CN104280559A - 一种应用于片上实验室的检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用片上实验室（LabonChip）的检测仪，包括了芯片承载台、芯片工作腔、加样装置、检测装置、三轴定位部件和控制主机。涉及到生物芯片的控制和检测领域，特别涉及到自动化控制芯片的样品准备和生化反应过程，判断分析芯片结果的检测设备。本发明的检测仪为具有高度集成化、快速、高信息量和自动化等优点的片上实验室，提供适当的工作环境、控制生化反应过程、判断并分析反应结果。使片上实验室发挥出应有的功能和优点，本发明的检测仪具有自动化、连续化以及高精度检测的优点，提高了芯片检测的自动化水平。

Description

一种应用于片上实验室的检测仪

技术领域

本发明为一种应用于片上实验室（Lab on Chip）的检测仪，涉及到生物芯片的控制和检测领域，特别涉及到自动化控制芯片的样品准备和生化反应过程，判断分析芯片结果的检测设备。

背景技术

随着生物技术的迅速发展，电子技术和生物技术相结合诞生了生物芯片技术。生物芯片技术是根据生物分子间特异相互作用的原理，将生化分析过程集成于芯片表面，从而实现对DNA、RNA、多肽、蛋白质以及其他生物成分的高通量快速检测。

生物芯片的制作主要是指通过微加工技术和微电子技术在固体芯片表面构建的微型生物化学分析系统，以实现对细胞、蛋白质、DNA以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测。生物芯片应用领域广泛，在基因测序、基因结构与功能研究、基因突变，疾病早期诊断，药物筛选和疫苗设计，食品营养成分检测、食品安全和转基因食品检测，乃至环境检测领域都有应用。具有集成度高、速度快、成本低、污染少、用途广等特点。

生物芯片主要分为三类：第一类是微阵列芯片，是指把生物实验中的多个实验集成，但操作步骤基本不变。其特点是高度的并行性，由于这类芯片主要是获得大量的生物大分子信息，最终通过生物信息学进行数据挖掘分析；第二类是微流控芯片，通过微加工技术在芯片上制作出各种微结构，控制样本的进样、分离、结合和反应等过程，将生化检测的若干步骤集中在芯片上实现；由于前两类芯片只能完成生化检测中的某个或者几个步骤，不能完成检测的全部环节，由此催生了第三类生物芯片：片上实验室（Lab on Chip）片上实验室将生化检测中所涉及的不连续的分析过程：样品准备、生化反应、分析检测连续化、集成化，具有高信息量、快速、自动化等特点。

但是单靠生物芯片是无法自动完成检测，发挥其功能的需要与之相配合的检测仪，才能保证生物芯片的正常工作，然而目前为生物芯片设计的检测仪并不多，特别是用于集成化、自动化程度高的片上实验室的检测仪器就更少。尽管片上实验室集成了许多功能，但没有适当的仪器来控制其工作过程，对反应结果进行分析判断，以及反应过程中的反馈控制，片上实验室就不能发挥其特点和优势。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于片上实验室（Lab on Chip）的检测仪，为片上实验室的整个工作过程，包括试剂准备、生化反应和检测分析，提供工作环境、控制工作参数、实现精密定位和控制，完成检测和分析，以及结果读取和传输。使片上实验室能够完整的实现其具备的功能。

本发明的检测仪包括了芯片承载台、芯片工作腔、加样装置、检测装置、三轴定位部件和控制主机等主要部件。

芯片承载台和芯片工作腔为片上实验室提供工作环境，芯片承载台具有良好的导热性，与半导体制冷片直接相连接，利用半导体制冷片正向供电可以制冷，反向供电可以加热的特性，使得芯片承载台技能升温又能降温，且半导体制冷片加热和制冷效率高，转换速度快，满足片上实验室的工作需求和快速、高精度的要求。半导体制冷片的另一侧要有良好的散热结构，才能满足半导体制冷片的工作要求。芯片工作腔为片上实验室提供一个能够保湿隔热的工作环境。

