CN213506966U - 一种基于荧光寿命成像的基因芯片杂交结果检测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于荧光寿命成像的基因芯片杂交结果检测仪，包括皮秒脉冲激光光源系统、暗箱系统、荧光寿命成像的采集系统，所述皮秒脉冲激光光源系统被配置为产生激发光；所述荧光寿命成像的采集系统为时间相关单光子计数荧光寿命成像的采集系统，包括光电阴极、微通道板、位敏阳极和集成外设；其中，微通道板位于光电阴极和位敏阳极之间。荧光寿命成像的采集系统通过时间相关单光子计数法进行十万次以上的重复检测，实现了荧光寿命曲线的绘制，从而提高了基因芯片杂交结果的检出灵敏度。

Description

一种基于荧光寿命成像的基因芯片杂交结果检测仪

技术领域

本实用新型涉及生物芯片检测仪器领域，特别涉及一种基于荧光寿命成像的基因芯片杂交结果检测仪，该检测仪采用了对包括核酸的探针芯片杂交进行检测的方法。本实用新型还特别涉及一种体外诊断检测仪器，属于体外诊断检测仪器中的时间分辨荧光检测分析仪器，同时涉及分子诊断检测仪器中的分子生物信息分析处理系统。

背景技术

生物芯片技术已经广泛应用于临床疾病诊断、健康管理、药物研究开发、动植物检疫、食品检测、环境监测、科学研究、法医学检测等众多领域，有广阔的应用前景，市场需求量非常大。

基因芯片是生物芯片中的一类，是通过在基因芯片的基片上定植一系列的序列已知探针而制备，可用于特定标记核酸的杂交检测，能通过识别检测与信息处理来报告检测对象中核酸信息。

当前基因芯片杂交结果的检测方法主要以荧光强度检测为主，都是使用带通滤光片将激发光折射到探针上的标记荧光物质并激发荧光物质发出荧光，荧光再通过带通滤光片进入检测器完成荧光成像，由于激发光与荧光同时存在于探针上，必然会有激发光对荧光成像结果造成背景干扰。在荧光成像时，由于有背景荧光干扰常常会形成假阴性，尤其是对于样品中含量较少的肿瘤核酸成份，其荧光信号弱，利用荧光强度成像法不容易检出，会造成疾病的延误治疗，还可能会造成无法挽回的生命损失。有效降低基因芯片检测时的背景干扰，提高基因芯片的检测结果准确率，对基于基因芯片的疾病筛查意义重大。

因此需要对上述问题做出改善。

实用新型内容

本实用新型旨在提供一种基于荧光寿命成像的基因芯片杂交结果检测仪，以至少部分地解决上述问题。

本实用新型的另一目的是提供一种基于荧光寿命成像的基因芯片杂交结果检测仪，克服样品荧光信号弱带来的假阴性结果，以提高基因芯片的监测结果准确率。

本实用新型的再一目的是提供一种基于荧光寿命成像的基因芯片杂交结果检测仪，克服荧光强度成像中受背景干扰造成的弱信号检出困难的内在不足。

本实用新型的技术方案是：

一种基于荧光寿命成像的基因芯片杂交结果检测仪，所述检测仪包括皮秒脉冲激光光源系统、荧光寿命成像的采集系统以及暗箱系统；所述皮秒脉冲激光光源系统被配置为产生激发光；所述荧光寿命成像的采集系统为时间相关单光子计数（Time-CorrelatedSingle Photon Counting，TCSPC）荧光寿命成像的采集系统，包括光电阴极、微通道板（Microchannel plate，MCP）、位敏阳极和集成外设；其中，微通道板位于光电阴极和位敏阳极之间。

根据本实用新型的一个优选实施例，所述暗箱系统包括暗箱和阻止光反射材料，所述阻止光反射材料设置在暗箱的内表面上。

根据本实用新型的一个优选实施例，所述集成外设主要包括时幅转换器(Time toamplitude converter,TAC)、模数转换器(Analog to digital converter,ADC)、电源供应和参考信号恒比鉴别器(Constant fraction discriminator,CFD)。集成外设可以通过TCSPC法检测形成基因芯片上每个带有荧光标记基团的探针位置的荧光寿命曲线，用于区别区分阳性结果与阴性结果。

根据本实用新型的一个优选实施例，所述位敏阳极设置在微通道板的下部。微通道板是一种大面阵的高空间分辨的电子倍增探测器，可以实现非常高的时间分辨信号，所述位敏阳极可以是交叉条阳极，微通道板配合交叉条阳极可以同时获得时间分辨信号与位置分辨信号；

