滚筒式生物芯片点样仪喷印控制系统的研发

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3.0 侯斌 2024-11-19 6 4 3.32MB 74 页 15积分
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摘 要
本论文以自主研制的新型滚筒式生物芯片点样仪为研究平台，以生物芯片的
制备为应用背景，以喷墨印刷技术为研究起点，将喷墨印刷技术成功应用于生物
芯片制备过程中，研发出滚筒式生物芯片点样仪喷印控制系统，并对其关键技术
进行了深入研究，为新型生物芯片制备系统的设计提供了理论依据。本文的研究
内容主要有:
1．滚筒式点样仪的机械结构设计。本点样仪选择非接触喷印的点样方式，
根据其工作原理规划了点样仪的工作流程，并确定了点样仪的性能要求，在此基
础上完成了滚筒式点样仪机械结构的设计。
2．点样仪运动控制子系统和喷印子系统的构建。运动控制子系统从伺服系
统、速度控制算法和点样路径规划这三方面进行研究。喷印子系统包括注射泵系
统、喷印模块和系统储液与压力补偿三部分内容。
3．点样仪喷印控制的软件系统的实现。首先对点样过程的软件执行流程进
行了规划，接着对软件界面进行设计，给出了软件系统主要功能模块的具体实现
方法。
4．点样仪喷印控制系统性能测试实验。第一部分是采用激光干涉仪测试点
样仪的定位精度和重复精度；第二部分是点样质量评价实验，首先进行不同驱动
参数下的多组样品喷印实验，寻找到最佳喷印驱动参数，然后使用最佳驱动参数
进行实际点样实验，通过对已完成点样的生物芯片进行图像提取及处理，完成对
点样质量的检测和评价。
整个点样仪喷印控制系统完全按照高精度、高效率和功能强大的思想进行研
制。实践证明，该点样仪喷印控制系统的各项性能可以满足用户要求。
关键词：滚筒式点样仪 喷印 精度测试 图像处理 点样质量
ABSTRACT
This paper take the independently developed roller biochip microarrayer as the
research platform，the preparation of biochip as application background, the inkjet
printing technology as the research starting point. The inkjet printing technology is
successfully applied in the preparation of biological chip process and developed the jet
printing control system for roller biochip microarrayer, and conducted in-depth study of
its key technologies to provide a theoretical basis for the design of new biochip
preparation system. Contents of this paper are:
1. The design of mechanical structure of the roller microarrayer. This microarrayer
select non-contact jet printing spray ways, plan the working process of the microarrayer
according to its working principle, and determine the performance requirements of
microarrayer, finally complete the design of mechanical structure of the roller
microarrayer.
2. The building of meter movement control subsystem and jet printing subsystem of
the microarrayer. Meter movement control subsystem is studied from the servo system,
speed control algorithm and the sample point path planning these three aspects. Jet
printing subsystem including injection pump and jet printing module and liquid storage
system with pressure compensation these three parts.
3. The implementation of software system for the jet printing control. Firstly, plan
the software implementation process on the basis of spotting process, then design the
software interface and gives the concrete realization method of the main function
module of software system.
4. Jet printing control system performance test experiment. The first part tests
positioning accuracy and repeat precision of the microarrayer by using laser
interferometer. The second part is spotting quality evaluation experiment, firstly, do
multiple sets of sample injection experiment under different drive parameters to find the
optimum parameters of the jet printing driver, and then use the optimum parameters of
the drive for actual sample experiments. Finally, complete the testing and evaluation of
the spotting quality through the biochip image extraction and processing.
The development of the microarrayer jet printing control system completely carried
out in accordance with the high precision, high efficiency and powerful thoughts.
Practice has proved that the various performance of this microarrayer jet printing
control system can meet requirements of users.
