一種流水線生物晶片點樣平臺的製作方法

2023-07-21 13:26:11

專利名稱：一種流水線生物晶片點樣平臺的製作方法
技術領域：
本發明涉及微陣列生物晶片的製備，更確切的說，涉及一種多指標、多人份並行檢測用 微陣列生物晶片的流水線化點樣平臺。
背景技術：
生物晶片(biochip)是指採用光導原位合成或微量點樣等方法，將大量生物大分子比如核酸片段、多肽分子甚至組織切片、細胞等生物樣品有序地固化於支持物(如玻片、矽片、 聚丙烯醯胺凝膠、尼龍膜等載體)的表面，組成密集二維分子排列，然後與已標記的待測生物樣品中靶分子雜交，通過特定的儀器比如雷射共聚焦掃描或電荷偶聯攝影像機(CCD)對雜 交信號的強度進行快速、並行、高效地檢測分析，從而判斷樣品中靶分子的數量。由於常用 玻片/矽片作為固相支持物，且在製備過程模擬計算機晶片的製備技術，所以稱之為生物晶片 技術。根據晶片上的固定的探針不同，生物晶片包括基因晶片、蛋白質晶片、細胞晶片、組 織晶片。由於用該技術可以將極其大量的探針同時固定於支持物上，所以一次可以對大量的 生物分子進行檢測分析，從而解決了傳統核酸印跡雜交(Southern Blotting和Northern Blotting等)技術複雜、自動化程度低、檢測目的分子數量少、低通量(low through-put) 等不足。而且，通過設計不同的探針陣列、使用特定的分析方法可使該技術具有多種不同的 應用價值，如基因表達譜測定、突變檢測、多態性分析、基因組文庫作圖及雜交測序 (Sequencing by hybridization, SBH)等，為〃後基因組計劃〃時期基因功能的研究及現代 醫學科學及醫學診斷學的發展提供了強有力的工具，將會使新基因的發現、基因診斷、藥物 篩選、給藥個性化等方面取得重大突破，為整個人類社會帶來深刻廣泛的變革。該技術被評 為1998年度世界十大科技進展之一。研究目的不同，期望製作的晶片類型不同，製備晶片方法也不盡相同，以DNA晶片為例， 基本上可分為兩大類 一類是原位合成，即在支持物表面直接原位合成寡核苷酸探針； 一類 是預合成後直接點樣，將微量DNA溶液直接以微陣列的形式點放並固化在晶片載體上。由於 原位合成方法非常複雜，所以大多數的DNA微陣列晶片都是採用合成點樣法。而蛋白晶片的 製備，由於方法的限制，都是採用合成後點樣的方法製備。合成點樣法是將預先通過液相化學合成好的探針經純化、定量分析後，通過微陣列點樣 平臺，準確、快速地將不同探針樣品定量點樣於帶正電荷的尼龍膜或矽片等相應位置上，固 化後即得到DNA微陣列或蛋白晶片。點樣的方式分兩種，其一為接觸式點樣，即點樣針直接 與固相支持物表面接觸，將樣品留在固相支持物上；其二為非接觸式點樣，即噴點，它是以 壓電原理或微量電磁閥通斷原理將樣品通過毛細管直接噴至固相支持物表面。目前市場上已 開發的微陣列點樣平臺一般都由一套計算機控制一套三維移動裝置、多個列印/噴印針、 一個 減震底座組成，底座上面可放內盛探針的多孔板和多個晶片，多個列印/噴印針連接於三維移 動裝置上在底座上方移動，將探針從多孔板取出直接列印或噴印於晶片上。這類設備具有諸 多不足限制於一套三維移動裝置，不僅點樣速度慢，而且清洗列印/噴印針佔用了大量時間， 效率低下；由於設備底座尺寸大小有限， 一次點樣最多只能製備所能擺放的晶片數量，所以 一次點樣容量受到限制；用多個列印/噴印針點同樣的樣品，由於多個列印/噴印針的個體差異，勢必帶來更大的點樣差異；而且同一套列印/噴印針來點不同的樣品，交叉汙染問題不可 避免。也正是由於這些問題存在，目前生物晶片的製備設備僅有科研型，並沒有快速生產型 設備。而且，上述設備多為國外進口設備，價格昂貴，耗材成本高，不適合在國內進行推廣。 