專利名稱：用于生物或化學(xué)分析的分析芯片、處理流體的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于生物或化學(xué)分析的分析芯片、處理流體的裝置及方法。
背景技術(shù)：
在新藥開發(fā)中，通過鑒別具有所需特性的化學(xué)化合物來產(chǎn)生潛在的藥物候選物。有時將這些化合物稱為“前導(dǎo)化合物”。一旦發(fā)現(xiàn)一種前導(dǎo)化合物后，則可產(chǎn)生該前導(dǎo)化合物的各種變體，并將它們用作潛在的藥物候選物。
為了減少開發(fā)有用的藥物候選物所花費的時間，使用高通量篩選(HTS)方法取代常規(guī)的前導(dǎo)化合物鑒別法。高通量篩選法使用含有大量潛在所需化合物的庫。該庫中的化合物的量很大，并且這些化合物可通過組合化學(xué)過程而制得。在HTS方法中，在一個或多個檢測中對許多化合物進行篩選，為的是鑒別出具有所需特征活性的那些庫中成員(具體是化學(xué)物種或亞種)。由此鑒別出來的這些化合物可作為常規(guī)的“前導(dǎo)化合物”，或者將它們用于治療。
常規(guī)的HTS方法使用具有許多孔的多孔平板。例如，典型的多孔平板可具有96個孔。每個孔中可裝有不同的要分析的液體樣品。使用多孔平板，可基本上同時分析許多種不同的液體樣品。
圖1顯示具有基底17和邊緣15的多孔平板10的一部分。邊緣15從基底17向上延伸，限定了孔16。在孔16上有一微移液管11，該管將含有液體樣品13的液滴分配到孔16中及樣品表面12上。液滴可具有成“S”形的表面。而在孔16中，邊緣15將液體樣品13限制在樣品表面12上，這樣可對其進行分析。
有必要減小多孔平板中孔的體積，增加平板上孔的密度。這樣做可使平板上具有更多的孔，從而使更多的反應(yīng)可基本上同時進行。同樣，由于孔的體積減小，液體樣品的體積也減小。液體樣品體積的減小減少了HTS方法中試劑的需用量。減少所使用試劑的量，就可減少HTS方法的成本。同時，液體樣品如生物液體樣品(如血液)不總是易于獲得。在可獲得的樣品的量很少的情況下需要使檢測中的樣品量最小化。
雖然需要增加多孔平板上孔的密度，但是孔的密度受到孔上邊緣部分存在的限制。可將這些邊緣部分除去，使樣品表面相互之間更接近，從而增加樣品表面的密度。但是，除去這些邊緣部分后，相鄰樣品表面之間將不存在物理屏障。這增加了鄰近樣品表面上液體樣品相互混合并污染的可能性。
減小液體樣品的體積也可能產(chǎn)生問題。將檢測的體積減小到小于1微升會大大增加表面積/體積比。增加表面積/體積比可增加液體樣品中分析物或俘獲劑被改變的可能性，從而影響到使用所述分析物或俘獲劑的任何分析或反應(yīng)。例如，液體樣品中的蛋白質(zhì)容易在液體/固體和液體/空氣界面上發(fā)生變性。當含有蛋白質(zhì)的液體樣品形成液滴時，該液滴可具有高的表面積/液滴中蛋白質(zhì)的量之比。如果該液體樣品中的蛋白質(zhì)與液體/空氣界面接觸，這些蛋白質(zhì)將變性并且失活。而且，當液體樣品的表面積/體積比增加時，該液體樣品蒸發(fā)的可能性也增加。亞微升體積的液體在與空氣接觸時容易快速蒸發(fā)。例如，許多亞微升體積的液體可在幾秒鐘到幾分鐘內(nèi)蒸發(fā)。這使得對這些液體的分析或處理變得困難。此外，如果液體樣品含有蛋白質(zhì)，則該液體樣品的液態(tài)成分的蒸發(fā)將對其中的蛋白質(zhì)產(chǎn)生不利的影響(如變性)。
本發(fā)明的實施方式將針對這些和其它問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個實施方式涉及一種芯片，它包括a)包括非樣品表面的基底；b)至少一種結(jié)構(gòu)，各結(jié)構(gòu)包括一根柱和一個樣品表面，此表面相對于上述非樣品表面是凸起的，并且適應(yīng)于接受從分配器分配的樣品。
本發(fā)明的另一個實施方式涉及適應(yīng)于對液體進行處理的裝置，該裝置包括a)包括一個本體和限定在該本體中至少一個流體通道的分配器，各流體通道用于將液體分配到一個或多個樣品表面上；b)芯片，它包括(i)包括非樣品表面的基底；和(ii)至少一種結(jié)構(gòu)，各結(jié)構(gòu)包括柱和相對于上述非樣品表面凸起的并從所述分配器接受樣品的樣品表面。
本發(fā)明的另一個實施方式涉及一種處理液體的方法，該方法包括a)給分配器中的流體通道提供液體；b)將該液體分配到芯片基底上的一個或多個結(jié)構(gòu)中，各結(jié)構(gòu)包括柱和相對于非樣品表面凸起的樣品表面。
本發(fā)明的另一個實施方式涉及一種處理液體的方法，該方法包括a)將許多股液體提供給分配器中的各個流體通道，各個流體通道中包括被動閥門，各液體在各流體通道中的流動在該被動閥門處停止；b)將許多個結(jié)構(gòu)的樣品表面對準許多個流體通道，各結(jié)構(gòu)包括一個柱；c)當樣品表面在流體通道的端口或者被放在流體通道的端口時，使樣品表面和流體通道中的液體接觸。
本發(fā)明的另一個實施方式涉及一塊芯片，它包括a)包括非樣品表面的基底；b)在該基底上排成陣列的許多個結(jié)構(gòu)，各結(jié)構(gòu)包括一個柱和相對于所述非樣品表面凸起的樣品表面，該樣品表面用于從分配器中接受要在所述樣品表面上進行處理或分析的樣品。
本發(fā)明的另一個實施方式涉及用于處理液體的裝置，該裝置包括a)芯片，它包括i)包括非樣品表面的基底和ii)在該基底上排成陣列的許多個結(jié)構(gòu)，各結(jié)構(gòu)包括一個柱和相對于所述非樣品表面凸起的樣品表面，此樣品表面用于接受要在所述該樣品表面上進行處理或分析的樣品；b)包括許多個流體通道的分配器，各流體通道中有個被動閥門，該分配器將液體樣品分配到所述芯片的樣品表面上。
下文將更詳細描述這些和其它實施方式。


圖1(a)和1(b)顯示微移液管和微孔平板的截面。
圖2(a)和2(b)顯示包括柱的芯片截面。
圖3和4顯示具有親和結(jié)構(gòu)的柱的截面。
圖5顯示柱陣列的透視圖。
圖6(a)和6(b)顯示柱的截面。
圖6(c)-6(h)顯示芯片基底上不同類型柱的透視圖。
圖6(i)-6(k)顯示柱的截面。
圖6(1)顯示具有柱的芯片的截面，這些柱中有穿過它們的流體通道。
圖7顯示分配器的透視圖。
圖8顯示一個芯片實施方式的透視圖。
圖9顯示一個裝置實施方式的透視圖。
圖10-12顯示一些裝置實施方式的截面。
圖13是柱的樣品表面上液體樣品的特寫圖。
圖14顯示一個裝置實施方式的截面。
圖15和16顯示一些裝置實施方式的截面。
圖17(a)-17(d)顯示包括具有有凹側(cè)面的柱的芯片的一個裝置實施方式的截面。
圖18-23顯示各種分配器構(gòu)型的截面。
圖24顯示一個裝置實施方式的透視圖。
圖25顯示圖24所示裝置實施方式的部分透視圖。
圖26顯示一個裝置實施方式的分解圖。
圖27顯示圖26所示裝置實施方式的一部分的部分透視圖、部分剖面圖。
圖28顯示一個裝置實施方式的分解圖。
圖29-30顯示圖28所示裝置實施方式的部分截面。
圖31(a)顯示一個裝置實體的截面。
圖31(b)顯示圖31(a)中所示裝置實施方式的俯視圖，圖中隱線表示槽。
應(yīng)理解，在有些例子中，為了闡述本發(fā)明的實施方式，可簡化上述附圖，或者它們不成比例。例如，雖然圖2(a)顯示具有兩個柱的芯片，但是本發(fā)明實施方式的芯片樣品可具有任何合適數(shù)目的柱。例如，在有些實施方式中，每塊芯片可有100根以上的柱。
具體實施例方式
本發(fā)明的實施方式可在許多不同領(lǐng)域中使用。例如，本發(fā)明的一些實施方式可在藥學(xué)用途中使用，如靶標發(fā)現(xiàn)和/或確認用的蛋白質(zhì)(proteomic)等的研究以及用于臨床上疾病分期或疾病進展的診斷。本發(fā)明的一些實施方式還可在污染的跟蹤和鑒別的環(huán)境分析中使用。在學(xué)術(shù)研究方面，本發(fā)明的一些實施方式可用在生物學(xué)或醫(yī)學(xué)研究中。本發(fā)明的實施方式還可與研究和臨床微陣列系統(tǒng)以及設(shè)備一起使用。
在本發(fā)明的實施方式中，可以分析例如兩種或多種成分之間結(jié)合、結(jié)合抑制、反應(yīng)或催化之類的事件。例如，可使用本發(fā)明的實施方式分析液體樣品中的分析物與結(jié)合到柱表面上的俘獲劑之間的相互作用。更具體地說，可使用本發(fā)明的實施方式分析下述成分之間的相互作用抗體/抗原、抗體/半抗原、酶/底物、載體蛋白質(zhì)/基質(zhì)、外源凝集素/碳水化合物、受體/激素、受體/效應(yīng)物、蛋白質(zhì)/DNA、蛋白質(zhì)/RNA、阻遏物/誘導(dǎo)物、DNA/DNA等等。
I.具有柱的芯片本發(fā)明的一個實施方式涉及一種芯片。該芯片可包括含有非樣品表面的基底和含有柱的至少一個結(jié)構(gòu)。所述至少一個結(jié)構(gòu)通常在所述芯片基底上呈陣列的形式。各結(jié)構(gòu)包括相對于所述芯片的非樣品表面凸起的樣品表面。所述結(jié)構(gòu)的樣品表面可與所述柱的頂部表面相對應(yīng)。在另一些實施方式中，所述樣品表面可與所述柱上涂層的上表面相對應(yīng)。
各樣品表面可用于接受要在所述樣品表面上進行處理或分析的樣品。所述樣品可以是或者含有要在所述樣品表面上被結(jié)合、吸附、進行反應(yīng)等的成分。例如，所述樣品可以是含有分析物和液態(tài)介質(zhì)的液體。在另一實施方式中，所述樣品可以是分析物自身。因為在芯片上具有許多個樣品表面，所以在本發(fā)明的實施方式中可同時處理或分析許多樣品。
當樣品與所述樣品表面接觸時，這些樣品可以是液態(tài)形式。當液態(tài)樣品存在在所述樣品表面上時，所述液態(tài)樣品可以是分散的液滴形式?？稍谒鰳悠繁砻嫔戏胖萌魏魏线m體積的液態(tài)樣品。例如，放置在所述樣品表面上的所述液態(tài)樣品的體積可以是約1微升或更少。在其它實施方式中，所述樣品表面上的液態(tài)樣品的體積可以大約是10納升或較少(如100皮升或較少)。
