在分子生物学中，生物芯片已被愈加使用，其可快速分析生物体与 组织。生化反应的检测，亦即在一被定义的研究材料中生物相关分子 的检测，对于生物科学与医学诊断是非常重要的。在此范围中，所谓 的生物芯片是被持续发展。此生物芯片通常是微小化的混合功能组 件，其具有生物与技术组件，特别是生物分子被固定在一生物芯片基 础模块的表面且被用作为特定交互作用配合物。这些功能组件的结构 通常具有列与栏。所以使用「微数组」一词。由于上千个生物或生化 功能组件可被配置于芯片上，所以其通常需要以微技术方法制造。特 别合适作为生物与生化功能元素是为：DNA、RNA、PNA(在核酸与化学 衍生物的例子中，其可为单股、三重结构或其组合物)糖类、多肽、蛋 白质(例如抗体、抗原、受体)、组合化学衍生物(例如有机分子)、细 胞组成(例如胞器)、细胞、多细胞生物、细胞群。
所谓的微数组是最广知的生物芯片种类。其是例如玻璃、金、塑料 或硅的小晶片(芯片)。为了检测所对应的生物或生化(键结)反应，例 如，小量的被溶解的不同捕捉分子，例如已知的核酸序列，是被固定 在该芯片基础模块表面上，形成小液滴，所谓的点，及似点的状态。
实际上，每一芯片上是使用数百至数千个液滴。被研究的被分析物 可例如包含萤光标识的标的分于是被提供于该芯片上。这通常造成该 被分析物中包含的标的与该被固定的捕捉分子之间不同的化学(键结) 反应。如上所述，该标的分子是被染剂标识，通常为萤光色素，以观 察这些反应或键结。由该萤光色素所放出光的存在与强度，以提供在 该基质上个别液滴中该反应或键结的进展，因而可知道该标的分子与/ 或捕捉分子的存在与/或性质。当该分析物的对应的萤光标识标的分子 与固定在该支撑基质表面上的该捕捉分子反应或键结时，可用激光的 光学激发与测量对应的萤光信号，以检测此反应或键结。
作为生物芯片的基础，具有高度且被定义的多孔性的基质比平面基 质更具有许多优点。可在放大的表面积上进行许多检测反应。此可增 加生物分析的检测灵敏度。当溶解在分析物里的标的分子透过通到被 送至该多孔基质的前测与后侧之间时，其对该基质表面有空间上的近 距离接触(＜10微米)。在这尺寸上，覆盖在被检测的标的分子与固定 在表面上的该捕捉分子之间的距离上，可进行非常有效率的传输工艺 过程。所以可增加该键结反应的速度，因而检测方法的进行时间可被 大幅缩短。
电化学形成的多孔硅是具被定义的多孔硅的基质范例(DE 42 02 454 A1，EP 0 553465 A1或是DE 198 20 756 A1)。
在活化剂研究与临床诊断中所使用的许多分析方法，是使用光学方 法，用以检测被测物质与捕捉分子间键结反应(例如DNA杂交、抗原- 抗原反应与蛋白质交互作用)。在此范例中，被检测的物质具有萤光的 标识物，在以合适波长激发(萤光方法)之后，其起始一化学反应而产 生光(化学发光方法)。当被检测的物质，亦即该标的分子，是与该表 面上被固定的捕捉分子键结，而后可被选择性地检测，例如藉由发光 的方式。在此范例中，「发光」一词是指在紫外光至远红外线的范围 中自发性的发光。该发光激发机制可为光学或非光学，例如电子、化 学、生化与/或热激发工艺过程。所以，特别地，化学、生物或电子发 光如同萤光与磷光，皆包含在本发明「发光」一词的范围之中。
