CN103443624A - 形成受控单分子层的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本文公开了用于形成单分子层的方法和装置，所述单分子层包括，例如一种或几种磷脂或胆固醇缀合的核酸。例如，该单分子层在包括疏水性材料的表面上或与其缔合。

Description

形成受控单分子层的方法和装置
相关申请
本申请要求2007年3月26日提交的美国临时申请号60/908,872的权益，其全部内容通过引用明确地并入本文。
背景
聚合物、生物材料及其他软性材料从基础和应用两种视角都具有日益提高的重要性。这些材料的应用范围从纳米尺度(例如生物分子材料和共聚中间相)到显微尺度(微电子学)到肉眼可见尺度(高性能结构复合物)。与材料开发密切关联的是应用的小型化，产生超小装置，例如用于非侵入性体内诊断以及化学和电化学处理的分子水平化学传感的生物医学微型机械。为实现该小型化，利用和开发了自组装方法，其导致了产生的纳米尺度结构和组分的高度受控方法。在这一点上，开发用于显微和纳米结构表面上的自组装生物分子(例如脂质、多肽、DNA和生物聚合物)的微槽和形成图案的表面仅仅只有不成功的尝试。高度定向和可变的尺寸，自组装被用作加工纳米和显微尺度无机/有机结构的模板；例如，纳米导线和纳米导管。在例如医药移植物和体内药物投递系统上存在对生物相容材料快速增加的需要。
此外，为了获得对生物膜功能和生理方面的了解，需要研究支架脂质单、双和多分子层膜的化学和动态性能，而现有工具是不适合的。由于其应用表面灵敏技术诸如渐消场分光术(Watts，T.，H.Gaub，and H.McConnell，1986.Nature，320：179-181)的能力，具有利用固体表面缔合的平面膜的系统和方法可能是有益的。迄今为止，已有的大部分在磷脂膜上的研究都是使用通过Langmuir-Blodgett方法或囊泡融合制备的静态脂质层进行的，其缺乏对组装和分子组织过程的控制。
大部分当代固定技术包括长的孵育周期、若干漂洗步骤和苛刻的化学处理步骤，使得固定系统的适用性复杂和冗长。因此，本领域存在对固定生物分子到表面的方法和技术的需要。
概述
本文公开了用于在固体基质上形成单分子层膜的方法和装置。更具体地说，本发明涉及纳米技术和纳米生物技术和固态-软性物质界面。
本文描述了控制两亲分子或通常包括至少一个疏水性部分的分子的分子自组装的方法和技术以在主要具有疏水特性的固态表面和自组装或吸附的规定组合物单分子层之间产生规定界面。例如，单分子层可以包括一个或几个磷脂、DNA、肽、蛋白质(包括膜蛋白)、液晶或其混合物。
本文描述的方法和系统适用于许多使用依赖自组装或自缔合的方法的范围和领域，例如在生物膜研究，以及在药物筛选、生物大分子分离和生物传感(包括SPR和QCM)中。因此，装置的几何形状可以设计和定制来提升可以用于例如在薄膜上的分离、反应和混合现象的特定功能性。作为进一步的例子，本文描述的方法和系统可以用于表面辅助的(二维的)超分子和大分子的组装和合成以及纳米尺度结构和装置的生产。通常，它形成二维微流控技术或薄膜流控技术平台的基础。
根据一个方面本文公开了包括包含疏水性表面的基底的装置，其中该疏水性表面适宜具有至少一个疏水性部分的分子的定向缔合或附着和/或定向铺展。
在一个实施方案中，疏水性表面包括或形成室、柱、二维表面(例如96，384或1536孔微量滴定板、石英晶体微量天平(Quartz CrystalMicrobalance，QCM)晶体、表面等离子体共振(Surface PlasmonResonance，SPR)、芯片、显微镜盖玻片、微流体芯片、夹层室(sandwichcell)或槽(例如，和/或从纳米到米尺寸的任何其它几何构型)的全部或一部分。
在另一个实施方案中，疏水性表面包括SU-8、硬烤的(hard-baked)SU-8、疏水聚合物、玻璃、陶瓷、金属或液晶的一种或更多种。(其它具有SU-8类似性质的材料，或与水具有高接触角的材料)。
在一个实施方案中，疏水性表面包括亚结构图案。
在另一个实施方案中，亚结构包括在层中的穿孔、在层中的孔、在层上的柱或其它材料、小块，或固定的颗粒、膜、化学制品或分子。
在一个实施方案中，层中的穿孔、层中的孔、层上的柱或其它材料、小块，或固定的颗粒、膜、化学制品，或分子包括对存在于薄膜中、周围溶液和/或周围空气、气体或真空的材料或化合物的催化、结合、化学吸附、物理吸附、(或其他反应)、或调节作用。
在另一个实施方案中，亚结构以一种或更多种有序的(例如阵列的)或无序的方式排列，并且适合于被完全或部分地覆盖，或者被具有至少一个疏水性部分的分子的铺展膜围绕。
在另一个实施方案中，疏水性表面适宜包括以下的过程：化学反应、表面辅助的合成步骤、催化过程、超分子自组装或基于亲合性的分离(例如，在固定在亚结构上或亚结构内的材料或反应物与铺展膜的活性组分之间可以实现)。
在一个实施方案中，具有至少一个疏水性部分的分子包括一种或更多种磷脂、两亲性分子(例如洗涤剂)表面活性剂、蛋白质(例如膜蛋白、用疏水性部分修饰的蛋白质)、肽(例如长或短肽、用疏水性部分修饰的肽)、核酸、寡核苷酸(例如DNA、RNA和siRNA)、用疏水性部分(例如具有与疏水性表面形成强疏水作用的能力的上述所有的脂质尾部)修饰的分子。
在一个实施方案中，具有至少一个疏水性部分的分子包括膜。
在另一个实施方案中，该膜包括液体、固体、液晶或凝胶中的一种或更多种。
在一个实施方案中，装置进一步包括温度控制器。
在一个实施方案中，温度控制器允许控制以致具有至少一个疏水性部分的分子的相变和铺展行为是可控的。
在一个实施方案中，疏水性表面包括一种或更多种凸起或压印的几何图案(例如2D和3D)。
根据一个方面本文公开了包括基底的装置，所述基底包含疏水性表面、较小疏水性的表面和具有至少一个疏水性部分的分子的膜，该膜至少部分覆盖和限于该疏水性表面。
根据一个方面本文公开了包含基底的装置，所述基底包括具有在与之相关的极性(例如水性)环境中形成的薄膜单分子层表面的疏水性表面，其中该薄膜单分子层表面通过将磷脂脂质体置于疏水性表面上形成，其中该磷脂脂质体在置于疏水性表面上时铺展形成薄膜单分子层表面。
在另一个实施方案中，薄膜单分子层进一步包括一种或更多种其它组分。
在一个实施方案中，该进一步的组分包括其它脂质、膜蛋白、适于分配进膜的分子或颗粒(例如药物和染料)或与适于分配进膜的另一种分子缀合的分子和颗粒中的一种或更多种。
在另一个实施方案中，该一种或更多种其它组分包括与疏水性部分(例如胆固醇)缀合的寡核苷酸(例如DNA)。
根据一个方面本文公开了包括包含混合器的基底的装置，该混合器包括与混合区联系的第一和第二注射容器，其中该注射容器、第一和第二联系区和混合区包括适宜具有至少一个疏水性部分的分子的定向缔合或附着和/或定向铺展的疏水性表面。
在一个实施方案中，基底进一步包括与混合区联系的一个或更多个其它注射容器。
在一个实施方案中，基底进一步包括围绕疏水性表面的较小疏水性的表面。
在另一个实施方案中，基底包括具有形成图案的SU-8(疏水性表面)和Ti/Au(较小疏水性)表面的金涂层玻璃。
在一个实施方案中，装置进一步包括一个或更多个额外的混合器。
在一个实施方案中，装置进一步包括与混合区联系的输入和废料槽以及到反应器(例如催化反应器和检测器)(例如荧光或电化学检测器)的槽。
在另一个实施方案中，注射口是圆形、正方形、五边形、六边形、三角形、矩形或任何其它几何形状。
在另一个实施方案中，混合区是长斜方形、三角形、矩形、六边形、五边形、圆形或任何其它几何形状。
在一个实施方案中，装置用于药物筛选、传感器应用、QCM应用、SPR应用、渐消波荧光应用、催化作用、分子组装(例如分子合成或装置合成)或形成由具有至少一个疏水性部分的分子构成的分子薄层或膜。
在另一个实施方案中，装置进一步包括试样注射口。
在一个实施方案中，装置进一步包括检测器。
在一个实施方案中，检测器包括质谱、表面等离子体共振(SPR)、石英晶体微量天平(QCM)、荧光检测器、荧光相关检测器、化学发光检测器或电化学检测器中的一种或更多种。
在一个实施方案中，使用的质谱选自MALDI MS(MALDI-TOF和MALDI-TOF-TOF)或电喷射离子化(ESI MS-MS)中的一种或更多种。
在一个实施方案中，装置进一步包括样品分离器、分馏器或操纵器中的一种或更多种。
在另一个实施方案中，分离器选自毛细管电泳(CE)、液相色谱(LC)、凝胶层析和凝胶电泳分离器中的一种或更多种。
根据一个方面本文公开了在表面上混合脂质体的方法，包括将(某种组成的)第一脂质体置于疏水性表面上，以及将不同组成的第二脂质体置于该疏水性表面上，其中第一和第二脂质体在该疏水性表面上铺展和混合。
在一个实施方案中，通过一种或更多种尺寸的第一和第二脂质体或者通过时间安排控制从第一和第二脂质体贡献出的材料的量。
在一个实施方案中，方法进一步包括撤走第一和第二脂质体中的一种或者全部两种的至少部分。(例如在它们贡献出需要数量的脂质到表面以后)
在一个实施方案中，脂质体用微量移液管、光镊或微流体装置中的一种或更多种置于疏水性表面上。
在另一个实施方案中，获得了由第一和第二脂质体形成的膜的化学计量控制。
在另一个实施方案中，通过混合第一和第二脂质体的铺展单分子层产生功能性表面。
在一个实施方案中，功能性表面包括一种或更多种二或三维装置。
在另一个实施方案中，该二或三维装置包括室、毛细管、柱或者肉眼可见或显微尺寸的任何其它装置。
在另一个实施方案中，该功能性表面包括催化表面、结合表面或支持物理或化学操作的表面中的一种或更多种。
在另一个实施方案中，疏水性表面包括疏水性表面和较小疏水性的表面的阵列。
在另一个实施方案中，方法产生肉眼可见或显微尺寸表面的阵列。
在一个实施方案中，第一脂质体铺展形成第一膜并且通过添加与该膜结合或反应的其它分子功能化(或改变)第一膜(例如通过膜改变其性质的方式)。
在另一个实施方案中，脂质体形成超分子结构、纳米结构、核酸阵列、蛋白质阵列、其它分子实体的阵列、颗粒阵列。
在一个实施方案中，一种或更多种第一或第二脂质体包括寡核苷酸、与疏水性部分缀合的寡核苷酸、膜蛋白、适于分配进膜的分子或颗粒、或者与适于分配进膜的另一种分子缀合的分子和颗粒
在一个实施方案中，方法进一步包括使基底与要检测的样品接触。
在一个实施方案中，样品包括核酸或其它位点定向分子识别分子(例如蛋白质、抗体或其片段、或凝集素)、酶、抑制剂、结合伴侣，或基底。
在一个实施方案中，方法进一步包括一种或更多种化学或物理修饰该膜。
在另一个实施方案中，在相同样品上平行进行不同步骤的化学或物理调节或操作或者不同步骤的检测。
在一个实施方案中，在不同样品上平行进行不同步骤的化学或物理调节或操作或者不同步骤的检测。
在一个实施方案中，方法进一步包括干燥由第一和第二脂质体形成的膜。
在另一个实施方案中，膜包括一种或更多种核酸膜或蛋白质膜。
在一个实施方案中，方法进一步包括在基底表面上干燥核酸膜。
在一个实施方案中，方法进一步包括干燥存储核酸膜。
在一个实施方案中，方法进一步包括再水化该膜。
在一个实施方案中，方法进一步包括检测膜和样品之间的相互作用。
根据一个方面本文公开了形成动态液膜的方法，包括在缓冲液中悬浮多层囊泡，以及将囊泡置于包括疏水性表面的基底上，借此该囊泡在表面上铺展为单分子层。
在一个实施方案中，方法进一步包括将第二多层囊泡置于该基底上，借此囊泡和第二囊泡铺展并混合。
在一个实施方案中，方法进一步包括将第三多层囊泡置于该基底上，借此囊泡、第二囊泡和第三囊泡铺展并混合。
在一个实施方案中，基底包括权利要求17.1的装置。
在另一个实施方案中，铺展系数包括大约0.01到大约500μm2/s之间。
根据一个方面本文公开了形成核酸膜的方法，包括将修饰的核酸分子置于基底的疏水性表面上，其中该修饰核酸分子与表面缔合。
在一个实施方案中，修饰核酸分子包括胆固醇-四乙二醇-修饰的寡核苷酸(六乙二醇/聚乙二醇)。
在一个实施方案中，方法进一步包括将第二修饰核酸分子置于基底的疏水性表面上。
在另一个实施方案中，修饰的核酸分子包括相同或不同序列的核酸。
在一个实施方案中，第二修饰核酸分子位于基底上的第二疏水性结构。
在一个实施方案中，方法进一步包括将三个或更多修饰核酸分子样品置于基底上。
在一个实施方案中，样品位于连续的疏水性表面或各自由较小疏水性的表面围绕的各个疏水性表面上。
在另一个实施方案中，所述各个疏水性表面包括大约1nm到大约5cm之间的大小的特征。
在一个实施方案中，修饰的核酸分子包括大约10到大约200pmol/cm2之间的表面覆盖度。
在一个实施方案中，修饰的核酸分子包括大约20到大约95pmol/cm2之间的表面覆盖度。
在另一个实施方案中，修饰的核酸分子包括大约1012到大约1013分子/cm2之间的膜密度。
在一个实施方案中，方法进一步包括使互补核酸与核酸膜杂交。
其它实施方案见下文公开。
附图简述
图1A描述了一个实施方案的示意图，其是Ti粘附层涂层的载体基底(例如玻璃)，金底层和疏水性材料(SU-8聚合物)顶层。
图1B描述了形成图案的表面装置的示意图。显示的是Ti粘附层涂层的载体基底(例如玻璃)，金底层和疏水性材料(SU-8聚合物)显微结构化顶层。
图1C显示了与图1B中描述的相同大体结构的形成图案的表面装置的明视野显微照片，包括具有两个(上排)、三个(中排)或四个(下排)分离的注射区域
