CN210134113U

CN210134113U - 一种高通量芯片扫描系统

Info

Publication number: CN210134113U
Application number: CN201920575840.9U
Authority: CN
Inventors: 周连群; 朱文艳; 张芷齐; 李金泽; 郭振; 姚佳; 高旭; 李树力
Original assignee: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Priority date: 2019-04-25
Filing date: 2019-04-25
Publication date: 2020-03-10
Anticipated expiration: 2029-04-25

Abstract

本实用新型提供一种高通量芯片扫描系统，包括至少一个激光器，二维振镜系统及光源收集机构。二维振镜系统包括第一驱动器、第一振镜、第二驱动器和第二振镜，激光器的出光面与第一振镜的第一反射面相对布置；第二振镜的第二反射面与第一反射面相对布置且接收第一反射面反射出的光；第二振镜反射出的光形成扫描光源。第一驱动器驱动第一振镜转动的同时第二驱动器驱动第二振镜转动，振镜转动使激光光路产生运动，激光照射到样品上的X向和Y向的位置发生变化，样品上的染色剂受激光激发产生荧光，产生的荧光被光源收集机构收集；二维振镜在X向扫描的同时实现Y向扫描，无需移动样品，即可完成单通道样品的扫描，节省了移动样品的时间，扫描速度快。

Description

一种高通量芯片扫描系统

技术领域

本实用新型涉及生物医学设备技术领域，具体涉及一种高通量芯片扫描系统。

背景技术

基于生物芯片的检测技术已经在生命科学领域得到极大地应用，同时对生物芯片一次扫描可检测的样品量及一次扫描可检测的样品种类提出了新的要求，一次只检测单个分子或单个细胞已无法满足需求，而多通道的高通量芯片在提高检测样品量的同时，也为多样品或多目标的检测提供了新的可能，也对高通量芯片的扫描系统也提出了新的要求。

中国专利文献CN105039147A公开了一种高通量基因测序碱基荧光图像捕获系统，该荧光图像捕获系统由红、绿激光器发出特定波长的光，不同颜色的光束经光源调节模块调节后光路重合，重合后的激光束一起被振镜反射至位于基因芯片下表面的偏振分光棱镜上，然后光束再由偏振分光棱镜反射至基因芯片的下表面，由驱动器带动振镜转动调整其角度实现X向扫描；偏振分光棱镜位于导轨上，步进电机连接导轨带动偏振分光棱镜沿Y 向移动，实现Y向扫描。

但是上述的荧光图像扫描系统，由于振镜为单轴振镜，振镜只能实现X 向扫描，X向扫描完成后，需要步进电机带动偏振分光棱镜沿Y向移动，实现Y向扫描；移动偏振分光棱镜增加了扫描样品所需的总时间，导致扫描速度慢。

实用新型内容

因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中高通量芯片扫描速度慢的缺陷。

为此，本实用新型提供一种高通量芯片扫描系统，包括

至少一个激光器，二维振镜系统及光源收集机构；所述二维振镜系统包括

第一驱动器及受所述第一驱动器驱动而转动的第一振镜，所述激光器的出光面与所述第一振镜的第一反射面相对布置；

第二驱动器及受所述第二驱动器驱动而转动的第二振镜，所述第二振镜在竖向位于所述第一振镜的上方且异面相交布置；所述第二振镜的第二反射面与所述第一反射面相对布置且接收所述第一反射面反射出的光；

所述第二振镜反射出的光形成扫描光源；

所述光源收集机构用于将所述扫描光源照射在待检测样品后反射或透射回的信号光源收集。

可选地，上所述的高通量芯片扫描系统，所述第二振镜与所述第一振镜异面垂直布置。

可选地，上所述的高通量芯片扫描系统，所述激光器为至少两个，其中，两个所述激光器用于产生不同波长且平行的激光；

所述高通量芯片扫描系统还包括设在所有所述激光器与所述第一振镜之间的光路上且将所有所述激光器发出的激光合为一束激光的合光机构。

可选地，上所述的高通量芯片扫描系统，所述合光机构包括与所述激光器一一对应的第一反射镜，且所有所述第一反射镜平行设置；其中最靠近所述第一振镜的所述第一反射镜为半透半反镜。

