CN101942513B - 生物芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生物芯片及其制备方法，所述芯片应用多微孔板作为芯片载体，多微孔板的每个孔底包被有包被层，包被层上固定有与待测物杂交的探针。通过在ELISA用的多微孔板塑料孔底固着包被层，再在所述包被层上点置探针分子，较传统的玻璃材料生物芯片，由于塑料与包被层吸附性好，探针分子不易脱落，同时芯片不易破碎，待测样品也不易丢失，实验结果更加可靠、稳定。

Description

生物芯片及其制备方法

【技术领域】

本发明涉及一种生物芯片及其制备方法。

【背景技术】

传统的用于制备生物芯片的载体主要有玻片、硅片、金属片、尼龙膜等，硅片、金属片和尼龙膜芯片价格昂贵，普通芯片的载体常用玻璃芯片，但玻璃芯片易碎且包被的有机薄膜容易脱落，探针分子不稳定，实验结果重复性差，实验结果不稳定。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种固定的探针分子稳定的生物芯片。

同时，还有必要提供一种固定的探针分子稳定的生物芯片制备方法。

一种生物芯片，应用多微孔板作为芯片载体，多微孔板的孔底固着有包被层，包被层上固定有与待测物杂交的探针。

在优选的实施方式中，包被层为多聚-L-赖氨酸层、金黄色葡萄球菌A蛋白层、链霉亲和素层、谷胱甘肽层、戊二醛修饰层或次氨基三乙酸-镍离子层。

在优选的实施方式中，探针以点阵列的形式固定在包被层上，其中，探针的固定方式为随机共价固定或定向固定。

在优选的实施方式中，探针为基因类探针或蛋白类探针，蛋白类探针为抗体、融合谷胱甘肽-S-转移酶(GST)标签的重组蛋白、融合多聚组氨酸标签(His-tag)的重组蛋白、生物素化的蛋白质。

在优选的实施方式中，多微孔板为96微孔板，96微孔板包括12个可拆卸的8孔条，外部尺寸为128mm×86mm，96孔排列成12×8的阵列，96微孔板为聚苯乙烯、聚丙烯、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物或聚氯乙烯。

一种生物芯片的制备方法，包括如下步骤：S1.用酸液和乙醇对多微孔板进行浸泡清洗，并将浸泡清洗后的多微孔板进行干燥处理；S2.生物芯片的包被及活化：将多微孔板放入包被液中浸泡后取出，干燥后制得固着有包被层的多微孔板，再将固着有包被层的多微孔板放入与包被层物质匹配的活化液中对包被层进行活化处理；S3.探针的固定：将设计好的探针以点阵列的形式固定在包被层上。

在优选的实施方式中，包被液是浓度为0.01-0.5％的多聚-L-赖氨酸去离子水溶液或浓度为0.01-0.5％、pH为7.4的多聚-L-赖氨酸的磷酸盐溶液；对应的活化液是浓度为78.8％的二甲基甲酰胺、11％N-羟基琥珀酰亚胺、10.2％无水吡啶的混合液。

在优选的实施方式中，包被液是浓度为0.03％、pH为7.4的金黄色葡萄球菌A蛋白的磷酸盐溶液或浓度为0.03％、pH为7.4的链霉亲和素的磷酸盐溶液或浓度为25％的戊二醛溶液。

在优选的实施方式中，包被液是浓度为2％的牛血红蛋白磷酸盐溶液、0.1-1.0mM的璜基琥珀酰亚胺酰-4-对马来酰亚胺苯基丁酸盐溶液及10-50mM的还原型谷胱甘肽磷酸盐溶液；其中，牛血红蛋白磷酸盐溶液的pH为7.4，璜基琥珀酰亚胺酰-4-对马来酰亚胺苯基丁酸盐溶液的pH为7.4，还原型谷胱甘肽磷酸盐溶液的pH为6.7。

在优选的实施方式中，包被液是浓度为2％的牛血红蛋白磷酸盐溶液、50mM次氨基三乙酸钠的碳酸钠溶液及200mM的硫酸镍水溶液；其中，牛血红蛋白磷酸盐溶液的pH为7.4，次氨基三乙酸钠的碳酸钠溶液的pH为9.6。

通过将多微孔板塑料孔底固着包被层，再在所述包被层上点置探针分子，较传统的玻璃材料生物芯片，由于塑料与包被层吸附性好，则与包被层紧密结合的探针分子不易脱落，性质稳定；同时由于塑料芯片不易破碎，待测样品也不易丢失，实验结果更加可靠、稳定。