Figure G2008800175954D00081
通道(宽度5μm)和中心混合区域的三种不同的顶部结构。
图1D描述了在铺展通道上具有锚定点的形成图案的表面的示意图。该锚定点是凸起的或嵌入的并且携带官能团用于与铺展的脂质膜中的组分化学或物理相互作用。
图2A显示实验设置，描述了在元件中的形成图案的装置，包括用于观察和控制的倒置显微镜；用于注射针定位的显微操作器；注射针；用于可溶或悬浮材料沉积的泵；以及化学制品，诸如在装置上的脂质，和用于温度控制的电阻加热装置。
图2B显示用于膜铺展观察的曲折通道的明视野显微镜图像。磷脂(phosphospholipid)沉积(多层囊泡，
Figure G2008800175954D00082
)位于中心注射区域上。圆形SU-8结构的直径：25μm。
图2C描述了包括具有疏水性尾部基团(例如磷脂)的两亲性种的分子膜在疏水性平面装置表面上的环状铺展的示意图。升高的中心结构代表包括多层囊泡的脂质沉积。箭头表示铺展的各向同性方向。
图2D描述了显示在图2B中描述的平面结构化的SU-8装置上磷脂膜铺展的时序荧光显微照片；组(i)：沉积后19min，组(ii)：沉积后30min，组(iii)：沉积后208min，组(iv)：沉积后499min。圆形SU-8结构的直径是25μm。
图3A描述了显示与图1A相似的用SU-8覆盖的装置上两种组分的脂质混合的时序荧光显微照片。组(i)：在4min，组(ii)：6min后的进展，组(iii)：9min后，组(iv)：27min后。两种脂质级分之一是荧光标记的(显得更明亮的)，另一个是未标记的(显得暗)。混合观察为标记的组分的荧光减少。该圆形结构的直径是25μm。
图3B描述了显示在与图1C中描述的一样具有三通道混合表面的装置上三种组分的脂质混合的时序显微照片。组(i)：明视野显微照片，紧接着磷脂沉积后；组(ii)-(vi)荧光显微照片；组(ii)：在0min，紧接着磷脂沉积后；组(iii)：20min后的进展；组(iv)：90min后；组(v)：210min后，(vi)：240min后。在三个注射区域上沉积的三种脂质级分用三种差异放射的荧光染料标记以同时跟踪它们的铺展。圆形SU-8结构的直径是25μm，图像转换了颜色来达到更好的对比。
图3C描述了在有功能性膜组分的情况下在具有单一通道表面的装置上脂质铺展和混合的示意图。铺展的脂质膜发源于在各自注射区域中心的多层囊泡。组(i)：具有两种脂质组分(各自携带两种活性组分中的一种)的单一通道铺展和混合装置的图。脂质铺展发源于位于与单一通道相互连接的两个注射区域上的两种多层囊泡。当在通道的中心区域(嵌入)混合时附加组分与铺展的脂质一起运动并且彼此反应。组(ii)：描述了基于在单一通道表面上的脂质铺展的分离装置的示意图。形成膜的脂质发源于一个注射区域中的单个多层囊泡。连接到注射区域的单一通道包括活性功能化表面亚结构，其被描述成环绕的点。在该实施方案中将两种互相不起反应的组分与铺展的脂质材料混合，其中两者之一对活化的表面区域是反应的，而另一种是不起反应的。当铺展穿过通道时，该两种材料到达通道中心部分(嵌入)的活化的表面区域。反应的组分被保留，而不起作用的组分继续迁移，在该二维纳米流体膜装置中有效地分离两种组分。
图4显示了通过绘制荧光强度I对掺杂的极性大豆脂质制剂的摩尔分数Φ定量两种磷脂沉积(一种标记的，一种未标记的)的混合。除了Φ＝0，·和x代表在相同结构上的独立测量值。施加脂质大约16小时以达到脂质穿过该结构的相等分布后进行测量。各对数据点带有表面上的脂质膜组合物的符号表示。
图5A描述了在形成图案的表面装置上DNA固定和杂交步骤的示意图。组(i)：手动吸取包括胆固醇-TEG-ssDNA的溶液到形成图案的SU-8/金基底上。组(ii)：在孵育期之后，漂洗、干燥和再水化盖玻片(例如表面或基底)，让ssDNA只吸附在疏水性SU-8区域上。组(iii)：吸取包括cDNA的溶液到基底上。孵育期后，为了允许杂交发生，漂洗、干燥和再水化盖玻片(例如表面或基底)。组(iv)：在疏水性SU-8区域上有选择地组装DNA/cDNA双链。
图5B描述了在分子水平上该装置上DNA固定和杂交的示意图。组(i)、(ii)：把荧光标记的(标记1，500-600nm发射)胆固醇-ssDNA缀合物固定在该装置上的疏水性SU-8结构上。组(iii)、(iv)：把荧光标记的(标记2，550-700nm发射)互补ssDNA添加到溶液并与表面固定的ssDNA杂交。只有在结构化的表面上的疏水性SU-8区域上可得到双标记的dsDNA。
图5C描述了显示荧光标记的胆固醇-TEG-DNA缀合物的固定检测的荧光显微照片。组(i)：孵育15min后固定在缓冲溶液中的SU-8上的DNA1的荧光(λexc＝633nm，λem＝660-750nm)。组(ii)：孵育25min后固定在缓冲液中的SU-8上的DNA3的荧光(λexc＝488nm，λem＝500-540nm)。图像以假色显示。
图6描述了通过使用DNA3+c-DNA3/4探针对的FRET的杂交检测。左列代表DNA3荧光(以500-540nm em.通道，488nm激发波长检测)。右列代表c-DNA3/4荧光(以550-620nm em.通道，488nm激发波长检测)。组(i)、(ii)：沉积和清洗掉DNA3溶液后，干燥并用缓冲溶液再水化。组(iii)、(iv)：清洗掉缓冲溶液并添加c-DNA3/4溶液。组(v)、(vi)：清洗掉c-DNA3/4溶液后，干燥并用缓冲溶液再水化。列下面的图表对i-vi各组定量强度数据。
图7描述了荧光漂白恢复(fluorescence recovery afterphotobleaching，FRAP)时序。在缓冲溶液中使用550-620nm em.通道以543nm激发波长获取荧光显微照片。组(i)：DNA1+c-DNA1/2探针对。漂白前，t＝0s，t＝300s，t＝600s。组(ii)：DNA3+c-DNA3/4探针对。漂白前，t＝0s，t＝300s，t＝600s。组(iii)：两个系列的漂白区域的荧光恢复对时间。把荧光强度值标准化到100。
图8显示了DEPE脂质铺展的正温转换。(a)具有应用到左边和右边圆形衬垫的SPE脂质囊泡的SU-8结构的发射显微照片。把掺杂罗丹明磷脂酰乙醇胺的DEPE颗粒在中间置于圆形衬垫上。(b)对准盘绕的、薄的Ti/Au膜的SU-8结构，把DC电流应用到所述膜上并从而加热该装置。(c-f)相应于(a)的荧光显微照片的叠加。当温度升高超过Tm(c-d)时DEPE(中)铺展为单分子层。为了显示低于Tm铺展终止，把掺杂碳-荧光素磷脂酰乙醇胺(exc 488nm，em 500-560nm)的SPE脂质和掺杂Alexa 633磷脂酰乙醇胺(exc 633nm，em 640-800nm)的SPE分别沉积在左边和右边的衬垫上。当SPE脂质单分子层膜在SU-8结构上铺展时，DEPE铺展维持其尺寸(exc 543nm，em 550-650nm)(e-f)。
详述
在表面上单分子层的清晰形成是构成多种化学反应装置、传感器、或筛选装置以及其它应用非常需要的。本文描述了具有疏水性表面的装置，其中不需要特定疏水性修饰或处理表面。本文描述的装置进一步包括至少一种覆盖疏水性表面的材料的分子薄层以及形成这样的分子薄层的方法。如本文使用的，“分子薄”包括厚度在大约0.1nm和大约1000μm之间；在大约10nm和大约200μm之间；或在大约100nm和大约100μm之间；在大约500nm和大约100μm之间；或在那里之间的任何单一值或子区域。
由于简单和广泛可适用于相对没有缺点的脂质膜的制备的方法，对于脂双分子层从脂质表面界面自发组装和生长具有增加的兴趣(Goennenwein S.等，Biophys.J.85：646-655(2003)；Salafsky J.等，Biochemistry 35(47)：14773-14781(1996))。本文公开的方法包括单一脂双分子层在固体基底上的自发生长，其从例如水介质中沉积的脂质库起始。已经建立了描述实验上观察到的行为的物理模型(Czolkos I.等，Nano Letters 7：1980-1984(2007))。本文描述的方法和系统允许生物大分子在它们的准天然环境，例如蛋白质和DNA在微流体和纳米流体系统、生物传感器及其他分析工具之内的直接操纵。
使用本文描述的方法和系统的一个例子是将功能性膜蛋白质掺入到表面缔合的膜。过去，已经研究了脂质基底界面性质对膜的自铺展的影响。(S.Goennenwein等，(2003)Biophys.J.85，646-655)。对不同基底材料(例如云母、玻璃、和聚合物涂层的玻璃)适合性的报道呈现了这些材料在某种程度上显示出诱导双分子层自铺展的能力。尤其是硅显示了多种应用的潜力，包括通过连接电子设备的分子传感或检测技术。已经研究了支配脂质层的形成和纳米力学的几个其它因素，例如电解质浓度、温度、和电场。然而迄今为止，没有报道允许脂质单分子层受控铺展的合适界面。因此，本文描述了提供脂质单分子层受控铺展的合适界面的方法和系统。
使用本文提供的方法和系统的另一个例子是用于传感应用的DNA的开发。生物技术中的许多应用基于DNA寻址能力(addressability)和分子识别。在本上下文中，在不同基底上产生单链DNA(ssDNA)的高表面覆盖度和功能可及性(accessibility)的有效的固定流程因此是极为重要的。可以通过芯片实验室(lab-on-chip)合成或者通过在固相支持物上固定预先人工合成的DNA产生DNA微阵列。前者方法复杂并且对模型化不同系统相当不灵活，而后者方法价格比较低廉并且在研究应用中更为优选。考虑这点，用于固定的固相支持物有助于确定固相生化反应的效率，由此微阵列的应用。过去已经把DNA附着于多种种类的基底，其中基底和/或寡核苷酸是化学修饰的。
本文进一步描述了用于在疏水性表面上形成受控组合物的可变尺寸的单分子层膜的方法和装置，其中不需要特定疏水性修饰或处理表面因为现有表面已经是疏水性的。在一个实施方案中，该装置包括能够在例如亲水支持物上以显微结构形成图案的疏水性基底。在疏水性表面上形成包括修饰的DNA(例如胆固醇缀合的DNA)、脂质、蛋白质(包括膜蛋白)、液晶以及其它两亲性分子的薄分子膜。能够控制膜的化学计量和组成。例如，能够通过控制包含在膜从其中生长的脂质体中的材料量，通过在规定区域的表面上混合掺杂有不同材料的不同膜，通过混合来自不同宽度的通道的膜，通过控制不同膜引入表面的时期或者通过用例如温度控制膜的相态来控制膜的化学计量和组成。此外，还公开了用于将前体聚集物例如脂质体置于表面上的微量分配技术。本文公开的方法和装置适用于许多使用归因于高度限定的分子间相互作用而依赖自组装或自缔合的方法的范围和领域。这样的领域的例子包括，例如，生物膜研究，药物筛选、分离、分馏、纯化，生物大分子分离，单分子研究，和生物传感，诸如表面等离子体共振(SPR)分光术和石英晶体微量天平(QCM)技术。
在生物技术和生物分析中的许多应用基于表面辅助的DNA杂交。因此在不同基底上产生单链DNA(ssDNA)的高表面覆盖度和功能可及性的有效的固定流程是极为重要的。已经把DNA共价连接到玻璃、硅、熔凝硅石、Si3N4、金、SU-8、PDMS、PVA、和PMMA。在所有这些情况中基底和/或寡核苷酸需要化学修饰。通过芯片上合成或者通过预合成DNA的固定将DNA定位在固相支持物上预先确定的位置。芯片上合成提供高密度阵列但是在DNA序列长度、合成可靠性、和可负担性方面具有实际的限制。相反地，基于DNA固定的方法通常更简单、更便宜、和更通用。大多数固定技术包括若干小时的孵育时间、若干个漂洗步骤、和苛刻的化学处理。DNA的非共价表面吸附是使基底的活化/修饰和随后冗长、昂贵和耗时的固定步骤自动化的最简单和最容易的方法。
本文使用的″阵列″包括，例如，(a)具有一个或更多个以分散的位点附着到其表面的实体的固相支持物，或(b)复数的固相支持物，各支持物具有一个或复数个以分散的位点附着到其表面的实体。阵列可以包括在本发明的参数之内的实体所有可能的置换。例如，阵列可以是完全脂质微阵列、具有复数化合物的微阵列、具有复数包括脂囊泡的化合物的微阵列、等等。
下面是对所述方法和装置有用的脂质的例子。利用本公开，本领域技术人员可以确定可使用其它脂质。天然的脂质包括，例如，脂质A(去毒脂质A(Detoxified Lipid A))、胆固醇、鞘脂(鞘氨醇及衍生物，例如D-赤-鞘氨醇、鞘磷脂、神经酰胺、脑苷脂、脑硫脂)、神经节苷脂、鞘氨醇衍生物(葡糖苷酰鞘氨醇)、植物鞘氨醇及衍生物(植物鞘氨醇、D-核糖-植物鞘氨醇-1-磷酸、N-酰基植物鞘氨醇C2、N-酰基植物鞘氨醇C8、N-酰基植物鞘氨醇C18)、胆碱(卵磷脂、血小板活化因子)、乙醇胺(磷脂酰乙醇胺)、甘油(磷脂酰基-DL-甘油)、肌醇(磷脂酰肌醇、磷脂酰肌醇、丝氨酸(磷脂酰丝氨酸(钠盐))、心磷脂、磷脂酸、卵衍生的(卵衍生物)、Lyso(单酰基)衍生物(溶血磷脂)、氢化磷脂、脂质组织提取物(脑与卵，大肠杆菌与心脏，肝脏与大豆)、和组织的脂肪酸成分衍生的磷脂(卵磷脂、磷脂酰乙醇胺)。
