专利名称：在带电微单元上进行操作的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明的领域涉及制造在微单元上进行多种化学、物理操作的复合装置，以便利用带电气雾微粒和带电微单元位置，在微单元上的不同组中进行合成、检测或其它操作。
一个特定研究领域是测序和筛选DNA混合物。为此目的，科技人员已付出许多努力来构建低聚核苷酸微阵列，在此阵列上每一位置的序列或低聚核苷酸的微单元是已知的。这些微阵列设计成有高密度低聚核苷酸，即阵列具有连接核苷酸样品的密集表面。为尽可能多地提供，靶DNA数量应尽可能小，因此希望微阵列有尽可能小的体积。从制作集成电路中借鉴而来的不同平版印刷技术已用来制备原位低聚核苷酸，对于此目的，这些方法是不容易进行的，因为在每个核苷酸的每个阶段需要光学屏蔽来防止在一些微单元上的反应，同时允许在其他微单元上的反应。
同时，能合成基于预定化学性质的大量化合物也有重要意义。通过应用一些起始反应物和在合成的几个不同阶段用不同试剂改进它们，人们可实现制备多种多样的反应物。组合化学领域已迅速发展到能制备大量化合物。有各种各样的技术被用来分化各种不同的化合物。
而且，人们也希望能够鉴别各种行为，例如蛋白质间的结合，所选化合物对结合行为或酶活性或诸如不同组分之间的相互反应如催化活性等等的影响。为这些目的，人们希望对一种或多种活性或性质进行大量的鉴定，这就要求所需各种成分数量少，并且反应过程在小体积中进行，此处人们关心更多显示一种或更多活性或特征。由于体积小，分子间碰撞距离短，试剂消耗量少，浓度会相对较高，而反应也加快。
为上述这些目的，产生了下列广泛需要能识别两族之间的不同个体，能引导特定成分至特定位置，反应过程的可靠性。因此很有必要提供实验的方法和装置来合成不同化合物，不论这些化合物是低聚物或非低聚物，并能进行复杂混合物或大量不同分子的检测。相关文献美国专利5605662记载了应用电泳制备阵列。在美国专利5744305和5831070中描述了低聚核苷酸阵列的制备。在专利5789172中描述了小的有机分子的组合合成。在美国专利5066512、5103763中描述了气溶胶的应用，该内容也已记述于Proceeding of S.I.D.(1976)17/4160-168(Pennebaker等)，SID 90 Digest，80-82(Goldowsky等)，J.Aerosol.Sci.1995，26963-977(Chen等)。
一种有多个微单元的特别有用的装置如同于已存在于计算机或其他电子工业中使用的存储器芯片。该存储器芯片有许多单元，即此处所述的微单元，该芯片被改进成有孔部分或完全通过钝化作用层，该层覆盖每一单元上，低聚物在此处生成。通过激活一行和一列，并在单元的金属部分上产生预定电势使芯片的每个单元可寻址。如此配置的存储器芯片在其上可有很高密度的低聚物(在存储器芯片上有超过500,000低聚物)，而所需存储器芯片的连接却少得多(有256,000个单元的芯片仅需32个连接)，而且在500,000或更多单元位置的每一个上低聚物(若想要的话)可有不同序列。
一种用于反应物沉积和低聚物生长的特别有用的系统包括一个带电微粒生成器，一个经改进的存储器芯片，一个电子系统，该系统可通过激活经改进的存储器芯片上的行和列和在选定的存储器单元上加预定电势，从而为存储单元施加上预定电势。带电微粒发生器产生反应物的气溶胶颗粒，每一个反应物微粒表面带有静电荷。产生于带电微粒发生器的气溶胶微粒被引导至存储器芯片的表面，微粒与存储器芯片上所选单元之间电势差引起气溶胶微粒沉积于所选单元上。如果微粒与所选单元之间没有足够的电势差，则气溶胶微粒就会在存储器芯片周围流动，气雾中夹带的微粒不会沉积到存储器芯片上。
在其他因素中，本发明基于以下技术不同低聚核苷酸序列或其他化学序列的阵列可通过引导带静电荷的具有第一电势气溶胶微粒于经改进了的存储器芯片的表面上而形成，存储器芯片上有选定的并带有第二电势的微单元，这个电势使带静电微粒与所选微单元之间相互有效吸引，从而使微粒从气溶胶气雾中分离，沉积于所选微单元上。本发明沉积系统中芯片的使用为以高密度在基底上形成定制和/或个性化的基因阵列或其他序列提供了经济、可靠的方法。本发明的阵列可比如下所述阵列具有更高的低聚物密度，那些阵列需消耗较多空间，并且每一微单元的单个电子通路也是不可靠的(如果有500,000微单元寻址，就有500,000通路和连接位置)。此外，芯片可以是现有的稍加改进的存储器芯片，于是不象在其他系统中那样需要经特别设计的芯片。以下的讨论可以使这些和其他技术特点和优点更加清楚。
优选实施例描述本发明的方法和装置应用于合成低聚物或小的有机分子或无机分子的不同密度阵列，在基底的不同位置上进行多种化学和物理过程，并且能询问单个位置来决定过程的发生。使用的基本装置有一个相近位置上有多个微单元的基底，微单元可通过计算机控制的各个电极单独寻址，电极的电势是预先给定的。邻近的微单元可以有不同电势来加强特异地引导微粒。可用任何便利的方式将反应物和/或试剂(以下指“化学成分”)置于单个位置上。外加的化学成分以带电气雾微粒的方式引导至各个微单元上，这些微粒被微单元上电势产生的场捕获，沉积于最低电势微单元的位置上。依赖于所述化学成分的属性，化学反应受或不受温度变化的影响。当使用普通化学成分时，可用化学成分处理整个基底。步骤可重复若干次，各个微单元或几组微单元在不同阶段经过不同的处理，以提供所需的多种产品或过程。
本发明的系统因此可包括(1)带电微粒发生器；(2)有多个带微阱微单元或单元的存储器芯片(每一单元配置成由分别与相邻单元共享的行和列地址线寻址)；(3)电子系统例如计算机，它通过激活选定的行列地址给每一单元加电势，为某些或全部激活的单元提供所需电势。带电微粒发生器配置成提供带静电微粒的气雾(例如雾滴)，气雾所带总电荷小(电荷分散于微粒表面)，但电势较大。带电微粒发生器引导带静电微粒以有效低速流到存储器芯片上，以避免当带静电微粒与单元之间缺少电势差时带电微粒产生沉积，其中速度也要足够低以使带静电微粒沉积于单元的微阱中，微阱有足够的电势差将带大电势的静电微粒从气雾中吸引出来。(词“大电势”用来指静电微滴的电势与微阱或电极的电势之间有足够的差异，微滴在此处所述的适宜条件下将沉积到微阱上实际是沉积到微阱中。微滴常带有所述外加电子在其表面上，以提供与存储器芯片上所带的地或正电势相比大电势。)在关于本发明的装置的描述中将首先提到基底的制作。其次描述气雾的生成。第三，将记载产品的生成和/或微单元上的实验过程。可寻址微单元装置的制作在其上形成序列的可寻址微单元装置可以是任何存储器芯片，该芯片可在所选单元和带静电微粒之间提供有效电势差，以使微粒沉积于所选单元上而不会沉积于其他单元上。例如，可改进商业上得到的RAM或ROM芯片以使它们适合于生成序列阵列。标准的RAM或ROM芯片在单元上有钝化层，该层的厚度使芯片本身不适于用作形成序列阵列。然而，这些存储器芯片可经改进使之适于形成阵列。在一个例子中，商业上可得到的RAM芯片，在存储单元的铝部分上有氧化硅钝化层，氧化硅钝化层上有氮化硅钝化层，芯片可在一个单独的曝光阶段形成图案并且蚀刻形成每一个单元的上或下微阱。仅需要一个形成图案的阶段，因而每一个微阱与相应的存储单元精确对位。
存储器芯片在形成于基底上的阵列中排列有存储单元。通过提供适当的电压给与单元晶体管相连接的行列，单元可被访问。标准存储器芯片能有约64千位(“64k”)，128千位(“128k”)，256千位(“256k”)，大约512千位(“512k”)或更多的容量。
由于将单元安排在被激活的行列而寻址的阵列上，大量反应微单元或单元可被访问，它们的电势设置仅使用例如32个连接点，如已存在于标准256k存储器芯片中的那样。阵列上的单元排列和经行列寻址的地址线的寻址的单元排列会在很大程度上减少所需的连接数量。否则，每一微单元至少需要一根传导线来寻址各个微单元，焊片对每一条传导线是必须的，传导线将微单元阵列连接到电子系统中，该电子系统用来控制每一微单元的静电电势。由于仅需32根地址线来寻址，例如256,000单元而不是象单个微单元寻址所需的256,000条线，因此，使用行列地址线和控制器可在芯片上形成更高密度的阵列。
