在现在的诊断和研究领域，尤其是需要对基因信息进行获取和分析的场合，高密 度、高通量的生物学或是生物化学分析已经成为必需的研究工具。这些分析方法往往 都需要在固相的介质上进行。常见的在固相介质上进行的定量分析的例子包括通过酶 联免疫吸附分析(ELISA)方法对抗原进行测定，或是通过杂交的方法确定mRNA的表 达水平。虽然通常上述的固相介质都是采用球状珠体或是平面阵列两种形式，其实这 些固相介质可以采取任意适当的形式，而不仅仅限于上述两种。
平面方式的固相介质例如基于玻片或是芯片形式的阵列可以将捕获分子，例如抗 体、cDNA或是其它的已知的捕获分子等固定在特定的位置上。固相介质的表面可以通 过清洗非常容易的去除没有结合的物质。将待分析物的混合物加入固相介质进行反 应，待分析物可以被捕获在介质的表面，并通过通用的标记，例如荧光染料，进行检 测。待分析物的鉴定可以通过捕获该待分析物的捕获分子在介质上的位置信息来实 现。由于阵列具有平坦的表面，相对于珠体的检测设备而言，阵列的检测设备更容易 设计，并且造价也相对较低。平面阵列的一大难点在于将捕获分子准确的放置在平面 的特定位置。为了解决这个问题，分别出现了机械手点样(Schena et al.Quantitative monitoring of gene expression patterns with a complementary DNA microarray. Science，270：467-470(1995))、光刻(Fodor et al.Light-directed，spatially addressable parallel chemical synthesis.Science，251：767-773(1991))和喷 墨技术(Blanchard et al.High-density oligonucleotide arrays.Biosensors Bioelectronics，6/7：687-690(1996))。但是这些方法都存在一定的局限性。为了 制造出高密度的阵列(超过1000点/cm2)需要使用昂贵的仪器。而且一旦阵列制作完 毕以后，无法对样品的排布进行改变，例如用一种cDNA替换阵列中的捕获cDNA。如 果要改变样品的排布，需要重新制作阵列，这就大大增加了成本。固定在平面介质上 的分子相对于自由分布在溶液中的分子，反应的效率较低。
使用微小颗粒的表面作为固相介质可以克服上述问题。微小颗粒常常选择球形珠 体，因为它们具有均一的几何外形，相互之间也不易发生相互的作用。使用微小颗粒 的问题在于微小颗粒难以单独识别，因为珠体的混合物不像阵列上的探针一样具有分 立的特定的位置信息。为了解决这个问题，已经出现了一些对珠体进行编码以便于对 珠体进行单个识别的方法。一些公司，例如Luminex公司通过在珠体中掺入不同的荧 光染料的混合物使得珠体可进行光识别鉴定。与这种方法类似，一些研究者在珠体中 掺入其它不同的可光识别的物质(例如量子点)使得珠体可进行光识别鉴定(Han et al.Quantum-dot-tagged microbeads for multiplexed optical coding of biomolecules.Nature Biotechnology，19：631-635(2001))。量子点，这种纳米尺 度的微型颗粒还可以用以珠体的检测。量子点特殊的光学性质和量子点的组成和尺寸 相关。可以根据具体的需要制作出不同尺寸和组成的量子点。量子点可以吸收光，然 后立刻以另外一种频率发射出光。量子点最重要的性质在于，只要适当的改变量子点 的尺寸，就可以使得量子点吸收或是发射出特定频率的光。Genicon科技公司(它们 的共振光散射”RLS”微粒具有纳米级的尺度，并且具有”共振光散射(resonance light scattering)”性质)也研制了具有可光识别性质的微米级和纳米级的珠体。 但是，无论使用上述的哪一种方法都难以制作出1,000种以上的具有不同编码标记的 珠体。
组合化学中也常常用到珠体形式的固相介质。在一种珠体/一种化合物的合成过 程中(也称为分离和混合过程)(Lam et al.The″one-bead-one-compound″ combinatorial library method.Chem.Rev.，97：411-448(1997))，可以产生出含 有超过108种不同分子的大型化合物库。珠体的识别是通过珠体上的复合物实现的。 同组的珠体上带有相同的复合物标记的”茶袋”以区分不同种类的珠体。最近，IRORI 公司把”茶袋”标记扩展成带有电磁波发射器的小腔体或是带有光学编码表面的小 腔体。但是使用这项技术构建的化合物库大约只含有10,000种不同的化合物，单个 小腔体大约占据0.25ml的体积，而且这项技术也不适用于高通量筛选的场合。 PharmaSeq公司也使用带有电磁波发射器的器件。这些器件的尺寸为250微米×250 微米×100微米。通过光化学光刻的方法(如Affymetrix使用的技术)可以在平面上 直接合成出更大的化合物库，形成平面阵列。但是这种方法由于大大受限于合成的成 本和光化学合成过程中多步合成的效率问题(McGall et al.The efficiency of light-directed synthesis of DNA arrays on glass substrates.J.Am.Chem.Soc.， 1 19：5081-5090(1997))，一般只适用于寡核苷酸的合成。过去30多年以来，科学 家已经得到了大量的不同的可以用于珠体表面化合物合成的化学试剂敏感的保护基 团，而可以用于化合物合成的光敏保护基团的种类却非常有限。最近，SmartBeads 科技公司推出了微加工制作的带有条形编码的微粒产品(尺寸为100微米×10微米×1 微米)，该微粒可以使用流式读数器进行解码识别。这种微加工制作的微粒上可以很 容易的制作上具有无限多种编码的标记。这种方法的难点在于如何简单的分析这些带 有编码的微粒的混合物。和原先常用的球形珠体相比，这种带有编码的珠体具有一个 平面，就比较容易发生聚集合重叠的现象，比较难以分散。
Nicewarner-Pena等，最近报道了一种合成由多种金属形成的亚微米级条纹构成 的编码的方法(Nicewarner-Pena et al.，Science，294(5540)：137-41(2001))。 通过在底板上先后使用电化学方法沉积不同的金属离子，可以在底板上形成条纹图 案。不同的条纹由不同的金属材料组成，具有不同的反射率，这样的条纹编码可以通 过实验室常见的光学显微镜识别。在进行DNA和蛋白质的生物分析时，常常需要通过 荧光的方法对亲和结合在珠体上的分析物进行检测，上述的这种编码读出的机制并不 会干扰荧光的检测。
综合了平面阵列和编码微颗粒两者的优点的系统可以克服现有方法的局限性。 Illumina公司已经进行了这样的尝试。他们提出了使用微珠体和刻蚀的玻璃纤维制作 阵列的方法(Ferguson et al.High-density fiber-optic DNA random microsphere array.Anal.Chem.，72：5618-5624(2000))。但是，Illumina公司的使用基于荧光 编码的寡核苷酸微珠体的方法仍然受限于可以获得的不同微珠体的数量。BioArray Solutions公司使用的是LEAPS(Light-controlled Electrokinetic Assembly of Particles near Surfaces)方法在表面形成珠体阵列(WO 97/40385)。但是，这种 LEAPS的方法仍然容易遇到困扰大多数基于珠体的技术的问题，就是可以获得的编码 的种类的数量有限。
因此，急需研究出一种综合了微加工制作的微粒和平面分立阵列优点的微型器 件，以满足生产和实践的需要。

本发明的目的是提供一种微型器件。
本发明提供的微型器件，包括：a)可磁化的基底材料；b)制作在上述基底材料上 的可光识别的编码图案；c)一个磁化轴。
在某一实际应用中，本发明的微型器件的编码部分不是通过铂、钯、镍、钴、银、 铜或是金实现的；在另一实际应用中本发明的微型器件的组成材料不包括铂、钯、镍、 钴、银、铜或是金。
所述微型器件可以使用任何适宜的可磁化材料制作。例如，可以使用顺磁性物质、 铁磁性物质或是亚铁磁性物质。所述微型器件也可以由合适的金属材料制成，例如可 以使用过渡族的金属元素：铁、镍、铜、钴、钨、钽、锆或是其合金物质，例如钴- 钽-锆合金(CoTaZr alloy)。实际应用中，磁性物质使用的是金属氧化物。
所述微型器件还包括一个非可磁化材料制成的基底。这些非可磁化材料可以是任 何适当材料如硅材料(硅、二氧化硅、氮化硅)、塑料、玻璃、陶瓷、橡胶、多聚物、 氧化铝、铝、金、钛等或是它们的复合物。所述可磁化的基底材料可以以任意适当的 方式连接到基底上去。例如，所述可磁化的基底材料可以是所述基底的一部分，也可 以通过沉积、粘结等方式连接到所述基底上。
所述基底可以是多层结构，例如3层、4层或是更多层。例如，所述基底可以是 三层结构，顶层和底层可以使用同一种材料制作，例如二氧化硅(或是玻璃)，而中 间层是由磁性材料制作的。当然，顶层和底层也可以使用不同的材料制作。
所述基底的表面可以是疏水的也可以是亲水的。所述基底可以制成任何适当的形 状，例如球体、正方形、矩形、三角形、圆盘状、立方体、平行六面体、圆锥体、圆 柱体、棱台或是其它规则或是不规则的形状。所述基底可以采取任何适当的尺寸，例 如所述基底的厚度可以介于0.1微米至500微米；最好厚度介于1微米至200微米之 间；最佳的厚度介于1微米至50微米之间。例如，所述基底可以是矩形，面积介于 10平方微米至1,000,000平方微米(1000微米乘1000微米)之间。所述基底也可以 是圆形，直径介于10微米至500微米之间。所述基底也可以是立方体结构，边长介 于10微米至100微米之间。所述基底还可以是一种不规则的形状，特征尺寸介于1 微米至500微米之间。所述基底可以包括硅层、金属层和多聚物层。所述基底也可以 包括硅层和金属层，例如一个铝层。最好，金属层包括磁性物质，例如镍或是CoTaZr(Cobalt-Tantalum-Zirconium)合金。
任何可被光识别的性质都可以作为编码图案的特征。例如，所述可光识别的图案 可以通过物质本身的组成给出：在所述基底材料上打出的孔；在所述基底材料上按照 一定的方式固定上和基底具有不同光学性质的其它材料。所述可光学识别的编码图案 的编码方式可以基于所述基底本身或是基底上打出的孔或是固定、放置在基底材料上 的物质的图形、数量、位置分布、光学性质、物质组成或是上述方式的组合。例如， 所述基底可以是4层结构，顶层和底层可以使用同一种材料制作，例如二氧化硅(或 是玻璃)，其中一层中间层是由磁性材料制作的，例如磁性合金。另外一层中间层上 带有可光识别的编码，作为编码层。最好，所述磁性层和编码层不相互重叠，至少不 要完全重叠，以免影响对编码层上的编码的光学检测。当然，所述顶层和底层也可以 使用不同的材料制作。所述编码可以是数字、字母、结构图案、一维或是二维的条码 等等。
所述微型器件可以仅仅带有一个可光识别的编码图案，但是所述微型器件也可以 带有多个可光识别的编码图案，例如，一组在所述基底上打出的孔或是一组排列在所 述基底上的与所述基底具有不同光学性质的物质构成的编码。
为了便于对光学编码图案进行光学分析，所述微型器件上最好带有定位用的标 记。例如，对于圆盘状的微型器件，当微型器件平放时，很难分辨微型器件的正面或 是反面，这样就会给识别造成困难。而通过定位标记就可以确定哪一面是具有编码图 案的正面。
所述可光识别的编码图案可以使用任何适当的技术制作在所述基底上。例如，可 以使用微加工技术。适用的微加工技术包括掩模刻蚀技术，例如光刻蚀、电子束刻蚀 和X射线刻蚀(可参见世界专利WO 96/39937和美国专利U.S.Patent Nos.5,651,900， 5,893,974和5,660,680)。可以使用微机工技术直接在基底上制作出所需的编码图案， 例如数字、字母、结构图案、一维或是二维的条码。图8给出了一些这样的微型器件 的编码的例子。图中给出了已经制作好的，但是还没有从硅片上取下的微型盘片。放 大倍数大约400倍。A是带有矩形磁棒和2D矩阵编码的微型盘片；B是带有矩形但是 具有尖锐末端的磁棒的微型盘片，编码采用的是3字符编码；C是带有矩形磁棒但是 具有3头末端的微型盘片，编码方式是1D的条形码；D是带有矩形磁棒和4字符编码 的微型盘片。
如果使用与所述基底材料具有不同光学性质的材料制作编码图案，可以使用任何 适当的方法将这种材料排列/固定在所述基底上。例如，可以通过溅射或是气相沉积 的技术。这种材料可以直接或是通过某种连接物，例如可切割的连接物排列或是固定 在所述基底上。可以使用微加工技术直接在所述基底上制作出所需的编码图案，例如 数字、字母、结构图案、一维或是二维的条码。这种材料可以通过共价连接或是非共 价连接的方式排列或是固定在所述基底上。这种材料可以通过特异的或是非特异的结 合的方式排列或是固定在所述基底上。
任何适当的光学标记物都可以用于本发明。例如，这样的光学标记物可以是由铜、 铝、金和铂等金属制成的金属膜构成的可光学识别的编码图案，这些编码图案可以是 数字、字母、结构图案、一维或是二维的条码。这样的光学标记物可以是荧光物质、 可散射光检测的微粒(参见美国专利No.6,214,560)和量子点(美国专利No. 6,252,664)等作为上述的光学标记物。
本发明可以使用适当的量子点材料。例如，所述量子点可以是镉-X(Cd-X)核 心结构，其中X代表硒(Se)、硫(S)或是碲(Te)。所述量子点还可以进一步包裹一 层无机物进行钝化，包裹层是Y-Z型结构，其中Y代表镉或是锌，Z代表硫或是硒。 最好，量子点的结构是一个镉-X(Cd-X)核心结构，其中X代表硒(Se)、硫(S)或 是碲(Te)；和一个Y-Z型结构，其中Y代表镉或是锌，Z代表硫或是硒；另外外层再 包裹一层三烷基膦氧化物，得到CdX核心/YZ外壳结构的量子点。
