CN100520370C - 生物芯片阅读器 - Google Patents
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Abstract
一种生物芯片阅读器包括：具有多个微透镜的微透镜板、将作为激励光的相干光照射到微透镜板上的光源、透射或反射从所述微透镜板来的出射光并且反射或透射生物芯片上产生的荧光的分色镜、摄像部分、将在分色镜反射或透射的光会聚到摄像部分的透镜，设置在分色镜与摄像部分之间的屏障滤光片，以及驱动微透镜板的驱动部分，其中在驱动部分对微透镜板进行驱动的同时，由多个微透镜进行发散或会聚的激励光对生物芯片的表面进行扫描。在微透镜板上的任意位置设置具有任意大小的每个微透镜，并将每个微透镜的发散光或会聚光的出射角限制为窄角。
Description
本申请基于2004年7月9日提出的日本在先专利申请No.2004-202547，并要求该申请的优先权，其全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及一种诸如DNA芯片、蛋白质芯片等的生物芯片阅读器，特别涉及一种能够灵活处理光学系统的性能波动和光学系统中的长期变化、并使降低成本成为可能的生物芯片阅读器。
背景技术
生物芯片具有这样的基片，即，在其上像阵列一样放置了数千到数万种类型的已知的DNA片段。如果允许未知DNA片段流入这种DNA芯片，那么利用相同类型的DNA片段相互结合的性质、使用生物芯片阅读器对已知DNA的结合情况进行检查，从而确定未知DNA序列等。
图17为示出在这样的生物芯片上进行杂交示例的说明图。在图17中，由“DN01”、“DN02”、“DN03”、“DN04”、“DN05”、“DN06”表示的六种类型的DNA片段的位点像阵列一样放置在由“SB01”表示的基片上，从而构成了DNA芯片。
另一方面，图17中的“UN01”为未知DNA片段，该未知DNA片段被预先附加了如图17中“LM01”所表示的荧光标记。将这样的未知DNA片段与上述DNA芯片进行杂交，从而使DNA片段与互补序列进行结合。
例如，如图17中“CB01”所示，在图17中“UN01”的未知DNA片段与图17中“DN01”的已知DNA片段结合。
利用生物芯片阅读器，将激励光照射到这样杂交的DNA芯片上，并且检测出荧光标记产生的荧光，从而能够确定未知DNA片段与哪一个已知DNA片段结合。
例如，在如图17中“SI01”所表示的DNA芯片的扫描结果的图像中，只在图17中“CB01”的部分产生荧光，并因此仅能检测到来自图17中“LD01”所表示的部分的荧光。
JP-A-2001-194309、JP-A-2001-194310、JP-A-2003-028799、JP-A-2003-057557、JP-A-2004-138420被看作是与诸如DNA芯片或蛋白质芯片等生物芯片阅读器相关的现有技术。
图18为示出现有技术中生物芯片阅读器示例的结构框图。在图18中，标号1表示在圆形基片上形成有多个微透镜的微透镜板，标号2表示用于根据光的波长进行透射或反射的分色镜，标号3表示具有像阵列一样放置的多个位点的生物芯片，标号4表示透镜，标号5表示用于阻挡特定波长区域的光透射的屏障滤光片，标号6表示诸如照相机等的摄像部分，以及标号7表示用于旋转微透镜板1的诸如电动机等的驱动部分。
图18中的“EL11”所表示的激励光(来自诸如用于发射相干光的激光光源等光源(未示出)的出射光)照射到微透镜板1上，并且激励光会聚于在微透镜板1上形成的多个微透镜上，然后透过分色镜2，最后会聚于生物芯片3上。
通过激励光在生物芯片3上产生的荧光(具体而言，在放置了同一种类型的多个DNA片段的位点处所产生的荧光)被分色镜2反射，并且该反射光通过透镜4后透过屏障滤光片5，最后会聚于摄像(图像采集)部分6上。
