基于力反饋的機(jī)械微點(diǎn)樣系統(tǒng)研究

朱華敏 冷惠文 羅昆 邢玉琪

摘 要：機(jī)械點(diǎn)樣微點(diǎn)陣技術(shù)是將生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、光學(xué)等多項(xiàng)學(xué)科高度結(jié)合形成的一項(xiàng)交叉技術(shù)。合成后點(diǎn)樣是制備微陣列生物芯片的主要方法，即將預(yù)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(diǎn)樣方式根據(jù)點(diǎn)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(diǎn)樣方式具有點(diǎn)樣操作簡(jiǎn)單、點(diǎn)樣點(diǎn)小且點(diǎn)樣中點(diǎn)樣樣品浪費(fèi)少等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。在接觸式點(diǎn)樣方式中，常用的通過(guò)CCD直接成像分析或者激光共聚焦掃描儀分析方法對(duì)點(diǎn)樣點(diǎn)進(jìn)行控制的方式，要么存在分辨率低和靈敏度差的問(wèn)題，要么存在系統(tǒng)復(fù)雜的問(wèn)題。故本文提出并搭建了一種基于力反饋的微點(diǎn)樣系統(tǒng)，既具有較高的靈敏度和分辨率，且系統(tǒng)簡(jiǎn)單，操作方便。

關(guān)鍵詞：機(jī)械點(diǎn)樣微點(diǎn)陣技術(shù)；力反饋；微點(diǎn)樣系統(tǒng)；自動(dòng)點(diǎn)樣

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

機(jī)械點(diǎn)樣微點(diǎn)陣技術(shù)被廣泛應(yīng)用于多基因表達(dá)分析（又稱表達(dá)譜分析），即針對(duì)處于不同生理狀態(tài)的生物樣品（組織或細(xì)胞），分別合成代表各自總mRNA轉(zhuǎn)錄庫(kù)的靶分子（單鏈cDNAs），且分別用不同熒光素標(biāo)記，然后一起與微點(diǎn)陣雜交，達(dá)到對(duì)多個(gè)樣品的平行分析。另外，機(jī)械點(diǎn)樣微點(diǎn)陣技術(shù)還可應(yīng)用于比較基因組學(xué)研究、DNA序列變異檢測(cè)與基因分型等方面。它成功地實(shí)現(xiàn)了生物信息的大規(guī)模集成以及生物實(shí)驗(yàn)從串行過(guò)程向并行過(guò)程的轉(zhuǎn)變，大大加快了生命科學(xué)研究的過(guò)程。機(jī)械點(diǎn)樣微點(diǎn)陣技術(shù)按照點(diǎn)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(diǎn)樣主要分為兩種，一種是基于電磁微閥原理，通過(guò)精密電磁閥實(shí)現(xiàn)定量點(diǎn)樣，這種方式一般需要進(jìn)行預(yù)增壓和預(yù)點(diǎn)樣才能使點(diǎn)樣液滴體積達(dá)到穩(wěn)定，操作比較復(fù)雜；另一種是用壓電晶體將液體從孔中噴出的壓電技術(shù)，但這種方式當(dāng)點(diǎn)樣針發(fā)生堵塞等問(wèn)題時(shí)不易清洗，且點(diǎn)樣頭造價(jià)昂貴。接觸式點(diǎn)樣方式的點(diǎn)樣針尖端的液體與基底直接接觸，通過(guò)毛細(xì)作用形成陣列點(diǎn)。接觸式點(diǎn)樣操作簡(jiǎn)單，相對(duì)便宜，點(diǎn)樣點(diǎn)小且點(diǎn)樣中樣品浪費(fèi)少。

接觸式點(diǎn)樣過(guò)程中，點(diǎn)樣點(diǎn)的大小取決于點(diǎn)樣針與基底之間的接觸力大小和接觸時(shí)間的長(zhǎng)短，目前常用的控制點(diǎn)樣點(diǎn)大小的方式主要為通過(guò)CCD直接成像分析或激光共聚焦掃描儀分析結(jié)果，直接成像的缺點(diǎn)是空間分辨率低和靈敏度差，而掃描系統(tǒng)需要復(fù)雜的固定裝置以使對(duì)玻片的掃描準(zhǔn)確無(wú)誤?；诖?，本文提出并搭建了一種基于力反饋的微點(diǎn)樣系統(tǒng)。借助此系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)精確監(jiān)測(cè)點(diǎn)樣針與基底之間的接觸力大小和接觸時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)樣點(diǎn)尺寸的準(zhǔn)確控制。同時(shí)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(jié)構(gòu)與分析

如圖1所示，本文提出的基于力反饋的微點(diǎn)樣系統(tǒng)主要包括：點(diǎn)樣針，主控計(jì)算機(jī)，運(yùn)動(dòng)控制電動(dòng)線性位移臺(tái)，力傳感器，數(shù)據(jù)采集處理模塊，固定支架。

