CN112384295A - 用于生物分子分析的图案化的流动池 - Google Patents
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Abstract
一种图案化的流动池包括基材(100,200)，所述基材(100,200)具有金属氧化物纳米块(104,202)的图案化阵列。每个金属氧化物纳米块(104,202)具有有机磷酸酯涂层(106,206)以增加金属氧化物(104,204)与DNA、蛋白质或多核苷酸结合的能力。在金属氧化物纳米块(104,202)之间的基材(100,200)上，在间隙空间中沉积硅烷涂层(108,208)，以防止多核苷酸、DNA或蛋白质结合到间隙空间中。
Description
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119，要求2018年6月14日提交的第62/685,091号美国临时申请的优先权权益，其内容通过引用全文纳入本文。
技术领域
本公开一般涉及生物分子分析，更具体地，涉及用于大规模平行基因组分析的方法和微流体流动池装置。
背景技术
生物样品在组成和数量上通常很复杂。分析生物样品中的生物分子常涉及将单个样品划分成成千上万个样品来进行定量测定。实现此的其中一种常用手段是使用固体基材表面来选择性地固定并分配生物样品中的不同生物分子。
过去的几十年见证了在对人类遗传变异进行分类并将这些变异与疾病易感性，对特定疗法的反应性，对危险药物副作用的易感性以及其他医学上可操作的特征相关联方面取得的非凡进步。大规模平行基因测序[也被称为下一代测序(NGS)]是进行这种基因测试的极有效手段。基因组测序的最新进展已经降低了每兆碱基的成本并增加了测序的基因组的数目和多样性。
本公开的实施方式解决了与DNA测序相关的一些上述弊端，并且提供了在全基因组测序方面相对于现有技术的进步。根据本文提供的描述，这些优点和其他优点以及附加的发明特征将变得显而易见。
概述
本公开的实施方式包括图案化的表面，其具有金属氧化物块(patch)或岛的阵列，其中，在一些实施方式中，金属氧化物块具有有机磷酸酯涂层，其支持DNA纳米球或含DNA引物的聚合物的结合。相邻的金属氧化物块之间的间隙区域任选地涂覆有硅烷，所述硅烷抵抗核苷酸、DNA或蛋白质的结合。还提供了制造这类选择性涂覆表面的方法。某些实施方式还提供了使用这样选择性涂覆表面来制造核酸或其他分析物阵列的方法。
在一些实施方式中，一种图案化的流动池包括基材，所述基材具有金属氧化物纳米块的图案化阵列。每个金属氧化物纳米块具有有机磷酸酯涂层，所述有机磷酸酯涂层被构造用于增加金属氧化物与DNA、蛋白质和/或多核苷酸结合的能力。在金属氧化物纳米块之间的基材上的间隙空间中沉积有硅烷涂层。所述硅烷涂层被构造用于防止多核苷酸、DNA、和/或蛋白质结合到间隙空间中。
在各个实施方式中，金属氧化物是以下中的一种：Al2O3、ZnO2、Ta2O5、Nb2O5、SnO2、In2O3、NiO、a-TiO2、r-TiO2、MgO、氧化铟锡、氧化铟锌、CeO2、CoO、Co3O4、CrO3、Fe2O3、Fe3O4、WO3、Y2O3、ZrO2和Mn2O3。在一些实施方式中，纳米块的形状是矩形、圆形、椭圆形、卵形、三角形和梯形中的一种，并且/或者金属氧化物的厚度在1纳米至5微米(μm)的范围内。所述基材可以由玻璃、石英、二氧化硅或塑料制成。
在一些实施方式中，硅烷涂层包括含聚乙二醇的硅烷，而有机磷酸酯是胺封端的有机磷酸酯、含环氧基的有机磷酸酯和羧基有机磷酸酯中的一种。在一些实施方式中，金属氧化物对波长在400纳米(nm)至700纳米(nm)范围内的光是透明的。
