CN1288446C

CN1288446C - 生物检测基片、生物检测系统和读出系统

Info

Publication number: CN1288446C
Application number: CNB038003953A
Authority: CN
Inventors: 古木基裕; 山津久行
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2002-03-15
Filing date: 2003-03-14
Publication date: 2006-12-06
Anticipated expiration: 2023-03-14
Also published as: TWI252255B; EP1486786B1; US8211380B2; TW200305648A; DE60324112D1; EP1486786A4; KR100994306B1; EP1486786A1; US20110008879A1; US20050014286A1; KR20040099098A; CN1547668A; WO2003079013A1

Abstract

本发明提供了一种聚集大量物质和可对物质灵活分类的生物检测方法。一种能够通过光学方法读出记录信息的碟形生物检测基片具有可固化可检测物质的检测表面位点S。检测表面位点S被当从上方看时沿径向设置的沟槽3(凹坑3a)按预定的间隔划分成若干扇区。本发明还公开了采用上述生物检测基片的一种生物检测装置和一种读出装置。

Description

生物检测基片、生物检测系统和读出系统

技术领域：

本发明涉及一种碟形信息记录介质，其构成生物信息及相关领域的有用的生物检测工具。特别是，本发明涉及到一个生物检测基片，通过将含有被标记的待检物的溶液喷点到固化有检测物的基片表面位点，以精确实现杂交或其它分子间反应；一种采用所述基片的生物检测方法；一个采用所述基片的生物检测系统和一个记录信息读出系统。

背景技术：

下面介绍与本发明有关的传统技术。目前，用于生物检测的集成基片称为DNA芯片或DNA微阵列(以下一般称作DNA芯片)，在其上使用微阵列技术将预先选定的DNAs排列成微阵列，进行基因突变分析、SNPs(单核苷酸多态性)分析和基因表达频率分析等等，已经广泛应用于包括新药物开发、临床诊断、药物遗传学和法医学等等在内的各种领域。

DNA芯片的特点使之能够对如杂交等分子间反应进行全面分析，因为大量的多种多样性的DNA低聚链、cDNAs(互补DNAs)、或其它类似物可集成到一个玻璃基片或硅基片上。

下面描述一个使用DNA芯片的分析技术的例子，在该分析技术中，在使用一个反转PCR扩增反应或类似方法合成一个荧光探针dNTP过程中，使用固化在玻璃或硅基片上的DNA探针，将从细胞、组织或其它类似物中提取的mRNA，进行PCR扩增。杂交是在基片上进行的，使用预先确定的检测器完成荧光测定。

在这里DNA芯片被分为两种类型，第一种类型是采用应用半导体曝光技术的光刻技术将寡核苷酸直接合成在一个预先确定的基片上。Affymetrix生产的芯片是典型的这种芯片，这种DNA芯片的集成度非常高，但是受限于基片上合成的DNA，可获得的DNA的长度约为几十个碱基；第二种类型的DNA芯片也称作“斯坦福系统”，DNA芯片的制作是使用分裂针尖短针(split tip pins)将预先制备好的DNA点样并固化到基片上，这种DNA芯片在集成度上低于前者，但是其优点在于可以固化约1kb的DNA片断。

然而，按照上述传统DNA芯片技术，集成的片断数量和DNA芯片本身的集成密度比较小，因此一次检测中能进行的分析数量不够多。此外，很难让用户自由地设置检测物的种类和数量，更不用说将检测物在基片上分组。

另外，在传统的DNA芯片中，在基片表面包含的检测物具有两维延伸DNA探针特性，并随Tm(解链温度)或GC含量而变化(而不是调整)，其存在问题是，由于暴露在相同杂交条件和洗涤条件下，因而产生假阳性或假阴性的概率很高。

此外，一个用于将检测物例如DNA探针固化于基片表面，和用于将含有待检物的样品溶液点样的检测系统，以及一个用于读取检测物和被标记的待检物之间的反应结果的分析器，也称“读取器”或“扫描器”通常被分开并独立制作。这样，以连续的方式实现生物检测过程和随后的读取及分析过程是不可能的，因而使得传统系统的使用非常不方便。

此外，由于检测物例如DNA探针以及样品液滴的形状和加样量不一致，从而存在所读出的荧光强度的精确度低这一技术问题。

还有，在传统系统中每个芯片以及每个集成单元的成本都很高，因此分析器很昂贵。

发明内容

因此，本发明的首要目的在于提供一种检测基片，可以大规模集成固化的检测物、检测物可以自由分组且价格便宜；一种所述基片的优选制作方法；一个使生物检测能有效、安全进行的生物检测系统；以及一个能够使检测过程及记录和分析过程以连续方式进行的基片记录信息读出系统。

