新型全自動顯色生物芯片雜交儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王葳，陸恩澤，林志松

1. 上海市醫(yī)療器械檢測所(上海，201318)2. 上海百傲科技股份有限公司(上海，200233)

0 引言

生物芯片技術(shù)發(fā)展于上世紀(jì)90年代，是集現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)技術(shù)、微電子技術(shù)、信息科學(xué)和微型電機(jī)技術(shù)為一體的高新技術(shù)[1]。如今的生物芯片技術(shù)應(yīng)用廣泛，在個體化用藥、基因結(jié)構(gòu)功能研究、疾病診斷、藥物研究開發(fā)等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。

目前市場上的生物芯片雜交儀設(shè)備，存在通量低、反應(yīng)溫度控制不精確、液體泄漏等缺陷。這些問題越來越受到實(shí)驗(yàn)人員的關(guān)注。針對這些問題，本文介紹了一款改進(jìn)型的生物芯片雜交儀。該設(shè)備以注射泵代替原有蠕動泵，提高了試劑輸送的穩(wěn)定性； 以自適應(yīng)的密封反應(yīng)艙解決了試劑泄漏的問題； 通過PID算法對反應(yīng)溫度進(jìn)行控制，提高了控溫精度。

1 雜交儀軟硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件系統(tǒng)

全自動生物芯片雜交儀設(shè)備的外形，見圖1(a)，主要用于生物芯片的自動雜交、洗滌、顯色等反應(yīng)。本設(shè)備適宜選用的生物芯片為玻璃材質(zhì)，表面固定有基因探針陣列，見圖1(b)。芯片被固定在密封反應(yīng)艙體中與待檢測樣品發(fā)生一系列反應(yīng)后形成有色斑點(diǎn)陣列。

該設(shè)備的硬件由電路控制模塊、電源模塊、注射泵模塊、自適應(yīng)密封反應(yīng)艙模塊等構(gòu)成。

注射泵模塊, 圖1(c)是雜交儀的核心組模塊，用于反應(yīng)過程中液體輸送。多通道注射泵系統(tǒng)具有同步精確的加注特點(diǎn)[2]。此改進(jìn)解決了原有蠕動泵因進(jìn)液不均一，而易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗的問題。此外，該設(shè)備通過對基因芯片反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槿芊馐降淖赃m應(yīng)式反應(yīng)艙，圖1(d)。在多組生物芯片同時反應(yīng)的過程中，每個基因芯片上方的彈簧片均能對自適應(yīng)模塊加以調(diào)節(jié)，且每個基因芯片艙內(nèi)是全密封的，避免了漏液問題。每個艙內(nèi)均是可控制閉合的結(jié)構(gòu)，保證了同一組反應(yīng)艙內(nèi)生物芯片反應(yīng)艙的體積完全相同，又可以實(shí)時地觀察反應(yīng)艙內(nèi)的雜交情況以及對艙內(nèi)做清潔工作。

圖1 雜交儀及部分組件圖Fig.1 The equipment and main components

芯片雜交實(shí)驗(yàn)對于控溫精度和穩(wěn)定性要求較高。研究表明基于增量式PID算法的智能溫度控制器具有較好的控制效果和較高的準(zhǔn)確性[3]。筆者對溫度控制模塊的軟件加以優(yōu)化，選擇了特定的控制算法。通過增量式PID設(shè)計(jì)以及波形選擇，實(shí)現(xiàn)了對反應(yīng)艙內(nèi)溫度的精確控制。控溫精度可達(dá)±0.5 ℃。此外，如在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)溫度異常，報(bào)警裝置將響起蜂鳴的聲音，從而確保雜交反應(yīng)在設(shè)定指標(biāo)的范圍內(nèi)。本文將在后續(xù)的試驗(yàn)中對此設(shè)備的溫控性能進(jìn)行驗(yàn)證。

1.2 雜交儀軟件系統(tǒng)

該設(shè)備的用戶軟件基于MFC編寫完成。MFC是微軟提供的C++類庫，其中包含了大量的Windows API，提高了開發(fā)效率[4]。用戶軟件和雜交儀相連，通過RS232同計(jì)算機(jī)進(jìn)行串口通信，其結(jié)構(gòu)見圖3。該軟件根據(jù)生物芯片自動雜交的實(shí)驗(yàn)流程，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的參數(shù)，簡化雜交流程，為工作人員提供了一類簡捷且能夠觀察到反應(yīng)艙內(nèi)情況的觸摸式的人機(jī)交互界面，并按照反應(yīng)情況的參數(shù)變化，顯示數(shù)值變化的曲線，實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)進(jìn)程的控制。

圖2 雜交儀軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Software structure of hybridization equipment

2 檢測試驗(yàn)及結(jié)果

根據(jù)芯片雜交實(shí)驗(yàn)的流程以及影響實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性因素，本文設(shè)計(jì)了溫控性能試驗(yàn)以及液體輸送性能試驗(yàn)。試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證設(shè)備的自適應(yīng)反應(yīng)艙模塊、注射泵模塊以及溫控模塊等主要模塊設(shè)計(jì)的合理性，從而評價設(shè)備的整體性能。

2.1 溫控性能試驗(yàn)

本文以溫度波動度和溫度均勻性兩個指標(biāo)來驗(yàn)證設(shè)備的溫控性能，試驗(yàn)具體步驟如下：

①準(zhǔn)備6個測試用8聯(lián)條管，第2孔裝200 μL 0.1%SDS緩沖液，第5孔裝300 μL純水，其余孔不裝試劑。

②選取雜交實(shí)驗(yàn)常用的四個溫度設(shè)置點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，分別為30 ℃、35 ℃、42 ℃、50 ℃，編制測試程序，使雜交儀依次達(dá)到設(shè)定溫度，并運(yùn)行30 min。

