專利名稱：一種基底處理方法
所屬技術領域本發明涉及一種用電化學技術對基底進行處理的方法，特別涉及一種用電化學技術對基底進行修整(modify)的方法。
背景技術：
許多裝置需要在其表面形成某種材料的特定圖案，半導體芯片就是一個顯然的例子。最近出現的DNA芯片也具有一個低核苷酸陣列，該陣列附在一固體表面[G.拉姆齊(G.Ramsay)，《自然生物技術》，1998，卷.16，40～44]。
此類裝置的性能取決于表面材料的圖案和性質。此外，改進現有的裝置一方面是出于小型化的需求，另一方面是對集合化學、物理性質的新型表面的需要。因此，用新方法來制造其表面具有所需圖案的裝置實為必要。
目前對表面特定區域進行處理的方法有幾種。一種方法是照相平版印刷技術。表面的特定區域由照相平版印刷掩模覆蓋，外露的區域由紫外線照射進行修整。這種方法已被廣泛應用于半導體制造，利用此方法涂覆有光刻劑的半導體晶片表面可形成孔。
另一種照相平版印刷技術也被應用到DNA芯片的制造。在此方法中，具有光不安定保護基的低核苷酸被形成在固體表面，照相平板印刷掩模覆蓋表面的某些區域，然后利用紫外線對表面的外露區域進行照射。最后，覆蓋于外露區域的低核苷酸被移除[G.拉姆齊(G.Ramsay)，《自然生物技術》，1998，卷.16，40～44]。
WO93/22480揭露了一種用電化學技術對表面進行處理的方法。在此方法中，電解液浮于表面，電極陣列貼近該表面。通過改變電極陣列的一個或多個電極的電勢，靠近該一個或多個電極的表面被修整。該電解液為三乙胺和硫酸的乙腈溶液。
美國專利第6,093,302號揭露了一種將材料置于基底特定位置的電化學方法。該材料產生在一電極，然后與靠近電極的物質進行反應。同時，該專利應用了一種緩沖或凈化溶液(a buffering or scavengingsolution)。這種緩沖或凈化溶液的作用在于改善基底的辨析率，該基底通過與從鄰近的電極流過的試劑進行反應而進行處理。大量包含有緩沖或凈化物質的溶液不但會抑制分布于特定電極的試劑，而且會抑制用于與鄰近特定電極的基底反應的試劑。
斯哥德(Schuster)等人在《科學》，2000，289，98～101揭露了另一種利用表面電化學處理技術來改進辨析率的方法。斯哥德利用了復雜的電流脈沖來限制擴散時間。

發明內容本發明的目的在于提供一種用電化學手段對基底進行修整的改進方法，特別是提供一種可修整出具有更高辨析率的基底的方法。
為實現該目的本發明提供一種控制第一電極產生的第一氧化還原物質擴散的方法，其包括在靠近上述第一電極的第二電極產生第二氧化還原物質，第一和第二電極與電解液相接觸，其中上述電解液可使第一氧化還原物質被第二氧化還原物抑制。
本發明的進一步改進在于第二電極為輔助電極。
本發明的進一步改進在于該第一氧化還原物質為活性氧化還原物質，其可用于修整鄰近電極的基底。
另外，本發明提供一種處理基底的方法，其包括提供一與基底接觸的電解液，和一個或多個靠近基底并與電解液接觸的電極；改變至少一個電極以產生活性氧化還原物質，它可修整靠近該至少一個電極的基底；該電解液可使該活性氧化還原物質被第二氧化還原物質抑制。
抑制的意思是第二氧化還原物質可與第一氧化還原物質反應并改變其反應方式，使該第一氧化還原物質不能以原有的方式反應。當第一氧化還原物質為活性氧化還原物質時，該活性氧化還原物質與第二氧化還原物質之間的反應將防止活性氧化還原物質修整基底。例如，當活性氧化還原物質為酸時，第二氧化還原物質將可能是堿。該酸與堿之間的反應抑制酸并防止它修整基底。
相較于現有技術，本發明的電解液可使活性氧化還原物質被至少一種其他氧化還原物質所抑制，使得所得之基底具有高的辨析率。

以下將結合附圖對本發明作詳細說明圖1顯示實現本發明的方法所用的設備；圖2顯示基底的選定區域如何被修整；圖3顯示改變電解時間的效果；
圖4顯示從電極陣列移除一陰極的效果。
具體實施方式在發明的優選實施例中，抑制反應會在電解液中重新生成一個或多個物質。
通過活性氧化還原物質，任何氧化或者還原產品將可以修整基底。該活性氧化還原物質可通過氧化或者還原電解液中的物質而直接產生。或者是該活性氧化還原物質通過氧化或者還原電解液中的物質，然后再與電解液中的其他物質發生一個或者多個反應而獲得。