为了解决上述问题，首先本发明提供了如下的“生物检测基片”。这里，术语“生物检测”是指基于物质之间反应的生物化学分析。

本发明提供一种生物检测基片，包括其上可以固化检测物的检测表面位点，所述检测表面位点被设置在一能够通过光学方法读出记录信息的碟形的基片的表面上，其中，所述的检测表面位点被设置在凹槽结构中，而该凹槽结构被设置在所述的基片的所述的表面中，以便在上侧看是沿径向延伸。

优选，包括用于提供所述的检测表面位点上的位置信息和旋转同步信息的装置。

优选，所述装置包括设置在所述基片上的摆动或地址凹坑。

优选，所述检测物质为活体物质。

优选，所述检测物质选自包括核苷酸链、肽、蛋白质、质脂、低分子化合物、核糖体的一个组中的任意一种。

本发明提供一种生物检测方法，包括如下步骤：

将含有检测物的溶液通过喷墨打印方法或微机械点样方法点样于生物检测基片的检测表面位点上，所述的生物检测基片包括可以固化检测物的检测表面位点，所述的检测表面位点被设置在可以通过光学方法读出记录信息的碟形基片的表面上，所述的检测表面位点呈位于所述的基片中的凹槽结构，以便所述的检测表面位点从上侧看在径向延伸：以及

固化所述的检测物质。

本发明提供一种采用生物检测基片的生物检测系统，所述生物检测基片包括在其上可以固化检测物的检测表面位点，所述的检测表面位点被设置在可以通过光学方法读出记录信息的碟形基片的表面上，所述的检测表面位点呈位于所述的基片中的凹槽结构，以便从上侧看在径向延伸，并且所述生物检测基片提供提供位置信息和旋转同步信息的装置，其中所述生物检测系统至少包括：

用于旋转支撑所述生物基片的基片旋转装置；

一点样装置，当使用基片旋转装置旋转所述基片时，用于将含有检测物的溶液和含有被标记的待检物的溶液喷点到所述检测表面位点；

一个聚焦伺服机构，用于保持点样装置和所述生物检测基片之间的固定距离；以及

一个跟踪伺服机构，用以根据所述位置信息和所述旋转同步信息使所述溶液的喷点跟踪所述的检测表面位点。

优选，所述的的点样装置是选自包括喷墨打印装置和微机械喷射装置的一组中的一个。

优选，所述点样装置是一个喷墨打印装置，并且墨水喷嘴与设置在所述生物检测基片对面、用于容纳一物镜的的支撑体连接成一体，所述物镜用以向所述生物检测基片传输聚焦伺服和跟踪伺服功能的激光。

本发明提供与生物检测系统一起使用的读出系统，用以读出所述生物检测基片上的记录信息，其特征在于将聚焦伺服和跟踪伺服应用于所述生物检测基片，用汇聚的激光束照射与所述检测表面位点上的所述检测物偶合的、被荧光标记的待测物，并检测由在所述照射下的激发所诱导产生的荧光的荧光强度，所述的检测表面位点被设置在凹槽结构中，而该凹槽结构被设置在所述的基片的所述的表面中，以便在上侧看是沿径向延伸。

首先，本发明提供了一种包含检测表面位点的生物检测基片，检测物可以固化于该检测表面位点。检测表面位点位于一个碟形基片的表面上，可以通过光学方式读出记录信息。检测表面位点呈凹槽结构，从上侧看去，这些凹槽结构沿径向排列。

在本发明中使用的术语“检测物”广泛地包括低分子物质、高分子物质、活体物质(vital substance)等等，它们可以直接或通过接头固化在检测表面位点，并与被荧光物质或其它类似物标记的待测物呈特异性偶合反应，总之该术语不应被狭义理解。基片上的“凹槽结构”是指，例如以条纹的形式出现的微通道结构或凹槽结构。在凹槽结构中，放射状结构被划分为凹坑的、分格式的结构，或其它类似结构。凹槽结构由一系列凹坑或分格式的结构构成。从上侧看去，凹坑或分格式的结构排列整齐的部分看起来基本上像是条纹。不应当对术语“凹槽结构”进行狭义地解释。生物检测基片包括的凹槽结构区域是碟形微通道阵列。

在生物检测基片中，例如采用直径约10cm的碟形基片用以固化检测物；这样，该生物检测基片的优点在于用于将检测物固化于其上的检测表面位点的多样性，或在于可以将包括检测表面位点的凹坑、凹槽或其它类似物集成为一个整体。换句话说，生物检测系统可以是一个DNA芯片、一个生物传感器芯片或其类似物，其记录信息的集成量是很大的。

