专利名称：阵列式光电化学型生化分析仪的制作方法
阵列式光电化学型生化分析仪
技术领域：
本发明涉及一种生化分析仪，具体来讲是一种以阵列式光电化学型半导体生化传感器为核心部件的生化分析仪器。
背景技术：
生化分析仪是科研、医疗等领域的常用仪器，现有生化分析仪均以标记法为基础，即，借助于示踪标记物(如荧光标记[I]，电致化学发光标记[2]、化学发光[3]、量子点标记等)将被测生化量，转变为承载有生化信息的光信号，再利用光电传感器将其转化为电信号，被用户获取和分析，是一种“生化=>光=>电”间接检测的仪器。随着传感器技术的不断发展，“生化= > 电”直接转换的生化检测体系日益成熟，其中以半导体光电效应为基础的光电化学型生化传感器[5]，在阵列式、光寻址、工艺简单等方面具有优势，广泛应用于多种生化量检测[6，7，8，9，10，11]。本发明针对生化分析仪器领域的技术发展新趋势，提出了一种以阵列式光寻址光电化学(Light Addressable Photoelectrochemical, LAP)型传感器为核心部件的新型生化分析仪器。本发明的技术基础为LAP型传感器的敏感机制及其测试体系。半导体材料的光电效应可简述为半导体材料受光照后产生光生载流子(光生电子或光生空穴)，在电场的驱动下，光生载流子产生定向运动并被外电路米集，形成输出光电信号(光电流Ip或光电压Vp)，这一现象称为光电效应。图I为典型LAP型传感器测试体系示意图，光源7受光源控制电路模块8的控制而保持恒定，此时，光电流Ip或光电压大小由电场强度决定；该电场位于LAP型传感器I与电解质溶液2之间的界面区域，其强度的大小，由外加偏置电压Vb和传感器的自建电势Vs两方面决定。Vb由参比电极3和恒电位控制电路模块6控制，并保持恒定；VS由LAP型传感器I自身特性及其与电解质溶液2之间的界面特性、并与被测生化量的种类、浓度相关；输出光电信号(光电流Ip或光电压Vp)经对电极4和工作电极5被光电信号采集调理电路模块9收集。对于同一传感器来讲，当偏置电压、光源均保持、电解质溶液等均恒定时，光电信号的强度仅与被测生化量有关，因此通过探测光电流Ip或光电压Vp可实现对生化检测。LAP型传感器I自上世纪80年代首次提出至今已有近30年的时间，但是，现有的生化分析仪器不能满足LAP型传感器I在阵列式、光寻址、无标记电信号直接检测等方面的需要，针对这一问题，本发明提出了阵列式光电化学型生化分析仪的专利设计。

发明内容本发明的目的是满足光电化学型生化传感器无标记检测的需要，提供一种全自动、阵列式、可光寻址的光电化学型生化分析仪及其配套芯片卡的设计方案，其中涉及到仪器设计和传感器芯片封装两方面内容。阵列式光电化学型生化分析仪，依次包括机电控制仓、控制操作平台、紧急样本通道、样本仓、芯片仓、孵化仓、试剂仓、测试仓、芯片回收仓、芯片输运通道、阵列式光电化学型生化分析芯片卡、阵列式光源卡，12个部分，其特征为芯片仓位于阵列式光电化学型生化分析仪右前部，芯片仓内设有芯片卡位，芯片卡位由上至下依次排列，并可依次上下运动，芯片卡位内放置阵列式光电化学型生化分析芯片卡；样本仓位于阵列式光电化学型生化分析仪的右后部，样本仓分为待测样本区、已加样样本区两部分，两部分均被分隔为多列样本位，样本位可依次上下运动；孵化仓位于阵列式光电化学型生化分析仪中前部，孵化仓内右侧为孵化区，左侧为清洗区，孵化区和清洗区之间设有孵化仓内部输运轨道，孵化区内部设有孵化卡位，孵化卡位由下至上依次排列，并可依次上下运动，孵化卡位内放置阵列式光电化学型生化分析芯片卡，孵化仓上部与孵化仓内部输运轨道连通，孵化仓内部输运轨道上部，阵列式光电化学型生化分析芯片卡，可由孵化区向清洗区运动，清洗区的左下部设有废液收集装置，清洗区的右侧设有由上至下依次排列的清洗卡位，清洗卡位上放置阵列式光电化学型生化分析芯片卡，并可依次上下运动，清洗区最上部的清洗卡位的后侧设有试剂注入装置，左侧设有废液吸取装置，试剂注入装置与试剂输送管道相连，废液吸取装置与废液收集装置相连；试剂仓位于阵列式光电化学型生化分析仪的中后部，内部设有转盘式试剂存储位，其内部放置有试剂存储装置，试剂储存装置通过试剂吸取装置与试剂输送管道 