具有高光学密度与低反射性的多孔基质，是如多孔硅，其对于可见 光的反射率为50％至70％，然而，目前为止当实验所观察到的光信号是 低于理论上所能达到的值时，对于结合萤光或化学发光方法并无预期 结果。一方面，当此多孔基质相较于理论值，降低的实验决定光信号 产出的理由是为发射该物质的萤光或所研究的键结问题，另一方面， 当使用一萤光方法时，该理由是为光学激发萤光的问题。
若(发光)光是透过该孔洞大小而产出，则该孔壁的反射率是有效传 递光学信号至该表面的决定因素。在化学发光的例子中，该光信号是 往所有方向等向辐射。所以，仅有非常小部份的产生光，是直接辐射 在个别孔洞的孔径角度中。所有其它的光学路径在其达到孔静的开口 之前，皆被该孔壁反射数次。然而，即使反射率仅些微小于100％，在 多次反射之后，信号强度会被大幅减低。这表示所产生离开该孔洞的 信号比例会被大幅减弱，所以对于整个信号少有帮助。
因该孔壁多数反射所造成的减弱，其已如激发萤光的问题所述，再 者，造成发射发光的严重问题。仅有发光基团(分析物中的萤光物质) 直接放射朝向该孔洞开口，才不会减弱萤光信号。所有其它的光学路 径在其达到该孔洞开口之前，是至少被该孔壁反射一次。即使反射性 仅少许低于100％，这些多数反射会造成被检测的光学信号的明显减 弱。
为了解决上述因多数折射造成强度减弱的问题，已提出将反射层配置 于该孔壁上，以减少该反射损失，因此可自该孔洞达到较佳的光激发与 发射。但是此解决方法并不会造成信号输出量的明显改善。
所以，本发明的目的是提供一装置或「生物芯片基础模块」，用以 检测以萤光或化学发光为基础的方法范围中的生化反应与/或键结，以 达到具有改善的信号对噪声比值的高绝对信号产出量，以增进最终生 物芯片的测试的检测灵敏度。

特别地，本发明提供的装置包含基于硅且平面设计的巨孔支撑材料 (10)，所述支撑材料(10)具有周期性排列的分立孔洞(11)，所述分立 孔洞(11)的直径范围是自500纳米至100微米，这些分立孔洞(11)分 布于至少一个表面区域上且自该支撑材料上自一个区域(10A)延伸直 到另一个区域(10B)，其中所述装置具有至少一区域(11A)，该区域(11A) 包含一或多具有具有二氧化硅(SiO2)孔壁的孔洞，且其中此区域 (11A)是由具有硅内核(12A)的壁所组成的框架(12)所围绕，所速硅 内核(12A)主要是平行于分立孔洞的纵轴排列，且所述硅内核(12A)的 开口朝向该表面(10A、10B)，其中该硅内核合并进入到在朝向该框架 的壁外侧的横截面上的二氧化硅中。
根据本发明的装置是具有二氧化硅(SiO2)，其局部是被完全氧化， 亦即该区域是包含一或多具有二氧化硅(SiO2)孔壁的孔洞。这些完全 被氧化的区域是依序被一超结构所包围。该完全被氧化的区域被主要 由硅制成的壁所包围或环绕，所以这些主要由硅所制的壁是形成一框 架或是一圆柱，其开口是朝向该表面(10A、10B)，其圆柱轴是延伸平 行于该孔洞且其环绕或包围局部完全被氧化的二氧化硅(SiO2)区域。 形成该框架的壁具有硅内核，且如同延伸至该支撑材料的表面中的横 截面面所示，在朝向该壁外侧的横截面面上，该硅内核是并入二氧化 硅。该框架或超结构可具有任何所欲的结构。根据本发明，在一或多 侧之上，该框架(12)亦可打开成次框架，亦即无形成该框架的一或多 壁。
在该完全被氧化的区域中，该孔洞之间的壁完全是由二氧化硅 (SiO2)所制成。所以这些区域对于波长特别为可见光的范围，是可透 光的。所以，根据本发明的装置，具有局部透光的二氧化硅(SiO2)区 域，且这些透光区域是依序被具有硅内核的壁的反射框架所围绕。换 言之，有局部完全透明的二氧化硅(SiO2)区域，其是彼此藉由具硅内 核的不透光壁所隔离，根据本发明其主要是形成该光至中的二级结 构。
