專利名稱：可單獨選通的平面結(jié)構(gòu)的微電磁單元陣列芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用微機械加工技術(shù)制作的、利用磁場力進行化學、生物或生物化學反應(yīng)和分析的生物芯片以及使用這類生物芯片進行化學、生物或生物化學反應(yīng)和分析的方法。
背景技術(shù)：
生物芯片技術(shù)是近年來生命科學和生物醫(yī)學研究領(lǐng)域的一項新興技術(shù)，在生物學、生物技術(shù)和生物醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，例如點突變檢測、DNA測序、基因表達分析、藥物篩選和臨床診斷。生物芯片是一類可以用于化學或是生物反應(yīng)的微縮化器件，利用半導(dǎo)體工業(yè)的微電子和微加工技術(shù)和其它相似關(guān)術(shù)制作，可以將現(xiàn)有的分立的化學或是生物化學分析過程和器件集成并簡化到基于微芯片的裝置中?，F(xiàn)在大量的科技論文都涉及到這類裝置。
通過下列文章，可以看到生物芯片的廣泛用途?！癛apid determination ofsingle base mismatch mutation in DNA hybrids by direct electric fieldcontrol”，Sosnowski，R.G.等(Proceedings of the National Academy ofSciences，USA，941119-1123，1997)，“Large-scale identification，mapping and genotyping of single-nucleotide polymorphisms in the humangenome”，Wang，D.G.等(Science，2801077-1082，1998)介紹了生物芯片在點突變檢測上的應(yīng)用；“Accurate sequencing by hybridization forDNA diagnostics and individual genomics”，Dumanac，S.等(NatureBiotechnology，1654-58，1998)，“Quantitative phenotypic analysis ofyeast mutants using a highly parallel molecular bar-coding strategy”，Shoemake r，D.D.等(Nature Genetics，14450-456，1996)，以及“Accessing genetic information with high density DNA arrays.”，Chee，M.等(Science，274610-614，1996)介紹了生物芯片技術(shù)在DNA測序方面的應(yīng)用；生物芯片在基因表達監(jiān)控上的應(yīng)用可在下列文章中看到“Genome-wide expression monitoring in Saccharomyces cerevisiae.”，Wodicka，L.等(Nature Biotechnology，151359-1367，1997)，“Genomicsand human disease-variations on variation.”，Brown，P.O.，Hartwell，L.，“Towards Arabidopsis genome analysismonitoring expression profilesof 1400 genes using cDNA microarrays.”，Ruan，Y等(The Plant Journal15821-833，1998)；“Selecting effective antisense reagents oncombinatorial oligonucleotide arrays.”，Milner，N.等(NatureBiotechnology，15537-541，1997)，“Drug target validation andidentification of secondary drug target effects using DNA microarray.”，Marton，M.J.等(Nature Medicine，41293-1301，1998)介紹了生物芯片在藥物篩選方面的應(yīng)用?！癈ystic fibrosis mutation detection by hybridizationto light-generated DNA probe arrays.”，Cronin，M.T等(Human Mutation，7244-255，1996)，“Polypyrrole DNA chip on a silicon deviceExample ofhepatitis C virus genotyping.”，Livache，T.等(Analytical Biochemistry.255188-194，1998)介紹了生物芯片在臨床診斷中的應(yīng)用。由上可以看到生物芯片的廣泛應(yīng)用。
有一類生物芯片是通過將生物分子(例如，寡核苷酸、cDNA和抗體)固定在芯片表面制成的。有許多種方法可以用于制作這類生物芯片。例如Affymetrix公司(見美國專利5,445,934和5,856,174)研制了一種通過光引導(dǎo)化學合成制作生物芯片的方法，芯片表面的生物分子是通過照相平板印刷技術(shù)通過固相光化學合成的方法合成的。Incyte Pharmaceutical公司(見美國專利5,874,554)發(fā)明了一種噴射方式制作生物芯片的方法，預(yù)先制備的cDNA通過直接噴射的方式定位在芯片的表面。Stanford大學發(fā)明的接觸式點樣方法是通過高速、高精度的機械臂帶動樣品分配頭與芯片直接接觸從而將樣品排布在芯片的表面(見Schena，M.et al.Science 270467-70(1995))。位于西雅圖(Seattle)的Washington大學發(fā)明了一種單核苷酸探針合成方法用于生物芯片的制作，四個不同的壓電分配頭分別裝入四種不同的核苷酸，通過控制這些壓電分配頭以一定的順序分配不同的核苷酸，從而實現(xiàn)在芯片表面自動合成寡核苷酸(見Blanchard，A.P.et al.Biosensors &Bioelectronics 11687-90(1996))。Hyseq公司已經(jīng)開發(fā)出用于基因組測序的被動式薄膜裝置(見美國專利5,695,940和5,525,464)。
生物芯片主要分為兩大類主動式和被動式。被動式生物芯片是指那些芯片上發(fā)生的化學或是生物化學反應(yīng)是通過樣品分子的被動擴散實現(xiàn)的。而在主動式生物芯片中，反應(yīng)物可以被外加作用力輸運和富集，這樣反應(yīng)就在反應(yīng)物本身的擴散和其上所受的外加作用力的共同作用下進行?，F(xiàn)在絕大多數(shù)可獲得的生物芯片，例如來自Affymetrix公司的寡核苷酸DNA芯片和來自Incyte Pharmaceutical公司的cDNA芯片都屬于被動式生物芯片的范疇。主動式和被動式生物芯片在結(jié)構(gòu)上非常相似，都要在芯片上固定由不同配基構(gòu)成的陣列。通過使用不同的標記、可檢測的標記、檢測系統(tǒng)和指示分子(例如熒光染料分子)，配基和相應(yīng)的分子之間的反應(yīng)可以得以定性或是定量的檢測。這樣，含有由多種固定配基組成的陣列的生物芯片可以同時進行多種物質(zhì)的檢測。
現(xiàn)有的許多被動式生物芯片的設(shè)計并沒有充分應(yīng)用微加工和微電子技術(shù)。而且被動式生物芯片并不適宜集成進可以實現(xiàn)從最初的樣品制備到最終的分子檢測的微全分析系統(tǒng)中。此外，被動式生物芯片還存在著其它缺點，例如分析靈敏度仍然不夠高、反應(yīng)時間較長、難以實現(xiàn)對芯片表面的單個區(qū)域(可以稱為單元)的溫度、壓力、電場和分子濃度進行有效的控制等等。
相反，主動式生物芯片通過對反應(yīng)物施加外部作用力進行微流體操縱或是電操縱，實現(xiàn)對分子的操縱、反應(yīng)(例如PCR)、雜交和分離(例如毛細管電泳)。但是同時，許多這樣的主動式生物芯片又不具有高通量的并行處理能力。Nanogen公司研制的電子生物芯片可以通過微電極產(chǎn)生的電場操縱和控制樣品生物分子，和被動式生物芯片相比，顯著的提高了反應(yīng)速度和檢測的靈敏度(見美國專利5,605,662、5,632,957和5,849,486)。但是為了在溶液或是懸濁液中利用電場有效的移動生物分子，溶液的電導(dǎo)率必須比較低，這極大的限制了生物化學分析緩沖液的選擇，許多酶和其它生物分子在這樣的低離子強度環(huán)境中容易變性，且容易與芯片表面發(fā)生非特異的吸附。
本發(fā)明給出了一種新的主動式生物芯片的設(shè)計，其中外加作用力為磁力，是由芯片上可單獨選通的單元陣列產(chǎn)生的。在這種設(shè)計中，磁力可以用于控制和操縱磁修飾的分子或是顆粒，從而促進芯片表面的分子相互作用。磁力已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于生物、化學和生物化學領(lǐng)域。例如，在磁力細胞分選的方法中，表面包被了針對特異細胞的抗體的磁性顆?？梢栽诩毎旌弦褐刑禺惖呐c對應(yīng)的細胞結(jié)合，結(jié)合后，細胞—磁性顆粒復(fù)合物可以在磁力作用下進行選擇性的輸運，從而實現(xiàn)磁力的分選(見Miltenyi，S.et al.AHighgradient magnetic cell-separation with MACS(Cytometry 11231-236(1990))。此外，在美國專利5,439,586給出了一種三維的磁力過濾器的設(shè)計，可以用于在流體中分離磁性顆粒和非磁性顆粒，美國專利5,655,665給出了一種微機械磁性顆粒分離器的設(shè)計，可以用于微流體磁分離。


圖1是本發(fā)明中的微電磁單元陣列芯片的結(jié)構(gòu)圖，圖中所畫的電磁單元雖然是立體結(jié)構(gòu)，但是電磁單元也可以僅僅制成平面結(jié)構(gòu)；圖2顯示本發(fā)明中的微電磁單元陣列芯片中被選通施加電信號的單元吸引磁性物質(zhì)的現(xiàn)象，圖中所畫的電磁單元雖然是立體結(jié)構(gòu)，但是電磁單元也可以僅僅制成平面結(jié)構(gòu)；圖3是本發(fā)明中的微電磁單元陣列芯片的結(jié)構(gòu)圖，圖中所畫的電磁單元雖然是立體結(jié)構(gòu)，但是電磁單元也可以僅僅制成平面結(jié)構(gòu)；圖4是圖5所示芯片的截面圖，圖中所畫的電磁單元雖然是立體結(jié)構(gòu)，但是電磁單元也可以僅僅制成平面結(jié)構(gòu)；圖5是本發(fā)明中的微電磁單元陣列芯片的結(jié)構(gòu)圖，其中可單點選通的微電磁單元構(gòu)成一個方陣，圖中給出的是俯視圖。圖中所畫的電磁單元雖然是立體結(jié)構(gòu)，但是電磁單元也可以僅僅制成平面結(jié)構(gòu)；圖6是本發(fā)明中的微電磁單元的結(jié)構(gòu)圖，單元的選通是通過施加電流從而感生出磁場實現(xiàn)的(例如，施加電流后，磁芯被磁化，產(chǎn)生磁場)，圖中所畫的電磁單元雖然是立體結(jié)構(gòu)，但是電磁單元也可以僅僅制成平面結(jié)構(gòu)；圖7是本發(fā)明中用來形成環(huán)繞鐵芯的微型線圈的第一組導(dǎo)線的示意圖，圖中所畫的雖然是立體結(jié)構(gòu)，但是電磁單元也可以僅僅制成平面結(jié)構(gòu)；圖8是本發(fā)明中用來形成環(huán)繞鐵芯的微型線圈的第二組導(dǎo)線的示意圖，圖中所畫的雖然是立體結(jié)構(gòu)，但是電磁單元也可以僅僅制成平面結(jié)構(gòu)；圖9是本發(fā)明中用來形成環(huán)繞鐵芯的微型線圈的第三組導(dǎo)線的示意圖，圖中所畫的雖然是立體結(jié)構(gòu)，但是電磁單元也可以僅僅制成平面結(jié)構(gòu)；圖10是通過電開關(guān)對每一個微電磁單元進行單獨選通的原理圖，每個單元是通過兩個串聯(lián)的電開關(guān)與電源及地線相連接的，這兩個電開關(guān)的通斷是通過施加在行列導(dǎo)線上的電信號來控制的，圖中所畫的雖然是立體結(jié)構(gòu)，但是電磁單元也可以僅僅制成平面結(jié)構(gòu)；圖11A所示電子開關(guān)可以是一個雙極晶體管，圖中所畫的雖然是立體結(jié)構(gòu)，但是電磁單元也可以僅僅制成平面結(jié)構(gòu)；圖11B所示電子開關(guān)可以是一個金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)，圖中所畫的雖然是立體結(jié)構(gòu)，但是電磁單元也可以僅僅制成平面結(jié)構(gòu)；圖11C是本發(fā)明所使用的液晶顯示技術(shù)中的電路圖；圖12是當前所發(fā)明的生物芯片在安裝上一個流體池和一個用于光學檢測的窗口后的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中所畫的雖然是立體結(jié)構(gòu)，但是電磁單元也可以僅僅制成平面結(jié)構(gòu)；圖13簡要表示了通過可切割化學連接臂對配基或靶樣分子進行磁修飾，圖中所畫的雖然是立體結(jié)構(gòu)，但是電磁單元也可以僅僅制成平面結(jié)構(gòu)；圖14A是本發(fā)明中平面結(jié)構(gòu)的電磁單元的俯視圖，圖中是磁芯(100)和線圈(110)；圖14B、圖14C和圖14D分別是本發(fā)明的微電磁單元的照片；圖15是磁芯在豎直方向200微米×200微米平面內(nèi)的磁場的對數(shù)等值圖，圖的坐標從磁芯的中心開始算起，磁芯地尺寸為200微米×200微米×5微米；圖16是和圖15在一個平面內(nèi)的磁場力的對數(shù)圖；圖17是具有16個水平單元的1厘米×1厘米大小的芯片圖；圖18則是圖17上制作有16塊芯片的硅片圖；圖19A是圖14A中沿著A-A方向的截面圖，圖19B是圖14A中沿著B-B方向的截面圖，圖中是磁芯(100)、線圈(110)、絕緣物質(zhì)(120)、涂層(130)和導(dǎo)體物質(zhì)(140)；圖20是本發(fā)明的電磁單元中的MR頭的校準曲線，圖21是尺寸為400×50×5的磁芯的場強-距離圖；圖22是尺寸為400×50×5的磁芯的場強-電流圖；圖23是尺寸為1600×50×5的磁芯上施加20毫安的電流，然后突然撤去電流這一過程的剩磁曲線；圖23中的右圖是器件上施加20毫安電流，然后將電流的幅值按照正弦方式進行衰減，直至降到零這一過程的剩磁曲線；圖24A和圖24B是本發(fā)明芯片的兩種設(shè)計圖，圖24A是一塊具有16個可單獨選通的電磁單元的芯片，圖24B具有兩組各8個可單獨選通的電磁單元，圖24B中的芯片是本發(fā)明磁力行波的首選結(jié)構(gòu)；
圖25是本發(fā)明中制有多個芯片的硅片的圖，其中硅片的尺寸一般為3英寸；圖26是本發(fā)明的一個制作在芯片表面的槽中的具有錐形磁芯末端結(jié)構(gòu)的水平單元的結(jié)構(gòu)圖；圖27給出了多種磁芯末端(160)和槽(150)的結(jié)構(gòu)圖；圖28是連接在磁性微粒上的靶分子；圖29為用磁分配器對包含配基分子和磁性微粒的冷凍微粒進行拾取的示意圖；圖30為將圖29中的冷凍微粒釋放到本發(fā)明中的生物芯片表面的示意圖；圖中所畫的雖然是立體結(jié)構(gòu)，但是電磁單元也可以僅僅制成平面結(jié)構(gòu)；圖31表示將圖30中包含配基分子和磁性微粒的冷凍微粒融化；圖中所畫的雖然是立體結(jié)構(gòu)，但是電磁單元也可以僅僅制成平面結(jié)構(gòu)；圖32表示將圖31中的磁性微粒與配基分子分離；圖中所畫的雖然是立體結(jié)構(gòu)，但是電磁單元也可以僅僅制成平面結(jié)構(gòu)；圖33表示經(jīng)過磁性修飾的靶樣分子在所發(fā)明生物芯片表面作隨機運動；圖中所畫的雖然是立體結(jié)構(gòu)，但是電磁單元也可以僅僅制成平面結(jié)構(gòu)；圖34示意按一定方式流過電磁芯片上多根導(dǎo)線以激勵一組微電磁單元(即使一組磁芯磁化)的電流流動方式示意圖；圖中所畫的雖然是立體結(jié)構(gòu)，但是電磁單元也可以僅僅制成平面結(jié)構(gòu)；圖35表示流過電磁芯片導(dǎo)線的另一種不同的電流模式，該電流流動方式可以激勵圖34所示的電流流動方式所不能激勵的微電磁單元；圖中所畫的雖然是立體結(jié)構(gòu)，但是電磁單元也可以僅僅制成平面結(jié)構(gòu)；圖36表示將經(jīng)過磁性修飾后的靶樣分子和固定在芯片上的配基結(jié)合后，從而固定在電磁芯片表面；圖中所畫的雖然是立體結(jié)構(gòu)，但是電磁單元也可以僅僅制成平面結(jié)構(gòu)；圖37為靶樣分子與本發(fā)明中生物芯片表面的配基發(fā)生反應(yīng)后將磁性微粒從靶樣分子上切除的原理示意圖；圖中所畫的雖然是立體結(jié)構(gòu)，但是電磁單元也可以僅僅制成平面結(jié)構(gòu)；
圖38中使用本發(fā)明的帶有微電磁單元(190)的行波磁泳器件(170)對磁性微粒(180)進行行波磁泳；圖38A、圖38B和圖38C顯示了在微電磁單元選通和關(guān)閉時磁性微粒沿著磁力行波運動的狀況；圖39給出了本發(fā)明行波磁泳中使用的微粒開關(guān)圖；圖39A是開關(guān)(200)；圖39B是產(chǎn)生磁力行波的直流電；圖39C是產(chǎn)生磁力行波的交流電；圖39D是產(chǎn)生磁力行波的正弦交流電；圖40是本發(fā)明檢測細胞(例如淋巴細胞)分布的方法，首選的方法是細胞磁泳；發(fā)明概要本發(fā)明認識到，為了實現(xiàn)生物、化學、機械和物理過程或是操作的自動化和微型化，必須要能夠有效的操縱生物分子或是顆粒等實體分子。特別的，能夠特異和精確的控制實體分子位置的方法在需要檢測實體分子或是實體分子上結(jié)合的物質(zhì)的場合非常有用。
