一种小面积反应器生物芯片制作方法

邹方霖, 陈春生, 陈宁, 王建霞

2003年12月17日

2002年11月4日

2002年11月4日

成都夸常科技有限公司

C12Q1/68GK2592649SQ022446

生物芯片 反应器 面积

1.一种小面积多反应器生物芯片，其特征在于A、基本结构包含至少一个用以形成多个反应器的探针板；B、所述的反应器为开放式反应器或非开放式流动反应器；C、所述的每个反应器所占用的探针板上固定探针的一面的面积的平均值小于140平方毫米2.根据权利要求1所述的小面积多反应器生物芯片，其特征在于所述的每个反应器所占用的探针板上固定探针的一面的面积的平均值为100-140平方毫米3.根据权利要求1所述的小面积多反应器生物芯片，其特征在于所述的每个反应器所占用的探针板上固定探针的一面的面积的平均值为60-100平方毫米4.根据权利要求1所述的小面积多反应器生物芯片，其特征在于所述的每个反应器所占用的探针板上固定探针的一面的面积的平均值为60平方毫米以下5.根据权利要求1所述的小面积多反应器生物芯片，其特征在于所述的反应器隔离结构所包围的探针板表面所形成的形状，主要是以内切椭圆为面积最大的内切曲线为边界的任何平面几何图形及其组合，或者是以内切圆为面积最大的内切曲线为边界的任何平面几何图形6.根据权利要求1所述的小面积多反应器生物芯片，其特征在于所述的参与形成反应器的其它部件或结构的厚度大于0.7mm7.根据权利要求1所述的小面积多反应器生物芯片，其反应器的特征为A、其包含有/或无专门划出的出液区或出液结构；B、其包含有或无出液口；C、包含有出液口的反应器，其出液口可以开在反应池的同一面的底面、侧面，还可以开在反应池的背面8.根据权利要求1所述的小面积多反应器生物芯片，其特征在于所述的反应器内部或/和外部有通过液体自重、机械动力、亲水材料的亲水性、以毛细管现象为基础的吸水物质的吸水性和疏水材料的疏水性诸作用之一种或一种以上的联合作用来控制液相反应介质的流速、流向和流量的材料或/和控制装置9.根据权利要求1或7所述的小面积多反应器生物芯片，其特征在于所述的吸水物质、疏水材料和亲水材料包含在或不包含在芯片出液和隔离结构中，所述的亲水材料包括硅、铝化合物等无机亲水材料、聚丙烯酰胺类化合物亲水材料、各种亲水涂料、天然高分子材料及其衍生物，所述的吸水物质包括各类有亲水表面的毛细管、纸类、膜类、含纤维或/和亲水无机化合物的固相多孔物质，所述疏水材料包括多种有机化合物及其纳米工艺制作的材料10.根据根据权利要求1所述的小面积多反应器生物芯片，其特征在于所述的开放式生物芯片包括探针板、厚度大于0.7mm的含有反应器隔离结构的部件、进行连结或解除连结的以重力、弹力、螺钉或夹具提供的机械力、磁铁或电磁铁提供的磁力、胶粘剂提供的可解粘粘结力等之一种或一种以上的作用机制为基础来实现的非不可逆密封装置11.根据根据权利要求1所述的小面积多反应器生物芯片，其特征在于所述的开放式生物芯片包括探针板通过粘合剂连接一个厚度大于0.7mm的含有反应器隔离结构的部件，改变或不改变所述含有反应器隔离结构的部件的厚度，对所述含有反应器隔离结构的部件的厚度的减小，可以通过解除所述的粘合连接、或通过机械部分或完全地去除与探针板形成反应器的部件；所述解除粘合联接，是通过水溶液、乙醇或/和有机溶剂对连接胶粘剂的溶胀、溶解的物理化学作用，超声波的物理作用，机械力作用等之一种或一种以上的机制共同作用来进行解除所述的粘合连接；根据检测过程中某些步骤对芯片外形尺寸的需要，也可通过磨、切、削等之一种或一种以上的机械工艺来部分或完全地去除两面上与探针板形成反应器的部件12.根据权利要求1所述的小面积多反应器生物芯片，其特征在于所述的探针板的长宽比不低于3.125，宽度在只形成一列反应器时小9mm，其优选方案为3mm至8.5mm，形成二列或二列以上的反应器时小于25.0mm，优选方案为6mm至25.0mm，所述的探针板的厚度小于2.5mm，优选方案为小于或等于2.0mm13.权利要求1所述的小面积多反应器生物芯片，其特征在于A、至少在检测反应阶段所述生物芯片的外形尺寸在长度或/和宽度上大于探针板的相应尺寸；B、所述生物芯片大于探针板的面积含有反应器的部分结构14.根据权利要求1所述的小面积多反应器生物芯片，其特征在于在检测反应和对检测结果进行识别读取的整个过程或部分步骤，一个以上的多个探针板或生物芯片通过嵌合、粘合、机械定位等方法联接成一个总宽度小于35mm的组合式生物芯片15.根据权利要求1所述的小面积多反应器生物芯片，其特征在于其基片的材料包括所有可以较小的平均面积形成生物芯片反应器的材料无机材料如玻璃、硅和硅化合物等，聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、尼龙及硝酸纤维素等有机高分子聚合物，以及表面覆盖有金、银等金属、金属化合物的有机材料

