CN118111984A - 生物检测装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种生物检测装置，包括：生物芯片、设置在所述生物芯片一侧的成像组件，所述成像组件包括：透镜和设置在所述透镜远离所述生物芯片一侧的探测器；所述生物芯片朝向所述透镜的一侧设置有样品容纳部；其中，所述成像组件的对焦面与所述样品容纳部存在交叠；所述成像组件的景深大于或等于所述样品容纳部的深度；所述探测器的靶面的直径不小于成像区的直径与容许弥散圆的直径之和；其中，所述成像区为：所述成像组件的对焦面中与所述样品容纳部重叠的区域所出射光线在所述靶面上的照射区域。

Description

生物检测装置

技术领域

本公开涉及显示技术领域，具体涉及一种生物检测装置。

背景技术

光学检测是生物检测中主要技术手段之一，其中，荧光检测是目前最广泛使用的生物光学检测技术。例如免疫荧光技术，用荧光物质标记的抗原或抗体与相对应的抗体或抗原免疫结合，受激发出荧光，经光学系统收集，实现被测物浓度的测量。qPCR是目前核酸检测的金标准，其利用的检测手段也是荧光检测，利用探针或者染料标记核酸，利用荧光信号实时监测整个PCR进程，最后通过标准曲线对未知模板进行定量分析的方法；单细胞筛选技术目前主要采用的也是通过细胞内的荧光信号进行筛选的。

发明内容

本公开提出了一种生物检测装置。

本公开提供一种生物检测装置，包括：生物芯片、设置在所述生物芯片一侧的成像组件，所述成像组件包括：透镜和设置在所述透镜远离所述生物芯片一侧的探测器；所述生物芯片朝向所述透镜的一侧设置有样品容纳部；

其中，所述样品容纳部处于所述成像组件的景深范围内；所述探测器的靶面的直径不小于成像区的直径与容许弥散圆的直径之和；

其中，所述成像区为：所述成像组件的对焦面中与所述样品容纳部重叠的区域所出射光线在所述靶面上的照射区域。

在一些实施例中，所述探测器的靶面的直径等于所述靶面的成像区的直径与所述容许弥散圆的直径之和。

在一些实施例中，所述容许弥散圆的直径σ满足以下公式：

其中，M为所述成像组件的成像放大倍率；d为所述样品容纳部的深度；f为所述透镜的焦距；F为所述透镜的焦距除以入瞳孔径；。

在一些实施例中，所述探测器的景深ΔL根据以下公式确定：

其中，f为所述透镜的焦距；F为所述透镜的焦距除以入瞳孔径；σ为所述容许弥散圆的直径；M为所述透镜的成像放大倍率。

在一些实施例中，所述样品容纳部包括多个微阱，所述探测器包括多个像元，所述像元的直径大于或等于所述容许弥散圆的直径。

在一些实施例中，所述微肼的直径与所述透镜的放大倍率的乘积大于或等于所述像元直径的预设倍数。

在一些实施例中，所述预设倍数在5～12之间。

在一些实施例中，所述像元的直径在4μm～10μm之间。

在一些实施例中，所述微阱的直径在50μm～100μm之间。

在一些实施例中，所述生物检测装置还包括：光源，设置在所述生物芯片远离所述透镜的一侧，用于朝向所述样品容纳部发射激发光。

在一些实施例中，所述成像组件还包括位于所述透镜与所述探测器之间的滤光片，所述滤光片用于滤除所述激发光。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1为本公开的一些实施例中提供的生物检测装置的示意图。

图2为成像组件的光路示意图。

图3为对焦位置和离焦位置的物点所出射光线的光路图。

图4a为本公开的一些实施例中提供的具有样品池的生物芯片的示意图。

图4b为本公开的一些实施例中提供的具有样品池的生物芯片的剖视图。

图4c为样品池内的对焦位置的光路图。

图4d为样品池的上表面的光路图。

图4e为样品池的下表面的光路图。

图5为本公开的一些实施例中提供的生物检测装置的光路图。

图6为本公开的一些实施例中提供的具有微阱的生物芯片的剖视图。

图7为本公开的一些实施例中提供的具有微阱的生物芯片的平面图。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

这里用于描述本公开的实施例的术语并非旨在限制和/或限定本公开的范围。例如，除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。应该理解的是，本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则所述相对位置关系也可能相应地改变。

