專利名稱：用于將生物液體淀積在基板上的方法和儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于將生物液體淀積在基板表面上的方法和儀器。特別地，本發(fā)明涉及用于制造微陣列的方法和儀器。本發(fā)明還涉及用上面提及的方法和儀器獲得的微陣列。
背景技術(shù)：
在臨床和生物化學(xué)分析領(lǐng)域中，存在對使用微陣列的日益增加的興趣。微陣列包括由合適的材料，例如玻璃、聚合物涂覆的玻璃、塑料、硝酸纖維素等制成的基板，其上固定一種或多種生物液體例如蛋白質(zhì)、細(xì)胞、DNA片斷等的眾多斑點。典型地，基板的尺寸是數(shù)英寸，例如I英寸X3英寸，并且其上所固定的斑點通常直徑在大約50 μ m至大約300 μ m的范圍。 微陣列是用于生物學(xué)研究，特別是基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和細(xì)胞分析的重要工具，并且它們也被用于許多疾病的診斷和預(yù)防。例如，脫氧核糖核酸(DNA)微陣列和蛋白質(zhì)微陣列，也稱為“生物芯片微陣列”，已經(jīng)加速了理解活生物的基因和蛋白質(zhì)功能的過程。微陣列制備的本質(zhì)是生物液體在基板上的淀積過程。將非常小量(納升或皮升)的一種或多種生物液體以斑點的形狀淀積在基板上。為了淀積斑點，本領(lǐng)域中知道兩種類型的裝置“接觸打印”裝置，例如針打印和微沖壓裝置，和“非接觸打印”裝置，例如熱式和壓電式噴墨樣打印裝置。如所知的，熱式噴墨打印裝置包括用于輸送在其上待打印圖像的紙張的系統(tǒng)、在與紙張輸送方向垂直的方向上由電機驅(qū)動的墨架、打印手段(典型地，由墨架攜帶并與各自的墨池流暢地相通的一個或多個打印頭)和電力供應(yīng)手段。特別地，每個打印頭包括至少一個噴嘴(典型地，噴嘴陣列)、一個發(fā)射室(firing chamber)和一個加熱元件。在使用中，所述電力供應(yīng)手段意味著以脈沖電信號給打印頭提供能量。在每個脈沖期間，加熱元件在數(shù)微秒內(nèi)加熱至幾百度。少量的墨液從墨池之一通入發(fā)射室，在那里它與加熱元件進(jìn)行接觸。與加熱元件接觸后，墨液快速變熱，因而在發(fā)射室內(nèi)產(chǎn)生蒸汽氣泡。所產(chǎn)生的蒸汽氣泡膨脹和隨后的其崩塌，導(dǎo)致墨滴通過打印頭的至少一個噴嘴被噴射出。通常，熱式噴墨打印裝置允許噴射具有從200pl至2pl或更小體積的墨滴。墨滴的體積和噴射速度可以根據(jù)提供給打印頭的能量E而變化。閾能量Eth取決于打印頭的幾何學(xué)特征以及所使用的墨液的熱動力學(xué)和液體動力學(xué)特性(例如，沸點、表面張力、密度和粘性)。從實驗注意到(參見例如US專利編號5，767，872)，對于低于閾能量Eth的能量值E，打印頭的一個或多個噴嘴不噴射任何墨滴。這是因為加熱元件未達(dá)到足夠高的溫度以引起蒸汽氣泡的產(chǎn)生。在閾能量Eth之上，存在所謂的“過渡”區(qū)或“墨滴不穩(wěn)定”區(qū)，在那里墨滴體積隨著增加提供給打印頭的能量E而增加。在過渡或墨滴不穩(wěn)定區(qū)之上，存在所謂的“墨滴穩(wěn)定”區(qū)，在那里增加提供給打印頭的能量E而墨滴體積基本上保持恒定。為了保證所打印圖像的一致性，通過噴嘴噴射的墨滴應(yīng)當(dāng)優(yōu)選地具有恒定的體積。因此，可建議的是所述打印頭在墨滴穩(wěn)定區(qū)中進(jìn)行操作。
因此，將適合于引起墨滴通過熱式打印頭的至少一個噴嘴噴射的最小能量定義為
