纳米尺度的光刻和生物相容性材料中的信息存储为生物电子学和可降解电子学等传统半导体制造技术难以实现的应用提供了可能性。丝素蛋白作为一种以其强度和生物相容性著称的天然蛋白，在这方面得到了广泛的研究。来自德克萨斯大学奥斯汀分校的LiWei团队与中科院上海微系统与信息技术研究所的陶虎团队提出了使用丝素蛋白膜作为生物功能介质的纳米光刻和数据存储方法。研究人员利用针尖增强近场红外纳米光刻技术，制作了分辨率约35nm（半高宽）的灰度和双色纳米图案，制造了一个可存写、可擦除的“丝绸膜存储器”。此存储器作为光存储介质，可存储数字和生物信息，其信息存储约为64GB/in2，且在各种恶劣条件下具有长期稳定性。研究人员还证明了这种存储器可被生物功能化，以具备显色反应，酶促分解、热触发、抗细菌感染等功能。相关研究成果以“Arewritableopticalstoragemediumofsilkproteinsusingnear-fieldnano-optics”为题发表在NatureNanotechnology（IF=42.24）上。
背景介绍
在本世纪初，IBM提出了一种基于原子力显微镜针尖光刻进行数据存储的方案，其有可能实现30-40nm的空间分辨率，但距离应用仍有相当的距离。散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）是一种高分辨率纳米加工方法，也适用于生物材料的纳米级表征。通过开发中红外s-SNOM的光刻能力，同时保留其成像能力，可以将功能性生物材料的纳米级操作和表征集成到一个平台中。这种闭环光刻平台可以简化生物纳米加工，以此形成基于探针的存储方案，用于存储和操纵生物信息。
为了提高光刻效率，提升生物材料信息存储效果，必须优化介质材料、入射光和扫描头特性之间的协同作用。丝素蛋白作为一种源自家蚕的天然蛋白质，在电子、离子束、光的作用下会产生纳米级多态转变，且具备良好的机械强度、生物相容性、生物降解性、可调节的溶解性、功能化特点等优势，因此被研究人员选用，用于制造可重写的光存储介质。实验中，研究人员使用针尖增强近场红外纳米光刻(TNINL)诱导了蛋白层的形貌/相位变化，其半高宽(FWHM)空间分辨率约为35nm。制造出的存储器点间距为nm，信息存储密度约64GB/in2。其信息可以在空气环境中重复写入和擦除，并在高湿度、高磁场和临床级伽马辐射等恶劣的条件下保存。
实验方法与结果
1.原位图案化与表征
从天然蚕茧中提取蛋白，并通过旋涂在金/硅基底上制成约nm厚的薄膜，即形成“蚕丝存储器”。s-SNOM工艺使用量子级联激光器作为单色中红外激光源，在蛋白薄膜上进行图案化。激光波数为-cm-1，覆盖了蛋白的酰胺Ⅰ和Ⅱ吸收带。激光经光路被引导至原子力显微镜探针尖端，针尖增强的脉冲激光使局部蛋白质产生拓扑和构相转变，并经连续波激光进行原位成像。在波数cm-1的条件下，蛋白表面形貌凸起随激光作用时间变化如图1-d。点阵刻蚀后的蛋白表面形貌与相位如图1-e。
图1使用针尖增强近场红外纳米光刻技术在“蚕丝存储器”上进行图案化和表征示意图
2.图案化机理与工艺
研究人员对工艺作用的机理和工艺进行了探究。数值计算结果表明，探针针尖和蛋白膜之间的纳米间隙中，等离子场强发生了四个数量级的增强，且针尖越尖锐，其增强场的范围越小，从而产生越好的光刻分辨率。在二氧化硅、硅、和金基底上采用相同的光刻参数进行实验，结果表明金基底上的光刻结果边缘最清晰，光刻效果最好，如图2-b。这是因为基底光导率不同，金基底与镀金探针之间的等离子耦合进一步增强了场强，使得更强的热辐射作用于蛋白膜上，从而产生了更好的光刻效果。
此外，光刻分辨率还由蛋白平均分子量、激光频率、曝光时间、激光功率等共同决定。蛋白平均分子量越大，其光刻点越大（分辨率越差），如图2-c。曝光时间越长（图2-d）、激光频率越接近.5cm-1（其对应蚕丝酰胺Ⅰ带的吸收峰）、激光功率越大（图2-e），则光刻产生的特征尺寸越大，分辨率越差。
