专利名称：一种微阵列探针芯片检测仪的制作方法
技术领域：
本发明一种PCR微阵列探针芯片检测仪涉及一种用于PCR-微阵列探针芯片检测仪器的设计制造的新方案，尤其是利用光学CCD装置、光纤检测装置、PCR芯片温控装置、检测传动装置、定位装置，自动完成PCR微阵列探针循环检测型生物芯片多组分测试。
PCR技术主要是作为一种选择性体外基因扩增方法，由于在经25～35轮循环后就可使DNA扩增106倍，多年来在科研和医学检验中得到广泛的应用。但由于PCR存在假阳性等缺陷，自98年6月起已被国家卫生部禁止用于临床诊断。其主要原因是PCR过程中诸多实验条件(引物的设计与选择，材料配比，反应时间，温度，循环周期)等造成的不稳定因素导致产生PCR的错误拉增。其二是，PCR过程的后续电泳检测方法可判断是不是得到特定长度的片段，而无法确定其具体序列。其三，PCR反应与检测是两个分立的过程，操作繁琐且增加了污染的机会。因此，对于检测条件和设备有限的中、小医院，PCR的检测的准确性受到了很大的影响。此外，当前PCR扩增过程对于操作人员的技术水平和素质有很高的要求。
生物芯片主要是指通过平面微细加工技术及超分子自组装技术，在固体芯片表面构建的微分析单元和系统。生物芯片可把许多不同功能器件集成在一起，例如，生物样品的预处理，遗传物质的提取，特定基因片段的扩增，生物探针阵列以及毛细管电泳形成整体的微流体系统，以实现对化合物、蛋白质、核酸、细胞以及其它生物组分的准确、快速、大信息量的筛选或检测。基因芯片是最重要的一类生物芯片，它集成了大量的密集排列的基因探针，能够在短时间内分析大量的基因，使人们可迅速地读取和分析生命的程序。
生物芯片在生物检测、医学检验、药物筛选和基因序列分析上有着极其重要的意义。例如在生物学中，随着分子生物学的不断发展，特别是举世瞩目的人类基因组计划实施以来，有关核酸、蛋白质序列和结构的数据呈指数增长。而下世纪最富挑战性的工作就是人类基因组计划完成后，即在后基因时代，我们如何运用大量的生物分子信息服务于人类社会，并使医学、治疗产生根本革命。在医学中，“系统、器官、组织、细胞层次上的第二阶段医学”正在向“基因水平上的，DNA→RNA→蛋白质→蛋白质与核酸相互作用，以及它们与环境相互作用水平上的第三阶段医学”转化。这种在分子层次上进行的基因诊断与基因治疗，将根本地认识疾病产生的根源，并将有希望根本认识和治疗包括癌症在内的重大疾病。这些生物学、医学的根本变革，一个根本的前提是基因序列的测定和分析。能否有效快速地进行基因测序与分析，将影响到人类基因组计划的实施，从而影响生物学、医学的进一步发展。传统基因测序所采用的方法包括化学反应、凝胶电泳法等一系列繁杂的步骤，这些方法花费时间较长，且操作繁复，尤其在大规模测序方面费时、并且不适宜便携化快速测序。在对传统基因测序方法进行改进的过程中，以基因芯片为代表的生物芯片技术应运而生。生物芯片技术是将生命科学研究中所涉及的许多不连续的分析过程，如样品制备，化学反应和分析检测等通过采用微电子，微机械等工艺集成到芯片中，使之连续化，集成化，微型化和自动化。这一技术的成熟和应用将在下世纪的疾病诊断和治疗、新药开发、司法鉴定、食品和环境等生命科学相关领域带来一场革命，为生物信息的获取及分析提供强有力的手段。
