很多方法可用于制备薄膜，例如，化学气相沉积法、分子束外延 生长法、蒸发法、溅射法和旋涂法(“Handbook of Thin Film Materials： Vol.1 Deposition and processing of thin films”2002 Ed.Nalwa H.S.， Academic Press；“Thin Films on Glass”1997 Eds.Bach Kraus，Springer- Verlag)。溅射法和电子-蒸发法传统上已成为在电脑产业中用于磁盘 驱动器磁介质的受推荐的优选制备方法。
自组装蛋白质阵列的制备已引起广泛关注，因为这种阵列在当代 纳米技术中提供了多种应用，例如作为半导体装置和生物传感器(Yun S C et.Al.2001，MRS Symposium Proc.j2.3/1-j2/3/6；McMillan A et.Al. 2002 NatureMaterials 1(4)247-252)。形成蛋白质薄膜的方法主要集中 于两段法制备膜。首先，将2-D蛋白质阵列形成在液态膜上。然后将 这些膜转移到固态基质上，例如硅晶片上。Langmuir-Blodgett技术(Britt D W et.Al.Phys.Chem.Chem.Phys.2000 2 4594-4599)是公知的膜制 备技术，其包括在脂质-空气界面形成蛋白质阵列。基于该基本机理的 许多其它方法也已被公开，例如在空气-水界面(Kobayashi K et.al.2001 Biosci.Biotechnol.Biochem.65(1)176-179)、汞-空气界面和液体-空气 界面(Nagayama K et.al.1995 Jpn J Appl.Phys.34 pages 3947-3954) 和镓-水溶液界面(Adachi E et.Al.1998 Chem.Phys.Lett.284 440-445) 制备自组装蛋白质阵列。蛋白质薄膜也可通过喷涂法和气相沉积法形 成(Goodall S et.al.2002 J.Aerosol Med.15(3) pages 351-357)。
在检测产业中，已经公开了通过喷墨印刷法在固态基质上沉积特 定蛋白质的离散单元(Roda A et.al.2000 Biotechniques 28(3) pages 492-496；WO 96/22533)。此处，其目的在于获得固定的个体蛋白质的 阵列，其可用于筛选单一靶标。喷墨印刷法是将电脑衍生信息打印到 纸上的常规技术(Calvert P 2001 Chem.Mater.13 3299-3305)。但单一 点阵法可用于许多领域，其他应用例如磁记录需要非常光滑和连续的 薄膜。
我们现惊奇地发现，喷墨印刷法是一种形成蛋白质、磁性粒子以 及至少部分被大分子材料封装的磁性粒子和半导体纳米粒子薄膜的有 效技术。
发明综述
本发明的第一个方面提供一种形成具有可磁化纳米粒子膜的磁记 录装置的方法，包括制备可磁化纳米粒子在载液中的悬浮液，并将所 述流体悬浮液以体积小于约1nL的小滴形式沉积到基质表面，作为沉 积流体悬浮液的干残渣形成了可磁化纳米粒子的所述膜。
本发明的第二个方面提供一种形成可磁化膜的方法，包括制备可 磁化纳米粒子在载液中的悬浮液，其中的各个可磁化纳米粒子均已至 少部分形成在蛋白质壳体内，并将所述流体悬浮液以体积小于约1nL 的小滴形式沉积到基质表面，作为沉积流体悬浮液的干残渣在基质上 得到所述的可磁化膜。
本发明的第三个方面提供一种在基质上形成无机纳米粒子膜的方 法，包括制备无机纳米粒子在载液中的悬浮液，其中各个无机纳米粒 子均已至少部分形成在蛋白质壳体内，并将所述流体悬浮液以体积小 于约1nL的小滴形式沉积到基质表面，作为沉积流体悬浮液的干残渣 在基质上得到所述膜。
本发明的第四个方面提供一种在基质表面上形成蛋白质薄膜的方 法，所述蛋白质薄膜的厚度小于基本遍及整个膜的组分蛋白质粒子直 径的约10倍，所述方法包括制备蛋白质粒子在载液中的悬浮液，所 述蛋白质粒子已进行膜过滤步骤，并将所述流体悬浮液以体积小于约 1nL的小滴形式沉积到基质表面，作为沉积流体悬浮液的干残渣在基 质上得到所述膜。
本发明的第五个方面提供一种具有可磁化纳米粒子膜的磁记录装 置，其中所述粒子已制备在载液的悬浮液中，并以体积小于约1nL的 小滴形式沉积到基质表面，作为沉积流体悬浮液的干残渣得到可磁化 纳米粒子的所述膜。
附图说明
为了进一步阐述本发明，将参考附图对实施方式进行非限制性描 述。在附图中：
图1：其中基质被竖直方向放置的喷墨印刷装置。
图2：在第一个基质-脱离位置和第二个基质-啮合位置的基质定 位装置。
图3：其中芯轴位于缩回位置的喷墨印刷装置。
图4：其中基质被水平方向放置的喷墨印刷装置。
图5：沉积在玻璃基质上的铁蛋白轻敲模式的AFM图。
