CN101696971A - 一种生物芯片分析仪及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物芯片分析仪，包括控制主机，与控制主机电连接的显示器，承载基板；所述的控制主机包括主板、设置于主板的CPU和安装于主机的控制板卡，所述的承载基板设置有分析样品反应装置、反应液反应装置、发光液反应装置、第一多自由度机械手、第二多自由度机械手和图像处理装置，所述的分析样品、反应液和发光液反应装置、第一多自由度机械手、第二多自由度机械手和图像处理装置通过各自的控制模块与CPU电连接。本发明还公开了一种生物芯片分析仪控制系统。本发明所述的生物芯片分析仪，采用一体化工作站形式，综合利用运动控制技术、计算机技术、传感技术、图像处理技术等，通过计算机的统一控制，实现对样品处理过程全自动化。

Description

一种生物芯片分析仪及其控制系统

技术领域

本发明属于生物芯片分析仪器技术领域，尤其是涉及一种全自动、多样本同时检测的生物芯片分析仪及其控制系统。

背景技术

生物芯片是指在几平方厘米大小的的硅片、玻璃、凝胶或尼龙膜等固相支持介质上，通过机器人自动打印或光引导化学合成技术，制作的高密度生物分子(如寡核苷酸、基因片段、cDNA片段或多肽、蛋白质)微阵列，然后与标记的样品分子进行杂交，通过检测杂交信号的强度及分布对靶分子的序列和数量进行准确、快速、大信息量的识别、筛选与分析的一项技术。目前广泛应用于生物医学和生命科学研究中。生物芯片技术的发展，将为基础研究的成果更好地服务于人类健康提供平台，快捷、价廉的多种蛋白质检测和分析应用于肿瘤及其它疾病诊断得以实现。

目前，肿瘤位居各类死因的第一位，我国每年有200万新发病例，150万人死于恶性肿瘤。早期发现，早期诊断，早期治疗是提高肿瘤患者生存率的关键。肿瘤标志物在肿瘤高危人群的筛查、肿瘤诊断、预后判断、转归及疗效评价等方面具有重要的价值。肿瘤标志物单指标检测在临床已应用多年，但单项检测存在特异性不强、检出率低等不足。多项肿瘤标志物联合检测具有敏感性高、特异性强、适应性广的特点，因此，开发组合型肿瘤标志物检测产品和设备是肿瘤诊断和治疗领域非常重要的发展方向。

目前生物芯片技术对操作人员要求较高，需要专门的技术人员去建立并操作。由于生物芯片是在微小的载体中放置高密度的生物分子微阵列，作为微量分析，采用手工操作，使用时检测条件的不一致对结果影响很大。在操作过程中，还需要严格防止外界对生物芯片的污染以及不同生物芯片之间的交叉污染。研发高精度性、高可靠性以及高效性的全自动的生物芯片分析仪使广大临床检验人员或实验分析人员摆脱传统的检测方式，将是生物芯片技术未来发展，走向临床的一个重要的发展方向。

全球(包括中国在内)的生物芯片企业以及相关行业正面临着前所未有的机遇与挑战，几乎所有国际知名的生物芯片公司都在尽可能地扩大自有的产品线，以迎合更多客户提出的不同需求。在过去10年间，美国政府和产业界共投入将近20亿美元用于生物芯片的研究开发与产业化。世界上几乎所有的跨国制药公司都投入巨资，利用生物芯片开展新药的超高通量筛选和药理遗传学、药理基因组学等研究。许多著名的IT、电气企业，例如摩托罗拉、IBM、日立等也参加到生物芯片设备的研发行列。

而作为生物芯片检测分析的重要设备，针对组合型肿瘤标志物检测的全自动生物芯片分析仪尚存在多项有待突破的技术难点。

国内市场2009年出现的首个“多肿瘤标志物蛋白芯片检测系统”——HD-2002A生物芯片工作站，由上海数康公司研发完成。该系统是专门针对以硝酸纤维膜为芯片基质的自动化分析仪。由于硝酸纤维膜是多层结构，芯片使用时洗涤难度大，导致芯片检测的结果波动大，同时存在芯片检测范围、芯片检测内容的组合等方面的不足，目前临床上使用并不普遍，难以实现同时检测多样本。