可选地，上所述的高通量芯片扫描系统，所述合光机构还包括

设在最靠近所述第一振镜的第一反射镜与所述第一振镜之间的光路上的第一镜片，所述第一镜片设有一个通孔，所述通孔与所述第一反射面相对。

可选地，上所述的高通量芯片扫描系统，还包括设在所述激光器与所述合光机构之间的光路上且与所述激光器一一对应的光源预处理机构；

所述光源预处理机构包括由所述激光器朝向所述合光机构方向依次设置且平行的第一滤光片及准直镜。

可选地，上所述的高通量芯片扫描系统，还包括设在所述第二振镜的反射光路上的远心光路系统和聚焦物镜；所述远心光路系统包括依次由所述第二振镜朝向所述聚焦物镜方向且同光轴设置的F-theta透镜和套筒透镜。

可选地，上所述的高通量芯片扫描系统，所述第一镜片为反射镜片；所述反射镜片的第三反射面与所述第一振镜的第一反射面相对；

所述高通量芯片扫描系统还包括设在所述第三反射面的反射光路上的半反半透的分光部件，以将不同波长的光分离；

所述光源收集机构为至少两个且分别设在所述分光部件的反射光路和透射光路上，用于收集所述分光部件上分离的信号光源。

可选地，上所述的高通量芯片扫描系统，所述光源收集机构包括聚焦透镜，设在所述聚焦透镜的聚焦点处的小孔光阑及光电倍增管。

可选地，上所述的高通量芯片扫描系统，还包括

支撑平台，用于承载待检测样品；及至少驱动所述支撑平台在水平方向上移动的驱动机构。

可选地，上所述的高通量芯片扫描系统，所述驱动机构包括

沿X方向延伸布置的第一螺杆，配合在所述第一螺杆上且将所述第一螺杆的转动转化为直线移动的第一滑块，及驱动所述第一螺杆转动的第三电机，所述第一滑块固定在所述支撑平台上；以及

沿Y方向延伸布置的第二螺杆，配合在所述第二螺杆上且将所述第二螺杆的转动转化为直线移动的第二滑块，及驱动所述第二螺杆转动的第四电机，所述第二滑块固定在所述支撑平台上。

本实用新型技术方案，具有如下优点：

1.本实用新型提供的高通量芯片扫描系统，包括至少一个激光器，二维振镜系统及光源收集机构。所述二维振镜系统包括第一驱动器及受所述第一驱动器驱动而转动的第一振镜，所述激光器的出光面与所述第一振镜的第一反射面相对布置；第二驱动器及受所述第二驱动器驱动而转动的第二振镜，所述第二振镜在竖向位于所述第一振镜的上方且异面相交布置；所述第二振镜的第二反射面与所述第一反射面相对布置且接收所述第一反射面反射出的光；所述第二振镜反射出的光形成扫描光源；所述光源收集机构用于将所述扫描光源照射在待检测样品后反射或透射回的信号光源收集。

第一驱动器驱动第一振镜转动的同时第二驱动器驱动第二振镜转动，振镜的转动使激光光路产生运动，激光照射到样品上的X向和Y向的位置发生变化，样品上的染色剂受激光激发产生荧光，产生的荧光被光源收集机构收集；二维振镜在X向扫描的同时实现Y向的扫描，无需移动样品，即可完成单通道样品的扫描，节省了移动样品的时间，扫描速度快。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例1中所提供的高通量芯片扫描系统的示意图；

图2为图1中远心光路系统原理结构图；

图3为高通量芯片的单通道扫描轨迹示意图；

图4为高通量芯片示意图；

图5为图1中二维机械平台连接示意图；

附图标记说明：

11-第一激光器；12-第二激光器；21-第一振镜；22-第二振镜；31-第一反射镜；32-反射镜片；33-衰减器；41-第一滤光片；42-准直镜；43-挡光光阑；51-F-theta透镜；52-套筒透镜；6-聚焦物镜；71-聚焦透镜；72- 小孔光阑；73-光电倍增管；74-第二滤光片；75-二向色镜；81-支撑平台； 82-第一螺杆；83-第三电机；84-第二螺杆；85-第四电机；9-第二反射镜； 10-高通量芯片。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供一种高通量芯片扫描系统，如图1至图5所示，其包括两个激光器、二维振镜系统和光源收集机构。

