RU162184U1

RU162184U1 - OPTICAL DEVICE FOR ANALYSIS OF BIOLOGICAL MICROCHIPS

Info

Publication number: RU162184U1
Application number: RU2015136325/28U
Authority: RU
Inventors: Антон Владимирович Сорокин; Людмила Федоровна Стародубцева; Андрей Александрович Высоканов; Семен Данилович Айзенштат
Original assignee: Открытое акционерное общество "Швабе-Фотосистемы"
Priority date: 2015-08-27
Filing date: 2015-08-27
Publication date: 2016-05-27

Abstract

1. Устройство оптическое для анализа биологических микрочипов, содержащее лазерные источники возбуждения люминесцентного излучения с различными длинами волн, узел держателя образца биологических микрочипов, приемную оптическую систему регистрации люминесцентного излучения с набором светофильтров и матричный приемник излучения с блоком обработки сигнала, между источниками света и узлом держателя образца расположены дихроичное зеркало, объектив и поворотное зеркало, отличающееся тем, что узел держателя образца дополнительно содержит калибровочную пластину.2. Устройство оптическое для анализа биологических микрочипов по п. 1, отличающееся тем, что поверхность калибровочной пластины выполнена однородно люминесцирующей с калиброванным коэффициентом люминесценции, а в наборе светофильтров содержится узкополосный светофильтр на длину волны люминесценции красителя калибровочной пластины.3. Устройство оптическое для анализа биологических микрочипов по п. 1, отличающееся тем, что в наборе светофильтров содержится фильтр на длину волны излучения лазера, а поверхность калибровочной пластины выполнена с калиброванным коэффициентом отражения.4. Устройство оптическое для анализа биологических микрочипов по п. 1, отличающееся тем, что в наборе светофильтров содержится калиброванный нейтральный фильтр, а поверхность калибровочной пластины выполнена с калиброванным коэффициентом отражения.5. Устройство оптическое для анализа биологических микрочипов по п. 1, отличающееся тем, что в наборе светофильтров содержится комбинация узкополосного фильтра и калиброванного нейтрального фильтра, а поверхность калибровочной 1. Optical device for the analysis of biological microarrays, containing laser sources of excitation of luminescent radiation with different wavelengths, a node for holding a sample of biological microarrays, a receiving optical system for recording luminescent radiation with a set of light filters, and a matrix radiation receiver with a signal processing unit, between the light sources and the holder assembly the sample contains a dichroic mirror, a lens and a rotary mirror, characterized in that the sample holder assembly further comprises ie calibration plastinu.2. An optical device for the analysis of biological microarrays according to claim 1, characterized in that the surface of the calibration plate is uniformly luminescent with a calibrated luminescence coefficient, and the filter set contains a narrow-band filter for the luminescence wavelength of the dye of the calibration plate. 3. An optical device for the analysis of biological microchips according to claim 1, characterized in that the set of filters contains a filter for the wavelength of the laser radiation, and the surface of the calibration plate is made with a calibrated reflection coefficient. An optical device for the analysis of biological microchips according to claim 1, characterized in that the set of optical filters contains a calibrated neutral filter, and the surface of the calibration plate is made with a calibrated reflection coefficient. An optical device for the analysis of biological microchips according to claim 1, characterized in that the set of optical filters contains a combination of a narrow-band filter and a calibrated neutral filter, and the surface of the calibration

Description

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам для сканирования биологических микрочипов с флуоресцентными метками и может быть использована для диагностики в медицине, ветеринарии, при контроле пищевых продуктов, в криминалистике.The proposed utility model relates to devices for scanning biological microarrays with fluorescent labels and can be used for diagnostics in medicine, veterinary medicine, food control, and forensic science.

