CN1376907A - 激光共聚焦生物芯片扫描装置 - Google Patents

Abstract

本激光共聚焦生物芯片扫描装置有一承托工作平面且能在其平面范围内移动的工作台;与其承托平面相垂直的方向上设有激光聚焦透镜,其光轴方向的另一侧设有一能使荧光光波透射通过且可将来自激光发生器并经带有第一窄带干涉滤光结构的透镜组传来的激光束向所说的激光聚焦透镜反射的二色镜;在位于该激光聚焦透镜光轴方向上二色镜另一侧的位置处设有一反光结构,在其反射光路上依次设有第二窄带干涉滤光结构、聚焦透镜和共聚焦光阑,并在其光路后方设有可实现对通过共聚焦光阑的光进行光电转换的光电倍增结构,并由其将转换后的电信号输出。

Description

激光共聚焦生物芯片扫描装置

本发明涉及的是一种以激光共聚焦方式对生物芯片中的样品进行扫读的装置。

通过基因芯片技术进行生物学、医学等领域中的分析、诊断、鉴别和鉴定，目前已日益得到应用，并正在对其可应用的领域和范围进行着更为广泛深入的研究。由于生物芯片在样品的排布数量及其排布方式上具有极高密度的显著特点，因此采用常规显微技术进行观察，无论在观察分析的效率还是准确性等方面都有极高的难度，甚至无法进行。而建立在现在已广泛成熟使用的计算机控制技术和激光扫描技术基础上的激光共聚焦显微镜，就是在实现生物芯片检测时不可缺少的一种观察分析仪器和装置。

鉴于此，本发明的目的是提供一种可与生物芯片检测技术配合使用的激光共聚焦生物芯片扫描装置。

本发明激光共聚焦生物芯片扫描装置的结构是：有一具有可承托生物基因检测芯片的承托工作平面且能在其承托工作平面所在平面范围内移动的工作台；在与其承托工作平面相垂直的方向上设置有激光聚焦透镜结构，其光轴方向的另一侧设置有一能使荧光光波透射通过并且又能将来自激光发生器并经带有第一窄带干涉滤光结构的透镜组结构传来的激光束向所说的激光聚焦透镜结构反射的二色镜；在该激光聚焦透镜结构光轴方向上位于二色镜另一侧的位置处设置有一反光结构，在其反射光路上依次设置有第二窄带干涉滤光结构、聚焦透镜结构和共聚焦光阑，并在共聚焦光阑后方光路上设置有可实现对通过共聚焦光阑的光进行光电转换的光电倍增结构，并由其将转换后的电信号输出。

由于在目前的生物芯片分析中，所用的靶分子常常以两种或更多种不同形式的荧光染料进行标记，通过荧光光密度比来减少或消除测定时某些干扰，以减少误差，提高检测结果的可靠性。因此，在扫描装置中可相应采用由两种或多种以上不同波长的激光发生器或可发射不同波长激光的激光发生器作为发光源，以不同波长的激光激发不同荧光染料标记的靶分子。以激光作为发光源，可以产生高强度的发射荧光，能提高检测的灵敏度。上述结构中所说的激光发生器一般可以在能发出波长为480-630纳米激光的目前常用氩离子激光器、氩氪离子激光器、氦氖激光器或固态激光器中选择；受激光激发后的标记用荧光染料所产生的用于分析检测的激发荧光的波长相应可以为500-700纳米。

在上述结构中，使工作台能在其承托工作平面范围内根据检测时的扫描需要进行任意移动和定位是必需的，这种工作方式的实现在目前已属于公知和成熟的技术。例如，在与所说的该工作台的承托工作平面相平行的平面内，以相互垂直状设置有由各自的步进电机驱动转动的第一滚珠丝杠和第二滚珠丝杠，所说的工作台经相应的螺母型承托连接结构以动配合方式连接在其中的一滚珠丝杠上，该滚珠丝杠经另一相应的螺母型承托连接结构以动配合方式连接于另一滚珠丝杠上，即，其间相互运动关系是：可在平面内任意移动的工作台相对于整个装置体及直接与其作动配合连接的滚珠丝杠分别为绝对运动和相对运动；以动配合连接在固定设置于装置上而相对静止的另一滚珠丝杠上的上述位置可动的滚珠丝杠与该静止的另一丝杠之间为牵连运动的关系，就是可以实际采用的具体结构形式之一。

本发明上述激光共聚焦生物芯片扫描装置的基本工作原理为：由激光发生器发射出的激光束经带有第一窄带干涉滤光结构的透镜组结构，滤除了不需要的其它波长的光，以降低检测背景后，即可得到选定的所需波长的激光并经所说的二色镜向所说的激光聚焦透镜结构方向反射，通过该激光聚焦透镜结构被聚焦于位于工作台承托工作平面上的待检测生物芯片上。被聚焦后的激光光斑范围一般可为几微米到几十微米。标记有荧光染料的靶分子在激光激发下即可产生激发荧光，该激发荧光通过该激光聚焦透镜结构变为平行光后，可进一步透射通过该二色镜，再经反光结构和其反射光路上设置的第二窄带干涉滤光结构，得到滤除了除发射荧光以外的其它光后，再被聚焦透镜结构聚焦于共聚焦光阑上。该光阑的小孔与待测生物芯片表面的激光聚焦点可构成一对共焦点。光阑的小孔很小，其目的是使正确聚焦在芯片上的激光所激发的荧光聚焦后能通过该光阑的小孔，而芯片下的基体及芯片上方的灰尘所产生的荧光或杂散光虽经聚焦也不能通过该光阑的小孔，从而可以提高检测信号的信噪比。通过光阑的光再经其后设置的可实现光电转换的光电倍增管等结构转换成电信号并被放大输出。该输出的电信号即为对被检测生物芯片上的一个点的检测结果。通过使工作台在其所在的二维平面内的规律移动，即可完成对生物芯片上全部样品点的扫读检测。对这些经光电转换后输出的电信号可由计算机采用适当形式的处理程序或软件进行分析处理，得到检测分析的结果，也可以将此处理信号作为驱动或调整工作台运动的反馈驱动信号，或是用作其它后续程序的控制或执行信号。上述装置中使所说工作台移动的驱动电机及相应机械运动结构的操纵和控制，也可以通过计算机及相应的控制程序实现，并且可以根据实际条件和需要而定，无需特别限定和强求一致。