目前該類設備都是設計為將探針點在玻片等剛性載體上，很少有點在膜等軟性載體上。發明內容本發明的目的是提供一種微陣列生物晶片流水線製備平臺，可以克服上述技術的不足， 可以應用於多指標、多人份檢測用微陣列生物晶片的快速生產製備。本發明具有成本低、適 用性廣、效率高、均一性好、無交叉汙染、維護使用操作簡便等特點，使生物晶片技術產業 能在國內廣泛推廣及快速發展。本發明提供了一種流水線生物晶片點樣平臺，其特徵在於，它主要由一個機械手固定平 臺(1)、精密運動平臺(2) 、 2 20個點樣單元、電控箱以及計算機組成。各點樣單元由XYZ三維機械手、點樣頭(7)、樣品槽(8)、清洗槽(9)、晶片夾具(3) 組成，其中各XYZ三維機械手由X軸電控平移臺(6) 、 Y軸電控平移臺(5) 、 Z軸電控平移 臺(4)組成。X軸電控平移臺(6)固定於機械手固定平臺(1)上，Y軸電控平移臺(5)連 接X軸電控平移臺(6)，點樣頭(7)通過點樣頭連接架連接在Z軸電控平移臺(4)上。點 樣單元沿運動平臺(2)的運動方向按照一定的角度或距離等距排列。各點樣單元的樣品槽(8) 和清洗槽(9)固定在機械手固定平臺(1)上，位於該點樣單元X軸(6) 、 Y軸(5) 、 Z軸 (4)運動有效行程範圍之內。各點樣單元的點樣頭(7)上具有1個點樣針，負責晶片製備 過程中其中一個樣品的點樣。它具有多個晶片夾具(3)，通過卡槽或螺絲以可方便拆卸的方式固定在精密運動平臺(2) 上。生物晶片基質裝卡在晶片夾具(3)中，依靠精密運動平臺(2)進行運動與定位，也在 運動平臺(2)上沿其運動方向按照點樣單元的距離或角度等距排列。生物晶片基質可以是一 張或多張尼龍膜或者硝酸纖維膜，也可以是一個或多個玻片，還可以是一塊或多塊多孔板。用數據線把精密運動平臺(2)和各點樣單元的X軸(6) 、 Y軸(5) 、 Z軸(4)電控平 移臺連接到電控箱，電控箱連接計算機。在計算機軟體的控制下操作電控箱、精密運動平臺 (2)和各點樣單元，實現多個點樣單元同時流水線點樣，最後形成完整的生物晶片。本發明中計算機控制程序的設計模型是控制各個點樣單元的啟用、控制各個點樣單元的 XYZ三維機械手、控制精密運動平臺(2)的運動與精確定位、控制點樣管路系統的點樣動作、 控制點樣的數目和能在相同的點上重複。本發明中所說的精密運動平臺(2)，指的是廣義的精密旋轉平臺，也就是說包含了當其 直徑無窮大時為精密直線運動平臺(10)的情況。與目前已有的產品相比，本發明的主要優點在於1)適用性廣。本點樣平臺中的晶片夾具可適用多種點樣基質，可以是一張或多張尼龍膜 或者硝酸纖維膜等膜基質，也可以是一個或多個玻片等剛性基質，還可以是一塊或多 塊多孔板。2) 效率高。本點樣平臺中採用多個點樣單元同時對多個晶片進行點樣，多個點樣機械手 的使用，大大提高了點樣速度。同時每根點樣針每次點樣時僅負責點一個樣品或少數 幾個樣品，有效的減少了點不同樣品時用於清洗點樣針的時間，大大提高了點樣效率。3) 均一性好。同一塊晶片以及所有晶片上的同一種樣品全部由一個點樣模塊上的一根點 樣針來完成，有效的避免了點樣針之間的個體差異，提高了點樣的均一性。4) 交叉汙染少。 一個點樣單元專門負責點其中一個樣品，不僅減少了點不同樣品時的清 洗時間，還有效的減少了不同樣品間的交叉汙染。甚至可以通過一個點樣單元專門只 負責點 一種樣品來避免樣品間的交叉汙染。5) 維護使用操作簡便。該設備採用模塊化的點樣單元形式，且各點樣單元的零部件都可 以通用，所以使用維護的操作都非常簡便， 一旦發現一個點樣單元出行問題，可以及 時用其他點樣單元來替代其工作，或者用多餘的點樣單元整體替換該點樣單元，有效 的避免了部件出行故障時整臺設備都必須停機維修的時間浪費。6) 儀器本身的成本低。本設備採用標準的小型化的點樣模塊，不僅本身的價格較低，還 可以通過數量的優勢進一步壓低價格。國外的一套儀器價格一般為幾十萬美元，而本 設備的成本僅幾十萬元人民幣，但其點樣效率卻是相當於多套國外設備。總之，該點樣平臺具有適用性廣、效率高、均一性好、交叉汙染少、維護使用簡便、制 造成本低等特點，非常適用於生物晶片的規模化生產，也適合於科研和應用。