国外，同类产品中有英国RANDOX(朗道)公司提供的

全自动的蛋白芯片分析系统。核心技术是RANDOX的蛋白芯片，在一块9mm×9mm的固态基质表面，运用了专利的有机金属硅烷化芯片表面处理技术和纳米分配技术，精确分布25个分散独立测试区(DTR)，每个DTR由可与分析物特异结合的抗体或其他物质组成。但该产品存在以下不足：首先，因反应过程中需保证抗原抗体的充分结合，并需要反复洗涤，反应时间相对较长；其次，样本只能批量检测，不能对单个样本随时进行测定；第三，其日内和日间的CV值相对较大，因此在试剂制备和检测流程上有待进一步改进；第四，其专门使用的有机金属硅烷化芯片成本较高。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种简单易行的，能同时检测多样本的全自动生物芯片分析仪，解决现有技术存在的缺陷。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种生物芯片分析仪，包括控制主机，与控制主机电连接的显示器，承载基板；所述的控制主机包括主板、设置于主板的CPU和安装于主机的控制板卡，所述的承载基板设置有分析样品反应装置、反应液反应装置、发光液反应装置、第一多自由度机械手、第二多自由度机械手和图像处理装置，所述的分析样品反应装置、反应液反应装置、发光液反应装置、第一多自由度机械手、第二多自由度机械手和图像处理装置通过各自的控制模块与CPU电连接。

优选的方案是：还包括设置于分析样品反应装置与反应液反应装置之间的芯片自动清洗装置I；以及反应液反应装置与发光液反应装置之间的芯片自动清洗装置II；用于反应液反应装置和发光液反应装置添加试剂的试剂自动加注装置和反应杯自动清洗装置，所述的芯片自动清洗装置、试剂自动加注装置和反应杯自动清洗装置通过控制模块与CPU电连接。

更为优选的方案是：所述的分析样品反应装置、反应液反应装置和发光液反应装置的控制模块为运动控制卡I，所述的第一多自由度机械手和第二多自由度机械手的控制模块为运动控制卡II，所述的芯片自动清洗装置、试剂自动加注装置和自动清洗装置的控制模块为数据采集卡，所述的图像处理装置控制模块为图像采集卡；还包括用于控制反应液温度的温度控制模块，所述的温度控制模块与CPU电连接。

更为优选的方案是：所述的分析样品反应装置和反应液反应装置为驱动马达通过中轴驱动的反应盘，所述的反应盘与中轴可拆卸紧固连接，所述的反应盘设有若干用于支撑反应杯的托架。

更为优选的方案是：所述的反应盘与中轴可拆卸紧固连接部位到托架部位的中间部位设置有若干镂空。

更为优选的方案是：所述的图像处理装置为连接COMS镜头或者CCD镜头的摄像机或者照相机。

本发明的另一目的在于提供一种生物芯片分析仪的控制系统，为实现本目的，本发明采用如下技术方案：

一种自动生物芯片分析控制系统，包括用于样本定标的样本定标装置；用于录入定标样本，质控样本，或待测样本的样本录入装置；控制定标样本，质控样本，或待测样本进行反应的反应控制装置；用于测取生物芯片图像信息的图像采集控制装置；用于分析生物芯片图像信息的图像信息分析装置；用于生成定标拟合曲线的曲线拟合装置；用于分析比较定标拟合曲线数据与质控样本数据的比较器；将比较器的结果在显示屏显示的结果显示装置；将检测样本的结果数据在显示屏显示的结果显示装置；用于将检测样本数据的结果打印为纸质文档的结果打印装置。

优选的方案是：所述的反应控制装置包括包括分析样品反应控制装置；反应液反应控制装置；发光液反应控制装置；用于控制第一多自由度机械手在样品反应装置与反应液反应装置之间运动的第一机械手控制装置；用于控制第二多自由度机械手在反应液反应装置与发光液反应装置之间运动的第二机械手控制装置。

