基于压电振荡原理的微阵列点样系统的研制

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1、基于压电振荡原理的微阵列点样系统的研制摘要针对基于电磁微阀原理的非接触点样方式存在操作过程复杂、点样量偏大，以及压电喷墨原理的非接触点样方式存在点样针不易清洗、造价昂贵等不足，研制了一种基于压电振荡原理的新型非接触点样装置，实现了微量液体点样。在本装置中，毛细管点样针与压电驱动装置为两个独立单元，可以单独对毛细管点样针进行更换和清洗。采用激光拉制法制备的玻璃毛细管点样针具有内径可调、成本低等优点。此点样方式通过改变压电陶瓷的振幅和频率，可在10中国8/vie　　0～10　　9L之间调控点样体积。以此为基础，结合三维精密位移控制技术，研制了一种基于压电振荡原理的微阵列生物芯片点样系统。对点

2、样系统的点样体积、点样密度、点样精度等参数进行了测试，结果表明，此点样系统的最小点样体积可达320pL，点样密度可达4000点/cm2，并能够实现界面图案化制备。　　关键词压电振荡；微阵列点样仪；玻璃毛细管点样针；图案化制备　　1引言　　微阵列生物芯片技术是将生物学、化学、物理学、光学、微电子学和计算机学高度结合形成的一项交叉技术。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。微阵列生物芯片技术已被广泛应用于生物组学研究、临床诊断、药物筛选、微生物检测等领域[1～5]。合成后点样是制备微阵列生物芯片的主要方法，即将预先合成的核酸片

3、段、多肽分子等生物样品按照一定顺序固定于基片上，形成要求的阵列，然后将待测的生物样品与标记的已知生物样品进行杂交反应。按照点样针是否与芯片基底接触将微阵列生物芯片的点样方式分为接触式（Contact）和非接触式（Noncontact）两种。接触式点样方式的点样针尖端的液体与芯片基底直接接触，通过毛细作用形成阵列点。接触式点样能够获得高密度点阵，且�c样量小（通常为pL级），但定量分析准确性及重现性较差，且因存在交叉污染而不能重复点样[6～9]。非接触式点样方式主要有两种：一种是基于电磁微阀原理，通过注射泵和精密电磁阀协调工作实现非接触式的定量点样，此方式一般需要预增压和预点样过程，使点样

4、液滴体积达到稳定，操作比较复杂，最小点样量可以达到10　　1L；另一种是基于压电喷墨的点样原理，通过压电陶瓷的形变挤压毛细管壁，使点样针的尖端喷出微小液滴，最小点样量可以达到10　　1L，具有定量分析准确、重现性好等优势。但由于压电驱动元件和点样针集成在一起，当点样针发生堵塞等问题时不易清洗，且点样头造价昂贵[10～13]。　　针对目前非接触点样方式存在的不足，本研究采用了一种毛细管点样针与压电驱动装置分离的以压电振荡为驱动力的非接触式点样方式，应用于微阵列芯片制作。由于采用了分离设计，可以单独对毛细管点样针进行更换和清洗，避免了压电喷墨点样头容易堵塞的问题。此装置通过改变压电陶瓷的振幅

5、和频率，可在10　　0～10　　9L之间调控点样体积，优于传统的基于电磁微阀原理的点样方式。以此为基础，结合三维精密位移控制技术，研制了一种基于压电振荡原理的微阵列生物芯片点样系统，并成功应用于微阵列芯片制备和界面图案化修饰。　　2实验部分　　2.1仪器与试剂　　P2000激光拉制机、BV10磨针仪、B10058玻璃管（美国Sutter公司）；PhenomPro台式扫描电子显微镜（复纳科学仪器上海有限公司公司）；LuxScan10K微阵列芯片扫描仪（北京博奥生物有限公司）；BT125D精密电子天平（德国赛多利斯公司）；MM3C透反射金相显微镜（上海万衡精密仪器有限公司）；AM4113TL

6、显微镜（台湾DinoLite公司）；P844.10压电陶瓷（德国PI公司）；7105载玻片（江苏飞舟玻塑有限公司）。三甲氧基硅烷（美国SigmaAldrich公司）；有机染料Cy3和Cy5（美国Sigma公司）；使用含30%甘油的水溶液为点样液。　　2.2压电振荡点样原理及点样头结构设计　　通过压电陶瓷控制器对压电陶瓷施加矩形电压脉冲，使压电陶瓷产生微小幅度的振动，即压电振荡。这种振动会对毛细管点样针尖端内的液体产生轴向加速运动，由此产生的惯性力使液体克服表面张力、　　粘性力等束缚，发生断裂，在点样针尖端喷出微小液滴（图1）[14]。点样液的物理性质（粘度、密度、表面张力）、点样针尖端内

7、径、压电陶瓷的驱动电压、驱动频率等参数都会对点样过程造成影响。韦伯数（量级的喷嘴结构，可应用于微阵列生物芯片点样。如图2B所示，制作的毛细管点样针尖端平整，管壁均匀。使用硅烷化试剂处理研磨后的毛细管点样针，提高其内壁的疏水性。硅烷化处理能够有效降低喷嘴内壁与溶液之间的相互作用，减少溶液的流动阻力，有利于液体的喷射，同时避免了在喷嘴口处产生样品“流挂”现象[16]。