本發(fā)明設(shè)計了一種電磁生物芯片，芯片上有可單點選通的微電磁電極單元，這些單元組成一個或是多個陣列。一塊電磁生物芯片上可以具有一個或是多個微電磁單元陣列。每個單元可以單獨施加電信號從而產(chǎn)生磁場。每個單元產(chǎn)生的磁場可以被單獨選通或是關(guān)閉，磁場的強度和相位也可以根據(jù)單元上所施加的交變電流進行調(diào)節(jié)。芯片表面產(chǎn)生的磁場可以用于操縱具有磁性的物質(zhì)，包括磁性顆粒、生物分子、細胞、其他顆粒或是這些物質(zhì)與磁性顆粒組成的復(fù)合物。具有磁性的物質(zhì)可以在磁場的驅(qū)使下，向芯片表面的預(yù)定位置運動。芯片的表面或是芯片表面的一部分可以進行的化學修飾，從而形成可以固定配基分子的功能層，以便于磁力引導(dǎo)的物質(zhì)與配基分子發(fā)生親和反應(yīng)。磁引導(dǎo)和操縱改變了反應(yīng)物局部濃度從而增加了不同生化和化學反應(yīng)的速率，從而達到提高分析靈敏度的目的。因為離子強度及緩沖液特性對磁場影響甚微，甚至沒有作用，這樣就可以選擇最有利于生化反應(yīng)的緩沖液。而且，不存在會導(dǎo)致電化學反應(yīng)而產(chǎn)生使分析或反應(yīng)復(fù)雜化的強電場的不良影響。
本發(fā)明進一步揭示了在電磁芯片上操縱磁性微粒的方法。磁性微?？梢詰腋∮谀撤N流體(水溶液的或非水溶液的)中或者在空氣中，甚至在真空中。當一個微電磁單元被通以電流時，單元附近的磁性微粒會受到磁力的作用，被吸附到該單元的表面。即在磁性微粒懸浮液布滿整個芯片時，選通一個單元只會影響與該單元直接相鄰的磁性微粒。但是若通過有序地給各單元通電，就有可能移動聚集在整個芯片上所有懸浮著的磁性微粒。這樣的協(xié)同運動稱作“操縱”，這種操縱可以通過按預(yù)定順序打開或關(guān)斷單元來加以控制。的操縱也包括通過改變加在微電磁單元上的電流方向而改變磁場分布及作用在磁性微粒上的力，達到改變和控制磁性微粒的位置，速度及其他運動特征的目的。根據(jù)不同的使用要求，可以讓所有的或者是部分的單元同步通電。當然也可對微電磁單元逐一通電。
本發(fā)明進一步揭示了利用電磁芯片操縱生物分子/生物微粒，化學試劑分子，藥物分子或者其他形式的分子、微粒的方法。一般而言，電磁芯片可以用于操縱任何磁性微粒。為了控制和處理非磁性微粒/分子，需要對它們進行磁性修飾。例如，分子可以通過共價連接或者物理吸附聯(lián)接到磁性微粒表面。這些生物分子可以是蛋白質(zhì)(如抗體、抗原、受體)，核酸(如單鏈DNA或RNA)或者其他分子，如脂類和碳水化合物。對電磁芯片表面可以作修飾，以便于固定能與磁性微粒表面分子相互作用的配基分子。在磁場力作用下磁性微粒在已固定有合適配基分子的特定位置上聚集便可促使它們之間發(fā)生相互作用。發(fā)明詳細描述定義除非進行特別的說明，否則本發(fā)明中所有使用的科技術(shù)語的意義都和通常理解的一致。發(fā)明中提及的上、下等方向是針對所使用的器件給出的。發(fā)明中所涉及到的一些術(shù)語和實驗步驟在本領(lǐng)域內(nèi)都是很常見的。但是考慮到不同的文獻在使用這些術(shù)語或是在描述這些步驟時相互之間會存在一定的差異，所以下文會對本發(fā)明中所使用到的術(shù)語和實驗步驟進行定義和說明。
“磁力”是指微粒由于磁場引發(fā)而受到的作用力。通常，為了實現(xiàn)操縱微粒的目的，微粒應(yīng)該本身具有磁性或是可以被磁化。以一個由超順磁性物質(zhì)制作的磁性微粒為例，當微粒處于磁場B中，微粒本身會被誘發(fā)產(chǎn)生磁偶極Φ□ ＝Vp(∏p-∏m)Hm其中Vp代表微粒的體積，χp和χm分別是微粒和周圍介質(zhì)的極化率。Φm是介質(zhì)的磁透率，Hm代表磁場強度。如下式所示，微粒受到的磁力Fmagnetic取決于磁偶極子的極化率和磁場梯度·Fmagnetic＝0.5Vp(χp-χm)HmΛBm，其中″X″和″Λ″分別代表點積和梯度運算。微粒是否受到磁力取決于微粒和其周圍介質(zhì)的極化率的差異。通常微粒懸浮在液態(tài)的非磁性介質(zhì)中(極化率接近為零)，這樣為了產(chǎn)生足夠的磁力，就需要使用磁性微粒(極化率大大超過零)。在磁力和粘性阻力作用下平衡時的磁性微粒速度νparticle為νparticle=Fmagnetic6πηm]]>式中r為磁性微粒直徑，ηm為周圍介質(zhì)的粘性系數(shù)。
本發(fā)明中的“實體分子”是指可以被電磁力操縱的物質(zhì)，也可以是由本身布具有磁性的物質(zhì)，例如生物分子等與可被磁場操縱的物質(zhì)連接形成的復(fù)合物。實體分子可以是固體，包括懸浮的固體，也可以以溶解狀態(tài)存在。實體分子可以是分子，可被操縱的分子包括，但不僅僅限于，無機分子(包括離子和無機化合物)，也可以是有機分子，包括氨基酸、肽、蛋白質(zhì)、糖蛋白、脂蛋白、糖脂蛋白、脂、脂肪、固醇、糖、碳水化合物以及其它小分子或是復(fù)雜的有機分子。實體分子也可以是分子復(fù)合物，比如細胞器、一種或多種細胞(包括原核和真核細胞)、病原體(包括病毒、寄生蟲、朊病毒或是這些物質(zhì)的一部分)；實體分子也可以是晶體、礦物質(zhì)、膠體、碎片等等，可以由一種或是多種無機物質(zhì)如聚合物、金屬、礦物、玻璃、陶瓷等等組成；實體分子也可以是分子聚集體、復(fù)合物、細胞、細胞器、病毒、病原體、晶體、膠體或是其它碎片。細胞可以是任何種類的細胞，包括原核和真核細胞。其中真核細胞也可以是任何類型。通常感興趣的細胞包括，但不僅僅限于，白細胞、惡性細胞、干細胞、分化早期細胞、胎兒細胞、被病原體感染的細胞、細菌細胞等等。
“細胞內(nèi)實體分子”是指位于細胞內(nèi)的實體分子，即位于細胞質(zhì)或細胞器基底中，附著在任何細胞內(nèi)膜上，位于質(zhì)膜(如果存在)上，或是位于細胞表面，即附著在細胞質(zhì)膜或細胞壁(如果存在)的外表面上。
“配基”或是“配基分子”是指那些可以和其它分子反應(yīng)/結(jié)合的生物/化學分子。例如，配基可以是核酸分子，它可以和互補的核酸鏈發(fā)生雜交反應(yīng)。配基也可以是抗體分子，它可以和對應(yīng)的抗原或是表位結(jié)合。配基也可以是受體結(jié)合區(qū)或是該結(jié)合區(qū)的一部分。在本發(fā)明中，表面連有上述配基的微粒也屬于配基的范疇。
“陣列”是芯片上微電磁單元按照一定的形式排列而成的。一個芯片上可以包含有幾個相互獨立的陣列。例如，一個芯片上的微電磁單元形成的陣列可以位于芯片上的不同區(qū)域。這些區(qū)域彼此在空間上分隔，這樣一個區(qū)域內(nèi)由于為電磁單元陣列產(chǎn)生的電磁力不會干擾到另一個區(qū)域。在本發(fā)明中的磁力行波設(shè)計中，同一區(qū)域內(nèi)不同微電磁單元產(chǎn)生的磁場可以暫時重疊相連，由不同區(qū)域微電磁單元形成的陣列所產(chǎn)生的磁場可以暫時重疊相連。
“操縱”是指移動或處理微粒，使微粒作一維、二維、三維方向上的運動，運動可以發(fā)生在一塊芯片上，也可以發(fā)生在多塊芯片之間。在磁場中對微粒的操縱包括，但不僅僅限于，運輸、吸附、捕獲、排斥、富集、分離、鑒別、使微粒懸浮等等，還包括對微粒運動方向的改變。
“樣品”是指任何可以從中分離或分析出組分的流體。樣品可以有各種來源，可來自一個生物體，來自相同或不同種類的一群生物，也可以來自環(huán)境，如取自一水體或土壤，或者來自食物或工業(yè)材料。樣品可以是加工過的，也可以是未加工的。樣品可以是氣體，液體，半固體，也可以是溶液或懸濁液。樣品可以是一種提取物，如取自土壤或食物樣品的液體提取物，如咽喉或生殖器的提取物，或如取自排泄物樣品的提取物。生物樣品也可以是器官、組織、細胞系(包括培養(yǎng)基和細胞)等等。在本發(fā)明中，首選的樣品是血液樣品。
“血液樣品”在這是指加工過或未加工的血樣，比如說，但不僅僅限于，它可以是經(jīng)過離心、過濾、抽提或其他處理的血液樣品，還可以是加入了抗凝血劑，穩(wěn)定劑等一種或多種試劑的血液樣品。血液樣品可以是任意體積，來源任意，如動物或人類。首選的材料是來自人類。血液可以直接從生物體抽取，也可以來自庫存，也可以從其它物體上抽提，例如衣服、家具等等。血液樣品的體積不限，可以小于5微升，也可以大于5升，依具體的應(yīng)用而定。
“白細胞”是指白血球，或是一類可以在動物血液中找到的既非網(wǎng)織紅細胞又非血小板的生血細胞。白血球可包括淋巴細胞，如B淋巴細胞或T淋巴細胞。白血球也可包括吞噬細胞，如單核細胞，巨噬細胞以及包含有嗜堿細胞，嗜曙紅細胞，嗜中性粒細胞的粒狀白細胞。白血球還包括肥大細胞。
“紅細胞”是指紅血球。
“腫瘤細胞”是指一類細胞增殖生長比正常細胞快得多的異常細胞，它甚至可以在受到導(dǎo)致新生長停滯的刺激后仍繼續(xù)生長。與正常組織相比，瘤細胞往往會部分或全部缺乏結(jié)構(gòu)組織和功能協(xié)調(diào)性，它既可能是良性的也可能是惡性的。
“惡性細胞”是指一類具有局部入侵性和破壞性生長及轉(zhuǎn)移的細胞。
“干細胞”是指一類未發(fā)生分化的細胞，它可通過一輪或多輪細胞分化引起生長，生成至少一種分化細胞。
“分化早期細胞”是指一類未發(fā)生分化但必然將引起生長的細胞，它通過一輪或多輪細胞分化引起生長，生成至少一種分化細胞。比較有代表性的是，一個干細胞對一個特別的刺激或一系列刺激作出響應(yīng)，通過一輪或多輪細胞分化生成一個分化早期細胞，然后由這個分化早期細胞對一個特別的刺激或一系列刺激作出響應(yīng)，生成一個或多個分化細胞。
“病原體”是指任何病原體，如可以感染生物的細菌、病毒、寄生蟲或朊病毒。病原體可導(dǎo)致受其感染的生物出現(xiàn)癥兆或處于疾病狀態(tài)。人類病原體是指可以感染人類的病原體。人類病原體既可以是特異性針對人類的，如特異性人類病原體；又可以是可感染多種生物的，如混雜性人類病原體。
“對象”是指任何生物體，如動物或人類。動物可包括任何動物體，如野生動物，家養(yǎng)動物如貓或狗，農(nóng)用動物如豬或牛，或者是娛樂用動物如馬。
“反應(yīng)池”是組成芯片的一種結(jié)構(gòu)，它可以容納液體樣品。
“端口”是指反應(yīng)池體的開口，液體樣品可通過它進出反應(yīng)池。端口可以是任何大小的，但適宜的是可允許樣品由吸液管，注射器，導(dǎo)管或其它加樣方式加入反應(yīng)池的形狀和尺寸。
“導(dǎo)管”在本專利中是用以將液體由容器轉(zhuǎn)移到反應(yīng)池的一種方式。導(dǎo)管適宜應(yīng)用于反應(yīng)池的端口。導(dǎo)管可由任何允許液體通過的材料組成。比較適宜的導(dǎo)管是管狀結(jié)構(gòu)，比如橡膠管、聚四氟乙烯管、或聚乙烯管。導(dǎo)管可以是任意尺寸的，但適宜的是內(nèi)徑在10微米到5毫米之間。
“芯片”是指其上可進行一次或多次處理如物理，化學，生化，生物處理的固體物質(zhì)。這些處理可以是分析，包括生化的，細胞的，和化學的分析；也可是分離，包括使用電的，磁的，物理的，化學的(包括生化的)作用力或是相互作用；也可以是化學反應(yīng)、酶反應(yīng)和結(jié)合反應(yīng)，包括捕獲。
“電磁芯片”是指至少包含一個電磁單元的芯片，例如僅僅含有一個微電磁單元。電磁單元可以位于芯片的表面，也可以集成或是部分集成在芯片中。例如，一個電磁單元可以制作在芯片的表面，也可以包埋在芯片中，或是部分包埋在芯片中。
“分離”是指將樣品中的一種或多種組分和另外的一種或多種組分在空間上相互分開的過程。分離過程可以這樣進行，一種或多種感興趣的實體分子被定位于分離器件中的某個或某些位置，至少部分樣品中的其它組分被定位于其它位置，或是從感興趣的實體分子所在的位置移開。或者，可以將樣品中的一種或多種組分定位在某些位置，而一種或多種感興趣實體分子從該位置處被移走，再進行收集。也可以將樣品中的一種或多種組分定位在某些位置，再將另外的一種或多種感興趣的實體分子定位到另外的位置。分離可以通過使用物理力、化學力、電場力或是磁場力等等實現(xiàn)，還可以使用重力場、流體、介電電泳力、行波介電電泳力和電磁力等等實現(xiàn)。
“捕獲”是指這樣一類分離方式，這種方式使一種或多種實體分子滯留在芯片的一個或多個區(qū)域內(nèi)，再施加物理力進行捕獲。捕獲可以通過特異的捕獲探針實現(xiàn)，捕獲探針可以特異、緊密的與感興趣的實體分子結(jié)合。這些特異的捕獲探針可以可逆或是不可逆的連接在芯片上的固體介質(zhì)上。
“分析”是對樣品或樣品的一個組分進行的測試。分析可檢測某組分的存在與否，某組分的數(shù)量或濃度，某組分的組成，以及某組分的活性等等。分析可與本發(fā)明的方法和器件、試劑一起使用，包括生物化學分析、結(jié)合分析、細胞分析以及基因分析。
“反應(yīng)”是指可改變一種或多種分子或化合物的化學或生化成分，或者改變一種或多種分子與另外一種或多種分子或化合物間相互關(guān)系的化學或生化過程。本發(fā)明中的反應(yīng)可以被酶催化，包括，但不僅僅限于，有降解反應(yīng)，合成反應(yīng)，修飾反應(yīng)或結(jié)合反應(yīng)。
“結(jié)合分析”是一種分析方式，它通過將特定物質(zhì)分子與特異性結(jié)合物結(jié)合來檢測該特定物質(zhì)分子的存在或濃度，或者檢測一特定物質(zhì)分子與另一特定物質(zhì)分子的結(jié)合可能性，或者檢測一特定物質(zhì)分子與另一特定物質(zhì)分子的結(jié)合親和力。特定物質(zhì)分子可指一有機或無機分子，一個由有機、無機或一有機無機復(fù)合物，細胞器，病毒或細胞組成的分子混合物。結(jié)合分析可以使用可檢測的標記或在結(jié)合特定物質(zhì)分子存在下可產(chǎn)生可檢測標記的信號發(fā)生系統(tǒng)。標準的結(jié)合分析包括有依賴核酸雜交來檢測特殊的核酸序列，依賴抗體對特定物質(zhì)分子的結(jié)合，以及依賴配體對受體的結(jié)合。
“生化分析”是指對一種樣品的一個或多個組分的存在、濃度、或活性進行分析的方式。
“細胞分析”是指一種檢測細胞過程的分析方式，例如，但不僅僅限于，新陳代謝活性、分解代謝活性、離子通道活性、細胞間信號傳導(dǎo)活性、受體介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)活性、轉(zhuǎn)錄活性、翻譯活性、或分泌活性等等。
“遺傳分析”是指一種檢測某遺傳單元的存在或序列的分析方式。此遺傳單元可指DNA或RNA的任意片斷，包括，但不僅僅限于，基因、重復(fù)序列、轉(zhuǎn)座單元、調(diào)控單元、端粒、中心?；蚱渌哂鞋F(xiàn)在尚未知道功能的DNA或RNA片斷。基因分析的例子如(但不僅僅限于這些例子)，核酸雜交技術(shù)，包括核酸測序反應(yīng)，可以使用一種或多種聚合酶，例如基于PCR的基因分析?；蚍治隹梢允褂靡环N或多種可檢測的標記，比如，但不僅僅限于，熒光素、放射性同位素或是信號發(fā)生系統(tǒng)。
“電極”是一種由高導(dǎo)電材料制成的結(jié)構(gòu)單元。這里所謂的高導(dǎo)電材料是指材料的導(dǎo)電率遠大于周圍介質(zhì)或材料。高導(dǎo)電材料包括金屬，如金、鉻、鉑鋁等等，也可以是非金屬，如石墨、導(dǎo)電聚合物。電極可以制成各種形狀，如矩形、圓形、城堡形等等。電極材料中也可以包括摻雜半導(dǎo)體，如硅片上摻磷。電極上可以施加電流，例如制成環(huán)形的電極中施加的電流也是環(huán)形的。
“槽”是芯片上的結(jié)構(gòu)單元，具有一個較低的表面和一個或多個從底面以一定角度延伸出來的側(cè)面。側(cè)面的參數(shù)很隨意，例如可以具有S形的或是彎曲的或是具有多個角度的側(cè)面。槽的底面可以低于、高于或是和芯片上表面水平。側(cè)面的材料應(yīng)和芯片的下表面的材料不同。例如，芯片下表面可以由一層能被電場力(包括介電電泳力、行波介電電泳力和電磁力)穿透的物質(zhì)構(gòu)成，而槽的側(cè)面由其它物質(zhì)組成，如絕緣材料，可以阻礙電場力的穿透。槽的側(cè)面或是芯片上的通道可以由任意適當?shù)牟牧现瞥?，如硅、玻璃、橡膠、多聚物、塑料、陶瓷、金屬等等。
“連續(xù)液流”是指在本發(fā)明的分離過程中，流體被連續(xù)的泵入或注入反應(yīng)池。這樣，樣品中沒有被選擇性滯留在芯片中的組分就會隨著流體被帶出反應(yīng)池。
“連接物”是指任何可以和實體分子以一定親和性和特異性相連的任何物質(zhì)，并且可以通過相應(yīng)的物理力進行操縱。連接物可以是，但不僅僅限于，細胞、細胞器、病毒、微粒、聚合體或復(fù)合體，或者分子的聚合體或復(fù)合體。
本發(fā)明中“微?！笔侵溉魏涡螤睿魏谓M成，具有任何復(fù)合結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，可以通過磁力進行操縱。微粒尺寸可以從大約0.01微米到大約1厘米。更合適的是，在這種方法中的微粒的尺寸從大約0.1微米到大約幾千個微米。微?？梢杂筛鞣N合適的材料制成，例子包括，但不僅僅限于，玻璃、陶瓷、聚合物如尼龍、聚四氟乙烯(TEFLONTM)、聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、瓊脂糖、纖維素、葡聚糖等等?？梢员淮帕Σ倏v的微粒的制造材料可以是磁性物質(zhì)，也可以是可被磁力作用的物質(zhì)，例如鐵、磁鐵石、鐵磁體和亞鐵磁體物質(zhì)。
“耦聯(lián)”即結(jié)合。例如，實體分子可以和其它微粒進行特異的或非特異的結(jié)合。結(jié)合可以是共價結(jié)合，也可以是非共價結(jié)合，是可逆結(jié)合也可以是非可逆結(jié)合。
“特異結(jié)合物”是指這樣的兩個不同分子中的一個，這樣分子的表面具有特定的形態(tài)結(jié)構(gòu)可以特異性的和另一分子的空間或極性結(jié)構(gòu)互補結(jié)合。特異結(jié)合物可以是免疫家族中特異結(jié)合的兩種物質(zhì)中的一種，如抗原-抗體、生物素-親和素、生物素-鏈霉親和素、配體-受體、雙鏈核酸、IgG-蛋白A、DNA-DNA、DNA-RNA、RNA-RNA等等。