在另外一些實施方式中，分散的液滴并不需要留在樣品表面上。例如，含有俘獲劑和液態(tài)介質(zhì)的液體可以只要與樣品表面接觸。該俘獲劑可與所述樣品表面結(jié)合，然后基本上所有的液態(tài)介質(zhì)都從所述樣品表面上除去，僅留下所述俘獲劑在所述樣品表面上。結(jié)果，在本發(fā)明的一些實施方式中，在來自分配器的液體與樣品表面接觸后，液態(tài)介質(zhì)不需要保留在所述樣品表面上。
可從生物液體如血液和尿中獲得所述液體樣品。在一些實施方式中，所述生物液體可包括細胞器(如細胞)或者分子(如蛋白質(zhì)和核酸鏈)。當所述芯片用于分析、生產(chǎn)或處理一種生物液體或生物分子時，所述芯片可稱為“生物芯片”。
由分配器提供的液體可含有任何合適的液態(tài)介質(zhì)和任何合適的成分。合適的成分可包括分析物、俘獲劑(如固定的靶標)和反應(yīng)劑。合適的分析物或俘獲劑在基本性上可以是有機的或無機的，也可以是生物分子，如多肽、DNA、RNA、mRNA、抗體等。其它合適的分析物可以是一些可能是潛在候選藥物的化學(xué)化合物。反應(yīng)劑可以包括會與所述樣品表面上的其他成分起反應(yīng)的反應(yīng)劑。合適的反應(yīng)劑可包括能對樣品表面上的成分進行處理的生物的或化學(xué)的物質(zhì)。例如，試劑可以是在所述樣品表面上可將蛋白質(zhì)展開、解離或衍生的酶或其它物質(zhì)。合適的液態(tài)介質(zhì)包括如緩沖液(如酸性、中性、堿性)、水、有機溶劑等之類的溶液。
樣品存在于其上的凸起的樣品表面可具有選擇的特性。在一些實施方式中，所述樣品表面可做成是親液的，這樣這些樣品表面就更容易接受和保留住液體樣品。例如，所述樣品表面可以是親水的?；蛘呋虼送?，所述樣品表面可具有可結(jié)合、吸附放置于其上的液體樣品中的成分或與這些成分起反應(yīng)的分子。例如，樣品表面上可包括一種或多種可與液體樣品中的分析物反應(yīng)的俘獲劑。在另一實施方式中，所述樣品表面可具有能接受并結(jié)合俘獲劑本身的層。因此，在本發(fā)明的實施方式中，樣品表面的性質(zhì)可隨著樣品結(jié)構(gòu)的變化而改變。
使樣品表面相對于非樣品表面凸起有一些優(yōu)點。例如，通過使樣品表面凸起，可使相鄰結(jié)構(gòu)上的不同液體樣品之間可能出現(xiàn)的交叉污染盡可能減小。樣品表面上的液體樣品就不容易流到鄰近的樣品表面上，因為這些樣品表面被凹地隔開。在一些實施方式中，即使并不存在能將液體樣品限制在樣品表面上的邊緣部分，但鄰近樣品表面上樣品之間的交叉污染還是得到減少。由于不需要將樣品限制在它們各自的樣品表面上的邊緣部分，所以可減少鄰近樣品表面之間的空間，從而增加了樣品表面的密度。結(jié)果，與常規(guī)的方法相比，每塊芯片可處理和/或分析更多的液體樣品。此外，在本發(fā)明的實施方式中可使用小體積的液體樣品，這樣就可減少所使用的試劑的量，從而降低成本。
在一些實施方式中，所述結(jié)構(gòu)的側(cè)面或該側(cè)面的一部分可提供與所述樣品表面相同的選擇特性，或者與所述樣品表面不同的選擇特性。例如，芯片柱的側(cè)面可提供疏水特性，而該柱的樣品表面可提供親水特征。柱的親水樣品表面吸引液體樣品，而該柱的疏水側(cè)面則會抑制該液體樣品沿所述柱的側(cè)面流下。因此，在一些實施方式中，不用孔的邊緣液體樣品就可被限制在柱的樣品表面上。結(jié)果，在本發(fā)明的實施方式中，相鄰樣品表面間的交叉污染減至最小，仍同時能增加樣品表面的密度。
在關(guān)于如何使用本發(fā)明一個實施方式的芯片的說明性例子中，第一分配器可將含有互不相同蛋白質(zhì)的許多份液體樣品存放到所述芯片基底上許多個柱的樣品表面上。所述第一分配器可以是個“被動閥門”型的分配器。下文將進一步詳述被動閥門型分配器。之后，不同的蛋白質(zhì)(可以是俘獲劑)可結(jié)合到各自不同的柱的不同樣品表面上。然后可使用可與所述第一分配器相同或不同的第二分配器將含有分析物的液體分配到所述各個柱的各個樣品表面上。此液體可維持與所述樣品表面接觸一預(yù)定的時間，使得該液體中的分析物有足夠的時間與樣品表面上的蛋白質(zhì)相互作用(如結(jié)合、反應(yīng))。預(yù)定的時間可以大于約30秒(如大于約1分鐘)。但是，該時間可根據(jù)具體發(fā)生的反應(yīng)而改變。過了預(yù)定的時間后，可使用洗滌用液體或試劑液體洗滌所述柱的樣品表面，和/或?qū)⑦@些表面暴露在這些液體中，以除去未結(jié)合的分析物或反應(yīng)產(chǎn)物?？蓡为毣蚬餐蚋髦峁┧鱿礈煊靡后w和/或試劑液體，或者通過例如溢流方式使這些柱與液體源接觸。然后可分析這些樣品表面，確定所述液體中哪些分析物與結(jié)合的蛋白質(zhì)起了相互作用。
可采用任何合適的方法進行分析，分析可以是定量或定性的分析?？蓪悠繁砻孢M行分析，確定例如哪些分析物結(jié)合到所述樣品表面上和/或有多少分析物被結(jié)合到所述樣品表面上。在一個實施方式中，可對液體中的分析物加入熒光標記物，而結(jié)合于樣品表面上的蛋白質(zhì)則無標記物或含有不同的標記物?？赏ㄟ^如熒光、熒光偏振、表面胞質(zhì)基因共振(surface plasmon resonance，SPR)、SPR成像、橢圓光度法或橢圓光度法成像觀察或檢測分析物和結(jié)合的蛋白質(zhì)之間的結(jié)合。
在關(guān)于如何使用本發(fā)明一個實施方式中的芯片的另一例子中，可基本上同時檢測潛在的藥物候選物和許多種潛在藥物候選物。例如，可測試一些合成的有機化合物作為固定在不同樣品表面上的一類受體的抑制劑的能力。所述合成的化合物和針對所述受體的結(jié)合配體可存在于存放在芯片的樣品表面上的液體樣品中。對應(yīng)于所述配體的受體可被固定在所述樣品表面上。在液體樣品被存放在所述樣品表面上之后，可任其放置一段時間，使所述配體和受體之間的任何潛在的相互作用得以發(fā)生。然后可對這些樣品表面進行分析，看看所述配體是否結(jié)合到所述受體上。如果液體樣品中的結(jié)合配體沒有與固定的受體結(jié)合，則與所述配體一起分配的有機化合物可能抑制了所述配體與所述受體間的相互作用。則該有機化合物可鑒別作為潛在的藥物候選物。
在另一例子中，可將含有蛋白質(zhì)的液體樣品存放在芯片樣品結(jié)構(gòu)的樣品表面上。當這些樣品表面接受所述液體樣品時，這些樣品表面可在分配器的流體通道之內(nèi)或靠近其端口。此時，各流體通道可作為發(fā)生反應(yīng)的反應(yīng)室。例如，當芯片的樣品表面在所述流體通道內(nèi)或者靠近其端口時，該液體樣品中的各種其它試劑可存放到先前存放的樣品上。所述試劑可使先前存放的液體樣品中的蛋白質(zhì)展開、解離或衍生。當所述液體樣品中的蛋白質(zhì)在(1)所述樣品表面上、(2)在所述樣品表面上的液滴中或者(3)當所述樣品表面在所述流體通道內(nèi)或在靠近其端口時，這些蛋白質(zhì)就可被處理。然后可將經(jīng)處理的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移到分析儀器(如質(zhì)譜儀)中。在其它實施方式中，存放液體樣品中的蛋白質(zhì)可在沒有以后存放的試劑的情況下展開或解離。例如，存放的液體樣品中的蛋白質(zhì)如果在樣品表面上停留預(yù)定的時間，則它們可展開、解離或者發(fā)生其他的變化。
雖然這這個例子和其它例子中提到的都是蛋白質(zhì)，但是也可使用其它化合物作為反應(yīng)劑、催化劑或者酶。結(jié)合于樣品表面的成分可以是反應(yīng)劑、催化劑或酶的對應(yīng)物。應(yīng)當理解，本文引述的蛋白質(zhì)是作為示范性的樣品和成分，本發(fā)明的實施方式并不限于處理和分析蛋白質(zhì)。本發(fā)明的實施方式可對任何兩種對應(yīng)物之間的相互作用進行分析。
圖2(a)顯示了本發(fā)明一個實施方式的芯片的截面。所示的芯片包括基底22、分別含柱20(a)和20(b)的樣品結(jié)構(gòu)25(a)和25(b)?；?2和柱20(a)、20(b)可以是相同材料的整體結(jié)構(gòu)?；?2與柱20(a)、20(b)可以是有區(qū)別的，即由不同的材料制成。柱20(a)和20(b)各自可由單一材料(如硅)組成，或者可包括不同材料的兩段或多段。
芯片的基底22可具有任何合適的特征。例如，芯片的基底22可具有任何合適的橫向尺寸。例如，在一些實施方式中，基底22可具有小于約2平方英寸的橫向大小。在另外一些實施方式中，該基底22可具有大于約2平方英寸的橫向大小。基底22的非樣品表面一般是平的。但是，在一些實施方式中，基底22可具有非平面的表面。例如，基底22可具有一個或多個槽。包括樣品表面和柱的結(jié)構(gòu)可存在于槽中。任何合適的材料可用于基底22中。合適的材料包括玻璃、硅或聚合物材料。較佳的是，基底22是可進行顯微機械加工的材料，如硅。
相對于基底22，柱20(a)、(b)的取向可以是基本垂直的。柱20(a)、(b)各自包括樣品表面24(a)、24(b)和側(cè)面18(a)、18(b)。柱20(a)、20(b)的側(cè)面18(a)、18(b)可限制各自的樣品表面24(a)、24(b)。樣品表面24(a)、24(b)可以就是柱20(a)、20(b)的頂部表面，并且可相對于芯片的非樣品表面23而凸起。非樣品表面23和樣品表面24(a)、24(b)可具有相同或不同的涂層或特性。鄰近的樣品表面24(a)、24(b)被由鄰近的柱20(a)、20(b)和非樣品表面23形成的凹地27隔開。