鞘脂包括，例如，鞘氨醇(D-赤鞘氨醇、鞘氨醇-1-磷酸、N，N-二甲基鞘氨醇、N，N，N-三甲基鞘氨醇、鞘氨醇基磷酸胆碱、鞘磷脂、糖基化的鞘氨醇)、神经酰胺衍生物(神经酰胺、D-赤神经酰胺-1-磷酸、糖基化的神经酰胺)、二氢鞘氨醇(二氢神经鞘氨醇)(二氢鞘氨醇-1-磷酸、二氢鞘氨醇(C20)、D-赤二氢鞘氨醇、N-酰基-二氢鞘氨醇C2、N-酰基-二氢鞘氨醇C8、N-酰基-二氢鞘氨醇C16、N-酰基-二氢鞘氨醇C18、N-酰基-二氢鞘氨醇C24、N-酰基-二氢鞘氨醇C24:1、糖基化的(C18)鞘氨醇和磷脂衍生物(糖基化的鞘氨醇)(鞘氨醇，.beta.D-葡糖基、鞘氨醇，.beta.D-半乳糖基、鞘氨醇，.beta.D-乳糖基)、糖基化的神经酰胺(D-葡糖基-.beta.1-1′神经酰胺(C8)、D-半乳糖基-.beta.1-1′神经酰胺(C8)、D-乳糖基-.beta.1-1′神经酰胺(C8)、D-葡糖基-.beta.1-1′神经酰胺(C12)、D-半乳糖基-.beta.1-1′神经酰胺(C12)、D-乳糖基-.beta.1-1′神经酰胺(C12))、糖基化的磷脂酰乙醇胺(1，2-二油酰基-sn-甘油基-3-磷酸乙醇胺-N-乳糖)、D-赤(C17)衍生物(D-赤鞘氨醇、D-赤鞘氨醇-1-磷酸)、D-赤(C20)衍生物(D-赤鞘氨醇)、和L-苏(C18)衍生物(L-苏鞘氨醇、沙芬戈(Safingol)(L-苏二氢神经鞘氨醇))。
合成的基于甘油的脂质包括，例如，卵磷脂、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰肌醇、磷脂酸、磷脂酰甘油、心磷脂、二酰甘油酯、胆固醇、PEG脂质、用于缀合的功能化脂质、具有多种首基的磷脂、用于pH敏感脂质体的脂质、金属螯合的脂质、抗原性磷脂、Doxyl脂质、荧光脂质、Lyso磷脂、烷基磷酸胆碱、氧化脂质、生物素酰化的、醚脂质、缩醛磷脂、二植烷酰(Diphytanoyl)磷脂、可聚合性脂质、溴化磷脂、氟化磷脂、氘化脂质、Doxyl脂质、荧光脂质、酶活化剂(DG、PS)，酶抑制剂(v-CAM、PKC的抑制剂)、生物活性的基于甘油的脂质(血小板活化因子脂质、第二信使脂质)、脂质代谢中间产物(酰基辅酶A、CDP-甘油二酯、和VPC-G蛋白偶联受体(LPA1/LPA3受体拮抗剂、LPA受体激动剂、S1P1/S1P3受体拮抗剂、S1P1/S1P3受体激动剂)。
醚脂质包括，例如，二醚脂质(二烷基卵磷脂、二植烷基(Diphytanyl)醚脂质)、烷基磷酸胆碱(十二烷基磷酸胆碱)、O-烷基二酰基卵磷脂鎓(1，2-二酰基-sn-甘油基-3-磷酸胆碱与衍生物)、和合成的PAF及衍生物(1-烷基-2-酰基-甘油-3-磷酸胆碱及衍生物)。
聚合物与可聚合性脂质包括，例如，丁二炔磷脂、mPEG磷脂和mPEG神经酰胺(多聚(乙二醇)-脂质缀合物、mPeg 350PE、mPEG550PE、mPEG 750PE、mPEG 1000PE、mPEG 2000PE、mPEG 3000PE、mPEG 5000PE、mPEG 750神经酰胺、mPEG 2000神经酰胺、mPEG5000神经酰胺)、和功能化的PEG脂质。
荧光脂质包括，例如，基于甘油的(卵磷脂、磷脂酸、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰甘油、磷脂酰丝氨酸)和基于鞘氨醇的(鞘氨醇、鞘氨醇-1-磷酸、神经酰胺、鞘磷脂、植物鞘氨醇、半乳糖基脑苷脂)脂肪酸标记脂质、首基标记的脂质(磷脂酰乙醇胺、磷脂酰乙醇胺、二油酰基磷脂酰乙醇胺、Alexa Fluor 633磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰丝氨酸)和25-NBD胆固醇。
氧化脂质包括，例如，1-棕榈酰-2-壬二酰-sn-甘油基-磷酸胆碱、1-O-十六烷基-2-壬二酰-sn-甘油基-3-磷酸胆碱、1-棕榈酰-2-戊二酰-sn-甘油基-3-磷酸胆碱、1-棕榈酰-2-(9′-氧壬酰)-sn-甘油基-3-磷酸胆碱、和1-棕榈酰-2-(5′-氧戊酰)-sn-甘油基-3-磷酸胆碱。
脂质还包括，例如，DEPE、DLPC、DMPC、DPPC、DSPC、DOPC、DMPE、DPPE、DOPE、DMPA-Na、DPPA-Na、DOPA-Na、DMPG-Na、DPPG-Na、DOPG-Na、DMPS-Na、DPPS-Na、DOPS-Na、DOPE-戊二酰-Na、四肉豆蔻酰心磷脂(Na)2、DPPE-mPEG-2000-Na、DPPE-mPEG-5000-Na、DPPE羧基PEG 2000-Na和DOTAP-Cl。装置
在一个方面，本文公开了包括包含疏水性表面的基底的装置，其中该疏水性表面适宜具有至少一个疏水性部分的分子的定向缔合或附着和/或定向铺展。
本文使用的疏水性表面指的是与水具有高接触角的表面或材料。例如，接触角范围可以，例如在大约88到大约179度之间，在大约90到大约150度之间；在大约110到大约130度之间或者在那之间的任何范围或单一值。示例性的疏水性表面包括，例如，SU-8、硬烤的SU-8、疏水聚合物、玻璃、陶瓷、金属或液晶。
装置的疏水性表面可以形成图案和/或具有疏水性表面的亚结构。例如，疏水性表面可以形成由较小疏水性的表面围绕的疏水性表面的阵列。如本文使用的，较小疏水性的表面指，例如，比该疏水性表面疏水性小并且不支持脂质铺展的表面。较小疏水性的表面的接触角范围可以，例如，在大约20到大约87度之间；在大约25到大约80度之间；在大约30到大约70度之间；在大约40到大约60度之间或者在那之间的任何子区间或单一值。疏水性表面的图案可以是任何形状，可以是功能设计的(例如，本文描述的混合器设计来便于混合脂质单分子层)。
疏水性表面可以是，例如功能性地形成图案的，例如，以提供用于应用或放置分子以及用于分子混合的位点。例如，基底可以包括混合器，该混合器包括与混合区联系的第一和第二注射衬垫，其中该注射区、第一和第二联系区以及混合区包括疏水性表面，所述疏水性表面适宜具有至少一个疏水性部分的分子的定向缔合或附着和/或定向铺展。基底可以进一步包括一个或更多个额外的与混合区联系的注射区域。在其它实施方案中，基底可以进一步包括一个或更多个额外的混合器。混合器可以以阵列形式形成图案或者随机排列在基底的表面上。基底的注射口可以是，例如圆形、正方形、五边形、六边形、三角形、矩形或任何其它几何形状。混合区可以是，例如长斜方形、三角形、矩形、六边形、五边形、圆形或任何其它几何形状。在注射衬垫和混合区之间的联系，例如槽可以是例如，在大约几nm和大约若干cm长之间以及在大约几nm和大约若干cm宽之间；在大约0.1nm和大约20cm长之间以及在大约0.1nm和大约20cm宽之间；在大约10nm和大约10cm长之间以及在大约10nm和大约10cm宽之间；在大约100nm和大约5cm长之间以及在大约100nm和大约5cm宽之间；或者在那之间的任何子区间或单一值或者任何长度和宽度测量数据的组合。联系路径的路径可以是直线、曲线、蛇形线、或本领域技术人员为特定目的适当确定的任何其它形状。
在一个实施方案中，基底具有围绕疏水性表面的较小疏水性的表面。具有至少一个疏水性部分的分子，例如，只在疏水性表面上而不在较小疏水性的表面上铺展。基底可以包括与混合区联系的输入和废料槽以及到反应器(例如催化反应器)和检测器(例如荧光或电化学检测器)的槽。
基底可以包括一套或更多套互相连接的通道以形成通常关闭的微流体网络。这样的微流体网络可以在网络末端或者与外界接口的网络中介包括一个、两个、或更多开口。这样的开口可以接收、存储、和/或分配液体。分配的液体可以直接进入微流体网络或微流体系统外部的位点。这样的开口通常在输入和/或输出装置中行使功能，和可以包括储存器。
基底还可以包括任何其它合适的有助于流体、试剂和/或膜操作或分析的特征或装置。例如，基底可以包括确定流体或膜流动速率和/或路径方面的调节或控制装置。阀和/或泵可以参与这样的调节装置。可选择地，或此外，基底可以包括确定、调节、和/或传感流体或膜温度、压力、流速、曝光、对电场的暴露、磁场强度、和/或等等的装置。相应地，基底可以包括加热器、冷却器、电极、透镜、光栅、光源、压力传感器、压力换能器、微处理器、微电子器件、和/或等等。此外，各装置或系统可以包括一种或更多种特征，该特征作为编码以鉴别给出的装置或系统。该特征可以包括任何可检测的形状或标记，或成套形状或标记，例如黑白的或彩色的条型码、单词、数字、和/或等等，其具有特殊的位置、身份、和/或其它性质(例如光学性质)。
基底可以由任何合适的材料或合适材料的组合形成。合适的材料可以包括弹性体，例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)；塑料，例如聚苯乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯等；玻璃；陶瓷；溶胶-凝胶；硅和/或其它准金属；金属或金属氧化物；生物聚合物、混合物、和/或颗粒，例如蛋白质(明胶、聚赖氨酸、血清白蛋白、胶原等)、核酸、微生物等；和/或等等。
基底，也称为芯片，可以具有任何合适的结构。这样的装置可以制造为来自单一组分的单一结构，或者两种或更多组分的多组分结构。该两种或更多组分可以具有任何合适的相对空间关系和可以通过任何合适的结合装置彼此连接。
在一些实施方案中，两种或更多的组分可以制造为相对薄的层，所述层可以面对面排列。基于功能，该相对薄的层可以具有不同的厚度。例如，一些层的厚度可以是大约10到250μm，20到200μm，或大约50到150μm等等。其它层可以是显著更厚的，有时为该系统提供机械强度。这样的其它层的厚度可以是大约0.25到2cm，0.4到1.5cm，或0.5到1cm等等。一个或更多个另外的层可以是起基底层作用的基本上平的层，有时对一些或全部微流体通道提供底面部分。
基于对系统需要的应用和用于制造的材料，本文描述的装置的组分可以通过任何合适的装置制造。例如，一种或更多种组分可以是使用合适的模具模制、模冲(stamped)、和/或压花(embrossed)的。这样的模具可以通过显微机械加工、蚀刻、软性石版印刷、材料沉积、切削、和/或冲压等等由任何合适的材料形成。可选择地，或此外，微流体系统的组分可以通过蚀刻、显微机械加工、切削、冲压、和/或材料沉积而不用模具制造。
装置和装置的部分可以分别制造，连接，和视情况进一步修饰。例如，当制造为不同的层时，组分可以结合，通常是面对面的。这些分离的组分可以是经表面处理的，例如，用反应性化学制品修饰表面化学，用颗粒粘合剂，用试剂促进分析，和/或等等。这样的表面处理可以定位到表面分散的部分或者相对非定域的。在一些实施方案中，分离的层可以制造然后冲压和/或切削以产生另外的结构。这样的冲压和/或切削可以在不同的组分连接之前和/或之后进行。制造的方法为本领域技术人员所熟知。
通道(passage)通常包括任何合适的路径(path)、槽(channel)或管道(duct)，在装置系统中材料(例如流体、颗粒和/或试剂)可以通过、越过或沿着所述路径、槽或管道流通。集合地，通常以槽形式的流动性联系的一组通道可以称为微流体网络。有时，通道可以描述为具有形成底、顶和壁的表面。通道可以具有任何合适的尺寸和几何形状，包括宽度、高度、长度、和/或横断面轮廓等等，并且可以遵循任何合适的路径，包括直线、圆形和/或曲线等等。通道还可以具有任何合适的表面外形，包括凹进、突起、和/或孔，并且可以在槽之内的任何适当位置具有任何合适的表面化学或渗透性。合适的表面化学可以包括在通道形成之前、期间和/或之后通过添加和/或用化学制品和/或试剂处理的表面改性。
有时，通道，并且特别地槽和混合区，可以根据功能描述。例如，通道可以根据在特定应用中材料流动的方向、与特定参照结构的关系、和/或运送的材料的种类来描述。相应地，通道可以是通常携带材料到部位的进口通道(或槽)，和通常从部位携带出材料的出口通道(或槽)。此外，通道可以称为颗粒通道(或槽)、试剂通道(或槽)、集中通道(或槽)、灌注通道(或槽)、废料通道(或槽)、和/或等等。
通道可以分支、连接、和/或死端(dead-end)以形成任何合适的微流体网络。相应地，通道可以在颗粒定位、分选、保留、处理、检测、传播、存储、混合、和/或释放等等中行使功能。
储存器通常包括在加工操作(例如测量、处理和/或流动)之前、期间、之间、和/或之后存储材料(例如流体、颗粒和/或试剂)的任何合适的容器或室。储存器也称为孔，可以包括输入、中介、和/或输出储存器。输入储存器可以在把材料输入到基底的一部分之前存储材料(例如流体、颗粒、囊泡和/或试剂)。对比起来，中介储存器可以在加工操作期间和/或之间存储材料。最后，输出储存器可以在从芯片输出，例如到外部的处理器或废料之前，或者在芯片处理之前存储材料。
调节器通常包括用于产生和/或调节材料(例如流体、颗粒、和/或试剂)运动的任何合适的装置。合适的调节器可以包括阀、泵、和/或电极等等。调节器可以通过主动促进流动和/或通过限制主动或被动流动而起作用。通过调节器介导的合适的功能可以包括流体网络的混合、分选、连接(或分离)，和/或等等。
颗粒可以是囊泡。囊泡通常包括用脂质包膜限定的任何非细胞衍生的颗粒。囊泡可以在它们的包膜或内部部分包括任何合适的组分。合适的组分可以包括化合物、聚合物、复合物、混合物、聚集物、和/或颗粒等等。示例性的组分可以包括蛋白质、肽、小化合物、药物候选者、受体、核酸、配体、和/或等等。
