一種便攜式生物芯片檢測裝置制造方法
【專利摘要】一種便攜式生物芯片檢測裝置，由電子生物芯片基片、芯片反應盒和便攜式生物芯片閱讀儀組成；其中：電子生物芯片基片是將傳感器與電子元器件邦定在印刷電路板，傳感器周圍用邦定膠封起一雜交反應池；芯片反應盒為一盒體，該盒體的一端設有插入電子生物芯片基片的插口，盒體的一個側面上設有兩個通孔，由所述兩個通孔與電子生物芯片基片的反應池組成連通器；便攜式生物芯片閱讀儀由集成電路、緩存、USB控制器和DC/DC PWM調(diào)壓芯片組成，與電子生物芯片基片和上位機連接，將電子生物芯片發(fā)出的電子信號傳到上位機進行分析，同時將上位機的指令傳達到生物芯片上。
【專利說明】一種便攜式生物芯片檢測裝置

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于生物芯片檢測【技術領域】，更具體地涉及一種便攜式生物芯片檢測裝置。

【背景技術】
[0002]隨著人類、植物、動物以及微生物大規(guī)模測序的完成，如何利用測序所揭示出的遺傳信息去探索生命從生長、繁衍到最后凋亡一系列生命過程的奧秘，成為測序完成后生命科學領域又一重大課題，因此集合了高通量遺傳信息的生物檢測技術使這一課題的實現(xiàn)成為了可能。生物芯片的出現(xiàn)將給生命科學、醫(yī)學、司法鑒定、食品與環(huán)境監(jiān)督等眾多領域帶來巨大的革新。
[0003]目前用于生物芯片的檢測系統(tǒng)大致分為兩大類:一類是以光電倍增管(PhotoMulitiplier Tube, PMT)為原理基礎的激光共聚焦生物芯片掃描儀，另一類是以CXD (Charge Coupled Device)傳感器為原理基礎的C⑶生物芯片掃描儀，這兩類生物芯片檢測系統(tǒng)都是以載玻片作為多肽或寡核苷酸的載體。
[0004]以PMT為原理基礎的激光共聚焦生物芯片掃描儀，其PMT是一個靈敏度很高的光源檢測器，可以將入射光信號放大，因此這種設備體積龐大、笨重、掃描速度慢且成本高，目前市場上售價在50萬元以上。
[0005]以CXD傳感器為原理基礎的CXD生物芯片掃描儀，其體積和成本相對于激光共聚焦掃描儀來說，體積較小、成本較低但是其需要一個冷處理裝置來降低其由熱帶來的噪音，其市場售價在10萬元左右，仍然無法攜帶。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種便攜式生物芯片檢測裝置，以改進公知技術中存在的缺陷。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的便攜式生物芯片檢測裝置，由電子生物芯片基片、電子生物芯片基片反應盒和便攜式生物芯片閱讀儀組成；其中:電子生物芯片基片是將傳感器與電子元器件邦定在印刷電路板，傳感器周圍用邦定膠封起一雜交反應池；
[0008]電子生物芯片基片反應盒為一盒體，該盒體的一端設有插入電子生物芯片基片的插口，盒體的一個側面上設有兩個通孔，由所述兩個通孔與電子生物芯片基片的反應池組成連通器；
[0009]便攜式生物芯片閱讀儀由集成電路、緩存、USB控制器和DC/DCPWM調(diào)壓芯片組成，與電子生物芯片基片和上位機連接，將電子生物芯片發(fā)出的電子信號傳到上位機進行分析，同時將上位機的指令傳達到生物芯片上。
[0010]所述的便攜式生物芯片檢測裝置中，傳感器周圍的雜交反應池是采用COB邦定膠。
[0011]所述的便攜式生物芯片檢測裝置中，電子生物芯片基片上的傳感器為CMOS傳感器。
[0012]所述的便攜式生物芯片檢測裝置中，盒體側面上的其中一個通孔插有一根槍頭，以保持與外界的大氣壓相同，另一個通孔用于吸出或注入反應液體。
