聚合水凝胶纳米结构阵列及其用途的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请根据35u.s.c.§119，要求2018年8月6日提交的第62/715,075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。

本公开涉及用于生物分子分析，尤其是基因测序的图案化的表面和微流体装置，制造图案化的微流体装置的方法，以及使用所述装置的方法。

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数千个或者甚至数百万个样品来进行定量测定。已经开发了许多不同的划分方法，包括表面图案化(包括表面化学和结构图案化)，微滴，连续或非连续流动，以及在物理力下分离(例如，电泳)。其中，表面图案化是选择性地捕获和划分生物样品中的生物分子以用于生物分析的最常见且最有效方式之一。另外，由于微流体的空间和/或临时控制生物反应的能力，其已经与表面图案化组合来实现生物分子分析的高灵敏度和特异性。例如，对于基于光学检测的大规模平行基因测序应用，可以捕获由基因组dna样品产生的数百万个短dna片段，并将其分配到微流体装置的图案化表面上，以使得这些对应的dna片段在空间上彼此分开，从而有利于测序，例如，通过合成、连接或单分子实时成像进行测序。这些基因测序技术可用于对整个基因组，或者对小部分的基因组(例如外显子组或预选的基因子集)进行测序。

已经使用几种方法来制造纳米图案化基材以用于生物分子分析，尤其是用于大规模平行基因测序应用。常规方法使用光刻技术和纳米压印来制造图案化基材，因为这些技术在固体表面上制造图案(包括纳米特征)时具有高生产率和高保真度。光刻技术一般用于对平坦的晶片基材(例如，玻璃和硅)进行图案化，而纳米压印可以应用于对平坦或弯曲的晶片基材进行图案化。

在过去的几十年，已经开发了各种大规模平行基因测序技术，这些大规模平行基因测序技术在dna固定化学，成簇和dna测序原理方面不相同。例如，对于使用桥式扩增或模板行走的测序，可共价捕获dna分子并将其分别分配到具有聚合水凝胶涂层或短链接分子的平坦基材上。对于使用排他性扩增的测序，可选择性地捕获dna分子并将其分配到具有聚合水凝胶涂层的图案化纳米孔基材上。对于通过连接的测序，在带正电荷的图案化表面(例如，涂覆有胺硅烷的表面)上静电捕获使用滚环复制扩增产生的dna纳米球。对于使用单分子检测的测序，dna分子共价附接于基材表面。

不幸的是，这些技术各自可能要更加耗时，供应要求高，并且/或者复杂地来进行分析和解释结果。

因此，需要改进的技术和对应的表面化学来改进微流体装置中的图案化表面以用于更精确和更便宜的基因测序应用。

技术实现要素：

根据本公开的一些方面，提供了用于制造聚合物纳米凹陷的周期阵列的方法。该方法包括：提供基材；用底涂(priming)分子对基材进行底涂以形成经底涂的基材；用水凝胶单体与二氧化硅纳米颗粒的混合物旋涂经底涂的基材以形成经涂覆的基材；将经涂覆的基材暴露于紫外(uv)辐射以形成聚合水凝胶；移除一部分聚合水凝胶以部分暴露二氧化硅纳米颗粒；将金属层、金属氧化物层或金属层与金属氧化物层的组合沉积到聚合水凝胶的顶表面；以及蚀刻掉二氧化硅纳米颗粒以形成在聚合水凝胶的顶表面上具有金属或金属氧化物区域的聚合水凝胶纳米凹陷的周期阵列。

根据本公开的另一些方面，提供了用于制造聚合纳米柱的周期阵列的方法。该方法包括：提供基材；用底涂分子对基材进行底涂以形成经底涂的基材；用水凝胶单体与二氧化硅纳米颗粒的混合物旋涂经底涂的基材以形成经涂覆的基材；将经涂覆的基材暴露于紫外辐射以形成聚合水凝胶；移除一部分聚合水凝胶以部分暴露二氧化硅纳米颗粒和基材；以及蚀刻掉二氧化硅纳米颗粒以形成聚合水凝胶纳米柱的周期阵列。

根据本公开的另一些方面，提供了用于制造位于纳米孔内的聚合纳米柱的周期阵列的方法。该方法包括：提供基材；用底涂分子对基材进行底涂以形成经底涂的基材；用水凝胶单体与二氧化硅纳米颗粒的混合物旋涂经底涂的基材以形成经涂覆的基材；将经涂覆的基材暴露于紫外辐射以形成聚合水凝胶；移除部分的聚合水凝胶以部分暴露二氧化硅纳米颗粒和基材；沉积金属层、金属氧化物层、或金属层与金属氧化物层的组合；以及蚀刻掉二氧化硅纳米颗粒以形成被包封在金属或金属氧化物纳米孔内的聚合水凝胶纳米柱的周期阵列。

