可单独选通的平面结构的微电磁单元阵列芯片 |
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申请号 | CN01136350.9 | 申请日 | 2001-10-10 | 公开(公告)号 | CN100476431C | 公开(公告)日 | 2009-04-08 |
申请人 | 清华大学; 博奥生物有限公司; | 发明人 | 吴镭; 王小波; 程京; 杨卫平; 周玉祥; 刘理天; 许俊泉; | ||||
摘要 | 本 发明 揭示了具有可单独选通的微电磁单元构成的阵列的电磁芯片和电磁 生物 芯片,以及利用这些芯片定向操纵生物分子和化学 试剂 等微粒和微结构的方法。 | ||||||
权利要求 | 1、一种具有可单点选通式微电磁单元的电磁芯片,包括: a)基片; b)位于基片上的多个微电磁单元,通过施加电流可以使每一个单元产生磁场; c)用以选通多个微电磁单元中任意一个或是多个单元、使其产生磁场的装置; 所述位于基片上的多个微电磁单元中的至少一个微电磁单元是平面结构的,所述微电磁单元的磁力线与芯片表面平行。 |
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说明书全文 | 可单独选通的平面结构的微电磁单元阵列芯片本发明是中国专利申请"可单点选通式微电磁单元阵列芯片、电磁生物 芯片及应用"(专利申请号:99104113.5,递交日期:1999年3月15日)、 美国专禾U申i青"Individually Addressable Micro-Electromagnetic Unit Array Chips"(专利局编号:09/399,299,递交日期:1999年9月17日)和国际专 禾ll申请"Individually Addressable'Micro-Electromagnetic Unit Array Chips"(专 利局编号:PCT/US99/21417,递交日期:1999年9月17日)的延续部分。 本发明中还引用了下列的专利申请: 国际专禾!j申请"Method for Manipulating Moieties in Microfluidic Systems"(专利局编号:PCT/US00/25381 ,递交日期:2000年9月15 日,发明人:Xiaobo Wang, Lei Wu, Jing Cheng, Weiping Yand, Junquan Xu)。 美国专禾伸请"Apparatus for Switching and Manipulating Particles and Method of Use Thereof "(专利局编号:09/678,263,代理事务所编号: ARTLNCO.002A,递交日期:2000年10月3日,发明人:Xiaobo Wang, Weiping Yang, JunQuan Xu, Jing Cheng Lei Wu)和它所对应的中国专利 申请"用于微粒操纵与微粒导向的装置及其使用方法"(专利局编号: 00129043.6,代理事务所编号:I2000723EB,递交日期:2000年9月27曰)。 美国专禾!]申i青"Apparatuses Containing Multiple Active Force Generating Elements and Uses Thereof"(专利局编号:09/679,024,代理 事务所编号:471842000400,递交日期:2000年10月4日,发明人:Xiaobo Wang, Jing Cheng, Lei Wu' JunQuan Xu, Weiping Yang)禾口它所对应的中 国专利申请"多力操纵装置及其应用"(专利局编号:00130563.8,代理事 务所编号:I2000725EB,递交日期:2000年9月30日)。美国专禾U申i青"Methods for Manipulating Moieties in Microfluidic Systems"(专利局编号:09/636,104,递交日期:2000年8月10日)。 美国专禾伸请"Methods and Compositions for Identifying Nucleic Acid Molecules Using Nucleolytic Activities and Hybridization"(专禾!j局编号: 09/684,081,递交日期:2000年8月25日)。 美国专禾y申请"Compositions and Methods for Separation of Moieties on Chips"(专利局编号:09/686,737,代理事务所编号:ART-00102.R1 ,递 交日期:2000年10月10日,发明人:JunQuan Xu, Xiaobo Wang, Jing Cheng, Weiping Yang, Lei Wu)和对应的中国专利"芯片上分离实体分子的方法 和所需器件和试剂"(专利局编号:00131649.4,代理事务所编号; 12000726EB,递交日期:2000年10月9日)。 美国专禾ij申请"An Integrated Biochip System for Sample Preparation and Analysis"(专利局编号:60/239,299,代理事务所编号:ART-00102.P.1,递交日期:2000年10月10日,发明人:JingCheng等)。 技术领域背景技术生物芯片技术是近年来生命科学和生物医学研究领域的一项新兴技术, 在生物学、生物技术和生物医学领域的应用非常广泛,例如点突变检测、DNA 测序、基因表达分析、药物筛选和临床诊断。生物芯片是一类可以用于化学 或是生物反应的微縮化器件,利用半导体工业的微电子和微加工技术和其它 相似关术制作,可以将现有的分立的化学或是生物化学分析过程和器件集成 并简化到基于微芯片的装置中。现在大量的科技论文都涉及到这类装置。 通过下列文章,可以看到生物芯片的广泛用途。"Rapid determination ofsingle base mismatch mutation in DNA hybrids by direct electric field contro卜,Sosnowski, R. G.等(Proceedings of the National Academy of Sciences, USA, 94: 1119-1123, 1997 ) , ('Large-scale identification, mapping and genotyping of single-nucleotide polymorphisms in the human genome " , Wang, D. G.等(Science, 280: 1077-1082, 1998)介绍了生 物芯片在点突变检测上的应用;"Accurate sequencing by hybridization for DNA diagnostics and individual genomics" , Dumanac, S.等(Nature Biotechnology, 16: 54-58, 1998) , "Quantitative phenotypic analysis of yeast mutants using a highly pam卩el molecular bar-coding strategy", Shoemaker, D. D.等(Nature Genetics, 14: 450-456, 1996),以及 "Accessing genetic information with high density DNA arrays." , Chee, M. 等(Science, 274: 610-614, 1996)介绍了生物芯片技术在DNA测序方面 的应用;生物芯片在基因表达监控上的应用可在下列文章中看到: "Genome-wide expression monitoring in Sacc力a厂omyces ce/w/s/ae.", Wodicka, L等(Nature Biotechnology, 15:1359-1367, 1997) , "Genomics and human disease- variations on variation." , Brown, R O., Hartwe卩, L, "Towards vArab/c/ops/'s genome analysis : monitoring expression profiles of 1400 genes using cDNA microarrays." , Ruan, Y.等(The Plant Journal 15: 821-833, 1998 ) ; "Selecting effective antisense reagents on combinatorial oligonucleotide arrays." , Milner, N. 等 (Nature Biotechnology, 15:537-541, 1997 ) , "Drug target validation and identification of secondary drug target effects using DNA microarray.", Marton, M.丄等(Nature Medicine, 4: 1293-1301, 1998)介绍了生物芯片 在药物筛选方面的应用。"Cysticfibrosis mutation detection by hybridization to light-generated DNA probe arrays." , Cronin, M. T等(Human Mutation, 7: 244-255, 1996) , " Polypyrrole DNA chip on a silicon device: Example of hepatitis C virus genotyping." , IJvache, T.等(Analytical Biochemistry, 255: 188-194, 1998)介绍了生物芯片在临床诊断中的应用。由上可以看到生物芯片的广泛应用。 有一类生物芯片是通过将生物分子(例如,寡核苷酸、cDNA和抗体) 固定在芯片表面制成的。有许多种方法可以用于制作这类生物芯片。例如 Affymetrix公司(见美国专利5,445,934和5,856,174)研制了一种通过光 引导化学合成制作生物芯片的方法,芯片表面的生物分子是通过照相平板印 刷技术通过固相光化学合成的方法合成的。lncyte Pharmaceutical公司(见 美国专利5,874,554)发明了一种喷射方式制作生物芯片的方法,预先制备 的cDNA通过直接喷射的方式定位在芯片的表面。Stanford大学发明的接触 式点样方法是通过高速、高精度的机械臂带动样品分配头与芯片直接接触从 而将样品排布在芯片的表面(见Schena, M. et al, Science 270:467-70 (1995))。位于西雅图(Seattle)的Washington大学发明了一种单核苷酸探 针合成方法用于生物芯片的制作,四个不同的压电分配头分别装入四种不同 的核苷酸,通过控制这些压电分配头以一定的顺序分配不同的核苷酸,从而 实现在芯片表面自动合成寡核苷酸(见Blanchard, A. R et al. Biosensors & Bioelectronics 11:687-90 (1996))。 Hys叫公司已经开发出用于基因组测序 的被动式薄膜装置(见美国专利5,695,940和5,525,464)。 生物芯片主要分为两大类:主动式和被动式。被动式生物芯片是指那些 芯片上发生的化学或是生物化学反应是通过样品分子的被动扩散实现的。而 在主动式生物芯片中,反应物可以被外加作用力输运和富集,这样反应就在 反应物本身的扩散和其上所受的外加作用力的共同作用下进行。现在绝大多 数可获得的生物芯片,例如来自Affymetrix公司的寡核苷酸DNA芯片和来 自lncyte Pharmaceutical公司的cDNA芯片都属于被动式生物芯片的范畴。 主动式和被动式生物芯片在结构上非常相似,都要在芯片上固定由不同配基 构成的阵列。通过使用不同的标记、可检测的标记、检测系统和指示分子(例 如荧光染料分子〉,配基和相应的分子之间的反应可以得以定性或是定量的 检测。这样,含有由多种固定配基组成的阵列的生物芯片可以同时进行多种 物质的检测。 现有的许多被动式生物芯片的设计并没有充分应用微加工和微电子技术。而且被动式生物芯片并不适宜集成进可以实现从最初的样品制备到最终 的分子检测的微全分析系统中。此外,被动式生物芯片还存在着其它缺点, 例如分析灵敏度仍然不够高、反应时间较长、难以实现对芯片表面的单个区 域(可以称为单元)的温度、压力、电场和分子浓度进行有效的控制等等。 