生物芯片(基因芯片)近年来一直是国际上的一个研究热点，并正以惊人的速度向前发展。国际上已经有多家公司进入生物芯片领域，研究出把PCR与DNA阵列集成的生物芯片。这些系统通常在芯片上制备出一个PCR微反应池，通过控制微反应的温度循环，进行基因扩增，接着将扩增后的基因引入杂交池中，与固相微阵列探针杂交，进行检测。Affymetrix公司则地PCR微反应池进一步制成微流体通道。尽管已有将PCR技术芯片检测合为一体的报导，但其特点是整个PCR过程在一个微反应池中进行。因而需对器件的同一部位反复地升温、降温，这将无法对PCR结合进行动态跟踪和定量分析。而且目前升温、降温需一定时间，延长了工作时间。
本发明的目的是针对目前PCR检测方法存在不足之处，提供一种PCR微阵列探针芯片检测仪，是基于PCR微阵列探针循环检测型生物芯片技术提出一种新型的PCR微阵列探针芯片检测仪，从而得到集成化程度高、自动化程度高的PCR检测仪。
一种PCR微阵列探针芯片检测仪是采用以下方案实现的PCR微阵列探针芯片检测仪，将PCR技术与基因微阵列探针技术，检测技术等集成一起，构成新型的PCR检测诊断仪器。本发明一种PCR微阵列探针芯片检测仪是由下列部分组成外壳、机架、检测传动装置、探针装置、定位装置、汽缸驱动装置、温控装置、计算机、打印机组成。机架整个安放在外壳内，检测传动装置、定位装置、汽缸驱动装置和温控装置与机架相连，探针装置与传动装置相连(具体讲与Z方向齿条相连)。整个外壳密封的箱体通过电缆与计算机相连。外壳的前面板上有观察窗、电源按钮、启动按钮、光源按钮、气动按钮，后面板上有光源和后面板接线槽，汽缸驱动装置主要包括汽缸和步进电机，汽缸驱动装置安装在机架上，通过气路与PCR芯片的气路相连。温控装置包括带温控的垫片及传感、驱动用的电缆组成，温控装置安装在机架上。在温控垫片上放置有PCR片，利用温控片控制PCR的退火、扩增、延伸、杂交等四个温度区，从而达到各个温区恒温的目的。检测传动装置主要包括X、Y、Z三个方向的运动部件，有X向步进电机，X向滚珠丝杠，X向导轨，Y向步进电机，Y向滚珠丝杠，X向导轨，Z向步进电机，Z向驱动齿轮，Z向齿条。X向导轨安装在机架上，X向滚珠丝杠通过固定在机架上的轴承支撑，X向步进电机与X向滚珠丝杠相连；Y向导轨安装在X向拖板上，Y向滚珠丝杠通过固定在X向拖板上的Y向轴承支撑，Y向步进电机与Y向滚珠丝杠相连。Z向步进电机固定在Y向拖板上，同时Z向步进电机通过齿轮、齿条传动带动Z向齿条上下运动。在传动过程中，X向步进电机带动X向拖板运动，固定与X拖板上Y向步进电机带动Y向拖板运动，固定与Y向拖板的Z向步进电机带动Z向齿条上下运动，从而实现三维传动。定位装置包括X、Y、Z三个方向的限位开关，X向限位开关安装在机架上，Y向限位开关安装在X向拖板上，Z向限位开关安装在Y向拖板上。探测装置包括CCD观测部件和光纤检测部件。探测装置安装在Z向齿条上，通过三维传动，探测装置完成三维运动。在检测过程中，探测装置的位置信号，PCR芯片中流体的位置信号，由传感器(限位开关、CCD检测部件)输出到后面板接线槽连接到计算机系统。计算机内安装有A/D卡、温控硬件线路板、图形卡、主板、多功能卡、D/A卡，同时外接显示器、键盘、鼠标和打印机。通过机内A/D卡，将模拟信号转换为数字信号，计算各信号的值，、位置信号经过D/A转换和后面板接线槽，控制X、Y、Z向步进电机和气缸驱动电机，从而可以定位获得定点处的荧光信号。反应过程中的荧光信号由传感器(光纤检测部件)经过输入、输出口进计算机图形卡，经过图象处理获得反应过程中的特征荧光谱线，从而定量确定PCR的结果，并由打印机打印。PCR温度传感信号经过电缆与计算机相连，经过硬件控制电路或软件控制，计算机将温控信号通过电缆输出到PCR温控装置的驱动片，控制各个温区的恒定温度。