用於製作dna微陣列的點樣裝置和使用該裝置點樣的方法

2023-05-20 08:39:21

專利名稱：用於製作dna微陣列的點樣裝置和使用該裝置點樣的方法
技術領域：
本發明涉及一種用於製作DNA微陣列的點樣裝置和使用該裝置點樣的方法。更具體地說，本發明涉及一種點樣裝置和使用該裝置點樣的方法，該點樣裝置用於在DNA微陣列表面上滴落和固定生物分子溶液，例如，核酸(如探針DNA、mRNA和肽核酸(PNA))和蛋白質，以製作一種DNA微陣列。
背景技術：
隨著人類基因組計劃的發展，對於快速提供關於診斷、治療和預防遺傳性疾病的大量基因信息的方法的需求大大增加。雖然直到Sanger等人的當時已經用於分析鹼基序列的Sange方法通過聚合酶鏈反應(PCR)複製DNA及其自動化的發展而得到穩步改進，但是因為分析過程複雜、耗時、昂貴並需要高度的技能，該方法不能分析大量基因。因此，一直需要一種用於分析鹼基序列的新系統。根據時代的需要，近幾年在製作DNA微陣列和使用該DNA微陣列的技術上取得了進步。
「DNA微陣列」通常是指，將寡核苷酸探針附著到固體表面的成百個或數十萬個預定位置以形成微陣列，所述探針的鹼基序列已知並且具有最小几個到最大幾百個的鹼基，所述固體例如矽樹脂、表面改性的玻璃、聚丙烯、以及活化的聚丙烯醯胺。在將有待分析的目標DNA片段結合到DNA微陣列時，根據附著到DNA微陣列上的探針的鹼基序列和目標DNA片段的鹼基序列之間的互補程度發生各種雜交，這些雜交通過光學方法或放射化學方法觀察和分析，以發現目標DNA的鹼基序列(雜交測序；SBH)。
使用DNA微陣列製作的DNA晶片可以實現DNA分析系統的微小化，使用僅僅超微量的樣本進行基因分析並且在目標DNA上各個位置同時檢查鹼基序列。因此，DNA晶片費用不高且可快速提供遺傳信息。而且，DNA晶片可以同時快速地分析大量的基因信息，並弄清基因之間的關係，於是，可以應用於很多領域，如遺傳性疾病和癌症的診斷、突變的搜索、病原性細菌和真菌的檢測、基因表達的分析以及藥物開發。而且，DNA晶片可以用於生物技術以促進發展。例如，它可以用作微生物和環境汙染的傳感器以發現中和毒藥的物質的基因，並且基因重組技術用於這裡以大量生產中和毒藥的物質或者生產醫用植物和低脂肪肉。
DNA微陣列根據所使用的探針類型可以劃分為寡核苷酸晶片和cDNA晶片，根據製作方法可以劃分為光蝕刻(photolithography)晶片、使用針(pin)的點樣晶片以及使用噴墨(inkjet)的點樣晶片。圖1和圖2分別顯示了使用針和噴墨製作DNA微陣列的傳統點樣方法。在這些方法中，生物分子溶液，例如，核酸(如探針DNA、mRNA和PNA)和蛋白質被滴落並固定在DNA微陣列表面。這些方法中是使用的所有生物分子都為液態。
考慮到製作DNA微陣列的傳統點樣裝置以及使用該裝置的點樣方法，如果使用針，因為針被用於點樣生物分子溶液並隨後衝洗該溶液，然後用於點樣另一種生物分子溶液，將有99％或者更多的生物分子溶液未經使用就被廢棄。而且，點(spot)的大小不均勻，針偶爾堵塞，針的壽命不長，生物分子溶液的濃度根據點樣時間而變化，並且需要很長時間點樣生物分子溶液。如果使用噴墨，泡沫噴射方法(bubble jet method)立刻就需要(momentarily require)超高的熱量，於是一部分對熱敏感的生物分子可能受到熱的影響。而且，噴嘴偶爾堵塞。

發明內容