[0013]本發(fā)明具有以下幾個優(yōu)勢:
[0014]I)體積小，本發(fā)明的便攜式生物芯片閱讀儀可以制作成體積為270mmX155mmX90mm，為目前市場上生物芯片閱讀儀的1/3-1/10。
[0015]2)重量輕，本發(fā)明的便攜式生物芯片閱讀儀的重量可以作成僅1.5kg，為目前市場上最輕的生物芯片閱讀儀的1/15 ;這樣的體積和重量使生物芯片閱讀儀的攜帶和現(xiàn)場操作成為可能，最大程度上發(fā)揮了生物芯片檢測的功能。
[0016]3)低成本，本發(fā)明的便攜式生物芯片閱讀儀的制作成本較低，因此使生物芯片普及應用成為可能。
[0017]4)操作簡便，本發(fā)明的便攜式生物芯片閱讀儀配套了生物芯片反應盒，增加了生物芯片的可操作性，使生物芯片的操作變得簡便。在生物芯片反應后直接將裝有電子生物芯片基片的反應盒插入生物芯片閱讀儀上，即可采集圖片，收集數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)處理。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明的電子生物芯片基片結構示意圖。
[0019]圖2是本發(fā)明電子生物芯片基片的一個實施例電路圖。
[0020]圖3A是本發(fā)明電子生物芯片基片插入芯片反應盒后的外觀示意圖。
[0021]圖3B是圖3A的側面剖示圖。
[0022]圖4是本發(fā)明便攜式生物芯片閱讀儀的外觀示意圖。
[0023]圖5是本發(fā)明便攜式生物芯片閱讀儀的工作原理示意圖；圖中實線表示由電子生物芯片傳送出來的信號，虛線表示由上位機軟件發(fā)送的信號。
[0024]圖6是本發(fā)明便攜式生物芯片閱讀儀的一個實施例的線路圖。
[0025]圖7是本發(fā)明第一應用實施例的顯色圖。
[0026]圖8是本發(fā)明第二應用實施例的顯色圖，其中A、B、C、D、E分別是按3倍梯度稀釋的標準顯色圖，F(xiàn)是檢測的樣品顯色圖。
[0027]圖9是第一應用實施例的標準曲線。
[0028]圖10是第二應用實施例的標準曲線。
[0029]圖11是本發(fā)明第三應用實施例的顯色圖。
[0030]圖12是本發(fā)明第四應用實施例的顯色圖。
[0031]圖13是本發(fā)明第五應用實施例的顯色圖。
[0032]附圖中主要組件符號說明:
[0033]CMOS傳感器1，電子元器件2，印刷電路板3，電子生物芯片基片4，芯片反應盒5，芯片反應盒底蓋6，芯片反應盒反應腔7，芯片反應盒上蓋8，通孔9。

【具體實施方式】
[0034]請參閱圖1，是本發(fā)明的電子生物芯片基片的結構示意圖。本發(fā)明是將CMOS傳感器I結合其他必要的電子元器件2用COB(Chip-On-Board)邦定膠固定在印刷電路板3上，并用COB邦定膠在CMOS傳感器周圍用封起一雜交反應池，形成電子生物芯片基片4。
[0035]圖2是本發(fā)明電子生物芯片基片的一個實施例的電路圖。在電子生物芯片基片的雜交反應池直接點上蛋白、多肽或寡核苷酸，并進行雜交反應，電子生物芯片基片的CMOS傳感器接收雜交反應后的信號進行處理、緩存和放大，并將光信號轉換成電信號。本發(fā)明的電子生物芯片基片在CMOS傳感器芯片上集成了圖像采集功能，并且可以通過I2C配置進行編程。本發(fā)明利用該CMOS傳感器芯片具有較高的數(shù)字清晰度，在保持了 CMOS原有的尺寸成本等優(yōu)勢的同時，獲得對弱光敏感的圖像質(zhì)量。CMOS傳感器芯片是全自動單芯片的攝像頭，基本的運作只需電源和時鐘源。