通常，該氧化還原物生成于電極表面。氧化還原物質會修整其鄰近的基底。酸是優選的活性氧化還原物質，其會在基底上發生許多種反應，例如，消除(eliminations)、置換、重整及化學蝕刻。當活性氧化還原物質是酸時，優選其用于移除基底上的酸不安定保護基(acidlabile protecting group)。
酸不安定保護基已為本領域所屬技術人員所悉知，其包括有乙縮醛(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、四氫吡喃基、苯亞甲基、異丙叉、環亞己基和環亞戊基)，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)。酸不安定保護基優選為三苯甲基醚或二甲氧基三苯甲基(DMT)醚，它們通常被用于低核苷酸的合成。
同樣地，該活性氧化還原物質可以是一種堿，該堿會在基底上發生許多種反應。例如，用于移除堿不安定保護基。
堿不安定保護基是本領域所屬技術人員所悉知的，其包括9-芴甲氧羰酰(Fmoc)和氰乙基(Cyanoethyl)。
自由基(Radicals)是另一種活性氧化還原物質。自由基用于在基底引發自由基反應。用于產生自由基的電化學方法是本領域人員所悉知的。通常所用的產生自由基的電化學方法是羧酸鹽陰離子氧化。
鹵素是另一種活性氧化還原物質，例如，其被用于在基底上進行氧化反應或者加成反應。鹵素可通過氧化相應的鹵素離子而獲得。
這些或其他的活性氧化還原物質對本領域人員來講都是顯而易知的。
本發明的方法可用于對基底進行處理。本發明的基底可采用與電極相連的并且可被活性氧化還原物質修整的任何材料或物質。該基底置于靠近電極處，在氧化還原反應完成后可將其移離電極。另外，基底也可附于電極，或者貼于其上作為電極的表面。需要時，在氧化還原反應完成后，可將基底從電極或上述表面取下。
因此，在一實施例中，基底為一材料的表面，其與電極分離但靠近電極。此基底可以是玻璃、塑料、固體纖維、金屬、半導體或凝膠材料的表面。這些材料的表面可以通過氧化還原反應直接進行修整。另外，在此實施例中，這些材料的表面可以附上其他物質。例如，這些材料的表面附上有機化合物就是一現有方法。附到這些材料表面的物質可通過氧化還原反應進行修整。
在另一實施例中，基底可以是一種附于作為電極的表面的物質。或者該基底是一種通過連接基團附到電極本身的物質。美國專利第6,093,302號揭露了后一種方法，它的基底通過連接基團附于電極。
本發明的方法與WO93/22480揭露的方法相似。然而，本發明的方法所選擇的電解液與其不同。WO93/2240所用的電解液為三乙胺與硫酸的乙腈溶液。活性氧化還原物質在本發明的電解液中可被至少一種其他氧化還原物質所抑制。該電解液可以精確地限制活性氧化還原物質到產生該活性氧化還原物質的電極的周圍區域。
在WO93/22480所描述的方法中，在特定區域的酸的限制是通過電極電勢的變化來控制。然而本發明的發明人發現長時間電解后，當電解液為三乙胺和硫酸的乙腈溶液時，酸失去限制。酸不能被有效限制將導致被處理的基底的辨析率降低。例如，從陽極鄰近處擴散而出的質子會與在電極間的基底區域反應。要獲得具有高辨析率圖案的基底，擴散的質子通過此方式發生偶然反應是不希望的。依據本發明所選取的電解液，現有技術電解液的問題可以避免。本發明的電解液可使活性氧化還原物質被至少一種其他氧化還原物質所抑制，這是本發明的一個重要特征。
本領域技術人員知道許多電解液，它可產生被另一氧化還原物質所抑制的活性氧化還原物質。
例如，一種電解液，其是I-和S4O62-的結合物。碘化物在陽極被氧化會產生碘(一種活性氧化還原物質)，而在S4O62-在陰極被還原會產生S2O32-，它可抑制碘在陽極產生。在電解液的反應可表示如下陽極
陰極碘被以下反應所抑制該活性氧化還原物質優選為酸，該抑制氧化還原的物質為陰離子，優選為有機負離子(Radical anion)。通常，酸是由陽極的醇氧化產生，它可是脂肪族醇，或是芳香族醇。在這種電解液中，這抑制的陰離子通常通過合適的物質在陰極還原產生。許多物質可在陰極被還原而產生陰離子，并可抑制酸在陽極形成。例如，溶解的氧分子可在陰極還原，從而產生O2-和/或O22-。
