專利名稱：用于操縱小型樣本的微制造工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及能用來操縱和測量小型(l毫米一l微米)精密樣本的各種微 制造工具。這些樣本包括大分子晶體、小分子晶體、細胞、組織和細胞器官。所執(zhí) 行的操作的例子包括測量樣本尺寸和樣本溫度、從溶液和培養(yǎng)基中獲取樣本并將 它們從一種溶液轉(zhuǎn)移至另一種溶液、去除粘附于基底表面的樣本，精密地但牢靠地 夾持和保持樣本以及安裝樣本以進行光學(xué)或X射線檢查。
背景技術(shù)：
例如蛋白者和病毒晶體、細胞和組織的樣本極為易碎并容易因為硬質(zhì)(例如 金屬)物體的偶爾接觸而損毀。它們經(jīng)常粘附于玻璃載玻片或玻璃、塑料或金屬容 器，它們在其中生長并難以去除。它們經(jīng)常成團地出現(xiàn)或嵌入于諸如蛋白膜、凝膠 或脂類的其它物質(zhì)中，因此必須將它們分離和提取以研究個體樣本。它們經(jīng)常從一 種溶液或介質(zhì)轉(zhuǎn)移到另一種溶液或介質(zhì)。商品細頭端金屬工具——例如由Hampton
Research(http://www. hamptonresearch, com/)出售的德國制Micro —Tools -
可用來完成這些任務(wù)。然而，由于這類工具的硬度和強度以及與手移動關(guān)聯(lián)的不可 避免的不精確性和震動，即便只是不經(jīng)意地接觸，它們也經(jīng)常破壞或毀壞感興趣的 樣本，并且這類工具相對于越來越受關(guān)注的例如蛋白質(zhì)晶體的較小樣本(100微米 或更小)而言太大。結(jié)果，需要提供能夠處理這些小型生物樣本和其它小型精密樣 本而不會破壞或毀壞這些樣本的工具。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明滿足前述需求并包括由塑料薄膜制成的微制造工具的若干實施例。這 種基本設(shè)計源自已公開的美國專利申請No.US20060086315 (下文中稱其為"315 申請")中披露的發(fā)明，該文獻被全部援引包含于此。"315申請"披露一類用來 操縱和安裝晶體以實現(xiàn)X射線晶體和分子結(jié)構(gòu)確定的新裝置。這些裝置由底部粘連于圓柱形柱的微制造聚合膜構(gòu)成。同樣的基本幾何形狀也用于本發(fā)明，以制造出利 于操縱和測量小型、精密樣本的各種工具。
薄膜具有相比其1毫米數(shù)量級的橫向尺寸很小的厚度(較佳為5-50微米，一 般為10微米)。結(jié)果，當(dāng)使用諸如聚酰亞胺和聚酯樹脂的共聚物制造時，它們具 有理想的撓曲性。為了保持它們在流動和其它力出現(xiàn)時從左右邊落下，薄膜較佳為 曲面形，其底部包覆在柱的周圍，這給予它們一定的剛度以維持它們相對柱的形狀 和方向。以幾乎相同的方法，使葉瓣和花瓣由于其曲率而變得剛韌，但卻是如此薄 和柔軟以致于當(dāng)將很小的力作用于一端時它們就會屈服和彎曲。或者，在撓曲性相 比小尺寸而言相對次要的場合下，可通過增加薄膜的厚度來獲得剛度，并且在這種 情形下，可使用薄膜而無需在柱的周圍形成曲面。相比金屬工具，塑料的柔軟度減 輕樣本損壞。相比例如金屬工具，塑料的薄度(相對于橫向薄膜尺寸)和所產(chǎn)生的 小彈性剛度使薄膜在樣本接觸期間易于彎曲和屈服，進一步大大地使樣本受損的幾 率減至最小。其薄度使其可透光并能透過X射線，因此這些工具可用來從粘附于其 的樣本采集X射線數(shù)據(jù)，或在研究期間將樣本保持在光學(xué)顯微鏡中?；蛘?，將例如 CaW04、 ZnS:Cu、 CdW04或Gd202S:Pr的X射線敏感熒光體以低濃度摻雜在薄膜中。 這允許觀察到X射線束出現(xiàn)在工具上?？蓪λ芰线M行處理以獲得要求的疏水性或親 水性，或涂覆以增進或抑制樣本粘附的(例如藉由聚乙二醇化工藝的聚乙烯乙二醇 或PDMS)薄膜。
具體參照本發(fā)明的各實施例，第一實施例包括用于樣本測量的工具，其中聚 合膜的透光性使測量的樣本可透過薄膜被觀察到。由通過環(huán)繞柱包覆薄膜底部所產(chǎn) 生的薄膜小曲率提供的剛度增加實現(xiàn)例如粘性液體中更容易的測量。如果對著平坦 表面向下按壓薄膜，則薄膜的薄度還使其扁平彎曲。工具的柔軟度和撓曲性使其從 基底推動或移動許多柔軟、精密、易碎的樣本，例如蛋白質(zhì)晶體、細胞、組織等， 而不會破壞它們。這種柔軟度和撓曲性也使與工具不經(jīng)意接觸時樣本毀壞的幾率減 至最小。該測量工具可緊靠于例如其所在的溶液中的受測樣本，并且其方向與所測 樣本尺寸的方向匹配。結(jié)果，工具可在比顯微鏡分度線寬得多的多種樣本條件下提 供精確的測量，所述顯微鏡僅精確地測量例如垂直于光軸并與鏡頭外表面具有相同 介質(zhì)的表面的尺寸。