另一方面，驱动部分7使微透镜板1围绕圆板中心轴旋转，从而使形成在微透镜板1上的多个微透镜的位置移动，并且相应地，会聚在多个微透镜上的激励光对生物芯片3的表面进行扫描。
例如，图19为示出微透镜板1的示例平面图。如图19所示，在微透镜板1上螺旋形地设置如图19中“ML21”所表示的微透镜，并且使这样形成有多个微透镜的微透镜板1围绕其中心轴旋转，从而使得会聚在多个微透镜上的激励光对生物芯片3的表面进行扫描。(在日本专利No.2663766与2692416中描述过典型示例。)
然而，在图18所示的现有技术示例中，需要在微透镜板1的准确位置处形成微透镜且准确地设置中心轴、并使驱动部分7的电动机的偏心与摄像部分6的照相机同步旋转等，从而导致了成本的增加；这是一个问题。
如果使用激光光源的出射光作为激励光，那么诸如激光光源的出射光的光分布不匀等性能波动或透镜、分色镜等光学系统的不洁或长期变化(老化)，均会直接影响用摄像部分6拍摄的图像、使S/N(信噪比)恶化；这是一个问题。
例如，图20与21为示出当使用用于根据激励光而均匀地产生荧光的荧光板代替生物芯片3时，拍摄图像与任意轴向光量的分布特性示例的说明图。
如图20所示，尽管图像应该具有均匀光量，但像由诸如激光光源的出射光的光分布不匀等性能波动或者光学系统中的长期变化与不洁引起的图像不均和干涉条纹的图案，均反映在拍摄图像中，并且容易看出：在图21中“CH41”表示由图20中“LN31”所表示的线上的光量分布，在图21“CH41”中，光量的特性曲线为非均匀光量、并且S/N恶化的特性曲线。
其原因是由于使用激光等的相干光作为光源，容易发生诸如散斑噪声等干涉噪声。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种能够灵活处理光学系统的性能波动和光学系统中的长期变化、并使降低成本成为可能的生物芯片阅读器。
本发明提供一种生物芯片阅读器，包括：在其上任意位置设置有多个微透镜的微透镜板，多个微透镜的发散光或会聚光的出射角被限制为窄角，其中多个微透镜中的每一个均具有任意大小；光源，其将作为激励光的相干光照射到微透镜板上；分色镜，其透射或反射从微透镜板来的出射光，并且反射或透射在生物芯片上产生的荧光；摄像部分；透镜，其将在分色镜上反射或透射的光会聚到摄像部分中；屏障滤光片，其设置在分色镜与摄像部分之间；以及驱动部分，其对微透镜板进行驱动，其中在该驱动部分对微透镜板进行驱动的同时，由多个微透镜进行发散或会聚的激励光对生物芯片的表面进行扫描。因此，能够灵活处理光学系统的性能波动和光学系统中的长期变化，并使降低生物芯片阅读器的成本成为可能。
在该生物芯片阅读器中，由于多个微透镜是通过在微透镜板的基片上设置凸出(中凸的)凹陷(中凹的)来形成的。因此，能够灵活处理光学系统的性能波动和光学系统中的长期变化，并使降低生物芯片阅读器的成本成为可能。
在该生物芯片阅读器中，由于是通过在基片上分布具有与微透镜板的基片的折射率不同的折射率的区域来形成多个微透镜的。因此，能够灵活处理光学系统的性能波动和光学系统中的长期变化，并使降低生物芯片阅读器的成本成为可能。
在该生物芯片阅读器中，由于微透镜板为玻璃或树脂。因此，能够灵活处理光学系统的性能波动和光学系统中的长期变化，并使降低生物芯片阅读器的成本成为可能。
在该生物芯片阅读器中，由于驱动部分对微透镜板进行旋转。因此，能够灵活处理光学系统的性能波动和光学系统中的长期变化，并使降低生物芯片阅读器的成本成为可能。
在该生物芯片阅读器中，由于驱动部分使微透镜板在一维方向、二维方向，或三维方向上进行移动。因此，能够灵活处理光学系统的性能波动和光学系统中的长期变化，并使降低生物芯片阅读器的成本成为可能。
