一种全自动生物芯片工作站及其检测方法与流程

本发明涉及芯片杂交装置领域，具体而言，涉及一种全自动生物芯片工作站及其检测方法。

背景技术

生物芯片杂交指将从生物样品分离到的蛋白、dna或rna样品与生物芯片进行反应，从固定于芯片的探针阵列得到样品的序列信息。由于玻片本身的荧光本底很低，所以可用荧光标记的方法来对生物芯片实施检测和分析，同时具有快速、精确和安全等优点。而且，还可用多个荧光素进行标记以实现一次性分析多个生物样品。

关于生物芯片杂交的设备公开的主要有以下专利：

申请号为201620379820.0公开了一种生物芯片杂交装置，特点是包括杂交湿盒和杂交盒，杂交湿盒内水平设置有多个用于置放杂交盒的置放腔，杂交盒包括杂交盒盒体和杂交盒盒盖，杂交盒盒体内设置有芯片置放凹腔，杂交盒盒盖外端面并排设置有多个观察窗口，观察窗口的边缘设置有一个加样孔，杂交盒盒盖内端面设置有用于将生物芯片位置固定住的芯片定位块，芯片定位块的位置与芯片置放凹腔的位置相对应，杂交盒盒体与杂交盒盒盖的一端通过合页连接，杂交盒盒体与杂交盒盒盖的另一端通过锁扣组件连接。优点是结构简单，可有效避免滑片现象的发生，保证杂交的成功率，且通过杂交湿盒给生物芯片的杂交提供一个恒定的杂交空间，无需其他额外的辅助设备，节省了成本。

申请号为200710117961.0公开了一种生物芯片杂交仪，包括：杂交腔、芯片载盘、旋转部、温控部和主控部；芯片载盘设置在杂交腔内，芯片载盘通过旋转部驱动；旋转部通过主控部进行转动控制，杂交腔通过所述温控部调节腔内温度。本发明还公开了一种生物芯片杂交仪的生物芯片杂交过程优化控制方法，包括如下步骤1：预先将冲洗液至于杂交腔中，再将待杂交的生物芯片盒放置在芯片载盘上，通过温控部将杂交腔的温度升至合适的温度；步骤2：主控部根据设定的振荡参数，控制旋转部驱动芯片载盘旋转振动；步骤3：杂交结束后，通过旋转部将剩余杂交液甩干。本发明实现了一种自动进行杂交的杂交仪和优化的杂交控制方法。

目前，还未有关于核酸扩增杂交一体式仪的记载。

有鉴于此，特提出本发明。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种生物芯片检测装置，实现生物芯片反应与检测结果输出一体化，提高样本的处理效率，节约人力，结果更稳定可靠。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种生物芯片检测装置，包括用于承载试管瓶的腔体，所述试管瓶用于容纳待检测样本和生物芯片，所述腔体具有温控功能；

