專利名稱：通過等離子體聚合制備涂層的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種制備非均勻等離子體聚合表面的方法以及包括由該方法制得的表面的產品。
分子構建是在表面形成聚合材料的三維結構，該結構具有可控的交聯水平，摩擦損耗或溶解性特性。化學構建是指化學官能度(存在某種活性部分或基團)的工程學。該表面可用于分析產品、質譜檢測器、微射流體系或用于微陣列裝置或用作微型機械中的閥、開關或泵。
目前，固相分析系統的應用大大方便了多生物樣品的處理和/或分析。其已經成為高度自動化的方法。通常，固相分析包括將待分析的試劑固定在固體或至少是半固體的表面上，或者將用于分析生物試劑的試劑固定。該分析得出的結果對臨床醫師診斷各種人類病癥有很大的幫助。該結果還使得環境管理機構能夠監控環境污染物的存在以及可能存在于我們的環境和/或食物中各種傳染性物質的存在。然而，這類分析通常是費力費時的。并且分析的靈敏性和可靠性是很重要的。
基因組分析包括分析通常由基因組測序計劃產生的序列信息(DNA，RNA或蛋白質)。通常，為該目的而固定的生物分子被稱為微陣列。陣列是二維薄板，在該薄板不同的位置上施加了不同的生物分子。這有利于并行地篩選(screening)生物分子，而且是在比常規固相分析更小的規模上進行。通常利用化學偶聯或吸附作用來固定生物分子。目前，是在可使生物分子結合或被結合到陣列表面的條件下通過沉積等分的樣品來制備生物分子陣列。可選擇地，或除此之外，可在陣列表面合成生物分子，并直接或間接地固定。在單一陣列上可施用的各種樣品的數量可達數千種。使用“點陣打印機”可以使得用樣品形成陣列更為方便(例如見GeneExpression Micro-Arrays，A New Tool for Genomics，Shalon，D，inFunctional Genomics，IBC library series；Southern EM，DNA ChipsAnalysing Sequence by Hybridisation to Oligonucleotides on a Large Scale，Trend in Genetics，12110-5，1996)。用商業銷售的“陣列閱讀器”分析微陣列，該“陣列閱讀器”用于內插由陣列產生的數據，如US5,545,531中所公開的。陣列通常為單個制備，并且在廢棄之前只使用一次。因此，很希望制備出高再現性且誤差極小的陣列。
類似地，最近的基因組計劃產生了大量的蛋白質序列信息。這極大方便了蛋白質的結構/功能分析，有助于確定新蛋白質序列的功能。通常這類分析被稱為蛋白質學。
通常用玻璃，塑料(如聚對苯二甲酸乙二醇酯，高密度聚乙烯，低密度聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯或聚苯乙烯)，硝化纖維素，尼龍制備微陣列基體。
典型地，在含有多孔的分析盤中進行固相分析，該小孔涂覆了興趣分子。該多孔應用盤通常由對興趣分子有可變親和力的玻璃或塑料制造。用于制造分析產品的塑料包括聚對苯二甲酸乙二醇酯，高密度聚乙烯，低密度聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯或聚苯乙烯。
可對多孔盤進行化學處理，以改善其表面對所選分子的親和力和/或保持力(retention)。當然，非常希望處理過的表面以高親和力和保持力與目標分子結合，同時允許被結合的分子保持其大部分(如果不是全部)的生物活性，從而提供靈敏而可靠的分析。
在GB2016687中描述了這種用于固相表面的處理方法的例子。該專利描述了用多糖處理結合表面。以該方式處理過的表面顯示出更強的抗體和抗原親和力。WO8603840描述了用由特定樹脂制備的固相分析表面作為由塑料(如苯乙烯)制備的分析容器的替代品。特別地，WO8603840公開了氟化樹脂聚四氟乙烯的用途。WO9819161描述了用聚乙烯亞胺涂覆固相分析表面。該處理過的表面顯示出低水平的非特異性吸附和高濃度的與目標分子結合的能力。
微射流體系是比例縮小的流體流動裝置，其中裝置尺寸使得表面張力大于重力。其結果是，裝置內表面的性能對裝置的功效有很大的影響。通常，微射流裝置由聚合物構成(如聚碳酸酯)或由硅構成。
