可扩展的基于核酸的纳米制造
阅读：942发布：2021-08-11
专利汇可以提供可扩展的基于核酸的纳米制造专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本公开内容的涉及在二维和/或三维基材(例如，核酸纳米结构/晶体)上将多个部分(例如，纳米颗粒和/或 纳米线 )对齐在规定架构中。本公开内容的还涉及核酸(例如，DNA) 光刻 方法，其在一些实施方案中包括将裸核酸纳米结构 吸附 至基材的表面上，并蚀刻含有所述裸核酸纳米结构的所述基材的所述表面，由此产生 图案化 基材。，下面是可扩展的基于核酸的纳米制造专利的具体信息内容。
1.一种核酸光刻方法，其包括：
(a)将裸核酸纳米结构吸附于基材的表面上；和
(b)干法蚀刻所述裸核酸纳米结构吸附于其上的所述基材的所述表面，由此产生图案化基材。
2.权利要求1的方法，其中所述裸核酸纳米结构是裸脱氧核糖核酸(DNA)纳米结构。
3.权利要求1的方法，其中所述裸核酸纳米结构是裸核糖核酸(RNA)纳米结构。
4.权利要求1的方法，其中所述裸核酸纳米结构是裸锁核酸(LNA)纳米结构。
5.权利要求1的方法，其中所述裸核酸纳米结构是裸蛋白核酸(PNA)纳米结构。
6.权利要求1的方法，其中所述干法蚀刻是选自等离子蚀刻、离子束蚀刻、电子束蚀刻和X射线蚀刻。
7.权利要求1的方法，其中所述裸核酸纳米结构是裸二维核酸纳米结构。
8.权利要求1的方法，其中所述裸核酸纳米结构是裸三维核酸纳米结构。
9.权利要求1的方法，其中所述基材包括无机材料。
10.权利要求1的方法，其中所述基材包括有机材料。
11.权利要求1的方法，其中所述基材包括硅、氧化硅、氧化物、氮化物、金属或非金属。
12.权利要求1的方法，其中所述基材包括半导体或半导体的组合。
13.权利要求12的方法，其中所述半导体是III-V族半导体或II-VI族半导体。
14.权利要求1的方法，其中所述基材包括聚合物膜。
15.权利要求14的方法，其中所述聚合物膜包含聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)。
16.权利要求1的方法，其中所述裸核酸纳米结构是自单链DNA组装的裸DNA纳米结构。
17.权利要求16的方法，其中所述裸DNA纳米结构是自合成单链寡核苷酸组装的。
18.权利要求17的方法，其中所述裸DNA纳米结构是自至少50个合成单链异质寡核苷酸组装的。
19.权利要求1的方法，其中所述裸DNA纳米结构是自具有至少1千个碱基的长度的单链DNA组装的。
20.权利要求1的方法，其中所述方法不包括金属、金属氧化物或氧化物生长步骤。
21.权利要求1的方法，其中(a)的所述吸附步骤包括使所述基材的所述表面与包含所述裸核酸纳米结构的溶液接触。
22.权利要求21的方法，其中(a)的所述吸附步骤包括物理吸附、静电吸附或化学吸附。
23.权利要求1的方法，其中所述裸核酸纳米结构利用金属纳米颗粒、金属簇、氧化物、硫属化物、纳米线、聚合物和/或生物分子官能化。
24.一种通过权利要求1的方法产生的图案化基材，其具有小于10nm的特征分辨率。
25.权利要求24的图案化基材，其中所述图案化基材具有1nm至1μm的特征分辨率。
26.权利要求25的图案化基材，其中所述图案化基材具有5nm至1μm的特征分辨率。
27.权利要求25的图案化基材，其中所述图案化基材具有1nm至2nm的特征分辨率。
28.一种包含权利要求24的图案化基材的装置。
29.权利要求28的装置，其中所述装置是电子装置、等离子体装置、光子装置、光伏装置或混合型装置。
30.一种核酸光刻方法，其包括：
(a)将裸核酸纳米结构吸附至定位于第二基材层之上的第一基材层上；
(b)干法蚀刻或湿法蚀刻所述裸核酸纳米结构吸附于其上的所述第一基材层的表面，由此产生定位于所述第二基材层之上的第二掩膜；和
(c)干法蚀刻所述第二掩膜吸附于其上的所述第二基材层，由此产生图案化基材。
31.权利要求30的方法，其中所述裸核酸纳米结构是裸脱氧核糖核酸(DNA)纳米结构。
32.权利要求30的方法，其中所述裸核酸纳米结构是裸核糖核酸(RNA)纳米结构。
33.权利要求30的方法，其中所述裸核酸纳米结构是裸锁核酸(LNA)纳米结构。
34.权利要求30的方法，其中所述裸核酸纳米结构是裸蛋白核酸(PNA)纳米结构。
35.权利要求30的方法，其中步骤(b)和/或步骤(c)的所述干法蚀刻是选自等离子蚀刻、离子束蚀刻、电子束蚀刻和X射线蚀刻。
36.权利要求30的方法，其中所述裸核酸纳米结构是裸二维核酸纳米结构。
37.权利要求30的方法，其中所述裸核酸纳米结构是裸三维核酸纳米结构。
38.权利要求30的方法，其中所述第一基材和/或所述第二基材包括无机材料。
39.权利要求30的方法，其中所述第一基材和/或所述第二基材包括有机材料。
40.权利要求30的方法，其中所述第一基材和/或所述第二基材包括硅、氧化硅、氧化物、氮化物、金属或非金属。
41.权利要求30的方法，其中所述第一基材和/或所述第二基材包括半导体或半导体的组合。
42.权利要求41的方法，其中所述半导体是III-V族半导体或II-VI族半导体。
43.权利要求30的方法，其中所述第一基材和/或所述第二基材包括聚合物膜。
44.权利要求43的方法，其中所述聚合物膜包含聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)。
45.权利要求30的方法，其中所述裸核酸纳米结构是自单链DNA组装的裸DNA纳米结构。
46.权利要求45的方法，其中所述裸DNA纳米结构是自合成单链寡核苷酸组装的。
47.权利要求46的方法，其中所述裸DNA纳米结构是自至少50个合成单链异质寡核苷酸组装的。
48.权利要求45的方法，其中所述裸DNA纳米结构是自具有至少1千个碱基的长度的单链DNA组装的。
49.权利要求30的方法，其中所述方法不包括金属、金属氧化物或氧化物生长步骤。
50.权利要求30的方法，其中(a)的所述吸附步骤包括使所述基材的所述表面与包含所述裸核酸纳米结构的溶液接触。
51.权利要求50的方法，其中(a)的所述吸附步骤包括物理吸附、静电吸附或化学吸附。
52.权利要求1的方法，其中所述裸核酸纳米结构利用金属纳米颗粒、金属簇、氧化物、硫属化物、纳米线、聚合物和/或生物分子官能化。
53.一种通过权利要求30的方法产生的图案化基材，其具有小于10nm的特征分辨率。
54.权利要求53的图案化基材，其中所述图案化基材具有1nm至1μm的特征分辨率。
55.权利要求54的图案化基材，其中所述图案化基材具有5nm至1μm的特征分辨率。
56.权利要求54的图案化基材，其中所述图案化基材具有1nm至2nm的特征分辨率。
57.一种包含权利要求53的图案化基材的装置。
58.权利要求57的装置，其中所述装置是电子装置、等离子体装置、光子装置、光伏装置或混合型装置。
59.一种装置，其包含
具有50nm或以下的空间分辨率且在规定位置处含有核酸柄的基材，所述核酸柄杂交至偶联至多个部分的互补核酸反柄。
60.权利要求59的装置，其中所述基材具有10nm或以下的空间分辨率。
61.权利要求59的装置，其中所述基材具有1nm至50nm的空间分辨率。
62.权利要求61的装置，其中所述基材具有1nm至25nm的空间分辨率。
63.权利要求62的装置，其中所述基材具有2nm至5nm的空间分辨率。
64.权利要求59的装置，其中所述基材是无机材料。
65.权利要求59的装置，其中所述基材是有机材料。
66.权利要求59的装置，其中所述基材是核酸晶体。
67.权利要求59的装置，其中所述基材是两种或更多种不同材料的杂合物。
68.权利要求59的装置，其中所述基材包括蛋白质层或核酸层。
69.权利要求59的装置，其中所述基材是二维或三维的。
70.权利要求59的装置，其中所述核酸柄的子集被布置于所述基材上以形成纵横构型、手性构型或平行列。
71.权利要求59的装置，其中所述部分是纳米颗粒、纳米线或核酸。
72.权利要求59的装置，其中所述部分是半导体纳米颗粒或金属纳米颗粒。
73.权利要求59的装置，其中所述部分是金纳米颗粒。
74.权利要求59的装置，其中所述部分是碳纳米管。
75.权利要求59的装置，其中所述部分是单链核酸、双链核酸、或自组装一维、二维或三维核酸纳米结构。
76.权利要求59的装置，其中所述部分的直径是1nm至100nm。
77.权利要求59的装置，其中所述部分包括多个部分的异质混合物。
78.权利要求59的装置，其中每一个反柄偶联至个体部分。
79.权利要求59的装置，其中反柄的子集偶联至相同部分。
80.权利要求59的装置，其中所述核酸柄是偶联至所述基材的表面。
81.权利要求59的装置，其中所述核酸柄是偶联至所述基材的单层。
82.权利要求59的装置，其中所述核酸柄是偶联至所述基材的多个层。
83.权利要求59的装置，其中所述核酸柄是偶联至在所述基材中形成的通道。
84.一种装置，其包含
空间分辨率小于50nm且在规定位置处含有部分的基材，其中所述部分通过核酸杂交相互作用、蛋白质-蛋白质相互作用、疏水相互作用、静电相互作用、π-π堆叠、空间约束或电泳间接偶联至或约束于所述基材。
85.一种装置，其包含
具有小于50nm的空间分辨率和至少一个通道的基材，其中多个部分空间上约束于所述至少一个通道，且所述至少一个通道的直径不宽于所述部分的平均直径的两倍。
86.权利要求84的装置，其中所述基材是核酸晶体。
87.权利要求84的装置，其中所述部分是纳米颗粒、纳米线或核酸。
88.权利要求59的装置，其中所述装置是电子装置、等离子体装置、光子装置、光伏装置或混合装置。
89.权利要求59的装置，其中所述装置包含集成电路。
90.一种产生装置的方法，其包括：
将核酸晶体沉积于基材表面上；和
将与偶联至多个部分的核酸反柄互补的核酸柄在规定位置处与所述核酸晶体偶联。
91.权利要求90的方法，其进一步包括通过所述核酸柄与所述互补核酸反柄的杂交将所述部分偶联至所述核酸晶体。
92.权利要求91的方法，其中所述部分是在所述核酸晶体沉积于所述基材的所述表面上之后偶联至所述核酸晶体。
可扩展的基于核酸的纳米制造
[0001] 相关申请
[0002] 本申请在35U.S.C.§119(e)下主张2015年5月6日申请的美国临时申请第62/157595号、2014年11月14日申请的美国临时申请第62/079877号和2014年5月22日申请的美国临时申请第62/002117号的权益，其每一个以整体引用的方式并入本文中。
[0003] 联邦政府资助的研究
[0004] 本发明是在由美国国防部海军研究办公室(U.S.Department of Defense Office of Naval Research)授予的合同编号N00014-11-1-0914、N00014-10-1-0827和N00014-13-1-0593和在由美国陆军研究办公室(U.S.Army Research Office)授予的W911NF-12-1-
0238下由政府支持作出。政府拥有本发明的某些权利。
0238下由政府支持作出。政府拥有本发明的某些权利。
[0005] 发明背景
[0006] 现代电子学和光学需要将小构建块(例如纳米颗粒和纳米线)大规模整合成特定二位/三维(2D/3D)架构。举例而言，3D光学通信路径已通过调谐纳米级大小组件之中的颗粒间间距执行，以使得仅经偶联的纳米颗粒可交换信息以构建高速全光学计算。
[0007] 可使用易于折叠成任意形状的脱氧核糖核酸(DNA)分子用于通过DNA引导的自组装和纳米图案化过程制造这样的2D/3D架构(例如，纳米级装置)。最近，图案转移过程(称为DNA光刻)已用于使用DNA模板作为掩膜图案化无机基材。一般而言，DNA掩膜吸附于基材上，且然后将基材蚀刻，产生以DNA掩膜的形状图案化的基材。然而，DNA的化学稳定性有限。为保护DNA掩膜免于蚀刻的严酷化学反应条件，掩膜经涂层(例如金属涂层或氧化物涂层)保护。
[0008] 发明概述
[0009] 在一些方面中，本文所提供的是平台，其使用诸如预先形成的(还称为预组装的)2D和/或3D核酸(例如，DNA)纳米结构/晶体(例如，纳米或微米结构)的基材(substrate)作为整体模板用于以至少1nm(例如，1、2、3、4或5nm或以上)的空间分辨率自小部分(moiety)(例如，纳米颗粒(例如，金纳米颗粒)和/或1D纳米线(例如，碳纳米管或Si纳米线)和/或生物分子(例如蛋白质和适配体))高分辨率制造(包括可编程的纳米制造)复杂2D和/或3D架构。本文所提供的平台允许以前述的空间分辨率将例如多于1000个部分(均质或异质群体)合理整合成复杂的规定2D和/或3D架构和基本一维(1D)聚合物纳米线和平行阵列。本公开内容还提供了具有从纳米到晶片规模跨度的至少0.1nm的用于图案化的精确度的方法和装置。
[0011] 本公开内容的各个方面涉及(1)外延生长(epitaxial growth)的DNA模板；(2)核酸(例如DNA)纳米结构(作为模板)在诸如晶片的基材上的非共价沉积；(3)在核酸(例如DNA)纳米结构(用作模板)上组装一个或多个纳米部分；(4)基材的3D核酸(例如，DNA)光刻(lithography)；(5)将在核酸纳米结构(用作模板)上官能化的一个或多个纳米部分印刷到基材上；和(6)使用核酸纳米结构(用作模板)的3D约束的沉积。
[0012] 由于其直至1nm的高分辨率定位以及用于复杂3D特征的一步图案化能力，本发明的框架不同于现有的自上而下的光刻/电子束光刻方法。还可以同时图案化异质部分。与嵌段共聚物光刻相比，本文提供的基于核酸(例如，基于DNA)的框架可用于通过自组装产生复杂的不规则不对称图案，具有来自热力学的最小特征缺陷。使用本文提供的这样的方法形成的方法和设备允许复杂的整体架构，包括对称和不对称形式。通过使用单层DNA结构，例如DNA瓦片和2D折纸，还可以在纳米制造中实现复杂的图案。
[0013] 本文所提供的平台还允许构建具有深远的工程化和技术蕴涵的复杂的基于纳米组件的装置。在光子器件中，例如，经偶联的纳米颗粒引导光沿特定途径传播以交换信息或聚焦能量。作为另一实例，在电子器件(特别地用于高密度信息储存的)中，经偶联的纳米颗粒在每一个特定横向位置处储存多个信息位。相对于现有的限制，通过使用电子器件(特别地具有高密度信息储存介质的)，良好对齐的经分离的纳米颗粒阵列实现降低至1nm规模的单-位可寻址性，和超过1000次储存的能力。而且，使用本文所提供的平台构建的纵横架构的可扩展生产使得能够自纳米带或纳米线工业级生产晶体管阵列，这实现超过例如当前的自上而下光刻的极限的电子电路。
[0014] 本公开内容的一些方面提供空间分辨率为50nm或以下且在规定位置处含有核酸柄的基材，该核酸柄杂交至偶联至多个部分的互补核酸反柄(anti-handle)。
[0015] 本公开内容的一些方面提供包含空间分辨率为50nm或以下且在规定位置处含有核酸柄的基材的装置，该核酸柄杂交至偶联至多个部分的互补核酸反柄。
[0016] 本公开内容的一些方面提供空间分辨率小于50nm且在规定位置处含有部分的基材，其中该部分通过核酸杂交相互作用、蛋白质-蛋白质相互作用、疏水相互作用、静电相互作用、π-π堆叠、空间约束或电泳间接偶联至或约束于该基材。
[0017] 本公开内容的一些方面提供包含空间分辨率小于50nm且在规定位置处含有部分的基材的装置，其中该部分通过核酸杂交相互作用、蛋白质-蛋白质相互作用、疏水相互作用、静电相互作用、π-π堆叠、空间约束或电泳间接偶联至或约束于该基材。
[0018] 本公开内容的一些方面提供具有小于50nm的空间分辨率和至少一个通道的基材，其中多个部分在空间上约束于该至少一个通道，且该至少一个通道不宽于该部分的直径的两倍(或平均直径的两倍)。在一些实施方案中，该至少一个通道不宽于该部分的直径(或平均直径)。
[0019] 本公开内容的一些方面提供包含具有小于50nm的空间分辨率和至少一个通道的基材的装置，其中多个部分在空间上约束于该至少一个通道，且该至少一个通道的直径不宽于该部分直径的两倍(或平均直径)。在一些实施方案中，该至少一个通道不宽于该部分的直径(或平均直径)。
[0020] 本公开内容的一些方面提供产生装置的方法，包括将核酸晶体沉积于基材表面上，和在规定位置处使该核酸晶体偶联至与偶联至多个部分的核酸反柄互补的核酸柄。
