CN1195984C

CN1195984C - 表面张力驱动液流的芯片化的高密度微阵列液体转移装置

Info

Publication number: CN1195984C
Application number: CN 02126729
Authority: CN
Inventors: 田昭武; 林华水; 周勇亮
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2002-07-12
Filing date: 2002-07-12
Publication date: 2005-04-06
Anticipated expiration: 2022-07-12
Also published as: CN1467499A

Abstract

涉及一种芯片化的高密度微阵列液体转移装置，设有一片状载体，片状载体上设有微阵列超微量的液体转移组合，所说的组合包括储液部、液体转移头和微通道，所说的微通道联通于储液部与液体转移头之间。采用高密度、芯片化微阵列液体转移芯片结构，而且整个装置的微量液体转移的微液流过程可以只靠表面张力的作用，因此相邻的液体转移组合之间的距离可以很近，每个装置所排列的液体转移组合可以有成千上万组；制造成本低，避免交叉污染。由于样品为预设定体积的不同样品溶液，转移体积的重现性较好。样品预设定体积可设定为亚纳升或皮升体积，其结果是每一生物芯上可容纳更多更密集的阵列点，达到高速度、高精确度、高密度以及芯片化、低成本的目的。

Description

表面张力驱动液流的芯片化的高密度微阵列液体转移装置

技术领域

本发明涉及一种芯片化的高密度微阵列液体转移(microarrayer technique on chip)装置，本装置是把成千上万组的液体转移组合阵列化地集成在一芯片上，称之为微阵列液体转移芯片(microarrayer chip)，这是一种精确控制体积的高密度阵列化的高效率低成本的超微量液体转移装置。

背景技术

生物/化学微阵列(Biological/chemical microarray)是指利用微电子、微机械等工业技术，在玻璃、硅片、塑料等固相载体上按一定位置阵列固定生物或化学分子，来制成应用于生物/化学分析的产品，其作用对象可以为基因、蛋白质或细胞组织等。生物/化学微阵列目前已开发的产品包括基因芯片(Genechip，DNAchip or Microarray)、蛋白质芯片(protein chip)、微流体芯片(Microfluidics)及实验室芯片(Labs-on-a-chip)等。其中的基因芯片或称DNA微阵列是目前技术上相对比较成熟、使用最多的一种生物微阵列。基因芯片是指将成千上万个DNA探针按一定位置点置于固相载体上，再通过分子杂交，对靶分子进行分析。生物/化学微阵列及其技术以其快速、大量、准确的特性为生命科学、医学制药、农业等领域的研究提供了革命性的手段。

目前使用的基因芯片的制作技术有接触型液体转移法、喷墨法、原位合成法等。原位合成法已成功应用于短链核酸芯片(Southern等，美国专利5,770,367；5,770,637；5,436,327。Pirrung等，美国专利5,143,854。Fodor，美国专利5,744,305；5,800,992。Winkler等，美国专利5,384,261)。这种方法的缺点是无法用于大分子(如长链的DNA)的微阵列制作，另外此法比较昂贵且操作较困难(美国专利6,101,649)。喷墨法和其他非接触型液体转移法也可以用来加工生物/化学微阵列(Brennan，美国专利5,474,796；Tisone，美国专利5,741,554；Hayes等，美国专利5,658,802)，尤其适用于特定粘度及其他物理特性的样品，但不适用于多种样品或未知样品(美国专利5,927,947；6,112,605)，并且这种方法有其内在不足之处，它无法制作高密度的微阵列及不容易控制微阵列的质量(美国专利6,101,649)。接触型液体转移法是目前应用最广的微阵列制作方法。该法的主要原理是利用针形液体转移装置(点样针)沾/吸取探针溶液后成千上万次点接触固相载体，从而制成含成千上万核酸探针点的芯片。这种方法的主要缺点是昂贵的针尖易损伤及样点均匀性较差(中国专利CN1302904)，虽然人们设计了许多种点样针(美国专利Augenlicht4,981,783；Drmanac等，美国专利5,525,464；Roach，美国专利5,770,151；Brown等，美国专利5,807,522；中国专利CN1302904)来弥补这些缺点，利用该方法可以制作高密度的芯片，但是它的机械结构使这种方法点样针的数目很少(通常为32针)，效率受到限制，制作高密度生物/化学微阵列需要较长的时间，尤其是在一个芯片上点置不同样品时，清洗和吹干针尖需要大量的时间，因此不能满足越来越高密度的芯片发展趋势的要求(美国专利6,245,297)。

