CN2552000Y - 一种微通道电泳芯片检测仪 - Google Patents

Abstract

本DNA微通道电泳芯片检测仪，由运动机构、芯片台的控制、光路对焦、图象监测、步进电机控制、用户工作界面等组成。其中，四色微通道电泳根据共聚焦荧光检测原理设计，电泳微芯片采用微电子机械工艺加工，并应用高灵敏度激光诱导荧光检测方法，由计算机控制操纵芯片台、非球面物镜对焦，对芯片检测和分析。本检测仪控制软件功能强大、界面友好、操作简便，是一种高效自动化检测和分析DNA微芯片的检测仪。

Description

一种微通道电泳芯片检测仪

本实用新型涉及一种微通道电泳芯片(micro-channelelectrophoresis chip)检测仪。检测仪由计算机控制自动化操作，可高效率地对DNA(脱氧核糖核酸)微芯片进行检测和分析，属于生化自动控制检测领域。

随着人类基因组计划及其初步分析结果的公布，生物医学界正步入测试、绘制人类基因组图谱详图的关键、紧张阶段。因此，与之相适应的更高效率的DNA检测和分析仪器的研制得到了人们极大的关注，人们对于DNA检测仪的灵敏度和自动化程度要求更高。现在，国际上对于DNA检测仪的研制、推广在上世纪90年代后期刚刚起步。由于仪器涉及生物、生物化学、激光、光电子、精密机械、自动化控制、计算机处理等领域，目前尚无比较完善的产品。现有的DNA检测仪都采用了毛细管电泳法，并且在较多的实验室得到了应用。近年来，国际上又在开发微通道电泳芯片(micro-channelelectrophoresis chip)，该方法具有微型、快速和可以集成为生化微分析系统的特点。但是，这种检测仪的关键部分还没有实现自动化，特别是芯片台操纵和对焦方面基本上还停留在手动阶段，很不利于生物工程项目的研究与发展。为克服这些不足，本实用新型改进设计了一种由计算机控制自动化操作，可更高效率地对DNA微通道电泳芯片进行检测和分析的检测仪。

本实用新型改进设计的DNA检测仪，采用微电子机械(MEMS)工艺加工电泳微芯片，并应用具有高灵敏度的激光诱导荧光检测(LIF)方法，由计算机控制芯片台操纵和对焦，从而实现对不同的基因芯片，进行自动化检测和分析。

本实用新型DNA检测仪设计成子系统模块化。总系统主要由运动机构、芯片台的控制、光路及对焦系统、图象监测系统、步进电机控制系统、用户工作界面等几个模块组成。系统设计以SANGER基因测序法为基础，用4种引物各带有不同荧光波长的基团为标记物，并对应加入4种双脱氧核苷酸ddN末端终止剂(Terminators，ddA，ddG，ddT，ddC)。通过4次聚合酶链式反应(PCR)，每次加入一种引物和对应的一种双脱氧核苷酸ddN，这样得到的4种聚合酶链式反应PCR产品，其荧光基团和末端碱基各不相同。这4种聚合酶链式反应PCR产品经混合后进行微通道电泳，在电场的作用下，不同长度的DNA片段将按不同的迁移率分开，通过激光检测口，DNA末端的荧光基团将激发出不同波长的荧光，再通过本系统的光路系统进行分光、滤波和光电倍增管PMT放大后转变成电信号，经过电路系统处理后便可以确定整个待测DNA的序列。本实用新型DNA检测仪中四色荧光的光路系统根据激光激发荧光，共聚焦荧光检测原理设计和分析生物化学杂志(Analytical Biochemistry)1995年第231期131-140页中居镜月(Jingyue Ju)等人所用的相类似。本实用新型DNA检测仪中的运动部分由平面二维扫描、平面旋转角调节、芯片对焦升降运动和芯片台进出运动组成五维运动机构。其中，芯片装卡装置以托台内框的两条相邻边线为装卡基准，并在其对角位置，内置压簧卡条，完成对芯片两边一点的平面固定。其次，为了对芯片的全方位固定，特别使固定芯片的两边一点，均上平面突出，形成对芯片z向固定。芯片台弹进弹出装置采用齿轮直齿啮合机构和到位触发开关，由步进电机快速完成动作。此外，考虑到芯片内装有电泳溶液，还可通过改变驱动系统对应的驱动脉冲频率，控制运动速度，使其稳定动作。芯片台控制子系统设计时，为得到相对稳定的荧光信号强度，聚焦透镜与基因芯片的泳道平面之间的间距基本保持不变(变化范围不超过4微米)。在保持芯片上表面与扫描平面xy之间相对平行的同时，最好扫描平面与聚焦物镜也呈垂直。本实用新型DNA微通道电泳芯片检测仪中的光路对焦子系统的聚焦是通过一个单片消球差透镜非球面聚焦完成。光路调节如下：激光管定位，作为调光基准；聚焦镜采用二维调节；带通滤光片、聚焦透镜和针孔的相对位置则由机械同心加工和光轴方向螺旋调节实现。非球面聚焦物镜采用套筒三螺钉立体布局调节结构，可微调其水平位置和倾角。检测仪工作时，为随时掌握、实时调节激光焦点在芯片上的位置，本实用新型DNA微通道电泳芯片检测仪采用CCD摄像头进行监测。检测仪五轴运动的控制，直接利用步进电机驱动系统，合理搭配电机，使其相互匹配。其调节控制由微机进行，并利用分析采光数据的计算机PC，编写各步进电机的控制程序，由微机PC输出信号完成控制。本实用新型DNA微通道电泳芯片检测仪中的用户工作界面子系统设计，采用可视化编程工具制作用户操作界面，并按照协议实现微机PC与可控编程器(PLC)间的通信。