探针分子的固定方式可选，通用的为随机共价固定方式，优选的为定向固定方式，该方式可使固定化探针具有更好的均一性，且能最大程度地保持探针分子的生物活性。由于普通ELISA(Enzyme-Linked Immunosorbent Assay，酶联免疫吸附测定)96微孔板已被广泛使用，操作简单、方便，且使用实验室常规检测设备即可进行检测，检测成本低，有利于大范围的推广应用。

上述几种包被液形成的包被层与多微孔板孔底具有良好的附着效果，从而固定的探针分子性质稳定。

【附图说明】

图1为本发明优选实施方式的生物芯片的俯视图。

图2为生物芯片的制备方法流程图。

图3为探针固着效果检测结果图。

【具体实施方式】

下面主要结合附图和具体实施例说明生物芯片的结构和制备方法。

通过在ELISA用的多微孔板(如12、24、48、96、384微孔板等)孔底固着包被层，再在所述包被层上点置探针分子，较传统的玻璃材料生物芯片，由于塑料与包被层吸附性好，探针分子不易脱落，同时由于塑料芯片不易破碎，待测样品也不易丢失，实验结果更加可靠、稳定。

如图1所示为优选的实施方式中生物芯片俯视图，所用的多微孔板，与实验室常用的标准ELISA多微孔板规格一致，如96微孔板外部尺寸为128mm×86mm，96个微孔每个孔均为一芯片，一共排列成12×8阵列的芯片条，芯片条上每8个芯片孔为一组，可拆卸组成12×8的阵列，每孔芯片上探针点置的阵列数可根据目标物的数目进行点置。微孔包括芯片载体(图中未示)、反应框110、包被层120和探针130，所述反应框110与孔底的芯片载体一体设计，反应框110为圆柱形，包被层120均匀覆盖在芯片载体上方，包被层上固定有探针130。优选的，芯片载体与反应框110为聚苯乙烯、聚丙烯、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物或聚氯乙烯材质；芯片载体上可包被多聚-L-赖氨酸包被层，A蛋白层、谷胱甘肽层、戊二醛包被层，链霉亲和素包被层、次氨基三乙酸-镍离子层，进一步优选链霉亲和素包被层120；探针130以点阵列的形式点置在所述包被层120上，包括基因类探针或蛋白类探针，其中，蛋白类探针可以为抗体、融合GST标签的重组蛋白、融合His-tag的重组蛋白、生物素化的蛋白质等。

如图2所示为生物芯片的制备方法流程，以包被层为链霉亲和素的生物芯片为例，具体制备过程如下：

S210，生物芯片的预处理：首先将多微孔板用稀酸溶液和乙醇溶液浸泡清洗，清洗后干燥待用。

优选的，稀酸溶液为1％的HCl溶液，乙醇选用70％的乙醇溶液。

S220，生物芯片的包被：准备链霉亲和素(140μM)的磷酸盐溶液到芯片孔中，加入EDC(碳二亚胺)和NHS(N-羟基琥珀酰亚胺)(EDC∶NHS∶链霉亲和素＝1.2∶1.2∶1，摩尔比)，孵育1.5小时后用蒸馏水冲洗芯片3遍，然后再用氮气吹干芯片表面即可用于点置探针。

S230，探针的固定：将设计好的探针分子以点阵列的形式固定在包被层上。所述点阵列可以为4×4、5×5等多种形式。

此外，对于包被层为多聚-L-赖氨酸的生物芯片：将多微孔板放入多聚-L-赖氨酸溶液及活化液中浸泡后取出干燥即制得包被有多聚-L-赖氨酸层的多微孔板；其中，包被液是浓度为0.01-0.5％的多聚-L-赖氨酸去离子水溶液或浓度为0.01-0.5％、pH为7.4的多聚-L-赖氨酸的磷酸盐溶液；活化液是浓度为78.8％的二甲基甲酰胺、11％N-羟基琥珀酰亚胺、10.2％无水吡啶的混合液。

对于包被层为A蛋白的生物芯片：将多微孔板放入A蛋白的磷酸盐溶液浸泡后取出干燥即制得包被有A蛋白层的多微孔板；其中，包被液是浓度为0.03％、pH为7.4的A蛋白磷酸盐溶液，探针固定前无需活化过程。

