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　　芯片点样仪是用接触法制备生物芯片的主要设备。芯片点样仪的点样方法可分非接触喷点和接触点样两种。现在国内外绝大部分生物芯片公司采用的都是接触点样法，但非接触点样法也在不断发展。

芯片点样仪的原理

　　接触式芯片点样仪：即点样针直接与固相支持物表面接触，将DNA样品留在固相支持物上，此种点样方式适合一次取样点50张芯片以下的情况;其二为非接触式点样，即喷点，它是以压电原理将DNA样品通过毛细管直接喷至固相支持物表面，此种点样方式适合一次取样点50张芯片以上的情况，并且非接触式点样的密度不如接触式点样，主要适合于膜芯片，对于高密度的玻璃芯片一般均采用接触式点样。

　　非接触式芯片点样仪：系统构成除了运动机构之外需要高精度柱塞泵和压电喷头。运动机构用来移动喷头实现在试剂盒取样，到薄片喷样以及到水槽清洗等功能，柱塞泵用来完成连续向喷头供给样品液，以及在洗针过程中从喷嘴汲取清洗液和冲洗喷头腔体等动作。

　　喷头结构原理：它是在硅片上刻蚀出腔体和细小的喷嘴，腔体的背面贴上压电陶瓷，腔体的顶部用玻璃材料对腔体进行密封。工作时对压电陶瓷施加电压，压电陶瓷产生形变并带动硅片产生弯曲和凸凹形变，使腔体的体积迅速发生变化，进而喷射出液体微滴。这种形变喷射出的液体体积在纳升和皮升量级，工作的频率可达1kHz，所以非常适合高精度的纳升皮升级点样系统。

芯片点样仪使用方法

　　1、点制芯片前半小时，将GMP内空调温度设置为室温;

　　2、点样开始前，检查加湿器和系统内的水位，不足时补充离子水，废液桶内水满时应及时倒去;

　　3、进入操作系统后，进入点样仪操作程序，初始化芯片点样仪;

　　4、检查芯片点样仪针头及与针头相连的导管中是否有气泡，如有气泡应反复排空，待导管完全排空后，再将其充盈;

　　5、排完气泡后，将针头清洗干净，然后在频闪仪下观察液滴形态，保证形态良好;

　　6、从冰箱内取出点样板，将其放入芯片点样仪中;

　　7、整齐放入待点的芯片，注意片间不留空隙;

　　8、编制点样程序;

　　9、点样开始时，先进行模拟，没有错误后方可正式点样;

　　10、点样完毕后，芯片在65%的芯片点样仪中放置5min后再取出，注意观察芯片的洁净度，有无漏点，重复点，点融合，散点及位置偏差等;

　　11、关闭程序，再关闭芯片点样仪、加湿器、电脑电源。

芯片点样仪的优点

　　生物芯片的制作主要有光引导原位合成法、电喷射原位合成法、接触式点涂法和非接触喷射法(通过压电晶体或其他推进形式)四种，前两种方法都是在芯片上直接合成探针，后两种方法是把事先已制备好的探针样品(如通PCR方法)移植固定在玻璃或硅片上，通常通过电脑自动化操作呈阵列状分布。其中Z经济gao效的还是后两种方法。

　　接触式点样和非接触式点样各有优点：

　　性能上：接触式芯片点样仪控制精度低于非接触式芯片点样仪，点出的微小液滴图案也不如非接触式点样更接近圆形。但压电陶瓷喷头在处理黏稠度较大的液体时显得非常困难，采用的解决办法是对喷头腔体进行加热，但加热会造成蛋白变性，所以对热敏感的样品，无法进行点样;而接触式芯片点样仪对各类黏稠度的样品基本上都可以工作。

　　强度上：接触式点样针更安全，因为针体结构简单，工作过程中，针体在针导向槽内滑动，所以点样动作比较安全;而压电喷头结构复杂，点样头固定在喷头上，上下运动稍有不慎就会损坏压电喷头，操作起来安全性较低。

　　这两种芯片点样仪都互相不可替代。接触式芯片点样仪已经很成熟，价格也基本稳定，是点样设备的主流。非接触式芯片点样仪，只有少数公司具备喷头的设计加工能力，而且喷头属于耗材，目前成本高，售价单支1万元人民币左右，在制备技术和成本方面还有较大的开拓空间。

芯片点样仪发展趋势

　　目前的芯片点样仪已经很成熟，功能完备，软件操作灵活方便，可以满足绝大部分使用者的需要。虽然芯片点样仪将继续在市场和实验室中占有很大的份额，但由于它体积大而且只是作为生物芯片应用的一个环节存在，这样当它和样品制备、试验检测等等一起使用时总体上不易得到很好的一致性，所以芯片点样仪的小型化、集成化、自动化将成为发展的趋势。

