專利名稱：微加工制作的二維光學編碼器及應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及化學、制藥和生物領域，具體的內容是設計并制作二維光學編碼器，利用該編碼器作為承載器，根據編碼器上所帶的編碼在其上攜帶相應的物質，或是在其上進行相應的生物化學反應，檢測時只要讀取編碼器上的編碼即可知道在其之上攜帶的物質種類或是進行了哪些生化反應，通過確認所發生的生化反應種類就可以確定反應產物的類別。
在現代制藥業中，藥物的一個重要來源是通過篩選人工合成的化合物得到。隨著組合化學技術的出現(組合化學是利用高分子載體快速同步合成先導物的類似物和衍生物的一種化學方法，它使過去的衍生物個體化合成方式發展成以串聯和并聯方式同步合成數以千計乃至數萬個化合物的組合合成方式，這種根據母體化合物結構快速合成化合物群體，其結構范圍又可以預測的方法能很快建立起龐大的化學衍生物庫，使得先導化合物的化學修飾進程得以大大加快)，研究人員可以合成根據一個先導物合成成千上萬個類似物或衍生物，然后從中篩選出真正有效的藥物分子。但是研究人員也面臨一個問題就是如何快速并行地合成這些化合物，如何指導并監控化合物合成過程以確保得到正確的產物。
例如美國IRORI公司利用射頻(radiofrequency，RF)技術進行化合物合成過程的標示與控制。首先，研究人員制作好微反應器，微反應器的表面是功能化的固相承載體，所有的化合物合成將在該承載體上完成。微反應器的內部是一個獨特的識別碼，用于標示該微反應器，每種微反應器之間的標示是不一樣的。該識別碼是由一個射頻發生和接收電路實現，整個電路的用玻璃密封起來。當進行化合物的合成時，根據所需合成化合物的種類確定使用微反應器的種類，如要合成n種化合物的話，就需要n種具有不同標識符的微反應器。這樣可以根據預先設定好的程序，依照微反應器內不同的識別碼來確定每次在微反應器上需要進行的合成反應種類(識別碼是通過射頻輸出，不同的識別碼對應不同的頻率，由外部接收裝置接收后將微反應器輸送到相應的反應器中進行合成反應)。這樣，當所有合成反應結束后，將不同種的微反應器分開，分別讀取微反應器內的識別碼，由該識別碼就可以知道在微反應器上進行了哪些合成反應，并且這些合成反應的先后次序如何，由此也可以推斷出在該微反應器上反應產物的種類。反應產物是在微反應器的表面上，可通過化學切割的方法將其取下，并封裝起來。該方法的最大好處是在合成不同的化合物時，如果在某一步它們需要進行相同的反應，那么可以在同一個反應器內同時進行，而不必分開進行，并且該過程可以自動化。但是，這種射頻發生和接收電路裝置結構比較復雜，成本也較高，另外，射頻裝置發射電磁波需要外加能量，如在射頻裝置中加入供電設備，如電池，所以使用有一定的時效限制。當前在化學、制藥和生物領域，需要進行大規模的化學反應，其中，對于參與反應的每一個單元的識別與控制尤其重要。另外，在藥物篩選過程中，待篩選的組合化合物庫中的化合物數目成千上萬，如何實現高通量的篩選是非常關鍵的。美國的Luminex公司有一項稱為LabMAP(Multi-Analyte Profiling assay)的技術可以成功的進行對化合物的高通量篩選。該公司利用自己在化學熒光技術方面的優勢，在微珠體表面包裹一層特定化學物質，該物質能在特定頻率的激光激發下產生不同顏色的熒光。Luminex可以制出100種這樣的熒光微珠體。這樣，在不同種類微珠體上接上不同的生物物質或化學物質。同時將待反應靶分子作標記，進行化學反應。反應后，將這樣的微珠體逐個通過自動化的分選裝置。首先，檢測靶分子的標記，即判斷靶分子是否和正在檢測的這個微珠體上的生物物質或化學物質發生了反應。如果有信號，即靶分子和正在檢測的這個微珠體上的生物物質或化學物質發生了反應，再以特定頻率的激光激發微珠體表面包裹的化學物質，通過檢測該化學物質激發出熒光的顏色，可以得知微珠體上生物物質或化學物質的種類。這樣，在一次反應中可以同時對100種反應類型進行檢測，實現了高通量的目的。
本發明所述的二維光學編碼器的最初設計思想是來源于尋找一種能夠實現上述射頻微反應器和熒光微珠體進行標識功能的替代裝置，而后我們又發現這樣的二維光學編碼器除了大規模化合物合成，化合物高通量篩選以外，還可以用于制作生物芯片等其它領域。
本發明的目的之一在于提供一種結構簡單、成本低、使用期限長、編碼靈活的編碼器，可廣泛適用于化學、制藥和生物領域，用于對參與化學反應的每一個單元的識別或自動控制。
本發明的目的之二在于提供一種應用于大規模化合物合成反應或用于標記物質的承載器，該承載器結構簡單，成本低，使用期限長。
本發明的目的之三在于提供一種應用二維光學編碼器所實現的大規模化合物合成反應的控制方法，該控制方法的成本較低本發明的目的之四在于提供一種利用二維光學編碼器制作的生物芯片及利用該生物芯片實現的物質檢測方法，該生物芯片可以方便地檢測其中每一個生物物質或化學物質的種類，用戶可根據需要確定所需要的探針組合，使用方便，該生物芯片及其所實現的物質檢測方法尤其適用于對反應后生物物質或化學物質的高通量篩選。
