一种基底处理方法

专利名称：一种基底处理方法
所属技术领域本发明涉及一种用电化学技术对基底进行处理的方法，特别涉及一种用电化学技术对基底进行修整(modify)的方法。
背景技术：
许多装置需要在其表面形成某种材料的特定图案，半导体芯片就是一个显然的例子。最近出现的DNA芯片也具有一个低核苷酸阵列，该阵列附在一固体表面[G.拉姆齐(G.Ramsay)，《自然生物技术》，1998，卷.16，40～44]。
此类装置的性能取决于表面材料的图案和性质。此外，改进现有的装置一方面是出于小型化的需求，另一方面是对集合化学、物理性质的新型表面的需要。因此，用新方法来制造其表面具有所需图案的装置实为必要。
目前对表面特定区域进行处理的方法有几种。一种方法是照相平版印刷技术。表面的特定区域由照相平版印刷掩模覆盖，外露的区域由紫外线照射进行修整。这种方法已被广泛应用于半导体制造，利用此方法涂覆有光刻剂的半导体晶片表面可形成孔。
另一种照相平版印刷技术也被应用到DNA芯片的制造。在此方法中，具有光不安定保护基的低核苷酸被形成在固体表面，照相平板印刷掩模覆盖表面的某些区域，然后利用紫外线对表面的外露区域进行照射。最后，覆盖于外露区域的低核苷酸被移除[G.拉姆齐(G.Ramsay)，《自然生物技术》，1998，卷.16，40～44]。
WO93/22480揭露了一种用电化学技术对表面进行处理的方法。在此方法中，电解液浮于表面，电极阵列贴近该表面。通过改变电极阵列的一个或多个电极的电势，靠近该一个或多个电极的表面被修整。该电解液为三乙胺和硫酸的乙腈溶液。
美国专利第6,093,302号揭露了一种将材料置于基底特定位置的电化学方法。该材料产生在一电极，然后与靠近电极的物质进行反应。同时，该专利应用了一种缓冲或净化溶液(a buffering or scavengingsolution)。这种缓冲或净化溶液的作用在于改善基底的辨析率，该基底通过与从邻近的电极流过的试剂进行反应而进行处理。大量包含有缓冲或净化物质的溶液不但会抑制分布于特定电极的试剂，而且会抑制用于与邻近特定电极的基底反应的试剂。
斯哥德(Schuster)等人在《科学》，2000，289，98～101揭露了另一种利用表面电化学处理技术来改进辨析率的方法。斯哥德利用了复杂的电流脉冲来限制扩散时间。

发明内容本发明的目的在于提供一种用电化学手段对基底进行修整的改进方法，特别是提供一种可修整出具有更高辨析率的基底的方法。
为实现该目的本发明提供一种控制第一电极产生的第一氧化还原物质扩散的方法，其包括在靠近上述第一电极的第二电极产生第二氧化还原物质，第一和第二电极与电解液相接触，其中上述电解液可使第一氧化还原物质被第二氧化还原物抑制。
本发明的进一步改进在于第二电极为辅助电极。
本发明的进一步改进在于该第一氧化还原物质为活性氧化还原物质，其可用于修整邻近电极的基底。
另外，本发明提供一种处理基底的方法，其包括提供一与基底接触的电解液，和一个或多个靠近基底并与电解液接触的电极；改变至少一个电极以产生活性氧化还原物质，它可修整靠近该至少一个电极的基底；该电解液可使该活性氧化还原物质被第二氧化还原物质抑制。
抑制的意思是第二氧化还原物质可与第一氧化还原物质反应并改变其反应方式，使该第一氧化还原物质不能以原有的方式反应。当第一氧化还原物质为活性氧化还原物质时，该活性氧化还原物质与第二氧化还原物质之间的反应将防止活性氧化还原物质修整基底。例如，当活性氧化还原物质为酸时，第二氧化还原物质将可能是碱。该酸与碱之间的反应抑制酸并防止它修整基底。
相较于现有技术，本发明的电解液可使活性氧化还原物质被至少一种其他氧化还原物质所抑制，使得所得之基底具有高的辨析率。

以下将结合附图对本发明作详细说明图1显示实现本发明的方法所用的设备；图2显示基底的选定区域如何被修整；图3显示改变电解时间的效果；
图4显示从电极阵列移除一阴极的效果。
具体实施方式在发明的优选实施例中，抑制反应会在电解液中重新生成一个或多个物质。
通过活性氧化还原物质，任何氧化或者还原产品将可以修整基底。该活性氧化还原物质可通过氧化或者还原电解液中的物质而直接产生。或者是该活性氧化还原物质通过氧化或者还原电解液中的物质，然后再与电解液中的其他物质发生一个或者多个反应而获得。
