物分子。所述寡聚體可以為，例如，7～100個(gè)氨基酸的長度，優(yōu)選為7～30個(gè)氨基酸的長度，進(jìn)一步優(yōu)選為7～20個(gè)氨基酸的長度，并且可以為組合文庫的一部分，和/或包括嵌合分子。
本文所述的包括磁性顆粒的金屬材料的類型可以由諸如Co，CoPt，SmCo5，和/或FePt所形成。本發(fā)明的另一方法包括與磁性材料通過非磁力相互作用而結(jié)合的分子的識(shí)別方法，其包括下述步驟使氨基酸寡聚體文庫與磁性材料接觸，從而選擇與磁性材料特異性結(jié)合的寡聚體，并洗脫與磁性材料特異性結(jié)合的寡聚體。所述寡聚體文庫可以為自裝配分子文庫，例如，為諸如M13菌體文庫的噬菌體文庫。該文庫甚至可以包含在細(xì)菌中，并且可在外部裝配。
制備磁性顆粒的方法也可以包括使引發(fā)磁性分子形成的分子與磁性材料前體物和還原劑接觸的步驟。引發(fā)磁性分子形成的分子與磁性材料質(zhì)前體物的接觸可以在室溫或者在低于諸如100，200，或者300攝氏度的溫度下進(jìn)行。所述分子可以為例如7～20個(gè)氨基酸長的氨基酸寡聚體。磁性顆粒可以是磁性量子圓點(diǎn)形式或者為薄膜形式的Co，CoPt，SmCo5，或FePt磁性顆粒。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以識(shí)別出本文所述一種或多種磁性顆粒的組合可以位于一維，二維，及三維的廣泛分類中，或者具有一維，二維，及三維的形狀，并且可將其用于特定用途。
本發(fā)明還包括按照本文方法所制備的磁性顆粒，諸如納米顆粒。這些磁性顆粒可以形成集成電路的一部分，所述集成電路通過下述方法制備將磁性材料結(jié)合肽固定于基底上；使一種或多種磁性材料前體物與磁性材料結(jié)合肽在可形成磁性顆粒的條件下相接觸；以及在基底上形成磁性結(jié)晶。所述磁性材料結(jié)合肽可以通過化學(xué)方式與諸如硅或者其它半導(dǎo)體基底連接。本發(fā)明的磁性顆?？捎糜谥苽鋬?nèi)存、短期或長期存儲(chǔ)器、識(shí)別系統(tǒng)，或者用于本領(lǐng)域技術(shù)人員可能利用該類顆粒的任何應(yīng)用。本發(fā)明所述磁性微米，納米，或者毫微微米尺度顆粒的其它應(yīng)用，包括微米或納米發(fā)動(dòng)機(jī)以及發(fā)電機(jī)等。
本發(fā)明另一方面涉及具有特定排列特性的納米顆粒的制備方法。該方法通過下述步驟完成制備諸如具有特定結(jié)合特性的M13噬菌體，將該噬菌體擴(kuò)增至高濃度(例如，用細(xì)菌宿主培養(yǎng)物孵育噬菌體文庫使之感染，復(fù)制，然后對(duì)病毒進(jìn)行純化)，并重懸該噬菌體。
采用該方法還可以制備具有三種液晶相的噬菌體，向列相的方向性排列，膽固醇型液晶相的扭曲向列結(jié)構(gòu)，以及在碟狀液晶相的方向性以及位置性排列。本發(fā)明的一方面提供了一種制備諸如薄膜等聚合物的方法，其包括下述步驟將自我裝配的生物分子擴(kuò)增至高濃度，其中所述生物分子具有與特定半導(dǎo)體表面相結(jié)合的部分；使一種或多種半導(dǎo)體材料前體物與自我裝配的生物分子相接觸，以生成晶體或?qū)w的生成進(jìn)行控制。
本發(fā)明的另一方面提供了一種制備具有不同膽固醇相螺距的納米顆粒的方法，該方法使用所選擇的諸如M13噬菌體等與半導(dǎo)體表面相結(jié)合，并將噬菌體重懸至不同濃度。本發(fā)明的又一方面提供了一種用納米顆粒陣列制備鑄型薄膜的方法，該方法采用諸如基因工程的M13噬菌體并對(duì)噬菌體進(jìn)行重懸。
本發(fā)明的再一方面提供了一種制備納米顆粒薄膜的方法，其包括下述步驟將納米顆粒的溶液加至表面，在表面蒸發(fā)納米顆粒的溶液，使納米顆粒退火至表面，其中所述納米顆粒為磁性分子。所述表面可以包括任意的顯微制作的固體表面，所述分子可以通過共價(jià)或非共價(jià)鍵連接于所述固體表面上，該表面例如可為Langmuir-Bodgett薄膜，玻璃，功能化玻璃，鍺，硅，PTFE，聚苯乙烯，砷化鎵，金，銀，或者任何在表面引入了氨基、羧基、巰基或者羥基官能團(tuán)的物質(zhì)。退火通常在惰性氣體(例如，氮?dú)?中在高溫下進(jìn)行。本發(fā)明的另一方面為采用上述方法制備的納米顆粒薄膜。
附圖簡要說明為了更完整地理解本發(fā)明的特點(diǎn)以及優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，其中

圖1是噬菌體-基底相互反應(yīng)的X-射線光電子分光光譜(XPS)元素組合確定，該確定是通過金4f-電子信號(hào)(A-C)，噬菌體鑒別半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的模型(D)，以及二價(jià)合成肽與雙成份識(shí)別連接的例子(E-F)來實(shí)現(xiàn)的；圖2是本發(fā)明M13噬菌體近晶排列的示意圖；圖3是利用(A-B)POM，(C)AFM，(D)SEM，(E)TEM，和(F)TEM圖像進(jìn)行電子衍射插入所得到的A7-ZnS懸液的圖形；圖4是將M13噬菌體納米顆粒沿著x-z和z-y平面的(A)薄膜照相，(B)薄膜結(jié)構(gòu)的示意圖，(C)AFM圖像，(D)SEM圖像，(E-F)TEM圖像；圖5是(A)退火的SmCo5納米顆粒的TEM圖像，(B)選擇區(qū)域電子衍射圖案的TEM圖像，以及(C)退火的SmCo5納米顆粒的STEM圖像；圖6是結(jié)合實(shí)驗(yàn)的實(shí)例，顯示(A)本發(fā)明的Co-特異性噬菌體對(duì)Co的特異性，和(B)Co-特異性噬菌體在Co上的等溫線；圖7是利用(A)表達(dá)選擇性地與CoPt結(jié)合的7-限制性肽的噬菌體，(B)表達(dá)隨機(jī)肽的噬菌體，以及(C)野生型噬菌體所制備的CoPt納米顆粒的一系列高分辨率的TEM圖像；圖8是(A)利用選擇性與Co結(jié)合的12mer肽生長的Co納米顆粒的高分辨度的TEM圖像，以及(B)相應(yīng)的電子衍射圖形；
圖9是(A)利用表達(dá)12mer肽并且對(duì)FePt具有選擇性的噬菌體生長的FePt納米顆粒的高分辨度的TEM圖像，(B)電子衍射圖形，其中(A)和(B)都與(C)利用野生型噬菌體生長的納米顆粒相比較；圖10是利用選擇性地與作為模板的SmCo5相結(jié)合的12mer生長的SmCo5納米顆粒的高分辨度的TEM圖像，(B)為(A)的選定區(qū)域的電子衍射圖形，以及(C)為采用野生型的噬菌體所生長的SmCo5納米顆粒，以此作為對(duì)照；圖11是(A)Co-特異性噬菌體的AFM圖像，其中Co納米顆粒與噬菌體的P3蛋白連接，以及(B)為相應(yīng)的MFM圖像；圖12為(A)生物方法制備的FePt納米顆粒的滯后同線，以及(B)對(duì)回線中央部位的更高分辨度的掃描，以闡明矯頑性；圖13為(A)生物方法制備的SmCo5納米顆粒的滯后回線，以及(B)對(duì)回線更小部分的軸的中央部位進(jìn)行的更高分辨度的掃描，以闡明矯頑性；以及圖14為本發(fā)明的(A)利用可表達(dá)P8蛋白上的CoPt特異性12mer序列的基因工程噬菌體生長的CoPt納米顆粒的TEM，(B)同一CoPt納米顆粒的更高分辨度的TEM圖像，(C)相應(yīng)的電子衍射圖形，(D)類似制備的顆粒的STEM圖像，(E)Pt的STEM形態(tài)圖，以及(F)Co的STEM形態(tài)圖。
發(fā)明詳細(xì)描述本申請(qǐng)要求Belcher et al.于2002年9月18日遞交的臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)60/411,804的優(yōu)先權(quán)，該文全文(包括附圖，摘要，詳細(xì)描述，實(shí)施例，以及序列標(biāo))引入本申請(qǐng)作為參考。
盡管本發(fā)明在下文中使用了多種實(shí)施方式，但是應(yīng)該理解，本發(fā)明可通過多種能夠特定內(nèi)容進(jìn)行實(shí)施，從而完成本發(fā)明。下文所述的特定實(shí)施方案僅是闡述了實(shí)施本發(fā)明的特定途徑，而并非為本發(fā)明的范圍作出限制。
為了理解本發(fā)明，下面進(jìn)一步對(duì)一些術(shù)語進(jìn)行描述。本文所述“金屬材料”例如可包括但不限于，金屬合金，金屬氧化物，以及純金屬等，它們可以具有或不具有磁性和/或鐵磁性，可以為結(jié)晶，多結(jié)晶，或無定形。金屬材料還可以具有多種空間形態(tài)，包括顆粒，圖案化表面，或者層狀薄膜。術(shù)語“顆?！敝傅氖遣牧系某叽绾托螤睿浒ǖ幌抻谖⒚壮叨鹊念w粒，納米尺度的顆粒(稱為納米顆粒)，單分子的金屬材料，以及本文未提及但可通過所述的生物方法控制的其它尺寸及形狀。
術(shù)語結(jié)合分子被定義為結(jié)合、識(shí)別金屬材料或介導(dǎo)金屬材料生長的分子。結(jié)合分子的例子包括，但不限于氨基酸寡聚物以及核酸寡聚物。這些結(jié)合分子可從組合文庫篩選中選擇，或者獨(dú)立地從該類文庫中合成，配對(duì)，或者制備。這些結(jié)合分子可與基底偶聯(lián)，即，與表面或支架偶聯(lián)，諸如M13病毒中結(jié)合分子位于病毒包衣上，或者位于多種結(jié)合分子偶聯(lián)結(jié)構(gòu)上。
本發(fā)明人曾經(jīng)證實(shí)肽能夠與半導(dǎo)體材料結(jié)合。在本發(fā)明中，本發(fā)明人證實(shí)結(jié)合分子，包括肽，能夠與包括磁性材料在內(nèi)的金屬材料特異性結(jié)合。這些肽被進(jìn)一步發(fā)展成為使納米顆粒晶核形成的方法，并介導(dǎo)其自我裝配。該類肽最主要的特征在于它們所具有的下述能力它們能夠表面特異性地識(shí)別并結(jié)合重要材料，促使尺寸限制性的結(jié)晶半導(dǎo)體材料的晶核形成，并控制成核的納米顆粒的晶體相。該類肽還能控制納米顆粒的縱橫比，從而控制其光學(xué)特性。
簡而言之，生物系統(tǒng)在極其微小尺度對(duì)非常復(fù)雜結(jié)構(gòu)的裝配能力促使人們有興趣研究它們是否能夠以類似的模式對(duì)非生物系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別。其中最有價(jià)值的方法在于將其應(yīng)用于具有電學(xué)或光學(xué)特性的材料中，但常規(guī)的研究并未選擇出生物分子與該類材料之間的相互作用。本發(fā)明是基于下述認(rèn)識(shí)實(shí)現(xiàn)的，即，生物系統(tǒng)能夠有效、準(zhǔn)確地將納米級(jí)的基礎(chǔ)模塊組裝成具有高度完整性、受控的尺寸、以及組成均一性的復(fù)雜的功能完善的結(jié)構(gòu)。
肽序列的選擇提供隨機(jī)有機(jī)聚合物儲(chǔ)備池的一種方法是利用噬菌體展示文庫，根據(jù)包含7～12個(gè)氨基酸隨機(jī)肽的組合文庫與M13噬菌體的pIII包衣蛋白(pIII coatprotein)相融合，從而提供了與結(jié)晶半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)相互反應(yīng)的不同的肽。pIII包衣蛋白的5個(gè)拷貝位于噬菌體顆粒的一個(gè)末端，占據(jù)了顆粒的10-16nm。噬菌體展示方法在肽基底相互作用和編碼該相互作用的DNA之間提供了物理連接。以本文的實(shí)施例為例，五個(gè)不同的單晶半導(dǎo)體GaAs(100)，GaAs(111)A，GaAs(111)B，InP(100)和Si(100)。這些基底在本發(fā)明中可用作不同的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)肽基底的相互作用進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)，并對(duì)方法學(xué)的一般應(yīng)用進(jìn)行證實(shí)。
從表面洗脫與特定晶體成功結(jié)合的蛋白序列，通過例如百萬次的擴(kuò)增并使之在更格條件下與基底反應(yīng)。重復(fù)該步驟5次，以在文庫中選擇具有最佳特異性結(jié)合特性的噬菌體。在例如第三，第四，以及第五次噬菌體選擇循環(huán)后，分離晶體特異性噬菌體并對(duì)其DNA進(jìn)行測序。鑒別對(duì)晶體組合物(例如，與GaAs但不與Si結(jié)合)以及晶體表面(例如，與(100)GaAs但不與(111)B GaAs結(jié)合)具有選擇性的肽結(jié)合。
