用于分子分離的結構的制作方法

專利名稱：用于分子分離的結構的制作方法
用于分子分離的結構與相關申請的交叉引用本申請要求2008年10月30日遞交的美國申請系列號12Λ62，164的權益。
背景技術：
已知許多不同的結構用于分子分離。所述結構的孔徑確定了可以通過的分子的尺寸上限。例如，沸石和微孔硅膜具有最多9埃的孔徑。中孔的膜具有20埃及更大的孔徑。 這在9和20埃的孔徑之間留下了缺口，所述缺口沒有被現有的技術充分地論述。許多重要的有機和生物分子落在此尺寸范圍內。缺乏用于產生具有此范圍內孔徑的適當結構的合成方法限制了這些結構在此類分子的分離中的用途。
發明概要產生用于分子分離的結構的方法包括提供多種模板材料。所述模板材料選自生物分子，生物聚合物，聚合物，或其組合。在所述模板材料的周圍提供了適于產生用于分子分離的結構的篩材料。將所述模板材料定位放置于排布中，所述排布用于留下適于分子分離的孔。去除模板材料，以在篩材料中留下孔并產生適于分子分離的結構。產生用于分子分離的結構的組合體包括底物和底物上的多種模板材料。所述模板材料選自生物分子，生物聚合物，聚合物或其組合。所述模板材料被定位放置于排布中，所述排布用于當模板材料被去除時留下適于分子分離的孔。所述篩材料被定位放置于底物上、在所述模板材料周圍。所述篩材料具有的組成和形狀是用于在去除所述模板材料后產生用于分子分離的結構。用于分子分離的膜包括由適當的篩材料制成的膜，所述膜具有反向的主要表面。 所述膜在至少一個主要表面中具有孔。所述孔具有10埃至19埃之間的直徑。生產催化劑的方法包括將催化性物質附著于模板材料。將催化劑底物材料置于模板材料周圍。去除模板材料，以在催化劑底物材料中留下孔，而催化性材料附著于所述孔。當根據附圖閱讀時，根據下面對優選實施方式的詳細描述，本發明的各方面對于本領域技術人員而言將是顯然的。


圖IA是產生用于分子分離的陶瓷膜的組合體的側面視圖，包括附著或未附著于表面的DNA分子，和施用于所述表面上和DNA周圍以形成膜的陶瓷材料。圖IB是所述組合體的俯視圖。圖IC是去除DNA分子以留下延伸穿過膜的孔后，表面上的陶瓷膜的側面視圖。圖ID是所述陶瓷膜的俯視圖。圖2是DNA-溶膠凝膠沉積之前和之后陶瓷膜的截面。圖3是煅燒之前膜材料的詳細視圖，顯示出DNA自我排列并且定向為與表面垂直。圖4是煅燒后膜材料的詳細視圖。圖5闡釋了將LCD光學器件用于利用電場控制的、DNA模板化膜的孔定向。
優選實施方式詳述本發明涉及產生用于分子分離的無機結構的方法。所述方法包括提供多種模板材料。所述模板材料選自生物分子，生物聚合物，聚合物，及其組合。在某些實施方式中，所述模板材料選自DNA，RNA，核酸環，核酸發夾，核酸tt鈴，烷基化膦酸酯，聚羥基脂肪酸酯(例如，聚羥基丁酸酯)，非標準核堿基，或其任意組合。可使用任何類型的DNA和任何類型的 RNA，包括單鏈DNA、雙鏈DNA、三鏈DNA，四元DNA、單鏈RNA和雙鏈RNA。可以使用的生物分子的一些實例包括膠原蛋白，角蛋白，彈性蛋白，微管蛋白，纖維素，殼多糖和淀粉。可以使用的合成聚合物的一些實例包括聚(烯丙胺)和稱為液晶高分子的一整類化合物。液晶高分子具有能夠形成液晶相的所需特征。例如，Finkelmarm在標題為“液晶高分子”的出版物中對其進行了描述，Angew. Chem. Int. Ed. Engl.洸(1987) 816-824。雙鏈DNA分子具有使其特別適合用于所述方法的物理和化學特征。它具有適于通過如下所述的方法在無機結構中產生孔的直徑，并且它具有的長度可通過例如化學合成和酶的化學操控的方式被控制。可通過外部場或通過內部力(例如液晶形成)或通過利用各種化學和物理方法附著于表面而操控DNA。以足夠的數量提供所述模板材料以在對于分子分離有效的結構中留下孔，正如下面所討論的。取決于特定的結構及其應用，陶瓷材料的孔隙率可以較廣地變化，例如在
