含生物分子珠粒的管和使用它的分析裝置的製作方法

2023-12-04 19:45:36 2

專利名稱：含生物分子珠粒的管和使用它的分析裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及在檢測生物分子(例如DNA，RNA，蛋白質，低重量有機分子(配體等)，糖，脂類等)的檢驗中使用的基底，生物分子晶片，使用其的檢測裝置以及檢測(包括篩選)和診斷方法。
背景技術：
最近，基因相關的科學和技術已經獲得比預期更顯著的發展。作為檢測，分析和測量遺傳信息的技術，最近一種稱為生物分子晶片(包括DNA晶片，生物晶片，微陣列，蛋白質晶片等)的裝置和使用它的檢測方法已經受到關注。將許多不同的核酸(DNA如cDNA和基因組DNA，RNA，PNA等)或肽以斑點圖案的形式排列和固定在由玻璃或矽製成的基底上。在該基底上，將待檢測的樣品DNA片段與標記物質如螢光團或同位素等雜交，並捕捉DNA，或者備選地，通過它們的相互作用將待檢驗的樣品多肽或配體與標記蛋白質偶聯。使用檢測器來檢測來自每個斑點中標記的DNA或標記肽的螢光，或使用放射檢測器來檢測來自那裡的放射性，由此獲得關於標記的DNA或標記肽斑點的排列信息。通過分析該數據，可以獲得關於樣品DNA的遺傳信息。
使用DNA晶片或類似物的基因檢測方法具有將來在用於疾病診斷或生物分析的基因分析中被廣泛使用的潛力。晶片應用的實例包括用於組合化學的化合物文庫或類似物的篩選。晶片的通用性也已經受到關注。
然而至今，製備如上所述的生物分子晶片的方法需要高精度的設備，其導致檢測基底的高成本。此外，檢測標記的DNA的裝置要求高精度，因此，該裝置難以在小企業單位或專業人員中得到廣泛使用。生物分子晶片沒有足夠能力來處理大量數據。因此，期望能夠以容易和有效的方式處理數據的基底或晶片。
上述檢測基底或檢測裝置需要一種不要求高精度的方法。本發明的一個目的是提供一種系統，其甚至可以使用低精度的檢測裝置來製備，並且在該系統中可以進行檢驗。

發明內容
為了解決上述問題，本發明提供了一種包含基底的裝置，所述基底上有眾多由特定類型的生物分子(例如DNA等)組成的生物分子斑點，其中依賴於特定數據改變生物分子(例如DNA)斑點的圖案或排列以便將數據記錄在基底上。
因此，本發明提供下列各項。
一方面，本發明提供了製備生物分子基底的方法，其包含以下步驟1)提供一組生物分子和一種基底；2)將該組生物分子在逐個生物分子類型(biomolecule-type-by-biomolecule-type)的基礎上密封在微膠囊中；和3)將生物分子微膠囊噴射在基底上。
在一個實施方案中，本發明另外包含在密封步驟後洗滌生物分子微膠囊的步驟。
在另一個實施方案中，所述噴射步驟是通過噴墨法進行的。
在另一個實施方案中，所述噴墨法是通過氣泡噴墨(Bubble Jet)法進行的。
在另一個實施方案中，本發明另外包含將在噴射步驟中使用的溶液溫度設置為高於生物分子微膠囊的殼的熔點。
在另一個實施方案中，將該組不同類型的生物分子的微膠囊排列在不同位置。
在另一個實施方案中，所述噴射步驟是通過PIN法進行的。
在另一個實施方案中，所述生物分子包含DNA，RNA和肽的至少一種。
在另一個實施方案中，所述生物分子是DNA。
在另一個實施方案中，所述生物分子是cDNA或基因組DNA。
在另一個實施方案中，本發明另外包含進行對每種微膠囊特異的標記的步驟。
在另一個方面，本發明提供了一種生物分子晶片，其包含基底；排列在基底上的生物分子和晶片屬性數據(attribute data)，其中將所述晶片屬性數據排列在與生物分子相同的區域內。
在一個實施方案中，所述晶片屬性數據包含與晶片ID和基底有關的信息。
在另一個實施方案中，本發明另外包含記錄區，其中將所述記錄區放置在與生物分子和晶片屬性數據相同的基底上，並且將受試者數據和測量數據中的至少一種記錄在記錄區內。
在另一個實施方案中，以這樣的方式即通過與對於檢測生物分子而言相同的方式讀出來記錄晶片屬性數據。
在另一個實施方案中，將特異性標記附著在所述基底上。
在另一個實施方案中，基於晶片屬性數據排列特異性標記。
在另一個實施方案中，晶片屬性數據包含生物分子屬性數據。
在另一個實施方案中，另外記錄了與生物分子地址有關的信息。
在另一個實施方案中，所述地址是跟蹤地址(tracking address)。
在另一個實施方案中，將所述晶片屬性數據加密。
在另一個實施方案中，記錄與用來檢測生物分子的標記有關的數據。
在另一個實施方案中，與所述標記有關的數據包含激發光波長和螢光波長中的至少一種。
在另一個實施方案中，所述生物分子包含DNA，RNA和肽中的至少一種。
在另一個實施方案中，所述生物分子是DNA。
在另一個實施方案中，所述生物分子是cDNA或基因組DNA。
在另一方面，本發明提供一種生物分子晶片，其包含1)基底；和2)排列在基底上的生物分子，其中生物分子的斑點被至少一個不等間隔所隔開，從不等間隔可以識別生物分子斑點的地址。
在一個實施方案中，調整不等間隔。
在另一個實施方案中，在至少兩個方向上存在所述不等間隔。
在另一方面，本發明提供一種生物分子晶片。該生物分子晶片包含1)基底；和2)排列在基底上的生物分子，其中所述生物分子包括可區別的第一種生物分子和可區別的第二種生物分子，基於第一種生物分子斑點和第二種生物分子斑點的排列可以識別生物分子的地址。
在一個實施方案中，將可區別於所述生物分子的標記排列在所述生物分子斑點之間。
在另一個實施方案中，可以通過檢測方法檢測所述可區別的標記。
在另一個實施方案中，在基質上在水平方向和垂直方向排列所述標記。
在另一個實施方案中，排列同步標記。
在另一個實施方案中，所述生物分子包含DNA，RNA和肽中的至少一種。
在另一個實施方案中，所述生物分子是DNA。
在另一個實施方案中，所述生物分子是cDNA或基因組DNA。
在另一方面，本發明提供一種生物分子晶片，其包含1)基底；和2)排列在基底上的生物分子，其中將存儲屬性數據的斑點排列在基底上與排列生物分子斑點的側面相反的側面上。
在另一個實施方案中，所述屬性數據是地址信息。
在另一方面，本發明提供一種生物分子晶片，其包含1)基底；2)排列在基底上的生物分子；和3)數據記錄區。
在一個實施方案中，將所述數據記錄區放置在與排列生物分子的側面相反的側面上。
在另一方面，本發明提供一種用於檢測生物分子晶片標記的方法，其包含步驟1)提供一種生物分子晶片，其上排列至少一種標記的生物分子；2)順序轉換檢測元件來檢測生物分子晶片上的生物分子；和3)識別通過檢測元件檢測的信號。
在一個實施方案中，本發明另外包含4)合計每個檢測信號。
在另一個實施方案中，通過波長分離鏡分離所述信號。
在另一個實施方案中，所述生物分子基底另外包含同步標記，並且基於同步標記鑑定標記。
在另一個實施方案中，生物分子基底包含在生物分子後側上的地址信息，並且基於地址信息識別標記。
在另一方面，本發明提供一種用於檢測關於生物的信息的方法，其包含步驟1)提供來自所述生物的生物分子樣品；2)提供本發明的生物分子晶片；3)將所述生物分子樣品與生物分子晶片接觸，將生物分子晶片放置於導致生物分子樣品與放置在所述生物分子晶片上的生物分子相互作用的條件下；和4)檢測由生物分子導致的信號和由所述相互作用導致的信號，其中所述信號是所述生物的至少一種信息參數的指示符(indicator)，並且所述信號是與分配給不等間隔或斑點排列的地址相關。
在另一個實施方案中，所述生物分子樣品包含核酸，並且排列在生物分子晶片上的生物分子是核酸。
在另一個實施方案中，所述樣品包含蛋白質並且置於生物分子晶片上的生物分子是抗體，或者所述樣品包含抗體並且置於生物分子晶片上的生物分子是蛋白質。
在另一個實施方案中，本發明另外包含用標記分子標記生物分子樣品。
在另一個實施方案中，可以將所述標記分子區別於排列在生物分子晶片上的生物分子。
在另一個實施方案中，所述標記分子包含螢光分子，發磷光的分子(phosophorescent molecule)，化學發光分子，或放射性同位素。
在另一個實施方案中，在不同於所述相互作用發生的地點進行信號檢測步驟。
在另一個實施方案中，所述信號檢測步驟是在與發生所述相互作用相同的地點進行。
在另一個實施方案中，本發明另外包含將信號加密。
在另一個實施方案中，本發明另外包含將所述信號進行過濾以便只提取與所需信息有關的信號。
在另一方面，本發明提供一種診斷受試者的方法，其包含步驟1)提供來自所述受試者的樣品；2)提供本發明的生物分子晶片；3)將所述生物分子樣品與所述生物分子晶片接觸，將生物分子晶片放置於導致生物分子樣品和位於所述生物分子晶片之上的生物分子相互作用的條件下；4)檢測由生物分子導致的信號和由相互作用導致的信號，其中所述信號是至少一種關於受試者的診斷指示符，並且信號是與分配給不等間隔或斑點排列的地址有關；和5)測定來自信號的診斷指示符。
在另一個實施方案中，所述樣品是核酸，放置在生物分子晶片上的生物分子是核酸。
在另一個實施方案中，所述樣品包含蛋白質並且所述放置在生物分子晶片上的生物分子是抗體，或者樣品包含抗體並且放置在生物分子晶片上的生物分子是蛋白質。
在另一個實施方案中，本發明另外包含使用標記分子標記樣品。
在另一個實施方案中，可以將標記分子區別於放置在生物分子晶片上的生物分子。
在另一個實施方案中，所述標記分子是螢光分子，發磷光的分子，化學發光分子，或放射性同位素。
在另一個實施方案中，所述診斷指示符是疾病或紊亂的指示符。
在另一個實施方案中，所述診斷指示符是基於單核苷酸多態性(SNP)。
在另一個實施方案中，所述診斷指示符是基於遺傳病。
在另一個實施方案中，所述診斷指示符是基於蛋白質的表達水平。
在另一個實施方案中，所述診斷指示符是基於生物化學試驗的試驗結果。
在另一個實施方案中，測定步驟是在不同於所述相互作用發生的位置進行。
在另一個實施方案中，所述信號檢測步驟是在與所述相互作用發生的相同的位置進行。
在另一個實施方案中，本發明另外包含將信號加密。
在另一個實施方案中，本發明另外包含將所述信號進行過濾以便只提取與所需信息有關的信號。
在另一個實施方案中，在檢測步驟中生物分子屬性數據是埋藏的(hidden)，在測定步驟中個人信息數據是埋藏的。
在另一方面，本發明提供了針對生物的信息的檢測裝置，其包含1)本發明的生物分子晶片；2)與生物分子晶片流體相通的加樣部分；3)用於控制位於生物分子晶片之上的生物分子和從所述加樣部分施加的生物分子樣品之間接觸和相互作用的反應控制部分；和4)用於檢測由於所述相互作用導致的信號的檢測部分，其中所述信號是生物的至少一種信息參數的指示符，並且信號與分配給不等間隔或斑點排列的地址有關。
在另一個實施方案中，本發明另外包含用於接收和發送信號的部分。
在另一個實施方案中，本發明另外包含用於記錄信號的區域。
在另一方面，本發明提供了用於受試者的診斷裝置。該診斷裝置包含1)本發明的生物分子晶片；2)與生物分子晶片流體相通的加樣部分；3)用於控制位於生物分子晶片之上的生物分子和從所述加樣部分施加的生物分子樣品之間接觸和相互作用的反應控制部分；和4)用於檢測由於所述生物分子導致的信號和由於所述相互作用導致的信號的檢測部分，其中所述信號是生物的至少一種信息參數的指示符，並且信號與分配給不等間隔或斑點排列的地址有關；和5)測定來自信號的診斷指示符。
在一個實施方案中，本發明另外包含用於接收和發送信號的部分。
在另一個實施方案中，本發明另外包含用於記錄信號的區域。
在一方面，本發明提供了生物檢驗系統。該生物檢驗系統包含A)主子系統(main sub system)，其包含1)本發明的生物分子晶片；2)與生物分子晶片流體相通的加樣部分；3)用於控制位於生物分子晶片之上的生物分子和從所述加樣部分施加的生物分子樣品之間接觸和相互作用的反應控制部分；4)用於檢測由於所述生物分子導致的信號和由於所述相互作用導致的信號的檢測部分，其中所述信號是生物的至少一種信息參數的指示符，並且信號與分配給不等間隔或斑點排列的地址有關；和5)用於發送和接收信號的發送和接收部分，和B)輔助子系統(sub subsystem)，其包含1)用於發送和接收信號的發送和接收部分；和2)用於計算來自從所述主子系統收到的信號的檢驗值的檢驗部分。主子系統和輔助子系統是通過網絡連接在一起的。
在另一個實施方案中，輔助子系統接收的信號包含與輔助子系統測量的測量數據有關的信號。
在另一個實施方案中，屬性數據包含晶片ID，個人信息數據，和生物分子屬性數據，主子系統包含晶片ID和個人信息數據，但不包含生物分子屬性數據，輔助子系統包含晶片ID和生物分子屬性數據，但不包含個人信息數據，並且輔助子系統將響應於請求所測定的檢驗值發送給主子系統。
在另一個實施方案中，所述網絡是網際網路。
在另一個實施方案中，加密發送和接收的信號。
在另一方面中，本發明提供了診斷系統。該診斷系統包含A)主子系統，其包含1)本發明的生物分子晶片；2)與生物分子晶片流體相通的加樣部分；3)用於控制位於生物分子晶片之上的生物分子和從所述加樣部分施加的生物分子樣品之間接觸和相互作用的反應控制部分；4)用於檢測由於所述生物分子導致的信號和由於所述相互作用導致的信號的檢測部分，其中所述信號是生物的至少一種信息參數的指示符，並且信號與分配給不等間隔或斑點排列的地址有關；和5)用於發送和接收信號的發送和接收部分，和B)輔助子系統，其包含1)用於發送和接收信號的發送和接收部分；和2)用於測定來自從所述主子系統收到的信號的診斷指示符的測定部分。主子系統和輔助子系統是通過網絡連接在一起的。
在另一個實施方案中，輔助子系統收到的信號包含與輔助子系統測量的測量數據有關的信號。
在另一個實施方案中，屬性數據包含晶片ID，個人信息數據，和生物分子屬性數據，主子系統包含晶片ID和個人信息數據，但不包含生物分子屬性數據，輔助子系統包含晶片ID和生物分子屬性數據，和測定來自生物分子屬性數據的診斷指示符的數據，但不包含個人信息數據，並且輔助子系統將響應於請求所測定的診斷指示符發送給主子系統。
在另一個實施方案中，所述網絡是網際網路。
在另一個實施方案中，對發送和接收的信號進行加密。
在另一個實施方案中，本發明提供了用於生物信息的檢驗裝置。該檢驗裝置包含基底，基底的支座(support)；排列在基底上的多組生物分子，每組包含相同類型的生物分子；移位基底的移位裝置；激發標記待檢驗樣品的螢光物質的光源；和匯聚來自光源的光的光學裝置。響應於間歇的發射信號，光源間歇地發光以便激發螢光物質，在間歇發射信號中止的時段期間通過光檢測器檢測來自螢光物質的螢光，從DNA的排列複製識別信息，並且識別生物分子發射的螢光。
在另一個實施方案中，本發明另外包含合計檢測的檢測信號的裝置。
在另一個實施方案中，本發明另外包含波長分離鏡。
在另一個實施方案中，本發明提供了本發明的生物分子晶片製備用於檢驗生物信息的裝置的用途。
在另一個實施方案中，本發明提供了本發明的生物分子晶片製備用於診斷受試者的裝置的用途。
在另一方面，本發明提供了含生物分子珠粒陣列的含生物分子珠粒(bead)的管子，其中由球形珠粒和固定其上的特定生物分子種類組成的生物分子珠粒排列在由透射具有特定波長的光的材料製成的管狀容器中，其中將球形標記珠粒(mark bead)以預定的順序插入在生物分子珠粒陣列中特定生物分子珠粒之間，所述球形標記珠粒由一種材料製成，所述材料在光學上可區別於製成所述生物分子珠粒的球形珠粒的材料。
在一個實施方案中，將標記珠粒相應於指示識別數據的識別碼而排列。
在另一個實施方案中，含生物分子珠粒的管子具有第一區域和第二區域，所述第一區域中生物分子珠粒的數目多於標記珠粒的數目，所述第二區域中標記珠粒的數目多於生物分子珠粒的數目。
在另一個實施方案中，相應於指示識別數據的識別碼至少將標記珠粒排列在第二區域中。
在另一個實施方案中，識別數據包括含生物分子珠粒的管子的識別編號。
在另一個實施方案中，相應於指示識別數據的識別碼將標記珠粒排列在第一區域中。
在另一方面，本發明提供了一種複製器(reproducer)，其通過用光照射含生物分子珠粒的管子和檢測來自至少一個標記珠粒的透射光或反射光來讀取記錄在含生物分子珠粒的管子中的數據。
在一個實施方案中，複製器讀出數據；並通過用光照射生物分子珠粒含觀察來自生物分子珠粒的螢光獲得固定在含生物分子珠粒的管子中生物分子珠粒上的DNA或蛋白質的信息。
在另一個實施方案中，複製器獲得作為數據的識別信息。
在另一個實施方案中，基於獲自含生物分子珠粒的管子的識別信息，複製器獲得含生物分子珠粒的管子中生物分子珠粒的排列信息。
在另一個實施方案中，基於生物分子珠粒的排列信息，複製器獲得固定在含生物分子珠粒的管子中生物分子珠粒上的DNA或蛋白質的信息，所述生物分子珠粒的排列信息是基於識別信息獲得的。
在另一個實施方案中，複製器從基於識別信息獲得的DNA或蛋白質的信息中診斷疾病。
附圖簡述在這裡將參考以下簡述的附圖描述本發明。提供附圖是為了闡明本發明的優選實施方案，而不是為了限制本發明的範圍。本發明的範圍只由另外後附的權利要求限定。以下將描述各圖。


圖1(a)顯示按照本發明實施方案其上放置DNA的基底頂視圖。
(b)顯示按照本發明實施方案其上放置DNA的基底橫斷面視圖。
圖2顯示按照本發明實施方案製備DNA微膠囊的方法的圖解。
圖3顯示按照本發明實施方案通過針釘法(pin method)附著DNA的方法的圖解。