根据本公开的另一些方面，提供了用于制造被金属或氧化物环包围的聚合纳米柱的周期阵列的方法。该方法包括：提供基材；用底涂分子对基材进行底涂以形成经底涂的基材；用水凝胶单体与二氧化硅纳米颗粒的混合物旋涂经底涂的基材以形成经涂覆的基材，所述经涂覆的基材具有单层的非密堆积的胶体晶体；将经涂覆的基材暴露于紫外辐射以形成聚合水凝胶；移除部分的聚合水凝胶以部分暴露二氧化硅纳米颗粒和基材；沉积金属层、金属氧化物层、或金属层与金属氧化物层的组合；通过离子束蚀刻，蚀刻掉一部分的金属或金属氧化物层以形成金属或金属氧化物环；以及蚀刻掉二氧化硅纳米颗粒以形成被金属或金属氧化物环包封的聚合水凝胶纳米柱的周期阵列。

根据本公开的另一些方面，提供了用于制造具有图案化聚合水凝胶纳米结构的微流体装置的方法。该方法包括：提供第一基材，所述第一基材具有在第一内表面上的聚合水凝胶纳米结构的第一图案化阵列和周向表面部分；提供第二基材，所述第二基材具有第二内表面和侧壁，所述侧壁具有端表面；以及将第二基材的端表面结合到第一基材的周向表面部分，以使第一内表面和第二内表面限定在结合的第一基材与第二基材内的气密性腔体。

根据本公开的另一些方面，提供了使用引物dna对具有图案化聚合水凝胶纳米结构的微流体装置进行功能化的方法。该方法包括：提供具有至少一个通道底板表面的微流体装置，所述通道底板表面具有图案化的聚合水凝胶纳米结构；以及用引物dna孵育微流体装置以将引物dna共价粘附到通道底板表面。

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个实施方式的原理和操作。

附图说明

以下是对附图中各图的描述。为了清楚和简明起见，附图不一定按比例绘制，附图的某些特征和某些视图可能按比例放大显示或以示意图方式显示。

图1是根据本公开的一些方面所述的图案化的基材的示意图；

图2是根据本公开的一些方面，示出了用于制造聚合纳米凹陷的周期阵列的方法的流程图；

图3是根据本公开的一些方面，示出了用于制造聚合纳米柱的周期阵列的方法的流程图；

图4是根据本公开的一些方面，示出了用于制造聚合纳米柱的周期阵列的方法以及用于制造位于纳米孔内的聚合纳米柱的周期阵列以及被金属材料环包围的聚合物纳米柱的周期阵列的方法的流程图；

图5是根据本公开的一些方面，示出了用于制造具有图案化聚合水凝胶纳米结构的微流体装置的方法的流程图；

图6是根据本公开的一些方面所述的微流体装置的顶视示意图；以及

图7是沿着图6的线7-7截取的微流体装置的截面示意图。

具体实施方式

在以下的具体实施方式中将给出其他特征和优点，对本领域的技术人员而言，这些特征和优点根据所作描述就可以容易地看出，或者通过实施如以下描述中所述的实施方式，连同权利要求和附图而被认识。

文中所用的术语“和/或”在用于两项或更多项的罗列时，表示所列项中的任何一项可以单独使用，或者可以使用所列项中的两项或更多项的任意组合。例如，如果组合物描述为含有组分a、b和/或c，则组合物可仅含有a；仅含有b；仅含有c；a和b的组合；a和c的组合；b和c的组合；或a、b和c的组合。

在本文中，相对的术语，例如第一和第二，顶部和底部等仅用于区分一个实体或行为与另一个实体或行为，而非必须要求或暗示这些实体或行为之间的任何实际的这种关系或顺序。

本领域技术人员和作出或使用本公开的技术人员能够对本公开进行修改。因此，应理解，附图所示和上文所述的实施方式仅用于例示的目的，并且不旨在限制本公开的范围，根据专利法的原则(包括等同原则)所解释的，本公开的范围由所附权利要求限定。

出于本公开的目的，术语“连接”(所有形式的：连接、连接着的、相连接的等)一般意味着两个部件彼此直接或间接地结合。这种结合本质上可以是静止的或者本质上是可移动的。这种结合可以通过两个部件与任何另外的中间构件彼此一体地形成为单个整体来实现，或者通过该两个部件来实现。除非另有说明，否则这种结合本质上可以是永久性的，或者本质上可以是可移除的或可释放的。

如本文所用，术语“约”指量、尺寸、公式、参数和其他数量和特征不是精确的且无需精确的，但可按照要求是大致的和/或更大或者更小，其反映了公差、转化因子、四舍五入、测量误差等，以及本领域技术人员所知的其他因子。当使用术语“约”来描述范围的值或端点时，应理解本公开包括所参考的具体值或者端点。无论说明书中的范围的数值或端点是否使用“约”列举，范围的数值或端点旨在包括两种实施方式：一种用“约”修饰，另一种未用“约”修饰。还应理解，每个范围的端点在与另一个端点有关及独立于另一个端点时都是重要的。