[0021] 在一些方面中，本公开内容还提供高分辨率核酸(例如，DNA)光刻平台，其用于将各种基材(例如，无机和有机基材)制造成任意、复杂的二维和三维物件。不同于当前的核酸光刻技术，本文提供的方法使用无任何表面涂层(例如，无金属或氧化物涂层)的“裸”核酸纳米结构作为掩膜(mask)，以实现具有例如1纳米(nm)至1μm特征分辨率的规定二维和三维图案。
[0022] 在一些实施方案中，裸核酸纳米结构是自单链核酸(例如，单链DNA)组装。在一些实施方案中，裸核酸纳米结构是自合成单链寡核苷酸(例如，合成的单链DNA寡核苷酸)组装。裸核酸纳米结构还可从自天然存在的核酸(例如，DNA)分离的单链寡核苷酸(例如，单链DNA寡核苷酸)组装。然而，应理解，自经分离的核酸(例如，DNA)组装的任何裸核酸(例如，DNA)纳米结构均视为人工结构，因为本文涵盖的核酸(例如，DNA)纳米结构包括非天然存在的核酸。还应理解，在一些情形中，本公开内容的核酸纳米结构的组分可包括非天然存在和天然存在的核酸的组合。
[0023] 在一些实施方案中，裸核酸(例如，DNA)纳米结构是自至少50个合成单链异质寡核苷酸组装的。
[0024] 在一些实施方案中，裸核酸(例如，DNA)纳米结构是自长度为至少1千个碱基的单链核酸(例如，DNA)组装的。
[0025] 在一些实施方案中，本公开内容的方法不包括金属、金属氧化物或氧化物生长步骤。生长步骤(例如，金属生长步骤)是指形状保存步骤，通过该步骤将颗粒(例如，金属颗粒，例如Au颗粒)沉积/吸附于核酸纳米结构的表面上，所得结构(例如，金属结构)自核酸模板继承其形状(参见例如Surwade S.P.等人，J.Am.Chem.Soc.133:11868,2011；和Jin Z.等人，Nature Communications,4:1663,2013，其以引用方式并入本文中)。当使用金属生长步骤时，这样的所得结构可称为“金属化”结构(例如，金属化DNA)。
[0026] 在一些实施方案中，吸附步骤包括将包含裸核酸(例如，DNA)纳米结构的溶液吸附于基材表面上。
[0027] 在一些实施方案中，裸核酸纳米结构利用金属纳米颗粒、金属簇、氧化物、硫属化物、纳米线、聚合物和/或生物分子官能化。在一些实施方案中，裸DNA纳米结构利用金纳米颗粒官能化。应理解，“官能化”裸核酸纳米结构有别于“金属化”裸核酸纳米结构。用于官能化裸核酸纳米结构的材料(例如，金属纳米颗粒)不用于保护裸DNA纳米结构免于干法蚀刻条件。如图8和9中所示，三维DNA纳米结构利用金膜(图8)或金纳米颗粒(图9A-B)官能化，使得在蚀刻过程期间，金颗粒转移至图案化基材，所得图案化基材现在被视为“经官能化”。
[0028] 本公开内容的一些方面提供了通过本文提供的任一方法产生的图案化基材。
[0029] 本公开内容的一些方面提供了包含本文所提供图案化基材中任一者的装置。例如，本公开内容的装置可为电子装置、等离子体装置、光子装置、光伏装置或混合型装置。
[0030] 在一些实施方案中，使用本文所提供的DNA光刻方法产生的基材用作整体模板用于以至少1nm(例如，1、2、3、4或5nm或以上)的空间分辨率自小部分(例如，纳米颗粒(例如，金纳米颗粒)和/或1D纳米线(例如，碳纳米管))高分辨率制造复杂2D和/或3D架构。
[0032] 附图并不欲按比例绘制。为清晰起见，并非每一个组件可标记于每一个附图中。
[0033] 图1A-1B显示纳米颗粒在三维(3D)DNA晶体上对齐在规定架构中。图1A显示金纳米颗粒对齐于DNA晶体上的设计示意图。将单链DNA瓦片(tile)(16至48个核苷酸长)在阶段式等温条件下孵育以产生具有规定3D DNA柄图案的DNA晶体。长方体代表DNA晶体的单位晶胞。链状结构代表DNA柄。然后添加经单链反柄修饰的金纳米颗粒(球体)以形成所设计纳米颗粒架构。图1B显示在DNA晶体上所产生的2D/3D纳米颗粒架构的示意图。左上方示意图显示8-nm金纳米颗粒链的平行阵列。右上方示意图显示交替8-nm和13-nm金纳米颗粒链的平行阵列。左下方示意图显示两层3D架构，其具有在下方的13-nm金纳米颗粒链的阵列和在顶部的8-nm金纳米颗粒链的阵列。右下方示意图显示三层3D架构，其具有在下方的13-nm金纳米颗粒链的阵列、在中间的一条13-nm金颗粒链和在顶部的一条40-nm荧光纳米珠粒(或纳米颗粒)的链。浅灰色球体代表组装于DNA晶体顶部上的金纳米颗粒(小的为8nm；大的为13nm)。小的深灰色球体代表在DNA晶体下方装饰的13-nm金纳米颗粒。大的深灰色球体代表
40-nm荧光纳米珠粒。比例尺为100nm。
40-nm荧光纳米珠粒。比例尺为100nm。
[0034] 图2A-2C显示在DNA晶体上对齐的纳米颗粒。浅灰色球体代表组装于DNA晶体顶部上的金纳米颗粒(小的为8nm；大的为13nm)。小的深灰色球体代表在DNA晶体下方装饰的13-nm金纳米颗粒。大的深灰色球体代表40-nm荧光纳米珠粒。
[0035] 图2D显示布置于DNA砖晶体上的2D均质(左侧)和异质(右侧)金属纳米颗粒。2D均质图案(左侧图)显示自5nm金纳米颗粒(小的浅灰色球体)设计的图案。大的黑色区域显示DNA晶体的重复单元。纳米颗粒阵列下方的浅灰色区域是DNA晶体模板。右侧图显示于模板上图案化的纳米颗粒的TEM图像。小的黑色球体代表5nm金纳米颗粒。下方的浅灰色区域是DNA晶体模板。比例尺为100nm。在2D异质图案中(左侧图)，显示自5nm金纳米颗粒(小的浅灰色球体)和13nm金纳米颗粒(大的浅灰色球体)设计的图案。大的黑色区域显示DNA晶体的重复单元。纳米颗粒阵列下方的浅灰色区域是DNA晶体模板。右侧图显示于模板上图案化的纳米颗粒的TEM图像。小的黑色球体代表5nm金纳米颗粒。大的黑色球体代表13nm金纳米颗粒。下方的浅灰色区域是DNA晶体模板。比例尺为100nm。
[0036] 图2E显示使用DNA晶体模板的不依赖于表面的图案化的实例。自左至右是于无定形碳、一氧化硅和氮化硅上的金纳米颗粒的TEM图像。在每一个图内，黑色球体是8nm金纳米颗粒。金纳米颗粒下方的灰色区域是DNA晶体模板。每一个图的右上方区域是每一个金纳米颗粒图案的快速傅里叶变换(Fast Fourier transform)。比例尺为100nm。
[0037] 图2F显示手性纳米颗粒表面使用DNA模板的构建(顶部)和将纳米部分“印刷”至硅晶片的实例(底部)。左上方图显示设计的手性纳米颗粒表面。每一个黑色球体代表10nm金纳米颗粒。白色圆柱体代表DNA晶体模板上的DNA脊(DNA ridge)。黑色曲线显示每一个脊上纳米颗粒的手性定向。顶部中间图显示构成2D手性表面的手性纳米颗粒链。每一个黑色球体代表10nm金纳米颗粒。白色圆柱体代表DNA晶体模板上的DNA脊。顶部右侧图显示DNA模板上经组装的手性纳米颗粒表面的SEM图像。每一个白色球体是在脊顶部的10nm金纳米颗粒。每一个黑色球体是附接至脊侧面的10nm金纳米颗粒。黑色矩形柱是DNA模板上的DNA脊。比例尺为60nm。底部图代表将纳米部分(例如，10nm金纳米颗粒)“印刷”至硅晶片的实例。灰色球体代表已经自DNA模板“印刷”于Si表面上的10nm金纳米颗粒。纳米颗粒下方的黑色表面是Si晶片。
[0038] 图3A显示在DNA沟槽内图案化碳纳米管(CNT)的设计方案。
[0040] 图3C显示具有24nm节距(两个毗邻CNT之间的中心距)尺寸的CNT对齐的实例。左上方显示DNA沟槽内图案化的多个CNT的TEM图像。浅灰色线是CNT(利用指示CNT的箭头标记)。灰色束是约束CNT图案化的DNA脊。比例尺为100nm。左下方是左上方图中所选区域的放大视图。浅灰色线是CNT(利用指示CNT的箭头标记)。灰色束是约束CNT图案化的DNA脊。右侧图是CNT装饰的DNA晶体样品的缩小TEM图像。周围黑色区域是TEM样品网格上的铜线。白色背景上的灰色区域是CNT装饰的DNA晶体。比例尺为10um。
[0041] 图3D显示DNA晶体模板上CNT阵列的缩放比例。比例尺为场效晶体管中的节距尺寸(即，晶体管中两条毗邻线之间的间距)。比例尺顶部的图是于DNA晶体模板上图案化且具有不同的规定节距的CNT阵列的TEM图像。通过使用具有不同周期性的DNA晶体，CNT阵列经制造具有自24nm至10nm的可调谐节距。在每一个TEM图像内，标记线是CNT，而白色束是DNA模板。比例尺为20nm。比例尺下方是当前基于Si的场效晶体管的SEM图像。左侧是Intel的14-nm节点晶体管。黑色区域是Si沟槽，而浅灰色区域是氧化物涂层与门控介质。右侧是IBM的7-nm节点晶体管。黑色区域是Si沟槽，而浅灰色区域和白色区域是氧化物涂层和绝缘体。深灰色区域是门控介质。
[0042] 图4A显示具有沿x轴的第一尺寸和沿y轴的第二尺寸的二维核酸纳米结构的实例的示意图。
[0043] 图4B显示具有沿x轴的第一尺寸和沿z轴的第二尺寸的二维核酸纳米结构的实例的示意图。
[0044] 图4C显示具有沿x轴的第一尺寸、沿y轴的第二尺寸、和沿z轴的第三尺寸的三维核酸纳米结构的实例的示意图。
[0045] 图5显示本公开内容的DNA光刻方法的一个实施方案的侧视图示意图(左侧)和透视图示意图(右侧)。将裸DNA纳米结构吸附于基材上，且然后在反应性离子蚀刻条件下蚀刻裸DNA纳米结构吸附于其上的基材，由此产生图案化基材。
[0046] 图6A显示本公开内容的DNA光刻方法的一个实施方案的示意图。将重叠裸DNA棒(用作裸DNA纳米结构掩膜)吸附于基材上，且然后在反应性离子蚀刻条件下蚀刻裸DNA棒吸附于其上的基材，由此产生重叠棒结构的规定三维图案。
[0047] 图6B显示裸DNA纳米结构掩膜的原子力显微镜(AFM)图像。
[0048] 图6C显示规定三维图案化基材的AFM图像。
[0049] 图7A显示比较使用二维DNA纳米结构(顶部)或三维DNA纳米结构(底部)光刻图案化二维膜的示意图。
[0050] 图7B显示本公开内容的DNA光刻方法的一个实施方案的示意图，其中使用三维DNA纳米结构掩膜以将基材图案化成三维物件。三维DNA纳米结构掩膜可用于图案化二维基材或三维基材，而二维DNA纳米结构掩膜只能用于图案化二维基材。
[0051] 图8显示本公开内容的DNA光刻方法的一个实施方案的示意图。将经金纳米颗粒官能化的裸DNA纳米结构掩膜吸附于基材上，且然后在反应性离子蚀刻条件下蚀刻裸DNA纳米结构掩膜吸附于其上的基材，由此产生经金纳米颗粒官能化的图案化基材。或者，该方法可以包括用作为硬掩模层的SiO2薄层涂覆基材。然后将裸纳米结构吸附在SiO2层上，随后进行反应性离子蚀刻以制造具有规定图案的SiO2硬掩模。然后可以通过干/湿法蚀刻方案处理具有其SiO2硬掩模的基材以获得规定的金属纳米图案。
[0052] 图9A显示本公开内容的DNA光刻方法的一个实施方案的示意图。金纳米颗粒用于官能化用于三维光刻的裸DNA纳米结构掩膜。金纳米颗粒在蚀刻之后保留于三维图案化基材上。通过例如外延生长(epitaxial growth)，金图案化基材可进一步经工程化用于诸如电极连接、波导构建或其它等离子体或光伏结构的功能。
[0053] 图9B显示蚀刻具有Au纳米颗粒(NP)图案的DNA模板的实施方案。Au NP在DNA砖晶体的沟槽中图案化。在沉积、脱盐和干燥之后，通过反应性离子蚀刻处理携带DNA模板-Au NP复合物的硅晶片。在蚀刻后，Au NP仍保存原始图案，而模板的DNA脊生成硅脊图案。
[0054] 图10A-10B显示具有不同节距(例如，26nm、16nm和10nm)的各种硅图案的实例。
[0055] 图11显示根据本文所述的方法生成的DNA线和Si线、DNA网格和Si网格以及DNA柱阵列和Si柱阵列的图像。
[0056] 图12显示涉及将金属薄层涂覆于DNA模板上、随后进行剥离加工的示意图(左侧)和实验结果(右侧)。
[0057] 图13A是显示使用3D DNA纳米结构作为模板以将部分印刷至基材的示意图。
[0058] 图13B是使用图13A的方法生成的DNA模板上的Au纳米颗粒以及硅晶片上的Au纳米颗粒印刷图案的图像。
[0059] 图14显示DNA模板的3D外延生长。顶部图是设计示意图。自2D DNA晶种(左侧，亮白色矩形长方体，箭头指示生长方向)开始，第一生长阶段于晶种(中间、亮白色矩形长方体)上产生垂直对齐的沟槽(中间、黑色矩形长方体)。第二连续生长阶段进一步产生连接垂直对齐沟槽(右侧、黑色矩形长方体)的横向对齐的脊(右侧、浅灰色长方体)。底部图是每一个生长阶段的TEM图像。左侧是晶种(具有不规则边缘的灰色区域)的TEM图像。中间是第一生长阶段之后的TEM图像(灰色并行线是平行沟槽)。右侧是第二生长阶段之后的TEM图像(灰色网格是表面形态，而黑色斑点是由DNA结构围绕的空腔)。比例尺为100nm。
[0060] 发明详述
[0061] 现代电子器件和光学器件需要将小构建块大规模整合成特定2D和/或3D架构。然而，使用传统自上而下和自下而上方法对于10nm以下的小纳米颗粒的分辨率是挑战性的。如本文所提供，使用例如预先形成的纳米级或微米级3D DNA纳米结构/晶体作为整体模板，以例如2nm至2μm的空间分辨率自小部分(例如，纳米颗粒和/或碳纳米管)制造复杂2D/3D架构。使用本文所提供方法的高分辨率对齐确保在规定位置/方向的部分之中的强偶联。另外，部分于DNA纳米结构/晶体及其它基材上的强健组装通过从局部相互作用分离关于整体架构的信息改善自组装3D架构的再现性。此特征最小化局部扰动。在各单一位置处的缺陷(缺乏或重复)将由于缺少直接的颗粒间局部相互作用而不会级联至下游组装中。
[0062] 因此，本文提供引导且按比例放大多个部分的对齐的整体模板(例如，核酸模板)，而无论其对称性和局部颗粒间相互作用。例如，本文提供一维纳米颗粒链、具有交替链的二维阵列和三维平行链且其可自均质和异质颗粒组分构建，此显示组分的广泛通用性。还可于DNA纳米结构/晶体上构建缺少置换对称性的架构。作为另一实例，可引入空间约束以在可扩展的碳纳米管(CNT)对齐中帮助精确定向控制的化学识别。如实施例1中所示，引入具有纳米厚度的3D纳米级沟槽以空间上限制CNT在模板上的旋转，此确保由包埋于沟槽底部处的结合位点捕获的CNT只能采取规定取向(图3A-B)。
[0063] 在一些实施方案中，DNA纳米结构(即，晶体)模板经组装具有针对多个部分的规定3D结合能力和表面特征，随后在特定结合位置处将多个部分“印刷”至DNA纳米结构模板上(图2F)。由此通过选择具有不同空间结合特征的DNA纳米结构制造复杂2D和/或3D架构。例如，DNA纳米结构的自组装确保与电子束光刻相当的图案复杂度，但在三个尺寸上具有远更高的分辨率。
[0065] 在一些实施方案中，本文还提供光刻方法，其使用具有复杂维度的可编程自组装裸核酸(例如，DNA)纳米结构作为掩膜用于将基材干法蚀刻成二维和三维物件。本公开内容的方法允许使用可成型为具有例如1纳米(nm)至2nm分辨率的二维和三维图案的各种有机和无机基材。不同于现有核酸光刻技术，令人惊讶地，本公开内容的方法不需要使用共形生长的金属或氧化物掩膜涂层，这样的涂层降低光刻分辨率。而且，在一些方面中，使用本文所提供的裸核酸纳米结构允许直接“一步”制造二维和三维物件。
[0066] 本公开内容的非限制示例性方法揭示如下。将包含深度为2nm的裸三维DNA纳米结构(例如，10pM-1μM纳米结构浓度，长度为至少32碱基对)的溶液(例如，0.5x Tris-乙二胺2+ 2
四乙酸(TE)缓冲剂，40mM Mg ；或100mM-1M NaNO3)吸附于基材上(例如，每cm基材1μl–10μl或1-100μl溶液)，并使溶液在密封容器中以50-100％湿度于室温下于基材上孵育(例如，
30分钟至4小时)。在一些实施方案中，使溶液在约4℃至25℃的温度下任选利用50-100％湿度在基材上孵育3分钟至4小时以沉积DNA纳米结构。孵育(或沉积)之后，将溶液移除(或干燥)(例如，自发地或通过强制空气流动或通过擦拭)。然后洗涤基材以自TE缓冲剂移除残余盐。此过程可视为脱盐过程，其意欲在最后干燥步骤之前自所吸附的DNA纳米结构移除无机盐。对于疏水性基材，将基材于乙醇/水混合物(例如，50-90％乙醇体积)中孵育1-4小时。
四乙酸(TE)缓冲剂，40mM Mg ；或100mM-1M NaNO3)吸附于基材上(例如，每cm基材1μl–10μl或1-100μl溶液)，并使溶液在密封容器中以50-100％湿度于室温下于基材上孵育(例如，
30分钟至4小时)。在一些实施方案中，使溶液在约4℃至25℃的温度下任选利用50-100％湿度在基材上孵育3分钟至4小时以沉积DNA纳米结构。孵育(或沉积)之后，将溶液移除(或干燥)(例如，自发地或通过强制空气流动或通过擦拭)。然后洗涤基材以自TE缓冲剂移除残余盐。此过程可视为脱盐过程，其意欲在最后干燥步骤之前自所吸附的DNA纳米结构移除无机盐。对于疏水性基材，将基材于乙醇/水混合物(例如，50-90％乙醇体积)中孵育1-4小时。
