DNA图案

用反润湿作用制备环形的DNA图案。

也许很多人已经注意到了,当一滴液滴在固体表面上蒸发后,会留下不规则的痕迹:比如著名的咖啡环(coffee ring)或者一些不规则的多边形网状图案。这种现象主要是由溶剂在蒸发过程中的毛细流动(capillary flow)或者马兰哥尼对流(Marangoni convection)引起的。如果可以控制这类蒸发过程,则溶质可在该过程中自行组装成特定的图案或者结构。这类规则结构在生物医学方面有广泛的应用,如可以制备细胞或组织生长所需的功能性支架和生物传感器等。因此,这方面的研究引起了人们的广泛兴趣。 

为了实现这样一个目标,通常需要将溶液液滴限制在一个微尺寸空间里,通过蒸发过程中的毛细力驱动组装成所需的结构。目前比较有效的方法是通过化学蚀刻(chemical etching)或者印刷法诱导沉积(stamp-assisted deposition)来制备微尺寸空间,从而引发非挥发性溶解物的蒸发成型(evaporative self-assembly)。通过这两种方法形成的结构可以更好地控制液滴的形状并且有效地稳定所形成的结构,从而形成高度有序的表面结构。

在毛细力驱动的微型成模过程中,首先将处于蒸发过程中的液滴滴在(液滴完全覆盖住表面)固定的疏水基片上,然后将表面已有微型结构的PDMS(polydimethylsiloxane,聚二甲基硅氧烷)模板覆盖在该表面上。当PDMS与基片接触后,液滴将填满PDMS与基片间的空隙。这个填充过程通常由两种机理所致:由非极性溶剂与疏水性PDMS表面间的润湿作用(wetting)引起的毛细上升;或者是由极性溶剂与PDMS模板间的反润湿作用(dewetting)引起的毛细下降。在这两种机理中,前者得到了广泛的研究与应用。然而后者,由于难以控制溶液的反润湿作用,一直很少被用作制备表面图案或者结构。

来自美国的科学家们提出了一种简单的方法来控制反润湿作用,并成功地制备了DNA环列。他们通过光刻和电镀法,在PDMS表面制备了半球形阵列。当PDMS与附着着液滴的基片接触后,可以形成一种液态毛细微桥(liquid capillary microbridge)。这种毛细微桥可以帮助实现反润湿自成型。研究人员认为,只要改变溶液的成份,这种办法还可以被用作制备各种其他材质的阵列:如蛋白质、多肽、抗体、碳纳米管以及纳米粒子等。

M. Byun, et al., Small 2011; DOI: 10.1002/smll.201100186.