Существуют схемы сканирования, использующие различные способы освещения образца (светлопольная и темнопольная схемы) и получения изображения (с применением механической развертки и одноэлементного фотоприемника либо имеющие матричный фотоприемник). Схемы сканирования с механической разверткой и одноэлементным фотоприемником имеют невысокую скорость проведения измерений, так как все точки биологического микрочипа просматриваются последовательно. Матричный фотоприемник обеспечивает одновременное измерение интенсивности люминесценции всех точек образца, что повышает скорость проведения измерений. Схемы со светлопольным освещением характеризуются высокой разрешающей способностью, критичностью к толщине образца благодаря малой глубине резкости, высокими требованиями к спектральному составу излучения возбуждения и применяемым светофильтрам, низким отношением сигнал/шум, относительно невысокой точностью. Схемы, имеющие темнопольное освещение, имеют при сравнимой разрешающей способности более высокое отношение сигнал/шум, точность и более низкие требования к применяемым светофильтрам и источникам излучения.There are scanning schemes that use various methods of illumination of the sample (bright-field and dark-field schemes) and image acquisition (using mechanical scanning and a single-element photodetector or having a matrix photodetector). Scanning schemes with a mechanical scan and a single-element photodetector have a low measurement speed, since all points of the biological microchip are viewed sequentially. An array photodetector provides simultaneous measurement of the luminescence intensity of all points of the sample, which increases the speed of measurements. Schemes with bright field illumination are characterized by high resolution, criticality to the thickness of the sample due to the shallow depth of field, high requirements for the spectral composition of the excitation radiation and the applied filters, low signal to noise ratio, relatively low accuracy. Schemes having dark-field illumination have, with comparable resolution, a higher signal-to-noise ratio, accuracy, and lower requirements for the applied filters and radiation sources.

Известно устройство для диагностики с использованием биологических микрочипов, выполненное по патенту RU 2371721 С2 (МПК G01N 33/483, опубл. 27.12.2008 г. ). Устройство выполнено по темнопольной схеме, с использованием матричного фотоприемника. В нем освещение осуществляется набором из светодиодов, расположенных под углом к поверхности образца, а для увеличения использования излучения люминесценции под поверхностью образца расположен блок микропризм, действующих как уголковые отражатели и направляющих свет от тыльной поверхности образца в объектив. Оптическая система состоит из двух объективов и построена так, что между объективами существует параллельный пучок лучей, в котором установлен интерференционный светофильтр, пропускающий длину волны люминесценции. К недостаткам устройства можно отнести требование к прозрачности и высокой оптической однородности подложки образца, требование к большому световому диаметру интерференционного фильтра, малую мощность светодиодного осветителя, отсутствие самоконтроля, что приводит к малому отношению сигнал-шум и снижению точности устройства.A device for diagnosis using biological microarrays, made according to the patent RU 2371721 C2 (IPC G01N 33/483, publ. December 27, 2008). The device is made according to a dark-field scheme using a matrix photodetector. In it, lighting is carried out by a set of LEDs located at an angle to the surface of the sample, and to increase the use of luminescence radiation, a block of microprisms is located under the surface of the sample, acting as corner reflectors and directing light from the back of the sample to the lens. The optical system consists of two lenses and is constructed so that between the lenses there is a parallel beam of rays in which an interference filter is installed that transmits the luminescence wavelength. The disadvantages of the device include the requirement for transparency and high optical uniformity of the sample substrate, the requirement for a large light diameter of the interference filter, low power of the LED illuminator, lack of self-control, which leads to a small signal-to-noise ratio and reduced accuracy of the device.

Известно также устройство для анализа люминесцирующих биологических микрочипов, выполненное по патенту RU 2510959 С2 (МПК G01N 21/64, опубл. 03.02.2010 г. ). Устройство выполнено по темнопольной схеме, с использованием матричного фотоприемника. В нем освещение образца осуществляется лазерными диодами с помощью волоконных световодов. Пучок волоконных световодов расщепляется на отдельные волокна, концы которых равномерно располагаются вокруг освещаемого образца таким образом, что свет падает на образец под углом. Приемная оптическая система устроена аналогично предыдущему патенту. Благодаря тому, что в качестве осветителя используются лазерные диоды, становится возможным получать большую интенсивность излучения, возбуждающего краситель, на поверхности образца. Это дает более высокую интенсивность люминесценции образца, что, в свою очередь, предъявляет менее высокие требования к светосиле оптической системы и чувствительности матричного приемника излучения. К недостаткам устройства можно отнести чувствительность к вибрациям, большое число волокон, требуемое для обеспечения заданной равномерности освещения, отсутствие самоконтроля, что приводит к снижению точности измерений.Also known is a device for the analysis of luminescent biological microarrays made according to the patent RU 2510959 C2 (IPC G01N 21/64, publ. 03.02.2010). The device is made according to a dark-field scheme using a matrix photodetector. In it, illumination of the sample is carried out by laser diodes using fiber optical fibers. The fiber bundle is split into individual fibers, the ends of which are evenly spaced around the illuminated sample so that light is incident on the sample at an angle. The receiving optical system is arranged similarly to the previous patent. Due to the fact that laser diodes are used as the illuminator, it becomes possible to obtain a higher intensity of the radiation exciting the dye on the surface of the sample. This gives a higher luminescence intensity of the sample, which, in turn, makes less high demands on the aperture ratio of the optical system and the sensitivity of the matrix radiation detector. The disadvantages of the device include sensitivity to vibration, a large number of fibers required to ensure a given uniformity of lighting, lack of self-control, which leads to a decrease in the accuracy of measurements.

