CN108614600B - 一种高精度芯片反应系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高精度芯片反应系统，包括红外光源、DMD模块、芯片及芯片夹具、温控模块、试剂供给模块、操作控制模块以及实施模块；红外光源由滤光片滤光后，通过DMD模块及投射光路在芯片上投射光斑；芯片固定在芯片夹具中；芯片还连接实施模块，实施模块连接操作控制模块；温控模块连接芯片，芯片上设有若干测温点；DMD模块、温控模块、试剂供给模块、操作控制模块均通过信号处理电路连接计算机控制系统。本发明利用DMD可以精确定位投射影像和红外线能够通过辐射传递能量的特性，在不移动芯片的前提下，原位对芯片高精度分区加热，提高芯片产物利用率，减少芯片反应系统的错配率，并且提高芯片反应的通量。

Description

一种高精度芯片反应系统及方法

技术领域

本发明属于医药生物技术领域，尤其是涉及一种高精度芯片反应系统及方法。

背景技术

芯片的概念取之于“集成”，意思就是把大的东西变成小的东西，集成在一起。生物芯片就是在硅片、尼龙膜等固相支持物上有序地点阵排列了一系列可寻址的生物识别分子,这些分子可与其他外源分子发生选择性反应。反应结果可用同位素法、化学荧光法、化学发光法或酶标法显示,然后通过计算机进行数据处理分析,再综合成可判读的信息；反应结果也可作为元件库，为下游进一步组装提供原料。

最初的生物芯片主要目标是用于DNA序列的测定及基因表达谱鉴定和基因突变体的检测和分析,随着芯片概念在生物领域的渗透，又发展出蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯片，等等。生物芯片已经成为了生物学研发的常用技术手段。在实际应用方面，生物芯片技术可广泛应用于疾病诊断和治疗、药物基因组图谱、药物筛选、中药物种鉴定、农作物的优育优选、司法鉴定、食品卫生监督、环境检测、国防等许多领域。它将为人类认识生命的起源、遗传、发育与进化、为人类疾病的诊断、治疗和防治开辟全新的途径，为生物大分子的全新设计和药物开发中先导化合物的快速筛选和药物基因组学研究提供技术支撑平台。

芯片显著的特点之一是超高通量，其密度甚至是传统产品的几十万倍。oligo芯片(Oligo Microarray)的密度可达每张芯片几十万条oligo，而传统合成柱式仅为百余条。如此高通量的oligo芯片可用于生物探针、检测，以及DNA合成元件库。

从芯片上洗脱oligo得到的是几万、甚至几十万条oligo的混合物，合成一条基因仅仅需要其中的百余条oligo。在几十万条oligo中匹配筛选百余条oligo顺序拼接，错配率十分高。但是，选取部分oligo洗脱、分装操作起来难度大，成功率低。基于这些考虑，最有效的方法是在芯片上原位组装DNA，在合成之前就将需要合成为一条DNA的oligo设计分布在一个区域内，通过芯片的微结构将各个区域分割。在各自区域内进行独立切割oligo、原位组装DNA。这不但可以提高DNA的合成通量，也可以降低合成的错配率。

oligo拼接为DNA必须使用到酶，无论是聚合酶、限制性内切酶还是连接酶都需要温度控制，为酶创造工作条件。通常使用的热循环加热方式是金属加热器加热耐热载体(epp管、深孔板、芯片等)整体加热，这样也就意味着整张芯片的oligo在同一条件拼接DNA，导致了不满足条件的oligo拼接不成功。

综上所述，只有将分区加热模块、合成模块与分区芯片集成在一起才可以完成高精度、高通量的原位组装DNA，这就需要寻找新的芯片设计、新的分区加热方式、新的集成方式，实现高通量、低错配、高自动化的合成DNA。并且传统的反应过程中对芯片加热过程无法精确定位温度，效率不高。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种高精度芯片反应系统，以克服现有技术由于在反应过程中芯片加热时需要整片加热，从而无法精准定位升温的缺点。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种高精度芯片反应系统，包括红外光源、DMD模块、芯片及芯片夹具、温控模块、试剂供给模块、操作控制模块以及实施模块；