例如，一種電解液，它可產生適當的氧化還原物質，該氧化還原物質是酮和相應的醇的結合物。醇在陽極會氧化產生質子(一種活性氧化還原物質)，而酮在陰極會還原產生負離子，它可抑制質子在陽極產生。
在該電解液中的反應可表示如下陽極陰極其中，R1和R2可分別選擇取代的C1到C15烴基，其中三個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環亞烴基(cyclohydrocarbylene)，其中三個以上碳原子可任意被N、O和/或S原子取代。
優選地，R1和R2可分別選擇取代的C1-8烷基，C3-8環烷基或者苯基。
本發明的“烴基”是指單價基團，它含有碳和氫。烴基因此包括烷基、烯烴基和炔基(在直鏈和枝鏈結構)，環烷基(包括聚環烷基)，環烯烴和芳基，和以上基團的結合物，例如烷基環烷基，烷基聚環烷基，烷基芳基，烯烴基芳基，炔基芳基，環烷基芳基和環烯烴基芳基。
本發明的“亞烴基(hydrocarbylene)”是指二價基團，它含有碳和氫。環亞烴基此包括環烷撐或環亞烷基，環亞烯基(cycloalkenylene)和芳撐或亞芳基。
本發明的“芳基”是指芳族基，例如，苯基、萘基或者蒽基。或者是當芳基有碳原子被O、N和/或S取代時，這芳基是指芳香雜環基，例如，吡啶基、吡咯基、噻吩基、呋喃基，咪唑基、三唑基、喹啉基、異喹啉基、惡唑基或者異唑基。
本發明的取代基可選擇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，三鹵代甲烷，羥基，C1到C6的羥烷基，羥基(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的環烷基，C1到C6環烷基(C1到C6)烷基，C1到C6的烷基羰基(C1到C6烷基)氨基，含鹵素的，C1到C6鹵代烷基，氨磺醯基，四唑基和氰基。
本發明的“含鹵素的”或“鹵素”是指碘、溴、氯或者氟。
R1和R2的性質決定電解液的氧化還原特性。例如，R1和R2上的取代還原可通過氧化或者還原改變電勢。
酮/醇電解液優選為2-丙酮/異丙醇和苯甲酮/二苯基甲醇的有機溶液。
另外一種電解液為苯醌/對苯二酚和其衍生物。這種的電解液可為以下物質的混合物 和 其中R3、R4、R5和R6分別可選擇氫、鹵素、硝基、氫氧基、硫代基、氨基，取代的C1到C15烴基，其中三個以上碳原子可由N、O和/或S原子替代。也可是R3和R4，和/或R5和R6結合形成取代的C1到C15環亞烴基，其中三個以上碳原子可由N、O和/或S原子替代。
R3、R4、R5和R6優選為氫、C1-8的烷基或者R3/R4和R5/R6結合形成取代的C5-12亞芳香基(arylene)，例如亞苯基。
R3、R4、R5和R6的性質可決定電解液的氧化還原性質，例如，發生氧化或還原可改變精確的電勢。苯醌/對苯二酚的衍生物的電解液優選為蒽醌/蒽二酚和四甲基對苯醌/四甲基對苯二酚的有機溶液。
在優選實施例中，電解液包括苯醌和對苯二酚的乙腈混合液。該混合液提供一活性氧化還原物質，它為氫離子。該氫離子(質子)可抑制苯醌負離子。
對苯二酚是在陽極被氧化而產生苯醌和質子。
對苯二酚氧化而釋放出的質子大部分停留在陽極，它可修整其鄰近的基底。例如，該質子可以解保護(deprotect)附有酸不安定保護基的基底。
苯醌在陰極被還原而產生苯醌負離子 該苯醌負離子在溶液中是穩定的，例如乙腈溶液。負離子可抑制任何從陽極附近逃離出的質子，該反應可表示如下 這樣，通過將電極產生的活性氧化還原物質停留在基底上的某區域，則該區域的辨析率可得到改善，例如，質子產生在陽極。
