專利名稱：分離裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)含有微觀結(jié)構(gòu)的樣品進(jìn)行分離的技術(shù)，更特別的，涉及能按大小不同將一個(gè)樣品分離成不同的微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)備，例如，利用微量技術(shù)分離細(xì)胞和核苷酸片斷或有機(jī)分子，如氨基酸、肽和蛋白質(zhì)，金屬離子，膠體顆粒和乳膠顆粒，以及制備微柱的方法。
相關(guān)技術(shù)說明分析生物體基本結(jié)構(gòu)的一般方法是從樣品中分離和提純微觀結(jié)構(gòu)。在分析過程中用到的另一種常用方法是將樣品中的微觀結(jié)構(gòu)按照大小或帶電量的不同分組，比如，在Maxam-Guilbert方法中，將DNA用放射性同位素32P標(biāo)記其一個(gè)末端，用化學(xué)方法剪切成不同長(zhǎng)度的片斷，然后通過電泳將片斷分離，放射自顯影測(cè)量片斷的堿基序列。分離過程耗時(shí)較長(zhǎng)，應(yīng)該被縮短，因此，縮短分離時(shí)間是本技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要技術(shù)目標(biāo)。換句話說，研究者希望設(shè)計(jì)一種分離技術(shù)，通過該技術(shù)可以在短時(shí)間內(nèi)精確分離出各微觀結(jié)構(gòu)。
超離心機(jī)和毛細(xì)管電泳系統(tǒng)被廣泛用作分離設(shè)備，但是，研究者利用超離心機(jī)和毛細(xì)管電泳系統(tǒng)分離時(shí)需要花很長(zhǎng)的時(shí)間，這些現(xiàn)有的設(shè)備/系統(tǒng)的另一個(gè)難以克服的缺點(diǎn)是需要大量的樣品，而且其分辨率也不能滿足研究的需要。
專利號(hào)為5837115的美國專利公開了一種分離設(shè)備，在該專利揭露的設(shè)備中，有許多障礙物并排安裝在基質(zhì)的表面，并且液體基質(zhì)中的片斷遷移通過這些障礙物排列。本發(fā)明分離的對(duì)象和美國專利一致，都是細(xì)胞、病毒、高分子和微粒子。但是，現(xiàn)有的設(shè)備存在以下問題第一，障礙物陣列中的通路易于被片斷所阻塞，這就意味著這些阻塞的通路需要經(jīng)常清掃，所以吞吐量低。第二，很難使障礙物保持適當(dāng)?shù)拈g距，根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)使障礙物的間距保持等于或小于200納米是不可能的。由于以上原因，現(xiàn)有的分離設(shè)備只能用來分離有限的范圍的微觀結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明概述因此，本發(fā)明的一個(gè)重要的目標(biāo)是提供一種設(shè)備，利用該設(shè)備能高分辨率地將少量的樣品迅速的分離成大小不同的組分，且沒有阻塞。這些組分包括核酸和蛋白質(zhì)。
本發(fā)明的另一個(gè)重要的目標(biāo)是提供一種制備該設(shè)備的方法，通過該設(shè)備，在分離通道中能高密度地形成微體。
本發(fā)明的一個(gè)方面是提供了一種能將樣品分離成大小不同的微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)備，該設(shè)備包含一個(gè)含有樣品遷移區(qū)域的分離部件和至少一個(gè)作為障礙物的微體群落，該障礙物阻礙微觀結(jié)構(gòu)的遷移，并形成一個(gè)區(qū)域，該區(qū)域中迷宮似的部分用來捕獲較小尺寸的微觀結(jié)構(gòu)，而該區(qū)域的其他部分作為較大尺寸的微觀結(jié)構(gòu)的通路。
本發(fā)明的另外一個(gè)方面是提供一種制備分離設(shè)備的方法，該方法包含以下步驟a)制備一個(gè)基質(zhì)結(jié)構(gòu)，b)通過電子束平板印刷技術(shù)從一個(gè)圖案轉(zhuǎn)移層轉(zhuǎn)印一個(gè)微體圖案到基質(zhì)結(jié)構(gòu)表面區(qū)域，該微體作為阻礙微觀結(jié)構(gòu)遷移的障礙物，c)完成表面區(qū)域圖案中的微體，和d)完成一個(gè)分離通道，該通道具有包含表面區(qū)域的基質(zhì)區(qū)域。
附圖的簡(jiǎn)要描述通過以下描述，并結(jié)合附圖，本發(fā)明的設(shè)備和方法的特征和優(yōu)點(diǎn)將更清楚。其中

圖1是本發(fā)明的設(shè)備中形成的柱的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的設(shè)備的平面示意圖。
圖3是設(shè)備中的液體槽的平面圖。
圖4是沿著圖3的軸線A-A’的液體槽的結(jié)構(gòu)的橫切面圖。
圖5是本發(fā)明的另一種設(shè)備的布置透視圖。
圖6是設(shè)備中的結(jié)合部件結(jié)構(gòu)的橫切面示意圖。
圖7是分離部件的布局(layout)平面示意圖，該分離部件形成本發(fā)明另一種設(shè)備的一部分。
圖8是安裝在分離部件中的樣品加速器的平面示意圖。
圖9是分離部件的布局平面示意圖，該分離部件形成本發(fā)明另一種設(shè)備的改進(jìn)部分。
圖10是安裝在分離部件中的樣品加速器的平面示意圖。
圖11是在基質(zhì)中形成的分離通道的立體示意圖。
圖12是分離通道中的柱的橫切面示意圖。
圖13是微觀結(jié)構(gòu)遷移通過現(xiàn)有技術(shù)的分離通道的示意圖。
圖14是微觀結(jié)構(gòu)遷移通過本發(fā)明分離部件中的分離通道的示意圖。
圖15是柱路徑(pillar patch)改進(jìn)的排列平面圖。
圖16是柱路徑其他改進(jìn)的排列平面圖。
圖17是分離通道中的柱路徑的布局的平面圖。
圖18是柱路徑的改進(jìn)平面圖。
圖19是柱路徑的另一種改進(jìn)的平面圖。
圖20是柱路徑的再一種改進(jìn)的平面圖。
圖21是沿著圖20的線A-A’的表示柱路徑的結(jié)構(gòu)的橫切面圖。
圖22是柱路徑的排列平面圖。
圖23是另一種分離通道結(jié)構(gòu)的橫切面圖。
圖24A到24D是樣品受壓通過分離區(qū)域前的一排柱時(shí)的平面圖。
圖25是包被有一層光滑層的凹槽壁的立體示意圖。
圖26是分離通道中柱路徑群落的布局平面圖。
圖27是樣品加速器改進(jìn)的布局立體示意圖。
圖28A是離心系統(tǒng)的管子中的芯片(chip)的平面圖。
圖28B是放置在管子中的芯片的橫切面圖。
圖29A到29G是分離部件中柱形成過程的橫切面圖。
圖30A到30C是分離部件中柱的另一種形成過程的橫切面圖。
圖31A到31D是分離部件中柱的再一種形成過程的橫切面圖。
圖32A到32C是分離部件中柱的又一種形成過程的橫切面圖。
圖33A到33D是基質(zhì)中間隔的形成過程的立體示意圖。
圖34是本發(fā)明位于分離部件的分離區(qū)域的布局的平面示意圖。
圖35A到35B是液體通過分離區(qū)域不同排列時(shí)的界限的平面圖。
圖36A到36C是緩沖液流進(jìn)被人造膠均勻填充的間隔的示意圖。
圖37A到37C是緩沖液流進(jìn)被人造膠不均勻填充的間隔的示意圖。
圖38A到38Q是本發(fā)明用于測(cè)試的設(shè)備樣品的制備過程的橫切面示意圖。
圖39A到39Q是制備樣品的方法的平面圖。
圖40和41是用本發(fā)明的方法制造的柱的照片。
圖42是樣品1完成蝕刻后柱的照片。
圖43到45是樣品1的柱上產(chǎn)生的氧化硅層的照片。
圖46是樣品2完成蝕刻后柱的照片。
圖47到49是樣品2的柱上產(chǎn)生的氧化硅層的照片。
圖50A是柱的三角形格子的照片。
圖50B是一系列緩沖液遷移通過不同濃度的柱區(qū)域的照片。
圖51A到51E是本發(fā)明制備一個(gè)樣品的一個(gè)方法的步驟的橫切面圖。
圖52是本發(fā)明制備的樣品的照片。
圖53是樣品中的柱的尺寸的示意圖。
圖54A到54C是表示分離設(shè)備的樣品制備方法的后面部分的平面示意圖。
圖55A到55C在制備過程的后續(xù)步驟中樣品沿線A-A’的橫切面示意圖。
圖56是DNA分子的遷移速度的離差(dispersion)圖。
圖57是DNA的大小和本發(fā)明測(cè)得的遷移速度之間的關(guān)系圖。
圖58是試驗(yàn)測(cè)得的光子數(shù)量和時(shí)間的關(guān)系圖。
發(fā)明的詳細(xì)描述本發(fā)明的設(shè)備包含一個(gè)殼體(body)，該殼體至少有一個(gè)供樣品通過的通道。樣品流經(jīng)該至少一個(gè)通道。殼體的通道中還至少有一個(gè)分離區(qū)域，在該分離區(qū)域中形成多個(gè)柱。
本發(fā)明的設(shè)備可以包含有作為樣品通道的凹槽的殼體，引導(dǎo)樣品進(jìn)入通道的進(jìn)料口，將樣品分離成各組分的分離區(qū)域和用來分別分析或回收分離組分的樣品回收部分。在分離區(qū)域有一個(gè)柱群落，該柱可以安裝在內(nèi)表面作為通道的一部分。
分離區(qū)域的多個(gè)柱就象梳子的齒，間隔排列。樣品的各組分通過這些柱被分離。換句話說，這些柱足夠多能使樣品分離成各組分，即使這些組分象核苷酸和蛋白質(zhì)那樣微小，也能從樣品中分離或挑選出來。
這些柱可以用親水性層覆蓋。親水層可以是由柱材料的氧化物組成。如果基質(zhì)和柱都是由單一的晶體硅組成的，那么氧化硅就適合作為親水層。當(dāng)樣品被分離時(shí)，向設(shè)備中加入緩沖液，如水溶液。由于柱上覆蓋著親水層，緩沖液可以很平穩(wěn)地通過設(shè)備。假如柱是疏水的，那么在柱的間隔等于或小于200納米的條件下，緩沖液將很難通過設(shè)備。若把柱的間隔減小到100納米甚至更小，那問題就更加嚴(yán)重。但是，親水性的柱能使緩沖液很容易的流過非常狹窄的間隙，親水性柱的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠嚴(yán)格限制間隙的擴(kuò)大。
柱的橫切面沿著其頂部表面到凹槽的底部可以增大，于是形成圓錐體、棱錐體或截錐體的形狀，這個(gè)特征是合乎需要的，因?yàn)橹窃诤玫目煽匦詶l件下以很大的縱橫比均一形成的，該縱橫比的不規(guī)則性只在一個(gè)非常小的范圍內(nèi)浮動(dòng)，即使因?yàn)檠趸谥袭a(chǎn)生氧化層，氧化物對(duì)縱橫比的影響也很小。如果柱是一個(gè)長(zhǎng)方體形，那么凹槽底部的氧化速度比頂部的氧化速度快，結(jié)果凹槽底部的氧化物比頂部的厚。在凹槽底部氧化物膨脹顯著，于是減小了縱橫比。但是，沿著底部橫切面增大的柱，氧化物趨向于在其表面均勻生長(zhǎng)。所以，沿著底部橫切面增大的柱優(yōu)選為看起來有較大的縱橫比。
各個(gè)柱可以在凹槽底部彼此連接，從大的縱橫比的觀點(diǎn)來說，這個(gè)特征也是合乎需要的。假如柱在凹槽底部是相互靠近的，那么過度氧化就被嚴(yán)格限制在底部，柱就會(huì)有一個(gè)大的縱橫比。如果這些柱彼此有較大的間隙，那么柱之間的凹槽具有位于柱間的平底。在平底上的氧化作用更快，氧化物膨脹明顯。在另一方面，彼此靠近的柱形成狹窄的凹槽，且狹窄的凹槽有不平的表面。當(dāng)基質(zhì)暴露于氧化氣氛中時(shí)，柱的整個(gè)表面上進(jìn)行不均一的氧化，且該氧化作用被嚴(yán)格限制在凹槽狹窄的底部，因?yàn)楠M窄底部的體積膨脹而產(chǎn)生的壓力都施加在氧化物上。由于這些限制作用，狹窄的凹槽底部就產(chǎn)生相對(duì)較薄的氧化層或和柱的頂端部上氧化層一樣薄的氧化層。換句話說，在狹窄底部的氧化作用不明顯，氧化物層使柱仍然保持很大的縱橫比。圖1顯示了圓錐形柱110，該圓錐形柱110在凹槽110V的底部110B是彼此靠近的。當(dāng)圓錐形柱110暴露于氧化空氣中時(shí)，柱110的表面部分被氧化，在其表面產(chǎn)生氧化層104。然而，在底部110B產(chǎn)生的氧化層較少，底部110B產(chǎn)生的氧化層104要比圓錐形柱110的側(cè)面表面產(chǎn)生的氧化層薄。底部110B產(chǎn)生較少的氧化物是因?yàn)榈撞?10B體積膨脹使得壓力比側(cè)表面上的壓力更大。氧化作用不明顯，并且薄的氧化物可保持凹槽110V的深度，于是產(chǎn)生大縱橫比。
利用高密度大縱橫比的柱，該設(shè)備表現(xiàn)出高的分辨率，從這一點(diǎn)來說，沿著凹槽的底部橫切面增加的柱優(yōu)選為在凹槽的底部彼此靠近。柱的尺寸是均一的。從這一點(diǎn)來說，制成的柱沒有很大的偏差，因?yàn)檫@樣制造商能容易的優(yōu)化柱而使樣品得到分離。雖然本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員并不了解如何利用適合于柱的繪圖技術(shù)在很大縱橫比的柱上繪圖，但本申請(qǐng)的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)一種電子束平板印刷技術(shù)可以用于柱。一種電子束抗蝕劑被用于電子束平板印刷，命名為calixarene，結(jié)構(gòu)單元如下 該電子束抗蝕劑可用于納米級(jí)的微型制圖。
該設(shè)備可以有一個(gè)分離區(qū)域，在該區(qū)域中形成多柱群落或柱路徑。該多柱群落提供樣品遷移通過的一個(gè)或多個(gè)通道。
