專利名稱：有效生物電子裝置的疊層組件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及有效生物操作中所用的方法和裝置。本發(fā)明尤其涉及包含有效電極的裝置，所述電極特別適用于核酸的電泳遷移，及其雜交和分析。
本申請是1995年9月27日提交的申請序號為No.08/534,454，題為“有效可編程矩陣裝置所用的設備及方法”的部分繼續(xù)，而后者又是1994年9月9日提交的申請序號為No.08/304,657，目前已被授權，修訂題目為“帶多個電極的分子生物學診斷系統(tǒng)”的部分繼續(xù)，還是1994年7月7日提交的申請序號為No.08/271,882，目前已被授權，修訂題目為“電子精密控制分子生物學分析和診斷的方法”的部分繼續(xù)，也是1993年11月1提交的申請序號為No.08/146,504，目前已被授權，修訂題目為“分子生物學分析和診斷的有效可編程電子裝置”的部分繼續(xù)，以及1996年9月6日提交的申請序號為No.08/709,358，目前已被授權，題目為“有效生物學樣品制備所用的裝置和方法”的部分繼續(xù)；在此，它們均被作為參考文獻，即如這里所充分顯示的那樣。
分子生物學包括多種形式的核酸和蛋白分析技術。其中一些技術和方法構成臨床診斷檢測和實驗的基礎。這些技術包括核酸雜交分析、限制性酶分析、基因序列分析，以及核酸和蛋白的分離和純化(例如參見J.Sambrook，E.F.Fritsch，和T.Maniatis，分子克隆實驗室手冊22 Ed.，Colds pring Harbor LaboratoryPress，Cold Spring Harbor，紐約，1989)。
其中大多數方法都涉及對大量樣品進行數目繁多的操作(例如，移液、離心、電泳)。它們通常很復雜且耗時，并需要很高的精度。一些技術因為缺乏靈敏性、專用性或重現(xiàn)性而限制了它們的應用。例如，這些問題限制了核酸雜交分析中的一些診斷應用。
有必要詳細描述對遺傳性或感染性疾病進行DNA雜交分析的全過程。概括地說，可將這種全過程分成若干步驟和若干子步驟(參見

圖1)。診斷遺傳性疾病時，第一步需要獲得樣品(血樣或組織樣)。根據樣品的種類，進行各種預處理。第二步涉及破碎或溶解細胞，以釋放包含其它細胞成分的粗DNA材料。通常，需要幾個子步驟除去細胞碎片，并進一步純化粗DNA。在這一點上，存在幾種進一步處理和分析的觀點。一種觀點認為將純化的樣品DNA變性，然后用染色斑、微珠、微平板等幾種方法中的一種直接進行雜交分析。第二種觀點稱為“Southern斑點雜交”，采用限制性酶切斷DNA，用凝膠電泳分離DNA片段，在薄膜濾器上點樣，然后用特異性DNA探針序列與斑點雜交。該方法有效地降低了基因組DNA樣品的復雜性，因此有助于改善雜交特異性和靈敏性。不利的是該程序耗時且繁復。第三種觀點是采用聚合酶鏈反應(PCR)或其它擴增方法。相對于非目標序列，PCR法加大(增加)了目標DNA序列的數目。目標DNA的擴增有助于克服基因組DNA分析中，有關復雜性和靈敏性的問題。所有這些方法都是耗時，比較復雜，并且明顯增加了診斷檢測的成本。制備樣品和DNA處理過程之后，進行真正的雜交反應。最后，對雜交實驗進行檢測和數據分析，得到分析結果。
通常，把樣品制備和處理步驟從其它雜交、檢測和分析的主要步驟中分離出來，獨立操作。實際上，常把包括樣品制備和DNA處理的幾個子步驟作為獨立于其它子步驟的不連續(xù)操作單獨進行。更詳細地研究這些子步驟時，可以通過多種方法得到樣品，例如，獲得全血樣、組織或其它生物液體樣品。樣品為血樣時，處理樣品以除去血紅細胞，保留所需的白細胞。這一過程通常采用密度梯度離心來實現(xiàn)。然后對白細胞進行細胞破碎或溶解，以釋放DNA；最好采用聲學法、冷凍/干燥法、或添加胞溶試劑的方法。然后用離心步驟從細胞碎片中分離粗DNA。雜交前，使雙鏈DNA變性成為單鏈型。雙鏈DNA的變性通常包括加熱(＞Tm)、改變鹽濃度、加堿(NaOH)或加變性劑(脲、氯仿等)。操作者建議用電化學方法將DNA變性為單鏈型。理論陳述如下在電極表面，電子轉移給DNA，這有效地削弱了雙鏈結構，導致鏈分離。一般地參見公開于1992年3月18日的Stanley的英國專利申請UK.2,247,889，“DNA的電勢變性”。
核酸雜交分析通常涉及用大量探針DNA從相對地說為大量的非目標核酸復合物中檢測極少量特異性目標核酸(DNA或RNA)。樣品制備過程中降低DNA復雜性的子步驟可以用于檢測低復制數(即10,000到100,000)的目標核酸。通過多聚酶鏈反應(PCR)擴增目標核酸序列，在一定程度上克服了DNA復雜性。(參見M.A.Innis等，PCR方案方法和應用指南。Academic Press，1990)。而且，擴增會導致產生大量目標核酸序列，以改善隨后的探針直接雜交步驟，擴增過程冗長并且繁雜，該程序相對于其它子步驟一般必須獨立進行。因此進行擴增步驟需要較復雜和相對較大的設備。