柱20(a)、20(b)可具有任何合適的幾何形狀。例如，柱的截面(如沿著半徑方向或?qū)挾确较?可以是圓形或多邊形。柱20(a)、20(b)也可是長形。當長形的程度可變時，在一個實施方式中，柱20(a)、20(b)可具有大于約0.25或以上(如0.25-40)的縱橫比。在其它一些實施方式中，柱的縱橫比可以約為1.0或更大?？v橫比可定義為各柱的高度H和其最小寬度W之比。較佳的是，各柱的高度可大于約1微米。例如，各柱的高度可以約為1-10微米，或者約為10-200微米。各柱可具有任何合適的寬度，包括小于約0.5mm(如100微米或更小)的寬度。
液體(圖中未示)可以是分散體積的液體形式，它們可分別存在于柱20(a)、20(b)的樣品表面24(a)、24(b)上?？梢匀魏魏线m的方式以及用任何合適的分配器(圖中未示)將液體樣品存放到樣品表面24(a)和24(b)上。分配器可包括一個或多個被動閥門，這些閥門存在于該分配器的流體通道內(nèi)。下文將對具有被動閥門的分配器進行詳細描述。
液體樣品可含有要在樣品表面24(a)、24(b)上分析、反應(yīng)或存放的成分(如分析物、靶標、俘獲劑)。或者或此外，所述液體樣品可含有要存放在柱20(a)、20(b)的表面上用于隨后分析、檢測或處理的成分。例如，柱20(a)、20(b)上的液體樣品可含有蛋白質(zhì)。液體樣品中的蛋白質(zhì)可結(jié)合于樣品表面24(a)、24(b)。然后可對樣品表面24(a)、24(b)上的蛋白質(zhì)進行分析、處理和/或接著檢測，或者用作俘獲分析物用的俘獲劑。例如，在將蛋白質(zhì)結(jié)合到樣品表面24(a)、24(b)上后，可將該結(jié)合的蛋白質(zhì)用作俘獲劑。含有要針對俘獲劑進行檢測的分析物的液體可與所述表面24(a)、24(b)接觸。然后對所述樣品表面進行分析，看看所述分析物是否結(jié)合于所述蛋白質(zhì)俘獲劑。
鄰近樣品表面24(a)、24(b)上的液體樣品被該鄰近結(jié)構(gòu)間的凹地27隔開。如果，例如液體樣品流出該樣品表面24(a)，則該樣品將流到鄰近結(jié)構(gòu)之間的凹地上，而不會與鄰近樣品表面24(b)上的樣品接觸使其受到污染。為了使樣品保持在樣品表面24(a)、24(b)上，柱20(a)、20(b)的側(cè)面18(a)、18(b)可處理成為疏液性的，或者本身就是疏液性的。例如，可給側(cè)面18(a)、18(b)涂上疏水材料層，或者這些側(cè)面本身就是疏水性的。在另外一些實施方式中，柱的側(cè)面18(a)、18(b)還可涂上抵抗分析物結(jié)合的物質(zhì)(如烷硫醇或聚乙二醇)。非樣品表面23也可以對與分析物結(jié)合具有抗性，或者是疏液性的，或者可部分或完全由與樣品表面24(a)、24(b)相同的材料制成。
在一些實施方式中，柱可具有一個或多個完全或部分環(huán)繞基底上的一個或多個柱的通道。這類通道的例子在美國專利申請第09/353,554號討論到，此申請被轉(zhuǎn)讓給與本申請相同的受讓人，為了所有的目的，將此申請的全部內(nèi)容參考結(jié)合于此。這個美國專利申請還討論了可用于本發(fā)明的一些表面處理方法和化合物顯示方法。
樣品結(jié)構(gòu)25(a)、25(b)的頂部區(qū)域可包括一層或多層材料。例如，圖2(b)顯示的芯片的截面中，柱20(a)、20(b)在其頂部表面19(a)、19(b)上具有第一層26和第二層29。在這個例子中，結(jié)構(gòu)25(a)、25(b)的樣品表面24(a)、24(b)可對應(yīng)于第二層29的上表面。在一些實施方式中，結(jié)構(gòu)25(a)、25(b)的頂部區(qū)域可固有疏水性或者處理成有疏水性。如下文進一步詳細解釋的，疏水表面對可能存在于結(jié)構(gòu)25(a)、25(b)頂部區(qū)域的蛋白質(zhì)產(chǎn)生不利影響的可能性較小。
所述第一層26、第二層29可以是任何合適厚度的任何合適材料。所述第一層26和第二層29可以是無機物質(zhì)，可以是至少一種金屬或氧化物如金屬氧化物。用于如所述第二層29(或者柱上的任何其它層或柱的頂層)中物質(zhì)的選擇可取決于要被結(jié)合到該第二層29上的分子。例如，如鉑、金、銀之類的金屬適合于與例如含硫連接劑(如烷硫醇或二硫化物連接劑)之類的連接劑使用，而例如氧化硅或氧化鈦之類的氧化物則適合于與例如硅烷基連接劑之類的連接劑使用。所述連接劑可用于使諸如俘獲劑之類的物質(zhì)偶聯(lián)到所述柱上。
舉例說明，第一層26可以是一種粘附金屬(如鈦)，其厚度可小于約5納米。第二層29可是貴金屬(如金)，其厚度可約為100-200納米。在另一實施方式中，第一層26可是氧化物，如氧化硅或氧化鈦，而第二層29則可是金屬(如貴金屬)，如金或銀。雖然圖2(b)所示的例子顯示柱20(a)、20(b)的頂部表面19(a)、19(b)上具有兩層物質(zhì)，但是在這兩個表面上的層數(shù)可多于或少于2(如1層)。而且，雖然第一層26和第二層29被描述為具有具體的物質(zhì)，但是應(yīng)理解，所示第一層26和第二層29可是一些物質(zhì)的任何合適組合。
可采用任何合適的方法在柱上沉積這些層。例如，可采用如電子束或熱中子束蒸發(fā)法、化學(xué)蒸氣沉積法、濺射法或本領(lǐng)域已知的任何其它技術(shù)等沉積上述的層。
在本發(fā)明的實施方式中，親和結(jié)構(gòu)可單獨或與其它層組合存在于柱上。例如，所述親和結(jié)構(gòu)可存在于柱的氧化物層或金屬層上，或者可以是沒有介入層的柱。較佳的是，所述親和結(jié)構(gòu)是有機物質(zhì)。在一些實施方式中，所述親和結(jié)構(gòu)由含有能結(jié)合特定分析物(如蛋白質(zhì))的分子的單層組成。例如，所述親和結(jié)構(gòu)可以是一單層結(jié)合到如柱的金屬層或氧化物層的表面上的俘獲劑。所述俘獲劑可以是例如抗體、抗體片段、多肽、受體、DNA鏈或片段、RNA鏈或片段、適體等。所述俘獲劑可通過非共價或共價機制與液體基質(zhì)中的成分結(jié)合。所述親和結(jié)構(gòu)(及其元件)可用來增加柱的頂部表面(如硅表面)與連接到該柱所述頂部表面的蛋白質(zhì)之間的空間。這個空間可減少所連接的蛋白質(zhì)由于例如與樣品結(jié)構(gòu)的固體表面接觸而失活的可能性。
在其它一些實施方式中，所述親和結(jié)構(gòu)可以是有機薄膜、親和標記物、銜接分子以及俘獲劑中的一種，或者它們的任何合適的組合。當一起使用任何這些物質(zhì)時，有機薄膜、親和標記物、銜接分子和俘獲劑可以在親和結(jié)構(gòu)中以兩個或多個次層的形式存在。例如，所述親和結(jié)構(gòu)可包括三個次層，各個次層分別是有機薄膜、親和標記物和銜接分子。
有機薄膜、親和標記物和銜接分子可具有任何合適的特性?！坝袡C薄膜”指通常是一層薄的有機分子層，其厚度一般小于約20納米。較佳的是，有機薄膜為單層?！皢螌印敝敢环肿雍竦姆肿訉?。在一些實施方式中，這些分子的取向相對于它們所結(jié)合的表面是垂直的，或者成一定角度。單層可類似一“層”分子。單層中的這些分子可以是相對密集的，以便使該單層上的蛋白質(zhì)不與它下面的層接觸。將分子聚集成單層的做法減少了單層上的蛋白質(zhì)通過該單層與樣品結(jié)構(gòu)的固體表面接觸的可能性?！坝H和標記物”是能直接或間接將例如蛋白質(zhì)之類的成分固定的官能性部分。親和標記物可包括具有與有機薄膜中的分子上的另一個官能團反應(yīng)的官能團的多肽。合適的親和標記物包括抗生物素蛋白和鏈霉親和素?！般暯游铩笨梢允侵苯踊蜷g接將親和標記物連接到柱上的物質(zhì)。在一些實施方式中，銜接物可在親和標記物與俘獲劑之間提供間接或直接的連接?；蛘呋虼送猓暯游锟稍谥c親和標記物或俘獲劑之間提供間接或直接的連接。所述俘獲劑較佳能俘獲液體樣品中的蛋白質(zhì)。在另外一些實施方式中，銜接物可直接結(jié)合到柱上，或者與柱上的層直接結(jié)合，該銜接物還能與如液體樣品中的分析物之類的成分結(jié)合。合適的銜接物的例子是生物素。在美國專利申請第09/115,455號、第09/353,215號和第09/353,555號中描述了有機薄膜、親和標記物、銜接物和俘獲劑的例子，為了所有的目的，這些申請的全部內(nèi)容都參考結(jié)合于此，這些申請都轉(zhuǎn)讓給與本申請相同的受讓人。這些美國專利申請描述了可用在本發(fā)明的柱上的各種層結(jié)構(gòu)。
親和標記物的使用有好幾個優(yōu)點。例如，親和標記物可促進蛋白質(zhì)與底部有機薄膜的結(jié)合或反應(yīng)。例如，蛋白質(zhì)可以以不需要對其穩(wěn)定性或功能不利的苛刻反應(yīng)條件的方式被固定。
可采用任何合適的方法形成親和結(jié)構(gòu)和它們的次層，例如化學(xué)吸附、物理吸附或化學(xué)選擇性連接法。次層的物質(zhì)可通過共價鍵或非共價鍵機制與其它次層物質(zhì)、柱或柱上的層結(jié)合。
在柱上具有親和結(jié)構(gòu)的芯片結(jié)構(gòu)的例子如圖3和4所示。圖3顯示了具有凸起的樣品表面的樣品結(jié)構(gòu)的截面。所示樣品結(jié)構(gòu)包括柱60。在柱60的頂部表面上是含有氧化物(如氧化硅)的間層61。可使用間層61將涂層62連接到柱60上。涂層62可含有另一種氧化物，如氧化鈦。在涂層62上是親和結(jié)構(gòu)69。親和結(jié)構(gòu)69可包括具有有機分子(如聚賴氨酸或聚乙二醇)的單層64。在一些實施方式中，單層64中的分子是線性分子，它們的取向一般與涂層62的表面垂直或者成一定角度。單層64中的分子在其兩端都具有可與其它分子連接的官能團。包括第一銜接分子65(如生物素)、親和標記物66(如抗生物素蛋白或鏈霉親和素)、第二銜接分子67(如生物素)和俘獲劑68(如抗體)在內(nèi)的一組分子連接在一起。這組分子結(jié)合到單層64上。在這個例子中，俘獲劑68用于接受和俘獲存在于柱60上的液體樣品中的分析物。為簡單起見，在圖3中僅顯示一組分子。但是，應(yīng)理解，在本發(fā)明的實施方式中，在單層64上可存在許多這樣的分子組。
