集成式微阵列装置

本发明涉及一种用于在临床诊断、药物筛选、动植物育种、食品卫生检 验和司法鉴定等领域中对多种生物样品进行反应和检测的微阵列装置。

微阵列(microarray)自九十年代初出现以来[参见Fodor S.P.A.，Read J.L.，Piming M.C.等的“光寻址并行化学合成(Light-directed spatially addressable parallel chemical synthesis)”，科学(Science)，第251期， p767-773(1991)]发展非常迅猛，目前它作为生物芯片的一大类别在医学诊 断、疾病机理研究、药物筛选、卫生监测、功能基因组学研究等方面具有广 阔的应用前景[参见Hacia J.G.的文章，自然遗传学(Nature Genetics)，第14 期，p441-447(1996)；Heller R.A.等的文章，美国科学院院刊(Proc.Natl. Acad.Sci.USA)，第94期，p2150-2155(1997)]。其基本原理是在各种材料 (如玻璃、硅、尼龙膜)表面固定一定密度的探针，如DNA、抗体或抗 原、细胞、组织，这些探针包含着特定意义的信息，如对应于某些疾病的特 定基因片段，药物待作用的特定细胞或组织，使用该微阵列时，将样品处理 后与微阵列上的探针进行作用，样品中的待作用物质(可以是DNA、 RNA、抗体或抗原等)可用荧光、化学发光试剂或同位素进行标记以便于检 测作用结果。针对不同的标记方法，目前的检测手段有荧光共焦扫描仪、微 弱发光测量仪、同位素成像仪等。

目前微阵列虽然应用广泛，但也存在一些问题，比如：目前的微阵列大 多追求高密度，每个微阵列上的探针数量达几万至几十万，以求达到高通量 并行分析的目的，但是对于特定目的来说，并不一定需要很高密度的探针， 相应的微阵列制作成本也就无需那么高。而且，目前的高密度微阵列不能保 证检测结果的高可靠性，因为微阵列上的众多探针各方面性质不尽相同，比 如用DNA作为探针时，其碱基数或碱基组成并不一定完全相同，这样它们 最适宜的杂交温度也就不同，而只有在最适宜的杂交温度下才能得到最严格 的杂交特异性结果，也就是说，才能将错配的比例减小到最低，以得到最准 确的分析检测结果。另外，目前的微阵列大多只能逐个检测，因此操作起来 不方便，检测效率低。

本发明的目的是克服目前微阵列装置的上述不足，提供一种用于对多种 生物样品进行反应和检测的高效、廉价、检测结果可靠的微阵列装置。

为实现上述目的，根据本发明的技术方案提出一种集成式微阵列装 置，该装置包括一基片，所述基片上设置了多个反应池，每个所述反应池中 装配了一个微阵列芯片。该微阵列芯片可以是低密度芯片。在优选的方案 中，每个所述反应池底部还装配了一个温控器，这些温控器在计算机的控制 下可以对各反应池的温度进行单独控制。使用该装置时，将众多的探针按其 热熔点温度的相近程度分成不同的小组，然后将每个小组固定在一个反应池 中的一个微阵列芯片上，这一小组所需的特定适宜的反应温度可以通过本装 置每个反应池底部的温控器来单独控制。这样对探针进行精细的分组和单独 控制温度便可以使操作者严格地控制诸如杂交反应的温度条件，使由于温度 控制不适宜导致的检测误差减低到最小。另外，按照本发明优选方案的集成 式微阵列装置的尺寸规格与标准的多孔板例如标准的96孔板、384孔板或 1836孔板相对应，也就是说，反应池的数量及各反应池之间的距离是标准 的，以利于用机械手进行加样、清洗等自动化操作，从而实现简便、高效的 生化反应和检测目的。