本文所用的术语“基本”、“基本上”及其变化形式旨在表示所述的特征等于或近似等于一数值或描述。例如，“基本上平面的”表面旨在表示表面是平面或大致表面。此外，“基本上”旨在表示两个数值相等或近似相等。在一些实施方式中，“基本上”可以表示彼此相差在约10％之内的值，例如彼此相差在约5％之内的值，或彼此相差在约2％之内的值。

本文所用的方向术语，例如上、下、右、左、前、后、顶、底，仅仅是参照绘制的附图而言，并不用来表示绝对的取向。

本文所用的术语“该”、“一个”或“一种”表示“至少一个(一种)”，并且不应局限为“仅一个(一种)”，除非有明确相反的说明。因此，例如，提到的“一个部件”包括具有两个或更多个这类部件的实施方式，除非上下文有另外明确的表示。

参考图1，其根据本公开的一些方面提供了图案化的基材100的示意图。本文公开的微流体装置具有至少一个图案化的基材表面，其中，所述图案包括使用模板二氧化硅纳米球光刻技术制造的聚合水凝胶纳米结构的阵列。所述微流体装置可以包含至少一个流体通道。在一些方面中，微流体装置还包括针对每个通道的至少一个进口端口和至少一个出口端口。通道和进口/出口端口可在图案化的基材100上或者在另一个基材上。在一些方面中，如图1所示，位于图案化基材100上的聚合水凝胶纳米结构阵列可以包括聚合水凝胶纳米柱130的阵列，其中，每个纳米柱130可被金属或金属氧化物环120包围。在纳米柱130之间的间隙区域处可暴露出图案化基材的表面110。虽然示出了纳米柱130，但是聚合水凝胶纳米结构的类型以及它们相应的几何结构、形状和尺寸可根据给定应用或期望所提供的性质而变化。例如，在一些方面中，聚合水凝胶纳米结构可以包括但不限于纳米柱、纳米凹陷、纳米锥、纳米块、纳米圆柱、纳米十二面体、纳米圆环、纳米长方体、纳米球、纳米四面体、纳米二十面体、纳米椭圆体、纳米六棱锥、纳米三角柱、纳米八面体、纳米五棱柱、纳米半球、纳米六棱柱、纳米平行六面体、纳米五棱柱，或者本领域已知的纳米、微米和/或毫米尺度的任何其他三维(3-d)形状或结构。此外，在一些方面中，本文提供的聚合水凝胶纳米结构的罗列可以具有金属或金属氧化物环，金属或金属氧化物涂层，金属或金属氧化物层，和/或金属或金属氧化物表面，其施加于相应的聚合水凝胶纳米结构。如本文详述，在一些方面中，聚合水凝胶纳米结构阵列可以包括纳米凹陷，其在聚合水凝胶膜的顶部上通过之中的(intestinal)或间隙的金属或金属氧化物区域分离；通过裸基材表面分离的纳米柱；和/或被包封在金属或金属氧化物纳米孔内的纳米柱。

现在参考图2，其根据本公开的一些方面，提供了用于制造聚合水凝胶纳米凹陷10的周期阵列的方法150。方法150包括：提供基材14(步骤200)；用底涂分子18对基材14进行底涂以形成经底涂的基材22(步骤201)；用水凝胶单体26与纳米颗粒30的混合物涂覆经底涂的基材22(例如，通过旋涂或另一种合适的沉积过程将水凝胶单体与纳米颗粒的混合物沉积在经底涂的基材上)，以形成经涂覆的基材34(步骤202)；曝光经涂覆的基材34(例如，用紫外(uv)照射经涂覆的基材和/或另一种合适波长的照射)，以形成聚合水凝胶38(步骤203)；移除一部分聚合水凝胶38以部分暴露纳米颗粒30(步骤204)；将金属层42、金属氧化物层42或金属层42与金属氧化物层42的组合沉积到聚合水凝胶38的顶表面(步骤205)；以及蚀刻掉纳米颗粒30以形成在聚合水凝胶38的顶表面上具有金属或金属氧化物间隙区域42的聚合水凝胶纳米凹陷10的周期阵列(步骤206)。纳米颗粒可包含无机纳米颗粒，例如，二氧化硅纳米颗粒。

现在参考图3，其根据本公开的一些方面，提供了用于制造聚合水凝胶纳米柱46的周期阵列的方法160。方法160包括：提供基材14(步骤200)；用底涂分子18对基材14进行底涂以形成经底涂的基材22(步骤201)；用水凝胶单体26与纳米颗粒30的混合物涂覆经底涂的基材22(例如，通过旋涂或另一种合适的沉积过程将水凝胶单体与纳米颗粒的混合物沉积在经底涂的基材上)，以形成经涂覆的基材34(步骤202)；曝光经涂覆的基材34(例如，用uv照射经涂覆的基材和/或另一种合适波长的照射)，以形成聚合水凝胶38(步骤203)；移除部分的聚合水凝胶38以部分暴露纳米颗粒30和基材14(步骤208)；以及蚀刻掉纳米颗粒30以形成聚合水凝胶纳米柱46的周期阵列(步骤209)。纳米颗粒可包含无机纳米颗粒，例如，二氧化硅纳米颗粒。每个水凝胶纳米柱46可包含聚合水凝胶纳米凹陷，如图3所示。例如，聚合水凝胶纳米凹陷可位于水凝胶纳米柱46的顶表面处。在水凝胶纳米柱46之间的间隙区域处可暴露出基材14的表面(例如，基材材料自身或经底涂的基材)，如图3所示。