“閾能量” Eth。此外，在后面的描述中，表述“穩(wěn)定的墨滴”指就所提供給打印頭的能量E而言具有恒定體積的墨滴，而表述“不穩(wěn)定的墨滴”指就所提供給打印頭的能量E而言具有可變體積的墨滴。然而，通過實驗已經(jīng)觀察到，如果能量E對于閾能量Eth而言增加太多，那么雖然墨滴保持穩(wěn)定，但是打印頭遭受提早老化，并因此其壽命減少。這被認(rèn)為由加熱元件的過度加熱和由隨后墨液殘留物在其表面上的堆積而造成。該現(xiàn)象以術(shù)語“凝結(jié)(Kogation) ”為人所知。
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事實上，由加熱元件所達(dá)到的高溫(大約350°C)造成存在于墨液中的添加劑(通常是染料)的降解。添加劑在墨液中是不溶的，因此它們淀積在加熱元件的表面上，從而形成真正的絕熱層。該絕熱層降低了加熱元件的熱效率和，在最糟糕的情況下，造成打印頭的破裂。為了回避該凝結(jié)現(xiàn)象并因此增加打印頭的壽命，已知提供給打印頭比閾能量大的能量，就此允許噴射穩(wěn)定的墨滴。然而，提供給打印頭的能量不應(yīng)當(dāng)如此之大以致造成絕熱層在加熱元件表面上的堆積。這公開于例如US專利編號6，302，507和6，315，381中，其描述了用于控制提供給熱噴墨打印頭組件的能量的系統(tǒng)和方法。US專利編號6，575，548描述了用于提供噴墨打印頭能量特征的有效控制的打印系統(tǒng)和協(xié)議。該打印系統(tǒng)包括控制器、電源和具有與墨液驅(qū)動器整合的記憶器件和分配處理器的打印頭組件。該分配處理器在預(yù)先編程的可接受界限內(nèi)維持打印頭組件的能量特征。更特別地，提供給打印頭的所述能量超出上面所定義的閾值大約20%。US專利編號7，281，783描述了一種液體噴射裝置，其包括電阻、腔室、各與所述腔室相通的第一個液體通道和第二個液體通道。為了確保穩(wěn)定的操作，給該電阻提供超出最小能量或閾能量大約25-50%的能量。由于每面積單元分散的液體的小量和熱噴墨打印頭的低生產(chǎn)成本，可以在臨床和生物化學(xué)分析領(lǐng)域中采用熱噴墨打印技術(shù)。在這種情況下，可以用一種或多種合適的生物液體代替墨液。US專利編號6，935，727描述了通過使用脈沖噴射打印頭組件將液體(通常是包含生物多聚物或其前體的液體)淀積在基板表面上的方法。在使用中，使打印頭組件的發(fā)射室裝載一定體積的包含生物多聚物或其前體的液體。然后，將裝載的打印頭組件與基板表面相對放置并啟動以在基板上淀積一定體積的液體。US專利編號2003/0027219描述了通過使用熱噴墨打印機用于將包含小量蛋白質(zhì)的液體有效地淀積在基板表面上的方法。該公開的淀積方法基本上不改變所淀積液體的蛋白質(zhì)活性/功能。在實施該方法中，先將包含目的蛋白質(zhì)的小體積液體裝載到熱噴墨裝置中。其次，將小量的前面裝載的液體驅(qū)逐在基板的表面上。然而，上面提及的US專利編號6，935，727和2003/0027219未面對熱噴墨打印頭退化的問題。發(fā)明簡述令人吃驚地，申請人注意到裝載有生物液體(即，包含DNA、蛋白質(zhì)、病毒物質(zhì)、細(xì)胞、組織等的水溶液)并用于生產(chǎn)微陣列的熱噴墨打印頭顯示與當(dāng)它裝載有用于在紙支撐物上打印圖像的常規(guī)墨液時根本不同的表現(xiàn)。特別地，申請人觀察到裝載有生物液體并提供根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的上面定義的能量值的常規(guī)打印頭很快地?fù)p壞。事實上，通過檢查將生物液體在基板表面上的淀積過程后的打印頭，申請人注意到存在于加熱元件表面上的一層殘留生物產(chǎn)品。