圖.1為本發明的一個實施例(運動平臺為精密旋轉平臺形式)的示意圖，本發明包括但 不僅限於圖中所示點樣單元與晶片夾具(3)的數量和排列方式；圖.2為本發明的一個實施例(運動平臺為精密直線運動平臺形式)的示意圖，本發明包括但不僅限於圖中所示點樣單元與晶片夾具(3)的數量和排列方式。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明如圖所示，本發明的微陣列生物晶片流水線製備平臺，包括如下組件(1)為XYZ機械手固定平臺，(2)為精密旋轉平臺，(3)為晶片夾具，(4)為一個點樣單元中的Z軸電控 平移臺，(5)為一個點樣單元中的Y軸電控平移臺，(6)為一個點樣單元中的X軸電控平 移臺，(7)為點樣頭，用來安裝點樣針，(8)為樣品槽，(9)為清洗槽，(10)為當精密 旋轉平臺的直徑為無窮大時即直線運動平臺，另外還有電控箱和計算機。各點樣單元由XYZ三維機械手、點樣頭(7)、樣品槽(8)、清洗槽(9)組成。其中各 XYZ三維機械手分為X軸(6) 、 Y軸(5) 、 Z軸(4)三個軸，各由一個精密電動平移臺組 成。X軸電控平移臺(6)固定於機械手固定平臺(1)上，Y軸電控平移臺(5)連接X軸電 控平移臺(6)，點樣頭(7)通過點樣頭連接架連接在Z軸電控平移臺(4)上。點樣單元沿 運動平臺(2)的運動方向按照一定的角度或距離等距排列。各點樣單元的樣品槽(8)和清 洗槽(9)固定在機械手固定平臺(1)上，位於該點樣單元X軸(6) 、 Y軸(5) 、 Z軸(4) 電控平移臺運動有效行程範圍之內。各點樣單元的點樣頭(7)上具有l個點樣針，負責晶片 製備過程中其中 一個樣品的點樣。生物晶片基質裝卡在晶片夾具(3)中，依靠精密運動平臺(2)進行運動與定位，也在 運動平臺(2)上沿其運動方向按照點樣單元的距離或角度等距排列。生物晶片基質可以是一 張或多張尼龍膜或者硝酸纖維膜，也可以是一個或多個玻片，還可以是一塊或多塊多孔板。用數據線把各點樣單元的電控平移臺X軸(6) 、 Y軸(5) 、 Z軸(4)連接到電控箱， 電控箱連接計算機。在計算機軟體的控制下操作電控箱，控制精密旋轉平臺(2)或者精密水 平運動平臺(10)的運動與定位，同時協調控制各點樣單元，通過精密旋轉平臺(2)或者精 密水平運動平臺(10)的傳輸晶片基質，多個點樣單元同時按照設定程序進行點樣，實現多 指標、多人份微陣列生物晶片流水線製備，最後形成完整的生物晶片。本發明中計算機控制程序的設計模型是控制各個點樣單元的啟用、控制各個點樣單元的 XYZ三維機械手、控制精密運動平臺(2)的運動與精確定位、控制點樣管路系統的點樣動作、 控制點樣的數目和能在相同的點上重複。下面結合其中一種點樣基質——尼龍膜上的點樣來進一步介紹本發明的使用方法首先將尼龍膜固定到玻璃板或者其他剛性支持物上，再把該剛性支持物裝到晶片夾具(3) 中，打開電控箱電源，啟動計算機並打開電控箱控制軟體，將各點樣單元的XYZ精密電控平 移臺(4) (5) (6)歸零復位，精密運動平臺(2)也運動到指定位置，並將需要點樣的樣 品依次加入不同的點樣單元中的樣品槽(8)中，選擇好需要的點樣單元後，設計點樣模板並 執行點樣程序，當第一個樣品在第一個晶片中完成所有該樣品點樣時，精密運動平臺(2)自 動運動將該晶片送到第二個點樣單元，由第二個點樣單元對其進行第二個樣品的點樣，而同 時第二塊晶片進入第一個點樣單元進行第一個樣品的點樣，依次類推，每當一個點樣單元在一個晶片上完成該樣品的點樣後，進入下一個點樣單元，如果第一個點樣單元的前一個晶片 夾具中的晶片空缺時，可以裝入新的晶片進入點樣流水線，直到完成所有晶片的點樣。應理解，在閱讀本發明的上述內容之後，本領域技術人員可以對本發明作各種增減或修 改，這些等價形式同樣落於本申請所附權利要求書所限定的範圍。
