CN2522855Y - 带滤光片转盘的生物芯片荧光检测扫描装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种带滤光片转盘的生物芯片荧光图像的采集，用于生物芯片上荧光图像的扫描检测。其主要由激光激发光路、荧光接收光路和放置生物芯片的X－Y平台及支架所组成。激光激发光路中的两个激光束通过合光棱镜到达同光路，穿过中空全反镜中心的通孔后，经激光聚焦镜聚焦于生物芯片上的一个点，激光激发光路和两个荧光接收光路共用，通过X－Y平台的二维运动，可获得多个生物芯片上的二维荧光图像。本实用新型结构简单、紧凑，容易实现高速扫描；体积小、重量轻，制造成本低；检测效率高、信噪比高、检测结果的准确度高，并采用了低功耗的固体激光器和半导体激光器，大大地节约了能耗。

Description

带滤光片转盘的生物芯片荧光检测扫描装置

技术领域：

本实用新型涉及一种带滤光片转盘的生物芯片荧光图像的采集装置，用于生物芯片上荧光图像的扫描检测。

技术背景：

本实用新型作出以前，在已有技术中，美国Affymetrix公司的Affymetrix^TM生物芯片荧光检测装置(Thane Kreiner发表于《American laboratory》杂志，1996年3月，第39-43页)。该装置主要由Ar⁺激光器、快门、第一转向镜、激光谱线滤光镜、分色镜，第二转向镜、聚焦扫描头、芯片支架、激光强度探测器、滤光片组、消色差镜、针孔和光电倍增管组成激光激发光路和荧光接收光路。

其工作过程为：Ar⁺激光器发出的激光束经快门、第一转向镜和激光谱线滤光镜后，以单色光射向分色镜，分色镜对激光束全反射，而让荧光透过。该光束被分色镜反射到第二转向镜，经反射进入聚焦扫描头并被聚焦于芯片支架上的生物芯片表面。在入射激光束激发下，生物芯片上的荧光物质将发出荧光。荧光经聚焦扫描头和第二转向镜到达分色镜，荧光透色分色镜、滤光片组、消色差镜、针孔和光电倍增管，最终被转换成与荧光强度成正比的电信号。由生物芯片反射和散射回来的激光被分色镜反射回去，不会到达光电倍增管。为了获得整个芯片上的二维荧光图像，聚焦扫描头需作水平运动，而芯片支架则作垂直运动。该装置的不足之处是：1、体积大，功耗高。由于采用了电光转换效率极低的Ar⁺激光器，其寿命短，体积大，发热量大，需要强制冷却，不利于整机的小型化；且制造成本高，不利于推广使用；2、检测速度慢，工作效率低。由于采用一种激光器，所以只能获得一种荧光物质的图像；为了获得生物芯片上的数种荧光物质的荧光图像，必须使用多台采用多种相应激光器的扫描检测装置。而且该装置一次只能检测一个生物芯片上的一种荧光物质的荧光图像。3、检测准确性差。由于为了获得生物芯片上的二维荧光图像，必须使聚焦扫描头和芯片支架分别作相互垂直的线性运动，而且聚焦扫描头和芯片支架是分离的。这种运动很难达到高稳定性与高速度，整个装置易产生失调和离焦等问题，因而影响检测结果的准确性。

发明内容：

本实用新型的目的在于克服上述不足之处，从而为生物芯片荧光检测提供一种体积小、成本低、检测效率高、检测结果准确可靠的带滤光片转盘的生物芯片荧光检测扫描装置。

本实用新型的主要解决方案是这样实现的：

本实用新型主要包含激光激发光路，荧光接收光路及放置生物芯片的平台。在激光激发光路上，支架6上装有绿光固体激光器1和红光半导体激光器2，沿着绿光固体激光器1和红光半导体激光器2发射的激光束前进方向上，依次装有合光棱镜3，中空全反镜4、激光聚焦镜7，激光束经合光棱镜3达到同光路后，穿过中空全反镜4中心的通孔5，经激光聚焦镜7后激光束被聚焦于生物芯片8上，生物芯片8安装在平台9上，平台9与平台10间装有导轨11，在荧光接收光路上，Cy3滤光片14、Cy5滤光片12固定在转盘13上，通过转盘13的转动使与绿光固体激光器1和红光半导体激光器2对应的Cy3滤光片14或Cy5滤光片12进入荧光接收光路，除滤光片外，两个荧光接收光路共用，分别经共焦镜15、针孔16后投射到光电倍增管17上。共焦镜15、针孔16、光电倍增管17依次安装在支架6上。

