一種應用于片上實驗室的檢測儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種應用片上實驗室（LabonChip）的檢測儀，包括了芯片承載臺、芯片工作腔、加樣裝置、檢測裝置、三軸定位部件和控制主機。涉及到生物芯片的控制和檢測領域，特別涉及到自動化控制芯片的樣品準備和生化反應過程，判斷分析芯片結果的檢測設備。本發(fā)明的檢測儀為具有高度集成化、快速、高信息量和自動化等優(yōu)點的片上實驗室，提供適當?shù)墓ぷ鳝h(huán)境、控制生化反應過程、判斷并分析反應結果。使片上實驗室發(fā)揮出應有的功能和優(yōu)點，本發(fā)明的檢測儀具有自動化、連續(xù)化以及高精度檢測的優(yōu)點，提高了芯片檢測的自動化水平。
【專利說明】—種應用于片上實驗室的檢測儀

【技術領域】
[0001]本發(fā)明為一種應用于片上實驗室(Lab on Chip)的檢測儀，涉及到生物芯片的控制和檢測領域，特別涉及到自動化控制芯片的樣品準備和生化反應過程，判斷分析芯片結果的檢測設備。

【背景技術】
[0002]隨著生物技術的迅速發(fā)展，電子技術和生物技術相結合誕生了生物芯片技術。生物芯片技術是根據(jù)生物分子間特異相互作用的原理，將生化分析過程集成于芯片表面，從而實現(xiàn)對DNA、RNA、多肽、蛋白質以及其他生物成分的高通量快速檢測。
[0003]生物芯片的制作主要是指通過微加工技術和微電子技術在固體芯片表面構建的微型生物化學分析系統(tǒng)，以實現(xiàn)對細胞、蛋白質、DNA以及其他生物組分的準確、快速、大信息量的檢測。生物芯片應用領域廣泛，在基因測序、基因結構與功能研究、基因突變，疾病早期診斷，藥物篩選和疫苗設計，食品營養(yǎng)成分檢測、食品安全和轉基因食品檢測，乃至環(huán)境檢測領域都有應用。具有集成度高、速度快、成本低、污染少、用途廣等特點。
[0004]生物芯片主要分為三類:第一類是微陣列芯片，是指把生物實驗中的多個實驗集成，但操作步驟基本不變。其特點是高度的并行性，由于這類芯片主要是獲得大量的生物大分子信息，最終通過生物信息學進行數(shù)據(jù)挖掘分析；第二類是微流控芯片，通過微加工技術在芯片上制作出各種微結構，控制樣本的進樣、分離、結合和反應等過程，將生化檢測的若干步驟集中在芯片上實現(xiàn)；由于前兩類芯片只能完成生化檢測中的某個或者幾個步驟，不能完成檢測的全部環(huán)節(jié)，由此催生了第三類生物芯片:片上實驗室(Lab on Chip)片上實驗室將生化檢測中所涉及的不連續(xù)的分析過程:樣品準備、生化反應、分析檢測連續(xù)化、集成化，具有高信息量、快速、自動化等特點。
[0005]但是單靠生物芯片是無法自動完成檢測，發(fā)揮其功能的需要與之相配合的檢測儀，才能保證生物芯片的正常工作，然而目前為生物芯片設計的檢測儀并不多，特別是用于集成化、自動化程度高的片上實驗室的檢測儀器就更少。盡管片上實驗室集成了許多功能，但沒有適當?shù)膬x器來控制其工作過程，對反應結果進行分析判斷，以及反應過程中的反饋控制，片上實驗室就不能發(fā)揮其特點和優(yōu)勢。


【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種應用于片上實驗室(Lab on Chip)的檢測儀，為片上實驗室的整個工作過程，包括試劑準備、生化反應和檢測分析，提供工作環(huán)境、控制工作參數(shù)、實現(xiàn)精密定位和控制，完成檢測和分析，以及結果讀取和傳輸。使片上實驗室能夠完整的實現(xiàn)其具備的功能。
[0007]本發(fā)明的檢測儀包括了芯片承載臺、芯片工作腔、加樣裝置、檢測裝置、三軸定位部件和控制主機等主要部件。
[0008]芯片承載臺和芯片工作腔為片上實驗室提供工作環(huán)境，芯片承載臺具有良好的導熱性，與半導體制冷片直接相連接，利用半導體制冷片正向供電可以制冷，反向供電可以加熱的特性，使得芯片承載臺技能升溫又能降溫，且半導體制冷片加熱和制冷效率高，轉換速度快，滿足片上實驗室的工作需求和快速、高精度的要求。半導體制冷片的另一側要有良好的散熱結構，才能滿足半導體制冷片的工作要求。芯片工作腔為片上實驗室提供一個能夠保濕隔熱的工作環(huán)境。