由于本发明上述装置采用激光作为激发光源，经光电倍增结构进行检测结果的输出，因而具有较高的灵敏度，可以检测每平方微米零点几个荧光分子。由于生物芯片荧光斑点的明暗动态范围较宽，因此采用具有较宽的光电响应动态范围的光电倍增结构，可以使其动态范围达到2¹⁶，即16位。激光经聚焦后产生的光斑极小，因此能具有很高的分辨率，可达到8-50微米。由于其重复扫描的精度主要受工作台的二维平面内移动距离的精度影响，因此建议采用上述能具有很高控制精度的步进电机和滚珠丝杠配合的结构形式。经试验，本发明上述装置对生物芯片完成一次扫读的时间一般可为8分钟。

以下通过附图所示的实施例对本发明的上述内容作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述的实例。凡基于本发明上述主题所实现的产品均属于本发明的范围。

图1是本发明激光共聚焦生物芯片扫描装置的结构示意图。

在如图所示的该激光共聚焦生物芯片扫描装置中，在装置基架上设置有一由步进电机1驱动X向滚珠丝杠2，经其上配合的螺母型承托连接结构连接有另一可在其上作往复运动并与其呈垂直状的由另一步进电机驱动的Y向滚珠丝杠5。在Y向滚珠丝杠5上经另一螺母型承托连接结构以动配合方式连接有一具有可承托生物芯片4的工作平面的工作台3，其承托工作平面与由X向和Y向滚珠丝杠所构成的平面相平行。在分别与两滚珠丝杠相适应的部位处还各设置有由相应处理电路操纵用于控制各丝杠上的动配合部件精确移动的光栅尺定位结构20，以使该工作台3的承托工作平面能实现在其所在的平面范围内被精确定位的任意移动。在所说该工作台3承托工作平面可移动范围内的垂直方向上，设置有激光聚焦透镜结构9，并使其聚焦点位于在工作台3上所承托的生物芯片4处；在其光轴方向另一侧的位置处设置有一个具有能使荧光光波透射通过且同时可使激光光波被反射的二色镜10。在二色镜10反射光路的另一侧设置有激光发生器6及带有第一窄带干涉滤光结构8的透镜组结构7。在该激光聚焦透镜结构9光轴方向上位于二色镜10另一侧的位置处，设置有另一反光结构11，在其反射光路上依次设置有第二窄带干涉滤光结构12、聚焦透镜结构13和具有小孔结构的共聚焦光阑14。在共聚焦光阑14后的光路处方设置有可对通过共聚焦光阑14的荧光进行光电转换的光电倍增管结构15，并由其将转换后的电信号输出。该输出的电信号一般可经常规的放大电路16和A/D转换电路17而送入计算机系统18进行分析和处理，得到检测结果。该处理结果也可以作为反馈控制信号，并与其它形式的控制信号经适当形式的光栅尺控制电路22，23，以及电机控制电路19，21，用于控制和/或调整相应的步进电机通过相应滚珠丝杠使工作台3所需要的移动，以完成激光对生物基因检测芯片4的扫读。

Claims (2)

1.激光共聚焦生物芯片扫描装置，其特征在于有一具有可承托生物基因检测芯片(4)的承托工作平面且能在其承托工作平面所在的平面范围内移动的工作台(3)，在与其承托工作平面相垂直的方向上设置有激光聚焦透镜结构(9)，其光轴方向的另一侧设置有一能使荧光光波透射通过且又能将来自激光发生器(6)并经带有第一窄带干涉滤光结构(8)的透镜组结构(7)传来的激光束向所说的激光聚焦透镜结构(9)反射的二色镜(10)，在该激光聚焦透镜结构(9)光轴方向上位于二色镜(10)另一侧的位置处设置有一反光结构(11)，在其反射光路上依次设置有第二窄带干涉滤光结构(12)、聚焦透镜结构(13)和共聚焦光阑(14)，并在共聚焦光阑(14)后方光路上设置有可实现对通过共聚焦光阑(14)的光进行光电转换的光电倍增结构(15)，并由其将转换后的电信号输出。

2.如权利要求1所述的激光共聚焦生物芯片扫描装置，其特征在于在与所说的工作台(3)的承托工作平面相平行的平面内设置有以相互垂直状设置有由各自的步进电机驱动转动的第一滚珠丝杠(2)和第二滚珠丝杠(5)，所说的工作台(3)经相应的螺母型承托连接结构以动配合方式连接在其中的一滚珠丝杠上，该滚珠丝杠经另一相应的螺母型承托连接结构以动配合方式连接于另一滚珠丝杠上。

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