CN104297230A - 一种便携式生物芯片检测装置 - Google Patents

Abstract

一种便携式生物芯片检测装置，由电子生物芯片基片、芯片反应盒和便携式生物芯片阅读仪组成；其中：电子生物芯片基片是将传感器与电子元器件邦定在印刷电路板，传感器周围用邦定胶封起一杂交反应池；芯片反应盒为一盒体，该盒体的一端设有插入电子生物芯片基片的插口，盒体的一个侧面上设有两个通孔，由所述两个通孔与电子生物芯片基片的反应池组成连通器；便携式生物芯片阅读仪由集成电路、缓存、USB控制器和DC/DC PWM调压芯片组成，与电子生物芯片基片和上位机连接，将电子生物芯片发出的电子信号传到上位机进行分析，同时将上位机的指令传达到生物芯片上。

Description

一种便携式生物芯片检测装置

技术领域

本发明属于生物芯片检测技术领域，更具体地涉及一种便携式生物芯片检测装置。 

背景技术

随着人类、植物、动物以及微生物大规模测序的完成，如何利用测序所揭示出的遗传信息去探索生命从生长、繁衍到最后凋亡一系列生命过程的奥秘，成为测序完成后生命科学领域又一重大课题，因此集合了高通量遗传信息的生物检测技术使这一课题的实现成为了可能。生物芯片的出现将给生命科学、医学、司法鉴定、食品与环境监督等众多领域带来巨大的革新。 

目前用于生物芯片的检测系统大致分为两大类：一类是以光电倍增管(Photo Mulitiplier Tube,PMT)为原理基础的激光共聚焦生物芯片扫描仪，另一类是以CCD(Charge Coupled Device)传感器为原理基础的CCD生物芯片扫描仪，这两类生物芯片检测系统都是以载玻片作为多肽或寡核苷酸的载体。 

以PMT为原理基础的激光共聚焦生物芯片扫描仪，其PMT是一个灵敏度很高的光源检测器，可以将入射光信号放大，因此这种设备体积庞大、笨重、扫描速度慢且成本高，目前市场上售价在50万元以上。 

以CCD传感器为原理基础的CCD生物芯片扫描仪，其体积和成本相对于激光共聚焦扫描仪来说，体积较小、成本较低但是其需要一个冷处理装置来降低其由热带来的噪音，其市场售价在10万元左右，仍然无法携带。 

发明内容

本发明的目的是提供一种便携式生物芯片检测装置，以改进公知技术 中存在的缺陷。 

为实现上述目的，本发明提供的便携式生物芯片检测装置，由电子生物芯片基片、电子生物芯片基片反应盒和便携式生物芯片阅读仪组成；其中：电子生物芯片基片是将传感器与电子元器件邦定在印刷电路板，传感器周围用邦定胶封起一杂交反应池； 

电子生物芯片基片反应盒为一盒体，该盒体的一端设有插入电子生物芯片基片的插口，盒体的一个侧面上设有两个通孔，由所述两个通孔与电子生物芯片基片的反应池组成连通器； 

便携式生物芯片阅读仪由集成电路、缓存、USB控制器和DC/DCPWM调压芯片组成，与电子生物芯片基片和上位机连接，将电子生物芯片发出的电子信号传到上位机进行分析，同时将上位机的指令传达到生物芯片上。 

所述的便携式生物芯片检测装置中，传感器周围的杂交反应池是采用COB邦定胶。 

所述的便携式生物芯片检测装置中，电子生物芯片基片上的传感器为CMOS传感器。 

所述的便携式生物芯片检测装置中，盒体侧面上的其中一个通孔插有一根枪头，以保持与外界的大气压相同，另一个通孔用于吸出或注入反应液体。 

本发明具有以下几个优势： 

1)体积小，本发明的便携式生物芯片阅读仪可以制作成体积为270mm×155mm×90mm，为目前市场上生物芯片阅读仪的1/3-1/10。 

2)重量轻，本发明的便携式生物芯片阅读仪的重量可以作成仅1.5kg，为目前市场上最轻的生物芯片阅读仪的1/15；这样的体积和重量使生物芯片阅读仪的携带和现场操作成为可能，最大程度上发挥了生物芯片检测的功能。 

