自从在二十世纪九十年代早期发明了通过在二维固体载体上以 空间可寻址的形式合成生物活性探针而形成高密度阵列以来，所述高 密度阵列已经显著改善和简化了生物学研究和发展的过程(参见 Science，251，767-773，1991)。目前，微阵列技术的关键在于以“空 间可寻址”方式在微芯片上的单个点沉积生物活性剂。
目前的技术采用了各种方法来制备微阵列。例如，美国专利 No.5412087和5489678证实了可以采用光刻法制备肽和DNA微阵 列。这些专利教导了采用对光不稳的保护基团，通过光刻法在1cm× 1cm芯片上连续循环去除对某限定点的保护，然后在整个表面灌满活 性氨基酸或DNA碱基，来制备肽和DNA微阵列。重复这种方法， 使得能够构建出在阵列上不同点处具有数千个任意不同肽或寡核苷 酸序列的肽或DNA微阵列。这种方法成本很高。其它研究人员正在 采用喷墨方法(例如，美国专利No.6079283、6083762和6094966) 来制备空间可寻址阵列，但是这种技术也受到高制造成本的困扰，而 且阵列点的尺寸相对较大，为40-100微米。由于在单一芯片上放置 的生物活性探针数目通常是1000-100000，所以空间寻址方法本身就 很昂贵，这和芯片的制备方法无关。
可替换空间寻址方法的方法是采用整合了荧光染料的聚合物珠 子来制备生物多重阵列的概念。美国专利No5981180公开了组合采用 颜色编码珠子和流式细胞仪来进行多重生物学测定的方法。表面上缀 合有DNA或单克隆抗体探针的微球采用各种比例的两种不同荧光染 料进行内部染色。允许数百“空间寻址”微球和生物样品反应，并通 过一次让一个微球通过流式细胞仪室来解码样品信息对“液体阵列” 进行分析。美国专利No6023540公开了采用在远端具有预蚀刻的微孔 的光纤束组装加载有染料的微球。在每个空间寻址微球表面附着独特 的生物活性剂，且使数千个携带不同生物活性探针的微球组合起来在 光纤束的预蚀刻微孔上形成珠阵列。
最近，通过使用整合入微球中的不同大小的具有硫化锌盖层的硒 化镉(zinc-sulfide-capped cadmium selenide)纳米晶体 (nanocrystal)，实现了新型光学编码的微球方法(Nature Biotech.， 19，631-635，(2001))。考虑到这些纳米晶体具有窄带宽，所以 这种方法显著扩大了微球中的光谱条形码编码容量(barcoding capacity)。
即使该“光谱寻址微球”法和制备微阵列的传统“空间可寻址” 方法相比，在简单性上确实有优势，但是本领域仍然需要在制备生物 学微阵列时难度下降且成本降低。
2001年8月29日提交的美国系列号No.09/942241“Random Array of Microspheres”教导了各种涂覆方法，而且给出了机器涂覆 的例子，由此在载体上涂覆了含有分散在明胶中的微球的流体涂覆组 合物，如图1a和1b所示。在涂覆后，即刻使载体通过涂覆机中的激 冷凝固室(chill-set chamber)，在此明胶快速凝胶化并使微球固定， 如图1c所示。过量流体通过蒸发去除，如图1d所示。虽然这种方法 和现有技术相比具有很大的制造优势，但是它为了使其对本技术领域 的所有潜在贡献最大化，需要某些改进。问题在于在这种机器涂覆和 快速凝胶化过程中，胶凝剂往往会覆盖微球的表面，如图1e所示， 从而阻止分析物(比如DNA)穿透凝胶外层以及与微球表面上的探 针杂交。
2002年1月31日提交的美国系列号No.10/062326“Method of Making Random Array of Microspheres Using Enzyme”克服了上述 问题，这通过用酶去除微球表面的胶凝剂，而不会破坏微球的完整性 或者微球表面的DNA探针来实现。酶处理过的表面在整个DNA杂 交过程中保持其物理完整性，且微阵列显示出非常强的杂交信号。美 国系列号No.10/062326的优点在于酶消化可以很容易得到控制以便 从凝胶外层去除所需的量。而且，该酶(蛋白酶)很容易得到且成本 不高。但是，缺点在于需要额外的步骤(酶解)，这需要另外的时间 和成本。