本实用新型的优点是，自动控制芯片台可实现自动进台、出台，自动对准等操作；通过使用电子细分微步进驱动技术，使最小微步进量约达到0.625微米，实现了芯片台的高精度移动控制；非球面聚焦物镜的使用，大大增加了工作距离，对焦更加方便；控制软件功能较强大、界面友好、操作简便。而且，稍加改变即可用于蛋白质的检测。

附图说明：

图1是本实用新型DNA微通道电泳芯片检测仪的总系统设计框图。其中，1是用户工作界面模块；2是图象监测系统模块；3是光路对焦系统模块；4是步进电机控制系统模块；5是芯片台的控制模块；6是运动机构模块；7是计算机PC。

图2是本实用新型DNA微通道电泳芯片检测仪检测系统示意图。其中，8是图象监测系统和步进电机控制系统模块；9是光路系统；10是电泳微芯片，11是物镜，12是光路系统中的半反半透镜，13是光路系统中的氩离子激光器，14是光路系统中的带通滤波器，15是光路系统中的聚焦透镜，16是光路系统中的光电倍增管PMT；17是信号处理器。

图3是本实用新型DNA微通道电泳芯片检测仪机械结构示意图。其中，18是电极，19是芯片台，20是CCD摄像成像系统，21是光学检测系统。

图4是本实用新型DNA微通道电泳芯片检测仪的步进电机控制系统电路原理图。其中，22是可控制编程器PLC；23是继电器，24是驱动器，25是步进电机

图5是本实用新型DNA微通道电泳芯片检测仪的用户工作界面图。

下面结合附图详细说明符合本实用新型发明主题的实施例

实施例：

制造本实用新型DNA微通道电泳芯片检测仪，采取分步实施的方法，先完成系统中的各个模块，然后将各个模块组合连接，完成整个检测仪的制造。其中，运动机构模块6实施时，由于运动机构6是检测系统的独立机械机构，故可先单独制造。运动机构6由平面二维扫描、平面旋转角调节、芯片10对焦升降运动和芯片台19进出运动组成五维运动机构，运动机构中的动力采用直流步进电机25。二相直流步进电机25的基本步级角一般为1.8°(有时是3.6°)，若运动丝杆的螺距取2毫米，则对应的步进量dL＝2mm/(360/1.8)＝0.01mm＝10μm。应用电子细分微步进驱动24，电子细分技术可以实现细分数1/2、1/4、1/8、1/16，对应的微步进角度分别为0.9°、0.45°、0.9°、0.225°、0.1125°/步。若采用1/16细分量，则对应的微步进量为：

dL_m＝2mm/(360/0.1125)＝0.000625mm＝0.625μm

制造的二维x，y机械轴运动范围为0-30毫米，可实现芯片10泳道对准、扫描和换位。运动机构6中的θ向转动，采用蜗轮蜗杆，以几何中心为转动中心，配合y轴运动，从而实现沿泳道方向扫描时，焦点不脱离泳道。转动分辨率为：tg^-1(5μm/20mm)＝0.25mrad；微步转进360°/(3200*45)＝0.0025°＝0.05mrad。

制造的承接芯片10的升降台19可作z轴运动，调节范围为0-30毫米，可实现芯片10相对聚焦物镜11的对焦。芯片升降台19的托台弹出运动平面与对焦工作面之间的z向运动距离为0-20毫米，当然，该距离应以托台弹出运动，能比较安全地避开聚焦物镜11和CCD摄像镜头20为准，定位精度达8微米，微调分辨率约1微米。另外，为避免运动过量，损坏丝杆，两端各有一个低电平限位触发开关。为方便再次对焦，在低于对焦面的位置，比焦面低20毫米处，即托台弹出时所在平面，设一零位光电开关，作为z向零位点。