權利要求
1.一種流水線生物晶片點樣平臺，其特徵在於，它主要由一個精密運動平臺(2)、2～20個點樣單元、一個機械手固定平臺(1)、電控箱以及計算機組成，其中各點樣單元由XYZ三維機械手、點樣頭(7)、樣品槽(8)、清洗槽(9)、晶片夾具(3)組成，其中各XYZ三維機械手由X軸電控平移臺(6)、Y軸電控平移臺(5)、Z軸電控平移臺(4)組成；X軸電控平移臺(6)固定於機械手固定平臺(1)上，Y軸電控平移臺(5)連接X軸電控平移臺(6)，點樣頭(7)通過連接架連接在Z軸電控平移臺(4)上；樣品槽(8)和清洗槽(9)都固定在機械手固定平臺(1)上；晶片夾具(3)固定在精密運動平臺(2)上；XYZ三維機械手和精密運動平臺(2)通過數據線連接到電控箱，電控箱再通過數據線連接計算機，由計算機控制程序控制電控箱、運動平臺(2)和各點樣單元的運作。
2. 根據權利要求1的一種流水線生物晶片點樣平臺，其特徵在於，所述的點樣單元沿精密運 動平臺(2)的運動方向按照一定的角度或距離等距排列。
3. 根據權利要求l的一種流水線生物晶片點樣平臺中的點樣單元，其特徵在於，所述的各點 樣單元的樣品槽(8)和清洗槽(9)位於該點樣單元XYZ三維機械手運動有效行程範圍之內。
4. 根據權利要求1的一種流水線生物晶片點樣平臺中的點樣單元，其特徵在於，所述的各點 樣單元的點樣頭(7)上具有l個點樣針，負責晶片製備過程中其中一個樣品的點樣。
5. 根據權利要求1的一種流水線生物晶片點樣平臺，其特徵在於，所述的晶片夾具(3)通 過卡槽或螺絲以可方便拆卸的方式固定在精密運動平臺(2)上。
6. 根據權利要求1的一種流水線生物晶片點樣平臺，其特徵在於，所述的精密運動平臺(2)， 指的是廣義的精密旋轉平臺，也就是說包含了當其直徑無窮大時為精密直線運動平臺(10) 的情況。
7. 根據權利要求l的一種流水線生物晶片點樣平臺，其特徵在於，所述的計算機控制程序的 設計模型是控制各個點樣單元的啟用、控制各個點樣單元的XYZ三維機械手、控制精密運動 平臺(2)的運動與精確定位、控制點樣管路系統的點樣動作、控制點樣的數目和能在相同的 點上重複。
全文摘要
本發明公開一種流水線生物晶片點樣平臺，涉及微陣列生物晶片的製備。它主要由機械手固定平臺、精密運動平臺、2～20個點樣單元、電控箱以及計算機組成。各點樣單元由XYZ三維機械手、點樣頭、樣品槽、清洗槽、晶片夾具組成，其中各XYZ三維機械手均利用三個電動平移臺組成。點樣單元沿運動平臺的運動方向按照一定的距離或角度等距排列。生物晶片基質裝卡在晶片夾具中，也在運動平臺上沿其運動方向按照點樣單元的距離或角度等距排列。在計算機軟體的控制下操作電控箱、精密運動平臺和各點樣單元，實現多個點樣單元同時流水線點樣，最後形成完整的晶片。該點樣平臺具有適用性廣、效率高、均一性好、交叉汙染少、維護使用簡便等特點，非常適用於生物晶片的規模化生產，也適合於科研和應用。
文檔編號C12Q1/00GK101334403SQ200710042660
公開日2008年12月31日 申請日期2007年6月26日 優先權日2007年6月26日
發明者聰 劉, 汪寧梅, 穆海東, 蔡錦達 申請人:上海裕隆生物科技有限公司