所述CdX核心/YZ外壳结构的量子点可以采取适当的方法使得制作出的量子点具 有水溶性。一种方法是用一层水溶性材料代替所述CdX核心/YZ外壳结构的量子点的 外层包裹物。例如，可以使用巯基羧基酸代替量子点外层的三烷基膦氧化物。具体的 操作就是使用大量的巯基羧基酸处理量子点。也可以使用含有大量巯基羧基酸的 CHCl3溶液处理量子点(可参见Chan and Nie，Science，281：2016-2018(1998))。 包裹层分子中的巯基可以与量子点形成在溶液中比较稳定的Cd(Zn)-S键。另外一种 使得所述CdX核心/YZ外壳结构的量子点具有水溶性的处理方法是对量子点进行硅烷 化处理(可参见Bruchez et al.，Science，281：2013-2015(1998))。对纳米材料表 面进行硅烷化可以使得材料具有水溶性，还可以对硅烷化的表面进一步进行化学修 饰。一般而言，这些“水溶性”的量子点材料仍然需要进行进一步的功能化以使得量 子点在水溶液中和暴露在光照和空气(氧气)的情况下足够稳定，以便于应用于荧光 检测系统(可参见美国专利No.6,114,038)。因为量子点材料独特的荧光性质(例如， 但不仅仅限于，高量子产率、不易被光漂白、在复杂的水溶液系统中具有稳定性等等)， 在检测中，水溶性量子点材料非常灵敏。量子点材料的另一优点是，可以制作出一系 列量子点材料，他们在同一激发光照射下，可以发射出不同的荧光。
适用于本发明的量子点可以采用任何适当的尺寸。例如，量子点的尺寸可以从1 纳米至100纳米。
本发明中使用的微型器件可以仅仅包含一种量子点，也可以包含多种量子点。例 如可以包含至少两种具有不同尺寸和不同荧光的量子点。
本发明中使用的微型器件可以仅仅包含一种光学标记物，也可以包含多种光学标 记物。例如可以包含至少两种不同的光学标记物。
本发明的微型器件可以包含有电导的或是可被介电极化物质。这些加入微型器件 的电导的或是可被介电极化物质可以改变整个微型器件的电学或是介电性质，从而影 响外加电场和微型器件之间的相互作用，影响微型器件所受到的外加电场诱导力(例 如介电电泳力、行波介电电泳力等)。
为了实现使用所述微型器件进行分离、操纵或是检测的目的，需要对微型器件的 材料、组成、结构、尺寸等参数进行恰当选择。例如，可以使用所述微型器件从混合 物中分离特定的分子。如果使用介电电泳力进行分离，则所述微型器件应该具有一定 的介电特性。如果使用磁场力进行分离或是操纵，则所述微型器件中制作材料中应该 含有磁性物质，例如铁磁性或是亚铁磁性材料。
所述微型器件上可以带有用以结合待分离/操纵/检测的实体分子的结合物。最 好，结合物本身可以特异的识别并结合对应的实体分子。在本发明的描述中，提及结 合物的场合中，结合物代表结合物和微型器件复合物。例如，如果描述中提到结合物 和实体分子形成的复合物，其实是指连接在微型器件上的结合物和实体分子形成的复 合物。    
在这里，结合物可以使用任何适当的物质(可参见申请过程中的美国专利申请 U.S.Patent Application Serial Nos.09/636,104，2000年8月10日递交和09/679, 024，2000年10月4日递交)。结合物可以是细胞如动物、植物、真菌或细菌细胞； 细胞器如细胞核、线粒体、叶绿体、核糖体、内质网、高尔基体、溶酶体、蛋白酶体、 囊泡、液泡或微体；病毒、微粒或者它们的聚合物或复合体。结合物还可以是固定在 微型器件表面上的分子。例如，结合在微型器件表面上的抗体分子。结合有抗体分子 的微型器件可以用以从分子混合物中捕获靶蛋白，也可以用以从细胞混合物中捕获靶 细胞。所述微型器件的表面也可以固定Oligo-dT(例如由25个T组成的核酸分子)。 结合有Oligo-dT的微型器件可以用以从分子混合物中分离mRNA。为了捕获DNA分子， 还可以使用其它的结合物。核酸片断，例如DNA，RNA；肽核酸序列都可以用以和靶核 酸(DNA，RNA)或是肽核酸杂交。所述微型器件的表面可以连接有或是结合有分子或 是官能基团等结合物，这样微型器件的表面就形成了一层可以进行各种化学的/生化 的/生物学的反应的功能层。通过各种反应，实体分子可以结合在微型器件的表面， 从而通过对微型器件的操作进行下一步的对实体分子的操纵、分离或是检测。微型器 件表面的功能层也使得直接在微型器件的表面进行合成反应成为可能。这样的合成可 以是合成核酸(例如DNA和RNA)，也可以是合成多肽或是蛋白质。这样的功能层表面 包括，但不仅仅限于，修饰了羧基、氨基、羟基、巯基、环氧基、酯基、烯基、炔基、 烷基、芳香基、醛基、酮基等基团或是它们的衍生物的表面。
所述微型器件的选择和具体的分离、操纵和检测方式有关。例如，当使用介电电 泳力从混合物中分离靶分子的时候，微型器件或是结合物的介电性质必须和混合物中 的其它分子有较大的区别，这样，当结合物和靶实体分子结合时，实体分子-结合物- 微型器件复合物就可以通过介电电泳进行选择性的操纵。例如，当需要从混合物中分 离癌细胞时，癌细胞的介电性质和正常细胞非常接近，几乎所有的细胞都具有相似的 介电性质，例如都呈负向介电电泳。在这种情况下，微型器件或是结合物应该使用比 介质更容易被极化的材料制作，以呈正向介电电泳。这样，就可以使用正向介电电泳 力选择性的操纵微型器件-结合物-癌细胞复合物，而其它的细胞受到负向介电电泳力。
微型器件可以仅仅包含一种结合物，也可以包含多种结合物以适用于高通量分 离、操纵和检测的场合。
因为微型器件含有可磁化物质，那么微型器件、微型器件-实体分子复合物或是 微型器件-结合物-实体分子复合物可以在磁场力的作用下发生旋转、移动或是被操 纵。磁场力指的是由于磁场的存在而使微粒等实体分子所受到的力。一般来说，要想 有足够的磁场力来操纵粒子，粒子必须具有磁性(例如具有顺磁性或是铁磁性)，或 是能够被磁化或极化。我们来考察一个由超顺磁性物质组成的典型磁性微粒的例子， 当这种粒子被放到磁场 B时，粒子就会产生磁偶极 μ，
$\bar{\mu }=V_p({\chi }_p-{\chi }_m)\frac{\bar{B}}{{\mu }_m},$
$=V_p({\chi }_p-{\chi }_m){\bar{H}}_m$
其中，Vp是粒子的体积，χp和χm分别是粒子及其周围介质的磁化系数，μm是 介质的磁透过行， Hm是磁场强度。加在粒子上的磁场力 Fmagnetic可以通过瞬间磁偶极和 磁场梯度得到 ${\bar{F}}_{\mathrm{magnetic}}=-0.5V_p({\chi }_p-{\chi }_m){\stackrel{\omega }{H}}_m·▿{\stackrel{\rho }{B}}_m,$
其中符号“·”和“”分别指的是点乘和梯度运算。很明显是否有磁场力加 在微粒上取决于粒子和其周围介质间的磁化系数。一般粒子是被悬于非磁性的液体介 质中(其磁化系数接近于零)，因此必须利用磁性微粒(其磁化系数远大于0)。在磁 场力与粘附力达到平衡时粒子的速度vparticle可由下式给出
$v_{\mathrm{particle}}=\frac{{\bar{F}}_{\mathrm{magnetic}}}{6{\mathrm{\pi r\eta }}_m}$
其中，r是粒子的半径，ηm使周围介质的粘性。因此，为得到足够大的磁操纵力， 必须考虑以下因素：(1)粒子的磁化性应最佳化，(2)磁场强度应最大化，(3)磁场 的场强梯度应最佳化。
顺磁性微粒是指那些在外部磁场作用下可以感生出磁偶极子，当磁场撤去后，磁 偶极子又可以回归为零的微粒。在本发明的应用中，可以使用市售的顺磁性微粒或是 磁性微粒。这些微粒的尺寸一般介于亚微米级(50纳米至0.5纳米)至数十微米之间。 这些微粒具有不同的结构和组成。一种微粒由铁磁性材料制成，外面包裹着多聚物层， 例如聚苯乙烯层。另一类微粒是在多孔状的珠体(例如聚苯乙烯珠体)的孔隙中填充 了铁磁性纳米微粒。这两类微粒的表面可以是不加修饰的聚苯乙烯，也可以经过修饰 以便于连接各种分子。还有一种微粒，是在制作过程的聚合步骤中均匀的掺入亚铁磁 性物质制成。这样，本发明的微型器件中含有这些顺磁性或是磁性微粒，使得微型器 件含有可以被磁化的组成部分。
所述微型器件可以使用任何适宜的可磁化材料制作。例如，可以使用顺磁性物质、 铁磁性物质、亚铁磁性物质或是超顺磁性物质直接连接或是制作在微型器件上。微型 器件也可以由合适的金属材料制成，例如可以使用过渡族的金属元素：铁、镍、铜、 钴、钨、钽、锆或是其合金物质，例如钴-钽-锆合金(CoTaZr alloy)。可是使用各 种方法，例如电镀(如制作铁-镍合金)或是溅射(如制作钴-钽-锆合金)的方法制 作可磁化物质。美国专利申请″Individually Addressable Micro-Electromagnetic Unit Array Chips in Horizontal Configurations″(Wu et al.，申请编号09/685,410， 申请日期2000年10月10日)中给出了多种制作可磁化物质(顺磁性物质和铁磁性 物质等)的方法。
磁性微粒、微型器件、微型器件-实体分子复合物或是微型器件-结合物-实体分 子复合物的旋转或是被操纵需要先产生一个磁场。能被磁场力操纵的微粒应该具有较 大的磁化系数。另外，在磁场撤去以后，该微粒应该不留剩磁或是带有少量的剩磁。 可以使用微电磁单元产生上述所需的磁场。当对微电磁单元施加电流时，该电磁单元 可以感生出磁场。控制施加在微电磁单元上的电流，就可以控制磁场的分布。微电磁 单元的结构和尺寸可以根据所需的磁场进行设计。对磁性微粒的操纵包括直线运动、 聚焦运动、诱导运动等。磁性微粒在磁场中的运动被称为“磁泳”。用于细胞分离和 其他用途的有关磁泳的理论和实例可以在许多文献中见到。如：Magnetic Microspheres in Cell Separation，by Kronick，P.L.in Methods of Cell Separation，Volume 3，edited by N.Catsimpoolas，1980，pages 115-139；Use of magnetic techniques for the isolation of cells，by Safarik I.And Safarikova M.，in J.of Chromatography，1999，Volume 722(B)，pages 33-53；A fully integrated micromachined magnetic particle separator，by Ahn C.H.et al.， in J.of Microelectromechanical systems，1996，Volume 5，pages 151-157。
所述微型器件还可以包含一个便于对微型器件/实体分子-微型器件复合物操纵 或是使得对微型器件/实体分子-微型器件复合物操纵成为可能的单元。这个单元可以 由导电材料制作，以被介电电泳力操纵；由高/低声阻尼性质的材料制作，以受到声 场力的操纵；由带电材料制作，以受到静电力的操纵。这个单元可以是细胞、细胞器、 病毒、微粒、分子聚集物或是它们的复合体。另外，申请中的美国专利申请U.S.Patent Application Serial No.09/636,104(2000年8月10日递交)中提及的结合物也可 以用作上述的单元。这样的物质可以是，但不仅仅限于，通过沉积或是其它工艺制作 的具有特殊物理化学性质的物质。这样的物质可以是由金、铬、钛或是铂等金属制作 的金属膜，它们不仅可以作为微型器件的组成材料，还可以增加微型器件的电导率。 这样的物质还可以是聚苯乙烯等塑料聚合物这些绝缘物质，它们不仅可以作为微型器 件的组成材料，还可以降低微型器件的电导率。
上述的微型器件中的单元，可以便于对微型器件/实体分子-微型器件复合物通过 合适的物理场进行操纵，或是使得对微型器件/实体分子-微型器件复合物使用合适的 物理场进行操纵成为可能。这样的物理场可以参见申请过程中的美国专利申请U.S. Patent Application Serial No.09/636,104(2000年8月10日递交)。例如，可以 是介电电泳力、行波介电电泳力、磁场力(在铁磁性物质或是微电磁单元产生的磁场 中)、声场力(在驻波场或是行波场中)、静电力(例如在直流电场中)、机械力(例 如液体剪切力)、光辐射力(由光镊的光压产生)等等。
介电电泳是极化微粒(微型器件、微型器件-实体分子复合物或是微型器件-结合 物-实体分子复合物)在非均匀幅值电场中的运动。当微粒置入电场，如果微粒和其 周围介质的介电性质存在一定的差异，微粒就会被极化。这样，在微粒-介质界面就 会诱导出电荷。如果外加电场是非均匀的交流电场，那么，微粒被诱导出的电荷与外 加电场相互作用，就会使微粒受到的净作用力不为零，从而使微粒向强场或是弱场区 域移动。微粒所受到的净作用力称为介电电泳力，而微粒的运动被称为介电电泳。微 粒所受的介电电泳力由微粒本身的介电性质、微粒周围介质的介电性质、外加电场的 频率、幅值分布决定。
行波介电电泳和上述的介电电泳相似，行波电场作用于微粒上带有的由电场引发 的极化电荷，从而使得微粒(微型器件、微型器件-实体分子复合物或是微型器件-结 合物-实体分子复合物)受到相应的作用力，使得微粒沿着或是逆着行波电场的传递 方向运动。微粒所受的行波介电电泳力由微粒本身的介电性质、微粒周围介质的介电 性质、行波电场的频率、幅值和相位分布决定。介电电泳和行波介电电泳的理论和使 用介电电泳对微粒进行操纵的方法可以参见以下参考文献：“Non-uniform Spatial Distributions of Both the Magnitude and Phase of AC Electric Fields determine Dielectrophoretic Forces”Wang et al.Biochim.Biophys.Acta 1243：185-194 (1995)；“Dielectrophoretic Manipulation of Particles”Wang et al.IEEE Transaction on Industry Applications 33：660-669(1997)；“Electrokinetic behavior of colloidal particles in traveling electric fields：studies using yeast cells”Huang et al.J.Phys.D：Appl.Phys.26：1528-1535；“Positioning and manipulation of cells and microparticles using miniaturized electric field traps and traveling waves”Fuhr et al.Sensors and Materials 7：131-146； “Dielectrophoretic manipulation of cells using spiral electrodes”Wang et al.Biophys.J.72：1887-1899(1997)；“Separation of human breast cancer cells from blood bv differential dielectric affinity”Becker et al.Proc. Natl.Acad.Sci.92：860-864(1995)。使用介电电泳和行波介电电泳对微粒的操 纵方式包括浓缩、聚集、捕获、推斥、悬浮、分离，或是使微粒作线性或其它定向的 运动。微粒可被捕获、富集在反应池中的特定区域。微粒可以在精细水平上被细分为 各个亚类，也可以在一定的距离上得到输运。用于特异微粒操纵所需的电场分布可以 通过相关的介电电泳理论和电场模拟方法进行设计，具体应用中电场的分布由电极的 尺寸和几何形状决定。
