在分析分析物中使用金刚石和其他材料的复合物或合成物的制作方法

专利名称：在分析分析物中使用金刚石和其他材料的复合物或合成物的制作方法
技术领域：
本发明涉及在脱附-离化分析中用作衬底和/或基体材料的合成物及其制作方法，并涉及使用该合成物进行脱附-离化分析的设备。
质谱分析(MS)用来测量样品分子的质量以及测量样品片断的质量以识别该样品。MS已经成为分析生物分子例如蛋白质和肽的不可缺少的工具，且MS的广泛应用反映了它解决结构问题的能力，这些结构问题是常规技术无法容易或确切地解决的。
基本上，MS分析包括将样品降解成分子，这些分子被离子发生器(ionizef)转化成气相离子；在质量分析器里将这些离子分离；以及使用电子倍增管探测这些离子。得到的结果是谱线，该谱线代表分子质量和相应离子电荷的比值。
最常用的质量分析器是基于离子进入磁场的加速度，或者是基于“飞行时间”(TOF)。TOF使用已知电压加速样品离子，并测量离子运动已知距离所需要的时间。备选地，使离子穿过极性快速交变的磁极，可以实现对质量在特定范围内的分子的选择。
通过增加带有电压的反射器(reflectron)或离子镜，可以进一步改进飞行时间分析，所施加的电压略高于源端的加速电压，使得离子受到排斥电场的作用。这样能改善探测分辨率。
可以用电子溅射离化法(ESI)或脱附离化法实现样品的离化，后者适用于分析不易从吸附在衬底的样品上分离成为气态的分子。直接脱附离化的技术没有被广泛应用，因为分子直接暴露在激光辐射下时，经常会观察到分子快速降解和分裂的现象。脱附质量分析法的一个重要改进是引入了一种有机物质作为样品脱附和离化的媒质，这种技术现在也称为基体辅助激光脱附/离化(MALDI)。添加的基体量远超过样品材料，它被认为既是有效的质子吸附器，也是向分子传送能量的能量传输器。由于在MALDI-MS中常用到紫外激光器，基体分子需要能够吸收紫外光(常用的有二氢苯甲酸或反肉桂酸)。
尽管MALDI技术得到非常广泛的应用，但它仍受基体本身引入的信号噪声所限制。在MALDI方法中，待分析的分子溶液被混合到一种有机树脂中，该树脂放置到样品台上并凝固。可以承载数个样品的样品台被装入真空室，在真空室中进行“飞行时间”分析。衬底上的有机基体承载着许多待探测的样品，该有机基体同时起到能量吸收体的作用。然后将一束激光照射在基体和分析物的混合物上，基体吸收激光能量而蒸发。因此对结果释放出的分子进行质量分析，该分子包括分析物和基体的成份。然而，基体材料分子叠加在收集到的信号上，妨碍了对较小分子的探测。收集到的信号中包含基体分子成份，把这种方法探测到的最小质量限制在500amu以上，但已经证明这种方法在分析大到约100,000amu的大的质量范围内的分子都是有效的。因此，为了分析质量较小的物质(＜m/z 500)，不可重复的异质共结晶、电解液和其他添加剂对离化的抑制、以及基体离子的干扰，限制了MALDI在自动化高通量组合式分析及芯片阵列分析中的应用。除了在对较小质量的分析以及噪声方面的限制以外，该系统的另外弊病在于样品准备过程本身，因为制作基体和样品的混合物需要非常熟练的化学操作，该化学操作经常需要长时间的烘干，并且由于通量限制而无法大规模地在临床上应用。使用基体材料常常会增加额外的清洗步骤，而且需要基体、溶剂和样品的化学性质互相兼容。最后，对于不同的激光波长(如可见光或红外光)，必须使用不同的合适基体。
这种技术衍生出称为表面增强激光脱附/离化(SELDI)或表面辅助激光脱附/离化(SALDI)的MS，涉及在MS的蒸发步骤之前及其间样品之间通过表面的相互作用。表面被改性，使得与(生物)分析物之间的相互作用导致材料被选择性保留(或释放)，类似于清洗工艺。这最终导致MS谱的改善，即，更好的信噪比，更低的本底噪声，并且/或者实现对MS峰或峰形进行更确定的辨别。已经从电化学蚀刻的常规多孔硅来实现脱附离化(Thomas J.等人2001，Proc.Natl.Acad.Sci.98(9)4932-4937)。US 2002/0048531也描述了利用多孔光吸收半导体衬底例如硅，更具体地是在可视的DIOS-MS中用于脱附离化的气相沉积膜。但是，多孔硅表面的化学性质不利于特定的功能(无碳的化学性质)，且硅表面经常被氧化而产生接触电阻。Junghwan等人(2002)描述了在SALDI-MS中使用石墨板作为光子吸收材料同时采用丙三醇作为质子源的潜在优势。
