集成的化學分析系統的製作方法

2023-06-17 00:34:26 2

專利名稱：集成的化學分析系統的製作方法
技術領域：
本發明一般地涉及一種用微電動機械系統(MEMS)技術製造的集成小型化學分析系統。本發明特別涉及一種集成整體式微結構電噴射及液相色譜裝置。與傳統系統相比，其在例如藥品發現中使用的通過質譜法進行高通過量的分析方面且有顯著的優點。
背景技術：
藥品的發現和開發的新發展對於分析技術產生了新的需求。例如，經常採用組合化學發現新的先導化合物，或者產生先導化合物的變種。組合化學技術可以在相對短的時間(在日或者周的數量級)內產生數以幹計或者百萬計的化合物(組合庫)。及時有效地檢測這樣大量的化合物的生物學活性需要高通過量的篩選方法，這些方法對每種待選化合物的特性都能夠進行快速的分析。
常常針對某種分子目標同時檢測組合庫中的化合物。例如可以在一個96孔的酶標板中進行酶標比色測量。每個孔中的等分試樣的酶與數十或者數千化合物結合。有效的酶抑制劑可以防止因正常的酶反應顯現的顏色，從而能夠快速得到光譜(或者視覺)的檢測結果分析。如果在每個孔中有十種化合物，那麼整個酶標板上可以篩選960種化合物，在105個酶標板上常常可以篩選數十萬種化合物，從而可以快速自動地檢測化合物。
然而，往往由於組合庫的合成方式難於確定在一個組合庫中的某些部分存在的化合物。例如美國專利5,182,366中的隨機的肽合成「分裂-和-結合」方法說明了一種產生肽庫的方法，庫中每個樹脂珠均承載一個唯一的肽鏈。在96孔酶標板的每個孔中設置十個樹脂珠，接著從樹脂珠上分離液體，然後去掉分離劑，在板的各個孔中得到十個(或者以下)肽。可以在板孔中進行酶標分析，在105個酶標板中可以篩選100,000個肽。然而，由於還不知道肽的個性，因此這就需要分析每個孔中的內容物。
肽可以通過從每個孔中去除一部分溶液，然後把這些內容物注入到分離裝置，例如與質譜儀耦聯的液相色譜或者毛細管電泳儀中。假如這種方法每個試樣分析要5分鐘，假定方法是完全自動化的並且每天工作24小時，那麼分析105個96孔酶標板的內容要一個月以上。
這個例子表明迫切需要一種快速分析大量化合物或者化合物複雜混合物的方法，特別是在高通過量篩選方面。產生大數量化合物，例如通過組合化學的技術已經形成了。對於大範圍的目標，正研製過量篩選方法，而某些類型的篩選，例如上述比色酶標和ELISA(酶聯免疫吸附測定)技術，已經良好地建立了。如上例中指出，瓶頸往往發生在必須分析化合物的混合物，甚至多重單一化合物的性質時。
當考慮當前的分子生物技術發展時會進一步理解這一需要。通過新的DNA順序分析產生了巨量的基因序列的庫。這個新的信息寶庫產生了對疾病過程機制的新的深入了解。特別是，基因組的發展領域允許快速地辨識藥物開發工作的新目標。測定個體之間的遺傳差異開闢了按個體的特殊基因形式針對個體為目標的藥物的可能性。取代通過用昂貴的動物實驗和臨床試驗檢驗細胞毒性，特異性，及其它的藥理學應當可用高通過量測定進行。在藥物研發的早期詳細地定性潛在藥物或者先導成分，因此能大大節省時間和金錢。
對於這些新目標所需的至關重要的篩選方法的開發常常取決於可否得到快速分離和分析檢測結合的分析技術。例如測定候選藥物的毒性代謝以既辨識候選藥物也辨識該候藥物的代謝產物。測定特異性需要辨識不同地結合至兩個目標分子，例如病毒蛋白酶和哺乳動物蛋白酶的化合物。
因此提供有效地進行蛋白篩選的方法以便在評估早期得到藥品的藥物動力學輪廓是有優越性的。了解一種新的化合物如何在身體中吸收及如何代謝，可使人們能夠預測提高藥性或者缺乏藥性的可能性。
由於每天產生大量的化合物，因此對於藥品發現來說，用於識別藥物價值的分子量的改進系統也是迫切需要的。
還希望提供與基因或者在有關疾病中起一定作用的基因產物相互作用的化合物的快速順序分析和識別。快速的順序分析可以克服低效率和費時間的逐個分析化合物的瓶頸。
因此，迫切需要高通過量的篩選和辨識化合物目標反應，以識別潛在的候選藥物。
已經開發了用於快速分析大量樣品的微片基的分離裝置。與其它常規的分離裝置比較，這些微片基的分離裝置有較高的樣品通過量，較低的樣品和試劑用量，以及產生較少的化學廢物。對於大量應用，微片基分離裝置的液體流速範圍為大約1-300nL/分鐘。
微片基分離裝置包括那些用於毛細電泳(CE)，毛細電色譜(CEC)和高效液相色譜(HPLC)的裝置。見Harrison et al，Science 1993，261，859-897；Jacobson et al.Amal.Chem.1994，66，1114-1118；Jacobson et al.Amal.Chem.1994，66，2369-2373。與常規的分析儀器比較，這些分離裝置能夠快速分析並且改進了準確性和可靠性。
液相色譜(LC)是分離液體成分以作順序分析和/或辨識的良好可行的分析方法。傳統上，液相色譜使用一種分離柱，諸如一種圓柱形管，填充以緊密包裹的小珠、凝膠或者其它適當的分離用特殊材料以提供較大的表面積。較大表面積有助於液體與所述特殊材料相互作用，並且緊密包裝的、特殊材料的隨機間隔迫使液體流過比柱長度長得多的有效路徑。特別地，液體的成分與靜態相(色譜柱中的顆粒)及活動相(流經液相色譜柱的液體洗提液體液)根據每個成分的分離係數進行相互作用。分離系統被定義為被分析物和靜態相相互作用所用的時間與它和活動相相互作用所用的時間的比。被分析物和靜態相相互作用所用的時間越長，分離係數越高，被分析物滯留在液相色譜柱中的時間越長。在從液相色譜柱洗提之後，可以通過把柱的出口連接到柱後檢測器而用色譜法檢測成分。
色譜檢測器根據排出液的折光率、紫外線和/或可見光的吸收率的改變，或者用適當波長激發後的螢光，以檢測分離的成分。另外，分離的成分可以從液相色譜柱通過進入到其它類型的分析儀器進行分析。分析的結果取決於由液相色譜柱分離的成分的相繼到達，因此是時間依賴性的。
最好使從液相色譜柱到檢測器之類的分析儀器的液體傳輸長度達到最小以使擴散最小從而使分離效率和分析靈敏度達到最大。所述傳輸長度稱為無效容量或者柱外容量。
毛細電泳是利用分子的電泳特性和/或液體在細毛細管中的電滲透流分離液體的成分。通常，具有100微米內徑或更細的熔合矽毛細管填充以含電解質的緩衝溶液。毛細管的每個末端均位於含有緩衝電解質的分離液中。
將一個勢電壓施加在一個緩衝池中，使第二個勢電壓處於另一個緩衝池中。帶正電荷和帶負電荷的物質在由施加於支緩衝池上的勢電位所建立的電場影響下沿相反的方向遷移。電滲透流被定義為由於帶電物質從緩衝液的遷移產生的沿毛細管壁的液流。當在溶劑中時，一些分子作為帶電物質存在且將遷移通過基於摩爾物質的荷質比的毛細管。這種遷移定義為電泳的運動性。液體的每個成分的電滲透流和電泳的運動性決定了每個液體成分的總遷移。因沿分離孔道壁的磨擦牽拉減少，因此由電滲透得到的液流分布圖是扁平的。這使在整個液相色譜上的分離得到改善，這裡流動分布圖是由加壓驅動流動產生的拋物線。
毛細管電色譜是混合技術，它在以典型液相色譜的固體靜態相填充的毛細管柱內利用了電泳分離法的電驅動流動特性。它把反相液相色譜的分離能力與毛細電泳的高效率相結合。在液相色譜上毛細管電色譜分離可以得到高效率，因為與由壓力驅動流動得到的拋物線分布圖相比較，因沿分離孔道壁的磨擦牽拉的減少，由電滲透得到的液流分布圖是扁平的。而且，因為電滲透流不會產生回壓，因此在毛細管電色譜中可以比液相色譜中使用更小的顆粒尺寸。與電泳相比，由於被分析物在使用液相色譜分離機制的柱顆粒的靜態相和活動相之間分開，因此毛細管電色譜能夠分離中性分子。
這種分離裝置的分離產物可以作為液樣引入一種用於產生電噴射電離的裝置。可以把電噴射裝置與大氣壓力電離質譜儀(APIMS)對接。
一個電噴射系統50的簡圖示於

圖1。當將足夠的電位差Vspray施加在排出毛細管口的導電和部分導電的液體和一個電極之間以便產生一個從電噴射裝置的毛細管52的頂端或者末端發散的電力線濃度時，產生電噴射。當在毛細管的頂端相對於一個引出電極54，諸如設在到質譜儀的離子採樣口上的電極施加正電壓Vspray時，電場引起液體內帶正電離子轉移至毛細管頂端的液面。當在毛細管的頂端相對於一個引出電極54，諸如設在到質譜儀的離子採樣口上的電極施加負電壓Vspray時，電場使液體內帶負電離子遷移到毛細管頂端的液面。
在溶化離子的排斥力超過被電噴液樣的表面張力時，一定容積的液樣被拉成圓錐形，公知為Taylor圓錐56，它從毛細管的頂端伸出。小的帶電滴從Taylor圓錐56的頂端形成並且被吸向引出電極54。這個現象例如，已經由Dole et al.，Chem Phys.1968，49，2240和Yamashitaamd Fenn，J.Phys.Chem 1984，88，4451等披露。需要引發電噴射的勢電壓取決於溶液的表面張力，例如，由Smith，IEEE Trans.Ind.App.1998，IA-22，527-535所述。通常，所述電場為約106V/M的數量級。毛細管的物理尺寸決定引起電噴射所需要的電力線密度。
電噴射電離的一個優點是對由質譜儀檢測器測量的被分析物的響應取決於被分析物在場中的濃度並且與液體流速無關。給定濃度的溶液中的被分析物的響應可用與質譜儀結合的電噴射電離作比較100微升/分鐘比100納升/分鐘的流速。
在每分鐘納升數量級流量下的電噴射電離的過程被稱作「納電噴射」。由於在從毛細管流出的液流中存在被分析物的分子，因此進入API質譜儀的離子採樣口的電噴射產生一個定量的響應。
因此，最好提供一種電噴射電離裝置，用於使上遊與基於微片的分離裝置整合，並且使下遊與API-質譜儀裝置整合。
已經有人企圖生產產生納電噴射的電噴射裝置。例如，Wilm和Mann，Anal.Chem.1996，68，1-8說明了由拉製成內徑2-4微米的熔合矽毛細管以200納升/分鐘流速形成電噴射過程。特別地，在距離API質譜儀的離子採樣口1-2毫米處、以600-700V電壓用內徑2微米且外徑5微米的拉制熔合矽毛細管實現20納升/分鐘流量的納電噴射。
Ramsey et al.，Anal.Chem.1997，69，1174-1178說明了從帶有一個10微米深，60微米寬和33毫米長的封閉分離孔道的平面玻璃微片的邊緣產生的9納升/分鐘流量的納電噴射，使用電滲透流動並且在微片的邊緣對流出封閉分離孔道的液體施加4.8千伏的電壓以形成電噴射，微片距離API質譜儀的離子採樣口3-5毫米。在形成Taylor圓錐和從微片的邊緣形成穩定的納電噴射之前在微片邊緣收集約12納升的液樣。然而，收集大約12納升的液樣會導致液體的重新混合，從而破壞了分離孔道中已經完成的分離。重混合在微片邊緣處引起帶加寬，從根本上限制其對被分析物檢測用的納電噴射質譜的應用能力。這樣，使毛細管電泳後的由此微片裝置邊緣產生的納電噴射或毛細管電色譜分離後產生的電噴射變得不實際。而且，由於這種裝置提供了一個扁平的表面，從而提供一個相對小量的物理粗糙度，由於電力線密度低，因此為了形成電噴射，此裝置要求不切實際的高電壓以發起電噴射。