所述红外光源由滤光片滤光后，通过DMD模块及投射光路在芯片上投射光斑；

所述芯片固定在芯片夹具中，所述芯片上设有微通道，与试剂供给模块连接；

所述芯片还连接反应所需的实施模块，所述实施模块连接操作控制模块；

所述温控模块连接芯片，所述芯片上设有若干测温点；

所述DMD模块、温控模块、试剂供给模块、操作控制模块均通过信号处理电路连接计算机控制系统，所述信号处理电路用于将各模块的数据发送到计算机控制系统中，并反馈信号给各模块，控制各模块工作。

进一步的，所述DMD模块包括滤光片、红外棱镜、DMD及其驱动电路、计算机、投影光学系统。

进一步的，所述温控模块包括温度传感器、风扇、微处理器/PLC及驱动电路，温度传感器置于测温点处，用于实时采集温度数据，风扇用于降温；微处理器/PLC用于数字化采集到的温度数据、与计算机控制系统交互数据、输出下级电路的驱动信号。

进一步的，所述芯片采用分区结构，由两片芯片组成封闭芯片，单一芯片为开放芯片，芯片具有井形微结构，用来充当拼接DNA的反应池，在井形微结构的底部规则分布反应点。

进一步的，所述试剂供给模块包括动力部分和连接管路，动力部分可以选用蠕动泵、电磁泵、气动配合阀门工作。

进一步的，所述操作控制模块用于驱动实施模块，包括微处理器/PLC、驱动电路。

进一步的，所述实施模块包括光控结构实施模块、微流控形式实施模块和喷墨结构实施模块，所述光控结构实施模块包括紫外光源和紫外光学投影模块，所述紫外光源连接信号处理电路，所述紫外光源通过DMD模块选择通过波长，以及投射在芯片上的光斑形状。

进一步的，所述喷墨结构实施模块包括喷墨打印头和定位装置，喷墨打印头在定位装置的驱动下到达芯片的指定位点喷射微量试剂，在芯片表面合成oligo。

相对于现有技术，本发明所述的一种高精度芯片反应系统具有以下优势：

本发明的一种高精度芯片反应系统，利用DMD可以精确定位投射影像和红外线能够通过辐射传递能量的特性，在不移动芯片的前提下，原位对芯片高精度分区加热，提高芯片产物利用率，减少芯片反应系统的错配率，并且提高芯片反应的通量。

本发明的另一目的在于提出一种高精度芯片反应方法，以克服现有技术由于在反应过程中芯片加热时需要整片加热，从而无法精准定位升温的缺点。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种高精度芯片反应方法，具体包括如下步骤：

(1)将芯片固定于芯片夹具中，将DMD模块和实施模块分别置于芯片两侧，温度传感器置于芯片的测温点；

(2)根据合成的DNA数量和结构设计芯片oligo排布及设置合成参数、测量溶液的红外光谱及确定使用的波长、设置拼接DNA的工作步骤及参数；

(3)控制系统根据oligo合成参数循环开启实施模块在芯片上合成oligo库，并完成切割使同一条基因的oligo保存在同一个井形微结构中；

(4)启动试剂供给模块通过芯片注入孔为芯片注入事先配好的混合溶液，在井形微结构内建立反应体系；

(5)启动DMD模块，开启红外光源，设置在不同测温点位置的温度传感器实时温度数据T_nm，离散后的T_nm与温度阈值T_0nm±Δ_nm比较，当T_nm落在T_0nm±Δ_nm范围内开始计时Tim_nm，一旦Tim_nm大于时间阈值Tim_0nm，控制系统发送指令停止该区域加热、等待；

