CN100476431C - 可单独选通的平面结构的微电磁单元阵列芯片 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了具有可单独选通的微电磁单元构成的阵列的电磁芯片和电磁生物芯片，以及利用这些芯片定向操纵生物分子和化学试剂等微粒和微结构的方法。

Description

可单独选通的平面结构的微电磁单元阵列芯片

本发明是中国专利申请“可单点选通式微电磁单元阵列芯片、电磁生物芯片及应用”(专利申请号：99104113.5，递交日期：1999年3月15日)、美国专利申请″Individually Addressable Micro-Electromagnetic Unit ArrayChips″(专利局编号：09/399,299，递交日期：1999年9月17日)和国际专利申请″Individually Addressable Micro-Electromagnetic Unit Array Chips″(专利局编号：PCT/US99/21417，递交日期：1999年9月17日)的延续部分。

本发明中还引用了下列的专利申请：

国际专利申请“Method for Manipulating Moieties in MicrofluidicSystems”(专利局编号：PCT/US00/25381，递交日期：2000年9月15日，发明人：Xiaobo Wang，Lei Wu，Jing Cheng，Weiping Yand，JunquanXu)。

美国专利申请“Apparatus for Switching and Manipulating Particles andMethod of Use Thereof”(专利局编号：09/678,263，代理事务所编号：ARTLNCO.002A，递交日期：2000年10月3日，发明人：Xiaobo Wang，Weiping Yang，JunQuan Xu，Jing Cheng Lei Wu)和它所对应的中国专利申请“用于微粒操纵与微粒导向的装置及其使用方法”(专利局编号：00129043.6，代理事务所编号：I2000723EB，递交日期：2000年9月27日)。

美国专利申请“Apparatuses Containing Multiple Active ForceGenerating Elements and Uses Thereof”(专利局编号：09/679,024，代理事务所编号：471842000400，递交日期：2000年10月4日，发明人：XiaoboWang，Jing Cheng，Lei Wu，JunQuan Xu，Weiping Yang)和它所对应的中国专利申请“多力操纵装置及其应用”(专利局编号：00130563.8，代理事务所编号：I2000725EB，递交日期：2000年9月30日)。

美国专利申请“Methods for Manipulating Moieties in MicrofluidicSystems”(专利局编号：09/636,104，递交日期：2000年8月10日)。

美国专利申请“Methods and Compositions for ldentifying Nucleic AcidMolecules Using Nucleolytic Activities and Hybridization”(专利局编号：09/684,081，递交日期：2000年8月25日)。

美国专利申请“Compositions and Methods for Separation of Moieties onChips”(专利局编号：09/686,737，代理事务所编号：ART-00102.P.1，递交日期：2000年10月10日，发明人：JunQuan Xu，Xiaobo Wang，Jing Cheng，Weiping Yang，Lei Wu)和对应的中国专利“芯片上分离实体分子的方法和所需器件和试剂”(专利局编号：00131649.4，代理事务所编号：I2000726EB，递交日期：2000年10月9日)。

美国专利申请“An Integrated Biochip System for Sample Preparationand Analysis”(专利局编号：60/239,299，代理事务所编号：ART-00102.P.1，递交日期：2000年10月10日，发明人：Jing Cheng等)。

技术领域

本发明涉及使用微机械加工技术制作的、利用磁场力进行化学、生物或生物化学反应和分析的生物芯片以及使用这类生物芯片进行化学、生物或生物化学反应和分析的方法。

背景技术

生物芯片技术是近年来生命科学和生物医学研究领域的一项新兴技术，在生物学、生物技术和生物医学领域的应用非常广泛，例如点突变检测、DNA测序、基因表达分析、药物筛选和临床诊断。生物芯片是一类可以用于化学或是生物反应的微缩化器件，利用半导体工业的微电子和微加工技术和其它相似关术制作，可以将现有的分立的化学或是生物化学分析过程和器件集成并简化到基于微芯片的装置中。现在大量的科技论文都涉及到这类装置。

通过下列文章，可以看到生物芯片的广泛用途。“Rapid determination ofsingle base mismatch mutation in DNA hybrids by direct electric fieldcontrol”，Sosnowski，R.G.等(Proceedings of the National Academy ofSciences，USA，94：1119-1123，1997)，“Large-scale identification，mapping and genotyping of single-nucleotide polymorphisms in the humangenome”，Wang，D.G.等(Science，280：1077-1082，1998)介绍了生物芯片在点突变检测上的应用；“Accurate sequencing by hybridization forDNA diagnostics and individual genomics”，Dumanac，S.等(NatureBiotechnoiogy，16：54-58，1998)，“Quantitative phenotypic analysis ofyeast mutants using a highly parallel molecular bar-coding strategy”，Shoemake r，D.D.等(Nature Genetics，14：450-456，1996)，以及“Accessing genetic information with high density DNA arrays.”，Chee，M.等(Science，274：610-614，1996)介绍了生物芯片技术在DNA测序方面的应用；生物芯片在基因表达监控上的应用可在下列文章中看到：“Genome-wide expression monitoring in Saccharomyces cerevisiae.”，Wodicka，L.等(Nature Biotechnology，15：1359-1367，1997)，“Genomicsand human disease- variatiohs on variation.”，Brown，P.O.，Hartwell，L.，“Towards Arabidopsis genome analysis：monitoring expressioh profilesof 1400genes using cDNA microarrays.”，Ruan，Y.等(The Plant Journal15：821-833，1998)；“Selecting effective antisense reagents oncombinatorial oligonucleotide arrays.”，Milner1 N.等(NatureBiotechnology，15：537-541，1997)，“Drug target validation andidentification of secondary drug target effects using DNA microarray.”，Marton，M.J.等(Nature Medicine，4：1293-1301，1998)介绍了生物芯片在药物筛选方面的应用。“Cystic fibrosis mutation detection by hybridizationto light-generated DNA probe arrays.”，Cronin，M.T.等(Human Mutation，7：244-255，1996)，“Polypyrrole DNA chip on a silicon device：Example ofhepatitis C virus genotyping.”，Livache，T.等(Analytical Biochemistry.255：188-194，1998)介绍了生物芯片在临床诊断中的应用。由上可以看到生物芯片的广泛应用。

有一类生物芯片是通过将生物分子(例如，寡核苷酸、cDNA和抗体)固定在芯片表面制成的。有许多种方法可以用于制作这类生物芯片。例如Affymetrix公司(见美国专利5,445,934和5,856,174)研制了一种通过光引导化学合成制作生物芯片的方法，芯片表面的生物分子是通过照相平板印刷技术通过固相光化学合成的方法合成的。lncyte Pharmaceutical公司(见美国专利5,874,554)发明了一种喷射方式制作生物芯片的方法，预先制备的cDNA通过直接喷射的方式定位在芯片的表面。Stanford大学发明的接触式点样方法是通过高速、高精度的机械臂带动样品分配头与芯片直接接触从而将样品排布在芯片的表面(见Schena，M.et al.Science 270：467-70(1995))。位于西雅图(Seattle)的Washington大学发明了一种单核苷酸探针合成方法用于生物芯片的制作，四个不同的压电分配头分别装入四种不同的核苷酸，通过控制这些压电分配头以一定的顺序分配不同的核苷酸，从而实现在芯片表面自动合成寡核苷酸(见Blanchard，A.P.et al.Biosensors&Bioelectronics 11：687-90(1996))。Hyseq公司已经开发出用于基因组测序的被动式薄膜装置(见美国专利5,695,940和5,525,464)。

生物芯片主要分为两大类：主动式和被动式。被动式生物芯片是指那些芯片上发生的化学或是生物化学反应是通过样品分子的被动扩散实现的。而在主动式生物芯片中，反应物可以被外加作用力输运和富集，这样反应就在反应物本身的扩散和其上所受的外加作用力的共同作用下进行。现在绝大多数可获得的生物芯片，例如来自Affymetrix公司的寡核苷酸DNA芯片和来自lncyte Pharmaceutical公司的cDNA芯片都属于被动式生物芯片的范畴。主动式和被动式生物芯片在结构上非常相似，都要在芯片上固定由不同配基构成的阵列。通过使用不同的标记、可检测的标记、检测系统和指示分子(例如荧光染料分子)，配基和相应的分子之间的反应可以得以定性或是定量的检测。这样，含有由多种固定配基组成的阵列的生物芯片可以同时进行多种物质的检测。

现有的许多被动式生物芯片的设计并没有充分应用微加工和微电子技术。而且被动式生物芯片并不适宜集成进可以实现从最初的样品制备到最终的分子检测的微全分析系统中。此外，被动式生物芯片还存在着其它缺点，例如分析灵敏度仍然不够高、反应时间较长、难以实现对芯片表面的单个区域(可以称为单元)的温度、压力、电场和分子浓度进行有效的控制等等。

相反，主动式生物芯片通过对反应物施加外部作用力进行微流体操纵或是电操纵，实现对分子的操纵、反应(例如PCR)、杂交和分离(例如毛细管电泳)。但是同时，许多这样的主动式生物芯片又不具有高通量的并行处理能力。Nanogen公司研制的电子生物芯片可以通过微电极产生的电场操纵和控制样品生物分子，和被动式生物芯片相比，显著的提高了反应速度和检测的灵敏度(见美国专利5,605,662、5,632,957和5,849,486)。但是为了在溶液或是悬浊液中利用电场有效的移动生物分子，溶液的电导率必须比较低，这极大的限制了生物化学分析缓冲液的选择，许多酶和其它生物分子在这样的低离子强度环境中容易变性，且容易与芯片表面发生非特异的吸附。

本发明给出了一种新的主动式生物芯片的设计，其中外加作用力为磁力，是由芯片上可单独选通的单元阵列产生的。在这种设计中，磁力可以用于控制和操纵磁修饰的分子或是颗粒，从而促进芯片表面的分子相互作用。磁力已经被广泛的应用于生物、化学和生物化学领域。例如，在磁力细胞分选的方法中，表面包被了针对特异细胞的抗体的磁性颗粒可以在细胞混合液中特异的与对应的细胞结合，结合后，细胞-磁性颗粒复合物可以在磁力作用下进行选择性的输运，从而实现磁力的分选(见Miltenyi，S.et al.AHighgradient magnetic cell-separation with MACS(Cytometry 11：231-236(1990))。此外，在美国专利5,439,586给出了一种三维的磁力过滤器的设计，可以用于在流体中分离磁性颗粒和非磁性颗粒，美国专利5,655,665给出了一种微机械磁性颗粒分离器的设计，可以用于微流体磁分离。

附图说明

图1是本发明中的微电磁单元阵列芯片的结构图，图中所画的电磁单元虽然是立体结构，但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构；

图2显示本发明中的微电磁单元阵列芯片中被选通施加电信号的单元吸引磁性物质的现象，图中所画的电磁单元虽然是立体结构，但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构；

图3是本发明中的微电磁单元阵列芯片的结构图，图中所画的电磁单元虽然是立体结构，但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构；

图4是图5所示芯片的截面图，图中所画的电磁单元虽然是立体结构，但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构；

图5是本发明中的微电磁单元阵列芯片的结构图，其中可单点选通的微电磁单元构成一个方阵，图中给出的是俯视图。图中所画的电磁单元虽然是立体结构，但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构；

图6是本发明中的微电磁单元的结构图，单元的选通是通过施加电流从而感生出磁场实现的(例如，施加电流后，磁芯被磁化，产生磁场)，图中所画的电磁单元虽然是立体结构，但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构；

图7是本发明中用来形成环绕铁芯的微型线圈的第一组导线的示意图，图中所画的虽然是立体结构，但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构；

图8是本发明中用来形成环绕铁芯的微型线圈的第二组导线的示意图，图中所画的虽然是立体结构，但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构；

图9是本发明中用来形成环绕铁芯的微型线圈的第三组导线的示意图，图中所画的虽然是立体结构，但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构；

图10是通过电开关对每一个微电磁单元进行单独选通的原理图，每个单元是通过两个串联的电开关与电源及地线相连接的，这两个电开关的通断是通过施加在行列导线上的电信号来控制的，图中所画的虽然是立体结构，但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构；

图11A所示电子开关可以是一个双极晶体管，图中所画的虽然是立体结构，但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构；

图11B所示电子开关可以是一个金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)，图中所画的虽然是立体结构，但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构；

图11C是本发明所使用的液晶显示技术中的电路图；

图12是当前所发明的生物芯片在安装上一个流体池和一个用于光学检测的窗口后的结构示意图，图中所画的虽然是立体结构，但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构；

图13简要表示了通过可切割化学连接臂对配基或靶样分子进行磁修饰，图中所画的虽然是立体结构，但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构；

图14A是本发明中平面结构的电磁单元的俯视图，图中是磁芯(100)和线圈(110)；图14B、图14C和图14D分别是本发明的微电磁单元的照片；

图15是磁芯在竖直方向200微米X200微米平面内的磁场的对数等值图，图的坐标从磁芯的中心开始算起，磁芯地尺寸为200微米X200微米X5微米；

图16是和图15在一个平面内的磁场力的对数图；

图17是具有16个水平单元的1厘米X1厘米大小的芯片图；

图18则是图17上制作有16块芯片的硅片图；

图19A是图14A中沿着A-A方向的截面图，图19B是图14A中沿着B-B方向的截面图，图中是磁芯(100)、线圈(110)、绝缘物质(120)、涂层(130)和导体物质(140)；

图20是本发明的电磁单元中的MR头的校准曲线，

图21是尺寸为400X50X5的磁芯的场强-距离图；

图22是尺寸为400X50X5的磁芯的场强-电流图；

图23是尺寸为1600X50X5的磁芯上施加20毫安的电流，然后突然撤去电流这一过程的剩磁曲线；图23中的右图是器件上施加20毫安电流，然后将电流的幅值按照正弦方式进行衰减，直至降到零这一过程的剩磁曲线；

图24A和图24B是本发明芯片的两种设计图，图24A是一块具有16个可单独选通的电磁单元的芯片，图24B具有两组各8个可单独选通的电磁单元，图24B中的芯片是本发明磁力行波的首选结构；

图25是本发明中制有多个芯片的硅片的图，其中硅片的尺寸一般为3英寸；

图26是本发明的一个制作在芯片表面的槽中的具有锥形磁芯末端结构的水平单元的结构图；

图27给出了多种磁芯末端(160)和槽(150)的结构图；

图28是连接在磁性微粒上的靶分子；

图29为用磁分配器对包含配基分子和磁性微粒的冷冻微粒进行拾取的示意图；

图30为将图29中的冷冻微粒释放到本发明中的生物芯片表面的示意图；图中所画的虽然是立体结构，但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构；

图31表示将图30中包含配基分子和磁性微粒的冷冻微粒融化；图中所画的虽然是立体结构，但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构；

图32表示将图31中的磁性微粒与配基分子分离；图中所画的虽然是立体结构，但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构；

图33表示经过磁性修饰的靶样分子在所发明生物芯片表面作随机运动；图中所画的虽然是立体结构，但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构；

图34示意按一定方式流过电磁芯片上多根导线以激励一组微电磁单元(即使一组磁芯磁化)的电流流动方式示意图；图中所画的虽然是立体结构，但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构；

图35表示流过电磁芯片导线的另一种不同的电流模式，该电流流动方式可以激励图34所示的电流流动方式所不能激励的微电磁单元；图中所画的虽然是立体结构，但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构；

图36表示将经过磁性修饰后的靶样分子和固定在芯片上的配基结合后，从而固定在电磁芯片表面；图中所画的虽然是立体结构，但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构；

图37为靶样分子与本发明中生物芯片表面的配基发生反应后将磁性微粒从靶样分子上切除的原理示意图；图中所画的虽然是立体结构，但是电磁单元也可以仅仅制成平面结构；

图38中使用本发明的带有微电磁单元(190)的行波磁泳器件(170)对磁性微粒(180)进行行波磁泳；图38A、图38B和图38C显示了在微电磁单元选通和关闭时磁性微粒沿着磁力行波运动的状况；

图39给出了本发明行波磁泳中使用的微粒开关图；图39A是开关(200)；图39B是产生磁力行波的直流电；图39C是产生磁力行波的交流电；图39D是产生磁力行波的正弦交流电；

图40是本发明检测细胞(例如淋巴细胞)分布的方法，首选的方法是细胞磁泳；

发明概要

本发明认识到，为了实现生物、化学、机械和物理过程或是操作的自动化和微型化，必须要能够有效的操纵生物分子或是颗粒等实体分子。特别的，能够特异和精确的控制实体分子位置的方法在需要检测实体分子或是实体分子上结合的物质的场合非常有用。

本发明设计了一种电磁生物芯片，芯片上有可单点选通的微电磁电极单元，这些单元组成一个或是多个阵列。一块电磁生物芯片上可以具有一个或是多个微电磁单元阵列。每个单元可以单独施加电信号从而产生磁场。每个单元产生的磁场可以被单独选通或是关闭，磁场的强度和相位也可以根据单元上所施加的交变电流进行调节。芯片表面产生的磁场可以用于操纵具有磁性的物质，包括磁性颗粒、生物分子、细胞、其他颗粒或是这些物质与磁性颗粒组成的复合物。具有磁性的物质可以在磁场的驱使下，向芯片表面的预定位置运动。芯片的表面或是芯片表面的一部分可以进行的化学修饰，从而形成可以固定配基分子的功能层，以便于磁力引导的物质与配基分子发生亲和反应。磁引导和操纵改变了反应物局部浓度从而增加了不同生化和化学反应的速率，从而达到提高分析灵敏度的目的。因为离子强度及缓冲液特性对磁场影响甚微，甚至没有作用，这样就可以选择最有利于生化反应的缓冲液。而且，不存在会导致电化学反应而产生使分析或反应复杂化的强电场的不良影响。