芯片台19控制中的弹进弹出装置，模仿计算机光驱动作，采用齿轮直齿啮合机构和到位触发开关，由步进电机25，快速完成动作。考虑到芯片10内装有生物溶液，可通过改变驱动系统24对应的驱动脉冲频率，控制其稳定运动速度。

为得到相对稳定的荧光信号强度，芯片托台扫描运动(30*30平方毫米)时，聚焦物镜11与基因芯片10的泳道平面之间的间距变化范围不超过4微米，以保持芯片10上表面与扫描平面xy间的相对平行，同时，扫描平面与聚焦物镜11最好也保持垂直。此外，通过微调装置，如用四个调节螺钉支撑镀导电膜玻璃片，间接完成对芯片10上表面倾斜角的的调节。

芯片台19控制中的芯片10装卡装置，以芯片升降台19的托台内框的两条相邻边线为装卡基准，在其对角位置，安装内置压簧卡条，从而完成对芯片10两边一点的平面固定。为更加强化对芯片10的全方位固定，还特别使两边一点，均上平面突出，形成对芯片10的z向固定。基因芯片10采取体外装卡方式，芯片10的托台像计算机7的光驱一样，可向外弹出90毫米以上。其滚动导轨采用钢球滚动，并为悬臂结构，以确保离焦量的综合变动不超过8微米。

芯片升降台19的托台弹进端安装一个光电开关，以保证托台的复位精度，用于芯片10上的针孔与电极板18的电极针之间的对应。另外，悬浮结构的电极板18下表面上的三锥针和托台上的三锥孔一一对应，以使电极针正确无误地插入芯片10的针孔中。当然，还有一个限位触发开关，保证托台弹出运动的到位停止。整个装置做成封闭式，只留一个托台弹出开口，开口装有弹动门，托台进入仪器后，自动关闭开口。由于芯片10的泳道内装有液体，故其弹动速度要保持平稳快速，约3-4秒完成行程。系统工作时，扫描运动方向与x向y向垂直，x、y、θ向调节基座与x向、y向垂直。

光学检测系统21中的光路对焦系统3，聚焦由非球面聚焦物镜11完成。聚焦物镜11的镜片是一个单片消球差透镜。物镜11的工作距离约1毫米左右。光路系统9调节如下：激光管13采用两套剖分环直接定位，作为调光基准；聚焦镜15采用开槽小套管的螺钉加压变形实现二维调节；带通滤光片14、聚焦透镜15、半反半透镜12和针孔的相对位置则依赖于机械加工同心，光轴方向螺旋调节。这样调节形成的四路荧光信号经过聚焦，空间滤波后，由光电倍增管16收集。物镜11采用套筒三螺钉立体布局调节结构，可微调其水平位置和倾角。此外，为随时掌握、实时调节激光焦点在芯片上的位置，还设有图像监测系统2。图像监测系统2采用CCD摄像头20进行监测。CCD摄像头20为黑白1881(600*600线数)型，其感光片有效面积为4.8毫米*3.6毫米。配合以2倍的放大镜组，可实现3微米精度的分辨率。另外，由于透过芯片10，波长为488纳米的激光强度还很大，因此需在镜头内增加一个488纳米波长的衰减片，以保护CCD摄像头20。CCD摄像头20能独立三维调节，即x、y向调节时能监测到芯片上的激光点，z向调节时能成像清晰。光学对焦系统3与芯片台控制系统5结合时，CCD摄像头20安装在芯片台19的下方，并与上面的聚焦物镜11配合，便于与芯片台19上放置的芯片10对焦。光学对焦系统3与芯片台控制系统5结合完成后，再进行对焦系统3光路调试。

步进电机控制系统4，直接采用电机25进行搭配，使其相互匹配以构成五轴运动体系的步进电机驱动系统24。图象监测和步进控制系统8由计算机7调节控制，并利用分析采光数据，编写各步进电机控制程序，输出信号完成控制。θ角的半自动调节是利用CCD图像20的显示，通过预估倾斜角，编程，由计算机准确快速完成θ角校准。x，y，z轴亦可直接输入位移量进行调节。同时，计算机7能记录芯片台19的初始位置，每片芯片10测完后，可由计算机7控制，使芯片台19自动回到原位置。

检测仪测试操作时，以可控编程器(PLC)22为主体，通过对各个驱动器24的控制，实现每个步进电机25的基本动作。同时通过计算机7与可控编程器(PLC)22间通信，实现用户对每轴运动的具体操作。

可控制编程器(PLC)22只有两个脉冲输出口Y₀、Y₁，其余均为节点逻辑输出。通过节点逻辑输出Y₂、Y₃、Y₄，控制三个继电器23，实现对五个驱动器24的脉冲输出控制。另外，驱动器24的方向控制由Y₅、Y₆、Y₇、Y₈、Y₉节点逻辑输出实现。

