基于壓電振蕩原理的微陣列點樣系統的研制

王偉 劉振邦 張國玉 王振新 韓冬雪 牛利 包宇

摘要針對基于電磁微閥原理的非接觸點樣方式存在操作過程復雜、點樣量偏大，以及壓電噴墨原理的非接觸點樣方式存在點樣針不易清洗、造價昂貴等不足，研制了一種基于壓電振蕩原理的新型非接觸點樣裝置，實現了微量液體點樣。在本裝置中，毛細管點樣針與壓電驅動裝置為兩個獨立單元，可以單獨對毛細管點樣針進行更換和清洗。采用激光拉制法制備的玻璃毛細管點樣針具有內徑可調、成本低等優點。此點樣方式通過改變壓電陶瓷的振幅和頻率，可在10

0～10

9L之間調控點樣體積。以此為基礎，結合三維精密位移控制技術，研制了一種基于壓電振蕩原理的微陣列生物芯片點樣系統。對點樣系統的點樣體積、點樣密度、點樣精度等參數進行了測試，結果表明，此點樣系統的最小點樣體積可達320pL，點樣密度可達4000點/cm2，并能夠實現界面圖案化制備。

關鍵詞壓電振蕩；微陣列點樣儀；玻璃毛細管點樣針；圖案化制備

1引言

微陣列生物芯片技術是將生物學、化學、物理學、光學、微電子學和計算機學高度結合形成的一項交叉技術。它成功地實現了生物信息的大規模集成以及生物實驗從串行過程向并行過程的轉變，大大加快了生命科學研究的過程。微陣列生物芯片技術已被廣泛應用于生物組學研究、臨床診斷、藥物篩選、微生物檢測等領域[1～5]。合成后點樣是制備微陣列生物芯片的主要方法，即將預先合成的核酸片段、多肽分子等生物樣品按照一定順序固定于基片上，形成要求的陣列，然后將待測的生物樣品與標記的已知生物樣品進行雜交反應。按照點樣針是否與芯片基底接觸將微陣列生物芯片的點樣方式分為接觸式（Contact）和非接觸式（Noncontact）兩種。接觸式點樣方式的點樣針尖端的液體與芯片基底直接接觸，通過毛細作用形成陣列點。接觸式點樣能夠獲得高密度點陣，且點樣量小（通常為pL級），但定量分析準確性及重現性較差，且因存在交叉污染而不能重復點樣[6～9]。非接觸式點樣方式主要有兩種：一種是基于電磁微閥原理，通過注射泵和精密電磁閥協調工作實現非接觸式的定量點樣，此方式一般需要預增壓和預點樣過程，使點樣液滴體積達到穩定，操作比較復雜，最小點樣量可以達到10

1L；另一種是基于壓電噴墨的點樣原理，通過壓電陶瓷的形變擠壓毛細管壁，使點樣針的尖端噴出微小液滴，最小點樣量可以達到10

1L，具有定量分析準確、重現性好等優勢。但由于壓電驅動元件和點樣針集成在一起，當點樣針發生堵塞等問題時不易清洗，且點樣頭造價昂貴[10～13]。

針對目前非接觸點樣方式存在的不足，本研究采用了一種毛細管點樣針與壓電驅動裝置分離的以壓電振蕩為驅動力的非接觸式點樣方式，應用于微陣列芯片制作。由于采用了分離設計，可以單獨對毛細管點樣針進行更換和清洗，避免了壓電噴墨點樣頭容易堵塞的問題。此裝置通過改變壓電陶瓷的振幅和頻率，可在10

0～10

9L之間調控點樣體積，優于傳統的基于電磁微閥原理的點樣方式。以此為基礎，結合三維精密位移控制技術，研制了一種基于壓電振蕩原理的微陣列生物芯片點樣系統，并成功應用于微陣列芯片制備和界面圖案化修飾。

2實驗部分

2.1儀器與試劑

P2000激光拉制機、BV10磨針儀、B10058玻璃管（美國Sutter公司）；PhenomPro臺式掃描電子顯微鏡（復納科學儀器上海有限公司公司）；LuxScan10K微陣列芯片掃描儀（北京博奧生物有限公司）；BT125D精密電子天平（德國賽多利斯公司）；MM3C透反射金相顯微鏡（上海萬衡精密儀器有限公司）；AM4113TL顯微鏡（臺灣DinoLite公司）；P844.10壓電陶瓷（德國PI公司）；7105載玻片（江蘇飛舟玻塑有限公司）。三甲氧基硅烷（美國SigmaAldrich公司）；有機染料Cy3和Cy5（美國Sigma公司）；使用含30%甘油的水溶液為點樣液。

