RU188251U1 - BIOCHIP SCAN DEVICE - Google Patents
BIOCHIP SCAN DEVICE Download PDFInfo
- Publication number
- RU188251U1 RU188251U1 RU2018127497U RU2018127497U RU188251U1 RU 188251 U1 RU188251 U1 RU 188251U1 RU 2018127497 U RU2018127497 U RU 2018127497U RU 2018127497 U RU2018127497 U RU 2018127497U RU 188251 U1 RU188251 U1 RU 188251U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- biochip
- scanning
- photodetector
- laser
- fluorescence
- Prior art date
Links
- 238000000018 DNA microarray Methods 0.000 title claims abstract description 61
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 38
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 8
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000010365 information processing Effects 0.000 claims abstract description 3
- 238000003491 array Methods 0.000 claims description 3
- 238000012921 fluorescence analysis Methods 0.000 abstract description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 3
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 13
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 8
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 6
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 5
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 5
- 238000011160 research Methods 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 3
- RDFLLVCQYHQOBU-GPGGJFNDSA-O Cyanin Natural products O([C@H]1[C@H](O)[C@H](O)[C@H](O)[C@H](CO)O1)c1c(-c2cc(O)c(O)cc2)[o+]c2c(c(O[C@H]3[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@H](CO)O3)cc(O)c2)c1 RDFLLVCQYHQOBU-GPGGJFNDSA-O 0.000 description 2
- RDFLLVCQYHQOBU-ZOTFFYTFSA-O cyanin Chemical compound O[C@@H]1[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](CO)O[C@H]1OC(C(=[O+]C1=CC(O)=C2)C=3C=C(O)C(O)=CC=3)=CC1=C2O[C@H]1[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](CO)O1 RDFLLVCQYHQOBU-ZOTFFYTFSA-O 0.000 description 2
- 239000000975 dye Substances 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 2
- 238000002493 microarray Methods 0.000 description 2
- 241000712431 Influenza A virus Species 0.000 description 1
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 1
- 108091034117 Oligonucleotide Proteins 0.000 description 1
- 206010036618 Premenstrual syndrome Diseases 0.000 description 1
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000003705 background correction Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000011088 calibration curve Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 238000002073 fluorescence micrograph Methods 0.000 description 1
- 238000002189 fluorescence spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000008105 immune reaction Effects 0.000 description 1
- 208000015181 infectious disease Diseases 0.000 description 1
- 230000004054 inflammatory process Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N mercury Chemical compound [Hg] QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052753 mercury Inorganic materials 0.000 description 1
- 108020004707 nucleic acids Proteins 0.000 description 1
- 102000039446 nucleic acids Human genes 0.000 description 1
- 150000007523 nucleic acids Chemical class 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000007619 statistical method Methods 0.000 description 1
- 230000004936 stimulating effect Effects 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к области флуоресцентного анализа материалов. Устройство для сканирования биочипов включает лазерный источник излучения, коллиматор лазерного излучения, средство отклонения лазерного луча, фокусирующий объектив, держатель для установки биочипа при сканировании, линзу-объектив для сбора излучения флуоресценции от биочипа, фотоприемное устройство и блок управления и обработки выходного сигнала фотоприемного устройства, включающий компьютер с программными средствами. Средство для отклонения лазерного луча выполнено в виде двухкоординатной гальванометрической системы сканирования с двумя зеркалами и подключено к блоку управления и обработки информации, а фотоприемное устройство выполнено в виде матричного фотоприемника. Технический результат заключается в обеспечении практической безинерционности сканирования биочипа в двух измерениях. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Полезная модель относится к устройствам флуоресцентного анализа материалов и может быть использована для анализа люминесцирующих биочипов (микрочипов), используемых для проведения исследований и серийных анализов в биологии и медицине.The utility model relates to devices for fluorescence analysis of materials and can be used to analyze luminescent biochips (microchips) used for research and serial analyzes in biology and medicine.