在一些实施方式中，一种图案化的流动池包括基材，所述基材具有二氧化硅(SiO2)或硅酸盐纳米块的图案化阵列。每个SiO2或硅酸盐纳米块具有硅烷涂层，所述硅烷涂层被构造用于增加SiO2或硅酸盐与DNA、蛋白质和/或多核苷酸结合的能力。在SiO2/硅酸盐纳米块之间的基材上的金属氧化物间隙空间中可沉积有机磷酸酯涂层。所述有机磷酸酯涂层可被构造用于防止多核苷酸、DNA、和/或蛋白质结合到间隙空间中。当石英或纯二氧化硅基材表面含有SiO2，并且玻璃是硅酸盐基材时，一旦暴露于空气，则硅可具有SiO2层，或者可热生长出SiO2层，
在一些实施方式中，金属氧化物是以下中的一种：Al2O3、ZnO2、Ta2O5、Nb2O5、SnO2、In2O3、NiO、a-TiO2、r-TiO2、MgO、氧化铟锡、氧化铟锌、CeO2、CoO、Co3O4、CrO3、Fe2O3、Fe3O4、WO3、Y2O3、ZrO2和Mn2O3.。在一些实施方式中，纳米块的形状是矩形、圆形、椭圆形、卵形、三角形和梯形中的一种，并且/或者金属氧化物的厚度在1纳米至5微米的范围内。所述基材可以由玻璃、石英、纯二氧化硅或硅制成。
在一些实施方式中，有机磷酸酯是含聚乙二醇的有机磷酸酯和聚乙烯基磷酸中的一种，并且/或者硅烷涂层是胺封端的硅烷、含环氧基的硅烷、含马来酰亚胺聚乙二醇的硅烷和羧基硅烷中的一种。
在一些实施方式中，一种制造图案化的流动池的方法包括以下步骤：将金属氧化物纳米块的阵列沉积到基材上，用第一材料涂覆金属氧化物纳米块，所述第一材料增加金属氧化物与DNA、蛋白质和/或多核苷酸的结合，以及在纳米块之间的间隙空间中的基材上沉积第二材料的涂层。所述第二材料可被构造用于防止多核苷酸、DNA、和/或蛋白质结合到间隙空间中。
在一些实施方式中，所述方法包括：使用光刻法和金属氧化物沉积的组合，沉积金属氧化物纳米块的阵列。在一些实施方式中，第一材料是胺封端的有机磷酸酯、含环氧基的有机磷酸酯和羧基有机磷酸酯中的一种，或者替代性地，第一材料是胺封端的硅烷、含环氧基的硅烷、含马来酰亚胺聚乙二醇的硅烷和羧基硅烷中的一种。根据第一材料的性质，第一材料可以作为基于溶液的涂料或基于蒸气的涂料来沉积。例如，硅烷涂层可通过基于蒸气的涂覆方法来实现，而有机磷酸酯涂层可通过基于溶液的涂覆方法来实现。在一些实施方式中，第二材料是含聚乙二醇的硅烷，或者替代性地，第二材料是含聚乙二醇的有机磷酸酯和聚乙烯基磷酸中的一种。第二材料可以作为基于溶液的涂料或基于蒸气的涂料来沉积。
在一些实施方式中，一种制造图案化的流动池的方法包括以下步骤：在涂覆有金属氧化物的基材上形成SiO2或硅酸盐纳米块的阵列，在纳米块之间的间隙空间中的基材上沉积第一材料的涂层，所述第一材料被构造用于防止多核苷酸、DNA和/或蛋白质结合到间隙空间中，以及用第二材料涂覆SiO2或硅酸盐纳米块，所述第二材料增加增加SiO2或硅酸盐与DNA、蛋白质和/或多核苷酸的结合。
在一些实施方式中，形成SiO2或硅酸盐纳米块包括：在基材上沉积金属氧化物层，使用光刻法形成图案，以及使用反应性离子蚀刻移除暴露的图案区域内的金属氧化物层的部分。第一材料可以是含聚乙二醇的有机磷酸酯或聚乙烯基磷酸。第二材料可以是以下中的一种：胺封端的硅烷、含环氧基的硅烷、含马来酰亚胺聚乙二醇的硅烷和羧基硅烷。
在以下的具体实施方式中给出了其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下具体实施方式、权利要求书以及附图在内的本文所述的各个实施方式而被认识。
应理解，前面的一般性描述和以下的具体实施方式都仅仅是示例性的，并且旨在提供用于理解权利要求的性质和特性的总体评述或框架。所附附图提供了进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图说明了一个或多个实施方式，并与说明书一起用来解释各种实施方式的原理和操作。