對(duì)從GaAs(100)中選擇的20個(gè)克隆進(jìn)行分析，以確定與GaAs表面結(jié)合的表位結(jié)合結(jié)構(gòu)域。修飾的pIII或pVIII蛋白的部分肽序列如表1所示，其揭示了暴露于GaAs肽中的類似氨基酸序列。
表1修飾的pIII或pVIII蛋白的部分肽序列 隨著暴露于GaAs表面的數(shù)量的增多，不帶電荷的極性和路易斯堿官能團(tuán)的數(shù)量也增加。從第三，第四和第五循環(huán)序列的噬菌體克隆平均分別包括30％，40％和44％的極性官能團(tuán)，而同時(shí)路易斯堿官能團(tuán)部分增加了41％至48％至55％。在我們文庫的隨機(jī)12mer肽的官能團(tuán)中，所觀察到的路易斯堿的增加僅達(dá)到34％，這說明肽上的路易斯堿與GaAs表面的路易斯堿位點(diǎn)之間的相互反應(yīng)可以介導(dǎo)這些克隆所顯示出的選擇性結(jié)合。
從文庫中選擇的修飾的12mer的預(yù)期結(jié)構(gòu)可為延伸的構(gòu)型，其看起來類似小肽，使得該肽比GaAs的單位單元(5.65A)要長很多。因此，只有小的結(jié)合結(jié)構(gòu)域?qū)τ陔淖R(shí)別GaAs是必須的。這些短肽結(jié)構(gòu)域如表1所示，除了具有諸如精氨酸以及谷氨酸等路易斯堿胺外，還包括富含似氨酸和蘇氨酸的區(qū)域。為了確定精確的結(jié)合序列，用包括7mer和二硫化物限制性7mer文庫的更短文庫對(duì)表面進(jìn)行篩選。利用這些降低了結(jié)合結(jié)構(gòu)域的尺寸和柔性的更短文庫，能使肽表面的相互反應(yīng)更少，從而使選擇代之間相互反應(yīng)的力量增強(qiáng)。
利用以鏈球抗生物素蛋白標(biāo)記的20nm膠體金顆粒標(biāo)記的噬菌體對(duì)特異性結(jié)合進(jìn)行定量，其中所述膠體金顆粒通過生物素化的抗體連接至M13包衣蛋白上。進(jìn)行X-射線光電子光譜(XPS)元素組成分析，通過金4f-電子信號(hào)(圖1A-C)的強(qiáng)度來監(jiān)測噬菌體基底的相互反應(yīng)。在沒有G1-3噬菌體的情況下，抗體和金鏈球抗生物素蛋白并不與GaAs(100)基底相連接。因此，金-鏈球抗生物素蛋白結(jié)合對(duì)噬菌體是特異性的，其為噬菌體與基底結(jié)合的指示劑。采用XPS還發(fā)現(xiàn)由GaAs(100)分離的G1-3克隆與GaAs(100)而非Si(100)特異性結(jié)合(見圖1A)。在補(bǔ)充模式中，通過(100)Si表面篩選的S1克隆對(duì)(100)GaAs表面的結(jié)合性很差。
一些GaAs克隆也與另一種閃鋅礦結(jié)構(gòu)InP(100)相結(jié)合。這種選擇性結(jié)合的基礎(chǔ)，不管是化學(xué)的、結(jié)構(gòu)的或電子的，仍處于研究中。此外，在基底表面本來存在的氧化物也能改變肽結(jié)合的選擇性。
發(fā)現(xiàn)G1-3克隆對(duì)GaAs(100)的特異性結(jié)合效果好于對(duì)GaAs的(111)A(稼末端)或(111)B(砷末端)表面的特異性結(jié)合(圖1B，C)。用于選擇的G1-3克隆表面濃度在(100)表面上要高于在富含鎵的(111)A或者富含砷的(111)B的表面。已知這些不同的表面具有不同的化學(xué)反應(yīng)性，因此也就可以理解在噬菌體與多種晶體表面的結(jié)合中所表現(xiàn)出的選擇性了。盡管在兩種111表面的大末端具有同樣的幾何結(jié)構(gòu)，但是表面雙分子層的最遠(yuǎn)端具有Ga或As原子的這種差異在比較表面重建時(shí)表現(xiàn)得更加明顯。預(yù)計(jì)多種GaAs表面氧化物的組合物也將有所不同，這反過來會(huì)影響肽結(jié)合的特性。
圖1C顯示了Ga 2p電子與暴露于G1-3噬菌體克隆的基底之間結(jié)合能的強(qiáng)度。如從圖1B所預(yù)期的結(jié)果相同，在GaAs(100)，(111)A和(111)B表面上觀察到的Ga 2p的強(qiáng)度與金濃度成反比。金-鏈球抗生物素蛋白濃度的升高而使表面上Ga 2p強(qiáng)度下降是由于被噬菌體覆蓋的表面增加了。XPS是一種樣品深度大約為30埃的表面技術(shù)；因此，隨著有機(jī)層厚度的增加，來自無機(jī)基底的信號(hào)則減弱。利用該研究來證實(shí)金-鏈球抗生物素蛋白的強(qiáng)度確實(shí)是由于在GaAs的表面存在含晶體特異性結(jié)合序列的噬菌體而引起的。進(jìn)行的結(jié)合試驗(yàn)與XPS的數(shù)據(jù)相關(guān)，其中將相等數(shù)量的特異性噬菌體克隆暴露于具有相同表面積的多種半導(dǎo)體基底上。野生型克隆(沒有隨機(jī)肽插入)并未與GaAs相結(jié)合(未觀察到菌斑)。對(duì)于G1-3克隆，從GaAs(100)表面洗脫的噬菌體數(shù)目比從GaAs(111)A表面洗脫的數(shù)目高12倍。
用原子力顯微鏡(AFM)對(duì)與GaAs(100)和InP(100)相結(jié)合的G1-3，G12-3和G7-4克隆進(jìn)行成像。InP晶體具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)，與GaAs具有晶體同構(gòu)性，盡管In-P結(jié)合具有比GaAs結(jié)合更高的離子特性。通過AFM觀察到的10-nm寬和900-nm長的噬菌體與通過透射電鏡(TEM)觀察到的M13噬菌體相吻合，并且觀察到與M13抗體相結(jié)合的金球也與噬菌體相結(jié)合(未顯示數(shù)據(jù))。InP表面具有高濃度的噬菌體。這些數(shù)據(jù)顯示，許多因素與基底識(shí)別相關(guān)，包括原子尺寸，電荷，極性，以及晶體結(jié)構(gòu)等。
利用TEM觀察到G1-3克隆(負(fù)染)與GaAs晶片相結(jié)合(未顯示)。這些數(shù)據(jù)證實(shí)了該結(jié)合受到修飾的G1-3pIII蛋白的介導(dǎo)，而不是通過與主要包衣蛋白的非特異性相互作用來實(shí)現(xiàn)的。因此，本發(fā)明的肽可在納米結(jié)構(gòu)和異質(zhì)結(jié)構(gòu)的裝配中介導(dǎo)特異性的肽-半導(dǎo)體相互作用(圖1E)。
利用X-射線熒光顯微鏡來證實(shí)不同化學(xué)和結(jié)構(gòu)組合物近端表面的閃鋅礦表面與噬菌體的優(yōu)選結(jié)合。將嵌套方形結(jié)構(gòu)蝕刻至GaAs晶片；該結(jié)構(gòu)包括GaAs的1um線，并且在每條線之間具有4um的SiO2間距(圖1A-1B)G12-3克隆與GaAs/SiO2圖形的基底進(jìn)行相互反應(yīng)，洗滌減少非特異性結(jié)合，以免疫熒光探針?biāo)募谆_丹明(TMR)進(jìn)行標(biāo)記。發(fā)現(xiàn)標(biāo)記的噬菌體為圖1B中三條更亮的線(顏色為紅色)，并且中央圓點(diǎn)對(duì)應(yīng)于G12-3僅與GaAs相結(jié)合。該圖形中的SiO2仍為未結(jié)合區(qū)域，顏色為黑色。該結(jié)果并未在對(duì)照中發(fā)現(xiàn)，其中對(duì)照未暴露于噬菌體，但暴露于一抗和TMR中(圖1A)。利用未與噬菌體結(jié)合的G12-3肽得到相同的結(jié)果。
觀察到GaAs克隆G12-3在AlGaAs上對(duì)GaAs具有基底特異性(圖1C)。在室溫下AlAs和GaAs具有幾乎相同的晶格常數(shù)，分別為5.66A°and 5.65A°，因此三重合金AlxGal-xAs能夠在GaAs基底上外延性生長。GaAs和AlGaAs具有閃鋅礦結(jié)晶結(jié)構(gòu)，但是G12-3克隆僅對(duì)GaAs顯示出選擇性結(jié)合。采用含有GaAs和Al0.98Ga0.02As交替層的多層基底?；孜镔|(zhì)裂解并隨后與G12-3反應(yīng)。
利用20-nm金-鏈球抗生物素蛋白納米顆粒來對(duì)G12-3克隆進(jìn)行標(biāo)記。掃描電鏡(SEM)結(jié)果顯示出異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)GaAs和Al0.98Ga0.02As的交替層(圖1C)。利用鎵和鋁的X-射線元素分析對(duì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)GaAs層專有的金-鏈球抗生物素蛋白顆粒進(jìn)行繪圖，顯示其對(duì)化學(xué)組合物的高度結(jié)合特異性。在圖1D中，闡述了對(duì)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的噬菌體鑒別的模型，如在熒光和SEM圖像中所見(圖1A-C)。
本發(fā)明闡述了噬菌體展示文庫用于對(duì)有機(jī)肽序列和無機(jī)半導(dǎo)體基底之間結(jié)合的識(shí)別、生長及擴(kuò)增。已經(jīng)將這種利用肽文庫對(duì)無機(jī)晶體的肽識(shí)別和特異性延伸到其它基底中，包括GaN，ZnS，CdS，F(xiàn)e3O4，F(xiàn)e2O3，CdSe，ZnSe以及CaCO3。
目前已經(jīng)設(shè)計(jì)了具有雙成份識(shí)別的二價(jià)合成肽(圖1E-F)，該類肽具有在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上介導(dǎo)納米顆粒定位至特定位置的能力。這些有機(jī)和無機(jī)對(duì)能為新一代的復(fù)雜、精密的電子結(jié)構(gòu)的加工提供有力的基礎(chǔ)模塊。
金屬和磁性材料在本發(fā)明中，對(duì)結(jié)合分子的特異性結(jié)合和識(shí)別以未曾預(yù)料的方式延伸至許多金屬材料，所述金屬材料包括但不限于磁性和鐵磁性金屬，包括顆粒以及納米顆粒。將表達(dá)大量噬菌體集合的組合肽噬菌體展示文庫與生物淘洗技術(shù)相結(jié)合，來選擇能與包括磁性金屬(例如，Co，SmCo5，CoPt和FePt)的金屬材料進(jìn)行緊密、直接結(jié)合并能識(shí)別所述金屬材料的特異性肽序列，其中所述噬菌體能夠在其表面表達(dá)數(shù)百萬的不同的肽序列。本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)這些磁性材料結(jié)合肽可用于控制無機(jī)材料的晶核形成，如在天然的以及III-V和II-VI半導(dǎo)體中所證實(shí)的一樣。如果蛋白質(zhì)可被用于控制磁性材料的晶核形成，則磁性納米顆粒能夠采用比傳統(tǒng)方法更為經(jīng)濟(jì)、容易的方法進(jìn)行制備。這些納米分子磁體和磁性材料可被用于諸如微米或毫微級(jí)計(jì)算機(jī)，發(fā)電機(jī)，發(fā)生器，磁存儲(chǔ)器，或者用于可能利用該類磁體或者可被磁性化的任何應(yīng)用。該類材料的另一應(yīng)用是對(duì)磁性材料的表面進(jìn)行修飾。所述肽可作為將其它材料連接到磁性材料表面的連接子，從而使得復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)行自我裝配，進(jìn)而形成新的電子元件的基礎(chǔ)。
本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，這種選擇結(jié)合肽的方法(利用組合肽文庫以及淘洗技術(shù))還未被用于磁性材料中，并且肽類還從未被用于控制磁性材料的晶核生成。目前有許多對(duì)合成磁性納米顆粒進(jìn)行研究的技術(shù)。所有這些研究都是基于下述認(rèn)識(shí)的，即，為了獲得所需形狀和結(jié)晶性而利用高溫合成納米顆粒的方法必須在惰性氣體環(huán)境中進(jìn)行，并且需要昂貴的試劑，而且合成后還需要進(jìn)一步純化的步驟。結(jié)果使得采用傳統(tǒng)模式制備磁性納米顆粒非常昂貴并且不利于大規(guī)模進(jìn)行。本文所述方法可以采用便宜的試劑在室溫下進(jìn)行，即能得到具有可控制的結(jié)晶性的納米顆粒，從而使之成為一種較便宜的合成磁性納米顆粒的方法。該方法還可用于控制晶體結(jié)構(gòu)以及晶體定向。