本發明的技術方案如下
本發明中所述的二維光學編碼器采用適當的基底材料制成，通過微加工方法在基底材料上加工出各種類型的二維光學編碼。
制作二維光學編碼器的基底材料可以是硅、氧化硅、氮化硅、玻璃、塑料或化學聚合物、磁性材料、碳、金屬或是它們的組合。二維光學編碼器中的二維光學編碼的編碼圖案包括孔狀編碼、條形編碼、數字圖案、字母圖案、符號圖案等，一般可采用其中的任一種或是組合。二維光學編碼圖案的實現方式包括在基底材料上刻出深淺不一的圖案、在基底材料上鉆孔，由孔的位置組合代表不同的編碼、使用不同的材料制作編碼區域以排列成一定的圖案或是它們的組合。其中所使用的制作編碼區域以排列成一定圖案的不同的材料可以是對光吸收率不同的材料，這樣采用一束光照射編碼區，可以根據光被吸收的情況作圖形成特定的圖案；也可以采用反射率不同的材料，這樣采用一束光照射編碼區，可以根據光反射的強度的不同作圖形成特定的圖案；也可以采用折射率不同的材料等等。二維光學編碼器的尺寸可以從0.01微米到幾個厘米，可以根據實際需要加工成各種不同的形狀，并且在二維光學編碼器上的編碼可以只處于編碼器的某一部分，并不影響編碼器其它部分的功能。由于每個二維光學編碼器都具有能代表其本身的特殊編碼，且該編碼為物理性標記，所以二維光學編碼器具有廣泛的用途。
二維光學編碼器結構及加工工藝都比較簡單，成本低，如果使用微加工工藝大規模生產，其成本會相當低廉，而且二維光學編碼器一次制成后經久耐用，光學編碼的檢測也容易實現；另一方面，在理論上，光學編碼的組合可以有無窮多種，編碼的靈活性高，編碼容量大，因此特別適合于大規模化合物反應及生物物質或化學物質的高通量篩選。
本發明之一種應用于化合物合成反應的承載器，具有用于合成化合物的表面，在該承載器上設置有以微加工方法加工出的二維光學編碼，該二維光學編碼表示該承載器需要進行的一系列化合物合成反應，并可用于確定反應產物的類別。
由于本發明是采用二維光學編碼器作為承載器，因此該承載器結構簡單，成本低，使用期限長。
在優選的實施例中，所述的承載器采用球缺形，在該承載器的平面部分上加工出相應的二維光學編碼，其球面部分用于合成化合物。這種承載器可以漂浮在溶液上，由設置其上方的讀碼器識別后以實現化學反應的控制，例如根據其編碼快速地對承載器進行分選以決定其下一步所要進行的合成反應；這種承載器也可以懸浮在溶液中，由設置在其周圍的讀碼器識別后以實現化學反應的控制。所述承載器之未編碼區域之表面具有化學修飾層，并連接有可切割臂，該可切割臂連接在所合成之化合物與該承載器之間。所述的可切割臂采用光可切割臂、酶可切割臂、溫度可切割臂，并且保證后續的化學合成反應均是在該可切割臂上連接下去。
本發明之一種用于標記物質的承載器，具有用于結合物質的表面，該承載器上設置有以微加工方法加工出的二維光學編碼，該二維光學編碼用于確定該承載器上所攜帶的物質的種類。
該承載器結構簡單，成本低，使用期限長。
在優選的實施例中，所述的承載器采用球缺形，在該承載器的平面部分上加工出相應的二維光學編碼，其球面部分用于結合物質。
上述的用于化合物合成反應或用于標記物質的承載器，其形狀也可以采用圓柱體、圓錐體、正方體、長方體、棱柱、棱錐、圓臺形等之任意一種形狀或是它們的組合，在這些形狀的承載器上選定一個區域上加工出相應的二維光學編碼，而其它區域用于合成化合物或是用于結合物質。
本發明揭示了一種大規模化合物合成反應之控制方法，在該方法中，以該二維光學編碼器作為承載器，根據該二維光學編碼器的編碼，控制該編碼器進入相應的反應池進行化合物合成反應。
所述的大規模化合物合成反應之控制方法，在優選的方案中，包括以下步驟(1)以二維光學編碼表示需要進行的合成反應及反應后相應的產物，將多個分別具有唯一性編碼的二維光學編碼器混合在一起，對其未編碼區域進行表面化學修飾；(2)讓各光學編碼器依此通過可識別該編碼器之編碼的分選裝置，并由編碼器之編碼決定該編碼器應輸送到哪個反應池中；(3)各編碼器進入相應的反應池進行化合物合成反應；(4)每一次合成反應結束后，都將各編碼器再次混合在一起，根據編碼器上的編碼，由分選裝置再次進行分選，通過識別編碼器上的下一個編碼可以進行新的分選，各編碼器進入新的、相應的反應池，進行新的化合物合成反應，直到完成所有的合成反應。
其中所述分選裝置上設有一個每次只適于一個編碼器通過的小通道，存在于溶液中的光學編碼器在一定的外力作用下通過該通道，設置在通道的附近之用于識別編碼器上編碼的讀碼器讀取該光學編碼器的編碼。
上述之施加于二維光學編碼器或是其上所帶物質之外力包括靜電力、磁場力、介電行波、磁場行波或聲場行波所產生之作用力，即采用介電行波、磁場行波、聲場行波的方法產生之作用力，該作用力施加于二維光學編碼器或是其上所帶物質，以使得反應體系通過這一每次只適于一個編碼器通過的小通道，進行分選。
上述之施加于二維光學編碼器或是其上所帶物質之外力還包括使用電滲泵、機械泵或電液-動泵(electrohydrodynamic pump)所產生之作用力，該作用力施加于反應體系的溶液，以使溶液攜帶著二維光學編碼器及其其上的物質通過這一每次只適于一個編碼器通過的小通道，進行分選。