图6：沉积在(a)未被辐照的玻璃基质上和(b)被UV光辐照 过的玻璃基质上的铁蛋白轻敲模式的AFM图。

喷墨印刷法包括通过多个超微喷嘴将通常少于亚毫微升的小量液 态物质沉积到基质上。通常，沉积方法包括打印喷嘴的压电辅助或热 辅助操作。每滴沉积液体的量通常大于约0.1微微升，例如大于约1 微微升。该量可小于约1毫微升，例如小于约100微微升或小于约10 微微升。在本发明优选的方面，每滴沉积液的量为约3微微升。
微微升量物质的喷嘴-沉积法能够很好地控制沉积在基质既定区 域上物质的体积。在将要与基质接触前，液滴的质量等于喷墨喷嘴上 存在的液滴质量。可替换地，在与基质接触前单个液滴可被细分成更 小的亚液滴“喷雾”。在液滴形成这样的喷雾时，其性能很大程度上 取决于起始液滴的尺寸和喷头与基质间的距离。液滴细分的程度依次 决定了基质被覆盖的区域。喷墨印刷法提供的细孔能够较高程度地控 制喷墨产生的纳米粒子小滴。
另外，喷墨印刷技术能够方便地复合到工业制备过程中，并且与 槽式涂覆系统相比，就基材每单位面积涂覆材料的重量而言可能需要 更少的原材料。
当粒子是磁性纳米粒子时，它们可至少部分被封装在大分子壳体 中。可替换地，磁性纳米粒子可不被封装。这些粒子可通过本领域技 术人员公知的方法来形成，优选方法产生适当的尺寸和分散度控制。 在本发明的一个方面，磁性纳米粒子形成在大分子壳体例如蛋白质 中。该壳体随后可被除去，例如通过激光热解法，留下不被封装的磁 性纳米粒子。磁性纳米粒子也可形成在随后也可被除去的表面活性剂 的胶束中，例如通过将表面活性剂溶液稀释至临界浓度以下，然后进 行过滤。
当粒子为非磁性粒子时，例如半导体纳米粒子，它们可至少部分 被蛋白质壳体封装。可选择地，它们可形成在随后可通过例如激光热 解法除去的封装蛋白质壳体内，留下不被封装的非磁性纳米粒子。
磁记录介质是具有磁性并能够储存数据的任何介质。优选，但没 有限制，记录介质可存在于硬盘驱动器中，例如用于电脑、音频设备、 汽车、录像设备等。另外，介质也可用于磁带或磁卡装置。
在本发明的一些方面，磁记录装置优选数据存储容量大于1Gb/ 平方英寸，优选大于5Gb/平方英寸，更优选大于10Gb/平方英寸和 最优选大于20Gb/平方英寸。
用于本发明的喷墨印刷装置适当地包括：(i)盛放涂层粒子的贮 存池；(ii)喷墨头；(iii)连接贮存池和喷墨头的导管；(v)使待涂 覆的基质保持在牢固位置的支撑元件；(vi)使喷墨头和基质问相对移 动的装置；(vii)控制喷墨头和基质问相对移动的控制装置，例如电 脑软件。任选在连接贮存池和喷墨头的导管线内可包括阀。
喷墨头通常适当地依次包括(i)进入端口；(ii)涂层粒子悬浮 液的贮藏池部分；(iii)多个具有预定尺寸的孔的喷嘴，优选各个喷嘴 包括更小的贮藏池部分；(iv)从喷嘴喷射涂层悬浮液液滴的机械装 置。
喷射墨滴的各种系统是已知的，主要有压电法、热法、静电法和 声学法(Le HP 1998 J.Imaging Sci.Tech.42 49-62)。例如在气泡式喷 墨印刷头中，各个喷嘴单元均包括加热元件。当元件温度快速升高至 数百温度时，便产生促使液滴通过喷嘴的气泡，这些气泡取代了液态 墨。在压电沉积中，施加到位于喷嘴内整个压电晶体上的电场导致晶 体变形，从而降低了用于液体的喷嘴的体积，并使液滴从孔口释放出 来，其中的喷嘴通常为陶瓷。上述系统的任何一个均可用于本发明。
在操作适用于本发明喷墨涂覆装置时，通过喷墨头将粒子悬浮液 施加到基质上。在优选的实施方式中，喷墨头喷嘴被放置成基本与基 质表面垂直。在沉积过程中，基质和喷墨头彼此相对移动，从而喷墨 头能够将粒子悬浮液施加到基质需要涂覆的区域。该相对移动可通过 喷墨头的移动来实现，也可通过基质的移动或两者均移动来实现。如 果需要，也可调整基质表面和喷墨喷嘴间的距离。这种调整在本领域 普通技术人员能够实现的范围内。
基质优选为圆形，但可为适于既定应用的任何形状。
在本发明的一个方面，基质表面优选尽可能光滑。基质表面不必 在其整个区域内均为平面，但应当基本上不存在局部不连续。就表面 粗糙度而言，平均表面粗糙度Ra优选小于约1nm，例如约0.1nm。Ra 是通过找到与表面平行的平均中心线来确定。对任何低于中心线的谷 进行转化以峰来计算。高于中心线的峰(包括换算后的谷)的平均高 度为平均粗糙度Ra。基质表面的平均粗糙度可通过本领域技术人员公 知的技术来确定，例如，通过轮廓曲线测量法、椭圆偏振法或原子力 显微镜法或其结合。例如，可使用原子力显微镜法。
在本发明可替换的方面，基质具有更大的粗糙度。例如，基质的 平均表面粗糙度Ra大于约1nm，优选大于约5nm。在该方面，表面 粗糙度Ra优选小于约30nm，例如小于约20nm或约10nm。已发现 在本发明的一些实施方式中，通过控制表面粗糙的平均尺寸可获得基 质和涂层粒子间更大的粘合。