合适的基底包括，例如，具有形成图案的SU-8(疏水性表面)和Ti/Au(较小疏水性)表面的金涂层玻璃、玻璃上的SU-8、TiO2或SiO2上的SU-8、亲水性SU-8上的疏水性SU-8、塑料上的SU-8、陶瓷上的SU-8、橡胶上的SU-8以及其它SU-8样材料(包括聚合物、环氧树脂(epoxies)、玻璃、陶瓷、橡胶、凝胶)的上述组合。
疏水性表面可以是固体表面或可以是在另一个表面上的层。例如，疏水性表面可以是在另一个表面上显微制造的光致抗蚀剂层。其它表面可以是固体材料的或可以是分层构造的。例如，基底可以是具有Ti/Au层的玻璃，所述Ti/Au层是例如通过喷镀应用的。利用本公开本领域技术人员可以了解怎样产生具有疏水性表面的基底。可以用为微芯片制造领域技术人员所知的技术产生疏水性表面的图案。
疏水性材料或较小疏水性的材料的亚结构可以是，例如在层中的穿孔、在层中的孔、在层上的同样或其它材料的柱、小块、槽、通过槽联系的孔、固定的颗粒、固定的分子、或其组合。亚结构可以，例如以有序的(例如阵列的)或无序的图案或其组合排列。亚结构可以适合于用单分子层完全或部分覆盖，或者由具有至少一个疏水性部分的分子的铺展膜围绕。除亚结构之外或作为亚结构部分的疏水性表面可以具有一种或更多种凸起或压印的几何图样(例如2-D和3-D)。疏水性表面的亚结构可以由较小疏水性的表面围绕。亚结构也可以是肉眼可见的或显微尺寸的。
基底的疏水性表面适宜加工或实施加工。这样的加工包括，例如化学反应、表面辅助的合成步骤、催化过程、超分子自组装、或基于亲合性的分离(例如，在固定在亚结构上或亚结构内的材料或者反应物与铺展膜的活性组分之间或者在与一种或更多种囊泡相关的材料或反应物之间，所述囊泡放置在允许随后或同时混合的基底上)。
能够在疏水性表面上定向缔合或附着和/或定向铺展并且具有至少一个疏水性部分的分子包括例如，磷脂、两亲性分子(例如洗涤剂)、表面活性剂、蛋白质(例如膜蛋白、用疏水性部分修饰的蛋白质)、肽(例如长或短肽、用疏水性部分修饰的肽)、寡核苷酸(例如DNA、RNA和siRNA)、用疏水性部分(例如具有与疏水性表面形成强疏水作用的能力的上述所有的脂类尾部)修饰的分子。分子可以按本领域技术人员所知的任何组合彼此缔合。例如，(单，双，三)-胆固醇缀合的DNA，二茂铁缀合的DNA，芘缀合的DNA，芳族化合物缀合的DNA，脂质缀合的DNA，芳族化合物(例如萘)、和FMOC衍生物以及脂质、和烷、烯和炔缀合的肽和蛋白质。分子可以包括一种或更多种另外的组分，包括，例如疏水性部分(例如胆固醇)缀合的寡核苷酸(例如DNA)。因此，薄膜单分子层也可以包括一种或更多种另外的组分。另外的组分也可以包括一种或更多种其它脂质、膜蛋白、适于分配进膜的分子或颗粒(例如药物和染料)、或与适于分配进膜的另一个分子缀合的分子和颗粒。
在一个实施方案中，具有至少一个疏水性部分的分子包括膜。例如，在放置或应用分子到疏水性表面之前、期间或之后，该分子是或形成膜。膜可以是分子薄膜。膜可以是液体、固体、液晶、或凝胶或其组合。膜也可以包括DNA膜和/或蛋白质膜。
在一个实施方案中，本文描述的装置可以进一步包括温度控制器。温度控制器允许，例如，控制具有至少一个疏水性部分的分子的相变和铺展行为。低于该相变温度膜表现为固体，不能铺展或非常缓慢，并且不混合或几乎不混合。高于该相变温度它将表现为液体并且铺展和混合。温度控制也可以用于控制在薄膜上发生的反应速率(Arrhenius关系)。
在一个方面，本文提供了包括基底的装置，所述基底包含疏水性表面、较小疏水性的表面和具有至少一个疏水性部分的分子的膜，该膜至少部分覆盖和限于该疏水性表面。具有至少一个疏水性部分的分子也可以完全覆盖疏水性部分。分子例如形成越过表面以部分或完全覆盖该表面的单分子层膜。
在一个方面，本文提供了包括基底的装置，所述基底包括具有在与之相关的极性(例如水性)环境中形成的薄膜单分子层表面的疏水性表面，其中该薄膜单分子层表面通过将磷脂脂质体置于疏水性表面上形成，其中该磷脂脂质体在置于疏水性表面上时铺展形成薄膜单分子层表面。
本文公开的装置可以用于，例如二维微流控技术、薄膜微流控技术、分离、分馏、单分子研究、药物筛选、传感器应用、QCM应用、SPR应用、渐消波荧光应用、催化作用、分子组装(例如分子合成或装置合成)、或形成由具有至少一个疏水性部分的分子构成的分子薄层或膜。
在一个实施方案中，覆盖的膜是完全疏水的或在分子中至少包括一个疏水性部分(例如两亲化合物)。合适的疏水性表面的例子包括，例如，SU-8，尤其是硬烤的SU-8及其他疏水聚合物、环氧树脂、玻璃、陶瓷、金属、液晶、及其他与水具有高接触角(例如在大约88到大约179度之间，在大约90到大约150度之间；在大约110到大约130度之间或者在那之间的任何子区间或单一值)的材料。单分子层例如通过铺展或吸附(或通过其它原理缔合)到疏水性表面形成，例如通过在表面上自组装。形成的膜可以是结晶、固体、或固体样或者可以是液体、液晶或液体样材料，例如像POPC的磷脂。适于形成这样的单分子层的装置包括部分覆盖的疏水性表面，通过在该疏水性表面上形成疏水膜的方式使得较小疏水性的其它部分限制在疏水性部分。因此，形成图案的表面(例如在Au上的SU-8)能够以一维、二维或三维制备。该装置允许使用显微操作(例如显微注射)和自组装技术来施加和组织分子到疏水性表面上。与其它用于材料转移和样品应用的技术，例如光阱或光镊、和磁阱以及微流体方法结合也是可能的。此外，能够制备装置(具有二重性质疏水/亲水性的设计的结构化表面)来支持具有受控组成的膜的形成。这类化学计量受控膜尤其适于用在疏水性表面上运动或铺展的膜实施。这样的膜的例子由磷脂组成。
在一个实施方案中该装置可以包括用疏水涂层(例如SU-8或硬烤的SU-8)覆盖(例如完全覆盖)的芯片表面。如图1A中示意性显示的，这样的装置可以是，例如分层结构。这里，基于环氧树脂的负性光致抗蚀剂SU-8旋转涂层到用Ti/Au喷镀的显微镜盖玻片上。图1B是显示具有特定图案的疏水性质的亲水性芯片表面的示意图。SU-8的地形(topographic)结构旋转涂层到用Ti/Au层喷镀的显微镜盖玻片上。图1C是三种不同类型的结构化装置的明视野显微镜图像，所述结构化装置由旋转涂层到用Ti/Au层喷镀的显微镜盖玻片上的SU-8制备。第一种是两种膜组分的混合装置，第二种是三种膜组分的混合装置而第三种是四种膜组分的混合装置。该装置部分地由玻璃载体基底组成，该玻璃载体基底例如用于显微镜检查法的硼硅酸盐物镜盖玻片，其用作为亲水性基底的金薄层以及薄的疏水环氧树脂光致抗蚀剂Michrochem SU-8平面结构涂层。在显示的装置中，该平面结构在金涂层的盖玻片表面上覆盖了8×12mm的区域。该装置的特定实施方案适于显微镜观察，并且维持了足够的光透明度。图1C中显示的结构具有微米范围内的特征尺寸(例如，从大约1到大约25μm，在大约5和大约20μm之间，在大约10和大约15μm之间，在大约12和大约14μm之间，或包括在其中的任何子区间或单一值)并且厚度＞20nm(或在大约0.01和大约2μm之间，在大约0.1和大约1μm之间；在大约0.5和大约0.9μm之间；或包括在其中的任何子区间或单一值)。该装置在例如净室条件下制造，除了最后的硬烤来完成交联环氧树脂保护层的步骤，该步骤不需要在净室条件下进行。尽管如此，可以通过沉积SU-8到不同表面制备更简单的设备。
本文描述的芯片装置可以，例如安装在倒置显微镜上用于成像和操作目的。图2A描述了一个示例性的环绕该装置的试样注射和操作工作站，其也可以通过机器人元件自动化。由微动台控制的或人工控制的微量移液管可用于直接递送材料到芯片表面，例如焦点注射到注射衬垫，或者直接进入覆盖装置的溶液。实验可以，例如在液相(例如水溶液)中进行，但是该装置也可适合于气相实验。
复杂的成套材料，例如不同结构的脂质、修饰的DNA(例如胆固醇缀合的DNA)、蛋白质(包括膜蛋白)可以用于与疏水性表面缀合形成单分子层膜或者启动混合或化学反应。当至少两种不同组分在相同疏水性表面上位于空间分开的区域时，如果表面上膜的活动性足够大，例如大于大约0.01微米/秒，铺展和混合可以发生。例如，这对于磷脂和其它脂质是可能发生的。可以用这种方法使同样的、紧密相关的或不同结构的材料达到紧密接近接触范围之内，混合，经历化学反应(例如电子转移反应、氧化、还原、以及所有其它能想到的种类的反应)，催化或抑制其它组分的化学反应(例如酶促反应)，从膜释放材料(例如从双链体释放ssDNA)或以允许新材料附着的方式修饰表面，例如在DNA的例子中杂交。因此，装置的几何形状可以优化以提升可以用于例如在薄膜上的分离、反应和混合现象的特定功能性。作为进一步的例子，该技术可以用于表面辅助的(二维的)超分子和大分子的组装和合成以及纳米尺度结构和装置的生产。通常，它形成二维微流控技术平台的基础。
图2B显示具有在金表面上形成从圆形注射衬垫向外辐射的蛇形图案的SU-8的装置的一部分。动态接触角测量显示SU-8(根据实施例1中的步骤制备)上的水接触角是91.4°±1.5°，这意味着它是疏水的，而金(根据实施例1中的步骤制备)上的接触角是77.9°±3.2°，因此它是亲水的。在圆形注射衬垫上，如图2A所示使用由显微操作器和用于样品应用的使用压力的微量注射器控制的移液吸管放置多层囊泡。多层脂质体由两亲性磷脂分子组成，该两亲性磷脂分子以疏水性尾部基团和亲水性首基为特征。当把脂质体运送到装置的疏水性SU-8表面时，如图2C示意性显示地起始单分子层膜形成。脂质只沾湿SU-8表面而周围的金仍然是没有脂质的。磷脂的疏水性部分与SU-8表面接触，而亲水性首基面向水相。铺展，例如按照箭头指示的圆形地沿各个方向发生，直到疏水性表面被完全覆盖，或者脂质储存器被耗尽。在铺展边缘的张力和脂质/SU-8粘附能相等。不希望被任何特定的科学理论限制，沉积的脂质膜的研究得出存在脂质单分子层的结论。使用荧光漂白恢复(FRAP)实验来评价脂质膜的活动性。发现的扩散常数与单分子层的存在相符合。该值比悬浮的磷脂双分子层的扩散常数低大约一个数量级。脂质分子的疏水性尾部和SU-8表面之间的摩擦解释了扩散常数的该低值并且推断脂质实际上以具有指向SU-8的疏水性尾部和指向水性缓冲溶液的亲水性首基的脂质单分子层铺展。图2D显示了一个实施例，其中在SU-8通道上通过由荧光标记的大豆脂质提取物构成的多层囊泡沉积之后的铺展形成磷脂单分子层膜。因为脂质只在疏水性表面上而不在亲水表面上铺展，该技术提供了进行受控二维微流控技术的可能性。与固体槽中的水样溶剂微流控技术相比，该技术的一个有趣的方面是对于铺展的脂质膜没有固定的非滑动边界条件。
该技术还提供了通过将脂质源施加到SU-8表面，用共聚焦显微镜监测铺展，和达到需要的覆盖度之后用微量移液管移去脂质源来控制脂质沉积的可能性。因此，试样注射可以在数量上精确地控制。因此这些工具使我们能够在表面上二维地实施混合和化学转化。可以制造需要的尺寸约为平方微米(以及更小和更大的)，例如在大约0.01μm和大约数百微米之间的结构，并且通过添加和移去脂质源实现对化学反应物的量的直接控制，所述脂质源可以掺杂不同的化合物。这相应于不同的化合物在常规化学反应器中的体积分数。
此外，在装置上通过脂质铺展和混合产生预先确定的化学计量的磷脂单分子层膜的方法是可行的，所述预先确定的化学计量的磷脂单分子层膜包括不同的脂质或活性种以及组分。首先，如果不同组成的两种脂质体在SU-8上铺展，并且它们的前沿接触，它们将通过扩散混合它们的成分。这显示于图3A，其中形成和混合大豆极性提取物(SPE)脂质和合成脂质(DOTAP)膜。混合后，形成的膜将包括与来自两个相应的小块的材料量成比例的两种组分。为了进一步显示化学计量地混合脂质的原理，一个实施方案包括了已知尺寸和特定几何形状的SU-8结构以促进n组分系统(其中n可以是任何大于1的整数)中的混合。使用如图3B所示的3组分混合装置，可以连续地施加不同脂质级分到三个不同的注射部位并监测它们怎样在表面上中央的三角形区域中混合。
因此二维微流体平台提供了其自身在化学分析和合成中的多种应用。例如，大分子可以通过在表面上混合包括形成该分子所必需的相应组分(反应物)的脂质在膜中组装。超分子聚集物也可以通过混合包含在最初分离的脂质级分中的该超分子集合的不同组分形成。例如，互补单链DNA分子可以通过在单一脂质膜中提供两种不同的链在表面上杂交。为了能够进行这种表面化学，通过本领域已知的方法用表现为铺展的脂质膜中脂质的脂质化学缀合分子例如DNA是有益的。
该装置可以用于反应性混合两种或更多添加的组分(例如，互补DNA链的杂交，例如肽、DNA、芳族化合物、脂质、烷、烯、炔以及其它化合物的二聚、低聚和多聚，产生共价键的反应，引起二维晶体形成的混合，从单个构件的聚集/缔合合成超分子，自组装反应，通过集合构件的自组织反应，通过集合构件制造纳米装置和纳米结构)，在脂质沉积到注射区域上之前将所述添加的组分加入铺展的脂质材料，由此与形成的脂质膜一起铺展，或者在形成充分伸展的膜之后将所述添加的组分加入铺展的脂质材料。各沉积点可以包含一种或更多种这样的添加的组分。图3C，组(i)显示包括通过铺展通道互相连接的两个沉积区的装置。在各沉积区上，脂质材料作为多层囊泡与一种或更多种活性添加剂一起沉积。两种脂质沉积物穿过通道向彼此铺展，各自携带活性物质。当相遇时，在化学反应中或通过其它相互作用，包括自组装或其它缔合过程、催化过程或结合机制，功能性材料相互作用或结合。在图3C，组(i)中，描述了两种活性材料的缔合。该方法允许确定活性添加剂的精确比例并因此控制缔合或反应过程。该过程不局限于两种活性材料或两种脂质沉积物，任何材料组合都是可能的。例如，可以基于click化学制备DNA六角形结构，其中通过各自携带单一链的6种不同的铺展脂质膜提供六角形的6条或少于6条不同的链。