用于存储液体的储液装置；

用于将所述储液装置中的液体泵送至所述试管瓶的泵送装置，所述泵送装置与用于向所述试管瓶中注入混合液的分液针流体连通；

用于监测所述试管瓶中芯片状态的成像装置；

基于所述成像装置获取的生物芯片状态的信息获取杂交结果的数据处理装置。

进一步地，所述腔体的一侧镂空，所述成像装置通过所述镂空的部分捕捉所述瓶体中的生物芯片的信息。

进一步地，所述试管瓶的瓶体为扁平结构。

进一步地，所述瓶体为透明材质制成。

进一步地，所述腔体与所述瓶体结构相适设置。

进一步地，所述生物芯片检测装置还包括用于支撑所述分液针的支架，所述支架设置在所述腔体上方并可上下运动。

进一步地，所述腔体的顶部设置有容纳所述试管瓶瓶盖的凹槽，所述试管瓶瓶盖与所述分液针对应设置。

进一步地，还设置有用于将所述试管瓶中液体排出的排液针，所述排液针与排液装置流体连通。

进一步地，所述排液针与所述分液针相邻设置，所述试管瓶瓶盖对应设置一个分液针和一个排液针。

进一步地，所述腔体的底部设置有加热制冷片，通过冷热传导实现所述腔体的温控。

进一步地，所述加热制冷片为热电制冷片，所述热电制冷片通过控制电极实现其冷热功能的转换。

进一步地，所述加热制冷片的下面还设置散热装置，如散热片和风扇等。

进一步地，所述试管瓶为多个，所述腔体分为用于承载不同试剂瓶的空间。

进一步地，所述储液装置包括多个储液瓶，所述多个储液瓶通过分液阀控制不同溶液的混合流出。

进一步地，所述分液阀包括八通阀、四通阀、三通阀中的任一种或多种的组合。

进一步地，所述支架与所述腔体之间还设置有用于紧固试管瓶的盖板，所述盖板与所述平台弹性连接，所述盖板上对应所述分液针头和排液针头设置有孔。

进一步地，所述成像装置可移动设置。

进一步地，在所述腔体镂空的一侧，沿与所述腔体平行的方向设置有轨道，所述成像装置通过滑块与所述轨道滑动连接。

本发明还提供了一种生物芯片检测方法，采用上述的生物芯片检测装置进行，步骤如下：

将生物芯片、待检测样本以及引物放入所述试管瓶中，所述试管瓶固定在所述腔体中；

通过控制试管瓶中液体的流入和流出以及温度实现所述待检测样本的扩增以及扩增产物与所述生物芯片的杂交；

采用不同的检测方式进行相应的处理，成像装置获取杂交完成的生物芯片的信息，杂交结果经数据处理装置处理后得到结果。

进一步地，所述待检测样本的扩增和扩增产物与所述生物芯片的杂交同时进行，所用的缓冲液为pcr扩增缓冲液。

温度控制程序可根据检测物的不同以及检测方法的不同进行相应的调整，如可以为典型的pcr反应程序，也可以为双温pcr，如94℃、55℃的双温pcr，也可以为lamp/rpa等恒温扩增，等等。

进一步地，温度控制程序为：变性，退火，延伸，多个循环。

进一步地，温度控制程序为：94±1℃10±2s，55±1℃20±2s，72±2℃20±2s，35-40个循环。

进一步地，所述检测方式包括化学发光法、量子点荧光法和可视化法。

在实际操作中，检测时，可采用不同的检测方式进行，也可以采用同一种检测方式进行。

如采用不同的检测方式进行，每次添加相应检测方式中涉及的试剂，并采用相应的方法显示成像，重复进行，得到相应样本的不同检测物的杂交结果。

如同一种检测方法可根据待检测物不同选用不同的标记物，通过不同条件下处理，以得到相应样本的不同检测物的杂交结果。

化学发光法如添加辣根酶标记的亲和素溶液，杂交完成后，添加发光底物，高灵敏ccd成像元件(型号jaicm-030-ge)在导轨上运动至各个芯片正前方，采集化学发光生物芯片图像。

量子点荧光法如添加珈源亲和素标记的红色量子点sa-qds625溶液，杂交完成后，紫外光源激发，滤波，高灵敏ccd成像元件在导轨上运动至各个芯片正前方，采集量子点荧光生物芯片图像。

可视化法如添加珈源亲和素标记的红色量子点sa-qds625溶液，杂交完成后，添加银染底物液，清洗，开启波长白光led光源，ccd成像元件在导轨上运动至各个芯片正前方，采集可视化生物芯片图像。

本发明中涉及的显示信号的物质除了上述的量子点、生物素，还可包括荧光物质、地高辛标记探针、放射性同位素、放射性造影剂、顺磁离子荧光微球、电子致密物质、化学发光标记物、超声造影剂、光敏剂、胶体金或酶。