对于包被层为谷胱甘肽的生物芯片：将多微孔板放入牛血红蛋白磷酸盐溶液浸泡后，放入璜基琥珀酰亚胺酰-4-对马来酰亚胺苯基丁酸盐溶液中浸泡，取出后再放入还原型谷胱甘肽的磷酸盐溶液浸泡，干燥后即制得包被有谷胱甘肽层的多微孔板；其中，包被溶液是浓度为2％、pH为7.4的牛血红蛋白磷酸盐溶液，0.1-1.0mM pH为7.4的璜基琥珀酰亚胺酰-4-对马来酰亚胺苯基丁酸盐(sulphosuccinimidyl 4-(p-maleimidophenyl)-butyrate，SSMPB)溶液及10-50mMpH为6.7的还原型谷胱甘肽磷酸盐溶液；探针固定前无需活化过程。对于包被层是戊二醛修饰的生物芯片：将多微孔板放入25％的戊二醛溶液浸泡，干燥后即得戊二醛修饰层的多微孔板；其中，包被液为25％的戊二醛溶液；戊二醛溶液为市售商品化戊二醛试剂，无需调节pH；探针固定前无需活化过程；

对于包被层是次氨基三乙酸-镍离子的生物芯片：将多微孔板放入牛血红蛋白磷酸盐溶液浸泡后，放入次氨基三乙酸钠的磷酸盐溶液浸泡，取出再放入硫酸镍溶液中浸泡，取出干燥后即制得次氨基三乙酸-镍离子层的多微孔板；其中，包被液是浓度为2％、pH为7.4的牛血红蛋白磷酸盐溶液，50mM pH为9.6次氨基三乙酸钠的碳酸钠溶液及200mM的硫酸镍水溶液；探针固定前无需活化过程。

下面通过具体实验检测多微孔板上探针的固着效果，以96微孔板为例。

1).探针设计及合成：本实施例中选择志贺氏杆菌作为探针设计的来源，将志贺氏杆菌DNA序列保守区域中的一段长约19bp的序列作为该实施例中用以固着的探针，序列为：5’-ACGTGAAGTGGTCAGAAGC-3’；同时为了使探针分子在芯片上伸展开来，利于探针与目标物扩增序列的杂交，在探针5’端加上15个胸腺嘧啶T。按照上述设计的探针分子结构，在上海生物工程公司合成探针。

2).点置前的探针准备：将步骤4)合成的探针分子溶解在双蒸水中，最终浓度定为20μM，取5μL上述探针溶液以及基因芯片点样液(北京博奥生物芯片有限责任公司，产品目录号：440010)，并用移液器充分混合后，所得混合液即可用于生物芯片的点样。

3).探针固定：检测实验用的生物芯片包括探针点和杂交质控点，探针点用于与PCR扩增产物杂交，杂交质控点用于检测杂交实验的成功与否。探针点和杂交质控点以点阵列的形式分布在芯片上，每个芯片包括4个杂交质控点和1个探针点，4个杂交质控点所采用的探针为一段人工合成的寡核苷酸序列，杂交反应液中含有其互补链，杂交反应时该互补链会与上述寡核苷酸序列结合，再经后续的呈色反应用以检验杂交过程是否正确。杂交质控物探针及其互补链在上海生物工程公司合成。本实施例中共点置了四孔芯片，每孔芯片的点阵皆相同，用以做比较，若四孔反应结果皆相同，则表示结果准确，若有不相同的孔出现，则需重做实验。探针固定是用博奥生物有限公司生产的晶芯

微阵列芯片点样系统按点样步骤将上述已准备好的探针混合液点置到已包被链霉亲和素的96微孔板片基上。点好样的芯片37℃水合过夜，去离子水清洗2遍，将芯片放入硼酸盐溶液(1.0g NaBH₄+300mL PBS+100mL无水乙醇)中孵育5分钟，去离子水清洗2遍，空气中干燥后，即得到检测用的芯片。

4).PCR扩增产物的引物设计：按照步骤4)设计探针的方法，同样在志贺氏杆菌的保守区域设计了一段长约619bp的序列作为PCR扩增的区域，并据此设计出上下游引物，上游引物为：5’-TAGAAGGCAGAGATGGAAGAGTT-3’，下游引物为：5’-GCCGGTCAGCCACCCTCTGAGAGTAC-3’。同时在引物标记上生物素，用于后续的呈色反应，引物及引物标记在上海生物工程公司合成及标记。

5).核酸提取：核酸提取采用北京天恩泽基因科技有限公司的柱式细菌DNA提取试剂盒提取(产品编号：60802-50)，

51).取1只1.5mL离心管，于离心管内加入1mL过夜培养的志贺氏杆菌标准样品，8,000g/min离心5分钟。

52).去除上层液，加入0.3mL溶液A于管内，吹打均匀，加入150μL溶液B，颠倒混匀，加入0.2mL自备氯仿，震荡混匀半分钟，室温13,000g/min离心2分钟。

