陣列印刷用基片的製作方法

2023-07-18 01:24:11 5

專利名稱：陣列印刷用基片的製作方法
技術領域：
本發明涉及高密度的生物和化學陣列，更具體地涉及一種陣列可沉積在其上面的改進的基片材料。
背景技術：
寡核苷酸雜交廣泛用於確定在核酸中是否存在與寡核苷酸探針互補的序列。在許多情況下，這種方法提供了一種可的替代常規測序的簡便、快速、價廉方法。雜交並不需要核酸克隆和純化，不需要進行鹼基特異性反應，也不需要繁瑣的電泳分離。核酸探針的雜交已成功地應用於各種用途，例如分析遺傳多態性、診斷遺傳疾病、癌症診斷、檢測病毒和微生物病原體、篩選克隆、基因組定位和片段文庫的有序化。
寡核苷酸陣列是由以規則方式固定在固相載體表面上的許多單獨的寡核苷酸種類所構成的，每種寡核苷酸位於一個不同區域，使得各寡核苷酸的位置是已知的。陣列可含有一群選定的寡核苷酸，例如對所有已知的臨床上重要病原體特異的探針，或者對遺傳病所有已知序列標記特異的探針。這樣的陣列可滿足診斷實驗室的需要。或者，一個陣列可含有給定長度n的所有可能的寡核苷酸。核酸與這種綜合性陣列的雜交，可導致列出所有其構成性的n-聚物，這些n-聚物可用來明確地識別基因(例如在法醫研究中)、用來確定未知的基因變異體和突變(包括一旦知道其中之一的序列，就可對相關基因組進行測序)、用來重迭克隆、以及用來檢查用常規方法確定的序列。最後，通過與綜合性陣列的雜交而調查n-聚物，可以提供足夠信息用來確定完全未知核酸的序列。
寡核苷酸陣列的製備，可採用固相化學合成法結合定點掩模(如美國專利5,510,270所述)，直接在載體上平行地合成全部寡核苷酸。使用有效的光刻技術，已得到在1平方釐米麵積上含105種寡核苷酸的微型陣列。
另一種製造寡核苷酸陣列的技術，涉及採用如美國專利5,474,796所述的壓電泵進行精確的點滴沉積。這種壓電泵能將微量液體逐滴輸送到基片表面上。泵的設計與噴墨列印中所用的泵非常相似。這種微微泵(picopump)能夠以3000Hz之內的頻率輸送50微米尺寸和65微微升體積的液滴，並且能夠準確噴擊在250微米的目標上。當泵工作時，這種細微液滴就從泵射出並沉積在陣列板上的功能化結合位點。
其他形成陣列的方法是將基片表面與內裝液滴的印刷針反覆接觸，並用噴墨印刷技術來排列陣列矩陣。
在選擇基片用作附著寡核苷酸的載體時，必須考慮幾個特性。首先，基片表面必須與雜交檢測方法相容。因為光譜、化學發光和螢光檢測技術是用來研究涉及高密度陣列DNA的檢測技術，為了能使用這些技術，需要基片是透光的。第二個重要特性是次末寡核苷酸與基片表面的連接應具有化學穩定性，該穩定性至少與DNA中聚磷酸骨架的穩定性相同。
支持陣列的基片通常是1×3英寸的鈉石灰玻璃載玻片，其上面塗有一層極性矽烷，該矽烷含有例如適用於錨定固相寡核苷酸合成並且特別適合於連接DNA分子的氨基。通過光致抗蝕或掩模技術，可以在表面上產生一定的圖案。用這種方式，可以在原本非溼化表面上形成圖案溼化位點，並且在原本非功能化表面上形成圖案形式的功能化位點。
