CN1291350A - 用于捕获离子的接收装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种“接收”结构,用于减少或防止离子或带电分子对集成电路的污染。该“接收”结构可通过积极或消极的方式起作用,减少集成电路内的离子,从而延长电路的寿命。

Description

用于捕获离子的接收装置

发明领域

本发明涉及在基质上选定位置合成和放置材料。具体地说，本发明涉及在基质选定位置分别提供化学单体序列的方法。

本发明可用于制备肽、寡聚物、聚合物、寡糖、核酸、核糖核酸、卟啉和药物类似物等。尤其是，本发明可作为方法用于提供化学多样性以筛检生物活性，例如，用于发展迅速的合成化学领域。

本发明还提供用于减少或防止集成电路被离子或带电分子污染的“接收”结构。

发明背景

已知许多试验测定已知靶分子和已知选择性结合这些靶分子的各种分子(例如配体)的结合能力。从这类实验所能获取的信息常受到现有配体数量和类型的局限。此后的研究重点是开发新的配体。新配体的发现有时出于偶然，有时则需应用阐明分子结构的技术，或来自对分子结构与结合能力之间相互关系的系统分析。

小肽分子是研究生物学中结构与功能之间关系的有用模型。肽即一段氨基酸序列。例如，20种天然氨基酸可缩合成聚合分子。这些聚合分子形成多种三维的空间和电子结构。每种结构均是特定氨基酸序列在特定溶剂条件下所形成。例如，20种天然氨基酸可形成的不同六肽有206种，或6千4百万种不同的肽。如表位研究所显示，小肽分子可用于靶分子结合的研究，有些抗体能高特异性地识别短至数个氨基酸的序列。

配体对具有重要生物学意义的靶分子具有期望的特异性方式，开发此类配体的方法对当前许多药物开发方法来说是十分重要的。这些药物开发方法以结构-活性关系为基础，涉及配体的合理设计和对潜性配体家族的大规模筛检。通常，多种方法组合运用。配体通常是小肽，但也可能是其他物质。

当在允许有计划或随机筛选的规模上应用时，制备大量不同配体的方法艰难、缓慢而昂贵。例如，本文所参考的熟悉的“Merrifield”法(J．Am．Chem．Soc．(1963)85，2149-2154)，被用于在固体支持物上合成肽。在Merrifield法中，一氨基酸与一不溶性聚合物制成的支持物共价结合。另一个带有α保护基的氨基酸与该已共价结合的氨基酸反应形成二肽。洗涤后，保护基被去除，再给二肽增加带有α保护基的第三个氨基酸。重复该过程，直至获得所需长度和序列的肽。用Merrifield法，一天内只能合成少量肽，这在技术上不合适，在经济上也不可行。

已经提出，用一系列反应容器进行聚合物合成来合成大量聚合物序列。例如，可用管式反应器系统，靠自动顺序添加试剂，在固相支持物上合成线性聚合物。但是，该方法可合成的聚合物数量也不足以进行有效而经济的筛检。

制备大量聚合物序列的另一方法使用多孔性容器，其中装有已知量的反应颗粒，颗粒大于容器的孔。容器内的颗粒可选择性地与所需材料反应合成所需的产物分子序列。但是，和本领域其他已知方法一样，该方法不能合成多到足以进行有效筛检的多肽。

还尝试过其他一些方法。其中几种包括在与标准微滴板格式匹配的96根塑料针头上合成肽。不幸的是，虽然这些方法有一定的用途，但本质问题仍然存在。例如，使用标准微滴板的方法在可合成和筛检的序列的多样性方面仍存在限制。虽然，公认用微滴板可产生基本纯的聚合物，因为各聚合物是在微滴板分开的各孔内合成的，但任意给定时间内所能合成的聚合物数量却受到微滴板孔数(例如96个)的限制。而且，微滴板内合成所需的设备很大。因为这一限制，用微滴板需要较大空间而只产生较少的肽。

Pirrung等的美国专利5，143，854(1992)试图在较小的空间内大量合成多种肽和聚合物序列。该专利采用照相平板印刷技术固相合成肽和聚合物序列。该技术用“光掩模”和光不稳定性保护基保护基础官能团。过程中每一步需要使用不同的光掩模来控制哪些区域暴光去保护。需要为每一化学单体序列设计一组新的光掩模，这使得该方法十分昂贵且不适于自动化。而且，该方法繁琐而费时，因为每一步合成都需要机械分离、置换和重排光掩模。因此，用Pirrung法合成大量聚合物文库不是一个有效而经济的方法。

Pirrung法的另一个缺点是，无法象去除常规酸性或碱性保护基那样有效去除光不稳定性保护基，所以受到非期望副反应所致污染的困扰。结果，若用Pirrung法，因为未完全去除保护基，造成被掩盖的官能团不能与期望的单体反应，非期望副反应还会造成污染，化合物序列的纯度常因此受到影响。

Southern在1993年1月11日公开的国际专利申请WO93／22480中公开了合成大量聚合物的又一努力。Southern所述的方法通过对表面的电化学修饰在选定位点合成聚合物；该方法包括提供涂覆于表面上的电解质和靠近表面的电极列阵。Southern合成法的每一步中，一列电极通过机械方式靠近合成位点放置，施加足以在电极处产生电化学试剂的电压。电化学试剂沉积于表面，或与电解质中或表面上的其他物质反应，从而在所需合成位点沉积或修饰某一物质。然后，电极列阵通过机械方式去除，表面与选定单体接触。要继续反应，电极列阵再次机械靠近表面，并激活下一组电极。

该方法需要很好地控制电极列阵与发生合成表面之间的距离。要确保电极与合成位点之间准确对准，并限制电化学产生的试剂从所需合成位点扩散的程度，必需控制电极与待修饰之间的距离。但是，在表面上几微米内重复、准确定位电极很难，常造成试剂电化学产生于非期望的合成位点。而且，电化学产生的试剂从期望反应位点向非期望反应位点扩散造成合成位点间的“化学串话”。由于在非期望位点发生了非期望的结合反应，这种串话严重影响最终产物的纯度。当电极移动时，表面张力受到干扰，导致的对流混合增强电化学产生的试剂的移动，因而使得串话更为严重。虽然Souther试图通过施加一反扩散电势以尽可能减少串话，但实际上，Souther所能产生的电场太低，无法阻止扩散。当提高电势以增强电场时，则会电化学产生大量非期望的试剂。因此，Souther法不是生产大量纯聚合物的可行方法。

最近，Heller在1995年5月11日公开的国际专利申请WO95／12808中欲实现聚合物合成的自动化。Heller描述了一种自寻址、自安装的微电子系统，它能够在微环境中进行受控的多步骤反应，包括寡核苷酸和肽等生物聚合物的合成。Heller法利用自由场电泳将分析物或反应物传送选定的微观位置，它们在那里被有效浓缩并与特定的结合性物质反应。Heller装置这每一微观位置具有衍生表面以便特定结合性物质在上面共价固着，所述衍生表面包括固着层、渗透层和下层直流微电极。渗透层可防止电化学产生的试剂与合成位点或电泳至各合成位点的试剂相互作用或结合。这样，只有电泳至各合成位点的试剂参与合成。

但是，Heller法因采用电泳传输而受到严重限制。首先，电泳传输要求反应物带电，从而可受电场作用；但是，合成化学上感兴趣的常用反应物一般是不带电的分子，不适用于电泳系统。第二，电泳传输参与结合的反应物所涉及电场的空间分布，这必然导致大量化学串话的发生，Heller法没有也无法解决这一问题。在使用电场的系统中，不能在微观位置上用保护基保护反应性官能团，因为无法去除这些保护基；然而，电泳使得所用溶液中充满各种结合性物质和／或反应物，随着它们的迁移，常会与非选定位点接触。因此，缺乏保护基，加上电泳不可避免的电场空间分布，造成结合反应无规则地发生，影响所合成反应物的准确性。

由以上所述可以看出，需要一种改进方法，运用高效的去保护和偶联机制，在已知位置合成多种化合物序列。还可以看出，需要一种在已知位置合成多种化合物序列的方法，它经济而可行，并能在给定空间和时间内用小型设备进行高效的生产，同时维持所产生化合物序列的准确性。本领域熟练技术人员应能看出，以上对由单体合成聚合物所作的论述同样适用于寡核苷酸，更具体的是，由脱氧核糖核苷酸单体合成脱氧核糖核酸(DNA)。

所以，本发明目的之一是提供将材料放至基质上选定位置的改进方法。本发明的目的还在于提供在基质上快速合成分开的、多样的纯聚合物或寡核苷酸的改进方法。

本发明的目的还在于提供如下用于合成分开的纯聚合物或寡核苷酸或DNA的基质，它具有多电极列阵，允许电极非常靠近，适用于化学合成。本发明的目的还在于提供如下用于合成分开的纯聚合物或寡核苷酸或DNA的基质，它具有非常靠近的多电极列阵，能够实现聚合物或DNA合成的自动化，并可用于功能基因组学、诊断、基因筛检、药物开发和材料筛检，以用于研究、工业、商业和治疗。

本发明的目的还在于减少或防止离子或带电分子对集成电路的污染。该目的是通过提供一“接收”结构来实现的。该“接收”结构可用于本发明所述的合成方法，或另外用于集成电路。即，本发明的“接收”结构普遍适用于各种集成电路。

污染性离子会妨碍具有重要用途的集成电路的使用，或限制其使用寿命，这些离子有数种来源。这包括但不限于：周围环境，例如集成电路所处的密封剂或液体，离子化辐射，和集成电路内的离子漂移。

暴露于离子污染性环境是一个常见问题。所处环境限制了接触含离子溶液的集成电路的使用寿命，所述溶液例如本发明合成法所用的离子性溶液。集成电路对环境的敏感性常要求使用残留离子含量极低的昂贵的环氧树脂密封剂。由于集成电路对所处环境中离子污染源的敏感性，因此不能适用于不良环境。集成电路这种对环境中离子污染源的敏感性随温度的升高而升高。温度因素对于例如检测器或控制器中所用的集成电路来说尤其重要。

对集成电路包装和密封剂行业来说，半导体设备对离子污染的固有敏感性是重要的技术问题。已经生产了许多残留离子含量很低的聚合物密封剂产品。这有助于延长用这些材料封装的集成电路的使用寿命。因为，集成电路所在密封剂中的离子污染水平很低，产品的使用寿命因而得以延长。

以下描述将进一步说明本发明的其他特点和优点，通过这些描述，或通过实施本发明，它们将得以进一步的显现。用本发明说明书和权利要求指出的要点和组合，能够实现并获得本发明的目的和其他优点。

发明概述

本发明提供以电化学方法将物质放至基质上选定位点的方法，从而实现前述发明目的，该方法包括：

提供基质，其表面上具有至少一个电极，与该电极很近至少有一种与电化学产生的试剂反应的分子；

提供电极足以产生电化学试剂的电势，该试剂能与近电极的至少一种分子反应；和

由此发生化学反应。

本发明还包括如下以电化学方法将物质放至基质上选定位点的方法，包括：

提供基质，其表面上具有至少一个电极，与该电极很近至少有一种分子，该分子带有至少一个被保护的化学官能团；

提供电极足以产生电化学试剂的电势，该试剂能将所述分子的至少一个被保护化学官能团去保护；和

令去保护的化学官能团与单体或预制分子结合。

本发明还包括在基质上分开地、以电化学合成聚合物序列的方法，它包括以下步骤：

使缓冲液或清除液与靠近基质表面的电极列阵接触，与该表面很近有一种或多种结合有至少一个被保护化学官能团的分子；

选择性地将至少一种分子上的至少一个被保护化学官能团去保护；

使带有至少一个被保护化学官能团的第一单体与所述分子的一个或多个去保护化学官能团结合；

选择性地将被结合分子或另一个带至少一个被保护化学官能团的分子的化学官能团去保护；

使带有至少一个被保护化学官能团的第二单体与前结合分子或另一个去保护分子的去保护化学官能团结合；和

重复已结合被保护单体或已结合被保护分子上化学官能团的选择性去保护及其后的向去保护化学官能团添加单体，直至在基质表面上分别形成至少两种具有所需长度的聚合物。

本发明的另一实施例还包括在基质上分别以电化学方法合成寡核苷酸序列的方法，该方法包括以下步骤：

使缓冲液或清除液与靠近基质表面的电极列阵接触，与该表面很近有一种或多种结合有至少一个被保护化学官能团的分子；

选择性地将至少一种分子上的至少一个被保护化学官能团去保护；

使带有至少一个被保护化学官能团的第一寡核苷酸与所述分子的一个或多个去保护化学官能团结合；

选择性地将被结合分子或另一个带至少一个被保护化学官能团的分子的化学官能团去保护；

使带有至少一个被保护化学官能团的第二寡核苷酸与前结合分子或另一个去保护分子的去保护化学官能团结合；和

重复已结合被保护核苷酸或已结合被保护分子上化学官能团的选择性去保护及其后的向去保护化学官能团添加核苷酸，直至在基质表面上分别形成至少两种具有所需长度的寡核苷酸。

本发明另一实施例将一“接收”结构，例如第二电极，放置得与电极列阵或单个电极很近。这一“接收”结构可减少相邻电极间的化学串话，并／或延长半导体电路的寿命。按照本领域熟悉的任一方法，可以一定方式安置各种半导体电路来单独或联合控制电极。本发明“接收”结构可置于一适当位置，或接触外部环境，或接触半导体装置的内部环境。