圖4顯示按照本發明實施方案將DNA轉移至針上的方法的圖解。
圖5顯示按照本發明實施方案的DNA晶片的頂視圖和數據結構圖。
圖6顯示按照本發明實施方案的DNA基底屬性數據結構的圖解。
圖7顯示按照本發明實施方案固定DNA的方法的圖解。
圖8顯示按照本發明實施方案固定DNA的方法的示意圖。
圖9顯示按照本發明實施方案通過噴墨法噴射DNA的方法的結構圖。
圖10顯示按照本發明實施方案將DNA排列在基底上的圖解。
圖11顯示按照本發明實施方案在噴墨法中噴射的圖解。
圖12顯示按照本發明實施方案在基底上DNA斑點的排列的圖解。
圖13顯示按照本發明實施方案標記DNA雜交的圖解。
圖14顯示按照本發明實施方案檢測裝置的結構圖。
圖15顯示按照本發明實施方案微膠囊的噴射的流程圖。
圖16顯示按照本發明實施方案反射鏡的操作的圖解。
圖17顯示按照本發明實施方案激發光和螢光之間的關係的圖解。
圖18顯示按照本發明實施方案DNA斑點的掃描的圖解。
圖19顯示按照本發明實施方案光接收陣列和螢光之間的關係的圖解。
圖20顯示按照本發明實施方案螢光檢測的時間圖表。
圖21顯示按照本發明實施方案包含光接收陣列的光檢測器的結構圖。
圖22顯示按照本發明實施方案標記檢測信號的典型數據的圖解。
圖23顯示按照本發明實施方案檢測裝置原理的圖解。
圖24顯示按照本發明實施方案檢測裝置原理的圖解。
圖25顯示按照本發明實施方案DNA斑點和軌道之間的關係的頂視圖。
圖26顯示按照本發明實施方案DNA斑點的排列的圖解。
圖27顯示按照本發明實施方案圓形基底的頂視圖。
圖28顯示按照本發明實施方案圓形基底的DNA區域的圖解。
圖29顯示按照本發明實施方案使用半導體加工方法製備DNA基底的程序的圖解。
圖30顯示按照本發明實施方案噴墨法的原理的圖解。
圖31顯示按照本發明實施方案通過多次掃描檢測螢光的方法的流程圖。
圖32顯示按照本發明實施方案在多次掃描的方法中的激發光和檢測光的時間圖表。
圖33顯示按照本發明實施方案通過管制法(tube method)製備生物分子晶片的方法的圖解。
圖34顯示按照本發明實施方案通過管制法製備生物分子晶片的另一種方法的圖解。
圖35顯示按照本發明實施方案通過管制法排列生物分子斑點的圖解和顯示埋藏數據的圖解。
圖36
顯示按照本發明實施方案通過管制法排列生物分子斑點的圖解和顯示埋藏數據的圖解。
圖37顯示按照本發明實施方案通過管制法排列生物分子斑點的圖解。
圖38顯示按照本發明實施方案通過針法排列生物分子斑點的方法的圖解。
圖39顯示按照本發明實施方案通過噴墨法排列生物分子斑點的方法的圖解。
圖40顯示按照本發明實施方案標識編號和生物分子屬性數據的表的圖解。
圖41顯示按照本發明實施方案使用針法的檢測方法的流程圖。
圖42顯示按照本發明實施方案包含通過管制法埋藏的含ECC的數據的數據結構的圖解。
圖43顯示按照本發明實施方案網絡類型的檢驗系統的結構圖。
圖44顯示按照本發明實施方案獨立(stand-alone)類型的檢驗系統的結構圖。
圖45顯示按照本發明實施方案分析結果的表的圖解。
圖46顯示按照本發明實施方案生物分子晶片結構的圖解。
圖47顯示按照本發明實施方案結構的圖解，其中通過特定的排列可以識別地址。
圖48顯示按照本發明實施方案生物分子晶片結構的圖解，其中通過特定的圖案可識別地址。
圖49(a)顯示按照本發明的實施方案DNA珠粒的橫斷面視圖。
(b)顯示按照本發明的實施方案標記珠粒的橫斷面視圖。
圖50顯示按照本發明的實施方案供給珠粒的原理的圖解。
圖51顯示按照本發明的實施方案排列DNA珠粒的步驟的圖解。
圖52顯示按照本發明的實施方案排列標記珠粒的步驟的圖解。
圖53顯示按照本發明的實施方案通過使用微膠囊排列DNA珠粒的步驟的圖解。
圖54顯示按照本發明通過使用標記珠粒埋藏信息的方法的圖解。
圖55顯示按照本發明的實施方案通過使用放大的DNA珠粒排列DNA珠粒的方法的圖解。
(參考號的描述)1 基底2 DNA斑點3 DNA4 主溶液5 主膜6 DNA微膠囊7 輔助膜(sub-film)8 輔助溶液(sub-solution)9 微膠囊10 主容器
11 容器12 託盤13 針14 移動針15 洗滌部分16 紋釘滾筒17 DNA斑點區18 數據區19 基底ID20 DNA號-位置對應表21 DNA序列數據22 標記的DNA23 空微膠囊24 噴嘴25 供應部分26 噴射部分(加熱器)27 噴射控制電路28 主控制部分29 噴射信號產生部分30 去除(removal)信號產生部分31 光檢測器32 不必需的除液部分33 偏移部分34 箭頭35 移位量檢測器36 移位控制電路37 同步標記38 螢光染料39 檢測裝置40 光源(用於激發)
41 反射鏡42 透鏡43 檢測部分44 焦點誤差信號檢測部分45 循跡誤差信號檢測部分46 焦點控制電路47 跟蹤控制電路48 驅動器49 焦點偏移信號產生部分50 軌道偏移信號產生部分51 斑點號輸出部分52 軌道號輸出部分53 ECC解碼器54 DNA基底屬性數據讀取部分55 數據處理部分56 同步信號產生部分57 基底移位部分58 捕捉DNA號59 第二標記信號檢測部分60 第一標記信號檢測部分61 第一標記信號輸出部分62 第二標記信號輸出部分63 數據輸出部分64 位置信息檢測部分65 反射鏡66 反射鏡67 標記信號檢測部分68 步驟69 主信號複製部分70 檢測單元
71 激發光束72 掃描軌跡73 加密密鑰74 密碼解碼器75 工廠運送數據區76 附言數據區77 第一標記屬性數據78 第二標記屬性數據79 同步數據80 數據複製區85 標記檢測信號86 移位量檢測器87 脈衝光發射控制部分88 脈衝光發射信號89 輔助脈衝光發射信號(sub-pulsed light emission signal)90 光檢測部分91 陣列92 轉換部分93 合計部分94 標記檢測信號表95 記錄層96 地址97 起始地址98 終端地址99 最內部圓周軌道數100 最外部圓周軌道數111 計數器112 地址計數器113 地址碼組計數器114 輔助噴射部分
115 輔助溶液供應部分116 輔助噴嘴118 步驟120 掩模(mask)121 掩模(用於DNA斑點)122 羥基123 A(腺嘌呤)124 C(胞嘧啶)125 G(鳥嘌呤)126 T(胸腺嘧啶)130 管子131 探針132 容器133 薄板(sheet)134 標記管135 溶液136 標記管137 碼組(block)138 晶片139 固定板140 固定板ID141 生物分子斑點142 標記斑點143 識別標記144 同步標記145 識別號146 屬性表147 測試資料庫148 步驟(流程圖)149 檢測裝置
150 網絡151 存儲器152 錯誤校正碼153 標記溶液154 標記生物分子斑點155 分析程序156 標記微膠囊157 同步標記158 同步標記159 原始數據160 扁平管161 矩形生物分子斑點162 同步標記170 受試者171 樣品172 生物分子提取部分173 樣本174 主檢測系統175 檢測部分176 通信部分177 網際網路178 輔助檢驗系統179 通信部分180 分析系統181 分析部分182 選擇部分183 輸出部分184 (生物分子斑點識別號)屬性資料庫185 選擇性輸出186 請求輸出
187 診斷系統188 診斷部分189 治療策略產生部分190 治療策略輸出部分191 晶片ID-受試者對應資料庫192 診斷結果輸出部分193 檢測系統194 黑匣子部分195 輸入/輸出部分197 密碼解碼部分198 IC晶片199 電極200 基底201 非易失性存儲器300 生物分子晶片301 生物分子斑點302 相等間隔303 不等間隔310 生物分子晶片311 第一生物分子斑點312 第二生物分子斑點320 DNA珠粒321 DNA層322 標記珠粒323 間隔珠粒324325 光源326 箭頭327 玻璃管328 罩蓋
329 DNA陣列330 信息記錄區331 起始標記332 終端標記333 (透射光的)標記珠粒334 (吸收光的)標記珠粒335 珠粒供給部分336 終端部分337 數據陣338 第一殼339 第二殼340 第一區341 第二區342 第三區343 反射器實施本發明的最佳方式應當理解貫穿本說明書用於單數形式的冠詞(例如英語的「a」，「an」，「the」等；德語的「ein」，「der」，「das」，「die」，等和它們的變形；法語的「un」，「une」，「le」，「la」等；西班牙語的「un」，「una」，「el」，「la」等；和其它語言的冠詞，形容詞等)包括它們的複數概念，除非另有說明。還應當理解這裡使用的術語具有本領域通常使用的定義，除非另有說明。
在下文中，將描述在這裡具體使用的術語的含義。
這裡使用的術語「基底」和「支座」具有相同的含義，即用於本發明陣列構造的材料(優選固體形式)。適合基底的材料的實例包括具有通過共價鍵或非共價鍵與在本發明中使用的生物分子結合的性質的，或者可以以具有該性質的這樣的方式衍生的任何固體材料。
用於基底的該材料可以是任何能夠形成固體表面的材料，例如包括但不限於玻璃，矽石，矽，陶瓷，二氧化矽，塑料，金屬(包括合金)，天然存在的和合成的聚合物(例如聚苯乙烯，纖維素，脫乙醯殼多糖，葡聚糖，和尼龍)。基底可由不同材料製成的多層形成。例如，可以使用無機絕緣材料如玻璃，石英玻璃，氧化鋁，藍寶石，鎂橄欖石，碳化矽，氧化矽，四氮化三矽等。此外，可以使用有機材料如聚乙烯，乙烯，聚丙烯，聚異丁烯，聚對苯二酸乙二酯，不飽和的聚酯，含氟樹脂，聚氯乙烯，聚偏1，1-二氯乙烯，聚乙酸乙烯酯，聚乙烯醇，聚乙烯醇縮乙醛，丙烯酸類樹脂，聚丙烯腈，聚苯乙烯，縮醛樹脂，聚碳酸酯，聚醯胺，酚樹脂，尿素樹脂，環氧樹脂，蜜胺樹脂，苯乙烯·丙烯腈共聚物，丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物，有機矽樹脂，聚苯醚，或聚碸。在本發明中，還可以使用用於核酸印跡的膜，如硝化纖維素膜，PVDF膜，或類似物。
在本發明的一個實施方案中，可以將電極材料用作基底電極，其用作基底和電極。在該基底電極的情形中，絕緣層區域將基底電極表面分離成電極區。優選地，將不同生物分子固定在各自分離的電極區。不具體限制電極材料。電極材料的實例包括單獨的金屬，如金，金合金，銀，鉑，汞，鎳，鈀，矽，鍺，鎵，鎢等以及其合金，或碳如石墨，玻璃化炭黑等，或其氧化物或化合物。另外，可以使用半導體化合物，如氧化矽等，或各種半導體元件，如CCD，FET，CMOS等。當其中在絕緣基底上形成電極膜以使得基底與電極成為一體的基底電極時，通過電鍍，印刷，噴鍍，沉積或類似方法可以產生電極膜。在沉積的情形中，用電阻加熱法，高頻加熱法，電子束加熱法，或類似方法可以形成電極膜。在噴鍍的情形中，通過直流噴鍍，偏流噴鍍，不對稱AC噴鍍，吸氣噴鍍，高頻噴鍍，或類似方法可以生產電極膜。另外，可以使用電聚合膜如聚吡咯，聚苯胺等，或導電聚合物。不具體限制本發明中用於分隔電極表面的絕緣材料，但優選是光聚合物或光致抗蝕劑材料。抗蝕劑材料的實例包括用於曝光的光致抗蝕劑，用於紫外輻射的光致抗蝕劑，用於X射線的光致抗蝕劑和用於電子束的光致抗蝕劑。用於曝光的光致抗蝕劑的實例包括這樣的光致抗蝕劑，其包括環化橡膠，聚肉桂酸和酚醛清漆樹脂作為主要成分。作為用於紫外輻射的光致抗蝕劑，使用環化橡膠，酚樹脂，聚甲基異丙烯基酮(PMIPK)，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，或類似物。作為用於電子束的光致抗蝕劑，可以使用上述物質如PMMA或類似物。
這裡使用的「晶片」是指具有各種功能的超微集成電路，其組成系統的一部分。這裡使用的「生物分子晶片」是指包含基底和生物分子的晶片，其中將這裡闡明的至少一種生物分子排列在基質上。
這裡使用的術語「地址」是指可以區別於其它獨特位置的在基底上的獨特位置。適當利用地址以訪問與地址相關的生物分子。在每個地址存在的任何實體可以具有任意形狀，其使得該實體可以區別於其它地址存在的實體(例如以光學方法)。地址的形狀可以是例如圓形，橢圓形，正方形，或矩形，或備選地不規則形狀。
每個地址的大小依賴於，特別地，基底的尺寸，在特定基底上地址的數量，待分析的樣品和/或可利用試劑的量，生物分子的大小和使用陣列的任何方法所需解析度的大小而變化。地址的大小可以是1-2nm至數釐米(例如，1-2mm至數釐米，等，125×80mm，10×10mm等)。地址可以是任何尺寸，只要它與使用它的陣列匹配。在該情形中，將基底材料形成適合於具體生產過程和陣列用途的大小和形狀。例如，在其中可獲得大量待測樣品的分析的情形中，可以在相對大(例如1cm×1cm或更大)的基底上更經濟地構建陣列。這裡，可以進一步有利地使用不要求很高靈敏度並因此是經濟的檢測系統。在另一方面，當可獲得的待分析樣品和/或試劑的量是有限時，可以設計陣列以便最小化樣品和試劑的消耗。
以與其中使用微陣列的具體用途相匹配的方式設計地址的空間排列和形狀。可以將地址以適合於待分析樣品的特定類型的圖案密集寫入，廣泛分配，或分成子群。這裡使用的「陣列」是指固定在固相表面或膜上的固體基底的圖案，或一組具有該圖案的分子。典型地，陣列包含生物分子(例如DNA，RNA，蛋白質-RNA融合分子，蛋白質，低重量有機分子等)，其與固定在固相表面或膜上的核酸序列偶聯，好像生物分子捕捉核酸序列。在陣列上可排列生物分子「斑點」。這裡使用的「斑點」是指預定的一組生物分子。
在基底上可排列任何數量的地址，典型地高達108個地址，在其它實施方案中高達107個地址，高達106個地址，高達105個地址，高達104個地址，高達103個地址，或高達102個地址。因此，當將一個生物分子放置在一個地址上時，可以在基底上放置高達108個生物分子，在其它實施方案中可以在基底上放置高達107個生物分子，高達106個生物分子，高達105個生物分子，高達104個生物分子，高達103個生物分子，或高達102個生物分子。在這些情形中，更小尺寸的基底和更小尺寸的地址是適當的。特別是，地址的大小可以與單個生物分子的大小一樣小(即，該大小可以是1-2nm的等級)。在一些情形中，基於基底上地址的數量確定基底的最小面積。
這裡使用的術語「生物分子」是指與生物有關的分子。這裡使用的「生物」是指生物有機體，其包括但不限於動物，植物，真菌，病毒等。生物分子包括從生物提取的分子，但不限於此。生物分子是任何能夠對生物有影響的分子。因此，生物分子還包括通過組合化學合成的分子，和能夠被用作藥物的低重量分子(例如低分子量配體等)，只要它們被確定為對生物有影響。該生物分子的實例包括，但不限於蛋白質，多肽，寡肽，肽，多核苷酸，寡核苷酸，核苷酸，核酸(例如包括DNA(如cDNA和基因組DNA)和RNA(如mRNA))，多糖，寡糖，脂類，低重量分子(例如激素，配體，信號轉導物質，低重量有機分子等)，和其複合分子等。生物分子還包括細胞它自身，和組織的一部分或整體，等，只要它們可以與本發明的基底偶聯。優選地，生物分子包括核酸或蛋白質。在優選實施方案中，生物分子是核酸(例如基因組DNA或cDNA，或通過PCR等合成的DNA)。在另一個優選實施方案中，生物分子可以是蛋白質。優選地，可以對本發明基底上的每個地址提供一種類型的生物分子。在另一個實施方案中，對每個地址可提供包含兩種或多種類型生物分子的樣品。
這裡使用的術語「蛋白質」，「多肽」，「寡肽」和「肽」具有相同的含義並且是指具有任何長度的胺基酸聚合物。該聚合物可以是直鏈，支鏈或環鏈。胺基酸可以是天然存在或非天然存在的胺基酸或變異的胺基酸。可以將該術語聚集成多個多肽鏈的複合體。該術語還包括天然存在或人工修飾的胺基酸聚合物。該修飾包括例如二硫鍵形成，糖基化，脂質化(lipidation)，乙醯化，磷酸化或其它任何操作或修飾(例如與標記組分偶聯)。例如該定義包含多肽，所述多肽含有至少一種胺基酸類似物(例如非天然存在的胺基酸等)，類似肽的化合物(例如類肽)，和在本領域已知的其它變體。
在這裡使用的術語「多核苷酸」，「寡核苷酸」，和「核酸」具有相同的含義並且是指具有任何長度的核苷酸聚合物。該術語還包括「寡核苷酸衍生物」或「多核苷酸衍生物」。「寡核苷酸衍生物」或「多核苷酸衍生物」包括核苷酸衍生物，或者是指在核苷酸之間具有不同於典型鍵的鍵的寡核苷酸或多核苷酸，所述典型鍵是可互換使用的。該寡核苷酸的實例具體包括2』-O-甲基-核苷酸，其中寡核苷酸中的磷酸二酯鍵被轉換為硫代磷酸酯鍵的寡核苷酸衍生物，其中寡核苷酸中的磷酸二酯鍵被轉換為N3』-P5』氨基磷酸酯鍵的寡核苷酸衍生物，其中寡核苷酸中的核糖和磷酸二酯鍵被轉換為肽-核酸鍵的寡核苷酸衍生物，其中寡核苷酸中的尿嘧啶被C-5丙炔基尿嘧啶取代的寡核苷酸衍生物，其中寡核苷酸中的尿嘧啶被C-5噻唑尿嘧啶取代的寡核苷酸衍生物，其中寡核苷酸中的胞嘧啶被C-5丙炔基胞嘧啶取代的寡核苷酸衍生物，其中寡核苷酸中的胞嘧啶被吩噁嗪修飾的胞嘧啶取代的寡核苷酸衍生物，其中DNA中的核糖被2』-O-丙基核糖所取代的寡核苷酸衍生物，和其中寡核苷酸中的核糖被2』-甲氧乙氧基核糖所取代的寡核苷酸衍生物。