經過分選裝置對編碼器之編碼的識別后，編碼器將被輸送到所述通道后面的各個反應池中，通過讀取的編碼器之編碼信號，可以將相應的反應池與通道相連接，讓對應的編碼器進入相應的反應池中，進行下一步合成反應。
在本發明的大規模化合物合成反應之控制方法中，由于采用二維光學編碼器作為承載器，降低了成本，而同時具有良好的標識功能，可替代射頻微反應器或熒光微珠體。
本發明進一步揭示了一種生物芯片，該生物芯片包括多個以微加工方法加工出的二維光學編碼器，該光學編碼器與生物物質或化學物質相連，每一個光學編碼器所帶有的二維光學編碼表示該編碼器處所連接之生物物質或化學物質的種類。在二維光學編碼器的非編碼區域修飾有用于固定生物物質或化學物質的功能層。
在該生物芯片之應用中，上述的生物物質包括DNA、RNA、肽、蛋白質、抗原、抗體、糖、脂類、細胞因子、激素或是它們的復合物、細胞、病毒。生物物質或化學物質較常見的一種形式就是生物芯片上的探針分子。
生物芯片的概念源自于計算機芯片，狹義的生物芯片即微陣列芯片，其分析的基本單位是在一定尺寸的基片(如硅片、玻璃、塑料和尼龍膜等)表面有序的以點陣方式排列的一系列固定于一定位置的可選址的識別分子，這樣的每一個分子都可以視為一個傳感器的探頭。在一定的條件下進行結合反應，結果利用熒光法、化學發光法或是同位素法顯示，再用掃描儀等光學器件記錄，最后通過專門的計算機軟件進行分析。廣義的生物芯片是指能對生物分子進行快速并行處理和分析的微型固體薄型器件。那么將現有的任何生物化學反應微縮化和快速化的器件被歸總為生物芯片。如PCR芯片、陣列毛細管電泳芯片等。本發明上述的生物芯片正是屬于一種廣義的生物芯片。這種生物芯片可以方便地檢測其中每一個二維光學編碼器所固定之生物物質或化學物質的種類，用戶可根據需要確定所需要的探針組合，使用方便，該生物芯片由于采用二維光學編碼，使其尤其適用于對大量反應后生物物質或化學物質的高通量篩選。
本發明還揭示了一種利用上述的生物芯片所實現的物質檢測方法，該方法包括以下步驟(1)將物質體做上特殊標記；(2)以二維光學編碼器之編碼表示其所固定之生物物質或化學物質的種類，將帶有不同生物物質或化學物質的多個二維光學編碼器與物質體進行化學反應；(3)反應完成后，對光學編碼器經過嚴格度清洗；(4)讓這些光學編碼器依次通過一個特殊標記檢測裝置，檢測帶有標記的光學編碼器，并讀取光學編碼器之編碼，相應地可確定物質體的種類或數量。
上述的特殊標記可以采用熒光標記、同位素標記等等。
在上述的物質檢測方法中，由于采用二維光學編碼作為生物物質或化學物質的載體，可以非常方便地確定物質體的種類或數量，并適用于對反應后生物物質或化學物質的高通量篩選。
本發明之二維光學編碼器可廣泛應用于化學、制藥和生物領域。
以下結合附圖和實施例進一步說明本發明。
圖1是使用本發明之二維光學編碼器進行化合物合成的過程示意圖；圖2是本發明之二維光學編碼器所采用的三種編碼圖案；圖3是另一種二維光學編碼器的示例，(A)所示的微型器件呈圓盤形并分布有編碼用的孔6，而且還加工了定位/對中用的際記5；(B)是本發明所提供的二維光學編碼器的一個具體實例—微型盤片，該微型盤片具有二維條形編碼，其下代表該編碼的數字。
圖4所示的是本發明所提供的用于加工一類二維光學編碼器件(或編碼微粒)的工藝流程。第一步是基底的準備；第二步是沉積犧牲層；第三步是沉積第一層；第四步是沉積第二層；第五步是光刻第二層；第六步是沉積第三層；第七步是光刻第一層和第三層；第八步是刻蝕犧牲層。
圖5是應用于化合物合成反應的承載器之一實施例在實際應用中處于分選狀態的示意圖；圖6是本發明之生物芯片的二維光學編碼器進行物質檢測之實施例的示意圖。
圖7所示的是微型盤片分布在一個載玻片上。
圖8所示的是在一個作用在平面上的微弱磁場(由一個C形磁鋼產生)的影響下，微型盤片形成鏈式排布。
圖9所示的是多個微型盤片在一個垂直于平面的強磁場的作用下而豎立在平面上(磁場由一個盤狀的釹磁鐵產生)。
圖10所示的是兩個微型盤片。
圖11所示的是在磁場的作用下對微型盤片的定位操作。
圖12所示的是共價結合實驗的結果。
圖13所示的是一個生物檢驗實驗的結果。
圖14所示的是一個生物檢驗實驗的進一步結果，該實驗測定了同一個實驗中不同種類的微型盤片的熒光信號。