和80%之間。所述方法還包括在模板材料周圍提供篩材料。所述篩材料可以是適于產生本申請所述的用于分子分離的結構的任何材料，例如典型地用于分子篩中的許多材料。所述篩材料可以是熱穩定和化學穩定的。在一些實施方式中，所述篩材料可以是聚合物或適于產生分子篩的任何其它無機和/或有機材料。在特別的實施方式中，所述篩材料是產生陶瓷結構的材料。術語陶瓷指通過離子和共價鍵結合的金屬和非金屬元素的復合化合物和固體溶液。最經常地，陶瓷材料是無機元素的組合。偶然地，陶瓷材料可以含有碳。陶瓷材料的實例包括但不限于金屬氧化物，金屬氧化物的化合物，金屬碳化物，氮化物和碳酸鹽。更特別地，例如，陶瓷材料包括但不限于二氧化硅，二氧化鈦，氧化鋁，硅酸鈦，鈦酸鋇，碳化鈦，氮化鈦，氮化鋁，碳酸硅，和氮化硅。生產陶瓷結構的方法是公知的。例如，溶膠-凝膠方法使用溶液中的陶瓷前體。所述前體溶膠可被沉積以形成薄膜或其它結構，或在具有所需形狀的適當模具中被鑄塑，并且其形成凝膠。使所述凝膠經受熱處理和/或聚合作用以形成固體陶瓷結構。在特定的實施例中，研究了決定溶膠-凝膠合成的參數。在DNA模板化膜的開發中，一個準則是控制溶膠-凝膠聚合的速率。在一個實施方式中，DNA/溶膠-凝膠復合物保持為液體狀態，直至其被置于磁場(或電場)中，在所述磁場(或電場)中，DNA被給予排列的機會。一旦排列完成，所述溶膠-凝膠可被快速聚合。條件(例如PH，溫度，和溶劑) 可以影響聚合速率。DNA已被包封在溶膠-凝膠中了，所述溶膠-凝膠在短至10秒、長至4 天中聚合。使篩材料形成用于分子分離的結構的所需形狀。例如，此結構可以是膜或具有任何所需形狀的其它結構，其可以是實心的或空心的。在一個實施方式中，通過由任何適合的方法(例如傾倒或噴灑)將所述篩材料施加于表面上，而使其形成膜。將所述篩材料置于模板材料周圍。這可包括用所述篩材料部分地或完全地包圍模板材料。例如，在一個實施方式中，篩材料圍繞在模板材料的側面而不是其末端。圖IA和 IB顯示了用于產生用于分子分離的陶瓷膜12的組合體10的例子。多個DNA分子14附著于底物16的表面。可使用各種已知的附著化學來實現DNA分子至該表面的附著。附著化學的選擇將取決于待產生的所需分子分離膜的條件和規格。在備選的實施方式中，DNA分子不附著于表面。將溶膠-凝膠18施加于底物16上和DNA分子14周圍，所述溶膠-凝膠圍繞在DNA分子的側面而不是其末端。在其它的實施例中，除了一個末端外，所述模板材料可以被篩材料包圍，或者它們可以被篩材料包封。例如，當DNA分子被混入溶膠-凝膠中并隨后使所述溶膠-凝膠形成用于分子分離的所需結構時，這可能發生。本方法還包括將模板材料定位放置于排布中，所述排布用于從篩材料中去除了模板材料以留下孔后，留下適于分子分離的孔，正如下文所述。這可以包括所述模板材料相對于彼此和相對于分子分離結構的任何合適的排布，以及包括所述模板材料的任何合適的定向或排列。在圖IA和圖IB中所示的例子中，DNA分子14以規則的模式被排布并且相互的間隔相等。此外，DNA分子14的定向使得其大體上垂直于底物16的表面而延伸，并且大體上相互平行。備選地，DNA分子可以被置于非垂直和/或非平行的方向。可通過任何合適的方法實現模板材料的定向。例如，可通過利用施加于DNA分子的磁場或電場，或通過機械手段，或通過其它物理條件(濃縮，施加等等)來實現。表面的存在和組成以及各種其它條件也可影響模板材料的定向。在某些條件下，模板材料可不使用外部手段而自我定向。將模板材料定位放置于所需的排布中可發生在將篩材料置于模板材料周圍之前或之后。在一些實施方式中，所述定位放置在表面上產生高度定向的模板材料單層。本方法還包括去除模板材料以在篩材料中留下孔并產生適于分子分離的結構。例如，如圖IC和ID中所示，在溶膠-凝膠18在生物聚合物周圍變硬以形成陶瓷材料后，去除 DNA分子14以在陶瓷材料中留下孔20。模板材料可通過任何合適的方法被去除。例如，它們可通過煅燒或任何其它已知的方法被去除。圖2-4闡明了根據本發明的方法的特別實施方式。如圖2所示，商業上可得的陶瓷膜21包括支持層22和中間層M。中間層是尺寸小于支持層的氧化鋁顆粒。它們提供了在其上可添加溶膠-凝膠層的更均一的表面。這些層可具有任何合適的厚度；例如，支持層 22可以具有1至5mm的厚度，和中間層可以具有40至50μπι的復合厚度。在液晶DNA溶膠-凝膠中將陶瓷膜浸漬包被。