圖3顯示的實施方式具有一親和結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有若干層次層。本發(fā)明實施方式中使用的親和結(jié)構(gòu)可包括比圖3多些或少些的次層。例如，圖4顯示另一樣品結(jié)構(gòu)的截面，其親和結(jié)構(gòu)具有較少的次層。圖4顯示的結(jié)構(gòu)包括柱70。在柱70的頂部表面上有個包含某種材料如二氧化硅的間層71。在間層71上可有個含例如金屬氧化物(如氧化鈦)的涂層72。在涂層72上可有個親和結(jié)構(gòu)78。親和結(jié)構(gòu)78可包括單層73、親和標記物74和銜接分子75。親和標記物74可存在于單層73上，并可將銜接分子75連接到單層73上。而銜接分子75可將分析物76(如蛋白質(zhì))結(jié)合到親和標記物74上。
親和結(jié)構(gòu)的一些部分將樣品表面與柱的頂部表面隔開。如上所述，當?shù)鞍踪|(zhì)與某些固體表面接觸時會失活。該親和結(jié)構(gòu)可起柱和液體樣品中要被俘獲的任何成分之間屏障的作用。這會減少柱的頂部表面使柱上的液體樣品中的蛋白質(zhì)失活的可能性。例如，如圖3和4所示，結(jié)合的分析物76和結(jié)合的俘獲劑68不太可能與固體表面(如涂層62、72的固體表面)接觸。結(jié)果，親和結(jié)構(gòu)69、78的存在使敏感分子(如蛋白質(zhì))由于與固體表面接觸而受到不利影響的可能性減少。為了進一步減少這種可能性，親和結(jié)構(gòu)的材料中可含有不太可能使蛋白質(zhì)失活的物質(zhì)。
柱可以陣列的形式存在于芯片的基底上。圖5顯示了柱的陣列的例子。柱的陣列可以規(guī)則或不規(guī)則。例如，該陣列可具有均勻排列的柱子，形成規(guī)則的柱陣列。陣列中柱的密度可變化。例如，柱的密度可以約為25根/平方厘米或更大(如10,000或100,000根/cm2或更大)。雖然芯片可具有任何合適數(shù)目的柱，但是，在一些實施方式中，每塊芯片的柱的數(shù)目可以大于10、100或1000。柱距(即相鄰柱的中心到中心的距離)可以為500微米或更近(如150微米)。
圖6(a)-6(b)顯示一些柱的實施方式的截面。圖6(a)顯示與基底22形成一個整體的一些柱24。這這類實施方式中，基底22可由與柱24相同的材料組成。圖6(b)顯示存在于基底22上的柱24。柱24可包括如多孔的物質(zhì)，如水凝膠物質(zhì)。在本發(fā)明的實施方式中，柱的全部或一部分或若干部分的孔隙度可相似或不同(即可具有相同或不同的孔隙度)。例如，柱內(nèi)的不同層可以是多孔的，并可具有不同的特性。使用了多孔材料，液體樣品可通過該多孔材料，這樣，柱24可容納比沒有孔的柱數(shù)量更多的液體樣品。結(jié)果，與具有類似截面尺寸的無孔柱相比，多孔柱中可容納更多的液體樣品。例如，如果該液體樣品含有熒光物質(zhì)，則與無孔柱的情況相比，會有更多的熒光物質(zhì)被柱保留。與可能僅在柱的頂部表面上存在熒光物質(zhì)的無孔柱相比，多孔柱中增加的熒光物質(zhì)的量產(chǎn)生了較高質(zhì)量的信號(如較強的信號)。
其它合適的柱形狀顯示在圖6(c)到6(k)中。圖6(i)的實施方式包括在柱的頂部上的凹地。在此實施方式中，樣品表面可位于該柱的最高部分下面。
圖6(j)和6(k)顯示了具有凹入部分的柱。在圖6(j)的實施方式中，柱410、420各自具有兩個不凹入的部分400和402，400部分接近頂部，402部分接近底部。在這個例子中，兩個不凹入部分400、402的側(cè)面基本上與柱的頂部表面406垂直。凹入部分404位于兩個不凹入部分400、402之間。各柱的幾何形狀在凹入部分404開始和結(jié)束處具有陡峭的變化?？刹捎萌绶磻?yīng)性離子蝕刻法形成凹入部分400、402。圖6(k)顯示具有在其頂部表面開始、在其底部表面終止的凹入的側(cè)面的柱。
使用具有凹入部分和陡峭結(jié)構(gòu)變化的柱是有利的。例如，通過給柱提供凹入的部分，在相鄰的柱之間的區(qū)域可提供更空的空間。例如，試看圖6(j)，相鄰柱410、420之間的體積V可用來容納可能從柱410、420的樣品表面中流出的任何液體樣品。具有凹入部分的相鄰的柱410、420之間的體積V大于具有基本上平行側(cè)面的相鄰柱之間的體積〔例如可比較圖6(a)顯示的柱〕。結(jié)果，產(chǎn)生了更大的空間來容納可能未留意地從柱的樣品表面上流出的液體。而且，圖6(j)所示的柱410的上部非凹入部分400具有兩個形狀上突出的邊緣部分E1、E2。如下文中將進行的進一步描述，當使用具有兩個陡峭形狀變化的柱〔如圖6(j)所示〕時，而這些形狀變化與具有協(xié)作性結(jié)構(gòu)的流體通道的分配器一同使用時，它們可形成兩個被動的閥門。這兩個被動閥門有助于阻止液體樣品沿柱410、420的側(cè)面向下流動。此外，如果液體樣品流出柱上的樣品表面，柱的凹入表面可提供液體樣品向內(nèi)流動并遠離相鄰樣品表面的通道。這也減少了相鄰樣品表面之間液體交叉污染的可能性。
在一些實施方式中，還在芯片的柱中提供流體通道。例如，圖6(1)顯示基底290上的柱299。流體通道294貫穿著基底290和柱299。流體292(如氣體)可通過該流體通道294到達柱299上的樣品表面，從這些樣品表面上移走物質(zhì)?？稍谥?99中的流體通道294的上方放置具有相應(yīng)孔穴的覆蓋芯片291，使這些孔穴在這些樣品表面的上方。氣體可經(jīng)過流體通道294流出來，將柱299上部表面上經(jīng)處理的樣品295攜帶到分析儀器(如質(zhì)譜儀)中。
在使用圖6(1)所示的裝置的典型方法中，來自分配器(圖中未示)的液體可與樣品芯片的柱上的樣品表面接觸。該液體可對柱的樣品表面上的物質(zhì)進行處理。例如，該液體可含有處理樣品表面上蛋白質(zhì)的試劑。在處理后，將芯片與分配器分離，再將覆蓋芯片291放置在具有柱299的樣品芯片上。覆蓋芯片291的各個孔穴分別位于各個樣品表面上方，令氣體流過貫穿柱299的流體通道294。該氣體將經(jīng)處理的物質(zhì)從樣品表面上移去，并經(jīng)過覆蓋芯片291中的孔穴，攜帶到分析儀器(如質(zhì)譜儀)中。
圖6(1)所示的樣品芯片可以其它方式使用。例如，在本發(fā)明的其它實施方式中，液體也可向上通過流體通道294，存放在樣品芯片的樣品表面上(即在柱上)。在另外其它的實施方式中，可使用流體通道294來保持樣品表面中的成分水合?？梢允褂盟嫌玫臍怏w或液體(如水)通過流體通道294，以保持樣品表面上的任何成分水合。例如，保持了樣品表面上的蛋白質(zhì)處于水合狀態(tài)，這些蛋白質(zhì)就不太可能變性。在一些實施方式中，可將流體通道294連接于柱的次層多孔區(qū)域，將其用作如液體儲存器，以便向樣品表面提供液體。
可以任何合適的方式并使用任何合適的材料制造芯片的柱。例如，可采用壓花、蝕刻或模制方法在芯片的基底上形成柱。例如，在硅基材上的要形成柱頂部表面上的部位用光致抗蝕劑形成圖案。然后可進行例如深反應(yīng)性離子蝕刻，在該硅基材上蝕刻出深的輪廓從而形成許多個柱。調(diào)整處理參數(shù)(如反應(yīng)性離子蝕刻法中使用的離子能量)可修改柱的側(cè)面輪廓。如果需要，可使用如疏水物質(zhì)之類的材料涂布所形成的柱的側(cè)面，此時使用光致抗蝕劑覆蓋柱的頂部表面。在涂布以后，可將光致抗蝕劑從柱的頂部表面上除去。制造柱的方法在半導(dǎo)體和MEMS(微電子機械系統(tǒng))工業(yè)中是周知的。
II.裝置本發(fā)明的其它實施方式涉及流體裝置。本發(fā)明實施方式的流體裝置可包括一個樣品芯片和可在該芯片的樣品表面上分配一份或多份流體的分配器。在一些實施方式中，可向分配器的一些流體通道提供許多股液體。向不同的流體通道提供的液體可以相同，也可以不同，可含有相同或不同的成分。例如，各個流體通道中的各種液體可含有要檢測的不同的分析物。在另一例子中，各個流體通道中的液體可含有將被連接到樣品芯片的柱上的不同俘獲劑。該分配器可平行地向樣品表面提供液體。
在裝置中用的芯片可以與先前所述的芯片相同或不同。例如，裝置中的芯片可包括具有凸起的樣品表面的柱的結(jié)構(gòu)。
分配器可具有任何合適的特征，在要將液體分配到樣品芯片上時，它可放置在樣品芯片上?？梢詫σ后w施加壓力來分配液體。為了控制液體流動，發(fā)生器可具有被動或主動的閥門。
主動的液體閥門在本領(lǐng)域中是周知的。這些閥門通過主動改變一個物理參數(shù)控制液體的流動或位置。一些例子如下1)熱或光改變聚合物的親液體特性，可用來控制液體的位置；2)可使用電勢誘導(dǎo)電動流動；3)可使用MEMS結(jié)構(gòu)阻斷或開啟流體通道；4)通道中磁性顆粒或特征的移動可影響液體的行為。
在一些實施方式中，分配器的每個流體通道至少具有一個被動閥門。較佳的是，分配器包括許多個注口。這許多個注口可基本上同時向柱的不同的樣品表面提供含有不同的成分的不同液體。例如，如果在芯片上有100個樣品表面的陣列，則分配器可具有100個樣品注口，其排列圖案與該樣品表面的陣列類似。在其它實施方式中，分配器可具有向串聯(lián)的不同樣品表面提供液體的一個或多個注口?？稍诒景l(fā)明的實施方式中使用的分配器的例子包括環(huán)-針分配器、微移液管、毛細分配器、墨水噴射分配器、水凝膠沖壓機以及有被動閥門的分配器。在一些實施方式中，分配器可以是具有許多個流體通道的芯片的形式。在這些實施方式中，各個流體通道可具有在分配器芯片的底部表面終止的終端。分配器中的流體通道的尺寸可改變。例如，分配器中流體通道的截面尺寸可約為1.0-500微米(如，約為1.0-100微米)。