2002年3月7日提交的美国系列号No.10/092803“Random Array of Microspheres”，描述了一种制备随机珠子微阵列的方法，它是通 过在能够承受溶胶-凝胶转变的接收层上涂覆微球的悬浮液进行的， 所述悬浮液不含胶凝剂，但含有胶凝剂的交联剂，如图2a和2b所示。 微球部分浸没到接收层里，如图2c所示，随后接收层交联，如图2d 所示。来自悬浮液的过量流体通过蒸发去除，如图2e所示，以形成 微阵列。尽管这种方法是对美国系列号No.09/942241的改进，但由 于接收层中的胶凝剂会溶解到用来沉积微球的含水悬浮液里，并且在 当悬浮液铺展在接收层上时会重新沉积到微球上，所以所述方法在防 止胶凝剂沉积到微球表面上并没有完全获得成功，如图2f所示。另 外，悬浮液中存在交联剂会将生物分子交联到微球表面上，并使其不 能有效地充当探针。
需要一种方法，其中微球悬浮液可以铺展在接收层上，其中接收 层的材料不溶解到运输微球的悬浮液或介质中。而且，接收层的组成 必须能够允许微球充分浸没在接收层里，以防止微球在悬浮液中的溶 剂例如通过蒸发去除时发生横向聚集。
发明概述
本发明提供了制备具有微球的元件例如微阵列的方法，所述方法 包括用涂层组合物涂覆载体以形成接收层，所述层的模量可以通过交 联修改；使接收层部分交联，以获得允许微球部分浸没到该部分交联 的接收层里的弹性模量；在该部分交联的接收层上涂覆微球在流体悬 浮液中的分散体，所述每个微球占据一个位置；使微球能够部分浸没 到该部分交联的接收层里；从该部分交联的接收层去除流体悬浮液； 并使该部分交联的接收层进一步交联，从而使得在湿法处理过程中和 过程后微球保持各自的位置。
在本发明另一实施方案中，公开了一种元件，其包含载体；载体 上的水不溶性接收层，其中该接收层包括接收材料；和固定并部分浸 没在该接收层里的随机间隔的微球，其中所述微球有表面暴露在接收 层上，所述每个暴露表面附着了用于和分析物相互作用的至少一个探 针，而且其中所述微球的暴露表面没有接收层材料。
该接收层和载体的特征在于没有设计用于和微球发生物理地或 化学地特异性相互作用的位置。因此，微球的分布没有预定或定向， 而是完全随机的。
优点
本发明采用了独特的涂覆技术以在基片上制备微阵列，所述基片 无需如本领域公开的那样预蚀刻微孔或者以任何方式预标记上位点 来吸引微球。通过采用没有标记的基片或者无需预涂覆制备的基片， 本发明和现有技术相比具有极大的制备上的优点。本发明公开了一种 方法，通过该方法将分散体中的可寻址混合微球随机分布在没有吸引 微球的孔或位置的接收层上。
由于基片不必修饰，所以本发明和以前公开的相比提供了制备成 本较低且较容易的微阵列；尽管如此，微球在基片上保持固定。
而且，本发明提供了和2001年8月29日提交的US系列号 09/942241相反的微阵列，其中无需采用2002年6月3日提交的US 系列号10/062326公开的额外处理步骤(酶消化)就暴露了微球表面。 暴露的微球表面有助于分析物更容易达到附着在微球表面上的探 针。“分析物”是指具有能够和微球表面的特异部分(本文称作“探 针”)发生化学或物理相互作用的官能团的分子。
本发明的关键因素之一是选自接收层。接收层必须具有理想的物 理性质，其使得微球可以充分浸没到接收层里，从而防止横向聚集。 后面将详细讨论对接收层物理性能的具体要求。
附图简述
图1a-1e示意性示出了现有技术中制备微球微阵列所采用的一种 方法。图1a示出了任何合适的载体1；图1b示出了铺展在图1a载 体上的含有微球(珠子)3、胶凝剂和化学交联剂的流体层2；图1c 示出了胶凝剂已经发生溶胶-凝胶转变的流体层，由此将微球3固定 在凝胶4中；图1d示出了通过从该凝胶层4蒸发过量流体2形成的 微阵列5；和图1e示出了交联的流体层6，它永久性固定了微阵列中 的微球3，从而在微球3的表面上留下了胶凝剂薄膜7。
图2a-2f示意性示出了现有技术制备随机微球微阵列的另一种方 法，其中图2a示出了任何合适的载体1；图2b示出了载体1上涂覆 有未交联的胶凝剂8；图2c示出了位于图2b的载体1上的流体层2， 其中携带了负载有探针的微球3和针对胶凝剂8的交联剂；图2d示 出了沉降到该未交联的胶凝剂8中的图2c的微球3。从图2e可以发 现，具有胶凝剂8的层发生溶胶-凝胶转变，以形成凝胶4，并从而固 定微球3。图2e示出了从流体层2蒸发流体；图2f给出了最终的微 阵列5，其中由于胶凝剂8溶解在流体层2中，所以微球3表面上仍 有凝胶4的涂层。