“核酸分子”是指多聚核苷酸。核酸分子可以是DNA、RNA或兩者的組合。核酸分子也可以包括除了核糖和脫氧核糖外組成骨架鏈的的糖類，可以是DNA或RNA之外的核苷酸分子。核酸分子可以由自然存在的或非自然存在的核苷酸堿基組成，如黃嘌呤，核苷堿基的延伸物2-氨基酰嘌呤或類似物等。核酸分子可以是肽核酸分子。核酸分子可以是任意長度，可以是單鏈或雙鏈，或者是部分單鏈和部分雙鏈。
“可被檢測的標記”是一種可以被檢測的復(fù)合物或分子，它們可以產(chǎn)生輸出信號，如熒光、放射性、顏色、化學發(fā)光或技術(shù)領(lǐng)域現(xiàn)有的或是今后發(fā)展出的能產(chǎn)生輸出信號的方法。輸出可以基于熒光，如通過熒光標記物，例如Cy-3，Cy-5，藻紅蛋白，藻藍蛋白，別藻藍素，異硫氰酸熒光素(FITC)，羅丹明，或鑭系元素等等，但不是僅僅限制于以上物質(zhì)；也可以通過熒光蛋白如綠色熒光蛋白(GFP)和它的變體，要基于酶反應(yīng)的活性，比如，但不僅僅限于β-牛乳糖，β-內(nèi)酰胺酶，辣根過氧化物酶，堿性磷酸酶或熒光素酶等等；或者可以基于放射性同位素(如33P，3H，14C，35S，125I，32P或者131I等)。標記物也可以是被其它基團修飾了的堿基，比如，在C5位置修飾嘧啶或在N7位置修飾嘌呤。修飾基團可以是多種多樣的，例如鹵素、醚或者聚醚、烷基、脂類或聚脂類，或常見的XR，在這里，X是連接基團，R是修飾基團。在修飾技術(shù)領(lǐng)域，存在許多種有效的可能適用于修飾核酸分子、寡核苷酸分子及其類似物的方法(A Practical Approach，Eckstein，ed.(1991)and in PCT/US94/00193)。
“信號發(fā)生系統(tǒng)”可以包括一種或多種組分，至少其中一種組分是可檢測的結(jié)合物。信號發(fā)生系統(tǒng)包括所有用以產(chǎn)生或增強可測信號(或是通過一定的方法作用于標記以產(chǎn)生的信號)的試劑。信號發(fā)生系統(tǒng)提供了一種可以用外部檢測方法檢測的標記，這種方法通常是通過測量吸收光和發(fā)射光的波長的差異實現(xiàn)的。信號發(fā)生系統(tǒng)也可包括生色底物和酶，其中生色底物在酶的作用下，吸收可見光區(qū)或紫外光區(qū)的光或是磷光、熒光，從而顯出顏色。當然，信號發(fā)生系統(tǒng)也可以使用諸如放射性同位素之類的可檢測標記以提供可檢測的信號。
信號發(fā)生系統(tǒng)包括至少一種催化劑(通常是至少一種酶)和至少一種底物，也可以包括兩種或更多的催化劑和一組底物(比如包括一組酶，其中一種酶的底物是另一種酶的產(chǎn)物)。信號發(fā)生系統(tǒng)的操作是在預(yù)定的位點產(chǎn)生出可檢測的信號，即意味著在這預(yù)定的位點具有相應(yīng)的標記。
為了得到可檢測的信號，這就要求將在預(yù)定位點的標記產(chǎn)生的信號進行放大。這樣，這個標記一般是催化劑、發(fā)光化合物或是放射性同位素，最好是催化劑。催化劑最好是可以從單個標記產(chǎn)生多種信號發(fā)生分子的酶或是輔酶。酶或是輔酶可以通過產(chǎn)生可以吸收光的產(chǎn)物，如染料或是產(chǎn)生在照射下會激發(fā)出光的產(chǎn)物，如熒光劑以達到將所需信號放大的目的。或者，催化反應(yīng)也可以直接產(chǎn)生激發(fā)光，例如化學發(fā)光。許多酶和輔酶都可以用以這一目的，見美國專利No.4,275,149和U.S.Pat.No.4,318,980(在參考文獻中)。另外，許多也可以實現(xiàn)上述作用的非酶類催化劑可見美國專利No.4,160,645(July 10，1979)。
上述酶反應(yīng)的產(chǎn)物通常是染料或是熒光劑。在美國專利No.4,275,149中給出了大量熒光劑的說明。
其它用于此處的術(shù)語具有和本領(lǐng)域中通常使用時一致的意義，在技術(shù)性詞典中都有解釋。
I.含有微電磁單元的電磁芯片本發(fā)明的具有可單點選通式微電磁單元的電磁芯片，包括基底；位于基底上的多個微電磁單元；通過對一個或是多個微電磁單元施加電流，從而產(chǎn)生磁場底方法。上述的微電磁單元可以是立體結(jié)構(gòu)，也可以是平面結(jié)構(gòu)。
基底基底可以使用任何適宜芯片生產(chǎn)底材料，例如，但不僅僅限于，硅、玻璃、燒結(jié)玻璃、石英、氧化硅、塑料、陶瓷等?；撞牧献詈檬侵旅艿?，但是多孔的材料也可以使用，尤其是那些適宜本發(fā)明中某些操作的多孔材料，這些操作可以是，但不僅僅限于，結(jié)合反應(yīng)、破胞或是檢測結(jié)合反應(yīng)等，這些操作需要透過基底材料轉(zhuǎn)移或是輸運物質(zhì)。
基底的尺寸應(yīng)該符合微加工工藝的需要，常用的微加工方法包括蝕刻、濺射、光刻掩膜等等?；椎某叽缤瑫r也應(yīng)該適宜本發(fā)明對微粒進行微操縱的方法的要求。例如，基底可以是一塊薄片，厚度約1毫米，長度界于5毫米至1厘米，寬度界于10毫米至5厘米。基底可以是任何適宜的形狀，例如正方形、長方形、橢圓形、圓形等，也可以是不規(guī)則的集合圖形。本發(fā)明中首選的形狀是正方形、圓形和適宜的多邊形。
基底是具有多種功能的單層或是多層芯片的一部分。例如，一塊單層芯片上可以包含多種結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)不同的功能。象壓電晶體這樣的振動單元可以引起樣品液的流動，介電電泳結(jié)構(gòu)可以根據(jù)實體分子介電電泳性質(zhì)的不同移動實體分子。當然，這些結(jié)構(gòu)(例如振動結(jié)構(gòu)和介電電泳結(jié)構(gòu))液可以制作在不同層的基底上。本發(fā)明中，這些不同的基底層可以一層一層的組合連接在一起，形成多功能芯片。這些具有不同功能的結(jié)構(gòu)可以使用適當?shù)脑O(shè)備進行獨立的控制。
基底是芯片結(jié)構(gòu)中用以容納樣品，例如流體的反應(yīng)池的一個組成部分。反應(yīng)池可以是完全封閉的，雖然完全封閉并不是必須的。反應(yīng)池可以通過例如端口或是導(dǎo)管等結(jié)構(gòu)允許樣品或是試劑進行。流體或是固體在一定的力的作用下，或是通過一定的方式進行反應(yīng)池，例如通過重力或是泵。反應(yīng)池同時也應(yīng)該具有出口的結(jié)構(gòu)，例如端口或是導(dǎo)管，以允許反應(yīng)池內(nèi)的物質(zhì)離開。在本發(fā)明的一個實施例中，反應(yīng)池通過以端口和導(dǎo)管結(jié)構(gòu)組成的入口通入物質(zhì)，以端口和導(dǎo)管結(jié)構(gòu)組成的出口導(dǎo)出物質(zhì)。
微電磁單元本發(fā)明中的電磁芯片上含有微電磁單元。這些微電磁單元包括一個直接制作在或是集成在基底上的磁芯，和可以圍繞這個磁芯施加電流的方法。這個磁芯最好是具有磁性的芯或是可以被磁化的芯。
微電磁單元的尺寸微電磁單元的尺寸與微電磁單元的方向和需要產(chǎn)生的磁場的強度相關(guān)。通常，微電磁單元的寬度和長度界于0.1微米至1厘米之間，最好界于10微米和1毫米之間?？梢愿鶕?jù)所需磁場是發(fā)散的還是局限在某一區(qū)域的，選擇微電磁單元的尺寸和形狀。通常，與磁帶或是磁盤這些磁存儲介質(zhì)中的電磁單元相反，本發(fā)明中的微電磁單元產(chǎn)生的磁場是發(fā)散的，具有相對長的作用距離。
微電磁單元的位置和方向根據(jù)芯片具體的用途和所需要的磁場的性質(zhì)，選擇微電磁單元具體的結(jié)構(gòu)和位置。微電磁單元可以直接制作在芯片的表面，或是部分包埋在芯片中，或是完全包埋在芯片中。在基底的表面可以修飾一層物質(zhì)以保護微電磁單元或是用于固定某些物質(zhì)，例如實體分子。
每個微電磁單元都可以根據(jù)具體的需要制成一定的結(jié)構(gòu)，可以是立體的，部分立體的，也可以是平面結(jié)構(gòu)或是部分平面的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)都可以根據(jù)本發(fā)明中提及的加工方法制作。
磁芯任何適宜的材料都可以用以制作本發(fā)明中微電磁單元中的磁芯。通常采用磁性物質(zhì)或是可以被磁化的物質(zhì)，例如鐵磁性物質(zhì)或是亞鐵磁性物質(zhì)。磁芯可以使用適宜的方法制作，例如采用本發(fā)明中提及的方法。
施加電流的方法上述的磁芯周圍應(yīng)該包含一圈或是多圈導(dǎo)線。磁芯周圍的導(dǎo)線可以制成各種形狀，可以是圓形、方形、橢圓形、三角形、螺線形等等。當在磁芯周圍的單圈或是多圈導(dǎo)線中施加電流時，根據(jù)電磁現(xiàn)象就會產(chǎn)生相應(yīng)的磁場。
產(chǎn)生的磁場由選通的微電磁單元產(chǎn)生的磁場的性質(zhì)由多種因素決定，例如磁芯的尺寸(長、寬和高)、磁芯的長度與截面積之比、磁芯的磁透率、磁芯的可磁化率、磁芯的方向、磁芯的形狀以及所施加的電流的性質(zhì)。本發(fā)明中，所期望的磁場是發(fā)散的，而不是聚集的，這與磁帶或是磁盤這些磁存儲介質(zhì)中的電磁單元所產(chǎn)生的磁場性質(zhì)相反。例如在Yamade et al.等于1999年3月16日遞交的美國專利5,833,760所述的磁頭的結(jié)構(gòu)是由一圈磁性材料組成的環(huán)，環(huán)的兩端非常接近，這種特殊的結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生很強的聚集的磁場，而不是發(fā)散的磁場。相反，本發(fā)明的微電磁單元就不具有這樣的結(jié)構(gòu)，為了作用到分布在不同區(qū)域的實體分子或是磁性微粒，本發(fā)明的微電磁單元被涉及成可以產(chǎn)生發(fā)散磁場的結(jié)構(gòu)。
單獨選通和調(diào)制單獨選通或是關(guān)閉本發(fā)明中的微電磁單元，施加不同的電流，調(diào)節(jié)各個微電磁單元產(chǎn)生的磁場的方法也屬于本發(fā)明的范疇。對微電磁單元的單獨控制是通過各個微電磁單元引出的導(dǎo)線、所連接的電源以及相應(yīng)的控制選通和關(guān)閉的開關(guān)實現(xiàn)的。開關(guān)可以是機械開關(guān)，也可以是電子開關(guān)，也可以是上述開關(guān)的組合。
由于每個微電磁單元都是可以單獨選通的，所以在任意一個時刻，可以只有一個微電磁單元是選通的，產(chǎn)生單一的磁場，也可以同時又多個微電磁單元是選通的，產(chǎn)生復(fù)合磁場。選通一個微電磁單元是指在這個微電磁單元上一定的電流，以使得這個微電磁單元在它周圍區(qū)域產(chǎn)生磁場。為了使得產(chǎn)生的磁場具有足夠的強度從而吸引或是移動其周圍區(qū)域內(nèi)的磁性微?；蚴切揎椓舜判晕⒘５姆肿?，施加在微電磁單元上的電信號的幅值和相位可以進行適當?shù)倪x擇。至于沒有被選通的微電磁單元，它可能完全不產(chǎn)生磁場，也可以產(chǎn)生微弱的磁場，但是磁場的強度不足以吸引或是移動磁性微?；蚴切揎椓舜判晕⒘５姆肿?。
對微電磁單元的單獨選通可以通過多種方式實現(xiàn)，例如可以把各個包含一個導(dǎo)線環(huán)的微電磁單元的一端都連接到一個電源上，而另一端單獨和電開關(guān)連接以決定是否允許電流的通過。在由微電磁單元構(gòu)成的行列陣列中，可以將一整行或是一整列都接到一起，從而實現(xiàn)一次選通一整行或是一整列。
本發(fā)明中的微電磁單元是可以單獨選通的，但并不是在所有情況下都需要單獨選通。微電磁單元可以以適當?shù)碾娐愤B接在一起，例如可以通過并聯(lián)或是串聯(lián)。芯片上的每個微電磁單元都可以單獨選通給芯片的應(yīng)用帶來了極大的靈活性。如果芯片上的微電磁單元僅僅以串聯(lián)的方式連接在一起，如果其中一個微電磁單元出現(xiàn)故障，可能會使得所有單元都失效；如果芯片上的微電磁單元僅僅以并聯(lián)的方式連接，雖然可以解決上述問題，但是當需要對微電磁單元進行單獨的選通和電信號的調(diào)節(jié)時又極為不便。
在行波磁力介電電泳中使用的磁力行波，可以通過本發(fā)明的可單獨選通的微電磁單元實現(xiàn)。例如，在芯片上制作一組平面結(jié)構(gòu)的相互平行的線狀微電磁單元，這些單元在不同的時間被選通，例如沿著某種方向依次選通，這樣，磁場隨著選通的方向傳播，就象波的傳播一樣，和行波介電電泳相似。在行波磁力介電電泳中，磁力行波可以通過直流電形成同步的波，也可以通過交流電形成連續(xù)的波。在磁力行波的作用下，芯片上微?？梢园凑詹僮髡呦Ｍ姆绞胶头较蜻\動。Xiaobo Wang，Weiping Yang，JunQuan Xu，Jing Chengand Lei Wu于2000年10月3日遞交的美國專利申請“Apparatus forSwitching and Manipulating Particles and Method of Use Thereof”(專利局編號09/678,263)提出了使用行波介電電泳和微粒開關(guān)進行芯片上微粒操縱的方法。本發(fā)明提出了使用磁力行波介電電泳和微粒開關(guān)進行芯片上微粒操縱的方法。
當使用直流電時，微電磁單元可以依次被選通和關(guān)閉。當微電磁單元選通之后被關(guān)閉，會產(chǎn)生退磁現(xiàn)象，即磁場需要一定的時間衰減，例如正弦衰減。微電磁單元選通時施加的電流應(yīng)介于0.1mA至3A之間，更好介于1mA至300mA之間，最好介于10mA至30mA之間。
當使用交流電時，可以在每個微電磁單元上施加不同相位的電信號，例如連續(xù)四個微電磁單元各相差90度的相位。電信號的頻率應(yīng)介于0.001Hz至1GHz之間，更好的是介于0.01Hz至100MHz之間，或是介于0.1Hz至10MHz之間，或是介于0.1Hz至1MHz之間，或是介于1Hz至100KHz之間，或是介于10Hz至10KHz之間。
陣列和尺寸本發(fā)明的電磁芯片包含微電磁單元結(jié)構(gòu)，我們推薦將這些微電磁單元按照規(guī)則的排布方式排列，并且相鄰的微電磁單元等距。
芯片上的微電磁單元可以是按照同一形狀和尺寸制作的，也可以是按照不同形狀和尺寸制作的。一般而言，每個微電磁單元的特征尺寸可以小于1微米，也可以大至1厘米。在這里，如果微電磁單元是圓形的，特征尺寸是指圓的直徑；如果微電磁單元是正方形的，特征尺寸是指正方形的邊長。這些微電磁單元可以按照規(guī)則的排布方式排列，如矩形網(wǎng)格狀，也可以排列成不規(guī)則的形狀或是隨意排列。
功能層本發(fā)明的電磁芯片可以包括至少一層功能層。在功能層上可以固定至少一種實體分子或是配基。首選的固定的實體分子為核酸分子、抗體和受體。本發(fā)明中，功能層還可以作為微電磁單元或是芯片基底材料的保護層，另外，還可以提供本發(fā)明實驗方法中可能需要的的化學基團。
功能層可以由任何合適的材料組成，本發(fā)明中首選的是至少包括以下一種材料親水單分子層、有功能基團的親水單分子層、疏水單分子層、有功能基團的疏水單分子層、親水膜、有功能基團的親水膜、親水膠、有功能基團的親水膠、疏水膠、有功能基團的疏水膠、多孔材料、有功能基團的多孔材料、非多孔材料和有功能基團的非多孔材料。
功能層可以是通過附著、連接或是吸附在基底上底一薄層物質(zhì)，也可以是通過修飾，例如化學修飾，在芯片基底上形成的。功能層是通過在基底上噴涂，或是將基底材料浸在液體或是流質(zhì)固體中，再通過冷卻、凝膠聚合等方式使得這些修飾物質(zhì)固化形成的。
功能層上具有一系列可以用以固定實體分子的功能基團，首選的功能基團為，但不僅僅限于，乙醛、炭化二亞胺、琥珀酰亞胺酯、抗體、受體和外源凝集素。將這些功能基團修飾到物質(zhì)表面有現(xiàn)成的方法。
固定在功能層上的實體分子或是配基也可以看作功能層的組成部分。首選的固定的實體分子或是配基包括，但不僅僅限于，核酸分子(例如單鏈或是雙鏈DNA、RNA或是它們的復(fù)合體)、集合試劑(例如抗體或是抗體中具有結(jié)合活性的片斷)、受體、多肽、蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂類、原核細胞、真核細胞、病毒、寄生蟲、朊病毒、細菌抗體、凝集素和受體等等。含有這些實體分子的功能層有多種方法制備。例如，功能層上已經(jīng)帶有適當?shù)墓δ芑鶊F，再將含有實體分子的試劑加到功能層上，通過功能基團固定實體分子，也可以通過其它方法定位實體分子，例如使用掩模的方法。
微電磁單元的制作在對基底材料上加工制作的微電磁單元通以電流時，各單元會產(chǎn)生出獨立的磁場。一個例子就是在鐵磁體或鐵芯上用導(dǎo)電材料繞一個環(huán)并通過電子開關(guān)連接到一電流源上。這個環(huán)可以是圓、橢圓、方形、三角形或其他任意形狀，唯一的前提是要能夠形成圍繞鐵磁體流動的電流。如果環(huán)是單匝的，它應(yīng)該是閉合或接近閉合的。環(huán)也可以是圍繞鐵磁體的許多匝圈。這些圈可以被加工在微結(jié)構(gòu)的同一層中也可以是另一種情況即每一圈代表結(jié)構(gòu)中的一個獨立層。電導(dǎo)體可以是沉積形成的電導(dǎo)線——如經(jīng)電鍍，濺射或沉積形成的金屬結(jié)構(gòu)，同時電導(dǎo)體也可以通過對半導(dǎo)體層進行選擇性地摻雜而形成。微電磁單元陣列可以排列成類似微電子器件中通常所具有的行列結(jié)構(gòu)。行和列可以相互垂直，也可以設(shè)置成其他角度(如80度)。
反應(yīng)池本發(fā)明的反應(yīng)池是一種可以容納流體的結(jié)構(gòu)。反應(yīng)池可以是任意尺寸，通常應(yīng)可以容納1nl至50ml的流體，更好應(yīng)可以容納1μl至10ml的流體，最佳情況是容納10μl至1ml的流體。一般而言，反應(yīng)池是芯片上的結(jié)構(gòu)單元之一。反應(yīng)池可以由任何適當?shù)牟牧现瞥?，如硅、玻璃、金屬、陶瓷、聚合物、塑料等等，可以是質(zhì)地堅硬材料，也可以是質(zhì)地柔軟的材料。首選的材料是那些對樣品中的實體分子的介電電泳運動沒有干擾的材料，例如那些不與帶電或是極化分子結(jié)合的材料，如硅、某些種類的塑料或是多聚物(如丙稀酰胺、玻璃等等)。