上文所描述的設(shè)備的基本運(yùn)作原理與現(xiàn)有技術(shù)中專利號(hào)為5837115的美國專利所公開的設(shè)備的運(yùn)作原理不同。現(xiàn)有技術(shù)的美國專利公開的設(shè)備的基本原理是障礙物阻礙大尺寸的微觀結(jié)構(gòu)，比如阻礙大尺寸分子的能力比阻礙小尺寸的微觀結(jié)構(gòu)或小尺寸分子的能力強(qiáng)。因此，現(xiàn)有技術(shù)中的設(shè)備中，小尺寸的微觀結(jié)構(gòu)首先流出，大尺寸的微觀結(jié)構(gòu)在小尺寸的微觀結(jié)構(gòu)流出后流出。
然而，本發(fā)明的設(shè)備的基本原理是小尺寸的微觀結(jié)構(gòu)，比如小尺寸的分子比大尺寸的微觀結(jié)構(gòu)，比如大尺寸的分子更容易被柱群落所捕獲。被柱群落捕獲的小尺寸微觀結(jié)構(gòu)比大尺寸微觀結(jié)構(gòu)遷移長(zhǎng)得多的距離，于是小尺寸的微觀結(jié)構(gòu)在大尺寸的微觀結(jié)構(gòu)之后流出設(shè)備，所以大尺寸的微觀結(jié)構(gòu)能夠比小尺寸的微觀結(jié)構(gòu)更順利的通過分離區(qū)，這就意味著分離區(qū)不會(huì)被微觀結(jié)構(gòu)所堵塞。本發(fā)明的設(shè)備比現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備有更大的吞吐量。
微觀結(jié)構(gòu)，如核酸和蛋白質(zhì)各自有廣泛分布的固有半徑曲線，假如用現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備分離核酸和蛋白質(zhì)，遷移的路徑很容易被最大的微觀結(jié)構(gòu)堵塞，即使清洗設(shè)備，該最大的微觀結(jié)構(gòu)也很難從遷移路徑中清除掉。本發(fā)明的設(shè)備能有效的防止大尺寸微觀結(jié)構(gòu)的堵塞，因?yàn)榇蟪叽绲奈⒂^結(jié)構(gòu)能容易的遷移通過分離區(qū)。
本發(fā)明中，路徑的寬度比柱之間的間隙要大，因?yàn)榇蟪叽绲奈⒂^結(jié)構(gòu)能順利的遷移通過路徑。小尺寸的微觀結(jié)構(gòu)遷移通過柱群落，遷移的距離依賴于微觀結(jié)構(gòu)尺寸的大小。
柱群落中柱之間的間隙值可以不同，這就意味著本發(fā)明的設(shè)備具有兩種參數(shù)，即，柱間間隙值和每個(gè)柱群落的路徑的寬度。即使樣品含有寬范圍尺寸的各種不同的微觀結(jié)構(gòu)，樣品也能被高分辨率地沒有阻塞地分離成微觀結(jié)構(gòu)組分，還能通過調(diào)節(jié)這兩個(gè)參數(shù)的值減少輸入量。如果要小尺寸的分子能被高分辨率地分離，柱間的間隙值就應(yīng)調(diào)整到幾到幾十納米，并加寬路徑。大尺寸的分子能容易的遷移通過路徑以至于路徑不易被大尺寸的分子所堵塞。
路徑可以指向某個(gè)方向，該方向不同與于樣品遷移通過的液體通道的方向，在這種情況下，樣品中的分子可以頻繁地與柱群落接觸，小尺寸的微觀結(jié)構(gòu)或小尺寸的分子就有很高的可能性被柱群落捕獲，于是提高了分辨率。遷移的方向和路徑的方向優(yōu)選的角度為10-80度，更優(yōu)選的角度是30-60度。假如角度太小，微觀結(jié)構(gòu)就不能頻繁的與柱群落接觸。但是假如角度太大，路徑中的柱阻礙液體流動(dòng)，從而將減少吞吐量。
柱間的間隙等于或小于100納米，“間隙”或“間隔”等于柱中心線和相鄰柱中心線間的距離。狹窄的間隙是理想的，因?yàn)橛眠@種柱群落能分離現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備不能分離的小尺寸微觀結(jié)構(gòu)。當(dāng)設(shè)備用來分離核酸和蛋白質(zhì)樣品時(shí)，柱群落的柱間隔為上百納米或更小是必要的。假如間隔太大，柱群落就不能產(chǎn)生梳子的功能。安裝有柱群落的設(shè)備，其間隙為70納米或更小時(shí)，樣品能夠被更精確地分離成組份或微觀結(jié)構(gòu)。
當(dāng)柱群落中的間隙和路徑寬度確定后，就應(yīng)該考慮樣品組分的中位數(shù)M和標(biāo)準(zhǔn)偏差σ。優(yōu)化設(shè)備以提高其分離效率，當(dāng)柱的間隙調(diào)整到M時(shí)，路徑的寬度可以調(diào)整到(M+2σ)，其他的柱群落的間隙和路徑寬度可以分別調(diào)整到2M和(2M+2σ)。
在通道中有多個(gè)柱群落的設(shè)備中，從上游到下游柱的密度可以增加。當(dāng)樣品遷移通過通道時(shí)，大尺寸微觀結(jié)構(gòu)或分子順利遷移通過通道，小尺寸微觀結(jié)構(gòu)或分子長(zhǎng)時(shí)間停留在柱群落中，于是小尺寸的微觀結(jié)構(gòu)被延遲，所以分辨率提高。
另一方面，其他的設(shè)備也可以擁有從上游到下游密度增加的柱群落，這種情況下，堵塞就能夠被更嚴(yán)格的限制，于是就提高了吞吐量。
本發(fā)明的另一種設(shè)備，該設(shè)備中各個(gè)柱的頂部和通道的內(nèi)壁之間可以留有空間，該頂部與內(nèi)壁的間隙給了大尺寸微觀結(jié)構(gòu)一個(gè)路徑，于是通道更少被大尺寸的微觀結(jié)構(gòu)堵塞，而且該頂部與內(nèi)壁的間隙還給了進(jìn)入柱群落的一個(gè)入口，因此小尺寸的微觀結(jié)構(gòu)更容易被柱群落捕獲。所以柱和內(nèi)壁的空間是分離的一個(gè)改進(jìn)。
本發(fā)明的又一種設(shè)備，該設(shè)備有一排柱，象壩一樣，這一排柱收集分散在該區(qū)域和臨近區(qū)域中培養(yǎng)基中的樣品，優(yōu)選在分離之前收集樣品。收集樣品時(shí)，樣品傾向于形成一條狹窄的帶，該窄帶使分離效率提高。壩形的柱可以位于分離區(qū)相鄰的某部分，這樣，樣品在分離之前就形成了狹窄的帶，所以分離效率提高。換句話說，設(shè)備實(shí)現(xiàn)高精度分離。
通道的內(nèi)表面可以是親水的。該親水內(nèi)壁使樣品中的微觀結(jié)構(gòu)順利的遷移通過通道，從而有益于促進(jìn)分離。
每個(gè)柱群落的柱可以是同樣大小，間隔排列，這樣可以提高分離效率，路徑中的柱越多，分辨率越高。
柱群落也可以是各自大小不同的柱群，在這種情況下，每個(gè)路徑中的柱和其他路徑中的柱之間的間隔和大小是不同的，即使樣品中含有很寬范圍尺寸的組分，柱群落也能高分辨率地將樣品分離成組分，且沒有堵塞，也不降低吞吐量。
本發(fā)明中的設(shè)備還可以含有樣品加速器。該樣品加速器能給樣品施加內(nèi)部壓力使其加速遷移通過通道，樣品加速器改變了遷移所耗費(fèi)的時(shí)間，因此分辨率的改變依賴于分離的樣品。施加在樣品上的壓力可以是電場(chǎng)產(chǎn)生的電壓或電動(dòng)力，電壓和電動(dòng)力是優(yōu)選的，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)是密封的。樣品可以通過毛細(xì)管現(xiàn)象遷移，這樣允許制造商按比例縮小設(shè)備。
可以被分離的微結(jié)構(gòu)包括核酸，核酸片斷，有機(jī)分子，比如氨基酸、肽和蛋白質(zhì)，金屬離子，膠體顆粒和乳膠顆粒。本發(fā)明的設(shè)備優(yōu)選用來分離含有核酸分子和其片斷或蛋白質(zhì)分子及其片斷的樣品。要使這些樣品被高分辨率地分離成小尺寸的組分，設(shè)備中柱群落的間隔必須保持幾百納米或更小。另外，含有大尺寸的微觀結(jié)構(gòu)的樣品，通道很容易被大尺寸微觀結(jié)構(gòu)堵塞。本發(fā)明的設(shè)備解決了這些問題。因此，對(duì)于含有核酸分子和/或蛋白質(zhì)分子的樣品，本發(fā)明的設(shè)備是優(yōu)選的。
設(shè)備的一條通道上可以有多個(gè)分離區(qū)域，這些分離區(qū)域以裂縫的形式彼此間隔。每一個(gè)分離區(qū)域占據(jù)通道的整個(gè)橫切面。裂縫可以是單個(gè)或多個(gè)。這些分離區(qū)域可以改變成緩沖區(qū)，該區(qū)比分離區(qū)域的柱稀疏，形成的帶成直線狀。這相當(dāng)于一個(gè)寬的檢測(cè)區(qū)域，提高了敏感性。
本發(fā)明的設(shè)備可以包含一個(gè)納米結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中的基質(zhì)表面形成多個(gè)柱，該柱各自的基底部分的橫切面比頂部要寬，其基底部分在柱間凹槽的底部彼此結(jié)合。如上文所述，凹槽底部的氧化作用被抑制，所以柱各自的縱橫比值落在一個(gè)較窄的范圍內(nèi)。這樣均一產(chǎn)生的柱是分離設(shè)備或部件或元件的組分優(yōu)選的。
一種制造本發(fā)明設(shè)備的方法，其步驟包括制備含有一個(gè)主要表面的基質(zhì)和一個(gè)含有凸起圖案的轉(zhuǎn)移表面的模具，在主要表面涂布抗蝕材料以形成一個(gè)抗蝕層，用模具的主要表面沖壓抗蝕層以使抗蝕層形成凹槽，除去凹槽部分抗蝕層以使抗蝕層上形成開口，再蝕刻開口部分所暴露的基質(zhì)以便制備柱。
凸起的圖案和凹槽以合適的程度從模具表面轉(zhuǎn)移到抗蝕層。一種模具可以用來制備間隔距離等于或小于200納米的柱。另一種模具可以用來制備間隔距離等于或小于100納米的柱。這樣的模具提高了生產(chǎn)率。如果在制圖時(shí)運(yùn)用電子束平板印刷技術(shù)，電子束印刷制圖步驟就會(huì)耗費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間，生產(chǎn)率就很低。在本發(fā)明中，可以省略電子束平板印刷的圖案轉(zhuǎn)移步驟。從模具中將圖案轉(zhuǎn)移到抗蝕層能夠在很短的時(shí)間內(nèi)完成，這段時(shí)間比用電子束平板印刷的制圖步驟所花的的時(shí)間大大縮短。所以，用本發(fā)明的方法制造的分離設(shè)備有高的生產(chǎn)率。
對(duì)于本發(fā)明的方法所用到的抗蝕刻劑來說，對(duì)光和電子束的任何敏感性都是不必要的。利用模具使抗蝕層特異地變形，烘烤固化，使之對(duì)一種蝕刻劑，比如干蝕刻劑具有某種程度的抗性。這樣的抗蝕刻劑包括聚甲基丙烯酸甲酯系列的樹脂。抗蝕層可以通過灰化除去。
本發(fā)明的設(shè)備可以在擁有一個(gè)樹脂層的基質(zhì)上裝配，其中基質(zhì)提供一個(gè)主要表面。帶有凹槽圖案的模具沖壓樹脂層以便在樹脂層上制備柱，為了提高生產(chǎn)率，任何電子束平板印刷對(duì)于圖案轉(zhuǎn)移都是不需要的。
本發(fā)明的設(shè)備的必不可少的特征是分離區(qū)。即使設(shè)備中沒有安裝樣品進(jìn)料區(qū)和樣品加速器，樣品也能夠被分離。分離區(qū)可以以拋棄筒(throw-awaycartridge)的形式提供給消費(fèi)者，使用者在樣品分離之前將拋棄筒安裝在本發(fā)明的設(shè)備上。
制備本發(fā)明的設(shè)備的另一種方法，其步驟包括制備含有氧化硅層的基質(zhì)，在氧化硅層上形成硅層，選擇性地蝕刻硅層，熱氧化該硅層使之和氧化硅層結(jié)合。用這種方法制造的設(shè)備形成一個(gè)有利于樣品從基質(zhì)中電分離出來的液體通道。對(duì)于安裝有在電場(chǎng)中加速樣品遷移的樣品加速器的設(shè)備來說，該基質(zhì)是優(yōu)選的。研究者可以使用高電壓，所以，該基質(zhì)使設(shè)備對(duì)用戶具有高適應(yīng)性。
優(yōu)選實(shí)施方式的描述本發(fā)明的設(shè)備是在基質(zhì)上裝配的，基質(zhì)可以由單晶硅組成，也可以由玻璃如石英或合成樹脂如硅氧烷樹脂組成。在基質(zhì)的主要表面上形成一個(gè)或多個(gè)溝槽，在該溝槽中形成一個(gè)或多個(gè)通道和一個(gè)或多個(gè)分離區(qū)域?；|(zhì)的主要表面被蓋片覆蓋，因此通道和分離區(qū)域被限制在由基質(zhì)和蓋片組成的空間內(nèi)。
舉例來說，利用蝕刻法在基質(zhì)上制備柱，該方法不對(duì)制圖技術(shù)有任何限制。柱可以有一定的形狀，比如柱體、錐體、棱柱或凸起的條紋圖案。柱體包括圓柱體和橢圓柱體，錐體包括圓錐體、橢圓錐體、三角錐體和四邊形錐體。棱柱包括三角棱柱和四邊形棱柱。圓柱體的尺寸為(10-200)納米×(10-1000)納米。
柱聚合在一起以形成柱群落，柱和相鄰柱之間的間隙被調(diào)整到某一個(gè)分離最佳值。當(dāng)制造商設(shè)計(jì)柱群落時(shí)，設(shè)計(jì)者要考慮到樣品中含有的微觀結(jié)構(gòu)。該設(shè)備可以用來分離和濃縮下文所述的樣品。
假定樣品中含有細(xì)胞和其他各種微觀結(jié)構(gòu)。要使細(xì)胞與其他種微觀結(jié)構(gòu)分離，間隙的范圍應(yīng)為1-10微米。
如果樣品是勻漿，比如破碎的細(xì)胞組分，要使細(xì)胞膜和細(xì)胞器，比如線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與溶液的組分，比如胞液分離，間隙的范圍應(yīng)為100納米到1微米。
樣品是可溶解的組分。要使高分子量的組分比如DAN、RNA、蛋白質(zhì)和糖從小分子量的組分，如類固醇和葡萄糖鏈接，間隙的范圍應(yīng)為1納米到100納米。
設(shè)備中安裝一個(gè)和多個(gè)柱群落。群落中的柱可以是同樣尺寸，有規(guī)則的間隔排列。在另一種設(shè)備中，群落中的柱可以是不同尺寸，以不同的間隔排列。柱群落也可以有不同的尺寸和以不同的間隔排列。
相鄰柱間的間隔用作樣品遷移通過的路徑。優(yōu)選地，相鄰柱群落之間的間隙大于相鄰柱間的間隙，即柱間的間隔，因?yàn)榇蟪叽绲姆肿尤缇扌头肿涌梢皂樌倪w移通過該路徑。于是分離的效率得以提高。
實(shí)施例1參考附圖中的圖1和圖2，本發(fā)明中的設(shè)備具體的包括一個(gè)基質(zhì)110和一個(gè)蓋片801(參考圖3和4)。雖然設(shè)備中還安裝有一個(gè)控制器和一個(gè)樣品加速器，但他們并沒有顯示在圖2中。