本实用新型涉及一种多反应器生物芯片，特别是一种小面积反应器的开放式生物芯片或非开放式流动生物芯片这种小面积反应器生物芯片的每个反应器所占用的探针板上固定探针的一面的面积的平均值小于目前同类生物芯片的每个反应器所占用的探针板上固定探针的一面的面积的平均值的最小值(140平方毫米)、甚至小于75.0平方毫米乃至小于60平方毫米生物芯片的核心是其上的反应器本实用新型中的生物芯片的反应器的定义为生物芯片中固定有探针阵列，在检测时与目标物发生特异性反应的场所及与其连通的其它相关结构本实用新型中的生物芯片的探针，包括所有可以以可寻址的方式固定在固相载体上的具有生物活性的物质(包括DNA、多肽、蛋白质、细胞、组织等生物成分)在本实用新型中，基片被定义为生物芯片中用作固相载体固定探针阵列的部件或结构；探针板被定义为生物芯片中通过在基片上固定探针阵列形成的部件或结构在本实用新型中，按照生物芯片上反应器的数目n，生物芯片被定义为单反应器生物芯片(n＝1)和多反应器生物芯片(n等于或大于2)本实用新型中，按照检测过程中所加入的液相介质能否在反应器中定向流动，反应器被定义为流动反应器和非流动反应器；以流动反应器和非流动反应器为特征的生物芯片被分别定义为流动生物芯片和非流动生物芯片本实用新型中，按照反应器探针阵列上方在整个检测过程中是否开放，将反应器分别定义为开放式和非开放式反应器；以此反应器为特征的生物芯片，被分别定义为开放式和非开放式生物芯片生物芯片反应器通常同时具有上述几种反应器的性质本实用新型中，这些反应器被定义为以其所具有的全部性质为共同特征的反应器，以此反应器为特征的生物芯片也被同样地定义例如如果在检测过程中探针阵列上方为无覆盖开放结构，所加入的液相介质能在反应器中定向流动，则该反应器被定义为开放式流动反应器，相应的生物芯片被定义为开放式流动生物芯片，或简称开放式流动芯片；其它以次类推生物芯片的现状如下1，非流动生物芯片非流动生物芯片包括非开放式非流动生物芯片和开放式非流动芯片，目前最广泛使用的是开放式非流动芯片目前的开放式非流动芯片是单反应器开放式非流动芯片，一个例子是以显微镜载玻片为基础，经活化、点样制成、无其它新增结构的芯片其优点是结构简单，点样和扫描操作均简便易行，部分操作还可在外力推动下的介质流动状态下进行(例如喷液清洗)此种芯片的缺点是当探针种类较少、探针阵列较小时，例如肽芯片或蛋白质芯片的情况，由于一个反应器只需固定数量不多的探针(例如几个至几百个)，单反应器芯片就显得效率太低，加大了生产和检测成本，这种情况下生物芯片的实际应用受至了很大限制为了提高效益，生产商和科技工作者对这类芯片进行了很多改进，例如把单开放式非流动芯片发展为多开放式非流动芯片目前市场上的多开放式非流动反应器芯片的基本结构为在一块基片上以高度小于1.0mm的隔离区形成几到几十个圆形或方型的开放式反应器此一开放式反应器有加液区和反应区，但无出液区检测时，由于无出液区，反应介质不可以被置于定向流动状态，因而不能进行连续操作，芯片效率仍待进一步提高此外，也是由于无出液区，开放式反应器隔离区如太低会出现相邻反应器之间的交叉污染，如其太高又不能利用目前使用比较普遍的芯片扫描仪进行阅读针对这一问题，我们实用新型了《一种可装拆使用的生物芯片》(专利申请号02113540.1)，在检测时，装上一足够高的反应器隔离装置以防交叉污染，扫描时拆掉隔离装置以适应扫描仪要求非开放式非流动多反应器生物芯片的另一个例子是《多样品微阵列生物芯片》 (专利申请号01112783.X)其探针阵列，固定在一个不反应时为开放式、反应时为没有进出口的密闭反应器中这种芯片在加样后使用聚酯薄膜单面胶材密闭原来开放的反应器，出样、洗涤前需撕除密闭材料，然后加样、再密闭、反应、再去除密闭，如此反复至检测反应完成，操作非常复杂这种芯片不包含在本实用新型中的特征芯片(开放式芯片或非开放式流动芯片)中2，流动生物芯片流动生物芯片包括非开放式流动生物芯片和开放式流动生物芯片1)非开放式流动生物芯片①一维非开放式流动芯片一维芯片是将探针固定在线型固相载体上形成的芯片其例子包括毛细管生物芯片装置(公告号为CN 2583395Y)和微通道(microchannel)生物芯片微通道芯片是在芯片片基上制成通常尺寸为宽度小于0.05mm，深度小于0.025mm的微通道，再将探针固定于微通道中，然后加入样品并使其流过微通道的探针区，最后采用相应的信号检测系统读取反应结果微通道生物芯片的一个例子是Caliper Technologies Inc.