這導(dǎo)致如上面所描述的打印頭的快速損壞。已經(jīng)注意到生物液體，一旦被裝載進(jìn)打印頭，就不再可以使用了，因為很難保持它們的生物活性不變。因此，如果打印頭很快損壞，其中所包含并且還沒有淀積到基板表面上的生物液體就不可避免地浪費了。用于生產(chǎn)微陣列的生物液體，例如包含DNA和蛋白質(zhì)的液體，是非常昂貴的，因此 它們的浪費是不希望的。此外，已知微陣列必須是有序的，以便作為診斷工具合理地操作。當(dāng)生物液體斑點以精確和準(zhǔn)確的方式沿行和列布置在基板上時，就說微陣列是有序的。斑點的任何涂污，即使最小，也是不允許的，因為它們可能污染毗鄰斑點的測讀。而且，生物液體的斑點必須是均質(zhì)的。具有不同形狀和密度的斑點，即使它們包含相同數(shù)目的生物液體分子，也會產(chǎn)生具有不同強度的信號，因此使得用微陣列進(jìn)行的生物分析的重現(xiàn)性打折。因此，打印頭不得不在所有其操作中噴射穩(wěn)定的生物液體的液滴。因此，申請人面對這樣的問題，即提供通過使用熱氣泡式噴射打印頭將生物液體淀積在基板表面上的方法和儀器，它們能夠克服至少一個上面提到的缺點。特別地，申請人面對這樣的問題，即提供通過使用熱氣泡式噴射打印頭將生物液體淀積在基板表面上的方法和儀器，它們能夠增加打印頭的壽命并且在足以消耗掉裝載在打印頭中的全部生物液體的時間下噴射和隨后淀積穩(wěn)定的液滴。令人吃驚地，申請人已注意到，當(dāng)給裝載有生物液體并用于將生物液體淀積在基板表面上從而生產(chǎn)微陣列的熱打印頭提供大于熱噴墨打印技術(shù)領(lǐng)域中常規(guī)使用的能量E時，它具有增加的壽命。而且，令人吃驚地，申請人觀察到，提供大于熱噴墨打印技術(shù)領(lǐng)域中常規(guī)使用的能量E的打印頭能夠在消耗裝載到打印頭上的生物液體的量所需要的全部時間內(nèi)噴射穩(wěn)定的液滴。有利地，這允許獲得功能上有效的微陣列，即能夠保證通過它們進(jìn)行高重復(fù)水平的生物分析的微陣列，同時避免浪費昂貴的生物液體。根據(jù)第一個方面，本發(fā)明涉及將至少一種生物液體淀積在基板(10)表面(12)上的方法，所述方法包括步驟提供裝載有至少一種生物液體的熱氣泡式噴射打印頭(T1、T2、T3)；將所述至少一個打印頭(Tl、Τ2、Τ3)緊挨著所述基板(10)放置；和給所述至少一個打印頭(Tl、Τ2、Τ3)提供能量從而將所述至少一種生物液體淀積在所述表面(12)上。其特征在于，給至少一個打印頭(Τ1、Τ2、Τ3)提供這樣的能量Ε，從而使得E > I. 6*Eth
其中Eth是對于所述生物液體的打印頭閾能量。優(yōu)選地，給所述至少一個打印頭(T1、T2、T3)提供這樣的能量Ε，從而使得I. 6*Eth< E彡3. 0*Eth，更優(yōu)選地，提供這樣的能量E，從而使得I. 8*Eth ^ E ^ 2. 2*Eth。有利地，所述至少一個打印頭(T1、T2、T3)噴射O. 5X IO6至2Χ IO6范圍的液滴總數(shù)目。優(yōu)選地，使所述至少一種生物液體在所述表面(12)上的淀積重復(fù)至少兩次，更優(yōu)選地，重復(fù)2至100范圍的次數(shù)，最優(yōu)選地，重復(fù)2至30范圍的次數(shù)。更特別地，兩次相繼的淀積之間的時間在5至600秒的范圍內(nèi)，優(yōu)選地在5至60秒的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，所述生物液體包含至少一種溶解在水溶劑中的生物物質(zhì)，所述水溶劑包含相對于所述生物液體的總重量而言大于50重量％,優(yōu)選地大于70重量％,和最優(yōu)選地大 于80重量％的水。