專利名稱：一種對磁敏傳感生物芯片進行自動測量的儀器的制作方法
技術領域：
本發明屬于化學、生物靶標分子、細胞、微生物等的測量技術領 域，涉及一種磁敏生物芯片測試儀，特別是霍爾器件、巨磁阻和磁隧 道陣列生物芯片讀出儀即測量儀。
背景技術：
磁敏傳感器是傳感器產品的一個重要組成部分，磁敏傳感器已經 得到廣泛的應用，如電腦硬盤中的磁存儲器、汽車中的角度傳感器
等。直到1998年basdt等人首次報道了利用標記生物分子的磁顆粒和
巨磁阻(GMR)傳感器探測生物耙標分子的研究并公開了專利(US 5981297)，由此開創了磁敏傳感器在生物技術領域應用研究的先例。 磁敏生物傳感器測試生物分子的原理是檢測生物功能化的微米或納米 尺度磁顆粒。即在傳感器表面修飾上能夠識別靶標分子的抗體或抗 原，樣品中的耙標分子與之特異性結合，然后標記有抗體或抗原的順 磁顆粒識別靶標分子形成夾心結構的復合物，被固定在傳感器表面， 沒有被捕捉住的磁顆粒被移走，施加電磁場，通過對順磁顆粒數量的 檢測確定靶標分子的含量。
在過去的10年里的研究顯示，磁敏生物傳感器具有低成本、快 速、高靈敏度、高通量檢測的特點，目前磁電子學己經顯現出作為開 發生物傳感器芯片的新平臺技術的優勢。在2006年5月生物芯片多倫多 國際會議上，Philips公司的研究人員報道，世界上已經有30多個研究組 從事磁敏生物傳感器研究開發。
在國內也有三篇專利與磁敏傳感器有關，韓國姜熙福等人"生物傳 感器及傳感單元陣列"(申請號200310113330)中提出了采用磁性隧 道結(magnetic Tunnel Junction, MTJ)或巨磁阻(Giant Magnetoresistance,簡稱GMR)器件作為生物傳感器單元的想法，陳超等人在專利"磁隧道 結生物芯片載體和采用該載體的芯片及制作方法和對生物分子進行檢
測的方法"(申請號02139363)中提出了磁性隧道結作為生物芯片載體 的想法，王磊等人在專利"高靈敏度巨磁電阻和隧穿磁電阻(Tunneling magnetoresistance, TMR)生物傳感器"(申請號:200510005035.5)中
提出利用塑料保護層代替氮化硅保護層的想法。
雖然已經有文獻報道磁敏傳感器生物芯片，但是很少有文獻報道磁 敏生物傳感器生物芯片所使用的測試裝置，也沒有關于相應的全自動 測試儀器的相關報道。
發明內容
為了使磁敏生物傳感生物芯片使用更方便，非常有必要開發一套 相應的全自動測試儀器，本發明的目的是揭示磁敏傳感生物芯片檢測 系統，提供一種檢測靈敏度高、檢測設備簡單、對磁敏傳感生物芯片 進行自動化測量的儀器。
所謂的磁敏傳感生物芯片是指集成了磁敏傳感器陣列的生物芯片。
為了實現所述的目的，本發明一方面，提供的對磁敏傳感生物芯 片進行自動測量的儀器，包括-
施壓裝置與樣品舟連接，用于對樣品舟實施直接或間接的壓力， 使被測樣品或溶劑進入反應室；
流體注射系統與樣品舟連接，用于將流體注入微流體通道內；
磁場產生裝置根據要求提供一定強度的正電流或負電流，使電磁 鐵產生一定強度的正磁場或負磁場，用于將正磁場或負磁場施加在樣 品舟上的被測量磁敏傳感生物芯片上；
芯片操縱及信息選取電子裝置與樣品舟連接,用于給樣品舟上的被 測量磁敏傳感生物芯片提供電源和操控信號，測量每個被測量磁敏傳 感生物芯片所存儲的信息，對所測得的信息進行模擬數碼轉換；微處理器控制協調施壓裝置、流體注射系統、磁場產生裝置和芯 片操縱及信息選取電子裝置的運轉，對各種磁場條件下所測得的磁敏 傳感信息進行數據處理；
用戶界面與微處理器連接,用于接收并顯示微處理器的數據處理信息。
根據本發明的實施例，施壓裝置包括 一個電動馬達或電動步進 式馬達、真空裝置或氣壓裝置，采用電動馬達或電動步進式馬達的驅 動結構對樣品舟上的樣品儲藏室直接施壓或對一個與樣品儲藏室相連 的泵室施壓，使微通道內的流體進入樣品舟上的反應室；或采用真空 裝置或氣壓裝置對樣品舟上與樣品儲藏室相連的泵室或廢液室施壓， 使流體進入樣品舟上的反應室。
根據本發明的實施例，所述的流體注射系統中有
具有一個或數個注射器，該一個或數個注射器通過對樣品舟上與
微流體通道相連的流體注入口使流體進入微流體通道內；具有步進電 機，由步進電機控制電路控制步進電機，用于驅動一個或數個注射 器；具有步進電機控制電路的運行由微處理器控制；具有注射微管與 樣品舟上的流體注入口連接。
根據本發明的實施例，流體注射系統的注射器中噴射的液流中含 有生物分子或磁顆粒或緩沖液。
根據本發明的實施例，根據微處理器的指令調節磁場產生裝置的 磁場方向。
根據本發明的實施例，所述被測量磁敏傳感生物芯片包括
CMOS電路和磁隧道陣列磁阻器件，或CMOS電路和巨磁阻器件，或
CMOS電路和霍爾磁阻器件。
為了實現所述的目的，本發明第二方面，提供的一種對磁敏傳感
生物芯片進行自動測量的儀器，包括
施壓裝置與樣品舟連接，用于對樣品舟實施直接或間接的壓力； 磁場產生裝置根據要求提供一定強度的正電流或負電流，使電磁