连通，试剂输送管道与孵化仓内的清洗区相连；测试仓位于阵列式光电化学型生化分析仪左前部，其内部依次设有参比电极-对电极支架运动轨道、测试卡位、阵列式光源卡位，参比电极-对电极支架运动轨道内部固定有参比电极-对电极支架，且参比电极-对电极支架可沿参比电极-对电极支架运动轨道上下移动，参比电极-对电极支架底部固定有参比电极和对电极，测试卡位前部设有工作电极接口，阵列式光源卡位前部设有阵列式光源卡电极接口，通过信号传输线，工作电极接口、阵列式电源卡电极接口、参比电极和对电极、参比电极-对电极运动轨道，分别与机电控制仓内的光电信号采集调理电路模块、光源控制电路模块、恒电位控制电路模块、机械运动控制模块相连；芯片回收仓位于左后部，芯片回收仓内设有回收卡位，回收卡位可依次上下运动；芯片输运通道，由右至左贯穿于阵列式光电化学型生化分析仪中部，其上部为机电控制仓，右侧为紧急样本通道，前后分别为芯片仓、孵化仓、测试仓、样本仓、试剂仓、芯片回收仓，且通过输运窗口与芯片仓、孵化仓、测试仓、样本仓、芯片回收仓的下部相连通；机电控制仓位于阵列式光电化学型生化分析仪的上部，控制操作平台位于机电控制系统的上表面，机电控制仓内部设有恒电位控制电路模块、光源控制电路模块、光电信号采集调理电路模块、机械运动控制模块，各模块通过信号传输线与控制操作平台相连，机械运动控制模块通过信号传输线与紧急样本通道、样本仓、芯片仓、孵化仓、试剂仓、测试仓、芯片回收仓、芯片输运通道相连。阵列式光电化学型生化分析芯片卡，自下至上依次为芯片基板、光寻址光电化学传感器、芯片盖板三层结构，其特征为光寻址光电化学传感器在芯片基板上部呈阵列形式排列，芯片基板上设有透光孔，透光孔贯穿芯片基板上下表面，且与光寻址光电化学传感器一一对应，芯片基板前部上表面边缘处，设有芯片卡上工作电极接口，芯片盖板的截面呈C型结构，其凹形空腔覆盖在呈阵列排布的光寻址光电化学传感器上部，且不覆盖芯片卡上工作电极接口，芯片盖板上表面设有电极插孔，并贯穿芯片盖板，后部设有液体入口，左侧设有液体出口。阵列式光源卡，包括点光源、阵列式光源卡上电极接口，其特征为点光源采用阵列形式排列于阵列式光源卡的上表面，阵列布局与阵列式光电化学型生化分析芯片卡内部的透光孔——对应。本发明的优点和积极效果本发明所提出的“阵列式光电化学型生化分析仪”，是针对于LAP型传感器的新型生化分析仪器，本发明的优点和积极效果在于I)检索现有生化分析仪[12，13]，发现已有专利/产品均为传统标记法检测设备，既无法满足LAP型传感器生化检测系统在光激发、电化学检测方面的双重要求，也无法满足阵列式光电化学型生化分析芯片卡在加样、清洗、储存、输运等方面的需要，因此，本发明所提出的专利设计可满足阵列式光电化学型生化传感器的要求，对于新型无标记生化分析仪器的研发具有很好的积极效果；2)采用组合设计的思想，构建本发明“阵列式光电化学型生化分析仪”中“光激发 电化学检测”的测试体系,该测试体系中三个主要部件——阵列式光源卡、阵列式光电化学 型生化分析芯片、参比电极-对电极，采用插装的方式分别固定于本发明仪器内的指定位点——阵列式光源卡位、测试卡位、参比电极-对电极支架，有利于优化阵列结构，扩充芯片测试容量，因此，本发明所提出的“阵列式光电化学型生化分析仪”具有使用灵活、易于修改阵列结构设计的优点；3)本发明的生化分析仪可实现两种工作方式一单路串行检测和多路并行检测，两种工作方式各具优点，简述如下(I)单路串行检测方式，只需一对参比电极和对电极，阵列式光电化学型生化分析芯片卡上也只需一个芯片卡上工作电极接口，各LAP型传感器的工作电极并联于该电极接口，阵列式光源卡上的点光源在光源控制电路模块的作用下逐点打开，实现对阵列式光电化学型生化分析芯片卡中各LAP型传感器的光寻址，此时光电信号采集调理电路模块可依次获取各LAP型传感器的光电信号，可见该方式具有关键部件结构简单、成本低廉的优势，(2)多路并行检测方式，每对参比电极和对电极作为一个组合，以阵列形式布局，参比电极-对电极组