③雜交儀的反應(yīng)模塊、溫控模塊及反應(yīng)艙的對應(yīng)關(guān)系，詳見表1。在每個溫控模塊中隨機(jī)選取一個反應(yīng)艙。本文選取的反應(yīng)艙編號分別為A1、B2、C3、D4、E2、F1。將6張潔凈空白載玻片，裝入編號對應(yīng)反應(yīng)艙，將8聯(lián)條管分別轉(zhuǎn)載入試劑托盤的對應(yīng)編號位置。將溫度檢測儀的感溫探頭固定在反應(yīng)艙的中心位置，并使其與溫控板表面充分接觸。檢測儀精度為0.1 ℃。

表1 反應(yīng)模塊和溫控模塊Tab.1 Reaction module and temperature control module

運(yùn)行測試程序，在每個設(shè)定溫度點(diǎn)，待檢測儀顯示溫度穩(wěn)定后，每隔10 s記錄一次，連續(xù)記錄6個溫度值。

對于每個設(shè)定溫度點(diǎn)，分別計(jì)算最高溫度和最低溫度與設(shè)置溫度的差值，用以評價設(shè)備溫度控制的波動度。

對于同一溫控模塊內(nèi)的兩個反應(yīng)艙，計(jì)算所有測試點(diǎn)的平均溫度。分別計(jì)算最高溫度和最低溫度與平均溫度的差值，用以評價設(shè)備溫度控制的均勻性。測試結(jié)果見表2。

表2 溫控性能試驗(yàn)

從測試結(jié)果看，該設(shè)備的溫度波動度和溫度均勻性不超±0.5 ℃，能夠?qū)﹄s交實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制進(jìn)而保證實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性。

2.2 輸送性能試驗(yàn)

本文以測試液在反應(yīng)艙內(nèi)的容量占比驗(yàn)證設(shè)備的液體輸送性能，試驗(yàn)具體步驟如下：

① 準(zhǔn)備6個測試用8聯(lián)條管，第2孔裝200 μL 0.1%SDS緩沖液，第5孔裝300 μL純水，其余孔不裝試劑； ②取6張水溶性筆標(biāo)記過的潔凈玻片裝入編號A1、B1、C1、D1、E1、F1的反應(yīng)艙； ③ 編制測試程序，使設(shè)備在40 ℃運(yùn)行清洗5 min； ④ 緩沖液清洗和純水清洗程序結(jié)束后分別取出觀察裝載玻片上的標(biāo)記應(yīng)可見被沖洗的跡象，以玻片上被沖洗掉的顏色位置表示進(jìn)液量，用上述測試后的玻片與標(biāo)準(zhǔn)卡(圖3)對比，并記錄每個反應(yīng)艙的進(jìn)液量； ⑤ 取出倉內(nèi)試劑托盤上的6個測試8聯(lián)條管，在第二孔補(bǔ)加200μL 0.1%SDS緩沖液，并裝入試劑托盤A2、B2、C2、D2、E2、F2位置，取6張水溶性筆標(biāo)記過的潔凈玻片裝入編號A2、B2、C2、D2、E2、F2的反應(yīng)艙，指定運(yùn)行測試程序，結(jié)束后觀察并記錄； 同理，測試A3～F3、A4～F4。

液體輸送試驗(yàn)結(jié)果見表3，測試液在反應(yīng)艙容量不小于艙體積的70%。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)卡示意圖Fig.3 Reference card for liquid volume measurement

測試用試劑密封性測試液在反應(yīng)艙容量(%)輸送位置緩沖液A1:80B1:80C1:80D1:85E1:75F1:75超純水A1:100B1:100C1:100D1:100E1:100F1:100正確緩沖液A2:80B2:85C2:80D2:80E2:75F2:75超純水A2:100B2:100C2:100D2:100E2:100F2:100正確緩沖液A3:85B3:80C3:85D3:80E3:75F3:75超純水A3:100B3:100C3:100D3:100E3:100F3:100正確緩沖液A4:80B4:85C4:75D4:80E4:75F4:75超純水A4:100B4:100C4:100D4:100E4:100F4:100正確

由此試驗(yàn)結(jié)果可見，該設(shè)備的注射泵輸送性能以及自適應(yīng)反應(yīng)艙的密封性能良好，從而能夠保證雜交實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論與展望

本文基于當(dāng)前生物雜交儀以及生物芯片雜交原理，研制了新型生物芯片全自動雜交儀。該設(shè)備增強(qiáng)了恒溫控制精確度，增加了溫控異常報(bào)警設(shè)置、生物芯片自適應(yīng)模塊、PID控制模塊及其他的模塊。為驗(yàn)證新型設(shè)備的性能指標(biāo)，本文設(shè)計(jì)并進(jìn)行了溫控性能和液體輸送性能試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，相應(yīng)的功能模塊可以滿足特定的技術(shù)指標(biāo)，基本實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的功能。

本文所介紹的全自動雜交儀，仍可在以下若干個方面加以改進(jìn)：

(1)優(yōu)化機(jī)械部件的設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)的整體布局以及各功能部件的布局。用便捷的開、關(guān)口方式，以便于試管的放置以及取用。

(2)選擇合適的試管托架，改變固定的方式，在整體重量減少的前提下選擇耐溫強(qiáng)以及抗沖擊的材質(zhì)。

(3)進(jìn)一步地優(yōu)化溫控算法以及恒溫的方式，增強(qiáng)溫度控制的精確度以及保證反應(yīng)艙內(nèi)溫度的一致性。