由于每種二維光學編碼器都具有能代表其唯一性的光學編碼，所以類似于上面所述的美國IRORI公司采用的射頻技術一樣，二維光學編碼器也可應用于化合物的合成。例舉一個二維光學編碼器應用于大規模化合物合成之實施例，如圖1所示是上述使用二維光學編碼器進行化合物合成的過程示意圖，需要合成三種化合物，每種化合物的合成過程為化合物W1(a-b-c)，化合物W2(a-c-c)，化合物W3(b-a-c)，化合物W4(c-b-a)。這里a、b、c表示需要進行的合成反應及反應后相應的產物。取三種二維光學編碼器，編碼器M1的編碼為123，編碼器M2的編碼為133，編碼器M3的編碼為213。首先設定編碼1代表合成反應a，編碼2代表合成反應b，依次類推，編碼3代表合成反應c。將這三種編碼器混合在同一個容器中，對其未編碼區域進行表面化學修飾，先連接上一個可切割臂，該可切割臂可以是光可切割、酶可切割、溫度可切割等等，并且保證后續化學合成反應均是在該可切割臂上連接下去。接著讓編碼器依次通過分選裝置，該分選裝置上裝有解碼裝置，可以讀取編碼器上的編碼，并由編碼決定該編碼器應輸運到哪個反應池中。如上述的三種編碼器，第一次通過分選裝置時，解碼器只讀取編碼器上的第一個編碼并由此進行分選，編碼器M1、M2將進入反應池a進行合成反應a，編碼器M3進入反應池b進行合成反應b。反應結束后，將三個編碼器再次混合在一起，再次經過分選裝置進行分選，通過解碼編碼器上的第二個編碼可以進行新的分選，編碼器M3進入反應池a進行合成反應a，編碼器M1將進入反應池b進行合成反應b，編碼器M2進入反應池c進行合成反應c。由此類推，每一次反應完成后都將所有編碼器混合在一起后在根據編碼器上相應位置的編碼重新分選，進行新的合成反應。等所有的反應都完成后，相應需要合成的化合物就位于編碼器的表面上，將各種編碼器分別封裝保存，使用時通過讀取編碼器上的編碼就可以知道相應的化合物種類和結構，由于化合物與編碼器之間是通過一個可切割臂連接在一起的，所以通過切割可切割臂可以容易得到相應的化合物。
圖1中每一個包含3個小寫字母(a，b，c)的矩形框為一個二維光學編碼器，其中的小寫字母為根據其編碼應進行的反應代碼，黑色圓中的大寫字母(A，B，C)表示實際完成的反應之代碼。
圖2是舉例的三種光學編碼方式，其中，(A)為孔狀編碼示例，其中所示的微型器件呈矩形，編碼的孔排布于該器件的中心線上，(B)為數字、字母等符號的編碼示例，(C)為條形碼狀編碼示例。
圖3是另一種二維光學編碼器的示例，(A)所示的微型器件呈圓盤形并分布有編碼用的孔6，而且還加工了定位/對中用的標記5；(B)是本發明所提供的二維光學編碼器的一個具體實例—微型盤片，該微型盤片具有二維條形編碼，其下代表該編碼的數字。該微型盤片直徑是80微米，0.5微米厚的外部氧化硅層及直徑70微米，0.5微米厚的鎳中間層。編碼圖案上亮的區域是鎳，暗的區域是氧化硅。從上方照射該微型盤片，放大倍數220×。
圖4顯示了加工一類二維光學編碼的加工工藝。此處所述的編碼有三層，從圖13所示的方位看分別是頂層，底層和/或中間層，在中間層上帶有編碼信息。用于包圍中間層的底層和頂層材料可以被修飾并與適當的分子相結合。在圖4中所示的工藝以及下面所述的工藝只是用于加工編碼微粒的工藝示例。那些在微加工領域的專業人士可以根據編碼微粒的材料和幾何形狀采用不同的工藝來加工。
如圖4所示，示范的工藝從準備固體基底開始。基底必須預先清洗干凈使之適于微加工。例如用于半導體加工的硅片就可以作為基底。接著在清洗干凈的基底上沉積或涂敷犧牲層。如后面所述，在加工的最后一步，犧牲層將被通過諸如溶解，刻蝕等方法去處掉。犧牲層可以是金屬如銅，Si3N4，或其它材料。在選擇合適的材料作為犧牲層時，必須確保在對犧牲層進行選擇性去除時對用于制造編碼微粒本身的材料不會產生影響。犧牲層可以有不同的厚度，如1微米。用于沉積這類犧牲層的方法包括濺射，蒸發或其它沉積方法。各種沉積方法的選擇基于多個因素如犧牲層的材料，厚度以及微加工實驗室的加工能力等等。
在形成犧牲層之后，編碼微粒的底層，即圖4中步驟3所示的第一層，被沉積在犧牲層上。這層可以由多種材料來制造如氧化硅，氧化鋁，塑料，聚合物等。適宜的，底層的材料是可以被修飾的，這樣感興趣的分子可以結合在底層的表面上。可以采用不同的方法來加工這一層。例如，濺射或蒸發可用于加工氧化硅層。底層可以由不同的厚度，取決于編碼微粒的特殊設計。這一層可以薄到只要幾個納米，或者厚到幾個微米或幾個毫米。例如我們加工的編碼微粒具有50納米，0.1微米，0.3微米，0.5微米或1微米厚的氧化硅底層。
在編碼微粒形成底層之后，即圖4中步驟3所示的第一層，中間層，即圖4中步驟4所示的第二層，被形成或沉積在底層之上。這一層具有多個不同的目的。它可以用于攜帶編碼信息，如圖4中所示。例如，金屬層(如鋁)可以用作中間層，通過光刻技術可以在該金屬層上加工各種編碼特征結構如線，點，正方形，數字等。該中間層還可能由適當的材料組成，這樣整個編碼微粒就具有合適的物理性質。例如，這一層可能是磁，鐵磁，或亞鐵磁材料組成，這樣編碼微粒就具有磁特性。例如，鎳金屬或鈷-鉭-鋯合金(CoTaZr)或其它磁材料可以被使用。這類層可以用不同的沉積或形成方法來制作，取決于諸如可沉積的材料，層的厚度，可采用的方法等因素，并不局限于蒸發，濺射等方法。這一層可以由不同的厚度，取決于編碼微粒的特殊設計及要求。這一層可以薄到只要幾個納米，或者厚到幾個微米或幾個毫米。例如我們加工的編碼微粒具有0.02微米，0.05微米，0.1微米，0.3微米，0.5微米，1微米或3微米厚的不同材料如鋁，鎳，鈷-鉭-鋯合金等的中間層。在通過不同的沉積方法形成中間層之后，中間層還需要加工成所需的編碼特征結構或形成所需的確定的幾何圖案(如圖4中步驟5所示的第二層)。編碼特征結構用于編碼每個單獨的微粒。特征結構可包括但不局限于，數字，字母，符號，線，正方形，1維條形編碼，2維條形編碼等。有多種商業化的編碼圖案可以使用，如在1995年10月的“Automatic I.D.News”里所述的二維編碼。利用掩模版及光刻技術可以加工出中間層的圖案。這類基于光刻技術而得到的圖案可以由多種方法加工而成。那些在微加工領域的專業人士可以根據中間層的材料和所需圖案的幾何尺寸選擇并采用不同的合適的工藝來加工中間層所需得編碼幾何圖案/特征形狀。例如，我們可以通過先光刻涂敷在金屬層上的光刻膠層得到所需的圖案，然后對金屬層進行化學刻蝕得到相應的圖案。