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　　芯片点样仪是将生物样品(核酸或蛋白)以一定的阵列方式快速、准确地点在载玻片或薄膜上，形成生物样品为阵列的仪器，也是从事生物芯片研发和生产的必备仪器。

芯片点样仪的系统组成

　　从点样过程的要求来看，芯片点样仪一般应由以下几部分组成。

　　①机械部分：系统应具有三个自由度，使点样头可运动到工作空间的任意位置。

　　②控制部分：控制点样头按照点样需要精确运动，控制有关周边设备。

　　③周边设备：主要包括清洗设备，干燥设备，温度湿度控制装置。

　　④点样头：芯片点样仪的末端执行器，用于样品分配。

　　⑤软件系统。

芯片点样仪控制系统

　　芯片点样仪控制系统采用上、下位机二级结构。

　　芯片点样仪上位机采用普通PC计算机，通过运行控制软件，向用户提供良好的操作界面，使用户完成位置校准、参数设置、点样监控等操作。

　　芯片点样仪下位机系统由可对电机进行精确位置控制的多轴运动控制器、运动控制器信号转接板、交流伺服电机和驱动器、继电器板和限位/零位开关等组成。下位机系统的功能主要是接收上位机的控制命令，并实现对三个轴的伺服控制及清洗干燥装置的开关量控制。运动控制器还提供八路限位开关(每轴二路)输入，四路原点开关(每轴一路)输入，十六路通用数字量输出接口、十六路通用数字量输入接口，用以实现复杂灵活的运动控制。其功能有：

　　①面向各控制轴实现点到点运动控制，具有可编程S-曲线、梯形曲线、速度控制和电子齿轮运动控制方式。

　　②所有计算参数和轨迹规划参数均为32位。

　　③硬件捕获系统原点Home信号，保证控制系统具有较高的重复定位精度。

　　④可编程事件中断：外部输入中断、事件中断、时间中断等。

　　为了保证芯片点样仪控制系统的稳定可靠，采取了以下措施以减小对控制系统的干扰和增强系统的保护功能：

　　①在驱动器的电源上安装噪声滤波器，避免驱动器工作时对电源的干扰。

　　②芯片点样仪集成了光耦电路，使数字地与模拟地隔开;I/O接口的信号同样也经过光电隔离。

　　③控制柜主电路与继电器电路间用隔离变压器隔开，避免两者间的相互干扰。

　　④上、下位机的电气系统共地，信号线都有屏蔽保护。

芯片点样仪系统软件

　　芯片点样仪软件系统的总体设计采用结构化设计方法，是从整个程序的结构出发，突出程序模块的一种设计方法。其基本思想是将芯片点样仪系统设计成由相对独立、单一功能的模块组成的结构。由于模块之间是相对独立的，所以每个模块可以独立地被理解、编码、测试、排错或修改，因而使复杂的工作得以简化。此外，模块的相对独立性也能有效地防止错误在模块之间扩散蔓延，从而提高系统的可靠性。同时还为扩充已有的系统带来许多方便。

　　芯片点样仪软件的编制通过VB实现，充分利用了面向对象的编程技术，将软件的功能模块化。软件包括主窗体模块、参数设置模块、位置校准模块、点样模块等。由于芯片点样仪的Z终用户是医学和生物科学的工作者，所以控制软件应界面友好，操作简洁，避免误操作的发生。芯片点样仪人机界面的设计主要由以下几个措施来保证操作的正确：

　　①减少激活的命令按钮：屏蔽掉那些暂时不需要使用的命令按钮，只有完成当前的操作才会使其激活，这样可以避免因为芯片点样仪操作顺序不当引起的误操作。

　　②输人提示功能的设计：预防误操作的有力手段就是“提示功能”。人机界面在任何时刻都应提供提示功能，告诉操作者现在机器人正在做什么，操作者应该做什么或可以做什么。

　　③参数输入的容错设计：由于全局环境参数是由人机接口传送给机器人控制系统的，正确的参数是机器人安全工作的重要保证。为了保证芯片点样仪系统有一个基本正常的运行环境，所有参数均应在程序中保留三个值：Zda值、Z小值和默认值。在系统上电初始化过程中，所有参数均按典型值进行赋值。在输入过程中，对键入的值进行过滤处理，若操作者误键入超出范围的值，系统给出提示并将该处的数值变为默认值。

