CN1261745C - 纳米级分子阵列排布机 - Google Patents

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Abstract

本发明是形成阵列的专用设备，形成的阵列包括由一种或多种材料组成的一个或多个点状区域。本发明可能包括一个X，Y控制器，一个X，Y平移台，一个载样基片，一个沉积基片，一个点样探针。计算机控制所有组件的相对位置。近一步，本发明使用湿度控制系统在探针和基片之间产生毛细桥，用于在载样基片、点样探针和沉积基片间传输沉积物。

Description

纳米级分子阵列排布机
优先权
本申请要求2000年8月15日提交的第60/225,434号临时申请的权益。
技术领域
本发明涉及固态分子阵列的产生。从更专业化的角度来讲，此项发明涉及一种专门用于制作分子阵列的装置。这种专用装置以大批量输出的形式制作尺寸小于或等于1微米的分子点域。
背景技术
材料，分子和细胞之间结合时亲和程度的测定对众多产业是非常重要的，这些产业包括材料研究，半导体生产，生物分析测定，生物医学诊断和药物开发。随着以固态阵列为基础的生物分析和基因诊断仪器及其相关设备的出现，一些新方法变得日益可行。这些新方法体现在对大量的微小固态形式的反应进行经济有效的扫描。目前常用的方式是监测光学特性的变化，通常使用的是荧光。其作法是用一种已知的带有荧光标记的分子同另一种已知的位于分子阵列中特定位置的分子发生反应。然而，由于分子带有的指示报告系统经常会导致这些仪器和方法在使用时产生立体化学上的局限性，所以无需使用分子标识物，直接检测分子结合事件的微机械指示报告系统便显得非常有用。然而，这需要更加高级耐用的仪器来产生这类分子阵列。
直接检测分子互相反应事件的方法之一是扫描探针显微镜。原子力显微镜(AFM)就是其中的一种。它的特点是用位于柔性悬臂梁末端的锐利针尖对样品表面进行扫描。在扫描过程中，由针尖与样品之间产生的引力与斥力总和导致的净力输出使悬梁臂偏转弯曲，在已知悬梁臂弹性常数的条件下，可以精确地计算由悬梁臂偏转弯曲产生的净作用力。悬梁臂的弯曲偏转程度通常可以根据聚集激光束在剖分式光电二极管上的反射程度来测定。这一聚集激光束自悬梁臂的背面发射出来，形成一种“光学杠杆”或“光束偏转”机构。此外，还有另外一些用于检测悬梁臂偏转弯曲机制的方法，其中包括干涉仪和压电应变计。
早期的原子力显微镜只能记录悬梁臂的垂直位移，最近的方法则涉及到使针尖共振，针尖瞬间接触或根本不触及样品。当针尖在样品表面上移动时，针尖位移或是共振会随之变化，这种变化可用来形成表面形貌的图像。这种图像反映出各类样品的三维结构，而这类样品包括材料样品，化学样品和生物样品，生物样品中包括DNA，蛋白质，染色质，离子通道，甚至是活细胞。
除了图像生成能力以外，原子力显微镜还可以测量微力变化，直接感受在微牛顿(10-6)和皮牛顿(10-12)范围内的微力。所以原子力显微镜可以测量分子间力，甚至是单一分子内部的作用力。此外，原子力显微镜还能测量不同类型的作用力及现象，比如磁场力，热梯度和粘弹性。因此可以利用原子力显微镜的这种能力来详细绘制样品表面力场分布图形，利用其高分辩力来反映这类力场的位置和数量，其作法类似于确定某些特定复合物在指定表面上的位置。在测量分子力时，原子力显微镜的探针是可以针对一个靶分子的。
原子力显微镜使用的分子阵列是在固态支持物上排列的。其典型的制作过程分为原位加工和离位加工两种，离位加工包括机械点样，也就是把样品点状沉积在表面上。原位加工的合成方法和仪器涉及用核酸或短月太的光化学合成来确定其在硅表面或玻璃表面上的空间位置。但是，在掩模和合成过程中使用的光波长会对原位加工产生限制作用，进一步说，这一过程可能会受到成本的限制。所以需要一种省时高效的专用装置来制作分子的阵列排布。