本發明的電解液包括任何適合的溶劑，如水、四氫呋喃(THF)、甲醇、乙醇、二甲基甲酰胺(DMF)、二氯甲烷(dichloromethane)、乙醚、二甲亞砜(DMSO)或者乙腈。本領域人員應知道溶劑的選擇可影響在電極的氧化還原反應和/或抑制反應的平衡或者動力。該溶劑可影響溶液中的某些結構的活性，例如，共混結構、氫鍵、偶極-偶極或者電荷的“非當地化”(delocalisation)。溶劑優選為無質子溶劑(aproticsolvent)，它可穩定負離子。無質子溶劑有二氯甲烷、二甲基甲酰胺、二甲亞砜、乙腈和四氫呋喃。乙腈為更優選溶劑。
在優選實施例中，電解液可另外包括傳導性加強物(conductivityenhancer)，用于提高電解液的導電性。加入傳導性加強物所需的電解電壓比無傳導性加強物的電壓低。任何可溶于電解液的離子皆可達到此目的。例如，當電解液包括有機溶劑，例如乙腈，則傳導性加強物為四(C1-8烷基)銨鹽，例如，六氟磷酸銨(tetrabutylammoniumhexafluorophosphate)。
本領域技術人員知道在電解液中鹽有其作用，而不是僅僅增加電解液的導電性。鹽可影響在電極上的抑制反應和/或氧化還原反應的平衡或動力。鹽可以影響溶液中帶電物的靜電相互作用力，相應地也可影響反應動力。例如，當電解液為對苯二酚/苯醌的乙腈溶液時，另加的六氟磷酸銨可改變抑制反應的程度，還可增加導電性。
本發明的方法是通過WO93/22480所揭露的設備來實現。WO93/22480所揭露的設備包括電極陣列，它間隔地分布在絕緣表面。該電極鍍上鉑，用于提供改變其電勢的電連接裝置(electricalconnecting means)。
然而，本發明的方法所用電極優選為銥電極。本發明提供的電極陣列，其包括一塊具有一表面的絕緣材料，在該表面相隔地形成陣列的銥沉積物，每個沉積物被提供作為改變其電勢的電連接裝置。
銥的優點在于其高導電性和化學惰性。此外，銥不會在本發明的方法的高電勢下退化。鉑已被廣泛地用作電極材料，然而鉑不能很好地附在一些材料上，如硅晶片，特別是在高電極電勢下。在被處理的基底的辨析率不降低的情況下，內部的抑制反應需要更長時間地使用高電極電勢，這就需要改變現有的電極設計。
許多金屬被測試適合作電極，包括鋁、銀和金。然而，本發明的發明人驚奇地發現銥是作電極的好材料。銥在電解液中不會退化且可很好地附在材料上，如氧化的硅晶片材料。
在電極陣列上的一塊材料可為不溶解的聚合物，陶瓷氧化物(如氧化鋁)或氧化硅晶片。優選為氧化的硅晶片。
銥電極陣列可通過許多合適的方法制的。在優選的實施例中，電極陣列可由以下方法獲得(i)提供一硅晶片，其表面具有一二氧化硅層；(ii)在二氧化硅層上間隔地沉積上銥，使其形成陣列；(iii)在溫度200～500℃下，將銥在空氣中退火。
在通常的制程中，正有機光刻劑被涂覆到硅晶片的二氧化硅層。蓋上光掩模，然后暴露于紫外光，將暴露的光刻劑移除，使光刻劑移除處的二氧硅區域露出。用電子束槍將銥金屬沉積于該暴露的二氧硅區域。移除光刻劑層的區域可形成電極陣列。最后，銥電極在空氣中退火以提高在晶片表面的粘著。通常，銥是在350℃下退火15分鐘到3小時，優選為大約1小時。
對于銥粘著于二氧化硅，退火步驟是重要的。退火溫度大約為350℃，銥可有2545℃的熔化溫度。甚至發現具有50nm銥層的退火電極能耐鋼解剖刀的刮劃。此外，銥電極能耐惡劣的化學環境，和本發明的方法的高電勢及高電流。
優選地，電極是彼此間隔的平行線陣列，其間隔少于0.5毫米。優選地，電極間隔為0.1～200微米，更優選為1～100微米，更加優選為10～60微米。
一個或多個電極用作輔助電極(counter electrode)。優選地，相對于現有的電化學處理基底的方法，本發明的欲處理基底不會形成一個電極或者一個輔助電極。本發明的方法與WO93/22480所描述的方法相似。而且，該欲處理的基底可為絕緣表面。
在優選實施中，本發明提供一種實現依序的幾個處理步驟的方法。將陣列的電極連接起來，以使得改變陣列的選定的一個或多個電極的電勢，可完成一個處理步驟。
在本發明的方法中，該欲處理的基底包括一附于固體表面的物質。該固體表面可以貼近電極。優選地，該固體表面為鄰近電極的不相同表面。氧化還原物質可用于修整附于固體表面的物質。本領域技術人員可想出許多氧化還原物質和相應的化學修整。在優選的實施例中，欲處理的基底包括具有酸不安定保護基的物質。在該優選實施例中，通過將陣列中的至少一個電極連接電源并將其作為陽極，可實現處理步驟，該陽極用于在電解液中產生酸。該產生的酸可將附在表面且靠近陽極區域的酸不安定保護基移除。