真正的雜交反應是全過程最為重要的步驟和中心步驟。雜交步驟包括將制備好的DNA樣品與特異性報告探針接觸，在一系列優(yōu)選條件下與目標DNA序列雜交?？梢杂萌我环N方法進行雜交。例如，在多種濾膜和固體支撐模塊上進行多樣品核酸雜交分析(參見G.A.Beltz等的酶學方法，Vol.100，Part B，R.Wu，L.Grossman，K.Moldave，Eds.Aca demic Press，紐約，19章，266-308頁，1985年)。一種方法稱為“斑點印漬”雜交，涉及目標DNA非共價附著于濾膜，隨后用放射性同位素標記的探針雜交?！鞍唿c印漬”雜交得以廣泛應用，并形成若干成型方法(參見M.L.M.Anderson和B.D.Young，核酸雜交——實踐研究，B.D.Hames和S.J.Higgins，Eds.，IRL Press，華盛頓特區(qū)，73-111頁，1985年)?；蛲蛔兊亩嘀胤治?D.Nanibhushan和D.Rabin，EPA 0228075，1987年7月8日)、重疊克隆的檢測以及基因組圖譜的構建等方法已經成熟(G.A.Evans，美國專利號US.5,219,726，1993年6月15日)。
在微型多重裝置或矩陣裝置上(例如DNA芯片)進行多樣品核酸雜交分析的新技術已經成型(參見M.Barinaga，253科學，1489頁，1991年；W.Bains，10，生物/工程，757-758頁，1992年)。這些方法通常涉及將特異性DNA序列附著于固體支撐物的非常小的特異性區(qū)域，例如DNA芯片的微孔。這些雜交方法是傳統(tǒng)“斑點印漬”和“三明治”雜交系統(tǒng)的微量形式。
微量雜交可以用于“雜交測序”(SBH)(參見M.Barinaga，253，科學，1489頁，1991年；W.Bains，10，生物/工程，757-758頁，1992年)。SBH可以應用所有可能的n-核苷酸低聚物(n-mers)鑒定未知DNA樣品中的n-mers，隨后用算法分析校準，以確定DNA序列(R.D rmanac等，4，基因組，114，1989年；Strezoska等，88，美國國家科學進展10089，1992年；R.Drmanac和R.B.Crkven jakov，美國專利US.5,202,231，1993年4月13日)。
進行SBH有兩種方法。第一種方法為將所有可能的n-mers排列在支撐體上，然后用目標序列雜交。第二種方法為將目標序列附著于支撐體，然后用所有可能的n-mers作為探針分析。這兩種方式都存在與多重雜交有關的探針直接雜交和附加困難等基本問題。
Southern的英國專利申請GB8810400，1988；E.M.Southern等，13，基因組1008，1992，建議用第一種方式進行DNA分析和測序。Southern通過PCR擴增基因組DNA，鑒定了一種已知的單點突變。Southern同時描述了在固體支撐體上排列低聚核苷酸用于SBH的方法。然而，Southern沒有說明如何對每種低聚核苷酸獲得最佳排列的精確條件。
同時，Drmanac等，260科學1649-1652，1993，應用第二種方法對幾種短DNA序列(116bp)進行測序。將目標DNA附著于薄膜支撐物(“斑點印漬”法)。隨后用272標記的10-mer和11-mer低聚核苷酸對每種濾膜雜交。使用了較寬范圍的條件實現(xiàn)對每種n-mer探針的特異性雜交。清洗時間從5分鐘到整夜不等，溫度從0℃到16℃不等。大多數探針需要在16℃條件下清洗3小時。使濾膜露置2到18小時，以便檢測雜交信號。即使對單目標序列測序，減少低聚核苷酸探針，并使用最精確的條件，總假陽性雜交率仍為5％。
雜交檢測和分析有各種方法。當檢測和分析有賴于標記DNA探針的報告基團時，采用熒光分析、比色分析、或自動射線照相術進行分析。通過觀察和測量激發(fā)的輻射，例如熒光輻射或顆粒發(fā)射，獲得雜交信息。甚至當檢測方法本身具有高度靈敏性時，檢測雜交仍然很難，因為存在非特異性結合材料的背景。其他許多因素也降低了DNA雜交分析的靈敏性和選擇性。