可采用本領(lǐng)域已知的任何合適方法制造用于本發(fā)明實施方式中的分配器。例如，可采用3-D立體平板印刷術(shù)、機械鉆孔、離子蝕刻或反應(yīng)性離子蝕刻的方法制造分配器。
在一些裝置的實施方式中，芯片的樣品表面可以與分配器中的流體通道在結(jié)構(gòu)上協(xié)作性地配合。樣品結(jié)構(gòu)和它們的對應(yīng)的樣品表面可與流體通道對準。對準后，樣品表面可位于流體通道內(nèi)，或者位于流體通道的端口。然后流體通道內(nèi)的液體可與結(jié)構(gòu)的樣品表面接觸。例如，可對流體通道內(nèi)的液體施加壓力〔如由氣體壓力、電泳力或電致潤濕(electrowetting)力產(chǎn)生〕，使液體在流體通道內(nèi)流動并與樣品表面接觸。在其它實施方式中，樣品表面與流體通道內(nèi)液體之間的距離可以減少，直到相互接觸。芯片和/或分配器可相互向?qū)Ψ揭苿樱詼p少樣品表面與流體通道內(nèi)液體的間距。在這些實施方式中，可對流體通道內(nèi)的液體施加或不施加壓力。
分配器中的流體通道可作為反應(yīng)室(即相互作用室)，這些反應(yīng)室可分別為不同的相互作用，如反應(yīng)或結(jié)合事件提供空間。各樣品表面和相應(yīng)的流體通道的壁可形成一個反應(yīng)室。在典型的裝置中，各個獨立的反應(yīng)室中可發(fā)生不同的事件(如不同的反應(yīng)或結(jié)合事件)。在其它實施方式中，不同的反應(yīng)室中可發(fā)生相同類型的事件。
舉例而言，分配器可向芯片結(jié)構(gòu)的樣品表面提供液體。液體可含有可與結(jié)合于芯片的樣品表面的分子發(fā)生或不發(fā)生相互作用的分子。首先，含有樣品表面的樣品結(jié)構(gòu)可與流體通道對準。對準后，可將樣品表面插入流體通道中，或者使它們位于這些通道口的附近。而樣品表面在這些流體通道的內(nèi)部或者其口的附近，分配器流體通道內(nèi)的液體流出并與樣品表面接觸。這使得結(jié)合于樣品表面的分子和液體中的分子在幾乎密閉的環(huán)境中反應(yīng)或相互作用?？稍谑箻悠繁砻嫔系囊后w樣品最少暴露雜氣態(tài)環(huán)境(如空氣)中的情況下發(fā)生相互作用或反應(yīng)。結(jié)果減少了液體樣品蒸發(fā)的可能性。過了預(yù)定時間后，可從流體通道中撤出樣品表面，和/或芯片與分配器可相互分開。然后可清洗芯片的樣品表面。反應(yīng)或相互作用的產(chǎn)物可留在樣品表面上。然后可分析樣品表面上的產(chǎn)物，以確定例如是否發(fā)生了反應(yīng)。或者或此外，可進一步處理樣品表面上的產(chǎn)物，或者可將它們從芯片中分離出來，然后轉(zhuǎn)移到樣品表面的下游，供進一步的處理或分析之用。在其它實施方式中，樣品表面上的產(chǎn)物可以是用于俘獲液體中分析物的俘獲劑。
本發(fā)明的實施方式可用來將含有俘獲劑、分析物等的液體轉(zhuǎn)移到芯片的樣品表面上，在此過程中不形成液滴。例如，當液體從分配器轉(zhuǎn)移到芯片上時，不需要通過氣態(tài)的環(huán)境。這使得產(chǎn)生大的表面積/體積比的液體體積最少。在本發(fā)明的實施方式中，小體積的液體可轉(zhuǎn)移到芯片上，并于其上進行處理，使轉(zhuǎn)移液體中的成分改變(如蛋白質(zhì)變性)最小化。
可結(jié)合圖7-9描述裝置的一些實施方式。圖7顯示分配器110，圖8顯示芯片105。芯片105在其基底105a上具有許多個柱101。柱101具有頂部表面103和側(cè)面104。樣品表面103相對于基底105a的非樣品表面凸起。
分配器110包括具有最少一個流體通道112的本體111，該通道位于該本體之內(nèi)。在這個例子中，流體通道112基本上是垂直的。如上所述，流體通道112可起在其中發(fā)生化學(xué)或生物反應(yīng)或相互作用的反應(yīng)室的作用。至少一部分流體通道112的取向是相對于分配器110的本體111形成的x-y平面的z方向。在這個例子中，圖7中所示的流體通道112是垂直的，具有一個在本體111的上表面終止的端口和一個在本體111的下表面終止的端口。
在分配器的其它實施方式中，流體通道112可具有水平和垂直的部分。例如，流體通道的一端可從本體的上表面開始，然后可水平通過本體的上表面。在本體的某個預(yù)定點，流體通道的取向由水平變?yōu)榇怪保詈笤诜峙淦鞅倔w的下表面終止。雖然分配器中流體通道112的數(shù)目與圖7和8所示裝置中柱101的數(shù)目相等，但是，流體通道的數(shù)目和柱的數(shù)目在其它實施方式中可以不同。
可使用影響流體通道112中液體的行為(如潤濕)的各種物質(zhì)來涂布限定流體通道112的壁以及分配器110的底表面113。例如，可使用增加或減少流體通道壁與流體通道內(nèi)液體之間相互作用的材料涂布該流體通道壁。例如，限定流體通道12的壁可使用疏水的材料涂布。例如，如果蛋白質(zhì)與疏水的表面接觸，則與非疏水表面接觸相比，其變性的可能性較小。
分配器110中的流體通道112的結(jié)構(gòu)可協(xié)作性地便于接受柱101。例如，如圖8所示，芯片105的柱101可插入分配器110本體的流體通道112中。在這方面，分配器110中各流體通道112的軸向截面面積可大于柱101的軸向截面面積。當柱101被插入分配器110中的流體通道112內(nèi)后，柱101的樣品表面103可存在于相應(yīng)的流體通道112內(nèi)。由流體通道112和柱101的頂部表面103所限定的體積可以是反應(yīng)發(fā)生的反應(yīng)室。
芯片105和分配器110可各自具有一個或多個對準的部件，使得它們可相互對準，并使柱可對準流體通道。對準部分可以是對準標志或?qū)式Y(jié)構(gòu)。代表性的對準結(jié)構(gòu)例如可以是針和對應(yīng)的孔。例如在芯片105的邊上可有一根或多根針(圖中未示)，它比柱101長。這些針可插入位于分配器110邊上的對應(yīng)孔(圖中未示)，因而將柱101與流體通道對準。對準部件可以是光學(xué)的、機械的或磁性的。例如在有些實施方式中，對準部件可以是高縱橫比的線性通道，該通道當例如芯片和分配器已操作上對準時，允許光通過。例如，當芯片和分配器在操作上對準時，也可以是一個磁性區(qū)域在檢測器中發(fā)生一個信號。
裝置可用來進行各種檢測。例如，生物分子如蛋白質(zhì)可結(jié)合于柱101的頂部表面103。然后可讓柱101對準分配器110的流體通道112，使含有不同潛在候選藥物的液體通過不同的垂直流體通道112，流到柱101的樣品表面上。在柱101和流體通道112形成的反應(yīng)室中可發(fā)生不同候選藥物和蛋白質(zhì)之間的潛在相互作用或反應(yīng)?？删S持一段預(yù)定的時間，使任何反應(yīng)或相互作用發(fā)生。在有些實施方式中，時間可以是1分鐘或更多。在其它實施方式中，花費的時間可以超過30分鐘或更長。在反應(yīng)或相互作用發(fā)生后，讓芯片105和分配器110相互分開。在將芯片105從分配器110中分離出來后，在其頂部表面103上會存在分散的液滴樣品。然后，可對柱101的樣品表面103進行清洗。然后對樣品表面103進行分析，以確定這些表面上是否有任何潛在的候選藥物與其上面的蛋白質(zhì)進行了結(jié)合。為有助于鑒別候選藥物，在將它們存放于樣品表面103上之前，可對它們加以不同的熒光標記物結(jié)合之。
在另一實施方式中，流體通道112中的液體可含有會結(jié)合到柱101的頂部表面的俘獲劑。柱101可移動進入流體通道112中，與流體通道的內(nèi)壁形成小的反應(yīng)室，從而使得液體中的分子獲得反應(yīng)或結(jié)合的機會(例如不在柱上留下明顯的液體存放物)。或者，可將液體存放在柱101上，因而其中的俘獲劑可結(jié)合于柱101的頂部表面103。然后可將分配器110和芯片105分離，可將結(jié)合于頂部表面的俘獲劑去俘獲分析物供分析之用。
裝置可包括一個或多個被動閥門。被動閥門是使用當毛細的或小的通道的特征發(fā)生變化(例如當毛細通道截面突然變化，或者當限定流體通道的結(jié)構(gòu)的材料突然變化)時發(fā)生的毛細壓力屏障，使液體的流動停止在毛細管的內(nèi)壁或端口。在下述文獻中描述到被動閥門P.F.Man等人，“微制造的毛細管驅(qū)動的停止閥門和樣品注射器”(“Microfabricated Capillary-Driven Stop Valve and Sample Injector”，IEEE 11thAnnual Int.MEMS Workshop，Santa Clara，California，1999年9月，第45-50頁)；M.R.McNeely等人，“疏水微流體學(xué)”(“Hydrophobic Microfluidics”，SPIE Conf.on Microfluidic Devices and Systems II，Santa Clara，California，1999年9月，第3877卷，第210-220頁)。為了所有的目的，這些出版物的內(nèi)容都參考結(jié)合于此。被動閥門與使用物理障礙物完全封堵流體通道的主動閥門不同。
在一個使用有被動閥門的裝置的闡述性例子中，芯片的結(jié)構(gòu)可被插入分配器中對應(yīng)的流體通道內(nèi)。各流體通道中可有一個、兩個或三個乃至多個被動閥門。例如，各流體通道可具有由流體通道在幾何形狀上的突然改變形成的被動閥門。例如，流體通道的壁可形成一臺階式結(jié)構(gòu)。當液體在預(yù)定壓力下遇到該臺階式結(jié)構(gòu)時，該液體的流動停止。