Известно также устройство для сканирования биополимерного массива, выполненное по патенту US 7504072 (МПК G01N 21/64, опубл. 17.03.2009). Устройство использует светопольную схему освещения и механическую развертку изображения. В данном устройстве реализована задача улавливания излучения флуоресценции биополимерного массива с применением модулированного лазерного излучения, с этой целью в оптическую схему добавлены электрооптические модуляторы (110а, 110b) и поляризаторы (120а, 120b), причем сами лазеры работают непрерывно. При этом используются отдельные фотоприемники для каждой используемой длины волны. В отличие от устройства по патенту US 7504072, в предлагаемой полезной модели применено немодулированное лазерное излучение, отсутствуют электрооптические модуляторы (110а, 110b) и поляризаторы (120а, 120b), применен матричный фотоприемник вместо двух единичных фотоприемников. Недостатками устройства являются отсутствие самоконтроля, низкая скорость проведения измерения, высокие требования к юстировке, отсутствию вибраций, а также высокие требования к применяемым светофильтрам для разделения длин волн возбуждения и излучения красителя биологического микрочипа, что снижает отношение сигнал/шум и, как следствие, уменьшает повторяемость и точность измерений.Also known is a device for scanning a biopolymer array, made according to the patent US 7504072 (IPC G01N 21/64, publ. 17.03.2009). The device uses a bright field illumination scheme and a mechanical scan of the image. This device implements the task of capturing the fluorescence radiation of a biopolymer array using modulated laser radiation; for this purpose, electro-optical modulators (110a, 110b) and polarizers (120a, 120b) are added to the optical circuit, and the lasers themselves operate continuously. In this case, separate photodetectors are used for each wavelength used. Unlike the device according to US 7504072, the proposed utility model uses unmodulated laser radiation, there are no electro-optical modulators (110a, 110b) and polarizers (120a, 120b), an array photodetector is used instead of two single photodetectors. The disadvantages of the device are the lack of self-control, low measurement speed, high requirements for alignment, lack of vibration, and high requirements for the used filters to separate the excitation wavelengths and the dye radiation of the biological microchip, which reduces the signal-to-noise ratio and, as a result, reduces repeatability and measurement accuracy.

