專利名稱：一種微陣列探針芯片檢測儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一種PCR微陣列探針芯片檢測儀涉及一種用于PCR-微陣列探針芯片檢測儀器的設計制造的新方案，尤其是利用光學CCD裝置、光纖檢測裝置、PCR芯片溫控裝置、檢測傳動裝置、定位裝置，自動完成PCR微陣列探針循環(huán)檢測型生物芯片多組分測試。
PCR技術(shù)主要是作為一種選擇性體外基因擴增方法，由于在經(jīng)25～35輪循環(huán)后就可使DNA擴增106倍，多年來在科研和醫(yī)學檢驗中得到廣泛的應用。但由于PCR存在假陽性等缺陷，自98年6月起已被國家衛(wèi)生部禁止用于臨床診斷。其主要原因是PCR過程中諸多實驗條件(引物的設計與選擇，材料配比，反應時間，溫度，循環(huán)周期)等造成的不穩(wěn)定因素導致產(chǎn)生PCR的錯誤拉增。其二是，PCR過程的后續(xù)電泳檢測方法可判斷是不是得到特定長度的片段，而無法確定其具體序列。其三，PCR反應與檢測是兩個分立的過程，操作繁瑣且增加了污染的機會。因此，對于檢測條件和設備有限的中、小醫(yī)院，PCR的檢測的準確性受到了很大的影響。此外，當前PCR擴增過程對于操作人員的技術(shù)水平和素質(zhì)有很高的要求。
生物芯片主要是指通過平面微細加工技術(shù)及超分子自組裝技術(shù)，在固體芯片表面構(gòu)建的微分析單元和系統(tǒng)。生物芯片可把許多不同功能器件集成在一起，例如，生物樣品的預處理，遺傳物質(zhì)的提取，特定基因片段的擴增，生物探針陣列以及毛細管電泳形成整體的微流體系統(tǒng)，以實現(xiàn)對化合物、蛋白質(zhì)、核酸、細胞以及其它生物組分的準確、快速、大信息量的篩選或檢測?；蛐酒亲钪匾囊活惿镄酒闪舜罅康拿芗帕械幕蛱结?，能夠在短時間內(nèi)分析大量的基因，使人們可迅速地讀取和分析生命的程序。
生物芯片在生物檢測、醫(yī)學檢驗、藥物篩選和基因序列分析上有著極其重要的意義。例如在生物學中，隨著分子生物學的不斷發(fā)展，特別是舉世矚目的人類基因組計劃實施以來，有關(guān)核酸、蛋白質(zhì)序列和結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)呈指數(shù)增長。而下世紀最富挑戰(zhàn)性的工作就是人類基因組計劃完成后，即在后基因時代，我們?nèi)绾芜\用大量的生物分子信息服務于人類社會，并使醫(yī)學、治療產(chǎn)生根本革命。在醫(yī)學中，“系統(tǒng)、器官、組織、細胞層次上的第二階段醫(yī)學”正在向“基因水平上的，DNA→RNA→蛋白質(zhì)→蛋白質(zhì)與核酸相互作用，以及它們與環(huán)境相互作用水平上的第三階段醫(yī)學”轉(zhuǎn)化。這種在分子層次上進行的基因診斷與基因治療，將根本地認識疾病產(chǎn)生的根源，并將有希望根本認識和治療包括癌癥在內(nèi)的重大疾病。這些生物學、醫(yī)學的根本變革，一個根本的前提是基因序列的測定和分析。能否有效快速地進行基因測序與分析，將影響到人類基因組計劃的實施，從而影響生物學、醫(yī)學的進一步發(fā)展。傳統(tǒng)基因測序所采用的方法包括化學反應、凝膠電泳法等一系列繁雜的步驟，這些方法花費時間較長，且操作繁復，尤其在大規(guī)模測序方面費時、并且不適宜便攜化快速測序。