3)低成本，本发明的便携式生物芯片阅读仪的制作成本较低，因此使生物芯片普及应用成为可能。 

4)操作简便，本发明的便携式生物芯片阅读仪配套了生物芯片反应盒，增加了生物芯片的可操作性，使生物芯片的操作变得简便。在生物芯片反 应后直接将装有电子生物芯片基片的反应盒插入生物芯片阅读仪上，即可采集图片，收集数据并进行数据处理。 

附图说明

图1是本发明的电子生物芯片基片结构示意图。 

图2是本发明电子生物芯片基片的一个实施例电路图。 

图3A是本发明电子生物芯片基片插入芯片反应盒后的外观示意图。 

图3B是图3A的侧面剖示图。 

图4是本发明便携式生物芯片阅读仪的外观示意图。 

图5是本发明便携式生物芯片阅读仪的工作原理示意图；图中实线表示由电子生物芯片传送出来的信号，虚线表示由上位机软件发送的信号。 

图6是本发明便携式生物芯片阅读仪的一个实施例的线路图。 

图7是本发明第一应用实施例的显色图。 

图8是本发明第二应用实施例的显色图，其中A、B、C、D、E分别是按3倍梯度稀释的标准显色图，F是检测的样品显色图。 

图9是第一应用实施例的标准曲线。 

图10是第二应用实施例的标准曲线。 

图11是本发明第三应用实施例的显色图。 

图12是本发明第四应用实施例的显色图。 

图13是本发明第五应用实施例的显色图。 

附图中主要组件符号说明： 

CMOS传感器1，电子元器件2，印刷电路板3，电子生物芯片基片4，芯片反应盒5，芯片反应盒底盖6，芯片反应盒反应腔7，芯片反应盒上盖8，通孔9。 

具体实施方式

请参阅图1，是本发明的电子生物芯片基片的结构示意图。本发明是将CMOS传感器1结合其他必要的电子元器件2用COB(Chip-On-Board)邦定胶固定在印刷电路板3上，并用COB邦定胶在CMOS传感器周围用封起一杂交反应池，形成电子生物芯片基片4。 

图2是本发明电子生物芯片基片的一个实施例的电路图。在电子生物芯片基片的杂交反应池直接点上蛋白、多肽或寡核苷酸，并进行杂交反应，电子生物芯片基片的CMOS传感器接收杂交反应后的信号进行处理、缓存和放大，并将光信号转换成电信号。本发明的电子生物芯片基片在CMOS传感器芯片上集成了图像采集功能，并且可以通过I2C配置进行编程。本发明利用该CMOS传感器芯片具有较高的数字清晰度，在保持了CMOS原有的尺寸成本等优势的同时，获得对弱光敏感的图像质量。CMOS传感器芯片是全自动单芯片的摄像头，基本的运作只需电源和时钟源。视频数据通过并行10位Dout端口输出。输出像素时钟用于锁存数据，而FRAME_VALID和LINE_VALID则表明工作与动态视频状态。通过设置STANDBY管脚可以令其工作于低功耗睡眠模式。CMOS传感器芯片通过编程实现的步进扫描图像可以达到30帧每秒，包括ITU_RBT.656(YCbCr)formerly CCIR656,YUV,565RGB,555RGB,444RGB、raw data几种格式。有专属的FRAME_VALID和LINE_VALID管脚进行输出，与像素时钟信号保持同步。本发明的一个实施例中采集回的图像为raw data格式，图像大小为352×288。CMOS传感器芯片可以接受外部达到27MHz的时钟，传输速度为30帧每秒，摄像头的上电默认值为传输速度为15帧每秒，时钟频率为12MHz。而且为了在弱光条件下获得更长的曝光时间和更好的图像质量，通常还会自动降低帧频。连接RESET#引脚的1k电阻和10uF电容构成复位电路，保证有效的上电复位初始化工作，连接到Sdata和SCLK引脚上的两个1.5K电阻用于对I2C电路通讯提供上拉钳位，保证通讯速率和可靠性，其它元器件为电源滤波电容，对接入的电源进行滤波，降低电源杂波对A/D的干扰。本发明的电子生物芯片基片直接将在其表面发生的化学发光信号转化成电信号，没有外置光源和光信号接收系统，最大程度的避免了光反射、折射或者因为波长重叠对数据测定的影响。 