具有硅内核的壁的框架，其是并入二氧化硅朝向两外侧，排除散射 的光以及区域间的光学交错，其是包含一或多具有二氧化硅(SiO2)孔 洞壁的孔洞。这对于完全透光的(例如二氧化硅(SiO2)、玻璃芯片或是 三氧化二铝(Al2O3))多孔基质而言是相当有利的。
根据本发明的装置中，孔洞的多数性，其通常是周期排列，是配置分 布于该平面设计巨孔支撑材料(10)的至少一表面区域上，且在该支撑 材料上的一表面(10A)延伸至该对面表面(10B)。在本发明的范围中， 盲孔，亦即开口仅朝向该表面侧(10A、10B)的一的孔洞，亦可被局部 提供于该平面设计巨孔支撑材料(10)上。
所使用的该巨孔支撑材料所具有的孔洞直径是自500纳米至100 微米，较佳为2至10微米。该巨孔支撑材料的厚度通常是自100至5000 微米，较佳为300至600微米。孔洞中心与孔洞中心的间隔(距离)， 亦即两相邻的孔洞距离，通常是自1至500微米，较佳为3至100微 米。孔洞密度通常是在104至108/平方厘米的范围。
根据本发明装置中的孔洞(11)可例如结构大致上为圆的或椭圆 形。在本发明的一较佳实施例中，具有二氧化硅(SiO2)壁的该孔洞(11) 是被设计为方形。而后，具有硅内核(12A)的壁的框架主要可为方形或 矩形。
本发明亦是关于一种方法，其是制造上述根据本发明的装置，其包 含下列步骤：
(a)准备一支撑材料，其是具有硅表面(10A、10B)；
(b)藉由电化学蚀刻入该支撑材料的一表面(10A)，制造盲孔，其 深度是小于该支撑材料的厚度，因此修饰以一般配置所提供的该盲洞 距离，以形成增加是壁厚度的区域间过渡，其中该区域间过渡之间的 该硅壁厚度，其结构是藉由增加盲孔距离的数量而大于该区域内硅壁 的厚度；
(c)至少局部配置一照幕层于步骤(b)中该表面(10A)与该盲孔的该 表面上；
(d)侵蚀该支撑材料至少至该盲孔的底部，以获得孔洞(11)，其是 自该表面(10A)延伸至该支撑材料的对面表面(10B)；
(e)移除该照幕层；
(f)将步骤(e)中所获得的该支撑材料进行热氧化作用，作为该硅 壁厚度的函数，因而具有较薄硅壁的区域是完全被氧化，而在具有增 加壁厚度的区域间过渡中的该硅壁是未被完全氧化，因此留下一硅内 核于该壁中。
在步骤(a)中所制备的该硅支撑材料，可例如为n-掺杂的单晶硅 (硅晶片)。
在根据本发明方法的步骤(b)中，而后在该硅中进行电化学蚀刻。 此方法是为已知，例如在EP 0 296 348、EP 0 645 621；WO 99/25026、 DE 42 02 454、EP 0 533 465或是DE 198 20 756，其全部范围与揭 露是作为本发明的一部份。在此电化学蚀刻的范围中，盲孔或孔洞的 长宽比(aspect ratio)例如1至300或是更大，是可用在硅中的一般 配置进行蚀刻。由于以适当选择的参数，该电化学孔洞蚀刻方法使其 可改变特定限制中的孔洞间隔(距离)，所以所得的硅壁厚度的局部变 化，可藉由改变该孔洞间隔或是在该盲孔或孔洞的一般配置中省略一 整列的孔洞。