在對傳統(tǒng)基因測序方法進行改進的過程中，以基因芯片為代表的生物芯片技術(shù)應運而生。生物芯片技術(shù)是將生命科學研究中所涉及的許多不連續(xù)的分析過程，如樣品制備，化學反應和分析檢測等通過采用微電子，微機械等工藝集成到芯片中，使之連續(xù)化，集成化，微型化和自動化。這一技術(shù)的成熟和應用將在下世紀的疾病診斷和治療、新藥開發(fā)、司法鑒定、食品和環(huán)境等生命科學相關(guān)領(lǐng)域帶來一場革命，為生物信息的獲取及分析提供強有力的手段。
生物芯片(基因芯片)近年來一直是國際上的一個研究熱點，并正以驚人的速度向前發(fā)展。國際上已經(jīng)有多家公司進入生物芯片領(lǐng)域，研究出把PCR與DNA陣列集成的生物芯片。這些系統(tǒng)通常在芯片上制備出一個PCR微反應池，通過控制微反應的溫度循環(huán)，進行基因擴增，接著將擴增后的基因引入雜交池中，與固相微陣列探針雜交，進行檢測。Affymetrix公司則地PCR微反應池進一步制成微流體通道。盡管已有將PCR技術(shù)芯片檢測合為一體的報導，但其特點是整個PCR過程在一個微反應池中進行。因而需對器件的同一部位反復地升溫、降溫，這將無法對PCR結(jié)合進行動態(tài)跟蹤和定量分析。而且目前升溫、降溫需一定時間，延長了工作時間。
本發(fā)明的目的是針對目前PCR檢測方法存在不足之處，提供一種PCR微陣列探針芯片檢測儀，是基于PCR微陣列探針循環(huán)檢測型生物芯片技術(shù)提出一種新型的PCR微陣列探針芯片檢測儀，從而得到集成化程度高、自動化程度高的PCR檢測儀。
一種PCR微陣列探針芯片檢測儀是采用以下方案實現(xiàn)的PCR微陣列探針芯片檢測儀，將PCR技術(shù)與基因微陣列探針技術(shù)，檢測技術(shù)等集成一起，構(gòu)成新型的PCR檢測診斷儀器。本發(fā)明一種PCR微陣列探針芯片檢測儀是由下列部分組成外殼、機架、檢測傳動裝置、探針裝置、定位裝置、汽缸驅(qū)動裝置、溫控裝置、計算機、打印機組成。機架整個安放在外殼內(nèi)，檢測傳動裝置、定位裝置、汽缸驅(qū)動裝置和溫控裝置與機架相連，探針裝置與傳動裝置相連(具體講與Z方向齒條相連)。整個外殼密封的箱體通過電纜與計算機相連。外殼的前面板上有觀察窗、電源按鈕、啟動按鈕、光源按鈕、氣動按鈕，后面板上有光源和后面板接線槽，汽缸驅(qū)動裝置主要包括汽缸和步進電機，汽缸驅(qū)動裝置安裝在機架上，通過氣路與PCR芯片的氣路相連。溫控裝置包括帶溫控的墊片及傳感、驅(qū)動用的電纜組成，溫控裝置安裝在機架上。在溫控墊片上放置有PCR片，利用溫控片控制PCR的退火、擴增、延伸、雜交等四個溫度區(qū)，從而達到各個溫區(qū)恒溫的目的。檢測傳動裝置主要包括X、Y、Z三個方向的運動部件，有X向步進電機，X向滾珠絲杠，X向?qū)к墸琘向步進電機，Y向滾珠絲杠，X向?qū)к墸琙向步進電機，Z向驅(qū)動齒輪，Z向齒條。X向?qū)к壈惭b在機架上，X向滾珠絲杠通過固定在機架上的軸承支撐，X向步進電機與X向滾珠絲杠相連；Y向?qū)к壈惭b在X向拖板上，Y向滾珠絲杠通過固定在X向拖板上的Y向軸承支撐，Y向步進電機與Y向滾珠絲杠相連。Z向步進電機固定在Y向拖板上，同時Z向步進電機通過齒輪、齒條傳動帶動Z向齒條上下運動。