参考图4，其提供了用于制造位于纳米孔50内的聚合水凝胶纳米柱的周期阵列的方法170。方法170包括：提供基材14(步骤200)；用底涂分子18对基材14进行底涂以形成经底涂的基材22(步骤201)；用水凝胶单体26与纳米颗粒30的混合物涂覆经底涂的基材22(例如，通过旋涂或另一种合适的沉积过程将水凝胶单体与纳米颗粒的混合物沉积在经底涂的基材上)，以形成经涂覆的基材34(步骤202)；曝光经涂覆的基材34(例如，用uv照射经涂覆的基材和/或另一种合适波长的照射)，以形成聚合水凝胶38(步骤203)；移除部分的聚合水凝胶38以部分暴露纳米颗粒30和基材14(210)；沉积金属层42、金属氧化物层42或金属层42与金属氧化物层42的组合(例如，将金属层、金属氧化物层或金属层与金属氧化物层的组合沉积到聚合水凝胶纳米柱和/或纳米颗粒之间的基材14的间隙区域上)(步骤211)；以及蚀刻掉纳米颗粒30以形成包封在金属或金属氧化物纳米孔50内的聚合水凝胶纳米柱的周期阵列(纳米孔50例如由设置在聚合水凝胶纳米柱之间的基材14的间隙区域上的金属层、金属氧化物层或其组合限定)(步骤212)。纳米颗粒可包含无机纳米颗粒，例如，二氧化硅纳米颗粒。可以进行步骤211的沉积金属层42和/或金属氧化物层42，以使金属和/或金属氧化物沉积在通过移除聚合水凝胶38的步骤210所形成的暴露空间中。每个水凝胶纳米柱46可包含聚合水凝胶纳米凹陷，如图4所示。例如，聚合水凝胶纳米凹陷可位于水凝胶纳米柱46的顶表面处。

仍然参考图4，提供了用于制造被金属或金属氧化物环54包围的聚合水凝胶纳米柱的周期阵列的方法180。方法180包括：提供基材14(步骤200)；用底涂分子18对基材14进行底涂以形成经底涂的基材22(步骤201)；用水凝胶单体26与纳米颗粒30的混合物涂覆经底涂的基材22(例如，通过旋涂或另一种合适的沉积过程将水凝胶单体与纳米颗粒的混合物沉积在经底涂的基材上)，以形成具有单层非密堆积的胶体晶体的经涂覆的基材34(步骤202)；曝光经涂覆的基材34(例如，用uv照射经涂覆的基材和/或另一种合适波长的照射)，以形成聚合水凝胶38(步骤203)；移除部分的聚合水凝胶38以部分暴露纳米颗粒38和基材14(步骤210)；沉积金属层42和/或金属氧化物层42(例如，将金属层、金属氧化物层或金属层与金属氧化物层的组合沉积到聚合水凝胶纳米柱和/或纳米颗粒之间的基材14的间隙区域上)(步骤211)；蚀刻掉一部分的金属和/或金属氧化物层42(例如，通过离子束蚀刻或另一种合适的蚀刻过程)，以形成金属或金属氧化物环120；以及蚀刻掉纳米颗粒30以形成被金属或金属氧化物环54包封的聚合水凝胶纳米柱的周期阵列(步骤212)。每个水凝胶纳米柱46可包含聚合水凝胶纳米凹陷，如图4所示。例如，聚合水凝胶纳米凹陷可位于水凝胶纳米柱46的顶表面处。

参考图5，其提供了用于制造具有一种或多种不同的图案化聚合水凝胶纳米结构130的微流体装置(见图1)的方法300。图6是微流体装置400的一些实施方式的顶视示意图，并且图7是沿着图6的线7-7截取的微流体装置的截面示意图。方法300包括：提供第一基材100，所述第一基材100具有在第一内表面102上的聚合水凝胶纳米结构130的第一图案化阵列和周向表面部分104(步骤304)；提供第二基材106，所述第二基材106具有第二内表面107和侧壁108，所述侧壁108具有端表面109(步骤308)；以及将第二基材106的端表面109结合到第一基材100的周向表面部分104，以使第一内表面107和第二内表面107限定在结合的第一基材与第二基材内的气密性腔体406(步骤312)。所述微流体装置400可以包含至少一个流体通道(例如，由腔体406限定)。在一些方面中，微流体装置400还包括针对每个通道的至少一个进口端口414和出口端口416。通道406、进口端口414和出口端口416各自可独立地形成于图案化的基材100或第二基材106中。

