Метод расположения полимерной молекулы

Изобретение относится к методу контролируемого расположения полимерной молекулы, такой как биомолекула, на подложке. Получают субстрат (3), имеющий поверхность (2) с поверхностным слоем (4). Субстрат (3) и поверхностный слой (4) составляют подложку (5). На поверхностном слое (4) в первом положении располагают полимерную молекулу (1), которая имеет на этом слое (4) определенную конформацию. Поверхностный слой (4) сконфигурирован таким образом, чтобы создавать определенные молекулярные взаимодействия между полимерной молекулой (1) и подложкой (5). Это позволяет как фиксировать первую конформацию полимерной молекулы (1), так и перемещать, по крайней мере, ее часть по поверхностному слою (4) относительно подложки (5) посредством приложения внешней силы с последующей фиксацией полимерной молекулы (1) на поверхностном слое (4). За счет такой конфигурации поверхностного слоя можно не только создавать вытянутые линейные конформации молекул, но и изменять конформации желаемым образом, а также точно размещать отдельные полимерные молекулы относительно других полимерных молекул на поверхностном слое. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 11 ил.

 

Настоящее изобретение относится к методу контролируемого расположения полимерной молекулы, такой как синтетический полимер или макромолекула с биологической активностью (биомолекула), особенно дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), РНК, полисахарид или белок, на подложке.

Контролирование и изменение конформации (формы) и местоположения полимерных молекул с нанометровым разрешением на поверхностях является основной индустриальной проблемой в области нанотехнологий, например в сенсорах или контролируемой молекулярной сборке, в молекулярных электронных устройствах или в проблемах распознания и анализа, например анализа генетического кода образца (US патент 6,376,177).

Может быть полезно, особенно в случае молекулярных устройств, иметь возможность расположить полимерные молекулы не только в вытянутые (линейные) конформации, но и иметь возможность расположить молекулы в любые задуманные конформации и достигать точного расположения полимерных молекул по отношению друг к другу. Синтетические органические соединения, такие как ароматические дендримеры, были проманипулированы на поверхностях для этих целей (L. Shu et al, Angew. Chem. 113 (2001) 4802).

По отношению к полимерам со спиральной структурой, стабилизированной межмолекулярными связями, такими как водородные связи, например в случае ds-ДНК, было бы полезно иметь возможность перерастянуть молекулярную цепочку на поверхности для упрощения прямого анализа единичной полимерной цепочки (R.H.Austin et.al., Stretch genes. Physics Today, 2 (1997) 32-38).

Одним из наиболее интересных молекулярных объектов для нанометрического манипулирования на поверхностях является ДНК. Исследования ДНК на генетическом уровне резко прогрессируют вместе с прогрессом в областях генной инженерии и молекулярной биологии. ДНК является фундаментальным материалом в науке о жизни. В полимерной науке ДНК рассматривается как биополимер естественного происхождения со специфическими функциями, с диаметром цепочки около 2 нанометров и с длиной цепи, несущей единицу информации (пара оснований) 0.33 нанометра. Всевозможные усилия были предприняты для расположения и фиксирования конформации ДНК для экспериментальных исследований. Наибольшее количество исследований в этой области были проведены для ДНК в растворах или гелях, т.е. когда основная часть ДНК находится в растворенном состоянии. Именно таким образом был проведен ДНК-электрофорез на специально структурированном чипе (W.D.Volkmuth, R.H.Austin, Nature 358 (1992) 600), при этом наблюдалась лишь частичная ориентация молекул параллельно электрическому полю.

Для того, чтобы вытянуть ДНК для экспериментальных исследований, микрошарики были химически присоединены к одному концу ДНК, находящейся в жидкостной камере (смотри, например. Smith et. al., Science 258 (1992) 1122). Другой конец ДНК мог быть также зафиксирован. После этого механическое, магнитное или другое поле прилагается к шарику для того, чтобы растянуть ДНК. Однако, как уже было сказано, подобные методы работают для манипулирования ДНК в жидком объеме и не позволяют манипулировать ДНК на поверхностях.

Попытка контролируемого расположения ДНК на поверхностях была предпринята высаживанием молекул из водяного раствора на поверхностях с удалением воды и последующей обработкой этанолом (Т. Kanno et al., Appl. Phys. Lett., 77 (2000) 3848). Этот метод, однако, больше подходит для приготовления ДНК-содержащих агрегированных пленок и не позволяет манипулировать отдельными полимерными молекулами.

