CN1431320A

CN1431320A - 低密度生物芯片检测方法及系统

Info

Publication number: CN1431320A
Application number: CN 03112771
Authority: CN
Inventors: 王红; 肖鹏峰; 刘全俊; 陆祖宏
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-01-28
Filing date: 2003-01-28
Publication date: 2003-07-23

Abstract

本发明低密度生物芯片检测方法及系统所涉及的是一种快速检测生物芯片中荧光信号的系统及方法。结构包括激发光系统、荧光信号收集系统和信号检测系统，激发光系统由光源及控制电源、红外滤色片、透镜组构成：荧光信号收集系统由光纤组、光纤固定装置、隔离激发光的滤镜、光纤组平面移动装置组成；信号检测系统由光电转换装置、信号放大器、计算机组成。方法包括(a)采用光导纤维接收芯片上的信号；(b)用适当的光电转换装置将光导纤维传输的光信号转化电信号，并用放大器将电信号放大输出；(c)用隔离激发光的滤镜和/或使用光纤组与被测生物芯片成一定夹角来阻止光源激的光进入检测器；(d)根据电信号的大小判断芯片上点的特性。

Description

低密度生物芯片检测方法及系统

技术领域

本发明低密度生物芯片检测方法及系统所涉及的是一种快速检测生物芯片中荧光信号的系统及方法，具体说是一种采用光导纤维接收芯片上的光学信号，然后用光电放大器将光导纤维传输的光学信号转化为电信号，根据电信号的大小判断芯片上点的性质。

背景技术

生物芯片是通过微加工技术把成千上万乃至几十万个生命信息集成在一个很小的芯片上，达到对基因、抗原和活体细胞等进行分析和检测的目的。与各种传统仪器和生化分析仪相比较具有体积小、重量轻、便于携带、无污染、分析过程自动化、分析速度快、所需样品和试剂少等优点，是90年代初期发展起来的一门新兴技术。生物芯片现已成为各国学术界和工业界所瞩目的一个研究热点。科学家预言它将给生命科学研究、疾病诊断、新药开发、生物武器战争、司法鉴定、食品卫生监督、航空航天等领域带来一场革命。因此，我国已将生物芯片技术列为国家高技术研究发展计划。

用于获取生物芯片上的信号扫描仪有多种形式，通常有两种方法，电感耦合照相法(CCD)和共聚焦法。但不管哪种形式，必须由以下几部分构成：激光光源，发射光收集器，发射光和激发光分离装置及光电转换检测器。CCD法是采用照相技术将芯片上的信号点一次成像并转变成电信号，这种方法简便快速，但有如下缺点：(1)灵敏度不够高；(2)背景较高，如要降低背景，则需采用价格昂贵的冷却CCD；(3)芯片上各样品点之间会因光散射产生交互影响。

共聚焦法是首先将激发光聚焦成一点照射到芯片上，然后收集该点产生的发射光，并聚焦到检测器。为了检测芯片全部区域，需要一个机械装置来完成扫描。通常采用扫描光束，或移动样品，或将两者组合在一起。与CCD法相比，扫描法较复杂，但具有很高的灵敏度和空间选择性，非常适用于检测信号强度很弱的生物芯片。

以上两种检测方法已被广泛用于高密度生物芯片的检测中，但随着后基因组计划的进行，与疾病相关的功能基因和功能蛋白已渐渐被揭示。经初步研究表明，人类基因的总数在3万～4万左右，对某种特定疾病如肿瘤或心血管疾病来说，与之相关的基因数大都不会超过100种，所以采用低密度生物芯片可以满足临床常规用疾病相关基因的检测。可以预见，密度为100左右的专用生物芯片将是以后临床上使用的主体。

目前生物芯片的使用受到一定程度限制，主要原因是检测仪价格昂贵，相反生物芯片本身的价格却很低，因此研制一种适合于低密度生物芯片检测的低价格芯片检测系统十分必要，具有较大的市场前景。

发明内容

鉴于目前生物芯片检测系统十分昂贵，本专利申请旨在研究一种成本低、适用于检测低密度生物芯片荧光信号的方法。

技术方案

一种低密度生物芯片检测系统，其特征在于结构包括激发光系统、荧光信号收集系统和信号检测系统，激发光系统由光源及控制电源、红外滤色片、透镜组构成，光源出口处装有红外滤色片，在红外滤色片与被检测生物芯片之间装有透镜组：荧光信号收集系统由光纤组、光纤固定装置、隔离激发光的滤镜、光纤组平面移动装置组成，光纤组的一端固定在被测生物芯片的背面，另一端固定在光纤组平面移动装置上，隔离激发光的滤镜装置在光纤组的任一端；信号检测系统由光电转换装置、信号放大器、计算机组成，光电转换装置设置在光纤组平面移动装置的光纤导入口的另一侧。