(6)计算机控制系统根据工作流程进行下一轮程序，或降温、或结束。

本发明所述的一种高精度芯片反应方法与上述一种高精度芯片反应系统的有益效果相同，在此不再赘述。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的DMD工作原理示意图；

图2为本发明实施例所述的DMD模块原理图；

图3为本发明实施例所述的芯片反应系统示意图；

图4为本发明实施例所述的光控形式结构示意图；

图5为本发明实施例所述的喷墨形式结构示意图；

图6为本发明实施例所述的一种芯片结构示意图；

图7为本发明实施例所述的一种芯片结构示意图；

图8为本发明红外加热步骤工作流程图。

附图标记说明：

1-DMD模块；2芯片夹具；3-芯片；4-实施模块；5-紫外光学投影模块；6-紫外光源；7-喷墨打印头；8-测温点；9-第一芯片；10-注入孔；11-第二芯片；12-微通道；13-井形微结构；14-反应点。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明提出一种高精度芯片反应系统，如图3所示，包括红外光源、DMD模块1、芯片3及芯片夹具2、温控模块、试剂供给模块、操作控制模块。芯片3固定在芯片夹具2中，芯片3上有微通道12与试剂供给模块相通；红外光源通过DMD模块1选择通过波长，以及投射在芯片3上的光斑形状；温控模块包括温度传感器、风扇、微处理器/PLC及驱动电路，芯片3上设有若干测温点，温度传感器置于测温点处，与温控模块配合控制温度。芯片3另一侧为反应所需的实施模块，具体形式由芯片反应的具体机理决定。芯片反应系统还包括计算机控制系统，计算机控制系统通过信号处理电路与红外光源、DMD模块1、温控模块、试剂供给模块、操作控制模块相连，所述信号处理电路内设有处理器。

试剂供给模块包括动力部分和管路。动力部分可以选用蠕动泵、电磁泵、气动等配合阀门的形式。原则上对于红外加热模块，任何一种动力模式都可以满足。但是不同的合成模块对动力模式有一定的要求，比如：喷墨合成方法优先选用气动法，而光控合成法和微流控法优先使用蠕动泵、或者电磁泵。管路设计根据流量需求选择单向阀、分流阀、管路直径等阀件。另外，管路必须选用与反应试剂不会发生反应的稳定材质，比如硅胶管、四氟管等。

操作控制模块是合成实施模块的驱动部分，包括微处理器或PLC、驱动电路。不同的合成实施模块对应不同的操作控制模块：光控合成模块对应的是DMD和紫外光源的控制电路；喷墨合成方法对应的是对喷墨打印头的控制电路。

微处理器或PLC使用型号不唯一，且与各模块的连接都是现有连接方式。

红外线作为一种电磁波，有一定的穿透性，能够通过辐射传递能量。当辐射的远红外线波长和被加热物体的吸收波长一致时，被加热的物体吸收远红外线，这时，物体内部分子和原子发生“共振”——产生强烈的振动、旋转，而振动和旋转使物体温度升高，达到了加热的目的。物体吸收红外线的量越大，加热的效果越好。

溶液的红外吸收波谱主要是其内部成分的红外吸收范围互相叠加的结果。由于反应溶液所含的各种成分对不同波长的红外线吸收不同，并且各成分所吸收的红外线的波段并不互补，而是相互重叠。

该发明中使用红外辐射直接加热芯片通道中的待加热溶液，选择的芯片要尽可能少的吸收红外线，特别是待加热溶液吸收谱段的红外线，减少该谱段红外线的在芯片中的损耗，可选择的芯片有特种石英玻璃(比如电熔石英玻璃)、COC等。

利用DMD对红外辐射进行反射调制可以得到红外图像，从而完成定点加热。该模块由红外光源、滤光片、红外棱镜、DMD及其驱动电路、计算机、投影光学系统组成。DMD红外投影技术的核心器件是美国德克萨斯仪器公司生产的DMD。基于DMD的投射技术，称为微镜阵列投影系统(MAPS)，该技术具有高分辨率、高帧频、无死像元和均匀性好等特点。