在该生物芯片阅读器中，由于驱动部分使微透镜板进行振动。因此，能够灵活处理光学系统的性能波动和光学系统中的长期变化，并使降低生物芯片阅读器的成本成为可能。
在该生物芯片阅读器中，由于多个微透镜中的每一个均为圆形。因此，能够灵活处理光学系统的性能波动和光学系统中的长期变化，并使降低生物芯片阅读器的成本成为可能。
在该生物芯片阅读器中，由于多个微透镜的形状像网眼形。因此，能够灵活处理光学系统的性能波动和光学系统中的长期变化，并使降低生物芯片阅读器的成本成为可能。
在该生物芯片阅读器中，由于多个微透镜中的每一个均为任意形状。因此，能够灵活处理光学系统的性能波动和光学系统中的长期变化，并使降低生物芯片阅读器的成本成为可能。
在该生物芯片阅读器中，由于多个微透镜中的出射光的出射角均在±20度之内。因此，能够灵活处理光学系统的性能波动和光学系统中的长期变化，并使降低生物芯片阅读器的成本成为可能。
在该生物芯片阅读器中，由于微透镜的直径对微透镜的曲率的比率为0.1或更小。因此，能够灵活处理光学系统的性能波动和光学系统中的长期变化，并使降低生物芯片阅读器的成本成为可能。
根据该生物芯片阅读器，当在任意位置随机设置有具有各种不同大小的多个微透镜、并且因全部微透镜的光发散等而产生的出射角被限制为窄角的微透镜板被驱动时，由多个微透镜会聚的激励光对生物芯片的表面进行扫描。因此，能够灵活处理光学系统的性能波动和光学系统中的长期变化，并使降低生物芯片阅读器的成本成为可能。
附图说明
图1为示出根据本发明生物芯片阅读器的实施例的结构框图；
图2为示出随机微透镜板示例的平面图；
图3为描述微透镜出射角的限制的说明图；
图4为示出实际随机微透镜板示例的二维图像；
图5为示出实际随机微透镜板示例的三维图像；
图6为示出测量的随机微透镜板的出射角的分布特性的特性曲线图；
图7为描述当每个形成的微透镜形状像圆锥形时出射角的限制方法的说明图；
图8为描述当每个形成的微透镜为凸球面时出射角的限制方法的说明图；
图9为描述当每个形成的微透镜为凹球面时出射角的限制方法的说明图；
图10为示出当随机微透镜板旋转、并且使用根据激励光均匀地产生荧光的荧光板代替生物芯片时，拍摄图像示例的说明图；
图11为示出当随机微透镜板旋转、并且使用根据激励光均匀地产生荧光的荧光板代替生物芯片时，任意轴向光量的分布特性示例的说明图；
图12为描述如果光源为白光光源，摄像部分接收的光量的说明图；
图13为描述如果光源为激光光源时，摄像部分接收的光量的说明图；
图14为示出在随机微透镜板上形成的每个微透镜形状的其它示例的说明图；
图15为示出在随机微透镜板上形成的每个微透镜形状的另一示例的说明图；
图16为示出在使用通过一次性会聚激励光来提供光的情况的说明图；
图17为示出在生物芯片上进行杂交示例的说明图；
图18为示出现有技术中的生物芯片阅读器示例的结构框图；
图19为示出微透镜板示例的平面图；
图20为示出当使用根据激励光均匀地产生荧光的荧光板代替生物芯片时，拍摄图像示例的说明图；以及
图21为示出当使用根据激励光均匀地产生荧光的荧光板代替生物芯片时，任意轴向光量的分布特性示例的说明图。
具体实施方式
下面，将结合附图对本发明进行详细描述。图1为示出根据本发明生物芯片阅读器的一个实施例的结构框图。在图1中，标号8表示在圆形基片上的任意位置形成有任意大小的多个微透镜的微透镜板，为简化起见，在下文将其称之为随机微透镜板8，标号9与12表示透镜，标号10表示用于根据光的波长进行光的透射或反射的分色镜，标号11表示具有像阵列一样放置的多个位点的生物芯片，标号13表示用于阻挡特定波长区域的光透射的屏障滤光片，标号14表示诸如照相机等的摄像部分，以及标号15表示用于旋转随机微透镜板8的诸如电动机等的驱动部分。
