CN1858593A

CN1858593A - 生物芯片专用亲疏水模式片基

Info

Publication number: CN1858593A
Application number: CN 200610071318
Authority: CN
Inventors: 林华水; 田昭武; 周勇亮; 李佳; 张润香; 胡维玲
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2006-03-23
Filing date: 2006-03-23
Publication date: 2006-11-08
Anticipated expiration: 2026-03-23
Also published as: CN1858593B

Abstract

生物芯片专用亲疏水模式片基，涉及一种生物芯片片基，提供一种在载玻片、硅片或其他载体上修饰疏水性表面(疏水层厚约为2～5μm)中构建具有亲水性的、面积大小一致的点(点的形状、面积、密度、阵列排布形式可根据需要决定，点的形状一般为圆点)的生物芯片专用亲疏水模式片基。设有基底，基底的上表面设有疏水层，在疏水层上布设有阵列式亲水点。

Description

生物芯片专用亲疏水模式片基

技术领域

本发明涉及一种生物芯片片基，尤其是涉及一种修饰疏水性表面中构建具有亲水性的、面积大小一致的点(点的形状、面积、密度、排布形式可根据实际需要决定)的生物芯片专用亲、疏水模式片基。

背景技术

制作生物芯片，除了专用的仪器外，还需要选择合适的固相支持物--片基，也就是载体材料。作为芯片片基必须符合以下要求：1、表面有活性基团，可与生物分子偶联；2、惰性(不影响生物分子的功能)和稳定性(包括机械、化学、物理等方面)；3、良好的生物兼容性。一般来说各种芯片片基都选择经过相应处理的硅片、玻璃片、瓷片或聚丙烯膜、硝酸纤维素膜、尼龙膜等作为支持物。

常见的主要载体材料有玻片、膜。膜的优点是与核酸亲和力强，杂交技术成熟，通常无需另外包被。由于尼龙膜与核酸的结合能力、韧性、强度都比较理想，以膜为基质的芯片绝大多数采用尼龙膜。Schleicher & Schuell公司是专业生产杂交/过滤膜的公司，著名的硝酸纤维素膜即是该公司首家推出的。S&S的Nytran SuPer Charge正电荷尼龙膜带电量是常规正电荷尼龙膜的3倍，与核酸的结合力更强，而且又大大降低了背景和非特异结合，克服背景高的缺点，加上韧性强，反复杂交10次依然保持表面平整的优点，成为制作尼龙膜芯片的最佳选择。用于制作芯片的玻片必须特别清洁和平滑。玻片表面必须包被合适的功能基团能将靶DNA片段固定住并防止其在杂交洗涤过程中被冲洗掉。经表面化学处理的玻片是一种持久的载体，它可耐受高温和高离子强度；玻片具有不浸润性，使杂交体积降低到最小，因此提高了退火时的动力学参数，疏水表面可以使点密度大于亲水表面(因为亲水表面上样品点将扩散)；玻片的荧光信号本底低，不会造成很强的背景干扰；玻璃芯片可使用双荧光甚至多荧光杂交系统，可在一个反应中同时对两个以上的样本进行平行处理。S&S公司的CASTSlides(Cat.No.10484181，20/box)将SuPerCharge正电荷尼龙膜附着在玻片上，这种特殊的玻片综合了尼龙膜的高亲和力和玻片刚性的优点，是世界上第一个膜结合玻片。而FAST Slides(Cat.No.10484182，20/box)则是在玻片表面包被一种专利的聚合物，这种聚合物能迅速与DNA以非共价但是不可逆的方式结合。由于表面包被层的多孔性和厚度使单位面积的DNA结合能力比常规化学表面处理玻片要高得多，使得检测更加灵敏，其杂交方式和传统的杂交一样。适用的检测方法包括同位素检测、化学发光法和荧光检测，由于包被的多聚物有效降低对入射光的散射，FAST Slide同样适合用激光共聚焦成像系统进行荧光检测。TeleChem ArrayItSuper Microarray Substrates(25mm×76mm)采用高清洁度，超平表面的的玻片并进行化学修饰，各项技术指标居同类产品前列。SuperClean(Cat.No.SMC-25，etc.)，SuperAmine(Cat.No.SMM-25，etc.)和SuperAldehyd(Cat.No.SMA-25，etc.)三种规格可偶联核酸、蛋白、甚至细胞，且偶联过程可以在室温及中性条件下进行。