DMD微反射镜采用微电子机械原理，每个DMD微反射镜包括信号存储单元、电极和转动铰链、反射镜三部分。利用溅射工艺,在半导体硅片上生成微镜面阵列,数以百万计的微镜面用铰链结构建造在由硅片衬托的CMOS存储器上面,利用静电使微镜转动。每个微镜片都有3种稳定状态，分别为“开”、“平”以及“关”态，对应偏转角分别为+12°、0°和－12°不同的位置对应不同的出射角度。因此,每一个微镜相当于一个光开关。

如图1所示,通过选择角度控制入射光的开态和关态。反射光线全部通过投影系统，投影屏幕上对应像素点呈亮点，当反射光线偏离投影系统，投影屏幕上对应像素点呈暗点。因此，通过控制DMD数字微镜阵列的偏转状态，就可以实现控制图像每个像素点的亮、暗，在接收屏幕上生成一幅完整图像。

图2表示DMD模块1的结构,红外光源经过光学系统,形成均匀的照明区域,照明DMD。由计算机产生的图像数据经过DMD驱动电路输入DMD器件,红外棱镜将入射照明光和DMD反射的光分开,DMD调制入射的红外辐射产生红外图像。

该发明中使用DMD模块1投射红外线，定点加热。芯片3上预留测温点，将温度传感器置于测温点。每轮反应中使用的溶液都是不同的，因此对应的红外吸收谱也不相同。在设计实验之初就需要测量在特定红外辐射和特定环境条件下，温度与时间的对应关系，由时间控制温度。其目的是实现每个反应井的温度可以独立调控。

或者，芯片3也可以预留多个测温点，每个测温点负责测量某一反应井或者某一区域(可以包括多个反应井)内的温度，该区域内的反应具有一致的温度要求。测温点始终接受红外辐射，并实时检测温度，实现该区域准确控温。根据反应设计，设定每个反应区每轮温度循环的反应温度T_0nm，并以此为基础确定该轮的温度阈值T_0nm±Δ_nm时(Δ_nm根据具体反应所允许的温度范围决定)。一旦测量的温度T_nm高于或者低于阈值T_0nm±Δ_nm，控制系统发送指令，启动温控模块的不同响应，目的就是将实际测到的温度T_nm值维持在阈值范围内、完成一个循环。该循环完成后，控制系统发送指令将阈值设为T_0nm+1±Δ_nm+1，进行下一轮反应。如此直到设计结束。

如图4-5所示，本发明的集成的实施模块可以为：喷墨形式，喷墨打印头7在精密定位系统的驱动下到达芯片3的指定位点喷射微量试剂，在芯片3表面合成oligo；光控形式，将需要反应的位点事先做成图像，经过紫外光学投影模块5、紫外光源6投影在内部通道充有试剂的芯片3上，曝光的试剂就会发生反应合成oligo；微流控形式，通过芯片设计、液路控制、进液顺序等设计，实现在芯片内部通道发生化学反应合成oligo；等等。

集成的合成实施模块由于其工作机理不同，选择的芯片也不相同。光控形式和微流控形式采用封闭芯片，试剂由注入孔10注入芯片3内部通道12，反应在芯片3内部进行；喷墨形式采用开放芯片11，试剂喷射在芯片11表面，反应在芯片11表面进行。但是，在对芯片11加热时，开放芯片11表面的试剂会随着温度升高而挥发，影响结果甚至无法进行反应。因此，开放芯片11在进行加热的过程中需要覆盖其他辅助配件，形成稳定腔体，防止挥发。完成加热后，移开辅助配件进行下个步骤。