在探针装置中，光纤检测部件本身带有激光发生器、接收器、光线耦合器。温控装置具有陶瓷隔热板，陶瓷隔热板开有孔，陶瓷隔热板上装置有加热制冷器件，加热制冷器件可采用半导体加热制冷器件，加热制冷器件外装有隔热片或涂层隔热片，在加热制冷器件与陶瓷隔热板之间装有隔热块，在加热制冷器件前面设置有微传热片，在微传热片前端设置有热电阻传感器。使用时，传感驱动装置安装在PCR芯片的背面，位置分别对应于PCR芯片的变性、退火、延伸、杂交四个温度区，自动加热或制冷，以达到不同温度区的温控目的。温控装置的硬件控制线路主要包括传感器信号的提取、比例积分、比例微分和输出放大驱动控制电路几部分组成。传感器信号的提取电路包括电源，电阻R1和R2，可调电阻RW1，传感器电阻RT，比例微分电路包括运算放大器A1，电阻R4和R3，可调电阻RW2，比例积分电路包括运算放大器A2，电阻R5，R6和R7，可调电阻RW3，放大驱动电路包括电阻R8，二极管D1和D2，三极管T1。传感器的输出信号连接到运算放大器A1的负端，与正端的信号相比较，经过比例微分、积分电路输出后通过三极管T1放大驱动加热制冷半导体片的电压通断继电器，从而达到温控的目的。
本发明一种PCR微阵列探针芯片检测仪，既可简化操作步骤，缩短PCR时间，提高效率，又可将反应体系与外界进行严密有效的隔离，PCR扩增-探针杂交检测过程一体化，不需进行电泳分析，而是直接由CCD和微机分析并给出检测结果。由于探针杂交具有特色性，因而可排除电泳无法排除假阳性缺陷。更主要的是PCR循环中的变性、退火、延伸与微阵列探针芯片构成一个整体，变性、退火、延伸、杂交温度分别控制，从而避免反应开温、降温过程及由于温控误差带来的影响，同时在生物芯片制造思想的指导下，在一个生物芯片上可以进行多种样品的检测。同时可以追踪PCR每个循环的效率，进行动态定量分析。同时，由于系统采用自动控制，所以芯片更换、加样、温控CCD数采、分析、打印自动进行，减少测试工作强度，提高了分析的准确性，同时减少环境污染。
以下将结合附图对本发明作进一步说明。
图1本发明检测仪系统图。
图2本发明检测仪主视图。
图3本发明检测仪后视图。
图4本发明检测仪内部主视图。
图5本发明检测仪内部左视图。
图6本发明温控装置的机械装配图。
图7本发明温控装置的硬件控制线路图。
参照附图1检测仪系统图，本发明提出的PCR微阵列探针芯片检测仪，PCR过程的变性在T1微流体反应器中进行，退火与延伸在微反应器T2和T3中进行，T4为微阵列探针。微阵列探针可以是原位合成或通过点样法制备的低密度或高密度、单功能或多功能的阵列式探针。V1和V2为三通阀。上述各元件(T1、T2、T3、T4、V1、V2)构成一个PCR-微阵列探针循环检测型芯片chip-1，由多个chip-1可组成一个多chip芯片板。成为在同一芯片上集成多个可用于测量不同样品PCR微阵列探针型芯片系统，利用温控装置和计算机，对PCR的不同温区进行温控。同时利用CCD和光纤探针检测部件以及计算机系统，进行三维移动扫描获得不同位置点出的检测信号，对检测信号进行处理获得PCR的实验结果，并通过打印机打印出来。
参见附图2检测仪主视图，前面板安装有包括电源按钮，启动按钮，光源按钮、气动按钮、观察窗。
参见附图3检测仪后视图，后面板安装有后面板接线槽。
