CN1166940C - 多光谱成像基因芯片扫描仪 - Google Patents
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Abstract
一种多光谱成像基因芯片扫描仪，主要用于对荧光标记的基因生物芯片杂交后的检测。包括激光束经过线形整形器整形后，透过带狭缝反射镜呈现在被测芯片上是一条线状激光束。由被测芯片反馈的光信号经过带狭缝反射镜的反射后经过照相光学系统成像在狭缝光栏处。当用多波长的激光束激发时，从狭缝光栏之后再经过第一成像透镜、色散元件和第二成像透镜后射到面阵或线阵的电荷耦合器的探测器上。与在先技术相比，本发明不仅简化了扫描方向，节约了检测时间，同时提高了检测的分辨率和精度。
Description
技术领域：
本发明是一种关于多光谱成像基因芯片扫描仪，特别是涉及一种采用激光推掃式多光谱成像的基因芯片扫描仪。它主要用于对荧光标记的基因生物芯片杂交后的检测。一般认为，通过生物芯片的扫描检测，包括应用相应的软件对所获信号进行比较和分析，可使人们以基因芯片的高通量、简便、缩微、多参数、集约化、平行化等优点，在生命科学、医学的基础研究、疾病诊断、新药开发、农业、食品和环保等众多的领域中开辟广阔的应用前景。
背景技术：
对于用荧光标记的生物基因芯片，杂交后的检测需要用专门的基因扫描仪。目前专用的基因芯片扫描仪大致分为两类：
一类是用激光激发，基于以光电倍增管(PMT-photomultiplier tube)做探测元件的基因芯片检测系统(参见在先技术[1]，Life Sciences & Microarraybiochip System，1999，http：//www.scanarray.com.)。另一类是用高亮度连续光源加滤光片照明激发，基于以电荷耦合器件(CCD-charge-coupled devices)做探测元件的基因检测系统(参见在先技术[2]，Image Processing Europe May/June2001 p20-24，www.imageprocess.com)。这两种不同系统的背景技术简述如下：
以PMT为探测元件的激光基因芯片扫描仪，如图1所示，检测基因芯片时用一束确定波长的激光光源1经由透镜组(2、4)合成的扩束系统准直，经过二色镜3反射，由物镜14聚焦，再去激发放在使用步进马达的机械扫描器13上用荧光标记过的生物芯片15。荧光材料被激发后产生的荧光经过物镜14收集，按图1所示光路，经二色镜3后由反射镜5反射，通过窄带滤光片6滤光，再由透镜7聚焦，经过光阑8滤去杂散光送到光电倍增管9。光电倍增管将光信号转换为电信号，转换后的电信号经过信号放大器10，再经模数转换11将模拟量转换成数字量送到计算机12。计算机将送至的数据经过专门的数据处理软件处理、分析，可以得出包括图像在内的被测芯片的各种信息。由于它使用固定波长的单束激光聚焦来扫描激发样品，因此需要激光束或者目标芯片运动，使激光扫到整个芯片样品。为了保证成像清晰和激光聚焦准确，物镜14需有自动调焦控制器16。以PMT为探测元件的激光基因芯片扫描仪，每次检测基因芯片需要耗费较长的时间，因此对激光器有特殊的要求。要求激光器的输出具有很高的光束质量、长期的稳定性和极低的噪声。其特点是扫描图像具有很高的分辨率。
以CCD为探测元件的基因芯片扫描仪，一般具有中等分辨率，它以CCD为探测元件；采用高功率氙灯作高亮度连续激发光源；通过变换滤光片来改变激发波长；为了激发照明基因芯片均匀，常需采用均束器；成像物镜则将基因芯片成像在CCD像元上。这种基因芯片扫描仪一次可得较大面积的成像区域。但是，目前性能最优的CCD数字相机的成像面积只有16×12mm(像素为10×10μm)，如要对整个芯片面积为22×73mm成像的话，则需要采用昂贵的大尺寸面阵CCD。或将数个CCD元件拼接，或运动芯片将所得的图像拼接。当然，也可以缩小图像，则要以降低芯片扫描分辨率和精度为代价。它的体积、功耗都比较大。
