制造生物芯片用的低成本高效率阵列点样技术简介.doc

制造生物芯片用的低成本高效率阵列点样技术简介中国科学院院士 田昭武1. 生物芯片的重要性和社会需求生物芯片是在几个厘米见方的基片（玻片、尼龙膜、硝酸纤维素膜等）表面上按特定的密集点阵排列核酸探针、多肽、蛋白等生物大分子，把成千上万个平行运作的生物传感器集成于芯片。生物芯片技术能够在一次实验中检测多种疾病或分析多种生物样品，在基因研究、临床诊断、新药开发、环境保护等多个领域都具有广泛的应用价值，成为当前生物技术的革命性前沿之一。对生物芯片的最大量社会需求是在医疗诊断方面的。生物芯片仅用微量的样品，在很短时间内，向医师提供大量的疾病诊断信息。不仅每次可同时检测多种病毒、细菌等微生物，而且还可以鉴别菌株和亚群，提供医师快速检测和诊断病原体以及癌基因和遗传病等等，找到正确的治疗措施。作为当前国内外特别重要的实例，生物芯片技术已被证明可以准确检验SARS病毒。全面检测SARS病毒全基因组芯片检测系统，可在检测病毒的同时监测病毒基因组的变化。在药物研究方面，可用于快速筛选新药和研究药物的毒性和副作用；广泛应用的领域还有环境监测、司法鉴定、商品检疫、食品卫生和农业等等。对于科学研究而言，生物芯片则为众所周知的生命科学研究领域的重要工具，科学意义十分重大。2. 生物芯片的市场现状与扩大市场的关键据2003年新经济导刊报道，“从1992年第一块生物芯片诞生开始，生物芯片的市场逐年扩大，1997年生物芯片的市场仅为1200万美元，到了1998年激增到10亿美元，增长了83倍。到2001年，全球生物芯片的市场已达170亿美元，比1998年增长16倍。”“美国三家主要生物芯片公司Affymetrix、Apogent和GeneMachines，目前控制着73的生物芯片市场份额，其中，Affymetrix占据了基因芯片市场的35”。由于生物芯片价格太高，目前国内生物芯片产品主要用户为规模较大的科学研究单位，市场空间相对较小。另外，从医院或新药开发单位等生物芯片潜在用户的使用情况来看，由于受生物芯片价格门坎太高的限制，规模较小的医院或新药开发单位都负担不起，使用生物芯片的用户还很少。所以，扩大市场的关键在于大幅度降低生物芯片的价格。3. 生物芯片降低价格的技术关键目前制造生物芯片的技术最重要的是针接触点样法。生物芯片价格居高不下的原因，首先是生物芯片制造过程所用的点样针和点样设备（操作点样针群的点样机器人）的价格都很高。其次是点样针的构造过于复杂以致点样针群所容纳的点样针数目受空间和价格的限制，而且点样针每次摄取新的探针样品之前需要复杂步骤清洗剩余的前一种探针样品以免交叉污染，因而点样效率太低，而且浪费了昂贵的探针样品的大部分。如果能从技术方面将点样针的构造革命性地简化并缩小其体积以便集成，就可使点样针头群所容纳的点样针的数目大为增加而价格大为降低，成为可避免交叉污染的一次性用品，完全免除清洗步骤，因而点样效率大为提高而点样机器人的价格也可大幅度下降。实现上述变革可使生物芯片的价格大幅度下降，便于大批量生产以适应临床诊断的广大需求。生物芯片用户范围从科学研究单位扩大到数量众多的医院。4. 阵列点样新技术集成大量点样单元的最小巧的点样单元集成块（已申请发明专利）按照以上的思路，我们利用微系统的物理化学特性，发明了微量液体阵列转移技术，研制出点样单元阵列的集成块。这种集成块用于制造生物芯片就可替代目前通用的点样针头群以达到提高点样效率而大幅度降低成本的效果。每个点样单元的构造很简单且体积很小，集成块可以容纳数千个点样单元，而集成块的总尺度与生物芯片的尺度相当。集成块每次可同时向生物芯片载体输送成数千个按特定的点阵排列的亚纳升生物样品，效率很高。每个集成单元每次摄取的探针样品溶液仅为亚微升就足够分配到成百上千张生物芯片上去，节约了昂贵的探针试剂或样品。点样单元集成块的造价很低，可以一次性使用，完全避免了交叉污染和复杂的洗涤过程，进一步提高了制造生物芯片的速度，又大大简化了点样机器人的动作要求，因而降低其价格。5. 本发明的创新特点和经济效益1) 每个点样单元的构造很简单且单元体积很小（相对于目前已有的任何技术），样品溶液的驱动和定量只利用表面张力，不用电、磁、热、光，也没有压电动作或内部机械运动。2) 点样单元集成块可以容纳数千个点样单元（远多于目前点样针头群中的点样针的数目以及目前已有的任何技术的点样单元数），而点样单元集成块的总尺度与生物芯片的尺度相当（远小于目前点样针头群以及目前已有的任何点样头）。3) 点样单元集成块每次可同时向生物芯片载体输送数千个按特定的点阵排列的生物样品，效率为目前点样针头群的数十倍。4) 每个集成单元每次摄取的探针样品溶液仅为亚微升就足够分配到成百上千张生物芯片上去，节约了昂贵的探针试剂或样品。5) 点样单元集成块的造价很低，可以一次性使用，完全避免了交叉污染和复杂的洗涤过程，进一步提高了制造生物芯片的速度。6) 简化了点样机器人的动作要求，因而降低了点样机器人的价格。实现本发明可