CN103926222A - 一种小型化低功耗的生物芯片检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小型化低功耗的生物芯片检测装置，该生物芯片检测装置主要由四部分组成，分别是激发光源，激发媒介、传动结构和检测结构。提出了一种使用低功耗激发光源，采取双向对射互补激发方式的生物芯片检测装置，有效的解决了现有检测设备检测信号不一致的问题，及检测时间成本高和设备体积庞大等问题。

Description

一种小型化低功耗的生物芯片检测装置

技术领域

本发明涉及一种利用共振光散射原理检测生物芯片的装置，具体涉及提出一种小型化低功耗的生物芯片检测装置。

背景技术

共振光散射检测是一种暗场检测方式，激发光源光线不直接进入检测器视场，检测器收集的光子仅来自于金属纳米粒子的散射光，噪声来自于检测器的暗电流噪声，因此可以有效地提高信噪比和检测的灵敏度。同时，共振光散射检测技术使用白光作为检测光源，设备简单，价格低廉，检测成本大幅下降。

波导（Waveguide）是一种用于微波或可见光波传输的装置，其中使用光纤作为传输媒介的光波导（Optical/light Waveguide）被广泛应用于网络接入和数字通信当中，在不同折色率介质间，由于电磁波的全反射使光波局限在波导及其周围有限区域内传播，当光束由光密介质入射光疏介质时，当且仅当入射角大于临界角时，光信号发生全反射，利用光波导向周围有限区域辐射能量这一原理，将生物芯片作为光波导，激发光由生物芯片边缘大于临界角入射，在生物芯片上下内表面以全反射方式传播，光波导激发方式的优点是激发选择性强，即只激发位于生物芯片表面的发色团，光能量利用率高和系统背景噪声低。

2013年05月22日曾公布的专利申请号为201310025477.0的名称为基于共振光散射检测生物芯片的装置，包括光源驱动器、光纤、激发光源、耦合透镜组、生物芯片载物台、光电传感器、上位机、运动平台和多轴导轨驱动。该装置实现了基于共振光散射的生物芯片检测。但是上述装置存在以下技术问题：1、使用氙灯作为激发光源，存在发热、使用寿命短和功耗高等不足；2、激发光从左侧入射生物芯片激发共振光散射，存在单侧激发光源造成左右不同位置的相同反应浓度信号强度不一致的问题，影响检测系统的准确性；3、使用三个电动位移平台作为传动结构，体积庞大和结构复杂；4、该装置采用小视场高分辨率图像拼接的解决方案，图像拼接的数据量大，存在检测的时间成本高等问题。

发明内容

本发明为解决现有设备存在的以上技术问题，提供一种小型化低功耗的生物芯片检测装置。

本发明的技术方案具体如下：

一种小型化低功耗的生物芯片检测装置，该生物芯片检测装置主要由四部分组成，分别是激发光源，激发媒介、传动结构和检测结构；

所述激发光源包括：光源驱动器、两个或两个以上LED光源、及两个或两个以上整形透镜组；

所述激发媒介为生物芯片；

所述传动结构包括：生物芯片载物台、运动平台和多轴导轨驱动；

所述检测结构包括：光电传感器和光学镜头；

该生物芯片检测装置还包括上位机；

所述光源驱动器控制LED光源产生激发光，激发光通过各自的整形透镜组进行光束整形，整形后的激发光以大于临界角的角度分别由相对的两个侧边入射至生物芯片载物台上的生物芯片；

生物芯片上的样品受到激发光的激发后发生共振光散射，向外辐射特定波长的共振散射光，共振散射光通过光学镜头入射至光电传感器中，将光信号转换为电信号；

所述上位机接收转换后的电信号并对其进行采集分析，上位机控制运动平台移动，再次获取光电信号，多次重复后得到扫描图像；

所述上位机控制多轴导轨驱动进而带动生物芯片载物台移动，对生物芯片的整个区域进行扫描。

在上述技术方案中，所述运动平台是由一个或一个以上的直线位移平台组成。

在上述技术方案中，所述生物芯片检测装置还包括系统主控制器和系统电源，所述的系统主控制器用于控制整个生物芯片检测装置，所述系统电源为生物芯片检测装置的工作提供所需电力。

本发明提供的一种小型化低功耗的生物芯片检测装置的有益效果是：

本发明在现有基于共振光散射检测生物芯片的装置的基础上使用LED光源替代氙灯作为激发光源，有效地降低了系统的能耗，提高了系统光学效率，并采取双向对射互补激发方式，解决了单侧氙灯激发时造成左右不同位置的相同反应浓度信号强度不一致的问题。