基质也优选具有高的表面硬度，例如，维克斯(Vickers)硬度大 于约600kg/mm，优选大于约700kg/mm。也希望基质具有高的劲度， 例如弹性模量大于约70Gpa，优选大于约80Gpa和更优选大于约90 Gpa。基质也可具有特性模量大于约25Gpa，例如大于约30Gpa或大 于约35Gpa。基质具有低的热膨胀系数是有利的，因为这提高了由涂 覆基质制备的记录装置的可读性。热膨胀系数优选小于30ppm K-1， 例如小于20ppm K-1。在特别优选的实施方式中，基质的热膨胀系数 小于10ppm K-1。在本发明优选的实施方式中，基质具有低的热传导 性。这升高了涂覆基质可被有效用作磁记录装置的温度。因此，本发 明优选的基质热传导性小于20Wm-1K-1，例如小于10Wm-1K-1或小于 约5Wm-1K-1。适当材料的例子是玻璃，例如从Ohara Inc Japan(15-30， Oyama 1-Chome，Sagamihara-Shi，Kanagawa，229-1186 Tel：(81)42-772- 2101，Fax：(81) 42-774-1071，http：∥www.ohara-inc.co.jp)购买的TS- 10SX，和铝。当材料为铝时，其可用Ni-亚磷的化合物涂覆。
在本发明的一个实施方式中，基质被竖直放置，且使喷墨头与所 述基质(1)垂直排列，如图1所示。至少一个喷墨头(2)与基质的 一个面垂直排列。在另一个实施方式中，装置可包括至少一个放置在 所述基质任一个面上的喷墨头。基质绕着芯轴(3)(轴X)旋转，同 时喷墨头装置保持静止。可替换地，基质可保持在静止位置，而喷墨 头绕着轴“X”旋转或在基本上与基质平面平行的单一平面“Y”内移 动。在本发明优选的方面，基质和喷墨头同时进行运动。例如，基质 旋转，同时喷墨头装置绕着轴“X”旋转或在平面“Y”内移动。在基 质相对于喷墨头旋转时，旋转角速度可通过控制随喷墨头径向位置变 化的控制装置来调节，以确保被喷墨头覆盖的基质区域基本保持不 变。典型的基质为圆盘形的。
在涂覆前，将基质圆盘安置到喷墨涂覆装置的芯轴上，如图1和 图4所示。图2表示包括拱形结构(2)的适当的定位设备，其中单 个夹紧元件(3)从所述的拱形结构呈放射状突出。在第一个位置(图 2b)，各个元件与圆盘(1)的外轮缘啮合。而且，这些元件使圆盘保 持在拱形结构内，并使其准确移动到定位于芯轴上的位置。当圆盘被 安置到芯轴上后，夹紧元件可从圆盘轮缘脱离，如图2a所示。夹紧 元件可为例如弹簧形成的结构或沿着其纵向轴可缩回的固态钉。
为了使圆盘位于喷墨涂覆装置中，支撑圆盘的芯轴(3)可通过 控制装置(4)缩回到第一位置。基质圆盘然后可移动到位于涂覆装 置内的位置，如图3所示。将圆盘安置在涂覆装置内，使圆盘的孔中 心与可缩回芯轴的纵向轴成一直线。可缩回的芯轴然后可插入到圆盘 的中心孔。然后将圆盘牢固地夹到芯轴上。本领域的技术人员能够明 确圆盘夹紧装置例如垫圈等可被机械式应用，以确保圆盘充分地被固 定在与芯轴纵向轴垂直的平面内，从而当芯轴以所期望的速度旋转 时，圆盘将旋转并保持在其位于单一平面内的位置上。例如，芯轴可 具有能被扩大的横截面，从而其能膨胀以充满圆盘的中心孔，确保其 在垂直位置。本领域的技术人员易于理解可用于旋转芯轴的多种装 置。
在如图4所示的另一个实施方式中，基质可被固定到基本在水平 面内的芯轴上。喷墨头(1)被安置到基质(2)上方，并可在与平面 “X”平行的方向移动。在操作中，基质绕着芯轴(3)“X”轴旋转， 同时喷墨头装置保持静止。可替换地，基质保持在静止位置，喷墨头 在基本与基质表面平行的平面“X”内移动。在本发明优选的方面， 基质和喷墨头同时移动。例如，基质旋转，同时喷墨头装置在“X” 平面内运动。
在操作中，本领域的技术人员能够理解，一旦基质位于预定被涂 覆的位置，其应与保持装置例如芯轴牢固地啮合。“牢固”一词是指 基质基本上不偏离其在单一平面内的位置，从而喷墨印刷能够进行到 所需要的有效程度，而不会破坏喷墨头或基质。
在用于本发明的装置中，本领域的技术人员能够理解喷墨头的尺 寸可根据具体应用进行选择。例如，可设计固定在静止位置的喷墨头， 例如上述图1和图4所示设备的一些实施方式，从而其纵向尺寸基本 上等于要被涂覆的圆盘的直径。另外，用在具体喷头中喷嘴的数目由 要被喷墨头覆盖的表面积确定。本领域的技术人员能够明确喷嘴的数 目和喷嘴的尺寸可根据具体应用来设计，且可构建能交替容纳不同喷 头的喷墨涂覆装置。