相反,主动式生物芯片通过对反应物施加外部作用力进行微流体操纵或 是电操纵,实现对分子的操纵、反应(例如PCR)、杂交和分离(例如毛细 管电泳)。但是同时,许多这样的主动式生物芯片又不具有高通量的并行处 理能力。Nanogen公司研制的电子生物芯片可以通过微电极产生的电场操 纵和控制样品生物分子,和被动式生物芯片相比,显著的提高了反应速度和 检测的灵敏度(见美国专利5,605,662、 5,632,957和5,849,486)。但是为 了在溶液或是悬浊液中利用电场有效的移动生物分子,溶液的电导率必须比 较低,这极大的限制了生物化学分析缓冲液的选择,许多酶和其它生物分子 在这样的低离子强度环境中容易变性,且容易与芯片表面发生非特异的吸 附。 本发明给出了--种新的主动式生物芯片的设计,其中外加作用力为磁 力,是由芯片上可单独选通的单元阵列产生的。在这种设计中,磁力可以用 于控制和操纵磁修饰的分子或是颗粒,从而促进芯片表面的分子相互作用。 磁力已经被广泛的应用于生物、化学和生物化学领域。例如,在磁力细胞分 选的方法中,表面包被了针对特异细胞的抗体的磁性颗粒可以在细胞混合液 中特异的与对应的细胞结合,结合后,细胞一磁性颗粒复合物可以在磁力作 用下进行选择性的输运,从而实现磁力的分选(见Miltenyi, S. et al. AHigh gradient magnetic cell-separation with MACS (Cytometry 11:231-236 (1990))。此外,在美国专利5,439,586给出了一种三维的磁力过滤器的设 计,可以用于在流体中分离磁性颗粒和非磁性颗粒,美国专利5,655,665给 出了 一种微机械磁性颗粒分离器的设计,可以用于微流体磁分离。 附图说明 图1是本发明中的微电磁单元阵列芯片的结构图,图中所画的电磁单元虽然是立体结构,但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构; 图2显示本发明中的微电磁单元阵列芯片中被选通施加电信号的单元吸 引磁性物质的现象,图中所画的电磁单元虽然是立体结构,但是电磁单元也 可以仅仅制成平面结构; 图3是本发明中的微电磁单元阵列芯片的结构图,图中所画的电磁单元 虽然是立体结构,但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构; 图4是图5所示芯片的截面图,图中所画的电磁单元虽然是立体结构, 但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构; 图5是本发明中的微电磁单元阵列芯片的结构图,其中可单点选通的微 电磁单元构成一个方阵,图中给出的是俯视图。图中所画的电磁单元虽然是 立体结构,但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构; 图6是本发明中的微电磁单元的结构图,单元的选通是通过施加电流从 而感生出磁场实现的(例如,施加电流后,磁芯被磁化,产生磁场),图中 所画的电磁单元虽然是立体结构,但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构; 图7是本发明中用来形成环绕铁芯的微型线圈的第一组导线的示意图, 图中所画的虽然是立体结构,但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构; 图8是本发明中用来形成环绕铁芯的微型线圈的第二组导线的示意图, 图中所画的虽然是立体结构,但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构; 图9是本发明中用来形成环绕铁芯的微型线圈的第三组导线的示意图, 图中所画的虽然是立体结构,但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构; 图10是通过电开关对每一个微电磁单元进行单独选通的原理图,每个单 元是通过两个串联的电开关与电源及地线相连接的,这两个电开关的通断是 通过施加在行列导线上的电信号来控制的,图中所画的虽然是立体结构,但 是电磁单元也可以仅仅制成平面结构; 图11A所示电子开关可以是一个双极晶体管,图中所画的虽然是立体结 构,但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构; 图11B所示电子开关可以是一个金属氧化物半导体场效应管 (MOSFET),图中所画的虽然是立体结构,但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构; 图11C是本发明所使用的液晶显示技术中的电路图; 图12是当前所发明的生物芯片在安装上一个流体池和一个用于光学检测 的窗口后的结构示意图,图中所画的虽然是立体结构,但是电磁单元也可以 仅仅制成平面结构; 图13简要表示了通过可切割化学连接臂对配基或靶样分子进行磁修饰, 图中所画的虽然是立体结构,但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构; 图14A是本发明中平面结构的电磁单元的俯视图,图中是磁芯(100) 和线圈(110);图14B、图14C和图14D分别是本发明的微电磁单元的照 片; 图15是磁芯在竖直方向200微米X200微米平面内的磁场的对数等值图, 图的坐标从磁芯的中心开始算起,磁芯地尺寸为200微米X200微米X5微 米; 图16是和图15在一个平面内的磁场力的对数图; 图17是具有16个水平单元的1厘米XI厘米大小的芯片图; 图18则是图17上制作有16块芯片的硅片图; 图19A是图14A中沿着A—A方向的截面图,图19B是图14A中沿着 B—B方向的截面图,图中是磁芯(100)、线圈(110)、绝缘物质(120)、 涂层(130)和导体物质(140); 图20是本发明的电磁单元中的MR头的校准曲线, 图21是尺寸为400X50X5的磁芯的场强-距离图; 图22是尺寸为400X50X5的磁芯的场强-电流图; 图23是尺寸为1600X50X5的磁芯上施加20毫安的电流,然后突然撤去 电流这一过程的剩磁曲线;图23中的右图是器件上施加20毫安电流,然后 将电流的幅值按照正弦方式进行衰减,直至降到零这一过程的剩磁曲线; 图24A和图24B是本发明芯片的两种设计图,图24A是一块具有16个 可单独选通的电磁单元的芯片,图24B具有两组各8个可单独选通的电磁 单元,图24B中的芯片是本发明磁力行波的首选结构; 14图25是本发明中制有多个芯片的硅片的图,其中硅片的尺寸一般为3英 寸; 图26是本发明的一个制作在芯片表面的槽中的具有锥形磁芯末端结构的 水平单元的结构图; 图27给出了多种磁芯末端(160)和槽(150)的结构图; 图28是连接在磁性微粒上的耙分子; 图29为用磁分配器对包含配基分子和磁性微粒的冷冻微粒进行拾取的示 意图; 图30为将图29中的冷冻微粒释放到本发明中的生物芯片表面的示意图; 图中所画的虽然是立体结构,但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构; 图31表示将图30中包含配基分子和磁性微粒的冷冻微粒融化;图中所 画的虽然是立体结构,但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构; 图32表示将图31中的磁性微粒与配基分子分离;图中所画的虽然是立 体结构,但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构; 图33表示经过磁性修饰的耙样分子在所发明生物芯片表面作随机运动; 图中所画的虽然是立体结构,但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构; 图34示意按一定方式流过电磁芯片上多根导线以激励一组微电磁单元 (即使一组磁芯磁化)的电流流动方式示意图;图中所画的虽然是立体结构, 但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构; 图35表示流过电磁芯片导线的另一种不同的电流模式,该电流流动方 式可以激励图34所示的电流流动方式所不能激励的微电磁单元;图中所画 的虽然是立体结构,但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构; 图36表示将经过磁性修饰后的靶样分子和固定在芯片上的配基结合后, 从而固定在电磁芯片表面;图中所画的虽然是立体结构,但是电磁单元也可 以仅仅制成平面结构; 图37为靶样分子与本发明中生物芯片表面的配基发生反应后将磁性微 粒从靶样分子上切除的原理示意图;图中所画的虽然是立体结构,但是电磁 单元也可以仅仅制成平面结构;图38中使用本发明的带有微电磁单元(190)的行波磁泳器件(170) 对磁性微粒(180)进行行波磁泳;图38A、图38B和图38C显示了在微 电磁单元选通和关闭时磁性微粒沿着磁力行波运动的状况; 图39给出了本发明行波磁泳中使用的微粒开关图;图39A是开关 (200);图39B是产生磁力行波的直流电;图39C是产生磁力行波的交流 电;图39D是产生磁力行波的正弦交流电; 图40是本发明检测细胞(例如淋巴细胞)分布的方法,首选的方法是 细胞磁泳; 发明概要 本发明认识到,为了实现生物、化学、机械和物理过程或是操作的自动 化和微型化,必须要能够有效的操纵生物分子或是颗粒等实体分子。.特别的, 能够特异和精确的控制实体分子位置的方法在需要检测实体分子或是实体分 子上结合的物质的场合非常有用。 本发明设计了一种电磁生物芯片,芯片上有可单点选通的微电磁电极单 元,这些单元组成一个或是多个阵列。 一块电磁生物芯片上可以具有一个或 是多个微电磁单元阵列。每个单元可以单独施加电信号从而产生磁场。每个 单元产生的磁场可以被单独选通或是关闭,磁场的强度和相位也可以根据单 元上所施加的交变电流进行调节。芯片表面产生的磁场可以用于操纵具有磁 性的物质,包括磁性颗粒、生物分子、细胞、其他颗粒或是这些物质与磁性 颗粒组成的复合物。具有磁性的物质可以在磁场的驱使下,向芯片表面的预 定位置运动。芯片的表面或是芯片表面的一部分可以进行的化学修饰,从而 形成可以固定配基分子的功能层,以便于磁力引导的物质与配基分子发生亲 和反应。磁引导和操纵改变了反应物局部浓度从而增加了不同生化和化学反 应的速率,从而达到提高分析灵敏度的目的。因为离子强度及缓冲液特性对 磁场影响甚微,甚至没有作用,这样就可以选择最有利于生化反应的缓冲液。 而且,不存在会导致电化学反应而产生使分析或反应复杂化的强电场的不良 影响。 16本发明进一步揭示了在电磁芯片上操纵磁性微粒的方法。磁性微粒可以 悬浮于某种流体(水溶液的或非水溶液的)中或者在空气中,甚至在真空中。 当一个微电磁单元被通以电流时,单元附近的磁性微粒会受到磁力的作用, 被吸附到该单元的表面。即在磁性微粒悬浮液布满整个芯片时,选通一个单 元只会影响与该单元直接相邻的磁性微粒。但是若通过有序地给各单元通 电,就有可能移动聚集在整个芯片上所有悬浮着的磁性微粒。这样的协同运 动称作"操纵",这种操纵可以通过按预定顺序打开或关断单元来加以控制。 的操纵也包括通过改变加在微电磁单元上的电流方向而改变磁场分布及作用 在磁性微粒上的力,达到改变和控制磁性微粒的位置,速度及其他运动特征 的目的。根据不同的使用要求,可以让所有的或者是部分的单元同步通电。 当然也可对微电磁单元逐一通电。 本发明进一步揭示了利用电磁芯片操纵生物分子/生物微粒,化学试剂分 子,药物分子或者其他形式的分子、微粒的方法。 一般而言,电磁芯片可以 用于操纵任何磁性微粒。为了控制和处理非磁性微粒/分子,需要对它们进 行磁性修饰。例如,分子可以通过共价连接或者物理吸附联接到磁性微粒表 面。这些生物分子可以是蛋白质(如抗体、抗原、受体),核酸(如单链DNA 或RNA)或者其他分子,如脂类和碳水化合物。对电磁芯片表面可以作修 饰,以便于固定能与磁性微粒表面分子相互作用的配基分子。在磁场力作用 下磁性微粒在已固定有合适配基分子的特定位置上聚集便可促使它们之间发 生相互作用。 发明详细描述 定义 除非进行特别的说明,否则本发明中所有使用的科技术语的意义都和通 常理解的一致。发明中提及的上、下等方向是针对所使用的器件给出的。发 明中所涉及到的一些术语和实验步骤在本领域内都是很常见的。但是考虑到 不同的文献在使用这些术语或是在描述这些步骤时相互之间会存在一定的差 异,所以下文会对本发明中所使用到的术语和实验步骤进行定义和说明。«磁力"是指微粒由于磁场引发而受到的作用力。通常,为了实现操纵 微粒的目的,微粒应该本身具有磁性或是可以被磁化。