基質(zhì)110的尺寸為(5毫米-5厘米)×(3毫米-3厘米)。在該基質(zhì)110中形成一個(gè)分離通道112，該通道在徑向上延伸。雖然圖1沒有顯示，但在該分離通道112上形成柱，該柱設(shè)計(jì)用來捕獲微觀結(jié)構(gòu)，即一定大小的分子。當(dāng)樣品遷移通過分離通道112時(shí)，被分離成不同大小的組分。因此，分離通道112部分地被用作分離區(qū)域，部分地被作為樣品遷移通過的路徑。
在基質(zhì)110上的液體槽101a和101b位于分離通道112的兩端，分離通道112連接液體槽101a/101b。電極104(參見圖3和圖4)和液體槽101a和101b相連，并與電源連接(沒有示出)。在電極104間施加偏振電壓，使液體槽101a和101b間產(chǎn)生電場(chǎng)。當(dāng)液體槽101a和101b間產(chǎn)生電場(chǎng)時(shí)，電動(dòng)力就施加在樣品上，樣品就沿著分離通道112移動(dòng)。
一個(gè)檢測(cè)設(shè)備113位于分離通道112中。利用該檢測(cè)設(shè)備113，樣品中的組分被光學(xué)或物理化學(xué)方法區(qū)分。如果設(shè)備用的是一個(gè)光學(xué)檢測(cè)設(shè)備113，該設(shè)備就會(huì)向樣品的組分發(fā)射出激光束。將一種熒光材料與樣品中的某種分子相連接。當(dāng)該種分子抵達(dá)檢測(cè)設(shè)備113時(shí)就會(huì)產(chǎn)生熒光，該熒光入射到檢測(cè)設(shè)備113中，然后，檢測(cè)設(shè)備113輸出一個(gè)代表分子到達(dá)的檢測(cè)信號(hào)。因此，檢測(cè)設(shè)備113區(qū)分出這種帶有標(biāo)記的微觀結(jié)構(gòu)，并向另外連接的控制器(沒有顯示)報(bào)告其已到達(dá)。
進(jìn)料通道111和回收通道114與分離通道112交叉。進(jìn)料通道111在橫向上延伸，和分離通道112的一個(gè)末端部分連接。進(jìn)料通道111還和液體槽102a/102b相連?；厥胀ǖ?14也在橫向上延伸，和分離通道112的另一個(gè)末端部分連接，該回收通道114也和液體槽103a/103b相連?；厥胀ǖ?14位于檢測(cè)設(shè)備113和液體槽101b之間。
在基質(zhì)110中形成的液體槽102a/102b位于進(jìn)料通道111的兩端，和進(jìn)料通道111的兩個(gè)末端部分連接。另外，在基質(zhì)110中的液體槽103a/103b位于回收通道114的兩端，和回收通道114的兩個(gè)末端部分相連。提供的電極與液體槽102a/102b和103a/103b相連接，并能與電源相連(沒有顯示)。當(dāng)液體槽102a/102b中的電極接通偏振電壓時(shí)，在液體槽102a和102b之間就產(chǎn)生電場(chǎng)，樣品遷移通過進(jìn)料通道111。相似地，當(dāng)液體槽103a和103b中的電極接通偏振電壓時(shí)，在液體槽103a和103b之間就產(chǎn)生電場(chǎng)，組分遷移通過回收通道114。
液體通道101a/101b、102a/102b和103a/103b在結(jié)構(gòu)上彼此是相似的，所以在圖3和4中只描繪了液體槽101a。雖然圖3沒有顯示任何橫切面圖，但是為了清楚的區(qū)分各個(gè)組件，圖中標(biāo)出了其剖面線。
基質(zhì)110被蓋片801覆蓋，在蓋片801上有一個(gè)開口802，該開口用于向液體槽101a提供緩沖液。蓋片801上鑲嵌有一塊導(dǎo)電板803，電極804安裝在液體槽101a槽壁的一側(cè)，導(dǎo)電板(conductive strip)803伸入液體槽101a中，插入到蓋片801和電極804之間。電極804被壓向?qū)щ姲?03并與其連接。于是，偏振電壓通過導(dǎo)電板803加到電極804上。在液體槽101a/101b、102a/102b和103a/103b中的電極104和電源一起構(gòu)成樣品加速器804A。
按照下文的描述使用圖2到4中的設(shè)備，含有某種大小的分子的樣品可以分離成大小不同的組分。首先，樣品被加到液體槽102a或102b中。假如是樣品加到液體槽102a中，產(chǎn)生一種形式的電場(chǎng)使樣品朝著另一個(gè)液體槽102b的方向流過進(jìn)料通道111。假如是樣品加到液體槽102b中，樣品在液體槽102a和102b之間存在的電場(chǎng)的作用下以相反的方向通過進(jìn)料通道111。樣品從液體槽102a/102b中流入并充滿進(jìn)料通道111。由于進(jìn)料通道111與分離通道112是交叉的，部分樣品占據(jù)了分離通道112和進(jìn)料通道111之間的交叉點(diǎn)，形成一個(gè)和進(jìn)料通道111一樣狹窄的帶。
隨后，消除液體槽102a和102b間的電場(chǎng)，偏振電壓以一定的方式加到液體槽101a和101b之間，在該種方式下樣品朝著液體槽101b的方向流動(dòng)。對(duì)樣品中微觀結(jié)構(gòu)根據(jù)分子大小和電荷量不同施加不同的電壓。樣品遷移通過分離通道112，某種大小的分子被柱捕獲。但是比該分子大的其他微觀結(jié)構(gòu)沒有被柱捕獲而遷移通過分離通道112。當(dāng)樣品遷移通過分離通道112時(shí)，樣品被分離成遷移速度不同的遷移帶。當(dāng)被標(biāo)記的微觀結(jié)構(gòu)到達(dá)檢測(cè)設(shè)備113時(shí)，檢測(cè)設(shè)備113向控制器(沒有顯示)輸入檢測(cè)信號(hào)。然后，取消液體槽101a和101b中的電極104之間偏振電壓，當(dāng)微觀結(jié)構(gòu)帶到達(dá)分離通道112和回收通道114之間的交叉點(diǎn)時(shí)，偏振電壓加到液體槽103a和103b中的電極上。微觀結(jié)構(gòu)帶進(jìn)入回收通道114，并遷移通過回收通道114進(jìn)入液體槽103a或103b。于是，目標(biāo)微觀結(jié)構(gòu)或目標(biāo)分子與其他微觀結(jié)構(gòu)分離，在液體槽103a或103b中富集。
通過上文的描述，我們可以知道，要使樣品通過分離通道112得到分離，分離通道112中至少應(yīng)有一個(gè)柱通道，且目標(biāo)微觀結(jié)構(gòu)在液體槽103a/103b中富集。
實(shí)施例2圖5顯示了本發(fā)明的另一個(gè)具體設(shè)備。該實(shí)施例中的設(shè)備包括一個(gè)樣品加速器10，一個(gè)分離部件20和一個(gè)控制器21。分離部件20與實(shí)施例1一樣包括一個(gè)基質(zhì)20A和一個(gè)蓋片20B(見圖6)，在基質(zhì)20A上有一個(gè)分離通道20a和一個(gè)進(jìn)料通道19，分離通道20a與進(jìn)料通道19以直角交叉。在分離通道20a上形成柱，該柱用來捕獲其中一定大小的微觀結(jié)構(gòu)。柱占據(jù)了分離通道20a一部分的區(qū)域，剩余部分的區(qū)域作為大尺寸微觀結(jié)構(gòu)的路徑。開口20c位于蓋片上，與分離/進(jìn)料通道20a/19的兩端相連。這時(shí)，開口的直徑約為2毫米樣品加速器10包含一系列的由一個(gè)貯存槽1、一個(gè)泵2、一個(gè)速度控制器3、一個(gè)電磁閥4、一個(gè)軟管14和一個(gè)結(jié)合部件17形成的組合及由一個(gè)結(jié)合部件17、一個(gè)軟管15、一個(gè)電磁閥5和排水容器6形成的另一系列組合。樣品貯存在貯存槽1中，用泵2加壓。速度控制器3以一定的速度傳送樣品通過電磁閥4到軟管14中，軟管14通過連接部件17與進(jìn)料通道19的一個(gè)末端相連。同時(shí)，進(jìn)料通道19的另一個(gè)末端通過連接部件17與軟管15相連，軟管15通過電磁閥5與排水容器6相連。殘余的樣品從進(jìn)料通道19的另一末端回收到排水容器6中。于是，樣品通過一系列的組合1/2/3/4/14/17到達(dá)進(jìn)料通道19，殘余的樣品通過另外的一系列組合15/5/6被回收。
樣品加速器10還包括由一個(gè)貯存槽7、一個(gè)泵8、一個(gè)速度控制器9、一個(gè)電磁閥10a、一個(gè)軟管13和一個(gè)連接部件17形成的一系列組合及由一個(gè)連接部件17、一個(gè)軟管16、一個(gè)電磁閥11和一個(gè)自動(dòng)取樣器12形成的另一系列組合。緩沖液存貯在貯存槽7中，用泵8加壓。速度控制器9以一定的速度傳送緩沖液通過電磁閥10a到軟管13中，軟管14通過連接部件17和分離通道20a的一個(gè)末端相連。樣品的一部分和緩沖液一起遷移通過分離通道20a。當(dāng)樣品遷移通過分離通道20a時(shí)，樣品被分離成大小不同的組分或微觀結(jié)構(gòu)。根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)的大小，組分?jǐn)鄶嗬m(xù)續(xù)的達(dá)到分離通道20a的另一末端。同時(shí)，分離通道20a的另一個(gè)末端通過連接部件17與軟管16相連，軟管16通過電磁閥11與自動(dòng)取樣器12相連接。樣品的組分從分離通道20a的另一個(gè)末端被回收到自動(dòng)取樣器12中。于是樣品通過一系列的組合1/2/3/4/14/17到達(dá)進(jìn)料通道19，殘余的樣品通過另外的一系列組合15/5/6被回收。
連接部件17分解成一個(gè)凹形部件(female part)17a和一個(gè)凸起部件(malepart)17b(參見圖6)。為了清楚的區(qū)分凹形部件和其他部件，凹形部件17a加黑標(biāo)出。凹形部件17a插入到開口20c中，固定在蓋片20B上。凹形部件17a和蓋片20B之間的接點(diǎn)17c足夠緊以至于液體不能通過它漏出來。軟管14插入到凸起部件17b中，與凸起部件17b牢固連接。凸起部件17b的直徑約為5毫米。軟管14和凸起部件17b的連接足夠緊以至于液體不能通過它漏出來。凸起部件17b可以與凹形部件17a連接，也可以被從中拆開。當(dāng)凸起部件17b與凹形部件18a相連時(shí)，接點(diǎn)17e足夠緊以至于液體不能通過它漏出來。附圖標(biāo)記17f表示一個(gè)墊塊。于是，軟管14通過連接部件17與通道20a/19連接，而不會(huì)有任何泄漏。
回到圖5，控制器21與電磁閥4/5/10a/11、泵2/8和速度控制器3/9連接。如下文所述，控制器21在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間內(nèi)連續(xù)的給部件4/5/10a/11/2/8/3/9施加電壓，從而控制樣品分離。
首先，樣品和緩沖液分別貯存在貯存槽1和7中?？刂破?1消除電磁閥10a和11的電壓。然后，電磁閥10a和11關(guān)閉，速度控制器9和自動(dòng)取樣器12與軟管13/16分開。
接著，控制器21在電磁閥4/5上加上電壓，速度控制器3和軟管15與軟管14和排水容器6連接。將樣品加到貯存槽1中?？刂破?1發(fā)動(dòng)泵2和速度控制器3。樣品通過電磁閥4和軟管14加到進(jìn)料通道19的一端。樣品填滿進(jìn)料通道19，多余的樣品回收到排水容器6中。但是樣品幾乎不會(huì)流進(jìn)分離通道20a。因?yàn)殡姶砰y10a/11已經(jīng)被關(guān)閉。
當(dāng)進(jìn)料通道19充滿樣品時(shí)，控制器21取消電磁閥4/5的電壓，而加壓到電磁閥10a/11上。速度控制器9和軟管16分別與軟管13和自動(dòng)取樣器12相連?？刂破?1發(fā)動(dòng)泵8和速度控制器9。緩沖液以一定的速度通過軟管13被加到分離通道20的一端，并向進(jìn)料通道19和20a之間的交叉點(diǎn)的那部分樣品施加壓力。
樣品被分離成組分，即大小不同的微觀結(jié)構(gòu)，各組分?jǐn)鄶嗬m(xù)續(xù)的到達(dá)分離通道20a的另一末端。雖然目標(biāo)微觀結(jié)構(gòu)被柱捕獲，但是大尺寸的微觀結(jié)構(gòu)順利地遷移通過分離通道，各組分和緩沖液一起流進(jìn)軟管16，通過電磁閥11流進(jìn)自動(dòng)取樣器12。于是，樣品被自動(dòng)取樣器12間歇回收。
我們可以看出，實(shí)施例2的設(shè)備可以用來分離樣品而不會(huì)被堵塞。樣品加速器10在部分樣品中加壓以使其遷移通過分離通道20a。樣品加速器10比實(shí)施例1中在設(shè)備中產(chǎn)生電場(chǎng)的樣品加速器更加簡(jiǎn)單小巧，該樣品加速器10減少了本發(fā)明的設(shè)備的生產(chǎn)費(fèi)用。
實(shí)施例3圖7顯示了本發(fā)明另一個(gè)具體設(shè)備的主要表面，在該實(shí)施例中，樣品利用毛細(xì)管現(xiàn)象遷移。本實(shí)施例的設(shè)備包括一個(gè)樣品加速器530和一個(gè)分離部件550。樣品加速器使樣品加速通過毛細(xì)管。
分離部件550包括一個(gè)基質(zhì)550a和一個(gè)蓋片(沒有顯示)，樣品加速器530如下文所詳細(xì)描述的那樣安裝在基質(zhì)550a上。一個(gè)分離通道540和一個(gè)定量通道530a形成于基質(zhì)550a上，在基質(zhì)550a主要表面上是開放的。柱位于分離通道540上，在下文中稱為“分離柱”。分離通道540在基質(zhì)550a的縱向上延伸，定量通道530a在基質(zhì)550a的橫向上延伸。定量通道530a和分離通道540以直角相連。基質(zhì)550a的主要表面被蓋片(沒有顯示)覆蓋，在蓋片上有進(jìn)料口和通風(fēng)孔。圓510/520/560/代表進(jìn)料口和通風(fēng)孔。進(jìn)料口510和分離通道540的一端連接，通風(fēng)孔560與分離通道540的一端連接。進(jìn)料口520與定量孔520的一端連接，定量通道530a同與進(jìn)料口510相臨的分離通道540相連。蓋片和基質(zhì)550a的主要表面緊密接觸，這樣，緩沖液和樣品就不會(huì)通過分離通道540和定量通道530a而從中漏出來。