通过下面结合附图对本发明优选实施例的详细描述，本发明的上述目的 和优点将会更加清楚。附图中相同的参考数字表示相同的部件。

图1为根据本发明优选实施例的集成式微阵列装置的俯视图；

图2为根据本发明优选实施例的集成式微阵列装置中的一个单元的立体 图；

图3为根据本发明的集成式微阵列装置中的温控器的连线示意图；

图4为可在根据本发明的集成式微阵列装置中用作温控器的一半导体双 向温度控制器的结构示意图。

图1为根据本发明优选实施例的集成式微阵列装置的俯视图。该装置包 括一个基片1。基片1的材料可以是塑料、玻璃、硅、陶瓷等，根据不同的 用途，可以采用致密或非致密材料，刚性或弹性材料。

基片1上以例如蚀刻的方法形成了多个反应池2，每个反应池2中装配 了一个微阵列芯片3。反应池的数量及各反应池之间的距离可以根据实际需 要进行选择，但是最好与一个标准的多孔板，例如标准的96孔板、384孔 板或1836孔板上孔的数量及孔间距相对应，以利于用机械手进行加样、清 洗等自动化操作。图1中作为例子示出的集成式微阵列装置的尺寸规格与一 标准的96孔板的尺寸相对应，也就是说，基片1上共有96个反应池2，各 反应池2之间的距离为9毫米，与标准的96孔板的孔间距相同。

图2为根据本发明优选实施例的集成式微阵列装置中的一个单元的立体 图，其中清楚地示出了一个反应池2和装配在其中的微阵列芯片3。反应池 2的上端口的形状为长方形，其外接圆直径不大于标准的96孔板的孔径。装 配在反应池2中的微阵列芯片3的形状也是长方形的。在本实施例中将反应 池2与微阵列芯片3均制成长方形是为了便于正确地定位，但本领域技术人 员可以理解，反应池2与微阵列芯片3也可以采用其他形状、例如圆形等， 而不限于长方形。反应池2的深度可根据微阵列芯片3的厚度和加样量来决 定，例如可在几百微米至几厘米之间变化。

在使用本发明的集成式微阵列装置进行生物或药物分子的检测时，可以 将众多的探针按其性质如碱基数或碱基组成分为性质相近的小组，将每个小 组的探针固定在一个反应池2中的微阵列芯片3上。探针的种类可以是 cDNA、寡核苷酸、抗体或抗原、受体、多肽以及细胞、组织等。微阵列芯 片3的基质可以用各种材料如硅、玻璃、尼龙膜等制成。探针与微阵列芯片 3的基质之间的固定可以用各种方法，如被动吸附、共价键合、包埋等[参见 Beattie W.G.等的文章，分子生物技术(Molecular Biotechnology)，第4期， p213-225(1995)；Subramanian A.等的文章，酶与微生物技术(Enzyme & Microbial Technol.)，第24期，p26-34(1999)]。

由于对于特定的目的例如诊断或研究某种特定类型的疾病、筛选某种特 定药物、进行特定类别的功能基因组研究来说不一定需要很高密度的探针， 所以本发明装置中采用的微阵列芯片3可以是其上仅固定了例如数十至数百 个探针的低密度微阵列芯片。因此，本发明的装置可以用成本较低的低密度 微阵列芯片制成。另一方面，由于本发明的集成式微阵列装置中包括多个单 元(例如可为96个、384个、1836个等等)，尽管每个单元中的探针数量可能 较少，但整个集成式装置中固定的探针数量可以多达数万至数十万个，能够 实现高通量分析的目的。

为了对位于各反应池2中性质各不相同的探针所需的特定的适宜反应温 度进行控制，如图2所示，根据本发明的集成式微阵列装置在每个反应池2 的底部装配了一个温控器6。图3示出了各温控器6的一种连线方式。其 中，每个温控器6具有两根引线9、9’，分别连接至电源的正、负极(未 示出)。通过用计算机控制各温控器6与电源接通/不接通，可以对各反应 池2中的温度进行单独控制。