肽介導(dǎo)的磁性材料的合成提供了一種非常便宜并且對(duì)環(huán)境友好的磁性納米顆粒的合成方法。目前制備磁性納米顆粒的方法非常費(fèi)時(shí)，而且昂貴。此外，目前所用的方法所得到的納米顆粒還包被有有機(jī)表面活性物質(zhì)。這些表面活性物質(zhì)使得對(duì)納米顆粒的進(jìn)一步修飾變得不容易。分子生物學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)展使得肽能夠進(jìn)行功能化，這暗示也可能對(duì)由肽省長納米顆粒很容易進(jìn)行功能化，從而使之容易摻入到電子元件以及整合到磁性記憶元件。
目前用于制備磁性納米顆粒的方法非常昂貴并且費(fèi)時(shí)，其需要高溫、惰性氣體氛圍、昂貴的試劑、并需要進(jìn)行純化以及合成后修飾。而本文中用于合成磁性納米顆粒的新方法使用肽來介導(dǎo)顆粒的生成，從而克服了上述問題，并使得顆粒的合成更為快速及便宜。另外，該方法還能更好地控制晶體的結(jié)構(gòu)以及方向性。
采用已知技術(shù)能夠制備足夠的肽，使之用于制備大量的納米顆粒。可以使用基因工程方法設(shè)計(jì)的微生物來制備所需的一種或多種肽。所述一種或多種肽可以為例如M13噬菌體的一種包衣蛋白?？梢赃M(jìn)一步將噬菌體設(shè)計(jì)為在另外的包衣蛋白內(nèi)表達(dá)該種蛋白。此外，可將細(xì)菌，例如E.coli.設(shè)計(jì)為在一個(gè)或多個(gè)模型中或者在所需的位置表達(dá)所需的肽。使用肽對(duì)采用本文方法制備的磁性材料進(jìn)行定位的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)在于，它們對(duì)半導(dǎo)體制備過程沒有固有的限制，而使用例如光刻等卻局限于二維。本發(fā)明的肽可以用于矩陣中，或者涉及矩陣，該矩陣使得肽能夠進(jìn)行三維定位或者合成。然后可將這些肽形成為薄膜、線性、或者為條紋狀、層狀、點(diǎn)狀、凹槽狀，可以形成在開口的表面、側(cè)邊、或者底部等。
磁性納米結(jié)構(gòu)具有多種應(yīng)用，包括記憶元件、傳感器、鐵磁流體等。本文所述材料、顆粒、以及納米顆粒對(duì)所有領(lǐng)域都可適用。
進(jìn)一步地，本發(fā)明的金屬和磁性材料可用于包括下述應(yīng)用的方法中。另外的應(yīng)用包括治療、診斷、工程、對(duì)反應(yīng)進(jìn)行處理的化學(xué)工程、細(xì)胞、以及環(huán)境應(yīng)用的工程等。例如，可進(jìn)行磁性分離(包括對(duì)反應(yīng)步驟的大規(guī)模的大量分離)。其它應(yīng)用包括純化、治療、生物配伍、藥物輸送、造影劑成像、以及對(duì)可通過外部設(shè)定地質(zhì)的磁性材料的(體內(nèi))定位等。藥物輸送可包括將顆粒與藥物相偶聯(lián)，或者通過化學(xué)療法然后利用磁場在體內(nèi)定位等。適宜的例子設(shè)計(jì)可產(chǎn)生細(xì)胞穿透。另外還可應(yīng)用于血尿檢測中。在工程學(xué)應(yīng)用中，可利用可控制縱橫比的磁性顆粒與包括熒光和雙折射物質(zhì)的光學(xué)活性物質(zhì)相偶聯(lián)來制備顯示元件?？芍苽鋫鞲衅髟?，其中結(jié)合行為改變與結(jié)合元件偶聯(lián)的磁性顆粒的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的改變可通過偏振衰退來進(jìn)行檢測，包括使用偶聯(lián)的光學(xué)活性物質(zhì)。其它的應(yīng)用包括儲(chǔ)存?？梢灾苽浯鎯?chǔ)器，其中讀出與磁場隨時(shí)間變化的反應(yīng)相關(guān)。寫入步驟與特定部分和特定位置的結(jié)合相關(guān)。細(xì)胞學(xué)應(yīng)用包括細(xì)胞修飾以及細(xì)胞控制。在細(xì)胞修飾中，可調(diào)節(jié)磁性顆粒的尺寸使之能夠穿透細(xì)胞，其中顆粒與試劑相偶聯(lián)。可將磁場用作穿透的原動(dòng)力。這可用于轉(zhuǎn)染過程。在細(xì)胞控制中，與磁性顆粒偶聯(lián)的試劑能夠進(jìn)入細(xì)胞，從而使得隨時(shí)間變化的磁場能夠控制細(xì)胞內(nèi)的反應(yīng)。
磁性分離的例子包括基于傳統(tǒng)親和力的體外分離以及體內(nèi)試劑的定位。在基于親和力的分離中，由于納米顆粒尺寸小而縱橫比大，并且對(duì)尺寸和形狀的分配具有很好的控制，因此這種磁性納米顆粒具有優(yōu)勢。另一優(yōu)勢是顆粒是否具有高磁性容電率。顆粒可為長形并能夠在磁場中旋轉(zhuǎn)，因而從形狀效應(yīng)得到額外的力。每毫克的試劑可獲得更強(qiáng)大的分離力。在對(duì)體內(nèi)試劑的定位中，磁性顆粒可與試劑偶聯(lián)進(jìn)行注射或者攝取?？蓪⑼獠靠臻g變化的場應(yīng)用于主體使得顆粒在最高梯度B的區(qū)域聚集。小尺寸的顆粒加上試劑能夠使試劑到達(dá)組織，或者穿透細(xì)胞。
更特異地，本發(fā)明人使用組合肽噬菌體展示文庫(即，在其表面表達(dá)數(shù)百萬不同肽序列的噬菌體的大量組合)以及生物淘洗技術(shù)來選擇與磁性材料(E-Co，CoPt，F(xiàn)ePt)直接緊密結(jié)合的特異的肽序列。通過選擇和鑒別能以高親和性與磁性材料相互反應(yīng)的特異的肽序列，人們可以快速容易地鑒別能用于控制磁性納米結(jié)構(gòu)晶核形成的肽。用肽來控制磁性納米顆粒的晶核形成能夠使磁性納米結(jié)構(gòu)的合成在溫和條件下進(jìn)行。傳統(tǒng)的制備磁性納米顆粒的方法通常需要詳細(xì)的合成計(jì)劃以及繁雜的純化步驟，這暗示肽介導(dǎo)的晶核形成將為納米顆粒的合成提供一種更為便宜的替代方法。
本發(fā)明的一個(gè)特殊優(yōu)點(diǎn)在于本方法選擇的肽能夠使選擇出的肽與磁性材料特異性地直接結(jié)合。已經(jīng)證明這些肽具有選擇性地使磁性納米結(jié)構(gòu)以受控的結(jié)晶性形成晶核的能力。目前，已經(jīng)將Co納米顆粒制備成具有六角形緊密結(jié)合的Co，將CoPt和FePt納米顆粒制備成于傳統(tǒng)的不脹鋼相連的層狀結(jié)晶性物質(zhì)。這些結(jié)晶結(jié)構(gòu)具有其相關(guān)材料的最大磁性感受性，這些材料在納米尺度范圍保持所需的磁性特征。這些特征使得這些材料能夠作為制備下一代磁性記憶元件的極好的被選物。目前的記憶元件是采用密度為16.3Gb/in2的CoCr合金進(jìn)行制備的。這些納米顆粒的極小尺寸使得密度為terabit/in2范圍的記憶元件的制備更加容易。利用本發(fā)明，可制備具有HCP P6/mm結(jié)晶性的SmCo5納米顆粒。
利用肽來控制納米顆粒的晶核形成還能進(jìn)一步促進(jìn)納米顆粒的功能化。傳統(tǒng)方法制備的納米顆粒通常被疏水的表面活性劑所包被，從而使得進(jìn)一步的功能化(活性化或者活性基團(tuán)的連接)難于進(jìn)行。按照本文公開的方法制備的納米顆粒被肽所包被，利用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的多種化學(xué)或生物學(xué)技術(shù)將很容易對(duì)該類納米顆粒進(jìn)行功能化。對(duì)這些納米顆粒的進(jìn)一步功能化將可能使之自我裝配成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)以及記憶元件。
利用肽來控制結(jié)晶性從而制備顆粒以及納米顆粒的方法由于具有小尺度，高度磁性感受性，以及易于制備的優(yōu)點(diǎn)，因此可能使磁性記錄工業(yè)發(fā)生革新性的改變。
實(shí)施例1肽制備、分離、選擇以及定性肽選擇。在含有0.1％TWEEN-20的Tris-緩沖鹽水(TBS)中使噬菌體展示或者肽文庫與半導(dǎo)體或其它晶體相接觸，以減少在表面上噬菌體-噬菌體之間的相互反應(yīng)。室溫振搖1小時(shí)后，用10倍的Tris-緩沖鹽水洗滌表面，該Tris-緩沖鹽水的pH為7.5，TWEEN-20的濃度從0.1％增加至0.5％(v/v)。通過加入甘氨酸-HCl(pH2.2)將噬菌體從表面洗脫10分鐘，轉(zhuǎn)移至另一管中，然后用Tris-HCl(pH9.1)中和。對(duì)洗脫的噬菌體進(jìn)行滴定，比較結(jié)合活性。
將洗脫的噬菌體暴露于基底3個(gè)循環(huán)之后，與宿主大腸桿菌(E.coli)ER2537進(jìn)行混合，鋪于LB XGal/IPTG板上。由于文庫噬菌體來源于攜帶lacZα基因的M13mp19載體，因此當(dāng)將其置于含有Xgal(5-溴-4-氯-3-吲哚-β-D-半乳糖苷)和IPTG(異丙基-(3-D-硫代半乳糖苷)的培養(yǎng)基時(shí)，噬菌體斑為藍(lán)色。采用藍(lán)/白篩選來選擇隨機(jī)肽插入的噬菌體斑。從板上收集菌斑并對(duì)DNA進(jìn)行測序。
基底制備。利用X-射線衍射來確定基底的方向性，并利用適宜的化學(xué)特異性蝕刻來除去其固有氧化物。在GaAs和InP表面檢測下述蝕刻N(yùn)H4OH∶H2O(1∶10)，HCl∶H2O(1∶10)，H3PO4∶H2O2∶H2O(3∶1∶50)，蝕刻時(shí)間為1分鐘和10分鐘。利用HCl∶H2O蝕刻1分鐘，然后用去離子水沖洗1分鐘，可得到GaAs和InP具有最佳元素比和最少氧化物生成的蝕刻表面。但是，由于在最初的文庫篩選中采用氫氧化銨來蝕刻GaAs，因此該種蝕刻用于所有其它GaAs基底的例子。Si(100)晶片采用HF∶H2O 1∶40蝕刻1分鐘，然后用去離子水沖洗，以此進(jìn)行蝕刻。將所有表面直接從沖洗溶液中取出，然后立刻投入噬菌體文庫中。利用AFM和XPS對(duì)未暴露于噬菌體的控制基底的表面進(jìn)行定性以及繪制圖譜，以確定蝕刻過程的有效性。
通過分子束取向附生使GaAs和Al0.98Ga0.02As的多層基底在GaAs(100)表面生長。取向附生生長層在5×1017cm-3的水平為Si-摻雜性(n-型)。
抗體和金標(biāo)記。對(duì)于XPS，SEM和AFM的實(shí)例，在Tris緩沖鹽水中將基底暴露于噬菌體中，然后將其投入抗-fd噬菌體-生物素偶聯(lián)物(1∶500溶于磷酸緩沖液中，購自Sigma)中30分鐘，該抗體為fd噬菌體pIII蛋白的抗體，然后用磷酸緩沖液沖洗。將溶于磷酸緩沖鹽水(PBS，Sigma)的鏈球抗生物素蛋白-20nm膠體金標(biāo)記(1∶200)與生物素偶聯(lián)的噬菌體通過生物素-鏈球抗生物素蛋白相互反應(yīng)進(jìn)行連接；將表面暴露于標(biāo)記物30分鐘，然后用PBS沖洗幾次。
X-射線光電子分光光譜(XPS)。對(duì)于XPS實(shí)例需要利用下述條件來保證通過XPS觀察到的金信號(hào)來源于與噬菌體結(jié)合的金，而不是與GaAs表面的非特異性抗體相互作用。將制備的GaAs(100)表面暴露于下述條件下(1)抗體和鏈球抗生物素蛋白-金標(biāo)記，但沒有噬菌體；(2)G1-3噬菌體和鏈球抗生物素蛋白-金標(biāo)記，但沒有抗體；以及(3)鏈球抗生物素蛋白-金標(biāo)記，沒有G1-3噬菌體或者抗體。
所用的XPS設(shè)備為Physical Electronics Phi ESCA 5700，其具有制造單頻1,487-eV X-射線的鋁陽極。當(dāng)金標(biāo)記噬菌體(如上所述)后，將所有樣品立即導(dǎo)入小室中，以減少GaAs表面的氧化，然后在高真空下抽吸過夜，以在XPS小室中降低樣品的除氣作用。
原子力顯微鏡(AFM)。所用的AFM為裝配有Zeiss Axiovert 100s-2tv的Digital Instruments Bioscope，通過G掃描器以尖端掃描的模式進(jìn)行操作。利用tapping模式將圖像顯示于空氣中。AFM探測器為具有125mm懸臂的蝕刻硅，剛度常數(shù)為20±100Nm-1，在其共振頻率200±400kHz附近驅(qū)動(dòng)。掃描速率為1±5mms-1。利用一級(jí)平面使圖像水平從而除去樣品傾斜。
透射電鏡(TEM)。在60kV下利用Philips EM208攝取TEM圖像。利用GaAs片(500mm)將G1-3噬菌體(以1∶100稀釋于TBS中)進(jìn)行孵育，離心從未結(jié)合的噬菌體中分離顆粒，以TBS沖洗，然后重懸于TBS中。樣品用2％乙酸雙氧鈾進(jìn)行染色。
掃描電鏡(SEM)。將G12-3噬菌體(以1∶100稀釋于TBS中)用新鮮裂解的異質(zhì)結(jié)構(gòu)表面孵育30分鐘，然后用TBS沖洗。將G12-3噬菌體用20nm膠體金進(jìn)行標(biāo)記。利用裝配有Hitachi 4700場發(fā)射掃描電子顯微鏡的Norian檢測系統(tǒng)在5kV下收集SEM和元素圖譜圖像。