图3a-3g示意性示出了本发明的一个实施方案，其中图3a示出 了任何合适的载体1；图3b示出了铺展在图3a的载体1上的可交联 组合物和化学交联剂，以形成接收层9；图3c示出了部分交联的接 收层10，其弹性模量经调整后允许在其上面铺展的流体悬浮液中的 微球凹进；图3d示出了含有微球3的流体悬浮液11铺展在图3c的 部分交联的接收层10上；图3e示出了微球3部分沉降到该部分交联 的接收层10里；图3f示出了流体悬浮液11的蒸发暴露了微球3的 表面；图3g示出了进一步化学交联的接收层12，其使微阵列5变坚 固以进行湿法处理。
图4a-4g是本发明另一实施方案的示意图，其中图4a示出了任 何合适的载体1；图4b示出了在图4a的载体1上铺展的可交联组合 物，以形成接收层9；图4c示出了通过辐射13，比如紫外线(UV) 辐射、电离辐射或电子束照射，发生交联的部分交联的接收层10， 得到足以允许在其上铺展的流体悬浮液中的微球凹进的弹性模量；图 4d示出了在图4c的部分交联的接收层10上铺展的含有微球3的流 体悬浮液11；图4e示出了部分沉降到该部分交联的接收层10中的微 球3；图4f示出了流体悬浮液11的蒸发暴露出微球3的表面；图4g 示出了由辐射13，比如UV辐射、电离辐射或电子束照射发生交联的 进一步交联的接收层12，以使微阵列5变坚固以进行湿法处理。
图5是本发明方法的又一示意图，其中图5a示出了任何合适的 载体1；图5b示出了铺展在图5a载体上的含有胶凝剂和针对该胶凝 剂的缓慢作用化学交联剂的流体，以形成接收层9；图5c示出了溶 胶-凝胶转变后的接收层14，其中胶凝剂发生凝胶化以使弹性模量足 以允许微球3的凹进；图5d示出了包含微球3的流体悬浮液11，其 温度低于接收层中的胶凝剂的溶胶-凝胶转变温度，所述流体悬浮液 铺展在图5c的已凝胶化接收层14上；图5e示出了部分沉降到已凝 胶化接收层14中的微球3；图5f示出了流体悬浮液11的蒸发使微球 3的表面暴露出来；图5g示出了化学交联的接收层12，其使微阵列5 变坚固以进行湿法处理。
图6是在1cm2面积上有1000个微球的图，其中没有两个微球发 生重叠。
图7是表1数据的曲线图，示出了图6微球之间的最近邻分开距 离的分布。
图8示意性示出了微球上的力。
图9是显示10μm微球的合理模量的上限和下限的曲线图，其中 L是30μm。
图10是显示5μm微球的合理模量的上限和下限的曲线图，其中 L是30μm。
图11是显示15μm微球的合理模量的上限和下限的曲线图，其 中L是20μm。
图12是显示20μm微球的合理模量的上限和下限的曲线图，其 中L是20μm。
图13是显示10μm微球的合理模量的上限和下限的曲线图，其 中L是5μm。
图14是显示20μm微球的合理模量的上限和下限的曲线图，其 中L是2.5μm。
发明详述
本文所用术语“溶胶-凝胶转变”或者“凝胶化”是指颗粒的流 体溶液或悬浮液形成显示出非稳态流动的连续三维网络的过程。这种 现象可以在聚合物中发生，这通过存在多功能单体时的聚合；通过具 有反应性侧链的溶解的聚合物的共价交联；以及通过溶液中聚合物分 子之间的二次键合，例如通过氢键实现。聚合物比如明胶表现出属于 最后一种类型的热凝胶化。凝胶化或凝固过程的特征在于粘度出现非 连续增加。参见P.I.Rose，“The Theory of the Photographic Process”， 第4版，T.H.James编辑，第51-67页。
本文所用术语“胶凝剂”是指可以承受上述凝胶化的物质。例子 包括承受热凝胶化的材料，比如明胶、水溶性纤维素醚或聚(n-异丙 基丙烯酰胺)，或者可以通过硼酸盐化合物化学交联的物质，比如聚 (乙烯醇)。其它胶凝剂包括可以通过辐射比如紫外线辐射、电离辐 射或者电子束辐射进行交联的聚合物。胶凝剂的例子包括阿拉伯胶 (acacia)、褐藻酸、膨润土、卡波姆、羧甲基纤维素钠、十六醇十 八醇混合物、胶体二氧化硅、乙基纤维素、明胶、瓜耳胶、羟乙基纤 维素、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、硅酸铝镁、麦芽糖糊精、 甲基纤维素、聚乙烯醇、聚烯吡酮、藻酸丙二酯、褐藻酸钠、羟基乙 酸(glycolate)淀粉钠、淀粉、黄蓍胶和黄原胶。其它本领域已知的 胶凝剂，比如在Secundum Artem，vol.4，No.5，Lloyd V.Allen中提 出的那些，也可以使用。优选的胶凝剂是碱预处理过的明胶。