用本发明所述电化学技术可将单体和预制分子准确置于基质上微小的已知位置，所述单体包括用于聚合物合成的那些和可接受修饰的那些。所以能够在基质上选定位点合成具有已知序列的聚合物。例如，根据本发明，可在基质上选定位置合成例如寡核苷酸形式的所需序列核苷酸。

本发明的另一实施例即“接收”结构本身。该接收结构可用于减少或防止许多用途中离子或带电分子对集成电路的污染，这些用途包括将集成电路用于本发明的合成方法，和除此之外的用途。

必须明白，以上综述和以下详述是而且只是例举性的，是对本发明的进一步解释。

附图简述

图1a和1b显示电极1和4处电化学产生的试剂(质子)对相近接头分子(L)选择性去保护，暴露出其上的反应性官能团(NH₂)。

图2a和2b显示带有被保护化学官能团(P)的单体(A)与近电极1和4的(带反应性官能团)的去保护接头分子结合。

图3a和3b显示在电极2和4产生的质子分别对近电极2和4的分子和单体上第二组反应性官能团的选择性去保护。

图4a和4b显示带有被保护化学官能团(P)的单体(B)分别与近电极2和4的去保护分子和单体结合。

图5显示有5个电极的基质，带有单体(A)与(B)的所有可能组合。近电极1的接头分子带有被保护的二体，例如二肽，具有两个与之结合的单体(A)。近电极2的接头分子具有被保护的二体，其中单体(B)与接头分子(L)结合，被保护单体(A)与所述单体(B)结合。近电极3的接头分子代表对照电极，表示因未向相邻电极施加电压而未发生合成的接头分子。近电极4的接头分子具有被保护的二体，其中单体(A)与接头分子(L)结合，被保护单体(B)与所述单体(A)结合。近电极5带有被保护的二体，具有与接头分子(L)结合的两个单体(B)。

图6是一基质的顶视图，其表面上具有100个电极的10×10的列阵。还例举了该表面上电极之一的侧视图。

图7显示的基质具有可渗透固着层或膜，上面结合有CBZ保护的亮氨酸单体(L)。所述的层／膜覆盖在基质表面的电极上。

图8显示表面电极上覆盖有可渗透固着层或膜的基质，在(例如)去除与电极2、3、5、6、7和反电极1和10很近单体的保护基(P=CBZ)后，该膜／基质含有带反应性胺官能团的亮氨酸单体(L)。

图9显示，当CBZ保护的苯丙氨酸单体(F)与近电极2、3、5、6、7的亮氨酸单体上反应性胺官能团结合(形成二肽)后，上述电极附近单体的修饰。

图10显示近电极3、5、6、7的CBZ保护的三肽甘氨酸-苯丙氨酸-亮氨酸(G-F-L)对基质表面的修饰作用。

图11显示近电极6、7的CBZ保护的五肽酪氨酸-甘氨酸-甘氨酸-苯丙氨酸-亮氨酸(Y-G-G-F-L)对基质表面的修饰作用。

图12显示近电极7、反电极1和10的被保护Leu-脑啡呔表位，和近电极6的被保护Leu-脑啡呔表位。

图13显示如实施例1所述，接触抗体和荧光性偶联体后，用表面荧光显微镜观察到的代表性结果。

图14是一张光电极列阵芯片的数码白光显微照片，显示了约70个电极。该显微照片是用4倍物镜、Olympus BX60显微镜和Pulnix TM-745积分CCD相机拍摄的。注意，有电路与这些可分别寻址的电极电学相连。

图15是图14中电极列阵相同放大倍数的表面荧光数码显微照片。该显微照片显示，在光电极列阵芯片上，即上面没有任何荧光包覆物质，电极是暗的。这是因为电极金属(钛)熄灭了所有荧光。

图16是图14和图15中电极列阵的表面荧光数码显微照片，但是用10倍物镜拍摄的，且只显示有16个电极。该显微照片中的芯片被荧光膜所涂覆，即，电极上包着一层膜，膜上结合着荧光标记的分子。该显微照片显示，当电极被含荧光物质的膜涂覆时，靠近该电极或该电极上的区域是亮的。该显微照片所用荧光材料是以Texas红颜料标记的链霉亲和素分子。

图17是类似于图14的数码白光显微照片，所不同的是，这些电极是硬连接的，如图所示，有导线将电极与图外的电源相连。此外，该显微照片是用10倍物镜拍摄的。这些硬连接电极位于电极列阵芯片的一侧。注意，没有电路与这些硬连接电极相连。

图18a和18b是芯片／插脚栅格列阵(PGA)标准件组件。如图18a所示，芯片工作区(工作区即表面具有电极的区域)的另一端在背面用胶水固定于PGA标准件，使工作电极区从PGA标准件端伸出，从而使芯片的工作区可浸没在溶液中。将芯片的接合片与PGA标准件上接合片相连的导线以环氧包裹。图18b中的插脚位于图18a所示PGA标准件的背面。

图19a和19b的表面荧光数码显微照片显示加电压进行去保护之前(图19a)和之后(图19b)的电极列阵芯片。加电压之前，以0．05M，pH8．0的磷酸钠缓冲液与列阵内全部电极接触，使之能产生电化学试剂。图19b显示列阵内所有电极受到相同电压并在列阵内各电极上发生去保护反应后的电极列阵。加2．8V电压，10分钟。该显微照片是用4倍物镜，1秒积分时间拍摄的。

图20是硬连接电极列阵芯片的表面荧光数码显微照片，其中阳极(暗电极)和阴极交变。图中的棋盘格式是加2．8伏电压10分钟后所得。获取该照片所用的是4倍物镜，积分时间为1秒。注意，酸局限在阳极。正是本发明准确的局域化得到了该棋盘格式。

图21是图20所示硬连接电极列阵芯片的表面荧光数码显微照片，但该照片是用10倍物镜，700毫秒积分时间拍摄的。

图22是一光电极列阵的表面荧光数码显微照片，所示为一硬连接电极列阵。(该图还显示一相邻电极列阵)。所示列阵的取向使人能准确读取电极的亮度。所示电极是暗的。有3个电极接电，测定了它们的亮度和暗度，分别标为“T1”、“T2”和“T4”。

图23是涂有荧光膜的芯片的表面荧光数码显微照片，所述荧光膜含有通过三苯甲基接头分子与电极相连的Texas红标记的链霉亲和素。电极T2和T4具有强亮度信号。电极T1是暗的。没有给电极加电压。

图24是图23所示芯片的T2和T4电极接正电压后的表面荧光数码显微照片。正电压在所述电极处产生了质子。电极T2和T4是暗的，因为三苯甲基接头分子已从涂覆电极的膜上解离。以电极T1作为反电极。注意，暗区只限于电极T2和T4，即，相邻电极间的化学串话极少。

图25a和25b是以现有技术(WO93／22480)反应条件(即电解质)去保护之前(图25a)和之后(图25b)，硬连接电极的表面荧光数码显微照片。以10倍物镜拍摄的该显微照片显示，电极间串话造成不准确和无规则。电极周围大面积的暗区和高亮区表明电化学试剂(质子)由产生所在电极向外扩散。

图26a和26b是以20倍物镜、100毫秒积分时间拍摄的图25a和25b中硬连接电极的表面荧光数码显微照片。

图27显示实施例5所述维生素B₁₂在电极芯片阴极处的电化学还原。芯片与Texas红标记的链霉亲和素接触，然后拍摄了该显微照片。阴极位置的亮点表明有生物素与涂覆膜结合。

图28证明，要获得图27所示结果，必需有维生素B₁₂。溶液中不加维生素B₁₂，阳极和阴极间的压差是3．0伏。无法观察到电极间有电流通过。在此压差下，不含维生素B₁₂的溶液中没有其他电活性物质。然后，芯片与Texas红标记的链霉亲和素接触，并洗涤。没有发现形成了碳-碳键的证据。

图29证明，要获得图27所示结果，必需有生物素酐。将芯片浸没在DMF溶液中，该溶液与用来形成碳-碳键的DMF相同，但其中未加生物素酐。阳极与阴极间的压差是3．0伏。然后，芯片与Texas红标记的链霉亲和素接触，并洗涤。没有发现形成了碳-碳键的证据。

图30证明，要获得图27所示结果，必需有活化烯烃。将芯片浸没在DMF溶液中，该溶液与用来形成碳-碳键的DMF相同，但没有活化烯烃与涂覆膜结合。阳极与阴极间的压差是3．0伏。然后，芯片与Texas红标记的链霉亲和素接触，并洗涤。没有发现形成了碳-碳键的证据。

图31代表了本发明电极列阵所用晶体管的设计。关键特征是设置了一个“接收”结构，该结构在本例中是一个靠近并环绕选定电极的电极。

图32显示当芯片浸入盐水溶液时，监测晶体管被离子污染。该图显示晶体管监测仪与0．1MNaPO₄溶液接触20分钟后的电压阈值漂移。测得数据拟合成亚阈值MOS曲线V=V₀ln(I／I₀)。

图33显示，接收结构的电流在最初接触离子后的数小时持续增大，说明伴随着栅极电压阈值的降低。该结果表明钠离子从栅极区扩散。在最初数小时内，电流随时间增大大致呈对数曲线。

图34a是一电极列阵的顶视图，它具有的“接收”结构2，该结构围绕该电极列阵中设置的各电极1形成完整的片。这样的片式“接收”结构2用于捕捉可能向半导体电路扩散或进入的离子。图34b是一选定电极的剖视图，其中的“接收”结构2位于绝缘介电层3和半导体金属表面之间。如此形状的“接收”结构形成一带孔的基本为固体的片，这些孔使得选定电极可与环境接触。该结构及类似结构因允许芯片浸没在离子性溶液中而延长了半导体电路的寿命。

图35a和35b是一例本发明所用的选定电极1，具有完全接触外界环境的“接收”结构2。该结构对于控制电化学产生的试剂在列阵内电极间扩散和朝向或进入半导体电路的离子扩散尤其有用。图35a是具有“接收”结构2的选定电极的顶视图，“接收”结构2围绕选定电极1形成一个环。图35b是对应于图35a顶视图的剖面图。

图36a和36b是一例本发明所用的选定电极1，具有位于电极表面下的“接收”结构2。这样的结构对于控制朝向并进入半导体电路的离子扩散特别有用。图36a是具有“接收”结构2的选定电极的顶视图，“接收”结构2围绕选定电极1形成一个环，并低于选定电极的表面。图35b是具有的“接收”结构2的选定电极的剖视图，“接收”结构2围绕选定电极1形成一个环。该结构中，所示“接收”结构低于绝缘介电层3的外表面。

图37显示，本发明如何隔离离子从而避免相邻选定电极间的化学串话。仅本发明的缓冲液和／或清除液，或与“接收”结构相联合，能有效隔离电化学产生的反应性试剂，从而允许多个化学反应毗邻进行。

本发明详细说明

本发明提供制备和使用在选定区域有一种或多种化学物质的基质的方法。本文主要就含氨基酸序列分子的合成来说明本发明，但可方便地推广到制备其他聚合物，包括制备核酸序列。所述聚合物包括，例如，线形或环状的核酸聚合物，多糖，磷脂，和具有α-、β-、ω-氨基酸的肽，聚氨基甲酸乙酯，聚酯，聚碳酸酯，聚脲，聚酰胺，聚乙烯亚胺，聚硫芳撑，聚硅氧烷，聚亚酰胺，聚乙酸酯，或根据本发明公开内容显而易见的其他聚合物。优选实施例中，本发明被用于肽的合成。另一优选实施例中，本发明被用于寡核苷酸和／或DNA的合成。

本发明涉及将选自单体、接头分子和预制分子(包括核酸)的分子放置在基质上的选定位置。更具体地说，本发明涉及在基质上选定位置合成聚合物，特别是用固相聚合技术合成多肽，主要包括以电化学方法去除基质上与至少一个电极很近的分子上的保护基。本发明还特别涉及用所述固相合成技术在基质上选定位置合成寡核苷酸和／或DNA。

能够电化学去除分子上化学官能团的保护基的电化学试剂是通过向选定电极提供足够大电势而产生的。当电极产生的化学试剂对选定分子去保护或去除分子的(例如)酸或碱不稳定性保护基时，选定分子即如本发明所述去除保护基，或“去保护”。

本发明实施例之一中，核苷酸单体或接头分子(即将单体或核苷酸等与基质连接的分子)的一个末端具有至少一个反应性官能团，该官能团以可被电化学产生的试剂去除的保护基保护。在第一选定区域内，保护基与电极处电化学产生的试剂接触，从单体、核苷酸或接头分子上离去，暴露出反应性官能团。然后，基质与第一单体或预制分子接触，后者与暴露出的官能团结合。所述第一单体或预制分子具有至少一个可被电化学产生的试剂去保护的被保护化学官能团。