一种利用表面机械点样的离位加工方法的例子被形像地描绘成“蘸水笔”方法，把事先准备好的样品由蘸水笔写到沉积表面。研究结果显示，用标准的原子力显微镜操纵蘸水笔时，这种蘸水笔法可以使用一种烷硫基盐单分子层来绘制亚微米级的分子线或分子点。另一种惯用的工艺仪器是针状装置，这种针状装置在浸蘸含有样品物质的溶液后，把样品液滴点状分布在沉积表面。可是这种方法并不能形成极小的点域。虽然目前原子力显微镜已被用于亚微米分子线的绘制或是用于分子点的制作，但是原子力显微镜并不是最佳的用于产生点阵的工具，因为它缺少由计算机控制的具亚微米级精确度的样品台，缺少用于样品定位的精密光路，缺少能控制针尖移动的易操作软件。更进一步地讲，商用原子力显微镜的结构不能胜任大批量不同分子的快速点状沉积。最后，原子力显微镜是被设计成具备多种功能的仪器，而不是专门的样品点状阵列沉积仪器，因此成本高于专用阵列排布机。而这种多功能的原子力显微镜又不能具备专用样品点状阵列沉积仪器应有的其它特征，所以需要一种能专门制作点状阵列排布的仪器。
目前需要一种商业化实用性的样品点状阵列排布仪器来制作亚微米级点状分子阵列，这种仪器具备精密的光学特性以便用于样品定位，使用者可以通过计算机控制来确定点阵的排列方式和大小。如以自动控制的大批量输出方式工作，这种仪器便显示出其独到的优点。
发明内容
制作点状分子阵列的装置由以下部分构成：(1)基座；(2)Z控制器，连接在基座上，并可沿Z轴相对于所述基座定位在选定的位置；(3)点样探针，可拆卸地连接在Z控制器上，能随Z控制器在Z轴上相对于所述基座定位在选定的位置；(4)X，Y控制器，连接在所述基座上，并能在X-Y平面内移动至选定的位置，并独立于所述Z控制器的运动，所述X，Y控制器进一步包含连接在其上的沉积基片，X，Y控制器的移动将造成沉积基片在未置于所述点样探针下方的第一位置和位于点样探针的下方的第二位置之间移动；(5)X，Y平移台，连接在所述基座上，并能在X-Y平面内移动至选定的位置，并独立于所述X，Y控制器的运动，所述X，Y平移台进一步包含连接在其上的载样基片，X，Y平移台的移动将造成载样基片在未置于所述点样探针下方的第一位置和位于点样探针的下方的第二位置之间移动。
制作点域的方法由以下步骤组成，(a)提供载样基片，所述载样基片进一步包含沉积物；(b)在X-Y平面内的X，Y方向上将所述载样基片由未置于所述点样探针下方的第一位置移动到设置于点样探针下方的第二位置；(c)通过改变所述载样基片周围的湿度水平将沉积物加载到点样探针上，点样探针产生毛细桥；(d)在X-Y平面内将所述载样基片由所述第二位置移动到所述第一位置；(e)在独立于所述载样基片的运动的情况下，在X-Y平面内的X，Y方向上将沉积基片由第一位置移动到设置于所述点样探针下方的第二位置；(f)通过把点样探针上的沉积物按所需量转移到沉积基片上来产生点状沉积区域。
根据本发明的用于在沉积基片上产生分子阵列的仪器包括：(1)基座；(2)点样探针，其可拆卸地与所述基座连接；(3)X，Y平移台，其与所述基座连接，并能沿X轴、Y轴移动至选定的位置，所述X，Y平移台进一步包含与其连接的载样基片，所述X，Y平移台的移动将造成所述载样基片在第一位置和第二位置之间移动，其中所述第二位置设置于所述点样探针下方；(4)X，Y控制器，其与所述基座连接，能够沿X轴、Y轴移动至选定的位置，并独立于所述X，Y平移台，X，Y控制器进一步包含与其连接的沉积基片，所述X，Y控制器的移动将造成所述沉积基片在未置于所述点样探针下方的第一位置和置于所述点样探针下方的第二位置之间移动。
根据本发明的用于在基片上产生阵列的仪器包括：(1)基座；(2)点样探针，其与所述基座连接，并进一步包含针尖；(3)X，Y平移台，其与所述基座连接并且可在X和Y方向运动；(4)载样基片，其与所述X，Y平移台连接，所述载样基片可在X和Y方向移动至选定的位置，并可移动至位于所述点样探针下方的位置；(5)X，Y控制器，其与所述基座连接，并可在X和Y方向上独立于所述X，Y平移台而运动；(6)沉积基片，其与所述X，Y控制器连接，所述沉积基片可通过所述X，Y控制器移动至位于所述点样探针下方的位置；(7)湿度控制器，其能够调节所述点样探针、所述X，Y平移台和所述X，Y控制器周围的湿度。