在中間層(即圖4中步驟5所示的第二層)圖案化之后，頂層(即圖4中步驟6所示的第三層)被加工或沉積在中間層之上。這一層可以由多種不同的材料來制作，如氧化硅，氧化鋁，塑料，聚合物等。在某些例子中，頂層與底層的材料是一樣的，但這也并不是必需的。頂層可以有與底層不同的材料/成分。適宜的，頂層的材料是可以被修飾的，這樣感興趣的分子可以結合在頂層的表面上。可以采用不同的方法來加工這一層。例如，濺射或蒸發可用于加工氧化硅層。頂層可以由不同的厚度，取決于編碼微粒的特殊設計。這一層可以薄到只要幾個納米，或者厚到幾個微米或幾個毫米。例如我們加工的編碼微粒具有50納米，0.1微米，0.3微米，0.5微米，1微米，1.5微米或1.9微米厚的氧化硅頂層。為了所設計和選擇的光學可編碼微粒具有如圖13所示的相似的層結構，在沉積頂層時必須小心，保證頂層覆蓋了所有的中間層，特別是如果中間層材料是金屬或其它非惰性材料時。但是這也不總是一個嚴格的要求。在一些確定的應用中，由于頂層沒有覆蓋而導致一些中間層材料暴露在某些反應溶液中也不會有什么問題。在這類例子中，沒有必要要求頂層一定要完全覆蓋中間層。
在用適當的沉積方法沉積頂層之后，可以對頂層和底層進行進一步加工以產生互不相聯的單個編碼微粒。如果底層(即圖4中步驟3所示的第一層)和頂層(即圖4中步驟6所示的第三層)是相同材料，對頂層和底層的處理和加工可以同時進行，但這也不是必需的。底層和頂層可以分成兩個步驟來分別進行加工和處理，特別是如果頂層和底層所用的材料不一樣時。例如，我們用氧化硅加工確定編碼微粒的頂層和底層。對于這些微粒，我們可以用化學刻蝕或干刻方法同時加工或圖案化頂層和底層。
在頂層和底層圖案化之后，編碼微粒已加工出來但仍然粘接在犧牲層上。因此，加工的最后一步包括去除或刻蝕犧牲層以釋放加工好的編碼微粒。例如，確定的刻蝕溶液(如酸)可以用于刻蝕金屬犧牲層并釋放編碼微粒。
在上述描述中，我們展示了用于加工一類編碼微粒的示例加工工藝。必需指出的是，編碼微粒可以有與圖4所示的編碼微粒不同的構造。例如，圖4中所示的編碼微粒具有三層結構，但是實際上編碼微粒可以是一層，兩層，四層或更多層。而且，可以采用非常不同的加工工藝和手段來加工這類編碼微粒。例如，Hagedorn等人在Journal of Electrostatics(卷33，159-195，1994)上發表的用于加工介電微發動機的加工方法就可以直接或經修改后用于加工本發明中所示的光學編碼微粒。
在上述方法中，如何快速地進行二維光學編碼器分選以決定其下一步所要進行的合成反應是很關鍵的。在本發明的優選實施例中，如圖5所示，采用的二維光學編碼器是一個球缺形編碼器1作為承載器，在編碼器的平面部分上加工相應的光學編碼，而球面部分用于合成化合物；該編碼器1的密度合適，使得編碼器可以漂浮在溶液上，這樣，編碼器帶編碼的平面將始終朝上。當混合好的編碼器需要進行分選時，分選裝置上有一小通道2，該通道的尺寸大小只適于每次通過一個編碼器，存在于溶液中的編碼器將快速通過該通道，在通道的上方有用于識別編碼器上編碼的裝置3，經過讀碼器的識別后，編碼器將被輸送到通道后面的各個反應池中，通道后面可以是一個類似于分布收集器的裝置，通過讀碼器給出的信號可以將相應的反應池與通道相連接，讓對應的編碼器進入相應的反應池中進行下一步合成反應。
在本發明的優選實施例2中，亦如圖5所示，采用的二維球缺形光學編碼器1作為承載器，在編碼器的平面部分上加工相應的光學編碼，而球面部分用于合成化合物。該編碼器的密度合適，使得編碼器可以懸浮在溶液中。當混合好的編碼器需要進行分選時，分選裝置上有一小通道2，該通道的尺寸大小只適于每次通過一個編碼器，存在于溶液中的編碼器將快速通過該通道，在通道的四周有用于識別編碼器上編碼的裝置3，經過讀碼器的識別后，編碼器將被輸送到通道后面的各個反應池中，通道后面可以是一個類似于分布收集器的裝置，通過讀碼器給出的信號可以將相應的反應池與通道相連接，讓對應的編碼器進入相應的反應池中進行下一步合成反應。