附图简要说明
并入本说明书中并形成本说明书一部分的附图例示了本公开的几个方面。在附图中：
图1是根据示例性的实施方式，用于制造微流体流动池装置的方法的图示，所述微流体流动池装置包括具有选择性图案化表面的基材，所述方法使用揭开剥离(lift-off)光刻法，金属氧化物层沉积和有机磷酸酯涂覆，以及玻璃间结合的组合；
图2是根据示例性的实施方式，用于制造微流体流动池装置的方法的图示，所述微流体流动池装置包括具有选择性图案化表面的基材，所述方法使用揭开剥离(lift-off)光刻法，金属氧化物层沉积，有机磷酸酯和硅烷涂覆，以及玻璃间结合的组合；
图3A、3B、3C和3D是根据示例性实施方式，可通过有机磷酸酯与硅烷化学的组合实现的选择性图案化表面的不同变化的图示。
虽然下文将公开各个实施方式，但是不旨在限于这些实施方式。相反，旨在覆盖如所附权利要求限定的本公开的精神和范围内所包括的所有替代形式、修改和等同形式。
具体实施方式
申请人发现，全基因组测序的进展可通过微流体流动池将含有数百万个DNA片段的基因组DNA样品分配到流动池的内表面上，以便可对几乎所有固定的片段同时测序来实现。本文提出的实施方式公开了微流体流动池装置，其可用作容纳核酸阵列的便利形式，并且经受合成测序(SBS)或连接测序(SBL)或者涉及循环重复递送试剂的其他检测技术。
在过去的十年间，NGS技术不断地增加了容量和通量并且降低了基因组测序的成本。常规的NGS平台可提供大量的遗传数据，但是与传统的桑格(Sanger)测序平台相比，相关的误差率更高并且读取长度一般更长。因此，需要对测序方法学和用于实施这些方法学的***不断创新，而本文公开了这些创新。
在使用循环可逆终止方法的合成测序技术中，该NGS技术可使用图案化的纳米孔流动池，其中，单个DNA片段被捕获并定位在纳米孔中，并且被扩增1000倍以形成DNA片段的单克隆簇。可使用排他性扩增方法来实现该簇生成。随后，可通过合成来确定每个孔处的DNA片段的序列。此处，可向流动池添加引物、DNA聚合酶和经修饰的核苷酸的混合物。每个核苷酸可以被3′-O叠氮甲基封闭，并用核苷酸特异性的可裂解的荧光团标记。在每次循环期间，每个簇中的片段可仅结合一个核苷酸，因为封闭的3’基团阻止了另外的结合。
在核苷酸结合之后，可洗去未结合的碱基，并且表面可使用两个或四个激光通道，通过荧光显微法成像；颜色(或者在一些***中缺乏颜色或者是颜色的混合)识别每个簇中结合了哪种核苷酸。然后可裂解染料，并且3′-OH可用还原剂，例如三-(2-羧基乙基)膦再生。接着可再次开始核苷酸加入、延伸和裂解的循环。一些DNA序列测序仪执行内部质量过滤程序，称为纯化(chastity)过滤器，通过此过滤器的读数称为滤通PF。纯化度(chastity)被定义为最亮的碱基强度除以最亮的和第二亮的碱基强度之和的比值。如果在前25个循环中不超过1个碱基识别的纯化度低于0.6，则读取簇可以通过过滤器。该过滤过程可从图像分析结果中去除最不可靠的簇。
使用图案化纳米孔流动池的一些平台可产生约70％的PF读数。这种相对非最佳的PF读数可能是由于多种因素的结合，包括快速排他性扩增化学，DNA片段中的衔接子不足，每个流式细胞泳道负载的非最佳DNA浓度，接种到每个纳米孔中的非最佳DNA(例如，没有片段或超过一个片段)，以及在簇生成步骤期间DNA不受控地铺展到相邻孔中。被DNA非结合区域分开的DNA结合区域的阵列(例如，如本文各个实施方式中所述)能够实现更佳的DNA接种，并且具有最少的DNA铺展和/或背景信号，从而提高了DNA测序效率和质量。
