基于压电振荡原理的微阵列点样系统的研制

王伟 刘振邦 张国玉 王振新 韩冬雪 牛利 包宇

摘要针对基于电磁微阀原理的非接触点样方式存在操作过程复杂、点样量偏大，以及压电喷墨原理的非接触点样方式存在点样针不易清洗、造价昂贵等不足，研制了一种基于压电振荡原理的新型非接触点样装置，实现了微量液体点样。在本装置中，毛细管点样针与压电驱动装置为两个独立单元，可以单独对毛细管点样针进行更换和清洗。采用激光拉制法制备的玻璃毛细管点样针具有内径可调、成本低等优点。此点样方式通过改变压电陶瓷的振幅和频率，可在10

0～10

9L之间调控点样体积。以此为基础，结合三维精密位移控制技术，研制了一种基于压电振荡原理的微阵列生物芯片点样系统。对点样系统的点样体积、点样密度、点样精度等参数进行了测试，结果表明，此点样系统的最小点样体积可达320pL，点样密度可达4000点/cm2，并能够实现界面图案化制备。

关键词压电振荡；微阵列点样仪；玻璃毛细管点样针；图案化制备

1引言

微阵列生物芯片技术是将生物学、化学、物理学、光学、微电子学和计算机学高度结合形成的一项交叉技术。它成功地实现了生物信息的大规模集成以及生物实验从串行过程向并行过程的转变，大大加快了生命科学研究的过程。微阵列生物芯片技术已被广泛应用于生物组学研究、临床诊断、药物筛选、微生物检测等领域[1～5]。合成后点样是制备微阵列生物芯片的主要方法，即将预先合成的核酸片段、多肽分子等生物样品按照一定顺序固定于基片上，形成要求的阵列，然后将待测的生物样品与标记的已知生物样品进行杂交反应。按照点样针是否与芯片基底接触将微阵列生物芯片的点样方式分为接触式（Contact）和非接触式（Noncontact）两种。接触式点样方式的点样针尖端的液体与芯片基底直接接触，通过毛细作用形成阵列点。接触式点样能够获得高密度点阵，且點样量小（通常为pL级），但定量分析准确性及重现性较差，且因存在交叉污染而不能重复点样[6～9]。非接触式点样方式主要有两种：一种是基于电磁微阀原理，通过注射泵和精密电磁阀协调工作实现非接触式的定量点样，此方式一般需要预增压和预点样过程，使点样液滴体积达到稳定，操作比较复杂，最小点样量可以达到10

1L；另一种是基于压电喷墨的点样原理，通过压电陶瓷的形变挤压毛细管壁，使点样针的尖端喷出微小液滴，最小点样量可以达到10

1L，具有定量分析准确、重现性好等优势。但由于压电驱动元件和点样针集成在一起，当点样针发生堵塞等问题时不易清洗，且点样头造价昂贵[10～13]。

针对目前非接触点样方式存在的不足，本研究采用了一种毛细管点样针与压电驱动装置分离的以压电振荡为驱动力的非接触式点样方式，应用于微阵列芯片制作。由于采用了分离设计，可以单独对毛细管点样针进行更换和清洗，避免了压电喷墨点样头容易堵塞的问题。此装置通过改变压电陶瓷的振幅和频率，可在10

0～10

9L之间调控点样体积，优于传统的基于电磁微阀原理的点样方式。以此为基础，结合三维精密位移控制技术，研制了一种基于压电振荡原理的微阵列生物芯片点样系统，并成功应用于微阵列芯片制备和界面图案化修饰。

2实验部分

2.1仪器与试剂

P2000激光拉制机、BV10磨针仪、B10058玻璃管（美国Sutter公司）；PhenomPro台式扫描电子显微镜（复纳科学仪器上海有限公司公司）；LuxScan10K微阵列芯片扫描仪（北京博奥生物有限公司）；BT125D精密电子天平（德国赛多利斯公司）；MM3C透反射金相显微镜（上海万衡精密仪器有限公司）；AM4113TL显微镜（台湾DinoLite公司）；P844.10压电陶瓷（德国PI公司）；7105载玻片（江苏飞舟玻塑有限公司）。三甲氧基硅烷（美国SigmaAldrich公司）；有机染料Cy3和Cy5（美国Sigma公司）；使用含30%甘油的水溶液为点样液。