DNA溶膠-凝膠以膜沈的形式在陶瓷膜21上形成包被。圖3顯示了陶瓷膜21和DNA-溶膠凝膠膜沈的截面，和DNA-溶膠凝膠膜沈的俯視圖。DNA自我排列并垂直于表面定向。圖4顯示了在通過煅燒去除了 DNA后的膜沈，在所述膜上留下了孔30。在一個實施方式中，所述方法包括下述另外的步驟在去除模板材料以留下孔后， 以受控的方式減小孔的直徑。以受控的方式減小孔直徑的能力可以使整個范圍的所需孔徑可用。孔的直徑可通過任何合適的手段被減小，例如通過原子層沉積或其它已知的方法。此步驟還可提供修飾孔表面以提供所需的物理和化學特性的能力。在另一個實施方式中，所述方法包括下述另外的步驟在于模板材料周圍提供篩材料之前，使催化材料附著于模板材料；和當模板材料被去除時留下附著于孔的催化材料。下面更詳細地描述了催化材料的用途。本發明還涉及產生用于分子分離的結構的組合體。所述組合體包括底物，和所述底物上的、例如上文所述的多種模板材料。所述模板材料被定位放置于排布中，所述排布用于當模板材料被去除時留下適于分子分離的孔。所述組合體還包括置于底物上在模板材料周圍的篩材料，所述篩材料具有的組成和形狀是用于在去除所述模板材料后產生用于分子分離的結構。底物可以是在其上可以產生用于分子分離的結構的任何合適的平臺。例如，底物可以是氧化鋁支持物。在圖1所示的例子中，組合體10包括底物16，所述底物具有在其上使篩材料18成形以產生用于分子分離的膜12的表面。在另一個實施方式(沒有顯示)中，底物是不同于分子分離膜的第二種膜。例如， 如下面的實施例中所述，底物可以是不同的過濾膜，例如管狀陶瓷納米過濾膜，或者其可以是具有不同功能和/或結構的任何其它合適的膜。可選地，所述第二種膜可以與分子分離膜結合以產生提供不同的分離和/或功能的組合膜。在另一個實施方式中，所述組合體還包括附著于生物聚合物的催化材料。下面更詳細地描述了此類催化材料。本發明還涉及用于分子分離的膜。所述膜是由篩材料制成的，并且其具有反向的主要表面。所述膜在至少一個主要表面中具有孔，這些孔大體上垂直于主要表面延伸。在一些實施方式中，這些孔完全延伸穿過主要表面之間的膜。大多數之前已知的分子分離膜具有隨機定向的互相連接的孔，這允許分子最終找到通過膜的路徑。本發明的膜因此提供了超越現有技術的優勢。跨膜的反壓或壓降非常低，并且分子具有通過膜的容易的路徑。膜中的孔可以具有適于分子分離的任何直徑。“直徑”是指孔的直徑(如果其在截面中是圓形的)，或者孔的最小直徑(如果其不是圓形的并因此具有不同的直徑)。在一些實施方式中，孔具有的直徑在5埃至30埃之間。在特別的實施方式中，孔具有的直徑在10 至19埃之間，和更特別地在12至17埃之間。在一些實施方式中，所述孔在大小，截面，定向和/或在其它特性或結構方面是基本上均一或同質的。所述孔可以具有任何合適的截面，例如如上所述的實質上圓形的截面。所述孔可被定向為垂直于膜的主要表面，或它們可被定向為非垂直的。此外，孔可以被定向為相互平行或非平行的。可根據特定應用的需要調整孔排列的程度。較高程度的排列可以提高膜的孔隙率，較高程度的非排列可以為膜提供更多的穩定性但降低其孔隙率。這一特征可被用于針對特定的應用調節膜特性。可以任何合適的總數目以及以任何合適的數目/單位膜面積包括所述孔。可通過控制模板材料濃度和/或表面密度來控制膜孔隙率。在一些實施方式中，以有序的模式包括所述孔。在一些實施方式中，孔在膜表面上基本上均等地被間隔開。孔密度可影響膜的堅固性。較低的孔密度將在孔間提供較大的平均間距。間距將被膜材料占據，從而提高膜的堅固性。膜可以具有適于分子分離的任何厚度。在一些實施方式中，它具有的厚度在約0. 1 微米至約100微米的范圍內。超薄膜可用于高通量。在一些實施方式中，所述膜還包括附著于孔的催化材料。膜可以用于不同類型的分子分離，包括從混合物中分子分離氣體，和從液體中分
