CN1193358A - 放置生物试剂的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于把至少一种生物试剂放置到基片的多个位置处的设备,包括一个在其上施加至少一种生物试剂的模压件。模压件定义多个图案和该多个位置对应的传送元件。模压件和基片接触以把至少一种的生物试剂从多个传送元件传送到多个位置上。传送元件可用模压件的储器或凸出部分限定。

Description

放置生物试剂的方法和设备
本发明涉及在基片上放置生物试剂的方法和设备。
近来，越来越致力于研制用于分子检测的片。通常，分子检测片包括一个基片(Substrate)，在基片上布置一阵列结合点。每个结合位点(或杂交位点)具有各自的与具有预定结构的分子相结合或者杂交的分子受体。向分子检测片施以一种样品溶液，样品中的分子结合或杂交在一个或多个结合位点。检测在其上产生杂交的特定的结合位点，并且相继地推断出样品中所含的一种或多种分子结构。
用于基因测序的分子检测片是特别感兴趣的。通常称为DNA(脱氧核糖核酸)片的这种检测片采用一阵列的选择性结合位点，各结合点具有各自的单链DNA探针。被称为靶DNA的单链DNA片段的样品被施加到DNA片上。通过杂交过程DNA片段附着在一种或多种DNA探针上。通过检测哪些探针其上具有杂交的DNA片段，可以确定出该DNA片段中的核苷酸碱基序列。
已经发明出多种把阵列的分子受体放到基片上的方法。Affymax提出一种在玻璃表面上合成各种肽或各种核酸的平版印刷技术。为了合成N-碱基(n-mer)寡核苷酸探针，需要四次平版制版写工序。这是由于四种不同的组分核苷酸(腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和胸腺嘧啶)，它们可以位于一个N碱基探针中的几个核苷酸位置的每个位置中。平板印刷技术的一个缺点是，若在阵列中需要探针的新排列，则必须制造一组新的平版印刷掩模。此外，采用4n个掩模等级造成不希望的低产量。
近来，通过把检测片浸入到样品溶液中使分子样品施加到分子检测片上的探针上。这种方法需要相当大量的样品，而样本量通常是受限制的。另外，分子常常错误地结合到分子检测片的位点上造成假阳性读数。
本发明在附加的权利要求书中被精确指出。然而，通过参照下述带有附图的详细说明，本发明的其它特征将更为清晰并且将最好地了解本发明，附图是：
图1是一种设备的实施方案的方块图，该设备用于把至少一种生物试剂置放到基片的多个位置上；
图2表示根据本发明的一种模压件的实施方案；
图3表示从图2的模压件向基片传送至少一种生物试剂；
图4表示充当传送元件的矩形储器；
图5表示充当传送元件的球形储器；
图6表示用于控制储器中温度的装置；
图7表示另一种向储器引入至少一种试剂的技术；
图8表示模压件的一种实施方案，该模压件提供另一种向储器施加至少一种试剂的技术；
图9表示一种模压件，其具有多个限定多个传送元件的凸出部分；
图10表示模压件的一种实施方案，该件具有一个支承吸收层的支承件；
图11表示一种通过增加模压表面的表面面积增加模压件的吸收能力的备择方法；
图12表示一种同时采用凸出部分和储器的模压件的实施方案；
图13表示一种具有选择性的可凸出的传送元件的模压件的实施方案；
图14表示具有非凸出活塞和凸出活塞的模压件；
图15表示一种具有温度控制装置的选择性可凸出的模压件的实施方案；
图16表示一个具有圆柱形状的模压件的例子；
图17表示用于向模压件施加试剂的滚子；
图18表示用于向模压件施加试剂的至少一个的分配头；以及
图19是一个流程图，其概括了在一种把至少一种生物试剂放置到基片的多个位置中的方法的实施方案中所执行的步骤。
图1是一种设备的实施方案的方块图，该设备用于把至少一种生物试剂100放置到基片104上的多个位置102上。该设备包括一个在其中施加以至少一种生物试剂100的模压件106。模压件106多个图型上与多个位置102相对应的传送元件108。通过使模压件106和基片104相接触，至少一种的生物试剂100从多个传送元件108传送到多个位置100处。
