基質(zhì)陣列和其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開內(nèi)容總體上涉及限定反應(yīng)體積的基質(zhì)（matrix)陣列和形成這樣的基質(zhì)陣 列的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 小體積聚合物基質(zhì)陣列日益受到例如分析化學(xué)和分子生物學(xué)領(lǐng)域研究人員的關(guān) 注。這些小體積聚合物基質(zhì)可用于捕捉分析物以及在稀釋系統(tǒng)中進行分析，或可用于同時 進行多種分析物的分析。特別地，這些聚合物基質(zhì)陣列可用于基因測序技術(shù)。
[0003] 已經(jīng)證實例如桑格測序（Sanger sequencing)的早期基因測序技術(shù)昂貴并且耗 時。最近，已針對基于熒光的測序技術(shù)研究了珠粒陣列。然而，這樣的技術(shù)遭受與捕捉待測 序的目標多核苷酸以及在測序期間將這樣的目標多核苷酸保留在可分辨反應(yīng)體積內(nèi)有關(guān) 的困難。此外，從業(yè)人員報導(dǎo)與制備珠粒和珠粒陣列有關(guān)的困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 在一實施方式中，可將聚合物基質(zhì)前驅(qū)體施加至與一個或多個感測器關(guān)聯(lián) (associate)的井陣列。聚合物基質(zhì)前驅(qū)體可聚合以形成聚合物基質(zhì)陣列。這些聚合物基 質(zhì)可綴合（結(jié)合，conjugate)到寡核苷酸并且可用于多種分析技術(shù)，包括基因測序技術(shù)。
【附圖說明】
[0005] 通過參考附圖，可以更好地理解本公開內(nèi)容，并且使本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚其眾多 特征和優(yōu)勢。
[0006] 圖1包括示范性測量系統(tǒng)的圖示。
[0007] 圖2包括示范性測量組件的圖示。
[0008] 圖3包括示范性測量組件陣列的圖示。
[0009] 圖4包括示范性井配置的圖示。
[0010] 圖5包括示范性井和感測器配置的圖示。
[0011] 圖6、圖7、圖8以及圖9包括工件在通過示范性方法處理期間的圖示。
[0012] 圖10、圖11以及圖12包括工件在通過示范性方法處理期間的圖示。
[0013] 圖13、圖14以及圖15包括工件在通過示范性方法處理期間的圖示。
[0014] 在不同附圖中相同附圖標記的使用指示相似或相同的項目。
【具體實施方式】
[0015] 在一示范性實施方式中，測量系統(tǒng)包括分布于與感測器關(guān)聯(lián)的井中的親水性聚合 物基質(zhì)陣列，所述感測器例如感測器陣列的感測器。在一實例中，親水性基質(zhì)為水凝膠基 質(zhì)。親水性基質(zhì)可與感測器陣列的感測器以一對一配置對應(yīng)。在另一實例中，感測器陣列 的感測器可包括場效應(yīng)晶體管（FET)感測器，例如離子敏感場效應(yīng)晶體管（ISFET)。特別 地，基質(zhì)材料被就地固化并且符合感測器件的各個井的配置。井之間的間隙區(qū)域可基本上 不含聚合物基質(zhì)。在一實例中，基質(zhì)材料可鍵結(jié)（例如共價鍵結(jié)）于井表面。在一實例中， 井的深度或厚度在IOOnm到10 μπι范圍內(nèi)。在另一實例中，井可具有0. 1 μπι到2 μπι范圍 內(nèi)的特征直徑。
[0016] 在一示范性方法中，聚合物基質(zhì)陣列可以通過向井陣列的井中施加包括聚合物前 驅(qū)體的水溶液形成?？梢允褂冒仓迷诰嚵猩厦娴牟豢苫烊芰黧w分隔由井陣列限定的水性 材料的體積?？梢l(fā)所分隔體積的溶液以促進基質(zhì)前驅(qū)體聚合，導(dǎo)致分布于井內(nèi)的基質(zhì)陣 列。在一實例中，將包括基質(zhì)前驅(qū)體的水溶液通過使所述水性前驅(qū)體流經(jīng)（flow over)井 而分布至感測器件的井。在另一實例中，水溶液作為分散相包括于乳液內(nèi)。分散相可沉降 或被推動到井陣列的井中?？墒褂冒仓糜谒鄡?nèi)或不可混溶流體內(nèi)的引發(fā)劑引發(fā)基質(zhì)前驅(qū) 體的聚合。在另一實例中，可以用熱方式引發(fā)聚合。
[0017] 在另一示范性方法中，可以通過將引發(fā)劑分子錨定于井陣列的井內(nèi)的表面而在感 測器件的井內(nèi)形成基質(zhì)陣列?？稍诰嚵械木厦嫣峁┌ɑ|(zhì)前驅(qū)體的溶液。引發(fā)劑可 引發(fā)基質(zhì)前驅(qū)體的聚合，導(dǎo)致在井陣列的井內(nèi)形成聚合物基質(zhì)。在另一實例中，可組合上述 方法的各方面以進一步提高基質(zhì)陣列的形成。