視頻數(shù)據(jù)通過并行10位Dout端口輸出。輸出像素時鐘用于鎖存數(shù)據(jù)，而FRAME_VALID和LINE_VALID則表明工作與動態(tài)視頻狀態(tài)。通過設置STANDBY管腳可以令其工作于低功耗睡眠模式。CMOS傳感器芯片通過編程實現(xiàn)的步進掃描圖像可以達到 30 幀每秒，包括 ITU_RBT.656 (YCbCr) formerly CCIR656, YUV, 565RGB, 555RG
B,444RGB、raw data幾種格式。有專屬的FRAME_VALID和LINE_VALID管腳進行輸出，與像素時鐘信號保持同步。本發(fā)明的一個實施例中采集回的圖像為raw data格式，圖像大小為352X288。CMOS傳感器芯片可以接受外部達到27MHz的時鐘，傳輸速度為30幀每秒，攝像頭的上電默認值為傳輸速度為15幀每秒，時鐘頻率為12MHz。而且為了在弱光條件下獲得更長的曝光時間和更好的圖像質(zhì)量，通常還會自動降低幀頻。連接RESET#引腳的Ik電阻和1uF電容構成復位電路，保證有效的上電復位初始化工作，連接到Sdata和SCLK引腳上的兩個1.5K電阻用于對I2C電路通訊提供上拉鉗位，保證通訊速率和可靠性，其它元器件為電源濾波電容，對接入的電源進行濾波，降低電源雜波對A/D的干擾。本發(fā)明的電子生物芯片基片直接將在其表面發(fā)生的化學發(fā)光信號轉化成電信號，沒有外置光源和光信號接收系統(tǒng)，最大程度的避免了光反射、折射或者因為波長重疊對數(shù)據(jù)測定的影響。
[0036]請參閱圖3A和圖3B，是本發(fā)明與電子生物芯片基片配套使用的芯片反應盒5，其作用是為電子生物芯片基片的雜交反應提供潔凈和密閉環(huán)境。芯片基片反應盒5 —密閉的盒體，由芯片反應盒底蓋6和芯片反應盒上蓋8組成，盒體內(nèi)為芯片反應盒反應腔7，盒體的一端設有插入電子生物芯片基片的開口，芯片反應盒上蓋8設有兩個通孔9，該兩個通孔與電子生物芯片基片的雜交反應池相通組成連通器。兩個通孔中的一個插上一根槍頭，使盒體內(nèi)保持與外界相同的氣壓，另一通孔用作移液器吸出或注入反應液體。由上述結構，電子生物芯片基片插入芯片反應盒內(nèi)，在整個反應過程中芯片反應盒為密閉狀態(tài)，避免了外界物質(zhì)對雜交反應的干擾。由于本發(fā)明的電子生物芯片基片采用集成化電路，因此芯片反應盒的體積可以縮小，本發(fā)明的一個具體例子中，芯片反應盒的尺寸為64.6mmX32.8mm,攜帶和操作非常方便。
[0037]電子生物芯片基片轉換的電信號傳遞到本發(fā)明的便攜式生物芯片閱讀儀上。因此，本發(fā)明的便攜式生物芯片閱讀儀不再需要外置光源、外圍電路、光信號轉換和接收系統(tǒng)，使本發(fā)明的便攜式生物芯片閱讀儀具有體積小、重量輕、制作低成本以及操作簡便等優(yōu)勢。
[0038]本發(fā)明的便攜式生物芯片閱讀儀的一個具體實施例的外形如圖4所示，其工作原理和線路圖請分別參閱圖5和圖6。
[0039]本發(fā)明的便攜式生物芯片閱讀儀由一個低功耗的大規(guī)模集成電路(CPLD)、一個高速FIFO緩存、一個USB2.0控制器和若干個DC/DC PWM調(diào)壓芯片組成。CPLD負責原始數(shù)據(jù)的采集、壓縮和轉發(fā)；FIFO負責將大量的圖像信息進行緩存，減少上位機軟件等待時間；USB控制器負責將上位機的指令傳遞給電子生物芯片基片和CPLD、將最終采集的數(shù)據(jù)通過USB端口上傳至計算機供上位機軟件分析計算；DC/DC PWM調(diào)壓芯片將從計算機USB 口取得的DC5v轉換成3.3v和2.8v供CPLD、FIFO、USB控制器、電子生物芯片基片正常工作使用。