本发明进一步揭示了在电磁芯片上操纵磁性微粒的方法。磁性微粒可以悬浮于某种流体(水溶液的或非水溶液的)中或者在空气中，甚至在真空中。当一个微电磁单元被通以电流时，单元附近的磁性微粒会受到磁力的作用，被吸附到该单元的表面。即在磁性微粒悬浮液布满整个芯片时，选通一个单元只会影响与该单元直接相邻的磁性微粒。但是若通过有序地给各单元通电，就有可能移动聚集在整个芯片上所有悬浮着的磁性微粒。这样的协同运动称作“操纵”，这种操纵可以通过按预定顺序打开或关断单元来加以控制。的操纵也包括通过改变加在微电磁单元上的电流方向而改变磁场分布及作用在磁性微粒上的力，达到改变和控制磁性微粒的位置，速度及其他运动特征的目的。根据不同的使用要求，可以让所有的或者是部分的单元同步通电。当然也可对微电磁单元逐一通电。

本发明进一步揭示了利用电磁芯片操纵生物分子/生物微粒，化学试剂分子，药物分子或者其他形式的分子、微粒的方法。一般而言，电磁芯片可以用于操纵任何磁性微粒。为了控制和处理非磁性微粒/分子，需要对它们进行磁性修饰。例如，分子可以通过共价连接或者物理吸附联接到磁性微粒表面。这些生物分子可以是蛋白质(如抗体、抗原、受体)，核酸(如单链DNA或RNA)或者其他分子，如脂类和碳水化合物。对电磁芯片表面可以作修饰，以便于固定能与磁性微粒表面分子相互作用的配基分子。在磁场力作用下磁性微粒在已固定有合适配基分子的特定位置上聚集便可促使它们之间发生相互作用。

发明详细描述

定义

除非进行特别的说明，否则本发明中所有使用的科技术语的意义都和通常理解的一致。发明中提及的上、下等方向是针对所使用的器件给出的。发明中所涉及到的一些术语和实验步骤在本领域内都是很常见的。但是考虑到不同的文献在使用这些术语或是在描述这些步骤时相互之间会存在一定的差异，所以下文会对本发明中所使用到的术语和实验步骤进行定义和说明。

“磁力”是指微粒由于磁场引发而受到的作用力。通常，为了实现操纵微粒的目的，微粒应该本身具有磁性或是可以被磁化。以一个由超顺磁性物质制作的磁性微粒为例，当微粒处于磁场B中，微粒本身会被诱发产生磁偶极Φ□

$=V_p({\mathrm{\Π}}_p-{\mathrm{\Π}}_m)H_m$

其中V_p代表微粒的体积，x_p和x_m分别是微粒和周围介质的极化率。Φ_m是介质的磁透率，H_m代表磁场强度。如下式所示，微粒受到的磁力F_magnetic取决于磁偶极子的极化率和磁场梯度：

·F_magnetic＝0.5V_p(x_p-x_m)H_mΛB_m，

其中″X″和″Λ″分别代表点积和梯度运算。微粒是否受到磁力取决于微粒和其周围介质的极化率的差异。通常微粒悬浮在液态的非磁性介质中(极化率接近为零)，这样为了产生足够的磁力，就需要使用磁性微粒(极化率大大超过零)。在磁力和粘性阻力作用下平衡时的磁性微粒速度v_particle为

$v_{\mathrm{particle}}=\frac{F_{\mathrm{magnetic}}}{6\mathrm{\π}{\mathrm{\η}}_m}$

式中r为磁性微粒直径，η_m为周围介质的粘性系数。

本发明中的“实体分子”是指可以被电磁力操纵的物质，也可以是由本身布具有磁性的物质，例如生物分子等与可被磁场操纵的物质连接形成的复合物。实体分子可以是固体，包括悬浮的固体，也可以以溶解状态存在。实体分子可以是分子，可被操纵的分子包括，但不仅仅限于，无机分子(包括离子和无机化合物)，也可以是有机分子，包括氨基酸、肽、蛋白质、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复杂的有机分子。实体分子也可以是分子复合物，比如细胞器、一种或多种细胞(包括原核和真核细胞)、病原体(包括病毒、寄生虫、朊病毒或是这些物质的一部分)；实体分子也可以是晶体、矿物质、胶体、碎片等等，可以由一种或是多种无机物质如聚合物、金属、矿物、玻璃、陶瓷等等组成；实体分子也可以是分子聚集体、复合物、细胞、细胞器、病毒、病原体、晶体、胶体或是其它碎片。细胞可以是任何种类的细胞，包括原核和真核细胞。其中真核细胞也可以是任何类型。通常感兴趣的细胞包括，但不仅仅限于，白细胞、恶性细胞、干细胞、分化早期细胞、胎儿细胞、被病原体感染的细胞、细菌细胞等等。

“细胞内实体分子”是指位于细胞内的实体分子，即位于细胞质或细胞器基底中，附着在任何细胞内膜上，位于质膜(如果存在)上，或是位于细胞表面，即附着在细胞质膜或细胞壁(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应/结合的生物/化学分子。例如，配基可以是核酸分子，它可以和互补的核酸链发生杂交反应。配基也可以是抗体分子，它可以和对应的抗原或是表位结合。配基也可以是受体结合区或是该结合区的一部分。在本发明中，表面连有上述配基的微粒也属于配基的范畴。

“阵列”是芯片上微电磁单元按照一定的形式排列而成的。一个芯片上可以包含有几个相互独立的阵列。例如，一个芯片上的微电磁单元形成的阵列可以位于芯片上的不同区域。这些区域彼此在空间上分隔，这样一个区域内由于为电磁单元阵列产生的电磁力不会干扰到另一个区域。在本发明中的磁力行波设计中，同一区域内不同微电磁单元产生的磁场可以暂时重叠相连，由不同区域微电磁单元形成的阵列所产生的磁场可以暂时重叠相连。

“操纵”是指移动或处理微粒，使微粒作一维、二维、三维方向上的运动，运动可以发生在一块芯片上，也可以发生在多块芯片之间。在磁场中对微粒的操纵包括，但不仅仅限于，运输、吸附、捕获、排斥、富集、分离、鉴别、使微粒悬浮等等，还包括对微粒运动方向的改变。

“样品”是指任何可以从中分离或分析出组分的流体。样品可以有各种来源，可来自一个生物体，来自相同或不同种类的一群生物，也可以来自环境，如取自一水体或土壤，或者来自食物或工业材料。样品可以是加工过的，也可以是未加工的。样品可以是气体，液体，半固体，也可以是溶液或悬浊液。样品可以是一种提取物，如取自土壤或食物样品的液体提取物，如咽喉或生殖器的提取物，或如取自排泄物样品的提取物。生物样品也可以是器官、组织、细胞系(包括培养基和细胞)等等。在本发明中，首选的样品是血液样品。

“血液样品”在这是指加工过或未加工的血样，比如说，但不仅仅限于，它可以是经过离心、过滤、抽提或其他处理的血液样品，还可以是加入了抗凝血剂，稳定剂等一种或多种试剂的血液样品。血液样品可以是任意体积，来源任意，如动物或人类。首选的材料是来自人类。血液可以直接从生物体抽取，也可以来自库存，也可以从其它物体上抽提，例如衣服、家具等等。血液样品的体积不限，可以小于5微升，也可以大于5升，依具体的应用而定。

“白细胞”是指白血球，或是一类可以在动物血液中找到的既非网织红细胞又非血小板的生血细胞。白血球可包括淋巴细胞，如B淋巴细胞或T淋巴细胞。白血球也可包括吞噬细胞，如单核细胞，巨噬细胞以及包含有嗜碱细胞，嗜曙红细胞，嗜中性粒细胞的粒状白细胞。白血球还包括肥大细胞。

“红细胞”是指红血球。

“肿瘤细胞”是指一类细胞增殖生长比正常细胞快得多的异常细胞，它甚至可以在受到导致新生长停滞的刺激后仍继续生长。与正常组织相比，瘤细胞往往会部分或全部缺乏结构组织和功能协调性，它既可能是良性的也可能是恶性的。

“恶性细胞”是指一类具有局部入侵性和破坏性生长及转移的细胞。

“干细胞”是指一类未发生分化的细胞，它可通过一轮或多轮细胞分化引起生长，生成至少一种分化细胞。

“分化早期细胞”是指一类未发生分化但必然将引起生长的细胞，它通过一轮或多轮细胞分化引起生长，生成至少一种分化细胞。比较有代表性的是，一个干细胞对一个特别的刺激或一系列刺激作出响应，通过一轮或多轮细胞分化生成一个分化早期细胞，然后由这个分化早期细胞对一个特别的刺激或一系列刺激作出响应，生成一个或多个分化细胞。

“病原体”是指任何病原体，如可以感染生物的细菌、病毒、寄生虫或朊病毒。病原体可导致受其感染的生物出现症兆或处于疾病状态。人类病原体是指可以感染人类的病原体。人类病原体既可以是特异性针对人类的，如特异性人类病原体；又可以是可感染多种生物的，如混杂性人类病原体。

“对象”是指任何生物体，如动物或人类。动物可包括任何动物体，如野生动物，家养动物如猫或狗，农用动物如猪或牛，或者是娱乐用动物如马。

“反应池”是组成芯片的一种结构，它可以容纳液体样品。

“端口”是指反应池体的开口，液体样品可通过它进出反应池。端口可以是任何大小的，但适宜的是可允许样品由吸液管，注射器，导管或其它加样方式加入反应池的形状和尺寸。

“导管”在本专利中是用以将液体由容器转移到反应池的一种方式。导管适宜应用于反应池的端口。导管可由任何允许液体通过的材料组成。比较适宜的导管是管状结构，比如橡胶管、聚四氟乙烯管、或聚乙烯管。导管可以是任意尺寸的，但适宜的是内径在10微米到5毫米之间。

“芯片”是指其上可进行一次或多次处理如物理，化学，生化，生物处理的固体物质。这些处理可以是分析，包括生化的，细胞的，和化学的分析；也可是分离，包括使用电的，磁的，物理的，化学的(包括生化的)作用力或是相互作用；也可以是化学反应、酶反应和结合反应，包括捕获。

“电磁芯片”是指至少包含一个电磁单元的芯片，例如仅仅含有一个微电磁单元。电磁单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，一个电磁单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。

“分离”是指将样品中的一种或多种组分和另外的一种或多种组分在空间上相互分开的过程。分离过程可以这样进行，一种或多种感兴趣的实体分子被定位于分离器件中的某个或某些位置，至少部分样品中的其它组分被定位于其它位置，或是从感兴趣的实体分子所在的位置移开。或者，可以将样品中的一种或多种组分定位在某些位置，而一种或多种感兴趣实体分子从该位置处被移走，再进行收集。也可以将样品中的一种或多种组分定位在某些位置，再将另外的一种或多种感兴趣的实体分子定位到另外的位置。分离可以通过使用物理力、化学力、电场力或是磁场力等等实现，还可以使用重力场、流体、介电电泳力、行波介电电泳力和电磁力等等实现。

“捕获”是指这样一类分离方式，这种方式使一种或多种实体分子滞留在芯片的一个或多个区域内，再施加物理力进行捕获。捕获可以通过特异的捕获探针实现，捕获探针可以特异、紧密的与感兴趣的实体分子结合。这些特异的捕获探针可以可逆或是不可逆的连接在芯片上的固体介质上。

“分析”是对样品或样品的一个组分进行的测试。分析可检测某组分的存在与否，某组分的数量或浓度，某组分的组成，以及某组分的活性等等。分析可与本发明的方法和器件、试剂一起使用，包括生物化学分析、结合分析、细胞分析以及基因分析。

“反应”是指可改变一种或多种分子或化合物的化学或生化成分，或者改变一种或多种分子与另外一种或多种分子或化合物间相互关系的化学或生化过程。本发明中的反应可以被酶催化，包括，但不仅仅限于，有降解反应，合成反应，修饰反应或结合反应。

“结合分析”是一种分析方式，它通过将特定物质分子与特异性结合物结合来检测该特定物质分子的存在或浓度，或者检测一特定物质分子与另一特定物质分子的结合可能性，或者检测一特定物质分子与另一特定物质分子的结合亲和力。特定物质分子可指一有机或无机分子，一个由有机、无机或一有机无机复合物，细胞器，病毒或细胞组成的分子混合物。结合分析可以使用可检测的标记或在结合特定物质分子存在下可产生可检测标记的信号发生系统。标准的结合分析包括有依赖核酸杂交来检测特殊的核酸序列，依赖抗体对特定物质分子的结合，以及依赖配体对受体的结合。

“生化分析”是指对一种样品的一个或多个组分的存在、浓度、或活性进行分析的方式。

“细胞分析”是指一种检测细胞过程的分析方式，例如，但不仅仅限于，新陈代谢活性、分解代谢活性、离子通道活性、细胞间信号传导活性、受体介导的信号传导活性、转录活性、翻译活性、或分泌活性等等。

“遗传分析”是指一种检测某遗传单元的存在或序列的分析方式。此遗传单元可指DNA或RNA的任意片断，包括，但不仅仅限于，基因、重复序列、转座单元、调控单元、端粒、中心粒或其它具有现在尚未知道功能的DNA或RNA片断。基因分析的例子如(但不仅仅限于这些例子)，核酸杂交技术，包括核酸测序反应，可以使用一种或多种聚合酶，例如基于PCR的基因分析。基因分析可以使用一种或多种可检测的标记，比如，但不仅仅限于，荧光素、放射性同位素或是信号发生系统。

“电极”是一种由高导电材料制成的结构单元。这里所谓的高导电材料是指材料的导电率远大于周围介质或材料。高导电材料包括金属，如金、铬、铂铝等等，也可以是非金属，如石墨、导电聚合物。电极可以制成各种形状，如矩形、圆形、城堡形等等。电极材料中也可以包括掺杂半导体，如硅片上掺磷。电极上可以施加电流，例如制成环形的电极中施加的电流也是环形的。

“槽”是芯片上的结构单元，具有一个较低的表面和一个或多个从底面以一定角度延伸出来的侧面。侧面的参数很随意，例如可以具有S形的或是弯曲的或是具有多个角度的侧面。槽的底面可以低于、高于或是和芯片上表面水平。侧面的材料应和芯片的下表面的材料不同。例如，芯片下表面可以由一层能被电场力(包括介电电泳力、行波介电电泳力和电磁力)穿透的物质构成，而槽的侧面由其它物质组成，如绝缘材料，可以阻碍电场力的穿透。槽的侧面或是芯片上的通道可以由任意适当的材料制成，如硅、玻璃、橡胶、多聚物、塑料、陶瓷、金属等等。

“连续液流”是指在本发明的分离过程中，流体被连续的泵入或注入反应池。这样，样品中没有被选择性滞留在芯片中的组分就会随着流体被带出反应池。

“连接物”是指任何可以和实体分子以一定亲和性和特异性相连的任何物质，并且可以通过相应的物理力进行操纵。连接物可以是，但不仅仅限于，细胞、细胞器、病毒、微粒、聚合体或复合体，或者分子的聚合体或复合体。

本发明中“微粒”是指任何形状，任何组成，具有任何复合结构的物质，可以通过磁力进行操纵。微粒尺寸可以从大约0.01微米到大约1厘米。更合适的是，在这种方法中的微粒的尺寸从大约0.1微米到大约几千个微米。微粒可以由各种合适的材料制成，例子包括，但不仅仅限于，玻璃、陶瓷、聚合物如尼龙、聚四氟乙烯(TEFLON^TM)、聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、琼脂糖、纤维素、葡聚糖等等。可以被磁力操纵的微粒的制造材料可以是磁性物质，也可以是可被磁力作用的物质，例如铁、磁铁石、铁磁体和亚铁磁体物质。

“耦联”即结合。例如，实体分子可以和其它微粒进行特异的或非特异的结合。结合可以是共价结合，也可以是非共价结合，是可逆结合也可以是非可逆结合。

“特异结合物”是指这样的两个不同分子中的一个，这样分子的表面具有特定的形态结构可以特异性的和另一分子的空间或极性结构互补结合。特异结合物可以是免疫家族中特异结合的两种物质中的一种，如抗原-抗体、生物素-亲和素、生物素-链霉亲和素、配体-受体、双链核酸、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或两者的组合。核酸分子也可以包括除了核糖和脱氧核糖外组成骨架链的的糖类，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碱基组成，如黄嘌呤，核苷碱基的延伸物2-氨基酰嘌呤或类似物等。核酸分子可以是肽核酸分子。核酸分子可以是任意长度，可以是单链或双链，或者是部分单链和部分双链。