其中，荧光物质包括alexa350、alexa405、alexa430、alexa488、alexa555、alexa647、amca、氨基吖啶、bodipy630/650、bodipy650/665、bodipy-fl、bodipy-r6g、bodipy-tmr、bodipy-trx、5-羧基-4′，5′-二氯-2′，7′-二甲氧基荧光素、5-羧基-2′，4′，5′，7′-四氯荧光素、5-羧基荧光素、5-羧基罗丹明、6-羧基罗丹明、6-羧基四甲基罗丹明、cascadeblue、cy2、cy3、cy5、cy7、6-fam、丹磺酰氯、荧光素、hex、6-joe、nbd(7-硝基苯并-2-氧杂-1，3-二唑)、oregongreen488、oregongreen500、oregongreen514、pacificblue、邻苯二甲酸、对苯二甲酸、间苯二甲酸、甲酚固紫、甲酚蓝紫、亮甲酚蓝、对氨基苯甲酸、赤藓红、酞菁、偶氮甲碱、花青、黄嘌呤、琥珀酰荧光素、稀土金属穴状化合物、三双吡啶基二胺铕、铕穴状化合物或螯合物、二胺、双花青苷、lajolla蓝染料、别藻蓝蛋白、allococyaninb、藻蓝蛋白c、藻蓝蛋白r、硫胺、藻红青蛋白、藻红蛋白r、reg、罗丹明绿、罗丹明异硫氰酸酯、罗丹明红、rox、tamra、tet、trit(四甲基罗丹明异硫醇)、四甲基罗丹明和德克萨斯红中的任一种。

放射性同位素包括¹¹⁰in、¹¹¹in、¹⁷⁷lu、¹⁸f、⁵²fe、⁶²cu、⁶⁴cu、⁶⁷cu、⁶⁷ga、⁶⁸ga、⁸⁶y、⁹⁰y、⁸⁹zr、⁹⁴mtc、⁹⁴tc、⁹⁹mtc、¹²⁰i、¹²³i、¹²⁴i、¹²⁵i、¹³¹i、^154-158gd、³²p、¹¹c、¹³n、¹⁵o、¹⁸⁶re、¹⁸⁸re、⁵¹mn、⁵²mmn、⁵⁵co、⁷²as、⁷⁵br、⁷⁶br、⁸²mrb和⁸³sr中的任一种。

酶包括辣根过氧化酶、碱性磷酸酶和葡萄糖氧化酶中的任一种。

荧光微球为：聚苯乙烯荧光微球，内部包裹有稀土荧光离子铕。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明设置具有温控功能的腔体，使得待检测样本的扩增和与生物芯片的杂交一体式操作，大大节约操作步骤，节省时间。

(2)本发明通过液体分液阀控制不同液体的混合，通过分液针流入试管瓶中，以满足不同时期的溶液需求，同时废液通过排液针排出，实现了杂交过程的全自动化。

(3)本发明还设置有成像装置，以获取瓶体中的生物芯片的信息，实现结果获取的自动化操作，节约人力。

(4)本发明提供的生物芯片检测装置，实现了生物芯片检测的整个过程的自动化操作，提高检测效率，检测结果稳定可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的生物芯片检测装置前视立体图；

图2为本发明实施例提供的生物芯片检测装置的侧视立体图；

图3为本发明实施例提供的生物芯片检测装置的后视立体图；

图4为本发明实施例提供的生物芯片的各样品的点样阵列图；

图5为本发明实施例提供的生物芯片的化学发光检测结果图；

图6为本发明实施例提供的生物芯片的荧光检测结果图；

图7为本发明实施例提供的生物芯片的可视化检测结果图。

附图标记：

1-腔体；2-储液瓶；3-泵送装置；4-支架；5-成像装置；6-分液阀。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-3所示，本发明提供的生物芯片检测装置，包括用于承载试管瓶的腔体1，所述试管瓶用于容纳待检测样本和生物芯片，所述腔体1具有温控功能；

用于存储液体的储液装置；

用于将所述储液装置中的液体泵送至所述试管瓶的泵送装置3，所述泵送装置3与用于向所述试管瓶中注入混合液的分液针流体连通；

用于监测所述试管瓶中芯片状态的成像装置5；

基于所述成像装置5获取的生物芯片状态的信息获取杂交结果的数据处理装置。

现有的生物芯片杂交以及杂交结果检测过程如下：

制备带有不同探针的生物芯片：不同的探针缓冲液用基因芯片点样仪在基片上点样，烘干备用；

杂交用pcr产物制备：对待检测物进行pcr扩增；

生物芯片和pcr产物进行杂交：pcr扩增产物变性(98℃)，立即冷浴，然后和杂交缓冲液混合，该混合液添加到芯片的点样区，将芯片放入杂交盒内，于烘箱中避光杂交；经避光洗涤后，用于扫描分析。