實(shí)施例2生物膜本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，有機(jī)-無機(jī)雜交材料可為新材料和元件提供新的路徑。尺寸控制的納米顆粒為半導(dǎo)體沖洗提供光學(xué)和電學(xué)可調(diào)節(jié)的特性，并且有機(jī)添加物能夠調(diào)節(jié)無機(jī)形態(tài)、相位、以及晶核形成方向。生物沖洗的單分散特性使得該系統(tǒng)與高度有序的近晶排列結(jié)構(gòu)具有相容性。利用本發(fā)明的方法創(chuàng)建了通過基因工程、自我裝配，以及對(duì)特定半導(dǎo)體具有識(shí)別域的諸如M13噬菌體等生物分子來得到高度有序的納米尺度以及多長度尺度陳列的II-VI族半導(dǎo)體材料。
利用本發(fā)明的組合以及方法，通過本文描述的識(shí)別和自我排序系統(tǒng)，可得到納米和多尺度范圍陣列的半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體的識(shí)別和自我排序可用于電子元件的顯微裝配，該方法超過了目前所用的光刻的能力。對(duì)這些材料的應(yīng)用包括諸如發(fā)光顯示器等光電元件、光學(xué)檢測器和激光；快速連接器；以及納米尺度的計(jì)算機(jī)和生物傳感器。利用本發(fā)明方法創(chuàng)建的生物膜的其它應(yīng)用包括整齊排序的液晶顯示器以及有機(jī)-無機(jī)顯示技術(shù)。
薄膜、纖維和其它結(jié)構(gòu)甚至還可包括高密度傳感器，用于檢測生物毒素在內(nèi)的小分子。其它應(yīng)用包括光學(xué)涂覆和光學(xué)開關(guān)。任選地，醫(yī)學(xué)移植物或者骨移植物的骨架；可以利用本文所述的一種或多種材料進(jìn)行構(gòu)建，可為其單層或多層，或者為條紋狀，甚至為其任意組合，所有這些對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員都是顯而易見的。
本發(fā)明的其它應(yīng)用包括電子和磁性界面，或者為用于諸如量子計(jì)算機(jī)等高密度存儲(chǔ)介質(zhì)的3D電子納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。作為選擇地，利用本發(fā)明的薄膜或矩陣可用于構(gòu)建病毒的高密度穩(wěn)定儲(chǔ)存介質(zhì)，這些病毒可用于醫(yī)療用途，并可被重新應(yīng)用于生物相容性疫苗、佐劑、以及疫苗容器等?；诹孔狱c(diǎn)圖形的信息存儲(chǔ)可用于鑒別，例如，在裝甲或編碼構(gòu)造中用于鑒別敵友等。這種納米纖維甚至可用于編碼和鑒別錢幣。
在納米尺度建立整齊排序、良好控制、二維和三維結(jié)構(gòu)是構(gòu)建下一代的光學(xué)、電子和磁性材料和元件的主要目的。目前用于制備納米顆粒的方法在長度尺度以及材料類型方面受到限制。本發(fā)明開發(fā)出諸如M13噬菌體等具有自我裝配特性的有機(jī)或無機(jī)分子或粒子，從而擴(kuò)大了可應(yīng)用的半導(dǎo)體材料的排列、尺度、以及納米顆粒的尺度以及范圍等。
本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)具有各項(xiàng)異性形狀的單分散生物材料是構(gòu)建有序排列結(jié)構(gòu)的替代途徑。利用對(duì)特異的半導(dǎo)體表面具有識(shí)別域(肽或按計(jì)算寡聚體)的基因工程M13噬菌體完成了II-VI族半導(dǎo)體材料的納米-和多長度尺度的排列。
Seth及其同事發(fā)現(xiàn)Fd病毒近晶排列結(jié)構(gòu)具有位置性和方向性排列。Fd病毒的近晶結(jié)構(gòu)可能用于結(jié)構(gòu)的多尺度和納米尺度的排列，以構(gòu)建納米顆粒的二維和三維排列。采用噬菌體M13是因?yàn)槠淠軌虮换驅(qū)W修飾，已經(jīng)成功選擇出其與Fd病毒具有相同的形狀。因此，M13是近晶結(jié)構(gòu)的理想來源，它能用于納米顆粒的多尺度和納米尺度的排序。
本發(fā)明人使用了組合篩選方法來尋找含有能夠與半導(dǎo)體表面結(jié)合的肽插入序列的M13噬菌體。這些半導(dǎo)體表面包括諸如硫化鋅，硫化鎘，以及硫化鐵等物質(zhì)。利用分子生物學(xué)技術(shù)將與特異半導(dǎo)體材料和材料表面結(jié)合的噬菌體組合文庫克隆進(jìn)行克隆，并擴(kuò)增至足以用于液晶形成的濃度。
纖維狀的噬菌體Fd具有長棍狀(長度880nm；直徑6.6nm)以及單分散分子量(分子量1.64×107)。這些特性使得噬菌體在高濃度溶液中具有感膠離子液晶行為。利用噬菌體的各向異性形狀通過使用生物選擇性和自我裝配將其構(gòu)建成整齊排序的納米顆粒層。利用常規(guī)擴(kuò)增方法來制備單分散的噬菌體。在本發(fā)明中，對(duì)類似的纖維狀噬菌體M13進(jìn)行基因修飾使之與諸如硫化鋅，硫化鎘，以及硫化鐵等納米顆粒進(jìn)行結(jié)合。
已經(jīng)證實(shí)噬菌體的中尺度排列能夠形成納米顆粒的納米尺度的排列。這些納米顆粒進(jìn)一步被排列為微米級(jí)結(jié)構(gòu)域以及厘米級(jí)的尺度。半導(dǎo)體納米顆粒顯示出量子限制作用，并且能在液晶內(nèi)被合成以及排序。
利用AFM，TEM，和SEM對(duì)含有特異肽插入序列的噬菌體M13懸液進(jìn)行定性。利用樣品觀察到納米顆粒的均勻的2D和3D排序。
AFM。所用的AFM為裝配有Zeiss Axiovert100s-2tv的Digital InstrumentsBioscope，通過G掃描器以尖端掃描的模式進(jìn)行操作。利用tapping模式將圖像顯示在空氣中。AFM探測器為具有125mm懸臂的蝕刻硅，剛度常數(shù)為20±100Nm-1，在其共振頻率200±400kHz附近驅(qū)動(dòng)。掃描速率為1±5mms-1。利用一級(jí)平面使圖像水平從而除去樣品傾斜。圖2A和2B為利用AFM觀察到的M13噬菌體近晶排列的示意圖。
TEM。在60kV下利用Philips EM208攝取TEM圖像。G1-3噬菌體(以1∶100稀釋于TBS中)與半導(dǎo)體材料孵育30分鐘，離心從未結(jié)合的噬菌體中分離顆粒，以TBS潤洗，然后重懸于TBS中。樣品用2％乙酸雙氧鈾進(jìn)行染色。
SEM。噬菌體(以1∶100稀釋于TBS中)與新鮮裂解的異質(zhì)結(jié)構(gòu)表面孵育30分鐘，然后用TBS沖洗。將G12-3噬菌體用20nm膠體金進(jìn)行標(biāo)記。利用裝配有Hitachi 4700場發(fā)射掃描電子顯微鏡的Norian檢測系統(tǒng)在5kV下收集SEM和元素圖譜圖像。
利用常規(guī)的分子生物學(xué)技術(shù)對(duì)半導(dǎo)體表面具有特異結(jié)合特性的基因工程M13噬菌體進(jìn)行擴(kuò)增并純化。取3.2mL的噬菌體懸液(濃度～107噬菌體/ul)和4ml過夜培養(yǎng)物，加入至400ml的LB培養(yǎng)基中，進(jìn)行大規(guī)模擴(kuò)增。擴(kuò)增后，沉淀出～30mg的沉淀物。通過在室溫下向摻入了A7噬菌體懸液的ZnCl2中加入Na2S溶液來制備懸液。最高濃度的A7噬菌體懸液通過分別向～30mg的噬菌體沉淀中加入20ul的1mM ZnCl2和Na2S進(jìn)行制備。利用269nm時(shí)的消光系數(shù)為3.84mg/mL來測定濃度。
當(dāng)各向同性的懸液的濃度增加時(shí)，觀察到具有方向性排列的向列相，具有扭轉(zhuǎn)向列相結(jié)構(gòu)的膽固醇相，以及具有方向性以及位置性排列的近晶相。這些相在沒有納米顆粒的Fd病毒中觀察到。
偏振光顯微鏡(POM)。通過偏振光顯微鏡對(duì)M13噬菌體進(jìn)行定性。將每一種懸液填入直徑0.7mm的玻璃毛細(xì)管中。在平行偏振光下，高濃度的懸液(127mg/mL)顯示出閃光的顏色[5]并且在交叉偏振光下顯示出近晶質(zhì)地(圖3A)。圖3B中的膽固醇旋距可通過改變表2中懸液的濃度進(jìn)行控制。制備樣品24小時(shí)后測量旋距長度并進(jìn)行顯微照相。
表2膽固醇旋距和濃度之間的關(guān)系

AFM。為了進(jìn)行AFM觀察，取5ul的M13懸液(濃度30mg/mL)在8mm×8mm的利用3-氨基丙基三乙基硅烷在干燥器中硅烷化4小時(shí)的云母基底上干燥24小時(shí)。利用tapping模式在空氣中成像。利用各向異性的M13噬菌體觀察自我裝配排列的結(jié)構(gòu)，為880nm長，6.6nm寬。在圖3C中，M13噬菌體展開位于圖象中，形成近晶排列。
SEM。為了進(jìn)行SEM觀察，制備噬菌體的臨界點(diǎn)干燥樣品和ZnS納米顆粒近晶分子懸液(噬菌體懸液的濃度127mg/mL)。在圖3D中，觀察到富含納米顆粒的區(qū)域和富含噬菌體的區(qū)域。納米顆粒和噬菌體之間的分離長度與噬菌體的長度相當(dāng)。通過電子衍射方式采用以TEM稀釋的近晶懸液樣品來確認(rèn)ZnS閃鋅礦六方形結(jié)晶的結(jié)構(gòu)(圖3E和3F)。
生物膜的制備。利用400ul的Tris緩沖鹽水(TBS，pH7.5)和200ul加入了1mM Na2S的1mM ZnCl2重懸噬菌體沉淀。室溫振搖24小時(shí)后，將懸液(置于1mL的eppindorff管中)置于干燥器中緩慢干燥1周。在管內(nèi)形成～15um厚的半透膜。該膜如圖4A所示，用鑷子將其小心地取出。生物膜的示意圖如圖4B所示。
生物膜的SEM觀察。利用SEM觀察A7-ZnS膜的納米尺度的噬菌體排列。為了進(jìn)行SEM分析，將膜切開，然后用2nm的鉻在氬氣氛圍中通過真空沉積來包被膜。圖4D通過樣品觀察到了高度緊密排列的結(jié)構(gòu)。單個(gè)噬菌體的平均長度895nm與噬菌體的880nm類似。該膜顯示出近晶狀擬A或擬C薄片狀的形態(tài)，其在納米顆粒和噬菌體層之間顯示出周期性。周期的長度與噬菌體的響應(yīng)。納米顆粒的平均尺寸為～20nm，與單個(gè)顆粒的TEM觀察類似。
生物膜的TEM觀察。通過將薄膜在環(huán)氧樹脂(LR white)中包埋1天，然后通過加入10ul促進(jìn)劑使之聚合，觀察到了ZnS納米顆粒的排列。加工后，將樹脂利用萊卡超微切片機(jī)切成薄片。將切得的50nm的薄片懸于蒸餾水中，拾起置入空白金格柵中。平行排列的納米顆粒位置很低，如在圖4E-F中相應(yīng)的x-z平面的示意圖所觀察到的。
由于每一噬菌體具有5個(gè)拷貝的A7部分，每一A7部分識(shí)別一個(gè)納米顆粒(2-3nm大小)，排列為大約20nm寬并且長度延伸超過2微米。20nm寬2微米長的小棒平行排列，棒之間距離700nm。這種差別可能來自于Marvin小組所報(bào)道的通過TEM觀察到的噬菌體層的所述近晶排列。還觀察到類似于納米顆粒層的y-z軸，與圖1F所示類似。排列顆粒的SAED圖案說明ZnS顆粒具有閃鋅礦六方形結(jié)構(gòu)。
生物膜的AFM觀察利用AFM觀察了病毒薄膜的表面定向。在圖4C中，顯示噬菌體形成了平行排列的人字形圖案，其在多數(shù)被稱為近晶O表面的相鄰噬菌體軸(director normal)之間幾乎為直角。該薄膜顯示出噬菌體軸(normal director)的長范圍的排序，一直延伸至幾十微米。在一些區(qū)域當(dāng)兩個(gè)結(jié)構(gòu)域?qū)颖舜讼嘤鰰r(shí)，兩個(gè)或者三個(gè)多長度尺度的噬菌體平行排列，直至延伸為近晶C排序結(jié)構(gòu)。
利用識(shí)別及自我排序系統(tǒng)來對(duì)半導(dǎo)體材料進(jìn)行納米和多長度尺度排列增加了對(duì)電子元件進(jìn)行纖維加工的可能性。這些元件可能超越目前光刻的性能。對(duì)這類材料其它可能的應(yīng)用包括諸如發(fā)光顯示器等光電元件、光學(xué)檢測器、激光、快速連接器、以及納米尺度的計(jì)算機(jī)和生物傳感器。
實(shí)施例III.金屬和磁性材料的形成利用噬菌體展示技術(shù)來開發(fā)與磁性材料選擇性結(jié)合的新肽。在這些特定研究中，通過首先合成磁性材料的膠體分散系來制備磁性材料的薄膜。然后將這些膠體溶液成滴包被到Si晶片上，在N2下退火，得到所需的晶體結(jié)構(gòu)。然后在這些薄膜(E-Co，CoPt，和FePt)上進(jìn)行噬菌體展示，從而找出與每一基底選擇性結(jié)合的肽。然后通過將表達(dá)目的肽的噬菌體、金屬鹽、以及還原劑混合使這些肽能夠用于使特定的納米顆粒形成晶核。