至少一种的生物试剂100可以包括一种施加到多个传送元件108的每个中的共用试剂。在这种情况下，共用的生物试剂传送到基片104上的所有的多个位置102处，因此，该试剂对全部的多个位置102是共用的。另外，多个传送元件108中的每个元件可以接收各自的至少一种生物试剂100中的一种。从而，可以向基片104上的不同位置传送不同的生物试剂。
应注意的是，该实施方案中以及本文所述的其它实施方案中至少一种生物试剂100可以广泛地包括任何试剂或化学品。但是，尤其感兴趣的是生物试剂，其中包括但不局限于，单核苷酸、核苷酸链如DNA片段和RNA(核糖核酸)片段以及其它核酸。
本发明的实施方案可以便利地应用于把生物试剂传送到构成分子检测设备的基片上，例如基因测序片或者疾病诊断片。生物试剂可以传送以构成分子检测设备的结合位点上的分子检测探针。另外，生物试剂可以包括和已经具有分子检测探针的结合位点的选定位置杂交的靶分子。
还应注意的是，基片104可以用各种材料构成，包括，但不限于，金属、半导体、纸、玻璃、和塑料，用于本文所述的本发明的各实施方案中。基片104可以是挠性的或刚性的，可具有各种形状，包括但不限于平面形状、滚筒状和圆柱形状。
图2表示根据本发明的模压件120的一种实施方案。该模压件120限定多个传送元件122。多个传送元件122可以形成为阵列的图案，如图2中所示的二维阵列，以便和基片上位置的阵列相对应。但应注意，多个传送元件122可采用替代的图案。模压件120具有在其上规定了多个传送元件122的表面124。在本实施方案中，表面124基本上是一个平面。
图3表示正在从图2的模压件120向基片130传送至少一种的生物试剂。模压件120的表面124朝向基片130的表面132直至接触。当接触时，或者表面124和基片130接触，或者多个传送元件122的至少一个元件和基片130接触。然后，如参考数字134所示，从基片130移去模压件120。从而，至少一种生物试剂或者其的反应物留在基片130的多个位置138处。
在本发明的各种实施方案中，多个传送元件可具有任何不同的形式。在一种形式中，多个传送元件包括多个限定在模压件的表面上的储器。多个储器排列成对应于基片上的多个位置。每个储器为模压件中小的内含物的形式，用于保持少量化学反应试剂。例如，储器可用于保存微微升量级的试剂。
利用常规的掩模/薄膜定位对准技术，通过使基片和具有对应的储器阵列的模压件相接触，可以准确地把至少一种的试剂放置到化学敏感底物的预定位置处。当模压件和基片接触时，至少一种的试剂和化学敏感基片之间的化学反应含在储器之内。储器优选具有预定的形状和预定的容积，从而不会明显地影响目的化学反应。
在化学反应完成之前模压件一直和基片接触。然后，从基片上移去模压件，并把反应产物的区留在基片上。
图4表示用作传送元件的矩形储器140。矩形储器140是限定充当在模压件142的一个部分中的。在一种实施方案里，矩形储器具有大于10mm的直径144，从而不会影响其中进行的预定化学反应。
图5表示用作传送元件的球形储器150。球形储器150是限定充当在模压件152的一个部分中的。类似于矩形储器140，球形储器150具有大于10mm的直径154，从而不会影响在其中进行的预定化学反应。
图6表示一种用于控制储器160中的温度的装置。加热元件162嵌入模压件164并靠近储器160。加热元件162例如可以是电阻加热元件，依赖对其施加的电流加热储器160。
靠近储器160在模压件164中嵌入温度探针166。温度探针166测量储器160的或者储器160中试剂的温度。从温度探针166向控制器168传送一个表示温度的信号。控制器168处理该信号以形成施加到加热元件162的控制信号。为了控制温度达到所需的程度而形成该控制信号。
通过在多个储器的每个中嵌入一个加热元件和一个温度探针可以局部地控制每个储器的温度。这可用于以诊断为目的地控制遗传物质杂交到特定的基片位置上。
