CN1987430B - 集成式多功能芯片仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成式多功能芯片仪，包括光电检测模块、高压电源模块、温度加热控制模块和系统控制模块。光电检测模块：由行走微型工作平台，光学光路，芯片托架和高压电极托架组成。沿激光束方向依次设有第一透镜组、第一滤光片、第二透镜组、半透半反镜，该半透半反镜与激光束成45°放置，该半透半反镜的反射光束方向上设有放置芯片托架，由微流控芯片反射的激发荧光光束透过半透半反镜后进入对该透射光方向有切换开关的反射镜和CCD探测器，反射镜的反射光路上依次设有第二滤光片，第三透镜组，光阑和光电倍增管。它具有在芯片上进行PCR扩增；在芯片上进行芯片电泳，实现DNA片段分离；对芯片进行共聚焦激光诱导荧光扫描等功能。

Description

集成式多功能芯片仪 

技术领域

本发明涉及生命科学、医学、分析化学领域的一种芯片仪，尤其是一种同时具备PCR扩增、分离分析、激光共聚焦荧光扫描等功能的集成式仪。 

背景技术

生物芯片是近年来高新技术领域中极具时代特征的产物，属于分子生物学、物理学和微电子学等学科综合交叉领域。生物芯片被广泛应用在生命科学、医学、环境监测、食品工业、科学研究、生物传感器等领域，对这些领域中的各种生物化学反应过程进行集成，从而实现对生物大分子、蛋白质、微生物等生物活性物质进行高效快捷的检测和分析。 

目前，生物芯片虽然在各个领域具有广泛的应用前景，但是在每个领域的不同检测阶段需要用到不同的检测仪器，而且有些仪器对芯片有特殊要求。 

现有的芯片仪器有：芯片PCR仪、激光诱导荧光扫描仪、芯片电泳仪等。 

国内生命科学领域常用的PCR仪产品有美国ABI公司，美国惠泽公司，美国Bio-Rad公司，英国TECHNE公司等的系列梯度PCR、定量PCR、原位PCR仪等。这些PCR仪均采用半导体控温原理，配备多种规格的孔板。 一般主要针对试管里进行的PCR，应用于芯片上进行的PCR则效率较低。操作界面主要以面板和触摸方式为主。 

激光诱导荧光扫描装置有加拿大Albert公司生产的微流控芯片分析仪、安吉伦公司生产的2100型生物分析仪等，其基本原理是激光器产生的激光经过一个滤光片变成近似单色光；此单色光经过半透半反镜然后经物镜照射到芯片的微管道中；管道中的荧光物质在激光的照射下获得能量后激发出一定波长的荧光。然后，激发的荧光再经过物镜、半透半反镜，透射后经滤光片将非激发光波长的光过滤掉，激发光再经光阑由光电倍增管收集，经放大后将光信号转变成电信号，经由计算机处理。这些激光诱导荧光扫描装置在做芯片电泳时有的需要特定的芯片，不具备通用性。而且操作过程依赖于上位机完成。 

为科学研究的目的，Motorola公司设计了集成加热和温控元件的集PCR扩增、DNA杂交等功能于一体的一次性使用的芯片装置；也有集成加热、温控和检测电极的集PCR扩增和检测功能于一体的芯片装置。 

总之，在芯片上完成这些常规操作时，需要用到不同的仪器，除了这些仪器本身的不足外，这些仪器往往要求特定的芯片。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种集成式多功能芯片仪，该芯片仪同时具备在芯片上进行PCR扩增；在芯片上进行芯片电泳，实现DNA片段分离；对芯片进行共聚焦激光诱导荧光扫描等功能。 

本发明还提供一种用于这种集成多功能芯片仪的信息处理系统。 

本发明的技术解决方案如下： 

一种集成式多功能芯片仪，包括光电检测模块、高压电源模块、温度加热控制模块和系统控制模块。 

(1)光电检测模块：由X-Y轴行走微型工作平台，光学光路，芯片托架和高压电极托架组成； 

其中：所述光学光路：沿激光束方向同轴地依次设有第一透镜组、第一滤光片、第二透镜组、半透半反镜，该半透半反镜与激光束成45°放置，在该半透半反镜的反射光束方向上是物镜组和供微流控芯片放置的芯片托架，由微流控芯片反射的激发荧光光束透过所述半透半反镜后进入具有切换开关的反射镜，在所述反射镜的反射光路上依次设有第二滤光片，第三透镜组，光阑和光电倍增管PMT； 