具有受控尺寸和組成的納米顆粒的合成具有重要的以及科技意義。在最近幾年中，有眾多的文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)了含有金屬的納米顆粒以及可顯著控制所得納米顆粒的尺寸和形狀的半導(dǎo)體的合成。近來發(fā)現(xiàn)，通過噬菌體文庫鑒別的肽能夠與無機(jī)表面選擇性結(jié)合，可被用于控制半導(dǎo)體納米顆粒的晶核形成。這種情況下，所述肽能夠控制所得納米顆粒的尺寸，形狀，組成，甚至結(jié)晶性。由于肽在控制半導(dǎo)體納米顆粒中的成功，使得人們有興趣將該技術(shù)應(yīng)用于其它材料。
人們特別感興趣并且在商業(yè)上可應(yīng)用的一類材料是鐵磁性材料，包括顆粒以及納米顆粒。鐵磁性材料是磁性記錄工業(yè)的基礎(chǔ)，每年要花費(fèi)數(shù)十億美元。目前所用元件中利用CoCr合金進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，這是由于該種合金具有高磁性感受性并且易于制備。其它材料目前仍處于開發(fā)中。該類材料中的一種為金屬Co，其磁各向異性(magnetic anisotropy)在107ergs/cm3范圍。這種較高的磁各向異性說明小至10nm直徑的顆粒仍能用作單個(gè)的結(jié)構(gòu)域并起到記憶元件的作用。目前的技術(shù)中使用的記憶元件其結(jié)構(gòu)域的尺寸在幾百納米的范圍，因此研究出在10nm尺寸范圍的Co納米顆粒將是一個(gè)巨大的進(jìn)步，并將促進(jìn)更致密的記憶元件的產(chǎn)生。更加令人感興趣的鐵磁性材料為Pt的磁性合金，更特異地為FePt和CoPt。這些材料具有非常大的磁各向異性(108ergs/cm3)，由于不脹鋼的影響，F(xiàn)e和Pt原子層排使得晶格常數(shù)發(fā)生擾動(dòng)，從而使得Pt形成磁性狀態(tài)。這些系統(tǒng)具有的高各向異性說明小至2nm的納米顆粒在室溫下也可能用作鐵磁性材料，這暗示它們可用于開發(fā)具有非常高密度的記憶元件。
由于這些系統(tǒng)具有很大的磁各向異性，因此在合成含有這些材料的顆粒和納米顆粒的研究中投入了較多努力。發(fā)展了多種不同的合成方法來合成ε-Co，F(xiàn)ePt以及CoPt等，但是這些方法都具有相同的缺點(diǎn)。所有這些合成方法都依賴于高溫下表面活性物質(zhì)存在時(shí)納米顆粒的有限沉淀。所有這些納米顆粒必須在惰性氣體環(huán)境中并且需要昂貴試劑存在的情況下才能制備，從而使之非常昂貴，并且不利于大規(guī)模生產(chǎn)。此外，這些制備通常需要對(duì)顆粒進(jìn)行進(jìn)一步的修飾，包括通過高溫退火獲得所需的結(jié)晶性，以及通過尺寸選擇性沉淀來獲得顆粒的單分散群等。這些額外的合成步驟增加了這些合成方法的費(fèi)用。
由于這些材料有重要的商業(yè)價(jià)值，因此需要一種新的合成策略。用肽介導(dǎo)的磁性材料的生物合成提供了一條替代途徑。這些研究中，在目的磁性材料(Co，CoPt，SmCo5，和FePt)上進(jìn)行噬菌體展示選擇，以鑒別與磁性材料以高親和力特異性結(jié)合的肽。對(duì)這些肽進(jìn)行定性后，即可用于控制磁性納米顆粒的晶核形成。在這些研究中，將表達(dá)目的肽的噬菌體與目的金屬的金屬鹽進(jìn)行混合。然后加入還原劑(NaBH4)以生成納米顆粒。利用TEM對(duì)形成的納米顆粒進(jìn)行定性。本發(fā)明的合成方法在一般條件下進(jìn)行，從而為已有的合成磁性納米顆粒的方法提供了一條相當(dāng)便宜的替代途徑。
對(duì)磁性納米顆粒的X-射線衍射分析在噬菌體展示中，需要生成磁性表面用作基底。為完成這一過程，需要按照傳統(tǒng)方式制備磁性納米顆粒，然后成滴包被于Si晶片上。在噬菌體展示研究開始前，需要利用X-射線衍射(XRD)對(duì)所述表面進(jìn)行定性，從而保證該材料具有適宜的結(jié)晶性。
ε-Co所得到的XRD圖譜與從文獻(xiàn)得到的圖譜相一致，在45度和50度之間顯示出三個(gè)峰，這一組的三個(gè)峰與ε-Co的(221)，(310)，和(311)晶面相對(duì)應(yīng)，因此具有特殊性。FePt和CoPt的圖譜也與文獻(xiàn)的圖譜相對(duì)應(yīng)，對(duì)于FePt11其與FePt和CoPt的(001)，(110)，(111)，(200)，(002)，(210)，(112)，以及(202)晶面相對(duì)應(yīng)。SmCo5的XRD與HCP SmCo5的文獻(xiàn)值相對(duì)應(yīng)，其峰值相對(duì)應(yīng)為(101)，(110)，和(111)晶面。這是首次報(bào)道HCP SmCo5納米顆粒的合成。圖5A為SmCo5納米顆粒的高分辨度TEM圖像，圖5B為TEM圖像的一個(gè)選擇區(qū)域，顯示了電子衍射圖。在衍射圖上的幾個(gè)點(diǎn)與HCP SmCo5的已知晶面相對(duì)應(yīng)(圖51B)。圖5C是退火的SmCo5納米顆粒的STEM圖像，顯示了其尺寸、形狀、以及整體形態(tài)學(xué)。
結(jié)合噬菌體的序列分析和結(jié)合實(shí)驗(yàn)表3列出了利用噬菌體展示選擇的所有肽與目的磁性材料結(jié)合的能力。
表3.所選擇的克隆與磁性材料的結(jié)合特性。

*對(duì)于ε-Co，沒有在7-限制性文庫得到共有序列。
這些選擇的序列都是與金屬表面具有高親和性的有效序列。在幾個(gè)序列中出現(xiàn)了組氨酸殘基。由于組氨酸具有咪唑側(cè)鏈，因此其與金屬具有很好的連接性，因此出現(xiàn)于這些序列中。除了CoPt的7-限制性序列，所分離的用于Pt合金的所有序列都包含賴氨酸殘基。據(jù)信賴氨酸-Pt之間的相互反應(yīng)對(duì)于順鉑(一種抗癌藥物)的功能十分重要。賴氨酸-Pt之間的相互反應(yīng)暗示這些序列與所述物質(zhì)選擇性結(jié)合，但是，本發(fā)明并不局限于已知或未知的任何相互反應(yīng)的機(jī)制。
特異性結(jié)合實(shí)驗(yàn)。為了確定分離的噬菌體與磁性基底的親和性，進(jìn)行了兩項(xiàng)研究。在第一項(xiàng)研究中，將幾種不同的含肽噬菌體暴露于Co表面中，所述Co表面包含我們的Co特異性噬菌體，隨機(jī)噬菌體，以及野生型噬菌體。另外，將Co特異性噬菌體暴露于幾種不同的物質(zhì)表面。結(jié)果如圖6所示。與隨機(jī)噬菌體以及野生型噬菌體文庫序列相比，Co特異性噬菌體對(duì)Co具有相對(duì)較高的親合力(圖6A)。另外，Co特異性噬菌體對(duì)Co的親合力大于對(duì)Si的親合力，這說明它們優(yōu)選與Co表面相結(jié)合。
在第二項(xiàng)研究中，將Co表面浸入Co特異性噬菌體的溶液中。以不同濃度的噬菌體對(duì)該研究進(jìn)行數(shù)次重復(fù)。對(duì)所吸附的噬菌體相對(duì)于噬菌體濃度進(jìn)行作圖(圖6B)，顯示出噬菌體吸附到Co表面是按照被分析物吸附到表面上的朗繆爾模式進(jìn)行的。由于吸附為朗繆爾模式，因此在所吸附的噬菌體與濃度之間建立倒數(shù)點(diǎn)的話，則其具有線性相關(guān)性(未顯示)。該線的傾斜度相當(dāng)于結(jié)合常數(shù)，對(duì)于Co，噬菌體的kads為2×10-12M。這是對(duì)噬菌體和無機(jī)表面之間結(jié)合的熱力學(xué)常數(shù)的首次測量，從而難于對(duì)其進(jìn)行解釋，但是該結(jié)合常數(shù)的大小可與其它幾種生物學(xué)相互反應(yīng)進(jìn)行比較。該方法可用于CoPt和FePt系統(tǒng)。
兩項(xiàng)研究都說明利用噬菌體展示篩選的肽具有與Co而不與其它材料的特異結(jié)合特性。該特異性能夠用于對(duì)包括磁性材料的金屬材料的生成進(jìn)行介導(dǎo)。
通過肽介導(dǎo)的晶核形成所制備的納米顆粒的TEM分析在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，利用肽來修飾和/或控制結(jié)晶性從而制備納米顆粒。利用表3的7-限制性序列所生長的CoPt納米顆粒還拍攝了高分辨度的TEM圖像(未顯示)。這些納米顆粒的晶格間距為0.19和0.22nm，與L10 CoPt的晶格間距相對(duì)應(yīng)。
還對(duì)利用野生型噬菌體所生長的納米顆粒拍攝了高分辨度的TEM圖像，也對(duì)利用具有隨機(jī)肽插入的噬菌體所生長的CoPt納米顆粒進(jìn)行上述圖像的拍攝(未描述)。在這兩個(gè)對(duì)照研究中，也形成納米顆粒，但是其缺少用CoPt選擇性肽生長的顆粒所具有的結(jié)晶性。在噬菌體集合不存在以及沉淀出溶液的情況下，所生長的納米顆粒幾乎不可能具有TEM圖像。
還對(duì)利用表達(dá)12mer肽的噬菌體所生長的FePt納米顆粒拍攝了高分辨度的TEM圖像，該12mer的肽對(duì)于FePt具有選擇性(未描述)。這些納米顆粒具有與CoPt納米顆粒類似的晶格間距，說明它們由L10 FePt所組成。對(duì)上述諸如在野生型噬菌體存在下生長的FePt納米顆粒等顆粒還進(jìn)行了電子衍射分析。這些納米顆粒同樣缺少利用FePt選擇性肽生長的納米顆粒所具有的結(jié)晶性。同樣，在顯示圖象之前，納米顆粒在噬菌體集合不存在以及沉淀出溶液的情況下生長。
利用表1的7-限制性序列所生長的CoPt納米顆粒的高分辨度TEM圖像如圖7所示。這些納米顆粒的晶格間距大約為0.22nm，與HCP Co的文獻(xiàn)值0.19nm有很好的相關(guān)性(圖7A)。也采用一個(gè)選定的區(qū)域來觀察納米顆粒的電子衍射譜(未顯示)。在衍射圖譜上出現(xiàn)的幾條帶與HCP Co的晶面相對(duì)應(yīng)，顯示納米顆粒實(shí)際上由HCP Co所構(gòu)成。在利用野生型噬菌體(圖7C)以及非特異性噬菌體(圖7B)進(jìn)行的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，也有納米顆粒形成，但是缺少利用CoPt選擇性肽生長的顆粒所具有的結(jié)晶性。在噬菌體集合不存在以及沉淀出溶液的情況下，所生長的納米顆粒幾乎不可能具有TEM圖像。
圖8顯示了利用表達(dá)12mer肽的噬菌體生長的Co納米顆粒的高分辨度TEM圖像，該12mer的肽對(duì)于Co具有選擇性(圖8A)。這些顆粒中的晶格間距為0.2nm，與HCP Co的文獻(xiàn)值(0.19nm)相對(duì)應(yīng)。采用一個(gè)選定的區(qū)域來觀察所述納米顆粒的電子衍射譜(圖8B)。在衍射圖譜上出現(xiàn)的幾條帶與HCP Co的晶面相對(duì)應(yīng)，顯示納米顆粒實(shí)際上由HCP Co所構(gòu)成。在利用野生型噬菌體、非特異性噬菌體以及無噬菌體所進(jìn)行的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，Co顆粒發(fā)生聚集，并沉淀出溶液(未顯示)。
圖9A顯示了利用表達(dá)12mer肽的噬菌體所生長的FePt納米顆粒的高分辨度TEM圖像，該12mer的肽對(duì)于FePt具有選擇性。這些納米顆粒具有與CoPt納米顆粒類似的晶格間距，很可能由L10FePt所構(gòu)成。圖9B是相應(yīng)的電子衍射圖譜，圖9C是在野生型噬菌體存在下生長的FePt納米顆粒的圖像。在野生型噬菌體不存在時(shí)，納米顆粒缺少利用FePt選擇性噬菌體所生長的納米顆粒所具有的結(jié)晶性。另外，在呈像之前，納米顆粒在噬菌體集合不存在以及沉淀出溶液的情況下生長。
還對(duì)利用表達(dá)12mer肽的噬菌體所生長的SmCo5納米顆粒拍攝了高分辨度TEM圖像，其中該12mer的肽對(duì)于SmCo5具有選擇性(圖10A)。采用一個(gè)選定的區(qū)域來觀察電子衍射譜(圖10B)。在衍射圖譜上出現(xiàn)的幾條帶與HCP SmCo5的晶面相對(duì)應(yīng)。利用SmCo5系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)照實(shí)驗(yàn)，顯示出與Co系統(tǒng)類似的結(jié)果，即，當(dāng)使用非特異性噬菌體時(shí)，納米顆粒聚集和/或沉淀出溶液。該類顆粒的TEM圖像顯示出一些結(jié)晶結(jié)構(gòu)域，但是該材料的大部分為無定形態(tài)。