在傳動過程中，X向步進電機帶動X向拖板運動，固定與X拖板上Y向步進電機帶動Y向拖板運動，固定與Y向拖板的Z向步進電機帶動Z向齒條上下運動，從而實現(xiàn)三維傳動。定位裝置包括X、Y、Z三個方向的限位開關(guān)，X向限位開關(guān)安裝在機架上，Y向限位開關(guān)安裝在X向拖板上，Z向限位開關(guān)安裝在Y向拖板上。探測裝置包括CCD觀測部件和光纖檢測部件。探測裝置安裝在Z向齒條上，通過三維傳動，探測裝置完成三維運動。在檢測過程中，探測裝置的位置信號，PCR芯片中流體的位置信號，由傳感器(限位開關(guān)、CCD檢測部件)輸出到后面板接線槽連接到計算機系統(tǒng)。計算機內(nèi)安裝有A/D卡、溫控硬件線路板、圖形卡、主板、多功能卡、D/A卡，同時外接顯示器、鍵盤、鼠標和打印機。通過機內(nèi)A/D卡，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，計算各信號的值，、位置信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換和后面板接線槽，控制X、Y、Z向步進電機和氣缸驅(qū)動電機，從而可以定位獲得定點處的熒光信號。反應過程中的熒光信號由傳感器(光纖檢測部件)經(jīng)過輸入、輸出口進計算機圖形卡，經(jīng)過圖象處理獲得反應過程中的特征熒光譜線，從而定量確定PCR的結(jié)果，并由打印機打印。PCR溫度傳感信號經(jīng)過電纜與計算機相連，經(jīng)過硬件控制電路或軟件控制，計算機將溫控信號通過電纜輸出到PCR溫控裝置的驅(qū)動片，控制各個溫區(qū)的恒定溫度。在探針裝置中，光纖檢測部件本身帶有激光發(fā)生器、接收器、光線耦合器。溫控裝置具有陶瓷隔熱板，陶瓷隔熱板開有孔，陶瓷隔熱板上裝置有加熱制冷器件，加熱制冷器件可采用半導體加熱制冷器件，加熱制冷器件外裝有隔熱片或涂層隔熱片，在加熱制冷器件與陶瓷隔熱板之間裝有隔熱塊，在加熱制冷器件前面設置有微傳熱片，在微傳熱片前端設置有熱電阻傳感器。使用時，傳感驅(qū)動裝置安裝在PCR芯片的背面，位置分別對應于PCR芯片的變性、退火、延伸、雜交四個溫度區(qū)，自動加熱或制冷，以達到不同溫度區(qū)的溫控目的。溫控裝置的硬件控制線路主要包括傳感器信號的提取、比例積分、比例微分和輸出放大驅(qū)動控制電路幾部分組成。傳感器信號的提取電路包括電源，電阻R1和R2，可調(diào)電阻RW1，傳感器電阻RT，比例微分電路包括運算放大器A1，電阻R4和R3，可調(diào)電阻RW2，比例積分電路包括運算放大器A2，電阻R5，R6和R7，可調(diào)電阻RW3，放大驅(qū)動電路包括電阻R8，二極管D1和D2，三極管T1。傳感器的輸出信號連接到運算放大器A1的負端，與正端的信號相比較，經(jīng)過比例微分、積分電路輸出后通過三極管T1放大驅(qū)動加熱制冷半導體片的電壓通斷繼電器，從而達到溫控的目的。
本發(fā)明一種PCR微陣列探針芯片檢測儀，既可簡化操作步驟，縮短PCR時間，提高效率，又可將反應體系與外界進行嚴密有效的隔離，PCR擴增-探針雜交檢測過程一體化，不需進行電泳分析，而是直接由CCD和微機分析并給出檢測結(jié)果。由于探針雜交具有特色性，因而可排除電泳無法排除假陽性缺陷。更主要的是PCR循環(huán)中的變性、退火、延伸與微陣列探針芯片構(gòu)成一個整體，變性、退火、延伸、雜交溫度分別控制，從而避免反應開溫、降溫過程及由于溫控誤差帶來的影響，同時在生物芯片制造思想的指導下，在一個生物芯片上可以進行多種樣品的檢測。同時可以追蹤PCR每個循環(huán)的效率，進行動態(tài)定量分析。同時，由于系統(tǒng)采用自動控制，所以芯片更換、加樣、溫控CCD數(shù)采、分析、打印自動進行，減少測試工作強度，提高了分析的準確性，同時減少環(huán)境污染。