图4显示了在一个二组分混合器中两种不同混合物的合并荧光强度怎样取决于混合比例(Φ)的图表。因此用这个方法在任一点及时精确地确定两种材料的混合比例是可能的。这意味着在这样的装置上可以原位合成任何组成的表面。
此外，可以通过外部参数，包括例如表面温度的参数影响脂质材料的铺展。在一个实施方案中这通过将温度控制元件嵌入形成图案的表面或通过放射方法(包括红外线或激光)实现。因此在宽范围(例如在大约室温和大约95℃之间)中的温度控制是可能的。在一个实施方案中这样的控制元件是表面印制的电阻加热条带、加热块、加热盘管、IR灯或也包括其中把加热元件插入电解溶液中的技术的任何其它方法(图2A)。与表面制造或其它加热方法结合，脂质对温度敏感的特性例如相变是应用的基础：在相变点之上的高温，脂质是无序的流体相状态并可以在疏水性表面上铺展，而在相变温度以下脂质是非运动的结晶相，其引起可逆的铺展停止。在一个实施方案中，相变温度可以通过施加的脂质的化学结构和通过混合不同化学结构的脂质方便地控制。因此温度是控制基于例如脂质铺展的二维微流控技术中的脂质流的一种方法(图8)。
以上，显示了在疏水性SU-8支持物上的磷脂吸附和铺展。然而，可以应用该方法来，例如粘附各种分子，只要它们具有可以与表面相互作用的疏水性部分，(例如chol-DNA、DNA、蛋白质、用疏水性芳香族、烷、烯或炔缀合的肽)。这里我们显示了这样一个在用疏水性部分(胆固醇)修饰天然DNA之后的DNA的实施例。特别地，我们显示胆固醇修饰的寡核苷酸有效地吸附在SU-8上，而非修饰的天然状态的寡核苷酸保留在溶液中。chol-DNA与SU-8的偶联包括强疏水性相互作用。描述的固定途径提供了一个与其它用于DNA固定的方法相比的优点，即通过除去表面活化的需要包含功能化的表面。此外，我们获得了高的和可重复的互补链与固定的chol-DNA的杂交收率。
缀合到胆固醇和用荧光染料标记的单链DNA的固定到在金表面上具有疏水性和形成图案的SU-8结构的装置示意性地显示于图5A和5B。把溶液中的chol-DNA加入形成图案的装置(在Au上的SU-8)，chol-DNA只连接到具有指向SU-8的胆固醇部分的SU-8表面。chol-DNA与SU-8表面的缔合是直接的并可以通过例如共聚焦显微镜检查法观察。取决于附着于DNA的染料分子，在不同波长激发样品。
此外，形成的DNA膜是热稳定的并可以清洗、干燥以及长时期存储。基底(例如盖玻片)可以，例如用水漂洗并且随后在氮气流下温和地干燥。具有吸附的DNA的基底可以以干燥状态长时期存储。
图5C显示具有吸附到表面的两种不同的荧光标记的chol-DNA的SU-8结构。
在第一DNA链吸附之后，可以把第二互补链加入溶液。然后互补链与表面附着的DNA杂交。我们使用两种不同的技术来验证杂交。第一次杂交通过在荧光标记的DNA3及其互补的c-DNA3/4(序列和标记信息参见表1)之间的FRET显示。在图6中，右边的组(ii、iv、vi)显示受体的发射而左边的组(i、iii、v)显示供体的发射，两者都是在供体激发波长下激发。在添加互补的c-DNA3/4之前，获取的荧光显微照片显示在盖玻片保持干燥6小时之后继续停留在SU-8上的固定的DNA3(图6，组(i))。添加c-DNA3/4显著地增加Cy3的荧光信号(图6，组(ii)和(iv))而对于FAM则减少(图6，组(i)和(iii))。在盖玻片漂洗、干燥和用缓冲溶液再水化之后，固定和杂交的chol-DNA+c-DNA对仍然存在于SU-8中(参见图6，组(v)和(vi))。
表1：寡核苷酸列表
  分子   5’修饰   3’修饰   5’开始的序列
  DNA1   Chol-TEG   Cy5   GCGAGTTTCG
  DNA2   Chol-TEG   GCGAGTTTCG
  DNA3   6-FAM   Chol-TEG   GCCAGTTTCGTCTAAGCACG
  DNA4   Chol-TEG   GCCAGTTTCGTCTAAGCACG
  c-DNA1/2   Cy3   CGAAACTCGC
  c-DNA3/4   Cy3   CGTGCTTAGACGAAACTGGC
杂交还通过与非荧光固定探针相结合的荧光标记互补DNA分子检测(参见图7)。这里我们使用DNA4+c-DNA3/4和DNA2+c-DNA1/2对并且监测荧光漂白恢复(FRAP)。在两种情况中固定的DNA(DNA4和DNA2)都不是荧光标记的而杂交的证据都来自互补链(c-DNA3/4和c-DNA1/2)中Cy3的荧光检测。两种杂交实验结果都证明胆固醇修饰的寡核苷酸是能够接近它们的互补链的，甚至在固定的DNA已经保持干燥若干小时之后。
此外，该平台应该允许膜蛋白的固定。膜蛋白通常包含高度疏水性的跨膜α螺旋。因此，未经修饰的膜蛋白应该自发地吸附到这里描述的包括SU-8的表面。
在一个实施方案中装置可以包括用疏水性涂层例如SU-8覆盖的芯片表面，所述疏水性涂层包括亚结构图案，例如在层中的穿孔、在层中的孔、同样的柱或在层上的其它材料、小块、或固定的颗粒、和分子(图1D)。结构以有序的(阵列)或无序的方式排列，并设计成被完全或部分覆盖，或者由铺展膜围绕(例如基于表面的疏水性图案化)。在这样的结构化表面上，可以实现包括化学反应或其它表面辅助的合成步骤、催化过程、超分子自组装或固定在亚结构上或亚结构内的材料或反应物与铺展膜的活性组分之间基于亲合性的分离原理的过程(图3C，组(ii))。在一个实施方案中，可以通过穿过亚结构的脂质流携带反应物或活性组分，产生二维微流体装置。
在另一个实施方案中，把反应物或活性组分加入结构化表面的注射区域并允许其在预先形成的脂质膜中扩散以到达亚结构化的通道或区域。在另一个实施方案中，这样的反应可以由外界刺激启动，包括刺激，例如通过使用表面印制的加热器产生的温度梯度、通过使用激光或闪光灯照射产生的灯光、使用粒子发射体产生的辐射、或通过使用大量pH改变或通过微流体槽提供酸性或碱性溶液产生的pH梯度。在另一个实施方案中，亚结构化的表面区域可以位于与分析或合成机械的接口，包括装置，例如石英晶体微量天平(QCM)-晶体表面或表面等离子体共振(SPR)基底表面。
尤其是因为SU-8能够以非常薄的膜沉积在金上它应该适用于QCM和SPR的大范围应用。
方法
本文描述了混合具有至少一个疏水性部分的分子、脂质体和/或与之或对之缔合或结合的分子的方法。本文还描述了使用本文描述的装置的方法。
在一个方面，描述了在表面上混合从脂质体提取的脂质膜的方法。该方法包括将(某种组成的)第一脂质体置于疏水性表面上，以及将不同组成的第二脂质体置于该疏水性表面上，其中第一和第二脂质体在该疏水性表面上铺展和混合。
脂质体或具有至少一个疏水性部分的分子利用例如微量移液管、光镊或微流体装置中的一种或更多种置于疏水性表面上。例如，可以指引脂质体通过微流体装置到微流体装置上或其中的疏水性表面。该装置可以进一步包括一种或更多种室、毛细管、柱或任何其它肉眼可见的或显微尺寸的装置。
本文描述的方法允许规定量的材料的精确混合。例如，通过一种或更多种尺寸的第一和第二脂质体或者通过时间安排控制从第一和第二脂质体贡献出的材料的量(或具有至少一个疏水性部分的分子的量)。例如，已知脂质体的材料的量，因此能够通过使用测定量的脂质体或具有至少一个疏水性部分的分子控制材料的量。此外，时间安排也可用于控制混合因为能够按照本文讨论的测定铺展速率，而该已知因素能够用于计算以确定，例如在固定尺寸的混合区域中，多长时间允许某一需要量的材料铺展至混合。在某一段时间之后，例如，能够收回或移去适量的一种或更多种脂质体或具有至少一个疏水性部分的分子。
在某些实施方案中，该方法进一步包括收回第一和第二脂质体中的一种或两种的至少一部分(例如在它们贡献出需要量的脂质到表面之后)。这允许人们获得由第一和第二脂质体或许多脂质体或具有至少一个疏水性部分的分子群形成的膜的化学计量控制。
根据一个实施方案，该方法允许通过混合第一和第二脂质体，或通过混合1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、或更多脂质体群或具有至少一个疏水性部分的分子群创造功能性表面。
在一个实施方案中，功能性表面包括一种或更多种二或三维表面特征。功能性表面可以同时或可选择地包括一种或更多种催化表面，例如包含金属催化剂或酶的表面、结合表面(例如包含具有对巯基亲合性的金斑点或具有对肽/蛋白质His基团亲合性的Ni斑点的表面)、或支持物理或化学操作(例如固定的冠醚螯合剂或某些官能团)的表面。
在由脂质体或具有至少一个疏水性部分的分子形成膜之后，该方法还允许功能化或改变膜。这可以，例如通过添加与膜结合或反应的其它分子(例如通过膜改变其性质的方式)进行。
一旦施加到本文描述的基底的疏水性表面，脂质体(例如由具有至少一个疏水性部分的分子构成的)形成，例如超分子结构、纳米结构、DNA阵列、蛋白质阵列、其它分子实体的阵列、颗粒阵列。
本文描述的方法可以进一步包括杂交定点分子识别方式(例如核酸，例如DNA)由脂质体或具有至少一个疏水性部分的分子形成的膜。如上所述，具有至少一个疏水性部分的分子可以与核酸、蛋白质、凝集素和其它能够通过结合的伴侣识别的分子缔合。一旦形成，膜可以用于为本领域技术人员所知的分子识别测定。
该方法还可以进一步包括干燥由第一和第二脂质体形成的膜，或由1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、或更多脂质体群或具有至少一个疏水性部分的分子群组成的膜。
在一个实施方案中，该方法进一步包括再水化已经干燥的膜。当干燥和再水化时，膜例如胆固醇缀合的DNA膜是稳定的。
在一个方面本文提供了形成动态液膜的方法，包括在缓冲液中悬浮多层囊泡，以及将囊泡置于包括疏水性表面的基底上，借此该囊泡在表面上铺展为单分子层。该方法可以进一步包括将第二多层囊泡置于基底上，借此囊泡和第二囊泡铺展和混合。该方法可以进一步包括将第三、第四、第五、第六、第七或更多多层囊泡置于基底上，借此囊泡铺展并且产生的脂质膜混合。
方法还可以包括通过本文公开的方法确定各脂质体或分子混合物的铺展系数。脂质体和/或分子可包括的铺展系数在大约0.01到大约数百μm2/s之间；在大约0.5到大约500μm2/s之间；在大约1到大约100μm2/s之间；在大约50到大约75μm2/s之间或包含在其中的任何子区间或单一值。
本文公开的方法还可以用于修饰微流体槽或微管道(microcanal)、或夹层式层流室的表面。
脂质体可以通过本文描述的方法和通过任何为本领域技术人员所知的方法制备，例如在US专利申请公开20070059765中描述的方法。
本文描述的装置可以用于多种测量。测量装置可以使用任何合适的检测方法来定性和/或定量地分析样品。合适的检测方法可以包括光谱学方法、电法、流体动力学方法、成像方法、和/或生物学方法等等，特别是适于颗粒分析的那些。这些方法可以包含检测单个或多个值、时间依赖或非时间依赖(例如稳态或终点)值、和/或平均的或(时间和/或空间)分布的值等等。这些方法可以测定和/或输出模拟和/或数字值。
光谱学方法通常可以包括任何性质的光(或波状的颗粒)的检测，特别是通过与样品相互作用改变的性质。合适的光谱学方法可以包括吸收、发光(包括光致发光、化学发光、和电化学发光)、磁共振(包括核的和电子自旋共振)、散射(包括光散射、电子散射、和中子散射)、衍射、圆二色性、和旋光性等等。合适的光致发光方法可以包括荧光强度(FLINT)、荧光偏振(FP)、荧光共振能量传递(FRET)、荧光寿命(FLT)、全内反射荧光(TIRF)、荧光相关光谱学(FCS)、荧光漂白恢复(FRAP)、荧光活化的细胞分选(FACS)、和它们的磷光和其它类似物等等。
电法通常可以包括任何电参数的检测。合适的电参数可以包括电流、电压、电阻、电容、和/或功率等等。
流体方法通常可以包括在颗粒(或其组分或衍生物)和它的邻居(例如其它颗粒)、溶剂(包括任何基质)、和/或微流体系统等等之间相互作用的检测，可以用来鉴定分子大小和/或形状，或把样品分离为它的组分。合适的流体动力学方法可以包括层析、沉降、粘度测定法、和电泳等等。
成像方法通常可以包括空间分配信号的检测，通常观察样品或其组分，包括光学显微镜法和电子显微镜法等等。
生物学方法通常可以包括一些被颗粒引导、介导、和/或影响的生物活性的检测，通常使用如上所述的另一种方法。合适的生物学方法为本领域技术人员所熟知。