通常，该氧化还原物生成于电极表面。氧化还原物质会修整其邻近的基底。酸是优选的活性氧化还原物质，其会在基底上发生许多种反应，例如，消除(eliminations)、置换、重整及化学蚀刻。当活性氧化还原物质是酸时，优选其用于移除基底上的酸不安定保护基(acidlabile protecting group)。
酸不安定保护基已为本领域所属技术人员所悉知，其包括有乙缩醛(如甲氧甲基、二甲硫醚、(2-甲氧基乙氧基)甲基，苯甲酸甲酯、β(三甲基硅)乙氧甲基、四氢吡喃基、苯亚甲基、异丙叉、环亚己基和环亚戊基)，酯(如苯甲酰、苯甲酸羰基和特丁氧基羰基)，醚(如三苯甲基、二甲氧基三苯甲基和特丁基)，和甲硅烷基醚(silyl ethers)(如特丁基二甲基硅、三甲基硅和三乙基硅)。酸不安定保护基优选为三苯甲基醚或二甲氧基三苯甲基(DMT)醚，它们通常被用于低核苷酸的合成。
同样地，该活性氧化还原物质可以是一种碱，该碱会在基底上发生许多种反应。例如，用于移除碱不安定保护基。
碱不安定保护基是本领域所属技术人员所悉知的，其包括9-芴甲氧羰酰(Fmoc)和氰乙基(Cyanoethyl)。
自由基(Radicals)是另一种活性氧化还原物质。自由基用于在基底引发自由基反应。用于产生自由基的电化学方法是本领域人员所悉知的。通常所用的产生自由基的电化学方法是羧酸盐阴离子氧化。
卤素是另一种活性氧化还原物质，例如，其被用于在基底上进行氧化反应或者加成反应。卤素可通过氧化相应的卤素离子而获得。
这些或其他的活性氧化还原物质对本领域人员来讲都是显而易知的。
本发明的方法可用于对基底进行处理。本发明的基底可采用与电极相连的并且可被活性氧化还原物质修整的任何材料或物质。该基底置于靠近电极处，在氧化还原反应完成后可将其移离电极。另外，基底也可附于电极，或者贴于其上作为电极的表面。需要时，在氧化还原反应完成后，可将基底从电极或上述表面取下。
因此，在一实施例中，基底为一材料的表面，其与电极分离但靠近电极。此基底可以是玻璃、塑料、固体纤维、金属、半导体或凝胶材料的表面。这些材料的表面可以通过氧化还原反应直接进行修整。另外，在此实施例中，这些材料的表面可以附上其他物质。例如，这些材料的表面附上有机化合物就是一现有方法。附到这些材料表面的物质可通过氧化还原反应进行修整。
在另一实施例中，基底可以是一种附于作为电极的表面的物质。或者该基底是一种通过连接基团附到电极本身的物质。美国专利第6,093,302号揭露了后一种方法，它的基底通过连接基团附于电极。
本发明的方法与WO93/22480揭露的方法相似。然而，本发明的方法所选择的电解液与其不同。WO93/2240所用的电解液为三乙胺与硫酸的乙腈溶液。活性氧化还原物质在本发明的电解液中可被至少一种其他氧化还原物质所抑制。该电解液可以精确地限制活性氧化还原物质到产生该活性氧化还原物质的电极的周围区域。
在WO93/22480所描述的方法中，在特定区域的酸的限制是通过电极电势的变化来控制。然而本发明的发明人发现长时间电解后，当电解液为三乙胺和硫酸的乙腈溶液时，酸失去限制。酸不能被有效限制将导致被处理的基底的辨析率降低。例如，从阳极邻近处扩散而出的质子会与在电极间的基底区域反应。要获得具有高辨析率图案的基底，扩散的质子通过此方式发生偶然反应是不希望的。依据本发明所选取的电解液，现有技术电解液的问题可以避免。本发明的电解液可使活性氧化还原物质被至少一种其他氧化还原物质所抑制，这是本发明的一个重要特征。
本领域技术人员知道许多电解液，它可产生被另一氧化还原物质所抑制的活性氧化还原物质。
例如，一种电解液，其是I-和S4O62-的结合物。碘化物在阳极被氧化会产生碘(一种活性氧化还原物质)，而在S4O62-在阴极被还原会产生S2O32-，它可抑制碘在阳极产生。在电解液的反应可表示如下阳极
阴极碘被以下反应所抑制该活性氧化还原物质优选为酸，该抑制氧化还原的物质为阴离子，优选为有机负离子(Radical anion)。通常，酸是由阳极的醇氧化产生，它可是脂肪族醇，或是芳香族醇。在这种电解液中，这抑制的阴离子通常通过合适的物质在阴极还原产生。许多物质可在阴极被还原而产生阴离子，并可抑制酸在阳极形成。例如，溶解的氧分子可在阴极还原，从而产生O2-和/或O22-。
