CN101963762A

CN101963762A - 一种原位合成基因芯片的制作装置

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Publication number: CN101963762A
Application number: CN2009101442094A
Authority: CN
Inventors: 胡亦宁; 张威
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-07-23
Filing date: 2009-07-23
Publication date: 2011-02-02

Abstract

本发明涉及一种原位合成基因芯片的制作装置。该装置包括曝光光源、电子可编程掩膜版和基板，所述电子可编程掩膜版为液晶开关单元阵列；每个液晶开关单元包括同轴设置的起偏器、液晶单元和检偏器，与起偏器和检偏器相对的液晶单元的两侧面分别为透明正电极或透明负电极，透明正电极和透明负电极之间连接电源；曝光光源和电子可编程掩膜版与计算机电连接。本发明使用计算机控制的电子可编程掩膜版，是曝光图型能够根据计算机程序自动生成和实时在基板上曝光，从而快速方便地在基板上产生各层所需的曝光区域，合成事先程序设计的各种DNA序列；免去了光掩膜版的更换和清洁过程，提高了光刻合成的速度和效率，减小错误率；节约了成本，提高了生产效率。

Description

一种原位合成基因芯片的制作装置

技术领域

本发明属于一种基因芯片的制作领域，尤其是利用半导体光刻工艺的原位合成基因芯片的一种制作装置。

背景技术

DNA的双螺旋结构的模型由Watson和Crick在1953年被发现以来，人们对DNA的认识从结构到DNA片段对各种生物化学起的关键作用不断丰富，使DNA的研究和测试已经成为了目前分子生物学、医学检验、药理研发、食品和环境监测等领域重要手段。

DNA分子由两条方向相反的平行多核苷酸链组成，这两条链在化学上成相反方向，由碱基对之间的氢键相连。四种碱基腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)和尿嘧啶(G)之间只能有四种可能的碱基对：A-T、T-A、G-C、C-G。因此，虽然每条链可以有任意的碱基序列，通过碱基成对的规则，当一条链的碱基序列确定以后，另一条链必有相对应的碱基序列。

同样，在DNA双螺旋结构被破坏的情况下，不同的DNA片段之间能够通过碱基互补配对进行“复性”，也称杂交。杂交过程可以发生在DNA链和DNA链之间，也可以发生在DNA和RNA链的同源序列之间。利用杂交过程中的互补，如果有一条链的序列是已知的，通过杂交过程的检测，就可以知道未知的DNA片段中是否含有与已知序列相互补的DNA序列存在。这种核酸杂交法是目前基因分析的主要方法，通常都要求使用标记方法来检测杂交信号，包括使用放射性同位素、以及生物素、地高辛、荧光染料等非放射性标记物，这些方法允许原位检测，灵敏度很高。这是基于这种高灵敏度的核酸杂交方法，1996年美国Affimetrix公司提出并实现了基因芯片(Genechip)概念，把一段人工合成的碱基序列作为基因探针，通过光刻合成的技术把大量的探针分子固定于支持物表面，然后与带有标记的基因混合物样品进行杂交，通过检测杂交信号的强度和分布来分析和识别特定的基因。

基因芯片技术是半导体工业技术里的微细加工技术和分子生物学的结合，在一个基片表面集成了大量密集排列的基因探针，通过检测每个探针的杂交信号强度进而获取样品分子的数量和序列信息，能够短时间内分析大量的基因，使人们迅速地读取和分析生物的基因信息。基因芯片技术不仅为人类基因组测序计划提前完成提供了重要手段，而且已经成为DNA测序和诊断系统的一个核心器件，它和DNA信息读取分析仪、及所得数据的分析软件一起组成了现代遗传学的信息系统和平台。基因芯片技术主要应用可以分为四个方面：1.测序：把所有可能的65536种组合的八聚体胺按序列固定到一小片载体上，将未知序列的DNA与之杂交，得到特定的杂交图谱，分析出未知的DNA序列；2.转录分析：将不同条件、不同发育阶段转录的全部mRNA经过标记作为探针，与含有所有基因的DNA芯片进行杂交，分析杂交的DNA片段和信号强弱，得出不同情况下每个基因是否表达以及表达量高低。3.基因诊断和基因药物设计：通过正常人的基因组分离出DNA的杂交图谱与病人的杂交图谱作比较，可以得到病变的DNA信息、DNA突变的位置及类型，并针对病变的靶序列设计药物。4.基因突变和多态性的检测和分析。