還有，“芯片實驗”是比例縮小的實驗室實驗，或者一系列將常規技術應用到很小規模的實驗。
在WO01/31339中我們公開了用等離子體聚合處理產品。
等離子體聚合是在具有復雜幾何結構的基體上沉積超薄(如約200nm)的可控化學官能度的交聯聚合薄膜的技術。其結果是，在不影響經此處理的基體的整體性質的情況下，可調整材料的表面化學性質。通常由電場激發產生等離子體或離子化氣體。其是包含離子，電子，中子(自由態，亞穩態，基態和激發態類)和電磁輻射的高反應活性的化學環境。在減壓條件下，如果電子溫度明顯不同于離子和中子的溫度則可達到一種狀態。這樣的等離子體被稱為“冷”或“非平衡”等離子體。研究顯示，在這種環境下，許多純的或摻雜其它氣體(如Ar)的揮發性有機化合物(如含有揮發性醇的化合物，含有揮發性酸的化合物，含揮發性胺的化合物，或揮發性烴類)會發生聚合(H.K.Yasuda，Plasma Polymerisation，Academic Press，London 1985)，涂覆與該等離子體及其產生的下游物質相接觸的表面。這些有機化合物通常被稱為“單體”。該沉積物通常被稱為“等離子體聚合物”。這種聚合方式潛在的優點包括超薄針孔游離薄膜沉積；能夠在多種基體上沉積等離子體聚合物；該過程無需溶劑且形成的等離子體沒有污染。在低功率條件下(通常為10-2W/cm3)，制備的等離子體薄膜能保持原單體基本的化學構造(degree of chemistry)。例如，丙烯酸等離子體薄膜含有羧基(Haddow et al.，Langmuir，Vol 165654-60，2000)。通過降低連續波功率或用脈沖通電和斷電可以實現該低功率的條件。
將一種或多種具有官能團的化合物與烴類共聚可在一定程度上控制生成的等離子體共聚物(PCP)表面官能團的濃度(Beck et al.，Polymer375537-5539，1996)。適合地，這些單體是烯屬不飽和的。因此，該官能團化合物可以是例如不飽和的羧酸、不飽和的醇或不飽和的胺，同時適合地該烴類是鏈烯烴。通過等離子體聚合，還能夠沉積環氧型分子(如四甘醇單烯丙基醚)，以形成“無污垢”表面(Beyer et al.，Journal ofBiomedical Materials Research 36181-9，1997)。其還能夠沉積全氟化合物(即全氟己烷，六氟環氧丙烷)，以形成疏水性/超疏水性的表面(Coulson etal.，Chemistry of Materials 122031-2038，2000)。
該技術的優點在于其生成的表面具有獨特的化學和物理特性。例如，該表面對暴露于其上的生物分子的親和力增強了，并使得可以對被結合分子進行分析。所得到的表面是均勻的，而且使得能夠可再現和靈敏地分析結合到該表面的生物分子。類似地，能夠以可控和可預知的方式調整基體的表面可濕性、粘附性和摩擦/磨損特性。
WO01/31339中公開的技術雖然能有效提供均勻的等離子體聚合表面，生物分子通過特異性和親和力結合到該表面上，但是該技術的多樣性不足，不能提供具有多種化學或物理性質的表面。
本發明公開的方法可以提供非均勻的表面，并定義具有不同化學和/或物理性質的局部表面區域。在化學和拓撲學中，我們稱該表面為“有圖案的”。通過從沿待形成圖案的表面平移的微米級小孔中排出一定比例的等離子體來實現該效果。可選擇地，等離子體可在微毛細管的尖端或內部激發，然后用該毛細管在該表面上“寫入”分子構建和化學構建。在“寫入”過程中通過改變等離子體的關鍵參數(功率，流速，脈沖占空周期或單體組分)，或者通過用物理，電子或磁力手段改變“排出”等離子體的比例，可垂直地(Z-方向)和/或橫向地(X-Y平面)改變化學構建和分子構建。該表面使得可在微米級固定不同種類和濃度的分子。類似地，該技術可用于控制表面上的局部可濕性，粘附性和摩擦/磨損特性，并且可應用于微射流。
化學和拓撲學的結合使得可以制造出微米級的結構，其可作為開關，閥和泵。
本發明公開一種稱為“等離子體寫入”的方法，其提供具有通常為三維的化學和結構微圖案或梯度延伸的表面，其中X-Y平面由該表面定義，Z-方向基本與該平面垂直。本發明涉及一種在表面建立化學和分子構建以生成二維或三維圖案的方法，該方法不需要預制掩模或模版(如Dai et al.，Journal of Physical Chemistry B 1019548-54(1997)所述)，而且不限制同一過程中在單一表面建立的不同構建的數量或類型。