測量工具較佳地包括便于樣本尺寸測量的一個或多個刻度。用50微米一5微米的或更低的分辨率可實現(xiàn)亞毫米級樣本的線性尺寸的測量。通過轉(zhuǎn)動刻度以使其 垂直排列而不是水平排列，所得到的工具可用來測量上緣所在的背基底之上的高度 或厚度?？稍趩蝹€工具的上緣和側(cè)緣形成類似的正交刻度。所述正交刻度可形成在 具有方孔的工具周圍，以允許同時測量樣本的兩個尺寸。作為在薄膜的固體區(qū)內(nèi)形 成刻度條(那里沒有薄膜)的代替，可通過工具上的規(guī)則突起來形成刻度。微制造 提供測量裝置形狀方面的極大靈活性。例如通過光刻影印形成薄膜上的標記，所述 標記沿或垂直于工具軸線以標準間隔(例如100微米)規(guī)則地間隔設(shè)置，以實現(xiàn)線 性尺寸(例如寬度和厚度)的測量。諸標記也可規(guī)則地以角度間隔分布，例如在量 角器中，提供角度的測量。角度標記也可分布在其中放置待測樣本的孔的周圍。
本發(fā)明的另一實施例包括操縱晶體的工具，具體是從溶液中舀起精密樣本并 使溶液通過開口的網(wǎng)篩流走。取決于所獲取的樣本的尺寸和樣本所在的溶液的粘 性，網(wǎng)篩尺寸一般從幾微米至100微米以上的范圍內(nèi)變化。這些工具可用來將樣本 轉(zhuǎn)移至其它溶液/介質(zhì)，并在浸泡于其它介質(zhì)時保持樣本。再者，這些工具的小厚 度和撓曲性使它們壓向粘附于基底的極薄(20微米)樣本的底部以輕輕地移動工 具，隨后使它們滑過樣本的下方并將樣本舀起，而使損壞樣本的可能性減至最小。
本發(fā)明的第三實施例包括塑料微型鋸，用于切割類似蛋白膜、凝膠、脂質(zhì)、 細胞和薄組織層的軟材料以提取易碎的樣本。蛋白"膜"(與形成室溫下的牛奶上 的東西類似)是從蛋白質(zhì)晶體生長滴液中獲取晶體的主要障礙。晶體也生長在脂類 溶液或凝膠中一一柔軟、多孔、充滿水分的結(jié)構(gòu)——并必須從中提取出。細胞膜是 脂類雙分子層。蛋白膜的厚度一般為幾微米，因此鋸中的鋸齒的節(jié)距必須是同等的 尺寸以實現(xiàn)理想的切割動作。蛋白質(zhì)滴液的尺寸一般為1毫米，因此切割工具必須 比該尺寸更小。因此微制造對于制造這些小的、細微的工具而言是理想的。與金屬 微型鋸不同，這些柔軟的、具有撓曲性的塑料鋸對切割軟材料和提取樣本而言是理 想的，尤其它們的撓曲性使由于與鋸刃不經(jīng)意的接觸引起的樣本損壞的風(fēng)險減至最 小。此外，由于所切割的材料非常軟，塑料鋸強韌到足以在失效前使用多次?？赏?過將鋸刃彎曲而使其底部包覆于圓形金屬或塑料柱的內(nèi)部或外部以使鋸刃獲得剛 度。此外，可將鋸刃壓入基底以使其彎曲并平躺在其上，隨后用鋸刃切開粘附于基 底的物體。由于鋸刃夠薄，因此它可以是透明的，這使切割過程中樣本的視覺障礙 減至最小。如果在制造中使用蝕刻或多層沉積，則鋸刃的厚度可在切割邊附近形成削錐。薄膜可具有一個切割邊(類似于面包刀)或兩個切割邊(類似于匕首)。也 可使用具有"刀"形狀卻沒有鋸齒的工具。
本發(fā)明的第四實施例及其變化形式包括牢靠地保持易碎樣本的工具。最先的 三個實施例和"315"申請中描述的那些實施例的工具均依賴于樣本和工具之間的 表面張力/毛細力、依賴于樣本和工具之間的其它附著力(例如由凝固的液體引起 的附著力)或依賴于重力將樣本保持于工具。在許多情形下要求更為牢靠地保持樣 本。許多樣本操縱一一例如浸沒于液態(tài)冷凍劑而冷卻、自旋以去除多余的液體以及 浸沒于具有大表面張力的液體——涉及使樣本移離和脫離工具的大加速度和/或大 作用力。當(dāng)例如通過流體力保持在位時，只要允許作用足夠長的時間，即使類似重 力的非常小的外力也會使樣本相對工具移動。例如，在室溫蛋白質(zhì)結(jié)晶中，晶體在 數(shù)據(jù)采集過程中易于在工具上向下滑移(或在使用玻璃毛細管的傳統(tǒng)安裝方法中，
從毛細管壁向下滑移)，而這會劣化x射線衍射數(shù)據(jù)。檢晶器也可在室溫下將晶體 運送至同步加速器x射線源，并且這需要一些方法將其牢靠地保持在位而不會在高
達一周的運輸和存儲周期內(nèi)受到破壞。更一般地說，人們經(jīng)常想要在研究過程中嚴 格地保持樣本，而對于小的、易碎的樣本——例如蛋白質(zhì)晶體和細胞——而言，這 是一個挑戰(zhàn)。
本文中披露了用來牢靠地夾持易碎樣本的工具的許多變化形式。與當(dāng)前使用 (例如用于蛋白質(zhì)晶體中)的工具不同，這些工具具有牢靠地夾持樣本的積極捕獲 作用。在一個變例中，工具由與一系列小撓曲性齒或指對齊的孔構(gòu)成，并且可使工 具下壓至樣本以通過這些指夾住樣本。隨著工具下壓至樣本，工具的可撓曲指向上 彎曲，最后從邊上夾持住樣本，與建筑中使用墊圈來牢靠地夾住桿件的原理相似。
