開放式基因芯片雜交體系可行性研究

2018-06-24 09:40:04朱金輝

制造業(yè)自動化 2018年6期

朱金輝

（上海倫恩科貿(mào)有限公司，上海 201611）

0 引言

基因芯片技術(shù)是目前生物學領(lǐng)域非常重要的研究工具，目前已經(jīng)在臨床疾病診斷、藥物篩選和新藥開發(fā)、基因功能研究、環(huán)境保護、農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)應(yīng)用、軍事和司法應(yīng)用、生物芯片自動化研究和生物信息研究等方面[1]。基因芯片雜交，是指標記的樣品與芯片上的靶序列進行結(jié)合，產(chǎn)生待測信號的過程[2]。芯片雜交僅靠手動操作，繁瑣易出錯，而且無法同時進行大量樣品的同時檢測；為了能夠進行大批量芯片的同時檢測，降低基因芯片雜交對雜交環(huán)境的要求，提高雜交效率，減少人為影響，本文設(shè)計了基因雜交開放式反應(yīng)倉，并建立開放式板式溫控體系和雜交結(jié)果的CCD成像體系。

1 開放式反應(yīng)倉的設(shè)計

開放式反應(yīng)倉采用單玻片雙反應(yīng)倉設(shè)計，分別為A反應(yīng)倉和B反應(yīng)倉。C處可用于粘貼二維碼，對芯片內(nèi)容進行說明。本反應(yīng)倉設(shè)計尺寸為12mm×20mm。如圖1所示。

2 開放式板式溫控體系的建立

反應(yīng)倉溫度的控制過程貫穿于生物芯片的雜交過程，如圖2所示，反應(yīng)倉溫度控制對生物芯片雜交是否成功起到至關(guān)重要的用。因此，下面對開放式板式加熱平臺加熱源的排布特點及其板內(nèi)溫度分布均勻性進行探討。

圖2 生物芯片雜交步驟

2.1 開放式板式溫控物理模型

本溫控物理模型由制冷片、加熱平臺、散熱平臺和風扇組成，如圖3所示，具體參數(shù)如下：

制冷片規(guī)格：XH-C1210 C系列工業(yè)大功率120W制冷片，其參數(shù)為：

尺寸：40×40×3.5；

電壓：DC12V；

電流：10A；

制冷片數(shù)量：5片；

加熱平臺：材質(zhì)：6061，表面尺寸：410mm×80mm，重量：0.852kg；

散熱平臺：材質(zhì)6061，表面尺寸：410mm×80mm，重量0.324kg；

風扇：數(shù)量，5個，規(guī)格：80×80×25，電壓24V。

圖3 開放式板式溫控物理模型

2.2 溫度檢測傳感器精度測試

2.2.1 測試工具

1）鎧裝PT100傳感器；

2）水銀溫度計0～50℃；

3）水銀溫度計50～100℃；

4）水域加熱器。

2.2.2 測試步驟

步驟1：加熱器裝入清水，開始加熱。

步驟2：水沸騰后，放入PT100傳感器，同時放入水銀溫度計（量程50℃～100℃）。

步驟3：關(guān)閉加熱器，開始記錄數(shù)據(jù)。

步驟4：溫度降到50℃后更換量程為0～50℃的水銀溫度計。繼續(xù)記錄數(shù)據(jù)。

2.2.3 測試結(jié)果及其分析

圖4為水銀溫度計的測試結(jié)果和傳感器的測試結(jié)果，并對其結(jié)果做線性擬合。可知傳感器的測試結(jié)果和水銀溫度計的測試結(jié)果線性擬合斜率為0.975，并且R2=0.999。圖5表示傳感器測試溫度和水銀測試溫度的溫度偏差值分析。偏差值最大1.6，最小0，隨溫度下降偏差值下降。

圖4 測試結(jié)果

圖5 傳感器溫度和水銀溫度計偏差

2.3 板式溫控均勻性試驗測試

加熱平臺表面溫度均一性測試如下所述。

在不放置反應(yīng)倉的情況下，先對加熱平臺表面的溫度進行測試。鎧裝PT100的溫度作為參考溫度。

將鎧裝PT100溫控器溫度設(shè)定為50℃，開啟溫控器。等溫度穩(wěn)定后，使用貼片式PT100傳感器，對模具表面多點進行溫度測量。

分別取當溫度設(shè)定值為50℃、40℃、30℃時的三組數(shù)據(jù)，如表1和圖6所示。分析如下：

1）加熱平臺表面的溫度中央比兩邊要高。隨著溫度降低，整體的溫度均一性提高，如圖6所示。

50℃時，表面溫度平均為48.7°，表面溫差+0.52以及-0.48℃。

40℃時，表面溫度平均為39.5°，表面溫差+0.2以及-0.3℃。

30℃時，表面溫度平均為29.6°，表面溫差+0.2以及-0.1℃。

2）加熱平臺內(nèi)部測量值與表面值的溫差，如圖7所示。

50℃時，表面溫度平均為48.72°，平均溫差1.28℃。

40℃時，表面溫度平均為39.53°，平均溫差0.47℃。

30℃時，表面溫度平均為29.6°，平均溫差0.39℃。

圖6 加熱平臺溫度均一性測試結(jié)果柱狀圖

表1 加熱平臺溫度均一性測試結(jié)果

圖7 加熱平臺溫度偏差測試結(jié)果柱狀圖

3 生物芯片雜交結(jié)果的CCD成像體系的建立

圖8 CCD成像體系

CCD成像體系由工業(yè)相機、遠心鏡頭、濾光片和同軸光源組成，如圖8所示。其配置如表2所示。由于生物芯片上點樣點顏色為透明液體，為了凸顯透明液體的邊界特征，選擇500萬像素的CCD，如表3所示，其配套的遠心鏡頭選型如表4所示，鏡頭參數(shù)如表5所示，所以其視野范圍（mm×mm）：17.6X13.2。同軸光源選型：紅色光源HCL50。同軸光源主要由高密度LED和分光鏡組成。LED發(fā)出光經(jīng)過分光鏡后，跟CCD和相機在同一軸線上，可以有效消除圖像的重影，適合光潔物體表面劃痕的檢測。濾光片選擇635紅光濾波片，消除雜光對成像效果的影響。