连接测序方法可使用图案化的表面化学流动池，其中，单个DNA纳米球被固定到涂覆有DNA结合化学的特定块或岛上。此处，可使用基于溶液的滚环扩增(也被称为DNA纳米球生成)来生成簇。具体而言，可以将DNA片段化并连接到四个衔接子序列中的第一个序列。可扩增，环化并用II型核酸内切酶裂解模板。可加入第二组衔接子，随后扩增、环化和裂解。可对剩余的衔接子重复该过程。最终的产物可以是具有四个衔接子并且每个衔接子被模板序列分开的环形模板。文库分子可以经过滚环扩增步骤，生成大量称为DNA纳米球的多联体，然后可以将其沉积到流动池的表面上。
在DNA纳米球沉积后，可以将与四个衔接子序列中的一个序列互补的锚固物和标记有荧光团的探针结合到每个纳米球上。除了第一位置外，探针可被完全简并。然后可以将锚固物和探针连接就位并且成像以识别锚固物的3′或5′侧上的第一碱基。接着，可移除探针-锚固物复合物，并且可以使用相同的锚固物但是在n+1位置处具有已知碱基的不同的探针再次开始所述方法从而得知。可以重复该过程直到识别从锚固物的3’端起的5个碱基以及从锚固物的5’端起的五个碱基。可发生另一轮的杂交，这次使用具有使用具有五碱基偏移的锚固物，在锚固物的任一侧识别出另外五个碱基。最后，可对纳米球中的剩余三个衔接子序列中的每个序列重复这一整个过程，并且产生配对的末端读数。
由于多重因素的组合，基于DNA纳米球的测序技术可具有非最佳的读取效率，这些因素包括不均匀的DNA纳米球尺寸，衔接子不足，每个流动池通负载的非最佳的DNA纳米球浓度，以及接种到每个DNA结合区域中的非最佳的DNA纳米球(例如，空的或者超过1个纳米球，或者在特定循环的洗涤步骤中与表面脱离)。被DNA非结合区域分开的DNA结合区域的阵列(例如，如本文各个实施方式中所述)能够实现更佳的DNA接种，并且具有最少的DNA重新定位和/或背景信号，从而提高了DNA测序效率和质量。
无论使用何种技术，NGS平台可共用类似的工作流程(基于单分子的基因测序技术除外)——包括样品制备、簇生成、测序和数据分析。然而，申请人注意到NGS在流动池设计和操作原理上可能各异。对于基于光学检测的NGS技术，流动池可包含非图案化或图案化的表面用于DNA捕获和测序。相比于非图案化表面，图案化的表面可具有优点，这些优点与更有效地使用流动池表面区域，得到更高的测序读数和数据输出相关。例如，图案化的流动池可被构造成图案化的纳米孔流动池或图案化的表面化学流动池。
进一步地，实施方式还公开了用于制造附接于装置表面的分子或核酸的阵列的装置和方法。具体的实施方式开发了选择性的表面化学图案化，以将DNA分子选择性地固定到基材表面的特定块或岛或区域上。可使用光刻法与金属氧化物沉积的组合来实现对基材表面上的金属氧化物膜的图案化。例如，取决于目标金属氧化物图案的具体构造，可使用揭开剥离或蚀刻法中的任一种在基材表面上产生金属氧化物膜的不同图案。
本文参考位于基材表面上的金属氧化物区域和非金属氧化物区域来例示和描述实施方式。非金属氧化物区域是裸基材区域。然而，实施方式并不意在限于所述区域位于表面上的那些实施方式。更确切地说，在具体的实施方式中，金属氧化物区域、裸基材区域或者金属氧化物区域和裸基材区域二者可出现在固体支撑件中或固体支撑件的表面下方(例如，纳米孔在固体支撑件或基材内)。另外，金属氧化物区域、基底基材区域或它们二者的位置可相对于固体支撑件而变化。
该变化可通过改变固体支撑件发生，例如，通过对固体支撑件进行蚀刻、反应性离子蚀刻或抛光以将区域从下方带到表面。该改变可通过在表面上覆盖某区域，通过涂覆表面或者通过构建固体支撑件来产生。