根据本发明的用于在基片上产生阵列的仪器包括：(1)基座；(2)Z控制器，其与所述基座连接，并能在Z轴上相对于所述基座移动；(3)点样探针，其可拆卸地连接至所述Z控制器，能在Z轴上相对于所述基座移动；(4)载样基片，其与所述基座连接，并可在X-Y平面内相对于所述点样探针移动，所述载样基片可在X-Y平面内的该载样基片未置于所述点样探针下方的第一位置和该载样基片置于所述点样探针下方的第二位置之间移动，以允许所述点样探针从所述载样基片上获取材料；(5)沉积基片，其与所述基座连接，并可在X-Y平面内相对于所述点样探针移动，所述沉积基片可在X-Y平面内移动，并独立于所述载样基片的运动，其可以在所述载样基片未置于所述点样探针下方的第一位置和所述载样基片置于所述点样探针下方的第二位置之间移动，以允许所述点样探针将材料沉积在所述沉积基片上。
本项发明涉及一种用于制作分子阵列的专用仪器，这种分子阵列由小于或等于一微米的点状区域组成。使用本项发明中的阵列排布机可以节省昂贵的试剂和试验材料，有助于节省大型综合性化学实验室的空间。最后，此项发明可实现以大批量输出的形式来检测大量的样品，因为它能容易地产生客户自己设计的由不同种沉积物组成的阵列。
本项发明使用的点状沉积技术是使样品瞬间水合以形成一种毛细桥。毛细桥可以把被沉积物从载样基板上传输到点样探针上，点样探针再把被沉积物传输到沉积基片上以产生点状沉积区域。阵列就是由一个或多个这样的点状区域组成。本项发明装置所使用的毛细桥沉积技术将在下面作进一步描述。正在申请的编号为U.S.申请书09/574,519专利中也对此作了详细的描述。本文引用该申请书的全部内容。
附图的简要说明
图1是本发明的一个实例中部件的方框图。
图2是本发明的一个实例中仪器的正视图。
图3a是本项发明的一个实例中X，Y控制器的透视图。
图3b是本项发明的一个实例中X，Y平移台的透视图。
图4是本项发明的一个实例中点样探针的透视图。
图5是本项发明中湿度控制器组件的方框图。
详细描述
本专利申请说明书描述一种阵列排布机10，这一阵列排布机10以大批量输出的方式产生由点状区域组成的阵列。在一实例中，阵列排布机是自动控制的，使用者不必经常不断地监视阵列的形成。在对阵列排布机10的组成部分作综合性描述后，将对每一个部分作更为特定的描述。
如图1和图2所示，本发明阵列排布机10的一个实例包括一个点样探针12，一个X，Y控制器14，一个Z控制器16，一个X，Y平移台18，一个湿度控制器20，一个控制计算机22，和一个基座24。点样探针12可操作地连接在Z控制器16上，Z控制器又与基座24相连。X，Y控制器14可固定在基座24上Z控制器16的左边。X，Y平移台18可固定在基座24上Z控制器16的右边。湿度控制器20和控制计算机22可以相对点样探针12，X，Y控制器14和X，Y平移台18的位置来定位，从而使湿度控制器20能恰当地发挥各个功能，例如控制湿度。计算机22控制着本项发明阵列排布机10中的各个部分的功能。值得首肯的是，由专业人士构思出来的大量结构与设计可用于将X，Y控制器14，Z控制器16，X，Y平移台18等等连接到基座24上。这些组件的不同定位不会改变本项发明的功能范围。也就是说，这些组件可以用大量不同的方式相连接，其中包括螺栓连接，电焊连接，和搭扣连接等等。
如图3a所示，X，Y控制器14又包括一个附在其上可以移动和拆卸的沉积基片25，这个基片用作本发明沉积材料的一种表面。该基片由X，Y控制器移动到Z控制器16下的位置，这样点样探针能降低位置将沉积材料沉积到基片上。基片与X，Y控制器的连接可以采取搭接，嵌接，凸接，或是其它工艺形式。解释完本实例中的每一个组件，有关阵列排布机10是如何沉积样品的细节就能被更好地理解。在又一实例中，一个控制器就可以操纵点样探针12在X，Y和Z轴方向上移动。
根据所沉积材料的性质，本项发明装置中使用的沉积基片25可以由多种材料制成。对这种沉积基25的进一步描述可在编号为U.S.申请书09/574,519的专利中找到，但也可在不改变本发明阵列排布装置特性或功能范围的前提下加以改动。
如图3b所示，X，Y平移台18还可以进一步包括一个载样基片27。沉积材料在加载到点样探针前被放在载样基片27表面，接着被沉积到阵列排布机10的沉积基片25上。在不改变本发明的特性和功能范围的条件下，沉积材料可采用已知的合理的方法加载到载样基片，比如机械沉积，原位光化学合成，“喷墨”打印和电子驱动沉积。
