CN101085974B - 一种生物芯片杂交过程优化控制方法及使用该方法的设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生物芯片杂交仪，包括：杂交腔、芯片载盘、旋转部、温控部和主控部；芯片载盘设置在杂交腔内，芯片载盘通过旋转部驱动；旋转部通过主控部进行转动控制，杂交腔通过所述温控部调节腔内温度。本发明还公开了一种生物芯片杂交仪的生物芯片杂交过程优化控制方法，包括如下步骤1：预先将冲洗液至于杂交腔中，再将待杂交的生物芯片盒放置在芯片载盘上，通过温控部将杂交腔的温度升至合适的温度；步骤2：主控部根据设定的振荡参数，控制旋转部驱动芯片载盘旋转振动；步骤3：杂交结束后，通过旋转部将剩余杂交液甩干。本发明实现了一种自动进行杂交的杂交仪和优化的杂交控制方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物芯片杂交装置和生物芯片杂交过程优化控制方法。
背景技术
生物芯片技术可以对生命科学与医学中的各种生物化学反应过程进行集成，从而实现对基因、配体、抗原等生物活性物质进行高效快捷的测试和分析。它的出现给生命科学、医学、化学、新药开发、生物武器战争、司法鉴定、食品与环境监督等众多领域带来巨大的革新甚至革命。
以杂交为基础的分析已广泛用于基因突变的检测、多态性分析、基因作图等方面的研究与应用，杂交仪则是专门用来完成对生物芯片进行杂交过程的设备，通过其完成对生物芯片：预杂交、杂交、洗涤、封闭、酶联、显色、终止显色等操作。目前常规的生物芯片杂交设备比较多，但通常存在如下的问题：1)各个步骤均分别独立进行，废液需要人工吸走，对操作者依赖性大，操作繁琐；2)温度设置为有级调节，且调节档少，使最优控制受到限制；3)同时可杂交芯片数量少，效率低；4)震荡效果缓慢，杂交液反应时间长，效率低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种生物芯片杂交仪和生物芯片杂交过程优化控制方法，在对生物芯片进行杂交后，能够自动甩干杂交液。
本发明的一种生物芯片杂交仪包括：杂交腔、芯片载盘、旋转部、温控部和主控部；芯片载盘设置在杂交腔内，该芯片载盘通过旋转部驱动；所述旋转部通过所述主控部进行转动控制，所述杂交腔通过所述温控部调节腔内温度；其中，所述旋转部包括电机和电机驱动器，所述电机控制所述芯片载盘的震荡和甩干。
进一步地，所述杂交腔上还设有用于清洗其内部的清洗部，所述清洗部包括清洗管、清洗泵和吸液泵，清洗管设置在杂交腔内，清洗管与清洗泵相连，清洗泵通过该清洗管将清洗液喷入到所述杂交腔内，所述吸液泵与所述杂交腔底部相连。
进一步地，所述温控部包括：温控单元和冷热空气循环管，冷热空气循环管设置在所述杂交腔内，所述温控单元包括加热元件、制冷元件和温度采集单元，温度采集单元设置在杂交腔内，加热元件和制冷元件根据温度采集单元采集的温度信号通过冷热空气循环管对所述杂交腔进行温度调节。
进一步地，所述加热元件为可单独控制的多个云母加热片、电阻丝或半导体，所述制冷元件为可单独控制的多个半导体致冷片。
进一步地，还包括操作部，该操作部与所述主控部相连，所述主控部通过该操作部控制所述清洗部、温控部和旋转部。
进一步地，所述操作部为键盘和显示屏。
进一步地，所述主控部为PLC可编程控制器(也可以选择其它类似的控制元件)。
进一步地，所述芯片载盘由塑料制成，其底部还设置有可控制芯片盒内杂交液温度的金属盘，该金属盘固定安装在所述杂交腔内。
本发明的一种生物芯片杂交仪的生物芯片杂交过程优化控制方法，包括如下步骤：
步骤1：预先将冲洗液至于杂交腔中，再将待杂交的生物芯片盒放置在芯片载盘上，通过温控部将杂交腔的温度升至合适的温度；
步骤2：主控部根据设定的振荡参数，控制旋转部驱动芯片载盘旋转振动，从而使生物芯片进行杂交；
步骤3：杂交结束后，通过旋转部将剩余杂交液甩干；
在上述步骤2和3中，所述旋转部包括电机和电机驱动器，所述电机控制所述芯片载盘的震荡和甩干。