[0009]由于片上實驗室和其他生物芯片(微陣列芯片和微流控芯片)使用的樣品劑量非常微小，因此液體揮發(fā)對芯片工作和樣品檢測影響就非常大。所以要為芯片的工作提供一個能夠相對隔離，保持濕度，減少揮發(fā)的工作環(huán)境。芯片工作腔通過導管與加濕器和除濕器相連，通過加濕和除濕控制來調節(jié)芯片工作腔內的濕度，使得芯片能夠在一個適度的濕度環(huán)境下工作。并且芯片工作腔由導熱性能較差的材料制作，能夠起到一定的隔熱作用，保證對芯片控溫的需要。
[0010]片上實驗室和微流控芯片在工作時，需要有樣品初始的進樣和生化反應過程中加入反應試劑的功能需要。加樣裝置就是為完成這部分功能兒設計。加樣裝置包括了加樣動力裝置和加樣針頭，兩者直接連接或者通過軟管連接。加樣動力裝置可以是注射泵、蠕動泵、壓電噴射泵中的任意一種，可以根據(jù)加樣的試劑量和加樣精度的需求來選擇。
[0011 ] 片上實驗室的一個重要特點是自動化，能夠自動化完成反應過程，過程控制，以及反應結果的判斷和分析，因此必須配備必要的檢測裝置。本發(fā)明為檢測儀配備了多種可選的檢測裝置。首先是顯微鏡和CCD的圖像檢測方案，由于生物芯片的體積小，被檢測對象點的體積更小，需要顯微鏡系統(tǒng)放大圖像，在經過CCD將圖像轉換成數(shù)字信號，進行圖像處理和記錄。在很多應用場合，直接通過被測物的圖像特征鑒定反應結果是生物芯片中常用的一種判斷手段，圖像可以記錄反應過程，也可以為供實驗人員做參考。另外使用激光發(fā)射器和檢測器也是一種常用的檢測手段，這是充分利用一些生物樣品在激光誘導熒光或者動態(tài)光散射等特性，檢測反應結果。另外輔助一些可選的光傳感器、色傳感器等，可以檢測和監(jiān)控生物芯片的工作過程。
[0012]要實現(xiàn)檢測儀的定點進樣，精確定位檢測，必須有高精度的三軸定位部件進行控制。通過x，Y，z三軸的移動控制，可以實現(xiàn)對芯片上任意一點的檢測。三軸定位部件的設計方式有多種組合，可以是一個集成的三軸定位部件，將芯片承載臺和芯片工作腔固定其上，而進樣裝置、檢測裝置懸置固定在正上方，通過三軸移動芯片來精確控制檢測位置；也可以是分立的三軸定位部件，將芯片承載臺和芯片工作腔固定在其中一個軸上，如Y軸，將進樣裝置，檢測裝置固定在另外兩個軸上，檢測裝置和被檢測目標均可以移動，同樣可以實現(xiàn)高精度的定位檢測。
[0013]控制主機是整個檢測儀的大腦，通過線纜與各個部件和傳感器相連。用戶將片上實驗室的工作環(huán)境參數(shù)，以及工作過程參數(shù)輸入控制主機后，控制主機可以自動完成整個生化反應過程。并且通過檢測器和圖像處理的結果對生化反應過程進行反饋控制，并可以通過網(wǎng)絡或者USB連接線將實驗結果傳輸?shù)接脩舻碾娔X。
[0014]片上實驗室是將生化研究中所涉及的許多不連續(xù)的分析過程(樣品準備、生化反應、分析檢測等)融為一體，形成一個微型的全分析系統(tǒng)。本發(fā)明的檢測儀就是通過自動化和高精度的控制，為片上實驗室提供合適的工作環(huán)境，提供必要的過程控制，讀取并分析反應結果。使許多煩瑣、不精確和難以重復的生物分析過程自動化、連續(xù)化和精確化，使片上實驗室充分發(fā)揮出高度集成化，連續(xù)性，快速的優(yōu)勢，大大提高了芯片檢測的自動化水平。
[0015]本發(fā)明的檢測儀也可以提供其他種類的生物芯片使用，僅使用測試儀的部分功能，即可實現(xiàn)對微陣列芯片或者微流控芯片的控制和檢測。所以具有較強的通用性和向下兼容性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的檢測儀示意圖(三軸定位部件集成)。
[0017]圖2為本發(fā)明的檢測儀示意圖(三軸定位部件分立實施實例
實施實例I。
[0018]如附圖1所示為本發(fā)明的檢測儀示意圖，其三軸定位部件集成，如圖中114，115和116所示，分別是三軸定位系統(tǒng)的X，Y，Z三個軸向的移動部件。芯片承載臺102和芯片工作腔104安裝在三軸定位部件上。只通過移動芯片101的方式實現(xiàn)精確的定位。
[0019]如附圖1中的103為制冷片的部件，與芯片承載臺102緊密連接在一起，保證熱量的快速充分的傳遞，芯片承載臺使用的導熱性能好的銅材料制作，保證熱量能及時有效的傳遞給芯片101。圖中106為加濕和除濕器，通過導管105將濕潤或者干燥的空氣通入到芯片工作腔104中，實現(xiàn)調節(jié)芯片工作濕度的目的。