鐵產生一定強度的正磁場或負磁場，用于將正磁場或負磁場施加在樣品舟上的被測量磁敏傳感生物芯片上；芯片操縱及信息選取電子裝置與樣品舟連接，用于給樣品舟上的 被測量磁敏傳感生物芯片提供電源和操控信號，測量每個被測量磁敏傳感生物芯片所存儲的信息，對所測得的信息進行模擬數碼轉換；微處理器控制協調施壓裝置、磁場產生裝置和芯片操縱及信息選 取電子裝置運轉，對各種磁場條件下所測得的磁敏傳感信息進行數據處理；用戶界面與微處理器連接，用于接收并顯示微處理器的數據處理傳自I n 'K、 o根據本發明的實施例，施壓裝置包括 一個電動馬達或電動步進 式馬達、真空裝置或氣壓裝置，采用電動馬達或電動步進式馬達的驅 動結構對樣品舟上的樣品儲藏室直接施壓或對一個與樣品儲藏室相連 的泵室施壓，使微通道內的流體進入樣品舟上的反應室；或采用真空 裝置或氣壓裝置對樣品舟上與樣品儲藏室相連的泵室或廢液室施壓， 使流體進入樣品舟上的反應室。根據本發明的實施例，根據微處理器的指令調節磁場產生裝置的 磁場方向。根據本發明的實施例，所述被測量磁敏傳感生物芯片包括CMOS電路和磁隧道陣列磁阻器件，或CMOS電路和巨磁阻器件，或CMOS電路和霍爾磁阻器件。為了實現所述的目的，本發明第三方面，提供的一種對磁敏傳感生物芯片進行自動測量的儀器，包括-流體注射系統與樣品舟連接，用于將流體注入微流體通道內； 磁場產生裝置根據要求提供一定強度的正電流或負電流，使電磁鐵產生一定強度的正磁場或負磁場，用于將正磁場或負磁場施加在樣品舟上的被測量磁敏傳感生物芯片上；芯片操縱及信息選取電子裝置與樣品舟連接，用于給樣品舟上的 被測量磁敏傳感生物芯片提供電源和操控信號，測量每個被測量磁敏傳感生物芯片所存儲的信息，對所測得的信息進行模擬數碼轉換；微處理器控制協調流體注射系統、磁場產生裝置和芯片操縱及信 息選取電子裝置的運轉，對各種磁場條件下所測得的磁敏傳感信息進 行數據處理；用戶界面與微處理器連接，用于接收并顯示微處理器的數據處理樣自根據本發明的實施例，所述的流體注射系統中具有一個或數個注射器，該一個或數個注射器通過對樣品舟上與 微流體通道相連的流體注入口使流體進入微通道內；具有步進電機， 由步進電機控制電路控制步進電機，用于驅動一個或數個注射器的運 行；具有步進電機控制電路的運行由微處理器控制；具有注射微管與 樣品舟上的流體注入口連接。根據本發明的實施例，流體注射系統的注射器中噴射的液流中含 有生物分子或磁顆粒或緩沖液。根據本發明的實施例，根據微處理器的指令調節磁場產生裝置的 磁場方向。根據本發明的實施例，所述被測量磁敏傳感生物芯片包括 CMOS電路和磁隧道陣列磁阻器件，或CMOS電路和巨磁阻器件，或 CMOS電路和霍爾磁阻器件。為了實現所述的目的，本發明第四方面，提供的對磁敏傳感生物 芯片進行自動測量的儀器，包括磁場產生裝置根據要求提供一定強度的正電流或負電流，使電磁 鐵產生一定強度的正磁場或負磁場，用于將正磁場或負磁場施加在樣 品舟上的被測量磁敏傳感生物芯片上；芯片操縱及信息選取電子裝置與樣品舟連接，用于給樣品舟上的 被測量磁敏傳感生物芯片提供電源和操控信號，測量每個被測量磁敏 傳感生物芯片所存儲的信息，對所測得的信息進行模擬數碼轉換；微處理器控制協調磁場產生裝置和芯片操縱及信息選取電子裝置 各功能塊的運轉，對各種磁場條件下所測得的磁敏傳感器信息數據進 行處理；用戶界面與微處理器連接，用于接收并顯示微處理器的數據處理曰息。根據本發明的實施例，根據微處理器的指令調節磁場產生裝置的 磁場方向。根據本發明的實施例，所述被測量磁敏傳感生物芯片包括CMOS電路和磁隧道陣列磁阻器件，或CMOS電路和巨磁阻器件，或 CMOS電路和霍爾磁阻器件。本發明的優點或積極效果本發明提供了一個測試磁敏傳感器生 物芯片的全自動測試設備。此設備采用和微流體樣品舟相匹配的流體 自動注射系統來降低操作復雜程度，提高檢測速度，降低溶液用量， 改進重復性。高靈敏度磁敏傳感器生物芯片和微流體系統的結合可以 很大程度地提高檢測靈敏度。該測試設備上的施壓裝置和相匹配的樣 品舟上的腔體耦合，形成一種高效低成本微流體泵，有效地降低了樣 品舟的成本。
圖la是本發明實施例1磁敏傳感生物芯片樣品舟的主視圖 圖lb是圖la的左視2是本發明實施例2磁敏傳感生物芯片測量儀器圖3a是本發明實施例3磁敏傳感生物芯片樣品舟的主視3b是圖3a的左視4是本發明實施例4磁敏傳感生物芯片的測量儀器圖5a是本發明實施例5的磁敏傳感生物芯片樣品舟主視5b是圖5a的左視6是本發明實施例6磁敏傳感生物芯片的測量儀器 圖7是本發明實施例7磁敏傳感生物芯片的測量儀器 圖8是本發明實施例8磁敏傳感生物芯片的測量儀器 圖9是本發明磁敏傳感生物芯片的測量儀器附圖標記l樣品舟有 lll襯底，121微通道層，122微流體通道，131反應室，132生物芯片，141樣品儲藏室，142液體儲藏室，151泵室，152壓力室，153氣壓或液壓進出口，161廢液室，161'廢液出口，171樣品室開口， 171'可密封樣品口塞子，181流體注入口，191電導體連接線；2施壓裝置有21步進電機控制電路，22步進電機，23驅動拉桿，24連接管道，25液壓或氣壓產生或控制設備， 3流體注射系統有31注射器包括311、 312注射器；32步進電機包括321、 322、 323步進電機；33步進電機控制電路，34注射微管 4磁場產生裝置有41電磁鐵，42電磁鐵電源電路，43磁場方向調節裝置 5芯片操縱及信息選取電子裝置； 6微處理器； 7用戶界面具體實施方式