在上述之如圖5所示的兩個優選實施例中，所述之承載器也可以采用其它的形狀，如圓錐體、圓柱體、正方體、長方體、棱柱體、棱錐體或圓臺體等。所述之承載器通過分選裝置之小通道2時，可以使用靜電力、磁場力、介電行波、磁場行波、聲場行波的方法，通過對二維光學編碼器或是其上所帶物質施加力的作用，以使得反應體系通過這一每次只適于一個編碼器通過的小通道，進行分選；也可以使用電滲泵、機械泵或電液-動泵(electrohydrodynamic pump)的方法，通過對反應體系的溶液施加力的作用，使溶液攜帶著二維光學編碼器及其其上的物質通過這一每次只適于一個編碼器通過的小通道，進行分選。
本發明所述的二維光學編碼器也可以用于制作各種生物芯片，如DNA芯片、蛋白芯片、多糖芯片等等。
傳統的微陣列芯片是將一定數目的生物分子(即生物物質或化學物質)固定在一定的基底表面，標記自由溶液中的靶分子，標記方式通常為熒光、同位素等等。如果生物物質或化學物質和靶分子可以進行相應的生物化學反應，則生物物質或化學物質就因為和靶分子結合而帶上了標記。在這里，生物物質或化學物質始終是檢測的核心。通過檢測生物物質或化學物質是否帶有靶分子的標記，可以確定生物物質或化學物質和靶分子是否結合，即對生物物質或化學物質的標記是通過生物物質或化學物質和靶分子的化學反應實現的；另外，根據生物物質或化學物質在芯片上的位置，可以確定生物物質或化學物質的種類，即對生物物質或化學物質進行了位置標記，這個標記是與生物物質或化學物質和靶分子之間的化學反應無關的，是一種物理標記。擴展開去，對生物物質或化學物質的物理標記方式除了位置標記，還可以利用本發明中的二維光學編碼器進行。
在利用二維光學編碼器制作生物芯片時，首先，需制備帶有不同編碼的編碼器1，在編碼器的非編碼區域修飾上功能層，該功能層是用于生物物質或化學物質的固定化。例如，功能層可以是如下薄層(但不限于此)單分子層、膜層、膠層、多孔或無孔的材料層。功能層也可以是生長在編碼器表面上的一層附屬層(通過微加工方法得到)。另外，功能層也可以通過直接對編碼器表面分子進行化學修飾而形成。理想狀態下，除了待固定的生物物質或化學物質外，功能層不與其它分子發生非特異性結合，并且與待固定之生物物質或化學物質的特異結合是高效的。具體地說，功能層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、多孔或無孔材料和/或者這些材料的組合。單分子層膜是指單分子層(如Langmuir-Blodgett膜)。為固定核酸探針，可以使用在Southern blot和Northern blot所用的結合材料如硝化纖維或尼龍。蛋白和多肽可以通過各種物理或化學手段來結合(例如疏水)。例如，為了結合蛋白或多肽，可以將特定的受體如抗體或外源凝集素加到功能層上。根據目標分子及在編碼器上所要進行的反應和分析，可以將不同的分子加到功能層上。這些為固定生物物質或化學物質而加到功能層上的分子稱為功能團。功能團可以是(但不局限于)乙醛、二亞胺碳、琥珀酰亞胺酯、抗體、受體及外源凝集素。這些功能團還包括通過對編碼器表面進行化學修飾而形成的化學團或分子位點。
以制作蛋白芯片為例，每一種用于制作探針的蛋白固定于一種光學編碼器的功能層上，則該光學編碼器上所帶有的編碼就代表該種探針蛋白，這樣通過讀取光學編碼器上的編碼就可以知道該編碼器上帶有的探針蛋白種類。利用這些編碼器進行實驗時，首先將樣品溶液中的未知蛋白做上熒光標記，然后將帶有不同探針蛋白的多種光學編碼器加入到樣品溶液中進行親和反應。反應完成后再經過嚴格度清洗，然后讓這些光學編碼器依次通過一個檢測裝置，如圖6所示，類似于上面圖5中所示的分選裝置，由一個微通道2，微通道2大小正好容許一個光學編碼器1通過，可以使用靜電力、磁場力、介電行波、磁場行波、聲場行波的方法，通過對二維光學編碼器或是其上所帶物質施加力的作用，以使得反應體系通過這一每次只適于一個編碼器通過的小通道，進行分選；也可以使用電滲泵、機械泵或電液-動泵(electrohydrodynamic pump)的方法，通過對反應體系的溶液施加力的作用，使溶液攜帶著二維光學編碼器及其其上的物質通過這一每次只適于一個編碼器通過的小通道，進行分選。通道的同一位置處有對應的上下兩個窗口，在通道的下方窗口下有一個熒光檢測裝置4，上方窗口上有一個讀碼器。當光學編碼器依次通過該通道2時，如果該光學編碼器1上固定的探針蛋白與樣品中的未知蛋白發生了親和反應，由于未知蛋白上帶有熒光基團，所以該光學編碼器通過檢測窗口時，熒光檢測裝置4將檢測到熒光信號并觸發上方的讀碼器3讀取光學編碼器上的編碼，根據讀取的編碼可以確定該光學編碼器1上固定的探針蛋白種類，相應地也可以知道樣品溶液中未知蛋白的種類。
這種生物芯片的優點在于使用者可自行將各種探針蛋白固定在加工好的二維光學編碼器上形成各種帶有探針蛋白的光學編碼器并分別保存，然后根據每個實驗的實際需要來確定所需的探針組合，使用方便。
為檢測物質的種類或數量，在待檢測物質中的靶分子上可以加以標記，如熒光標記，同位素標記等等。進行化學反應。反應后，使得二維光學編碼器逐個通過檢測裝置。該檢測裝置除了能夠識別二維光學編碼器的光學編碼外，還設置有能檢測靶分子上標記的檢測器。可以同時檢測每個通過檢測器的二維光學編碼的種類以及其上的探針是否與靶分子發生了反應。