[0020]圖中109為注射泵，通過軟管108與針頭107相連，實現(xiàn)液體加樣，注射泵可以實現(xiàn)高精度的液體加樣。圖中110為激光發(fā)射器，111為檢測器，包括激光檢測器和光傳感器等。112為顯微鏡組件，配合113所示的(XD，可以實時將圖像記錄并傳遞給用戶，且CXD采集的圖像，經過圖像處理后的結果，可以指導用戶對反應過程進行調節(jié)，或者直接輸出信號，使檢測儀自動完成調節(jié)過程。
[0021]控制主機通過線纜與各個部件相連，連接方式簡單，故圖中省略實施實例2。
[0022]如附圖2所示為本發(fā)明的檢測儀示意圖，其三軸定位部件分立，如圖中215所示，為三軸定位系統(tǒng)的Y軸移動部件，與芯片承載臺202和芯片工作腔204連接在上面。如圖中214，和216所示，分別是三軸定位系統(tǒng)的X和Z兩個軸向的移動部件，顯微鏡212和(XD213與其相連，根據(jù)檢測和加樣的需要，激光發(fā)射器210和檢測器211，以及注射針頭207也可以吊裝在X和Z軸移動部件上。分立的三軸定位部件通過同時移動芯片201和檢測部件來實現(xiàn)精確定位。
[0023]如附圖2中的203為制冷片的部件，與芯片承載臺202緊密連接在一起，保證熱量的快速充分的傳遞，芯片承載臺使用的導熱性能好的銅材料制作，保證熱量能及時有效的傳遞給芯片201。圖中206為加濕和除濕器，通過導管205將濕潤或者干燥的空氣通入到芯片工作腔204中，實現(xiàn)調節(jié)芯片工作濕度的目的。
[0024]圖中209為注射泵，通過軟管208與針頭207相連，實現(xiàn)液體加樣，注射泵可以實現(xiàn)高精度的液體加樣。圖中210為激光發(fā)射器，211為檢測器，包括激光檢測器和光傳感器等。212為顯微鏡組件，配合213所示的(XD，可以實時將圖像記錄并傳遞給用戶，且CXD采集的圖像，經過圖像處理后的結果，可以指導用戶對反應過程進行調節(jié)，或者直接輸出信號，使檢測儀自動完成調節(jié)過程。
[0025]控制主機通過線纜與各個部件相連，連接方式簡單，故圖中省略。
【權利要求】
1.一種應用于片上實驗室的檢測儀，其特征在于:包括了芯片承載臺、芯片工作腔、檢測裝置、加樣裝置、三軸定位部件和控制主機。
2.根據(jù)權利要求1所述的芯片承載臺，其特征在于:包括了承載芯片的金屬導熱臺和提供加熱制冷功能的半導體制冷片，以及散熱器，金屬導熱臺和半導體制冷片以及散熱器以三明治的方式緊密固定在一起。
3.根據(jù)權利要求1所述的芯片工作腔，其特征在于:與芯片承載臺固定在一起，提供芯片工作空間，將芯片工作環(huán)境與外界環(huán)境隔離開，并且制作芯片工作腔的材料為熱的不良導體。
4.根據(jù)權利要求1所屬的芯片工作腔，其特征在于:芯片工作腔與加濕器和除濕器通過導管相連，能夠控制芯片工作腔中的濕度，工作腔中安裝溫濕度傳感器。
5.根據(jù)權利要求1所述的加樣裝置，其特征在于:包括了加樣動力裝置和加樣針頭，兩者直接連接或者通過軟管連接。
6.根據(jù)權利要求5所述的加樣動力裝置，其特征在于:包括注射泵、蠕動泵或者壓電噴射泵中的一種。
7.根據(jù)權利要求1所述的檢測裝置，其特征在于:包括顯微鏡和CCD、光傳感器、色傳感器、激光發(fā)射器和檢測器中的一種或者幾種。
8.根據(jù)權利要求1所述的三軸定位部件，其特征在于:包括了電機、絲杠、導軌、位置傳感器以及連接固定器，實現(xiàn)三軸方向的移動。
9.根據(jù)權利要求1所述的三軸定位部件，其特征在于:與芯片承載臺、檢測裝置和加樣裝置相連，連接方式可以是將檢測裝置和加樣裝置固定，芯片承載臺與三軸定位部件相連；也可以是將檢測裝置和加樣裝置與三軸定位部件中的一軸或者兩軸相連，芯片承載臺與另夕卜的軸向相連。
10.根據(jù)權利要求1所述的控制主機，其特征在于:包括控制器和處理器，對芯片承載臺、檢測裝置、加樣裝置和三軸定位部件進行控制，并對檢測結果進行處理，也可以將檢測結果傳輸給電腦。
【文檔編號】G01N35/00GK104280559SQ201310281843
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年7月7日 優(yōu)先權日:2013年7月7日
【發(fā)明者】朱壯暉, 李旭, 李知周 申請人:上海浦北信息科技有限公司