2.2压电振荡点样原理及点样头结构设计

通过压电陶瓷控制器对压电陶瓷施加矩形电压脉冲，使压电陶瓷产生微小幅度的振动，即压电振荡。这种振动会对毛细管点样针尖端内的液体产生轴向加速运动，由此产生的惯性力使液体克服表面张力、

粘性力等束缚，发生断裂，在点样针尖端喷出微小液滴（图1）[14]。点样液的物理性质（粘度、密度、表面张力）、点样针尖端内径、压电陶瓷的驱动电压、驱动频率等参数都会对点样过程造成影响。韦伯数（We，无量纲参数）可用于判定液滴能否从点样针尖端成功脱落[15]：

12

其中，ρ为液体密度，d为点样针尖端内径，v为点样针末端液体流速，r为液体表面张力系数。v由压电陶瓷的驱动电压和驱动频率共同决定。所研制的点样头由压电陶瓷、连接装置、点样针固定装置和玻璃毛细管点样针组成。玻璃毛细管点样针的尾端通过硅胶管与蠕动泵连接，用于进样和清洗。

2.3毛细管点样针制备

采用激光拉制法将一根硼硅酸盐毛细玻璃管拉成两段，以获得毛细管点样针。硼硅酸盐玻璃不仅具有良好的微加工性能和化学稳定性，而且成本较低。利用激光对硼硅酸盐毛细玻璃管进行局部加热，以消散其内应力。当玻璃管被加热部分接近或达到熔融状态时，在表面张力的作用下，玻璃沿毛细管轴向均匀收缩，此时在玻璃管两端施加拉力，使其从被加热的部分分成两段，然后在空气中急速冷却，从而获得内腔呈圆锥状的毛细管点样针（图2A）。对所拉制的毛细管点样针尖端进行垂直研磨抛光，

使其形成几何对称、端口平整、内径在μm量级的喷嘴结构，可应用于微阵列生物芯片点样。如图2B所示，制作的毛细管点样针尖端平整，管壁均匀。使用硅烷化试剂处理研磨后的毛细管点样针，提高其内壁的疏水性。硅烷化处理能够有效降低喷嘴内壁与溶液之间的相互作用，减少溶液的流动阻力，有利于液体的喷射，同时避免了在喷嘴口处产生样品“流挂”现象[16]。

2.4微阵列生物芯片点样系统外观及内部结构

以压电振荡驱动的点样头为基础，结合三维精密位移控制技术，研制了一种新型微阵列生物芯片点样系统。如图3A所示，仪器系统的前盖、两侧及顶部均采用透明式设计，便于实验的观察与操作。三维位移平台选用直角坐标式结构，含有3个彼此独立的运动单元，运动方向相互垂直，构成三维运动空间（图3B）。直角坐标式位移平台的机械系统较为稳定，在工作过程中振动较小。

2.5软件设计

软件控制主要分为位移控制、点样参数设置、点阵参数设置和图案化参数设置4个功能部分。位移控制功能可以将毛细管点样针移动至接近点样基底表面的地方；点样参数设置区域可以设置点样的幅值、频率和重复点样次数等参数；点阵参数区域可以设置单个点阵的横向、纵向点数和点阵间距，以及多个点阵的横向、纵向阵数和阵间距；图案化参数设置需要输入目标图案的BMP位图格式文件。

3结果与讨论

3.1点样体积测试

选用内径20μm的毛细管点样针测试所研制的仪器系统的点样体积。由于单次点样体积在nL级别，难以直接精确测量其体积。为了使测得结果更接近真实值，采用测量点样液滴的质量间接得到点样液滴体积的方法。首先，取1mL样品溶液，测得其质量为1.083g，获得样品溶液的密度为1.083g/mL。然后，固定驱动频率为5Hz，

设置不同的驱动电压，每种驱动电压点样10000次，收集10000个液滴并称重得到其质量，通过与密度值进行换算即可得到10000个液滴的体积，进而得到单个液滴的体积。在每种点样参数下，点样液滴体积的测量均采用测量5次取平均值的方法，得到的单点体积与驱动电压的关系如图4所示。在驱动电压为20V时，获得最小点样体积320pL；当驱动电压低于20V时，点样针尖端内液体所获得的惯性力因无法克服液体表面张力、粘性力等束缚而无法喷出；当驱动电压>20V时，随着驱动电压的增大，液体获得的惯性力增大，点样体积也随之增大。