“可被检测的标记”是一种可以被检测的复合物或分子，它们可以产生输出信号，如荧光、放射性、颜色、化学发光或技术领域现有的或是今后发展出的能产生输出信号的方法。输出可以基于荧光，如通过荧光标记物，例如Cy-3，Cy-5，藻红蛋白，藻蓝蛋白，别藻蓝素，异硫氰酸荧光素(FITC)，罗丹明，或镧系元素等等，但不是仅仅限制于以上物质；也可以通过荧光蛋白如绿色荧光蛋白(GFP)和它的变体，要基于酶反应的活性，比如，但不仅仅限于β-牛乳糖，β-内酰胺酶，辣根过氧化物酶，碱性磷酸酶或荧光素酶等等；或者可以基于放射性同位素(如³³P，³H，¹⁴C，³⁵S，¹²⁵I，³²P或者¹³¹I等)。标记物也可以是被其它基团修饰了的碱基，比如，在C5位置修饰嘧啶或在N7位置修饰嘌呤。修饰基团可以是多种多样的，例如卤素、醚或者聚醚、烷基、脂类或聚脂类，或常见的XR，在这里，X是连接基团，R是修饰基团。在修饰技术领域，存在许多种有效的可能适用于修饰核酸分子、寡核苷酸分子及其类似物的方法(A Practical Approach，Eckstein，ed.(1991)and in PCT/US94/00193)。

“信号发生系统”可以包括一种或多种组分，至少其中一种组分是可检测的结合物。信号发生系统包括所有用以产生或增强可测信号(或是通过一定的方法作用于标记以产生的信号)的试剂。信号发生系统提供了一种可以用外部检测方法检测的标记，这种方法通常是通过测量吸收光和发射光的波长的差异实现的。信号发生系统也可包括生色底物和酶，其中生色底物在酶的作用下，吸收可见光区或紫外光区的光或是磷光、荧光，从而显出颜色。当然，信号发生系统也可以使用诸如放射性同位素之类的可检测标记以提供可检测的信号。

信号发生系统包括至少一种催化剂(通常是至少一种酶)和至少一种底物，也可以包括两种或更多的催化剂和一组底物(比如包括一组酶，其中一种酶的底物是另一种酶的产物)。信号发生系统的操作是在预定的位点产生出可检测的信号，即意味着在这预定的位点具有相应的标记。

为了得到可检测的信号，这就要求将在预定位点的标记产生的信号进行放大。这样，这个标记一般是催化剂、发光化合物或是放射性同位素，最好是催化剂。催化剂最好是可以从单个标记产生多种信号发生分子的酶或是辅酶。酶或是辅酶可以通过产生可以吸收光的产物，如染料或是产生在照射下会激发出光的产物，如荧光剂以达到将所需信号放大的目的。或者，催化反应也可以直接产生激发光，例如化学发光。许多酶和辅酶都可以用以这一目的，见美国专利No.4,275,149和U.S.Pat.No.4,318,980(在参考文献中)。另外，许多也可以实现上述作用的非酶类催化剂可见美国专利No.4,160,645(July 10，1979)。

上述酶反应的产物通常是染料或是荧光剂。在美国专利No.4,275,149中给出了大量荧光剂的说明。

其它用于此处的术语具有和本领域中通常使用时一致的意义，在技术性词典中都有解释。

I.含有微电磁单元的电磁芯片

本发明的具有可单点选通式微电磁单元的电磁芯片，包括：基底；位于基底上的多个微电磁单元；通过对一个或是多个微电磁单元施加电流，从而产生磁场底方法。上述的微电磁单元可以是立体结构，也可以是平面结构。

基底

基底可以使用任何适宜芯片生产底材料，例如，但不仅仅限于，硅、玻璃、烧结玻璃、石英、氧化硅、塑料、陶瓷等。基底材料最好是致密的，但是多孔的材料也可以使用，尤其是那些适宜本发明中某些操作的多孔材料，这些操作可以是，但不仅仅限于，结合反应、破胞或是检测结合反应等，这些操作需要透过基底材料转移或是输运物质。

基底的尺寸应该符合微加工工艺的需要，常用的微加工方法包括蚀刻、溅射、光刻掩膜等等。基底的尺寸同时也应该适宜本发明对微粒进行微操纵的方法的要求。例如，基底可以是一块薄片，厚度约1毫米，长度界于5毫米至1厘米，宽度界于10毫米至5厘米。基底可以是任何适宜的形状，例如正方形、长方形、椭圆形、圆形等，也可以是不规则的集合图形。本发明中首选的形状是正方形、圆形和适宜的多边形。

基底是具有多种功能的单层或是多层芯片的一部分。例如，一块单层芯片上可以包含多种结构，以实现不同的功能。象压电晶体这样的振动单元可以引起样品液的流动，介电电泳结构可以根据实体分子介电电泳性质的不同移动实体分子。当然，这些结构(例如振动结构和介电电泳结构)液可以制作在不同层的基底上。本发明中，这些不同的基底层可以一层一层的组合连接在一起，形成多功能芯片。这些具有不同功能的结构可以使用适当的设备进行独立的控制。

基底是芯片结构中用以容纳样品，例如流体的反应池的一个组成部分。反应池可以是完全封闭的，虽然完全封闭并不是必须的。反应池可以通过例如端口或是导管等结构允许样品或是试剂进行。流体或是固体在一定的力的作用下，或是通过一定的方式进行反应池，例如通过重力或是泵。反应池同时也应该具有出口的结构，例如端口或是导管，以允许反应池内的物质离开。在本发明的一个实施例中，反应池通过以端口和导管结构组成的入口通入物质，以端口和导管结构组成的出口导出物质。

微电磁单元

本发明中的电磁芯片上含有微电磁单元。这些微电磁单元包括一个直接制作在或是集成在基底上的磁芯，和可以围绕这个磁芯施加电流的方法。这个磁芯最好是具有磁性的芯或是可以被磁化的芯。

微电磁单元的尺寸

微电磁单元的尺寸与微电磁单元的方向和需要产生的磁场的强度相关。通常，微电磁单元的宽度和长度界于0.1微米至1厘米之间，最好界于10微米和1毫米之间。可以根据所需磁场是发散的还是局限在某一区域的，选择微电磁单元的尺寸和形状。通常，与磁带或是磁盘这些磁存储介质中的电磁单元相反，本发明中的微电磁单元产生的磁场是发散的，具有相对长的作用距离。

微电磁单元的位置和方向

根据芯片具体的用途和所需要的磁场的性质，选择微电磁单元具体的结构和位置。微电磁单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饰一层物质以保护微电磁单元或是用于固定某些物质，例如实体分子。

每个微电磁单元都可以根据具体的需要制成一定的结构，可以是立体的，部分立体的，也可以是平面结构或是部分平面的结构。这些结构都可以根据本发明中提及的加工方法制作。

磁芯

任何适宜的材料都可以用以制作本发明中微电磁单元中的磁芯。通常采用磁性物质或是可以被磁化的物质，例如铁磁性物质或是亚铁磁性物质。磁芯可以使用适宜的方法制作，例如采用本发明中提及的方法。

施加电流的方法

上述的磁芯周围应该包含一圈或是多圈导线。磁芯周围的导线可以制成各种形状，可以是圆形、方形、椭圆形、三角形、螺线形等等。当在磁芯周围的单圈或是多圈导线中施加电流时，根据电磁现象就会产生相应的磁场。

产生的磁场

由选通的微电磁单元产生的磁场的性质由多种因素决定，例如磁芯的尺寸(长、宽和高)、磁芯的长度与截面积之比、磁芯的磁透率、磁芯的可磁化率、磁芯的方向、磁芯的形状以及所施加的电流的性质。本发明中，所期望的磁场是发散的，而不是聚集的，这与磁带或是磁盘这些磁存储介质中的电磁单元所产生的磁场性质相反。例如在Yamade et al.等于1999年3月16日递交的美国专利5,833,760所述的磁头的结构是由一圈磁性材料组成的环，环的两端非常接近，这种特殊的结构可以产生很强的聚集的磁场，而不是发散的磁场。相反，本发明的微电磁单元就不具有这样的结构，为了作用到分布在不同区域的实体分子或是磁性微粒，本发明的微电磁单元被涉及成可以产生发散磁场的结构。

单独选通和调制

单独选通或是关闭本发明中的微电磁单元，施加不同的电流，调节各个微电磁单元产生的磁场的方法也属于本发明的范畴。对微电磁单元的单独控制是通过各个微电磁单元引出的导线、所连接的电源以及相应的控制选通和关闭的开关实现的。开关可以是机械开关，也可以是电子开关，也可以是上述开关的组合。

由于每个微电磁单元都是可以单独选通的，所以在任意一个时刻，可以只有一个微电磁单元是选通的，产生单一的磁场，也可以同时又多个微电磁单元是选通的，产生复合磁场。选通一个微电磁单元是指在这个微电磁单元上一定的电流，以使得这个微电磁单元在它周围区域产生磁场。为了使得产生的磁场具有足够的强度从而吸引或是移动其周围区域内的磁性微粒或是修饰了磁性微粒的分子，施加在微电磁单元上的电信号的幅值和相位可以进行适当的选择。至于没有被选通的微电磁单元，它可能完全不产生磁场，也可以产生微弱的磁场，但是磁场的强度不足以吸引或是移动磁性微粒或是修饰了磁性微粒的分子。

对微电磁单元的单独选通可以通过多种方式实现，例如可以把各个包含一个导线环的微电磁单元的一端都连接到一个电源上，而另一端单独和电开关连接以决定是否允许电流的通过。在由微电磁单元构成的行列阵列中，可以将一整行或是一整列都接到一起，从而实现一次选通一整行或是一整列。

本发明中的微电磁单元是可以单独选通的，但并不是在所有情况下都需要单独选通。微电磁单元可以以适当的电路连接在一起，例如可以通过并联或是串联。芯片上的每个微电磁单元都可以单独选通给芯片的应用带来了极大的灵活性。如果芯片上的微电磁单元仅仅以串联的方式连接在一起，如果其中一个微电磁单元出现故障，可能会使得所有单元都失效；如果芯片上的微电磁单元仅仅以并联的方式连接，虽然可以解决上述问题，但是当需要对微电磁单元进行单独的选通和电信号的调节时又极为不便。

在行波磁力介电电泳中使用的磁力行波，可以通过本发明的可单独选通的微电磁单元实现。例如，在芯片上制作一组平面结构的相互平行的线状微电磁单元，这些单元在不同的时间被选通，例如沿着某种方向依次选通，这样，磁场随着选通的方向传播，就象波的传播一样，和行波介电电泳相似。在行波磁力介电电泳中，磁力行波可以通过直流电形成同步的波，也可以通过交流电形成连续的波。在磁力行波的作用下，芯片上微粒可以按照操作者希望的方式和方向运动。Xiaobo Wang，Weiping Yang，JunQuan Xu，Jing Chengand Lei Wu于2000年10月3日递交的美国专利申请“Apparatus forSwitching and Manipulating Particles and Method of Use Thereof”(专利局编号：09/678,263)提出了使用行波介电电泳和微粒开关进行芯片上微粒操纵的方法。本发明提出了使用磁力行波介电电泳和微粒开关进行芯片上微粒操纵的方法。

当使用直流电时，微电磁单元可以依次被选通和关闭。当微电磁单元选通之后被关闭，会产生退磁现象，即磁场需要一定的时间衰减，例如正弦衰减。微电磁单元选通时施加的电流应介于0.1mA至3A之间，更好介于1mA至300mA之间，最好介于10mA至30mA之间。

当使用交流电时，可以在每个微电磁单元上施加不同相位的电信号，例如连续四个微电磁单元各相差90度的相位。电信号的频率应介于0.001Hz至1GHz之间，更好的是介于0.01Hz至100MHz之间，或是介于0.1Hz至10MHz之间，或是介于0.1Hz至1MHz之间，或是介于1Hz至100KHz之间，或是介于10Hz至10KHz之间。

阵列和尺寸

本发明的电磁芯片包含微电磁单元结构，我们推荐将这些微电磁单元按照规则的排布方式排列，并且相邻的微电磁单元等距。

芯片上的微电磁单元可以是按照同一形状和尺寸制作的，也可以是按照不同形状和尺寸制作的。一般而言，每个微电磁单元的特征尺寸可以小于1微米，也可以大至1厘米。在这里，如果微电磁单元是圆形的，特征尺寸是指圆的直径；如果微电磁单元是正方形的，特征尺寸是指正方形的边长。这些微电磁单元可以按照规则的排布方式排列，如矩形网格状，也可以排列成不规则的形状或是随意排列。

功能层

本发明的电磁芯片可以包括至少一层功能层。在功能层上可以固定至少一种实体分子或是配基。首选的固定的实体分子为核酸分子、抗体和受体。本发明中，功能层还可以作为微电磁单元或是芯片基底材料的保护层，另外，还可以提供本发明实验方法中可能需要的的化学基团。

功能层可以由任何合适的材料组成，本发明中首选的是至少包括以下一种材料：亲水单分子层、有功能基团的亲水单分子层、疏水单分子层、有功能基团的疏水单分子层、亲水膜、有功能基团的亲水膜、亲水胶、有功能基团的亲水胶、疏水胶、有功能基团的疏水胶、多孔材料、有功能基团的多孔材料、非多孔材料和有功能基团的非多孔材料。

功能层可以是通过附着、连接或是吸附在基底上底一薄层物质，也可以是通过修饰，例如化学修饰，在芯片基底上形成的。功能层是通过在基底上喷涂，或是将基底材料浸在液体或是流质固体中，再通过冷却、凝胶聚合等方式使得这些修饰物质固化形成的。

功能层上具有一系列可以用以固定实体分子的功能基团，首选的功能基团为，但不仅仅限于，乙醛、炭化二亚胺、琥珀酰亚胺酯、抗体、受体和外源凝集素。将这些功能基团修饰到物质表面有现成的方法。

固定在功能层上的实体分子或是配基也可以看作功能层的组成部分。首选的固定的实体分子或是配基包括，但不仅仅限于，核酸分子(例如单链或是双链DNA、RNA或是它们的复合体)、集合试剂(例如抗体或是抗体中具有结合活性的片断)、受体、多肽、蛋白质、碳水化合物、脂类、原核细胞、真核细胞、病毒、寄生虫、朊病毒、细菌抗体、凝集素和受体等等。含有这些实体分子的功能层有多种方法制备。例如，功能层上已经带有适当的功能基团，再将含有实体分子的试剂加到功能层上，通过功能基团固定实体分子，也可以通过其它方法定位实体分子，例如使用掩模的方法。

微电磁单元的制作

在对基底材料上加工制作的微电磁单元通以电流时，各单元会产生出独立的磁场。一个例子就是在铁磁体或铁芯上用导电材料绕一个环并通过电子开关连接到一电流源上。这个环可以是圆、椭圆、方形、三角形或其他任意形状，唯一的前提是要能够形成围绕铁磁体流动的电流。如果环是单匝的，它应该是闭合或接近闭合的。环也可以是围绕铁磁体的许多匝圈。这些圈可以被加工在微结构的同一层中也可以是另一种情况即每一圈代表结构中的一个独立层。电导体可以是沉积形成的电导线——如经电镀，溅射或沉积形成的金属结构，同时电导体也可以通过对半导体层进行选择性地掺杂而形成。微电磁单元阵列可以排列成类似微电子器件中通常所具有的行列结构。行和列可以相互垂直，也可以设置成其他角度(如80度)。

反应池

本发明的反应池是一种可以容纳流体的结构。反应池可以是任意尺寸，通常应可以容纳1nl至50ml的流体，更好应可以容纳1μl至10ml的流体，最佳情况是容纳10μl至1ml的流体。一般而言，反应池是芯片上的结构单元之一。反应池可以由任何适当的材料制成，如硅、玻璃、金属、陶瓷、聚合物、塑料等等，可以是质地坚硬材料，也可以是质地柔软的材料。首选的材料是那些对样品中的实体分子的介电电泳运动没有干扰的材料，例如那些不与带电或是极化分子结合的材料，如硅、某些种类的塑料或是多聚物(如丙稀酰胺、玻璃等等)。

反应池是芯片的组成部分之一，芯片是一块固体基片，在其上可以进行一次或是多次的分离、分析、捕获等等过程。芯片的材料可以是金属、陶瓷、聚合物、共聚物、塑料、橡胶、硅、玻璃等等中的一种或是几种。芯片可以包含几种具有一定柔韧性的材料。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诸如槽、通道、电极单元等等微加工结构，在其上可以进行物理的、生物物理的、生物的、化学的反应或是处理。芯片是一块薄片。对芯片的表面积大小不作要求，比如从1mm2到0.25m2都可以。最好所用的芯片的表面积从4mm2到25cm2左右。芯片可以具有不同形状，规则的形状如矩形、圆形、椭圆形或其它不规则的形状。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过在芯片表面进行加工或是蚀刻而得的槽、反应池等结构。

实体例子中，反应池中包电极(电极制作在芯片上或芯片内)，但是这并不是本发明的要求。芯片上的电极可以具有任意形状，例如矩形、城堡形、三角形、圆形等等。电极的排布方式也有许多种，比如螺旋状、平行状、相互交错形、多项式形等等。芯片上电极的制作可以使用本领域中常见的各种微加工和微机械方法，例如电镀、金属溅射、光化学蚀刻。包含有电极的芯片有，但不仅仅限于，制作在玻璃基片上的介电电泳电极阵列(Dielectrophoretic Manipulation of Particles by Wang et al.，in IEEETransaction on Industry Applications，Vol.33，No.3，May/June，1997，pages 660-669)、具有可单个选通电极阵列的微加工生物电子芯片(Preparation andHybridization Analysis of DNA/RNA from E.coli on MicrofabricatedBioelectronic Chips by Cheng et al.，Nature Biotechnology，Vol.16，1998，pages541-546)和毛细管电泳芯片(Combination of Sample-Preconcentration andCapillary Electrophoresis On-Chip by Lichtenberg，et al.，in Micro Total AnalysisSystems 2000edited by A.van den Berg et al.，pages 307-310)。