圖8顯示了基質(zhì)550a中的分離柱506和樣品加速器530。樣品加速器530包括定量柱530b、一個(gè)保藏室502、樣品保持柱503、引導(dǎo)柱504和保藏室505/507。分離柱和引導(dǎo)柱504一樣密集。保藏室503b的密度比分離柱506和引導(dǎo)柱504高。但是，定量柱比分離柱506和引導(dǎo)柱504要稀疏，因此樣品在定量柱530b中不會(huì)被分離成組分。保持柱503占據(jù)了定量通道530a相鄰的一塊區(qū)域，通過保藏室502與定量柱530b相間隔。引導(dǎo)柱504占據(jù)一塊區(qū)域，該區(qū)域比保持柱503離進(jìn)料口510的距離近，且通過保藏室505與定量柱530相間隔。另外，分離柱506占據(jù)保持柱503的下游中的一塊區(qū)域，保藏室507將分離柱506從保持柱503中分離出來。保持柱503中的所有室的數(shù)量大約等于定量柱530b中的所有室加上保藏室502的數(shù)量。定量柱530b同保持柱503的間隔寬于保持柱503和引導(dǎo)/分離柱504/506之間的保藏室505/507。
樣品被分離成大小不同的組分或微觀結(jié)構(gòu)，步驟如下首先，將樣品逐漸的通過進(jìn)料口520加到定量通道530a中。使樣品填滿定量通道530a，保藏在定量通道530b中的室中。要注意的是樣品不能漫過進(jìn)料口520。如同上文的描述，樣品在定量柱530b中不被分離。
樣品逐漸滲透到保藏室502中，達(dá)到保藏室502和保持柱503之間的分界線。然后，由于在保持柱503中的毛細(xì)管作用比在定量柱530b中強(qiáng)，樣品被吸引到保持柱中503中。換而言之，保持柱503的整個(gè)表面積比定量柱530b的要寬，因此保持柱503比定量柱530b能更大地提高毛細(xì)管作用。所以，所有的樣品都從定量通道530a遷移到保持柱503，保藏在保持柱503中的室中。當(dāng)樣品流進(jìn)保持柱503中的室中時(shí)，任何樣品組分都不會(huì)遷移到分離柱506和引導(dǎo)柱504中。
當(dāng)從定量通道530a到保持柱503中的室的遷移結(jié)束后，向進(jìn)料口510中加入緩沖液，緩沖液遷移通過引導(dǎo)柱504中的室，到達(dá)引導(dǎo)柱504和保藏室505間的分界。繼續(xù)向進(jìn)料口510注入緩沖液，使之流向引導(dǎo)柱504。緩沖液滲透進(jìn)入保藏室505，并流進(jìn)保持柱503中的室。緩沖液和樣品一起通過保持柱503中的室進(jìn)入保藏室507。緩沖液和樣品依次遷移進(jìn)入分離柱506中的室，因?yàn)槎恐?30b與保持柱503間的間隔比保藏室505/507同保持柱503間的間隔寬，所以緩沖液不會(huì)流進(jìn)定量柱530b中的室。
在毛細(xì)管作用下，緩沖液和樣品遷移通過分離柱506流向通風(fēng)孔560，樣品被分離成不同大小的微觀結(jié)構(gòu)。當(dāng)緩沖液和樣品達(dá)到通風(fēng)孔560時(shí)，緩沖液并不流進(jìn)進(jìn)料口510，組分被回收。在緩沖液到達(dá)通風(fēng)孔560之前可以回收其中的確定組分。
我們能夠理解，樣品加速器530使樣品和緩沖液通過毛細(xì)管的遷移能力提高，該加速器530比實(shí)施例1和2中用到的樣品加速器要簡(jiǎn)單得多，可以減少設(shè)備的制造費(fèi)用。
圖7和8中的設(shè)備的改進(jìn)顯示在圖9和10中，該改進(jìn)包括一個(gè)分離部件550A和一個(gè)樣品加速器530A。分離部件550B由基質(zhì)550b和蓋片(沒有顯示)組合而成。分離通道540在基質(zhì)550b上形成，進(jìn)料口510和通風(fēng)口560與分離通道540的兩端相連。和實(shí)施例3一樣，在分離通道540上，有引導(dǎo)柱504、保藏室505、保持柱503、保藏室507和分離柱506。
定量通道530a被進(jìn)料通道570代替。在進(jìn)料通道570上沒有形成任何柱，并和分離通道540部分平行。進(jìn)料通道570通過一個(gè)開口509和分離通道540相連，保持柱503占據(jù)了開口509的相鄰區(qū)域。進(jìn)料口520和排水口580和進(jìn)料口570的兩端相連。
樣品通過進(jìn)料口520加到進(jìn)料通道570中，到達(dá)排水口580。當(dāng)樣品到達(dá)開口509時(shí)，樣品被吸附到保持柱503中。當(dāng)樣品充滿保持柱503的室時(shí)，向進(jìn)料口520通入高壓空氣，以推動(dòng)進(jìn)料通道570的殘余樣品。
緩沖液通過進(jìn)料口510被加到分離通道540中。緩沖液充滿引導(dǎo)柱504的所有室，然后，經(jīng)由保持柱503的室遷移到分離柱506中，樣品被分離成大小不同的微觀結(jié)構(gòu)。
雖然以上描述的改進(jìn)提高了樣品/緩沖液通過毛細(xì)管的遷移能力，但該改進(jìn)還可以利用電泳。在引導(dǎo)樣品之前，相當(dāng)于進(jìn)料口510和通風(fēng)口560的液體槽充滿了電泳緩沖液。保藏室505/507防止電泳緩沖液流進(jìn)保持柱503中。當(dāng)樣品保藏在保持柱503中的室中時(shí)，向一個(gè)液體槽中加入少量的電泳緩沖液，或者輕微搖動(dòng)保持柱503。然后合并電泳緩沖液。準(zhǔn)備用于分離。
分離通道下文描述的是在基質(zhì)110/20A/550/550A上的分離通道112/20a/540的結(jié)構(gòu)。圖11顯示了引入到基質(zhì)120上的分離通道112A。在基質(zhì)120上形成一個(gè)溝槽112B，該溝槽的寬為W深為D。柱125位于基質(zhì)120上，是溝槽112B的底表面形成的凸起。柱125的形狀象圓柱體，直徑為φ高為d，以一定底間隔矩陣排列，相鄰的柱125的間隔為p。W、D、φ、d和p的尺寸可以落在以下范圍之內(nèi)。

圖12顯示了分離部件的一個(gè)橫切面。分離部件包括基質(zhì)120和一個(gè)蓋片122。在基質(zhì)120上形成一個(gè)溝槽112B，柱125位于溝槽112B上。這時(shí)，所有的柱125的大小尺寸都一樣。柱125形成柱群落?；|(zhì)120的主要表面被蓋片122覆蓋。盡管在分離部件中有液體泵和/或口，但為了簡(jiǎn)化，將其省略。柱群落之間的間隔作為路徑123。于是，分離通道112A就被分解為由柱125和路徑123所占據(jù)的空間。樣品和緩沖液流過路徑，樣品被柱125群所分離。因此樣品和緩沖液是遷移通過分離通道112A而得到分離的。
假如柱125和現(xiàn)有的設(shè)備一樣密集的布滿溝槽112B的整個(gè)空間，大尺寸的分子L就容易被柱125捕獲，并且僅僅只有小尺寸的分子S能通過柱125(見圖13)。這就意味著分離通道容易被大尺寸的分子L所堵塞。如果樣品含有各種類型的小尺寸微觀結(jié)構(gòu)，那么堵塞就會(huì)更嚴(yán)重，因?yàn)橹?25沿溝槽密集排列。這種情況下小尺寸的分子S會(huì)比大尺寸的分子L完成遷移的速度快。
另一方面，本發(fā)明的柱125形成柱125的群落121，在下文中稱為“柱路徑(pilllar patch)121”。柱路徑121之間彼此間隔，以在其中形成路徑123。柱群121或路徑中的柱125以一定的間隔規(guī)則排列，相鄰柱路徑121之間的間隙比該間隔要寬。路徑123比路徑中相鄰柱之間的間隔寬2到20倍是優(yōu)選的，更優(yōu)選為5到10倍。
用如下的方法使用分離通道112A分離樣品將樣品加到分離通道112A的一端。大尺寸的微觀結(jié)構(gòu)，如大尺寸的分子L遷移通過路徑123，而不會(huì)被如箭頭AR1所示的柱群121所捕獲。但是小尺寸的微觀結(jié)構(gòu)，如小尺寸的分子S就很容易被柱路徑121捕獲。在路徑121中的柱125象一個(gè)迷宮，小尺寸的分子S在如箭頭AR2所示的該迷宮中遷移，這個(gè)過程要花費(fèi)很多時(shí)間，這樣，小尺寸的分子S被延遲。微觀結(jié)構(gòu)的尺寸越小，花費(fèi)的時(shí)間就會(huì)越長(zhǎng)。因此小尺寸的分子S在大尺寸的分子L之后才到達(dá)分離通道112A的末端。于是，各組分，比如分子等微觀結(jié)構(gòu)按照大小的順序從分離通道112A中流出。由于大尺寸的分子L能順利的遷移通過路徑123，因此分離通道112A很少被大尺寸的分子堵塞，這就意味著吞吐量增加，所以本發(fā)明的分離通道112A達(dá)到了提高吞吐量的目的。
圖15和16表明了柱路徑的改進(jìn)。圖15中顯示的柱路徑121A位于分離通道112B中，柱路徑121A彼此間隔形成路徑123A。樣品和緩沖液如箭頭所示沿著分離通道112B遷移，柱125在路徑121A上以不規(guī)則的間距排列。向著下游的方向相鄰柱125間的間隔逐漸減小。這樣，下游的柱125比上游的柱125對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的遷移有更大的阻礙。于是，遷移通過路徑123A的大尺寸微觀結(jié)構(gòu)和被柱路徑121A捕獲的小尺寸微觀結(jié)構(gòu)之間的時(shí)間間隔比因?yàn)橹?21所導(dǎo)致的時(shí)間間隔要長(zhǎng)。所以柱路徑121A提高了對(duì)樣品的分辨率。
圖16顯示的柱路徑121B也在分離通道112C上。柱路徑121B間隔排列，形成路徑123B，樣品和緩沖液如箭頭所示沿著分離通道112C遷移。柱125在路徑121B上不規(guī)則地間隔排列。向著下游的方向相鄰柱125間的間隔逐漸增大。微觀結(jié)構(gòu)在柱路徑121B的迷宮中比在柱路徑121A的迷宮中的微觀結(jié)構(gòu)能更順利地遷移。因此，柱路徑121B有利于提高吞吐量。
回到圖14，如上文所述，柱125在路徑121上以規(guī)則間距間隔排列。柱路徑121在邊壁129間規(guī)則地間隔排列形成如圖17所示的分離通道121A。柱路徑在分離通道121A上占據(jù)一個(gè)環(huán)形區(qū)域，該區(qū)域直徑為R。相鄰柱路徑121間的間隙作為路徑123，Q代表相鄰柱路徑121的間隙。在這種情況下，間隙Q是直徑R的兩倍。例如，直徑R等于或小于10微米，間隙Q等于或小于20微米。
圓形區(qū)域并不對(duì)柱路徑121產(chǎn)生限制。在另外一種改進(jìn)中，柱路徑121C如圖18所示是矩形區(qū)域，該矩形區(qū)域的寬R等于或小于10微米，平均間隙Q的范圍從10微米到100微米。在柱路徑121C中形成路徑123C，沿與遷移平行的方向延伸。
再一種改進(jìn)之處是柱路徑121D，該路徑如圖19所示為平行四邊形。分離通道沿箭頭所示的方向延伸。D表示與遷移方向垂直的對(duì)角線的尺寸，d是與遷移方向平行的另一條對(duì)角線的尺寸。路徑123D位于該平行四邊形區(qū)域中，寬為h，換句話說，柱路徑121D彼此之間的間隔距離為h。路徑123D的中心線以點(diǎn)劃線標(biāo)出。該中心線與遷移方向以某個(gè)角度交叉。當(dāng)樣品沿著分離通道遷移時(shí)，微觀結(jié)構(gòu)不斷地與柱路徑121D接觸。這意味著尺寸比相鄰柱間的間隙小的微觀結(jié)構(gòu)很容易被柱路徑121D所捕獲，于是該種微觀結(jié)構(gòu)和其他的微觀結(jié)構(gòu)間產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間差(long time lug)，所以，再提高分辨率方面，偏向遷移方向的路徑是優(yōu)選的。為了從樣品中高效地分離出目標(biāo)微觀結(jié)構(gòu)，達(dá)到下列條件是優(yōu)選的。R代表目標(biāo)微觀結(jié)構(gòu)的直徑，p代表柱路徑121D中相鄰柱間的間隙值。
hR≤h＜10Rp0.5R≤p＜2RD5h≤D＜20hd5h≤d＜20h圖20、21和22顯示了柱路徑121的另一種改進(jìn)。柱125A形成盤狀，豎立在溝槽的底部表面，該溝槽位于分離部件的基質(zhì)120A上，該盤狀柱125A以間隔λ平行排列，形成一個(gè)占據(jù)一塊矩形區(qū)域130E的柱路徑121E，相鄰的柱路徑彼此間間隔Λ，柱路徑121E中形成路徑123E。樣品沿著箭頭(見圖22)的方向遷移。柱路徑121E排列成行，在與遷移方向垂直的方向上延伸。在一行中的柱路徑121E在下一行中與柱路徑121E形成分支。所以，柱路徑121E以交錯(cuò)的方式排列。
當(dāng)樣品和緩沖液一起沿著箭頭所示的方向遷移時(shí)，目標(biāo)微觀結(jié)構(gòu)被柱路徑121E捕獲，于是該目標(biāo)微觀結(jié)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間的停留在柱路徑121E上，因此目標(biāo)微觀結(jié)構(gòu)和其他微觀結(jié)構(gòu)的到達(dá)產(chǎn)生時(shí)間差，所以，柱路徑121E提供了分辨率。
假如目標(biāo)微觀結(jié)構(gòu)的直徑為R，為了將目標(biāo)微觀結(jié)構(gòu)從樣品中高效的分離出來，滿足以下條件是優(yōu)選的。