光学检测是生物检测中主要技术手段之一，其中，荧光检测是目前最广泛使用的生物光学检测技术。例如免疫荧光技术，用荧光物质标记的抗原或抗体与相对应的抗体或抗原免疫结合，受激发出荧光，经光学系统收集，实现被测物浓度的测量。qPCR是目前核酸检测的金标准，其利用的检测手段也是荧光检测，利用探针或者染料标记核酸，利用荧光信号实时监测整个PCR进程，最后通过标准曲线对未知模板进行定量分析的方法；单细胞筛选技术目前主要采用的也是通过细胞内的荧光信号进行筛选的。

目前的荧光检测设备大多数检测的是样品池中某个区域或者某一层的荧光信号，因此收集的荧光信号是只样品池中的一部分，灵敏度较低；此外，若样品池中存在被测物与试剂不完全混匀或者贴壁吸附时，这些未被探测器收集区域荧光信号可能造成检测的被检测物浓度较低或假阴性的情况。

图1为本公开的一些实施例中提供的生物检测装置的示意图，如图1所示，生物检测装置包括：生物芯片10和成像组件20。

其中，生物芯片10的材料可以包括透明材料，例如，玻璃、PMDS材料等。生物芯片10上设置有样品容纳部11，在一个示例中，样品容纳部11可以为形成在生物芯片10上的样品池，另外，生物芯片10上还可以设置有样品池连通的流道12(未示出)。

成像组件20包括透镜21和探测器22，透镜21设置在生物芯片10的一侧，样品容纳部11可以设置在生物芯片10朝向透镜21的一侧。其中，透镜21可以为聚光透镜，例如凸透镜。

探测器22用于接收样品容纳部11中的样本所出射的光线。需要说明的是，该光线可以为样本上的标记物受激发后产生的。例如，如图1所示，生物检测装置还包括光源30，光源30设置在生物芯片10远离透镜21的一侧，用于向生物芯片10照射激发光，该激发光为短波长的光(例如蓝光)；光源30出射的激发光照射至样品容纳部11后，样品上的荧光标记物被激发产生荧光(该荧光为长波长的光)，荧光经过透镜21的聚光后，照射至探测器22。

考虑到光源30所发射的激发光中，可能存在一部分激发光直接照射至透镜21，为了防止激发光影响探测器22的探测效果，在一些实施例中，成像组件20还可以包括位于透镜21与探测器22之间的滤光片23，滤光片23用于滤除激发光。

图2为成像组件的光路示意图，如图2所示，发光点到透镜21的距离(即物距)为u，成像点与透镜21的距离(即像距)为v，透镜21的焦距为f，根据成像公式可知，当成像面(该成像面可以为探测器22的靶面)与透镜21的位置确定后，物距u也唯一确定，即，处于透镜21远离探测器22的一侧、且与透镜21之间距离为u的位置即为对焦点，经过该对焦点且垂直于镜头光轴的面为对焦面S1(该对焦面S1上的各点均处于对焦位置)。对焦面S1上发出的光线经过透镜21后，可以会聚在成像面上。然而探测器22可以清晰地拍摄到对焦面S1前后一定范围内的图像，这个范围就是景深。当对于离焦位置所发射的光线，则会产生弥散圆，具体将在下文说明。

根据成像公式、以及图2中的相似三角形定理可以推得：

其中，ΔL1为前景深，ΔL2为后景深，ΔL为景深，是前景深和后景深之和。前景深是指，位于对焦面S1靠近透镜21的一侧，且能够被探测器22所清楚拍摄到的范围；后景深是指，位于对焦面S1远离透镜21的一侧，且能够被探测器22清楚地拍摄到的范围。其中，F＝f/D，D是透镜21的入瞳直径，F为镜头的F数，等于透镜的焦距除以入瞳直径，σ是容许弥散圆的直径。如图2所示，在一些示例中，透镜21的边缘会有安装结构40，透镜21的入瞳直径是指没有被安装结构40所遮挡的区域的直径，即，透镜21能够接收到光线的区域的直径。

由上述关系式可得出，入瞳直径D越大，景深ΔL越小；入瞳直径D越小，景深ΔL越大；透镜21的焦距f越长，景深ΔL越小；焦距f越短，景深ΔL越大。物距u越大，景深ΔL越大；物距u越小，景深ΔL越小。容许弥散圆直径σ越大，景深ΔL越大；容许弥散圆直径σ越小，景深ΔL越小。