Наиболее близким к рассматриваемому устройству является устройство считывания биологического микромассива, выполненное по патенту WO 02/35441 А2, (МПК G06F 19/00, опубл. 02.05.2002). В данной системе используется механическая развертка, набор поворотных зеркал для направления излучения от источников излучения, светлопольная схема освещения, разрешающая способность определяется размером точечной диафрагмы (467). Схема имеет два лазерных источника излучения возбуждения с длиной волны 635 нм (420 А) и 532 нм (420 В), фильтры излучения возбуждения (425 А, 425 В), поворотное зеркало на пути луча лазера (424), объединитель лучей (430), дихроичное зеркало (436), поворотное зеркало перископа (438), зеркало механической развертки (440) и зеркало на конце поворотного рычага (442), объектив (445), детектор излучения возбуждения (410), револьверную головку с фильтрами (460), объектив детектора (465), точечную диафрагму (467), детектор излучения люминесценции (415). Дихроичное зеркало (436) разделяет излучение возбуждения и излучение люминесценции образца. Детектор излучения возбуждения (410) позволяет контролировать мощность излучения лазеров (420 А, 420 В). Недостатками системы является низкая скорость считывания из-за примененного принципа развертки, отсутствие самоконтроля, низкая чувствительность из-за ограничения светового потока точечной диафрагмой и потерь света на многочисленных оптических элементах, использование светлопольной схемы освещения и считывания изображения, что предъявляет высокие требования к юстировке, отсутствию вибраций, снижает отношение сигнал/шум и уменьшает точность и повторяемость измерений.Closest to the considered device is a biological microarray reader, made according to patent WO 02/35441 A2, (IPC G06F 19/00, publ. 02.05.2002). This system uses a mechanical scan, a set of rotary mirrors for directing radiation from radiation sources, a bright field illumination scheme, and the resolution is determined by the size of the point aperture (467). The circuit has two laser sources of excitation radiation with a wavelength of 635 nm (420 A) and 532 nm (420 V), excitation radiation filters (425 A, 425 V), a swivel mirror in the path of the laser beam (424), a beam combiner (430) , dichroic mirror (436), rotary periscope mirror (438), mechanical scan mirror (440) and mirror at the end of the rotary lever (442), lens (445), excitation radiation detector (410), turret with filters (460), detector lens (465), pinhole (467), luminescence radiation detector (415). The dichroic mirror (436) separates the excitation radiation and the luminescence radiation of the sample. The excitation radiation detector (410) allows you to control the laser radiation power (420 A, 420 V). The disadvantages of the system are the low reading speed due to the applied scanning principle, the lack of self-control, low sensitivity due to the limitation of the luminous flux by the point diaphragm and light losses on numerous optical elements, the use of a bright-field illumination scheme and image reading, which makes high demands on alignment and the absence of vibration, reduces the signal-to-noise ratio and reduces the accuracy and repeatability of measurements.

Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, являются повышение повторяемости и точности измерения устройства для считывания биологических микрочипов.The problem solved by the proposed utility model is to increase the repeatability and measurement accuracy of a device for reading biological microarrays.

Техническим результатом является использование самоконтроля устройства для повышения повторяемости и точности измерения устройства для считывания биологических микрочипов.The technical result is the use of device self-control to increase the repeatability and measurement accuracy of a device for reading biological microchips.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство оптическое для анализа биологических микрочипов содержит лазерные источники возбуждения люминесцентного излучения с разными длинами волн, узел держателя образца биологических микрочипов, приемную оптическую систему регистрации люминесцентного излучения с набором светофильтров и матричный приемник излучения с блоком обработки сигнала, между источниками света и узлом держателя образца расположены дихроичное зеркало, объектив и поворотное зеркало, и отличается тем, что узел держателя образца дополнительно снабжен калибровочной пластиной.The specified technical result is achieved by the fact that the optical device for the analysis of biological microarrays contains laser sources of excitation of luminescent radiation with different wavelengths, a sample holder assembly of biological microarrays, a receiving optical system for recording luminescent radiation with a set of light filters, and a matrix radiation receiver with a signal processing unit, between sources the dichroic mirror, the lens and the swivel mirror are located in the light and the sample holder assembly, and differs in that the sample holder assembly is further provided with a calibration plate.

В частном случае выполнения поверхность калибровочной пластины выполнена однородно люминесцирующей с калиброванным коэффициентом люминесценции, а в наборе светофильтров содержится узкополосный светофильтр на длину волны люминесценции красителя калибровочной пластины.In a particular case, the surface of the calibration plate is uniformly luminescent with a calibrated luminescence coefficient, and the filter set contains a narrow-band filter for the luminescence wavelength of the dye of the calibration plate.

В другом частном случае выполнения в наборе светофильтров содержится фильтр на длину волны излучения лазера, а поверхность калибровочной пластины выполнена с калиброванным коэффициентом отражения.In another particular case of execution in the set of filters contains a filter for the wavelength of the laser radiation, and the surface of the calibration plate is made with a calibrated reflection coefficient.

В третьем частном случае выполнения в наборе светофильтров содержится калиброванный нейтральный фильтр, а поверхность калибровочной пластины выполнена с калиброванным коэффициентом отражения.In the third particular case of execution, the set of filters contains a calibrated neutral filter, and the surface of the calibration plate is made with a calibrated reflection coefficient.

В четвертом частном случае выполнения в наборе светофильтров содержится комбинация узкополосного фильтра и калиброванного нейтрального фильтра, а поверхность калибровочной пластины выполнена с калиброванным коэффициентом отражения.In the fourth particular case of the implementation of the set of filters contains a combination of a narrow-band filter and a calibrated neutral filter, and the surface of the calibration plate is made with a calibrated reflection coefficient.