本发明中或是本方法中使用的反应池具有一个或多个端口，或是在反应池的壁上具有开口。端口可以是任何大小的，但适宜的是可允许样品由导管加入反应池的形状和尺寸。导管可以是任何允许液体通过的管状结构，比如橡胶管、聚四氟乙烯管、或聚乙烯管。端口可以为反应池壁提供一个开口以便于通过吸液管或是注射器引入样品。

导管可以通过泵(例如蠕动泵或是灌输泵)、注射器或是重力从一个或几个端口向反应池中引入样品。一种或是多种试剂、缓冲液、溶液等等。本发明中可以对样品中的一种或是多种实体分子的介电性质进行修饰的样品溶液，可以和样品同时加入反应池，或是先于、后于样品加入反应池。也可以在进入反应池前，先把样品和试剂、缓冲液或是溶液先混合起来，这样的混合过程可以在将流体引入反应池的导管中进行，也可以在一个或是多个与导管相连的样品池中进行。

II.带有空腔的电磁芯片

本发明的具有可单独选通微电磁单元阵列的电磁芯片由以下部分组成：基底；在上述基底上排列成阵列的空腔；第一层导线，其中的导线沿着上述阵列的列的方向；第二层导线，其中的导线沿着上述阵列的行的方向，和第一层导线相互绝缘，而且相互垂直。本发明的首选方案是上述的空腔排列成行列的方式，每个空腔中含有一个可磁化的磁芯。

在本发明中，第一层导线和第二层导线通过第一层绝缘物质隔开。这第一层绝缘物质可以由任何适当的材料制成，例如，但不仅仅限于，氧化硅、氮化硅、塑料、玻璃、陶瓷、光刻胶和橡胶。

第二层绝缘物质沉积在第二层导线和磁芯的表面，这第二层绝缘物质可以由任何适当的材料制成，可以使用与第一层绝缘层相同的材料，也可以使用与第一层绝缘层不同的材料。例如，但不仅仅限于，氧化硅、氮化硅、塑料、玻璃、陶瓷、光刻胶和橡胶。

本发明的电磁芯片还可以包括另外的导线层，其中的每条导线都沿着阵列中行或是列的方向，并且和其它的导线层绝缘。电磁芯片的导线可以由任何合适的材料制成，首选的材料可以是，但不仅仅限于，铝、金、银、锡、铜、铂、钯、石墨和半导体材料。

本发明的电磁芯片还可以包括另外的功能层。功能层可以由任何合适的材料组成，本发明中首选的是至少包括以下一种材料：亲水单分子层、有功能基团的亲水单分子层、疏水单分子层、有功能基团的疏水单分子层、亲水膜、有功能基团的亲水膜、亲水胶、有功能基团的亲水胶、疏水胶、有功能基团的疏水胶、多孔材料、有功能基团的多孔材料、非多孔材料和有功能基团的非多孔材料。首选的功能基团包括乙醛、炭化二亚胺、琥珀酰亚胺酯、抗体、受体和凝集素。

本发明的电磁芯片可以包括至少一个功能层和至少一个流体池。流体池可以引入液体使其与阵列接触。流体池上制作有入口/出口或是管道，以便于物质，例如试剂流入或是离开流体池。这种流入-引出结构的流体池的设计特别适合于本发明的自动化操作。

首选的电磁芯片

图和具体实例中都以本发明的首选电磁芯片为例。本发明的具有可单独选通微电磁单元阵列(10)的首选的电磁芯片由以下部分组成：基底(16)；在上述基底(16)上排列成阵列的空腔(22)；第一层导线(30’)，其中的导线至少围绕了磁芯达到90度以上。上述的空腔排列成行列的方式，每个空腔中含有一个可磁化的磁芯(26)。

电磁芯片还包括另外的导线层，其中的导线至少围绕了磁芯达到90度以上，这层导线层和第一导线层相互绝缘，但是导线之间通过贯穿绝缘层的连线连接。绝缘层的材料可以是氧化硅、氮化硅、塑料、玻璃、陶瓷、光刻胶和橡胶。导线层的材料可以是铝、金、银、锡、铜、铂、钯、石墨和半导体材料。

本发明的电磁芯片可以包括另外的沉积在阵列表面的绝缘层。这第二层绝缘物质可以是氧化硅、氮化硅、塑料、玻璃、陶瓷、光刻胶和橡胶。

本发明的电磁芯片还可以包括另外的功能层。功能层可以由任何合适的材料组成，本发明中首选的是至少包括以下一种材料：亲水单分子层、有功能基团的亲水单分子层、疏水单分子层、有功能基团的疏水单分子层、亲水膜、有功能基团的亲水膜、亲水胶、有功能基团的亲水胶、疏水胶、有功能基团的疏水胶、多孔材料、有功能基团的多孔材料、非多孔材料和有功能基团的非多孔材料。首选的功能基团包括乙醛、炭化二亚胺、琥珀酰亚胺酯、抗体、受体和凝集素。

本发明的电磁芯片可以包括至少一个功能层和至少一个流体池。流体池可以引入液体使其与阵列接触。流体池上制作有入口/出口或是管道，以便于物质，例如试剂流入或是离开流体池。这种流入-引出结构的流体池的设计特别适合于本发明的自动化操作。

III.检测反应所用的方法

本发明包括引导配基和靶物质反应的方法。该方法包括以下的步骤：

1)提供一个带有多个可单独选通的微电磁单元的器件，例如本发明的电磁芯片；

2)微电磁单元上有功能层，功能层可以直接与微电磁单元接触；

3)修饰配基分子使得修饰后的配基分子可以被磁场作用；

4)将带有修饰的配基分子的溶液与功能层接触；

5)选择性的选通至少一个微电磁单元，使得其产生磁场，定位修饰了的配基分子，使得至少一部分配基分子固定在功能层上，从而形成由固定的配基分子组成的排列图案；

6)修饰靶分子使得修饰后的靶分子可以被磁场作用；

7)将带有靶分子的溶液和和固定了的配基分子作用；并且

8)选择性的选通微电磁单元，使得靶分子与预先固定的配基分子反应。

芯片

上述方法中使用的首选电磁芯片是本发明中所述的电磁芯片，当然其它种类的芯片也可以使用。

磁性微粒

本发明中使用的磁性微粒和磁性物质的尺寸可以介于微米级至毫米级之间。磁性微粒可以由各种材料组成，可以使用各种不同的工艺制作，只要生物芯片产生的磁场足以使得磁性微粒诱导出磁偶极子。

可以在电磁力作用下移动的磁性微粒可以由磁性材料组成。首选的材料是顺磁性材料，它由外加磁场诱导出的磁偶极子，在外加磁场撤去后，可以回复为零。铁复合物就是一种合适的顺磁性物质。本发明中，磁性微粒的表面可以包被一种或是多种复合物以便于连接特定的结合物，用以直接或是间接的捕获感兴趣的实体分子。本发明中的磁性微粒可以制成任何形状，一般制成球形和椭球形。

本发明可以同时使用几种磁性微粒。不同的磁性微粒具有不同的表面性质，即它们可以与不同的实体分子结合，这样通过这种方法就可以同时分离几种不同的实体分子。不同表面性质的实体分子可以通过在磁性微粒的表面包被不同的复合物，再可逆或是不可逆的连接上不同的结合物而得以实现。

待操纵的实体分子可以通过任何可行的方法与结合物的表面结合。例如，实体分子可以和结合物的表面直接相连或是通过一个连接臂相连，最好是一个可以切割的连接臂。实体分子也可以通过共价或是非共价的结合方式与结合物表面结合。实体分子与结合物表面的连接方式可以是特异的，也可以是非特异的。最好，实体分子和结合物之间的连接是可以被切割的，如可以被化学、物理或是酶反应切断的连接臂。

连接臂(连接键)是任何可以将实体分子和结合物连接起来的特定物质分子。这样的连接臂(连接键)可以包括，但不仅仅限于，氨基酸或是肽键的连接、二硫键、硫醚键、受阻碍硫醚键、自由基(如氨基和硫醇基)之间的共价键等等。其它形式的连接臂包括可被酸切割的连接臂，例如bismaleimideothoxy propane、acid labile-transferrin conjugates、adipic aciddihydrazide这些可以在细胞内偏酸性条件下被切割的物质；也可以是能在紫外光或是可见光下被切割的胶联剂，例如人类IgG1中的恒定区域CH1、CH2和CH3(Batra et al.，Molecular Immunol.，30：379-386((1993))。在一些实体例子中，可以同时使用多种连接臂，以便于利用各种连接臂的优势。其它种类的连接臂如三苯甲基连接臂，来自于三苯甲基基团，可以在不同的酸碱性条件下释放实体分子(U.S.Patent No.5,612,474)。还有一些连接用实体分子可以参见下文(Huston et al.，Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.，85：5879-5883(1988)，Whitlow，et al.，Protein Engineering，6：989-995(1993)，Newton et al.，Biochemistry，35：545-553(1996)，Cumber et al.，Bioconj.Chem.，3：397-401(1992)，Ladurner et al.，J.Mol.Biol.，273：330-337(1997)and in U.S.Patent.No.4,894,443)。本发明中通常选用的连接方式是生物素-链霉亲和素相互作用、抗原-抗体相互作用、配基-受体相互作用或是核酸序列互补作用。用于连接实体分子和微粒的连接臂和方法可以参见美国专利申请，申请号为09/636,104(递交日期2000年8月10日)。

在一些情况下，当实体分子-结合物如分子-微粒复合物被操纵/分离到预定的位置后，微粒的存在并不干扰分子下一步的反应。这样，就不必将分子和结合物再进行分离。但是在某些情况下，这样的分离又是必须的。分离过程的特征由实体分子和结合物的性质、结合物的表面状况和操纵过程决定。通常，分离的条件和聚合的条件恰好相反。例如，如果实体分子和结合物在高盐离子浓度条件下结合，那么实体分子可以在低盐离子浓度条件下从结合物上洗脱下来。相似的，如果实体分子与结合物的连接是通过特异性的连接臂完成的，那么分离的方式就是施加给这个连接臂可以特异性使其断裂的条件。

磁化物质是指当施加磁场时可以诱导出磁偶极子，而当外加磁场消失时，感应出的磁偶极子也随之变为零。在应用中，可以使用市售的磁化物质或是磁性微粒。大部分微粒的尺寸介于微米以下(例如50纳米至0.5微米)至几十微米。微粒可以具有不同的结构和组成。一种磁性微粒的结构是在一小块铁磁性材料外包裹一层胶体，如聚苯乙烯层。还可以把纳米级的铁磁性材料和胶体如，聚苯乙烯混合在一起而形成的。这两种微粒的表面都是聚苯乙烯，可以进一步将各种类型的分子修饰在上面。

在本发明中，包含磁性微粒的溶液也可以包含一种或是多种结合物。结合物可以是一种或多种蛋白质，如抗体、抗体片段、抗原、配基(例如，但不仅仅限于，受体配基)、植物血凝素等等。结合物也可以是有机或是无机的分子，例如镍、谷胱甘肽、生物素、亲和素、链霉亲和素、非蛋白的受体配基或是配基类似物等等。结合物也可以是核酸，如RNA、DNA或是任何非天然存在的核酸。结合物可以与磁性微粒可逆或是不可逆的结合。在固相表面耦联分子，如核酸和蛋白的方法都是本领域内常见的方法。

修饰配基分子

配基分子可以是任何种类的实体分子，例如，但不仅仅限于，生物分子、化学试剂、药物分子，甚至可以是样品的一个组成部分，例如细胞。具体的说，配基分子可以是核酸分子、抗体/抗原等等。

为了使用磁场对配基分子进行定位、移动，配基分子需要进行修饰。修饰的方法有多种，例如将配基分子和磁性物质连接。连接的方法可以采用上述的连接臂。连接可以是通过共价键的形式，也可以是生物亲和的方式，例如生物素-亲和素亲和作用、凝集素-肝素亲和作用、受体-配基结合作用和抗原-抗体结合作用。最好，这种连接臂是可切割的，例如可以被光、热、酶或是其它化学反应切割。

在本发明的操作过程中，配基分子可以从磁性微粒上解离下来，在流体池中，解离下来的磁性微粒可以在磁力的作用下被流体清洗出去而与配基分子分离。

本发明中，一种修饰配基分子的方法是将配基分子与磁性微粒混合，冷冻使得配基分子和磁性微粒形成小的固体磁性微粒。在这种情况下，可以使用磁力分样器将这种小的固体磁性微粒排布到电磁芯片上。

修饰靶分子

靶分子可以是任何种类的实体分子，例如，但不仅仅限于，生物分子、化学试剂、药物分子，甚至可以是样品的一个组成部分，例如细胞。具体的说，靶分子可以是核酸分子、抗体/抗原等等。

为了使用磁场对靶分子进行定位、移动，靶分子需要进行修饰。修饰的方法有多种，例如将靶分子和磁性物质连接。连接的方法可以采用上述的连接臂。连接可以是通过共价键的形式，也可以是生物亲和的方式，例如生物素-亲和素亲和作用、凝集素-肝素亲和作用、受体-靶结合作用和抗原-抗体结合作用。最好，这种连接臂是可切割的，例如可以被光、热、酶或是其它化学反应切割。

在本发明的操作过程中，靶分子可以从磁性微粒上解离下来，在流体池中，解离下来的磁性微粒可以在磁力的作用下被流体清洗出去而与靶分子分离。

本发明中，一种修饰靶分子的方法是将靶分子与磁性微粒混合，冷冻使得靶分子和磁性微粒形成小的固体磁性微粒。在这种情况下，可以使用磁力分样器将这种小的固体磁性微粒排布到电磁芯片上。

结合反应

在溶液中，分子间的结合或是反应(例如，抗原和抗体；特异的DNA探针和其互补的序列)是在分子扩散的过程中通过碰撞而实现的。反应的效率和速率和参加反应的分子的局部浓度和碰撞的能量有关。在许多生物芯片的模型中，一种分子已经固定在芯片的表面，而另外一种分子则游离在芯片表面的溶液中。当溶液中的分子通过被动的扩散与固定的分子发生碰撞时，反应发生。在一定的时间内，往往只有一小部分的分子可以扩散并和固定的分子发生碰撞。这样，反应缓慢，效率低下，严重影响了这些生物芯片上生化反应的速率、效率和灵敏度。而本发明的电磁芯片中，溶液中的分子在磁力的作用下主动的和固定在芯片表面分子接触，可以大大提高反应的速率、效率和灵敏度。

以一个由超顺磁性物质制作的磁性微粒为例，当微粒处于磁场B中，微粒本身会被诱发产生磁偶极Φ□

$=V_p({\mathrm{\Π}}_p-{\mathrm{\Π}}_m)H_m$

其中V_p代表微粒的体积，x_p和x_m分别是微粒和周围介质的极化率。Φ_m是介质的磁透率，H_m代表磁场强度。如下式所示，微粒受到的磁力F_magnetic取决于磁偶极子的极化率和磁场梯度：

·F_magnetic＝0.5V_p(x_p-x_m)H_m ΛB_m，

其中″X″和″Λ″分别代表点积和梯度运算。微粒是否受到磁力取决于微粒和其周围介质的极化率的差异。通常微粒悬浮在液态的非磁性介质中(极化率接近为零)，这样为了产生足够的磁力，就需要使用磁性微粒(极化率大大超过零)。在磁力和粘性阻力作用下平衡时的磁性微粒速度v_particle为

$v_{\mathrm{particle}}=\frac{F_{\mathrm{magnetic}}}{6\mathrm{\π}{\mathrm{\η}}_m}$

式中r为磁性微粒直径，η_m为周围介质的粘性系数。这样，为了得到尽可能大的磁场操纵力，应该考虑到以下的因素：(1)微粒的磁化率应该尽可能大；(2)磁场强度应该尽可能大；(3)磁场强度梯度应该尽可能大。

检测

配基分子和靶分子的结合可以通过多种方法检测。其中一种方法是使用可检测标记或是使用检测系统。可检测标记或是检测系统可以产生可见的信号或是光学可见的信号。为了检测配基分子和靶分子的结合，可以将配基分子或是靶分子上标记可检测的标记或是连接上检测系统的部分。例如，可以在流体池中通入带标记的抗体，这些抗体可以被芯片上已经固定的特定的结合物，如抗原结合，未结合的试剂可以被流体洗去。根据所使用的标记的类型，可以使用适当的方法和仪器，例如通过光纤或是CCD设备检测光学信号，使用磁共振头(MR Head)可以检测磁信号。

IV.操纵磁性微粒的方法

本发明包括操纵磁性微粒或是可磁化微粒的方法。操纵方法的步骤为：提供一块带有多个可单独选通的微电磁单元的电磁芯片；将磁性微粒或是可磁化微粒加到芯片电磁芯片的表面；根据需要选通一个或是多个微电磁单元。调节施加的电信号，以改变电磁芯片表面的磁场分布，从而改变磁性微粒或是可磁化微粒上受到的磁场力。这样，可以将磁性微粒或是可磁化微粒移动到设定的区域或是从设定的区域离开。

磁性微粒或是可磁化微粒包括至少一种实体分子，包括样品的组成部分，例如细胞(血细胞、恶性肿瘤细胞、肿瘤细胞等)。实体分子还可以是核酸分子、特异的结合试剂(例如抗体和受体)。首选的实体分子是核酸分子、DNA、RNA、受体、多肽、蛋白质、碳水化合物、脂类、原核细胞、真核细胞、病毒、寄生虫、朊病毒、细菌抗体、凝集素、受体或是样品的组成部分包括细胞，例如血细胞、恶性肿瘤细胞、肿瘤细胞等。