活性氧化還原物質參與在基底的多種化學反應已被認可。一種潛在的應用是斯哥德(Schuster)等人在《科學》，2000，289，98～101揭露的電化學微機械技術。斯哥德所揭露的工具可用在本發明的電解液中，用輔助電極環圍繞探針尖以防止氧化還原物質擴散。本發明將用到現存的納米級制圖案技術。例如，酸就可用于蝕刻或納米制程，其可從一表面移除小量材料。
另外，酸可以參與許多有機或無機反應。本領域技術人員可知道許多可用于本發明的潛在反應。例如，有機反應包括環氧化合物開環，連接到多鍵，重新整理(rearrangement)、取代(如，叔醇的單分子親核取代反應(SN1))，消除、烯醇的生成和有機酸鹽的簡單質子化。
當活性氧化還原物質是鹵素，它可參與輕度氧化，漂白基底或者鹵化。活性氧化還原物質也可是鹵素離子，其可用于取代反應。
本發明的方法也可用于附在一表面的低有機化合物的合成[見斯哥雷勃(schreiber)，《科學》，2000，287，1964～1969]。低有機化合物在藥物發明領域是重要的。本發明所應用的反應范圍意味著在理論上適于這樣物質的合成。
本發明的方法可用于低聚物的逐步合成，如，低核苷酸，多醣和蛋白質。優選地，本發明的方法可用于核苷酸的合成。
一種合成一套低聚物的方法，其包括以下步驟(a)提供一基底，該基底附有一具有保護基的物質的陣列，一電解液與基底接觸和一電極陣列靠近基底并與電解液接觸；(b)選擇性地改變一個或多個電極的電勢，以產生活性氧化還原物質，該活性氧化還原物從選定的物質上移除上述的保護基；(c)將一保護單體結合到步驟(b)中形成的解保護物質；(d)重復步驟(b)和(c)，改變步驟(b)中選定的一個或多個電極，以合成一套低聚物；其特征在于電解液可以使活性氧化還原物質被至少一個其他氧化還原物質所抑制。
當上述方法被用于低核苷酸的合成時，活性氧化還原物質優選為質子，保護基優選為酸不安定保護基，如三苯甲游基或二甲氧基三苯甲基，它可保護呋喃羥基(furanyl hydroxyl)。本領域技術人員將認同該方法特別適合于DNA芯片的組合合成，如WO93/22480所述。
上述方法同樣可用于縮氨酸的合成。例如，用陽極產生的質子從氮原子連續移除Boc(t-butyloxycarbonyl)保護基可合成縮氨酸。其他低聚物的合成對本領域人員來是顯而易知。
請參閱圖1，電極陣列位于氧化的高電阻系數硅晶片1，它上表面沉積有一銥金屬層。間隔2通過照相平板印刷技術形成于硅晶片上的銥金屬層，以使一平行電極陣列形成。每一電極的寬度和每一間隔2的寬度大約40微米。另一硅晶片4設置于電極陣列之上。該硅晶片4的表面被修整出二甲氧基三苯甲基保護核苷。
請參閱2，該圖顯示電極陣列及其基底的一部分。中間的電極為陽極，其余兩個電極為陰極。包含有苯醌和對苯二酚的乙腈溶液的電解液與電極和欲處理的基底接觸。在陽極，對苯二酚被氧化，從而產生苯醌和質子。多數質子被限制在靠近陽極的基底區域。被限制的質子從附在基底的受保護的核苷片段上(nucleotide moiety)移除二甲氧基三苯甲基。然而，一些質子可以擴散進陽極與陰極之間的區域。
在陰極上，苯醌還原產生苯醌負離子。苯醌負離子相對穩定，可以擴散進陽極與陰極之間的區域。苯醌負離子抑制擴散進該區域的質子，從而產生對苯二酚和苯醌。因此，在不靠近陽極的基底區域擴散的質子可被防止反應。通過防止質子在電極之間的區域偶然反應，可改善基底的辨析率。
圖2也顯示了后續的基底處理。該自由羥基在標準條件下被加上乙酰基，二甲氧基三苯甲基的剩余物被移除。所得的自由羥基用熒光染料(Cy5亞磷酰胺)處理，該熒光染料使得可通過共焦顯微鏡方法觀察基底的成像。因此，初始的脫三苯甲基(detritylation)步驟的辨析率可以方便觀察。很顯然，用上述技術可在基底的選擇區域合成低聚物。