常規使用鈉石灰玻璃作為高密度陣列載體基質的一個問題，是會存在顆粒汙染，這在生產這種低等級玻璃過程是常見的。每個載玻片有10,000個靶位點如此精細分布樣品，對其處理時顆粒汙染就特別會有不利的影響。此外，在鈉石灰玻璃中所含的鈉會容易遷移離開玻璃。結果產生的霧化會對玻璃透明度產生不利影響，因而會干擾前述的檢測技術。最後，在目前常規使用的載玻片表面上形成均勻功能化的塗層(如具有氨基官能團的矽烷塗層)是不容易的。沒有均勻的塗層，寡核苷酸的附著就不均勻，會使檢測結果波動和不可靠。
發明概述本發明公開了一種用於印刷或合成生物和化學陣列的改進基片。該基片是用硼矽酸鹽或硼鋁矽酸鹽玻璃製成的基本平坦的載體。
發明詳述在具有例如氨基官能化胺的玻璃基片表面上的功能化塗層，是高密度陣列製品的骨架。如上所述，需要基本上均勻的功能塗料的塗層。已經發現，可採用已知方法製造獲得一定平滑度的已知玻璃，用作生物基片的重要用途。
基片是本發明的主題，它宜採用1英寸×3英寸載玻片的形式，是用硼矽酸鹽或硼鋁矽酸鹽玻璃製成的，更佳地是用Corning Incorporated 1737LCD玻璃製成的。以摩爾百分數表示，這種玻璃基本上由下列成分構成
載玻片可由玻璃板切割而成，該玻璃板宜用美國專利3,338,696和3,682,609(這些專利參考結合於此)所公開的熔拉法(fusion draw process)製造。該方法可由高液相線粘度玻璃(例如硼矽酸鹽或硼鋁矽酸鹽玻璃)製造具有極高平滑度的玻璃板。儘管硼矽酸鹽或硼鋁矽酸鹽玻璃板還可以用其他方法製造，隨後再拋光，然而熔拉法更好，因為在製造過程中採用拋光步驟會導致基片表面上形成顆粒汙染。在另一優選實施方案中，載玻片是用Corning Incorporated 7059 LCD玻璃製造的。無論如何，載玻片基片的優選玻璃組成具有重量百分數低於15％的氧化鈉或其他鹼金屬氧化物。數種合適的玻璃組成列於共同轉讓的美國專利5,374,595中。
更優選的是，載玻片應具有均勻的表面平滑度，使得用原子力顯微鏡(atomicforce microscope,AFM)在20微米×20微米範圍掃描測量時，所測上表面的平均粗糙度(Ra)小於10納米，較佳地小於10埃米。上表面是載玻片上結合實體陣列優選被合成、沉積或附著的那個部分。其平均粗糙度小於5埃米更佳。當用於生產LCD1737玻璃時，用美國專利3,338,696和3,682,609所述方法形成的熔拉平板玻璃，所提供的表面就具有低於5埃米的較佳平均粗糙度。這種較佳的平均粗糙度也可以通過拋光實現。表面的平滑度有助於施塗均勻的表面塗層。
較佳施塗在硼矽酸鹽或硼鋁矽酸鹽基片上用來固定寡核苷酸的塗層是極性矽烷，它含有例如適用於錨定固相寡核苷酸合成並且特別適合於連接DNA分子的氨基。此極性矽烷可在水解後含有羥基(在水解前，該基團宜為烷氧基)。合適的塗層包括功能化的烷氧基矽烷或氯代矽烷，該矽烷具有1-3個烷氧基或氯基團。此外，通過例如光致抗蝕或掩模技術，可以使其上表面產生一定的圖案。