本發明提供了一種點樣裝置和使用該裝置的點樣方法，當製作生物晶片或DNA微陣列時，該點樣裝置能比傳統的點樣裝置產生具有更相同形狀的點，使溫度對生物分子的影響減到最小，並輕鬆操縱生物分子。
本發明也提供了一種能夠顯著減少製作生物晶片或DNA微陣列所需時間的點樣裝置和使用該裝置的點樣方法。
根據本發明的一個方面，它提供了一種點樣裝置，該點樣裝置用於在DNA微陣列表面上滴落(drop)和固定生物分子，例如，核酸(如探針DNA、mRNA和肽核酸(PNA))和蛋白質的溶液以製作一種DNA微陣列，該點樣裝置包括管形的第一微通道、供給單元、生物分子溶液液滴形成單元(dropletfotming unit)、第二微通道、冷卻單元和點樣單元，其中，所述供給單元用於給第一微通道提供生物分子溶液；生物分子溶液液滴形成單元橫向連接(cross-linked)到第一微通道，並通過定期向第一微通道中流動的生物分子溶液噴射氣體而形成具有預定尺寸的生物分子溶液液滴；第二微通道連接到第一微通道並且具有比第一微通道更大的直徑；冷卻單元包圍第二微通道的至少一部分以冷凍通過第二微通道的生物分子溶液液滴；而點樣單元將生物分子溶液液滴解凍並將已解凍的生物分子溶液液滴滴落到DNA微陣列的表面。
點樣單元包括第三微通道、釋放器(discharger)和第四微通道，其中第三微通道具有微閥(microvalve)用於開、關冷凍的生物分子溶液液滴所通過(pass through)的通道，並在零下溫度(sub-zero temperature)貯存冷凍生物分子溶液液滴；釋放器連接到第三微通道並通過打開微閥將冷凍的生物分子溶液液滴從第三微通道釋放；第四微通道連接到第三微通道並被加熱器加熱到預定的溫度，使第三微通道釋放的冷凍的生物分子溶液液滴解凍。
所述預定的溫度是20至200℃，且所述零下溫度是-5至-30℃。通常，隔熱通道安裝在第三微通道和第四微通道之間，以防止熱從第四微通道傳到第三微通道。
而且，釋放器是安裝在第三微通道上方的微激勵器(microactuator)，並且大量點樣單元可以規則布置以減少製作時間。
供給單元包括貯液器和第一微泵(micropump)，其中貯液器連接到第一微通道以貯存生物分子溶液；第一微泵將貯存在貯液器中的生物分子溶液泵入到第一微通道中。
並且，氣體是空氣且生物分子溶液液滴形成單元包括貯存空氣的儲氣器和第二微泵，該第二微泵將貯存在儲氣器中的空氣定期向第一微通道中流動的生物分子溶液噴射。
生物分子溶液液滴的預定尺寸可以是直徑2000μm到1nm。
並且，冷卻單元可以還包括用於貯存冷凍的生物分子溶液液滴的冷凍生物分子溶液液滴貯液器。
根據本發明的另一個方面，它提供了一種用於在DNA微陣列表面上滴落和固定生物分子，例如，核酸(如探針DNA、mRNA和肽核酸(PNA))和蛋白質的溶液以製作一種DNA微陣列的點樣方法，該點樣方法包括(a)允許生物分子溶液流入管形的第一微通道；(b)定期向第一微通道中流動的生物分子溶液噴射氣體以形成具有預定尺寸的生物分子溶液液滴；(c)使通過第二微通道的生物分子溶液液滴冷凍以貯存冷凍的生物分子溶液液滴，其中第二微通道連接到第一微通道並且具有比第一微通道更大的直徑；和(d)將冷凍的生物分子溶液液滴解凍並將解凍的生物分子溶液液滴滴落到DNA微陣列的表面。
在操作(c)中，冷凍的生物分子溶液液滴的貯存可以在保持在-5至-30℃的第三微通道中完成。