更为优选的方案是：所述的第一机械手控制装置包括控制第一多自由度机械手在分析样品反应装置与自动清洗装置I之间运动的第一机械手控制装置I，以及控制第一多自由度机械手在自动清洗装置I与反应液反应装置之间运动的第一机械手控制装置II。

更为优选的方案是：所述的第二机械手控制装置包括控制第二多自由度机械手在反应液反应装置与自动清洗装置之间运动的第二机械手控制装置I，以及控制第二多自由度机械手在自动清洗装置II与发光液反应装置之间运动的第二机械手控制装置II。

作为检测工作介质的生物芯片是长方形玻璃基片固相载体，芯片表面分为不同的离散测试区域(discrete test regions，DTR)。使用毫微分布技术，使样品以精确的预定义坐标沉淀在生物芯片表面，每个DTR区域覆盖不同的抗体。

产品利用抗原与其相应抗体特异性结合的免疫学原理，在固相基质上结合多种肿瘤标志物的单克隆抗体，捕捉被检者血清中的对应肿瘤标志物，并通过特定的化学反应产生光信号，根据光信号强度对肿瘤标志物进行定量检测。生物芯片一次可同时检测癌胚抗原(cEA)、甲胎蛋白(AFP)等16～20种不同的肿瘤标志物。

肿瘤标志物检测采用夹心法(sandwich assay)，加入定量的稀释液(其作用是使待检测样品能均匀扩散于芯片表面)，然后加入待检测血清样品，温育一定时间，使样品中的待检物与芯片表面DTR中的特异性抗体结合，洗涤一定次数后，加入定量的酶标检测抗体试剂(共轭试剂，使用辣根过氧化物酶(HRP)标记)，温育一定时间，使酶标检测抗体和已与DTR特异性抗体结合的待检物结合，形成抗体一抗原一抗体复合物，洗涤若干次，加入定量的信号试剂，产生荧光信号。使用CCD照相机拍摄，计算机对采集的光学信号进行处理，最后换算成实际数值，打印出检测结果。从而实现生物标记物的特异性和多参数同时测定。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明所述的生物芯片分析仪，采用一体化工作站的形式，综合利用运动控制技术、计算机技术、传感技术、图像处理技术等，通过计算机的统一控制，实现对样品处理过程全自动化。利用生物芯片上的生物反应介质依次与血清中的特定有效成份(如酶、蛋白等等)、反应液、发光液反应，在暗室中芯片上的反应点区域产生微弱的荧光。通过对荧光图像进行处理，分析图片中反应点发光范围、灰度等信息，对特定有效成份的含量进行确定。本发明采用特殊的玻片为芯片基质，夹心法(sandwich assay)对特定肿瘤标定物进行检测，集成多种肿瘤标志物的单克隆抗体，经一次血清检测，即可定量检测出近20种肿瘤标志物的浓度，检测CV＜10％，并且指标之间无干扰，特异性好。

附图说明

图1为本发明所述的生物芯片分析仪结构示意图；

图2为本发明的软件控制流程图；

图3为本发明的电气控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步详细说明：

如图1所示，一种生物芯片分析仪，包括控制主机，与控制主机电连接的显示器，承载基板；所述的控制主机包括主板和设置于主板的CPU，所述的承载基板设置有血清反应盘1、反应液反应盘2、发光液反应盘3、第一多自由度机械手(R1机械臂)51、第二多自由度机械手(R2机械臂)52和CCD图像采集装置及暗室4，血清反应盘1、反应液反应盘2、发光液反应盘3、R1机械臂51、R2机械臂52和CCD图像采集装置及暗室4通过各自的控制模块与CPU电连接。同时，本实施例还包括设置于血清反应盘1与反应液反应盘2之间的芯片自动清洗装置171，以及反应液反应盘2与发光液反应盘之间的芯片自动清洗装置II72；用于反应液反应装置和发光液反应装置添加试剂的试剂自动加注装置和反应杯自动清洗装置，所述的芯片自动清洗装置、试剂自动加注装置和自动清洗装置通过控制模块与CPU电连接。