公司(www.caliper.com)的检测用生物芯片，该芯片用玻片作基片，采用光刻和蚀刻技术在基片上刻蚀出微通道，将探针固定于微通道中芯片上有多个开放的储液池，储液池由微通道进行连接微通道芯片的优点是灵敏度高、速度快其缺点是1)，生产过程中需先刻蚀出微通道，点上探针，然后再进行微通道密封制作，其构造复杂，工业化生产难度非常大；2)，检测时液体流速需用专门精密设备控制，例如电渗透装置，等；3)，反应完成后，由于固定的探针分子在其内表面，对于某些检测例如荧光标记物检测，不能直接使用普通芯片扫描仪读取结果②二维非开放式流动芯片二维芯片，即探针分布在平面固相载体上形成2×2以上个点的阵列的芯片二维非开放式流动芯片，可以举我们已申请的一项实用新型《一种包含有封闭式反应器的探针板及其应用》(专利申请号0211364.8)为例这种二维封闭式流过芯片的基本特征是探针阵列被固定在一个有进、出口的封闭式反应器的平面上，反应等操作可以在介质流动的状态下连续地进行，直至反应全部完成三维芯片，即探针固定在于芯片顶面上形成的三维结构中形成的芯片一个例子是在一块载玻片顶面上固定很多个加有捕捉分子的微小聚乙烯酰胺凝胶条构成的“芯片”，每个凝胶条可用于靶DNA，RNA和蛋白质的分析2)，开放式流动生物芯片液体介质能连续流动进行反应、清洗，反应结果通过探针阵列上方无覆盖开放结构被外部设备直接读取的开放式流动生物芯片，一个例子为我们实用新型的《一种流动生物芯片及其使用方法》(专利申请号02133622.9)这种芯片克服了非开放式芯片的结构和操作复杂性，开放式芯片的介质非流动性的缺点，尽可能多地发挥了流动芯片的介质可流动性，开放式非流动芯片的结构简单性和扫描简易性的优点，提高了检测灵敏度、减少了操作时间和降低了芯片单位反应器的生产成本和检测成本尽管上述各种生物芯片各有很多优点，但是目前所有以固体基片为探针分子载体的生物芯片，其经典尺寸(75.0mm×25mm)的基片只能形成通常8个、最多不超过16个反应器，即每个反应器在基片固定探针的面上所占平均面积大于140平方毫米在检测样品中目标物种类不多，例如小于100种，从而每个反应器中固定的探针种类不多的情况下，通常决定芯片成本的正是每个反应器在基片固定探针的面上所占平均面积这种情况下基片有效面积的利用效率尚待提高本实用新型的目的是这样实现的通过利用可以形成多个反应器的探针板而不是单反应器的探针板以减小操作复杂性提高可行性和尽可能优化参与形成反应器的其它部件或结构，以使生物芯片每个反应器所占用的探针板上固定探针的一面的面积的平均值最小化本实用新型的特征在于A、基本结构包含至少一个用以形成多个反应器的探针板，有/或无其它通过不可逆的或非不可逆的方式联接的参与形成反应器的其它部件或结构；B、所述的反应器为开放式反应器或非开放式流动反应器；C、所述的每个反应器所占用的探针板上固定探针的一面的面积的平均值小于140平方毫米本实用新型所述参与形成反应器的结构和部件的例子包括隔离结构、加样结构、出液结构、通道、检测池、定位装置、定距装置、动力装置、液体流速形成和控制装置、分离装置等本实用新型中的小面积反应器生物芯片还可以具有以下特征其每个反应器所占用的探针板上固定探针的一面的面积的平均值小于100平方毫米，即一个经典尺寸(75.0mm×25mm)的基片可以形成最少25个反应器本实用新型中的小面积反应器生