Дихроичное зеркало необходимо для объединения излучения лазерных источников возбуждения с разными длинами волн. Оно должно быть рассчитано на области длин волн используемых лазерных источников.A dichroic mirror is necessary for combining the radiation of laser excitation sources with different wavelengths. It should be designed for the wavelength region of the used laser sources.

Применение отдельного поворотного зеркала дает возможность настроить оптимальное положение пучка излучения осветителей на образце.The use of a separate rotary mirror makes it possible to adjust the optimal position of the radiation beam of the illuminators on the sample.

Объектив служит для создания изображения образца на чувствительной поверхности матричного приемника излучения.The lens serves to create an image of the sample on the sensitive surface of the matrix radiation detector.

В качестве лазерных источников могут быть применены полупроводниковые лазеры, твердотельные лазеры, газовые лазеры.As laser sources, semiconductor lasers, solid-state lasers, gas lasers can be used.

Наличие дополнительной калибровочной пластины обеспечивает самоконтроль устройства по заранее известным свойствам ее поверхности: калиброванному коэффициенту отражения либо калиброванному коэффициенту люминесценции, что увеличивает повторяемость и точность измерения в течение всего срока службы прибора.The presence of an additional calibration plate provides self-control of the device according to the previously known properties of its surface: a calibrated reflection coefficient or a calibrated luminescence coefficient, which increases the repeatability and accuracy of measurement over the entire life of the device.

В отличие от устройства по патенту WO 02/35441 А2, в предлагаемой полезной модели используется темнопольная схема освещения вместо светлопольной, лазеры без фильтров излучения возбуждения, дихроичное зеркало соединяет излучение от двух лазерных источников вместо того, чтобы разделять излучение возбуждения и излучение люминесценции образца, применяется матричный фотоприемник вместо механической развертки, единичного фотоприемника и точечной диафрагмы, и используется калибровочная пластина. Применение калибровочной пластины позволяет получить большую повторяемость и точность измерения, чем в устройстве по патенту WO 02/35441 А2.Unlike the device according to patent WO 02/35441 A2, the proposed utility model uses a dark-field illumination scheme instead of bright-field, lasers without excitation radiation filters, a dichroic mirror connects radiation from two laser sources instead of separating the excitation radiation and the luminescence radiation of the sample, a matrix photodetector instead of a mechanical scan, a single photodetector and a pinhole, and a calibration plate is used. The use of a calibration plate allows for greater repeatability and accuracy of measurement than in the device according to patent WO 02/35441 A2.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена схема устройства.The essence of the utility model is illustrated by the drawing, which shows a diagram of the device.

Устройство оптическое для анализа биологических микрочипов содержит лазерные источники возбуждения люминесцентного излучения 1 и 2 с различными длинами волн (лазеры), узел держателя 3 образца с биологическим микрочипом 4, приемную оптическую систему регистрации люминесцентного излучения 5 с набором светофильтров 6 и матричный фотоприемник 7 с блоком обработки сигнала (изображения) 8. Между лазерными источниками возбуждения люминесцентного излучения 1 и 2 и узлом держателя образца 3 расположены дихроичное зеркало 9, объектив 10 и поворотное зеркало 11, формирующие поток возбуждающего излучения на биологическом микрочипе 4. Узел держателя образца 3 дополнительно содержит калибровочную пластину 12. Оптическая система регистрации люминесцентного излучения 5 состоит из двух объективов 13 и 14, между которыми размещен набор светофильтров 6. В набор светофильтров входят фильтры, имеющие длину волны пропускания, соответствующую длине волны люминесценции исследуемых образцов, в качестве которых могут применяться нейтральные фильтры, полосовые обычные фильтры или интерференционные светофильтры. Калибровочная пластина 12 в частных случаях может быть выполнена с однородно люминесцирующей поверхностью с заранее известной интенсивностью люминесценции или с однородной диффузно отражающей поверхностью с заранее известным коэффициентом отражения. При использовании пластины с однородно люминесцирующей поверхностью в набор светофильтров входит узкополосный светофильтр на длину волны люминесценции красителя калибровочной пластины. При использовании пластины с однородной диффузно отражающей поверхностью в набор светофильтров входит фильтр на длину волны излучения лазера, или нейтральный фильтр, или комбинация узкополосного фильтра и нейтрального фильтра.An optical device for the analysis of biological microarrays contains laser sources of excitation of luminescent radiation 1 and 2 with different wavelengths (lasers), an assembly of the sample holder 3 with a biological microchip 4, an optical reception system for recording luminescent radiation 5 with a set of light filters 6, and a photodetector 7 with a processing unit signal (image) 8. Between the laser sources of excitation of luminescent radiation 1 and 2 and the node of the sample holder 3 are located a dichroic mirror 9, a lens 10 and a rotary The mirror 11 forming the flow of exciting radiation on the biological microchip 4. The sample holder assembly 3 additionally contains a calibration plate 12. The optical system for detecting luminescent radiation 5 consists of two lenses 13 and 14, between which there is a set of light filters 6. The set of light filters includes filters having the transmission wavelength corresponding to the luminescence wavelength of the studied samples, which can be used neutral filters, conventional bandpass filters or interference with etofiltry. The calibration plate 12 in special cases can be performed with a uniformly luminescent surface with a predetermined luminescence intensity or with a uniform diffusely reflective surface with a predetermined reflection coefficient. When using a plate with a uniformly luminescent surface, the filter set includes a narrow-band filter at the luminescence wavelength of the dye of the calibration plate. When using a plate with a homogeneous diffusely reflecting surface, the filter kit includes a filter for the laser radiation wavelength, or a neutral filter, or a combination of a narrow-band filter and a neutral filter.