需要说明的是，当物点处于对焦面S1上时，物点的光线会在成像面上汇聚。而当物点处于对焦面S1之外的离焦位置时，物点的光线会形成弥散圆。图3为对焦位置和离焦位置的物点所出射光线的光路图，如图3所示，A点处于对焦位置，B点处于离焦位置，A点所出射的光线经过透镜21后，照射在靶面22上的A’点，B点出射的光线在靶面22前方的B'点汇聚，从而在靶面22上形成弥散圆，即光斑。上述“容许弥散圆”是指能够被成像组件接受的最大弥散圆。“能够被成像组件接受”是指，对于成像组件而言，能够被视作圆点的程度。容许弥散圆也可以看作，景深范围内的发光点经过透镜后，在靶面上所形成的最大的弥散圆。

对于通过成像来检测荧光信号的探测器，如CCD或CMOS等相机等，不仅需要测得荧光强度信息，还需要得到荧光的空间信息，此时容许弥散圆直径σ可以小于或等于一个探测器像元的大小，以保证成像组件能够接受；对于无需成像只检测荧光信号强度的探测器，如二极管、雪崩二极管、光电倍增管等，可能整个靶面只有一个像元。

对于无需成像只检测荧光信号强度的情况，是荧光检测中最常用的，此时弥散圆的计算公式同样可以由成像公式以及几何关系推得。具体地，对于图3中的光路，根据成像公式可得下述公式(4)和(5)

根据公式(4)和(5)以及三角形HIB’和三角形B’GK的相似关系可推得式弥散圆的直径为：

当B点为后景深或前景深位置时，则实际产生的弥散圆直径σ'与容许弥散圆直径σ相等。由于A为对焦点，u_A和v_A对应于上文中的的u和v。

在一个示例中，样品容纳部11包括样品池，图4a为本公开的一些实施例中提供的具有样品池的生物芯片10的示意图，图4b为本公开的一些实施例中提供的具有样品池的生物芯片10的剖视图，如图4a和图4b所示，生物芯片10上设置有样品池以及与样品池连通的流道12，在一个示例中，样品池可以为圆形样品池。

图4c为样品池内的对焦位置的光路图，图4d为样品池的上表面的光路图，图4e为样品池的下表面的光路图，为了图示效果，图4c、图4d和图4e为放大倍率为1时的光路图。其中，样品池中的某一层样品处于对焦面S1时，对于该层中任一位置，该位置出射的多条光线经过透镜21后，会聚在探测器22的靶面22上。如图4c中，样品池中的m点和m1点均处于对焦面S1上，m点出射的多条光线经过透镜21后，会聚在靶面22上的m’点；m1点出射的多条光线经过透镜21后，会聚在靶面22上的m1’点。而对于样品池的上表面和下表面而言，上表面中任一位置和下表面中任一位置出射的光线经过透镜21后，光线会在靶面22前方或后方会聚。如图4d中，上表面中的n点出射的多条光线经过透镜21后，会聚在靶面22后方的n’点；n1点出射的多条光线经过靶面22后，会聚在靶面22前方的n1’点；也就是说，n点出射的多条光线和n1点出射的多条光线经过透镜21后，均会在靶面22上形成光斑，即，弥散圆。如图4e中，下表面中的p点出射的多条光线经过透镜21后，会聚在靶面22后方的p’点；p1点出射的多条光线经过靶面22后，会聚在靶面22前方的p1’点；也就是说，p点出射的多条光线和p1点出射的多条光线经过透镜21后，均会在靶面22上形成弥散圆。

其中，样品池的上表面是指，样品池中充满样品时，样品整体的最靠近透镜21的表面；样品池的下表面是指，样品池的远离透镜21的底表面。

图5为本公开的一些实施例中提供的生物检测装置的光路图，如图5所示，在本公开实施例中，成像组件20的对焦面S1与样品容纳部11存在交叠，其中，对焦面S1是指，经过对焦点且垂直于透镜21光轴的平面。对焦面S1与样品容纳部11存在交叠是指，对焦面S1穿过样品容纳部11，或者样品容纳部11的顶部开口或底表面位于对焦面S1上。其中，成像组件20的对焦面S1中与样品容纳部11重叠的区域所出射光线在靶面22上的照射区域称之为成像区，例如，当样品容纳部11的底表面位于对焦面S1上时，则样品容纳部11的底表面上所有位置所出射光线经过透镜21，照射在靶面22上形成的区域为成像区。