這裡使用的「基因」是指定義遺傳性狀的因子。基因典型地排列在染色體上的特定序列中。定義蛋白質一級結構的基因被稱為結構基因。調節結構基因表達的基因被稱為調節基因。這裡使用的「基因」可以指「多核苷酸」，「寡核苷酸」和「核酸」，和/或「蛋白質」，「多肽」，「寡肽」和「肽」。如在這裡使用，基因的「同源性」是指兩個或多個基因序列之間同一性的大小。因此，兩個特定基因之間的同源性越大，它們序列之間的同一性或相似性越大。通過直接比較它們的序列或通過在嚴謹條件下的雜交方法來確定兩個基因是否具有同源性。當將兩個基因序列直接相互比較時，基因典型地具有至少50％的同源性，優選至少70％的同源性，更優選至少80％，90％，95％，96％，97％，98％，或99％的同源性，基因的DNA序列是相同的。
術語「多糖」，「複合糖」，「寡糖」，「糖」，和「碳水化合物」具有相同的含義並且是指其中單糖是由糖苷鍵脫氫縮合的聚合物化合物。「單糖(simple sugar)」或「單糖(monosaccharide)」是指由通式CnH2nOn表示的物質，其不能通過水解分解成更簡單的分子。其中n＝2，3，4，5，6，7，8，9和10的CnH2nOn分別表示二糖，丙糖，四糖，戊糖，己糖，庚糖，辛糖，壬糖和癸糖(decose)。單糖通常相當於鏈狀多元醇的醛或酮，前者稱為醛醣，後者稱為酮糖。
從生物可以收集或者可以通過本領域技術人員已知的方法化學合成本發明的生物分子。例如，在下列各項中描述了使用自動固相肽合成儀的合成法Stewart，J.M.等(1984)。Solid Phase Peptide Synthesis，PierceChemical Co.；Grant，G.A.(1992)。Synthetic PeptidesA User’s Guide，W.H.Freeman；Bodanszky，M.(1993)。Principles of Peptide Synthesis，Springer-Verlag；Bodanszky，M.等(1994)。The Practice of Peptide Synthesis，Springer-Verlag；Fields，G.B.(1997)。Phase Peptide Synthesis，Academic Press；Pennington，M.W.等(1994)。Peptide Synthesis Protocols，Humana Press；Fields，G.B.(1997)。Solid-Phase Peptide Synthesis，Academic Press。通過使用任何從Applied Biosystems等商購的DNA合成儀的自動化學合成可以製備寡核苷酸。例如在美國專利號4,415,732，Caruthers等(1983)；美國專利號4,500,707，Caruthers等(1985)；和美國專利號4,668,777，Caruthers等(1987)中公開了用於自動寡核苷酸合成的組合物和方法。
在本發明的一個實施方案中，可以將生物分子(例如低重量有機分子，組合化學產物)庫與基底偶聯，並且可將得到的基底用來生產用於分子篩選的微陣列。可以通過包括但不限於組合化學技術，發酵法，從植物和細胞的提取法，或類似方法的任何方法製備或獲得在本發明中使用的化合物庫。用於生產組合庫的方法在本領域是眾所周知的。參見例如E.R.Felder，Chimica 1994，48，512-541；Gallop等，J.Med.Chem.1994，37，1233-1251；R.A.Houghten，Trends Genet.1993，9，235-239；Houghten等，Nature 1991，354，84-86；Lam等，Nature 1991，354，82-84；Carell等，Chem.Biol.1995，3，171-183；Madden等，Perspectives in Drug Discovery and Design2，269-282；Cwirla等，Biochemistry 1990，87，6378-6382；Brenner等，Proc.Natl.Acad.Sci.USA 1992，89，5381-5383；Gordon等，J.Med.Chem.1994，37，1385-1401；Lebl等，Biopolymers 1995，37177-198；和其中引用的文獻。這些出版物全部在此引入作為參考。
這裡使用的「嚴謹條件」是指在關於雜交的領域中廣泛使用和眾所周知的條件。該條件是例如下列各項在0.7-1.0M NaCl存在的條件下在65℃進行雜交，其後，在65℃使用0.1至2倍濃度的SSC(鹽水-檸檬酸鈉)溶液(1倍濃度的SSC溶液具有150mM氯化鈉，15mM檸檬酸鈉的組成)洗滌濾器。按照在實驗手冊如Molecular Cloning第二版，Current Protocolsin Molecular Biology，增刊1-38，DNA Cloning 1Core Techniques，A PracticalApproach，第二版，Oxford University Press(1995)，或類似手冊描述的方法進行雜交。
在這裡通過序列分析工具BLAST，使用預設參數計算鹼基序列之間的同一性比較。
可將本發明的方法，生物分子晶片和裝置用於例如診斷，法醫學，藥物搜索(藥物篩選)和開發，分子生物學分析(例如基於陣列的核苷酸序列分析和基於陣列的基因序列分析)，蛋白質性質和功能分析，藥物基因組學，蛋白質組學，環境評估和其它生物和化學分析。
可將本發明的方法，生物分子晶片和裝置用於檢測各種基因。不具體限制待檢測的基因。待檢測的該基因的實例包括病毒病原體(包括但不限於肝炎病毒(A，B，C，D，E，F，和G型)，HIV，流感病毒，皰疹病毒，腺病毒，人多瘤病毒，人乳頭瘤病毒，人細小病毒屬，腮腺炎病毒，人輪狀病毒，腸道病毒，日本腦炎病毒，登革病毒，風疹病毒和HTLV)的基因；細菌病原體(包括但不限於金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaurens)，溶血性鏈球菌，毒性大腸桿菌，腸炎弧菌，幽門螺桿菌(Helicobacterpylori)，彎曲桿菌屬(Campylobacter)，霍亂弧菌(Vibrio cholerae)，痢疾桿菌，沙門氏菌屬(Salmonella)，耶爾森氏菌屬(Yersinia)，gunococcus，單核細胞增生利斯特氏菌(Listeria monocytogenes)，鉤端螺旋體屬(Leptospira)，軍團菌屬(Legionella)，螺旋體屬(Spirochaeta)，肺炎支原體(Mycoplasmapneumoniae)，立克次氏體屬(Rickettsia)，和衣原體(Chlamydia))的基因，和痢疾阿米巴(Entamoeba histolytica)，致病真菌，寄生蟲和真菌的基因。
可將本發明的方法，生物分子晶片和裝置用於腫瘤性疾病的檢測和診斷，所述腫瘤性疾病如遺傳病，成視網膜細胞瘤，維爾姆斯氏瘤，家族性結腸息肉病，神經纖維瘤病，家族性乳腺癌，著色性幹皮病，腦瘤，口腔癌，食管癌，胃癌，結腸癌，肝癌，胰腺癌，肺癌，甲狀腺瘤，乳腺腫瘤，泌尿器官腫瘤，雄性器官腫瘤，雌性器官腫瘤，皮膚腫瘤，骨瘤和軟部瘤，白血病，淋巴瘤，實體瘤等。
還可將本發明用於多態性分析，如RFLP分析，單核苷酸多態性(SNP)分析，或類似分析，鹼基序列分析等。還可將本發明用於藥物篩選。
可將本發明用於除了醫用以外要求生物分子檢驗的任何情形，如食品檢驗，檢疫，藥物檢驗，法醫學，農業，耕作，漁業，林業等。特別為了食品安全也打算使用本發明(BSE檢驗)。
本發明可用於獲得生物化學檢驗數據。生物化學檢驗項目的實例包括但不限於總蛋白，清蛋白，麝香草酚反應，Kunkel’s硫酸鋅檢驗，血漿氨，脲氮，肌酸酐，尿酸，總膽紅素，直接反應膽紅素，GOT，GPT，膽鹼脂酶，鹼性磷酸酶，亮氨酸氨肽酶，γ-穀氨醯轉肽酶，肌酸酐磷酸激酶，乳酸脫氫酶，澱粉酶，鈉，鉀，氯離子(氯)，總鈣，無機磷，血清鐵，不飽和鐵結合能力，血清滲透壓，總膽固醇，游離膽固醇，HDL-膽固醇，甘油三酯，磷脂，游離脂肪酸，血漿葡萄糖，胰島素，BSP保留比率，ICG清除率(disappearance ratio)，ICG保留比率，脊髓液·總蛋白，脊髓液·糖，脊髓液·氯，尿·總蛋白，尿·葡萄糖，尿·澱粉酶，尿·尿酸，尿·脲氮，尿·肌酸酐，尿·鈣，尿·滲透壓，尿·無機磷，尿·鈉，尿·鉀，尿·氯，尿中的N-乙醯葡糖胺糖苷酶，1-小時肌酸酐清除率，24-小時肌酸酐清除率，酚磺酞(phenolsulfonephthalein)，C-反應性蛋白等。測量這些檢驗項目的方法和原理在本領域是眾所周知和常規使用的。
還可將本發明用於檢測除了直接從生物收集的樣品以外，通過PCR，SDA，NASBA，或類似方法擴增的基因。在本發明中，使用電化學活性物質，螢光物質(例如FITC，若丹明，吖啶，德克薩斯紅，螢光素等)，酶(例如鹼性磷酸酶，過氧化物酶，葡糖氧化酶等)，膠體顆粒(例如半抗原，發光物質，抗體，抗原，金膠體等)，金屬，金屬離子，金屬螯合物(例如三聯吡啶，三菲咯啉，六胺)等可以預先標記靶基因。
在本發明中，不具體限制待檢驗或診斷的樣品，其包括例如血液，血清，白細胞，尿，糞便，精液，唾液，組織，培養的細胞，痰等。
在一個實施方案中，為了檢驗核酸，核酸組分是從這些樣品中提取的。不將提取限制於具體方法。可以使用液液萃取法，如酚-氯仿法等，或使用載體的液固提取法。備選地，可以使用可商購的核酸提取法QIAamp(QIAGEN，德國)或類似方法。接下來，將含有提取的核酸的組分的樣品在本發明的生物分子晶片上進行雜交反應。反應是在具有0.01-5的離子強度和5-10的pH值的緩衝液中進行。可將葡聚糖硫酸酯(雜交促進劑)，鮭魚精DNA，牛胸腺DNA，EDTA，表面活性劑或類似物加入該溶液。將提取的核酸組分加入該溶液，接著在90℃或更高溫度下熱變性。在變性後或在迅速冷卻至0℃後可立即進行生物分子晶片的插入。備選地，通過將溶液滴在基底上可以進行雜交反應。在反應過程中通過攪拌或搖動可以增大反應速率。反應溫度為10-90℃。反應時間是1分鐘至約1晚上。雜交反應後，移去電極然後洗滌。對於洗滌，可以使用具有0.01-5的離子強度和5-10的pH值的緩衝液。
這裡使用的「微膠囊」是指用分子膜或類似物包被物質的微顆粒或其類似容器的物質。微膠囊通常具有球形和數微米至數百微米的大小。通常，可以如下製備微膠囊。生產水包水滴型(water droplet-in-water type)的乳狀液，通過在微乳顆粒和介質之間的界面處的界面縮聚生產聚合物薄膜使得顆粒被薄膜覆蓋。通過離心從油分離膠囊，接著為了純化透析。當製備乳狀液時，將預定的生物分子溶解和分散在水相中，以便可以將生物分子包被在膠囊中。薄膜的厚度是10-20μm。薄膜可被提供以半滲透性或表面電荷。在本發明中，微膠囊保護和隔離內含物，如生物分子。該內含物可以任選地溶解，混合或允許反應。在按照本發明生產生物分子基底的方法中，通過噴墨法(例如氣泡噴墨等)，PIN法或類似方法將微膠囊噴射在基底上。將噴射的微膠囊加熱至高於它殼的熔點的溫度以便將內含物如生物分子固定在基底上。在該情形中，優選用具有對生物分子的親和力的物質包被基底。
這裡使用的「標籤」和「標記」具有相同的含義並且是指將期望的分子或物質區別於其它物質的實體(例如物質，能量，電磁波等)。該標記方法的實例包括RI(放射性同位素)法，螢光法，生物素法，化學發光法等。當通過螢光法標記核酸片段和它的互補寡核苷酸時，使用具有不同最大螢光波長的螢光物質標記它們。優選最大螢光波長的差異是至少10nm。可以使用任何可以與核酸鹼基部分結合的螢光物質。優選的螢光物質包括花青染料(例如Cy DyeTM系列的Cy3，Cy5，等)，若丹明6G試劑，N-乙醯氧基-N-2-乙醯氨基芴(AAF)，AAIF(AAF的碘衍生物)等。在最大螢光波長方面具有至少10nm差異的螢光物質組合的實例包括Cy5和若丹明6G試劑的組合，Cy3和螢光素的組合，若丹明6G試劑和螢光素的組合等。
這裡使用的「晶片屬性數據」是指與關於本發明生物分子晶片的一些信息相關的數據。晶片屬性數據包括與生物分子晶片相關的信息，如晶片ID，基底數據，和生物分子屬性數據。這裡使用的「晶片ID」是指識別每個晶片的編碼。這裡使用的「基底數據」或「基底屬性數據」是指與本發明生物分子晶片中使用的基底相關的數據。基底數據可包含關於生物分子排列或圖案的信息。「生物分子屬性數據」是指關於生物分子的信息，其包括例如生物分子的基因序列(在核酸情形中為核苷酸序列，在蛋白質情形中為胺基酸序列)，有關基因序列的信息(例如基因和具體疾病或狀況之間的關係)，在低重量分子或激素的情形中的功能，在組合庫情形中的庫信息，有關對於低重量分子的親和力的分子信息等。這裡使用的「個人信息數據」是指與用於識別通過本發明方法，晶片或裝置測量的生物或受試者的信息相關的數據。當所述生物或受試者是人時，個人信息數據包括但不限於年齡，性別，健康狀況，病史(例如藥史)，教育背景，你的保險的公司，個人基因組信息，住址，姓名等。當個人信息數據是家畜時，該信息可包括關於動物的生產公司的數據。這裡使用的「測量數據」是指作為用本發明的生物分子基底，裝置和系統的測量結果的原始數據和從其中衍生的具體處理數據。該原始數據可以通過電信號的強度來表示。該處理數據可以是具體的生物化學數據，如血糖水平和基因表達水平。
這裡使用的「記錄區」是指其中可以記錄數據的區域。在記錄區，可以記錄測量數據以及上述晶片屬性數據。
在本發明優選實施方案中，可以分開管理個人信息數據和生物分子屬性數據或者測量數據。通過分開管理這些數據，可以保護健康相關信息的秘密，即個人隱私。此外，在藥物篩選的情形中，即使將篩選出租(outsourcing)給外面的公司來進行，可以獲得數據而不將秘密信息洩漏給外面的公司。因此，可以將本發明用於外部採辦，其中秘密信息受到保護。
(常規技術)除非另外指定，這裡使用的技術是眾所周知的技術，其在顯微射流技術，顯微機械加工，有機化學，生物化學，遺傳工程，分子生物學，遺傳學和在本領域技術範圍內的它們的相關領域中常規使用。例如在以下列出和本文別處描述的文獻中充分描述這些技術。
例如在Campbell，S.A.(1996).The Science and Engineering ofMicroelectronic Fabrication，Oxford University Press；Zaut，P.V.(1996).Micromicroarray Fabricationa Practical Guide to Semiconductor Processing，Semiconductor Services；Madou，M.J.(1997).Fundamentals ofMicrofabricaticn，CRC1 5Press；Rai-Choudhury，P.(1997).Handbook ofMicrolithography，Micromachining，MicrofabricationMicrolithography；等中描述了顯微機械加工，其相關部分在此引入作為參考。。
例如在Maniatis，T.等(1982).Molecular CloningA Laboratory Manual，Cold Spring Harbor；Ausubel，F.M.(1987).Current Protocols in MolecularBiology，Greene Pub.Associates and Wiley-Interscience；Ausubel，F.M.(1989).Short Protocols in Molecular BiologyA Compendium of Methodsfrom Current Protocols in Molecular Biology，Greene Pub.Associates andWiley-Interscience；Sambrook，J.等(1989).Molecular CloningA LaboratoryManual，Cold Spring Harbor；Innis，M.A.(1990).PCR ProtocolsA Guide toMethods and Applications，Academic Press；Ausubel，F.M.(1992).ShortProtocols in Molecular BiologyA Compendium of Methods from CurrentProtocols in Molecular Biology，Greene Pub.Associates；Ausubel，F.M.(1995).Short Protocols in Molecular BiologyA Compendium of Methods fromCurrent Protocols in Molecular Biology，Greene Pub.Associates；Innis，M.A.等(1995).PCR Strategies，Academic Press；Ausubel，F.M.(1999).ShortProtocols in Molecular BiologyA Compendium of Methods from CurrentProtocols in Molecular Biology，Wiley，and annual updates；Sninsky，J.J.等(1999).PCR ApplicationsProtocols for Functional Genomics，Academic Press；等中描述了分子生物學和重組DNA技術，其相關部分在此引入作為參考。