Xue，Q.；Foret，F.；Dunayevskiy，Y.M.；Zavracky，P.M.；McGruer，N.E.；Karger，B.L.Anal.Chem.1997，69，426-430說明由帶有一個25微米深，60微米寬和33毫米長的分離孔道的平面玻璃微片的邊緣產生穩定的納電噴射流，並且在微片的邊緣對流出封閉的分離孔道的液體施加4.2千伏的電壓以形成電噴射，微片距離API質譜儀的離子採樣口3-8毫米。用一個推注泵向玻璃微片電噴射器以100-200納升/分鐘的流量發送液樣。玻璃微片的邊緣由疏水塗層處理以減輕與由扁平表面產生的納電噴射相關的困難，並且對納電噴射的穩定性稍有改善。以此方式從扁平表面產生的電噴射又會引起不良的電力線密度，並且產生低效率的電噴射。
Desai et al 1997 International Conference on Solid-State Sensors andActuator，Chicago，Jute 16-19，1997，927-930說明了一種多步驟處理，用以在直徑1-3微米或者寬1-3微米，長40微米的矽微片上產生一個噴口，並且在距離API質譜儀的離子採樣口0.25-0.4mm的整個微片上施加4KV的電壓。這種納電噴射噴口減少了液樣的無效體積。然而，噴口從微片的延伸使噴口受到意外的破損。因為使用相對高的噴射電壓且噴口設置得非常接近質譜儀的採樣口，因此得到差的電力線密度且造成電噴射的效率不高。
所有上述裝置中，從單片上發出的邊緣噴射是不良控制的過程，因為不能嚴格並且重複地確定微片邊緣的物理形狀。在另一個邊緣噴射的例子中，噴注嘴，如小段無縫毛細管，分離並且獨立地附著在微片的邊緣上。這種處理本身成本效益低並且不可靠，對微片的構造會造成空間上的限制，從而不適於生產。
因此，希望提供一種有可控制噴射的電噴射電離裝置，及一種易於大量複製和生產這樣裝置的方法。
本發明的概述本發明提供了一種基於微片的電噴射裝置以產生液樣的可複製的、或可控制的和增強的液樣納電噴射電離。所述電噴射裝置可以下遊對接到大氣壓電離質譜儀(API-MS)以分析電噴射的液體，和或上遊地對接小型液相分離裝置，其可以具有例如，塑料或者矽基片或晶片。
本發明的電噴射裝置通常包括一個矽基片或者微片，它在入注表面的入口和排出表面(主表面)的噴口之間限定了一個孔道，使得由電噴射裝置產生的電噴射通常大致垂直於入注表面。噴口具有一個由從排出表面凹陷的環形部分。此環形凹陷從外徑徑向伸出。噴口的頂端與入注表面共面或平齊，並且不超出入注表面，從而保護噴口不受意外的破損。噴口、孔道和凹陷部通過反應性離子蝕刻和其它的標準半導體技術從矽基片上蝕刻出。
矽基片的全部表面上最好具有通過氧化產生於其上的氧化矽層，以使液樣與基片電絕緣並且使排出表面和入注表面相互絕緣，從而不同的勢電壓可以分別施加在各個表面和液樣上。氧化矽層還提供了生物適應性。所述電噴射裝置還包括至少一個貫穿氧化層與基片電接觸的控制電極，用於向基片施加電場。
最好通過反應性離子蝕刻和其它標準的半導體技術從矽基片上蝕刻噴口、孔道和凹陷部。入注側的零件、貫穿基片的液體孔道、注射側的零件，和控制電極從單晶矽基片上整體地形成。即，它們在不需要操作或者裝配獨立部件的生產過程中形成並且是這種生產過程的結果。
因為所述電噴射裝置是使用反應性離子蝕刻和其它的標準的半導體技術生產的，因此這種裝置的尺寸可以非常小，例如，內徑小到2微米，外徑小到5微米，高度小到250微米，容積僅有4.9PL(微微升)。相反，由玻璃微片的扁平邊緣形成的電噴射裝置會對比19.8納升的分離孔道引起12納升的無效容積，從而使得液體成分能夠重新混合併破壞由分離孔道進行的分離。電噴射裝置的微米級尺寸使無效容積的量最小，從而增加了效率和分析靈敏度。
本發明的電噴射裝置提供高效率和有效的電噴射形成。通過提供一種噴射出微米數量級液體的電噴射表面，電噴射裝置限制了產生Taylor圓錐所需要的電壓，因為此電壓取決於噴口的直徑、液體的表面張力和噴口到引出電極的距離。所述電噴射的噴口提供微米數量級的物理粗糙度，在其上集中一個大的電場。而且，此電噴射裝置可以在排出表面提供附加的電極，其上可以施加電勢，而且與液體的電位和引出電極無關地控制電勢，以有利於改變和優化電場。因此，噴口和附加電極的結合加強了噴口和引出電極之間的電場。由液體和引出電極之間的電位差產生的106或者更大數量級的大電場，直接施加在液體上而不是不均勻地在空間分布。
由於減少柱外容積的結果，本發明中基於微片的電噴射電離裝置提供最小的柱外彌散，並且提供高效的、可複製的、可靠的和穩定的電噴射形成。此電離裝置的結構也是堅固的，以便方便地高成本效益、高產量加工地成批生產電噴射裝置。
在工作中，導電或者部分導電的液樣經入注表面上的進入口被引入孔道。或藉助於在液體發送孔道內到電噴射裝置的電線，或藉助於形成在與周圍表面區域和基片絕緣的入注表面上的電極，把液樣和噴口保持在施加在液體上的電壓。在噴口頂端上的電場強度通過向基片和/或排出表面施加電壓加強，最好被增大至大約是施加到液體上的電壓的一半。這樣，通過獨立控制液體/噴口和基片/排出表面電壓，本發明的電噴射裝置使得從噴口發出的電力線達到最佳。而且，當此電噴射裝置下遊對接質譜裝置時，獨立地控制液體/噴口和基片/排出表面電壓還能夠把電噴射引入質譜裝置的接收區並且使之理想化。
本發明的電噴射裝置可以設置在距API質譜儀1-2毫米或者達10毫米處，通過例如在噴口上施加700伏的電壓，在基片和/或矽微片的平面排出表面上施加0-350伏的電壓，形成一個流速為20納米/分鐘的穩定的納電噴射。
由於使用標準的、良好控制的薄膜工藝的矽生產不僅消除了這種微元件的操作而且能夠快速平行地加工功能相同的元件，因此可以在一個單一的微片上生產多個本發明的電噴射裝置的陣列或者組合。噴口可以徑向地圍繞一個靠近微片中心的相對小直徑的圈設置。這樣，本發明的電噴射裝置提供非常優越的時間和成本效益、控制性和複製性。這種電噴射裝置的低成本允許一次性的使用，從而可以消除不同液樣品的交叉汙染。
本發明的電噴射裝置可以在上遊與微型液樣處理裝置成為一體，並且在下遊與API質譜儀成為一體。電噴射裝置可以片對片地粘合在能夠實行例如，毛細電泳、毛細電、樣和色譜、液相色譜(LC)或任何其它凝結相分離技術的矽微片基液體分離裝置上。這種電噴射裝置還可以用任何適當的方法結合在玻璃和/或聚合物基的矽微片基液體分離裝置上。
在本發明的另一個方面，可以提供一個微片基的液相色譜裝置。此液相色譜裝置通常包括一個分離基片或薄片，它在入口和儲槽之間限定了一個引入孔道，並在儲槽與小出口之間界定一個分離孔道。此分離孔道填裝有分離柱，這些分離柱從垂直於流經分離孔道的流體的分離孔道中一個側壁伸出。這些分離柱最好不超過分離基片的平面，並且最好與之同平面或者平齊，以使它們在生產過程中受到防破損保護。成分分離發生在分離孔道中，這裡，通過對流經分離孔道的液體相互作用提供較大的表面積，分離柱執行液相色譜功能。可以在分離表面上粘合一個覆蓋基片以封閉儲槽和鄰接覆蓋基片的分離孔道。
此液相色譜裝置還包括一個或多個電極以沿液體孔道的位點向液體施加電勢。沿液體路徑施加不同的電勢可以加速液體流過液體孔道。
引入孔道和分離孔道，入口和出口及分離柱最好通過反應離子蝕刻和其它標準半導體加工技術在矽基片上蝕刻出。分離柱最好是氧化的矽柱，可以對它們進行化學修改以使液樣與靜態分離柱之間的互相作用理想化。
在本發明的另一個方面，液相色譜裝置可以與電噴射裝置集成一體，從而液相色譜裝置的出口形成與電噴射裝置的入口的均勻對接，從而允許在片地從液相色譜裝置向電噴射裝置發送液體以產生電噴射。電噴射裝置的噴口、孔道和凹陷可以從液相色譜裝置的基片上蝕刻出。
在本發明的另一個方面，可以在一個單片上形成多個液相色譜-電噴射裝置，以便為之後的順序分析向一個公共點發送多個樣品。電噴射裝置的多個噴口在單片中心附近、繞一具有較小直徑的圓徑向設置。
電噴口在一多系統片上的徑向分布陣列可以通過把噴口設置在採樣口附近而使其與質譜儀的採樣口對接。電噴射噴口的緊密徑向結構允許其緊靠質譜儀的採樣口設置。
因此，多系統片提供一種用微電化學系統(MEMS)技術製造的快速的連續化學分析系統。例如，多系統片允許多種樣品的自動連續分離和注入，從而產生非常大的分析通過量，並且利用質譜儀進行例如，藥品開發用的高通過量化合物檢測。
附圖的簡要說明本發明文件包括至少一張用彩色繪出的附圖。根據要求並付必要費用可由專利商標局提供帶有彩色附圖的本專利的複印件。
圖1描述了一種電噴射系統的簡圖；圖2描述了本發明中電噴射裝置的透視圖；圖3是圖2所示的電噴射裝置的平面圖；圖4描述了圖3所示裝置中沿4-4線所作的截面圖；圖5描述了包括本發明電噴射裝置的電噴射系統的簡圖；圖6描述了在裝置的排出表面上設有多個電極的電噴射裝置的平面圖；圖7描述了沿線7-7的圖6中電噴射裝置的截面圖；圖8描述了裝在本發明電噴射裝置中的反饋控制電路；圖9-20G描述了所述電噴射裝置的生產過程的例子；圖21A描述了位於距電噴射裝置入口一定距離並且用於向此入口發送液體的壓電吸管的截面圖；圖21B描述了一種毛細管的截面圖，所述毛細管用於輸送液樣並在此前連接至電噴射裝置的入口；圖22描述了一個包括上遊液體發送裝置及一個與液體發送裝置均勻對接的電噴射裝置；圖23A描述了一個包括反應孔塊和子板的微片基組合化學系統的分解透視圖；圖23B為沿線23B-23B的圖23A中微片基組合化學系統的截面圖；圖24A和24B描述了從一個整體矽片基噴口發出的實際的Taylor圓錐；圖24C和24D分別是圖24A和24B中電噴射裝置和質譜系統的透視圖和側截面圖；圖24E描述了50％的水、50％含有0.1％的甲酸的甲醇、0.1％乙醯腈和2毫摩爾乙醯氨的1微克/升PPG425的質譜，其是在333納升/分鐘的流量下採集的；圖25A描述了用於與本發明電噴射裝置均勻地集成的一種液相色譜裝置的分解透視圖；圖25B描述了圖25A中液相色譜裝置沿線25B-25B所示的截面圖；圖26描述了一種液相色譜裝置的平面圖，所述液相色譜裝置具有一形成與離片(off-chip)裝置相連的離片的出口；圖27描述了一種液相色譜裝置的平面圖，所述液相色譜裝置具有形成與在片(on-chip)裝置互連的在片的出口；圖28-29描述了具有不同構形的液相色譜裝置的截面圖；圖36A-46C描述了液相色譜裝置的生產程序的一個例子；圖47描述了一個含有與電噴射裝置均勻地集成的液相色譜裝置的一個系統的截面圖；圖48描述了圖47中系統的平面圖；而圖49描述了圖47中系統的噴口的詳圖。
本發明的詳細描述本發明的一個方面提供一種矽微片基的電噴射裝置，其用於產生液樣的電噴射電離；此電噴射裝置可以下遊對接一個用於分析電噴射的液體的大氣壓電離質譜儀(API-MS)。本發明的另一個方面是一個集成小型化液相分離裝置，它例如可以是與電噴射裝置集成一體的玻璃、塑料或矽基片。以下的說明代表在液相色譜分離裝置範圍中的本發明。然而應當理解，可以利用其它的微片基分離裝置來製造等效的裝置。以下給出的說明用於使領域內的一般技術人員能夠理解和應用本發明。特定應用的說明只作為舉例。對於本領域內的一般技術人員，很容易看出，對這些選實施例可以作各種修改，在不脫離本發明精神和範圍的情況下，本申請中所定義的一般原理可以用於其它的實施例和應用中。因此，本發明不受所示實施例的限制，但應與本申請所披露的原理和特徵一致的最寬範圍相符合。