众所周知，金刚石可以通过多种化学气相沉积(CVD)工艺生长成多晶形态，包括但不限于用等离子体CVD工艺。相纯度依赖于生长条件，可以用拉曼光谱测定。CVD金刚石可以生长成同质及异质外延单晶及多晶的形态，各个晶粒和晶畴的尺寸取决于沉积条件、所使用的衬底以及沉积工艺前对衬底表面的预处理。根据应用可以沉积在不同的衬底上，包括玻璃和硅。Wang等人(2000，J.Phys.Conds.Matter12(13)L257-260)描述了在多孔硅上沉积CVD金刚石膜的过程。非金刚石的碳相经常出现在多晶金刚石膜的晶界处。使用氧化剂可以除去这些碳相。在CVD金刚石的生长过程中，可以在CVD气相中加入一些化合物，这些化合物和生长的金刚石材料被共沉积并作为掺杂剂，即，这些化合物改变了CVD材料的电子特性，使材料从绝缘体变为n型或p型半导体，而且使光吸收朝长波段偏移。
包括CVD金刚石的金刚石，其表面可以用化学方法改性，例如以氢或氧终止全表面或部分表面，从而可以将DNA或其他生物聚合物选择性地键合到表面，这种方法于是可以用于实施多种化学反应。此外，CVD金刚石可以经过氧气蚀刻以获得多孔(以及上文提及的相纯度更高的)金刚石结构(Bachmann等人，1993，Diamond and related matters2683)。
本发明涉及在探测样品中的分析物的方法中使用金刚石和其他材料的复合物或合成物。更具体地，本发明涉及金刚石和其他材料特别是导电材料的复合物或合成物，该导电材料为例如非金刚石形式的碳，这些材料可有利地用于涉及脱附离化的分析物探测方法。本发明的材料可有利地应用于下述方法在样品上施加能量，例如释放出激光能量，从而使样品中的分析物转变成荷电粒子，这些荷电粒子随后被探测器探测。更具体地，本发明的材料特别有利于应用于质谱法(MS)分析。更具体地，本发明的材料可以在类MALDI分析中用作衬底或粒子混合物。
因此，根据本发明第一方面，一种金刚石/非金刚石例如碳的复合物或合成物(下文中称为金刚石/非金刚石复合材料或D/NDC)被用于样品中分析物的探测方法。
本发明的一个具体实施方案涉及在脱附/离化分析中使用金刚石/非金刚石复合物或合成物的材料作为衬底。更具体地，本发明的这种材料在质谱分析中适合用作衬底。
根据本发明，该金刚石/非金刚石复合物或合成物中的非金刚石成份是导电的，使所述金刚石/非金刚石材料复合物或合成物具有导电性。这是一项重要的优势，意味着可以通过支持结构实现该材料的电学接触，从而对本发明材料表面所捕获、固定或吸附的分析物施加恒定、交变或脉冲电压。根据本发明具体实施方案，该复合物或合成物中的非金刚石成份是任意形式的非金刚石碳。
可选地，根据本发明，使用物理或化学方法对该金刚石/非金刚石例如碳的复合物衬底或衬底表面进行改性或功能化，从而改善衬底特性并且/或者使衬底能够选择性地粘附与/或释放样品中的分析物。物理改性可包括具有花椰菜状或针状结构的三维结构并且/或者使材料呈多孔的三维结构。因此，本发明的具体实施方案涉及在脱附/离化分析中使用具有三维(表面)结构的金刚石复合材料。本发明的另一个实施方案涉及在脱附/离化分析中使用多孔金刚石碳复合物膜。
可以通过任何合适的分子实现化学功能化，这些分子例如包括活性、非活性、有机、有机金属和非有机种类的分子。更具体地，化学改性可以包括例如氧化、还原以及加成化学基团的步骤。
本发明的材料的一个特殊优势为，该材料不仅能够有效地吸收大的波长范围内的光，而且可以调节光吸收以使其性能适用于能量源，例如在激发/辐射/脱附步骤中使用的光源。因此，根据本发明的一个方面，可以用波长在100纳米到1000微米之间即包括紫外光、可见光或者红外光的光源，来实施激发的步骤，例如，辐射承载着分析物的衬底。因此，另外或备选地根据本发明，对金刚石碳复合物的成份进行调节，以确保在特定波长的光吸收，其中该波长对应于样品脱附/离化所使用的光源波长。
这样，本发明的一个方面设想了一种方法，用来提供适于对物理性能进行分析的分析物离子。该方法包括以下步骤a)准备包含金刚石/非金刚石材料复合物或合成物的衬底；b)向金刚石/非金刚石材料衬底提供一定数量的样品，该样品包含物理性质待确定的分析物；以及c)辐射承载了样品的衬底以提供离化分析物。