在傳統(tǒng)的熒光檢測系統(tǒng)中，使一種波長的激發(fā)能量傳遞到重點區(qū)，然后檢測其他波長的能量。一般具有兩毫米或更大重點區(qū)的大規(guī)模系統(tǒng)已經得以應用，其中全系統(tǒng)的質量沒有因需要的光學元件的尺寸或將他們放置到光學上鄰近重點區(qū)所致的能力限制。然而，對于小的幾何體，例如低于2毫米的幾何體，尤其是約500微米或更小尺寸的重點區(qū)，傳統(tǒng)的熒光法證明不能夠應用。通常激發(fā)光元件和發(fā)射光元件必須緊鄰重點區(qū)。最好，聚焦的斑點尺寸相對地比較小，通常需要精密的光學設計。而且，因為通常期望檢測區(qū)域最大化，為達到這些目的，光學元件的尺寸與它們距重點區(qū)的距離相比，變得更為重要，某些情況下，甚至抵消了獲得的性能。
曾試圖將某些處理步驟或子步驟進行組合。例如，曾提議用各種微電腦系統(tǒng)在支撐材料上制備陣列的DNA探針。例如，Beattie等，1992年圣地亞哥會議基因識別，1992年11月，使用了一種微電腦系統(tǒng)，將含特異DNA序列的微滴，置于玻璃物質上各自獨立的微型裝配的樣品池中。
通常，現(xiàn)有技術的處理過程非常費力耗時。例如，PCR擴增過程就很耗時，并增加了診斷費用。多步驟處理時，需要在一個步驟中或兩個步驟之間有操作者參與操作，這并非很理想，因為增加了污染和操作失誤的可能。另外，使用多種儀器或復雜的電腦系統(tǒng)進行樣本處理時，考慮到需要的費用以及所需的物理空間，除非在最大型的實驗室，否則，一般地說是難以進行的。
從上述討論可以看出，已經進行了大量的努力，以提供多步驟、多重分子生物學反應的有效方法。然而，從上面陳述的原因看，這些技術僅僅是“零散”的，并且還很有限。各種這樣的研究并不容易組合起來，形成可以進行完全DNA診斷分析的系統(tǒng)。盡管長期以來一直認為需要這樣一種系統(tǒng)，仍沒有提出滿意的解決辦法。
本發(fā)明公開了用于生物學診斷的有效電子裝置中適用的組件和該組件的制造方法。在優(yōu)選實施例中，一種多層的疊層裝置至少包括第一平面樣品支撐，該第一平面樣品支撐帶有通孔；鄰近該第一平面樣品支撐的平面電極，該電極有貫穿區(qū)；帶有排氣通孔的第二平面支撐；所述平面電極在第一平面樣品支撐與第二平面支撐之間成疊層關系。進一步的特征在于所述樣品通孔、電極貫穿區(qū)和排氣通孔彼此重疊。在優(yōu)選實施例中，各平面支撐部件可由薄片狀材料制成，最好由比如DuPont(杜邦公司)的商標為KaptonTM的聚酰亞胺制成。平面支撐的首選厚度是在1-5密爾范圍。應將樣品支撐的材料選擇成具有與有效生物裝置的目標和目的相符的性質，例如表現(xiàn)出較低的DNA約束特性，有較低的固有熒光性，在酸性環(huán)境中相對地不活潑，以及是不導電的。
通過使用多層薄片可以形成堆疊結構或疊層結構。在一種具體實施例中，沿著朝向將要接納生物材料之表面的方向將一層或多層附加層置于平面樣品支撐的上方。類似地，可使多層結構或者疊層結構形成于第二平面支撐下方。所述各附加的疊層通常都將帶有通孔，它們最好都將與所保有的通孔或貫穿區(qū)對準。有益的是可按多次配置的方式形成多層結構或疊層結構。在一種具體實施例中，可將電極配置在相對于所述疊層裝置的樣品一側為不同深度處，以便做到電極與加于該裝置的樣品之間的位移距離不同。按照這種方式，這種不同的位移距離使各種功能——如關于同一裝置實現(xiàn)減少復雜性并進行實驗分析——得以最佳化。通過譬如采用在不同平面上的第一電極與第二電極之間配置插入平面支撐，可在不同的平面處形成各電極。
按照本發(fā)明的一個方面，第一平面樣品支撐的通孔的水平尺寸不同于第二平面支撐的排氣通孔的水平寬度。在一則實施例中，所述排氣通孔的水平尺寸大于所述樣品通孔的水平尺寸。最好在樣品通孔中以及至少在部分排氣通孔處帶有滲透層。本實施例的潛在優(yōu)點包括有利于平面電極處或其附近因與雜交反應不同范圍的各種反應所生氣體的排放，并且這種結構能夠固定樣品通孔、電極貫穿區(qū)內以及至少部分排氣通孔處所配置的滲透層。另一個實施例中的樣品通孔的水平尺寸大于排氣通孔的水平尺寸。平面電極至少有一部分透過樣品通孔而面向著外部。
按照本發(fā)明的另一方面，可使流體裝置形成于所述疊層結構上，或形成于其內，或形成于鄰近該疊層結構。例如可在所述疊層結構內帶有一個泵，如磁力驅動的微型泵。以此方式，可泵入流體或使流體移過所述系統(tǒng)。
按照本發(fā)明的又一方面，可利用小片彎曲電路技術，以便在與有效生物裝置接觸的操作過程中混成電子電路。另外可形成多級相互連接，比如可通過采用一層或多層之間的連接通路。按照本優(yōu)選實施例，可使這些通路穿過第二平面支撐而不穿過適于接納生物材料的最上面平面樣品支撐露在裝置的外面。
本發(fā)明的疊層電路結構及方法適于被用來形成有效生物裝置。能能使綜合地減少生物復雜性和診斷分析，以及具有反電極的裝置形成于一個單一的裝置中。