上述设计实施完成后，先要对可控制编程器(PLC)22编程，实现对各类驱动器24的控制，完成步进电机25的基本动作。编程时可按照可控制编程器(PLC)22的指令表直接对可控编程器(PLC)22编程输入，也可通过高级语言，例如NPST-GR或者FPSOFT编程软件，完成其梯形图形式的编程。用户工作界面1设置操作时，用户先按‘启动’，使可控制编程器(PLC)22处于工作状态，同时按下‘监测’，打开CCD摄像头20监测窗口，然后面向芯片升降台19的托台工作区，按下‘出台’，使托台从窗口伸出，将芯片10定位于托台上，按下‘进台’，托台带着芯片10进入仪器内。接着便可以按下‘对焦’，使芯片升降台19的托台带着芯片10上升，进行托台与电极板18自动对位，然后托台托起电极板18，使后者脱离支撑板，伴随托台的自由运动，完成芯片10与激发激光的初步对焦。剩下的工作便是面向常速调节区和微调区，完成激光焦斑与芯片10上的待测泳道之间的精密对焦，同时由信号处理器17完成对荧光信号的采集和分析。检测完毕后，按下‘离位’，托台下降到初始位置，接着按下‘出台’，伸出托台，取下完成检测的芯片，再按下‘进台’，使芯片升降台19的托台复位，并关闭‘监测’和‘启动’，程序运行结束。此外，考虑到用户可能出现的意外误操作，还为各按钮内置了逻辑互锁关系，对非法操作不响应。在常速调节区，先要指定要运动轴的移动量(负值表示反向运动)，然后才可按对应的动作按钮。其中的当前位置可以实时显示对应轴向的运动位置。限于系统的实际需要，五个轴只能依次运动，不可同时按下，否则命令无效。在微调区，可以实现各轴微米量级的正、反向运动。考虑到实际情况的复杂性，又设置了‘调速’按钮，可启动速度设定对话框。该对话框可设置各轴的正常调节速度和微调时的步进量，同时可实现各轴当前位置的人为置零以及机械复零。为了便于系统的初始调试，还增加了各轴电机的LOCK/FREE按钮，和托台进出、对焦位移量设置。

各模块完成后，将各模块组合连成整个系统。首先将运动控制部分6安装好，并为其它部分的安装定下位置。然后安装图象监测系统2与对焦系统3。安装时，精确控制光路，仔细调节各光学器件的位置、角度，使CCD摄像头20的中轴与对焦系统的聚焦物镜11的中轴重合，以及两个焦点重合。在安装芯片台控制部件5时，由于芯片的定位十分重要，因此，各部件定位要确当。在安装步进电机控制系统4时，先将各步进电机的控制线与可控制编程器(PLC)22相连，再将可控编程器(PLC)22与计算机7相连。最后安装用户界面1，联机，安装软件，通过计算机7接口与仪器控制器相连，实现计算机控制。

Claims (6)

1、一种DNA微通道电泳芯片(MCE chip)检测仪，包括运动机构、芯片台的控制、光路对焦系统、图象监测系统、步进电机控制系统、用户工作界面以及四色微通道电泳(MCE)，其特征在于以四色微通道电泳为基础的设计中，有微机与可控编程器(PLC)相连的通信协议，计算机可视化编程用户操作界面以及CCD摄像头对基因芯片实时图像监测的图象监测模块、调节电机转速的步进电机控制模块、五维运动机构控制模块、芯片台弹进或弹出等操作的芯片台控制模块和由一个单片消球差透镜非球面聚焦完成光路对焦的光路对焦控制模块。

2、根据权利要求1所述的DNA微通道电泳芯片检测仪，其特征在于运动部分由平面二维扫描、平面旋转角调节、芯片对焦升降运动和芯片台进出运动组成五维运动机构。

3、根据权利要求1或2所述的DNA微通道电泳芯片检测仪，其特征在于芯片对焦升降和芯片台进出的芯片装卡装置中，以托台内框的两条相邻边线为基准，对角位置，有一个装卡平面固定芯片两边一点的内置压簧卡条。

4、根据权利要求3所述的DNA微通道电泳芯片检测仪，其特征在于芯片装卡装置中的z向有固定芯片的，均上平面突出的两边一点。

5、根据权利要求1所述的DNA微通道电泳芯片检测仪，其特征在于芯片托台扫描运动时，聚焦透镜与基因芯片的泳道平面间距变化范围不超过4微米，最好扫描平面与聚焦物镜也垂直。

6、根据权利要求1所述的DNA微通道电泳芯片检测仪，其特征在于非球面聚焦物镜是一个单片消球差透镜，物镜的工作距离约1毫米。

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