與Luminex公司的LabMAP技術相比，本發明的二維光學編碼器的最大的優點在于，可以達到比LabMAP技術高的多的通量。由于化學發光物質本身和檢測裝置的限制，現在Luminex公司的可以分辨熒光微珠體的種類僅僅有100種，而二維光學編碼器的種類顯然遠不止100種，理論上，光學編碼的組合可以有無窮多種。另外，熒光微珠體是通過在普通的微珠體表面包裹一層化學發光物質，隨著使用，熒光的發光效率、包被的牢固程度都應該被考慮在內。而二維光學編碼器通過微加工方法制作，相對比較牢固耐用。
圖7-14描述了微型器件-微型盤片的使用。
圖7是盤片隨機地分布在載玻片上。微型盤片具有直徑是80微米，1微米厚的外部氧化硅層及直徑70微米，0.3微米厚的鈷-鉭-鋯合金中間層。放大倍數44×。
圖8是在平面上一個微弱磁場的作用下(該磁場由一個C形磁鋼產生)，微型盤片形成鏈狀排布。微型盤片具有直徑是80微米，1微米厚的外部氧化硅層及直徑70微米，0.3微米厚的鈷-鉭-鋯合金中間層。(A)放大倍數44×，(B)放大倍數88×。
圖9是在一個垂直于平面的強磁場的作用下(該磁場由盤狀釹磁鐵產生)，多個微型盤片豎立在平面上。微型盤片具有直徑是80微米，1.9微米厚的外部氧化硅層及直徑70微米，0.1微米厚的鈷-鉭-鋯合金中間層。放大倍數44×。
圖10顯示兩個微型盤片。(A)中是在一個垂直于平面的強磁場的作用下(該磁場由盤狀釹磁鐵產生)，微型盤片豎立在平面上。(B)顯示去掉磁場后微型盤片的狀態。微型盤片具有直徑是80微米，1微米厚的外部氧化硅層及直徑70微米，0.3微米厚的鈷-鉭-鋯合金中間層。放大倍數88×。
圖11顯示在磁操作下微型盤片的定位狀態。微型盤片具有直徑是80微米，1微米厚的外部氧化硅層及直徑70微米，0.3微米厚的鈷-鉭-鋯合金中間層。放大倍數88×。
圖12顯示共價結合實驗結果。微型盤片用3-glycidoxypropyltrimethoxy silane處理后，得到的環氧化物用酸水解后產生二醇表面。二醇修飾的微型盤片再與2，2，2-Trifluoroethanesulfonyl chloride(tresyl chloride)作用。(C)顯示激活的微型盤片與熒光團(Biocytin-Alexafluor594；分子探針公司)共價結合的結果。(D)是對照實驗，所用的是沒有激活的二醇修飾微型盤片。(A)顯示了在白光下的圖像，(B)是熒光信號。在進行背景校正后，激活的微型盤片上的熒光信號比沒有激活的二醇修飾微型盤片上的熒光信號強100倍以上。微型盤片具有直徑是80微米，1微米厚的外部氧化硅層及直徑70微米，0.3微米厚的鈷-鉭-鋯合金中間層。放大倍數88×。
圖13顯示了一個生物檢測實驗。tresyl-activated的微型盤片與鼠IgG共價結合(C)。接著，微型盤片與熒光標記的抗鼠抗體(Alexafluor488羊抗鼠IgG，分子探針公司)共同培養。(D)顯示了對照實驗使用沒有激活的二醇修飾微型盤片。(A)顯示了在白光下的圖像，(B)是熒光信號。在進行背景校正后，與鼠IgG共價相接的微型盤片上的熒光信號比沒有激活的二醇修飾微型盤片上的熒光信號強100倍以上。微型盤片具有直徑是80微米，1微米厚的外部氧化硅層及直徑70微米，0.3微米厚的鈷-鉭-鋯合金中間層。放大倍數88×。
圖14顯示同一個實驗中同時檢測兩類微型盤片的熒光信號。(A)是白光下的圖像；(B)是熒光信號。在每個圖中，帶有共價結合的鼠IgG的微型盤片位于圖的左側，二醇修飾的微型盤片位于圖的右側，放大倍數88×。
以上結合優選實施例對根據本發明的二維光學編碼器及其應用進行了描述。本領域內的技術人員可以理解，上文中所提到的參數如數量、尺寸等均是示例性的而不應視為對本發明的限制。本發明的范圍有后附的權利要求書限定。
權利要求
1.一種二維光學編碼器，該編碼器采用適當的基底材料制成，該基底材料上具有以微加工方法加工出的二維光學編碼。
2.根據權利要求1所述的二維光學編碼器，其特征在于所述的基底材料包括硅、氧化硅、氮化硅、玻璃、塑料、化學聚合物、磁性材料、碳、金屬或是它們的組合。
3.根據權利要求1所述的二維光學編碼器，其形狀為正方體、長方體、圓柱體、圓錐體、棱柱體、棱錐體、圓臺體、球缺體中之任意一種形狀或是它們的組合。
4.根據權利要求3所述的二維光學編碼器，其厚度為0.01微米至100微米。
5.根據權利要求3所述的二維光學編碼器，其用以制作二維光學編碼的面的面積為10平方微米至10,000平方微米。
6.根據權利要求1所述的二維光學編碼器，其特征在于所述的二維光學編碼的編碼圖案包括孔狀編碼、條形編碼、數字圖案、字母圖案、符號圖案或是它們的組合。
7.根據權利要求6所述的二維光學編碼圖案，其特征在于所述的二維光學編碼圖案的實現方式包括在基底材料上刻出不同深度的圖案、鉆孔、使用不同的材料制作編碼區域以排列成一定的圖案或是它們的組合。
8.根據權利要求7所述的使用的制作編碼區域以排列成一定的圖案的不同的材料包括對光的吸收不同的材料、對光的反射率不同的材料、對光的折射率不同的材料或是它們的組合。