US патент 6,303,296 описывает метод для вытягивания ДНК на поверхности подложки, такой как модифицированное стекло, когда один конец ДНК закреплен на поверхности, и остальная часть молекулы растворена в жидкости. Как следующий шаг жидкость удаляется посредством замещения газом (воздухом), и зафиксированная ДНК подвергается воздействию движущегося мениска газ-жидкость-поверхность. В результате ДНК-молекулы вытягиваются и ориентируются перпендикулярно линии мениска. Этот метод был назван «молекулярное причесывание». Этот метод был также применен к атомарно плоским подложкам типа слюды. Несколько попыток было предпринято для того, чтобы оптимизировать «молекулярное причесывание», например, с использованием двигающихся капель и покрытий поверхности подложки, на которых ДНК закреплено (Nakao et.al., Nano Letters 2 (2002) 475). Метод молекулярного причесывания может производить только вытянутые конформации полимерных молекул. Он не позволяет контролируемо располагать отдельные молекулы по отношению друг к другу. Перерастяжение ДНК молекул не наблюдалось при применении метода молекулярного причесывания, так как силы, развиваемые мениском, относительно слабые. Молекулярное причесывание не позволяет заданно располагать отдельную полимерную (ДНК) молекулу. Будучи раз закреплены на поверхности из раствора и высушены, ДНК-молекулы не могут быть затем передвинуты в другую конформацию. Попытка передвинуть «причесанную» молекулу или ее часть, например с помощью СЗМ-иглы (СЗМ - сканирующая зондовая микроскопия), вызывает разрыв полимерной цепочки.

Таким образом, цель данного изобретения - преодолеть недостатки предыдущих методов и предоставить такой улучшенный метод по расположению молекул на подложке, который позволил бы манипулировать молекулой и фиксировать молекулу в заданной новой конформации и в заданном месте на подложке.

В соответствии с изобретением предлагается метод контролируемого расположения молекул, таких как биомолекулы, где метод состоит из следующих шагов: приготовление субстрата с поверхностью, приготовление поверхностного слоя на данной поверхности субстрата, где данная поверхность с поверхностным слоем представляют из себя подложку; полимерную молекулу помещают на данный поверхностный слой в первом положении и первой конформации, причем данный поверхностный слой создают так, чтобы достигнуть заданного молекулярного взаимодействия между полимерной молекулой и подложкой, позволяющего фиксировать молекулу в первой конформации, но с другой стороны позволяющего и передвигать, по крайней мере, часть молекулы по данной поверхности по отношению к данной подложке применением внешней силы.

В отличие от всех известных методов изобретенный метод позволяет свободно изменять конформации полимерных молекул на поверхности, а не только создавать вытянутые линейные конформации, например позволяет нужным образом разместить ветвящиеся и/или кольцевые полимеры наподобие кольцевых ДНК. Поверхностный слой оптимизирует молекулярные взаимодействия между полимерной молекулой и подложкой. По сравнению с известным методом «молекулярного причесывания» нет необходимости в двигающемся мениске для выравнивания полимерных молекул. Даже единичная полимерная молекула может быть расположена в нужной конформации.

Дальнейшее преимущество метода заключается в том, что возможно не только изменение конформации отдельных полимерных молекул, но и точное размещение отдельных полимерных молекул по отношению к другим полимерным молекулам того же типа или любого другого типа, также расположенных на поверхностном слое. Возможность расположения отдельных молекул или молекулярных комплексов в точных положениях и конформациях наиболее важна в области молекулярных и наноустройств.

К тому же, возможность точного подбора молекулярных взаимодействий между полимерной молекулой и подложкой посредством поверхностного слоя позволяет (пере) растянуть полимерную молекулу и фиксировать ее в растянутой конформации, которая важна для исследований таких полимеров, как ДНК.

Общеизвестен факт, что обычный литографический метод производства компьютерных чипов приближается к пределу своих возможностей. Поэтому молекулярная электроника привлекает все больше внимания, так как она предлагает принципиальное решение уменьшения систем: ультраплотное расположение элементов на молекулярном уровне. Полимерные молекулы, которые могли бы заменить части электронных схем, с некоторых пор известны, но до сих пор нет метода, позволяющего размещать их на чипе для производства работающих электронных схем. Изобретенный метод контролируемого расположения полимерных молекул на поверхностях дает такую возможность.