ΛR≤Λ＜10Rλ0.5R≤λ＜2R如圖12所示，在分離部件中，柱125的頂部表面與蓋片122的背面接觸，在另一種分離部件中，柱125/125A的頂部表面也與蓋片的背面接觸。在另一種改進(jìn)方式中，雖然柱125與圖12中顯示的那些柱高度相同，但柱125的頂部表面如圖23所示與蓋片122A的背面具有間隙。柱125與蓋片122A之間的間隙作為另一個(gè)大尺寸微觀結(jié)構(gòu)的路徑123F’，因此，分離通道112F不僅具有柱路徑中形成的路徑123F，還有柱與蓋片122A之間形成的路徑123F’，大尺寸的微觀結(jié)構(gòu)能更順利地遷移通過路徑123F’，所以分離通道112F很少被大尺寸微觀結(jié)構(gòu)堵塞。路徑123F’成為小尺寸微觀結(jié)構(gòu)的入口，當(dāng)小尺寸的微觀結(jié)構(gòu)和大尺寸的微觀結(jié)構(gòu)一起遷移通過路徑123F’時(shí)，大尺寸的微觀結(jié)構(gòu)通過柱路徑，小尺寸的微觀結(jié)構(gòu)通過路徑123F’和柱路徑分界線上的入口進(jìn)入柱路徑。因此，路徑123F’增加了其進(jìn)入柱路徑中的可能性，提高了分離效率。在圖23顯示的改進(jìn)方案中，作為路徑123F’的入口位于蓋片122A上，路徑123F’可以通過用短柱代替高柱而形成。
分離部件的一個(gè)改進(jìn)之處在于分離通道112G還包含一排柱710，該柱位于柱路徑所占有的圖24A到24D所示的分離區(qū)711的前面，以規(guī)則的間隔成排排列在排710中，優(yōu)選將間隔的值調(diào)整到和樣品709或不同大小分子群中的最小分子的大小值一樣。
成排排列的柱710的作用機(jī)理如下假設(shè)在樣品709上施加低壓，如低的電壓，樣品就沿著箭頭的方向(見圖24A)移動(dòng)，當(dāng)樣品達(dá)到柱710時(shí)，成排的柱710象河堤一樣阻止其遷移。因?yàn)榈蛪喝匀皇┘釉跇悠?09上，所以樣品被柱710阻攔，在如圖24B中顯示的帶709’中重新成型(reshape)。壓力從弱到強(qiáng)改變。這時(shí)，向電場(chǎng)中的樣品709施加電壓，沿著分離通道112G形成強(qiáng)電場(chǎng)。然后，帶形樣品709’被迫通過成排排列的柱710，進(jìn)入圖24C顯示的分離區(qū)711，如果柱是單獨(dú)一排或幾排，大分子，如DNA和蛋白質(zhì)在這些排列的邊界被拉長(zhǎng)，以至于這些大分子通過了這些比大分子尺寸小的間隙，這種現(xiàn)象被稱為“表層潛移(reptation)”。當(dāng)通過柱排710后，調(diào)整壓力到合適值。帶形樣品709’遷移通過分離區(qū)711，從而將樣品分離成大小不同的組分(見圖24D)。
至于路徑123A/123B/123C/123D/123E的寬度值和相鄰柱間的間隙值或柱間隔值，根據(jù)樣品組分的不同設(shè)計(jì)其寬度和間隙。例如，組分是有機(jī)分子，如核酸、氨基酸、肽和蛋白質(zhì)及其他的分子/離子，如鰲合化合物和金屬離子，間隙值等于或稍大于或稍小于中等尺寸分子的曲率半徑值是優(yōu)選的，該中等尺寸分子的曲率半徑等于被分離分子曲率半徑的平均值。當(dāng)?shù)扔谄骄档膽T性曲率半徑值和間隙值的差別等于或小于100納米時(shí)，樣品就能夠被高分辨率地分離成各個(gè)組分，該差別優(yōu)選等于或小于10納米，更優(yōu)選為等于或小于1納米。當(dāng)差別增加時(shí)，分辨率也會(huì)提高。
通過一種方式設(shè)計(jì)路徑使其寬等于、稍大于或稍小于最大尺寸分子的標(biāo)準(zhǔn)半徑值，路徑的寬與最大分子的標(biāo)準(zhǔn)曲率半徑值(inertia radium ofcurvature)的差別小于或等于標(biāo)準(zhǔn)曲率半徑的10％是優(yōu)選的，更優(yōu)選的為差別小于或等于5％，更優(yōu)選的小于或等于1％。假如路徑太寬，小尺寸的分子就會(huì)和大尺寸的分子一起遷移，分離就不能完成，但是，如果路徑太窄，又容易會(huì)被堵塞。
如圖15和16所示的改進(jìn)中，一個(gè)路徑中相鄰柱間的間隙是可變的。當(dāng)間隙在遷移的方向上改變時(shí)，可以提高分辨率或防止分離通道的堵塞，其中的間隙可以改變的柱路徑還可以將樣品分離成兩種以上的大小不同的組分。
溝槽112A/112B的壁可以如圖25所示用某種材料涂布，根據(jù)參考線112H設(shè)計(jì)涂布層，涂布的材料使表面光滑，涂布過的壁能有效地防止其中的分子，如DNA和蛋白質(zhì)的粘附，涂布的材料優(yōu)選為形成細(xì)胞膜的磷脂的結(jié)構(gòu)類似物，可以通過商業(yè)途徑獲得。Nippon Yusi有限公司出售一種Lipidure(商標(biāo)名)的涂布材料。將涂布材料Lipidure溶解在TBE緩沖液中，重量百分比濃度調(diào)節(jié)到0.5wt％，將溶液涂布在壁上，干燥幾分鐘，于是，壁涂布上光滑層112H，光滑層112H可以由含有熒光的樹脂或牛血清蛋白組成。
柱可以如圖26所示的那樣分級(jí)排列，相鄰柱路徑712間的間隙比相鄰柱712A間的間隙寬，每7個(gè)柱712A形成柱路徑712，7個(gè)柱路徑712聚集在一起，形成一個(gè)小的柱路徑群落713，相鄰柱路徑712群713之間的間隙比柱路徑712間的間隙寬。7個(gè)柱路徑群713也聚在一起，形成一個(gè)大的柱路徑712群落714。雖然圖26只畫出了一個(gè)大的群落714，但在分離通道112J中由多個(gè)大的群落714，于是，柱分級(jí)排列在分離通道112J上。當(dāng)樣品遷移通過分離通道112J時(shí)，巨大的為組織通過柱路徑712的大群落714中的最寬的路徑，大尺寸的微觀結(jié)構(gòu)通過各個(gè)大群落714中的迷宮，中尺寸的微觀結(jié)構(gòu)通過各個(gè)小群落713中的迷宮，小尺寸的微觀結(jié)構(gòu)通過各個(gè)柱路徑712中的迷宮。于是，巨型微觀結(jié)構(gòu)(huge microstructure)首先到達(dá)分離通道112J的末端，大尺寸的微觀結(jié)構(gòu)緊接著到達(dá)分離通道112J的末端，再接著時(shí)中尺寸的微觀結(jié)構(gòu)，最后是小尺寸的微觀結(jié)構(gòu)到達(dá)分離通道112J的末端。
樣品加速器參考圖2-4和5，我們描述了兩種樣品加速器。圖27顯示了樣品加速器804A的一個(gè)改進(jìn)，在該改進(jìn)中，ξ勢(shì)能被施加在加在基質(zhì)110上，樣品以電泳的方式通過分離通道112，在基質(zhì)110上施加ξ勢(shì)能以防止電滲，所以，ξ勢(shì)能系統(tǒng)804B能有效的防止測(cè)量峰的加寬。
緩沖液的導(dǎo)入在本發(fā)明設(shè)備中，優(yōu)選導(dǎo)入緩沖液。假如基質(zhì)壁和形成分離通道的蓋片的背面是疏水性的，比如疏水性合成樹脂，將緩沖液喂到分離通道中是不容易的，因此要使緩沖液順利的流到分離通道中，要用一個(gè)離心系統(tǒng)。
圖28A和28B顯示了一個(gè)芯片150，緩沖液通過它被強(qiáng)行導(dǎo)入。一個(gè)固定架153被插入到一個(gè)離心管151中，形成一個(gè)很深的凹槽。這時(shí)，固定架由硅樹脂橡膠組成。將等同于分離部件，即基質(zhì)和蓋片，的芯片插入到深凹槽中，讓離心管151充滿緩沖液150a。芯片150被固定在固定架153上，將離心管151安裝在離心系統(tǒng)中，高速旋轉(zhuǎn)，離心力施加在緩沖液150a中，使其被迫導(dǎo)入芯片150中。
對(duì)于緩沖液來說親水性表面是優(yōu)選的，形成分離通道的表面和柱表面可以被親水層覆蓋，親水材料的例子有氧化硅。用氧化硅覆蓋溝槽的壁和柱的整個(gè)表面是優(yōu)選的。即使在緩沖液上施加任何外在壓力，親水性表面都允許緩沖液流過分離通道。覆蓋有氧化硅的表面在后文將詳細(xì)描述。
柱優(yōu)選柱的頂部表面比底部的橫切面窄。柱的形狀可以是圓錐體/角錐體和截錐體。假如柱是圓錐體/角錐體和截錐體，沿著柱的頂部方向其橫切面面積逐漸減小。如果柱被親水層如氧化硅層覆蓋，沿著頂部方向橫切面面積減小的柱能有效的防止縱橫比的減小。
沿著頂部方向橫切面積逐漸減小的柱優(yōu)選為在柱路徑的凹槽底部彼此連接。嚴(yán)格控制在凹槽底部產(chǎn)生氧化硅，以使柱保持大的縱橫比。圖1顯示了被氧化硅層104覆蓋的柱110。該柱各自被一層薄膜(gentle robe)包被，該覆蓋物在凹槽110V的底部彼此互相連接。當(dāng)氧化硅在柱110上熱生長(zhǎng)時(shí)，在凹槽110V的底部被嚴(yán)格限制，在凹槽110V底部的氧化硅層104的厚度就和其他部分薄膜的氧化硅層不同，凹槽110V底部的氧化硅的生長(zhǎng)并不顯著。換而言之，凹槽110V不會(huì)被氧化硅層覆蓋，所以，柱110保持高的縱橫比。雖然現(xiàn)在還不清楚為什么連接的膜能限制氧化硅的生長(zhǎng)，但是，加壓能抑制氧化硅的生長(zhǎng)。當(dāng)硅被氧化時(shí)，柱的體積增加，隨著氧化的進(jìn)行，施加在底部氧化硅上的壓力就增大，該增大的壓力抑制氧化硅的生長(zhǎng)。
在上文描述的實(shí)施例和改進(jìn)中，分離區(qū)域是由柱路徑，如柱群落形成的。碳納米管或碳納米導(dǎo)條可以用于分離區(qū)域。該碳納米管或碳納米導(dǎo)條位于溝槽中，以與柱路徑相似的方式形成群落。碳納米管是直徑1-30納米的微管，碳納米導(dǎo)條是喇叭形的微凸起，其底部尺寸為4納米，頂部尺寸為1納米。
柱、碳納米管和碳納米導(dǎo)條用作微體。
制造方法下文描述柱形成的方法，如圖1所示，并參考圖29A到29G，圖29A到29G顯示了形成溝槽的一部分基質(zhì)110。
制備基質(zhì)110的步驟包括首先，在基質(zhì)110的整個(gè)表面涂上氧化硅，以形成氧化硅層105。接著，在氧化硅層105的整個(gè)表面涂上一層電子束抗蝕劑。在氧化硅層105上形成一層電子束抗蝕層107。然后，將氧化硅層105和電子束層107在底部表面進(jìn)行層壓以形成如圖29A所示的溝槽。
將上述步驟所得的結(jié)構(gòu)放在電子束平板印刷系統(tǒng)中，通過一個(gè)電子束將一個(gè)柱圖案印在電子束抗蝕層107上。換句話說，在電子束抗蝕層107上形成了一個(gè)圖案的隱印圖象(latent image)，該隱印圖象的形成是為了在電子束抗蝕層107上形成如圖29B所示的抗蝕掩膜107a。
利用抗蝕掩膜107a，如圖29C所示，通過干蝕刻方法有選擇地除去氧化硅層105。圖案從抗蝕掩膜107a轉(zhuǎn)移到氧化硅層105中，一個(gè)硬掩膜105a留在基質(zhì)110的底部表面，抗蝕掩膜107a被駁落，產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)如圖29D所示。
利用硬掩膜105a，通過干蝕刻方法有選擇地除去基質(zhì)110，從而形成如19E所示的柱110a。干蝕刻在基質(zhì)110上進(jìn)行的很深，以使柱有較大的縱橫比。硬掩膜105a被剝落，柱110a如圖29F所示留在基質(zhì)110底部表面上。接著，將基質(zhì)110放到烤爐中，在氧化空氣環(huán)境中加熱到或超過850攝氏度，基質(zhì)110整個(gè)表面產(chǎn)生氧化硅，如圖29G所示柱110a被氧化硅層104覆蓋。該被氧化硅層104覆蓋的柱110a是一種微結(jié)構(gòu)，可以用來分離含有不同大小微觀結(jié)構(gòu)的樣品。
通過圖30A到30C所顯示的方法，可以使柱110在基質(zhì)110的底部表面形成。在圖29A到29G所顯示的方法中，柱圖案被間接的轉(zhuǎn)移到基質(zhì)110中，但是，在以下方法中，圖案被直接轉(zhuǎn)移到基質(zhì)110中。首先，制備好基質(zhì)110。
在基質(zhì)110的底部表面形成電子束抗蝕層，一個(gè)柱圖案圖象被寫在電子束抗蝕層900上，從而產(chǎn)生一個(gè)如圖30A所示的隱印圖象。該隱印圖象的形成是為了使抗蝕掩膜900a如圖30B所示留在基質(zhì)110上。利用該抗蝕掩膜900，基質(zhì)110通過干蝕刻被有選擇的除去，從而形成如圖30C形成的柱110a。由于圖案直接轉(zhuǎn)移到基質(zhì)110中，所以圖30A到30C所顯示的方法比圖29A到29G所顯示的方法要簡(jiǎn)單。
圖31A到31D顯示了制造柱的另一種方法，首先，制備一個(gè)模具106和基質(zhì)110，模具106上有一個(gè)凹槽106a，其排列和柱110a的排列相對(duì)應(yīng)，凹槽106a可以通過電子束平板印刷，接著通過蝕刻的方法形成。
基質(zhì)110被一層合成樹脂包被，合成樹脂層160被碾壓在基質(zhì)110上。該合成樹脂是聚甲基丙烯酸甲酯系列，其厚度為200納米，模具106可以用任何材料，例如，這些材料可以選自Si、SiO2和SiC。如圖31A所示，模具與合成樹脂層160是相對(duì)的。
接著，將模具106壓在合成樹脂層160上，在有壓力的情況下加熱合成樹脂層106，該壓力的范圍為600磅/平方英尺到1900磅/平方英尺，加熱的溫度范圍為140攝氏度到180攝氏度。圖案被轉(zhuǎn)移到合成樹脂層160上，圖案轉(zhuǎn)移完成后，模具106如圖31B所示與轉(zhuǎn)移了圖案的合成樹脂層160a分離。
然后，轉(zhuǎn)移了圖案的合成樹脂層160a暴露在氧等離子體下，在氧等離子體中該合成樹脂層106被灰化，且基質(zhì)110暴露于樹脂掩膜160b間的間隙中。利用樹脂掩膜160b，如圖31C所示，基質(zhì)110通過干蝕刻被選擇性的除去。干蝕刻劑是，例如鹵素系列。在基質(zhì)中形成深槽110V，深度為0.4微米。柱110a通過槽110V彼此分開，相鄰柱110a間的間隙是約100納米，于是，柱110a有一個(gè)很大的縱橫比4∶1。干蝕刻劑在深槽110V中的活性降低，以至于柱110a如圖31D所示有一層在槽110V底部彼此連接的薄膜。換句話說，柱沿著頂部的方向橫切面面積減小。在柱110a的頂部表面樹脂掩膜160b被除去。