测量方法可以直接和/或间接地(例如通过报道分子)检测和/或监测颗粒任何合适的特性。合适的特性可以包括颗粒身份、数目、浓度、定位(绝对或相对的)、组成、结构、序列、和/或活性等等。检测的特性可以包括分子或超分子特性，例如存在/不存在，浓度，定位，结构/修饰，构象，形态，活性，数目，和/或DNA、RNA、蛋白质、酶、脂质、碳水化合物、离子、代谢物、细胞器、添加的试剂(结合)、和/或其复合物的运动等等。检测的特性还可以包括细胞特性，例如任何合适的细胞基因型或表型，包括形态，生长，凋亡，坏死，裂解，活的/死的，细胞周期中的定位，信号途径的活性，分化，转录活性，基底吸附，细胞间相互作用，翻译活性，复制活性，转化，热激反应，运动性，铺展，膜完整性，和/或神经突增生等等。
基底可以用于任何合适的基于病毒的、基于细胞器的、基于小珠的、和/或基于囊泡的测定和/或方法。这些测定可以测定调节物(化合物、混合物、聚合物、生物分子、细胞等)与存在于任何这些其它分子中/上，或与其相关的一种或更多种材料(化合物、聚合物、混合物、细胞等)的结合(或影响)。可选择地，或此外，这些测定可以测定活性(例如酶活性)、光学性质(例如化学发光、荧光、或吸收等等)、和/或相互作用诱导的构象变化的改变。
在一些实施方案中，膜可以包括可检测的编码。这样的编码可以由一种或更多种具有可检测性质，例如光学性质(例如光谱、强度、和或荧光激发/发射度、吸收、反射率、折射率等)的材料给予。该一种或更多种材料可以提供非空间信息或可以具有有助于各编码的编码方面的分散的空间位置。编码可以允许不同的样品，例如细胞、化合物、蛋白质、和/或等等与具有不同编码的小珠缔合。然后不同的样品可以结合，共同测定，并通过读取各小珠上的编码鉴定。对细胞缔合的小珠合适的测定可以包括上述任何细胞测定。
进行本节描述的一些测定的适宜流程包括于Joe Sambrook andDavid Russell，Molecular Cloning：A Laboratory Manual(3rd ed.2000)，其通过引用并入本文。
实施例
实施例1：装置制造
清洗来自Menzel
Figure G2008800175954D00321
的显微镜盖玻片1号并用SU-8 2000型光致抗蚀剂(Microchem)以3000rpm旋转涂层1min，随后在65℃和95℃软烤(soft-baking)。然后在Karl Süss MJB3-UV 400光刻机(maskaligner)中将盖玻片暴露于400nm(5mW/cm2)UV光15s。然后在浸入SU-8显影剂(Microresist Technology GmbH)中以前使SU-8涂层的盖玻片在65℃和95℃经受曝光后烘焙步骤。在最后的步骤，用水漂洗SU-8，用氮气吹干并在Venticell干燥箱(MMM Medcenter EinrichtungenGmbH)中于200℃硬烤30min。对于结构化的SU-8表面，在施加SU-8之前用MS 150Sputter系统(FHR Anlagenbau GmbH)把钛和金层喷镀到硼硅酸盐盖玻片上。用DC磁控喷镀分别以
Figure G2008800175954D00322
和
Figure G2008800175954D00323
的沉积速率将钛粘附层(厚度2nm)和金层(厚度8nm)沉积到盖玻片上。
在JEOL JBX-9300FS电子束石印系统上制备用于SU-8加工的暗视野光掩模。使用用于微米分辨率的共同过程曝光、显影和蚀刻UV-5/0.6保护层(Shipley Co.)涂层的Cr/碱石灰掩模(Zhang，J.等，Micromech.Microeng.11：20-26(2001))。
在CADopia  IntelliCAD平台v3.3(IntelliCAD TechnologyConsortium)上制备图案文件。除了硬烤步骤外，所有制造过程在净室大气(根据ISO 14644-1的3-6级)下完成。
接触角测量
使用Milli-Q水在Drop Shape Analysing System 10Mk2(KrüssGmbH)中进行动态接触角测量。使用DSA v1.80软件分析取回的数据。
实施例2：液体铺展和混合：
实施例2描述了受控的、动态的液膜形成以及在显微制造的疏水基底(实施例1的装置)上混合若干不同的脂质膜。与以前的制造方法相反，该方法允许包括在膜中的不同组分的化学计量控制。当悬浮在缓冲液微滴中的多层脂囊泡被置于基底上时，脂质在表面上快速铺展为单分子层。按照图2C中的说明形成的脂质小块是圆形的。最后多层囊泡耗尽并转化入脂质单分子层。
例如，通过顺序施加多层囊泡SPE(大豆极性提取物，总体带负电荷)脂质和DOTAP(合成的、带正电荷的脂质)多层囊泡的混合物到装置表面上的邻接区实现了具有不同组成的脂质膜的混合。这两种脂质单分子层混合的时序图像显示于图3A。在实验中，SPE脂质用荧光染料FM1-43标记，而DOTAP未经修饰。随着混合进行，因为DOTAP浓度增加引起染色的位移，SPE脂质小块中的荧光强度减少。如果脂质膜没有混合，在这两种膜之间将获得荧光强度的静止的、分散的边界。
用指向装置表面的脂质分子的疏水性尾部和暴露于缓冲溶液的亲水性首基形成单分子层膜(参见图2C)。为了确认和定量脂质分子的活动性，实施荧光漂白恢复(FRAP)实验并且扩散常数D计算为2.3·10-1μm2/s。在混合实验中，使用微量转移技术把多层囊泡沉积到装置表面上。这允许在疏水性区域(例如包括SU-8，参见实施例1)上形成具有受控组成的脂质膜。在这个装置上，脂质膜不在Au上形成，与SU-8相反，Au是亲水性的并且不促进脂质铺展。使用二重和三重混合结构，其分别具有两个和三个用于多层囊泡的注射区域，以及一个位于中心的混合区。图2A显示了实验装置的示意图，该实验装置允许控制脂质在注射区域的沉积，监测铺展和混合以及一经要求用微量移液管移去脂质源。可以通过施加已知量的不同脂质膜到图1C(上列)中显示的结构类型上的两个注射区域化学计量地混合脂质。一个脂质级分发荧光，而另一个不发荧光，可以监测两种脂质膜在彼此中的稀释度并确定在不同膜混合比例Φ的荧光强度(图4)。该关系是线性的(R2＝0.944)，其显示系统可以校准。
图3B显示了在其上放置三种差异染色的多层囊泡的三重混合装置。在该结构的中央混合铺展的脂质单分子层。可以通过施加和除去脂质源的时间安排控制施加的脂质级分的混合比例。
在通道上脂质流的铺展系数β在1-5μm2/s的范围之内，独立于通道宽度w。越过通道的脂质总流量与通道宽度w成正比。这意味着，通向混合装置的中央混合区域的两条通道的宽度比例wA/wB与在这些通道上铺展的脂质级分A和B之间的混合比例Φ相等。这显示就原理而论通过结构的地形设计在混合的单分子层中控制脂质混合比例是可能的。
脂质铺展过程
把裸露的盖玻片置于显微镜载物台上并把再水化的脂质溶液加到其上。使用微量转移技术，以多层囊泡的形式吸出需要量的脂质进入移液管是可能的。然后小心地从滴处移走微量移液管。然后把具有喷镀的Ti/Au和SU-8结构的盖玻片放置在台上作为替代并且施加PBS缓冲液滴。然后把微量移液管降入到微滴里去并且把吸出的脂质施加在显微制造的图案中需要的位置。然后重复该步骤以转移另一种脂质级分，例如用不同荧光基团标记的，到具有SU-8图案的Ti/Au盖玻片上。图2A图解了在共聚焦显微镜上的实验装置。
化学制品
大豆极性提取物(SPE)脂质购买自Avanti Polar Lipids，Alabaster(AL)，USA。KCl、DOTAP、TRIZMA碱、K2-EDTA、K3PO4、KOH和甘油(99％)从Sigma(Steinheim，Germany)获得。去离子水取自Millipore(Bedford(MA)，USA)的Milli-Q系统。FM1-43和罗丹明磷脂酰乙醇胺(罗丹明PE)从Molecular Probes(Eugene(OR)，USA)获得。氯仿购买自VWR International AB(Stockholm，Sweden)。MgSO4和KH2PO4从Merck(Darmstadt，Germany)处获得。使用的磷酸盐缓冲液(PBS)在去离子水中包含5mM TRIZMA碱、30mM K3PO4、30mMKH2PO4、1mM MgSO4和0.5mM EDTA，用KOH调节pH7.8。通过在N2大气下的无水二氯甲烷(Aldrich)中以1∶5的比例搅拌Alexa 633Fluor琥珀酰亚胺酯(succinimidyl ester)(Molecular Probes)与磷脂酰乙醇胺(Sigma)25小时来人工合成发荧光的Alexa 633 Fluor-磷脂酰乙醇胺。按照Karlsson等(Karlsson M.等，Anal.Chem.726：5857-5862(2000))的描述制备脂质。
简而言之，脂质溶液(DOTAP(Sigma)或掺杂1％(w/w)1，2-二油酰-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺-N-(羧基荧光素)的大豆极性提取物(SPE)脂质(两者都来自Avanti Polar Lipids)、1％(w/w)罗丹明磷脂酰乙醇胺、FM 1-43(两者都来自Molecular Probes)、或发荧光的Alexa 633 Fluor-磷脂酰乙醇胺)在降压下干燥至少40min并用PBS缓冲液(5mM TRIZMA碱、30mM K3PO4、0.5mM K2-EDTA(所有都来自Sigma)、30mM KH2PO4、1mM MgSO4(两者都来自Merck)，用KOH(Sigma)调节至pH7.8)再水化大约10min。
巨大多层囊泡的制备
例如从大约1到大约100μm；在大约5和大约75μm之间；在大约25和大约50μm之间或包含在其中的任何子区间或单一值的GMV的形成以两步骤过程进行；脂质分散体的脱水和随后再水化。对于脱水，把小体积(2μl)的脂质悬浮液小心地置于硼硅酸盐盖玻片上并放入真空干燥器中。当样品完全干燥时，终止脱水并使样品达到室温。干燥样品首先用5μl缓冲液再水化。在3-5min之后小心地用缓冲液稀释样品，使样品中的紊流减到最少。在使用以前把所有再水化液体加热到室温。
注射尖端的制备
从包含硼硅酸盐细丝的毛细管(长度：10cm，o.d.：1mm，i.d.：0.78mm；Clark Electromedical Instruments，Reading，UK)制备注射尖端，在后部末端小心地用火焰锻造以使进入毛细管座更容易。在使用前用压缩空气流冲洗毛细管以除去尘粒。在CO2-激光拉制仪(ModelP-2000，Sutter instrument Co.，Novato，CA)上拉出尖端。注射尖端的外径在0.25-2.5μm之间变化。为了避免污染，尖端在紧接着使用前拉出。显微操作和显微注射
在装有Leica PL Fluotar 40×物镜和水压显微操作系统(高等级操纵器：Narishige MWH-3，Tokyo，粗操纵器：Narishige MC-35A，Tokyo)的倒置显微镜(Leica DM IRB，Wetzlar，Germany)上进行所有显微操作和材料注射实验。
成像
用装有Leica TCS SP2共聚焦扫描仪的Leica IRE2共聚焦显微镜进行共聚焦成像实验。用Matlab v7.1(R14)和Leica Confocal Softwarev2.61加工和分析数据。
荧光漂白恢复
在掺杂摩尔分数1％(w/w)的荧光罗丹明磷脂酰乙醇胺的SPE脂质小块上进行荧光漂白恢复(FRAP)。从小块移走脂质源以避免来自多层囊泡的脂质净流。通过5s的强激光辐射漂白一部分脂质小块并记录恢复。然后把恢复拟合到修正的Bessel函数并估算″特征的″扩散时间。用Matlab v7.1(R14)和Leica Confocal Software v2.61加工和分析数据。
脂质铺展应用
悬浮在置于SU-8基底上的缓冲液微滴中的多层脂囊泡在表面上快速铺展为单分子层。如图2C和3Aa所示形成的脂质小块是圆形的。最后多层囊泡耗尽并转化入脂质单分子层。SU-8诱导的张力足以使多层囊泡的结构分裂。因此，SU-8上脂质的表面粘附能，∑，比双分子层膜的裂解张力σL≈2-9mN/m大。吸附的脂质筛选SU-8和水之间的疏水性表面能，并且与脂质吸附相关的表面能的增加，∑，预计大致等于SU-8和水之间的表面张力。SU-8是一种环氧树脂于是因此合理假定表面张力SU-8/水可以高达σ环氧树脂≈47mN/m。定量脂质铺展过程的动力学并且发现在铺展过程开始时浸湿区域A随时间大约是线性的。通过平衡脂质膜Marangoni应力
Figure G2008800175954D00371
与脂质膜和表面之间的滑动摩擦力(每一单位面积)：
Figure G2008800175954D00372
来使铺展动力学模型化。对于在SU-8通道上的脂质膜铺展，铺展速度为v＝√βt，其中β＝S/2ζ为铺展系数而铺展力S是表面上的脂质和储存器中的脂质之间自由能的差异(每一单位面积)。在通道上脂质膜的速度是整个膜均一的，而对于圆形铺展在速度上有梯度。对于圆形铺展的单分子层我们发现铺展膜的半径通过Rlog(R/R0)dR/dt＝2β给出。取R0等于铺展的多层囊泡的平均半径并根据数字解这个方程式，得到与实验数据很好的拟合。估算的铺展系数在β＝1-3μm2/s的范围内。
在铺展边缘的张力和脂质/SU-8粘附能相等σ(R)＝∑。在多层囊泡中预计张力和双层膜的裂解张力相等σ(R0)＝σL，并且铺展力为S＝∑-σL。取∑～σL～6mN/m且β≈3μm2/s，估算单分子层和SU-8之间的滑动摩擦为ζ～109Pas/m数量级，其与脂质双分子层膜中两层之间的滑动摩擦，bm＝0.5·109Pas/m，为同一数量级。这强有力地支持在疏水性SU-8上的脂质单分子层具有与脂质双分子层膜中各层之间的相互作用非常相似的相互作用的观点。