本文所用术语“随机分布”是指没有优选或者偏向的元件的空间 分布。随机性可以根据与泊松分布所预期的一致性进行测量。
本发明教导了在可以包括接收层的基片上制备微球(也称作“珠 子”)的随机阵列的方法。微球在接收层上的沉积方式使得每个微球 的部分表面暴露在接收层之上。微球在接收层或基片上的分布或模式 是完全随机的，且微球并没有像本领域以前已知的其它方法一样被吸 引到或者保持在接收层或基片上的预标记或预定位置上。
通过首先在任何适当表面或载体1(图3a、4a、5a)上涂覆含有 胶凝剂以及针对该胶凝剂的化学交联剂的流体层，形成接收层9(图 3b、4b、5b)，从而获得随机阵列。载体1可以是例如玻璃、纸张、 金属、聚合物材料、复合材料或其组合，只要所述载体可以提供能在 上面形成接收层的表面。接收层9中的胶凝剂允许部分交联，以形成 部分交联的接收层10(图3c、4c、5c)。然后，在该部分交联的接 收层10上，铺展微球3的流体悬浮液11(图3d、4d、5d)。该部分 交联的接收层10不溶于该流体悬浮液11。微球3至少部分地沉降到 该部分交联的接收层10里(图3e、4e、5e)。沉降程度和该部分交 联的接收层10的弹性模量、微球3的材料的界面表面能和流体悬浮 液11的界面表面能相关。微球3可以沉降到全部或部分进入该部分 交联的接收层10里。一个或多个微球可以在部分交联的接收层10中 沉降相同的深度。根据某些实施方案，至少一些微球3能够沉降到部 分交联的接收层10的底部，从而停靠在载体1上。
该部分交联的接收层10的弹性模量受部分交联的接收层10的交 联密度控制，所述交联密度定义为单位体积的已交联材料的摩尔数。 交联密度反过来又和化学交联剂的浓度，化学交联的持续时间，辐射 比如UV、电离或电子束辐射的强度和时间以及所用交联类型中的一 个或多个相关。
可替换地，采用物理凝胶化代替化学交联或者辐射诱导的交联是 可行的。物理凝胶化基于在接收层里形成氢键。物理凝胶化的交联密 度和胶凝剂浓度以及该部分交联的接收层的温度和该部分交联的接 收层中胶凝剂的凝胶点或溶胶-凝胶转变温度之间的差值相关。在这 种情况下，涂覆时流体悬浮液的温度维持在该部分交联的接收层中胶 凝剂的溶胶-凝胶转变温度以下，以防该部分交联的接收层中的胶凝 剂溶解到该流体悬浮液里。
流体悬浮液11的蒸发可以通过在该流体悬浮液11上吹空气、加 热该流体悬浮液11或其组合来实现，以使流体蒸发(图3f、4f、5f) 从而得到阵列5。阵列5制造完成后，部分交联的接收层10的交联 反应可以完成，以将微球3在已交联接收层12中的适当位置永久性 地固定，所述接受层10含有通过加入交联剂较早引发了的已交联的 胶凝剂(图3g、5g)。如果采用明胶作为胶凝剂，则优选交联剂可 以是化合物，比如双(乙烯砜)甲烷、戊二醛或者丁二醛。可替换地， 如图4g所示，可以采用额外的辐射13，比如UV辐射、电离辐射或 电子束照射，来实现额外的交联。已交联的接收层不溶解，从而使形 成的微阵列可以进行湿法处理，而不会导致该已交联的接收层出现溶 解或降解。
如图3g、4g和5g所示，阵列5中的微球3在其暴露表面上没有 接收层材料附着或者覆盖。这样使得官能化化学或生物基团、探针和 分析物可以附着到微球的暴露表面上。
上述通过物理凝胶化、化学交联或辐射制备部分交联的接收层的 方法被设计用于制备这种部分交联的接收层，所述接收层能够接收微 球，具有合适的物理性质以确保在流体悬浮液从该部分交联的接收层 蒸发形成阵列时，微球不会横向聚集。在确定微球是否发生横向聚集 时有两种重要因素。一个是迫使微球互相靠近的毛细力，如“Patterned Colloidal Deposition Controlled by Electrostatic and Capillary Forces”，J.Aizenberg，P.Branu和P.Wiltzius，Physical Review Letters，第84卷，No.13，2000所述。另一个是微球在该部分交联 的接收层中的凹进程度。施加在微球上的毛细力和流体悬浮液与微球 之间的界面表面能成比例。在流体悬浮液蒸发阶段，当流体悬浮液和 该部分交联的接收层的组合厚度可以和微球大小相比时，所述毛细力 往往导致微球在该部分交联的接收层中横向聚集。另一方面，微球和 该部分交联的接收层之间的表面力会导致微球凹进相对软的部分交 联的接收层，如同在“Surface Energy and the Contact of Elastic Solids”，K.Johnson等，Proc.R.Soc.Lond.，A.324，1971中所解释 的那样，从而允许微球充分浸没到部分交联的接收层里，以防止通过 蒸发去除流体悬浮液时出现横向聚集。