本发明使用光学手段压缩检测系统视场角，使系统检测视场与生物芯片大小相匹配，为设计更简单的传动结构奠定了基础。同时使用优化后的光学镜头，有效地减少了图像拼接的时间成本，提高了检测速度。

本发明仅使用一个直线位移平台完成现有设备使用三轴位移平台完成的工作，简化了系统结构，提高了系统的稳定性和降低了系统体积。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的生物芯片检测装置的结构示意图；

图2为共振光散射原理示意图；

图3为本发明的生物芯片检测装置的硬件组成图；

图4为DNA芯片反应原理示意图；

图5为RLS Scanner对金纳米粒子标记的DNA芯片的检测结果图及对应的扫描图；

图6为RLS Scanner对等位基因频率的检测结果图及对应的扫面图；

图7为蛋白质芯片反应原理示意图；

图8为RLS Scanner对Protein A的检测结果图及对应的扫面图；

图9为RLS Scanner对IgG的检测结果图；

图10为不同激发光源扫描数据结果图，其中所有阵列反应浓度一致，10A是使用氙灯右侧入射激发阵列位于生物芯片左侧，10B是使用氙灯右侧入射激发阵列位于生物芯片右侧，10C是使用LED双侧入射激发阵列位于生物芯片左侧，10D是使用LED双侧入射激发阵列位于生物芯片右侧。

图中的附图标记表示为：

1、光源驱动器，2、LED光源，3、整形透镜组，4、生物芯片载物台，5、光电传感器，6、上位机，7、运动平台，8、多轴导轨驱动，9、光学镜头，10、生物芯片，11、系统主控制器，12、系统电源，13、样品。

具体实施方式

本发明的发明思想为：本发明是基于波导激发共振光散射检测原理来检测生物芯片，提出一种小型化低功耗的生物芯片检测装置。它利用了金属纳米粒子在白光激发光源中会产生强烈的共振散射光，即当激发光波长落在分子的吸收带时，分子中的电子由于能级跃迁作用，向所有方向辐射出极强的散射光。

基于上述原理，本发明提出一种使用低功耗器件LED作为激发光源的生物芯片检测设备。该设备采取双向对射互补激发方式，解决了现有设备信号强度不一致的问题；优化光学成像镜头，减少了图像拼接的次数，节省了检测时间成本；使用单轴传动结构，有效地降低了设备的体积。本发明的生物芯片检测装置的体积仅是现有设备体积的1/4，检测时间比现有设备缩短近一倍，设备功耗降低近20倍。

下面结合附图对本发明做以详细说明。

如附图1所示：一种小型化低功耗的生物芯片检测装置包括光源驱动器1、两个LED光源2、两个整形透镜组3、生物芯片载物台4、光电传感器5、上位机6、运动平台7、多轴导轨驱动8和光学镜头9；

所述光源驱动器1用于控制LED光源2产生激发光，使LED光源2的功率连续可调；LED光源2用于产生激发共振光散射的激发光；双侧激发光通过各自的整形透镜组3输出，整形透镜组3对激发光进行光束整形，整形后的激发光入射至生物芯片载物台4上；如附图2所示，将样品13均匀分布在生物芯片10表面，然后将生物芯片10放置在生物芯片载物台4上，经过光束整形后的激发光以入射角大于临界角的角度从生物芯片10的左右两侧入射，在生物芯片10的下表面进行多次全反射，样品13受到激发光的激发后发生共振光散射，向外辐射特定波长的共振散射光，共振散射光通过光学镜头9入射至光电传感器5中；光电传感器5对共振散射光进行光电转换，将光信号转换为电信号，再将转换后的电信号输出至上位机6；上位机6对来自光电传感器5的电信号进行采集、分析并得到样品13的扫描图像。上位机6通过自身的通用接口与多轴导轨驱动8相连，上位机6控制多轴导轨驱动8的运行，多轴导轨驱动8与运动平台7通过线缆相连，用于控制运动平台7的移动，运动平台7带动生物芯片载物台4的移动，实现对生物芯片的整个区域进行扫描。

本发明的生物芯片检测装置可以根据需要选择多维度运动平台，本实施方式中使用一个直线位移平台实现。

如附图3所示，本发明的生物芯片检测装置还包括系统主控制器11和系统电源12。系统主控制器11用于控制整个生物芯片检测装置，系统电源12为生物芯片检测装置的工作提供所需电力。