由图1中的“EL51”表示的激励光(从诸如用于发射相干光的激光光源等光源(未示出)来的出射光)照射到随机微透镜板8上，接着激励光在形成于随机微透镜板8上的多个微透镜上进行发散，然后入射到透镜9中。
透镜9对发散的激励光进行会聚，并且会聚的激励光透过分色镜10，最后会聚在生物芯片11上。
通过激励光在生物芯片11上激励产生的荧光(具体而言，在放置有同一种类型的多个DNA片段的位点处产生的荧光)在分色镜10上被反射，然后该反射光通过透镜12后透过屏障滤光片13，最后会聚于摄像部分14上。
另一方面，驱动部分15使随机微透镜板8围绕圆板的中心轴旋转，从而使得在随机微透镜板8上形成的多个微透镜的位置移动，并且相应地，在多个微透镜上激励光被发散，然后由透镜9对激励光进行会聚以扫描生物芯片11的表面。
例如，图2为示出随机微透镜板8示例的平面图。如图2所示，在随机微透镜板8上的任意位置处随机地形成如图2中“ML61”、“ML62”以及“ML63”所表示的大、中和小三种大小的圆形微透镜。
为便于在图2中进行绘制，将这些微透镜彼此间隔开；然而，实际上，这些微透镜均以彼此接触的状态被放置。
然而，对于在随机微透镜板8上形成的如图2中“ML61”、“ML62”以及“ML63”表示的大、中和小三种大小的所有圆形微透镜，为确保入射到聚光用的透镜9上的光量，将由于分散而产生的出射角限制为窄角。
例如，图3为描述微透镜出射角的限制的说明图。形成如由图3中“EL51”表示的照射到随机微透镜板8上的激励光，以便将其出射角限制为由图3中θ表示的出射角。
这样，具有如由图3中“OL71”或“OL72”表示的出射角的出射光入射到聚光用的透镜9中，而具有如由图3中“OL73”或“OL74”表示的出射角的光则不会出射到透镜9中。
图4与5为示出实际随机微透镜板8示例的二维图像与三维图像。图6为示出当平行激光入射到其中一个这样的随机微透镜板上时，测量的出射角的分布特性示例的特性曲线图。
例如，如由图6中“CH81”表示的测量的出射角的分布特性通过回归分析变成如由图6中“CH82”表示的测量的出射角的分布特性。从由图6中的“CH82”表示的特性曲线图中，可以看出在“1/e2”处，角度为10度，出射角被限制为窄角。
此外，将结合图7、8以及9详细描述限制出射角的具体方法。图7为描述当每个形成的微透镜形状像圆锥形时出射角的限制方法的示意图。图8为描述当每个形成的微透镜为凸球面时出射角的限制方法的示意图。图9为描述当每个形成的微透镜为凹球面时出射角的限制方法的示意图。
当微透镜的形状像圆锥形时，在图7中，将从微透镜来的出射角设为“θ”、圆锥形微透镜的倾角设为“φ”、空气的折射率设为“no”，以及随机微透镜板8的折射率设为“n”，根据斯涅尔折射定律，可知：
i′＝φ+θ
sin i′＝(n/no)sinφ
∴φ＝sin-1((no/n)×sin i′)
例如，设定i′＝15°、n＝1.5以及no＝1.0，并且设定圆锥形微透镜的倾角φ为：
这样，θ＝i′-φ＝5.0°
从而能够将出射角“θ”限制为窄角。
另一方面，当微透镜为凸或凹球面时，在图8与9中，将从微透镜来的出射角设为“θ”、球面微透镜的直径设为“d”、球面微透镜的焦距设为“f”、球面微透镜的曲率半径设为“R”、球面微透镜的数值孔径设为“NA”、空气的折射率设为“no”，以及随机微透镜板8的折射率设为“n”，
f＝R/(n-no)
这里，例如，设定n＝1.5和no＝1.0，
因此，“R/d”受到限制，从而能够将出射角“θ”限制为窄角。将球面微透镜的垂度(凸起量)设为“S”，
S＝R—(R2—(d/2)2)1/2
此外，将平均倾角“φ′”设为“S/(d/2)”
φ′＝S/(d/2)
＝R/(d/2)—(R/(d/2)2—1)1/2
“R/d”受到限制，从而能够唯一地确定平均倾角“φ′”。