可对普通可得到的存储器芯片进行改进以提供带有微阱的至少大部分单元，以便于所需序列可形成于每一微阱中。这些芯片包括随机访问存储器(RAM)例如SRAM(静态随机访问存储器，该存储器依靠触发器电路中的晶体管被激活来存储信息)；DRAM(动态随机访问存储器，该存储器通过使电容器片上带静电荷来存储信息)；EDO RAM(扩展数据输出RAM，该存储器含有锁存电路)；SDRAM(同步DRAM，该存储器与计算机时钟同步)例如JEDEC SDRAM(被设计成满足电子设备工程联合委员会制定的规则)；CDRAM(高速缓冲存储器DRAM)；RDRAM(Rambus DRAM)；ESDRAM(加强型SDRAM)；DDR-SDRAM(双数据速率SDRAM)；SLDRAM(同步链路DRAM)。每一个RAM存储器在编程期间都有保持适当电势的结构，这样就能吸引带静电荷的微粒，例如象后面描述中的带电反应液滴。
其他普通存储器芯片包括EFPROM(电子可删和可编程的只读存储器)和EPROM(电子可编程的只读存储器)芯片。这些芯片也有如浮动门线的结构，该结构在编程中或之后具有用来吸引带静电微粒的电势。
图4描述了标准双极性RAM芯片的存储单元400，可用于本发明的一个优选实施例中。两个多发射极晶体管Q1和Q2连接到两个负载电阻R1和R2上形成触发器电路。每一晶体管的发射极(E11和E21)连接到一起，形成行线输入端RL。Q1上的发射极E12是位线输出端BL，Q2上的另一发射极是它的互补端BL。
假设此单元在逻辑状态1，Q1是锁存开，Q2是锁存关。Q1的集电极C1因此是0V，而Q1的基极B1和线401是+5V。因而，基极B1和金属线401的方便位置用于定位沉积液滴的微阱的合适位置。由分散在液滴表面的电子形成的液滴上的负电势，当该单元写入逻辑值为1的数据时在Q1的基极B1上形成的正电势，这两电势之间的电势差较大。
当该单元写入逻辑值为0的数据时，由于晶体管Q2是锁存开的，基极B1维持在0V。在基极B1上将不存在有效电势将液滴从气溶胶中吸引到上述基极B1上的微阱中。(当5V电压用来说明时，选择电压来提供液滴与基底之间的有效电势差来将液滴从气溶胶中吸引出来。)由于不需通过刷新数据来恒定地恢复存储器芯片微单元上的电势(如后面描述的)，使用这样的自锁存电路是优选的。
图5描述了本发明的另一优选实施例中使用的标准MOS RAM芯片MOSRAM单元500。在这个电路中，MOSFETs Q1、Q2、Q3、Q4形成触发器。Q1和Q2是开关元件，Q3和Q4的工作与图4中描述的负载电阻R1和R2相同。MOSFETsQ5、Q6作为传输门，它们通过位线BL和BL与单元的输出端分离或连接。Q5、Q6通过行线RL被激活。Q7、Q8也作为传输门，它与位线分离或将位线连接到存储器芯片的读出放大器输入端。
当将数据写入单元时，通过使用它的行列线来选择单元，Q5、Q6、Q7、Q8的门引线是正电势的。使BL处于逻辑值1，BL处于逻辑值0，从而Q2是开的，Q1是关的。当Q5、Q6、Q7、Q8是关的，触发器在这个状态是锁存的。Q2和金属线501的门G2保持在高于负载晶体管Q3电压的阈值。在带静电荷液滴和门G2的正电势之间的电势差较大，这样微阱可被置于门G2的电极上或沿金属线501的适当位置。
图6描述了本发明的另一优选实施例中使用的标准DRAM存储器芯片中的存储单元600。在这个单元中，逻辑数据储存于电容器C1和C2中。当通过选择行线RL和设置位线BL的电压为逻辑值1(例如+6V)，设置BL线为逻辑值0(例如电压+1V)，而写入逻辑值为1的数据，电容器C1的电容量与逻辑值0相同(VSS＝0V)，使晶体管Q1关闭。电容器C2的电容量与逻辑值1相同，晶体管Q2是开的。数据被写入后，关断行线，电容器C2保持逻辑值为1的电势。
由于电容片所带的正电势与带静电荷的粒子所带的负电势之间的电势差大，因此微阱位于电容器C2的电容片PL2上或沿601线的方便点上。电容器的电容量下降，通过打开行线RL和通过提供给刷新线REFL1和REFL2刷新电压而使电容器再次充电，从而使数据周期性刷新。一旦单元带有数据，当发生液滴沉积时，该单元就需要快速或连续刷新存储在电容器C1和C2中的数据，因为在液滴中的液体与电容片相接触的地方，从液滴中转移到电容片PL2中的电荷会很快抵消电容片上的正电势。
一般的，液滴会在存储器芯片被编程后沉积，虽然液滴也可能在存储器芯片正在被编程时沉积，或在数据被读取时沉积，这是通过选择存储器芯片电路的适当单元来完成的，这对本领域普通技术人员来说是显而易见的。
在每个实施例中，选作液滴沉积在存储器芯片上的位置具有如下的特点，一旦数据被写入该位置有唯一的电势，并且在该位置上带静电微粒与微粒从气溶胶中被吸引到的位置之间存在有效电势差。
不将微粒吸引至微单元上，微单元也可以具有与带静电微粒相同的电势，从而将微粒从微单元上排斥开。这可以确保不希望的微粒沉积到那个微单元上。
其他存储器芯片可由于本发明的实施例中，包括CCD存储器(电荷耦合装置存储器)和内容寻址存储器，它们都是通过放置静电荷于电容片上来存储信息的；PROM(可编程的只读存储器)芯片，ROM(只读存储器)芯片和PLA(可编程的逻辑阵列)，它们都是通过将阴极连接到阵列的位(列)线上或使它开放，从而存储信息的。虽然这些装置一般都有在使用时不改变的设置程序，当用它在芯片的特定位置上形成同样的化合物时，这些存储器芯片也可用来制造阵列。
如前所述，微阱通过钝化层或金属的上层或涂硅或聚硅的上层形成，其电势用来将带静电荷液滴从气溶胶中吸引出来。作为单独印刷步骤和随后的刻蚀去除部分或全部钝化层的氮化硅和/或氧化硅层的结果，全部微阱可形成。在一些应用中，需要留下一些钝化层来保护下面的传送电势的基础结构。除去足够的钝化层，以便贯穿任何存留钝化层的电子场有足够强度从运送微粒的气雾中将带静电微粒吸引出来。
除存储器芯片外其他可寻址微单元装置可形成于基底上。基底可有任何方便的尺寸，基底上微单元阵列一般为基底表面的95％或更少，一般至少大约50％，更多的一般至少大约为基底表面的75％。一般，基底大约至少1mm2，更多的至少大约2mm2，一般不大于约5cm2，更多一般不大于约2.5cm2。当然，可用较大基底，也可在同一基底上有许多分离装置，以便于同时进行多个操作。然而，在大部分情况下，都希望使装置体积最小，从而导致仪器的体积较小，使用更少的化学成分，并使检测区域变小。另一方面，宏阵列也在使用，此处人们希望产生独立数量的材料，有强的信号，或诸如此类的，这样可能需要大的微单元和大的基底。
在本装置的设计中，有多个微单元，每一个都有作用微电极。微单元形成有电传导基底，并有可容纳将置于微单元中的液体体积的有效深度。阱的体积一般为至少大约10nl，更多的为至少大约20nl，一般不大于5ml，更一般的不大于2ml，这些应依赖于操作的性质，在每一阶段必须释放到阱中的不同反应物的数量，反应物的属性，和诸如此类的。希望体积在大约20nl到500μl范围之间。截面面积一般在20到104μm2之间。尽管较大的微单元可用于特定的用途，例如，合成，这样的体积常常不超过5ml，一般不超过1ml。
一般的，微单元尽可能置于较近的位置上，两个连接的微单元之间互不短路。每cm2微单元的数量一般在100到106之间，更一般的在100到105。
微单元可通过微印刷和/或微机械技术形成。半导体基底，例如硅，可方便地为微单元提供电连接。半导体基底也可被绝缘层涂敷，例如玻璃，陶瓷，塑料，氧化硅或诸如此类的，由绝缘屏障分离的单独金属基底防止微单元的金属基底之间产生电子传导。
在制造本装置的过程中，使用了掩蔽式设计和标准微印刷技术。基底便利的是1到2cm2的硅晶片或大约0.5mm厚度的芯片。硅的第一外涂层为1-2μm厚的二氧化硅绝缘层，这可通过化学气沉积法得到。然后金属层通过真空蒸发作用沉积。金属的选择依赖于所使用的装置和金属与和它接触的化学成分之间的兼容性。铝是非常方便得到并被广泛用于其他情况，对许多所需应用的，它是不可以的，需要更多惰性金属或保护层。可应用的层是有机电导层，例如金属或含碳层，氰基聚乙烯，多炔等等，或如合适的绝缘层，例如二氧化硅。这个绝缘层应足够厚以便保护金属电极不与操作中使用的化学成分接触。在选择金属电极中，除化学惰性外，选择的其他考虑是易于沉积，层面均匀，过程易于进行，花费和与所选绝缘层之间的反应，易于替换，易于形成诸如此类的。有用的金属包括铜，镍，钨，铅，汞，铁，钴，铋，钒，钨，银，锡，铂，钯，锆，铱，等等。金属层可通过以下方式形成真空沉积，电镀，化学或电还原，热分解，等等。