例如在Gait，M.J.(1985).Oligonucleotide SynthesisA PracticalApproach，IRL Press；Gait，M.J.(1990).Oligonucleotide SynthesisAPractical Approach，IRL Press；Eckstein，F.(1991).Oligonucleotides andAnaloguesA Practical Approach，IRL Press；Adams，R.L.等(1992).TheBiochemistry of the Nucleic Acids，ChapmanHall；Shabarova，Z.等(1994).Advanced Organic Chemistry of Nucleic Acids，Weinheim；Blackburn，G.M.等(1996).Nucleic Acids in Chemistry and Biology，Oxford University Press；Hermanson，G.T.(1996).Bioconjugate Techniques，Academic Press；等中描述核酸化學，如DNA合成技術等，其相關部分在此引入作為參考。
光刻法是由Fodor等開發的技術，其中使用光反應保護基團(參見Science，251，767(1991))。鹼基的保護基團抑制相同或不同類型的鹼基單體與該鹼基結合。因此，與保護基團結合的鹼基末端無新的鹼基結合反應。通過照射可容易地去除保護基團。最初，將具有保護基團的氨基固定在整個基底上。其後，通過與在半導體加工中通常使用的光刻法技術類似的方法選擇性地照射僅與期望的鹼基結合的斑點，以便能夠通過隨後只與照射部分中的鹼基結合引入另一個鹼基。現在，在其末端具有相同保護基團的期望的鹼基與該鹼基結合。其後，改變光掩模的圖案，選擇性照射其它斑點。其後，具有保護基團的鹼基類似地與斑點結合。重複該過程直至在每個斑點獲得期望的鹼基序列，由此製備DNA陣列。這裡可使用光刻法技術。
噴墨法(技術)是利用熱或壓電效應將相當小的液滴噴射到二維平面上預定位置的技術。該技術主要在印刷機中廣泛使用。在生產DNA陣列中，使用噴墨裝置，其具有其中壓電器件與玻璃毛細管組合的構造。對與液體隔室連接的壓電器件施加電壓，以便改變壓電器件的體積並且將隔室中的液體作為液滴從與隔室連接的毛細管排出。排出的液滴大小是由毛細管的直徑，壓電器件的體積變化，和液體的物理性質決定的。液滴的直徑通常是30μm。使用該壓電器件的噴墨裝置可以以大約10kHz的頻率排出液滴。在使用該噴墨裝置的DNA陣列製造設備中，噴墨裝置和DNA陣列基底是相對移動的以便可以將液滴滴到DNA陣列上期望的斑點。粗略地將使用噴墨裝置的DNA陣列製造設備分為兩類。一類包括使用單個噴墨裝置的DNA陣列製造設備，另一類包括使用多頭噴墨裝置的DNA陣列製造設備。使用單個噴墨裝置的DNA陣列製造設備具有其中將用於去除低聚物末端保護基團的試劑滴到期望斑點上的構造。通過使用噴墨裝置將保護基團從將引入期望的鹼基的斑點去除以便活化斑點。其後，將期望的鹼基在整個DNA陣列上進行結合反應。在該情形中，期望的鹼基只與具有低聚物的斑點結合，所述低聚物的末端被從噴墨裝置滴下的試劑活化。其後，保護新增加的鹼基的末端。其後，改變去除保護基團的斑點並且重複步驟直至獲得期望的核苷酸序列。在另一方面，在使用多頭噴墨裝置的DNA陣列製造設備中，為每種含有不同鹼基的試劑提供噴墨裝置，以便期望的鹼基可以直接與每個斑點結合。使用多頭噴墨裝置的DNA陣列製造設備可以具有比使用單個噴墨裝置的DNA陣列製造設備更高的通量。在用於將預先合成的寡核苷酸固定於基底的方法中，有一種機械顯微點樣技術，其中將含有寡核苷酸的液體機械壓在基底上以便將寡核苷酸固定在基底上，所述寡核苷酸是附著在不鏽鋼針頭上。通過該方法獲得的斑點大小是50-300μm。在顯微點樣後，進行隨後步驟，如使用UV光固定。
實施本發明的最佳方式一方面，本發明提供了製備生物分子基底的方法。該方法包含步驟1)提供一組生物分子和一種基底；2)將該組生物分子在逐個生物分子類型的基礎上密封在微膠囊中；和3)將生物分子微膠囊噴射在基底上。優選地，該組生物分子相同。在優選實施方案中，所述方法提供了多組生物分子。優選地，將不同類型的該組生物分子的微膠囊排列在不同位置。在一個實施方案中，本發明可另外包含在封閉步驟後洗滌生物分子微膠囊的步驟。
在本發明方法中使用的噴射步驟是通過噴墨法(包括氣泡噴墨法)，PIN法，或類似方法進行的。優選地，通過氣泡噴墨法進行噴射步驟。這是因為可以有效地固定微膠囊。
在優選實施方案中，該方法可另外包含將在噴射步驟中使用的溶液的溫度設置在高於生物分子微膠囊的殼的熔點的步驟。該提高的溶液溫度可導致生物分子有效的固定。
在該生物分子基底製備方法中，生物分子可以是天然存在或合成的生物分子。該生物分子的實例包括但不限於蛋白質，多肽，寡肽，肽，多核苷酸，寡核苷酸，核苷酸，核酸(例如包括DNA，如cDNA和基因組DNA，和RNA如mRNA)，多糖，寡糖，脂類，低重量分子(例如激素，配體，信號轉導物質，低重量有機分子等)，和其複合分子等。
優選地，本發明生物分子基底製備方法可另外包含進行對每個膠囊特異性標記的步驟。
在另一方面，本發明提供了生物分子晶片。該生物分子晶片包含基底；排列在基底上的生物分子和晶片屬性數據。該晶片屬性數據是排列在與生物分子相同的區域中。通過將生物分子和晶片屬性數據排列在相同的區域，可以進行有效檢驗。
在一個實施方案中，上述晶片屬性數據可包含關於晶片ID和基底的信息。在另一個實施方案中，本發明的生物分子晶片可另外包含記錄區，其中將記錄區放置在與生物分子和晶片屬性數據相同的基底上，並且將受試者數據和測量數據中的至少一種記錄在記錄區。優選地，可將受試者數據和測量數據都記錄在上述記錄區中。注意當它是用來保護依賴於目的的隱私時，只可將這些信息中的一部分記錄在記錄區。在這種情形中，可將該數據加密，然後記錄。
優選地，以這樣的方式即可以通過與檢測上述生物分子相同的方法讀出數據來記錄上述晶片屬性數據。該檢測方法的實例包括但不限於能夠檢測生物分子的任何手段，如螢光分析裝置，分光光度計，閃爍計數器，和發光計。因為晶片屬性數據和生物分子可以通過相同的檢測手段讀出，通過單次讀出操作可以進行原始數據的檢測和測量條件的讀出，由此可以顯著減少操作時間和簡化信號發送和接收裝置。
在優選實施方案中，可將特異性標記附著在上述基底上。通過將特異性標記附著在基底上，可雙重核對基底的鑑定，從而可以減少診斷和檢驗誤差。在另一個優選實施方案中，基於晶片屬性數據排列特異性標記。通過提供該特異性標記，可以容易地讀出晶片屬性數據。
在另一個實施方案中，上述晶片屬性數據可包含上述生物分子屬性數據。通過將生物分子屬性數據加至生物分子晶片上，通過只使用晶片可進行各種檢驗和診斷。在另一個實施方案中，可以在另一個位置保存該晶片屬性數據。通過在另一位置保存數據，即使當生物分子晶片被無意地傳給第三方，也可以防止個人信息被無意地洩漏。
在另一個實施方案中，可另外記錄關於上述生物分子地址的信息。該地址信息的實例包括在本發明中定義的排列或圖案的幾何信息。通過將地址相關信息加至生物分子晶片，可進行獨立檢驗。還可將地址相關信息保存在另一個位置。通過將該信息保存在另一個位置，即使當生物分子晶片被無意地傳給第三方，也可以防止個人信息被無意地洩漏。在優選實施方案中，地址可以是跟蹤地址。
在另一個優選實施方案中，可以加密上述晶片屬性數據。可以加密全部或一部分數據。優選地，可以加密個人信息數據，生物分子屬性數據和測量數據。可通過單獨的加密裝置加密這些數據。該加密裝置在本領域是眾所周知的，其包括例如使用公共密鑰的裝置。本發明不限於此。
在另一個實施方案中，可以記錄關於用於檢測生物分子的標記的數據。該標記的實例包括但不限於用於標記生物分子的任何物質，例如螢光分子，化學發光分子，放射性同位素等。通過提供該標記相關數據，通過僅使用一塊生物分子晶片可以進行檢驗或診斷。優選地，標記相關數據包含激發光波長和螢光波長中的至少一種，更優選它們兩種。
本發明生物分子晶片中使用的生物分子可以是天然存在或合成的生物分子。該生物分子的實例包括但不限於蛋白質，多肽，寡肽，肽，多核苷酸，寡核苷酸，核苷酸，核酸(例如包括DNA，如cDNA和基因組DNA，和RNA如mRNA)，多糖，寡糖，脂類，低重量分子(例如激素，配體，信號轉導物質，低重量有機分子等)，和其複合分子等。優選地，生物分子可以是核酸或蛋白質，更優選DNA(例如cDNA或基因組DNA)。在另一個優選實施方案中，生物分子可以是通過擴增方法如PCR或類似方法擴增的DNA。在另一個優選實施方案中，生物分子可以是合成的蛋白質。
在另一方面，本發明提供了生物分子晶片，其包含1)基底；和2)排列在基底上的生物分子，其中生物分子斑點被至少一個不等間隔隔開，從不等間隔可以識別生物分子斑點的地址。通過提供至少一個不等間隔，可以將所述間隔用作識別其它斑點相對位置的基準。使用該結構，可以僅通過檢測所有生物分子和檢測在接觸樣品後的斑點的步驟識別相互作用的斑點的地址，而沒有識別斑點位置的步驟。該地址識別法在這裡也稱為使用特定「排列」的地址識別。圖47顯示使用特定排列的地址識別的實例。在圖47中，生物分子是以通過302指示的相等間隔隔開，除了生物分子之間的至少一個間隔是通過303指示的不等間隔。當將該不等間隔用作起點時，可以識別任何斑點的地址。
優選地，調整不等間隔。這裡使用的調整是指斑點間隔的變化。調整可以是規則或不規則的。該調整的一個實施例是在二進位數中的00，01，10，00，01，01，01順序。本發明並不限於此。通過改變調整，可以更有效地識別地址。
在特定實施方案中，上述不等間隔可存在於至少兩個方向。優選地，兩個方向中的不等間隔可彼此區別。通過在至少兩個方向使用不等間隔，即使在基底被倒置的情形中讀出數據，也可以可靠地識別地址。優選地，可以存在眾多該不等間隔。此外，在基底上可分散該不等間隔。
在另一個實施方案中，本發明提供了一種生物分子晶片，其包含1)基底；和2)排列在基底上的生物分子，其中生物分子包括可區別的第一生物分子和可區別的第二生物分子，基於第一生物分子斑點和第二生物分子斑點的排列可以識別生物分子的地址。通過提供至少兩類可區別的生物分子，可以僅通過檢測所有生物分子和檢測在接觸樣品後的斑點的步驟識別相互作用的斑點的地址，而沒有識別斑點位置的步驟。該地址識別方法也稱為使用特定「圖案」的地址識別。圖48顯示使用特定圖案的地址識別的實例。在圖48中，第一生物分子311可區別於第二生物分子312。在該實例中，通過使用第二生物分子312作為起點，可以識別任何斑點的地址。
這裡使用的「可區別的」顯示通過至少一種檢測手段(包括但不限於肉眼，螢光測量儀器，分光光度計，放射線測量儀器等)可以進行識別。因此，可區別的生物分子可以是例如，可以通過肉眼識別的分子，或當它被激發時發射不同螢光的分子。「可區別的」還表示通過具有不同水平的相同標記(例如染料量的差異等)可以進行識別。
在其中通過特定排列或特定圖案識別地址的本發明生物分子晶片的一個實施方案中，可將可區別於生物分子的標記放置在生物分子斑點之間。該標記可以是這裡定義的任何標記，優選可以通過與檢測生物分子的上述手段相同的檢測手段來檢測的標記。
在其中通過特定排列或特定圖案識別地址的本發明生物分子晶片的一個實施方案中，通過檢測手段可以檢測上述可區別的標記。該檢測手段的實例包括但不限於能夠檢測生物分子的任何手段，如螢光分析儀器，分光光度計，閃爍計數器，和發光計。
在其中通過特定排列或特定圖案識別地址的本發明生物分子晶片的一個實施方案中，可在基底上以水平方向和垂直方向排列標記。
在其中通過特定排列或特定圖案識別地址的本發明生物分子晶片的一個實施方案中，可以排列同步標記。通過提供同步標記，使地址識別更容易。
在其中通過特定排列或特定圖案識別地址的本發明生物分子晶片的一個實施方案中使用的生物分子可以是天然存在或合成的生物分子。該生物分子的實例包括但不限於蛋白質，多肽，寡肽，肽，多核苷酸，寡核苷酸，核苷酸，核酸(例如包括DNA，如cDNA和基因組DNA，和RNA如mRNA)，多糖，寡糖，脂類，低重量分子(例如激素，配體，信號轉導物質，低重量有機分子等)，和其複合分子等。優選地，生物分子可以是核酸或蛋白質，更優選DNA(例如cDNA或基因組DNA)。在另一個優選實施方案中，生物分子可以是通過擴增方法如PCR或類似方法擴增的DNA。
在另一方面，本發明提供了一種生物分子晶片。該生物分子晶片包含1)基底；和2)排列在基底上的生物分子，其中將存儲屬性數據的斑點排列在與其上排列生物分子斑點的側面相反的基底側面上。通過將存儲屬性數據的斑點排列在生物分子晶片的後側，通過單次讀出操作可以檢測兩種數據，因此可以進行檢驗和/或診斷。優選地，該屬性數據可包含地址信息。該屬性數據可包含生物分子屬性數據等。
在另一方面，本發明提供了一種生物分子晶片，其包含1)基底；2)排列在基底上的生物分子；和3)數據記錄區。通過提供該數據記錄區，可以僅使用一塊生物分子晶片進行檢驗和/或診斷。優選地，可將數據記錄區放置在與其上排列生物分子斑點的側面相反的基底側面上。
在一個方面，本發明提供了用於檢測生物分子晶片標記的方法。該方法包含步驟1)提供一種生物分子晶片，其上排列至少一種標記的生物分子；2)順序轉換用於檢測生物分子晶片上生物分子的檢測元件；和3)識別通過檢測元件檢測的信號。使用該方法，可以在生物分子晶片中有效和實時檢測信號。優選地，該方法另外包含4)合計每個檢測信號。在一個實施方案中，可利用波長分離鏡來分離該信號。在另一個實施方案中，上述生物分子基底可另外包含同步標記，並且基於該同步標記可以識別標記。通過提供同步標記，可以順利地識別地址。在另一個實施方案中，生物分子基底包含生物分子後側的地址信息，並且基於地址信息識別標記。
在另一方面，本發明提供了用於檢驗來自生物的信息的方法。該方法包含步驟1)提供來自生物的生物分子樣品；2)提供本發明的生物分子晶片；3)將生物分子樣品與生物分子晶片接觸，將生物分子晶片放置於導致生物分子樣品和位於所述生物分子晶片之上的生物分子相互作用的條件下；和4)檢測由生物分子導致的信號和由所述相互作用導致的信號，其中所述信號是關於所述生物的至少一種信息參數的指示符，並且所述信號與分配給不等間隔或斑點排列的地址相關。
在本發明用於檢驗關於生物的信息的方法的優選實施方案中，樣品包含蛋白質並且置於生物分子晶片上的生物分子是抗體，或者樣品包含抗體並且置於生物分子晶片上的生物分子是蛋白質。在該檢測方法中，檢測核酸之間的雜交。可以在各種嚴謹條件下進行該雜交。當檢測SNP時，可以使用嚴謹雜交條件。當搜索有關係但就物種而論關係很遠的基因時，可以使用適度的雜交條件。取決於情況，由本領域的那些技術人員從眾所周知的常規技術中可以確定該雜交條件。
在本發明用於檢驗關於生物的信息的方法的優選實施方案中，樣品包含蛋白質並且置於生物分子晶片上的生物分子是抗體，或者樣品包含抗體並且置於生物分子晶片上的生物分子是蛋白質。在該檢測方法中，檢測抗原-抗體反應。可以在各種嚴謹條件下檢測抗原-抗體反應。抗體可以是單克隆抗體或多克隆抗體。優選地，抗體可以是單克隆抗體。抗體可以是嵌合抗體，人源化抗體，或類似物。
在優選實施方案中，本發明的方法另外包含用標記分子來標記生物分子樣品。通過用期望的標記分子來標記樣品，可以使用期望的檢測手段。
在本發明用於檢驗關於生物的信息的方法的優選實施方案中，標記分子可以區別於置於生物分子晶片上的生物分子。通過提供可以區別於生物分子的標記，容易檢測其中發生相互作用的斑點。可以區別於生物分子的標記是指可以通過至少一種上述檢測手段區別於生物分子的標記。
本發明用於檢驗關於生物的信息的方法的優選實施方案中，上述標記分子包含螢光分子，發磷光的分子，化學發光分子，或放射性同位素。在該情形中，可以使用對應於標記分子類型的檢測手段。
本發明用於檢驗關於生物的信息的方法的優選實施方案中，在不同於相互作用發生的位置或在與相互作用發生相同的位置進行信號檢測步驟。當在不同位置進行信號檢測步驟時，可以加密信號。該加密在本領域是眾所周知的。例如，可以利用使用公共密鑰的加密。通過在不同位置進行檢測，可以外包診斷或檢驗。
本發明用於檢驗關於生物的信息的方法的優選實施方案中，方法可另外包含將信號進行過濾以便只提取與所需信息有關的信號。當外包檢驗時為了保護個人信息可能需要該步驟。
在另一方面，本發明提供了診斷受試者的方法。該方法包含步驟1)提供來自受試者的樣品；2)提供本發明的生物分子晶片；3)將生物分子樣品與所述生物分子晶片接觸，並將生物分子晶片放置於導致生物分子樣品和位於生物分子晶片之上的生物分子相互作用的條件下；4)檢測由生物分子導致的信號和由相互作用導致的信號，其中所述信號是關於受試者的至少一種診斷指示符，並且信號與分配給不等間隔或斑點排列的地址有關；和5)測定來自信號的診斷指示符。
