基于力反馈的机械微点样系统研究

朱华敏 冷惠文 罗昆 邢玉琪

摘 要：机械点样微点阵技术是将生物学、化学、物理学、光学等多项学科高度结合形成的一项交叉技术。合成后点样是制备微阵列生物芯片的主要方法，即将预先合成的生物样品按一定顺序固定于基底上，形成所需阵列。点样方式根据点样针是否与芯片基底接触而分为接触式和非接触式两种。其中因接触式点样方式具有点样操作简单、点样点小且点样中点样样品浪费少等优点而被广泛应用。在接触式点样方式中，常用的通过CCD直接成像分析或者激光共聚焦扫描仪分析方法对点样点进行控制的方式，要么存在分辨率低和灵敏度差的问题，要么存在系统复杂的问题。故本文提出并搭建了一种基于力反馈的微点样系统，既具有较高的灵敏度和分辨率，且系统简单，操作方便。

关键词：机械点样微点阵技术；力反馈；微点样系统；自动点样

中图分类号：TP242 文献标志码：A

0 引言

机械点样微点阵技术被广泛应用于多基因表达分析（又称表达谱分析），即针对处于不同生理状态的生物样品（组织或细胞），分别合成代表各自总mRNA转录库的靶分子（单链cDNAs），且分别用不同荧光素标记，然后一起与微点阵杂交，达到对多个样品的平行分析。另外，机械点样微点阵技术还可应用于比较基因组学研究、DNA序列变异检测与基因分型等方面。它成功地实现了生物信息的大规模集成以及生物实验从串行过程向并行过程的转变，大大加快了生命科学研究的过程。机械点样微点阵技术按照点样针是否与芯片基底接触分为接触式和非接触式两种。其中，非接觸点样主要分为两种，一种是基于电磁微阀原理，通过精密电磁阀实现定量点样，这种方式一般需要进行预增压和预点样才能使点样液滴体积达到稳定，操作比较复杂；另一种是用压电晶体将液体从孔中喷出的压电技术，但这种方式当点样针发生堵塞等问题时不易清洗，且点样头造价昂贵。接触式点样方式的点样针尖端的液体与基底直接接触，通过毛细作用形成阵列点。接触式点样操作简单，相对便宜，点样点小且点样中样品浪费少。

接触式点样过程中，点样点的大小取决于点样针与基底之间的接触力大小和接触时间的长短，目前常用的控制点样点大小的方式主要为通过CCD直接成像分析或激光共聚焦扫描仪分析结果，直接成像的缺点是空间分辨率低和灵敏度差，而扫描系统需要复杂的固定装置以使对玻片的扫描准确无误。基于此，本文提出并搭建了一种基于力反馈的微点样系统。借助此系统可以实时精确监测点样针与基底之间的接触力大小和接触时间，实现对点样点尺寸的准确控制。同时此系统具有较高的灵敏度和较高空间分辨率。

1 系统结构与分析

如图1所示，本文提出的基于力反馈的微点样系统主要包括：点样针，主控计算机，运动控制电动线性位移台，力传感器，数据采集处理模块，固定支架。

在洁净的空间中，将点样针固定在支架上，移动支架将点样针移动到基底所在的位置，控制精密三轴电动线性位移台使其Z轴向上运动，并在力传感器的配合下使点样针针尖与基底接触并停留一定时间完成点样。完成一个点样点之后，点样针抬起，位移台XY轴运动，到达下一个点样位置。点样过程中借助数据采集处理器对接触力进行实时监测，在监测到接触力偏离要求值时，主控计算机给电动位移台发送指令控制其Z轴上下运动，直到点样针与基底之间接触力达到要求值后，再进行点样，如此重复。点样过程中，借助LabVIEW软件均可对各步操作进行编程控制，即可实现全自动精准点样。

为能实时监测点样效果，微点样系统可以配备视觉监测装置，用以监测是否点样成功以及点样点尺寸是否稳定。

2 系统搭建

本文提出的基于力反馈的机械微点样系统中，关键组成部分为位移台、力传感器。

机械点样微点阵技术因主要应用于生物、医学等微纳米领域，故对点样精度提出了很高的要求，这就要求我们能够实现在每个点样位置实现精准点样，因此运动平台需要具有高的定位精度。同时，点样针与芯片基底之前点样过程中接触力微小，这也要求了位移台在Z向上的要具有尽可能小的步进增量，以确保点样针与基底之间的接触力不会因过接触而超出预定值。故我们选用Thorlab公司型号为PT3/M-Z8的三维电动线性位移台，此位移台最小步进增量可达50nm，能实现在微点样过程中准确定位及精准点样。

本文提出的基于力反馈的机械微点样系统，通过控制点样针与芯片基底之间的接触力大小及接触时间，来控制点样点的尺寸。力传感器是实现接触力监测中至关重要的一部分。点样针与基底之间接触力微小，故需要选用具有高灵敏度及稳定性的力传感器。我们选用日本MAT公司的型号为TRCL-A的测力传感器，该传感器采用铝合金材质，精度等级高，稳定性好，性价比优，满足微点样过程中对接触力监测的需要。

结论

本文分析了机械点阵微点样技术在生物、医学等方面的广泛应用以及现有的点样尺寸监测及控制方法在接触式点样中的不足之后，我们提出并自行搭建了一套基于力反馈的微点样系统，研究了点样针与基底材料之间的接触力及接触时间对点样点大小的影响，基于此，通过监测及控制点样过程中的接触力及接触时间来对点样点的大小进行监测和控制。另外，此系统还包括了运动控制部分、视觉监测部分、信号采集处理部分，通过各部分的配合，可以实现全自动精准点样。本文提出的基于力反馈的微点样系统，具有高的灵敏度及分辨率，且系统简单操作方便，具有良好的应用前景和推广价值。

参考文献

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