以一个由超顺磁性物 质制作的磁性微粒为例,当微粒处于磁场S中,微粒本身会被诱发产生磁偶 极《□© = \/p (np -nm)其中Vp代表微粒的体积,Xp和^m分别是微粒和周围介质的极化率。《m 是介质的磁透率,/^代表磁场强度。如下式所示,微粒受到的磁力f^ffTOfc 取决于磁偶极子的极化率和磁场梯度:• Fma^e叱=0.5 l/p (兀p - ;c m )/"/m A8m ,其中"X "和"A "分别代表点积和梯度运算。微粒是否受到磁力取决于微粒和 其周围介质的极化率的差异。通常微粒悬浮在液态的非磁性介质中(极化率 接近为零),这样为了产生足够的磁力,就需要使用磁性微粒(极化率大大 超过零)。在磁力和粘性阻力作用下平衡时的磁性微粒速度v^,^为V—c/e= 6, 式中r为磁性微粒直径,为周围介质的粘性系数。本发明中的"实体分子"是指可以被电磁力操纵的物质,也可以是由本 身布具有磁性的物质,例如生物分子等与可被磁场操纵的物质连接形成的复 合物。实体分子可以是固体,包括悬浮的固体,也可以以溶解状态存在。实 体分子可以是分子,可被操纵的分子包括,但不仅仅限于,无机分子(包括 离子和无机化合物),也可以是有机分子,包括氨基酸、肽、蛋白质、糖蛋 白、脂蛋白、糖脂蛋白、脂、脂肪、固醇、糖、碳水化合物以及其它小分子 或是复杂的有机分子。实体分子也可以是分子复合物,比如细胞器、 一种或 多种细胞(包括原核和真核细胞)、病原体(包括病毒、寄生虫、朊病毒或 是这些物质的一'部分);实体分子也可以是晶体、矿物质、胶体、碎片等等, 可以由一种或是多种无机物质如聚合物、金属、矿物、玻璃、陶瓷等等组成;实体分子也可以是分子聚集体、复合物、细胞、细胞器、病毒、病原体、晶 体、胶体或是其它碎片。细胞可以是任何种类的细胞,包括原核和真核细胞。 其中真核细胞也可以是任何类型。通常感兴趣的细胞包括,但不仅仅限于, 白细胞、恶性细胞、干细胞、分化早期细胞、胎儿细胞、被病原体感染的细 胞、细菌细胞等等。"细胞内实体分子"是指位于细胞内的实体分子,即位于细胞质或细胞 器基底中,附着在任何细胞内膜上,位于质膜(如果存在)上,或是位于细 胞表面,即附着在细胞质膜或细胞壁(如果存在)的外表面上。"配基"或是"配基分子"是指那些可以和其它分子反应/结合的生物/ 化学分子。例如,配基可以是核酸分子,它可以和互补的核酸链发生杂交反 应。配基也可以是抗体分子,它可以和对应的抗原或是表位结合。配基也可 以是受体结合区或是该结合区的一部分。在本发明中,表面连有上述配基的 微粒也属于配基的范畴。"阵列"是芯片上微电磁单元按照一定的形式排列而成的。 一个芯片上 可以包含有几个相互独立的阵列。例如, 一个芯片上的微电磁单元形成的阵 列可以位于芯片上的不同区域。这些区域彼此在空间上分隔,这样一个区域 内由于为电磁单元阵列产生的电磁力不会干扰到另一个区域。在本发明中的 磁力行波设计中,同一区域内不同微电磁单元产生的磁场可以暂时重叠相 连,由不同区域微电磁单元形成的阵列所产生的磁场可以暂时重叠相连。"操纵"是指移动或处理微粒,使微粒作一维、二维、三维方向上的运 动,运动可以发生在一块芯片上,也可以发生在多块芯片之间。在磁场中对 微粒的操纵包括,但不仅仅限于,运输、吸附、捕获、排斥、富集、分离、 鉴别、使微粒悬浮等等,还包括对微粒运动方向的改变。 •"样品"是指任何可以从中分离或分析出组分的流体。样品可以有各种 来源,可来自一个生物体,来自相同或不同种类的一群生物,也可以来自环 境,如取自一水体或土壤,或者来自食物或工业材料。样品可以是加工过的, 也可以是未加工的。样品可以是气体,液体,半固体,也可以是溶液或悬浊液。样品可以是一种提取物,如取自土壤或食物样品的液体提取物,如咽喉 或生殖器的提取物,或如取自排泄物样品的提取物。生物样品也可以是器官、 组织、细胞系(包括培养基和细胞)等等。在本发明中,首选的样品是血液 样品。"血液样品"在这是指加工过或未加工的血样,比如说,但不仅仅限于, 它可以是经过离心、过滤、抽提或其他处理的血液样品,还可以是加入了抗 凝血剂,稳定剂等一种或多种试剂的血液样品。血液样品可以是任意体积, 来源任意,如动物或人类。首选的材料是来自人类。血液可以直接从生物体 抽取,也可以来自库存,也可以从其它物体上抽提,例如衣服、家具等等。血液样品的体积不限,可以小于5微升,也可以大于5升,依具体的应用而定。"白细胞"是指白血球,或是一类可以在动物血液中找到的既非网织红细胞又非血小板的生血细胞。白血球可包括淋巴细胞,如B淋巴细胞或T 淋巴细胞。白血球也可包括吞噬细胞,如单核细胞,巨噬细胞以及包含有嗜 碱细胞,嗜曙红细胞,嗜中性粒细胞的粒状白细胞。白血球还包括肥大细胞。 "红细胞"是指红血球。"肿瘤细胞"是指一类细胞增殖生长比正常细胞快得多的异常细胞,它 甚至可以在受到导致新生长停滞的剌激后仍继续生长。与正常组织相比,瘤 细胞往往会部分或全部缺乏结构组织和功能协调性,它既可能是良性的也可 能是恶性的。"恶性细胞"是指一类具有局部入侵性和破坏性生长及转移的细胞。 "干细胞"是指一类未发生分化的细胞,它可通过一轮或多轮细胞分化 引起生长,生成至少一种分化细胞。"分化早期细胞"是指一类未发生分化但必然将引起生长的细胞,它 通过一轮或多轮细胞分化引起生长,生成至少一种分化细胞。比较有代表性 的是, 一个干细胞对一个特别的剌激或一系列刺激作出响应,通过一轮或多 轮细胞分化生成一个分化早期细胞,然后由这个分化早期细胞对一个特别的剌激或一系列刺激作出响应,生成--个或多个分化细胞。"病原体"是指任何病原体,如可以感染生物的细菌、病毒、寄生虫或 朊病毒。病原体可导致受其感染的生物出现症兆或处于疾病状态。人类病原 体是指可以感染人类的病原体。人类病原体既可以是特异性针对人类的,如 特异性人类病原体;又可以是可感染多种生物的,如混杂性人类病原体。"对象"是指任何生物体,如动物或人类。动物可包括任何动物体,如 野生动物,家养动物如猫或狗,农用动物如猪或牛,或者是娱乐用动物如马。"反应池"是组成芯片的一种结构,它可以容纳液体样品。"端口,,是指反应池体的开口,液体样品可通过它进出反应池。端口可 以是任何大小的,但适宜的是可允许样品由吸液管,注射器,导管或其它加 样方式加入反应池的形状和尺寸。"导管"在本专利中是用以将液体由容器转移到反应池的一种方式。导 管适宜应用于反应池的端口。导管可由任何允许液体通过的材料组成。比较 适宜的导管是管状结构,比如橡胶管、聚四氟乙烯管、或聚乙烯管。导管可 以是任意尺寸的,但适宜的是内径在10微米到5毫米之间。"芯片"是指其上可进行一次或多次处理如物理,化学,生化,生物处 理的固体物质。这些处理可以是分析,包括生化的,细胞的,和化学的分析; 也可是分离,包括使用电的,磁的,物理的,化学的(包括生化的)作用力 或是相互作用;也可以是化学反应、酶反应和结合反应,包括捕获。"电磁芯片"是指至少包含一个电磁单元的芯片,例如仅仅含有一个微 电磁单元。电磁单元可以位于芯片的表面,也可以集成或是部分集成在芯片 中。例如, 一个电磁单元可以制作在芯片的表面,也可以包埋在芯片中,或 是部分包埋在芯片中。"分离"是指将样品中的一种或多种组分和另外的一种或多种组分在空 间上相互分开的过程。分离过程可以这样进行, 一种或多种感兴趣的实体分 子被定位于分离器件中的某个或某些位置,至少部分样品中的其它组分被定 位于其它位置,或是从感兴趣的实体分子所在的位置移开。或者,可以将样 品中的一种或多种组分定位在某些位置,而一种或多种感兴趣实体分子从该位置处被移走,再进行收集。也可以将样品中的一种或多种组分定位在某些 位置,再将另外的一种或多种感兴趣的实体分子定位到另外的位置。分离可 以通过使用物理力、化学力、电场力或是磁场力等等实现,还可以使用重力 场、流体、介电电泳力、行波介电电泳力和电磁力等等实现。"捕获"是指这样一类分离方式,这种方式使--种或多种实体分子滞留 在芯片的一个或多个区域内,再施加物理力进行捕获。捕获可以通过特异的 捕获探针实现,捕获探针可以特异、紧密的与感兴趣的实体分子结合。这些 特异的捕获探针可以可逆或是不可逆的连接在芯片上的固体介质上。"分析"是对样品或样品的一个组分进行的测试。分析可检测某组分的 存在与否,某组分的数量或浓度,某组分的组成,以及某组分的活性等等。 分析可与本发明的方法和器件、试剂一起使用,包括生物化学分析、结合分析、细胞分析以及基因分析。"反应"是指可改变一种或多种分子或化合物的化学或生化成分,或者 改变一种或多种分子与另外一种或多种分子或化合物间相互关系的化学或生 化过程。本发明中的反应可以被酶催化,包括,但不仅仅限于,有降解反应, 合成反应,修饰反应或结合反应。"结合分析"是一种分析方式,它通过将特定物质分子与特异性结合物 结合来检测该特定物质分子的存在或浓度,或者检测一特定物质分子与另一 特定物质分子的结合可能性,或者检测一特定物质分子与另一特定物质分子 的结合亲和力。特定物质分子可指一有机或无机分子, 一个由有机、无机或 一有机无机复合物,细胞器,病毒或细胞组成的分子混合物。结合分析可以 使用可检测的标记或在结合特定物质分子存在下可产生可检测标记的信号发 生系统。标准的结合分析包括有依赖核酸杂交来检测特殊的核酸序列,依赖 抗体对特定物质分子的结合,以及依赖配体对受体的结合。"生化分析"是指对一种样品的一个或多个组分的存在、浓度、或活性 进行分析的方式。"细胞分析"是指一种检测细胞过程的分析方式,例如,但不仅仅限于, 新陈代谢活性、分解代谢活性、离子通道活性、细胞间信号传导活性、受体介导的信号传导活性、转录活性、翻译活性、或分泌活性等等。"遗传分析"是指一种检测某遗传单元的存在或序列的分析方式。此遗传单元可指DNA或RNA的任意片断,包括,但不仅仅限于,基因、重复 序列、转座单元、调控单元、端粒、中心粒或其它具有现在尚未知道功能的 DNA或RNA片断。基因分析的例子如(但不仅仅限于这些例子),核酸杂 交技术,包括核酸测序反应,可以使用一种或多种聚合酶,例如基于PCR 的基因分析。基因分析可以使用一种或多种可检测的标记,比如,但不仅仅 限于,荧光素、放射性同位素或是信号发生系统。"电极"是一种由高导电材料制成的结构单元。这里所谓的高导电材料 是指材料的导电率远大于周围介质或材料。高导电材料包括金属,如金、铬、 铂铝等等,也可以是非金属,如石墨、导电聚合物。电极可以制成各种形状, 如矩形、圆形、城堡形等等。电极材料中也可以包括掺杂半导体,如硅片上 掺磷。电极上可以施加电流,例如制成环形的电极中施加的电流也是环形的。"槽"是芯片上的结构单元,具有一个较低的表面和一个或多个从底面 以一定角度延伸出来的侧面。侧面的参数很随意,例如可以具有S形的或是 弯曲的或是具有多个角度的侧面。槽的底面可以低于、高于或是和芯片上表 面水平。侧面的材料应和芯片的下表面的材料不同。例如,芯片下表面可以 由一层能被电场力(包括介电电泳力、行波介电电泳力和电磁力)穿透的物 质构成,而槽的侧面由其它物质组成,如绝缘材料,可以阻碍电场力的穿透。 槽的侧面或是芯片上的通道可以由任意适当的材料制成,如硅、玻璃、橡胶、 多聚物、塑料、陶瓷、金属等等。"连续液流"是指在本发明的分离过程中,流体被连续的泵入或注入反 应池。这样,样品中没有被选择性滞留在芯片中的组分就会随着流体被带出 反应池。"连接物"是指任何可以和实体分子以一定亲和性和特异性相连的任何 物质,并且可以通过相应的物理力进行操纵。连接物可以是,但不仅仅限于, 细胞、细胞器、病毒、微粒、聚合体或复合体,或者分子的聚合体或复合体。 本发明中"微粒"是指任何形状,任何组成,具有任何复合结构的物质,23可以通过磁力进行操纵。微粒尺寸可以从大约0.01微米到大约1厘米。更 合适的是,在这种方法中的微粒的尺寸从大约0.1微米到大约几千个微米。微粒可以由各种合适的材料制成,例子包括,但不仅仅限于,玻璃、陶瓷、聚合物如尼龙、聚四氟乙烯(TEFLON™)、聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、琼脂糖、 纤维素、葡聚糖等等。可以被磁力操纵的微粒的制造材料可以是磁性物质, 也可以是可被磁力作用的物质,例如铁、磁铁石、铁磁体和亚铁磁体物质。"耦联"即结合。例如,实体分子可以和其它微粒进行特异的或非特异 的结合。结合可以是共价结合,也可以是非共价结合,是可逆结合也可以是 非可逆结合。"特异结合物"是指这样的两个不同分子中的一个,这样分子的表面具 有特定的形态结构可以特异性的和另一分子的空间或极性结构互补结合。特 异结合物可以是免疫家族中特异结合的两种物质中的一种,如抗原-抗体、 生物素-亲和素、生物素-链霉亲和素、配体-受体、双链核酸、IgG-蛋白A、 DNA-DNA、 DNA-RNA、 RNA-RNA等等。"核酸分子"是指多聚核苷酸。核酸分子可以是DNA、 RNA或两者的 组合。核酸分子也可以包括除了核糖和脱氧核糖外组成骨架链的的糖类,可 以是DNA或RNA之外的核苷酸分子。