對(duì)納米顆粒采用MFM進(jìn)行描述利用磁力顯微鏡(MFM)來描述納米顆粒的磁性特性。首先對(duì)用于使Co納米顆粒形成晶核的噬菌體拍攝原子力圖像(圖11A)。在噬菌體的末端，納米顆粒明顯地大量聚集，顯示P3蛋白控制納米顆粒的晶核形成。還拍攝了相應(yīng)的MFM圖像以驗(yàn)證這些結(jié)果(圖11B)。由于噬菌體為非磁性的，因此在圖像中不能看到噬菌體，但是納米顆粒的聚集仍能清晰看到，這顯示納米顆粒具有高度的磁各向異性。
SQUID。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，可利用超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)磁力計(jì)對(duì)納米顆粒的磁性特性進(jìn)行定量。利用SQUID磁性測量進(jìn)一步對(duì)顆粒進(jìn)行定性。利用SQUID來測量在噬菌體上表達(dá)的12mer肽生長的FePt納米顆粒的室溫滯后回線(圖12A)。還測量了掃描中央部分的高分辨度滯后回線以證實(shí)矯頑磁性的存在(圖12B)。這些樣品具有相對(duì)較低的矯頑磁性(約50Oe)。這些數(shù)據(jù)是在一般條件下生長的鐵磁性納米顆粒的第一實(shí)施例。還測量了利用生物學(xué)方法制備的SmCo5納米顆粒的滯后回線(圖13)。這些納米顆粒的滯后作用非常大(400Oe)。由于SmCo5的大型樣品具有比FePt更高的矯頑磁性值，因此該結(jié)果與預(yù)期相符。
P8包衣蛋白的磁特異性肽在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，利用在M13噬菌體的P3蛋白上表達(dá)的物質(zhì)特異性噬菌體來制備具有磁性行為的納米顆粒。p3蛋白僅存在于棒狀噬菌體的一端，并且以有限的數(shù)目存在(每個(gè)噬菌體3-5個(gè)拷貝)。作為選擇地，p8包衣蛋白沿著噬菌體的長度進(jìn)行表達(dá)，并且每個(gè)噬菌體有幾百個(gè)拷貝?；谶@一原因，對(duì)p8蛋白進(jìn)行設(shè)計(jì)使之表達(dá)CoPt特異性肽，并且沿著噬菌體長度的方向使CoPt納米顆粒形成晶核。該物質(zhì)制備的一個(gè)實(shí)例如下所述。還可以在無需進(jìn)行不恰當(dāng)實(shí)驗(yàn)的情況下使用對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的其它方法。
為了使得包括磁性顆粒和納米顆粒的磁性材料形成晶核，應(yīng)將帶有或不帶有噬菌體的肽加熱至足夠高的溫度進(jìn)行燃燒，并除去在高溫退火步驟中與骨架相連的結(jié)合分子。例如，可數(shù)次加熱到500℃或者1,000℃從而達(dá)到最佳燃燒及去除效果。所述溫度還可以在金屬退火的范圍內(nèi)，其中多晶結(jié)構(gòu)域能夠熔合為單晶結(jié)構(gòu)域。
方法學(xué)材料。氯化釤(III)，乙酰丙酮化鉑(II)(Pt(Acac)2，二氫六氯鉑酸(H2PtCl6)，以及八羰基鈷(Co2(CO)8)購自Alfa Aesar。五羰基鐵(Fe(CO)5)，氯化鈷(II)(CoCl2)，氯化亞鐵(II)(FeCl2)，氧化三辛基磷化氫(TOPO)，硼氫化鈉(NaBH4)，油酸胺，以及油酸購自Aldrich。
ε-Co的納米尺度的合成。Co納米顆粒采用下述方法制備首先將0.6g的Co2(CO)8溶解于5ml的鄰-二氯代苯中。將該混合物攪拌1小時(shí)以溶解Co，在氬氣氛圍下在500ml三頸反應(yīng)燒瓶中混入20ml鄰-二氯代苯，0.416mg的TOPO，以及0.2ml的油酸。然后將該混合物加熱至100攝氏度。接著將混合物暴露于真空中5分鐘，除去所有溶解的O2和H2O?；旌衔锛訜嶂练序v(180攝氏度)，然后加入Co溶液?；旌衔镒兂珊谏缓螽a(chǎn)生CO氣體云?；亓?0分鐘后，將反應(yīng)液冷卻至室溫。為了純化顆粒，將3ml的Co納米顆粒溶液與3ml的乙醇混合。1小時(shí)后，將混合物在10,000rpm離心5分鐘。沉淀用3ml的CH2Cl2重懸，然后加入3ml乙醇，重復(fù)離心步驟。然后將沉淀物用3ml的CH2Cl2重懸。
FePt納米顆粒的合成。在氬氣氛圍下將20mL苯基醚，0.205g的Pt(Acac)2，以及0.358g 1，2-四癸烷二醇混合，然后加熱至100℃，接著加入0.16ml油酸，0.17ml油酸胺，以及0.13ml Fe(CO)5。將混合物加熱至300℃然后回流30分鐘，冷卻至室溫。采用與Co納米顆粒類似的方法對(duì)FePt納米顆粒進(jìn)行純化。
CoPt納米顆粒的合成。制備過程與FePt類似，但用0.16g的Co2(CO)8代替0.13ml的Fe(CO)5。
SmCo5納米顆粒的合成。采用誘使沉淀的方法來制備SmCo5納米顆粒。該技術(shù)是對(duì)以前的納米顆粒制備方法進(jìn)行修改得到的。取38.75mg的CoCl2與16.0mg的SmCl3相混合，然后溶解于20ml的苯基醚中。接著向混合物中加入0.357mL的油酸，然后再氬氣氛圍下加熱至100℃。隨即加入1.35ml的三辛基磷化氫。接著將混合物暴露于真空中10分鐘，除去所有溶解的O2和H2O。真空凈化溶液后，將其加熱至290℃，使苯基醚沸騰。然后加入1ml的superhydride溶液。該溶液立刻從藍(lán)變黑。然后將黑色混合物回流20分鐘，冷卻至室溫。
薄膜形成。為制備用于噬菌體展示選擇的薄膜，將納米顆粒的膠體金溶液成滴包被載Si片上。使溶液蒸發(fā)。對(duì)于FePt和CoPt，接下來在氮?dú)夥諊聦⒈∑?00℃退火30分鐘，以形成L10相。對(duì)所有薄片進(jìn)行XRD分析以保證它們?yōu)樗璨牧稀?br> 肽的選擇。利用噬菌體展示文庫技術(shù)來尋找專門與ε-Co以及CoPt和FePt的L10-相相結(jié)合的肽。特異地，使用Ph.D.-12(tm)和Ph.D.-7CTM噬菌體展示肽文庫試劑盒以1L(或起始量)的噬菌體展示文庫為起始，啟動(dòng)對(duì)磁性基底(溶于1mL的TBS中)的選擇。對(duì)于ε-Co，在10mM溶于TBST的NaBH4溶液中進(jìn)行選擇。淘洗5個(gè)循環(huán)后，分離肽和該肽的DNA，利用University of Texas DNA Core Facility得到序列。分析這些與噬菌體上的肽展示相對(duì)應(yīng)的序列以確定共有序列。對(duì)DNA序列的分析包括每一位置上氨基酸的百分豐度。由于在前兩個(gè)循環(huán)中可能有非特異性結(jié)合，因此僅對(duì)最后三次淘洗進(jìn)行分析。
結(jié)合親合力。為了確定肽與ε-Co以及CoPt和FePt結(jié)合的特異性，對(duì)結(jié)合親合力進(jìn)行了測定。從共有肽淘洗研究中得到滴定數(shù)值并與不產(chǎn)生ε-Co，CoPt和FePt的野生型和隨機(jī)肽的滴定數(shù)值進(jìn)行比較。然后利用不同濃度的噬菌體來進(jìn)行淘洗研究，以確定噬菌體與目的金屬表面的結(jié)合常數(shù)。
肽介導(dǎo)的Co的晶核形成。將大約880ul的H2O與100ul的1mM CoCl2和20ul的噬菌體溶液(pfu＝1011)相混合。將混合物輕柔攪拌30分鐘，然后加入100mM的NaBH4100ul。振搖該溶液，然后再孵育5分鐘。隨后加入溶于CH2Cl2的TOPO和油酸的溶液100ml。振搖混合物并輕柔攪拌1小時(shí)。此時(shí)CH2Cl2層變成深灰色。對(duì)幾種不同的噬菌體，包括Co-1，Co-2，野生型噬菌體，以及無噬菌體的TBS溶液，重復(fù)該步驟。
肽介導(dǎo)的CoPt的晶核形成。為了形成晶核，將50ul 1mM的CoCl2溶液與50ul 1mM的H2PtCl6混合。然后加入10ml的噬菌體溶液(pfu＝1011)。將混合物輕柔攪拌30分鐘，然后加入20ul 100mM的NaBH4。立即振搖該溶液并置入玻璃杯中保持30分鐘。終溶液為黃色。
肽介導(dǎo)的FePt的晶核形成。制備過程與CoPt類似，但用FeCl2溶液代替CoCl2。
肽介導(dǎo)的SmCo5的晶核形成。制備過程與Co類似，但用16.7ul 1mM的SmCl3和83ul 1mM的CoCl2代替100ul 1mM的CoCl2。
肽的P8表達(dá)。將以20ml LB培養(yǎng)基1∶100稀釋的遺傳修飾的E.coli擴(kuò)增過夜，然后生長至O.D.＝0.6。加入鹽酸四環(huán)素(1000X)和100mM的IPTG使終濃度為1mM。IPTG由于在裝配過程中摻入至病毒包衣中，因此在細(xì)胞內(nèi)促使生成修飾的p8蛋白。不振搖靜置該混合物1小時(shí)。一小時(shí)后以輔助噬菌體進(jìn)行轉(zhuǎn)染，然后在39℃振搖過夜。隨后分離噬菌體并通過離心和PEG沉淀進(jìn)行純化。然后將擴(kuò)增的噬菌體沉淀重懸于10ml的TBS(pH7.5)中，并用18MW的水進(jìn)行透析。向1ml擴(kuò)增的噬菌體儲(chǔ)存液中加入0.5ml的5mMCoCl2和5mM H2PtCl6，其中所述擴(kuò)增的噬菌體儲(chǔ)存液已經(jīng)通過旋轉(zhuǎn)除去上清。振搖60分鐘后，加入作為0.5ml還原劑的100mM NaBH4。
沿著電子衍射譜的選定區(qū)域?qū){米顆粒進(jìn)行TEM分析，其中所述選定區(qū)域具有許多與CoPt晶面的預(yù)期值相對(duì)應(yīng)的條帶。還攝取了一個(gè)噬菌體的STEM圖像，其中該噬菌體具有沿著P8蛋白生長的CoPt納米顆粒。該結(jié)構(gòu)的長度與噬菌體的長度(800nm)相對(duì)應(yīng)。圖14A描述了納米顆粒的TEM圖像，圖14B描述了具有選定區(qū)域電子衍射譜(圖14C)的解析圖像，該選定區(qū)域具有許多與CoPt晶面的預(yù)期值相對(duì)應(yīng)的條帶。具有沿著P8蛋白生長的CoPt納米顆粒的一個(gè)噬菌體的STEM圖像如圖14D所示。對(duì)Pt(圖14E)和Co(圖14F)的EDS定位顯示出Co和Pt都沿著所述結(jié)構(gòu)的長端被發(fā)現(xiàn)，并且濃度相同。
本發(fā)明證實(shí)噬菌體展示文庫可用于鑒別與磁性材料結(jié)合的肽。這種鑒別非?？焖伲⑶夜?jié)約費(fèi)用，且?guī)缀醪恍枰~外的材料。因此可將這些肽用于控制磁性納米顆粒的晶核形成，幫助用戶對(duì)所得納米顆粒的尺寸，組成，以及潔凈性進(jìn)行控制。這些肽能夠在一般條件下合成納米顆粒，從而使之成為目前合成策略的一種替代途徑。
進(jìn)一步對(duì)噬菌體展示文庫以及生物淘洗的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行描述，例如，在Belcher et al.的下述美國專利申請(qǐng)中(1)″Biological Control of NanoparticleNucleation，Shape，and Crystal Phase″；2003/0068900，2003年4月10日公布；(2)″Nanoscale Ordering of Hybrid Materials Using Genetically EngineeredMesoscale Virus″；2003/0073104，2003年4月17日公布；(3)″BiologicalControl of Nanoparticles″；2003/0113714，2003年6月19日公布；以及(4)″Molecular Recognition of Materials″；2003/0148380，2003年8月7日公布。
本發(fā)明的應(yīng)用還包括對(duì)下述參考文獻(xiàn)的應(yīng)用。使用超順磁性材料用于磁性共振成像如U.S.Patent No.5,262,176 to Palmacci et al.(Nov.16，1993)中所述，其包括使用以聚合物覆蓋的膠體和超順磁金屬氧化物，該文獻(xiàn)全文引入本文作為參考。超順磁性材料也在例如Lee Josephson et al.，BioconjugateChem.，1999，10，186-191中有所描述，其包括由肽序列衍生出的以超順磁性氧化鐵顆粒包被的生物相容性右旋糖苷，該文獻(xiàn)全文引入本文作為參考。本文應(yīng)用還包括磁性共振成像以及磁性分離。J.Manuel Perez et al.，J.Am.Chem.Soc.，2003，125，10192-10193描述了將病毒誘導(dǎo)的磁性納米顆粒的自我裝配用于包括MRI的磁性納米傳感器，該傳感器能夠檢測包括核酸和蛋白質(zhì)的多種靶物質(zhì)。該文獻(xiàn)全文引入本文作為參考。