此外，由于检测表面位点具有凹槽结构，从上侧看沿径向设置并且具有预定的间隔，因此可以避免相互之间的污染，可根据每个凹槽结构对检测物进行分类。例如根据每个凹槽结构对疾病产生标记基因进行分组，或者根据每个凹槽结构将要固化的核苷酸(检测物)基于不同的Tm值或GC含量进行分组。这使得变换反应条件，例如杂交条件，例如缓冲液组成及浓度等，洗涤条件、样品溶液的浓度等，从而得出检测物的最适反应条件成为可能，从而显著降低由于分析操作而导致假阳性和/或假阴性结果的可能性。

另外，由于在基片上形成从上侧看呈径向的，也就是从碟形基片的中心向外周延伸展开的凹槽结构，所以，使用某种预定方法旋转碟形基片，由毛细管原理产生的吸力，以及通过使用某种预定方法旋转碟形基片时产生的离心力可将液体传送过去。例如，当去除多余的、在反应后没有被结合的待测物时，洗涤用的液体即可平滑地和安全地从基片的中心区域流入并通过凹槽结构(特别是其中的检测表面位点)。

本发明还提供了一种生物检测基片，其包括在上述提及的检测表面位置提供位置信息和旋转同步信息的装置。该装置可包含在基片上提供的摆动或地址凹坑。这里的术语“摆动”表示相对于轨道的，即用于用户记录数据，即用于预先在碟上记录有关碟上的物理地址的信息的凹槽(引导凹槽)的中心，轻微地左右摆动。通常，以相对于高于跟踪伺服频带的频率的轻微频率偏差进行FM调制，并且在基片上，在凹槽径向移动时，正弦波调制信号的振幅被削减。

生物检测基片更适用于将包含检测物的溶液和包含待检物的溶液，根据位置信息和旋转周期信息，精确地喷点到预先确定的检测表面位点。

本发明进一步提供了一种生物检测基片，选自由核苷酸链、肽、蛋白质、质脂、低分子量化合物、核糖体及其它有机物所组成的一组中的至少一种物质固化于基片上的检测表面位点。

这种基片可以广泛地用作生物传感芯片，用来实现单链核苷酸链之间的反应，或者是一个DNA芯片双链核苷酸和用于杂交的肽(蛋白质)之间的反应、抗原抗体反应或其它的分子间反应。

这里，术语“核苷酸链”泛指包含由核苷酸聚合成的包含寡核苷酸和多核苷酸的DNA探针、由嘌呤核苷酸和嘧啶聚合成的DNAs(其全长或片段)、由反转录得到的DNAs(cDNA探针)、RNAs及其类似物。在单链的情况下，分析基于与靶核苷酸之间的杂交反应而进行。在双链的情况下，可用于进行蛋白质和DNA(特异性的排列位点)的分析；例如，可以分析受体分子如作为转录因子的激素受体与反应阵列DNA部分及其类似物的结合反应。术语“肽”指多个氨基酸以肽键连接形成的物质。术语“蛋白质”指包括以肽键连接L-α-氨基酸形成的多肽链为必要成分的有机高分子物质，包括简单蛋白质和结合蛋白质。上述包括与生物素连接的DNA片段，它与链霉抗生物素以及其它各种配体分子牢固结合。术语“质脂”包括磷脂膜。这里，检测表面位点可以膜的形式使用。术语“低分子化合物”包括硅烷连接剂。硅烷连接剂是一类交联剂，它作为肽、蛋白质等等的接头结合到硅表面或玻璃表面。术语“有机分子”包括细胞和病毒颗粒。可以根据被固化的检测物而对检测表面位点的处理做合适的选择。有时，可以用吸附抑制剂聚赖氨酸来处理检测表面位点。

其次，本申请提供了下述“生物检测方法”。

本申请提供了生物检测方法，其中将含有检测物的溶液喷点到生物检测基片的检测表面位点，生物检测基片包含可固化检测物的检测表面位点。检测表面位点被设置在可通过光学方式读出信息的碟形基片表面上，从上侧看，检测表面位点在基片上呈具有预定间隔的放射状排列的凹槽结构，通过喷墨打印方法或微机械喷点方法将喷点的检测物固化。

作为一种按照精确跟踪凹槽结构中的预定检测表面位点的方式精确喷点包含检测物小液滴和包含一排带有标记的待检物小液滴的方法，本方法是优选的。

这里，“喷墨打印方法”指的是应用喷墨打印机中使用的喷嘴的方法，将检测物以电学方法像喷墨打印机那样从一个打印头喷射到基片上并在其上固化的过程。

这个方法包括一个压电类型的墨水喷射过程、一个气泡喷射过程和一个超声波喷射过程。压电类型墨水喷射过程是向一个压电材料施加一个电压脉冲，从而产生压力使小液滴飞出。气泡喷射过程是加热喷嘴中的一个加热器，形成气泡后产生压力使小液滴飞出。喷嘴中嵌入了一个构成加热器的硅基片并受控保持在大约300℃/s以形成一个规格一致的气泡，从而将小液滴压出，但是，由于这种方法需要将液体暴露在较高的温度下，因此一般认为气泡喷射过程不适合用于活体(vital)物质样本。超声波喷射过程是使用超声波束作用于液体的自由表面，产生高压，这样从产生高压的位置发射出小液滴，这种方法不需要喷嘴而且可以很高的速度发射出直径约为1μm的小液滴。