根据本实用新型的一个优选实施例，所述微通道板的检测范围大于基因芯片，因此微通道板的检测视野范围包括了整个基因芯片，能够在同一时间点对基因芯片上所有带有荧光标记基团的探针进行检测，实现对基因芯片上所有带有荧光标记基团的探针同时检测，从而能够完成全部探针的荧光寿命成像检测。

根据本实用新型的一个优选实施例，所述微通道板的通道孔径小于带有荧光标记基团的探针的点径直径，能够有效提高探针边界，提高灵敏度，从而准确测定每个阳性探针的精准位置。

根据本实用新型的一个优选实施例，所述位敏阳极的下部设置有微通道板的阳极封端。

根据本实用新型的一个优选实施例，所述光电阴极、微通道板、和位敏阳极嵌合在暗箱的下部。

根据本实用新型的一个优选实施例，所述光电阴极为半透明光阴极。

根据本实用新型的一个优选实施例，所述皮秒脉冲激光光源系统包括皮秒脉冲激光器、脉冲激光器光纤和激光光束扩束器。

根据本实用新型的一个优选实施例，所述皮秒脉冲激光器的一端利用脉冲激光器光纤与荧光寿命成像的采集系统的集成外设相连，所述皮秒脉冲激光器的另一端利用脉冲激光器光纤与激光光束扩束器相连。

根据本实用新型的一个优选实施例，所述激光光束扩束器嵌合在暗箱的上部。

本实用新型的有益效果是:

本检测仪利用TCSPC法进行自动检测，其突出优点是灵敏度高、测量结果准确、系统误差小，使用效果好。

本检测仪通过TCSPC法进行自动检测，通过是否能够形成荧光寿命曲线（能够形成荧光寿命曲线的为阳性结果）来有效区分阳性结果与阴性结果，其突出优点是提高弱杂交结果的检测能力，避免假阴性。

本检测仪不仅在TCSPC法检测过程中，需要调节样品的荧光强度，确保每次激发后最多只有一个荧光光子到达终止光电倍增管，而且暗箱内部铺设的阻止光反射材料可以部分或完全吸收背景荧光，从而双重减少了背景荧光的干扰，解决了背景荧光干扰形成的假阴性问题。

本检测仪不仅在TCSPC法检测过程中，所述微通道板的检测范围大于基因芯片，因此微通道板的检测视野范围包括了整个基因芯片，能够在同一时间点对基因芯片上所有带有荧光标记基团的探针进行检测，实现对基因芯片上所有带有荧光标记基团的探针同时检测，从而能够完成全部探针的荧光寿命成像检测。

本检测仪不仅在TCSPC法检测过程中，所述微通道板的通道孔径小于带有荧光标记基团的探针的点径直径，能够有效提高探针边界，提高灵敏度，从而准确测定每个阳性探针的精准位置。

本检测仪结构简单，使用时直接将基因芯片直接放置在封装式微通道板的透过窗上利用TCSPC法进行自动检测，操作方便。

附图说明

图1 一种基于荧光寿命成像的基因芯片杂交结果检测仪的结构示意图。

图中：1、脉冲激光器光纤；2、激光光束扩束器；3、基因芯片的基片；4、带有荧光标记基团的探针；5、封装式微通道板的透过窗；6、光电阴极；7、微通道板；8、位敏阳极；9、微通道板的阳极封端；10、暗箱；11、阻止光反射材料；12、输出电缆；13、集成外设；14、皮秒脉冲激光器。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本公开的示例性的实施例，其中相同或相似的标号表示相同或相似的元件。另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。

本实用新型提供了一种基于荧光寿命成像的基因芯片杂交结果检测仪，用于解决背景荧光干扰以及荧光信号弱不容易检出等原因带来的检测结果假阴性问题。本实用新型解决技术问题采用的技术方案为：通过TCSPC法进行十万次以上的重复检测，实现了荧光寿命曲线的绘制，提高了基因芯片杂交结果的检出灵敏度，从而避免了基因芯片杂交结果假阴性问题。

根据本实用新型的总体构思，提供了一种基于荧光寿命成像的基因芯片杂交结果检测仪，包括皮秒脉冲激光光源系统、暗箱系统、荧光寿命成像的采集系统。其中，皮秒脉冲激光光源系统包括皮秒脉冲激光器14、脉冲激光器光纤1与激光光束扩束器2；荧光寿命成像的采集系统包括封装式微通道板的透过窗5、光电阴极6、微通道板7、位敏阳极8、微通道板的阳极封端9、输出电缆12与集成外设13；暗箱系统包括暗箱10与阻止光反射材料11。将皮秒脉冲激光器14通过激光光束扩束器2完成对基因芯片的激发，将基因芯片直接放置于封装式微通道板的透过窗5的上部进行基因芯片杂交结果的检测，荧光寿命成像的采集系统采用TCSPC法进行十万次以上的重复检测，实现了荧光寿命曲线的绘制，形成荧光寿命曲线的为阳性结果，没有形成荧光寿命曲线的为阴性结果，通过荧光寿命成像有效区分阳性结果与阴性结果，能够提高弱杂交结果的检测灵敏度，避免假阴性。