這些工具的寬度和直徑為2毫米或更小，并且這些指具有大約10-50微米的典型寬 度。塑料薄膜的薄度和相對于其長度較小的指寬的結(jié)合形成能夾持但不會導(dǎo)致?lián)p傷 的非常軟的彈簧常數(shù)?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)指寬、指長和薄膜厚度以及薄膜所采用的聚合物 來調(diào)整彈簧常數(shù)?？墒褂昧河捕鹊臉藴使絹碛嬎銖椈沙?shù)。各指施加在樣本上的 壓力可通過張開指端部以增加它們與樣本的接觸面積而減小。這些指可以是彎曲 的、T形、鋸齒形等，以改善夾持動作或調(diào)整其彈性響應(yīng)。如果使用蝕刻，則指可 具有不同的厚度，并且它們還可具有不同的機械和化學(xué)表面處理以增加對樣本的粘 著度。更具體地，微制造可使這些工具的形狀和表面特性具有幾乎無限種可能性，包括使用雙層薄膜，其中夾具的指由一種材料制成而工具的剩余部分由第二種材料 制成。關(guān)鍵特征是工具的端部作為一整體可相對其底部彈性彎曲以如之前實施例所 述偏向一表面，而這有利于良好的夾持動作。當(dāng)從例如多孔細胞培養(yǎng)物或結(jié)晶板的 緊密局限空間獲取樣本時，這是尤為有利的，因為工具的迎角被約束在近乎垂直方 向。也可例如使用第二實施例的工具中的一個來將樣本向下壓入工具。
為了改善夾持動作，單個工具可具有一定長度的"指"，這些指在其邊緣的 不同高度上夾持晶體。當(dāng)將工具向下壓向樣本時，較長的指可向上彎曲，向下壓在 樣本的頂部上，而較短的指則向上壓在樣本的底部上，將其保持在位?？烧{(diào)整開口 的形狀以使其適應(yīng)不同形狀的樣本，例如立方形或桿形。對于X射線衍射場合，在 保持為有充分剛度的足夠?qū)挾鹊耐瑫r，應(yīng)使樣本孔周圍的塑料的寬度減至最小。可 通過將薄膜的底部包覆在柱周圍或內(nèi)部而使薄膜形成曲面，以增加其剛度，以使它 們在壓向樣本時不會簡單地垮落。通過如此地彎曲薄膜，可使這種工具的總結(jié)構(gòu)剛 度遠大于指的結(jié)構(gòu)剛度。
在具有對向作用以夾住樣本的另一類工具中，將中指或垂片(tab)上拉或下
壓(例如使用安裝于手動或機械微型操縱器的桿件)。工具的兩"顎"被定位在樣 本周圍，隨后松開指以夾住樣本。這種工具尤佳地適用于夾持薄板和桿件。為了改 善工具的夾持，可在指上設(shè)置一個樣本尺寸的孔；薄膜的夾持部分可設(shè)置孔、鋸齒 或其它特征；或可在薄膜上涂覆類似PDMS的柔軟或具粘性的聚合物。如果工具由 透明聚合物制成，則它應(yīng)當(dāng)在取回過程中最小程度地遮擋樣本的視線。且由于薄膜 是撓曲性和彈性的，可將下"顎"壓入平坦的基底，用來去除粘附于基底的樣本， 并隨后在顎閉合前在樣本下面滑動。在二指形式中，二指被連接在一起以使它們一 起抬升和/或下降。在三指形式中，三個平行和獨立的指獨自彎曲。例如，中指可 向上彎曲而兩個外指可在樣本下面滑動，隨后松開中指以將樣本夾持在位。
另一類相關(guān)的工具將樣本夾持在兩可撓槳之間。在最簡單的情形下，工具的 薄膜是平的，例如通過將槳下壓至樣本上或通過抬起一個槳并將樣本夾持在兩個槳 之間而將樣本插入到兩個槳之間?？蓪圃鞛閱为毎惭b于柱的兩個單件或一個單
件，并使槳具有孔、指、鋸齒或其它特征以改善在樣本上的夾持。相比具有與孔的 內(nèi)腔對齊的指的"夾具"工具，這些工具能夾持更寬范圍的樣本尺寸。尤其是如果 相對槳的鋸齒互補并疊合，他們也能有效地夾持板狀或桿狀樣本。另一種結(jié)構(gòu)是使兩個槳相對彼此形成一夾角，這種結(jié)構(gòu)是通過使兩個槳環(huán)繞在彎曲柱周圍或?qū)⑺鼈?安裝在平柱或削錐柱的相對側(cè)而形成的。曲率賦予槳一定的硬度，并且當(dāng)槳壓在樣 本上時，給予優(yōu)先的彎曲方向。槳的具體形狀可根據(jù)場合變化。
在本發(fā)明的另一實施例中提供一類工具，這類工具被制造為平坦的但向外擠 出成三維結(jié)構(gòu)的形式，如亞洲剪紙藝術(shù)領(lǐng)域中那樣。在本實施例中，平坦的薄膜向 外擠出以形成可以兩種方式使用的三維籃狀物。首先，可將其下壓至樣本，使籃狀 物被擠出?；@狀物的邊則牢靠地夾住樣本的邊。塑料必須是薄的并具有足夠的撓曲 度以保持向外擠出狀態(tài)，并較佳地承受塑料變形而不會斷裂。
本發(fā)明的另一實施例包括樣本溫度測量的工具。在許多場合下，人們想要知 道樣本的溫度。例如，在冷結(jié)晶過程中，樣本被放置于冷氣體(氮氣或氦氣)流下， 以使其在X射線數(shù)據(jù)采集過程中保持冷卻狀態(tài)。樣本的溫度隨著如何調(diào)節(jié)氣體流、
環(huán)境條件以及樣本在氣體流中的位置而變化。在本實施例中，"315申請"中披露
的樣本保持器以及本文所描述的任何工具可用一整體的熱電偶形成。該工具也是用