電噴射裝置圖2-4分別描述了本發明的電噴射裝置100的透視圖、平面圖和截面圖。本發明的電噴射裝置通常包括一個矽基片或微片或薄片102，它在入注表面108上的入口106和在排出表面112上的噴口110之間限定了一個貫通基片102的孔道104。所述孔道可具有任何適當的截面形狀，如圓形或矩形。噴口110具有一個內徑和一個外徑，並且由凹陷區域114限定。區域114從排出表面112凹陷，從噴口110向外伸並且可以是環形的。噴口110的頂端不超過排出表面112且最好與之共面或者平齊，從而保護噴口110不受意外的破損。
入注表面108最好相對於排出表面112。然而，儘管圖中未示，入注表面可以與排出表面鄰接，從而使在入口和噴口之間延伸的孔道在裝置內轉向。在這種結構中，電噴射裝置包括兩個結合在一起的基片。第一基片限定了一個貫穿基片的孔道，該孔道在結合表面和排出表面之間延伸且與結合表面相對。第一基片還可限定一個從結合表面凹入的開式孔道，所述結合表面以貫通基片的孔道的孔口和入注表面伸出，以便使第二基片的結合表面在結合第一和第二基片時封閉了開式孔道。另外，第二基片可以限定一個從結合表面凹入的開式孔道，以便第一基片的結合表面在結合第一和第二基片時封閉此開式孔道。在另一種變形中，第一基片還可限定有一個第二貫通基片的孔道，而開式孔道可以在兩個貫通基片的孔道之間延伸。這樣，入注表面與排出表面就成為同一個表面。
排出表面112的一個格柵區域116在噴口110和凹陷區域114的外部，並且可以提供一個其上可形成一個導電材料層119的表面，所述導電材料層119包括一個導電電極120，它用於向基片102施加一個電位以改變入注表面112(包括噴口頂端110)與引出電極54之間的電場結構。另外，導電電極54可以設置在入注表面108(未示出)上。
電噴射裝置100還包括一層覆蓋在基片102上的氧化矽118，電極112穿過它或在排出表面112上或在入注表面108上與基片102接觸。在孔道104壁上形成的氧化矽118使其中的液體與矽基片102形成電隔離，從而允許不同的電位能獨立、持久地作用於孔道104中的液體和矽基片102。獨立改變液體和基片電位的能力允許經過改變電力線結構實現理想的電噴射，如下文所述。另外，在用於規定用途時，可以將基片102控制至與液體相等的電位。
如圖5所示，為了產生一個電噴射，可以通過例如毛細管52或微量吸移管把液體發送到電噴射裝置100的入口106。此液體經一個位於毛細管52中或者孔道104中的電線(未示出)受到勢電壓Vfluid，或者經一個設在入注表面108上並且與周圍的表面區域和基片102絕緣的電極(未示出)受到此電壓。還可將一勢電壓Vsubstrate施加在格柵116上的電極120上，其數值最好可以調節以使電噴射特性理想化。液體流經孔道104並以非常細，高度帶電的液滴58形式從噴口110排出或射出。電極54可以被保持在勢電壓Vextract以便在電場的影響下朝引出電極54牽引電噴射。由於存在影響電場的相對電勢，因此易於調節和改變液體、基片和引出電極的勢電壓，以達到所希望的電場。通常，電場的大小不應當超過周圍介質，特別是空氣的電介質擊穿強度。
在一個實施例中，可將噴口110設置在距離起引出電極54作用的API質譜儀的採樣口10毫米處。將一個變化範圍大約為500-1000伏，例如700伏的電壓Vfluid施加在此液體上。施加的液體勢電壓Vfluid對於基片102表面上的氧化矽可達500V/μm，且可根據噴射的液體的表面張力和噴口110的幾何形狀而定。將約低於液體電壓Vfluid一半，或者說0-350伏的基片勢電壓Vsubstrate施加在格柵116上的電極上，以加強噴口110頂端的電場強度。引出電極54可以保持或接近地電位Vextract(0V)。這樣，在電場的影響下，朝引出電極54牽引以低於1,000nL/min流速被導引至電噴射裝置100的液體的超微電噴射。
噴口110提供用於集中從噴口110發出的電力線的物理粗糙度，以達到有效的電噴射。噴口110還形成一個貫通基片的孔道104的延伸部分且起到所述孔道104的出口的作用。而且，凹陷區域114起到使噴口110與排出表面112的格柵區116物理隔開的作用，從而促進電力線的聚集，並且在噴口110和格柵區116之間提供電絕緣。本發明通過獨立控制液體和噴口110的勢電壓Vfluid及排出表面112的格柵116的電極的勢電壓Vsubstrate，允許從噴口110發出的電力線達到最佳。
除了電極120之外，可以在基片102的排出表面112上的氧化矽層118上設置一個或多個附加導電電極。圖6和7分別表示的是電噴射裝置100』一個例子的平面圖和截面圖，其中導電層119在基片102的排出表面112上限定三個附加電極122，124，126。因為排出表面112上的氧化矽層118使矽基片102與排出表面112上的附加電極122，124，126形成電絕緣且因為這些附加電極122，124，126相互形成物理性分離，因此施加在各個附加電極122，124，126上的電位可以相互獨立地、與基片102及液體獨立地被控制。這樣，可利用附加電極122，124，126進一步改變電力線結構，以影響，例如，電噴射的操縱和/或成形。儘管圖示是相同的尺寸和形狀，但電極120和附加電極122，124，126可以採用任意相同或者不同的適當形狀和尺寸。
為了進一步控制並使電噴射達到最佳，電噴射裝置100也可設置圖8所示的反饋電控制電路130。反饋電路130包括一個理想的噴射特性設定點132、一個比較器和電壓控制器134及一個或多個噴射特性傳感器136。理想的電噴射特性設定點132由操作者設定在一個確定的或預設值。所述一個或多個噴射特性傳感器136由電噴射裝置100探測一個或多個理想的電噴射特性，如電噴射離子流和/或噴射圖形的空間濃度。噴射特性傳感器136向比較和電壓控制器134發出指示電噴射的理想特性值，所述比較和電壓控制器134將理想特性的指示值與理想的噴射特性設定點132進行比較。然後，比較和電壓控制器134向液體和矽基片102分別施加電壓Vfluid、Vsubstrate，這些電壓可以獨立改變以使所希望的電噴射特性理想化。儘管圖中未示出，但是，比較和電壓控制134可將獨立控制的附加勢電壓施加至一或多個附加導電電極中的每一個上。
反饋電路130可以以任何適宜的方式與電噴射裝置100對接。例如，反饋電路130可以製造成在一個在電噴射裝置100上的集成電路，或者製造成安裝在與電噴射裝置的基片電連接的共用基片上的分立元件。
電噴射裝置100的尺寸可以根據各種因素決定，諸如特殊的應用、布局結構及與電噴射裝置100對接或整體形成的上遊和/或下遊裝置。另外，孔道和噴口的尺寸可以使所希望的液樣的流速到達最佳。使用反應離子蝕刻技術能允許複製及低成本地製造小直徑噴口，例如2微米內徑和5微米外徑的噴口。
在一個目前的優選實施例中，電噴射裝置100的矽基片102約205-600微米厚，且孔道104的橫截面積小於約50,000μm2。如果孔道104橫截面是圓形的，孔道104和噴口110的內徑最高達250微米，更理想的是最高達145微米；噴口110的外徑最高達255微米，更理想的是最高達150微米；並且噴口110的高度(凹陷部114的深度)為最高達500微米。凹陷部114最好從噴口110向外延伸達1000微米。氧化矽層118厚度約1-4微米，優選為1-2微米。
電噴射裝置生產過程現在參照圖9-20B說明電噴射裝置100的製造。電噴射裝置100最好利用既定的，具有良好控制性的薄膜矽加工技術，諸如熱氧化、光制板、反應蝕刻(RIE)、離子注入和金屬沉積等，生產成單片矽集成電路。使用這些矽加工技術有助於批量並行加工相同的器件，其具有高效和低成本的優點，並能夠精密控制關鍵的尺寸，易於複製，並且產生完全整體式裝置，從而省略了任何組裝的要求。而且，製造過程可以易於擴展到在電噴射裝置的入注表面和/或排出表面上產生物理形態和特性，以有助於對接及與液體發送系統連接，或者有助於與液體發送子系統形成一體以產生一個整體式集成系統。入注表面加工貫通晶片的孔道的入口。
圖9A-11說明了在製造本發明的電噴射裝置100中，加工基片的注入側的步驟。分別參見圖9A和9B的平面圖和截面圖，使一個雙側拋光的矽晶片基片200在高溫下置於氧化環境中以在基片的注入側203上生成一個氧化矽層或膜202，並在基片的排出側205上生成一個氧化矽層或膜204。每一產生的氧化矽層202、204厚度約1-2微米。氧化矽層202、204提供電絕緣並且還起到掩模的作用，以便之後有選擇地蝕刻矽基片200的確定區域。
在基片200的注入側203上的氧化矽層202上沉積一層正性感光膠206膜。接著由通過短波長光，例如通過具有365、405或者463納米波長的藍光或近紫外線光的光平版曝光工具經掩模，有選擇地使對應於貫穿基片孔道的入口中一個感光膠206區域進行曝光。
如分別於圖10A和10B中的平面圖和截面圖所示，在感光膠206顯影后，感光膠的曝光區域208被去掉。並且打開底層氧化矽層202，而未曝光的區域仍受感光膠206』的保護。然後，氧化矽層202的曝光區域210由對保護性感光膠206』具有高度異向性和選擇性的氟基等離子體蝕刻，一直到達矽基片200。在氧等離子體或者活性氧化化學浴，諸如過氧化氫(H2O2)活化的硫酸(H2SO4)浴中，除去餘下的感光膠。
如圖11的截面圖所示，通過另一種氟基蝕刻劑垂直蝕刻矽基片200中的貫通孔道的注入側部分212。這裡所述的製造工藝的優點在於可以可靠複製地限制和控制貫通孔道的尺寸，如尺寸比(深度與寬度之比)。在加工設備的蝕刻尺寸比是一個限制因素的情況下，可以通過在微片的一側進行第一蝕刻，接著在微片的第二側進行第二蝕刻來克服這種局限。例如，當前的矽蝕刻工藝一般局限於30∶1的蝕刻尺寸比，以致從基片200兩個表面蝕刻直徑小於約10微米的貫穿基片200的孔道，其中所述基片具有約250-600微米的常規厚度。
孔道部分212的深度應當為或者超過一個下限值，以連接從基片200的排出側205蝕刻的孔道的另一個部分。排出側205上的凹陷部分114的理想深度近似確定了孔道104中排出側部分220被蝕刻的深度。孔道104的其餘部分，即注入側部分212從注入側被蝕刻。孔道部分212的下限深度通常為50微米，但是超過蝕刻下限的確切的蝕刻深度不會影響裝置的性能或電噴射裝置的輸出。
排出表面的加工噴口和周圍表面結構圖12至20B說明了在製造本發明的電噴射裝置100中基片200的排出側205的加工步驟。如圖12所示，在基片200的排出側205上的氧化矽層204上塗覆一正性感光膠214膜。排出側205上的圖形與先前形成在基片200的注入側203上的圖形匹配。因為矽及其氧化物對於在光譜的紅外線波長範圍，即約70-1000納米的光具有固有的透明性，通過紅外光從有圖樣的注入側照射基片200可以以足夠的清晰度識別注入側203上剩存的圖形。從而，可以在所要求的公差內對準注入側205的掩模。
對準之後，由通過短波長光，例如具有365、405或463納米波長的藍光或近紫外線光的光平版曝光工具經排出側掩模有選擇地使相應於噴口和凹陷區域的感光膠214的一定區域曝光。如分別於圖13A和13B所示中的平面圖和截面圖所示，然後，使感光膠214顯影以除去感光膠的曝光區域，以便噴口區域216和凹陷區域218朝底層氧化矽層204開放，而未曝光的區域仍受感光膠214』的保護。然後，氧化矽層204的曝光區域216、218由對保護性感光膠214』具有高度異向性和選擇性的氟基等離子體蝕刻，直至到達矽基片200。
