专利名称：一种流水线生物芯片点样平台的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及微阵列生物芯片的制备，更确切的说，涉及一种多指标、多人份并行检 测用微阵列生物芯片的流水线化点样平台。
背景技术：
生物芯片(biochip)是指采用光导原位合成或微量点样等方法，将大量生物大分子比如 核酸片段、多肽分子甚至组织切片、细胞等生物样品有序地固化于支持物(如玻片、硅片、 聚丙烯酰胺凝胶、尼龙膜等载体)的表面，组成密集二维分子排列，然后与已标记的待测生物样品中靶分子杂交，通过特定的仪器比如激光共聚焦扫描或电荷偶联摄影像机(CCD)对杂 交信号的强度进行快速、并行、高效地检测分析，从而判断样品中耙分子的数量。由于常用 玻片/硅片作为固相支持物，且在制备过程模拟计算机芯片的制备技术，所以称之为生物芯片 技术。根据芯片上的固定的探针不同，生物芯片包括基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、组 织芯片。由于用该技术可以将极其大量的探针同时固定于支持物上，所以一次可以对大量的 生物分子进行检测分析，从而解决了传统核酸印迹杂交(Southern Blotting和Northern Blotting等)技术复杂、自动化程度低、检测目的分子数量少、低通量(low through-put) 等不足。而且，通过设计不同的探针阵列、使用特定的分析方法可使该技术具有多种不同的 应用价值，如基因表达谱测定、突变检测、多态性分析、基因组文库作图及杂交测序 (Sequencing by hybridization, SBH)等，为〃后基因组计划〃时期基因功能的研究及现代 医学科学及医学诊断学的发展提供了强有力的工具，将会使新基因的发现、基因诊断、药物筛选、给药个性化等方面取得重大突破，为整个人类社会带来深刻广泛的变革。该技术被评 为1998年度世界十大科技进展之一。研究目的不同，期望制作的芯片类型不同，制备芯片方法也不尽相同，以DNA芯片为例， 基本上可分为两大类 一类是原位合成，即在支持物表面直接原位合成寡核苷酸探针； 一类 是预合成后直接点样，将微量DNA溶液直接以微阵列的形式点放并固化在芯片载体上。由于 原位合成方法非常复杂，所以大多数的DNA微阵列芯片都是采用合成点样法。而蛋白芯片的 制备，由于方法的限制，都是采用合成后点样的方法制备。合成点样法是将预先通过液相化学合成好的探针经纯化、定量分析后，通过微阵列点样 平台，准确、快速地将不同探针样品定量点样于带正电荷的尼龙膜或硅片等相应位置上，固 化后即得到DNA微阵列或蛋白芯片。点样的方式分两种，其一为接触式点样，即点样针直接 与固相支持物表面接触，将样品留在固相支持物上；其二为非接触式点样，即喷点，它是以 压电原理或微量电磁阀通断原理将样品通过毛细管直接喷至固相支持物表面。目前市场上已 开发的微阵列点样平台一般都由一套计算机控制一套三维移动装置、多个打印/喷印针、 一个 减震底座组成，底座上面可放内盛探针的多孔板和多个芯片，多个打印/喷印针连接于三维移 动装置上在底座上方移动，将探针从多孔板取出直接打印或喷印于芯片上。这类设备具有诸 多不足限制于一套三维移动装置，不仅点样速度慢，而且清洗打印/喷印针占用了大量时间， 效率低下；由于设备底座尺寸大小有限， 一次点样最多只能制备所能摆放的芯片数量，所以一次点样容量受到限制；用多个打印/喷印针点同样的样品，由于多个打印/喷印针的个体差异，势必带来更大的点样差异；而且同一套打印/喷印针来点不同的样品，交叉污染问题不可 避免。也正是由于这些问题存在，目前生物芯片的制备设备仅有科研型，并没有快速生产型 设备。而且，上述设备多为国外进口设备，价格昂贵，耗材成本高，不适合在国内进行推广。 目前该类设备都是设计为将探针点在玻片等刚性载体上，很少有点在膜等软性载体上。发明内容本实用新型的目的是提供一种微阵列生物芯片流水线制备平台，可以克服上述技术的不 足，可以应用于多指标、多人份检测用微阵列生物芯片的快速生产制备。本实用新型具有成 本低、适用性广、效率高、均一性好、无交叉污染、维护使用操作简便等特点，使生物芯片 技术产业能在国内广泛推广及快速发展。本实用新型提供了一种流水线生物芯片点样平台，其特征在于，它主要由一个机械手固 定平台(1)、精密运动平台(2) 、 2 20个点样单元、电控箱以及计算机组成。各点样单元由XYZ三维机械手、点样头(7)、样品槽(8)、清洗槽(9)、芯片夹具(3) 组成，其中各XYZ三维机械手由X轴电控平移台(6) 、 Y轴电控平移台(5) 、 Z轴电控平移 台(4)组成。X轴电控平移台(6)固定于机械手固定平台(1)上，Y轴电控平移台(5)连 接X轴电控平移台(6)，点样头(7)通过点样头连接架连接在Z轴电控平移台(4)上。点 样单元沿运动平台(2)的运动方向按照一定的角度或距离等距排列。各点样单元的样品槽(8) 和清洗槽(9)固定在机械手固定平台(1)上，位于该点样单元X轴(6) 、 Y轴(5) 、 Z轴 (4)运动有效行程范围之内。各点样单元的点样头(7)上具有1个点样针，负责芯片制备 过程中其中一个样品的点样。它具有多个芯片夹具(3)，通过卡槽或螺丝以可方便拆卸的方式固定在精密运动平台(2) 上。生物芯片基质装卡在芯片夹具(3)中，依靠精密运动平台(2)进行运动与定位，也在 运动平台(2)上沿其运动方向按照点样单元的距离或角度等距排列。生物芯片基质可以是一 张或多张尼龙膜或者硝酸纤维膜，也可以是一个或多个玻片，还可以是一块或多块多孔板。用数据线把精密运动平台(2)和各点样单元的X轴(6) 、 Y轴(5) 、 Z轴(4)电控平 移台连接到电控箱，电控箱连接计算机。在计算机软件的控制下操作电控箱、精密运动平台 (2)和各点样单元，实现多个点样单元同时流水线点样，最后形成完整的生物芯片。本实用新型中计算机控制程序的设计模型是控制各个点样单元的启用、控制各个点样单 元的XYZ三维机械手、控制精密运动平台(2)的运动与精确定位、控制点样管路系统的点样 动作、控制点样的数目和能在相同的点上重复。本实用新型中所说的精密运动平台(2)，指的是广义的精密旋转平台，也就是说包含了 当其直径无穷大时为精密直线运动平台(10)的情况。与目前已有的产品相比，本实用新型的主要优点在于1)适用性广。本点样平台中的芯片夹具可适用多种点样基质，可以是一张或多张尼龙膜 或者硝酸纤维膜等膜基质，也可以是一个或多个玻片等刚性基质,还可以是一块或多 块多孔板。2) 效率高。本点样平台中采用多个点样单元同时对多个芯片进行点样，多个点样机械手 的使用，大大提高了点样速度。同时每根点样针每次点样时仅负责点一个样品或少数 几个样品，有效的减少了点不同样品时用于清洗点样针的时间，大大提高了点样效率。3) 均一性好。同一块芯片以及所有芯片上的同一种样品全部由一个点样模块上的一根点 样针来完成，有效的避免了点样针之间的个体差异，提高了点样的均一性。4) 交叉污染少。 一个点样单元专门负责点其中一个样品，不仅减少了点不同样品时的清 洗时间，还有效的减少了不同样品间的交叉污染。甚至可以通过一个点样单元专门只负责点一种样品来避免样品间的交叉污染。5) 维护使用操作简便。