2.2壓電振蕩點樣原理及點樣頭結構設計

通過壓電陶瓷控制器對壓電陶瓷施加矩形電壓脈沖，使壓電陶瓷產生微小幅度的振動，即壓電振蕩。這種振動會對毛細管點樣針尖端內的液體產生軸向加速運動，由此產生的慣性力使液體克服表面張力、

粘性力等束縛，發生斷裂，在點樣針尖端噴出微小液滴（圖1）[14]。點樣液的物理性質（粘度、密度、表面張力）、點樣針尖端內徑、壓電陶瓷的驅動電壓、驅動頻率等參數都會對點樣過程造成影響。韋伯數（We，無量綱參數）可用于判定液滴能否從點樣針尖端成功脫落[15]：

12

其中，ρ為液體密度，d為點樣針尖端內徑，v為點樣針末端液體流速，r為液體表面張力系數。v由壓電陶瓷的驅動電壓和驅動頻率共同決定。所研制的點樣頭由壓電陶瓷、連接裝置、點樣針固定裝置和玻璃毛細管點樣針組成。玻璃毛細管點樣針的尾端通過硅膠管與蠕動泵連接，用于進樣和清洗。

2.3毛細管點樣針制備

采用激光拉制法將一根硼硅酸鹽毛細玻璃管拉成兩段，以獲得毛細管點樣針。硼硅酸鹽玻璃不僅具有良好的微加工性能和化學穩定性，而且成本較低。利用激光對硼硅酸鹽毛細玻璃管進行局部加熱，以消散其內應力。當玻璃管被加熱部分接近或達到熔融狀態時，在表面張力的作用下，玻璃沿毛細管軸向均勻收縮，此時在玻璃管兩端施加拉力，使其從被加熱的部分分成兩段，然后在空氣中急速冷卻，從而獲得內腔呈圓錐狀的毛細管點樣針（圖2A）。對所拉制的毛細管點樣針尖端進行垂直研磨拋光，

使其形成幾何對稱、端口平整、內徑在μm量級的噴嘴結構，可應用于微陣列生物芯片點樣。如圖2B所示，制作的毛細管點樣針尖端平整，管壁均勻。使用硅烷化試劑處理研磨后的毛細管點樣針，提高其內壁的疏水性。硅烷化處理能夠有效降低噴嘴內壁與溶液之間的相互作用，減少溶液的流動阻力，有利于液體的噴射，同時避免了在噴嘴口處產生樣品“流掛”現象[16]。

2.4微陣列生物芯片點樣系統外觀及內部結構

以壓電振蕩驅動的點樣頭為基礎，結合三維精密位移控制技術，研制了一種新型微陣列生物芯片點樣系統。如圖3A所示，儀器系統的前蓋、兩側及頂部均采用透明式設計，便于實驗的觀察與操作。三維位移平臺選用直角坐標式結構，含有3個彼此獨立的運動單元，運動方向相互垂直，構成三維運動空間（圖3B）。直角坐標式位移平臺的機械系統較為穩定，在工作過程中振動較小。

2.5軟件設計

軟件控制主要分為位移控制、點樣參數設置、點陣參數設置和圖案化參數設置4個功能部分。位移控制功能可以將毛細管點樣針移動至接近點樣基底表面的地方；點樣參數設置區域可以設置點樣的幅值、頻率和重復點樣次數等參數；點陣參數區域可以設置單個點陣的橫向、縱向點數和點陣間距，以及多個點陣的橫向、縱向陣數和陣間距；圖案化參數設置需要輸入目標圖案的BMP位圖格式文件。

3結果與討論

3.1點樣體積測試

選用內徑20μm的毛細管點樣針測試所研制的儀器系統的點樣體積。由于單次點樣體積在nL級別，難以直接精確測量其體積。為了使測得結果更接近真實值，采用測量點樣液滴的質量間接得到點樣液滴體積的方法。首先，取1mL樣品溶液，測得其質量為1.083g，獲得樣品溶液的密度為1.083g/mL。然后，固定驅動頻率為5Hz，

設置不同的驅動電壓，每種驅動電壓點樣10000次，收集10000個液滴并稱重得到其質量，通過與密度值進行換算即可得到10000個液滴的體積，進而得到單個液滴的體積。在每種點樣參數下，點樣液滴體積的測量均采用測量5次取平均值的方法，得到的單點體積與驅動電壓的關系如圖4所示。在驅動電壓為20V時，獲得最小點樣體積320pL；當驅動電壓低于20V時，點樣針尖端內液體所獲得的慣性力因無法克服液體表面張力、粘性力等束縛而無法噴出；當驅動電壓>20V時，隨著驅動電壓的增大，液體獲得的慣性力增大，點樣體積也隨之增大。