[0067] 不同基材的不同表面性质(例如，亲水性或疏水性)、缓冲液中的变化盐浓度和DNA纳米结构的尺寸将决定是否应在适当液体或若干液体的组合中实施脱盐过程，所述液体包括DI水、经稀释的Mg2+溶液、无水甲醇、无水乙醇、无水异丙醇和经稀释的甲醇/乙醇/异丙醇(30-95％体积浓度)。脱盐过程在某一液体中的持续时间可自几秒(通过快速浸渍-拉出)至数小时(通过安静孵育或通过摇瓶孵育)变化，以平衡盐萃取与DNA纳米结构解吸咐之间的权衡。最后，根据最后步骤脱盐液体的性质，可通过吸水纸擦拭、或通过强制空气流动、或通过自然蒸发干燥具有DNA纳米结构的基材(即沉积后的)。另外或任选，可将痕量稳定剂引入至沉积步骤和/或脱盐过程以进一步增强所干燥3D DNA纳米结构的机械和/或化学稳定性。稳定剂的典型剂量将在0.1mM以下。稳定剂类别可为金属阳离子(包括Na+,K+,Mg2+,Ca2+,Cr3+,Mn2+,Fe2+,Fe3+,Co2+,Co3+,Ni2+,Cu2+,Zn2+等)、重金属染色剂(包括钼酸铵、乙酸双氧铀、甲酸双氧铀、硝酸双氧铀、磷钨酸、四氧化锇、铁氰化饿、auroglucothionate、硝酸银、四氧化钌和四氧化饿)和DNA链间交联剂(包括补骨脂素、丝裂霉素-C、吡咯并苯并二氮杂 美法仑(melphalan)、环磷酰胺等)。
[0068] 对于亲水性基材，将基材浸泡于流动水中。含有裸DNA纳米结构的基材的蚀刻是在标准反应性离子蚀刻条件下实施(Wu等人，Journal of Applied Physics,108:051101,2010,incorporated by reference herein，其以引用方式并入本文中)。等离子体源可包括例如卤素、硫属化物、氧、碳氟化合物、氢和/或惰性气体。反应性离子蚀刻条件(例如，蚀刻剂类型(例如等离子体源)、室压力、气体流速、发生器线圈功率、板功率和蚀刻持续时间)可根据基材组成和预期蚀刻深度来优化。在此实例中，为了在平坦的、经抛光的硅晶片上垂直蚀刻40nm(参见例如图2A-C)，使用10(或约1至约100)标准立方厘米/分钟(SCCM)的CHF3气体(或CF4或C4F8或SF6)作为蚀刻剂源例如等离子体源，且蚀刻持续时间为4分钟(或约5秒至约5分钟)。若使用更具反应性的蚀刻剂源(例如等离子体)，例如SF6，则可缩短蚀刻持续时间。
[0069] DNA纳米结构沉积于晶片上的进一步描述提供于实施例3中。本领域技术人员将认识到，这样的实施例被提供作为指导且因此还涵盖其它实施方案。
[0070] 沉积DNA纳米结构之后，可施加涂层或膜，如实施例4中更详细描述的。本领域技术人员将认识到，该实施例被提供作为指导且因此还涵盖其他实施方案。
[0071] 蚀刻可在沉积DNA纳米结构之后在有或没有进一步官能化的情况下实施。实施例5提供使用携带Au纳米颗粒的DNA纳米结构的典型蚀刻过程的描述。本领域技术人员将认识到，该实施例被提供作为指导且因此还涵盖其他实施方案。
[0072] 印刷还可使用DNA纳米结构在有或没有官能化的情况下实施。实施例6提供使用携带Au纳米颗粒的DNA纳米结构的典型印刷过程的描述。本领域技术人员将认识到，该实施例被提供作为指导且因此还涵盖其他实施方案。
[0073] 基材
[0074] 基材是指其上施加另一物质的物质(例如，固体平面物质或核酸纳米结构/晶体)。例如，可将多个部分(例如，纳米颗粒、纳米线或核酸)施加至基材(例如，核酸纳米结构/晶体的硅晶片)。根据本公开内容的所用的基材可包括(但不限于)核酸、硅、二氧化硅(还称为氧化硅)、氧化铝、蓝宝石、锗、砷化镓(GaAs)、硅与锗的合金或磷化铟(InP)。在一些情况下，基材可包括氮化硅、碳和/或聚合物。
[0075] 基材可为无机物(例如，不包含碳)或有机物(例如，含有碳)。在一些情形中，基材可包含石墨烯和/或石墨。
[0076] 在一些实施方案中，基材是本文所提供的任两种或更多种的杂合物(例如，包含混合物)(例如，无机材料和有机材料的杂合物、或两种或更多种不同无机材料或有机材料的杂合物)。例如，基材可包含无机和有机材料的混合物、两种或更多种不同无机材料的混合物或两种或更多种不同有机材料的混合物。杂合基材中一种材料对另一种材料的比率可为例如1:10、1:20、1:30、1:40、1:50、1:60、1:70、1:80或1:90。本文涵盖其它比例。例如，任两种或更多种不同材料可在基材中布置成层。本文还涵盖其它构型。
[0077] 在一些实施方案中，基材包括半导体材料或半导体材料的混合物。半导体材料包括(但不限于)IV族元素半导体、IV族化合物半导体、VI族元素半导体、III-V族半导体、II-VI族半导体、I-VII族半导体、IV-VI族半导体、IV-VI族半导体、V-VI族半导体、II-V族半导体、氧化物、层状半导体、磁性半导体、有机半导体、电荷转移复合物及其组合。
[0078] 在一些实施方案中，基材包括IV族半导体材料。根据本公开内容使用的IV族半导体材料的实例包括(但不限于)金刚石、硅、锗、灰锡、碳化硅及其组合。
[0079] 在一些实施方案中，基材包括VI族半导体材料。根据本公开内容使用的VI族半导体材料的实例包括(但不限于)硫、灰硒、碲及其组合。
[0080] 在一些实施方案中，基材包括III-V族半导体材料。根据本公开内容使用的III-V族半导体材料的实例包括(但不限于)立方氮化硼、六方氮化硼、磷化硼、砷化硼、砷化硼、氮化铝、磷化铝、砷化铝、锑化铝、氮化镓、磷化镓、砷化镓、锑化镓、氮化铟、磷化铟、砷化铟、锑化铟及其组合。
[0081] 在一些实施方案中，基材包括II-VI族半导体材料。根据本公开内容使用的II-VI族半导体材料的实例包括(但不限于)硒化镉、硫化镉、碲化镉、氧化锌、硒化锌、硫化锌、碲化锌、氯化亚铜、硫化铜、硒化铅、硫化铅(ii)、碲化铅、硫化锡、硫化锡、碲化锡、碲化铅锡、碲化铊锡、碲化铊锗、碲化铋及其组合。
[0082] 在一些实施方案中，基材包括I-VII族半导体材料。根据本公开内容使用的I-VII族半导体材料的实例包括(但不限于)氯化亚铜、硫化铜以及氯化亚铜与硫化铜的组合。
[0083] 在一些实施方案中，基材包括IV-VI族半导体材料。根据本公开内容使用的IV-VI族半导体材料的实例包括(但不限于)硒化铅、硫化铅(ii)、碲化铅、硫化锡、硫化锡、碲化锡、碲化铅锡、碲化铊锡、碲化铊锗及其组合。
[0084] 在一些实施方案中，基材包括V-VI族半导体材料。根据本公开内容使用的IV-VI族半导体材料的实例包括(但不限于)碲化铋。
[0085] 在一些实施方案中，基材包括II-V族半导体材料。根据本公开内容使用的II-V族半导体材料的实例包括(但不限于)磷化镉、砷化镉、锑化镉、磷化锌、砷化锌、锑化锌及其组合。
[0086] 在一些实施方案中，基材包括氧化物。根据本公开内容使用的氧化物实例包括(但不限于)锐钛矿型二氧化钛、金红石型二氧化钛、板钛矿型二氧化钛、氧化铜(i)、氧化铜(ii)、二氧化铀、三氧化铀、三氧化铋、二氧化锡、钛酸钡、钛酸缌、铌酸锂、氧化镧铜及其组合。
[0087] 在一些实施方案中，基材包括层状半导体。根据本公开内容使用的层状半导体的实例包括(但不限于)碘化铅(ii)、二硫化钼、硒化镓、硫化锡、硫化铋及其组合。
[0088] 在一些实施方案中，基材包括磁性半导体。根据本公开内容使用的磁性半导体的实例包括(但不限于)砷化镓锰、砷化铟锰、碲化镉锰、碲化铅猛、锰酸镧钙、氧化铁(ii)、氧化镍(ii)、氧化铕(ii)、硫化铕(ii)、溴化铬(iii)及其组合。
[0089] 可根据本公开内容使用的半导体材料的其它实例包括(但不限于)硒化铜铟(cis)、硫化银镓、磷化锌硅、硫化砷、硅化铂、碘化秘(iii)、碘化汞(ii)、溴化铊(i)、硫化银、二硫化铁、硫化铜锌锡、硫化铜锌锑及其组合。
[0090] 在一些实施方案中，基材包括硫属化物。硫属化物是包括至少一个硫属元素阴离子和至少一种更具正电性元素的化学化合物。在一些实施方案中，硫属化物是硫化物、硒化物或碲化物。
[0092] 在一些实施方案中，基材包括金属。可根据本公开内容使用的金属实例包括(但不限于)铝、铬、钛、钨、钽、铌、铂、锌及其组合。
[0093] 在一些实施方案中，基材包括碳、LiNbO3、PbZrTiO3、HfO2、TiO2、V2O5、Al2O3、Ta2O3或其组合。
[0094] 在一些实施方案中，基材包括聚合物。可根据本公开内容使用的聚合物实例包括(但不限于)聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)(例如，PMMA树脂)和自组装聚合物。在一些实施方案中，基材包含聚(甲基丙烯酸甲酯甲基丙烯酸)(例如，共聚物P(MMA-MAA))。在一些实施方案中，基材包括自组装嵌段共聚物。
[0095] 在一些实施方案中，基材包括膜，例如光阻剂膜、化学蒸气沉积(CVD)膜、半导体膜、石墨烯和/或其它单层原子膜。在一些实施方案中，基材包括物理蒸气沉积(PVD)膜、原子层沉积(ALD)膜和/或离子植入膜。
[0096] 在一些实施方案中，基材是经抛光的硅晶片，例如经等离子体处理、或热食人鱼溶液(piranha solution)处理的硅晶片(例如，7:3浓缩H2SO4:35％H2O2)。
[0097] 在一些实施方案中，部分偶联至基材表面。在一些实施方案中，基材是具有多个部分偶联于其上的顶部表面的基本上平面的物质。基材可为单层或多层(例如，多层石墨烯/BN/MoS2，例如，条带或网)。
[0098] 在一些实施方案中，基材具有包含生物分子或由生物分子组成的(例如，至少一个)层。生物分子包括例如蛋白质和核酸。本文涵盖其它生物分子，例如，多糖和脂质。在一些实施方案中，基材可含有仅蛋白质(均质或异质群体)、仅核酸(均质或异质群体)或蛋白质与核酸(或其它生物分子)的混合物。基材的生物分子层可为内层(例如，夹心于两个层之间)和/或外层(例如，表面暴露于周围环境)。
[0099] 也被称为“晶体”的核酸纳米结构
[0100] 本公开内容的方面涉及用于图案化基材的二维或三维核酸纳米结构。“核酸纳米结构”是自个体核酸自组装的合理设计的人工(例如，非天然存在)结构。在一些实施方案中，在本文中被称为“晶体”的自组装一维、二维或三维核酸结构可为基材。应理解，术语“核酸纳米结构”和“核酸晶体”(或简单地“晶体”)在本文中可互换使用。
[0101] “裸核酸纳米结构”是无表面涂层的核酸纳米结构。在本公开内容之前，核酸纳米结构(例如，DNA纳米结构)用例如金属涂层(参见例如Jin Z.等人Nature Communications,4:1663,2013，其以引用方式并入本文中)或氧化物涂层(参见例如Surwade S.P.等人，J.Am.Chem.Soc.133:11868,2011，其以引用方式并入本文中)涂覆，以使得核酸纳米结构可经受蚀刻条件。然而，金属或氧化物涂层例如降低光刻分辨率，且使用这样的涂层将分辨率极限强加于所蚀刻的基材上。令人惊讶地，本公开内容的核酸纳米结构(例如，DNA纳米结构)不需要这样的表面涂层。例如，多层核酸纳米结构(例如，三维DNA纳米结构)是强健的且能够经受蚀刻(例如，等离子蚀刻)。因此，在一些实施方案中，裸核酸纳米结构是没有金属涂层且没有氧化物涂层的核酸纳米结构(例如，多层核酸纳米结构)。
[0102] 然而，应理解，尽管本公开内容的裸核酸纳米结构不含涂层，但在一些实施方案中，其在蚀刻之前可经预处理(例如，变性或修饰)。例如，裸核酸纳米结构可经历利用以下的预处理：紫外交联(Ravanat,J.L.等人，Journal of Photochemistry and Photobiology B:Biology 63:88–102,2001，其以引用方式并入本文中)或臭氧分解(Cataldo,F.International Journal of Biological Macromolecules 38:248–254,2006，其以引用方式并入本文中)、染料/离子染色、碳化(Rajesh，B.等人，J.Phys.Chem.B 107(12):2701–
2708,2003，其以引用方式并入本文中)、金属阳离子掺杂(Petty,J.T.等人，
J.Am.Chem.Soc.126:5207-5212,2004，其以引用方式并入本文中)或毛细管润湿(Piner,R.D.Science 283:661,1999，其以引用方式并入本文中)。
2708,2003，其以引用方式并入本文中)、金属阳离子掺杂(Petty,J.T.等人，
J.Am.Chem.Soc.126:5207-5212,2004，其以引用方式并入本文中)或毛细管润湿(Piner,R.D.Science 283:661,1999，其以引用方式并入本文中)。
[0103] 本公开内容的裸核酸纳米结构可用作掩膜以覆盖意欲图案化的基材区域(例如，保护该区域免于蚀刻)。因此，在一些实施方案中，裸核酸纳米结构被称为“裸核酸纳米结构掩膜”。
[0104] 核酸纳米结构(即，晶体)通常是纳米级或微米级结构(例如，具有1至1000纳米(nm)或1至10微米(μm)的长度规模)。在一些情形中，微米级结构是自多于一个纳米级或微米级结构组装的。在一些实施方案中，核酸纳米结构(且因此，晶体)的长度规模为1至1000nm、1至900nm、1至800nm、1至700nm、1至600nm、1至500nm、1至400nm、1至300nm、1至
200nm、1至100nm或1至50nm。在一些实施方案中，核酸纳米结构的长度规模为1、2、3、4、5、6、
7、8、9或10μm。在一些实施方案中，核酸纳米结构的长度规模大于1000nm。在一些实施方案中，核酸纳米结构的长度规模为1μm至2μm。在一些实施方案中，核酸纳米结构的长度规模为
200nm至2μm或以上。
200nm、1至100nm或1至50nm。在一些实施方案中，核酸纳米结构的长度规模为1、2、3、4、5、6、
7、8、9或10μm。在一些实施方案中，核酸纳米结构的长度规模大于1000nm。在一些实施方案中，核酸纳米结构的长度规模为1μm至2μm。在一些实施方案中，核酸纳米结构的长度规模为
200nm至2μm或以上。
[0105] 在一些实施方案中，核酸纳米结构(即，晶体)是自多个不同核酸(例如，单链核酸)组装的。例如，核酸纳米结构可自至少10、至少20、至少30、至少40、至少50、至少60、至少70、至少80、至少90或至少100个核酸组装。在一些实施方案中，核酸纳米结构是自至少100、至少200、至少300、至少400、至少500个或以上核酸组装的。术语“核酸”涵盖“寡核苷酸”，其是长度为10个核苷酸至100个核苷酸的短单链核酸(例如，DNA)。在一些实施方案中，寡核苷酸的长度为10至20个核苷酸、10至30个核苷酸、10至40个核苷酸、10至50个核苷酸、10至60个核苷酸、10至70个核苷酸、10至80个核苷酸或10至90个核苷酸。在一些实施方案中，寡核苷酸的长度为20至50、20至75或20至100个核苷酸。在一些实施方案中，寡核苷酸的长度为30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49或50个核苷酸。
[0106] 在一些实施方案中，核酸纳米结构(即，晶体)是自单链核酸、双链核酸或单链和双链核酸的组合组装的。
[0107] 在一些实施方案中，核酸纳米结构(即，晶体)可自多个异质核酸(例如，寡核苷酸)组装。“异质”核酸可在核苷酸序列上彼此不同。例如，在包括核酸A、B和C的异质多样性中，核酸A的核苷酸序列不同于核酸B的核苷酸序列，核酸B的核苷酸序列不同于核酸C的核苷酸序列。异质核酸还可在长度和化学组成上不同(例如，是经分离的相对于经合成的)。
[0108] 设计自组装核酸纳米结构(即，晶体)的基本原则在于编码核酸链中的序列互补性，以使得通过使互补片段配对，核酸链在适当物理条件下自组织成预定义的纳米结构。根据此基本原则(参见例如Seeman N.C.J.Theor.Biol.99:237,1982，其以引用方式并入本文中)，研究者已产生多样的合成核酸纳米结构(参见例如Seeman N.C.Nature 421:427,2003；Shih W.M.等人，Curr.Opin.Struct.Biol.20:276,2010，其每一者以引用方式并入本文中)。可根据本公开内容使用的核酸(例如，DNA)纳米结构的实例和产生这样的结构的方法是已知的且包括(但不限于)晶格(参见例如Winfree E.等人，Nature 394:539,1998；Yan H.等人，Science 301:1882,2003；Yan H.等人，Proc.Natl.Acad.of Sci.USA 100；8103,