然后，单体或预制分子可以同样的方式去保护，形成第二组反应性化学官能团。第二单体或预制分子也带有至少一个可被电化学产生的试剂去保护的被保护化学官能团，它们再与基质接触，与第二组暴露官能团结合。可以在合成过程的任何时候封闭未反应的官能团。可在基质上该位置连续依次重复去保护和结合步骤，直至获得具有所需序列和长度的寡核苷酸。

本发明另一实施例中，基质上结合有一种或多种带有至少一个被保护化学官能团的分子，靠近一电极列阵，该列阵接触缓冲液或清除液。给列阵中选定电极施加足够大的电压以产生能将被保护官能团去保护的电化学试剂，于是，近选定电极的分子被去保护而暴露出反应性官能团，准备结合。然后，让单体溶液或蛋白质、核酸、多糖、卟啉等预制分子溶液与基质表面接触，单体或预制分子于是与已去保护的官能团结合。

然后再对列阵中选定电极施以足额电压以将已结合分子或另一带至少一个被保护官能团的分子上的至少一个官能团去保护。然后，具有至少一个被保护官能团的第二单体或预制分子与已结合分子或另一去保护分子的去保护官能团结合。依次重复选择性去保护和结合步骤，直至获得具有所需序列和长度的聚合物或寡核苷酸。再次施加足额电压已引发已结合被保护单体或分子上官能团的去保护，如此重复选择性去保护步骤。然后又一单体或预制分子与去保护的官能团结合，如此重复，直至在基质上分开形成至少两种具有所需长度的聚合物或寡核苷酸。图1-5大致显示了上述实施方式。

本发明方法的优选实施例用缓冲液或清除液与各电极接触，对电化学产生的试剂，具体地说即趋向质子和／或羟离子，起缓冲作用，从而积极避免电化学产生的离子在列阵中电极间扩散造成的化学串话。例如，当接触水性或部分水性介质的电极加以足额正偏(或负偏)电压时，就会因水的电解而产生质子(或羟离子)。例如，质子可用于去除数种联合合成所用分子的电化学保护基，所述分子例如肽、核酸和多糖。

为了产生分开的纯聚合物，宜保持所述质子(或羟离子)局限在与选定电极很近的区域内，从而尽可能减少或消除列阵中相邻电极间化学串话。用缓冲液或清除液可有效控制电化学产生试剂的空间扩散，所述溶液与离开选定电极的试剂反应，从而阻止这些试剂在相邻电极反应。将电化学产生的试剂局限在紧邻选定电极区域内的另一技术是靠近选定电极设置一“接收”结构，并与外界环境接触。该“接收”结构可取代清除液，或与之联用。可将“接收”结构设计成熟练技术人员所熟悉的各种适宜材料、适宜形状或大小。所述“接收”结构最重要的指标是其清除可能由选定电极向外扩散的电化学产生试剂的能力。“接收”结构可通过与电化学产生的试剂发生化学反应而消极起效。或者，“接收”结构也可积极起效以清除电化学产生的试剂。这可以通过给“接收”结构施加足额电压引起电化学清除作用。“接收”结构的另一功能是避免离子向与选定电极操作性相连的晶体管之类电路扩散或进入其中。根据这一功能，“接收”结构可置于绝缘介电层和一金属化层之间的界面，所述金属化层与选定电极操作性相连。

本发明的“接收”结构可与本发明合成方法所用集成电路联用，或与其他集成电路联用，这对熟练技术人员来说是容易理解的。即，“接收”结构适用于所有集成电路，适用于集成电路的所有用途。

绝大多数集成电路的基本元件是晶体管。晶体管是将离子掺入集成电路的特定区域制成的。离子掺入改变了半导体材料的电学特性。当掺入负电离子时，称半导体是“N-掺杂的”。当掺入正电离子时，称半导体是“P-掺杂的”。晶体管一般由掺杂成PNP或NPN的区域形成。中间的字母代表晶体管结内掺杂离子的极性。晶体管的电流／电压特性取决于结内掺杂离子的含量和极性。晶体管的重要特征参数之一是开关电压阈值。该阈值电压可能对晶体管结内掺杂离子浓度非常敏感。

通常，用于掺杂晶体管结的离子浓度在10^-9摩尔／L数量级。相比之下，海水和血浆中的离子浓度约为0．5摩尔／L。极小的离子浓度对晶体管结的电学特性具有很大的影响。因此，晶体管的电学特性对污染离子很敏感。例如，集成电路浸在血浆中时，血浆中的离子浓度比集成电路晶体管结中的高至少十亿倍。只要血浆中的离子有十亿分之一扩散到集成电路内，就会破坏集成电路。

离子污染可能表现为晶体管开关电压阈值的升高或降低。电压漂移的结果取决于电路。例如，模拟电路比数字电路对电压阈值漂移更敏感。

许多环境离子源可能损坏集成电路。实际上，集成电路因为离子污染而不能用于许多期望的用途。例如，植入动物组织内的集成电路常因离子污染而失效。此时，污染离子来自装置长期所处的周围血浆环境。还没有开发出这样的密封材料：它可形成屏障，在足够长的时间内阻止离子扩散，适合集成电路在动物组织内的长期埋设。

接触周围的离子污染也是一个问题。这一问题限制了接触含离子溶液的集成电路的寿命。集成电路对周围接触的敏感性常要求用昂贵的、制成后残留离子含量极低的环氧树脂密封材料。集成电路因为其对周围接触离子污染源的敏感性而不可用于对其不利的环境。集成电路对周围环境的敏感性随温度的升高而升高。对于(例如)检测器或控制器中使用的集成电路来说，温度敏感性尤其重要。

离子化辐射会在集成电路内产生污染性离子。例如，航空、近辐射源的医学应用、以及国防和科研应用中所用的集成电路接触强烈的离子化辐射源。这类应用中的集成电路的寿命常受到其抗离子化辐射能力的限制。

离子化颗粒对集成电路造成的损害最初通常是电路元件的物理损坏。然而，随着时间推移，受辐射损害的集成电路内可移动污染性离子的浓度升高。这些污染性离子会通过向受损区域内的扩散而破坏其他电路元件。集成电路对辐射诱导的离子污染的敏感性还会随温度升高。例如，航空飞行器常遇到热循环。飞行器必需经受正对太阳部分的高温和其他部分的低温。因为太空的绝热特性，高温部分将在接受太阳光之后的一段时间内保持高温。结果，飞行器内集成电路内被热强化的污染性离子扩散可能很严重。

离子漂流问题在集成电路中越来越重要。元件间的电场随集成电路缩小而显著增强。现有技术芯片的主要失效模式之一是内部电场造成的离子漂流。半导体材料在电场中很能吸附掺杂离子。有些半导体材料可能存在严重的固有离子漂流问题。这使得它们丧失许多期望的用途，尽管它们具有其他优良的物理和电学性能。

集成电路内部的电场可由内部电场产生电路所施加的电场来调整。这类电场改变装置可用于帮助避免离子漂流和捕获漂流离子。而且，修整电场也能改善或改变集成电路内电路元件的性能。

在集成电路内使用积极或消极装置清除污染性离子、抵御污染性离子进入敏感电路、将掺杂离子局限在相应的空间区域内、修整电场、监测离子水平，集成电路的许多应用都需要这样做。本发明的“接收”结构就起着这些功能。

本发明“接收”结构的优选实施例是为抵抗所述离子污染源而产生的。这包括检测器／控制器类应用，不利／高温环境中的应用，太空应用，对离子漂流敏感的应用，和修整或调整集成电路内电场的应用。

检测器／控制器类应用包括在提产生离子污染源的严苛环境中使用集成电路。特别感兴趣的是使用植入动物组织内的集成电路。许多集成电路的应用以在原位或体内为佳。这样的应用包括但不限于内植葡萄糖检测器、心脏植入体(起搏器、随选去纤颤器，等)，神经植入体(耳蜗植入体、修补界面、癫痫控制植入体，等)，危急看护用原位检测器，和原位诊断装置。而且，集成电路可用于许多盐水环境(例如海底通讯电缆、船舶、军事应用等)。本发明“接收”结构可用于避免失效和高替换费用。

常对可用于密封集成电路的聚合物材料进行处理，以将残留离子浓度降至极低。这类材料的费用即因去除离子污染而增加的制造成本。所以，它们常比其他密封材料昂贵。本发明“吸气”结构可在需要降低密封材料费用的情况下，用于消除集成电路对离子污染的敏感性。

集成电路所用介电材料内离子扩散的物理过程是一个热激活过程。因此，扩散速度指数性取决于温度。用于高温环境(例如汽车引擎、过程监测设备、和检测器)的集成电路其半导体内部的离子扩散速度更快。“接收”结构可用于延长此类高温运行设备内集成电路的寿命。

“接收”结构最好以高热导材料制造。这样的“接收”结构可用于协助冷却集成电路。“接收”结构可通过提供消极冷却辐射路径来冷却芯片，或通过Peltier效应积极冷却芯片。使用“接收”结构冷却半导体装置的内部是清除离子这一基本效果之外的又一优点。“接收”结构的双重效用可用于冷却因外热源而受热的芯片。或者，“接收”结构可在因内部电路而升温的集成电路上同时用于冷却和清除离子污染。例如，CPU集成电路有许多高速运行并发热的晶体管。因此，高热导材料制成的“接收”结构就可通过冷却CPU内部并清除离子污染来延长CPU的寿命。

可用“接收”结构解决的又一问题是太空应用中集成电路的辐射硬化。当离子化颗粒撞击集成电路时，它可能在半导体内留下离子痕。离子化路径内的电路元件常因此损坏。解决这一问题的方法之一是提供备用电路。然而，离子含量会在集成电路内随时间累积，从而因离子扩散造成失效。备用电路不能解决这一问题。而且，集成电路在太空中可能经历的极端温度使得该问题更复杂。在飞行器内常用辐射冷却和内部加热器来尽可能减小温度的骤变。热负荷会加速离子扩散。而且，热循环会使半导体材料的晶格产生应力，会加强离子移动。“接收”结构是消除太空用集成电路装置内离子污染的有效手段。而且，“接收”结构可用于冷却集成电路，以减少热骤变对太空用集成电路的影响。

“接收”结构还可用于消除新近集成电路内因离子漂流产生的问题。集成电路线性尺寸的缩小，元件密度随之升高，集成电路内的电场因而增强，因为电场强度以伏／厘米为单位。虽然线与线的距离缩短了，运行装置所需的电压并未成正比地下降。因此，这类强电场内的离子漂流变成了现有技术中集成电路寿命的限制性因素。

“接收”结构在高密度装置中具有多项用途。它们可用于清除可能污染工作电路的漂流离子。它们可用于通过排斥漂流离子来保护工作电路。它们可用于将所需掺杂离子局限在电路元件内。当然，可将“接受”结构设计成同时完成上述所有任务。

非常规半导体材料可能因其保留掺杂离子的能力差而不适合许多应用。“接收”结构可用电场帮助将掺杂离子局限在所需区域内。“接收”装置与非常规半导体材料联用可改进集成电路装置。

有些半导体材料的化学稳定性较差。“接收”结构可用于稳定这类材料。例如，GaAs在含氧或潮湿环境中的稳定性较差。此类芯片内部或表面上的“接收”结构可作为牺牲电极以消极方式帮助避免腐蚀。或者，“接收”结构可以积极方式，通过清除污染物和腐蚀产物起作用。将“接收”结构用于化学反应性半导体的另一用途是作为集成电路内部的环境屏障。“接收”结构可清除可能扩散至装置内的气体和其他物质。

“接收”结构还可用于修整集成电路内的电场。有多种机制可实现这一功能。例如，可将“接收”结构用作集成电路内不同区域间的电屏蔽。或者，“接收”结构可以来补偿集成电路内的电场。而且，“接收”结构可以来修整集成电路内的电场。修整、屏蔽或补偿可在同一集成电路内发挥联合的多种功能。例如，一“接收”结构可同时清除污染离子，通过将污染离子排斥在电路元件工作区域之外而保护电路元件，补偿和／或修整内部电场以改善电路元件的性能，并提供电场将掺杂离子限制在电路元件工作区内。“接收”结构可以积极或消极方式发挥以上及其他功能。

“接收”结构可以积极、消极或这两种方式起作用。消极“接收”结构是用与污染性离子或其他不需要的化学物质反应从而将它们固定化或灭活的材料制成的。积极“接收”结构用电场捕捉污染性离子，或通过电化学过程将污染性化学物质转化为无活性的化学物质。一“接收”结构可兼具积极和消极机制。

本领域熟练技术人员知道，“接收”结构可以是任意几何形状。例如，可用椭球波函数设计“接收”结构的形状。或者，“接收”结构的几何形状可简单得只是涂覆集成电路的一层或多层金属平膜。

“接收”结构用于捕捉污染性离子并将其保留在“接收”结构内。或者，“接收”经过可用于将离子污染物排出集成电路至一外部容器中。

制造“接收”结构的材料可以是但不限于金属、无机半导体材料、有机半导体材料、有机金属性半导体材料和离子性液体。

“接收”结构可使用DC电流／电压或任意电流／电压波形，例如但不限于：正弦波、脉冲波、三角波、矩形波等，这些都是本领域技术人员所熟悉的。

在部分优选实施例中，希望“接收”结构在行使其功能的同时还能监测离子污染的程度。例如，可在接收结构内装一MOS栅极形成晶体管。离子污染程度可通过测定晶体管结的Ⅰ-Ⅴ特征来监测。