Примеры осуществления данного изобретения детально описаны в последующем описании и посредством следующих чертежей:

Фиг.1 показывает схему подложки с полимерной молекулой;

Фиг.2 показывает схему изменения конформации полимерной молекулы;

Фиг.3 показывает схематически растяжение и перерастяжение полимерной молекулы;

Фиг.4 показывает пример манипулирования молекулой ДНК;

Фиг.5 показывает ориентацию ДНК на осях поверхностного слоя, состоящего из CH₃(CH₂)₁₇NH₂;

Фиг.6 показывает ориентацию полиаллиламина гидрохлорида (положительно заряженного полиэлектролита);

Фиг.7 схематически иллюстрирует различные возможности переориентации полимерной молекулы на 2-мерном кристаллическом поверхностном слое;

Фиг.8 показывает ориентацию с одновременной молекулярной сборкой для полистиролсульфоната натрия (PSS);

Фиг.9А и 9Б показывают создание контролируемой структуры адсорбированного полистиролсульфоната натрия с помощью обработки водой;

Фиг.10 показывает пример сохранения неизменным поверхностного слоя температурой при 40°С и 50°С соответственно;

Фиг.11 показывает пример изменения поверхностного слоя (сравнить с Фиг.10) при температуре 60°С.

Для лучшего понимания изобретения будет полезно дать несколько дополнительных определений и объяснений. Термины «полимер» и «полимерная молекула», использованные выше, относятся к специальному классу соединений, которые обладают специфическими «полимерными» свойствами. Например, являясь одной целой молекулой, полимеры ведут себя как набор независимых частиц во многих тестах, причем каждая из таких частиц является частью полимерной молекулы определенной длины, которая зависит, в свою очередь, от метода тестирования. Такие сегменты называются «термодинамическими сегментами», «механическими сегментами», «персистентной длиной» и т.д. Чтобы молекула могла называться полимерной, длина молекулы (или расстояние между ветвлением или точками сшивки) должна равняться, по крайней мере, одной персистентной длине. Помимо температурного перехода первого рода типа плавления полимеры обладают многими другими специфическими переходами и состояниями, такими как точка стеклования, α-, β- и γ-переходы (например, в полиэтилене), эластичное состояние и т.д. Дальнейшие детали могут быть найдены в: P.J.Flory, "Principles of Polymer Chemistry", 16^th ed., Cornell University Press, N.Y., 1995.

Полимеры в рамках представленного изобретения включают все известные классы синтетических и натуральных (биомолекулы) полимеров, таких как полиолефины, полиамиды, полиэфиры, силоксаны, полисиланы и любые типы полиэлектролитов, ионные полимеры (в которых цепочка состоит из би-валентных ионов), ss- и ds-ДНК, различные белки, липопротеины, полисахариды и т.д. Полимеры включают любые типы сополимеров. Полимер может быть в комплексе с другим полимером, таким как полиэлектролитный комплекс, или в комплексе с низко- или среднемолекулярными органическими или неорганическими соединениями или ионами. Полимер может быть использован как полимер одного типа или как комплекс, или как любая их комбинация.

Рассмотрим Фиг.1, где полимерная молекула 1 расположена на подложке 5, образованной субстратом 3 и поверхностным слоем 4. Полимерная молекула 1 взаимодействует с подложкой 5 и средой 6, окружающей полимерную молекулу 1. Если взаимодействие Is с подложкой 5 сильнее, чем взаимодействие Im со средой 6, т.е. когда

Is>Im,

тогда полимерная молекула 1 считается размещенной на подложке 5. Если ситуация обратная, т.е.

Is<Im,

тогда полимерная молекула 1 покидает подложку 5 в среду 6, т.е. растворяется в среде, и не может рассматриваться больше расположенной на подложке 5, даже, когда один конец полимерной молекулы зафиксирован на подложке.