7子分離化學品。潛在的服務對象是生物精煉，其將木質生物質轉化為糖類，有機酸和乙醇。 現有的膜技術可以將糖類與乙酸和糠醛分離。然而，需要新的膜技術，其會將糠醛與乙酸分離。通過膜而不是蒸餾進行分子分離一大優勢是較低的花費(主要在能量節約方面)。可以利用所述膜的其它工業包括石油和石油化學，煤氣化，紙漿和紙，以及天然氣生產者。本發明也涉及生產催化劑的方法。所述方法包括將催化材料附著于模板材料，將催化劑底物材料置于模板材料周圍，和去除模板材料以在催化劑底物材料中留下孔，而催化材料附著于所述孔。可使用任何合適的催化材料，例如金屬原子、金屬離子或金屬氧化物。合適的催化金屬是公知的，例如鉬，鈹，銠等。也可使用兩種或更多種催化材料的組合。此外，可使用任何合適的模板材料，例如任何上文所述的那些或其它的。此外，可使用任何合適的催化劑底物材料。它可以是如上所述的陶瓷材料或已知用作催化劑底物的任何其它材料。在一些實施方式中，模板材料被置于表面上，并且催化劑底物材料被施加于所述表面上和所述模板材料周圍。這通常使催化劑成形為膜的形式。然而，其它實施方式不使用表面和/或產生具有不同形狀的催化劑。催化劑材料附著于模板材料上的位置處，所述位置可以是預先確定的或隨機的位置。典型地，當模板材料被從催化劑底物材料中去除時，催化材料附著于底物的孔上的相應位置。在一些實施方式中，兩種或更多種不同的催化材料附著于各個模板材料，從而當模板材料被去除時，所述兩種或更多種催化材料附著于所述孔。在一些實施方式中，所述孔的定位使得催化劑也作為分子篩起作用，但在其它實施方式中其僅作為催化劑起作用。金屬離子通過與磷酸二酯主鏈或芳環的離子相互作用和/或共價相互作用而與核酸結合。這一特性可用于上文所述的膜模板化革新，以產生表面被金屬原子或離子裝飾的具有孔結構的膜。可以想象，可基于在將膜模板化之前與模板材料結合的金屬選擇各種物理和化學特征(例如，選擇性分子結合，催化活性等)。在特別的實施例中，可使用DNA作為在膜的孔中分布金屬的手段。數個過渡金屬 (鉬，銠，錸等)化合物與DNA結合。如果當DNA被用于將膜模板化時這些金屬化合物與DNA 結合，可能產生一類新的具有對組成(催化劑簇的大小和分布)的高度控制的催化劑。優勢將是催化劑的改善的分散，和產生具有非常獨特特性的、明確確定的二元(例如，Pt-Rh) 或三元(例如，Pt-Rh-Re)或更高復雜度的催化劑的能力。另一個優勢將是不僅產生催化劑，還產生可以同時進行分離和催化的材料的能力。在另一個特別的實施例中，可制造不局限于層或薄膜的催化劑。制成了其內包封有金屬-DNA復合物的大塊溶膠凝膠材料。通過高溫(煅燒)去除DNA，留下具有隨機的或對齊的孔方向、但具有經裝飾的金屬催化位點(金屬原子，離子，或氧化物)的陶瓷材料。此材料然后可被進一步加工并用作催化劑。實施例1如下產生了用于分子分離的陶瓷膜(下文中稱為“分子分離膜”)。將管狀陶瓷納米過濾膜(下文中稱為“納米過濾膜”)用作形成分子分離膜的底物。在含有DNA分子的溶膠-凝膠中浸漬納米過濾膜而在所述納米過濾膜上形成包被。然后，將被溶膠-凝膠包被的納米過濾膜置于強磁場中，所述強磁場垂直于納米過濾膜的表面排列DNA分子，而所述溶膠-凝膠聚合并形成陶瓷膜。一旦溶膠-凝膠被固化，便通過煅燒去除DNA分子，在產生分子分離膜的陶瓷膜中留下孔。結果是組合陶瓷膜，其包括以分子分離膜包被的管狀納米過濾膜。所述組合膜具有分子分離膜的高選擇性和納米過濾膜的效用。分子分離膜允許將非常小的分子(Inm至 2nm)與較大的分子分離。可在各種不同的應用中使用所述組合陶瓷膜。例如，其可被用于交叉流過濾方法， 其中進料流平行于膜過濾表面移動。比分子分離膜的孔徑更大的分子將通過管狀納米過濾膜的長通道。小分子將作為滲透物的一部分通過分子分離膜。此技術的應用實例將是在生物精煉品化學分離的領域。實施例2 任務1 一在溶膠-凝膠中形成液晶DNA i.原理液晶態是象結晶固體一樣有序但象液體一樣流動的物質相。只有通過加入平衡離子使磷酸基團的電荷-電荷排斥最小化，才能實現多聚陰離子(如DNA)的高密度疊堆。通過小角度中子散射研究了 150個堿基對長的雙鏈DNA的六角液晶相的結構(Dai 2007)。在此研究中，將六角相液晶單價四甲基銨(TMA+)離子用作平衡離子，以促進液晶態的形成。在這一狀態中的DNA的長軸間的間隔被確定是4nm。已顯示直至100持續長度( 5ym)的DNA區段展現出局部的六角結構。