在本發明用於檢驗關於生物的信息的方法的優選實施方案中，樣品是核酸，置於生物分子晶片上的生物分子是核酸。在該檢測方法中，檢測核酸之間的雜交。可以在各種嚴謹條件下進行該雜交。當檢測SNP時，可以使用嚴謹雜交條件。通過將與特定疾病相關的核酸置於生物分子晶片上，由雜交導致的信號可能是關於特定疾病的指示符。
在本發明用於檢驗關於生物的信息的方法的優選實施方案中，樣品包含蛋白質並且置於生物分子晶片上的生物分子是抗體，或者樣品包含抗體並且置於生物分子晶片上的生物分子是蛋白質。在該檢測方法中，檢測抗原-抗體反應。可以在各種嚴謹條件下檢測抗原-抗體反應。通過將與特定疾病或狀況相關的蛋白質或抗體置於生物分子晶片上，檢測信號可能是與特定疾病或狀況相關的指示符。
在本發明用於檢驗關於生物的信息的方法的優選實施方案中，方法另外包含用標記分子標記樣品。通過用期望的標記來標記樣品，可以使用期望的檢測手段。標記分子可以是可區別於置於上述生物分子晶片上的生物分子。通過提供可以區別於生物分子的標記，容易檢測其中發生相互作用的斑點。
在本發明用於檢驗關於生物的信息的方法的優選實施方案中，上述標記分子可以包含螢光分子，發磷光的分子，化學發光分子，或放射性同位素。在該情形中，可以使用對應於標記分子類型的檢測手段。
在本發明用於檢驗關於生物的信息的方法的優選實施方案中，診斷指示符可以是關於疾病或紊亂的指示符。在另一個實施方案中，診斷指示符可以是基於單核苷酸多態性(SNP)。該診斷指示符可以是與遺傳病有關。在另一個實施方案中，該診斷指示符可以是基於蛋白質的表達水平。該診斷指示符可以是基於生物化學檢驗的檢驗結果。可以使用基於生物化學檢驗的眾多檢驗值。
本發明用於檢驗關於生物的信息的方法的優選實施方案中，在不同於相互作用發生的位置或在與相互作用發生相同的位置進行測定步驟。當在不同位置進行測定步驟時，本發明可另外包含加密信號。通過在不同位置進行檢測，可能外包診斷或檢驗。該外租對應於工業上可應用的工作。
本發明用於檢驗關於生物的信息的方法的優選實施方案中，方法可另外包含將信號進行過濾以便只提取與所需信息有關的信號。當外包檢驗時，為了避免個人信息的過度洩漏來保護個人信息可能需要該步驟。
本發明用於檢驗關於生物的信息的方法的優選實施方案中，在檢測步驟中生物分子屬性數據是埋藏的，並且在測定步驟中個人信息數據是埋藏的。因此，防止診斷所需的整個信息被集中在一個人或實體中，由此保護個人信息。
在另一方面，本發明提供了關於生物的檢測裝置信息。該裝置包含1)本發明的生物分子晶片；2)與生物分子晶片流體相通的加樣部分；3)用於控制置於生物分子晶片之上的生物分子和從所述加樣部分施加的生物分子樣品之間接觸和相互作用的反應控制部分；和4)用於檢測由於所述相互作用導致的信號的檢測部分，其中所述信號是生物的至少一種信息參數的指示符，並且信號與分配給不等間隔或斑點排列的地址有關。該裝置可以進行生物信息檢驗而無另外的地址識別。
在優選實施方案中，本發明的檢測裝置另外包含用於接收和發送信號的部分。通過提供用於接收和發送信號的部分，可以向外部或從外部發送或接收信息。可以將該發送和接收部分與記錄器驅動器如軟盤驅動器，MO驅動器，CD-R驅動器，DVD-R驅動器，或DVD-RAM驅動器；或網絡，如網際網路或內聯網相連。
在優選實施方案中，本發明的檢測裝置另外包含用於記錄信號的區域。通過提供記錄區，可以存儲檢驗結果。當多次使用檢測裝置時，可以互相比較存儲的檢驗結果。
在另一方面，本發明提供了用於受試者的診斷裝置。該裝置包含1)本發明的生物分子晶片；2)與生物分子晶片流體相通的加樣部分；3)用於控制置於生物分子晶片之上的生物分子和從所述加樣部分施加的生物分子樣品之間接觸和相互作用的反應控制部分；和4)用於檢測由於生物分子導致的信號和由於所述相互作用導致的信號的檢測部分，其中所述信號是生物的至少一種信息參數的指示符，並且信號與分配給不等間隔或斑點排列的地址有關；和5)測定來自信號的診斷指示符。該裝置可以進行受試者信息檢測而無另外的地址識別。
在優選實施方案中，本發明的檢測裝置另外包含用於接收和發送信號的部分。通過提供用於接收和發送信號的部分，可以向外部或從外部發送或接收信息。可以將該發送和接收部分與記錄器驅動器如軟盤驅動器，MO驅動器，CD-R驅動器，DVD-R驅動器，或DVD-RAM驅動器；或網絡，如網際網路或內聯網相連。
在優選實施方案中，本發明的檢測裝置另外包含用於記錄信號的區域。通過提供記錄區，可以存儲診斷結果。當多次使用檢測裝置時，可以互相比較存儲的診斷結果。
在另一方面，本發明提供生物檢驗系統，其包含A)主子系統，其包含1)本發明的生物分子晶片；2)與生物分子晶片流體相通的加樣部分；3)用於控制置於生物分子晶片之上的生物分子和從所述加樣部分施加的生物分子樣品之間接觸和相互作用的反應控制部分；和4)用於檢測由於生物分子導致的信號和由於相互作用導致的信號的檢測部分，其中所述信號是生物的至少一種信息參數的指示符，並且信號與分配給不等間隔或斑點排列的地址有關；5)用於發送和接收信號的發送和接收部分，和B)輔助子系統，其包含1)用於發送和接收信號的發送和接收部分；和2)用於計算來自從所述主子系統收到的信號的檢驗值的檢驗部分，其中主子系統和輔助子系統是通過網絡連接在一起的。
優選地，主子系統和輔助子系統是通過網絡連接在一起的。
在另一個優選實施方案中，輔助子系統接收的信號包含與輔助子系統測量的測量數據有關的信號。
更優選地，屬性數據包含晶片ID，個人信息數據，和生物分子屬性數據；主子系統包含晶片ID和個人信息數據，但不包含生物分子屬性數據，輔助子系統包含晶片ID和生物分子屬性數據，但不包含個人信息數據，並且輔助子系統將響應於請求測定的檢驗值發送給主子系統。因此，本發明的生物檢驗系統防止信息洩漏給第三方。如果信息被洩漏，在檢驗生物過程中可保護隱私。在優選實施方案中，加密待發送和接收的信號。
優選地，上述網絡可以是網際網路或其它網絡(例如內聯網等)。
在另一方面，本發明提供了診斷系統，其包含A)主子系統，其包含1)本發明的生物分子晶片；2)與生物分子晶片流體相通的加樣部分；3)用於控制置於生物分子晶片之上的生物分子和從所述加樣部分施加的生物分子樣品之間接觸和相互作用的反應控制部分；4)用於檢測由於生物分子導致的信號和由於相互作用導致的信號的檢測部分，其中所述信號是生物的至少一種信息參數的指示符，並且信號與分配給不等間隔或斑點排列的地址有關；和5)用於發送和接收信號的發送和接收部分，和B)輔助子系統，其包含1)用於發送和接收信號的發送和接收部分；和2)用於測定來自從所述主子系統收到的信號的診斷指示符的測定部分。主子系統和輔助子系統是通過網絡連接在一起的。在優選實施方案中，加密待發送和接收的信號。
優選地，輔助子系統收到的信號包含與輔助子系統測量的測量數據有關的信號。更優選地，屬性數據包含晶片ID，個人信息數據，和生物分子屬性數據，主子系統包含晶片ID和個人信息數據，但不包含生物分子屬性數據，輔助子系統包含晶片ID和生物分子屬性數據，和測定來自生物分子屬性數據的診斷指示符的數據，但不包含個人信息數據，並且輔助子系統將響應於請求測定的診斷指示符發送給主子系統。因此，本發明的診斷系統防止信息洩漏給第三方。如果信息被洩漏，在診斷過程中可保護隱私。
優選地，上述網絡可以是網際網路或其它網絡(例如內聯網等)。
在另一方面，本發明提供用於生物信息的檢驗裝置，其包含基底，用於基底的支座；排列在基底上的多組生物分子，每組包含相同類型的生物分子；移位基底的移位裝置；激發標記待檢驗樣品的螢光物質的光源；和匯聚來自光源的光的光學裝置。響應於間歇發射的信號，光源間歇地發光以便激發螢光物質，在間歇發射信號中止的時段中通過光檢測器檢測來自螢光物質的螢光，從DNA的排列複製識別信息，並且識別生物分子發射的螢光。
優選地，檢驗裝置另外包含合計檢測的檢測信號的裝置。在另一優選實施方案中，檢驗裝置另外包含波長分離鏡。
在另一方面，本發明提供了本發明的生物分子晶片製備檢驗生物信息的裝置的用途。
在另一方面，本發明提供了本發明的生物分子晶片製備診斷受試者的裝置的用途。
在另一方面，本發明提供了本發明生物分子篩選藥物和製備用於篩選藥物的裝置的用途。本發明還提供了用於藥物篩選的生物分子晶片。本發明還提供了用於藥物篩選的篩選裝置。本發明還提供了使用本發明生物分子晶片篩選藥物的方法。這些方法，裝置和生物分子晶片具有通過與檢測和診斷生物分子相同的原理構成的基本結構，其可以由本領域的技術人員根據本說明書來實現。
在下文中，將通過舉例說明最佳方式實施方案的實施例來描述本發明。以下所述的實施例只是為了舉例說明的目的。因此，本發明的範圍只由權利要求的範圍而不是實施例所限制。
實施例以下，將參考圖1-46通過實施例來描述本發明最佳方式的實施方案。
(實施例1生物分子晶片的製備實例(1))在本實施例中，將描述將具有不同序列的捕捉DNA 2排列和固定在基底1上的方法。
圖1(a)是DNA斑點2的頂視圖，其中按照本發明將一組具有特定序列的DNA片段以圓點的形狀固定在基底1上。圖1(b)是其橫斷面圖。基底1通常是由玻璃製成並且可以由塑料製成。基底1的形狀可以是類似DNA晶片的正方形或圓形。每個DNA圓點2包含不同的捕捉DNA，其是被固定在基底1上。在微陣列的情形中DNA圓點的大小是100-200μm的直徑，在DNA晶片的情形中為10-30μm。
參照圖2和3將描述形成DNA斑點的方法。如圖2所示，(1)顯示捕捉DNA 3。省略了製備捕捉DNA的方法。將捕捉DNA和具有受試者標記的標記DNA進行雜交以便預測受試者DNA的序列。(2)顯示包含捕捉DNA 3的DNA溶液4。(3)顯示DNA微膠囊6，其中DNA溶液4被覆蓋物5所覆蓋。(4)顯示容器11，其中DNA微膠囊6被分散在溶液8中。(5)顯示微膠囊9，其中收集在(4)中顯示的DNA微膠囊6並用輔助膜(sub-membrane)與溶液8一起密封。
該微包囊化使得可以獨立選擇兩種溶液，即DNA的主溶液4和DNA微膠囊的輔助溶液8。作為DNA溶液4，可以選擇對於DNA最適的溶液或將DNA 3固定到基底1所需的溶液。作為輔助溶液8，可以選擇當在PIN法或噴墨法中將DNA排列在基底1上時具有最適粘度或者洗滌附著力的溶液。
圖3顯示通過針釘斑點法將第1-第K個DNA斑點排列在基底1上的方法。最初，在託盤12上，以DNA號的順序排列數百至數千個包含具有不同序列的捕捉DNA的容器11(圖2(4))。如圖4(1)，(2)，(3)和(4)所示，在(1)上移動的針14被移動以便DNA微膠囊可以從DNA容器11附著在移動的針14上；在(2)和(3)上，DNA微膠囊溶液附著在針13的尖端；在(4)上，在洗滌部分15中洗滌移動的針14，去除第n個DNA，其後，將第n+1個DNA附著在移動的針14上。返回圖3，將第1個-第K個DNA相繼附著在紋釘滾筒16上的針13上，其被特定的間隔分隔。
然後隨著紋釘滾筒16旋轉附著的DNA被相繼附著在基底1上。從而將DNA 3排列在基底1上。假定將最小DNA間隔的一半定義為t，圖3顯示DNA被間隔1t，2t，3t和5t隔開。
參照圖7將描述在附著的DNA微膠囊6和輔助溶液8中DNA的固定，即將捕捉DNA固定在基底1上。如圖7(1)所示，將DNA微膠囊6和輔助溶液4附著在基底1上。輔助溶液4的汽化溫度低於膜6的熔點。因此，當在(2)中溫度輕微增加時，輔助溶液4被蒸發，僅剩下微膠囊6。當在(3)將溫度進一步提高到膜6的熔點時，膜6熔化以致熔化的膜6的流體，主溶液4和捕捉DNA 3與溶液混合。在該情形中，膜6可以是由汽化溫度低於主溶液的汽化溫度的材料製成並且膜6可以被蒸發。已經將基底1的表面進行表面處理以致DNA容易地固定在表面上。因此，如圖8所示在(4)中將捕捉DNA 3固定在基底1上。部分或全部主溶液4在(5)中乾燥並在(6)中洗滌，由此完成DNA斑點2。
在本發明中，調整DNA斑點2a，2b和2c的排列以向其中引入位置信息。依照該位置信息，可以確定各個DNA斑點2的位置順序。同時，如圖5所示，DNA斑點區17和數據區18彼此分隔開。在數據區，調整基底ID19，用於DNA斑點位置和DNA斑點ID的DNA號對應表20，和DNA自身的序列數據21(生物分子屬性數據)(數據結構示於圖5(2)中)，並記錄在斑點圖案中。通過XY掃描儀可讀取斑點圖案。因此，可通過XY掃描儀讀取DNA斑點的排列數據。備選地，使用使樣品能產生螢光的激發雷射器可以讀出數據區的數據。圖6顯示DNA基底屬性數據的具體實例。在從工廠裝運前已經將DNA基底ID 19，顯示DNA號和位置信息之間對應關係的DNA號-位置對應表20，和顯示每個DNA的DNA序列的DNA序列數據21作為數據記錄在數據區。注意使用加密密鑰將DNA號的DNA序列數據加密，然後記錄。個人DNA數據是必須嚴格保護的高度個人隱私的信息，因此使用公用密鑰，如RSA，橢圓碼(ellipse code)或類似物，或高位加密密鑰(high-bit encryption key)來加密。因此，即使包含受試者信息的DNA晶片或DNA基底流失，沒有加密密鑰(encryption key)不能讀取具體DNA斑點的DNA序列。因此，可以防止個人DNA信息洩漏。還可能為了改善安全性而將DNA序列數據21積存在DNA管理中心而不將數據記錄在DNA晶片上。用戶通知DNA管理中心DNA基底ID 19和標記的DNA 22和DNA斑點2之間的反應，即螢光水平的數據。接下來，中心使用DNA基底ID 19從DNA基底資料庫搜索的每個DNA斑點的DNA序列。中心另外分析DNA斑點和標記的DNA22的反應結果，DNA序列-疾病對應數據來診斷和預測疾病(在人的情形中)，並以密碼形式只發送必需的信息給實驗室醫療技術人員或醫生。使用該系統，可以防止秘密信息不適當的洩漏。
(實施例2生物分子晶片的製備實例(2)噴墨法)以上已經描述針釘斑點法。接下來，將描述利用噴墨將DNA附著在基底上的方法。圖9是顯示噴墨(氣泡噴墨)附著裝置的結構圖。噴墨噴嘴24包含含有DNA的微膠囊9a，9b和只含有主溶液4的空微膠囊23a，23b，23c，23d，它們是由墨水供應部分25供應的。特定的空膠囊包含顯示地址信息的特定染料。主控制部分28發送噴射命令給噴射信號產生部分29，然後是噴射控制電路27。結果，噴射部分26產熱以致產生氣泡。氣泡導致微膠囊9a被噴向基底。噴射空微膠囊23b，23c。然而，空微膠囊23b，23c不是必需的。當光檢測器31檢測空微膠囊時，去除信號產生部分30發送去除信號給不必需的液體去除部分32。在不必需的液體去除部分32中，將偏移場(deviation field)施加在偏移部分33上以便如虛線箭頭34所示將空微膠囊23中的不必需的液體去除並且不到達基底。
光檢測器31具有濾光片31g，31h，31i(R，G，B等)，因此可以檢測空微膠囊的顏色信息。光檢測器31還具有計數部分111。第一個計數器111a計算微膠囊組(microcapsule block)的數量。第二個計數器111b計算DNA微膠囊的數量。第三個計數器111c計算空微膠囊的數量。當存在四種顏色時，從一組空微膠囊獲得2位地址數據。從8空微膠囊獲得16位地址數據。當16位中的2位被用作檢驗位時，可以精確地校驗微膠囊的順序，排列，或數量是否錯誤。因此，可以有利地防止不正確地附著。即使當微膠囊無色時，通過連續噴射1，2，3，或4個微膠囊可以獲得2位。當使用8組時，可以獲得16位，即可以獲得與上述相同大小的地址數據。經由地址輸出部分31p將通過光檢測器31獲得的微膠囊的地址信息發送至主控制部分。基於地址信息，可以識別DNA號。例如，如在圖15的流程圖步驟68m中所示，如果微膠囊使具有DNA號碼n的DNA膠囊數量大1，則下述的去除部分去除該微膠囊。
在另一方面，基於來自移位量檢測器35的信號，通過移位部分37將基底1移位預定的量，以便如圖10(4)所示將DNA斑點2a-2h附著在基底1上，所述移位部分37是由移位量控制電路36控制。
接下來，將描述圖15的流程圖。最初，步驟68a設定m＝0，n＝1。如果在步驟68b檢測同步膠囊序列，在步驟68c中第一個計數器111a的膠囊組號m增加1。在步驟68d中校驗m是否是最後的號碼。在步驟68f中校驗第m個組中的空微膠囊的排列和順序。如果步驟68g的結果不正確，則流程轉至步驟68m。如果微膠囊的數量比參考數大L，則在步驟68n中對於L膠囊輸出噴射信號(＝1)。輸出去除信號(＝1)以便去除膠囊。進行該操作L次以導致排列正常，然後流程返回到步驟68g。如果步驟68m的結果是NO，則流程轉至68p。如果微膠囊的數量比參考值小L，則在步驟68q中停止噴射對應於L微膠囊的時間(clocks)。在這個時間中，遺漏了DNA斑點2。因此，將缺陷組標記(defect block flag)設置為1，其被記錄在DNA基底2上的數據區18中，顯示存在缺陷。通過將地址增加L來糾正地址計數器112或地址組計數器113中微膠囊的地址。
現在，流程返回到步驟68g。在步驟68h中校驗DNA微膠囊的數量。如果結果是OK，則在步驟68i中對於一個單位將噴射信號設置為ON並且將去除信號設置為OFF。在該情形中，噴射微膠囊結果形成一個DNA斑點。在該情形中，據判斷無缺陷，將DNA微膠囊的地址增加1(步驟68k)。然後流程返回步驟68b。因此，可以形成包含相應DNA的DNA斑點2。