在本发明中，“喷墨打印方法”优选使用“压电类型墨水喷射方法”，因为小液滴的尺寸可以通过改变所施加脉冲的形状进行控制，从而利于增加分析的精确度，有可能实现在小液滴表面的曲率半径较小的时候减小小液滴的尺寸，在小液滴表面的曲率半径较大的时候增大小液滴的尺寸。另外还有可能通过将脉冲突然改为负向，将液滴表面拉向内侧，从而降低曲率半径。

“微机械点样方法”表示使用其上安装有微型喷射笔、毛细管或小钳子的打印头将包含检测物的小液滴点样到检测表面位点上。

下一步描述本发明提供的“生物检测系统”的组成部分。

首先，本发明首先提供了生物检测系统，它使用了一个包含检测物可固化于其上的检测表面位点的生物检测基片。检测表面位点被设置在一能够通过光学方法读出所记录信息的碟形基片的表面上，检测表面位点位于基片表面的凹槽结构中，在上侧观察沿径向排列，而且生物检测基片可提供位置信息和旋转同步信息。本系统至少包括下列装置(1)到(4)等等：

(1)一个用于旋转支撑生物检测基片的基片旋转装置；(2)一个点样装置，用于在基片旋转装置旋转生物检测基片时，将包含检测物的溶液和包含标记后的待检物溶液点样到检测表面位点；(3)一个聚焦伺服装置，用于使点样装置和生物检测基片之间保持固定的距离；以及(4)一个跟踪伺服装置，用于使溶液点样根据位置信息和旋转同步信息跟踪检测表面位点。

在本生物检测系统中，点样的距离在碟形生物检测基片旋转过程中，使用聚焦伺服机构根据基片上的位置信息和旋转同步信息保持为一个精确的固定值，借此，具有一致外形的小液滴可以喷射到在预定位置的检测表面位点的固定区域，同时，可以以良好的再现性检测荧光强度。另外，跟踪伺服机构确保包含检测物的溶液和包含待检物的溶液能可靠、连续地跟随预定凹槽结构中的检测表面位点进行点样。因此，检测物和带有标记的待检测物之间的反应能够精确地实现，分析信号也非常稳定，从而得到精确的分析结果。

这里，在生物检测系统中优选地点样的点样装置可以是喷墨打印装置，也可以是微机械点样装置。喷墨打印装置是一种能够执行上述“喷墨打印方法”的装置，而微机械点样装置是一种能够执行上述“机械点样方法”的装置。此外，在使用喷墨打印装置时，根据前面描述，优选压电类型的喷墨打印方法。

此处，在采用喷墨打印装置作为生物检测系统中的点样装置的设备中，使墨水喷嘴与置于生物检测基片对面上的支持体结合成一体，在其上还带有一个物镜用于向基片发出激光束，从而实现聚焦伺服和跟踪伺服功能。

这种在其中墨水喷嘴与支持体结合成一体的装置确保将预定的溶液喷点到基片上与聚焦伺服和跟踪伺服同步进行，提供了一种紧凑型系统设计。

其次，本发明提供了“基片记录信息读出系统”。

本发明所述的基片记录信息读出系统，其特征首先在于，它与上述生物检测系统一同使用，其中，聚焦伺服和跟踪伺服用于所述生物检测基片，使用由拾取透镜或类似物聚光的激光束照射与所述检测表面位点上的所述检测物结合的、被标记的待测物，检测在照射时激发的荧光的荧光强度。

按照此方法，生物检测系统和读出系统有机地结合在一起：生物检测系统通过将检测物如DNA探针固化到检测表面位点，随后将包含待检物的样本溶液点样到检测表面位点，能够实现不同物质间的反应；读出系统可以读出检测物和待检测物之间的反应信息。因此，检测过程和随后的读出过程可以以一种连续的模式进行。

因此，本发明具有重要的技术价值，是一种与DNA芯片和生物传感器相关的新颖技术。

附图说明

图1是根据本发明的一个优选实施例的生物检测基片的外观俯视图。

图2A是以局部夸张的方式显示基片构造的示意图，图2B是设置在基片上的部分凹槽结构3的局部放大示意图。

图3是基片的一个改进的实施例的外观的俯视图。

图4是简要地显示根据本发明的一个生物检测系统的一个优选实施例的结构的方框图。

图5A是喷嘴周围的透视图，图5B是喷嘴的放大的平面图。

图6A到6E是使用生物检测基片进行生物检测过程的流程图。

具体实施方式

以下将参考附图描述本发明的一些优选的实施例。图1是根据本发明的一个优选实施例的生物检测基片的外观俯视图。图2A是以局部夸张的方式显示基片构造的示意图，图2B是设置在基片上的部分凹槽结构的局部放大示意图。