由于片上实验室和其他生物芯片（微阵列芯片和微流控芯片）使用的样品剂量非常微小，因此液体挥发对芯片工作和样品检测影响就非常大。所以要为芯片的工作提供一个能够相对隔离，保持湿度，减少挥发的工作环境。芯片工作腔通过导管与加湿器和除湿器相连，通过加湿和除湿控制来调节芯片工作腔内的湿度，使得芯片能够在一个适度的湿度环境下工作。并且芯片工作腔由导热性能较差的材料制作，能够起到一定的隔热作用，保证对芯片控温的需要。

片上实验室和微流控芯片在工作时，需要有样品初始的进样和生化反应过程中加入反应试剂的功能需要。加样装置就是为完成这部分功能儿设计。加样装置包括了加样动力装置和加样针头，两者直接连接或者通过软管连接。加样动力装置可以是注射泵、蠕动泵、压电喷射泵中的任意一种，可以根据加样的试剂量和加样精度的需求来选择。

片上实验室的一个重要特点是自动化，能够自动化完成反应过程，过程控制，以及反应结果的判断和分析，因此必须配备必要的检测装置。本发明为检测仪配备了多种可选的检测装置。首先是显微镜和CCD的图像检测方案，由于生物芯片的体积小，被检测对象点的体积更小，需要显微镜系统放大图像，在经过CCD将图像转换成数字信号，进行图像处理和记录。在很多应用场合，直接通过被测物的图像特征鉴定反应结果是生物芯片中常用的一种判断手段，图像可以记录反应过程，也可以为供实验人员做参考。另外使用激光发射器和检测器也是一种常用的检测手段，这是充分利用一些生物样品在激光诱导荧光或者动态光散射等特性，检测反应结果。另外辅助一些可选的光传感器、色传感器等，可以检测和监控生物芯片的工作过程。 

要实现检测仪的定点进样，精确定位检测，必须有高精度的三轴定位部件进行控制。通过X，Y，Z三轴的移动控制，可以实现对芯片上任意一点的检测。三轴定位部件的设计方式有多种组合，可以是一个集成的三轴定位部件，将芯片承载台和芯片工作腔固定其上，而进样装置、检测装置悬置固定在正上方，通过三轴移动芯片来精确控制检测位置；也可以是分立的三轴定位部件，将芯片承载台和芯片工作腔固定在其中一个轴上，如Y轴，将进样装置，检测装置固定在另外两个轴上，检测装置和被检测目标均可以移动，同样可以实现高精度的定位检测。

控制主机是整个检测仪的大脑，通过线缆与各个部件和传感器相连。用户将片上实验室的工作环境参数，以及工作过程参数输入控制主机后，控制主机可以自动完成整个生化反应过程。并且通过检测器和图像处理的结果对生化反应过程进行反馈控制，并可以通过网络或者USB连接线将实验结果传输到用户的电脑。

片上实验室是将生化研究中所涉及的许多不连续的分析过程(样品准备、生化反应、分析检测等) 融为一体, 形成一个微型的全分析系统。本发明的检测仪就是通过自动化和高精度的控制，为片上实验室提供合适的工作环境，提供必要的过程控制，读取并分析反应结果。使许多烦琐、不精确和难以重复的生物分析过程自动化、连续化和精确化，使片上实验室充分发挥出高度集成化，连续性，快速的优势，大大提高了芯片检测的自动化水平。

本发明的检测仪也可以提供其他种类的生物芯片使用，仅使用测试仪的部分功能，即可实现对微阵列芯片或者微流控芯片的控制和检测。所以具有较强的通用性和向下兼容性。

附图说明

图1为本发明的检测仪示意图（三轴定位部件集成）。

图2为本发明的检测仪示意图（三轴定位部件分立

实施实例

实施实例1。

如附图1所示为本发明的检测仪示意图，其三轴定位部件集成，如图中114，115和116所示，分别是三轴定位系统的X，Y，Z三个轴向的移动部件。芯片承载台102和芯片工作腔104安装在三轴定位部件上。只通过移动芯片101的方式实现精确的定位。