Подложка 5, состоящая из субстрата 3 и поверхностного слоя 4, может состоять из любых материалов, чья когезионная и химическая стабильность достаточны для того, чтобы выдержать условия метода по изобретению. Подложка 5 может состоять из органических или неорганических веществ, таких как органические и неорганические полимеры, металл, оксид металла, сульфид или соли с органической или неорганической кислотой, полупроводниковый элемент или оксид полупроводникового элемента, оптический элемент или любая комбинация вышеперечисленных веществ, такая как стекло или керамика. Примеры включают в себя стекло, кварц, поверхностно-окисленный кремний, графит (включая высокоориентированный пирографит - HOPG), слюду и дисульфид молибдена. В качестве подложки 5 могут использоваться плоские подложки типа слайдов, особенно атомно-плоские подложки, но также шарики, частицы, бруски, волокна или структурирование подложки.

Поверхностный слой 4, имеющий определенную толщину (глубину), - это поверхностный молекулярный или атомарный верхний слой подложки 5, физико-химические свойства которого отличны от свойств основного объема подложки 5, а именно субстрата 3. Поверхностный слой 4 может быть верхним слоем субстрата 3, со специальными химическими, физико-химическими или плазмохимическими модификациями поверхности 2 или без этих модификаций. В простейшем случае можно использовать такую подложку, как свежесколотую поверхность высокоориентированного графита или слюды и верхний атомарный слой, который сам по себе отличается от нижележащей структуры), который незамедлительно формирует поверхностный слой путем адсорбции компонентов окружающей среды (например, молекул газа из атмосферы). В случае большинства промышленных полимеров поверхностный слой 4 формируется при производстве из расплава или горячего раствора вследствие окисления поверхности 2 атмосферным кислородом.

Поверхностный слой 4 может быть специальным образом сконструирован путем химического изменения поверхности субстрата 2 (введение новых функциональных групп) путем стандартных химических реакций или специальными методами типа плазмохимической обработки. В этом случае поверхностный слой 4 является частью подложки 5 и интегрирован в субстрат 3 (поддерживающий объем) через валентные связи.

С другой стороны, поверхностный слой 4 может состоять из любых адсорбированных моно- и мультимолекулярных слоев, связанных с субстратом 3 физическими силами (типа сил Лондона или ван-дер-Ваальса) или другими взаимодействиями типа водородных связей или любой комбинацией из вышеперечисленных сил. Соответственно в рамках настоящего изобретения поверхностный слой 4 может быть сформирован любым подходящим методом получения покрытий, включающим, но не ограниченным следующими методами: нанесение покрытия поливом, нанесение раствора на вращающийся субстрат, вакуумное испарение или плазменная полимеризация, организующиеся молекулярные слои типа пленок Лэнгмюра-Блоджетт, полиэлектролитные комплексы и полиэлектролитные мульти-слои, выполненные послойной сборкой, двухмерные (2D)-кристаллизованные слои, состоящие из низко-, средне- или высокомолекулярных (включая полимеры) соединений. Во время передвижения молекул (манипуляции) в соответствии с методом по изобретению поверхностный слой 4 может остаться неизмененным или также может изменяться, например, он может изменить поверхностный заряд, гидрофобно-гидрофильный баланс или он может передвигаться вместе с передвигаемым полимером под воздействием внешней силы.

Поверхностный слой 4 может иметь некоторые зоны (области) или направления (оси) - «сайты» предпочтительной адсорбции полимеров, предназначенных для манипулирования. На этих сайтах Is может сильно отличаться от остальной поверхности, таким образом изначально адсорбированный полимер на поверхности может уже иметь некие предпочтительные направления как следствие воздействия внешней силы, вызванной указанными сайтами и влияющей на последующий процесс перемещения полимера. Такие сайты включают в себя, но не ограничены ими: поверхностные дефекты, такие как борозды, сетки, границы между кристаллическими деменами и т.д., возникшие естественным путем или в результате внешнего воздействия. В предпочтительном варианте поверхностный слой состоит из 2D-кристаллической структуры, состоящей из амфифильных молекул, где вышеупомянутые сайты состоят из линейных ламеллярных направлений (осей) и границ между граничащими 20-кристаллическими доменами.