2003；Liu D.等人，J.Am.Chem.Soc.126:2324,2004；Rothemund P.W.K.等人，PLoS Biology
2:2041,2004，其每一个以引用方式并入本文中)、条带(参见例如Park S.H.等人，Nano Lett.5:729,2005；Yin P.等人，Science 321:824,2008，其每一个以引用方式并入本文中)、管(参见例如Yan H.Science,2003；P.Yin,2008，其每一个以引用方式并入本文中)、具有所定义形状的有限二维和三维物件(参见例如Chen J.等人，Nature 350:631,1991；
Rothemund P.W.K.,Nature,2006；He Y.et al.Nature 452:198,2008；Ke Y.等人，
Nano.Lett.9:2445,2009；Douglas S.M.等人，Nature 459:414,2009；Dietz H.等人，Science 325:725,2009；Andersen E.S.等人，Nature 459:73,2009；Liedl T.等人，Nature Nanotech.5:520,2010；Han D.等人，Science 332:342,2011，其每一个以引用方式并入本文中)和宏观晶体(参见例如Meng J.P.et al.Nature 461:74,2009，其以引用方式并入本文中)。
2003；Liu D.等人，J.Am.Chem.Soc.126:2324,2004；Rothemund P.W.K.等人，PLoS Biology
2:2041,2004，其每一个以引用方式并入本文中)、条带(参见例如Park S.H.等人，Nano Lett.5:729,2005；Yin P.等人，Science 321:824,2008，其每一个以引用方式并入本文中)、管(参见例如Yan H.Science,2003；P.Yin,2008，其每一个以引用方式并入本文中)、具有所定义形状的有限二维和三维物件(参见例如Chen J.等人，Nature 350:631,1991；
Rothemund P.W.K.,Nature,2006；He Y.et al.Nature 452:198,2008；Ke Y.等人，
Nano.Lett.9:2445,2009；Douglas S.M.等人，Nature 459:414,2009；Dietz H.等人，Science 325:725,2009；Andersen E.S.等人，Nature 459:73,2009；Liedl T.等人，Nature Nanotech.5:520,2010；Han D.等人，Science 332:342,2011，其每一个以引用方式并入本文中)和宏观晶体(参见例如Meng J.P.et al.Nature 461:74,2009，其以引用方式并入本文中)。
[0109] 本公开内容的核酸纳米结构(即，晶体)可以是二维或三维的。二维核酸纳米结构是单层平面结构，其可沿x轴和y轴测量(图4A)。核酸纳米结构的“层”是指高度一致的核酸的平面布置。“高度”是指结构的垂直距离(例如，沿y轴)的量度。“最大高度”是指结构的最大垂直距离的量度(例如，结构的最高点与结构的最低点之间的距离)。通常，核酸层具有小于3nm(例如，1nm、1.5nm、2nm、2.5nm)的最大高度。二维核酸纳米结构是单层结构，因此，二维核酸纳米结构具有高度一致且最大高度小于3nm的核酸的平面布置。在一些实施方案中，二维核酸纳米结构的最大高度为小于2.5nm。在一些实施方案中，二维核酸纳米结构的最大高度为1nm至2.9nm或1nm至2.5nm。在一些实施方案中，二维核酸纳米结构的最大高度为1nm、1.5nm、2nm或2.5nm。二维核酸纳米结构的非限制性实例包括核酸晶格、瓦片和纳米带(参见例如Rothemund P.W.K.，Nature 440:297,2006；和Jung:mann R.等人，
Nanotechnology 22(27):275301,2011，其每一个以引用方式并入本文中)。
Nanotechnology 22(27):275301,2011，其每一个以引用方式并入本文中)。
[0110] 三维核酸纳米结构(即，晶体)可沿x轴、y轴和z轴测量(图4B)。三维核酸纳米结构的最大高度等于或大于3nm。在一些实施方案中，三维核酸纳米结构的最大高度大于4nm、大于5nm、大于6nm、大于7nm、大于8nm、大于9nm或大于10nm。在一些实施方案中，三维核酸纳米结构的最大高度为3nm至50nm、3nm至100nm、3nm至250nm或3nm至500nm。在一些实施方案中，三维纳米结构可为多层结构。在一些实施方案中，三维核酸纳米结构包含2至200个或以上的核酸层。在一些实施方案中，三维核酸纳米结构包括大于2、大于3、大于4或大于5个核酸层。在一些实施方案中，三维核酸纳米结构包含2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、30、35、40、45或50个或以上的核酸层。三维纳米结构可在高度上是一致的或其可在高度上不是一致的。例如，图7B顶部的示意性DNA纳米结构代表在高度上一致的三维纳米结构(例如，平面/平坦结构)，且图7B底部的示意性DNA纳米结构代表在高度上不一致的三维纳米结构，其中结构的中心区域高于毗邻区域。图7B底部的纳米结构的中心区域的垂直距离代表纳米结构的最大高度。三维核酸纳米结构的非限制性实例包括核酸立方体及其它抽象和/或不规则三维形状(参见例如Douglas S.M，等人，Nature 459:414,2009；Andersen E.D.等人，Nature
459:73,2009；Han D.等人，Science 332:342,2011；Ke Y.等人，2011；Wei B.，2012，其每一个以引用方式并入本文中)。
459:73,2009；Han D.等人，Science 332:342,2011；Ke Y.等人，2011；Wei B.，2012，其每一个以引用方式并入本文中)。
[0111] 在概念上，在一些实施方案中，单层二维核酸纳米结构(即，晶体)可通过自三维核酸纳米结构“抽取”层来构建(参见例如Ke Y.等人，2012；还参见Wei B.等人，Nature 485:623,2012，其每一个以引用方式并入本文中)。在一些实施方案中，三维核酸纳米结构可自多于一个二维核酸纳米结构(例如，多于一个核酸层)或多于一个三维核酸纳米结构(例如，连接至一或多个其它“预组装”核酸纳米结构的多于一个“预组装”核酸纳米结构)组装。
[0112] 因此，本文涵盖复合核酸纳米结构(即，晶体)。在一些实施方案中，复合核酸纳米结构包含使用连接体连接至彼此的核酸纳米结构。连接体通常并不整合至核酸纳米结构，但其可通过适当官能团附接至纳米结构。将两个或以上的核酸纳米结构附接在一起的能力允许制作更大大小(例如，微米大小)和复杂性的结构。这些复合结构的尺寸可在例如500nm至100μm、1μm至1000μm、1μm至5μm、1μm至10μm、1μm至20μm或以上的范围内。因此，在一些实施方案中，复合纳米结构涵盖微结构。根据本公开内容使用的连接体的实例包括(但不限于)化学交联剂(例如，戊二醛)、生物分子(例如，抗生物素蛋白-生物素)和配体官能化纳米颗粒/部分(例如，单链-核酸官能化的纳米颗粒)。在一些情形中，连接体可涉及点击化学或配位相互作用(Ni2+/聚组胺酸)。
[0113] 在一些实施方案中，核酸纳米结构(即，晶体)(例如，裸核酸纳米结构掩膜)是使用核酸(例如，DNA)折纸方法组装的。通过利用DNA折纸方法，例如，将长“支架”核酸链通过与相对较短的“订书钉(staple)”链相互作用折叠成预先设计的形状。因此，在一些实施方案中，用于组装核酸纳米结构的单链核酸的长度为至少500个碱基对、至少1千个碱基、至少2千个碱基、至少3千个碱基、至少4千个碱基、至少5千个碱基、至少6千个碱基、至少7千个碱基、至少8千个碱基、至少9千个碱基、或至少1万个碱基。在一些实施方案中，用于组装核酸纳米结构的单链核酸的长度为500碱基对至1万个碱基或以上。在一些实施方案中，用于组装核酸纳米结构的单链核酸的长度为7千至8千个碱基。在一些实施方案中，用于组装核酸纳米结构的单链核酸包含M13病毒基因组。
[0114] 在一些实施方案中，核酸纳米结构(即，晶体)(例如，裸核酸纳米结构掩膜)是自单链瓦片(SST)(参见例如Wei B.等人，Nature 485:626,2012，其以引用方式并入本文中)或核酸“砖”(参见例如Ke Y.等人，Science 388:1177,2012；国际公开第WO 2014/018675A1号，2014年1月30日公开，其每一个以引用方式并入本文中)组装的。例如，单链2-或4-结构域寡核苷酸通过序列特异性退火以预定(例如，预测)方式自组装成二维和/或三维纳米结构。因此，每一个寡核苷酸在纳米结构中的位置是已知的。以此方式，核酸纳米结构可通过(例如)在特定位置处添加、移除或替代寡核苷酸来修饰。纳米结构还可通过例如在特定位置处附接部分来修饰。此可通过使用经修饰的寡核苷酸作为起始材料或通过在形成纳米结构之后修饰特定寡核苷酸来完成。因此，已知起始寡核苷酸中的每一个在所得纳米结构中的位置为纳米结构提供可寻址能力。
[0115] “自组装”是指核酸(且，在一些情形中，预先形成的核酸纳米结构(即，晶体))以序列特异性方式、与预测方式且无外部控制的情况下彼此退火的能力。在一些实施方案中，核酸纳米结构自组装方法包括在单一容器中组合核酸(例如，单链核酸或寡核苷酸)和基于序列互补性使核酸彼此退火。在一些实施方案中，此退火过程涉及将核酸置于高温下且然后逐渐降低温度以有利于序列特异性结合。各种核酸纳米结构或自组装方法是已知的且描述于本文中。
[0116] 本公开内容的核酸包括DNA，例如D型DNA和L型DNA和RNA、以及其各种修饰形式。核酸修饰包括碱基修饰、糖修饰和主链修饰。这样的修饰的非限制性实例提供于下文中。
[0117] 可根据本公开内容使用的经修饰的DNA核酸(例如，DNA变体)的实例包括(但不限于)L-DNA(DNA的主链镜像异构物，在文献中是已知的)、肽核酸(PNA)bisPNA夹、伪互补PNA、锁核酸(LNA)和上述的共核酸(例如DNA-LNA共核酸)。因此，本公开内容涵盖包含DNA、RNA、LNA、PNA或其组合的纳米结构。应理解，本公开内容的方法和组合物中所用的核酸在性质上可为均质或异质。作为实例，核酸在性质上可完全是DNA的或其可包含DNA和非DNA(例如，LNA)单体或序列。因此，可使用核酸组件的任何组合。核酸修饰可使得核酸在某些条件下更稳定和/或不易于降解。例如，在一些实施方案中，核酸是核酸酶抗性的。
[0118] 在一些实施方案中，本公开内容的核酸具有均质主链(例如，完全磷酸二酯或完全硫代磷酸酯)或异质(或嵌合)主链。硫代磷酸酯主链修饰可使得寡核苷酸对核酸酶较不敏感且因此在某些条件下更稳定(与天然磷酸二酯主链核酸相比)。可为本公开内容的核酸提供更多稳定性的其它键联包括(但不限于)二硫代磷酸酯键联、甲基膦酸酯键联、硫代甲基磷酸酯键联、硼烷膦酸酯(boranophosphonate)键联、肽键联、烷基键联和去磷酸型键联。因此，在一些实施方案中，核酸具有非天然存在的主链。
[0119] 在一些实施方案中，本公开内容的核酸不编码产物(例如，蛋白质)。
[0120] 在一些实施方案中，本公开内容的核酸另外或可选择地在其糖中包含修饰。例如，β-核糖单元或β-D-2'-脱氧核糖单元可由经修饰的糖单元替代，其中该经修饰的糖单元是例如选自β-D-核糖、α-D-2’-脱氧核糖、L-2'-脱氧核糖、2’-F-2'-脱氧核糖、阿拉伯糖、2'-F-阿拉伯糖、2'-O-(C1-C6)烷基-核糖，优选2'-O-(C1-C6)烷基-核糖是2'-O-甲基核糖、2'-O-(C2-C6)烯基-核糖、2'-[O-(C1-C6)烷基-O-(C1-C6)烷基]-核糖、2'-NH2-2'-脱氧核糖、β-D-呋喃木糖、α-阿拉伯呋喃糖、2,4-二脱氧-β-D-赤型-己吡喃糖和碳环(参见例如Froehler J.Am.Chem.Soc.114:8320,1992，其以引用方式并入本文中)和/或开链糖类似物(参见例如Vandendriessche等人，Tetrahedron 49:7223,1993，其以引用方式并入本文中)和/或双环糖类似物(参见例如Tarkov M.等人，Helv.Chim.Acta.76:481,1993，其以引用方式并入本文中)。
[0121] 在一些实施方案中，本公开内容的核酸在其碱基中包含修饰。经修饰的碱基包括(但不限于)经修饰胞嘧啶(例如5-取代的胞嘧啶(例如，5-甲基-胞嘧啶、5-氟-胞嘧啶、5-氯-胞嘧啶、5-溴-胞嘧啶、5-碘-胞嘧啶、5-羟基-胞嘧啶、5-羟基甲基-胞嘧啶、5-二氟甲基-胞嘧啶和未经取代或经取代的5-炔基-胞嘧啶)、6-取代的胞嘧啶、N4-取代的胞嘧啶(例如，N4-乙基-胞嘧啶)、5-氮杂-胞嘧啶、2-巯基-胞嘧啶、异胞嘧啶、伪-异胞嘧啶、具有稠环系统的胞嘧啶类似物(例如，N,N’-丙烯胞嘧啶或吩恶嗪)、和尿嘧啶及其衍生物(例如，5-氟-尿嘧啶、5-溴-尿嘧啶、5-溴乙烯基-尿嘧啶、4-硫-尿嘧啶、5-羟基-尿嘧啶、5-丙炔基-尿嘧啶)；经修饰的鸟嘌呤，例如7-去氮鸟嘌呤、7-去氮-7-取代的鸟嘌呤(例如7-去氮-7-(C2-C6)炔基鸟嘌呤)、7-去氮-8-取代的鸟嘌呤、次黄嘌呤、N2-取代的鸟嘌呤(例如，N2-甲基-鸟嘌呤)、5-氨基-3-甲基-3H,6H-噻唑并[4,5-d]嘧啶-2,7-二酮、2,6-二氨基嘌呤、2-氨基嘌呤、嘌呤、吲哚、腺嘌呤、经取代的腺嘌呤(例如，N6-甲基-腺嘌呤、8-氧代-腺嘌呤)、8-取代的鸟嘌呤(例如，8-羟基鸟嘌呤和8-溴鸟嘌呤)和6-硫鸟嘌呤。核酸可包含通用碱基(例如，3-硝基吡咯、P-碱基、4-甲基-引哚、5-硝基-引哚和K-碱基)和/或芳香族环系统(例如，氟苯、二氟苯、苯并咪唑或二氯-苯并咪唑、1-甲基-1H-[1,2,4]三唑-3-甲酸酰胺)。可掺入本发明的寡核苷酸中的具体碱基对是dZ和dP非标准核碱基对，其由Yang等人，NAR,2006,34(21):6095-6101报道。dZ(嘧啶类似物)是6-氨基-5-硝基-3-(1’-β-D-2’-脱氧呋喃核糖基)-2(1H)-吡啶酮，且其Watson-Crick补体dP(嘌呤类似物)是2-氨基-8-(1’-β-D-1’-脱氧呋喃核糖基)-咪唑并[1,2-a]-1,3,5-三嗪-4(8H)-酮。
[0122] 在一些实施方案中，本公开内容的核酸是在体外合成。因此，在一些实施方案中，核酸是合成的(例如，非天然存在)。合成核酸的方法(包括自动化核酸合成)是已知的。例如，具有经修饰的主链(例如，包含硫代磷酸酯键联的主链，且包括包含嵌合修饰主链的那些)的核酸可使用自动化技术采用氨基磷酸酯或H-膦酸酯化学品来合成(参见例如F.E.Eckstein“,Oligonucleotides and Analogues-A Practical Approach”IRL Press,Oxford,UK,1991；和Matteucci M.D.等人，Tetrahedron Lett.21:719,1980)。还涵盖具有芳基-和烷基-膦酸酯键联的核酸的合成(参见例如美国专利第4,469,863号)。在一些实施方案中，具有烷基磷酸三酯键联的核酸(其中带电氧部分经烷基化，例如如美国专利第5,
023,243号和欧洲专利第092,574号中所述的)通过自动化固相合成使用市售试剂来合成。
已描述了(参见例如Uhlmann E.等人，Chem.Rev.90:544,1990；Goodchild J.Bioconjugate Chem.1:165,1990；Crooke S.T.等人，Annu.Rev.Pharmacol.Toxicol.36:107,1996；和Mod Synth Methods 7:331,1995，其每一个以引用方式并入)且可根据本公开内容使用制备其它DNA主链修饰和取代的方法。