首先，图1中的附图标记1表示本发明生物检测基片的优选实施例，生物检测基片1(此后简称“基片1”)由适合用做光学信息记录介质，例如CD、DVD和MD，的碟状基片的基础材料构成。

基础材料使用石英玻璃、硅或可模制成碟形的合成树脂材料制成碟形，这样的合成树脂材料的例子包括聚碳酸酯和聚苯乙烯，优选使用可以注射模制的合成树脂。与使用常规的玻璃芯片相比，使用廉价的合成树脂基片可以降低使用成本。在基片1的中心有孔2，用于安装旋转基片的轴，这将在后面详细描述。

在基片1的一侧表面，带有厚度大约为40纳米的蒸汽沉积铝镀层，用以起反射膜的作用。从折射率不小于1.5的基片本身，反射膜提供了不低于4％的表面反射率。在反射膜的上侧有一层透明玻璃、透明合成树脂等等形成的光线传输层。基础材料是一个高反射材料，基础材料的表面本身成为反射面，因此，反射膜也可以省略。另外在高反射膜由金属膜等等物质组成的情况下，其使用荧光标记的目标物质的荧光强度能够被更灵敏地检测到。

光传输层带有从基片1中心部分沿径向延伸的凹槽结构3(如从上向下俯视看到的那样)，该凹槽的间隔是事先确定的。在每个凹槽结构3中，按照在径向上以预先确定的间隔排成一条直线的状态，提供检测表面位点S(见图2)，为了使检测物质能够固化，对该检测表面位点S进行了表面处理。检测表面位点S可以形成在排列在每个沟槽结构3中的凹陷部分，也可以形成在每个凹槽结构3的整个内壁表面范围内。

另外，如图3所示，图3显示了基片1的一个经过改进的实施例的外观，检测表面位点S可以形成在蜂窝状凹坑3a中，多个蜂窝状凹坑3a沿径向排列成一条直线，可以在圆周方向上设置多排沿径向排列成一条直线的蜂窝状凹坑3a。当液滴喷射到位于凹槽结构中的凹槽结构3或凹坑或凹槽结构3中的蜂窝状凹坑3a的检测表面位点时，可以实现基本相同的点尺寸，使得可以实现具有良好的再现性的荧光强度检测。附带说明，在图3中的附图标记4a表示了地址凹坑。

为了固化所希望的检测物，例如DNA探针，要对检测表面位点S进行了适当的、有选择的表面处理。例如，使用带有氨基的硅烷偶联剂或聚赖氨酸溶液处理检测表面位点S。当使用合成树脂基片时，表面使用等离子体处理或DUV(深度UV，远紫外线)照射，随后使用带有氨基的硅烷偶联剂处理。

此外，检测表面位点可以喷镀铜、银、铝或者金，喷镀金属膜的表面可涂敷带有官能团(活性基)，例如氨基、巯基、羧基等，巯基乙胺、链霉抗生素等等的物质。另外，如果需要，可以将一个或多个用于固化检测物的交联剂连接到检测表面位点上。

基片1沿其旋转方向利用通过光盘制作工艺形成的多个地址凹坑4，4…预先设置。在这里，将描述位置信息和旋转同步信息。在基片1被认为是一个光盘的情况下，构成的点样和检测位置的凹槽结构3被认为是用户数据区域，而其它区域由样本伺服系统等提供给同步凹坑阵列，同时也被用做跟踪伺服。并且，将一个地址部分(盘上的地理地址)被紧接着插在其后侧，以便提供位置信息。

地址部分以一个构成一个引导图案的扇区标记开始。该地址由一个用于提供实际旋转的光盘的旋转相位的可变频率振荡器(VFO)、一个用于给出地址数据的起始位置的地址标识、一个包含轨道和扇区号的标识符(ID)等的组合构成。

代替地址凹坑，在轨道上可以形成摆动，摆动的曲折可根据位置加以如此的调整，以便于提供时钟信息，在此情况下寻址是通过检测出碟上的位置信息而实现的。同时，可利用摆动的频率分量实现跟踪伺服，而且，通过组合提供地址凹坑和摆动，有可能更精确地实现寻址和跟踪伺服。

其次，将基于图4描述一个根据本发明实现的优选生物检测系统，它使用了上面描述的基片1，图4是简要说明了该生物检测系统的构造的方框图。

首先，图4所示的生物检测系统10是一个使用上述基片1所构成的生物检测系统。生物检测系统10包括：一个用于旋转支撑基片1的基片旋转装置5；一个点样装置6，在基片旋转装置5旋转基片1时，用于以预定次序和预定时间，将含有检测物的溶液D和含有标记的待检物的溶液T点样于检测表面位点S上；一个聚焦伺服机械装置7，用于保持点样装置6和基片1之间的固定距离；以及一个跟踪伺服装置8，用于根据从基片1上获取得位置信息和旋转同步信息，使得溶液D和T的喷点跟随基片1上的检测表面位点。