一旦在低压下被离化，分析物离子就适于分析以确定预期的物理性能。对分析物进行分析包括一种或多种物理分析方法，这些物理分析方法示意性地包括质谱法、电磁波频谱法、色谱法以及技术人员熟知的其他物理分析方法。
因此，根据本发明一个具体实施方案，设想了一种测定分析物离子的物理性质的方法。这种方法包括以下步骤a)准备一种包含金刚石/非金刚石材料的混合物或复合物组成的衬底；b)向金刚石/非金刚石材料衬底提供一定数量的样品，该样品包含物理性质待确定的分析物；c)辐射承载了分析物的衬底以提供离化分析物；以及d)分析离化分析物以获取其物理性质。
在一个具体实施方案中，被测定的物理性质是质量，使用上述所设想的用于测定分析物离子的物理性质的方法通过质谱技术分析该分析物离子的质量电荷比(m/z)。
因此，本发明涉及改良了的用于样品质谱分析的方法和设备。
更具体地，本发明涉及使用金刚石/非金刚石碳材料的复合物或合成物，用于测定分析物的物理性质。
作为一种新的脱附/离化方法，本发明提供了良好的灵敏度以及对污染物的高耐性，而且不需要使用基体。备选地，本发明的材料可以以粒子的形式用做类MALDI分析中的基体。此外，由于金刚石/非金刚石复合材料或合成物的表面性质，特别是金刚石/非金刚石碳复合材料或合成物的表面性质可以方便地定制，所以本发明可以提供改进的用于生物分子质谱分析的分析方法。这种方法特别适用于分析包括人体、动物和植物样品的生物样品，例如分析组织、血液或其他流体。因此本发明提供了具有改进分辨率的用于例如诊断的分析方法。
根据本发明的另一方面，本发明涉及提供用于分析的离化分析物的设备。该设备可以设有一个或多个衬底，该衬底包含金刚石/非金刚石复合物或合成物，或者涂覆了金刚石/非金刚石材料的复合物或合成物，更具体地为本发明的金刚石/非金刚石碳。该设备还具有能量源，例如光能为该能量源的辐射的一个示例。当该辐射源辐射其上吸附了分析物的本发明衬底上时，辐射会导致用于分析的分析物的脱附和离化。
根据另一方面，本发明涉及特别适用于提供用于分析的离化分析物的设备的衬底，更具体地为包含金刚石/非金刚石材料的复合物或合成物的衬底，或者是涂敷了金刚石/非金刚石材料的复合物或合成物的衬底。本发明一个具体实施方案涉及包含金刚石/非金刚石碳材料的复合物或合成物的衬底，或者是涂敷了金刚石/非金刚石碳材料的复合物或合成物的衬底。基于物理与/或化学性质，本发明的衬底实现了对离化分析物的改进分析。
根据另一方面，本发明涉及使用本发明的金刚石碳复合材料生成的质谱图样。这些图样可以用出现金刚石/非金刚石材料的峰来表征(当本发明的材料被用做传统基体时)，或者可以用特殊曲线形状来表征，其中由于分析物和本发明的金刚石/非金刚石复合物或合成物衬底之间的反应而产生该特殊曲线形状。因此本发明的又一个方面涉及存储于存储器，例如磁盘、固态存储器件如电脑的存储器或网络器件的存储器、光存储器件如CD-ROM或DVD-ROM，或磁带存储器件中的数据结构，该数据结构包括使用本发明衬底而获得的图样。
将参照具体实施方案并参考特定图示描述本发明，但本发明不限于这些实施方案与图示，而只由权利要求限定。所示的图示仅是示意图，而非限制性的。在这些图示中，出于说明的目的，一些元件的尺寸可能被夸大而未按比例绘制。在本说明书和权利要求中使用术语“包括”的场合中，并不排除还有其他元件或步骤。在提到单数名词时使用不定冠词或定冠词例如“一”、“一个”、“这个”的场合，包括多个该名词，除非特别声明了是其他情况。
权利要求中使用的术语“包括”不应被理解为限于随后所列的方法，并不排除还有其他的元件和步骤。因此，“包括方法A和B的器件”表达的范围不应限于只包括A和B两部分的器件。在本发明中这意味着，该器件有关部分只有A和B。
此外，在说明书和权利要求中，术语“第一”、“第二”、“第三”等只是用来区别相似的元件，而并不一定用来描述连续的或时间上的顺序。应该理解，这样使用的术语在适当的情况下是可以互换的，而且这里所描述的本发明实施方案可以按照除了这里描述或列举之外的其他顺序下工作。
此外，在说明书和权利要求中，术语“顶部”、“底部”、“在...上”、“在...下”等是为了方便描述，而不一定用来描述相对位置。应该理解，这样使用的术语在适当的情况下是可以互换的，而且这里所描述的本发明实施方案可以按照除了这里描述或列举之外的其他取向工作。