本发明的生物芯片检测装置用于检测生物芯片的应用实施例：

1、对靶标寡核苷酸的定量检测

DNA芯片制备原理如附图4所示。固定探针DNA（5’-ATATAGTATCTAAAAAAAA-NH2-3’）浓度（30μmol/L）不变，用不同浓度的靶标DNA（5’-TTTTTAGATACTATATAATTTAATTGCC-3’）进行杂交，最后用DNA（5’-HS-SH-T10--GGCAATTAAATT-3’）功能化的13nm金纳米粒子（DNAGNPs）对这一反应过程进行标记，并通过银增强的方式使纳米粒子直径增大，继而对检测信号进行放大。本发明的检测装置检测DNA芯片结果如附图5，探针DNA的点样浓度为30μmol/L。该图表明对靶标DNA的检出限为0.1nmol/L，线性范围0.1-100nmol/L。

2、等位基因频率分析

保持样品中靶标DNA(T：5’-TTTTTAGATACTATATAATTTAATTGCC-3’)和含有一个错配碱基的靶标DNA(TA：5’-TTTTTAGATATTATATAATTTAATTGCC-3’)的总量不变，将T和TA按各种比例混合，考察了等位基因频率与相对共振光散射强度之间的关系如附图6所示，DNA的点样浓度为30μmol/L。该图表明RLS Scanner在混合物中可以检测出低至2%的靶标DNA。

3、蛋白质芯片的检测

蛋白质芯片制备原理如附图7所示。将不同浓度的多肽Protein A点样于基片上与biotin修饰的IgG反应，再通过生物素和亲和素之间的特异性反应，将直径为13nm的金纳米粒子标记这一反应过程，并通过银增强的方式使纳米粒子直径增大，继而对检测信号进行放大。本发明的检测装置检测蛋白质芯片结果如附图8所示，IgG浓度为1μg/mL。该图表明RLS Scanner对Protein A的检出限为100ng/mL，线性范围102-105ng/mL。

对IgG的定量检测

将固定浓度（1mg/mL）的Protein A点样于基片上，用于检测不同浓度的biotin修饰的IgG（biotin-IgG）。通过生物素和亲和素之间的特异性反应，用直径为13nm的金纳米粒子标记这一反应过程如附图9所示，Protein A浓度为1mg/mL。该图表明Colorimetric Scanner对IgG的检出限为0.1ng/mL，线性范围0.1-103ng/mL。

对比使用氙灯光源单侧激发共振光散射与LED双向对射互补激发方式，如附图10A和10B所示，使用单侧激发共振光散射，位于生物芯片左侧和右侧相同浓度的反应阵信号强度有着明显的差别。与之先比，本发明提出的双向对射互补激发方式有效地改善了这一现象。如附图10C和10D所示，使用双向对射激发共振光散射，位于生物芯片左右两侧的相同浓度阵列中信号的强度明显趋于一致。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (3)

1.一种小型化低功耗的生物芯片检测装置，其特征在于，该生物芯片检测装置主要由四部分组成，分别是激发光源，激发媒介、传动结构和检测结构；

所述激发光源包括：光源驱动器（1）、两个或两个以上LED光源（2）、及两个或两个以上整形透镜组（3）；

所述激发媒介为生物芯片（10）；

所述传动结构包括：生物芯片载物台（4）、运动平台（7）和多轴导轨驱动（8）；

所述检测结构包括：光电传感器（5）和光学镜头（9）；

该生物芯片检测装置还包括上位机（6）；

所述光源驱动器（1）控制LED光源（2）产生激发光，激发光通过各自的整形透镜（3）组进行光束整形，整形后的激发光以大于临界角的角度分别由相对的两个侧边入射至生物芯片载物台（4）上的生物芯片（10）；

生物芯片（10）上的样品（13）受到激发光的激发后发生共振光散射，向外辐射特定波长的共振散射光，共振散射光通过光学镜头（9）入射至光电传感器（5）中，将光信号转换为电信号；

所述上位机（6）接收转换后的电信号并对其进行采集分析，上位机（6）控制运动平台（7）移动，再次获取光电信号，多次重复后得到扫描图像；

所述上位机（6）控制多轴导轨驱动（8）进而带动生物芯片载物台（4）移动，对生物芯片的整个区域进行扫描。

2.如权利要求1所述的生物芯片检测装置，其特征在于，所述运动平台（7）是由一个或一个以上的直线位移平台组成。

3.如权利要求1所述的生物芯片检测装置，其特征在于，所述生物芯片检测装置还包括系统主控制器（11）和系统电源（12），所述的系统主控制器（11）用于控制整个生物芯片检测装置，所述系统电源（12）为生物芯片检测装置的工作提供所需电力。