本发明提供的生物芯片检测装置，待检测样本和生物芯片直接加入试管瓶中，通过控制温度和相应的溶液流入和流出，待检测样本在pcr扩增的同时与生物芯片杂交，然后通过加入相应的洗液后，采用不同的检测方式进行处理，成像装置5获取杂交完成的生物芯片的信息，杂交结果经数据处理装置处理后得到结果。

需要说明的是，本发明的生物芯片既包括基因芯片，也包括蛋白芯片，即本发明提供的生物芯片检测装置既可以用于基因检测，也可以用于蛋白如免疫检测等等。

本发明实现了生物芯片检测的整个过程的自动化操作，提高检测效率，检测结果稳定可靠。

本发明中，腔体1用于承载试管瓶，腔体1可以完全由侧壁围成，也可以均为框架构成。基于便于摄像的进行和便于温控，在一些实施例中，所述腔体1的一侧镂空(图3)，所述成像装置5通过所述镂空的部分捕捉所述瓶体中的生物芯片的信息。

进一步地，成像装置5的摄像头正对镂空的部分设置，以便于图像的摄取。

在一些实施例中，所述试管瓶的瓶体为扁平结构。

瓶体用于盛装生物芯片和待检测样本，生物芯片一般为四边体的片状，而待检测样本为液体，因此，瓶体的形状与生物芯片相似设置；瓶体的空间略大于生物芯片设置，以便于生物芯片容易地放入，这样也便于成像装置5摄取生物芯片的信息。

在一些实施例中，所述瓶体为透明材质制成。以便于成像装置5摄取生物芯片的信息。

在一些实施例中，所述腔体1与所述瓶体结构相适设置。

由于腔体1具有温控性，而试管瓶的温度一般是由腔体1热传导控制，因此，腔体1与所述瓶体结构相适设置。

在一些实施例中，所述生物芯片检测装置还包括用于支撑所述分液针的支架4，所述支架4设置在所述腔体1上方并可上下运动。

分液针设置在试剂瓶的上方，位于支架4上，通过支架4的运动实现分液针插入或拔出于所述试管瓶。

在一些实施例中，所述腔体1的顶部设置有容纳所述试管瓶瓶盖的凹槽，所述试管瓶瓶盖与所述分液针对应设置。

通过设置凹槽，增强瓶盖的稳固性，以便于控制分液针插入或拔出。

在杂交过程中的不同阶段，需要不同的溶液处理，通过液体的流入和排出，实现换液的自动化操作。

在一些实施例中，还设置有用于将所述试管瓶中液体排出的排液针，所述排液针与排液装置流体连通。排液针将液体排出至排液装置如废液瓶中。

在一些实施例中，所述排液针与所述分液针相邻设置，所述试管瓶瓶盖对应设置一个分液针和一个排液针。即每个试管瓶中，通过分液针控制液体的流入和排液针控制液体的排出，实现换液的自动化操作。

在一些实施例中，所述腔体1的底部设置有加热制冷片，通过冷热传导实现所述腔体1的温控。

在一些实施例中，所述加热制冷片为热电制冷片，所述热电制冷片通过控制电极实现其冷热功能的转换。

在一些实施例中，所述加热制冷片的下面还设置散热装置，如散热片和风扇等。

通过加热装置和散热装置实现试管瓶中的温度可控。

在一些实施例中，所述试管瓶为多个，所述腔体1分为用于承载不同试剂瓶的空间。一般地，腔体1设置多个独立的空间，每个空间用于放置一个试剂瓶，该空间的大小与试剂瓶大小相适设置，以增强试剂瓶的放置的稳固性。