採用硼矽酸鹽或硼鋁矽酸鹽玻璃作為基片並不局限於使用用於寡核苷酸陣列載體的胺功能化塗層。基片可以用作各種不同結合實體的固相載體，這些結合實體包括通過共價鍵或非共價鍵對另一種分子具有特異親和力的任何生物的或合成的分子。較佳的是這些結合實體天然地或通過修飾而含有功能化學基團(伯胺、巰基、醛、羧基、丙烯酸基等)、共同序列(核酸)、表位(抗體)、半抗原或配體，它們使結合實體可與基片表面上的共同功能基團共價地反應或非共價地結合。具體的結合實體包括(但並不限於)脫氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)、人工合成的寡核苷酸、抗體、蛋白質、肽、凝集素、修飾的多糖、合成的複合大分子、功能化的納米結構物(nanostructures)、合成的聚合物、修飾的/受保護的(blocked)核苷酸/核苷、修飾的/受保護的胺基酸、螢光團、生色團、配體、螯合物和半抗原。
實施例進行了比較研究，確定塗有相同塗層，但由3種不同玻璃(鈉石灰玻璃、硼矽酸鹽玻璃和硼鋁矽酸鹽玻璃)製成的1″×3″載玻片的耐久性。對每種待測試的載玻片，施塗上γ-氨基丙基三乙氧基矽烷塗層。然後將載玻片浸入沸水0.5-5小時。若胺化的塗層在暴露於某些環境作用(在本例中為沸水)後仍保留在載玻片表面上，就稱表面的功能性是保留了其功能性，耐久性測試的結果就是陽性的。
胺化的塗層的耐久性，用基於Au/Ag生長法的著色試驗法進行測試。該方法可揭示基片表面上胺功能的存在與否。當發生Au/Ag的生長時，對於胺功能存在與否的測試結果就是陽性的。此時肉眼觀察到一層濃密而均勻的金屬灰色薄層，就表示是陽性的測試結果。沒有胺功能的基片不會著色，仍保持透明。
著色法試驗如下進行將載玻片浸入AURODYE FORTE RPN 490(AmershamLife Science,Amersham International)1小時。用純水漂洗載玻片2次。再用氮氣對載玻片進行乾燥。接著將載玻片浸入INTENSE BL SILVER ENHANCEMENTSOLUTION RPN492(Amersham Life Science,Amersham International)5分鐘。再次用純水漂洗載玻片，再用氮氣乾燥。通過肉眼觀察確定金屬灰色薄層的存在與否。
如上所述，測試了由3種不同材料即鈉石灰玻璃、硼矽酸鹽玻璃和硼鋁矽酸鹽玻璃製成的基片。表1顯示了為了使塗有γ-氨基丙基三乙氧基矽烷的載玻片喪失其胺功能，暴露於沸水所需的時間長短(即，使著色試驗結果為陰性的時間)。表1
表1所示結果表明，在硼矽酸鹽或硼鋁矽酸鹽玻璃上的γ-氨基丙基三乙氧基矽烷塗層的耐久性，遠遠優於鈉石灰玻璃上相同塗層的耐久性。
儘管不準備進行什麼理論解釋，但是可以認為，在硼矽酸鹽和硼鋁矽酸鹽玻璃樣品中，氧化鈉水平較低或根本不存在氧化鈉提供了測試結果所示的有利耐久性能。用於高密度分析基片的玻璃材料的氧化鈉含量低於12摩爾％，較佳低於8摩爾％，更佳是甚至不含氧化鈉。由於這個理由，可以設想使用任何具有這種關鍵氧化鈉含量的玻璃(例如包括鋁矽酸鹽玻璃)來代替上述硼矽酸鹽或硼鋁矽酸鹽玻璃。
在表2中給出了鈉石灰玻璃的組成。表3中給出了該實施例中所用的硼矽酸鹽玻璃的組成。在本實施例中所用的硼鋁矽酸鹽玻璃1737LCD玻璃的組成已在上面給出。
表2
表3
儘管為了說明起見詳細描述了本發明，然而應該理解，這些說明細節僅用於這個目的。在不背離權利要求所限定的本發明精神和本發明範圍的情況下，本領域的技術人員可以進行各種改動。
權利要求
1．一種用於支承高密度生物或化學陣列的基片，其特徵在於，它是由氧化鈉含量低於12摩爾％的硼矽酸鹽或硼鋁矽酸鹽玻璃構成，基本平坦的1英寸×3英寸載玻片。