按照本發(fā)明的再一方面，可將多層的疊層化結構用于實現(xiàn)生物擴增過程，特別是聚合酶鏈反應(PCR)過程?？蛇x擇將一個或多個加熱器集成于疊層結構中，或者使之鄰近所述疊層結構，以幫助所述擴增過程。
因此，本發(fā)明的一個目的在于提供一種降低制造成本并實現(xiàn)小尺寸顯微定位的有效生物裝置。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種從一個顯微定位到另一顯微定位以及從一個裝置到另一裝置具有高度均勻電極的裝置。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種減少氣泡并減少熔蝕的有效生物裝置。
本發(fā)明的再一目的在于提供一種改善氣體排放、提高阻尼能力的有效生物裝置。
圖1A和1B表示有效可編程電子矩陣裝置，圖1A為其斷面圖，圖1B為其透視圖；圖2是包括沿面對樣品取向之電極的多層結構的斷面圖；圖3是多層結構的斷面圖，該多層結構的排氣通孔的水平尺寸比樣品通孔的水平尺寸大；圖4是多層結構的斷面圖，該多層結構的排氣通孔水平尺寸比樣品通孔的水平尺寸大；圖5是多層結構的斷面圖，該多層結構的樣品通孔的水平尺寸比排氣通孔的水平尺寸大，所述樣品通孔也比電極整個區(qū)域的水平尺寸大；圖6是多層結構的斷面圖，其中樣品通孔的水平尺寸比電極整個區(qū)域的水平尺寸及排氣通孔大；圖7是疊層化的多層結構斷面圖，該多層結構在離系統(tǒng)的樣品表面不同距離處有第一電極和第二電極；圖8是疊層的多層結構斷面圖，該多層結構包括集成化的驅動裝置，即一個泵；圖9是適于減少復雜性的電極圖樣及生物樣品的平面圖，圖中帶有包括回流電極；圖10是在同一平面內構圖的電極以及在同一平面內圍繞回流電極的3×3樣品陣列所用樣品支撐物的平面圖。
圖1A和1B示出本發(fā)明所用有效可編程電子矩陣雜交系統(tǒng)的簡要說明。一般地說，基板10支撐以電子學方法可尋址之顯微定位12的矩陣或陣列。為便于說明，圖1A中的各顯微定位被記為12A，12B，12C和12D。滲透層14位于每個電極12的上方。滲透層使較小的帶電組織能夠透過它，但限制較大帶電組織，如DNA的遷移，以保持較大帶電組織在試驗的持續(xù)期間易于直接與各電極12接觸。通過與電極12的接觸，滲透層14降低了將會在DNA中出現(xiàn)的電化學分解作用，部分可能性是由于電泳作用所引致的過度pH值的緣故。它進一步還用于使各電極對DNA較強的非特定吸收最小化。連接區(qū)16位于滲透層14上面，它對目標物質提供特定的約束位置。連接區(qū)16被疊層為16A，16B，16C和16D，它們分別與電極12A-D的標記相對應。
使用時，槽18包括連接區(qū)16上方的空間，它包含為檢測、分析或使用所需要的以及不需要的材料。使諸如荷電的DNA等荷電組織20被置于槽18內。按照本發(fā)明的一種情況，所述有效可編程矩陣系統(tǒng)包括使荷電物質20遷移到任何特定的顯微定位12處的手段。啟動時，顯微定位12產生任意荷電的官能化特定約束組織20向著電極12的自由場電泳遷移。例如，如果使電極12A為正，電極12D為負，則電泳電力線22將在電極12A與12D之間穿行。電泳電力線22引起凈帶負電荷的荷電約束組織20向正電極12A遷移。具有凈正電荷荷電物質20在電泳力作用下移向負的荷電電極12D。當凈負荷電約束組織20實際已經與連接層16A接觸，從而造成在電泳力作用下移動時，官能化的特定約束組織20成為以共價方式附于連接層16A上。
圖2是本發(fā)明一種具體實施例疊層結構30的斷面圖。電極32最好具有普通片狀或平面結構，至少電極32的中央部分是這樣的。電極32有上表面34和下表面36。電極貫穿區(qū)38位于電極32內。本優(yōu)選實施例中的電極貫穿區(qū)38是一個孔，也即電極32完全約束著電極貫穿區(qū)38。不過，并不需要使電極貫穿區(qū)38成為一個孔，只要能被電極32所約束或者部分被圍繞即可，或者可將其從所述的孔后退設置成為圓環(huán)。
平面支撐40最好由片狀材料制成。平面支撐40有上表面44和下表面46，此二表面通常是互相平行的。平面支撐40還包括一個至少由邊緣42所部分限定的通孔48，它也被稱為排氣通孔，通孔48適于使氣體容納于其中，以便從疊層結構30排出，所述氣體可能是來自比如在電極32處或其附近的電泳反應。
平面支撐50有下表面52和上表面54。再有，平面樣品支撐最好為片狀材料，其水平伸展明顯地大于該樣品支撐50的厚度，至少為10∶1倍。此平面樣品支撐50有一樣品通孔56，它最好是圍繞其周界為連續(xù)的。