在本发明各个方面优选的实施方式中，对基质进行处理以促进涂 覆粒子悬浮液在其上的分散。该处理可包括化学、机械或辐照处理或 其结合。例如，化学处理可包括使用润湿剂，例如醇，例如戊-1-醇、 或使用分散剂/表面活性剂，例如NP40(Accurate Chemical and Scientific， Westbury，NY 11590US，Tel：(516) 333-2221(800)645-6264，Fax：(516) 997-4948)。在涂覆粒子悬浮液之前可将分散剂涂覆到基质上。可替换 地，分散剂和/或润湿剂可加到要在基质上形成膜的含粒子的悬浮液 中。基质的优化涂层所需的润湿剂或分散剂的量取决于具体的分散 液，但加入量优选当喷墨头内的附加喷射力不存在时不会导致喷嘴孔 处的表面张力降低到不足以维持喷嘴内悬浮液的值。
在本发明的一些实施方式中，在涂覆前对基质表面进行预处理。 这可通过例如机械处理或辐照处理进行。机械处理可包括清洁基质， 例如通过化学-机械抛光法。辐照处理优选包括将基质置于紫外线下。
预处理剂源通常位于与喷射头(4)相同的平面内。圆盘通常在 所示的方向(箭头)旋转，且预处理剂例如辐照束或化学润湿剂在基 质置于喷墨头下之前与基质接触。预处理的持续时间和预处理间的时 间间隔以及涂料取决于应用。例如，预处理剂源和喷墨头可基本上同 时操作，从而预处理包括使圆盘通过预处理剂源目标区域的仅一个单 程。在其它实施方式中，基质区域可发生圆盘通过预处理剂源目标区 域的多个单程。在通过喷墨印刷将粒子沉积到基质上之前，经过了一 段时间间隔。
优选使用如图1所示设备，其包括放置在基本相互平行的平面内 的喷墨头和紫外光源，使得喷墨头基本上与基质垂直放置，且紫外光 源头(4)发出的光束基本上在也与基质垂直的平面内。
粒子沉积到基质上之后也可对膜进行处理，例如通过UV-固化、 或暴露于IR光线或通过加热进行。膜也可在粒子沉积之后进行退火， 例如通过在常规退火炉中加热基质至温度至少约300℃或通过暴露于 激光束中。当膜要用作磁记录装置中的元件时，特别优选的是对膜进 行退火，因为这会极大地改善膜的磁性能。
在本发明的许多方面，例如用于磁记录介质中的磁纳米粒子膜， 膜的表面优选尽可能地光滑和平坦。膜的表面不必在其整个区域绝对 平坦，但由于操作中读磁头的临近作用，膜的表面应当基本上没有局 部不连续。例如，在膜表面上的不连续优选高于磁性表面的高度小于 约13nm。这表示在封存在去铁铁蛋白壳体内的磁性纳米粒子的情况 下，膜表面内不连续尺寸的容许程度约为一个粒子的直径(包括封存 壳体)以有效作为磁记录介质。
也优选，膜厚度不大于2个基本遍及整个膜的粒子的直径(包括 任何的封存壳体)，特别是当基质在涂覆粒子长度规上相对光滑时。
因此，在本发明一个优选的方面，膜基本上为连续的单层膜形式。 膜应当基本上连续，以减少膜厚度不连续的发生，这种部连续会产生 涂覆区域和未涂覆区域间的界面。
例如，我们能够在可磁化装置上进行磁记录，包括在平均表面粗 糙度Ra小于约1nm的基质上封装铁蛋白的磁性纳米粒子，其中在基 质上膜厚度的变化约为25nm(单个铁蛋白粒子的直径约为该值的一 半)。
在本发明的其他方面，当膜不用作磁存储介质时，对膜表面平滑 度的要求可宽松一些。所需的膜平滑度取决于具体应用，但在一些方 面中，例如，膜的平均表面粗糙度不大于约10个，例如不大于约5 个或不大于约3或2个粒子直径(包括任何的封装壳体)。
由于根据本发明的不同方面基质具有不同的粗糙度，因此膜表面 上即定点的膜厚度在一定程度上取决于衬底基质的表面粗糙度。因此 在本发明的一些方面，膜厚度在深度上的变化不大于基本遍及整个膜 的组分粒子直径的约10倍(包括任何的封装壳体)，更优选不大于粒 子直径的约5倍，和最优选不大于粒子直径的约3或2倍。膜的绝对 厚度取决于粒子的直径，但根据本发明制备的膜厚度通常小于约500 nm，更优选小于约100nm和最优选小于约50nm。在本发明特别优 选的实施方式中，遍及整个膜的膜厚度小于约30nm。
当本发明涉及一种通过将磁性或可磁化的纳米粒子以体积小于约 1nL的小滴形式沉积到基材上制备磁记录装置的方法时，例如通过喷 墨印刷法，其中的磁性粒子可被封装或不被封装。
在粒子被封装的情况下，封装材料可包括有机材料或无机材料， 例如硅氧烷、硅烷或其衍生物。术语“封装的”是指用大分子材料涂 覆或形成在大分子材料预定空穴内的粒子。封装材料可为连续的一元 结构，例如，包括多个多肽链的多亚基蛋白质。可替换地，封装材料 可以分离的一元结构存在，其至少部分包住无机材料，其保持并列但 分离的结构，或与相邻的结构相互作用形成多组分结构。
封装材料可包括单一组分或共同作用的多种组分，以容纳核芯磁 性纳米粒子，粒子的直径(或非球形粒子时的最大直径)优选不大于 约100nm。优选直径不大于约50nm，更优选其约为20nm或更小。 该尺寸至少部分由封装材料的尺寸确定。可替换地，封装材料可包括 适当的不被完全包住的开口，但其能仍接收和承载磁性粒子；例如， 开孔可由大分子内的环面限定。