[0018] 在一具體實例中，測序系統(tǒng)包括安置有感測陣列的流槽，包括與感測陣列電子連 通的通信電路，并且包括與流槽流體連通的容器和流體控制器。在一實例中，圖1說明流槽 100的放大的橫截面圖并且說明流室106的一部分。試劑流108流過井陣列102的表面， 其中試劑流108流經(jīng)井陣列102的井的開口端。井陣列102和感測器陣列105 -起可形成 整合單元，其形成流槽100的下壁（或底板）。參考電極104可流體地聯(lián)接到流室106。另 外，流槽罩130包封流室106以將試劑流108含于限定區(qū)域內(nèi)。
[0019] 圖2說明如圖1的110處所示的井201和感測器214的放大圖。井的體積、形 狀、寬高比（縱橫比，aspect ratio)(例如底部寬度對井深度比率）以及其它維度特征可 基于發(fā)生的反應(yīng)性質(zhì)，以及采用的試劑、副產(chǎn)物或標記技術(shù)（如果存在）來選擇。感測器 214可為具有浮動?xùn)艠O（浮柵）218的化學(xué)場效應(yīng)晶體管（chemFET)，更特別地離子敏感 FET(ISFET)，所述浮動?xùn)艠O具有任選地通過材料層216與井內(nèi)部隔開的感測器板220。另 外，可在感測器板220上面安置導(dǎo)電層（未說明）。在一實例中，材料層216包括離子敏感 材料層。材料層216可為陶瓷層，尤其例如鋯、鉿、鉭、鋁或鈦的氧化物，或鈦的氮化物?；?者，金屬層或材料層216可以由金屬例如鈦、鎢、金、銀、鉑或其組合形成。在一實例中，材料 層216的厚度可在5nm至丨」IOOnm范圍內(nèi)，例如IOnm到70nm范圍內(nèi)，15nm到65nm范圍內(nèi)或 甚至20nm到50nm范圍內(nèi)。
[0020] 盡管將材料層216說明成延伸超過所示FET組件的界限，但材料層216可沿井201 的底部延伸以及任選地沿井201的壁延伸。感測器214可對與感測器板220相對的材料層 216上存在的電荷224的量作出響應(yīng)（并且產(chǎn)生與所述量相關(guān)的輸出信號）。電荷224的 改變可引起chemFET的源極221和漏極（汲極）222之間的電流改變。繼而，chemFET可直 接用于提供基于電流的輸出信號或與額外電路一起間接用于提供基于電壓的輸出信號。反 應(yīng)物、洗滌溶液以及其它試劑可以通過擴散機理240移動進入和離開井。
[0021] 在一實施方式中，在井201中進行的反應(yīng)可為鑒別或測定所關(guān)注的分析物的特性 或性質(zhì)的分析反應(yīng)。這樣的反應(yīng)可直接或間接產(chǎn)生影響感測器板220附近的電荷量的副產(chǎn) 物。如果這樣的副產(chǎn)物少量產(chǎn)生或快速衰變或與其它組分反應(yīng)，那么可同時在井201中分 析相同分析物的多個拷貝以提高產(chǎn)生的輸出信號。在一實施方式中，分析物的多個拷貝可 在沉積到井201中之前或之后附著（attach)于固相支撐物212。固相支撐物212可為聚合 物基質(zhì)，例如親水性聚合物基質(zhì)，例如水凝膠基質(zhì)等。為簡單和容易解釋起見，固相支撐物 212在本文中還稱為聚合物基質(zhì)。
[0022] 井201可以通過壁結(jié)構(gòu)限定，所述壁結(jié)構(gòu)可以由一個或多個材料層形成。在一實 例中，壁結(jié)構(gòu)可具有在〇. 01 μm到10 μm范圍，例如0. 05 μm到10 μm范圍、0. 1 μm到10 μm 范圍、0. 3 μπι到10 μπι范圍或0. 5 μπι到6 μπι范圍內(nèi)的從井的下表面延伸到上表面的厚度。 特別地，厚度可在〇. 01 μ m到1 μ m范圍，例如0. 05 μ m到0. 5 μ m范圍或0. 05 μ m到0. 3 μ m 范圍內(nèi)。井201可具有不超過5 μπι，例如不超過3. 5 μπι，不超過2. 0 μπι，不超過L 6 μπι，不 超過I. 0 μ m，不超過0. 8 μ m或甚至不超過0. 6 μ m的特征直徑，所述特征直徑定義為4乘 以橫截面面積（A)除以π的平方根（例如sqrt(4*A/π))。在一實例中，井201可具有至 少0. 01 μ m的特征直徑。在另一實例中，井201可限定0. 05fL到IOpL范圍內(nèi)的體積，例如 0. 05fL到IpL范圍、0. 05fL到IOOfL范圍、0. 05fL到IOfL范圍或甚至0.1 fL到5fL范圍內(nèi) 的體積。