當含有樣品表面的結(jié)構(gòu)存在于流體通道內(nèi)或者在其端口時，也可形成被動閥門。例如，可將柱插入流體通道內(nèi)，這樣在該流體通道內(nèi)的柱的側(cè)面與環(huán)繞該柱的該流體通道壁之間就存在一空間。流體通道中有柱存在的那部分可具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)。當液體流向柱，該流體通道的幾何形狀由圓柱形變?yōu)榄h(huán)形。在一預(yù)定的壓力，液體在這個幾何形狀改變處停止流動。使液體流過此幾何形狀改變處還需要額外的壓力?？梢允┘硬煌膲毫?，使液體流過流體通道中的各個閥門。例如，可給流體通道中的流體施加兩個不同大小的壓力，使該液體先后流過兩個不同的被動閥門。
在具有使用了一個或多個被動閥門的分配器的裝置的一個特殊例子中，包括柱的芯片與含有許多個流體通道的分配器一起使用?？蓪⒅迦肓黧w通道內(nèi)，芯片可與分配器接觸。在插入之前或之后，先給流體通道內(nèi)的液體施加第一壓力，將該液體樣品推向(但基本上不通過)第一被動閥門。然后給該液體樣品施加第二壓力，將其推過所述第一閥門，以便該液體與柱接觸。此時液體樣品沒有通過第二被動閥門，這個閥門由柱和通道壁限定。在流體通道內(nèi)的液體與樣品表面接觸后，施加給該液體的壓力就減小。然后，讓分配器和芯片相互分離，使樣品表面與流體通道內(nèi)液體的主體分開。在此步驟中，從流體通道內(nèi)撤出柱，而在樣品表面上仍留有液體樣品。柱從流體通道內(nèi)的撤出可使可能在樣品表面上發(fā)生的所有事件都停止。但在將柱撤出流體通道后，反應(yīng)仍可能發(fā)生，只是在進行清洗步驟后反應(yīng)才停止。液體樣品被轉(zhuǎn)移到樣品表面上后，蒸發(fā)和空氣液體界面形成之類的過程對液體樣品中成分的不利影響很少，或者沒有。殘留在樣品表面上的溶劑或物質(zhì)可漂洗除去，留下所需的成分。
在其它實施方式中，可將所述結(jié)構(gòu)插入流體通道中，直至與各自通道內(nèi)的液體接觸。在這些實施方式中，不需要為了使流體通道內(nèi)的液體與所述結(jié)構(gòu)的樣品表面接觸而向其額外施加壓力。
本發(fā)明實施方式的分配器具有很多優(yōu)點。例如，與常規(guī)的環(huán)針式分配器不同，本發(fā)明的實施方式可將許多股液體并聯(lián)地傳送給樣品表面。例如，在本發(fā)明的實施方式中，可使用10,000個或更多個流體通道分配10,000份液體樣品。相比而言，常規(guī)的環(huán)針式分配器每個裝置僅具有約30個環(huán)針組合。同樣，與可能和樣品表面物質(zhì)接觸從而可能損壞分配器和樣品表面的毛細針式分配器不同，本發(fā)明許多實施方式的分配器都不與樣品表面接觸。而且，與許多常規(guī)的分配器不同，本發(fā)明實施方式的裝置可減少形成空氣液體界面的可能性，因為在將液體從分配器轉(zhuǎn)移到芯片時不形成液滴。由于液滴的體積變得較小，所以該液滴的表面積/體積比變大，結(jié)果會導(dǎo)致要被轉(zhuǎn)移到樣品表面的液體中的分子與該液滴的空氣液體界面產(chǎn)生相互作用。在本發(fā)明的實施方式中，不需形成液滴，因而使具有氣體/液體界面而表面積/體積比高的液體樣品形成得最少。
可結(jié)合圖10-14描述使用被動閥門的裝置的具體例子。試看圖10和11，圖中液體270裝在分配器118的流體通道112中。分配器第一部分120(a)可是親水材料，分配器第二部分120(b)可是疏水材料。然后，將流體通道112對準芯片100基底105上的柱101，并將柱101插入流體通道112中。如圖11所示，當柱101被插入流體通道112內(nèi)后，分配器110和芯片100相互接觸。在將柱101插入流體通道112之前或之后，向液體270施加第一壓力。所述第一壓力可大于大氣壓。液體270流向流體通道112內(nèi)限定的第一被動閥門114，但并未流過。該被動閥門114可由流體通道112截面的突然改變形成?；蛘呋虼送猓粍娱y門114可因流體通道壁材料的突然變化(如由親水的材料變?yōu)槭杷牟牧?而形成。不論被動閥門114采取何種具體的形式，都能阻止液體270在壓力P1的作用下流出流體通道112。
試看圖12，在柱101插入流體通道112后，可對液體270施加壓力P2。壓力P2可大于樣品P1。施加的壓力P2使液體270流過第一被動閥門114，流到柱101頂部表面103的材料上，并流到由柱101的頂部表面103和流體通道112的環(huán)繞著的壁所限定的第二被動閥門115。
試看圖13，在接近柱101頂部表面103的流體通道區(qū)域109處的幾何形狀發(fā)生突然變化。在此例子中，流體通道112的這個區(qū)域109由于柱101存在的緣故而呈環(huán)形。液體270與柱101頂部表面103上的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。液體270和其中的成分也就是置于柱101的頂部表面103上。
在液體270存在于柱101的頂部表面103上后，大部分液體270可與柱101分離。例如，試看圖14，對液體270施加小于壓力P2的壓力(如小于大氣壓)，這樣，液體270的主體部分向上流，而在柱101上留下一小部分。在其它實施方式中，可使芯片105和分配器110相互分開，使液體270的主體部分與存放在柱101上的小部分液體分開?？蓮牧黧w通道112內(nèi)撤出柱101，此時液體270的主體部分仍留在分離的分配器110的流體通道112內(nèi)。在一些實施方式中，柱101與流體通道112的分離可使液體與柱101頂部表面上的任何物質(zhì)之間的相互作用停止。在這些實施方式中，不需要用小于壓力P2的壓力使大部分液體270與柱101分離。在分配器110與芯片分離后，可用另外一種液體漂洗或沖洗柱11的頂部表面。此漂洗或沖洗步驟可使液體與柱101頂部表面上的任何物質(zhì)之間的任何相互作用停止，如果芯片105與分配器110的先前分離并未使這些相互作用停止的話。
圖15顯示具有含一個被動閥門的分配器的裝置的實施方式。分配器110具有流體通道112，該通道具有與第二通道部分112b連通的第一通道部分112a。第一通道部分112a比通道部分112b寬。在此例子中，第一通道部分112a和第二通道部分112b都在肩部113位置終止，該肩部形成了第一通道部分112a和第二通道部分112b之間的限制區(qū)域。該限制區(qū)域(即是防止液體270流動的防止性手段)起到被動閥門114的作用。通道112的內(nèi)壁可具有疏水表面230。柱101的頂部表面103可以是親水表面234。
在圖15所示的實施方式中，可以用與圖10-14所示方法相同或不同的方式將液體270存放在柱101上。例如，將柱101插入或放在分配器110的流體通道112的端口(例如，恰好在流體通道的端口或者剛好在該流體通道端口的外邊)。在將液體放到柱101上的過程中，分配器110可與芯片105接觸或者不接觸。當液體270的流動在第一被動閥門處停止時，液體270可處于壓力P1的作用之下。接著給液體270施加大于第一壓力P1的第二壓力P2，使液體270通過第一閥門114，直至與位于流體通道112內(nèi)的柱101的親水表面234接觸。柱101的上部和環(huán)繞著的流體通道112可形成第二限制區(qū)域，即第二被動閥門?；蛘?，柱101頂部表面103上的親水表面234與第二通道部分112b的壁以及柱101側(cè)面104上的疏水表面230一起起到第二被動閥門的作用。在上述這兩個例子中，液體270的流動在柱101的上表面停止。芯片基底105a的頂部表面也可以是疏水表面230。分配器110的底部表面也可以是疏水表面230。
可采用任何合適的方法制造親水表面234，并可使用任何合適的材料。例如，可使用氧化硅(如SiO2)和以親水基團(如OH或COON)為末端的聚合物來制造親水表面234?？刹捎妹绹鴮＠暾埖?9/115,397號公開的方法制造柱101的頂部上的親水表面234，該申請被轉(zhuǎn)讓給與本申請相同的受讓人，本文將其完整參考納入。
圖16顯示另一裝置的實施方式。這個實施方式與圖15所示的實施方式類似。但是，在這個例子中，第二通道部分112a位于第一通道部分112a的頂部之上，液體在進入第一通道部分112a之前先通過第二通道部分112b。此例子中通道112的壁具有親水表面234。向液體270施加第一壓力P1，使液體270流過第二通道部分112b，但并未流過第一被動閥門240。在圖16中，突然的截面擴大限定了第一被動閥門240。這個突然的擴大是流體通道112的寬度瞬間增大，此時形成了肩部113。接著給液體270施加可大于第一壓力P1的第二壓力P2，將液體270推過并推出第一被動閥門240，直到該液體與柱101的親水表面234接觸。當柱位于通道112內(nèi)時，液體270遇到由柱101限定的限制區(qū)域。這個限制區(qū)域可起到第二被動閥門的作用?；蛘呋虼送猓敳勘砻?03上和第一通道部分112a內(nèi)壁上的親水表面234與芯片105柱上的疏水表面230(包括柱101的側(cè)面104)一起可起到第二被動閥門的作用。該限制阻止了液體270流出流體通道112并流到芯片105的柱上。
圖17(a)到17(d)顯示了包括具有含凹入側(cè)面的柱的芯片的裝置實施方式的截面。可結(jié)合圖17(a)到17(d)描述可將液體樣品存放到柱的樣品表面上的一系列步驟。
圖17(a)顯示芯片基底320上的柱322。柱322包括樣品表面322(a)和包括位于上部非凹入部分和下部非凹入部分之間的凹入部分322(b)的側(cè)面。第一邊緣部分322(c)和第二邊緣部分322(d)限定著該上部不凹入部分。分配器301位于該芯片上方，分配器301中的流體通道341對準于柱322并位于其上方。液體340存在于流體通道341中，臺階式結(jié)構(gòu)303阻止著液體340流到柱322。所述臺階式結(jié)構(gòu)303可起到使液體在壓力P1作用下停止流動的第一被動閥門的作用。