在本发明涉及形成可磁化膜和磁记录装置的方面，核芯可磁化纳 米粒子不应当太小以至在环境温度下不能保持铁磁性。环境温度通常 高于约0℃，例如高于约15℃。环境温度通常低于约50℃，例如低于 约30℃。这表明在环境温度下操作时，可磁化纳米粒子通常大于2nm。
在优选的实施方式中，封装材料可为有机大分子，且分子量高达 约1500kD，通常小于约500kD，其中有机大分子我们是指分子或分 子的组装体。这类有机大分子可为表面活性剂、聚合物或蛋白质。
当本发明涉及在基质上制备可磁化膜或无机纳米粒子膜时，所述 粒子至少部分形成在封装蛋白质壳体内，但在基质上沉积时可被封装 或不被封装。当无机纳米粒子是半导体纳米粒子时，本发明的一些实 施方式优选这些粒子以不封装的形式沉积到基质上，因为这会产生更 高存储密度的半导体膜。
在本发明涉及蛋白质的各个方面，蛋白质可从天然或从其它来源 得到，包括人造蛋白质，例如重组蛋白质。
在本发明第一、第二和第三方面的一些优选实施方式中，蛋白质 作为封装材料，其至少部分包住无机粒子。在优选的实施方式中，无 机粒子包括磁性金属或金属合金，或半导体材料。
在本发明第五个方面的实施方式中，至少当膜在基质上的形成过 程中，蛋白质不与其它材料结合。
适用于本发明的蛋白质包括鞭毛L-P环、抗菌素、chaperoninins 例如细菌GroEL和GroES、DPS和衣壳病毒。例如，DPS是铁蛋白同 源体、dodecamer DNA保护蛋白质，其包括在三重轴上的空芯。鞭毛 L-P环是内径约13nm和外径约20nm的环形结构。它们可被诱导并 集中成排列整齐且延伸几个微米的陈列，约13nm厚。在更加稀的浓 度下，二聚体可形成约26nm厚的阵列。
在涉及蛋白质的本发明非常优选的实施方式中，蛋白质是铁蛋白 族中的一名成员。本发明最优选使用铁存储蛋白、铁蛋白，利用其内 部空穴制备纳米级无机粒子。铁蛋白的分子量为450kD。铁蛋白用在 所有有生命物种内的铁代谢中，且其结构很好地保留在其中。其由24 个自组装的亚级单元组成，以提供外径约12nm的中孔壳体。壳体具 有直径为8nm的空穴，其通常储存约4500个顺磁性水合氧化铁形式 的铁(III)原子。该水合氧化铁可被除去(没有水合氧化铁的铁蛋白 被称为“去铁铁蛋白”)，且可复合其它材料。铁蛋白中的亚级排列紧 密；但是在3-重轴和4-重轴上有进入空穴的通道。
用在本发明涉及蛋白质的各个方面的优选蛋白质是去铁铁蛋白， 其具有直径约为8nm的空穴。
铁蛋白可在脊椎动物、无脊椎动物、植物、真菌类、酵母、细菌 中天然存在。也可通过重组技术合成制备。这些合成形态可与天然形 态完全相同，尽管也可能合成突变异种形态，但这些突变异种形态仍 能保留在其内部空穴容纳粒子的基本性能。铁蛋白的所有这些天然的 和合成的形态的用途均在本发明的保护范围内。
在氮气流下通过在缓冲乙酸钠溶液中透析将铁蛋白转变成去铁铁 蛋白。可通过使用例如硫代乙醇酸的还原螯合作用来除去水合氧化铁 核芯。其随后可通过在氯化钠溶液中重复透析以从溶液完全除去还原 的水合氧化铁核芯。去铁铁蛋白松弛态下的空穴约为8nm。核芯纳米 粒子(即，除去了封装材料的核芯材料)的直径可达约15nm，因为 蛋白质可伸展以容纳直径大于1个8nm的更大的粒子。
在本发明涉及磁性纳米粒子薄膜形成的不同方面中，可被封装或 不被封装的磁性纳米粒子包括铁磁性金属，例如钴、铁或镍；金属合 金；稀土金属和过渡金属合金；M-型或尖晶石铁酸盐。金属或金属合 金可包括一种或多种下列物质：铝、钡、铋、铈、铬、钴、铜、镝、 铒、铕、钆、钬、铁、镧、镥、锰、钼、钕、镍、铌、钯、铂、镨、 钷、钐、锶、铽、铥、钛、钒、镱和钇或其任意的混合物。
优选所述的磁性纳米粒子包括二元合金或三元合金，例如钴-镍、 铁-铂、钴-钯、铁-钯、钐-钴、镝-铁-特比德烧结耐热合金(turbide) 或钕-铁溴化物、铁-钴-铂、钴-镍-铂或钴-镍-铬。更优选，所述纳米粒 子包括钴或铂或其合金，例如钴和铂的合金。
在本发明第一个方面的优选实施方式中，磁性纳米粒子被蛋白质 材料封装。
在本发明第三个方面的优选实施方式中，粒子是被蛋白质材料封 装的磁性纳米粒子或半导体纳米粒子。在本发明该方面的一个具体实 施方式中，磁性粒子包括被去铁铁蛋白或DPS封装的钴/铂合金或铁/ 铂合金。
磁性纳米粒子可通过如下方法制备，其中封装材料例如有机大分 子通常在含水介质中的悬浮液与适当的金属的离子源结合，构成核芯 磁性纳米粒子。在该方法中，优选金属离子源被逐渐加入到封装材料 源中。例如，可加入足量的阳离子和阴离子源提供每个封装壳体每次 循环多于1个原子的阳离子和阴离子源，优选提供每个封装壳体每次 循环多于20个原子的阳离子和阴离子源。可加入足量的阳离子和阴 离子源提供每个封装壳体每次循环少于200个原子的阳离子和阴离子 源，优选提供每个封装壳体每次循环少于100个原子的阳粒子和阴离 子源。优选，可加入足量阳离子和阴粒子源提供每个封装壳体每次循 环约50个原子的阳粒子和阴离子源。这些低浓度可通过连续稀释含 阳离子和阴离子源的溶液获得。金属离子源可为包括磁性纳米粒子的 金属盐，例如四氯铂酸铵。可替换但不优选，金属离子源可存在于向 其中加入有机大分子源的组合物中。