現在，將參照圖11描述利用噴墨的噴射程序。在(1)，(2)中，包含第n個DNA的微膠囊9a與噴嘴24的尖端接觸。當將電壓施加到(2)中的噴射部分26時，產生氣泡以致在(3)中微膠囊9a被噴射並附著於(4)中的基質1上。該方法稱為氣泡噴墨。可以提供壓電器件而不是噴射部分26來獲得相同的效果。在該情形中，在壓電噴墨法中通過向壓電器件施加噴射電壓，噴射微膠囊。同時，包含第(n+1)個DNA的微膠囊9b與尖端部接觸。當在(5)中施加噴射電壓時，微膠囊9b被噴向基底1。在(6)中，第(n+2)個微膠囊9c被運送至尖端部分。在該情形中，顯示同步標記的三個連續空微膠囊23c，23d，23e中的空微膠囊23d，23e存在於光檢測器31a，31b上。這些空微膠囊具有高水平的透射率，用光檢測器31檢測它們兩個。膠囊是作為同步標記來檢測的。因此，認為在這些微膠囊之後的微膠囊9d含有來自對應表的第(n+3)個DNA。因此，可以防止由於微膠囊的移位導致的具有錯誤號碼的DNA的噴射。同步標記是由2，3，或4個空膠囊組成。一組可包含2位數據。將同步膠囊用來將DNA自身與它的DNA號碼匹配，以便可以噴射匹配的DNA。如果如在圖15的步驟68p中未噴射具有特定號碼的DNA，則在圖5的數據區記錄缺少信息。如圖12所示，例如，眾多第(n+1)個DNA斑點是作為DNA斑點3a，3b，3c形成。因此，缺少DNA斑點不會導致問題。在(7)中，同步膠囊23d，23e與尖端部分接觸。這些膠囊不包含DNA並且是不必需的。因此，在(8)中施加去除信號，使膠囊偏離並通過不必需的液體去除部分32去除，使得膠囊未到達基底1。去除電路可以防止不必需的物質附著在基底1上。
參照圖10將描述光檢測信號，噴射信號，去除信號和DNA斑點的排列。最初，按照圖10(3)中的移位時鐘來作業系統。最初，由於如圖(1)所示DNA膠囊具有低水平的光透射比，與(4)中噴射信號同步檢測DNA膠囊。如(2)所示檢測同步膠囊，因為兩個光檢測器31a，31b都被打開。如(4)所示，對於包含DNA的微膠囊和不包含DNA的同步膠囊都產生噴射信號。然而，在(2)的檢測信號之後與噴射信號同步產生(5)的去除信號以便去除所有的同步膠囊。在本發明中，為了指定每個DNA斑點2的DNA號碼，如(11)所示將位置數據，如地址等作為DNA斑點之間的間隔來埋藏。當位置數據長度為12位時，如(10)所示將位置數據分為00，01，10，00，和01，其中00對應於3個時鐘(clock)的標記間隔並且01，10和11分別對應4t，5t和6t。因此，進行間隔調整。另外，存在具有10t間隔的同步標記37。使用該方法，當形成DNA斑點時可埋藏位置信息。因為獲得了每個DNA斑點的地址，從圖6中所示的DNA號碼位置信息20獲得用於同步標記的第一個DNA斑點的DNA號碼。因此，在本發明中，可以識別所有DNA斑點2的DNA號碼。通過使用記錄在圖6基底1中DNA號碼的序列信息21可以獲得所有DNA斑點的序列信息。因為獲得了地址，當讀出DNA斑點的位置時不需要絕對的精確。因此，不需要高精度的XY掃描儀和可以用低精度裝置製備和讀取DNA斑點，由此可以供應便宜的DNA檢驗裝置。在現有技術中，為了提高DNA斑點的密度要求高精度的製備和讀取裝置。在本發明中，用低精度的製備和讀取裝置可以獲得高密度。另外，由於如圖6所示在相同基底1上記錄DNA斑點的屬性數據，有利地消除錯誤讀出DNA特徵的可能性。
除圖9的系統之外，圖30顯示輔助噴嘴116，輔助噴射部分114，和輔助溶液供應部分115。微膠囊和來自輔助溶液供應部分115的輔助溶液供應輔助噴嘴116。
將從(1)至(6)依次描述操作。在(1)，(2)和(3)中，運送DNA膠囊9a，並且在(4)中噴射。在(5)中，從輔助溶液供應部分115釋放大量的輔助溶液，然後通過去除部分32去除。在(6)中，運送DNA微膠囊9b。在該方法中，用輔助溶液洗滌噴嘴的內部，由此可以防止DNA的混合。
(珠粒法)以下，描述衍生自噴墨法的珠粒法。圖49(a)是DNA珠粒320的橫斷面視圖，DNA珠粒320由透光球形珠粒和其中固定探針DNA或捕獲DNA的圍繞球形珠粒的DNA層321組成，所述球形珠粒由玻璃或塑料製成，並在核中具有幾十至幾百微米的直徑。圖49(b)是用於標記的標記珠粒322的橫斷面視圖，其由吸收特定波長光的玻璃或塑料製成的球形珠粒組成。
圖50(a)是顯示在第(n+1)步驟供應第(n+1)個珠粒的第(n+1)個珠粒供應部分的原理的圖表。由於與圖9實質上相同的操作，省略了珠粒320的噴射操作描述。
從珠粒供應部分25順序噴射具有第(n+1)個捕捉DNA的DNA珠粒320b，吸收特定波長光的間隔珠粒323a，323b和323c，DNA珠粒320ba和間隔珠粒323d，323e和323f。如圖50(b)的圖表所示，其顯示光密度I，由於當光從光源325經過間隔珠粒323時導致的光衰減，通過光檢測器31檢測部分衰減的信號。從而，可通過第一計數器111a計數在光檢測器31前經過的間隔珠粒323數目。由於DNA珠粒320不衰減透射光並且在圖50(b)中的光密度信號中於t＝t4和t＝t8處不衰減光密度，可檢測DNA珠粒320的存在。從而，可通過第二計數器111b計數經過的DNA珠粒320的數目。
通過噴射珠粒，珠粒朝向由箭頭326指向的方向，一個第(n+1)DNA珠粒320bb和多個間隔珠粒323m傳輸到玻璃管中以形成DNA陣列。在先前的第n個步驟中，通過珠粒供給部分335a，已將具有第n個捕捉DNA序列的一個DNA珠粒320a傳輸到玻璃管327中。因此，DNA珠粒320a已經存在於玻璃管327的左側部分。
在已經於第(n+1)步驟供給第(n+1)DNA珠粒320bb後，通過另一個供給部分將具有第(n+2)捕捉DNA的DNA珠粒320傳輸到玻璃管327中，所述DNA珠粒320由在第(n+2)步驟中供給第(n+2)DNA的第(n+2)珠粒供給部分335b。在重複上述步驟後，可將幾百種類型的DNA珠粒320傳輸到玻璃管327。
因此，如圖51(a)所示，第n個DNA珠粒320a，第(n+1)個DNA珠粒320b和第(n+2)個DNA珠粒320c順序排列在玻璃管327中，並且那些DNA珠粒320由間隔珠粒323間隔。最終可排列幾百種類型的DNA珠粒。接下來，進行熔融間隔珠粒的步驟。整個玻璃管327的溫度增加到T0或高於T0。通過將T0設定為一個溫度，例如高於間隔珠粒323材料的熔點10℃，間隔珠粒323熔化並流向由箭頭328指示的方向，然後，間隔珠粒從玻璃管327消失。因此，如圖51(c)所示，DNA珠粒320z，320a，320b，320c，320d，320e，320f彼此臨近排列。實際上，為了識別地址，吸收具有特定波長的光的標記珠粒322a，322b以預定的間隔排列。因此，完成了珠粒型DNA陣列329。圖52是顯示整個標準化DNA陣列329示意圖。在該DNA陣列329的尖端，臨近排列識別地址的兩個標記珠粒322a，322b。它們隔壁排列10個連續的DNA珠粒320，一個標記珠粒322c，和一個標記珠粒322d，然後，臨近排列兩個標記珠粒322e，322f。當將兩個臨近標記珠粒的地址定義為「11」時，通過標記珠粒可以識別地址。因此，排列更多的DNA珠粒，可更精確地識別地址，從而導致減少錯誤檢測。隨後，分開排列一個標記珠粒322g和一個標記珠粒322h。在陣列的末端，存在防止DNA珠粒320流出的蓋帽328。
很難一個接一個地在玻璃管中插入具有幾十至幾百微米直徑並且具有不同DNA序列的微小珠粒。在描述於圖50和51的本發明方法中，將一組一個DNA珠粒和在該DNA珠粒前後的多個間隔珠粒按一組處理。由於珠粒以一組傳輸，通過核對其尾部計數該組中多個珠粒，可以完全噴射一個DNA珠粒。即使噴射的間隔珠粒的數目波動1個或兩個，由於控制了DNA珠粒的數目而僅噴射一個DNA珠粒。即使所噴射的在一組中DNA珠粒前後的間隔珠粒比指定的數目多或少一個或兩個，由於這些間隔珠粒將在隨後的加熱步驟消失，因此DNA陣列的排列整體上不受影響。因此，本方法具有噴射可噴射的指定數目(如一個)的DNA珠粒。
參考圖53將描述形成包含多個DNA珠粒的微膠囊的方法。如圖53b所示，通過使用圖50中描述的程序等將由包含多個DNA珠粒320a的微膠囊9組成的微膠囊9a(小於微膠囊9)和由包含多個DNA珠粒320b的微膠囊9組成的微膠囊9b排列在玻璃管327中，所述DNA珠粒320a具有第n個捕捉DNA，所述DNA珠粒320b具有第(n+1)個捕捉DNA，那些微膠囊9a和9b由標記珠粒322a，322b和322c間隔。然後，相對於參考環境溫度0℃將玻璃管的溫度升高T0(即10℃)，使得微膠囊9的包囊329熔化。因此，包囊329變為流動液體，並且如圖53c所示，在標記珠粒322a，322b和322c間排列多個DNA珠粒320a，320b。當珠粒的直徑變小時，由於珠粒的總表面積變大而使得敏感性增加。通過如圖53d所示連續排列兩個或三個標記珠粒，如標記珠粒322g和322h，可埋藏包含多個信息的地址信息。
(複製生物分子珠粒的方法)將描述圖54a所示讀取來自包含生物分子珠粒的玻璃管327的信息的方法。
通過將樣品經過至玻璃管327中，固定在DNA珠粒表面上生物分子層中的生物分子與用螢光標記的樣品中的生物分子如DNA等雜交。然後，洗掉樣品，得到包含用螢光團標記的特定DNA珠粒320的玻璃管。
為了讀取在該玻璃管中珠粒上的信息，使用圖14所示的檢測裝置，其中如圖51c，52或54a所示用玻璃管327代替基底1。通過使用基底移位部分57將玻璃管327朝向由箭頭指示的方向移動用光照射到珠粒上，觀察來自那裡的反射光，透射光，螢光等以識別雜交狀態來分析生物分子的結構。首先，將已被匯聚的發射自激發光源40的光如雷射等照射到玻璃管327中的珠粒上。相對於玻璃管327，將反射器343排列在光源40的對側。當將光匯聚到DNA珠粒上時，由於DNA珠粒是可透過光的，使得光透過DNA珠粒。透射光被反射器343發射而在透過DNA珠粒320等，並通過透鏡42和鏡子41。然後，由檢測部分43檢測透過DNA珠粒的光作為電信號。另一方面，當光匯聚到標記珠粒時，由於標記珠粒吸收光導致光衰減。因此，由反射器343反射的光也衰減，並光在通過標記珠粒後進一步衰減。因此，在檢測部分343產生的電信號變小。從而，伴隨使用基底移位部分57將玻璃管327移向箭頭指示的方向，按照標記珠粒的順序間歇中斷的在檢測部分43產生的調製信號由主信號複製部分69複製。在如圖52所示在玻璃管327中排列珠粒的情況下，在標記珠粒數目少的第一個區域中一部分兩種連續標記珠粒322a，322b和一部分單個標記珠粒322c之間的珠粒數目的差異用作同步信號以解調地址信息。然後，如圖54a所示，通過將透射光標記珠粒333翻譯為「1」，將吸收光標記珠粒334翻譯為「0」，複製了數據排列「0101011....」。該數據排列包含識別玻璃管327的識別信息。因此，可從彼此識別玻璃管。
主檢測系統174包含檢測部分175，並且在該檢測部分175中包含圖14的檢測部分。通過通信部分176和通信路徑177如網際網路等，玻璃管327的識別信息傳輸到子檢測系統178。資料庫184包含晶片ID，其是指示玻璃管中DNA珠粒順序狀態的數據。這些數據通過通信路徑177傳輸到主檢測部分174的診斷系統187。從而，可以識別用螢光團標記的DNA珠粒320上固定的生物分子的DNA序列，然後，可以假定來自樣本的DNA，RNA或蛋白質的結構。基於該結構，診斷部分188診斷來自取樣的樣本的器官的疾病。如上所討論，依照本發明，由於通過同樣的檢測系統可以獲得識別信息，有利地消除了錯誤讀取DNA屬性的可能性，從而導致更可靠的檢測或診斷。
(埋藏數據的方法)在圖54a和54b中描述了依照標記珠粒322的順序狀態儲存DNA陣列329的屬性信息的方法，所述屬性信息例如廠商名稱，獨特號(uniquenumber)如ID號，捕捉DNA(探針)的序列圖案號。如圖54a所示，在讀取DNA陣列329中珠粒的末端部分如起始部分或末端部分中提供信息儲存區330。該陣列包含表達信息的區域，其在起始標記331和末端標記322之間包含透射具有特定波長的光的透射光標記珠粒和衰減具有特定波長的光的吸收光標記珠粒，所述起始標記331由5個標記珠粒322a，322b，322c，322d和322e組成，所述末端標記332由5個標記珠粒322f，322g，322h，322i和322j組成。在圖54a的情形中，通過將透射具有特定波長的光如600nm紅光的標記珠粒333a翻譯為「0」，將衰減光的標記珠粒334a翻譯為「1」，可以通過使用具有特定波長的光讀取24位數據「010101100110100110101010」。
接下來，在圖54a中，當用紅光(R光)讀取時，標記珠粒333a透射紅光，當用藍光(B光)讀取時，珠粒也透射B光。因此，認為標記珠粒333a是透射光的，並指定為符號「00」。認為標記珠粒333b是藍色的並指定為符號「10」，因為它阻斷R光而透射B光。認為標記珠粒322c是紅色的並指定為符號「01」，因為它透射R光而阻斷B光。對於標記珠粒322d，指定為符號「11」，因為它既不透射R光也不透射B光。
(排列放大的珠粒的方法)
圖55a顯示結合DNA珠粒320的玻璃管327，所述DNA珠粒320中固定了各種DNA序列，其中DNA珠粒320上用兩層塗層覆蓋，所述塗層由具有T1熔點的第一殼338和具有T2熔點的第二殼339組成。然後，加熱玻璃管327，以產生溫度圖譜，其由位於溫度T＝T0的第一區340，位於升高的溫度T1＞T0的第二區341和位於進一步升高的溫度T2＞T1的第三區342組成。因此，如圖55b所示，由於第二殼339的溶解，DNA珠粒變小，如在第二區341的DNA珠粒320d。在第三區342，由於第一殼338的溶解，DNA珠粒320c變得更小，如DNA珠粒320b。通過重複該程序，在玻璃管327中排列無殼DNA珠粒320z等。在該方法中，由於以放大的狀態排列珠粒，變得容易處理珠粒。另外，由於用第一和第二殼保護DNA珠粒，在該過程中存在剝離探針的可能性。另外，可以使用乾燥的方法。
(實施例3生物分子晶片的製備實例(3)管制法)接下來，將描述按照本發明製備生物分子晶片的具體方法和其結構，其中作為實例將描述光纖匯聚系統。注意儘管在實施例3中將光纖匯聚類型製備方法用作實例，可以將通過排列生物分子斑點埋藏數據(例如地址，晶片ID等)的方法，其是本發明的特徵，用於其它方法，如PIN法，噴墨法，半導體掩模法等。
在該方法中，最初，將對應於特定DNA，RNA和蛋白質的探針131與凝膠溶液一起以凝膠形式從包含探針131的容器132注入中空線狀管130。將不同探針131a，131b，131c，131d等注入各自的管130a，130b，130c，131c，130d等，然後如圖33(b)所示將其在X方向，即水平地包紮以形成薄板133。接著，堆疊包紮的薄板133a，133b以便將管130以矩陣方式排列以形成如圖33(c)所示的塊137。可以以圓形的方式排列管以形成柱狀塊。
在本發明的一個實施方案中，將用於顯示地址或數據的標記的標記管134放置在組中。注意在第二種方法中，將標記管136放置在組中，所述組包含探針溶液135或管130，其中包含用於反射、吸收、或發射具有特定波長的螢光的物質。下面將詳細描述標記管136。儘管圖33(c)顯示10×10的矩陣，實際的矩陣的邊為數百至數千個管。
在Z方向將塊137切片，以便完成晶片138。將晶片138固定在固定板139上。固定板139是用來固定晶片，可以包含用於存儲樣品的容器，並且以此形式運送。不修飾地使用固定板139來進行檢驗。在固定板上，以條形碼，字符，或位模式(bit pattern)的形式記錄固定板ID 140，其依賴於對應的探針特性而變化。通過按照本發明埋藏數據的方法將用於管理過程控制的晶片ID或晶片的屬性數據記錄在第一個薄板133a中。可以將該屬性數據用於識別具有不同探針序列的晶片。因此，通過校驗，當不正確的固定板ID140被提供給晶片138時可以檢測。
(用於埋藏數據的方法)將每個探針斑點放置在晶片138上。將數據埋藏在斑點的排列中。這裡將包含用於檢測DNA或蛋白質的探針131的斑點稱為DNA斑點2。該斑點還可稱為生物分子斑點。現在，將描述用於埋藏數據的方法。具體地，如圖35(3)所示，例如，將10個生物分子斑點141e至141p排列在x方向。將兩個標記斑點142a，142b置於左端並將三個標記斑點142c，142d，142e置於右端。首先，將描述其中標記斑點不包括生物分子的情形。稍後將描述其中標記斑點包括生物分子的情形。
標記斑點在特定波長方面具有不同於生物分子斑點141的光學性質。具體地，標記斑點具有不同於生物分子斑點的關於特定波長的反射率或吸光率，或者存在或不存在關於特定波長的螢光或者螢光的強度。因此，標記斑點可明確區別於生物分子斑點141。例如，當在關於激發光或照射的反射或吸收方面有差異時，如圖35(3)中陰影線所示，標記斑點在光學上可以明確區別於生物分子斑點。關於激發光當標記斑點142的螢光波長不同於生物分子斑點141的螢光波長時也可以獲得相同的效果。在圖35(4)中舉例說明了通過使用具有特定波長的光照射標記斑點而獲得的反射光或螢光的強度。將(3)中的一組標記斑點142共同稱為識別標記143。將2位代碼，「10」，「11」等分配給各自的識別標記143e，143f。圖35(2)顯示包括識別標記143e，143f的全圖，其中省略了識別標記之間的生物分子斑點141部分。該圖顯示7個識別標記143a-143g，分別分配了代碼00，10，11，01，10，11和00。當將包含4個連續標記斑點142的識別標記143a，143g用作同步標記144a，144b時，可以將同步標記144之間的5個識別標記143用來埋藏10位數據，即10，11，01，10，和11。