血清反应盘1、反应液反应盘2、发光液反应盘3的控制模块为运动控制卡I，R1机械臂和R2机械臂的控制模块为运动控制卡II，所述的芯片自动清洗装置、试剂自动加注装置和自动清洗装置的控制模块为数据采集卡，所述的图像处理装置控制模块为图像采集卡；还包括用于控制反应液温度的温度控制模块，所述的温度控制模块与CPU电连接。

血清反应盘1和反应液反应盘2为驱动马达通过中轴驱动的反应盘，所述的反应盘与中轴可拆卸紧固连接，所述的反应盘设有若干用于支撑反应杯的托架，通常设置为45～90个，本实施例优选为60个；反应盘与中轴可拆卸紧固连接部位到托架部位的中间部位设置有若干镂空。发光液反应盘设有10个托架，托架上放置反应杯，玻片基质的生物芯片放置在反应杯内，各种反应液和发光液自动加注到反应杯中，抗原-抗体反应在芯片表面完成，两台机械手完成芯片在各反应盘和发光盘之间的相关位置进行清洗、吹干和处理，产生化学发光反应，利用电荷耦合器件(CCD)照相机测量光强度，并使用成像技术测定生物芯片表面反应点位置光的输出量。各工作区域之间生物芯片的移动取放、反应杯废弃处理通过R1机械臂和R2机械臂自动完成。

血清反应盘、反应液反应盘和发光液反应盘主要用于承载反应杯，并在正确的时间将反应杯运动到芯片放入，反应液加注，反应杯清洗，芯片取出等各个工作位置，对反应杯进行对应的操作。在反应杯放置区域有加热环，对反应杯进行加热。反应盘直接联接在机架的承重主板上，处于一个相对封闭的环境，使温度相对稳定，并通过温度控制模块调节作用，保证所有的反应过程中芯片及反应液的温度都在规定的温度区域内。反应盘的分度动作通过交流伺服电机驱动高精度高减速比谐波减速器实现，以保证反应杯位置的准确性。

R1机械臂和R2机械臂用于芯片的传送和废弃物的丢弃，并在芯片清洗过程夹持着芯片进行清洗，R1机械臂、R2机械臂结构类型为二自由度机械手。R1机械臂直接联接在机架的承重主板上，位于血清反应盘和反应液反应盘之间；R1机械臂直接联接在机架的承重主板上，位于发光液反应盘和反应液反应盘之间主关节为旋转轴，从关节为升降轴，两个关节均采用步进电机驱动同步带及同步轮的方式实现预定动作。机械臂的末端为一个气动夹爪，用于实现夹取和松放两个动作。

芯片清洗装置用于反应过程结束后，对生物芯片上的残留反应物质进行清洗，以免影响下一步反应过程的反应效果。芯片清洗装置直接联接在机架的承重主板上，位于血清反应盘和发光液反应盘附近。每组清洗针各有上下两排针管，清洗剂通过膜片泵的加注从下排针管冲出，压缩空气通过上排针管对清洗后的生物芯片进行吹气，以清除芯片表面的清洗液。

反应液加注单元和发光液加注单元用于反应液和发光液的精密加注。反应液加注单元和发光液加注单元直接联接在机架的承重主板上位于血清反应盘或发光液反应盘附近，其结构类型为单自由度机械手，驱动装置为气缸；单元末端装有一个加注针头，加注时加注针头伸入反应杯中，由一个精密计量膜片泵实现反应试剂的微量精密加注，加注量精度要求±5％。

反应杯清洗装置主要用于反应过程结束后，对反应杯中的残留反应物质进行清洗，以免影响下一次反应过程的反应效果。反应杯清洗单元直接联接在机架的承重主板上，位于反应液反应盘和发光液反应盘附近，其结构类型为单自由度机械手，驱动装置为气缸；单元末端装有一个清洗针头，加注时加注针头伸入反应杯中，每个清洗针头上有两个针管，一个针管用于清洗剂的加注，由一个精密计量膜片泵实现清洗剂的微量精密加注；另一个用于废液的吸取，由一个膜片泵在管道内产生真空，实现吸取废液功能。

