开放式基因芯片杂交体系可行性研究

朱金辉

（上海伦恩科贸有限公司，上海 201611）

0 引言

基因芯片技术是目前生物学领域非常重要的研究工具，目前已经在临床疾病诊断、药物筛选和新药开发、基因功能研究、环境保护、农业和畜牧业应用、军事和司法应用、生物芯片自动化研究和生物信息研究等方面[1]。基因芯片杂交，是指标记的样品与芯片上的靶序列进行结合，产生待测信号的过程[2]。芯片杂交仅靠手动操作，繁琐易出错，而且无法同时进行大量样品的同时检测；为了能够进行大批量芯片的同时检测，降低基因芯片杂交对杂交环境的要求，提高杂交效率，减少人为影响，本文设计了基因杂交开放式反应仓，并建立开放式板式温控体系和杂交结果的CCD成像体系。

1 开放式反应仓的设计

开放式反应仓采用单玻片双反应仓设计，分别为A反应仓和B反应仓。C处可用于粘贴二维码，对芯片内容进行说明。本反应仓设计尺寸为12mm×20mm。如图1所示。

2 开放式板式温控体系的建立

反应仓温度的控制过程贯穿于生物芯片的杂交过程，如图2所示，反应仓温度控制对生物芯片杂交是否成功起到至关重要的用。因此，下面对开放式板式加热平台加热源的排布特点及其板内温度分布均匀性进行探讨。

图2 生物芯片杂交步骤

2.1 开放式板式温控物理模型

本温控物理模型由制冷片、加热平台、散热平台和风扇组成，如图3所示，具体参数如下：

制冷片规格：XH-C1210 C系列工业大功率120W制冷片，其参数为：

尺寸：40×40×3.5；

电压：DC12V；

电流：10A；

制冷片数量：5片；

加热平台：材质：6061，表面尺寸：410mm×80mm，重量：0.852kg；

散热平台：材质6061，表面尺寸：410mm×80mm，重量0.324kg；

风扇：数量，5个，规格：80×80×25，电压24V。

图3 开放式板式温控物理模型

2.2 温度检测传感器精度测试

2.2.1 测试工具

1）铠装PT100传感器；

2）水银温度计0～50℃；

3）水银温度计50～100℃；

4）水域加热器。

2.2.2 测试步骤

步骤1：加热器装入清水，开始加热。

步骤2：水沸腾后，放入PT100传感器，同时放入水银温度计（量程50℃～100℃）。

步骤3：关闭加热器，开始记录数据。

步骤4：温度降到50℃后更换量程为0～50℃的水银温度计。继续记录数据。

2.2.3 测试结果及其分析

图4为水银温度计的测试结果和传感器的测试结果，并对其结果做线性拟合。可知传感器的测试结果和水银温度计的测试结果线性拟合斜率为0.975，并且R2=0.999。图5表示传感器测试温度和水银测试温度的温度偏差值分析。偏差值最大1.6，最小0，随温度下降偏差值下降。

图4 测试结果

图5 传感器温度和水银温度计偏差

2.3 板式温控均匀性试验测试

加热平台表面温度均一性测试如下所述。

在不放置反应仓的情况下，先对加热平台表面的温度进行测试。铠装PT100的温度作为参考温度。

将铠装PT100温控器温度设定为50℃，开启温控器。等温度稳定后，使用贴片式PT100传感器，对模具表面多点进行温度测量。

分别取当温度设定值为50℃、40℃、30℃时的三组数据，如表1和图6所示。分析如下：

1）加热平台表面的温度中央比两边要高。随着温度降低，整体的温度均一性提高，如图6所示。

50℃时，表面温度平均为48.7°，表面温差+0.52以及-0.48℃。

40℃时，表面温度平均为39.5°，表面温差+0.2以及-0.3℃。

30℃时，表面温度平均为29.6°，表面温差+0.2以及-0.1℃。

2）加热平台内部测量值与表面值的温差，如图7所示。

50℃时，表面温度平均为48.72°，平均温差1.28℃。

40℃时，表面温度平均为39.53°，平均温差0.47℃。

30℃时，表面温度平均为29.6°，平均温差0.39℃。

图6 加热平台温度均一性测试结果柱状图

表1 加热平台温度均一性测试结果

图7 加热平台温度偏差测试结果柱状图

3 生物芯片杂交结果的CCD成像体系的建立

图8 CCD成像体系

CCD成像体系由工业相机、远心镜头、滤光片和同轴光源组成，如图8所示。其配置如表2所示。由于生物芯片上点样点颜色为透明液体，为了凸显透明液体的边界特征，选择500万像素的CCD，如表3所示，其配套的远心镜头选型如表4所示，镜头参数如表5所示，所以其视野范围（mm×mm）：17.6X13.2。同轴光源选型：红色光源HCL50。同轴光源主要由高密度LED和分光镜组成。LED发出光经过分光镜后，跟CCD和相机在同一轴线上，可以有效消除图像的重影，适合光洁物体表面划痕的检测。滤光片选择635红光滤波片，消除杂光对成像效果的影响。

表2 CCD成像体系组成

表3 工业相机参数

表4 镜头参数

表5 镜头尺寸

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4 生物芯片杂交结果及其成像效果

生物芯片杂交具体试验步骤分为清洗一、杂交、清洗二、抗体、清洗三、显色、清洗和烘干。进出反应仓液体采用人工进液和出液的方式。测试平台为开放式板式温控平台。试验结果采用CCD成像体系进行读取。如图9和图10所示。

图9 实验结果

5 结论

1）生物芯片杂交反应仓可以采用开放式设计。

2）开放式板式温控物理模型适用于生物芯片的杂交反应。

图10 试验结果的CCD成像效果

3）由CCD成像体系由工业相机、远心镜头、滤光片和同轴光源组成的CCD成像体系能够有效对生物芯片的杂交结果进行读取。

[1]上海东方工程咨询有限公司.生物芯片上海国家工程研究中心可研报告[M].上海医药工业设计院,2002,8.

[2]上海东方工程咨询有限公司.常见食源性致病菌的基因芯片鉴定技术[M].上海市出入境检疫局,2005,2.