最后，可利用本領(lǐng)域公知的多種方法來對(duì)表面進(jìn)行圖案化，包括顯微平版印刷和納米平版印刷以及使用抗蝕劑等，并對(duì)包括功能化的自我裝配單層在內(nèi)的單層進(jìn)行自我裝配。
盡管本文對(duì)本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施方案進(jìn)行使用、描述，但是應(yīng)該看出，本發(fā)明提供了多種可使用的發(fā)明概念，這些發(fā)明概念包括廣泛的特定內(nèi)容。本文所述實(shí)施方案僅是為了對(duì)本發(fā)明的特定實(shí)施途徑以及使用進(jìn)行描述，而并非為了對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限制。
序列表SEQUENCE LISTING<110>得克薩斯州立大學(xué)董事會(huì)<120>肽介導(dǎo)的金屬和磁性材料的合成<130>027053-0120<140>PCT/US03/29555<141>2003-09-22<150>60/411,804<151>2002-09-18<160>18<170>PatentIn Ver.3.2<210>1<211>12<212>PRT<213>人工序列<220>
<223>人工序列的描述合成肽<400>1Ala Met Ala Gly Thr Thr Ser Asp Pro Ser Thr Val1 5 10<210>2<211>12<212>PRT<213>人工序列<220>
<223>人工序列的描述合成肽<400>2Ala Ala Ser Pro Thr Gln Ser Met Ser Gln Ala Pro1 5 10<210>3<211>12<212>PRT<213>人工序列<220>
<223>人工序列的描述合成肽<400>3His Thr His Thr Asn Asn Asp Ser Pro Asn Gln Ala1 5 10<210>4<211>12<212>PRT<213>人工序列<220>
<223>人工序列的描述合成肽<400>4Asp Thr Gln Gly Phe His Ser Arg Ser Ser Ser Ala1 5 10<210>5<211>12<212>PRT<213>人工序列<220>
<223>人工序列的描述合成肽<400>5Thr Ser Ser Ser Ala Leu Gln Pro Ala His Ala Trp1 5 10<210>6<211>12<212>PRT<213>人工序列<220>
<223>人工序列的描述合成肽<400>6Ser Glu Ser Ser Pro Ile Ser Leu Asp Tyr Arg Ala1 5 10<210>7<211>12<212>PRT<213>人工序列<220>
<223>人工序列的描述合成肽<400>7Ser Thr His Asn Tyr Gln Ile Pro Arg Pro Pro Thr1 5 10<210>8<211>12<212>PRT<213>人工序列<220>
<223>人工序列的描述合成肽<400>8His Pro Phe Ser Asn Glu Pro Leu Gln Leu Ser Ser1 5 10<210>9<211>12<212>PRT<213>人工序列<220>
<223>人工序列的描述合成肽<400>9Gly Thr Leu Ala Asn Gln Gln Ile Phe Leu Ser Ser1 5 10<210>10<211>12<212>PRT<213>人工序列<220>
<223>人工序列的描述合成肽<400>10His Gly Asn Pro Leu Pro Met Thr Pro Phe Pro Gly1 5 10<210>11<211>12<212>PRT<213>人工序列
<220>
<223>人工序列的描述合成肽<400>11Arg Leu Glu Leu Ala Ile Pro Leu Gln Gly Ser Gly1 5 10<210>12<211>7<212>PRT<213>人工序列<220>
<223>人工序列的描述合成肽<400>12Asn Ala Gly Asp His Ala Asn1 5<210>13<211>7<212>PRT<213>人工序列<220>
<223>人工序列的描述合成肽<400>13Ser Lys Asn Ser Asn Ile Leu1 5<210>14<211>7<212>PRT<213>人工序列<220>
<223>人工序列的描述合成肽<400>14Thr Lys Pro Ser Val Val Gln1 5<210>15<211>12<212>PRT<213>人工序列<220>
<223>人工序列的描述合成肽<400>15Ala Leu Ser Pro His Ser Ala Pro Leu Thr Leu Tyr1 5 10<210>16<211>12<212>PRT<213>人工序列<220>
<223>人工序列的描述合成肽<400>16Ser Val Ser Val Gly Met Lys Pro Ser Pro Arg Pro1 5 10<210>17<211>12
權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)1.一種制備磁性材料的方法，包括下述步驟提供一種分子，該分子含有與磁性材料的表面特異性結(jié)合的部分；以及在允許磁性材料形成的條件下，使一種或多種磁性材料前體與該分子接觸。
2.一種制備磁性材料的方法，包括使促發(fā)磁性材料形成的分子與磁性材料前體和還原劑相接觸的步驟。
3.一種制備磁性材料的方法，包括下述步驟將磁性材料結(jié)合分子與基底相聯(lián)接；在形成磁性材料的條件下，使一種或多種磁性材料前體與磁性材料結(jié)合分子相接觸；以及生成磁性材料。
4.權(quán)利要求1、2或3的方法，其中所述分子包括與磁性材料的表面特異性結(jié)合的氨基酸寡聚體。
5.權(quán)利要求1、2或3的方法，其中所述分子選自組合文庫篩選。
6.權(quán)利要求1、2或3的方法，其進(jìn)一步包括分離磁性材料的步驟。
7.權(quán)利要求1、2或3的方法，其中所述分子被進(jìn)一步定義為包括自我裝配分子部分的肽。
8.權(quán)利要求7的方法，其中所述自我裝配分子為噬菌體。
9.權(quán)利要求1、2或3的方法，其中所述磁性材料為納米顆粒。
10.權(quán)利要求1、2或3的方法，其中所述分子包括在其表面上暴露有一個(gè)或多個(gè)磁性材料結(jié)合氨基酸寡聚體的嵌合蛋白。
11.利用結(jié)合分子和一種或多種磁性材料前體制備的磁性材料。
12.在金屬鹽和還原劑存在下利用磁性金屬特異性結(jié)合分子制備的磁性材料。
13.權(quán)利要求11或12的磁性材料，其中所述磁性材料包括納米顆粒。
14.一種組合物，其包括與ε-Co特異性結(jié)合的肽。
15.一種組合物，其包括與CoPt特異性結(jié)合的肽。
16.一種組合物，其包括與FePt特異性結(jié)合的肽。
17.一種組合物，其包括與SmCo5特異性結(jié)合的肽。
18.一種組合物，其包括與鐵磁性表面特異性結(jié)合的肽。
19.與鐵磁性材料特異性結(jié)合的分子的分離方法，其包括下述步驟使分子文庫與磁性材料相接觸；從文庫中除去未結(jié)合的分子；以及從磁性材料中洗脫結(jié)合的分子。
20.權(quán)利要求19的方法，其中所述分子文庫進(jìn)一步被定義為包括噬菌體展示文庫。
21.權(quán)利要求19的方法，其中所述分子文庫進(jìn)一步被定義為包括組合化學(xué)文庫。
22.權(quán)利要求19的方法，其中所述分子包括與磁性材料特異性結(jié)合的氨基酸寡聚體。
23.制備顆粒薄膜的方法，包括下述步驟將顆粒的溶液加至表面；其中所述顆粒使用結(jié)合分子進(jìn)行合成；蒸發(fā)表面上納米顆粒的溶液；以及使顆粒退火連接到表面上，從而構(gòu)建顆粒薄膜。
24.權(quán)利要求23的方法，其中所述顆粒為納米顆粒。
25.一種制備金屬材料的方法，其包括下述步驟提供一種分子，該分子包括與金屬表面特異性結(jié)合的部分；以及在允許金屬材料形成的條件下，使一種或多種金屬材料前體與所述分子相接觸。
26.一種制備磁性材料的方法，包括下述步驟在300℃或以下的溫度下，使能與磁性材料特異性結(jié)合的分子與磁性材料前體相接觸，以形成磁性材料。
27.一種制備金屬材料的方法，包括下述步驟在300℃或以下的溫度下，使能與金屬材料特異性結(jié)合的分子與金屬材料前體相接觸，以形成金屬材料。
28.一種組合物，其包括寡聚肽和磁性材料，其中所述寡聚肽與磁性材料特異性結(jié)合。
29.一種組合物，其包括SmCo5納米顆粒。
30.一種金屬材料，其包括結(jié)合分子合成的顆粒。
31.一種金屬材料，其包括結(jié)合分子合成的金屬納米顆粒的集合，所述金屬納米顆粒通過退火由多晶變?yōu)閱尉Р牧稀?br> 32.一種金屬材料，其包括結(jié)合分子合成的金屬納米顆粒的集合，所述金屬納米顆粒獨(dú)立地由病毒所合成。
權(quán)利要求
1.一種制備磁性材料的方法，包括下述步驟提供一種含有能與磁性材料表面特異性結(jié)合部分的分子；以及在允許磁性材料材料形成的條件下，使一種或多種磁性材料前體與該分子接觸。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述磁性材料為顆粒。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述磁性材料為納米顆粒。
4.權(quán)利要求1的方法，其中所述磁性材料為鐵磁性材料。
5.權(quán)利要求1的方法，其中所述磁性材料為鐵磁性納米顆粒。
6.權(quán)利要求1的方法，其中所述分子包括與磁性材料的表面特異性結(jié)合的氨基酸寡聚體。
7.權(quán)利要求6的方法，其中所述寡聚體的長度為約7至約100個(gè)氨基酸。
8.權(quán)利要求6的方法，其中所述寡聚體的長度為約7至約20個(gè)氨基酸。
9.權(quán)利要求1的方法，其中所述分子選自組合文庫篩選。
10.權(quán)利要求7的方法，其中所述磁性材料包括Co，SmCo5，CoPt或FePt。
11.權(quán)利要求1的方法，其進(jìn)一步包括分離磁性材料的步驟。
12.權(quán)利要求11的方法，其中所述磁性材料與基底相連接。
13.權(quán)利要求1的方法，其中所述分子被進(jìn)一步定義為包括自我裝配分子部分的肽。
14.權(quán)利要求13的方法，其中所述自我裝配分子為噬菌體。
15.權(quán)利要求13的方法，其中所述自我裝配分子生長在細(xì)菌中。
16.制備磁性材料的方法，包括使促發(fā)磁性材料形成的分子與磁性材料前體和還原劑相接觸的步驟。
17.權(quán)利要求16的方法，其中所述接觸在室溫下進(jìn)行。
18.權(quán)利要求16的方法，其中所述接觸在約350℃或者低于該溫度下進(jìn)行。
19.權(quán)利要求16的方法，其中所述分子為氨基酸寡聚體。
20.權(quán)利要求16的方法，其中所述分子為包括約7至100個(gè)氨基酸的氨基酸寡聚體。
21.權(quán)利要求16的方法，其中所述分子為包括約7至20個(gè)氨基酸的氨基酸寡聚體。
22.權(quán)利要求16的方法，其中所述分子進(jìn)一步包括自我裝配的病毒顆粒。
23.權(quán)利要求16的方法，其中所述磁性材料包括Co，CoPt，SmCo5或FePt磁性材料。
24.權(quán)利要求16的方法，其中所述磁性材料為磁性量子點(diǎn)。
25.權(quán)利要求22的方法，其中所述自我裝配病毒顆粒用于產(chǎn)生鑄型薄膜。
26.權(quán)利要求16的方法，其中所述磁性材料為顆粒。
27.權(quán)利要求16的方法，其中所述磁性材料為納米顆粒。
28.權(quán)利要求16的方法，其中所述磁性材料為鐵磁性材料。
29.權(quán)利要求16的方法，其中所述磁性材料為鐵磁性納米顆粒。
30.按照權(quán)利要求1的方法所制備的磁性材料。
31.按照權(quán)利要求16的方法所制備的磁性材料。
32.制備磁性材料的方法，包括下述步驟將磁性材料結(jié)合分子與基底相聯(lián)接；在形成磁性材料的條件下，使一種或多種磁性材料前體與磁性材料結(jié)合分子相接觸；以及生成磁性材料。
33.權(quán)利要求32的方法，其中所述磁性材料為鐵磁性材料。