可搅动有机大分子和金属离子的混合物以保证均匀度。当磁性纳 米粒子要包括元素金属或合金时，还原在组合物上发生，而纳米级金 属粒子形成在有机大分子空穴内。该还原优选在惰性气氛下进行以保 护金属纳米粒子不被氧化，其中氧化会降低它们的磁性。还原/氧化步 骤可在金属离子添加物(各个周期中可相同或不同)间重复进行以逐 步形成纳米粒子。
反应混合物可在低于优选温度的温度下形成，所述的优选温度是 能够形成磁性纳米粒子的温度，然后升高该温度。可替换地，将金属 离子源加入其中的封装材料源可保持在至少24℃的温度，并将金属离 子源加入其中。
在失去其三元结构前，蛋白质通常可耐受高达70℃的温度。从 而在封装材料为蛋白质的实施方式中，反应温度可高达约70℃。对于 这些实施方式，反应温度优选保持在25℃以上，例如高于约35℃。 温度优选保持低于约60℃，例如低于约50℃。
在制备用于本发明的封装磁性纳米粒子时，大分子模板中形成磁 性核芯纳米粒子时水合介质保持在碱性pH范围内。所述pH优选保持 在7.5-8.5的范围。这可通过使用缓冲溶液来实现。根据所用封装剂的 不同使用适当的溶液。
制备纳米粒子后，在基质表面沉积之前将它们放置到载液中。若 在悬浮液中制备纳米粒子，那么悬浮液可为构成载液的成分或全部。 可替换地，纳米粒子可从已在载液中制备并再悬浮的悬浮液中提取。 该流体的物理性质可根据具体应用进行调整。例如在蛋白质封装纳米 粒子的情况下，环境条件，例如温度、pH和离子强度可维持在适当 的水平，以避免在沉积前对蛋白质不必要的破坏。
也可调整载液的性质以使液滴易于沉积到基质表面。例如，可调 整载液的表面张力以得到更高的可铺展性。载液可为水合的或非水合 的，且具有调整其物理性能的附加添加剂。在优选的实施方式中，载 液是水。
在一个实施方式中，当本发明涉及通过喷墨印刷法将大分子材料 封装的无机纳米粒子沉积时，无机纳米粒子优选是半导体粒子。
本发明第三个方面非常优选的实施方式提供了一种制备半导体纳 米粒子膜的方法，其中所述的粒子包括被去铁铁蛋白或DPS封装的 CdS、CdSe、CdTe、ZnS、ZnSe或ZnTe。
在本发明第一、第二或第三方面的一些实施方式中，当纳米粒子 被沉积到基质上后，可除去封装壳体剩下没有涂层的无机粒子。
在本发明的其他实施方式中，可对封装材料进行处理，剩下包住 核芯纳米粒子的残留物，例如通过将基质置于高温下使大分子壳体炭 化，例如约300℃的高温。可替换地，如果需要，可使用激光热解法 原位炭化纳米粒子。通过在高温例如高于约500℃的温度下热解纳米 粒子薄膜可燃烧掉大分子壳体。这优选通过控制环境惰性来实现，例 如通过向热解容器中引入氢气或氮气。
也可使用其它方法除去蛋白质封装材料，例如酶降解法或pH变 性法。特别地，蛋白质可利用蛋白酶消化或通过将组合物的pH值调 整到蛋白质稳定的pH范围以外而变性，例如低于约pH4.0或高于约 pH9.0。然后通过例如清洗基质或将其置于气流中除去变性的蛋白质 材料。在优选的实施方式中，通过将组合物的pH值调整至低于约pH4.0 使蛋白质变性。
通过喷墨印刷法制备纳米粒子的光滑膜可通过预处理液态粒子悬 浮液来增强，以增加粒子的单分散性。另外，预处理可通过除去不希 望的碎片增强膜的形成。术语“单分散性”是指在本发明组合物中单 个磁性纳米粒子尺寸的变化较小。就最大纳米级尺度进行测量，这种 改变通常应当小于约20％、优选小于约10％和最优选小于约5％。对 于平均尺寸相对较大例如约50nm的组合物，优选变化在上述范围的 下限，而对于相对较小的粒子，例如约10nm，变化可在上述范围的 上限。本发明粒子的尺寸可使用例如透射电子显微镜(TEM)法来测 量。在本发明核芯纳米粒子被大分子或蛋白质壳体封装的方面，在测 量核芯纳米粒子尺寸之前，有必要除去封装纳米粒子代表性样品中的 壳体。这可使用本领域技术人员已知的任何方法来实现，例如通过上 面详述的任一种方法，如热解法。
我们已发现封装纳米粒子的单分散性可通过在基质上沉积之前对 包括所述纳米粒子的液态组合物进行微孔膜过滤，其中的沉积通过例 如喷墨印刷法。另外，该准备步骤通常有助于除去不希望的碎片。
在准备性过滤步骤中，对封装纳米粒子的组合物，尽管在一些实 施方式中也可使用其它溶剂例如醇或烷但优选为水合溶液，进行微孔 膜过滤。在该过滤步骤中，将组合物引到过滤器的一面，并通过膜过 滤。用于本发明的纳米粒子优选以约0.1-约20mg/mL的浓度存在于 组合物中。在一个实施方式中，组合物的pH优选为约7-约8.5。优选， 在过滤步骤中对组合物施加正压力。例如，施加压力可大于约1psi， 例如大于约5psi。通常，压力小于约20psi，例如小于约15psi。然 后回收包括纳米粒子组合物的滤液。
