CN1174239C - 光谱像生物芯片检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物芯片检测技术领域，涉及光谱像生物芯片检测仪。它包括：产生一个线光源的线光源激发单元，用以激发生物芯片的一列单元发出荧光；无狭缝光谱像仪，用于将生物芯片一列发出的荧光按光谱成像并接收；芯片载台和移动机构，它用于承载芯片，以及在计算机控制下对芯片载台的位移；计算机系统，用于控制芯片载台的移动，采集光谱像信号和控制光谱仪像的曝光时间，对采集的数据进行处理，最后给出判断，给出对疾病、药物等的检测结果。本发明具有检测灵敏度高、仪器的造价低、体积小、重量轻、全套设备可以携带等优点，有利于降低生物芯片成本，促进生物芯片在诊断疾病及药物上的应用。

Description

光谱像生物芯片检测仪

技术领域

本发明属于生物芯片检测技术领域，特别涉及采用光谱像技术对生物芯片的检测装置。

背景技术

生物芯片指蛋白生物芯片和DNA生物芯片等。生物芯片在诊断疾病上的用处已有很多报导和宣传。目前从一滴血通过生物芯片诊断多种疾病已是现实。另外，将生物芯片用于体育兴奋剂的检查也是一个广大的领域。生物芯片的研制、生产和应用将对疾病、药物的诊断带来一场革命，这场革命将在近期发生。生物芯片将变成一个产业，目前很多单位投入大量人力，物力对生物芯片进行开发、研制。

一个生物芯片有非常多单元：用于医疗和药物诊断的低密度生物芯片，每个单元的面积为50μm×50μm，如生物芯片的面积为10×10mm²就有4万个单元。如果每个单元检查诊断一种疾病。一个生物芯片能检查人体所有疾病也可能成为现实。生物芯片每个单元有不同的生物蛋白/DNA分子，这种分子同其他蛋白/DNA分子的结合有非常高的选择性。如果一个单元的分子只同某种疾病的蛋白/DNA分子结合，且某种疾病的分子只同这一单元分子结合，而不同其他单元分子结合。那么只要检测这个单元的分子有没有结合就可以诊断有没有这种疾病。因此，生物芯片的研制主要是找到同某种疾病分子结合的分子，并把它放在芯片上。生物芯片的检测在于测量有没有分子结合，或者说有无相互作用。

生物芯片检测目前主要有两种方法：一种利用光激发表面等离子体波技术，此方法用得较少，且和本发明无关。另外一种是利用光激发荧光技术。用某种光源的光激发生物芯片的一个单元的分子，不同其他分子结合的分子发出的荧光可以用f(λ)表示，同某种疾病结合的分子荧光可以用g(λ)表示。f(λ)和g(λ)的不同就是检测原理。

目前基于光激发荧光的检测方法是用一特定波长的光(550nm绿光或415nm兰光)分别照射生物芯片的每个单元，测量所有荧光和的变化。用数学表示是测量

                  ∫f(λ)dλ和∫g(λ)dλ的区别                      (1)

另一种方法是采用光谱像技术，光谱像技术对每个单元测量的是一个光谱，用数学表示是测量。

                  f(λ)和g(λ)的区别                                (2)

同光谱像法检测方法比较，现有光激发荧光的检测方法虽然有简单的优点，但存在明显的缺点：在原理上，f(λ)和g(λ)可能很容易区别，而∫f(λ)dλ和∫g(λ)dλ会变得很难区别。因为∫f(λ)dλ和∫g(λ)dλ分别只给出一个信息，而f(λ)和g(λ)分别给出超过一百个信息。因而，用目前的荧光法检测灵敏度就非常低，对疾病药物的判断就困难。这一缺点不仅反应在应用上，而且反应在生物芯片的研制上：在研制中，如果用光谱像技术作检测，只要找到f(λ)和g(λ)容易区别的分子就够了。而用已有的光激发荧光的检测方法，必须找到∫f(λ)dλ和∫g(λ)dλ容易区别的分子。这对研制生物芯片工作带来困难。

目前采用光谱像技术检测生物芯片还没有得到实际应用，问题的关键是没有合适的光谱像仪。

目前光谱像仪主要是由成像仪发展起来的，这种仪器大都有非常高的空间分辨率，空间分辨率约为1μm，或更好。这种仪器价格非常高。都超过100万元。另外，这种仪器大都光谱分辨率非常低，只能得到几种不同颜色荧光的像。这里用颜色表示波长是指分辨率相当差。这种光谱像仪不是为生物芯片而研制的。