从上述讨论很容易发现，为了防止横向聚集，部分交联的接收层 的物理性能必须满足某些条件。如果部分交联的接收层硬，那么微球 在部分交联的接收层中的浸没就会非常浅，且可能发生微球的横向聚 集。另一方面，如果部分交联的接收层太软，那么对驱动微球横向聚 集的毛细力就几乎没有抵抗。部分交联的接收层抗变形的性能可以用 杨氏模量表示。可以确定部分交联的接收层杨氏模量的下限和上限， 在所述下限和上限内微球不发生横向聚集。在实施例部分，给出了确 定部分交联的接收层杨氏模量界限的方法。
本发明是基于聚合物微球的随机微阵列，阵列中的每个微球具有 将该微球和微阵列中其它微球区分开的不同标记。这种标记可以基于 微球的颜色、形状和大小，或其组合。对基于颜色的标记而言，可以 通过混合代表原色红、绿和蓝的三种染料产生颜色，以得到数千个具 有不同“颜色地址”(独特的RGB值，例如R＝0、G＝204、B＝153) 的可区分微球。制备的微球表面上可以具有“活性”位置，即在这些 位置上该微球和其它分子或化合物之间会发生物理或化学相互作 用。这些化合物可以是有机或无机的。所述分子或化合物的例子包括 有机核酸、蛋白质或其片段、或者离子化合物，包括例如金属离子和 盐。在每个微球的表面上，可以附着预合成的寡核苷酸、单克隆抗体 或任何其它生物或化学试剂。所以，每个微球地址，例如颜色可以对 应于特定的探针。这些微球可以等量混合，且可通过例如在单层内涂 覆这些混合的微球，来制备随机微阵列。
Edward Cohen和Edgar B.Gutoff在“Modern Coating And Drying Technology”第一章，Interfacial Engineering Series，v.1， VCH Publishers Inc.，New York，NY(1992)中广泛描述了涂覆微 球悬浮液的涂覆方法。合适的涂覆方法可以包括刮涂、叶片涂覆 (blade coating)、浸涂、棒涂(rod coating)、气刀涂覆(air knife coating)、照相凹版涂覆(gravure coating)、正向和反向辊涂(forward and reverse roll coating)和开槽与挤出涂覆(slot and extrusion coating)。可以加入本领域已知的各种涂覆助剂，以辅助将微球悬浮 液涂覆在基片上。例如，合适的涂覆助剂可以包括表面活性剂、稀释 剂或冲淡剂。
可以将荧光标记的、化学发光标记的或者两者都有的生物样品杂 交到该基于微球的随机微阵列中。来自可寻址聚合物微球以及用荧 光、化学发光或两者非选择性标记的生物样品的信号，可以在通过光 学系统放大图像后用电荷耦合设备进行分析。记录下来的阵列图像可 以通过图像处理算法自动分析，以得到基于每个微球“地址”的生物 活性探针信息，例如每个微球的颜色编码，且该信息可以和荧光/化 学发光图像进行比较，以检测和量化样品中的特定生物分析物材料。 为了确定标记，可以应用光学或其它电磁方法。
尽管形状基本为曲线的微球或颗粒由于制备容易而优选，但其它 形状的颗粒，比如椭圆体或立方体颗粒也可以采用。制备这些颗粒的 合适方法在本领域是公知的，且可以包括乳状液聚合法，例如 I.Piirma的“Emulsion Polymerization”，Academic Press，New York (1982)所述，或者有限聚结法，例如T.H.Whitesides和D.R.Ross 在J.Colloid Interface Science，vol.169，第48-59页，(1985)中所 述的。采用来制备颗粒或微球的具体聚合物是可以着色的水不混溶型 合成聚合物。优选聚合物是任何无定形水不混溶型聚合物。有用的聚 合物类型的例子是聚苯乙烯、聚(甲基丙烯酸甲酯)或聚(丙烯酸丁 酯)。也可以使用共聚物，比如苯乙烯和丙烯酸丁酯的共聚物。聚苯 乙烯共聚物使用起来方便。形成的微球可以采用不溶性着色剂着色， 该着色剂是在涂覆或后续处理过程中不溶解的颜料或染料。合适的染 料实际上可以是油溶性的染料。优选该染料当整合到微球中时是非荧 光的。