根據本發明的一個方面，提供一種向基體沉積非均勻等離子體聚合表面的方法。
非均勻指具有非均勻的化學和/或物理結構的表面。
在本發明的另一方面，提供一種制備基體的至少一個表面的至少一部分的方法，其包括在該基體上沉積至少一種等離子體單體，其中在沉積該單體的過程中，提供一種沿待處理表面移動該單體源以制備非均勻等離子體聚合物表面的裝置。
在本發明的再一方面，提供一種制備基體的至少一個表面的至少一部分的方法，其包括在該基體上沉積至少一種等離子體單體，其中在沉積該單體的過程中，提供一種在單體源與待處理的基體表面之間產生相對移動以制備非均勻聚合物表面的裝置。
在本發明優選方法中，所述裝置相對于所述單體源移動所述基體。
在本發明可選擇的方法中，所述裝置相對于所述基體移動所述單體源。
基體和等離子體源附加到精確XYZ平移平臺的任一面上。該XYZ平臺包括一個固定的法蘭和一個活動的法蘭。因此，基體和等離子體可彼此相對移動。
本文中公開的發明能夠沉積等離子體聚合物在限制空間圖案上任意以各種濃度和以微米分辨率進行沉積，形成具有不同化學構建和分子構建。它使得能夠生產出具有要求嚴格的化學和物理表面性能的產品，從而使得在檢測和分析之前，不同生物分子及不同濃度的生物分子的結合和/或分離更為方便；可局部調整表面性質如可濕性、摩擦和磨損、以及粘附性；以及通過其化學和結構特性的組合來建立可作為開關、閥和泵(根據受到的適宜刺激)的結構等方面具有優勢。
在本發明優選的方法中，提供一種包含由至少兩種單體形成的兩種或多種等離子體聚合物的表面，優選含由多種單體形成的多種等離子體聚合物的表面。
在本發明進一步優選的方法中，所述表面包括至少一種單體的至少一種等離子體聚合物，其中所述等離子體的濃度沿所述表面或其部分是非均勻的。
在本發明進一步優選的方法中，所述表面包括兩種或多種單體的兩種或多種等離子體聚合物，其中至少一種等離子體聚合物的濃度沿該表面或其部分是非均勻的。
在本發明進一步優選的方法中，所述單體為揮發性醇。
在本發明可選的方法中，所述單體類型為揮發性酸。
在更進一步可選的方法中，所述單體為揮發性胺。
在本發明進一步的方法中，所述單體是揮發性烴類。
在本發明更進一步優選的方法中，所述單體是揮發性氟代烴。
在本發明更進一步優選的方法中，所述單體是環氧乙烷型分子。
在進一步優選的方法中，所述單體是揮發性硅氧烷。
在本發明更進一步優選的方法中，所述單體是至少一種物質選自烯丙基醇、丙烯酸、1，7-辛二烯、烯丙基胺、全氟己烷、四甘醇單烯丙基醚、或六甲基二硅氧烷(HMDSO)。
在本發明進一步優選的方法中，所述聚合物由單一的單體組成。
優選地，所述單體基本上由烯屬不飽和有機化合物組成。
優選地，所述單體基本上由單一的烯屬不飽和有機化合物組成。
優選地，所述單體由環氧型分子(如三甘醇二甲醚)組成。
優選所述化合物為烯烴(如含多達20個碳原子，更通常地為多達12個碳原子，如8個)，羧酸(尤其是α，β-不飽和羧酸，如丙烯酸或甲基丙烯酸)；醇(尤其是不飽和醇)；或者胺(尤其是不飽和胺)。
優選所述單體由兩種或多種烯屬不飽和有機化合物的混合物組成。
優選所述化合物選自烯烴(如含多達20個碳原子，更通常地為多達12個碳原子，如8個)，羧酸(尤其是α，β-不飽和羧酸，如丙烯酸或甲基丙烯酸)；醇(尤其是不飽和醇)；或者胺(尤其是不飽和胺)。
“鏈烯烴”指含一個或多個C＝C雙鍵的直鏈或支鏈化的烯烴，其中優選直鏈型的，例如辛二烯，如1，7-辛二烯。二烯烴為優選的烯烴類型。
所述單體可基本上由飽和的有機化合物組成。所述單體可由芳香族化合物，雜環化合物或含一個或多個碳-碳三鍵的化合物組成。
可選擇地，所述聚合物為共聚物。優選的所述共聚物包括至少一種有機單體和至少一種烴類。優選地所述烴類為烯烴，例如二烯烴，如1，7-辛二烯。
所述方法還包括采用其它化合物形成等離子體，例如并且是非限制地有，乙胺；庚胺；甲基丙烯酸；丙醇，己烷，乙炔或二氨基丙烷。
優選單體為蒸汽壓至少6.6×10-2mbar的可聚合的單體。蒸汽壓低于1.3×10-2mbar的單體通常是不適合的，除非通過加熱能充分地提高蒸汽壓。
在本發明優選的方法中，所述單體以空間分離的點的方式沉積在所述表面上。
在本發明進一步優選的方法中，所述單體以軌道或線條的方式沉積在所述表面上。
在本發明更進一步優選的方法中，所述點或線條可以為不同的聚合物化學構建。
在本發明更進一步優選的方法中，所述線條、軌道或點的化學組分和/或官能度可以是沿其長度和在高度上非均勻的。
在本發明更進一步優選的方法中，所述線條或軌跡可以是環路或閉合通路。
在本發明更進一步優選的方法中，不是由沉積的等離子體聚合物組成的區域可包括聚合的環氧型單體以提供非結合的表面。
在本發明優選的方法中，所述等離子體維持在低功率條件下，從而獲得包含原單體化學構建的薄膜。典型地，低功率條件指連續波長功率為10-2W/cm3，或者在脈沖等離子體時為等量的平均時間功率。
根據本發明進一步的方面，提供包括用根據本發明的方法得到的表面的基體。
優選地，所述基體選自玻璃，塑料(如聚對苯二甲酸乙二醇酯，高密度聚乙烯，低密度聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯或聚苯乙烯)；硝化纖維素，或尼龍，金屬，陶瓷，石英，復合結構(如在玻璃上的金屬薄膜)或硅片。
在本發明優選的實施方案中，所述基體是分析產品的一部分。
在本發明進一步優選的實施方案中，所述分析產品是微陣列。
在可選擇的優選實施方案中，所述分析產品是微量滴定板。
在可選的優選實施方案中，所述產品是用于質譜儀的檢測器(探針)元件。
在進一步的實施方案中，所述表面是用于分離細胞和/或蛋白質和/或大分子的產品的一部分。所述表面是親合提純矩陣的一部分。
在可選擇的優選實施方案中，所述基體包括微射流裝置或其部分(如電子管，開關，導溝，結合位置，泵)。
顯然，本發明定義涉及的等離子體聚合表面為物理非均勻的，我們稱之為“有圖案的”。本發明定義涉及的多于一種單一圖案的化學構建的表面(實質上其沒有數量的限制)能夠以微米精度“畫出”。Dai等的模版方法(Joumal of Physical Chemistry B 1019548-54，1997)不能獲得這種表面。基體的形態僅影響等離子體圖案的最大分辨率。
圖案可由線條、通路、環路、陣列或可想象的幾何形狀以任意組合方式構成，其規模從厘米級至約5微米。如果沿Z軸(高度)的材料顯示出化學和物理性質上的不同，則可包括三維圖案。這樣，納米特征在表面上“生長”，該表面包括在不同表面局部區域上不同“化學構建”的層。
聚合物實際上可由任意的化合物(尤其是有機化合物)沉積而成，只要它能被誘發形成等離子體。通常這意味著化合物必需是揮發性的，盡管這可通過加熱或使用載氣實現，但單體仍應具有在室溫下至少6.6×10-2mbar的蒸汽壓。因此，制備的微點或其陣列，或微軌跡可含有任意化學官能團，并且對沉積在同一基體上的不同化學構建的數量沒有限制。這與已經公開的等離子體聚合物制作圖案的方法形成對比，后者只能沉積“單調的”圖案。被寫的聚合物不一定要含有任何的官能團—烴類起始化合物可沉積基本上無官能團的表面。通過在先用環氧型單體均勻地等離子體聚合的表面上寫入，從而在無污染的表面上提供有官能團的圖案。目前公開的等離子體聚合物制作圖案的方法不能生產含有一個以上化學構建的表面。此外，使用該方法在基體表面寫入聚合物，可在表面上形成閉合環路和通路—這是通過使用覆蓋掩模無法達到的表面制圖方式。
可選擇地或者組合地，通過在該過程中對等離子體進行操作，可以寫入圖案，該圖案沿其長度方向具有可變的化學構建(如聚合物或等離子體)濃度，通常為微梯度的，其在本文中稱為“梯度表面”。本發明包括沿其至少一根軸(XYZ)方向(通常沿其長度方向)等離子體或聚合物濃度可變的等離子體聚合表面。此外，本發明包括通過可控方式沉積多種等離子體聚合物形成的表面。
為了形成梯度的化學構建，等離子體的組成隨著寫入元件相對基體的相對運動而變化。通過改變單體的溫度、提高單體或載氣的局部壓力或者混合比例，或者通過改變輸入該體系的功率的振幅或脈沖狀態或脈沖頻率，可以實現上述的等離子體組成變化。
根據本發明更進一步的方面，提供根據本發明的與陣列打印機結合使用的分析產品。
根據本發明進一步的方面，提供根據本發明的與陣列閱讀器結合使用的分析產品。
以下，本發明僅使用實施例并參考下列附圖、材料和方法進行說明。
圖1是等離子體聚合裝置；圖2是水蒸汽在500微米的全氟己烷等離子體聚合物點上凝結的照片；圖3是水蒸汽在100微米寬的帶90度拐角的丙烯酸等離子體聚合物線條上凝結的照片；圖4顯示了XPS測量的11mm距離上的丙烯酸/烯丙基胺梯度的元素組成。
材料與方法WO01/31339中公開了陽離子體聚合的方法，此處將其全部引入作為本文的參考。
圖1是“寫入”等離子體的裝置的示意圖。該裝置包括被掩模板分開的共享同一真空系統的兩個真空室。頂端的小室中有幾個單體輸入端口和用于激發等離子體的電極。底部的小室包括XYZ平移平臺，在其上固定著待制作圖案的基體。
“寫入器”元件由“小嘴”組成，該“小嘴”包含用于在表面上“寫入”化學構建的小部件。這種小嘴的例子包括單孔、多孔和單縫或多縫，其尺寸可以從2微米到數厘米變化，但更通常地是在5-1000微米范圍內變化。在(例如)微毛細管的情況下，該小嘴可以是等離子體源的一部分。在這種情況下，術語“小嘴”指毛細管末端的小孔。
等離子體的初始組成(單體或單體與載氣結合)與沉積WO01/31339中所述目標組成的均勻薄膜所需的等離子體組成相同。
通常，單體由有機化合物組成，在室溫或更低溫度下可以通過加熱、噴射，或者通過使用載氣，或者通過其自身的蒸汽壓，將該有機化合物誘導進入氣相。等離子體小室中的壓力通常在1×10-2mbar左右，且一般在10-3mbar-1mbar范圍內。等離子體聚合的工作壓力一般在10-5mbar到大氣壓之間，或者更高。
也可以使用其它等離子體體系，如微波、脈沖射頻、直流電(dc)、大氣微放電、微毛細管，且本領域所屬技術人員清楚了解根據上述方法應用這些等離子體源的裝置。
寫入元件沿著固定在XYZ平移平臺上的樣品表面移動。樣品或等離子體源或者兩者同時可以相對另一方移動。該運動可以通過手工或者計算機控制的電機動作來控制，以在該表面上形成所需的特征形狀。知道寫入元件的尺寸、等離子體聚合物的沉積速率和所需沉積薄膜的厚度可以很容易地計算出移動速率。
為了形成化學構建的梯度，等離子體的組成隨著寫入元件相對基體的相對運動而變化。通過改變單體的溫度、提高單體或載氣的局部壓力或混合比例，或者通過改變輸入該體系的功率的振幅或脈沖狀態或脈沖頻率，可以實現上述的等離子體組成變化。其它改變等離子體組成的手段是本領域公知的。
樣品可以提高到非常靠近掩模板(但不包括接觸)的位置。該掩模板由帶有限定待沉積特征的小孔的不銹鋼平板組成。沉積物的性質是使得通過該小孔引導等離子體在小孔下方的表面上可形成聚合沉積。然而應該指出的是，相對于使用簡單的“模版”在表面上形成圖案，該小孔基本上是作為在基體上寫入帶官能團的聚合材料的“筆”來使用。
兩個真空室由同一真空系統排空，該體系由兩級旋轉式泵支持的渦輪分子泵組成。整個裝置的基礎壓力是～10-5mbar。
在頂端的小室中通過射頻發生裝置(Coaxial Power Systems，UK)激發等離子體，并通過調整單體的流率和該等離子體的功率和脈沖狀態，可以選擇所需的等離子體組成。
以微點方式“寫入”等離子體聚合物丙烯基胺來自Aldrich(UK)，且在使用前經過幾個冷凍-抽吸-解凍循環處理以除去其中溶解的氣體。用硅片作為基體，并且使用異丙醇清洗該硅片后將其用雙面膠固定在XYZ平臺上。將由～100微米小孔組成的掩模結合在掩模板上，同時將基體升高到距離掩模板幾微米的位置。
通過精確控制的針形閥在頂端小室中將單體流量設為～5sccm。其后，在頂端小室中激發等離子體并維持約30秒，以立即在位于掩模板下方的基體區域上形成丙烯基胺等離子體聚合物的微點。
此外，通過將單體化合物從丙烯基胺變為丙烯酸，可以在胺點旁邊寫入具有羧酸化學官能團的點。
以微軌道方式“寫入”等離子體聚合物該方法與上述寫入等離子體微點的方法相同。為了沉積微軌道，維持等離子體組成不變，并使樣品在掩模板下方移動，從而有效地使用該等離子體在該基體上寫入軌道和特征。