例如，一种电解液，它可产生适当的氧化还原物质，该氧化还原物质是酮和相应的醇的结合物。醇在阳极会氧化产生质子(一种活性氧化还原物质)，而酮在阴极会还原产生负离子，它可抑制质子在阳极产生。
在该电解液中的反应可表示如下阳极阴极其中，R1和R2可分别选择取代的C1到C15烃基，其中三个以上碳原子可任意被N、O和/或S原子取代；或者R1和R2一起形成取代的C1到C15环亚烃基(cyclohydrocarbylene)，其中三个以上碳原子可任意被N、O和/或S原子取代。
优选地，R1和R2可分别选择取代的C1-8烷基，C3-8环烷基或者苯基。
本发明的“烃基”是指单价基团，它含有碳和氢。烃基因此包括烷基、烯烃基和炔基(在直链和枝链结构)，环烷基(包括聚环烷基)，环烯烃和芳基，和以上基团的结合物，例如烷基环烷基，烷基聚环烷基，烷基芳基，烯烃基芳基，炔基芳基，环烷基芳基和环烯烃基芳基。
本发明的“亚烃基(hydrocarbylene)”是指二价基团，它含有碳和氢。环亚烃基此包括环烷撑或环亚烷基，环亚烯基(cycloalkenylene)和芳撑或亚芳基。
本发明的“芳基”是指芳族基，例如，苯基、萘基或者蒽基。或者是当芳基有碳原子被O、N和/或S取代时，这芳基是指芳香杂环基，例如，吡啶基、吡咯基、噻吩基、呋喃基，咪唑基、三唑基、喹啉基、异喹啉基、恶唑基或者异唑基。
本发明的取代基可选择C1到C6的烷基，C1到C6的烷氧基，硫代，C1到C6的硫代烷基，羧基，羧基(C1到C6)烷基，甲酸基，C1到C6的烷基羰基，C1到C6的烷基羰基烷氧基，硝基，三卤代甲烷，羟基，C1到C6的羟烷基，羟基(C1到C6)烷基，氨基，C1到C6的烷基氨基，二(C1到C6)氨基，氨基羧基，C1到C6的烷基氨基羧基(alkylaminocarboxy)，二(C1到C6烷基)二氨基羧基，氨基羧基(C1到C6)烷基，C1到C6的烷基氨基羧基(C1到C6)烷基，二(C1到C6烷基)氨基羧基(C1到C6)烷基，C1到C6的烷基羰基胺，C1到C6的环烷基，C1到C6环烷基(C1到C6)烷基，C1到C6的烷基羰基(C1到C6烷基)氨基，含卤素的，C1到C6卤代烷基，氨磺醯基，四唑基和氰基。
本发明的“含卤素的”或“卤素”是指碘、溴、氯或者氟。
R1和R2的性质决定电解液的氧化还原特性。例如，R1和R2上的取代还原可通过氧化或者还原改变电势。
酮/醇电解液优选为2-丙酮/异丙醇和苯甲酮/二苯基甲醇的有机溶液。
另外一种电解液为苯醌/对苯二酚和其衍生物。这种的电解液可为以下物质的混合物 和 其中R3、R4、R5和R6分别可选择氢、卤素、硝基、氢氧基、硫代基、氨基，取代的C1到C15烃基，其中三个以上碳原子可由N、O和/或S原子替代。也可是R3和R4，和/或R5和R6结合形成取代的C1到C15环亚烃基，其中三个以上碳原子可由N、O和/或S原子替代。
R3、R4、R5和R6优选为氢、C1-8的烷基或者R3/R4和R5/R6结合形成取代的C5-12亚芳香基(arylene)，例如亚苯基。
R3、R4、R5和R6的性质可决定电解液的氧化还原性质，例如，发生氧化或还原可改变精确的电势。苯醌/对苯二酚的衍生物的电解液优选为蒽醌/蒽二酚和四甲基对苯醌/四甲基对苯二酚的有机溶液。
在优选实施例中，电解液包括苯醌和对苯二酚的乙腈混合液。该混合液提供一活性氧化还原物质，它为氢离子。该氢离子(质子)可抑制苯醌负离子。
对苯二酚是在阳极被氧化而产生苯醌和质子。
对苯二酚氧化而释放出的质子大部分停留在阳极，它可修整其邻近的基底。例如，该质子可以解保护(deprotect)附有酸不安定保护基的基底。
苯醌在阴极被还原而产生苯醌负离子 该苯醌负离子在溶液中是稳定的，例如乙腈溶液。负离子可抑制任何从阳极附近逃离出的质子，该反应可表示如下 这样，通过将电极产生的活性氧化还原物质停留在基底上的某区域，则该区域的辨析率可得到改善，例如，质子产生在阳极。
本发明的电解液包括任何适合的溶剂，如水、四氢呋喃(THF)、甲醇、乙醇、二甲基甲酰胺(DMF)、二氯甲烷(dichloromethane)、乙醚、二甲亚砜(DMSO)或者乙腈。本领域人员应知道溶剂的选择可影响在电极的氧化还原反应和/或抑制反应的平衡或者动力。该溶剂可影响溶液中的某些结构的活性，例如，共混结构、氢键、偶极-偶极或者电荷的“非当地化”(delocalisation)。溶剂优选为无质子溶剂(aproticsolvent)，它可稳定负离子。无质子溶剂有二氯甲烷、二甲基甲酰胺、二甲亚砜、乙腈和四氢呋喃。乙腈为更优选溶剂。