便攜式生物芯片閱讀儀一方面?zhèn)鬏斀o電子生物芯片基片電流和指令，另一方面通過接收電子生物芯片基片傳輸出來的電子信號，并將其轉化成數(shù)字信號，由相應的軟件對數(shù)子信號進行圖像還原、數(shù)據(jù)處理等。圖5中的實線表示由電子生物芯片傳送出來的信號，虛線表示由上位機軟件發(fā)送的信號。
[0040]本發(fā)明的便攜式生物芯片閱讀儀將電子元器件都集成在大規(guī)模集成電路上，避免了外圍電路，與目前市場上的閱讀儀相比:沒有外置電源、復雜的光電傳輸系統(tǒng)和光信號檢測系統(tǒng)，使得本發(fā)明便攜式生物芯片閱讀儀體積小，在目前已制作出的便攜式生物芯片檢測裝置的試驗樣品中，便攜式生物芯片閱讀儀的尺寸僅為270_X 155mmX90mm,為目前市場上生物芯片閱讀儀的1/3-1/10，重量僅為1.5kg，為目前市場上最輕的生物芯片閱讀儀的1/15，本生物芯片閱讀儀使生物芯片普及應用成為可能，更能方便檢測人員或科研工作者對待測物進行現(xiàn)場生物芯片檢測。
[0041]請結合圖5，本發(fā)明便攜式生物芯片檢測裝置的工作原理是，電子基片成像之后，將圖像信息轉變成電子信息，傳輸給便攜式生物芯片閱讀儀。如果數(shù)據(jù)量大的話，會由FIFO進行高速緩存，這樣能夠減少指令等待的時間；而上位機軟件發(fā)出的指令一部分通過CPLD處理后發(fā)送給電子生物芯片，另一部分直接發(fā)送給電子生物芯片基片。便攜式生物芯片閱讀儀一方面?zhèn)鬏斀o電子生物芯片電流和指令，另一方面通過接收電子生物芯片傳輸出來的電子信號，并將其轉化成數(shù)字信號，由相應的軟件對數(shù)子信號進行圖像還原、數(shù)據(jù)處理等。
[0042]由上述電子生物芯片基片、芯片反應盒和便攜式生物芯片閱讀儀組成的便攜式生物芯片檢測裝置，具體操作時根據(jù)需要，對電子生物芯片基片進行環(huán)氧基、醛基或者巰基修飾，用點樣儀點上所需的捕獲探針或捕獲蛋白(接觸式點樣儀和非接觸式點樣儀的都可以)；
[0043]將點好樣品的芯片裝入到芯片反應盒中，加入反應溶液；
[0044]根據(jù)待檢測物的性質(zhì)，設計雜交試驗，例如:進行核酸雜交還是免疫雜交。另外,根據(jù)雜交試驗特點選擇合適的雜交液和緩沖液；
[0045]適合的光學檢測主要是:化學發(fā)光檢測系統(tǒng)，包括魯米諾、發(fā)光氨，吖啶苯酯等。
[0046]目前已制作出的便攜式生物芯片檢測裝置試驗樣品其檢測系統(tǒng)性能如下:
[0047](I)空白檢測值:空白檢測值不大于零。
[0048](2)檢測靈敏度:最低檢測靈敏度為10-20。
[0049](3)準確性:閱讀儀測量準確性不大于± 10%。
[0050](4)重復性:閱讀儀變異系數(shù)(CV)不大于10%。
[0051](5)穩(wěn)定性:閱讀儀連續(xù)運行4h、8h的相對偏差(a)均不大于±10%。
[0052](6)測量時間:在收集完背景值后，閱讀儀每個芯片的測量時間:不大于3min。
[0053]以下是本發(fā)明的便攜式生物芯片檢測裝置應用實施例。
[0054]第一應用實施例:對未知濃度抗原進行賦值(檢測抗原是HA標簽蛋白)
[0055]實驗步驟:
[0056]A)將HA標簽蛋白標準品進行梯度稀釋，在0.08mg/ml的基礎上3倍梯度稀釋6個點，即:0.0800，0.0267，0.0089，0.0030，0.0010，0.0003，再點上未知濃度的 HA 標簽蛋白，點一個B-C = 0.004mg/ml作為陽性參照點；