Key Word: Roller Microarrayer, Jet Printing, Accuracy Test, Image
Processing, Spotting Quality
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 .............................................................................................................. 1
1.1 研究背景及意义 ............................................................................................... 1
1.2 国内外研究现状 ............................................................................................... 2
1.2.1 生物芯片点样仪研究现状 ........................................................................ 2
1.2.2 点样仪喷印技术研究现状 ........................................................................ 3
1.3 生物芯片制备技术 ........................................................................................... 4
1.3.1 原位合成法 ................................................................................................ 4
1.3.2 直接点样法 ................................................................................................ 4
1.4 研究内容 ........................................................................................................... 6
第二章 滚筒式点样仪的系统构架 ............................................................................ 7
2.1 点样仪的性能要求及机械结构 ....................................................................... 7
2.1.1 工作原理及性能要求 ................................................................................ 7
2.1.2 主体机械结构及特点 .............................................................................. 10
2.2 喷印系统建模 ................................................................................................. 12
2.2.1 喷印点样机理 .......................................................................................... 12
2.2.2 系统模型构建 .......................................................................................... 15
2.3 点样仪喷印控制系统结构 ............................................................................. 18
2.4 本章小结 ......................................................................................................... 19
第三章 点样仪喷印控制的硬件系统 ...................................................................... 20
3.1 硬件系统结构 ................................................................................................. 20
3.2 主控模块的组成 ............................................................................................. 20
3.2.1 MCU 控制模块 ......................................................................................... 20
3.2.2 HMI 模块 .................................................................................................. 21
3.2.3 I/O 模块 ..................................................................................................... 21
3.3 运动控制子系统 ............................................................................................. 22
3.3.1 伺服系统 .................................................................................................. 23
3.3.2 速度控制算法 .......................................................................................... 24
3.3.3 点样路径规划 .......................................................................................... 26
3.3.4 位置检测方法 .......................................................................................... 28
3.4 喷印子系统 ..................................................................................................... 28
3.4.1 注射泵模块 .............................................................................................. 29
3.4.2 喷印模块 .................................................................................................. 31
3.4.3 系统储液与压力补偿 .............................................................................. 33
3.5 频闪液滴监测子系统 ..................................................................................... 34