本发明涉及金刚石/非金刚石例如碳材料的复合物或合成物，也称为D/NDC材料，及其在分析生物分析物的方法和设备中的应用。
根据本发明的“金刚石/非金刚石材料复合物或合成物”不是由纯相的金刚石构成，而是包含了非金刚石成份。该非金刚石成份是一种导电材料。根据本发明具体实施方案，该非金刚石成份是一种非金刚石碳成份。典型地，该金刚石/非金刚石碳材料是用化学气相沉积方法获得的，并包含经拉曼光谱证实的被缺陷缀饰的晶界以及非金刚石碳相(也称为“混合相”)。更具体地，本发明材料的拉曼光谱的特征为“金刚石”峰(在1332±15cm-1处)以及一个或多个附加的拉曼带。对于非常小的金刚石晶粒尺寸，1150±50cm-1处的峰值也说明在复合材料或合成物中存在金刚石。至于这些附加拉曼带，当非金刚石材料是碳时，除了金刚石峰外，这种金刚石/非金刚石复合材料或合成物的拉曼光谱还显示出“G”(石墨)与/或“D”(无序)峰，这两种峰都被展宽，前者出现在约1530到1600cm-1的宽带内，后者出现在约1140到1300cm-1的宽带内(可能出现在金刚石峰下方)。
这样，根据本发明具体实施方案，该非金刚石材料是碳，而且该金刚石/非金刚石复合材料具有这样的特征拉曼光谱在1100到1700cm-1之间包含至少两个峰，更具体地，其中一个峰位于1332±15cm-1或1150±50cm-1，另一个峰位于1560±30cm-1。
根据本发明具体实施方案，金刚石峰和非金刚石峰例如石墨峰值的比值，也称为金刚石与石墨的拉曼比，介于0.1到1000之间，尤其是10到100之间。
因此，根据本发明具体实施方案，该金刚石/非金刚石材料的复合物或合成物包括超过1％的非金刚石杂质，具体地包含至少5％的非金刚石杂质，更具体地包含5％到50％的非金刚石杂质成份，其中基于不同的分析方法可以确定这些杂质含量，该分析方法包括但不限于拉曼光谱、透射光谱、化学分析以及热传导测量(测量结果与拉曼数据相关联，见P.K.Bachmann等人，1995，Diamond and Rel.Mat，4820)。
本发明的金刚石/非金刚石复合材料可以通过技术人员熟知的不同方法获得。根据具体实施方案，金刚石碳复合材料可以通过化学气相沉积(CVD)方法获得，典型地使用是在过量的氢气中用碳氢化合物气体(如甲烷)作为反应气体。化学气相沉积涉及在固体表面上方发生的气相化学反应，该反应致使材料沉积在表面上。所有用于生长金刚石膜的CVD技术都需要一种激活包含前驱体分子的气相碳的方法。这通常涉及热(例如热灯丝)或等离子体(直流、射频或微波，也称为微波等离子体辅助化学气相沉积或MPCVD)激活，或使用燃烧火焰(乙炔焰或等离子体焰)。备选地，可以使用包括金刚石-碳粒子的旋转涂覆(如Sakaue等人，2003，Appl.Phs.Lett.83(11)2226-2228中所描述)的方法。
各种沉积工艺的生长速率相差很大，且生长速率依赖于样品中sp3(金刚石)结合的碳和sp2(石墨)结合的碳的比值、组分(例如C-C键相对于C-H键的含量)和结晶度。通常燃烧法沉积金刚石的速率较快(典型地分别为100-1000微米/小时)，而热灯丝和等离子体方法的速率相对较低(0.1-10微米/小时)。本发明的金刚石/非金刚石碳复合材料与纯相金刚石相比具有生长速率较高的优势，所以可以在更低成本下制备该材料。
CVD方法得到的表面形态严格依赖于气体混合比和衬底温度。在“慢”生长条件(低CH4分压及低衬底温度)下，可以获得微晶膜，其上最明显的是三角形的{111}面；随着CH4在反应前驱体气体混合物中的相对浓度的增大与/或衬底温度的升高，很多明显的孪晶晶界{100}面开始占主导，这些晶面呈正方形和矩形。这种微晶膜的剖面表明生长基本上是柱状方式的。在较高的CH4分压下，结晶形貌消失，产生金刚石纳米晶和无序石墨的聚集。
CVD金刚石膜可以生长在许多不同的衬底上，最常用衬底为单晶硅晶片。主要要求为生长衬底的熔点(在工艺压力下)必须高于金刚石生长所需的温度窗口(600-1600K)。合适的生长衬底包括金属，如钼、肽、钽，以及非金属，如硅土、玻璃、Ge、蓝宝石、金刚石本身以及石墨、硅或含有半导体的材料。