为了证明具有不同组成的脂质膜的混合，我们把大豆极性提取物(SPE)脂质的多层囊泡和DOTAP多层囊泡的混合物施加到SU-8表面。DOTAP是合成的、带正电荷的脂质，而SPE是总体带负电荷的脂质混合物。这两种脂质单分子层混合的图像显示于图3A。SPE脂质用荧光染料FM1-43染色，而DOTAP未染色。随着混合进行，因为DOTAP浓度增加引起染色的位移，染色的SPE脂质小块中的荧光强度减少。如果脂质膜没有混合，在这两种膜之间将获得荧光强度的静止的、分散的边界。
我们接下来为多层囊泡沉积到具有差异疏水性的形成图案的基底上开发了基于微量转移技术的平台。该平台允许形成具有受控组成的脂质膜。我们在Au上产生SU-8图案，与SU-8相反，Au是亲水性的并且不促进脂质铺展。因为SU-8是一种光致抗蚀剂，它提供了在微米尺度上产生结构的可能性，我们把所述结构的形状设计成支持脂质膜形成和受控的化学计量混合。我们产生二重和三重混合器，其分别具有两个和三个用于多层囊泡的注射容器，以及一个位于中心的混合区。图2a是该实验装置的示意图。该装备为我们提供了控制脂质注射到注射容器，监测铺展和混合以及用微量移液管再次移去脂质源的可能性。我们能够通过施加已知量的不同脂质膜到图2a中显示的结构类型上的两个注射容器化学计量地混合脂质。一种脂质级分是发荧光的，而另一种不是。我们监测两种脂质膜在彼此中的稀释度并确定在不同膜混合比例Φ下的荧光强度，显示于图4。可以看见该关系是线性的(R2＝0.944)，其显示该系统可以被校准。
此外，可以遵循脂质单分子层混合动力学。明显地，可以在表面上发现大范围的脂质混合比例。可以看见荧光强度上显著的变化发生，这需要若干分钟。首先，脂质相对低的扩散常数使这类研究方便。其次，有目的地设计的SU-8结构，其是在它们中间具有限制性接头尺寸的菱形，与在末端注射容器之间简单的线相比促进减速的混合。
图3B显示了在其上放置三种差异染色的多层囊泡的三重混合装置。在该结构的中央混合铺展的脂质单分子层。此外我们能够产生更高级的结构以混合四种或更多不同的脂质膜。可以通过施加和除去脂质源的时间安排控制施加的脂质级分的混合比例。我们测定了在通道上的脂质流的铺展系数β是在1-5μm2/s范围之内，独立于通道宽度w。当与通道宽度相比通道是长的时，与在通道上的耗散相比归因于在脂质注射容器上的表面活性剂流的耗散是微不足道的并且v通道＝√β/t，其中t＝0是当脂质从注射容器进入通道时的时间。因此越过通道的脂质总流量与通道宽度w成正比。这意味着，通向混合装置的中央混合区域的两条通道的宽度比例wA/wB与在这些通道上铺展的脂质级分A和B之间的混合比例Φ相等。这显示就原理而论通过结构的地形设计在混合的单分子层中控制脂质混合比例是可能的。
实施例3：寡核苷酸的固定：
实施例3是在如实施例1中描述的装置的疏水性区域上胆固醇-四乙二醇修饰的寡核苷酸(chol-DNA)高产率固定的快速和简单的一步过程，包括在金表面上显微制造SU-8位点(参见图1)。
该过程是直接的，利用基底和DNA之间推测基于装置特性的疏水性以及在寡核苷酸的5′或3′位点的胆固醇-TEG修饰的相互作用。在SU-8上固定的DNA显示稳固和有效的吸附，高的表面覆盖度，并且允许互补链杂交。通过共价吸附固定DNA的表面覆盖度值在1012-1013分子/cm2(20-95pmol/cm2)范围之内。在保持干燥不等持续时间(最高达到数小时)之后固定的chol-DNA仍然是功能性的，由此显示了储藏寿命。通过激光扫描共聚焦显微术(LSCM)的荧光检测进行Chol-DNA(参见表1)固定及杂交监测。
DNA固定
吸取包含chol-DNA的溶液并在装置上孵育(参见图5A)。当施加微滴时，chol-DNA在几秒之内吸附到SU-8表面。在漂洗、干燥、并用缓冲溶液再水化盖玻片芯片之后，记录荧光图像。图5C组(i)和(ii)分别显示在15和25分钟的孵育时间之后固定的DNA1和DNA3。使用无胆固醇的c-DNA3/4进行的对照实验清楚地显示SU-8表面实际上没有DNA(数据未显示)，因为胆固醇在DNA吸附到SU-8表面中扮演了关键的角色。
使用UV-Vis分光光度计确定固定的Chol-TEG-5′-GCGAGTTTCG-3′-Cy5和Chol-TEG-5′-GCGAGTTTCG-3′的表面覆盖度并计算chol-DNA的吸附量。chol-DNA的表面密度在20-95pmol/cm2范围之内，相当于1012-1013分子/cm2，可以与最大的ssDNA单分子层的固定密度，150pmol/cm2相比。因此，被一个ssDNA分子覆盖的面积为
Figure G2008800175954D00391
之间。高表面覆盖度和固定效率的收率与共聚焦显微照片有强的联系，其中可以看见吸附层是紧密的并且没有缺损。为了确认SU-8胆固醇相互作用的稳定性，具有固定的chol-DNA的装置在室温下的环境空气中保持干燥6小时然后用缓冲溶液再水化。根据荧光强度数据计算出在空气中存储之后只有～40％的固定的chol-DNA损失。
互补DNA与结合到SU-8的ssDNA的杂交
吸取包含荧光标记的chol-DNA的溶液并在装置上孵育(图5B，组(i)和(ii))。孵育后，漂洗装置并添加包含荧光标记互补ssDNA的溶液。当施加时互补ssDNA与固定的chol-DNA杂交(图5B，组(iii)和(iv))。当DNA3固定在装置上并保持干燥6小时时，图6，组(i)显示了FAM-标记发射而图6，组(ii)显示了Cy3-标记发射，两者都在FAM-标记激发波长下。然后添加c-DNA3/4并通过荧光共振能量传递(FRET)监测杂交。激发供体，FAM-标记并记录供体和受体的发射，后者显示杂交发生。FAM-标记的荧光信号减少(参见图6，组(iii))而Cy3-标记的显著增加(参见图6，组(iv))。图6，组(v)显示了FAM-标记发射而图6，组(vi)显示了Cy3-标记发射，两者都在FAM-标记激发波长下，显示漂洗并用缓冲溶液再水化装置后在SU-8表面上固定并杂交的DNA仍然存在。荧光信号强度改变表现于图6，组(vii)和(viii)并且显示了固定和杂交步骤，即荧光强度增加和减小。此外，还通过使用DNA2+c-DNA1/2(参见图7，组(i))和DNA4+c-DNA3/4(参见图7，组(ii))对检测来自互补链中Cy3-标记的荧光显示杂交，所述互补链与固定的非荧光ssDNA结合。使用高激光强度漂白感兴趣区域并在Cy3-标记激发波长下监测漂白斑的荧光恢复(参见图7C)。总之，杂交实验结果证明胆固醇修饰的寡核苷酸是能够接近它们的互补链的，甚至在固定的DNA已经保持干燥数小时之后。
化学制品和DNA探针
在磷酸盐缓冲液(用KOH调节pH 7.8)中进行所有实验，其在去离子水中包含5mM TRIZMA碱、30mM K3PO4、30mM KH2PO4、1mMMgSO4和0.5mM EDTA。分别从ATDbio(Southampton，UK)和Medprobe(Lund，Sweden)购买10和20mer寡核苷酸。在实施实验以前，通过使用来自Varian(Victoria，Australia)的CARY 4000UV-可见光分光光度计的吸光度测量计算DNA浓度。
基底制备
把来自Menzel
Figure G2008800175954D00401
(Braunschweig，Germany)的显微镜盖玻片(25mm×50mm)用作基底。在去离子水中通过5min超声处理彻底清洗盖玻片，继之以在Tepla Plasma Batch System 300；AMO GmbH(Aachen，Germany)的一种微波等离子体系统中，在250W使用氧等离子体进行2min的等离子体清洗步骤。在施加SU-8光致抗蚀剂以前，用主室中具有5·10-7mbar底部压力的FHR Anlagenbau GmbH(Ottendorf-Okrilla，Germany)的MS 150喷镀系统沉积Ti/Au膜到清洗的盖玻片上。在5·10-3mbar加工压力下，用DC磁控喷镀分别以
Figure G2008800175954D00411
和
Figure G2008800175954D00412
的沉积速率将钛粘附层(2nm)和金层(8nm)沉积到盖玻片上。在JEOL JBX-9300FS电子束石印系统上制备用于SU-8加工的暗视场光掩模。使用用于μm分辨率的共同过程曝光、显影和蚀刻UV-5/0.6保护层(Shipley Co.，455Forest St.，Marlborough，USA)涂层的Cr/碱石灰掩模坯件(blank)(3″尺寸)。在CADopia Intellicad平台上制备图案文件。在施加保护层之前，用去离子水漂洗金涂层的盖玻片并用氮气吹干。然后，以3000rpm将市场上可买到的来自MicroChem(Newton，USA)的SU-82002旋转涂层到喷镀的Ti/Au膜上。施加光致抗蚀剂后，于65℃和95℃软烤6min，在Karl SüssMJB3-UV 400光刻机中通过掩模以400nm，6mW/cm2UV曝光15s，于65℃和95℃曝光后烘焙1min并在来自Microresist TechnologyGmbH(Berlin，Germany)的SU-8显影剂槽中显影。最后，用去离子水充裕地漂洗盖玻片，用氮气吹干并在来自MMM MedcenterEinrichtungen GmbH(
Figure G2008800175954D00413
Germany)的Venticell烘箱中于200℃硬烤30min。
接触角测量
在Krüss GmbH(Hamburg，Germany)的Drop Shape AnalysingSystem 10Mk2中使用MilliQ水进行SU-8和金表面上的动态接触角测量。
DNA吸光度测量
使用PBS缓冲液制备1、2、3、和4μM的DNA1和DNA2溶液。用UV-Vis分光光度计确定储备溶液的浓度。在那之后，把储备溶液的微滴加到规定区域的SU-8表面。在室温下孵育15分钟后，移去上清液并记录吸光度光谱。储备溶液和上清液之间的浓度差产生SU-8表面上的DNA分子的吸附量，从它计算出固定的DNA密度。
固定和杂交检测
用装有Leica TCS SP2扫描仪(Wetzlar，Germany)的Leica IRE2共聚焦显微镜扫描荧光标记的寡核苷酸。在室温下和开放大气中进行固定和杂交实验。对于固定实验，把SU-8结构化盖玻片置于共聚焦显微镜的台上并手动吸取包含chol-DNA分子的2μM，250μL溶液到盖玻片上。在规定的孵育期后，用MilliQ水漂洗盖玻片并在氮气流下温和干燥，所述孵育期对DNA1和DNA2是15min而对DNA3和DNA4是25min。然后，用缓冲溶液再水化盖玻片并对荧光标记的chol-DNA分子记录荧光显微照片。对于杂交实验也重复相同的过程，只在再水化步骤不同。代替用缓冲溶液再水化，用包含互补DNA的2μM，250μL溶液再水化包含固定的chol-DNA的盖玻片。在规定的孵育期后，用MilliQ水漂洗盖玻片并在氮气流下温和干燥，所述孵育期对c-DNA1/2是15min而对c-DNA3/4是25min。然后用缓冲液再水化盖玻片并记录荧光显微照片。对DNA4+c-DNA3/4和DNA2+c-DNA1/2探针对进行荧光漂白恢复(FRAP)实验。使用高强度激光漂白感兴趣区。然后监测荧光恢复。
芯片制造
对于微芯片制造，首先把Ti/Au层喷镀到显微镜玻璃盖玻片上，继之以SU-8旋转涂层。使用通过掩模的UV曝光使微米尺寸的SU-8结构形成图案。最后于200℃硬烤芯片30分钟。最终显微制造的芯片包含两种具有独特表面性质的层。金表面是亲水的(与水的接触角：77.9°±3.2°)而SU-8结构是疏水的(与水的接触角：91.4°±1.5°)。
SU-8自发荧光和ssDNA的表面覆盖
为了能够从SU-8的自发荧光中鉴别DNA探针荧光，我们在不同的激发波长下扫描了形成图案的SU-8表面。SU-8层厚度减小引起较低的自发荧光(Marie，E.等Biosensors and Bioelectronics 21，1327-1332(2006))。尽管如此，我们的SU-8层大约2μm厚，只有当使用488nm的激发波长时须考虑其自发荧光。使用UV-Vis分光光度计确定固定的Chol-TEG-5′-GCGAGTTTCG-3′-Cy5和Chol-TEG-5′-GCGAGTTTCG-3′的表面覆盖度。记录包含chol-DNA的储备溶液和从施加到芯片的微滴处收集的样品的吸光度测量数据。从浓度差计算chol-DNA的吸附量。chol-DNA的表面密度在20-95pmol/cm2范围之内，相当于1012-1013分子/cm2。该结果可以与ssDNA单分子层(其中该分子被认为是具有
Figure G2008800175954D00431
直径的圆柱并定向垂直于表面的平面)的最大固定密度150pmol/cm2相比。因此，在我们的实验中被一个ssDNA分子覆盖的面积为
Figure G2008800175954D00432
之间。作为比较，在ssDNA(没有胆固醇-TEG修饰)紧密堆积的完整单分子层中一个ssDNA分子的理论面积覆盖为