В случае полимерной молекулы 1 (Фиг.1), чувствительной к электрическим или магнитным полям, приложение внешнего электрического или магнитного полей может быть использовано для подгонки взаимодействия между полимерной молекулой 1 и подложкой 5 во время передвижения молекулы, причем магнитное или электрическое поле может быть приложено перпендикулярно (или под некоторым углом) к поверхности 2, чтобы уменьшить силу связи между полимерной молекулой 1 и подложкой 5 и таким образом улучшить молекулярную подвижность до того, что перемещение по подложке 5 станет возможным. Например, поле может ориентировать части полимерной молекулы 1 или поверхностного слоя 4, изменяя взаимодействие между ними.

Можно усилить молекулярную подвижность и сделать возможным перемещение полимерных молекул на подложке не только под воздействием внешних сил, но также возбуждением полимера, подложки или комплекса полимера с поверхностным слоем с помощью света. При правильно выбранных условиях возбуждения конформация и положение возбужденной молекулы будут по-прежнему фиксированы на поверхности, однако поверхностное перемещение молекулы или ее части под воздействием внешней силы станет возможным без разрыва полимерной цепи. Например, свет может уменьшить температуру стеклования поверхностного слоя, таким образом изменяя взаимодействие между полимерной молекулой и подложкой.

Если целью передвижения молекулы 1 является ее растяжение, то может оказаться полезным закрепить, по крайней мере, один конец полимера 1 на подложке 5 для предотвращения передвижения молекулы целиком под воздействием внешней силы. Например, для анализа последовательности пар-оснований ДНК может оказаться очень полезным вытянуть или даже перерастянуть полимерную молекулу 1 для того, чтобы сделать каждую пару оснований более доступной для анализа. Другая возможная задача закрепления - это надежная фиксация различных полимерных молекул по отношению друг к другу, для того чтобы избежать смещения положения молекулы при манипуляции или из-за изменения среды. Такая задача наиболее важна для создания молекулярных аналитических устройств.

В качестве подложки 5 для закрепления молекул можно использовать также частицы, волокна и другие объекты. Например, при использовании электрического или магнитного поля или оптических пинцетов для создания внешнего поля и в случае, если молекула сама по себе недостаточно чувствительна к внешнему полю, может оказаться полезным присоединить полимер к объекту с достаточно высокой чувствительностью к полю (например, к железным нано- или микрочастицам).

Спектроскопия единичных молекул, базирующаяся на устройстве атомно-силовой микроскопии и примененная к полисахаридам, показала, что отдельные полимерные молекулы могут выдерживать нагрузки между 1,5 и 2 nN (см. M.Rief et. al., Sciences 275 (1997) 1295). Соответственно сила, необходимая для передвижения полимерной молекулы по поверхности, должна быть меньше для избежания разрыва молекулы при передвижении.

Рассмотрим теперь Фиг.2 и 3: в предельном случае геометрия связывающих сайтов, адгезионный процесс и взаимодействие этих сайтов с полимерной молекулой (притягивающие силы или «силовая рамка», развитые вышеупомянутыми сайтами по отношению к полимеру) могут быть организованы очень точно с достижением нужной конфигурации полимера уже на стадии первичной адсорбции полимера на поверхностный слой. В этом случае могут быть необходимы лишь очень незначительные коррекции/передвижения поправки изначальной конфигурации/положения. После помещения полимерной молекулы на такой поверхностный слой можно менять 1-ю конформацию на 2-ю конформацию (например, с более высокой степенью ориентации и с более длинными участками полимерной молекулы, вытянутыми на сайтах). Изменение 1-ой конформации 21 полимерной молекулы 20 во вторую конформацию 22 схематически изображено на Фиг.2.

Иногда достаточно использовать повышенную температуру; достаточно выдержать образец некоторое время в специфической среде, которая понижает Is или увеличивает Im, чтобы дать возможность полимеру достичь новой конформации в поле сил сайтов. В этом случае приложение специальных внешних сил не является необходимым. Если уже первая конформация отвечает условиям целевого применения, это означает, что молекула уже была правильным образом расположена во время процесса адсорбции под воздействием сил со стороны сайтов, и дальнейшие операции не являются необходимыми. В этом случае шаги 1-й и 2-ой по созданию заданного расположения молекулы протекают одновременно и сливаются в один шаг.