一种低密度生物芯片检测方法，具有如下特征：(a)采用光导纤维接收芯片上的信号；(b)用光电转换装置将光导纤维传输的光信号转化电信号，并用放大器将电信号放大输出；(c)用隔离激发光的滤镜和/或使用光纤组与被测生物芯片成一定夹角来阻止光源激的光进入检测器；(d)根据电信号的大小判断芯片上点的特性。

低密度生物芯片是指在玻璃片、塑料片、有机薄膜、琼脂糖凝胶片等表面固定有DNA分子、蛋白质分子或多糖分子的透明薄片，且芯片上点的大小与所使用的光导纤维束中每根光导纤维的直径相匹配。

光电转换装置指光电倍增管或者是光电耦合器CCD。光导纤维束是指将光导纤维按一定序列排成一束，并编成号，每根光导纤维对应于芯片上的一个点。芯片可以是一块完整的芯片，也可以是由数个小片拼组而成的“马赛克”芯片。

其关键技术是用光导纤维束将芯片上产生的荧光信号收集到光电信增管表面并转化成电信号。每根光导纤维对应于芯片上一个点，将各光导纤维按照一定次序排列编号，并固定在一平面移动装置上，通过操纵移动装置使每根光导纤维快速经过光电倍增管的表面，并检测荧光信号的强弱。其测定原理如图1所示。

技术效果

由于采用面光源，所以生物芯片上各点同时被激发，所产生的发射光同时被与芯片各点相对应的光导纤维收集。与共聚焦和CCD法相比，灵敏度可能会下降，但对于低密度芯片尤其是“马赛克”芯片来说，点的面积很大，其直径在毫米级，信号强度比高密度生物芯片强2到4个数量级，所以本专利的光导纤维测定法用于低密度生物芯片的检测时不会出现灵敏度降低的现象。

附图说明

图1用光导纤维收集芯片荧光信号原理图

图2光导纤维法检测“马赛克”基因芯片的示意图

图中1为激光发源汞弧灯，2是隔热滤色片，3平凸透镜，4和5是平凸柱面镜，6为生物芯片，7是隔离激发光的滤镜，8是固定装置，9为光导纤维束，10平面移动装置，11针孔，12光电转换装置，13电信号经放大器，14是计算机，15是可视图像。

具体实施方式

参照附图对本发明进行说明：

一种低密度生物芯片检测系统，其特征在于结构包括激发光系统、荧光信号收集系统和信号检测系统，激发光系统由光源1及控制电源、红外滤色片2、透镜组构成。透镜组包括平凸透镜3，平凸柱面镜4及平凸柱面镜5。光源出口处装有红外滤色片2，在红外滤色片2与被检测生物芯片6之间装有透镜组：荧光信号收集系统由光纤组9、光纤固定装置8、隔离激发光的滤镜7、光纤组平面移动装置10，光纤组的一端固定在被测生物芯片6的背面，另一端固定在光纤组平面移动装置10上，隔离激发光的滤镜装置7在光纤组的任一端；信号检测系统由光电转换装置12、信号放大器、计算机14组成，光电转换装置12设置在光纤组平面移动装置的光纤导入口的另一侧。

一种低密度生物芯片检测方法，具有如下特征：(a)采用光导纤维接收芯片上的信号；(b)用适当的光电转换装置将光导纤维传输的光信号转化电信号，并用放大器将电信号放大输出；(c)用隔离激发光的滤镜和/或使用光纤组与被测生物芯片成一定夹角来阻止光源激的光进入检测器；(d)根据电信号的大小判断芯片上点的特性。

以汞弧灯1为激光发源，用隔热装置2将1产生的红外线过滤掉，经过平凸透镜3，平凸柱面镜4及平凸柱面镜5将激发光线照射到“马赛克”生物芯片6上，其中4和5相互垂直，目的是产生可同时照射到芯片表面上的面激发光源。芯片6上的样品点在激发光的激发下产生荧光，由固定装置8上的光导纤维束9收集荧光信号，光纤组9与芯片6成45度角，采用一个平面移动装置10将光纤组9分散并按一定序列固定住，移动平面移动装置10，使芯片表面点的发射光线依次经过针孔11照射到光电转换装置12上，由光电转换装置12产生的电信号经放大器13放大成可被计算机14接收的电信号，最后由计算机14将数据处理成可视图像15。实施例一：一种可用于“马赛克”基因芯片的检测系统