代替留钝化层来保护电势传导结构，在单元上或下的所有钝化层可能被去掉，薄的保护层可涂敷在电势传导层的外面。可作为反应金属层的是，例如铝或镁，然后它可与金属盐反应，减少金属层，从盐中置换出一层金属代替反应的金属层。在阱的表面可进行金属盐的电化学还原反应。或者，在金属镀到表面的地方，可进行有机金属(metalloorganic)分子的热或光分解。有机金属分子包括金属羰基合物，金属芳香族，金属茂合物，诸如此类的。特定的技术可用于确保与绝缘下层的粘接，这依赖于金属和应用的模式。在金属电极形成于象素(pel)位置处，一旦电极模式确定下来，其他的金属源来通过任何便利的方式传导，例如引线，喷墨，气雾等等。
所选的钝化层或保护层厚度可提供自校准沉积机制，它可限制沉积到微阱中的微粒数目。所选的钝化层或保护层厚度可在单元产生的微阱中产生所想要的场强度，仅在微阱失去场强度来吸引更多液滴前使微阱吸引所需要体积的带静电液滴。例如，单元的电势传导结构(如电极)带有电荷，为处于单元上或下的微阱中提供所需电势。一个带静电的液滴从气雾中吸引出来，如此通过带静电液滴所提供的量，减少了带电液滴和阱之间的电势差。一个带静电液滴带少量电荷(尽管与存储器芯片电势传导结构的电势有大的电势差)，如此在液滴与单元之间存在的有效电势差可将其他液滴吸引过来。在液滴能与电极接触的地方(不论是直接地还是通过电极上的层)和在液滴能消耗所带电荷处，上述则更正确。第二个带静电液滴从气雾中被吸引出来，如果液滴没有消耗它的电荷，则会增加微阱的电势，同时也增加在微阱中的体积，并减少液滴与微阱之间的电势差。当在阱中的液滴数增加，阱的深度和宽度全部被液滴浸润时，液滴与微阱之间的电势差则降到使阱不再从气雾中吸引液滴的水平。这样，由液滴产生的液层厚度则减小了液层表面与液滴之间的电势差。由于具有与液滴十分相近或相同的电势，从而液层中的静电荷阻止了其他液滴的沉积。因而所选的钝化层或保护层厚度提供了所需要的电场衰减，以使所需数量的带静电微粒沉积于微阱中，如此提供了自校准机制来防止微阱过满。
这样，绝缘层的使用还可起到另一作用，即限制沉积于单个微单元中的微粒数目。当微粒不再能消耗静电荷的程度时，微粒上的静电荷能建立起来抵消由电极产生的场，以便不再吸引额外的微粒。以这种方式，可自调整传入每一单元中的液体量，由于微单元与微粒具有相同的极性，这可阻止微粒与这样的微单元相连。同时，通过限制引导到反极性微单元上的微粒数目，从一个微单元溢出到另一个的可能性最小。
虽然对本发明传导金属层的厚度并不苛求，可考虑的传导金属层相对较薄，一般小于大约1mm，更一般的小于大约0.1mm。在发生侵蚀传导金属层之处，需要较厚的金属层。
现在芯片可由正的光致抗蚀剂涂敷，由电路图案屏蔽(光域)，然后将其曝光和显影。去掉已发生光溶解作用的抗蚀剂，并尽可能地使曝光的金属腐蚀掉。在去掉抗蚀剂后，金属电路便在芯片上留下来。电路包括微电极阵列，它作为寻址微单元和连接电路的下层基底，电路也可包括金属接触垫的外周。
使用CVD(“化学气相淀积”)，芯片由0.2-0.4μSiO2层，然后是0.1-0.2μ氮化硅层涂敷。然后芯片再由光致抗蚀剂涂敷，以使屏蔽接触垫和微电极部分，将其曝光和显影。去掉抗蚀剂，将SiO2和SiN4层刻蚀掉，以曝光出金属电极层和接触垫。然后去掉周围的绝缘抗蚀剂，同时在接触垫和保留绝缘层的电极之间的连接配线。代替或除了金属线之外，可用镀银的环氧树脂来接触微电极，垫或提供其他电连接。
本发明的装置依靠金属和所进行操作的属性来运行。在一些情况下，需要加功能性聚合物来涂敷金属，此处在操作条件下聚合物进行电子传导。可使用多种聚合物，尤其是例如共轭烯烃，含电子接受体和电子给予功能的聚合物，或其他有机聚合物，它们允许电子穿过带电气雾到微电极上。这些聚合物可有其他功能，例如带有反应团的功能，如氨基，硫醇，羟基，羰基，磷酸基，等等，在聚合物上可有连接团，它们用来保留化合物，特别是在微单元上的多阶段产物。连接团一般在链上有1-60个原子，常常是2-30个原子，在链上可含有碳，氧，氮，硫，磷，等等，包括醚，氨基，硫醇，磷酸基等链上基团。
带电传导填充物可用于涂敷存储器芯片上的微阱的底壁和侧壁。填充物能耐受带电微粒之间的强电势差，因而能在带电微粒与微阱之间提供有效电势差，以使微粒从气雾中吸引出来流向存储器芯片。一种这样的填充物披露于美国专利5,700,398，而另一种披露于美国专利5,876,586。
在操作中形成的阱一般在深度上至少大约1μ，更经常的至少2μ，一般不大于10μ，更一般的不大于5μ。横截面面积一般在10-2500μ2之间，更一般的为25-500μ2。方便的，阱的体积在大约100nl-500nl之间。微电极一般相距至少2μ，更一般的至少5μ，优选不超过100μ，更优选不超过50μ。当需要较大空间时，需要高密度的微单元，以便能保持电子的完整性(在电极间没有电弧放电)，传输化学部分并识别单个微单元，其中需要这样的检测。可以加入可寻址的基团到各个单元，如此就可通过可检测的标示物来检测各个单元，这样的标示物如荧光物，化学发光物，或其他适当的敏感标记，它们可在特定位置分离。气溶胶的形成在一个过程，综合诊断等，至少一种化学成分将作为带电气溶胶粒子传送，在操作的每一阶段常常至少有一种化学成分，尤其在反应过程是多步合成的地方。多种装置适于产生气溶胶，包括超声喷雾器，电流体动力装置(eletrohydrodynamics)压电变频器，电子束源，喷嘴，气体喷射器，浓缩，等等。液体加入到烟雾散开器中，气溶胶形成。气溶胶粒子一般在大约10nm到5μ的范围之间，更多的为20nm到15μ的直径。微粒的密度一般为大约103-107，更一般的为大约104-106各微粒/ml。所需的微粒大多是单分散性的，也就是说至少大约80％重量在平均微粒尺寸的20％内，优选的在10％以内。单分散性可使用冲击板，电流体动力学，沉积作用等得到。由于蒸发作用，粒子的起始尺寸可能会大大减小，常小于50％体积，优选的为小于25％体积。运送气体的流速一般在大约0.1-501pm的范围内，一般常用大约0.2-201pm。速度一般为大约0.1-70cm/sec。在一些例子中，运送气体将停止下来，允许微粒通过漫射和静电吸引到达微单元。
产生粒子的超声、压电或声波烟雾散开器可能产生一些大微粒，这些大微粒可通过位于烟雾散开器或静电沉积器的出口平片上使用流体冲击来去除。烟雾中的微粒然后通过连接到带电气体供应源的带电微粒区。带电可以是电晕放电，反相充电的电极和交流产生的高电压，或电离放射的结果。然后最终带电粒子通过一个喷嘴。第二阶段的精滤器，使用直流电静电沉积盘，可用在喷嘴区域来产生单分散性的微粒尺寸。可以一定角度引导粒子流到微单元的基底上，包括与基底垂直或平行的角度。依赖于所用的冲击角度，可得到不同的气雾速率。
对于电流体动力学电荷产生器(美国专利5,247,842)，液体流过带电喷嘴，此处不带电的惰性气体的外壳流(sheath flow)包围在液体周围，并且此处压缩气体源包围在外壳周围进一步引导微粒离开带电喷嘴。流体馈送速率可在大约0.05-5μl/min之间。微粒流被引向带反相电荷的平片，该平片与喷嘴相对有一个巨大的孔，以便微粒流过平片然后流向微单元。
带电粒子可形成的条件是常规的，该条件将受以下因素控制，包括液体电导率，速率，表面强度，所需的粒子尺寸，粒子密度，溶解性，气雾产生和带电的温度，带电微粒气雾形成的方式，诸如此类的。气雾温度一般在4-60℃，更常用的为4-40℃。形成微粒的条件已在J.Aerosol.Sci.1995，26963-977(Chen所作)有描述。