如圖14的截面圖所示，在隨後的氟基矽蝕刻期間，剩餘的感光膠214』提供了附加的掩模，以在矽基片200的排出側205中垂直蝕刻出一定的圖形。在氧等離子體或在活性氧化化學浴，如由過氧化氫(H2O2)活化的硫酸(H2SO4)浴中，去掉餘下的感光膠214』。
氟基的蝕刻通過形成孔道104的排出側部分220產生一個貫穿矽基片200的孔道104。氟基的蝕刻還產生一個排出噴口110，一個在噴口110外部的凹陷區域114和一個在噴口110外部的格柵區域116。格柵區域116最好與噴口110共面，以使物理性保護噴口110不受意外擦傷、操縱中的受壓破裂和/或意外折斷。格柵區116還起一個臺架的作用，其上可以設一或多個導電電極。
在無需任何組裝的情況下，通過從一個單晶矽基片蝕刻出電噴射裝置的特徵，此製造過程使製造出的電噴射裝置具有優越的機械穩定性。這個製造過程允許通過調節注入側和排出側的矽蝕刻的相對量來控制噴口的高度。而且，凹陷區域114的側面範圍和形狀可以不依賴於其深度地加以控制，而此深度影響噴口高度並且由在基片排出側上的蝕刻程度決定。控制凹陷區域114的側面範圍和形狀提供改變和控制電噴射裝置100與一個引出電極之間的電場結構的能力。
電絕緣的氧化如截面15所示，通過使矽基片200在氧化環境中受高溫處理，在矽基片200的所有表面上生成氧化矽層221。例如，氧化環境可以採用超純蒸汽，為了使氧化矽厚度大於大約幾百納米可通過氫氣的氧化或為了使氧化矽厚度大約為幾百納米或更小可通過純氧來製取所述超純蒸汽。在整個矽基片200的矽表面上的氧化矽層221使矽基片200與孔道中的液體電絕緣，並且允許對孔道104中的流體和矽基片200施加和保持不同的電位。
整個矽表面都被氧化以形成其厚度可通過選擇氧化的溫度和時間控制的氧化矽。可以選擇氧化矽的最終厚度以在裝置中提供理想的電絕緣度，這裡較厚的氧化矽層提供了較大的耐電擊穿性。
電場控制的金屬化圖16-20B表示在基片200的排出側205形成與基片200電連接的單個導電電極。如圖16的截面圖所示，使一正性感光膠222膜沉積在基片200的排出側205上的氧化矽層上。由通過短波長光，例如具有365、405或436納米波長的藍光或近紫外線光的光平版曝光工具經另一個掩模有選擇地曝光對應於電極和基片200之間電接觸區的一個感光膠222區域。
然後，使感光膠222顯影，以除去感光膠的曝光區域224，從而使電極和基片200之間的電接觸區域朝底層氧化矽層204開放，而未曝光的區域仍受感光膠222』的保護。之後，氧化矽層204的曝光區域224由對保護性感光膠222』具有高度異向性和選擇性的氟基等離子體蝕刻，直至到達到矽基片200，如圖17的截面圖所示。
現在參見圖18的截面圖，之後，在氧等離子體或在活性氧化化學浴，如由過氧化氫(H2O2)活化的硫酸(H2SO4)浴中，去掉餘下的感光膠。利用帶有圖形的排出側氧化矽層204作為掩模，進行一個高劑量的注入，以形成一個注入區225，從而保證在電極和基片200之間的低阻抗電連接。如鋁這樣的導電膜226可以通過熱或者電束蒸發均勻地沉積在基片200的排出側205上以形成電極120。導電膜226的厚度優選約為3000埃，但是圖中所示為了表達清楚厚度大得多。
導電膜226可以用任何不在排出噴口110的側壁上產生一個連續導電材料膜的方法形成。所述連續的膜會使孔道104中的液體與基片200電連接以防止獨立地控制其相應的電位。例如，導電膜可以通過導電材料的熱或電束蒸發沉積，從而在產生的表面上形成一個視線的沉積。對基片200定向以使排出噴口110的側壁在蒸汽源的視線之外，確保了在排出噴口110的側壁上沒有導電材料沉積成連續的膜。在等離子體中噴塗導電材料是沉積技術的一個例子，它會在整個表面上導致導電膜的沉積，因此並不是理想的。
如以上參照圖6和7所述，可以在基片200的排出側205上容易地形成一或者多個附加的導電電極。如圖19的截面圖所示，一個正性感光膠228膜沉積在基片200的排出側205上的導電膜226上。由通過短波長光，例如具有365、405或436納米波長的藍光或近紫外線光的光學平版曝光工具經另一個掩模有選擇地曝光對應於電極之間的物理空間的一感光膠228的一定區域。
現在參見圖20A和20B的平面圖和截面圖，使感光膠228顯影，以除去感光膠的曝光區域230，以便使曝光區域朝底層導電膜226開放，而未曝光的區域仍受感光膠228』的保護。然後，作為特殊的導電材料，利用溼化學蝕刻或反應離子蝕刻對導電膜226的曝光區域230進行蝕刻。蝕刻或對底層氧化矽層204具有選擇性，或必須根據蝕刻速度和蝕刻時間結束蝕刻。最後，在氧等離子體中去除剩餘的感光膠。
導電膜226相對於底層氧化矽層204的蝕刻導致產生物理上和電氣上分開的導電材料或電極的島狀部分。如上所述，這些電極可以獨立於矽基片或者孔道液體而被控制，因為它們通過氧化矽與基片形成電絕緣且彼此通過物理分離形成電絕緣。可利用它們來進一步改變電力線圖形，從而影響受電噴射液體的操縱和/或成型。這個步驟能夠完成電噴射裝置100的加工和製造過程。
如上所述，可將把電位施加在電噴射裝置的基片上的導電電極設置在入注表面上而不是排出表面上。製造過程與設置在基片200的排出側205上的導電電極製造方法相似。圖20C-20G說明了電連接到基片200的注入側203的基片200上的單個導電電極的形成。
如圖20C的截面圖所示，在基片200的注入側203上的氧化矽層上沉積一個正性感光膠232膜。由通過具有365、405或436納米波長的藍光或近紫外線光的光學平版曝光工具經另一個掩模有選擇使對應於電極與基片200之間電接觸區域的感光膠232區曝光。
然後使感光膠232顯影，以除去感光膠的曝光區域234，以便使電極與基片200之間的電接觸區域朝底層氧化矽層202開放，而未曝光的區域仍受感光膠232』的保護。然後，氧化矽層202的曝光區域232由對保護性感光膠232』具有高度異向性和選擇性的氟基等離子體蝕刻，直至到達矽基片200，如圖20D的截面圖所示。
現在參見圖20E的截面圖，隨後，在氧等離子體或活性氧化化學浴，如由過氧化氫(H2O2)活化的硫酸(H2SO4)浴中，除去餘下的感光膠。利用帶有圖形的注入側的氧化矽層202作為掩模，進行一個高劑量的注入，以形成一個注入區236，從而保證在電極和基片200之間的低阻抗電連接。如鋁這樣的導電膜226可以地通過熱或者電束蒸發沉積在基片200的注入側203上，以形成電極102』。
與在電噴射裝置的排出表面上形成導電電極相反，除了熱或電子束蒸發以外，可以利用噴塗在入注表面上形成導電電極。因為噴口是在基片的排出側而不是在注入側，因此由於注入側電極層不會延伸到噴口以產生一具有噴口的物理連續且導電性孔道，可以利用噴塗在注入側上形成電極。
通過在電噴射裝置的入注表面上形成電極，噴塗可能優於蒸發，因為其在經氧化矽層202到基片200蝕刻的曝光區域234側壁上形成保形塗層能力更大以確保對基片200的連續且可靠的電接觸。
對於某些應用，可必須通過從鄰接注入側203上的入口106的表面區除去導電膜來保證基片200與電噴射裝置中的液體之間的電絕緣。應當去掉的導電膜238的範圍與蝕刻方法無關，並且可由用於產生上遊液體發送系統/子系統與電噴射裝置的注入側之間對接的特定方法決定。例如，可以從入口106周圍的區域除去直徑約.02-2毫米之間的導電膜。
如圖20F的截面圖所示，在基片200的注入側203上的導電膜238上沉積另一個正性感光膠240膜。用具有365、405或436納米波長的藍光或近紫外線光的光平版曝光工具穿過另一個掩模有選擇地曝光繼後要蝕刻掉的，相應於入口106的鄰接區域的一個感光膠240區域。
然後，使感光膠240顯影，以除去感光膠的曝光區域242，從而使注入側203上的入口106的鄰接區域朝底層導電膜238開放，而未曝光的區域仍受感光膠240』的保護。隨後，導電膜238的曝光區域242由對保護性感光膠240』具有高度異向性和選擇性的氯基等離子體蝕刻，直至到達到氧化矽層203，如圖20G的截面圖所示。
用於蝕刻導電膜238的特定技術可以通過沉積的特定導電材料確定。例如，鋁可以在用標準鋁蝕刻劑的溼化學浴中蝕刻，也可以在利用反應性離子蝕刻(RIE)和氯基氣體化學劑的等離子體中蝕刻。由於這種溼蝕刻法有助於去除任何經入口孔106沉積在孔道104中的不理想材料，因此用於蝕刻鋁膜的標準溼鋁蝕刻劑的使用是理想的。另外，雖然可以利用氯基反應性離子蝕刻，但是如果沒有及時去除感光膠，那麼這樣的蝕刻可能會導致鋁的腐蝕。
在入注表面上形成電極以便向電噴射裝置的基片施加電位可提供幾個優點。例如，因為在一表面上均勻塗敷的感光膠的能力受到非平面拓撲狀態的限制，因此在非常平坦的注入側上塗敷的感光膠可以比在排出側塗敷的感光膠具有更均勻和更連續的感光膠膜。由於感光膠覆蓋範圍在蝕刻曝光區224，234期間允許在不理想位置氧化矽的後續蝕刻，因此感光膠膜的均勻性和連續性至少局部直接確定地影響可靠性和產量。
在入注表面上形成電極的另一個優點是在導電材料沉積步驟中有更大的靈活性和可靠性，其原因在於噴口的內表面不會塗覆沉積在電噴射裝置的入注表面而不是沉積在排出表面上的導電材料。結果，可以利用噴塗作為沉積技術以保證導電材料的共形塗敷及從表面到基片接觸區的電連續性。進而，由於這樣的附加電極無需與基片的電接觸，因此在入注表面設置電極不排除附加導電電極在排出側的附著和圖形形成，從而進一步改變電力線圖形，例如，電噴射的操縱和/或成型。
在入注表面上形成電極的能力在某些受物理限局的應用中例如在組件中也是有優越性的，這種局限規定要求注入側而不是排出側的電連接。
上述製造電噴射裝置100的過程能被容易地採用且適於同時製造含有多個電噴射裝置的單一式整體系統，其中，所述電噴射裝置包括在單個整體基片中的多個孔道和/或多個排出噴口。另外，可以改變所述加工步驟，以僅僅通過例如改變布局構造和/或通過改變電掩模的極性並且使用負性感光膠代替正性感光膠來製造相似或不同的電噴射裝置。
另外，儘管通過製造單一電噴射裝置對製造過程進行了說明，但是所述製造過程有助於允許批量平行加工相似的裝置。然後，可切割批量平行在一個單片上製造的多個電噴射裝置或者系統然後或相反使其分離為多個裝置或者系統。
電噴射裝置的對接或者整合電噴射裝置的下遊對接或者整合電噴射裝置100可以下遊對接或者整合到採樣裝置，這取決於特殊的應用。例如，可將受分析物質電噴射到表面以覆蓋此表面，或者電噴射到其它裝置中，以進行傳輸、分析、和/或合成。如以上參照圖5所述，通過電噴射裝置100可以由納升級體積的受分析物質在大氣壓下形成高度帶電的液滴。高度帶電的液滴在溶劑分子充分蒸發後產生氣相離子，它們可以例如經過大氣壓電離質譜儀(API-MS)的入口採樣以便分析被電噴射的液體。
電噴射裝置的上遊對接或者整合現在參見圖21-23，可以用任何適宜的方式通過上遊對接或者整合一個或者多個液體發送裝置，諸如壓電吸管、微吸管、毛細管或者其它類型的微移液裝置，把液體發送到電噴射裝置的入口中。液體發送裝置可以為一獨立部件以形成與電噴射裝置入口的各向異性的對接。另外，此液體發送裝置可以與電噴射裝置形成整體以形成與電噴射裝置入口的各向異性的對接。