在优选实施例中，电解液可另外包括传导性加强物(conductivityenhancer)，用于提高电解液的导电性。加入传导性加强物所需的电解电压比无传导性加强物的电压低。任何可溶于电解液的离子皆可达到此目的。例如，当电解液包括有机溶剂，例如乙腈，则传导性加强物为四(C1-8烷基)铵盐，例如，六氟磷酸铵(tetrabutylammoniumhexafluorophosphate)。
本领域技术人员知道在电解液中盐有其作用，而不是仅仅增加电解液的导电性。盐可影响在电极上的抑制反应和/或氧化还原反应的平衡或动力。盐可以影响溶液中带电物的静电相互作用力，相应地也可影响反应动力。例如，当电解液为对苯二酚/苯醌的乙腈溶液时，另加的六氟磷酸铵可改变抑制反应的程度，还可增加导电性。
本发明的方法是通过WO93/22480所揭露的设备来实现。WO93/22480所揭露的设备包括电极阵列，它间隔地分布在绝缘表面。该电极镀上铂，用于提供改变其电势的电连接装置(electricalconnecting means)。
然而，本发明的方法所用电极优选为铱电极。本发明提供的电极阵列，其包括一块具有一表面的绝缘材料，在该表面相隔地形成阵列的铱沉积物，每个沉积物被提供作为改变其电势的电连接装置。
铱的优点在于其高导电性和化学惰性。此外，铱不会在本发明的方法的高电势下退化。铂已被广泛地用作电极材料，然而铂不能很好地附在一些材料上，如硅晶片，特别是在高电极电势下。在被处理的基底的辨析率不降低的情况下，内部的抑制反应需要更长时间地使用高电极电势，这就需要改变现有的电极设计。
许多金属被测试适合作电极，包括铝、银和金。然而，本发明的发明人惊奇地发现铱是作电极的好材料。铱在电解液中不会退化且可很好地附在材料上，如氧化的硅晶片材料。
在电极阵列上的一块材料可为不溶解的聚合物，陶瓷氧化物(如氧化铝)或氧化硅晶片。优选为氧化的硅晶片。
铱电极阵列可通过许多合适的方法制的。在优选的实施例中，电极阵列可由以下方法获得(i)提供一硅晶片，其表面具有一二氧化硅层；(ii)在二氧化硅层上间隔地沉积上铱，使其形成阵列；(iii)在温度200～500℃下，将铱在空气中退火。
在通常的制程中，正有机光刻剂被涂覆到硅晶片的二氧化硅层。盖上光掩模，然后暴露于紫外光，将暴露的光刻剂移除，使光刻剂移除处的二氧硅区域露出。用电子束枪将铱金属沉积于该暴露的二氧硅区域。移除光刻剂层的区域可形成电极阵列。最后，铱电极在空气中退火以提高在晶片表面的粘着。通常，铱是在350℃下退火15分钟到3小时，优选为大约1小时。
对于铱粘着于二氧化硅，退火步骤是重要的。退火温度大约为350℃，铱可有2545℃的熔化温度。甚至发现具有50nm铱层的退火电极能耐钢解剖刀的刮划。此外，铱电极能耐恶劣的化学环境，和本发明的方法的高电势及高电流。
优选地，电极是彼此间隔的平行线阵列，其间隔少于0.5毫米。优选地，电极间隔为0.1～200微米，更优选为1～100微米，更加优选为10～60微米。
一个或多个电极用作辅助电极(counter electrode)。优选地，相对于现有的电化学处理基底的方法，本发明的欲处理基底不会形成一个电极或者一个辅助电极。本发明的方法与WO93/22480所描述的方法相似。而且，该欲处理的基底可为绝缘表面。
在优选实施中，本发明提供一种实现依序的几个处理步骤的方法。将阵列的电极连接起来，以使得改变阵列的选定的一个或多个电极的电势，可完成一个处理步骤。
在本发明的方法中，该欲处理的基底包括一附于固体表面的物质。该固体表面可以贴近电极。优选地，该固体表面为邻近电极的不相同表面。氧化还原物质可用于修整附于固体表面的物质。本领域技术人员可想出许多氧化还原物质和相应的化学修整。在优选的实施例中，欲处理的基底包括具有酸不安定保护基的物质。在该优选实施例中，通过将阵列中的至少一个电极连接电源并将其作为阳极，可实现处理步骤，该阳极用于在电解液中产生酸。该产生的酸可将附在表面且靠近阳极区域的酸不安定保护基移除。