接著，基質(zhì)110被放到烤爐中，并在800-900度進(jìn)行烤爐退火。在硅基質(zhì)110的整個(gè)表面產(chǎn)生氧化硅，硅柱110a被氧化硅層104覆蓋(見圖1)。薄膜在槽110V底部彼此連接，以至于氧化硅的形成并不顯著。這就意味著槽仍然很深，所以柱110a仍然有大的縱橫比。在這個(gè)方法中，模具106被用來轉(zhuǎn)移圖案，電子平板印刷是不需要的。所以提高了生產(chǎn)率。
將上文所描述的方法用于基質(zhì)，該基質(zhì)有可氧化材料組成，比如硅。例如，通過以下的方法形成柱。首先，制備基質(zhì)101和模具106a，該模具106a有與柱相應(yīng)的凹形圖案，在基質(zhì)101上形成了溝槽和液體槽，基質(zhì)101的底部表面用樹脂包被，換句話說，底部表面如圖32A所示被樹脂層102a覆蓋，樹脂優(yōu)選為親水性的，樹脂可以選自聚乙烯醇系列組成的組。用乙烯基乙烯醇樹脂(EVOH)或聚對(duì)苯二酸鹽乙二醇酯樹脂是優(yōu)選的。假如樹脂用親水性材料包被，疏水性的樹脂也可以用于該方法。
接著，將模具102b如圖32B所示壓在樹脂層102a上，加熱樹脂層。如圖32C所示，圖案從模具106a轉(zhuǎn)移到樹脂層102a。因?yàn)闃渲?02b是親水性的，所以任何熱氧化是不需要的。該方法就比上文的方法更簡(jiǎn)單，生產(chǎn)率進(jìn)一步得到提高。
在用上文包含有氧化步驟的方法制備的基質(zhì)中，電泳可以用來作為樣品加速器。假如溝槽、液體槽和柱不完全的被氧化硅包被，電流就會(huì)泄漏到硅基質(zhì)中，電場(chǎng)就可能太弱以至于不能使樣品遷移。為了防止基質(zhì)被氧化硅不完全包被，可以通過以下方法制備溝槽和液體槽。
圖33A到33D顯示了一種在基質(zhì)中形成間隙的方法，首先制備硅基質(zhì)201。熱氧化硅基質(zhì)201以在其主要表面產(chǎn)生氧化硅層202。在硅基質(zhì)201的主要表面涂布多晶硅，氧化硅層202被多晶硅層707覆蓋。熱氧化多晶硅層707以在多晶硅層707上如圖33A所示形成硅氧化層708。
接著，將calixarene電子束負(fù)性抗蝕材料涂布在氧化硅層708的整個(gè)表面，以使氧化硅層708被杯狀(calyx)丙二烯電子束負(fù)性抗蝕層所覆蓋(沒有顯示)。用電子束將溝槽和液體槽的圖案寫在calixarene電子束負(fù)性抗蝕層上。隱性圖象的形成是為了使抗蝕掩膜(沒有顯示)留在氧化硅層708上。利用該抗蝕掩膜，氧化硅層708通過活性離子蝕刻(RIE)技術(shù)有選擇性的除去，然后，抗蝕掩膜被剝落，于是圖案就如圖33B所示被轉(zhuǎn)移到氧化硅層708中。
將轉(zhuǎn)移了圖案的氧化硅層708作為蝕刻掩膜，多晶硅層707通過電子回旋共振(ECR)蝕刻技術(shù)有選擇性的被除去，以使圖案被轉(zhuǎn)移到多晶硅層707上，除去帶有圖案的氧化硅層708以使多晶硅層707如圖33C所示被暴露。
最后，加熱氧化轉(zhuǎn)移了圖案的多晶硅層707。多晶硅轉(zhuǎn)變成氧化硅，和氧化硅層202融合在一起。換句話說，轉(zhuǎn)移了圖案的氧化硅層和沒有圖案的氧化硅層202融合成氧化硅層707a。在氧化硅層707a中形成溝槽707b和液體槽707c，氧化硅層707a較低的部分，即氧化硅層202，優(yōu)選地將硅基質(zhì)201與溝槽707b和液體槽707c分開，即使樣品在溝槽中在電泳地作用下遷移通過分離通道，電流也不會(huì)從液體中泄漏到基質(zhì)201中。
在以上描述的實(shí)施例中，硅基質(zhì)201和氧化硅層202可以用石英基質(zhì)代替。硅基質(zhì)201、硅氧化層202和多晶硅層707可以用SOI(絕緣硅)基質(zhì)代替。
假如在分離區(qū)域中使用碳納米管和碳納米導(dǎo)條，可以使用制孔方法或擠壓方法。在擠壓方法中，將碳納米管或碳納米導(dǎo)條與親水樹脂混合，碳納米管或碳納米導(dǎo)條從樹脂中凸起。該碳納米管和碳納米導(dǎo)條是疏水性的。使用本發(fā)明的分離部件之前將碳納米管/碳納米導(dǎo)條從疏水性轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性是有利的。通過本領(lǐng)域公知的氧化處理使碳納米管/碳納米導(dǎo)條轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性。
我們可以理解，微體，即柱、碳納米管或碳納米導(dǎo)條可以通過本發(fā)明的方法制備。
柱形成區(qū)域中的間隙的作用回到圖34，實(shí)施本發(fā)明的設(shè)備包括一個(gè)有多個(gè)柱形成區(qū)域601的分離部件，該柱形成區(qū)域601可以有選擇性的被用作分離區(qū)域、導(dǎo)入?yún)^(qū)域和樣品保持柱區(qū)域(見圖10)。柱形成區(qū)域601占據(jù)壁603之間的空間，在柱路徑中形成大尺寸微觀結(jié)構(gòu)通過的路徑。換句話說，柱形成區(qū)域601和壁603之間沒有任何間隙。在分離區(qū)域中形成柱路徑，在其他的柱形成區(qū)域中以不同的密度形成柱。柱形成區(qū)域601彼此在遷移的方向上被空間602間隔，在空間602中沒有任何柱或微體。
分離部件的這種排列能產(chǎn)生一個(gè)高的分辨率。圖35A和35B顯示了液流的分界線。如果柱形成區(qū)域601是彼此之間沒有任何空隙，是彼此連接的，樣品沿著箭頭所指的方向遷移，形成圖35A所示的拋物線形分界線601a。這是因?yàn)橛捎诿?xì)管作用樣品在壁603的內(nèi)表面加速遷移。而通道的中央?yún)^(qū)域的毛細(xì)管作用對(duì)樣品遷移的作用較小。
如果空隙602位于相鄰柱形成區(qū)域601之間，在柱形成區(qū)域601和空隙之間的分界線將會(huì)是平的，并且樣品短時(shí)間地保留在空隙602中。詳細(xì)地說，空氣充滿了空隙602。當(dāng)樣品在柱形成區(qū)域601中遷移時(shí)，樣品遷移線被彎曲，在壁上的那部分樣品首先到達(dá)柱形成區(qū)域601和空隙602之間的分界線。但是這部分樣品會(huì)等候殘留的那部分樣品，因?yàn)殚g隙中的空氣阻礙了樣品的遷移。當(dāng)殘留的樣品到達(dá)柱形成區(qū)域601和空隙602之間的分界線時(shí)，樣品將空隙602中的空氣趕出，而進(jìn)入空隙602。所以，空隙602使樣品的分界線601b變平(見圖35B)，且分辨率提高。樣品在測(cè)量面上被精確的分析。
圖36A、36B和36C顯示了流進(jìn)充滿人造膠601d的空間的緩沖液的分界線。通道中均勻充滿了人造膠601d(見圖36A)。緩沖液流進(jìn)該通道，于是，如圖36B所示，由于中間區(qū)域和兩側(cè)區(qū)域間的毛細(xì)管作用的不同，緩沖液601e和人造膠601d之間的分界線被扭曲。當(dāng)緩沖液601e沿著檢測(cè)器601f移動(dòng)時(shí)，分界線如圖36C所示逐漸被廣泛地扭曲。
圖37A顯示了一個(gè)液體通道，在該通道中柱零星分布在區(qū)域601j中。該零星分布柱的區(qū)域601j和空隙602的作用相似。緩沖液流進(jìn)液體通道。雖然緩沖液的分界線在人造膠601d中被扭曲，但在零星分布柱的區(qū)域601j中沒有了滯后時(shí)間，于是在該零星分布柱的區(qū)域601j中邊界線如圖37B所示重新被拉平，結(jié)果，當(dāng)樣品到達(dá)檢測(cè)器601f時(shí)，樣品的分界線如圖37C所示被扭曲的程度較小。
我們可以理解，空隙和零星分布柱的區(qū)域可以有效的防止樣品邊界線的扭曲。雖然空隙是在擁有毛細(xì)管樣品加速器(見圖8和10)的分離部件中形成的。但空隙也可以在擁有電泳樣品加速器的分離部件中形成，因?yàn)樾纬傻臉悠穾菑澋?。即使空隙中充滿了緩沖液，形成的樣品帶還是會(huì)在空隙中形成。
在以上描述的實(shí)施例中，柱110/125和壁125A即為障礙物。
測(cè)試本發(fā)明的發(fā)明人制造出了本發(fā)明中的分離部件的樣品，用如下的方法測(cè)試該樣品。
制備方法發(fā)明人首先制備了一個(gè)硅基質(zhì)201，在其主要表面產(chǎn)生氧化硅，形成一個(gè)氧化硅層202。將Calixarene電子束負(fù)性抗蝕劑涂布在硅氧化層202的表面，形成一個(gè)負(fù)性抗蝕層203。氧化硅層202的厚度為35納米，calixarene電子束負(fù)性抗蝕層203的厚度為55納米。將負(fù)性抗蝕層203的預(yù)定區(qū)域暴露于電子束，以使負(fù)性抗蝕層203中形成一個(gè)柱圖案的隱印圖象。產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)如圖38A和39A所示。
形成隱印圖象后，使用含二甲苯的顯影劑顯影，將顯影以后產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)放在異丙基醇中漂洗，然后如圖38B和39B所示，在氧化硅層202上留下抗蝕圖案204。
接著，在所產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的整個(gè)表面上圖上正性光敏抗蝕劑205，抗蝕圖案204如圖38C和39C所示被光敏抗蝕層205覆蓋。該正性光敏抗蝕層205的厚度約為1.8微米。陣列區(qū)域的圖案的圖象從遮光膜(沒有顯示)中被轉(zhuǎn)移到正性光敏抗蝕層205上，在其上產(chǎn)生隱印的圖象。將隱印圖象顯影。然后，正性光敏抗蝕層205從陣列區(qū)域中被部分的去除，抗蝕圖案204再一次被暴露，如圖38D和39D所示。
利用圖案抗蝕層204和205，通過活性離子蝕刻技術(shù)有選擇的除去氧化硅層202，蝕刻劑包括CF4和CHF3氣體。干蝕刻繼續(xù)到超過氧化硅層202的厚度，即35納米，于是，硅基質(zhì)201再一次被暴露，如圖38E和39E所示。利用含有丙酮、乙醇和水的有機(jī)去除劑將抗蝕刻圖案204去除，將結(jié)果結(jié)構(gòu)等離子氧化，氧化硅柱202a如圖38F和39F所示被暴露。
將氧化硅柱202a作為蝕刻掩膜，通過電子回旋共振(ECR)蝕刻技術(shù)用含有HBr氣體的蝕刻劑有選擇性的除去硅基質(zhì)201，氧化硅柱202a的圖案被轉(zhuǎn)移到硅基質(zhì)201上。干蝕刻完成后，氧化硅基質(zhì)202的最小厚度為400納米。通過濕蝕刻技術(shù)除去氧化硅層202。濕蝕刻劑是氫氟酸緩沖液(BHF)。如圖38H和39H所示在陣列區(qū)域形成柱201a。
接著，利用化學(xué)氣相沉積法將氧化硅涂布在結(jié)果結(jié)構(gòu)的整個(gè)表面。氧化硅充滿了硅柱201a中的凹槽，膨脹形成如圖38I和39I所示的氧化硅層。氧化硅層206的厚度約為100納米。
將正性光敏抗蝕劑涂布在氧化硅層206的整個(gè)表面。如圖38J和39J所示，氧化硅層206被正性光敏抗蝕層207覆蓋，其厚度為1.8微米。一個(gè)溝槽的圖案圖象被轉(zhuǎn)移到正性抗蝕刻層207上，在正性抗蝕刻層207上形成隱印圖象。該隱印圖象的形成是為了使光敏抗蝕刻掩膜207a如圖38K和39K所示留在氧化硅層206上。利用光敏抗蝕掩膜207a，通過濕蝕刻技術(shù)使氧化硅層206被有選擇性地除去。氫氟酸緩沖液被用作濕蝕刻劑。如圖38L和39L所示硅基質(zhì)201被暴露。
如圖38M和39M所示，利用有機(jī)去除劑去除光抗蝕掩膜207a。在陣列區(qū)域中留下氧化硅層206。利用氧化硅層206作為蝕刻掩膜，通過濕蝕刻有選擇性地除去硅基質(zhì)201。四甲基胺氫氧化物被作為濕蝕刻劑。產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)如圖38N和39N所示。利用氫氟酸緩沖液除去氧化硅，于是硅柱201如圖38O和39O所示再一次被暴露。
將硅基質(zhì)201放進(jìn)烤爐中，如圖38P和39P所示，在烤爐中熱生長(zhǎng)形成氧化硅。硅基質(zhì)201被20納米厚的氧化硅層209覆蓋，如圖38P和39P所示。如上文所述，氧化硅是親水性的，所以緩沖液能順利地通過。最后，通過靜電學(xué)方法在結(jié)果結(jié)構(gòu)中安裝一個(gè)玻璃板，如圖38Q和39Q所示。
本發(fā)明的發(fā)明人檢測(cè)了分離部件的樣品，證實(shí)了該樣品是優(yōu)越的。本發(fā)明人利用電子顯微鏡觀察了圖38P顯示的步驟的樣品的中間結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了拍照，圖40和41是其照片。雖然產(chǎn)生的氧化硅有30納米厚，但我們可以理解柱的排列是規(guī)則的，柱之間的間隙約為60納米，因此本發(fā)明人成功地檢測(cè)了該方法。
熱氧化本發(fā)明人通過如下的方法研究了柱上的熱氧化作用。用與第一個(gè)例子相似的方法制備了樣品，該樣品有兩種不同縱橫比的柱。為了研究熱氧化，將該柱加熱氧化，發(fā)明人對(duì)兩種柱進(jìn)行了拍照。
樣品1的柱的高度為440納米，柱間的間隔為80納米，沿著頂部表面的方向該柱的橫切面是減小的，柱間很近以至于薄膜在凹槽的底部彼此連在一起。圖42是樣品1蝕刻后的照片。圖43到45是熱氧化后的照片。在圖43、44和45的照片中，產(chǎn)生的氧化硅層厚度分別為10納米、20納米、30納米。該厚度在柱的側(cè)表面測(cè)量得到。
樣品2的柱高度為200納米，柱間的間隔為100納米。沿著頂部表面的方向該柱的橫切面也是減小的，也有薄膜。然而，柱間的間隔很大以至于凹槽的底部是平的，圖46是樣品2蝕刻后的照片，在照片中能看到該平底表面。使樣品2熱氧化，生長(zhǎng)的氧化硅的厚度分別為10納米、20納米、30納米。在圖47、48和49中能分別看到10納米厚的氧化硅層、20納米厚的氧化硅層和30納米厚的氧化硅層。該厚度在柱的側(cè)表面測(cè)量得到。