Биологический микрочип 4 (образец) освещается лазерными источниками возбуждения люминесцентного излучения 1 и 2 с различными длинами волн, соответствующими длине волны возбуждения флуоресцентных меток биологического микрочипа, с помощью объектива 10 и поворотного зеркала 11. Применение отдельного поворотного зеркала дает возможность настроить оптимальное положение пучка излучения осветителей на образце, а также уменьшить габариты устройства. Объединение излучения двух лазерных источников возбуждения люминесцентного излучения происходит на дихроичном зеркале 9. Лазерные источники возбуждения люминесцентного излучения 1 и 2 могут включаться раздельно или одновременно для обеспечения возможности использования различных флуоресцентных меток с разными длинами волн возбуждения. Ток лазерных источников возбуждения люминесцентного излучения стабилизируется электрической схемой устройства.Biological microchip 4 (sample) is illuminated by laser sources of luminescent radiation 1 and 2 with different wavelengths corresponding to the wavelength of the fluorescence excitation of the biological microchip using a lens 10 and a swivel mirror 11. The use of a separate swivel mirror makes it possible to adjust the optimal position of the radiation beam of the illuminators on the sample, as well as reduce the dimensions of the device. Combining the radiation of two laser sources of excitation of luminescent radiation occurs on a dichroic mirror 9. Laser excitation sources of luminescent radiation 1 and 2 can be switched on separately or simultaneously to enable the use of different fluorescent labels with different excitation wavelengths. The current of the laser sources of excitation of luminescent radiation is stabilized by the electrical circuit of the device.

Обработка полученного изображения, предварительная проверка работоспособности, компенсация неоднородности освещения и вывод на внешнее устройство производится в блоке обработки изображения 8, к которому подключен матричный фотоприемник 7. Взаимное расположение источников и приемников излучения соответствует темнопольной схеме измерений.Processing of the obtained image, preliminary verification of operability, compensation of inhomogeneity of lighting and output to an external device is performed in the image processing unit 8, to which the photodetector matrix 7 is connected. The relative position of the radiation sources and receivers corresponds to the dark-field measurement scheme.

В случае применения отражающей калибровочной пластины после включения устройства работа происходит следующим образом - вместо биологического микрочипа 4 в узел держателя образца 3 устанавливается равномерно отражающая пластина 12, с заранее известным (калиброванным) коэффициентом отражения. Из набора светофильтров 6 в оптическую систему 5 устанавливается нейтральный светофильтр с известным (калиброванным) коэффициентом пропускания. Включается лазер 1 или 2 с любой длиной волны в области спектральной чувствительности матричного фотоприемника 7.In the case of using a reflective calibration plate after turning on the device, the operation is as follows - instead of a biological microchip 4, a uniformly reflecting plate 12 is installed in the sample holder assembly 3, with a known (calibrated) reflection coefficient. From the set of light filters 6, a neutral light filter with a known (calibrated) transmittance is installed in the optical system 5. Turns on the laser 1 or 2 with any wavelength in the spectral sensitivity region of the matrix photodetector 7.