简而言之，本发明的接收结构被设计成与离子或带电分子反应、将其清除、固定、限制或排斥在外。接收结构可与所述离子或带电分子发生化学或电磁反应。该反应可包括离子或带电分子与接收结构本身的化学结合、带电物质的中和、或通过电磁相互作用或固定作用将带电分子排斥在某一位置之外。

所述“接收”结构部分优选实施例包括一层金属片，它覆盖或基本覆盖本发明合成方法所用电极的电路表面。这类结构的一实例是图34。这层金属片可以在电极处开孔。电极则通过图31所示的电介质与“接收”结构隔开。更好的“接收”结构实施方式有一围绕选定电极的环电极。与上述其他实施方式相比，环“接收”结构至少有两项优点。第一，大多数离子扩散发生在选定电极与电介质之间界面处形成的缺陷位置。第二，较容易监测“接收”结构在使用时对环境的效果。图31和34-36例举了这一结构。

用于本发明合成方法的“接收”结构解决了与选定电极所连半导体装置暴露于含离子(可能扩散至装置内)环境相关的问题。具体地说，半导体装置所在溶液中的离子可能扩散到半导体装置内某些区域，这些区域已经精确掺杂了离子以赋予各区域特定的电学特性。一个重要例子是金属氧化物半导体(MOS)晶体管电路元件的栅极。此时，栅极区已掺杂了正离子或负离子(例如P掺杂或N掺杂)使所述区成为半导体。晶体管栅极的阈值电压和电流-电压特性取决于掺杂水平，且非常敏感。许多半导体装置的长期有效性依赖于有效地将它们与离子污染隔绝。例如，半导体行业所用胶粘剂和密封剂都经过处理以尽可能降低材料中的离子浓度，通常该浓度低于几百万分之一。

当硅芯片在含离子溶液中使用时，半导体晶体管坏得很快。目前制造的半导体晶体管在其晶体管结处有一层很薄的部分导电材料。将该部分导电层浸润或掺杂以一定浓度的颗粒，例如离子，以平衡导电性。目前，这一般是通过用富含诸如砷、硼或磷等离子的物质掺杂晶体管结。如果离子太多，该材料的性能如同金属，导电性很高。如果离子太少，材料的性能如同绝缘体，电导很低。为了正确发挥半导体性能，必需赋予材料介于金属和绝缘体之间严格特定的电导。离子扩散至半导体装置内，污染了晶体管结处该部分导电层，将改变晶体管结的电导，从而损坏晶体管。

“接收”结构的应用之一是与本发明合成方法联用。这样的“接收”结构可设计成通过清除可能从电极和相连电路所在溶液向装置内扩散的离子而起作用。可以通过污染性离子与置于它们与工作电路之间的材料发生化学反应而将其消极清除。或者，可以积极地将其清除，即向靠近选定电极的第二电极施加电压形成一电场，使离子向该电极迁移而离开工作电路。可将晶体管栅紧靠接收结构，并监测阈值电压的改变，如此可监测离子污染。这类“接收”结构可由本领域熟练技术人员设计成各种材料，大小和形状，以适合各种电极形状。而且，通常宜将“接收”结构置于绝缘或介电层之下，所述绝缘或介电层通常涂覆半导体从而将其与环境，尤其是实施本发明所需的离子性溶液，隔开。特别好的是将环状“接收”结构置于介电层之下或之内并环绕选定电极。图34例举了此类结构的一个剖面图。与本发明合成方法联用“接收”结构的结果是，选定电极受到自动化计算机电路的良好控制，同时保持电路在离子性环境中具有适当寿命。因此，可以按照本领域熟练技术人员所熟悉的方法在计算机芯片内或所连电极的表面上合成多种化学分子。

本发明尽可能减少，更好的是消除表面上相邻的聚合物或核酸序列合成区域间的化学串话，于是在表面上很小的特定区域，常规电化学法产生的试剂和已知电化学反应合成分开的纯聚合物或核酸序列。本发明方法将材料置于特定位置的能力使得本发明方法除聚合物合成之外还可用于许多其他合成领域。其他合成的例子包括但不限于DNA和寡核苷酸的合成，涉及向一单独单体添加化学基团的单体修饰，还涉及例如给卟啉添加金属的无机合成。

本发明的其他实施方式是微米(例如直径1至100微米)小电极相距许多微米而构成的列阵。然而，在需要时，也可使用相距仅亚微米级距离的电极。这种排布可按照本发明方法在表面上的小区域内同时合成大量分开的纯聚合物或核酸序列。这一能力使得本发明方法易于自动化。本发明易于自动化，同时保持产生分开的纯聚合物和核酸序列多样性列阵的能力，这使得本发明可理想地用于发展迅猛的合成化学和功能基因组研究。

本质上讲，任意想得到的基质都可用于本发明。基质可以是生物、非生物、有机物、无机物，或以上所述的组合，其存在形式可以是颗粒、链、沉淀、凝胶、板、管、球、容器、毛细管、垫、薄片、薄膜、盘、玻片等。基质可以是任意适宜的形状，例如圆盘、正方形、球形、环状等。基质以平面的为宜，但可以取多种其他结构形状。例如，基质可进行合成的区域突起或下陷。基质与其表面最好形成刚性的支持体以在上面进行本发明所述的反应。基质和合成各聚合物及小分子的区域可以是任意大小和形状。而且，基质的不同区域可以是不同材料。

考虑优选为基质、且能够固定和电绝缘电极的材料包括：未掺杂的半导体，例如氮化硅、氧化硅、硅、金刚石、黄铜矿、纤铁矿、闪锌矿、石盐、Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅰ-Ⅵ族化合物；玻璃，例如钴玻璃、高硅玻璃、高硅氧玻璃、硼硅玻璃和石英；陶瓷，例如氧化铝、瓷、锆石、堇青石、钛酸盐、金属氧化物、粘土和沸石；聚合物，例如paralyene、高密度聚乙烯、聚四氟乙烯、尼龙、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚酰化物、聚氰基酰化物、聚乙烯醇、聚亚酰胺、聚酰胺、聚硅氧烷、聚硅酮、聚腈、聚氯乙烯、烷基聚合物、纤维素、环氧聚合物、密胺、氨基甲酸乙酯、共聚物及以上与其他聚合物的混合物；以上任一物质与玻璃或陶瓷的混合物；蜡，例如阿皮松蜡(apeizon)。参见本发明公开的内容，其他基质材料对本领域熟练技术人员来说将是显而易见的。

近本发明基质有至少一个电极，即，基质上一个被绝缘区所包围的导电区。电极“靠近”基质，可以是位于基质上，即植于基质之内或之上，可以挨着基质在其之下或之上，但必须靠基质足够近，使得电化学产生于电极处的试剂能够完成所需的单体和／或分子上化学官能团的去保护。

除与至少一个电极靠近之外，基质的表面上还具有至少一种分子，以多种分子为佳，它们带有至少一个被可电化学去除的保护基所保护的化学官能团。这些带有被保护化学官能团的分子也必须靠近电极。就此而言，基质表面上的分子必须靠电极足够近，以使电化学产生于电极处的试剂能够去除所述邻近分子上至少一个被保护化学官能团上的保护基。

固定于基质表面、带有被保护化学官能团的分子一般选自单体、接头分子和预制分子。较好的是，固定于基质表面的分子包括单体、核苷酸、和接头分子。这些分子一般都通过共价键或离子相互作用与基质结合。或者，这些分子可通过共价键或离子相互作用与涂覆于基质上的一层，例如渗透性薄膜结合，这一层物质可通过几种不同方式与基质表面结合，这些方式包括共价结合、离子相互作用、色散相互作用和亲水或疏水相互作用。另一种结合方式中，单体或预制分子可与接头分子结合，接头分子则与基质或基质上的涂覆层结合。

本发明所用的单体、接头分子和预制分子最好带有被保护基所保护的化学官能团，所述保护基可被电化学产生的试剂去除。如果基质表面上的分子没有可被电化学产生的试剂去保护的化学官能团，就无法在该分子上发生后继单体或预制分子的结合。较好的是，保护基位于接头分子、单体或预制分子相对于基质的远末端。即，接头分子最好以化学官能团为末端，所述官能团例如氨基或羧基，它们带有可被电化学去除的保护基。单体、接头分子和预制分子上的化学官能团包括各种化学反应性官能性。通常，化学官能团与相应的保护基结合，其选用取决于要合成的产物。本发明中，分子通过共价键或离子相互作用与去保护化的化学官能团结合。

本发明方法用以合成各种聚合物的单体包括一组可连接成聚合物的小分子的全体成员。这样的一组包括但不限于，常见L-氨基酸组，D-氨基酸组，合成氨基酸组，核苷酸组和戊糖及己糖组。在此，单体包括合成某聚合物基本组中的任一成员。例如，L-氨基酸三聚体组成了一组约8000个单体用以合成多肽。用本发明方法合成聚合物时，可相继使用不同的基本单体组。本发明合成方法所用的单体数量差异很大，例如可用2个至数千个单体，在优选实施例中，单体数量从4个至200个不等，更好的是，单体数量从4个至20个不等。

可用于本发明方法的其他单体还包括可被修饰的单体组，即可向上添加化学基团的单体，例如前列腺素、苯并二氮杂、血栓素和白三烯。本发明还包括可用于聚合物合成的单体与可被修饰单体的组合。上述单体都可从大多数化合物供应商处获得其非保护形式，Bachem Inc．，Torrance，California则提供它们中大多数(若非全部)的被保护形式。用于合成核酸的亚磷酰胺(phosphoramidite)可向Applied Biosystem，Inc．，Foster City，California获取。

在本发明优选实施例中，所述单体是含有位于氨基端或羧基端的保护基的氨基酸，所述保护基可被电化学产生的试剂去除。以α氨基酸为单体通过酰胺键连接而成的聚合物是多肽。在本说明书中，必须理解，氨基酸可能是L光学异构体或D-光学异构体或两者的混合物。肽至少长2个氨基酸，一般超过20个氨基酸单体。

而且，基本上，任意预制分子都可与基质、基质上的涂覆层、单体或接头分子结合。预制分子包括，例如，蛋白质，特别是受体、酶、离子通道和抗体，核酸，多糖，吗啉等。预制分子一般不在本发明基质上形成。在优选实施例中，预制分子与分子、单体或另一预制分子上的去保护基团结合。就此而言，已经固定于基质的预制分子还具有至少一个被保护的化学官能团，在将该化学官能团去保护后，单体或其他预制分子可与之结合。

保护基是与单体、接头分子或预制分子结合，保护单体、接头分子或预制分子上反应性官能团的物质，它们可在选择性地接触活化剂(例如电化学产生的试剂)后被去除。用于本发明的保护基包括所有酸或碱不稳定性保护基。例如，肽的胺基团宜用酸不稳定性的叔丁氧基羰基(BOC)或苄氧基羰基(CBZ)，或碱不稳定性的9-芴基甲氧基羰基(FMOC)加以保护。此外，亚磷酰胺上的羟基可用酸不稳定性的二甲氧基三苯甲基(DMT)保护。核苷尤其是亚磷酰胺上的环外胺基团的保护，腺苷和鸟苷上宜用二甲基甲脒，胞苷上宜用异丁基，两者都是酸不稳定性保护基。这一保护策略称快速寡核苷酸去保护(FOD)。以此方式保护的亚磷酰胺称FOD亚磷酰胺。

本发明可用的其他保护基包括保护氨基的酸不稳定性保护基：叔丁氧基羰基，叔戊氧基羰基，金刚烷氧基羰基，1-甲基环丁氧基羰基，2-(对二苯基)丙(2)氧基羰基，2-(对苯基偶氮苯基)丙(2)基氧羰基，α，α-二甲基-3，5-二甲氧基苄氧基-羰基，2-苯基丙(2)氧基羰基，4-甲氧基苄氧基羰基，苯氧基羰基，糠基氧基羰基，三苯甲基，对甲苯亚磺酰氨基羰基，二甲基硫瞵基，二苯基硫瞵基，2-苯氧基-1-甲基乙烯基，邻硝基苯基亚磺酰基和1-亚萘基；保护氨基的碱不稳定性保护基：9-芴基甲氧基羰基，甲基磺酰基乙氧基羰基和5-苯基苯基异吡咯基亚甲氧基羰基；保护氨基的还原不稳定性保护基：二硫琥珀酰基，对甲苯磺酰基和哌啶子基-氧基羰基；保护氨基的氧化不稳定性保护基：(乙硫基)羰基；保护氨基的杂试剂不稳定性保护基，基团后的括弧中是对应的试剂：邻苯二甲酰基(肼)，三氟乙酰基(哌啶)和氯乙烯基(2-氨基硫苯酚)；保护羧基的酸不稳定性保护基：叔丁酯；酸保护羟基的不稳定性保护基：二甲基三苯甲基；保护磷酸三酯基的碱不稳定性保护基：氰基乙基。

如上所述，可在合成反应的任意时刻封闭未反应的已去保护的化学官能团，避免在该分子上的继续结合。封端基团通过例如与未反应的氨基反应形成酰胺来封闭去保护的官能团。适用于本发明的封端剂包括乙酸酐，n-乙酰基咪唑，甲酸异丙酯，胺荧，3-硝基邻苯二甲酸酐和3-硫代丙酸酐。其中，优选乙酸酐和n-乙酰基咪唑。

根据本发明，基质表面最好具有一层接头分子。接头分子允许单体或预制分子与基质或基质上的涂覆层间接连接。较好的是，用调孔玻璃(CPG)作为涂覆层材料，使接头分子最好通过硅-碳键与涂覆层连接。接头分子还有助于已合成聚合物对靶分子的识别。而且，最好根据亲水性／疏水性选择接头分子，以改善已合成聚合物向受体的呈递。例如，以亲水性受体为例，优选亲水性接头分子，以使受体更接近已合成聚合物。

接头分子宜足够长，以允许已完成基质上的聚合物自由地与接触基质的结合性物质相互作用。使用接头分子时，以长650个原子为宜，从而使官能团自由接触结合性物质。适用于本发明的接头分子包括，例如，芳基乙炔，含2至10个单元的乙二醇寡聚物，二胺，二酸，氨基酸，和以上物质的组合。参照在此公开的内容，本发明不同实施方式所用的其他接头分子对本领域熟练技术人员来说是显而易见的。

根据另一个优选实施例中，可使接头分子在中间位置具有一个可剪切基团，该基团可被电化学产生的试剂剪切。该基团最好以不同于去除保护基所用的试剂剪切。这能够使得各种合成聚合物或核酸序列在合成完成后由电化学产生的试剂作用而离去。具体地说，本发明可用酸不稳定性4，4’-二甲氧基三苯甲基分子与环外活泼酯的衍生物。此类接头分子可购自Perseptive Biosystems，Framignham，Massachusetts。更好的是，在合成DNA时，用N-琥珀酰亚氨基-4-[二-(4-甲氧基苯基)-氯甲基]-苯甲酸酯作为可剪切接头分子。该分子的合成和使用参见“用于改进生物分子合成的挥发性酸不稳定性接头”，Brian D．Gildea，James M．Coull和Hubert Koester，Tetrahedron Letters，第31卷，No．49，pp．7095-7098(1990)。或者，可同时对整个列阵使用其他方式的剪切，例如化学试剂、光或热。

使用可剪切基团可在任何合适的时候将合成分子(例如聚合物或核酸序列)从电极列阵上解离或分离。这种解离允许已合成的聚合物或核酸序列转移到另一电极列阵或第二基质。第二基质可含细菌，分析原电极列阵上合成的分子杀死细菌的效果。或者，第二基质可用于纯化原电极列阵上合成的物质的纯度。显然，本领域熟练技术人员可想出多种将原电极列阵上合成的分子转移至第二基质的用途。

本发明的分子，例如单体、接头分子和预制分子，可直接固定于基质，或可固定于涂覆基质的分离物质层或薄膜。可形成涂覆基质的层或薄膜，使得分子可与之结合从而由电化学产生的试剂进行修饰的材料包括：调孔玻璃(CPG)；同属聚合物，诸如聚四氟乙烯、尼龙、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、聚氰基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚酰胺、聚亚酰胺、聚硅氧烷、聚硅酮、聚腈、聚电解质、水凝胶、环氧聚合物、蜜胺、氨基甲酸乙酯、以上物质及其他聚合物的共聚物和混合物；生物衍生的聚合物，例如多糖、聚透明质酸、纤维素和几丁质；陶瓷，例如氧化铝、金属氧化物、粘土和沸石；表面活性剂；硫醇；自组装单层；多孔碳；和fullerine物质。薄膜可通过旋转涂覆、蘸涂或手工涂覆，或其他任何合适的形式涂覆在基质上。

可电化学产生于电极处的试剂分为两大类：氧化剂和还原剂。还有许多其他试剂也可用于本发明。可电化学产生的氧化剂包括：碘、碘酸盐／酯、高碘酸、过氧化氢、次氯酸盐、偏钒酸盐、溴酸盐、重铬酸盐、铈(Ⅳ)和高锰酸盐。可电化学产生的还原剂包括铬(Ⅱ)、亚铁氰化物、硫醇、硫代硫酸盐、钛(Ⅲ)、砷(Ⅲ)和铁(Ⅱ)。其他试剂包括溴、氯、质子和羟离子。上述试剂中，优选的是质子、羟离子、碘、溴、氯和硫醇。

根据本发明合成方法的优选实施方式，缓冲液和／或清除液与每一电极都接触。本发明可用的缓冲液和／或清除液缓冲质子和／或氢氧根等离子，或清除这些离子，显然，也可使用可被缓冲和／或清除的其他电化学产生的试剂。缓冲液的作用是防止列阵内电极间电化学产生的试剂扩散而发生化学串话，清除液的作用是发现电化学产生的试剂并通过与之结合或反应将其中和／灭活。这样，可用缓冲液和／或清除液积极控制电化学产生的试剂的空间扩散。图37图示了这一功能。根据本发明，缓冲液和清除液可分别使用或联合使用。最好使用缓冲液，因为与清除液相比，缓冲液的能力更容易长久维持。

本发明可用的缓冲液包括液相或部分液相合成所用的各种电解质盐溶液。本发明优选的缓冲液包括：pH5左右的乙酸盐缓冲液；pH8左右的硼酸盐缓冲液；pH9左右的碳酸盐缓冲液；pH6左右的柠檬酸盐缓冲液；pH3左右的甘氨酸缓冲液；pH7左右的HEPES缓冲液；pH7左右的MOPS缓冲液；pH7左右的磷酸盐缓冲液；pH8左右的TRIS缓冲液；和通过I₂+I^-=I₃ ^-平衡反应缓冲碘浓度的0．1M KI溶液，该反应的平衡系数约为10^-2。

或者，可与缓冲液一起联用清除液，其中含叔胺之类物质作为质子清除剂，或含磺酸之类物质作为非水性介质中羟离子的清除剂。清除试剂／物质的速度取决于反应本身的速度和清除剂的浓度。例如，溶剂是很好的清除剂，因为它们的存在浓度通常很高。大多数分子的清除是非选择性的，然而，有些分子，例如超氧化物歧化酶和辣根过氧化物酶的清除是选择性的。

本发明特别感兴趣的是这样的清除剂分子，它们能够清除例如电极处水电解产生的不同反应性物质，这包括羟基自由基、超氧化物、氧自由基、和过氧化氢。羟基自由基是已知的最活跃的分子之一，它们的反应速度受扩散的控制，即，它们与最先遇上的反应物反应。当水电解产生羟基自由基时，它们遇到的第一个分子通常是水分子。因此，水是迅速而有效的羟基自由基清除剂。超氧化物也较活泼，但可在非水性介质或部分水性介质中稳定存在。在水性介质中，超氧化物与包括水在内的大多数分子迅速反应。在许多溶剂中，它们可以被超氧化物歧化酶选择性地清除。

氧自由基是一族以自由基形式存在的氧。它们可被许多分子清除，例如水和抗坏血酸。过氧化氢是一种中等活性的物质，在合成化学中特别有用。过氧化氢可被水和许多类型的氧化剂和还原剂清除。过氧化氢被清除的速度取决于所用清除剂分子的氧还电势。过氧化氢还可被辣根过氧化物酶选择性地清除。另一种电化学产生的可被清除的物质是碘。碘是一种中强度氧化剂，也在合成化学中有用。碘可通过与羟离子反应生成碘离子和次碘酸盐而被清除。碘被清除的速度依赖于pH∶pH越高，碘的清除越快。上述清除剂分子可用于本发明。根据以上公开的内容，其他清除剂分子对本领域熟练技术人员来说显而易见。

根据本发明合成方法，缓冲液的使用浓度以0．01mM为宜。更好的是，缓冲液浓度为1-100mM，10-100mM则还要好。最好，缓冲液浓度为30mM。约0．1M的缓冲液浓度允许质子或羟离子在将pH缓冲均匀之前迁移100埃。更低的缓冲液浓度，例如0．00001M，将允许离子迁出数微米，根据列阵中电极之间的距离，该距离仍是可以接受的。

根据本发明方法，清除剂分子在溶液中的浓度取决于所用的特定清除剂分子，因为不同清除分子的反应速度不同。清除剂反应性越强，清除剂所需浓度越低，反之亦然。本领域熟练技术人员能够根据所选特定清除剂确定合适的清除溶液浓度。

近本发明基质的至少一个电极最好是一电极列阵。任意大小的电极列阵都可用，包括多达数百万电极的列阵。较好的是，列阵内的多个电极可同时由一个电源寻址和控制。更好的是，各电极由自己的电源寻址和控制，从而选择性应用不同的电压挑选列阵中的电极。就此而言，可将电极描述成是“可开关的”。

列阵不必是什么特定的形状，即，电极不一定是方形的矩阵。本发明想到的电极列阵几何形状包括：正方形；矩形；六方网格构成的线形和任意多边形列阵；同心圆网，其中的电极形成围绕同一圆心的同心圆，其外周可以是任意多边形；分形网列阵，其中电极的直径相同或不同。本发明还可使用交错排列的电极。但较好的是，电极列阵有至少100个电极，排成10×10的矩阵。图6显示了本发明使用的一例10×10矩阵的基质。该图还显示了该基质上一个电极的侧视图。

更好的是，电极列阵含至少4000个电极，排成例如20×20的列阵。还要好的是，列阵含2048个电极，排成例如64×32的矩阵，更好的是，列阵含204，800个电极，排成例如640×320的列阵。根据以上说明，本领域熟练技术人员还可以想到本发明可用的其他大小的列阵。

本发明宜采用所含电极直径从约1微米以下至约100微米(0．1毫米)不等的电极列阵。而且，根据本发明，不论电极直径如何，中心距约10-100微米的电极列阵是较好的。更好的是，两相邻电极间的距离约50-100微米。

如图6的侧视图所示，电极可与基质表面齐平。然而，本发明的优选实施例中的电极呈半球形而非扁碟形。更具体地说，半球形电极轮廓可用看上去象半球形的反正切函数表示。本领域熟练技术人员对这种形状的电极是很熟悉的。半球形电极有助于保证电极辐射状轮廓上的电压一致。即，半球形电极帮助确保电极边缘的电压不大于电极中部，从而确保电极上各处以相同的速度产生电化学试剂。

构成本发明电极的材料包括但不限于：贵金属，例如铱和／或铂，钯、金、银，或铜、汞、镍、锌、钛、钨、铝等其他金属；各种合金；其他导电材料，例如碳，包括玻璃碳、网纹碳、基面石墨、边面石墨和石墨。还包括氧化铟锡等掺杂氧化物，和氧化硅和砷化镓等半导体。此外，电极还可由导电聚合物、金属掺杂聚合物、导电陶瓷和导电粘土等制成。贵金属中，特别好的是铂和钯，因为它们具有与其氢吸收能力相关的优良特性，即，它们能够在用于本发明方法之前“预载”氢。

根据本发明的其他优选实施例，有一个或多个电极靠近“接收”结构。较好的是，“接收”结构含第二电极。这第二电极可以是任意大小和形状。然而，它能够单独或与清除溶液和／或缓冲液一起清除电化学产生的试剂，或能够减少或消除离子向邻近电源例如半导体电路内扩散。该第二电极的材料可与上述选定电极相同。

本发明所用电极可以任意已知方式与电源相连。电极与电源的优选连接方式包括CMOS开关电路、射频和微波频率可寻址开关、光可寻址开关，和电极与半导体芯片周边上粘合片的直接连接。如本发明前文所述放置一“接收”结构，以及如图31和34-36所示的结构，有效延长了半导体芯片的寿命，所以，这样的连接特别有利。

CMOS开关电路包括将各电极与一CMOS晶体管开关相连。通过公用总线向与各电极相连的SRAM(静态随机访问存储)电路发出电寻址信号，以访问开关。当开关“打开”时，电极与电源接通。这是一种较好的运行方式。

射频和微波频率可寻址开关包括由RF或微波信号开关的电极。这使得电极可用和／或不用开关逻辑来推动。可将开关调节成接收一特定频率或调制频率，进行无开关逻辑的切换。或者，开关可同时使用以上两种方法。

光可寻址开关是由光来开关的。该方法中，电极也可以用或不用开关逻辑进行开关。可将光信号空间定位，进行不用开关逻辑的开关。为此，可以通过例如用激光束扫描一电极列阵，每当激光照亮一个电极时，该电极既被打开。或者，可照亮整个列阵，暂时调节光信号产生一码信号。然而，整体照亮需要开关逻辑。

还可以进行间接的光可寻址开关。该方法中，电极是半导体材料的。给半导体电极加低于其阈值电压的偏压。在足够低的偏压条件下，没有电化学反应发生，因为电子没有足够的能量来跨越能带隙。“打开”的电极将由其他方法打开。当电极被照亮时，电子将获得足够的能量跨越能带隙而发生电化学反应。

所以，当电极列阵被照亮时就会进行电化学反应。用该方法，可照亮整个电极列阵，或分别照亮各电极。该技术可用于不需要快速电开关的电化学快速脉冲。还可以将电极与半导体周边上的粘合片直接连接，虽然该连接方法会限制列阵的密度。

电化学产生所需的化学物质要求各电极的电压达到最低值。即，必须达到一定的最低电压，这可以通过调节电压或电流来达到。因此，有两种方法可在各电极上达到必需的最低电压：调节电压到必需值，或确定足以达到必需电压的电流。必需最小电压值取决于选择产生的化学试剂。本领域熟练技术人员可容易地根据所需化学物质确定必需电压和／或电流。所需的化学物质还确定了可用的最高电压。如果超过了所需化学物质相应的最高电压，可能产生非所需的化学物质。

本发明制备的基质具有多种用途，包括，例如，筛检大量聚合物的生物活性。例如，在药物开发领域，为了筛检生物活性，可将基质与一种或多种抗体、全细胞、载体上的受体、或许多其他受体接触。受体宜用电化学标记、电化学发光标记、化学发光标记、荧光标记、放射性标记、或用可与该受体反应的已标记抗体标记。标记在基质上的位置可用例如电化学、荧光或放射造影技术来确定。知道了结合发生位置上物质的序列，就可迅速确定哪一序列与受体结合，因此，该技术可用于筛选大量肽。

本发明方法还可用于开发治疗性物质，即，用于药物开发和生物材料研究，还可用于生物医药研究、分析化学和生物过程监控。本发明应用实例之一是诊断，其中，可将各种特定受体的配体加到一基质上，然后筛检例如血清。另一应用实例包括，将一种或多种预制受体分子放在基质上的选定位置，然后进行例如药物筛选，即将基质与候选药物分子接触，确定哪些分子与预制受体分子结合。

另一应用包括，例如，基因组DNA的杂交测序。另一应用包括在电极列阵芯片上的不同空间位置合成和展示不同量的分子或配体，然后直接在芯片上进行连续稀释实验。连续稀释实验告知(例如)配体和受体间特异性和非特异性结合间的差异。还可考虑非生物学应用，这包括生成不同掺杂程度的有机材料用于(例如)半导体装置。非生物学应用的其他例子包括抗腐蚀、防污染和涂料。

本发明特别考虑的是用于材料开发。可用本发明开发材料以满足多种目的，这包括但不限于：耐腐蚀、电池储能、电镀、低电压磷光、骨移植相容性、抗海洋生物污染、超导、外延晶格(lattice)匹配、或化学分析。以上或其他用途的材料可形成于一个或多个电极附近。或者，可通过电化学产生的试剂对一个或多个电极构成的表面进行修饰而形成这些材料。或者，可通过电化学产生的试剂对一个或多个电极的主体电极材料进行修饰而形成这些材料。

本发明还考虑用于开发对材料进行检测的方法。即，可用本发明电化学产生的试剂在一个或多个电极附近检测材料的理化特性。例如，熟练技术人员可方便的开发出用本发明电化学产生的试剂评价例如耐腐蚀性、电镀效率、化学动力学、超导性、电化学发光和催化剂寿命等特性的方法。

以下实施例将进一步阐明本发明，但它们只是本发明的举例。

实施例

实施例1：Leu-脑啡肽表位的合成

背景

内啡肽是一种天然小肽(含约20-40个氨基酸)，它结合脑内阿片制剂受体。已知，内啡肽的活性主要来自肽内末尾5个氨基酸。这末端的五肽称为脑啡肽。

检测Leu-脑啡肽表位的免疫荧光技术遵循标准检测方案。参见，例如，F．M．Ausubel等，Short Protocols in Molecular Biology，第三版，14册，pp．14-23(1995)。该实验需要一种第一抗体，例如3-E7单克隆抗体，和一种对第一抗体来源特异性的第二抗体-荧光染料偶联物，例如山羊抗小鼠荧光偶联物。3-E7抗体是抗内啡肽的小鼠单克隆抗体，它结合Leu-脑啡肽。该技术中的两种抗体都可向Boehringer Mannheim Biochemicals，Indianapolis，Indiana获取。

有关3-E7单克隆抗体的更多信息参见Meo Tommaso等，“阿片样肽信使序列Try-Gly-Gly-Phe的单克隆抗体表现出对哺乳动物阿片样受体的特异性要求”，Proc．Natl．Acad．Sci．USA．，80，pp．4084-88(1983)。

制备用于组合合成的电极列阵

如图6所示，使用10×10的铂电极列阵。以第1和第10列为反电极。列阵中的工作列为2、3、5、6和7。该合成中，第4、8、9列从不激活。

修饰该列阵表面：在半导体制造过程中，在合适条件下，在列阵表面沉积一层二氧化硅，形成渗透性调孔玻璃(CPG)膜层。CPG形成离子渗透性化学惰性膜。通过氯甲基甲硅烷的硅烷化作用官能化该膜。用含10个乙二醇的乙二醇接头分子进一步修饰氯甲基甲硅烷基团：硅烷化的CPG膜与含10个乙二醇、两端为两个氨基的分子反应。该膜提供了一层涂覆列阵表面的氨基官能化层，氨基则通过甲硅烷基与CPG相连。二氨基乙二醇的作用是作为膜和形成的表位分子之间的接头分子(间隔基)。

膜上的其他被保护官能团

涂覆电极表面的官能化CPG膜接触含苄氧基羰基(CBZ)保护的1-亮氨酸的偶联剂的DMF溶液室温下接触2小时，所述偶联剂例如但不限于环己基碳化二亚胺(DCC)或二异丙基碳化二亚胺。该接触过程使得涂覆列阵的CPG膜完全被CBZ-保护的1-亮氨酸所覆盖，该基团通过乙二醇接头分子与膜相连。图7显示了这一被官能团涂覆的膜。这就是形成表位分子的分子床。

然后，用0．1M，pH7．4的磷酸盐水缓冲液洗涤官能团涂覆的膜层3次。

去除保护基(去保护)

用电化学产生的试剂(质子)去除被保护氨基酸上的CBZ保护基，即去保护，如下进行：

参见图6电极列阵，进行预处理：相对于作为反电极的列1和10，给列2、3、5、6和7加上负偏压。该系统中没有参照电极。压差约3伏，通电约10秒。这步预处理由负偏压在电极处产生羟离子，在带正偏压的反电极处产生质子。这步预处理还使负偏压电极处的质子还原成氢。铂电极吸收并在金属内保留部分氢分子。

预处理后，将偏压反向。第1和10列电极(反电极)相对于第2、3、5、6和7列加负偏压。压差约2．6伏，通电3秒。这一步通过水的电解和氧化铂电极在预处理步骤中所吸收的氢分子而在正偏压电极处形成质子。预处理和这一步的结果，在第2、3、5、6和7列电极处，亮氨酸上的CBZ保护基被去除。

这两步产生去保护的反应性胺，如图8所示，它们仍原位(第2、3、5、6和7列)连接于亮氨酸分子上。

制备用于偶联的膜

为了制备反应性氨基所覆盖的膜用于将CBZ-L-苯丙氨酸与去保护的亮氨酸偶联，进行以下步骤：

用纯DMF将含有被反应性氨基所覆盖的膜的列阵洗涤2次。然后，电极列阵与含CBZ-L-苯丙氨酸和偶联剂(例如DCC)的溶液在室温下接触约2小时。这一步使得第2、3、5、6、7列的电极被CBZ-保护的亮氨酸-苯丙氨酸二肽所修饰。见图9。

然后，在第3、5、6、7列重复以上去保护和偶联步骤。即，电极列阵再次与pH7．4的0．1M磷酸盐缓冲液接触。然后，该电极列阵与含有CBZ-保护的甘氨酸和偶联剂的DMF溶液在室温下接触约2小时。结果，第3、5、6、7列电极被CBZ-保护的甘氨酸-苯丙氨酸-亮氨酸三肽修饰，见图10。

然后，在第5、6、7列重复以上去保护和偶联步骤。即，电极列阵再次与pH7．4的0．1M磷酸盐缓冲液接触，然后与含有CBZ-保护的甘氨酸和偶联剂的DMF溶液在室温下接触约2小时。结果，第5、6、7列电极被CBZ-保护的甘氨酸-甘氨酸-苯丙氨酸-亮氨酸四肽(G-G-F-L)修饰。

然后，在第6、7列重复以上去保护和偶联步骤。即，电极列阵再次与pH7．4的0．1M磷酸盐缓冲液接触，然后与含有CBZ-保护的酪氨酸和偶联剂的DMF溶液在室温下接触约2小时。结果，第6、7列电极被CBZ-保护的酪氨酸-甘氨酸-甘氨酸-苯丙氨酸-亮氨酸五肽(Y-G-G-F-L)修饰。

然后在第2、3、5、6列重复不进行预处理的去保护，以去除组合合成序列末端氨基酸上的CBZ-保护基。该过程得到以下序列：

第1和10列：被被保护Leu-脑啡肽表位修饰(这些是反电极)。

第2列：被去保护二肽F-L修饰。

第3列：被去保护三肽G-F-L修饰。

第4、8、9列：被CBZ保护的亮氨酸修饰。

第5列：被去保护四肽G-G-F-L修饰。

第6列，被去保护的亮氨酸-脑啡肽表位修饰。

第7列，被CBZ保护的亮氨酸-脑啡肽表位修饰。

3-E7单克隆抗体试验

含10个被修饰列的被修饰电极列阵通过前文Leu-脑啡肽表位检测技术与3-E7单克隆抗体接触，再与山羊抗小鼠荧光偶联物接触。然后，用表面荧光显微镜检查该电极列阵。预计结果如图12和13所示。如图所示，第6列电极处有活性Leu-脑啡肽表位(第6列是唯一被去保护亮氨酸-脑啡肽表位修饰的列)。

注意：反电极上(电极列1和10)进行了合成，因为在每次预处理步骤(去保护)中，反电极处都产生质子。因为在最后去保护时没有进行预处理，最后这一步没有在反电极处产生质子，反电极处产生的是被保护的Leu-脑啡肽表位，它们不与抗体-荧光剂偶联物反应。

实施例2：脱氧核糖核酸的组合合成

背景

组合合成DNA的单体单位称为亚磷酰胺。亚磷酰胺通过磷酸二酯键连接成一条单链核酸聚合物。因为其中的磷在合成中被氰基乙基醚保护，这些键为磷酸三酯键。该氰基乙基可在合成最后用碱去除，得到磷酸二酯键。亚磷酰胺有两个末端，分别称3’端和5’端。一个亚磷酰胺的3’端与另一亚磷酰胺的5’端偶联。通常，3’端固定于固相支持物，5’端被另一亚磷酰胺修饰，从而启动合成循环。5’端是可用二甲基三甲苯基(DMT)保护的羟基。DMT基团是酸不稳定性保护基。

有4种形成DNA聚合物的天然脱氧核甘酸单体。它们是腺苷(A)、胸苷(T)、胞苷(C)和鸟苷(G)。DNA被视作酸是因为将单体结合在一起的磷酸二酯键是酸性的。核苷(A、T、C、G)是有机碱。天然DNA一般长数千万至十亿个碱基对。以下实施例将制备一段15碱基对的DNA。该长度的DNA被称为寡核甘酸。DNA分子至少得这么长，否则难以区分彼此。

对核苷加以保护是因为环外胺碱基(A、C、G)很容易被酸降解。这些碱基上的保护基是碱不稳定性的。亚磷酰胺有3种保护基。它们是保护5’羟基的DMT基团，保护磷部分的氰基乙基醚基团，保护核苷碱基环外胺的FOD(快速寡核甘酸去保护)基团。DMT是酸不稳定性的，其余是碱不稳定性的。

大多数天然DNA呈“双链”形式，具有著名的双螺旋结构。这表示：两条单链DNA通过核苷碱基间的相互作用而结合。核苷碱基T与A作用形成A-T键。核苷碱基C与G作用形成C-G键。只有A-T键和C-G键是稳定的相互作用；其他相互作用都很弱。除A-T键和C-G键之外的连接称为错配。当两条互补DNA形成双链时称之为杂交。当双链中的DNA单链相互分离时，称之为变性。DNA双链通常在受热和／或处于低离子强度水溶液时发生变性。

为了确定某特定位置上是否合成了特定的DNA序列，使用探针DNA链，它们与设想在所述位置合成的链互补。以荧光染料共价标记探针链。探针链将与表面上序列正确或不正确的DNA分子结合。然而，错配(即不是A-T和C-G的连接)DNA双链的熔点要比互补(即是A-T和C-G的连接)链低得多。这样，加热后，与不正确DNA形成双链的探针将先变性。提高温度，直至所有错配DNA双链都变性，通过用表面荧光显微镜观察荧光染料，就能够只将序列正确的DNA检测出来。或者，先用低离子强度水溶液洗涤测试表面。这与提高温度的作用相同，但实验上更方便。