2．如權利要求1所述的基片，其特徵在於，它還具有平均粗糙度小於10納米的上表面。
3．如權利要求1所述的基片，其特徵在於，它還具有平均粗糙度小於5埃米的上表面。
4．如權利要求1所述的基片，其特徵在於，它在表面上具有至少局部的極性矽烷塗層。
5．如權利要求4所述的基片，其特徵在於，該極性矽烷含有胺基。
6．如權利要求4所述的基片，其特徵在於，該極性矽烷含有至少一個羥基。
7．如權利要求4所述的基片，其特徵在於，該極性矽烷含有至少一個烷氧基。
8．如權利要求4所述的基片，其特徵在於，該極性矽烷含有至少一個氯原子基團。
9．如權利要求4所述的基片，其特徵在於，該極性矽烷是氨基丙基三乙氧基矽烷。
10．如權利要求1所述的基片，其特徵在於，該硼鋁矽酸鹽玻璃是1737LCD玻璃。
11．如權利要求1所述的基片，其特徵在於，該硼鋁矽酸鹽玻璃是7059LCD玻璃。
12．一種將基片用於高密度生物或化學陣列的方法，其特徵在於，包括如下步驟(a)提供由氧化鈉含量低於12摩爾％的玻璃材料構成，基本平坦的載玻片；(b)將結合實體陣列附著於該載玻片。
13．如權利要求12所述的方法，其特徵在於，還包括步驟在該附著步驟之前，將功能化的極性矽烷塗料施塗在該材料的至少一部分表面上。
14．如權利要求12所述的方法，其特徵在於，該載玻片具有平均粗糙度小於10納米的上表面。
15．如權利要求13所述的方法，其特徵在於，該極性矽烷含有胺基。
16．如權利要求13所述的方法，其特徵在於，該極性氨基是氨基丙基三乙氧基矽烷。
17．如權利要求12所述的方法，其特徵在於，該玻璃材料是硼鋁矽酸鹽玻璃。
18．如權利要求12所述的方法，其特徵在於，該玻璃材料是硼矽酸鹽玻璃。
19．一種用於支承高密度生物或化學陣列的基片，其特徵在於，它包括氧化鈉含量低於12摩爾％並且上表面平均粗糙度小於10納米的玻璃材料。
20．一種用於支承高密度生物或化學陣列的基片，其特徵在於，它包括氧化鈉含量低於12摩爾％並且其上表面平均粗糙度小於10納米的玻璃材料；覆蓋該材料的至少一部分表面的極性矽烷的功能化塗層；並且該基片的特性是，在浸入沸水超過1小時後該塗層的功能性仍保留。
21．如權利要求20所述的基片，其特徵在於，該材料的平均粗糙度小於5埃米。
22．如權利要求20所述的基片，其特徵在於，所述的氧化鈉含量低於8摩爾％。
23．如權利要求20所述的基片，其特徵在於，該極性矽烷含有胺基。
24．如權利要求20所述的基片，其特徵在於，該極性矽烷含有至少一個羥基。
25．如權利要求20所述的基片，其特徵在於，該極性矽烷含有至少一個烷氧基。
26．如權利要求20所述的基片，其特徵在於，該極性矽烷含有至少一個氯原子基團。
27．如權利要求20所述的基片，其特徵在於，該極性矽烷是氨基丙基三乙氧基矽烷。
全文摘要
一種用於支承高密度生物或化學陣列的基片,它由硼矽酸鹽或硼鋁矽酸鹽玻璃製成。已經表明,當用於固定寡核苷酸的塗層施塗在低氧化鈉含量的玻璃材料構成的載玻片時,在暴露於環境作用後仍會保留其功能性。
文檔編號C03C17/30GK1314873SQ98813145
公開日2001年9月26日 申請日期1998年12月10日 優先權日1998年2月4日
發明者A·卡雷 申請人:康寧股份有限公司