電極32被層疊于或者夾在平面樣品支撐50與平面支撐40之間。理想的是使樣品通孔56、電極貫穿區(qū)38和排氣通孔48互相重疊，而且最好互相對準，基本上有同樣的形狀及水平寬度。所說水平寬度指的是沿圖2中雙頭箭號方向，即所述片狀平面內的尺寸。由平面樣品支撐50的內緣62以及電極32的上表面64限定一個凹槽58。平面樣品支撐50的內緣62最好在區(qū)域66處疊層，以便在電極32的上表面34與平面樣品支撐50的下表面52之間形成較好的密封。
作為選擇，可使一個或多個附加層疊層，或者換句話說添加于上述結構中。例如，可將附加的平面支撐層40a，40b和40c置于平面支撐40的下方。通孔40a′，40b′和40c′最好按與排氣通孔48重疊的關系布置，而且最好是與之對準。類似地，可使一個或多個附加的樣品支撐結構68位于，最好是疊置于平面樣品支撐50上。再建議一個樣品通孔70，其水平尺寸大于或等于樣品通孔56的水平尺寸。
至少在所述凹槽58內設置一滲透層。作為選擇，滲透層可以填滿滲透區(qū)60，所述滲透區(qū)60最好終止在最上面的樣品支撐68的上表面處，也可以將最上面的樣品支撐68稱作表層樣品支撐，它給出一個露出于樣品材料的表面。
所建議的有關結構的片性材料，如平面支撐40和平面樣品支撐50是聚酰亞胺。聚酰亞胺片的一個來源是DuPont(杜邦)在KaptonTM商標下賣的，它的片形材料一般在1-5密爾這樣薄的范圍。一般說來，在有液體存在的情況下，這些材料要有較低的膨脹(最好小于10％，小于5％更好，而小于2％尤好)，最好具有較低的固有熒光特性，這些材料在酸性環(huán)境(最好pH值為2，pH值為1更好)下實際上為惰性的，而且它們是電絕緣或不導電的。使用目前適用的比較薄的材料，如厚度為1密爾的片時，可以以1密爾寬的線和1密爾寬的間隙對其構圖。
如圖2所示，可將多個片疊層在一起，形成復合結構。在圖2的示例性結構中，平面支撐40和平面樣品支撐50的厚度為1密爾，平面支撐40a，40b和40c的厚度為5密爾，外部接觸層68的厚度為2密爾。一般地說，在上面(即向著適于接納樣品的疊層結構30的側面)使用多層樣品支撐50、68，可以構成凹槽58。如圖2所示，電極32在樣品支撐68上表面之下約5-6密爾的凹槽底部(見圖2中的相對箭號所示)。位于各個樣品支撐層之間的粘結劑增大了所述凹槽的深度，典型的是每層粘結劑大約1密爾。如圖2所示，整個疊層結構30的厚度約為25密爾(見圖2中相對指向的箭號)。厚度超過200密爾，或者有如2密爾那樣薄的疊層結構可以使用常規(guī)技術制作。
雖然聚酰亞胺是首選的材料，但其它材料滿足要求的一種或多種包括 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚四氟乙烯(PTEF-Teflon)、聚酯(Mylar)、聚苯乙烯、聚碳酸酯等材料。另外，為使所述多層或疊層結構30的特性最佳化，可將多層結構30的各層選自不同的材料。例如，可以建議最上面的樣品支撐68的外露表面選擇對生物材料有較低的附著力?？梢赃x擇支撐68具有固有的與生物材料較低的特定鍵聯(lián)，或者可使樣品支撐68的表面變成這種效果?？梢赃x擇一層或多層，特別是外部或接觸樣品支撐層68具有較高的反射率、較低的反射率(如全部用為黑材料或吸收材料)，具有所需的結構特征(如對于鍵聯(lián)目的和表面化學最佳特性的確定來說為較低的結構特征)，或者具有疏水性特性或親水性特性。最好各層樣品支撐、樣品支撐40和附加的樣品支撐68都是無孔的。一般地說，建議疊層結構30是不滲透液體，如水的。
可建議將電極32制成于薄片，比如圖2的聚酰亞胺薄片上，或與之成為一體。電極材料最好為貴金屬，尤以金為好。一般地說，建議沒有堿金屬暴露于電極32中，堿金屬將會有害地影響把生物材料，如DNA加給疊層結構30。如果存在生物材料，最好是考慮在材料中避開銅和鐵，考慮有少量的鉛和錫，或者至少應避免那些材料或它們的離子的暴露。電極30應當由一種通常為抗腐蝕的材料制成，并且為使泄漏電流最小或者避免泄漏電流，產生較少量的電泳，應使其結構是可與其它材料鍵聯(lián)的，是可粘附于其它材料上的，并有較高的電化學電壓，在這樣的電壓下，電極表面發(fā)射組分物質。其它可以想到的電極可由鎳鉻合金、鉑、鎳、不銹鋼或氧化銦錫(ITO)制成，其中在采用光學檢測時，特別是在孔口側，使用ITO是方便的。本優(yōu)選實施例中在采用聚酰亞胺時，首選的粘合劑是DuPont丙烯酸粘合劑或聚酯粘合劑。一般地說可以考慮所述粘合劑具有較低的擠出特性，以使在疊層過程中不會有過量的粘合劑比如在平面樣品支撐50的內緣62處流出，免得有預先不可想到的過量粘合劑留在電極32的上表面64上。一般地說，粘合劑的厚度在1密爾量級。