反應(yīng)池是芯片的組成部分之一，芯片是一塊固體基片，在其上可以進行一次或是多次的分離、分析、捕獲等等過程。芯片的材料可以是金屬、陶瓷、聚合物、共聚物、塑料、橡膠、硅、玻璃等等中的一種或是幾種。芯片可以包含幾種具有一定柔韌性的材料。芯片可以由多孔材料制成，也可以由致密的材料制成。芯片上制有或集成有諸如槽、通道、電極單元等等微加工結(jié)構(gòu)，在其上可以進行物理的、生物物理的、生物的、化學的反應(yīng)或是處理。芯片是一塊薄片。對芯片的表面積大小不作要求，比如從1mm2到0.25m2都可以。最好所用的芯片的表面積從4mm2到25cm2左右。芯片可以具有不同形狀，規(guī)則的形狀如矩形、圓形、橢圓形或其它不規(guī)則的形狀。芯片表面可以是平的，也可以是不平的。具有不平的表面的芯片在表面上可以包括通過在芯片表面進行加工或是蝕刻而得的槽、反應(yīng)池等結(jié)構(gòu)。
實體例子中，反應(yīng)池中包電極(電極制作在芯片上或芯片內(nèi))，但是這并不是本發(fā)明的要求。芯片上的電極可以具有任意形狀，例如矩形、城堡形、三角形、圓形等等。電極的排布方式也有許多種，比如螺旋狀、平行狀、相互交錯形、多項式形等等。芯片上電極的制作可以使用本領(lǐng)域中常見的各種微加工和微機械方法，例如電鍍、金屬濺射、光化學蝕刻。包含有電極的芯片有，但不僅僅限于，制作在玻璃基片上的介電電泳電極陣列(Dielectrophoretic Manipulation of Particles by Wang et al.，in IEEETransaction on Industry Applications，Vol.33，No.3，May/June，1997，pages 660-669)、具有可單個選通電極陣列的微加工生物電子芯片(Preparation andHybridization Analysis of DNA/RNA from E.coli on MicrofabricatedBioelectronic Chips by Cheng et al.，Nature Biotechnology，Vol.16，1998，pages541-546)和毛細管電泳芯片(Combination of Sample-Preconcentration andCapillary Electrophoresis On-Chip by Lichtenberg，et al.，in Micro Total AnalysisSystems 2000 edited by A.van den Berg et al.，pages 307-310)。
本發(fā)明中或是本方法中使用的反應(yīng)池具有一個或多個端口，或是在反應(yīng)池的壁上具有開口。端口可以是任何大小的，但適宜的是可允許樣品由導(dǎo)管加入反應(yīng)池的形狀和尺寸。導(dǎo)管可以是任何允許液體通過的管狀結(jié)構(gòu)，比如橡膠管、聚四氟乙烯管、或聚乙烯管。端口可以為反應(yīng)池壁提供一個開口以便于通過吸液管或是注射器引入樣品。
導(dǎo)管可以通過泵(例如蠕動泵或是灌輸泵)、注射器或是重力從一個或幾個端口向反應(yīng)池中引入樣品。一種或是多種試劑、緩沖液、溶液等等。本發(fā)明中可以對樣品中的一種或是多種實體分子的介電性質(zhì)進行修飾的樣品溶液，可以和樣品同時加入反應(yīng)池，或是先于、后于樣品加入反應(yīng)池。也可以在進入反應(yīng)池前，先把樣品和試劑、緩沖液或是溶液先混合起來，這樣的混合過程可以在將流體引入反應(yīng)池的導(dǎo)管中進行，也可以在一個或是多個與導(dǎo)管相連的樣品池中進行。
II.帶有空腔的電磁芯片本發(fā)明的具有可單獨選通微電磁單元陣列的電磁芯片由以下部分組成基底；在上述基底上排列成陣列的空腔；第一層導(dǎo)線，其中的導(dǎo)線沿著上述陣列的列的方向；第二層導(dǎo)線，其中的導(dǎo)線沿著上述陣列的行的方向，和第一層導(dǎo)線相互絕緣，而且相互垂直。本發(fā)明的首選方案是上述的空腔排列成行列的方式，每個空腔中含有一個可磁化的磁芯。
在本發(fā)明中，第一層導(dǎo)線和第二層導(dǎo)線通過第一層絕緣物質(zhì)隔開。這第一層絕緣物質(zhì)可以由任何適當?shù)牟牧现瞥?，例如，但不僅僅限于，氧化硅、氮化硅、塑料、玻璃、陶瓷、光刻膠和橡膠。
第二層絕緣物質(zhì)沉積在第二層導(dǎo)線和磁芯的表面，這第二層絕緣物質(zhì)可以由任何適當?shù)牟牧现瞥桑梢允褂门c第一層絕緣層相同的材料，也可以使用與第一層絕緣層不同的材料。例如，但不僅僅限于，氧化硅、氮化硅、塑料、玻璃、陶瓷、光刻膠和橡膠。
本發(fā)明的電磁芯片還可以包括另外的導(dǎo)線層，其中的每條導(dǎo)線都沿著陣列中行或是列的方向，并且和其它的導(dǎo)線層絕緣。電磁芯片的導(dǎo)線可以由任何合適的材料制成，首選的材料可以是，但不僅僅限于，鋁、金、銀、錫、銅、鉑、鈀、石墨和半導(dǎo)體材料。
本發(fā)明的電磁芯片還可以包括另外的功能層。功能層可以由任何合適的材料組成，本發(fā)明中首選的是至少包括以下一種材料親水單分子層、有功能基團的親水單分子層、疏水單分子層、有功能基團的疏水單分子層、親水膜、有功能基團的親水膜、親水膠、有功能基團的親水膠、疏水膠、有功能基團的疏水膠、多孔材料、有功能基團的多孔材料、非多孔材料和有功能基團的非多孔材料。首選的功能基團包括乙醛、炭化二亞胺、琥珀酰亞胺酯、抗體、受體和凝集素。
本發(fā)明的電磁芯片可以包括至少一個功能層和至少一個流體池。流體池可以引入液體使其與陣列接觸。流體池上制作有入口/出口或是管道，以便于物質(zhì)，例如試劑流入或是離開流體池。這種流入一引出結(jié)構(gòu)的流體池的設(shè)計特別適合于本發(fā)明的自動化操作。
首選的電磁芯片圖和具體實例中都以本發(fā)明的首選電磁芯片為例。本發(fā)明的具有可單獨選通微電磁單元陣列(10)的首選的電磁芯片由以下部分組成基底(16)；在上述基底(16)上排列成陣列的空腔(22)；第一層導(dǎo)線(30’)，其中的導(dǎo)線至少圍繞了磁芯達到90度以上。上述的空腔排列成行列的方式，每個空腔中含有一個可磁化的磁芯(26)。
電磁芯片還包括另外的導(dǎo)線層，其中的導(dǎo)線至少圍繞了磁芯達到90度以上，這層導(dǎo)線層和第一導(dǎo)線層相互絕緣，但是導(dǎo)線之間通過貫穿絕緣層的連線連接。絕緣層的材料可以是氧化硅、氮化硅、塑料、玻璃、陶瓷、光刻膠和橡膠。導(dǎo)線層的材料可以是鋁、金、銀、錫、銅、鉑、鈀、石墨和半導(dǎo)體材料。
本發(fā)明的電磁芯片可以包括另外的沉積在陣列表面的絕緣層。這第二層絕緣物質(zhì)可以是氧化硅、氮化硅、塑料、玻璃、陶瓷、光刻膠和橡膠。
本發(fā)明的電磁芯片還可以包括另外的功能層。功能層可以由任何合適的材料組成，本發(fā)明中首選的是至少包括以下一種材料親水單分子層、有功能基團的親水單分子層、疏水單分子層、有功能基團的疏水單分子層、親水膜、有功能基團的親水膜、親水膠、有功能基團的親水膠、疏水膠、有功能基團的疏水膠、多孔材料、有功能基團的多孔材料、非多孔材料和有功能基團的非多孔材料。首選的功能基團包括乙醛、炭化二亞胺、琥珀酰亞胺酯、抗體、受體和凝集素。
本發(fā)明的電磁芯片可以包括至少一個功能層和至少一個流體池。流體池可以引入液體使其與陣列接觸。流體池上制作有入口/出口或是管道，以便于物質(zhì)，例如試劑流入或是離開流體池。這種流入一引出結(jié)構(gòu)的流體池的設(shè)計特別適合于本發(fā)明的自動化操作。
III.檢測反應(yīng)所用的方法本發(fā)明包括引導(dǎo)配基和靶物質(zhì)反應(yīng)的方法。該方法包括以下的步驟1)提供一個帶有多個可單獨選通的微電磁單元的器件，例如本發(fā)明的電磁芯片；2)微電磁單元上有功能層，功能層可以直接與微電磁單元接觸；3)修飾配基分子使得修飾后的配基分子可以被磁場作用；4)將帶有修飾的配基分子的溶液與功能層接觸；5)選擇性的選通至少一個微電磁單元，使得其產(chǎn)生磁場，定位修飾了的配基分子，使得至少一部分配基分子固定在功能層上，從而形成由固定的配基分子組成的排列圖案；6)修飾靶分子使得修飾后的靶分子可以被磁場作用；7)將帶有靶分子的溶液和和固定了的配基分子作用；并且8)選擇性的選通微電磁單元，使得靶分子與預(yù)先固定的配基分子反應(yīng)。
芯片上述方法中使用的首選電磁芯片是本發(fā)明中所述的電磁芯片，當然其它種類的芯片也可以使用。
磁性微粒本發(fā)明中使用的磁性微粒和磁性物質(zhì)的尺寸可以介于微米級至毫米級之間。磁性微?？梢杂筛鞣N材料組成，可以使用各種不同的工藝制作，只要生物芯片產(chǎn)生的磁場足以使得磁性微粒誘導(dǎo)出磁偶極子。
可以在電磁力作用下移動的磁性微?？梢杂纱判圆牧辖M成。首選的材料是順磁性材料，它由外加磁場誘導(dǎo)出的磁偶極子，在外加磁場撤去后，可以回復(fù)為零。鐵復(fù)合物就是一種合適的順磁性物質(zhì)。本發(fā)明中，磁性微粒的表面可以包被一種或是多種復(fù)合物以便于連接特定的結(jié)合物，用以直接或是間接的捕獲感興趣的實體分子。本發(fā)明中的磁性微?？梢灾瞥扇魏涡螤?，一般制成球形和橢球形。
本發(fā)明可以同時使用幾種磁性微粒。不同的磁性微粒具有不同的表面性質(zhì)，即它們可以與不同的實體分子結(jié)合，這樣通過這種方法就可以同時分離幾種不同的實體分子。不同表面性質(zhì)的實體分子可以通過在磁性微粒的表面包被不同的復(fù)合物，再可逆或是不可逆的連接上不同的結(jié)合物而得以實現(xiàn)。
待操縱的實體分子可以通過任何可行的方法與結(jié)合物的表面結(jié)合。例如，實體分子可以和結(jié)合物的表面直接相連或是通過一個連接臂相連，最好是一個可以切割的連接臂。實體分子也可以通過共價或是非共價的結(jié)合方式與結(jié)合物表面結(jié)合。實體分子與結(jié)合物表面的連接方式可以是特異的，也可以是非特異的。最好，實體分子和結(jié)合物之間的連接是可以被切割的，如可以被化學、物理或是酶反應(yīng)切斷的連接臂。
連接臂(連接鍵)是任何可以將實體分子和結(jié)合物連接起來的特定物質(zhì)分子。這樣的連接臂(連接鍵)可以包括，但不僅僅限于，氨基酸或是肽鍵的連接、二硫鍵、硫醚鍵、受阻礙硫醚鍵、自由基(如氨基和硫醇基)之間的共價鍵等等。其它形式的連接臂包括可被酸切割的連接臂，例如bismaleimideothoxy propane、acid labile-transferrin conjugates、adipic aciddihydrazide這些可以在細胞內(nèi)偏酸性條件下被切割的物質(zhì)；也可以是能在紫外光或是可見光下被切割的膠聯(lián)劑，例如人類IgG1中的恒定區(qū)域CH1、CH2和CH3(Batra et al.，Molecular Immunol.，30379-386((1993))。在一些實體例子中，可以同時使用多種連接臂，以便于利用各種連接臂的優(yōu)勢。其它種類的連接臂如三苯甲基連接臂，來自于三苯甲基基團，可以在不同的酸堿性條件下釋放實體分子(U.S.Patent No.5,612,474)。還有一些連接用實體分子可以參見下文(Huston et al.，Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.，855879-5883(1988)，Whitlow，et al.，Protein Engineering，6989-995(1993)，Newton et al.，Biochemistry，35545-553(1996)，Cumber et al.，Bioconj.Chem.，3397-401(1992)，Ladurner et al.，J.Mol.Biol.，273330-337(1997)and in U.S.Patent.No.4,894,443)。本發(fā)明中通常選用的連接方式是生物素-鏈霉親和素相互作用、抗原-抗體相互作用、配基-受體相互作用或是核酸序列互補作用。用于連接實體分子和微粒的連接臂和方法可以參見美國專利申請，申請?zhí)枮?9/636,104(遞交日期2000年8月10日)。
在一些情況下，當實體分子-結(jié)合物如分子-微粒復(fù)合物被操縱/分離到預(yù)定的位置后，微粒的存在并不干擾分子下一步的反應(yīng)。這樣，就不必將分子和結(jié)合物再進行分離。但是在某些情況下，這樣的分離又是必須的。分離過程的特征由實體分子和結(jié)合物的性質(zhì)、結(jié)合物的表面狀況和操縱過程決定。通常，分離的條件和聚合的條件恰好相反。例如，如果實體分子和結(jié)合物在高鹽離子濃度條件下結(jié)合，那么實體分子可以在低鹽離子濃度條件下從結(jié)合物上洗脫下來。相似的，如果實體分子與結(jié)合物的連接是通過特異性的連接臂完成的，那么分離的方式就是施加給這個連接臂可以特異性使其斷裂的條件。
磁化物質(zhì)是指當施加磁場時可以誘導(dǎo)出磁偶極子，而當外加磁場消失時，感應(yīng)出的磁偶極子也隨之變?yōu)榱恪Ｔ趹?yīng)用中，可以使用市售的磁化物質(zhì)或是磁性微粒。大部分微粒的尺寸介于微米以下(例如50納米至0.5微米)至幾十微米。微?？梢跃哂胁煌慕Y(jié)構(gòu)和組成。一種磁性微粒的結(jié)構(gòu)是在一小塊鐵磁性材料外包裹一層膠體，如聚苯乙烯層。還可以把納米級的鐵磁性材料和膠體如，聚苯乙烯混合在一起而形成的。這兩種微粒的表面都是聚苯乙烯，可以進一步將各種類型的分子修飾在上面。
在本發(fā)明中，包含磁性微粒的溶液也可以包含一種或是多種結(jié)合物。結(jié)合物可以是一種或多種蛋白質(zhì)，如抗體、抗體片段、抗原、配基(例如，但不僅僅限于，受體配基)、植物血凝素等等。結(jié)合物也可以是有機或是無機的分子，例如鎳、谷胱甘肽、生物素、親和素、鏈霉親和素、非蛋白的受體配基或是配基類似物等等。結(jié)合物也可以是核酸，如RNA、DNA或是任何非天然存在的核酸。結(jié)合物可以與磁性微粒可逆或是不可逆的結(jié)合。在固相表面耦聯(lián)分子，如核酸和蛋白的方法都是本領(lǐng)域內(nèi)常見的方法。
修飾配基分子配基分子可以是任何種類的實體分子，例如，但不僅僅限于，生物分子、化學試劑、藥物分子，甚至可以是樣品的一個組成部分，例如細胞。具體的說，配基分子可以是核酸分子、抗體/抗原等等。
為了使用磁場對配基分子進行定位、移動，配基分子需要進行修飾。修飾的方法有多種，例如將配基分子和磁性物質(zhì)連接。連接的方法可以采用上述的連接臂。連接可以是通過共價鍵的形式，也可以是生物親和的方式，例如生物素—親和素親和作用、凝集素—肝素親和作用、受體—配基結(jié)合作用和抗原—抗體結(jié)合作用。最好，這種連接臂是可切割的，例如可以被光、熱、酶或是其它化學反應(yīng)切割。
在本發(fā)明的操作過程中，配基分子可以從磁性微粒上解離下來，在流體池中，解離下來的磁性微?？梢栽诖帕Φ淖饔孟卤涣黧w清洗出去而與配基分子分離。
本發(fā)明中，一種修飾配基分子的方法是將配基分子與磁性微?；旌?，冷凍使得配基分子和磁性微粒形成小的固體磁性微粒。在這種情況下，可以使用磁力分樣器將這種小的固體磁性微粒排布到電磁芯片上。
修飾靶分子靶分子可以是任何種類的實體分子，例如，但不僅僅限于，生物分子、化學試劑、藥物分子，甚至可以是樣品的一個組成部分，例如細胞。具體的說，靶分子可以是核酸分子、抗體/抗原等等。
為了使用磁場對靶分子進行定位、移動，靶分子需要進行修飾。修飾的方法有多種，例如將靶分子和磁性物質(zhì)連接。連接的方法可以采用上述的連接臂。連接可以是通過共價鍵的形式，也可以是生物親和的方式，例如生物素—親和素親和作用、凝集素—肝素親和作用、受體—靶結(jié)合作用和抗原—抗體結(jié)合作用。最好，這種連接臂是可切割的，例如可以被光、熱、酶或是其它化學反應(yīng)切割。
在本發(fā)明的操作過程中，靶分子可以從磁性微粒上解離下來，在流體池中，解離下來的磁性微?？梢栽诖帕Φ淖饔孟卤涣黧w清洗出去而與靶分子分離。
本發(fā)明中，一種修飾靶分子的方法是將靶分子與磁性微?；旌?，冷凍使得靶分子和磁性微粒形成小的固體磁性微粒。在這種情況下，可以使用磁力分樣器將這種小的固體磁性微粒排布到電磁芯片上。
結(jié)合反應(yīng)在溶液中，分子間的結(jié)合或是反應(yīng)(例如，抗原和抗體；特異的DNA探針和其互補的序列)是在分子擴散的過程中通過碰撞而實現(xiàn)的。反應(yīng)的效率和速率和參加反應(yīng)的分子的局部濃度和碰撞的能量有關(guān)。在許多生物芯片的模型中，一種分子已經(jīng)固定在芯片的表面，而另外一種分子則游離在芯片表面的溶液中。當溶液中的分子通過被動的擴散與固定的分子發(fā)生碰撞時，反應(yīng)發(fā)生。在一定的時間內(nèi)，往往只有一小部分的分子可以擴散并和固定的分子發(fā)生碰撞。這樣，反應(yīng)緩慢，效率低下，嚴重影響了這些生物芯片上生化反應(yīng)的速率、效率和靈敏度。而本發(fā)明的電磁芯片中，溶液中的分子在磁力的作用下主動的和固定在芯片表面分子接觸，可以大大提高反應(yīng)的速率、效率和靈敏度。
以一個由超順磁性物質(zhì)制作的磁性微粒為例，當微粒處于磁場B中，微粒本身會被誘發(fā)產(chǎn)生磁偶極Φ□ ＝Vp(∏p-∏m)Hm其中Vp代表微粒的體積，χp和χm分別是微粒和周圍介質(zhì)的極化率。Φm是介質(zhì)的磁透率，Hm代表磁場強度。如下式所示，微粒受到的磁力Fmagnetic取決于磁偶極子的極化率和磁場梯度·Fnagnetic＝0.5Vp(χp-χm)HmΛBm，其中″X″和″Λ″分別代表點積和梯度運算。微粒是否受到磁力取決于微粒和其周圍介質(zhì)的極化率的差異。通常微粒懸浮在液態(tài)的非磁性介質(zhì)中(極化率接近為零)，這樣為了產(chǎn)生足夠的磁力，就需要使用磁性微粒(極化率大大超過零)。在磁力和粘性阻力作用下平衡時的磁性微粒速度νparticle為νparticle=Fmagnetic6πηm]]>式中r為磁性微粒直徑，ηm為周圍介質(zhì)的粘性系數(shù)。這樣，為了得到盡可能大的磁場操縱力，應(yīng)該考慮到以下的因素(1)微粒的磁化率應(yīng)該盡可能大；(2)磁場強度應(yīng)該盡可能大；(3)磁場強度梯度應(yīng)該盡可能大。