参见附图4检测仪内部主视图，附图5检测仪内部左视图。结合附图4和附图5，本发明PCR检测仪是由下列部分组成外壳1、机架2、检测传动装置、探针装置、定位装置、汽缸驱动装置、温控装置、计算机、打印机组成。外壳1的前面板上有观察窗14、电源按钮19、启动按钮20、光源按钮21、气动按钮22，后面板上有光源11和后面板接线槽15、16，汽缸驱动装置主要包括汽缸3和步进电机4，温控装置包括带温控的垫片17组成和传感、驱动的电缆组成。在温控垫片17上放置有PCR片18，利用温控片17控制PCR片上的退火、扩增、延伸、杂交等四个温度区，从而达到各个温区恒温的目的。检测传动装置主要包括X、Y、Z三个方向的运动部件，有X向步进电机7，X向滚珠丝杠6，X向导轨24，Y向步进电机25，Y向滚珠丝杠26，Y向导轨，Z向步进电机9，Z向驱动齿轮10，Z向齿条8。X向导轨安装在机架上，X向滚珠丝杠6通过固定在机架上的轴承23支撑，X向步进电机9与X向滚珠丝杠6相连；Y向导轨安装在X向拖板上，Y向滚珠丝杠26通过固定在X向拖板上的Y向轴承23支撑，Y向步进电机25与Y向滚珠丝杠26相连。Z向步进电机9固定在Y向拖板上，同时Z向步进电机通过齿轮10、齿条8传动带动Z向齿条8上下运动。在传动过程中，X向步进电机7带动X向拖板运动，固定与X拖板上Y向步进电机25带动Y向拖板运动，固定与Y向拖板的Z向步进电机9带动Z向齿条8上下运动，从而实现三维传动。定位装置包括X、Y、Z三个方向限位开关5，X向限位开关安装在机架上，Y向限位开关安装在X向拖板上，Z向限位开关安装在Y向拖板上。探测装置包括CCD观测部件12和光纤检测部件13。在检测过程中，探测系统的位置信号，PCR芯片18中流体的位置信号，由传感器(限位开关5、CCD检测部件12)输出到后面板接线槽15连接到计算机系统。计算机内安装有A/D卡、图形卡、主板、多功能卡、D/A卡，同时外接显示器、键盘、鼠标和打印机。通过机内A/D卡，将模拟信号转换为数字信号，计算各信号的值，根据控制原理计算机将温控信号、位置信号经过D/A转换和后面板接线槽16，输出到PCR温控的驱动片28，X向步进电机7、Y向步进电机25、Z向步进电机9和气缸驱动电机4，从而可以定位获得定点处的荧光信号。反应过程中的荧光信号由传感器(光纤检测部件13)经过输入、输出口进计算机图形卡，经过图象处理获得反应过程中的特征荧光谱线，从而定量确定PCR的结果，并通过计算机打印。PCR温度传感信号经过电缆与计算机相连，经过硬件控制电路或软件控制，计算机将温控信号通过电缆输出到PCR温控装置的驱动片28，控制各个温区的恒定温度。光纤检测部件13本身带有激光发生器、接收器、光线耦合装置。
参见附图6温控装置的机械装配图。温控装置具有陶瓷隔热板27、陶瓷隔热板开有孔，陶瓷隔热板上装置有加热制冷器件28，加热制冷器件可采用半导体加热制冷器件，加热制冷器件28外装有隔热片或涂层隔热片29，在加热制冷器件与陶瓷隔热板之间装有隔热块30，在加热制冷器件前面设置有微传热片31，在微传热片前端设置有热电阻传感器32。使用时，传感驱动安装在PCR芯片18的背面，位置分别对应于PCR芯片的变性、退火、延伸、杂交四个温度区，自动加热或制冷，以达到不同温度区的温控目的。
参见附图7温控装置的硬件控制线路图。温控装置的硬件控制线路主要包括传感器信号的提取、比例积分、比例微分和输出放大驱动控制电路几部分组成。传感器信号的提取电路包括+9伏和-9伏电源，电阻R1和R2，可调电阻RW1，传感器电阻RT，比例微分电路包括运算放大器A1，电阻R4和R3，可调电阻RW2，比例积分电路包括运算放大器A2，电阻R5，R6和R7，可调电阻RW3，放大驱动电路包括电阻R8，二极管D1和D2，三极管T1。为了精确的测量温度，采用比较器A1的负端接传感器的电压，与正端电阻R3的电压差分，经过比例积分和比例微分控制，通过电阻R8经过三极管T1放大输出到继电器ZJ，控制加热制冷器件的电压通断的时间，从而达到温控的目的。