有利地，所述生物液體包括有機液體、蛋白質(zhì)溶液、組織和細(xì)胞裂解液、核酸溶液、核酸類似物溶液等。第二個方面，本發(fā)明涉及用于將至少一種生物液體淀積在基板(10)表面(12)上的儀器(DA)，所述儀器(DA)包括處理裝置(TO)；包括至少一個打印頭(Tl、Τ2、Τ3)的熱氣泡式噴射打印頭組件(PA)，其中所述至少一個打印頭(Τ1、Τ2、Τ3)至少部分地裝載有所述至少一種生物液體；連接至所述處理裝置(PD)的控制器(CTRL)；響應(yīng)于所述控制器(CTRL)的電源(PS)，用于給熱氣泡式噴射打印頭組件(PA)提供能量從而將所述至少一種生物液體淀積在所述表面(12)上；其特征在于，所述電源(PS)給所述至少一個打印頭(T1、T2、T3)提供能量Ei (E1'E2、E3)，從而使得Ei > I. 6*Ethi其中Ethi是對于所述至少一種生物液體而言的所述至少一個打印頭(Tl、T2、T3)的閾能量。第三個方面，本發(fā)明涉及包含具有基板表面(12)和眾多生物液體斑點(SI、S2、. . . Sn)的基板(10)的微陣列(MA)，其中所述微陣列(MA)通過實施上面所描述的淀積方法而獲得。附圖
簡述通過閱讀以非限制性實施例給出的、參考附圖進(jìn)行閱讀的下面的詳細(xì)描述，將更好地理解本發(fā)明，其中-圖Ia和Ib顯示通過使用多克隆兔抗人α-I-甲胎蛋白的噴嘴壽命的圖；-圖2a和2b顯示通過使用多克隆兔抗人IgM的噴嘴壽命的圖；-圖3a和3b顯示通過使用來自人血清的IgM的噴嘴壽命的圖；-圖4顯示所噴射的生物液體的液滴體積和給打印頭提供的能量與閾能量的比值E/Eth2間的關(guān)系的圖；-圖5示意地顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的用于將生物液體淀積到基板表面上的儀器；和
-圖6顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的微陣列的示意景觀圖(plantview)。本發(fā)明優(yōu)選實施方案的詳細(xì)描述因此，根據(jù)第一個方面，本發(fā)明提供用于將至少一種生物液體淀積到基板表面上的方法，該方法包括下述步驟(i)提供裝載有各自的生物液體的至少一種熱氣泡式噴射打印頭，(ii)將所述打印頭緊挨著所述基板放置；和(iii)給所述打印頭提供能量從而將所述生物液體淀積在基板上。給所述打印頭提供這樣的能量E，從而使得Ei > I. 6*Eth其中Eth是所述打印頭的閾能量。在本說明書和隨后的權(quán)利要求書中所使用的符 號*用來指示乘法操作。因此，上面的式子意味著所提供的能量E比閾能量Eth高I. 6倍。優(yōu)選地,所述能量提供E在I. 6*Eth與3*Eth之間的范圍。更優(yōu)選地,能量提供E在1.8*Eth與2. 2*Eth之間的范圍。圖Ia和Ib顯示對于兩個不同的液滴體積，即80pl (圖Ia)和150pl (圖Ib)，裝載有生物液體的熱氣泡式噴射打印頭的壽命對能量提供E與閾能量Eth之比E/Eth的圖。所述打印頭是具有260個噴嘴的Olivetti熱打印頭，其裝載有商業(yè)的多克隆抗體，即多克隆兔抗人α-I-甲胎蛋白(DAKO Α0008-0. 25mg/ml)，稀釋于O. OlM磷酸鹽緩沖液、O. 0027Μ的氯化鉀和O. 137M的氯化鈉中，pH 7.4，在25°〇下(磷酸鹽緩沖溶液-Sigma Aldrich P4417)。優(yōu)選地，將多克隆抗體淀積在其表面上進(jìn)行過處理從而暴露正電荷的玻璃切片(I英寸X3英寸)(Superfrost Plus Menzel 217658Clinilab)上。