合成过程

首先，用丙烯酸酯／聚乙烯醇共聚物层或膜修饰电极列阵。共聚物曾含许多悬垂羟基，它们可与亚磷酰胺反应。然后，经聚合物修饰的列阵与含有DMT-保护的胞苷亚磷酰胺和0．05M四唑的无水乙腈室温下反应30秒。胞嘧啶碱基和本实施例所用其他碱基都用FOD保护基保护。(FOD保护基提供防止环外胺降解的最好保护)。然后，该列阵用无水乙腈洗涤。然后，表面与乙酸酐和1-甲基咪唑的无水乙腈溶液接触30秒，封闭表面上未反应的羟基。这使得表面上各处都被DMT保护的C碱基单位所修饰。

聚合物与亚磷酰胺间的三价亚磷酸酯键被电化学产生的碘氧化成更稳定的五价磷酸三酯键。所述碘是碘化钾水性THF溶液中的碘离子被氧化而电化学产生的。可以通过碘缓冲反应和清除反应将碘限制在其产生区域。通过一平衡反应来缓冲碘，其中，碘离子形成三碘离子。三碘离子是无用的。而且，可就羟基离子缓冲溶液，使之呈弱碱性。而且，碘与羟离子反应形成碘离子和次碘酸根。这两种化学物质都是不反应的。因此，羟离子具有碘离子清除剂的作用。因为在产生质子的条件下也会发生碘离子被电化学氧化成碘，所以可在产生碘时使局部环境呈酸性。在需要碘呈反应性的酸性区域不会发生清除作用。结果，只有电化学产生碘的电极上才有稳定的与聚合物膜结合的磷酸二酯键。重复地与乙酸酐封闭溶液反应将最终清除未氧化的亚磷酸酯连接基团。

接着，电极列阵与0．1M的磷酸钠溶液接触。在第一选定区加正电压1秒种，第一选定区内胞苷亚磷酰胺上的DMT保护基被去除。然后以无水乙酸酐洗涤列阵。列阵然后与0．05M的胸苷亚磷酰胺T和四唑的无水乙腈溶液反应30秒。T核甘酸与C核甘酸在第一选定位置反应形成C-T二聚物。如前所述，封闭残留的未反应C核甘酸，将亚磷酸酯键还原成磷酸三酯键。

在第2、3、4……选定位置重复以上过程，在列阵上选定位置组合合成4种不同的15元寡核甘酸。然后，该列阵与0．1M的氢氧化铵水溶液在50℃接触1小时。磷酸三酯上的FOD保护基和氰基乙基保护基被羟离子去除。所得列阵为与聚合物膜共价连接的单链寡核酸。

评价列阵的正确性

用4种不同的与列阵上所合成寡核甘酸互补的荧光标记探针寡核甘酸检测列阵的正确性。列阵与第一种荧光标记寡核甘酸探针在0．1M磷酸钠缓冲液pH7．2中所成的100nM溶液室温下接触30分钟。然后用pH7．2的0．1M的磷酸钠缓冲液洗涤列阵3次。然后用表面荧光显微镜观察列阵。亮点出现在寡核甘酸探针所在的第一区。为了确保寡核甘酸探针的确与其互补链杂交，用70℃的去离子水洗涤列阵数次，每次5分钟。再次用表面荧光显微镜观察列阵，看到一暗区。这说明探针的确与其互补链杂交，所得结果不是非特异性吸附所致。然后，列阵与第二种荧光标记寡核甘酸在0．1M磷酸钠缓冲液pH7．2中所成的100nM溶液接触。然后，洗涤该列阵，用表面荧光显微镜观察，并检测非特异性吸附。亮点出现在合成核甘酸探针所在第二区。在第3、4区重复以上过程。对照区将不结合荧光标记的探针，因而在该试验中到处都亮。

实施例3和比较实施例4

拍摄各种条件下各电极列阵芯片的数字显微照片，以记录和再现以下实施例和比较实施例的结果。

记录结果-拍摄照片

用Olympus BX60显微镜和Pulmx TM-745积分CCD相机拍摄显微照片。用奔腾个人电脑运行的数据翻译DT3155视频捕获卡控制相机并捕捉图象。本领域一般技术人员都能够写出控制DT3155卡的软件。

大多数显微照片是用10倍物镜拍摄的，它允许每帖图象上看到16个电极：然而，为了进行评价，有时对图象进行修剪从而集中于感兴趣电极的活性。有时也用4倍物镜。拍摄了两种显微照片。有些是用白光照明拍摄的。在这些照片中，电极显示反光。例如图14。大部分显微照片是用表面荧光照明拍摄的。在这些照片中，未被涂覆即没有荧光涂层的电极是暗的，因为钯等金属电极会熄灭存在的荧光。

荧光显微包括从芯片表面上方沿垂直于芯片表面的方向照射电极列阵。照射光线经滤光得到集中于所用荧光染料激发波长的窄带光。以下实施例和比较实施例所用荧光染料是Texas红，它在595nm处吸光度最大。该染料受约295nm波长激发时，以615nm最大发射波长发出荧光。Texas红可向Molecular Probes购买。Olympus BX60显微镜中的Eugene Oregon滤光镜防止激发光进入CCD相机的光学探测器。Olympus BX60显微镜配有业内认可的以Texas红进行表面荧光显微的仪器组合件。

图14-16是用白光和表面荧光照射得到的显微照片例。图14和15是没有涂覆层的电极列阵芯片，图16是涂有荧光膜的电极列阵芯片。

电极列阵芯片的描述与制备

以下实施例和比较实施例所制备和所用芯片呈矩形，由直径100微米的铂电极组成一16(x方向)乘64(y方向)的列阵。这些列阵中的电极总数为1024。芯片大小约为0．5cm(x方向)乘2．3cm(y方向)，芯片的总表面积约1cm²。各列阵中，电极中心之间在x方向相距250微米，y方向相距350微米。

列阵内各电极可用一SRAM(静态随机访问存储)单元分别寻址，这是业内认可的列阵内电路分别寻址的标准方法。SRAM单元与电极相邻，在与电极相连的电路中。列阵内各电极有4根分开的可开关电源线与之连接，使得列阵内各电极可单独由其中一根切换到另一根。电压是认为确定的，由外部电源决定。

以下实施例和比较实施例所用芯片中，在芯片边缘另有13个电极与粘合片硬连接，表明它们不象16×64列阵内的电极那样可开关、可分别寻址。这13个电极除一根电源线外没有电路与之相连，因此允许在它们上面进行的实验不涉及相关的电极列阵。参见例如图17，该图显示对硬连接电极的三角定向，其中，电极的中心距为250微米。

该芯片用数字／模拟混合甚大规模集成(VLSI)电路，以3微米工艺制造。本领域熟练技术人员对该方法是熟悉的，用该方法，不难制造出用于本发明的芯片。参见，Mead．C．，Analog VLSI and Neural System，Addison Wesley(1989)。所用电路以CMOS(补充金属氧化物硅)为基础，也是本领域熟练技术人员所熟悉的。

芯片由至少一块Advantech PCL-812数字I／O卡(电脑内)控制，该卡由奔腾电脑驱动。该数字I／O卡可向Cyber Research．Branford Connecticut购买。较好的是，芯片通过界面硬件，即界面卡与I／O卡相连。本领域熟练技术人员都能够写出驱动I／O卡的软件。由PCL-812和／或Hewlett-Packard E3612A DC电源向芯片提供DC电压。由PCL-812卡和／或外部Keithley 2400电源测量单元提供电极电压。

电极列阵芯片被设计成：芯片上所有电路的粘合片都位于芯片长边的一端。参见图18a和18b。芯片与对半锯开的标准121针PGA(插脚栅格列阵)标准件相连，使得芯片约有2em从末端伸出，就象跳板。参见图18b。PGA标准件可向Spectrum Semiconductor Materials，San Jose，California购买。连接线连接着芯片上的粘合片和PGA标准件上的触点(粘合片)。芯片上的粘合片、连接线和PGA上的触点用环氧树脂包裹，以加以保护和绝缘。参见图18a剖面图。向外伸出的芯片部分具有电极列阵，没有环氧树脂包裹。芯片的这部分可浸入有关的溶液，在芯片表面的电极上进行化学合成。本领域一般技术人员不难构造和设计出适用于本发明的芯片。

实施例3(本发明)-去保护和局域化

背景说明

本实施例使用上述具有16×64铂电极的电极列阵芯片。如上所述，该芯片具有13个硬连接的电极位于芯片长边的一端，本实施例不用到这些硬连接的电极。

本实施例例举的化学合成显示用电化学产生的试剂进行的定位和选择性去保护，这包括：将荧光标记的链霉亲和素分子(一种常用亲和素，可向VectorLaboratories购买)与涂覆在电极列阵芯片上的膜通过三苯甲基接头分子相连。涂覆膜以多糖为基础。所用三苯甲基接头分子是酸不稳定性的，即对质子不稳定，当存在质子时，会带着所连的荧光标记的链霉亲和素分子一起从膜上解离。更具体地说，所用三苯甲基接头分子是经修饰而带有环外活泼酯的4，4’-二甲氧基三苯甲基，可向Perseptive Biosystem，Framingham，Massachusetts购买。

实验过程用于连接分子的芯片的制备

为了将分子，具体地说是三苯甲基接头分子，与电极列阵芯片表面连接以便在电极附近进行合成和／或去保护，用多糖为基础的材料涂覆／修饰芯片。具体地说，本发明使用聚半乳糖苷作为涂覆膜材料。聚半乳糖苷膜蘸涂在芯片上。然而，本领域一般技术人员所熟悉的各种技术的蘸涂或其他涂覆都可以。三苯甲基接头分子的连接

用多糖膜涂覆电极列阵芯片后，将三苯甲基接头分子固定于芯片。本实施例所用三苯甲基接头分子是经修饰而带有环外活泼酯的4，4’-二甲氧基三苯甲基，具体地说，该分子是N-琥珀酰亚氨基-4[二-(4-甲氧基苯基)-氯甲基]-苯甲酸酯。有关该分子的合成与使用，参见“一种用于生物分子修饰与合成的多能酸不稳定性接头分子”，Brian D．，Gildea．，James M．，Coull和Hubert Koester，Tetrahedron Letters，第13卷，No．49，7095-7098(1990)。

将涂有多糖膜的芯片浸在含0．5M高氯酸叔丁基铵、0．75M 2，4，6-可力丁和0．2M三苯甲基接头的DMF溶液中。涂有多糖膜的芯片在DMF溶液中常温浸泡30分钟。然后，用DMF洗涤涂有三苯甲基接头分子的芯片，去除残留反应物。接着，用pH8．0的0．1M磷酸钠水性缓冲液洗涤涂有三苯甲基接头分子的芯片，并干燥。荧光染料标记的分子的连接

然后，将涂有三苯甲基接头的芯片浸在50μg／ml荧光染料(Texas红)标记链霉亲和素的水溶液中，常温下浸1小时。在此期间，接头分子被衍生，荧光标记的链霉亲和素分子与接头分子结合。

然后，用pH8．0的0．1M磷酸钠水性缓冲液洗涤含有荧光标记的链霉亲和素分子的芯片，去除残留反应物，并干燥。至此，芯片可用于本发明的电化学过程，即选择性去保护步骤。

在所制芯片与荧光标记的链霉亲和素分子接触之后，接通电流或电压之前，列阵内所有电极都发荧光，因为它们上面的膜含有通过三苯甲基接头分子与之结合的荧光标记的链霉亲和素分子。这样的显微照片见图19a。选择性去保护

为了进行选择性去保护步骤，将所制芯片浸在0．05M磷酸钠水性缓冲液中，为的是电化学产生试剂。给选定电极加2．8伏的压差(按棋盘格式交替)，通电约10分钟，在电极处电化学产生质子。

在阳极电化学产生质子后，阳极变暗，因为原先与阳极结合的三苯甲基从阳极上解离，荧光标记的链霉亲和素分子被洗去。这发生在阳极而不发生在负极，正负电极间的这种棋盘式差异程度反映列阵内电极间化学串话的程度。即，如果发生化学串话，阴极也将变暗，因为质子将迁移而解离阴极的三苯甲基接头。

因此，在表面荧光显微镜下，亮电极(阴极)说明电极上有与接头分子连接的Texas红标记的链霉亲和素分子，暗电极(阳极)说明电极上没有与接头分子连接的Texas红标记的链霉亲和素分子。参见图20和21，图20以4倍物镜，积分2秒拍摄而成，图21以10倍物镜积分500毫秒拍摄而成。

结果

将芯片干燥后，进行去保护步骤，然后拍摄电极列阵的显微照片，见图20和21。其中，用本发明方法做到了选择性去保护。其中，产生了交替的棋盘格式，说明本发明所实现的过程将所产生的质子局限于阳极，防止了这些质子向阴极迁移。暗区(阳极)界限清晰，亮区(阴极)也界限清晰，两者区分明显。显微照片中这一分界清晰的棋盘格式表明：在去保护步骤中，没有发生化学串话，或者发生程度很低。

实施例4一比较实施例

使用两个按本发明制备的电极列阵芯片，对芯片之一按本发明用缓冲液进行选择性去保护，对另一芯片去保护的区别仅在于用Southern(WO93／22480，1993年11月11日)实施例中的电解质替换本发明的缓冲液。