芯片托架通过芯片支架固定在X-Y轴行走微型工作平台上，高压电极托架位于芯片托架上面，并通过滑轴和电极支架固定，高压电极托架上固定有四根经由高压电源模块输出的高压电极； 

(2)系统控制模块由PMT信号放大输出单元，微型工作平台控制单元，激光电源、CCD电源组成； 

其中：所述PMT信号放大输出单元将PMT光电检测信号放大显示并输出到12位A/D，进行转换后送入单片机89C51进行运算，并与上位机通讯连接； 

所述微型工作平台控制单元：X，Y轴手动信号经单片机后分别通过X，Y轴驱动电路控制X，Y轴电机，单片机与上位机通讯连接； 

(3)高压电源模块由0-10000V高压电源、高压检测控制及手动调节电路组成； 

手动工作时，单片机发出接通指令，高压继电器接通，高压输出至电极；自动工作时，单片机通过RS232口接收上位机指令，由D/A转换器输出0-5V信号给高压电源，高压电源输出则0-10000V变化，单片机按上位机信号发出继电信号给高压继电器，高压电压输出至电极，另外，高压电压检测通过12位A/D转换器至单片机与高压设定信号进行比较，判断高压电压值是否正确，并将电压值送至上位机； 

(4)温度加热控制模块由三个加热电炉、三个温度控制仪表、步进电机控制电路和快速切换机械机构以及接口电路构成； 

其中：所述温度控制仪表接收Pt100铂电阻温度检测信号或上位机给定的温度设定值指令后通过双向可控硅控制加热电炉温度； 

所述步进电机控制电路及快速切换机构：单片机接收手动按键或上位机行走指令后发出行走指令给驱动放大电路，驱动电路输出节拍脉冲信号控制步进电机，按三个温区段快速行走。 

光学光路中的光源是是可调波长的激光光源；物镜组与其支架通过螺纹连接，并通过手动旋转螺纹，调节物镜组的焦距；反射镜的切换开关为绕轴旋转拨动开关，通过切换开关实现反射镜的切换。 

X-Y轴行走微型工作平台的移动精度大于1μm；滑轴1能沿纵向支架1在垂直方向滑动，用于调整高压电极托架的垂直位置。 

CCD探测器用于观察芯片的位置。光电检测模块、高压电源模块、温度加热控制模块和系统控制模块由RS485接口信号经RS485-RS232转换器转换后，通过串口与上位机通信。 

本发明与现有技术相比，具有在芯片上进行PCR扩增；在芯片上进行 芯片电泳，实现DNA片段分离；对芯片进行共聚焦激光诱导荧光扫描等功能。解决了现有技术在芯片上完成这些常规操作时，需要用到不同的仪器，除了这些仪器本身的不足外，这些仪器往往要求特定的芯片。 

附图说明

图1是光电检测模块中的光路示意图； 

图2是光电检测模块示意图； 

图3是PMT放大电路框图； 

图4是高压电源框图； 

图5是加热器和温度仪表的连接框图； 

图6是步进电机控制电路及快速切换机构框图； 

图7是本发明各部分与上位机的连接图。 

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的描述。 

本发明提供的集成式多功能芯片仪，包括光电检测模块、高压电源模块、温度加热控制模块和系统控制模块。 

1、光电检测模块：(图2) 

由X-Y轴行走微型工作平台10，光学光路20，芯片托架2和高压电极托架1组成。 

(1)光学光路(参见图1)：沿激光束101方向同轴地依次设有第一透镜组102、第一滤光片103、第二透镜组104、半透半反镜105，该半透半反镜105与上述光束成45°放置，在该半透半反镜105的反射光束方向是物镜组106和供微流控芯片放置的芯片托架2，由微流控芯片反射的激发荧光 光束透过所述半透半反镜105对该透射光方向是具有切换开关的反射镜107和CCD探测器112，在所述反射镜107的反射光路上依次是第二滤光片108，第三透镜组109，光阑110和光电倍增管(PMT)111。 