这里，生物检测系统10包括一个作为激发光源的蓝色半导体激光器11。系统10还包括一个用做聚焦伺服机械装置7和跟踪伺服装置8功能的红色半导体激光器21。

蓝色半导体激光器11用于激发光源以便从基片1上读出反应信息。首先，从蓝色半导体激光器11发出的激光束B被反射镜12以直角反射，然后，激光束B被在反射光束传播方向上排成一线的的透镜13和14转换为平行光束。

平行光束被反射镜15以直角反射并在通过一个λ/4波片(λ/4plate)16时转换为圆偏振光束。该圆偏振光束被一个凹透镜17和一个凸透镜18放大光束直径，随后被二向色的反射镜19反射，入射到一个安放在基片1对面的物镜20上。附带提及，物镜20包含在一个支撑体G中。

二向色的反射镜19被设计为反射集中于从蓝色半导体激光器11发出的激光束B波段的光成份，并透过其它光成份。更详细地说，二向色的镜面19被设计用于反射激光束B并透过基片1上的荧光物质被激光B激发所发出的的荧光，这一点将在以后描述。

按照这种方式，在物镜20的下侧的一个位置上被安装在基片旋转装置5上的基片1被通过物镜20的蓝色激光束B照射。荧光物质(作为标记结合在待检物上)被通过物镜20的蓝色激光束B所激发而发出的荧光通过二向色的反射镜19和26后，被反射镜面27以直角反射，并被光电倍增器和雪崩光电二极管检测器(检测器)28所检测。附带提及，二向色的反射镜26被设计用于反射集中于红色激光束R波段的成份，而透过其它光成份包括荧光，这将在后面描述。

其次，使用附图标记21所示的红色半导体激光器发出的红色激光束R被用于聚焦，即用于保持基片1与物镜20之间固定距离这一功能。

另外，红色激光束R还用于跟踪伺服，即根据基片1中地址凹坑4和/或摆动凹槽提供的位置信息和旋转同步信息，使物镜20跟随位于基片1的凹槽结构3中的检测表面位点S。附带提及，附图标记29表示一个位置传感检测器(PSD)，用于调整红色激光束R的照射位置。

具体讲，在图4中显示的红色半导体激光器21发出的激光束R在通过排列在激光束R传播方向上的两个透镜22和23时，被转换为平行光束。平行光束又被安放在前侧的偏振光束分离器24根据光谱进行分离。于是通过一个λ/4波片25的一种光谱组成部分被二向色的反射镜26以直角反射，并入射到物镜20上，而其它光谱成分被引导至PSD29。

在使用上述穿过物镜20发射的红色激光束R进行聚焦伺服和跟踪伺服，从而精确读出基片1上预定检测表面位点S的位置的同时，包含检测物质的溶液D或包含被标记的待检物的溶液T顺序地、精确地按照预定时间通过墨水喷嘴30(以下简称“喷嘴30”)喷点到检测位点S上，该喷嘴设置在与物镜20一体的支撑体G上。

下面根据图5A和图5B描述支撑体G中与物镜20一体的喷嘴30的构成。图5A是喷嘴30周边的透视图，图5B是一个放大的喷嘴30的视图。

物镜20位于一个用以支撑物镜20的矩形的调节器支架H的中央，喷嘴30被设置在物镜后侧的支架H中的一个区域。附带提及，可以具有多个喷嘴30。

另外，对于喷嘴30，最好选用压电类型的墨水喷嘴，因为这种类型的喷嘴具有很容易通过改变施加在压电材料上脉冲的形状来控制喷射液滴尺寸的优点。此外，在图5A和图5B中的箭头X表示基片1的移动方向(旋转方向)。

这里，喷嘴30由多个喷嘴组31所组成，每一组喷嘴构成在径向Y上排成一条直线的一行喷嘴30，并在箭头X方向上排成列。喷嘴组31是一组喷嘴孔32，32…，用于同时喷出包含相同的检测物的溶液D。同时根据每一个检测物的种类，从喷嘴组31，31…，顺序将包含不同种类的检测物的溶液D，喷射到下侧基片1的凹槽结构3中的检测表面位点S上；随后，经过预定的时间后，包含不同种类或相同种类的、被标记的待检物的溶液T被同时喷射到检测表面位点S。