上述载体材料(片基)无论是何种处理方法，表面都是均匀一致的。

生物芯片制作方式主要分为原位合成和合成后直接在载体上点样两种。点样法制作芯片又分为接触(或半接触——仅液滴接触)和非接触两种模式。在非接触模式中(如喷射方式)，通常用疏水性片基，疏水表面可以使点密度大于亲水表面(因为亲水表面上样品点将扩散)。而对于接触模式，通常选用亲水性片基，这样有利于在接触过程中将样品转移到片基上，但是亲水性片基在使用中有以下不可避免的缺点：1、导致样点扩散而使得斑点面积较大，不能得到密度高的阵列点，而且容易导致样品点之间的交叉污染；2、样点质量(样点体积、面积的重现性)很大程度依赖于样品分配器。

本申请人在专利号为ZL 02 1 26729.1的发明专利中提供一种“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”。

发明内容

本发明的目的在于克服已有的亲水性片基在使用中存在的上述缺点，提供一种在载玻片、硅片或其他载体上修饰疏水性表面(疏水层厚约为2～5μm)中构建具有亲水性的、面积大小一致的点(点的形状、面积、密度、阵列排布形式可根据需要决定，点的形状一般为圆点)的生物芯片专用亲疏水模式片基。

本发明设有基底，基底的上表面设有疏水层，在疏水层上布设有阵列式亲水点，亲水点可为亲水圆点。所述的基底选自玻片或硅片等，可以为方形、圆形等形状，其大小、尺寸根据需要决定，目前大多数生物芯片采用载玻片，因而本发明的片基可采用载玻片大小(2.5cm×7.5cm)，疏水层可选自聚二甲基硅氧烷(PDMS)，厚度2-5μm，亲水点的材料可采用铁、铝等亲水金属。对亲水圆点的直径为10～500μm，厚度为1～5μm，对中、低密度要求的片基，最好为100μm，亲水圆点之间的中心距离为50～1000μm，对中、低密度要求的片基，最好为500μm。亲水点也可为亲水方形点、亲水椭圆点等。

亲水点是由亲水性材料修饰于疏水性表面上的薄膜层，亲水点间相互孤立。

与现有的亲水性片基相比，本发明的突出优点是：

1、结合了亲水性片基和疏水性片基两者的优点，既让液滴很容易转移到片基上的亲水点上，又可以利用亲水点周围疏水部分约束液滴。这样就能够得到斑点面积小的样点。并且由于疏水部分的约束作用，样点间的交叉污染现象也可以很好地避免交叉污染。

2、由于亲水点面积一致性高，当点样(分配器)大小不一致的液滴(在一定体积范围内)与片基上的亲水圆点接触时，片基上所留下的液滴体积变化幅度较小，液滴半径恒定与亲水圆点半径一致。即制作的芯片样点的体积、面积一致性高，因此也大大降低样品分配器(如点样头，针)的制作难度，可大大降低点样机的成本。例如，使用该片基，可降低本申请人的发明专利“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(ZL02126729.1)”中点样芯片的制作难度。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为本发明实施例1制作流程图。

图3为本发明实施例1点样液滴体积与基底上样点体积关系。在图3中，横坐标为点样液滴体积V1(μl)，纵坐标为点样体积V2(nl)，●亲水表面，★亲水圆点，

疏水表面。

图4为本发明实施例1点样液滴体积与样点半径关系。在图4中，横坐标为点样液滴体积V1(μl)，纵坐标为样点半径r(μm)，●亲水表面，★亲水圆点，

疏水表面。

具体实施方式

实施例1

参见图1，本发明实施例设有长方形基底1，基底1的上表面设有疏水层2，在疏水层2上布设有阵列式亲水圆点3，亲水圆点3的直径为10～500μm，亲水圆点3之间的中心距离为50～1000μm，基底1选自玻片或硅片等，疏水层选自聚二甲基硅氧烷(PDMS)，厚度2～5μm，亲水圆点薄膜层材料采用亲水金属(铁、铝)，厚度1～3μm。所制作片基中亲水表面接触角为56°，而疏水表面接触角为110°。

以下给出本发明所述的生物芯片专用亲疏水模式片基的一种制备方法(在疏水基底上构建阵列亲水点可有多种方法，作为实施例，可采用光刻工艺加磁控溅射铁亲水层方法)。

(1)聚合PDMS薄膜：将PDMS(Sylgard184，聚二甲基硅氧烷Poly(dimethylsiloxane))主剂与引发剂(Dow Corning美国)按质量比10∶1混匀，置于真空箱中抽出其中气泡。设定好匀胶机转速和时间，利用真空将清洗好的硅片(或载玻片)吸住，混匀的PDMS液体滴在硅片中心，开始旋转匀胶。再置于真空烘箱中100℃聚合1h。采用的转速为7000～8000转/min，甩胶时间为60s，所得的PDMS膜厚约为2～5μm。