多种气体可当作气雾传送体，特别是惰性气体，如空气，CO2，氮气，氦气，氩，或其他方便得到的气体。依赖于对微粒的溶解性，该气体可变化程度包括气体的溶解性，此处溶解气体压力起始时可以是气体蒸汽压的10％，在气雾温度下达到气体饱和。为避免在微单元上发生冷凝，基底或存储器芯片在沉积期间保持比气雾温度高的温度，一般至少2℃，更多的至少5℃，但一般不会高于10℃。通过保持小的温度差异和使气体有高的溶解蒸汽压，不仅微粒保持至少相当大部分为液相，而且微单元也较少受蒸发。一般的，不使用升高的压力，虽然在操作期间也应用升高少于1atm的压力。
然后气雾被引导至微单元上。依靠微粒的平均尺寸，垂直气雾将以小于70cm/sec的速度来避免非特异性地粘接到微单元平片上。气雾流可通过以下方式控制气体流，适度真空，气雾流撞击到微单元的平片上，或采用非常低速的气流或非常低的真空度，或连接任何驱动力引导粒子在任何特定方向上，此处气雾可能是大部分稳定的。使空气供给的描述可在美国专利5103763中发现。目标微单元越小，气雾流一般就越慢。当气雾流与微单元平片相垂直时，气雾从它被引导穿过微单元平片的表面而到达的位置散开。大约1cm2的微单元平片将被单独的垂直流向微单元平片中心的气雾流覆盖。气雾流可以为如0.1cm/sec的低速，或更低速，一般不超过70cm/sec。通过在基底上加一个盖片，在盖片和基底之间留出一个小沟，气雾可被保存在接近微单元之处，并易于受微电极产生的电场影响。一般的，盖片或其他顶板与基底表面之间的空间至少大约100μ，可能为500μ或更大。
气雾穿过的喷嘴长度比基底的微单元区域的尺寸小，常不小于大约20％的区域，更常见的不小于大约50％的尺寸，常不会大于大约200％，更一般的不大于大约150％。在比整个区域小的地方接受和捕捉气雾，喷嘴可从一个位置移到另一个位置，直到整个微单元区域充满气雾。沉积器平片可用作喷嘴的出口用来加强气雾的单分散性。
用来形成带电粒子的液体可以是任何能带有电荷并能消耗电荷到电极上的液体，它的大部分成分是水，极性有机溶剂，如二甲基甲酰胺，硝基苯，三氟乙酸，六甲基磷酸胺，乙腈，甲酰胺，乙二醇，三甲胺，等等，和它们的混合物。根据所进行的操作选择溶剂，以使支持操作。
在操作中，相邻微电极优选地有相对于适当参照不同的电势，以便在微单元片的周围产生场。可以改变微电极列，此处微电极带有与上述行相反的电势开始于每一行的开端，电势沿行改变。通过这种途径，每一微电极都被4个具有相反电势的微电极包围这。
基底可通过加热或冷却源处理，例如加热传导盘，加热传导线圈，远红外灯，等等，此处热可传到特定的微单元上以加强反应或从特定的微单元上耗散的热。基底也可经光源处理，如激光，它可射于各个微单元上，微单元区的一部分或全部，以允许微单元上发生的反应。光学系统可随微单元上的操作需要变化。产物形成和微单元上的活动的检测本发明系统允许大量的操作和使用不同的化学成分。该系统可按常规方式用于合成低聚物，如低聚核苷酸，低聚肽，应用与组合化学相关的技术可合成简单的有机分子。由于每个微单元是单个寻址的，可以用计算机记录单独的步骤，以便每个微单元上的合成都可知。而且，可以进行检测，测定各种活动，评估所选化合物的生物活性，检测所研究的配合体或受体的存在，和诸如此类的。样品，所选化合物和化学成分可以气溶胶形式传送，或首先被引入微单元在操作的另外阶段完成，或可由原位制备。分子集合体可作为气雾分散，包括核小体，脂质体，细胞，细胞器，细胞核，染色体，质粒，双微体，等等。用这种方式，人们可检查看到所选化合物对生理过程的影响，例如，测量pH值、钙传送变化等等。
各种各样的组合物可被引导到微单元上为各种目的。聚合组合物以与化学成分共价或非共价结合的形式存在。各种珠粒或溶胶可加入到微单元作为反应位置，在此点上微粒具有接受合成中下一成分的功能。珠粒或溶胶可包括乳胶珠，玻璃珠，多孔玻璃珠，碳溶胶，胶状金属，如金，和诸如此类的。例如，对低聚核苷酸的合成，所提供的四种不同珠粒可通过连接子与四种不同核苷酸相连，并准备与下一个后续核苷酸进行反应。类似地，对于氨基酸，20种不同氨基酸一开始就存在。珠粒在商业上可得到，并且一般尺寸的直径为大约5-500μ。
在制备低聚物中，一般使用保护剂，例如经保护的核苷酸或氨基酸，在它们上面保护位置也是下一单体的加入点。在进行低聚物的合成中，可引导单个单体作为微粒到达适当的微单元上进行，与去保护的末端单体反应，此处去保护是通过主体试剂(bulk reagent)完成，或可引导作为微粒的去保护剂到适当位置上，然后将适当单体加到作为主体试剂的去保护末端基团上。
在制备低聚核苷酸时，可应用各种化学。参见如美国专利5436327，5831070，5872244。在进行低聚核苷酸的合成中，可使用经保护的磷酰胺，亚磷酸酯，或三磷酸盐。存在磷酸酰胺和亚磷酸酯，不需其他催化剂，而对于三磷酸盐，需要一种酶，一般为末端脱氧转移酶。在前面两种情况下，由于微单元阱中有珠粒的存在，或由于有产生氨基的活性聚合物的吸附，微单元被活化，产生活性氨基。为启动低聚核苷酸的合成，气雾由溶解于适当有机溶剂中的磷酸酰胺试剂制得，普通的为乙腈本身或与其他有机溶剂联合使用，特别是与乙腈比有更高沸点的溶剂，例如甲基吡咯烷酮，三甲基磷酸盐，或N-甲基吡咯乙腈。组合物可以包括少数导电物，小于体积的1％，常小于0.1％，并且依赖于添加剂的属性，小于大约体积的0.01％或它的重量等值，以此来改变微粒的特性。添加物可以是水，冰醋酸，二甲基苯胺，N-甲基嘧啶氯化物，或其他相容的添加物，该物质不会反作用于化学物质并允许消耗微粒上的电荷。对脱三苯甲基作用，三氯-或三氟乙酸，锌氯化物，或其他酸性试剂可用在适当的溶剂中，如二氯甲烷，二溴甲烷，硝基甲烷，等等，它们的组合物，诸如此类的，此处少量水气可用来提供离子种类。
除需化学除去的保护基团，可采用光分解、热、电除去的保护基团。这些基团中的许多已在美国专利5744305和5889165中有描述。对光不稳的基团为苯甲基醚，混有碳酸盐的酐或尿烷，此处苯基被2-硝基和优选用4，5-二甲氧基取代，苯环上剩余的位置可被进一步官能化。在制备低聚核苷酸的过程中，应用脱氧核糖亚磷酰胺3’-羟基的醚或酯。在加入下一个核苷酸到生长链后，3’-羟基通过在大约350-375nm的光以5-20mW/cm2的强度照射下脱去保护。对于电去保护，参照例如WO98/01221，发明者为Donald Montgomery，转让于Combimatrix公司，该公开内容在此处作为参考。
代替化学活性基团，这些基团不需反应辅助试剂，可使用能酶连接的反应物。例如，美国专利5872244。使用末端脱氧转移酶，它带有一个自由的3’-羟基起始物和带可除去的3’-保护基团的5’-三磷酸核苷酸。保护基团包括腈，磷酸盐，碳酸盐，氨基甲酸盐，酯，醚，硼酸盐，硝酸盐，糖，氨基磷酸酯，苯基次磺酸盐，硫酸盐，砜，此处优选的去保护剂是Co-2在缓冲液中，如二甲基砷酸，Tris，MOPS，等等。
制备低聚肽一般与低聚核苷酸的方式相同。具有反应官能团的底物置于微阵列中用来启动反应。该官能团可通过光不稳定连接物或化学活性连接物提供，该连接物可化学分离。如上所述，氨基酸可由光不稳定保护基团保护，且羧基可通过与游离氨基的反应被活化。活化作用可由N-琥珀酰亚胺酯，混合酸酐，碳二亚胺，等等获得。常使用水溶液。反应混合物将进行反应，保护团则化学或光分解地去除。
在制备低聚物时常需要覆盖任何不反应的自由基，如在低聚核苷酸合成中3’羟基和低聚肽合成中的氨基。这样的覆盖可使用酯、酰胺或醚形成基团来得到，如有机酸，活性卤化物或诸如此类的，此处覆盖产物在低聚物合成阶段不分离。
合成的每一阶段后，可洗整个基底来去除不反应的试剂和来自于前面步骤的溶剂。冲洗常在适当介质中进行来去除存在于微单元上的有机溶剂和/或不反应的试剂。依赖于冲洗效率，一次或更多次冲洗可在相同或不同冲洗介质中进行。
本发明也可用于进行合成。不论底、壁还是引入微单元的珠粒都可作为合成的固相支持物。组合化学的描述，例如参见美国专利5789172。在这种方法中，使用标记了的珠粒，并在合成结束时去掉标记物以决定用于产生在单个珠粒上的产物的合成规程。在每一阶段，化学成分作为气雾或大的组合物被引入。在化学成分中包括合成纤维，它是小分子有机物，常具有许多官能团，因此是作为一个合成单位加入而不象小的活性基团，如氰基、硝基或卤。