合的阵列布局与阵列式光电化学型生化分析芯片卡上LAP型传感器的阵列布局对应,LAP型传感器的工作电极相互独立,并分别与多个芯片卡上工作电极接口相连，且对应，此时阵列式光源卡上各点光源在光源控制电路模块的作用下同时打开，光电信号采集调理电路模块同时获取各LAP型传感器的光电信号，可见该方式具有快速完成多路生化分析的优点，但仪器及配件的成本较高，由此可见，本发明的“阵列式光电化学型生化分析仪”便于仪器功能扩展和产品升级；4)采用“阵列式光电化学生化分析芯片卡”作为本发明“阵列式光电化学型生化分析仪”的核心部件，突破了现有生化分析仪中反应杯式、液态检测的束缚，具有芯片式、固态化、多指标、高通量的优势，且芯片卡的形式便于在仪器内以堆栈的形式存取和输运，提高了仪器单位空间的芯片存储容量和自动化程度，因此本发明所提出阵列式光电化学型生化分析仪，有利于提高生化分析效率、降低操作人员的劳动强度。

图I为典型LAP型传感器测试体系示意图。图2为阵列式光电化学型生化分析仪整体结构示意图。图3为阵列式光电化学型生化分析芯片卡结构示意图。图4为芯片盖板剖面示意图。
图5为芯片仓结构示意图。图6为样本仓结构示意图。图7为孵化仓及试剂仓结构示意图。图8为测试仓结构示意图。图9为阵列式光源卡结构示意图。图10为机电控制仓结构示意图。图11为紧急样本通道结构示意图。图12位阵列式光源卡结构示意图。
图13为阵列式光电化学型生化分析芯片卡输运流程示意图。其中I :LAP型传感器；2 :电解质溶液；3 :参比电极；4 :对电极；5 :工作电极；6 :恒电位控制电路模块；7 :光源；8 :光源控制电路模块；9 :光电信号采集调理电路模块；10 :芯片仓；10-1 :芯片卡位；11 :样本仓；11-1 :待测样本区；11-2 :已加样样本区；11-3 :待样本管;11-4 :样本位；11-5 :紧急样本位；11_6 :已加样空样本管；12 :紧急样本通道；12-1 :紧急样本入口 ；13 :芯片输运通道；14 :孵化仓；14-A :孵化区；14-A1 :孵化卡位；14-B :清洗区清洗卡位；14-B2 :废液收集装置；14-B3 :废液吸取装置；14_B4 :试剂注入装置；14-C :孵化仓内部输运轨道；15 :测试仓；15-1 :参比电极-对电极支架运动轨道；15-2 '参比电极-对电极支架；15-3 :测试卡位；15-4 :阵列式光源卡位；15-5 :阵列式光源卡电极接口 ；15-6 :工作电极接口 ；15-7 :导线；16 :回收仓；16-1 :回收卡位；17 :试剂仓;17_1 :试剂存储装置；17_2 :转盘；17-3 :转盘式试剂存储位；17-4 :试剂吸取装置；18 :机电控制仓；18-1 :机械运动控制模块；19 :控制操作平台；20 :输运窗口 ；21 :阵列式光电化学型生化分析芯片卡；21-1 :芯片基板；21-2 :芯片盖板；21-3 :透光孔；21-4 :电极插孔；21_5 :芯片卡上电极接口 ；21_6 :液体入口 ；21-7 :液体出口 ；22 :信号传输线；23 :试剂输送管道；24 :阵列式光源卡；24-1 :阵列式光源卡电极；24-2 :点光源。
具体实施方式下面结合实施实例说明本发明“阵列式光电化学型生化分析仪”的工作过程。实施实例I :阵列式光电化学型生化分析仪内基本工作流程。本发明的阵列式光电化学型生化分析仪，在进行常规批量样本的生化分析操作时，包括加样、孵化、清洗、测试、回收五个基本操作步骤，此时阵列式光电化学型生化分析芯片卡21的输运流程如图13所示，简述如下I)在机械运动控制模块18-1的做用下，芯片仓10最下部芯片卡位10-1内的阵列式光电化学型生化分析卡21被推入芯片输运通道13，同时待测样本区11-1最下部的样本位11-4内的待加样样本管11-3也被推向芯片输运通道13，且待加样样本管11-3的前端插入阵列式光电化学型生化分析卡21的液体入口 21-6，继续推动并挤压待加样样本管11-3，实现向阵列式光电化学型生化分析卡21的加样操作；2)在机械运动控制模块18-1作用下，已加样样本管11-2被从液体入口 21-6拔出，然后推入已加样样本区11-2 ；3)芯片输运通道13将加样操作后的阵列式光电化学型生化分析卡21运送至孵化仓14，并推入孵化卡位14-A1，执行孵化操作；