ii.實驗設計和方法通過小牛胸腺DNA的核酸酶消化和隨后通過尺寸排阻色譜法的分離可產生范圍為150個堿基對至2000個堿基對的數個長度的DNA。已經使用了實驗設計(DoE)來闡明在存在溶膠-凝膠時，DNA將形成液晶態的最佳實驗條件。已生成了待合成和篩選的觀個樣品的表。用于此研究的輸入因子包括DNA濃度，溶膠-凝膠反應物，溫度和pH。基于D-最佳設計(NIST/SEMATECH，2006)產生了實驗矩陣。由于有大量可能的條件，進行全因子設計是不實際的。所述D-最佳設計選擇是在實驗空間中散播點以產生有信息量的、非重復性結果的有效方式。上限和下限確定了包括形成溶膠-凝膠液晶DNA復合材料的最佳條件的范圍。合成也可利用與TMA相似但已知促進液晶DNA的形成的陽離子分子(例如，精胺、精脒和腐胺)。在存在形成溶膠-凝膠的化合物時形成DNA液晶態可被證明是困難的。在此步驟中所描述的選擇最佳參數的實驗設計方法(DoE)將幫助確立最佳合成條件。iii.數據分析和解釋一旦形成了 DNA模板化材料，將使用各種方法對其進行表征。DNA非常強地吸收UV光，在260nm處具有ΘΘΟΟΜ^πΓ1的消光系數。如果DNA被包封在多孔材料中，在充分清洗后所述材料將有強的UV吸收。將在表面科學和技術實驗室進行掃描電子顯微鏡檢查，這將被用于證實任何長程有序(long range order)的存在。將通過觀察到直至約7μπι長的通道的六角相次序，來證實成功的合成。)Cray衍射(XRD)和AFM將被用于確定所述材料的有序狀態。長程有序的、具有高度均一的孔的材料的以往XRD結果 (Kim2001)將與任務l(ii)所獲得的結果進行比較。任務1的最后步驟將是去除DNA。這將通過煅燒進行，煅燒是沸石合成中所使用的用于模板破壞的常用方法，其是通過在空氣的存在下加熱至高溫進行的。將在空氣的存在下加熱樣品DNA/溶膠-凝膠復合物以去除 DNA。最佳的溫度將是完全去除DNA所需的最低溫度。如上所述，通過XRD進行對多孔材料的表征。將采用使用FT4R來估量多孔硅的表面積的新方法(McCOO12006)。
iv.潛在的問題/備選的方式通過煅燒去除DNA可能引入孔缺陷。樣品被加熱和冷卻的速率可以影響模板的去除和膜中缺損的預防(Dong 1998)。可研究各種溫度斜線變化(ramping)的方案。如果煅燒方法證明對膜通道是有害的，DNA的化學分離或分解是待探索的選擇。v.結果數據分析顯示，DNA已經被成功地包封在了二氧化硅中。DNA-二氧化硅復合物沿著DNA的長軸是有序的。一旦確定了從DNA- 二氧化硅復合物中去除DNA的最佳條件，將產生高度有孔的陶瓷材料。此新材料的平行孔結構將通過電子顯微鏡檢查而可見。實施例3DNA模板化膜的合成使用DNA作為模板的創新是操控它并產生與膜表面垂直的孔的潛能。膜孔的排列依賴于煅燒之前DNA的排列。將考慮數種用于DNA排列的方法。最佳的方法是就技術的擴大而言，最容易以符合成本效益的方式實施的方法。一旦在水性環境中確立了排列方法，將在溶膠-凝膠起始材料的存在下檢驗排列方法。將通過定向的液晶DNA在溶膠-凝膠中的固化來確定成功，所述固化將通過交叉極化顯微鏡檢查而被檢驗。實驗設計和方法將調整下面的參數以獲得無孔支持物上的最佳孔定向DNA的濃度.液晶相取決于DNA濃度。DNA的長程有序是由液晶相決定的。因此， 操控溶膠-凝膠中DNA的濃度將是待調整以誘導適當排列的第一個參數。溶劑條件.DNA可溶性的上限是依賴于溶劑條件的。DNA溶解于其中的溶膠-凝膠作為溶劑起作用。可操控的溶劑參數是pH，鹽濃度， 乙醇濃度，和水濃度。表面修飾.DNA是帶負電荷的聚合物。DNA鏈有可能克服排列力而形成各種液晶相并平置于底物的表面上。這將抑制DNA形成將允許分子轉移過膜的孔的能力。因此，可能需要抑制DNA與表面相互作用的方法。有機硅烷化學已被用于降低二氧化硅的極性(增加疏水性)(Alami-Younssi 1998，Sah 2004)。DNA與表面的直接相互作用將減少。此結果可允許在各種液晶相中誘導排列的力將DNA更垂直于表面地定向。電場.可利用電場控制DNA模板化膜的孔定向。