核酸分子可以由自然存在的或非自 然存在的核苷酸碱基组成,如黄嘌呤,核苷碱基的延伸物2-氨基酰嘌呤或类 似物等。核酸分子可以是肽核酸分子。核酸分子可以是任意长度,可以是单 链或双链,或者是部分单链和部分双链。"可被检测的标记"是--种可以被检测的复合物或分子,它们可以产生 输出信号,如荧光、放射性、颜色、化学发光或技术领域现有的或是今后发 展出的能产生输出信号的方法。输出可以基于荧光,如通过荧光标记物,例 如Cy-3, Cy-5,藻红蛋白,藻蓝蛋白,别藻蓝素,异硫氰酸荧光素(FITC), 罗丹明,或镧系元素等等,但不是仅仅限制于以上物质;也可以通过荧光蛋 白如绿色荧光蛋白(GFP)和它的变体,要基于酶反应的活性,比如,但不 仅仅限于e—牛乳糖,e—内酰胺酶,辣根过氧化物酶,碱性磷酸酶或荧光 素酶等等;或者可以基于放射性同位素(如"P, 3H ,】4C, 35S, '251, 32P或者1311等)。标记物也可以是被其它基团修饰了的碱基,比如,在C5位置修饰嘧啶或在N7位置修饰嘌呤。修饰基团可以是多种多样的,例如卤素、醚 或者聚醚、烷基、脂类或聚脂类,或常见的XR,在这里,X是连接基团, R是修饰基团。在修饰技术领域,存在许多种有效的可能适用于修饰核酸分 子、寡核苷酸分子及其类似物的方法(A Practical Approach, Eckstein, eel (1991) and in PCT/US94/00193 )。"信号发生系统"可以包括一种或多种组分,至少其中一种组分是可检 测的结合物。信号发生系统包括所有用以产生或增强可测信号(或是通过一 定的方法作用于标记以产生的信号)的试剂。信号发生系统提供了一种可以 用外部检测方法检测的标记,这种方法通常是通过测量吸收光和发射光的波 长的差异实现的。信号发生系统也可包括生色底物和酶,其中生色底物在酶 的作用下,吸收可见光区或紫外光区的光或是磷光、荧光,从而显出颜色。 当然,信号发生系统也可以使用诸如放射性同位素之类的可检测标记以提供 可检测的信号。信号发生系统包括至少一种催化剂(通常是至少一种酶)和至少一种底 物,也可以包括两种或更多的催化剂和一组底物(比如包括一组酶,其中一 种酶的底物是另一种酶的产物)。信号发生系统的操作是在预定的位点产生 出可检测的信号,即意味着在这预定的位点具有相应的标记。为了得到可检测的信号,这就要求将在预定位点的标记产生的信号进行 放大。这样,这个标记一般是催化剂、发光化合物或是放射性同位素,最 好是催化剂。催化剂最好是可以从单个标记产生多种信号发生分子的酶或是 辅酶。酶或是辅酶可以通过产生可以吸收光的产物,如染料或是产生在照射 下会激发出光的产物,如荧光剂以达到将所需信号放大的目的。或者,催化 反应也可以直接产生激发光,例如化学发光。许多酶和辅酶都可以用以这一 目的,见美国专利No. 4,275,149和U.S. Pat. No. 4,318,980 (在参考文献中)。 另外,许多也可以实现上述作用的非酶类催化剂可见美国专利No. 4,160,645 (My 10, 1979)。上述酶反应的产物通常是染料或是荧光剂。在美国专利No. 4,275,149中给出了大量荧光剂的说明。其它用于此处的术语具有和本领域中通常使用时一致的意义,在技术性 词典中都有解释。I. 含有微电磁单元的电磁芯片本发明的具有可单点选通式微电磁单元的电磁芯片,包括:基底;位于 基底上的多个微电磁单元;通过对一个或是多个微电磁单元施加电流,从而 产生磁场底方法。上述的微电磁单元可以是立体结构,也可以是平面结构。基應基底可以使用任何适宜芯片生产底材料,例如,但不仅仅限于,硅、玻 璃、烧结玻璃、石英、氧化硅、塑料、陶瓷等。基底材料最好是致密的,但 是多孔的材料也可以使用,尤其是那些适宜本发明中某些操作的多孔材料, 这些操作可以是,但不仅仅限于,结合反应、破胞或是检测结合反应等,这 些操作需要透过基底材料转移或是输运物质。基底的尺寸应该符合微加工工艺的需要,常用的微加工方法包括蚀刻、 溅射、光刻掩膜等等。基底的尺寸同时也应该适宜本发明对微粒进行微操纵 的方法的要求。例如,基底可以是一块薄片,厚度约1毫米,长度界于5毫米至1厘米,宽度界于10毫米至5厘米。基底可以是任何适宜的形状,例 如正方形、长方形、椭圆形、圆形等,也可以是不规则的集合图形。本发明 中首选的形状是正方形、圆形和适宜的多边形。基底是具有多种功能的单层或是多层芯片的一部分。例如, 一块单层芯 片上可以包含多种结构,以实现不同的功能。象压电晶体这样的振动单元可 以引起样品液的流动,介电电泳结构可以根据实体分子介电电泳性质的不同 移动实体分子。当然,这些结构(例如振动结构和介电电泳结构)液可以制 作在不同层的基底上。本发明中,这些不同的基底层可以一层一层的组合连 接在一起,形成多功能芯片。这些具有不同功能的结构可以使用适当的设备 进行独立的控制。基底是芯片结构中用以容纳样品,例如流体的反应池的一个组成部分。反应池可以是完全封闭的,虽然完全封闭并不是必须的。反应池可以通过例 如端口或是导管等结构允许样品或是试剂进行。流体或是固体在一定的力的 作用下,或是通过一定的方式进行反应池,例如通过重力或是泵。皮应池同 时也应该具有出口的结构,例如端口或是导管,以允许反应池内的物质离开。 在本发明的一个实施例中,反应池通过以端口和导管结构组成的入口通入物 质,以端口和导管结构组成的出口导出物质。徵冶磁卓元本发明中的电磁芯片上含有微电磁单元。这些微电磁单元包括一个直接 制作在或是集成在基底上的磁芯,和可以围绕这个磁芯施加电流的方法。这 个磁芯最好是具有磁性的芯或是可以被磁化的芯。 徵敏磁卓就尉微电磁单元的尺寸与微电磁单元的方向和需要产生的磁场的强度相关。 通常,微电磁单元的宽度和长度界于0.1微米至1厘米之间,最好界于10 微米和1毫米之间。可以根据所需磁场是发散的还是局限在某一区域的,选 择微电磁单元的尺寸和形状。通常,与磁带或是磁盘这些磁存储介质中的电 磁单元相反,本发明中的微电磁单元产生的磁场是发散的,具有相对长的作用距离。徵冶磁卓无微舒〃方^/ 根据芯片具体的用途和所需要的磁场的性质,选择微电磁单元具体的结 构和位置。微电磁单元可以直接制作在芯片的表面,或是部分包埋在芯片中, 或是完全包埋在芯片中。在基底的表面可以修饰一层物质以保护微电磁单元 或是用于固定某些物质,例如实体分子。每个微电磁单元都可以根据具体的需要制成一定的结构,可以是立体 的,部分立体的,也可以是平面结构或是部分平面的结构。这些结构都可以 根据本发明中提及的加工方法制作。 磁芯任何适宜的材料都可以用以制作本发明中微电磁单元中的磁芯。通常采 用磁性物质或是可以被磁化的物质,例如铁磁性物质或是亚铁磁性物质。磁例如采用本发明中提及的方法。 微敏魔游滩上述的磁芯周围应该包含--圈或是多圈导线。磁芯周围的导线可以制成 各种形状,可以是圆形、方形、椭圆形、三角形、螺线形等等。当在磁芯周 围的单圈或是多圈导线中施加电流时,根据电磁现象就会产生相应的磁场。 产主細场由选通的微电磁单元产生的磁场的性质由多种因素决定,例如磁芯的尺 寸(长、宽和高)、磁芯的长度与截面积之比、磁芯的磁透率、磁芯的可磁 化率、磁芯的方向、磁芯的形状以及所施加的电流的性质。本发明中,所期 望的磁场是发散的,而不是聚集的,这与磁带或是磁盘这些磁存储介质中的电磁单元所产生的磁场性质相反。例如在Yamade et al.等于1999年3月16 日递交的美国专利5,833,760所述的磁头的结构是由一圈磁性材料组成的 环,环的两端非常接近,这种特殊的结构可以产生很强的聚集的磁场,而不 是发散的磁场。相反,本发明的微电磁单元就不具有这样的结构,为了作用 到分布在不同区域的实体分子或是磁性微粒,本发明的微电磁单元被涉及成 可以产生发散磁场的结构。 卓教透娜微单独选通或是关闭本发明中的微电磁单元,施加不同的电流,调节各个 微电磁单元产生的磁场的方法也属于本发明的范畴。对微电磁单元的单独控 制是通过各个微电磁单元引出的导线、所连接的电源以及相应的控制选通和 关闭的开关实现的。开关可以是机械开关,也可以是电子开关,也可以是上 述开关的组合。由于每个微电磁单元都是可以单独选通的,所以在任意一个时刻,可以 只有一个微电磁单元是选通的,产生单一的磁场,也可以同时又多个微电磁 单元是选通的,产生复合磁场。选通一个微电磁单元是指在这个微电磁单元 上一定的电流,以使得这个微电磁单元在它周围区域产生磁场。为了使得产 生的磁场具有足够的强度从而吸引或是移动其周围区域内的磁性微粒或是修 饰了磁性微粒的分子,施加在微电磁单元上的电信号的幅值和相位可以进行适当的选择。至于没有被选通的微电磁单元,它可能完全不产生磁场,也可 以产生微弱的磁场,但是磁场的强度不足以吸引或是移动磁性微粒或是修饰 了磁性微粒的分子。对微电磁单元的单独选通可以通过多种方式实现,例如可以把各个包含 一个导线环的微电磁单元的一端都连接到一个电源上,而另一端单独和电开 关连接以决定是否允许电流的通过。在由微电磁单元构成的行列阵列中,可 以将一整行或是一整列都接到一起,从而实现一次选通一整行或是一整列。本发明中的微电磁单元是可以单独选通的,但并不是在所有情况下都需 要单独选通。微电磁单元可以以适当的电路连接在一起,例如可以通过并联 或是串联。芯片上的每个微电磁单元都可以单独选通给芯片的应用带来了极 大的灵活性。如果芯片上的微电磁单元仅仅以串联的方式连接在一起,如果其中一个微电磁单元出现故障,可能会使得所有单元都失效;如果芯片上的微电磁单元仅仅以并联的方式连接,虽然可以解决上述问题,但是当需要对 微电磁单元进行单独的选通和电信号的调节时又极为不便。在行波磁力介电电泳中使用的磁力行波,可以通过本发明的可单独选通 的微电磁单元实现。例如,在芯片上制作一组平面结构的相互平行的线状微 电磁单元,这些单元在不同的时间被选通,例如沿着某种方向依次选通,这 样,磁场随着选通的方向传播,就象波的传播一样,和行波介电电泳相似。 在行波磁力介电电泳中,磁力行波可以通过直流电形成同步的波,也可以通 过交流电形成连续的波。在磁力行波的作用下,芯片上微粒可以按照操作者希望的方式和方向运动。Xiaobo Wang, Weiping Yang, JunQuan Xu, Jing Cheng and Lei Wu于2000年10月3日递交的美国专利申请"Apparatus for Switching and Manipulating Particles and Method of Use Thereof"(专禾U局编 号:09/678,263)提出了使用行波介电电泳和微粒开关进行芯片上微粒操纵 的方法。本发明提出了使用磁力行波介电电泳和微粒开关进行芯片上微粒操 纵的方法。当使用直流电时,微电磁单元可以依次被选通和关闭。当微电磁单元选 通之后被关闭,会产生退磁现象,即磁场需要一定的时间衰减,例如正弦衰减。微电磁单元选通时施加的电流应介于0.1mA至3A之间,更好介于lmA 至300mA之间,最好介于10mA至30mA之间。 当使用交流电时,可以在每个微电磁单元上施加不同相位的电信号,例 如连续四个微电磁单元各相差90度的相位。电信号的频率应介于0.001 Hz 至l GHz之间,更好的是介于O.Ol Hz至lOO MHz之间,或是介于0.1 Hz 至10 MHz之间,或是介于0.1 Hz至1 MHz之间,或是介于1 Hz至100 KHz 之间,或是介于10Hz至lOKHz之间。 ,鄉尉 本发明的电磁芯片包含微电磁单元结构,我们推荐将这些微电磁单元按 照规则的排布方式排列,并且相邻的微电磁单元等距。 芯片上的微电磁单元可以是按照同一形状和尺寸制作的,也可以是按照 不同形状和尺寸制作的。 一般而言,每个微电磁单元的特征尺寸可以小于1 微米,也可以大至1厘米。在这里,如果微电磁单元是圆形的,特征尺寸是 指圆的直径;如果微电磁单元是正方形的,特征尺寸是指正方形的边长。这 些微电磁单元可以按照规则的排布方式排列,如矩形网格状,也可以排列成 不规则的形状或是随意排列。 爐屋 本发明的电磁芯片可以包括至少一层功能层。在功能层上可以固定至少 一种实体分子或是配基。首选的固定的实体分子为核酸分子、抗体和受体。 本发明中,功能层还可以作为微电磁单元或是芯片基底材料的保护层,另外, 还可以提供本发明实验方法中可能需要的的化学基团。 功能层可以由任何合适的材料组成,本发明中首选的是至少包括以下一 种材料,*亲水单分子层、有功能基团的亲水单分子层、疏水单分子层、有功 能基团的疏水单分子层、亲水膜、有功能基团的亲水膜、亲水胶、有功能基 团的亲水胶、疏水胶、有功能基团的疏水胶、多孔材料、有功能基团的多孔 材料、非多孔材料和有功能基团的非多孔材料。 功能层可以是通过附着、连接或是吸附在基底上底一薄层物质,也可以 是通过修饰,例如化学修饰,在芯片基底上形成的。功能层是通过在基底上 30喷涂,或是将基底材料浸在液体或是流质固体中,再通过冷却、凝胶聚合等 方式使得这些修饰物质固化形成的。 