本实施例还设置有操作台、反应杯废弃区和芯片废弃区，反应杯废弃区和芯片废弃区用于反应过程结束后对一次性废弃物的收集。反应杯废弃区和芯片废弃区包括固定于承重主板上的管道和放置于焊接机架内部的废料盒，机械手臂从反应盘上夹取了一次性废弃物后，移动到废弃区上方，松开夹爪，一次性废弃物通过管道，掉入废料盒中。

由于反应液与发光液需要在4-8℃条件下保存，本实施例专门在操作台上设置有小型冰箱8，用于保存反应液和发光液。同时，通过智能温度控制模块可以达到±0.5℃的温度控制精度。所有的反应过程都要求在30-37℃条件下进行，温度控制精度：±0.5℃。

发光液反应过程中，进行两次连续拍摄，曝光时间分别为10s、30s。通过对生物芯片上的荧光进行自动拍摄，自动定位荧光图片中反应点微阵列位置，分析反应点的发光区域的面积及灰度等图像信息。

本实施例的软件控制流程如图2所示：

包括1)开始步骤；

2)执行样本定标流程，获取定标样本数据；

3)执行控制流程，控制定标样本进行反应；

4)执行图像处理流程，测取生物芯片图像信息；

5)执行生成曲线拟合流程，构成反应曲线拟合模型；

6)执行录入流程，获取质控样本数据；

7)执行控制流程，控制质控样本进行反应；

8)执行控制分析流程，判断质控结果；

9)执行录入流程，获取检测样本数据；

10)执行控制流程，控制检测样本进行反应；

11)执行图像处理流程，测取检测样本光学信息；

12)执行样本分析计算流程，建立检测样本结果集。

本实施例的电气工作原理如图3所示，通过电气控制系统和控制软件，完成对本实施例的各个模块单元之间动作的控制。

本实施例所述的生物芯片分析仪可应用于多项肿瘤标志物的定量检测。

作为检测工作介质的生物芯片是长方形玻璃基片固相载体，芯片表面分为不同的离散测试区域(discrete test regions，DTR)。使用毫微分布技术，使样品以精确的预定义坐标沉淀在生物芯片表面，每个DTR区域覆盖不同的抗体。

利用抗原与其相应抗体特异性结合的免疫学原理，在固相基质上结合多种肿瘤标志物的单克隆抗体，捕捉被检者血清中的对应肿瘤标志物，并通过特定的化学反应产生光信号，根据光信号强度对肿瘤标志物进行定量检测。生物芯片一次可同时检测癌胚抗原(cEA)、甲胎蛋白(AFP)等16种不同的肿瘤标志物。

肿瘤标志物检测采用夹心法(sandwich assay)，加入定量的稀释液(其作用是使待检测样品能均匀扩散于芯片表面)，然后加入待检测血清样品，温育10min～2h时间，使样品中的待检物与芯片表面DTR中的特异性抗体结合，洗涤3～5次后，加入定量的酶标检测抗体试剂(共轭试剂，使用辣根过氧化物酶(HRP)标记)，温育10min～2h，使酶标检测抗体和已与DTR特异性抗体结合的待检物结合，形成抗体一抗原一抗体复合物，洗涤若干次，加入定量的信号试剂，产生荧光信号。使用CCD照相机拍摄，计算机对采集的光学信号进行处理，最后换算成实际数值，打印出检测结果。从而实现生物标记物的特异性和多参数同时测定。