Биочипом (микрочипом, белковым биочипом) называют матрицу с нанесенными молекулами белков или нуклеиновых кислот для одновременного проведения большого количества анализов в одном образце. Биочип представляет собой предметное стекло (слайд) размером, в частности, 76 мм на 25 мм с химически модифицированной подложкой, на которую в матричном порядке нанесены микрокапли (так называемые, «споты» - «spots»), содержащие белковые молекулы, например, антитела, в определенной концентрации. Как правило, споты имеют форму, близкую к кружкам диаметром от 20 мкм до 200 мкм. Споты обычно объединены в группы, «субэрреи», количество слотов в субэррее от 50 до 140. При проведении иммунных реакций белковые молекулы слотов связываются с молекулами аналита и с белковыми молекулами, меченными флуорофором (например, красители Cyanin 3 или Cyanin 5). Благодаря этому о результатах иммунометрических реакций можно судить по интенсивности флуоресценции слотов под воздействием возбуждающего флюоресценцию излучения, и с использованием заранее построенных калибровочных кривых определить наличие инфекции или степень прогрессирования воспалительного процесса /см., например, Васин А.В. и др. «Универсальный диагностический олигонуклеотидный микрочип для определения и субтипирования вируса гриппа А человека и животных» - по www.cyberLeninka.ru, 2013/.A biochip (microchip, protein biochip) is a matrix with deposited molecules of proteins or nucleic acids to simultaneously conduct a large number of analyzes in one sample. The biochip is a slide (slide), in particular, 76 mm by 25 mm in size with a chemically modified substrate, on which microdrops (the so-called "spots") are applied in a matrix order, containing protein molecules, for example, antibodies in a certain concentration. As a rule, spots have a shape close to circles with a diameter of 20 microns to 200 microns. The spots are usually grouped, “suberreys,” the number of slots in the suberrey is from 50 to 140. During immune reactions, protein molecules of the slots bind to analyte molecules and to protein molecules labeled with a fluorophore (for example,
Общий принцип флуоресцентного анализа, применяемый в современных считывателях биочипов, заключается в возбуждении флуоресценции на исследуемом образце подходящим по спектру и мощности источником излучения (полупроводниковые лазеры, светодиоды, ртутные лампы), причем используют оптическое (лазерное) излучение на волне λ1, а флуоресцирует слот на волне λ2, сканируют слот лазерным лучом с заданной скоростью, обеспечивают разделение полезного сигнала флуоресценции от фона (шума), выделяют фильтрацией необходимые области спектра флуоресценции и производят дальнейшую фото- или видеорегистрацию этого образца при помощи фотоприемных устройств с заданным коэффициентом усиления. В программно-управляемых устройствах далее производят цифровую обработку сигналов фотоприемных устройств для выделения пикселей, отображающих люминесцирующие споты, осуществляют их привязку к объекту исследований, производят расчет интенсивности флуоресценции каждого спота с учетом поправок на фон, анализируют полученные значения и проводят статистический анализ данных от слотов при проведении нескольких повторов измерений для повышения надежности результатов анализа.The general principle of fluorescence analysis used in modern biochip readers is to excite fluorescence on a test sample with a suitable radiation source (semiconductor lasers, LEDs, mercury lamps), and they use optical (laser) radiation at λ 1 , and the slot fluoresces at a wavelength λ 2, slot scanning laser beam at a predetermined rate, provide separation of the useful fluorescence signal from its background (noise) is isolated by filtration area required fluorescence spectrum entsii further and produce photographic or video recording of this sample using the photodetectors with a predetermined gain. In software-controlled devices, they further digitally process the signals of photodetector devices to select pixels displaying luminescent spots, bind them to the object of study, calculate the fluorescence intensity of each spot with allowance for background corrections, analyze the obtained values and conduct statistical analysis of data from the slots at conducting several measurements to increase the reliability of the analysis results.
Известны два типа устройств для люминесцентного анализа, в которых возбуждение флуоресценции производится сфокусированным пучком лазерного излучения (лазерные конфокальные микроскопы) или расфокусированным пучком лазерного излучения, причем лазерное сканирование объекта исследования может осуществляться как перемещением исследуемого объекта при воздействии лазерного излучения (предметного стола с объектом исследования), так и перемещением пятна засветки лазерным излучением неподвижного объекта исследования. При исследовании люминесценции биочипов технические особенности указанных типов устройств могут влиять на такие существенные характеристики исследования как информативность, повторяемость и достоверность результатов.Two types of devices for luminescence analysis are known in which fluorescence is excited by a focused laser beam (laser confocal microscopes) or a defocused laser beam, and laser scanning of the test object can be carried out as moving the test object when exposed to laser radiation (object table with the test object) , and by moving the spot of exposure to laser radiation of a stationary object of study. In the study of biochip luminescence, the technical features of these types of devices can affect such significant characteristics of the study as information content, repeatability and reliability of the results.
Известны приборы для флуоресцентного анализа биочипов, такие как серия приборов InnoScan 710-910 производства компании Innopsys (USA) / /www.Innopsys.com/en/lifesciences-products/microarrays/innoscan/innoscan-710/, или конфокальные сканеры биочипов серии ScanArray компании Perkin Elmer (USA), например, считыватель ScanArray Express /https://www.artisantg.com/Scientific/78869/Perkin Elmer Packard ScanArray Express Series Microarray Scanners/. Известные компьютеризированные приборы характеризуются высокой чувствительностью, широким динамическим диапазоном, воспроизводимостью результатов и высоким разрешением, что достигается, в частности, за счет использования оптимизированной конфокальной оптики, обеспечивающей разделение сигнала флуоресценции образца, возбужденного падающим на образец лазерным излучением, и флуоресценции фона, пространственную фильтрацию световых лучей с помощью конфокальной диафрагмы и получение изображения каждого из сканированных лазером элементов поверхности образца и их последующую регистрацию и программную обработку.Biochip fluorescence analysis instruments are known, such as the InnoScan 710-910 series of products manufactured by Innopsys (USA) / /www.Innopsys.com/en/lifesciences-products/microarrays/innoscan/innoscan-710/, or the ScanArray confocal biochip scanners Perkin Elmer (USA), e.g. ScanArray Express reader / https://www.artisantg.com/Scientific/78869/ Perkin Elmer Packard ScanArray Express Series Microarray Scanners /. Known computerized devices are characterized by high sensitivity, wide dynamic range, reproducibility of results and high resolution, which is achieved, in particular, through the use of optimized confocal optics, which separates the fluorescence signal of the sample excited by the incident laser radiation and background fluorescence, spatial filtering of light rays using a confocal aperture and obtaining images of each of the laser-scanned eleme on the surface of the sample and their subsequent registration and software processing.