这样，可加入小的有机分子(＜1kD)来产生新的产物和新产物的基团。利用本发明，在每一次加入试剂时许多位置的记录被保存下来，一便于人们可以知道在每一微单元的每一步骤的试剂、反应物和条件。对特定的微单元有唯一的译码可读程序。可用各种方法来显示组合物。如果需要自由产物，将起始成分通过可分离链连接到固相基底上。链可以是化学分离或光分解。所示专利提供了大量可用的链和试剂，依赖于规程和产品以便于从固相基底上释放产物。或者，产物能留在固相支持物上。
在制备产品用来测定生物学活性时，在合成结束时，可将生物试剂作为气雾或大的组合物转移到每一位置。例如，如果希望测量产物的酶抑制效果，酶可转移到每一微单元上并且将酶与产物温育足够长时间，以便将产物与酶结合。可在适当酶催化介质中提供可检测到的产物的底物可被引导至每一微单元上，反应速率可通过可检测到的产物的控制来决定。举例来说，如果要研究水解酶，水解分离结合物能释放一种可检测到的荧光产物。当酶反应中涉及NAD或NADP时，可将还原NADH或NADPH的产生与另一反应联系起来，产生可检测到的染料。这些技术已记述在文献中，不需详细描述。
或者，可进行这类检测实验，此处目的化合物开始可通过任何常规的方式被单独引入，如渗透传送(pin transfer)，喷墨法，从微滴定量阱中传送，气雾和诸如此类的。如上所述，化学成分又一次适当的被传送至每一微单元上，不论是相同的化学成分还是不同的，作为气雾或大的组合物。可使用捕获化合物(capture compound)，它能直接或间接捕获所提供系统中一种成分，并显示一个可检测到的信号。然后就可检测到来自于每一微单元信号作为每一目的化合物的特性显示。
所研究的特性包括酶活化和抑制，与受体的结合，特别是表面膜受体，复合物形成例如转录因子复合物形成的抑制，抗氧化剂活性，氧化或还原活性，生理学过程的催化或抑制，如血管生成和衰亡，等等。为这些目的，需要可得到的试剂，在此处通过运用竞争反应，可检测化合物的生成，可检测化合物的破坏，与提供可检测化合物的反应结合，如此类的，人们可检测到所选化合物对于目的特性的效力。
下面参照附图，对本发明作进一步论述。
图1描述了根据本发明装置的基本设计，每一微单元是可自寻址的。装置10是带三个微单元12的微构成，对于本发明目的这些微单元是相同的。图中所示的是三个微单元，而可以理解装置中有更多数量的微单元，它们象在存储器芯片中的那样被安排成行列，在盘上对一条或更多轴对称，此盘有一个旋转的中心部件，例如一个记录腔或附于旋转装置上的其他部件，等等。
虽然优选使用普通存储器芯片，也可仿效下述步骤制作。微单元形成于一种基底材料上，例如1-2cm20.5mm厚的硅晶片。该晶片首先覆盖有1-2μm厚的二氧化硅绝缘层，该层可用化学气相沉积(CVD)得到。下一步骤是，0.2-0.5μmAl或其他金属通过真空蒸发沉积。根据不同金属，可使用不同技术确保与硅的粘接。在用阳性光致抗蚀剂覆盖后，用电路图案掩模，将其曝光和显影，去掉光分解抗蚀剂，曝光的金属被蚀刻掉。然后去掉抗蚀剂岛，在晶片上留下金属电路图案。这包括金属接触垫的外周界，接触电路和微电极中心阵列，微电极作为可寻址微单元的下层基底。使用CVD技术，芯片由0.2-0.4μm的氧化硅层覆盖，然后它的上层是0.1-0.2μm的氮化硅层。然后芯片用带正电的光致抗蚀剂覆盖，掩模处理接触垫和微电极单元，然后将二氧化硅和氮化硅蚀刻掉曝光出来铝接触垫和微电极。然后去掉周围的岛状抗蚀剂，而在接触垫和微电极之间的连接线通过二氧化硅和氮化硅层保持绝缘。
与微电极之间的接触点连接到计算机。计算机控制微单元的电势，同时控制气雾生成器的操作，将化学成分和合成纤维加入到气雾发生器中或大的混合物中，记录每一微单元和每一阶段上发生的每一过程。
微单元12有金属基底14，根据微单元上进行的化学反应，基底可以是任何金属。普通的为铝，铝合金，或其他能真空沉积的金属，然后被原位还原，覆盖和用印刷技术去除，等等。金属位置作为微电极结构的下层。而且，各种金属，本身或经有机聚合物处理，可用作电导体，通过各种方式形成。例如美国专利5,700,398，5,789,172，5,804,563，5,876,586中描述的。绝缘层16将金属微电极14之间彼此分离。绝缘层可包括二氧化硅，陶瓷，玻璃，抗蚀剂，橡胶，塑料，等等。另外，每一金属基底14通过绝缘壁18进一步与其他基底14相绝缘，绝缘壁一般采用氧化硅，但也可用其他上述的绝缘材料。绝缘层16由硅层20支持。涂敷在氧化硅壁18外层的是氮化硅层22，它比氧化硅具有更强的化学阻抗力，以便于更好地经受所用装置的操作条件。
图2描述了一种将气雾引导到微单元表面上的装置。根据附图2，装置100是带有交流电(AC)场的带电装置，通过它可将电荷放到液体的细小珠粒上。装置100包括超声气雾发生器111，气雾导管113，终端为放电喷嘴114，带电空气供应单元116，该单元开向所述的离子带电区。带电空气供应单元116包括上游驱动空气供应导管部分119开向气雾导管113的珠粒带电区115。珠粒带电区115含有带反相充电的电极片120和121，片120接地，片121带大约1kV的交流电，交流电压频率为大约为5kHz。直流空气电离区118含电晕放电电元件例如电晕线圈122，一般为0.05mm直径的钨线圈，5cm长，大约4,500VDC供给产生120μa的电晕电流。
在操作中，超声气雾生成器由化学成分的电离溶液供给，由大约1.7MHz的频率操作，此处需3μ的微粒。更大或更小的频率可用生成更小或更大的微粒。
微粒被驱动通过与隔板124相对的喷嘴123，微粒大小分离器112通过流体冲击将大微粒沉积在板124上，而所需的小微粒125则被带到板124的周围并进入气雾管道113。不带电的微粒被驱动进入珠粒带电区，在那里它们和，通过由带电空气供给单元116引入的离子空气混合和带电。
空气供给单元116接受供给的通过导管117的压力空气，导管伸入到接地的电离区118中，在那里与环绕在电晕线圈(corona wire)122周围的高电场接触，将正电荷传递给电离空气。电离空气分子在微粒带电区115通过导管区119进入不带电微粒125的气雾。在带电片120和121之间的交流场快速移动或使带正电的电离空气振动与微粒125接触产生带电微粒126，带电微粒从喷嘴114射出，喷嘴靠近和垂直于基底表面，带电片120和121占据大约1.5mm和大约5cm长。喷嘴开口处有一个大约1/16th英尺的出口缝，大约5cm宽，需要比微单元的基底区域大。第二阶段精滤器，使用直流静电沉积片，图中未示，可用在喷嘴114区域来产生单分散性微粒。相对于片可以将喷嘴计成在片内固定位置或可移动在片的表面上，引导气雾到微单元的不同组。这样，喷嘴可延长，成直角的，成椭圆形的，等等。
在基底130上的微单元129可变化地带负电或正电，以此产生电场来吸引微粒125。为吸引微粒电压可以是+10V和-10V，也可用高于大于50V的电压，但常常是不需要的。
由于撞击喷射动力学，位于气雾中心线附近的微粒离基底很近，不是被各个带电微单元强烈吸引就是被强烈排斥。气雾中心线以外的微粒不能有效靠近基底，不能受到有效吸引或排斥力，它们被空气流带走。
图3是可变化的电流体动力装置。装置200有喷雾腔202，具有点到片(point-to-plate)结构，并附有对着极片206和微单元基底208的毛细管204。口210位于极片206的中心，以使所产生的微粒撞击到基底208上。毛细管由铂制成，其ID为81μm，OD为224μm。从毛细管204的顶端218到平片上的距离为大约5mm。作为毛细管外周套的同轴管212允许CO2流过以抑制可能的电晕放电。在压缩空气从喷雾腔202上的220被引入前，先经干燥器214干燥，由流量计216测量，然后由过滤器218过滤。同样CO2被引入流量计222中，由过滤器224过滤，之后引入同轴管212。压缩空气用来输送粒子穿过口210。液体由注射泵226供给，流速由已编程的注射泵控制。
通过电压源228使极片206带负高压。毛细管204连接到用来测量喷雾流的电流计上。为监控所测电流与外加电压之间的关系，两种信号都被送到X-Y记录器中。所产生的液体微粒被蒸发作用变的更小。可得到的微粒尺寸为大约3-200nm。对于液体来说流速为21mp，对于外壳(sheath)流速来说为201mp，或分别为1.51mp和151mp。电导从大约15.6-8000μΩ-1cm-1变化。供给流速从大约0.05-0.5μlmin-1。