请参阅图3A和图3B，是本发明与电子生物芯片基片配套使用的芯片反应盒5，其作用是为电子生物芯片基片的杂交反应提供洁净和密闭环境。芯片基片反应盒5一密闭的盒体，由芯片反应盒底盖6和芯片反应盒上盖8组成，盒体内为芯片反应盒反应腔7，盒体的一端设有插入电子生物芯片基片的开口，芯片反应盒上盖8设有两个通孔9，该两个通孔与电子生 物芯片基片的杂交反应池相通组成连通器。两个通孔中的一个插上一根枪头，使盒体内保持与外界相同的气压，另一通孔用作移液器吸出或注入反应液体。由上述结构，电子生物芯片基片插入芯片反应盒内，在整个反应过程中芯片反应盒为密闭状态，避免了外界物质对杂交反应的干扰。由于本发明的电子生物芯片基片采用集成化电路，因此芯片反应盒的体积可以缩小，本发明的一个具体例子中，芯片反应盒的尺寸为64.6mm×32.8mm，携带和操作非常方便。 

电子生物芯片基片转换的电信号传递到本发明的便携式生物芯片阅读仪上。因此，本发明的便携式生物芯片阅读仪不再需要外置光源、外围电路、光信号转换和接收系统，使本发明的便携式生物芯片阅读仪具有体积小、重量轻、制作低成本以及操作简便等优势。 

本发明的便携式生物芯片阅读仪的一个具体实施例的外形如图4所示，其工作原理和线路图请分别参阅图5和图6。 

本发明的便携式生物芯片阅读仪由一个低功耗的大规模集成电路(CPLD)、一个高速FIFO缓存、一个USB2.0控制器和若干个DC/DC PWM调压芯片组成。CPLD负责原始数据的采集、压缩和转发；FIFO负责将大量的图像信息进行缓存，减少上位机软件等待时间；USB控制器负责将上位机的指令传递给电子生物芯片基片和CPLD、将最终采集的数据通过USB端口上传至计算机供上位机软件分析计算；DC/DC PWM调压芯片将从计算机USB口取得的DC5v转换成3.3v和2.8v供CPLD、FIFO、USB控制器、电子生物芯片基片正常工作使用。便携式生物芯片阅读仪一方面传输给电子生物芯片基片电流和指令，另一方面通过接收电子生物芯片基片传输出来的电子信号，并将其转化成数字信号，由相应的软件对数子信号进行图像还原、数据处理等。图5中的实线表示由电子生物芯片传送出来的信号，虚线表示由上位机软件发送的信号。 

本发明的便携式生物芯片阅读仪将电子元器件都集成在大规模集成电路上，避免了外围电路，与目前市场上的阅读仪相比：没有外置电源、复杂的光电传输系统和光信号检测系统，使得本发明便携式生物芯片阅读仪体积小，在目前已制作出的便携式生物芯片检测装置的试验样品中，便携式生物芯片阅读仪的尺寸仅为270mm×155mm×90mm，为目前市场上生 物芯片阅读仪的1/3-1/10，重量仅为1.5kg，为目前市场上最轻的生物芯片阅读仪的1/15，本生物芯片阅读仪使生物芯片普及应用成为可能，更能方便检测人员或科研工作者对待测物进行现场生物芯片检测。 

请结合图5，本发明便携式生物芯片检测装置的工作原理是，电子基片成像之后，将图像信息转变成电子信息，传输给便携式生物芯片阅读仪。如果数据量大的话，会由FIFO进行高速缓存，这样能够减少指令等待的时间；而上位机软件发出的指令一部分通过CPLD处理后发送给电子生物芯片，另一部分直接发送给电子生物芯片基片。便携式生物芯片阅读仪一方面传输给电子生物芯片电流和指令，另一方面通过接收电子生物芯片传输出来的电子信号，并将其转化成数字信号，由相应的软件对数子信号进行图像还原、数据处理等。 