請參閱圖3，用共焦顯微鏡方法顯示了在1.33V固定電勢下改變電解時間的影響。在該圖中，亮區域為熒光的基底區域，在該區域二甲氧基三苯甲基在電解過程中不會被移除。隨后剩余的二甲氧基三苯甲基被熒光的Cy5染料取代。該亮區域通常靠近陰極。在黑區域，二甲氧基三苯甲基在電解過程中已被清除。產生的自由羥基結合上非熒光的乙酰基。該黑區域通常靠近陽極。
圖3顯示在2.0秒后，在靠近陽極區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秒后不會改變。在對應靠近陽極和陰極的區域存在被限制的條紋。這些證明在電解過程中產生的質子被嚴格地限制在靠近陽極的區域，甚至在延長電解時間后也是如此。
圖4(a)和(b)顯示了從電極陣列中移除陰極的清楚效果。黑色區域顯示的是二甲氧基三苯甲基被移除的區域，該電極電勢設置在1.33V，當中間的陰極被移除時，在陽極產生的質子可自由地擴散進中間區域，這清楚地證明了陰極產生的物質具有限制作用，可以抑制在陽極產生的質子。
實驗部分電極組合現有的照相平板印刷技術已被廣泛用于在氧化高導電率硅晶片上生成銥金屬(50納米厚)電極。該氧化硅晶片被涂覆上正光刻劑，然后通過光掩模暴露于紫外線。用除離子水洗該晶片，在100℃下烘焙20分鐘，通過離子刻蝕清除浮渣。該光掩模可制出有96條平行電極的陣列，大約7500微米長和40微米寬。相鄰電極的間距大約為40微米。
銥是通過電子束方法沉積于該晶片。銥金屬可被放置于真空蒸發器的坩鍋中，兩個或三個晶片被置于靠近真空蒸發器的坩鍋大約20厘米處。將真空蒸發器的腔室抽至3×10-6Torr，用300mA、5kV的電子束槍加熱銥金屬大約3分鐘，可在晶片上涂覆上50nm的銥金屬。
將晶片放置于超聲波丙酮中30分鐘可將光刻劑移除，電極陣列可顯現。將電極置于空氣中，350℃下退火1小時，以提高與晶片基底的粘著力，然后通過離子刻蝕進行清潔。
在退火和清潔步驟后，每一電極都單獨與超聲金線連接，該金線與印刷電路板連結，與電路整合的“邏輯開關”(analog switch)激活被選定的電極，以提供解鎖步驟。電流被應用作為多個單獨操作的放大器控制電壓源。平行的低噪音放大器反饋電路連續測量每一個電極的納安培級電流。
固體支撐組合拋光后的二氧化硅晶片可作為基底支撐。在形成圖案前，用連接分子將該晶片表面功能化，以使有機試劑附在連接分子上[格雷D.E.，凱斯格林S.C.，費爾T.S.，道勃森P.J.和薩森E.M.(Gray，D.E.，CaseGreen，S.C.，Fell，T.S.，Dobson，P.J.& Southern，E.M.)，固定在組合陣列上的DNA探針的橢圓光度法和干涉測量法的特點，Languir13，2833～2842(1997)]。晶片被放置于真空爐的腔室中，該腔室的容量為19.1升，還包括含有5ml GPTS(glycidoxypropyltrimethoxysilane)的安瓿(ampoule)。在爐被加熱到185℃后，該安瓿被加熱到205℃和腔室被抽到25～30mBar。在大約2.5ml的硅烷被蒸發后，在真空(10-3Torr)下腔室可以冷卻。通過沉浸具有GPTS的晶片在含有少量硫酸的聚乙二醇溶液中，可將“連接分子”附上。通過現有的低核苷酸合成技術，將含有亞磷酰胺(phosphoramidite)的二甲氧基三苯甲基以共價的方式附在聚乙二醇的羥基上[比爾凱杰S.L.和艾亞R.P.(Beaucage，S.L.& Iyer，R.P.)，通過亞磷酰胺方法合成低核苷酸的改進，Tetrahedron 48，2223～2311(1992)]。該晶片基底然后被裁成1厘米x1厘米，以備在形成圖案時用。
實施例二以上準備好的電極陣列放置于距離固體支撐20微米處。該固體支撐由上述的步驟準備，胸腺嘧啶核苷亞磷酰胺(thymidinephosphoramidite)被附在聚乙二醇連接分子。胸腺嘧啶核苷亞磷酰胺具有5’-羥基，它由二甲氧基三苯甲基保護。
一電解溶液(25mM對苯二酚/25mM醌/25mM六氟磷酸銨的無水乙腈溶液)被注入電極陣列和固體支撐之間的空腔(cavity)。被選定的陽極被設定于1.33V和電壓被保持0.2到0.8秒(如圖3所示)。