实体分子和磁性微粒或是可磁化微粒连接。磁性微粒或是可磁化微粒和实体分子的连接可以通过直接的方式，也可以通过非直接的方式。非直接的方式可以通过多种方法实现，例如通过聚集的方法，或是通过特异的结合物(抗体、受体等等)。直接的连接也可以通过多种方法实现，例如使用化学连接臂将磁性微粒或是可磁化微粒与实体分子连接或是直接偶联在一起。

连接有实体分子的微粒可以在磁力的作用下移向或是离开芯片上特定的区域。连接有实体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，这样可以对芯片进行清洗，如果芯片上有流体池，就可以通入流体进行清洗。另外，芯片表面的功能基团，例如功能层上的功能基团，也可以可逆或是不可逆的与实体分子、微粒或是实体分子-微粒复合物结合，从而使得对芯片的清洗成为可能。这样，就可以实现对实体分子的分离和定位。

一旦实体分子被可逆或是不可逆的分离、定位或是固定后，多种方法可以用于对它的检测。例如，对于一个已经定位了的实体分子或是微粒可以通过其上的可检测的标记或是检测系统被检测。首选的可检测的标记包括荧光标记、可见光标记、同位素标记等等。可检测的标记可以在分离之前就连接到实体分子上，也可以在分离之后，通过次级试剂，例如标记抗体连接到实体分子上。微粒上也可以带有标记，这种标记可以是微粒本身固有的性质，例如颜色等，也可以是后来修饰上去的标记，例如荧光标记等。根据所使用的标记的类型，可以使用适当的方法和仪器，例如通过光纤或是CCD设备检测光学信号，使用磁共振头(MR Head)可以检测磁信号。检测的方法可以是定量的、半定量的或是定性的。

为了对通过磁力分离的实体分子进行检测，样品中的至少一种实体分子上应带有可检测的标记。例如，在将生物样品和本发明的样品溶液混合进行磁力分离时，可以使用特异性的识别样品中的一种细胞或是组分的抗体对某种细胞或是组分进行标记。抗体上可以带有可检测的标记，例如荧光分子(如罗丹明、荧光素、Texas红、藻红蛋白，藻蓝蛋白、绿色荧光蛋白、红色荧光蛋白、蓝色荧光蛋白、黄色荧光蛋白等等。细胞也可以使用带有不同标记的不同抗体标记。这样，带有荧光标记的细胞所处的位置可以被检测到，从而可以判断出使用样品溶液对样品组分进行磁力分离的效果。除了细胞外的样品组分，如细胞器、病毒、蛋白质、复合物和核酸等等都可以利用抗体进行标记，从而检测它们的磁力分离。

另外，还有一种检测方式是在分离之后，通过结合分析检测蛋白质、核酸和其它化合物的存在。例如，将本发明的样品溶液和样品混合后，再进行细胞分离，分离的效果可以通过检测能够和给定细胞所表达的蛋白特异性结合的抗体或是检测能够和确定细胞(如特异种类的细菌)中的特异序列结合的探针核酸序列等等方法而得到。对可以代表特异类型细胞或是特异细胞组分的核酸序列和蛋白质的检测可以通过酶促检测过程(如PCR)或分析(如P450分析)。通过向细胞内部引入可检测的标记(如染料)可以对细胞磁力分离过程进行监控。例如，细胞中可以引入BCECF-AM(Molecular Probes，Eugene，OR)，这种荧光素探针可以被活细胞吸收，在磁力分离后，这种荧光素分子的位置可以确定(Gascoyne et al.IEEE Transcactions 33：670-678(1997))。用以分离细胞的芯片被证明可以用显微镜进行观察，这样被分离的实体分子可以被洗出反应池，再通过显微检测、流式细胞技术、细胞生长分析等等方法(但不仅仅限于这几种)进行分析。

定位了的实体分子还可以被进一步处理。例如，可以通过适当的方法将实体分子从微粒上解离下来。例如，用以连接微粒和实体分子的连接臂可以通过适当的方法切割下来，例如通过化学试剂、酶、pH、盐或是光进行切割。

待操纵的实体分子可以通过任何可行的方法与结合物的表面结合。例如，实体分子可以和结合物的表面直接相连或是通过一个连接臂相连，最好是一个可以切割的连接臂。实体分子也可以通过共价或是非共价的结合方式与结合物表面结合。实体分子与结合物表面的连接方式可以是特异的，也可以是非特异的。最好，实体分子和结合物之间的连接是可以被切割的，如可以被化学、物理或是酶反应切断的连接臂。

连接臂(连接键)是任何可以将实体分子和结合物连接起来的特定物质分子。这样的连接臂(连接键)可以包括，但不仅仅限于，氨基酸或是肽键的连接、二硫键、硫醚键、受阻碍硫醚键、自由基(如氨基和硫醇基)之间的共价键等等。其它形式的连接臂包括可被酸切割的连接臂，例如bismaleimideothoxy propane、acid labile-transferrin conjugates、adipic aciddihydrazide这些可以在细胞内偏酸性条件下被切割的物质；也可以是能在紫外光或是可见光下被切割的胶联剂，例如人类IgG1中的恒定区域CH1、CH2和CH3(Batra et al.，Molecular Immunol.，30：379-386((1993))。在一些实体例子中，可以同时使用多种连接臂，以便于利用各种连接臂的优势。其它种类的连接臂如三苯甲基连接臂，来自于三苯甲基基团，可以在不同的酸碱性条件下释放实体分子(U.S.Patent No.5,612,474)。还有一些连接用实体分子可以参见下文(Huston et al.，Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.，85：5879-5883(1988)，Whitlow，et al.，Protein Engineering，6：989-995(1993)，Newton et al.，Biochemistry，35：545-553(1996)，Cumber et al.，Bioconj.Chem.，3：397-401(1992)，Ladurner et al.，J.Mol.Biol.，273：330-337(1997)and in U.S.Patent.No.4,894,443)。本发明中通常选用的连接方式是生物素-链霉亲和素相互作用、抗原-抗体相互作用、配基-受体相互作用或是核酸序列互补作用。用于连接实体分子和微粒的连接臂和方法可以参见美国专利申请，申请号为09/636,104(递交日期2000年8月10日)。

在一些情况下，当实体分子-结合物如分子-微粒复合物被操纵/分离到预定的位置后，微粒的存在并不干扰分子下一步的反应。这样，就不必将分子和结合物再进行分离。但是在某些情况下，这样的分离又是必须的。分离过程的特征由实体分子和结合物的性质、结合物的表面状况和操纵过程决定。通常，分离的条件和聚合的条件恰好相反。例如，如果实体分子和结合物在高盐离子浓度条件下结合，那么实体分子可以在低盐离子浓度条件下从结合物上洗脱下来。相似的，如果实体分子与结合物的连接是通过特异性的连接臂完成的，那么分离的方式就是施加给这个连接臂可以特异性使其断裂的条件。

当实体分子是细胞时，可以对细胞进行一定的处理，例如通过裂解或是通过改变细胞所处环境的渗透压使得细胞破胞。通过这些方式，可以使得细胞的或是细胞内的实体分子释放出来，例如核酸分子、蛋白质、多肽、受体、膜碎片和细胞器等等。这样，细胞内的感兴趣的实体分子就可以从样品中得到分离。细胞内实体分子可以被收集和进行进一步的处理。当芯片采用流体管道的模式时更容易实现上述目的。细胞内的物质可以通过适当的方法进行检测，例如对于核酸分子可以采用PCR或是杂交的方法检测，对于抗原，可以采用免疫分析的方法进行检测。

对于不同的实体分子可以采用不同的标记进行检测。例如，可以用Texas红标记检测一种实体分子，使用荧光素检测另外一种实体分子。在芯片上进行分离的实体分子可以进一步在一块芯片上或是多块芯片上进行检测。在芯片上，有特定的可以捕获实体分子的位点。这些实体分子包括特异的结合物例如抗体、配基、受体或是核酸分子，通过某些方式，例如功能层的作用，这些实体分子通过可逆或是不可逆的方式固定在这些特定的位点上。这些诗体分子可以通过多种方法定位在芯片上，例如通过印刷的方法，包括接触式点样和使用喷墨方式点样。这些不同的实体分子可以采用相同的或是不同的标记进行检测。反应检测的结果可以显示样品的信息。通过比较样品和对照的结果，可以确定样品中组分的绝对或是相对的浓度。这种检测方法用途很广，例如用于疾病状况的诊断、用于监测环境检测、药物毒物学、药物基因学、基因组学等研究中多种实体分子的数量变化状况。

本发明使用了电磁行波，也可以称为行波磁泳(traveling wavemagentophoresis)。行波磁泳是指磁性微粒或是可磁化微粒在磁力行波作用下的运动。这样的行波磁泳可以通过使用本发明的方法和器件实现。磁泳可以是同步的，也可以是连续的。在同步磁泳中，直流电可以按照一定的方向依次施加在电磁单元上，使得电磁单元依次产生磁场，形成磁力行波，这样磁性微粒或是可磁化微粒就可以沿着这个方向运动。在连续磁泳中，施加在电磁单元上的交流电信号彼此相差一定的相位，例如每4个相邻电磁单元相差90度的相位。这样也可以形成磁力行波。

图24B中所示的器件，位于行波磁泳器件(170)中的电磁单元(190)示可以单独选通的。芯片上对电磁单元的电路连接方式使得电磁单元可以单独被选通和关闭，例如依次选通的方式：首先，第一个电磁单元被选通；随后，第二个电磁单元(与第一个电磁单元平行的最接近的电磁单元)被选通，同时第一个电磁单元关闭；然后依次是第二个电磁单元关闭，同时第三个电磁单元选通…这样，第一个、第二个、第三个…电磁单元上就依次出现磁场，正如磁场随着一定的方向传播，形成磁力行波。这些电磁单元形成了一个磁力行波的结构。在磁力行波的作用下，带有或是未带有实体分子的磁性微粒或是可磁化微粒就可以沿着磁场的方向移动。

一个行波磁泳装置包括一定数量的电磁单元。只要可以适于行波磁泳，这些电磁单元可以是任意的尺寸、形状和强度。一般而言，行波磁泳装置包括2至1000个电磁单元，更好是包括5至500个电磁单元，最好是包括10至100个电磁单元。电磁单元可以制成任何适当的结构和尺寸，还要具有一定数量的磁芯以便于产生足够的磁场。制作电磁单元时需要考虑到的因素包括单元的尺寸、单元的数量、单元的强度、需要被移动的微粒的性质和需要施加的电信号的性质。本发明可以用以指导设计、制作和测试多种这样的结构，以确定出可以用于行波磁泳的结构。

本发明中，不同的结合物可以同时固定在芯片上(例如在功能层上)具有行波磁泳结构区域的不同位点。带有实体分子的微粒通过行波磁泳作用可以通过芯片上行波磁泳结构区域，这样，预先固定在行波磁泳区域的不同的结合物可以捕获各自对应的结合物。在行波磁泳过程中或是行波磁泳结束后，捕获的实体分子可以采用相同的或是不同的检测标记或是检测系统进行检测。根据所使用的标记，可以选用适当的检测方法进行检测。首选的标记方式是荧光标记，首选的检测方式是使用光纤和CCD设备，具体的方法是使用光纤结构收集荧光信号，传输到CCD部分进行测量和处理。

实例

例1：具有竖直结构的微电磁单元的电磁芯片

以下是本发明的具有竖直方向微电磁单元的电磁芯片的一个实例。

图1为本发明中电磁芯片10的简图。芯片10包括多个微电磁单元11，这些单元可制作在硅、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上的电磁单元11排列成3×3的阵列。当施加电流15时电磁单元11可以感应出磁场并能够通过多种手段进行选通。图1为9个微电磁单元中的6个选通后在各单元附近产生磁场的示意图。注意磁场的方向取决于电流环流的方向。

在图1中，电磁单元11可以是由环行电导线(如图所示圆环15)和这些电导线所环绕的一个与导电回路绝缘的中心19所构成的。环可以有多种几何形状，如圆环、螺旋线、正方形及方形螺旋形。正如熟悉微刻蚀和微加工的人员所知道的，这些具有不同宽度和厚度的导线可以用不同的光刻和加工方案在硅基上制备(可参见Rai-Choudhury P主编的Handbook ofMicrolithography，Micromaching and Microfabrication，Volume 2：Micromachingand microfabrication.SPIE Optical Engineering Press，Bellingham，Washington，USA，1997)。这些方案包含许多基本步骤，如制作光刻掩膜板、沉积金属、沉积绝缘体、涂覆光刻胶、通过掩膜和显影剂在光刻胶上形成图案、金属或绝缘层成型。导线可以是金属材料如铝、金、银、锡、铜、铂、钯或非金属材料碳，半导体材料如掺磷硅，或其他任何能导电的材料。为了传导高达几百毫安的电流，导线必须具有几千平方微米的横截面积。导线的厚度和宽度可以分别在0.1～500微米和1～500微米之间变化。对每个电磁单元，导线可以为单圈或多圈。如为多圈，有可能需要采用多层微加工方案来制备这些单元。

在本发明的一种芯片设计方案中，微电磁单元的选通是通过电开关将导电回路和电流源相连来实现的。导电回路中的电流通断情况可通过改变施加在电开关上的信号控制，从而使电磁单元或者接通或者关断。在另一种芯片设计方案中，微电磁单元的选通可以通过机械开关控制导电回路的电流通断来实现。在上述这两种形式中电磁单元都与开关连接，通过控制开关的“开”或者“关”便可实现电磁单元通/断选通状态的多种组合。

为了增加电流在导电线圈中感应的磁场强度，可以采用铁氧体材料或铁磁材料的磁芯。在这种情况下，每个电磁单元都包含了基片上的磁芯、环绕磁芯的单圈或多圈导线、从电流源向导线施加电流的装置。因此，在图1中电磁单元11的中心区19可以由铁氧体材料或铁磁材料制成，并使其与电流回路15进行电绝缘。在此领域人们所熟知的各种方法都可以用来在基片上沉积铁氧体材料或铁磁材料(举例见Ahn and Allen的文章，″A new toroidal-meander type integrated inductor with a multilevel meander magnetic core″，IEEETransations on Magnetics 30：73-79，1994)。

图2为将磁性微粒21引导向一个正在工作的电磁单元11的示意图。在施加电流15时，该单元附近会产生感应磁场

该磁场对微粒产生磁力作用。如公式3所示，磁力极大地依赖于磁场

(及场强)的分布。通过有选择地选通电磁单元便可控制和改变磁场的分布。例如，通过某一适当方向的电流同步激励四个相邻的电磁单元便可产生一个四极子磁场。通过改变施加在微电磁单元上的电流幅值和方向可以进一步改变磁场的分布。磁场的改变进而影响对磁性微粒产生的磁力大小，影响微粒的位置、速度和其他动力学参数。例如，通过增加磁场强度和磁力可使微粒的速度增加。

图3所示的电磁生物芯片除了位于芯片表面的功能层42外其他均与图1所示的芯片相同。该功能层用于固定配基分子，它可以为亲水单分子层或疏水单分子层、亲水或疏水薄膜、亲水或疏水凝胶层、聚合物层、非致密或致密材料和/或者这些材料的组合。分子单层是指单分子层(如Langmuir-Blodgett膜)。为固定核酸配基，可以使用在Southern印迹法和Northern印迹法中所用的结合材料如硝化纤维素或尼龙。蛋白和多肽可以通过各种物理或化学手段来加以固定化(例如疏水)。例如，为了固化蛋白或多肽配基分子可以将特定的受体如抗体或外源凝集素加到功能层42上。根据需要固化的配基及在生物芯片上所要进行的反应和分析，可以将不同的分子加到功能层42上，以达到固定化配基的目的。这些为固定配基分子而引入到功能层42上的分子称为功能基团。功能基团可以是(但不局限于)乙醛、碳二亚胺、琥珀酰亚胺酯、抗体、受体及外源凝集素。这些功能基团还包括通过对芯片表面进行化学修饰而形成的化学基团或分子位点。图3所示电磁生物芯片10的使用方法将在后面具体描述。

图4为根据前面所述本发明的一种设计方案给出的微电磁生物芯片10的简要示意图。通过导体14连接点12与电磁单元阵列进行电传导。图5给出了详细的单个电磁单元的横截面示意图。虽然在很多中基片上都可以制作出类似的微电磁芯片，但图示方案中所示意的基片是表面抛光的硅基片16。下面我们详细地描述图4中电磁生物芯片10的制作过程。这些过程仅供示意之用。熟知微加工的人可以很容易地修改这些步骤或过程，改进与图4所示具有相同结构的生物芯片的部分加工方法。导电区域通过表面扩散(掺杂)磷来产生一个掺杂浓度为2-10Ω/口的电阻。二氧化硅绝缘层具有1000-8000

的厚度，并通过下面所描述的热分解方法产生。

根据对微电磁单元阵列芯片的尺寸和阵列密度的要求，通过掺磷在基片16上光刻形成平行导线18。调节磷扩散的表面密度使导线18的方块电阻小于或等于10Ω/口。因为导线18在基片16中形成，它们没有起伏也不会高出基片16的表面。