为了得到通过该支撑材料或基质(硅晶片)且开口在两表面(10A、 10B)上的孔洞，在步骤(c)、(d)与(e)中，在已蚀刻该盲孔之后，于该 硅晶片的后侧上侵蚀硅，例如藉由氢氧化钾(KOH)，然而该晶片之前侧 与该盲孔或孔洞内侧是藉由一掩模层而受到保护，例如藉由CVD沉积 而产生氮化硅层(Si3N4)，其厚度例如100纳米。而后，该掩模层在 步骤(e)中被移除，是藉由例如氟化氢(HF)的处理。溅射、激光烧蚀 (laser ablation)与/或抛光工艺过程，例如一化学机械抛光(CMP)工 艺过程，是适合用于该硅晶片的后侧侵蚀。
此产生具矩阵型规范孔洞的硅晶片或是硅支撑材料，该孔洞组成通 管(through-tube)将该晶片之前侧与后侧连接在一起。
这些孔洞的直径在制造后，可藉由氢氧化钾(KOH)蚀刻而被放大或 放宽。若硅(10)是作为一起始材料，则由于该结晶结构可藉由此蚀刻 而获得主要的方形孔洞。例如，假设孔洞直径为5微米，两个孔洞的 中心间的间隔(距离)是为12微米，例如在此方式中该孔洞直径可自5 微米被放大至10或11微米。同时，该孔洞之间的硅壁厚度是被增加 至2或1微米。在此方式中，主要可获得薄硅壁的方形格子。在此范 例中，该孔洞的深度或是该硅壁的长度是对应于原始的硅壁厚度小于 当在该后侧开放该孔洞时所侵蚀的该硅层厚度。
在步骤(f)中，在此方式中所获得的格子在热氧化工艺过程中是被 转换为二氧化硅(SiO2)，该工艺过程例如温度为1100℃且作用时间为6 小时，藉由氧化作用形成该孔壁厚度。该基质的主要结构并未因硅被 氧化成二氧化硅(SiO2)而改变，未造成该壁区域的体积增加。
若在步骤(b)中该盲孔或孔洞的实际间隔硅周期性地增加，例如每 5、10或20个孔洞，增加1微米，则可提供组成孔洞数组(例如5×5、 10×10、20×20)的超结构。藉由增加的孔洞距离，这些区域间该硅壁 的厚度是大于该区域内侧的硅壁厚度。在步骤(f)的后续氧化作用中， 具薄硅壁的区域是可被完全氧化为二氧化硅(SiO2)。但是在具有增加 壁厚度的该区域间的过渡中，该硅壁并未被完全氧化，所以硅内核是 被留在该壁中，在朝向形成该框架的壁外侧的横截面面上，该硅内核 是各自并入二氧化硅。此提供局部完全透光的二氧化硅(SiO2)，其是 藉由具硅内核的非透光壁而彼此隔离。
而后，连结分子的应用或键结可立即发生。此连结分子并无任何特 定限制，只要其可以共价连接至该二氧化硅(SiO2)层表面上存在的氢 氧基(OH)，且更具有一官能基，其可共价连接该捕捉分子，其可作为 生物化学反应中的探针(probe)。此连结分子通常是以硅-有机化合物 为基础。此双功能的硅-有机化合物可为例如硅烷类(alkoxysilane) 化合物，其具有一或多终端官能基，其是选自于环氧(epoxy)、缩水甘 油(glycidyl)、氯、巯基(mercapto)或是胺基(amino)。硅烷类化合 物较佳为缩水甘油氧烷硅烷(glycidoxyalkylalkoxysilane)，例如3- 缩水甘油氧丙基三甲氧基硅烷(3- glycidoxypropyltrimethoxysilane)或是胺基烷基硅烷 (aminoalkylalkoxysilane)，例如N-贝塔-(胺基乙烷)-珈玛-胺基丙 烷三甲氧基硅烷(N-β-(aminoethyl)-γ- aminoalkylalkoxysilane)。烯基(alkylene)残基的长度是作为例如 键结至该捕捉分子或是探针的环氧(epoxy)、缩水甘油(glycidyl)官 能基之间间隔，且在此范例中该三硅烷官能基并无任何限制。此间隔 可为聚乙烯甘油残基。