在一实例中，如图2所示，阵列排布机10可以进一步包括一个力反馈监控器50和一个光学显微镜52。力反馈监控器50可操纵性地与点样探针12，Z控制器16和控制计算机22相连。力反馈监控器50可以帮助控制本项发明中的点样探针12相对于沉积基片25和载样基片27的高度。光学显微镜52可操作性地连在基座24的下面，便于使用者观察阵列排布机10的工作。
本发明设备中的每个分立组件进一步描述如下。
基座24
参照图二，本发明中的基座24描述如下。本发明实例中的基座24在物理上稳定并提供多个位置以供安装本发明中其他分立部件。本发明实例中的基座24可运用12×24英寸由钢柱26支撑的光学平台。光学平台是用于建造不同种类仪器的标准平台。
其中一种商用光学平台24可以很好的用于本发明的阵列排布机，它可以从NewportCorp.公司(P.O.Box19607，IrvineCA92623-9067)购买，产品号SA12。该光学平台可在每隔一英寸的中心钻有1/4英寸的孔。适用于本发明的钢柱26也可从同一制造商处购得，产品号SP12。
在另一种发明实例中，光学平台可以放在光学桌的上面。光学桌能够浮在氮气活塞上以尽可能的减小振动，尽管在本实例中，制作本发明的阵列并不需要如此严格。
控制器14
参照图2和3a，本发明中的X，Y控制器14描述如下。如图2和3a所示，X，Y控制器可操作地连在基座24上。X，Y控制器14应当能达到微米精度，并能来回移动使附于其上的沉积基片25能在点样探针下面以重复的方式精确地定位。X，Y控制器14的操作末端，如图2所示，可以以下方式定位，控制器在点样探针12下能以微米精度移动沉积基片25，也能将基片25移走，以使X，Y平移台18在探针12下移动载样基片27。
一种X，Y控制器14可以是压电驱动尺蠖型精密机械台。尺蠖型机构具有本发明所需的很大的移动范围，同时能保持微米精度。这样的平移台在X，Y平面有大约20纳米的空间精度，并能进一步地应用编码器来保证可重复性。该移动台可放置由有丰富经验的人设计的平台，用以放置样品沉积基片25。一种尺蠖型平移台可以从BurleighInstruments公司(BurleighPark，P.O.BoxE，Fishers，N.Y.14453-0755)购买。
在另一种实例中，压电驱动挠性台可以用作X，Y控制器14。压电驱动挠性台与尺蠖型台有相同的精度。在又一种实例中，线性压电棘轮机构，例如可从以色列NanoMotion公司购买，也可以被应用。图2示明X，Y控制器有独立的X，Y方向控制马达，但不同的设计也可以应用。
X，Y平移台18
参照图2和3b，平移台18进一步描述如下。X，Y平移台可操作性地连接到基座24上与Z控制器16和点样探针12的相对应位置，以使它们能相互作用。在本实例中，X，Y平移台18的操作末端与预先做好的放有一种或多种沉积物的载样基片27相匹配。载样基片27以与沉积基片25和X，Y控制器14相连的同样方式连接。如图2和3b所示，X，Y平移台可被定位以使载样基片27能移动到点样探针12下可操作的位置。
在一种实例中，X，Y平移台18可用如X，Y控制器14同样类型的可移动尺蠖或压电设备。在另一种实例中，X，Y平移台18可不需要微米精度控制，因为被沉积物可以放在载样基片27上一个更大的，因而容易达到的区域，该区域由载样基片27的区域与沉积基片25上所产生的区域复合而成的。如图2所示，本实例中的X，Y平移台18与X，Y控制器14有着相同的设计。
在又一种实例中，X，Y平移台18有着如下移动范围，载样基片27能在第一位置被装载，接着转移到位于点样探针12下的第二位置。以此方式，载样基片27在完成将第一种沉积物装载到探针的任务后，可以被清洗，并重新装载第二种沉积物，所有这些都自动完成。
Z控制器16
参照图2，本发明中的Z控制器进一步描述如下。Z控制器16可操作性地连接到基座24上，并能与X，Y控制器14和X，Y平移台18相互作用。Z控制器16可以在垂直方向(Z)上自由移动。本发明中的Z控制器16倾向于在Z方向有200纳米或更小的移动精度，这样阵列排布机10能以高量输出形式实现重复一致的沉积区域。最好Z控制器16有一微米或更小的横向可重复性，这样本发明就能产生阵列点间距小到一至二微米或更小的高密度阵列。