檢測配基分子和靶分子的結(jié)合可以通過多種方法檢測。其中一種方法是使用可檢測標記或是使用檢測系統(tǒng)?？蓹z測標記或是檢測系統(tǒng)可以產(chǎn)生可見的信號或是光學可見的信號。為了檢測配基分子和靶分子的結(jié)合，可以將配基分子或是靶分子上標記可檢測的標記或是連接上檢測系統(tǒng)的部分。例如，可以在流體池中通入帶標記的抗體，這些抗體可以被芯片上已經(jīng)固定的特定的結(jié)合物，如抗原結(jié)合，未結(jié)合的試劑可以被流體洗去。根據(jù)所使用的標記的類型，可以使用適當?shù)姆椒ê蛢x器，例如通過光纖或是CCD設(shè)備檢測光學信號，使用磁共振頭(MR Head)可以檢測磁信號。
IV.操縱磁性微粒的方法本發(fā)明包括操縱磁性微?；蚴强纱呕⒘５姆椒?。操縱方法的步驟為提供一塊帶有多個可單獨選通的微電磁單元的電磁芯片；將磁性微粒或是可磁化微粒加到芯片電磁芯片的表面；根據(jù)需要選通一個或是多個微電磁單元。調(diào)節(jié)施加的電信號，以改變電磁芯片表面的磁場分布，從而改變磁性微?；蚴强纱呕⒘Ｉ鲜艿降拇艌隽?。這樣，可以將磁性微?；蚴强纱呕⒘Ｒ苿拥皆O(shè)定的區(qū)域或是從設(shè)定的區(qū)域離開。
磁性微?；蚴强纱呕⒘０ㄖ辽僖环N實體分子，包括樣品的組成部分，例如細胞(血細胞、惡性腫瘤細胞、腫瘤細胞等)。實體分子還可以是核酸分子、特異的結(jié)合試劑(例如抗體和受體)。首選的實體分子是核酸分子、DNA、RNA、受體、多肽、蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂類、原核細胞、真核細胞、病毒、寄生蟲、朊病毒、細菌抗體、凝集素、受體或是樣品的組成部分包括細胞，例如血細胞、惡性腫瘤細胞、腫瘤細胞等。
實體分子和磁性微?；蚴强纱呕⒘＿B接。磁性微?；蚴强纱呕⒘：蛯嶓w分子的連接可以通過直接的方式，也可以通過非直接的方式。非直接的方式可以通過多種方法實現(xiàn)，例如通過聚集的方法，或是通過特異的結(jié)合物(抗體、受體等等)。直接的連接也可以通過多種方法實現(xiàn)，例如使用化學連接臂將磁性微?；蚴强纱呕⒘Ｅc實體分子連接或是直接偶聯(lián)在一起。
連接有實體分子的微?？梢栽诖帕Φ淖饔孟乱葡蚧蚴请x開芯片上特定的區(qū)域。連接有實體分子的微粒在磁力的作用下可以可逆的固定在芯片的表面，這樣可以對芯片進行清洗，如果芯片上有流體池，就可以通入流體進行清洗。另外，芯片表面的功能基團，例如功能層上的功能基團，也可以可逆或是不可逆的與實體分子、微粒或是實體分子—微粒復(fù)合物結(jié)合，從而使得對芯片的清洗成為可能。這樣，就可以實現(xiàn)對實體分子的分離和定位。
一旦實體分子被可逆或是不可逆的分離、定位或是固定后，多種方法可以用于對它的檢測。例如，對于一個已經(jīng)定位了的實體分子或是微?？梢酝ㄟ^其上的可檢測的標記或是檢測系統(tǒng)被檢測。首選的可檢測的標記包括熒光標記、可見光標記、同位素標記等等?？蓹z測的標記可以在分離之前就連接到實體分子上，也可以在分離之后，通過次級試劑，例如標記抗體連接到實體分子上。微粒上也可以帶有標記，這種標記可以是微粒本身固有的性質(zhì)，例如顏色等，也可以是后來修飾上去的標記，例如熒光標記等。根據(jù)所使用的標記的類型，可以使用適當?shù)姆椒ê蛢x器，例如通過光纖或是CCD設(shè)備檢測光學信號，使用磁共振頭(MR Head)可以檢測磁信號。檢測的方法可以是定量的、半定量的或是定性的。
為了對通過磁力分離的實體分子進行檢測，樣品中的至少一種實體分子上應(yīng)帶有可檢測的標記。例如，在將生物樣品和本發(fā)明的樣品溶液混合進行磁力分離時，可以使用特異性的識別樣品中的一種細胞或是組分的抗體對某種細胞或是組分進行標記?？贵w上可以帶有可檢測的標記，例如熒光分子(如羅丹明、熒光素、Texas紅、藻紅蛋白，藻藍蛋白、綠色熒光蛋白、紅色熒光蛋白、藍色熒光蛋白、黃色熒光蛋白等等。細胞也可以使用帶有不同標記的不同抗體標記。這樣，帶有熒光標記的細胞所處的位置可以被檢測到，從而可以判斷出使用樣品溶液對樣品組分進行磁力分離的效果。除了細胞外的樣品組分，如細胞器、病毒、蛋白質(zhì)、復(fù)合物和核酸等等都可以利用抗體進行標記，從而檢測它們的磁力分離。
另外，還有一種檢測方式是在分離之后，通過結(jié)合分析檢測蛋白質(zhì)、核酸和其它化合物的存在。例如，將本發(fā)明的樣品溶液和樣品混合后，再進行細胞分離，分離的效果可以通過檢測能夠和給定細胞所表達的蛋白特異性結(jié)合的抗體或是檢測能夠和確定細胞(如特異種類的細菌)中的特異序列結(jié)合的探針核酸序列等等方法而得到。對可以代表特異類型細胞或是特異細胞組分的核酸序列和蛋白質(zhì)的檢測可以通過酶促檢測過程(如PCR)或分析(如P450分析)。通過向細胞內(nèi)部引入可檢測的標記(如染料)可以對細胞磁力分離過程進行監(jiān)控。例如，細胞中可以引入BCECF-AM(Molecular Probes，Eugene，OR)，這種熒光素探針可以被活細胞吸收，在磁力分離后，這種熒光素分子的位置可以確定(Gascoyne et al.IEEE Transcactions 33670-678(1997))。用以分離細胞的芯片被證明可以用顯微鏡進行觀察，這樣被分離的實體分子可以被洗出反應(yīng)池，再通過顯微檢測、流式細胞技術(shù)、細胞生長分析等等方法(但不僅僅限于這幾種)進行分析。
定位了的實體分子還可以被進一步處理。例如，可以通過適當?shù)姆椒▽嶓w分子從微粒上解離下來。例如，用以連接微粒和實體分子的連接臂可以通過適當?shù)姆椒ㄇ懈钕聛?，例如通過化學試劑、酶、pH、鹽或是光進行切割。
待操縱的實體分子可以通過任何可行的方法與結(jié)合物的表面結(jié)合。例如，實體分子可以和結(jié)合物的表面直接相連或是通過一個連接臂相連，最好是一個可以切割的連接臂。實體分子也可以通過共價或是非共價的結(jié)合方式與結(jié)合物表面結(jié)合。實體分子與結(jié)合物表面的連接方式可以是特異的，也可以是非特異的。最好，實體分子和結(jié)合物之間的連接是可以被切割的，如可以被化學、物理或是酶反應(yīng)切斷的連接臂。
連接臂(連接鍵)是任何可以將實體分子和結(jié)合物連接起來的特定物質(zhì)分子。這樣的連接臂(連接鍵)可以包括，但不僅僅限于，氨基酸或是肽鍵的連接、二硫鍵、硫醚鍵、受阻礙硫醚鍵、自由基(如氨基和硫醇基)之間的共價鍵等等。其它形式的連接臂包括可被酸切割的連接臂，例如bismaleimideothoxy propane、acid labile-transferrin conjugates、adipic aciddihydrazide這些可以在細胞內(nèi)偏酸性條件下被切割的物質(zhì)；也可以是能在紫外光或是可見光下被切割的膠聯(lián)劑，例如人類IgG1中的恒定區(qū)域CH1、CH2和CH3(Batra et al.，Molecular Immunol.，30379-386((1993))。在一些實體例子中，可以同時使用多種連接臂，以便于利用各種連接臂的優(yōu)勢。其它種類的連接臂如三苯甲基連接臂，來自于三苯甲基基團，可以在不同的酸堿性條件下釋放實體分子(U.S.Patent No.5,612,474)。還有一些連接用實體分子可以參見下文(Huston et al.，Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.，855879-5883(1988)，Whitlow，et al.，Protein Engineering，6989-995(1993)，Newton et al.，Biochemistry，35545-553(1996)，Cumber et al.，Bioconj.Chem.，3397-401(1992)，Ladurner et al.，J.Mol.Biol.，273330-337(1997)and in U.S.Patent.No.4,894,443)。本發(fā)明中通常選用的連接方式是生物素-鏈霉親和素相互作用、抗原-抗體相互作用、配基-受體相互作用或是核酸序列互補作用。用于連接實體分子和微粒的連接臂和方法可以參見美國專利申請，申請?zhí)枮?9/636,104(遞交日期2000年8月10日)。
在一些情況下，當實體分子-結(jié)合物如分子-微粒復(fù)合物被操縱/分離到預(yù)定的位置后，微粒的存在并不干擾分子下一步的反應(yīng)。這樣，就不必將分子和結(jié)合物再進行分離。但是在某些情況下，這樣的分離又是必須的。分離過程的特征由實體分子和結(jié)合物的性質(zhì)、結(jié)合物的表面狀況和操縱過程決定。通常，分離的條件和聚合的條件恰好相反。例如，如果實體分子和結(jié)合物在高鹽離子濃度條件下結(jié)合，那么實體分子可以在低鹽離子濃度條件下從結(jié)合物上洗脫下來。相似的，如果實體分子與結(jié)合物的連接是通過特異性的連接臂完成的，那么分離的方式就是施加給這個連接臂可以特異性使其斷裂的條件。
當實體分子是細胞時，可以對細胞進行一定的處理，例如通過裂解或是通過改變細胞所處環(huán)境的滲透壓使得細胞破胞。通過這些方式，可以使得細胞的或是細胞內(nèi)的實體分子釋放出來，例如核酸分子、蛋白質(zhì)、多肽、受體、膜碎片和細胞器等等。這樣，細胞內(nèi)的感興趣的實體分子就可以從樣品中得到分離。細胞內(nèi)實體分子可以被收集和進行進一步的處理。當芯片采用流體管道的模式時更容易實現(xiàn)上述目的。細胞內(nèi)的物質(zhì)可以通過適當?shù)姆椒ㄟM行檢測，例如對于核酸分子可以采用PCR或是雜交的方法檢測，對于抗原，可以采用免疫分析的方法進行檢測。
對于不同的實體分子可以采用不同的標記進行檢測。例如，可以用Texas紅標記檢測一種實體分子，使用熒光素檢測另外一種實體分子。在芯片上進行分離的實體分子可以進一步在一塊芯片上或是多塊芯片上進行檢測。在芯片上，有特定的可以捕獲實體分子的位點。這些實體分子包括特異的結(jié)合物例如抗體、配基、受體或是核酸分子，通過某些方式，例如功能層的作用，這些實體分子通過可逆或是不可逆的方式固定在這些特定的位點上。這些詩體分子可以通過多種方法定位在芯片上，例如通過印刷的方法，包括接觸式點樣和使用噴墨方式點樣。這些不同的實體分子可以采用相同的或是不同的標記進行檢測。反應(yīng)檢測的結(jié)果可以顯示樣品的信息。通過比較樣品和對照的結(jié)果，可以確定樣品中組分的絕對或是相對的濃度。這種檢測方法用途很廣，例如用于疾病狀況的診斷、用于監(jiān)測環(huán)境檢測、藥物毒物學、藥物基因?qū)W、基因組學等研究中多種實體分子的數(shù)量變化狀況。
本發(fā)明使用了電磁行波，也可以稱為行波磁泳(traveling wavemagentophoresis)。行波磁泳是指磁性微?；蚴强纱呕⒘Ｔ诖帕π胁ㄗ饔孟碌倪\動。這樣的行波磁泳可以通過使用本發(fā)明的方法和器件實現(xiàn)。磁泳可以是同步的，也可以是連續(xù)的。在同步磁泳中，直流電可以按照一定的方向依次施加在電磁單元上，使得電磁單元依次產(chǎn)生磁場，形成磁力行波，這樣磁性微?；蚴强纱呕⒘＞涂梢匝刂@個方向運動。在連續(xù)磁泳中，施加在電磁單元上的交流電信號彼此相差一定的相位，例如每4個相鄰電磁單元相差90度的相位。這樣也可以形成磁力行波。
圖24B中所示的器件，位于行波磁泳器件(170)中的電磁單元(190)示可以單獨選通的。芯片上對電磁單元的電路連接方式使得電磁單元可以單獨被選通和關(guān)閉，例如依次選通的方式首先，第一個電磁單元被選通；隨后，第二個電磁單元(與第一個電磁單元平行的最接近的電磁單元)被選通，同時第一個電磁單元關(guān)閉；然后依次是第二個電磁單元關(guān)閉，同時第三個電磁單元選通...這樣，第一個、第二個、第三個...電磁單元上就依次出現(xiàn)磁場，正如磁場隨著一定的方向傳播，形成磁力行波。這些電磁單元形成了一個磁力行波的結(jié)構(gòu)。在磁力行波的作用下，帶有或是未帶有實體分子的磁性微?；蚴强纱呕⒘＞涂梢匝刂艌龅姆较蛞苿?。
一個行波磁泳裝置包括一定數(shù)量的電磁單元。只要可以適于行波磁泳，這些電磁單元可以是任意的尺寸、形狀和強度。一般而言，行波磁泳裝置包括2至1000個電磁單元，更好是包括5至500個電磁單元，最好是包括10至100個電磁單元。電磁單元可以制成任何適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)和尺寸，還要具有一定數(shù)量的磁芯以便于產(chǎn)生足夠的磁場。制作電磁單元時需要考慮到的因素包括單元的尺寸、單元的數(shù)量、單元的強度、需要被移動的微粒的性質(zhì)和需要施加的電信號的性質(zhì)。本發(fā)明可以用以指導(dǎo)設(shè)計、制作和測試多種這樣的結(jié)構(gòu)，以確定出可以用于行波磁泳的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明中，不同的結(jié)合物可以同時固定在芯片上(例如在功能層上)具有行波磁泳結(jié)構(gòu)區(qū)域的不同位點。帶有實體分子的微粒通過行波磁泳作用可以通過芯片上行波磁泳結(jié)構(gòu)區(qū)域，這樣，預(yù)先固定在行波磁泳區(qū)域的不同的結(jié)合物可以捕獲各自對應(yīng)的結(jié)合物。在行波磁泳過程中或是行波磁泳結(jié)束后，捕獲的實體分子可以采用相同的或是不同的檢測標記或是檢測系統(tǒng)進行檢測。根據(jù)所使用的標記，可以選用適當?shù)臋z測方法進行檢測。首選的標記方式是熒光標記，首選的檢測方式是使用光纖和CCD設(shè)備，具體的方法是使用光纖結(jié)構(gòu)收集熒光信號，傳輸?shù)紺CD部分進行測量和處理。
實例例1具有豎直結(jié)構(gòu)的微電磁單元的電磁芯片以下是本發(fā)明的具有豎直方向微電磁單元的電磁芯片的一個實例。
圖1為本發(fā)明中電磁芯片10的簡圖。芯片10包括多個微電磁單元11，這些單元可制作在硅、玻璃、氧化硅、塑料、陶瓷或其他致密及非致密材料的基片16上。芯片10上的電磁單元11排列成3×3的陣列。當施加電流15時電磁單元11可以感應(yīng)出磁場 17，并能夠通過多種手段進行選通。圖1為9個微電磁單元中的6個選通后在各單元附近產(chǎn)生磁場的示意圖。注意磁場的方向取決于電流環(huán)流的方向。
在圖1中，電磁單元11可以是由環(huán)行電導(dǎo)線(如圖所示圓環(huán)15)和這些電導(dǎo)線所環(huán)繞的一個與導(dǎo)電回路絕緣的中心19所構(gòu)成的。環(huán)可以有多種幾何形狀，如圓環(huán)、螺旋線、正方形及方形螺旋形。正如熟悉微刻蝕和微加工的人員所知道的，這些具有不同寬度和厚度的導(dǎo)線可以用不同的光刻和加工方案在硅基上制備(可參見Rai-Choudhury P主編的Handbook ofMicrolithography，Micromaching and Microfabrication，Volume 2Micromachingand microfabrication．SPIE Optical Engineering Press，Bellingham，Washington，USA，1997)。這些方案包含許多基本步驟，如制作光刻掩膜板、沉積金屬、沉積絕緣體、涂覆光刻膠、通過掩膜和顯影劑在光刻膠上形成圖案、金屬或絕緣層成型。導(dǎo)線可以是金屬材料如鋁、金、銀、錫、銅、鉑、鈀或非金屬材料碳，半導(dǎo)體材料如摻磷硅，或其他任何能導(dǎo)電的材料。為了傳導(dǎo)高達幾百毫安的電流，導(dǎo)線必須具有幾千平方微米的橫截面積。導(dǎo)線的厚度和寬度可以分別在0.1～500微米和1～500微米之間變化。對每個電磁單元，導(dǎo)線可以為單圈或多圈。如為多圈，有可能需要采用多層微加工方案來制備這些單元。
在本發(fā)明的一種芯片設(shè)計方案中，微電磁單元的選通是通過電開關(guān)將導(dǎo)電回路和電流源相連來實現(xiàn)的。導(dǎo)電回路中的電流通斷情況可通過改變施加在電開關(guān)上的信號控制，從而使電磁單元或者接通或者關(guān)斷。在另一種芯片設(shè)計方案中，微電磁單元的選通可以通過機械開關(guān)控制導(dǎo)電回路的電流通斷來實現(xiàn)。在上述這兩種形式中電磁單元都與開關(guān)連接，通過控制開關(guān)的“開”或者“關(guān)”便可實現(xiàn)電磁單元通/斷選通狀態(tài)的多種組合。
為了增加電流在導(dǎo)電線圈中感應(yīng)的磁場強度，可以采用鐵氧體材料或鐵磁材料的磁芯。在這種情況下，每個電磁單元都包含了基片上的磁芯、環(huán)繞磁芯的單圈或多圈導(dǎo)線、從電流源向?qū)Ь€施加電流的裝置。因此，在圖1中電磁單元11的中心區(qū)19可以由鐵氧體材料或鐵磁材料制成，并使其與電流回路15進行電絕緣。在此領(lǐng)域人們所熟知的各種方法都可以用來在基片上沉積鐵氧體材料或鐵磁材料(舉例見Ahn and Allen的文章，“A new toroidal-meander type integrated inductor with a multilevel meander magnetic core”，IEEETransations on Magnetics 3073-79，1994)。
圖2為將磁性微粒21引導(dǎo)向一個正在工作的電磁單元11的示意圖。在施加電流15時，該單元附近會產(chǎn)生感應(yīng)磁場 17，該磁場對微粒產(chǎn)生磁力作用。如公式3所示，磁力極大地依賴于磁場 (及場強 )的分布。通過有選擇地選通電磁單元便可控制和改變磁場的分布。例如，通過某一適當方向的電流同步激勵四個相鄰的電磁單元便可產(chǎn)生一個四極子磁場。通過改變施加在微電磁單元上的電流幅值和方向可以進一步改變磁場的分布。磁場的改變進而影響對磁性微粒產(chǎn)生的磁力大小，影響微粒的位置、速度和其他動力學參數(shù)。例如，通過增加磁場強度和磁力可使微粒的速度增加。