光学光路20中的光源是可以根据需要更换不同波长的激光光源。 

光学光路20中的物镜组106与其支架通过螺纹连接，通过手动螺纹旋转，以调节物镜组106的焦距。 

光学光路20中的反射镜107的转换开关为绕轴旋转拨动开关，可将反射镜移入、移出光路，实现反射镜107的切换。 

光学光路20中的光阑110的光阑孔径是可根据需要进行调整。 

(2)芯片托架2固定在X-Y轴行走微型工作平台10上，该平台10可沿X轴和Y轴移动。X-Y轴行走微型工作平台10的移动精度优于1μm。 

滑轴3能沿纵向支架4在垂直方向滑动，以调整高压电极托架1的垂直位置； 

高压电极托架1上固定有四根经由高压电源模块输出的高压电极； 

CCD探测器112用于观察芯片的位置。 

2、系统控制模块 

系统控制模块分别由光电倍增管(PMT)111信号放大输出单元，微型工作平台10控制单元，激光电源101、CCD电源组成。 

本发明的RS485接口信号经RS485-RS232转换器转换后，通过串口与上位机通信。 

a.PMT信号放大输出单元(图3) 

调节手动电位器，就可以调节负高压电源的电压输出，并由31/2表 头显示所需的电压值，此时PMT受到负高压加载，调零电位器调节使放大器PMT在最小暗电流输出时，放大电路输出为零，并由31/2表头显示，当有PMT信号输入时，放大器将按一定比例放大显示并输出到12位A/D，进行转换后送入单片机89C51进行运算，由RS485接口与上位机连接通讯。 

b.微型工作平台2控制单元 

按动手动按键，单片机发出行走指令给驱动放大电路，驱动电路输出一定节拍的脉冲信号控制步进电机行走，当上位机发出行走指令时，手动按键无效，一切按上位机行走指令执行。 

打开激光电源开关输出220V电压给光电检测柜里的激光光源。 

打开CCD电源开关输出220V电压给光电检测柜里的CCD。 

3、高压电源模块(图4) 

分别由0-10000V高压电源、高压检测控制及手动调节电路组成。 

按“手动/自动”选择按键，选择手动工作时，调节手动多圈电位器，高压电源可以由低到高上升，或由高到低下降，单片机发出接通指令，高压继电器接通，高压输出至电极。选择自动工作时，单片机通过RS232口接收上位机指令，由D/A转换器输出0-5V信号给高压电源，高压电源输出则0-10000V变化，单片机还按上位机信号发出“接通”、“悬空”、“接地”三种继电信号给高压继电器工作，高压电压输出至电极，另外，高压电压检测通过12位A/D转换器至单片机与高压设定信号进行比较，判断高压电压值是否正确，并将电压值送至上位机。 

4、温度加热模块 

温度加热模块分别由三个加热电炉、三个温度控制仪表、步进电机控 制电路和快速切换机械机构组成以及接口电路构成。 

图5所示，温度控制仪表接收Pt100铂电阻温度检测信号进行温度控制，仪表可以按常规数字设定温度控制，也可以按上位机指令给定的温度设定值。 

b.步进电机控制电路及快速切换机构(图6) 

按动手动按键，单片机发出行走指令给驱动放大电路，驱动电路输出一定节拍脉冲信号控制步进电机，按三个温区段快速行走，当上位机发出行走指令时，手动按键无效，一切按上位机行走指令执行。 

如图7所示，本发明的光电检测模块、高压电源模块、温度加热控制模块和系统控制模块由RS485接口信号经RS485-RS232转换器转换后，通过串口与上位机通信。 

本发明工作过程： 

1、对芯片进行共聚焦激光诱导荧光扫描和芯片电泳 

(1)打开光电检测柜上盖，将芯片放入芯片检测托架高压电极插入高压电极托架； 

(2)调整好电极与芯片的距离，调节好光学目镜与芯片的间距； 

(3)盖上盖，接通仪器设备电源。分别打开PMT电源开关、激光电源开关、CCD电源开关、平台电源开关； 

(4)手动调节或上位机指令调整X-Y轴微型工作平台的位置，将检测点对准光学目镜； 

(5)调整好检测所需PMT负高压电压值、PMT的输出信号零和放大倍数； 

(6)打开0-10000V高压电源； 

(7)通过上位机程序设置各高压电极状态、高压值和持续时间； 

(8)发出执行指令，实现激光诱导荧光检测和芯片电泳。 

2、在芯片上进行PCR反应 

(1)将含有PCR反应物和底物的芯片放入第一个温区； 

(2)通过上位机程序设置各个温区的温度和持续的时间； 

(3)发出执行指令，实现PCR反应。 

Claims (8)