圖21A和21B說明了形成與電噴射裝置入口的各向異性的對接的液體發送裝置的例子。各向異性的對接最好是非接觸的對接，這裡液體發送裝置和電噴射裝置是物理分離而不接觸的。例如，如圖21A的截面圖所示，壓電吸管300設置在電噴射裝置100A的入注表面108上方的一段距離處。壓電吸管300經入口106A將一定流量的微滴滴入孔道104，其中每一微滴體積大約是200PL。電噴射裝置100A最好在入口106A處設有一個入口孔302，用於在液樣進入孔道104前容納液樣，特別是當希望噴射大於貫通基片的孔道104的液體量時以及如使用壓電吸管300不可能連續供液時。入口孔302最好為0.1到100納升。而且，為向液體施加電位，可以在平行於入注表面108的入口孔302表面上設置一個入口孔電極304。另一方面，可以經入口106A在孔道104中設置一根電線(未示)。在入口孔302中存在一些液體以保證液體和入口孔電極304之間的電接觸。
另一方面，各向異性的對接可以是接觸的對接，這裡，通過任何適宜的方式，例如環氧樹脂粘結，把液體發送裝置連接到電噴射裝置，以在上遊流體源和電噴射裝置的孔道之間形成一個連續密封的流通孔道。例如，圖21B說明了在連接到電噴射裝置100B的入口106B之前的毛細管306的截面圖。可採用電噴射裝置100B的入注表面108以有助於毛細管306的安裝。可以容易地將這些特點設計為用於基片注入側的掩模，並且可以在對注入側進行的蝕刻過程中與孔道的注入側部分同時形成。
例如，在毛細管306的內徑大於孔道104內徑和入口106內徑處，電噴射裝置100B最好限定出一個從入注表面108凹入區域308以形成一個與毛細管306配合和固定的配合套環。這樣，毛細管306可以設置和固定在凹陷區域308中，從而毛細管306的出口310部分圍繞入口106設置。進而，電噴射裝置100B可選擇地在入口106B處設置一個入口孔312，用以容納進入孔道104前的液樣。儘管圖中未示，但如果毛細管的外徑小於孔道和入口的外徑，則可以把毛細管插入和連接到電噴射裝置的入口中。
現在參見圖22的簡圖所示，這裡設有一單一式集成系統316，取代各向異性的對接，其中，上遊的液體發送裝置318形成與電噴射裝置100的入口(未示)的均勻對接。系統316使排出上遊液體發送裝置318的液體在片地發送到電噴射裝置100的入口以產生電噴射。
單一式集成系統316的優點在於使額外的流體容積達到最小或消除了額外的流體容積以減小如通過反應和/或混合造成的不希望的液體變化。單一式集成系統316還提供了除去在顯微水平下不可靠操作和連接部件安裝的優點，以及通過把液體容納在一個整體式系統內消除或使液體洩漏達到最小的優點。
上遊的液體發送裝置318可以是一個整體式集成電路，其具有出口，液樣可以直接或者間接經出口流通到電噴射裝置100的入口。上遊液體發送裝置318可以是一個矽單片基的液體分離裝置，其能夠進行例如，毛細電泳、毛細電色譜、親和色譜、液相色譜(LC)或任何其它凝結相的分離方法。進而，上遊液體發送裝置318可以是一個矽、玻璃、塑料和/或聚合物基的裝置，從而電噴射裝置100可通過任何適當方法使各基片或各晶片，片對片結合。下面，對一個用在例如單一式集成系統316中的整體液相色譜裝置的例子進行說明。
在微型裝置中合成的組合化學庫的樣品移送用電噴射裝置電噴射裝置還可以用於通過納電噴射附著可複製地從母板向子板分配附著樣品。電噴射裝置可以被蝕刻成一個能夠合成組合化學庫的微型裝置。在希望的時間，噴口可以從母板向子板噴出理想量的樣品。噴口尺寸、施加的電壓和噴射時間的控制可以提供一種由噴口陣列形成附著的準確和可複製方法，例如通過基質輔助雷射解吸附/電離飛行時間質譜(MALDI-TOFMS)中產生分子量確定的抽樣板。把受分析物質從母板移送到子板上的能力還用於令其它子板進行其它類型的檢測，例如蛋白篩選。
圖23A和23B分別說明晶片基組合化學系統320的一個分解透視圖和一個沿線23B-23B所示的截面圖，此系統含有一個反應孔塊或滴定板322，和一個接收板或子板324。反應孔塊322限定出一個用於容納組合合成化合物的反應產物的儲槽326陣列。反應孔塊322進一步界定了孔道328、噴口330和凹陷部332，以便在各個儲槽326中的液體可以流經相應的孔道328並且以電噴射的形式經一對應噴口330排出。反應孔塊322可以用任何希望的結構限定出任何數量的儲槽，每個儲槽均具有理想的尺寸和形狀。儲槽326的容積範圍可以從幾個納升到幾個微升，並且更優選地範圍在200納升到1個微升。
反應孔塊322可以起母板的作用，以對接到微片基的化學合成裝置中，從而使反應孔塊322的電噴射功能可以用於可複製地把預估量的產物溶液分送到接收板或子板324上。子板324限定了對應於每一儲槽326的接收孔334，然後，子板324中被分送的產物可以用於對照生物目標篩選組合化學庫。
產生電噴射的電噴射裝置圖示圖24A和24B說明了從集成矽片基噴口發出的一種實際Taylor圓錐彩圖。圖24C和24D分別是圖24A和24B中所示電噴射裝置和質譜儀系統的透視圖和側截面圖。圖24A說明了一個晶片集成電噴射裝置，其包括一個噴口和一個凹陷部分或圓環，和一個Taylor圓錐，液體射流，和高度帶電的甲醇的電噴射滴和羽狀物，所述甲醇含有10微克/毫升含有0.2％的甲酸的聚丙烯乙二醇425(PPG425)。除電噴射裝置之外，圖24B還描述了一個質譜儀的離子採樣口。
電噴射裝置100在上遊與吸管52』對接。如圖所示，在圖24A和24B的右上角及圖24C和24D中，吸管52』的頂端被加壓密封至電噴射裝置100的注入側。電噴射裝置100在注入側具有一個10微米直徑的入口，一個30微米內徑和60微米外徑的噴口、15微米的噴口壁厚和150微米的噴口深度。凹陷部分或者環從噴口的外徑內伸300微米。施加到液體的電壓Vfluid引入到電噴射裝置，從而使噴口電壓為900V。施加到基片上的電壓Vsubstrate和從而施加到電噴射裝置上的電壓是0V。施加至還起引出電極作用的質譜儀上的電壓Vextract約為40V。用柱塞泵以333nl/分鐘的流速經壓封在電噴射裝置注入側的吸管頂端泵送液樣。噴口大約距質譜儀60的離子採樣口625毫米。質譜儀60的離子採樣口62通常限定了質譜儀60的接收區。用於獲得數據的質譜儀是Mcromas Lnc.生產的LCT飛行時間質譜儀。
圖24E說明了50％的水、50％含有0.1％的甲酸的甲醇、0.1％乙醯腈和2毫摩爾乙醯氨的1微克/升PPG425的質譜。該數據是在333納升/分鐘的流量下採集的。
液相色譜裝置在分別於圖25A，25B中分解透視圖和橫截面圖所示的本發明的另一個方面，矽基液相色譜裝置400通常包括一個矽基片或微片402，其限定了經基片402、在第一表面408上的入口406和儲液槽410之間延伸的引入孔道404，一個在儲液槽410和出口414之間延伸的分離孔道412；多個沿分離孔道412的分離柱416；和一個蓋420，其用於提供一與蓋420相鄰的封閉面，以便密封鄰接蓋420的儲槽410和分離孔道412。
多個分離柱416沿垂直於流經分離孔道412的液流的方向從分離孔道412的側壁伸出。每個分離柱416的末端之一最好不超過第二表面417或最好與之共面或者平齊。分離孔道412功能上與液相色譜柱相似，其中，成分分離發生在分離孔道412中，在此處多個分離柱416能實現液相色譜功能。成分分離通過流經分離孔道412的液體的相互作用產生，在孔道412中柱形分離柱416提供較大的面積。分離孔道412和分離柱416的表面最好設有絕緣層，以使分離孔道412中的液體與基片402分離。特別地是，分離柱416優選為氧化矽柱，可以用公知的技術對它們進行化學改進，以使液樣成分與靜態相，即與分離柱416的相互作用達到最佳。在一個實施例中，分離孔道412延伸超過分離柱416達到基片402的邊緣，然後終止於出口414。
引入孔道404、分離孔道412，儲槽410和分離柱416可具有任何適宜的截面形狀，諸如圓形和/或矩形。分離柱416最好可具有同樣的截面形狀和尺寸，但是也可以採用不同的截面形狀和/或尺寸。
液相色譜裝置400還包括一個在蓋420的基片表面上的氧化矽層422和一個在基片402表面上的氧化矽層424。氧化矽層422、424使含在儲槽410和分離孔道412中的液體與基片402和蓋420的基片形成電絕緣。氧化矽層422、424也是比較穩定的，從而與純矽相比，不易與儲槽410和分離孔道412中的液體相互反應。
根據特定的應用，基片402可提供這樣的表面，在其上可以形成一個或多個與裝置400中的液體形成電接觸的導電電極。例如，可以在基片402的第二表面417上提供一個儲槽電極426和/或一個出口電極428，以使相應的電極分別與儲槽中的液體410和出口414附近的液體電接觸。還可以在基片402的第二表面417上設置一個填充電極430，以使它與在儲槽410和第一輪分離柱416之間的分離孔道412的粘結部分432中的液體形成電接觸。沿基片402上各個電極的液流通徑的形狀、尺寸和位置可以由設計要點，如相鄰電極之間的距離確定。進而，任何或者所有電極可以交替或者另外形成在蓋420的結合表面425上。例如，填充電極430可以交替地設置，以便它可以與鄰接儲槽410的分離孔道412中的液體形成電接觸。進而，可以提供附加電極，例如，以產生一個沿液流孔道的任意的電位分布。
提供兩個或多個儲槽、填充和出口電極，其與使裝置400中的液樣與基片402和蓋402的基片形成電絕緣一起能允許在沿流體的路徑的兩個或更多位置處得以施加和保持不施加和保持不同(或相同的)電位。在兩個或多個沿液體路徑的不同位置處的電位差會引起液體在兩個或者多個位置之間發生射流運動。因此，這些電極可有助於填充儲槽410和/或經分離孔道412驅動液體。
另外，通過適宜的布局設計和製造工藝，基片402和/或蓋420還可以提供這樣的輔助功能，如在把液體發送到儲槽410之前預調節液體，和/或輸送、分析、和/或以其它方式處理流出分離孔道412的液樣。蓋420可以在蓋420的任一表面或所有表面和/或大部分表面上提這樣的輔助功能。
蓋420可以包括一個基片418；該基片包括矽或其它任意的適合材料，如玻璃、塑料和/或聚合物。蓋420的特定材料可以取決於，例如，如果希望直接觀測螢光液體時用玻璃更好，和/或若考慮較易於製造蓋420時，則通過利用與基片402相似的加工技術以使矽更理想。蓋420可以粘合或者以其它的方式固定，以在基片402和蓋420之間形成密封，以保證適當水平的液體密閉度和絕緣。例如，幾個把矽之間或者玻璃與矽之間的粘合方法是本領域內公知的方法，包括陽極粘接、矽酸鹽粘合，低共熔粘接和熔合粘接。特定的密封結合方法可以取決於各種因素，諸如基片402和蓋420表面的物理形狀和/或集成系統的應用和功能性和/或液相色譜裝置400的應用和功能性。
液相色譜裝置400的尺寸可以根據各種因素決定，諸如特定應用、布局結構及被對接或者整合的裝置。液相色譜裝置400中元件的表面尺寸，即X和Y方向的尺寸，可以由布局結構決定並且經過製造中用的相應光掩模確定。液相色譜裝置400中元件的深度或者高度，即Z方向上的尺寸，可以由製造過程中的蝕刻加工決定，如下文所述。元件的深度或者高度與第一數量級的近似與表面尺度無關，但是，反應離子蝕刻的尺寸比限度對蝕刻的深度加以了限制，尤其是在分離柱416之間的孔道412中表面開口小的時候。