在本公开实施例中，将样品容纳部11设置在成像组件20的景深范围内，即，样品容纳部11处于前景深位置和后景深位置之间，例如，当样品容纳部11的顶部开口位于对焦面S1上时，则要求后景深大于等于样品容纳部11的深度；当样品容纳部11的底表面位于对焦面S1上时，则要求前景深大于或等于样品容纳部11的深度。并且，在本公开实施例中，探测器22的靶面22的直径不小于成像区的直径与容许弥散圆的直径之和，从而保证样品容纳部11内各点位置所出射的所有光线经过透镜21后，均能够落在靶面22上，使探测器22能够准确获取到样品容纳部11中各点位置的出光强度，或者准确拍摄到样品容纳部11中各位置的图像。

例如，样品容纳部11的上表面位于成像组件20的对焦面S1上，成像组件20的后景深等于样品容纳部11的深度，此时，样品容纳部11的下表面位于成像组件20的后景深处。例如，样品容纳部11为圆形的样品池，靶面22可以为圆形，且靶面22的直径大于样品池的直径与容许弥散圆的直径之和。当然，样品容纳部11也可以为矩形的样品池，靶面和成像区也为矩形，靶面22的长度大于或等于成像区的长度与容许弥散圆的直径之和，靶面22的宽度大于或等于成像区的宽度与容许弥散圆的直径之和。

当成像组件20的景深足够大时，可以保证探测器22能够准确拍摄到样品容纳部11中各点位置的图像，但是，若成像组件20的景深过大，则会有其他杂光经过透镜21而照射至靶面22上，从而影响检测效果。为了防止这一问题，在一些优选实施例中，将成像组件20的景深设置为与样品容纳部11的深度相等。

在一些实施例中，假设样品容纳部11为圆形容纳池，其深度为d，直径为R，半径为H；成像区的半径为h，靶面22最小直径为r，成像放大率为M。如图5所示，A点处于对焦面S1上，为样品池内一点，B点位于样品池的下表面，即对应于后景深的位置。需要说明的是，容许弥散圆的直径对于前景深和后景深是一样的，因此用前景深和后景深计算的结果是一致的，下文中以后景深为例来对容许弥散圆的直径进行说明。

在临界情况下，即，当成像组件20的景深等于样品容纳部11的深度时，则下述关系式(7)～(11)成立：

R＝2H (7)

ΔL＝d (8)

r＝2h+σ (10)

将式(11)代入式(6)，并结合式(2)和(3)可以得出：

由(4)和(9)可推得以下公式(13)：

结合上述公式(3)和(13)，可以得出以下公式(14)：

结合公式(12)和(13)，可以得出以下公式(15)：

根据公式(9)(10)(15)可以得出以下公式(16)：

可以理解的是，上述公式(16)是在景深等于样品容纳部11深度的条件下成立的，而当景深大于或等于样品容纳部11的深度(△L≥d)时，则r满足以下公式(16’)：

在实际应用中，可以先根据选择的探测器22靶面22的直径和样品容纳部11的直径，大致确定出放大倍率M。由于弥散圆的直径一般比较小，因此放大倍率M略小于探测器22靶面22的直径与样品容纳部11的直径之比即可，随后调节F数(即调节入瞳直径)和焦距f，使得上述公式(14)和(16)成立。

图6为本公开的一些实施例中提供的具有微阱的生物芯片的剖视图，图7为本公开的一些实施例中提供的具有微阱的生物芯片的平面图，图6和图7所示的生物芯片10可以微阱式dPCR检测系统中。如图6和图7所示，在一些实施例中，生物芯片10包括：第一基板10a、第二基板10b以及位于第一基板10a和第二基板10b之间的微阱层111，微阱层111包括多个用于容纳样本的微阱111a，多个微阱111a构成了样本容纳部11。其中，第一基板10a和第二基板10b之间可以通过粘结胶10c连接，粘结胶10c环绕微阱层111。

其中，微阱层111与第二基板10b之间形成有空气间隙10d，第二基板10b上设置有进样口和出样口，在进行反应时，可以通过进样口向空气间隙10d注入样本，样本在空气间隙10d中流动后进入微阱111a。之后，可以再向进样口注入矿物油，从而推动空气间隙10d中剩余的样本从出样口排出，保证生物芯片内的样本保持在微阱111a内。

其中，第一基板10a和第二基板10b均采用透明材料制成，例如，玻璃、PMDS材料等。在一个示例中，多个微阱111a可以呈阵列排布，微阱111a的直径可以在50μm～100μm之间，例如50μm、或60μm、或70μm、或80μm、或90μm或100μm。