还有一种用于太空的光谱像仪：它将物成像在一个狭缝上，对狭缝按光谱成像。这种光谱像仪结构非常庞大，也不适用于对生物芯片的检测。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种光谱像生物芯片检测仪，具有检测灵敏度高、仪器的造价低、体积小、重量轻、全套设备可以携带等优点，有利于降低生物芯片开发和应用成本，促进生物芯片在诊断疾病及药物上的应用。

本发明提出一种光谱像生物芯片检测仪，其特征在于，它包括：

产生一个线光源的线光源激发单元，用以激发生物芯片的一列单元发出荧光，其长度要求大于等于生物芯片一列的长度，其宽度小于生物芯片1个单元的宽度；所述的线光源激发单元包括：激光器，以及依次设置在激光输出光路上的凹透镜、柱透镜；

无狭缝光谱像仪，用于将生物芯片一列发出的荧光按光谱成像并接收，每个生物芯片单元发出的荧光按波长排成一行，得到一个光谱，生物芯片一列单元的荧光组成一个面的光谱像；所述的无狭缝光谱像仪由收集荧光透镜、光栅、光谱成像透镜和CCD接收器组成；其中，所述的收集荧光透镜与光谱成像透镜分别设置在光栅的入射光路和出射光路上，所述的CCD接收器处于光谱成像透镜的另一侧并与该光谱成像透镜平行设置；

芯片载台和移动机构，它用于承载芯片，以及在计算机控制下对芯片载台的位移；

计算机，用于控制芯片载台的移动，采集光谱像仪的光谱像信号和控制光谱像仪的曝光时间，利用计算机中的数据库数据和程序对采集的数据进行处理，最后给出判断，给出对疾病、药物的检测结果。

本发明的特点：

本发明的光谱像生物芯片检测仪具有检测灵敏度高的优点，使生物芯片研究单位易于研制为疾病，药物等相结合的生物分子，降低生物芯片成本，可以使应用单位对疾病，药物等作出准确判断。另外，该仪器的造价低，体积小，重量轻。全套设备可以携带。

附图说明

图1为本发明的总体结构框图。

图2为本发明的线光源激发单元实施例结构示意图。

图3为本发明的无狭缝光谱像仪结构示意图。

图4为图3中A-A方向示图。

具体实施方式

本发明设计的一种光谱像生物芯片检测仪，结合实施例及附图详细说明如下：

本发明的光谱像生物芯片检测仪是一种无狭缝光谱像生物芯片检测仪，其总体结构实施例如图1所示，它包括四个主要组成部分：

线光源激发单元，它的作用是产生一个线光源，用来激发生物芯片的一列单元发出荧光，其长度要求大于等于生物芯片一列的长度10mm，其宽度要求小于1个单元的宽度50μm。

无狭缝光谱像仪，它的作用是将生物芯片一列发出的荧光按光谱成像。每个生物芯片单元发出的荧光按波长排成一行，得到一个光谱。生物芯片一列单元的荧光组成一个面，即一列单元的光谱像。不同列的单元荧光在不同的光谱像中。

光谱像仪应保证各单元发出的荧光只成像于自己的行中。

芯片载台和移动机构，它用于承载芯片，以及在计算机控制下对芯片载台的位移，一次移动量为生物芯片两列之间的距离，当生物芯片一列单元的数据被采集完成后，以备光谱像仪收集生物芯片下列的荧光数据。

计算机(包括设置在其内的数据库、数据处理及判断、显示程序)，用于控制芯片载台的移动，采集光谱像仪的光谱像信号和控制光谱像仪的曝光时间，利用计算机中的数据库数据和程序对采集的数据进行处理，最后给出判断，给出对疾病、药物等的检测结果。

下面对各组成部分的实施例进行详细描述：

本发明的线光源激发单元的实施例结构如图2所示，包括：全固化激光器21，以及依次设置在激光输出光路上的光纤25和折射率准直透镜26(也可不用)、凹透镜22、柱透镜23；其工作过程为；激光器输出光用光纤耦合器25耦合到折射率准直适透镜26上，从折射率准直透镜输出光束为平行光，光斑直径为1mm；平行光经凹透镜22扩束，经柱透镜23在列方向继续扩束，在行方向上聚焦。最后照射到生物芯片L4的一列上。