9.一種應用于化合物合成反應的承載器，具有用于合成化合物的表面，其特征在于該承載器上設置有以微加工方法加工出的二維光學編碼，該二維光學編碼表示該承載器需要進行的一系列化合物合成反應，并可用于確定反應產物的類別。
10.根據權利要求9所述的承載器，其特征在于所述的承載器采用球缺形，在該承載器的平面部分上加工出相應的二維光學編碼，其球面部分用于合成化合物。
11.一種用于標記物質的承載器，具有用于結合物質的表面，其特征在于該承載器上設置有以微加工方法加工出的二維光學編碼，該二維光學編碼用于確定該承載器上所攜帶的物質的種類。
12.根據權利要求11所述的承載器，其特征在于所述的承載器采用球缺形，在該承載器的平面部分上加工出相應的二維光學編碼，其球面部分可以用于結合物質。
13.根據權利要求9所述的承載器，其特征在于所述承載器之未編碼區域之表面具有化學修飾層，并連接有可切割臂。
14.根據權利要求13所述的承載器，其特征在于所述的可切割臂采用光可切割臂、酶可切割臂、溫度可切割臂，并且保證后續的化學合成反應均是在該可切割臂上連接下去。
15.一種利用權利要求1所述的二維光學編碼器所實施的大規模化合物合成反應之控制方法，在該方法中，以該二維光學編碼器作為承載器，根據該二維光學編碼器的編碼，控制該編碼器進入相應的反應池進行化合物合成反應。
16.根據權利要求15所述的控制方法，該方法包括以下步驟(1)以二維光學編碼表示需要進行的合成反應及反應后相應的產物，將多個分別具有唯一性編碼的二維光學編碼器混合在一起，對其未編碼區域進行表面化學修飾；(2)讓各光學編碼器依此通過可識別該編碼器之編碼的分選裝置，并由編碼器之編碼決定該編碼器應輸送到哪個反應池中；(3)各編碼器進入相應的反應池進行化合物合成反應；(4)每一次合成反應結束后，都將各編碼器再次混合在一起，根據編碼器上的編碼，由分選裝置再次進行分選，通過識別編碼器上的下一個編碼進行新的分選，各編碼器進入新的、相應的反應池，進行新的化合物合成反應，直到完成所有的合成反應。
17.根據權利要求16所述的控制方法，其特征在于所述分選裝置上設有一個每次只適于一個光學編碼器通過的小通道，存在于溶液中的光學編碼器在一定的外力作用下通過該通道，設置在該通道附近之用于識別編碼器上編碼的讀碼器讀取該光學編碼器的編碼。
18.根據權利要求17所述的控制方法，其特征在于所述施加于光學編碼器或是其上所帶物質上之外力包括靜電力、磁場力、介電行波、磁場行波或聲場行波所產生之作用力，該作用力施加于二維光學編碼器或是其上所帶物質，以使得反應體系通過這一每次只適于一個編碼器通過的小通道，進行分選。
19.根據權利要求17所述的控制方法，其特征在于所述施加于光學編碼器上之外力包括使用電滲泵、機械泵或電液-動泵(electrohydrodynamic pump)所產生之作用力，該作用力施加于反應體系的溶液，以使溶液攜帶著二維光學編碼器及其其上的物質通過這一每次只適于一個編碼器通過的小通道，進行分選。
20.根據權利要求16或17所述的控制方法，其特征在于經過分選裝置對編碼器之編碼的識別后，編碼器將被輸送到所述通道后面的各個反應池中，通過讀取的編碼器之編碼信號，可以將相應的反應池與通道相連接，讓對應的編碼器進入相應的反應池中，進行下一步合成反應。
21.一種生物芯片，其特征在于，該生物芯片包括多個以微加工方法加工出的二維光學編碼器，該光學編碼器與生物物質或化學物質相連，每一個光學編碼器所帶有的二維光學編碼表示該編碼器處所連接之生物物質或化學物質的種類。
22.根據權利要求21所述的生物芯片，其特征在于所述的生物物質包括DNA、RNA、肽、蛋白質、抗原、抗體、糖、脂類、細胞因子、激素或是它們的復合物、細胞、病毒。
23.一種利用權利要求21所述的生物芯片實現的物質檢測方法，其特征在于包括以下步驟(1)將物質體做上特殊標記；(2)以二維光學編碼器之編碼表示其所固定之生物物質或化學物質的種類，將帶有不同生物物質或化學物質的多個二維光學編碼器與物質體進行化學反應；(3)反應完成后，對光學編碼器經過嚴格度清洗；(4)讓這些光學編碼器依次通過一個特殊標記檢測裝置，檢測帶有標記的光學編碼器，并讀取光學編碼器之編碼，相應地可確定物質體的種類或數量。
全文摘要
一種二維光學編碼器，該編碼器采用適當的基底材料制成，該基底材料上具有以微加工方法加工出的二維光學編碼。該二維光學編碼器可作為承載器應用于大規模化合物合成以控制合成反應過程，也可用于制作生物芯片及化合物高通量篩選。本發明之二維光學編碼器結構簡單，成本低，使用期限長，編碼靈活且編碼容量大，用于對參與化學反應的單元識別或自動控制，廣泛適用于化學、制藥和生物領域。
文檔編號G01N33/00GK1409110SQ0210533
公開日2003年4月9日 申請日期2002年2月25日 優先權日2001年2月28日
發明者吳鐳, 王小波, 戴維·羅思瓦夫, 許俊泉, 程京, 黃明賢, 楊衛平, 陶國良, 孫保全, 邵威, 劉理天, 陳德樸 申請人:清華大學, 北京博奧生物芯片有限責任公司