应理解，阐述和教导前述图2-4中的各种聚合水凝胶纳米结构130的描述可以任何组合来使用，这些描述同样可很好地适用于制造具有或包含一种或多种这些不同的图案化聚合水凝胶纳米结构130的微流体装置的方法300。

在一些方面中，基材14可以由玻璃、二氧化硅、硅、金属、陶瓷、玻璃陶瓷或塑料制造。在另一些方面中，固体基材14可以附加地涂覆有波导材料，例如，sioxny、si3n4、nb2o5、tio2和ta2o5。这些经波导材料涂覆的基材可增强局部荧光；对于基于总反射荧光的显微成像尤为如此。

在一些方面中，底涂分子18可以是满足下述的分子，其可共价键合或附接于基材表面，而且还与水凝胶单体反应(尤其是在uv照射下反应)，以使得所形成的聚合水凝胶38可稳定地附接于基材表面。在一些方面中，底涂分子18可包括丙烯酸酯硅烷，或甲基丙烯酸酯硅烷，例如，单烷氧基或二烷氧基或三烷氧基丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯硅烷。在另一些方面中，底涂分子18可以包括但不限于3-丙烯酰胺基丙基三甲氧基硅烷，丙烯酰氧基甲基三甲氧基硅烷，3-丙烯酰氧基丙基-三氯硅烷，和/或甲基丙烯酰氧基甲基三甲氧基硅烷。在另一些方面中，底涂分子18可以是叠氮官能化硅烷。例如，所述叠氮官能化硅烷可以包括但不限于(叠氮基甲基)苯乙基三甲氧基硅烷，3-叠氮基丙基三乙氧基硅烷，或对叠氮基甲基苯基三甲氧基硅烷。在另一些方面中，底涂分子18是环氧基硅烷，例如，2-(3,4-环氧基环己基)乙基三乙氧基硅烷，(3-环氧丙氧基丙基)三乙氧基硅烷，(3-环氧丙氧基丙基)三甲氧基硅烷。在另一些方面中，底涂分子18可以包括乙烯基或烯烃官能化硅烷，例如包括11-烯丙氧基十一烷基三甲氧基硅烷，间烯丙基苯基丙基三乙氧基硅烷，烯丙基三乙氧基硅烷，[(5-双环[2.2.1]庚-2-烯基)乙基]三甲氧基硅烷，或[2-(3-环己烯基)乙基]三乙氧基硅烷。在另一些方面中，底涂分子18可以包括uv活化的苯甲酮硅烷，例如，2-羟基-4-(3-甲基二乙氧基甲硅烷基丙氧基)二苯甲酮，2-羟基-4-(3-三乙氧基甲硅烷基丙氧基)二苯甲酮。在另一些方面中，底涂分子18可以用作替代性的uv照射活化的交联剂。例如，基材14可以首先用胺封端的硅烷涂覆，例如，3-氨基丙基三乙氧基硅烷，随后与光活性偶联剂反应，例如，n-羟基磺酰琥珀酰亚胺基-4-叠氮基苯甲酸酯(磺基-hasab,sulfo-hsab)，n-羟基磺酰琥珀酰亚胺基-二氮丙啶，4-苯甲酰苯甲酸琥珀酰亚胺基酯，和/或4-叠氮基-2,3,5,6-四氟苯甲酸琥珀酰亚胺基酯。在一些方面中，底涂分子18可以包括丙烯酸酯硅烷，叠氮官能化硅烷，乙烯基官能化硅烷，苯甲酮硅烷，胺封端的硅烷或其组合。

步骤201的用底涂分子18对基材14进行底涂可以使用基于溶液和/或基于蒸气的沉积技术来进行。例如，在对基材14(例如，玻璃晶片)进行清洁之后，基材14可变得亲水，并且可通过化学气相沉积(3-丙烯酰氧基丙基)-三氯硅烷(aptcs)，然后在120℃下烘烤30分钟来底涂。

在一些方面中，水凝胶单体26的混合物可以包括三官能丙烯酸酯单体，丙烯酰胺，生物分子结合反应性丙烯酰胺单体，光引发剂，和/或任选地，氨基-丙烯酰胺单体。在一些方面中，三官能丙烯酸酯单体可以包括sr454(乙氧基化的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯，etpta)，sr351(三羟甲基丙烷三丙烯酸酯)，或它们类似的反应/官能分子。在一些方面中，生物分子结合反应性丙烯酰胺单体可以包括n-(5-(2-溴乙酰胺基)戊基)丙烯酰胺(brapa)和/或n-(5-(2-叠氮基乙酰胺基)戊基)丙烯酰胺。在一些方面中，氨基-丙烯酰胺单体可以包括n-(3-氨基丙基)甲基丙烯酰胺。在一些方面中，光引发剂可以包括darocur1173(2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮)或其类似的反应/官能分子。例如，在一些方面中，水凝胶单体26的混合物可以通过将丙烯酰胺粉末和brapa粉末直接溶解到etpta液体中制成。可基于生物分子分析或基因分析的具体要求来优化丙烯酰胺、brapa和etpta之间的分子比。例如，在一些方面中，所述分子比可以是100etpta:10丙烯酰胺:1brapa:1n-(3-氨基丙基)甲基丙烯酰胺，其中，可包含约1重量％的光引发剂。在一些方面中，水凝胶单体26可以包括三官能丙烯酸酯、丙烯酰胺和光引发剂。在另一些方面中，丙烯酰胺可以包括选自下组的生物分子结合反应性丙烯酰胺单体：n-(5-(2-溴乙酰胺基)戊基)丙烯酰胺，n-(5-(2-叠氮基乙酰胺基)戊基)丙烯酰胺，氨基-丙烯酰胺单体及其组合。