[0023] 盡管圖2說明單層壁結(jié)構(gòu)和單層材料層216,但系統(tǒng)可包括一個或多個壁結(jié)構(gòu)層、 一個或多個導(dǎo)電層或一個或多個材料層。舉例來說，壁結(jié)構(gòu)可以由一個或多個層形成，所述 層包括硅氧化物或TEOS或包括硅的氮化物。
[0024] 在圖3中說明的一個具體實例中，系統(tǒng)300包括限定井陣列304的井壁結(jié)構(gòu)302， 所述井陣列安置在感測器陣列的感測器墊上面或可操作地耦接到感測器陣列的感測器墊。 井壁結(jié)構(gòu)302限定上表面306。與井關(guān)聯(lián)的下表面308安置在感測器陣列的感測器墊上面。 井壁結(jié)構(gòu)302限定上表面306與下表面308之間的側(cè)壁310。如上文所述，與感測器陣列的 感測器墊接觸的材料層可沿井陣列304的井的下表面308延伸或沿由井壁結(jié)構(gòu)302限定的 壁310的至少一部分延伸。上表面306可不含材料層。特別地，聚合物基質(zhì)可安置于井陣 列304的井中。在一實例中，上表面306可基本上不含聚合物基質(zhì)。舉例來說，上表面306 可包括不含聚合物基質(zhì)的區(qū)域，例如至少70%總面積、至少80%總面積、至少90%總面積 或約100 %總面積。
[0025] 盡管圖2的壁表面被圖示為基本上豎直地并且朝外地延伸，但壁表面可在各種方 向中延伸并且具有各種形狀?；旧县Q直表示在具有與由感測器墊所限定的表面垂直的分 量的方向中延伸。舉例來說，如圖4中所示，井壁402可豎直延伸，與由感測器墊限定的表 面的法向分量412平行。在另一實例中，壁表面404以遠離感測器墊的向外方向基本上豎 直延伸，提供比井的下表面區(qū)域大的井開口。如圖4中所示，壁表面404在具有與表面414 的法向分量412平行的豎直分量的方向中延伸。在一替代實例中，壁表面406在朝內(nèi)方向 中基本上豎直地延伸，提供比井下表面的區(qū)域小的開口區(qū)域。壁表面406在具有與表面414 的法向分量412平行的分量的方向中延伸。
[0026] 盡管表面402、404或406通過直線示出，但一些半導(dǎo)體或CMOS制造方法可導(dǎo)致具 有非線性形狀的結(jié)構(gòu)。特別地，壁表面（例如壁表面408)和上表面（例如上表面410)的 形狀可為弓形或采取各種非線性形式。盡管此處說明的結(jié)構(gòu)和器件被描繪為具有線性層、 表面或形狀，但由半導(dǎo)體處理產(chǎn)生的實際層、表面或形狀在一定程度上可不同，可能包括所 說明實施方式的非線性和弓形變化。
[0027] 圖5包括包含離子敏感材料層的示范性井的圖示。舉例來說，井結(jié)構(gòu)502可限定 井陣列，例如示范性井504、506或508。井（504、506或508)能夠可操作地耦接到下伏感測 器（未說明）或連接到這樣的下伏感測器。示范性井504包括離子敏感材料層510,其限定 井504的底部并且延伸進入結(jié)構(gòu)502中。盡管圖5中未說明，但離子敏感材料層510下面 可存在導(dǎo)電層，例如離子敏感場效應(yīng)晶體管的柵極（例如浮動?xùn)艠O）。
[0028] 在另一實例中，如井506所示，離子敏感材料層512可限定井506的底部而不延伸 到結(jié)構(gòu)502中。在另一實例中，井508可包括沿井508的側(cè)壁516的至少一部分延伸的離 子敏感層514,所述井由結(jié)構(gòu)502限定。如上所述，離子敏感材料層512或514可存在于下 伏電子器件的柵極或?qū)щ妼由厦妗?br>[0029] 返回到圖2,基質(zhì)材料212與井結(jié)構(gòu)共形。特別地，基質(zhì)材料可被就地固化以與井 的壁和底部表面共形。限定井的上表面可包括基本上不含基質(zhì)材料的區(qū)域。舉例來說，至 少70%總面積、至少80%總面積、至少90%總面積或約100%總面積可不含基質(zhì)材料。視 井結(jié)構(gòu)的性質(zhì)而定，聚合物基質(zhì)可以物理方式緊固到井壁結(jié)構(gòu)。在另一實例中，聚合物基質(zhì) 可以化學(xué)方式結(jié)合于井壁結(jié)構(gòu)。特別地，聚合物基質(zhì)可共價結(jié)合于井壁結(jié)構(gòu)。在另一實例 中，聚合物基質(zhì)可通過氫鍵或離子鍵結(jié)合于井壁結(jié)構(gòu)。
[0030] 聚合物基質(zhì)可由基質(zhì)前驅(qū)體例如能自由基聚合的單體例如基于乙烯基的單體形 成。特別地，單體可包括親水性單體，例如丙烯酰胺、乙酸乙烯酯、甲基丙烯酸羥基烷基酯， 其變體或衍生物、其共聚物或其任何組合。在一個具體實例中，親水性單體為丙烯酰胺，例 如官能化以包括羥基、氨基、羧基、鹵素基團或其組合的丙烯酰胺。在一實例中，親水性單體 為氨基烷基丙烯酰胺、用胺封端的聚烷