发明内容

本发明旨在提供一种精确控制体积的表面张力驱动液流的芯片化的高密度微阵列超微量液体转移装置---微阵列液体转移芯片(microarrayer chip)，它能够满足当前的制作生物/化学微阵列的要求：

1、高密度(每一探针样品点的直径要小，单位面积上的样品点数要多)；

2、样品点均匀性好(每一点的直径及每一点的探针分子数基本一致；样品点精确定位)；

3、高效率(每一次机械动作转移到生物芯片上的样品点数要多，液体转移过程的成本低，便于大规模制作生物/化学芯片)；

4、设备低成本(设备简单，微阵列液体转移芯片成本低而可一次性使用，避免交叉污染)。

所说的表面张力驱动液流的芯片化的高密度微阵列液体转移装置设有一片状载体，片状载体上设有微阵列超微量的液体转移组合，所说的组合包括储液部、液体转移头和微通道，储液部可为储液体，储液池，储液槽或储液面等，用于储存液体样品；液体转移头(或称点样头)用于转移液体样品；所说的微通道联通于储液部与液体转移头之间，用于由储液部向液体转移头补充样品溶液。

储液部(如储液体，储液池，储液槽或储液面等)的体积可为液体转移头携带预设定的超微量体积的5000～10倍，最好为1000～100倍。不同的液体样品的储备液(可为纳升至微升)阵列化地储存于大数量的储液部。每一个液体转移头携带预设定的超微量体积的不同样品溶液，所说的超微量体积由液体转移头的几何参数预设定，可为1皮升～100纳升的体积，最好为100皮升～1纳升。液体转移头可与储液部配对设置，液体转移头可设为管状，孔状，曲面或平面，可设在片状载体中或片状载体的底面，可设在储液部的旁侧或底部。

联通储液部与液体转移头的微通道的作用在于由储液部向液体转移头补充样品溶液。通道的形状可为狭长开放形或封闭形，通道内可设填充物。

微通道的形状可为狭长开放形或封闭形，通道内可设填充物，最好是多孔填充物，其参数按液体转移头携带预设定的超微量体积的大小而定。

所说的阵列化地集成在片状载体上的成千上万组的液体转移组合总数可为10¹～10⁵(视需要而定)。芯片化的片状载体的面积视液体转移组合总数而定，可设为1～100cm²级。

片状载体的材料可为高分子材料，半导体材料，金属或硅酸盐材料等。

所说的微阵列液体转移芯片的制作可采用光刻技术，激光加工，模塑或模铸等。

本发明在使用时可将所需的成百上千种的样品液分别加到微阵列液体转移芯片的各储液部内。通过微通道流入相应的液体转移头。每一个液体转移头携带预设定的亚纳升体积的不同样品溶液(可为DNA，蛋白质，化学/生物试剂/试样等等的溶液)。当接受液体转移的载体，例如空白(或部分空白)生物芯片(或尼龙膜)与上述微阵列液体转移芯片平行地面对面放置且相互靠近并接触时，成千上万的阵列化液体转移头所携带的预定的亚纳升体积的不同样品基本上全部就在表面张力作用下从后者转移到前者而形成微阵列样品。然后二者脱离接触。(上述“平行地面对面放置且相互靠近并接触”的动作可由程序化的自动机械实施对准并一步完成)。液体转移头失去所携带的亚纳升级体积样品后，每组储备样品液自动在表面张力作用下经由微通道向该组液体转移头补充预设定的亚纳升体积的样品溶液。换上另一接受液体转移载体后重复上述过程。循环成百上千次，则可将成千上万不同品种的储备样品液每次按预设定的亚纳升体积转移到成百上千张接受液体转移载体上。