在操作(d)中，當通過由加熱器保持在20至200℃並且連接到第三微通道的第四微通道時，冷凍的生物分子溶液液滴可以解凍。
在操作(b)中，氣體是空氣且液滴的預定尺寸通常是直徑2000μm到1nm。
在操作(d)中，冷凍的生物分子溶液液滴可以由大量規則布置的點樣單元同時釋放，由此減少製作DNA微陣列的時間。


結合附圖閱讀下面詳細說明的典型實施例，可以更清楚地了解到本發明的上述以及其它特性和優點，其中圖1說明了一種使用針製作DNA微陣列的傳統點樣方法；圖2說明了一種使用噴墨製作DNA微陣列的傳統點樣方法；圖3說明了一種按照本發明實施例的用於製作DNA微陣列的點樣裝置，用於描述生物分子溶液的冷凍過程；圖4是圖3中所示點樣裝置的點樣單元的一個示意性剖面圖；圖5A和5B是用於說明使用圖3中所示點樣裝置進行點樣實驗的過程的圖表；和圖6A至6C說明了圖5A和5B的實驗結果。
具體實施例方式
現在將參考顯示本發明實施例的附圖更完整地說明本發明。
圖3是按照本發明實施例的用於製作DNA微陣列的點樣裝置的圖，用於描述生物分子溶液的冷凍過程，圖4是圖3中點樣裝置的點樣單元的一個示意性剖面圖。如圖3和圖4所示，根據本發明的實施例的用於製作DNA微陣列3的點樣裝置1包括管形的第一微通道10、供給單元20、生物分子溶液液滴形成單元30、第二微通道40、冷卻單元50和點樣單元60，其中供給單元20給第一微通道10提供生物分子溶液5，所述生物分子例如，核酸(如探針DNA、mRNA和肽核酸(PNA))和蛋白質；生物分子溶液液滴形成單元30橫向連接到第一微通道10並通過向第一微通道10中流動的生物分子溶液5定期噴射氣體而形成具有預定尺寸，通常是2000μm至1nm之間直徑的生物分子溶液5的液滴；第二微通道40連接到第一微通道10並且具有比第一微通道10更大的直徑；冷卻單元50包圍第二微通道40的至少一部分以冷凍通過第二微通道40的生物分子溶液5的液滴；點樣單元60使冷凍生物分子溶液液滴71解凍，並將已解凍的生物分子溶液液滴滴到DNA微陣列3的表面。並且單獨設置有用於貯存已在冷卻單元50中冷凍的生物分子溶液液滴71的生物分子溶液液滴貯液器70。
用於給第一微通道10提供生物分子溶液5的供給單元20包括貯液器22和第一微泵21，其中貯液器22連接到第一微通道10並貯存生物分子溶液5，而第一微泵21將貯存在貯液器22中的生物分子溶液5注入到第一微通道10中。
橫向連接到第一微通道10的生物分子溶液液滴形成單元30包括貯存空氣33的儲氣器32和第二微泵31，該第二微泵31將貯存在儲氣器32中的空氣33向第一微通道10中流動的生物分子溶液5定期噴射。如果空氣33由隔膜型(diaphragm type)第二微泵31基本垂直於第一微通道10噴射，那麼第一微通道10中流動的生物分子溶液5就變為具有預定尺寸的液滴。雖然在這裡使用的是空氣，但是也可以使用其它合適的氣體。
連接到第一微通道10的第二微通道40具有比第一微通道10更大的直徑。因此，由空氣33形成的具有預定尺寸的生物分子溶液5的液滴，以接觸第一微通道10內表面的狀態在第一微通道10中流動，然後以與第二微通道40內表面分離的狀態在內徑比第一微通道10更大的第二微通道40中流動，在那裡因為表面張力而形成基本上為球形的液滴。
冷卻單元50是一種低溫裝置，包括低溫裝置體51和冷卻管52，一種低溫液體，即低溫液氮在冷卻管52中流動。冷卻單元50包圍第二微通道40的一部分以冷凍通過第二微通道40的生物分子溶液液滴。
使用這種結構的點樣裝置均勻而精細地冷凍生物分子溶液液滴的過程如下所述。生物分子溶液5通過第一微泵21從貯液器22注入第一微通道10。使用隔膜型第二微泵31將儲氣器32中容納的空氣33以基本垂直的方向定期注入第一微通道10。生物分子溶液5的液滴尺寸由空氣33的注入速率所決定。也就是說，如果空氣33被快速注入，就形成生物分子溶液5的小液滴，如果空氣33被緩慢注入，就形成生物分子溶液5的大液滴。而且，生物分子溶液5的液滴尺寸可以因生物分子溶液5的流速而不同。也就是說，如果生物分子溶液5流動快，就形成生物分子溶液5的大液滴，如果生物分子溶液5流動慢，就形成生物分子溶液5的小液滴。因此，通過控制空氣33的注入速率和生物分子溶液5的流速，就可以形成預期尺寸的生物分子溶液5的液滴。當通過第二微通道40時，所形成的生物分子溶液5的液滴基本上為球形。然後，當通過由冷卻單元50維持低溫的第二微通道40時，生物分子溶液5的液滴被冷凍，其中低溫液體，如低溫液氮在冷卻單元50中流動。冷凍的生物分子溶液液滴71被貯存在冷凍生物分子溶液貯液器70中。
點樣單元60包括第三微通道61、釋放器63、第四微通道65和隔熱通道64，其中，第三微通道61貯存經冷凍的生物分子溶液液滴並且維持在大約-5℃至-30℃的零下溫度；釋放器63連接到第三微通道61，用於將冷凍的生物分子溶液液滴71從第三微通道61釋放出；第四微通道65被加熱器加熱到20-200℃以解凍從第三微通道61釋放出的生物分子溶液液滴71；隔熱通道64安裝在第三微通道61和第四微通道65之間，以防止熱從第四微通道65傳到第三微通道61。用於開、關冷凍的生物分子溶液液滴71所通過的通道的微閥62安裝在第三微通道61中。釋放器63是安裝在第三微通道61上方的微激勵器，可以通過機械方法、壓電方法(piezo method)或電場感應方法(electric field inducing method)來操作。
已在冷卻單元50中冷凍並貯存在冷凍生物分子溶液液滴貯液器70中的生物分子溶液液滴71隨後被貯存在第三微通道61中。當微閥62被微激勵器打開時，已經貯存在第三微通道61中的冷凍生物分子溶液液滴71逐一分離並向外釋放。當通過包含加熱器的第四微通道65時，釋放的生物分子溶液液滴被解凍。然後，液態生物分子溶液液滴被滴落在生物晶片或DNA微陣列3的表面，並且滴落的生物分子溶液液滴在生物晶片或DNA微陣列3的表面被固定和被生物分子化(biomoleculated)，從而完成製作DNA微陣列3的點樣過程。當大量點樣單元60被規則地布置，由此數滴生物分子溶液液滴被同時滴落並固定在生物晶片或DNA微陣列3上時，點樣過程所需要的時間可以顯著減少。
現在將參考圖5A和5B以及圖6A至6C更詳細地說明根據本發明一種實施例的用於製作DAN微陣列的點樣裝置的點樣操作實例。
實例點樣試驗的條件如下。
首先，製備探針DAN寡聚物(oligomer)。在圖5B中，完全匹配的探針DNA寡聚物(WP MODY3 EXON3-6，C6NH2-5』-CGGAGGAACCGTTTC-3』)被分配到1、2、5、6、9、10、13和14，不匹配的探針DNA寡聚物(MP MODY3EXON3-6，C6NH2-5』-CGGAGGAACCATTTC-3』)被分配到3、4、7、8、11、12、15和16。
然後，製備100uM的DNA寡聚物、100uM的PEG、3uM的Cy5活化酯(activate ester)和一種DMSO溶液。
接下來，使用根據本發明一種實施例的用於製作DNA微陣列的點樣裝置形成液滴，在-20℃冷凍該液滴，然後使用50uM的Mody3 Exon3作為目標DNA進行雜交。在這時，雜交時間是16小時並且雜交溫度是32℃。
清洗後，在綠色模式下以532nm波長使用PMT573(Scanner GenePix4000B，Axon Instruments，Inc.)對結果進行掃描。
圖6A是雜交後點的照片，圖6B和6C說明了各點的強度和直徑。從圖6A至6C中可見，點的均勻性得到改進，並且解析度高達9.82。
因此，通過使用一種點樣裝置，當製作生物晶片或DNA微陣列時，可以形成具有相同形狀的點，可以使溫度對生物分子的影響減到最小，並且可以輕鬆操縱生物分子，其中，該裝置包括生物分子溶液液滴形成單元30、第二微通道40、冷卻單元50和點樣單元60，其中，生物分子溶液液滴形成單元30橫向連接到第一微通道10並通過向第一微通道10中流動的生物分子溶液5定期噴射氣體形成具有預定尺寸的生物分子溶液液滴5；第二微通道40連接到第一微通道10並且具有比第一微通道10更大的直徑；冷卻單元50包圍第二微通道40的至少一部分以冷凍通過第二微通道40的生物分子溶液5的液滴；點樣單元60使生物分子溶液液滴71解凍，並將解凍的生物分子溶液液滴滴落到DNA微陣列3的表面。
雖然上面已經說明冷凍的生物分子溶液液滴71在點樣單元60的第四微通道65中解凍，然而冷凍的生物分子溶液液滴71也可以在外面解凍。
而且，雖然上面已經說明安裝了用於貯存冷凍的生物分子溶液液滴的冷凍生物分子溶液液滴貯液器70，然而當點樣單元60連接到第二微通道40時，點樣單元60的第三微通道61可以用作冷凍生物分子溶液液滴貯液器70，這消除了對冷凍生物分子溶液液滴貯液器70的需要。
如上所述，根據本發明，提供了一種在製作生物晶片或DNA微陣列時能夠形成具有相同形狀的點、使溫度對生物分子的影響減到最小並且輕鬆操縱生物分子的點樣裝置以及使用該點樣裝置的點樣方法。
而且，大量點樣單元被規則地布置並且大量生物分子溶液液滴通過它們同時釋放，以至製作生物晶片或DNA微陣列所需的時間可以顯著減少。
雖然已經參考其典型實施例特別顯示並說明了本發明，但是對於本領域的技術人員將可以理解，可以在不脫離所附權利要求書定義的本發明的精神和範圍的條件下進行各種形式和細節上的變化。
權利要求
1.一種點樣裝置，用於在DNA微陣列表面上滴落和固定生物分子溶液，例如，核酸(如探針DNA、mRNA和肽核酸(PNA))和蛋白質以製作一種DNA微陣列，該點樣裝置包括管形的第一微通道；給第一微通道提供生物分子溶液的供給單元；生物分子溶液液滴形成單元，該單元橫向連接到第一微通道，並通過定期向第一微通道中流動的生物分子溶液噴射氣體而形成具有預定尺寸的生物分子溶液液滴；第二微通道，該通道連接到第一微通道並且具有比第一微通道更大的直徑；冷卻單元，該單元包圍第二微通道的至少一部分以冷凍通過第二微通道的生物分子溶液液滴；和點樣單元，該單元將生物分子溶液液滴解凍並將已解凍的生物分子溶液液滴滴落到DNA微陣列的表面。
2.根據權利要求1所述的點樣裝置，其中點樣單元包括第三微通道，所述第三微通道具有微閥用於打開和關閉冷凍的生物分子溶液液滴所通過的通道，並在零下溫度貯存冷凍生物分子溶液液滴；釋放器，所述釋放器連接到第三微通道並通過打開微閥將冷凍的生物分子溶液液滴從第三微通道釋放；和第四微通道，所述第四微通道連接到第三微通道並被加熱器加熱到預定的溫度，使第三微通道釋放的冷凍生物分子溶液液滴解凍。
3.根據權利要求2所述的點樣裝置，其中所述預定的溫度是20至200℃，所述零下溫度是-5至-30℃，並且隔熱通道安裝在第三微通道和第四微通道之間以防止熱量從第四微通道傳到第三微通道。
4.根據權利要求2所述的點樣裝置，其中釋放器是安裝在第三微通道上方的微激勵器，並且大量點樣單元規則布置。
5.根據權利要求1所述的點樣裝置，其中供給單元包括貯液器，所述貯液器連接到第一微通道並貯存生物分子溶液；和第一微泵，第一微泵將貯存在貯液器中的生物分子溶液泵入到第一微通道中。
6.根據權利要求1所述的點樣裝置，其中氣體是空氣且生物分子溶液液滴形成單元包括貯存空氣的儲氣器；和第二微泵，所述第二微泵將貯存在儲氣器中的空氣定期向第一微通道中流動的生物分子溶液噴射。
7.根據權利要求1所述的點樣裝置，其中生物分子溶液液滴的預定尺寸是直徑2000μm到1nm。
8.根據權利要求1所述的點樣裝置，其中冷卻單元還包括用於貯存冷凍生物分子溶液液滴的冷凍生物分子溶液液滴貯液器。
9.一種點樣方法，用於在DNA微陣列表面上滴落和固定生物分子溶液，例如，核酸(如探針DNA、mRNA和肽核酸(PNA))和蛋白質以製作一種DNA微陣列，該點樣方法包括(a)允許生物分子溶液流入管形的第一微通道；(b)定期向第一微通道中流動的生物分子溶液噴射氣體以形成具有預定尺寸的生物分子溶液液滴；(c)冷凍通過第二微通道的生物分子溶液液滴並貯存冷凍的生物分子溶液液滴，其中第二微通道連接到第一微通道並且具有比第一微通道更大的直徑；和(d)將冷凍的生物分子溶液液滴解凍並將解凍的生物分子溶液液滴滴落到DNA微陣列的表面。
10.根據權利要求9所述的點樣方法，其中在操作(c)中，冷凍的生物分子溶液液滴的貯存在保持在-5至-30℃的第三微通道中完成。
11.根據權利要求10所述的點樣方法，其中在操作(d)中，冷凍的生物分子溶液液滴在通過由加熱器保持在20至200℃並且連接到第三微通道的第四微通道時被解凍。
12.根據權利要求9所述的點樣方法，其中在操作(b)中，氣體是空氣且液滴的預定尺寸是直徑2000μm到1nm。
13.根據權利要求9所述的點樣方法，其中在操作(d)中，冷凍的生物分子溶液液滴由大量規則布置的點樣單元同時釋放。
全文摘要
本發明提供了用於製作DNA微陣列的點樣裝置及用該裝置點樣的方法。這種用於在DNA微陣列表面上滴落和固定生物分子溶液的裝置包括管形的第一微通道；供給單元，用於給第一微通道提供生物分子溶液；生物分子溶液液滴形成單元，它橫向連接第一微通道，並通過定期向第一微通道中流動的生物分子溶液噴射氣體而形成預定大小的生物分子溶液液滴；第二微通道，它連接第一微通道且直徑大於第一微通道；冷卻單元，它包圍第二微通道的至少一部分以冷凍通過第二微通道的生物分子溶液液滴；點樣單元，它將冷凍的生物分子溶液液滴解凍並滴落到DNA微陣列的表面。該裝置可在製作DNA微陣列時形成相同形狀的點，使溫度對生物分子的影響最小，並輕鬆操作生物分子。
文檔編號B01J19/00GK1693478SQ200410104919
公開日2005年11月9日 申請日期2004年12月24日 優先權日2003年12月24日
發明者李廷健, 李憲周 申請人:三星電子株式會社