图2图案化机理与工艺
3.灰度纳米结构和数字信息存储
使用此工艺可在蛋白膜基底上制造纳米点、一维线、二维形状、“UT”标志等图案，其制造的最小点半高宽约为35nm，其尺寸与探针的测量直径35nm相一致。研究人员预计，使用更尖锐的探针可实现更好的光刻分辨。除平面形貌外，此工艺还可实现一定程度的图案高度控制，如通过激光功率控制制造高度随直径增大的“陷阱迷宫”图案（图3-c）。文章中验证性地将20s鸟鸣录音（MIDI格式）和蚕的图像（BMP格式）转化为二进制点阵，存储在“蚕丝存储器”上。经探针扫描读取，重新解码出信息，结果表明没有出现失真，证明了存储的可行性。
图3光刻与信息存储
文章还指出，通过不同激光功率引发的不同膜状态转变，可以实现信息的擦除和重写。在激光功率较低时（0.31-0.36mW），光刻会导致膜上产生小的凹坑和相邻的小凸起结构。当激光功率适中时，（0.36-2.35mW），光刻会在膜上产生较大的凸起结构且没有凹坑。当激光功率较大时（＞2.35mW），光刻会在膜上产生一个较大的凹坑。其中前两种结构由蚕丝蛋白玻璃化转变形成，第三种由蛋白热降解形成。实验结果表明，由中功率激光进行光刻实现信息写入后，可用低功率激光处理，实现凸起结构的擦除（图4-d），且此过程可重复至少15次（图4-e）。因此可在“蚕丝存储器”上实现信息的重复写入。文章还展示了在膜上写满凸起，再通过擦除凸起来实现“UT”的二进制ASCII码信息写入。
图4在蛋白膜上写入和擦除数据
4.“蚕丝存储器”的生物相容性与生物功能化
为了验证“蚕丝存储器”的稳定性，研究人员分别在高温、高湿、高剂量辐射、高磁场环境中进行了测试，研究结果表明存储器可经受相应环境，并保存其信息（图5-a）。
此外，“蚕丝存储器”还保留其生物特性，可做带有纳米尺寸标记的生物样品载体。在存储器中掺杂了临床相关的血液生物标志物（血红蛋白、白蛋白和葡萄糖），并在其中加入了数字标签。室温下存储14天后，其中生物标志物的活性和信息仍得以保留（图5-b）。在膜上掺杂相应的功能蛋白等，可使膜具备相应的生物功能性。如在其上掺杂辣根过氧化物酶，则膜可以在四甲基联苯胺溶液中显色；在其上掺杂氨苄青霉素，可提高其抗菌性，防止可能的细菌污染导致数据丢失；在其上掺杂木瓜蛋白酶，可实现条件触发酶促降解，在存储器暴露于50℃时激发酶活性，诱导相应区域的蛋白降解，从而快速擦除相应信息（图5-c）。
最后，研究人员还进行了一组体内实验，以评估其作为可植入设备的可行性。将交联/未交联处理后的蚕丝存储器（分别对用长时间存储和短时间存储）植入大鼠的皮下区域，并在一周后取出。植入部位附近的组织都没有受到干扰，且无不良炎症反应，表明存储器有良好的生物相容性。结果表明，交联处理后的存储器，其上的信息几乎完好无损，而未交联处理的一组，信息则几乎全部降解。
图5存储器的稳定性与生物功能性
总结
综上，使用针尖增强近场红外纳米光刻技术可在蚕丝蛋白膜上进行光刻和表征，其可用于数字信息存储，且存储容量比传统光盘等存储器高一个数量级。“蚕丝存储器”中的数据可通过相应工艺进行擦除和重写，且在恶劣环境中表现出很好的稳定性。该存储器具备很好的生物相容性，且可进行生物功能化。
未来，通过扫描探针光刻技术的进一步发展，“蚕丝存储器”可实现更高的信息存储密度和更快的读写速度，但在日常的数据存储中，其仍难与先进的固态信息存储设备相匹敌。然而其具备的独特生物特性，则可为生物集成电子的未来发展提供新的可能性。
参考文献
Lee,W.,Zhou,Z.,Chen,X.etal.Arewritableopticalstoragemediumofsilkproteinsusingnear-fieldnano-optics.Nat.Nanotechnol.15,–().
DOI: