專利名稱：利用光生反應物進行化學反應的設備及方法
技術領域：
本發明涉及化學流動反應器領域，該反應器用于平行進行多個化學反應以及平行合成多種化合物。更具體地，本發明涉及用于分配液體、進行原位制備反應物的離散光化學反應、以及活化離散的化學及生化反應的設備和方法。
背景技術：
現代藥品開發、疾病診斷、基因發現、以及多種與基因有關的技術和研究越來越依賴于制備、篩選、以及檢測大量的化學和/或生化化合物。傳統的一次一種的制備和檢測化合物的方法變得越來越不夠用了。因此需要有一種化學/生化反應系統，來進行高通量的合成，并且檢測包括DNA雜交及氫鍵反應的化學及生化反應。
以微陣列形式對化學/生化化合物進行平行合成和分析是一種效率最高并且最有效的高通量的方法。將以半導體為基礎的光刻法和固相有機化學組合在一起的光引發芯片(on-chip)平行合成，已經被開發用于很大規模地制備寡核苷酸和肽的微陣列(Pirrung等，美國專利US 5,143,854)。所述微陣列已經提供了用于篩選生物活性的合成分子庫(Pease等，Proc.Natl.Acad.Sci.USA91，5022-5026(1994))。
Pirrung等描述了一種在涂布有連接分子的平面基片上合成寡核苷酸的方法。所述連接分子的末端含有一個活性官能團，如利用可光除去的保護性基團保護的羥基。應用以光掩膜為基礎的平版印刷方法，可光除去的保護性基團通過第一個光掩膜進行曝光，并且在選定區域內從連接分子上除去。洗滌基片，然后使之與亞磷酰胺單體接觸，所述亞磷酰胺單體與連接分子上暴露的羥基反應。每個亞磷酰胺單體分子在其羥基末端上含有一個可光除去的保護性基團。利用第二個光掩膜，然后使基片曝光，并且重復該過程直到寡核苷酸陣列形成，從而使所有需要的寡核苷酸分子都在預定的位置形成。然后使之暴露于帶有熒光標記的生物受體，可以測試寡核苷酸陣列的生物活性，并且利用所述受體培育整個陣列。如果所述受體與陣列中的任何寡核苷酸分子相連，則熒光標記的位置可以光學檢測到。該熒光數據可以輸送給計算機，計算機將計算哪個寡核苷酸分子進行了反應以及反應的程度。
對分子陣列的合成來說，上述方法有幾個明顯的缺點(a)涉及利用可光除去的保護性基團的合成化學是復雜并且昂貴的；(b)與常規方法相比，該合成方法每步的產率(每個單體添加步驟的產率)較低，并且該方法不能產生高純度的寡聚體產物；(c)對光刻法來說，需要大量的光掩膜(制備含有20個堿基長的寡核苷酸的微陣列需要多達80個光掩膜)，因此該方法是昂貴的，并且對改變微陣列設計來說是不靈活的。
另外一種進行平行化學/生化反應的方法依賴于利用微流動設備，所述設備包括閥、泵、壓縮器、混合器以及其它結構(Zanzucchi等，美國專利US 5,846,396)。這些流動設備控制不同量和/或不同種類的化學反應物輸送給各相應的反應容器，從而促進各反應容器中的不同的化學反應。這種方法可以應用傳統化學，因此能夠處理各種化學/生化反應。但這類流動設備復雜且其制造成本高。因此該方法不適于制備低成本的化學/生化微陣列。
本發明通過利用新開發的進行光引發化學反應的化學方法(Gao等，J.Am.Chem.Soc.120，12698-12699(1998)和WO09941007A2)，簡化了用于平行進行離散化學反應的流動設備的結構。已經發現在另一種傳統DNA合成的去封閉(deblock)反應中，通過用原位光生酸(PGA)代替標準酸(如三氯乙酸)，可以有效地利用光來控制在固體載體上DNA寡聚體分子的合成。所述光酸的前體和所產生的酸都處于溶液相中。該新方法的主要優點包括對已經建立好的傳統合成過程的改動最小，可商購得到并且所涉及的化學反應物成本低，以及比利用傳統合成方法所能達到的更高的產率。通過利用各種適當選擇的光生反應物(PGR)，例如光生酸和堿，可以將這種方法擴展到控制或引發其它利用光的化學/生化反應。
利用PGR在固體表面上平行合成各種分子的微陣列的方法以前被Gao等在WO09941007A2中公開，在此作為參考引入其中的教導。平行合成中的一個重要步驟是在固體表面上形成離散的反應位點，從而在光生反應物參加化學反應的過程中，使光解過程產生的反應物能夠被限制在選定的位點上。在固體表面上分別利用物理隔柵和低表面張力的圖案膜來形成隔離的微孔和小滴。這種方法可有效防止相鄰反應位點間的串擾(crosstalk)(由于擴散和/或流體流動造成的質量傳遞)。但在光生反應物生成并且參加相應的反應的過程中，限制在反應位點的液體必須保持基本靜止，即在反應過程中沒有流體流動。這種缺乏流體流動可能會限制在液體反應物和反應固體表面之間的質量傳遞，因此對相應的反應速率來說可能會有負面影響。
上述方法的另一個潛在問題是由于曝光過程中自由基的產生，可能會有副反應。另外，反應固體表面經常是透明視窗的一部分，通過該視窗進行光照，因此在固體表面上可能會發生不希望的已合成分子的光子誘導降解。
因此，希望在以下方面進行改進強化質量傳遞同時保持離散反應位點隔離、減小基團誘導的副反應的可能性、以及避免光照誘導的降解反應。優選地，利用簡單并且低成本的流動設備結構可以同時達到上述改進目標。
發明概述一方面，提供一種改進的微流動反應器，該反應器包括多個用于平行化學反應的流通反應池，每個反應池包括(i)至少一個照射室，和(ii)至少一個反應室，其中在反應池中，照射室和反應室流動連通，但在空間上是分隔開的。
另一方面，提供一種改進的微流動反應器，該反應器包括多個用于平行化學反應的流通光照反應池，該反應池與至少一個入口通道和至少一個出口通道流體連通。
又一方面，提供另一種微流動反應器的實施方案、以及所述改進的微流動反應器的使用方法和制備方法。
附圖的簡要描述
圖1A示意性描述了利用光生反應物的流通反應器系統的操作原理。在具有隔開的照射室和反應室的反應池中，進行照射和涉及光生反應物的化學/生化反應。
圖1B示意性描述了利用光生反應物進行平行化學反應的流通反應器系統的操作原理。在具有隔開的照射室和反應室的反應池中，進行照射和涉及光生反應物的化學/生化反應。
圖1C示意性描述了利用光生反應物的流通反應器系統的操作原理。在反應池中進行照射和涉及光生反應物的化學/生化反應，其中照射室和反應室組合在一起。
圖1D示意性描述了利用光生反應物進行平行化學反應的流通反應器系統的操作原理。在反應池中進行照射和涉及光生反應物的化學/生化反應，其中照射室和反應室組合在一起。
圖2A示意性描述了單入口單出口的流通多池反應器系統的雙層設備構造的流路。
圖2B示意性描述了單入口多出口的流通多池反應器系統的雙層設備構造的流路。
圖2C示意性描述了單入口單出口的流通多池反應器系統的單層設備構造的流路。
圖2D示意性描述了單入口多出口的流通多池反應器系統的單層設備構造的流路。
圖3A為體現本發明的流通多池反應器設備的剖視圖。
圖3B示意性描述了圖3A所示的微流動設備的橫截面，以及該設備的操作原理。
圖3C示意性描述了圖3B所示的流通多池反應器的一種變化，其中帶有附著于視窗內表面和反應室頂部表面的固定化合物。這種變化還包括在視窗內表面上的遮蔽屏(shadow mask)。
圖3D為包括垂直毛細管反應室的流通多池反應器設備的剖視圖。
圖4A為體現本發明的高密度流通多池反應器設備的剖視圖。
圖4B示意性描述了圖4A所示的微流動設備的橫截面，以及該設備的操作原理。
圖5A為體現本發明的單層流通多池反應器設備的剖視圖。
圖5B示意性描述了圖5A所示的微流動設備的第一橫截面，以及該設備的操作原理。
圖5C示意性描述了圖5A所示的微流動設備的第二橫截面，以及該設備的操作原理。
圖5D示意性描述了圖5A所示的微流動設備的橫截面，其反應室的內表面涂布有基片材料的薄層。
圖5E示意性描述了微流動陣列芯片設備，該設備包括圖5A所示的微流動結構、二元流動分配通道、以及入口和出口。
圖5F示意性描述了微流動陣列芯片設備，其中含有兩個用于多個樣品檢測的陣列。
圖5G示意性描述了微流動陣列芯片設備，其中含有漸縮的流體通道。
圖5H示意性描述了微流動陣列芯片設備，其中含有漸縮流體通道的另一種變化。
圖6A為體現本發明的高密度、單層流通多池反應器設備的剖視圖。
圖6B示意性描述了圖6A所示的微流動設備的橫截面，以及該設備的操作原理。
圖7A示意性描述了帶有其中裝有小球的反應室的流通多池反應器的一種變化，其中在所述反應室中發生固相化學反應。
圖7B示意性描述了其反應室中裝有填料的流通多池反應器的一種變化，其中在所述反應室中發生固相化學反應。
圖8示意性描述了帶有其中裝有小球的反應室的單入口多出口的流通多池反應器的流路，其中在所述反應室中發生固相化學反應。
圖9A為注入第一液體的微流動設備的剖視圖(所述液體可以在圖9D中看到)。
圖9B示意性描述了當第二液體通過第一流體通道送入同時第二流體通道中不允許有流動時，微流動設備的透視圖(所述液體可以在圖9E中看到)。
圖9C示意性描述了當第二液體通過第二流體通道送入同時第一流體通道中不允許有流動時，微流動設備的透視圖(所述液體可以在圖9F中看到)。
圖9D示意性描述了圖9A所示的微流動設備的橫截面。該設備注入第一液體。
圖9E示意性描述了在第一組流體通道注入第二液體后，圖9B的微流動設備的橫截面。
圖9F示意性描述了在第二組通道注入第二液體后，圖9C的微流動設備的橫截面。
圖9G示意性描述了允許流體通過液體通道的流體結構。
圖10A示意性給出了已經制造好的微流動多池反應器設備的剖視圖。
圖10B給出了用作微流動模板初始原料的晶片基片。
圖10C給出了在微流動模板制造過程中經過第一蝕刻步驟后的板狀基片。
圖10D給出了在微流動模板制造過程中經過第二蝕刻步驟后的板狀基片。
圖10E給出了完成后的微流動模板。
圖10F給出了完成后的微流動陣列設備的照片。
圖11給出了寡核苷酸陣列的熒光圖像。
圖12給出了利用二氫熒光素標記的目標雜交后的寡核苷酸陣列的熒光圖像。
發明的詳細描述術語的定義術語“光生反應物前體”(PRP)指的是當其用確定波長的光子輻射或照射時，能產生一種或多種反應性化學反應物的化合物。所述波長可以是任合合適范圍內的紅外線、可見光、紫外線或X-射線。
術語“光生酸前體”(PGAP)指的是當其用確定波長的光子輻射或照射時，能產生酸的化合物。所述波長可以是任合合適范圍內的紅外線、可見光、紫外線或X-射線。
術語“光生酸”(PGA)指的是酸，該酸由PGAP在確定波長的光子輻射或照射下產生。所述波長可以是任合合適范圍內的紅外線、可見光、紫外線或X-射線。
術語“光生反應物”(PGR)指的是化合物，該化合物由光生反應物前體的輻射或照射產生。在大多數情況下，PGR是所涉及的化學或生化反應中的反應物。但該術語可以用于指任意由光生反應物前體輻射得到的化合物，并且在某些化學/生化反應中，它可以是反應性的，也可以不是。
術語“探測分子”指的是配體分子，它被用于與其它化學實體相連，并形成更大的化學復合物，從而可以檢測到所述化學實體的存在。優選地，在適當的化學和物理條件范圍內，如pH值、鹽濃度和溫度，探測分子選擇性地連接到其它特定化學序列、特定構象以及任何其它特定化學或物理性質的化學實體上。方法本發明提供一種在離散的反應容器中進行平行化學/生化反應的方法。本發明一個優選方面是利用原位生成的化學反應物去影響和/或引起感興趣的化學/生化反應。圖1A示意性描述了利用光生反應物的流通反應器系統的操作原理。含有至少一種光生反應物前體的溶液111流過入口通道101進入照射室103。在照射室103中照射光hν使光生反應物前體產生活性化學反應物。然后含有活性化學反應物的溶液112流過連接通道104進入反應室105，在反應室105中含有處于溶液相中或位于固相基片上的反應性化合物和/或物質，從而引起化學/生化反應。在反應室105中的反應性化合物和/或物質可以被固定在室內，或者通過單獨的通道(圖1A中未畫出)輸送到室中。化學/生化反應進行后，流出物113通過出口通道107流出反應器系統。
在本發明的一個方面中，作為反應池一部分的照射室103和反應室105在空間上是分隔開的，從而可以防止照射光hν用于反應室105。另外，從照射室103出來后，溶液112優選在連接通道104中停留足夠長的時間，從而在溶液112進入反應室105之前，使在照射室103中可能產生的任何自由基均失去活性。對于溶液112在連接通道104中停留的時間優選長于自由基的半衰期。對于溶液112在連接通道104中停留的時間更優選長于自由基半衰期的兩倍。這將使反應池的反應室105中不希望的自由基誘導的副反應發生的可能性最小。
應該理解的是本發明并不排除反應池的照射室103和反應室105相互部分或全部重疊的情況。圖1C示意性描述了一個具有反應池的反應系統，其中的反應池在一個室143中進行光照和化學/生化反應。這種重疊方案在某些情況下是優選的，例如當重疊允許制造更簡單和/或更便宜的反應器設備時。在全部重疊的實施方案中，因為只有一個單一的組合室，術語反應池和反應室可以互換使用。
圖1B示意性描述了利用光生反應物進行平行化學反應的流通反應器系統的操作原理。含有至少一種光生反應物前體的溶液131通過入口120流入反應器系統。然后溶液131通過一個公用入口通道121和分支入口通道121a、121b、121c和121d分別進入反應池的照射室123a、123b、123c和123d。對于相應的照射室123a、123b、123c和123d應用預定的照射光hνa、hνb、hνc和hνd，從而由光生反應物前體生成活性化學反應物。在本發明的一種實施方案中，所有照射光均包含相同的波長分布，只是其強度不同。在這種情況下，優選調節照射光和溶液131中光生反應物前體的濃度，使產生的活性化學反應物的量與照射光的量或強度成比例。這樣所產生的溶液132a、132b、132c和132d均含有相應濃度的活性化學反應物。然后溶液132a、132b、132c和132d流過連接通道124a、124b、124c和124d進入反應池相應的反應室125a、125b、125c和125d，這些反應室中含有處于溶液相或位于固相基片上的反應性化合物和/或物質，從而引起相應程度的化學/生化反應。在反應池的反應室125a、125b、125c和125d中的反應性化合物和/或物質可以被固定在室中或通過單獨的通道(圖1B中未畫出)輸送到室中。然后流出物133a、133b、133c和133d通過出口通道127a、127b、127c和127d流出反應器系統。
在本發明的另一種實施方案中，溶液131含有多種光生反應物前體，這些前體具有不同的激勵波長并產生不同的化學反應物。在這種情況下，通過應用不同波長分布的照射光hνa、hνb、hνc和hνd，在相應的照射室123a、123b、123c和123d中生成不同的化學反應物。這樣在相應的反應室125a、125b、125c和125d中可以同時進行不同類型的化學反應。本發明可以按人們的意愿并且在實驗條件允許的條件下，用于進行盡可能多的平行化學反應。
對于某些應用，其中照射光不會造成明顯的不利化學/生化反應，或者簡化的反應器結構是首要考慮的問題時，在反應池中可以不必具有單獨的照射室和反應室。圖1D示意性描述了進行平行化學反應的反應器系統，其中光照和化學/生化反應在單個池或室163a、163b、163c和163d中進行。
設備構造圖2A示意性描述了單入口單出口的流通多池反應器系統的雙層設備構造。公用入口221、分支入口221a、221b、221c和221d、以及照射室223a、223b、223c和223d設置在第一層上。連接通道224a、224b、224c和224d使反應池第一層的照射室與第二層的反應室225a、225b、225c和225d分別相連。各反應室的流出物流過出口227a、227b、227c和227d，合并進入公用出口227，然后流出反應器系統。對于這種構造，由照射室、連接通道和反應室組成的各反應池均為各化學/生化反應的發生提供了宿主(host)。這種構造特別適合于進行平行固相化學/生化反應和/或合成，其中反應產物保留在固體載體/表面上，出自各反應池的流出物不需要單獨收集。由于只有一個公用入口和一個公用出口，反應器系統很容易構造和操作，并且特別適合于低成本應用。
除了涉及光化學反應的步驟外，圖2A所示的反應器系統的典型應用通常包括許多反應和淋洗步驟。對于大多數步驟，特別是那些涉及光化學反應的步驟來說，圖2A中的箭頭指的是流體流動的方向。但在某些步驟中，特別是那些需要延長反應物接觸或攪拌的步驟來說，反向流動是允許的，或者甚至是希望的。在以圖2A所示的結構為基礎設計和構造實際設備時，應該采取措施避免光化學反應期間反應池之間的串擾(化學混合)。例如，通道和入口應該足夠長，從而使從照射室223a、223b、223c和223d到公用入口221之間的反向擴散可以忽略。入口221a、221b、221c和221d的合適長度的確定是以擴散速度和流體在入口內的停留時間為基礎的，這對于流體流動和質量傳遞領域的熟練技術人員來說是公知的。
對于某些應用來說，其中照射光不會造成明顯的不利化學/生化反應，或者簡化的反應器結構是首要考慮的問題時，可以通過合并所述池相應的照射室和反應室，使反應器的結構進一步簡化，形成如圖2C所示的單層設備構造。流體通過公用入口261、分支入口261a、261b、261c和261d，進入各反應池263a、263b、263c和263d，這些反應池同時作為照射室和反應室。各反應池的流出物流過出口267a、267b、267c和267d，合并進入公用出口267，然后流出反應器系統。
圖2B示意性描述了用于單入口多出口的流通多池反應器系統的雙層設備構造。對于這種構造，來自各反應室225a、225b、225c和225d的流出物可以在相應的出口228a、228b、228c和228d處被收集，而其余的設備結構和功能與圖2A所示的類似。這種構造特別適合于其中化學/生化反應的產物以溶液相存在并且需要單獨收集用于分析或其它用途的那些應用。
圖2D示意性描述了用于單入口多出口的流通多池反應器系統的單層設備構造。這種構造的大部分結構和功能均與圖2B所示的類似，只是各反應池263a、263b、263c和263d的流出物在相應的出口268a、268b、268c和268d處收集。對于其中照射光不會造成明顯的不利化學/生化反應，或者簡化的反應器結構是首要考慮的問題的應用，這種構造是本發明的優選實施方案。
圖3A描述了一種流通多池反應器設備的剖視圖，這是本發明的一種優選實施方案。在該設備中，微流動模板310被夾在第一視窗板351和第二視窗板361之間。當反應池較小時，微流動模板310優選由硅制成。在這種情況下，相鄰反應池間的距離優選為10-5000μm。更優選地，該距離為10-2000μm。進一步優選地，該距離為10-500μm。甚至更優選地，該距離為10-200μm。所述硅微流動模板310用蝕刻法形成，該蝕刻法對半導體處理和微制造(Madou，M.，微制造基礎(Fundamentals of Microfabrication)，CRC Press，NewYork，(1997))領域的熟練技術人員來說是公知的。微流動模板310的頂部表面313優選涂布有二氧化硅，該涂布可以在制造過程中通過氧化或蒸發來完成。當反應池較大時，例如相鄰反應池之間的距離大于5000μm時，塑料材料是優選的。即使當相鄰反應池之間的距離小于5000μm時，對于大量生產多池反應器設備來說，塑料材料也可以是優選的。優選的塑料包括聚乙烯、聚丙烯、聚偏1，1-二氟乙烯、以及聚四氫乙烯，但不局限于此。所述塑料微流動模板310可以應用模塑法制造，這種模塑法對于塑料處理領域的熟練技術人員來說是公知的。本發明的一個方面，第一視窗板351和第二視窗板361優選由透明玻璃制成，并與微流動模板310結合在一起。在本發明的另一個方面中，第一視窗板351和第二視窗板361優選由透明塑料制成，該透明塑料包括聚苯乙烯、丙烯酸以及聚碳酸酯，但不局限于此，其優點在于成本低和易于處理。
圖3A所示的微流動設備體現了圖2A所示的雙層設備構造。在圖中看不到的微流動模板310底部的外形結構為在圖中可以看到的頂部的鏡像。圖3B示意性描述了圖3A所示的微流動設備的橫截面，以及該設備的操作原理。第一視窗板351和第二視窗板361在微流動模板310的結合部位311和315與微流動模板310結合或附著在一起。結合或附著可以用共價或非共價的方法來完成。在涉及利用光生反應物的反應過程中，含有光生反應物前體的進料溶液331從入口321流過入口節流孔322進入照射室323。在照射室323中曝光hν后，產生活性化學反應物，并且所形成的反應性溶液332流過連接通道324進入反應室325。在反應室325中，反應性溶液332與微流動模板310頂部表面313上的固定分子340接觸。反應性溶液332中的活性反應物與固定分子340間發生化學反應。然后溶液流過出口節流孔326作為流出物333進入出口327。
在微流動模板310的脊312和第一視窗板351的內表面352之間形成的入口節流孔322，其功能是阻止在照射室325內產生的任何化學反應物反向進入入口321區域。類似地，在微流動模板310的脊314和第二視窗板361的內表面362之間形成的出口節流孔326是為了阻止在出口327區域內的任何化學反應物進入反應室325。當在窄的節流孔中由于流體流動所造成的質量傳遞大于由于擴散所造成的時，即可實現這一點。
在一種優選實施方案中，入口321和出口327通道的截面積要足夠大，從而使通過通道的壓降明顯小于通過各單個反應池的壓降，每個反應池均包括入口節流孔322、照射室323、連接通道324、反應室325以及出口節流孔326。另外，每個反應器系統中的所有反應池優選同樣地進行設計和構造。為了在所有反應池中均達到相同的流量，從而達到均一的反應條件，這些措施是必須的。
圖3C示意性描述了一種改進微流動設備的橫截面。在第二視窗361的內表面362上加一個遮蔽屏364。在進行光測量過程中，例如通過第二視窗361進行的熒光成像，遮蔽屏364排除了由于微流動模板310外形特點的可能的光干擾。遮蔽屏364可以由金屬薄膜或任何其它合適的不透明材料制成，所述材料包括鉻、鋁、鈦和硅，但不局限于此。所述膜可以通過各種公知的薄膜沉積法很容易地制成，例如電子束蒸發法、噴鍍法、化學氣相沉積以及真空氣相沉積，這些方法對半導體處理和微制造領域的熟練技術人員來說是公知的(Madou，M.，微制造基礎(Fundamentals of Microfabrication)，CRC Press，NewYork，(1997))。
圖3C所示的本發明的另一方面是在微流動模板310的頂部表面313和第二視窗361的內表面362上分別使用了固定分子341和342。在其中使用固定分子341和342作為探測分子的微流動設備的檢測應用中，使用雙層構造的優點是增加了探測物的面積密度，因此增加了檢測的敏感度。
圖3D給出了本發明的微流動設備的另一種變化。在這種變化中，反應室325為毛細管形式，在反應室325的垂直壁313上有固定分子(圖中未畫出)。所述毛細管的直徑優選為0.05-500微米。所述毛細管的直徑更優選為0.1-100微米。這種變化的主要優點是與圖3A所示的變化相比，反應室壁313的表面積有可能增加。對檢測應用來說，增加表面積有利于增加固定分子的量，從而有可能增加檢測的敏感度。在光引發的化學合成過程中，反應性溶液(圖3D中未畫出)流過入口流體通道321進入照射室323。當反應性溶液含有光生反應物前體時，并且當預定的照射室323通過透明視窗351進行曝光時，反應物生成并向下流入反應室325，在其中反應物與垂直壁313上的固定分子間發生化學反應。反應物流體通過出口流體通道327流出。
圖4A描述了高密度流通多池反應器設備的剖視圖，該設備體現了圖2A所示的雙層設備構造。圖4B示意性描述了圖4A所示設備的橫截面。與圖3A所示設備結構相比，圖4A所示設備結構的反應室425和照射室423的面積密度更高。入口通道421和出口通道427埋入微流動模板410的中部，從而可以使微流動模板410的上部和下部表面積分別完全用于形成反應和照射室。在涉及使用光生反應物的反應中，含有光生反應物前體的進料溶液431從入口管422流入照射室423。在照射室423中通過第一視窗板451曝光hν后，產生了活性化學反應物，并且所得到的反應性溶液432流過連接通道424進入反應室425。在反應室425中，反應性溶液432分別與微流動模板410頂部表面413和第二視窗板461內表面462上的固定分子441和442接觸。反應性溶液432中的活性反應物與固定分子441和442間發生化學反應。然后流出物433經出口管426流入出口通道427。
圖5A描述了流通多池反應器設備的剖視圖，所述設備體現了圖2C所示的單層設備構造。圖5B和圖5C示意性描述了圖5A所示設備的橫截面。在結合區域515處結合的微流動模板510和視窗板561之間形成微流動結構。在該實施方案中，曝光和涉及光生反應物(PGRI)的化學/生化反應在一個組合反應室或池525中進行。入口通道521和出口通道527均位于微流動模板510的一側。這種設備構造的優點是設備結構簡單，因此有可能降低制造成本。
圖5C示意性描述了固定分子541、542和543在三維反應室或池525的內表面的全部四個面上的三維附著情況。反應室525由視窗板561的內表面562、流動模板510頂部表面513的上表面和側壁512組成。對微流動設備的檢測應用來說，固定分子541、542和543用做探測分子。與在平面表面上相比，圖5C所示的三維附著增加了探測分子的量，因此增加了檢測的敏感度。