以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。


圖1本發(fā)明檢測儀系統(tǒng)圖。
圖2本發(fā)明檢測儀主視圖。
圖3本發(fā)明檢測儀后視圖。
圖4本發(fā)明檢測儀內(nèi)部主視圖。
圖5本發(fā)明檢測儀內(nèi)部左視圖。
圖6本發(fā)明溫控裝置的機械裝配圖。
圖7本發(fā)明溫控裝置的硬件控制線路圖。
參照附圖1檢測儀系統(tǒng)圖，本發(fā)明提出的PCR微陣列探針芯片檢測儀，PCR過程的變性在T1微流體反應器中進行，退火與延伸在微反應器T2和T3中進行，T4為微陣列探針。微陣列探針可以是原位合成或通過點樣法制備的低密度或高密度、單功能或多功能的陣列式探針。V1和V2為三通閥。上述各元件(T1、T2、T3、T4、V1、V2)構(gòu)成一個PCR-微陣列探針循環(huán)檢測型芯片chip-1，由多個chip-1可組成一個多chip芯片板。成為在同一芯片上集成多個可用于測量不同樣品PCR微陣列探針型芯片系統(tǒng)，利用溫控裝置和計算機，對PCR的不同溫區(qū)進行溫控。同時利用CCD和光纖探針檢測部件以及計算機系統(tǒng)，進行三維移動掃描獲得不同位置點出的檢測信號，對檢測信號進行處理獲得PCR的實驗結(jié)果，并通過打印機打印出來。
參見附圖2檢測儀主視圖，前面板安裝有包括電源按鈕，啟動按鈕，光源按鈕、氣動按鈕、觀察窗。
參見附圖3檢測儀后視圖，后面板安裝有后面板接線槽。
參見附圖4檢測儀內(nèi)部主視圖，附圖5檢測儀內(nèi)部左視圖。結(jié)合附圖4和附圖5，本發(fā)明PCR檢測儀是由下列部分組成外殼1、機架2、檢測傳動裝置、探針裝置、定位裝置、汽缸驅(qū)動裝置、溫控裝置、計算機、打印機組成。外殼1的前面板上有觀察窗14、電源按鈕19、啟動按鈕20、光源按鈕21、氣動按鈕22，后面板上有光源11和后面板接線槽15、16，汽缸驅(qū)動裝置主要包括汽缸3和步進電機4，溫控裝置包括帶溫控的墊片17組成和傳感、驅(qū)動的電纜組成。在溫控墊片17上放置有PCR片18，利用溫控片17控制PCR片上的退火、擴增、延伸、雜交等四個溫度區(qū)，從而達到各個溫區(qū)恒溫的目的。檢測傳動裝置主要包括X、Y、Z三個方向的運動部件，有X向步進電機7，X向滾珠絲杠6，X向?qū)к?4，Y向步進電機25，Y向滾珠絲杠26，Y向?qū)к?，Z向步進電機9，Z向驅(qū)動齒輪10，Z向齒條8。X向?qū)к壈惭b在機架上，X向滾珠絲杠6通過固定在機架上的軸承23支撐，X向步進電機9與X向滾珠絲杠6相連；Y向?qū)к壈惭b在X向拖板上，Y向滾珠絲杠26通過固定在X向拖板上的Y向軸承23支撐，Y向步進電機25與Y向滾珠絲杠26相連。Z向步進電機9固定在Y向拖板上，同時Z向步進電機通過齒輪10、齒條8傳動帶動Z向齒條8上下運動。在傳動過程中，X向步進電機7帶動X向拖板運動，固定與X拖板上Y向步進電機25帶動Y向拖板運動，固定與Y向拖板的Z向步進電機9帶動Z向齒條8上下運動，從而實現(xiàn)三維傳動。