附图说明：

图1为本实用新型结构示意图：

具体实施方式：

下面本实用新型将结合附图中的实施例作进一步描述：

本实用新型主要由激光激发光路、荧光接收光路和可安装多个生物芯片的X-Y平台组成。在激光激发光路上，支架6上装有绿光固体激光器1，红光半导体激光器2、合光棱镜3、中空全反镜4、激光聚焦镜7。在绿光固体激光器1、红光半导体激光器2与中空全反镜4之间装有合光棱镜3，在合光棱镜3与激光聚焦镜7之间装有中空全反镜4。沿着绿光固体激光器1和红光半导体激光器2发射的激光束前进方向上，由于置有合光棱镜3、中空全反镜4、激光聚焦镜7，通过它们发出的激光束经合光棱镜3后相互平行且紧靠在一起，穿过中空全反镜4中心的通孔5，中空全反镜4中心的通孔5可以允许两个或两个以上激光束穿过，而使荧光反射，实现激光与荧光的分离。经激光聚焦镜7后两束激光被聚焦于生物芯片8上的同一个点，或相对位置固定的相邻点，即实现两光束共点扫描检测，并可检测一个或同时检测两个以上生物芯片。两个或两个以上生物芯片置于一个X-Y二维平台上。X-Y平台由X方向平台9和Y方向平台10组合而成。X方向平台9安装在Y方向平台10之上，平台9与平台10之间装有导轨11。X方向平台9是一个快速往返扫描平台，Y方向平台10是一个慢速单方向大行程平台，X方向平台9在生物芯片8上扫过一条线，则Y方向平台10前进一步，两个平台的运动组合成一个二维扫描运动，实现对生物芯片8上二维荧光图像的读取。

上面所述的合光棱镜3是一个两面或两面以上锥形棱镜，锥形表面与其出射面成同一个楔角α，楔角α角度为0-45°，它可以将以特定入射角入射于其上的激光束以垂直于出射面方向射出，如果有两个以上激光束以各自的特定的入射角从不同的锥形表面进入合光棱镜3，则这些激光束将平行出射，达到合光的目的。绿光固体激光器1和红光半导体激光器2发射的激光束的光轴与合光棱镜3的出射光轴分别成一定角度θ₁和θ₂放置，且θ₁＝(n₁-1)α，θ₂＝(n₂-1)α，n₁和n₂分别是绿光固体激光器1和红光半导体激光器2波长处合光棱镜3的折射率，其余类推。如果采用两个以上的激光器，则可将合光棱镜3的锥形表面的个数做成与激光器个数相等，即可实现两个以上激光的同时扫描检测。上面所述的中空全反镜4的反射面与光轴成45°放置，其中间的通孔5允许多种激光束穿过，而无需作任何特殊处理，从而使实用新型结构紧凑，易于制造。

在激光激发光路上可以装有两个或两个以上的激光器，相应地，需要两个或两个以上的滤光片。在本实用新型中由于采用了两个激光器，因此除滤光片外，两个荧光接收光路共用，它们分别接收相应的荧光信号。从生物芯片8反射的激光束从通孔5按原光路返回，不进入荧光接收光路。由生物芯片8发出的荧光经激光聚焦镜7准直后，由中空全反镜4反射到荧光接收光路上，除滤光片14、12外两个荧光接收光路共用。Cy3滤光片14、Cy5滤光片12安装在转盘13上，转盘13安装在电机18的旋转轴上，电机18安装在支架6上。通过转盘13的转动使与绿光固体激光器1和红光半导体激光器2对应的Cy3滤光片14、Cy5滤光片12进入荧光接收光路(当激光器1或激光器2工作时)。荧光经滤光片14或12后，经共焦镜15，针孔16后投射到光电倍增管17上。共焦镜15、针孔16、光电倍增管17依次安装在支架6上。本实用新型的这种结构安排可以实现对两个或两个以上生物芯片上两种或多种荧光物质图像的逐一读取。

下面本实用新型的举例作进一步说明：

如图1结构所示：这是一种采用两种激光器扫描检测一个或多个生物芯片的装置。生物芯片上的两种荧光物质图像是逐一读取的。绿光固体激光器1和红光半导体激光器2的波长分别为532nm和635nm，激光输出功率分别为10mW和12mW，激光束的直径均为2mm，用于检测生物芯片上的两种荧光物质。合光棱镜3采用K9光学玻璃制造而成，α＝10°n₁＝1.51904，n₂＝1.51459。绿光固体激光器1和红光半导体激光器2的光轴与合光棱镜3的光轴夹角θ₁＝5.1904°，θ₂＝5.4459°，即两个激光束经过激光聚焦镜7聚焦于生物芯片8上的同一个点。激光聚焦镜7的焦距f＝12mm，所以生物芯片上激光光斑的尺寸为φ10μm。中空全反镜4中心的通孔5的直径为4-6mm，反射面镀宽带全反膜，在570-750nm波段的反射率大于98％。本实用新型工作时，两个激光器中只有一个打开，与之对应的Cy3滤光片14或Cy5滤光片12中的一个进入荧光接收光路。绿光固体激光器1打开时，检测生物芯片8上的Cy3荧光染料图像，这时Cy3滤光片14进入荧光接收光路。从中空全反镜4反射来的Cy3荧光经Cy3滤光片14，共焦镜15、针孔16后，由光电倍增管17转换成与荧光通量成正比的电信号。红光半导体激光器2打开时，检测生物芯片8上的Cy5荧光染料图像，这时Cy5滤光片12进入荧光接收光路。从中空全反镜4反射来的Cy5荧光经Cy5滤光片12，共焦镜15、针孔16后，由光电倍增管17转换成与荧光通量成正比的电信号。共焦镜15的焦距为32mm，针孔16的通光口径为φ80-φ120μm。