4)完成孵化后，孵化仓内部输运轨道14-C将孵化区14-A最上部的阵列式光电化学型生化分析卡21推入清洗区14-B，然后，废液吸取装置14-B3和试剂注入装置14-B4的前端分别插入阵列式光电化学型生化分析卡21的液体出口 21-7和液体入口 21-6，执行清洗操作；完成清洗操作后的阵列式光电化学型生化分析卡21，在机械运动控制模块18-1作用下，沿清洗区14-B向下运动，至空置的清洗卡位14-B1停止，等待测试；5)清洗区14-B最下部的清洗卡位14-B1将待测阵列式光电化学型生化分析卡21推入芯片输运通道13，后者进一步将待测阵列式光电化学型生化分析卡21推入测试仓15内的测试卡位15-3，然后，参比电极3和对电极4被插入阵列式光电化学型生化分析卡21上部电极插孔21-4内，恒电位控制电路模块6、光电信号米集调理电路模块9、光源控制电 路模块8开启，执行测试操作；6)测试完毕后，阵列式光电化学型生化分析卡21从测试卡位15-3拔出，并推入芯片回收仓16的回收卡位16-1，完成回收操作。实施实例2 :阵列式光电化学型生化分析仪内紧急样本输运流程。紧急样本测试是生化分析中经常面对的问题，本发明设计了紧急样本通道12解决这一问题，紧急样本输运流程为I)用户在紧急样本入口 12-1处放入待测样本管11-3 ；2)紧急样本输运通道12在机械运动控制模块18-1作用下，先后经历向下、向后两个运动过程，进入紧急样本位11-5 ；3)待测样本区11-1在探测到其最下部的样本位11-4空置后，将紧急样本位11-5内的待测样本管11-3推入待测样本区11-1最下部的样本位11-4 ；4)按照实施实例I的各步骤，完成加样、孵化、清洗、测试、回收五个基本操作步骤。参考文献[I] J. H. Lee, H. K. Choi , J. H. Chang J. H. Lee, H. K Choi , J. Ho Chang.Optimization of biotin labeling of antibodies using mouse IgG and goatanti-mouse IgG—conjugated fluorescent beads and their application as captureprobes on protein chip. Journal of Immunological Methods，2010，362 :38-42.[2] Ying Xu, Ping Dong, Xiao-Yan Zhang, Pin-Gang He and Yu-Zhi Fang.Solid-state electrochemiluminescence protein biosensor with aptamersubstitution strategy. Science China Chemistry，2011，54(7) :1109-1115.[3] M. T. Hossain，T. Shibata，T. Kabashima，M. Kai. Aptamer-MediatedChemi luminescence Detection of Prion Protein on a Membrane UsingTrimethoxyphenylglyoxal. Analytical Sciences，2010，26 (6) :645-647.[4] J. Liu, Q. Huang, X. Wang, Q. Yang, H. Chen. Applications of Quantum Dots inBiological Analysis and Biomedical Diagnosis. Progress in Chemistry，2010，22(6)1068-1076.[5]王光丽，徐静娟，陈洪渊。光电化学传感器的研究进展。