下面將結合附圖對本發明加以詳細說明，應指出的是，所描述的 實施例僅旨在便于對本發明的理解，而對其不起任何限定作用。在本發明涉及到的樣品舟，是用來裝載磁敏傳感生物芯片，使磁 敏傳感生物芯片能夠方便地與本發明中的測試儀連接，而且樣品舟中有微流體通道，能夠使生物芯片上的生化反應更容易進行，提高反應靈敏度。樣品舟的具體結構與功能已經在2007年10月9日受理的專利申"200710175624.7"中詳細描述，本發明中涉及到的樣品舟詳 細內容請參見上述專利申請。實施例1磁敏傳感生物芯片樣品舟參見圖la和圖lb樣品舟1:以玻璃或者陶瓷或表面氧化一層二氧 化硅的單晶硅材料或者高聚物材料為襯底111，在襯底lll合適位置開 一穿透的小孔為樣品室開口 171，做為樣品進樣孔，可密封樣品口塞子 171'用于密封樣品口。襯底lll上有微通道層121，微通道層121的本 體上形成數條微流體通道和各種儲液室，該微流體通道122內至少含 有一個反應室131、 一個樣品儲藏室141、 一個泵室151、 一個廢液室 161和一個以上流體注入口 181，用于注入反應試劑或緩沖液或清洗 液。泵室151上覆蓋的是柔性材料，所以能夠通過在泵室151上施加 壓力產生收縮和擴張推動微流體通道內溶液往復運動，提高溶液之間 的混合度或與表面接觸的頻率，進而提高反應效率。廢液室161內設 計至少有一個開口圓為廢液出口 161'，以增加微通道的長度，減小微 流體生物芯片樣品舟1的尺寸，并且當有少量試劑在微流體通道122 內往復運動時，該試劑不會直接進入廢液室161中心與原有廢液混 合，減少試劑污染的可能性。在反應室131內放置有霍爾、巨磁阻或 磁隧道陣列傳感生物芯片132，生物芯片132上的CMOS電路通過與 樣品舟1上的多條電導體連接線191的連接與樣品舟1外的測量儀器 連接。實施例2:如圖2所示一種磁敏傳感生物芯片測量儀器，包括施壓裝置2由一個步進電機控制電路21、電動馬達或電動步進式 馬達22和驅動拉桿23組成，步進電機控制電路21的信號由微處理器 6控制。用該電動馬達或電動步進式馬達的驅動結構一一驅動拉桿23 對樣品舟1 (詳細見圖2)上與樣品儲藏室141相連的泵室151施壓使流體進入樣品舟1上的反應室131;或者驅動拉桿23對樣品舟1上的 樣品儲藏室141直接施壓使流體進入樣品舟1上的反應室131。除電動馬達或電動步進式馬達外，其他線性致動器件如壓電器件也可以用做施壓裝置2。流體注射系統3:由注射器31即第一注射器311、第二注射器 312;步進電機32即第一步進電機321、第二步進電機322、第三步進 電機323，第一和第二步進電機控制電路33和注射微管34連接組成。 第一注射器311的后端與第一步進電機321的驅動桿連接，第二注射器 312的后端與第二步進電機322的驅動桿連接，第一注射器311、第二 注射器3 12的液體出口端分別與第一注射微管34和第二注射微管34 連接。第一注射微管34和第二注射微管34在第三步進電機323的驅動 下與樣品舟1上的流體注入口 181連接。第一步進電機控制電路33和 第二步進電機控制電路33的運行由微處理器6控制。在第三步進電機 323的推動下，第一注射器311和第二注射器312中的流體通過位于樣 品舟1上與反應室131相連的一個或數個流體注入口 181向微流體通道 122中依次或同時注入液流。該液流也能驅動微流體通道122內的流體 通過樣品舟l上的反應室131進入廢液室161，由廢液室出口 161'將廢 液排除。流體注射器系統3中的液流中含有生物分子或者含有磁顆粒或 者含有緩沖液。磁場產生裝置4是由電磁鐵41與電磁鐵電源電路42串連連接組 成，電磁鐵電源電路42的開關信息由微處理器6控制。磁場產生裝置 4根據要求提供一定強度的正電流或負電流，使電磁鐵產生一定強度的 正磁場或負磁場，用于將正磁場或負磁場施加在被測量的磁敏傳感生 物芯片132上。由電磁鐵41產生的磁場可以有兩個取向， 一個是與磁敏傳感生物 芯片132平行，另一個是與磁敏傳感生物芯片132垂直。通過適當的 信號處理，兩種磁場方向均可以磁化磁顆粒、激發磁敏傳感芯片以檢 測磁顆粒的存在。在本發明中，所用磁場方向和磁敏傳感生物芯片132 垂直。磁場方向調節器43被用以調節電磁鐵41的取向以使磁場和每個被測磁敏傳感生物芯片B2垂直。磁場方向調節器43可以被微處理器6控制已達到自動調節磁場方 向的功能。微處理器6可以根據磁敏傳感生物芯片132對電磁鐵41產 生的磁場的反應判斷磁場的方向，然后進行相應的調節。芯片操縱及信息選取電子裝置5與樣品舟1通過電導線191連接, 用于給樣品舟1上的被測量磁敏傳感生物芯片132提供電源和操控信 號，測量每個被測量磁敏傳感生物芯片132所存儲的信息，對所測得 的信息進行模擬數碼轉換；微處理器6控制協調施壓裝置2、流體注射系統3、磁場產生裝置 4和芯片操縱及信息選取電子裝置5各功能塊的運轉，對所測得的數據 進行處理，即對各種磁場條件下得到的磁敏傳感信息進行數據處理， 諸如加、減、平均、去背景噪音等，并提取所需結果。用戶界面7與微處理器6連接，用于接收用戶指令并顯示測試條 件和結果。該儀器的使用程序如下所示步驟l:打開電源，開始工作；步驟2:把待測樣品和被功能化的磁顆粒注入樣品儲室141，把樣 品舟放入本發明的測量儀器中；步驟3:通過用戶界面7輸入測試條件和要求；步驟4:微處理器6控制施壓裝置2，施壓裝置2對泵室151施壓 使樣品儲藏室141中的混合液流入反應室131，和生物芯片132上的生 物探針進行反應雜交；步驟5:微處理器6控制流體注射系統3，流體注射系統3把清洗 緩沖液注入反應室131，清洗去除非特異結合到生物芯片132上的分子 和磁顆粒；步驟6:微處理器6控制電磁鐵電源電路42按要求對磁敏傳感生 物芯片施加磁場；步驟7:微處理器6控制芯片操縱及信息選取電子裝置5讀出磁敏 傳感器件信息；步驟8:微處理器6對各種磁場條件下得到的磁敏傳感器信息進行 數據處理，諸如加、減、平均、去背景噪音等，并提取所需結果； 步驟9:用戶界面7報告此待測樣品的檢測結果。實施例3磁敏傳感生物芯片樣品舟的制備圖3a和圖3b為樣品舟以玻璃或者陶瓷或表面氧化一層二氧化硅的單晶硅材料或者高聚物材料為襯底111，在襯底lll合適位置開一穿透的樣品室開口 171，做為樣品進樣孔，可密封樣品口塞子171'用 于密封樣品室開口 171。襯底111上面是微通道層121，微通道層121 采用微流體通道柔性層，使用柔性材料如硅橡膠通過模具成型法制 作，或者使用塑料材料如有機玻璃(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚丙 烯(PP)、尼龍、聚四氟乙烯、聚醚醚酮(PEEK)、硅橡膠等，利用模 具成型法制作微流體通道122和液體樣品儲藏室141，但是泵室151上 面是柔性材料如PDMS.該微流體通道122內至少含有一個反應室 131、 一個樣品儲藏室141、 一個泵室151、 一個廢液室161、 一個以上 流體注入口 181，用于注入反應試劑或緩沖液或清洗液。泵室151上面 有一個壓力室152，使用時通過氣壓或液壓進出口 153與氣體或者液體 增壓或減壓設備密封連接。由于泵室151上面是柔性材料，所以能夠 通過在泵室151上施加壓力產生收縮和擴張推動微流體通道122內溶 液往復運動，提高溶液之間的混合度或與表面接觸的頻率，進而提高 反應效率。廢液室161內設計至少有一個開口圓，以增加微流體通道 122的長度，減小微流體芯片的尺寸，并且當有少量試劑在微流體通道 122內往復運動時，該試劑不會直接進入廢液室161中心與原有廢液混 合，減少試劑污染的可能性。在反應室131內放置有霍爾或巨磁阻或 磁隧道傳感器生物芯片132，生物芯片132內的CMOS電路通過多條 電導體連接線191連接樣品舟外的測試儀。柔性層121的材料可以是 柔性材料如聚二甲基硅氧垸(PDMS)或橡膠，也可以和lll相同的材 料，但是泵室151上面是柔性材料。實施例4如圖4所示一種磁敏傳感生物芯片測量儀器，包括施壓裝置2由可以形成真空和/或氣壓的裝置25和連接管道24組 成。連接管道24的一端與形成真空和/或氣壓的裝置連接，另一端與樣 品舟1 (詳細見圖4)的泵室151上面的壓力室152的氣壓或液壓進出 口 153連接。由于泵室151上面是柔性層，當形成真空和/或氣壓的裝 置25施加壓力或減壓時會驅動泵室151收縮和擴張推動樣品儲藏室 141中的液體流經反應室131。對流體注射系統3更詳細的描述請同時請參考對圖2:由兩個注射 器31、三個步進電機32，兩個步進電機控制電路33及注射微管34組 成。注射器31的后端與步進電機32連接，注射器31的液體出口端與 一注射微管34連接，該注射微管34與樣品舟1上的流體注入口 181連 接。步進電機控制電路33的運動由微處理器6控制。在步進電機的推 動下，注射器31中的流體通過位于樣品舟1上與反應室131相連的一 個或數個流體注入口 181向微流體通道122中注入液流，該液流也能驅 動微通道內的流體通過樣品舟1上的反應室131進入廢液室161，由廢 液室出口 161'將廢液排除。流體注射器系統3中的液流中含有生物分 子或者含有磁顆粒或者含有緩沖液。磁場產生裝置4是由電磁鐵41與電磁鐵電源電路42串連連接組 成，電磁鐵電源電路42的開關信息由微處理器6控制。磁場產生裝置 4根據要求提供一定強度的正電流或負電流，使電磁鐵產生一定強度的 正磁場或負磁場，用于將正磁場或負磁場施加在被測量的磁敏傳感生 物芯片132上。由電磁鐵41產生的磁場可以有兩個取向， 一個是和磁敏傳感生物 芯片132平行，另一個是和磁敏傳感生物芯片132垂直。通過適當的 信號處理，兩種磁場方向均可以磁化磁顆粒、激發磁敏傳感生物芯片 132以檢測磁顆粒的存在。在此發明中，所用磁場方向和磁敏傳感生物 芯片132垂直。磁場方向調節器43被用以調節電磁鐵41的取向以使 磁場和每個被測磁敏傳感生物芯片132垂直。磁場方向調節器43可以被微處理器6控制已達到自動調節磁場方17向的功能。微處理器6可以根據磁敏傳感生物芯片132對電磁鐵41產 生的磁場的反應判斷磁場的方向，然后進行相應的調節。芯片操縱及信息選取電子裝置5與樣品舟1上的電導線191連接, 用于給樣品舟1上的被測量磁敏傳感生物芯片132提供電源和操控信 號，測量每個被測量磁敏傳感生物芯片132所存儲的信息，對所測得 的信息進行模擬數碼轉換；微處理器6控制協調施壓裝置2、流體注射系統3、磁場產生裝置 4和芯片操縱及信息選取電子裝置5各功能塊的運轉，對所測得的數據 進行處理，即對各種磁場條件下得到的磁敏傳感信息進行數據處理， 諸如加、減、平均、去背景噪音等，并提取所需結果；用戶界面7與微處理器6連接,用于接收并顯示微處理器6的數據 處理信息。實施例5磁敏傳感樣品舟1的制備圖5a和圖5b所示為樣品舟樣品舟1以玻璃或者陶瓷或表面氧 化一層二氧化硅的單晶硅材料或者高聚物材料為襯底111，在襯底ill合適位置開一穿透的樣品儲樣室開口 171，做為樣品進樣孔，可密封樣 品口塞子171'用于密封樣品口。襯底上面是微流體通道層121，使用 玻璃或者陶瓷或表面氧化一層二氧化硅的單晶硅材料利用傳統的濕法 刻蝕技術或者干法刻蝕技術制作微通道，或者使用塑料材料如有機玻 璃(PMMA)、 聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、尼龍、聚醚醚酮 (PEEK)等利用模具成型法制作微流體通道層121上的微結構，襯底 材料與微流體通道層材料可以一致也可以不一致。微流體通道122內 至少含有一個反應室131， 一個樣品室141， 一個廢液池161， 一個以 上溶液注入口 181，用于注入反應試劑、探針試劑、緩沖液或清洗液。 在使用前此流體注入口 181可以不密封，在需要注入溶液時流體注入 口 181和注射微管34密封連接。廢液室161內設計至少有一個開口 圓，以增加微流體通道122的長度，減小樣品舟1的尺寸，并且當有 少量試劑在微流體通道122內往復運動時，該試劑不會直接進入廢液室161中心與原有廢液混合，減少試劑污染的可能性。廢液從廢液室 出口 161，排除。在反應室131內放置有霍爾或巨磁阻或磁隧道陣列傳感生物芯片132，生物芯片132內的CMOS電路通過多條電導體連接 線191連接樣品舟1外的測試儀。實施例6，如圖6所示一種磁敏傳感生物芯片測量儀器施壓裝置2由可以形成真空和/或氣壓的裝置25和連接管道24組 成。連接管道24的一端與形成真空和/或氣壓的裝置連接，另一端與樣 品舟l (詳細見圖6)的廢液室161上的廢液出口 161'連接。當形成真 空和/或氣壓的裝置25施加壓力或減壓時會驅動微流體通道122內的流 體運動流經反應室131。流體注射系統3:由注射器31即第一注射器311、第二注射器 312;步進電機32即第一步進電機321、第二步進電機322、第三步進 電機323，第一和第二步進電機控制電路33和注射微管34連接組成。 第一注射器311的后端與第一步進電機321的驅動桿連接，第二注射器 312的后端與第二步進電機322的驅動桿連接，第一注射器311、第二 注射器3 12的液體出口端分別與第一注射微管34和第二注射微管34 連接。第一注射微管34和第二注射微管34在第三步進電機323的驅動 下與樣品舟1上的流體注入口 181連接。第一步進電機控制電路33和 第二步進電機控制電路33的運行由微處理器6控制。在第三步進電機 323的推動下，第一注射器311和第二注射器312中的流體通過位于樣 品舟1上與反應室131相連的一個或數個流體注入口 181向微流體通道 122中依次或同時注入液流。該液流也能驅動微流體通道122內的流體 通過樣品舟l上的反應室131進入廢液室161，由廢液室出口 161，將廢 液排除。流體注射器系統3中的液流中含有生物分子或者含有磁顆粒或 者含有緩沖液。磁場產生裝置4是由永久性磁體器件或電磁鐵41與電磁鐵電源電 路42串連連接組成，電磁鐵電源電路42的開關信息由微處理器6控 制。磁場產生裝置4根據要求提供一定強度的正電流或負電流，使電磁鐵產生一定強度的正磁場或負磁場，用于將正磁場或負磁場施加在 被測量的磁敏傳感生物芯片132上。由電磁鐵41產生的磁場可以有兩個取向， 一個是和磁敏傳感生物芯片132平行，另一個是和磁敏傳感生物芯片132垂直。通過適當的信號處理，兩種磁場方向均可以磁化磁顆粒、激發磁敏傳感生物芯片132以檢測磁顆粒的存在。在本發明中，所用磁場方向和磁敏傳感生物 芯片132垂直。磁場方向調節器43被用以調節電磁鐵41的取向以使 磁場和每個被測磁敏傳感生物芯片132垂直。磁場方向調節器43可以被微處理器6控制已達到自動調節磁場方 向的功能。微處理器6可以根據磁敏傳感生物芯片132對電磁鐵41產 生的磁場的反應判斷磁場的方向，然后進行相應的調節。芯片操縱及信息選取電子裝置5與樣品舟1上的電導線191連接, 用于給樣品舟1上的被測量磁敏傳感器生物芯片132提供電源和操控 信號，測量每個被測量磁敏傳感生物芯片132所存儲的信息，對所測 得的信息進行模擬數碼轉換；微處理器6控制協調施壓裝置2、流體注射系統3、磁場產生裝置 4和芯片操縱及信息選取電子裝置5各功能塊的運轉，對所測得的數據 進行處理，即對各種磁場條件下得到的磁敏傳感信息進行數據處理， 諸如加、減、平均、去背景噪音等，并提取所需結果；用戶界面7與微處理器6連接,用于接收并顯示微處理器6的數據 處理信息。實施例7:如圖7所示一種磁敏傳感生物芯片測量儀器包括施壓裝置2由一個電動馬達或電動步進式馬達22和步進電機控制 電路21組成，步進電機控制電路的信號由微處理器6控制。使用時， 先將溶液注入口 181密封，然后用該電動馬達或電動步進式馬達的驅 動結構一一驅動拉桿23對樣品舟1上與樣品儲藏室141相連的泵室 151施壓使微流體通道內的流體進入或通過樣品舟1上的反應室131。 磁場產生裝置4是由電磁鐵41與電磁鐵電源電路42串連連接組成，電磁鐵電源電路42的開關信息由微處理器6控制。磁場產生裝置 4根據要求提供一定強度的正電流或負電流，使電磁鐵產生一定強度的 正磁場或負磁場，用于將正磁場或負磁場施加在被測量的磁敏傳感器生物芯片132上。由電磁鐵41產生的磁場可以有兩個取向， 一個是和磁敏傳感生物 芯片132平行，另一個是和磁敏傳感生物芯片132垂直。通過適當的 信號處理，兩種磁場方向均可以磁化磁顆粒、激發磁敏傳感生物芯片 132以檢測磁顆粒的存在。在此發明中，所用磁場方向和磁敏傳感器生 物芯片132垂直。磁場方向調節器43被用以調節電磁鐵41的取向以 使磁場和每個被測磁敏傳感器生物芯片132垂直。磁場方向調節器43可以被微處理器6控制己達到自動調節磁場方 向的功能。微處理器6可以根據磁敏傳感生物芯片132對電磁鐵41產 生的磁場的反應判斷磁場的方向，然后進行相應的調節。芯片操縱及信息選取電子裝置5與樣品舟1電導線191連接,用于 給樣品舟1上的被測量磁敏傳感器生物芯片132提供電源和操控信 號，測量每個被測量磁敏傳感生物芯片132所存儲的信息，對所測得 的信息進行模擬數碼轉換；微處理器6控制協調施壓裝置2、磁場產生裝置4和芯片操縱及信 息選取電子裝置5各功能塊的運轉，對所測得的數據進行處理，即對 各種磁場條件下得到的磁敏傳感信息進行數據處理，諸如加、減、平 均、去背景噪音等，并提取所需結果；用戶界面7與微處理器6連接，用于接收并顯示微處理器6的數據 處理信息。該儀器的特點是儀器自身不裝配有微流體注射系統，可以減小儀 器的體積。因此使用該儀器時，所有樣品舟上流體的注入可以使用離 線加樣器如生化上常用的加樣器、蠕動泵或注射器等。加樣后將流體 進入口 181密封后在進行施加壓力的操作。實施例8:如圖8所示一種磁敏傳感生物芯片測量儀器，包括 流體注射系統3:由注射器31即第一注射器311、第二注射器312;步進電機32即第一步進電機321、第二步進電機322、第三步進 電機323，第一和第二步進電機控制電路33和注射微管34連接組成。 第一注射器311的后端與第一步進電機321的驅動桿連接，第二注射器 312的后端與第二步進電機322的驅動桿連接，第一注射器311、第二 注射器3 12的液體出口端分別與第一注射微管34和第二注射微管34 連接。第一注射微管34和第二注射微管34在第三步進電機323的驅動 下與樣品舟1上的流體注入口 181連接。第一步進電機控制電路33和 第二步進電機控制電路33的運行由微處理器6控制。在第三步進電機 323的推動下，第一注射器311和第二注射器312中的流體通過位于樣 品舟1上與反應室131相連的一個或數個流體注入口 181向微流體通道 122中依次或同時注入液流。該液流也能驅動微流體通道122內的流體 通過樣品舟l上的反應室131進入廢液室161，由廢液室出口 161'將廢 液排除。流體注射器系統3中的液流中含有生物分子或者含有磁顆粒或 者含有緩沖液。磁場產生裝置4是由電磁鐵41與電磁鐵電源電路42串連連接組 成，電磁鐵電源電路42的開關信息由微處理器6控制。磁場產生裝置 4根據要求提供一定強度的正電流或負電流，使電磁鐵產生一定強度的 正磁場或負磁場，用于將正磁場或負磁場施加在被測量的磁敏傳感生 物芯片132上。由電磁鐵41產生的磁場可以有兩個取向， 一個是和磁敏傳感器芯 片平行，另一個是和磁敏傳感生物芯片132垂直。通過適當的信號處 理，兩種磁場方向均可以磁化磁顆粒、激發磁敏傳感生物芯片132以 檢測磁顆粒的存在。在本發明中，所用磁場方向和磁敏傳感生物芯片 132垂直。磁場方向調節器43被用以調節電磁鐵41的取向以使磁場和 每個被測磁敏傳感生物芯片132垂直。磁場方向調節器43可以被微處理器6控制已達到自動調節磁場方 向的功能。微處理器6可以根據磁敏傳感生物芯片132對電磁鐵41產生的磁場的反應判斷磁場的方向，然后進行相應的調節。芯片操縱及信息選取電子裝置5與樣品舟1連接,用于給樣品舟1 上的被測量磁敏傳感生物芯片132提供電源和操控信號，測量每個被 測量磁敏傳感生物芯片132所存儲的信息，對所測得的信息進行模擬 數碼轉換微處理器6控制協調流體注射系統3、磁場產生裝置4和芯片操縱 及信息選取電子裝置5各功能塊的運轉，對所測得的數據進行處理， 即對各種磁場條件下得到的磁敏傳感信息進行數據處理，諸如加、 減、平均、去背景噪音等，并提取所需結果；用戶界面7與微處理器6連接，用于接收并顯示微處理器6的數 據處理信息。該儀器與實施例2的區別在于，儀器系統中沒有施壓裝置2，在微 流體通道內所有的流體驅動是靠流體注射器來驅動。實施例9 一種磁敏傳感生物芯片測量儀器圖9全自動生物芯片測量儀器主要包括磁場產生裝置4:由電磁 鐵41和電磁鐵電源電路42組成，能夠根據要求提供一定強度的正電 流或負電流使電磁鐵產生一定強度的正磁場或負磁場，并且將磁場施 加在樣品舟1上對應的生物芯片132位置，生物芯片132安裝在反應 室131內；芯片操縱及信息選取電子裝置5:給生物芯片132電路提供 電源和操控信號，測試每個磁傳感生物芯片132所存儲的信息，對所 測得的信息進行模擬數/碼轉換；微處理器6:控制和協調磁場產生裝 置和生物芯片132;用戶界面7與微處理器6連接，用于接收并顯示微 處理器6的數據處理信息。樣品舟l以玻璃或者陶瓷或表面氧化一層二氧化硅的單晶硅材料或 者高聚物材料為襯底lll，襯底111上有微通道層121，微通道層121上形 成數條微流體通道122和各種儲液室，該微流體通道122內至少含有一 個反應室131、 一個樣品儲藏室141、 一個泵室151、 一個廢液室161和 一個以上流體注入口181，用于注入反應試劑或緩沖液或清洗液。其中樣品儲藏室141上由可以密封的開口，流體注入口181也是可以密封 的。泵室151上覆蓋的是柔性材料，所以能夠通過在泵室151上施加壓 力產生收縮和擴張推動微流體通道122內溶液往復運動，提高溶液之間 的混合度或與表面接觸的頻率，進而提高反應效率。廢液室161內設計 至少有一個開口圓，以增加微流體通道122的長度，減小樣品舟l尺 寸。在反應室131內放置有霍爾、巨磁阻或磁隧道陣列傳感生物芯片 132，生物芯片132內的CMOS電路通過與樣品舟l上多條電導體連接線191的連接與樣品舟1外的測試儀連接。該儀器的特點是不裝配有流體注射系統3和施壓裝置2，可以使用 微滴管或加樣器或注射器將流體從流體注入口 181加入微流體通道122 中，加入的流體可以通過毛細作用或者重力作用流入微流體通道122 內，也可以在廢液出口 161，吸氣減壓使流體從流體注入口 181流經樣 品儲藏室141以及反應室131進入廢液室161。以上所述，僅為本發明中的具體實施方式
，但本發明的保護范圍 并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術范圍內， 可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在本發明的包含范圍之內，因 此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
權利要求
1、一種對磁敏傳感生物芯片進行自動測量的儀器，其特征在于施壓裝置與樣品舟連接，用于對樣品舟實施直接或間接的壓力；流體注射系統與樣品舟連接，用于將流體注入微流體通道內；磁場產生裝置根據要求提供一定強度的正電流或負電流，使電磁鐵產生一定強度的正磁場或負磁場，用于將正磁場或負磁場施加在樣品舟上的被測量磁敏傳感生物芯片上；芯片操縱及信息選取電子裝置與樣品舟連接，用于給樣品舟上的被測量磁敏傳感生物芯片提供電源和操控信號，測量每個被測量磁敏傳感生物芯片所存儲的信息，對所測得的信息進行模擬數碼轉換；微處理器控制協調施壓裝置、流體注射系統、磁場產生裝置和芯片操縱及信息選取電子裝置的運轉，對各種磁場條件下所測得的磁敏傳感信息進行數據處理；用戶界面與微處理器連接，用于接收并顯示微處理器的數據處理信息。
2、 根據權利要求l所述的測量儀器，其特征在于，施壓裝置包括: 一個電動馬達或電動步進式馬達、真空裝置或氣壓裝置，采用電動馬達或電動步進式馬達的驅動結構對樣品舟上的樣品儲 藏室直接施壓或對一個與樣品儲藏室相連的泵室施壓，使樣品儲藏室 內的流體進入樣品舟上的反應室；或采用真空裝置或氣壓裝置對樣品舟上與樣品儲藏室相連的泵室 或廢液室施壓，使流體進入樣品舟上的反應室。
3、 根據權利要求1所述的測量儀器，其特征在于，所述的流體注 射系統中有具有一個或數個注射器，該一個或數個注射器通過對樣品舟上與 微流體通道相連的流體注入口使流體進入微流體通道內； 具有注射微管與樣品舟上的流體注入口連接。
4、根據權利要求1所述的測量儀器，其特征在于流體注射系統 的注射器中噴射的液流中含有生物分子或磁顆粒或緩沖液。
5、根據權利要求1所述的測量儀器，其特征在于根據微處理 器的指令調節磁場產生裝置的磁場方向。
6、 根據權利要求1所述的測量儀器，其特征在于，所述被測量磁 敏傳感生物芯片包括CMOS電路和磁隧道陣列磁阻器件，或CMOS電路和巨磁阻器件，或CMOS電路和霍爾磁阻器件。
7、 一種對磁敏傳感生物芯片進行自動測量的儀器，其特征在于 施壓裝置與樣品舟連接，用于對樣品舟實施直接或間接的壓力； 磁場產生裝置根據要求提供一定強度的正電流或負電流，使電磁鐵產生一定強度的正磁場或負磁場，用于將正磁場或負磁場施加在樣 品舟上的被測量磁敏傳感生物芯片上；芯片操縱及信息選取電子裝置與樣品舟連接，用于給樣品舟上的 被測量磁敏傳感生物芯片提供電源和操控信號，測量每個被測量磁敏 傳感生物芯片所存儲的信息，對所測得的信息進行模擬數碼轉換；微處理器控制協調施壓裝置、磁場產生裝置和芯片操縱及信息選 取電子裝置運轉，對各種磁場條件下所測得的磁敏傳感信息進行數據 處理；用戶界面與微處理器連接，用于接收并顯示微處理器的數據處理 信息。
8、 根據權利要求7所述的測量儀器，其特征在于，施壓裝置包括: 一個電動馬達或電動步進式馬達、真空裝置或氣壓裝置，采用電動馬達或電動步進式馬達的驅動結構對樣品舟上的樣品儲 藏室直接施壓或對一個與樣品儲藏室相連的泵室施壓，使樣品儲藏室 內的流體進入樣品舟上的反應室；或采用真空裝置或氣壓裝置對樣品舟上與樣品儲藏室相連的泵室 或廢液室施壓，使流體進入樣品舟上的反應室。
9、 根據權利要求7所述的測量儀器，其特征在于根據微處理器 的指令調節磁場產生裝置的磁場方向。
10、 根據權利要求7所述的測量儀器，其特征在于，所述被測量 磁敏傳感生物芯片包括CMOS電路和磁隧道陣列磁阻器件，或 CMOS電路和巨磁阻器件，或CMOS電路和霍爾磁阻器件。
11、 一種對磁敏傳感生物芯片進行自動測量的儀器，其特征在于流體注射系統與樣品舟連接，用于將流體注入微流體通道內；磁場產生裝置根據要求提供一定強度的正電流或負電流，使電磁 鐵產生一定強度的正磁場或負磁場，用于將正磁場或負磁場施加在樣 品舟上的被測量磁敏傳感生物芯片上；芯片操縱及信息選取電子裝置與樣品舟連接，用于給樣品舟上的 被測量磁敏傳感生物芯片提供電源和操控信號，測量每個被測量磁敏 傳感生物芯片所存儲的信息，對所測得的信息進行模擬數碼轉換；微處理器控制協調流體注射系統、磁場產生裝置和芯片操縱及信 息選取電子裝置的運轉，對各種磁場條件下所測得的磁敏傳感信息進 行數據處理；用戶界面與微處理器連接，用于接收并顯示微處理器的數據處理息。
12、 根據權利要求11所述的測量儀器，其特征在于，所述的流體注射系統中具有一個或數個注射器，該一個或數個注射器通過對樣品舟上與 微流體通道相連的流體注入口使流體進入微通道內； 具有注射微管與樣品舟上的流體注入口連接。
13、 根據權利要求ll所述的測量儀器，其特征在于，流體注射系 統的注射器中噴射的液流中含有生物分子或磁顆粒或緩沖液。
14、 根據權利要求ll所述的測量儀器，其特征在于根據微處理 器的指令調節磁場產生裝置的磁場方向。
15、 根據權利要求11所述的測量儀器，其特征在于，所述被測量 磁敏傳感生物芯片包括CMOS電路和磁隧道陣列磁阻器件，或 CMOS電路和巨磁阻器件，或CMOS電路和霍爾磁阻器件。
16、 一種對磁敏傳感生物芯片進行自動測量的儀器，其特征在于磁場產生裝置根據要求提供一定強度的正電流或負電流，使電磁 鐵產生一定強度的正磁場或負磁場，用于將正磁場或負磁場施加在樣 品舟上的被測量磁敏傳感生物芯片上；芯片操縱及信息選取電子裝置與樣品舟連接，用于給樣品舟上的 被測量磁敏傳感生物芯片提供電源和操控信號，測量每個被測量磁敏 傳感生物芯片所存儲的信息，對所測得的信息進行模擬數碼轉換；微處理器控制協調磁場產生裝置和芯片操縱及信息選取電子裝置 各功能塊的運轉，對各種磁場條件下所測得的磁敏傳感器信息數據進 行處理；用戶界面與微處理器連接，用于接收并顯示微處理器的數據處理"(曰息。
17、 根據權利要求16所述的測量儀器，其特征在于根據微處理 器的指令調節磁場產生裝置的磁場方向。
18、 根據權利要求16所述的測量儀器測試儀，其特征在于，所述 被測量磁敏傳感生物芯片包括CMOS電路和磁隧道陣列磁阻器件， 或CMOS電路和巨磁阻器件，或CMOS電路和霍爾磁阻器件。
全文摘要
本發明公開一種對磁敏傳感生物芯片進行自動測量的儀器包括施壓裝置對位于生物芯片樣品舟上的樣品儲藏室直接或間接地施加物理壓力；流體注射器位于生物芯片樣品舟上與反應室相連的一個或數個流體注入口與注射器的注射管相連向反應室中注入液流；集成了磁敏傳感器的生物芯片放置在樣品舟的微流體通道中；磁場產生裝置將磁場加在生物樣品舟上對應的磁敏傳感器生物芯片所在位置；芯片操縱及信息選取電子裝置為該生物芯片供電源、控制信號和信息連接；微處理器控制和協調上述各部件以及用戶界面，對所得信息進行處理。本發明解決了檢測靈敏度低、設備復雜的問題，儀器檢測靈敏度高、檢測設備簡單。
文檔編號G01N27/72GK101281191SQ20071017731
公開日2008年10月8日 申請日期2007年11月14日 優先權日2007年11月14日
發明者高云華 申請人:中國科學院理化技術研究所