储器处的温度控制还对于提供一种扩增其中所含的生物样品的方法是有用的。这样，可以控制温度从而提供PCR(聚合酶链反应)扩增技术中的加热步骤。
对于本文所述的本发明的各种实施方案，可以通过一些不同的技术把至少一种的生物试剂引入到储器中。一种技术是对模压件提供基本均匀的润湿。这样，可以把模压件浸入到包含着该至少一种试剂的液体中以灌满各储器。另外，可将模压件的表面在含有该至少一种试剂的饱和吸收材料上滚动或与之接触。在这两种情况下，典型地把相同的至少一种试剂施加给所有的储器。
图7表示另一种向储器引入至少一种试剂的技术。这里，利用相应的多个毛细管172(或者对应的多个微量吸移管)直接把至少一种试剂置于模压件170的多个储器里。如所示，可以从模压件170的底部对储器施以至少一种试剂。
图8表示模压件180的一种实施方案，其提供另一种把至少一种试剂施加到储器里的技术。在模压件180里嵌入多个毛细管或其它类似的管件。图中更详细地显示多个毛细管182中的一个毛细管184。毛细管184嵌入到模压件180中并靠近储器186。毛细管184提供对储器186的流体传送。利用这个实施方案，通过多个毛细管182中的相应的一个可以向多个储器中的每一个施加相应的一种生物试剂。
就试剂量和放置二方面而论，图7和8中所示的直接放置方法优于均匀润湿方法。尤其，采用直接放置灌满储器只需数量减少的试剂。此外，可以把不同的试剂施加到不同的储器内，从而对基片上的不同位置进行放置。
如上面所述，根据本发明的多个传送元件可以具有任何不同的形式。在图9中示出传送元件的第二种形式。
图9表示一种具有多个限定多个传送元件的凸出部分192的模压件190。多个凸出部分192的图案对应于基片上在其中放置一种或多种试剂的多个位置。
多个凸出部分192吸收施加到模压件190的表面196上的至少一种生物试剂194。如所示，至少一种生物试剂194也可由模样件190的非凸出部分198吸收。若至少一种生物试剂是利用上面所述的均匀润湿技术施加时，会出现这种情况。
模压件190和基片200接触以把至少一种生物试剂194传送到多个位置202上。接触时，多个凸出部分192的各个的模压表面204在多个位置202的对应位置上和基片200接触。但是，非凸出部分198不和基片200接触。一旦从基片200移去模压件190，至少一种的生物试剂194留在基片200的多个位置202上。
模压件190可以采取由包括着但不限于的玻璃、合成橡胶、金属、溶胶-凝胶、塑料和聚合物的材料制成的压花刚性或半刚性板形式。在模压件190中可将一种或多种这些材料组合以得到所需的挠性、刚性、不透明性、热传导性和/或化学吸收能力。
图10表示一种具有支承吸收层212的支承件210的模压件190的实施方案。支承件210是用如上面提到的刚性或半刚性材料构成的。吸收层212由诸如溶胶-凝胶的吸收材料构成。吸收层212规定了多个图案和基片上的多个位置相对应的凸出部分214。
图11表示通过增大模压表面的表面积增加模压件190的吸收能力的一种备择方法。模压件190规定了多个凸出部分220。多个凸出部分220的每个具有一个确定至少一个空腔224的模压表面222。至少一个的空腔224通过增大模压表面222的表面积提高多个凸出部分220的每个的吸收能力。该至少一个的空腔224可以用多个凸出部分220的每个上的一串脊来定义。
图12表示一种采用凸出部分和储器两者的模压件190的实施方案。这里，多个凸出部分的每个各具有一个限定储器234的模压表面232。每个储器234是根据本文所述的任一种储器实施方案构成的。
从而，各个储器234可以含有要传送到基片上的其量得到准确控制的试剂。另外，可以在模压件190里嵌入一个毛细管以把生物试剂施加到多个凸出部分230中的至少一个的储器230中。而且，可以在模压件190中靠近储器234嵌入一个加热元件和一个温度探针以对至少一个凸出部分230提供温控装置。该温控装置可用来作为扩增多个凸出部分230的至少一个的储器中的生物样品的装置。