X-Y平台上放置了三个待测生物芯片，单个生物芯片的检测范围为25.4mm×66mm。X方向平台9的往返频率为10Hz，在往返扫描过程中均采集荧光信号。最佳实施例对上述两种荧光物质的探测灵敏度达到0.1个分子/μm²，在20分钟内获得三个生物芯片的两种荧光图像，即总共可得六个荧光图像。上述所述的两种荧光物质分别为Cy3和Cy5。

本实用新型与已有技术相比具有以下优点：

1、检测效率高。本装置由于采用合光棱镜，使两个或两个以上的激光束先后入射到生物芯片上的同一点，多个生物芯片放置在平台上，即可以同时扫描检测多个生物芯片；2、信噪比高，检测灵敏度高。由于本装置激光激发光路与荧光接收光路分离，容易避免激光激发光束进入荧光接收光路，大大降低了噪声；3、图像处理方便，检测结果的准确度高。本装置中多个激光的入射点重合，所以对各种荧光图像进行相关性分析和数据处理得到的结果是真实的；4、结构简单、紧凑、容易实现高速扫描。除生物芯片在X-平台上作二维运动外，其余零部件均不动，平台上的负载小，可以使用功耗低、体积小的X-Y平台实现快速扫描；5、体积小，重量轻，成本低，便于推广应用。本装置采用了低功耗的固体激光器和半导体激光器。

Claims (6)

1、一种带滤光片转盘的生物芯片荧光检测扫描装置包括激光激发光路、荧光接收光路、支架，其特征是：在激光激发光路上，支架(6)上装有绿光固体激光器(1)和红光半导体激光器(2)，沿着绿光固体激光器(1)和红光半导体激光器(2)发射的激光束前进方向上，依次装有合光棱镜(3)、中空全反镜(4)，激光聚焦镜(7)，激光束经合光棱镜(3)到达同光路后，穿过中空全反镜(4)中心的通孔(5)，经激光聚焦镜(7)后激光束被聚焦于生物芯片(8)上，生物芯片(8)安装在平台(9)上，平台(9)与平台(10)间装有导轨(11)；滤光片(14)、(12)固定在转盘(13)上，通过转盘(13)的转动使与绿光固体激光器(1)和红光半导体激光器(2)对应的滤光片(14)或(12)进入荧光接收光路，除滤光片外，两个荧光接收光路共用，分别经共焦镜(15)、针孔(16)后，投射到光电倍增管(17)上，共焦镜(15)、针孔(16)、光电倍增管(17)依次安装在支架(6)上。

2、根据权利要求1所述的带滤光片转盘的生物芯片荧光检测扫描装置，其特征在于所述的合光棱镜(3)是一个两面或两面以上的锥形棱镜，锥形表面与其出射面成同一个楔角α，α角度为0-45°。

3、根据权利要求1或2所述的带滤光片转盘的生物芯片荧光检测扫描装置，其特征在于所述的绿光固体激光器(1)、红光半导体激光器(2)发射的激光束光轴与合光棱镜(3)出射的光轴分别成一定角度θ₁和θ₂放置，且θ₁＝(n₁-1)α，θ₂＝(n₂-1)α，n₁和n₂分别是绿光激光器(1)和红光半导体激光器(2)波长处合光棱镜(3)的折射率。

4、根据权利要求1所述的带滤光片转盘的生物芯片荧光检测扫描装置，其特征在于所述的激光激发光路上可以置有两个或两个以上的激光器，相应地，需要两个或两个以上的滤光片。

5、根据权利要求1所述的带滤光片转盘的生物芯片荧光检测扫描装置，其特征在于所述的中空全反镜(4)上中心通孔(5)直径为4-6mm。

6、根据权利要求1所述的带滤光片转盘的生物芯片荧光检测扫描装置，其特征在于所述的针孔(16)的通光口径为φ80-φ120μm。