例如，如果“NA”在大约0.4
之内，则容易得到聚光用的透镜9。在这种情况下，
这样，当在任意位置上随机地形成有不同大小的圆形微透镜的随机微透镜板8(在其上由于全部微透镜的光发散而产生的出射角被限制为窄角)进行旋转时，会聚在多个微透镜上的激励光对生物芯片11的表面进行扫描，从而使照度平滑化且提供均匀光量的图像。
例如，图10与11为示出当随机微透镜板8旋转、并且使用根据激励光均匀地产生荧光的荧光板代替生物芯片11时，拍摄图像与任意轴向光量的分布特性示例的说明图。
如图10所示，可以看出：拍摄图像变成具有均匀光量的图像，而且像由诸如激光光源的出射光的光分布不匀等性能波动或者光学系统的不洁与长期变化引起的不均和干涉条纹的图案均没有反映在拍摄图像中，而这与在现有技术示例中图20所示的图像不一样。
还可以看出：在图11中“CH101”表示由图10中“LN91”所表示的线上的光量分布中，光量的特性曲线是均匀的，并且灵活处理了诸如光源的光分布不匀等性能波动或者光学系统的不洁和长期变化。
此外，在任意位置上随机地形成有不同大小的圆形微透镜的随机微透镜板8(在其上由于全部微透镜的光发散而产生的出射角被限制为窄角)进行旋转的情况下，由于不需要准确的对微透镜的形成位置进行对准以及使旋转同步，因此能够降低成本。
因此，当在任意位置上随机地形成有不同大小的微透镜的随机微透镜板8(在其上由于全部微透镜的光发散而产生的出射角被限制为窄角)进行旋转时，被多个微透镜会聚的激励光对生物芯片11的表面进行扫描，从而能够灵活处理光学系统的性能波动与光学系统中的长期变化，并使降低成本成为可能。
如果使用白光作为非相干光来测量生物芯片，则难以产生与使用激光一样的噪声，但如下所示的背景噪声将会恶化。在图1所示的实施例中，屏障滤光片13放置在摄像部分14的前面。例如，图12与13为描述假定光源为白光光源与激光光源，摄像部分14接收的光量的说明图。
如果屏障滤光片13的透射特性为由图12中的“CH111”表示的特性、并且将作为激励光的白光照射到生物芯片上，由于该激励光具有如由图12中“CH112”表示的下摆宽的波长分布，因此不能够充分遮蔽由图12中“BN111”表示的部分，从而产生背景噪声。
反之，如果屏障滤光片13的透射特性为由图13中的“CH121”表示的特性、并且将作为激励光的激光照射到生物芯片上，由于该激励光具有如由图13中的“CH122”表示的下摆非常窄的波长分布，因此屏障滤光片13就能充分遮蔽由图12中“BN111”表示的部分，从而可以降低背景噪声。
在图1所示的实施例中，分色镜允许激励光透过并对生物芯片上产生的荧光进行反射；当然，分色镜也可以反射激励光，并且可以允许生物芯片上产生的荧光透过。
在图1所示的实施例中，具体而言，至于在图2中所示的随机徽透镜板8上形成的每个微透镜的形状，作为简化描述的示例示出了圆形的微透镜。当然，每个微透镜的形状并不局限于圆形。
图14与15为示出在随机微透镜板8上形成的每个微透镜形状的其它示例的说明图。每个微透镜的形状不仅可以是如由图14中“ML131”表示的圆形，而且还可以是如由图14中“ML132”表示的圆柱形、多角形、如由图14中“ML133”表示的闭合自由曲线的形状、如由图14中“ML134”表示的网眼形等。换言之，可以采用任意的形状。
此外，微透镜也可以采用像如由图15中“ML141”表示的由许多岛状物排列而成的形状。然而，如果采用任何形状，则有必要将由于全部微透镜的光发散而产生的出射角限制为窄角。这些微透镜不仅可以为球形的形状，而且还可以是像棱柱或斜坡的形状。
可以将玻璃、树脂等用作在任意位置上随机地形成有不同大小的圆形微透镜的随机微透镜板8(在其上由于全部微透镜的光发散而产生的出射角被限制为窄角)的材料。