В случае применения люминесцирующей калибровочной пластины вместо биологического микрочипа 4 в узел держателя образца 3 устанавливается равномерно люминесцирующая пластина 12, с заранее известной интенсивностью люминесценции.In the case of using a luminescent calibration plate instead of a biological microchip 4, a uniformly luminescent plate 12 is installed in the sample holder assembly 3, with a known luminescence intensity.

В качестве светофильтра 6 в приемную оптическую систему 5 устанавливается полосовой светофильтр на длину волны люминесценции красителя калибровочной пластины. Включается лазер 1 или 2 с длиной волны, соответствующей длине волны возбуждения красителя калибровочной пластины.As a filter 6, a band-pass filter for the luminescence wavelength of the dye of the calibration plate is installed in the receiving optical system 5. A laser 1 or 2 is turned on with a wavelength corresponding to the excitation wavelength of the dye of the calibration plate.

Производится считывание изображения с матричного фотоприемника 7. Блок обработки изображения записывает в память распределение интенсивности, считанное приемником излучения для пластины 12, и в дальнейшем использует это распределение для коррекции неравномерности освещенности образца.The image is read from the matrix photodetector 7. The image processing unit writes to the memory the intensity distribution read by the radiation receiver for the plate 12, and further uses this distribution to correct the unevenness of illumination of the sample.

После проведения самоконтроля по калибровочной пластине проводят сканирование биологического микрочипа. В узел держателя образца 3 устанавливается биологический микрочип 4 с флуоресцентными метками. Из набора светофильтров 6 устанавливается светофильтр с длиной волны пропускания, соответствующей длине волны излучения образца. Включается лазер 1 или 2, с длиной волны, соответствующей длине волны возбуждения флуоресцентных меток биологического микрочипа 4. Делается снимок изображения матричным фотоприемником 7. Блок обработки сигнала 8 сопоставляет полученное изображение с матричного фотоприемника и изображение, записанное в память во время предыдущего этапа, и корректирует неоднородность освещенности полученного изображения. Определяя положение флуоресцентных меток на образце, блок обработки сигнала строит координатную сетку, в вершинах которой находятся все флуоресцентные метки образца. Максимальная интенсивность свечения флуоресцентных меток принимается за 100% результата измерения, интенсивность свечения пространства между метками - за 0%, а интенсивность свечения остальных флуоресцентных меток распределяется между этими значениями. Номер флуоресцентной метки в координатной сетке сопоставляется блоком обработки сигнала с заранее внесенными в него наименованиями реагентов или определяемых веществ. Результатом измерения является номер флуоресцентной метки в координатной сетке, сопоставленный с номером наименования. Относительную интенсивность блок обработки сигнала выводит на внешнее устройство (индикатор, дисплей, принтер, внешний компьютер, устройство внешней памяти, на чертеже не показано). Блок обработки сигнала также может записать результат во внутреннюю память с целью повторной выдачи или для сравнения с другим результатом измерения.After conducting self-monitoring on the calibration plate, a biological microchip is scanned. A biological microchip 4 with fluorescent labels is installed in the assembly of the sample holder 3. From the set of light filters 6, a light filter with a transmission wavelength corresponding to the radiation wavelength of the sample is installed. The laser 1 or 2 is turned on, with a wavelength corresponding to the wavelength of the excitation of the fluorescent labels of the biological microchip 4. A picture is taken of the matrix photodetector 7. Signal processing unit 8 compares the received image from the photodetector matrix and the image recorded in memory during the previous stage, and corrects heterogeneity of illumination of the received image. Determining the position of the fluorescent labels on the sample, the signal processing unit builds a coordinate grid, at the vertices of which are all the fluorescent labels of the sample. The maximum luminescence intensity of fluorescent labels is taken as 100% of the measurement result, the luminosity of the space between the labels is taken as 0%, and the luminosity of the remaining fluorescent labels is distributed between these values. The number of the fluorescent label in the coordinate grid is compared by the signal processing unit with the names of reagents or substances to be determined in advance. The measurement result is the number of the fluorescent label in the coordinate grid, compared with the name of the name. The relative intensity of the signal processing unit outputs to an external device (indicator, display, printer, external computer, external memory device, not shown in the drawing). The signal processing unit can also record the result in the internal memory for the purpose of re-issuing or for comparison with another measurement result.