无论是封闭芯片还是开放芯片都采用分区设计，芯片结构如图6和7所示。由第一芯片9、第二芯片11组成封闭芯片，单一芯片11为开放芯片。芯片11具有井形微结构13，用来充当拼接DNA的反应池。在井形微结构13的底部规则分布反应点14，其表面具有官能团支持oligo生长。第一芯片9、第二芯片11的结构不唯一，具体应用具体设计。芯片3设有数个测温点8，可在反应井13内也可以在反应井外，具体设计根据实验需求决定。

使用红外加热需要选择波长。在反应设计之初，确定每轮红外加热的溶液的红外吸收波谱，以便选择每轮红外加热需要的谱段。在红外加热的过程中，可采用的控温方法有以下两种：

实验设计之初，在特定红外辐射、溶液和环境条件下，对测温点8进行测温，得到温度与时间的对应关系。根据得到的结果确定参数——反应时间。即通过控制每个反应区域的红外加热时间，实现每个反应区域温度的独立调控，达到多个区域精密反应的目的。

之后，根据仪器中集成的合成实施模块4及反应需求在计算机控制系统中编写工作程序。包括：合成实施模块4和DMD模块1的工作步骤顺序；合成实施模块4的工作参数；每个工作步骤中试剂的进液顺序、进液量；每个红外加热步骤中选用的波段；每个红外加热步骤的中每个反应区域的红外加热时间T_nm、恒温时间Tim_0n、降温温度、等。

或者，在反应过程中直接测量测温点8的温度，每个测温点8都负责测量某一反应井13或者某一区域(可以包括多个反应井13)内的温度。测温点8始终接受红外辐射，实时检测温度，实现该区域准确控温。

根据仪器中集成的合成实施模块4及反应需求在计算机控制系统中编写工作程序。包括：合成实施模块4和DMD模块1的工作步骤顺序；合成实施模块4的工作参数；每个工作步骤中试剂的进液顺序、进液量；每个红外加热步骤中选用的波段；每个红外加热步骤中每个区域的温度阈值T_0nm±Δ_nm和恒温时间Tim_0nm、降温温度；等。

这种控温方式的工作流程如图8所示。系统按照编写的程序顺序进行反应，当开始第N轮红外加热时，系统将温度阈值范围设为T_0n±Δ_n，恒温时间阈值设为Tim_0n；开启红外光源1，开始温控步骤：温度传感器实时采集信号T_n，传输到信号处理电路。经过信号处理电路的处理，模拟值T_n离散为数字信号。该信号T_n被传送到控制系统中与阈值T_0n±Δ_n比较，进行判断。如果高于阈值范围T_0n±Δ_n，控制系统发送指令该区域停止加热；如果低于阈值T_0n±Δ_n，维持现状继续加温。有且只有当温度T_n在阈值T_0n±Δ_n范围内，计时Tim_n启动。当Tim_n启小于或等于Tim_0n，循环重复温控步骤；当Tim_n大于Tim_0n，控制系统发送指令停止加热；等待指令根据工作流程进行下一轮程序，或降温、或结束。

下面以光控形式集成DMD红外加热模块合成基因为例说明应用。该例子的光控合成模块可以选择带投射系统的DMD和紫外光源，对应的图4中的DMD控制模块。反应过程中采用测温点实时测温、控温的方式，具体如下：

将光控合成模块、DMD模块1、控温模块等集成在芯片外围实现芯片原位组装DNA，结构如图4所示。将第一芯片9、第二芯片11固定于夹具2，紫外光学投影模块5、紫外光源6和DMD模块1分别置于芯片3两侧。根据合成的DNA数量和结构设计芯片oligo排布及设置合成参数、测量溶液的红外光谱及确定使用的波长、设置拼接DNA的工作步骤及参数、等。按照光化学的方法，控制系统会根据oligo合成参数循环开启紫外光学投影模块5、紫外光源6在第一芯片9、第二芯片11上合成oligo库，并完成切割使同一条基因的oligo保存在同一个井形微结构13中。之后，启动拼接DNA步骤：启动供给模块通过第一芯片9注入孔10为第二芯片11注入事先配好的混合溶液，在井形微结构13内建立反应体系；启动DMD模块、开启光源，温度传感器实时采集某一区域温度数据T_nm，离散后的T_nm与温度阈值T_0nm±Δ_nm比较，当T_nm落在T_0nm±Δ_nm范围内开始计时Tim_nm，一旦Tim_nm大于时间阈值Tim_0nm，控制系统发送指令停止该区域加热、等待。控制系统根据工作流程进行下一轮程序，或降温、或结束。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高精度芯片反应系统，其特征在于：包括红外光源、DMD模块、芯片及芯片夹具、温控模块、试剂供给模块、操作控制模块以及实施模块；

