基于壓電振蕩原理的微陣列點(diǎn)樣系統(tǒng)的研制

王偉 劉振邦 張國(guó)玉 王振新 韓冬雪 牛利 包宇

摘要針對(duì)基于電磁微閥原理的非接觸點(diǎn)樣方式存在操作過(guò)程復(fù)雜、點(diǎn)樣量偏大，以及壓電噴墨原理的非接觸點(diǎn)樣方式存在點(diǎn)樣針不易清洗、造價(jià)昂貴等不足，研制了一種基于壓電振蕩原理的新型非接觸點(diǎn)樣裝置，實(shí)現(xiàn)了微量液體點(diǎn)樣。在本裝置中，毛細(xì)管點(diǎn)樣針與壓電驅(qū)動(dòng)裝置為兩個(gè)獨(dú)立單元，可以單獨(dú)對(duì)毛細(xì)管點(diǎn)樣針進(jìn)行更換和清洗。采用激光拉制法制備的玻璃毛細(xì)管點(diǎn)樣針具有內(nèi)徑可調(diào)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。此點(diǎn)樣方式通過(guò)改變壓電陶瓷的振幅和頻率，可在10

0～10

9L之間調(diào)控點(diǎn)樣體積。以此為基礎(chǔ)，結(jié)合三維精密位移控制技術(shù)，研制了一種基于壓電振蕩原理的微陣列生物芯片點(diǎn)樣系統(tǒng)。對(duì)點(diǎn)樣系統(tǒng)的點(diǎn)樣體積、點(diǎn)樣密度、點(diǎn)樣精度等參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，此點(diǎn)樣系統(tǒng)的最小點(diǎn)樣體積可達(dá)320pL，點(diǎn)樣密度可達(dá)4000點(diǎn)/cm2，并能夠?qū)崿F(xiàn)界面圖案化制備。

關(guān)鍵詞壓電振蕩；微陣列點(diǎn)樣儀；玻璃毛細(xì)管點(diǎn)樣針；圖案化制備

1引言

微陣列生物芯片技術(shù)是將生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、光學(xué)、微電子學(xué)和計(jì)算機(jī)學(xué)高度結(jié)合形成的一項(xiàng)交叉技術(shù)。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。微陣列生物芯片技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于生物組學(xué)研究、臨床診斷、藥物篩選、微生物檢測(cè)等領(lǐng)域[1～5]。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)先合成的核酸片段、多肽分子等生物樣品按照一定順序固定于基片上，形成要求的陣列，然后將待測(cè)的生物樣品與標(biāo)記的已知生物樣品進(jìn)行雜交反應(yīng)。按照點(diǎn)樣針是否與芯片基底接觸將微陣列生物芯片的點(diǎn)樣方式分為接觸式（Contact）和非接觸式（Noncontact）兩種。接觸式點(diǎn)樣方式的點(diǎn)樣針尖端的液體與芯片基底直接接觸，通過(guò)毛細(xì)作用形成陣列點(diǎn)。接觸式點(diǎn)樣能夠獲得高密度點(diǎn)陣，且點(diǎn)樣量小（通常為pL級(jí)），但定量分析準(zhǔn)確性及重現(xiàn)性較差，且因存在交叉污染而不能重復(fù)點(diǎn)樣[6～9]。非接觸式點(diǎn)樣方式主要有兩種：一種是基于電磁微閥原理，通過(guò)注射泵和精密電磁閥協(xié)調(diào)工作實(shí)現(xiàn)非接觸式的定量點(diǎn)樣，此方式一般需要預(yù)增壓和預(yù)點(diǎn)樣過(guò)程，使點(diǎn)樣液滴體積達(dá)到穩(wěn)定，操作比較復(fù)雜，最小點(diǎn)樣量可以達(dá)到10

1L；另一種是基于壓電噴墨的點(diǎn)樣原理，通過(guò)壓電陶瓷的形變擠壓毛細(xì)管壁，使點(diǎn)樣針的尖端噴出微小液滴，最小點(diǎn)樣量可以達(dá)到10

1L，具有定量分析準(zhǔn)確、重現(xiàn)性好等優(yōu)勢(shì)。但由于壓電驅(qū)動(dòng)元件和點(diǎn)樣針集成在一起，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[10～13]。

針對(duì)目前非接觸點(diǎn)樣方式存在的不足，本研究采用了一種毛細(xì)管點(diǎn)樣針與壓電驅(qū)動(dòng)裝置分離的以壓電振蕩為驅(qū)動(dòng)力的非接觸式點(diǎn)樣方式，應(yīng)用于微陣列芯片制作。由于采用了分離設(shè)計(jì)，可以單獨(dú)對(duì)毛細(xì)管點(diǎn)樣針進(jìn)行更換和清洗，避免了壓電噴墨點(diǎn)樣頭容易堵塞的問(wèn)題。此裝置通過(guò)改變壓電陶瓷的振幅和頻率，可在10

