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(shù)是目前生物學(xué)領(lǐng)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(hù)、農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)應(yīng)用、軍事和司法應(yīng)用、生物芯片自動(dòng)化研究和生物信息研究等方面[1]?；蛐酒s交，是指標(biāo)記的樣品與芯片上的靶序列進(jìn)行結(jié)合，產(chǎn)生待測(cè)信號(hào)的過(guò)程[2]。芯片雜交僅靠手動(dòng)操作，繁瑣易出錯(cuò)，而且無(wú)法同時(shí)進(jìn)行大量樣品的同時(shí)檢測(cè)；為了能夠進(jìn)行大批量芯片的同時(shí)檢測(cè)，降低基因芯片雜交對(duì)雜交環(huán)境的要求，提高雜交效率，減少人為影響，本文設(shè)計(jì)了基因雜交開放式反應(yīng)倉(cāng)，并建立開放式板式溫控體系和雜交結(jié)果的CCD成像體系。

1 開放式反應(yīng)倉(cāng)的設(shè)計(jì)

開放式反應(yīng)倉(cāng)采用單玻片雙反應(yīng)倉(cāng)設(shè)計(jì)，分別為A反應(yīng)倉(cāng)和B反應(yīng)倉(cāng)。C處可用于粘貼二維碼，對(duì)芯片內(nèi)容進(jìn)行說(shuō)明。本反應(yīng)倉(cāng)設(shè)計(jì)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(yīng)倉(cāng)溫度的控制過(guò)程貫穿于生物芯片的雜交過(guò)程，如圖2所示，反應(yīng)倉(cāng)溫度控制對(duì)生物芯片雜交是否成功起到至關(guān)重要的用。因此，下面對(duì)開放式板式加熱平臺(tái)加熱源的排布特點(diǎn)及其板內(nèi)溫度分布均勻性進(jìn)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(tái)、散熱平臺(tái)和風(fēng)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(tái)：材質(zhì)：6061，表面尺寸：410mm×80mm，重量：0.852kg；

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

風(fēng)扇：數(shù)量，5個(gè)，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(cè)傳感器精度測(cè)試

2.2.1 測(cè)試工具

1）鎧裝PT100傳感器；

2）水銀溫度計(jì)0～50℃；

3）水銀溫度計(jì)50～100℃；

4）水域加熱器。

2.2.2 測(cè)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(shí)放入水銀溫度計(jì)（量程50℃～100℃）。

步驟3：關(guān)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(jì)。繼續(xù)記錄數(shù)據(jù)。

2.2.3 測(cè)試結(jié)果及其分析

圖4為水銀溫度計(jì)的測(cè)試結(jié)果和傳感器的測(cè)試結(jié)果，并對(duì)其結(jié)果做線性擬合?？芍獋鞲衅鞯臏y(cè)試結(jié)果和水銀溫度計(jì)的測(cè)試結(jié)果線性擬合斜率為0.975，并且R2=0.999。圖5表示傳感器測(cè)試溫度和水銀測(cè)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(cè)試結(jié)果

圖5 傳感器溫度和水銀溫度計(jì)偏差

2.3 板式溫控均勻性試驗(yàn)測(cè)試

加熱平臺(tái)表面溫度均一性測(cè)試如下所述。

在不放置反應(yīng)倉(cāng)的情況下，先對(duì)加熱平臺(tái)表面的溫度進(jìn)行測(cè)試。鎧裝PT100的溫度作為參考溫度。

將鎧裝PT100溫控器溫度設(shè)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(duì)模具表面多點(diǎn)進(jìn)行溫度測(cè)量。

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

1）加熱平臺(tái)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(shí)，表面溫度平均為48.7°，表面溫差+0.52以及-0.48℃。

40℃時(shí)，表面溫度平均為39.5°，表面溫差+0.2以及-0.3℃。

30℃時(shí)，表面溫度平均為29.6°，表面溫差+0.2以及-0.1℃。

2）加熱平臺(tái)內(nèi)部測(cè)量值與表面值的溫差，如圖7所示。

50℃時(shí)，表面溫度平均為48.72°，平均溫差1.28℃。

40℃時(shí)，表面溫度平均為39.53°，平均溫差0.47℃。

30℃時(shí)，表面溫度平均為29.6°，平均溫差0.39℃。

圖6 加熱平臺(tái)溫度均一性測(cè)試結(jié)果柱狀圖

表1 加熱平臺(tái)溫度均一性測(cè)試結(jié)果

圖7 加熱平臺(tái)溫度偏差測(cè)試結(jié)果柱狀圖

3 生物芯片雜交結(jié)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(jī)、遠(yuǎn)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(diǎn)樣點(diǎn)顏色為透明液體，為了凸顯透明液體的邊界特征，選擇500萬(wàn)像素的CCD，如表3所示，其配套的遠(yuǎn)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(guò)分光鏡后，跟CCD和相機(jī)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(cè)。濾光片選擇635紅光濾波片，消除雜光對(duì)成像效果的影響。

表2 CCD成像體系組成

表3 工業(yè)相機(jī)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(jié)果及其成像效果

生物芯片雜交具體試驗(yàn)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(jìn)出反應(yīng)倉(cāng)液體采用人工進(jìn)液和出液的方式。測(cè)試平臺(tái)為開放式板式溫控平臺(tái)。試驗(yàn)結(jié)果采用CCD成像體系進(jìn)行讀取。如圖9和圖10所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

1）生物芯片雜交反應(yīng)倉(cāng)可以采用開放式設(shè)計(jì)。

2）開放式板式溫控物理模型適用于生物芯片的雜交反應(yīng)。

圖10 試驗(yàn)結(jié)果的CCD成像效果

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

[1]上海東方工程咨詢有限公司.生物芯片上海國(guó)家工程研究中心可研報(bào)告[M].上海醫(yī)藥工業(yè)設(shè)計(jì)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(shù)[M].上海市出入境檢疫局,2005,2.