定位裝置包括X、Y、Z三個方向限位開關(guān)5，X向限位開關(guān)安裝在機架上，Y向限位開關(guān)安裝在X向拖板上，Z向限位開關(guān)安裝在Y向拖板上。探測裝置包括CCD觀測部件12和光纖檢測部件13。在檢測過程中，探測系統(tǒng)的位置信號，PCR芯片18中流體的位置信號，由傳感器(限位開關(guān)5、CCD檢測部件12)輸出到后面板接線槽15連接到計算機系統(tǒng)。計算機內(nèi)安裝有A/D卡、圖形卡、主板、多功能卡、D/A卡，同時外接顯示器、鍵盤、鼠標和打印機。通過機內(nèi)A/D卡，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，計算各信號的值，根據(jù)控制原理計算機將溫控信號、位置信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換和后面板接線槽16，輸出到PCR溫控的驅(qū)動片28，X向步進電機7、Y向步進電機25、Z向步進電機9和氣缸驅(qū)動電機4，從而可以定位獲得定點處的熒光信號。反應過程中的熒光信號由傳感器(光纖檢測部件13)經(jīng)過輸入、輸出口進計算機圖形卡，經(jīng)過圖象處理獲得反應過程中的特征熒光譜線，從而定量確定PCR的結(jié)果，并通過計算機打印。PCR溫度傳感信號經(jīng)過電纜與計算機相連，經(jīng)過硬件控制電路或軟件控制，計算機將溫控信號通過電纜輸出到PCR溫控裝置的驅(qū)動片28，控制各個溫區(qū)的恒定溫度。光纖檢測部件13本身帶有激光發(fā)生器、接收器、光線耦合裝置。
參見附圖6溫控裝置的機械裝配圖。溫控裝置具有陶瓷隔熱板27、陶瓷隔熱板開有孔，陶瓷隔熱板上裝置有加熱制冷器件28，加熱制冷器件可采用半導體加熱制冷器件，加熱制冷器件28外裝有隔熱片或涂層隔熱片29，在加熱制冷器件與陶瓷隔熱板之間裝有隔熱塊30，在加熱制冷器件前面設置有微傳熱片31，在微傳熱片前端設置有熱電阻傳感器32。使用時，傳感驅(qū)動安裝在PCR芯片18的背面，位置分別對應于PCR芯片的變性、退火、延伸、雜交四個溫度區(qū)，自動加熱或制冷，以達到不同溫度區(qū)的溫控目的。
參見附圖7溫控裝置的硬件控制線路圖。溫控裝置的硬件控制線路主要包括傳感器信號的提取、比例積分、比例微分和輸出放大驅(qū)動控制電路幾部分組成。傳感器信號的提取電路包括+9伏和-9伏電源，電阻R1和R2，可調(diào)電阻RW1，傳感器電阻RT，比例微分電路包括運算放大器A1，電阻R4和R3，可調(diào)電阻RW2，比例積分電路包括運算放大器A2，電阻R5，R6和R7，可調(diào)電阻RW3，放大驅(qū)動電路包括電阻R8，二極管D1和D2，三極管T1。為了精確的測量溫度，采用比較器A1的負端接傳感器的電壓，與正端電阻R3的電壓差分，經(jīng)過比例積分和比例微分控制，通過電阻R8經(jīng)過三極管T1放大輸出到繼電器ZJ，控制加熱制冷器件的電壓通斷的時間，從而達到溫控的目的。
權(quán)利要求
