专利名称：集生物芯片制作和芯片上生物分子固定及检测一体的系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于生物分子芯片的微量加样和反应的方法及其装置，特别是涉及一种集生物芯片制作、以及在这种生物芯片上即时直接进行生物分子固定和检测反应的一体化的装置。
背景技术：
生物分子芯片是近几年才发展起来的一种集成并行生物检测技术，在微小的几何尺度上可以集成多种配基，这样就可以同时对微量样品的多种指标进行检测。由于生物分子样品价格高，要求用量尽可能少，因此要求生物分子芯片所使用的生物分子试剂和样品微量化，这也就要求芯片加样和反应装置微型化。目前，生物芯片的加样主要采用的是点样仪。根据点样方式的不同分为两类，一类是接触式，首先用点样针蘸取待用的配基，然后通过接触芯片表面把配基点在芯片上；一类是喷印式，先用空心点样针吸取少量的待点的配基，然后通过类似喷墨打印机的方式把配基加到芯片表面上。这两种方式的共同缺点是点样量不均匀，单个点内配基分子的面密度分布也不均匀，这将严重影响检测结果的质量，并难以定量化。当前，生物芯片反应采用的大多是整体反应方式，就是把芯片整个浸泡在待测样品溶液中反应。这种方法需要的待测样品溶液量较多，反应时间长，灵敏度不高。
另外一种芯片加样和反应技术是采用微流道技术。目前，普遍使用的微流道技术的芯片是一体化的，即芯片与微流道是制作在同一块材料上，如文献1Dielectrophoretic cell separation and gene expression profiling onmicroelectronic chip arrays.July 15，2002 Huang Y，Joo S，Duhon M，HellerM，Wallace B，Xu X，Anal Chem 2002 Jul 15；74(14)3362-71之中所述的。该方法所使用的微流道为一次性使用，该微流道制作复杂，且成本较高，使得应用受到限制。通过分离的芯片和微流道技术，可以使微流道重复使用，大大降低成本。但是为了使各流道的溶液均匀一致地流经微流道，达到芯片各点的流动状态均匀一致，降低由于流动速度或先后不一致对芯片检测结果的影响，需要对微流道输运系统作进一步改进。
发明内容
本实用新型的目的是为了克服上述已有技术的缺点，为了大幅度地降低生物芯片的制作成本和简化生物分子固定和检测反应的工艺，同时提高各流道的溶液流动均匀性，降低由于流动速度或先后不一致对芯片检测结果的影响，从而提供一种集生物芯片制作、以及在这种生物芯片上即时直接进行生物分子固定和检测反应的一体化的装置。
本实用新型的目的是这样实现的本实用新型提供的一种集生物芯片制作、以及在这种生物芯片上即时直接进行生物分子固定和检测反应的一体化的系统，包括一个由至少一块芯片1、至少一块弹性材料板3和一块具有多孔的刚性材料块4组成的微流道芯片单元；所述的弹性材料板3，其表面上制出呈阵列排列的凹槽2，每个凹槽2两端开有通孔10，分别作为液体进口7和出口8，做成微流道模板(如图1a所示)；所述的刚性材料块4，其上开有圆孔5，该圆孔5按阵列排列，其圆孔5之间的距离等于弹性材料板3上的凹槽2的长度(如图3a所示)；该圆孔5所开的位置与弹性材料片的通孔10相对应，且孔的大小相同；所述的弹性材料片3不带凹槽的面与刚性材料块4粘合在一起，其弹性材料片3上的凹槽2向外，两块材料上的孔相通；芯片1放置在弹性材料片3上，其芯片1表面与凹槽2相对紧密接触，形成一个个空腔9；每一空腔具有一个进口7，一个出口8(如图2a所示)，进口7和出口8各与一微管相连通；进口和出口微管按顺序排列(如图4所示)；其特征在于至少一个由用于放置收集废液用试管的刚性材料块6和试管构成的废液收集单元；该固体材料块6上按顺序开有小孔20，小孔20内可以放置试管收集废液；与微量泵连通的液体出口与收集废液用的试管相对设置；还包括一个用于放置样品的刚性材料块16，该刚性材料块16上开有圆孔19，该圆孔19按阵列排列，其圆孔19对应弹性材料板3上凹槽2的作为液体进口的通孔10；每个圆孔19内放置含一种蛋白样品的容器，该刚性材料块16安装在样品平台14上；以及至少一个样品台支架，该样品台支架由一底座11，和其上固定一支杆21，支杆一侧安装有齿轮12和旋钮13组成转动机构，通过齿轮12将一样品平台14与支杆垂直固定；该平台14放置刚性材料块16；通过转动旋钮13带动齿轮12来调节样品平台14的高度；至少一个具有多通道的微量泵15，微量泵15的每一通道与蛋白质芯片单元上的微流道液体进口或出口的微管与微量泵连通(如图4所示)；通过微量泵15的调节机构，调节液体流速、流量等来控制蛋白样品在芯片上的固定时间或反应的时间。