已知DNA的定向可通過電場被操控(Germishuizen 2003，Borejdo 1989，Suzuki 1998)。電場定向方法是基于液晶顯示 (LCD)技術。與圖5中所示的概念相似，DNA溶液將被夾心在兩個ITO(氧化銦錫)-包被的載玻片之間。通過ITO電極之間產生的電場將控制DNA分子的定向。DNA的液晶定向的變化將通過交叉極化光學顯微鏡檢查來監測。圖5顯示了使用IXD光學器件。IXD顯示的多層復合被用作產生用于液晶DNA的電場定向測試的模型。DNA占據了圖像的C層中的薄膜。B和D層是具有傳導性ITO包被的玻璃底物。具有光極化薄膜的A和E層代表光學顯微鏡的交叉極化透鏡。特別地，圖5中的A層是當光進入時使其極化的垂直過濾薄膜。B層是具有氧化銦錫電極的玻璃底物。這些電極的形狀將決定當LCD打開時將出現的黑暗形狀。在表面上蝕刻出垂直的脊，從而使液晶與極化光一致。C層是扭折的向列相液晶。D層是具有普通電極薄膜(ITO)的玻璃底物，其具有水平的脊以與水平濾器對齊。E層是阻擋/允許光通過的水平過濾薄膜。F層是將光送回觀察器的反射表面。
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對于所述的前三種方法，DNA溶液將被夾心于載玻片和蓋玻片之間。當嘗試電場排列方法時，DNA溶液將被夾心于兩個ITO (氧化銦錫)-包被的載玻片之間。數據分析和解釋各個所述的不同方法將產生DNA被包封在基質中的聚合二氧化硅溶膠-凝膠層。 當極化光通過有序的材料時，長程有序(例如液晶態)將展現雙折射。DNA的液晶態展現獨特的雙折射圖樣。通過改變DNA濃度，溶劑條件，表面修飾和電極之間的電勢所產生的所述圖樣的數字圖像將被儲存在計算機上，所述計算機與裝配了數碼相機Wkomatrix’極化光學顯微鏡相連。鑒別液晶DNA溶膠-凝膠復合物的各種相將使用兩種不同的成像方法-光學顯微鏡檢查(LM)和掃描電子顯微鏡檢查(SEM)。將作為各種條件的函數從DNA的液晶態獲得的LM圖像與已知的DNA液晶相的公開圖像(Strzelecka 1988)相比較，以鑒別與由 Zeomatrix獲得的I相結果相似的前膽甾相、膽甾相和近晶相。利用NIH成像J軟件(NIH) 處理的SEM圖像將被用于評估DNA的有序結構。空間排布，面積，平均值，形心，周長都可以使用此軟件包來測量。SEM截面圖像將被用于研究孔的排列。利用NIH圖像軟件中的工具分析SEM成像數據應提供測量DNA相對于底物表面的平均定向的能力。iv.潛在的問題/備選的方式潛在的問題電場不足以在溶膠-凝膠中誘導孔的排列。解決方案嘗試備選的排列方法孔排列的備選方法包括通過起初被開發用于使單鏈DNA附著于氧化鋁的方法(Saprigin 2004)，將雙鏈魚精子DNA的末端化學鍵合至表面。氨基硅烷N_(2_氨甲基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷(AEAPQ可被用于使氧化鋁底物的表面硅烷化。AEAPS的末端伯胺將通過碳二亞胺交聯機制與DNA的末端磷酸共價結合。結果將是一端附著于表面的、 長度為 100個堿基對的雙鏈魚精子DNA的單層。所述DNA可具有平置于含有伯胺的表面上的傾向，因為這些胺在中性PH時帶正電荷而DNA帶負電荷。用帶正電荷的氨基硅烷預處理DNA將使這一效應最小化。氨基硅烷氨丙基三乙氧基硅烷(APTEQ也將促進接近DNA分子的溶膠-凝膠的形成。所附著的DNA單層將太薄而不能作為有效的分離膜，而將作為引導劑用于排列隨后的液晶DNA模板化材料層。v.預期的結果我們預期表面上的DNA長程有序。DNA可能以小于90°的角度被定向。如果相對于表面的平均角度大于40°，將產生自DNA的去除的孔應允許有效的分子轉移。我們預期任務 1 花費 8 個月。Zeomatrix 的人員 Susan MacKay, Karl Bishop 禾口 Tyler Kirkmann 將參與。任務2-在多孔支持物上浸漬包被和表征模板化的Z-SEP 膜。i.原理I/IB期項目開發了形成DNA模板化膜所需的模板和浸漬包被方法。所述開發工作是利用載玻片作為膜的支持物進行的。原型膜將由具有下列特征的多孔材料支持平面的，由陶瓷材料構成，以大孔區、中孔區和微孔區多層化。為了開發原型，Zeomatrix將使用 Inocermic GmbH提供的Y -氧化鋁支持物，以及I/IB期中開發的包被方法。所述多孔支持物將允許測量孔的排列和流速。膜的特性，例如單一氣體滲透性、孔徑分布、孔隙率和選