该设备采用模块化的点样单元形式，且各点样单元的零部件都可 以通用，所以使用维护的操作都非常简便， 一旦发现一个点样单元出行问题，可以及 时用其他点样单元来替代其工作，或者用多余的点样单元整体替换该点样单元，有效 的避免了部件出行故障时整台设备都必须停机维修的时间浪费。6) 仪器本身的成本低。本设备采用标准的小型化的点样模块，不仅本身的价格较低，还 可以通过数量的优势进一步压低价格。国外的一套仪器价格一般为几十万美元，而本 设备的成本仅几十万元人民币，但其点样效率却是相当于多套国外设备。总之，该点样平台具有适用性广、效率高、均一性好、交叉污染少、维护使用简便、制 造成本低等特点，非常适用于生物芯片的规模化生产，也适合于科研和应用。
图.1为本实用新型的一个实施例(运动平台为精密旋转平台形式)的示意图，本实用新 型包括但不仅限于图中所示点样单元与芯片夹具(3)的数量和排列方式；图.2为本实用新型的一个实施例(运动平台为精密直线运动平台形式)的示意图，本实 用新型包括但不仅限于图中所示点样单元与芯片夹具(3)的数量和排列方式。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明如图所示，本实用新型的微阵列生物芯片流水线制备平台，包括如下组件(1)为XYZ 机械手固定平台，(2)为精密旋转平台，(3)为芯片夹具，(4)为一个点样单元中的Z轴 电控平移台，(5)为一个点样单元中的Y轴电控平移台，(6)为一个点样单元中的X轴电 控平移台，(7)为点样头，用来安装点样针，(8)为样品槽，(9)为清洗槽，(10)为当 精密旋转平台的直径为无穷大时即直线运动平台，另外还有电控箱和计算机。各点样单元由XYZ三维机械手、点样头(7)、样品槽(8)、清洗槽(9)组成。其中各 XYZ三维机械手分为X轴(6) 、 Y轴(5) 、 Z轴(4)三个轴，各由一个精密电动平移台组 成。X轴电控平移台(6)固定于机械手固定平台(1)上，Y轴电控平移台(5)连接X轴电 控平移台(6),点样头(7)通过点样头连接架连接在Z轴电控平移台(4)上。点样单元沿 运动平台(2)的运动方向按照一定的角度或距离等距排列。各点样单元的样品槽(8)和清 洗槽(9)固定在机械手固定平台(1)上，位于该点样单元X轴(6) 、 Y轴(5) 、 Z轴(4) 电控平移台运动有效行程范围之内。各点样单元的点样头(7)上具有l个点样针，负责芯片 制备过程中其中一个样品的点样。生物芯片基质装卡在芯片夹具(3)中，依靠精密运动平台(2)进行运动与定位，也在 运动平台(2)上沿其运动方向按照点样单元的距离或角度等距排列。生物芯片基质可以是一 张或多张尼龙膜或者硝酸纤维膜，也可以是一个或多个玻片，还可以是一块或多块多孔板。用数据线把各点样单元的电控平移台X轴(6) 、 Y轴(5) 、 Z轴(4)连接到电控箱，电控箱连接计算机。在计算机软件的控制下操作电控箱，控制精密旋转平台(2)或者精密水 平运动平台(10)的运动与定位，同时协调控制各点样单元，通过精密旋转平台(2)或者精 密水平运动平台(10)的传输芯片基质，多个点样单元同时按照设定程序进行点样，实现多 指标、多人份微阵列生物芯片流水线制备，最后形成完整的生物芯片。本实用新型中计算机控制程序的设计模型是控制各个点样单元的启用、控制各个点样单 元的XYZ三维机械手、控制精密运动平台(2)的运动与精确定位、控制点样管路系统的点样动作、控制点样的数目和能在相同的点上重复。