形成的微球理想的平均直径为1-100微米，例如，1-50微米，更 优选3-30微米，且最优选5-20微米。优选涂层中微球浓度是100- 1000000/cm2，更优选1000-200000/cm2，且最优选10000-100000/cm2。
微球可以在其表面上具有附着的化学或生物学官能团，以和所需 的分析物相互作用。添加化学或生物学官能团的方法在本领域是已知 的。
可以通过本领域公开的程序，例如Bangs Laboratories，Inc. Technote 205，Rev.003，30 MAR 02(Bangs Laboratories，Inc.， Fishers，IN)公开的方法，将生物活性剂附着到化学官能化的微球 表面。一些常用化学官能团包括但不限于羧基、氨基、羟基、酰肼、 酰胺、氯甲基、环氧、醛等。生物活性剂的例子包括但不限于寡核苷 酸、DNA和DNA片段、肽核酸(PNA)、肽、抗体、酶、蛋白质和 具有生物活性的合成分子。
下面将给出确定针对给定微球组合物的接收层的杨氏模量范围 的方法。
实施例
在下列实施例中，应用如同James E.Gentle在“Random Number Generation and Monte Carlo Methods(Statistics & Computing)”， Springer Verlag(1998)中所述的Monte Carlo模拟，来确定随机引 入的微球之间的距离。然后，将结果用于分析中以计算避免了微球横 向聚集的接收层的杨氏模量。
为了模拟本发明实现的微球随机分布，在1cm2面积的基片上随 机落上1000个直径为10μ的微球，从而不出现两个微球的重叠，如 图6所示。图6所示的微球之间的最近邻分开距离的分布如表1所 示，并且绘制在图7中。微球随机在基片上下落20次，且所有20次 模拟的平均值如表2所示。表2提供了每个最近邻分开距离的累积平 均值，等于由至少该分开距离分开的微球总数的百分比。
表2表明对本样品(1000微球/cm2；微球直径为10μ)而言，95％ 的微球和其最近邻的微球间距至少30μ。这个距离(对本情况而言是 30μ)称作“L”，且是至少95％的微球之间分开的最小测量距离。
对几种微球密度和微球直径的情况重复进行模拟，且每种情况的 L是通过对每种微球直径/密度组合如上所述重复超过20次的模拟来 确定的。结果总结在表3中。
利用表3的值，人们可以确定对于部分交联的接收层而言为了锚 定微球同时不出现横向聚集所需要的模量。作用在每个微球上并对横 向聚集有影响的垂直力P和横向力F如图8所示。垂直力P通过将 微球推进接收层里使其保持在适当位置。P由微球半径R和微球与部 分交联的接收层之间的界面表面能来确定，界面表面能用γ1表示， 如同K.L.Johnson等在Proc.R.Soc.，London A324，301(1971)所 教导的那样。力P由下式确定：
            P＝6πRγ1                   (1)
作用在每个微球以通过横向移动微球影响横向聚集的水平力F 由球半径R、微球之间的距离L和微球与含微球的流体悬浮液之间的 界面表面能确定，该界面表面能用γ2表示，如同Aizenburg等在 PHYS.REV.LTRS.，Vol.84，No.13，(2000)所教导的那样。横向 力F由下式确定：
$F=3\left(\frac{R^2}{L}\right){\gamma }_2---\left(2\right)$
从式(1)和式(2)可以发现，对给定的微球半径和微球之间的 距离L而言，表面能γ1和γ2确定了作用在每个微球上的垂直力和横 向力的量。
力P、力F和部分交联的接收层的杨氏模量之间的关系，确定了 微球在该部分交联的接收层里的锚定是否足以抵抗横向聚集。当微球 在流体悬浮液中涂覆到该部分交联的接收层上时，微球通过流体悬浮 液下沉到达部分交联的接收层上。取决于微球上的垂直力P和该部分 交联的接收层的杨氏模量之间的关系，微球至少部分穿入到该部分交 联的接收层里。当流体悬浮液通过蒸发去除并且流体悬浮液水平面变 得低于微球在该部分交联的接收层上的高度时，毛细力开始起作用， 从而产生横向力F。为了横向移动，微球需要使该部分交联的接收层 变形或者在该部分交联的接收层中穿过。这种移动受到该部分交联的 接收层抗变形能力的阻止，且这种阻止用该部分交联的接收层的杨氏 模量表示。材料的杨氏模量越高，抗变形能力越强，从而将微球在该 部分交联的接收层中保持在适当位置。如果该部分交联的接收层的杨 氏模量太低，那么该部分交联的接收层的流动性太好，从而微球很容 易移动，这样会导致横向聚集。如果该部分交联的接收层的杨氏模量 太高，那么微球就不能在该部分交联的接收层中充分穿入来阻止横向 移动，从而使微球沿着该部分交联的接收层的表面滑动而不是使其变 形。