類似聚酰亞胺或聚酯樹脂的聚合物微制造而成的。布圖和沉積兩種不同的金屬層， 以使它們在頭端重疊，從而形成熱電偶結(jié)點?？赏ㄟ^例如濺射(以降低薄膜的熱量) 將金屬沉積在聚合膜上?？墒褂脗鹘y(tǒng)光阻布圖和濕蝕或干蝕去除金屬以形成最終圖
案。熱電偶結(jié)點的極小尺寸(10-20微米)、其引線的小橫截面積和低導(dǎo)熱性以及 結(jié)點與樣本的接近性可確保準確的溫度測量。結(jié)點極低的熱質(zhì)量加上樣本保持器的 和薄膜的設(shè)計可確保對于溫度變化的非常快的時間響應(yīng)。在另一設(shè)計中，采用熱敏 電阻代替熱電偶作為溫度傳感器。熱敏電阻可通過在聚酰亞胺上沉積和布圖一非晶 硅層而形成。倘若橫向尺寸很小，可將熱敏電阻做地非常薄并因此具有很小的熱質(zhì) 量，而不會有因為彎曲而引起斷裂的風(fēng)險。


通過結(jié)合附圖對本發(fā)明的數(shù)個較佳實施例的下列詳細說明，本發(fā)明的特征和
優(yōu)點將變得更為易懂，在附圖中
圖1A-1C是三種測量工具的示意圖。圖1A是具有布圖的測微器刻度的平頂工 具。圖1B是具有用來測量距離的規(guī)則突起的工具。圖1C是具有布圖的角刻度的圓 頂工具。在當(dāng)前設(shè)計中，底部的寬度大約為800微米。圖2是用來從溶液中篩分出樣本、在介質(zhì)之間轉(zhuǎn)移樣本、并在浸漬過程中保 持樣本的網(wǎng)篩工具的圖示。工具底部的寬度大約為800微米。
圖3是用來切割諸如蛋白膜、凝膠和凝膠類脂質(zhì)的軟材料的可撓塑料鋸的圖 示。鋸齒的節(jié)距在當(dāng)前設(shè)計中為5和50微米之間，適用于切割蛋白膜，并且鋸的 橫向尺寸約為l毫米。
圖4A-4F是用多個齒或指牢靠地夾持樣本的工具的圖示。圖4A示出其中圍繞 孔的小齒夾住貫穿過這些小齒的樣本的工具。圖4B示出前述工具的變化形式，其 中齒長度變化以形成對不同尺寸樣本的更為牢靠的夾持。圖4C示出形狀與樣本形 狀匹配的工具變化形式，在這種情形下針對細長形樣本。圖4D示出包括當(dāng)中指上 拉時在樣本下面滑動的平頂邊緣的工具。圖4E示出包括兩組指形槳的工具。圖4F 示出圖4E的工具的變化形式，其中槳齒相互交錯。圖5A和5B分別示出向外擠出 為籃狀物的微制造工具和具有向外擠出籃狀物的原型。
圖6A和6B是本發(fā)明的實施例的第一和第二變化形式，用于執(zhí)行樣本溫度測 量。在圖6A的變化形式中，樣本保持器與熱電偶結(jié)合，而在圖6B中，樣本保持器 與熱敏電阻結(jié)合。
具體實施例方式
現(xiàn)在參照本發(fā)明各較佳實施例的更詳盡的方面，每種微制造工具設(shè)計的原理 是每種工具由薄膜件構(gòu)成，所述薄膜件較佳地(盡管不是非要如此)包覆在圓柱形 柱周圍。在使用圓柱形柱的工具中，在薄膜下部中的水平和垂直狹縫限定圓柱形柱 的頂部和邊的位置。薄膜較佳地由聚合物(塑料)構(gòu)成，例如聚酰亞胺和聚酯樹脂， 其厚度為5-50微米，較佳為IO微米，具有非常軟的彈簧常數(shù)并且相比例如金屬工 具較不可能損傷易碎的樣本。這種薄度使頭端在測量時容易平靠在硬質(zhì)基底上，例 如玻璃或塑料表面。薄膜具有1毫米或更小的橫向尺寸并較佳地通過微制造方法形 成。另外，薄膜較佳為透明的，以使受測樣本可透過薄膜被觀察到。當(dāng)結(jié)合X射線 束(或諸如電子射線或紫外線的其它輻射)使用工具時，薄膜可包括對輻射敏感的 低濃度磷(例如X射線情形下為CaWO》。這使X射線或其它照射光束可顯現(xiàn)在工 具上?？商幚硭芰弦垣@得理想的疏水性和親水性，可對塑料進行機械壓花和磨蝕、 或涂覆以促進或抑制樣本粘附的(例如藉由聚乙二醇化工藝的聚乙烯乙二醇或PDMS的)薄膜。
A. 用于樣本測量的工具
圖1A、 1B和1C中示出本發(fā)明的第一較佳實施例的三種變化形式，并包括三 種工具10、 12和14，它能用來測量樣本的尺寸，尤其是柔軟的、易碎的生物樣本， 比如蛋白質(zhì)晶體、細胞、組織等。理想地，每種工具由透明的聚合膜16構(gòu)成，以 使受測樣本成為透明的。通過將薄膜16的底部安裝于圓柱形的、有斜面的柱18 而形成的小曲率為工具提供剛度，實現(xiàn)在例如粘性液體中更為容易的測量。如果向 著平坦表面按下薄膜16，薄膜16的薄度使其扁平彎曲。工具的柔軟度和撓曲度使 其用于推壓或移動易碎樣本而不會破壞它們。測量工具可緊靠其所在溶液中的受測 樣本，并且其方向與所測量的樣本尺寸的方向匹配。結(jié)果，工具可在比顯微鏡分度 線寬得多的多種樣本條件下提供精確的測量，所述顯微鏡僅精確地測量例如垂直于 光軸并與鏡頭外表面具有相同介質(zhì)的表面的尺寸。