圖17(b)顯示了液體340與柱322樣品表面322(a)的接觸。在這個例子中，給液體340施加壓力P2，使它流過分配器301的臺階式結(jié)構(gòu)303。此例中的壓力P2大于壓力P1。在壓力P2的作用下，液體340可流動，直到它遇到所述上部非凹入部分的邊緣表面322(c)、322(d)。如圖17(b)所示，液體340的流動可在柱的上部邊緣322(c)處停止。邊緣322(c)和限定流體通道341的壁的一部分可形成第二被動閥門，該閥門使液體340在壓力P2的作用下停止流過邊緣322(c)。
或者或此外，如圖17(c)所示，當向液體340施加壓力P3時，它的流動可在柱322的上部非凹入部分的底部邊緣322(d)處停止。邊緣322(d)和環(huán)繞的壁可形成第三被動閥門，此閥門使液體340不致流過邊緣322(d)。壓力P3可大于壓力P1和P2。雖然給圖17(b)和17(c)所示的例子中的液體340施加壓力，但是在其它實施方式中，不需要為使液體340與柱322的樣品表面322(a)接觸而給它施加較高的壓力。例如，柱322和/或分配器301可相互移動，直到它們相互接觸。因此，在一些實施方式中，不需要給液體340施加額外的壓力即可使樣品表面和流體通道內(nèi)的液體相互接觸。
有利的是，圖17(b)和17(c)中顯示的柱322在位于流體通道內(nèi)時，形成兩個接近其上部的被動閥門。使用了兩個被動閥門取代一個被動閥門而使液體停止在柱322的頂部的做法，有助于確保大量的液體340不沿著柱322的側(cè)面流下。液體340沿著柱322的側(cè)面的流動的情況被進一步最小化，并且液體樣品流到鄰近樣品表面的可能性也被最小化。這進一步減少了不同樣品表面上樣品之間交叉污染的可能性。
試看圖17(d)，在液體340與柱322的樣品表面322(a)接觸之后，液體340的部分327可存放在樣品表面322(a)上，而液體340的大部分是與該樣品表面分離的。這可以通過對液體340施加一較小壓力做到。例如，可給液體340施加可小于壓力P2和P3的壓力P4。此較低的壓力使得液體340向上流到流體通道341中?；蛘呋虼送猓ㄟ^使芯片和/或分配器相互離開而使分配器301和芯片相互分離。如果液體樣品的部分326沒有存放在樣品表面上，則它可沿柱302的側(cè)面向下流動而不會流到鄰近柱333的樣品表面327上。由此而使相鄰表面樣品之間的交叉污染最小化。
用于本發(fā)明實施方式的分配器可以是任何形式。例如，圖18-23顯示各種類型分配器各部分的截面。圖18顯示與噴墨機(微滴分配器)類似的能分發(fā)液滴的注口。圖19顯示用于將液體分發(fā)到柱上的金屬針。圖21和23顯示具有頸801的分配器。頸801可對應(yīng)于流體通道的端口，并可用來穿透樣品表面上的液滴的外表面。可通過該分配器的頸部傳送液體樣品，并將樣品傳送到液滴的內(nèi)部。這使得分配器中的液體與空氣的接觸最小化。頸801還可用作使分配器中相鄰流體通道內(nèi)的液體之間交叉污染最小化的屏障。
如圖18、19和23所示，在一些實施方式中，分配器的流體通道接近柱306那部分的截面面積可小于柱306的截面面積，以致柱306不能進入分配器的流體通道內(nèi)。但是，如圖22以及先前許多圖所示，分配器流體通道的部分可具有大于柱的截面面積，這樣柱就可以插入流體通道內(nèi)而又能出來。
圖24和25顯示與包括長形柱132的芯片131一起使用的分配器130。分配器130包括長形的(如在x或y方向上)分配器注口133，這個注口與長形的柱132接合或協(xié)作。長形的注口133各具有一個可用來阻止相鄰注口133之間交叉污染的頸。通道134被限定通道的壁135限定在芯片131上。分配器130在芯片131上時，芯片131的壁135可接觸并支持著分配器130。
圖26和27顯示了具有一種特殊類型分配器的裝置。可將這樣的分配器稱為液體尋址接引設(shè)備140(fluid addressing adaptor device 140)。該接引設(shè)備140可包括經(jīng)由流路144與流體通道143(由壁160限定)連接的液體儲存孔142。液體流路144在接引設(shè)備140中水平延伸。芯片158上的柱164可與限定流體通道143的底壁內(nèi)的洞145對準，并插入。柱164的上部區(qū)域可伸入柱洞145中。與先前所所述的許多實施方式不同，通過流體通道143的液體可水平流動，并且由于柱164的頂部表面暴露于流動的液體中，所以該液體可與該頂部表面接觸。不同的液體可從各自不同的儲存孔142中流出。這些不同的液體可流過不同的流體通道143，并可與柱的頂部樣品表面接觸。在與柱164的樣品表面接觸后，在柱164的下游流動的液體可流到液體出口141。本發(fā)明的實施方式可使用微流動設(shè)備，如“芯片上實驗室(labon a chip)”型設(shè)備。
而且，分配器或另一設(shè)備可與其它外部設(shè)備如質(zhì)譜儀一起使用。諸如此類的外部設(shè)備可用于分析樣品表面上的反應(yīng)或相互作用。這類外部設(shè)備可位于樣品表面的下游。在與本文一同提交的(代理案卷號第020144-001510號)Paul Jedrzejewski等人的題為“微流動設(shè)備和方法”(“Microfluidic Devices and Methods”)的美國專利申請第＿＿＿＿號中進一步描述了具有這類外部設(shè)備的裝置的使用。出于所有目的，本文將此申請完整地參考納入，此申請也被轉(zhuǎn)讓給與本發(fā)明相同的受讓人。
圖28顯示另一類型的分配器，可將其稱為“抗干擾接合器”172。該抗干擾接合器172在其底面上可有許多個洞180。在一些實施方式中，該抗干擾接合器172可以是半透明的或全透明的。如圖29所示，芯片170的柱178可插入洞180中，并可接近于芯片170。接合器172可包括呈流動室形式的流體通道和液體入口174以及液體出口176。流動室中有與芯片170的柱178的頂部樣品表面接觸的液體。流動室中的液體在水平方向上流動，并基本上同時與許多樣品表面接觸。通過使用流動孔接合器172，含有或不含有分析物的液體可被快速地注入多個樣品表面上。分析物與柱178的側(cè)面的非特異性接合由于液體主要與柱178的頂部區(qū)域接觸的緣故而被最小化。在柱178的樣品表面與液體接觸后，該抗干擾接合器170可保持與芯片170鄰近，些時對樣品表面上樣品的特征進行檢測。
可使用一些外部設(shè)備(圖中未示)如光學(xué)儀器來檢測流過室中的物質(zhì)與柱178的頂部表面上的任何物質(zhì)間的化學(xué)反應(yīng)。例如，可給柱178的表面上的樣品施加光信號180，然后檢測反射信號，確定在該樣品表面上是否發(fā)生了反應(yīng)。
圖31(a)顯示裝置的另一實施方式。試看圖31(a)，這個實施方式包括具有基底192的芯片191，該基底上具有槽198，這些槽由支持物196隔開。許多個柱190存在于槽198的底面上。各個柱190的高度可基本上等于它們所處槽198的深度D。在其它實施方式中，這些柱的高度可小于它們所處槽的深度D。覆蓋物194在芯片191的基底192上，槽198中可有諸如氣體或液體之類的與柱190上的樣品表面接觸的流體。這個例子有兩個槽，每個槽中可有不同的流體。在其它實施方式中，槽的數(shù)目可多于或少于兩個。例如，在一些實施方式中，可有6個(或更多)槽，每個槽中有250根(或更多)根柱。
圖31(b)顯示圖31(a)所示的裝置實施方式的俯視圖，圖中限定槽198的側(cè)壁以隱線表示?？赏ㄟ^槽198第一端的覆蓋物194中的流體入口197(a)將流體注入。覆蓋物194可認為是個分配器，因為流體被分配在柱190的樣品表面上。然后，流體通過槽198到達另一端，流出覆蓋物194的流體出口。在其它實施方式中，流體入口和/或流體出口可存在于基底192內(nèi)。由于流體通過槽198，所以流體與柱190的頂部樣品表面以及在這些樣品表面上的所有物質(zhì)接觸。在流體與柱190的樣品表面接觸后，可對頂部樣品表面進行分析，確定是否發(fā)生了相互作用或反應(yīng)。可c在基底192上有或沒有覆蓋物194的情況下進行分析。
圖31(a)和(b)所示的實施方式具有許多優(yōu)點。例如，與先前所述的一些實施方式不同，芯片191上的柱190不需要與分配器中的洞對準。流體可導(dǎo)入柱190的頂部樣品表面而不需準確的對準步驟。含有不同成分的液體或氣體可基本上同時與許多個樣品表面接觸。因此，諸如檢測之類的方法可使用如圖31(a)和31(b)所示的那些實施方式快速進行。
在一個方法中可一起使用上述分配器/樣品芯片的任何組合。例如，在一個示范性實施方式中，具有被動閥門的分配器(如圖10-17所示)可用來將不同的俘獲劑存放到樣品芯片的柱的頂部表面上。在俘獲劑結(jié)合到柱的頂部表面上后，可使用分配器(如圖26-30所示)分配含有分析物的液體，使它們與結(jié)合于柱的頂部表面上的俘獲劑接觸。
在本文中使用的術(shù)語和說明是描述性而非限制性的，本文在使用這類術(shù)語和說明時，并不打算排除所示和所述的特征或其部分的等價內(nèi)容圖，應(yīng)當認識到，在本發(fā)明所主張的范圍內(nèi)可作出各種改動。而且，在不偏離本發(fā)明范圍的情況下，本發(fā)明任何實施方式的任何一個或多個特征可與本發(fā)明的任何其它實施方式的任何一個或多個其它特征結(jié)合。例如，在不偏離本發(fā)明范圍的情況下，圖2-6中任何具體描述的樣品結(jié)構(gòu)實施方式可與實施例8-31中所述的裝置一起使用。
權(quán)利要求
1.一種生物芯片，其特征在于，它包括a)有非樣品表面的基底；b)至少一個結(jié)構(gòu)，各結(jié)構(gòu)包括柱和含有俘獲劑的樣品表面，其中，所述樣品表面相對于上述非樣品表面凸起，用于從分配器接受含有分析物的樣品，可分析該分析物與俘獲劑之間的相互作用。