非均匀电场中，半径为r的微粒受到的介电电泳力FDEPz可以表示为：
$F_{\mathrm{DEP\; z}}=2{\mathrm{\pi ϵ}}_m{r}^3{\chi }_{\mathrm{DEP}}▿E_{\mathrm{rms}}^2·{\stackrel{\rho }{a}}_z$
其中Erms是场强的均方根值，符号是表示梯度操作的符号，εm是介质的介电系 数。χDEP是微粒的极化因子，可以表示为：
${\chi }_{\mathrm{DEP}}=\mathrm{Re}\left(\frac{{ϵ}_p^{*}-{ϵ}_m^{*}}{{ϵ}_p^{*}+{2ϵ}_m^{*}}\right)$
这里Re指复数的实部，符号εx *＝εx-jσx/(2πf)是复式介电系数(其中x＝p对应 于微粒，x＝m对应于介质)。参数εp、σp分别是微粒的有效介电系数和电导率(可能 与外加频率有关)。例如，典型的生物细胞将具有与频率相关的电导率和介电系数(至 少部分上是由于细胞质膜极化引发的)。
以上描述介电电泳力的公式还可表示为
$F_{\mathrm{DEP\; z}}=2{\mathrm{\pi ϵ}}_m{r}^3{\chi }_{\mathrm{DEP}}{V}^{2}p\left(z\right){\stackrel{\rho }{a}}_z$
其中p(z)是电极上单位电压激励(电压V＝1V)的电场值平方的分布，V是外加 电压。
通常有两种形式的介电电泳，正向介电电泳和负向介电电泳。在正向介电电泳中， 微粒受介电电泳力的作用向强场区域运动。在负向介电电泳中，微粒受介电电泳力的 作用向弱场区域运动。微粒作正向还是负向介电电泳，是由微粒和介质的相对极化程 度决定的。
行波介电电泳力指的是实体分子(微粒或分子)处于行波电场中而受到的力。行 波电场的特点是其交流电场分量的相位值是不均匀分布的。
在此，我们分析一个理想的行波电场的行波介电电场力。在行波电场 $E_{\mathrm{TWD}}=E\cos \left(2\pi (\mathrm{ft}-z/{\lambda }_0)\right){\stackrel{\rho }{a}}_x$ (例如一个x方向的电场沿z方向运行时)中作用于半径 为r的粒子的介电电泳力FTWD介电电泳可以由公式 $F_{\mathrm{TWD}}=-2\pi {ϵ}_m{r}^3{\zeta }_{\mathrm{TWD}}{E}^2·{\stackrel{\rho }{a}}_z$ 给出，其中E是场强、εm是介质的介电常数、ζTWD是粒子的极 化因子，ζTWD由下列公式给出 ${\zeta }_{\mathrm{TWD}}=\mathrm{Im}\left(\frac{{ϵ}_p^{*}-{ϵ}_m^{*}}{{ϵ}_p^{*}+2{ϵ}_m^{*}}\right),$ 其中Im指的是复数的虚数部 分，符号εx *＝εx-jσx/2πf是(粒子x＝p和介质x＝m的)复合介电常数，参数εp和σp 分别是有效介电常数和粒子的电导率，这些参数是频率依赖性的。
如生物细胞等具有不同的介电性质粒子(如介电常数、电导率所定义的)将表现 出不同的介电电泳力。对粒子(包括生物细胞)的行波介电电泳操纵来说，加载于一 个直径为10微米的粒子上的行波介电电泳力可以在0.01-10000pN之间变化。
在排布在芯片上的微电极上施加合适的交流信号就可以产生行波电场。为了产生 行波电场，至少在电极上应施加三组不同相位值的电信号。一个行波电场的例子中， 使用了四种不同相位值的电信号(分别为0、90、180、270度)，施加在四个线状的 排布在芯片表面的平行电极上，这样的四个电极可以作为一个基本的重复单元用以芯 片设计。根据应用的需要，可以把两个以上这样的单元排列起来，从而在电极的上方 或是附近产生行波电场。只要把电极单元在空间上按照一定的次序排列起来，外加的 不同相位的信号就可以在电极附近区域产生行波电场。
微粒(微型器件、微型器件-实体分子复合物或是微型器件-结合物-实体分子复 合物)上受到的介电电泳力和行波介电电泳力的状况不仅仅和电场分布(电场幅值、 相位、频率等)相关，而且和微粒和介质的介电性质有关。如果微粒比介质极化程度 高(例如在一定频率下，微粒具有更大的电导率和极化率)，微粒受到正向介电电泳 力的作用向强场区域运动。如果微粒比介质极化程度低，微粒受到负向介电电泳力的 作用向弱场区域运动。微粒作正向还是负向介电电泳，是由微粒和介质的相对极化程 度决定的。在行波介电电泳中，微粒受到介电电泳力，根据极化因子ζTWD的不同，微 粒可以沿着或是逆着行波电场的方向运动。以下文献给出了一些关于介电电泳和行波 介电电泳的基本理论：Huang，et al.，J.Phys.D：Appl.Phys.26：1528-1535 (1993)；Wang，et al.，Biochim.Biophys.Acta.1243：185-194(1995)；Wang， et al.，IEEE Trans.Ind.Appl.33：660-669(1997)。
微粒(微型器件、微型器件-实体分子复合物或是微型器件-结合物-实体分子复 合物)可以被声场辐射力操纵，例如处于声场之中。如果通过一个声场源和它的反射 波在空间产生了一个驻波声场，处于其中的微粒根据其本身和周围介质的声阻尼系数 的差异，可以受到声场辐射力的作用。声阻尼和物质本身的密度相关，是声波在该物 质中的传播速度。如果微粒比周围介质具有更高的声阻尼，就会受到指向驻波声场的 波节的位置的声场辐射力。声场分布不同时，微粒受到不同的声场辐射力。
可以使用压电材料产生声场，当在压电材料上施加适当频率的电信号，可以使得 压电材料产生机械振动，传递到材料周围的介质中去。压电陶瓷是这样的一种压电材 料。可以将微电极制作在压电陶瓷上以施加电信号使得压电陶瓷产生声场。根据不同 的应用需要，可以设计出不同尺寸和几何形状的微电极。为了产生驻波声场，还需要 反射壁。本发明中可以使用不同频率的声场，例如从几kHz至几百MHz。除了驻波声 场，还可以使用非驻波声场，例如行波声场。行波声场也可以使得其中的微粒受到力 的作用，可参见“Acoustic radiation pressure on a compressible sphere，by K. Yoshioka and Y.Kawashima in Acustica，1955，Vol.5，pages 167-173”。微粒 不仅仅本身受到声场的作用，同时还受到周围流体介质的作用力，流体介质在行波声 场的作用下运动。使用声场，可以在微流体环境下对微粒进行富集、聚焦、捕获、提 升和输运等操作。另外一种使得声场中的微粒受到力的作用的机制是通过声场诱发的 流体介质的对流产生的。这样的对流由声场本身的分布、流体的性质和流体所处的腔 体的体积和结构决定。流体这样的对流可以对其中的微粒施加力的作用从而实现对微 粒的操纵。这种操纵可以用于促进流体和其中的微粒的混合作用。在本发明中，这样 的对流可以用以促进连接在微型器件上的结合物和流体中的实体分子的混合，增强结 合物和实体分子的相互作用。
通过在压电转换器上施加交流信号可以产生超声平面驻波。例如，假设驻波是建 立在液体中一个特定的方向上(例如，Z方向)。驻波在Z方向上的变化可以用以下 表示：
Δp(z)＝p0 sin(kz)cos(ωt)
其中Δp代表在Z方向上的声场压力，p0代表声场压力强度，k代表波数(2π/λ， 其中λ是波长)，z代表到压力节点的距离，ω代表角频率，t代表时间。根据Yoshioka and Kawashima 1955年提出的理论，在一个静态的驻波场中，作用在一个球形微粒的 声场辐射力可以用下式来表示，参见K.Yoshioka和Y.Kawashima在Acustica，1955， Vol.5，pages 167-173；“Acoustic radiation pressure on a compressible sphere and electrostatic force by Yasuda K.et al.in Jpn.J.Appl.Physics，1996， Volume 35，pages 3295-3299”：
$F_{\mathrm{acoustic}}=-\frac{4\pi }{3}{r}^{3}k{E}_{\mathrm{acoustic}}A\sin \left(2\mathrm{kz}\right)$
其中r是微粒的半径，Eacoustic是声场的平均能量密度，A是个常数，用下式表示：
$A=\frac{5{\rho }_p-{2\rho }_m}{{2\rho }_p+{\rho }_m}-\frac{{\gamma }_p}{{\gamma }_m}$
其中ρm和ρp代表微粒和介质的密度，γm和γp代表微粒和介质的声阻抗。A这里 代表声场极化参数。声阻抗定义为材料的密度(ρm和ρp代表微粒和介质的密度)与 声速(Cm和Cp代表介质和微粒的中的声速)的乘积(γm＝ρm·Cm和γp＝ρp·Cp)。
当A＞0，微粒向驻波的压力节点(z＝0)处移动。
当A＜0，微粒向远离驻波的压力节点(z＝0)处移动。
很明显，当把不同密度和声阻抗的微粒放置在驻波场中时，它们受到不同的声场 辐射力。例如：根据已经建立的声场能量分布，一个直径为10微米的微粒受到的声 场辐射力从0.01到1000pN之间变化。
压电转换器是用压电材料制成的。当从外部对压电材料施加机械力而使其发生形 变时，压电材料会产生电场(这叫做压电效应或者发电机效应)。相反的，对压电材 料施加电场会产生一个机械应力(这叫做电致收缩效应或者发动机效应)。压电效应 由Pierre Curie和他的兄弟Jacques在1880年发现的。解释的理由是离子的置换导 致了材料结构单元的电极化。当施加电场时，离子被静电力所代替，导致整个材料的 机械变性。这样，在一个声场-场流分离或者声场—电泳—场流分离或者声场—介电 电泳—场流分离装置中，对压电转换器施加交流信号，那么转换器上产生的震动就耦 合到反应池中的液体中，导致反应池中产生声波。这样的声波可能带有行波和驻波分 量。
微粒(微型器件、微型器件-实体分子复合物或是微型器件-结合物-实体分子复 合物)在直流电场中可以操纵。直流电场可以对带电荷的微粒施加静电力的作用。静 电力和微粒本身所带电荷的数量和极性相关，同时也和电场本身的场强和方向有关。 带有正电荷的微粒在负电势的作用下，将会向电极方向移动；带有负电荷的微粒则要 在正电势的作用下，向电极方向移动。在微流体设备中设计微电极时，要考虑使得电 场正确的在空间分布。在直流电场中，微流体设备中的微粒可以被富集、聚焦和输运。 在电极表面还要覆盖一层合适的绝缘层，以防止或是尽量减小不希望的表面电化学现 象，从而保护电极的表面。
在电场FE中作用在一个微粒上的直流电场力 由下式给出：
$F_E=Q_p{E}_z{\stackrel{\rho }{a}}_z$
其中Qp是在微粒上的有效电荷。作用在带电微粒上的直流电场力的方向决定于 微粒电荷的极性以及施加电场的方向。
如果在介质内建立一个温度梯度，这样一个温度梯度将导致介质的流动，从而在 介质中形成一个速度场。使得微粒(微型器件、微型器件-实体分子复合物或是微型 器件-结合物-实体分子复合物)受到力的作用。这种介质的流动部分是由于热扩散使 介质倾向于达到热平衡而产生的，另外，对于水溶液，溶液的温度分布倾向于与相应 的密度分布相一致，这样一种密度的分布同样可导致介质的流动而达到平衡。温度梯 度引起的介质流动有时也称为热对流。热对流可以发生在规模相对较大的整个介质 中，它可用来促进液体的混合，也可以作为一种力把分子从较远的地方带到某一特定 反应位置。
通过在芯片结构中安装加热和/或冷却元件也可以在以芯片为基础的反应器或仪 器中建立温度梯度分布。这种加热元件可以是简单的焦耳加热电阻器，这种焦耳加热 电阻器可以被加工到芯片中。以一个阻抗为10欧姆的加热器为例，通以0.2A的电流 将产生0.4W焦耳热能，如果这个线圈是安装在一个小于100平方微米的区域，那它将 有效的升高局部温度并在介质中产生温度梯度。同样，冷却元件可以是一个通以电流 后可引起周围温度下降的半导体帕尔帖(Peltier)元件。
在实际应用中，芯片可以带有一个可选通的加热元件的阵列，这些元件必须按照 一定的顺序放置或进行结构设计以便使得当其中每一个、一些或全部元件被激活时能 建立起温度梯度从而产生理想的热对流，并因此在引入由芯片构成的仪器的介质中建 立起速度场。例如，当一个加热元件被激活或通电时，在这一元件周围相邻介质的温 度升高将产生一个局部温度梯度，产生热对流。在另一个实际应用中，芯片可以包括 多个、相互连接的加热单元，以便使这些单元能够被同步的开关。在同样另一个实际 应用中，芯片可以只包含一个加热元件，当通以电流时它可升高局部温度，在介质中 产生热对流。同样，芯片也可以包含一个可逐个选通的冷却元件的阵列，或单个冷却 元件。
除了以上提及的物理力，其它的物理力也可以用于本发明。例如，机械力(流体 力)可以用以输运微粒(微型器件、微型器件-实体分子复合物或是微型器件-结合物 -实体分子复合物)。光场力或光辐射力已经用于“光钳”来对微粒进行聚合、捕获、 浮动和操纵。当一种折射率与其周围介质不同的材料(如微粒等)被放到梯度光场中 时所受到的光场力就是所谓的梯度力。当光通过可极化的材料时，它将产生瞬间偶极。 这些偶极与电磁场梯度互相作用，当这些材料的折射率大于其周围介质时就会产生一 个指向光的明亮区域的力。相反，当某物质的折射率小于周围介质时，它将受到一个 将其拉向光较暗的区域的力。有关光钳的各种生物学应用的理论和实例已经由许多文 献进行了详细描述如：“Making light work with optical tweezers，by Block S. M.，in Nature，1992，Volume 360，pages 493-496”；“Forces of a single-beam gradient laser trap on a dielectric sphere in the ray optics regime，by Ashkin， A.，in Biophys.J.，1992，Volume 61，pages 569-582”；“Laser trapping in cell biology，by Wright et al.，in IEEE J.of Quantum Electronics，1990，Volume 26，pages 2148-2157”；“Laser manipulation of atoms and particles，by Chu S.in Science，1991，Volume 253，pages 861-866”。为了在以芯片为基础的反应 器或仪器中产生光场辐射力，需产生光场和/或光强场，例如可通过芯片的内置式光 学元件和阵列及外置光源或通过芯片的内置式光电元件和阵列及外部结构的电信号 源。在前一种情况下，当光信号源产生的光通过内置的光学元件和阵列时，光就被这 些元件/阵列通过反射、聚焦、干涉等进行处理，光场在多力操纵芯片周围区域产生。 在后一种情况下，当外置的电信号源产生的电信号被内置的光电元件和阵列吸收后， 它们就会产生光，围绕芯片就产生光场。也可用其它方法使多力操纵芯片产生光场， 从而产生光场力。