由上述电子生物芯片基片、芯片反应盒和便携式生物芯片阅读仪组成的便携式生物芯片检测装置，具体操作时根据需要，对电子生物芯片基片进行环氧基、醛基或者巯基修饰，用点样仪点上所需的捕获探针或捕获蛋白(接触式点样仪和非接触式点样仪的都可以)； 

将点好样品的芯片装入到芯片反应盒中，加入反应溶液； 

根据待检测物的性质，设计杂交试验，例如：进行核酸杂交还是免疫杂交。另外，根据杂交试验特点选择合适的杂交液和缓冲液； 

适合的光学检测主要是：化学发光检测系统，包括鲁米诺、发光氨，吖啶苯酯等。 

目前已制作出的便携式生物芯片检测装置试验样品其检测系统性能如下： 

(1)空白检测值：空白检测值不大于零。 

(2)检测灵敏度：最低检测灵敏度为10-20。 

(3)准确性：阅读仪测量准确性不大于±10％。 

(4)重复性：阅读仪变异系数(CV)不大于10％。 

(5)稳定性：阅读仪连续运行4h、8h的相对偏差(a)均不大于±10％。 

(6)测量时间：在收集完背景值后，阅读仪每个芯片的测量时间：不大于3min。 

以下是本发明的便携式生物芯片检测装置应用实施例。 

第一应用实施例：对未知浓度抗原进行赋值(检测抗原是HA标签蛋白) 

实验步骤： 

A)将HA标签蛋白标准品进行梯度稀释，在0.08mg/ml的基础上3倍梯度稀释6个点，即：0.0800，0.0267，0.0089，0.0030，0.0010，0.0003，再点上未知浓度的HA标签蛋白，点一个B-C＝0.004mg/ml作为阳性参照点； 

B)点完样后37度固定2h，室温晾干10min，抽真空后4度保存； 

C)进行封闭，乙醇胺1h，封闭液30min； 

D)加入HA二抗(1:3000)，反应30min； 

E)加入洗液，洗涤； 

F)加入HRP(1:5000)，反应30min； 

G)洗涤，显片； 

H)以已知浓度的标准品HA标签蛋白的浓度对数为横坐标，标准品HA标签蛋白发光值/阳性对照(B-C)发光值的相对值对数为纵坐标，做标准曲线，得到线性回归方程，将未知样品发光值/阳性对照(B-C)发光值的相对值代入线性回归方程中，实现对未知浓度抗原的赋值。 

实验结果请参阅图7： 

以HA标签蛋白标准品浓度的对数为横坐标，相对值的对数为纵坐标做标准曲线，方程为y＝0.9521x+1.9309，R²＝0.992。未知浓度HA标签蛋白的测定浓度为0.0038mg/mL。标准曲线如图9所示。 

第二应用实施例：双夹心法检测未知样品的浓度(利用抗体双夹心法测定血清中癌胚抗原CEA的浓度) 

实验步骤： 

A)将CEA抗体点入芯片上，点完样后37度固定2h，室温晾干10min，抽真空后4度保存； 

B)进行封闭，乙醇胺1h，封闭液30min； 

C)加入不同浓度的抗原：16.7ng/ml的CEA抗原3倍梯度稀释，稀释5个浓度，16.7ng/ml，5.56ng/ml，1.86ng/ml，0.6ng/ml，0.2ng/ml，还有一个未知样品自带抗原2.0ng/mL，加入芯片，反应1h； 