圖1A中的工具10在其頭端具有刻度20，刻度20允許以50微米一5微米或 更小的分辨率進行亞微米級樣本的線性尺寸測量。通過轉(zhuǎn)動刻度20以使其垂直排 列而不是水平排列，不是將刻度(刻度上沒有薄膜)形成在薄膜的固體區(qū)，而是通 過從工具的規(guī)則突起來形成刻度22，如圖1B所示的工具12。圖1C中的工具14 包括允許小樣本的角度測量的彎曲刻度，例如量角器。這有益于例如測量晶體的晶 面之間的夾角以確定其結(jié)晶形狀。另外，刻度24可由外周緣上的規(guī)則突起形成。 圖1D中的工具26示出如何在矩形孔28周圍設(shè)置正交的刻度20，這允許同時測量 樣本的兩個尺寸。同樣，可在圓形孔周圍設(shè)置角刻度。微制造提供測量裝置形狀方 面的極大靈活性。
較佳地，通過光刻布圖來形成薄膜上的測量標記，所述標記沿或垂直于工具 軸線以標準間隔(例如100微米)規(guī)則地間隔設(shè)置，以實現(xiàn)線性尺寸(例如寬度和 厚度)的測量。諸標記也可規(guī)則地以角度間隔分布，例如在量角器中，以提供角度 測量。
B. 晶體操縱工具
本發(fā)明的第二較佳實施例包括操縱微晶體和其它小的、精密的樣本的工具。 圖2示出工具30，它可從溶液中篩分出或舀起精密樣本并使溶液通過開口網(wǎng)篩32 流走。工具30可用來將樣本轉(zhuǎn)移至其它溶液/介質(zhì)，并在浸泡于其它介質(zhì)時保持樣本。注意通過將塑料薄膜34包覆在圓柱形桿(和18—樣)而形成的曲率是保持良
好剛度的必要條件。薄膜的厚度使頭端38平靠在硬質(zhì)基底、例如玻璃或塑料表面 上，允許將粘附于表面的樣本推離并使造成損壞的幾率減至最小。較佳地采用平坦 的、彎曲的或呈點狀的頭端以使樣本移離基底并分離已粘結(jié)在一起的樣本。薄膜 34可具有輪廓近似匹配于樣本的形狀的孔40，孔40為30微米至1毫米，以將樣本 拉離而不是推離它們所粘附的基底。可提供形成網(wǎng)篩32的一組孔40，孔的尺寸從 5微米至100微米，大到足以使多余液體從中流過，也小到足以留住樣本，使樣本 被舀起并去除其周圍的液體，或使液體流過網(wǎng)篩32至樣本，以使樣本更均勻地暴 露至液體(重要點在于例如使液體滲入樣本)。
C. 切割軟材料以提取易碎樣本的工具
圖3示出專門設(shè)計成切割類似蛋白膜、凝膠、脂質(zhì)、細胞和薄組織層的軟材 料的鋸切工具50。蛋白"膜"(與形成室溫下的牛奶上的東西類似)是從蛋白質(zhì) 晶體生長滴液中獲取晶體的主要障礙。晶體也生長于脂類溶液或凝膠——柔軟、多 孔、充滿水分的結(jié)構(gòu)——并必須從中提取出來。細胞膜是脂類雙分子層。蛋白膜或 薄膜的厚度一般為幾微米，因此鋸切工具50的鋸齒52的節(jié)距必須是同等的尺寸以 實現(xiàn)理想的切割動作。用于結(jié)晶的滴液和結(jié)晶和細胞培養(yǎng)板的孔的尺寸為1毫米數(shù) 量級，因此切割工具50必須比該尺寸更小。因此微制造對于制造這些小的、細微 的工具而言是理想的。與金屬微型鋸不同，這些柔軟的塑料鋸對切割軟材料和提取 樣本而言是理想的，并使由于與鋸刃不經(jīng)意的接觸造成的樣本損壞的風(fēng)險減至最 小。它們可以是透明的，以在切割過程中更容易觀察到小樣本。此外，由于所切割 的材料非常軟，塑料鋸強韌到足以在失效前使用多次?？赏ㄟ^將鋸刃彎曲以使其包 覆于圓形金屬或塑料柱的內(nèi)部或外部以為鋸刃提供剛度。也可使用具有與圖3形狀 相同的"刀"形狀但沒有鋸齒52的工具。較佳地，采用齒大小為5-50微米，較佳 為10-20微米的鋸齒邊54。所述鋸齒邊可以是直的或彎曲的并可在一個或兩個邊 上形成鋸齒。或者，鋸可用金屬(例如鎢)、半導(dǎo)體(例如氮化硅)或玻璃(例如 氧化硅)微制造而成，以形成較硬的鋸，但這會增加破壞易碎樣本的風(fēng)險。
D. 用于牢靠地保持易碎樣本的工具
圖l-3所示的工具和"315"申請中描述的裝置均依賴于樣本和工具之間的表 面張力/毛細力、依賴于樣本和工具之間的其它附著力(例如由凝固的液體引起的附著力)或依賴于重力將樣本保持于工具。在許多情形下要求更加牢靠地保持樣本。 許多樣本操縱——例如浸沒于液態(tài)冷凍劑而冷卻、自旋以去除多余的液體以及浸沒 于具有大表面張力的液體——涉及使樣本脫離安裝件的大加速度和/或大作用力。 即使類似重力的非常小的作用力在足夠長的時間內(nèi)也會造成明顯的移動。例如，在 室溫蛋白質(zhì)結(jié)晶中，晶體在數(shù)據(jù)采集過程中易于沿工具向下滑移(或在使用玻璃毛 細管的傳統(tǒng)安裝方法中，從毛細管壁向下滑移)，而這會劣化X射線衍射數(shù)據(jù)。檢 晶器也可在室溫下將晶體運送至同步加速器X射線源，并且這需要一些方法將其牢 靠地保持在位而不會在高達一周的運輸和存儲周期內(nèi)受到破壞。更一般地說，人們 經(jīng)常想要在研究過程中嚴格地保持樣本，而對于小的、易碎的樣本——例如蛋白質(zhì) 晶體和細胞——而言，這是一個挑戰(zhàn)。