3.6 喷头清洗干燥子系统 ..................................................................................... 35
3.7 点样环境控制子系统 ..................................................................................... 36
3.8 本章小结 ......................................................................................................... 36
第四章 点样仪喷印控制的软件系统 ...................................................................... 37
4.1 软件流程规划 ................................................................................................. 37
4.2 软件系统功能模块化 ..................................................................................... 38
4.2.1 系统初始化模块 ...................................................................................... 39
4.2.2 点样基质参数模块 .................................................................................. 40
4.2.3 样品微孔板参数模块 .............................................................................. 41
4.2.4 芯片参数模块 .......................................................................................... 41
4.2.5 系统参数模块 .......................................................................................... 42
4.3 自动点样模块的软件实现 ............................................................................. 45
4.4 本章小结 ......................................................................................................... 48
第五章 点样仪喷印控制系统的性能测试 .............................................................. 49
5.1 运动定位精度测试 ......................................................................................... 49
5.1.1 测试方法 .................................................................................................. 49
5.1.2 精度计算 .................................................................................................. 50
5.2 点样质量检测及评价 ..................................................................................... 51
5.2.1 生物芯片图像的获取 .............................................................................. 51
5.2.2 生物芯片图像处理及分析 ...................................................................... 53
5.2.3 点样质量检测实验 .................................................................................. 61
5.2.4 点样质量的评价 ...................................................................................... 63
5.3 本章小结 ......................................................................................................... 65
第六章 总结与展望 .................................................................................................. 66
6.1 课题总结 ......................................................................................................... 66
6.2 研究展望 ......................................................................................................... 66
参考文献 .................................................................................................................... 68
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ........................................ 71
致 谢 ........................................................................................................................ 73
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
1.1 研究背景及意义
生物芯片点样仪是将生物样品(核酸或蛋白) 以一定的阵列快速、准确地点在
载玻片或薄膜上形成生物样品微阵列的设备，是从事生物芯片研发和生产的关键
设备[1]。高密度的微阵列技术是生物芯片点样仪的关键技术，样品精确的微量分配
也是生物芯片点样仪工作时要解决的主要问题，而非接触式喷印技术作为最重要
的生物样品分配技术之一，越来越被全世界所重视。尽管国外已有成熟的产品，
但由于价格昂贵，种类少，用户迫切需要一种具有较高性价比的精密生物芯片制
备系统。因此研究新型的高集成度、高精度的生物芯片点样仪，为我国生命科学
的发展提供有力的支持就成为当务之急[2]。为此，本论文研制了一种新型滚筒式生
物芯片点样仪。
最新的研究成果表明喷墨技术在显微注射、平板显示和生物技术领域同样发
挥着重要作用。如果将喷墨印刷中的墨水换成特殊液体如聚合物、导电性金属液
体或是生物样品等，这将会引起相关的各个不同应用领域的重大变革，喷墨印刷
技术在生物芯片领域的应用已成为研究热点。非接触式喷印原理与工业喷墨印刷
机原理大致相同，由微量液压系统和点样针协同工作，首先将生物样品溶液吸入
点样针头，然后移动基质（或针头）的位置，来自针头的生物样品通过喷嘴直接
喷射到载玻片或基质膜表面，而不用直接接触基质表面[3]。非接触式喷印法具有点
样速度快、喷样量准确、重现性好、使用寿命长、可以制作成微喷头阵列以进行
大规模生物芯片制作等优点。为此，本论文以生物芯片的制备为应用背景，以喷
墨印刷技术为研究起点，将喷墨印刷技术应用于生物芯片制备过程中，采用非接