中国科学B辑化学，2009,39(11) :1336-1347o[6]Dean G. Hafeman,J. Wallace Parce,Harden M. McConnell. Light-AddressablePotentiometric Sensor for Biochemical Systems. Science，1988，240 :1182-1185[7]Atsushi Seki，Syuu-ichi Ikeda，Izumi Kuboa，Isao Karube. Biosensorsbased on light-addressable potentiometrie sensors for urea， penicillin andglucose. Analytica Chimica Acta，1998，373(I) :9-13[8]Yunfang Jia，Ming Qin，Hongkai Zhang, Wencheng Niu，Xiao Li，LikaiWang, Xin Li，Yunpeng Bai, Youjia Cao, Xizeng Feng. Label-free biosensor A novelphage-modified Light Addressable Potentiometric Sensor system for cancer cellmonitoring. Biosensors and Bioelectronics 2007，22(12)，pp.3261-3266.[9]Yunfang Jia,Chunying Gao,Dafu Feng，Xinjuan Chen,Ming Wu,Keli Xing,Xizeng Feng. Bioinitiated Light Addressable Potentiometric Sensor for UnlabeledBiodetection and its MEDICI Simulation. Analyst. 2011，136 :4533-4538.[10]Yun-Fang Jia,Chun-Ying Gao，Jia He,Dao-Fu Feng,Ke-Li Xing,Ming Wu,Yang Liu,Wen-Sheng Cai and Xi-Zeng Feng. Unlabeled Multi Tumor Marker DetectionSystem Based on Bioinitiated Light Addressable Potentiometric Sensor. Analyst,2012，137，3806-3813.[ll]Gu Libo，Han Jinghong，Cui Dafu，Zhang Hong. The Research of LightAddressable Potentiometric Sensor on Detection of AlphaFeto-protein. ChineseJournal of Analytical Chemistry,2005,33(I) :17-21[12]杨宏，刘配殿，徐云波。全自动生化分析方法及装置。ZL CN101059506B[13]王鹏宇。一种生化分析仪阵列式分光及光电检测系统。ZL CN201903500U。
权利要求
1.阵列式光电化学型生化分析仪，依次包括机电控制仓、控制操作平台、紧急样本通道、样本仓、芯片仓、孵化仓、试剂仓、测试仓、芯片回收仓、芯片及样本输运通道、阵列式光电化学型生化分析芯片卡、阵列式光源卡，12个部分，其特征为芯片仓位于阵列式光电化学型生化分析仪右前部，芯片仓内设有芯片卡位，芯片卡位由上至下依次排列，并可依次上下运动，芯片卡位内放置阵列式光电化学型生化分析芯片卡；样本仓位于阵列式光电化学型生化分析仪的右后部，样本仓分为待测样本区、已加样样本区两部分，两部分均被分隔为多列样本位，样本位可依次上下运动；孵化仓位于阵列式光电化学型生化分析仪中前部，孵化仓内右侧为孵化区，左侧为清洗区，孵化区和清洗区之间设有孵化仓内部输运轨道，孵化区内部设有孵化卡位，孵化卡位由