023,243号和欧洲专利第092,574号中所述的)通过自动化固相合成使用市售试剂来合成。
已描述了(参见例如Uhlmann E.等人，Chem.Rev.90:544,1990；Goodchild J.Bioconjugate Chem.1:165,1990；Crooke S.T.等人，Annu.Rev.Pharmacol.Toxicol.36:107,1996；和Mod Synth Methods 7:331,1995，其每一个以引用方式并入)且可根据本公开内容使用制备其它DNA主链修饰和取代的方法。
[0123] 本公开内容的一些方面涉及使用退火过程组装核酸纳米结构。在一些实施方案中，核酸是在单一容器(例如但不限于管、孔或小瓶)中组合。所用的核酸摩尔量可取决于期望的纳米结构中每一个核酸的频率和期望的纳米结构的量。在一些实施方案中，核酸可以以等摩尔浓度存在。在一些实施方案中，每一个核酸(例如，寡核苷酸)可以以约200nM的浓度存在。在一些实施方案中，核酸被置于溶液中。溶液可以是经缓冲的，尽管退火反应还可在不存在缓冲剂的情形下发生。溶液可进一步包含二价阳离子，例如(但不限于)Mg2+。阳离子或盐浓度可有所变化。示例性浓度为约490mM。溶液还可包含EDTA或其它核酸酶抑制剂以防止核酸降解。
[0124] 在一些实施方案中，退火反应通过加热含有核酸的溶液且然后使溶液缓慢冷却(例如，加热且然后置于室温环境中)来实施。反应温度应足够高以熔解任何不期望的二级结构(例如发夹结构)并确保核酸不会错误地结合至其它非互补核酸。因此，温度初始可升至低于或等于100℃的任何温度。例如，温度初始可升至100℃、95℃、90℃、85℃、80℃、75℃、70℃、65℃或60℃。温度可通过将容器放置于热水浴中、加热能够进行温度控制的区块或装置(例如，热循环仪(例如，聚合酶链反应(PCR)仪器)来升高。容器可在该环境中保持数秒或数分钟。在一些实施方案中，约1分钟至10分钟的孵育时间是足够的。
[0125] 在高温下的核酸孵育完成后，可以以许多方式降低温度。温度可例如以自动化方式使用计算机算法下降，该计算机算法使温度下降一定量且在温度再次下降之前将该温度维持一定时间段。这样的自动化方法可涉及使温度在每一个步骤下降1度或在每一个步骤下降若干度。因此容器可在相同装置中加热和冷却。作为另一实例，经加热的溶液可置于室温下冷却。降低温度的示例性过程如下。为实现温度自约80℃下降至约24℃，使温度以3分钟/度的速率以1度增量自80℃变化至61℃(例如，80℃持续3分钟，79℃持续3分钟等)。然后，使温度以120分钟/度的速率以1度增量自60℃变化至24℃(例如，60℃持续120分钟，59℃持续120分钟等)。此过程的总退火时间为约17小时。根据本公开内容，在这些条件下，核酸(例如，寡核苷酸)自组装成具有预定和期望的形状和大小的纳米结构(即，晶体)。
[0126] 具体退火过程的实例使用在溶液(例如，5mM Tris-1mM EDTA(TE)、40mM MgCl2)中的100种不同的200nM寡核苷酸并将溶液加热至约90℃且然后在约73小时的时期冷却至约24℃，如上文所述在80℃与61℃之间利用3分钟/度的下降且在60℃与24℃之间利用120分钟/度的下降。应理解，前述退火过程是示例性的且根据本公开内容的可使用其它退火过程。
[0127] 本公开内容提供了使用外延生长工艺产生的核酸纳米结构。外延生长的核酸纳米结构(例如用作DNA模板)可以通过自预形成的核酸(例如DNA)晶种开始的晶种介导的核酸(例如DNA)生长过程形成。晶种可以包含具有较长结合结构域(例如与典型的每个结构域8个核苷酸相比为每个结构域16个核苷酸)的单链DNA或其可以是预先形成的DNA结构，但不限于此。外延生长在晶种和所得的生长结构之间产生单晶界面。与现有的晶种介导的DNA生长相反，外延生长不需要用于特定生长途径的序列设计，并且可以用于3D结构。此外，通过使用外延生长，晶种介导的DNA形成可以沿π-π堆叠方向(螺旋方向)或垂直于螺旋方向开始。
[0128] 图14中示出了外延生长的示例性非限制性工艺。并在实施例6中更详细地描述。本领域普通技术人员将认识到，该实施例被提供作为指导。
[0129] 部分
[0130] 本公开内容的基材(例如，核酸纳米结构/晶体)可偶联至多个部分。所用部分的实例包括(但不限于)半导体颗粒、金属颗粒、碳纳米管、聚合物线、Si纳米线、陶瓷纳米颗粒、金属氧化物纳米颗粒、氟化物纳米颗粒、单链或双链核酸(例如，DNA、RNA、LNA、PNA)，包括自组装核酸结构。用于偶联的部分还可包括(但不限于)等离子体纳米材料、荧光/发光纳米材料、铁磁性纳米材料、顺磁性纳米材料、反铁磁性纳米材料、超顺磁性纳米材料、半导体纳米材料、导体纳米材料或绝缘体纳米材料。
[0131] 在一些实施方案中，纳米结构(即，晶体)与纳米颗粒(例如，金、银、铜和/或镍纳米颗粒)或其它组分(例如，金属簇、氧化物(例如，SiO2、TiO2)、硫属化物(例如，CuS、Ag2S)、纳米线(例如，CNT、Si纳米线)、聚合物(例如，PS、PMMA)和/或生物分子(例如，蛋白质、肽、肌动蛋白丝))偶联。
[0132] 在一些实施方案中，该部分包括半导体材料。半导体材料包括(但不限于)IV族元素半导体、IV族化合物半导体、VI族元素半导体、III-V族半导体、II-VI族半导体、I-VII族半导体、IV-VI族半导体、IV-VI族半导体、V-VI族半导体、II-V族半导体、氧化物、层状半导体、磁性半导体、有机半导体、电荷转移复合物及其组合。
[0133] 在一些实施方案中，该部分包括IV族半导体材料。根据本公开内容使用的IV族半导体材料的实例包括(但不限于)金刚石、硅、锗、灰锡、碳化硅及其组合。
[0134] 在一些实施方案中，该部分包括VI族半导体材料。根据本公开内容使用的VI族半导体材料的实例包括(但不限于)硫、灰硒、碲及其组合。
[0135] 在一些实施方案中，该部分包括III-V族半导体材料。根据本公开内容使用的III-V族半导体材料的实例包括(但不限于)立方氮化硼、六方氮化硼、磷化硼、砷化硼、砷化硼、氮化铝、磷化铝、砷化铝、锑化铝、氮化镓、磷化镓、砷化镓、锑化镓、氮化铟、磷化铟、砷化铟、锑化铟及其组合。
[0136] 在一些实施方案中，该部分包括II-VI族半导体材料。根据本公开内容使用的II-VI族半导体材料的实例包括(但不限于)硒化镉、硫化镉、碲化镉、氧化锌、硒化锌、硫化锌、碲化锌、氯化亚铜、硫化铜、硒化铅、硫化铅(ii)、碲化铅、硫化锡、硫化锡、碲化锡、碲化铅锡、碲化铊锡、碲化铊锗、碲化铋及其组合。
[0137] 在一些实施方案中，该部分包括I-VII族半导体材料。根据本公开内容使用的I-VII族半导体材料的实例包括(但不限于)氯化亚铜、硫化铜以及氯化亚铜与硫化铜的组合。
[0138] 在一些实施方案中，该部分包括IV-VI族半导体材料。根据本公开内容使用的IV-VI族半导体材料的实例包括(但不限于)硒化铅、硫化铅(ii)、碲化铅、硫化锡、硫化锡、碲化锡、碲化铅锡、碲化铊锡、碲化铊锗及其组合。
[0139] 在一些实施方案中，该部分包括V-VI族半导体材料。根据本公开内容使用的IV-VI族半导体材料的实例包括(但不限于)碲化铋。
[0140] 在一些实施方案中，部分包括II-V族半导体材料。根据本公开内容使用的II-V族半导体材料的实例包括(但不限于)磷化镉、砷化镉、锑化镉、磷化锌、砷化锌、锑化锌及其组合。
[0141] 在一些实施方案中，该部分包括氧化物。根据本公开内容使用的氧化物的实例包括(但不限于)锐钛矿型二氧化钛、金红石型二氧化钛、板钛矿型二氧化钛、氧化铜(i)、氧化铜(ii)、二氧化铀、三氧化铀、三氧化铋、二氧化锡、钛酸钡、钛酸缌、铌酸锂、氧化镧铜及其组合。
[0142] 在一些实施方案中，该部分包括层状半导体。根据本公开内容使用的层状半导体的实例包括(但不限于)碘化铅(ii)、二硫化钼、硒化镓、硫化锡、硫化铋及其组合。
[0143] 在一些实施方案中，该部分包括磁性半导体。根据本公开内容使用的磁性半导体的实例包括(但不限于)砷化镓锰、砷化铟锰、碲化镉锰、碲化铅猛、锰酸镧钙、氧化铁(ii)、氧化镍(ii)、氧化铕(ii)、硫化铕(ii)、溴化铬(iii)及其组合。
[0144] 可根据本公开内容使用的半导体材料的其它实例包括(但不限于)硒化铜铟(cis)、硫化银镓、磷化锌硅、硫化砷、硅化铂、碘化秘(iii)、碘化汞(ii)、溴化铊(i)、硫化银、二硫化铁、硫化铜锌锡、硫化铜锌锑及其组合。
[0145] 在一些实施方案中，该部分包括硫属化物。硫属化物是包括至少一个硫属元素阴离子和至少一种更具正电性元素的化学化合物。在一些实施方案中，硫属化物是硫化物、硒化物或碲化物。
[0146] 在一些实施方案中，该部分包括电绝缘体。电绝缘体是内部电荷不会自由流动、且因此使得其在电场的影响下难以传导电流的材料。
[0147] 在一些实施方案中，该部分包括金属。可根据本公开内容使用的金属的实例包括(但不限于)金、铝、铬、钛、钨、钽、铌、铂、锌及其组合。
[0148] 在一些实施方案中，该部分包括碳、SiC、LiNbO3、PbZrTiO3、HfO2、TiO2、V2O5、Al2O3、Ta2O3或其组合。
[0149] 在一些实施方案中，该部分包括聚合物。可根据本公开内容使用的聚合物的实例包括(但不限于)聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)(例如，PMMA树脂)和自组装聚合物。本文提供的其它聚合物实例包括共聚物P(MMA-MAA)和自组装嵌段共聚物。
[0150] 在一些实施方案中，该部分的直径(或尺寸，包括最长或平均尺寸)为1nm至100nm(例如，1nm至75nm、1nm至50nm、1nm至25nm)。
[0151] 在一些实施方案中，该部分包括多个部分的异质混合物。例如，基材可包含不同半导体部分的混合物、不同大小的纳米颗粒的混合物或纳米颗粒和纳米线的混合物。
[0152] 多个部分至基材的偶联
[0153] 本公开内容的基材(例如，核酸纳米结构/晶体)可以以规定方式偶联至多个部分，例如，纳米颗粒(例如，金纳米颗粒)和/或纳米线(例如，碳纳米管)。“偶联”在本文中是指将部分约束于基材的位置处。部分可以共价或非共价地偶联至基材。在一些实施方案中，多个部分(例如，纳米颗粒)经由部分或完全互补的单链核酸(例如，DNA或RNA)(称为柄和反柄)偶联至基材。在一些实施方案中，柄(或反柄)是以共价或非共价方式偶联至基材。在一些实施方案中，柄(或反柄)是通过杂交偶联至核酸纳米结构(即，晶体)基材。在一些实施方案中，柄(或反柄)是通过结合对偶联至基材。在一些情形中，结合对是生物素和链霉亲和素。
[0154] 类似地，在一些实施方案中，柄(或反柄)是以共价或非共价方式偶联至部分(例如，纳米颗粒(例如，金纳米颗粒)或纳米线(例如，碳纳米管))。在一些实施方案中，柄(或反柄)是通过结合对偶联至部分。
[0155] 在一些实施方案中，每一个反柄偶联至个体部分。例如，每一个反柄可仅偶联至一个部分。在一些实施方案中，单一反柄偶联至多于一个(例如，2、3或4个)部分。
[0156] 在一些实施方案中，反柄的子集是偶联至相同部分。因此，单一部分(例如，纳米线)可偶联至多个反柄。
[0157] 在一些实施方案中，通过以下将基材偶联至柄和/或将部分偶联至反柄：-SH基团(例如，对于金属和半导电部分)、点击化学、-NH2基团、-COOH基团(例如，对于氧化硅或聚合物涂覆的部分)、π-π堆叠(例如，以将单链DNA缠绕至碳纳米管)、配位相互作用(Ni2+/聚组胺酸)或通过静电相互作用(例如，对于带电纳米颗粒或分子)。
[0158] 应理解，通过使用柄/反柄构型，将柄偶联至核酸纳米结构(即，晶体)且将互补反柄偶联至部分，或可选择地，将柄偶联至部分且将互补反柄偶联至核酸纳米结构，以使得柄和反柄对的杂交导致该部分偶联至核酸纳米结构。
[0159] 柄(或反柄)可以以共价或非共价方式偶联至基材(例如，核酸纳米结构(即，晶体))或部分。作为非限制性实例，其可使用结合对(例如，生物素和抗生物素蛋白/链霉亲和素结合对)以非共价方式偶联至基材。其它结合对对于本领域技术人员将是明显的并且可用于偶联，包括高亲和性蛋白质/蛋白质结合对(例如抗体/抗原和配体/受体结合对)、疏水相互作用、π-π堆叠或静电相互作用。在一些实施方案中，多个部分通过空间约束偶联至基材。
[0160] 核酸柄(或反柄)的长度可有所变化。在一些实施方案中，部分可偶联至基材，而不缀合至中间核酸(例如，不会促成纳米结构(即，晶体)的结构完整性的核酸，例如，柄/反柄)。在这样的实施方案中，该部分可经由结合对(例如，生物素和抗生物素蛋白/链霉亲和素结合对)偶联至基材。
[0161] 柄(或柄的至少单链区域)的长度可为约15至约50个核苷酸。在一些实施方案中，柄(或反柄)的长度可为约15、约20、约25、约30、约35、约40或约50个核苷酸。取决于应用，核酸柄(或反柄)的长度可大于50个核苷酸。
[0162] 在一些实施方案中，将多个部分偶联至基材(例如，核酸纳米结构/晶体)不需要中间分子相互作用(例如，核酸杂交或蛋白质-蛋白质相互作用)。在一些实施方案中，将多个部分是“约束”于基材，以使得该部分由于通道和部分的相对形状和/或大小而在基材的通道内(或槽、贮器、沟槽或相对于表面的其它凹入特征)保持紧密靠近。此约束可通过设计/提供含有通道的基材来实现，该通道共形于所约束部分的形状且直径不大于所约束部分的直径。例如，参照图3A，纳米线可约束于具有柄和反柄(如所示)或没有柄和反柄(未显示)的基材的通道内。在一些实施方案中，通道的直径等于所约束部分的直径。在一些实施方案中，通道的直径稍微小于所限制部分的直径。
[0163] 多个部分可布置于基材上或基材内以形成具体构型或形状。在一些实施方案中，多个部分可布置于基材上或基材内以形成纵横构型、手性构型或平行列。平行列构型的实例显示于图1A-1B中。具体构型可通过例如将柄或其它偶联分子定位于基材上或基材中的规定位置处来规定。如图1A中所示，核酸柄的子集可经对齐以使得当结合至附接至多个部分的互补反柄时，所得构型含有该部分的平行列。具体构型可通过例如提供含有以特定方式布置的通道或其它凹入特征的预先形成的或预组装的基材来规定。如图3B中所示，DNA晶体基材含有以平行布置配置的通道，且然后将纳米线偶联至或约束于那些通道，从而导致具有经偶联或约束的部分的平行(或基本上平行)列的基材。
[0164] 在一些实施方案中，核酸柄偶联至在基材中形成的通道。基材可包含例如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多个通道，每一个通道相对于彼此具有相同宽度或不同宽度。
[0165] 单一基材可含有多个部分的均质群体或异质群体。例如，基材的多个部分的群体可含有一种材料的多个部分的子群体、另一种材料的多个部分的另一群体等等。在一些实施方案中，基材的多个部分的群体可含有具有不同大小和/或材料的部分。本文涵盖其它混合群体。
[0166] 在一些实施方案中，基材上的多个部分的数量和/或异质性是由基材的大小、基材的尺寸和多个部分的位阻来规定的。例如，1μmx1μmx1μm 3D基材可含有多达3000个部分(均质或异质群体)。作为另一实例，100μmx100μmx100μm 3D基材可含有多达一百万个部分(均质或异质群体)。
[0167] 在一些实施方案中，如本文所提供的偶联至多个部分的基材具有1nm至1μm的空间分辨率。例如，基材(例如，核酸纳米结构(即，晶体))的特征分辨率可为1nm、2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm、10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、200nm、
300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm或1000nm。在一些实施方案中，基材的特征分辨率为1nm至100nm、1nm至50nm、或1nm至10nm、1nm至5nm或1nm至2nm。在一些实施方案中，基材的特征分辨率小于50nm、小于25nm、小于10nm或小于5nm。在一些实施方案中，基材的特征分辨率为1nm至小于10nm、2nm至10nm或2nm至5nm。