“马赛克”基因芯片是将含有不同DNA探针的微小芯片组合成普通载波片大小的芯片，各微小芯片的面积大小在毫米级。通常“马赛克”基因芯片的点密度不会超过96。本实施例以48点阵(6×4)为例，阐述采用光导纤维法检测该类芯片的方法原理。

如图2所示，以汞弧灯1为激光发源，用隔热装置2将1产生的红外线过滤掉，经过平凸透镜3，平凸柱面镜4及平凸柱面镜5将激发光线照射到“马赛克”生物芯片6上，其中4和5相互垂直，目的是产生可同时照射到芯片表面上的面激发光源。芯片6上的样品点在激发光的激发下产生荧光，经滤镜7将激发光过滤掉，光导纤维束9与滤镜7紧密接触。采用固定装置8将各光导纤维固定，为了将光导纤维9中的信号传输到光电转换装置12，采用一个平面移动装置10将光导纤维9分散并按一定序列固定住，移动平面移动装置10，使芯片表面点的发射光线依次经过针孔11照射到光电转换装置12上，由光电转换装置12产生的电信号经放大器13放大成可被计算机14接收的电信号，最后由14将数据处理成可视图像15。实施例二：一种可用于蛋白质芯片的检测系统

随着蛋白质功能研究工作的深入，尤其是与疾病相关的蛋白标志物的出现，使得在芯片上通过检测蛋白质标志物来完成多种疾病的快速诊断成为可能。本实施例的目的是阐述本发明的方法在蛋白质生物芯片中的应用。其测定原理如图1所示。在本例中，激发光与光导纤维成垂直角度，以避免激发光进入光导纤维。由于滤光片的价格较贵，所以采用本例的设计方案后，不需在蛋白芯片6后置滤光片。

具体方法为：同样以汞弧灯1为激光发源，用隔热装置2将1产生的红外线过滤掉，经过平凸透镜3，平凸柱面镜4及平凸柱面镜5将激发光线照射到“马赛克”生物芯片6上，其中4和5相互垂直，目的是产生可同时照射到芯片表面上的面激发光源。芯片6上的样品点在激发光的激发下产生荧光，由固定装置8上的光导纤维束9收集荧光信号，光导纤维9与芯片6成45度角，采用一个平面移动装置10将9分散并按一定序列固定住，移动10，使芯片表面点的发射光线依次经过针孔11照射到光电转换装置12上，由12产生的电信号经放大器13放大成可被计算机14接收的电信号，最后由14将数据处理成可视图像15。

Claims

1.一种低密度生物芯片检测系统，其特征在于结构包括激发光系统、荧光信号收集系统和信号检测系统，激发光系统由光源及控制电源、红外滤色片、透镜组构成，光源出口处装有红外滤色片，在红外滤色片与被检测生物芯片之间装有透镜组：荧光信号收集系统由光纤组、光纤固定装置、隔离激发光的滤镜、光纤组平面移动装置组成，光纤组的一端固定在被测生物芯片的背面，另一端固定在光纤组平面移动装置上，隔离激发光的滤镜装置在光纤组的任一端；信号检测系统由光电转换装置、信号放大器、计算机组成，光电转换装置设置在光纤组平面移动装置的光纤导入口的另一侧。

2.一种低密度生物芯片检测方法，其特征在于：(a)采用光导纤维接收芯片上的信号；(b)用光电转换装置将光导纤维传输的光信号转化电信号，并用放大器将电信号放大输出；(c)用隔离激发光的滤镜和/或使用光纤组与被测生物芯片成一定夹角来阻止光源激的光进入检测器；(d)根据电信号的大小判断芯片上点的特性。

3.根据权利要求2中所述的低密度生物芯片检测方法，其特征在于低密度生物芯片是指在玻璃片、塑料片、有机薄膜、琼脂糖凝胶片等表面固定有DNA分子、蛋白质分子或多糖分子的透明薄片，且芯片上点的大小与所使用的光导纤维束中每根光导纤维的直径相匹配。

4.根据权利要求1或2所述的低密度生物芯片检测方法，其特征在于光电转换装置指光电倍增管或者是光电耦合器CCD。

5.根据权利要求2中的低密度生物芯片检测方法，其特征在于光导纤维束是指将光导纤维按一定序列排成一束，并编成号，每根光导纤维对应于芯片上的一个点。

6.根据权利要求2所述的低密度生物芯片检测方法，其特征在于芯片可以是一块完整的芯片，也可以是由数个小片拼组而成的“马赛克”芯片。