或者还包括一块微流道模板3’，其上开有通孔，通孔的位置和个数根据需要设定；该弹性材料板3’带凹槽2的面扣在弹性材料板3上，其通孔分别与弹性材料板3上的一部分液体进口7和液体出口8连通，弹性材料板3’的凹槽2将弹性材料板3上的其余液体进口7和液体出口8连通，形成只有一个进口和一个出口的微流道(如图2b所示)。
所述的容器是离心管等盛放生物样品的管子。
使用时，将芯片1的基底材料安装在蛋白质芯片单元上，使其与弹性材料片3紧密接触，并通过外力压紧微流道，放置溶液的容器置于样品台支架上的多孔刚性材料块16内，通过转动转动旋钮13调节样品台高度，可以使进口微管17与多孔刚性材料块16上按顺序放置的容器中的蛋白溶液接触；通过保持各个容器中蛋白溶液的液面高度一致性、以及蛋白质芯片各个进口微管17长度的一致性，当泵驱动时，蛋白溶液会在同一时间流入各个微流道。
蛋白质芯片系统的出口微管18与通过泵连接到收集废液用试管中，在泵驱动下，蛋白溶液由容器中经进口微管17流经芯片空腔9，配基分子到在芯片单元内固定，多余的蛋白随溶液经出口微管流出，最后流入废液收集系统。该装置实现溶液均匀一致地机械化输运，从而保证溶液流动均匀性，使得芯片检测结果一致；所述的弹性材料片包括硅胶、橡胶、塑料、或其它具有弹性的材料。
所述的刚性材料块材料包括塑料、金属、玻璃等材料，其厚度1mm到10mm。
所述的凹槽为条形凹槽，其条形凹槽面积从0.01mm2-1mm2；深度从10μm-1mm；其条形凹槽的数目至少2个，例如可以从2-1000个。
所述的通孔内径可以从10μm到1mm。
所述的微流道的内径可以从1μm到1mm。
所述的微管包括聚四氟管、塑料管、硅胶管、不锈钢管等，基内径可以从1μm到10mm。
所述的泵可以是蠕动泵、柱塞泵等多通道微量泵。
本实用新型的优点在于本实用新型提供的系统是一种改进的系统，它由于在已有的装置中增加加样单元和液体输运单元，所以具有在一个装置中先制作了生物芯片，在该芯片上即时进行生物分子固定，和检测反应的功能。
利用本实用新型的系统可以同时独立的对多点进行加样；加样量和点的大小可控；芯片上配基生物分子固定的区域是严格由凹槽限定的，固定和反应后的表面再经过缓冲液冲洗，使得制作的芯片上的点的大小和点内的生物分子面密度均匀一致，能够有效提高检测质量。芯片反应被限定在微小区域内，并且在流动状态下，加速了生物分子的传质速率，有效地缩短了反应时间，提高了灵敏度。同时通过样品台支架旋钮的高度调节，可以很方便地更换溶液。在本实用新型的系统中又由于增加了液体输运单元，使得各个流道的溶液在同一时间同时均匀流入微流道，保持了各个流道流动的一致性和均匀性，可以降低由于流动不均匀产生芯片检测误差。本实用新型的方法可以使生物芯片制备和反应在同一装置中实现，并且可以重复使用，有效降低了芯片的制备费用。
图1a本实用新型装置中弹性材料片3的结构平面示意图图1b是图1a的A-A’剖面视图图2a是本实用新型装置中的第一种微流道芯片单元组成示意图(表示用于样品固定或各个点单独进行检测反应时的装置结构图)图2b是本实用新型装置中的第二种微流道芯片单元组成示意图(表示各个点与同一溶液进行检测反应时的装置结构图，弹性材料片3凹槽两端的通孔与另一弹性材料片3’的通孔错开对应相通形成微流道配合示意图)图3a本实用新型装置的微流道芯片的刚性材料块平面示意图图3b图3a的A-A’剖面视图图4本实用新型装置中的微流道芯片单元侧视图图5是本实用新型的系统(具有微流道芯片单元、样品台支架、及液体输运和废液收集的单元)组成示意图图面说明如下1-芯片 2-凹槽3-弹性材料板3’-弹性材料板4-微流道芯片的刚性材料块5-微流道芯片刚性材料块的圆孔6-收集废液用刚性材料块 7-待测液体进口8-待测液体出口 9-空腔