TCSPC测量荧光寿命的过程中，需要调节样品的荧光强度，确保每次激发后最多只有一个光子到达终止光电倍增管。TCSPC方法对样品进行荧光寿命成像，其突出优点是灵敏度高、测量结果准确、系统误差小；但每一点的测量时间又比较长；这样的特点不适合用于成像观察，但对于基因芯片杂交结果的检测是适合的，尤其是可以进行超过十万次的成像检测可以有效克服检测结果的假阴性。

本实用新型所述的基于荧光寿命成像的基因芯片杂交结果检测仪的各主要组成部件根据功能进行自行设计。图1示出了本实用新型的实施例的基于荧光寿命成像的基因芯片杂交结果检测仪的结构示意图，具体描述如下：

分别设计封装式微通道板的透过窗5、光电阴极6、微通道板7、位敏阳极8、微通道板的阳极封端9、输出电缆12、皮秒脉冲激光器14、脉冲激光器光纤1、激光光束扩束器2；

按照图1所示结构将封装式微通道板的透过窗5、光电阴极6、微通道板 7、位敏阳极8、微通道板的阳极封端9进行组装，微通道板 7位于光电阴极6与位敏阳极8的中间，封装式微通道板的透过窗5位于光电阴极6的上部，所述光电阴极6为半透明光阴极，微通道板的阳极封端9紧贴在位敏阳极8的下部。将TAC、ADC、电源供应、参考信号CFD等功能部件根据需要组装成集成外设13，集成外设13还配备相应的操作系统。将输出电缆12的一端与位敏阳极8相连，另一端与集成外设13相连，从而完成荧光寿命成像的采集系统。

按照图1所示结构，将皮秒脉冲激光器14的一端利用脉冲激光器光纤1与荧光寿命成像的采集系统的集成外设13相连，皮秒脉冲激光器14的另一端利用脉冲激光器光纤1与激光光束扩束器2相连，从而完成皮秒脉冲激光光源系统。

根据荧光寿命成像的采集系统和皮秒脉冲激光光源系统组装后的尺寸设计暗箱10的尺寸，并在暗箱10内部铺设阻止光反射材料11，然后将组装好的荧光寿命成像的采集系统和皮秒脉冲激光光源系统安装到暗箱系统上，其中，光电阴极6、微通道板7和位敏阳极8作为一个整体，嵌合在暗箱10的下部，所述的位敏阳极8为交叉条阳极；激光光束扩束器2嵌合在暗箱10相对的上部。从而完成本实用新型所述基因芯片杂交结果检测仪。

基于荧光寿命成像的基因芯片杂交结果检测仪组装完成后即可进行基因芯片杂交结果的检测流程，具体的检测流程如下：

首先，基因芯片的制备和杂交反应：基因芯片包括基因芯片的基片3和带有荧光标记基团的探针4，基因芯片的基片3可以选择醛基修饰的石英玻璃基片，带有荧光标记基团的探针4通过三维喷点点样仪平台进行10mm×10mm微阵列点样制备。点样仪可以选用美国BIODOT公司的Biodot Omnia点样仪进行，完成点样制备后的基因芯片经质控检测合格后备用。制备合格的基因芯片上带有荧光标记基团的探针4与样品包含的相应基因序列进行杂交反应，杂交反应条件根据所用基因芯片的说明书操作条件和步骤进行，样本中如果包含有相应基因序列，则通过杂交反应被固定在对应的基因芯片位置。此处需要说明的是芯片制作过程中点样仪除了美国BIODOT公司的Biodot Omnia点样仪以外，也可以选择其他品牌的三维喷点点样仪。

其次，检测仪利用TCSPC法对基因芯片杂交结果的荧光信号进行检测步骤是：杂交反应完成后，将基因芯片直接放进暗箱系统，并放置在荧光寿命成像的采集系统中的封装式微通道板的透过窗5上，关闭暗箱10，开启集成外设13的电脑控制端，在集成外设13电脑控制端配备的操作系统上输入相关的参数，即可自动完成基因芯片杂交结果的检测。自动检测流程是皮秒脉冲激光器14通过激光光束扩束器2将激发光扩大后照射到基因芯片的基片3上带有荧光标记基团的探针4，只有带有荧光标记基团的探针4与样本包含有相应基因序列发生杂交反应后，被激发光激发后才会发出荧光，再利用荧光寿命成像的采集系统对每个带有荧光标记基团的探针4进行十万次以上的TCSPC法重复检测，最后将不同的时间微通道板 上累积下来的光子数目进行统计形成每个探针的荧光寿命曲线，能够形成荧光寿命曲线的探针为阳性结果，不能形成荧光寿命曲线的为阴性结果，通过是否形成荧光寿命曲线来区分阳性结果与阴性结果。