圖3所示的電磁生物芯片除了位于芯片表面的功能層42外其他均與圖1所示的芯片相同。該功能層用于固定配基分子，它可以為親水單分子層或疏水單分子層、親水或疏水薄膜、親水或疏水凝膠層、聚合物層、非致密或致密材料和/或者這些材料的組合。分子單層是指單分子層(如Langmuir-Blodgett膜)。為固定核酸配基，可以使用在Southern印跡法和Northern印跡法中所用的結(jié)合材料如硝化纖維素或尼龍。蛋白和多肽可以通過各種物理或化學手段來加以固定化(例如疏水)。例如，為了固化蛋白或多肽配基分子可以將特定的受體如抗體或外源凝集素加到功能層42上。根據(jù)需要固化的配基及在生物芯片上所要進行的反應(yīng)和分析，可以將不同的分子加到功能層42上，以達到固定化配基的目的。這些為固定配基分子而引入到功能層42上的分子稱為功能基團。功能基團可以是(但不局限于)乙醛、碳二亞胺、琥珀酰亞胺酯、抗體、受體及外源凝集素。這些功能基團還包括通過對芯片表面進行化學修飾而形成的化學基團或分子位點。圖3所示電磁生物芯片10的使用方法將在后面具體描述。
圖4為根據(jù)前面所述本發(fā)明的一種設(shè)計方案給出的微電磁生物芯片10的簡要示意圖。通過導(dǎo)體14連接點12與電磁單元陣列進行電傳導(dǎo)。圖5給出了詳細的單個電磁單元的橫截面示意圖。雖然在很多中基片上都可以制作出類似的微電磁芯片，但圖示方案中所示意的基片是表面拋光的硅基片16。下面我們詳細地描述圖4中電磁生物芯片10的制作過程。這些過程僅供示意之用。熟知微加工的人可以很容易地修改這些步驟或過程，改進與圖4所示具有相同結(jié)構(gòu)的生物芯片的部分加工方法。導(dǎo)電區(qū)域通過表面擴散(摻雜)磷來產(chǎn)生一個摻雜濃度為2-10Ω/□的電阻。二氧化硅絕緣層具有1000-8000的厚度，并通過下面所描述的熱分解方法產(chǎn)生。
根據(jù)對微電磁單元陣列芯片的尺寸和陣列密度的要求，通過摻磷在基片16上光刻形成平行導(dǎo)線18。調(diào)節(jié)磷擴散的表面密度使導(dǎo)線18的方塊電阻小于或等于10Ω/□。因為導(dǎo)線18在基片16中形成，它們沒有起伏也不會高出基片16的表面。
在形成第一層導(dǎo)線18后，將芯片放在高溫烘箱中(如1000℃)，在基片16的表面生長一層厚為2000-4000的氧化硅絕緣層。于是在基片16上形成第一層絕緣層20來覆蓋第一層導(dǎo)線18。
應(yīng)用光刻的方法，在第一層導(dǎo)線之間指定的區(qū)域刻蝕出用于電鍍的小孔。例如，深為10μm的電鍍小坑陣列22是通過在硅基片16表面加KOH溶液(30％w/w)腐蝕而成。每個電鍍小坑22的橫截面為梯形，并且較小的平行邊靠近基片16的下表面。另一層厚為5000的二氧化硅24沉積在電鍍小坑22的表面，而且通過光刻將電鍍小坑22底部的一層二氧化硅去除。
在小孔22中填充鐵磁材料以形成磁芯。先將基片16放在NiSO4(200-400g/l)溶液中，在通氮氣的情況下升溫到400-600℃加熱30分鐘，以便在電鍍坑22的底部形成一個厚為1μm的鎳種子層。
小坑22中的磁芯26可以按下面的步驟和條件通過電鍍形成(1)20-40℃下放在Fe/FeCl2溶液(比率200500g/l)中；(2)30-60℃下在FeNi/NiSO4溶液(200400g/l)中；(3)30-60℃下在FeCl2溶液(10-60g/)中。這樣，在基片16上形成磁芯26的陣列，其中磁芯26的表面比第一層二氧化硅絕緣層20的表面要高。根據(jù)其他條件和步驟電鍍獲得成分結(jié)構(gòu)不同的磁芯26。例如，為獲得鎳(81％)-鐵(19％)玻莫合金，電鍍?nèi)芤嚎梢园铝薪M分NiSO4·6H2O(200g/l)，F(xiàn)eSO4·7H2O(8g/l)，NiCl2·6H2O(5g/l)，H3BO3(25g/l)及Saccarin(3g/l)。在～5mA/cm2的電流密度條件下可獲得～0.3μm/min的電鍍速度。其他有關(guān)電鍍條件的細節(jié)可以從許多參考文獻中找到(例如，Romankiwand O’Sullivan，“Plating techniques”in Handbook of Microlithography，Micromaching and Microfabrication，Volume 2Micromaching andMicrofabrication，EditorRai-Choudhury P.，SPIE Optical Engineering Press，Bellingham，Washington，USA，1997)。
形成磁芯陣列26后，一層厚度約為5000的Si3N4絕緣層28在200-300℃的溫度下被沉積到磁芯26和第一絕緣層20上。接下來是將厚度約為1.2μm的導(dǎo)電鋁層濺射到Si3N4絕緣層28的表面上。通過對鋁進行光刻和濕法刻蝕在磁芯26之間形成與第一層導(dǎo)線18垂直的第二層導(dǎo)線30。這樣便形成了一個由磁芯陣列和兩維導(dǎo)線網(wǎng)所構(gòu)成的微電磁單元陣列。鋁導(dǎo)線30的表面較磁芯26的表面可能持平或略高。
最后，第二個厚度約為4000的Si3N4絕緣層32在300℃下被沉積在鋁導(dǎo)線30的表面。然后，通過干法刻蝕將第一層導(dǎo)線18和第二導(dǎo)線層30末端的絕緣材料除掉，使得導(dǎo)線的末端通過導(dǎo)體14連到焊線點12上，從而使芯片上的導(dǎo)線與外部電路相連。
微電磁單元陣列的導(dǎo)電通道18和30是通過直流電源供電的。微電磁單元陣列中的每個單元都可以通過有選擇地給不同的導(dǎo)電通路18和30通電而加以控制。如圖5所示，通過選擇磁芯26周圍的通道18和30中的電流的方向使得繞磁芯26形成環(huán)形電流，會在該單元附近產(chǎn)生一磁場，也就是說，為了磁化任一列上的某一個磁芯，在該列左、右側(cè)的導(dǎo)電通道18必須被選中并讓這兩個通道中通以方向相反的電流。當然，該電流將會在一定程度上磁化該列中所有的磁芯。不過，該列上任一預(yù)定的單元同時也是某一行上的一個單元。當電流在該行兩側(cè)的導(dǎo)電通路30中流過時，該行上的所有組成單元都會有一定程度的磁化。但如圖5所示對于被選中的單元而言，將會在其四周的導(dǎo)電通路中有電流流動形成一環(huán)路。這樣在被選單元處所產(chǎn)生的磁場強度將是那些未被選中單元的兩倍。
在需要增強被選中單元的磁場強度時，可以制作多“匝”導(dǎo)電通道(如微型線圈)以增加磁芯的環(huán)繞電流。通過用制作通道18和30類似的方法可以在絕緣層32上再制作一層或多層二維導(dǎo)電通道網(wǎng)，每一網(wǎng)層包含與18和30相似的相互絕緣的兩層導(dǎo)電通道，而且它們的位置和通道18，30分別對應(yīng)。
被選中單元的磁場強度還可以通過微細加工技術(shù)制作環(huán)繞磁芯的微線圈加以提高。在電流一定的情況下，由磁芯所產(chǎn)生的磁力與微型線圈的匝數(shù)成正比。對于從事微細加工的人員來說，他們應(yīng)該知道現(xiàn)有的方法中有許多微細加工技術(shù)均可被用來制作微型線圈。下述方法是本專利的示例描述，但制作方法并不只局限于這一種。微型線圈的制作方法與上述導(dǎo)電通道的制作方法類似，也是或者采用摻雜導(dǎo)電層或者采用金屬導(dǎo)電層(如鋁)，其不同之處在于導(dǎo)電層之間是在垂直于芯片表面的方向通過接觸孔而連接的。在制作第一層導(dǎo)電通道時，不是在磁芯26四周制作直線通道，而是如圖7中所示將通道34制成幾乎完全環(huán)繞磁芯26的導(dǎo)電通道。這層導(dǎo)電通道可以用象制作列導(dǎo)電通道18中所采用的磷擴散方法實現(xiàn)。隨后，在這層導(dǎo)電通道之上再覆蓋一層絕緣層20。如圖8所示，第二層導(dǎo)電通道36被沉積在絕緣層20上，它可以通過上述行導(dǎo)電通道30中所使用的濺射和刻蝕方法制作。在濺射之前，絕緣層20首先被刻蝕出一個垂直連接孔35以使微線圈通道34和36連通。連接點35要正好安排來讓第一層微線圈導(dǎo)電通道34的尾部與第二層微線圈導(dǎo)電通道36的起點相對應(yīng)。第二層微線圈通道36上同樣覆蓋一層絕緣層20，重復(fù)用上述方法制作第三層導(dǎo)電通道38，如圖9所示。通道38，34被引出陣列和導(dǎo)體14和壓焊點12(未畫)連接。關(guān)鍵之處在于每一導(dǎo)電通道層構(gòu)成微線圈上的一個單匝，而每個微線圈均由一個起始的“列”層34和一個終止的“行”層38構(gòu)成，其中環(huán)行導(dǎo)電通道36可以依需要而制作多層。注意每相鄰導(dǎo)電層之間的間隙40都有輕微錯位，這種錯位安排是必要的，它用以保證連接孔35總是與下一導(dǎo)電層的尾端，上一導(dǎo)電層的首端相對應(yīng)。同樣，微線圈也能用最初制作列通道18的方法(摻雜)實現(xiàn)。這取決于所設(shè)計器件的要求。在硅中摻雜的方法之一是在絕緣層20上沉積一層多晶硅，然后用光刻引導(dǎo)摻雜的方式制作導(dǎo)電通道。在除了“行”層38以外的所有微線圈層制作完畢以后，用刻蝕的方法產(chǎn)生方坑22，再用電鍍的方法制作磁芯26，最后制作“行”導(dǎo)電層38和絕緣覆蓋層以完成結(jié)構(gòu)制作。
微線圈的好處在于每個磁芯能產(chǎn)生比單匝線圈強得多的磁力(與微線圈的匝數(shù)成正比)，特別是在一個單元被行列選通而磁化時，其他磁芯的磁化度會很弱或沒有。
圖10、圖11A、圖11B和圖11C給出出了用開關(guān)選通微電磁單元的原理，在圖10中，每個單元41通過串聯(lián)開關(guān)37和39連接在共同的電源43與共地45之間。開關(guān)37可以通過在行導(dǎo)線30上施加的電信號(電流或電壓)加以控制。開關(guān)39可以通過在列導(dǎo)線18上施加電信號加以控制。當且僅當兩串聯(lián)開關(guān)打開時，單元41上有電流通過(即電流從電源43流出經(jīng)過電磁單元41到地45。開關(guān)可以用圖11A中所示的雙極三極管(bi-polar transistor)、圖11B中所示的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFETMetal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor)或是圖11C中所示的matrix drive LCD實現(xiàn)。因此通過加在雙極晶體管基極或金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管柵極的電勢使開關(guān)開或者關(guān)。單元41可以制成如圖10和11B所示的單圈方形線或如圖11A所示的多圈方形螺線。這些三極管能用與上述制作電磁陣列相似的方法制成，而且能與導(dǎo)電通道集成在同一襯底上。在最終構(gòu)成中，電源43和地45可能會分布在兩個分開的導(dǎo)電層上，且被分別接到直流電源的兩個輸出端上。流過磁芯周圍的電流大小為電源電壓除以電路中的總電阻(包括接通的開關(guān)電阻和導(dǎo)電回路的電阻)。在上面的例子中襯底材料為硅，但是其他材料，如玻璃、硅化物、陶瓷甚至塑料都可以被用作襯底。襯底也可以是致密或非致密的物質(zhì)。同樣，制作絕緣層20、28和32的材料也不限于上述所例舉的，這里，它們還可以是塑料、玻璃、光刻膠、橡膠、陶瓷等。導(dǎo)電層可以是鋁、金、錫、銅、鈦、鉑、碳、半導(dǎo)體或它們的復(fù)合物。類似地微線圈和導(dǎo)電通道的其他構(gòu)造也是可行的。上述通過電鍍制作磁芯的方法也僅僅是一個例子。磁芯可以通過電子束蒸發(fā)、離子濺射或其他微細加工中的沉積方法加以制作。具體地說，磁芯可以通過電子束蒸發(fā)，離子濺射或其他方法將一系列的鐵氧體材料或電磁材料通過沉積的方式制成。本發(fā)明包括在襯底上制作的各種可單點選通式微電磁單元。運用此種芯片，生物分子化學試劑和藥物分子都可在磁場作用下加以調(diào)動控制。
在微電磁陣列芯片制作完成后，絕緣層32的表面可以用化學方法加以修飾或覆蓋一層薄膜。這層膜在此被稱為功能層42，它是被用來固定配基分子的。如圖13所示，功能層42可以是親水或疏水的單分子層，親水或疏水的膜，親水或疏水的凝膠層，多聚分子層或者是這些材料的復(fù)合物，如與圖3相關(guān)部分所描述的那樣。功能層42也可由致密或非致密物質(zhì)構(gòu)成。在功能層42中可引入特定的分子如抗體以來達到固定化配基分子的目的，這最終取決于芯片表面所要固定的特定配基和所要作的分析或反應(yīng)。這些嵌入功能層中為固化配基分子的分子被稱為功能基團。為固定核酸所使用的配基固化材料硝化纖維或尼龍，可以是在Southern印記轉(zhuǎn)移和Northern印記轉(zhuǎn)移中所用的材料如多聚賴氨酸、瓊脂糖膠、水凝膠、聚丙酰胺凝膠等制作的功能層。為了固定蛋白和多肽，可以將抗體其他蛋白分子嵌入功能層42中以用做功能基團。
形成功能層后，被磁性修飾或承載(見下面解釋)的配基分子44可以通過與提供的不同功能基團結(jié)合而被固定在功能層42上。圖13描述了一種直接的結(jié)合反應(yīng)如抗體和抗原的結(jié)合，但是，固定化反應(yīng)并不僅局限于這種反應(yīng)。利用電磁單元產(chǎn)生的磁場可以精確地控制配基分子在功能層42上的固定化位置，即在大多數(shù)情況下如果單個電磁單元26被磁化，那么配基分子將會立即被固定于該單元上方的功能層上。眾所周知，電磁場的極性由該電磁單元周圍環(huán)繞的電流方向決定。依據(jù)不同的電流方向(順時針或逆時針)電磁單元可以被極化成不同的極性。因此，當兩個相鄰的電磁單元被感應(yīng)成相同的或相反的極性時，由兩個電磁單元所產(chǎn)生的磁場疊加所形成的總磁場將決定作用于經(jīng)磁性修飾過的配基分子上的磁力大小并確定其被固定化的位置。并且若按一定的時序選通各電磁單元，可以調(diào)整芯片上的磁場分布和改變作用于磁性修飾分子上的磁力大小。在芯片10表面構(gòu)建一個流體池46以用于容納親合配基分子、試劑以及反應(yīng)物，同時也可以進行液體的運輸。圖12是裝有流體池的生物芯片的一個示例。流體池46可以是塑料或其他材料制作。進樣口和出樣口48為液體的流動提供通道。用硅膠或其他材料在流體池46的頂部密封上一塊石英蓋片50(也可以使用玻璃等其他可透光的材料；石英是很好的用于紫外檢測的材料)。蓋片是為了便于利用光檢測方法來檢測裝置內(nèi)部的配基和反應(yīng)產(chǎn)物。如果采用非光學檢測方法，流體池頂部50就沒有必要使用透光材料。例2具有平面結(jié)構(gòu)微電磁單元的電磁芯片以下是本發(fā)明的具有水平結(jié)構(gòu)的微電磁單元的電磁芯片的一個實例。
例1中給出的是具有垂直結(jié)構(gòu)的微電磁單元(垂直單元)的電磁芯片，具有水平結(jié)構(gòu)的微電磁單元(水平單元)的電磁芯片或是同時具有水平和垂直結(jié)構(gòu)的微電磁單元的電磁芯片都屬于本發(fā)明的范疇。這些水平單元的制作和垂直單元相似。但是考慮到水平單元特殊的尺寸和形狀，使得水平單元具有與垂直單元不同的性質(zhì)，更加適合本發(fā)明的方法。
使用本發(fā)明給出的方法可以制作出多種形式的水平單元。這多種形式的水平單元的區(qū)別在于磁芯的尺寸(例如磁芯的厚度和長度)不同和磁芯外圍繞的導(dǎo)線圈數(shù)的不同。為了達到減小消磁后的殘余磁場和增加磁極密度的目的，磁芯應(yīng)制作的長些，提高磁芯的長度/截面積之比。而隨著截面積的增大，磁場強度也增大。在使用電磁芯片的過程中，在達到飽和電流之前，提高施加的電信號也可以提高磁極密度。以下給出了設(shè)計和制作水平單元磁芯時所有的尺寸(單位微米)200×50×5200×25×5200×50×2200×25×21600×50×5400×50×5400×25×5400×50×2400×25×21600×25×5圖14給出了由圍繞了12圈導(dǎo)線的磁芯組成的水平單元的設(shè)計圖。磁芯的尺寸為200微米×50微米，厚度約為5微米。單元施加的電流的大小為20毫安。圖15是磁芯在豎直方向200微米×200微米平面內(nèi)的磁場的對數(shù)等值圖，圖的坐標從磁芯的中心開始算起。圖16是和圖15在一個平面內(nèi)的Hm·Bm(高斯2/厘米)(和磁場力成正比)的對數(shù)圖。圖14B、圖14C和圖14D是這樣的單元的照片。
具有水平單元的電磁芯片可以使用3英寸硅片為原料，可以制作出16塊1厘米×1厘米大小的芯片。每塊1厘米×1厘米大小的芯片上可以有16個可單獨選通的微電磁水平單元。具有16個水平單元的1厘米×1厘米大小的芯片見圖17。圖18則是其上制作有16塊芯片的硅片圖。
圖19A是圖14A中沿著A-A方向的截面圖，圖19B是圖14A中沿著B-B方向的截面圖。通常，基底為硅或是玻璃，磁芯由CoTaZr構(gòu)成，其外包裹了一層絕緣物質(zhì)，上面圍繞著金制導(dǎo)線。PVT金線是通過沉積的方式制作在被氧化硅活化的硅片上。導(dǎo)線和磁芯之間被絕緣層隔開，絕緣層可以是光刻膠、硅、氧化硅、氮化硅和三氧化二鋁。
水平單元可以使用制作豎直單元的通用方法制作。制作水平單元時所使用的絕緣物質(zhì)可以分為2種類型，所以這里給出了2種制作方法。
光刻膠絕緣


氧化物絕緣



上述的兩種制作方法中都使用了一些用于光化學刻蝕的掩模。具體使用時，磁芯和導(dǎo)線之間究竟是選擇光刻膠還是使用氧化物由某些因素決定，主要要考慮到光刻膠物質(zhì)本身的熒光性質(zhì)。不同種類的光刻膠具有不同的熒光特性。這些物質(zhì)可以通過測試和篩選以選出可以用于熒光檢測的光刻膠。通常使用的是三氧化二鋁和氧化硅。
我們制作了三個帶有水平單元的芯片并進行了測試。水平單元中磁芯的尺寸為(單位微米)200×50×5 400×50×5 1600×50×5在磁芯末端處測量出的磁場強度大約是理論計算值的50％左右，這可能是由于制作過程中所造成的偏移。
器件使用寬度為5微米的MR頭進行檢測，檢測在一個可以手動調(diào)節(jié)的X-Y-Z平臺上進行，平臺的定位精度為25微米。水平單元上施加10毫安的電流。偏移點可以通過設(shè)定MR頭中的永久磁鐵薄片進行調(diào)節(jié)。測量的數(shù)據(jù)可以使用帶有微分放大器模塊的YEW 3033型儀器記錄。其中X軸記錄施加在水平單元上的電流，Y軸記錄MR頭上的信號值。