进一步地，所述芯片盒的外侧壁的倾斜角为50°～70°。
本发明具有如下优点：
1、实现了杂交后自动甩干杂交液，自动清洗杂交腔，简化了操作，而且更方便，缩短了实验时间；
2、温度调节为平滑调节，杂交过程可以更加优化；
3、震荡效果好，节约了杂交时间；
4、键盘及显示介面友好，操作简单；
5、可设定正常工作及测试两种工作模式，及时检查仪器各部件工作状态，减少故障率；
6、通用性好，适用于多种生物芯片杂交。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明喷液环形管主视图；
图3为图2的俯视图；
图4为芯片盒的结构示意图；
图5为本发明的电机控制单元框图；
图6为本发明的系统控制框图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括：杂交腔1、旋转部2、芯片载盘3、清洗管4、操作部5、主控部6、清洗部7和机壳12。操作部5设置在机壳12的上部，其主要由键盘和显示屏组成。杂交腔1安装在机壳12的中间靠上位置，杂交腔1设置有芯片载盘3，芯片载盘3上可放置芯片盒，芯片载盘3可以设计为承担n个芯片盒的结构，n最优选择为18，芯片盒数量改变时只需改变芯片载盘3的面积即可。芯片载盘3由塑料制成，其底部还设置有可控制芯片盒内杂交液温度的金属盘13，该金属盘13固定安装在杂交腔1内。芯片载盘3通过旋转部2驱动，旋转部2转动带动芯片载盘3转动，从而完成震荡与甩干过程。旋转部2包括电机22和电机驱动器21，如图5所示，电机22可以采用步进电机，这样能够很好地控制芯片载盘3的震荡和甩干。当然也可以用其他电机代替，只要改变控制方法即可。清洗部7包括清洗管11、清洗泵72和吸液泵73，清洗管11设置在杂交腔1内，清洗管11与清洗泵72相连，清洗泵72通过该清洗管11将清水喷入到杂交腔1内。杂交腔1的底部为废液槽14，用于接收杂交后的废液，吸液泵73与杂交腔1底部相连。清洗管11由铜、塑料或不锈钢等材料制成的环形管等组成，如图2、3所示，在清洗管11的外圆周上均匀分布有喷液孔111，通过喷液孔111喷出水流清洗杂交腔1。喷液孔111设计为水流倾斜射向杂交腔1废液槽的侧壁的结构，通过清洗管11上的喷液孔111斜向下冲在废液槽14的侧壁上，再流到废液槽14内，这样确保了冲洗液均匀的覆盖到了废液槽14的整个侧壁上，不流死角，到废液槽14内的冲洗液达到一定量后，通过吸液泵73把溶有杂交废液的液体一同排出到杂交设备的体外的废液容器内。为了保证废液的顺利排出，本发明设计废液槽14底部为一个斜面，即废液槽14的排液孔为废液槽14底部的最低点。
本发明在杂交结束后，剩余杂交液通过自动甩干与废液清洗部7的自动清洗把废弃的杂交液排出，而不是传统的人工吸取方式，从而增加了效率，减少了污染。当某一杂交过程结束后，驱动电机带动芯片载盘3加速转动，加速度要保证不能使杂交液溅出的最小加速度的最大值，本发明优选步进电机的启动加速度启动脉冲频率变化率不能超过200HZ，最高速度大于300转/分钟，本发明优选300转/分钟。为了确保杂交液的正常甩干，如图4所示，本发明芯片盒的外侧壁有一个倾斜角A，A可以在50°～70°之间，本发明优选60°。当杂交液被芯片载盘3甩离芯片盒变成废液进入废液槽14内后，控制部6启动清洗泵72，冲洗液通过清洗泵72被送入清洗管11内，清洗管11冲洗废液槽14的侧壁，冲洗液可以均匀覆盖到废液槽14的整个侧壁上。最后再由吸液泵73将废液排出。