“寫入”等離子體梯度通過使用兩種不同單體化合物沉積官能度梯度。烯丙胺和丙烯酸來自Aldrich(UK)，且在使用前經過幾個冷凍-抽吸-解凍循環處理以除去其中溶解的氣體。將由單一的～100微米小孔組成的掩模結合在掩模板上，同時將作為基體的硅片升高到盡可能接近但不接觸掩模板(如上所述)的位置。開始，只使用丙烯酸單體原料激發等離子體。然后，單體氣體的混合物隨著樣品在掩模下方的線性運動而變化。因此，最初的沉積物包括的完全是丙烯酸等離子體聚合物，后面的沉積物則由烯丙基胺和丙烯酸的混合物組成，而最后部分的沉積物則完全由烯丙胺組成。因而，本實驗中該樣品運動范圍上的表面組成從由羧酸基團占主導的組成平滑地變化到由氨基基團占主導的組成。
微梯度并不僅限于雙官能度的梯度，可用任意數目的單體制備連續變化的表面特征。類似地，可以想象其它特性的梯度可濕性的梯度(從超疏水的變化到疏水的)、交聯密度的梯度、粘附性和厚度的變化。可以形成包括化學構建連續的區域的梯度，該區域連接任意兩種或多種具有不同特性的聚合物，而不管這些特性是什么。聚合物可以視為n-維參數空間的點，在兩個這種點之間總是存在直接連線，該連線與參數空間的維數無關。
上述例子使用尺寸約為100微米的特征來說明本技術。實際應用中，在表面上可能制作的圖案尺寸的上限是毫米或厘米，下限是1微米。
可以改變等離子體體系以控制該等離子體的寫入過程。可以使用DC、射頻(脈沖或連續波)或微波輻射，或者在微米級的毛細管內部或尖端激發等離子體。對某些揮發度較低的單體可以使用載氣。使用簡單的電腦系統控制等離子體參數和XYZ平臺的位置可以改進寫入過程的精度和自動化程度，從而有利于實現該過程。此外，雖然在本實驗描述中等離子體位于頂端的小室內，而樣品位于底部的小室內，但是圖案的形成過程只需要掩模板將樣品與等離子體分隔開，而不管該體系組件的方向如何。
應用電場和磁場可以改變掩模區域的等離子體的組成。其可以用作“透鏡”以進一步聚焦該等離子體。其也可以用來提高或者降低該等離子體的離子組分與自由基組分的相對貢獻度，極端地使到達基體的物種減少為校準的自由基束或者低能級的離子束。
除在基體材料上直接沉積之外，可以在寫入前進行預處理以清潔該表面或在該基體上蝕刻出拓撲特征。這樣使得在單一過程中在表面上建立帶官能團的3維結構(如沿其底部沉積氨基官能團的“溝渠”)成為可能。
這種等離子體沉積圖案可以應用在很多領域。微點和微陣列可以作為用于化學或生物化學反應(如在基因組學和DNA快速篩選、蛋白質學和免疫診斷學中的)的微觀“試管”。沉積的官能團可用于固定實體如DNA、RNA、蛋白質、多肽、配體、蛋白多糖、碳水化合物、核苷酸、寡核苷酸。可選擇地，其可作為后續的通過化學裝置的衍生作用的反應位點。
微點和微陣列的更高一級是形成具有單一官能度的微圖案。在同一基體上使用不同的官能團可以形成條紋、軌道和更復雜的形狀，從而使得在同一基體上存在含有不同化學構建的帶官能團的圖案成為可能，同時也使形成環路和回路成為可能。這些特征可以應用在微流體中用于運輸微體積的液體、作為“微閥”、吸附微量試劑和控制粘附特性。
根據生物分子的物理和化學性質(例如質量、電荷、尺寸、疏水性)的不同，微梯度可以用于分離其混合物。這和凝膠電泳及凝膠滲透色譜類似。根據性質(電荷、尺寸等)的不同，梯度可以用來分離出相同的混合物。
寫入特征的化學構建在從無官能團的烴類表面(由烷烴、烯烴、芳香型化合物沉積)到任何其它可想象的基團之間變化。例如胺、酸、醇、醚、酯、亞胺、酰胺、酮、醛、酸酐、鹵素、硫醇、羰基、硅氧烷、碳氟化合物。此外，可以沉積導電的等離子體聚合物。結合官能團的唯一限制是必須存在能夠在低壓下(～10-5mbar以上)被誘導進入氣相(加熱或不加熱)的起始化合物。使用活性氣體(N2、O2、H2O)或非活性氣體(Ar)可以形成不同的化學構建。這些氣體還可以用來在基體上蝕刻特征——這些都是同一過程的一部分。
在同一基體材料上可以制備包含由任意數量的上述官能團以任意組合或排列方式構成的混合物的圖案。
表面可能包含的官能度梯度從厘米級到約10微米。梯度是兩種不同化學構建之間連續變化的區域。與空間的兩點總可以用直線連接相同，在任意兩種不同化學構建之間的區域總可以建立梯度。
可以在任意基體材料上寫入聚合物微圖案、微陣列、微梯度和微軌道。例如玻璃、陶瓷、金屬、半導體和包括(但不限于)聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PEI)、聚異丁烯酸甲酯(PMMA)、聚氯乙烯(PVC)、聚四氟乙烯(PTFE)。