另外，分離柱416的尺寸、數量、截面形狀、間隔和設置也可以由布局結構決定，以達到所希望的流速並防止在分離孔道412出現可視性低阻抗線，從而能保證適當的液體表面相互作用。每一分離柱416均可具有相同或者不同的特徵，如尺寸和/或截面形狀。這些柱的截面形狀可以在布局設計中選擇，以使柱表面處的液體邊界層的相互作用達到最佳。分離柱416可以以任意理想的形式，如周期性、半周期性、或者隨機性被設置在分離孔道412內。分離柱416的緊密間隔可以滿足與液體的相互作用到達最大。同樣，使分離柱416的截面積達到最小可允許在分離孔道412中設置較大數量的分離柱。然而，通過降低在加工期間所必須的機械穩定性會限制分離柱416橫截面面積的減小。
分離柱416的尺寸、數量、截面形狀、間隔和設置的控制提供了優於傳統液相色譜的優越性，因為傳統分離柱的包裝材料在尺寸分布上有不希望的分散性及隨機的間隔差異。
在目前的一個實施例中，液相色譜裝置400的基片402厚度約為250-600微米，分離孔道412的深度約為10微米，矩形的儲槽410約為1000微米×1000微米，結果產生的容積約為10nL。儲槽410的深度和分離孔道412的深度受分離柱416高度的限制，而分離柱本身受最大蝕刻長寬比的限制。分離柱416的最近相鄰間隔優選小於大約5微米。儲槽410的尺度確定了可以用於液相色譜分離的液樣容量，且顯然，通過獨立地控制表面尺寸和深度，可將儲槽410設計為具有任何所要求的容積。入口406的直徑最好是100微米或者以下，這液樣體表面張力足以把液體保持在儲槽410中以防止從中洩漏。
矽基液相色譜裝置400以近兩個數量級大小降低了典型液相色譜裝置的尺寸。這個尺度比例可以顯著降低準確分析所需要的被分析物質的質量和或液樣的體積。另外，通過將宏觀分離柱及其包裝材料減小為整體器件，液相色譜裝置400可以是一個單片式集成系統。
另外，所有的特性，如儲槽、分離孔道和分離柱都從基片402凹陷。因此，在儲槽和分離孔道外的基片402的部分在處理和之後的使基片402與蓋420的粘合中，起物理保護分離柱不受意外擦傷和應力損壞的作用。因為這些柱與基片成為一體，因此柱具有固有穩定性，從而能夠在不破壞靜態相的情況允許使用增壓系統，而這種損壞是由在常規液相色譜系統中使用常規的包裝材料產生的。
可以將上遊的液體發送系統，如微吸管、壓電吸管或者小毛細管壓封在液相色譜裝置400的外表面上，以使吸管或者毛細管與入口406同心。可供選擇的是，液相色譜裝置可以提供一個套環(未示出)，以有助於使液體發送裝置配合和固定到液相色譜裝置上，類似於參照圖21B所討論的電噴射裝置的配合套環。
為了操作液相色譜裝置400，首先，通過從液體發送裝置經入口406通過引入孔道404注入液體，可以向液體儲槽410填充液樣。任何適宜的液體發送裝置，如微吸管、壓電吸管或者小毛細管都可以使用。注入進液相色譜裝置400的液樣量可以大約為儲槽410的容積與引入孔道404中遺留較小容積之和。
通過在儲槽電池426和填充電極430之間施加一適當的勢電壓差，如引入孔道404中大約1000V/cm，可有助於儲槽410的填充。特別的是，首先經入口406、通過引入孔道404將一定量的液體引入進儲槽410，以通過毛細作用覆蓋或澆塗儲槽410和引入通過404的表面，從而液體和儲槽以及填充電極426、430之間形成電接觸。如果把填充電極430設置在分離柱416未佔據的分離孔道的部分中，填充電極430還有助於儲槽410和填充電極430之間的孔道412部分的填充。
用適當量的液樣填充儲槽410後，可利用任何適宜的方法迫使液體從儲槽410進入分離孔道412中。例如，可以通過經入口406向儲槽410施加液壓從填滿的儲槽410驅動液體通過分離孔道412。
另一方面，可以通過在儲槽電極426和出口電極428之間施加適當的動電勢電壓以產生電泳或電滲透液體運動驅動液體通過分離孔道412。電位差最好約為每釐米孔道長度1000伏。當然，任何其它引起液體運動的適宜方法都可以使用。壓力驅動和電壓驅動流動效應得到不同的分離效率。因此，取決於用途，可以使用兩者之一或者全都使用。
液體然後從分離孔道412經出口414排至例如，一個毛細管434，該毛細管與出口414形成分片(off-chip)式相互連接，如圖26所示。另一方面，如圖27所示，液相色譜裝置400可以對液體進行從儲槽410的分離，以便由通過柱416進行的分離所得的選定被分析物質穿過未被佔據的孔道436到達另一個在片裝置438，例如用於分析和/或混合，而剩下的液體被指引到廢液儲槽439。未佔據的孔道436可以是液相色譜裝置400中分離孔道的單體的延續，或從分離孔道412分出的一個孔道。
通過相繼填充儲槽並且迫使液體通過分離孔道412可以迫使兩個或更多的液樣通過液相色譜裝置400。例如，在某些應用中，希望或者必須首先用一種或者多種試劑塗敷分離柱416的表面，然後使被分析樣品通過規定的分離柱416。
對於上述液相色譜裝置可以做各種修改。例如，如圖28所示，取代把入口和引入孔道界定在基片中，液相色譜裝置400』可以在蓋420』中設置一個引入孔道404』，以便使入口406』限定在蓋420』的外表面上。另外，蓋420』可以在限定在蓋420』的外表面上的出口414』與終止於基片402』內的分離孔道412』之間限定出口孔道413。
在另一個變形中，一個附加引入孔道440和入口442可以被限定在基片402」中，如圖29所示，或被限定在蓋中(未示出)。此附加引入孔道440把液體引至分離孔道412」中，以便從附加引入孔道440流出的液體與從儲槽410流過分離孔道412」中未佔據部分432」的流體路徑相交。液體儲槽410可以用作洗提液的緩衝器，而附加引入孔道440可以用於向分離孔道412」引入液樣。另外，附加入口442可以將幾個液樣相繼引入分離孔道412」。例如，在某些應用中，應首先用一種試劑覆蓋分離柱416的表面，然後使被分析物通過規定的分離柱416。
現在參照圖30-35，雖然說明了液相色譜裝置包括一個儲槽和一個分離孔道，但是可容易地修改和改進整體式液相色譜裝置，以包括多個液相色譜裝置和/或多個入口、出口、儲槽和/或分離孔道。在每種變形中，任何或全部儲槽、分離孔道和分離柱可以有不同的尺寸和/或形狀。
例如，在一個單片上可以設置多個儲槽-分離孔道組合。特別如圖30所示，可以把一個儲槽410A可以裝至具有分離柱416A的分離孔道412A中，而另一個儲槽410B可以裝至另一個具有分離柱416B的分離孔道412B中。
在圖31所示的另一種變形中，一個儲槽410C可以供給多個分離孔道412C和412D。每個分離孔道412C和412D可以分別在其中設有分離柱416C和416D，它們可以有相同或者不同的特徵，如數量、尺寸和形狀。可將另一個孔道412E設置為完全未被分離柱佔據的零孔道。可將從零孔道412E的輸出用作與從被分離柱佔據的分離孔道的輸出作比較的基礎。另一方面，所有的孔道412C、412D、412E可以是具有分離柱的分離孔道。
現在參照圖32，從多個儲槽410E和410F流出的液體可以分別經連接孔道444E和444F送入一個分離孔道412F。連接孔道444E和444F最好未由分離柱佔據以有助於在通過分離孔道412之前混合從儲槽410E和410F流出的液樣。樣品的混合可以用於在分離前調節主要樣品，或者用於在樣品通過被填充的分離孔道412F之前影響樣品之間的反應。另一方面，如來自一個儲槽410E的調節液之類的液體可以流經分離孔道412F，以在其它樣品，如來自另一儲槽410F的被分析樣品通過之前調節分離柱416F的表面。儘管分離柱416F如圖所示具有不同的截面，但分離柱416F可以具有相同的尺寸和截面形狀。
另一方面，除了讓從多個儲槽流出的液體經連接孔道送入一個分離孔道之外，在液體通過分離孔道的被填充部分之前和/或之後，可將出自其它儲槽的液體沿分離孔道引至所述液流。例如，圖33描述了出自多個儲槽410G、410H的液體可以分別經連接孔道444G、444H被送入單個分離孔道412G，而出自另一個儲槽410I的液體可以在流體已通過分離柱416G之後，沿分離孔道412G被導引至所述液流中。圖34說明了出自多個儲槽410J、410K的液體可以分別經連接孔道444J、444K被送入單個分離孔道412J，而出自另一個儲槽410L的液體可以在液體通過分離柱416J之前，沿分離孔道412被導引至液流中。
對於具有多個儲槽和/或多個孔道的裝置，可以對每個儲槽和/或每個孔道設置分離電極，例如，在分離柱上遊和/或孔道出口附近的孔道的未佔據部分中。分離電極這樣的設置方式允許分開和獨立地控制液流以便填充各個儲槽和/或者驅動液體通過分離。
可以通過在多個儲槽和/或多個孔道之中設置一個公共的儲槽電極、一個公共的填充電極、和/或一個出口電極電極來簡化電控制。例如，可以通過在公共儲槽電極上施加第一電壓，在相應於待填充的儲槽的填充電極上施加有別於第一電壓的第二電壓，同時把第一電壓施加在每個其它的填充電極上，來填充多個儲槽的每一個儲槽。顯而易見，通過在公共儲槽電極上施加第一電壓，在每個填充電極上施加有別於第一電壓的第二電壓，可同時填充多個儲槽。同樣，通過在公共儲槽電極上施加第三電壓，同時，把不同於第三電壓的第四電壓施加在液體被驅動通過的孔道的出口電極上且將第三電壓施加在第一其它出口電極上，可獨立驅動液體通過多個儲槽中的每一個儲槽。
在圖35所示的另一個實施例中，除了樣品儲槽410M和分離柱416M，可以在分離柱416M上遊的孔道412M設置多個柱416L以提供附加的功能，如樣品預處理的固體相提取(SPE)。SPE柱416L可僅通過改變布局結構與分離柱416M相同、相似及不同。SPE柱416L可以提供不同於分離柱416M的表面功能。另一方面，取代於提供一樣品儲槽，可以利用一種引入孔道(未示出)通過直接把樣品注入其中而把液樣品直接引入孔道412M中。另外，可設置儲槽410N、410P以容納柱416L的上遊樣品預處理所必須的液體緩衝劑。例如，可以設一個洗提液儲槽洗提被分析物質，並且可以設一個清洗儲槽以進行樣品清洗。
在液樣通過SPE柱416L後，可以把來自例如固體相提取過程的廢物直接導入廢物儲槽410Q中。尤其是在SPE加工中，可以在儲槽410M、410N、410P和410Q之間施加電壓差，以使來自儲槽410M、410N的液體的一部分導入廢物儲槽410Q，而儲槽410M的液體的其餘部分保留在SOE柱416L上。然後通過直接從例如，儲槽410P經孔道412M引導液體而使所述材料從SPE柱416L上洗掉，以便由分離柱分離所提取的材料。在廢物儲槽410Q下遊和分離柱426M上遊設置輔助儲槽410R、410S，以在一個儲槽中容納被分析物的梯度洗提液，在另一個儲槽中容納洗提液。通過改變活動相的組成，即極性以加速被分析物與固定相的相互作用，從而有助於分離被分析物的分離，梯度洗提液能促進色譜分析。此外，洗提劑為下一步分離的溶液提供了正確的極性。