圖3是疊層結構30的斷面圖，其中電極70位于底側上，也即在樣品支撐72(或其它疊層支撐)上，面朝離開適于接納樣品的疊層結構30的一側。樣品通孔74和電極穿過區(qū)76最好具有相同的水平尺寸，并成重疊關系，最好成對準的關系。平面支撐78包括一排氣通孔80，此排氣通孔80與樣品通孔74及電極貫穿區(qū)76也成重疊關系，最好成共軸對準的關系。平面電極70在樣品支撐72與平面支撐78之間成疊層關系。
圖3示出存在滲透層或可滲透聚合物82，為了圖示更清晰，省略與圖2共同的全部描述。另外，探針84在可滲透聚合物82的樣品側位于疊層結構30的樣品一側之上。
圖4表示疊層結構30的斷面圖，此結構在平面支撐78的厚度方面與圖3不同。其實圖3中的平面支撐78比較厚，最少至少是2倍于，較好的是3倍于，最好大體上為5倍于樣品支撐72那樣厚，圖4的結構具有實質上等于樣品支撐72及平面支撐78A的厚度。
與樣品通孔74的容積相比，圖3和圖4的每一種疊層結構都包含容積比較大的排氣通孔80。排氣通孔80相對于樣品通孔74容積的測量尺寸最好被選擇為便于減少氣體起泡，并排放氣體。例如，取用2對1的容積比，4對1更好，而最好是6對1的比率。在圖3和圖4的實施例中，較大的排氣通孔80容積用于使可滲透聚合物或滲透層82穩(wěn)定于疊層結構30內。如果可滲透聚合物或滲透層82脹起地與液體接觸，則這一特點就尤其是有利的。另外，與不具有如此容積比例的結構相比，圖3和圖4的結構具有較大的阻尼能力。在圖3和圖4的結構中，可選擇由較厚、較硬的非片狀材料制成平面支撐78、78A。例如可將疊層結構30附加于其它的結構，如由丙烯酸、塑料、金屬等形成的模塑的氣流槽或其它結構。
圖5和圖6表示的實施例中，疊層結構30具有樣品通孔90，它寬于排氣通孔92的水平寬度。圖5中的電極94位于平面支撐96上，此平面支撐96具有與電極貫穿區(qū)100相同水平尺寸的排氣通孔98。圖5中排氣通孔92的水平尺寸比平面支撐96內的排氣通孔98及電極貫穿區(qū)100的水平尺寸大。圖6采用平面支撐102，它較厚于平面樣品支撐104，比如2倍厚于平面樣品支撐104。
圖7是疊層結構110的斷面圖，其中第一層電極112和第二層電極114離開該結構適于容納樣品的外表面116的距離不同。在圖7所示實施例中插入的平面支撐層118用作第一層電極112與第二層電極114之間的補償結構。所插入的平面支撐層118包括插入通孔120。最左側的插入通孔120位于疊層結構110的樣品一側上面，而在右手側上面的插入通孔120是作為排氣通孔而配置的。平面樣品支撐122位于鄰近所插入的平面支撐層118處并夾在第一層電極112中。第二平面支撐層124位于鄰近所插入的平面支撐層118處，它們之間插有第二層電極114。如前面各圖所示，探針126被配置于滲透層128上面或在其中，所述滲透層128至少充入樣品通孔區(qū)130，并在圖7的左手側的插入通孔120上面。
圖8是包含微型化結構142的疊層結構140的斷面圖，所述微型化結構142位于疊層結構140之上，或在其中，或者鄰近疊層結構140。圖8表示一流體泵144，它包括以配合關系所表示的齒輪傳動裝置146。該齒輪傳動裝置146以始終互相作用的旋轉力為基礎而轉動，所述旋轉力如加給被置于齒輪傳動裝置146內的磁鐵之振蕩磁場所提供的力。流體入口148和流體出口150給出一個與流體泵144相聯(lián)系的流體通道。相鄰層152和水平層154為齒輪傳動裝置146提供容器。流體入口148和流體出口150由支撐156與外層158形成的孔隙或者間隙所限定。雖然圖8這示出流體泵144，但也可采樣與本發(fā)明的目標和目的一致的其它微型化結構142。例如，其它微型化結構142可包括微型化機械、其它直線電機裝置、閥門、致動機構，或者其它微型流體部件。參見比如Dewa，Andy等人的“CIGA制作的自環(huán)管式齒輪泵的設計和實現(xiàn)(Design and Implementation of CIGA FabricatedSelf-Ringing In-Line Gear Pumps)”，Solid State Sensor andActuator Workshop，Hilton Heid，S.C.，6月2-6，1996年。
圖9表示關于一個包括減少復雜性和/或樣品處理區(qū)160、回流電極區(qū)162和試驗區(qū)164的裝置的電極或金屬化圖樣的平面圖。跡線166被表示成離開所述各區(qū)160、162、164，用于使外部與本裝置或其它電子器件連接。減少復雜性和/或樣品處理區(qū)160包括跡線166，這些跡線帶有圓形電極168，而圓形電極168具有電極貫穿區(qū)170?；亓麟姌O162由跡線166所連接。試驗區(qū)164的跡線166終結于展開之電極區(qū)172，并有電極貫穿區(qū)174。
