一种中高密度生物芯片原位合成仪制造技术

一种中高密度生物芯片原位合成仪，属于生物芯片制备技术领域。仪器设备整体上由生物芯片合成平台和三维直角机器人系统两部分组成，生物芯片合成平台嵌入固定在三维直角机器人系统的底部。其中三维直角机器人系统由直线电机伺服系统和机械操作手构成，而直线电机伺服系统具体由直线电机Ｘ－Ｙ平台、伺服驱动器、ＰＣ机、伺服运动控制卡构成。机械操作手安装于直线电机Ｘ－Ｙ平台的定位头上，由小型精密气动滑台和真空吸盘组合而成，实现抓取玻片和压印的功能。生物芯片合成平台由底座以及其上设计加工的四个构造相同的微流体自驱动装置和多功能喷淋池以及自动加液装置构成，微流体自驱动装置通过加液管与自动加液装置相连。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种中高密度生物芯片原位合成仪，属于生物芯片制 备

技术介绍
DNA芯片技术是90年代兴起的一种对成百上千甚至上万个基因 同时进行检测的新技术，具有高通量和并行性的特点，在基因表达谱 分析、检测基因突变和多态性分析、药物筛选以及序列分析等诸多领 域呈现出广泛的应用前景。随着研究的不断深入和技术的不断发展， 生物芯片必将在生命科学研究领域发挥其非凡的作用。目前，基因芯片的制备技术主要有原位合成法和直接点样法两 种。点样法是指运用各种方法(打印、喷印等)将预先合成的DNA 探针或cDNA探针固定到玻片或其它固体载片上形成微探针阵列。与 原位合成法相比，点样法较简单，只需将预先制备好的寡核苷酸或 cDNA等样品通过自动点样装置点于经特殊处理的玻璃片或其它材 料上即可。点样法又分为打印和喷印两种方法其中打印法的优点是 探针密度相对较高，通常可打印2500个探针/cm2，缺点是定量准确 性及重现性不好，打印针容易堵塞，且使用寿命有限。喷印法的优点 是定量准确，重现性好，使用寿命长，其缺点是喷印的斑点大，因此 探针密度低，通常只有400位点/cm2。无论是采用打印或者喷印的方 法，都需要事先大量地制备纯化、量化、分类PCR产物。采用点样法制备密度基因芯片的过程中，当探针数量较大时，所需探针成本也随着增加。例如，当20目的探针数量达到1000条时，探针成本即在 100， 000元人民币左右。因而当探针数目较多时，这一技术无法与 原位合成技术相比拟，此外还有各种客观因素导致探针密度不均匀因 而杂交信号不均匀的缺点。原位合成是按照预先设计的碱基序列直接将探针合成在基片上， 主要有光蚀刻原位合成和喷印原位合成两种，目前只有美国 Affymetrix公司拥有的光脱保护原位合成制备专利技术已实现基因芯 片的规模化生产，该技术主要不足之处是特有的光脱保护方法需要制 作一系列特定的光掩模，并且对不同的用户需求和不同的基因芯片必 须重新设计光掩，成本相当高，不适合小批量需求；此外，光蚀刻法 每步合成率较低， 一般为95%左右，合成30 nt产率仅20 %，还需 要特殊的光脱保护试剂。原位喷印合成技术采用的化学原理与传统的DNA固相合成一致，因此无需特殊制备的化学试剂，其原理与喷墨打印类似，不过芯片喷印头和墨盒有多个，墨盒中装的是四种碱基等液体而不是碳粉。喷印头可在整个芯片上移动并根据芯片上不同位点探针的序列需要将特定的碱基喷印在芯片上特定位置。喷印法每步偶联率达99 %以上，合成30nt产率可达74。/。，从这个意义上说喷印法特异性应比光刻法高。此外，它并不需特殊的合成试剂。另外，国内东南大学吴健雄实验室经过数年的努力，开发了分 子印章接触压印DNA微阵列原位合成技术，完全采用现有最成熟的 DNA合成路线，可望降低成本。但美中不足的是在掩模设计上和Affymetrix公司拥有的光脱保护原位合成制备专利技术一样，针对 不同的用户需求和不同的基因芯片，必须重新设计掩模。本课题组提出和研究了活版印刷原位合成中低密度基因芯片新 方法，可望避免现有原位合成方法中烦琐而昂贵的掩模制备过程及点 样法中昂贵的探针修饰或标记成本，针对不同用户需求只需重新排列 印刷模版即可，易实现自动控制和精确定位，合成速度快，在较短时 间内就可快速印刷合成出探针分布均匀的大批量基因芯片。但主要存 在的缺陷就是模版的设计需要手动实现，过程繁琐。尤其是当芯片密 度较高时，手动排版不仅所需时间长，而且非常容易出错。在上述基 础之上，课题组研究了一种微流体自驱动原位合成压印生物芯片新方 法。
技术实现思路