在使用MR頭測量之前，先用Helmhotz線圈進行校準，校準在+/-100高斯的范圍內(nèi)進行。圖20給出了校準曲線。MR頭預(yù)先安裝在平臺上，大至定位在待檢測器件的磁芯的末端。檢測頭的高度設(shè)定在50微米左右。然后在水平單元上施加大電流以使得檢測頭定位在X-Y平面上最大信號處，即磁芯的末端位置，然后再進行隨后的測量。
MR頭對于溫度很敏感，所以測量過程中的熱效應(yīng)必須被考慮到并且盡量降低。在器件上施加低頻(0.25Hz)方波有助于降低熱效應(yīng)，這是由于施加的電流的幅值是恒定的，幾個循環(huán)以后器件和檢測頭系統(tǒng)就可以達到熱平衡。
除了測量磁場和電流、磁場和Z方向上的高度的關(guān)系以外，器件的退磁狀況也進行了測試。電流可以通過幅值逐漸衰減的振蕩電流的方式衰減到零以使得單元去磁化，但是仍然有一定的殘留。
圖21給出了輸出的數(shù)據(jù)，是尺寸為400×50×5的磁芯的場強-距離圖。圖中同時給出了計算的總場強值和計算的Z方向場強的分量的數(shù)值?？梢娫诖判灸┒说膱鰪娭饕茄刂鳽軸方向的。實際測量值只有計算值的一般左右，這可能是由于制作出的最終的器件在具體幾何尺寸上和設(shè)計值存在一定的偏移造成的。圖22顯示，器件的中心在電流大約為50毫安時達到飽和(見圖中的拐點)，但是隨著電流的增大，場強繼續(xù)增強，磁芯末端的磁極密度也繼續(xù)增大。圖23給出了器件的剩磁效應(yīng)。如果直接將施加器件上的電信號從某個值改變?yōu)榱悖蜁a(chǎn)生剩磁現(xiàn)象。圖23中左圖是器件上施加20毫安的電流，然后突然撤去電流這一過程的剩磁曲線。圖23中的右圖是器件上施加20毫安電流，然后將電流的幅值按照正弦方式進行衰減，直至降到零這一過程的剩磁曲線，和左圖比較，可以得知使用衰減方法降低施加的電信號的幅值可以使得器件的剩磁降低至零。
圖24A和圖24B是兩種不同的芯片設(shè)計圖，圖24A是一塊具有多個小型水平單元的芯片，而圖24B是一塊具有多個較大水平單元的芯片。圖25顯示，多個這樣的不同的芯片可以制作在同一塊硅片上。
圖26是本發(fā)明的一個制作在芯片表面槽中的具有方形磁芯末端結(jié)構(gòu)的水平單元的結(jié)構(gòu)圖。芯片上的槽可以制成任何適當?shù)某叽?，但是深度最好與本發(fā)明中需要使用的微?；蚴蔷奂锏闹睆浇咏?；槽的形狀也可以是各種各樣的，但是最好是圓形或是橢圓形的。槽的深度最好介于0.5微米至10微米之間，槽的寬度應(yīng)介于5微米至500微米之間，最好是介于20微米至200微米之間。槽可以使用任何適當?shù)姆椒ㄖ谱鳎缁瘜W或是激光刻蝕方法，也可以是使用機械設(shè)備制作出槽。在具體操作過程中，槽可以使得微粒被吸引到微電磁單元上，尤其是位于槽上的磁極上。在清洗過程中，槽的結(jié)構(gòu)又可以防止微粒被沖走。由于槽減小了電磁單元至芯片表面的距離，所以槽還可以增強區(qū)域內(nèi)磁場的強度。
磁芯末端的磁場強度與磁芯末端結(jié)構(gòu)的形狀相關(guān)。磁芯末端結(jié)構(gòu)的作用是將磁極的磁場強度發(fā)散出去。圖27給出了多種磁芯末端的結(jié)構(gòu)圖。
以下給出了一種制作水平電磁單元的方法。首先，需要一塊表面具有多個平行排列的導(dǎo)線(例如金)的芯片，這可以通過掩模和濺射的方法加工上去。這塊芯片將作為本發(fā)明的水平電磁單元中磁芯的基底。先在這層平行的導(dǎo)線上沉積一層絕緣物質(zhì)，例如氧化硅。再在這層絕緣物質(zhì)上位于第一層平行導(dǎo)線正上方的位置沉積磁芯物質(zhì)，磁芯的方向應(yīng)該至少部分與其下方的平行導(dǎo)線的方向垂直。磁芯的材料最好是CoTzZr，可以制成任意形狀，但最好是制成棒狀，并且末端不是直接截斷的形狀，而是具有一個斜面，從而形成突出的尖端。這種末端的結(jié)構(gòu)有助于擴散磁芯的磁場，并且具有相對較長的作用距離。在磁芯上和原先沒有被絕緣物質(zhì)覆蓋的區(qū)域還要再覆蓋一層絕緣物質(zhì)。
這些構(gòu)成圍繞磁芯的線圈下層的平行導(dǎo)線的末端可以通過掩?？涛g的加工工藝暴露出來，例如通過酸腐蝕的方法將平行導(dǎo)線末端上的絕緣物質(zhì)刻空，形成垂直的穿透絕緣物質(zhì)的空腔。但是這個空腔不能和磁芯接觸，必須有絕緣物質(zhì)靶這個空腔和磁芯相互隔開。然后在空腔中注入導(dǎo)體物質(zhì)，例如金，以便于連接底層的平行導(dǎo)線和上層的平行導(dǎo)線，以形成連續(xù)的線圈結(jié)構(gòu)。最后，還要再覆蓋一層絕緣物質(zhì)以獲得平坦的表面，還可以對表面進行一定的處理，例如拋光。另外，在磁芯的末端還可以使用合適的工藝，例如掩模化學刻蝕的方法制作出槽的結(jié)構(gòu)。
線圈可以通過導(dǎo)線連接到導(dǎo)線連接處，例如由金制成的導(dǎo)線連接處。連接線圈至導(dǎo)線連接處的導(dǎo)線可以使用適當?shù)牟牧虾头椒?例如掩模濺射)制作。導(dǎo)線連接處用以連接電源和線圈。
當在線圈中施加電流時，就可以磁化磁芯，從而產(chǎn)生出磁場。磁場可以使用多種方法進行測量，例如使用MR頭?？梢愿鶕?jù)所需使用電磁單元的目的，選擇適當?shù)牟牧虾统叽缭O(shè)計和制作電磁單元。例3檢測結(jié)合反應(yīng)的方法下面的例子是關(guān)于本發(fā)明電磁芯片，主要是使用帶有微電磁單元的電磁芯片進行結(jié)合反應(yīng)的檢測方法。
圖28到圖37給出根據(jù)本發(fā)明，使用圖4所示的電磁生物芯片可以操縱化學、生物、藥物以及其他類型的分子。這些方法包括以下步驟a)構(gòu)造一個可以單獨選通的微電磁陣列芯片10，如圖4所示。
b)在芯片表面形成功能層42。這層功能層用于配基分子的固定化。
如上所述，這層功能層42可以通過對絕緣層32的表面進行直接的化學修飾而形成，或是涂附一層聚合物而形成，也可以通過引入親合分子或活性反應(yīng)基團而形成。這層功能層可以是親水或疏水的單分子層、親水或疏水的膜、功能性親水或疏水膠、聚合物層、致密或非致密層或者是這些材料的復(fù)合物。
c)對配基分子進行磁性修飾或承載并將其固定在功能層42上。
d)通過控制單個導(dǎo)線18和30中的電流在所需的微電磁單元上產(chǎn)生磁場，經(jīng)磁性修飾或承載的配基分子將被牽引并固定于功能層42上所指定的位置，從而在芯片上形成進行不同分析所需的親合結(jié)合區(qū)域。
通過施加磁場可以借助不同的方法用于定向地操縱和固定配基分子。例如，配基分子44可以通過一個可切割連接臂54與順磁性磁性微粒56相連。這樣，通過電磁生物芯片產(chǎn)生的磁場就可以對配基分子進行定向運輸、定向操縱和定點釋放。順磁性微磁性微粒56的尺寸從小于100納米到大于100微米均可。它們可以利用現(xiàn)有的技術(shù)制造，也可從諸如Dynal和Seradyn這樣的公司購買?？汕懈钸B接臂54可以是光切、熱切、酶切或特殊化學反應(yīng)切割?？汕懈钸B接臂54和順磁性磁性微粒56可以是共價連接，或者通過可切割連接臂54的末端官能團52和磁性微粒56的受體官能團之間的親合結(jié)合來連接。下面是完全的組裝舉例配基(44)—可切割連接臂(54)—生物素(52)—鏈球菌蛋白(58)—順磁性微磁性微粒(56)這里，可切割連接臂和順磁性微磁性微粒間的連接靠得是生物素與鏈球菌蛋白之間的結(jié)合來實現(xiàn)的。這樣的分子組裝能作為對任何配基分子進行順磁性微磁性微粒修飾的常規(guī)方法，此方法使用下面步驟首先，用目前成熟的方法讓鏈球菌蛋白與順磁性微磁性微粒的表面結(jié)合(一般說來，順磁性微磁性微粒表面有一層帶有羧基或氨基的基團)?？商娲姆桨甘侵苯訌膹S家購買表面覆蓋有鏈球菌蛋白的順磁性微磁性微粒。接著，制備“可切割連接臂—生物素”分子復(fù)合物。這兩個步驟可用于任意類型配基分子的磁性修飾。然后，特定的配基分子與可切割連接臂結(jié)合，如通過共價鍵的方法。最后，將覆蓋有鏈球菌蛋白的順磁性磁性微粒與“配基—可切割連接臂—生物素”分子復(fù)合體混合培養(yǎng)，促使生物素-鏈球菌蛋白結(jié)合反應(yīng)的發(fā)生。這樣整個分子間的裝配體就完成了。
在配基分子固定化中，通電的磁性單元產(chǎn)生的磁場在順磁性微磁性微粒56上施加磁場力，它將使整個分子裝配體與通電磁性單元上方的生物芯片表面接觸。然后，可切割連接臂被切割，這樣在磁性單元斷電后微磁性微粒56就能被清除。清除方法可以是利用流體沖洗或外部施加的磁場力來完成，最后留下固定在功能層42上的配基分子。
另一種磁性承載配基的方法是將順磁性微磁性微粒和包含配基的溶液混合，再迅速冷卻以形成包含配基和順磁性微磁性微粒的固體微粒60(通常直徑小于1毫米)。用不同的樣品制備的固體微?？梢员４嬖诶涔裰幸詡浜罄m(xù)使用。使用裝配有特殊設(shè)計的磁性微粒分配頭62的三維高精度機械手，便可將這樣的固體微磁性微粒直接運輸?shù)叫酒系闹付ǖ攸c。在固體微磁性微粒被運輸?shù)叫酒付▍^(qū)域上方的預(yù)定位置后，通過控制指定微電磁單元的電流以使芯片上指定區(qū)域上的磁場強于分配頭上的磁場，便可讓微粒釋放并且固定定位(圖28)。這樣，就完成了將固體微磁性微粒60分發(fā)到芯片10的功能層的指定區(qū)域的操作(圖29)。固體微磁性微粒60融化后，配基分子就會隨之被固定在指定的芯片區(qū)域上(圖30)。上面的步驟有下述附加優(yōu)點使用磁性分配頭62可使配基分子間的交叉污染減到最小，這樣每次運輸后就不用清洗分配頭了。配基分子在芯片表面的固定完成后，微磁性微粒56可以通過在芯片上方外加磁場力或液體清洗來將其從芯片上清除(圖31)。
芯片上每一個微電磁單元上親合結(jié)合區(qū)的特征尺寸在0.1μm到5mm(矩形為長和寬；圓形為直徑)之間。結(jié)合區(qū)域的尺寸決定于每個磁芯26的尺寸和是否有多個磁芯選通以及選通磁芯的數(shù)目。親合結(jié)合區(qū)的確切尺寸也可以通過控制功能層42的形狀來改變—例如，功能層42可以用光刻控制來形成(相反的是將整個芯片都覆蓋)。
e)靶樣分子62的標記(例如，用熒光物64)和與微磁性微粒56相連接。
為了用本發(fā)明中描述的單點選通式微電磁芯片來操縱靶樣分子62，需要對這些分子先進行磁性修飾。有多種方法可以對靶樣分子進行磁修飾。例如，靶樣分子62可以通過可切割連接臂54連接上順磁性磁性微粒56，這樣便可通過施加磁場操縱靶樣分子并將其輸運到目標區(qū)域?？汕懈钸B接臂54和順磁性微磁性微粒56的連接可以通過可切割連接臂的末端功能基團52和順磁性微磁性微粒56的功能基團或受體的共價鍵或親合結(jié)合來實現(xiàn)。例如，連接可以是如下結(jié)構(gòu)(圖32)靶樣分子—可切割連接臂—生物素—鏈球菌蛋白—順磁磁性微粒這樣的裝配體可以通過上面形成“配基-順磁性微磁性微?！毖b配體的類似步驟來形成。
f)將連接在順磁性磁性微粒56的靶樣分子62放置在流體池46中，再通過控制磁場使其與固定在生物芯片表面的配基分子44接觸。
g)在行|列單元陣列中，用圖33和圖34所示的電流流方式來選通被選中的電磁單元這可使微電磁單元所產(chǎn)生的磁場被交替接通和關(guān)斷。在圖33中有25個單元中的13個單元被激勵而圖34中則有剩下的12個單元被激勵。這樣，在每個微電磁單元上產(chǎn)生的磁場會吸引靶樣分子62并且使它們移向指定的配基親合結(jié)合區(qū)域。交替改變磁場的選通情況，每一個電磁單元便能將它附近的靶樣分子從溶液中吸引過來達到富集的目的。這樣，靶樣分子62和配基分子44之間就可以進行結(jié)合和反應(yīng)了(圖35)。
當把磁性修飾過的靶樣分子62引入到的電磁生物芯片上進行分析時，靶樣分子62的運動開始是隨機擴散(圖32)。之后靶樣分子定向移向微電磁單元的操縱是通過如圖33和圖34所示交替打開和關(guān)閉每個單元的磁場所產(chǎn)生磁場力來實現(xiàn)的。根據(jù)特定的分析要求，也可以通過選擇性的選通這些單元來將靶樣分子62定向地移向一個或多個被選通的微電磁單元。在所選通的微電磁單元所產(chǎn)生的磁場影響下，磁修飾過的靶樣分子62會迅速移向生物芯片表面，且與固定在指定單元區(qū)域上的配基靶樣分子44發(fā)生親合反應(yīng)(或其他反應(yīng))(圖35)。
h)最后一步，靶樣分子62(或它們的反應(yīng)產(chǎn)物)與微磁性微粒56分離然后被清除。
將靶樣分子62與微磁性微粒56分離可以通過用光切割、酶切割、化學切割等方法來切割靶樣分子62和微磁性微粒56之間的可切割連接臂54(圖36，37)。微磁性微粒56的清除是通過在芯片外部施加磁場力(該法不適用于使用了封閉式流體池46的情況)或通過流過池46的液體沖洗來實現(xiàn)。
上面的方法中，配基和靶樣分子可以是任意類型的分子(例如生物學的、藥物學的或任何其他化學分子)。本發(fā)明中所描述的方法可以用于通過雜交確定特定序列的DNA分子、抗體和抗原反應(yīng)的結(jié)合分析及藥物篩選等(例如藥物分子或潛在的藥用化合物與特定受體的結(jié)合)。舉例說明，可將許多供選擇的藥用化合物當作配基分子并將其固定在功能層42的預(yù)定位置上。生物受體可以從細胞中分離或用基因工程的方法生產(chǎn)出來并作熒光標記。然后將受體置于功能層42上的特定地點使其與候選化合物結(jié)合。清洗后，任何區(qū)域上發(fā)光的候選化合物就是最有希望與生物受體作用的化合物。所以，本發(fā)明可以用于生化反應(yīng)、生化檢測和診斷檢驗。此外還可完成組裝復(fù)雜大分子的特殊有機化學反應(yīng)。
當上面描述的方法用于DNA雜交時，在步驟h后，非特異性雜交的DNA分子可用嚴格控制結(jié)合條件(如雜交緩沖液、溫度等)來清除。最后留下與配基分子有高度親和性的DNA分子，它們可以用熒光等方法去檢測。
當上面描述的方法用于抗體-抗原反應(yīng)時，緊接步驟h，在經(jīng)過嚴格度清洗后，非特異性結(jié)合的抗體或抗原將被清除，而特定結(jié)合的抗原或抗體分子則會留在親和結(jié)合區(qū)。
當上面描述的方法用于生物分析時，分析結(jié)果的檢測和定量分析可通過幾種檢測方法實現(xiàn)，例如光學信號(如光吸收檢測或熒光檢測)、化學發(fā)光或電化學發(fā)光檢測、電化學檢測和放射標記檢測。光學檢測可以通過檢測激光誘導(dǎo)靶樣分子攜帶的熒光物64所產(chǎn)生的熒光來實現(xiàn)。另一種光學檢測的方法是用激光誘導(dǎo)探針上標記的熒光物或與靶樣分子特異性連接的二級抗體上的熒光標記物發(fā)出熒光進行檢測。熒光諧振能量轉(zhuǎn)移也能用于檢測配基44和靶樣分子62的接近程度。關(guān)于熒光諧振能量轉(zhuǎn)移的詳細描述可以在Ju等人發(fā)表的文章“Florescence energy transfer dye-labeled primers for DNAsequencing and analysis”(Proceedings of the National Academy of Sciences，USA，924347-4351，1995)中找到。下面是用本發(fā)明的方法控制DNA分子定向操縱的實際例子。
首先，根據(jù)本發(fā)明所描述的方法制作一個可單點選通式的微電磁陣列芯片。芯片的表面覆蓋一層用于固定DNA探針的高分子聚合體。
將順磁性微磁性微粒加入含有DNA探針的溶液中，然后迅速將混合物冷卻形成冰凍固體微粒。通過裝備有磁性分配頭的高精度機器人可將微粒運輸?shù)缴镄酒砻嬷付▍^(qū)域上(微電磁單元)。不同的探針固定在不同的區(qū)域。當然，每一個芯片所能具有的不同的探針數(shù)可以與芯片上微電磁單元的數(shù)量相同。選通生物芯片上的微電磁單元使其產(chǎn)生的磁場強于磁性分配頭所產(chǎn)生的磁場，便可讓含有探針的微粒釋放到生物芯片上指定區(qū)域的功能層上。當固體微粒融化后，液體中的DNA探針就被固定在生物芯片的指定單元(區(qū)域)上。然后，通過施加在生物芯片表面的外部磁場可清除微磁性微粒，或通過流體將其清洗干凈。這樣就形成了生物芯片表面的親合結(jié)合區(qū)域。
標記靶樣DNA分子(例如，用熒光素或輻射探針標記)并將其連接到光可切割連接臂分子的末端。在連接臂的另一末端是生物素分子。鏈球菌蛋白分子被固定在磁性微磁性微粒的表面。這樣，當含有靶樣DNA—連接臂—生物素復(fù)合物的溶液與覆蓋有鏈球菌蛋白的順磁性微磁性微?；旌虾蟀袠覦NA分子便可通過生物素—鏈球菌蛋白的相互作用而被連接到磁性微磁性微粒上。
DNA靶樣分子—光可切割連接臂—生物素—鏈球菌蛋白—磁性微磁性微粒。
接著，將含有磁性修飾的靶樣DNA分子的溶液引入生物芯片上的流體池中。微電磁單元的交替選通使得芯片上的每一個單元交替產(chǎn)生磁場。經(jīng)順磁性微磁性微粒修飾的靶樣DNA分子便隨之向固定在芯片表面上的探針DNA分子移動。由于所有的電磁單元都會被選通，所以靶樣DNA分子便被引導(dǎo)去與所有的DNA探針接觸。這樣靶樣DNA分子便能在預(yù)先選擇的雜交條件下在親合結(jié)合區(qū)域與探針分子進行雜交反應(yīng)。與靶樣DNA分子雜交的任何探針都能通過熒光、發(fā)光或放射探測到，具體方式取決于在靶樣分子上使用的標記物。用這種方法可以快速地針對多個DNA探針對給定的DNA靶樣分子做篩選，達到分析速度快，自動化程度高的要求。如果微磁性微粒干擾探測的話，則可將它們從靶樣DNA分子上除去，例如在采用光可切割連接臂的情況下通過用250nm-750nm的光照射便可達到這種用光切割連接臂來分離DNA和磁性微粒的操作。隨后自由的磁性微?？赏ㄟ^外加的磁力或沖洗液將其從芯片上的反應(yīng)區(qū)域除去。此外，還可以讓芯片處于“熱熔解離”溫度以去除已雜交的靶樣DNA并再次使用。
發(fā)明者相信上述例子示出了應(yīng)用這項發(fā)明的優(yōu)選方法。然而，所述的參數(shù)如尺寸、材料、幾何形狀、方法、實驗規(guī)程、溫度、濃度和時間不應(yīng)認為是對本發(fā)明的限制。除已作權(quán)利要求的部分外，本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員可以在現(xiàn)在或以后了解的明顯的替代物均屬于本專利的覆蓋范圍。因此本權(quán)利要求應(yīng)理解為包括上面專門描述的方案，以及那些可以明顯地替代的方案。所描述的具體實施例僅僅是為了達到舉例目的，而不應(yīng)認為本發(fā)明就僅局限于此。因此，應(yīng)當理解，在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)，除在本處特別所做描述的情形之外，本發(fā)明照樣適用。