为了确定避免横向聚集所需的接收层的杨氏模量，采用了有限元 分析。根据常规有限元分析技术，通过将微球和层分成离散单元(也 称作网格)来形成微球和接收层的几何表示。对于给定垂直力和横向 力而言，有限元分析确定了对选定的杨氏模量值而言，微球是保持静 止还是横向移动形成聚集体。该分析得到了较低的范围，或者下限， 其是微球不移动的最低模量，和较高的范围，或者上限，是微球不会 移动的最高模量。结果可以作为模量对γ1/γ2比的函数作图，如图9 所示。
如图9所示(微球数/cm2＝1000，微球直径＝10μ，L＝30μ)， 防止微球聚集同时使其保持在适当位置的部分交联的接收层的理想 杨氏模量在该下限和上限之间的区域内。结果取决于微球和该部分交 联的接收层之间的界面表面能γ1以及微球和流体悬浮液之间的界面 表面能γ2。界面表面能γ1和γ2由微球、流体悬浮液和部分交联的 接收层的材料性质推导出来，并表示作用在微球上的力(参见式1和 式2)。例如，在图9中，当γ1和γ2的比值等于2时，部分交联 的接收层的模量应该是1MPa-55MPa。图10-14给出了表3中其它微 球直径和密度情况的结果。为实用目的，模量下限可以选为1MPa。 模量的上限和下限可以根据单位面积的微球数、微球半径和分开距离 L，利用本文给出的式子进行最优化。
表1 最近邻分开距离，μ   微球数 最近邻分开距离，μ   微球数 0-10   10 350-360   4 10-20   27 360-370   1 20-30   10 370-380   0 30-40   27 380-390   1 40-50   32 390-400   3 50-60   16 400-410   0 60-70   38 410-420   1 70-80   36 420-430   2 80-90   41 430-440   0 90-100   37 440-450   2 100-110   40 450-460   0 110-120   48 460-470   0 120-130   55 470-480   1 130-140   50 480-490   0 140-150   66 490-500   0 150-160   49 500-510   0 160-170   37 510-520   0 170-180   35 520-530   0 180-190   44 530-540   0 190-200   32 540-550   0 200-210   43 550-560   0 210-220   39 560-570   1 220-230   22 570-580   0 230-240   26 580-590   0 240-250   16 590-600   0 250-260   24 600-610   0 260-270   11 610-620   0 270-280   18 620-630   0 280-290   15 630-640   0 290-300   11 640-650   0 300-310   4 650-660   0 310-320   6 660-670   0 320-330   8 670-680   0 330-340   6 680-690   0 340-350   5 690-700   0 总数   1000