圖10表示被回流電極圍繞的診斷試樣位置的3×3陣列平面圖。(被虛線所圍繞的)陣列180表示呈圓形形式并有電極貫穿區(qū)184的基本跡線182。平面樣品支撐位于電極跡線132上方，并由平面樣品支撐內緣186來表示。反電極188的直徑大于所述試樣位置，最好至少為2∶1；3∶1更好。圓形電極190的內緣終結于電極貫穿區(qū)192內?？梢赃x擇電極內緣終結于離開支撐的通孔區(qū)，成為環(huán)形形式，以致離開金屬與通孔間支撐的環(huán)形間隙。跡線194使圓形電極區(qū)182、190連到電子裝置或電子連接器(未示出)。按撓曲工藝選擇電路可有利于電子元件定位于疊層結構30上。
最好采用能夠高產率、低成本制作高質量器件的方法制成所述疊層結構?？梢酝ㄟ^任何與本發(fā)明的目的和目標相符的公知方法制成各種孔，如排氣通孔、樣品通孔和電極貫穿區(qū)。例如，微型鉆孔可以形成有如3-8密爾那樣小的孔，而激光鉆成的孔可以是像4密爾那樣小，或者光刻制圖所得的孔可以成為基本上是1密爾。一般地說，采樣現(xiàn)有技術，最薄的片能夠形成最小直徑的孔?？梢赃x用化學蝕刻從孔處除去碎屑。這種技術特別有利于激光鉆孔之后，以便減少或者除去此前剝落的材料。在把各電極成圖于所述支撐上并且加工各層之后，疊層結構或復合結構即被粘附在一起。通常希望只有很少或者沒有粘合劑的擠出物，以免露出的電極區(qū)域不均勻。按照一種具體的實施方式，先制成較大的孔，然后再通過激光打孔鉆出較小的孔。另外，可以先制成帶排氣通孔及各個孔的各支撐，然后再于放置粘合劑之前通過比如光學對準使之對準。
雖然為了清楚和理解之目的已通過圖示及舉例對前述發(fā)明作了一些詳細的描述，但很容易理解，對于那些熟悉本發(fā)明領域的普通技術人員而言，可以進行某些不脫離所附各權利要求之精髓和范圍的改變及變型。
權利要求
1.一種實行有效生物操作的裝置，包括至少帶有一個樣品通孔的第一平面樣品支撐；鄰近所述第一樣品支撐的平面電極，它有電極貫穿區(qū)；帶有排氣通孔的第二平面支撐；其特征在于，所述平面電極在所述第一樣品支撐與第二平面支撐之間呈疊層關系，并且樣品通孔、電極通孔和排氣通孔成重疊布置。
2.如權利要求1所述的實行有效生物操作的裝置，其中平面樣品支撐為聚酰亞胺的。
3.如權利要求1所述的實行有效生物操作的裝置，其中平面樣品支撐選自一組聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚四氟乙烯、聚酯薄膜樹脂、聚苯乙烯和聚碳酸酯。
4.如權利要求1所述的實行有效生物操作的裝置，其中平面樣品支撐的厚度實質上為從1密爾到5密爾。
5.如權利要求1所述的實行有效生物操作的裝置，其中所述電極為金的。
6.如權利要求5所述的實行有效生物操作的裝置，其中所述金為IIIA類金。
7.如權利要求1所述的實行有效生物操作的裝置，其中所述電極為鎳鉻合金的。
8.如權利要求1所述的實行有效生物操作的裝置，其中所述電極為不銹鋼的。
9.如權利要求1所述的實行有效生物操作的裝置，其中所述電極為鉑的。
10.如權利要求1所述的實行有效生物操作的裝置，其中所述電極為貴金屬的。
11.如權利要求1所述的實行有效生物操作的裝置，其中所述電極為鎳的。
12.如權利要求1所述的實行有效生物操作的裝置，其中所述電極為氧化銦錫電極。
13.如權利要求1所述的裝置，其中所述排氣通孔的水平尺寸比樣品通孔的水平尺寸大。
14.如權利要求13所述的實行有效生物操作的裝置，其中所述排氣通孔的水平寬度至少為樣品通孔的水平寬度的兩倍。
15.如權利要求14所述的實行有效生物操作的裝置，其中所述排氣通孔的水平寬度至少為樣品通孔的水平寬度的三倍。
16.如權利要求13所述的裝置，其中還包括位于樣品通孔、電極貫穿區(qū)和至少部分排氣通孔內的滲透層。
17.如權利要求1所述的實行有效生物操作的裝置，其中所述樣品通孔的水平寬度大于排氣通孔的水平寬度。
18.如權利要求1所述的實行有效生物操作的裝置，其中還包括外部樣品支撐。
19.如權利要求1或18所述的實行有效生物操作的裝置，其中還包括位于鄰近第二平面支撐的平面支撐。
20.如權利要求1或18所述的實行有效生物操作的裝置，其中所述樣品支撐具有較低的反射率。
21.如權利要求1或18所述的實行有效生物操作的裝置，其中所述樣品支撐具有較低的熒光性。
22.如權利要求1或18所述的實行有效生物操作的裝置，其中所述樣品支撐具有疏水性。