膜过滤器是已知结构，其与非膜过滤器的区别在于膜为整体结 构，即，固态结构永久连接形成连续的固相。相比而言，非膜过滤器 是由通过机械缠结或其它表面力固定在适当位置的纤维形成。如果需 要，制备的膜过滤器可具有窄的孔尺寸分布和非常小的孔。用于本发 明的微孔过滤膜的孔尺寸约0.02-约10μm，优选小于约1μm和最优 选小于约0.5μm；可用于本发明的孔尺寸的具体例子是约0.2μm的孔 和约0.1μm的孔。用来分级待用于本发明的粒子的微孔过滤器可由多 种材料制备，包括聚合物、金属、陶瓷、玻璃和碳。所述膜通常由所 述领域公知的聚合材料制备，以用在膜过滤中，例如，聚砜、聚醚砜 (PES)、聚丙烯酸酯、聚亚乙烯基类(polyvinylidenes)如聚偏二氟 乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、纤维素、纤维素酯或其共聚物。 优选当封装材料为蛋白质时，选择的膜包括低蛋白质结合性的物质， 例如聚醚砜或聚亚乙烯基。这类微孔过滤器可从Millipore Corporation(Bedford，MA)得到。
膜过滤器可为膜圆盘，尽管其它形式的膜过滤器也适用于本发 明。
重要的是，我们已发现为了制备稳定的纳米粒子组合物，过滤器 孔尺寸的数量级可比纳米粒子材料的尺寸大几个数量级。例如，当用 于本发明的粒子被铁蛋白封装时，该蛋白质的直径约为12nm。我们 发现使用0.2μm和0.1μm的过滤器可获得防止聚集的铁蛋白封装纳 米粒子的稳定产物。
通常，用于本发明的纳米粒子的尺寸均在纳米尺寸范围内，通常 至少约1nm且不大于约100nm，优选不大于约50nm，和更优选不大 于约20nm。优选本发明的磁性或半导体纳米粒子基本上是直径为约 1-100nm的球体。但是，本发明也扩展至具有一维尺寸不在纳米级范 围内的磁性粒子。
在本发明涉及磁性纳米粒子时，预处理净化步骤可包括封装磁性 纳米粒子的磁性分级步骤。这包括在重力作用下或通过施加正压力并 同时对其施加磁场使含磁性纳米粒子的液态组合物通过阻滞介质，从 而组合物内的粒子根据它们的磁性在空间上得到分离。不管被封装还 是不被封装，由于磁性粒子的磁性由核芯磁性纳米粒子的尺寸决定， 所以该方法也提供了获得其中的核芯粒子具有高单分散度的组合物的 装置。
阻滞介质可包括粉末状、珠状或所述领域已知的其它形状的钢制 品，例如IV 20L型或其它适当的软磁性材料。尽管磁性纳米粒子在通 过分级设备时可具有诱导相互作用的形式，但优选阻滞介质包括不与 磁性纳米粒子组合物以破坏或改变其结构的方式发生化学反应的物 质。
本领域的技术人员能够理解可得到用于磁性分级的多种设备，例 如磁性线、磁性粉末套色版和场流分级技术。在本发明优选的实施方 式中，组合物以流速为约0.2-10ml/min-1的流速通过包括磁性粉末的 柱。磁性分级也具有使纳米粒子悬浮其中的流体介质能被交换的优 点。
在粒子为磁性粒子的情况下，预处理阶段可包括过滤步骤或磁性 分级步骤，或包括任何次序的两个步骤。
通过以下非限定性的实施例对本发明进行阐述：
实施例
制备去铁铁蛋白，如WO 98/22942中的描述。
实施例1，合成在去铁铁蛋白内的钴/铂纳米粒子
将去铁铁蛋白分散在0.05M 4-(2-羟乙基)-1-哌嗪乙烷-磺酸 (HEPES)缓冲液中缓冲至pH 7.5-8.5，或分散在0.25M AMPSO中 缓冲至pH7.5-8.5。然后加入等量0.1M的钴(II)乙酸盐溶液和0.1M 的四氯铂酸(II)铵溶液，并在温度35℃-50℃时搅拌混合物。然后用 硼氢化钠还原。加入大量的金属盐，并随后还原以获得去铁铁蛋白， 其中核芯基本上被Co/Pt晶体占据(Mayes E 2002.J.Magn.Soc.Japan. 26(8)932-935：Warne B et.Al.2000 IEE Transactions on Magnetics 36 3009-3011)。
实施例2.合成在去铁铁蛋白内的铁-铂纳米粒子
将去铁铁蛋白分散在50mM 3-([1，1-二甲基-2-羟乙基]氨基)-2-羟 基丙烷磺酸(AMPSO)溶液中，并缓冲至pH 8.5-8.9；将悬浮液温度 维持在40℃-70℃。向去铁铁蛋白悬浮液中逐渐加入等量的硫酸铵铁 (II)(25mM)和四氯铂酸铵(II)(25mM)的脱气溶液。加入的铁(II) 和铂(II)的等量份相当于每个去铁铁蛋白分子中100个原子。在各 次加入铁之后，加入相当于铁(II)2/3的化学计量等量的铁(II)的 三甲基胺-N-氧化物(25mM)。待各次加入铂(II)之后，加入化学计 量的适当还原剂，例如硼氢化钠或联氨。逐渐加入等量份间的时间间 隔约为15分钟，除了加入铁(II)氧化物时，其是在向反应悬浮液中加 入铁(II)后立即加入。加入进行到直至去铁铁蛋白基本上被磁铁矿/ 铂(O)核芯填满。然后用水对悬浮液进行透析，并在浓缩或准备使 用前通过0.2μm的过滤器进行过滤。