上述的各实施方案中模压件的凸出部分可以是固定的或者可选择地凸出的。可以采用各种用来在多个凸出部分的至少一个处可选择地凸出的方法，以允许针对基片上的位置的不同图型，对单个模压件改变外形。
图13表示一种具有可选择的可凸出的传送元件的模压件240的实施方案。在模压件240中包括多个活塞242或类似的移动机构。多个活塞242的每个可独立地凸出以构成各自的凸出部分。最好多个活塞242的每个是可机电地凸出的。从而，模压件240的传送元件的图型可根据多个电信号进行电编程。
选择多个活塞242中的一些使之凸出以形成一种传送元件图型。通过选择凸出的活塞使吸收层244变形。吸收层244用于接收传送到基片的生物试剂。这种方法可用于实现定义直径为数百微米并包括直径小至100mm和更小的图型。使用选择性地可突出的传送元件的优点在于减少了用于多波处理所需的模压件的数量。
图14表示一种具有一个不凸出活塞250和一个凸出活塞252的模压件240。凸出的活塞252使吸收层254变形以形成凸出部分256。凸出部分256使得生物试剂传送到基片258上和模压件240接触的相应位置。
图15表示一种具有温度控制装置的可选择性地凸出的模压件的实施方案。这里，多个活塞260的每个具有安装在其中的加热元件262。还可选择地在多个活塞260的每个中安装一个温度探针(未具体示出)。加热元件262允许由于上面所述的目的对各个凸出部分的温度进行控制。
在本发明的各种实施方案中，模压件可以具有各种形状，包括但不限于平面状、圆柱状、球状和其它曲线状。圆柱状的优点在于模压件可在基片上滚动以把至少一种生物试剂从多个传送元件传送到多个位置上。
图16表示一种具有圆柱形的模压件270的例子。模压件270的外圆周表面272定义图案对应于基片274上多个位置的多个传送元件。在基片274上滚动模压件270使得连续图案的试剂传送到基片上。
图17表示一种用于向模压件282施加试剂的滚子280。滚子280很适用于把单种类型的试剂施加到模压件282上的所有多个传送元件中。利用滚子280还具有在向模压件282的一部分施加试剂的同时模压件282的另一部分对基片284传送试剂的优点。尽管模压件282示为具有圆柱形，请注意可以利用滚子向具有平面状或其它形状的模压件施加试剂。
图18表示用于对模压件292施加试剂的至少一个的分配头290。至少一个的分配头290直接向模压件292上的多个传送元件施加特定量的试剂。至少一个的分配头290很适用于向模压件292的不同传送元件施加不同的试剂。和利用滚子280一样，使用至少一个分配头290具有在向模压件292的一部分施加试剂的同时模压件292的另一部分向基片传送试剂的优点。
在优选实施方案中，至少一个的分配头290包括在如在题目为“利用核苷酸专用的分配棒合成寡核苷酸的方法和系统”的共同未决申请中所述的多个分配棒中，这份申请作为参考被引用到本发明的揭示中。多个分配棒的每个专用于分配各自类型的试剂。例如，四个分配棒的每个可专用于施加四类核苷酸中各自的一类核苷酸。多个分配棒中的每个具有多个可独立定位的分配头以把试剂分配到模压件292上的一排传送元件的任一个中。
图19是一个概括了一种把至少一种生物试剂放置到基片的多个位置的方法的实施方案中所执行的步骤的流程图。如由块300所示，该方法包括提供一个模压件的步骤，该模压件定义其多个传送元件的图案以对应于多个位置。优选根据本文中所说明的各种实施方案提供模压件，不过该方法的备择实施方式并不在此上是受限制的。
如果多个传送元件具有模压件的多个凸出部分的形式，可以执行一个选择凸出多个凸出部分的至少一个部分的供选步骤，如由块302所示。如上所述通过模压件中的相应活塞，可以机电地使多个凸出部分的至少一个中的每个凸出。但是，也可以采用选择性地凸出多个凸出部分的至少一个的其它方法。
如由块304所示，执行把至少一种生物试剂施加到模压件的步骤。对于包括储器在内的传送元件，该步骤可包括通过嵌入到模压件之中的毛细管把生物试剂施加到储器。对于多个储器，该步骤可以包括通过嵌入到模压件中的多个毛细管中的对应的一个毛细管把各自的生物试剂施加到多个储器的每个中。