活性氧化还原物质参与在基底的多种化学反应已被认可。一种潜在的应用是斯哥德(Schuster)等人在《科学》，2000，289，98～101揭露的电化学微机械技术。斯哥德所揭露的工具可用在本发明的电解液中，用辅助电极环围绕探针尖以防止氧化还原物质扩散。本发明将用到现存的纳米级制图案技术。例如，酸就可用于蚀刻或纳米制程，其可从一表面移除小量材料。
另外，酸可以参与许多有机或无机反应。本领域技术人员可知道许多可用于本发明的潜在反应。例如，有机反应包括环氧化合物开环，连接到多键，重新整理(rearrangement)、取代(如，叔醇的单分子亲核取代反应(SN1))，消除、烯醇的生成和有机酸盐的简单质子化。
当活性氧化还原物质是卤素，它可参与轻度氧化，漂白基底或者卤化。活性氧化还原物质也可是卤素离子，其可用于取代反应。
本发明的方法也可用于附在一表面的低有机化合物的合成[见斯哥雷勃(schreiber)，《科学》，2000，287，1964～1969]。低有机化合物在药物发明领域是重要的。本发明所应用的反应范围意味着在理论上适于这样物质的合成。
本发明的方法可用于低聚物的逐步合成，如，低核苷酸，多醣和蛋白质。优选地，本发明的方法可用于核苷酸的合成。
一种合成一套低聚物的方法，其包括以下步骤(a)提供一基底，该基底附有一具有保护基的物质的阵列，一电解液与基底接触和一电极阵列靠近基底并与电解液接触；(b)选择性地改变一个或多个电极的电势，以产生活性氧化还原物质，该活性氧化还原物从选定的物质上移除上述的保护基；(c)将一保护单体结合到步骤(b)中形成的解保护物质；(d)重复步骤(b)和(c)，改变步骤(b)中选定的一个或多个电极，以合成一套低聚物；其特征在于电解液可以使活性氧化还原物质被至少一个其他氧化还原物质所抑制。
当上述方法被用于低核苷酸的合成时，活性氧化还原物质优选为质子，保护基优选为酸不安定保护基，如三苯甲游基或二甲氧基三苯甲基，它可保护呋喃羟基(furanyl hydroxyl)。本领域技术人员将认同该方法特别适合于DNA芯片的组合合成，如WO93/22480所述。
上述方法同样可用于缩氨酸的合成。例如，用阳极产生的质子从氮原子连续移除Boc(t-butyloxycarbonyl)保护基可合成缩氨酸。其他低聚物的合成对本领域人员来是显而易知。
请参阅图1，电极阵列位于氧化的高电阻系数硅晶片1，它上表面沉积有一铱金属层。间隔2通过照相平板印刷技术形成于硅晶片上的铱金属层，以使一平行电极阵列形成。每一电极的宽度和每一间隔2的宽度大约40微米。另一硅晶片4设置于电极阵列之上。该硅晶片4的表面被修整出二甲氧基三苯甲基保护核苷。
请参阅2，该图显示电极阵列及其基底的一部分。中间的电极为阳极，其余两个电极为阴极。包含有苯醌和对苯二酚的乙腈溶液的电解液与电极和欲处理的基底接触。在阳极，对苯二酚被氧化，从而产生苯醌和质子。多数质子被限制在靠近阳极的基底区域。被限制的质子从附在基底的受保护的核苷片段上(nucleotide moiety)移除二甲氧基三苯甲基。然而，一些质子可以扩散进阳极与阴极之间的区域。
在阴极上，苯醌还原产生苯醌负离子。苯醌负离子相对稳定，可以扩散进阳极与阴极之间的区域。苯醌负离子抑制扩散进该区域的质子，从而产生对苯二酚和苯醌。因此，在不靠近阳极的基底区域扩散的质子可被防止反应。通过防止质子在电极之间的区域偶然反应，可改善基底的辨析率。
图2也显示了后续的基底处理。该自由羟基在标准条件下被加上乙酰基，二甲氧基三苯甲基的剩余物被移除。所得的自由羟基用荧光染料(Cy5亚磷酰胺)处理，该荧光染料使得可通过共焦显微镜方法观察基底的成像。因此，初始的脱三苯甲基(detritylation)步骤的辨析率可以方便观察。很显然，用上述技术可在基底的选择区域合成低聚物。
请参阅图3，用共焦显微镜方法显示了在1.33V固定电势下改变电解时间的影响。在该图中，亮区域为荧光的基底区域，在该区域二甲氧基三苯甲基在电解过程中不会被移除。随后剩余的二甲氧基三苯甲基被荧光的Cy5染料取代。该亮区域通常靠近阴极。在黑区域，二甲氧基三苯甲基在电解过程中已被清除。产生的自由羟基结合上非荧光的乙酰基。该黑区域通常靠近阳极。
图3显示在2.0秒后，在靠近阳极区域的二甲氧基三苯甲基被完全移除。此外，基底的辨析率在80秒后不会改变。在对应靠近阳极和阴极的区域存在被限制的条纹。这些证明在电解过程中产生的质子被严格地限制在靠近阳极的区域，甚至在延长电解时间后也是如此。