圖4A-4F和圖5示出能用來牢靠地夾持易碎樣本的若干不同類型的工具。與 當(dāng)前用于例如蛋白質(zhì)結(jié)晶中的工具不同，這些工具具有牢靠地夾住樣本的積極捕獲 作用。
圖4A示出下壓至樣本以通過一系列小的可撓曲齒或指62夾持樣本的工具60， 這些齒或指62從孔64的邊緣向內(nèi)延伸。隨著孔64下壓至樣本，工具60的可撓指 62向上彎曲，最后使指62的自由端從邊上夾持住樣本，與建筑中使用墊圈來牢靠 地夾住桿件的原理相似。當(dāng)用標準塑料薄膜制造而成時，這些工具的寬度和直徑將 近為1毫米或更小，并且這些指62具有大約10-50微米的寬度。塑料薄膜68的薄 度和小指寬度的結(jié)合形成能夠夾持但不會導(dǎo)致?lián)p傷的非常軟的彈簧常數(shù)?？赏ㄟ^調(diào) 節(jié)指寬、指長和薄膜厚度來調(diào)整彈簧常數(shù)。關(guān)鍵特征是工具60的自由端可整個彎 曲平靠在一表面上以獲得良好的夾持動作。也可將樣本下壓入工具60。
為了改善夾持動作，單個工具可具有一定長度的"指"，這些指在其邊緣的 不同高度上夾持晶體，如圖4B所示的工具70。較長的指可向上彎曲，向下壓在樣 本的頂部，而較短的指則向上壓在樣本的底部，將其保持在位。
在圖4C的工具80中，開口82的形狀是細長的以配合細長的樣本。因此，可 調(diào)整開口的形狀以使其適應(yīng)不同形狀的樣本，例如立方形或桿形。
對于X射線衍射場合，樣本周圍的塑料寬度應(yīng)減至最小，同時又獲得足夠剛 度。可再次通過將薄膜包覆在柱的周圍或內(nèi)部而使薄膜形成曲面，以增加其剛度。 盡管圖4A-4C所示的設(shè)計具有窄齒，然而應(yīng)當(dāng)理解也可用寬齒來實現(xiàn)同一基本構(gòu)圖4D示出具有相對作用以夾持樣本的指92、 94和96的另一工具90。在該變 例中，工具在樣本下面滑動的同時，中指94上拉(或內(nèi)推)，隨后松開指，將樣 本夾持在中指94和外指92、 96之間。
圖犯和4F示出工具的第一和第二變化形式100和110，其中樣本被插入兩可 撓槳102和104之間。槳102和104的具體形狀可根據(jù)場合而變化。在工具100 中，槳具有咬住樣本的多個夾持齒106和108。在工具110中，齒116和118被設(shè) 置成相互交錯。圖4D-4F中的工具設(shè)計尤其適用于夾持桿狀或板狀樣本。
在每個工具中，通過工具中的彈性作用積極地夾持和保持樣本，而不是通過 附著力或重力消極地保持。
E. 制造平坦的但向外擠出成三維結(jié)構(gòu)的工具
圖5A和5B示出被制造成薄膜的但向外擠出為三維結(jié)構(gòu)的一類工具的例子， 如亞洲剪紙藝術(shù)中那樣。在圖5A中，工具120由切割或濕刻成圖案124的平膜122 構(gòu)成，以使其向外擠出以形成三維籃狀物狀工具126，如作為早期原型的圖5B所 示。工具120可以兩種方式使用。首先，可將其下壓至樣本上，將薄膜切片124 擠出?；@狀物126的邊則牢靠地夾住樣本的邊，由此，根據(jù)樣本的幾何形狀，這些 工具可實現(xiàn)如圖4A-4F所示相同的功能?；蛘?，薄膜切片124可通過例如通過同一 工藝微制造的塑料鉤拉動而向外擠出，隨后將樣本舀起。塑料必須足夠薄并具有足 夠的撓曲度以保持擠出狀態(tài)，并較佳地承受塑料變形而不會斷裂。
F. 樣本溫度測量的工具
在許多情形下，人們在做其它研究的過程中想要知道小樣本的溫度。例如， 在冷結(jié)晶過程中，樣本被放置于冷氣體(氮氣或氦氣)流下，以使其在X射線數(shù)據(jù) 采集過程中保持冷卻狀態(tài)。樣本的溫度隨著如何調(diào)節(jié)氣體流、環(huán)境條件以及樣本在 氣體流中的位置而變化。圖6A示出一樣本安裝件130，它與"315申請"中披露的 內(nèi)容相似但具有整體的熱電偶結(jié)點132。同樣的理念可應(yīng)用于本申請所披露的任何 工具，且尤為適于與夾持工具60、 70和80—同使用。
安裝件130也是由類似聚酰亞胺和聚酯樹脂的聚合膜134微制造而成的。布 圖和沉積兩不同的金屬層136和138，以使它們在頭端重疊，從而形成熱電偶結(jié)點 132?？赏ㄟ^例如濺射(以降低薄膜的熱量)將金屬層136和138沉積在聚合膜上。可使用傳統(tǒng)光阻布圖和濕蝕或干蝕來去除金屬以形成最終圖案。
原則上可采用幾乎任何金屬組合來形成結(jié)點132，但尤為易于制造的標準組合
包括T型(銅和通鎳合金)和J型(鎳鉻合金和鎳鋁合金)。在T型的情形下，可
采用柔性電路中使用的銅一聚酰亞胺片材，在這種情形下只需沉積一種金屬。與熱