制备好的低聚核苷酸和低聚肽阵列可用在筛选化合物的各种途径。低聚核苷酸阵列在每一微单元上有许多相同的低聚核苷酸，其数量对特定连接化合物是有效的，类似的低聚核苷酸或化合物连接到阵列上的低聚核苷酸上，此处连接化合物带有可检测的标记，例如荧光物或酶，特定连接化合物的存在可以被检出。一般的，会有10-108个分子存在于微单元上。在连接样品化合物到低聚核苷酸的条件下，阵列连接有可能含一种或更多特定连接化合物的样品，它与存在于阵列中的至少一部分低聚核苷酸结合。在冲洗去任何非特异性化合物后，通过标记物可检出存在于微单元上的特定连接化合物。在一些例子中，可应用竞争性标记化合物，此处竞争物与样品中的化合物竞争地连接到阵列中的低聚核苷酸上。较强的样品化合物连接到低聚核苷酸上，标记竞争物中的少数也会存在。通过使用各种可见仪器，可读出标记物存在的地方，并通过低聚核苷酸在阵列中的位置测出低聚核苷酸是什么。
大量与所有微单元反应的溶液可通过各种方法去除。对于冲洗的方法，平片可位于喷雾器或其它冲洗溶液源的上面，以便洗液从微单元上排出。刮水器可用于将平片上的多余液体刮去。通过翻转平片使微单元朝下，液体排出，用气流去除溶剂中的最后残余。
下面描述使用存储器芯片来制作低聚物阵列以使低聚物序列生成的两种方法。在一种方法中，由带电微粒生成器供给脱保护试剂。在另一种方法中，A、C、G、T碱基作为核苷酸亚磷酰胺由带电微粒生成器供给。
第一种方法中，给出的RAM芯片有微阱形成于钝化层中RAM芯片的500000单元中的每一个上。微阱有连接基团附于硅钝化层上，金属电极、保护层、或电导聚合体层在微阱中，以便于所用的碱基形成的低聚序列连接到微阱中。这样的连接基团是公知的，包括那些在美国专利5929208中披露的。每一连接基团都有序列的第一核苷酸形成粘接到它之上。每一核苷酸通过前面所述的保护基团由更进一步的反应保护。
反应物沉积系统包括如图1描述的带电微粒发生器。RAM芯片插入到反应物沉积系统中喷嘴114定位于大约5-6mm(1/4英尺)以下，并垂直于RAM芯片表面，正对RAM芯片的500000个微阱。RAM芯片连接到电子系统中，该系统通过寻址在RAM芯片的单元阵列上的行列来控制单元或微单元的电势，并且激活所需的行列来供给选定单元的所需电势。RAM芯片被加热到接近104℃。
脱保护试剂的带静电液滴(例如，象美国专利5831070和5744305中描述的那样)每一个有大约1-5μm的直径，大约50pg重量，这些液滴退出喷嘴114，由气雾带向与重力相反的方向。带比静电微粒所带电势低的电势的单元将脱保护试剂液滴吸引到这些单元上，而那些有较高电势的单元不吸引液滴因而保持干燥。液滴在有效时间内沉积而使阱部分充满，不会溢出。注意，虽然单元已被翻转，但由于在单元内液体的表面张力，使液体保存在单元内，而升高的基底温度会帮助激发反应并使溶剂从沉积液滴上释放出来。如上所述，RAM芯片优选的有一层其厚度选择可提供自限定沉积。
一旦足够数量的脱保护试剂的带静电液滴已沉积在所选微阱中，RAM芯片从带电微粒生成器前移开。脱保护反应继续进行一段时间以使保护试剂从微阱中的保护碱基上离开。然后RAM芯片经漂洗和干燥。
然后所有微阱充满了带将加到序列中的碱基的核苷酸亚磷酰胺溶液。粘附到微阱中的无保护碱基与核苷酸亚磷酰胺反应，将所选碱基加到序列中去。溶液中提供的碱基其上有保护试剂以防止它与微阱上溶液中的其他碱基起进一步反应。
RAM芯片然后被飘洗和干燥，再一次被插入到反应物沉积系统中。再次通过激活所需的行列选择单元，脱保护试剂的液滴又一次被吸引到选择的微阱中，如前面描述的那样。一旦核苷酸无保护，保存在序列中下一碱基中的核苷酸与正生成的低聚核苷酸反应，重复如上过程直到所需序列在阵列上的每一单元上生成。
通过激活所选的行列，各个单元在任何给定的时间被激活。从而，如果需要的话不同核苷酸序列可在每一单元上生成。因此有500000的单元的芯片可拥有多至500000不同的低聚核苷酸序列在其上。
RAM芯片的每一单元上生成所需低聚核苷酸序列的第二种方法包括核苷酸亚磷酰胺的带静电液滴的选择性沉积。
再次，给出的RAM芯片有微阱形成于钝化层中RAM芯片的500000单元中的每一个上。微阱有连接基团附于硅钝化层上，金属电极、保护层、或电导聚合体层在微阱中，以便于所用的核苷酸形成的低聚序列可被加到正生成的低聚物链上。每一连接基团都有序列的第一核苷酸形成粘接到它之上，但每一核苷酸都是无保护的，也就是核苷酸没有如上所述的保护基团。
RAM芯片插入到反应物沉积系统中喷嘴114定位于大约5-6mm(1/4英尺)以下，并垂直于RAM芯片表面，正对RAM芯片的500000个微阱。RAM芯片连接到电子系统中，该系统通过寻址在RAM芯片的单元阵列上的行列来控制单元或微单元的电势，并且激活所需的行列来供给选定单元的所需电势。RAM芯片被加热到接近104℃。
第一个核苷酸亚磷酰胺的带静电液滴每一个有大约1-5μm的直径，大约50pg重量，这些液滴退出喷嘴114，由气雾带向与重力相反的方向。带比静电微粒所带电势低的电势的单元将核苷酸亚磷酰胺液滴吸引到这些单元上，而那些有较高电势的单元不吸引液滴因而保持干燥。液滴在有效时间内沉积而使阱部分充满，不会溢出。外加的核苷酸有保护基团在其上以避面进一部的反应发生。
一旦足够数量的第一核苷酸亚磷酰胺的带静电液滴已沉积在所选微阱中，电子系统就选择不同组的微阱，并给所选单元提供一个电势。第二核苷酸亚磷酰胺的带静电液滴通过微粒生成器形成，这些液滴由气流带到RAM芯片的微阱中。所选单元吸引第二核苷酸亚磷酰胺的液滴，而没有选定的单元不会从气雾中吸引液滴。外加的核苷酸有保护基团在其上以避面进一部的反应发生。一旦经过一段有效的时间，第二核苷酸亚磷酰胺的沉积就停止。
再次，电子系统选择不同组的微阱，并给所选单元提供一个电势。第三核苷酸亚磷酰胺的带静电液滴通过微粒生成器形成，这些液滴由气流带到RAM芯片的微阱中。所选单元吸引第三核苷酸亚磷酰胺的液滴，而没有选定的单元不会从气雾中吸引液滴。外加的核苷酸也有保护基团在其上以避面进一部的反应发生。一旦足够数量的第三核苷酸亚磷酰胺沉积在所选微阱中，沉积停止。
电子系统再选择不同组的微阱，并给所选单元提供一个电势。第四核苷酸亚磷酰胺的带静电液滴通过微粒生成器形成，这些珠粒由气流带到RAM芯片的微阱中。所选单元吸引第四核苷酸亚磷酰胺的液滴，而没有选定的单元不会从气雾中吸引液滴。外加的核苷酸有保护基团在其上以避面进一部的反应发生。一旦足够数量的第四核苷酸亚磷酰胺沉积在所选微阱中，沉积停止。
RAM芯片从带电微粒生成器前移开。一旦微阱中的核苷酸亚磷酰胺与粘附到芯片上的低聚物序列反应，RAM芯片经漂洗和干燥。
所有微阱中充满了脱保护试剂。脱保护反应持续一段时间以使保护试剂从微阱中的所有保护碱基上离开。然后RAM芯片经漂洗和干燥。
然后重复该过程。四个被保护的核苷酸亚磷酰胺中的每一个通过选择所需行列和提供电势给所选单元而单独沉积。一旦所需的最短低聚物序列完全形成，就不再选择那些含有低聚物序列的单元进一步沉积。从而，仅仅那些进一步沉将发生的单元在沉积顺序中被选择，芯片上的单元可以有与其他序列不同长度也可有不同碱基序列。
通过激活所选行列，在任何给定的时间每一单元可被激活。从而，如果需要的话不同核苷酸序列可在每一单元上生成。因此有500000的单元的芯片可拥有多至500000不同的任意所需长度的低聚核苷酸序列在其上。
本发明中的系统明显与美国专利5965452和5929208中所描述的沉积系统不同。例如在专利‘452和‘208中，该系统用电泳电极来吸引溶液中存在的离子带电体。电泳迁移一般由一个给定的电压产生，该电压足够引起电解和系统溶液中的离子迁移。专利‘208说明了所研究的完全序列通过电泳迁移转移到电极上，此处完全序列与功能性表面反应以提供在此位置上粘附的所研究序列。因此通过以下方式例如，用所需离子序列浸没基底表面，使用电泳迁移吸引离子序列，来将微阱充满(参见专利‘208，15栏24-63行)。因此，专利‘452和‘208中的系统不能吸引非电离溶液中的样品(specie)。而且，专利‘452和‘208中的系统描述了一个不同的机制，溶液中的电泳迁移，没有液滴的静电吸引，来使低聚物序列粘附到基底上。