相似地，圖2a和2b顯示對于兩個不同的液滴體積，即80pl (圖2a)和150pl (圖2b)，裝載有生物液體的熱氣泡式噴射打印頭的壽命對能量提供E與閾能量Eth之比E/Eth的圖。所述打印頭是具有260個噴嘴的Olivetti熱打印頭，其裝載有商業(yè)的多克隆抗體，即多克隆兔抗人IgM(DAK0 A0425，0. 25mg/ml)，稀釋于O. OlM的磷酸鹽緩沖液、O. 0027M的氯化鉀和O. 137M的氯化鈉中，pH 7.4，在25°〇下(磷酸鹽緩沖溶液-Sigma Aldrich P4417)。進(jìn)一步，圖3a和3b顯示對于兩個不同的液滴體積，即80pl (圖3a)和150pl (圖3b)，裝載有生物液體的熱氣泡式噴射打印頭的壽命對能量提供E與閾能量Eth之比E/Eth的圖。所述打印頭是具有260個噴嘴的Olivetti熱打印頭，其裝載有商業(yè)的多克隆抗體，即來自人血清的IgM,0. 25mg/ml (SIGMA ALDRICH 18260)，稀釋于O. OlM的磷酸鹽緩沖液、O. 0027M的氯化鉀和O. 137M的氯化鈉中，pH 7. 4，在25°C下(磷酸鹽緩沖溶液-SigmaAldrich P4417)。然后，給打印頭提供脈沖能量E = (V2*t) /R其中V是提供給打印頭的電壓，或驅(qū)動電壓，t是脈沖的長度和R是打印頭加熱元件的電阻。特別地，在圖la、lb、2a、2b、3a和3b中，曲線(I)涉及提供具有3微秒長度的脈沖的打印頭，而曲線(2)涉及提供具有5微秒長度的脈沖的打印頭。申請人注意到在恒定的脈沖長度(5、3或2μ s)和液滴體積(80或150pl)下，閾電壓(V)不因使用不同的生物液體而改變，如在下面表I中清楚地顯示的。
權(quán)利要求
1.用于將至少一種生物液體淀積在基板(10)表面(12)上的方法，所述方法包括步驟 a)提供至少一個裝載有至少一種生物液體的熱氣泡式噴射打印頭(T1、T2、T3)； b)將所述至少一個打印頭(T1、T2、T3)緊挨著所述基板(10)放置；和 c)給所述至少一個打印頭(T1、T2、T3)提供能量從而將所述至少一種生物液體淀積在所述表面(12)上； 其特征在于，給所述至少一個打印頭(T1、T2、T3)提供這樣的能量E，從而使得E > I. 6*Eth 其中Eth是所述生物液體的打印頭的閾能量。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中給所述至少一個打印頭(Tl、T2、T3)提供這樣的能量E,從而使得 I. 6*Eth < E 彡 3. 0*Eth。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中給所述至少一個打印頭(Tl、T2、T3)提供這樣的能量E,從而使得 I. 8*Eth ^ E ^ 2. 2*Eth。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項的方法，其中所述至少一個打印頭(Tl、T2、T3)噴射0.5 X IO6至2 X IO6范圍的液滴總數(shù)目。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項的方法，其中使所述至少一種生物液體在所述表面(12)上的淀積重復(fù)至少兩次。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述淀積的重復(fù)次數(shù)范圍是2至100。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中所述淀積的重復(fù)次數(shù)范圍是2至30。