物芯片还可以具有以下特征其每个反应器所占用的探针板上固定探针的一面的面积的平均值小于60平方毫米，即一个经典尺寸(75.0mm×25mm)的基片可以形成最少30个反应器本实用新型所述的反应器隔离结构所包围的探针板表面所形成的形状，主要是以内切椭圆为面积最大的内切曲线为边界的任何平面几何图形及其组合，或者是以内切圆为面积最大的内切曲线为边界的任何平面几何图形本实用新型所述的参与形成反应器的其它部件或结构的厚度大于0.7mm本实用新型所述的小面积多反应器生物芯片，其反应器的特征为A、其包含有/或无专门划出的出液区或出液结构；B、其包含有或无出液口；C、包含有出液口的反应器，其出液口可以开在反应池的同一面的底面、侧面，还可以开在反应池的背面本实用新型所述的反应器中有通过液体自重、机械动力、亲水材料的亲水性、以毛细管现象为基础的吸水物质的吸水性和疏水材料的疏水性诸作用之一种或一种以上的作用的联合作用来控制了相应流速、流向和流量的液相反应介质，以避免提高检测效率、避免交叉污染本实用新型所述的吸水物质、疏水材料和亲水材料包含在或不包含在芯片出液结构中，所述的亲水材料包括硅、铝化合物等无机亲水材料、聚丙烯酰胺类化合物亲水材料、各种亲水涂料、天然高分子材料及其衍生物，所述的吸水物质包括各类有亲水表面的毛细管、纸类、膜类、含纤维或/和亲水无机化合物的固相多孔物质，所述疏水材料包括多种有机化合物及其纳米工艺制作的材料利用所述这些作用，可以限制液相反应介质的移动(例如疏水材料的疏水性)或形成和加快液相反应介质的移动(例如出液结构中以毛细管现象为基础的吸水物质的吸水性)，从而控制液相反应介质的移动，以避免生物芯片上小反应器之间交叉污染，有利于减小反应器隔离结构占有基片面积，从而减小生物芯片每个反应器所占用的探针板上固定探针的一面的面积的平均值本实用新型所述的开放式生物芯片包括探针板、厚度大于0.7mm的含有反应器隔离结构的部件、进行连结或解除连结的以重力、弹力、螺钉或夹具提供的机械力、磁铁或电磁铁提供的磁力、胶粘剂提供的可解粘粘结力等之一种或一种以上的作用机制为基础来实现的非不可逆密封装置为在避免反应器之间交叉污染的条件下减小反应器隔离结构占有基片面积，从而减小生物芯片每个反应器所占用的探针板上固定探针的一面的面积的平均值，本实用新型中的小面积反应器生物芯片，可以是可拆装的生物芯片即其探针板与一个厚度大于0.7mm的含有反应器隔离结构的部件之间，可根据需要进行联结或解除联结这类可拆装的小反应器芯片通常包括探针板、反应器隔离结构及其对探针板密封的非不可逆密封装置所述非不可逆密封装置为以重力、弹力、螺钉或夹具提供的机械力、磁铁或电磁铁提供的磁力、胶粘剂提供的可解粘粘合力等之一种或一种以上的作用机制为基础的装置(见我们实用新型的《一种可装拆使用的生物芯片》，专利申请号02113540.1)本实用新型所述的开放式生物芯片包括探针板通过粘合剂连接一个厚度大于0.7mm的含有反应器隔离结构的部件，改变或不改变所述含有反应器隔离结构的部件的厚度，对所述含有反应器隔离结构的部件的厚度的减小，可以通过解除所述的粘合连接、或通过机械部分或完全地去除与探针板形成反应器的部件；所述解除粘合联接，是通过水溶液、乙醇或/和有机溶剂对连接胶粘剂的溶胀、溶解的物理化学作用，超声波的物理作用，机械力作用等之一种或一种以上的机制共同作用来进行解除所述的粘合连接；根据检测过程中某些步骤对芯片外形尺寸的需要，也可通过磨、切、削等之一种或一种以上的机械工艺来部分或完全地去除两面上与探针板形成反应器的部件本实用新型所述的任一探针板的长宽比不低于3.125，宽度在只形成一列反应器时小9mm，其优选方案为3mm至8.5mm，形成二列或二列以上的反应器时小于25.0mm，优选方案为6mm至25.0mm，所述的任一探针板的厚度小于2.5mm，优选方案为小于或等于2.0mm本实用新型所述生物芯片至少在检测反应阶段，其生物芯片的外形尺寸在长度或/和宽