進行電解之后，用乙腈洗該硅晶片，并以標準方法，用乙酸酐使硅晶片結合上乙酰基。在該步驟，僅硅晶片的二甲氧基三苯甲基解保護區域加上乙酰基。
在電化學步驟中沒移除的二甲氧基三苯甲基在用二氯乙酸的二氯甲烷溶液處理整個基底時被移除。用標準的亞磷酰胺結合方法將露出的羥基結合上Cy5(熒光染料)，由酸的電化學發生而生成的圖案顯露出，其可通過共焦顯微鏡觀察Cy5的熒光而看到。步驟順序如圖2所示。
圖3顯示了在1.33V下延長電解時間的效果。大約2.0秒后到達最大頻帶寬，基底的辨析率穩定，之后即使電解80秒辨析率也不會改變。
實施例二實施例二基本與實施例一相同，不同之處在于，選定的陽極在1.33V的電壓下保持16秒。如圖4(a)和(b)所示，移走陰極的效果可觀察到。當中心的陰極被移走，擴散的質子失去控制。該擴散的質子可流入中心區域，而不會停留在陽極周圍。在圖4(b)中，中間的黑色區域很明顯，該區域不再含有熒光基團。
實施例三實施例一所描述的方法被用于在固體支撐上合成17-mer的低聚物，該方法包括16個二甲氧基三苯甲基的解保護步驟。本實施例所用的方法基本與實施例一相同，不相同之處在于，電極陣列放置于距離基底表面40微米處。
使用標準的亞磷酰胺結合方法，將二甲氧基三苯甲基保護脫氧腺苷殘余(residue)的均勻涂層連結到固體支撐上的聚乙二醇連接基團。
用乙腈進行大范圍的清洗之后，實施例一中的電解液被注入電極陣列與固體支撐之間的空腔。選定的陽極加上9秒的1.33V電壓，以移除選定陽極附近的二甲氧基三苯甲基。該陽極位于兩陰極之間。
用乙腈進一步清洗后，用標準的亞磷酰胺結合方法將二甲氧基三苯甲基保護核苷殘余接上外露的羥基。用碘氧化三價的磷鍵(phosphorus linkage)，從而產生五價的磷鍵。用乙腈清洗整個硅晶片，然后再用二氯甲烷。在固體支撐上合成低核苷酸的方法所用到的連結和氧化步驟是現有的技術(見，《AbI合成手冊》第二部分，用于自動合成DNA的化學方法)。
重復該制程，改變在亞磷酰胺結合步驟中引入的二甲氧基三苯甲基保護核苷殘余。從而，低核苷酸在固體支撐上被合成。
該制程可通過自動化裝置完成，該自動化裝置通過計算機控制，在兩17-mer的低核苷酸的合成中包括野生型(wild type)“A”人類血色素mRNA(核糖核酸)和相應的“S”型鐮狀細胞突變異種mRNA。將17-mer生成在固體支撐的限定條(strip)上可獲得高產出。該DNA芯片的組合合成方法是本領域所屬技術人員所悉知的，如WO93/22480所揭露。
盡管本發明是參照具體實施例來描述，但這種描述并不意味著對本發明構成限制。參照本發明的描述，所公開的實施例的其他變形，對于本領域技術人員都是可以預料的。因此，這樣的變形不會脫離所屬權利要求限定的范圍及精神。
權利要求
1.一種控制第一電極產生的第一氧化還原物質擴散的方法，其特征在于該方法包括在靠近上述第一電極的第二電極產生第二氧化還原物質，第一和第二電極與電解液相接觸，其中上述電解液可使第一氧化還原物質被第二氧化還原物所抑制。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于第二電極為輔助電極。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于第一氧化還原物質為活性氧化還原物質。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于該活性氧化還原物質用于修整靠近電極的基底。
5.一種處理基底的方法，該方法包括提供一與基底接觸的電解液，和一個或多個靠近基底并與電解液接觸的電極；改變至少一個電極以產生活性氧化還原物質，該活性氧化還原物質修整靠近該至少一個電極的基底；其特征在于該電解液可使該活性氧化還原物質被第二氧化還原物質所抑制。
6.根據權利要求3、4或5所述的方法，其特征在于該活性氧化還原物質為質子。
7.根據上述任一權利要求所述的方法，其特征在于第二氧化還原物質為有機負離子(radical anion)。
8.根據上述任一權利要求所述的方法，其特征在于該電解液為對苯二酚和苯醌的溶液，或其衍生物。