3.2點樣密度測試

選用內徑20μm的毛細管點樣針測試儀器系統的點樣密度。在驅動電壓25V、頻率2Hz、點間距160μm條件下，獲得的微陣列如圖5所示。從圖5可見，液滴粒徑大小規整、均勻、無衛星液滴，所獲得的液滴平均直徑約（108

SymbolqB@5）μm，接近商品儀器在接觸式點樣方式下所獲得的微陣列（單點直徑約100μm），優于其在非接觸點樣方式下所獲得的實驗結果（單點直徑

Symbol～200μm）。微陣列點陣密度達到4000點/cm2，表明所研制的儀器系統能夠制備高密度微陣列生物芯片。

3.3精度測試

選用內徑40μm的毛細管點樣針測試儀器系統的點樣精度。在驅動電壓40V、頻率2Hz、點樣間距1mm的點樣參數下，分別通過單次點樣制備單色染料（Cy3和Cy5）微陣列，同一位置重復點樣2次，制備雙色染料微陣列。如圖6所示，重復點樣所獲得的雙色液滴微陣列粒徑大小規整、均勻，陣列點平均直徑為（200

SymbolqB@8）μm；其中紅色染料（Cy5）信號平均值為1957

SymbolqB@63，綠色染料（Cy3）信號平均值為460

SymbolqB@29。此實驗結果表明，所研制的點樣系統具有良好的點樣精度，能夠實現不同樣品在同一位置的重復點樣。

3.4圖案化制備

為進一步考察儀器系統的性能，選用內徑40μm的毛細管點樣針，在驅動電壓40V、頻率2Hz、點樣間距260μm、1次點樣的點樣參數下制備離散圖案；在驅動電壓80V、頻率2Hz、點樣間距120μm、2次重復點樣的點樣參數下制備連續圖案。如圖7所示，在兩種情況下均能夠實現目標圖案的制備，對目標圖案的形狀和大小沒有要求。此實驗結果表明，所研制的基于壓電振蕩原理的微陣列點樣系統具有優良的點樣精度，不僅能夠應用于微陣列生物芯片制備，而且能夠實現界面圖案化修飾。

4結論

分析了毛細管尖端液滴形成的條件，采用微加工方法制備了毛細管點樣針，并設計了一種新型非接觸式點樣結構，在此基礎上研制開發了一種基于壓電振蕩原理的微陣列點樣系統。此點樣系統使用毛細玻璃管作為點樣針，極大地降低了微陣列生物芯片的點樣成本，并且點樣針與壓電驅動裝置為獨立單元，可以單獨對毛細管點樣針進行更換和清洗。點樣體積、點樣密度、點樣精度、圖案化制備等實驗結果證明所研制的系統能夠應用于高密度微陣列生物芯片制備、能夠實現固定位置重復點樣和界面圖案化修飾，因此具有良好的應用前景和推廣價值。

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AbstractAnewtypeofpiezoelectricoscillationbasednoncontactspottingmodehasbeendevelopedtoovercomethedisadvantagesoftraditionalnoncontactspottingmodesincludingcomplicatedoperationprocedure，cleaningdifficultyofspottingneedle，largesampleconsumptionofelectromagneticmicrovalveandhighspottingcostofpiezoelectricinkjetbasednoncontactspottingmode.Inthedevice，thecapillaryspottingneedleandthepiezoelectricdrivingdevicearetwoindependentunitsusedforreplacingandcleaningcapillaryspottingneedle.Theglasscapillaryspottingneedleispreparedbythelasermeltingmethodwithadjustablediameterandlowcost.Thesamplespottingvolumeofthedevicecanbeeasilyadjustedintherangeof10

0-10

9bychangingtheamplitudeandfrequencyofpiezoelectricceramic.Amicroarrayspottingsystemisdevelopedbythecombinationofthepiezoelectricoscillationbasednoncontactspottingmodeandthreedimensionalprecisiondisplacementcontroltechnology.Themultipleparametersofaspreparedmicroarrayspottingsystemhavebeentestedincludingspottingvolume，densityofspotandspottingprecision.Theexperimentalresultsindicatethattheminimumvolumeofsinglespotwith320pLandthehighestdensityofspotwith4000spots/cm2canbeachievedbytheaspreparedmicroarrayspottingsystem.Furthermore，theaspreparedmicroarrayspottingsystemcanalsobeemployedtofabricatepatternedinterface.

KeywordsPiezoelectricoscillation；Microarrayspottingsystem；Glasscapillaryspottingneedle；Patternedinterfacefabrication

（Received28December2016；accepted6February2017）