基于力反饋的機械微點樣系統(tǒng)研究

朱華敏 冷惠文 羅昆 邢玉琪

摘 要：機械點樣微點陣技術是將生物學、化學、物理學、光學等多項學科高度結合形成的一項交叉技術。合成后點樣是制備微陣列生物芯片的主要方法，即將預先合成的生物樣品按一定順序固定于基底上，形成所需陣列。點樣方式根據點樣針是否與芯片基底接觸而分為接觸式和非接觸式兩種。其中因接觸式點樣方式具有點樣操作簡單、點樣點小且點樣中點樣樣品浪費少等優(yōu)點而被廣泛應用。在接觸式點樣方式中，常用的通過CCD直接成像分析或者激光共聚焦掃描儀分析方法對點樣點進行控制的方式，要么存在分辨率低和靈敏度差的問題，要么存在系統(tǒng)復雜的問題。故本文提出并搭建了一種基于力反饋的微點樣系統(tǒng)，既具有較高的靈敏度和分辨率，且系統(tǒng)簡單，操作方便。

關鍵詞：機械點樣微點陣技術；力反饋；微點樣系統(tǒng)；自動點樣

中圖分類號：TP242 文獻標志碼：A

0 引言

機械點樣微點陣技術被廣泛應用于多基因表達分析（又稱表達譜分析），即針對處于不同生理狀態(tài)的生物樣品（組織或細胞），分別合成代表各自總mRNA轉錄庫的靶分子（單鏈cDNAs），且分別用不同熒光素標記，然后一起與微點陣雜交，達到對多個樣品的平行分析。另外，機械點樣微點陣技術還可應用于比較基因組學研究、DNA序列變異檢測與基因分型等方面。它成功地實現(xiàn)了生物信息的大規(guī)模集成以及生物實驗從串行過程向并行過程的轉變，大大加快了生命科學研究的過程。機械點樣微點陣技術按照點樣針是否與芯片基底接觸分為接觸式和非接觸式兩種。其中，非接觸點樣主要分為兩種，一種是基于電磁微閥原理，通過精密電磁閥實現(xiàn)定量點樣，這種方式一般需要進行預增壓和預點樣才能使點樣液滴體積達到穩(wěn)定，操作比較復雜；另一種是用壓電晶體將液體從孔中噴出的壓電技術，但這種方式當點樣針發(fā)生堵塞等問題時不易清洗，且點樣頭造價昂貴。接觸式點樣方式的點樣針尖端的液體與基底直接接觸，通過毛細作用形成陣列點。接觸式點樣操作簡單，相對便宜，點樣點小且點樣中樣品浪費少。

接觸式點樣過程中，點樣點的大小取決于點樣針與基底之間的接觸力大小和接觸時間的長短，目前常用的控制點樣點大小的方式主要為通過CCD直接成像分析或激光共聚焦掃描儀分析結果，直接成像的缺點是空間分辨率低和靈敏度差，而掃描系統(tǒng)需要復雜的固定裝置以使對玻片的掃描準確無誤。基于此，本文提出并搭建了一種基于力反饋的微點樣系統(tǒng)。借助此系統(tǒng)可以實時精確監(jiān)測點樣針與基底之間的接觸力大小和接觸時間，實現(xiàn)對點樣點尺寸的準確控制。同時此系統(tǒng)具有較高的靈敏度和較高空間分辨率。

1 系統(tǒng)結構與分析

如圖1所示，本文提出的基于力反饋的微點樣系統(tǒng)主要包括：點樣針，主控計算機，運動控制電動線性位移臺，力傳感器，數據采集處理模塊，固定支架。

在潔凈的空間中，將點樣針固定在支架上，移動支架將點樣針移動到基底所在的位置，控制精密三軸電動線性位移臺使其Z軸向上運動，并在力傳感器的配合下使點樣針針尖與基底接觸并停留一定時間完成點樣。完成一個點樣點之后，點樣針抬起，位移臺XY軸運動，到達下一個點樣位置。點樣過程中借助數據采集處理器對接觸力進行實時監(jiān)測，在監(jiān)測到接觸力偏離要求值時，主控計算機給電動位移臺發(fā)送指令控制其Z軸上下運動，直到點樣針與基底之間接觸力達到要求值后，再進行點樣，如此重復。點樣過程中，借助LabVIEW軟件均可對各步操作進行編程控制，即可實現(xiàn)全自動精準點樣。

為能實時監(jiān)測點樣效果，微點樣系統(tǒng)可以配備視覺監(jiān)測裝置，用以監(jiān)測是否點樣成功以及點樣點尺寸是否穩(wěn)定。

2 系統(tǒng)搭建

本文提出的基于力反饋的機械微點樣系統(tǒng)中，關鍵組成部分為位移臺、力傳感器。

機械點樣微點陣技術因主要應用于生物、醫(yī)學等微納米領域，故對點樣精度提出了很高的要求，這就要求我們能夠實現(xiàn)在每個點樣位置實現(xiàn)精準點樣，因此運動平臺需要具有高的定位精度。同時，點樣針與芯片基底之前點樣過程中接觸力微小，這也要求了位移臺在Z向上的要具有盡可能小的步進增量，以確保點樣針與基底之間的接觸力不會因過接觸而超出預定值。故我們選用Thorlab公司型號為PT3/M-Z8的三維電動線性位移臺，此位移臺最小步進增量可達50nm，能實現(xiàn)在微點樣過程中準確定位及精準點樣。

本文提出的基于力反饋的機械微點樣系統(tǒng)，通過控制點樣針與芯片基底之間的接觸力大小及接觸時間，來控制點樣點的尺寸。力傳感器是實現(xiàn)接觸力監(jiān)測中至關重要的一部分。點樣針與基底之間接觸力微小，故需要選用具有高靈敏度及穩(wěn)定性的力傳感器。我們選用日本MAT公司的型號為TRCL-A的測力傳感器，該傳感器采用鋁合金材質，精度等級高，穩(wěn)定性好，性價比優(yōu)，滿足微點樣過程中對接觸力監(jiān)測的需要。

結論

本文分析了機械點陣微點樣技術在生物、醫(yī)學等方面的廣泛應用以及現(xiàn)有的點樣尺寸監(jiān)測及控制方法在接觸式點樣中的不足之后，我們提出并自行搭建了一套基于力反饋的微點樣系統(tǒng)，研究了點樣針與基底材料之間的接觸力及接觸時間對點樣點大小的影響，基于此，通過監(jiān)測及控制點樣過程中的接觸力及接觸時間來對點樣點的大小進行監(jiān)測和控制。另外，此系統(tǒng)還包括了運動控制部分、視覺監(jiān)測部分、信號采集處理部分，通過各部分的配合，可以實現(xiàn)全自動精準點樣。本文提出的基于力反饋的微點樣系統(tǒng)，具有高的靈敏度及分辨率，且系統(tǒng)簡單操作方便，具有良好的應用前景和推廣價值。

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