Предложенное устройство было реализовано для анализа биологических микрочипов с красителями Су5 и Су3.The proposed device was implemented for the analysis of biological microarrays with dyes Su5 and Su3.

В качестве лазерных источников возбуждения люминесцентного излучения были использованы полупроводниковые лазерные диоды с длинами волн 532 нм и 650 нм. Узел держателя образца состоит из рамки, прижима и пружины для фиксации биологических микрочипов и калибровочной пластины. Калибровочная пластина представляет собой стекло предметное ГОСТ 9284-75, покрытое красителем Су5 или эмалью ПФ-115 белой ГОСТ 6465-76. Набор светофильтров включает в себя фильтры на длины волн 570±10 нм для красителя Су3. модель DDC-t570/10 ООО «Фотооптик», 670±10 для красителя Су5, модель 14IF55-670-10 производства Standa, нейтральный фильтр 14 NDF-15-1 производства Standa. Использованы дихроичное зеркало модели 140-1-W57-45-2 производства Standa, объектив модели «Т-55» производства «ЛОМО». Поворотное зеркало использовано с внешним отражением, имеющее напыление из алюминия на стеклянной подложке. Регистрация проводилась матричным фотоприемником OV5647 фирмы Omni Vision (2592×1944 точки) с блоком обработки сигнала Raspberry Pi2B фирмы Raspberry Pi.Semiconductor laser diodes with wavelengths of 532 nm and 650 nm were used as laser sources of excitation of luminescent radiation. The sample holder assembly consists of a frame, a clamp and a spring for fixing biological microchips and a calibration plate. The calibration plate is a subject glass GOST 9284-75, coated with dye Su5 or enamel PF-115 white GOST 6465-76. The set of light filters includes filters at wavelengths of 570 ± 10 nm for the Su3 dye. model DDC-t570 / 10 Photooptik LLC, 670 ± 10 for Su5 dye, model 14IF55-670-10 manufactured by Standa, neutral filter 14 NDF-15-1 manufactured by Standa. We used a dichroic mirror model 140-1-W57-45-2 manufactured by Standa, a lens of the model "T-55" manufactured by "LOMO". A swivel mirror is used with external reflection, having a sputtering of aluminum on a glass substrate. The registration was carried out by an Omni Vision OV5647 matrix photodetector (2592 × 1944 points) with a Raspberry Pi2B signal processing unit from Raspberry Pi.

Таким образом, использование в предлагаемом устройстве калибровочной пластины и проведение самоконтроля перед проведением измерений обеспечивает увеличение повторяемости и точности измерений устройства для считывания биологических микрочипов по сравнению с прототипом.Thus, the use in the proposed device of a calibration plate and conducting self-monitoring before taking measurements provides an increase in the repeatability and accuracy of measurements of a device for reading biological microchips in comparison with the prototype.

Claims

1. Optical device for the analysis of biological microarrays, containing laser sources of excitation of luminescent radiation with different wavelengths, a node for holding a sample of biological microarrays, a receiving optical system for recording luminescent radiation with a set of light filters, and a matrix radiation receiver with a signal processing unit, between the light sources and the holder assembly the sample contains a dichroic mirror, a lens and a rotary mirror, characterized in that the sample holder assembly further comprises m calibration plate.

2. The optical device for the analysis of biological microarrays according to claim 1, characterized in that the surface of the calibration plate is uniformly luminescent with a calibrated luminescence coefficient, and the filter set contains a narrow-band filter for the luminescence wavelength of the dye of the calibration plate.

3. An optical device for the analysis of biological microchips according to claim 1, characterized in that the set of filters contains a filter for the wavelength of the laser radiation, and the surface of the calibration plate is made with a calibrated reflection coefficient.

4. The optical device for the analysis of biological microchips according to claim 1, characterized in that the set of optical filters contains a calibrated neutral filter, and the surface of the calibration plate is made with a calibrated reflection coefficient.

5. The optical device for the analysis of biological microchips according to claim 1, characterized in that the set of optical filters contains a combination of a narrow-band filter and a calibrated neutral filter, and the surface of the calibration plate is made with a calibrated reflection coefficient.