0～10

9L之間調(diào)控點(diǎn)樣體積，優(yōu)于傳統(tǒng)的基于電磁微閥原理的點(diǎn)樣方式。以此為基礎(chǔ)，結(jié)合三維精密位移控制技術(shù)，研制了一種基于壓電振蕩原理的微陣列生物芯片點(diǎn)樣系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于微陣列芯片制備和界面圖案化修飾。

2實(shí)驗(yàn)部分

2.1儀器與試劑

P2000激光拉制機(jī)、BV10磨針儀、B10058玻璃管（美國(guó)Sutter公司）；PhenomPro臺(tái)式掃描電子顯微鏡（復(fù)納科學(xué)儀器上海有限公司公司）；LuxScan10K微陣列芯片掃描儀（北京博奧生物有限公司）；BT125D精密電子天平（德國(guó)賽多利斯公司）；MM3C透反射金相顯微鏡（上海萬(wàn)衡精密儀器有限公司）；AM4113TL顯微鏡（臺(tái)灣DinoLite公司）；P844.10壓電陶瓷（德國(guó)PI公司）；7105載玻片（江蘇飛舟玻塑有限公司）。三甲氧基硅烷（美國(guó)SigmaAldrich公司）；有機(jī)染料Cy3和Cy5（美國(guó)Sigma公司）；使用含30%甘油的水溶液為點(diǎn)樣液。

2.2壓電振蕩點(diǎn)樣原理及點(diǎn)樣頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)壓電陶瓷控制器對(duì)壓電陶瓷施加矩形電壓脈沖，使壓電陶瓷產(chǎn)生微小幅度的振動(dòng)，即壓電振蕩。這種振動(dòng)會(huì)對(duì)毛細(xì)管點(diǎn)樣針尖端內(nèi)的液體產(chǎn)生軸向加速運(yùn)動(dòng)，由此產(chǎn)生的慣性力使液體克服表面張力、

粘性力等束縛，發(fā)生斷裂，在點(diǎn)樣針尖端噴出微小液滴（圖1）[14]。點(diǎn)樣液的物理性質(zhì)（粘度、密度、表面張力）、點(diǎn)樣針尖端內(nèi)徑、壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)頻率等參數(shù)都會(huì)對(duì)點(diǎn)樣過(guò)程造成影響。韋伯?dāng)?shù)（We，無(wú)量綱參數(shù)）可用于判定液滴能否從點(diǎn)樣針尖端成功脫落[15]：

12

其中，ρ為液體密度，d為點(diǎn)樣針尖端內(nèi)徑，v為點(diǎn)樣針末端液體流速，r為液體表面張力系數(shù)。v由壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)頻率共同決定。所研制的點(diǎn)樣頭由壓電陶瓷、連接裝置、點(diǎn)樣針固定裝置和玻璃毛細(xì)管點(diǎn)樣針組成。玻璃毛細(xì)管點(diǎn)樣針的尾端通過(guò)硅膠管與蠕動(dòng)泵連接，用于進(jìn)樣和清洗。

2.3毛細(xì)管點(diǎn)樣針制備

采用激光拉制法將一根硼硅酸鹽毛細(xì)玻璃管拉成兩段，以獲得毛細(xì)管點(diǎn)樣針。硼硅酸鹽玻璃不僅具有良好的微加工性能和化學(xué)穩(wěn)定性，而且成本較低。利用激光對(duì)硼硅酸鹽毛細(xì)玻璃管進(jìn)行局部加熱，以消散其內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)玻璃管被加熱部分接近或達(dá)到熔融狀態(tài)時(shí)，在表面張力的作用下，玻璃沿毛細(xì)管軸向均勻收縮，此時(shí)在玻璃管兩端施加拉力，使其從被加熱的部分分成兩段，然后在空氣中急速冷卻，從而獲得內(nèi)腔呈圓錐狀的毛細(xì)管點(diǎn)樣針（圖2A）。對(duì)所拉制的毛細(xì)管點(diǎn)樣針尖端進(jìn)行垂直研磨拋光，

使其形成幾何對(duì)稱、端口平整、內(nèi)徑在μm量級(jí)的噴嘴結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用于微陣列生物芯片點(diǎn)樣。如圖2B所示，制作的毛細(xì)管點(diǎn)樣針尖端平整，管壁均勻。使用硅烷化試劑處理研磨后的毛細(xì)管點(diǎn)樣針，提高其內(nèi)壁的疏水性。硅烷化處理能夠有效降低噴嘴內(nèi)壁與溶液之間的相互作用，減少溶液的流動(dòng)阻力，有利于液體的噴射，同時(shí)避免了在噴嘴口處產(chǎn)生樣品“流掛”現(xiàn)象[16]。