下面结合其中一种点样基质——尼龙膜上的点样来进一步介绍本实用新型的使用方法 首先将尼龙膜固定到玻璃板或者其他刚性支持物上，再把该刚性支持物装到芯片夹具(3) 中，打开电控箱电源，启动计算机并打开电控箱控制软件，将各点样单元的XYZ精密电控平 移台(4) (5) (6)归零复位，精密运动平台'(2)也运动到指定位置，并将需要点样的样 品依次加入不同的点样单元中的样品槽(8)中，选择好需要的点样单元后，设计点样模板并 执行点样程序，当第一个样品在第一个芯片中完成所有该样品点样时，精密运动平台(2)自 动运动将该芯片送到第二个点样单元，由第二个点样单元对其进行第二个样品的点样，而同 时第二块芯片进入第一个点样单元进行第一个样品的点样，依次类推，每当一个点样单元在 一个芯片上完成该样品的点样后，进入下一个点样单元，如果第一个点样单元的前一个芯片 夹具中的芯片空缺时，可以装入新的芯片进入点样流水线，直到完成所有芯片的点样。应理解，在阅读本实用新型的上述内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种 增减或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
权利要求1. 一种流水线生物芯片点样平台，其特征在于，它主要由一个精密运动平台(2)、2～20个点样单元、一个机械手固定平台(1)、电控箱以及计算机组成，其中各点样单元由XYZ三维机械手、点样头(7)、样品槽(8)、清洗槽(9)、芯片夹具(3)组成，其中各XYZ三维机械手由X轴电控平移台(6)、Y轴电控平移台(5)、Z轴电控平移台(4)组成；X轴电控平移台(6)固定于机械手固定平台(1)上，Y轴电控平移台(5)连接X轴电控平移台(6)，点样头(7)通过连接架连接在Z轴电控平移台(4)上；样品槽(8)和清洗槽(9)都固定在机械手固定平台(1)上；芯片夹具(3)固定在精密运动平台(2)上；XYZ三维机械手和精密运动平台(2)通过数据线连接到电控箱，电控箱再通过数据线连接计算机，由计算机控制程序控制电控箱、运动平台(2)和各点样单元的运作。
2. 根据权利要求1的一种流水线生物芯片点样平台，其特征在于，所述的点样单元沿精密运 动平台(2)的运动方向按照一定的角度或距离等距排列。
3. 根据权利要求1的一种流水线生物芯片点样平台，其特征在于，所述的各点样单元的样品 槽(8)和清洗槽(9)位于该点样单元XYZ三维机械手运动有效行程范围之内。
4. 根据权利要求1的一种流水线生物芯片点样平台，其特征在于，所述的各点样单元的点样 头(7)上具有l个点样针，负责芯片制备过程中其中一个样品的点样。
5. 根据权利要求1的一种流水线生物芯片点样平台，其特征在于，所述的芯片夹具(3)通 过卡槽或螺丝以可方便拆卸的方式固定在精密运动平台(2)上。
专利摘要本实用新型公开一种流水线生物芯片点样平台，涉及微阵列生物芯片的制备。它主要由机械手固定平台、精密运动平台、2～20个点样单元、电控箱以及计算机组成。各点样单元由XYZ三维机械手、点样头、样品槽、清洗槽、芯片夹具组成，其中各XYZ三维机械手均利用三个电动平移台组成。点样单元沿运动平台的运动方向按照一定的距离或角度等距排列。生物芯片基质装卡在芯片夹具中，也在运动平台上沿其运动方向按照点样单元的距离或角度等距排列。在计算机软件的控制下操作电控箱、精密运动平台和各点样单元，实现多个点样单元同时流水线点样，最后形成完整的芯片。该点样平台具有适用性广、效率高、均一性好、交叉污染少、维护使用简便等特点，非常适用于生物芯片的规模化生产，也适合于科研和应用。
文档编号C12Q1/00GK201107314SQ200720071630
公开日2008年8月27日 申请日期2007年6月26日 优先权日2007年6月26日
发明者聪 刘, 汪宁梅, 穆海东, 蔡锦达 申请人:上海裕隆生物科技有限公司