图1和2是用于选择性涂覆基材表面以产生图案化的表面的示例性方法中所用的步骤的示意图，所述图案化的表面包括具有DNA结合化学的金属氧化物纳米块的阵列，基本上由所述阵列组成，或者由所述阵列组成。在图1中，首先利用揭开剥离光刻法和金属氧化物沉积的组合，用金属氧化物104涂覆基材100，形成金属氧化物纳米块的图案化阵列，随后用有机磷酸酯106(或者在替代性实施方式中用硅烷)进行基于溶液的涂覆以在金属氧化物纳米块上形成DNA结合区域，任选地，进一步用硅烷108(或在替代性实施方式中用有机磷酸酯)进行基于溶液或蒸气的涂覆，以形成抵抗与DNA、蛋白质和/或多核苷酸结合的区域。抵抗DNA的区域可以位于金属氧化物纳米块之间的间隙空间中。应注意，在替代性实施方式中，纳米块可以是在涂覆有金属氧化物的基材上形成的二氧化硅(SiO2)或硅酸盐纳米块的阵列。这些实施方式在设计上将与图1和2中公开的相似，并且这些替代性实施方式还可包含上文参考和下文更详细描述的有机磷酸酯和/或硅烷涂层。
在一些实施方式中，光刻过程涉及将光致抗蚀剂102沉积到基材100上。在光致抗蚀剂102中可产生图案(例如，使用紫外光)。可从基材100的暴露部分选择性地移除光致抗蚀剂。可将金属氧化物104沉积到光致抗蚀剂上以及基材100的暴露部分上。随后，可揭开剥离光致抗蚀剂区域上方的金属氧化物层，从而可在基材表面上形成金属氧化物纳米块的阵列。例如，可移除设置在剩余的光致抗蚀剂(例如，在图案化后设置在基材上的光致抗蚀剂的剩余部分)上的一部分金属氧化物层(例如，在光致抗蚀剂揭开剥离期间)，从而留下设置在基材表面上的金属氧化物块的阵列。
基材100可以是(例如包括)玻璃、石英、硅、热塑性塑料或另一种合适的基材材料。基材的组成和几何结构可以根据意欲的用途和使用者的喜好而变化。金属氧化物104可以是(例如包括)Al2O3、ZnO2、Ta2O5、Nb2O5、SnO2、MgO、氧化铟锡、氧化铟锌、CeO2、CoO、Co3O4、Cr2O3、Fe2O3、Fe3O4、In2O3、Mn2O3、NiO、a-TiO2(锐钛矿)、r-TiO2(金红石)、WO3、Y2O3、ZrO2、其他金属氧化物或其组合。在一些实施方式中，金属氧化物在可见波长(例如，400nm至700nm)内是透明的。例如，金属氧化物在可见波长内的透射率可以为50％、60％、70％、80％、90％、95％、99％、100％，或由所列数值限定的任何范围。
在一些实施方式中，金属氧化物104涂覆有有机磷酸酯层106(例如，用于增加金属氧化物104与DNA、蛋白质和/或多核苷酸结合的能力)。例如，有机磷酸酯层106是(例如包括)胺封端的有机磷酸酯、含环氧基的有机磷酸酯或羧基有机磷酸酯中的一种或多种。在金属氧化物104表面上形成有机磷酸酯106的自组装单层后，胺基团可以用于静电吸引DNA以用于固定，或者通过双官能链接物(例如，BS3或酐聚合物)共价附接DNA，其中，环氧基可用于共价附接胺封端的DNA。羧基有机磷酸酯的羧基可进一步转换成酐或N-羟基琥珀酰亚胺酯，以与胺封端的DNA形成共价键。
在图2所示的实施方式中，在金属氧化物纳米块104之间的间隙空间中提供了硅烷层108。硅烷108可以是(例如包括)含聚乙二醇的硅烷。例如，在间隙区域上形成的含聚乙二醇的硅烷的自组装单层可使这些区域抵抗DN结合或固定，从而防止DNA结合到这些区域，或者在测序运行的簇生成步骤期间防止DNA铺展。
基材100的表面旨在表示固体支撑件的外部或外层。金属氧化物区域或块104旨在表示基材中或者表面上的含有金属氧化物膜的区域。金属氧化物区域104可具有一种或多种类型的金属氧化物的连续涂层。金属氧化物区域104的组成和厚度在整个测试期间稳定。金属氧化物膜104的厚度可以为至少约1纳米(nm)。例如，金属氧化物膜104为10nm、50nm、100nm、500nm、5微米(μm)，或由所列数值限定的任何范围。