23.如權利要求1或18所述的實行有效生物操作的裝置，其中所述樣品支撐具有親水性。
24.如權利要求1所述的裝置，其中還包括雜交電路。
25.如權利要求24所述的實行有效生物操作的裝置，其中雜交電路采用小片撓曲電路。
26.如權利要求1所述的實行有效生物操作的裝置，其中利用激光鉆孔形成所述電極貫穿區(qū)。
27.如權利要求1所述的實行有效生物操作的裝置，其中所述電極貫穿區(qū)經受化學蝕刻。
28.如權利要求1所述的實行有效生物操作的裝置，其中所述平面電極包括跡線部分。
29.一種實行有效生物操作的疊層裝置，包括至少帶有一個樣品通孔的第一平面樣品支撐，該第一樣品通孔具有第一水平尺寸；鄰近所述第一平面樣品支撐的平面電極，它有電極貫穿區(qū)；帶有排氣通孔的第二平面支撐，該排氣通孔具有一種水平尺寸；其特征在于，所述平面電極在所述第一平面樣品支撐與第二平面支撐之間呈疊層關系，并且樣品通孔、電極通孔和排氣通孔成重疊布置，而且所述樣品通孔的水平尺寸與所述排氣通孔的水平尺寸不同。
30.如權利要求29所述的實行有效生物操作的疊層裝置，其中所述樣品通孔的水平尺寸比排氣通孔的水平尺寸大。
31.如權利要求30所述的疊層裝置，其中將所述平面電極安置成朝向適于接納樣品的滲透層。
32.如權利要求29所述的實行有效生物操作的疊層裝置，其中所述樣品通孔的水平尺寸小于排氣通孔的水平尺寸。
33.如權利要求32所述的實行有效生物操作的疊層裝置，其中還包括位于樣品通孔、電極貫穿區(qū)和至少部分排氣通孔內的滲透層，從而給出一個部分在所述電極之下部分并在所述排氣區(qū)內的滲透層。
34.一種在樣品上實行有效生物操作的多層裝置，所述裝置適于在該裝置的樣品表面接納樣品，它包括至少帶有一個樣品通孔的第一平面樣品支撐；鄰近所述第一平面樣品支撐的第一平面電極，它有電極貫穿區(qū)，該第一平面電極位于離開所述樣品表面第一距離處；第二平面電極，它有電極貫穿區(qū)，該第二平面電極位于離開樣品表面比第一平面電極離開樣品表面大的距離處；一個插入的平面支撐層用來支撐所述第二平面電極。
35.如權利要求34所述的實行有效生物操作的多層裝置，其中所述第一平面電極和第二平面電極被置于鄰近所述插入平面支撐的相對的表面處。
36.一種實行流體操作的多層疊層裝置，其中包括外部支撐層；按與所述外部支撐層成疊層關系設置的相鄰層；按與所述相鄰層成疊層關系設置的第二支撐層；包含于所述疊層裝置中的微型化結構。
37.如權利要求36所述的實行流體操作的裝置，其中所述微型化結構是流體泵。
38.如權利要求37所述的實行流體操作的裝置，其中所述流體泵是以磁方式驅動的泵。
39.如權利要求38所述的實行流體操作的裝置，其中所述以磁方式驅動的泵是一個配合的齒輪傳動泵。
40.如權利要求37所述的實行流體操作的裝置，其中還包括對所述流體泵的流體輸入口。
41.如權利要求40所述的實行流體操作的裝置，其中所述流體輸入口由所述外部支撐與相鄰層之間的間隙限定。
42.如權利要求40所述的裝置，其中還包括對所述流體泵的流體輸出口。
全文摘要
實行有效生物操作所用的裝置及制造方法采用疊層結構(30,110)。在優(yōu)選實施例中,第一平面樣品支撐(50,72,104,122)包括至少一個樣品通孔(56,74,90);平面電極(32,70,94,112,114)被置于鄰近第一平面樣品支撐(50,72,104,122)處,并有電極貫穿區(qū)(38,76);第二平面支撐(40,78,96,102,124)帶有排氣通孔(48,80,92,98);所述平面電極(32,70,94,112,114成疊層關系位于第一平面樣品支撐(50,72,104,122)與第二平面支撐(40,78,96,102,124)之間。進一步的特征在于樣品通孔(56,74,90)、電極通孔(38,76)和排氣通孔(48,80,92,98)成重疊布置。最好是一些通孔、貫穿區(qū)和排氣通孔或者是它們的全部為對準的。在另一實施例中,樣品通孔的水平尺寸大于排氣通孔的水平尺寸。在優(yōu)選實施例中,樣品支撐和平面支撐均由片狀材料制成,最好由聚酰亞胺制成,其厚度實質上為1密爾到5密爾。電極最好選自貴金屬,特別是金。各孔或者貫穿區(qū)最好都通過激光鉆孔形成,最好還伴隨以化學蝕刻。借助互相聯(lián)系給出穿過多個支撐的導電通路,還有助于采用雜交電路,特別是小片撓曲電路。
文檔編號C07K1/04GK1268905SQ9718130
公開日2000年10月4日 申請日期1997年11月26日 優(yōu)先權日1996年12月4日
發(fā)明者唐納德·E·阿克利, 托馬斯·R·杰克遜, 愛德華·L·謝爾登·Ⅲ 申請人:內諾金有限公司