度上大于探针板的相应尺寸所述生物芯片大于探针板的面积含有反应器的部分结构，如出液区，和/或不属于反应器的其它结构，如作为探针板的载体，作为操作时夹持的部分和制作标识的部分本实用新型在检测反应和对检测结果进行识别读取的整个过程或部分步骤，一个以上的多个探针板或生物芯片通过嵌合、粘合、机械定位等方法联接成一个总宽度小于35mm的组合式生物芯片本实用新型所述的基片的材料包括所有制成片(膜)状被活化后可形成上述小反应器的材料无机材料如玻璃、硅和硅化合物等，聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、尼龙及硝酸纤维素等有机高分子聚合物，以及表面覆盖有金、银等金属、金属化合物的有机材料本实用新型中的小面积反应器生物芯片上的反应器的隔离结构可以具有一致的高度，例如通过印刷、喷涂等工艺直接固定在基片上的厚度均匀的疏水材料在可以控制液相反应介质的移动速度的情况下，即使较薄(例如0.6mm)或/和较窄(例如小于3mm)的反应器的隔离结构仍然可避免反应器之间交叉污染本实用新型中的小面积反应器生物芯片上的反应器的隔离结构也可以不具有一致的高度，其各个反应器出液区包含有沟槽等引水结构或/和亲水材料或/和以毛细管现象为基础的吸水物质等有助于形成和控制流速的材料或结构；亲水材料包括含有硅化合物粒子、聚丙烯酰胺、各种亲水涂料、天然高分子材料及其衍生物以毛细管现象为基础的吸水物质包括各类有亲水表面的毛细管、纸类、膜类、固相多孔物质、含天然或合成纤维或/和亲水无机化合物的固相多孔物质为在避免反应器之间交叉污染的条件下减小反应器隔离结构占有基片面积，从而减小生物芯片每个反应器所占用的探针板上固定探针的一面的面积的平均值，本实用新型中的小面积反应器生物芯片，其探针板可通过粘合剂连接一个厚度大于0.7mm的含有反应器隔离结构的部件为满足检测中的某些步骤，例如荧光扫描，对芯片外形尺寸的要求，可通过水溶液、乙醇或/和有机溶剂对连接胶粘剂的溶胀、溶解的物理化学作用，超声波的物理作用，机械力作用等之一种或一种以上的作用共同作用来解除所述的粘合剂联接，或通过磨、切、削等之一种或一种以上的机械工艺来部分或完全地切除经粘合剂连接在探针板上的部件为避免在改变芯片外形尺寸时出现探针板断裂的情况，可以使用厚度大于1.0mm，例如2.0mm的基片来制作芯片为了尽可能优化利用基片面积，本实用新型中的小面积反应器生物芯片其外形尺寸在长度或/和宽度上大于探针板的相应尺寸例如可以延长含有反应器隔离结构的有机聚合物部件，使其超出探针板长度，超出部分可作为标识制作和操作时夹持等用，以代替现有芯片中这些用途占用基片面积的现象本实用新型中的小面积反应器生物芯片，在检测反应和对检测结果进行识别读取的整个过程或部分步骤，一个以上的多个探针板或生物芯片可通过嵌合、粘合、机械定位等方法联接成一个总宽度小于35mm的组合式生物芯片，以提高效率例如，检测反应完成后，通过解除粘接而获得的叁个尺寸为75.0mm×8.3mm×1.0mm，或两个尺寸为75.0mm×12.5mm×1.0mm的探针板，可以将它们嵌合在一个尺寸为75.0mm×25.0mm×1.0mm的矩形槽中，再进行扫描本实用新型中的小面积反应器生物芯片，同现有的生物芯片比较，有如下优点1)更好地利用了基片的有效面积；2)同样面积的基片可以制作更多反应器；3)降低了单位反应器成本；4)可以提高检测反应结果的识别读取(例如扫描)效率附图及图面说明

本实用新型公开了一种小面积反应器生物芯片，目前的多反应器生物芯片，特别是多反应器开放式生物芯片和多反应器非开放式流动生物芯片，在降低单位反应器成本方面尚待改进，本实用新型通过加强防止交叉污染的措施，例如反应器在生物芯片中的几何分布设计、提高反应器隔离结构高度、进出液量可控的进、出液系统等，以尽可能减小平均每个反应器在基片固定探针的面上所占面积为突破口，达到降低多反应器生物芯片单位反应器成本的目的。