300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm或1000nm。在一些实施方案中，基材的特征分辨率为1nm至100nm、1nm至50nm、或1nm至10nm、1nm至5nm或1nm至2nm。在一些实施方案中，基材的特征分辨率小于50nm、小于25nm、小于10nm或小于5nm。在一些实施方案中，基材的特征分辨率为1nm至小于10nm、2nm至10nm或2nm至5nm。
[0168] “空间分辨率”是指基材(例如，核酸纳米结构(例如，在核酸自组装的上下文中))的可分辨细节。术语“空间分辨率”和“特征分辨率”在本文中可互换使用。此分辨率由核酸晶体中每一个核酸链的空间准确度和精确度确定，其可通过例如透射式电子显微镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)在所合成的核酸纳米结构(即，晶体)上验证。对于二维核酸纳米结构(即，晶体)，空间/特征分辨率描述二维方面中(例如，在X和Y平面中)的空间可分辨性。对于三维核酸纳米结构(即，晶体)，空间/特征分辨率分为水平和垂直方面，其分别描述X/Y平面和Z方向的空间可分辨性。
[0169] 图案转移过程
[0170] 本公开内容的一些方面涉及利用基于遮蔽概念的蚀刻的图案转移制程(例如，光刻)，其中“掩膜”保护基材免于与严苛蚀刻剂反应。“蚀刻”是指自基材移除材料(例如，使用蚀刻剂)从而导致基材图案化的过程。蚀刻可被视为是“湿法”或“干法”的。湿法蚀刻是指利用液体化学品(还称为湿法蚀刻剂)以自基材通常以基材上的光阻剂掩膜所界定的特定图案移除材料的蚀刻过程。本公开内容涵盖使用裸三维核酸纳米结构作为基材上的掩膜。掩膜未覆盖的材料被化学品“蚀刻掉”，同时由掩膜覆盖的材料几乎保持完整。相比之下，干法蚀刻是指不利用液体化学品以自基材移除材料的蚀刻过程。在一些实施方案中，本公开内容的方法包括干法蚀刻条件。在一些实施方案中，干法蚀刻可通过消耗材料的化学反应(例如，使用化学反应性气体、自由基或等离子体)、通过物理移除材料(例如，通过来自惰性气体或惰性离子束的动量传递)或通过物理移除与化学反应的组合来实现。
[0171] 干法蚀刻图案转移过程的实例包括(但不限于)离子束蚀刻、电子束蚀刻和X射线蚀刻。
[0172] 在本公开内容的一些实施方案中，使用离子束蚀刻(参见例如Matsui S.等人，Nanotechology,7(3):247,1996，其以引用方式并入本文中)来图案化基材。离子束蚀刻可包括利用高能量化学反应性离子轰击欲蚀刻的材料。这样的利用能量离子的轰击将原子自材料驱逐出，在效果上通过溅射实现材料移除。在一些实施方案中，使用反应性离子蚀刻来图案化基材。反应性离子蚀刻(参见例如Wu B.等人，J.of App.Phys.108(5):051101,2010，其以引用方式并入本文中)使用化学反应性离子和中性束(例如等离子体)来自基材移除材料。在本公开内容的一些实施方案中，反应性离子蚀刻可包括以下步骤：(1)在等离子体中生成反应性物质(离子和/或自由基)；(2)使这些物质扩散至所蚀刻材料的表面；(3)将这些物质吸附至表面；(4)该物质与所蚀刻材料之间发生化学反应，从而形成挥发性副产物；(5)副产物自表面解吸附；和(6)经解吸附的副产物扩散至大量气体中。
[0173] 在本公开内容的一些实施方案中，使用电子束蚀刻(Randolph S.J.等人，Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences 31(3):55,2006，其以引用方式并入本文中)来图案化基材。电子束蚀刻涉及将气相前体吸附至基材表面。在通过电子束暴露该表面期间，存在原电子或二次电子将使得原本稳定的物理吸附的前体解离并与表面原子反应的可能性。反应的产物(通常为挥发性物质)自表面解吸咐，且显露出新的块体材料作为表面，这为前体气体分子提供新的吸附位点以重复该过程并蚀刻该材料。
[0174] 在本公开内容的一些实施方案中，使用X射线蚀刻(Dimitrakakis C.等人，Chem.Commun.48:7483,2012，其以引用方式并入本文中)来图案化基材。X射线蚀刻涉及使用x射线将图案自掩膜转移至基材。
[0175] 本公开内容的一些方面涉及基材的二维或三维图案化。例如，本公开内容的裸核酸(例如，DNA)纳米结构掩膜可施加至基材(例如，硅晶片)，且在一些情形中可附着至基材。根据本公开内容使用的基材可包含(但不限于)硅、二氧化硅(还称为氧化硅)、氧化铝、蓝宝石、锗、砷化镓(GaAs)、硅与锗的合金或磷化铟(InP)。
[0176] 基材可以是无机或有机的。
[0177] 在一些实施方案中，基材包括半导体材料，如本文其它地方所述的。
[0178] 在一些实施方案中，裸核酸纳米结构吸附至基材的表面上。通常，但并非总是如此，本文所述的基材是具有裸核酸纳米结构沉积/吸附于其上的顶部表面的平面物质(参见例如图2A-C)。核酸吸附可通过例如物理吸附、静电吸附或化学吸附实现。
[0179] 在一些实施方案中，裸核酸纳米结构至基材表面上的吸附是由物理吸附驱动。例如，可使用完整基材用于在溶液中孵育裸核酸纳米结构。在一些实施方案中，雕刻平坦基材以形成沟槽。这些沟槽捕获核酸纳米结构并增加沉积产率。
[0180] 在一些实施方案中，裸核酸纳米结构至基材表面上的吸附是由静电吸附驱动。例2+ 2+ 2+
如，基材初始可与Mg 溶液一起孵育以产生Mg 饱和的基材。然后，使用经Mg 饱和的基材用于裸核酸纳米结构沉积。
如，基材初始可与Mg 溶液一起孵育以产生Mg 饱和的基材。然后，使用经Mg 饱和的基材用于裸核酸纳米结构沉积。
[0181] 在一些实施方案中，裸核酸纳米结构至基材表面上的吸附是由化学吸附驱动。例如，基材可利用含有氨基的试剂(例如，聚赖氨酸、氨基硅烷或聚乙烯亚胺聚(烯丙胺盐酸化物))修饰以产生化学修饰的基材。然后，使用经化学修饰的基材用于裸核酸纳米结构吸附。
[0182] 在一些实施方案中，裸核酸纳米结构至基材表面上的吸附是由双分子结合驱动。例如，基材可利用可结合生物素标记的裸核酸纳米结构的链霉亲和素修饰。
[0183] 在一些实施方案中，本公开内容的核酸纳米结构(例如，裸核酸纳米结构)在溶液(例如，水)中组装或被转移至溶液(例如，水)。在一些实施方案中，裸核酸纳米结构在溶液中的浓度为10pM–1μM。例如，裸核酸纳米结构在溶液中的浓度可为10pM至1nM、10pM至500pM、500pM至1nM、1nM至500nM或500nM至1μM。在一些实施方案中，裸核酸纳米结构在溶液中的浓度为10pM、50pM、100pM、150pM、200pM、250pM、300pM、350pM、400pM、450pM、500pM、
550pM、600pM、650pM、700pM、750pM、800pM、850pM、900pM、950pM、1nM、10nM、50nM、100nM、
150nM、200nM、250nM、300nM、350nM、400nM、450nM、500nM、550nM、600nM、650nM、600nM、
750nM、800nM、850nM、900nM、950nM或1μM或以上。在一些实施方案中，上述浓度对于长度为至少30个核苷酸的核酸纳米结构是合适的。
550pM、600pM、650pM、700pM、750pM、800pM、850pM、900pM、950pM、1nM、10nM、50nM、100nM、
150nM、200nM、250nM、300nM、350nM、400nM、450nM、500nM、550nM、600nM、650nM、600nM、
750nM、800nM、850nM、900nM、950nM或1μM或以上。在一些实施方案中，上述浓度对于长度为至少30个核苷酸的核酸纳米结构是合适的。
[0184] 在一些实施方案中，允许包括裸核酸纳米结构的溶液在吸附步骤期间在基材上孵育5分钟(min)至10小时(hr)。例如，可允许包括裸核酸纳米结构的溶液在吸附步骤期间在基材上孵育5min、10min、15min、20min、30min、45min、60min、2小时、2.5小时、3小时、3.5小时、4小时、4.5小时、6小时、6.5小时、7小时、7.5小时、8小时、8.5小时、9小时、9.5小时或10小时或以上。在一些实施方案中，允许包括裸核酸纳米结构的溶液在吸附步骤期间在基材上孵育30分钟至4小时。
[0185] 在一些实施方案中，在吸附步骤期间每cm2基材1μl-10μl或约1-100μl的溶液吸附于基材上。例如，每cm2基材沉积的溶液的体积可为1μl、2μl、3μl、4μl、5μl、6μl、7μl、8μl、9μl、10μl或100μl或以上。
[0186] 在一些实施方案中，将含有10pM-1μM浓度的裸核酸纳米结构的1μl-10μl的溶液在基材上吸附15分钟至4小时。
[0187] 本公开内容的基材可含有材料的单层或可含有不同材料的多个层(例如，2、3、4或5个层)(图8)。例如，本公开内容的一些方面涵盖将裸核酸纳米结构吸附至定位于第二基材层之上的第一基材层上，使用干法蚀刻来蚀刻含有裸核酸纳米结构的第一基材层的表面，由此产生定位于该第二基材层之上的第二掩膜，和使用干法蚀刻或湿法蚀刻来蚀刻含有第二掩膜的第二基材层，由此产生图案化基材。例如，如图8中所示，具有金膜层的基材利用氧化硅层涂覆(“氧化硅涂层”)。然后，将裸核酸纳米结构掩膜(所示的立方体纳米结构)吸附于氧化硅涂层上，随后进行干法蚀刻。剩余的图案化的氧化硅发挥用于进一步蚀刻的第二掩膜的功能，从而产生图案化金膜。多层基材的每一个层可为选自本文所提供的那些(例如，硅、氧化硅、氧化物、氮化物、金属、非金属、半导体和/或聚合物)之中的任一者的基材材料。
[0188] 图案化基材和装置
[0189] 具有例如金属涂层的核酸纳米结构掩膜的使用导致分辨率的显著损失。有利地，在本公开内容的一些实施方案中，本文所提供的裸核酸纳米结构掩膜不具有这样的涂层，且因此实现高的特征分辨率。本文所提供的方法允许以1nm至1μm的特征分辨率将基材图案化成二维和三维形状。例如，图案化基材的特征分辨率可为1nm、2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm、10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、200nm、300nm、
400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm或1000nm。在一些实施方案中，图案化基材的特征分辨率为1nm至100nm或1nm至10nm。在一些实施方案中，图案化基材的特征分辨率小于10nm或小于5nm。在一些实施方案中，图案化基材的特征分辨率为1nm至2nm。
400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm或1000nm。在一些实施方案中，图案化基材的特征分辨率为1nm至100nm或1nm至10nm。在一些实施方案中，图案化基材的特征分辨率小于10nm或小于5nm。在一些实施方案中，图案化基材的特征分辨率为1nm至2nm。
[0190] 在一些实施方案中，图案化基材具有小于10nm或小于5nm的特征分辨率。在一些实施方案中，图案化基材具有1nm至1μm的特征分辨率。在一些实施方案中，图案化基材具有5nm至1μm的特征分辨率。在一些实施方案中，图案化基材具有1nm至2nm的特征分辨率。
[0191] 如上所述，核酸纳米结构的“特征分辨率”是指在核酸纳米结构自组装的上下文中的分辨率，即，该术语是指核酸纳米结构的可分辨细节。对于三维核酸纳米结构，特征分辨率分为水平和垂直方面，其分别描述X/Y平面和Z方向的空间可分辨性。
[0192] 在一些实施方案中，本文所提供的方法允许以1nm至1μm的蚀刻分辨率将基材图案化成二维和三维形状。例如，图案化基材的蚀刻分辨率可为1nm、2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm、10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、200nm、300nm、
400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm或1000nm。在一些实施方案中，图案化基材具有
1nm至100nm或1nm至10nm的蚀刻分辨率。在一些实施方案中，图案化基材具有小于10nm或小于5nm的蚀刻分辨率。在一些实施方案中，图案化基材具有1nm至2nm的蚀刻分辨率。
400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm或1000nm。在一些实施方案中，图案化基材具有
1nm至100nm或1nm至10nm的蚀刻分辨率。在一些实施方案中，图案化基材具有小于10nm或小于5nm的蚀刻分辨率。在一些实施方案中，图案化基材具有1nm至2nm的蚀刻分辨率。
[0193] 核酸纳米结构的“蚀刻分辨率”是指在蚀刻规定图案的事件中在结构细节自核酸纳米结构转录至基材的上下文中的分辨率。此分辨率由在核酸纳米结构的存在下基材上的化学/物理蚀刻的空间准确度和精确度确定，其可通过例如扫描电子显微镜(SEM)和AFM在图案化基材上验证。类似于核酸纳米结构的特征分辨率，蚀刻分辨率可根据核酸纳米结构特性和蚀刻需求分为二维和三维方面。在一些实施方案中，蚀刻分辨率与特征分辨率匹配，显示相同的可分辨规模。在一些实施方案中，由于例如潜在的变形和缺陷问题，核酸纳米结构的蚀刻分辨率可低于核酸纳米结构的特征分辨率。
[0194] 具有这样的特征分辨率的图案化基材尤其可用于产生例如现代电子装置、等离子体装置、光子装置、光伏装置和混合型装置。这样的装置的实例包括(但不限于)电路(Gudiksen M.S.等人，Nature 415:617-620,2002，其以引用方式并入本文中)、集成电路(McAlpine M.C.等人，Nature Materials 6:379-384,2007，其以引用方式并入本文中)、电容(Yu C.等人，Adv.Mater.21:4793-4797,2009，其以引用方式并入本文中)、晶体管(例如，经电或光学调制的)(Dattoli E.N.等人，Nano Letters 7:2463-2469,2007，其以引用方式并入本文中)、波导(Pavesi L.等人，Nature 408:440-444,2000，其以引用方式并入本文中)、激光谐振腔(Noda S.等人，Nature Photonics 1:449–458,2007，其以引用方式并入本文中)、FANO基材(Luk'yanchuk B.等人，Nature Materials 9:707-715,2010，其以引用方式并入本文中)和超材料(meta-material)(Schnell M.等人，Nature Photonics 3:287-
291,2009，其以引用方式并入本文中)。基材的具体图案不是限制性的。核酸纳米技术的新进展使得可以以低至2nm的理论精确度构建任意形状的核酸纳米结构。因此，本公开内容的裸核酸纳米结构掩膜可基于例如所关注的具体最终产品装置来产生(例如，呈特定电子装置的形状)。
291,2009，其以引用方式并入本文中)。基材的具体图案不是限制性的。核酸纳米技术的新进展使得可以以低至2nm的理论精确度构建任意形状的核酸纳米结构。因此，本公开内容的裸核酸纳米结构掩膜可基于例如所关注的具体最终产品装置来产生(例如，呈特定电子装置的形状)。
[0195] 在一些实施方案中，本公开内容的图案化基材是经“官能化”的。若图案化基材含有允许其它物质附接至基材的部分，则认为其是经官能化的。用于官能化基材的部分的实例包括(但不限于)半导体颗粒、金属颗粒、碳纳米管、陶瓷纳米颗粒、金属氧化物纳米颗粒或氟化物纳米颗粒。用于官能化基材的部分还可包括(但不限于)等离子体纳米材料、荧光/发光纳米材料、铁磁性纳米材料、顺磁性纳米材料、反铁磁性纳米材料、超顺磁性纳米材料、半导体纳米材料、导体纳米材料或绝缘体纳米材料。
[0196] 在一些实施方案中，裸核酸纳米结构利用纳米颗粒(例如，金、银、铜和/或镍纳米颗粒)或其它组分(例如，金属簇、氧化物(例如，SiO2,TiO2)、硫属化物(例如，CuS,Ag2S)、纳米线(例如，CNT、Si纳米线)、聚合物(例如，PS、PMMA)和/或生物分子(例如，蛋白质、肽、肌动蛋白丝))官能化，例如如图9A-B中所示。应理解，用于官能化裸核酸纳米结构的纳米颗粒或其它组分不用于帮助裸核酸纳米结构的蚀刻。相反，纳米颗粒(例如，金纳米颗粒或其它金属纳米颗粒)或其它组分变成图案化基材(例如，由本公开内容的方法产生的图案化基材)的功能组分。在一些实施方案中，纳米颗粒或其它组分“夹心”于裸核酸纳米结构与基材的表面之间(参见例如图8)。