53).转移上清液到新的离心管中，加入1.5倍体积(约0.7mL)的溶液C+溶液D的新鲜混合液，颠倒混匀后全部转移到离心吸附柱中。

54).室温放置至少2分钟后转移到离心吸附柱中，室温放置2分钟，离心1分钟。

55).用通用洗柱液洗1-2次后，加50-100μL通用洗脱液，室温离心1分钟即得样品DNA溶液。

6).取200μL的PCR管两只，于每管中加入上下游引物各0.05μL，10×PCRbuffer 5μL，MgCl₂(25mM)5μL，d-NTPs(10mM)1μL，无菌水补水至41.5μL，然后加入0.5μL DNA聚合酶，8μL志贺杆菌样品核酸。依照下列条件设定PCR反应程序：先95℃5分钟，然后95℃30秒，56℃30秒，72℃30秒，35个循环，最后72℃5分钟。

7).根据碱基互补配对的原则，在适当的反应条件下，带有生物素标记的PCR扩增产物与芯片上的互补探针结合形成稳定的双链，再与标记有碱性磷酸酶的链霉亲和素反应，通过链霉亲和素与生物素的亲和作用将碱性磷酸酶连接到芯片上，最后加入碱性磷酸酶的底物NBT/BCIP(NBT：Tetranitrobluetetrazolium chloride，四唑硝基蓝；BCIP：5-Bromo-4-Chloro-3-Indolyl Phosphate，5-溴-4-氯-3-吲哚基-磷酸盐)进行氧化还原反应，反应可产生肉眼可见的深蓝色沉淀物质，从而根据芯片上点阵的颜色对芯片的杂交结果进行判读。

具体方法如下：

将上述步骤6)中PCR扩增产物于PCR仪器上加热至95℃5分钟变性后，取出立即置于冰上1分钟，即得到PCR变性液；取出已点置完探针的96微孔板，于每孔内加入上述PCR变性液20μL，杂交反应液200μL，共有四孔，故需PCR变性液80μL，杂交反应液800μL；贴上胶膜，放入杂交箱内，45℃杂交2小时，使样品与探针充分反应。杂交反应液具体配方为：98.9g葡聚糖硫酸钠(Dextran Sulfate Sodium)，1.99g马来酸(Maleic acid)，2.1g NaOH，0.87gNaCl，6.5g硼酸(Boric acid)，10g BSA(Bovine Serum Albumin，牛血清蛋白)，溶于1000mL蒸馏水中。

8).芯片呈色：上述步骤7)杂交反应结束后，撕开胶膜，将反应液倒出。

81).于每孔中加入200μL双蒸水，用手来回震荡微孔板20秒(以孔内液体不溢出为限)，然后用力甩干孔中的水分。

82).于每孔中加入杂交洗涤缓冲液200μL，用手来回震荡微孔板20秒(以孔内液体不溢出为限)，然后用力甩干孔中的水分，如上操作3遍。所述杂交洗涤缓冲液具体配方为：0.6g NaCl，0.7g NaH₂PO₄·2H₂O，8.9g SDS(SodiumDodecyl Sulfate，十二烷基硫酸钠)，100mL 20×SSC，溶于1000mL蒸馏水中。所述20×SSC配制方法为：175.3g NaCl，88.2g Na₃C₆H₅O₇·2H₂O(柠檬酸钠，Sodium Citrate)，溶于1000mL DEPC水中，HCl调节pH至7.0，高压灭菌备用。

83).于每孔中加入200μL类二次抗体混合液，类二次抗体混合液中含有标记碱性磷酸酶的链霉亲和素(Streptavidin-Alkaline phosphatase，Strep-Ap)，功能类似二次抗体，同时还具有阻断非特异性结合的作用。标记碱性磷酸酶的链霉亲和素会与标记有生物素的PCR扩增产物进行亲和作用，使碱性磷酸酶能连接于芯片上。类二次抗体混合液为类二次抗体原液与类二次抗体稀释液混合所得。类二次抗体稀释液具体配方为：3.11g NaOH，150mL 0.1％Tween-20，10g BSA，溶于1000mL蒸馏水中；类二次抗体原液为Strep-AP的1000倍浓缩液，使用前与类二次抗体稀释液以1∶1000的比例混合，即得类二次抗体混合液。