Термин «Внешняя сила», использованный в данном описании выше, представляет собой любую внешнюю (по отношению к полимерной молекуле 1 на Фиг.1) силу, приложенную к полимерной молекуле, контролируемо располагаемой на подложке 5. Внешняя сила может быть приложена перпендикулярно или под другим углом к основной полимерной цепи 20 (см. Фиг.2) или по оси, т.е. параллельно полимерной цепи (см. Фиг.3). В последнем случае полимер будет вытянут или перерастянут (если полимер имеет спиральную или двойную спиральную, зигзагообразную или аналогичную конформацию), см. Фиг.3. Внешняя сила может быть приложена напрямую к полимерной цепочке или через любой элемент, к которому присоединен полимер, например через частицу, волокно и т.д. Внешняя сила может быть притягивающей силой, развитой вышеупомянутыми сайтами.

Фиг. с 4 по 11 показывают примеры осуществления способа по данному изобретению. Фиг.4 показывает результаты передвижения и позиционирования ДНЛ-молекул на поверхности подложки (написание слова «Science» на поверхности ДНК молекулами). Ниже следуют детали метода. Хлороформный раствор СН₃(СН₂)₁₁NH₂ в концентрации 3×10^-2 г/л наносят на вращающуюся (40 об/сек) свежесколотую поверхность графита и сушат при 35°С в течение 10 мин на воздухе. ДНК (ДНК: набор Step-Ladder 1018, Мо Bi Tec GmbH, Германия) растворяют в воде (очищенная вода, полученная системой M-L-Q Sybthesis А-10) в концентрации 10^-3 г/л и этот разбавленный ДНК-раствор помещают на поверхность графита на время от 5 до 30 секунд, с последующим удалением раствора приведением образца во вращение (40 об/сек). ДНК раствор можно также удалить сдуванием: сжатым газом (азотом) или же стряхиванием. Для изображения и перемещения отдельных молекул ДНК на поверхности использовали иглу Растовой Зондовой Микроскопии (Nanoscope IIIa, Digital Instruments, USA), «E» сканер с размером сканирования от 5 микрометров до 300 нанометров и коммерческие кремниевые кантилеверы (длиной 125 μm и 30 μm) с константной пружины между 17 и 64 Nm^-1. Изображения были получены вибрационным методом, для перемещения молекул иголку переводили в контакт с поверхностью и передвигали в выбранном направлении (лучший налог - это перемещение веревки на поверхности стола с помощью вертикально расположенного карандаша). Этот пример показывает особенности метода по изобретению, а именно возможность точного манипулирования отдельной полимерной молекулой с получением любой нужной конформации (формы) и возможность точно взаимно расположить несколько молекул на поверхности.

Фиг.5 демонстрирует ориентацию ДНК на осях поверхностного слоя, состоящего из CH₃(CH₂)₁₇NH₂. В этом случае повторяют метод, описанный в пояснении к Фиг.4, но СН₃(СН₂)₁₁NH₂ заменяют на СН₃(СН₂)₁₇NH₂. ДНК спонтанно ориентируется во время адсорбции на поверхностный слой с образованием вытянутых сегментов ДНК длиной в несколько сот нанометров.

Фиг.6 показывает вытягивание гидрохлорида полиаллиламина (положительно заряженного полиэлектролита) на осях поверхностного слоя, состоящего из СН₃(СН₂)₁₇СООН. Повторяют метод, описанный в пояснении к Фиг.4, но ДНК заменяют гидрохлоридом полиаллиламина и СН₃(СН₂)₁₁NH₂ заменяют на СН₃(СН₂)₁₇СООН. Пример слабого комплексообразования между полимерной молекулой и поверхностным слоем, где полимерная молекула изменяет поверхностный слой незначительно без изменения его целостности и параметров решетки и т.д., с появлением одиночных изолированных полимерных молекул с вытянутой ориентацией, которые ориентированы с вытягиванием, схематически иллюстрирован на Фиг.7 (верхняя часть).

Вытягивание с параллельной ориентационной сборкой полистиролсульфоната натрия (PSS) (отрицательно заряженного полиэлектролита) показано на Фиг.8. Повторяют метод, описанный в пояснение к Фиг.5, за исключением высушивания в течение 10 мин при 35°С и с заменой ДНК на PSS. Пример, показанный на Фиг.8, иллюстрирует «сильное» комплексообразование с получением плотных упаковок ориентированных и вытянутых полимерных молекул. Этот случай схематически изображен на Фиг.7 (нижняя часть).