备选地，还可以由多晶金刚石颗粒获得本发明的金刚石/非金刚石复合材料或合成物，其中该多晶金刚石颗粒是在高压下获得的。多晶金刚石/金属混合物在加工工业中被称为PCD，是由高压合成金刚石以及晶粒间的钴(或其他金属)粘合剂而形成的。金刚石的爆炸合成(explosion synthesis)是将重材料(铀)喷射到石墨靶上，从而形成冲击波并把石墨转化成金刚石。结果的精细金刚石晶粒通常用于抛光，包含石墨碳与/或金属残余物。这些颗粒可以直接直接使用或者加工成体材料(如通过热压缩)而应用于本发明的上下文。
更具体地，本发明的金刚石/非金刚石材料的复合物或合成无的特征在于其具有导电性，即，它允许荷电载流子以很小的电阻流过该材料，这与为绝缘体或半导体的纯相材料相反。这是一项重要的优势，意味着可以通过支持结构实现电学接触，从而可以在本发明材料表面所捕获、固定或吸附的分析物上施加直流、交流或者脉冲电压。本发明材料的导电性取决于该合成物或复合物中是否存在非金刚石相，即碳或其他导电材料。
根据本发明，该金刚石/非金刚石材料的复合物或合成物可以用作衬底(在样品探针上)，将样品呈现在能量源下，随后对该样品进行分析。可以以固定衬底的形式使用该材料，如混合相颗粒，或以任何其他形式使用该材料。固定衬底可以是膜的形式，可选择地可以是沉积在衬底材料(可以是类似的材料，例如金刚石，或者是完全不同于金刚石碳复合材料的材料)上的涂层。典型地，该衬底或有涂层的衬底被固定到由任何适当材料(如铝)制成的基底结构或载体上。因此该固定衬底构成了(至少)样品探针的样品呈现表面。
根据本发明，金刚石/非金刚石复合材料可以生长与/或处理以获得不同的表面形态。因此可以获得各种形式的金刚石/非金刚石碳复合膜其形式为从结构混杂制品(带有CVD金刚石针的体CVD金刚石)上的连续膜(无孔)，到不再形成相连网络的完全独立的针状体。这种取向的针状CVD金刚石结构允许将生物聚合物按照表面形态取向，从而增强了捕获探针的活性、活性表面积以及效率。因此，可以针对具体应用而对该材料表面形态进行定制。
通过部分氧化金刚石/非金刚石碳复合物可制备针状体金刚石，如P.K.Bachmann等人1993年所述(Diamond and Related Materials2683)。
通过使用特殊的金刚石/非金刚石例如碳的复合材料的制造工艺，或者通过在生长例如气相沉积金刚石/非金刚石复合材料中使用特殊条件，可获得合适的(表面)形态。针状单元网络的间隔和高度可以通过各种变量来调整，这些变量包括沉积过程中使用的气体混合物、氧化、蚀刻、等离子体和衬底之间的电压、衬底温度、等离子体功率、工艺压力、衬底附近的电磁场、沉积气体及其流速、反应室条件以及衬底表面。
根据本发明的具体实施方案，通过选择本身具有特殊形态的衬底，材料的表面形态(至少部分上)是由所使用的(生长)衬底的选择决定的。因此，金刚石/非金刚石复合材料可以沉积在多孔表面例如多孔硅表面上，类似地形成具有高活性表面区域和效率的衬底。Wang等人描述了用MPCVD生长金刚石膜(2000，J Phs.Condens.Matter12(13)L257-260)。该金刚石/非金刚石碳复合物膜可选地可以按照本说明书所述而进一步改性。
根据本发明另一实施方案，金刚石/非金刚石碳复合材料或合成物在沉积形成后被改性。本发明的金刚石/非金刚石碳复合材料或合成物的表面改性可以通过例如离子注入实现。离子注入断开大量sp3键，将其转化成sp2型的键，从而产生导电性更强的金刚石/非金刚石碳复合材料。其他可以用于金刚石碳复合材料的表面改性的合适技术可以是蚀刻、氢等离子体表面处理或者这些技术的组合。氢等离子体表面处理具有以下效果。首先，金刚石碳复合材料表面的悬挂键可以通过化学方法被原子氢终止，并且由于不同的电负性，碳一氢键通常会形成偶极子。其次，由于离子轰击，蚀刻工艺会产生大量缺陷并改变金刚石碳复合材料的表面结构。
用于执行沉积后的金刚石蚀刻的方法，如使用氧化剂，对于技术人员而言是熟知的，例如Bachman等人，1993年(Diamond and relatedmaterial 2683；Hayashi等人，2004)。氧气蚀刻改变金刚石和非金刚石碳的比值。这反应在拉曼光谱中金刚石峰(1332cm-1)和G峰值(1560cm-1)的比值发生变化。根据本发明，在蚀刻时需要小心以确保材料始终保有非金刚石成份而不变成纯相。