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　　芯片点样仪是用接触法制备生物芯片的主要设备。就职能而言，无论哪种芯片点样仪，都是为了能够把所要研究或试验用的核酸或蛋白等样品，按所希望的矩阵点在玻片或薄膜上的仪器。

芯片点样仪使用现状

　　芯片点样仪的机械结构大致都是由三维运动组成的，但具体实现的手段却有着较大的差别。这差别不仅来自于不同设计者构思的差异，更来自于不同的使用者不尽相同的需求。大凡研究单位是不会象基因芯片的生产商那样追求产片的高速度，即载片数量大、运动速度快。但为了提高科研的效率，更希望在单个玻片上载入尽可能多的信息即较高的点样密度。于是，这便对芯片点样仪的点样精度提出了较高的要求。

　　目前，欧美、日本等一些发达国家已有芯片点样仪的产品问市，如英国Biorobotics生产的MicroGrid系列;美国Genemachine生产的GeneMachines;Cartesian生产的PixSys5500、ProSys5510B等。尽管其中具备技术含量很高的产品，但就总体而言，距成熟的商品之间，还存在着一段距离。

常见的芯片点样仪

　　1、Genemachine公司生产的芯片点样仪

　　美国的Genemachine公司生产的GeneMachines芯片点样仪，其机械结构以一个现成的光学平台为基础。载片台安装在可前后运动的导轨平台的移动滑块上，而前后运动的导轨平台则被紧固在光学平台上。点样头可以和小导轨平台的滑块一起做垂直上下运动，这个小导轨平台又被固定在能够左右水平运动的导轨平台的滑块上，水平导轨平台通过一门型金属构件被紧固在光学平台上。整个芯片点样仪机械结构充分展示了设计者对高刚度、高稳定性的追求。加之厂家所选用的都是高精度的导轨平台，因而使得该机无论在点样密度、点样精度还是产片的速度方面都位居世界前列。

　　GeneMachines芯片点样仪美中不足的是，芯片点样仪的结构布局比较松散。硕大的光学平台要占掉很大的空间，而且光学平台台面内的空间利用率也不高。这对基因芯片的生产单位来说，也许还能容忍，但大多数科研机构恐怕就难以接受它了。

　　2、Cartesian公司生产的芯片点样仪

　　在为数不多的几个有名的芯片点样仪厂家中，Cartesian对机型改进的步伐也许是Z快的。Cartesian的ProSys5510B芯片点样仪的载片台是可以左右运动的。点样头上下运动的机构，被安置在可前后运动的内置导轨平台的滑块上。在机械结构的布局方面，它虽然缩短了载片台下面基础支撑板的大小，使得该机的造型趋于紧凑，但载片台运动时仍要占很大的面积;特别是点样头前后运动的机构还没能像GeneMachines芯片点样仪那样叠置起来，而是被安排在载片台的运动范围之外。这些都令该机在使用中的实际占地面积较大。

　　在Cartesian的PixSys5500芯片点样仪上，显然把充分利用空间当成了首要任务。它把三维运动全部集中起来，架在了载片台之上，使得整机结构很紧凑。但随着运动机构的上置又带来了新的问题。由于点样的动作总是步进式的，点样头在运动过程中运动机构势必要引起机体上部的颤动。颤动会使后续的精确点样定位变得困难，为此不仅需要玻片在承片台上的固定更加牢固，并且点样头运动的加速度也不能过大。

　　3、Biorobotics公司生产的芯片点样仪

　　Biorobotics的MGⅡ芯片点样仪，由于它并不追求过高的点样精度，所以带着点样头做左右水平运动的导轨平台的支撑板就做得比较纤细。四层叠放的载片台都可以在前后方向移动并都能参与点样。在机器左前侧是取样品盒的机构，它的正后方放着一个任由它取的样品库。这样的布置，不仅可以Zda限度地提供更多的样品盒，同时还可以利用样品盒集中放置的特点安排冷却，使芯片点样仪所点样品的品种范围大大扩展。

　　总体来说，Biorobotics的MGⅡ芯片点样仪立足于所认准的点样精度，除了由于结构复杂，增加了维修工作的难度以外，已基本达到了近乎完善的程度。

　　4、DY-2001型芯片点样仪

　　在DY-2001型芯片点样仪的总体设计研制之前，对包括上述三个品牌芯片点样仪在内的几种芯片点样仪都做了较详尽的分析、对比和部分实际操作。因此，由所研制的DY-2001型芯片点样仪在整体性、占地面积、空间利用率、刚性、精度以及便于维修等方面都立足于较高的起点上。

　　目前可预见的不足是，DY-2001型芯片点样仪的总重量要比期望的重了些，这也许会给日后的包装、运输和仪器的安装到位等带来一些不便。

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