所述红外光源由滤光片滤光后，通过DMD模块及投射光路在芯片上投射光斑；

所述芯片固定在芯片夹具中，所述芯片上设有微通道，与试剂供给模块连接；

所述芯片还连接反应所需的实施模块，所述实施模块连接操作控制模块；

所述温控模块连接芯片，所述芯片上设有若干测温点；

所述DMD模块、温控模块、试剂供给模块、操作控制模块均通过信号处理电路连接计算机控制系统，所述信号处理电路用于将各模块的数据发送到计算机控制系统中，并反馈信号给各模块，控制各模块工作；

所述DMD模块包括滤光片、红外棱镜、DMD及其驱动电路、计算机、投影光学系统；所述温控模块包括温度传感器、风扇、微处理器/PLC及驱动电路，温度传感器置于测温点处，用于实时采集温度数据，风扇用于降温；微处理器/PLC用于数字化采集到的温度数据、与计算机控制系统交互数据、输出下级电路的驱动信号；所述芯片采用分区结构，由两片芯片组成封闭芯片，单一芯片为开放芯片，芯片具有井形微结构，用来充当拼接DNA的反应池，在井形微结构的底部规则分布反应点；

所述实施模块包括光控结构实施模块、微流控形式实施模块和喷墨结构实施模块，所述光控结构实施模块包括紫外光源和紫外光学投影模块，所述紫外光源连接信号处理电路，所述紫外光源通过DMD模块选择通过波长，以及投射在芯片上的光斑形状；所述喷墨结构实施模块包括喷墨打印头和定位装置，喷墨打印头在定位装置的驱动下到达芯片的指定位点喷射微量试剂，在芯片表面合成oligo。

2.根据权利要求1所述的一种高精度芯片反应系统，其特征在于：所述试剂供给模块包括动力部分和连接管路，动力部分选用蠕动泵、电磁泵、气动配合阀门工作。

3.根据权利要求1所述的一种高精度芯片反应系统，其特征在于：所述操作控制模块用于驱动实施模块，包括微处理器/PLC、驱动电路。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的一种高精度芯片反应系统的反应方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

(1)将芯片固定于芯片夹具中，将DMD模块和实施模块分别置于芯片两侧，温度传感器置于芯片的测温点；

(2)根据合成的DNA数量和结构设计芯片oligo排布及设置合成参数、测量溶液的红外光谱及确定使用的波长、设置拼接DNA的工作步骤及参数；

(3)控制系统根据oligo合成参数循环开启实施模块在芯片上合成oligo库，并完成切割使同一条基因的oligo保存在同一个井形微结构中；

(4)启动试剂供给模块通过芯片注入孔为芯片注入事先配好的混合溶液，在井形微结构内建立反应体系；

(5)启动DMD模块，开启红外光源，设置在不同测温点位置的温度传感器实时温度数据T_nm，离散后的T_nm与温度阈值T_0nm±Δ_nm比较，当T_nm落在T_0nm±Δ_nm范围内开始计时Tim_nm，一旦Tim_nm大于时间阈值Tim_0nm，控制系统发送指令停止该区域加热、等待；

(6)计算机控制系统根据工作流程进行下一轮程序，或降温、或结束。