開放式基因芯片雜交體系可行性研究

朱金輝

（上海倫恩科貿(mào)有限公司，上海 201611）

0 引言

基因芯片技術是目前生物學領域非常重要的研究工具，目前已經(jīng)在臨床疾病診斷、藥物篩選和新藥開發(fā)、基因功能研究、環(huán)境保護、農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)應用、軍事和司法應用、生物芯片自動化研究和生物信息研究等方面[1]。基因芯片雜交，是指標記的樣品與芯片上的靶序列進行結合，產(chǎn)生待測信號的過程[2]。芯片雜交僅靠手動操作，繁瑣易出錯，而且無法同時進行大量樣品的同時檢測；為了能夠進行大批量芯片的同時檢測，降低基因芯片雜交對雜交環(huán)境的要求，提高雜交效率，減少人為影響，本文設計了基因雜交開放式反應倉，并建立開放式板式溫控體系和雜交結果的CCD成像體系。

1 開放式反應倉的設計

開放式反應倉采用單玻片雙反應倉設計，分別為A反應倉和B反應倉。C處可用于粘貼二維碼，對芯片內容進行說明。本反應倉設計尺寸為12mm×20mm。如圖1所示。

2 開放式板式溫控體系的建立

反應倉溫度的控制過程貫穿于生物芯片的雜交過程，如圖2所示，反應倉溫度控制對生物芯片雜交是否成功起到至關重要的用。因此，下面對開放式板式加熱平臺加熱源的排布特點及其板內溫度分布均勻性進行探討。

圖2 生物芯片雜交步驟

2.1 開放式板式溫控物理模型

本溫控物理模型由制冷片、加熱平臺、散熱平臺和風扇組成，如圖3所示，具體參數(shù)如下：

制冷片規(guī)格：XH-C1210 C系列工業(yè)大功率120W制冷片，其參數(shù)為：

尺寸：40×40×3.5；

電壓：DC12V；

電流：10A；

制冷片數(shù)量：5片；

加熱平臺：材質：6061，表面尺寸：410mm×80mm，重量：0.852kg；

散熱平臺：材質6061，表面尺寸：410mm×80mm，重量0.324kg；

風扇：數(shù)量，5個，規(guī)格：80×80×25，電壓24V。

圖3 開放式板式溫控物理模型

2.2 溫度檢測傳感器精度測試

2.2.1 測試工具

1）鎧裝PT100傳感器；

2）水銀溫度計0～50℃；

3）水銀溫度計50～100℃；

4）水域加熱器。

2.2.2 測試步驟

步驟1：加熱器裝入清水，開始加熱。

步驟2：水沸騰后，放入PT100傳感器，同時放入水銀溫度計（量程50℃～100℃）。

步驟3：關閉加熱器，開始記錄數(shù)據(jù)。

步驟4：溫度降到50℃后更換量程為0～50℃的水銀溫度計。繼續(xù)記錄數(shù)據(jù)。

2.2.3 測試結果及其分析

圖4為水銀溫度計的測試結果和傳感器的測試結果，并對其結果做線性擬合。可知傳感器的測試結果和水銀溫度計的測試結果線性擬合斜率為0.975，并且R2=0.999。圖5表示傳感器測試溫度和水銀測試溫度的溫度偏差值分析。偏差值最大1.6，最小0，隨溫度下降偏差值下降。

圖4 測試結果

圖5 傳感器溫度和水銀溫度計偏差

2.3 板式溫控均勻性試驗測試

加熱平臺表面溫度均一性測試如下所述。

在不放置反應倉的情況下，先對加熱平臺表面的溫度進行測試。鎧裝PT100的溫度作為參考溫度。

將鎧裝PT100溫控器溫度設定為50℃，開啟溫控器。等溫度穩(wěn)定后，使用貼片式PT100傳感器，對模具表面多點進行溫度測量。

分別取當溫度設定值為50℃、40℃、30℃時的三組數(shù)據(jù)，如表1和圖6所示。分析如下：

1）加熱平臺表面的溫度中央比兩邊要高。隨著溫度降低，整體的溫度均一性提高，如圖6所示。

50℃時，表面溫度平均為48.7°，表面溫差+0.52以及-0.48℃。

40℃時，表面溫度平均為39.5°，表面溫差+0.2以及-0.3℃。

30℃時，表面溫度平均為29.6°，表面溫差+0.2以及-0.1℃。

2）加熱平臺內部測量值與表面值的溫差，如圖7所示。

50℃時，表面溫度平均為48.72°，平均溫差1.28℃。

40℃時，表面溫度平均為39.53°，平均溫差0.47℃。

30℃時，表面溫度平均為29.6°，平均溫差0.39℃。

圖6 加熱平臺溫度均一性測試結果柱狀圖

表1 加熱平臺溫度均一性測試結果

圖7 加熱平臺溫度偏差測試結果柱狀圖

3 生物芯片雜交結果的CCD成像體系的建立

圖8 CCD成像體系

CCD成像體系由工業(yè)相機、遠心鏡頭、濾光片和同軸光源組成，如圖8所示。其配置如表2所示。由于生物芯片上點樣點顏色為透明液體，為了凸顯透明液體的邊界特征，選擇500萬像素的CCD，如表3所示，其配套的遠心鏡頭選型如表4所示，鏡頭參數(shù)如表5所示，所以其視野范圍（mm×mm）：17.6X13.2。同軸光源選型：紅色光源HCL50。同軸光源主要由高密度LED和分光鏡組成。LED發(fā)出光經(jīng)過分光鏡后，跟CCD和相機在同一軸線上，可以有效消除圖像的重影，適合光潔物體表面劃痕的檢測。濾光片選擇635紅光濾波片，消除雜光對成像效果的影響。

表2 CCD成像體系組成

表3 工業(yè)相機參數(shù)

表4 鏡頭參數(shù)

表5 鏡頭尺寸

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4 生物芯片雜交結果及其成像效果

生物芯片雜交具體試驗步驟分為清洗一、雜交、清洗二、抗體、清洗三、顯色、清洗和烘干。進出反應倉液體采用人工進液和出液的方式。測試平臺為開放式板式溫控平臺。試驗結果采用CCD成像體系進行讀取。如圖9和圖10所示。

圖9 實驗結果

5 結論

1）生物芯片雜交反應倉可以采用開放式設計。

2）開放式板式溫控物理模型適用于生物芯片的雜交反應。

圖10 試驗結果的CCD成像效果

3）由CCD成像體系由工業(yè)相機、遠心鏡頭、濾光片和同軸光源組成的CCD成像體系能夠有效對生物芯片的雜交結果進行讀取。

[1]上海東方工程咨詢有限公司.生物芯片上海國家工程研究中心可研報告[M].上海醫(yī)藥工業(yè)設計院,2002,8.

[2]上海東方工程咨詢有限公司.常見食源性致病菌的基因芯片鑒定技術[M].上海市出入境檢疫局,2005,2.