在形成第一层导线18后，将芯片放在高温烘箱中(如1000℃)，在基片16的表面生长一层厚为2000-4000

的氧化硅绝缘层。于是在基片16上形成第一层绝缘层20来覆盖第一层导线18。

应用光刻的方法，在第一层导线之间指定的区域刻蚀出用于电镀的小孔。例如，深为10μm的电镀小坑阵列22是通过在硅基片16表面加KOH溶液(30％w/w)腐蚀而成。每个电镀小坑22的横截面为梯形，并且较小的平行边靠近基片16的下表面。另一层厚为5000

的二氧化硅24沉积在电镀小坑22的表面，而且通过光刻将电镀小坑22底部的一层二氧化硅去除。

在小孔22中填充铁磁材料以形成磁芯。先将基片16放在NiSO₄(200-400g/l)溶液中，在通氮气的情况下升温到400-600℃加热30分钟，以便在电镀坑22的底部形成一个厚为1μm的镍种子层。

小坑22中的磁芯26可以按下面的步骤和条件通过电镀形成：(1)20-40℃下放在Fe/FeCl₂溶液(比率200∶500g/l)中；(2)30-60℃下在FeNi/NiSO₄溶液(200∶400g/l)中；(3)30-60℃下在FeCl₂溶液(10-60g/l)中。这样，在基片16上形成磁芯26的阵列，其中磁芯26的表面比第一层二氧化硅绝缘层20的表面要高。根据其他条件和步骤电镀获得成分结构不同的磁芯26。例如，为获得镍(81％)-铁(19％)玻莫合金，电镀溶液可以包含下列组分：N_iSO₄·6H₂O(200g/l)，FeSO₄·7H₂O(8g/l)，NiCl₂·6H₂O(5g/l)，H₃BO₃(25g/l)及Saccarin(3g/l)。在～5mA/cm²的电流密度条件下可获得～0.3μm/min的电镀速度。其他有关电镀条件的细节可以从许多参考文献中找到(例如，Romankiwand O’Sullivan，“Plating techniques”in Handbook of Microlithography，Micromaching and Microfabrication，Volume 2：Micromaching andMicrofabrication，Editor：Rai-Choudhury P.，SPIE Optical Engineering Press，Bellingham，Washington，USA，1997)。

形成磁芯阵列26后，一层厚度约为5000

的Si₃N₄绝缘层28在200-300℃的温度下被沉积到磁芯26和第一绝缘层20上。接下来是将厚度约为1.2μm的导电铝层溅射到Si₃N₄绝缘层28的表面上。通过对铝进行光刻和湿法刻蚀在磁芯26之间形成与第一层导线18垂直的第二层导线30。这样便形成了一个由磁芯阵列和两维导线网所构成的微电磁单元阵列。铝导线30的表面较磁芯26的表面可能持平或略高。

最后，第二个厚度约为4000

的Si₃N₄绝缘层32在300℃下被沉积在铝导线30的表面。然后，通过干法刻蚀将第一层导线18和第二导线层30末端的绝缘材料除掉，使得导线的末端通过导体14连到焊线点12上，从而使芯片上的导线与外部电路相连。

微电磁单元阵列的导电通道18和30是通过直流电源供电的。微电磁单元阵列中的每个单元都可以通过有选择地给不同的导电通路18和30通电而加以控制。如图5所示，通过选择磁芯26周围的通道18和30中的电流的方向使得绕磁芯26形成环形电流，会在该单元附近产生一磁场，也就是说，为了磁化任一列上的某一个磁芯，在该列左、右侧的导电通道18必须被选中并让这两个通道中通以方向相反的电流。当然，该电流将会在一定程度上磁化该列中所有的磁芯。不过，该列上任一预定的单元同时也是某一行上的一个单元。当电流在该行两侧的导电通路30中流过时，该行上的所有组成单元都会有一定程度的磁化。但如图5所示对于被选中的单元而言，将会在其四周的导电通路中有电流流动形成一环路。这样在被选单元处所产生的磁场强度将是那些未被选中单元的两倍。

在需要增强被选中单元的磁场强度时，可以制作多“匝”导电通道(如微型线圈)以增加磁芯的环绕电流。通过用制作通道18和30类似的方法可以在绝缘层32上再制作一层或多层二维导电通道网，每一网层包含与18和30相似的相互绝缘的两层导电通道，而且它们的位置和通道18，30分别对应。

被选中单元的磁场强度还可以通过微细加工技术制作环绕磁芯的微线圈加以提高。在电流一定的情况下，由磁芯所产生的磁力与微型线圈的匝数成正比。对于从事微细加工的人员来说，他们应该知道现有的方法中有许多微细加工技术均可被用来制作微型线圈。下述方法是本专利的示例描述，但制作方法并不只局限于这一种。微型线圈的制作方法与上述导电通道的制作方法类似，也是或者采用掺杂导电层或者采用金属导电层(如铝)，其不同之处在于导电层之间是在垂直于芯片表面的方向通过接触孔而连接的。在制作第一层导电通道时，不是在磁芯26四周制作直线通道，而是如图7中所示将通道34制成几乎完全环绕磁芯26的导电通道。这层导电通道可以用象制作列导电通道18中所采用的磷扩散方法实现。随后，在这层导电通道之上再覆盖一层绝缘层20。如图8所示，第二层导电通道36被沉积在绝缘层20上，它可以通过上述行导电通道30中所使用的溅射和刻蚀方法制作。在溅射之前，绝缘层20首先被刻蚀出一个垂直连接孔35以使微线圈通道34和36连通。连接点35要正好安排来让第一层微线圈导电通道34的尾部与第二层微线圈导电通道36的起点相对应。第二层微线圈通道36上同样覆盖一层绝缘层20，重复用上述方法制作第三层导电通道38，如图9所示。通道38，34被引出阵列和导体14和压焊点12(未画)连接。关键之处在于每一导电通道层构成微线圈上的一个单匝，而每个微线圈均由一个起始的“列”层34和一个终止的“行”层38构成，其中环行导电通道36可以依需要而制作多层。注意每相邻导电层之间的间隙40都有轻微错位，这种错位安排是必要的，它用以保证连接孔35总是与下一导电层的尾端，上一导电层的首端相对应。同样，微线圈也能用最初制作列通道18的方法(掺杂)实现。这取决于所设计器件的要求。在硅中掺杂的方法之一是在绝缘层20上沉积一层多晶硅，然后用光刻引导掺杂的方式制作导电通道。在除了“行”层38以外的所有微线圈层制作完毕以后，用刻蚀的方法产生方坑22，再用电镀的方法制作磁芯26，最后制作“行”导电层38和绝缘覆盖层以完成结构制作。

微线圈的好处在于每个磁芯能产生比单匝线圈强得多的磁力(与微线圈的匝数成正比)，特别是在一个单元被行列选通而磁化时，其他磁芯的磁化度会很弱或没有。

图10、图11A、图11B和图11C给出出了用开关选通微电磁单元的原理，在图10中，每个单元41通过串联开关37和39连接在共同的电源43与共地45之间。开关37可以通过在行导线30上施加的电信号(电流或电压)加以控制。开关39可以通过在列导线18上施加电信号加以控制。当且仅当两串联开关打开时，单元41上有电流通过(即电流从电源43流出经过电磁单元41到地45。开关可以用图11A中所示的双极三极管(bi-polar transistor)、图11B中所示的金属氧化物半导体场效应管(MOSFET：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor)或是图11C中所示的matrix drive LCD实现。因此通过加在双极晶体管基极或金属氧化物半导体场效应管栅极的电势使开关开或者关。单元41可以制成如图10和11B所示的单圈方形线或如图11A所示的多圈方形螺线。这些三极管能用与上述制作电磁阵列相似的方法制成，而且能与导电通道集成在同一衬底上。在最终构成中，电源43和地45可能会分布在两个分开的导电层上，且被分别接到直流电源的两个输出端上。流过磁芯周围的电流大小为电源电压除以电路中的总电阻(包括接通的开关电阻和导电回路的电阻)。在上面的例子中衬底材料为硅，但是其他材料，如玻璃、硅化物、陶瓷甚至塑料都可以被用作衬底。衬底也可以是致密或非致密的物质。同样，制作绝缘层20、28和32的材料也不限于上述所例举的，这里，它们还可以是塑料、玻璃、光刻胶、橡胶、陶瓷等。导电层可以是铝、金、锡、铜、钛、铂、碳、半导体或它们的复合物。类似地微线圈和导电通道的其他构造也是可行的。上述通过电镀制作磁芯的方法也仅仅是一个例子。磁芯可以通过电子束蒸发、离子溅射或其他微细加工中的沉积方法加以制作。具体地说，磁芯可以通过电子束蒸发，离子溅射或其他方法将一系列的铁氧体材料或电磁材料通过沉积的方式制成。本发明包括在衬底上制作的各种可单点选通式微电磁单元。运用此种芯片，生物分子化学试剂和药物分子都可在磁场作用下加以调动控制。

在微电磁阵列芯片制作完成后，绝缘层32的表面可以用化学方法加以修饰或覆盖一层薄膜。这层膜在此被称为功能层42，它是被用来固定配基分子的。如图13所示，功能层42可以是亲水或疏水的单分子层，亲水或疏水的膜，亲水或疏水的凝胶层，多聚分子层或者是这些材料的复合物，如与图3相关部分所描述的那样。功能层42也可由致密或非致密物质构成。在功能层42中可引入特定的分子如抗体以来达到固定化配基分子的目的，这最终取决于芯片表面所要固定的特定配基和所要作的分析或反应。这些嵌入功能层中为固化配基分子的分子被称为功能基团。为固定核酸所使用的配基固化材料硝化纤维或尼龙，可以是在Southern印记转移和Northern印记转移中所用的材料如多聚赖氨酸、琼脂糖胶、水凝胶、聚丙酰胺凝胶等制作的功能层。为了固定蛋白和多肽，可以将抗体其他蛋白分子嵌入功能层42中以用做功能基团。

形成功能层后，被磁性修饰或承载(见下面解释)的配基分子44可以通过与提供的不同功能基团结合而被固定在功能层42上。图13描述了一种直接的结合反应如抗体和抗原的结合，但是，固定化反应并不仅局限于这种反应。利用电磁单元产生的磁场可以精确地控制配基分子在功能层42上的固定化位置，即在大多数情况下如果单个电磁单元26被磁化，那么配基分子将会立即被固定于该单元上方的功能层上。众所周知，电磁场的极性由该电磁单元周围环绕的电流方向决定。依据不同的电流方向(顺时针或逆时针)电磁单元可以被极化成不同的极性。因此，当两个相邻的电磁单元被感应成相同的或相反的极性时，由两个电磁单元所产生的磁场叠加所形成的总磁场将决定作用于经磁性修饰过的配基分子上的磁力大小并确定其被固定化的位置。并且若按一定的时序选通各电磁单元，可以调整芯片上的磁场分布和改变作用于磁性修饰分子上的磁力大小。在芯片10表面构建一个流体池46以用于容纳亲合配基分子、试剂以及反应物，同时也可以进行液体的运输。图12是装有流体池的生物芯片的一个示例。流体池46可以是塑料或其他材料制作。进样口和出样口48为液体的流动提供通道。用硅胶或其他材料在流体池46的顶部密封上一块石英盖片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检测的材料)。盖片是为了便于利用光检测方法来检测装置内部的配基和反应产物。如果采用非光学检测方法，流体池顶部50就没有必要使用透光材料。

例2：具有平面结构微电磁单元的电磁芯片

以下是本发明的具有水平结构的微电磁单元的电磁芯片的一个实例。

例1中给出的是具有垂直结构的微电磁单元(垂直单元)的电磁芯片，具有水平结构的微电磁单元(水平单元)的电磁芯片或是同时具有水平和垂直结构的微电磁单元的电磁芯片都属于本发明的范畴。这些水平单元的制作和垂直单元相似。但是考虑到水平单元特殊的尺寸和形状，使得水平单元具有与垂直单元不同的性质，更加适合本发明的方法。

使用本发明给出的方法可以制作出多种形式的水平单元。这多种形式的水平单元的区别在于磁芯的尺寸(例如磁芯的厚度和长度)不同和磁芯外围绕的导线圈数的不同。为了达到减小消磁后的残余磁场和增加磁极密度的目的，磁芯应制作的长些，提高磁芯的长度/截面积之比。而随着截面积的增大，磁场强度也增大。在使用电磁芯片的过程中，在达到饱和电流之前，提高施加的电信号也可以提高磁极密度。以下给出了设计和制作水平单元磁芯时所有的尺寸(单位：微米)：

200x50x5200x25x5200x50x2200x25x21600x50x5

400x50x5400x25x5400x50x2400x25x21600x25x5

图14给出了由围绕了12圈导线的磁芯组成的水平单元的设计图。磁芯的尺寸为200微米X50微米，厚度约为5微米。单元施加的电流的大小为20毫安。图15是磁芯在竖直方向200微米X200微米平面内的磁场的对数等值图，图的坐标从磁芯的中心开始算起。图16是和图15在一个平面内的

(高斯²/厘米)(和磁场力成正比)的对数图。图14B、图14C和图14D是这样的单元的照片。

具有水平单元的电磁芯片可以使用3英寸硅片为原料，可以制作出16块1厘米X1厘米大小的芯片。每块1厘米X1厘米大小的芯片上可以有16个可单独选通的微电磁水平单元。具有16个水平单元的1厘米X1厘米大小的芯片见图17。图18则是其上制作有16块芯片的硅片图。

图19A是图14A中沿着A-A方向的截面图，图19B是图14A中沿着B-B方向的截面图。通常，基底为硅或是玻璃，磁芯由CoTaZr构成，其外包裹了一层绝缘物质，上面围绕着金制导线。PVT金线是通过沉积的方式制作在被氧化硅活化的硅片上。导线和磁芯之间被绝缘层隔开，绝缘层可以是光刻胶、硅、氧化硅、氮化硅和三氧化二铝。

水平单元可以使用制作竖直单元的通用方法制作。制作水平单元时所使用的绝缘物质可以分为2种类型，所以这里给出了2种制作方法。

光刻胶绝缘

步骤	材料	方法
			基底清洗和烘烤	热氧化硅	洗刷
对中标记沉积	铬或是钛	溅射
			对中标记掩模	正胶	甩胶/对中/显影
对中标记刻蚀		离子蚀刻
			对中标记光刻胶剥离检查	剥离	目视检查
钝化	0.5微米SiO<sub>2</sub>或Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	溅射，气相沉积
			第一层线圈掩模	负胶	甩胶/对中/显影
第一层线圈沉积	1.0微米铬/金	电子束蒸发
			第一层线圈刻蚀和检查	剥离	Liftoff/目视检查/刻蚀
线圈平面化	光刻胶	甩胶/对中/显影/烘烤
			磁极沉积	2.0/5.0微米CoTz Zr	溅射/沉积
磁极退火		磁真空烘烤/测量
			磁极掩模	正胶	甩胶/对中/显影

磁极刻蚀	酸	化学刻蚀
			磁极光刻胶剥离检查	剥离	目视检查
磁极钝化掩模	光刻胶	甩胶/对中/显影/烘烤
			第二层线圈掩模	负胶	甩胶/对中/显影
第二层线圈沉积	1.0微米铬/金	电子束蒸发
			第二层线圈刻蚀和检查	剥离	Liftoff/目视检查/刻蚀
线圈电阻测试	探针板	探针台
			线圈钝化掩模	光刻胶	甩胶/对中/显影/烘烤
金电镀基底沉积	钛/金	溅射
			金焊盘掩模	正胶	甩胶/对中/显影
金焊盘电镀	金	电镀
			金基底刻蚀		离子蚀刻
外涂层沉积	5～10微米SiO<sub>2</sub>或Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	溅射
			外涂层磨平	金刚石浆	磨平
蚀刻外涂层露出焊盘		离子蚀刻
			最终测试	探针板	探针台

氧化物绝缘

步骤	材料	方法
			基底清洗和烘烤	热氧化硅	洗刷
对中标记沉积	铬或是钛	溅射
			对中标记掩模	正胶	甩胶/对中/显影
对中标记刻蚀		离子蚀刻
			对中标记光刻胶剥离检查	剥离	目视检查
钝化	0.5微米SiO<sub>2</sub>或Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	溅射，气相沉积
			第一层线圈掩模	负胶	甩胶/对中/显影
第一层线圈沉积	1.0微米铬/金	电子束蒸发
			第一层线圈刻蚀和检查	剥离	Liftoff/目视检查/刻蚀
线圈钝化	1.0微米SiO<sub>2</sub>或Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	溅射
			磁极沉积	2.0/5.0微米CoTz Zr	溅射/沉积

磁极退火		磁真空烘烤/测量
			磁极掩模	正胶	甩胶/对中/显影
磁极刻蚀	酸	化学刻蚀
			磁极光刻胶剥离检查	剥离	目视检查
磁极钝化掩模	1.0微米SiO<sub>2</sub>或Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	溅射
			线圈通道掩模	正胶	甩胶/对中/显影
线圈通道刻蚀	酸	化学刻蚀
			线圈通道光刻胶剥离检查	剥离	目视检查
第二层线圈掩模	负胶	甩胶/对中/显影
			第二层线圈沉积	1.0微米铬/金	电子束蒸发
第二层线圈刻蚀和检查	剥离	Liftoff/目视检查/刻蚀
			线圈电阻测试	探针板	探针台