液相色譜裝置製造過程現在參照圖36A-46B說明本發明的液相色譜裝置製造過程。液相色譜裝置最好用確定的，良好控制的薄膜矽加工技術，如熱氧化、光印刷、反應蝕刻(RIE)、離子植栽、和金屬沉積等製造成獨體的矽微裝置。使用這些矽加工技術便於批量平行加工相同的器件，並能提高時間效益並降低成本，允許密切控制關鍵的尺寸，易於複製，並且產生完全集成的裝置，從而消除了任何組裝的要求。用以製造具有高可靠性和產量的液相色譜裝置的獨立部件的操作和/或下一級裝配是我們所不希望的，而且在有效分離所需要的微米尺寸中也是不可能的。
另外，可易於將製造過程擴展到產生物理外觀和特徵，以有助於對接、整合和/或連接具有其它功能的裝置，或有助於與液體發送子系統形成一體以產生一整體集成系統。因此，液相色譜裝置可以製造和使用作為一次性裝置，從而消除柱再生的需要並且消除樣品交叉汙染的風險。
分別參見圖36A和36B的平面和截面圖，一個雙側拋光的厚度約250-600微米的矽片分離基片500，在較高的溫度下置於氧化環境中，以在儲槽側503上生成一個氧化矽層或膜502和一個在分離基片500的背側503上的氧化矽膜或層504。每個合成氧化矽層502、504厚度約1-2微米。氧化矽層502、504提供電絕緣並且還起到之後有選擇地蝕刻矽基片500中一定區域用的掩模作用。
在基片500的儲槽側503上的氧化矽層502上沉積一正性感光膠506的膜。用通過具有短波長的光，例如具有365、405或者463納米波長的藍光或近紫外線光的光平版曝光工具、經掩模有選擇地曝光之後將被蝕刻的、對應於儲槽、分離孔道和分離柱的感光膠506的某些區域。
現在分別參看圖37A和37B所示的平面圖和截面圖，在感光膠506顯影后，除去分別對應於儲槽、分離孔道和分離柱的感光膠中的曝光區508、509、510，且底層氧化矽層502開放，而未曝光的區域仍受感光膠506』的保護。氧化矽層502的曝光區域508、509、510然後由對保護性感光膠506』具有高度異向性和選擇性的氟基等離子體蝕刻，直至到達到矽基片500。在氧化等離子體或者活性氧化化學浴，諸如過氧化氫(H2O2)活化的硫酸(H2SO4)浴中，去掉餘下的感光膠。
如圖38的截面圖所示，儲槽410、分離孔道412和分離孔道412中的分離柱416由另一氟基蝕刻劑蝕刻垂直在矽分離基片500中形成。最好通過公知蝕刻速度下的控制蝕刻時間，使儲槽410和分離孔道412厚度相同。儲槽410和孔道412的同步形成保證了均勻的深度，從而在液體容納表面沒有會阻礙液體流動的間斷。儲槽410和孔道412的深度優選在5-20微米之間並且更理想的是約10微米。能可靠重複進行蝕刻以產生一個達30∶1的尺寸比例(蝕刻的深比寬)。儘管圖中未示出，但任何其它的儲槽和/或孔道，不論填充的或者未填充的，都可以用這種蝕刻工序形成。
之後，在氧化矽層502和分離基片500的儲槽側503上的被曝光分離基片500上沉積一正性感光膠506的膜。接著，通過短波長光的，例如通過具有365、405或者463納米波長的藍光和近紫外線光的光平版曝光工具經掩模有選擇地曝光對應於之後將被蝕刻的對應於引入孔道的感光膠。感光膠顯影后，對應引入孔道的感光膠的曝光區域被去掉，並且底層分離基片500開放，而未曝光的區域仍受感光膠的保護。
現在分別參看圖39A和39B所示的平面圖和截面圖，然後，由對保護性感光膠具有高度異向性和選擇性的氯基等離子體垂直蝕刻基片500的曝光區域，直至到達到背側505的氧化矽層504。這樣，經過分離基片500形成引入孔道404的一部分。在氧化等離子體或者活性氧化化學浴，諸如過氧化氫(H2O2)活化的硫酸(H2SO4)浴中，去掉餘下的感光膠。然後例如，在氯基等離子體中可通過不帶圖形的蝕刻去掉背側505上的氧化矽層504。
另一方面，如圖40A和40B所示，可以通過從基片500的儲槽側503和背側505進行蝕刻以形成引入孔道404。在以類似於上述的方式，經過基片500的一部分進行垂直蝕刻以形成引入孔道404的一部分之後，在分離基片500的背側505的氧化矽層504上沉積一正性感光膠512。在背側505上的圖形可以與先前形成在分離基片500上的圖形對齊。由於矽及其氧化物本身對光譜中紅外線波長範圍的B光，即700-1000納米的光是透明的，因此可以通過用紅外光從帶有圖樣的儲槽側503照亮分離基片500，而以足夠的清晰度區分池側503上仍然存在的圖形。因此，可以在所要求的公差內對準背側505的掩模。對準之後，用通過短波長光，例如通過具有365、405或者463納米波長的藍光和近紫外線光的光平版曝光工具、經掩模有選擇地曝光之後將被蝕刻的、對應於入口和引入孔道中一個感光膠512的區域。
使感光膠512顯影后，除去對應於入口的感光膠曝光區域514，以暴露在分離基片500的背側505的底層氧化矽層504，而未曝光的區域仍受感光膠512的保護。然後，氧化矽層504的曝光區域514由對保護性感光膠512具有高度異向性和選擇性的氯基等離子體蝕刻，直至到達到矽基片500。在之後的氟基矽蝕刻以垂直蝕刻引入孔道背側部分的過程中，剩餘的感光膠能提供附加的掩模。這樣就完成了一個貫穿基片的引入孔道404。在氧等離子體或者活性氧化化學浴，諸如過氧化氫(H2O2)活化的硫酸(H2SO4)浴中，去掉餘下的感光膠。
引入孔道404的直徑最好與入口的直徑相同。30∶1的尺寸比上的實際限度限制了蝕刻的入口直徑為對於300微米厚度的基片約10個微米或大於10微米。出於實踐上的考慮，入口406和引入孔道404直徑最好約為100微米。例如，蝕刻尺寸比提出了一個最小直徑，最好足夠大以易於填充儲槽410，且還應足夠小以保證表面張力來防止液體漏出儲槽410。
另一方面，引入孔道和入口可以都通過從分離基片500的背側505蝕刻形成。在難於用感光膠滿意地覆蓋分離柱416時，這一方法則是優選的。進而，根據裝置的應用，例如外部樣品發送裝置、希望的基片處理裝置、與其它裝置的對接、片基或者非片基的和/或片的包裝考慮等等，其可能是所希望的。參照圖41的截面圖，在儲槽、分離孔道和分離柱在分離基片500中被蝕刻後(圖38)，在分離基片500的背側505上的氧化矽層504上沉積一正性感光膠516的膜。可以通過從帶有圖形的儲槽側503用紅外光照亮分離基片500，可使在背側505上的圖形與先前形成在分離基片500的儲槽側503上的圖形對準，如以上所述。對準之後，用通過短波長光，例如具有365、405或者463納米波長的藍光或近紫外線光的光平版曝光工具、經掩模有選擇地曝光之後將被蝕刻的，對應於入口的感光膠516區域。
在感光膠516顯影后，去掉對應於入口的感光膠516的被曝光區域518，以暴露底層分離基片500的背側505的氧化矽層504。然後，氧化矽層504的曝光區域518由對保護性感光膠512具有高度異向性和選擇性的氟基等離子體蝕刻，直至到達到矽基片500。剩餘的感光膠保留在適當的位置處，以便在蝕刻貫穿矽分離基片500期間提供附加的掩模。
現在參照圖42的橫截面積，通過另一氟基蝕刻，經矽分離基片500垂直形成引入孔道404。通過蝕穿分離基片500達到儲槽410能完成引入孔道404。這樣，引入孔道404伸過在分離基片500的背側505上的入口406與儲槽410之間的分離基片500。在氧等離子體或者活性氧化化學浴，諸如過氧化氫(H2O2)活化的硫酸(H2SO4)浴中，去掉餘下的感光膠。
表面鈍化和液體絕緣用的氧化如圖43的截面圖所示，通過使矽基片500在氧化環境中承受高溫，在整個矽基片上生成一氧化矽層522。例如，對於厚度大於約幾百個納米的氧化矽，氧化環境可以是一個通過氧化氫氣產生的超純蒸汽，或對於用於厚度大約幾百個納米或小於幾百個納米的氧化矽可以是純氧。在整個矽基片500表面上的氧化矽層522使矽基片500與孔道中的液體電絕緣，並且允許在儲槽和分離孔道出口之間、儲槽和分離孔道附近的分離孔道的未填充部分之間施加和保持不同的電位以便於填充儲槽，及/或沿液體流通路徑的其它點之間施加和保持不同的電位。進而，氧化提供了一個相對於裸露矽表面無活性的表面，從而導致表面鈍化。
整個矽表面都被氧化以形成其厚度可以經選擇氧化溫度和時間控制的氧化矽。可以選擇氧化矽的最終厚度以提供裝置中提供希望的電絕緣度，這裡較厚的氧化矽層提供較大的耐電擊穿性。
光印刷和反應離子蝕刻限制了分離柱直徑和柱間間隔的布局結構應大於約1微米。然而，因為熱氧化處理要消耗0.44微米的矽以形成每1微米的氧化矽，因此，熱氧化處理產生了體積膨脹。這種體積膨脹可以用於使分離柱416之間的間隔減小至亞微米的尺寸。例如，通過大約1.5微米的配置柱間間隔，產生1微米氧化膜或層的氧化會產生約0.5微米的最近相鄰間隔。進而，因為氧化處理是受充分控制的，因此分離柱尺寸，包括柱間間隔，可以在亞微米的數量級以高產量方式可複製地形成。
圖44A、44B和44C說明了製造的液相色譜裝置中部分的掃描電鏡照片和結構布局。圖44A表示在分離孔道中，儲槽和分離柱的一部分的結構布局，這裡分離柱具有矩形的截面形狀。圖44B表示在分離孔道中分離柱的一部分的結構布局，這裡分離柱有圓形的截面形狀，並且直徑和柱間間隔約為1微米。圖44C說明分離孔道一部分中的分離柱的結構布局，分離柱有方形的截面形狀，並且直徑和柱間間隔約為1微米。
在一個變種中，填充液體儲槽的入口和引入孔道可以於生成一層氧化矽525後在蓋基片524的整個表面上形成，而不是在基片500中形成。如圖45中所示，蓋基片524可以粘合在分離基片500的儲槽側503上。入口406』和引入孔道404』可以在與儲槽410對準之後形成在蓋基片524中。通過利用光印刷限定入口圖形以及用於產生入口和穿過蓋的引入孔道的反應離子蝕刻可以用與上述相同或相似的方式形成入口406』和引入孔道404』。蓋基片524再次在氧化環境中承受高溫，以在引入孔道404」上生成一層氧化矽522。進而，引入孔道404』可以從蓋基片524的一側或兩側形成。如果引入孔道404』從蓋基片的兩側形成，那麼蓋基片524可以在形成孔道404』後和孔道表面氧化之後粘合到基片500上。將入口限定在作為儲槽和分離孔道的整個液相色譜裝置上的優點是，在無需用於經限定在基片背側上的入口填充儲槽的情況下，基片500的背側不含任何零件，這樣便可以結合至保護性包裝上。
用於液流控制的金屬化圖46A-46B描述儲槽、填充電極、出口電極以及把電極連接到蓋基片526的結合墊的導線的形成，基片526最好包括玻璃和/或矽。圖46A-46B所示的蓋基片526不設有入口或者引入孔道，雖然這裡所述的金屬化處理可容易地適用於提供入口和引入孔道的蓋基片。
如分別在圖46A和46B的平面圖和截面圖所示，在蓋基片526上沉積導電材料之前，以上述相似的工藝，使蓋基片526的整個表面在氧化環境中受熱氧化處理，以產生一氧化矽層528。在蓋基片526含有玻璃時不進行這種氧化。
氧化矽層528提供一個在其上可以形成導電電極的表面。氧化矽層528的厚度可以通過選擇氧化溫度和時間控制，並且可以選擇最終厚度以在裝置中提供希望的電絕緣度，這裡較厚的氧化矽層提供較大的耐電擊穿性。氧化矽層528使全部電極與蓋基片526電絕緣，並且把液相色譜裝置的儲槽和孔道中的液體與蓋基片526絕緣。使液體與蓋基片526絕緣的能力補充了在分離基片中經氧化提供的絕緣，並且保證了把液體與分離基片和蓋基片526形成完全的電絕緣。液樣與兩個基片的完全電絕緣允許在液流孔道中空間分開位置之間施加電位差，從而可以控制通過經此孔道的液流。