10-弹性材料板上的通孔 11-底座12-齿轮13-旋钮14-平台15-微量泵16-放置样品的刚性材料块17-进口微管18-出口微管19-放置样品的刚性材料块的圆孔20-收集废液用刚性材料块的圆孔 21-支杆具体实施方式
参见图1a和图1b；取一块硅胶片为弹性材料片3，该硅胶片上制出十二个凹槽2，凹槽面积为1mm2，深为0.1mm；凹槽2两端开有通孔10，其通孔10的内径为0.5mm。
参见图3a和图3b，一块刚性材料块4为有机玻璃，其上开有孔径为0.5mm的通孔5，该通孔5所开的位置与弹性材料片3的通孔10相对应。
参见图2a，取一硅基底作为芯片1，制作一本发明的具有微流道芯片单元(表示用于样品固定或各个点单独进行检测反应时的装置结构图)；将芯片1放在弹性材料片3带凹槽2的面上，其芯片1表面与凹槽2相对紧密接触，形成一个个空腔9；每一空腔具有一个进口7，一个出口8(如图2a所示)。
参见图4，将弹性材料片3不带凹槽的面放在刚性材料块4放在上，该刚性材料块4的通孔5与弹性材料片3的通孔10相通，并压紧硅芯片1。硅芯片1和弹性材料片3带凹槽的面紧密接触，并且形成十二个密封腔9，即形成十二个微流道，其微流道内径为0.5mm，每一空腔有一进一出两个微管流道口；一根进口微管17为不锈钢管，一根出口微管18前部分为聚四氟乙烯管、通过泵15的部分连接成硅胶管，出口微管18中硅胶管部分直接通过蠕动泵15的各个通道后接出。泵15为含有十二个通道的蠕动泵。芯片1材料为硅。微流道内径0.5mm。
参见图5；制作一本实用新型的一种系统的实施例一块放置样品的刚性材料块16为有机玻璃，其上开有孔径为60mm的通孔19，该通孔19所开的位置与进口微管17的位置相对应。通孔19内放置分别盛有12种溶液的12个离心管，离心管容积为0.2ml。
一个用金属铝做的样品台支架，该样品台支架由一底座11，和其上固定一支杆21，支杆21一侧安装有齿轮12和旋钮13组成的转动机构，通过齿轮12将一金属铝的样品平台14与支杆21垂直固定；该平台14上放置一放样品的刚性材料块16；通过转动旋钮13带动齿轮12来调节样品平台14的高度；其可调节高度范围为0-8cm.
一放置收集废液试管的刚性材料块6为有机玻璃，和试管构成的废液收集单元；其刚性材料块6上开有12个通孔20，小孔20内可以放置试管收集废液；每一通孔的位置与经过蠕动泵后的出口微管18位置相对应。通孔20中放置1.5ml的离心管，出口微管18末端放于离心管上。
参见图5所制作的装置，并在其上进行十二种蛋白质的固定和反应。
(1)如图5所示，把硅片安装在芯片系统中。
(2)在样品台的通孔19内放置分别盛有12种蛋白质溶液(浓度分别为0.1mg/ml)的12个离心管，离心管容积为0.2ml，调节样品台旋钮13，使进口微管17浸入蛋白质溶液中。并使各个进口微管的长度一致，样品台各个离心管高度一致，因此每个进口微管17插入离心管的深度一致。
(3)在蠕动泵15的驱动下，将12种蛋白质溶液分别通过微流道输送到硅片上不同区域，流速控制在1微升/分钟，时间10分钟；(4)然后，将离心管更换成装有磷酸缓冲液的离心管，通过微流道输送磷酸缓冲液到上述步骤(3)制备的芯片表面上，流速为10微升/分钟，清洗掉没有被固定在硅片表面上的生物分子；(5)将离心管更换成装有含待测样品的离心管(每管含20微升待测液)，通过微流道输送待测液到上述步骤(4)制备的芯片表面上，流速为10微升/分钟，待测液与芯片反应后流出。
(6)重复步骤(4)，清洗掉未结合的生物分子。所有出口微管18流出的缓冲液和反应过的待测液均流入收集废液离心管中。
(7)取下芯片，氮气吹干后观察。
实施例2参见图2b，制作本实用新型的另一种具有串联结构的芯片单元；即还包括一块微流道模板3’，其上开有通孔，通孔的位置和个数根据弹性材料板3的通孔位置和个数设定的。弹性材料片3凹槽两端的通孔与另一弹性材料片3’的通孔错开对应相通形成微流道配合，该弹性材料板3’带凹槽2的面扣在弹性材料板3上，其通孔分别与弹性材料板3上的一部分液体进口7和液体出口8连通，弹性材料板3’的凹槽2将弹性材料板3上的其余液体进口7和液体出口8连通，形成只有一个进口和一个出口的微流道(如图2b所示)。
其它部分与实施例1相同。