Фиг.9А и 9В показывают манипулирование адсорбированным полистиролсульфонатом натрия (PSS) с помощью обработки водой. На Фиг.9А метод, описанный к Фиг.8, повторен, за исключением дополнительного промежуточного высушивания поверхностного слоя, состоящего из CH₃(CH₂)₁₇NH₂ в течение 10 мин при 35°С. Для того, чтобы получить результаты, показанные на Фиг.9В, образец, показанный на Фиг.9А, был обработан водой в течение 5 мин. Примеры на Фиг.9А и 9В иллюстрируют возможность произвести перемещение полимерных молекул изменением окружающей среды (т.е. через изменение Is и Im) в поле сил, развитых специфическими областями на поверхностном слое.

Фиг.10 показывает пример изменения поверхностного слоя (амфифильных молекул на графите) температурой. При температурах ниже ˜55°С поверхностный слой кристаллический и иммобилизует нанесенные полимерные молекулы. При ˜55°С поверхностный слой плавится, разрешая диффузию полимерных молекул. При 60°С сделанная серия из 5 картинок демонстрирует диффузию 2-х маркированных полимеров по поверхности (см. Фиг.11).

Признаки, описанные выше в описании и/или в формуле изобретения, могут быть материалом для реализации изобретения в различных вариантах, взятые по отдельности или в любой их комбинации.

1. Метод расположения полимерной молекулы, такой как биомолекула, на подложке, включающий в себя следующие шаги:

приготовление субстрата, имеющего поверхность;

приготовление поверхностного слоя на указанной поверхности субстрата, причем данный субстрат и упомянутый поверхностный слой составляют подложку;

помещение полимерной молекулы на данный поверхностный слой в первом положении;

адсорбирование полимерной молекулы на указанном поверхностном слое с получением адсорбированного состояния полимерной молекулы, где полимерная молекула имеет первую конформацию на указанном поверхностном слое,

при этом указанный поверхностный слой сконфигурирован таким образом, чтобы достичь заданного молекулярного взаимодействия между полимерной молекулой и указанной подложкой, позволяющего фиксацию указанной полимерной молекулы в первой конформации и перемещение, по крайней мере, части полимерной молекулы в упомянутом адсорбированном состоянии по указанному поверхностному слою относительно упомянутой подложки применением внешней силы.

2. Метод по п.1, отличающийся тем, что он включает последующую фиксацию полимерной молекулы на поверхностном слое.

3. Метод по п.1, отличающийся тем, что он включает шаг по перемещению полимерной молекулы в указанном адсорбированном состоянии по данному поверхностному слою манипулированием данной первой конформации полимерной молекулы во вторую конформацию, отличную от первой конформации полимерной молекулы, и фиксацию полимерной молекулы на поверхностном слое в указанной второй конформации посредством упомянутого молекулярного взаимодействия между полимерной молекулой и упомянутой подложкой.

4. Метод по п.1, отличающийся тем, что он включает в себя шаги по перемещению полимерной молекулы в указанном адсорбированном состоянии по упомянутому поверхностному слою путем изменения первого положения полимерной молекулы на второе положение, отличное от первого положения на поверхностном слое, и фиксацию полимерной молекулы на поверхностном слое в данном втором положении посредством упомянутого заданного молекулярного взаимодействия между полимерной молекулой и указанной подложкой.

5. Метод по п.1, отличающийся тем, что он включает дополнительный шаг конфигурирования указанного поверхностного слоя для получения силы, необходимой для перемещения полимерной молекулы по поверхностному слою и меньшей чем приблизительно 2нН в зависимости от полимерной молекулы и указанного субстрата.

6. Метод по п.1, отличающийся тем, что шаг по получению указанного поверхностного слоя на упомянутой поверхности указанного субстрата включает шаг по формированию доменов, и/или осей, и/или дополнительных связывающих центров в указанном поверхностном слое.

7. Метод по п.6, в котором внешние силы включают в себя притягивающие силы, по крайней мере, частично обеспеченные указанными доменами, и/или осями, и/или другими связывающими центрами в упомянутом поверхностном слое.

8. Метод по п.1, отличающийся тем, что поверхностный слой образуют путем его молекулярной самоорганизации.