图4(a)和(b)显示了从电极阵列中移除阴极的清楚效果。黑色区域显示的是二甲氧基三苯甲基被移除的区域，该电极电势设置在1.33V，当中间的阴极被移除时，在阳极产生的质子可自由地扩散进中间区域，这清楚地证明了阴极产生的物质具有限制作用，可以抑制在阳极产生的质子。
实验部分电极组合现有的照相平板印刷技术已被广泛用于在氧化高导电率硅晶片上生成铱金属(50纳米厚)电极。该氧化硅晶片被涂覆上正光刻剂，然后通过光掩模暴露于紫外线。用除离子水洗该晶片，在100℃下烘焙20分钟，通过离子刻蚀清除浮渣。该光掩模可制出有96条平行电极的阵列，大约7500微米长和40微米宽。相邻电极的间距大约为40微米。
铱是通过电子束方法沉积于该晶片。铱金属可被放置于真空蒸发器的坩锅中，两个或三个晶片被置于靠近真空蒸发器的坩锅大约20厘米处。将真空蒸发器的腔室抽至3×10-6Torr，用300mA、5kV的电子束枪加热铱金属大约3分钟，可在晶片上涂覆上50nm的铱金属。
将晶片放置于超声波丙酮中30分钟可将光刻剂移除，电极阵列可显现。将电极置于空气中，350℃下退火1小时，以提高与晶片基底的粘着力，然后通过离子刻蚀进行清洁。
在退火和清洁步骤后，每一电极都单独与超声金线连接，该金线与印刷电路板连结，与电路整合的“逻辑开关”(analog switch)激活被选定的电极，以提供解锁步骤。电流被应用作为多个单独操作的放大器控制电压源。平行的低噪音放大器反馈电路连续测量每一个电极的纳安培级电流。
固体支撑组合抛光后的二氧化硅晶片可作为基底支撑。在形成图案前，用连接分子将该晶片表面功能化，以使有机试剂附在连接分子上[格雷D.E.，凯斯格林S.C.，费尔T.S.，道勃森P.J.和萨森E.M.(Gray，D.E.，CaseGreen，S.C.，Fell，T.S.，Dobson，P.J.& Southern，E.M.)，固定在组合阵列上的DNA探针的椭圆光度法和干涉测量法的特点，Languir13，2833～2842(1997)]。晶片被放置于真空炉的腔室中，该腔室的容量为19.1升，还包括含有5ml GPTS(glycidoxypropyltrimethoxysilane)的安瓿(ampoule)。在炉被加热到185℃后，该安瓿被加热到205℃和腔室被抽到25～30mBar。在大约2.5ml的硅烷被蒸发后，在真空(10-3Torr)下腔室可以冷却。通过沉浸具有GPTS的晶片在含有少量硫酸的聚乙二醇溶液中，可将“连接分子”附上。通过现有的低核苷酸合成技术，将含有亚磷酰胺(phosphoramidite)的二甲氧基三苯甲基以共价的方式附在聚乙二醇的羟基上[比尔凯杰S.L.和艾亚R.P.(Beaucage，S.L.& Iyer，R.P.)，通过亚磷酰胺方法合成低核苷酸的改进，Tetrahedron 48，2223～2311(1992)]。该晶片基底然后被裁成1厘米x1厘米，以备在形成图案时用。
实施例二以上准备好的电极阵列放置于距离固体支撑20微米处。该固体支撑由上述的步骤准备，胸腺嘧啶核苷亚磷酰胺(thymidinephosphoramidite)被附在聚乙二醇连接分子。胸腺嘧啶核苷亚磷酰胺具有5’-羟基，它由二甲氧基三苯甲基保护。
一电解溶液(25mM对苯二酚/25mM醌/25mM六氟磷酸铵的无水乙腈溶液)被注入电极阵列和固体支撑之间的空腔(cavity)。被选定的阳极被设定于1.33V和电压被保持0.2到0.8秒(如图3所示)。
进行电解之后，用乙腈洗该硅晶片，并以标准方法，用乙酸酐使硅晶片结合上乙酰基。在该步骤，仅硅晶片的二甲氧基三苯甲基解保护区域加上乙酰基。
在电化学步骤中没移除的二甲氧基三苯甲基在用二氯乙酸的二氯甲烷溶液处理整个基底时被移除。用标准的亚磷酰胺结合方法将露出的羟基结合上Cy5(荧光染料)，由酸的电化学发生而生成的图案显露出，其可通过共焦显微镜观察Cy5的荧光而看到。步骤顺序如图2所示。
图3显示了在1.33V下延长电解时间的效果。大约2.0秒后到达最大频带宽，基底的辨析率稳定，之后即使电解80秒辨析率也不会改变。