下至上依次排列，并可依次上下运动，孵化卡位内放置阵列式光电化学型生化分析芯片卡，孵化仓上部与孵化仓内部输运轨道连通，孵化仓内部输运轨道上部，阵列式光电化学型生化分析芯片卡，可由孵化区向清洗区运动，清洗区的左下部设有废液收集装置，清洗区的右侧设有由上至下依次排列的清洗卡位，清洗卡位上放置阵列式光电化学型生化分析芯片卡，并可依次上下运动，清洗区最上部的清洗卡位的后侧设有试剂注入装置，左侧设有废液吸取装置，试剂注入装置与试剂输送管道相连，废液吸取装置与废液收集装置相连；试剂仓位于阵列式光电化学型生化分析仪的中后部，内部设有转盘式试剂存储位，其内部放置有试剂存储装置，试剂储存装置通过试剂吸取装置与试剂输送管道连通，试剂输送管道与孵化仓内的清洗区相连；测试仓位于阵列式光电化学型生化分析仪左前部，其内部依次设有參比电极-对电极支架运动轨道、测试卡位、阵列式光源卡位，參比电扱-对电极支架运动轨道内部固定有參比电扱-对电极支架，且參比电极-对电极支架可沿參比电极-对电极支架运动轨道上下移动，參比电极-对电极支架底部固定有參比电极和对电极，测试卡位前部设有工作电极接ロ，阵列式光源卡位前部设有阵列式光源卡电极接ロ，通过信号传输线，工作电极接ロ、阵列式电源卡电极接ロ、參比电极和对电极、參比电极-对电极运动轨道，分别与机电控制仓内的光电信号采集调理电路模块、光源控制电路模块、恒电位控制电路模块、机械运动控制模块相连；芯片回收仓位于左后部，芯片回收仓内设有回收卡位，回收卡位可依次上下运动；芯片输运通道，由右至左贯穿于阵列式光电化学型生化分析仪中部，其上部为机电控制仓，右侧为紧急样本通道，前后分别为芯片仓、孵化仓、测试仓、样本仓、试剂仓、芯片回收仓，且通过输运窗ロ与芯片仓、孵化仓、测试仓、样本仓、芯片回收仓的下部相连通；机电控制仓位于阵列式光电化学型生化分析仪的上部，控制操作平台位于机电控制系统的上表面，机电控制仓内部设有恒电位控制电路模块、光源控制电路模块、光电信号采集调理电路模块、机械运动控制模块，各模块通过信号传输线与控制操作平台相连，机械运动控制模块通过信号传输线与紧急样本通道、样本仓、芯片仓、孵化仓、试剂仓、测试仓、芯片回收仓、芯片输运通道相连。
2.如权利要求I中所述阵列式光电化学型生化分析仪，其特征还在于所述阵列式光电化学型生化分析芯片卡，自下至上依次为芯片基板、光寻址光电化学传感器、芯片盖板三层结构，其中光寻址光电化学传感器在芯片基板上部呈阵列形式排列，芯片基板上设有透光孔，透光孔贯穿芯片基板上下表面，且与光寻址光电化学传感器一一对应，芯片基板前部上表面边缘处，设有芯片卡上工作电极接ロ，芯片盖板的截面呈C型结构，其凹形空腔覆盖在呈阵列排布的光寻址光电化学传感器上部，且不覆盖芯片卡上工作电极接ロ，芯片盖板上表面设有电极插孔，并贯穿芯片盖板，后部设有液体入ロ，左侧设有液体出ロ。
3.如权利要求I中所述阵列式光电化学型生化分析仪，其特征还在于所述阵列式光源卡，包括点光源、阵列式光源卡上电极接ロ，其中点光源采用阵列形式排列于阵列式光源卡的上表面，阵列布局与权利要求2中阵列式光电化学型生化分析芯片卡的透光孔对应。
全文摘要
阵列式光电化学型生化分析仪是一种以光寻址光电化学型传感器为核心部件的生化分析仪器，本发明的目的是提供一种全自动、阵列式、可寻址的光电化学型生化分析仪及其配套芯片卡的设计方案，涉及到仪器设计和传感器芯片封装两方面内容。阵列式光电化学型生化分析仪，包括机电控制仓、控制操作平台、紧急样本通道、样本仓、芯片仓、孵化仓、试剂仓、测试仓、芯片回收仓、芯片输运通道、阵列式光电化学型生化分析芯片卡、阵列式光源卡12个部分，满足了光电化学型生化分析仪对光源控制、电化学测控、传感器输运、待测样本及试剂输送的要求，同时具有功能多样、操作简便、自动化程度高、易于产品升级的优点。
文档编号G01N27/416GK102778493SQ20121028863
公开日2012年11月14日 申请日期2012年8月15日 优先权日2012年8月15日
发明者范清杰, 贾芸芳, 邢克礼 申请人:南开大学, 天津市兰标电子科技发展有限公司