實施例實施例1全氟己烷來自Aldrich(UK)且收到后立即使用，但使用前經過幾個冷凍-抽吸-解凍循環處理以除去其中溶解的氣體。使用單一的13mm玻璃條狀蓋板作為基體，且在固定到XYZ平移平臺上之前使用丙酮和異丙醇清洗該基體，并用泵抽吸使其達到反應器的基礎壓力(＜10-3mbar)。在激發室和該樣品表面之間放置截面為500微米環狀的寫入元件。通過使用精確控制的針形閥可以獲得2.4cm3stpmin-1流率的全氟己烷蒸汽。使用功率為10W的連續波激發等離子體并維持兩分鐘，同時寫入元件在沉積過程中保持靜止以留下具有全氟己烷化學構建的“點”。
碳氟化合物等離子體聚合物是疏水性的，而該玻璃基體是相對親水的。通過凝結的水蒸汽顯示出具有對比接觸角的區域，并使用常規光顯微鏡對該點進行拍照。照片如圖2所示。該等離子體聚合物相對該背景材料不同的可濕性導致水滴形成不同的形狀。
實施例2丙烯酸和1，7-辛二烯單體來自Aldrich(UK)且收到后立即使用，但使用前經過幾個冷凍-抽吸-解凍循環處理以除去其中溶解的氣體。開始，使用2cm3stpmin-1的流率和10W的連續波功率，在單一的13mm玻璃條狀蓋板上沉積同質的辛二烯等離子體聚合物層，以提供其上可寫入親水性(羧酸)化學構建的疏水性背景表面。將辛二烯涂覆的玻璃條狀蓋板固定在XYZ平移平臺上，并用泵抽提以使整個體系達到反應器的基礎壓力(＜10-3mbar)。在激發室和該樣品表面之間放置100微米的寫入元件。使用精確控制的針形閥將丙烯酸的流率設為4cm3stpmin-1(此時反應器壓力為2.2×10-2mbar)。然后，在1.8×10-2mbar的壓力下用功率為5W的連續波激發等離子體并維持2分鐘，在這段時間里，該寫入元件沿該表面先在X軸方向移動1分鐘(0.5mm/min)，然后在Y軸方向移動1分鐘(0.5mm/min)。
沉積的丙烯酸化學構建的親水性比該辛二烯背景表面高得多，因此通過在該表面上凝結水蒸汽使這兩種區域的對比可視化，然后通過常規光顯微鏡對其進行直接觀察(圖3)。圖3顯示使用該寫入元件寫入的呈直角的一對直線。該圖片使用與上述相同的方法形成。
實施例3丙烯酸和烯丙胺單體來自Aldrich(UK)且收到后立即使用，但使用前經過幾個冷凍-抽吸-解凍循環處理以除去其中溶解的氣體。使用13mm玻璃條狀蓋板作為基體，將其固定在XYZ平移平臺上，并用泵抽吸使其達到體系的基礎壓力(＜10-3mbar)。使用并在開始時放置1cm的寫入元件，從而使整個樣品表面暴露在等離子體之下。在1.9×10-2mbar的反應器壓力下，使用5W功率的連續波在等離子體室中激發產生由4cm3stpmin-1流率的烯丙胺組成的等離子體。該寫入元件沿該表面以1mm/min的速率移動13分鐘。與此同時，通過緩慢調節針形閥使烯丙胺的流率降低，并用丙烯酸蒸汽流代替，從而經過12分鐘后，單體流只由流率為4cm3stpmin-1且壓力為～2×10-2mbar的丙烯酸組成。整段時間內總單體流率都維持在4cm3stpmin-1(假設理想狀態，以cm3stpmin-1表示的這兩種單體的流率比與其摩爾比相同)。
為了分析化學構建沿該樣品表面的逐漸變化，使用500微米間隔的X光光電光譜沿該條狀蓋板進行分析。每一個點的元素組成以氧/碳比和氮/碳比的形式顯示在圖4上。
圖4顯示了氧和氮化學構建的梯度，在功率(5W)不變和該樣品相對該寫入元件的移動速率(1.0mm/min)不變的情況下，該化學構建的組分隨著該寫入元件的運動從100％的烯丙胺變為100％的丙烯酸。
權利要求
1.一種制備基體的至少一個表面的至少一部分的方法，所述方法包括在所述表面上沉積至少一種等離子體單體，其中在沉積所述單體的過程中，提供了沿待處理表面移動所述單體源以制備非均勻等離子體聚合物表面的裝置。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述裝置相對所述單體源移動所述基體。
3.如權利要求1所述的方法，其中所述裝置相對所述基體移動所述單體源。
4.如權利要求1-3中任意一項所述的方法，其中所述表面包括至少一種單體的至少一種等離子體聚合物，其中所述等離子體聚合物的濃度沿所述表面或其部分是非均勻的。