如图1所示，本发明还设置有温控部8，该温控部8包括温控单元81和在芯片载体3下方设置的冷热空气循环管82，冷热空气循环管82与温控单元9相连，温控单元9通过冷热空气循环管82对杂交腔1进行温度调节。另外，还在冷热空气循环管82的出口端设置有风扇83，通过风扇将冷热空气送入/排出杂交腔1，从而对杂交腔1的温度进行调节。温控单元81包括温度采集单元811、可单独控制的多个加热元件和致冷元件及(未图示出)，温度采集单元811设置在杂交腔1内，用于采集杂交腔1内的温度。加热元件可采用可单独控制的多片云母加热片、电阻丝、半导体等一切可产生热源的元件，致冷元件可采用可单独控制的多片半导体致冷片等冷却元件，加热元件和致冷元件根据温度采集单元811采集的温度信号通过冷热空气循环管82对杂交腔1进行温度调节。温控单元81另一端与主控部6相连，主控部6通过控制加热元件和制冷元件实现温度采集单元采集的温度与操作部5设定温度一致，从而实现温度的平滑调节。另外，本发明由于是通过气体升降温来控制杂交腔1内的温度，并通过杂交腔1气体的流动来对芯片载盘下的金属盘13进行加热，非金属的芯片载盘3通过与其下面的金属盘13进行热传导的方式进行升降温，从而保证了芯片盒内的杂交液的杂交温度的稳定性。
本发明的升降温的热缘与冷源采用分开控制，其中热源加热材料云母片(也可以是上述的其它发热材料)，而且发热体由相同功率Y瓦(Y∈(20，50，优选30)的加热片n块(n∈(1，10，优选6)，其中，任一块是否工作均可单独控制，以保证提高加热效率与保温的稳定性，其中冷源采用的是半导体致冷片加散热片的方式降低通过其的空气温度，同样可以通过改变致冷片的功率X瓦(X∈(20，50，优选40)(和空气流经散热片的流量来满足通过其空气的最低温度。温控部8的空气流动的源动力为风扇83，通过控制风扇83的排风量与转速可以提高杂交腔内升降温的速度与保温的稳定性。
主控部6可以选择PLC作为主控元件(当然，也可以选择其它具有相同功能的器件作为主控元件)，主控部6与操作部5和旋转部2的电机驱动器相连，通过改变PLC控制方式可以获得多种震荡及甩干方式，如图5所示，主控部6向电机驱动器21发送脉冲控制信号，如方向信号等，从而控制电机22的运行状态，开关电源13向电机驱动器21和主控部6供电。如图6所示，操作部5通过主控部6控制温控部8、清洗部7和旋转部2各种控制可通过操作部5进行操作。
本发明可以设置两种工作模式，即正常工作模式和测试模式。正常工作模式运行如下：首先通过操作部5选择工作模式，温控部根据设定温度调节杂交腔1温度，主控部6根据设定模式控制旋转部2运动，旋转部2带动芯片载盘3运动，完成震荡及甩干。甩干后控制部控制清洗部7清洗杂交腔1。测试模式主要是进行本仪器的检查及维护。可以测试各个工作部如温控部8、旋转部2等是否工作正常。
本发明具体操作是如下：
首先确定最模式参数：在不借助其它仪器的条件下，可以用这种方法通过实验获得最佳振荡模式参数。例如，在芯片盒底部均匀涂抹等量的水溶性颜料，待溶液干燥后加入杂交液，模拟生物芯片的杂交振荡，颜料在杂交液中重新溶解的效果与振荡效果是匹配的，根据颜料在杂交液中扩散的速度，以及芯片中液体振荡的情况，确定最佳振荡参数。
其次，将杂交芯片盒沿圆周方向放在杂交芯片载盘3上，该芯片载盘3由杂交腔1内的旋转部2驱动旋转；操作者通过操作部5确定本次杂交过程的工作模式，工作模式包括：整个杂交过程包括的杂交步骤的数量以及各个步骤所需的温度、振荡模式、振荡时间、杂交液自动甩干、废液自动清洗等的参数设置，杂交操作者所选择的工作模式通过操作部5传给主控部6，主控部6依据所选工作模式的参数设置，进入第一个步骤的控制，其首先控制温控部8促使杂交腔1内温度达到设定温度值后，主控部6控制旋转部2驱动芯片载盘3带着芯片盒做间隙的振荡，在达到振荡时间后，旋转部2驱动芯片载盘3带着芯片盒做高速圆周运动，由于芯片盒的外边具有一个倾斜角度，促使芯片盒内的杂交液在其高速转动过程中甩离杂交盒，清洗部7对杂交腔1进行清洗，并将废液排出杂交腔1。如此重复直到杂交过程结束。
本发明预先可以把整个杂交过程需要包含的多个杂交步骤以及每个步骤交杂步骤所需的温度、振荡模式、振荡时间、杂交液自动甩干、废液自动清洗等参数预先设置在装置内，可以确保按照预先设置的参数自动完成杂交任务。
振荡的作用是促使杂交液运动，从而提高分子间接触与结合的机率，因此本发明还实现了一种振荡方式，即通过使芯片盒在圆周方向上采用变速运动，而芯片盒内的杂交液在变速时，会由于瞬间加减速及停动产生出振荡的功效，从而保证杂交机率。本发明还可以通过以下各参数的设置对振荡效果产生的影响：