在一实例中，Z控制器16可从NewportCorporation公司(P.O.Box19607，Irvine，CA929623-9607)购买，产品号TSV150。在本实例中，Z控制器16在X，Y方向相对静止，容许X，Y控制器14和X，Y平移台18移动基片25，27到位。在另一实例中，Z控制器16有X，Y方向移动性，但不改变本发明特性和范围。
点样探针12
参照图2(探针固定在Z控制器16的末端，未显示在图2中)和图4，本发明中的点样探针12进一步描述如下。点样探针12最好有一百到两百微米长，有约一到廿微米高的针尖13。针尖13的曲率半径大约十到五十纳米。在一实例中，探针被修改为在悬臂梁末端安装直径五到十微米的球状物。采用此方式，球状物能使探针12的载样更容易，沉积物的沉积会进一步描述在以上所指专利的应用中。更进一步，如何将探针12与Z控制器16相连的操作技巧已是为大家所共知的，不用在此赘述。
商用探针可用于本发明中的点样探针12。这样的探针可以是标准的氮化硅原子力显微镜(AFM)探针，可从DigitalInstruments/Veeco公司(112RobinHillRoad，SantaBarbara，CA)购买。
湿度控制器20
参照图2和图5，本发明中的湿度控制器20描述如下。如图2所示，控制器20可操作性地连接到基座24上。如图5所示，湿度控制器20可进一步包括湿源30，气流监视和控制设备32(未显示)，气源38，第一筒形阀40，第二筒形阀42，和连接导管44。湿源30可放于在加载和沉积被沉积物过程中能有效和精确控制点样探针12周围湿度的位置。监控系统32可放在湿源30和点样探针12之间，并由计算机来控制。气源38可通过导管44可操作性地连接到第一筒形阀40和湿源30上。气源可进一步地通过导管44连到第二筒形阀42上以形成湿源旁路。更进一步，如图2所示，导管44可将气送到探针12。本发明中的湿度控制器20可容许重复沉积样品到亚微米和纳米尺寸的区域。
本发明实例中的湿源30使用浸润的过滤纸或装在塑料盒中的海绵。干的惰性气体，如氩气，从气源38通到盒内并通过由控制系统控制的筒形阀40来保持正压力。如图5所示，气体被湿度控制器20所释放，通过筒形阀40，湿度源30和监控设备32流到点样探针12，以提高探针12周围的相对湿度，这样使得沉积物的加载或沉积更有效。
如图5所示，第二筒形阀42也可从气源38抽取气体，通过导管44把气体送到塑料盒36及监控设备32。通过此种方式，干燥气体也可送到点样探针12。筒形阀42由计算机22控制，监控设备32使得干燥气体与潮湿气体在达到探针12之前混合起来以实现所要的湿度水平。更进一步，当沉积物加载到点样探针12或沉积基片25上后，筒形阀42被用来将干燥气体吹到点样探针以弄干探针12或沉积基片25上的沉积物。值得首肯的是，筒形阀40，42的输出气体流经监控系统的监控设备32能改善对不同沉积物的可重复性和最佳沉积条件。每个流通率有给定的数值，监控并改变此数值可助于实现所要的湿度水平。
在另一实例中，采用更先进的湿度发生器能进一步提高本发明中样品周围相对湿度的精度和可重复性。在又一实例中，干燥气体连续吹到探针12，在潮湿气体吹进时作简短停歇，并马上重新打开以减小样品在表面的扩散。
在又一实例中，恒定的湿度环境足以满足样品的加载和沉积。在此实例中，本发明可包括一个包围点样探针12，X，Y控制器14和X，Y平移台18的操作末端，或是整个设备的塑料腔或室。在加载和沉积程序过程中，腔或室可充满所需湿度的气体。
控制计算机22
参照图1和图2，控制计算机22描述如下。控制计算机可以是标准的使用Pentium，Athlon，或其他芯片和标准操作系统，带有监视器，硬盘等设备的计算机。本实例使用的计算机标准数据采集卡可从NationalInstruments公司1(1500MopacExpressway，Austin，TX87593504)购买，产品号PCI6025e。此数据采集卡能编译必要的数据以控制湿度，点样探针12的高度，Z控制器16的相对位置，X，Y控制器14，X，Y平移台18，并能监控沉积物在沉积基片25上的位置。标准或用户定制的软件可装到计算机22上来控制数据采集卡的操作。用户定制的专用软件可从LabView公司获取。