本发明存储器芯片上的基因序列也与专利‘452中的不同。专利‘452中的基底需要粘附一条分离的线到它的电泳电极上。通过该线和到电泳电极的电路由两个晶体管控制，提供类似的信号到电泳电极上。本发明中的芯片不需一条分离的线将类似信号连接到电极上。本发明中芯片的电极被粘附或是控制存储单元电路的一部分，因此电极是或处于与电源、漏极、门、阴极、阳极、或基底上的浮门电连接。
本发明所用的反应物为如上所述的经保护的核苷酸亚磷酰胺。然而，反应物也可以是例如以亚磷酰胺形式存在的所需核苷酸序列，或者反应物可以是悬浮液中的固体微粒，或甚至是带静电的固体微粒，它可由气流传送沉积于阵列的选定单元上，如通过如上所述的静电吸引的RAM芯片。
另一带电微粒生成器和本发明所用的反应物沉积方法记述于PCT公开文本WO98/58745中，其内容在此处发表作为全面参考。该反应器可使用一个x-y定位平台来移动例如并联沉积喷嘴下面的基底。
可使用各种检测系统，如CCDs，荧光检测计，分光光度计，气相色谱仪，质量光谱测定，和诸如此类的。用质量光谱测定法可以避免使用标记化合物。
本发明的特别有用的基底形成于单元阵列中每一单元下的光检测器。当在基底上形成单元阵列时，本领域中已知的光电二极管或电荷耦合装置可在每一单元下形成。通过在每一单元下放置光检测器，可以得到对荧光更高的敏感性，每一检测器检测到近50％的可得到的光，而不是象当在使用中把光检测器放在基底上那样一般得到1-2％的光。同时，习惯制成的也在阵列的每一单元下有光检测器的RAM或ROM存储器芯片是特别优选的用来制作低聚物阵列的基底。对这样应用的适合的光检测器的进一步描述已记述于美国专利5965452中。
或者，如发光二极管这样的光源可置于基底上每一单元的下面来照亮每个微阱中的物质。光检测器可位于基底上面来检测荧光。或者，光检测器位于每一单元下面，并通过不透光的材料构成的壁与检测器相分离，该壁的形成可通过例如，插入一种可改变检测器与LED之间折射率的材料或通过腐蚀阱，沉积一个有合适折射率的材料来防止LED发出的光直接射向检测器。
以同样的方式，低聚肽可用于实验，除了低聚肽将作为抗原决定位置。然后可显示所选化合物对存在于阵列上的低聚肽的连接亲和性，以测定哪种化合物对特定低聚肽有亲和性。通过使用已知标记物连接化合物，可在连接条件下在已知标记化合物和所选化合物质间提供竞争。如果微单元上不存在标记化合物则表明连接有所选化合物。
可进行实验检测低聚物的酶活性或抑制性。人们可使用大量酶溶液和在不同微单元上的底物。在酶反应产物提供了可检测信号处，微单元上低聚物的活性或抑制性就能测出。
当通过气雾传递将一种或更多试剂引导到微单元上，其他实验也可进行。人们可以引导不同的实验化合物到不同微单元上，然后再引导适当的实验试剂到单个微单元上。例如，如果要研究大量化合物对多种蛋白质的连接亲和性，就可以引导不同的蛋白质到不同微单元上。微单元的表面是使蛋白质非共价连接，或者可使微单元的表面具有一定功能性，以便与蛋白质形成共价键。蛋白质存在后，通过气雾传递引导不同的带竞争性标记化合物到不同微单元上。孵育后洗去非特异性接合化合物，检测存在的标记竞争物的数量。标记物存在越少，连接亲和性就越强。
通过使用带电气雾微粒与基底上的微单元，可快速、有效的进行许多不同操作，而所用的难于得到的并昂贵的化学成分很少。通过使用自寻址微单元，不再需要编码化学过程，但可保存一个计算机运行记录，它不仅控制不同化学成分和微单元到它们被引导处，而且可以记录过程。因此，当操作完成时，可以得到已发生在每一位置的计算机记录。可以引导所研究的特定化合物到特定位置或在特定位置制备低聚物，然后对微单元上的这些实体进行操作。以这种方式，可引导特定化学成分到预定位置上，然后测定在特定微单元上的化学成分连接效果。通过使用气雾，如果希望的话可使用冗余码，以便于进行同一操作的不同微单元的值可以作比较。由于操作由计算机控制，所有过程都被精确记录而不受主观影响。
此处详述的所有公开物和专利对本发明所属领域的普通技术人员来说是显而易见的。它们在此处特定、独立地作为参考。作为本申请的参考申请，其名为“化学或物理过程的多路传输生成”发明者为Steve Herrick，申请日为1999年8月27日。
本发明已作了详细描述，对于本领域技术人员来说，对它的许多改变和改进都是显而易见的。
权利要求
1.在多个微单元上进行至少一个操作的方法，微单元的容量至少大约5ml，使用了带电微粒气雾和在所选电压处控制微电极的基底，以致于在所述微电极和所述气雾中的带电微粒之间产生的电势梯度可引起所述微粒被吸引至所选的第一组微单元上，并被所选的第二组微单元排斥，该方法包括(1)为进行所述操作，形成至少包含一种化学成分的单极性微粒气雾；(2)将上述气雾引导接近所述微单元，其中接近微单元的具有低电势的微粒被上述微单元捕捉；在需要时对相同或不同微单元重复步骤(1)和(2)；由此在上述许多微单元中的至少一部分上进行所述操作。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述操作是制备低聚核苷酸，其中步骤(1)中所述化学成分是为制备所述低聚核苷酸而外加到在先连接核苷酸上的核苷酸衍生物，该核苷酸衍生物含有保护基团，并且在步骤(1)和(2)完成后，加入化学成分来脱保护或将所述保护基团通过光分解、热、电分解去除。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述操作是制备低聚核苷酸，其中步骤(1)中所述化学成分是为制备所述低聚核苷酸而外加到在先连接核苷酸上的核苷酸衍生物，该核苷酸衍生物含有保护基团，为加入所述核苷酸衍生物每一微单元有末端脱氧转移酶，并且在步骤(1)和(2)完成后，加入化学成分来脱保护或将所述保护基团通过光分解、热、电分解去除。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述操作是制备低聚肽，其中步骤(1)中所述化学成分是为制备所述低聚肽而外加到在先氨基酸上的氨基酸衍生物，它含有保护基团，并且在步骤(1)和(2)完成后，加入化学成分来脱保护或将所述保护基团通过光分解、热、电分解去除。
5.根据权利要求1所述的方法，包括在重复步骤(1)和(2)之前另有冲洗所述微单元的步骤。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征为步骤(1)中所述化学成分是制备合成中的合成纤维。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征为所述气雾垂直应用到上述基底上。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征为所述气雾平行应用到上述基底上。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征为所述气雾与上述基底既不平行也不垂直，而是成其他方向。
10.在多个微单元上进行至少一个操作的方法，微单元的容量至少大约500μl，使用了带电微粒气雾和在所选电压处控制微电极的基底，以致于在所述微电极和所述气雾中的带电微粒之间产生的电势梯度可引起所述微粒被吸引至所选的第一组微单元上(1)为进行所述操作，形成至少包含一种化学成分的单极性带电微粒气雾；(2)将上述气雾引导接近所述微单元，其中接近微单元的具有低电势的微粒被上述微单元捕捉；在需要时对相同或不同微单元重复步骤(1)和(2)；在每一阶段记录所述微单元和所述至少一种化学成分为在每一微单元上进行的操作历史。由此在上述许多微单元中的至少一部分上进行所述操作。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征为所述操作是制备从含有低聚核苷酸和低聚肽的组中选出的低聚物，其中步骤(1)中所述化学成分包含保护基团，并且它是从含有核苷酸衍生物或氨基酸衍生物的组中选出的单体，它为制备所述低聚物而外加到在先单体上，并且在步骤(1)和(2)完成后，加入化学成分来脱保护或将所述保护基团通过光分解、热、电分解去除，由此产生低聚物阵列。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征为所述阵列至少与一种化合物接触以检测上述化合物对阵列中的一种低聚物的连接。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征为所述阵列至少与一种化合物接触以检测上述化合物对一种低聚物和标记竞争化合物之间的连接。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征为所述微单元上含有珠粒，在其上至少一种所述化学成分变为结合的。