另外，上述在先技术[1]和[2]以PMT和CCD为探测元件的这两种基因芯片扫描仪还有一些共同的缺点：如被检测的对象或激发激光束要做XY两个方向的平移运动才可以完成检测任务，因此芯片扫描仪要有多维的运动机构；所得的图像都需要计算机数据处理后拼接，而且对运动机构精度及运动机构的定位精度要求都很高，控制运动的过程也变得较复杂；整个芯片扫描需要花费较长的时间，因而效率较低；整机的成本比较贵等。
发明内容：
为了克服上述两种在先技术的缺点，本发明提出了如图2所示的生物基因芯片扫描仪。本发明利用照相光学系统21代替传统的显微物镜；使用经合束的多波长激光束(或单波长、单一激光束)聚焦、整形后成线状照明光束来扫描激发样品；以面阵(或线阵)CCD探测器26加色散元件24和步进电机相结合的推扫扫描方式来实现提高分辨率、测量范围和多光谱同时成像。检测芯片时，只需使被测芯片15沿着X方向一维移动，可简化运动机构。
本发明的多光谱成像基因芯片扫描仪的具体结构包括：有激光光源1，由激光光源1发射的激光束经过双色反射镜5后经过合束器17(对于单波长的激光束不需要合束)再经过球面透镜18，经过线形整形器19整成线状光束透过带狭缝反射镜20的透光狭缝呈现在移动平台28上的被测芯片15上的是一条线光束。由被测芯片15上反馈的光信号经过带狭缝反射镜20的反射，再经过照相光学系统21成像在狭逢光阑22上。再依次经过第一成像透镜23，色散元件24和第二成像透镜25至CCD探测器26上。当激光光源1发射为单色波长的激光束时，CCD探测器26可以直接置放照相光学系统21的像面处。CCD探测器26将光信号变成电信号经过控制数据采集器27后，输入计算机12内进行数据处理、分析等。
所说的CCD探测器26是面阵或者是线阵的电荷耦合器。
所说的照相光学系统21是一成像物镜，或者是照相机镜头。
所说的线形整形器19是使光束截面为圆形的激光束变换成一条直线状的光束截面的光学元件，是一棱镜，或者是棱镜与非球面柱透镜的组合。
所说的色散元件24是色散棱镜，或者是棱镜与透射式光栅的组合。
在图2中，由激光光源1发射的多波长激光束经合束器17合成一束(如使用的激光光源1是发射单一激光束则可省去该合束器17)，经一消色差球面透镜18，再经过激光束线形整形器19，该激光束聚成一条细线，通过中间有一透光狭缝的带狭缝反射镜20照明被测芯片15上。应调整照明激光细线方向，使其与被测芯片15上的荧光材料受激光激发后产生的荧光即反馈光信号在CCD探测器上成像位置和像元方向一致。荧光材料受激光激发后产生的荧光经过照相光学系统25在狭缝光阑22处成一实像(如使用单波长、单一激光束激发，则在狭缝光阑22处放CCD探测器26并是照相光学系统21的成像面上)，并再经过第一成像透镜23、色散元件24和第二成像透镜25在CCD探测器26上成像，如图2所示，照相光学系统21的光谱成像方向与狭缝光阑22和色散元件的色散方向一致，27是CCD探测器26的同步、扫描和冷却控制数据采集器，CCD探测器接收到的光电信号经由27传送到计算机12中，计算机12将送至的数据经过数据处理、分析，可以得出包括图像在内的被检测芯片的各种信息。
与在先技术相比，本发明的扫描仪有线形整形器19和带狭缝反射镜20，将激发的激光束整形为一条线状光束，激发被测芯片15时，只需一维方向的推动其移动平台28就可以，不仅简化了扫描方向，同时也节约了检测时间。反馈的光信号经过照相光学系统21的成像以及第一成像透镜23、色散元件24和第二成像透镜25的成像，提高了检测的分辨率和精度。并可以应用于多光谱的测量。