其中，两个激光器分别为第一激光器11和第二激光器12，第一激光器 11和第二激光器12平行设置且出光面朝向相同的方向，第一激光器11和第二激光器12产生不同波长且平行的激光。二维振镜系统包括第一驱动器、第一振镜21、第二驱动器和第二振镜22。第一驱动器驱动第一振镜21转动，第二驱动器驱动第二振镜22而转动，两个激光器的出光面均与第一振镜21的第一反射面相对布置以接受两个激光器产生的激光并将激光反射至第二振镜22的第二反射面；优选地，第二振镜22与第一振镜21异面垂直布置，第二振镜22的第二反射面与第一反射面相对布置以接收第一反射面反射出的激光并将激光反射出第二振镜22形成扫描光源，扫描光源照射到高通量芯片10的一个通道一个点上，该点的染色剂受两种不同波长的激光激发产生两种荧光，产生的两种荧光被光源收集机构收集完成该点的扫描。

第一驱动器驱动第一振镜21转动的同时第二驱动器驱动第二振镜22 转动，振镜的转动使激光光路产生运动，激光照射到样品上的X向和Y向的位置发生变化，从而实现扫描轨迹的变化，二维振镜在X向扫描的同时实现Y向的扫描，无需移动样品，即可完成单通道样品的扫描，节省了移动样品的时间，单通道扫描速度快，完成高通量芯片10的所有通道扫描的时间短、速度快。

比如，高通量芯片扫描系统还包括合光机构。合光机构设在两个激光器与第一振镜21之间的光路上且将两个激光器发出的激光合为一束激光。

具体地，合光机构包括第一反射镜31、第一镜片和衰减器33。第一反射镜31与激光器一一对应设置，且两个第一反射镜31之间平行设置。最佳地，靠近第一振镜21的第一反射镜31为半透半反镜，第一镜片为反射镜片32且中心带有通孔，反射镜片32的第三反射面与第一振镜21的第一反射面相对；衰减器33设置在反射镜片32与靠近第一振镜21的第一反射镜31之间。

优选地，高通量芯片扫描系统还包括光源预处理机构。光源预处理机构设置在激光器与合光机构之间的光路上。如图1所示，光源预处理机构包括由激光器朝向合光机构方向依次设置的滤光片、准直镜42和挡光光阑 43。

最佳地，如图1和图2所示，高通量芯片扫描系统还包括依次设置在第二振镜22和高通量芯片之间的远心光路系统、第二反射镜9和聚焦物镜 6。其中，远心光路系统包括F-theta透镜51和套筒透镜52。F-theta透镜51和套筒透镜52同光轴设置并依次设置在第二振镜22反射出的激光的光路上；聚焦物镜6为大数值孔径的聚焦物镜6，分辨率高，荧光收集效率高。

优选地，高通量芯片扫描系统还包括半反半透的分光部件，比如，半透半反的分光部件为二向色镜75，二向色镜75设置在第三反射面的反射光路上，高通量芯片上的染色剂受两种不同波长的激光激发产生两种不同波长的荧光，两种不同波长的荧光经二向色镜75分离。光源收集机构为两个，两个光源收集机构分别设置在二向色镜75的反射光路和投射光路上，用于收集二向色镜75上分离的两种不同波长的荧光。

比如，如图1所示，光源收集机构包括聚焦透镜71、小孔光阑72、第二滤光片74和光电倍增管73。其中，小孔光阑72设置在聚光透镜的聚焦点处，光电倍增管73设在小孔光阑72出光面一侧。

最佳地，如图1和图5所示，高通量芯片扫描系统还包括二维机械运动平台。二维机械运动平台包括支撑平台81和驱动机构。其中，驱动机构包括第一螺杆82、第一滑块、第三电机83、第二螺杆84、第二滑块和第四电机85。第一螺杆82沿X方向延伸布置，第一滑块配合在第一螺杆82上并将第一螺杆82的转动转化为直线移动，第三电机83驱动第一螺杆82转动，第一滑块固定在支撑平台81上；第二螺杆84沿Y方向延伸布置，第二滑块配合在第二螺杆84上并将第二螺杆84的转动转化为直线移动，第四电机85驱动第二螺杆84转动，第二滑块固定在支撑平台81上。第一螺杆82和第一滑块、第二螺杆84和第二滑块分别形成了一个丝杠结构。