11擇性層厚度也將被研究。由于不同的表面粘附特性，預期浸漬包被多孔支持物的條件不會與無孔支持物的相同。多孔支持物將購自Inocermic GmbH0復合氧化鋁支持物的直徑將為2cm，厚度3mm，平均孔直徑lOnm。所述支持物包含位于更加多孔的α-氧化鋁層之上的 IOnm多孔Y-氧化鋁。Z-SEP 原型膜將通過在經包封的DNA溶膠-凝膠前體溶液中浸漬包被所述多孔支持物而形成，所述經包封的DNA溶膠-凝膠前體溶液是按照Ι/ΙΒ期中開發的方法制備的。將按照為Ι/ΙΒ期開發的方法干燥并而后煅燒所述膜。需要為最后的過程開發另外的方法，所述最后的過程將涉及將Z-SEP 層燒結到下面的支持物上。此方法開發被拆分為獨立的任務(任務3)。ii.實驗設計和方法步驟1.浸漬包被在此研究階段，Zeomatrix將與顧問William DeSisto教授一起工作。DeSisto 教授在浸漬包被和鑒別受支持的模板化膜的方面有9年的經驗(Higgins 2006，Kennard 2008)。Zeomatrix所采用的方法是從他在他的研究中所使用的方法修改而來的，所述方法將由將支持物浸沒在液晶DNA溶膠-凝膠材料的溶液中組成。在I/IB期中最初的浸漬包被工作是利用緬因大學DeSisto教授的實驗室的設備進行的。II期的工作將使用定制的設備在komatrix的設施處進行，所述定制的設備將允許更準確地和可再現地將支持物“拖拉 (draw) ”經過溶膠-凝膠溶液。允許所述支持物在所述材料中停留數秒，這允許溶膠-凝膠粘附于表面。然后，以恒定的預確定的速率撤出所述支持物，產生厚度均一的膜層。厚度受溶膠-凝膠的粘度以及撤出速度的影響(Brinker和Hurd 1994)。在干燥步驟中可引入膜缺陷。因此，將通過在購自Electro-Tech Systems, Inc.的、溫度和濕度受控的箱(chamber) 內進行浸漬包被過程來調節蒸發速率。在此環境箱內將設置遙控電機，以提供對浸漬包被速度和角度的準確和可再現的控制。步驟2煅燒將使用I/IB期中確立的方法在komatrix進行煅燒。在此步驟之后，將表征所述膜以確定平均孔徑、孔徑分布、孔排列、缺陷的程度和膜厚度。iii數據分析和解釋將使用SEM，通過截面成像測量膜厚度。將使用吸附支化己烷孔隙率測定法 (porosimetry)或 permporometry (Clark 2003，Caol993, Cuperus 1992)來定量缺陷禾口測量平均孔徑和孔徑分布。此方法通過測量可壓縮蒸汽對孔的受控阻擋和測量另一種非可壓縮氣體通過膜的通量來測量有活性的孔(橫貫膜的那些)。己烷的分蒸汽壓在寬的范圍內被改變以作為阻擋劑起作用。測量氦氣的流速作為己烷活性的函數(相對于己烷的飽和壓校正己烷蒸汽壓)。利用Kelvin方程使己烷的活性與孔徑艮相關，其中ο是己烷的表面張力，Vm是己烷的摩爾體積，R是氣體常數，T是溫度，a是己烷的活性，和t是所吸附的單層的厚度(Cuperus 1992)。 Kelvin方程決定了當己烷蒸汽被暴露于膜時，壓縮如何在較大的孔中發生。根據對于Knudsen運輸的表述(Cao 1993)，將使用下列關系計算孔徑分布f (Rp)，其中1是膜厚度，M是滲透物的分子量，和F是惰性氣體的滲透性。
權利要求
1.產生用于分子分離的結構的方法，包括提供選自生物分子，生物聚合物，聚合物，及其組合的多種模板材料；在所述模板材料的周圍提供適于產生用于分子分離的結構的篩材料；將所述模板材料定位放置于排布中，所述排布用于留下適于分子分離的孔；和去除所述模板材料，以在篩材料中留下孔并產生適于分子分離的結構。
2.權利要求1所述的方法，其中所述模板材料選自DNA，RNA,核酸環，核酸發夾，核酸 鈴，烷基化膦酸酯，非標準核堿基，聚羥基脂肪酸酯，及其組合。