本发明的金刚石/非金刚石材料复合物或合成物，例如金刚石/非金刚石碳的物理结构可以根据特殊情况进行定制。这种改性会形成不同的表面形态从连续衬底，即呈现三维的柱状或针状表面形态的衬底，到由不再形成连接网络的独立针状结构构成的衬底，即形成了多孔结构。鉴于受抑制的反射率、对各种分子具有高吸附能力、高的光吸收能力、分析物运用控制以及增强的光吸收，增强的三维结构引起人们很大兴趣。
根据本发明另一实施方案，通过添加极性或功能基团，本发明的金刚石/非金刚石碳材料复合物或合成物被化学改性，其中这些极性或功能基团影响生物分析物在材料上的选择性吸附与/或脱附。例如通过使全部或部分表面被包括但不限于氢、氧、氯、氨基等分子终止，可以实现这种改性。使用氢原子终止表面可降低电场或离子诱发电子发射的阈值。从表面出射的电子可以更容易地使分析物带负电，并改善相应的负模式下脱附/离化的效果。通过加成反应(例如使用氟化石蜡)或夺氢反应(例如使用烷基胺)使表面自由基淬灭，可以获得更疏水的表面。从被氢终止的表面开始，通过光化学过程，在末端有受保护胺基的分子会粘附在该表面上，然后胺基可以被去保护，使其反应形成交联剂。在最后一步中，酶或蛋白质，或者任何其他生物分子会被粘附到表面。CVD金刚石表面的氧终止可以抑制电子从该表面出射，从而得到改进的“正模式”下DI数据。
根据本发明另一实施方案，本发明材料对光的吸收可调节成与使用该材料的脱附/离化过程所使用的波长相对应。通过用适当的掺杂剂例如B、P、Na、Li、As、Sb等对金刚石/非金刚石复合材料或合成物进行掺杂，可以实现这一点。除了可能的其他方法之外，原位掺杂以及离子注入掺杂也是对金刚石进行掺杂的合适技术。通过将化合物添加到CVD气相中，该化合物与生长金刚石的材料被共同沉积并作为掺杂剂，可以完成原位掺杂。例如用氮或硼掺杂会使金刚石的光吸收(未掺杂金刚石的光吸收在可见光波段)向长波长移动，即向低能方向移动(Stotter等人，2003，The Electrochemical Society USA12(1)33)。
除了在膜生长过程中的原位掺杂以外，也可以通过离子注入对金刚石进行掺杂。在离子注入方法中，高能原子(离子)由于具有很高的动能而被驱赶到固体靶中。sp3键的碳(金刚石)是绝缘体，而sp2键的碳(石墨)是导体。通过例如热注入和后退火工艺，可以完成这一点。引入电子活性中心这种方法的效率随着注入过程中金刚石温度以及后续退火条件的不同而有很大变化。
本发明的金刚石/非金刚石碳复合材料的高热导率对于DI分析来说是一种优势，因为表面吸收的激光会快速均一地分布到扩展区域内，并使更多数量的分析物快速一致地从该表面脱附。
根据本发明，金刚石/非金刚石材料的复合物或合成物被用于分析样品，特别地用于探测样品中的分析物。该样品可以是有机或无机化学合成物、生物化学合成物、肽、多肽、蛋白质、碳水化合物、类脂、核酸、细胞、细胞状结构、微生物或其混合物。
因此根据本发明一个具体实施方案，样品被应用于包含金刚石/非金刚石材料的复合物或合成物的衬底上，然后通过探测方法分析该样品。更具体地，该分析包括将能量源释放到样品上，从而使样品中分析物带电，(选择性地)从衬底上释放出来且通常进入具有电场的真空中，其中该电场诱导该分析物穿过或朝探测器件运动。
样品的离化/气态形式可以通过从蒸发到离子束轰击的不同技术获得，这取决于样品。因此除了激光之外，还可以使用所有类型的光源，例如(宽波段或特定颜色的)高功率光LED、放电管(使用摄像闪光灯，可以将CNT点燃在氧气中燃烧)。备选能量源包括非光学能量源，例如电流、电子束、离子束等。
根据具体实施方案，本发明的材料被用作激光脱附质谱分析中的衬底。
可以通过许多不同方法将该样品应用于包含金刚石/非金刚石材料的复合物或合成物的衬底上，该方法包括但不限于从固态、液态或气态中吸附样品，或者将样品作为固体或液体直接涂敷到衬底表面上。可选地，可以利用化学分离方法将样品直接涂敷到衬底上，该化学分离方法包括液体色谱法、气体色谱法以及沉积膜色谱法。
本发明上下文中样品分析中使用的探测器件包括质谱分析仪，特别是使用飞行时间(TOF)分析进行种类的辨别。备选地，本发明上下文中可以采用其他探测方法，包括基于抗原抗体反应的探测方法、荧光探测方法、光学探测方法、放射探测方法、电学探测方法、化学探测方法、抗原抗体反应探测及其组合。
可选地，根据本发明，如上所述地通过物理与/或化学方法对该金刚石/非金刚石复合物或合成物衬底进行改性或功能化，从而使样品中分析物选择性地粘附与/或释放出来。通过包含活性、非活性、有机、有机金属以及无机分子种类的分子，可以实现该化学功能化。更具体地，化学改性可包括例如氧化、还原以及加成化学基团(例如Cl)的步骤。
在本发明的另一实施方案中，该膜被改性以粘附一种或多种抗体或其他化学成份，这些成份与样品中成份反应。随后使用探测手段探测抗原-抗体反应或者粘附在膜上的该一种或多种抗体或其他化学成份。在本发明另一实施方案中，膜被改性以便粘附包括神经元、神经胶质、造骨细胞、破骨细胞、软骨细胞、角质形成细胞、黑素细胞以及表皮细胞的细胞；这些细胞藉此在膜上增生扩散。膜可以被改性，使得细胞的增生扩散受控制或限制。此外，粘附了细胞的膜可以置于活体内。
可选地，该金刚石/非金刚石材料复合物或合成物可以用作样品的衬底，其中在该衬底上进行特定反应。根据本发明该实施方案，衬底可以被功能化以确保样品中一种或多种分子的特定粘附与/或取向，而后该衬底以及粘附其上的分子与反应物接触，且该分子和所述反应物之间的相互反应被探测(包括涉及核酸或蛋白质的高通量的反应)。
根据本发明的另一实施方案，该金刚石/非金刚石材料复合物或合成物可以用作一系列样品的衬底，其中这些样品被筛选以确定是否具有特定的性质，这样就可以通过探测手段完成分析。本发明的基体对于集成到高通量样品分析系统中(即大尺寸的类蛋白体)特别具有吸引力。
根据另一实施方案，该金刚石碳复合材料可用于产生与用于分子电子学的有机半导体与分子的接触。


图1为脱附-离化质谱分析法(DI-MS)设备的示意图。
图2为根据本发明具体实施方案，用于SELDI-MS的载体。
脱附-离化设备图1示出了如DI-MS的脱附-离化设备的示意图，该设备为可以应用本发明的例如MALDI设备或者例如SELDI设备。该设备包含中空腔1和置于该腔内的探针样品9。腔1通过真空泵7保持真空状态。能量源8被布置及定向，使得探针样品9上的分析物可以被离化。例如，能量源可以是激光，例如紫外激光。离化分析物被场发生器6产生的电场与/或磁场从探针样品中提取出来。例如，电压施加于串联排列的两个电极3、5之间。被加速的离化分析物随后在具有读取电子器件4的探测器2被探测。该探测器可以置成与探针样品有一定的距离，该读取电子器件可用于确定离化分析物的飞行时间。
任一本发明金刚石/非金刚石材料复合物或合成物都可用作样品探针上的衬底，用于如图1所示的脱附-离化设备。任一本发明金刚石/非金刚石材料复合物或合成物都可用于涂敷样品探针上的衬底或者用作常规DI-MS例如MALDI设备，或者例如SELDI设备中的基体材料。
脱附-离化器件图2示出了根据本发明实施方案用于脱附-离化设备的载体。该载体包括铝支座，其表面上夹持着硅条。通过选择性地预处理不同区域(点)，例如使用金刚石颗粒促进成核，使得金刚石/非金刚石复合材料生长在硅材料上直径2毫米的区域(黑点)内。
光(激光)脱附-离化样品分析使用了ABI Qstart质谱仪，该质谱仪装配了SELDI端口并使用氮气激光器发出的337纳米的光。衬底粘附在图2所示支座上的常规MALDI靶的面上。以线性模式进行分析，除了没有使用低质量截止以外，仪器参数与常规MALDI操作相同。
存储在存储器中的质谱使用本发明金刚石/非金刚石碳合成物或复合材料，使用上述设备和器件所产生的质谱图样，其特征在于存在金刚石/非金刚石材料的特征峰(当本发明材料被用作常规基体时)，或者其特征在于由分析物和金刚石/非金刚石复合物或合成物衬底材料之间的相互作用而产生的特殊线形。因此本发明的另一方面涉及存储于存储器例如磁盘、固态存储器件如电脑的存储器或网络器件存储器、光学存储器件例如CD-ROM或者DVD-ROM；或者磁带存储器件中的数据结构，其中该数据结构包括使用本发明衬底所获得的图样。
应该理解，尽管在本说明书中已经描述了用于根据本发明的器件的优选实施方案、特殊构造和配置以及材料，但在不脱离本发明范围和精神的情况下可以进行形式和细节上的各种变化或修正。
权利要求
1.在脱附/离化分析的方法中应用金刚石/非金刚石材料的复合物或合成物。