在一些方面中，纳米颗粒30可包括单分散的二氧化硅颗粒。在一些方面中，纳米颗粒30可以具有约50nm至约5000nm的特性直径(specificdiameter)。在另一些方面中，纳米颗粒30可以具有约100nm至约700nm的特性直径。在另一些方面中，纳米颗粒30可以具有约400nm至约700nm的特性直径。在另一些方面中，纳米颗粒30可以具有约250nm至约600nm的特性直径。在一些方面中，纳米颗粒30可以有荧光，例如，通过在纳米颗粒形成过程期间掺杂稀土元素(例如，eu或类似的金属)或有机染料(例如，cy3、cy5等)实现。在一些方面中，这些类型的荧光纳米颗粒可用于在制造过程的不同步骤中(例如，步骤202、203、204、205、208、210、211)，使用荧光显示技术(其是可以非侵入式的技术)对图案化进行检查和质量控制。

在一些方面中，可以利用各种不同混合物将纳米颗粒30分散到水凝胶单体26的混合物中。例如，可使用多个离心/重分散循环(例如，至少4个循环)，首先在200标准强度的乙醇中纯化商购的单分散二氧化硅球体。在计算量的纯化二氧化硅溶液完全离心并弃去上清液乙醇后，可使用混合机将二氧化硅纳米颗粒重新分散在水凝胶单体的混合物中。最终的纳米颗粒体积分数可以有所变化，以包括约0.05至约0.5，或者约0.15至约0.25。颗粒体积分数可以用于帮助确定颗粒之间的平均距离。由于水凝胶单体混合物中的二氧化硅微球体之间的强烈静电排斥，以及二氧化硅纳米颗粒与水凝胶单体混合物之间的折射率匹配(～1.46)，因此，二氧化硅纳米颗粒/水凝胶单体悬浮液可以是透明的并且稳定持续超过1个月、超过2个月或超过3个月的时间。

在一些方面中，图2-4中提供的涂覆步骤202可用于形成具有单层非密堆积胶体晶体的经涂覆的基材34。非密堆积胶体晶体的单层可通过用水凝胶单体26与二氧化硅纳米颗粒30的混合物旋涂基材14形成，其中，涂覆过程通过二氧化硅纳米颗粒之间的静电排斥力结合高速旋转过程期间纳米颗粒滑动来进行。例如，在一些方面中，在受控的旋涂条件下，发现分散在粘性、非挥发性的三官能丙烯酸酯单体etpta中的二氧化硅微米颗粒或纳米颗粒的剪切力诱导的结晶能够以晶片级产生具有非密堆积晶体结构的单层胶体晶体(参见fang,y.等人的scalablebottom-upfabricationofcolloidalphotoniccrystalsandperiodicplasmonicnanostructures(胶体光子晶体的可放大的从下往上的制造及周期性等离激元纳米结构)，j.materialschem.c2013,1,6031-6047中讨论的实例)。三官能丙烯酸酯单体etpta的存在使得在uv照射后可得到单层非密堆积的二氧化硅胶体晶体，其在二氧化硅颗粒之间具有受控的晶格间距，以及在二氧化硅纳米颗粒30与基材30的表面之间具有受控的间距。这不同于通常的纳米球体或胶体光刻过程，在通常的纳米球体或胶体光刻过程中，几种不同的胶体自组装技术(例如，旋涂、电磁场诱导组装、重力沉降、模板辅助组装和使用溶剂中的胶体颗粒的毛细作用力诱导的自组装)可形成单层密堆积胶体晶体，其在一些方面中，其可能进一步经受多种后处理，例如等离子体蚀刻、热解或电子照射，以产生能量上不利的非密堆积的胶体晶体。在一些方面中，所获得的涂层是非密堆积二氧化硅胶体晶体单层。在另一些方面中，虽然所获得的涂层主要是非密堆积二氧化硅胶体晶体单层，但是其也具有小部分的非密堆积二氧化硅胶体晶体的双层区域。双层区域的存在使得在用dna完全官能化之后可能最终得到相对随机的特征，这进而可用作位置标识、追踪或识别记号。