2.如權(quán)利要求1所述的生物芯片，其特征在于，所述生物芯片包括許多個所述結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的生物芯片，其特征在于，所述生物芯片包含硅、氧化硅、聚合物或玻璃中的至少一種。
4.如權(quán)利要求1所述的生物芯片，其特征在于，所述各結(jié)構(gòu)在其柱上還含有金屬、金屬氧化物、聚合物或金。
5.如權(quán)利要求1所述的生物芯片，其特征在于，所述各結(jié)構(gòu)在柱上含有單層。
6.如權(quán)利要求1所述的生物芯片，其特征在于，所述生物芯片還含有樣品，其中所述樣品是液體樣品。
7.如權(quán)利要求1所述的生物芯片，其特征在于，所述生物芯片還含有樣品，其中，所述樣品是液體樣品，并且所述液體樣品與所述樣品表面相互作用。
8.如權(quán)利要求1所述的生物芯片，其特征在于，所述各結(jié)構(gòu)的側(cè)面是疏水的。
9.如權(quán)利要求1所述的生物芯片，其特征在于，所述各結(jié)構(gòu)的側(cè)面是親水的。
10.如權(quán)利要求1所述的生物芯片，其特征在于，所述柱包括凹入的部分。
11.如權(quán)利要求1所述的生物芯片，其特征在于，所述柱具有大于約0.25的縱橫比。
12.如權(quán)利要求1所述的生物芯片，其特征在于，所述柱具有軸向延伸的流體通道(294)。
13.如權(quán)利要求1所述的生物芯片，其特征在于，所述柱的寬度小于約1.0mm。
14.如權(quán)利要求1所述的生物芯片，其特征在于，所述基底還包括由壁和底部限定的槽(198)，上述各結(jié)構(gòu)從所述槽(198)的底部開始延伸。
15.如權(quán)利要求1所述的生物芯片，其特征在于，所述基底還包括由壁和底部限定的槽(198)，其中上述各結(jié)構(gòu)從槽(198)的底部開始延伸，其高度小于或等于該槽(198)的深度。
16.如權(quán)利要求1所述的生物芯片，其特征在于，所述述非樣品表面的特性不同于所述樣品表面。
17.如權(quán)利要求1所述的生物芯片，其特征在于，所述非樣品表面的特性與所述樣品表面相同。
18.如權(quán)利要求1所述的生物芯片，其特征在于，它包括a)有非樣品表面的基底；b)在該基底上排成陣列的許多個結(jié)構(gòu)，各結(jié)構(gòu)包括柱和相對于所述非樣品表面凸起的樣品表面，用于從分配器接受樣品，以便該樣品在所述樣品表面上時對其進行處理或分析。
19.如權(quán)利要求18所述的生物芯片，其特征在于，所述生物芯片還包括存在于所述許多個樣品表面上的許多份液體樣品。
20.如權(quán)利要求18所述的生物芯片，其特征在于，所述柱和基底包含硅。
21.如權(quán)利要求18所述的生物芯片，其特征在于，所述各結(jié)構(gòu)的側(cè)面是疏水的。
22.用于處理流體的裝置，其特征在于，所述裝置包括a)分配器，該分配器包括本體和限定在該本體中的至少一個流體通道，各流體通道用于將液體分配到一個或多個樣品表面上；b)生物芯片，它包括(i)有非樣品表面的基底；(ii)至少一個結(jié)構(gòu)，各結(jié)構(gòu)包括柱和含有俘獲劑的樣品表面，其中，所述樣品表面相對于上述非樣品表面凸起，用于從分配器接受含有分析物的樣品，可分析該分析物與俘獲劑之間的相互作用
23.如權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于，所述各流體通道在結(jié)構(gòu)上能協(xié)作性地接受所述生物芯片的一個或多個結(jié)構(gòu)。
24.如權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于，所述各各流體通道具有由第一通道部分和第二通道部分形成的被動閥門，所述第一通道部分比所述第二通道部分寬。
25.如權(quán)利要求24所述的裝置，其特征在于，所述第一通道部分位于所述第二通道部分之上。
26.如權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于，所述分配器是噴墨型分配器。
27.如權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于，所述至少一個流體通道是水平的，并且其中所述生物芯片的結(jié)構(gòu)可插入限定所述至少一個流體通道的底壁內(nèi)的洞中。
28.如權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于，所述基底還包括由壁和底部限定的槽，所述各結(jié)構(gòu)從該槽的底部開始延伸，并且其高度小于或等于該槽的深度。
29.如權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于，它包括a)生物芯片，它包括i)有非樣品表面的基底和ii)在該基底上排成陣列的許多個結(jié)構(gòu)，各結(jié)構(gòu)包括柱和相對于所述非樣品表面凸起的樣品表面，用于接受要在其上進行處理或分析的樣品；b)包括許多個流體通道的分配器，各流體通道包括被動閥門。
30.如權(quán)利要求29所述的裝置，其特征在于，當所述生物芯片的各個結(jié)構(gòu)與所述分配器的各個流體通道對準時，所述各流體通道包括兩個或多個被動閥門。
31.如權(quán)利要求29所述的裝置，其特征在于，所述被動閥門由所述流體通道的幾何形狀的瞬時變化所限定。
32.如權(quán)利要求29所述的裝置，其特征在于，限定所述流體通道的壁至少有一部分是疏水的。
33.如權(quán)利要求29所述的裝置，其特征在于，限定所述流體通道的壁至少有一部分是親水的。
34.如權(quán)利要求29所述的裝置，其特征在于，所述各柱的縱橫比約大于0.25。
35.如權(quán)利要求29所述的裝置，其特征在于，所述各結(jié)構(gòu)包括存在于所述柱上的親和結(jié)構(gòu)。
36.如權(quán)利要求29所述的裝置，其特征在于，所述各結(jié)構(gòu)包括存在于所述柱上的金屬層或氧化物層。
37.如權(quán)利要求29所述的裝置，其特征在于，所述柱的縱橫比約大于1。
38.如權(quán)利要求29所述的裝置，其特征在于，所述液體樣品包含蛋白質(zhì)。
39.如權(quán)利要求29所述的裝置，其特征在于，所述柱含有硅。
40.如權(quán)利要求29所述的裝置，其特征在于，所述分配器包括半透明或全透明的材料。
41.一種處理液體的方法，該方法包括a)給分配器中的流體通道提供液體；b)將該液體分配到生物芯片基底上的一個或多個結(jié)構(gòu)中，其中，各結(jié)構(gòu)包括柱和含有俘獲劑的樣品表面，其中，所述樣品表面相對于上述非樣品表面凸起，用于從分配器接受含有分析物的樣品，可分析該分析物與俘獲劑之間的相互作用。
42.如權(quán)利要求41所述的方法，其特征在于，所述分配器中有許多個流體通道，所述提供液體步驟包括將許多股液體提供給所述分配器內(nèi)許多個流體通道中的各個流體通道。
43.如權(quán)利要求41所述的方法，其特征在于，所述分配器中有許多個流體通道，所述提供液體的步驟包括將許多股含有不同成分的不同液體提供給所述分配器內(nèi)許多個流體通道中的各個流體通道。
44.如權(quán)利要求43所述的方法，其特征在于，所述不同成分是各自不同的分析物或不同的俘獲劑。
45.如權(quán)利要求41所述的方法，其特征在于，所述液體含有試劑。
46.如權(quán)利要求41所述的方法，其特征在于，所述分配器中有許多個流體通道，所述提供液體的步驟包括，將許多股含有不同成分的液體提供給許多個流體通道中的各個流體通道，該方法還包括使所述不同的成分與所述樣品表面結(jié)合。
47.如權(quán)利要求41所述的方法，其特征在于，所述分配器包括許多個流體通道，所述提供液體的步驟包括，將許多股液體提供給許多個流體通道中的各個流體通道，其中，該方法還包括，在分配液體后，將許多股液體樣品存放在所述生物芯片的各樣品表面上。
48.如權(quán)利要求41所述的方法，其特征在于，所述分配器包括許多個流體通道，所述提供液體的步驟包括，將許多股液體提供給許多個流體通道中的各個流體通道，其中，所述分配步驟包括向所述分配器流體通道內(nèi)的許多股液體施加第一壓力，將所述液體推到所述流體通道內(nèi)的第一被動閥門；將所述生物芯片的一個或多個樣品表面置于所述流體通道內(nèi)或在其端口，并使所述分配器和生物芯片配合；向所述流體通道內(nèi)的許多股液體施加第二壓力，將這些液體推過所述第一被動閥門，使其與所述樣品表面接觸，所述第二壓力大于所述第一壓力；向所述流體通道內(nèi)的許多股液體施加第三壓力，所述第三壓力小于所述第二壓力。
49.如權(quán)利要求41所述的方法，其特征在于，所述分配步驟進行時不形成液滴。
50.如權(quán)利要求41所述的處理液體的方法，其特征在于，所述方法包括a)將許多股液體分別提供給分配器中的各個流體通道，其中，各個流體通道包括被動閥門，各液體在各流體通道中的流動在該被動閥門處停止；b)將許多個結(jié)構(gòu)的樣品表面對準許多個流體通道，其中各個結(jié)構(gòu)包括柱；c)當樣品表面在流體通道的端口中或者被置于流體通道的端口時，使樣品表面和流體通道中的液體接觸。
全文摘要
公開了具有基底(2)和包括柱(20(a，b))的樣品結(jié)構(gòu)(25(a，b))的測試儀器，基底(22)是非樣品表面。
文檔編號C12M1/16GK1920560SQ20061011091
公開日2007年2月28日 申請日期2001年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月23日
發(fā)明者P·F·因德爾米勒, F·G·佐格, P·瓦格納, S·諾克 申請人:齊翁米克斯股份有限公司