当样品容纳部11包括多个微阱111a时，多个微阱111a的深度相同，样本容纳部11的深度即为微阱111a的深度；样品容纳部11的直径可以看做多个微阱111a组成的微阱阵列的对角线长度。

在微阱式dPCR检测系统中，探测器22需要获取荧光的强度信息和空间信息，即，不仅确定出荧光的强度，还需要确定出是哪个微阱111a中的样本发出的荧光。探测器22包括多个像元，每个微阱111a所出射的光线经过透镜21后，在探测器22的靶面22上覆盖多个像元，从而使得探测器22能够获得微阱111a的图像信息；其中，微阱111a的光线所覆盖的多个像元可以拍成多行多列，具体行、列数可以根据实际需求进行设定。当微阱111a为圆形时，其光线所覆盖的多个像元的行、列数相同，即，覆盖Z×Z个像元，其中，Z在5～12之间，例如，Z为5，或6，或8，或10，或12。

相应地，像元的直径△x、成像放大倍率M、微阱阵列的直径R'、微阱111a的直径R”满足下述公式(17)(18)：

r≥MR' (17)

MR″≥ZΔx (18)

为了得到较好的空间信息，在一些实施例中，容许弥散圆的直径σ小于或等于像元的直径△x，以防止微阱111a间的荧光信号的串扰以及无法准确定位荧光位置。Z为预设倍数，也即上述微阱111a的光线所覆盖的像元的行、列数。

在一些实施例中，像元的直径在4μm～10μm之间。在实际应用中，可以根据像元的直径设定容许弥散圆的直径σ的范围，再根据上述公式(15)(16)设定系统中其他元件的参数，例如M值。

需要说明的是，上述实施例均是以荧光检测为例进行说明的，但本公开不限于此，例如，还可以用于化学发光检测，其不需要外加光源30激发荧光，这种情况下，同样可以根据本公开的上述原理来设计各元件的尺寸和光学参数。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本公开的原理而采用的示例性实施方式，然而本公开并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本公开的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本公开的保护范围。

Claims (11)

1.一种生物检测装置，其特征在于，包括：生物芯片、设置在所述生物芯片一侧的成像组件，所述成像组件包括：透镜和设置在所述透镜远离所述生物芯片一侧的探测器；所述生物芯片朝向所述透镜的一侧设置有样品容纳部；

其中，所述样品容纳部处于所述成像组件的景深范围内；所述探测器的靶面的直径不小于成像区的直径与容许弥散圆的直径之和；

其中，所述成像区为：所述成像组件的对焦面中与所述样品容纳部重叠的区域所出射光线在所述靶面上的照射区域。

2.根据权利要求1所述的生物检测装置，其特征在于，所述探测器的靶面的直径等于所述靶面的成像区的直径与所述容许弥散圆的直径之和。

3.根据权利要求1或2所述的生物检测装置，其特征在于，所述容许弥散圆的直径σ满足以下公式：

其中，M为所述成像组件的成像放大倍率；d为所述样品容纳部的深度；f为所述透镜的焦距；F为所述透镜的焦距除以入瞳孔径。

4.根据权利要求1或2所述的生物检测装置，其特征在于，所述探测器的景深ΔL根据以下公式确定：

其中，f为所述透镜的焦距；F为所述透镜的焦距除以入瞳孔径；σ为所述容许弥散圆的直径；M为所述透镜的成像放大倍率。

5.根据权利要求1或2所述的生物检测装置，其特征在于，所述样品容纳部包括多个微阱，所述探测器包括多个像元，所述像元的直径大于或等于所述容许弥散圆的直径。

6.根据权利要求5所述的生物检测装置，其特征在于，所述微肼的直径与所述透镜的放大倍率的乘积大于或等于所述像元直径的预设倍数。

7.根据权利要求6所述的生物探测系统，其特征在于，所述预设倍数在5～12之间。

8.根据权利要求5所述的生物探测系统，其特征在于，所述像元的直径在4μm～10μm之间。

9.根据权利要求5所述的生物探测系统，其特征在于，所述微阱的直径在50μm～100μm之间。

10.根据权利要求1或2所述的生物检测装置，其特征在于，所述生物检测装置还包括：光源，设置在所述生物芯片远离所述透镜的一侧，用于朝向所述样品容纳部发射激发光。

11.根据权利要求10所述的生物检测装置，其特征在于，所述成像组件还包括位于所述透镜与所述探测器之间的滤光片，所述滤光片用于滤除所述激发光。