在一些方面中，可基于水凝胶单体26与二氧化硅纳米颗粒30的混合物的组成来优化涂覆(步骤202)的条件。例如，在一些方面中，当使用颗粒体积分数为0.2的330nm二氧化硅球体时，可首先将对应的透明胶体悬浮液分配在经底涂的玻璃晶片上，其中，可接着使用通常的旋涂机，以分步的旋涂方案对玻璃晶片进行旋涂，例如，200rpm持续120s，300rpm持续120s，1000rpm持续60s，3000rpm持续20s，6000rpm持续20s，和/或8000rpm持续360s。在硅或玻璃晶片上形成晶片尺寸的单层非密堆积的胶体晶体可通过在光照下出现特定衍射图案来指示。例如，硅上的衍射图案可以是引人注目的六臂布拉格(bragg)衍射星状图案。与这些六臂布拉格衍射星状图案相关的非密堆积的胶体晶体可以嵌在基材14上成层的对应的聚合水凝胶膜中。当体积分数保持在0.20时，发现无论粒径和旋涂条件如何，非密堆积的胶体晶体中的相邻球体之间的颗粒间距离可以是胶体直径的约1.41倍。

在一些方面中，曝光经涂覆的基材34(例如，用uv辐射)可使得水凝胶单体26聚合成对应的聚合水凝胶38的膜。例如，在一些方面中，可使经涂覆的基材34或晶片暴露于典型的uv固化系统，例如xenon(氙)rc-742脉冲uv固化系统，从而可光聚合水凝胶单体。

在一些方面中，可使用反应离子蚀刻(rie)、感应耦合等离子体(icp)蚀刻和/或灰化(参见步骤204、208和210)，以移除经过聚合的或聚合水凝胶38。通过控制等离子体条件，可以控制移除的聚合水凝胶的水平或量，这进而可得到本文公开的不同类型的纳米结构。在一些方面中，所形成的聚合水凝胶纳米结构可取决于等离子体蚀刻，金属或氧化物沉积，和/或蚀刻过程。在一些方面中，使用氧压、流速和功率的各种组合的短的等离子体灰化可用于选择性地移除部分的聚合水凝胶38的膜，从而可以部分暴露二氧化硅球体。在金属或金属氧化物沉积及随后的蚀刻掉二氧化硅球体(例如，通过氢氟酸(hf)蚀刻)之后，可形成在一些方面中被金属或氧化物区域或层分离的聚合水凝胶纳米凹陷10的阵列(参见图2)。在另一些方面中，可利用在相同条件下更长的等离子体灰化来完全移除位于球体之间的聚合水凝胶38(参见步骤208和210)，但是不移除位于二氧化硅纳米颗粒30下方的聚合水凝胶38的材料。在使用例如hf蚀刻掉二氧化硅纳米颗粒之后，可产生聚合的水凝胶纳米柱46的阵列。在另一些方面中，可利用在相同条件下更长的等离子体灰化来完全移除位于二氧化硅纳米颗粒30之间的聚合水凝胶38，但是不移除位于二氧化硅纳米颗粒30下方的聚合水凝胶38的材料。在纳米柱-二氧化硅纳米颗粒之间形成的开放空间中沉积了金属或金属氧化物并随后通过hf蚀刻掉二氧化硅纳米颗粒30之后，可形成包封在金属或氧化物纳米孔50内的聚合的水凝胶纳米柱的阵列。在另一些方面中，可利用在相同条件下更长的等离子体灰化来完全移除位于二氧化硅纳米颗粒30之间的聚合水凝胶38，但是不移除位于二氧化硅纳米颗粒30下方的聚合水凝胶38的材料。在金属或氧化物沉积之后，可采用ar离子束蚀刻来移除金属或氧化物膜，在该过程期间，材料的二次溅射在二氧化硅纳米颗粒30下方的聚合的水凝胶材料各侧周围产生了金属或氧化物壳或环42。随后，可以使用hf蚀刻掉二氧化硅纳米颗粒30，以使得可形成被金属或氧化物环54包围的聚合的水凝胶纳米柱的阵列。

在一些方面中，金属层42例如可包含al、zn、ta、nb、sn、mg、au、ag、ti、ni、w、y、zr、ce、co、cr、fe和in。在另一些方面中，金属氧化物层42可包含al2o3、zno2、ta2o5、nb2o5、sno2、mgo、氧化铟锡、ceo2、coo、co3o4、cr2o3、fe2o3、fe3o4、in2o3、mn2o3、nio、a-tio2(锐钛矿)、r-tio2(金红石)、wo3、y2o3、zro2和/或其他金属氧化物。在一些方面中，金属氧化物层在可见波长范围(例如，400nm至750nm)内是透明的。