8.根據(jù)權(quán)利要求5至7中任一項的方法，其中兩次相繼的淀積之間的時間在5至600秒的范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中兩次相繼的淀積之間的時間在5至60秒的范圍內(nèi)。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，在所述裝載步驟(a)之前，還包括所述至少一種生物液體的過濾步驟。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，其中所述生物液體包含至少一種溶解在水溶劑中的生物物質(zhì)，所述水溶劑包含相對于所述生物液體的總重量而言大于50重量％，優(yōu)選地大于70重量％，和最優(yōu)選地大于80重量％的水。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，其中所述生物液體包括有機液體、蛋白質(zhì)溶液、組織和細(xì)胞裂解液、核酸溶液、核酸類似物溶液等。
13.用于將至少一種生物液體淀積在基板(10)表面(12)上的儀器(DA)，所述儀器(DA)包括 -處理裝置(PD)； -包括至少一個打印頭(T1、T2、T3)的熱氣泡式噴射打印頭組件(PA)，其中至少一個打印頭(T1、T2、T3)至少部分地裝載有所述至少一種生物液體； -連接至所述處理裝置(PD)的控制器(CTRL)； -響應(yīng)于控制器(CTRL)的電源(PS)，用于給熱氣泡式噴射打印頭組件(PA)提供能量，以便將所述至少一種生物液體淀積在所述表面(12)上； 其特征在于，所述電源(PS)給所述至少一個打印頭(T1、T2、T3)提供這樣的能量Ei (E1, E2, E3)從而使得Ei > I. 6*Ethi 其中Ethi是所述至少一種生物液體的所述至少一個打印頭(T1、T2、T3)的閾能量。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的儀器，其中給所述至少一個打印頭(Tl、T2、T3)提供這樣的能量Ei低、E2、E3),從而使得 I. 6*Ethi < Ei ≤ 3. 0*Ethi
15.根據(jù)權(quán)利要求14的儀器，其中給所述至少一個打印頭(Tl、T2、T3)提供這樣的能量Ei低、E2、E3),從而使得 I.8*Ethi < Ei ≤ 2. 2*Ethi。
16.包括具有基板表面(12)和眾多生物液體斑點(Sl、S2、...Sn)的基板(10)的微陣列(MA)，其中所述微陣列(MA)通過實施根據(jù)權(quán)利要求I至12中任一項的淀積方法而獲得。
全文摘要
本發(fā)明描述了用于將至少一種生物液體淀積在基板(10)表面(12)上的方法，所述方法包括步驟(i)提供至少一個裝載有至少一種生物液體的熱氣泡式噴射打印頭(T1、T2、T3)，(ii)將所述至少一個打印頭(T1、T2、T3)緊挨著所述基板放置，和(iii)給所述至少一個打印頭(T1、T2、T3)提供能量從而將所述生物液體淀積在所述表面(12)上。給所述打印頭(T1、T2、T3)提供這樣的能量E從而使得E＞1.6*Eth，其中Eth是所述打印頭(T1、T2、T3)的閾能量。還描述了用于將至少一種生物液體淀積在基板(10)表面(12)上的儀器(DA)和通過實施該淀積方法而獲得的微陣列(MA)。
文檔編號B41J2/05GK102802798SQ200980159776
公開日2012年11月28日 申請日期2009年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月29日
發(fā)明者G·馬布里托, C·潘恰蒂奇, O·羅索托, T·山德里 申請人:意大利電信股份公司