权利要求
1.根据本发明一种PCR微阵列探针芯片检测仪，其特片在于由外壳、机架、检测传动装置、探针装置、定位装置、汽缸驱动装置、温控装置、计算机和打印机组成；机架整个安放在外壳内，检测传动装置、定位装置、汽缸驱动装置和温控装置与机架相连，探针装置与Z方向齿条相连，整个外壳密封的箱体通过电缆与计算机相连；计算机内有温控硬件线路板、主板、A/D卡、图形卡、多功能卡、D/A卡，计算机外接显示器、键盘和鼠标；汽缸驱动装置主要包括汽缸和步进电机；温控装置包括带温控的垫片及传感、驱动用的电缆组成；在温控垫片上放置有PCR片；检测传动装置主要包括X、Y、Z三个方向的运动部件，有X向步进电机，X向滚珠丝杠，X向导轨，y向步进电机，Y向滚珠丝杠，Z向齿条，Z向步进电机，Z向驱动齿轮，X向导轨安装在机架上，X向滚珠丝杠通过固定在机架上的轴承支撑，X向步进电机与X向滚珠丝杠相连；Y向导轨安装在X向拖板上，Y向滚珠丝杠通过固定在X向拖板上的Y向轴承支撑，Y向步进电机与Y向滚珠丝杠相连，Z向步进电机固定在Y向拖板上，同时Z向步进电机通过齿轮、齿条传动带动Z向齿条上下运动；定位装置包括X、Y、Z三个方向的限位开关，X向限位开关安装在机架上，Y向限位开关安装在X向拖板上，Z向限位开关安装在Y向拖板上；探针装置包括CCD观测部件和光纤检测部件，安装在Z向齿条上；光纤检测部件本身带有激光发生器、接收器、光线耦合装置；温控装置具有陶瓷隔热板，陶瓷隔热板开有孔，陶瓷隔热板上装置有加热制冷器件，加热制冷器件可采用半导体加热制冷器件，加热制冷器件外装有隔热片或涂层隔热片，在加热制冷器件与陶瓷隔热板之间装有隔热块，在加热制冷器件前面设置有微传热片，在微传热片前端设置有热电阻传感器。
2.根据权利要求1所述一种PCR微阵列探针芯片检测仪，其特征在于外壳的前面板上有观察窗、电源按钮、启动按钮、光源按钮、气动按钮，后面板上有光源和后面板接线槽。
3.根据权利要求1所述一种PCR微阵列探针芯片检测仪，其特征在于温控装置的硬件控制线路主要包括传感器信号的提取、比例积分、比例微分和输出放大驱动控制电路儿部分组成，传感器信号的提取电路包括电源，电阻R1和R2，可调电阻RW1，传感器电阻RT，比例微分电路包括运算放大器A1，电阻R4和R3，可调电阻RW2，比例积分电路包括运算放大器A2，电阻R5，R6和R7，可调电阻RW3，放大驱动电路包括电阻R8，二极管D1和D2，三极管T1。
全文摘要
本发明一种微阵列探针芯片检测仪涉及的是一种用于PCR微阵列探针芯片检测仪器的设计制造的新方案。其结构由外壳、机架、检测传动装置、探针装置、定位装置、汽缸驱动装置、温控装置、计算机和打印机组成,机架整个安放在外壳内,检测传动装置、定位装置、汽缸驱动装置和温控装置与机架相连,探针装置与传动装置的Z向齿条相连,整个外壳密封的箱体通过电缆与计算机相连,打印机与计算机相连,将测试结果打印出来。
文档编号G01N21/00GK1256415SQ9911445
公开日2000年6月14日 申请日期1999年9月23日 优先权日1999年9月23日
发明者陆祖宏, 朱纪军, 何农跃 申请人:陆祖宏, 朱纪军, 何农跃