5.如前述權利要求中任意一項所述的方法，其中提供包括由至少兩種單體形成的兩種或多種等離子體聚合物的表面。
6.如權利要求5中所述的任意一種方法，其中至少一種等離子體聚合物的濃度沿所述表面或其部分是非均勻的。
7.如前述權利要求中任意一項所述的方法，其中所述單體是揮發性的醇。
8.如權利要求1-6中任意一項所述的方法，其中所述單體是揮發性的酸。
9.如權利要求1-6中任意一項所述的方法，其中所述單體是揮發性的胺。
10.如權利要求1-6中任意一項所述的方法，其中所述單體是揮發性的烴。
11.如權利要求1-6中任意一項所述的方法，其中所述單體是揮發性的碳氟化合物。
12.如權利要求1-6中任意一項所述的方法，其中所述單體是環氧型分子。
13.如權利要求1-6中任意一項所述的方法，其中所述單體是揮發性的硅氧烷。
14.如權利要求1-6中任意一項所述的方法，其中所述單體選自下列物質中的至少一種丙烯醇、丙烯酸、1，7-辛二烯、烯丙基胺、全氟己烷、四甘醇單烯丙基醚或者六甲基二硅氧烷(HMDSO)。
15.如權利要求4-14中任意一項所述的方法，其中所述聚合物由單一的單體組成。
16.如權利要求15所述的方法，其中所述單體基本上由烯屬不飽和有機化合物組成。
17.如權利要求16所述的方法，其中所述單體基本上由單一的烯屬不飽和有機化合物組成。
18.如權利要求17所述的方法，其中所述單體由環氧乙烷型分子組成。
19.如權利要求16或17所述的方法，其中所述化合物是烯烴、羧酸、醇或者胺。
20.如權利要求15所述的方法，其中所述單體由兩種或多種烯屬不飽和有機化合物的混合物組成。
21.如權利要求20所述的方法，其中所述化合物選自烯烴、羧酸、醇或者胺。
22.如權利要求15所述的方法，其中所述單體基本上由飽和有機化合物組成。
23.如權利要求15所述的方法，其中所述單體基本上由芳香族化合物或雜環化合物組成。
24.如上述權利要求中任意一項所述的方法，其中所述單體的蒸汽壓至少為6.6×10-2mbar。
25.如權利要求4-14中任意一項所述的方法，其中所述聚合物是共聚物。
26.如權利要求25所述的方法，其中所述共聚物包括至少一種有機單體及至少一種烴。
27.如權利要求26所述的方法，其中所述烴是烯烴。
28.如前述權利要求中任意一項所述的方法，其中所述單體以空間上分離的點的形式沉積在所述表面上。
29.如權利要求1-27中任意一項所述的方法，其中所述單體以軌道或者線條的形式沉積在所述表面上。
30.如權利要求28或29所述的方法，其中所述的點和/或線條具有不同的聚合物化學構建。
31.如權利要求30所述的方法，其中所述線條、軌道或點的化學組成沿其長度和高度方向是不均勻的。
32.一種基體，包括由權利要求1-31中任意一項所述的方法得到的表面。
33.如權利要求32所述的基體，選自玻璃；塑料(如聚對苯二甲酸乙二醇酯，高密度聚乙烯，低密度聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯或聚苯乙烯)；硝化纖維素、或尼龍、金屬、陶瓷、石英、金屬薄膜或硅片。
34.一種分析產品，包括權利要求32或33所述的基體。
35.如權利要求34所述的分析產品，其為微陣列。
36.如權利要求35所述的分析產品，其為微量滴定板。
37.一種分離細胞和/或蛋白質和/或大分子的產品，包括權利要求32或33所述的基體。
38.如權利要求32或33所述的基體，其進一步包括微射流裝置或其部分(如閥、開關、導溝、結合位置、泵)。
39.如權利要求34、35或36所述的與陣列打印機結合使用的分析產品。
40.如權利要求34、35或36所述的與陣列閱讀器結合使用的分析產品。
全文摘要
本發明提供一種制備基體的至少一個表面的至少一部分的方法，該方法包括在該表面上沉積至少一種等離子單體，其中在沉積該單體的過程中，提供了沿待處理表面移動該單體以制備非均勻等離子體聚合物表面的裝置。
文檔編號C08F291/00GK1642664SQ03807354
公開日2005年7月20日 申請日期2003年3月24日 優先權日2002年3月28日
發明者羅布·肖特, 賈森·惠特爾, 亞歷克斯G·沙爾德, 戴維·巴頓 申請人:普拉索技術有限公司