D)加入洗液，洗涤； 

E)加入二抗(1/4000)，反应30min； 

F)加入洗液，洗涤； 

G)加入HRP(1:5000)，反应30min； 

H)洗涤，显片； 

I)以浓度的对数为横坐标，相对值的对数为纵坐标，做标准曲线，然后根据未知样品的相对值，计算未知样品的浓度。 

实验结果请参阅图8： 

用CEA抗原的浓度16.7、5.56、1.86、0.6及0.2ng/ml(图8中A、B、C、D、E)的对数为横坐标，不同浓度CEA抗原发光值/阳性对照(B-C)发光值相对值对数为纵坐标做标准曲线，方程为y＝0.7348x-0.6211，R²＝0.997，标准曲线如图10，将血清样品中CEA发光值/阳性对照(B-C)发光值的相对值代入到线性回归方程中，计算血清样品中CEA抗原的浓度，测定值为2.0ng/mL。 

第三应用实施例：定性或定量检测蛋白的相互作用 

实验步骤： 

A)将蛋白固定在芯片上，点完样后37度固定2h，室温晾干10min，洗液洗涤； 

B)进行封闭，封闭液30min； 

C)加入另一标记好的蛋白进行反应，反应时间1h； 

D)加入洗液，洗涤； 

E)加入HRP(1:5000)，反应30min； 

F)洗涤，显片(请参阅图11)。 

第四应用实施例：对人体分泌物中淋病双球菌mRNA的检测(非酶扩增法) 

试验步骤： 

A)点样，在芯片上点检测的寡核苷酸； 

B)点样后37度固定2h，室温晾干10min； 

C)加Solution1 40μl，反应30min； 

D)加Solution2 20μl，反应10min； 

E)将Solution2吸出，重复步骤D两次； 

F)加Prehybridtion20μl，反应30min； 

G)将tRNA、从分泌物中提取的RNA及探针在95度水浴复性5min，冰上冷却，将复性的tRNA、探针以及从分泌物中提取的RNA各1μl加到Prehybridtion中，杂交1h； 

H)WB1洗3遍，每次5min； 

I)Block40μl，反应30min； 

J)加HRP(1/2000，Block稀释)，反应30min； 

K)WB2洗4次，每次5min，显片，可以看到检测到淋病双球菌的RNA(请参阅图12)。 

第五应用实施例：对人体分泌物中淋病双球菌的检测(PCR扩增法) 

实验步骤： 

A)点样，在芯片上点检测的寡核苷酸； 

B)点样后37度固定2h，室温晾干10min； 

C)加Solution140μl，反应30min； 

D)加Solution220μl，反应10min； 

E)将Solution2吸出，重复步骤D两次； 

F)加Prehybridtion20μl，反应30min； 

G)将tRNA、PCR产物及探针在95度水浴复性5min，冰上冷却，将复性的tRNA、PCR产物及探针各1μl加到Prehybridtion中，杂交1h； 

H)WB1洗3遍，每次5min； 

I)Block40μl，反应30min； 

J)加HRP(1/2000，Block稀释)，反应30min； 

K)WB2洗4次，每次5min，显片，可以看到检测到淋病双球菌(请参阅图13。 

Claims (4)

1.一种便携式生物芯片检测装置，由电子生物芯片基片、芯片反应盒和便携式生物芯片阅读仪组成；其中：

电子生物芯片基片是将传感器与电子元器件邦定在印刷电路板，传感器周围用邦定胶封起一杂交反应池；

芯片反应盒为一盒体，该盒体的一端设有插入电子生物芯片基片的插口，盒体的一个侧面上设有两个通孔，由所述两个通孔与电子生物芯片基片的反应池组成连通器；

便携式生物芯片阅读仪由集成电路、缓存、USB控制器和DC/DCPWM调压芯片组成，与电子生物芯片基片和上位机连接，将电子生物芯片发出的电子信号传到上位机进行分析，同时将上位机的指令传达到生物芯片上。

2.根据权利要求1所述的便携式生物芯片检测装置，其中，传感器周围的杂交反应池是采用COB邦定胶。

3.根据权利要求1所述的便携式生物芯片检测装置，其中，电子生物芯片基片上的传感器为CMOS传感器。

4.根据权利要求1所述的便携式生物芯片检测装置，其中，盒体侧面上的其中一个通孔插有一根枪头，以保持与外界的大气压相同，另一个通孔用于吸出或注入反应液体。