3.權利要求1所述的方法，其中在于模板材料周圍提供篩材料之前，定位放置所述模板材料。
4.權利要求1所述的方法，其中在于模板材料周圍提供篩材料之后，定位放置所述模板材料。
5.權利要求1所述的方法，其中使篩材料形成膜并且定位放置模板材料以留下大體上垂直于所述膜的表面的孔。
6.權利要求5所述的方法，其中所述模板材料附著于表面，且所述篩材料被施加于所述表面上和所述模板材料周圍以形成膜。
7.權利要求1所述的方法，其中所述模板材料是DNA。
8.權利要求1所述的方法，其中所述篩材料產生陶瓷結構。
9.權利要求1所述的方法，包括下述另外的步驟在去除模板材料以留下孔后，以受控的方式減小所述孔的直徑。
10.權利要求1所述的方法，包括下述另外的步驟在于模板材料周圍提供篩材料之前，使催化材料附著于所述模板材料；和當所述模板材料被去除時，留下附著于孔的催化材料。
11.產生用于分子分離的結構的組合體，包含底物；底物上的多種模板材料，所述模板材料選自生物分子，生物聚合物，聚合物，及其組合； 將所述模板材料定位放置于排布中，所述排布用于當所述模板材料被去除時，留下適于分子分離的孔；和置于所述底物上、所述模板材料周圍的篩材料，所述篩材料具有的組成和形狀是用于在去除所述模板材料后產生用于分子分離的結構。
12.權利要求11所述的組合體，其中所述模板材料選自DNA，RNA,核酸環，核酸發夾，核酸 鈴，烷基化膦酸酯，非標準核堿基，聚羥基脂肪酸酯，及其組合。
13.權利要求11所述的組合體，其中所述底物具有在其上使篩材料成形以產生用于分子分離的膜的表面。
14.權利要求11所述的組合體，其中所產生的膜是第一種膜，而所述底物是第二種膜。
15.權利要求11所述的組合體，其還包含附著于所述模板材料的催化材料。
16.用于分子分離的膜，其包含由篩材料制成的膜，所述膜具有反向的主要表面；所述膜在至少一個主要表面中具有孔，所述孔具有的直徑在10至19埃之間。
17.權利要求16所述的膜，其中所述篩材料是陶瓷材料。
18.權利要求17所述的膜，其中所述膜具有的厚度在約0.1微米至約100微米的范圍內。
19.權利要求17所述的膜，其中所述孔是實質上均一的。
20.權利要求19所述的膜，其中所述孔大體上垂直于所述主要表面延伸。
21.權利要求17所述的膜，其中所述孔是隨機定向的。
22.權利要求16所述的膜，其還包含附著于所述孔的催化材料。
23.權利要求16所述的膜，其中所述孔延伸通過所述主要表面之間的膜。
24.生產催化劑的方法，包括使催化材料，例如過渡金屬，附著于模板材料；將催化劑底物材料定位放置于模板材料周圍；和去除模板材料以在催化劑底物材料中留下孔，而催化材料附著于所述孔。
25.權利要求M所述的方法，其中所述模板材料被置于表面上，且所述催化劑底物材料被施加于所述表面上并且在所述模板材料周圍。
26.權利要求M所述的方法，其中所述催化材料附著于所述模板材料上的位置處，從而當所述模板材料被去除時，所述催化材料附著于孔上的相應位置。
27.權利要求M所述的方法，其中使兩種或更多種不同的催化材料附著于各個模板材料，從而當所述模板材料被去除時，所述兩種或更多種催化材料附著于所述孔。
28.權利要求M所述的方法，其中所述模板材料是DNA，且所述催化材料是金屬原子、 金屬離子或金屬氧化物。
29.權利要求M所述的方法，其中所述孔的定位使得所述催化劑也作為分子篩起作
全文摘要
產生用于分子分離的結構的方法包括提供多種模板材料。所述模板材料選自生物分子，生物聚合物，聚合物，或其組合。在所述模板材料周圍提供了適于產生用于分子分離的結構的篩材料。將所述模板材料定位放置于排布中，所述排布用于留下適于分子分離的孔。去除模板材料，以在篩材料中留下孔并產生適于分子分離的結構。
文檔編號G01N33/483GK102292452SQ200980147182
公開日2011年12月21日 申請日期2009年10月30日 優先權日2008年10月30日
發明者K·D·畢紹普, T·J·基爾科曼 申請人:塞拉赫利克斯股份有限公司