功能层上具有一系列可以用以固定实体分子的功能基团,首选的功能基 团为,但不仅仅限于,乙醛、炭化二亚胺、琥珀酰亚胺酯、抗体、受体和外 源凝集素。将这些功能基团修饰到物质表面有现成的方法。 固定在功能层上的实体分子或是配基也可以看作功能层的组成部分。首 选的固定的实体分子或是配基包括,但不仅仅限于,核酸分子(例如单链或 是双链DNA、 RNA或是它们的复合体)、集合试剂(例如抗体或是抗体中 具有结合活性的片断)、受体、多肽、蛋白质、碳水化合物、脂类、原核细 胞、真核细胞、病毒、寄生虫、朊病毒、细菌抗体、凝集素和受体等等。含 有这些实体分子的功能层有多种方法制备。例如,功能层上已经带有适当的 功能基团,再将含有实体分子的试剂加到功能层上,通过功能基团固定实体 分子,也可以通过其它方法定位实体分子,例如使用掩模的方法。 ^敏遞卓元游劍来 在对基底材料上加工制作的微电磁单元通以电流时,各单元会产生出独 立的磁场。 一个例子就是在铁磁体或铁芯上用导电材料绕一个环并通过电子 开关连接到一电流源上。这个环可以是圆、椭圆、方形、三角形或其他任意 形状,唯一的前提是要能够形成围绕铁磁体流动的电流。如果环是单匝的, 它应该是闭合或接近闭合的。环也可以是围绕铁磁体的许多匝圈。这些圈可 以被加工在微结构的同一层中也可以是另一种情况即每-一圈代表结构中的一 个独立层。电导体可以是沉积形成的电导线——如经电镀,溅射或沉积形成 的金属结构,同时电导体也可以通过对半导体层进行选择性地掺杂而形成。 微电磁单元阵列可以排列成类似微电子器件中通常所具有的行列结构。行和 列可以相互垂直,也可以设置成其他角度(如80度〉。 敬溜 本发明的反应池是一种可以容纳流体的结构。反应池可以是任意尺寸, 通常应可以容纳lnl至50ml的流体,更好应可以容纳1 H 1至10ml的流体, 最佳情况是容纳10nl至lml的流体。一般而言,反应池是芯片上的结构单元之一。反应池可以由任何适当的材料制成,如硅、玻璃、金属、陶瓷、聚 合物、塑料等等,可以是质地坚硬材料,也可以是质地柔软的材料。首选 的材料是那些对样品中的实体分子的介电电泳运动没有干扰的材料,例如那 些不与带电或是极化分子结合的材料,如硅、某些种类的塑料或是多聚物(如 丙稀酰胺、玻璃等等)。 反应池是芯片的组成部分之一,芯片是一块固体基片,在其上可以进行 一次或是多次的分离、分析、捕获等等过程。芯片的材料可以是金属、陶瓷、 聚合物、共聚物、塑料、橡胶、硅、玻璃等等中的一种或是几种。芯片可以 包含几种具有一定柔韧性的材料。芯片可以由多孔材料制成,也可以由致密 的材料制成。芯片上制有或集成有诸如槽、通道、电极单元等等微加工结构, 在其上可以进行物理的、生物物理的、生物的、化学的反应或是处理。芯片 是一块薄片。对芯片的表面积大小不作要求,比如从1 mm2到0.25 m2都 可以。最好所用的芯片的表面积从4 mm2到25 cm2左右。芯片可以具有不 同形状,规则的形状如矩形、圆形、椭圆形或其它不规则的形状。芯片表面 可以是平的,也可以是不平的。具有不平的表面的芯片在表面上可以包括通 过在芯片表面进行加工或是蚀刻而得的槽、反应池等结构。 实体例子中,反应池中包电极(电极制作在芯片上或芯片内),但是这 并不是本发明的要求。芯片上的电极可以具有任意形状,例如矩形、城堡形、 三角形、圆形等等。电极的排布方式也有许多种,比如螺旋状、平行状、相 互交错形、多项式形等等。芯片上电极的制作可以使用本领域中常见的各种 微加工和微机械方法,例如电镀、金属溅射、光化学蚀刻。包含有电极的芯 片有,但不仅仅限于,制作在玻璃基片上的介电电泳电极阵列 (Dielectrophoretic Manipulation of Particles by Wang et al., in IEEE Transaction on Industry Applications, Vol. 33, No. 3, May/June, 1997, pages 660-669)、具有可单个选通电极阵列的微加工生物电子芯片(Preparation and Hybridization Analysis of DNA/RNA from E. coli on Microfabricated Bioelectronic Chips by Cheng et al" Nature Biotechnology, Vol. 16, 1998, pages 541-546)和毛细管电泳芯片(Combination of Sample-Preconcentration andCapillary Electrophoresis On-Chip by Lichtenberg, et al., in Micro Total Analysis Systems 2000 edited by A. van den Berg et al., pages 307-310)。 本发明中或是本方法中使用的反应池具有一个或多个端口,或是在反应 池的壁上具有开口。端口可以是任何大小的,但适宜的是可允许样品由导管 加入反应池的形状和尺寸。导管可以是任何允许液体通过的管状结构,比如 橡胶管、聚四氟乙烯管、或聚乙烯管。端口可以为反应池壁提供一个开口以 便于通过吸液管或是注射器弓1入样品。 导管可以通过泵(例如蠕动泵或是灌输泵)、注射器或是重力从一个或 几个端口向反应池中引入样品。 一种或是多种试剂、缓冲液、溶液等等。本 发明中可以对样品中的--种或是多种实体分子的介电性质进行修饰的样品溶 液,可以和样品同时加入反应池,或是先于、后于样品加入反应池。也可以 在进入反应池前,先把样品和试剂、缓冲液或是溶液先混合起来,这样的混 合过程可以在将流体引入反应池的导管中进行,也可以在一个或是多个与导 管相连的样品池中进行。 II.带有空腔的电磁芯片 本发明的具有可单独选通微电磁单元阵列的电磁芯片由以下部分组成: 基底;在上述基底上排列成阵列的空腔;第一层导线,其中的导线沿着上述 阵列的列的方向;第二层导线,其中的导线沿着上述阵列的行的方向,和第 —层导线相互绝缘,而且相互垂直。本发明的首选方案是上述的空腔排列成 行列的方式,每个空腔中含有一个可磁化的磁芯。 在本发明中,第一层导线和第二层导线通过第一层绝缘物质隔开。这第 一层绝缘物质可以由任何适当的材料制成,例如,但不仅仅限于,氧化硅、 氮化硅、塑料、玻璃、陶瓷、光刻胶和橡胶。 第二层绝缘物质沉积在第二层导线和磁芯的表面,这第二层绝缘物质可 以由任何适当的材料制成,可以使用与第一层绝缘层相同的材料,也可以使 用与第一层绝缘层不同的材料。例如,但不仅仅限于,氧化硅、氮化硅、塑 料、玻璃、陶瓷、光刻胶和橡胶。本发明的电磁芯片还可以包括另外的导线层,其中的每条导线都沿着阵 列中行或是列的方向,并且和其它的导线层绝缘。电磁芯片的导线可以由任 何合适的材料制成,首选的材料可以是,但不仅仅限于,铝、金、银、锡、 铜、钼、钯、石墨和半导体材料。 ' 本发明的电磁芯片还可以包括另外的功能层。功能层可以由任何合适的 材料组成,本发明中首选的是至少包括以下一种材料:亲水单分子层、有功 能基团的亲水单分子层、疏水单分子层、有功能基团的疏水单分子层、亲水 膜、有功能基团的亲水膜、亲水胶、有功能基团的亲水胶、疏水胶、有功能 基团的疏水胶、多孔材料、有功能基团的多孔材料、非多孔材料和有功能基 团的非多孔材料。首选的功能基团包括乙醛、炭化二亚胺、琥珀酰亚胺酯、 抗体、受体和凝集素。 本发明的电磁芯片可以包括至少一个功能层和至少一个流体池。流体池 可以引入液体使其与阵列接触。流体池上制作有入口/出口或是管道,以便 于物质,例如试剂流入或是离开流体池。这种流入一引出结构的流体池的设 计特别适合于本发明的自动化操作。 l遂游培磁芯^f 图和具体实例中都以本发明的首选电磁芯片为例。本发明的具有可单独 选通微电磁单元阵列(10)的首选的电磁芯片由以下部分组成:基底(16); 在上述基底(16)上排列成阵列的空腔(22);第一层导线(30,),其中的 导线至少围绕了磁芯达到90度以上。上述的空腔排列成行列的方式,每个 空腔中含有一个可磁化的磁芯(26)。 电磁芯片还包括另外的导线层,其中的导线至少围绕了磁芯达到卯度 以上,这层导线层和第一导线层相互绝缘,但是导线之间通过贯穿绝缘层的 连线连接。绝缘层的材料可以是氧化硅、氮化硅、塑料、玻璃、陶瓷、光刻 胶和橡胶。导线层的材料可以是铝、金、银、锡、铜、铂、钯、石墨和半导 体材料。 本发明的电磁芯片可以包括另外的沉积在阵列表面的绝缘层。这第二层 绝缘物质可以是氧化硅、氮化硅、塑料、玻璃、陶瓷、光刻胶和橡胶。 34本发明的电磁芯片还可以包括另外的功能层。功能层可以由任何合适的 材料组成,本发明中首选的是至少包括以下一种材料:亲水单分子层、有功 能基团的亲水单分子层、疏水单分子层、有功能基团的疏水单分子层、亲水 膜、有功能基团的亲水膜、亲水胶、有功能基团的亲水胶、疏水胶、有功能 基团的疏水胶、多孔材料、有功能基团的多孔材料、非多孔材料和有功能基 团的非多孔材料。首选的功能基团包括乙醛、炭化二亚胺、琥珀酰亚胺酯、 抗体、受体和凝集素。 本发明的电磁芯片可以包括至少一个功能层和至少一个流体池。流体池 可以引入液体使其与阵列接触。流体池上制作有入口/出口或是管道,以便 于物质,例如试剂流入或是离开流体池。这种流入一引出结构的流体池的设 计特别适合于本发明的自动化操作。 III.检测反应所用的方法 本发明包括引导配基和靶物质反应的方法。该方法包括以下的步骤: 1) 提供一个带有多个可单独选通的微电磁单元的器件,例如本发明的电 磁芯片; 2) 微电磁单元上有功能层,功能层可以直接与微电磁单元接触; 3) 修饰配基分子使得修饰后的配基分子可以被磁场作用; 4) 将带有修饰的配基分子的溶液与功能层接触; 5) 选择性的选通至少一个微电磁单元,使得其产生磁场,定位修饰了的 配基分子,使得至少一部分配基分子固定在功能层上,从而形成由固 定的配基分子组成的排列图案; 6) 修饰靶分子使得修饰后的靶分子可以被磁场作用; 7) 将带有靶分子的溶液和和固定了的配基分子作用;并且 8) 选择性的选通微电磁单元,使得靶分子与预先固定的配基分子反应。 心A 上述方法中使用的首选电磁芯片是本发明中所述的电磁芯片,当然其它 种类的芯片也可以使用。磁丝徵教 . 本发明中使用的磁性微粒和磁性物质的尺寸可以介于微米级至毫米级之 间。磁性微粒可以由各种材料组成,可以使用各种不同的工艺制作,只要生 物芯片产生的磁场足以使得磁性微粒诱导出磁偶极子。 可以在电磁力作用下移动的磁性微粒可以由磁性材料组成。首选的材料 是顺磁性材料,它由外加磁场诱导出的磁偶极子,在外加磁场撤去后,可以 回复为零。铁复合物就是一种合适的顺磁性物质。本发明中,磁性微粒的表 面可以包被一种或是多种复合物以便于连接特定的结合物,用以直接或是间 接的捕获感兴趣的实体分子。本发明中的磁性微粒可以制成任何形状,- 一般 制成球形和椭球形。 本发明可以同时使用几种磁性微粒。不同的磁性微粒具有不同的表面性 质,即它们可以与不同的实体分子结合,这样通过这种方法就可以同时分离 几种不同的实体分子。不同表面性质的实体分子可以通过在磁性微粒的表面 包被不同的复合物,再可逆或是不可逆的连接上不同的结合物而得以实现。 待操纵的实体分子可以通过任何可行的方法与结合物的表面结合。例 如,实体分子可以和结合物的表面直接相连或是通过一个连接臂相连,最好 是一个可以切割的连接臂。实体分子也可以通过共价或是非共价的结合方式 与结合物表面结合。实体分子与结合物表面的连接方式可以是特异的,也可 以是非特异的。最好,实体分子和结合物之间的连接是可以被切割的,如可 以被化学、物理或是酶反应切断的连接臂。 连接臂(连接键)是任何可以将实体分子和结合物连接起来的特定物质 分子。这样的连接臂(连接键)可以包括,但不仅仅限于,氨基酸或是肽键 的连接、二硫键、硫醚键、受阻碍硫醚键、自由基(如氨基和硫醇基)之间 的共价键等等。其它形式的连接臂包括可被酸切割的连接臂,例如 bismaleimideothoxy propane 、 acid labile-tr咖ferrin conjugates 、 adipic acid dihydrazide这些可以在细胞内偏酸性条件下被切割的物质;也可以是能在紫 外光或是可见光下被切割的胶联剂,例如人类igGi中的恒定区域cm、 cm 和CH3(Batra et ai, Molecular Immunol" 30:379-386 ((1993))。在一些实体例子中,可以同时使用多种连接臂,以便于利用各种连接臂的优势。其它种类 的连接臂如三苯甲基连接臂,来自于三苯甲基基团,可以在不同的酸碱性条 件下释放实体分子(U.S. Patent No. 5,612,474)。