Figure G2008800175954D00434
固定检测和ssDNA-芯片稳定性
通过激光扫描共聚焦显微术(LSCM)的荧光检测进行Chol-DNA(参见表1)固定及杂交监测。吸取包含chol-DNA的溶液并在芯片上孵育(参见图5A)。当施加微滴时，chol-DNA在几秒之内吸附到SU-8表面。在漂洗、干燥、并用缓冲溶液再水化芯片之后，记录荧光图像。图5C组(i)和(ii)分别显示在15和25分钟的孵育时间之后固定的DNA1和DNA3。使用无胆固醇的c-DNA3/4进行的对照实验清楚地显示SU-8表面实际上没有DNA(数据未显示)。这些结果强有力地暗示胆固醇在DNA吸附到SU-8表面中扮演了关键的角色。对于10-和20-mers的DNA两者增加孵育时间和浓度不显著改变荧光强度(数据未显示)。这暗示SU-8表面容易用chol-DNA饱和。为了研究SU-8胆固醇相互作用的稳定性，具有固定的chol-DNA的芯片在支架上保持干燥6小时然后用缓冲溶液再水化。从图6组i和iii中的荧光强度数据计算出在空气中存储后只有～40％固定的chol-DNA丢失。
互补DNA与结合到SU-8的ssDNA杂交
我们使用两种不同的技术来验证杂交。第一次杂交通过在荧光标记的DNA3及其互补的c-DNA3/4之间的荧光共振能量传递(FRET)成像(参见图6)显示。在图6中，右边的组显示受体的发射而左边的组显示供体的发射，两者都是在供体激发波长下激发。在添加互补c-DNA3/4之前，荧光显微照片显示在芯片保持干燥6小时后的SU-8上固定的DNA3(图6i)。通过比较图6ii和6iv，添加c-DNA3/4显著地增加了Cy3-标记的荧光信号而减少了FAM-标记的(比较图6i和6iii)。这证明在标记的对之间的FRET，以及由此DNA杂交。在芯片漂洗、干燥和用缓冲溶液再水化之后，固定和杂交的DNA3+cDNA3/4对仍然存在于SU-8表面上(参见图6v和6vi)。也通过与未标记的固定chol-DNA结合的荧光标记的互补DNA链的检测验证杂交(参见图7)。如上所述，缺乏胆固醇部分的寡核苷酸不吸附在SU-8表面上。我们使用DNA4+c-DNA3/4以及DNA2+c-DNA1/2对并且监测荧光漂白恢复(FRAP)。固定的DNA(DNA4和DNA2)不是标记的而杂交的证据来自互补链(c-DNA3/4和c-DNA1/2)中Cy3的荧光检测。使用高激光强度，漂白规定的感兴趣区并监测漂白斑的荧光恢复。从溶液到基底漂白的和未漂白的双链寡核苷酸(dsDNA)的交换动力学还有待于确定，但是因为dsDNA-芯片系统平衡，与较长的寡核苷酸相比，较短的寡核苷酸显示出更快的脱附/吸附行为。尽管如此，在实验期限之内漂白斑未曾完全恢复。总之，杂交实验结果证明胆固醇-TEG修饰的寡核苷酸是能够接近它们的互补链的，甚至在固定的DNA已经保持干燥数小时之后。
本文描述了用于在硬烤的SU-8表面上固定胆固醇修饰的寡核苷酸的直接的一步方法。基底和DNA之间的连接推测基于SU-8的疏水性以及在寡核苷酸的5′或3′位点的胆固醇-TEG修饰。在SU-8上固定的DNA显示稳固和有效的吸附，高的表面覆盖度，并且允许互补链杂交。以前的通过共价连接的DNA固定的表面覆盖度值在1011-1012分子/cm2范围之内。这里我们在简单的一步固定流程中获得了十倍高的表面覆盖度。此外，在保持干燥数小时后固定的chol-DNA仍然是功能性的。

Claims (76)

1.一种包括基底的装置，所述基底包括疏水性表面，其中该疏水性表面适宜具有至少一个疏水性部分的分子的定向缔合或附着和/或定向铺展。
2.权利要求1的装置，其中该疏水性表面包括或形成室、柱、二维表面、石英晶体微量天平(QCM)晶体、表面等离子体共振(SPR)、芯片、显微镜盖玻片、微流体芯片、夹层室、或槽的全部或部分。
3.权利要求1的装置，其中该疏水性表面包括SU-8、硬烤的SU-8、疏水聚合物、玻璃、陶瓷、金属、或液晶中的一种或更多种。
4.权利要求1的装置，其中该疏水性表面包括亚结构图案。
5.权利要求4的装置，其中该亚结构包括层中的穿孔、层中的孔、层上的柱或其它材料、小块，或固定的颗粒、膜、化学制品或分子中的一种或更多种。
6.权利要求5的装置，其中所述层中的穿孔、层中的孔、层上的柱或其它材料、小块、或固定的颗粒、膜、化学制品、或分子包括对存在于薄膜、周围溶液和/或周围空气、气体或真空中的材料或化合物的催化、结合、化学吸附、物理吸附、或调节作用。
7.权利要求4的装置，其中该亚结构以一种或更多种有序的(例如阵列的)或无序的方式排列，并且适合于被完全或部分覆盖，或者被具有至少一个疏水性部分的分子的铺展膜围绕。
8.权利要求4的装置，其中该疏水性表面适宜的过程包括化学反应、表面辅助的合成过程、催化过程、超分子自组装、或基于亲合性的分离。
9.权利要求1的装置，其中该具有至少一个疏水性部分的分子包括磷脂、两亲性分子、表面活性剂、蛋白质、肽、核酸、寡核苷酸、用疏水性部分修饰的分子中的一种或更多种。
10.权利要求1的装置，其中该具有至少一个疏水性部分的分子包括膜。
11.权利要求10的装置，其中该膜包括液体、固体、液晶、或凝胶中的一种或更多种。
12.权利要求1的装置，进一步包括温度控制器。
13.权利要求12的装置，其中温度控制器允许控制分子或分子聚集物的相变和铺展行为，例如具有至少一个疏水性部分的薄膜是可控的。
14.权利要求1的装置，其中该疏水性表面包括一种或更多种凸起的或压印的几何图案。
15.一种包括基底的装置，所述基底包括疏水性表面、较小疏水性的表面、和具有至少一个疏水性部分的分子的膜，所述膜至少部分覆盖和限于该疏水性表面。
16.一种包括基底的装置，所述基底包括疏水性表面，所述疏水性表面具有在与之相关的极性环境中形成的薄膜单分子层表面，其中该薄膜单分子层表面通过将磷脂脂质体置于疏水性表面上形成，其中该磷脂脂质体在置于疏水性表面上时铺展形成薄膜单分子层表面。
17.权利要求16的装置，其中该薄膜单分子层进一步包括一种或更多种另外的组分。
18.权利要求17的装置，其中所述另外的组分包括其它脂质、膜蛋白、适于分配进膜的分子或颗粒、或者与适于分配进膜的另一种分子缀合的分子和颗粒中的一种或更多种。
19.权利要求17的装置，其中所述一种或更多种另外的组分包括与疏水性部分缀合的寡核苷酸。
20.一种包括基底的装置，所述基底包括混合器，所述混合器包括与混合区联系的第一和第二注射容器，其中该注射容器、第一和第二联系区以及混合区包括疏水性表面，所述疏水性表面适宜具有至少一个疏水性部分的分子的定向缔合或附着和/或定向铺展。
21.权利要求20的装置，其中该基底进一步包括与混合区联系的一种或更多种另外的注射容器。
22.权利要求20的装置，其中该基底进一步包括围绕该疏水性表面的较小疏水性的表面。
23.权利要求22的装置，其中该基底包括具有形成图案的SU-8和Ti/Au表面的金涂层的玻璃。
24.权利要求20的装置，进一步包括一种或更多种另外的混合器。
25.权利要求20的装置，进一步包括与混合区联系的输入和废料槽以及到反应器的槽。
26.权利要求20的装置，其中该注射口是圆形、正方形、五边形、六边形、三角形、矩形或任何其它几何形状。
27.权利要求20的装置，其中该混合区是长斜方形、三角形、矩形、六边形、五边形、圆形、或任何其它几何形状。
28.权利要求1、15、或16的装置，其中该装置用于药物筛选、传感器应用、QCM应用、SPR应用、渐消波荧光应用、催化作用、分子组装、或形成由具有至少一个疏水性部分的分子构成的分子薄层或膜。
29.权利要求1、15、或16的装置，其中该装置进一步包括试样注射口。
30.权利要求29的装置，其中该装置进一步包括检测器。
31.权利要求30的装置，其中该检测器包括质谱、表面等离子体共振(SPR)、石英晶体微量天平(QCM)；荧光检测器、荧光相关检测器、化学发光检测器或电化学检测器中的一种或更多种。
32.权利要求31的装置，其中使用的质谱选自MALDI MS(MALDI-TOF和MALDI-TOF-TOF)或电喷射离子化(ESI MS-MS)中的一种或更多种。
33.权利要求1、15、或16的装置，进一步包括试样分离器、分馏器、或操纵器中的一种或更多种。
34.权利要求1、15、或16的装置，其中该分离器选自毛细管电泳(CE)、液相色谱(LC)、凝胶层析和凝胶电泳分离器中的一种或更多种。
35.一种在表面上混合脂质体的方法，包括：
把第一脂质体置于疏水性表面上，以及
把不同组成的第二脂质体置于该疏水性表面上，其中在该疏水性表面上第一和第二脂质体铺展并且产生的脂质膜混合。
36.35的方法，其中通过一种或更多种尺寸的第一和第二脂质体或通过时间安排控制从第一和第二脂质体贡献出的材料的量。
37.权利要求36的方法，其中该方法进一步包括撤走第一和第二脂质体中的一种或者全部两种的至少部分。
38.权利要求35的方法，其中该脂质体利用微量移液管、光镊、或微流体装置中的一种或更多种置于疏水性表面上。
39.权利要求35的方法，其中获得了由第一和第二脂质体形成的膜的化学计量控制。
40.权利要求35的方法，其中通过第一和第二脂质体的混合产生功能性表面。
41.权利要求40的方法，其中该功能性表面包括一种或更多种二或三维装置。
42.权利要求41的方法，其中该二或三维装置包括室、毛细管、柱或者肉眼可见的或显微尺寸的任何其它装置。
43.权利要求40的方法，其中该功能性表面包括催化表面、结合表面、或支持物理或化学操作的表面中的一种或更多种。
44.权利要求35的方法，其中该疏水性表面包括疏水性表面和较小疏水性的表面的阵列。
45.权利要求44的方法，其中该方法产生肉眼可见的或显微尺寸的表面的阵列。
46.权利要求35的方法，其中第一脂质体铺展形成第一膜并且通过添加与膜结合或反应的其它分子使第一膜功能化。
47.权利要求35的方法，其中该脂质体形成超分子结构、纳米结构、核酸阵列、蛋白质阵列、其它分子实体的阵列、颗粒阵列。
48.权利要求35的方法，其中一种或更多种第一或第二脂质体包括寡核苷酸、与疏水性部分缀合的寡核苷酸、膜蛋白、适于分配进膜的分子或颗粒、或者与适于分配进膜的另一种分子缀合的分子和颗粒。
49.权利要求35的方法，进一步包括使基底与要检测的试样接触。
50.权利要求49的方法，其中该试样包括核酸或其它定点分子识别分子、酶、抑制剂、结合伴侣、或底物。
51.权利要求35或48的方法，进一步包括一种或更多种化学或物理修饰该膜。
52.权利要求51的方法，其中在相同的试样上平行进行不同步骤的化学或物理调节或操作或者不同步骤的检测。
53.根据权利要求51的方法，其中在不同的试样上平行进行不同步骤的化学或物理调节或操作或者不同步骤的检测。
54.权利要求35的方法，进一步包括干燥由第一和第二脂质体形成的膜。
55.权利要求54的方法，其中该膜包括一种或更多种核酸膜或蛋白质膜。
56.权利要求55的方法，进一步包括在基底表面上干燥该核酸膜。
57.权利要求55的方法，进一步包括干燥存储核酸膜。
58.权利要求54的方法，进一步包括再水化该膜。
59.权利要求50的方法，进一步包括检测膜和试样之间的相互作用。
60.一种动态液膜形成的方法，包括：
在缓冲液中悬浮多层囊泡，并且
把该囊泡置于包括疏水性表面的基底上，借此该囊泡在表面上铺展为单分子层。
61.权利要求60的方法，进一步包括将第二多层囊泡置于该基底上，借此该囊泡和该第二囊泡铺展并混合。
62.权利要求61的方法，进一步包括将第三多层囊泡置于该基底上，借此该囊泡、该第二囊泡、和该第三囊泡铺展并混合。
63.权利要求61的方法，其中该基底包括权利要求20的装置。
64.权利要求60的方法，其中铺展系数包括在大约0.01到大约500μm2/s之间。
65.一种形成核酸膜的方法，包括：
将修饰的核酸分子置于基底的疏水性表面上，其中该修饰的核酸分子与表面缔合从而形成核酸膜。
66.权利要求65的方法，其中该修饰的核酸分子包括胆固醇-四乙二醇修饰的寡核苷酸。
67.权利要求65的方法，进一步包括将第二修饰的核酸分子置于该基底的疏水表面上。
68.权利要求65或67的方法，其中该修饰的核酸分子包括相同或不同序列的核酸。
69.权利要求67的方法，其中第二修饰的核酸分子位于该基底上的第二疏水性表面。
70.权利要求67的方法，进一步包括将三种或更多修饰的核酸分子试样置于该基底上。
71.权利要求70的方法，其中该试样位于连续的疏水表面或各自由较小疏水性的表面围绕的各个疏水表面上。
72.权利要求71的方法，其中该各个疏水表面包括大约1nm到大约5cm之间尺寸的特性。
73.权利要求65的方法，其中该修饰的核酸分子包括大约10到大约200pmol/cm2之间的表面覆盖度。
74.权利要求65的方法，其中该修饰的核酸分子包括大约20到大约95pmol/cm2之间的表面覆盖度。
75.权利要求65的方法，其中该修饰的核酸分子包括大约1012到大约1013分子/cm2之间的膜密度。
76.权利要求65的方法，进一步包括使互补核酸与该核酸膜杂交。
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C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20131211