温控器6可以简单地为一用来对反应池2进行加热的电阻，该电阻可以 以粘合的方式固定在反应池2的底部。如果基片1的材料是硅，可以直接用 微加工技术在反应池2背面进行刻蚀，将适于用作加热元件的金属(如铜) 沉积或蒸镀到硅材料上。反应池2的底部做得尽量薄以利于加热元件与微阵 列芯片3之间的导热。

温控器6也可以是如图4所示的一个半导体双向温度控制器。该半导体 双向温度控制器是一种公知的器件，它一方面可以对反应池2进行加热，另 一方面当反应池2中的温度高于环境温度、例如为50℃时，可以用来降低 反应池2中的温度。该半导体双向温度控制器可以以粘合的方式固定在反应 池2的底部。

本领域的技术人员应该理解，可以采用任何合适的现有温控器件作为本 发明中的温控器6，而不限于上述的电阻或半导体双向温度控制器。例如， 可以采用陶瓷加热器作为温控器6，并将该陶瓷加热器以粘合的方式固定在 反应池2的底部以对反应池直接加热。或者，可以采用红外加热器作为温控 器6，以非接触式红外光照射的方式对反应池2进行加热。另外，为了对各 温控器6进行单独选择和控制所采用的连线方式也不限于图3中所示的方 式，而可以根据现有技术中对多个单元中的特定单元进行选择和控制的任何 方法来设计。

另外如图1和图2中所示，在按照本发明优选实施例的装置中，各反应 池2之间的隔离墙被做成由支撑壁4及其间的通孔5构成的镂空形状，以利 于各反应池之间的隔热。镂空的尺寸根据基片材料的不同在保证牢固度的前 提下尽量做得较大。举例来说，当基片1的材料为塑料时，每个镂空孔尺寸 可以为3×2毫米。镂空的加工手段根据基片材料的不同可采用激光切除[参 见Simpson P.C.等的文章，美国科学院院刊(Proc.Natl.Acad.Sci.USA)， 第95期，p2256-2261(1998)]、铸模[参见Becker H.等的“Integrated capillary electrophoresis for chemical analysis(用于化学分析的集成式毛细管 电泳)”，传感器现代化(Sensors Update)，卷3，p208-238(1998)]、 模压[参见Kopp M.U.等的文章，化学生物学新观点(Current Opinion in Chem.Biol.)，第1期，p410-419(1997)]、铸造[参见Delamarche E.等的文 章，美国化学学会杂志(J.Am.Chem.Soc.)，第120期，p500-508(1998)] 等。

使用本发明的装置进行生化反应时，在反应池2中的微阵列芯片3上加 入样品后，为了防止样品挥发，可以用盖玻片来盖住样品，盖玻片的大小根 据微阵列的大小来调节(不大于微阵列的大小)。也可以用高沸点的疏水有 机试剂层8覆盖样品层7进行封闭，如图2中所示。有机试剂可以是辛烷烃 等，加入的有机试剂量视样品量和微阵列芯片的面积而定，此方法简便、高 效。

对本发明装置的各反应池2中的反应结果的检测可用CCD或同位素成 像仪来进行，具体使用哪种方法视微阵列芯片3上的样品所使用的标记物质 而定。检测时，将集成式微阵列装置置于可以固定尺寸移动的显微镜载物台 上。CCD或同位素成像仪每次对一个微阵列芯片成像一次，然后承载集成 式微阵列装置的载物台上的动力学装置移动一个反应池的距离，再对下一个 微阵列芯片进行成像。这样的检测装置价格较低，操作简单，效率高，可以 为一般小型医院和实验室接受。

以上结合优选实施例对根据本发明的集成式微阵列装置进行了描述。本 领域的技术人员可以理解，上文中提到的参数例如数量、尺寸和温度等均是 示例性的而不应视为对本发明的限制。本发明的范围由后附的权利要求书限 定。