间隙区域旨在表示基材100中或表面上的区域，其使DNA结合区域或斑或块(例如，金属氧化物区域或块104)分开或者位于DNA结合区域或斑或块之间。取决于应用，表面上的DNA结合区域的几何形状和尺寸可变化。所述形状可以是但不限于矩形、正方形、圆形、椭圆形、卵形、三角形、多边形、梯形或不规则形。所述尺寸可以是仅容纳得了单个核酸分子，或单个DNA纳米球，或通过桥式扩增形成的集落，或通过排他性扩增形成的集落，或通过模板行走形成的集落的尺寸。桥式扩增可通过引物核酸引发，所述引物核酸附接于与DNA结合区域接触的凝胶层。
当基材100的加工完成时，可用玻璃盖板110保护基材100以形成微流体流动池装置。玻璃盖板110可以由基材100支撑并且使用结合材料112结合到基材100。结合材料可以是胶带，使基材100和玻璃盖板110二者结合的金属或金属氧化物，玻璃材料，或另一种合适的材料。流动池装置的微流体通道例如可由所用的胶带的开口限定，或者由玻璃盖板100内的预蚀刻的通道限定。取决于流动池装置的特定构造，玻璃盖板110或基材100可以包括用于引入生物样品和其他化学物质的开口114。
图3A、3B、3C和3D示出了四种替代性实施方式。在图3A中，有机磷酸酯206用于涂覆金属氧化物区域204(例如，块或岛)。在图3B中，当基材是玻璃、硅或纯二氧化硅时，有机磷酸酯206用于涂覆金属氧化物区域204(例如块或岛)，而硅烷208则可用于涂覆SiO2或硅酸盐区域(例如，间隙区域)。在图3C中，当基材是玻璃、硅或纯二氧化硅时，硅烷208用于涂覆SiO2或硅酸盐区域(例如，块或岛)。在图3D中，当基材是玻璃、硅或纯二氧化硅时，有机磷酸酯206用于涂覆金属氧化物区域204(例如间隙区域)，而硅烷208则用于涂覆SiO2或硅酸盐区域(例如，块或岛)。当基材是塑料时，可用相应的水凝胶聚合物(例如，丙烯酸酯聚合物)替代硅烷。图3B的实施方式与上述关于图2的实施方式一致。
区域的阵列看上去可以像基材200上的斑或块202的网格，并且/或者可形成重复的图案(例如，六边形、直线、网格图案)或不规则的非重复图案。在离得最近的不同对之间的节距可以相同，或者在离得最近的不同对之间的节距可以变化。可使用商购***，利用本领域已知的方法将金属氧化物层204沉积在表面上，例如，湿法等离子体蚀刻，干法等离子体蚀刻，原子层沉积，离子束蚀刻，电子束(e-beam)蒸发，化学气相沉积，溅射等。
在如图3C和3D所示构造的一些实施方式中，首先用金属氧化物204的层涂覆基材200，随后进行光刻和反应性离子蚀刻，以移除经图案化的暴露区域中的部分金属氧化物层，从而形成被连续的金属氧化物膜204分开的SiO2或硅酸盐纳米块的阵列。随后，可用有机磷酸酯206涂覆基材，以在金属氧化物区域204上形成DNA非结合区域，并且用硅烷208进一步进行基于溶液或蒸气的涂覆，以在斑202的阵列上形成DNA结合区域。有机磷酸酯可以是含聚乙二醇的有机磷酸酯和/或聚乙烯基磷酸中的一种。硅烷可以是胺封端的硅烷、含环氧基的硅烷、含马来酰亚胺聚乙二醇的硅烷和/或羧基硅烷中的一种。
基材200可以是玻璃、石英、硅、热塑性塑料或另一种合适的材料。金属氧化物204可以是Al2O3、ZnO2、Ta2O5、Nb2O5、SnO2、MgO、氧化铟锡、氧化铟锌、CeO2、CoO、Co3O4、Cr2O3、Fe2O3、Fe3O4、In2O3、Mn2O3、NiO、a-TiO2(锐钛矿)、r-TiO2(金红石)、WO3、Y2O3、ZrO2、其他金属氧化物或其组合。例如，金属氧化物204在可见波长(例如，400nm至700nm)内是透明的。有机磷酸酯层206可以是含聚乙二醇(PEG)的有机磷酸酯或聚(乙烯基磷酸)。在金属氧化物间隙区域204上形成的这些有机磷酸酯206的自组装单层可使这些区域抵抗DN结合或固定，从而防止DNA、蛋白质和/或多核苷酸结合到这些区域中，或者在典型的测序运行的簇生成步骤期间防止DNA、蛋白质和/或多核苷酸铺展。
在一些实施方式中，硅烷208是胺封端的硅烷、含环氧基的硅烷、羧基硅烷、和/或马来酰亚胺PEG硅烷中的一种。在基材表面上形成硅烷208的自组装单层后，胺基团可以用于静电吸引DNA以用于固定，或者通过双官能链接物(例如，BS3或酐聚合物)共价附接DNA，其中，环氧基可用于与胺封端的DNA形成共价键，马来酰亚胺基团可用于与硫羟封端的DNA形成共价键。羧基硅烷可进一步转换成酐，以与胺封端的DNA形成共价键。
在水性溶液中，有机磷酸分子可与金属氧化物形成稳定的P-O-M键，但是不与硅氧化物形成稳定的P-O-M键。然而，硅烷在金属氧化物和硅氧化物表面上均可形成自组装的单层。因此，可以有益的是，首先用有机磷酸酯涂覆金属氧化物区域的阵列，然后用硅烷涂覆裸基材区域。可以基于溶液的方法或气相沉积方法实现硅烷涂覆。
本文所引用的所有参考文献，包括出版物、专利申请和专利，均通过引用并入本文，其程度与每个参考文献被单独且具体地指示为通过引用并入本文的全文相同。
在本公开(特别是在所附权利要求的上下文中)中的术语“一个”和“一种”和“该”等类似表达应解释为涵盖单数和复数，除非另有说明或者上下文明确另有所指。术语“包含”、“具有”、“包括”以及“涵盖”应解释为开放式术语(即，表示“包括，但不限于”)，除非另有说明。除非本文中另有说明，本文中对数值范围的引用仅仅是一种简约表示方法，单独表示落在该范围内的每个独立的值，且每个独立的值均被纳入说明书内中，如同在本文中单独陈述。本文所述的所有方法可以任何合适的顺序进行，除非另有说明或者清楚指出相反。除非另有说明，本文所提供的任何和所有实施例，或者示例性的语言(如，例如摂)的使用仅仅是为了更好地阐述公开的实施方式。说明书中的所有语言都不应解释为指示任意未主张的要素为必需。
对本领域的技术人员而言，显而易见的是可以进行各种修改和变动而不偏离公开的实施方式的精神或范围。因为本领域技术人员可以结合实施方式的精神和实质，对所公开的实施方式进行各种改良、组合、子项组合和变化，因此，应认为本公开的实施方式包括所附权利要求书范围内的全部内容及其等同内容。
Claims (24)
1.一种图案化的流动池，包括：
基材，所述基材包含金属氧化物纳米块的图案化阵列，每个金属氧化物纳米块包含有机磷酸酯涂层，以增加金属氧化物与DNA、蛋白质或多核苷酸中的至少一种结合的能力；和
在金属氧化物纳米块之间的间隙空间上的硅烷涂层，用于防止多核苷酸、DNA或蛋白质中的至少一种结合到间隙空间中。
2.如权利要求1所述的图案化的流动池，其中，金属氧化物纳米块包括Al2O3、ZnO2、Ta2O5、Nb2O5、SnO2、In2O3、a-TiO2、r-TiO2、氧化铟锡、氧化铟锌、或ZrO2中的至少一种。
3.如权利要求1所述的图案化的流动池，其中，金属氧化物纳米块包括MgO、NiO、CeO2、CoO、Co3O4、CrO3、Fe2O3、Fe3O4、WO3、Y2O3或Mn2O3中的至少一种。
4.如权利要求1所述的图案化的流动池，其中，有机磷酸酯涂层包括胺封端的有机磷酸酯、含环氧基的有机磷酸酯或羧基有机磷酸酯中的至少一种。
5.如权利要求1所述的图案化的流动池，其中，硅烷涂层包括含聚乙二醇的硅烷。
6.如权利要求1所述的图案化的流动池，其中，金属氧化物纳米块的形状为矩形、圆形、椭圆形、卵形、三角形或梯形中的一种。
7.如权利要求1所述的图案化的流动池，其中，所述基材包含玻璃、石英、硅或塑料中的至少一种。