以上比较不用电极列阵而在电极列阵芯片边上的硬连接电极上进行。图17是在与图14相同条件下拍摄的显微照片，但显示本实施例中的硬连接电极。按照本发明进行的去保护

按照实施例3所用过程用多糖膜涂覆芯片，并将三苯甲基接头分子与膜连接。

按照实施例3固定荧光染料标记的链霉亲和素分子并进行去保护，但用20mM的磷酸钠水性缓冲液代替实施例3所用0．05M溶液，得以电化学产生试剂。选定电极间的电压是2．8伏，通电约30秒。

由此获得了与实施例3类似的结果。见图22-24。

图22显示以上过程中的硬连接电极T1、T2和T4。该过程中，T1是反电极，即阴极，T2和T4是接通电流或电压后产生质子的阳极。图22所示的电极都没有接通电压。

图23显示以荧光标记链霉亲和素衍生或与之结合后的上述电极。如图所示，T2和T4是亮的，说明这些电极上有与接头分子结合的Texas红标记的链霉亲和素。

图24显示通电压在阳极电化学产生质子，引起这些位置上的三苯甲基解离后的阳极T2和T4。发生解离后，荧光标记的链霉亲和素分子被洗去，使阳极变暗。注意，电极T2和T4比邻近电极暗，说明没有发生化学串话。

如图23和24所示，在阳极T2和T4处实现了局域化和选择性去保护。用Southern电解质(WO93／24480)去保护

所有步骤都与以上过程相同，按照本发明进行，所不同的是，不用本发明的缓冲液，如Southern的实施例所述，在1％的硫酸三苯甲基铵乙腈溶液中进行去保护。

该过程的结果见图25a、25b、26a和26b。所示电极T1和T4中，T1代表阴极，T4代表阳极。

图25a、25b、26a和26b显示：膜表现出无规、模糊的亮区和暗区。这些亮区和暗区表明：阳极(电极T4)产生的质子并没有局限在阳极附近，造成整个照片区域内三苯甲基接头基本上都解离。T1似乎保留了大多数就在该电极上方的荧光，这是因为阴极T1产生的碱中和了阳极T4附近产生的酸。

将显示本发明(即用缓冲液覆盖电极)所得结果的显微照片与用Southern电解质进行同样实验所得结果的显微照片相比，用本发明方法能更好的实现电化学产生试剂的局域化。本发明更好的局域化大大减少(即使不是消除)不希望发生的相邻电极间的化学串话。相比之下，用现有技术中的电解质，几乎无法做到电化学产生试剂的局域化，并因此导致整个照片区域内发生无规、不准确的去保护。

通过电化学催化的烯烃加成反应形成碳-碳键

根据以上实施例3和4所述进行显微照相和芯片控制。

本实施例使用具有16×64铂电极的和13个辅助硬连接电极的电极列阵芯片。本实施例中，在列阵边上的硬连接电极上进行了电化学反应。本实施例说明以本发明方法在活化烯烃和酸酐之间形成碳-碳键，所述活化烯烃固定于一个或多个电极附近，所述酸酐包含在一个或多个电极所接触的溶液中。涂覆膜以多糖为基础。活化烯烃与涂覆膜共价连接。更具体地说，活化烯烃是丙烯酰基。溶液中的酸酐是生物素酐。

用一种电化学活化的催化剂来介导生物素与固定化烯烃间的偶联。更具体地说，用维生素B₁₂作为催化剂。维生素B₁₂的活性组分是钴原子。通常，维生素B₁₂中钴原子的正式氧化形式是+3Co(Ⅲ)。维生素B₁₂可被电化学还原，使得钴原子的正式氧化态成为+1Co(Ⅰ)。+1Co(Ⅰ)是活泼的催化剂，该催化剂介导碳-碳键的形成。

试验过程制备以丙烯酰基修饰的多糖

通过以下过程将丙烯酰基加到多糖的羟基上。0．2g多糖，0．05g丙烯酰氯(Aldrich，Milwaukee，WI)，0．1ml吡啶(Aldrich，Milwaukee，WI)在5ml DMF(Aldrich，Milwaukee，WI)所成混合物在室温下搅拌30分钟。过滤分离悬浮多糖。依次用DMF、去离子水、丙酮洗涤丙烯酰基修饰的多糖。洗涤后的滤饼室温下真空干燥过夜。制备生物素酐

搅拌0．09g d-生物素(Sigma，St．Louis，MO)在5ml无水THF(Aldrich，Milwaukee，WI)中所成的悬浮液，用干燥氮气驱除其中气体。边搅拌悬浮液，边滴加30μl亚硫酰氯(Aldrich，Milwaukee，WI)。反应混合物在氮气氛下，室温下搅拌1小时。所有悬浮d-生物素都随反应而进入溶液。蒸发掉溶剂，用5ml无水THF吸收留下的固体，并过滤。将滤液搅拌滴加到0．09gd-生物素和44μl三苯甲基胺在5ml无水THF所成的悬浮液中。反应混合物在氮气氛下，室温下，搅拌1小时。然后过滤，过滤去除溶剂，分离出产物生物素酐。制备用于固定分子的芯片

为了通过生物素B₁₂介导形成碳-碳键将分子固定于电极列阵芯片表面，用基于多糖的表层膜涂覆／修饰芯片。具体地说，本发明用以丙烯酰基修饰的多糖作为表层膜。该膜是通过旋转涂覆涂到芯片上的。电化学介导的生物素和活化烯基间碳-碳键的形成

制备DMF溶液，其中含0．01M生物素酐、0．37mM维生素B₁₂和0．032M硝酸叔丁基铵。将芯片浸在溶液中，在阳极和阴极间通以3．0伏的电压5分钟。根据需要对不同电极重复以上过程。电化学反应结束后，从溶液中取出芯片，用去离子水和丙酮洗涤。以荧光标记的分子进行的试验

将电化学修饰的芯片浸在50μg／ml荧光染料(Texas红)标记的链霉亲和素水溶液中，浸1小时。荧光标记的链霉亲和素向Vector Laboratory(Burlingame，CA)购买。浸泡期间，固定于膜上的生物素分子与荧光标记的链霉亲和素分子形成复合物。

然后用pH8．0的0．1M磷酸钠水性缓冲液洗涤芯片，去除未与膜上固定的生物素分子复合的链霉亲和素。至此，该芯片即可用于表面荧光显微评价。

结果丙烯酰基和生物素之间碳-碳键的形成

在硬连接电极T1和T2之间通3．0伏压差，5分钟。T1是阴极，T2是阳极。然后，在硬连接电极T2和T4之间通以3．0伏压差，T4是阴极，T2是阳极。维生素B₁₂的电化学还原发生在阴极。然后，芯片与Texas红标记的链霉亲和素接触，并拍摄显微照片图27。阴极亮点说明有生物素结合于表层膜上。进行对照实验，排除人为误差造成假阳性的可能性。对照实验

为了证明所得结果是因为生物素和固定化活化烯烃间形成了碳-碳键，进行以下对照试验。对照实验所用条件与碳-碳键形成实验相同。

第一对照实验是为了确认维生素B₁₂是获得图27所必需的。如前所述，用丙烯酰基修饰的多糖膜制备芯片。然后将芯片浸在与形成碳-碳键所用相同但不含维生素B₁₂的DMF溶液中。阳极和阴极间接通3．0伏压差，5分钟。电极间没有可观察到的电流通过。在此压差下，没有维生素B₁₂的溶液中未产生电活性物质。然后，如前所述，将第一对照芯片与Texas红标记的链霉亲和素接触，并洗涤。结果见图28。没有发现形成了碳-碳键的证据。

第二对照实验是为了确认生物素酐底物是获得图27所必需的。如前所述，用丙烯酰基修饰的多糖膜制备芯片。然后将芯片浸在与形成碳-碳键所用相同但不含生物素酐的DMF溶液中。阳极和阴极间接通3．0伏压差，5分钟。然后，如前所述，将第一对照芯片与Texas红标记的链霉亲和素接触，并洗涤。结果见图29。没有发现形成了碳-碳键的证据。

第三对照实验是为了确认活化烯烃是获得图27所必需的。如前所述，用丙烯酰基修饰的多糖膜制备芯片。然后将芯片浸在与形成碳-碳键所用相同的DMF溶液中，但表层膜上没有活化烯烃。阳极和阴极间接通3．0伏压差，5分钟。然后，如前所述，将第一对照芯片与Texas红标记的链霉亲和素接触，并洗涤。结果见图30。实施例6背景

妨碍半导体装置接触含离子环境的主要是离子会扩散到装置内。尤其是，离子会扩散到装置内经过精确的离子掺杂而赋予特定电学特性的区域。一个重要的例子是金属氧化物半导体(MOS)晶体管电路元件的的栅极。其中，栅极区掺杂了阳离子或阴离子(即p掺杂或n掺杂)，使该区域具有半导体特性。晶体管栅极的阈值电压和电流-电压特性对掺杂程度非常敏感。

许多半导体装置的长期有效性取决于有效地将它们与离子污染隔开。半导体行业中所用的粘合剂和密封剂都经过处理，以尽可能降低其中的离子含量，一般低于百万分之几。

同样，对于使用所含选定电极的电活性受电脑信号控制的装置来说，离子污染也是一个潜在的问题，因为这样的装置将被浸在高浓度离子溶液中，或在其中长时间地工作。所以需要在其中加入这样的结构：它既可以监测又可以消除离子污染。

这样的装置被设计成通过清除从装置所在溶液扩散到装置内的离子起作用。这些污染离子可被消极清除，即通过与放置在离子和工作电路之间的物质发生电化学反应。或者，它们可被积极清除，即向电极提供电压，产生电场，使离子向电极移动而离开工作电路。我们称这种电极为“接收”结构。在“接收”结构旁边放置晶体管栅极，监测阈值电压的飘移，就可以监测离子污染情况。

在上述装置中，离子污染随时间的变化受到监测。为此，制备一个使用环接收电极作为栅极电极的晶体管。该晶体管的MOS栅极靠电化学电极很近。此时的MOS栅极是n掺杂的。所述装置被设计成允许接收电极的电压达到50伏。该晶体管的设计见图31。结果

对接收装置的最初评价证实：当芯片被浸在盐的水溶液中时，监测晶体管处有离子污染。图31显示了晶体管监测装置与0．1M NaPO₄溶液接触20分钟后阈值电压的漂移。测得数据拟和成为MOS曲线：V=V₀ln(I／I₀)。

离子对监测晶体管MOS栅极的污染似乎相当快。阈值电压升高，表明钠离子是主要污染物质。阈值电压升高是因为MOS栅极的电导下降。因为MOS栅极是n掺杂的，带正电的钠离子在某中程度上中和了用来掺杂栅极的阴离子。

还有第二种污染方式。可能，芯片表层很快被污染，但直到很久以后才发现对电路的影响。因为离子在芯片介电材料中扩散很慢，以至于一段时间以后，表面污染层的离子才扩散到装置的电路内。将芯片在0．1M磷酸钠水性缓冲液中浸泡20分钟，对此进行了验证。然后，将芯片从溶液中取出，洗涤并干燥。给接收电极加32伏电压，监测电流随时间的变化。在最初接触20分钟后，芯片不再与任何溶液接触。结果见图33。起初接触离子后，在此后数小时内，电流持续上升，这表明被污染栅极阈值电压在下降。换言之，钠离子从栅极区扩散。最初数小时内电流随时间的升高大致呈对数曲线。这与自屏扩散过程一致。长期污染是一个问题。虽然在起初接触盐溶液后，芯片看上去没有问题，但它们仍会因最初的表面污染问题而失效。用本发明的“接收”结构可有效减少上述污染。

Claims (14)

1．一种用于清除集成电路内离子或带电分子的结构，它包括离污染性离子或带电分子很近的、能够与离子或带电分子反应的材料。

2．根据权利要求1所述结构，其中能够与离子或带电分子反应的材料产生一个电场。

3．根据权利要求1所述结构，其中能够与离子或带电分子反应的材料选自：金属、无机半导体材料、有机半导体材料、有机金属半导体材料和离子性液体。

4．根据权利要求1所述结构，其中能够与离子或带电分子反应的材料形成平片。

5．根据权利要求1所述结构，其中能够与离子或带电分子反应的材料形成一个围绕离子源的环。

6．根据权利要求1所述结构，其中能够与离子或带电分子反应的材料在集成电路和外部离子源之间形成屏障。

7．根据权利要求1所述结构，其中能够与离子或带电分子反应的材料在集成电路内两个或多个元件之间形成屏障。

8．根据权利要求1所述结构，其中能够与离子或带电分子反应的材料在集成电路内两线或多线之间形成屏障。

9．根据权利要求1所述结构，其中的集成电路被植入动物组织。

10．根据权利要求1所述结构，其中的集成电路浸在离子性溶液中。

11．根据权利要求1所述结构，其中能够与离子或带电分子反应的材料还能够监测离子含量。

12．根据权利要求1所述结构，其中能够与离子或带电分子反应的材料还具有MOS栅极。

13．根据权利要求1所述结构，其中能够与离子或带电分子反应的材料形成一个电极。

14．根据权利要求1所述结构，其中能够与离子或带电分子反应的材料位于绝缘介电层和与电极操作性相连的金属化层之间的界面上。

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