除了计算机控制器22，步进电机控制卡(A-100，Mill-ShafTechnologiesInc.公司)可用于控制X，Y控制器14，Z控制器16和X，Y平移台18的移动。本实例中的步进电机控制卡也可由LabView(NationalInstruments公司)软件或其他由专人编写的软件来控制。
力反馈监控器50
参照图2，力反馈监控器50进一步描述如下。如前面所指，力反馈监控器50可操作性地连在Z控制器16和控制计算机22上。力反馈监控器50能与控制计算机一道精确感知点样探针12与载样基片27，或点样探针12与沉积基片25间的接触。确切知道探针12与基片25，27的接触时刻可以更精确地让沉积物从载样基片27传输到点样探针12和从点样探针12传输到沉积基片25。力反馈监控器50与控制计算机22的匹配已为实现此结果的专业人士熟知。
在另一实例中，力反馈监控器50仅用于确定基片25，27和探针12的初始关系。
本发明阵列排布机10中的探针12可与基片25，27相接触，然后在暴露于潮湿气体前缩回1毫米或更多，这样会形成毛细桥，因而可以加载或沉积沉积物。一旦基片25，27相对探针12的位置被确定，计算机22可简单地把探针提到高于基片25，27的位置为随后的沉积作准备，而不必接触基片25，27的表面。
适用于本发明的不同种类的力反馈监控器50可能为此方面的专门人才所熟知。
一种商用力反馈监控器可以是DigitalInstruments公司所产的Dimension3100系列扫描探显微镜的AFM头。在不更改本发明特性的前提下，其他力反馈监控器也可被专业人士所采用。在本实例中，监控器50的读数可通过标准的读数盒读出并直接反馈到LabView。在操作中，可建立起一个偏转值来作为LabView停止Z控制器14的门槛值。这样，一旦表面找到，本发明的设备会由编好的程序重复地让Z控制器14在同一位置200纳米范围内移动。采用此方式，设备能迅速地接近和从表面缩回，而不必在每一沉积周期减慢和仔细计算达到接触时所需的步数。
光学显微镜52
参照图2，光学显微镜52进一步描述如下。如图2所示，光学显微镜52以反转方式装在光学台之下。光学显微镜52让使用者能从点样探针12下面观察加载和沉积步骤。这样的监控可在标准显微镜远场光学的分辨范围之内，包括10X，20X，和60X放大物镜选择，10X目镜。在其他实例中，显微镜可配上摄像机将图像输出到计算机22，分立的监视器或录像设备。可能为某些专业人士所理解，在不改变本发明排布机10特性的前提下，可以不用显微镜。
虽然沉积区域小于所用光波波长，但它们分开两微米级的距离，这样它们通过其光学特性就能被观察到。这类似于通过从夹杂荧光团或反射光子所收集的光波对亚波长物体，如单DNA分子和纳米级胶态金属，进行远场光学观察。光学监控是一种对本发明沉积操作的初步评估的有用方法。
使用方法
本实例的使用方法描述如下。Z控制器16被用来控制点样探针12与载样基片27间的接触或接近。接触力的大小可以通过力反馈监控器50对悬梁臂弯曲变形信号的监测来调整。一股强大的湿气流被用于在点样探针12和载样基片27之间产生毛细桥。毛细桥把一定量的沉积材料传输给点样探针12。点样探针12然后由Z控制器16提升回缩。X，Y平移台18随后把载样基片27从点样探针12的下面移走。X，Y控制器14然后把沉积基片25移到点样探针12的下面。点样探针12在Z控制器控制下降到一定位置，湿度周期循环，以把沉积材料点状沉积到沉积基片25上。
可以理解的是，点样探针12在明显地耗尽沉积材料之前，可以多次进行以上过程。因此，探针只要载样一次，便能为每个阵列写入一个或多个点状区域。每当要沉积新的沉积材料时，点样探针12便被清洗一次。在一实例中，在加载第二种沉积材料之前，探针12可以用紫外线照射或者臭氧冲击来清洗。
在一实例中，溶于PBS(生理盐水缓冲液)中的浓度大约为0.1毫克/毫升的蛋白质样品以微滴形式滴在干净玻璃表面，晾干后作为沉积材料/载样基片。沉积工具可与晾干的微滴相接触，湿度被调整到能使蛋白质吸附到点样探针的针头13上。这一操作一般能使点样工具加载到足够写10到100次的沉积材料。载有沉积材料的点样探针12再把PBS沉积到新鲜的喷有金或是金/烷硫基盐涂层的表面上。