[0057]B)點完樣后37度固定2h，室溫晾干lOmin，抽真空后4度保存；
[0058]C)進行封閉，乙醇胺lh，封閉液30min ；
[0059]D)加入 HA 二抗(1:3000)，反應 30min ；
[0060]E)加入洗液，洗滌；
[0061 ] F)加入 HRP(1:5000)，反應 30min ；
[0062]G)洗滌，顯片；
[0063]H)以已知濃度的標準品HA標簽蛋白的濃度對數(shù)為橫坐標，標準品HA標簽蛋白發(fā)光值/陽性對照(B-C)發(fā)光值的相對值對數(shù)為縱坐標，做標準曲線，得到線性回歸方程，將未知樣品發(fā)光值/陽性對照(B-C)發(fā)光值的相對值代入線性回歸方程中，實現(xiàn)對未知濃度抗原的賦值。
[0064]實驗結果請參閱圖7:
[0065]以HA標簽蛋白標準品濃度的對數(shù)為橫坐標，相對值的對數(shù)為縱坐標做標準曲線，方程為y = 0.9521X+1.9309，R2 = 0.992。未知濃度HA標簽蛋白的測定濃度為0.0038mg/mL。標準曲線如圖9所示。
[0066]第二應用實施例:雙夾心法檢測未知樣品的濃度(利用抗體雙夾心法測定血清中癌胚抗原CEA的濃度)
[0067]實驗步驟:
[0068]A)將CEA抗體點入芯片上，點完樣后37度固定2h，室溫晾干lOmin，抽真空后4度保存；
[0069]B)進行封閉，乙醇胺lh，封閉液30min ；
[0070]C)加入不同濃度的抗原:16.7ng/ml的CEA抗原3倍梯度稀釋，稀釋5個濃度，16.7ng/ml, 5.56ng/ml, 1.86ng/ml, 0.6ng/ml, 0.2ng/ml,還有一個未知樣品自帶抗原
2.0ng/mL，加入芯片，反應Ih ；
[0071]D)加入洗液，洗滌；
[0072]E)加入二抗(1/4000)，反應 30min ；
[0073]F)加入洗液，洗滌；
[0074]G)加入 HRP (1:5000)，反應 30min ；
[0075]H)洗滌，顯片；
[0076]I)以濃度的對數(shù)為橫坐標，相對值的對數(shù)為縱坐標，做標準曲線，然后根據(jù)未知樣品的相對值，計算未知樣品的濃度。
[0077]實驗結果請參閱圖8:
[0078]用CEA 抗原的濃度 16.7、5.56、1.86、0.6及0.2耶/1111(圖 8 中 A、B、C、D、E)的對數(shù)為橫坐標，不同濃度CEA抗原發(fā)光值/陽性對照(B-C)發(fā)光值相對值對數(shù)為縱坐標做標準曲線，方程為y = 0.7348x-0.6211，R2 = 0.997，標準曲線如圖10，將血清樣品中CEA發(fā)光值/陽性對照(B-C)發(fā)光值的相對值代入到線性回歸方程中，計算血清樣品中CEA抗原的濃度，測定值為2.0ng/mL。
[0079]第三應用實施例:定性或定量檢測蛋白的相互作用
[0080]實驗步驟:
[0081]A)將蛋白固定在芯片上，點完樣后37度固定2h,室溫晚干1min,洗液洗漆；
[0082]B)進行封閉，封閉液30min ；
[0083]C)加入另一標記好的蛋白進行反應，反應時間Ih ；
[0084]D)加入洗液，洗滌；
[0085]E)加入 HRP (1:5000)，反應 30min ；
[0086]F)洗滌，顯片(請參閱? 11) ο
[0087]第四應用實施例:對人體分泌物中淋病雙球菌mRNA的檢測(非酶擴增法)
[0088]試驗步驟:
[0089]A)點樣，在芯片上點檢測的寡核苷酸；