9. Метод по п.1, отличающийся тем, что шаг по получению указанного поверхностного слоя на упомянутой поверхности данной подложки включает в себя шаг, использующий один или несколько из следующих методов: химический метод с созданием новых химических соединений, ковалентно связанных с данной поверхностью указанного субстрата; плазмо-химический метод; тонкое или сверхтонкое покрытие, нанесенное методом поверхностной адсорбции; тонкое или сверхтонкое покрытие, нанесенное при вращении поверхности; тонкое или сверхтонкое покрытие, выполненное способом вакуумного нанесения; способ Лэнгмюра-Блоджетт или технология самоорганизующихся молекулярных пленок; послойное нанесение полиэлектролитных слоев; двухмерная кристаллизация низко-, средне- или высокомолекулярных веществ или их комплексов на поверхности.

10. Метод по п.1, отличающийся тем, что он включает дополнительный шаг изменения упомянутого заданного молекулярного взаимодействия между полимерной молекулой и указанной подложкой.

11. Метод по п.10, где указанный шаг по изменению упомянутых заданных молекулярных взаимодействий включает в себя шаг по помещению поверхностного слоя с размещенной на нем полимерной молекулой в жидкую среду.

12. Метод по п.10, отличающийся тем, что шаг по изменению упомянутых заданных молекулярных взаимодействий включает в себя шаг по высушиванию указанного поверхностного слоя с размещенной на нем полимерной молекулой.

13. Метод по п.10, отличающийся тем, что шаг по изменению упомянутого заданного молекулярного взаимодействия включает в себя шаг по изменению температуры указанного поверхностного слоя.

14. Метод по п.10, отличающийся тем, что шаг по изменению упомянутого заданного молекулярного взаимодействия включает в себя приложение электрического и/или магнитного поля, ориентированного перпендикулярно или под определенным углом к указанной поверхности упомянутой подложки.

15. Метод по п.10, отличающийся тем, что шаг по изменению упомянутого заданного молекулярного взаимодействия включает шаг возбуждения полимера светом.

16. Метод по п.1, отличающийся тем, что внешнюю силу создают посредством одного из следующих полей: электрического поля, магнитного поля, оптического поля, механического поля или любыми их комбинациями.

17. Метод по п.16, отличающийся тем, что используют сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ) для приложения указанной внешней силы.

18. Метод по п.1, отличающийся тем, что в качестве полимерной молекулы используют полинуклеотиды, такие как ДНК или РНК, и/или полипептиды, такие как белки, антитела и/или системы антиген-антитело, и/или полисахариды.

19. Метод по п.1, отличающийся тем, что указанный поверхностный слой включает неорганический полимер, органический полимер, органическое низкомолекулярное вещество, металл, оксид металла, сульфид, полупроводник или оптический элемент или любую комбинацию из вышеперечисленных компонентов.

20. Метод по одному из предшествующих пунктов, в котором упомянутая подложка атомарно плоская.

21. Метод по п.1, отличающийся тем, что в качестве подложки использовано стекло, или поверхностно-окисленный кремний, или золото, или дисульфид молибдена, или высокоориентированный пирографит, или слюда.

22. Метод по п.1, отличающийся тем, что он включает в себя шаг по закреплению, по крайней мере, одного конца полимерной молекулы на указанной подложке.

23. Метод по п.1, отличающийся тем, что он включает шаг по закреплению, по крайней мере, одного конца контролируемо располагаемой полимерной молекулы на волокне, нано- или микрочастице.

24. Продукт, полученный методом по любому из пп.1-23, включающий в себя субстрат; поверхностный слой, расположенный на поверхности указанного субстрата; подложку, состоящую из указанного субстрата и упомянутого поверхностного слоя; полимерную молекулу, такую как биомолекула, адсорбированную на указанном поверхностном слое с получением адсорбированного состояния полимерной молекулы, расположенной на указанном поверхностном слое в первой конформации, где указанный поверхностный слой сконфигурирован таким образом, чтобы достичь заданного молекулярного взаимодействия между полимерной молекулой и указанной подложкой, позволяющего в указанном адсорбированном состоянии фиксировать первую конформацию полимерной молекулы и перемещать, по крайней мере, часть полимерной молекулы по указанному поверхностному слою относительно упомянутой подложки и затем фиксировать полимерную молекулу на поверхностном слое.