常用的基因芯片主要有两种：cDNA芯片和寡核苷酸芯片。这两者的区别在于作为探针的核苷酸片段的长度不同，前者是相对较长的cDNA序列，后者是短的寡核苷酸片段。而基因芯片的制备方法也是多种多样，根据原理主要有两种：合成点样法和原位合成法。合成点样法是利用点样仪将事先合成好的探针直接点在芯片上形成微阵列，探针和介质之间的连接主要是利用化学基因之间形成的化学键来完成。由于探针事先通过成熟的化学方法制成，所以方法简单，容易实现，但是由于点样仪的限制，微阵列的探针个数和密度受到局限，难以实现大密度高通量基因芯片。原位合成法，包括原位光刻合成法和原位喷印合成法，都是把A、G、C、T四种碱基依次连接到基片的序列上，合成所需的寡核苷酸片段。

原位合成寡核苷酸芯片具有密集程度高，可合成任意序列的寡核苷酸等优点，适用于DNA序列测定、SNP分析等，缺点是合成寡核苷酸长度有限，随着长度的增加合成错误率随之增高，基因特异性差。

在现有技术中，利用光刻合成的制备方法是在硅片上利用光掩膜版逐层光刻生长所需的基因探针(寡核苷酸)，(见Stephen P.A.Fodor，J.Leighton Read，et.al.“Light-directed spatially addressable parallel chemical synthesis，”Science Vol251，15 Feb 1991，PP767-773)如图2所示。由于基因有四种碱基，每生长一层碱基就需要四个掩膜，制作二十个碱基长度的基因探针阵列，就要生长二十层碱基，用八十个掩膜进行八十次光刻。随着碱基长度的增加，所需掩膜版的数目也随比例增加，不仅造成昂贵的成本，而且大量的光掩膜版的更换、清洁都会导致光刻工艺的错误，降低基因芯片生产的效率和良品率。

发明内容

为了提高基因芯片生产的效率和良品率、减少光掩膜版的使用数量降低基因芯片的生产成本，本发明的目的是利用电子可编程的自动掩膜版技术，提供一种原位合成基因芯片的制作装置。

本发明的一种原位合成基因芯片的制作装置，包括曝光光源、光掩膜版和基板，所述曝光光源位于光掩膜版的上方，所述基板位于光掩膜版的下方；与光掩膜版相对的基板表面设有感光层；

一种原位合成基因芯片的制作装置，包括曝光光源、光掩膜版和基板，所述曝光光源位于光掩膜版的上方，所述基板位于光掩膜版的下方；与光掩膜版相对的基板表面设有感光敏抗蚀层；

所述光掩膜版为电子可编程掩膜版，所述电子可编程掩膜版为液晶开关单元阵列；

所述每个液晶开关单元包括同轴设置的起偏器、液晶单元和检偏器，与起偏器和检偏器相对的液晶单元的两侧面分别为透明正电极或透明负电极，透明正电极和透明负电极之间连接电源；

所述曝光光源和电子可编程掩膜版与计算机电连接。

所述液晶开关单元阵列中的每个液晶开关单元均位于同一平面内。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

本发明使用一个电子计算机控制的电子可编程掩膜版，是曝光图型能够根据计算机程序自动生成和实时在基板上曝光，从而快速方便地在基板上产生各层所需的曝光区域，合成事先程序设计的各种DNA序列。

本发明装置通过一块固定的电子编程掩膜版来取代需要更换的多个光掩膜版，免去了光掩膜版的更换和清洁过程，提高了光刻合成的速度和效率，减小错误率；节约了成本，提高了效率。

附图说明

图1为本发明结构示意图，

图2为电子编程掩膜版结构示意图，

图3为一层碱基序列的曝光生成的第一步，

图4为一层碱基序列的曝光生成的第二步，

图5为一层碱基序列的曝光生成的第三步，

图6为一层碱基序列的曝光生成的第四步，

图7为二层碱基序列的曝光生成的第一步，

图8为二层碱基序列的曝光生成的第二步，

图9为二层碱基序列的曝光生成的第三步，

图10为二层碱基序列的曝光生成的第四步。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

实施例：

参见图1，一种原位合成基因芯片的制作装置包括曝光光源1、光掩膜版3、基板5和计算机2，曝光光源1位于光掩膜版3的上方，基板5位于光掩膜版3的下方；与光掩膜版3相对的基板5表面设有感光敏抗蚀层4；曝光光源1和电子可编程掩膜版与计算机2电连接。