附图说明：
图1为在先技术[1]以光电倍增管(PMT)为探测元件的基因芯片扫描仪检测装置的结构示意图。
图2是本发明的多光谱成像的基因芯片扫描仪的结构示意图。
具体实施方式：
如图2所示的一种生物基因芯片扫描仪的结构。本发明中照相光学系统21为一照相机镜头，f：85mm，F2，朱比特牌号，其最佳像面位置的有效视场大于线阵的CCD接收面尺寸。其中激光光源1使用双波长激光激发：一种是激光光源102波长是650nm的半导体激光，可激发Cy5荧光染料；另一种是激光光源101是半导体泵浦掺钕钇铝石榴石晶体(Nd:YAG)激光倍频输出的532nm波长，可激发Cy3荧光染料。这两束激光可由双色反射镜5(对532nm波长45度入射全反射，对650nm波长45度入射全透过)的反射和透过再经合束器17合束后，经过消色差球面透镜18，再经过一个由棱镜与非球面柱透镜组合的线形整形器19聚焦后成线状照明光束透过中间有一透光狭缝的带狭缝反射镜20照明被测的芯片15，推动移动平台28来扫描激发被测芯片15的样品；样品经激发产生的荧光通过第一成像透镜23，用等边三角形色散棱镜作为的色散元件24和第二成像透镜25在CCD探测器26上成像。检测生物芯片15时，步进电机使移动平台上的被测生物芯片15沿着X方向移动就可以了。简化了在先技术的运动机构。这种推掃式扫描方式保证了生物芯片扫描仪可同时实现提高分辨率、保证测量范围和多光谱成像。多波长的多个激光束经合束器合成一束，经过线形光束整形器19再将该激光束聚成一细线照明被测的芯片15上。应该使细线方向与荧光材料受激光激发后产生的荧光信号经过照相光学系统21在狭缝光阑22处成一实像，并经过第一成像透镜23、色散元件24和第二成像透镜25在CCD探测器26上成像，如图2所示，CCD探测器26上的象元排列方向与光谱成像方向与色散元件的色散方向一致。数据控制采集器27是CCD探测元件的同步、扫描和冷却控制及数据采集，CCD探测器接收到的光信号经由27传送到计算机12中，计算机将送至的数据经过数据处理、分析，可以得出包括图像在内的被测生物芯片15的各种信息。
作为特例，如只需使用单波长、单一激光束激发，则可省去合束器，在狭缝光阑22处放一线阵CCD探测器，该处是照像光学系统20的成像面，是CCD探测器的接收面。这样可以大大降低仪器制造成本，有利于推广应用。
Claims (1)
1.一种多光谱成像基因芯片扫描仪，包括：
<1>有激光光源(1)，由激光光源(1)发射的激光束经过双色反射镜(5)后再经过球面透镜(18)将激光束聚焦在置放在移动平台(28)上的被测芯片(15)上；
<2>由CCD探测器(26)接收的光信号转换成电信号经过控制数据采集器(27)后输入计算机(12)内处理；
其特征在于：
<3>激光束经过球面透镜(18)后再经过线形整形器(19)和带狭逢反射镜(20)后呈现在被测芯片(15)上的是一条线光束；
<4>由被测芯片(15)上反馈的光信号经过带狭缝反射镜(20)的反射，再经过照相光学系统(21)成像在狭缝光阑(22)上至像元方向与成像和狭缝光阑(22)方向一致的CCD探测器(26)上；
<5>在双色反射镜(5)与球面透镜(18)之间置有合束器(17)，在狭缝光阑(22)与CCD探测器(26)之间沿光束前进方向依次置有第一成像透镜(23)，色散元件(24)和第二成像透镜(25)。
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