实施例3.将铁蛋白喷墨印刷到玻璃基质上
用Oliver Design(SN252)多匣式圆盘清洁系统清洁玻璃基质。
下述过程中使用EPSON喷墨印刷机(图像1290)：使用注射器 将蛋白质浓度约为2-10mg/ml的铁蛋白水悬浮液引入打印机头，其中 打印机头具有-5cm(约0.075psi)的静态头。
将圆盘放在圆盘固持匣中，并放置在注射头下方的固定位置。铁 蛋白悬浮液以在10-100cm sec-1间的变化头速度沉积到玻璃圆盘上。
在一些情况下，使用相同的铁蛋白材料对圆盘进行另一周期的喷 墨印刷。
铁蛋白沉积后，移去圆盘并用原子力显微镜(AFM)进行分析。 发现该涂覆方法得到厚度为100nm-12nm的膜，后者是铁蛋白单层的 特征。样品的AFM图谱如图5所示。
实施例4将被去铁铁蛋白封装的钴-铂喷墨印刷到玻璃基质上
用Oliver Design(SN252)多匣式圆盘清洁系统清洁玻璃基质。
在下述过程中使用EPSON喷墨印刷机(图像1290)：使用注射 器将蛋白质浓度约为2-10mg/ml的实施例1所述的被去铁铁蛋白封装 的钴-铂合金的水悬浮液(其可含高达0.2％的联氨)引入打印机头， 其中的打印机头具有-5em(约0.075psi)的静态头。
将圆盘放在圆盘固持匣中，并放置在注射头下方的固定位置。被 去铁铁蛋白封装的金属合金的组合物以在10-100cm sec-1间的变化头 速度沉积在玻璃圆盘上。
在一些情况下，使用相同的被去铁铁蛋白封装的钴-铂材料对圆 盘进行另一周期的喷墨印刷。
实施例5将铁蛋白喷墨印刷到用紫外线预处理过的玻璃基质上
用Oliver Design(SN252)多匣式圆盘清洁系统清洁玻璃基质。
在喷墨印刷前于氮气气氛下将基质置于紫外光源下(波长172 nm)(USHIO)。特别地，将基质安置在距放入UV灯丝的石英玻璃约 2mm的位置，并在UV线下放置约20-40秒。
在下述过程中使用EPSON喷墨印刷机(照片1290)：使用注射器 将蛋白质浓度约为2-10mg/ml的铁蛋白水悬浮液(其可含高达0.2％的 联氨)引入打印机头，其中的打印机头具有-5cm(约0.075psi)的静态头。
将圆盘放在圆盘固持匣中，并放置在注射头下方的固定位置。铁 蛋白悬浮液以在10-100cm sec-1间的变化头速度沉积在玻璃圆盘上。
在一些情况下，使用相同的铁蛋白材料对圆盘进行另一周期的喷 墨印刷。
未辐照和UV-辐照后样品的AFM图谱如图6所示。
实施例6将被去铁铁蛋白封装的铁-铂喷墨印刷到用UV光线预 处理过的基质上
用Oliver Design(SN252)多匣式圆盘清洁系统清洁玻璃基质。
在喷墨印刷前于氮气气氛下将基质置于紫外线光源下(波长172 nm)(USHIO)。特别地，将基质安置于距放入UV灯丝的石英玻璃约 2mm的位置，并在UV线下放置约20-40秒。
在下述过程中使用EPSON喷墨印刷机(图像1290)：使用注射 器将蛋白质浓度约为2-10mg/ml如实施例2的被去铁铁蛋白封装的铁 /铂合金的水悬浮液(其可含高达0.2％的联氨)引入打印机头，其中 的打印机头具有-5cm(约0.075psi)的静态头。
将圆盘放在圆盘固持匣中，并放置在注射头下方的固定位置。被 去铁铁蛋白封装的金属合金的组合物以在10-100cm sec-1间的变化头 速度沉积到玻璃圆盘上。
在一些情况下，使用相同的被去铁铁蛋白封装的钴-铂材料对圆 盘进行另一周期的喷墨印刷。
实施例7将被去铁铁蛋白封装的钴-铂喷墨印刷到用UV光线预 处理过的玻璃基质上
用Oliver Design(SN252)多匣式圆盘清洁系统清洁玻璃基质。
在喷墨印刷前于氮气气氛下将基质置于紫外线光源下(波长172 nm)(USHIO)。特别地，将基质安置在距放入UV灯丝的石英玻璃约 2mm的位置处，并在UV线下放置约20-40秒。
在下述过程中使用EPSON喷墨印刷机(图像1290)：使用注射 器将蛋白质浓度约为2-10mg/ml如实施例1的被去铁铁蛋白封装的钴/ 铂合金的水悬浮液(其可含高达0.2％的联氨)引入打印机头，其中的 打印机头具有-5cm(约0.075psi)的静态头。
将圆盘放在圆盘固持匣中，并放置在注射头下方的固定位置。被 去铁铁蛋白封装的组合物以在10-100cm sec-1间的变化头速度沉积在 玻璃圆盘上。
在一些情况下，使用相同的被去铁铁蛋白封装的钴-铂材料对圆 盘进行另一周期的喷墨印刷。