探针载样及在沉积基片上写一个点状区域的时间还不到一分钟。而且实际的沉积时间相对较短，用单一源材料写入一个和几个点状区域在时间上至多相差几秒钟。因此制作一个或多个由100种不同分子组成的10×10阵列大概需要1小时零40分钟。在另一种实例中，在不改变本项发明性质和范围的条件下，这一制作过程可进一步变成流水线作业和规模化生产，以容许制作更为复杂的阵列(成千上万种分子)以及用相近的时间制作大量的阵列。所有这些步骤可由带有LabView软件的计算机22协调。
在又一实例中，可能会有几个X，Y平移台18把载样基片27移动到点样探针12下面的可操纵位置上。以此方式，(探针)可以获取分布在多个载样基片27上的多种沉积材料来制作更加多样化的阵列。
在另外一种变相实例中，光学显微镜52用来定位对准标记，以使沉积样品能沉积到特定物理位置。
在另一种实例中，探针可以用具有简单供流功能的微加工凹槽来清洗。清洗溶液(比如水)流入凹槽，在表面张力的作用下形成一种凸出的液体泡。沉积工具(探针)在压电驱动的震荡作用下在液体泡中进行清洗。
可为专业人士所理解的是，沉积点的尺寸是点样工具曲率半径，工具与表面的疏水/亲水性，以及沉积时湿度控制的函数。本项发明在仔细监控沉积参数的条件下，能可重复地产生直径在200纳米的沉积点(点样工具的半径一般为40纳米)。值得指出的是制作半径大大小于200纳米的沉积点可能取决于样品材料以及预期使用目的。
这里提供信息和实例的目的是为了作出说明与解释，并不意味着排除本项发明在概念内容范围的任何衍生方法或改进方法。据估计，在不偏离本发明范围的前提下，会有多种衍生方法能实现此实例。所以，本项发明的范围受到附加权利范围的控制而不局限于本文前述描写的实例。

Claims (31)

1.一种产生分子阵列的仪器，包括：
基座；
Z控制器，连接在基座上，并可沿Z轴相对于所述基座定位在选定的位置；
点样探针，可拆卸地连接在Z控制器上，能随Z控制器在Z轴上相对于所述基座定位在选定的位置；
X，Y控制器，连接在所述基座上，并能在X-Y平面内移动至选定的位置，并独立于所述Z控制器的运动，所述X，Y控制器进一步包含连接在其上的沉积基片，X，Y控制器的移动将造成沉积基片在未置于所述点样探针下方的第一位置和位于点样探针的下方的第二位置之间移动；
X，Y平移台，连接在所述基座上，并能在X-Y平面内移动至选定的位置，并独立于所述X，Y控制器的运动，所述X，Y平移台进一步包含连接在其上的载样基片，X，Y平移台的移动将造成载样基片在未置于所述点样探针下方的第一位置和位于点样探针的下方的第二位置之间移动。
2.权利要求1的仪器，进一步包含控制计算机。
3.权利要求2的仪器，进一步包含连接在所述基座上的湿度控制器，湿度控制器控制点样探针周围的湿度。
4.权利要求3的仪器，其中的湿度控制器连接至所述控制计算机。
5.权利要求1的仪器，其中的Z控制器在Z轴上能够有200纳米的空间分辨率。
6.权利要求5的仪器，其中的X，Y控制器在X-Y平面内能够有20纳米的空间分辨率。
7.权利要求1的仪器，其中的载样基片进一步包含一种或多种被沉积物。
8.权利要求1的仪器，进一步包含连接在基座上的光学显微镜。
9.权利要求2的仪器，进一步包括力反馈监视器。
10.权利要求1的仪器，其中的点样探针进一步包含针尖。
11.权利要求10的仪器，进一步包含湿度控制器，所述湿度控制器控制针尖周围空气的湿度。
12.权利要求2的仪器，其中的控制计算机进一步包含步进电机控制卡。
13.权利要求11的仪器，其中的湿度控制器进一步包含干燥气源，潮湿气源和气体流量监控器。
14.产生点状沉积区域的方法，包括：
(a)提供载样基片，所述载样基片进一步包含沉积物；
(b)在X-Y平面内的X，Y方向上将所述载样基片由未在点样探针下方的第一位置移动到设置于点样探针下方的第二位置；
(c)通过改变所述载样基片周围的湿度水平将沉积物加载到点样探针上，点样探针产生毛细桥；
(d)在X-Y平面内将所述载样基片由所述第二位置移动到所述第一位置；