本实施例分为血清反应盘、反应液反应盘和发光液反应盘，血清反应盘和反应液反应盘分别设有60个托架、发光液反应盘设有10个托架，托架上放置反应杯，玻片基质的生物芯片放置在反应杯内，各种反应液和发光液自动加注到反应杯中，抗原-抗体反应在芯片表面完成，两台机械手完成芯片在各反应盘和发光盘之间的相关位置进行清洗、烘干和处理，产生化学发光反应，利用电荷耦合器件(CCD)照相机测量光强度，并使用成像技术测定生物芯片表面反应位置光的输出量。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种生物芯片分析仪，包括控制主机，与控制主机电连接的显示器，承载基板，其特征是：所述的控制主机包括主板、设置于主板的CPU和安装于主机的控制板卡，所述的承载基板设置有分析样品反应装置、反应液反应装置、发光液反应装置、第一多自由度机械手、第二多自由度机械手和图像处理装置，所述的分析样品反应装置、反应液反应装置、发光液反应装置、第一多自由度机械手、第二多自由度机械手和图像处理装置通过各自的控制模块与CPU电连接。

2.如权利要求1所述的生物芯片分析仪，其特征是：还包括设置于分析样品反应装置与反应液反应装置之间的芯片自动清洗装置I；以及反应液反应装置与发光液反应装置之间的芯片自动清洗装置II；以及反应液反应装置与发光液反应装置之间的芯片自动清洗装置；用于反应液反应装置和发光液反应装置添加试剂的试剂自动加注装置和反应杯自动清洗装置，所述的芯片自动清洗装置、试剂自动加注装置和反应杯自动清洗装置通过控制模块与CPU电连接。

3.如权利要求1所述的生物芯片分析仪，其特征是：所述的分析样品反应装置、反应液反应装置和发光液反应装置的控制模块为运动控制卡I，所述的第一多自由度机械手和第二多自由度机械手的控制模块为运动控制卡II，所述的芯片自动清洗装置、试剂自动加注装置和自动清洗装置的控制模块为数据采集卡，所述的图像处理装置控制模块为图像采集卡；还包括用于控制反应区温度的温度控制模块，所述的温度控制模块与CPU电连接。

4.如权利要求1-3任一项所述的生物芯片分析仪，其特征是：所述的分析样品反应装置和反应液反应装置为驱动马达通过中轴驱动的反应盘，所述的反应盘与中轴可拆卸紧固连接，所述的反应盘设有若干用于支撑反应杯的托架。

5.如权利要求4所述的生物芯片分析仪，其特征是：所述的反应盘与中轴可拆卸紧固连接部位到托架部位的中间部位设置有若干镂空。

6.如权利要求5所述的生物芯片分析仪，其特征是：所述的图像处理装置为连接COMS镜头或者CCD镜头的摄像机或者照相机。

7.一种自动生物芯片分析控制系统，其特征是：包括用于样本定标的样本定标装置；用于录入定标样本，质控样本，或待测样本的样本录入装置；控制定标样本，质控样本，或待测样本进行反应的反应控制装置；用于测取生物芯片图像信息的图像采集控制装置；用于分析生物芯片图像信息的图像信息分析装置；用于生成定标拟合曲线的曲线拟合装置；用于分析比较定标拟合曲线数据与质控样本数据的比较器；将比较器的结果在显示屏显示的结果显示装置；将检测样本的结果数据在显示屏显示的结果显示装置；用于将检测样本数据的结果打印为纸质文档的结果打印装置。

8.一种自动生物芯片分析控制系统，其特征是：所述的反应控制装置包括分析样品反应控制装置；反应液反应控制装置；发光液反应控制装置；用于控制第一多自由度机械手在样品反应装置与反应液反应装置之间运动的第一机械手控制装置；用于控制第二多自由度机械手在反应液反应装置与发光液反应装置之间运动的第二机械手控制装置。

9.如权利要求7所述的自动生物芯片分析控制系统，其特征是：所述的第一机械手控制装置包括控制第一多自由度机械手在分析样品反应装置与自动清洗装置I之间运动的第一机械手控制装置I，以及控制第一多自由度机械手在自动清洗装置I与反应液反应装置之间运动的第一机械手控制装置II。

10.如权利要求7或者8所述的自动生物芯片分析控制系统，其特征是：所述的第二机械手控制装置包括控制第二多自由度机械手在反应液反应装置与自动清洗装置II之间运动的第二机械手控制装置I，以及控制第二多自由度机械手在自动清洗装置II与发光液反应装置之间运动的第二机械手控制装置II。

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