電偶的電連接可通過相對大面積的焊點140來完成。在"315專利"披露的設(shè)計中， 這些焊點140位于由將薄膜保持于支承柱142的套筒(例如熱縮管)包圍的微制造 薄膜134區(qū)域的下方。隨后釬焊、絲焊熱電偶細導(dǎo)線或用其它方法將其連接于這些 焊點140。熱電偶結(jié)點132的極小尺寸(10-20微米)、其引線的小橫截面積和低 導(dǎo)熱性以及結(jié)點132與樣本的接近性可確保準確的溫度測量。結(jié)點132極低的熱質(zhì) 量加上樣本安裝件130和薄膜的設(shè)計也可確保及時作出非?？斓臏囟软憫?yīng)。也可在 樣本孔144的頂部形成熱電偶結(jié)點132，使金屬順沿孔144的周緣。這樣做的缺點 是，在X射線結(jié)晶學(xué)應(yīng)用場合在X射線的路徑上具有強劇烈擴散的金屬。
圖6B示出用熱敏電阻152代替作為溫度傳感器的熱電偶的工具150的另一種 設(shè)計。熱敏電阻152可通過在聚酰亞胺上沉積和布圖一非晶硅層而形成。倘若橫向 尺寸很小，可將熱敏電阻152做地非常薄并因此具有很小的熱質(zhì)量，而不會有因為 彎曲而引起斷裂的風(fēng)險。熱敏電阻的每端與諸如銅的單個金屬154接觸。
盡管已就較佳實施例及其變化形式對本發(fā)明進行了披露，然而要理解，可不 脫離后面權(quán)利要求書中定義的本發(fā)明范圍地作出許多其它的變化和修改。
權(quán)利要求
1. 一種用于操縱小型生物樣本和其它樣本的工具，包括可撓曲的塑料薄膜，具有底端和用來咬住樣本的頭端，所述薄膜具有介于5微米和50微米之間的厚度；以及測量裝置，所述測量裝置設(shè)置在所述頭端附近，用以測量樣本的參數(shù)。
2. 如權(quán)利要求1所述的工具，其特征在于，所述測量裝置包括用于測量樣本 尺寸的標尺。
3. 如權(quán)利要求1所述的工具，其特征在于，所述測量裝置包括用于測量樣本 角度的量角器。
4. 如權(quán)利要求l所述的工具，其特征在于，所述測量裝置包括溫度測量裝置。
5. 如權(quán)利要求4所述的工具，其特征在于，所述溫度測量裝置是從由熱電偶 和熱敏電阻構(gòu)成的組中選擇的。
6. 如權(quán)利要求1所述的工具，其特征在于，將曲率賦予所述薄膜以增加其剛 度，并且所述底端安裝于維持所述曲率的保持器上。
7. 如權(quán)利要求1所述的工具，其特征在于，所述薄膜被選擇為具有足夠的撓 曲性以在樣本接觸期間易于彎曲和屈服，從而使樣本損壞的幾率減至最小，并在與 界定樣本的表面接觸時容易彈性彎曲，以使所述頭端舀起樣本。
8. 如權(quán)利要求l所述的工具，其特征在于，所述薄膜被選擇為透光的和X射 線透射的，以使用所述工具從安裝于工具的樣本采集X射線數(shù)據(jù)，或在光學(xué)顯微 鏡下觀察的時候保持樣本。
9. 如權(quán)利要求8所述的工具，其特征在于，所述X射線敏感熒光體以足夠使 X射線束顯現(xiàn)在工具上的濃度滲入薄膜中。
10. 如權(quán)利要求1所述的工具，其特征在于，對所述塑料薄膜進行處理以獲得 理想的疏水性和親水性，或?qū)ζ渫扛苍鲞M或抑制樣本粘附的膜。
11. 一種用于操縱小型生物樣本和其它樣本的工具，包括 可撓曲的塑料薄膜，具有底端和用來咬住樣本的頭端，所述薄膜具有介于5微米和50微米之間的厚度；以及帶孔的網(wǎng)篩，所述網(wǎng)篩設(shè)置在所述頭端以支承樣本并使多余流體從所述頭端流走。
12. 如權(quán)利要求11所述的工具，其特征在于，所述網(wǎng)篩中的所述孔的直徑在5微米和100微米之間。
13. 如權(quán)利要求11所述的工具，其特征在于，所述頭端是圓形的以幫助將樣 本舀到所述網(wǎng)篩上。
14. 如權(quán)利要求11所述的工具，其特征在于，將一曲率賦予所述薄膜以增加 其剛度，而所述底端被安裝在維持所述曲率的保持器上。
15. 如權(quán)利要求11所述的工具，其特征在于，所述薄膜被選擇為具有足夠的 撓曲性以在樣本接觸期間易于彎曲和屈服，從而使樣本損壞的幾率減至最小，并在 與界定樣本的表面接觸時容易彈性彎曲，以使所述頭端舀起樣本。
16. 如權(quán)利要求11所述的工具，其特征在于，所述薄膜被選擇為透光的和X 射線透射的，以使用所述工具從安裝于工具的樣本釆集X射線數(shù)據(jù)，或在光學(xué)顯 微鏡下觀察的時候保持樣本。
17. 如權(quán)利要求16所述的工具，其特征在于，所述X射線敏感熒光體以足夠 使X射線束顯現(xiàn)在工具上的濃度滲入薄膜中。
18. 如權(quán)利要求11所述的工具，其特征在于，對所述塑料薄膜進行處理以獲 得理想的疏水性和親水性，或?qū)ζ渫扛苍鲞M或抑制樣本粘附的膜。
19. 一種用于操縱小型生物樣本和其它樣本的工具，包括 可撓曲的塑料薄膜，具有底端和用來咬住樣本的頭端，所述薄膜具有介于5微米和50微米之間的厚度；以及設(shè)置在所述頭端附近用來切割一部分樣本的至少一個切割邊。