可选地，高通量芯片扫描系统还包括自动调焦系统，可以实现Z轴方向的运动，实现系统的焦点调节并提供芯片扫描的最佳焦点，以提高激发精度。

此结构的高通量芯片扫描系统，第一激光器11和第二激光器12产生两种不同波长的平行激光，比如，第一激光器11产生绿光，第二激光器12 产生红光，红光和绿光分别经滤光片过滤掉部分杂散光再依次经过准直镜 42和挡光光阑43，绿光经靠近第一振镜21的半透半反镜反射至衰减器33，红光经第一反射镜31反射至靠近第一振镜21的半透半反镜并经半透半反镜透射至衰减器33，红光和绿光合为一束混合光束，混合光束经过衰减器 33后强度减弱，以获得合适的混合光强度，避免混合光强度太大照射到高通量芯片上损伤样品。

二维振镜系统负责完成单通道的扫描，混合光束经反射镜片32中心的通孔通过反射镜片32入射到第一振镜21的第一反射面上，第一反射面再将混合光束反射至第二振镜22的第二反射面上，然后混合光束经第二反射面反射至远心光路系统，混合光束再经远心光路系统入射至第二反射镜9，再经第二反射镜9反射至大数值孔径的聚焦物镜6，混合光束经聚焦物镜6 聚焦形成点光照射到高通量芯片单通道的起点上，比如，照射到图4中1 号通道的左上角的一点，完成起点的扫描。

第一驱动器和第二驱动器带动第一振镜21和第二振镜22转动，第一振镜21的转动使聚光点在单通道芯片上产生X向的位移，第二振镜22转动使聚光点在单通道芯片上产生Y向的位移，如图3和图4所示，单通道扫描以类似于正弦曲线的扫描轨迹行进，在X向扫描的同时，Y向也将匀速行进所设定精度下的步进距离，节省了X向扫描时Y向等待的时间，单通道扫描速度快。

比如，设定精度h为2μm，如图2所示，设振镜转动角度为Φ，所引起的主光路的转角为θ，主光路经F-theta透镜51，套筒透镜52，以与聚焦物镜6焦平面成θ₃的角度射入高通量芯片10表面，不论振镜转动角度为何值，主光路都将从聚焦物镜6的中心射入样品表面；主光路中心位置保持不变，不会随振镜转动而偏转，进而解决了主光路偏心的问题，能够按顺序扫描，扫描路径稳定，提高了扫描精度。

红光和绿光激发所得的两种荧光信号依次经聚焦物镜6，第二反射镜 9，套筒透镜52，F-theta透镜51、第二振镜22、第一振镜21、反射镜片 32、二向色镜75进入光源收集机构。

本实施例提供的高通量芯片扫描系统不需要移动高通量芯片10，即可实现单通道芯片的高精度快速扫描。单通道芯片扫描完成之后切换通道，比如，图4中的1号通道扫描完成后切换至2号通道，切换通道的工作由二维机械运动平台实现。1号通道扫描完成后，振镜扫描点停留在1号通道的终点位置处，第三电机83和第四电机85分别驱动第一螺杆82和第二螺杆84转动，第一滑块和第二滑块将螺杆的转动转化为直线运动，使支撑平台81产生X向和Y向的移动，将2号通道的起点移至1号通道的终点位置处，作为2号通道的扫描起点，然后通过二维振镜系统完成2号通道的扫描。如此依次循环直至完成所有通道的扫描。

振镜完成一个通道的扫描后并不需要回到单一固定的起点，可停留在扫描的终点等待下一次的扫描，节省了振镜每扫一个通道，回到固定起点所消耗的时间，从而减少了整个高通量芯片扫描时间，实现快速扫描。第三电机83和第四电机85采用可以高速运动并具有高定位精度的直线电机，减少了切换通道的时间，切换通道时在保证定位精度的同时，减少时耗，进一步提高了扫描精度，加快了扫描速度。