1.一种集成式多功能芯片仪，包括光电检测模块、高压电源模块、温度加热控制模块和系统控制模块，其特征在于：

所述光电检测模块：由X-Y轴行走微型工作平台(10)，光学光路(20)，芯片托架(2)和高压电极托架(1)组成；

其中：所述光学光路(20)：沿激光束方向同轴地依次设有第一透镜组(102)、第一滤光片(103)、第二透镜组(104)、半透半反镜(105)，该半透半反镜(105)与激光束(101)成45°放置，在该半透半反镜(105)的反射光束方向上是物镜组(106)和供微流控芯片放置的芯片托架(2)，由微流控芯片反射的激发荧光光束透过所述半透半反镜(105)后进入具有切换开关的反射镜(107)，在所述反射镜(107)的反射光路上依次设有第二滤光片(108)，第三透镜组(109)，光阑(110)和光电倍增管PMT(111)；在所述反射镜(107)的透射光路上设置CCD探测器(112)；所述的反射镜(107)的切换开关可将反射镜移入、移出光路，实现反射镜(107)的切换；所述的CCD探测器(112)用于观察芯片的位置；

所述芯片托架(2)通过芯片支架(5)固定在X-Y轴行走微型工作平台(10)上，高压电极托架(1)位于芯片托架(2)上面，并通过滑轴(3)和电极支架(4)固定，高压电极托架(1)上固定有四根经由高压电源模块输出的高压电极；

所述系统控制模块由光电倍增管PMT信号放大输出单元，微型工作平台控制单元，激光电源、CCD电源组成；

其中：所述光电倍增管PMT信号放大输出单元将PMT光电检测信号放大显示并输出到12位A/D，进行转换后送入单片机89C51进行运算，并与上位机通讯连接；

所述微型工作平台控制单元：X，Y轴手动信号经单片机后分别通过X，Y轴驱动电路控制X，Y轴电机，单片机与上位机通讯连接；

所述高压电源模块由0-10000V高压电源、高压检测控制及手动调节电路组成；

手动工作时，单片机发出接通指令，高压继电器接通，高压输出至电极；自动工作时，单片机通过RS232口接收上位机指令，由D/A转换器输出0-5V信号给高压电源，高压电源输出则0-10000V变化，单片机按上位机信号发出继电信号给高压继电器，高压电压输出至电极，另外，高压电压检测通过12位A/D转换器至单片机与高压设定信号进行比较，判断高压电压值是否正确，并将电压值送至上位机；

所述温度加热控制模块由三个加热电炉、三个温度控制仪表、步进电机控制电路和快速切换机械机构以及接口电路构成；

其中：所述温度控制仪表接收Pt100铂电阻温度检测信号或上位机给定的温度设定值指令后通过双向可控硅控制加热电炉温度；

所述步进电机控制电路及快速切换机构：单片机接收手动按键或上位机行走指令后发出行走指令给驱动放大电路，驱动电路输出节拍脉冲信号控制步进电机，按三个温区段快速行走。

2.根据权利要求1所述的集成式多功能芯片仪，其特征在于，所述光学光路(20)中的光源(101)是可调波长的激光光源。

3.根据权利要求1所述的集成式多功能芯片仪，其特征在于，所述光学光路(20)中的物镜组(106)与其支架通过螺纹连接，并通过手动旋转螺纹，调节物镜组(106)的焦距。

4.根据权利要求1所述的集成式多功能芯片仪，其特征在于，所述光学光路(20)中的反射镜(107)的切换开关为绕轴旋转拨动开关，通过切换开关实现反射镜(107)的切换。

5.根据权利要求1所述的集成式多功能芯片仪，其特征在于，所述X-Y轴行走微型工作平台(10)的移动精度大于1μm。

6.根据权利要求1所述的集成式多功能芯片仪，其特征在于，所述滑轴(3)能沿电极支架(4)在垂直方向滑动，用于调整高压电极托架(1)的垂直位置。

7.根据权利要求1所述的集成式多功能芯片仪，其特征在于，所述的CCD探测器(112)用于观察芯片的位置。

8.根据权利要求1所述的集成式多功能芯片仪，其特征在于，所述光电检测模块、高压电源模块、温度加热控制模块和系统控制模块由RS485接口信号经RS485-RS232转换器转换后，通过串口与上位机通信。

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