2.4微陣列生物芯片點(diǎn)樣系統(tǒng)外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

以壓電振蕩驅(qū)動(dòng)的點(diǎn)樣頭為基礎(chǔ)，結(jié)合三維精密位移控制技術(shù)，研制了一種新型微陣列生物芯片點(diǎn)樣系統(tǒng)。如圖3A所示，儀器系統(tǒng)的前蓋、兩側(cè)及頂部均采用透明式設(shè)計(jì)，便于實(shí)驗(yàn)的觀察與操作。三維位移平臺(tái)選用直角坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)，含有3個(gè)彼此獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)單元，運(yùn)動(dòng)方向相互垂直，構(gòu)成三維運(yùn)動(dòng)空間（圖3B）。直角坐標(biāo)式位移平臺(tái)的機(jī)械系統(tǒng)較為穩(wěn)定，在工作過(guò)程中振動(dòng)較小。

2.5軟件設(shè)計(jì)

軟件控制主要分為位移控制、點(diǎn)樣參數(shù)設(shè)置、點(diǎn)陣參數(shù)設(shè)置和圖案化參數(shù)設(shè)置4個(gè)功能部分。位移控制功能可以將毛細(xì)管點(diǎn)樣針移動(dòng)至接近點(diǎn)樣基底表面的地方；點(diǎn)樣參數(shù)設(shè)置區(qū)域可以設(shè)置點(diǎn)樣的幅值、頻率和重復(fù)點(diǎn)樣次數(shù)等參數(shù)；點(diǎn)陣參數(shù)區(qū)域可以設(shè)置單個(gè)點(diǎn)陣的橫向、縱向點(diǎn)數(shù)和點(diǎn)陣間距，以及多個(gè)點(diǎn)陣的橫向、縱向陣數(shù)和陣間距；圖案化參數(shù)設(shè)置需要輸入目標(biāo)圖案的BMP位圖格式文件。

3結(jié)果與討論

3.1點(diǎn)樣體積測(cè)試

選用內(nèi)徑20μm的毛細(xì)管點(diǎn)樣針測(cè)試所研制的儀器系統(tǒng)的點(diǎn)樣體積。由于單次點(diǎn)樣體積在nL級(jí)別，難以直接精確測(cè)量其體積。為了使測(cè)得結(jié)果更接近真實(shí)值，采用測(cè)量點(diǎn)樣液滴的質(zhì)量間接得到點(diǎn)樣液滴體積的方法。首先，取1mL樣品溶液，測(cè)得其質(zhì)量為1.083g，獲得樣品溶液的密度為1.083g/mL。然后，固定驅(qū)動(dòng)頻率為5Hz，

設(shè)置不同的驅(qū)動(dòng)電壓，每種驅(qū)動(dòng)電壓點(diǎn)樣10000次，收集10000個(gè)液滴并稱重得到其質(zhì)量，通過(guò)與密度值進(jìn)行換算即可得到10000個(gè)液滴的體積，進(jìn)而得到單個(gè)液滴的體積。在每種點(diǎn)樣參數(shù)下，點(diǎn)樣液滴體積的測(cè)量均采用測(cè)量5次取平均值的方法，得到的單點(diǎn)體積與驅(qū)動(dòng)電壓的關(guān)系如圖4所示。在驅(qū)動(dòng)電壓為20V時(shí)，獲得最小點(diǎn)樣體積320pL；當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓低于20V時(shí)，點(diǎn)樣針尖端內(nèi)液體所獲得的慣性力因無(wú)法克服液體表面張力、粘性力等束縛而無(wú)法噴出；當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓>20V時(shí)，隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增大，液體獲得的慣性力增大，點(diǎn)樣體積也隨之增大。

3.2點(diǎn)樣密度測(cè)試

選用內(nèi)徑20μm的毛細(xì)管點(diǎn)樣針測(cè)試儀器系統(tǒng)的點(diǎn)樣密度。在驅(qū)動(dòng)電壓25V、頻率2Hz、點(diǎn)間距160μm條件下，獲得的微陣列如圖5所示。從圖5可見(jiàn)，液滴粒徑大小規(guī)整、均勻、無(wú)衛(wèi)星液滴，所獲得的液滴平均直徑約（108

SymbolqB@5）μm，接近商品儀器在接觸式點(diǎn)樣方式下所獲得的微陣列（單點(diǎn)直徑約100μm），優(yōu)于其在非接觸點(diǎn)樣方式下所獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（單點(diǎn)直徑