本实施例提供的高通量芯片扫描系统，高通量芯片10上有多个通道，扫描系统完成一次高通量芯片扫描可扫描样品量大；可扫描样品单种类包括但不限于细胞、蛋白质、DNA、RNA、多肽和抗体等高通量芯片，可扫描样品种类多。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

Claims

1.一种高通量芯片扫描系统，其特征在于，包括至少一个激光器，二维振镜系统及光源收集机构；所述二维振镜系统包括

第一驱动器及受所述第一驱动器驱动而转动的第一振镜(21)，所述激光器的出光面与所述第一振镜(21)的第一反射面相对布置；

第二驱动器及受所述第二驱动器驱动而转动的第二振镜(22)，所述第二振镜(22)在竖向位于所述第一振镜(21)的上方且异面相交布置；所述第二振镜(22)的第二反射面与所述第一反射面相对布置且接收所述第一反射面反射出的光；

所述第二振镜(22)反射出的光形成扫描光源；

2.根据权利要求1所述的高通量芯片扫描系统，其特征在于，所述第二振镜(22)与所述第一振镜(21)异面垂直布置。

3.根据权利要求1所述的高通量芯片扫描系统，其特征在于，所述激光器为至少两个，其中，两个所述激光器用于产生不同波长且平行的激光；

所述高通量芯片扫描系统还包括设在所有所述激光器与所述第一振镜(21)之间的光路上且将所有所述激光器发出的激光合为一束激光的合光机构。

4.根据权利要求3所述的高通量芯片扫描系统，其特征在于，所述合光机构包括与所述激光器一一对应的第一反射镜(31)，且所有所述第一反射镜(31)平行设置；其中最靠近所述第一振镜(21)的所述第一反射镜(31)为半透半反镜。

5.根据权利要求4所述的高通量芯片扫描系统，其特征在于，所述合光机构还包括

设在最靠近所述第一振镜(21)的第一反射镜(31)与所述第一振镜(21)之间的光路上的第一镜片，所述第一镜片设有一个通孔，所述通孔与所述第一反射面相对。

6.根据权利要求3-5中任一项所述的高通量芯片扫描系统，其特征在于，还包括设在所述激光器与所述合光机构之间的光路上且与所述激光器一一对应的光源预处理机构；

所述光源预处理机构包括由所述激光器朝向所述合光机构方向依次设置且平行的第一滤光片(41)及准直镜(42)。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的高通量芯片扫描系统，其特征在于，还包括设在所述第二振镜(22)的反射光路上的远心光路系统和聚焦物镜(6)；所述远心光路系统包括依次由所述第二振镜(22)朝向所述聚焦物镜(6)方向且同光轴设置的F-theta透镜(51)和套筒透镜(52)。

8.根据权利要求5所述的高通量芯片扫描系统，其特征在于，所述第一镜片为反射镜片(32)；所述反射镜片(32)的第三反射面与所述第一振镜(21)的第一反射面相对；

9.根据权利要求8所述的高通量芯片扫描系统，其特征在于，所述光源收集机构包括聚焦透镜(71)，设在所述聚焦透镜(71)的聚焦点处的小孔光阑(72)及光电倍增管(73)。

10.根据权利要求1-4中任一项所述的高通量芯片扫描系统，其特征在于，还包括

支撑平台(81)，用于承载待检测样品；及至少驱动所述支撑平台(81)在水平方向上移动的驱动机构。

11.根据权利要求10所述的高通量芯片扫描系统，其特征在于，所述驱动机构包括

沿X方向延伸布置的第一螺杆(82)，配合在所述第一螺杆(82)上且将所述第一螺杆(82)的转动转化为直线移动的第一滑块，及驱动所述第一螺杆(82)转动的第三电机(83)，所述第一滑块固定在所述支撑平台(81)上；以及

沿Y方向延伸布置的第二螺杆(84)，配合在所述第二螺杆(84)上且将所述第二螺杆(84)的转动转化为直线移动的第二滑块，及驱动所述第二螺杆(84)转动的第四电机(85)，所述第二滑块固定在所述支撑平台(81)上。