实施例二实施例二基本与实施例一相同，不同之处在于，选定的阳极在1.33V的电压下保持16秒。如图4(a)和(b)所示，移走阴极的效果可观察到。当中心的阴极被移走，扩散的质子失去控制。该扩散的质子可流入中心区域，而不会停留在阳极周围。在图4(b)中，中间的黑色区域很明显，该区域不再含有荧光基团。
实施例三实施例一所描述的方法被用于在固体支撑上合成17-mer的低聚物，该方法包括16个二甲氧基三苯甲基的解保护步骤。本实施例所用的方法基本与实施例一相同，不相同之处在于，电极阵列放置于距离基底表面40微米处。
使用标准的亚磷酰胺结合方法，将二甲氧基三苯甲基保护脱氧腺苷残余(residue)的均匀涂层连结到固体支撑上的聚乙二醇连接基团。
用乙腈进行大范围的清洗之后，实施例一中的电解液被注入电极阵列与固体支撑之间的空腔。选定的阳极加上9秒的1.33V电压，以移除选定阳极附近的二甲氧基三苯甲基。该阳极位于两阴极之间。
用乙腈进一步清洗后，用标准的亚磷酰胺结合方法将二甲氧基三苯甲基保护核苷残余接上外露的羟基。用碘氧化三价的磷键(phosphorus linkage)，从而产生五价的磷键。用乙腈清洗整个硅晶片，然后再用二氯甲烷。在固体支撑上合成低核苷酸的方法所用到的连结和氧化步骤是现有的技术(见，《AbI合成手册》第二部分，用于自动合成DNA的化学方法)。
重复该制程，改变在亚磷酰胺结合步骤中引入的二甲氧基三苯甲基保护核苷残余。从而，低核苷酸在固体支撑上被合成。
该制程可通过自动化装置完成，该自动化装置通过计算机控制，在两17-mer的低核苷酸的合成中包括野生型(wild type)“A”人类血色素mRNA(核糖核酸)和相应的“S”型镰状细胞突变异种mRNA。将17-mer生成在固体支撑的限定条(strip)上可获得高产出。该DNA芯片的组合合成方法是本领域所属技术人员所悉知的，如WO93/22480所揭露。
尽管本发明是参照具体实施例来描述，但这种描述并不意味着对本发明构成限制。参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变形，对于本领域技术人员都是可以预料的。因此，这样的变形不会脱离所属权利要求限定的范围及精神。
权利要求
1.一种控制第一电极产生的第一氧化还原物质扩散的方法，其特征在于该方法包括在靠近上述第一电极的第二电极产生第二氧化还原物质，第一和第二电极与电解液相接触，其中上述电解液可使第一氧化还原物质被第二氧化还原物所抑制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第二电极为辅助电极。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于第一氧化还原物质为活性氧化还原物质。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于该活性氧化还原物质用于修整靠近电极的基底。
5.一种处理基底的方法，该方法包括提供一与基底接触的电解液，和一个或多个靠近基底并与电解液接触的电极；改变至少一个电极以产生活性氧化还原物质，该活性氧化还原物质修整靠近该至少一个电极的基底；其特征在于该电解液可使该活性氧化还原物质被第二氧化还原物质所抑制。
6.根据权利要求3、4或5所述的方法，其特征在于该活性氧化还原物质为质子。
7.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于第二氧化还原物质为有机负离子(radical anion)。
8.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于该电解液为对苯二酚和苯醌的溶液，或其衍生物。
9.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于该电解液为以下化合物的溶液； 和 其中R3、R4、R5和R6分别可选择氢、卤素、硝基、氢氧基、硫代基、氨基，取代的C1到C15烃基，其中三个以上碳原子可由N、O和/或S原子替代；或者R3和R4，和/或R5和R6结合形成取代的C1到C15环亚烃基(Cyclohydrocarbylene)，其中三个以上碳原子可由N、O和/或S原子替代。
10.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于电解液为对苯二酚和苯醌的乙腈溶液。