触式喷印法进行生物芯片的制备，结合硬件系统和软件系统的全面设计，研发出
高速度和高精度的生物芯片制备系统，促使我国生物芯片制备技术的进一步发展。
上海裕隆生物科技有限公司是生物领域的高新科技企业，主要从事临床诊断生
物芯片及其原材料和配套设备的研发、生产及销售，并且已经构筑了多个生物芯
片产业化技术平台。其中，生物芯片制作生产平台是该公司的显著专长，拥有多
项自主知识产权。
上海理工大学与上海裕隆生物科技有限公司建立产、学、研联合基地，充分
利用双方的资源和优势，共同努力，自主研发高性价比、高自动化程度的生物芯
片点样仪器，以期为中国生物芯片仪器的发展注入新的力量。本课题受到上海市
科委“基于喷印技术的生物芯片制备技术及设备”项目（14440502600）基金的资
助。
上海理工大学硕士论文
2
1.2 国内外研究现状
1.2.1 生物芯片点样仪研究现状
目前，国外在点样仪的开发、销售方面都处于领先地位，美国、欧洲及日本
都有公司进行点样仪的生产与销售。国际上研制生产生物芯片制备设备的公司主
要集中在美国，主要产品有：美国Afymetrix公司的Afymetrix系列点样仪，点样精
确，探针点一致性较高；美国BioRobotics公司的MicroGrid II点样仪，该设备采用
样品板盖，每次取样后将其盖上，以减小样品的蒸发，支持1536孔板；美国Cartesian
公司的MieoSysM 5100 DNA点样仪，采用接触式点样法，所用的是标准的
ChipMaker或Stealth点样针，配有一套基片真空固定系统和一套针头清洗干燥系统，
具有芯片单独真空固定的功能，保证基片的精确定位，点样密度可达2500Spot/cm，
运行周期较短；美国Amersham Pharmacia公司的GenIIl点样机器人最多可安装12根
点样针和36张基片，具有湿度和温度监视功能，X/Y/Z轴的定位精度达到1um；日
本Hitachi公司的SP-BlOTM I点样机，可容纳96张基片，采用旋转式载物台，生产
效率较高，可达24000Spot/h。GeneMachines公司的OmniGrid系列点样机器人则在
行业中异军突起，该机器人配备湿度调节系统、超声波清洗系统及空气过滤系统，
保证了点样时的适宜环境。该机器人一次可点样的基质数目有50片、100片甚至308
片，可同时安装1～48根点样针，一次可放置三块样品板，如果配上它的辅助储存
转移手臂，则能够放置72块样品板，并且可实现样品板的全自动更换[4]。美国公司
生产的设备数量大、技术先进，在市场中起主导作用，欧洲只有英国、德国等少
数国家可与美国企业竞争。
国内点样仪的开发与研制起步较晚，目前尚无商品化的点样仪出现。清华大
学生物芯片研究与开发中心的生物机器人研究室已研制出国内第一台用于生物芯
片制作的点样机器人，该系统定位精度10um左右，可安放200片基片，采用样品板
立体库，可安放十多块样品板。该系统采用NSK公司的导轨(集成光栅、交流伺服
电机、控制器，通过并口与计算机相连)，运动速度可达300mm/s。此外，北京航
空航天大学机器人研究所也开发出了小型点样仪，该系统定位精度为±5um，支持
384孔板，能装载8根或32根点样针，可同时加工20块基片，点样针采用该研究所
自主研发的SplitPin，运动系统由滚珠丝杠、直线导轨与自制运动单元型材集成，
成本较低[5]。与此同时，中国科学院电工研究所和光电技术研究所在“知识创新工
程方向性重大项目—生物芯片仪器研制”项目的支持下也成功开发出生物芯片点
样仪[6]。虽然国内有多家单位在开展生物芯片点样仪此类设备的研制，如清华大学、
北京航空航天大学、中科院、上海理工大学、北京博奥生物芯片有限责任公司、
第一章 绪 论
3
南京大渊、深圳欣康、西安联尔、上海裕隆生物科技有限公司等。但是所研发的
设备都未能实现批量化生产和市场化推广，国内使用的大部分生物芯片制备设备
还是依靠国外进口，且价格昂贵，制约了许多生物芯片研究机构制备生物芯片进
行研究。随着生物芯片技术的不断发展，国内对于生物芯片制备设备的需求也将
加速增长。
由于非接触式点样法具有点样速度快，定量喷射精度高，故非接触式点样仪
器也在不断发展，但是国内目前具备喷头设计加工能力的公司很少，而且喷头属
于精密部件，成本较高，售价单支1万元人民币以上，故非接触式点样仪在制备技
术和成本方面还有较大的开拓空间。
综上所述，目前市场上产品化的平台式点样仪大都是国外顶级的专业公司生
产，这些平台式点样仪结构复杂，空间利用率低，维修困难，国内只有少数公司
和科研机构进行这方面的研究，而且国内外尚无滚筒式点样仪的出现。故本文研
发的滚筒式生物芯片点样仪具有很大的创新性，该点样仪采用非接触式喷印法进
行点样，并且以带有触摸屏的ARM9微处理器作为控制核心，可大大提高点样速度
和点样精确度，可以在国内推广使用，为我国生物芯片技术的发展做出一定的贡
献。
1.2.2 点样仪喷印技术研究现状
目前，国内外点样仪喷印技术有两种：一种是利用压电晶体将液体从喷孔中
挤压喷出的压电技术，喷的液滴大小一般为 50-500pL；另一种为注射器螺线管技
术，该技术将高分辨率注射器泵和微螺线管阀门有机结合起来精确控制喷射液滴
[7]。其中以压电技术较为先进，被国内外较多厂家采用：国外具有代表性的有
PerkinElmer 公司的 BioChip Arrayer、GesiM mBH 公司的 Nano-Plotter 等类型，
PerkinElmer 公司的 BioChip Arrayer 喷射的每滴液体体积约 350pL，在玻璃基片上
样 点 直 径 为 170um，最大点样密度为 1600 点/cm2。GesiM mBH 公司的
Nano-plotterNp2 系统喷射的最小液滴体积（即喷点分辨率）为 70pL，阵列密
度>2500cm-2。国内厂家存在的共同问题是没有核心技术的知识产权，关键部件还
是靠进口，而且研制的生物芯片制备系统性价比也不高，例如北京博奥公司开发
的晶芯 ÀSmartArrayer48 的点样仪系统，售价 60 万人民币，其中喷嘴约 5万元/个，
每滴液量在 10nL-50nL，会有漏点及样点粘连的现象发生。除以上两种喷印技术之
外，还有 Canon 公司研制的热气泡喷射技术，其原理是不同温度下液体的粘度发
生变化，通过瞬间施加电流来提高样品的温度，使其粘度降低，有选择性地将被
压缩液体从喷嘴喷出[8]。
上海理工大学硕士论文
4
1.3 生物芯片制备技术
微阵列生物芯片以样品点的微阵列存在形式为主要特征，所以微阵列的构筑
技术在生物芯片中有着极其重要的地位[9]。生物芯片上微阵列的密度为从几十到上
万点每平方厘米，一块芯片上有多个方阵，方阵内的样品点不同，有的样品点需
复制几次[2]。目前生物芯片的制备方法主要有原位合成法和直接点样法两大类，如
图1-1所示。
生
物
芯
片
制
备
方
法
原
位
合
成
法
直
接
点
样
法
光导化学合成法
微电子刻蚀合成法
分子印章法
接触式点样法
非接触式喷点法
点合成法
压电式喷印技术
注射螺旋管技术
TopSpot技术
气泡喷射法
图1-1 生物芯片制备方法分类
1.3.1 原位合成法
原位合成法多采用化学合成法、微电子刻蚀技术合成法、分子印章法等方法，
主要适用于商品化、规模化的高密度基因芯片的制备和应用领域。在这种制备技
术中，微阵列是在基底上用原位合成的方法逐步制备核酸和一些其它的生物高聚
物阵列。在每步的合成反应中，大量的核苷酸被加入而增加探针的链长，直至达
到所需要的长度[10]。
1.3.2 直接点样法
考虑到生物芯片的制作成本和技术难度等因素，目前大都采用直接点样法制
备生物芯片[3]。直接点样法是目前最重要的芯片制备方法之一，它 是通过高速精密
机械手采用接触式点样法或非接触式喷印法将预先合成的生物样品直接固定于基
质表面。直接点样法主要分为两种，即接触式点样和非接触式点样[1]。现在国内外
绝大部分生物芯片公司采用的都是接触式点样法，但非接触式点样法也在不断发
展。下面对两种直接点样法进行介绍：
1．接触式点样法
接触式点样法，如图1-2所示：它是利用点样针（如狭缝针）浸入装有生物样
摘要：

摘要本论文以自主研制的新型滚筒式生物芯片点样仪为研究平台，以生物芯片的制备为应用背景，以喷墨印刷技术为研究起点，将喷墨印刷技术成功应用于生物芯片制备过程中，研发出滚筒式生物芯片点样仪喷印控制系统，并对其关键技术进行了深入研究，为新型生物芯片制备系统的设计提供了理论依据。本文的研究内容主要有:1．滚筒式点样仪的机械结构设计。本点样仪选择非接触喷印的点样方式，根据其工作原理规划了点样仪的工作流程，并确定了点样仪的性能要求，在此基础上完成了滚筒式点样仪机械结构的设计。2．点样仪运动控制子系统和喷印子系统的构建。运动控制子系统从伺服系统、速度控制算法和点样路径规划这三方面进行研究。喷印子系统包括注射泵...

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