在一些实施例中，所述储液装置包括多个储液瓶2，所述多个储液瓶2通过分液阀6控制不同溶液的混合流出。

在一些实施例中，所述分液阀6包括八通阀、四通阀、三通阀中的任一种或多种的组合。

在一些实施例中，所述支架4与所述腔体1之间还设置有用于紧固试管瓶的盖板，所述盖板与所述平台弹性连接，所述盖板上对应所述分液针头和排液针头设置有孔。

通过设置盖板，以使得试管瓶较为固定的放置。

在一些实施例中，所述成像装置5可移动设置。

在一些实施例中，在所述腔体1镂空的一侧，沿与所述腔体1平行的方向设置有轨道，所述成像装置5通过滑块与所述轨道滑动连接。

在实际操作中，根据不同位置的试管瓶，控制成像装置5的位置，以实现对不同试管瓶中生物芯片信息的获取。

本发明提供的生物芯片检测装置，液体的流动、支架4的运动等通过控制系统完成，控制系统和数据处理系统设置在同一个操作页面。

控制系统既包括pcb板等，如pcb板上安装有微处理芯片、温控模块、驱动模块、触摸液晶屏模块、usb模块、jtag模块、报警模块等等，所述微处理芯片分别与各个模块相连，并控制各个模块，实现整个操作的准确进行。

本发明还提供了一种生物芯片检测方法，采用上述的生物芯片检测装置进行，步骤如下：

将生物芯片、待检测样本以及引物放入所述试管瓶中，所述试管瓶固定在所述腔体1中；

通过控制试管瓶中液体的流入和流出以及温度实现所述待检测样本的扩增以及扩增产物与所述生物芯片的杂交；

采用不同的检测方式进行相应的处理，成像装置5获取杂交完成的生物芯片的信息，杂交结果经数据处理装置处理后得到结果。

需要说明的是，本发明提供的生物芯片检测装置均是未安装各种管道等的示意图，使用时，需要进行相应的安装，才可以使用。

具体进行以下举例：

检测样本的甲流、乙流、rsv、腺病毒，按常规方法设计这几种检测物的引物和探针，具体如表1所示。

表1具体序列

核酸探针点样：生物芯片为自产醛基化玻片，探针点样浓度为10μm，室温干燥保存，示意图如图4所示。

pcr扩增：核酸样本(待检测物)、生物芯片与pcrmix试剂(包括引物和缓冲液)混合，加入仪器试管瓶中，仪器半导体加热制冷片热循环参数：94℃10s，55℃20s,72℃20s，40个循环，实现变扩增边杂交。然后通过注射泵和电磁阀泵入洗液清洗芯片。

后续分别采用3种仪器和试剂实现了化学发光，量子点荧光和可视化3种检测方式。

化学发光法检测：向各反应瓶自动泵入100μl辣根酶标记的亲和素溶液，37℃反应30min。泵入pbst洗液清洗。再泵入100μl化学发光底物液(密理博高敏化学发光底物液a液：b液＝1:1)。高灵敏ccd成像元件(型号jaicm-030-ge)在导轨上运动至各个芯片正前方，采集化学发光生物芯片图像，每张芯片曝光时间10s，共计8张芯片。结果如图5所示。此图像结果表明该样本为甲型流感核酸阳性。

量子点荧光法检测：向各反应瓶自动泵入100μl,25nm武汉珈源亲和素标记的红色量子点sa-qds625溶液，37℃反应30min。泵入pbst洗液清洗。开启波长365nm，5w紫外led光源激发qds发射荧光，并经滤光片(624/40nm，型号edmundoptical67-021)滤波，高灵敏ccd成像元件在导轨上运动至各个芯片正前方，采集量子点荧光生物芯片图像，每张芯片曝光时间10s，共计8张芯片。结果如图6所示。此图像结果表明该样本为甲型流感核酸阳性。

可视化检测：向各反应瓶自动泵入100μl,25nm武汉珈源亲和素标记的红色量子点sa-qds625溶液，37℃反应30min。泵入pbst洗液清洗。再泵入100μl银染底物液，反应5min，去离子水清洗。开启波长白光led光源，ccd成像元件在导轨上运动至各个芯片正前方，采集可视化生物芯片图像，共计8张芯片。结果如图7所示。此图像结果表明该样本为甲型流感核酸阳性。

本发明提供的生物芯片检测装置，待检测样本和生物芯片直接加入试管瓶中，通过控制温度和相应的溶液流进和流出，样本pcr扩增的反应产物在扩增的同时与生物芯片检测，然后通过加入相应的洗液后，对芯片行摄像，获得信息，可得到最终的杂交结果。实现基因芯片的杂交过程与结果输出一体化，提高样本的处理效率，节约人力，结果更稳定可靠。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，但本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。