比較樣品1的照片和樣品2的照片，很明顯在基質(zhì)上密集形成的柱能有效地防止縱橫比的減小。更具體的說，雖然氧化硅的厚度減小到30納米，但在樣品1中的氧化硅的形成并不明顯。這說明柱保持了大的縱橫比。另一方面，樣品2中在20納米厚處柱的側(cè)表面熱氧化作用停止。然而，在凹槽底部熱氧化作用在繼續(xù)。在樣品2中的氧化硅產(chǎn)生顯著，溝槽的深度減小(比較圖46和圖49)。
本發(fā)明人證實(shí)橫切面沿著頂部方向減小的喇叭形和底部彼此連接的柱能有效地防止縱橫比的減小。
毛細(xì)管作用本發(fā)明人制備了一個(gè)樣品，該樣品中一部分柱高密度排列，另一部分柱低密度排列。高密度區(qū)域沿著液體通道被稀疏區(qū)域間隔。通過電子束平板印刷和干蝕刻技術(shù)形成柱，該區(qū)域的大小為40微米×60微米。高密度區(qū)的柱排列在三角形格子中，間距為100納米(見圖50A)，每一個(gè)稀疏區(qū)域50納米寬，位于兩個(gè)高密度區(qū)域之間。
本發(fā)明者將樣品導(dǎo)入液體通道中，觀察樣品的遷移。圖50B是顯示樣品遷移的照片。深黑色區(qū)域代表樣品。樣品在最上排最左邊的圖象開始遷移，樣品遷移通過液體通道，在右邊的圖像中可以看到。當(dāng)樣品通過第一個(gè)高密度區(qū)域時(shí)，耗時(shí)0.73秒，最右邊的圖象表面樣品完全遷移通過了第一個(gè)高密度區(qū)域。
樣品繼續(xù)從最左邊的圖象向第二排最右邊的圖象遷移，樣品完全遷移通過第二個(gè)高密度區(qū)域耗時(shí)0.1秒，樣品完全通過第三個(gè)高密度區(qū)域耗時(shí)0.12秒。
樣品繼續(xù)從最左邊的圖象向第三排最右邊的圖象遷移。樣品完全遷移通過第四個(gè)高密度區(qū)域耗時(shí)0.15秒。當(dāng)樣品完全遷移通過第五個(gè)高密度區(qū)域時(shí)，耗時(shí)0.2秒。
在高密度區(qū)域和分散區(qū)域間的邊界上的時(shí)間延遲被消除，樣品形成一個(gè)平的前表面。于是，分散區(qū)域?qū)е聵悠吩诜纸缇€重新形成前表面，從而使樣品的可檢測(cè)部分加寬。
本發(fā)明人證實(shí)，通過改變柱區(qū)域的柱直徑或柱密度可以調(diào)節(jié)遷移速度。當(dāng)采用減小柱密度時(shí)，樣品負(fù)荷量的均一性增加。
制造方法本發(fā)明人通過以下方法制造了分離部件的樣品。圖51A到51E顯示了該方法步驟。首先，本發(fā)明人制備了硅基質(zhì)201，并使其硅基質(zhì)201的主要表面產(chǎn)生氧化硅。如圖51A所示，氧化硅形成一層35納米厚的氧化硅層202。
將Calixarene電子束負(fù)性抗蝕劑涂布在氧化硅層202上，形成55納米厚的負(fù)性抗蝕層。用電子束在負(fù)性抗蝕層上寫入分離區(qū)域的圖象，以形成隱印圖象。在含有二甲苯的顯影劑中形成隱印圖象，然后，將所得結(jié)構(gòu)放在異丙基醇中漂洗。如圖51B所示，在氧化硅層上留下抗蝕掩膜204。
利用抗蝕掩膜204，通過活性離子蝕刻(RIE)技術(shù)使硅氧化層202被選擇性的除去。干蝕刻劑包括CF4和CHF3。氧化硅層202被制成圖案，從而使氧化硅掩膜202a如圖51C所示留在硅基質(zhì)202上。
通過利用含有丙酮、乙醇和水的有機(jī)去除劑除去抗蝕掩膜，產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)進(jìn)行等離子體氧化處理，硅基質(zhì)201如圖51D所示通過用電子回旋共振(ECR)蝕刻技術(shù)被有選擇的除去，該蝕刻劑包括HBr氣體和氧氣。
通過使用氫氟酸緩沖液(BHF)除去氧化硅掩膜202a，將得到的硅基質(zhì)201放到烤爐中，硅基質(zhì)201表面部分被熱氧化，從而使其表面如圖51E所示被一層氧化硅層209包被。于是，得到樣品。
本發(fā)明人通過電子顯微鏡觀察了該樣品，并拍了照，圖52顯示了該照片。在照片中可以看到很多柱，柱成喇叭形，測(cè)量的高度為370納米(見圖53)。柱的中間部分的直徑為136納米，底部為182納米，柱間的間隔為350納米，該路徑區(qū)域的寬度為2500納米，各個(gè)柱區(qū)域間的間隙為1000納米，分離通道是40毫米長(zhǎng)80微米寬，370納米深。
完成分離通道后的步驟本發(fā)明人繼續(xù)進(jìn)行制造樣品的過程，圖54A到54C和55A到55C顯示了制造過程的后面一部分。制造出分離通道后，用參考數(shù)字701標(biāo)記，該分離通道701在液體槽702和703之間如圖54A和55A所示那樣延伸。
制備出一個(gè)蓋片704，該蓋片704是由玻璃制成的，有洞705。蓋片704壓在基質(zhì)上，洞705分別和液體槽702/703相連。如圖54B和55B所示，蓋片704通過靜電學(xué)方法被固定在基質(zhì)上。
最后，制備出玻璃管706，該玻璃管的內(nèi)徑為3毫米，外徑為5毫米，長(zhǎng)為5毫米。玻璃管706與洞705相連，通過環(huán)氧樹脂結(jié)合在蓋片704上。將一個(gè)電泳樣品加速器安裝在分離部件中。
分離特征本發(fā)明人檢測(cè)了設(shè)備樣品。發(fā)明人通過玻璃管706向分離部件喂入含有0.09M Trisbolate+2mM EDTA的1×TBE緩沖液，接著，發(fā)明人從貯存罐向液體槽中注入含有2kbp DNA的緩沖液，發(fā)明人已經(jīng)事先用Molecular Probe公司生產(chǎn)的熒光染料YOYO-1處理DNA。
本發(fā)明人通過玻璃管將鉑絲插入到液體槽中，在鉑絲間施加60伏的電壓，然后，樣品開始通過電泳遷移。本發(fā)明人測(cè)量了遷移速度，更詳細(xì)的說，利用熒光顯微鏡，熒光的數(shù)量成千倍的增加，從而在Hamamatsu Photonics公司制造的圖象增強(qiáng)器上產(chǎn)生一個(gè)圖象，于是，單個(gè)的DNA分子在屏幕上產(chǎn)生印跡，從而能夠測(cè)量其遷移速度。本發(fā)明人通過電泳使2kbp的DNA反復(fù)遷移，測(cè)量其遷移速度的平均值。
本發(fā)明人更進(jìn)一步地通過電泳使5kbp和10kbp的DNA反復(fù)遷移，測(cè)量這些樣品遷移速度的平均值。更詳細(xì)的說，為了準(zhǔn)確地研究其統(tǒng)計(jì)學(xué)趨勢(shì)，本發(fā)明人制備了成百種5kbp的DNA分子和成百種10kbp的DNA分子，將這些DNA分子和2kbp的DNA分子一樣進(jìn)行處理，一樣測(cè)量其遷移速度。
本發(fā)明人描繪了遷移速度值的曲線圖，如圖56。10kbp的DNA分子的離差與5kbp的DNA分子的離差是不同的。從圖56中，發(fā)明人測(cè)量了遷移速度的平均值，10kbp的DNA分子的遷移速度是40微米/秒，5kbp的DNA分子的遷移速度是34微米/秒。
本發(fā)明人描繪了平均遷移速度的曲線圖，如圖56。從圖56中，我們可以看出，DNA分子的遷移速度隨著其大小的不同而不同，換句話說，分離部件在遷移通過分離通道過程中產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間延遲，時(shí)間延遲的值依賴于DNA分子的大小。于是，本發(fā)明人證實(shí)，通過本發(fā)明的設(shè)備能將樣品倍分離成大小不同的各組分。
在圖56中，5kbp的DNA分子與10kbp的DNA分子被廣泛分散，這證明本發(fā)明的設(shè)備有很高的分辨率。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員都知道，峰值的偏差按比例減小到1/N12，其中N表示被跟蹤分子(molecules to be traced)的數(shù)量，這就是“中值極限定理”。一般來說，通過電泳形成的帶含有成百上千個(gè)DNA分子，如107個(gè)DNA分子。如果將帶中的DNA分子進(jìn)行跟蹤，峰值的偏差將會(huì)被減小到1/1000001/2，如一百個(gè)DNA分子的偏差只有0.003。這就意味著峰值十分明顯，換句話說，本發(fā)明的分離設(shè)備達(dá)到一個(gè)高的分辨率。
本發(fā)明人精確的測(cè)量了峰值的保留時(shí)間，用的是含有10kbpDNA分子的緩沖液和含有5kbpDNA分子的緩沖液。10kbpDNA分子的保留時(shí)間是995秒，5kbpDNA分子的保留時(shí)間是1170秒(見表1)。于是，沿著樣品的分離通道遷移，不同大小的DNA分子被分開。
表1

本發(fā)明人比較了Agilent Technologies公司生產(chǎn)的生物分析器樣品的參數(shù)。該生物分析器有一個(gè)14毫米長(zhǎng)的分離通道，表2顯示了該生物分析器的主要參數(shù)。
表2

本發(fā)明人用上文描述的方法制造了分離通道為2.8毫米長(zhǎng)的另一個(gè)樣品。利用該樣品，本發(fā)明人分析了10kbp的DNA分子和5kbp的DNA分子，主要結(jié)果如表3。
表3

比較表2和表3，很明顯本發(fā)明的設(shè)備產(chǎn)生的延遲時(shí)間，即12秒比生物分析器產(chǎn)生的延遲時(shí)間，即2-4秒長(zhǎng)。而且，生物分析器進(jìn)行分離需要的分離通道為14毫米。另外，本發(fā)明的樣品需要的分離通道比生物分析器的分離通道短。當(dāng)?shù)扔诨虼笥?0kbp的DNA分子被分離而通過生物分析器時(shí)，其分離通道容易被大的DAN分子堵塞。但是，本發(fā)明的樣品能夠免除堵塞，因此，本發(fā)明的設(shè)備優(yōu)于在先的生物分析器。
通過上文的描述，我們可以知道，在微體群落中，如在本發(fā)明的設(shè)備中形成的分離路徑中的柱路徑中，形成大尺寸微觀結(jié)構(gòu)，如大尺寸分子，通過的路徑。大尺寸微觀結(jié)構(gòu)遷移通過路徑，小尺寸微觀結(jié)構(gòu)被柱路徑捕獲，于是樣品在分離部件中被分離成大小不同的組分，且沒有堵塞。
結(jié)論本發(fā)明人更進(jìn)一步研究了本發(fā)明的分離設(shè)備的分離特性。本發(fā)明人制造了一個(gè)分離設(shè)備樣品。樣品被制造成一個(gè)芯片，在芯片中形成分離通道，42毫米長(zhǎng)，80微米寬。在芯片中還形成一個(gè)進(jìn)料通道，18毫米長(zhǎng)，40微米寬。該進(jìn)料通道和分離通道交叉。
柱群落，即柱路徑在分離通道上形成。該柱路徑在分離通道上占據(jù)一定的區(qū)域，該區(qū)域從某一點(diǎn)延伸30微米，與分離通道和進(jìn)料通道的交叉點(diǎn)間隔5.6毫米。柱路徑如圖22那樣排列，該柱象壁，高0.4微米，長(zhǎng)3微米。每個(gè)路徑的柱間隔700納米，象一個(gè)梯子。相鄰的柱路徑間隔1200納米。通過電子束平板印刷和干蝕刻技術(shù)形成柱。
本發(fā)明人制備了三種不同大小的DNA分子，即2kbp、5kbp、10kbp，用熒光染料YOYO-1標(biāo)記上述三種DNA分子。這三種DNA分子的大小差異足夠大，能夠根據(jù)熒光的強(qiáng)度彼此區(qū)分。本發(fā)明人混合這三種DNA分子，以得到分離的樣品。
本發(fā)明人將樣品放入進(jìn)料通道的一端，在進(jìn)料通道的一端施加-50伏的電壓，在另一端施加+30伏的電壓。一部分樣品在交叉點(diǎn)進(jìn)入分離通道。因?yàn)樵诜蛛x通道的兩端施加了-40伏的電壓，因此該部分樣品就保持在交叉點(diǎn)處。接著，改變施加在進(jìn)料通道間的勢(shì)差0.5秒。然后，該部分樣品部分返回，于是該部分樣品的寬度減小。最后，本發(fā)明人在進(jìn)料通道的兩端施加-15伏的電壓，在分離通道接近交叉點(diǎn)的一端施加-10伏的電壓，在另一端施加0伏的電壓，該部分樣品就進(jìn)入分離通道。但是，其他部分的樣品不會(huì)從進(jìn)料通道被導(dǎo)入到分離通道。
該部分樣品遷移通過分離通道，在柱路徑中被分離成三條帶。發(fā)明人用熒光顯微鏡檢測(cè)了進(jìn)料通道和分離通道交叉點(diǎn)的下游1毫米處的熒光的數(shù)量，當(dāng)標(biāo)記了熒光染料的DNA分子在熒光燈的照射下被激發(fā)時(shí)，DNA分子產(chǎn)生熒光，熒光的數(shù)量取決于DNA分子的長(zhǎng)度。在熒光顯微鏡上安裝一個(gè)光多路轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器是H7467型，從Hamamatsu Photonics公司購得。在區(qū)域中的DNA分子帶的圖象會(huì)通過單向透視玻璃(half-mirror)分光。發(fā)明人直接觀察圖象，該圖象入射到光多路轉(zhuǎn)換器上。發(fā)明人用光多路轉(zhuǎn)換器測(cè)定熒光的數(shù)量，通過顯微鏡測(cè)量特定的帶。發(fā)明人描繪出了熒光強(qiáng)度曲線圖，如圖58。
圖58的坐標(biāo)軸的橫坐標(biāo)表示通過光多路轉(zhuǎn)換器測(cè)得的光子數(shù)量，橫坐標(biāo)表示時(shí)間。第一條帶大約在160秒內(nèi)到達(dá)熒光顯微鏡區(qū)域，光子量增加到13000以上。第二條帶大約在220秒內(nèi)到達(dá)熒光顯微鏡區(qū)域，光子量增加到9900。第三條帶大約在290秒內(nèi)到達(dá)熒光顯微鏡區(qū)域，光子量增加到10000。因此，熒光強(qiáng)度有三個(gè)峰值，在第一個(gè)峰值前的光子大約8600，在第一個(gè)峰值和第二個(gè)峰值間大約為9100，在第二個(gè)峰值和第三個(gè)峰值間大約為9000。第一條帶、第二條帶和第三條帶分別主要是由10kbp的DNA分子、5kbp的DNA分子和2kbp的DNA分子形成的。于是本發(fā)明人可以得出結(jié)論，本發(fā)明的分離設(shè)備具有高的分辨率。