与现有的技术相比，本发明的优点是：

1、本装置采用高密度、芯片化微阵列液体转移芯片结构，其结构不仅十分简单，而且整个装置的微量液体转移的微液流过程可以只靠表面张力的作用，因此相邻的液体转移组合之间的距离(pitch)可以很近，每个装置所排列的液体转移组合可以有成千上万组，每一步转移的样品品种数目远超过现有的技术，也就是说，可将成千上万不同品种的储备液每次按预设定的亚纳升体积转移到成百上千张生物芯片上，大大提高了制备生物芯片的效率。

2、由于表面微量液体转移装置的微阵列液体转移芯片的结构很简单，而且整个装置的微液流过程可以只靠表面张力作用，因此本发明的制造成本很低，有可能作为一次性用品，避免了洗涤和交叉污染。

3、由于液体转移头所携带的不同样品为预设定体积的不同样品溶液。在表面张力作用下每次基本上都全部转移到生物芯片(例如尼龙膜)上，因此转移体积的重现性较好。

4、由于液体转移头所携带的不同样品为预设定的体积，此体积主要决定于装置的液体转移头结构的参数，因此可以设定为亚纳升或皮升体积，其结果是每一生物芯上可容纳更多更密集的阵列点。

综上所述，本发明以其高速度、高精确度、高密度以及芯片化的特性为生命科学、医学制药、农业等领域的科研与技术开发提供革命性的手段。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，选择金属片作为本发明的片状载体1，其尺寸选为长100mm，宽40mm，厚1mm。利用光刻技术在玻璃片上表面设圆形储液池2，其半径为0.3mm，高0.8mm；另在储液池2旁侧设圆柱形液体转移头3，液体转移头3的半径为0.05mm。储液池2与液体转移头3配对阵列化设计，相邻储液池之间的距离可设为0.4mm。储液池2与液体转移头3的上端口之间设狭长封闭式微通道4联通。

Claims

1、表面张力驱动液流的芯片化的高密度微阵列液体转移装置，其特征在于设有一片状载体，片状载体上设有微阵列超微量的液体转移组合，所说的组合包括储液部、液体转移头和微通道，所说的微通道联通于储液部与液体转移头之间。

2、如权利要求1所述的表面张力驱动液流的芯片化的高密度微阵列液体转移装置，其特征在于所说的片状载体的面积为1～100cm²。

3、如权利要求1所述的表面张力驱动液流的芯片化的高密度微阵列液体转移装置，其特征在于所说的储液部为储液池或储液槽。

4、如权利要求1或3所述的表面张力驱动液流的芯片化的高密度微阵列液体转移装置，其特征在于所说的储液部的体积为液体转移头携带预设定的超微量体积的5000～10倍。

5、如权利要求4所述的表面张力驱动液流的芯片化的高密度微阵列液体转移装置，其特征在于所说的储液部的体积为液体转移头携带预设定的超微量体积的1000～100倍。

6、如权利要求1所述的表面张力驱动液流的芯片化的高密度微阵列液体转移装置，其特征在于所说的储液部的储备液为纳升至微升级。

7、如权利要求1所述的表面张力驱动液流的芯片化的高密度微阵列液体转移装置，其特征在于液体转移头与储液部配对设置，液体转移头设为管道，孔，曲面或平面，设在储液部的旁侧或底部。

8、如权利要求1所述的表面张力驱动液流的芯片化的高密度微阵列液体转移装置，其特征在于每一个液体转移头携带预设定的超微量体积由液体转移头的几何参数预设定，为1皮升～100纳升。

9、如权利要求1所述的表面张力驱动液流的芯片化的高密度微阵列液体转移装置，其特征在于微通道形状为开放形或封闭形。

10、如权利要求1所述的表面张力驱动液流的芯片化的高密度微阵列液体转移装置，其特征在于在微通道内设填充物。