权利要求1.一种集生物芯片制作和芯片上生物分子固定及检测一体的系统，包括一个由至少一块芯片1、至少一块表面上制出呈阵列排列的凹槽2，每个凹槽2两端开有通孔10的弹性材料板3和一块具有多孔的刚性材料块4组成的微流道芯片单元；所述的多孔刚性材料块4，其上开有圆孔5，该圆孔5按阵列排列，该圆孔5所开的位置与弹性材料片的通孔10相对应，且孔的大小相同；所述的弹性材料片3不带凹槽的面与刚性材料块4粘合在一起，其弹性材料片3上的凹槽2向外，两块材料上的孔相通；芯片1放置在弹性材料片3上，其芯片1表面与凹槽2相对紧密接触，形成一个个空腔9；每一空腔具有一个进口7，一个出口8，进口7和出口8各与一微管相连通；进口和出口微管按顺序排列；其特征在于还包括至少一个由用于放置收集废液用试管的刚性材料块6和试管构成的废液收集单元；该固体材料块6上开有孔20，孔20内放置收集废液的试管；并且试管与微量泵连通的液体出口相对设置；一个用于放置样品的刚性材料块16，该刚性材料块16上开有圆孔19，该圆孔19按阵列排列，其圆孔19对应弹性材料板3上凹槽2的一个通孔；每个圆孔19内放置一种蛋白样品的容器，该刚性材料块16安装在样品平台14上；和至少一个样品台支架，该样品台支架由一底座11，和其上固定一支杆21，支杆一侧安装有齿轮12和旋钮13组成转动机构，通过齿轮12将一样品平台14与支杆垂直固定；该平台14放置刚性材料块16；通过转动旋钮13带动齿轮12来调节样品平台14的高度；以及至少一个具有多通道的微量泵15，微量泵15的每一通道与蛋白质芯片单元上的微流道液体进口或出口的微管连通。
2.按权利要求1所述的集生物芯片制作和芯片上生物分子固定及检测一体的系统，其特征在于还包括一块微流道模板3’，其上开有通孔，通孔的位置和个数根据需要设定；该弹性材料板3’带凹槽2的面扣在弹性材料板3上，其通孔分别与弹性材料板3上的一部分液体进口7和液体出口8连通，弹性材料板3’的凹槽2将弹性材料板3上的其余液体进口7和液体出口8连通，形成只有一个进口和一个出口的微流道。
3.按权利要求1或2所述的集生物芯片制作和芯片上生物分子固定及检测一体的系统，其特征在于所述的容器是离心管或其它盛放生物样品的管子。
4.按权利要求1或2所述的集生物芯片制作和芯片上生物分子固定及检测一体的系统，其特征在于所述的刚性材料块材料包括塑料、金属、玻璃等材料，其厚度1mm到10mm。
5.按权利要求1或2所述的集生物芯片制作和芯片上生物分子固定及检测一体的系统，其特征在于所述的凹槽为条形凹槽，其条形凹槽面积从0.01mm2-1mm2；深度从10μm-1mm；其条形凹槽的数目至少2个。
6.按权利要求1或2所述的集生物芯片制作和芯片上生物分子固定及检测一体的系统，其特征在于所述的通孔内径为10μm到1mm。
7.按权利要求1或2所述的集生物芯片制作和芯片上生物分子固定及检测一体的系统，其特征在于所述的微流道的内径为1μm到1mm。
8.按权利要求1或2所述的集生物芯片制作和芯片上生物分子固定及检测一体的系统，其特征在于所述的微管包括聚四氟管、塑料管、硅胶管、不锈钢管，其内径为1μm到10mm。
9.按权利要求1或2所述的集生物芯片制作和芯片上生物分子固定及检测一体的系统，其特征在于所述的泵包括蠕动泵、柱塞泵或多通道微量泵。
专利摘要本实用新型涉及一种集生物芯片制作、加样和检测反应一体化的系统，包括弹性材料片上开有凹槽，凹槽两端开通孔、开有圆孔的刚性材料块，该圆孔所开的位置与弹性材料片的通孔相对应，弹性材料片不带凹槽的面与刚性材料块粘合在一起，其孔相通；芯片放在弹性材料片上，芯片表面与凹槽相对接触；另一刚性材料块上开有孔，孔内放置试管，试管与微量泵连通的液体出口相对设置；具有可调谐的样品台支架，安装在支架上的刚性材料块上开有圆孔，其圆孔对应弹性材料板上的通孔；微量泵的每一通道与芯片上的微流道液体进口或出口的微管连通。该系统设计了液体输运单元，使得各个流道的溶液在同一时间同时均匀流入微流道，保持各个流道流动的一致性和均匀性。
文档编号G01N35/00GK2702313SQ20042006445
公开日2005年5月25日 申请日期2004年6月11日 优先权日2004年6月11日
发明者靳刚, 王战会 申请人:中国科学院力学研究所