表2   最近邻   分开距离，μ   微球数   累积   平均值   最近邻   分开距离，μ   微球数   累积   平均值   0-10   9.4   100   350-360   3.4   2.145   10-20   16.65   99.06   360-370   2.55   1.805   20-30   22.4   97.395   370-380   2.8   1.55   30-40   25.3   95.155   380-390   2.6   1.27   40-50   32.9   92.625   390-400   1.45   1.01   50-60   34.6   89.335   400-410   1.8   0.865   60-70   37.4   85.875   410-420   1.15   0.685   70-80   39.55   82.135   420-430   1.45   0.57   80-90   42.55   78.18   430-440   0.9   0.425   90-100   42.05   73.925   440-450   0.55   0.335   100-110   45.8   69.72   450-460   0.7   0.28   110-120   47.5   65.14   460-470   0.45   0.21   120-130   49.3   60.39   470-480   0.6   0.165   130-140   52.2   55.46   480-490   0.3   0.105   140-150   45.7   50.24   490-500   0.1   0.075   150-160   47.0   45.67   500-510   0.2   0.065   160-170   40.15   40.97   510-520   0.1   0.045   170-180   39.15   36.955   520-530   0.05   0.035   180-190   37.2   33.04   530-540   0   0.03   190-200   32.4   29.32   540-550   0   0.03   200-210   31.5   26.08   550-560   0.05   0.03   210-220   28.05   22.93   560-570   0.05   0.025   220-230   28.65   20.125   570-580   0   0.02   230-240   25.95   17.26   580-590   0.05   0.02   240-250   21.5   14.665   590-600   0   0.015   250-260   17.85   12.515   600-610   0.05   0.015   260-270   14.8   10.73   610-620   0.05   0.01   270-280   16.1   9.25   620-630   0   0.005   280-290   11.35   7.64   630-640   0   0.005   290-300   9.75   6.505   640-650   0   0.005   300-310   7.8   5.53   650-660   0   0.005   310-320   8.85   4.75   660-670   0   0.005   320-330   6.75   3.865   670-680   0.05   0.005   330-340   6.1   3.19   680-690   0   0   340-350   4.35   2.58   690-700   0   0
表3   微球数/cm2 微球直径，μ   L，μ   1000 5   30*   1000 10   30**   1000 15   20*   1000 20   20*   10000 10   5*   10000 20   2.5*
*96％微球和其最近邻分开的距离＞L
**95％微球和其最近邻分开的距离＞L
本发明已经具体参考某些实施方案进行了详细描述。在本发明精 神和范围内，可以实施改变和修改。
部件列表
1、载体
2、流体层
3、微球(珠子)
4、凝胶
5、微阵列
6、交联流体层
7、胶凝剂薄膜
8、非交联胶凝剂
9、接收层
10、部分交联的接收层
11、流体悬浮液
12、化学交联的接收层
13、辐射
14、溶胶-凝胶转变的接收层