线圈钝化	1.0微米SiO<sub>2</sub>或Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	溅射
			焊盘通道掩模	正胶	甩胶/对中/显影
焊盘通道刻蚀	酸	化学刻蚀
			焊盘通道光刻胶剥离检查	剥离	目视检查
金电镀基底沉积	钛/金	溅射
			金焊盘掩模	正胶	甩胶/对中/显影
金焊盘电镀	金	电镀
			金基底刻蚀		离子蚀刻
外涂层沉积	5～10微米SiO<sub>2</sub>或Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	溅射
			外涂层磨平	金刚石浆	磨平
蚀刻外涂层露出焊盘		离子蚀刻
			最终测试	探针板	探针台

上述的两种制作方法中都使用了一些用于光化学刻蚀的掩模。具体使用时，磁芯和导线之间究竟是选择光刻胶还是使用氧化物由某些因素决定，主要要考虑到光刻胶物质本身的荧光性质。不同种类的光刻胶具有不同的荧光特性。这些物质可以通过测试和筛选以选出可以用于荧光检测的光刻胶。通常使用的是三氧化二铝和氧化硅。

我们制作了三个带有水平单元的芯片并进行了测试。水平单元中磁芯的尺寸为(单位：微米)：

200x50x5 400x50x5 1600x50x5

在磁芯末端处测量出的磁场强度大约是理论计算值的50％左右，这可能是由于制作过程中所造成的偏移。

器件使用宽度为5微米的MR头进行检测，检测在一个可以手动调节的X-Y-Z平台上进行，平台的定位精度为25微米。水平单元上施加10毫安的电流。偏移点可以通过设定MR头中的永久磁铁薄片进行调节。测量的数据可以使用带有微分放大器模块的YEW 3033型仪器记录。其中X轴记录施加在水平单元上的电流，Y轴记录MR头上的信号值。

在使用MR头测量之前，先用Helmhotz线圈进行校准，校准在+/-100高斯的范围内进行。图20给出了校准曲线。MR头预先安装在平台上，大至定位在待检测器件的磁芯的末端。检测头的高度设定在50微米左右。然后在水平单元上施加大电流以使得检测头定位在X-Y平面上最大信号处，即磁芯的末端位置，然后再进行随后的测量。

MR头对于温度很敏感，所以测量过程中的热效应必须被考虑到并且尽量降低。在器件上施加低频(0.25Hz)方波有助于降低热效应，这是由于施加的电流的幅值是恒定的，几个循环以后器件和检测头系统就可以达到热平衡。

除了测量磁场和电流、磁场和Z方向上的高度的关系以外，器件的退磁状况也进行了测试。电流可以通过幅值逐渐衰减的振荡电流的方式衰减到零以使得单元去磁化，但是仍然有一定的残留。

图21给出了输出的数据，是尺寸为400X50X5的磁芯的场强-距离图。图中同时给出了计算的总场强值和计算的Z方向场强的分量的数值。可见在磁芯末端的场强主要是沿着Z轴方向的。实际测量值只有计算值的一般左右，这可能是由于制作出的最终的器件在具体几何尺寸上和设计值存在一定的偏移造成的。图22显示，器件的中心在电流大约为50毫安时达到饱和(见图中的拐点)，但是随着电流的增大，场强继续增强，磁芯末端的磁极密度也继续增大。图23给出了器件的剩磁效应。如果直接将施加器件上的电信号从某个值改变为零，就会产生剩磁现象。图23中左图是器件上施加20毫安的电流，然后突然撤去电流这一过程的剩磁曲线。图23中的右图是器件上施加20毫安电流，然后将电流的幅值按照正弦方式进行衰减，直至降到零这一过程的剩磁曲线，和左图比较，可以得知使用衰减方法降低施加的电信号的幅值可以使得器件的剩磁降低至零。

图24A和图24B是两种不同的芯片设计图，图24A是一块具有多个小型水平单元的芯片，而图24B是一块具有多个较大水平单元的芯片。图25显示，多个这样的不同的芯片可以制作在同一块硅片上。

图26是本发明的—个制作在芯片表面槽中的具有方形磁芯末端结构的水平单元的结构图。芯片上的槽可以制成任何适当的尺寸，但是深度最好与本发明中需要使用的微粒或是聚集物的直径接近；槽的形状也可以是各种各样的，但是最好是圆形或是椭圆形的。槽的深度最好介于0.5微米至10微米之间，槽的宽度应介于5微米至500微米之间，最好是介于20微米至200微米之间。槽可以使用任何适当的方法制作，例如化学或是激光刻蚀方法，也可以是使用机械设备制作出槽。在具体操作过程中，槽可以使得微粒被吸引到微电磁单元上，尤其是位于槽上的磁极上。在清洗过程中，槽的结构又可以防止微粒被冲走。由于槽减小了电磁单元至芯片表面的距离，所以槽还可以增强区域内磁场的强度。

磁芯末端的磁场强度与磁芯末端结构的形状相关。磁芯末端结构的作用是将磁极的磁场强度发散出去。图27给出了多种磁芯末端的结构图。

以下给出了一种制作水平电磁单元的方法。首先，需要一块表面具有多个平行排列的导线(例如金)的芯片，这可以通过掩模和溅射的方法加工上去。这块芯片将作为本发明的水平电磁单元中磁芯的基底。先在这层平行的导线上沉积一层绝缘物质，例如氧化硅。再在这层绝缘物质上位于第一层平行导线正上方的位置沉积磁芯物质，磁芯的方向应该至少部分与其下方的平行导线的方向垂直。磁芯的材料最好是CoTzZr，可以制成任意形状，但最好是制成棒状，并且末端不是直接截断的形状，而是具有一个斜面，从而形成突出的尖端。这种末端的结构有助于扩散磁芯的磁场，并且具有相对较长的作用距离。在磁芯上和原先没有被绝缘物质覆盖的区域还要再覆盖一层绝缘物质。

这些构成围绕磁芯的线圈下层的平行导线的末端可以通过掩模刻蚀的加工工艺暴露出来，例如通过酸腐蚀的方法将平行导线末端上的绝缘物质刻空，形成垂直的穿透绝缘物质的空腔。但是这个空腔不能和磁芯接触，必须有绝缘物质靶这个空腔和磁芯相互隔开。然后在空腔中注入导体物质，例如金，以便于连接底层的平行导线和上层的平行导线，以形成连续的线圈结构。最后，还要再覆盖一层绝缘物质以获得平坦的表面，还可以对表面进行一定的处理，例如抛光。另外，在磁芯的末端还可以使用合适的工艺，例如掩模化学刻蚀的方法制作出槽的结构。

线圈可以通过导线连接到导线连接处，例如由金制成的导线连接处。连接线圈至导线连接处的导线可以使用适当的材料和方法(例如掩模溅射)制作。导线连接处用以连接电源和线圈。

当在线圈中施加电流时，就可以磁化磁芯，从而产生出磁场。磁场可以使用多种方法进行测量，例如使用MR头。可以根据所需使用电磁单元的目的，选择适当的材料和尺寸设计和制作电磁单元。

例3：检测结合反应的方法

下面的例子是关于本发明电磁芯片，主要是使用带有微电磁单元的电磁芯片进行结合反应的检测方法。

图28到图37给出根据本发明，使用图4所示的电磁生物芯片可以操纵化学、生物、药物以及其他类型的分子。这些方法包括以下步骤；

a)构造一个可以单独选通的微电磁阵列芯片10，如图4所示。

b)在芯片表面形成功能层42。这层功能层用于配基分子的固定化。

如上所述，这层功能层42可以通过对绝缘层32的表面进行直接的化学修饰而形成，或是涂附一层聚合物而形成，也可以通过引入亲合分子或活性反应基团而形成。这层功能层可以是亲水或疏水的单分子层、亲水或疏水的膜、功能性亲水或疏水胶、聚合物层、致密或非致密层或者是这些材料的复合物。

c)对配基分子进行磁性修饰或承载并将其固定在功能层42上。

d)通过控制单个导线18和30中的电流在所需的微电磁单元上产生磁场，经磁性修饰或承载的配基分子将被牵引并固定于功能层42上所指定的位置，从而在芯片上形成进行不同分析所需的亲合结合区域。

通过施加磁场可以借助不同的方法用于定向地操纵和固定配基分子。例如，配基分子44可以通过一个可切割连接臂54与顺磁性磁性微粒56相连。这样，通过电磁生物芯片产生的磁场就可以对配基分子进行定向运输、定向操纵和定点释放。顺磁性微磁性微粒56的尺寸从小于100纳米到大于100微米均可。它们可以利用现有的技术制造，也可从诸如Dynal和Seradyn这样的公司购买。可切割连接臂54可以是光切、热切、酶切或特殊化学反应切割。可切割连接臂54和顺磁性磁性微粒56可以是共价连接，或者通过可切割连接臂54的末端官能团52和磁性微粒56的受体官能团之间的亲合结合来连接。

下面是完全的组装举例：

配基(44)-可切割连接臂(54)-生物素(52)-链球菌蛋白(58)-顺磁性微磁性微粒(56)

这里，可切割连接臂和顺磁性微磁性微粒间的连接靠得是生物素与链球菌蛋白之间的结合来实现的。这样的分子组装能作为对任何配基分子进行顺磁性微磁性微粒修饰的常规方法，此方法使用下面步骤：首先，用目前成熟的方法让链球菌蛋白与顺磁性微磁性微粒的表面结合(一般说来，顺磁性微磁性微粒表面有一层带有羧基或氨基的基团)。可替代的方案是直接从厂家购买表面覆盖有链球菌蛋白的顺磁性微磁性微粒。接着，制备“可切割连接臂-生物素”分子复合物。这两个步骤可用于任意类型配基分子的磁性修饰。然后，特定的配基分子与可切割连接臂结合，如通过共价键的方法。最后，将覆盖有链球菌蛋白的顺磁性磁性微粒与“配基-可切割连接臂-生物素”分子复合体混合培养，促使生物素-链球菌蛋白结合反应的发生。这样整个分子间的装配体就完成了。

在配基分子固定化中，通电的磁性单元产生的磁场在顺磁性微磁性微粒56上施加磁场力，它将使整个分子装配体与通电磁性单元上方的生物芯片表面接触。然后，可切割连接臂被切割，这样在磁性单元断电后微磁性微粒56就能被清除。清除方法可以是利用流体冲洗或外部施加的磁场力来完成，最后留下固定在功能层42上的配基分子。

另一种磁性承载配基的方法是：将顺磁性微磁性微粒和包含配基的溶液混合，再迅速冷却以形成包含配基和顺磁性微磁性微粒的固体微粒60(通常直径小于1毫米)。用不同的样品制备的固体微粒可以保存在冷柜中以备后续使用。使用装配有特殊设计的磁性微粒分配头62的三维高精度机械手，便可将这样的固体微磁性微粒直接运输到芯片上的指定地点。在固体微磁性微粒被运输到芯片指定区域上方的预定位置后，通过控制指定微电磁单元的电流以使芯片上指定区域上的磁场强于分配头上的磁场，便可让微粒释放并且固定定位(图28)。这样，就完成了将固体微磁性微粒60分发到芯片10的功能层的指定区域的操作(图29)。固体微磁性微粒60融化后，配基分子就会随之被固定在指定的芯片区域上(图30)。上面的步骤有下述附加优点：使用磁性分配头62可使配基分子间的交叉污染减到最小，这样每次运输后就不用清洗分配头了。配基分子在芯片表面的固定完成后，微磁性微粒56可以通过在芯片上方外加磁场力或液体清洗来将其从芯片上清除(图31)。

芯片上每一个微电磁单元上亲合结合区的特征尺寸在0.1μm到5mm(矩形为长和宽；圆形为直径)之间。结合区域的尺寸决定于每个磁芯26的尺寸和是否有多个磁芯选通以及选通磁芯的数目。亲合结合区的确切尺寸也可以通过控制功能层42的形状来改变-例如，功能层42可以用光刻控制来形成(相反的是将整个芯片都覆盖)。

e)靶样分子62的标记(例如，用荧光物64)和与微磁性微粒56相连接。

为了用本发明中描述的单点选通式微电磁芯片来操纵靶样分子62，需要对这些分子先进行磁性修饰。

有多种方法可以对靶样分子进行磁修饰。例如，靶样分子62可以通过可切割连接臂54连接上顺磁性磁性微粒56，这样便可通过施加磁场操纵靶样分子并将其输运到目标区域。可切割连接臂54和顺磁性微磁性微粒56的连接可以通过可切割连接臂的末端功能基团52和顺磁性微磁性微粒56的功能基团或受体的共价键或亲合结合来实现。例如，连接可以是如下结构(图32)：

靶样分子-可切割连接臂-生物素-链球菌蛋白-顺磁磁性微粒

这样的装配体可以通过上面形成“配基-顺磁性微磁性微粒”装配体的类似步骤来形成。

f)将连接在顺磁性磁性微粒56的靶样分子62放置在流体池46中，再通过控制磁场使其与固定在生物芯片表面的配基分子44接触。

g)在行/列单元阵列中，用图33和图34所示的电流通方式来选通被选中的电磁单元

这可使微电磁单元所产生的磁场被交替接通和关断。在图33中有25个单元中的13个单元被激励而图34中则有剩下的12个单元被激励。这样，在每个微电磁单元上产生的磁场会吸引靶样分子62并且使它们移向指定的配基亲合结合区域。交替改变磁场的选通情况，每一个电磁单元便能将它附近的靶样分子从溶液中吸引过来达到富集的目的。这样，靶样分子62和配基分子44之间就可以进行结合和反应了(图35)。

当把磁性修饰过的靶样分子62引入到的电磁生物芯片上进行分析时，靶样分子62的运动开始是随机扩散(图32)。之后靶样分子定向移向微电磁单元的操纵是通过如图33和图34所示交替打开和关闭每个单元的磁场所产生磁场力来实现的。根据特定的分析要求，也可以通过选择性的选通这些单元来将靶样分子62定向地移向一个或多个被选通的微电磁单元。在所选通的微电磁单元所产生的磁场影响下，磁修饰过的靶样分子62会迅速移向生物芯片表面，且与固定在指定单元区域上的配基靶样分子44发生亲合反应(或其他反应)(图35)。

h)最后一步，靶样分子62(或它们的反应产物)与微磁性微粒56分离，然后被清除。

将靶样分子62与微磁性微粒56分离可以通过用光切割、酶切割、化学切割等方法来切割靶样分子62和微磁性微粒56之间的可切割连接臂54(图36，37)。微磁性微粒56的清除是通过在芯片外部施加磁场力(该法不适用于使用了封闭式流体池46的情况)或通过流过池46的液体冲洗来实现。

上面的方法中，配基和靶样分子可以是任意类型的分子(例如生物学的、药物学的或任何其他化学分子)。本发明中所描述的方法可以用于通过杂交确定特定序列的DNA分子、抗体和抗原反应的结合分析及药物筛选等(例如药物分子或潜在的药用化合物与特定受体的结合)。举例说明，可将许多供选择的药用化合物当作配基分子并将其固定在功能层42的预定位置上。生物受体可以从细胞中分离或用基因工程的方法生产出来并作荧光标记。然后将受体置于功能层42上的特定地点使其与候选化合物结合。清洗后，任何区域上发光的候选化合物就是最有希望与生物受体作用的化合物。所以，本发明可以用于生化反应、生化检测和诊断检验。此外还可完成组装复杂大分子的特殊有机化学反应。

当上面描述的方法用于DNA杂交时，在步骤h后，非特异性杂交的DNA分子可用严格控制结合条件(如杂交缓冲液、温度等)来清除。最后留下与配基分子有高度亲和性的DNA分子，它们可以用荧光等方法去检测。

当上面描述的方法用于抗体-抗原反应时，紧接步骤h，在经过严格度清洗后，非特异性结合的抗体或抗原将被清除，而特定结合的抗原或抗体分子则会留在亲和结合区。

当上面描述的方法用于生物分析时，分析结果的检测和定量分析可通过几种检测方法实现，例如光学信号(如光吸收检测或荧光检测)、化学发光或电化学发光检测、电化学检测和放射标记检测。光学检测可以通过检测激光诱导靶样分子携带的荧光物64所产生的荧光来实现。另一种光学检测的方法是用激光诱导探针上标记的荧光物或与靶样分子特异性连接的二级抗体上的荧光标记物发出荧光进行检测。荧光谐振能量转移也能用于检测配基44和靶样分子62的接近程度。关于荧光谐振能量转移的详细描述可以在Ju等人发表的文章“Florescence energy transfer dye-labeled primers for DNAsequencing and analysis”(Proceedings of the National Academy of Sciences，USA，92：4347-4351，1995)中找到。下面是用本发明的方法控制DNA分子定向操纵的实际例子。

首先，根据本发明所描述的方法制作一个可单点选通式的微电磁阵列芯片。芯片的表面覆盖一层用于固定DNA探针的高分子聚合体。

将顺磁性微磁性微粒加入含有DNA探针的溶液中，然后迅速将混合物冷却形成冰冻固体微粒。通过装备有磁性分配头的高精度机器人可将微粒运输到生物芯片表面指定区域上(微电磁单元)。不同的探针固定在不同的区域。当然，每一个芯片所能具有的不同的探针数可以与芯片上微电磁单元的数量相同。选通生物芯片上的微电磁单元使其产生的磁场强于磁性分配头所产生的磁场，便可让含有探针的微粒释放到生物芯片上指定区域的功能层上。当固体微粒融化后，液体中的DNA探针就被固定在生物芯片的指定单元(区域)上。然后，通过施加在生物芯片表面的外部磁场可清除微磁性微粒，或通过流体将其清洗干净。这样就形成了生物芯片表面的亲合结合区域。