如附图1中的103为制冷片的部件，与芯片承载台102紧密连接在一起，保证热量的快速充分的传递，芯片承载台使用的导热性能好的铜材料制作，保证热量能及时有效的传递给芯片101。图中106为加湿和除湿器，通过导管105将湿润或者干燥的空气通入到芯片工作腔104中，实现调节芯片工作湿度的目的。

图中109为注射泵，通过软管108与针头107相连，实现液体加样，注射泵可以实现高精度的液体加样。图中110为激光发射器，111为检测器，包括激光检测器和光传感器等。112为显微镜组件，配合113所示的CCD，可以实时将图像记录并传递给用户，且CCD采集的图像，经过图像处理后的结果，可以指导用户对反应过程进行调节，或者直接输出信号，使检测仪自动完成调节过程。

控制主机通过线缆与各个部件相连，连接方式简单，故图中省略

实施实例2。

如附图2所示为本发明的检测仪示意图，其三轴定位部件分立，如图中215所示，为三轴定位系统的Y轴移动部件，与芯片承载台202和芯片工作腔204连接在上面。如图中214，和216所示，分别是三轴定位系统的X和Z两个轴向的移动部件，显微镜212和CCD213与其相连，根据检测和加样的需要，激光发射器210和检测器211，以及注射针头207也可以吊装在X和Z轴移动部件上。分立的三轴定位部件通过同时移动芯片201和检测部件来实现精确定位。

如附图2中的203为制冷片的部件，与芯片承载台202紧密连接在一起，保证热量的快速充分的传递，芯片承载台使用的导热性能好的铜材料制作，保证热量能及时有效的传递给芯片201。图中206为加湿和除湿器，通过导管205将湿润或者干燥的空气通入到芯片工作腔204中，实现调节芯片工作湿度的目的。

图中209为注射泵，通过软管208与针头207相连，实现液体加样，注射泵可以实现高精度的液体加样。图中210为激光发射器，211为检测器，包括激光检测器和光传感器等。212为显微镜组件，配合213所示的CCD，可以实时将图像记录并传递给用户，且CCD采集的图像，经过图像处理后的结果，可以指导用户对反应过程进行调节，或者直接输出信号，使检测仪自动完成调节过程。

控制主机通过线缆与各个部件相连，连接方式简单，故图中省略。

Claims (10)

1.一种应用于片上实验室的检测仪，其特征在于：包括了芯片承载台、芯片工作腔、检测装置、加样装置、三轴定位部件和控制主机。

2.根据权利要求1所述的芯片承载台，其特征在于：包括了承载芯片的金属导热台和提供加热制冷功能的半导体制冷片，以及散热器，金属导热台和半导体制冷片以及散热器以三明治的方式紧密固定在一起。

3.根据权利要求1所述的芯片工作腔，其特征在于：与芯片承载台固定在一起，提供芯片工作空间，将芯片工作环境与外界环境隔离开，并且制作芯片工作腔的材料为热的不良导体。

4.根据权利要求1所属的芯片工作腔，其特征在于：芯片工作腔与加湿器和除湿器通过导管相连，能够控制芯片工作腔中的湿度，工作腔中安装温湿度传感器。

5.根据权利要求1所述的加样装置，其特征在于：包括了加样动力装置和加样针头，两者直接连接或者通过软管连接。

6.根据权利要求5所述的加样动力装置，其特征在于：包括注射泵、蠕动泵或者压电喷射泵中的一种。

7.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：包括显微镜和CCD、光传感器、色传感器、激光发射器和检测器中的一种或者几种。

8.根据权利要求1所述的三轴定位部件，其特征在于：包括了电机、丝杠、导轨、位置传感器以及连接固定器，实现三轴方向的移动。

9.根据权利要求1所述的三轴定位部件，其特征在于：与芯片承载台、检测装置和加样装置相连，连接方式可以是将检测装置和加样装置固定，芯片承载台与三轴定位部件相连；也可以是将检测装置和加样装置与三轴定位部件中的一轴或者两轴相连，芯片承载台与另外的轴向相连。

10.根据权利要求1所述的控制主机，其特征在于：包括控制器和处理器，对芯片承载台、检测装置、加样装置和三轴定位部件进行控制，并对检测结果进行处理，也可以将检测结果传输给电脑。