[0197] 偶联至多个部分(例如，纳米颗粒和/或纳米线)且具有这样的空间分辨率的基材(例如，图案化基材)尤其可用于产生例如现代电子装置、等离子体装置、光子装置、光伏装置和混合型装置。这样的装置的实例包括(但不限于)电路(Gudiksen M.S.等人，Nature 415:617-620,2002，其以引用方式并入本文中)、集成电路(McAlpine M.C.等人，Nature Materials 6:379-384,2007，其以引用方式并入本文中)、电容(Yu C.等人，Adv.Mater.21:
4793-4797,2009，其以引用方式并入本文中)、晶体管(例如，经电或光学调制的)(Dattoli E.N.等人，Nano Letters 7:2463-2469,2007，其以引用方式并入本文中)、波导(Pavesi L.等人，Nature 408:440-444,2000，其以引用方式并入本文中)、激光谐振腔(Noda S.等人，Nature Photonics 1:449–458,2007，其以引用方式并入本文中)、FANO基材(Luk'yanchuk B.等人，Nature Materials 9:707-715,2010，其以引用方式并入本文中)和超材料
(Schnell M.等人，Nature Photonics 3:287-291,2009，其以引用方式并入本文中)。纳米结构(即，晶体)的具体图案不是限制性的。核酸纳米技术的新进展使得可以以低至2nm的理论精确度构建任意形状的核酸纳米结构。因此，本公开内容的核酸纳米结构可基于例如所关注的具体最终产品装置来产生(例如，呈特定电子装置的形状)。
4793-4797,2009，其以引用方式并入本文中)、晶体管(例如，经电或光学调制的)(Dattoli E.N.等人，Nano Letters 7:2463-2469,2007，其以引用方式并入本文中)、波导(Pavesi L.等人，Nature 408:440-444,2000，其以引用方式并入本文中)、激光谐振腔(Noda S.等人，Nature Photonics 1:449–458,2007，其以引用方式并入本文中)、FANO基材(Luk'yanchuk B.等人，Nature Materials 9:707-715,2010，其以引用方式并入本文中)和超材料
(Schnell M.等人，Nature Photonics 3:287-291,2009，其以引用方式并入本文中)。纳米结构(即，晶体)的具体图案不是限制性的。核酸纳米技术的新进展使得可以以低至2nm的理论精确度构建任意形状的核酸纳米结构。因此，本公开内容的核酸纳米结构可基于例如所关注的具体最终产品装置来产生(例如，呈特定电子装置的形状)。
[0198] 在一些实施方案中，装置通过在基材(例如，具有顶部表面的平面物质)上吸附/沉积核酸纳米结构(即，晶体)(或其它2D或3D基材)来产生，该核酸纳米结构具有50nm或以下的空间分辨率且在规定位置处含有杂交至偶联至多个部分的互补核酸反柄的核酸柄。“吸附”是指原子、离子或分子附着至表面的过程。核酸吸附可通过例如物理吸附、静电吸附或化学吸附实现。该部分可在纳米结构吸附至基材之前或之后偶联至核酸纳米结构。
[0199] 在一些实施方案中，核酸纳米结构(任选具有官能化的部分)至基材表面上的吸附由物理吸附驱动。例如，可使用完整基材用于在溶液中孵育任选具有官能化部分的核酸纳米结构(即，晶体)。在一些实施方案中，雕刻平坦基材以形成沟槽。这些沟槽捕获核酸纳米结构并增加沉积产率。
[0200] 在一些实施方案中，核酸纳米结构(即，晶体)至基材表面上的吸附是由静电吸附2+ 2+ 2+
驱动。例如，基材初始可与Mg 溶液一起孵育以产生Mg 饱和的基材。然后，使用经Mg 饱和的基材用于核酸纳米结构沉积。
驱动。例如，基材初始可与Mg 溶液一起孵育以产生Mg 饱和的基材。然后，使用经Mg 饱和的基材用于核酸纳米结构沉积。
[0201] 在一些实施方案中，核酸纳米结构(即，晶体)至基材表面上的吸附是由化学吸附驱动。例如，基材可利用含有氨基的试剂(例如，聚赖氨酸、氨基硅烷或聚乙烯亚胺聚(烯丙胺盐酸化物))修饰以产生化学修饰的基材。然后，使用经化学修饰的基材用于核酸纳米结构吸附。
[0202] 在一些实施方案中，核酸纳米结构(即，晶体)至基材表面上的吸附是由双分子结合驱动。例如，基材可利用可结合生物素标记的核酸纳米结构的链霉亲和素修饰。
[0203] 在一些实施方案中，本公开内容的核酸纳米结构(即，晶体)在溶液(例如，水)中组装或被转移至溶液(例如，水)。在一些实施方案中，核酸纳米结构在溶液中的浓度为10pM-1μM。例如，核酸纳米结构在溶液中的浓度可为10pM至1nM、10pM至500pM、500pM至1nM、1nM至500nM或500nM至1μM。在一些实施方案中，核酸晶体在溶液中的浓度为10pM、50pM、100pM、
150pM、200pM、250pM、300pM、350pM、400pM、450pM、500pM、550pM、600pM、650pM、700pM、
750pM、800pM、850pM、900pM、950pM、1nM、10nM、50nM、100nM、150nM、200nM、250nM、300nM、
350nM、400nM、450nM、500nM、550nM、600nM、650nM、600nM、750nM、800nM、850nM、900nM、950nM或1μM或以上。
150pM、200pM、250pM、300pM、350pM、400pM、450pM、500pM、550pM、600pM、650pM、700pM、
750pM、800pM、850pM、900pM、950pM、1nM、10nM、50nM、100nM、150nM、200nM、250nM、300nM、
350nM、400nM、450nM、500nM、550nM、600nM、650nM、600nM、750nM、800nM、850nM、900nM、950nM或1μM或以上。
[0204] 在一些实施方案中，允许包括核酸纳米结构(即，晶体)的溶液在吸附步骤期间在基材上孵育5分钟(min)至10小时(hr)。例如，可允许包括核酸纳米结构的溶液在吸附步骤期间在基材上孵育5min、10min、15min、20min、30min、45min、60min、2小时、2.5小时、3小时、3.5小时、4小时、4.5小时、6小时、6.5小时、7小时、7.5小时、8小时、8.5小时、9小时、9.5小时或10小时或以上。在一些实施方案中，允许包括核酸纳米结构的溶液在吸附步骤期间在基材上孵育30分钟至4小时。
[0205] 在一些实施方案中，在吸附步骤期间每cm2基材约1-100μl(包括1μl-10μl)的溶液吸附于基材上。例如，每cm2基材沉积的溶液的体积可为1μl、2μl、3μl、4μl、5μl、6μl、7μl、8μl、9μl、10μl或100μl或以上。
[0206] 在一些实施方案中，将含有10pM-1μM浓度的核酸纳米结构(即，晶体)的约1-100μl(包括1μl-10μl)的溶液在基材上吸附15分钟至4小时。
[0207] 亚波长波导
[0208] 在一些实施方案中，多个部分(例如，金属纳米颗粒)以可控制的链内和链间间距对齐在三维架构中。显著地，大约5nm(例如，4nm、5nm、6nm)的链内间距显示多个部分中的强近场偶联，这有助于光子沿纳米颗粒的延伸方向传播。将不同取向的多个链进一步堆叠在三维空间中实现光传播的三维引导。具体地，这些部分波导可引导在亚光学波长范围内的光，因为每一个部分链远小于可见光波长(400-700nm)。
[0209] 高密度信息储存
[0210] 在一些实施方案中，多个部分(例如，纳米颗粒)经对齐为在厚度(例如，直径或最短长度)方向上具有强偶联，而在横向(例如，最长长度)方向上未偶联。这样的架构可进一步用于在不同充电条件下储存信息。在最佳间距条件下，强偶联部分展现多个充电状态，每一个具有用于信息储存的独特位；而横向密度可被最大化，其中最小化横向间距以保持未偶联系统。因此，在一些实施方案中，高密度信息储存利用单一位置处的多个位和高横向密度来实现。
[0211] 具有1-nm肋片-FET(Fin-FET)的集成电路
[0212] 在一些实施方案中，使用纳米线(例如，碳纳米管(CNT))构建具有1nm(或0.5nm、1.5nm、2.0nm、2.5nm或3nm)肋片(fin)宽度的肋片-FET设计。这样的特征可用于例如使当前的电子单元微型化直至原子水平。在一些实施方案中，使用基材(例如，DNA晶体)以将数十亿CNT整合成规定架构可应用于以相对于现有技术小得多的尺寸构建集成电路(例如，中央处理单元(CPU))。另外，在一些实施方案中，由于DNA引导的CNT图案化可在水性溶液中和在柔性表面上实现，因此这样的溶液处理制造可用于以低能量消耗和高处理能力制造用于可穿戴装置(例如， Glass和 Watch)的柔性电子器件。
[0213] 另外的实施方案
[0214] 本公开内容进一步提供在以下经编号的段落中所述的实施方案：
[0215] 1.一种核酸光刻方法，其包括：
[0216] (a)将裸核酸纳米结构吸附于基材的表面上；和
[0217] (b)干法蚀刻该裸核酸纳米结构吸附于其上的该基材的该表面，由此产生图案化基材。
[0218] 2.段落1的方法，其中该裸核酸纳米结构是裸脱氧核糖核酸(DNA)纳米结构。
[0219] 3.段落1的方法，其中该裸核酸纳米结构是裸核糖核酸(RNA)纳米结构。
[0220] 4.段落1的方法，其中该裸核酸纳米结构是裸锁核酸(LNA)纳米结构。
[0221] 5.段落1的方法，其中该裸核酸纳米结构是裸蛋白核酸(PNA)纳米结构。
[0222] 6.段落1至5中任一项的方法，其中该干法蚀刻是选自等离子蚀刻、离子束蚀刻、电子束蚀刻和X射线蚀刻。
[0223] 7.段落1至6中任一项的方法，其中该裸核酸纳米结构是裸二维核酸纳米结构。
[0224] 8.段落1至6中任一项的方法，其中该裸核酸纳米结构是裸三维核酸纳米结构。
[0225] 9.段落1至8中任一项的方法，其中该基材包括无机材料。
[0226] 10.段落1至9中任一项的方法，其中该基材包括有机材料。
[0227] 11.段落1至8中任一项的方法，其中该基材包括硅、氧化硅、氧化物、氮化物、金属或非金属。
[0228] 12.段落1至8中任一项的方法，其中该基材包括半导体或半导体的组合。
[0229] 13.段落12的方法，其中该半导体是III-V族半导体或II-VI族半导体。
[0230] 14.段落1至8中任一项的方法，其中该基材包括聚合物膜。
[0231] 15.段落14的方法，其中该聚合物膜包含聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)。
[0232] 16.段落1至15中任一项的方法，其中该裸核酸纳米结构是自单链DNA组装的裸DNA纳米结构。
[0233] 17.段落16的方法，其中该裸DNA纳米结构是自合成单链寡核苷酸组装。
[0234] 18.段落17的方法，其中该裸DNA纳米结构是自至少50个合成的单链异质寡核苷酸组装。
[0235] 19.段落16至18中任一项的方法，其中该裸DNA纳米结构是自具有至少1千个碱基的长度的单链DNA组装。
[0236] 20.段落1至20中任一项的方法，其中该方法不包括金属、金属氧化物或氧化物生长步骤。
[0237] 21.段落1至20中任一项的方法，其中(a)的该吸附步骤包括使该基材的该表面与包含该裸核酸纳米结构的溶液接触。
[0238] 22.段落21的方法，其中(a)的该吸附步骤包括物理吸附、静电吸附或化学吸附。
[0239] 23.段落1至22中任一项的方法，其中该裸核酸纳米结构利用金属纳米颗粒、金属簇、氧化物、硫属化物、纳米线、聚合物和/或生物分子官能化。
[0240] 24.一种通过段落1至23中任一项的方法产生的图案化基材，其具有小于10nm的特征分辨率。
[0241] 25.段落24的图案化基材，其中该图案化基材具有1mn至1μm的特征分辨率。
[0242] 26.段落25的图案化基材，其中该图案化基材具有5nm至1μm的特征分辨率。
[0243] 27.段落25的图案化基材，其中该图案化基材具有1nm至2nm的特征分辨率。
[0244] 28.一种包含段落24至27中任一项的图案化基材的装置。
[0245] 29.段落28的装置，其中该装置是电子装置、等离子体装置、光子装置、光伏装置或混合型装置。
[0246] 30.一种核酸光刻方法，其包括：
[0247] (a)将裸核酸纳米结构吸附至定位于第二基材层之上的第一基材层上；
[0248] (b)干法蚀刻或湿法蚀刻该裸核酸纳米结构吸附于其上的该第一基材层的该表面，由此产生定位于该第二基材层之上的第二掩膜；和
[0249] (c)干法蚀刻该第二掩膜吸附于其上的该第二基材层，由此产生图案化基材。
[0250] 31.段落30的方法，其中该裸核酸纳米结构是裸脱氧核糖核酸(DNA)纳米结构。
[0251] 32.段落30的方法，其中该裸核酸纳米结构是裸核糖核酸(RNA)纳米结构。
[0252] 33.段落30的方法，其中该裸核酸纳米结构是裸锁核酸(LNA)纳米结构。
[0253] 34.段落30的方法，其中该裸核酸纳米结构是裸蛋白核酸(PNA)纳米结构。
[0254] 35.段落30至34中任一项的方法，其中步骤(b)和/或步骤(c)的该干法蚀刻是选自等离子蚀刻、离子束蚀刻、电子束蚀刻和X射线蚀刻。
[0255] 36.段落30至35中任一项的方法，其中该裸核酸纳米结构是裸二维核酸纳米结构。
[0256] 37.段落30至36中任一项的方法，其中该裸核酸纳米结构是裸三维核酸纳米结构。
[0257] 38.段落30至37中任一项的方法，其中该第一基材和/或该第二基材包括无机材料。
[0258] 39.段落30至37中任一项的方法，其中该第一基材和/或该第二基材包括有机材料。
[0259] 40.段落30至37中任一项的方法，其中该第一基材和/或该第二基材包括硅、氧化硅、氧化物、氮化物、金属或非金属。
[0260] 41.段落30至37中任一项的方法，其中该第一基材和/或该第二基材包括半导体或半导体的组合。
[0261] 42.段落41的方法，其中该半导体是III-V族半导体或II-VI族半导体。
[0262] 43.段落30至37中任一项的方法，其中该第一基材和/或该第二基材包括聚合物膜。
[0263] 44.段落43的方法，其中该聚合物膜包含聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)。
[0264] 45.段落30至44中任一项的方法，其中该裸核酸纳米结构是自单链DNA组装的裸DNA纳米结构。
[0265] 46.段落45的方法，其中该裸DNA纳米结构是自合成的单链寡核苷酸组装。
[0266] 47.段落46的方法，其中该裸DNA纳米结构是自至少50个合成的单链异质寡核苷酸组装。
[0267] 48.段落45至47中任一项的方法，其中该裸DNA纳米结构是自具有至少1千个碱基的长度的单链DNA组装。
[0268] 49.段落30至48中任一项的方法，其中该方法不包括金属、金属氧化物或氧化物生长步骤。
[0269] 50.段落30至49中任一项的方法，其中(a)的该吸附步骤包括使该基材的该表面与包含该裸核酸纳米结构的溶液接触。
[0270] 51.段落50的方法，其中(a)的该吸附步骤包括物理吸附、静电吸附或化学吸附。
[0271] 52.段落1至22中任一项的方法，其中该裸核酸纳米结构利用金属纳米颗粒、金属簇、氧化物、硫属化物、纳米线、聚合物和/或生物分子官能化。
[0272] 53.一种通过段落30至52中任一项的方法产生的图案化基材，其具有小于10nm的特征分辨率。
[0273] 54.段落53的图案化基材，其中该图案化基材具有1nm至1μm的特征分辨率。
[0274] 55.段落54的图案化基材，其中该图案化基材具有5nm至1μm的特征分辨率。
[0275] 56.段落54的图案化基材，其中该图案化基材具有1nm至2nm的特征分辨率。
[0276] 57.一种包含段落53至56中任一项的图案化基材的装置。
[0277] 58.段落57的装置，其中该装置是电子装置、等离子体装置、光子装置、光伏装置或混合型装置。