在潔凈的空間中，將點(diǎn)樣針固定在支架上，移動(dòng)支架將點(diǎn)樣針移動(dòng)到基底所在的位置，控制精密三軸電動(dòng)線性位移臺(tái)使其Z軸向上運(yùn)動(dòng)，并在力傳感器的配合下使點(diǎn)樣針針尖與基底接觸并停留一定時(shí)間完成點(diǎn)樣。完成一個(gè)點(diǎn)樣點(diǎn)之后，點(diǎn)樣針抬起，位移臺(tái)XY軸運(yùn)動(dòng)，到達(dá)下一個(gè)點(diǎn)樣位置。點(diǎn)樣過(guò)程中借助數(shù)據(jù)采集處理器對(duì)接觸力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在監(jiān)測(cè)到接觸力偏離要求值時(shí)，主控計(jì)算機(jī)給電動(dòng)位移臺(tái)發(fā)送指令控制其Z軸上下運(yùn)動(dòng)，直到點(diǎn)樣針與基底之間接觸力達(dá)到要求值后，再進(jìn)行點(diǎn)樣，如此重復(fù)。點(diǎn)樣過(guò)程中，借助LabVIEW軟件均可對(duì)各步操作進(jìn)行編程控制，即可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)精準(zhǔn)點(diǎn)樣。

為能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)樣效果，微點(diǎn)樣系統(tǒng)可以配備視覺(jué)監(jiān)測(cè)裝置，用以監(jiān)測(cè)是否點(diǎn)樣成功以及點(diǎn)樣點(diǎn)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(jī)械微點(diǎn)樣系統(tǒng)中，關(guān)鍵組成部分為位移臺(tái)、力傳感器。

機(jī)械點(diǎn)樣微點(diǎn)陣技術(shù)因主要應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)等微納米領(lǐng)域，故對(duì)點(diǎn)樣精度提出了很高的要求，這就要求我們能夠?qū)崿F(xiàn)在每個(gè)點(diǎn)樣位置實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)點(diǎn)樣，因此運(yùn)動(dòng)平臺(tái)需要具有高的定位精度。同時(shí)，點(diǎn)樣針與芯片基底之前點(diǎn)樣過(guò)程中接觸力微小，這也要求了位移臺(tái)在Z向上的要具有盡可能小的步進(jìn)增量，以確保點(diǎn)樣針與基底之間的接觸力不會(huì)因過(guò)接觸而超出預(yù)定值。故我們選用Thorlab公司型號(hào)為PT3/M-Z8的三維電動(dòng)線性位移臺(tái)，此位移臺(tái)最小步進(jìn)增量可達(dá)50nm，能實(shí)現(xiàn)在微點(diǎn)樣過(guò)程中準(zhǔn)確定位及精準(zhǔn)點(diǎn)樣。

本文提出的基于力反饋的機(jī)械微點(diǎn)樣系統(tǒng)，通過(guò)控制點(diǎn)樣針與芯片基底之間的接觸力大小及接觸時(shí)間，來(lái)控制點(diǎn)樣點(diǎn)的尺寸。力傳感器是實(shí)現(xiàn)接觸力監(jiān)測(cè)中至關(guān)重要的一部分。點(diǎn)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(hào)為TRCL-A的測(cè)力傳感器，該傳感器采用鋁合金材質(zhì)，精度等級(jí)高，穩(wěn)定性好，性價(jià)比優(yōu)，滿足微點(diǎn)樣過(guò)程中對(duì)接觸力監(jiān)測(cè)的需要。

結(jié)論

本文分析了機(jī)械點(diǎn)陣微點(diǎn)樣技術(shù)在生物、醫(yī)學(xué)等方面的廣泛應(yīng)用以及現(xiàn)有的點(diǎn)樣尺寸監(jiān)測(cè)及控制方法在接觸式點(diǎn)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(diǎn)樣系統(tǒng)，研究了點(diǎn)樣針與基底材料之間的接觸力及接觸時(shí)間對(duì)點(diǎn)樣點(diǎn)大小的影響，基于此，通過(guò)監(jiān)測(cè)及控制點(diǎn)樣過(guò)程中的接觸力及接觸時(shí)間來(lái)對(duì)點(diǎn)樣點(diǎn)的大小進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。另外，此系統(tǒng)還包括了運(yùn)動(dòng)控制部分、視覺(jué)監(jiān)測(cè)部分、信號(hào)采集處理部分，通過(guò)各部分的配合，可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)精準(zhǔn)點(diǎn)樣。本文提出的基于力反饋的微點(diǎn)樣系統(tǒng)，具有高的靈敏度及分辨率，且系統(tǒng)簡(jiǎn)單操作方便，具有良好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]周冬生，楊瑞馥.機(jī)械點(diǎn)樣DNA微點(diǎn)陣技術(shù)及其在基因表達(dá)分析上的應(yīng)用[J].生物技術(shù)通信，2002，13（4）：315-321.

[2]王偉，劉振邦，張國(guó)玉，等.基于壓電振蕩原理的微陣列點(diǎn)樣系統(tǒng)的研制[J].分析化學(xué)儀器裝置與實(shí)驗(yàn)技術(shù)，2017，45（4）：620-625.

[3]賈振中，宋立濱，楊東超，等.接觸式點(diǎn)樣機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)研究進(jìn)展[J].機(jī)器人，2007，29（2）：179-185.

[4]楊瑞馥，宋亞軍.生物芯片技術(shù)及其應(yīng)用[J].生物技術(shù)通信，1999，10（4）：286-292.