3.2点样密度测试

选用内径20μm的毛细管点样针测试仪器系统的点样密度。在驱动电压25V、频率2Hz、点间距160μm条件下，获得的微阵列如图5所示。从图5可见，液滴粒径大小规整、均匀、无卫星液滴，所获得的液滴平均直径约（108

SymbolqB@5）μm，接近商品仪器在接触式点样方式下所获得的微阵列（单点直径约100μm），优于其在非接触点样方式下所获得的实验结果（单点直径

Symbol～200μm）。微阵列点阵密度达到4000点/cm2，表明所研制的仪器系统能够制备高密度微阵列生物芯片。

3.3精度测试

选用内径40μm的毛细管点样针测试仪器系统的点样精度。在驱动电压40V、频率2Hz、点样间距1mm的点样参数下，分别通过单次点样制备单色染料（Cy3和Cy5）微阵列，同一位置重复点样2次，制备双色染料微阵列。如图6所示，重复点样所获得的双色液滴微阵列粒径大小规整、均匀，阵列点平均直径为（200

SymbolqB@8）μm；其中红色染料（Cy5）信号平均值为1957

SymbolqB@63，绿色染料（Cy3）信号平均值为460

SymbolqB@29。此实验结果表明，所研制的点样系统具有良好的点样精度，能够实现不同样品在同一位置的重复点样。

3.4图案化制备

为进一步考察仪器系统的性能，选用内径40μm的毛细管点样针，在驱动电压40V、频率2Hz、点样间距260μm、1次点样的点样参数下制备离散图案；在驱动电压80V、频率2Hz、点样间距120μm、2次重复点样的点样参数下制备连续图案。如图7所示，在两种情况下均能够实现目标图案的制备，对目标图案的形状和大小没有要求。此实验结果表明，所研制的基于压电振荡原理的微阵列点样系统具有优良的点样精度，不仅能够应用于微阵列生物芯片制备，而且能够实现界面图案化修饰。

4結论

分析了毛细管尖端液滴形成的条件，采用微加工方法制备了毛细管点样针，并设计了一种新型非接触式点样结构，在此基础上研制开发了一种基于压电振荡原理的微阵列点样系统。此点样系统使用毛细玻璃管作为点样针，极大地降低了微阵列生物芯片的点样成本，并且点样针与压电驱动装置为独立单元，可以单独对毛细管点样针进行更换和清洗。点样体积、点样密度、点样精度、图案化制备等实验结果证明所研制的系统能够应用于高密度微阵列生物芯片制备、能够实现固定位置重复点样和界面图案化修饰，因此具有良好的应用前景和推广价值。

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AbstractAnewtypeofpiezoelectricoscillationbasednoncontactspottingmodehasbeendevelopedtoovercomethedisadvantagesoftraditionalnoncontactspottingmodesincludingcomplicatedoperationprocedure，cleaningdifficultyofspottingneedle，largesampleconsumptionofelectromagneticmicrovalveandhighspottingcostofpiezoelectricinkjetbasednoncontactspottingmode.Inthedevice，thecapillaryspottingneedleandthepiezoelectricdrivingdevicearetwoindependentunitsusedforreplacingandcleaningcapillaryspottingneedle.Theglasscapillaryspottingneedleispreparedbythelasermeltingmethodwithadjustablediameterandlowcost.Thesamplespottingvolumeofthedevicecanbeeasilyadjustedintherangeof10

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9bychangingtheamplitudeandfrequencyofpiezoelectricceramic.Amicroarrayspottingsystemisdevelopedbythecombinationofthepiezoelectricoscillationbasednoncontactspottingmodeandthreedimensionalprecisiondisplacementcontroltechnology.Themultipleparametersofaspreparedmicroarrayspottingsystemhavebeentestedincludingspottingvolume，densityofspotandspottingprecision.Theexperimentalresultsindicatethattheminimumvolumeofsinglespotwith320pLandthehighestdensityofspotwith4000spots/cm2canbeachievedbytheaspreparedmicroarrayspottingsystem.Furthermore，theaspreparedmicroarrayspottingsystemcanalsobeemployedtofabricatepatternedinterface.

KeywordsPiezoelectricoscillation；Microarrayspottingsystem；Glasscapillaryspottingneedle；Patternedinterfacefabrication

（Received28December2016；accepted6February2017）