1.根據(jù)本發(fā)明一種PCR微陣列探針芯片檢測儀，其特片在于由外殼、機架、檢測傳動裝置、探針裝置、定位裝置、汽缸驅(qū)動裝置、溫控裝置、計算機和打印機組成；機架整個安放在外殼內(nèi)，檢測傳動裝置、定位裝置、汽缸驅(qū)動裝置和溫控裝置與機架相連，探針裝置與Z方向齒條相連，整個外殼密封的箱體通過電纜與計算機相連；計算機內(nèi)有溫控硬件線路板、主板、A/D卡、圖形卡、多功能卡、D/A卡，計算機外接顯示器、鍵盤和鼠標；汽缸驅(qū)動裝置主要包括汽缸和步進電機；溫控裝置包括帶溫控的墊片及傳感、驅(qū)動用的電纜組成；在溫控墊片上放置有PCR片；檢測傳動裝置主要包括X、Y、Z三個方向的運動部件，有X向步進電機，X向滾珠絲杠，X向?qū)к?，y向步進電機，Y向滾珠絲杠，Z向齒條，Z向步進電機，Z向驅(qū)動齒輪，X向?qū)к壈惭b在機架上，X向滾珠絲杠通過固定在機架上的軸承支撐，X向步進電機與X向滾珠絲杠相連；Y向?qū)к壈惭b在X向拖板上，Y向滾珠絲杠通過固定在X向拖板上的Y向軸承支撐，Y向步進電機與Y向滾珠絲杠相連，Z向步進電機固定在Y向拖板上，同時Z向步進電機通過齒輪、齒條傳動帶動Z向齒條上下運動；定位裝置包括X、Y、Z三個方向的限位開關(guān)，X向限位開關(guān)安裝在機架上，Y向限位開關(guān)安裝在X向拖板上，Z向限位開關(guān)安裝在Y向拖板上；探針裝置包括CCD觀測部件和光纖檢測部件，安裝在Z向齒條上；光纖檢測部件本身帶有激光發(fā)生器、接收器、光線耦合裝置；溫控裝置具有陶瓷隔熱板，陶瓷隔熱板開有孔，陶瓷隔熱板上裝置有加熱制冷器件，加熱制冷器件可采用半導體加熱制冷器件，加熱制冷器件外裝有隔熱片或涂層隔熱片，在加熱制冷器件與陶瓷隔熱板之間裝有隔熱塊，在加熱制冷器件前面設置有微傳熱片，在微傳熱片前端設置有熱電阻傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種PCR微陣列探針芯片檢測儀，其特征在于外殼的前面板上有觀察窗、電源按鈕、啟動按鈕、光源按鈕、氣動按鈕，后面板上有光源和后面板接線槽。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種PCR微陣列探針芯片檢測儀，其特征在于溫控裝置的硬件控制線路主要包括傳感器信號的提取、比例積分、比例微分和輸出放大驅(qū)動控制電路兒部分組成，傳感器信號的提取電路包括電源，電阻R1和R2，可調(diào)電阻RW1，傳感器電阻RT，比例微分電路包括運算放大器A1，電阻R4和R3，可調(diào)電阻RW2，比例積分電路包括運算放大器A2，電阻R5，R6和R7，可調(diào)電阻RW3，放大驅(qū)動電路包括電阻R8，二極管D1和D2，三極管T1。
全文摘要
本發(fā)明一種微陣列探針芯片檢測儀涉及的是一種用于PCR微陣列探針芯片檢測儀器的設計制造的新方案。其結(jié)構(gòu)由外殼、機架、檢測傳動裝置、探針裝置、定位裝置、汽缸驅(qū)動裝置、溫控裝置、計算機和打印機組成,機架整個安放在外殼內(nèi),檢測傳動裝置、定位裝置、汽缸驅(qū)動裝置和溫控裝置與機架相連,探針裝置與傳動裝置的Z向齒條相連,整個外殼密封的箱體通過電纜與計算機相連,打印機與計算機相連,將測試結(jié)果打印出來。
文檔編號G01N21/00GK1256415SQ9911445
公開日2000年6月14日 申請日期1999年9月23日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月23日
發(fā)明者陸祖宏, 朱紀軍, 何農(nóng)躍 申請人:陸祖宏, 朱紀軍, 何農(nóng)躍