所述微型器件可以仅仅含有一个功能单元，也可以含有多个功能单元用以高通量 分析，每个功能单元可以使得一种特定的物理力对微型器件进行操纵。例如，功能单 元可以是可用磁场力操纵的磁性物质，可用介电电泳力操纵的绝缘材料或是导电材 料，可用声场辐射力操纵的高/低声阻尼材料，可被静电力操纵的带电材料等。
在实际应用中，微型器件上带有可以结合或是特异结合待分离、待检测、待操纵 的实体分子的结合物和便于对微型器件/实体分子-微型器件复合物操纵或是使得对 微型器件/实体分子-微型器件复合物操纵成为可能的单元。微型器件上也可以带有可 以结合或是特异结合不同的待分离、待检测、待操纵的实体分子的一组结合物和便于 使用不同物理力对微型器件/实体分子-微型器件复合物操纵或是使得使用不同物理 力对微型器件/实体分子-微型器件复合物操纵成为可能的一组单元。
所述微型器件上还可以带有可被检测的标记或是一种分子标签。这样的可被检测 的标记可以是染料、放射性物质和荧光物质等等。这样的分子标签可以是核酸、寡聚 核酸、蛋白质或是多肽。
在实际应用中，本发明的微型器件可为薄的矩形形状，主轴(长度)和次轴(宽 度)的比至少是1.2，最好至少是1.5，微型器件的厚度(高度)比主轴和次轴都小。 在另一实际应用中，本发明的微型器件包含至少两个由顺磁性物质制成的矩形状或是 接近矩形状的条状结构(棒状结构)。这至少两个顺磁性物质制成的条状(棒状)结 构最好被分隔开，并且分别位于微型器件的主轴的两侧，中间被带有可光识别编码图 案的金属膜分开。最好这个金属膜含有铝。在微型器件的主轴两侧可以具有数量不同 的顺磁性物质制成的矩形结构。微型器件也可以沿着主轴具有两个顺磁性物质制成的 矩形结构，这两个顺磁性物质制成的矩形结构在两端都有手指状的突出结构。也可以 是顺磁性物质形成一个沿着微型器件的主轴方向的矩形结构，该矩形结构在两端都有 手指状的突出结构。
本发明的另一个目的是提供一种构成微型器件阵列的系统。
一种构成微型器件阵列的系统，包括：1)一组微型器件，该微型器件包括：a) 可磁化的基底材料；b)制作在上述基底材料上的可光识别的编码图案；c)一个磁化 轴；和2)由一组微型通道组成的微型通道阵列；所述微型通道的宽度为：当所述微型 器件处于外加磁场中时，单个微型器件可以在通道中自由旋转，在所述微型器件主轴 与微型通道的主轴垂直时不能形成微型器件链。
在某一实际应用中，本发明的微型器件的编码部分不是通过铂、钯、镍、钴、银、 铜或是金实现的。在另一实际应用中，本发明的微型器件的组成材料不包括铂、钯、 镍、钴、银、铜或是金。
当所述微型器件在微型通道内被操纵时，微型器件保持平面向上或是基本平面向 上的状态，以便于通过光学方法在由与微型通道的长和宽所处的平面垂直的方向上对 可光学识别编码进行检测。通过微型通道的高度和/或通过磁场对微型器件的限制条 件的调节应使得微型器件在微型通道内不至于竖立。例如，微型通道的高度可以不大 于微型器件主轴长度的70％。
微型通道阵列装置上还可以包含一个磁场发生装置，以便于产生出可以操纵微型 器件进出微型通道，使得微型器件在微型通道内发生旋转所需的磁场。这样的磁场发 生装置可以使用任何适当的装置，例如可以使用永磁体、活动磁体、电磁单元、铁磁 物质或是微电磁单元等。产生的磁场可以作用在微型通道阵列的特定的位置，例如微 型通道阵列下方、中间、上方和附近等。
本发明的第三个目的是提供制造微型器件阵列的方法。
制造微型器件阵列的方法有两种。第一种制造微型器件阵列的方法，包括以下步 骤：
(1)提供一组上述微型器件，该微型器件包括a)可磁化的基底材料；b)制作在 上述基底材料上的可光识别的编码图案；c)一个磁化轴；
(2)提供一个由一组微型通道组成的微型通道阵列；所述微型通道的宽度为： 当所述微型器件处于外加磁场中时，单个微型器件可以在通道中自由旋转，在所述微 型器件主轴与微型通道的主轴垂直时不能形成微型器件链；
(3)将所述一组微型器件引入所述微型通道；
(4)通过外加的磁场力在微型通道中旋转所述微型器件，通过所述磁场力和所 述微型器件的磁化轴的共同作用，使得所述微型器件之间相互分散。
在某一实际应用中，本发明的微型器件的编码部分不是通过铂、钯、镍、钴、银、 铜或是金实现的。在另实际应用中，本发明的微型器件的组成材料不包括铂、钯、镍、 钴、银、铜或是金。
当所述微型器件在所述微型通道内被操纵时，微型器件保持平面向上或是基本平 面向上的状态，以便于通过光学方法在由与所述微型通道的长和宽所处的平面垂直的 方向上对可光学识别编码进行检测。通过所述微型通道的高度和/或通过磁场对微型 器件的限制条件的调节应使得微型器件在微型通道内不至于竖立。例如，微型通道的 高度可以不大于微型器件主轴长度的70％。
所述微型器件可以使用任何适当的作用力引入微型通道。例如，可以使用磁场力、 流体力或是这两者的组合将微型器件引入微型通道。有多种方法可以将微型器件引入 通道。在具体实施中，微型器件可以是一种具有一定厚度的有两个主要平面的微型盘 片。先将微型盘片置于靠近微型通道或是通道入口处，在通道的出口端使用一块钕制 磁性物质将微型盘片吸入通道。可以将磁性物质旋转以便于将微型盘片吸入通道。在 本发明的一个具体实施中，微型盘片的主面的尺寸为90微米×70微米，厚度大约几 个微米。使用上述的方法，可以在3分钟内，完全的把微型盘片填充进入5个2厘米 长(大约120至160微米宽)的通道之中。微型盘片中磁性条状或是棒状结构的长、 宽和高都沿着磁性材料所处的微型盘片的长、宽和高的方向。因为限速步骤是沿着通 道的长轴填充微型盘片，所以增加通道的数量并不会显著的延长填充所需的时间，例 如将50,000个微型盘片填充入200个2厘米长的通道之中可以在3分钟之内完成。 当外加的磁场方向和通道的方向垂直的时候，使用这种方式进行填充可能会使得“垂 直排列”的微型盘片发生重叠。微型盘片的重叠现象可以通过将外加磁场的方向从平 行方向到垂直方向变换几次消除。这样可以使得微型盘片排列成的“链”之间的距离 增大。在将微型盘片引入通道的时候，最好微型盘片的高度方向和微型通道的高度方 向保持一致，这样微型盘片在微型通道内可以保持平面向上。
所述微型器件可以是一种具有一定厚度的有两个主要平面的微型盘片。所述微型 盘片按照上述的方法进行填充，同时保持恒定的流速以提高填充的效率。在将所述微 型盘片引入所述通道的时候，最好微型盘片的高度方向和微型通道的高度方向保持一 致，这样微型盘片在微型通道内可以保持平面向上。
在具体实施中，所述微型器件可以是一种具有一定厚度的有两个主要平面的微型 盘片。微型盘片中磁性条或磁性棒的长、宽和高都沿着磁性材料所处的微型盘片的长、 宽和高的方向。先将微型盘片置于靠近所述微型通道或是通道入口处，在通道的出口 端使用一块大号的钕制磁性物质将微型盘片吸入通道，这块磁性物质产生的磁场方向 和通道方向是垂直的。在通道的入口端的上方或是下方使用一块小号的钕制磁性物 质，旋转以便于将微型盘片吸入通道。同时保持恒定的流速以提高填充的效率。微型 盘片按照“竖直排列”的模式(即微型盘片的磁化轴与通道长轴的方向垂直)填充入 通道，这种方式可以减小通道中微型盘片重叠排列的现象，使得微型盘片的排列保持 均一。上述这种装载和排列微型盘片的方法将会使得微型盘片上或是微型盘片里的磁 性条状结构和通道长轴的方向垂直，即微型盘片上或是微型盘片里的磁性条状结构或 是棒状结构的长轴方向和通道的长轴方向垂直或是基本垂直。在将微型盘片引入通道 的时候，最好微型盘片的高度方向和微型通道的高度方向保持一致，这样微型盘片在 微型通道内可以保持平面向上。
所述微型器件或是微型盘片可以按照一定的角度引入所述微型通道。例如，可以 使用指向某一方向的磁场将微型器件填充入微型通道，这个方向的磁场使得微型器件 的主轴和微型通道的主轴之间的夹角不大于45度。磁场的方向会影响微型器件或是 微型盘片的定位以及微型器件主轴的方向。通常，当微型器件可以自由旋转或是重新 定位的时候，微型器件的磁化轴就会基本沿着外加磁场的方向。对于微型器件或是微 型盘片，它们的磁化轴和主轴方向是一致的，所以磁化轴和外加磁场方向一致就是微 型器件的主轴和外加磁场方向一致。这样，可以使用指向某一方向的磁场将微型器件 填充入微型通道，这个方向的磁场使得微型器件的主轴和微型通道的长度方向之间的 夹角不大于45度。更好的是，可以使用指向某一方向的磁场将微型器件填充入微型 通道，这个方向的磁场使得微型器件的主轴和微型通道的长度方向之间的夹角不大于 40，35，30，25，20，15，10，5或是0度。
本发明的方法进一步包括在向所述微型通道内引入所述微型器件之前或是同时 打断链状排列的微型器件。可以通过任何适当的方法实现这一目的，例如通过在微型 器件的主轴和次轴之间旋转磁场的方向的方法。
当所述微型器件或是微型盘片引入所述微型通道或是通道后，微型器件或是微型 盘片保持平面向上。微型器件或是微型盘片可以在通道中旋转使得微型器件或是微型 盘片相互之间分隔开。所述微型器件或是微型盘片相互之间分隔开，可以通过一个大 角度的旋转实现，也可以通过多次小角度的旋转实现。微型器件或是微型盘片的旋转 角度至少旋转45度；最好，微型器件或是微型盘片的旋转角度为90度。
在本发明的具体实施中，至少一个微型器件可以结合一个实体分子，或者一组微 型器件可以分别结合一组实体分子。本发明的方法可以用以对实体分子进行任何合适 操纵，这样的操纵可以是输运、聚焦、富集、浓缩、聚集、捕获、推斥、悬浮、分离、 分馏、隔离、线性或是其它方向上的实体分子的移动。本发明的方法还包括使用光学 方法检测微型器件上可光识别的编码图案从而确定该微型器件上被操纵的实体分子。 对被操纵的实体分子种类的确定包括获得被操纵的实体分子的比例、含量等参数。
本发明的方法还包括通过定量方法分析微型器件上的实体分子以进一步得到被 操纵实体分子的定量信息。对被操纵的实体分子的定量分析包括获得被操纵的实体分 子的数量、浓度等参数。本发明的方法还包括通过出口端收集结合有实体分子的微型 器件。本发明的方法还包括从收集的微型器件上收集实体分子的方法。
本发明提供的第二种制造微型器件阵列的方法，包括以下步骤：
(1)提供一组上述微型器件，该微型器件包括：a)可磁化的基底材料；b)制作 在上述基底材料上的可光识别的编码图案；c)一个磁化轴。
(2)使它们位于一个利于微型器件旋转的平面上；
(3)通过外加的磁场力在所述表面上旋转所述微型器件，通过所述磁场力和所 述微型器件的磁化轴的共同作用，使得所述的微型器件之间相互分散。
在某一实际应用中，本发明的微型器件的编码部分不是通过铂、钯、镍、钴、银、 铜或是金实现的；在另一实际应用中本发明的微型器件的组成材料不包括铂、钯、镍、 钴、银、铜或是金。
本发明给出了一个由一组微型通道组成的微型通道阵列，当上述微型器件处于外 加磁场中时，该微型通道需要足够的宽，使得单个微型器件可以在通道中自由的旋转， 同时该通道也需要足够的窄，使得上述的微型器件在主轴与微型通道的主轴垂直的情 况下不至于形成微型器件串；c)将上述的一组微型器件引入上述的微型通道；d)通过 外加的磁场力在微型通道中旋转上述的微型器件，通过上述的磁场力和上述的微型器 件的优选的可磁化轴的共同作用，使得上述的微型器件之间相互分散。在本发明的具 体实施中，所述微型器件悬浮在溶液中被引入平面。微型器件的悬浮液可以通过各种 方法引入到平面上，例如通过加样，或是通过泵将悬浮液引入平面上的微型通道中。 也可以在平面上制作出先宽(比微型器件的尺寸宽))后窄(比微型器件的尺寸窄) 的沟槽，在平面上加入微型器件的悬浮液，等到微型器件排列在平面上以后，微型器 件所处的悬浮液的液体可以通过多种方法，例如抽吸或是泵出的方式除去。
本发明可以在芯片上或是非芯片上用以分析、分离、操纵或是检测进行某些处理 的任何种类的实体分子，这些实体分子可以进行物理的、化学的、生物的、生物物理 的或是生物化学的处理。待操纵的实体分子可以是细胞、细胞器、病毒、分子、或它 们的复合体。待操纵的实体分子可以是纯净的物质，或以混合物的形式存在，在该混 合物中靶实体分子仅是混合物中的一个组分。例如，白血病病人的血液中癌细胞、癌 症病人组织中的癌细胞、母体血液中的胎儿细胞都可以作为待分离、操纵或是检测的 实体分子。类似的，不同的血液细胞，例如血液中的红细胞和白细胞，可以作为待分 离、操纵或是检测的实体分子。DNA分子、mRNA分子、特定种类的蛋白质或是细胞裂 解液中的总蛋白都可以作为待分离、操纵或是检测的实体分子。
细胞可以作为待分离、操纵或是检测的实体分子。这样的细胞包括，但不仅仅限 于，动物细胞、植物细胞、真菌细胞、细菌细胞、重组细胞或是培养的细胞。待操纵 的动物细胞、植物细胞、真菌细胞和细菌细胞分别来源于动物界、植物界、真菌界和 细菌界的某一种属或是亚种属。属于纤毛类、粘菌类、鞭毛类、微孢子类的细胞也可 以被操纵。源于鸟类如鸡，脊椎动物例如鱼和哺乳动物例如大鼠、小鼠、兔子、猫、 狗、猪、奶牛、公牛、绵羊、山羊、马、猴和其它类人猿及人类的细胞都可以作为待 分离、操纵或是检测的实体分子。
对于动物细胞，源于特定的组织或器官的细胞都可以作为待分离、操纵或是检测 的实体分子。例如，结缔组织、上皮组织、肌肉组织或神经组织的细胞。类似的，各 种器官中的细胞也可被操纵，如眼部附属器官，环形螺旋器官(annulospiral organ)， 耳部器官，契维茨器，室周器官，柯替氏，关键器官，釉质，末梢器官，雌性外生殖 器官，雄性外生殖器官，生殖器官，高尔基氏腱器，味觉器官，听觉器官，雌性内生 殖器官，雄性内生殖器官，插入器官，雅各布逊氏器，神经血器官，神经腱梭，嗅觉 器官，耳石器，罗森苗勒器，感觉器官，嗅觉器官，螺旋器，连合下器，穹窿下器官， 触觉器，靶器官，味觉器官，触觉器官，泌尿器官，前庭器官，前庭蜗器，退化器官， 视觉器官，梨鼻器，游走器，韦伯器官和主动脉旁体。来自动物内部器官如脑，肺， 肝，脾，骨髓，胸腺，心脏，淋巴，血液，骨，软骨，胰腺，肾，胆囊，胃，肠，睾 丸，卵巢，子宫，直肠，神经系统，腺体，体内血管等等的细胞更易于操纵。进一步 说，来自任何植物、真菌(如酵母菌)、细菌(如真细菌或古细菌)的细胞都可以作 为待分离、操纵或是检测的实体分子。来自任何真核或原核生物的重组细胞，如动物、 植物、真菌或细菌的都可以作为待分离、操纵或是检测的实体分子。来自于身体各部 位的体液，如血液、尿液、唾液、骨髓、精液或其它腹水中的细胞，以及它们的组分 如血清和血浆都可以作为待分离、操纵或是检测的实体分子。