(e)在独立于所述载样基片的运动的情况下，在X-Y平面内的X，Y方向上将沉积基片由未在点样探针下方的第一位置移动到设置于所述点样探针下方的第二位置；
(f)通过把点样探针上的沉积物按所需量转移到沉积基片上来产生点状沉积区域。
15.权利要求14的方法，进一步包含重复从(a)到(f)的步骤来产生阵列。
16.权利要求14的方法，其中：
所述载样基片连接至X，Y平移台；
所述沉积基片连接至X，Y控制器；
移动所述载样基片包括在X-Y平面内移动所述X，Y平移台；
移动所述沉积基片包括在独立于所述X，Y平移台的运动的情况下移动所述X，Y控制器。
17.一种用于在沉积基片上产生分子阵列的仪器，包括：
基座；
点样探针，其可拆卸地与所述基座连接；
X，Y平移台，其与所述基座连接，并能沿X轴、Y轴移动至选定的位置，所述X，Y平移台进一步包含与其连接的载样基片，所述X，Y平移台的移动将造成所述载样基片在未置于所述点样探针下方的第一位置和置于所述点样探针下方的第二位置之间移动；
X，Y控制器，其与所述基座连接，能够沿X轴、Y轴移动至选定的位置，并独立于所述X，Y平移台，X，Y控制器进一步包含与其连接的沉积基片，所述X，Y控制器的移动将造成所述沉积基片在未置于所述点样探针下方的第一位置和置于所述点样探针下方的第二位置之间移动。
18.权利要求17的仪器，进一步包含控制计算机。
19.权利要求18的仪器，进一步包含与所述基座连接的湿度控制器，所述湿度控制器控制所述点样探针周围的湿度。
20.权利要求19的仪器，其中所述湿度控制器连接至所述控制计算机。
21.权利要求17的仪器，进一步包含与所述基座连接的Z控制器，其能在Z轴上移动至选定的位置，所述Z控制器在Z轴上有200纳米的空间分辨率。
22.权利要求21的仪器，其中所述X，Y控制器和所述X，Y平移台的至少之一沿X轴和Y轴能够有20纳米的空间分辨率。
23.权利要求17的仪器，其中所述载样基片进一步包含在其上沉积的一种或多种被沉积物。
24.权利要求17的仪器，进一步包含与所述基座连接的光学显微镜。
25.权利要求18的仪器，进一步包括力反馈监视器。
26.权利要求17的仪器，其中所述点样探针进一步包含针尖。
27.权利要求26的仪器，进一步包含湿度控制器，所述湿度控制器控制所述针尖周围空气的湿度。
28.权利要求18的仪器，其中所述控制计算机进一步包含步进电机控制卡。
29.权利要求28的仪器，其中所述湿度控制器进一步包含干燥气源，潮湿气源和气体流量监控器。
30.一种用于在基片上产生阵列的仪器，包括：
基座；
点样探针，其与所述基座连接，并进一步包含针尖；
X，Y平移台，其与所述基座连接并且可在X和Y方向运动；
载样基片，其与所述X，Y平移台连接，所述载样基片可在X和Y方向移动至选定的位置，并可移动至位于所述点样探针下方的位置；
X，Y控制器，其与所述基座连接，并可在X和Y方向上独立于所述X，Y平移台而运动；
沉积基片，其与所述X，Y控制器连接，所述沉积基片可通过所述X，Y控制器移动至位于所述点样探针下方的位置；
湿度控制器，其能够调节所述点样探针、所述X，Y平移台和所述X，Y控制器周围的湿度。
31.一种用于在基片上产生阵列的仪器，所述仪器包括：
基座；
Z控制器，其与所述基座连接，并能在Z轴上相对于所述基座移动；
点样探针，其可拆卸地连接至所述Z控制器，能在Z轴上相对于所述基座移动；
载样基片，其与所述基座连接，并可在X-Y平面内相对于所述点样探针移动，所述载样基片可在X-Y平面内的该载样基片未置于所述点样探针下方的第一位置和该载样基片置于所述点样探针下方的第二位置之间移动，以允许所述点样探针从所述载样基片上获取材料；
沉积基片，其与所述基座连接，并可在X-Y平面内相对于所述点样探针移动，所述沉积基片可在X-Y平面内移动，并独立于所述载样基片的运动，其可以在所述载样基片未置于所述点样探针下方的第一位置和所述载样基片置于所述点样探针下方的第二位置之间移动，以允许所述点样探针将材料沉积在所述沉积基片上。
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