Symbol～200μm）。微陣列點(diǎn)陣密度達(dá)到4000點(diǎn)/cm2，表明所研制的儀器系統(tǒng)能夠制備高密度微陣列生物芯片。

3.3精度測(cè)試

選用內(nèi)徑40μm的毛細(xì)管點(diǎn)樣針測(cè)試儀器系統(tǒng)的點(diǎn)樣精度。在驅(qū)動(dòng)電壓40V、頻率2Hz、點(diǎn)樣間距1mm的點(diǎn)樣參數(shù)下，分別通過(guò)單次點(diǎn)樣制備單色染料（Cy3和Cy5）微陣列，同一位置重復(fù)點(diǎn)樣2次，制備雙色染料微陣列。如圖6所示，重復(fù)點(diǎn)樣所獲得的雙色液滴微陣列粒徑大小規(guī)整、均勻，陣列點(diǎn)平均直徑為（200

SymbolqB@8）μm；其中紅色染料（Cy5）信號(hào)平均值為1957

SymbolqB@63，綠色染料（Cy3）信號(hào)平均值為460

SymbolqB@29。此實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的點(diǎn)樣系統(tǒng)具有良好的點(diǎn)樣精度，能夠?qū)崿F(xiàn)不同樣品在同一位置的重復(fù)點(diǎn)樣。

3.4圖案化制備

為進(jìn)一步考察儀器系統(tǒng)的性能，選用內(nèi)徑40μm的毛細(xì)管點(diǎn)樣針，在驅(qū)動(dòng)電壓40V、頻率2Hz、點(diǎn)樣間距260μm、1次點(diǎn)樣的點(diǎn)樣參數(shù)下制備離散圖案；在驅(qū)動(dòng)電壓80V、頻率2Hz、點(diǎn)樣間距120μm、2次重復(fù)點(diǎn)樣的點(diǎn)樣參數(shù)下制備連續(xù)圖案。如圖7所示，在兩種情況下均能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)圖案的制備，對(duì)目標(biāo)圖案的形狀和大小沒(méi)有要求。此實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的基于壓電振蕩原理的微陣列點(diǎn)樣系統(tǒng)具有優(yōu)良的點(diǎn)樣精度，不僅能夠應(yīng)用于微陣列生物芯片制備，而且能夠?qū)崿F(xiàn)界面圖案化修飾。

4結(jié)論

分析了毛細(xì)管尖端液滴形成的條件，采用微加工方法制備了毛細(xì)管點(diǎn)樣針，并設(shè)計(jì)了一種新型非接觸式點(diǎn)樣結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上研制開(kāi)發(fā)了一種基于壓電振蕩原理的微陣列點(diǎn)樣系統(tǒng)。此點(diǎn)樣系統(tǒng)使用毛細(xì)玻璃管作為點(diǎn)樣針，極大地降低了微陣列生物芯片的點(diǎn)樣成本，并且點(diǎn)樣針與壓電驅(qū)動(dòng)裝置為獨(dú)立單元，可以單獨(dú)對(duì)毛細(xì)管點(diǎn)樣針進(jìn)行更換和清洗。點(diǎn)樣體積、點(diǎn)樣密度、點(diǎn)樣精度、圖案化制備等實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明所研制的系統(tǒng)能夠應(yīng)用于高密度微陣列生物芯片制備、能夠?qū)崿F(xiàn)固定位置重復(fù)點(diǎn)樣和界面圖案化修飾，因此具有良好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

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AbstractAnewtypeofpiezoelectricoscillationbasednoncontactspottingmodehasbeendevelopedtoovercomethedisadvantagesoftraditionalnoncontactspottingmodesincludingcomplicatedoperationprocedure，cleaningdifficultyofspottingneedle，largesampleconsumptionofelectromagneticmicrovalveandhighspottingcostofpiezoelectricinkjetbasednoncontactspottingmode.Inthedevice，thecapillaryspottingneedleandthepiezoelectricdrivingdevicearetwoindependentunitsusedforreplacingandcleaningcapillaryspottingneedle.Theglasscapillaryspottingneedleispreparedbythelasermeltingmethodwithadjustablediameterandlowcost.Thesamplespottingvolumeofthedevicecanbeeasilyadjustedintherangeof10

0-10

9bychangingtheamplitudeandfrequencyofpiezoelectricceramic.Amicroarrayspottingsystemisdevelopedbythecombinationofthepiezoelectricoscillationbasednoncontactspottingmodeandthreedimensionalprecisiondisplacementcontroltechnology.Themultipleparametersofaspreparedmicroarrayspottingsystemhavebeentestedincludingspottingvolume，densityofspotandspottingprecision.Theexperimentalresultsindicatethattheminimumvolumeofsinglespotwith320pLandthehighestdensityofspotwith4000spots/cm2canbeachievedbytheaspreparedmicroarrayspottingsystem.Furthermore，theaspreparedmicroarrayspottingsystemcanalsobeemployedtofabricatepatternedinterface.

KeywordsPiezoelectricoscillation；Microarrayspottingsystem；Glasscapillaryspottingneedle；Patternedinterfacefabrication

（Received28December2016；accepted6February2017）