可被输运或是作为结合物的细胞器包括细胞核、线粒体、叶绿体、核糖体、内质 网、高尔基体、溶酶体、蛋白酶体、囊泡、液泡或微体。可被输运或是作为结合物的 病毒(无论是完整的病毒还是任何病毒结构)在其生存周期中可以来自诸如第一类病 毒、第二类病毒、第三类病毒、第四类病毒、第五类病毒或第六类病毒。
可被操纵、分离或是检测的分子可以是无机分子如离子，有机分子或它们的复合 体。可操纵的离子的例子包括，但不仅仅限于，钠离子、钾离子、镁离子、钙离子、 氯离子、铁离子、铜离子、锌离子、锰离子、钒离子、镍离子、铬离子、氟离子、硅 离子、锡离子、硼离子或砷离子。有机分子的例子包括，但不仅仅限于，氨基酸、肽、 蛋白质、核苷、核苷酸、寡核苷酸、核酸、维生素、单糖、寡糖、碳水化合物、脂类 或它们的复合体。
任何氨基酸，如D-和L-氨基酸都可以使用本发明的方法进行检测、分离或是操 纵。此外，天然存在的肽和蛋白质的所有构建成分，包括丙氨酸(A)，精氨酸(R)， 天冬酰胺(N)，天冬氨酸(D)，半胱氨酸(C)，谷氨酰胺(Q)，谷氨酸(E)，甘氨 酸(G)，组氨酸(H)，异亮氨酸(I)，亮氨酸(L)，赖氨酸(K)，蛋氨酸(M)，苯丙 氨酸(F)，脯氨酸(P)，丝氨酸(S)，苏氨酸(T)，色氨酸(W)，酪氨酸(Y)和缬 氨酸(V)都可以使用本发明的方法进行检测、分离或是操纵。
任何蛋白质和肽都可以使用本发明的方法进行检测、分离或是操纵。例如，细胞 膜上的膜蛋白(如受体蛋白)、酶、输运蛋白(如离子通道和离子泵)、营养或贮藏蛋 白、收缩或运动蛋白(如肌动蛋白和肌球蛋白)、结构蛋白、防御蛋白或调节蛋白(如 抗体、激素和生长素)。蛋白质的或肽的抗原都可以使用本发明的方法进行检测、分 离或是操纵。
任何核酸，包括单链、双链和三链核酸都可以使用本发明的方法进行检测、分离 或是操纵。这样的核酸的例子包括DNA(如A-、B-、Z-型DNA)和RNA(如mRNA、tRNA 和rRNA)。
任何核苷都可以使用本发明的方法进行检测、分离或是操纵。这样的核苷的例子 包括腺嘌呤核苷、鸟嘌呤核苷、胞嘧啶核苷、胸腺嘧啶核苷、尿嘧啶核苷。任何核苷 酸都可以使用本发明的方法进行检测、分离或是操纵，这样的核苷酸的例子包括AMP， GMP，CMP，UMP，ADP，GDP，CDP，UDP，ATP，GTP，CTP，UTP，dAMP，dGMP，dCMP， dTMP，dADP，dGDP，dCDP，dTDP，dATP，dGTP，dCTP和dTTP。
任何维生素都可以使用本发明的方法进行检测、分离或是操纵。例如，水溶性维 生素如维生素B1、维生素B2、烟碱酸、维生素B3、维生素B6、维生素H、叶酸、维 生素B12和维生素C都可以使用本发明的方法进行检测、分离或是操纵。类似的，脂 溶性维生素如维生素A、维生素D、维生素E和维生素K都可以使用本发明的方法进 行检测、分离或是操纵。
任何单糖(不管是D-还是L一单糖，也不管是醛糖还是酮糖)都可以使用本发明 的方法进行检测、分离或是操纵。单糖的例子包括三糖(如甘油醛)、四糖(如赤藓 糖和苏糖)、戊糖(如核糖，阿糖，木糖，来苏糖和核酮糖)、己糖(如阿洛糖、阿卓 糖、葡萄糖、甘露糖、古洛糖、艾杜糖、半乳糖、塔罗糖和果糖)以及庚糖(如景天 庚酮糖)。
任何脂类都可以使用本发明的方法进行检测、分离或是操纵。脂类的例子包括三 酰基甘油(如硬脂酸甘油酯、软脂酸甘油酯和油酸甘油酯)、石蜡、磷酸甘油酯(如 磷脂酰乙醇胺、卵磷脂、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰肌醇和双磷脂酰甘油)、鞘酯类(如 鞘磷脂、脑苷脂和神经节苷脂)、固醇(如胆固醇和豆甾醇)以及固醇脂肪酸酯。脂 肪酸可以是饱和脂肪酸(如十二烷酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、硬脂酸、花生酸和二十四 烷酸)，还可以是非饱和脂肪酸(如棕榈油酸、油酸、亚油酸、亚麻酸和花生四烯酸)。
本发明的第四个目的是提供合成化合物库的方法。
本发明提供的合成化合物库的方法有两种。第一种合成化合物库的方法，包括以 下步骤：
1)提供一组微型器件，该微型器件包括：(a)可被磁化的基底材料；(b)制作 在上述基底材料上的可光识别的编码图案；(c)一个磁化轴；所述可光识别的编码图 案对应着在所述微型器件上要进行合成反应的产物；
2)合成所述化合物库：合成反应是通过一系列合成步骤实现的；在每步合成中， 根据所述微型器件上的可光识别编码图案，进行相应的合成反应；一步反应后，再根 据所述微型器件上的可光识别编码图案，将所述微型器件进行分类，再进行下一步合 成反应。从而在微型器件上按照预先的设计合成与可光识别编码图案对应的产物。
该方法可以用于预先设定步骤的化合物库的合成
本发明同时给出了使用上述方法合成的化合物库。
在某一实际应用中，本发明的微型器件的编码部分不是通过铂、钯、镍、钴、银、 铜或是金实现的；在另一实际应用中本发明的微型器件的组成材料不包括铂、钯、镍、 钴、银、铜或是金。
本发明提供的第二种合成化合物库的方法，包括以下步骤：
1)提供一组微型器件，该微型器件包括：(a)可被磁化的基底材料；(b)制作 在上述基底材料上的可光识别的编码图案；(c)一个磁化轴；所述可光识别的编码图 案对应着在所述微型器件上要进行合成反应的产物；
2)合成所述化合物库：合成反应是通过一系列合成步骤实现的；在每步合成后， 根据所述微型器件上的可光识别编码图案，记录相应的合成反应，再进行下一步合成 反应。从而得到微型器件上的可光识别编码图案与微型器件上合成的产物之间的对应 关系。
该方法可以用于随机化合物库的合成。
本发明同时给出了使用上述方法合成的化合物库。
在某一实际应用中，本发明的微型器件的编码部分不是通过铂、钯、镍、钴、银、 铜或是金实现的；在另一实际应用中本发明的微型器件的组成材料不包括铂、钯、镍、 钴、银、铜或是金。
所述微型器件可以使用任何适当的方法进行分选。例如，可以使用由一组微型通 道构成的微型通道阵列进行分选。该微型通道足够的宽，使得单个微型器件可以在通 道中自由的旋转，同时该通道也足够的窄，使得上述的微型器件在主轴与微型通道的 主轴垂直的情况下不至于形成微型器件串。通过外加的磁场力和上述的微型器件的磁 化轴的共同作用，上述的微型器件之间相互分散。其中微型通道的高度和/或通过磁 场对微型器件的限制使得微型器件在微型通道内不至于竖立。微型通道的高度不大于 微型器件主轴长度的70％。当微型器件在微型通道中排列好以后，就可以使用光学分 析的方法确定单个微型器件上的可光识别编码图案。可以使用处理单个微型器件的方 法操纵微型器件，并根据微型器件上携带的可光识别编码图案将它们分选到不同的区 域/位置/反应腔去。例如，可以使用微电磁尖端来进行分选。微电磁尖端可以在尖端 处产生磁场，用以从排列有微型器件的通道中吸取特定的微型器件(这种场合，通道 的上部必须是开放的)，移动和输送/分发单个的微型器件到不同的区域/位置、反应 腔中去。在本发明的一个具体实施中，微型器件在磁场力和流体力的共同作用下，移 出微型通道，在通道的出口端，微型器件可以在磁场力和流体力的共同作用下，被输 送到不同的区域。
上述分选也可以通过使用磁场力，在每一步反应后，特异的捕获所需的微型器件， 将它们送入合适的反应腔中。可以使用光刻胶在排列好的微型器件的上表面或是下表 面制作出微型器件的排列腔。当受到特定波长的光的照射，被照到的区域的光刻胶可 以被溶解洗去，刚才被覆盖的微型器件就暴露出来，可以被磁场力移走。可以使用一 个可编程的数字微型光镜阵列(Singh-Gasson et al.Maskless fabrication of light-directed oligonucleotides microarrays using a digital micromirror array. Nature Biotechnology，17：974-978(1999))或是其它相似的无掩模阵列合成器来 引导光源。
使用磁场力进行分选还可以通过分选通道实现。具有磁化轴的微型器件，在磁场 中，可以排列对齐，并且在磁场力的作用下，彼此分隔开，在液体的推动下，以“竖 直排列”(磁化轴和通道的长轴方向垂直)的形式填充进通道中。通过预设的适当的 液体-液体(不互溶的液体，例如己烷和水)或是气体-液体界面，可以增大溶液的表 面张力，限制溶液中的微型器件的移动。在本发明的具体实施中，引入微型器件的通 道和用以分选的通道之间通过微阀(设计、制作和使用阀门是相关领域内的常识)分 隔开。可以通过制作在靠近引入微型器件的通道的出口端的合适位置上的孔向通道内 引入一个气泡，这个气泡恰好位于最后一个和倒数第二个微型器件之间。然后开启阀 门，可以用磁场力仅仅将最后一个微型器件引入分选通道，而其它的微型器件被挡在 引入的气泡的后方。然后关闭阀门，使用磁场力、流体力或是其它适当的物理力(例 如介电电泳力)将这个处于分选通道内的微型器件分选到适当的反应腔中去。再使用 流体力(例如泵入液体)将用以引入微型器件的通道末端的气泡排出通道的出口端的 孔，使得通道内的微型器件位置向前移动至出口端，再重复上述的分选的操作。用以 引入和排出气泡的孔必须大大小于微型器件的尺寸。与此相似的更加快速的分选的方 案是在通道中的所有微型器件的两两之间都引入一个气泡，调节适当的磁场力和流体 力，使得微型器件以分段流动的方式通过通道。这种方法和Technicon公司所广泛使 用的分段流动方法相似(可参见美国专利Pat.Nos.2,797,149和3,109,713)。当 使用分段流动的方法时，磁场力和流体力都是重要的影响因素，除此之外的第三个影 响因素是液体的表面张力，液体的表面张力可以通过在溶液中添加溶剂或是添加剂 (例如去污剂)进行调节。通过添加溶剂进行表面张力的调节采用相关领域内常见的 技术。
微型器件还可以使用能够操纵微粒的器件(例如微粒开关)进行分选。如图7所 示，微型通道阵列装置可以包含一个可以使得微型器件在其中被操纵的区域、一个用 以向装置上加入微型器件样品的上样区和用以排出微型器件的出口通道、收集区和流 体管道结合部分。美国专利申请″Apparatus for switching and manipulating particles and methods of use thereof″(申请号：No.09/678,263，递交日期2000 年10月3日)中给出了集中可以用以操纵和分选微粒的器件。这些器件和设备及它 们的使用方法可以应用于本发明的微型器件的分选。例如，可以通过行波介电电泳在 微粒开关器件上进行分选。微粒开关器件上至少带有三组相互独立加载电信号的电极 组。微粒开关器件上带有多个分支结构的单元，这些分支结构具有公共的连接区，当 这三组或是三组以上电极组上加载不同相位电信号时，微粒受到不同的行波介电电泳 力，可以沿着器件的分支运动，从一个分支通过各个分支共同的连接区到达另外一个 分支部分。这些分支的末端(和分支公共的连接区相反的一端)可以用作进口或是出 口。本发明的一个具体实施中，微粒开关器件具有3个进口(出口)。可以将其中一 个端口作为进口，另外两个端口作为出口。本发明的微型器件可以通过进口引入微粒 开关器件，在电信号的作用下沿着分支进行输运，再从其中一个出口输出器件。可以 在微粒开关中对微型器件上的可光识别编码图案进行光学检测，然后根据微型器件上 携带的可光识别编码图案，在微粒开关器件的电极上施加适当的电信号，以使得微型 器件被分选，从一个出口输出器件。由这样的微粒开关器件构成的阵列装置可以将微 型器件分选到两个以上的出口。有关这样的微粒分选器件阵列的描述可以参见美国专 利申请No.09/678,263。
微型器件也可以通过使用具有一个进口和多个出口的流体系统进行分选。流体系 统可以将微型器件从进口输运到任意一个出口。每一个微型器件都会流经流体系统中 的光学解码器，解码器可以识别微型器件上的可光识别编码图案，然后根据编码，通 过改变流体的类型将微型器件输运到不同的出口。
其它根据微型器件上的可光识别编码图案进行分选的方法也可以使用。
可以在一种所述微型器件上合成任意多种化合物，例如，可以在一种微型器件上 合成一种或是一组化合物。最好，一种微型器件上仅仅合成一种化合物。
本发明的方法可以用以合成任何种类的库。库的成分可以是多肽、蛋白质、寡聚 核酸、核酸、维生素、寡糖、碳水化合物、脂、小分子或是它们的聚集物和复合物。 其中的合成的化合物库包括一组与某一生物学途径相关的实体分子，这组实体分子具 有相同或是相似的生物学功能，都在同一细胞周期表达，在同一细胞类型中表达，在 同一组织类型中表达，在同一器官中表达，在同一发育阶段中表达。实体分子的表达 或是活性会由于疾病而改变，或是随着疾病类型和疾病的发展阶段而改变，或是受到 药物或是其它处理而改变。
合成的库可以是核酸库，含有多种核酸分子，例如覆盖基因组(例如人类基因组) 的DNA或是RNA分子片断。最好库中的每一个核酸片断包含至少10、15、20、25、50、 75、100、200或是500个核苷酸。
合成的库也可以是蛋白/多肽库，含有多种蛋白/多肽分子，例如覆盖编码生物体 中所有蛋白或是多肽序列(例如人类蛋白或是多肽序列)的蛋白/多肽片断。最好库 中的每一个蛋白/多肽片断包含至少10、15、20、25、50、75、100、200或是500个 氨基酸残基。
化合物库可以采用上述的方法合成。
本发明可广泛用于实体分子/分子的分离、检测、操纵和化合物库合成领域。
附图说明
图1是微型器件(微型盘片)结构示意图。
图2为多个微型盘片在图示箭头方向的磁场作用下，被限制在平面上可能产生的 排列方式。
图3为多个微型盘片在图示箭头方向的磁场作用下，被限制在平面上然后被引入 通道中的短链状排列结构。
图4为图3所示的微型盘片短链在磁场方向如箭头所示转过90度以后的排列状 况。
图5为具有不同磁棒类型的微型盘片的实例。
图6为两类不同的编码图案。
图7给出了一个包含有上样区、微型通道、收集区和流体管道结合部分组成的微 型通道器件。    
图8为4个微型盘片的实例。
图9为在如图箭头所示的外加磁场作用下，微型盘片在玻璃表面形成线状链式排 列。