如果出射光的出射角被限制在窄角的范围之内，则入射到随机微透镜板8上的激励光不仅可以是平行光，而且还可以是会聚光或发散光。
在图1等所示的实施例中，是在随机微透镜板8(基片)上形成凹凸以形成微透镜，但也可以在随机微透镜板8(基片)上分布具有与随机微透镜板8(基片)的基本折射率不同的折射率的区域，以形成微透镜。
在这种情况下，并不将具有与随机微透镜板8(基片)的基本折射率不同的折射率的区域的形状限制为圆形，并且能够使用如图14与15中所示的任意形状。
可以改变聚光用透镜9的焦点位置与生物芯片11之间的距离，换言之，可以使聚焦适当偏移，从而提高随机微透镜板8的随机化效果。
在图1所示的实施例中，当对随机微透镜板8进行旋转时，由多个微透镜会聚的激励光对生物芯片11的表面进行扫描，但驱动方法并不局限于旋转。当随机微透镜板8在与生物芯片11平行的平面上进行像平行移动等的移动时，光也可以对生物芯片11的表面进行扫描。
此外，由于随机微透镜板8与生物芯片11之间的对齐并不严密，因此，随机微透镜板8不仅可以在平面上进行移动，而且还可以在任意方向上进行移动。也可以对随机微透镜板8进行振动。
在图1所示的实施例中，激励光是由形成在随机微透镜板8上的微透镜进行发散的，但也可以使用通过一次性会聚激励光而提供的光。
图16为示出使用通过一次性会聚激励光而提供的光的情况的说明图。随机微透镜板8可以形成有许多如由图16中的“RM151”表示的斜坡形突出物，并且可以将在由图16中“EL151”表示的激励光被会聚且形成如由图16中“BW151”表示的光束腰之后的激励光照射到生物芯片上。在这种情况下，不需要使用聚光用的透镜9。
Claims (12)
1.一种生物芯片阅读器，包括：
微透镜板，在其上随机分布有多个微透镜，所述微透镜的发散光或会聚光的出射角被限制为窄角，其中所述多个微透镜中的每一个均具有任意大小，所述微透镜的平均倾斜角小于或等于规定值；
光源，其将作为激励光的相干光照射到所述微透镜板上；
分色镜，其透射或反射从所述微透镜板来的出射光，并且反射或透射在生物芯片上产生的荧光；
摄像部分；
透镜，其将在所述分色镜上反射或透射的光会聚到所述摄像部分中；
屏障滤光片，其设置在所述分色镜与所述摄像部分之间；以及
驱动部分，其驱动所述微透镜板，以提高激励光的均匀性，
其中在所述驱动部分对所述微透镜板进行驱动的同时，被所述多个微透镜发散或会聚的激励光对所述生物芯片的表面进行扫描。
2.根据权利要求1所述的生物芯片阅读器，
其中所述多个微透镜是通过在所述微透镜板的基片上设置凹凸来形成的。
3.根据权利要求1所述的生物芯片阅读器，
其中所述多个微透镜是通过在所述微透镜板的基片上分布具有与该基片的折射率不同的折射率的区域来形成的。
4.根据权利要求1所述的生物芯片阅读器，
其中所述微透镜板为玻璃或树脂。
5.根据权利要求1所述的生物芯片阅读器，
其中所述驱动部分使所述微透镜板旋转。
6.根据权利要求1所述的生物芯片阅读器，
其中所述驱动部分使所述微透镜板在一维方向、二维方向或三维方向上进行移动。
7.根据权利要求1所述的生物芯片阅读器，
其中所述驱动部分使微透镜板进行振动。
8.根据权利要求1所述的生物芯片阅读器，
其中所述多个微透镜中的每一个均为圆形。
9.根据权利要求1所述的生物芯片阅读器，
其中所述多个微透镜形状像网眼形。
10.根据权利要求1所述的生物芯片阅读器，
其中所述多个微透镜中的每一个均为任意形状。
11.根据权利要求1所述的生物芯片阅读器，
其中所述多个微透镜的出射光的出射角均在±20度之内。
12.根据权利要求8所述的生物芯片阅读器，
其中所述微透镜的直径对其曲率的比率为0.1或更小。
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