[0090]B)點樣后37度固定2h，室溫晾干1min ；
[0091]C)加 Solut1nl 40 μ I,反應 30min ;
[0092]D)加 Solut1n2 20 μ 1，反應 1min ；
[0093]Ε)將Solut1n2吸出，重復步驟D兩次；
[0094]F)加 Prehybridt1n20 μ I,反應 30min ；
[0095]G)將tRNA、從分泌物中提取的RNA及探針在95度水浴復性5min，冰上冷卻，將復性的tRNA、探針以及從分泌物中提取的RNA各I μ I加到Prehybridt1n中，雜交Ih ；
[0096]H) WBl 洗 3 遍，每次 5min ；
[0097]I) Block40 μ I，反應 30min ；
[0098]J)加 HRP (1/2000，Block 稀釋)，反應 30min ；
[0099]K) WB2洗4次，每次5min，顯片，可以看到檢測到淋病雙球菌的RNA (請參閱圖12)。
[0100]第五應用實施例:對人體分泌物中淋病雙球菌的檢測(PCR擴增法)
[0101]實驗步驟:
[0102]A)點樣，在芯片上點檢測的寡核苷酸；
[0103]B)點樣后37度固定2h，室溫晾干1min ；
[0104]C)加 Solut1nl40 μ I,反應 30min ；
[0105]D)加 Solut1n220 μ 1，反應 1min ；
[0106]Ε)將Solut1n2吸出，重復步驟D兩次；
[0107]F)加 Prehybridt1n20 μ I,反應 30min ；
[0108]G)將tRNA、PCR產(chǎn)物及探針在95度水浴復性5min，冰上冷卻，將復性的tRNA、PCR產(chǎn)物及探針各I U I加到Prehybridt1n中，雜交Ih ；
[0109]H) WBl 洗 3 遍，每次 5min ;
[0110]I)Block40 μ I,反應 30min ;
[0111]J)加 HRP (1/2000，Block 稀釋)，反應 30min ；
[0112]K) WB2洗4次，每次5min，顯片，可以看到檢測到淋病雙球菌(請參閱圖13。
【權利要求】
1.一種便攜式生物芯片檢測裝置，由電子生物芯片基片、芯片反應盒和便攜式生物芯片閱讀僅組成；其中: 電子生物芯片基片是將傳感器與電子元器件邦定在印刷電路板，傳感器周圍用邦定膠封起一雜交反應池； 芯片反應盒為一盒體，該盒體的一端設有插入電子生物芯片基片的插口，盒體的一個側面上設有兩個通孔，由所述兩個通孔與電子生物芯片基片的反應池組成連通器； 便攜式生物芯片閱讀儀由集成電路、緩存、USB控制器和DC/DCPWM調(diào)壓芯片組成，與電子生物芯片基片和上位機連接，將電子生物芯片發(fā)出的電子信號傳到上位機進行分析，同時將上位機的指令傳達到生物芯片上。
2.根據(jù)權利要求1所述的便攜式生物芯片檢測裝置，其中，傳感器周圍的雜交反應池是采用COB邦定膠。
3.根據(jù)權利要求1所述的便攜式生物芯片檢測裝置，其中，電子生物芯片基片上的傳感器為CMOS傳感器。
4.根據(jù)權利要求1所述的便攜式生物芯片檢測裝置，其中，盒體側面上的其中一個通孔插有一根槍頭，以保持與外界的大氣壓相同，另一個通孔用于吸出或注入反應液體。
【文檔編號】G01N21/76GK104297230SQ201410472013
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月16日 優(yōu)先權日:2014年9月16日
【發(fā)明者】丁立功, 馬君蘭, 劉光超, 藏百盛 申請人:北京九州泰康生物科技有限責任公司