图10为在如图箭头所示的外加磁场作用下，微型盘片在玻璃表面形成具有分支 的线状链式排列。
图11显示在如图箭头所示的外加磁场作用下，微型盘片被限制在宽度为130微 米的通道中。

定义
除非另加定义，否则本发明所用的科技术语都按照它所属领域的一般定义理解。 一般的，本文的命名法和以下描述的制造及实验过程都很通用，并且在这一技术领域 常常被引用。这些过程都使用传统方法，同这一技术和通常文献中提到的一样。方向 术语比如“上”“下”“上面的”“下面的”和类似的一些术语指装置在应用时各部分 的方向。本文的命名法很通用，并且在这一技术领域常常被使用。术语和定义与文献 中统一的术语和定义有差异的地方应使用本文中的定义。本发明中的以下术语，如果 没有其它说明都应该按照下面的解释理解。
“磁性物质/材料”是指具有磁性的物质，可以受到磁力的作用。
“可磁化物质/材料”是指那些可以受到磁场作用的物质，当它们被置于磁场中 时，可以受到磁化作用，感生出磁偶极子。可磁化物质包括，但不仅仅限于，顺磁性、 铁磁性或是亚铁磁性物质。
“顺磁性物质/材料”是指具有这样性质的物质，它其中的原子、铁或是分子都 具有永久磁偶极子。由于物质中原子或是分子自身的热运动，这些磁偶极子的方向是 随机指向各个方向的，所以该物质总体上不具有磁性。但是，在外加磁场中，原来指 向各个方向的磁偶极子在磁场的作用下，会指向和磁场平行的方向，因为这些磁偶极 子指向磁场平行方向的能量比不指向平行方向的能量要低，就更稳定。这样，在磁场 平行的方向就产生了净的磁性，还增加了物质的磁化系数。关于“顺磁性物质”的进 一步的资料可以参阅许多相关的文献，例如Page 169-page 171，Chapter 6，in “Electricity and Magnetism”by B.I Bleaney and B.Bleaney，Oxford，1975。
“铁磁性物质/材料”具有较大的(正值)磁化系数，和外加磁场强度相关。另 外，当外加磁场撤去后，铁磁性物质还残留着一部分磁性，称为“剩磁”。关于“铁 磁性物质”的进一步的资料可以参阅许多相关的文献，例如Page 171-page 174， Chapter 6，in“Electricity and Magnetism”by B.I Bleaney and B.Bleaney， Oxford，1975。
“亚铁磁性物质/材料”和铁磁性物质相似，具有自发的磁性和剩磁。但是该物 质的自发的磁偶极子并达不到原先所预期的所有磁偶极子都按照一个方向排列计算 所得的值，所以称为“亚铁磁性物质”。关于“压铁磁性物质”的进一步的资料可以 参阅许多相关的文献，例如Page 519-524，Chapter 16，in“Electricity and Magnetism”by B.I Bleaney and B.Bleaney，Oxford，1975。
“可光识别的编码图案”是指任何可以通过光学的方法进行鉴定和分析的编码图 案。任何可被光识别的性质都可以作为编码图案的特征。例如，可光识别的图案可以 通过物质本身的组成给出：在基底材料上打出的孔以一定的形式排列；在基底材料上 按照一定的方式固定上和基底具有不同光学性质的别的材料。可光学识别的编码图案 的编码方式可以基于基底本身或是基底上打出的孔或是固定、放置在基底材料的物质 的图形、数字、位置分布、光学性质、物质组成或是上述方式的组合。为了便于对光 学编码图案进行光学分析，微型器件上最好带有定位用的标记。例如，对于圆盘状的 微型器件，当微型器件平放时，很难分辨微型器件的正面或是反面，这样就会给识别 造成困难。而通过定位标记就可以确定哪一面是具有编码图案的正面。在本发明中， 可以使用一维或是二维的条形码作为可光识别的编码图案。
“制作在基底材料上的可光识别编码图案”是指光学编码图案位于基底材料的上 方或是制作在基底材料中，只要便于对编码进行光学检测即可。例如，可光识别的编 码图案可以位于基底的表面上方或是表面上，也可以嵌在基底当中。如果基底是由多 层物质组成的，可光识别的编码图案可以位于表面层上方或是表面层上，也可以制作 在其中的一层或是多层物质上。
“通过微加工技术将可光识别的编码图案制作在基底材料上”是指通过微加工技 术将可光识别的编码图案制作在基底材料上。可以使用各种半导体加工工艺，例如光 刻蚀、湿法刻蚀、掩模、反应离子刻蚀和深度反应离子刻蚀等等。
“微型器件的主轴”是指微型器件三维尺寸中最长的一维。如果微型器件是薄的 圆盘状结构，微型器件的高度就是微型器件的厚度。这种薄的圆盘状结构的微型器件 中，主轴就是指任何与圆盘的盘平面平行的圆的直径。在一个这种具有圆盘状结构的 微型器件的实际应用中，可光识别的编码图案位于与盘面平行的平面上，可以位于盘 面的表面或是位于上下盘面之间的区域。如果微型器件为薄的矩形结构，先定义该器 件的三维，分别是主轴(例如长度)、次轴(例如宽度)和高度(矩形盘片的厚度)。 在这种情况下，微型器件的主轴应该比次轴和高度都要大。次轴也应该等于或是大于 微型器件的厚度。微型器件除了上述的形状外，盘面还可以是其它的形状。
“所述的微型器件具有磁化轴”是指，当将微型器件置于磁场中，根据置入时磁 场方向和微型器件的各个轴之间的角度的不同，微型器件受到磁场的作用也不同，假 设微型器件被置入具有较小摩擦阻力(无摩擦阻力或是具有较小摩擦阻力)的介质中， 或是被放置在具有较小摩擦阻力(无摩擦阻力或是具有较小摩擦阻力)的平面上，微 型器件会发生旋转或是定位在某一位置处，以使得自身在外加磁场中处于能量最低状 态或是稳定态。当微型器件被置入具有较小摩擦阻力(无摩擦阻力或是具有较小摩擦 阻力)的介质中，或是被放置在具有较小摩擦阻力(无摩擦阻力或是具有较小摩擦阻 力)的平面上，并且处于这样的能量最低的状态，微型器件与磁场方向对应的轴就称 为微型器件的磁化轴。磁化轴是由微型器件的几何形状决定的，例如与微型器件的主 轴和次轴的比例，或是微型器件的组成和结构参数相关。根据微型器件的几何形状， 磁化轴可以是一个方向上的单独的轴，或是位于多个方向的多个轴，也可以是位于某 一平面内的任意的轴。当位于磁场中的微型器件被诱导磁化的过程完成之后，达到最 低能量状态时，在磁化轴方向产生的诱导磁化强度(它的绝对值)大于等于在其它轴 方向产生的诱导磁化强度。本发明所述的微型器件在外加磁场中会产生诱导磁化现 象，诱导磁矩和外加的磁场的相互作用，使得微型器件在磁场中发生旋转或是定位在 磁场中的某一位置。微型器件中沿着磁化轴方向产生的诱导磁化强度(它的绝对值) 应该至少比在其它至少一个轴的方向产生的诱导磁化强度大20％。更好的是微型器件 中沿着磁化轴方向产生的诱导磁化强度(它的绝对值)应该至少比在其它至少一个轴 的方向产生的诱导磁化强度分别大50％、70％和90％。最好的是，微型器件中沿着 磁化轴方向产生的诱导磁化强度(它的绝对值)应该至少比在其它至少一个轴的方向 产生的诱导磁化强度的大1倍、2倍、5倍、10倍、20倍、50倍甚至几百倍。当微型 器件被置入外加磁场中时，微型器件从初始状态到能量最低状态或是稳定状态是一个 动力学过程，需要一定的时间。在有摩擦力或是其它作用力(例如重力)存在时，当 微型器件达到稳定状态时，磁化轴和外加磁场的方向可能并不完全吻合。许多因素， 例如微型器件的几何形状、外加磁场的方向和强度和其它的因素(例如当微型器件位 于支持介质的表面时，由支持介质表面产生的摩擦力可以是这样的因素)都会影响微 型器件的磁化轴。通过改变和调整这些因素，可以使得微型器件达到稳定状态时，磁 化轴可以基本沿着外加磁场的方向。例如，一个薄圆盘状的微型器件，其中含有薄圆 盘状的可磁化材料。这个微型器件的磁化轴应该位于与微型器件盘片表面(也就是盘 片中的可磁化材料的盘片表面)平行的平面内。当把这样的微型器件置入磁场中，即 使这个薄盘状的微型器件初始位于与外加磁场方向垂直的平面内，微型器件会重新排 列，使得薄片形状的微型器件的平面与外加磁场的方向平行或是基本平行。如果微型 器件是薄的矩形结构，其中的可磁化材料构成的磁力结构单元(例如磁性矩形棒)的 长、宽和高分别和微型器件的长、宽和高的取向一致。这样结构的微型器件的磁化轴 的方向和微型器件的长度的指向和微型器件中可磁化材料的长度的指向一致。
“磁化轴可以基本沿着外加磁场的方向”是指磁化轴的方向和外加磁场方向之间 的夹角小于等于45度。更好的情况是，磁化轴的方向和外加磁场方向之间的夹角小 于等于15度；最好的情况是，磁化轴的方向完全沿着外加磁场的方向。当一个微型 器件的磁化轴就是它的主轴的时候，“磁化轴可以基本沿着外加磁场的方向”是指主 轴的方向和外加磁场方向之间的夹角小于等于45度。对于形状为薄的矩形结构，磁 化轴就是主轴的微型器件，在外加磁场的作用下，微型器件可以沿着主轴排列成链状。 当外加磁场的方向旋转45度以上的时候(例如旋转90度)，微型器件也发生相同或 是相近度数的旋转，这样链状微型器件中的各个微型器件之间就相互分隔开来。
“微型器件的磁化轴可以基本沿着微型器件的主轴的方向”是指微型器件的磁化 轴的方向和微型器件的主轴之间的夹角小于等于45度。更好的情况是，微型器件的 磁化轴的方向和微型器件的主轴之间的夹角小于等于15度；最好的情况是，微型器 件的磁化轴的方向完全沿着微型器件的主轴的方向。
“链状排列的微型器件相互之间基本分隔开”是指微型器件相互基本分隔开使得 对每个微型器件都可以通过对微型器件上携带的可光识别的编码图案进行读取以确 定微型器件或是对微型器件进行分析。各个微型器件分隔的程度由许多因素共同决 定，例如微型器件的类型、数量、可光识别编码图案的分布、微型器件的几何形状、 读取可光识别编码图案的方法和对微型器件进行鉴定或是分析的目的等。只要不影响 对微型器件上携带的可光识别的编码图案进行读取以确定微型器件或是对微型器件 进行分析，微型器件之间可能存在的相互接触或是部分重叠都是可以接受的。在某些 场合下，最好微型器件之间是没有发生任何接触或是重叠的完全的分隔。
“所述微型通道的宽度为：当所述微型器件处于外加磁场中时，单个微型器件可 以在通道中自由旋转，在所述微型器件主轴与微型通道的主轴垂直时不能形成微型器 件链。”是指微型通道的宽度等于或是大于微型器件的最长的尺寸，例如当微型器件 为矩形结构，微型通道的宽度取矩形对角线的尺寸，就可以使得微型器件在通道内可 以自由的旋转。同时管道的宽度不能大于微型器件最长尺寸的150％，例如当微型器 件为矩形结构，微型通道的宽度取矩形对角线的尺寸。这样如果微型器件的主轴和微 型通道的主轴基本垂直的时候，微型通道可以防止通道中的微型器件排列成链状(至 少含有两个微型器件的链状)。最好的情况是，管道的宽度不能大于微型器件最长尺 寸的140％，130％，120％，110％，105％或是102％。“在所述微型器件主轴与微型 通道的主轴垂直时不能形成微型器件链。”是指在旋转之后，排列成链状的微型器件 相互之间基本分隔开。微型通道阵列中的每一个微型通道的宽度可以是相同的，但是 这不是必须的。微型通道阵列中的每一个微型通道都要使得微型器件可以在通道内旋 转。在这里，微型通道的主轴是沿着微型通道的长度的方向。
“微型器件的主轴与微型通道的主轴基本垂直”是指微型器件的主轴和带有微型 器件的微型通道的主轴之间的夹角大于等于45度。更好的情况是，微型器件的主轴 和带有微型器件的微型通道的主轴之间的夹角大于等于50，55，60，65，70，75，80， 85和90度。在这里，微型通道的主轴是沿着微型通道的长度的方向。
“所述微型通道的高度和/或通过磁场对微型器件的限制使得所述微型器件在所 述微型通道内不至于竖立”是指单单通过限制微型通道的高度或是单单通过磁场限制 微型器件，或是通过上述两者之和，足以使得微型器件在微型通道内不会出现主轴和 微型通道的高度方向基本平行的情况。微型通道的尺寸包括长、宽和高三部分。微型 通道的长对应着它的主轴。微型通道的高沿着与微型通道所处的平面垂直的方向。微 型通道的宽是微型通道的第三维尺寸。“主轴和微型通道的高度方向基本平行”是指 微型器件的主轴和微型通道的高度方向之间的夹角小于等于45度。如果仅仅通过使 用磁场限制的方法就可以防止微型器件形成上述排列的发生，就可以不考虑微型通道 本身的高度。
“所述可光识别的编码图案对应着在所述微型器件上要进行合成反应的产物”是 指微型器件上合成出的化合物是根据微型器件上的可光识别编码预先决定的。编码决 定了微型器件上合成的化合物的方式。例如，编码可以包括多个数字，每个数字代表 一步特定的合成步骤，编码中的这样一组数字就代表了一条合成的步骤，合成出所需 的产物。也可以由整个编码而不是编码的一部分确定合成的路线。
“根据可光学识别编码，每一步合成反应后微型器件重新进行分选”是指每个微 型器件上的化合物的合成步骤预先由其上的可光识别编码标识，在上一步合成反应结 束后，根据微型器件上的编码，对微型器件进行分选，再进行下一步反应。
“电导的或是可被介电极化物质”是指在特定的条件下可以受到介电电泳力作用 的任何物质。根据物质本身的电学性质和介电性质，在特定的条件下，该物质可以受 到正向或是负向的介电电泳力。这样的特定的条件包括，但不仅仅限于，特定频率的 外加电场，具有一定电学和介电性质的介质。
“光学标记物质”是指那些光学可见的物质可以用以标记被输运的实体分子。量 子点是这样一种光学标记物质。
“散射光可检测微粒”是指在特定条件下用光照射后，可以产生独特的可分辨的 散射光的微粒。具有“共振光散射(resonance light scattering(RLS))”性质的 纳米尺寸的微粒就是一类这样的“散射光可检测微粒”。
“量子点”是一类由水溶性的半导体纳米晶体构成的荧光标记物。量子点的一个 独特的性质是它的荧光光谱是由纳米晶体的直径决定的。“水溶性”在这里是指物质 可以在水溶液(水中或是由水配制而成的溶液或是生理条件溶液)中具有足够的溶解 度或是可以悬浮在这些溶液中。关于量子点的信息可以进一步参见文献。通常，可以 制备出具有较好单分散性的量子点，例如制备出的量子点的内核的直径的偏差在10 ％之内。
“芯片”是指在其上可以进行至少一种处理或操纵的表面。比如：转移、分离、 聚集、富集、浓缩、物理破碎、混合、结合、分析等等。芯片可以由固体或半固体制 成，材料可以是多孔的或者致密的。特定过程可以在其上进行，比如物理的、化学的、 生物的、生物物理的、或者生物化学的过程。芯片上制有或集成有诸如槽、通道、电 极单元和压电传感器等等微加工结构，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的要求并不苛刻，比如 从1mm2到0.25m2都可以。最好所用的芯片的表面积从4mm2到25cm2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应包括通过在芯片 表面进行加工或是蚀刻而得的槽、腔体等结构。