本發(fā)明人基于試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算HETP(相當(dāng)于理論塔板的高度值)。HETP是一個(gè)表示分離設(shè)備分辨率的系數(shù)。高度值越低，分辨率就越高。用于分離生物多聚物的凝膠過濾柱僅能達(dá)到10-100微米。由Showa Denko有限公司制造的凝膠過濾柱“Ohpack SB-80系列”的HETP為25微米。由ShowaDenko有限公司制造的高分辨率柱“KF-40系列”的HETP也只能達(dá)到約10微米。而本發(fā)明的分離設(shè)備的HETP對(duì)于2kbp的DNA分子為4.85微米，對(duì)于0.81kbp的DNA分子為0.81微米。因此，本發(fā)明人證實(shí)了本發(fā)明的分離設(shè)備優(yōu)于市場(chǎng)上銷售的其他分離設(shè)備。
雖然本發(fā)明提供了具體的實(shí)施例，但是在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，各種改變和改進(jìn)對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說是顯而易見的，例如本發(fā)明的方法可以用于圖13所示的基質(zhì)上的柱陣列。
在以上描述的實(shí)施例和改進(jìn)方式中，其溝槽相當(dāng)于一個(gè)區(qū)域。微體是，比如，柱125或盤125A。模具106/106a或抗蝕掩膜107a/900a/204作為圖案轉(zhuǎn)移層。形成溝槽底部的底部表面相當(dāng)于一個(gè)區(qū)域或一個(gè)表面區(qū)域。遷移的方向和該區(qū)域縱向的方向一致。
權(quán)利要求
1.一種可以將樣品分離成不同大小微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)備，其中包含分離部件(110/801；20；550，550A；120/122；120/122A)，該分離部件包括允許所說的樣品被遷移的區(qū)域(112；20a；540；112A；112B；112C；121A；112F；112G；112J)和作為障礙物的微體(125；125A；506；712A)，該微體能阻礙所說的微觀結(jié)構(gòu)的遷移，以將樣品分離成不同大小的微觀結(jié)構(gòu)，其特征在于所說的微體(110；125；125A；506；712A)在所說的區(qū)域至少形成一個(gè)群落(121；121A；121B；121C；121D；121E；712；506)，并定義了捕獲小尺寸微觀結(jié)構(gòu)的迷宮，而該區(qū)域剩下的部分用作大尺寸微觀結(jié)構(gòu)通過的路徑(123；123A；123B；123C；123D；123E；123F；714)。
2.權(quán)利要求1中的設(shè)備，其中在所說的迷宮中定義了路徑，其寬度比所說的用于所述大尺寸微觀結(jié)構(gòu)通過的路徑(123；123A；123B；123C；123D；123E；123F；714)的寬度要窄。
3.權(quán)利要求1中的設(shè)備，在所說的區(qū)域中形成了另外一個(gè)微體群落(121；121A；121B；121C；121D；121E；712；506)，所說的至少一個(gè)微體群落和所說的另一個(gè)微體群落之間的間隙形成所說的用于大尺寸微觀結(jié)構(gòu)通過的路徑(123；123A；123B；123C；123D；123E；123F；714)的一部分。
4.權(quán)利要求3中的設(shè)備，其中在所述迷宮中形成路徑，其寬度比所說的用于大尺寸微觀結(jié)構(gòu)通過的路徑(123；123A；123B；123C；123D；123E；123F；714)的寬度要窄。
5.權(quán)利要求3中的設(shè)備，其中所說的路徑的所說部分(123D)指向的方向與所說區(qū)域縱向交叉。
6.權(quán)利要求1中的設(shè)備，其中在所說的至少一個(gè)群落(121)中的所說微體通過規(guī)則間距間隔排列。
7.權(quán)利要求1中的設(shè)備，其中在所說的至少一個(gè)群落(112B)中的所說微體的密度沿著樣品遷移的方向增大。
8.權(quán)利要求1中的設(shè)備，其中在所說的至少一個(gè)群落(112C)中的所說微體的密度沿著樣品遷移的方向減小。
9.權(quán)利要求1中的設(shè)備，其中在所說區(qū)域中進(jìn)一步形成了多個(gè)微體群落(712)，該多個(gè)微體群落(712)和所說的至少一個(gè)微體群落(712)形成至少兩個(gè)彼此間隔的大群落(713)，其間隙成為所說路徑的一部分。
10.權(quán)利要求9中的設(shè)備，其中選自所說的多個(gè)群落和所說的至少一個(gè)群落的相鄰兩個(gè)群落(712)間的間隙比所說的至少兩個(gè)大群落(713)間的間隙要窄，比選自所說的至少一個(gè)群落和所說的多個(gè)群落的相鄰兩個(gè)微觀結(jié)構(gòu)間的間隔要寬。
11.權(quán)利要求1中的設(shè)備，其中在所述迷宮中形成路徑，其寬度調(diào)整為1-10微米，用于從所說的樣品中分離細(xì)胞；調(diào)整為100-1000納米，用于從細(xì)胞溶質(zhì)中分離細(xì)胞膜的碎片和細(xì)胞器官；以及調(diào)整為1-100納米，以將破碎細(xì)胞的可溶組分分成含有DNA、RNA、蛋白質(zhì)和糖鏈的高分子量組分，和含有類固醇和葡萄糖的低分子量組分。
12.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所說的微體是從所述區(qū)域凸起的柱(110；125)。
13.權(quán)利要求12的設(shè)備，其中所說的柱(110；125)從其頂部到底部呈喇叭形擴(kuò)大。
14.權(quán)利要求12的設(shè)備，其中所說的柱(110；125)的形狀選自下列組圓柱體、橢圓柱體、錐體、橢圓錐體、三角錐體、棱柱體。
15.權(quán)利要求12的設(shè)備，其中所說的柱(110；110a；102b；125)分別有親水性表面部分(104)。
16.權(quán)利要求15的設(shè)備，所說表面部分內(nèi)所述柱(110；110a；102b；125)的核和所說的表面部分(104)分別是由某種材料和該材料的氧化物組成的。
17.權(quán)利要求16中的設(shè)備，其中所說的柱(110；110a)緊密排列，從而使所說的表面部分在所說的柱中的凹槽底部(110V)彼此快速地結(jié)合。
18.權(quán)利要求1中的設(shè)備，其中分離部件還包括限定一個(gè)與所說的區(qū)域的一端連接的進(jìn)料槽(102a/102b)的壁部分，和限定與所說的區(qū)域的另一端連接的回收槽(103a/103b)的壁部分，這樣，樣品從所說的進(jìn)料槽通過所說區(qū)域遷移到所述回收槽。
19.權(quán)利要求1中的設(shè)備，其中在所說的至少一個(gè)微體群落(711)的前方至少形成一排微體(710)，從而使樣品(709)在進(jìn)入所說的至少一個(gè)微體群落之前在該排微體中形成一條帶(709’)。
20.權(quán)利要求1中的設(shè)備，其中所說的分離部件還包括至少一個(gè)密度比所說的至少一個(gè)群落低的稀疏微觀結(jié)構(gòu)群落(601d)，所述至少一個(gè)稀疏群落位于所說的至少一個(gè)微體群落的前方，所以樣品在進(jìn)入所說的至少一個(gè)微體群落之前形成一條帶。
21.權(quán)利要求20的設(shè)備，其中所說的稀疏群落被所說的至少一個(gè)微體群落和另一個(gè)微體群落間的縫隙(602)所代替。
22.權(quán)利要求1中的設(shè)備，其中所說的區(qū)域是壁限定的溝槽(112B)的底部。
23.權(quán)利要求22中的設(shè)備，其中所說的壁(112H)是親水的。
24.權(quán)利要求22中的設(shè)備，其中所說的溝槽(112B)被一個(gè)蓋片(112A)關(guān)閉，所說的底部和所說的蓋片間的間隙比所說的微體的高度要小，因此，在所說的微體(125)和所說的蓋片(122A)間形成大尺寸微觀結(jié)構(gòu)通過的另一個(gè)路徑(123F)。
25.權(quán)利要求1中的設(shè)備，還包括一個(gè)樣品加速器(804；10；530A)，該加速器在樣品上施加壓力，從而使所說的樣品強(qiáng)制地遷移通過所說的區(qū)域。
26.權(quán)利要求25的設(shè)備，其中所說的樣品加速器(804A)包含一個(gè)位于所說區(qū)域一端的電極(804)，另一個(gè)電極(804)位于所說區(qū)域的另一端，在所說電極和另一電極之間施加勢(shì)差的偏振電壓以在所說區(qū)域產(chǎn)生電場(chǎng)。
27.權(quán)利要求25的設(shè)備，其中所說的樣品加速器(10)包含一個(gè)加壓部件(8)，該部件向所說區(qū)域的一端提供高壓的緩沖液，從而強(qiáng)迫所說的樣品和高壓緩沖液一起從所說區(qū)域的一端流向另一端。
28.權(quán)利要求25中的設(shè)備，其中所說的樣品加速器(530A)包括一個(gè)微體保持柱群落(503)，該群落位于所說的至少一個(gè)微體群落(506)和樣品進(jìn)料口(530a)之間，其密度比所說的至少一個(gè)微體群落(506)的密度大；一個(gè)定量微體群落(530b)，位于所說的保持柱和樣品進(jìn)料口之間，其密度比至少一個(gè)微體群落的密度??；一個(gè)保藏室(502)，位于所說的保持柱群落和所說的定量柱群落之間；一個(gè)微體引導(dǎo)柱群落(504)，位于保持柱群落和緩沖液進(jìn)料口(510)之間，其密度等于所說的至少一個(gè)柱的密度；保存空間(505/507)位于所說至少一個(gè)柱群落和所說的保持柱群落之間以及所說的保持柱群落和所說的引導(dǎo)柱群落之間。
29.一種制造分離設(shè)備的方法，包括如下步驟a)制備一個(gè)基質(zhì)結(jié)構(gòu)(110/105；110)；b)利用電子束平板印刷技術(shù)，從圖案轉(zhuǎn)移層(107a；900a；106；106a)轉(zhuǎn)移微體(110a；102b)的圖案到所說的基質(zhì)結(jié)構(gòu)表面，該微體作為阻止微觀結(jié)構(gòu)遷移的障礙物；c)完成所說的表面區(qū)域上所述圖案中的微體(110a；102b)；和d)完成分離通道，該通道占據(jù)含有所述表面區(qū)域的所說基質(zhì)結(jié)構(gòu)區(qū)域。
30.權(quán)利要求29的方法，其中圖案轉(zhuǎn)移層是抗蝕掩膜(107a；900a)。
31.權(quán)利要求30的方法，其中步驟b)包括以下分步驟b-1)在所說的基質(zhì)結(jié)構(gòu)上形成電子束抗蝕層(107；900)，b-2)利用電子束，在所說的電子束抗蝕層上產(chǎn)生所說圖案的隱印圖象，b-3)在所說的表面區(qū)域顯影所說的隱印圖象，以產(chǎn)生所說的抗蝕掩膜(107a；900a)，b-4)蝕刻沒有覆蓋所述抗蝕掩膜的所說基質(zhì)結(jié)構(gòu)的表面部分，以形成所說的微體，和b-5)除去所說基質(zhì)結(jié)構(gòu)的抗蝕掩膜。
32.權(quán)利要求29的方法，其中在c)步驟中所說的微體被氧化，因而所說微體的核心部分被親水性的氧化層(104)覆蓋。
33.權(quán)利要求29的方法，其中所說的微觀結(jié)構(gòu)形成至少一個(gè)群落，以便所說區(qū)域的其他部分作為大尺寸微觀結(jié)構(gòu)順利遷移通過的路徑。
34.權(quán)利要求29的方法，其中所述圖案轉(zhuǎn)移層是一個(gè)模具(106；106a)。
35.權(quán)利要求34的方法，其中步驟b)包括步驟b-1)在所說的基質(zhì)結(jié)構(gòu)上形成塑性可變形層(160)，b-2)將所說的模具(106)壓在所說的塑性可變形層上以形成一個(gè)圖案層(160a)，b-3)蝕刻沒有覆蓋所說圖案層的所說基質(zhì)結(jié)構(gòu)(160)的表面部分，以形成所說的微體，和b-4)從所述基質(zhì)結(jié)構(gòu)除去所說的圖案層(106a)。
36.權(quán)利要求34的方法，其中步驟b)包括以下分步驟b-1)在所說的基質(zhì)結(jié)構(gòu)上形成塑性可變形層(102a)，和b-2)將所說的模具(106a)壓在所說的塑性可變形層(102a)上以形成所說的微體(102b)。
全文摘要
一種用于將樣品分離成大小不同的微觀結(jié)構(gòu)的分離設(shè)備，該設(shè)備包括一個(gè)有分離通道的分離部件，該分離通道位于分離部件基質(zhì)上的溝槽中，在溝槽中形成間隔排列的柱路徑(121)，其寬度比柱路徑(121)間的間隙寬度要寬。當(dāng)樣品遷移通過分離通道時(shí)，小尺寸的DNA分子(S)被柱路徑(121)捕獲，大尺寸的DNA分子(L)順利地遷移通過寬的間隔；所以大尺寸的DNA分子(L)比小尺寸的DNA分子能更快地到達(dá)分離通道的末端，且沒有堵塞。
文檔編號(hào)B01L99/00GK1410155SQ0215148
公開日2003年4月16日 申請(qǐng)日期2002年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月3日
發(fā)明者飯?zhí)镆缓? 川浦久雄, 馬場(chǎng)雅和, 坂本利司, 佐野亨, 井口憲幸 申請(qǐng)人:日本電氣株式會(huì)社