光掩膜版3为电子可编程掩膜版，电子可编程掩膜版为液晶开关单元阵列；

参见图2，每个液晶开关单元包括同轴设置的起偏器6、液晶单元8和检偏器10，与起偏器6和检偏器10相对的液晶单元的两侧面分别为透明正电极7和透明负电极9，透明正电极7和透明负电极9之间连接电源，见图2；液晶开关单元阵列中的每个液晶开关单元均位于同一平面内。非极化的照射光通过起偏器6形成垂直线偏振光，垂直线偏振光在液晶单元8内发生偏转，偏转角度根据不同电场强度而随着液晶的排列发生变化，当偏转角度是90度或90度的奇数倍时，出射光为水平线偏振光，全部通过检偏器10；当偏转角是180度或180度的整数倍时，出射光保持为垂直线偏振，从而被水平检偏器10阻挡，不能通过。这样通过控制电压11的大小，检偏器10的出射光光强将相应发生变化，从而起到电子控制光通量的目的。

参见图3-10，首先在基板5上通过清洗、热处理和化学涂层等工艺，在基板表面附着一层感光敏抗蚀层4，如图3所示。通过计算机把所设计的基因片段中第一层上对应与碱基a的位置图型传给电子可编程掩膜版，然后通过曝光，在对应与碱基a的位置上通过光化学反应去除起到保护作用的感光敏抗蚀层，产生打开的氢键形成活性基团，而在非曝光区域依然保留原来被保护的感光敏抗蚀层。然后把事先通过DNA合成仪配置好的碱基a溶液涂敷在基板表面，由于活性基团的作用，碱基a被附着在预先设计并曝光形成的区域，产生对应的碱基a探针，而被光敏抗蚀层所保护的地方，碱基a不能被附着。最后在表面重新覆盖感光敏抗蚀层，完成第一层的碱基a的制作，如图4所示。

接着通过计算机把所设计的基因片段中第一层上对应与碱基b的位置图型传给电子可编程掩膜版，然后是与碱基a相同的过程通过曝光，在对应与碱基b的位置上形成活性基团，而在非曝光区域依然保留原来被保护的感光敏抗蚀层，如图5。然后把事先通过DNA合成仪配置好的碱基b溶液涂敷在基板表面，在预先设计并曝光形成的区域产生对应的碱基b探针，最后在表面重新覆盖感光敏抗蚀层，完成第一层的碱基b的制作，如图6所示。重复图3-图6的过程，直到第一层所有其他碱基序列被完成。

图中的碱基a，b，c，d代表着A、G、C、T四种碱基中的任意一种，在图3-图6中仅起示意作用，并不局限与图中所示的具体排布。实际使用过程中，通常产生的是二维碱基排列矩阵，不局限于图3-图6所示的一维实例。

在完成第一层的碱基序列以后，可以重复第一层的过程，按照设计的基因芯片序列，产生第二层碱基序列，如图7-图10所示。在附有光敏抗蚀层的第一层碱基层上，通过计算机把所设计的基因片段中第二层上对应与碱基c的位置图型传给电子可编程掩膜版3，然后通过曝光，在对应与碱基c的位置上通过光化学反应去除起到保护作用的光敏抗蚀层，在下面第一层碱基上产生打开的氢键形成活性基团，而在非曝光区域依然保留原来被保护的光敏抗蚀层，如图7。然后把事先通过DNA合成仪配置好的碱基c溶液涂敷在基板表面，由于活性基团的作用，碱基c被附着在预先设计并曝光形成的第一层活性碱基上，产生对应的两层碱基序列探针，而被光敏抗蚀层所保护的地方，碱基c不能被附着。最后在表面重新覆盖光敏抗蚀层，完成第二层的碱基c的制作，如图8所示。

接着通过计算机把所设计的基因片段中第二层上对应与碱基d的位置图型传给电子可编程掩膜版，通过曝光，在对应与碱基d的位置上形成下面一层碱基的活性基团，而在非曝光区域依然保留原来被保护的光敏抗蚀层，如图9。然后把事先通过DNA合成仪配置好的碱基d溶液涂敷在基板表面，在预先设计并曝光形成的第一层活性碱基区域上连接对应的第二层碱基d探针，最后在表面重新覆盖光敏抗蚀层，完成第二层的碱基d的制作，如图10所示。重复图7-图10的过程，直到第二层所有其他碱基序列被完成。

重复图7-图10的过程，可以按照芯片设计依次产生第三层，第四层，或更多层的碱基排列，最终生成设计所需的多层碱基序列探针。实际使用过程中，通常产生的是二维探针排列矩阵，不局限于图3-图10所示的一维实例，形成设计中的二维基因芯片。

Claims

1.一种原位合成基因芯片的制作装置，包括曝光光源、光掩膜版和基板，所述曝光光源位于光掩膜版的上方，所述基板位于光掩膜版的下方；与光掩膜版相对的基板表面设有感光敏抗蚀层；其特征在于：

所述曝光光源和电子可编程掩膜版与计算机电连接。

2.根据权利要求1所述的一种原位合成基因芯片的制作装置，其特征在于：所述液晶开关单元阵列中的每个液晶开关单元均位于同一平面内。