34.權(quán)利要求32的方法，其中所述磁性材料為顆粒。
35.權(quán)利要求32的方法，其中所述磁性材料為納米顆粒。
36.權(quán)利要求32的方法，其中所述磁性材料為鐵磁性納米顆粒。
37.權(quán)利要求32的方法，其中所述磁性材料結(jié)合分子包括在其表面上暴露有一個(gè)或多個(gè)磁性材料結(jié)合氨基酸寡聚體的嵌合蛋白。
38.權(quán)利要求32的方法，其中所述磁性材料結(jié)合分子為氨基酸寡聚體。
39.權(quán)利要求32的方法，其中所述磁性材料結(jié)合分子包括約7至100個(gè)氨基酸寡聚體。
40.權(quán)利要求32的方法，其中所述磁性材料結(jié)合分子包括約7至20個(gè)氨基酸寡聚體。
41.權(quán)利要求32的方法，其中所述磁性材料結(jié)合分子與基底化學(xué)連接。
42.權(quán)利要求32的方法，其中所述磁性材料結(jié)合分子包括具有自我裝配的病毒顆粒的嵌合蛋白。
43.權(quán)利要求32的方法，其中所述磁性材料包括Co，CoPt，SmCo5或者FePt。
44.權(quán)利要求32的方法，其中所述方法用于制備薄膜。
45.權(quán)利要求32的方法，其中所述基底包括圖形化的表面，所述磁性材料結(jié)合分子僅固定于圖形化表面的圖形上。
46.權(quán)利要求32方法所制備的磁性材料。
47.利用結(jié)合分子和一種或多種磁性材料前體制備的磁性材料。
48.權(quán)利要求47的磁性材料，其中所述結(jié)合分子包括結(jié)合氨基酸寡聚體部分。
49.權(quán)利要求48的磁性材料，其中所述寡聚體包括約7至100個(gè)氨基酸。
50.權(quán)利要求48的磁性材料，其中所述結(jié)合寡聚體包括約7至20個(gè)氨基酸。
51.權(quán)利要求47的磁性材料，其中所述磁性材料為鐵磁性材料。
52.權(quán)利要求47的磁性材料，其中所述磁性材料包括顆粒。
53.權(quán)利要求47的磁性材料，其中所述磁性材料包括納米顆粒。
54.權(quán)利要求47的磁性材料，其中所述磁性材料鐵磁性納米顆粒。
55.權(quán)利要求47的磁性材料，其中所述磁性材料在低于350攝氏度的溫度下形成。
56.權(quán)利要求47的磁性材料，其中所述磁性材料選自Co，CoPt，SmCo5或者FePt。
57.在金屬鹽和還原劑存在下利用磁性金屬特異性結(jié)合分子制備的磁性材料。
58.權(quán)利要求57的磁性材料，其中所述材料為鐵磁性材料。
59.權(quán)利要求58的磁性材料，其中所述材料為鐵磁性納米顆粒材料。
60.權(quán)利要求59的磁性材料，其中所述結(jié)合分子包括結(jié)合氨基酸寡聚體部分。
61.一種組合物，其包括與ε-Co特異性結(jié)合的肽。
62.權(quán)利要求61的組合物，其中所述肽與ε-Co的結(jié)晶表面特異性結(jié)合。
63.權(quán)利要求61的組合物，其中所述肽的結(jié)合包括ALSPHSAPLTLY(SEQ ID NO.15)序列。
64.一種組合物，其包括與CoPt特異性結(jié)合的肽。
65.權(quán)利要求64的組合物，其中所述肽與CoPt的結(jié)晶表面特異性結(jié)合。
66.權(quán)利要求64的組合物，其中所述肽包括NAGDHAN(SEQ ID NO.12)序列。
67.權(quán)利要求64的組合物，其中所述肽包括SVSVGMKPSPRP(SEQID NO.16)序列。
68.一種組合物，其包括與FePt特異性結(jié)合的肽。
69.權(quán)利要求68的組合物，其中所述肽與FePt的結(jié)晶表面特異性結(jié)合。
70.權(quán)利要求68的組合物，其中所述肽包括SKNSNIL(SEQ ID NO.13)序列。
71.權(quán)利要求68的組合物，其中所述肽包括HNKHLPSTQPLA(SEQID NO.17)序列。
72.一種組合物，其包括與SmCo5特異性結(jié)合的肽。
73.權(quán)利要求72的組合物，其中所述肽與SmCo5的結(jié)晶表面特異性結(jié)合。
74.權(quán)利要求72的組合物，其中所述與SmCo5結(jié)合的肽包括TKPSVVQ(SEQ ID NO.14)序列。
75.權(quán)利要求72的組合物，其中所述與SmCo5結(jié)合的肽包括WDPYSHLLQHPQ(SEQ ID NO.18)序列。
76.一種組合物，其包括與鐵磁性表面特異性結(jié)合的肽。
77.權(quán)利要求76的組合物，其中所述肽與鐵磁性表面的結(jié)晶表面特異性結(jié)合。
78.一種與鐵磁性材料特異性結(jié)合的分子的分離方法，其包括下述步驟使分子文庫與磁性材料相接觸；從文庫中除去未結(jié)合的分子；以及從磁性材料中洗脫結(jié)合的分子。
79.權(quán)利要求78的方法，其進(jìn)一步包括確定與磁性材料結(jié)合分子的分子結(jié)構(gòu)的步驟。
80.權(quán)利要求78的方法，其中所述分子文庫進(jìn)一步被定義為包括噬菌體文庫。
81.權(quán)利要求78的方法，其中所述分子文庫進(jìn)一步被定義為包括噬菌體展示文庫。
82.權(quán)利要求78的方法，其中所述分子文庫進(jìn)一步被定義為包括組合化學(xué)文庫。
83.權(quán)利要求78的方法，其中所述分子文庫進(jìn)一步被定義為包括肽文庫。
84.權(quán)利要求78的方法，其中所述磁性材料為鐵磁性。
85.權(quán)利要求78的方法，其中所述分子包括與磁性材料特異性結(jié)合的氨基酸寡聚體。
86.制備顆粒薄膜的方法，包括下述步驟將顆粒的溶液加至表面；其中所述顆粒使用結(jié)合分子進(jìn)行合成；蒸發(fā)表面上納米顆粒的溶液；以及使顆粒退火連接到表面上，從而構(gòu)建顆粒薄膜。
87.權(quán)利要求86的方法，其中所述顆粒為磁性的。
88.權(quán)利要求86的方法，其中所述顆粒為鐵磁性的。
89.權(quán)利要求86的方法，其中所述顆粒為納米顆粒。
90.權(quán)利要求86的方法，其中所述顆粒為鐵磁性納米顆粒。
91.權(quán)利要求86的方法，其中所述納米顆粒的溶液為溶解于溶劑中的磁性納米顆粒，所述納米顆粒選自ε-Co，Co，SmCo5，CoPt，F(xiàn)ePt，及其組合。
92.權(quán)利要求86的方法，其中對(duì)所述溶劑進(jìn)行蒸發(fā)。
93.權(quán)利要求86的方法，其中所述表面為顯微加工的固體表面，所述分子可通過共價(jià)或非共價(jià)鍵與該表面相連接，該表面選自Langmuir-Bodgett薄膜，玻璃，功能化玻璃，鍺，硅，PTFE，聚苯乙烯，砷化鎵，金，銀，或者任何在表面上摻入了氨基，羧基，巰基，或者羥基官能團(tuán)的材料。
94.權(quán)利要求86的方法，其中所述退火條件為在惰性氣體氛圍下、在至少700攝氏度的溫度下、退火時(shí)間至少為30分鐘。
95.按照權(quán)利要求86的方法制備的顆粒薄膜。
96.一種制備金屬材料的方法，其包括下述步驟提供一種分子，該分子包括與金屬表面特異性結(jié)合的部分；以及在允許金屬材料形成的條件下，使一種或多種金屬材料前體與所述分子相接觸。
97.權(quán)利要求96的方法，其中所述金屬材料的形成在還原劑存在的條件下進(jìn)行。
98.權(quán)利要求96的方法，其中所述分子包括與金屬表面特異性結(jié)合的氨基酸寡聚體部分。
99.權(quán)利要求96的方法，其中所述特異性結(jié)合的寡聚體部分的長度為約7至約100個(gè)氨基酸。
100.權(quán)利要求96的方法，其中所述特異性結(jié)合的寡聚體部分的長度為約7至約20個(gè)氨基酸。
101.權(quán)利要求96的方法，其中所述金屬材料為磁性的。
102.權(quán)利要求96的方法，其中所述金屬材料為鐵磁性的。
103.權(quán)利要求96的方法，其中所述金屬材料為顆粒。
104.權(quán)利要求96的方法，其中所述金屬材料為納米顆粒。
105.權(quán)利要求96的方法，其中所述金屬材料為鐵磁性納米顆粒并且所述分子包括氨基酸寡聚體。
106.制備磁性材料的方法，包括下述步驟在300℃或以下的溫度下，使與磁性材料特異性結(jié)合的分子與磁性材料前體相接觸，以形成磁性材料。
107.權(quán)利要求106的方法，其中所述溫度為200℃或以下。
108.權(quán)利要求106的方法，其中所述溫度為100℃或以下。
109.權(quán)利要求106的方法，其中所述分子包括與磁性材料特異性結(jié)合的肽。
110.權(quán)利要求106的方法，其中所述分子包括與磁性材料特異性結(jié)合的寡聚肽。
111.權(quán)利要求106的方法，其中所述磁性材料為結(jié)晶材料。
112.權(quán)利要求106的方法，其中所述磁性材料為鐵磁性材料。
113.權(quán)利要求106的方法，其中所述磁性材料包括顆粒。
114.權(quán)利要求106的方法，其中所述磁性材料包括納米顆粒。
115.權(quán)利要求106的方法，其中所述接觸和形成在溶液中進(jìn)行，并且所述磁性材料不從溶液中沉淀出來。
116.制備金屬材料的方法，包括下述步驟在300℃或以下的溫度下，使與金屬材料特異性結(jié)合的分子與金屬材料前體相接觸，以形成金屬材料。
117.權(quán)利要求116的方法，其中所述溫度為200℃或以下。
118.權(quán)利要求116的方法，其中所述溫度為100℃或以下。
119.權(quán)利要求116的方法，其中所述分子包括肽。
120.權(quán)利要求116的方法，其中所述分子包括寡聚肽。
121.權(quán)利要求116的方法，其中所述金屬材料為結(jié)晶材料。
122.權(quán)利要求116的方法，其中所述金屬材料為鐵磁性材料。
123.權(quán)利要求116的方法，其中所述金屬材料包括顆粒。
124.權(quán)利要求116的方法，其中所述金屬材料包括納米顆粒。
125.權(quán)利要求116的方法，其中所述接觸和形成在溶液中進(jìn)行，并且所述金屬材料不從溶液中沉淀出來。
126.一種組合物，其包括寡聚肽和磁性材料，其中所述寡聚肽與磁性材料特異性結(jié)合。
127.權(quán)利要求126的組合物，其中所述磁性材料為鐵磁性材料。
128.權(quán)利要求126的組合物，其中所述磁性材料包括磁性合金。
129.權(quán)利要求126的組合物，其中所述磁性材料包括顆粒。
130.權(quán)利要求126的組合物，其中所述磁性材料包括納米顆粒。
131.一種組合物，其包括SmCo5納米顆粒。
132.權(quán)利要求131的組合物，其中所述SmCo5納米顆粒為HCP納米顆粒。
133.一種金屬材料，其包括結(jié)合分子合成的顆粒。
134.權(quán)利要求133的金屬材料，其中所述顆粒為磁性的。
135.權(quán)利要求133的金屬材料，其中所述顆粒為鐵磁性的。
136.權(quán)利要求133的金屬材料，其中所述顆粒為納米顆粒。
137.權(quán)利要求133的金屬材料，其中所述結(jié)合分子合成的顆粒不含有生物分子，該生物分子是通過加熱除去的。
138.權(quán)利要求133的金屬材料，其中所述進(jìn)述顆粒的縱橫比大于50。
139.權(quán)利要求133的金屬材料，其中所述金屬顆粒被延長并且在任意長末端包括功能化區(qū)域。
140.權(quán)利要求133的金屬材料，其中所述金屬顆粒被延長并且在任意長末端具有促進(jìn)結(jié)合的區(qū)域。
141.權(quán)利要求133的金屬材料，其中所述材料在加熱前被固定。
142.一種金屬材料，其包括結(jié)合分子合成的金屬納米顆粒的集合，所述金屬納米顆粒通過退火由多晶變?yōu)閱尉Р牧稀?br> 143.一種金屬材料，其包括結(jié)合分子合成的金屬納米顆粒的集合，所述金屬納米顆粒獨(dú)立地由病毒所合成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種使用被修飾的生物分子來制備磁性納米晶體的方法，所述被修飾的生物分子具有能夠與磁性材料特異性結(jié)合的氨基酸寡聚體。
文檔編號(hào)A61K49/18GK1753724SQ03822226
公開日2006年3月29日 申請(qǐng)日期2003年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月18日
發(fā)明者安吉拉·M·貝爾徹, 布賴恩·賴斯, 毛川賓, 丹尼爾·索利斯 申請(qǐng)人:得克薩斯州立大學(xué)董事會(huì)