本实施例的激光器采用市售的产品，其波长为550mm的单横模的绿光，功率为50mw，凹透镜焦距为-15mm，柱透镜焦距为40mm，可以得到一长度大于10mm(列方向)，宽度小于10μm的线光束(在行方向光束焦点处)。从斜45度照射到芯片上，则宽度小于15μm。保证满足只照一列的要求。即使微小的离焦也可以满足要求。

本发明的无狭缝光谱像仪实施例结构如图3、4所示，由收集荧光透镜L31、光栅g32、光谱成像透镜L33、和CCD接收器组成；其中，收集荧光透镜L31与光谱成像透镜L33分别设置在光栅g32的入射光路和出射光路上，CCD接收器处于光谱成像透镜L33的另一侧并与该光谱成像透镜平行设置。其工作过程为：

将生物芯片L4处在透镜L31的焦平面上，生物芯片每个单元发出的荧光经透镜L31后变成平行光射向光栅g32，经光栅g32后按不同的波长衍射，不同波长的光在不同的方向为平行光，经光谱成像透镜L33后，这些不同的波长将分别成像在一行的不同列上。生物芯片同一列不同行的单元将光谱成像在不同的行上，总体得到生物芯片一列的光谱像。本实施例中透镜L31利用照像机f＝50mm的镜头即可。光栅g32可选用700条/mm的普通光栅，面积30mm×30mm。光谱成像透镜L33可选择同L31相同的透镜。如激发波长选550nm/415nm。CCD有效面积取10mm×14mm，可以接收600nm~1000nm/500nm~900nm的荧光，动态范围400nm。因发光线宽为15μm，由光栅特性计算的光谱分辨率远小于1nm。所以将光谱分成一百份毫无问题。

本发明的芯片载台和移动系统实施例可采用步进电机带动精密机械工作台完成，由于总行程小于20mm，定位精度为几μm，可采用现有成熟技术实现。

本发明的计算机系统可采用一般市售PC机，也可配置笔记本电脑以使整个装置便于携带。目前计算机采样一幅图用0.1秒完全有保证，测量时间主要由信号强度决定，如入射到样品上的光为十毫瓦左右，每秒CCD每个单元接收的光子平均可达10⁵~10⁶个光子，因而可以实现每秒采样一幅光谱像图。这样约三分钟测量一个生物芯片样品。

计算机中的数据库存及数据处理程序和判断程序可结合应用要求采用常规技术实现，这部分内容的具体实现技术不在本专利申请保护范围内。

本实施例中激光波长、透镜焦距、光栅常数均只是用于举例说明而以，它们的改变均不影响本发明的实施，可在具体设计时进行选择、合理组合。

Claims (2)

1、一种光谱像生物芯片检测仪，其特征在于，它包括：

产生一个线光源的线光源激发单元，用以激发生物芯片的一列单元发出荧光，其长度要求大于等于生物芯片一列的长度，其宽度小于生物芯片1个单元的宽度；所述的线光源激发单元包括：激光器，以及依次设置在激光输出光路上的凹透镜、柱透镜；

无狭缝光谱像仪，用于将生物芯片一列发出的荧光按光谱成像并接收，每个生物芯片单元发出的荧光按波长排成一行，得到一个光谱，生物芯片一列单元的荧光组成一个面的光谱像；所述的无狭缝光谱像仪由收集荧光透镜、光栅、光谱成像透镜和CCD接收器组成；其中，所述的收集荧光透镜与光谱成像透镜分别设置在光栅的入射光路和出射光路上，所述的CCD接收器处于光谱成像透镜的另一侧并与该光谱成像透镜平行设置；

芯片载台和移动机构，它用于承载芯片，以及在计算机控制下对芯片载台的位移；

计算机，用于控制芯片载台的移动，采集光谱像仪的光谱像信号和控制光谱像仪的曝光时间，利用计算机中的数据库数据和程序对采集的数据进行处理，最后给出判断，给出对疾病、药物的检测结果。

2、如权利要求1所述的光谱像生物芯片检测仪，其特征在于，所述的芯片载台和移动系统采用步进电机带动的精密机械工作台。

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