本专利技术其目的是针对现有技术的缺点而研究开发的一套制备生 物芯片的仪器设备。利用该设备可以实现自动化、规模化原位合成生 产廉价、可靠、质量高的中高密度基因芯片和多肽芯片。实现上述专利技术的技术方案是用于制备生物芯片的仪器设备整体 上由生物芯片合成平台和三维直角机器人系统两部分组成，生物芯片 合成平台嵌入固定在三维直角机器人系统的底部。其中三维直角机器 人系统由直线电机伺服系统和机械操作手构成，而直线电机伺服系统具体由直线电机X-Y平台、伺服驱动器、PC机、伺服运动控制卡构 成。机械操作手安装固定于直线电机X-Y平台的定位头上，由小型 精密气动滑台和真空吸盘组合而成，实现抓取玻片和压印的功能。生物芯片合成平台主要由底座以及其上设计加工的四个构造相同的微 流体自驱动装置和多功能喷淋池以及自动加液装置构成。微流体自驱 动装置通过一个通道或细管与自动加液装置相连。 所述技术方案中伺服运动控制卡插入PC机的基于PCI总线的插槽中，构成主从 式控制结构，PC计算机负责人机界面的管理和控制系统的实时监控， 伺服运动控制卡则具体完成运动控制的所有细节，包括运动脉冲数的 电机旋转方向信号的输出，自动升降速处理，原点和限位信号的检测等。整个控制系统的开发可以在Visual Basic或者Visual C++开发环境中完成。每个微流体自驱动装置由碱基液体存储池，池盖和具有微纳米通 道的纤维管或者其他金属管组成，纤维管穿过具有一定厚度的池盖而 垂直固定在底座上，其下端深入存储池而接近其底面，其上端露出底 座上层表面一定距离。四个碱基液体存储池分别用来存储A， T， C， G四种不同的单体液体。所述多功能喷淋池上设计有3排喷淋孔，每排均采用由下而上喷 淋的方式。为保证反应液体能够充分接触整个玻片下表面，采取多个 并排喷液孔，即多功能喷淋池的表面有3排类似的喷淋装置，分别用 于清洗、氧化和脱保护反应。自动加液装置由储液池，电磁药液阀，加液瓶，加液管和加压气 管构成。加液管穿过加液瓶的密封口而深入到瓶内，其中加压气管与 高压氩气相通以便需要时驱动液体到储液池。加液瓶通过一定口径的加液管与储液池相连，药液电磁阀控制加液管的导通和截止，导通时 即向储液池压入碱基液体。与其他相关技术和设备制备生物芯片相比较，采用本专利技术制备生 物芯片有以下几个方面的明显优点1、 采用本专利技术的仪器制备基因芯片，避免了现有原位合成方法 中烦琐而昂贵的掩模制作过程以及点样法中探针的修饰和标记成本。2、 真空微孔纤维管的毛细效应带来了类似于液相的压印反应环 境，则赋予了合成探针极高的偶联效率和探针位点的信号均匀性，从 而确保了获取生物信息的准确性。3、 也避免了活版印刷原位合成基因芯片技术中模板的设计和排 版过程。无需对模板进行手工或者额外的机械手进行排版，只需在计 算机接口程序中输入一定的探针布局即可。4、 无需提前制备大量制备，纯化，量化，分类PCR产物，因而 芯片制备工序得到简化。同时，采用传统的DNA固相合成方法，不 需要购买特殊的专利试剂，芯片的制备成本得以降低。附图说明图1是本专利技术的整体结构示意图。图2是本专利技术生物芯片合成平台以及三维直角机器人系统的俯视图。 图3是本专利技术生物芯片合成平台以及三维直角机器人系统的主视图。 图4是本专利技术生物芯片合成平台以及三维直角机器人系统的左视图。 图5是本专利技术中多功能喷淋池的原理和结构示意图。 图6是本专利技术中自动加液装置和微流体自驱动体的结构示意图。图7是本专利技术生物芯片合成原理的流程图。图8是本专利技术生物芯循环压印的示意图。下面结合附图和实施方式对本专利技术作进一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种中高密度生物芯片原位合成仪，其特征在于：该仪器由三维直角机器人系统和生物芯片合成平台组成，所述三维直角机器人系统由直线电机伺服系统和机械手构成，所述直线电机伺服系统具体由直线电机Ｘ－Ｙ平台、伺服驱动器、ＰＣ机、伺服运动控制卡构成。所述生物芯片合成平台嵌入固定在三维直角机器人系统的底座上。所述生物芯片合成平台包括基座、四个构造相同的微流体自驱动装置、多功能喷淋池以及自动加液装置，微流体自驱动装置通过加液管自动加液装置相连。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：汤建新，王许南，何建迪，徐训蒙，
申请(专利权)人：汤建新，王许南，何建迪，徐训蒙，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]