在利用氧化劑，如過氧化氫(H2O2)活化的硫酸(H2SO4)氧化後，清潔蓋基片528。然後，把蓋基片528徹底漂洗，以消除有機汙染物和顆粒。一層諸如鋁之類的導電材料530可以通過如直流電磁控管噴塗這樣的任何適宜方法沉積。鉛的厚度優選約為3000埃，儘管圖中所示為了表達清楚厚度大得多。儘管在這裡所述的製造過程中使用的是鋁，但任何各類高度導電的材料，如其它金屬、金屬復層、矽化物、導電聚合物、和導電陶瓷如氧化銦錫(ITO)都可以用於電極。滿意附著所用的表面準備可根據使用的特定材料而不同。例如，氧化矽層528提供一個鋁電極可以粘附於其上的表面，而鋁一般不能很好地粘合在天然矽上。
然後使一個正性感光膠532膜附著在導電材料的表面上。通過短波長光，例如通過具有365、405或者436納米波長的藍光或近紫外線光的光平版曝光工具、經一個掩模有選擇地曝光將要被蝕刻的、對應於電極周圍區域(如圖所示)和導線及結合墊的一個感光膠層532。
感光膠532顯影后，去掉被曝光的感光膠區域，留下朝底層鋁導電層530的開口，而分別相應於儲槽、填充和出口電極的未曝光區域534，536，538，以及導線、和結合墊仍受感光膠512保護。對於適合的特定導電材料，導電電極、導線結合墊等可以通過溼化學蝕刻或反應離子蝕刻等方法蝕刻。蝕刻對底層氧化矽層528具有選擇性或者由蝕刻時間和速度確定，終止於達到氧化矽層528。在氧等離子體或者丙酮等化學浴中，去掉餘下的感光膠。因此，所述製造過程按照在掩模中設計的圖形能得到物理上和電氣上分開的導電電極、電線和結合墊的島。
蓋基片可以大於分離基片，從而能夠為結合墊和/或直接為電極提供孔道以對電極施加勢電壓。如圖46C所示，蓋基片526』大於分離基片，以便分離基片相對於蓋基片526』只伸到虛線540。導電引線，如連金屬線542、544和546分別從儲槽，填充和出口電極534、536、538伸出，並能夠對電極施加電壓。
另一方面，可以從各個電極至其它不帶圖形的分離基片區域形成金屬引線，以便形成在蓋基片中且通過化學蒸發沉積(VCD)、用導電材料填充的貫穿基片的進入孔道允許通向電極。作為化學沉積的一種變形，使貫穿基片的進入孔道的側壁傾斜，例如通過KOH蝕刻，以方便在其上連續沉積導電材料，從而提供一個從分離基片到可以被施加勢電壓的蓋基片頂部的電連續性孔道。在這些變形中，分離基片和蓋基片可具有相同尺寸。
儘管電極最好被設置在蓋基片的表面上，但也可通過對上述製造工藝進行適當的修改而使電極交替和/或另外設置在分離基片上。例如，在這樣一種變形中，儲槽的側壁最好不與底壁成90度角，並且通過例如溼化學氫氧化鉀(KOH)至少局部被蝕刻形成。傾斜的儲槽側壁允許在其上沉積導電材料。在另一種變形中，電極還可以由半導體製造領域中所公知的鑲嵌工藝形成。鑲嵌工藝提供一個平表面的優點在於，無需由結合線或者結合墊產生的上升和下降的表面構形，從而有助於結合分離基片和蓋基片，如下文所述。
上述液相色譜裝置的製造過程可以方便的適用於並且可適於同時製造包括多個液相色譜裝置的整體系統，所述整體系統包括多個儲槽和/或多個分離孔道，如在以上的對單個整體基片的說明所述。
另外，儘管對製造單個液相色譜裝置進行了製造過程的說明，但所述製造過程還有助於允許批量平行加工相似的裝置。然後，將通過在一個單片上批量平行加工製造的多個液相色譜裝置或者系統切割或者以其它的方式分離成多個裝置或者系統。
儘管液相色譜裝置的控制在上面說明為含有儲槽、填充和出口電極，但通過改進布局結構可提供並易於製造出與液體孔道中液體電接觸的這些和/其它電極的任意適當的組合。進而，任何或者所有的電極都可以附加或者交替地設在分離基片中。通過修改製造過程以包括與以上在蓋基片中形成電極所說明的步驟相似或者相同的輔助步驟形成電極。
把蓋基片粘合到分離基片上如以上所述，蓋基片最好通過任何適當方法緊密地結合在分離基片上，以限制和絕緣液相色譜裝置中的液體。矽之間或者玻璃與矽之間結合的例子包括陽極結合、矽酸鹽結合，低共熔結合和熔合結合。
例如，為了通過陽極結合把分離基片結合到玻璃蓋基片上，應將分離基片和蓋基片加熱到約400℃，並施加400-1200V電壓，以分離基片選作陽極(較高的電壓)。另外，因為所需的結合電壓取決於表面氧化的厚度，因此，希望在結合處理之前去掉氧化膜或層505，以降低需要的結合電壓。氧化膜或層可以通過例如，在氯基等離子體中進行不帶圖形的蝕刻而被去掉。蝕刻連續地進行直至整個氧化層都被去掉，並且過蝕刻的程度是不重要的。因此，蝕刻是容易控制的和高產出的。
任何這些結合方法中的關鍵問題包括對準分離和蓋基片中的零件以保證在結合後液相色譜裝置的正確功能，和結合墊和/或金屬線之類的導電引線的布局結構設置，從而電極(如果有)可以從液相色譜裝置的外側夠得著。另一個關鍵的問題是由製造過程產生的布局結構，它可以兼顧緊密封閉分離和蓋基片的結合方法的能力。例如，由金屬線或者墊給出的表面布局結構中的上升和下降特別難於繞之形成密封，因為矽或玻璃不易於變形以符合金屬線或者墊的形狀，所以在金屬和氧化物之間會留下空隙。
把液相色譜和電噴射裝置集成在一個片上圖47的截面圖描述了一個液相色譜-電噴射系統600，其包括一個與本發明電噴射裝置620結合成一體的本發明的液相色譜裝置602，以便在液相色譜裝置602的出口614與電噴射裝置620之間形成一個均勻的對接。單體式集成系統600使排出液相色譜裝置602的出口614的液體能夠在片地發送到電噴射裝置620的入口622，以產生電噴射。
如圖47所示，液相色譜裝置602的入口606和引入孔道604與電噴射裝置620一起形成在蓋基片608上。另一方面，液相色譜引入口和引入孔道可以形成在分離基片上。
在電噴射噴口入口622處的液體處於在液相色譜出口614附近、被施加在分離孔道612的出口電極610上的出口電壓下。因此，不需要電噴射入口電極。
單體式集成系統600的優點在於使額外液體體積降至最小或使之消除，以便減小不希望的如由反應和/或混合引起的液體改變。單體式集成系統600還提供的優點在於消除在顯微水平下不可靠操作和連接部件的需要，並且通過把液體限制在一個集成系統中，可使液體洩漏降至最小或使之消除。
單體式液相色譜-電噴射系統600可以用於把液樣輸送至質譜儀的採樣入口中。在保持在相對於噴射噴口624適當的電壓時，電質譜儀的採樣入口可以在電噴射過程中起引出電極的作用。液相色譜-電噴射系統600可被設置在距離質譜儀的採樣入口10毫米內以有效地從噴射噴口624引出液體。
在一個單片上的多個液相色譜-電噴射系統多個液相色譜-電噴射系統600可以形成在一個單片上以向一個公共點發送多個樣品以便進行之後的順序分析。例如，圖48描述在一個單片650上的多個液相色譜-電噴射系統600的平面圖，而圖49描述系統600中區域A的詳圖，其中分離孔道用部分剖視圖表示，並且為了表現清楚未畫出凹陷的部分。如圖所示，電噴射裝置620的多個噴口624可以在單片650中心附近、繞直徑較小的圓周徑向設置。電噴射噴口和液相色譜孔道的尺寸限制了多個噴口設置在多重系統片650上所處的半徑。例如多重系統片可設有96個寬度50微米的噴口置於直徑2毫米的圓周上，這樣在每對噴口之間的間隔約為65微米。
另一方面，一個沒有液相色譜裝置的多個電噴射裝置陣列可以在一個單片上形成用之後的順序分析對一公共點發送多個樣品。這些噴口可以類似地在一個晶片中心附近、繞直徑較小的圓周徑向設置。在一個單微片上的電噴射陣列可以上遊與多個製造在一個單微片上的如分離裝置這樣的液體發送裝置整合成一體。例如，微液相色譜柱的徑向分布陣列的徑向分布的出口陣列可以與電噴射裝置中徑向分布的入口形成一體以使噴口排列在質譜儀口附近的一個小半徑上。因此，電噴射裝置可以用於多重樣品的快速順序分析。然而，根據特定的應用和/或下遊質譜儀(或其它下遊裝置)的能力，多個電噴射可以一次或同時用一個，或者使用全部或部分電噴射裝置，以產生一個或一個以上的電噴射。換言之，多個電噴射裝置可以平行地、交錯地、或個別地使用。
單一式多系統片650可以全部製造於矽基片上，因此利用上述設計完善的矽加工技術。這樣的加工技術允許單一式多系統片650能夠被經濟地製造出，從而符合用作消除樣品交叉汙染的一次性裝置的成本性能要求。而且，因為液相色譜-電噴射系統的尺寸和位置是由布局結構決定而不是由加工決定的，因此該布局結構適用於在一個單片上製造多個液相色譜-電噴射系統。
多重系統片與質譜儀的對接電噴射噴口624在多重系統片上的徑向分布陣列可以通過把噴口設置在採樣口附近而與質譜儀的採樣口對接。電噴射噴口624的緊密徑向構形允許其緊靠質譜儀附近設置。
可以使多重系統片650相對於採樣口旋轉以在採樣口附近設置一或以上的電噴射噴口。然後，可以對一個或一個以上的噴口施加適當的電壓進行電噴射。另一方面，多重系統片650可以相對於質譜儀的採樣口固定，從而適宜設置聚集在一較小半徑中的所有噴口以進行電噴射處理。顯然，消除噴口重新設置的需要允許單體式多系統片的高度可複製性和快速對準並能提高分析速度。
在由施加至電噴射裝置620中適宜電極的電壓控制時，電噴射裝置620中的一個，一些或全部徑向分布的噴口624可同時、順序或隨機產生電噴射。
儘管說明了本發明的特定實施例，但應當理解在不偏離權利要求書所規定的本發明精神和範圍的情況下，可對其進行修改。
權利要求
1.一種集成的化學分析系統，含有一個具有一主表面的第一基片；一個結合或者另外固定在所述第一基片上的第二基片；一個集成在所述第二基片上的液相色譜系統，並且其結構能接收用於分析的液體並能處理和輸出此液體；及一個集成在所述第一基片上的電噴射裝置，此電噴射裝置具有一個入注表面，該表面結構能從液相色譜系統接收處理過的液體，所述主表面具有通過電噴射液體分配液體的結構。
2.根據權利要求1的系統，其特徵在於，電噴射裝置的主表面結構能以沿通常垂直於主表面的方向分送處理過的液體。
3.根據權利要求1的系統，其特徵在於，多個液相色譜系統均集成在所述第二基片上，且每一系統的結構能接收用於分析的液體，並且處理和輸出此液體；和多個電噴射裝置，每一電噴射裝置集成在所述第一基片上，這些電噴射裝置均具有一個入注表面，所述入注表面的結構能從液相色譜系統接收處理過的液體，所述電噴射裝置均具有一個入注表面，其結構能通過電噴射分送液體。
全文摘要
本發明提供一種集成的化學分析系統，含有一個具有一主表面的第一基片；一個結合或者另外固定在所述第一基片上的第二基片；一個集成在所述第二基片上的液相色譜系統，並且其結構能接收用於分析的液體並能處理和輸出此液體；及一個集成在所述第一基片上的電噴射裝置，此電噴射裝置具有一個入注表面，該表面結構能從液相色譜系統接收處理過的液體，所述主表面具有通過電噴射液體分配液體的結構。
文檔編號G01N37/00GK1515903SQ0310311
公開日2004年7月28日 申請日期1999年9月1日 優先權日1998年9月17日
發明者詹姆斯·E·穆恩, 加裡·A·舒爾茨, 託馬斯·N·科索, 蒂莫西·J·戴維斯, 格雷格裡·J·高爾文, 史蒂芬·洛斯, J 戴維斯, N 科索, 洛斯, A 舒爾茨, 詹姆斯 E 穆恩, 裡 J 高爾文 申請人:阿德文生物科學公司, 基奧尼斯公司