20. 如權(quán)利要求19所述的工具，其特征在于，所述切割邊包括多個鋸齒。
21. 如權(quán)利要求l所述的工具，其特征在于，所述鋸齒各自具有介于5微米和 50微米之間的寬度。
22. 如權(quán)利要求21所述的工具，其特征在于，每個所述鋸齒具有介于10微米 和20微米之間的寬度。
23. 如權(quán)利要求19所述的工具，其特征在于，將一曲率賦予所述薄膜以增加 其剛度，而所述底端被安裝在維持所述曲率的保持器上。
24. 如權(quán)利要求19所述的工具，其特征在于，所述薄膜被選擇為具有足夠的撓曲性以在樣本接觸期間易于彎曲和屈服，從而使樣本損壞的幾率減至最小，并在 與界定樣本的表面接觸時容易彈性彎曲，以使所述頭端在用于有限空間時以比剛性 頭端更寬范圍的角度進行切割。
25. 如權(quán)利要求19所述的工具，其特征在于，所述薄膜被選擇為透光的，以利于在切割過程中使樣本可見。
26. 如權(quán)利要求19所述的工具，其特征在于，對所述塑料薄膜進行處理以獲 得理想的疏水性和親水性，或?qū)ζ渫扛苍鲞M或抑制樣本粘附的膜。
27. —種用于操縱小型生物樣本和其它樣本的工具，包括 可撓曲的塑料薄膜，具有底端和用來咬住樣本的頭端，所述薄膜具有介于5微米和50微米之間的厚度；以及所述頭端中的孔，所述孔中設(shè)有用來咬住樣本的樣本咬合結(jié)構(gòu)。
28. 如權(quán)利要求27所述的工具，其特征在于，所述樣本咬合結(jié)構(gòu)包括多個可 撓曲指，這些指伸入所述孔并當(dāng)所述頭端中的孔下壓至樣本上時向上彎曲。
29. 如權(quán)利要求28所述的工具，其特征在于，每個所述指的寬度介于IO微米 和50微米之間。
30. 如權(quán)利要求28所述的工具，其特征在于，所述指具有至少兩種不同的長度。
31. 如權(quán)利要求30所述的工具，其特征在于，所述孔將所述頭端割裂成第一 和第二相對的槳，并且所述指從每個所述槳向另一個槳延伸。
32. 如權(quán)利要求31所述的工具，其特征在于，所述指相互交錯。
33. 如權(quán)利要求28所述的工具，其特征在于，所述孔由所述頭端中的兩個平 行的垂直狹縫形成，所述狹縫界定可向一個方向彎折的中指以及可沿相反方向彎折 以抓緊樣本的兩個外指。
34. 如權(quán)利要求27所述的工具，其特征在于，所述樣本咬合結(jié)構(gòu)包括平向地 形成在所述薄膜中并可拉或推至一打開位置以咬住樣本的三維籃狀物。
35. 如權(quán)利要求27-34所述的工具，其特征在于，將一曲率賦予所述薄膜以增 加其剛度，而所述底端被安裝在維持所述曲率的保持器上。
36. 如權(quán)利要求27-34所述的工具，其特征在于，所述薄膜被選擇為具有足夠 的撓曲性以在樣本接觸期間易于彎曲和屈服，從而使樣本損壞的幾率減至最小，并在與界定樣本的表面接觸時容易彈性彎曲，以使所述頭端舀起樣本。
37. 如權(quán)利要求27-34所述的工具，其特征在于，所述薄膜被選擇為透光的和 X射線透射的，以使用所述工具從安裝于工具的樣本采集X射線數(shù)據(jù)，或在光學(xué) 顯微鏡下觀察的時候保持樣本。
38. 如權(quán)利要求37所述的工具，其特征在于，所述X射線敏感熒光體以足夠 使X射線束顯現(xiàn)在工具上的濃度滲入薄膜中。
39. 如權(quán)利要求27-34所述的工具，其特征在于，對所述塑料薄膜進行處理以 獲得理想的疏水性和親水性，或?qū)ζ渫扛苍鲞M或抑制樣本粘附的膜。
全文摘要
由塑料薄膜形成用于操縱小的、易碎的樣本的微制造工具。所述薄膜具有小的厚度(較為為5-50微米，一般為10微米)和小的橫向尺寸(較佳為2毫米或更小，一般為0.1-1毫米)以使它們可理想地撓曲，但較佳地通過包覆圓柱形柱或扁平柱而彎曲，以給予它們一定的剛度。塑料的柔軟度和薄度降低了與工具不經(jīng)意接觸時樣本損壞的風(fēng)險。其厚度使其透光并可透過X射線，以使樣本在操縱過程中清楚可見并用工具從樣本采集X射線數(shù)據(jù)。作為選擇，將X射線敏感熒光體以低濃度包含在薄膜內(nèi)。這使X射線束顯現(xiàn)在安裝件或工具上。也可處理塑料以獲得理想疏水性或親水性，可對塑料進行機械壓花、或涂覆以促進或抑制樣本粘附的(例如藉由聚乙二醇化工藝的聚乙烯乙二醇或PDMS的)薄膜。
文檔編號A61B17/00GK101437456SQ200780010791
公開日2009年5月20日 申請日期2007年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月26日
發(fā)明者G·周, R·E·瑟尼 申請人:康奈爾研究基金會股份有限公司