15.在多个微单元上进行至少一个操作的方法，微单元的容量至少大约5ml，使用了带电微粒气雾和在所选电压处控制微电极的基底，以致于在所述微电极和所述气雾中的带电微粒之间产生的电势梯度可引起所述微粒被吸引至所选的第一组微单元上(1)为进行所述操作，形成至少包含一种化学成分的单极性带电微粒水雾；(2)将上述水雾引导接近所述微单元，其中接近微单元的具有低电势的微粒被上述微单元捕捉；在需要时对相同或不同微单元重复步骤(1)和(2)；在每一阶段记录所述微单元和所述至少一种化学成分为在每一微单元上进行的操作历史。由此在上述许多微单元中的至少一部分上进行所述操作。
16.一种能在接近基底上的微位中产生大量化合物的装置，该装置包括一个绝缘基底；多个微单元，每一微单元含有一个与计算机网络连接的微电极，由此所述计算机控制电压和每一微电极上的电势来使附近微电极有不同电势；在每一微单元之间的绝缘体；产生含至少一种化学成分的单极性带电微粒的装置；和以液体形式引导从上述微粒生成装置中产生的微粒到所述微单元上的装置，该装置传送所述液体微粒到所述微单元上。
17.根据权利要求16的装置，进一步在每一微单元上含有化学活性成分与上述化学成分反应。
18.根据权利要求16的装置，其特征为所述绝缘基底和绝缘体为二氧化硅或氮化硅。
19.根据权利要求16的装置，其特征为所述微单元的容积小于大约500μl。
20.根据权利要求16的装置，其特征为微单元的密度在大约100-106之间。
21.根据权利要求16的装置，含有产生单分散性微粒的装置。
22.根据权利要求16的装置，其特征为该产生所述带电微粒的装置选自与电晕放电相连的气雾发生器，与离子辐射相连的气雾发生器，或电水动力学产生装置。
23.一种能在接近基底上的微位中产生大量化合物的装置，该装置包括一个绝缘基底；多个微单元，每一微单元含有一个与计算机网络连接的微电极，由此所述计算机控制电压和每一微电极上的电势来使附近微电极有不同电势；在每一微单元之间的绝缘体；在不同微单元上的不同化学成分或珠粒；产生含至少一种化学成分的带电微粒的装置；和以液体形式引导从上述微粒生成装置中产生的微粒到所述微单元上的装置，该装置传送所述液体微粒到所述微单元上。
24.根据权利要求23的装置，其特征为不同化学成分在上述不同微单元中，所述的不同化学成分是不同的低聚物。
25.根据权利要求23的装置，其特征为该不同微单元为珠粒。
26.根据权利要求23的装置，其特征为所述微单元的容积小于大约500μl。
27.生成聚合物序列阵列的基底，该基底含有置于可寻址阵列上的多个单元，并有行寻址线和列寻址线，它们被设置成寻址可寻址阵列的每一单元，这些单元都有一个电极，该电极是控制单元的可寻址阵列寻址的电路的一部分或电连接到其上，这些单元单独位于上述基底的微单元上，在所述微单元上有微阱，微阱有足够的深度通过微单元上的电极产生电场，所述电场有足够强度来从气相载体中吸引带静电微粒到上述微阱中。
28.根据权利要求27的基底，进一步在微单元上含有粘附到基底中微阱上的多个低聚物序列。
29.根据权利要求28的基底，其特征为所述多个单元中的第一单元在第一微阱中含第一低聚物序列，所述多个单元中的第二单元在第二微阱中含第二低聚物序列，所述第二低聚物序列与所述第一低聚物序列不同。
30.根据权利要求29的基底，其特征为所述第一低聚物序列含第一低聚核苷酸序列，其中所述第二低聚物序列含第二低聚核苷酸序列。
31.根据权利要求30的基底，其特征为所述的多个单元含至少大约64000个单元。
32.根据权利要求27的基底，其特征为所述的多个单元含至少大约64000个单元。
33.根据权利要求31的基底，其特征为所述的多个单元含至少大约256000个单元。
34.根据权利要求27的基底，其特征为所述电极有一层形成了微阱的一部分，该层厚度足够控制沉积到微阱中的带静电微粒的数量。
35.在上述基底上的微单元中制作含低聚物序列的底物的反应物沉积系统，该系统含有带电粒子发生器，它可产生带第一电势的带静电殊粒；有多个单元和多个微阱的存储器芯片，微阱单独位于多个单元中的至少一些单元上；一个电子系统，该系统通过激活存储器芯片上的行列使所选单元带第二电势，使未选单元带第三电势，所述第二电势足以吸引带静电珠粒到所选单元上的微阱中，所述第三电势足以防止带静电珠粒沉积到所选单元上的微阱中；其中微粒生成器设计成产生上述带静电珠粒的移动气雾，这些珠粒被引导到上述基底上所选单元的微阱中，而不会沉积于上述未选单元的微阱中。
36.根据权利要求35的反应物沉积系统，其特征为存储器芯片上的所述多个单元含至少大约64000个单元。
37.根据权利要求35的反应物沉积系统，其特征为带静电珠粒含脱保护试剂。
38.根据权利要求35的反应物沉积系统，其特征为带静电珠粒含在形成低聚核苷酸序列中有用的碱基-亚磷酰胺。
39.根据权利要求35的反应物沉积系统，进一步含有四个液体存储容器，它们分别含在形成低聚核苷酸序列中有用的含腺苷的核苷酸亚磷酰胺溶液；在形成低聚核苷酸序列中有用的含胸腺嘧啶的核苷酸亚磷酰胺溶液；在形成低聚核苷酸序列中有用的含鸟嘌呤的核苷酸亚磷酰胺溶液；在形成低聚核苷酸序列中有用的含胞嘧啶的核苷酸亚磷酰胺溶液。
40.制作低聚物阵列的方法包括a)形成带静电珠粒的气雾；b)引导所述气雾至含多个单元的存储器芯片的表面，所有单元通过应用到行列线的电信号单独寻址，在存储器芯片的上述表面，所有单元单独有微阱在上述单元上；c)寻址上述多个单元的第一单元，从而提供电势到所述第一单元上，该电势足够吸引上述带静电珠粒到它相应的微阱中；并且d)沉积所需数量的带静电珠粒到上述相应的微阱中。
41.根据权利要求40的方法，其特征在于沉积所需数量的带静电珠粒到上述相应的微阱中，此过程通过选择微阱基底层的厚度来在微阱中提供所需场强从而得到控制。
42.根据权利要求40的方法，其特征为带静电珠粒含脱保护试剂。
43.根据权利要求40的方法，其特征为带静电珠粒含在形成低聚核苷酸序列中有用的碱基核苷酸亚磷酰胺。
44.根据权利要求40的方法，其特征为大量所述多数单元同时寻址，其数量多于一个，少于单元的总数。
45.根据权利要求44的方法，其特征为同时寻址单元中的第一单元含第一低聚物序列，同时寻址单元中的第二单元含与第一低聚物序列不同的第二低聚物序列。
46.根据权利要求40的方法，进一步含寻址在所选第一单元后第二单元，然后沉积所需数量的带静电珠粒到它相应的微阱中。
47.根据权利要求46的方法，其特征为沉积到所述第一单元中的带静电珠粒含第一反应物，沉积到所述第二单元中的带静电珠粒含第二反应物，第一反应物与第二反应物不同。
48.通过权利要求1-15和40-47中的任意一项来产生低聚核苷酸微阵列。
全文摘要
产生化学物质紧凑阵列的方法和装置。基底上有多个微单元,微单元上有与计算机网络相连的微电极,计算机用来控制上述每个微电极的电压和极性。产生至少含一个化学成分的带电微粒的装置可产生微粒气雾,它被引导到上述基底表面上,在此基底上这些微粒被低电势微单元所捕捉。通过同时或顺序提供化学成分,可能会合成低聚物或小分子有机化合物。由此产生的阵列可用来筛选对特定耦合体的样品。
文档编号C07H21/04GK1371303SQ00812184
公开日2002年9月25日 申请日期2000年8月25日 优先权日1999年8月27日
发明者史蒂文·S·赫瑞克 申请人:皮科格瑞姆公司