(2)活化PDMS表面：将聚合好PDMS薄膜的硅片置于氧气等离子体去胶机反应腔内，抽真空至真空度为6×10^-1乇以上时，高频输出转换开关旋转至相应反应室。按相应的高压按钮，缓慢调节调压器达到辉光放电。调压到1500V，调节匹配调节旋钮实阳极电流与栅极电流为5∶1。氧气微调阀调至1.2L/min左右，反应10s即可。

(3)制作掩膜板光刻：已曝光过的底片(黑板)，采用二氧化碳激光雕刻机(北京创科源公司，型号：CKY laser MCO₂-50F)按要求的雕刻阵列点(刻去黑色膜，成为透光的点)。

(4)光刻：在活化后的PDMS薄膜表面旋转涂敷一层光刻胶(BP212)(北京化学试剂所)，转速3500转/min，时间30s，胶层厚度1.5μm。置于真空烘箱中90℃前烘15min，待胶层固化后，复盖上掩膜板，在JKG-2A曝光机(曝光波长400nm)曝光106s。

(5)显影及坚膜：去掉掩膜板，在0.5％NaOH显影液中显影22s，除去感光部分的胶层。用氮气吹干硅片表面的水分，置于真空烘箱中135℃坚膜15min。

(6)磁控溅射金属铁：溅射铁条件参数为真空度：3.3×10^-3Pa；Ar气流量：100sccm；工作压强：1Pa；功率：射频100W；时间8min。

(7)光刻胶剥离：将溅射铁层后硅片置于丙酮中浸泡24h，由于BP212光刻胶为正性光刻胶，溶于丙酮，同时除去光刻胶上方的铁层，只剩下光刻显影处的铁层图案。乙醇清洗，超纯水冲洗，氮气吹干。

具体流程见图2。

两者亲水性差异较大，在亲水圆点边缘部分利用疏水部分约束液滴所得到的效果为：在一定体积范围内，大小不一致的液滴与片基上的亲水点接触，片基上所留下的液滴体积变化幅度较小(参见图3)，液滴半径恒定与亲水点半径一致(参见图4)。

图3和图4是利用微量进样器调节针尖点样液滴大小，接触片基来模拟点样，所用的亲水点半径为300μm。通过测量在亲水表面、亲水点和疏水表面上不同液滴大小的接触留下的样点体积，了解周围是疏水部分的亲水点对液滴的约束作用。

从图3和图4可以看出，当与亲水点相应的各个液体转移头所携带的液滴体积不一致时，单纯用一种表面(亲水性的或是疏水性的)得到的液滴体积都会有较大的不一致。如果有亲、疏水模式片基，则可以减小液滴体积的偏差，特别对于液滴半径，能使其恒定与亲水点半径一致，可以使最终样点半径相对标准偏差大大改善。

实施例2

与实施例1类似，其区别在于采用圆形基底，基底上表面设有的疏水层其厚度为3～5μm，在疏水层上布设有阵列式亲水正方形点，亲水正方形点的长宽均为100μm，亲水正方形点之间的中心距离为800μm。基底采用载玻片，大小为2.5cm×7.5cm，亲水正方形点薄膜层材料采用铝亲水金属。

Claims

1、生物芯片专用亲疏水模式片基，其特征在于设有基底，基底的上表面设有疏水层，在疏水层上布设有阵列式亲水点。

2、如权利要求1所述的生物芯片专用亲疏水模式片基，其特征在于所述的亲水点为亲水圆点，亲水方形点或亲水椭圆形点。

3、如权利要求1所述的生物芯片专用亲疏水模式片基，其特征在于所述的亲水圆点的直径为10～500μm，厚度为1～5μm，亲水点之间的中心距离为50～1000μm。

4、如权利要求3所述的生物芯片专用亲疏水模式片基，其特征在于所述的亲水圆点的直径为100μm，亲水圆点之间的中心距离为500μm。

5、如权利要求1所述的生物芯片专用亲疏水模式片基，其特征在于所述的基底选自玻片或硅片。

6、如权利要求1或5所述的生物芯片专用亲疏水模式片基，其特征在于所述的基底为方形基底或圆形基底。

7、如权利要求1所述的生物芯片专用亲疏水模式片基，其特征在于所述的疏水层为聚二甲基硅氧烷层。

8、如权利要求1或7所述的生物芯片专用亲疏水模式片基，其特征在于所述的疏水层厚度为2～5μm。

9、如权利要求1所述的生物芯片专用亲疏水模式片基，其特征在于亲水点为亲水金属点。