2.权利要求1的应用，其中所述非金刚石材料是导电材料。
3.权利要求1或2的应用，其中所述非金刚石材料是非金刚石碳。
4.权利要求1到3中任一权利要求的应用，其中所述金刚石/非金刚石材料的复合物或合成物通过物理与/或化学方法被改性或功能化。
5.权利要求1到4中任一权利要求的应用，其中所述金刚石/非金刚石材料的复合物或合成物具有三维结构。
6.权利要求1到5中任一权利要求的应用，其中所述金刚石/非金刚石材料的复合物或合成物是多孔的。
7.权利要求1到6中任一权利要求的应用，其中所述金刚石/非金刚石材料的复合物或合成物通过氧化或氢化被化学改性。
8.权利要求1到7中任一权利要求的应用，其中所述金刚石/非金刚石材料的复合物或合成物用作固定衬底。
9.权利要求1到8中任一权利要求的应用，其中用于所述方法中的所述金刚石/非金刚石材料的复合物或合成物是以颗粒溶液的形式被使用。
10.权利要求1到9中任一权利要求的应用，其中所述方法是质谱分析方法。
11.权利要求1到10中任一权利要求的应用，其中所述金刚石/非金刚石材料的复合物或合成物的化学成份被调整以确保在用于离化/脱附的光源的波长处吸收。
12.权利要求1到11中任一权利要求的应用，其中通过在生长衬底上进行化学气相沉积而获得所述金刚石/非金刚石材料的复合物或合成物。
13.权利要求12的应用，其中所述生长衬底选自金属，非金属，例如玻璃、Ge、蓝宝石、金刚石本身以及石墨、硅或含有半导体的材料及其混合物。
14.一种用于分析样品的方法，其包括步骤(a)将样品涂敷到包含金刚石/非金刚石材料的复合物或合成物的衬底上；以及(b)使用探测装置分析所述样品。
15.权利要求14的方法，其中所述非金刚石材料是导电材料。
16.权利要求14和15的方法，其中所述非金刚石材料是非金刚石碳。
17.权利要求14到16中任一权利要求的方法，其中所述样品选自以下基团组成的组有机化学合成物、无机化学合成物、生物化学合成物、细胞、微生物、肽、多肽、蛋白质、脂质、碳水化合物、核酸及其混合物。
18.权利要求14到17中任一权利要求的方法，其中所述金刚石/非金刚石材料的复合物或合成物具有三维结构。
19.用于脱附/离化分析的设备，包括装备有金刚石/非金刚石材料的复合物或合成物的衬底，将能量导向该衬底的能量源，以及探测装置，用于分析从所述衬底发射的物质。
20.权利要求19的设备，其中所述非金刚石材料是导电材料。
21.权利要求19或20的设备，其中所述非金刚石材料是非金刚石碳。
22.权利要求19到21中任一权利要求的设备，其中所述金刚石/非金刚石材料的复合物或合成物通过物理与/或化学方法被改性或功能化。
23.权利要求19到22中任一权利要求的设备，其中所述金刚石/非金刚石材料的复合物或合成物具有三维结构。
24.权利要求19到23中任一权利要求的设备，其中所述金刚石/非金刚石材料的复合物或合成物是多孔的。
25.权利要求19到24中任一权利要求的设备，其中所述金刚石/非金刚石材料的复合物或合成物通过氧化或氢化而被化学改性。
26.一种经过调整以适用于质谱分析设备的衬底，其特征在于该衬底包含金刚石/非金刚石材料的复合物或合成物。
27.权利要求26中的衬底，其中所述非金刚石材料是导电材料。
28.权利要求26或27的衬底，其中所述非金刚石材料是非金刚石碳。
29.权利要求26到28中任一权利要求的衬底，其中所述衬底包括金刚石/非金刚石材料的复合物或合成物的涂层。
30.权利要求29的衬底，其中所述金刚石/非金刚石材料的复合物或合成物被涂覆在硅或玻璃上。
全文摘要
本发明涉及将金刚石/非金刚石材料的复合物或合成物，例如金刚石/非金刚石碳材料用于化学或生物分析。本发明进一步涉及将这种材料用于生物样品的分离粘附及化学探测。这种材料的结构化衬底或混相颗粒的应用包括但不限于涉及脱附－离化样品的工艺，更具体地涉及质谱分析。
文档编号H01J49/40GK1950923SQ200580013563
公开日2007年4月18日 申请日期2005年4月13日 优先权日2004年4月27日
发明者P·K·贝克曼, V·范埃尔斯伯根, R·霍夫曼, H·胡默尔, C·M·里兵, D·U·维彻尔特 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司