[0278] 59.一种装置，其包含
[0279] 具有50nm或以下的空间分辨率且在规定位置处含有核酸柄的基材，该核酸柄杂交至偶联至多个部分的互补核酸反柄。
[0280] 60.段落59的装置，其中该基材具有10nm或以下的空间分辨率。
[0281] 61.段落59的装置，其中该基材具有1nm至50nm的空间分辨率。
[0282] 62.段落61的装置，其中该基材具有1nm至25nm的空间分辨率。
[0283] 63.段落62的装置，其中该基材具有2nm至5nm的空间分辨率。
[0284] 64.段落59至63中任一项的装置，其中该基材是无机材料。
[0285] 65.段落59至63中任一项的装置，其中该基材是有机材料。
[0286] 66.段落59至63中任一项的装置，其中该基材是核酸晶体。
[0287] 67.段落59至63中任一项的装置，其中该基材是两种或更多种不同材料的杂合物。
[0288] 68.段落59至63中任一项的装置，其中该基材包括蛋白质层或核酸层。
[0289] 69.段落59至68中任一项的装置，其中该基材是二维或三维的。
[0290] 70.段落59至69中任一项的装置，其中该核酸柄的子集被布置于该基材上以形成纵横构型、手性构型或平行列。
[0291] 71.段落59至70中任一项的装置，其中该部分是纳米颗粒、纳米线或核酸。
[0292] 72.段落59至70中任一项的装置，其中该部分是半导体纳米颗粒或金属纳米颗粒。
[0293] 73.段落59至70中任一项的装置，其中该部分是金纳米颗粒。
[0294] 74.段落59至70中任一项的装置，其中该部分是碳纳米管。
[0295] 75.段落59至70中任一项的装置，其中该部分是单链核酸、双链核酸、或自组装一维、二维或三维核酸纳米结构。
[0296] 76.段落59至75中任一项的装置，其中该部分的直径是1nm至100nm。
[0297] 77.段落59至76中任一项的装置，其中该部分包括多个部分的异质混合物。
[0298] 78.段落59至77中任一项的装置，其中每一个反柄偶联至个体部分。
[0299] 79.段落59至78中任一项的装置，其中反柄的子集偶联至相同部分。
[0300] 80.段落59至79中任一项的装置，其中该核酸柄是偶联至该基材的表面。
[0301] 81.段落59至80中任一项的装置，其中该核酸柄是偶联至该基材的单层。
[0302] 82.段落59至80中任一项的装置，其中该核酸柄是偶联至该基材的多个层。
[0303] 83.段落59至80中任一项的装置，其中该核酸柄是偶联至在该基材中形成的通道。
[0304] 84.一种装置，其包含
[0305] 空间分辨率小于50nm且在规定位置处含有部分的基材，其中该部分通过核酸杂交相互作用、蛋白质-蛋白质相互作用、疏水相互作用、静电相互作用、π-π堆叠、空间约束或电泳间接偶联至或约束于该基材。
[0306] 85.一种装置，其包含
[0307] 具有小于50nm的空间分辨率和至少一个通道的基材，其中多个部分空间上约束于该至少一个通道，且该至少一个通道的直径不宽于该部分的平均直径的两倍。
[0308] 86.段落84或85的装置，其中该基材是核酸晶体。
[0309] 87.段落84或85的装置，其中该部分是纳米颗粒、纳米线或核酸。
[0310] 88.段落59至87中任一项的装置，其中该装置是电子装置、等离子体装置、光子装置、光伏装置或混合型装置。
[0311] 89.段落59至88中任一项的装置，其中该装置包含集成电路。
[0312] 90.一种产生装置的方法，其包括：
[0313] 将核酸晶体沉积于基材表面上；和
[0314] 将与偶联至多个部分的核酸反柄互补的核酸柄在规定位置处与该核酸晶体偶联。
[0315] 91.段落90的方法，其进一步包括通过该核酸柄与该互补核酸反柄的杂交将该部分偶联至该核酸晶体。
[0316] 92.段落91的方法，其中该部分是在该核酸晶体沉积于该基材的该表面上之后偶联至该核酸晶体。
[0317] 通过以下实施例进一步说明本发明，其不应以任何方式被视为是进一步限制性的。整个本申请中所引用的所有参考资料(包括参考文献、已授权专利、公开的专利申请和共同待决的专利申请)的全部内容(尤其对于本文所引用的教导内容)均以引用方式明确并入本文中。实施例
[0318] 实施例1
[0319] 图1A图解说明本公开内容的一个实施方案，其中金纳米颗粒链沿y方向于DNA晶体上平行对齐(图1A)。基本DNA单位晶胞经设计为具有8个螺旋×4个螺旋的x-z横截面和96个碱基对的y-维度长度。这提供15nm×30nm的经设计的x-y周期性，此假设2.5nm螺旋宽度和每碱基对0.32nm。重复的DNA单位晶胞沿x-和y-方向生长以形成由四个均质的按顺序排列的12-nt单链DNA(ssDNA)柄构成的结构域以捕获一个金纳米颗粒。多个12-nt反柄(与该柄序列互补的ssDNA)还固定于金纳米颗粒表面上。柄与反柄之间的杂交将金纳米颗粒锚定于DNA晶体的规定位置上。偏离所设计位置的每一个金纳米颗粒不能结合至单位晶胞内的所有四个柄，这导致用于最小化不稳定的未对齐产物的能量损失。
[0320] 在典型实验中，通过核酸链混合物(在5mM Tris(pH 7.9)、1mM EDTA、40mM MgCl2中的500nM的每一未纯化DNA链，未仔细调整链化学计量)的阶段式等温折叠将DNA晶体折叠。反应溶液首先于44℃下保持12h，随后于39℃下孵育另外的12h。为使晶体生长得足够大，添加新鲜生长链(在5mM Tris(pH 7.9)、1mM EDTA、40mM MgCl2中的500nM的每一未纯化DNA链，未仔细调整链化学计量)并将反应于39℃下再延长12h。在未经纯化的情况下，在黑暗中将粗产物与金纳米颗粒于室温下在450mM NaNO3的存在下混合3小时。基于最大化表面对齐密度和最小化溶液中的游离金纳米颗粒调整金纳米颗粒与DNA晶体之间的摩尔化学计量。此后，将经缀合的金-DNA沉积于铜网格上并通过透射式电子显微镜(TEM)成像。
[0321] TEM成像证实成功形成8-nm金纳米颗粒链的经设计的延伸阵列(图2A-C)。在金纳米颗粒对齐之后，在晶体表面上观察到沿y方向的金纳米颗粒链的阵列。多于300个纳米颗粒成功固定于每一个DNA晶体上。还利用8-nm和13-nm金纳米颗粒产生自一维链至三维架构范围内的五种其它架构(图2A-C)。
[0322] 图3A和B描绘使用3D DNA晶体来空间上约束化学引导的CNT图案化的过程。首先基于模块化DNA砖设计来设计具有5nm厚度的平行沟槽的3D DNA晶体(图3A)。然后引入特异性单链DNA识别基团以完全覆盖CNT表面。CNT与预先形成的DNA晶体在温和条件下的孵育提供平行CNT阵列(图3B)。在典型实验中，将预先形成的DNA晶体(类似于上述方案)在黑暗中在35℃下在7.5mM MgCl2的存在下与单链DNA缠绕的CNT混合9小时，然后在4℃冷却。基于最大化表面对齐密度和最小化溶液中的游离金纳米颗粒调整金纳米颗粒与DNA晶体之间的摩尔化学计量。此后，将经缀合的CNT-DNA沉积于铜网格上并通过透射式电子显微镜(TEM)成像。
[0323] 实施例2
[0324] 本实施例描述使用棒状DNA纳米结构(宽度为10nm且长度为2μm)作为掩膜来引导无机基材至规定线性图案的反应性离子(等离子体)蚀刻。
[0325] DNA自组装以形成具有4×4个螺旋的DNA棒
[0326] 将单链瓦片(SST)DNA链在聚合酶链反应(PCR)管中混合以产生DNA的每一条链的终浓度为1μM的溶液。将9μl的DNA链溶液(例如，包含水或由水组成)与1μl折叠缓冲液组合(终浓度：0.9μM SST链，5mM Tris·Cl，pH＝7.9 1mM EDTA，和40mM MgCl2)。将组合的溶液轻柔振荡以均质化溶液。在热循环仪中利用阶段式等温折叠使用以下程序使溶液中的DNA退火24小时：80℃持续15分钟，44℃持续12小时，且39℃再持续12小时。所得的DNA纳米结构是棒状的(图6A-6C)。
[0327] DNA纳米结构吸附
[0328] 将含有棒状DNA的1μl溶液(0.5xTE缓冲剂、40mM Mg2+10nM碱基对)转移至清洁的硅晶片(大小为5mm×5mm)上，随后在饱和湿度下在密封容器中孵育1小时以促进吸附。然后用DI水洗涤该晶片以移除残余溶液并通过压缩空气流干燥。
[0329] 反应性离子蚀刻
[0330] 在配备有反应性离子蚀刻器(Surface Technology Systems Co.)的电感耦合等离子体(ICP)反应器中执行含有4×4螺旋DNA棒的硅基材的蚀刻。蚀刻参数包括室压力15毫巴、10标准立方厘米/分钟(SCCM)的CHF3气体、ICP电极功率300W、RF偏压电极功率12W和2分钟的蚀刻持续时间。
[0331] 如图6A-6C中所示，由两个重叠DNA棒形成的接合面厚度和复合结构的三维特征在经蚀刻的硅基材上得到保留。
[0332] 实施例3
[0333] DNA纳米结构至基材的沉积和随后的脱盐及干燥：
[0334] 以下的实施例是非限制性的并且应理解，一系列核酸纳米结构和基材及条件(例如本文所述的)可用于实现类似期望的结果。
[0335] 将包含深度为2nm的裸三维DNA纳米结构(例如，10pM-1μM纳米结构浓度，长度为至少32个碱基对)的溶液(例如，0.5xTris-乙二胺四乙酸(TE)缓冲剂、40mM Mg2+；或100mM-1M NaNO3)吸附于基材上(例如，1μl–100μl溶液/cm2基材)，且允许溶液在4℃至25℃以50-100％湿度在基材上孵育(例如，3分钟至4小时)以沉积DNA纳米结构。沉积之后，将溶液移除(例如，通过擦拭和/或通过强制空气流动)用于随后的脱盐过程。在最终干燥步骤之前施加脱盐过程以自DNA纳米结构和基材移除残余无机盐。
[0336] 实施例4
[0337] 金属薄层在DNA模板上的涂覆或PVD和随后的剥离加工
[0338] 以下的实施例是非限制性的并且应理解，一系列核酸纳米结构、基材、沉积材料或涂层以及条件(例如本文所述的)可用于实现类似期望的结果。
[0339] 在硅基材上沉积棒状的3D DNA砖晶体(宽度为50nm，长度为1μm)，随后脱盐和干燥。然后，在溅射涂覆设备上由5nm金膜涂覆干燥的基材。然后在超声处理浴中利用纯水洗涤Au涂覆的基材，以使3D DNA砖晶体破裂并将晶体顶部上的Au壳剥离，如所示的(图12)。在SEM图像上，DNA砖晶体覆盖的区域无Au沉积，因此其看起来比具有Au沉积的背景更暗。在DNA砖晶体的边界周围，将存在具有更强的电子散射效应的金壳/侧壁。因此，可看到明亮轮廓，这指示DNA模板的先前位置。
[0340] 实施例5
[0341] 使用3D DNA纳米结构作为模板以将多个部分印刷至基材。
[0342] 以下的实施例是非限制性的并且应理解，一系列核酸纳米结构、部分、基材以及条件(例如本文所述的)可用于实现类似期望的结果。
[0343] 允许包含官能化有金纳米颗粒图案的三维DNA纳米结构(例如，10pM-1μM纳米结构浓度，长度为至少32个碱基对)的溶液(例如，0.5xTris-乙二胺四乙酸(TE)缓冲剂、40mM Mg2+；或100mM-1M NaNO3)在4℃至25℃以50-100％湿度在等离子体处理的PDMS基材上孵育(例如，3分钟至4小时)以充分沉积。然后，移除溶液(例如，通过擦拭和/或通过强制空气流动)，并通过1巴至50巴的压力立即将PDMS基材压于清洁的硅基材上达5min至1h的持续时间，其中DNA沉积侧面对靶基材。最后，剥离PDMS基材以移除DNA纳米结构，其中金纳米颗粒图案保留于硅晶片上。此过程和实验结果图解说明于图13中。
[0344] 实施例6
[0345] 外延生长
[0346] 以下的实施例是非限制性的并且应理解，一系列晶种和条件(例如本文所述的)可用于实现类似期望的结果。
[0347] 典型的外延生长图解说明于图14中且可如下进行：
[0348] (1)晶种形成：首先将具有单链DNA砖(例如，每一个砖的浓度为100nM-1μM，长度为至少32个碱基对)的晶种溶液(例如，0.5xTris-乙二胺四乙酸(TE)缓冲剂，40mM Mg2+)在80℃孵育15min，随后在44℃孵育12小时、于39℃孵育24小时且于31℃孵育8小时。
[0349] (2)外延生长：首先将具有单链DNA砖(例如，每一个砖的浓度为100nM-1μM，长度为至少32个碱基对)的生长溶液(例如，0.5xTris-乙二胺四乙酸(TE)缓冲剂，40mM Mg2+)在80℃下孵育15min，且然后冷却至38℃。然后将预先形成的晶种溶液添加至生长溶液，随后在38℃下进一步孵育48小时、于33℃孵育48小时且于31℃孵育8小时。
[0350] 对于外延生长，晶种形成温度在31℃至70℃的范围内，且Mg浓度在5mM至60mM的范围内。在每一个温度下，孵育时间可自1min至1周变化。取决于生长途径，可存在多个(多于两个)生长阶段，每一个阶段在相同或不同温度下。
[0351] 虽然已在本文中描述和说明了几个本发明的实施方案，但本领域普通技术人员将容易地设想用于进行所述功能和/或获得本文所述的结果和/或一个或多个有利方面的各种其它方法和/或结构，并且这样的变化和/或修改的每一种被认为在本文所述的本发明的实施方案的范围内。更通常地，本领域技术人员将容易地理解，本文所述的所有参数、尺寸、材料和构型意欲为示例性的并且实际参数、尺寸、材料和/或构型将取决于对其使用本发明的教导的具体应用。本领域技术人员将认可或能够确定本文所述的特定的本发明的实施方案的许多等同物(通过使用不超过常规实验)。因此，应理解，前述实施方案仅通过举例的方式提出，并且在所附权利要求和其等同物的范围内，本发明的实施方案可按与明确描述和要求保护的方式不同的方式来实施。本公开内容的本发明的实施方案涉及本文所述的各种个体特性、系统、物品、材料、试剂盒和/或方法。另外，如果这样的特性、系统、物品、材料、试剂盒和/或方法不是相互矛盾的，则两个或更多个这样的特性、系统、物品、材料、试剂盒和/或方法的任意组合包括在本公开内容的发明范围内。
[0352] 如本文中所定义和使用的，所有定义应当被理解为优先于词典定义、通过引用并入的文献中的定义和/或所定义的术语的一般含义。
[0353] 本文中公开的所有参考文献、专利和专利申请在关于引用其每一个的主题方面通过引用并入本文，这在一些情况下可包括文献的完整内容。
[0355] 短语“和/或”，如在本文中在说明书和权利要求中所用，应当被理解为意指所连接的元素的“任一个或两者”，即元素在一些情况下结合地存在以及在其它情况下分离地存在。利用“和/或”列出的多个元素应当以相同的方式来解释，即所连接的元素的“一个或多个”。除通过“和/或”从句明确确定的元素外，还可任选地存在其它元素，无论与明确确定的那些元素相关还是无关。因此，作为非限定性实例，对“A和/或B”的提及，当与开放性措辞诸如“包含/包括”结合使用时，在一个实施方案中可仅指A(任选地包括除B外的元素)；在另一个实施方案中可仅指B(任选地包括除A外的元素)；在另一个实施方案中，可指A和B(任选地包括其它元素)；依此类推。
[0356] 如本文中在说明书和权利要求中所用，关于一列一个或多个元素的短语“至少一个”应当被理解为意指选自一列元素中的任何一个或多个元素的至少一个元素，但不一定包括元素列表内明确列出的每一个元素的至少一个并且不排除元素列表中的元素的任何组合。该定义还允许可任选地存在除短语“至少一个”所指的元素列表内明确确定的元素外的元素，无论与那些明确确定的元素相关还是不相关。因此，作为非限定性实例，“A和B的至少一个”(或，等同地，“A或B的至少一个”或，等同地“A和/或B的至少一个”)可在一个实施方案中指至少一个(任选地包括不止一个)A而无B存在(且任选地包括除B外的元素)；在另一个实施方案中指至少一个(任选地包括不止一个)B而无A存在(且任选地包括除A外的元素)；在另一个实施方案中指至少一个(任选地包括不止一个)A和至少一个(任选地包括不止一个)B(且任选地包括其它元素)；依此类推。
[0358] 在权利要求中，以及在上述说明书中，所有过渡短语诸如“包含”、“包括”、“携带”、“具有”、“含有”、“拥有”、“牵涉”、“持有”、“由……组成”等被理解为开放性的，即意指包括但不限于。只有过渡短语“由……组成”和“基本上由……组成”应当分别是封闭性的或半封闭性的过渡短语，如美国专利局专利审查程序手册第2111.03节中所示的。
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