84).于每孔中加入呈色原剂混合液200μL，混合液中含有NBT/BCIP，可与碱性磷酸酶进行氧化及还原反应，反应同时可产生肉眼可见的深蓝色沉淀物质。呈色原剂混合液为呈色原剂原液与呈色原剂稀释液混合所得。呈色原剂稀释液具体配方为：1.23g MgCl₂·6H₂O，1.32g NaCl，0.8g HCl溶于1000mL蒸馏水中；呈色原剂原液(NBT/BCIP)为：2.4g NBT，0.5g BCIP，溶于100mLDMSO(二甲基亚砜)水溶液中，使用前与呈色原剂稀释液以1∶50的比例混合，即得到呈色原剂混合液。

9).结果分析

实验同时对PCR扩增产物做了电泳分析，结果发现在设定的PCR条件下可以进行PCR扩增，这就确保了与已点置探针的芯片杂交的溶液里含有PCR扩增产物，若点阵上出现颜色则表示固定有探针分子，反之则无。

检测结果如图3所示，4个芯片上均在相同位置出现颜色，说明包被有链霉亲和素层的96微孔板固定生物探针效果良好。

通过将多微孔板塑料孔底修饰包被层，再在所述包被层上点置探针分子，较传统的玻璃材料生物芯片，由于塑料与包被层吸附性好，则与包被层紧密结合的探针分子不易脱落，性质稳定；同时由于塑料芯片不易破碎，待测样品也不易丢失，实验结果更加可靠、稳定；由于普通ELISA 96微孔板已被广泛使用，操作简单、方便，且使用实验室常规检测设备即可进行检测，检测成本低，有利于大范围的推广应用。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种生物芯片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.探针的设计及合成：选择志贺氏杆菌作为探针设计的来源，将志贺氏杆菌DNA序列保守区域中的一段长为19bp的序列作为用以固着的探针，所述探针的序列为：5’-ACGTGAAGTGGTCAGAAGC-3’，同时为了使探针分子在芯片上伸展开来，利于探针与目标物扩增序列的杂交，在所述探针的5’端加上15个胸腺嘧啶T，按照上述设计的所述探针的分子结构，在上海生物工程公司合成所述探针；

S2.点置前的探针准备：将步骤S1合成的所述探针溶解在双蒸水中得到探针溶液，最终浓度定为20μM，取5μL上述探针溶液以及5μL北京博奥生物芯片有限责任公司、产品目录号为440010的2×晶芯

基因芯片点样液，用移液器充分混合后，所得探针混合液用于后续生物芯片的点样；

S3.探针的固定：检测实验用的生物芯片包括探针点和杂交质控点，探针点用于与PCR扩增产物杂交，杂交质控点用于检测杂交实验的成功与否，探针点和杂交质控点以点阵列的形式分布在所述生物芯片上，每个所述生物芯片包括4个杂交质控点和1个探针点，4个杂交质控点所采用的探针为一段人工合成的寡核苷酸序列，杂交反应液中含有所述寡核苷酸序列的互补链，杂交反应时该互补链会与所述寡核苷酸序列结合，再经后续的呈色反应用以检验杂交过程是否正确，杂交质控点所采用的探针及所述互补链在上海生物工程公司合成，所述生物芯片为四孔芯片，每孔芯片的点阵皆相同，用以做比较，若四孔反应结果皆相同，则表示结果准确，若有不相同的孔出现，则需重做实验，探针固定是用博奥生物有限公司生产的晶芯

SmartArrayerTM48微阵列芯片点样系统按点样步骤将上述已准备好的探针混合液点置到已包被多聚-L-赖氨酸的96微孔板片基上，将点好样的含有探针混合液的所述96微孔板片基于37℃水合过夜，再用去离子水清洗2遍，将所述96微孔板片基放入硼酸盐溶液中孵育5分钟，去离子水清洗2遍，空气中干燥后，即得到检测用的芯片，所述硼酸盐溶液含有1.0g NaBH₄、300mL PBS及100mL无水乙醇；

其中，已包被多聚-L-赖氨酸的96微孔板片基是通过如下步骤制备的：

生物芯片的预处理：首先将96微孔板用稀酸溶液和乙醇溶液浸泡清洗，清洗后干燥待用，所述稀酸溶液为1％的HCl溶液，所述乙醇溶液为70％的乙醇溶液；

生物芯片的包被及活化：将96微孔板放入多聚-L-赖氨酸溶液及活化液中浸泡后取出干燥即制得包被有多聚-L-赖氨酸层的96微孔板片基；其中，包被液是浓度为0.01-0.5％的多聚-L-赖氨酸去离子水溶液或浓度为0.01-0.5％、pH为7.4的多聚-L-赖氨酸的磷酸盐溶液；活化液是浓度为78.8％的二甲基甲酰胺、11％N-羟基琥珀酰亚胺及10.2％无水吡啶的混合液。

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