根据公知技艺中的标准方法，为了完成生物芯片的制备，捕捉分子 如寡核苷酸或DNA分子是可经由一连结分子而被键结或耦合至该支撑 材料，例如藉由处理该多孔基质材料，当环氧硅烷是作为连结分子时， 藉由后续作用终端环氧基与寡核苷酸或DNA的第一胺基或硫基，其是 对应于分析方法作为固定的捕捉分子，以分析被分析物中的标的分 子。在此范例中，可被作为捕捉分子的寡核苷酸的制备方法，例如1981 年Tet.Let.22中第1859-1862页中所述的合成方式。在该制造方 法中，在此范例中该寡核苷酸在5或3端的位置具有衍生的胺基。将 此捕捉分子键结至该孔洞中的内壁的其它方式，可用氯来源处理该基 质，例如氯气、亚硫酰氯(SOCl2)、亚硫酰氯(COCl2)，选择性地使用根 基起始剂，例如过氧化物、偶氮(azo)化合物或Bu3SnH以及后续将其 与对应的亲核性化合物反应，特别是与具有终端的第一胺基或硫基的 寡核苷酸或DNA分子作用(请参阅WO 00/33976)。
根据本发明，该装置可充填作为微数组的96样品支撑物。公知技 艺中的微芯片技术可使用于本发明装置的基础上。
根据本发明，该装置亦可特别适用于该孔壁上分子的局部限制、光 线控制合成。所以本发明亦是关于一种用于控制化合物或生化反应或 合成的方法，其包含下列步骤：
-制备根据本发明的一装置或生物芯片；
-将一合成物质导入该支撑材料的至少一孔洞；
-照光至该孔洞，以光学地激发至少该合成物质。
对于平面基质而言，光控制合成的方法，例如EP 0 619 321与EP 0 476 014中所述。其所揭露关于结构与光控制合成方法内容是作为 本案的参考，所以，这些参考资料是作为本发明内容的一部份。将光 有效地传送至该孔洞，可驱动或控制在该孔壁上的光化学反应。特别 地，复合连续的光控制光化学反应是在该孔洞交界表面上进行。
藉由硅所制成的反射壁，以防止个别孔洞或是区域/部分间的光学 互动。来源是平面基质上光控制合成的主要问题。
附图说明
本发明可藉由以下实施例与图式得以近一步的说明，其中：
第1A图是一平面概示图且第1B图是一横截面侧示图，其是说明本 发明实施例的装置。
第2图是说明缺口角度α可使发光量射入习用完全被硅壁所环绕 的孔洞中该基质(A)的空间上(与下)，以及在(B)本发明装置的孔洞 中。

第1图是说明本发明装置的一实施例的概示图，一方面以平面图 (第1A图)呈现，且另一方面是以横截面面(第1B图)呈现。此处，根 据本发明的装置，其具有完全氧化的区域(11A)，其包含具有二氧化硅 (SiO2)孔壁的多数主要方形孔洞。这些区域(11A)是由具有硅内核(12A) 的壁的框架所包围，其开口是朝向该表面(10A、10B)，具有硅内核并 入朝向形成该框架的壁外侧的横截面面上的二氧化硅。
第2图是说明缺口角度α可使发光量或是根据本发明的装置(第 2B图)的一孔洞的发光表面，可射入该基质或支撑材料上(与下)的空 间，相较于公知技艺，其是完全由硅壁所环绕(第2A图)。在本发明的 装置中，缺口角度α可使发光量或是一孔洞中的发光表面，可射入该 基质上(与下)的空间，是大于完全被硅壁所环绕公知孔洞。较小的长 宽比(孔洞的氧化区域/长度的缺口)亦减少所需的反射数目，在光线抵 这该孔洞的开口前，会具有一角度。相较于没有透光区域的多孔硅基 质，根据本发明的装置是提供在萤光与化学发光分析方法中，大幅改 善绝对信号。
附图标记列表
10  以硅为基础的支撑材料
10A、10B  支撑材料表面
11  孔洞
11A 包含具有二氧化硅(SiO2)孔壁的一或多孔洞的区域
12  具有硅内核的壁的框架
12A 硅内核