还有一些连接用实体分子可以 参见下文(Huston et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 85:5879-5883 (1988), Whitlow, et al. Protein Engineering, 6:989-995 (1993), Newton et al., Biochemistry, 35:545-553 (1996), Cumber et al., Bioconj. Chem., 3:397-40】 (1992), Ladurner et al., J. Mol. Biol" 273:330-337 (1997) and in U.S. Patent. No. 4,894,443)。本发明中通常选用的连接方式是生物素-链霉亲和素相互作用、 抗原-抗体相互作用、配基-受体相互作用或是核酸序列互补作用。用于连接 实体分子和微粒的连接臂和方法可以参见美国专利申请,申请号为09/636,104 (递交日期2000年8月10日)。 在一些情况下,当实体分子-结合物如分子-微粒复合物被操纵/分离到预 定的位置后,微粒的存在并不干扰分子下一步的反应。这样,就不必将分子 和结合物再进行分离。但是在某些情况下,这样的分离又是必须的。分离过 程的特征由实体分子和结合物的性质、结合物的表面状况和操纵过程决定。 通常,分离的条件和聚合的条件恰好相反。例如,如果实体分子和结合物在 高盐离子浓度条件下结合,那么实体分子可以在低盐离子浓度条件下从结合 物上洗脱下来。相似的,如果实体分子与结合物的连接是通过特异性的连接 臂完成的,那么分离的方式就是施加给这个连接臂可以特异性使其断裂的条 件。 磁化物质是指当施加磁场时可以诱导出磁偶极子,而当外加磁场消失 时,感应出的磁偶极子也随之变为零。在应用中,可以使用市售的磁化物质 或是磁性微粒。大部分微粒的尺寸介于微米以下(例如50纳米至0.5微米) 至几十微米。微粒可以具有不同的结构和组成。 一种磁性微粒的结构是在一 小块铁磁性材料外包裹一层胶体,如聚苯乙烯层。还可以把纳米级的铁磁性 材料和胶体如,聚苯乙烯混合在一起而形成的。这两种微粒的表面都是聚苯 乙烯,可以进一步将各种类型的分子修饰在上面。 在本发明中,包含磁性微粒的溶液也可以包含一种或是多种结合物。结合物可以是一种或多种蛋白质,如抗体、抗体片段、抗原、配基(例如,但 不仅仅限于,受体配基)、植物血凝素等等。结合物也可以是有机或是无机 的分子,例如镍、谷胱甘肽、生物素、亲和素、链霉亲和素、非蛋白的受体 配基或是配基类似物等等。结合物也可以是核酸,如RNA、 DNA或是任何 非天然存在的核酸。结合物可以与磁性微粒可逆或是不可逆的结合。在固相 表面耦联分子,如核酸和蛋白的方法都是本领域内常见的方法。 參娜基分f 配基分子可以是任何种类的实体分子,例如,但不仅仅限于,生物分子、 化学试剂、药物分子,甚至可以是样品的一个组成部分,例如细胞。'具体的 说,配基分子可以是核酸分子、抗体/抗原等等。 为了使用磁场对配基分子进行定位、移动,配基分子需要进行修饰。修 饰的方法有多种,例如将配基分子和磁性物质连接。连接的方法可以釆用上 述的连接臂。连接可以是通过共价键的形式,也可以是生物亲和的方式,例 如生物素一亲和素亲和作用、凝集素一肝素亲和作用、受体一配基结合作用 和抗原一抗体结合作用。最好,这种连接臂是可切割的,例如可以被光、热、 酶或是其它化学反应切割。 在本发明的操作过程中,配基分子可以从磁性微粒上解离下来,.在流体 池中,解离下来的磁性微粒可以在磁力的作用下被流体清洗出去而与配基分 子分离。 本发明中, 一种修饰配基分子的方法是将配基分子与磁性微粒混合,冷 冻使得配基分子和磁性微粒形成小的固体磁性微粒。在这种情况下,可以使 用磁力分样器将这种小的固体磁性微粒排布到电磁芯片上。 參餘敬分^ 耙分子可以是任何种类的实体分子,例如,但不仅仅限于,生物分子、 化学试剂、药物分子,甚至可以是样品的一个组成部分,例如细胞。具体的 说,靶分子可以是核酸分子、抗体/抗原等等。 为了使用磁场对靶分子进行定位、移动,靶分子需要进行修饰。修饰的 方法有多种,例如将靶分子和磁性物质连接。连接的方法可以采用上述的连接臂。连接可以是通过共价键的形式,也可以是生物亲和的方式,例如生物 素—亲和素亲和作用、凝集素一肝素亲和作用、受体一靶结合作用和抗原一 抗体结合作用。最好,这种连接臂是可切割的,例如可以被光、热、酶或是 其它化学反应切割。 在本发明的操作过程中,靶分子可以从磁性微粒上解离下来,在流体池 中,解离下来的磁性微粒可以在磁力的作用下被流体清洗出去而与耙分子分 离。 本发明中, 一种修饰靶分子的方法是将耙分子与磁性微粒混合,冷冻使 得靶分子和磁性微粒形成小的固体磁性微粒。在这种情况下,可以使用磁力 分样器将这种小的固体磁性微粒排布到电磁芯片上。 祭效座 在溶液中,分子间的结合或是反应(例如,抗原和抗体;特异的DNA 探针和其互补的序列)是在分子扩散的过程中通过碰撞而实现的。反应的效 率和速率和参加反应的分子的局部浓度和碰撞的能量有关。在许多生物芯片 的模型中, 一种分子已经固定在芯片的表面,而另外一种分子则游离在芯片 表面的溶液中。当溶液中的分子通过被动的扩散与固定的分子发生碰撞时, 反应发生。在一定的时间内,往往只有一小部分的分子可以扩散并和固定的 分子发生碰撞。这样,反应缓慢,效率低下,严重影响了这些生物芯片上生 化反应的速率、效率和灵敏度。而本发明的电磁芯片中,溶液中的分子在磁 力的作用下主动的和固定在芯片表面分子接触,可以大大提高反应的速率、 效率和灵敏度。 以一个由超顺磁性物质制作的磁性微粒为例,当微粒处于磁场S中,微 粒本身会被诱发产生磁偶极$□ • Fmagwefc =0.5 — Xm )/"fm A_8m , 其中"X "和"A "分别代表点积和梯度运算。微粒是否受到磁力取决于微粒和 其周围介质的极化率的差异。通常微粒悬浮在液态的非磁性介质中(极化率 接近为零),这样为了产生足够的磁力,就需要使用磁性微粒(极化率大大 超过零)。在磁力和粘性阻力作用下平衡时的磁性微粒速度v^,^为 式中r为磁性微粒直径,&,为周围介质的粘性系数。这样,为了得到尽可 能大的磁场操纵力,应该考虑到以下的因素:(1)微粒的磁化率应该尽可能 大;(2)磁场强度应该尽可能大;(3)磁场强度梯度应该尽可能大。 雌 配基分子和靶分子的结合可以通过多种方法检测。其中一种方法是使用 可检测标记或是使用检测系统。可检测标记或是检测系统可以产生可见的信 号或是光学可见的信号。为了检测配基分子和靶分子的结合,可以将配基分 子或是靶分子上标记可检测的标记或是连接上检测系统的部分。例如,可以 在流体池中通入带标记的抗体,这些抗体可以被芯片上已经固定的特定的结 合物,如抗原结合,未结合的试剂可以被流体洗去。根据所使用的标记的类 型,可以使用适当的方法和仪器,例如通过光纤或是CCD设备检测光学-号,使用磁共振头(MRHead)可以检测磁信号。 r士 iv.操纵磁性微粒的方法 本发明包括操纵磁性微粒或是可磁化微粒的方法。操纵方法的步骤为: 提供一块带有多个可单独选通的微电磁单元的电磁芯片;将磁性微粒或是可 磁化微粒加到芯片电磁芯片的表面;根据需要选通一个或是多个微电磁单元。调节施加的电信号,以改变电磁芯片表面的磁场分布,从而改变磁性微 粒或是可磁化微粒上受到的磁场力。这样,可以将磁性微粒或是可磁化微粒 移动到设定的区域或是从设定的区域离开。 磁性微粒或是可磁化微粒包括至少一种实体分子,包括样品的组成部 分,例如细胞(血细胞、恶性肿瘤细胞、肿瘤细胞等)。实体分子还可以是 核酸分子、特异的结合试剂(例如抗体和受体)。首选的实体分子是核酸分 子、DNA、 RNA、受体、多肽、蛋白质、碳水化合物、脂类、原核细胞、 真核细胞、病毒、寄生虫、朊病毒、细菌抗体、凝集素、受体或是样品的组 成部分包括细胞,例如血细胞、恶性肿瘤细胞、肿瘤细胞等。 实体分子和磁性微粒或是可磁化微粒连接。磁性微粒或是可磁化微粒和 实体分子的连接可以通过直接的方式,也可以通过非直接的方式。非直接的 方式可以通过多种方法实现,例如通过聚集的方法,或是通过特异的结合物 (抗体、受体等等)。直接的连接也可以通过多种方法实现,例如使用化学 连接臂将磁性微粒或是可磁化微粒与实体分子连接或是直接偶联在一起。 连接有实体分子的微粒可以在磁力的作用下移向或是离开芯片上特定的 区域。连接有实体分子的微粒在磁力的作用下可以可逆的固定在芯片的表 面,这样可以对芯片进行清洗,如果芯片上有流体池,就可以通入流体进行 清洗。另外,芯片表面的功能基团,例如功能层上的功能基团,也可以可逆 或是不可逆的与实体分子、微粒或是实体分子一微粒复合物结合,从而使得 对芯片的清洗成为可能。这样,就可以实现对实体分子的分离和定位。 一旦实体分子被可逆或是不可逆的分离、定位或是固定后,多种方法可 以用于对它的检测。例如,对于一个已经定位了的实体分子或是微粒可以通 过其上的可检测的标记或是检测系统被检测。首选的可检测的标记包括荧光 标记、可见光标记、同位素标记等等。可检测的标记可以在分离之前就连接 到实体分子上,也可以在分离之后,通过次级试剂,例如标记抗体连接到实 体分子上。微粒上也可以带有标记,这种标记可以是微粒本身固有的性质, 例如颜色等,也可以是后来修饰上去的标记,例如荧光标记等。根据所使用的标记的类型,可以使用适当的方法和仪器,例如通过光纤或是CCD设备 检测光学信号,使用磁共振头(MR Head)可以检测磁信号。检测的方法可 以是定量的、半定量的或是定性的。 为了对通过磁力分离的实体分子进行检测,样品中的至少一种实体分子 上应带有可检测的标记。例如,在将生物样品和本发明的样品溶液混合进行 磁力分离时,可以使用特异性的识别样品中的一种细胞或是组分的抗体对某 种细胞或是组分进行标记。抗体上可以带有可检测的标记,例如荧光分子(如 罗丹明、荧光素、Texas红、藻红蛋白,藻蓝蛋白、绿色荧光蛋白、红色荧 光蛋白、蓝色荧光蛋白、黄色荧光蛋白等等。细胞也可以使用带有不同标记 的不同抗体标记。这样,带有荧光标记的细胞所处的位置可以被检测到,从 而可以判断出使用样品溶液对样品组分进行磁力分离的效果。除了细胞外的 样品组分,如细胞器、病毒、蛋白质、复合物和核酸等等都可以利用抗体进 行标记,从而检测它们的磁力分离。 另外,还有一种检测方式是在分离之后,通过结合分析检测蛋白质、核 酸和其它化合物的存在。例如,将本发明的样品溶液和样品混合后,再进行 细胞分离,分离的效果可以通过检测能够和给定细胞所表达的蛋白特异性结 合的抗体或是检测能够和确定细胞(如特异种类的细菌)中的特异序列结合的 探针核酸序列等等方法而得到。对可以代表特异类型细胞或是特异细胞组分 的核酸序列和蛋白质的检测可以通过酶促检测过程(如PCR)或分析(如P450 分析)。通过向细胞内部引入可检测的标记(如染料)可以对细胞磁力分离 过程进行监控。例如,细胞中可以引入BCECF-AM(MolecularProbes, Eugene, OR),这种荧光素探针可以被活细胞吸收,在磁力分离后,这种荧光素分子 的位置可以确定(Gascoyne et al. IEEE Transcactions 33:670-678 (1997))。用以 分离细胞的芯片被证明可以用显微镜进行观察,这样被分离的实体分子可以 被洗出反应池,再通过显微检测、流式细胞技术、细胞生长分析等等方法(但 不仅仅限于这几种)进行分析。 定位了的实体分子还可以被进一步处理。例如,可以通过适当的方法将 实体分子从微粒上解离下来。例如,用以连接微粒和实体分子的连接臂可以 42通过适当的方法切割下来,例如通过化学试剂、酶、pH、盐或是光进行切 割。 待操纵的实体分子可以通过任何可行的方法与结合物的表面结合。例 如,实体分子可以和结合物的表面直接相连或是通过一个连接臂相连,最好 是一个可以切割的连接臂。实体分子也可以通过共价或是非共价的结合方式 与结合物表面结合。实体分子与结合物表面的连接方式可以是特异的,也可 以是非特异的。最好,实体分子和结合物之间的连接是可以被切割的,如可 以被化学、物理或是酶反应切断的连接臂。 连接臂(连接键)是任何可以将实体分子和结合物连接起来的特定物质 分子。这样的连接臂(连接键)可以包括,但不仅仅限于,氨基酸或是肽键 的连接、二硫键、硫醚键、受阻碍硫醚键、自由基(如氨基和硫醇基)之间 的共价键等等。其它形式的连接臂包括可被酸切割的连接臂,例如 bismaleimideothoxy propane、 acid labile-transferrin conjugates、 adipic acid dihydrazide这些可以在细胞内偏酸性条件下被切割的物质;也可以是能在紫 外光或是可见光下被切割的胶联剂,例如人类IgGl中的恒定区域CH1、 CH2 和CH3(Batra et al., Molecular Immunol" 30:379-386 ((1993))。在一些实体例 子中,可以同时使用多种连接臂,以便于利用各种连接臂的优势。