“在所述芯片上产生物理场的方式”是指任何可以在芯片上产生，或是和内建在 芯片的结构单元共同作用产生所需物理场的物质、结构单元或是它们的组合。
“物理场”，其它的说法还有“在一定空间范围内的物理场”或“在一定空间范 围内产生的物理场”是指一个具有如下特征的空间范围。当一个具有适当性质的实体 分子被放入这一空间中(也就是进入物理场中)，作为这一实体分子和场相互作用的 结果，实体分子受到了力的作用。实体分子在场中通过场在其上施加的力受到操纵。 典型的场包括电场、磁场、声场、光场和速度场。在本发明中，物理场总是存在于一 定空间范围内的介质中的，这些被操纵的实体分子通常是悬浮在、或溶解在，或更一 般的是被放在介质中。典型的介质是液体如水或非水液体，或是气体。根据场的性质， 电场可以对带电实体分子施加电泳力，或对带电或中性实体分子施加常规介电电泳力 和/或行波介电电泳力。磁场可以对磁性实体分子施加磁场力；声场可以对实体分子 施加声场辐射力；光场可以对实体分子施加光场辐射力。在一定空间范围内的介质中 的速度场是指在这一空间范围内介质移动的速度分布。各种不同的机制可以引起介质 的移动并且在不同位置的介质表现出不同的速度，所以产生了一个速度场。速度场可 以对实体分子施加机械力。
“介质”是指流体载体，例如液体或是气体。其中悬浮、包含或是溶解有实体分 子或是和微型器件相连的实体分子。
“微流体应用”是指采用微小器件，其基本结构单元的尺寸在亚微米到厘米量级， 用于流体操纵、处理及执行特别的生物、生化或化学反应。这些特别的领域包括但不 局限于生物芯片(如用于与生物相关的反应和操作的微芯片)、化学芯片(用于化学 反应的微芯片)或复合芯片。器件中的基本单元的特征尺寸是指器件中某一维的尺寸。 例如，一个圆形结构的单元(例如一个圆形电极板)的特征尺寸是指该圆形结构的直 径。如果结构单元是薄的矩形形状的线，它的特征结构是指线的长度或是宽度。
“基底上的内建结构单元”是指这些结构单元内嵌在基底上或是这些结构单元位 于基底上并且与基底相连。在实际应用中，这样的内建结构单元是直接加工在基底上 的。例如，如同在“Dielectrophoretic manipulation of cells using spiral electrodes by Wang et al.，Biophys.J.，72：1887-1899(1997)”中描述的一 样，螺旋状的电极微加工在玻璃基底上。在这里，螺旋电极是在玻璃基底上的“内建” 结构单元。在实际应用中，这种内建结构可以先加工在一个基底上，然后这个含有内 建结构的基底可以再与另一片基底相连接。这样这种“内建”结构在两片基底上都有。 在实际应用中，这种内建结构可以直接连接在基底的一面上。例如，细的电导线可以 当作电极来产生电场。这些电极可以直接连接在玻璃基底上。在这个例子中，电导线 是玻璃基底上的“内建”结构。本发明中，所描述到的在芯片或基底上有能力产生物 理力和或物理场的内建结构，可以与外部信号源连接。
“微结构”的特征尺寸在1微米至20毫米之间，装置上的用以产生所需物理力 的内部结构的尺寸应当与微流体应用的要求相协调。
“实体分子”是指任何可以在本发明的微型器件上进行分析、分离、操纵、测量 和检测的物质。一般来说，这些物质的特征尺寸不应超过1厘米。例如，如果这些物 质是球形或接近球形，它的特征尺寸是指球或近似球形的直径。如果这些物质是立方 体或近似立方体，则它的特征尺寸是指立方体或近似立方体的边长。如果这些物质具 有不规则的形状，则它的特征尺寸是指它的最大轴和最小轴长度的平均值。实体分子 可以是，但不仅仅限于，细胞、细胞器、病毒、微粒、分子(如蛋白质，DNA和RNA)， 或它们的聚集体或复合物。
可以被分析、分离、操纵、测量和检测的实体分子可以包括——固体(例如：玻 璃珠、乳胶微粒、磁珠)，液体(例如：液滴)或气体微粒(例如：气泡)，溶解的微 粒(例如：分子、蛋白、抗体、抗原、油脂、DNA，RNA，分子复合物)，悬浮微粒(例 如：玻璃珠、乳胶微粒、聚苯乙烯珠)，微粒分子复合物(例如：通过在磁珠表面固 定DNA分子而形成的DNA分子磁珠复合物，或用蛋白质分子包被聚苯乙烯珠而形成的 蛋白质-聚苯乙烯珠复合物)。微粒可以是有机的(例如：哺乳动物细胞或其它细胞， 细菌，病毒或其它微生物)，也可以是无机的(例如：金属微粒)。微粒可以具有不同 的形状(例如：球状，椭球状，立方体状，铁饼状，针状)和不同的尺寸(例如：纳 米级金球，微米级的细胞，毫米级的微粒聚合物)。微粒包括，但并不仅仅限于，生 物分子(如DNA、RNA、染色体)、蛋白质分子(如抗体)、细胞、胶体微粒(如聚苯乙 烯珠，磁珠)以及其它生物分子(如酶、抗原、激素等等)。
“植物”是指植物属中的任何可进行光合作用的真核多细胞生物体，其特征为可 以产生胚胎，包含叶绿体，具有纤维素成分的细胞壁，无法移动。
“动物”是指动物属中的任何多细胞生物体，其特征为具有移动的能力，无光合 作用机制，对刺激有明显的反应，具有有限的发育程度和大致固定的身体结构。动物 的例子包括，但是不仅仅限于，鸟类(如鸡)，脊椎动物(如鱼和哺乳动物，如大鼠、 小鼠、兔子、猫、狗、猪、奶牛、公牛、绵羊、山羊、马、猴和其它类人猿)等等。
“细菌”是指小的原核生物(特征尺寸大约为1微米左右)，具有沉降系数大约 为70s的核糖体和闭合环状DNA。细菌蛋白质的合成方式与真核生物不同。许多抗菌 素抑制细菌蛋白质的合成但不影响被感染的宿主。
“真细菌”是指细菌中除古细菌之外的另一大子类。绝大多数的格兰氏阳性菌、 蓝藻细菌、支原体、肠细菌、假单胞菌和叶绿体都是真细菌。真细菌的细胞质膜含有 酯连接脂类，如果有细胞壁，它含有肽聚糖；真细菌的基因组中没有发现内元。
“古细菌”是指细菌中除了真细菌之外的又一大子类。主要有三大类古细菌：嗜 盐菌，甲烷菌和一种依赖硫生存的极为嗜热的菌类。古细菌与真细菌的区别主要在于 核糖体结构和细胞膜成分上的差异，(在某些例子中)古细菌的基因组具有内元。
“病毒”是一种在宿主细胞内生活的生物体，不具有细胞的结构特征，具有DNA 或RNA和蛋白质的外壳。病毒的尺寸范围从大约20到大约300纳米。第一类病毒 (Baltimore分类)的基因组是双链DNA；第二类病毒的基因组是单链DNA；第三类病 毒的基因组是双链RNA；第四类病毒的基因组是单链的正链RNA，基因组自己作为病 毒的mRNA；第五类病毒的基因组是单链的反链RNA，基因组是合成mRNA的模板；第 六类病毒的基因组是单链的正链RNA，但在复制和mRNA的合成中都以DNA作为介质。 大多数病毒是通过它们在植物，动物和原核生物上所引起的疾病来识别的。原核生物 的病毒被称为噬菌体。
“真菌”是真核生物中的一类，它们以不规则的聚集形态生长，没有根，茎或叶， 并且缺少叶绿素或其它的能够进行光合作用的色素。每个真菌(扁平体)是一个单细 胞的丝状体，并且拥有分支状的菌丝，被细胞壁(含有葡聚糖和几丁质或两者都有) 包围着，含有真正的细胞核。
“结合物”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。结 合物可以是，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，也可以是特殊的分子，例如抗体、单链DNA等。结合物也可以 是本发明中的微型器件的表面包覆的物质。结合物也可以是微型器件的组成部分。本 发明的微型器件的组成材料中，除了本身是微型器件的基底以外，还可以具有对某些 实体分子的亲和结合活性，可以直接起到结合物的功能。
“利于/使得微型器件或是实体分子/微型器件复合物被操纵的物质”是指本身可 被操纵并且使得实体分子/微型器件复合物可被物理力操纵的物质。这样的物质可以 是，但不仅仅限于，例如分子、细胞、细胞器、病毒、微粒或是上述物质的复合物。 这样的物质也可以是，但不仅仅限于，通过沉积或是其它工艺制作的具有特殊物理化 学性质的物质。这样的物质可以是由金、铬、钛或是铂等金属制作的金属膜，它们不 仅可以作为微型器件的组成材料，还可以增加微型器件的电导率。这样的物质还可以 是聚苯乙烯等塑料聚合物这些绝缘物质，它们不仅可以作为微型器件的组成材料，还 可以降低微型器件的电导率。
“微粒”是指任何形状，任何组成，具有任何复合结构的微粒，可以通过相应的 物理力在微流体装置中进行操纵。微粒的一个例子是用磁场力操纵的磁珠。微粒的另 一个例子是用诸如行波介电电泳力等电场力来进行操纵的细胞。在这种方法中用到的 微粒尺寸可以从大约0.01微米到大约10厘米。更合适的是，在这种方法中的微粒的 尺寸从大约0.01微米到大约几千个微米。微粒的例子包括，但不仅仅限于，塑料微 粒、聚苯乙烯微粒、玻璃珠、磁珠、中空玻璃球、复合成分的微粒、微加工形成的非 内建微结构等。其它微粒包括细胞、细胞器、大的生物分子如DNA、RNA和蛋白质等。
“操纵”是指移动和处理这些实体分子/微型器件，从而导致实体分子/微型器件 在芯片上(包括在单芯片上或多集成芯片上或之间，在基底上或在装置中的多个基底 之间)作一维、二维或三维方向上的运动。对这些实体分子的操纵也可以是在液体容 器中进行。“操纵”包括，但不仅仅限于，输运、聚焦、富集、浓缩、聚集、捕获、 推斥、悬浮、分离、分馏、隔离、线性或是其它方向上的实体分子的移动。为了实现 高效的操纵，待操纵的实体分子和施加于其上的物理力应是协调的。例如，具有磁性 的实体分子可以施加以磁场力。相似的，具有电荷的实体分子可以施加以直流电场力 (即电泳力)。在操纵微型器件的情况中，这些用于微型器件操纵的物理力必须是协 调的。例如，微型器件具有一定的磁性，可以被磁场力操纵。微型器件可以由一种或 是多种磁性物质构成，例如铁磁性或是亚铁磁性物质。铁磁性或是亚铁磁性物质可以 是镍或是CoTaZr(Cobalt-Tantalum-Zirconium)合金。相似的，带有净电荷的微型器 件可以使用静电力进行操纵。在操纵微型器件-结合物-实体分子复合物的情况中，这 些微型器件-结合物-实体分子的性质和用于操纵的物理力必须是协调的。例如，实体 分子或它的结合物或是微型器件具有一定的介电性质，可被介电极化，可以使用介电 电泳力进行操纵。
“不可直接操纵的实体分子”是指在特定物理力的作用下，当这些实体分子没有 与它的结合物或是微型器件相连时，观察不到任何可见的运动。
“物理力”是指这样一种用以使实体分子或是其结合物或是微型器件运动的力， 它不与或是几乎不与实体分子或是其结合物或是微型器件发生化学、生物反应，不影 响或是几乎不影响实体分子或是其结合物或是微型器件的生物、化学性质。术语“力” 或“物理力”总是指作用在这些实体分子、结合物或是微型器件上的“力”或“物理 力”，“力”或“物理力”是通过场的作用产生的，由实体分子、结合物或是微型器 件本身的性质决定。因此，当给定了一个场或物理场，为了在实体分子上产生物理力， 这些实体分子必须具有一定的性质。某些类型的场可以在多种具有不同性质的实体分 子上都产生力的作用，而某些类型的场也许只可以在对一些有限类型的实体分子施加 力的作用。例如，磁场只能在磁性实体分子或具有一定磁性的实体分子上产生力或磁 场力，而不适用于其它类型的微粒，如聚苯乙烯珠。而另一方面，一个非均一的电场 可以在许多种不同类型的实体分子上施加物理力的作用，如聚苯乙烯珠、细胞，还有 磁珠等等。其实，并不必须要求物理场在不同类型实体分子上都产生力的作用，但物 理场必须至少可以在一种实体分子、结合物或是微型器件的至少一个实体分子、结合 物或是微型器件上产生力的作用。
“电场力”是电场对实体分子、结合物或是微型器件施加的力。
“磁场力”是磁场对实体分子、结合物或是微型器件施加的力。
“声场力(声场辐射力)”是指声场对实体分子、结合物或是微型器件施加的力。
“光场力(光辐射力)”是光场对实体分子、结合物或是微型器件施加的力。
“机械力”是速度场对实体分子、结合物或是微型器件施加的力。
“样品”是指任何包括可以通过本发明微型器件或是本发明的方法分离、分析、 操纵、测量的实体分子的物质。样品可以是生物样品，例如生物流体或是生物组织。 生物流体的例子有尿液、血液、血浆、血清、唾液、精液、粪便、痰、脑液、脊髓液、 泪液、粘液、羊水等等。生物组织是一组细胞的聚集体，可以组成生物的结构单元， 组织可以是连接组织、外周组织、肌肉组织和神经组织等。生物组织的例子包括器官、 肿瘤、淋巴结和动脉等。样品可以是体外制备的靶物质或是酶液的混合物。
“液体(流体)样品”是指以液体或是流体形式存在的样品，例如生物体的体液。 “液体样品”还可以指那些原先并不是以液体形式存在，如气体或是固体状态，但是 制备在液体、流体或是溶液中的样品。例如，可以把生物体的组织溶解或是悬浮在液 体(流体)中制备成液体样品。
“测定”是指定量或是定性的确定实体分子的组成和/或数量，例如测定样品中 某种核酸或是蛋白质的存在与否，还可以测定比率、组成等等其它的参数。测定可以 通过直接方法进行，也可以通过间接的方法进行。测定可以是定量的，也可以是定性 的。
优选设计方案
本发明使用磁场力将微型器件(微型盘片)排列成一定的几何形状。微型盘片是 一种微加工制作的尺寸在1至1000微米之间的微粒，在它的一侧含有一个或是多个 磁性物质制成的条状或是棒状结构。这些条状或是棒状结构的磁性物质都具有磁化 轴。磁化轴是由磁性材料的几何形状决定的。通常由磁性材料制成的薄膜(通常不到 1微米)的长宽比不小于3。通常这些结构的磁化轴就是它们的主轴。图1给出了一 个带有两个磁性条状(棒状)结构的微型盘片的示意图。磁场方向如箭头所指，微型 盘片会发生旋转或是定位到某一位置使得自身的磁化轴方向和外加磁场方向平行或 是基本平行。这里的微型盘片的磁化轴的方向和主轴的方向一致，或者就是它自身的 主轴。如果这些微型盘片没有被其它作用限制在一定的空间位置，它们会排列成如图 2所示的链状或是簇状(图中的箭头指出了磁场的方向)。在图3中，排列成链状的微 型器件被限制在微型通道中。把磁场方向旋转90度，排列成链状的微型器件就会旋 转，从而相互分隔开，如图4所示。图2至4所示的步骤组成了“磁性排列”。
当加载了磁场以后，微型器件会自行排列成链状或是簇状。为了将微型器件引入 通道，必须先将簇状排列的微型器件分散开。这可以通过旋转磁场的方向实现。可以 使用引导柱(将在下文的微型通道的描述中具体讨论)为旋转的簇状或是链状的微型 器件提供支点，帮助它们重组。一组适当的引导柱可以引导微型器件排列成一条链， 链的长度应该长于单个微型器件的宽度。