通過使用檢測裝置中的掃描光束或CCD讀取這些標記，從該區域讀取10位數據。如果將這些10位數據用作例如地址數據，僅通過讀取10位就可獲得該區域的地址，「1011011011」。這樣，識別標記143c右邊第三個生物分子斑點141x是地址「1011011011」中的第23個生物分子斑點。因此，可以將生物分子斑點的識別號145識別為「101101011-23」。因此，可以單獨識別晶片上的所有生物分子斑點141而不用從矩陣的末端對斑點計數。因此，不需要識別斑點的常規方法，該常規方法是通過從矩陣的末端到對應於那個斑點的矩陣x，y坐標來計數斑點而進行的。
通過從圖40中的屬性表146讀出對應於識別號145的生物分子斑點141的屬性信息，使各種檢驗和診斷成為可能。包含在圖40的屬性表146中的屬性信息包括具有該識別號的生物分子的序列或遺傳信息，或特定疾病的標記信息，或者可與該生物分子探針雜交的DNA，RNA或其它物質等。
在實際的製備方法中，例如管樁法(tube piling method)，在堆疊(piling)中誤差被累積，以致幾乎不可能精確形成矩陣的x和y坐標軸。因此，在該情形中，從該x和y坐標識別的每個生物分子斑點的識別號極可能與正確的識別號匹配。不正確的識別號導致錯誤的檢驗結果。在DNA檢驗或類似檢驗的情形中，當將錯誤的檢驗結果用於患者的診斷時，經常出現誤診，可能導致嚴重的問題。
相反，本發明具有有利的作用，即，即使未將生物分子斑點排列在精確的矩陣上，通過局部讀取生物分子141的附近可以精確地識別生物分子141的識別號。可以使用除了半導體加工之外的生物分子晶片製備方法來製備大量包含生物分子斑點的晶片。即使在通過半導體加工獲得的完美矩陣排列的情形中，當增加斑點數量時，在檢驗裝置上對斑點計數中出現錯誤，其可能導致錯誤的識別號。在本發明中，不需要從生物分子晶片末端相對於x和y計算斑點，因此不出現計數錯誤。此外，通過只讀取生物分子斑點的附近可以獲得每個生物分子斑點的識別號，由此可以在短時間內識別期望生物分子斑點的識別號。
具體程序如下。例如，假設已經將具有發射波長為λ2的螢光的標記的DNA，RNA或類似物與生物分子斑點141x雜交。當用具有λ1波長的激發光照射生物分子斑點141x時，可以觀測到發射波長為λ2的螢光的生物分子斑點141x。按照本發明的數據埋藏方法，獲得生物分子斑點141x的識別號，並且從屬性表可獲得DNA或類似物的序列，由此可以分析或檢驗樣品。
(實施例4使用生物分子晶片檢驗)(檢驗程序)參考圖41中顯示的流程圖將描述用於檢驗或診斷的程序。最初，在步驟148a中，提供具有螢光標記的樣品並將其雜交至通過晶片製備方法，如管制法，半導體加工方法，噴墨法，PIN法或類似方法製備的生物分子晶片138的表面。在步驟148b中去除不必需的未雜交樣品。將該晶片裝載至稍後描述的在圖14中顯示的雷射掃描型檢驗裝置或CCD讀出型檢驗裝置之中。在步驟148c中，通過光束，CCD等讀出圖33的在晶片138的第一行記錄的晶片ID或/和固定板139上的固定板ID 140，以便校驗對於預定樣品的晶片ID或固定板ID。接下來，對照預定的ID表校驗這些ID。如果上述校驗的結果錯誤，停止程序。如果校驗的結果是正確的，通過網絡150，如網際網路，LAN等獲得對應於晶片ID的屬性表146(參見圖40)，並暫時存儲在檢驗裝置149的存儲器151中。
程序轉到檢驗模式。在步驟148d中，將m設置為0。在步驟148e中，將m增加1。在步驟148f中，用具有第一種波長為λ1的激發光照射晶片的表面。當使用雷射器或CCD掃描晶片時，將波長分離濾光片，如圖14中的反射鏡65，66用來搜索發射特定波長螢光的第m個生物分子斑點。在步驟148g中繼續搜索直至發現斑點。當發現第m個生物分子斑點時，在步驟148h中用激發光或參考光照射晶片。將標記斑點142的光學性質，如關於激發光波長的反射率等設置為與生物分子斑點141不同。因此，如圖35(2)所示，使用激發光或參考光可將標記斑點在光學上區別於生物分子斑點。在該情形中，即使當標記斑點142發射具有不同於生物分子斑點141的波長的螢光時，也可以獲得相同的效果。因此，可以檢測標記斑點142。在步驟148j中，將n設置為0。在步驟148k中，將n增加1，識別第n個識別標記143的代碼。當在步驟148n中重複程序直至n到達最後的n時，獲得一個數據陣。為了提高數據陣的可靠性該數據陣包含糾錯碼(error correction code)152。因此，在步驟148p中將數據陣進行糾錯，在步驟148q中獲得不含錯誤的數據陣。在步驟148r中，通過計算從最近的識別標記143至受試者生物分子斑點的斑點數量，可以獲得如圖35(2)所示從同步標記到受試者生物分子斑點141(例如141x)的生物分子斑點的總數。在步驟148s中，基於計數器的地址和數字識別第m個生物分子斑點的識別號145。在該情形中，從濾光片設定可以指定螢光的波長，因此可以識別螢光的標記號碼。
在步驟148t中，從存儲器151讀出對應於晶片ID的屬性表146，如圖40所示檢索具有特定識別號的DNA序列數據等。因此，可以獲得包含在樣品中的DNA，RNA，或蛋白質的類型。在步驟148u中，將該信息和識別號登記在存儲器151的測試資料庫147中。在步驟148v中，校驗是否任何其它發射螢光的生物分子斑點保持未讀。如果存在未讀的斑點，程序返回到步驟148e，並定位發射螢光的生物分子斑點。如果不存在未讀的斑點，在步驟148x中將測試資料庫147的數據發送給分析程序155。在步驟148y中，輸出分析過的檢驗或診斷結果。這樣，完成操作。
如上所述，按照本發明，將數據如地址，晶片ID等埋藏在生物分子斑點的排列中。因此，從生物分子斑點或感興趣的識別號周圍的標記斑點的排列可以獲得感興趣的生物分子斑點的識別號。該數據可以包含晶片ID和晶片屬性數據以及地址。在該情形中，從晶片自身獲得檢驗或分析所需的所有數據。如果將從晶片獲得的晶片ID與上述固定板的固定板ID 140比較，在檢驗中可以校驗錯誤的固定板ID，由此減少了由於錯誤的固定板ID導致的錯誤檢測的發生，所述錯誤的固定板ID是由製造過程中的錯誤導致的。另外，可以不要固定板139隻分配生物分子晶片，由此可以降低晶片成本。
注意為了簡化，如圖35所示，已經首先描述了其中將包含生物分子的生物分子斑點141和不含生物分子的標記斑點142，即兩種斑點用來埋藏數據，如地址的實例。在該方法中，只加入標記斑點，因此，容易管理製備。在另一方面，不利地減小了生物分子斑點的密度。對於要求更高生物分子斑點密度的應用，如圖34(a』)所示，將具有不同於(a)中溶液135的光學性質，如關於特定波長，螢光等的反射率，吸光率和折射率的標記溶液153導入管中。如在(b)中的管130c那樣排列該管。如(d)所示，在晶片上形成標記生物分子斑點154。當不是有效製備兩種生物分子溶液時，即一種含有標記和一種不含標記，如標記管134，136表示的那樣可以將標記附著在管130上。在該情形中，儘管降低了該標記的靈敏度，但獲得與在圖36中描述的標記生物分子斑點154基本上相同的效果。
可將該製備方法用於另一個應用。在PIN法的情形中，將標記物質加至如圖2所示的主溶液4或輔助溶液8中以製備標記溶液153。如圖38所示，將由空圓表示的標準溶液(normal solution)和由實圓表示的標記溶液中的生物分子固定在基底1上。因此，如圖38所示可以在基底1上形成生物分子斑點141a-141i和包含標記溶液153的標記生物分子斑點154。省略圖38的描述，因為操作基本上與圖3中的相同。
在噴墨法的情形中，裝載包含生物分子和標記溶液的標記微膠囊156而不是圖11中所示的同步膠囊23d，23e，以便將膠囊156附著在基底1上，如圖39(4)，(5)，(6)，和(7)所示。由此，可以獲得與圖38中相同的生物分子斑點141和標記生物分子斑點154的排列。此外，當使用半導體掩模時，通過將用於掩模的物質堆疊在標記生物分子斑點上而獲得相同的效果。
在上述三種製備方法中，晶片基底上生物分子斑點141和標記生物分子斑點154的排列與圖36中相同。當使用標記斑點142而不是在圖35中所示的標記生物分子斑點154時，可以獲得與管制法中相同的效果。在該情形中，在三種製備方法中將只包含掩模溶液而不含生物分子的溶液或物質固定在晶片基底上。已經描述4種示例性的製備方法。還可將本發明用於除了4個實施例以外的各種生物分子晶片製備方法。
返回圖35，將描述另一種數據埋藏方法。圖35(2)和(3)顯示排列標記斑點142以便將數據如地址等埋藏，其中連續標記斑點的數量是1-n。以下，括號中的描述對應於圖41。圖36(5)顯示通過隨數據改變標記斑點142(標記生物分子斑點154)之間的間隔而埋藏數據。具體地，將具有相當於8個生物分子斑點的間隔的兩個標記斑點定義為同步標記157。從同步標記157a-157b的標記斑點142(標記生物分子斑點154)之間的間隔是4，5，6，7和4。因此，可以埋藏對應於七進位計數系統中的5位數的數據，即7的5次冪個數據。該數據可包含地址數據，糾錯碼，和晶片屬性數據。在該情形中，因為標記斑點具有最長的間隔可以容易地檢測標記斑點。
圖35(圖36)(6)顯示其中將兩個連續標記斑點142(標記生物分子斑點154)作為同步標記158排列的方法。在該情形中，從同步標記158a至158b在標記斑點142(標記生物分子斑點154)之間的間隔是3，6，4，5，和8。因此，可以埋藏7的5次冪個數據。
圖37(a)顯示長生物分子斑點161a，161b和161c和生物分子斑點141a至141k的排列，其是通過利用平管(flat tube)160的管制法獲得。當將拉長的生物分子斑點161a認為是一個標記斑點時，可以將兩個鄰近的拉長的生物分子斑點16a，161b定義為同步標記162。類似於圖35(6)中的同步標記158，從圖37中的7個生物分子斑點141k，141j的排列讀取7個數據。因此，如圖37(b)所示，可以將「75456」，即八進位計數系統中的5位數據埋藏在拉長的生物分子斑點161b和隨後的拉長的生物分子斑點161(未顯示)之間。
在本發明中，採用使用糾錯碼來糾正數據中錯誤的方法。在10位的情形中，如圖42的數據結構圖所示，為10位原始數據159(A0到A9)提供2位糾錯碼152(C0，C1)，其是使用Reed Solomon編碼或turbo編碼從原始數據159產生，從而糾正錯誤。因此，提高埋藏數據的可靠性，使得在重要數據如地址中不大可能出現錯誤。在圖42中，僅在水平方向使用糾錯碼。其中另外在垂直方向使用糾錯碼的產生代碼的方法，花費更長的時間來進行操作和獲得原始數據。然而，在該情形中，改善了埋藏數據的可靠性。
(實施例5用於生物分子晶片的檢測裝置)在上述方法中，可以製備DNA晶片或DNA基底，其上排列捕捉DNA。可以使用該DNA基底來檢驗DNA或蛋白質。
從DNA樣本提取DNA，如cDNA或類似物，並用螢光物質38標記以製備標記的DNA 22。如圖13(1)所示，將標記的DNA 22施加在本發明的DNA基底上。將DNA基底放置在特定條件下，如在幾個攝氏度加熱等，來進行雜交。如圖13(2)所示，將標記的DNA 22與第n個DNA斑點中的捕捉DNA 3a偶聯。
現在，將描述使用本發明的DNA基底檢測該標記的DNA或標記的蛋白質的方法。圖14是顯示用於檢測的檢驗裝置39的結構圖。首先，將描述結構圖的左邊一半。通過具有波長選擇性的反射鏡41和透鏡42將從激發光源40發射的光如雷射等匯聚並聚焦在基底1上。來自基底1的反射光經由反射鏡41和起偏鏡42到達檢測部分43。焦點出錯信號檢測部分45將焦點誤差和循跡誤差分別發送給聚焦控制電路46和循跡控制電路47。驅動器48以這種方式，即，使焦點與循跡相匹配來驅動和控制透鏡42。為了最優化標記檢測信號，焦點偏移信號產生部分49和軌道偏移信號產生部分50對焦點和跟蹤(tracking)施加偏移。在本發明中，有意調整DNA斑點2的排列以包括位置信息。下面將描述用於複製該數據的方法。
通過主信號複製部分69來複製主信號。位置信息檢測部分64檢測位置信息。軌道數輸出部分52和DNA斑點號碼輸出部分51向數據處理部分55發送當前掃描的DNA斑點號碼和軌道數。由此識別DNA斑點。
通過在主信號複製部分的解調部分，如EFM，PM或類似部分將來自圖5中顯示的數據區18的信號複製給數據。在ECC解碼器53中將該數據進行糾錯。通過DNA基底屬性數據讀取部分54來複製圖6中所示的DNA基底屬性數據，並發送至數據加工部分55。在數據加工部分55中，識別當前掃描的DNA斑點2a的捕捉DNA識別號58。將反射鏡65用來將對應於捕捉DNA識別號58的螢光發送給第一標記信號檢測部分60。因此，從標記信號輸出部分輸出具有對應於捕捉DNA 3的特定識別號的第一識別的DNA的標記強度數據(螢光水平等)。
使用來自具有第一波長λ0的光源40的激發光照射與DNA斑點2a連接的第一標記的DNA 22的螢光染料38。在螢光發射開始並持續半衰期後，螢光達到一半的水平。半衰期是數納秒至數十微秒。
圖17(1)顯示激發光的輸出功率。圖17(2)顯示通過激發光從螢光物質或螢光染料發射的螢光強度。圖17(2)顯示螢光強度在t＝t6時達到半衰期。
現在，參考圖16將詳述分離波長的方法。在眾多入射光束λ0，λ1和λ2中，具有最高強度的波長為λ0的激發光被具有膜厚度為λ0/4的光學鍍膜(optical film)68a的反射鏡41反射。來自第一標記的波長為λ1的螢光被具有λ1/4厚度的光學鍍膜68b的反射鏡65反射，而具有波長λ2的螢光透過反射鏡65。這樣，三種波長被分離。分離的波長的透射率小於或等於1/1000，因此，抑制了每個波長之間的幹擾。因此，可以檢測微弱的螢光標記水平。可以增加適於λ0的λ/4濾光片以進一步改善分離度，由此可以抑制激發光源40的組分，因此提高S/N比。如圖18所示，將激發光束71製得比DNA斑點2小。例如，激發光束71的大小與數微米一樣小。在該情形中，可以在掃描方向，即掃描軌跡72的方向將DNA斑點2分開。將產生部分稱為單元(cell)70a，70b，70c，70d。在掃描方向獲得4種數據，由此可以高精度地測量螢光量的分布。如下測量單元70g，70h有意產生軌道出錯信號，其在軌道偏移信號(track offset signal)產生部分50中是V0；將軌道出錯信號輸入到軌道控制電路47；在軌道方向產生偏移；並且如圖18中由掃描軌跡72a所示，轉移軌道以便在將激發光施加在單元70g，70h時掃描單元70g，70h。當輸入反向軌道出錯信號時，可以掃描單元70e，70f。因此，在圖18的情形中，將DNA斑點2分為8個單元，其可以使用激發光掃描和照射。
接下來，將參考圖20描述檢測程序。圖20(1)顯示將DNA斑點2a-2i排列在DNA基底1上。在(2)中，將具有第一種螢光波長λ1的標記的第一標記的DNA 22a和具有第二種螢光波長λ2的標記的第二標記DNA 22b引入到基底上來進行雜交。第一標記的DNA 22a與包含在DNA斑點2b，2e，2h中的DNA互補結合。第二標記的DNA22b與DNA斑點2h結合。在(3)中，進行乾燥，使用波長為λ0的激發光源40開始掃描。(4)顯示激發光的反射的光的激發光檢測信號。通過波長為λ0的激發光產生的螢光不包含λ0的波長組分，使得只獲得λ0的檢測信號。基底1的表面，如玻璃或類似物，具有特定的反射率。然而為了提高激發光檢測信號的信號水平，在圖1的基底表面上可另外形成反射層。由於DNA斑點2關於λ0的反射率和基底1表面之間反射率的不同獲得如(4)所示的檢測信號。如關於參考圖10用於DNA斑點形成的程序的描述，通過隨具體數據改變本發明基底1上DNA的圖案或排列埋藏位置數據等。如(4)所示，檢測信號之間的間隔改變。結果，如(5)所示可以複製信號00，01，10，00，01，01。基於這些信號，可以複製位置數據，即如(6)所示的地址信息。因此，例如，可以發現DNA標記2a位於第260軌道並且在第1128個地址。如參考圖6所述檢測裝置從基底1的數據區18獲得DNA基底屬性數據。具體地，例如，在DNA號碼位置信息20中第260個軌道的DNA識別號的起始號是243142。因此，可以識別具有識別號244270的DNA。另外，當用戶可以獲得加密密鑰73時，通過密碼解碼器74解碼關於按照DNA號碼的序列信息21中DNA號碼(＝244270)加密的DNA序列信息。由此，在DNA斑點2具有DNA序列ATCTAGTA...這樣的條件下可以識別DNA斑點2。注意當用戶沒有加密密鑰73時，不能解碼DNA序列。在該情形中，即使獲得DNA斑點的螢光數據，個人DNA信息的隱私也受到了保護。在圖6的附錄數據區76中，另外記錄雜交的標記的DNA的第一標記屬性數據77和第二標記屬性數據78，如激發光波長410nm，標記的410nm，螢光波長700nm，600nm，半衰期100ns，100ns等。因此，使用該附錄數據可以校驗或設置檢驗裝置的操作。
返回圖20，將描述測量通過激發光產生的標記的螢光的方法。最初，如18所示，在掃描軌跡72的情形中，使用激發光束71掃描單元70a，70b，70c，70d。在DNA斑點2b的情形中，產生波長為λ1的螢光，並通過第一標記信號檢測部分檢測(圖14)。結果，如(8)所示檢測對應4個單元的第一標記檢測信號85a。當掃描DNA斑點2g時，產生波長為λ2的螢光，如(9)所示產生第二標記檢測信號85b。當在圖18中施加偏移時，即在掃描軌跡72a的情形中，如(10)所示獲得標記檢測信號85c，其獲自僅來自兩個單元的螢光的檢測。
在本發明中，當要求標記的DNA更高的檢測靈敏度時，使激發光源40間歇發射。通過移位量檢測器86檢測在基底直線方向或旋轉方向的移位量。取決於移位量，通過脈衝光發射控制部分87產生脈衝光發射信號88或具有反向的次脈衝光發射信號87。在第一次掃描中，如(11)所示，當將脈衝光發射信號88施加到光源40時，進行脈衝光發射。結果，第一和第三單元，即單元70a，70c產生螢光。在該方法中，當光源40是關閉狀態時檢測螢光。因此，獲得了相當高的S/N。例如，如(13)所示獲得標記檢測信號85d。在該情形中，輕微移動第一標記檢測部分的光接收部分，使得改善光接收效率。在第二掃描，即偶數的掃描中，如(12)中所示具有反向的次脈衝光發射信號被輸入光源40，並且掃描相同的軌道72。由於相對於第一次掃描反向，使用激發光照射第2和第4個單元，即單元70b和70d(兩個時鐘後)(圖18)。在時鐘的隨後期間，激發光是關閉的。因此，可以無激發光幹擾地檢測來自單元70b或70d的螢光。因此，通過掃描兩次，可以高精度地有利地檢測所有單元的螢光水平。參考圖31的流程圖將給出描述。在步驟118a中，進行掃描1次以便將軌道上所有DNA斑點的排列信息存儲在存儲器中(步驟118b，118c)。在該情形中，在步驟118d中，如果在第二次或其後以恆定速度進行掃描時，通過從存儲器讀出可以複製DNA斑點的位置(步驟118f)。
參考圖31和32將給出描述。在步驟118g中，在奇數的時鐘時間，間歇地發射激發光(圖32(2))。產生螢光(圖32(4))。在步驟118h中，基於圖32(3)的檢測允許信號來檢測螢光(圖32(5))。
在第三次掃描中，在步驟118j中在偶數的時鐘時間，間歇地發射激發光(圖32(6))。在步驟118k中，間歇檢測螢光(圖32(9))。因此，消除了激發光的影響，由此改善了SN。
因此，在本發明中，即使通過脈衝的光發射，在直線方向也獲得高精度。在軌道方向的精度方面未出現問題。
接下來，將描述用於改善靈敏度同時提高位置解析度的方法。參考圖19，移動基底1以便單元70b以(1)，(2)，(3)，(4)，(5)，和(6)的順序移動。為了測量來自基底1的螢光的量，光檢測部分90具有陣列結構91並取決於移位量以(1』)，(2』)，(3』)，(4』)，(5』)，和(6』)的順序進行轉換。由此，在保持解析度的同時獲得高度的靈敏度。圖21是結構圖，其顯示轉換是通過轉換部分92基於來自移位量檢測器87的信號和來自DNA斑點2的同步信號在陣列上進行；跟蹤單元70b的螢光，並且通過合計部分93累積和輸出螢光數據。在該情形中，如果來自單元中心的移位量的量是在fx 0.05內，其中f表示透鏡42的焦距，則通過陣列91可以檢測該單元。
在檢驗裝置中的標記檢測信號表94具有如圖22所示的數據。使用激發光將該數據記錄在圖5的數據區18中。在該情形中，用單個基底可以結合所有數據。因此，消除了獲得錯誤數據的可能性，由此避免事故如誤診等。
圖23顯示將記錄層95加至基底1並且將光源40和透鏡42a裝備在基底與記錄層95相反的一側。因為可以在記錄層95上記錄數據，可以記錄大量數據。圖24顯示將兩個上面和兩個下面的驅動器48，48a機械偶聯在一起。在該情形中，如圖25所示，因為可以用記錄層95中的地址96定義每個DNA斑點2a的位置，用起始地址97，終端地址98，最內部圓周軌道數99，和最外部圓周軌道數100可以指定DNA斑點2a的外部形狀，由此可以高速訪問DNA斑點。在記錄層95中可以記錄該對應表。參考圖26，DNA斑點2a，2b，2c是矩形的形狀，由此可以更準確地進行掃描跟蹤。圖27和28顯示如圖5所示的DNA晶片但是為圓狀的形式。特別是，可以使用圖28的DNA晶片的整個後表面。因此，圖28的DNA晶片具有大的記錄容量並可存儲整個DNA序列。這裡使用術語DNA。可以將如這裡定義的任何生物分子(例如蛋白質)用作被標記的受試者的物質。可以使用RNA代替DNA。可以使用細胞或組織的一部分，只要可以將它們排列在基底上。
在實施方案中，作為製備DNA基底的方法，使用PIN法和噴墨法來描述本發明的實施例。然而，還可將本發明用於半導體加工方法。參考圖29，在半導體加工方法中，將探針DNA排列在玻璃基底上。參考圖29(2)，如下進行光刻。將掩模120用來進行掩模。照射特定的DNA探針以激活延伸反應(elongation reaction)。如圖29(3)所示形成包含A(腺嘌呤)123的探針DNA。其後，如圖29(4)和(5)所示形成C(胞嘧啶)124。該延伸反應是針對A，C，G和T進行的，即4次來完成一層。如果如圖29(6)所示進行延伸反應4N次，形成具有N個鹼基長度的探針DNA。在半導體加工方法的DNA晶片製備過程中，利用本發明如圖10(7)所示移動掩模孔的位置。如圖29(1)所示，與特定數據一致將掩模121a相對於最初的掩模121b移動。由此，可以將位置數據埋藏和記錄在DNA斑點的排列中。
(實施例6網絡型檢驗裝置)將描述使用按照本發明的生物分子晶片的檢驗系統的操作。圖43是顯示本發明檢驗系統操作的流程圖。在生物分子提取部分172中，提取，純化，或從樣品171培養生物分子來製備樣本173，所述樣品171是從受試者170處收集的。在主檢驗系統174的檢驗部分175中，將該樣本173裝載至生物分子晶片138，隨後反應。樣本173中的一部分分子與如上所述特定的生物分子斑點141中的探針雜交。該生物分子斑點顯示標記信息，如螢光等，因此可以容易地檢測。另一方面，從生物分子晶片138可以檢測晶片ID 19。將這些檢驗數據與晶片ID 19(基底ID 19也稱為晶片ID 19)一起加密，經由通信部分176和然後通過網際網路177或通信電路將加密的數據發送至輔助檢驗系統178的通信部分179，如測試中心等。其後，將數據發送至分析系統180的分析部分181。在分析部分181中，從識別號-屬性資料庫184可以獲得對應晶片ID的每個生物分子斑點的屬性數據。從獲得的屬性數據和標記號，可以識別樣本173的狀態，如基因，蛋白質或等。
在圖45中顯示在遺傳信息的情形中的分析結果。首先，顯示對應於基因序列的基因號碼183。顯示對應於該號碼的基因的基因屬性184的基因屬性數據包含基因的序列；疾病的標記，性狀(character)或類似物；等。因為該類檢驗是在特定疾病的檢驗或特定分子的檢驗中使用，主檢驗系統174輸出請求，如具體地例如，數據「請輸出疾病a的有關信息」。如圖45的選擇性輸出185中所示，選擇部分182隻選擇與請求輸出186有關的信息，並通過輸出部分183加密和通過通信部分179和網際網路187發送至主檢驗系統174。
在基因檢驗中，在檢驗和分析期間獲得最初未想要的數據。例如，當需要關於特定癌症的遺傳信息時，如果輸出未想要的遺傳信息，如其它的疾病或特徵(例如難治療的和不可避免的疾病(青少年阿爾茨海默氏病等)，災變的特徵(catastrophic character)等)，很可能損害受試者的利益。如果無意洩漏該類信息，出現隱私問題。按照本發明，選擇部分182把與請求輸出無關的信息或原始遺傳信息過濾掉，由此可以防止輸出不必要的信息。
對應於晶片ID的檢驗結果，其是主檢驗系統174所請求的，由診斷系統187接收並由診斷部分188處理。可以將晶片ID-受試者對應資料庫191用來將受試者170從晶片ID 19中識別出來。所有的晶片具有唯一的晶片ID。因此，可以識別對應於每塊晶片的受試者。不將該數據發送至任何輔助檢驗系統。因此，防止患者數據被洩漏給檢驗實驗室或醫院外面。檢驗系統可以了解受試者和晶片ID之間的關係，但沒有晶片ID的每個生物分子斑點的屬性數據。除非從輔助檢驗系統獲得屬性數據，不能獲得完整的遺傳信息。換句話說，主檢驗系統174和輔助檢驗系統178各自具有不完全的互補信息，由此維護保密性。因此，可以保護受試者遺傳信息的安全性。
在該情形中，每個晶片ID不同於其它並具有隨機的號碼。因此，即使將具有特定晶片ID號的晶片的所有屬性信息(例如每個生物分子斑點中對應於識別號的生物分子的屬性數據)公開，也不能識別任何其它晶片ID的數據，因為在特定晶片ID和其它晶片ID之間沒有相關性。可以保護整個系統的安全，只要可以保持輔助檢驗系統的秘密。當保持主檢驗系統的秘密時，即使通過第三方獲得晶片和個人ID，也不能獲得將晶片與人連接的信息。在該情形中，進一步提高了安全性。
基於受試者的歷史數據(疾病等)和從輔助檢驗系統獲得的檢驗結果，診斷部分188輸出診斷結果。診斷結果輸出部分192向外輸出診斷結果。治療策略產生部分189基於診斷結果產生眾多治療策略，對治療策略指定優先權，並且通過輸出部分190輸出治療策略。
(利用除了疾病之外的遺傳信息)在上述實施例中，與特定疾病有關的信息被指定為請求信息並作為請求輸出186發送出去。近來，已經顯示從遺傳信息可以獲得受試者的心理屬性(psychological attribute)，如性格或類似屬性。例如，已知在第11號染色體上多巴胺D4受體的第三個外顯子長的人具有挑戰性的性格。因此，現在或此後，將從遺傳信息中依次將屬性信息，如個人性格分類。考慮到這點，將顯示受試者的心理特徵如性格的屬性數據加至圖43的請求輸出186中的疾病數據。在該情形中，將關於受試者170的性格，特質(aptitude)或類似屬性的信息從輔助檢驗系統發送至診斷系統187。取決於受試者的屬性和特質數據，改變治療策略產生部分189的治療策略選項的優先權。例如，對於更喜歡高風險和高成效(result)的受試者，增大在高風險下提供高成效的治療選項的優先權。對於更喜歡在低風險下中等成效的受試者，增大安全但效果不高的治療劑的優選權。使用該方法，可以實現用於提供適於受試者性格或特質的治療策略的診斷系統。
(實施例7獨立檢驗裝置)使用圖43的示例性的網絡型檢驗裝置已經描述了本發明的操作(安全性等)。如圖44所示，可將本發明用於獨立型的檢驗系統193。
圖43的網絡型檢驗系統包含兩個系統，即主檢驗系統和輔助檢驗系統。後者是由中立的實體如檢驗中心來管理，能夠增強保密性以維護整個系統的安全。相反，圖44的獨立型檢驗系統包含具有高水平保密性的黑匣子部分194代替輔助檢驗系統178。黑匣子部分194不洩漏除了請求輸出到外界的信息以外的內部信息。從輸入/輸出部分195隻輸出所需數據。通過黑匣子部分194維護了信息的安全性。
大多數獨立型的檢驗裝置具有與圖43中相同的操作。以下將只描述與圖43中那些的不同點。最初，在檢驗部分175中，通過晶片138複製加密的數據，如利用公用密鑰加密功能或類似功能加密的生物分子斑點-屬性數據146，並且發送至黑匣子部分194。通過黑匣子部分194中的密碼解碼部分197將該加密數據解碼成純文本數據。該純文本數據包含有關生物分子晶片上每個生物分子斑點的屬性信息。將屬性信息加到生物分子斑點標識號-屬性資料庫184。
在圖43的情形中，主檢驗系統通過網絡訪問在輔助檢驗系統如檢驗中心或類似系統中的資料庫184並獲得數據。因此，該輔助檢驗系統，如檢驗中心或類似系統，需要獲得全世界生產的所有晶片的最新數據並需要時更新數據。主檢驗系統不能獲得檢驗結果，除非可利用網絡。然而，在圖44的方法中，即使晶片是近來生產的，屬性數據146存在於生物分子晶片中，並且將該屬性信息自動記錄在識別號-屬性數據對應資料庫184中，其每次將晶片裝載在檢驗系統中時如此被更新。因此，獨立型的檢驗系統不必須與網絡連接。此外，檢驗系統的存儲器存儲只對應於一塊晶片的數據。因此，可以顯著減小存儲器的容量。在該方法的情形中，可以使用移動類型的檢驗裝置。與圖43類似，在該方法中，通過選擇部分182隻選擇與來自主檢驗系統請求的輸出有關的信息，並將其從黑匣子部分194發送至主檢驗系統174的診斷系統187。
注意如果以這樣的方式即例如將黑匣子部分194結合到LSI晶片中並且將它的外末端限制在輸入/輸出部分195和密碼解碼部分197來生產黑匣子部分194，在外面不能讀出內部數據。因此，保護了安全性。如上所述，使用本發明包含加密數據的生物分子晶片和本發明獨立型檢驗系統，不用網絡或外部輸入數據可以進行所需的檢驗或診斷，同時保護受試者的信息安全。
注意儘管上述實施例是這樣的以致將生物分子晶片的屬性信息埋藏在生物分子斑點的排列數據中，可以使用凹點標記(pit mark)或類似物將該信息光學記錄在與如圖5所示結合晶片的基底上。備選地，如圖46所示，將生物分子晶片138，具有非易失性存儲器201的IC晶片198，和電極199裝備在基底200上，可以將屬性信息記錄在IC晶片198的非易失性存儲器201中。可以在檢驗系統中光學讀出屬性信息，或從電極199或類似物電讀出屬性信息。
通過具體的參考將在此引用的所有出版物，專利，和專利文獻結合至此。參考各種具體和優選的實施方案和技術已經描述了本發明。然而，應當理解在不背離本發明的精神和範圍的前提下可以進行各種修飾和變化。
注意在實施方案的描述中，生物分子斑點的排列以與生物分子斑點的單個具體的排列方向相同的方向改變。然而，可以容易的實施其它方法，儘管省略了它們的描述。首先，可以改變生物分子斑點的大小。具體地，將數據「01」分配給具有小尺寸的生物分子斑點；將「10」分配給具有中等尺寸的生物分子斑點；和將「11」分配給大尺寸。因此，可以將三個有價值的數據埋藏在一個生物分子斑點中。
備選地，可以有意將生物分子斑點的位置從參考位置以垂直於生物分子斑點的具體排列方向的方向移動。具體地，將數據「01」分配給相對於參考位置移動+20％的生物分子斑點；將「10」分配給移動0％即未移動的生物分子斑點；和將「11」分配給移動-20％的生物分子斑點。在該情形中，可以將三值(three-valued)數據埋藏在一個生物分子斑點中。如果增大移位量的數量或解析度，可以埋藏多值數據，如五值(five-valued)數據，七值(seven-valued)數據等。
備選地，可以以垂直於具體排列方向改變生物分子斑點的大小而生物分子斑點的位置不變。例如，將數據「0」分配給在垂直方向具有主軸的橢圓形生物分子斑點，和將數據「1」分配給圓形生物分子斑點，由此可以埋藏二值(two-valued)數據。備選地，可以在與排列方向相同的方向改變生物分子斑點的大小。
如果同時使用上述埋藏方法中的眾多方法，可以進一步增大埋藏數據的量。
工業適用性如上所述，在本發明中，改變生物分子(例如DNA，RNA，蛋白質，低重量分子等)的位置或它自身的圖案以埋藏該生物分子的位置信息。因此，不需要額外的加工並且不再需要常規的高精度定位。當生物分子的種類數較大並且要求生物分子的密度時，該方法更有效。另外，使用激發光源，檢驗裝置可以讀出DNA斑點的位置信息，因此，只可以相對定位生物分子斑點。不需要用於絕對定位生物分子斑點的常規高精度裝置。因此，只通過簡單的構造可以獲得檢驗裝置。另外，在基底上記錄數據，並使用激發光讀出數據。因此，從相同的基底可以讀出生物分子斑點的屬性數據而不增加組件的數量，由此消除了數據匹配誤差。上述有利的效果促進了生物檢驗裝置和診斷裝置的廣泛應用。
權利要求
1.一種包含生物分子珠粒陣列的含生物分子珠粒的管，其中生物分子珠粒排列在由透射具有特定波長的光的材料製成的管狀容器中，所述生物分子珠粒包含球形珠粒和固定於其上的特定生物分子種類，其中將指示在所述生物分子珠粒陣列中所述生物分子珠粒的排列和所述生物分子珠粒的屬性信息兩者或任一的識別信息進行儲存，並且將所述識別信息儲存以便光學讀出。
2.一種分析裝置，所述分析裝置用於分析注入到其中的樣品，所述分析裝置包含含生物分子珠粒的管，所述含生物分子珠粒的管包含生物分子珠粒陣列，其中生物分子珠粒排列在由透射具有特定波長的光的材料製成的管狀容器中，所述生物分子珠粒包含球形珠粒和固定於其上的特定生物分子種類，其中將指示在所述生物分子珠粒陣列中所述生物分子珠粒的排列和所述生物分子珠粒的屬性信息兩者或任一的識別信息進行儲存，並且將所述識別信息儲存以便光學讀出，並且所述分析裝置通過用光照射所述含生物分子珠粒的管以讀出發射光來分析所述樣品，所述發射光來自在所述含生物分子珠粒的管中的所述分子珠粒。
全文摘要
本發明的目的是提供檢測DNA基底的檢測裝置，所述DNA基底上排列了許多用於檢測的DNA片段，其中不要求絕對精度。通過提供一種基底解決了上述問題，所述基底上形成許多含特定類型的一組生物分子(如DNA等)的生物分子斑點，其中取決於特定數據改變DNA斑點的圖案或位置，使得將特定數據的信息記錄在基底上。
文檔編號G01N35/00GK101078718SQ20071010516
公開日2007年11月28日 申請日期2003年5月7日 優先權日2002年5月8日
發明者大嶋光昭 申請人:松下電器產業株式會社