其它种类 的连接臂如三苯甲基连接臂,来自于三苯甲基基团,可以在不同的酸碱性条 件下释放实体分子(U.S. Patent No. 5,612,474)。还有一些连接用实体分子可以 参见下文(Huston et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 85:5879-5883 (1988), Whitlow, et al., Protein Engineering, 6:989-995 (1993), Newton et al., Biochemistry, 35:545-553 (1996), Cumber et al., Bioconj. Chem., 3:397-401 (1992), Ladumer et al., J. Mol. Biol,, 273:330-337 (1997) and in U.S. Patent. No, 4,894,443)。本发明中通常选用的连接方式是生物素-链霉亲和素相互作用、 抗原-抗体相互作用、配基-受体相互作用或是核酸序列互补作用。用于连接 实体分子和微粒的连接臂和方法可以参见美国专利申请,申请号为09/636,104 (递交日期2000年8月10日)。 在一些情况下,当实体分子-结合物如分子-微粒复合物被操纵/分离到预定的位置后,微粒的存在并不干扰分子下一步的反应。这样,就不必将分子 和结合物再进行分离。但是在某些情况下,这样的分离又是必须的。分离过 程的特征由实体分子和结合物的性质、结合物的表面状况和操纵过程决定。 通常,分离的条件和聚合的条件恰好相反。例如,如果实体分子和结合物在 高盐离子浓度条件下结合,那么实体分子可以在低盐离子浓度条件下从结合 物上洗脱下来。相似的,如果实体分子与结合物的连接是通过特异性的连接 臂完成的,那么分离的方式就是施加给这个连接臂可以特异性使其断裂的条 件。 当实体分子是细胞时,可以对细胞进行一定的处理,例如通过裂解或是 通过改变细胞所处环境的渗透压使得细胞破胞。通过这些方式,可以使得细 胞的或是细胞内的实体分子释放出来,例如核酸分子、蛋白质、多肽、受体、 膜碎片和细胞器等等。这样,细胞内的感兴趣的实体分子就可以从样品中得 到分离。细胞内实体分子可以被收集和进行进一步的处理。当芯片采用流体 管道的模式时更容易实现上述目的。细胞内的物质可以通过适当的方法进行 检测,例如对于核酸分子可以采用PCR或是杂交的方法检测,对于抗原, 可以采用免疫分析的方法进行检测。 对于不同的实体分子可以采用不同的标记进行检测。例如,可以用Texas 红标记检测一种实体分子,使用荧光素检测另外一种实体分子。在芯片上进 行分离的实体分子可以进一步在一块芯片上或是多块芯片上进行检测。在芯 片上,有特定的可以捕获实体分子的位点。这些实体分子包括特异的结合物 例如抗体、配基、受体或是核酸分子,通过某些方式,例如功能层的作用, 这些实体分子通过可逆或是不可逆的方式固定在这些特定的位点上。这些诗 体分子可以通过多种方法定位在芯片上,例如通过印刷的方法,包括接触式 点样和使用喷墨方式点样。这些不同的实体分子可以采用相同的或是不同的 标记进行检测。反应检测的结果可以显示样品的信息。通过比较样品和对照 的结果,可以确定样品中组分的绝对或是相对的浓度。这种检测方法用途很 广,例如用于疾病状况的诊断、用于监测环境检测、药物毒物学、药物基因 学、基因组学等研究中多种实体分子的数量变化状况。 44本发明使用了电磁行波,也可以称为行波磁泳(traveling wave magent叩horesis)。行波磁泳是指磁性微粒或是可磁化微粒在磁力行波作用 下的运动。这样的行波磁泳可以通过使用本发明的方法和器件实现。磁泳可 以是同步的,也可以是连续的。在同步磁泳中,直流电可以按照一定的方向 依次施加在电磁单元上,使得电磁单元依次产生磁场,形成磁力行波,这样 磁性微粒或是可磁化微粒就可以沿着这个方向运动。在连续磁泳中,施加在 电磁单元上的交流电信号彼此相差一定的相位,例如每4个相邻电磁单元相 差卯度的相位。这样也可以形成磁力行波。 图24B中所示的器件,位于行波磁泳器件(170)中的电磁单元(190) 示可以单独选通的。芯片上对电磁单元的电路连接方式使得电磁单元可以单 独被选通和关闭,例如依次选通的方式:首先,第一个电磁单元被选通;随 后,第二个电磁单元(与第一个电磁单元平行的最接近的电磁单元)被选通, 同时第一个电磁单元关闭;然后依次是第二个电磁单元关闭,同时第三个电 磁单元选通…这样,第一个、第二个、第三个…电磁单元上就依次出现磁场, 正如磁场随着一定的方向传播,形成磁力行波。这些电磁单元形成了一个磁 力行波的结构。在磁力行波的作用下,带有或是未带有实体分子的磁性微粒 或是可磁化微粒就可以沿着磁场的方向移动。 一个行波磁泳装置包括一定数量的电磁单元。只要可以适于行波磁泳, 这些电磁单元可以是任意的尺寸、形状和强度。 一般而言,行波磁泳装置包 括2至1000个电磁单元,更好是包括5至500个电磁单元,最好是包括IO 至100个电磁单元。电磁单元可以制成任何适当的结构和尺寸,还要具有--定数量的磁芯以便于产生足够的磁场。制作电磁单元时需要考虑到的因素包 括单元的尺寸、单元的数量、单元的强度、需要被移动的微粒的性质和需要 施加的电信号的性质。本发明可以用以指导设计、制作和测试多种这样的结 构,以确定出可以用于行波磁泳的结构。 本发明中,不同的结合物可以同时固定在芯片上(例如在功能层上)具 有行波磁泳结构区域的不同位点。带有实体分子的微粒通过行波磁泳作用可 以通过芯片上行波磁泳结构区域,这样,预先固定在行波磁泳区域的不同的结合物可以捕获各自对应的结合物。在行波磁泳过程中或是行波磁泳结束 后,捕获的实体分子可以采用相同的或是不同的检测标记或是检测系统进行 检测。根据所使用的标记,可以选用适当的检测方法进行检测。首选的标记 方式是荧光标记,首选的检测方式是使用光纤和CCD设备,具体的方法是 使用光纤结构收集荧光信号,传输到CCD部分进行测量和处理。' 实例 例l:具有竖直结构的微电磁单元的电磁芯片 以下是本发明的具有竖直方向微电磁单元的电磁芯片的一个实例。 图1为本发明中电磁芯片10的简图。芯片10包括多个微电磁单元11, 这些单元可制作在硅、玻璃、氧化硅、塑料、陶瓷或其他致密及非致密材料 的基片16上。芯片10上的电磁单元11排列成3X3的阵列。当施加电流15 时电磁单元11可以感应出磁场ln,并能够通过多种手段进行选通。图1 为9个微电磁单元中的6个选通后在各单元附近产生磁场的示意图。注意磁 场的方向取决于电流环流的方向。 在图1中,电磁单元11可以是由环行电导线(如图所示圆环15)和这 些电导线所环绕的一个与导电回路绝缘的中心19所构成的。环可以有多种 几何形状,如圆环、螺旋线、正方形及方形螺旋形。正如熟悉微刻蚀和微加 工的人员所知道的,这些具有不同宽度和厚度的导线可以用不同的光刻和加 工方案在硅基上制备(可参见Rai《houdhury P主编的Handbook of Microlithography, Micromaching and Microfabrication, Volume 2: Micromaching and microfabrication. SPIE Optical Engineering Press, Beliingham, Washington, USA, 1997)。这些方案包含许多基本步骤,如制作光刻掩膜板、沉积金属、 沉积绝缘体、涂覆光刻胶、通过掩膜和显影剂在光刻胶上形成图案、金属或 绝缘层成型。导线可以是金属材料如铝、金、银、锡、铜、铂、钯或非金属 材料碳,半导体材料如掺磷硅,或其他任何能导电的材料。为了传导高达几 百毫安的电流,导线必须具有几千平方微米的横截面积。导线的厚度和宽度 可以分别在0.1〜500微米和1〜500微米之间变化。对每个电磁单元,导线可以为单圈或多圈。如为多圈,有可能需要采用多层微加工方案来制备这些单元。 在本发明的一种芯片设计方案中,微电磁单元的选通是通过电开关将导 电回路和电流源相连来实现的。导电回路中的电流通断情况可通过改变施加 在电开关上的信号控制,从而使电磁单元或者接通或者关断。在另一种芯片 设计方案中,微电磁单元的选通可以通过机械开关控制导电回路的电流通断 来实现。在上述这两种形式中电磁单元都与开关连接,通过控制开关的"开" 或者"关"便可实现电磁单元通/断选通状态的多种组合。 为了增加电流在导电线圈中感应的磁场强度,可以采用铁氧体材料或铁 磁材料的磁芯。在这种情况下,每个电磁单元都包含了基片上的磁芯、环绕 磁芯的单圈或多圈导线、从电流源向导线施加电流的装置。因此,在图1中 电磁单元11的中心区19可以由铁氧体材料或铁磁材料制成,并使其与电流 回路15进行电绝缘。在此领域人们所熟知的各种方法都可以用来在基片上 沉积铁氧体材料或铁磁材料(举例见Ahn and Allen的文章,"A new toroidai-meander type integrated inductor with a multilevel meander magnetic core", IEEE Transations on Magnetics 30: 73-79, 1994)。 图2为将磁性微粒21引导向一个正在工作的电磁单元11的示意图。在 施加电流15时,该单元附近会产生感应磁场l 17,该磁场对微粒产生磁力 作用。如公式3所示,磁力极大地依赖于磁场f (及场强/?)的分布。通过 有选择地选通电磁单元便可控制和改变磁场的分布。例如,通过某一适当方 向的电流同步激励四个相邻的电磁单元便可产生一个四极子磁场。通过改变 施加在微电磁单元上的电流幅值和方向可以进一步改变磁场的分布。磁场的 改变进而影响对磁性微粒产生的磁力大小,影响微粒的位置、速度和其他动 力学参数。例如,通过增加磁场强度和磁力可使微粒的速度增加。 图3所示的电磁生物芯片除了位于芯片表面的功能层42外其他均与图1 所示的芯片相同。该功能层用于固定配基分子,它可以为亲水单分子层或疏 水单分子层、亲水或疏水薄膜、亲水或疏水凝胶层、聚合物层、非致密或致 密材料和/或者这些材料的组合。分子单层是指单分子层(如Langmuii:-BkKigett膜)。为固定核酸配基,可以使用在Southern印迹法和Northern印迹法中所 用的结合材料如硝化纤维素或尼龙。蛋白和多肽可以通过各种物理或化学手 段来加以固定化(例如疏水)。例如,为了固化蛋白或多肽配基分子可以将特 定的受体如抗体或外源凝集素加到功能层42上。根据需要固化的配基及在 生物芯片上所要进行的反应和分析,可以将不同的分子加到功能层42上, 以达到固定化配基的目的。这些为固定配基分子而引入到功能层42上的分 子称为功能基团。功能基团可以是(但不周限于)乙醛、碳二亚胺、琥珀酰亚 胺酯、抗体、受体及外源凝集素。这些功能基团还包括通过对芯片表面进行 化学修饰而形成的化学基团或分子位点。图3所示电磁生物芯片10的使用 方法将在后面具体描述。 图4为根据前面所述本发明的一种设计方案给出的微电磁生物芯片10的 简要示意图。通过导体14连接点12与电磁单元阵列进行电传导。图5给出 了详细的单个电磁单元的横截面示意图。虽然在很多中基片上都可以制作出 类似的微电磁芯片,但图示方案中所示意的基片是表面抛光的硅基片16。 下面我们详细地描述图4中电磁生物芯片10的制作过程。这些过程仅供示 意之用。熟知微加工的人可以很容易地修改这些步骤或过程,改进与图4所 示具有相同结构的生物芯片的部分加工方法。导电区域通过表面扩散(掺杂) 磷来产生一个掺杂浓度为2-10Q/口的电阻。二氧化硅绝缘层具有1000-8000 A 的厚度,并通过下面所描述的热分解方法产生。 根据对微电磁单元阵列芯片的尺寸和阵列密度的要求,通过掺磷在基片 16上光刻形成平行导线18。调节磷扩散的表面密度使导线18的方块电阻小 于或等于lOQ/口。因为导线18在基片16中形成,它们没有起伏也不会高 出基片16的表面。 在形成第一层导线18后,将芯片放在高温烘箱中(如1000QC),在基片16 的表面生长一层厚为2000-4000 A的氧化硅绝缘层。于是在基片16上形成 第一层绝缘层20来覆盖第一层导线18。 应用光刻的方法,在第一层导线之间指定的区域刻蚀出用于电镀的小孔。 例如,深为lOpm的电镀小坑阵列22是通过在硅基片16表面加KOH溶液(30Ww/w)腐蚀而成。每个电镀小坑22的横截面为梯形,并且较小的平行边 靠近基片16的下表面。另一层厚为5000 A的二氧化硅24沉积在电镀小坑 22的表面,而且通过光刻将电镀小坑22底部的一层二氧化硅去除。 在小孔22中填充铁磁材料以形成磁芯。先将基片16放在NiSO4(200-400g/1) 溶液中,在通氮气的情况下升温到400-600。C加热30分钟,以便在电镀坑22 的底部形成一个厚为lpm的镍种子层。 小坑22中的磁芯26可以按下面的步骤和条件通过电镀形成:(1)20-40°C 下放在Fe/FeCV溶液(比率200:500g/l)中;(2) 30-60°C下在FeNi/NiS04溶液 (200:400g/1)中;(3)30-60。C下在FeCl2溶液(10-60g/l)中。这样,在基片16 上形成磁芯26的阵列,其中磁芯26的表面比第一层二氧化硅绝缘层20的 表面要高。根据其他条件和步骤电镀获得成分结构不同的磁芯26。例如, 为获得镍(81%)-铁(19%)玻莫合金,电镀溶液可以包含下列组分: NiSCV6H2O(200g/1), FeS04*7H20(8g/l), NiCi"6H20(5g/l) , 113303(25^1)及 Saccarin (3g/l)。在〜5 mA/cm2的电流密度条件下可获得〜0.3iimAnin的电镀速 度。其他有关电镀条件的细节可以从许多参考文献中找到(例如,Romankiw and O, Sullivan, "Plating techniques" in Handbook of Micro她ography, MicromacWng and Microfabrication, Volume 2: Micromaching and Microfabrication, Editor: Rai-Choudhury P,, SPIE Optical Engineering Press, Bellingham, Washington, USA, 1997)。 形成磁芯阵列26后,一层厚度约为5000A的Si3Ht绝缘层28在200-300。C 的温度下被沉积到磁芯26和第一绝缘层20上。接下来是将厚度约为1.2pm 的导电铝层溅射到313&绝缘层28的表面上。通过对铝进行光刻和湿法刻蚀 在磁芯26之间形成与第一层导线18垂直的第二层导线30。这样便形成了 一个由磁芯阵列和两维导线网所构成的微电磁单元阵列。铝导线30的表面 较磁芯26的表面可能持平或略高。 最后,第二个厚度约为4000A的S^N4绝缘层32在300°C下被沉积在铝 导线30的表面。然后,通过干法刻蚀将第一层导线18和第二导线层30末 端的绝缘材料除掉,使得导线的末端通过导体M连到焊线点12上,从而使芯片上的导线与外部电路相连。 微电磁单元阵列的导电通道18和30是通过直流电源供电的。微电磁单 元阵列中的每个单元都可以通过有选择地给不同的导电通路18和30通电而 加以控制。如图5所示,通过选择磁芯26周围的通道18和30中的电流的 方向使得绕磁芯26形成环形电流,会在该单元附近产生一磁场,也就是说, 为了磁化任一列上的某一个磁芯,在该列左、右侧的导电通道18必须被选 中并让这两个通道中通以方向相反的电流。当然,该电流将会在一定程度上 磁化该列中所有的磁芯。不过,该列上任一预定的单元同时也是某一行上的 一个单元。当电流在该行两侧的导电通路30中流过时,该行上的所有组成 单元都会有一定程度的磁化。但如图5所示对于被选中的单元而言,将会在 其四周的导电通路中有电流流动形成一环路。这样在被选单元处所产生的磁 场强度将是那些未被选中单元的两倍。 在需要增强被选中单元的磁场强度时,可以制作多"匝"导电通道(如 微型线圈)以增加磁芯的环绕电流。通过用制作通道18和30类似的方法可 以在绝缘层32上再制作一层或多层二维导电通道网,每一网层包含与18和 30相似的相互绝缘的两层导电通道,而且它们的位置和通道18, 30分别对 应。 被选中单元的磁场强度还可以通过微细加工技术制作环绕磁芯的微线圈 加以提高。在电流一定的情况下,由磁芯所产生的磁力与微型线圈的匝数成 正比。对于从事微细加工的人员来说,他们应该知道现有的方法中有许多微 细加工技术均可被用来制作微型线圈。下述方法是本专利的示例描述,但制 作方法并不只局限于这一种。微型线圈的制作方法与上述导电通道的制作方 法类似,也是或者采用掺杂导电层或者采用金属导电层(如铝),其不同之 处在于导电层之间是在垂直于芯片表面的方向通过接触孔而连接的。在制作 第一层导电通道时,不是在磁芯26四周制作直线通道,而是如图7中所示 将通道34制成几乎完全环绕磁芯26的导电通道。这层导电通道可以用象制 作列导电通道18中所采用的磷扩散方法实现。随后,在这层导电通道之上 再覆盖一层绝缘层20。如图8所示,第二层导电通道36被沉积在绝缘层20上,它可以通过上述行导电通道30中所使用的溅射和刻蚀方法制作。在溅 射之前,绝缘层20首先被刻蚀出一个垂直连接孔35以使微线圈通道34和 36连通。连接点35要正好安排来让第一层微线圈导电通道34的尾部与第 二层微线圈导电通道36的起点相对应。第二层微线圈通道36上同样覆盖一 层绝缘层20,重复用上述方法制作第三层导电通道38,如图9所示。通道 38, 34被引出阵列和导体14和压焊点12 (未画)连接。关键之处在于每一 导电通道层构成微线圈上的一个单匝,而每个微线圈均由一个起始的"列" 层34和一个终止的"行"层38构成,其中环行导电通道36可以依需要而 制作多层。注意每相邻导电层之间的间隙40都有轻微错位,这种错位安排 是必要的,它用以保证连接孔35总是与下一导电层的尾端,上一导电层的 首端相对应。同样,微线圈也能用最初制作列通道18的方法(掺杂)实现。 这取决于所设计器件的要求。在硅中掺杂的方法之一是在绝缘层20上沉积 一层多晶硅,然后用光刻引导掺杂的方式制作导电通道。在除了 "行"层38 以外的所有微线圈层制作完毕以后,用刻蚀的方法产生方坑22,再用电镀 的方法制作磁芯26,最后制作"行"导电层38和绝缘覆盖层以完成结构制 作。 微线圈的好处在于每个磁芯能产生比单匝线圈强得多的磁力(与微线圈 的匝数成正比),特别是在一个单元被行列选通而磁化时,其他磁芯的磁化 度会很弱或没有。 图10、图IIA、图IIB和图IIC给出出了用开关选通微电磁单元的原理, 在图10中,每个单元41通过串联开关37和39连接在共同的电源43与共 地45之间。开关37可以通过在行导线30上施加的电信号(电流或电压) 加以控制。开关39可以通过在列导线18上施加电信号加以控制。当且仅当 两串联开关打开时,单元41上有电流通过(即电流从电源43流出经过电磁 单元41到地45。开关可以用图11A中所示的双极三极管(bi-polartransistor)、 图11B中所示的金属氧化物半导体场效应管(MOSFET: Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor)或是图11C中所示的matrix drive LCD 实现。因此通过加在双极晶体管基极或金属氧化物半导体场效应管栅极的电势使开关开或者关。单元41可以制成如图10和IIB所示的单圈方形线或如 图IIA所示的多圈方形螺线。这些三极管能用与上述制作电磁阵列相似的方 法制成,而且能与导电通道集成在同一衬底上。在最终构成中,电源43和 地45可能会分布在两个分开的导电层上,且被分别接到直流电源的两个输 出端上。流过磁芯周围的电流大小为电源电压除以电路中的总电阻(包括接 通的开关电阻和导电回路的电阻)。在上面的例子中衬底材料为硅,但是其 他材料,如玻璃、硅化物、陶瓷甚至塑料都可以被用作衬底。衬底也可以是 致密或非致密的物质。同样,制作绝缘层20、 28和32的材料也不限于上述 所例举的,这里,它们还可以是塑料、玻璃、光刻胶、橡胶、陶瓷等。导电 层可以是铝、金、锡、铜、钛、铂、碳、半导体或它们的复合物。类似地微 线圈和导电通道的其他构造也是可行的。上述通过电镀制作磁芯的方法也仅 仅是一个例子。磁芯可以通过电子束蒸发、离子溅射或其他微细加工中的沉 积方法加以制作。具体地说,磁芯可以通过电子束蒸发,离子溅射或其他方 法将一系列的铁氧体材料或电磁材料通过沉积的方式制成。本发明包括在衬 底上制作的各种可单点选通式微电磁单元。运用此种芯片,生物分子化学试 剂和药物分子都可在磁场作用下加以调动控制。 在微电磁阵列芯片制作完成后,绝缘层32的表面可以用化学方法加以 修饰或覆盖一层薄膜。这层膜在此被称为功能层42,它是被用来固定配基 分子的。如图13所示,功能层42可以是亲水或疏水的单分子层,亲水或疏 水的膜,亲水或疏水的凝胶层,多聚分子层或者是这些材料的复合物,如与 图3相关部分所描述的那样。功能层42也可由致密或非致密物质构成。在 功能层42中可引入特定的分子如抗体以来达到固定化配基分子的目的,这 最终取决于芯片表面所要固定的特定配基和所要作的分析或反应。这些嵌入 功能层中为固化配基分子的分子被称为功能基团。为固定核酸所使用的配基 固化材料硝化纤维或尼龙,可以是在Southern印记转移和Northern印记转 移中所用的材料如多聚赖氨酸、琼脂糖胶、水凝胶、聚丙酰胺凝胶等制作的 功能层。为了固定蛋白和多肽,可以将抗体其他蛋白分子嵌入功能层42中 以用做功能基团。 52形成功能层后,被磁性修饰或承载(见下面解释)的配基分子44可以通 过与提供的不同功能基团结合而被固定在功能层42上。图13描述了一种直 接的结合反应如抗体和抗原的结合,但是,固定化反应并不仅局限于这种反 应。利用电磁单元产生的磁场可以精确地控制配基分子在功能层42上的固 定化位置,即在大多数情况下如果单个电磁单元26被磁化,那么配基分子 将会立即被固定于该单元上方的功能层上。众所周知,电磁场的极性由该电 磁单元周围环绕的电流方向决定。依据不同的电流方向(顺时针或逆时针) 电磁单元可以被极化成不同的极性。因此,当两个相邻的电磁单元被感应成 相同的或相反的极性时,由两个电磁单元所产生的磁场叠加所形成的总磁场 将决定作用于经磁性修饰过的配基分子上的磁力大小并确定其被固定化的位 置。并且若按一定的时序选通各电磁单元,可以调整芯片上的磁场分布和改 变作用于磁性修饰分子上的磁力大小。在芯片10表面构建一个流体池46以 用于容纳亲合配基分子、试剂以及反应物,同时也可以进行液体的运输。图 12是装有流体池的生物芯片的一个示例。流体池46可以是塑料或其他材料 制作。进样口和出样口 48为液体的流动提供通道。用硅胶或其他材料在流 体池46的顶部密封上一块石英盖片50 (也可以使用玻璃等其他可透光的材 料;石英是很好的用于紫外检测的材料)。盖片是为了便于利用光检测方法 来检测装置内部的配基和反应产物。如果采用非光学检测方法,流体池顶部 50就没有必要使用透光材料。 例2:具有平面结构微电磁单元的电磁芯片 以下是本发明的具有水平结构的微电磁单元的电磁芯片的一个实例。 例1中给出的是具有垂直结构的微电磁单元(垂直单元)的电磁芯片, 具有水平结构的微电磁单元(水平单元)的电磁芯片或是同时具有水平和垂 直结构的微电磁单元的电磁芯片都属于本发明的范畴。这些水平单元的制作 和垂直单元相似。但是考虑到水平单元特殊的尺寸和形状,使得水平单元具 有与垂直单元不同的性质,更加适合本发明的方法。 使用本发明给出的方法可以制作出多种形式的水平单元。这多种形式的水平单元的区别在于磁芯的尺寸(例如磁芯的厚度和长度)不同和磁芯外围 绕的导线圈数的不同。为了达到减小消磁后的残余磁场和增加磁极密度的目 的,磁芯应制作的长些,提高磁芯的长度/截面积之比。而随着截面积的增 大,磁场强度也增大。在使用电磁芯片的过程中,在达到饱和电流之前,提 高施加的电信号也可以提高磁极密度。以下给出了设计和制作水平单元磁芯 时所有的尺寸(单位:微米)- 200 x 50 x 5 200 x 25 x 5 200 x 50 x 2 200 x 25 x 2 1600 x 50 x 5 400 x 50 x 5 400 x 25 x 5 400 x 50 x 2 400 x 25 x 21600 x 25 x 5 图14给出了由围绕了 12圈导线的磁芯组成的水平单元的设计图。磁芯 的尺寸为200微米X50微米,厚度约为5微米。单元施加的电流的大小为20 毫安。图15是磁芯在竖直方向200微米X200微米平面内的磁场的对数等 值图,图的坐标从磁芯的中心开始算起。图16是和图15在一个平面内的/^ ,「K高斯2/厘米)(和磁场力成正比)的对数图。图14B、图14C和图14D 是这样的单元的照片。 具有水平单元的电磁芯片可以使用3英寸硅片为原料,可以制作出16 块1厘米XI厘米大小的芯片。每块1厘米XI厘米大小的芯片上可以有16 个可单独选通的微电磁水平单元。具有16个水平单元的1厘米XI厘米大 小的芯片见图17。图18则是其上制作有16块芯片的硅片图。 图19A是图14A中沿着A—A方向的截面图,图19B是图14A中沿着 B—B方向的截面图。通常,基底为硅或是玻璃,磁芯由CoTaZr构成,其外 包裹了一层绝缘物质,上面围绕着金制导线。PVT金线是通过沉积的方式制 作在被氧化硅活化的硅片上。导线和磁芯之间被绝缘层隔开,绝缘层可以是 光刻胶、硅、氧化硅、氮化硅和三氧化二铝。 水平单元可以使用制作竖直单元的通用方法制作。制作水平单元时所使 用的绝缘物质可以分为2种类型,所以这里给出了 2种制作方法。 QQ群二维码
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