顺便提及，在包含检测物的溶液D喷射到检测位点S后到包含被标记的待检物的溶液喷射到那里时为止的时间周期T可使用下面的公式计算：

T＝[L₀+(n-1)L₁+0.5φ]÷V₁-W/V₂

在其中，L₀为从物镜中心到第一行喷嘴组31a的距离，L₁为喷嘴组31之间的间隔，φ为DNAs探针液滴的直径，V₁为基片1的线速度，W为从喷嘴30到基片1的距离，V₂为从喷嘴30喷出的液滴的速度。根据上面的公式，包含待检物的溶液可被准确地喷射到包含检测物的液滴中。

最后，将根据图6A至6E简要地描述可以使用基片1进行的生物检测过程，图6A至6E描述了可以使用基片1进行的生物检测过程的流程。

首先，基片1上的孔2被固定到基片旋转装置5的轴51(见图4)上，基片1可因此旋转，在使用聚焦伺服装置7或/和跟踪伺服装置8检测位置信息的同时，包含检测物的溶液D₁，D₂…根据喷墨打印程序从位于基片1对面的喷嘴30(喷嘴组31)中喷射到被设置在基片1上的预定的检测表面位点S(见图2)上(见图6A)。

随后，在使用聚焦伺服装置7或/和跟踪伺服装置8(见图4)检测位置信息的同时，包含荧光标记的待检物的溶液T根据喷墨打印程序从位于基片1对面的喷嘴30(喷嘴组31)中喷射到位于基片1的、预定的检测表面位点S上(见图6B)。

其次，为实现最佳效果的偶合反应，如检测物和被标记的被检物之间在基片1上检测表面位点S中的杂交反应，要将基片1放在热恒湿器(thermohygrostat)9中加热多个小时(见图6C)。

接着，当使用轴51再次旋转基片1时，从位于基片1对面的清洗喷嘴N滴下预定的清洗液U，以从检测表面位点S清除业已不再进行有效的偶合反应的被标记的待检物。清洗液可以使用例如含有表面活性剂SDS的柠檬酸钠盐(SSC)缓冲液(见图6D)。

使用蓝色激光束B照射以激发每个表面位点S，用检测器28测定荧光强度的大小，判定检测物和被标记的待检物之间的偶合反应结果。最后，将单个检测表面位点S的荧光强度进行A/D转换，并且在计算机C的屏幕上用可视化方式显示偶合反应比例分布(见图6E)。

举例

使用一个直径为12厘米的石英玻璃基片。在基片表面区域中在半径20毫米到半径40毫米的范围内，使用蚀刻方法形成一个轨道间距为50μm，70％的占空比(a duty of 70％)，以及一个深度为500纳米的凹槽。基片表面被旋转涂上一层0.3％重量比硅烷偶合剂的乙醇溶液(产品代码：A1100，Nippon Unitika K.K.的产品)，然后在温度为100度的烘培炉中干燥2小时。

然后，经过硅烷处理的基片表面被旋转涂上一种通过将Sigma-Aldrich的产品光敏生物素(photobiotin)(N-(4-叠氮-2-硝基苯基)-N’-(3-生物素氨基丙基)-N’-甲基-1，3-丙二胺(乙酸盐)[((N-(4-azido-2-nitrophenyl)-N’-(3-biotinylaminopropyl)-N’-methyl-1，3-propanydiamine(acetate)]按10μg/ml的浓度溶于蒸馏水中制备的溶液。

通过使用发射波长为680nm的红色激光束的红色半导体激光器并且用NA为0.45的拾取镜头将激光束聚光，对基片实施聚焦伺服和跟踪伺服。在保持基片与镜头之间的距离固定不变并按照以1m/s的线速度跟随凹槽的同时，使用从蓝色半导体激光器发出的，经过NA为0.45的物镜，在波长为405nm，功率为1mW，频率为10kHz的条件下调制的蓝色激光束照射光敏生物素。之后，使用蒸馏水冲洗经过这样处理的基片，因此，仅在被照射的区域形成光敏生物素图案，从而得到负片类型的光刻结果。

使用跟踪伺服和聚焦伺服将从墨水喷嘴射出的25μg/ml的抗生物素蛋白PBS溶液(Avidin D，Vector Lab的产品)喷射到光敏生物素图案上，其范围为r＝20-30。

接下去，将250μg/ml抗生物素蛋白(Avidin D)的PBS溶液喷射到r＝30-40的范围。之后使用磷酸盐缓冲液(产品代号：1003；Sugma的产品)进行旋涂冲洗。

再次通过使用从红色半导体激光器发出的波长为680nm红色激光束对基片进行跟踪伺服和聚焦伺服，以跟随凹槽，从一个蓝色半导体激光器发射输出功率为100μW、光束直径为2mm的蓝色激光束，使用该激光束，透过NA为0.45的物镜，在5m/s的线速度下照射基片，并读出荧光强度。

使用了一个光电倍增器(产品代号：H5784-01；Hamamatsu Photonics K.K.的产品)作为检测器，对于r＝20-30所需要的读出时间约为6.3秒，对于r＝20-40约为8.8秒，因此可以看出与以往传统的读出系统相比，本读出系统可以在极短的时间内进行。

对于25μg/ml的溶液，平均荧光强度为120mV，对于250μg/ml的溶液，平均为600mV，荧光强度的比率为1/5。对于两种溶液其荧光强度的损耗为σ＝1mV，因此可以获得精确度很高的分析结果。

(1)本发明的生物检测基片包括排列在从上侧看去径向设置的凹槽结构中的检测表面位点。因此可以在其上汇集大量的多种的检测物。另外，由于可基于每种凹槽结构通过将多种检测物质以成组形式放置并选择最佳的反应条件等进行检测，所以产生假阳性和假阴性结构的比率可显著降低。因此，使用这一生物检测基片可以进行高精度的、全面、高效率的分析，另外，折合到记录信息每个比特的花费也比较低。

(2)本发明的生物检测基片作为DNA芯片和生物传感器芯片时尤为有效，另外可提供一个带有新颖结构的碟形微通道阵列。在基片作为DNA芯片使用的情况下，它可用于基因突变分析、SNPs(单核苷酸多态性)分析、基因表达频率分析等等，并可最大限度地应用于包括新药物开发、临床诊断、药物遗传学和法医学等广泛领域。在基片用作生物传感器芯片的情况下，可被用来检测抗原抗体反应、标定内分泌干扰物质等等。

(3)其次，本发明的生物检测系统可以顺利地进行将检测物喷点和固化于基片上这一过程，以及随后的一系列喷点被标记的检测物、反应、冲洗、以及读出和分析反应结果的过程，从而高效、快速、非常方便地完成从鉴定到分析这一过程。

(4)本发明通过在检测系统中使用基片信息读出系统，有可能在连续模式下在基片上使用聚焦伺服和/或跟踪伺服完成周期性地将包含检测物的溶液喷点到基片上这样的复杂操作，并在预定的检测表面位点上固化如DNA探针、抗体等等检测物，而且还可以使用聚焦伺服和/或跟踪伺服将如cDNA、抗原等等带有荧光标记的检测物喷点到检测表面位点上，然后进行预定的反应促进步骤、在预定条件下清洗基片，最终使用激光束激发荧光物质以检测荧光发射量，从而读出反应结果信息。

Claims

1.一种生物检测基片，包括其上可以固化检测物的检测表面位点，所述检测表面位点被设置在一能够通过光学方法读出记录信息的碟形的基片的表面上，

其中，所述的检测表面位点被设置在凹槽结构中，而该凹槽结构被设置在所述的基片的所述的表面中，以便在上侧看是沿径向延伸。

2.如权利要求1所述的生物检测基片，其中包括用于提供所述的检测表面位点上的位置信息和旋转同步信息的装置。

3.如权利要求2所述的生物检测基片，其中所述装置包括设置在所述基片上的摆动或地址凹坑。

4.如权利要求1所述的生物检测基片，其中所述检测物质为活体物质。

5.如权利要求1所述的生物检测基片，其中所述检测物质选自包括核苷酸链、肽、蛋白质、质脂、低分子化合物、核糖体的一个组中的任意一种。

6.一种生物检测方法，其特征在于包括如下步骤：

固化所述的检测物质。

7.一种采用生物检测基片的生物检测系统，所述生物检测基片包括在其上可以固化检测物的检测表面位点，所述的检测表面位点被设置在可以通过光学方法读出记录信息的碟形基片的表面上，所述的检测表面位点呈位于所述的基片中的凹槽结构，以便从上侧看在径向延伸，并且所述生物检测基片提供提供位置信息和旋转同步信息的装置，其中所述生物检测系统至少包括：

用于旋转支撑所述生物基片的基片旋转装置；

8.如权利要求7所述的生物检测系统，其中所述的的点样装置是选自包括喷墨打印装置和微机械喷射装置的一组中的一个。

9.如权利要求7所述的生物检测系统，其中所述点样装置是一个喷墨打印装置，并且墨水喷嘴与设置在所述生物检测基片对面、用于容纳一物镜的的支撑体连接成一体，所述物镜用以向所述生物检测基片传输聚焦伺服和跟踪伺服功能的激光。

10.如权利要求7所述生物检测系统一起使用的读出系统，用以读出所述生物检测基片上的记录信息，其特征在于将聚焦伺服和跟踪伺服应用于所述生物检测基片，用汇聚的激光束照射与所述检测表面位点上的所述检测物偶合的、被荧光标记的待测物，并检测由在所述照射下的激发所诱导产生的荧光的荧光强度，所述的检测表面位点被设置在凹槽结构中，而该凹槽结构被设置在所述的基片的所述的表面中，以便在上侧看是沿径向延伸。