本公开还包括将dna分子附接到图案化的基材100(参见图1)上的图案化的聚合水凝胶纳米结构的方法。在一些方面中，生物分子结合反应性丙烯酰胺单体可以是n-(5-(2-溴乙酰胺基)戊基)丙烯酰胺(brapa)，因此所获得的聚合水凝胶纳米结构可以包括溴化物官能团。在一些方面中，硫代磷酸酯衍生的dna分子可共价附接于聚合水凝胶纳米结构。例如，在一些方面中，5'-硫代磷酸酯寡核苷酸，例如5'-t*t*t*tttttttcaagcagaagacggcatac-3'(*＝硫代磷酸酯)在pbs缓冲液(ph8.0)中的溶液可用于在50℃下与图案化有聚合水凝胶纳米结构的基材或微流体装置反应约1小时。在dna分子被在pbs缓冲液(ph8.0)中的2-疏基乙醇溶液封闭后，dna分子可以共价附接于聚合水凝胶纳米结构。

在一些方面中，生物分子结合反应性丙烯酰胺单体可以包含n-(5-(2-叠氮基乙酰胺基)戊基)丙烯酰胺，因此所获得的聚合水凝胶纳米结构可以包括叠氮基官能团。在另一些方面中，在n,n,n',n',n”-五甲基二亚乙基三胺(pmdeta)、硫酸铜和抗坏血酸钠的存在下，炔修饰的dna分子可共价附接于聚合水凝胶纳米结构。在另一些方面中，可使用uv介导的自由基反应使双环[6.1.0]壬-4-炔封端的dna分子共价附接于聚合水凝胶纳米结构。在一些方面中，生物分子结合反应性丙烯酰胺单体可以是brapa，但是可以使用化学反应将其溴化基团转化成叠氮基基团。

在一些方面中，提供了使用引物dna对具有图案化聚合水凝胶纳米结构的微流体装置进行功能化的方法。所述方法包括：提供微流体装置，所述微流体装置具有至少一个通道底板表面，所述通道底板表面具有图案化的聚合水凝胶纳米结构。所述方法还包括：用引物dna孵育微流体装置以将引物dna共价附接于通道底板表面。在一些方面中，引物dna包括硫代磷酸酯衍生化的引物dna，并且图案化的聚合水凝胶纳米结构包括n-(5-(2-溴乙酰胺基)-戊基)丙烯酰胺部分。在另一些方面中，所述孵育步骤包括施加uv辐射，引物dna包括炔修饰的dna引物分子，并且图案化的聚合水凝胶纳米结构包括n-(5-(2-叠氮基乙酰胺基)戊基)丙烯酰胺部分。

应理解，阐述和教导前文所述和图1-4中所示的各种聚合水凝胶纳米结构的描述可以任何组合来使用，这些描述同样可很好地适用于使用引物dna对具有图案化聚合水凝胶纳米结构的微流体装置进行官能化的方法。

本领域技术人员应理解，所述装置和其他部件的构造可以不限于任何特定材料。除非本文有另外说明，否则本文所公开的装置的其他示例性实施方式可以由各种材料形成。

出于本公开的目的，术语“连接(couple)”(以其所有形式：连接的、连接着、相连接等)一般意味着两个部件彼此(电气或机械地)直接或间接地接合。这种结合本质上可以是静止的或者本质上是可移动的。这种接合可以通过两个部件(电气的或机械的)与任何另外的中间构件彼此一体地形成为单个整体来实现，或者通过该两个部件来实现。除非另有说明，否则这种结合本质上可以是永久性的，或者本质上可以是可移除的或可释放的。

同样重要的是应注意，如在示例性实施方式中所示装置的元件的构造和布置仅是说明性的。尽管在本公开中仅详细描述了本发明的一些实施方式，但是阅读本公开的本领域技术人员易于理解，可以进行许多修改(例如，对各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例；参数的值；安装布置；材料的使用；颜色；取向等进行改变)而不实质上背离本文所述主题的新颖性教导和优点。例如，以整体形成示出的元件可以由多个零件构成，或者以多个零件示出的元件可以整体地形成，可以颠倒或以其他方式改变界面的操作，可以改变系统的结构和/或构件或连接件或其他元件的长度或宽度，可以改变各元件之间的调节位置的性质或数目。应注意，系统的元件和/或组件可以由多种材料中的任何一种构造，这些材料在各种颜色、纹理和组合中的任何一种上提供足够的强度或耐久性。因此，所有这些修改均旨在包括在本发明的范围之内。可以对所需的示例性实施方式及其他示例性实施方式的设计、操作条件和布置进行其他替代、修改、改变和省略，而不背离本发明的精神。

应理解，所述方法中的任何描述的过程或步骤可以与所公开的其他过程或步骤组合以得到本公开装置范围内的结构。本文公开的示例性结构和方法用于例示的目的，而不应解释为限制。

还应理解的是，可以对上述结构进行各种变化和改变而不脱离本公开的构思，并且还应进一步理解的是，这种构思旨在由所附权利要求涵盖，除非这些权利要求通过其语言描述另有说明。

上述描述被认为仅是所示实施方式的描述。

本领域技术人员和制造或使用所述装置的技术人员能够对所述装置进行修改。因此，应理解，附图所示和上文所述的实施方式仅用于例示的目的，并且不旨在限制所述装置的范围，根据专利法的原则(包括等同原则)所解释的，所述装置的范围由所附权利要求限定。