例4使用水平單元進行磁力行波行波磁泳可以通過多種形式的電磁單元實現(xiàn)，以下描述的是使用本發(fā)明的水平單元進行行波磁泳。
為了進行行波磁泳，如圖24A和24B中所示的電磁芯片上應(yīng)帶有反應(yīng)池。在電磁單元上的功能層上，固定了特異識別7種淋巴瘤細胞和一種白血球，例如B細胞的抗體。另外，同時準備了這些抗體混合成溶液狀態(tài)，而不是固定在芯片表面。樣品(包括血)和表面包被了抗體的磁性微?；旌?，抗體可以和細胞表面特異的抗原結(jié)合。根據(jù)具體的需要，這步操作之后，還可以向溶液中添加試劑以處理樣品。例如，添加可以裂解紅細胞的溶液，更好的情況是這種溶液僅僅裂解紅細胞，基本步影響白血球，最好的情況是這種溶液對介電電泳沒有影響或是基本沒有影響(可以參見美國專利申請“Compositions and Methods for Separation of Moieties on Chips”，2000年10月10日遞交，專利局編號09/686,737)。樣品、樣品溶液以及附加的溶液、緩沖液、試劑可以以任何方便的方式加入反應(yīng)池，例如通過移液管轉(zhuǎn)移，注射器注射、由導(dǎo)管(例如聚乙烯導(dǎo)管等等)利用重力引入。一般，樣品、樣品溶液以及其它溶液、緩沖液、試劑以連續(xù)液流的方式加入反應(yīng)池，這樣的連續(xù)液流可以從至少一個入口注射入或是泵入反應(yīng)池，然后，不含有樣品組分和其它液體從至少一個出口流出反應(yīng)池。
在樣品加入反應(yīng)池前，可以在樣品中先加入樣品溶液。在把樣品-樣品溶液混合液加入反應(yīng)池前，樣品和樣品溶液可以共同溫育從不到1秒至幾個小時以至幾天之中任意的時間。樣品和樣品溶液的混合可以發(fā)生在與反應(yīng)池連通的導(dǎo)管中。也可以先將樣品加入反應(yīng)池，再接著將樣品溶液加入反應(yīng)池；或者是先將樣品溶液加入反應(yīng)池，再接著將樣品加入反應(yīng)池。
其中在本發(fā)明中使用的結(jié)合物如磁性微粒，可以和樣品溶液一起或是單獨提供。如果結(jié)合物是單獨提供的，那么結(jié)合物可以在樣品溶液加入樣品之前、同時或之后加入。
樣品溶液可以在樣品沉積到電磁芯片上之前加入樣品或是在包含電磁芯片的反應(yīng)池中混合。在將樣品-樣品溶液混合液通入反應(yīng)池進行分離之前，樣品和樣品溶液可以共同靜置一段時間，從不到1秒至幾小時甚至幾天都可以。樣品和樣品溶液的混合過程可以發(fā)生在通入反應(yīng)池的導(dǎo)管內(nèi)?；蛘?，可以先將樣品加入到反應(yīng)池中，再將樣品溶液加入反應(yīng)池；也可以先將樣品溶液加入到反應(yīng)池中，再將樣品加入反應(yīng)池。
通常，應(yīng)將磁性微粒加入樣品并在進行磁性微粒分離之前靜置一段時間，這段時間可以從幾分鐘至幾小時甚至幾天?？梢栽趯⒛軌蜻x擇性胞解紅細胞的樣品溶液加入樣品之前、同時或之后在樣品中加入磁性微粒。
樣品、樣品溶液以及附加的溶液、緩沖液、試劑可以以任何方便的方式加入反應(yīng)池，例如通過移液管轉(zhuǎn)移，注射器注射、由導(dǎo)管(例如聚乙烯導(dǎo)管等等)利用重力引入。一般，樣品、樣品溶液以及其它溶液、緩沖液、試劑以連續(xù)液流的方式加入反應(yīng)池，這樣的連續(xù)液流可以從至少一個入口注射入或是泵入反應(yīng)池，然后，不含有樣品組分和其它液體從至少一個出口流出反應(yīng)池。
可以通過一個或是多個導(dǎo)管向樣品中通入一種或是多種附加試劑，如微粒，但是這并不是本發(fā)明的必須要求。例如，可以先將一種或是多種附加試劑，如微粒加入樣品，共同靜置一段時間之后，再將樣品加入到反應(yīng)池中?；蛘?，微粒可以通過與反應(yīng)池相連的導(dǎo)管與樣品接觸，這樣，微?？梢栽跇悠妨魅敕磻?yīng)池的過程中與樣品相混合。也可以在將樣品通入反應(yīng)池的同時或是之后，將附加試劑如微粒通過一個或是多個導(dǎo)管通入反應(yīng)池。如果需要使用多于一種的附加試劑，則它們可以按照上述的方法同時或是分別加入樣品。
樣品可以通過使用微粒開關(guān)(圖39A)在芯片(圖38A，38B和38C)上隨意的進行行波磁泳。帶有白血球的微粒流經(jīng)固定有特異的抗體的區(qū)域，如果功能層上固定的抗體可以特異的識別白血球，白血球—微粒復(fù)合物就會結(jié)合在芯片上特定的區(qū)域。首選的固定的抗體是那些可以識別淋巴細胞(例如T細胞、B細胞、巨噬細胞、嗜中性細胞等)的抗體。樣品中這些種類的細胞的分布狀況可以反映提供樣品的生物的健康狀況，例如，可以判斷生物是否存在淋巴瘤，判斷對生物體自身型免疫疾病(包括HIV感染、獲得性免疫缺陷癥以及其相關(guān)疾病)治療狀況，考察生物體其它疾病的狀況，包括敗血癥。這些疾病的治療狀況可以使用這種方法隨時進行監(jiān)測，例如監(jiān)測在HIV感染病例治療過程中CD4+細胞數(shù)量的變化。
其它種類的抗體也可以使用，例如針對癌癥抗原的抗體，特別是那些位于癌癥細胞(如乳腺癌細胞、肺癌細胞、前列腺癌細胞等等)表面的抗原。通過本發(fā)明的方法，檢測這些細胞是否存在于芯片表面特定的位置，可以診斷是否患有這些疾病，或是檢測疾病的發(fā)展狀況。其它針對細菌、寄生蟲、病毒或是朊病毒的抗體也可以使用。
反應(yīng)池可以先進行清洗，洗去未結(jié)合的物質(zhì)，然后再加入帶有熒光標記的抗體進行檢測。本例子中使用了8種抗體，每種都可以使用相同或是不同的抗體進行檢測。加入的帶標記的抗體是針對于固定在功能層上的抗體的。固定的抗體、細胞和帶標記的抗體形成sandwich結(jié)構(gòu)的復(fù)合物。
反應(yīng)池可以先進行清洗，洗去未結(jié)合的物質(zhì)，然后根據(jù)所使用的標記采用特定的波長的電磁波進行激發(fā)。芯片上的信號可以使用CCD設(shè)備進行接收。檢測圖象可以使用適當?shù)慕刂吝M行存儲，例如使用磁盤或是CD。也可以使用MR頭確定磁性微粒在芯片上的位置。
芯片上的熒光檢測圖可以顯示樣品中白血球的信息，特別是是否存在淋巴瘤細胞。根據(jù)樣品中白血球的分布，可以對樣品中的淋巴瘤細胞進行分類(見圖40)。
文中所有的標題都是為了讀者的方便，并不起限制標題下內(nèi)容的作用。
權(quán)利要求
1.一種具有可單點選通式微電磁單元的電磁芯片，包括a)基片；b)位于基片上的多個微電磁單元，通過施加電流可以使每一個單元產(chǎn)生磁場；c)用以選通多個微電磁單元中任意一個或是多個單元，使其產(chǎn)生磁場的方法；至少有一個上述的微電磁單元是平面結(jié)構(gòu)的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電磁芯片，其中每個微電磁單元包括a)設(shè)置在基片上的一個磁芯；b)用于環(huán)繞磁芯傳導(dǎo)電流的方法；其中上述的磁芯是指磁性芯或是可被磁化的芯。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的電磁芯片，其中的磁芯是鐵磁性材料或是亞鐵型材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的電磁芯片，其中用于環(huán)繞磁芯傳導(dǎo)電流的裝置為環(huán)繞磁芯的單圈或多圈電導(dǎo)線。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的電磁芯片，其中環(huán)繞磁芯的電導(dǎo)線形狀可以是圓形、方形、橢圓形、三角形，螺旋形和直角螺旋形，而且這些導(dǎo)線形成的導(dǎo)線圈可以都處于一個平面，也可以處于不同的平面。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的電磁芯片，其中從電流源傳來的施加在微電磁單元上的電流的大小和方向是可變的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的電磁芯片，其中選通任一個微電磁單元的裝置包括連接在電流源和每個微電磁單元之間的開關(guān)，該開關(guān)可以控制開/關(guān)狀態(tài)并由此對微電磁單元的選通情況加以控制。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的電磁芯片，其中所述的開關(guān)可以是機械的開關(guān)，也可以是電子的開關(guān)，也可以是上述兩種形式開關(guān)的組合體。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的電磁芯片，其中微電磁單元按規(guī)則的有序重復(fù)圖案排列在基片表面，相鄰單元間距相等。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的電磁芯片，其中微電磁單元的尺寸在0.1微米到1厘米之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的電磁芯片，包括至少一層功能層，可以用于至少一種配基或是實體分子的固定。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的電磁芯片，其特征在于，所述的用于固定配基分子的功能層可以是親水單分子層，具有功能基團的親水單分子層，疏水單分子層，具有功能基團的疏水單分子層，親水薄膜，具有功能基團的親水薄膜，疏水薄膜，具有功能基團的疏水薄膜，親水凝膠層，具有功能基團的親水凝膠層，疏水凝膠層，具有功能基團的疏水凝膠層，非致密材料，具有功能基團的非致密材料，致密材料以及具有功能基團的致密材料。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的電磁芯片，其特征在于，所述的功能基團可以是醛基，碳二亞胺，琥珀酰亞胺酯，抗體，受體或外源凝集素。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的電磁芯片，至少包含一種實體分子或是配基固定在所述的功能層上。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的電磁芯片，其特征在于，所述的實體分子或是配基分子包括寡聚核苷酸、DNA、RNA、多肽、蛋白、碳水化合物、脂類、真核細胞、原核細胞、朊病毒、病毒、寄生蟲、抗體、凝集素或是受體。
16.一種電磁芯片，組成為a)基底；b)一個或是多個微電磁單元，微電磁單元的組成為i)磁芯；ii)圍繞磁芯的導(dǎo)線線圈；其中所述的磁芯在電磁芯片上是水平方向的。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的電磁芯片，其特征在于，所述的微電磁單元排列成陣列的形式。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的電磁芯片，其特征在于，所述的微電磁單元中至少有一個是可以單獨選通的。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的電磁芯片，其特征在于，所述的微電磁單元中全部是可以單獨選通的。
20.根據(jù)權(quán)利要求16的電磁芯片，其特征在于，所述的由多個微電磁單元組成的陣列是相互平行的。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的電磁芯片，其特征在于，所述的由多個微電磁單元組成的陣列包括一個微粒開關(guān)。
22.根據(jù)權(quán)利要求20的電磁芯片，其特征在于，所述的由多個微電磁單元組成的陣列可以作為一個行波磁泳器件。
23.根據(jù)權(quán)利要求16的電磁芯片，其特征在于，所述的微電磁單元上施加的是正弦信號。
24.一種制作微電磁單元的方法，步驟為a)一個平面；b)平面上具有多個平行排列的導(dǎo)體物質(zhì)；c)在這層平行的導(dǎo)體物質(zhì)上沉積第一層絕緣物質(zhì)；d)再在這層絕緣物質(zhì)上位于第一層平行導(dǎo)體物質(zhì)正上方的位置沉積磁芯物質(zhì)；e)在磁芯上沉積第二層絕緣物質(zhì)；f)暴露出構(gòu)成圍繞磁芯的線圈下層的平行導(dǎo)體物質(zhì)的末端；g)加上導(dǎo)體物質(zhì)以形成線圈；h)在所述的線圈上沉積第三層絕緣物質(zhì)。
25.一種微電磁單元，其特征在于，是使用權(quán)利要求24所述的方法制作。
26.由微電磁單元組成的陣列，其特征在于，是使用權(quán)利要求24所述的方法制作。
27.一塊電磁芯片含有由微電磁單元組成的陣列，其特征在于，是使用權(quán)利要求24所述的方法制作。
28.一種微電磁單元，含有a)被第一層絕緣物質(zhì)與磁芯隔開的第一層導(dǎo)線；b)一層導(dǎo)體物質(zhì)與上述第一層導(dǎo)線連接以形成磁芯外的線圈；通過絕緣物質(zhì)使得線圈與磁芯絕緣；當線圈施加電流，磁芯中產(chǎn)生磁場。
29.一種由微電磁單元組成的陣列，其特征在于，其中至少含有一個權(quán)利要求28所述的微電磁單元。
30.一種電磁芯片，其特征在于，其中至少含有一個權(quán)利要求28所述的微電磁單元。
31.一種行波磁泳器件，其特征在于，其中含有兩個或是多個權(quán)利要求28所述的微電磁單元。
32.一種微粒開關(guān)，其特征在于，其中含有兩個或是多個權(quán)利要求28所述的微電磁單元。
33.一種微電磁單元，包括a)一個磁芯；b)被絕緣物質(zhì)與磁芯隔開的第一層導(dǎo)線；c)導(dǎo)體物質(zhì)連接上述第一層導(dǎo)線和第二層導(dǎo)線；所述的第一層導(dǎo)線、導(dǎo)體物質(zhì)和第二層導(dǎo)線組成磁芯外的線圈；磁芯與線圈通過絕緣物質(zhì)絕緣。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的微電磁單元，包括頂部的一層絕緣物質(zhì)。
35.根據(jù)權(quán)利要求33的微電磁單元，磁芯包括至少一個末端的伸展結(jié)構(gòu)。
36.根據(jù)權(quán)利要求33的微電磁單元，包括至少一個槽的結(jié)構(gòu)。
37.一種由微電磁單元組成的陣列，其特征在于，包括至少一個 33中所述的微電磁單元。
38.一種電磁芯片，其特征在于，包括至少一個權(quán)利要求33中所述的微電磁單元。
39.一種行波磁泳器件，其特征在于，包括兩個或是多個權(quán)利要求33中所述的微電磁單元。
40.一種微粒開關(guān)，其特征在于，包括兩個或是多個權(quán)利要求33中所述的微電磁單元。
41.根據(jù)權(quán)利要求33的電磁芯片，其中第一層絕緣層的材料可以是氧化硅、氮化硅、塑料、玻璃、陶瓷、光刻膠、橡膠等材料中的任意一種。
42.根據(jù)權(quán)利要求33的電磁芯片，包括一層基底。
43.根據(jù)權(quán)利要求42的電磁芯片，其特征在于，基底的材料可以是硅、玻璃、陶瓷、氧化硅或塑料中的任意一種。
44.根據(jù)權(quán)利要求33的電磁芯片，其特征在于，導(dǎo)線的材料可以是鋁、金、銀、錫、銅、鉑、鈀、碳或半導(dǎo)體等材料中的任意一種。
45.根據(jù)權(quán)利要求33的電磁芯片，其特征在于，還包括一層功能層。
46.根據(jù)權(quán)利要求45的電磁芯片，其特征在于，所述的用于固定配基分子的功能層可以是親水單分子層，具有功能基團的親水單分子層，疏水單分子層，具有功能基團的疏水單分子層，親水薄膜，具有功能基團的親水薄膜，疏水薄膜，具有功能基團的疏水薄膜，親水凝膠層，具有功能基團的親水凝膠層，疏水凝膠層，具有功能基團的疏水凝膠層，非致密材料，具有功能基團的非致密材料，致密材料以及具有功能基團的致密材料。
47.根據(jù)權(quán)利要求33的電磁芯片，其特征在于，功能基團可以是乙醛、碳二亞胺、琥珀酰亞胺酯、抗體、受體或外源凝集素。
48.根據(jù)權(quán)利要求33的電磁芯片，其特征在于，還包括一個使液體與陣列接觸的流體池。
49.一種操縱磁性微粒的方法，包括a)提供一種電磁芯片，該芯片含有多個可單點選通的微電磁單元；b)將含有磁性微粒的樣品加到芯片的表面；c)改變加在每一個微電磁單元上的電流以改變芯片表面上的磁場分布，從而改變加在磁性微粒上的磁場力。
50.根據(jù)權(quán)利要求49的方法，其特征在于，所述的磁性微粒上包括至少一個實體分子，這個實體分子是連接在磁性微粒上的。
51.根據(jù)權(quán)利要求49的方法，其特征在于，所述的連接是通過連接臂、共價鍵或是生物親和反應(yīng)實現(xiàn)的。
52.根據(jù)權(quán)利要求49的方法，其特征在于，所述的實體分子是寡聚核苷酸、DNA、RNA、多肽、蛋白、碳水化合物、脂類、真核細胞、原核細胞、朊病毒、病毒、寄生蟲、抗體、凝集素或是受體。
53.根據(jù)權(quán)利要求49的方法，所述的電磁芯片包含一個磁泳器件。
54.根據(jù)權(quán)利要求49的方法，所述的電磁芯片包含一個微粒開關(guān)。
55.根據(jù)權(quán)利要求49的方法，所述的微電磁單元上的磁芯至少含有一個末端結(jié)構(gòu)。
56.根據(jù)權(quán)利要求49的方法，所述的電磁芯片上含有槽的結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明揭示了具有可單獨選通的微電磁單元構(gòu)成的陣列的電磁芯片和電磁生物芯片,以及利用這些芯片定向操縱生物分子和化學試劑等微粒和微結(jié)構(gòu)的方法。
文檔編號G01N35/00GK1348103SQ01136350
公開日2002年5月8日 申請日期2001年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月10日
發(fā)明者吳鐳, 王小波, 程京, 楊衛(wèi)平, 周玉祥, 劉理天, 許俊泉 申請人:清華大學, 北京博奧生物芯片有限責任公司