1)驱动电流越大，电磁力越大，获得的振荡效果越强烈。
2)芯片载盘3的转动惯量，转动惯量越小，相同的电磁力使负载的加速度越大，获得的振荡效果越强烈。
3)步进电机细分的影响，细分度越高，步距角越小，脉动越小，运动越平稳，振荡效果越弱。
4)杂交液粘度，粘度越低，振荡效果越好。
此外，本发明还实现了一种把促使杂交效果的振荡与杂交盒内的杂交液采用离心的自动方式甩干相结合的方式。本发明采用同一种驱动机构，通过控制驱动机构以实现整个工作模式是振荡工作还是甩干工作模式。
另外，本发明预先把冲洗液置于杂交腔1内(该冲洗液不会使杂交液发生污染)，在高温杂交时，因为预先加入冲洗液在杂交腔1内，在加热气体的带动下首先蒸发，提高了杂交腔1内的湿度，从而减少了在杂交过程中杂交液的蒸发量，保证了杂交效果。
综上所述，本发明在杂交后可以自动甩干杂交液，自动清洗杂交腔1，不仅简化了操作，而且更方便，缩短了实验时间。另外，由于可以设定震荡参数，因此大大提高了震荡的效果，节约了杂交的时间。此外，主控部6通过比较温度采集单元采集的温度与操作部5设定温度，控制加热元件和制冷元件运行，实现温度采集单元采集温度与操作部5设定温度一致，从而实现了温度的平滑调节，使杂交过程更加优化。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种生物芯片杂交仪，其特征在于，包括：杂交腔、芯片载盘、旋转部、温控部和主控部；芯片载盘设置在杂交腔内，该芯片载盘通过旋转部驱动；所述旋转部通过所述主控部进行转动控制，所述杂交腔通过所述温控部调节腔内温度；其中，所述旋转部包括电机和电机驱动器，所述电机控制所述芯片载盘的震荡和甩干。
2.如权利要求1所述的生物芯片杂交仪，其特征在于，所述杂交腔上还设有用于清洗其内部的清洗部，所述清洗部包括清洗管、清洗泵和吸液泵，清洗管设置在杂交腔内，清洗管与清洗泵相连，清洗泵通过该清洗管将清洗液喷入到所述杂交腔内，所述吸液泵与所述杂交腔底部相连。
3.如权利要求1所述的生物芯片杂交仪，其特征在于，所述温控部包括：温控单元和冷热空气循环管，冷热空气循环管设置在所述杂交腔内，所述温控单元包括加热元件、制冷元件和温度采集单元，温度采集单元设置在杂交腔内，加热元件和制冷元件根据温度采集单元采集的温度信号通过冷热空气循环管对所述杂交腔进行温度调节。
4.如权利要求3所述的生物芯片杂交仪，其特征在于，所述加热元件为可单独控制的多个云母加热片、电阻丝或半导体，所述制冷元件为可单独控制的多个半导体致冷片。
5.如权利要求1至4任一所述的生物芯片杂交仪，其特征在于，还包括操作部，该操作部与所述主控部相连，所述主控部通过该操作部控制所述清洗部、温控部和旋转部。
6.如权利要求5所述的生物芯片杂交仪，其特征在于，所述操作部为键盘和显示屏。
7.如权利要求1所述的生物芯片杂交仪，其特征在于，所述主控部为PLC可编程控制器。
8.如权利要求1所述的生物芯片杂交仪，其特征在于，所述芯片载盘由塑料制成，其底部还设置有可控制芯片盒内杂交液温度的金属盘，该金属盘固定安装在所述杂交腔内。
9.一种采用如权利要求1所述的生物芯片杂交仪的生物芯片杂交过程优化控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：预先将冲洗液至于杂交腔中，再将待杂交的生物芯片盒放置在芯片载盘上，通过温控部将杂交腔的温度升至合适的温度；
步骤2：主控部根据设定的振荡参数，控制旋转部驱动芯片载盘旋转振动，从而使生物芯片进行杂交；
步骤3：杂交结束后，通过旋转部将剩余杂交液甩干；
在上述步骤2和3中，所述旋转部包括电机和电机驱动器，所述电机控制所述芯片载盘的震荡和甩干。
10.如权利要求9所述的一种优化控制方法，其特征在于，所述芯片盒的外侧壁的倾斜角为50°～70°。
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