11.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于电解液进一步包括传导性加强物(conductivity enhancer)。
12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于该传导性加强物为四(C1-8烷基)铵盐。
13.根据权利要求5至12任一所述的方法，其特征在于一个或多个电极被作为辅助电极，和该欲修整的基底不组成电极或辅助电极。
14.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于为实现依序的几个处理步骤，将阵列的电极被连接起来，使得改变阵列的选定的一个或多个电极的电势，可完成一个处理步骤。
15.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于该基底包括一附在其表面的一物质的阵列。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于该表面为氧化的硅晶片表面。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于该欲处理的物质包括酸不安定保护基(acid labile protecting group)。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于通过将阵列中的至少一个电极加上电势并作为阳极以移除在表面的物质的酸不定安保护基，可实现一次处理。
19.根据权利要求14至18任一所述的方法，其特征在于在低聚物的逐步化学合成过程中，处理被实现。
20.一种合成一套低聚物的方法，其包括以下步骤(a)提供一基底，该基底附有一具有保护基的物质的阵列，一电解液与基底接触，和一电极阵列靠近基底并与电解液接触；(b)选择性地改变一个或多个电极的电势，以产生活性氧化还原物质，该活性氧化还原物从选定的物质上移除上述的保护基；(c)将一保护单体结合到步骤(b)中形成的解保护物质；(d)重复步骤(b)和(c)，改变步骤(b)中选定的一个或多个电极，以合成一套低聚物；其特征在于电解液可以使该活性氧化还原物质被至少一个其他氧化还原物质所抑制。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于物质的阵列被附在一表面，该低聚物在上述表面被合成。
22.据权利要求20或21所述的方法，其特征在于该低聚物为低核苷酸。
23.根据权利要求20至22任一所述的方法，其特征在于该活性氧化还原物质为质子，该保护基为酸不安定保护基。
24.根据权利要求20至22任一所述的方法，其特征在于该电解液为权利要求8至12所限定的电解液。
25.根据权利要求20至24任一所述的方法，其特征在于阵列的一个或多个电极为辅助电极。
26.一种电极阵列，其包括一块具有一表面的绝缘材料，在该表面相隔地形成阵列的铱沉积物，每个沉积物被提供作为改变其电势的电连接装置。
27.根据权利要求26所述的阵列，其特征在于该块绝缘材料为氧化的硅晶片。
28.根据权利要求26或27所述的阵列，其特征在于铱的沉积物的形状为彼此相隔的平行线。
29.一种制造权利要求26至28任一所述的阵列，其包括以下步骤(i)提供一硅晶片，其表面具有一二氧化硅层；(ii)在二氧化硅层上间隔地沉积上铱，使其形成阵列；(iii)在温度200～500℃下，将铱在空气中退火。
全文摘要
一种处理基底的方法，该方法包括提供一与基底接触的电解液，和一个或多个靠近基底并与电解液接触的电极阵列；改变至少一个电极以产生活性氧化还原物质，该活性氧化还原物质修整靠近该至少一个电极的基底；该电解液可使该活性氧化还原物质被第二氧化还原物质所抑制。本发明的方法特别适合于低聚物的逐步化学合成，例如，低核苷酸。
文档编号C25B3/00GK1549744SQ02817030
公开日2004年11月24日 申请日期2002年9月2日 优先权日2001年8月31日
发明者爱德文·麦勒·沙森, 爱德文 麦勒 沙森, 爱戈兰德, 赖安·爱戈兰德 申请人:艾斯创新有限公司