微型器件排列成的链可以通过磁场力或是流体力引入通道。链将向着磁场强度增 强的方向运动。如果链的长轴方向(基本上是和微型器件的磁化轴方向一致)和运动 方向一致，链上受到的液体的阻力相对较小，从而使得链具有更快的运动速度。对于 单个的微型器件而言，如果磁化轴的方向和运动方向(向着磁场强度增大的方向)垂 直或是基本垂直，微型器件会受到较大的磁场力。综上所述，当链的长轴方向和磁场 强度增大的方向之间的夹角不大于90度的时候，链的运动是最高效的，最佳的夹角 在45度左右，当然链也可以沿着其它的角度运动。这样的磁场梯度可以通过在平面 上的通道中或是附近使用一块大的永磁体或是电磁体，或是一组小型电磁体实现。当 微型盘片所处的磁场发生旋转(磁场的方向与链垂直)，微型盘片也会发生旋转，以 保持和磁场的变化一致。
本发明中，选择合适尺寸的微型盘片和通道是非常重要的。链状排列的微型盘片 的重叠程度和微型盘片的厚度和微型盘片上的磁性条状或是棒状结构的形状相关。图 1中的微型盘片当排列成链状的时候，大约会有20-30％程度的重叠。当微型盘片的 长宽比为1.22(90微米/70微米)的时候，当磁场发生旋转，微型盘片在通道内也会 发生旋转，但是通道内的微型盘片的相对重心位置并不会有大的改变。与此相反，圆 盘状的微型盘片当磁场发生旋转的时候，仍然保持重叠，或是在磁场的斥力作用下， 分散在通道的侧翼。
通道的最佳宽度由两个因素决定。通道需要足够的宽，使得单个微型器件可以在 通道中自由的旋转，图1中通道的宽度必须至少大于微型盘片对角线的宽度114微米 (902+702的平方根)，这是通道的最小宽度。同时该通道也需要足够的窄，使得上述 的微型器件在主轴与微型通道的主轴垂直的情况下不至于形成微型器件串。这样在图 1中，微型盘片的主平面的尺寸是90微米×70微米，假设两个微型盘片的重叠程度大 约是30％，那么两个排列成链状的微型盘片的长度为153微米(＝90+90-90×30％)， 这是通道可以允许的最宽宽度。当两个微型盘片的重叠程度分别为10％和20％，那 么两个排列成链状的微型盘片的长度分别为171微米和162微米。为了防止微型盘片 在通道内竖起来，通道的高度也应该被考虑到。如果磁场对微型盘片的限制足够强， 可以避免微型盘片竖起来情况的出现，可以不必考虑通道本身的高度问题。图2-4 给出的过程是假设微型盘片被限制在平面上运动的情况。通道的高度应该小于微型盘 片的短边的长度。如果微型通道带有顶盖或是从上方被封住，和通道底面成略小于90 度角的微型盘片应该是可以保持稳定的竖立状态的。可以使得微型盘片稳定竖立的最 小角度和磁场的强度、磁性物质的量和它们的饱和磁化率、微型盘片的重量和密度和 液体介质的密度相关。这个数值可以通过经验或是模型计算得到，但是通常小于45 度的角会使得微型盘片在通道中趋向于保持水平状态。这样，图1中所示的微型盘片 所处的通道的高度必须不超过50微米(＝70微米×Sin45°)，才能防止微型盘片保持 达到稳定的竖立状态。
微型盘片上的磁性棒状(条状)结构的形状可以影响微型盘片排列成链状或是簇 状，影响微型盘片之间的重叠程度。图5给出了集中其它类型的条状(棒状)结构的 设计。
微型盘片可以使用各种方法进行编码以相互区分。首选的编码方式是在微加工制 作微型盘片的同时制作上去的编码，例如二维条形码或是嵌入可光识别的字符，如图 6所示，图中，左边是2D的矩阵图案，右边的是可以光学识别的四个字符的编码图案。
带有编码的微型盘片可以使用任何现有的技术进行制作。图1所示的典型的微型 盘片包括4个部分：磁性棒状(条状)结构1；编码区2(例如由铝材料制作)；四周 区域3包围着磁性区和编码区2，提供了供修饰的表面；箭头指向的是外部的磁场的 方向。该四周区域可以使用任何简单的材料制作，例如硅基材料、陶瓷和金属等等。 在这里首选的的材料是二氧化硅。这些不同的区域分别制作在微型盘片的不同厚度层 上。磁性棒状(条状)结构1和编码区2制作在微型盘片的中间层，夹在四周区域3 所示的材料之间。这些不同的区域分布在微型器件厚度的不同层面上。磁棒和编码区 位于中间层，被顶层和底层的材料包裹着。在一种微型器件的实例中，这样的微型盘 片包括由软磁性材料(如CoTaZr或是NiFe)组成的磁棒，尺寸为90微米长，70微 米宽，3.2微米厚。
制作在微型盘片中的磁性棒状(条状)结构可以使用任何磁性材料制作。最好是 由低剩磁率，高磁化率的材料制成，钴-钽-锆合金满足上述的要求。但是具有较高剩 磁率的镍，也可以用以本发明。编码层可以使用任何非磁性材料制作，例如铝、金或 是铜等材料。和使用荧光素为编码方式的编码珠体不同，图6所示的微加工制作的磁 性棒状(条状)结构是一种物理方式的编码，可以产生的编码数量并不受限于材料本 身的性质。图6所示的4字符编码方式，如果自己只取英文字母的大小写和数字(一 共62种)，可能的编码的数量超过107种。
本发明的微型盘片可以排列成阵列，使得对微型盘片编码信息的快速读取成为可 能，还可以避免使用复杂的光学检测系统。这样的阵列还易于长期的保存。和传统的 将捕获分子固定在同一表面上的方法不同，微型盘片形成的阵列中每种不同的捕获分 子被固定在一种微型盘片的表面。这样，可以对单个微型盘片进行先后时序的分析。 例如，在对微型盘片阵列中的某一类盘片进行初始筛选之后，微型盘片可以进一步和 其它的检测分子反应或是进行另外一种形式的分析，例如测序或是质谱分析。分离出 特定的微型盘片就相当于对微型盘片上捕获的分子进行纯化。这样，当微型盘片和分 选技术结合，可以用以纯化实体分子，例如蛋白质、DNA、细胞等。
当进入微型通道内之后，微型盘片可以沿着通道单个的运动，也可以以链状的方 式整体运动。可以使用磁场力将微型盘片通过连接到不同收集腔的通道输运到相应的 收集腔。例如，在DNA合成的过程中，每一个通道都可以连接到A、T、C和G四个反 应管中的一个。这样的通道还可以从微型盘片中分离出所需的类型进行后续的分析 (参见美国专利申请No.09/924,428，2001年8月7日递交)。本文发明内容部分给 出的其它分选方法也可以用以微型盘片的分选。
“磁性棒状结构”的形状除了选择规则的矩形之外，还可以是杆状或是其它具有 磁化轴的略不规则的形状，例如拉长了的锥状。上面给出的例子大多是平面微粒(微 型盘片)，其实微型器件可以采取任意的形状包括球状珠体的形式。最简单的微型器 件是带有一个磁性棒状结构的编码器，这个编码是在制作微型器件的时候制作上去 的，例如通过光化学光刻或是在磁性棒状结构制作后连上的，例如连上荧光素。
微型器件可以排列成整齐的形式以便于读取微型器件上的可光识别编码。首选的 微型器件的排列方式是通过将微型器件引入通道，使得微型器件的磁化轴和微型通道 的长轴方向垂直，如图9所示，就可以方便读取链状排列在玻璃表面的微型盘片的可 光识别编码。如图10中，微型盘片上的2D棒状编码完全显示在链的外侧，光源从下 方照射，放大倍数大约为400倍。虽然首选的方式是使得微型盘片在通道中排列(如 图4和图11所示)，这样的排列也可以在平面上进行，例如在载玻片表面(如图9， 图10所示)。即使临近的微型盘片会发生一定重叠，微型盘片还是可以有效的排列成 链状。可以在微型盘片的混合物中加入“辅助”微型盘片，这些微型盘片不包括编码 图案，本身也是透明的。在微型盘片排列成链状之前加入“辅助”微型盘片，可以降 低两个带有编码图案的微型盘片靠近的几率。这样，通过使用磁场，就可以有效的得 到编码微型盘片排列成的链。
在微粒通过通道的时候，编码图案和其它信息被读取。编码图案和其它信息可以 使用任何适当的分选仪器，例如流式细胞分选仪。
除了可以排列以外，带有磁化轴的微型器件还可以根据外界磁场的变化在通道内 以确定的方式旋转。这种旋转有助于混合，加速反应并且使得溶液趋向均一。
实施例
实施例1、蛋白质谱
带有编码的微型盘片的表面是二氧化硅材料，可以通过硅烷化使得表面带上活化 的功能基团，例如使用3-aminoproplytrimethoxysilane处理表面使得表面带上氨基。 功能基团可以进一步被活化用以偶联，例如可以使用N-hydroxysulfosuccinimide和 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carb-odiimide活化氨基，再和捕获抗体上的氨 基基团发生共价的偶联反应。预先制备许多这样的连接有捕获抗体的微型盘片，每一 种微型盘片上都连接有一种不同的带有生物素化的捕获抗体。将这样的带有抗体的微 型盘片的混合物和待检测的含有可被捕获抗体识别的抗原或是蛋白质溶液反应。基本 反应后，加入带有荧光标记的链霉亲和素分子，进一步反应。然后将微型盘片排列起 来，通过光学检测器检测微型盘片的类型，同时使用荧光检测器确定微型盘片上结合 的抗原(蛋白)的水平。
实施例2、mRNA/cDNA表达谱
带有编码的微型盘片的表面是二氧化硅材料，可以通过硅烷化使得表面带上连接 合成的寡核苷酸的首选基团--醛基(参见″Comparison between different strategies of covalent attachment of DNA to glass surfaces to build DNA microarrays″by Zammatteo et.al.Anal.Biochem.，280：143-150(2000))。可以通过使用 3-glycidoxyproplytrimethoxysilane，再水解环氧基形成二醇，再使用高碘酸盐处 理使得二醇转化为醛基，这样带有氨基标记的合成的寡核苷酸就可以共价的连接到微 型盘片的表面。预先制备许多这样的连接有捕获探针的微型盘片，每一种微型盘片上 都连接有一种不同序列的捕获探针。将这样的带有捕获探针的微型盘片的混合物和待 检测的含有和捕获探针互补的带有荧光标记的cDNA溶液反应。基本反应完成和清洗 后，然后将微型盘片排列起来，通过光学检测器检测微型盘片的类型，同时使用荧光 检测器确定微型盘片上结合的cDNA的水平。
实施例3、化合物库合成
当没有微型盘片分选的设备或是仪器，库的合成是随机的。使用“split and pool” 方法化合物库可以直接合成在微型盘片上。每一步合成完成之后，下一步反应之前， 微型盘片被排列起来，进行编码的识别。例如当合成DNA的时候，将微型盘片混合， 分为四份，分别放入四个反应腔A、G、T和C中。这些参加反应的微型盘片都被排列 起来进行光学检测记录下相应的信息。每一步反应时都进行这样的识别和记录的操 作，这样等到反应结束，每一个微型盘片上所合成的DNA的序列都有记录，是已知的。 在这种随机合成化合物库的方法中，每个微型盘片上携带的可光识别编码都应该是不 同的，否则具有相同编码的两个微型盘片可能进入不同的反应腔发生不同的反应，从 而合成出不同的化合物，没有方法区别。就是说在这样的例子里，任意两个微型盘片 上带有的编码都应该是不同的，带有不同编码的两个微型盘片有可能经历了同样的反 应，带有相同的化合物。这样的化合物库可以用于筛选，这样的技术除了上面举例用 以合成DNA库，还可以用以合成多肽库。任何可以在珠体上合成的化合物库都可以在 这样的微型盘片上合成。在组合化学中，有大量这样的库(可以参见″Comprehensive survey of combinatorial library synthesis；1999″by Dolle Journal of Combinatorial Chemistry，2：383-433(2000))。这种随机合成化合物库的方法要求 每个微型盘片都具有唯一的编码。
第二种而且是更为有用的化合物库的合成需要在每一步合成之后使用分选装置。 这种方法里，每个微型盘片上面在合成之前被预先指定了合成后将要合成出来的化合 物的种类。在每一步反应之后，微型盘片都进行分选送进相应的反应腔进行后续的反 应。以一个微型盘片被指定合成序列为ATCAGTCATGCG(SEQ ID NO：1)的DNA分子为例， 那么在合成过程中该微型盘片先进入编号为A的试管进行合成，再进入编号为T的试 管进行第二步合成，再进入编号为C的试管进行第三步合成，依此类推。库容量在合 成之前就已经决定，而且待合成的库可以仅仅是可能合成的库的其中的一部分。例如， 可以合成一个带有107种长为50个核苷酸的DNA库，这107种DNA分子和人类基因组 中的序列相对应，虽然这个库只是完整的50个核苷酸构成的DNA库(1030种，450)的 一小部分；可以合成一个带有107种长为20个氨基酸的多肽库，这107种多肽分子和 人类基因组中的多肽序列相对应，虽然这个库只是完整的20个核苷酸构成的多肽库 (1026种，2020)的一小部分。由于在每一步合成时都进行分选，所以可以在一次合成 中产生相同的化合物，因为带有相同编码的微型盘片会一起被分选，合成出相同的化 合物。这就意味着单个微型盘片的拷贝数是可以严格控制的。更重要的是，合成出的 化合物库可以被分成更小的部分，和其它已知序列的库混合就可以得到新的库。
现在化合物库的合成的研究热点是合成在模板或是骨架上带有可变区的库。许多 研究者和公司(如Affibody，Phylos，Ribozyme Pharmaceuticals，Somalogic)都 在使用这样的方法合成出抗体、酶、或是其它可以识别其它分子(如核酸抗体， aptamer)、执行酶的功能的(如核酶)或是可以产生信号(如荧光、荧光能量转化) 功能的分子。这些方法的共同点在于都需要使用酶产生二级库，并解释最终的结果。 例如在核酸抗体的筛选中，核酸抗体通常是通过SELEX(Systematic Evolution of Ligands by Exponential enrichments--e.g.U.S.Pat.No.6,048,698)过程产生 的，这需要先进行随机的合成，然后通过筛选，获得具有所需结合性质的亚库。这个 亚库通过PCR的再被放大和随机化，再进行筛选，这样的步骤反复进行直到获得产生 达到预先要求的特异性和亲和性的核酸抗体。
使用本发明的微型盘片进行筛选和放大有两大优势。第一，对聚合物的扩增不需 要使用酶。第二，因为在库中的聚合物是通过反复的化学合成得到的，化合物可以是 以下任何成分的组合，核酸、氨基酸、小有机分子、糖基、蛋白质-核酸复合物等。 随着使用微型盘片合成出的化合物库库容量的增大，增加了合成出具有在极端条件下 具有特殊性质的分子的可能性，例如合成出可以在变性条件下捕获蛋白质的分子。这 些化合物库也可以使用传统的珠体形式的方法进行合成，但是进一步的筛选和生产是 限速的步骤。在传统的化学合成方法中，可以使用分析化学的方法对库中的部分分子 进行分析，例如使用质谱。但是要分析库里所有化合物的性质是不现实的。但是本发 明的每个微型盘片都带有光学编码，微型盘片库中的所有成分都可以进行分析。例如， 对于一个含有1010种化合物的库，所有化合物的结合效率都可以被分析，然后可以以 该库的一个子库为起点，再次合成一个新的化合物库。由于在每次筛选过程中，库里 的每一个化合物的测量信息都被记录下来，便于使用计算学的方法设计下一步的筛 选。当使用微型盘片技术时，每一轮筛选库都得到的大量的信息，使得传统的随机方 法变成了一项有指导的系统方法。