标记靶样DNA分子(例如，用荧光素或辐射探针标记)并将其连接到光可切割连接臂分子的末端。在连接臂的另一末端是生物素分子。链球菌蛋白分子被固定在磁性微磁性微粒的表面。这样，当含有靶样DNA-连接臂-生物素复合物的溶液与覆盖有链球菌蛋白的顺磁性微磁性微粒混合后靶样DNA分子便可通过生物素-链球菌蛋白的相互作用而被连接到磁性微磁性微粒上。

DNA靶样分子-光可切割连接臂-生物素-链球菌蛋白-磁性微磁性微粒。

接着，将含有磁性修饰的靶样DNA分子的溶液引入生物芯片上的流体池中。微电磁单元的交替选通使得芯片上的每一个单元交替产生磁场。经顺磁性微磁性微粒修饰的靶样DNA分子便随之向固定在芯片表面上的探针DNA分子移动。由于所有的电磁单元都会被选通，所以靶样DNA分子便被引导去与所有的DNA探针接触。这样靶样DNA分子便能在预先选择的杂交条件下在亲合结合区域与探针分子进行杂交反应。

与靶样DNA分子杂交的任何探针都能通过荧光、发光或放射探测到，具体方式取决于在靶样分子上使用的标记物。用这种方法可以快速地针对多个DNA探针对给定的DNA靶样分子做筛选，达到分析速度快，自动化程度高的要求。如果微磁性微粒干扰探测的话，则可将它们从靶样DNA分子上除去，例如在采用光可切割连接臂的情况下通过用250nm-750nm的光照射便可达到这种用光切割连接臂来分离DNA和磁性微粒的操作。随后自由的磁性微粒可通过外加的磁力或冲洗液将其从芯片上的反应区域除去。此外，还可以让芯片处于“热熔解离”温度以去除已杂交的靶样DNA并再次使用。

发明者相信上述例子示出了应用这项发明的优选方法。然而，所述的参数如尺寸、材料、几何形状、方法、实验规程、温度、浓度和时间不应认为是对本发明的限制。除已作权利要求的部分外，本领域的熟练技术人员可以在现在或以后了解的明显的替代物均属于本专利的覆盖范围。因此本权利要求应理解为包括上面专门描述的方案，以及那些可以明显地替代的方案。所描述的具体实施例仅仅是为了达到举例目的，而不应认为本发明就仅局限于此。因此，应当理解，在所附权利要求的范围内，除在本处特别所做描述的情形之外，本发明照样适用。

例4：使用水平单元进行磁力行波

行波磁泳可以通过多种形式的电磁单元实现，以下描述的是使用本发明的水平单元进行行波磁泳。

为了进行行波磁泳，如图24A和24B中所示的电磁芯片上应带有反应池。在电磁单元上的功能层上，固定了特异识别7种淋巴瘤细胞和一种白血球，例如B细胞的抗体。另外，同时准备了这些抗体混合成溶液状态，而不是固定在芯片表面。样品(包括血)和表面包被了抗体的磁性微粒混合，抗体可以和细胞表面特异的抗原结合。根据具体的需要，这步操作之后，还可以向溶液中添加试剂以处理样品。例如，添加可以裂解红细胞的溶液，更好的情况是这种溶液仅仅裂解红细胞，基本步影响白血球，最好的情况是这种溶液对介电电泳没有影响或是基本没有影响(可以参见美国专利申请“Compositions and Methods for Separation ofMoieties on Chips”，2000年10月10日递交，专利局编号：09/686,737)。样品、样品溶液以及附加的溶液、缓冲液、试剂可以以任何方便的方式加入反应池，例如通过移液管转移，注射器注射、由导管(例如聚乙烯导管等等)利用重力引入。一般，样品、样品溶液以及其它溶液、缓冲液、试剂以连续液流的方式加入反应池，这样的连续液流可以从至少一个入口注射入或是泵入反应池，然后，不含有样品组分和其它液体从至少一个出口流出反应池。

在样品加入反应池前，可以在样品中先加入样品溶液。在把样品-样品溶液混合液加入反应池前，样品和样品溶液可以共同温育从不到1秒至几个小时以至几天之中任意的时间。样品和样品溶液的混合可以发生在与反应池连通的导管中。也可以先将样品加入反应池，再接着将样品溶液加入反应池；或者是先将样品溶液加入反应池，再接着将样品加入反应池。

其中在本发明中使用的结合物如磁性微粒，可以和样品溶液一起或是单独提供。如果结合物是单独提供的，那么结合物可以在样品溶液加入样品之前、同时或之后加入。

样品溶液可以在样品沉积到电磁芯片上之前加入样品或是在包含电磁芯片的反应池中混合。在将样品-样品溶液混合液通入反应池进行分离之前，样品和样品溶液可以共同静置一段时间，从不到1秒至几小时甚至几天都可以。样品和样品溶液的混合过程可以发生在通入反应池的导管内。或者，可以先将样品加入到反应池中，再将样品溶液加入反应池；也可以先将样品溶液加入到反应池中，再将样品加入反应池。

通常，应将磁性微粒加入样品并在进行磁性微粒分离之前静置一段时间，这段时间可以从几分钟至几小时甚至几天。可以在将能够选择性胞解红细胞的样品溶液加入样品之前、同时或之后在样品中加入磁性微粒。

样品、样品溶液以及附加的溶液、缓冲液、试剂可以以任何方便的方式加入反应池，例如通过移液管转移，注射器注射、由导管(例如聚乙烯导管等等)利用重力引入。一般，样品、样品溶液以及其它溶液、缓冲液、试剂以连续液流的方式加入反应池，这样的连续液流可以从至少一个入口注射入或是泵入反应池，然后，不含有样品组分和其它液体从至少一个出口流出反应池。

可以通过一个或是多个导管向样品中通入一种或是多种附加试剂，如微粒，但是这并不是本发明的必须要求。例如，可以先将一种或是多种附加试剂，如微粒加入样品，共同静置一段时间之后，再将样品加入到反应池中。或者，微粒可以通过与反应池相连的导管与样品接触，这样，微粒可以在样品流入反应池的过程中与样品相混合。也可以在将样品通入反应池的同时或是之后，将附加试剂如微粒通过一个或是多个导管通入反应池。如果需要使用多于一种的附加试剂，则它们可以按照上述的方法同时或是分别加入样品。

样品可以通过使用微粒开关(图39A)在芯片(图38A，38B和38C)上随意的进行行波磁泳。带有白血球的微粒流经固定有特异的抗体的区域，如果功能层上固定的抗体可以特异的识别白血球，白血球-微粒复合物就会结合在芯片上特定的区域。首选的固定的抗体是那些可以识别淋巴细胞(例如T细胞、B细胞、巨噬细胞、嗜中性细胞等)的抗体。样品中这些种类的细胞的分布状况可以反映提供样品的生物的健康状况，例如，可以判断生物是否存在淋巴瘤，判断对生物体自身型免疫疾病(包括HIV感染、获得性免疫缺陷症以及其相关疾病)治疗状况，考察生物体其它疾病的状况，包括败血症。这些疾病的治疗状况可以使用这种方法随时进行监测，例如监测在HIV感染病例治疗过程中CD4+细胞数量的变化。

其它种类的抗体也可以使用，例如针对癌症抗原的抗体，特别是那些位于癌症细胞(如乳腺癌细胞、肺癌细胞、前列腺癌细胞等等)表面的抗原。通过本发明的方法，检测这些细胞是否存在于芯片表面特定的位置，可以诊断是否患有这些疾病，或是检测疾病的发展状况。其它针对细菌、寄生虫、病毒或是朊病毒的抗体也可以使用。

反应池可以先进行清洗，洗去未结合的物质，然后再加入带有荧光标记的抗体进行检测。本例子中使用了8种抗体，每种都可以使用相同或是不同的抗体进行检测。加入的带标记的抗体是针对于固定在功能层上的抗体的。固定的抗体、细胞和带标记的抗体形成sandwich结构的复合物。

反应池可以先进行清洗，洗去未结合的物质，然后根据所使用的标记采用特定的波长的电磁波进行激发。芯片上的信号可以使用CCD设备进行接收。检测图象可以使用适当的截至进行存储，例如使用磁盘或是CD。也可以使用MR头确定磁性微粒在芯片上的位置。

芯片上的荧光检测图可以显示样品中白血球的信息，特别是是否存在淋巴瘤细胞。根据样品中白血球的分布，可以对样品中的淋巴瘤细胞进行分类(见图40)。

文中所有的标题都是为了读者的方便，并不起限制标题下内容的作用。

Claims (56)

1、一种具有可单点选通式微电磁单元的电磁芯片，包括：

a)基片；

b)位于基片上的多个微电磁单元，通过施加电流可以使每一个单元产生磁场；

c)用以选通多个微电磁单元中任意一个或是多个单元、使其产生磁场的装置；

所述位于基片上的多个微电磁单元中的至少一个微电磁单元是平面结构的，所述微电磁单元的磁力线与芯片表面平行。

2、根据权利要求1的电磁芯片，其中每个微电磁单元包括：

a)设置在基片上的一个磁芯；

b)用于环绕磁芯传导电流的装置；

其中上述的磁芯是指磁性芯或是可被磁化的芯。

3、根据权利要求2的电磁芯片，其中的磁芯是铁磁性材料或是亚铁磁性材料制成。

4、根据权利要求2的电磁芯片，其中用于环绕磁芯传导电流的装置为环绕磁芯的单圈或多圈电导线。

5、根据权利要求4的电磁芯片，其中环绕磁芯的电导线形状是圆形、方形、椭圆形、三角形和螺旋形，而且这些导线形成的导线圈都处于一个平面或处于不同的平面。

6、根据权利要求4的电磁芯片，其中从电流源传来的施加在微电磁单元上的电流的大小和方向是可变的。

7、根据权利要求1的电磁芯片，其中选通任一个微电磁单元的装置包括：

连接在电流源和每个微电磁单元之间的开关，该开关可以控制开/关状态并由此对微电磁单元的选通情况加以控制。

8、根据权利要求7的电磁芯片，其中所述的开关是机械开关、电子开关、上述两种形式开关的组合体中的任一种。

9、根据权利要求1的电磁芯片，其中微电磁单元按规则的有序重复图案排列在基片表面，相邻单元间距相等。

10、根据权利要求1的电磁芯片，其中微电磁单元的尺寸在0.1微米到1厘米之间。

11、根据权利要求1的电磁芯片，包括至少一层功能层，可以用于至少一种配基或是实体分子的固定。

12、根据权利要求11的电磁芯片，其特征在于，所述的用于固定配基分子的功能层选自：亲水单分子层，疏水单分子层，亲水膜，亲水胶，疏水胶，多孔材料，以及非多孔材料。

13、根据权利要求12的电磁芯片，其特征在于，所述的功能基团是醛基，碳二亚胺，琥珀酰亚胺酯，抗体，受体或外源凝集素。

14、根据权利要求11的电磁芯片，至少包含一种实体分子或是配基固定在所述的功能层上。

15、根据权利要求14的电磁芯片，其特征在于，所述的实体分子或是配基分子选自寡聚核苷酸、DNA、RNA、多肽、蛋白、碳水化合物、脂类、真核细胞、原核细胞、病毒、寄生虫、凝集素或是受体。

16、一种电磁芯片，组成为：

a)基底；

b)一个或是多个微电磁单元，微电磁单元的组成为：

i)磁芯；

ii)围绕磁芯的导线线圈；

其中所述的磁芯与电磁芯片的上表面平行。

17、根据权利要求16的电磁芯片，其特征在于，所述的微电磁单元排列成阵列的形式。

18、根据权利要求16的电磁芯片，其特征在于，所述的微电磁单元中至少有一个是可以单独选通的。

19、根据权利要求16的电磁芯片，其特征在于，所述的微电磁单元中全部是可以单独选通的。

20、根据权利要求17的电磁芯片，其特征在于，所述的由多个微电磁单元组成的阵列中的各个微电磁单元是相互平行的。

21、根据权利要求20的电磁芯片，其特征在于，所述的由多个微电磁单元组成的阵列包括一个微粒开关。

22、根据权利要求20的电磁芯片，其特征在于，所述的由多个微电磁单元组成的阵列作为一个行波磁泳器件。

23、根据权利要求16的电磁芯片，其特征在于，所述的微电磁单元上施加的是正弦信号。

24、一种制作具有平面结构的微电磁单元的方法，步骤为：

a)一个平面；

b)平面上具有多个平行排列的导体物质；

c)在这层平行的导体物质上沉积第一层绝缘物质；

d)再在这层绝缘物质上位于第一层平行导体物质正上方的位置沉积磁芯物质；

e)在磁芯上沉积第二层绝缘物质；

f)暴露出构成围绕磁芯的线圈下层的平行导体物质的末端；

g)加上导体物质以形成线圈；

h)在所述的线圈上沉积第三层绝缘物质。

25、一种微电磁单元，其特征在于，是使用权利要求24所述的方法制作。

26、一种由微电磁单元组成的阵列，其特征在于，所述微电磁单元是使用权利要求24所述的方法制作。

27、一种由一个或多个微电磁单元组成的电磁芯片，其特征在于，所述微电磁单元是使用权利要求24所述的方法制作。

28、一种位于芯片表面的具有平面结构的微电磁单元，含有：

a)被第一层绝缘物质与磁芯隔开的第一层导线；

b)一层导体物质与上述第一层导线连接以形成磁芯外的线圈；

通过绝缘物质使得线圈与磁芯绝缘；

当线圈施加电流，磁芯中产生磁场。

29、一种由微电磁单元组成的阵列，其特征在于，其中至少含有一个权利要求28所述的微电磁单元。

30、一种电磁芯片，其特征在于，其中至少含有一个权利要求28所述的微电磁单元。

31、一种行波磁泳器件，其特征在于，其中含有两个或是多个权利要求28所述的微电磁单元。

32、一种微粒开关，其特征在于，其中含有两个或是多个权利要求28所述的微电磁单元。

33、一种位于芯片表面的具有平面结构的微电磁单元，包括：

a)一个磁芯；

b)被绝缘物质与磁芯隔开的第一层导线；

c)导体物质连接上述第一层导线和第二层导线；

所述的第一层导线、导体物质和第二层导线组成磁芯外的线圈；

磁芯与线圈通过绝缘物质绝缘。

34、根据权利要求33的微电磁单元，包括顶部的一层绝缘物质。

35、根据权利要求33的微电磁单元，磁芯包括至少一个末端的伸展结构。

36、根据权利要求33的微电磁单元，包括至少一个槽的结构。

37、一种由微电磁单元组成的阵列，其特征在于，包括至少一个权利要求33中所述的微电磁单元。

38、一种电磁芯片，其特征在于，包括至少一个权利要求33中所述的微电磁单元。

39、一种行波磁泳器件，其特征在于，包括两个或是多个权利要求33中所述的微电磁单元。

40、一种微粒开关，其特征在于，包括两个或是多个权利要求33中所述的微电磁单元。

41、根据权利要求33的电磁芯片，其中第一层绝缘层的材料是氧化硅、氮化硅、塑料、玻璃、陶瓷、光刻胶、橡胶材料中的任意一种。

42、根据权利要求33的电磁芯片，包括一层基底。

43、根据权利要求42的电磁芯片，其特征在于，基底的材料是硅、玻璃、陶瓷、氧化硅或塑料中的任意一种。

44、根据权利要求33的电磁芯片，其特征在于，导线的材料是铝、金、银、锡、铜、铂、钯、碳或半导体材料中的任意一种。

45、根据权利要求33的电磁芯片，其特征在于，还包括一层功能层。

46、根据权利要求45的电磁芯片，其特征在于，所述的用于固定配基分子的功能层是：亲水单分子层，疏水单分子层，亲水薄膜，疏水薄膜，亲水凝胶层，疏水凝胶层，非致密材料，以及致密材料。

47、根据权利要求33的电磁芯片，其特征在于，功能基团是乙醛、碳二亚胺、琥珀酰亚胺酯、抗体、受体或外源凝集素。

48、根据权利要求33的电磁芯片，其特征在于，还包括一个使液体与阵列接触的流体池。

49、一种操纵磁性微粒的方法，包括：

a)提供一种具有平面结构的电磁芯片，该芯片含有多个可单点选通的微电磁单元，所述多个微电磁单元是平面结构的，所述微电磁单元的磁力线与芯片表面平行；

b)将含有磁性微粒的样品加到芯片的表面；

c)改变加在每一个微电磁单元上的电流以改变芯片表面上的磁场分布，从而改变加在磁性微粒上的磁场力。

50、根据权利要求49的方法，其特征在于，所述的磁性微粒上包括至少一个实体分子，这个实体分子是连接在磁性微粒上的。

51、根据权利要求50的方法，其特征在于，所述磁性微粒与实体分子的连接是通过连接臂、共价键或是生物亲和反应实现的。

52、根据权利要求50的方法，其特征在于，所述的实体分子是寡聚核苷酸、DNA、RNA、多肽、蛋白、碳水化合物、脂类、真核细胞、原核细胞、病毒、寄生虫、凝集素或是受体。

53、根据权利要求49的方法，所述的电磁芯片包含一个磁泳器件。

54、根据权利要求49的方法，所述的电磁芯片包含一个微粒开关。

55、根据权利要求49的方法，所述的微电磁单元上的磁芯至少含有一个末端结构。

56、根据权利要求49的方法，所述的电磁芯片上含有槽的结构。

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