如由块306所示，执行使模压件和基片接触的步骤，以把至少一种的生物试剂从多个传送元件传送到多个位置上。如上所述，模压件和基片的接触步骤可以包括用模压件在基片上压或者滚中的一种。
如由块308所示，可以执行控制储器中的温度的供选步骤。该步骤可以包括对模压件中靠近储器的加热元件施加信号。该步骤中可以控制温度以便控制储器中所发生的反应。
如由块310所示，可以执行保持模压件和基片之间的接触直到完成涉及至少一种的生物试剂的反应的步骤。然后，从基片上移开模压件。
如上所述，当至少一种的生物试剂包括至少一种核苷酸时及当多个位置是分子检测设备中的结合位点时，这种方法尤其是有好处的。
这样，本文中说明了生物试剂放置方法和系统的概念以及几种包含着优选实施方案的实施方案。
因为本发明的各种实施方案采用通过和基片接触传送试剂的模压件，因为不需要平版制版图案定形以定义基片上化学活性区域，这些实施方式提供明显的改进。这样可以通过减少所需的工序次数提高多级制造过程的产量。此外，模压处理尺寸上适用于大面积并且是和高生产量的制造要求相容的。
与把整个基片浸入到溶液相比，把储器用作传送元件减少了所需的试剂量。利用选择性地可凸出活塞确定传送元件的好处是可以实时地重新定形模压件。
此外，如本文所述的本发明的各种实施方案通过在每个传送元件处提供温度控制允许精确地控制包括杂交在内的化学反应。这减少了在整个基片上温度均匀的要求。
而且，本发明的各种实施方案允许把不同的样品只放置到基片上的预定区域如分子检测片处。和把样品放到分子检测上的所有多个组合点相比，限制性的样品放置可以减少假阳性杂交(或部分杂交)的可能性。
对于本领域的技术人员，很明显可以以各种方式修改本公开的发明并且可以设想许多不同于上面具体给出和描述的优选形式的实施方案。
因此，附属权利要求书的意图是覆盖所有属于本发明的真正精神和范围之内的对本发明的修改。

Claims (10)

1.一种把至少一种生物试剂放置到基片上的多个位置处的方法，该方法包括步骤：
提供一个模压件，模压件限定图案对应于该多个位置的多个传送元件，
向模压件施加至少一种的生物试剂；以及
使模压件和基片接触，以把至少一种的生物试剂从多个传送元件传送到多个位置上。
2.权利要求1的方法，其中模压件具有定义多个传送元件的多个凸出部分。
3.权利要求2的方法，其中当向模压件施加至少一种生物试剂时多个凸出部分吸收至少一种的生物试剂。
4.权利要求2的方法还包括选择性地凸出多个凸出部分的至少一个凸出部分的步骤。
5.一种用于把至少一种生物试剂放置到基片上的多个位置处的设备，该设备包括：
一个在其上施加至少一种生物试剂的模压件，该模压件限定图案对应于该多个位置的多个传送元件，该模压件用于和基片接触，以把至少一种的生物试剂从多个传送元件传送到多个位置上。
6.权利要求5的设备，其中模压件具有多个定义多个传送元件的凸出部分。
7.权利要求6的设备，其中至少一种的生物试剂包括至少一种核苷酸。
8.权利要求6的设备，其中当向模压件施加至少一种的生物试剂时多个凸出部分吸收至少一种的生物试剂。
9.权利要求6的设备还包括用于选择性地凸出多个凸出部分的至少一个凸出部分的装置。
10.权利要求5的设备，其中多个传送元件包括多个在模压件的表面上定义的多个储器，该多个储器的图案对应于多个位置，并且该设备还包括多个嵌入到模压件中的多个毛细管，其中通过多个毛细管中相应的一个把各自的生物试剂施加到多个储器的各个中使至少一种的试剂施加到模压件上。
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C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C01 Deemed withdrawal of patent application (patent law 1993)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication