1、概述

生物芯片是90年代中期发展起来的一项尖端技术。它可以使一些生物分析手段能够在更小的空间范围内、以更快的速度完成。因而具有十分广阔的应用前景。如可以应用于寻找新基因、DNA测序、疾病诊断等等。生物芯片技术的深入研究和广泛应用，将对21世纪人类生活和健康产生极其深远的影响。

生物芯片的制备方法有2种：原位合成法、合成点样法。从目前生物芯片制作的技术来看，原位合成法技术难度大，并且该技术受专利保护，使用此种方法制作芯片的公司很少。现在国内外绝大部分芯片公司采用的合成点样法。点样方式有两种：接触点样法（contacting printing）和非接触喷印法（inkjet printing），接触点样法是将硬质点样针头浸入样品中，蘸取少量样品，当针头与固相表面接触时，由于针头、液体以及玻片之间的表面能发生变化，样品会粘着于玻片表面。接触点样法的优点具有样品点直径小、密度高、样品种类多、点样位置精度高等优点，缺点是定量准确性及重复性不好。非接触喷印法是将样品直接喷射到玻片上。虽然非接触喷印法具有点样速度快、喷样量准确等优点，但在技术上还存在一些问题以及样品点直径大、密度低等缺点。

接触式点样法制备生物芯片的关键设备是点样机器人。目前国内生物芯片制造公司及生物研究机构使用的点样机均为国外产品。这些产品用户普遍感觉价格比较高，而且操作界面为英文，使用起来极不方便。点样片数在50～100片左右。而价格在1万五美金以下的机器自动化程度不够，重复定位精度不尽人意。点样过程还有需要人工干预之处。此外众多的中小型的生物研究机构也需要购买点样机用于自制芯片以进行研究，但由于价格问题而不得不暂时搁置计划。由此可见开发价格低廉操作简便而且自动化程度较高的点样机器人是很有用户需求的。DY-2003生物芯片点样仪正是面向这一用户群体而研制的。

2、系统设计

DY-2003生物芯片点样仪的目标市场为小型生物研究机构，如医院等对一次加工芯片数量要求不是很高的的客户。这些客户需求的点样仪应价格较低（10多万人民币），使用方便，体积较小便于移动等。经过与用户的交流和对同类产品性能指标的研究，对系统的应达到的技术参数要求如下：

①系统重复定位精度为±10μm；
　　②点样密度2500点/cm²；
　　③支持96孔板与384孔板，16根针；9块基片（含一块预点样基片）；
　　④运动速度500mm/s，加速度5m/s²。

从以上技术参数出发对系统具体设计如下：

2.1　机械部分设计

为了尽量的减小体积，系统采用了悬挂式的结构（图1）。将X轴固定在顶板上，Y轴联接在X轴上，Z轴联接在Y轴上。这样的设计尽可能的利用了台面，减小了系统的体积。在传动方式上为达到点样要求的精度，采用精密滚珠丝杠。由于点样机工作时启动频繁，为减小传动副之间间隙对系统精度的影响，将电机与丝杠直接用连轴器连接，省去了减速器。具体部件选择为：Panasonic的MINAS伺服电机与控制器，THK的运动单元。此种选择使系统的运动速度可达500mm/s，所以本系统虽然一次点样的芯片数量不多（8片），但速度并不低。能够满足大多数小型用户的需要。

2.2　控制部分

控制部分的上位机选用普通PC机，控制卡选用的是价格较低的深圳固高公司的GT-400四轴运动控制卡，人机界面采用VB编写。所选用的固高GT-400-SG卡为开环控制。码盘不向控制卡发回反馈信号，系统精度靠控制卡发出脉冲的准确度与电机自身的精度来保证。开环控制虽然较闭环控制的精度要低，但由于选用的电机精度和运动单元的精度较高，因此这套控制系统虽然没有反馈，但要达到±10um的控制精度还是能够满足要求的。

2.3　周边设备

除机器人本体外，点样机还需要其它一些周边辅助设备，包括清洗装置和干燥装置。通过控制这些设备与机器人协调动作，构成一个完整的系统以实现芯片制备的任务。清洗和干燥装置能够避免交叉污染。它们虽然并不直接参与探针点的制备，但在芯片加工中起着不可或缺的作用。

清洗选用的是两次清洗的方法。第一次用蒸馏水配合超声波清洗的方法洗去针上的绝大部分残留样品，然后再用乙醇溶液脱水，利用乙醇低沸点的特性使针更容易被干燥。由于选用了两次清洗的方法，干燥装置并没有采用绝大多数同类产品选用的真空泵，而是选用了高速风扇，利用风扇产生的高速气流将针吹干。此种方法即减小了系统体积也降低了系统成本。在清洗液更换方式上也没有采取通常采用的蠕动泵更换方式，而是利用重力，通过控制电磁阀的开关来控制清洗液的进出，这样既降低了系统成本又降低了系统的工作噪声。

3、系统性能测试结果

机器人重复定位精度

实验方法：编制运动控制程序，使X、Y、Z轴在给定速率下按预定距离重复运动30次，同时用杠杆千分表检测每次定位误差，所测数据的平均值与三倍均方差之和即为该点的定位精度。每根轴测量三点，左右极限和零点，取最大值做为该轴的重复定位精度。

实验结论：取极大值，最后结果为X轴重复定位精度为9μm，Y轴重复定位精度为6μm，Z轴重复定位精度为7μm。从实验数据可以看出，各轴重复定位精度均小于设计指标（10μm），满足设计要求。

4、结论

生物芯片技术是目前最具发展潜力的领域之一，开发研制价格低廉操作简便，拥有自主知识产权的点样机器人系统对促进我国生物芯片的研究与推广十分有意义。DY-2003生物芯片点样仪的出现为众多中小型生物研究单位开展生物芯片的研究提供了一个相当不错的选择。它的出现将有助于加快我国在生物芯片领域的发展。