8.如权利要求1所述的图案化的流动池，其中，金属氧化物纳米块的厚度在1纳米至5微米的范围内。
9.如权利要求1所述的图案化的流动池，其中，金属氧化物纳米块对波长在400纳米至700纳米范围内的光是透明的。
10.一种图案化的流动池，包括：
基材，所述基材包含SiO2或硅酸盐纳米块的图案化阵列，每个SiO2或硅酸盐纳米块包含硅烷涂层，以增加SiO2或硅酸盐纳米块与DNA、蛋白质或多核苷酸中的至少一种结合的能力；和
设置在SiO2或硅酸盐纳米块之间的间隙空间上的金属氧化物层，以及在金属氧化物层上的有机磷酸酯涂层以防止多核苷酸、DNA或蛋白质中的至少一种结合到间隙空间中。
11.如权利要求10所述的图案化的流动池，其中，金属氧化物层包括Al2O3、ZnO2、Ta2O5、Nb2O5、SnO2、In2O3、a-TiO2、r-TiO2、氧化铟锡、氧化铟锌、或ZrO2中的至少一种。
12.如权利要求10所述的图案化的流动池，其中，金属氧化物层包括CeO2、CoO、Co3O4、CrO3、Fe2O3、Fe3O4、NiO、WO3、Y2O3、MgO或Mn2O3中的至少一种。
13.如权利要求10所述的图案化的流动池，其中，有机磷酸酯涂层包括含聚乙二醇的有机磷酸酯或聚乙烯基磷酸中的至少一种。
14.如权利要求10所述的图案化的流动池，其中，硅烷涂层包括胺封端的硅烷、含环氧基的硅烷、含马来酰亚胺聚乙二醇的硅烷或羧基硅烷中的至少一种。
15.如权利要求10所述的图案化的流动池，其中，所述基材包含玻璃、石英、硅或塑料中的至少一种。
16.如权利要求10所述的图案化的流动池，其中，SiO2或硅酸盐纳米块的厚度在1纳米至5微米的范围内。
17.一种制造图案化的流动池的方法，所述方法包括以下步骤：
将金属氧化物纳米块的阵列沉积到基材上；
用第一材料涂覆金属氧化物纳米块，所述第一材料增加金属氧化物与DNA、蛋白质或多核苷酸中的至少一种结合的能力；
在纳米块之间的间隙空间中的基材上沉积第二材料的涂层，以防止多核苷酸、DNA或蛋白质中的至少一种结合到间隙空间中。
18.如权利要求17所述的方法，其中，沉积金属氧化物纳米块的阵列包括：使用光刻法和金属氧化物沉积的组合，沉积金属氧化物纳米块的阵列。
19.如权利要求17所述的方法，其中，第一材料包括胺封端的有机磷酸酯、含环氧基的有机磷酸酯或羧基有机磷酸酯中的至少一种。
20.如权利要求17所述的方法，其中，第二材料包括含聚乙二醇的硅烷。
21.一种制造图案化的流动池的方法，所述方法包括以下步骤：
在涂覆有金属氧化物的基材上形成SiO2或硅酸盐纳米块的阵列；
在SiO2或硅酸盐纳米块之间的间隙空间中的基材上沉积第一材料的涂层，以防止多核苷酸、DNA或蛋白质中的至少一种结合到间隙空间中；
用第二材料涂覆SiO2或硅酸盐纳米块，所述第二材料增加SiO2或硅酸盐与DNA、蛋白质或多核苷酸中的至少一种结合的能力。
22.如权利要求21所述的方法，其中，形成SiO2或硅酸盐纳米块的阵列包括：
在基材上沉积金属氧化物层；
在金属氧化物层上沉积光致抗蚀剂层；
使用光刻法在光致抗蚀剂层上形成图案；以及
形成SiO2或硅酸盐纳米块的阵列，这通过反应性离子蚀刻移除图案化的暴露区域中的部分金属氧化物层，以及剥离掉光致抗蚀剂层的剩余部分来进行。
23.如权利要求21所述的方法，其中，第一材料包括含聚乙二醇的有机磷酸酯或聚乙烯基磷酸中的至少一种。
24.如权利要求21所述的方法，其中，第二材料包含胺封端的硅烷、含环氧基的硅烷、含马来酰亚胺聚乙二醇的硅烷或羧基硅烷中的至少一种。
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