在利用光生反應物的反應過程中，含有光生反應物前體的進料溶液531從入口通道521流入反應室525。當對反應室進行光照時，產生至少一種活性反應物，然后該反應物與固定分子541、542和543反應。流出物533流過出口節流孔526進入出口通道527。流動模板510上的脊514在反應室525的入口和出口側形成流量限制孔526。
本發明的微流動陣列設備可以通過在如圖5D所示的反應室或池中引入多孔膜543a和543b，以增加的量來產生或固定分子。幾種材料和制造方法可以用于形成所述設備內部的多孔膜，這些材料及制造方法均是固相合成領域的熟練技術人員所公知的(“組合化學實用指南”，(“A Practical Guide to Combinatorial Chemistry”)Czarnik等編，American Chemical Society，1997，此處作為參考引入)。一種方法是在設備制造過程中，在形成流動模板510的硅晶片上形成受控多孔玻璃膜。在第一種優選方法中，通過等離子氣相沉積將硼硅酸鹽玻璃膜沉積在硅晶片上。對所述晶片進行熱退火，形成分開的硼和硅氧化物區。然后利用酸蝕刻法選擇性除去硼，形成多孔玻璃膜，這種膜對寡核苷酸和其它合成過程來說是優良的基片材料。在第二種優選方法中，形成聚合物膜，如交聚的聚苯乙烯膜。將含有線性聚苯乙烯的溶液和UV活化的交聯試劑注入到微流動陣列設備中，隨后從中排出，而在所述設備的內表面上留下薄膜涂層。接著將所述含有不透明罩564來限定反應室區域的設備在紫外光下曝光，從而活化在反應室區域內的線性聚苯乙烯鏈之間的交聯。接下來用溶劑洗滌以除去未交聯的聚苯乙烯，在圖5D所示反應室區域中僅留下交聯聚苯乙烯。對寡核苷酸和其它合成過程來說，交聯聚苯乙烯也是優良的基片材料。
圖5E示意性描述了本發明微流動陣列設備芯片500的第一種優選實施方案。二元流動分布器521a用于將來自入口520的流體均勻分配給流體通道521。除了側面流體通道521b以外，所有的流體通道521優選具有相同的寬度，而側面流體通道521b優選比中間流體通道521窄，從而補償在側面流體通道521b中減少的體積流量。通常，流體通道521的橫截面積優選明顯大于反應室525(圖5C)的橫截面積，從而達到沿著流體通道521通過所有反應室525的均勻流量。所述橫截面積比優選為10-10,000。所述比更優選為100-10,000。所述比甚至更優選為1,000-10,000。另一方面，人們可能會選擇適當小的橫截面積比，從而使反應室525的芯片表面積的利用最大化。
對于多種樣品的檢測應用，可以將多個微流動陣列設備設置在單個芯片501上。圖5F描述了含有兩個微流動陣列設備的芯片501。這種類型的多檢測芯片可以用于臨床實驗室中的診斷應用，以及工業和研究實驗室中的高通量篩選應用。
流體通道可以不必是沿其路徑具有均勻寬度的直線。圖5G描述了本發明的微流動陣列設備的第二種優選實施方案，其中具有漸縮流體通道521。漸縮通道525的側壁可以不必是沿著通道的直線。當漸縮形狀適當設計時，可以達到沿流體通道521通過所有反應室525的均勻流量。對于那些本領域熟練技術人員來說，應用流體動力學模擬方法，可以得到適當的流體通道形狀，從而產生所希望的沿著通道通過反應室的流型。可采用商業計算的流動動力學軟件包，如來自Fluent Inc.New Hampshire，USA的FLUENT及來自CFD ResearchCorporation，Alabama，USA的CFD-ACE均可得到，并可用于得到通道形狀。
第三種優選的流體通道設計如圖5H所示。每對入口和出口流體通道521c和521d有利于沿著通道僅有一排反應室525的流體流動，而不是圖5G中所示的兩排反應室525的情況。這種流體通道設計的優點在于流體通道內簡化了的流體流動，并且排除了通過公用流體通道相鄰反應室間交叉混合的可能性。
對池的最大個數沒有特別限制。依據所希望的芯片用途、反應室的尺寸以及芯片的尺寸，本發明每個芯片上反應池個數的優選范圍為10-1,000,000。更優選的范圍為100-100,000。甚至更優選的范圍為900-10,000。優選有至少兩個池，更優選為至少10個池。甚至更優選有至少100個池。甚至進一步優選有至少1,000個池，甚至更優選有至少10,000個池。
圖6A描述了流通多池反應器設備的剖視圖，為圖2C所示單層設備構造的另一種實施方案。圖6B示意性描述了圖6A所示設備的橫截面。支持板651和視窗板661在微流動模板610的結合區域611和615處與微流動模板610結合。入口通道621和出口通道627位于支持板651和微流動模板610之間。曝光和涉及光生反應物(PGRI)的化學/生化反應在反應室或池625中進行，該反應室或池在視窗板661和微流動模板610之間形成。遮蔽屏664被引入該設備設計中，從而光學限定在視窗板661上的反應室625。該反應器構造允許微流動模板610的視窗側完全用于形成反應室625，并且特別適用于高密度檢測應用。
在利用光生反應物的反應過程中，含有光生反應物前體的進料溶液631從入口通道621流過入口管624進入反應室或池625。當反應室被照射時，產生至少一種活性反應物，然后該反應物分別與流動模板610的頂部表面613和視窗板661的內表面622上的固定分子641和642反應。流出物633流過出口管614進入出口通道627。
圖7A示意性描述了其中在反應室中裝有小球的流通多池反應器的一種變化，其中在所述反應室中發生固相化學反應，是圖2B所示的雙層設備構造的另一種實施方案。制造小球741的材料包括CPG(受控多孔玻璃)、交聯聚苯乙烯、以及用于固相合成和分析的各種樹脂，但不局限于此，對于所述樹脂在“組合化學實用指南”(APractical Guide to Combinatorial Chemistry)Czarnik等編，American Chemical Society，1997中有大量討論。在本發明的一個方面中，在小球741上或其內部形成的化合物被用于檢測用途。小球的多孔或三維結構載帶了高負荷量的化合物，從而導致高的檢測敏感度。本發明包括高負荷基片的另一種實施方案如圖7B所示。其中用樹脂填料742代替小球。
本發明的一個方面涉及如圖2D所示的單入口多出口的反應器系統。這種反應器系統的一種設備實施方案如圖8所示。化學反應物/溶劑由入口通道821經照射室823、連接通道824、反應室825a流過反應池，然后通過出口通道833a流出。化學反應在小球840的表面發生。該反應器設備的一個示范性的應用是平行合成多種寡核苷酸。在各反應室825a、825b及其它反應室中，在小球840上合成各寡核苷酸序列。在出口通道833a、833b和其它出口通道處收集產物寡核苷酸。
利用上述教導，對本領域的熟練技術人員來說不難構造實施圖2D所示的單入口多出口反應器系統的單層設備構造的設備。
設備的操作在本發明的一種優選實施方案中，應用如圖3C所示的設備構造，合成用于雜交檢測應用的寡核苷酸陣列。微流動模板310由硅制成。第一視窗板351和第二視窗板361由玻璃制成。微流動模板310的頂部表面313涂布有二氧化硅。微流動設備的內表面積首先用連接分子，如N-(3-三乙氧基甲硅烷基丙基)-4-羥基丁酰胺(可由GelestInc.，Tullytown，PA 19007，USA得到)衍生化，從而使含羥基的連接分子附著于二氧化硅和玻璃表面上。各種固體表面的衍生化對本領域的熟練技術人員來說是公知的(Beier等，核酸研究(NucleicAcids Research)，27，1970(1999)，以及其中引用的參考文獻)。DMT(4，4’-二甲氧基三苯甲基)-保護的間隔亞磷酰胺，如GlenResearch，Sterling，VG 20164，USA提供的間隔亞磷酰胺9，被注入反應器并與連接分子偶合。已經公知的是利用間隔基對檢測的雜交應用是有利的(Southern等.InNature Genetics Supplement，21，5，(1999))。光生酸前體(PGAP)，例如在CH2Cl2中的鎓鹽SSb(來自Secant Chemicals Inc.，MA 01475，USA)，被注入到反應器中。在保持PGAP穩定流動的同時，對第一組預定的照射室325進行照射，從而產生光生酸(PGA)，并且在相應的反應池中發生脫三苯甲基反應(去除DMT的保護基團)，所述反應池由照射室323、連接通道324和反應室325組成。將選自dA、dC、dG和dT(可由Glen Research，Sterling，VG 20164，USA得到)的第一種DMT(4，4’-二甲氧基三苯甲基)-保護的亞磷酰胺單體注入反應器，從而在被照射的反應池中使所述第一種亞磷酸酰胺單體與間隔基偶合。而在未被照射的反應池中沒有偶合反應發生，這是因為這些池中的間隔基分子仍然受DMT基團的保護。合成反應利用加帽和氧化反應進行，這對于寡核苷酸合成領域的熟練技術人員來說是公知的(Gait等，寡核苷酸合成實用方法(“Oligonucleotide synthesisa Practical Approach”)，Oxford，1984)。然后對第二組預定的照射室進行照射，然后進行第二種亞磷酸酰胺單體的偶合。進行該過程直到在所有預定的反應池中形成所有預定序列的寡核苷酸。
可以應用各種公知的方法對預定的照射室進行照射，這些方法包括以數字微鏡設備為基礎的光投射、以光掩膜為基礎的投射、以及激光掃射，但不局限于此。照射光的波長應該與PGAP的激勵波長相匹配。例如，當應用SSb PGAP時，中心波長約為366nm的光源是優選的。有關PGAP的選擇、照射條件、以及照射方法的細節，例如在Gao等的WO09941007A2中有述，該文獻作為參考引入。
本發明的一個方面涉及限制合成反應在指定區域內。例如，在圖3C所示反應器設備的檢測應用中，固定分子341和342被用作探測劑，所述固定分子優選只在遮蔽屏364下面的區域內合成。在本發明的一種優選實施方案中，連接分子首先被固定在反應器設備的內表面上，光不穩定性基團保護的亞磷酰胺，例如5’-[2-(2-硝基苯基)丙氧基羰基]胸腺嘧啶脫氧核苷(NPPOC，Beier等，核酸研究(NucleicAcids Res.)，28，e11(2000))，與連接分子偶合形成光不穩定性基團保護的連接中間體。然后對所有的照射室323進行照射，以便從照射室323內表面上的連接中間體上除去2-(2-硝基苯基)丙氧基羰基的光不穩定性保護基團。然后將除去的連接中間體用加帽劑(可以由Glen Research，Sterling，VG20164，USA得到)進行加帽，從而防止照射室內的寡核苷酸進一步生長。接下來，反應室325通過玻璃第二視窗361進行充分照射，以除去在第二視窗361內表面362和流動模板310頂部表面313上的連接中間體上的光不穩定性保護基團。因此這些表面區域可用于寡核苷酸進一步生長。連接通道324的內表面未受光照，因而在核苷酸合成過程中，連接中間體上的光不穩定性保護基團阻止了通道表面積上的任何化學反應。
應該特別注意從反應物輸送總管中除去氣泡，特別是當流通反應器系統中含有小尺寸的反應池時。從液相介質中除去氣體的各種方法都可以應用，并且對本領域的熟練技術人員來說是公知的。這些方法包括應用脫氣膜、氦噴射、以及內嵌式氣泡阱等，但不局限于此。各種氣體去除設備可以從商業公司如Alltech Associates Inc.，Deerfield，IL 60015，USA獲得。
本發明的微流動陣列設備的另一種用途是進行需要各反應池物理隔離的平行檢測。第一種優選操作方法在圖9A到圖9F中給出。如圖9D所示，所述設備首先注入第一流體934a、934b和934c。所述第一流體是在反應池隔離后仍保留在反應室925中的一種流體。如果第一流體是水溶液，則反應室925的內表面優選為親水性的。例如，固定有寡DNA分子的表面是親水性的。如果第一流體是疏水性溶液，則反應室925的內表面優選為疏水性的。然后將與第一流體不混合并優選是惰性的第二流體935a通過第一組流體通道921a注入到設備中，同時保持第二組流體通道927a和927b處于封閉狀態，如圖9B所示。在第一流體是水溶液并且反應室925的內表面是親水性的情況下，第二流體優選為疏水性液體如液體石蠟、硅油或礦物油。由于表面張力作用和壓力阻力的影響，第二流體935a僅置換第一組流體通道927a內的第一流體934a，而不置換反應室925中的第一流體934b，如圖9E所示。然后將第三流體935b通過第二組流體通道927a和927b注入到設備中，同時保持第一組流體通道921a處于封閉狀態，如圖9C所示，所述第三流體優選為與第二流體935a相同的液體原料。作為結果，第二組通道927a和927b中的第一流體934c被第三流體935b置換，完成反應室925中的第一流體934b的隔離，如圖9F所示。本發明的微流動陣列設備以及在本節中所描述的隔離方法可以用于進行各種生物、生化和化學檢測，這種檢測已經在微量滴定或微孔板平臺上得到開發。本發明的主要優點包括明顯減小的樣品尺寸、明顯增加的檢測密度(在每次實驗中進行的檢測個數)、以及成本的降低。
為了應用上述隔離方法，優選不同于圖5E到5H所示來設置流體分布通道。一個重要的特征是在每個流體通道的末端均有開口，從而流體可以在不通過反應室的情況下流過通道。例如圖9G給出了一種優選實施方案。在該實施方案中，流體通道921a和927a位于流動模板的前面或第一側面。在每個流體通道921a的末端有一個通孔921b，該孔允許流體流到流動模板的背面或第二側面。在流動模板的背面，裝有二元流體分布通道921c和出口920a，如圖9G中的虛線所示。微流體學領域的熟練技術人員應該能夠按照本發明的教導，設計和/或構造流動結構的各種變化，從而實現隔離方法。
Gao等在J.Am.Chem.Soc.，120，12698-12699(1998)和WO09941007A2中公開的內容在此作為參考引入。本發明的方法和裝置可用于制備和檢測基片表面上的DNA和RNA寡核苷酸、肽、寡糖、磷脂和其它生物聚合物及生物樣品的極大規模陣列。光引發的芯片平行合成可以用于在單個芯片上制備高達1,000,000個序列的極大規模寡核苷酸陣列。
光生反應物前體可以是不同類型的化合物，包括如重氮鹽、全鹵代甲基三嗪、鹵代二苯基A、鄰-硝基苯甲醛、磺酸鹽、亞氨基(imidyl)磺酸酯、二芳基碘鎓鹽、锍鹽、重氮磺酸鹽、二芳基砜、1，2-重氮酮、重氮酮、芳基氮化物衍生物、苯并碳酸鹽或氨基甲酸酯、二甲氧基安息香基碳酸酯或氨基甲酸酯、鄰-硝基苯甲氧基碳酸酯或氨基甲酸酯、硝基苯亞磺酰基(sulphenyl)及鄰-硝基苯胺。
通過以下實施例進一步描述本發明，提供這些實施例只是為了說明目的，并不打算也不應該使它們以任何方式構成對本發明的限制。在不偏離本發明的實質和范圍的情況下，本領域的熟練技術人員可以意識到下列實施例的各種變化。
實施例I微流動設備的制造應用硅微加工工藝制造具有圖10A所示設備結構的微流動反應器設備。利用厚度Tr為450-500μm的Si(100)基片。微流動模板1010包括入口通道1021和出口通道1027、入口節流脊(restrictionridge)1012、曝光室1013A、分隔脊1013B、反應室1013C、以及出口節流脊1014。通過在結合區域1015將微流動模板1010和玻璃板(圖中未畫出)結合在一起，形成封閉的微流動反應器設備。流體流動方向如圖所示。在該設備中，入口通道1021和出口通道具有相同的尺寸，其深度Dc為約150μm，寬度Wc為約90μm。入口節流脊1012、分隔脊1013B和出口節流脊1014具有相同寬度Lr130μm和相同間隙Dr1約12μm。照射室1013A的長度Li為120μm，深度Dr約為16μm。反應室1013C的長度Lr為120μm，深度Dr約為16μm。
由圖10B所示的平Si(100)晶片開始制造。將光刻膠(例如AZ4620，來自Shipley公司，Marlborough，MA 01752，USA)旋轉涂布到晶片表面上。然后使光刻膠膜干燥、曝光、并利用光刻法進行顯影。然后利用感應耦合等離子體(ICP)硅蝕刻機(來自于SurfaceTechnology Systems Limited，UK)將晶片蝕刻約12μm。然后將光刻膠膜剝離。所得到的結構如圖10C所示。將硅基片旋轉涂布第二層光刻膠。然后使所述光刻膠干燥、曝光和顯影。然后利用ICP硅蝕刻機將硅基片蝕刻約4μm，并且剝離光刻膠，所得到的結構如圖10D所示。接著將硅結構表面旋轉涂布第三層光刻膠。然后使所述光刻膠干燥、曝光和顯影。然后利用ICP硅蝕刻機將硅基片蝕刻約150μm，并且剝離光刻膠。所得到的微流動模板如圖10E所示。然后利用化學氣相沉積(CVD)法在所述結構表面上涂布一薄層SiO2(約50-200)。在最后一步中，利用陽極結合法(Wafer Bonding System from EVGroup Inc.，Phoenix，AZ 85034，USA)，將硅微流動模板與Pyrex玻璃晶片(Corning 7740，來自Corning Incorporated，Corning，NY 14831)結合。最終的微流動陣列設備的照片如圖10F所示。
實施例II寡核苷酸陣列的合成利用實施例I中制造的微流動反應器設備制備寡核苷酸陣列。利用HPLC泵將化學反應物輸送到反應器中，將DNA合成器(Expedite8909，由PE Biosystems制造，Foster City，CA94404 USA)或Brinkman注射器分配器(Brinkmann Instruments，Inc.，Westbury，NY 11590，USA)設置在反應器入口之前，每種均配有內嵌式過濾器。首先用10ml 95％的乙醇洗滌微流動反應器設備，然后利用95％的乙醇的1％N-(3-三乙氧基-甲硅烷基丙基)-4-羥基丁酰胺(連接劑)溶液以0.15ml/min的流量使之衍生化。12小時后，流量增加到3ml/min，持續4小時。然后利用10ml 95％的乙醇以3ml/min的流量洗滌微流動反應器設備，然后用N2氣進行干燥。將設備在約60℃下設置在室中，并使N2在設備內部循環4小時，從而熟化連接層。
用標準的亞磷酰胺化學和反應物(合成方案由Expedite 8909 DNA合成器的操作手冊提供(Operation Manual of Expedite 8909 DNASynthesizer))，進行脫氧寡-TT(胸腺嘧啶核苷酸二聚物)DNA的合成。在TT合成步驟結束時，微流動反應器設備的整個內表面，包括反應和照射及反應室(圖10A中的1013A和1013C)的內表面，均覆蓋有TT核苷酸二聚物。TT二聚物的末端用酸的不穩定DMT基團保護。
然后在不同輻射條件下進行包括PGA的亞磷酰胺合成，以證實用于DMT解保護反應的PGA的活化。包括PGAP的化學反應由Gao等在WO09941007A2中描述。在該實施例中，所應用的PGAP是一種兩組分的系統，由3％的Rhodorsyl(來自于Secant chemicals Inc.，MA01475，USA)和CH2Cl2中的2當量Cholo(來自于Aldrich，Milwaukee，WI 53233，USA)組成。PGA溶液的流量為0.05ml/min。利用計算機控制的數字光投影儀(DLP)來產生用于活化微流動反應器設備中預定反應池內光化學反應的光刻圖案。DLP的構造及操作由Gao等在WO09941007A2中描述。利用500W的汞燈(來自于OrielCorporation，Stratford，CT 06497，USA)作為光源，并且利用二向色濾光片僅使350-450nm之間的波長能夠被應用。在預定的照射室(圖10A中的1013A)中，照射長度在1秒到20秒之間變化，而照射強度在完全強度28mW/cm2的10％到100％之間變化。曝光后，將另外0.5ml未活化的PGAP溶液注入到微流動反應器設備中，將殘余的酸沖洗出反應器。然后利用4ml 20％吡啶乙腈溶液洗滌反應器。然后向反應器設備中注入1∶2的二氫熒光素-亞磷酰胺∶T-亞磷酰胺的溶液混合物，進行二氫熒光素亞磷酰胺偶合反應。通過注入20ml乙醇進行徹底洗滌。以1ml/min的流量注入5ml 1∶1的乙二胺∶無水乙醇使二氫熒光素部分被活化。微流動反應器設備用乙醇洗滌并用N2干燥。
在495nm光的激勵下進行熒光成像，并用冷卻的CCD照相機(來自Apogee Instruments，Inc.，Tucson，Arizona 85715，USA)進行記錄，該照相機帶有以525nm為中心的帶通濾波器(來自OmegaOptical，Inc.，Brattleboro，Vermont 05302，USA)。
圖11給出了微流動反應器設備的熒光圖像。每個照射/反應室(圖10A中的1013A和1013C)中DMT解保護反應的程度通過二氫熒光素-亞磷酰胺偶合反應來檢測，該反應通過來自照射/反應室的熒光強度來測量。
實施例III寡核苷酸陣列的雜交利用實施例I所述的制造過程制造微流動反應器設備。利用實施例II所述的過程使設備衍生化。通過實施例II所描述的過程合成預定序列的寡核苷酸探測劑。探測劑的序列為3’TATGTAGCCTCGGTC1242a和3’AGTGGTGGAACTTGACTGCGGCGTCTT 1242b。
利用標準的亞磷酰胺化學在DNA合成器(Expedite 8909，由PEBiosystems制造，Foster City，CA94404 USA)上化學合成15個核苷酸長和探測劑序列5’末端的補體的目標核苷酸。在其5’末端用二氫熒光素標記目標物。在室溫下，用50-100nmol目標物在100微升6XSSPE緩沖液(0.9M NaCl、60mM Na2HPO4-NaH2PO4(pH7.2)、以及6mM EDTA)進行雜交0.5-1.0小時，然后用緩沖液進行洗滌。在雜交和洗滌過程中，利用微孔管蠕動泵來促使溶液循環通過微流動陣列設備。
在495nm光的激勵下進行熒光成像，并用冷卻的CCD照相機(來自Apogee Instruments，Inc.，Tucson，Arizona 85715，USA)進行記錄，該照相機帶有以525nm為中心的帶通濾波器(來自OmegaOptical，Inc.，Brattleboro，Vermont 05302，USA)。圖12給出了雜交后的微流動陣列設備的熒光圖像。圖示5個反應池包括3’TATGTAGCCTCGGTC 1242a、3’AGTGGTGGAACTTGACTGCGGCGTCTT 1242b和三個空白池。
這些實施例是非限定性的。它們描述了本發明，但并不代表或定義本發明的界限。
權利要求
1.一種微流動反應器，包括多個用于平行化學反應的流通反應池，每個反應池包括i.至少一個照射室，和ii.至少一個反應室，其中照射室和反應室流動連通，并且在反應池內在空間上相互隔開。
2.權利要求1的微流動反應器，其中所述反應器包括至少10個反應池。
3.權利要求1的微流動反應器，其中所述反應器包括至少100個反應池。
4.權利要求1的微流動反應器，其中所述反應器包括至少1,000個反應池。
5.權利要求1的微流動反應器，其中所述反應器包括至少10,000個反應池。
6.權利要求1的微流動反應器，其中所述反應器包括900-10,000個反應池。
7.權利要求1的微流動反應器，其中所述反應池適合于應用在照射室中產生的原位生成的化學反應物。
8.權利要求1的微流動反應器，其中所述反應器包括一個硅微流動模板。
9.權利要求1的微流動反應器，其中所述反應器包括一個塑料微流動模板。
10.權利要求1的微流動反應器，其中相鄰反應池之間的距離為10-5,000微米。
11.權利要求1的微流動反應器，其中相鄰反應池之間的距離為10-2,000微米。
12.權利要求1的微流動反應器，其中相鄰反應池之間的距離為10-500微米。
13.權利要求1的微流動反應器，其中相鄰反應池之間的距離為10-200微米。
14.權利要求1的微流動反應器，其中相鄰反應池之間的距離大于5,000微米。
15.權利要求1的微流動反應器，其中所述反應器包括一個微流動模板和至少一個視窗板。
16.權利要求1的微流動反應器，其中所述反應器進一步包括至少一個遮蔽屏。
17.權利要求1的微流動反應器，其中所述反應器適合于避免反應池之間的化學混合。
18.權利要求1的微流動反應器，其中所述反應器進一步包括與照射室相連的入口通道和入口節流孔、以及與照射室相連的出口通道和出口節流孔。
19.權利要求1的微流動反應器，其中所述反應器進一步包括與反應池的照射室流體連通的入口通道和入口節流孔，并且其中所述反應器進一步包括與反應池的反應室流體連通的出口通道和出口節流孔，并且其中所述反應池的照射室和反應室通過連接通道相連。
20.權利要求1的微流動反應器，其中所述反應器進一步包括一個公用入口通道、分支入口通道、分支出口通道、以及一個公用出口通道。
21.權利要求1的微流動反應器，其中所述反應器進一步包括在反應室中的固定分子。
22.權利要求21的微流動反應器，其中所述固定分子為生物聚合物。
23.權利要求21的微流動反應器，其中所述固定分子用連接分子固定。
24.權利要求21的微流動反應器，其中所述固定分子選自DNA、RNA、DNA寡核苷酸、RNA寡核苷酸、肽、寡糖和磷脂。
25.權利要求21的微流動反應器，其中所述固定分子為寡核苷酸。
26.權利要求1的微流動反應器，其中所述反應器進一步包括吸附在反應室中的DNA、RNA、DNA寡核苷酸、RNA寡核苷酸、肽、寡糖、磷脂或其組合。
27.權利要求1的微流動反應器，其中所述反應器進一步包括在反應室中雙層構造中的固定分子。
28.權利要求1的微流動反應器，其中所述反應器進一步包括在反應室中三維附著的固定分子。
29.權利要求1的微流動反應器，進一步包括在反應室中的多孔膜。
30.權利要求29的微流動反應器，其中所述多孔膜為多孔玻璃膜或多孔聚合物膜。
31.權利要求1的微流動反應器，其中所述反應室為毛細管形式。
32.權利要求31的微流動反應器，其中為毛細管形式的反應室的直徑為0.05微米至500微米。
33.權利要求31的微流動反應器，其中為毛細管形式的反應室的直徑為0.1微米至100微米。
34.權利要求1的微流動反應器，其中所述反應器為陣列設備芯片的形式，所述芯片包括向多個用于平行化學反應的反應池分配流體的流體通道。
35.權利要求34的微流動反應器，其中所述流體通道有第一橫截面積，所述反應池有第二橫截面積，其中所述第二橫截面積小于第一橫截面積，并且第一橫截面積與第二橫截面積之間的比為10-10,000。
36.權利要求34的微流動反應器，其中所述流體通道有第一橫截面積，所述反應池有第二橫截面積，其中所述第二橫截面積小于第一橫截面積，并且第一橫截面積與第二橫截面積之間的比為100-10,000。
37.權利要求34的微流動反應器，其中所述流體通道有第一橫截面積，所述反應池有第二橫截面積，其中所述第二橫截面積小于第一橫截面積，并且第一橫截面積與第二橫截面積之間的比為1,000-10,000。
38.權利要求34的微流動反應器，其中所述流體通道是漸縮的。
39.權利要求38的微流動反應器，其中漸縮流體通道提供沿流體通道通過反應池的均勻流量。
40.權利要求1的微流動反應器，其中所述反應室中含有小球。
41.權利要求1的微流動反應器，其中所述反應室中含有樹脂填料。
42.權利要求1的微流動反應器，其中所述反應器包括在反應室中的寡核苷酸陣列、一個由硅制成的微流動模板、以及由玻璃制成并且附著于模板上的第一和第二視窗板。
43.權利要求1的微流動反應器，其中所述設備包括在反應室中的寡核苷酸陣列、一個由硅制成的微流動模板、視窗板、一個遮蔽屏、與照射室相連的入口通道和入口節流孔、與反應室相連的出口通道和出口節流孔、用于反應池中平行反應的分配通道、以及連接照射室和反應室的連接通道。
44.權利要求43的微流動反應器，其中所述反應器為陣列設備芯片的形式，所述芯片包括多個向用于平行化學反應的反應池分配流體的流體通道。
45.權利要求44的微流動反應器，其中所述反應器包括至少10個反應池。
46.權利要求45的微流動反應器，其中所述寡核苷酸用連接分子固定。
47.權利要求46的微流動反應器，其中所述反應池、照射室和反應室適合于應用原位生成的化學反應物。
48.一種包括多個權利要求1的微流動反應器的芯片。
49.一種包括多個權利要求43的微流動反應器的芯片。
50.一種微流動反應器，包括多個用于平行化學反應的流通光照反應池，其與至少一個入口通道和至少一個出口通道流體連通。
51.權利要求50的微流動反應器，其中所述反應器包括至少10個反應池。
52.權利要求50的微流動反應器，其中所述反應器包括至少100個反應池。
53.權利要求50的微流動反應器，其中所述反應器包括至少1,000個反應池。
54.權利要求50的微流動反應器，其中所述反應器包括至少10,000個反應池。
55.權利要求50的微流動反應器，其中所述反應器包括900-10,000個反應池。
56.權利要求50的微流動反應器，其中所述反應池適合于應用在反應室中產生的原位生成的化學反應物。
57.權利要求50的微流動反應器，其中所述反應器包括一個硅微流動模板。
58.權利要求50的微流動反應器，其中所述反應器包括一個塑料微流動模板。
59.權利要求50的微流動反應器，其中相鄰反應池之間的距離為10-5,000微米。
60.權利要求50的微流動反應器，其中相鄰反應池之間的距離為10-2,000微米。
61.權利要求50的微流動反應器，其中相鄰反應池之間的距離為10-500微米。
62.權利要求50的微流動反應器，其中相鄰反應池之間的距離為10-200微米。
63.權利要求50的微流動反應器，其中相鄰反應池之間的距離大于5,000微米。
64.權利要求50的微流動反應器，其中所述反應器包括一個微流動模板和至少一個視窗板。
65.權利要求50的微流動反應器，其中所述反應器進一步包括至少一個遮蔽屏。
66.權利要求50的微流動反應器，其中所述反應器適合于避免反應池之間的化學混合。
67.權利要求50的微流動反應器，其中所述反應器進一步包括與反應池相連的入口節流孔和出口節流孔。
68.權利要求50的微流動反應器，其中所述反應器進一步包括一個公用入口通道、分支入口通道、分支出口通道、以及一個公用出口通道。
69.權利要求50的微流動反應器，其中所述反應器進一步包括在反應池中的固定分子。
70.權利要求69的微流動反應器，其中所述固定分子為生物聚合物。
71.權利要求69的微流動反應器，其中所述固定分子用連接分子固定。
72.權利要求69的微流動反應器，其中所述固定分子選自DNA、RNA、DNA寡核苷酸、RNA寡核苷酸、肽、寡糖和磷脂。
73.權利要求69的微流動反應器，其中所述固定分子為寡核苷酸。
74.權利要求50的微流動反應器，其中所述反應器進一步包括吸附在反應池中的DNA、RNA、DNA寡核苷酸、RNA寡核苷酸、肽、寡糖、磷脂或其組合。
75.權利要求50的微流動反應器，其中所述反應器進一步包括在反應池中雙層構造中的固定分子。
76.權利要求50的微流動反應器，其中所述反應器進一步包括在反應池中三維附著的固定分子。
77.權利要求50的微流動反應器，進一步包括在反應池中的多孔膜。
78.權利要求77的微流動反應器，其中多孔膜為多孔玻璃膜或多孔聚合物膜。
79.權利要求50的微流動反應器，其中所述反應池為毛細管形式。
80.權利要求79的微流動反應器，其中為毛細管形式的反應池的直徑為0.05微米至500微米。
81.權利要求79的微流動反應器，其中為毛細管形式的反應室的直徑為0.1微米至100微米。
82.權利要求50的微流動反應器，其中所述反應器為陣列設備芯片的形式，所述芯片包括向多個用于平行化學反應的反應池分配流體的流體通道。
83.權利要求82的微流動反應器，其中所述流體通道有第一橫截面積，所述反應池有第二橫截面積，其中所述第二橫截面積小于第一橫截面積，并且第一橫截面積與第二橫截面積之間的比為10-10,000。
84.權利要求82的微流動反應器，其中所述流體通道有第一橫截面積，所述反應池有第二橫截面積，其中所述第二橫截面積小于第一橫截面積，并且第一橫截面積與第二橫截面積之間的比為100-10,000。
85.權利要求82的微流動反應器，其中所述流體通道有第一橫截面積，所述反應池有第二橫截面積，其中所述第二橫截面積小于第一橫截面積，并且第一橫截面積與第二橫截面積之間的比為1,000-10,000。
86.權利要求82的微流動反應器，其中所述流體通道是漸縮的。
87.權利要求86的微流動反應器，其中漸縮流體通道提供沿流體通道通過反應池的均勻流量。
88.權利要求50的微流動反應器，其中所述反應室中含有小球。
89.權利要求50的微流動反應器，其中所述反應室中含有樹脂填料。
90.權利要求50的微流動反應器，其中所述反應器包括在反應池中的寡核苷酸陣列、一個由硅制成的微流動模板、以及由玻璃制成并且附著于模板上的第一和第二視窗板。
91.權利要求50的微流動反應器，其中所述設備包括在反應池中的寡核苷酸陣列、一個由硅制成的微流動模板、視窗板、一個遮蔽屏、與反應池相連的入口節流孔、與反應池相連的出口節流孔、以及連接用于平行化學反應的反應池的分配通道。
92.權利要求50的微流動反應器，其中所述反應器為陣列設備芯片的形式，所述芯片包括多個向用于平行化學反應的反應池分配流體的流體通道。
93.權利要求92的微流動反應器，其中所述反應器包括至少10個池。
94.權利要求91的微流動反應器，其中寡核苷酸用連接分子固定。
95.權利要求94的微流動反應器，其中所述反應池適合于應用原位生成的化學反應物。
96.權利要求50的微流動反應器，其中入口通道和出口通道位于微流動模板的同一側。
97.權利要求50的微流動反應器，其中所述反應器包括一個公用入口通道和一個公用出口通道。
98.權利要求50的微流動反應器，其中每個反應池均包括相互之間部分重疊的照射室和反應室。
99.一種包括多個權利要求50的微流動反應器的芯片。
100.一種微流動反應器，包括至少一個微流動模板和附著于該模板上的視窗板，所述微流動模板和視窗板限定了多個反應池，這些反應池提供通過用于平行化學反應的反應池的液體溶液流量，每個反應池均包括一個與第二室流體連通但在空間上隔開的第一室，第一室適合于作為照射室，第二室適合于作為第一室內的光生產物反應的反應室。
101.權利要求100的微流動反應器，其中所述板通過共價吸附而被附著。
102.權利要求100的微流動反應器，其中所述板通過非共價吸附而被附著。
103.權利要求100的微流動反應器，其中所述第一和第二室通過連接通道流體連通。
104.權利要求100的微流動反應器，其中所述第一室與入口通道相連，第二室與出口通道相連，多個反應池通過用于平行化學反應的分配通道相連。
105.權利要求104的微流動反應器，其中所述第一和第二室通過連接通道流體連通。
106.權利要求100的微流動反應器，其中所述第二室包括至少一個其上有固定分子的表面。
107.權利要求100的微流動反應器，其中所述第二室包括至少兩個其上有固定分子的表面。
108.權利要求100的微流動反應器，其中所述第二室包括其上有固定分子的表面的三維陣列。
109.權利要求100的微流動反應器，其中所述第二室包括固定的寡核苷酸。
110.一種微流動反應器，包括至少一個微流動模板和附著于該模板上的視窗板，所述反應器提供至少一個入口通道、至少一個出口通道、分配通道、以及多個用于平行化學反應的液體流通光照反應池。
111.權利要求110的微流動反應器，其中所述板通過共價吸附而被附著。
112.權利要求110的微流動反應器，其中所述板通過非共價吸附而被附著。
113.權利要求110的微流動反應器，其中所述反應池包括至少一個其上有固定分子的表面。
114.權利要求110的微流動反應器，其中所述反應池包括至少兩個其上有固定分子的表面。
115.權利要求110的微流動反應器，其中所述反應池包括其上有固定分子的表面的三維陣列。
116.權利要求110的微流動反應器，其中所述反應池包括固定的寡核苷酸。
117.權利要求110的微流動反應器，其中所述反應器包括公用入口通道和公用出口通道。
118.權利要求110的微流動反應器，其中所述反應器包括公用入口通道
119.權利要求110的微流動反應器，其中所述反應器包括公用出口通道。
120.一種微流動反應器，包括多個流通反應池，所述反應池相互之間通過用于平行化學反應的分配通道流體連通，每個反應池包括i.至少一個照射室，和ii.至少一個反應室，其中所述照射室和反應室流動連通，并且在反應池中相互重疊。
121.權利要求120的微流動反應器，其中室的重疊是部分重疊。
122.權利要求120的微流動反應器，其中室的重疊是全部重疊。
123.權利要求120的微流動反應器，其中所述反應池適合于應用原位生成的化學反應物。
124.權利要求120的微流動反應器，其中所述反應器適合于避免反應池之間的化學混合。
125.權利要求120的微流動反應器，其中所述反應器包括至少10個反應池。
126.權利要求120的微流動反應器，其中所述反應器包括固定分子。
127.權利要求126的微流動反應器，其中所述固定分子選自DNA、RNA、DNA寡核苷酸、RNA寡核苷酸、肽、寡糖和磷脂。
128.權利要求126的微流動反應器，其中所述固定分子為寡核苷酸。
129.權利要求120的微流動反應器，其中所述反應器包括公用入口和公用出口。
130.一種高密度流通多池微流動反應器，包括一個微流動模板、至少一個入口通道、至少一個出口通道以及多個用于平行化學反應的流通反應池，其中入口通道和出口通道埋在微流動模板的中間部分。
131.權利要求130的反應器，其中每個流通反應池包括空間上隔開的照射室和反應室，所述照射室和反應室相互之間流體連通。
132.權利要求131的反應器，其中所述照射室和反應室通過通道相連。
133.權利要求130的反應器，其中所述反應室包括固定分子。
134.權利要求133的反應器，其中所述固定分子為寡核苷酸。
135.一種微流動反應器，包括微流動模板、附著于該模板上的支持板和附著于該模板上的視窗板，其中所述反應器包括多個流通反應池，所述反應池與用于平行化學反應的入口通道和出口通道流體連通，其中入口通道和出口通道位于支持板和微流動模板之間。
136.權利要求135的反應器，其中所述反應器進一步包括位于視窗板上的一個遮蔽屏。
137.權利要求135的反應器，其中所述反應池包括固定分子。
138.權利要求137的反應器，其中所述固定分子為寡核苷酸。
139.權利要求137的反應器，其中所述固定分子設置在反應池的至少兩個表面上。
140.一種微流動反應器，包括多個用于平行化學反應的流通光照反應池，所述反應池與至少一個入口通道和至少一個出口通道流體連通，其中所述反應池與平行的流體分配通道相連，所述分配通道在其末端包括一個通孔，從而流體能夠在不通過反應池的情況下流過通道。
141.權利要求140的微流動反應器，其中所述通孔與出口通道流體連通。
142.權利要求140的微流動反應器，其中所述反應池包括光照室和反應室，所述光照室和反應室流體連通但在空間上隔開。
143.權利要求140的微流動反應器，其中所述反應池包括光照室和反應室，所述光照室和反應室相互之間部分重疊。
144.權利要求140的微流動反應器，其中所述反應池包括光照室和反應室，所述光照室和反應室相互之間完全重疊。
145.一種微流動反應器，包括多個用于平行化學反應的流通光照反應池，所述反應池與至少一個入口通道和至少一個出口通道流體連通，其中所述反應池與流體分配通道平行相連，其中每個反應池具有單獨的出口通道，該通道可以單獨收集每個反應池的流出物。
146.權利要求145的微流動反應器，其中所述反應池包括光照室和反應室，所述光照室和反應室流體連通但在空間上隔開。
147.權利要求146的微流動反應器，其中所述光照室和反應室通過連接通道相連。
148.權利要求145的微流動反應器，其中所述反應池包括光照室和反應室，所述光照室和反應室相互之間部分重疊。
149.權利要求145的微流動反應器，其中所述反應池包括光照室和反應室，所述光照室和反應室相互之間完全重疊。
150.一種適合于原位應用光生反應物的微流動反應器，其中所述反應器包括入口通道、照射室、連接通道、反應室、以及出口通道，其中照射室與入口通道相連，連接通道使照射室和反應室相連，而出口通道與反應室相連。
151.權利要求1的反應器在制備化合物中的用途。
152.權利要求50的反應器在制備化合物中的用途。
153.權利要求1的反應器在篩選化合物中的用途。
154.權利要求50的反應器在篩選化合物中的用途。
155.權利要求1的反應器在檢測化合物中的用途。
156.權利要求50的反應器在檢測化合物中的用途。
157.權利要求1的反應器的制造方法，包括光刻法制造微流動模板的步驟，所述模板適于連接一個或多個視窗。
158.權利要求50的反應器的制造方法，包括光刻法制造微流動模板的步驟，所述模板適于連接一個或多個視窗。
159.一種在微流動反應器中強化平行光化學反應活性的方法，其中所述微流動反應器具有多個隔離的反應池，所述方法包括在每個反應池中提供空間上隔開或重疊的照射室和反應室的步驟。
全文摘要
公開了進行平行化學反應的流動方法及設備。該方法以應用原位光生的反應物為基礎，所述的光生反應物如光生酸、光生堿或在光照下產生活性反應物的任何其它適合的化合物。本發明描述了在不使用大量閥門、泵及其它復雜流動部件的情況下，用于進行大量平行化學反應的設備及方法。本發明提供了包括多個用于進行離散化學反應的微容器的微流動設備。其它應用可以包括在基片表面上制備DNA和RNA寡核苷酸、肽、寡糖、磷脂及其它生物聚合物的微陣列，用于評估基因序列信息、篩選生物及化學活性、確認分子間復合體的形成，以及確定分子復合體的結構特征。
文檔編號B01L3/00GK1427742SQ01809160
公開日2003年7月2日 申請日期2001年7月3日 優先權日2000年7月3日
發明者X·周, T·周, D·孫 申請人:艾克索特羅恩公司