9.根據上述任一權利要求所述的方法，其特征在于該電解液為以下化合物的溶液； 和 其中R3、R4、R5和R6分別可選擇氫、鹵素、硝基、氫氧基、硫代基、氨基，取代的C1到C15烴基，其中三個以上碳原子可由N、O和/或S原子替代；或者R3和R4，和/或R5和R6結合形成取代的C1到C15環亞烴基(Cyclohydrocarbylene)，其中三個以上碳原子可由N、O和/或S原子替代。
10.根據上述任一權利要求所述的方法，其特征在于電解液為對苯二酚和苯醌的乙腈溶液。
11.根據上述任一權利要求所述的方法，其特征在于電解液進一步包括傳導性加強物(conductivity enhancer)。
12.根據權利要求7所述的方法，其特征在于該傳導性加強物為四(C1-8烷基)銨鹽。
13.根據權利要求5至12任一所述的方法，其特征在于一個或多個電極被作為輔助電極，和該欲修整的基底不組成電極或輔助電極。
14.根據上述任一權利要求所述的方法，其特征在于為實現依序的幾個處理步驟，將陣列的電極被連接起來，使得改變陣列的選定的一個或多個電極的電勢，可完成一個處理步驟。
15.根據上述任一權利要求所述的方法，其特征在于該基底包括一附在其表面的一物質的陣列。
16.根據權利要求15所述的方法，其特征在于該表面為氧化的硅晶片表面。
17.根據權利要求15所述的方法，其特征在于該欲處理的物質包括酸不安定保護基(acid labile protecting group)。
18.根據權利要求17所述的方法，其特征在于通過將陣列中的至少一個電極加上電勢并作為陽極以移除在表面的物質的酸不定安保護基，可實現一次處理。
19.根據權利要求14至18任一所述的方法，其特征在于在低聚物的逐步化學合成過程中，處理被實現。
20.一種合成一套低聚物的方法，其包括以下步驟(a)提供一基底，該基底附有一具有保護基的物質的陣列，一電解液與基底接觸，和一電極陣列靠近基底并與電解液接觸；(b)選擇性地改變一個或多個電極的電勢，以產生活性氧化還原物質，該活性氧化還原物從選定的物質上移除上述的保護基；(c)將一保護單體結合到步驟(b)中形成的解保護物質；(d)重復步驟(b)和(c)，改變步驟(b)中選定的一個或多個電極，以合成一套低聚物；其特征在于電解液可以使該活性氧化還原物質被至少一個其他氧化還原物質所抑制。
21.根據權利要求20所述的方法，其特征在于物質的陣列被附在一表面，該低聚物在上述表面被合成。
22.據權利要求20或21所述的方法，其特征在于該低聚物為低核苷酸。
23.根據權利要求20至22任一所述的方法，其特征在于該活性氧化還原物質為質子，該保護基為酸不安定保護基。
24.根據權利要求20至22任一所述的方法，其特征在于該電解液為權利要求8至12所限定的電解液。
25.根據權利要求20至24任一所述的方法，其特征在于陣列的一個或多個電極為輔助電極。
26.一種電極陣列，其包括一塊具有一表面的絕緣材料，在該表面相隔地形成陣列的銥沉積物，每個沉積物被提供作為改變其電勢的電連接裝置。
27.根據權利要求26所述的陣列，其特征在于該塊絕緣材料為氧化的硅晶片。
28.根據權利要求26或27所述的陣列，其特征在于銥的沉積物的形狀為彼此相隔的平行線。
29.一種制造權利要求26至28任一所述的陣列，其包括以下步驟(i)提供一硅晶片，其表面具有一二氧化硅層；(ii)在二氧化硅層上間隔地沉積上銥，使其形成陣列；(iii)在溫度200～500℃下，將銥在空氣中退火。
全文摘要
一種處理基底的方法，該方法包括提供一與基底接觸的電解液，和一個或多個靠近基底并與電解液接觸的電極陣列；改變至少一個電極以產生活性氧化還原物質，該活性氧化還原物質修整靠近該至少一個電極的基底；該電解液可使該活性氧化還原物質被第二氧化還原物質所抑制。本發明的方法特別適合于低聚物的逐步化學合成，例如，低核苷酸。
文檔編號C25B3/00GK1549744SQ02817030
公開日2004年11月24日 申請日期2002年9月2日 優先權日2001年8月31日
發明者愛德文·麥勒·沙森, 愛德文 麥勒 沙森, 愛戈蘭德, 賴安·愛戈蘭德 申請人:艾斯創新有限公司