本实用新型所述的基于荧光寿命成像的基因芯片杂交结果检测仪的有益效果是：荧光寿命成像的采集系统采用TCSPC法进行十万次以上的重复检测，实现了荧光寿命曲线的绘制，有荧光标记的探针（阳性结果）能够形成荧光寿命曲线，没有荧光标记的探针（阴性结果）无法形成荧光寿命曲线，通过荧光寿命成像可以有效区分阳性结果与阴性结果，能够提高弱杂交结果的检测灵敏度，避免假阴性。从而解决了因样本含量少而导致的假阴性检测结果。此外，由于利用TCSPC法检测每个带有荧光标记基团的探针4的荧光寿命曲线，与微通道板7共同使用，可以同时获得了位置分辨信号与时间分辨信号，进一步提高了基因芯片杂交结果的检测灵敏度。

本实用新型所述的基于荧光寿命成像的基因芯片杂交结果检测仪还可以减少背景荧光的干扰，原因有二：一是利用TCSPC法检测荧光寿命曲线的过程中，需要调节样品的荧光强度，确保每次激发后最多只有一个荧光光子到达终止光电倍增管，从而减少了背景荧光的干扰；二是暗箱系统组装时，在暗箱10的内部铺设了阻止光反射材料11，阻止光反射材料11可以部分或完全吸收荧光，最后可以没有荧光光线或只有少量荧光光线的反射，进一步减少了背景荧光的干扰。从而解决了背景荧光干扰形成的假阴性问题。

本实用新型所述的基于荧光寿命成像的基因芯片杂交结果检测仪不仅结构简单，使用时直接将基因芯片放置在封装式微通道板的透过窗5上利用TCSPC法自动进行检测，操作也非常方便。

尽管已经示出和描述了本实用新型公开的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本公开的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化。本公开的适用范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于荧光寿命成像的基因芯片杂交结果检测仪，其特征在于，所述检测仪包括：

皮秒脉冲激光光源系统，所述皮秒脉冲激光光源系统被配置为产生激发光；

荧光寿命成像的采集系统；以及

暗箱系统；

其中，所述荧光寿命成像的采集系统为时间相关单光子计数荧光寿命成像的采集系统，包括光电阴极（6）、微通道板（7）、位敏阳极（8）和集成外设（13）；

其中，所述微通道板（7）位于光电阴极（6）和位敏阳极（8）之间。

2.根据权利要求1所述的基于荧光寿命成像的基因芯片杂交结果检测仪，其特征在于，所述暗箱系统包括暗箱（10）和阻止光反射材料（11），所述阻止光反射材料（11）设置在暗箱（10）的内表面上。

3.根据权利要求1所述的基于荧光寿命成像的基因芯片杂交结果检测仪，其特征在于，所述集成外设（13）包括时幅转换器、模数转换器、电源供应和参考信号恒比鉴别器。

4.根据权利要求1所述的基于荧光寿命成像的基因芯片杂交结果检测仪，其特征在于，所述位敏阳极（8）设置在微通道板（7）的下部。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的基于荧光寿命成像的基因芯片杂交结果检测仪，其特征在于，所述微通道板（7）的通道孔径小于带有荧光标记基团的探针（4）的点径直径。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的基于荧光寿命成像的基因芯片杂交结果检测仪，其特征在于，所述位敏阳极（8）的下部设置有微通道板的阳极封端（9），所述位敏阳极（8）为交叉条阳极。

7.根据权利要求2所述的基于荧光寿命成像的基因芯片杂交结果检测仪，其特征在于，所述光电阴极（6）、微通道板（7）、和位敏阳极（8）嵌合在暗箱（10）的下部。

8.根据权利要求2所述的基于荧光寿命成像的基因芯片杂交结果检测仪，其特征在于，所述皮秒脉冲激光光源系统包括皮秒脉冲激光器（14）、脉冲激光器光纤（1）和激光光束扩束器（2）。

9.根据权利要求8所述的基于荧光寿命成像的基因芯片杂交结果检测仪，其特征在于，所述皮秒脉冲激光器（14）的一端利用脉冲激光器光纤（1）与荧光寿命成像的采集系统的集成外设（13）相连，所述皮秒脉冲激光器（14）的另一端利用脉冲激光器光纤（1）与激光光束扩束器（2）相连。

10.根据权利要求8所述的基于荧光寿命成像的基因芯片杂交结果检测仪，其特征在于，所述激光光束扩束器（2）嵌合在暗箱（10）的上部。

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