В указанных приборах исследуемый биочип освещают сфокусированным лазерным пучком, сфокусированное излучение формирует в плоскости биочипа световое пятно малого размера, как правило, существенно меньше размера спота, что обеспечивает высокую плотность мощности возбуждающего излучения и способствует увеличению интенсивности флуоресценции исследуемого объекта. Регистрирующим устройством выступает фотоприемник с диафрагмой, вырезающей зону регистрации размером порядка 5 мкм. Для получения флуоресцентного сигнала от всех слотов биочипа и его полного флуоресцирующего изображения производится механическое двух-координатное лазерное сканирование с шагом примерно 5 мкм путем перемещения предметного стола с расположенным в нем биочипом. Скорость сканирования, определяемая числом линий сканирования в секунду, зависит от требуемого разрешения в пикселе цифрового изображения спота, и к примеру, для сканера Innoscan 710 (производит обработку 1 слайда) она составляет 10-35 линий в секунду.In these instruments, the studied biochip is illuminated with a focused laser beam, the focused radiation forms a small spot of light in the plane of the biochip, as a rule, much smaller than the spot size, which ensures a high power density of the exciting radiation and contributes to an increase in the fluorescence intensity of the studied object. The recording device is a photodetector with a diaphragm that cuts out a recording zone of about 5 microns in size. To obtain a fluorescent signal from all slots of the biochip and its full fluorescent image, a mechanical two-coordinate laser scanning is performed with a step of about 5 μm by moving the object table with the biochip located in it. The scanning speed, determined by the number of scan lines per second, depends on the required resolution in the pixel of the digital image of the spot, and for example, for the Innoscan 710 scanner (which processes 1 slide), it is 10-35 lines per second.
Использование в конфокальной оптике лазерных сканирующих микроскопов одноэлементных фотоприемников (чаще всего, ФЭУ) обеспечивает достижение предельно высокой чувствительности измерений, однако необходимость прецизионного сканирования приводит к значительной потере времени (характерное время эксперимента составляет 20-30 минут) и существенному удорожанию прибора из-за высокой стоимости точных механических устройств.The use of single-element photodetectors (most often, PMTs) in confocal optics of laser scanning microscopes ensures extremely high measurement sensitivity, however, the need for precision scanning leads to a significant loss of time (the typical experiment time is 20-30 minutes) and a significant increase in the cost of the device due to the high cost precision mechanical devices.
В простых оптических системах существует проблема обеспечения равномерности освещения объекта при лазерном сканировании, если требуется сканировать относительно большие площади поверхности объекта, что связано с расходимостью пучка лазерного излучения и неравномерностью плотности излучения по сечению пучка лазерного излучения, влиянием отражений лазерного излучения от поверхностей элементов конструкции, фоновой флуоресценции. Применительно к биочипам неравномерность освещения их поверхности способна привести к различным условиям возбуждения флуоресценции в слотах и искажению результатов исследования. Обеспечение равномерности освещения образца достигается, в частности, узкополосным фильтром или дихроичными зеркалами для пропускания только излучения лазера на длине волны возбуждения флуоресценции образца, который установлен между лазером и объектом /RU 133932, RU 153630/, и/или использованием набора источников оптического излучения (в т.ч., с системой световодов) для равномерного освещения биочипа /RU 148808, RU 153630/. Другой проблемой является обеспечение позиционирования пучка лазерного излучения на слотах, разделенных промежутками, при сканировании и выбор оптимального размера светового пучка, поскольку возможно возникновение паразитной флуоресценции.In simple optical systems, there is the problem of ensuring uniform illumination of the object during laser scanning if it is necessary to scan relatively large areas of the object’s surface, which is associated with the divergence of the laser beam and the uneven density of the radiation over the cross section of the laser beam, the influence of laser reflections from the surfaces of structural elements, background fluorescence. As applied to biochips, uneven illumination of their surface can lead to different conditions of fluorescence excitation in slots and distortion of the research results. Ensuring uniformity of illumination of the sample is achieved, in particular, by a narrow-band filter or dichroic mirrors for transmitting only laser radiation at the wavelength of fluorescence excitation of the sample, which is installed between the laser and the object / RU 133932, RU 153630 /, and / or using a set of optical radiation sources (in incl., with a system of optical fibers) for uniform illumination of the biochip / RU 148808, RU 153630 /. Another problem is the positioning of the laser beam on the slots separated by gaps during scanning and the selection of the optimal size of the light beam, since spurious fluorescence may occur.
Известен оптико-флуоресцентный сканер биочипов с автоматической фокусировкой возбуждающего флуоресценцию излучения, предназначенный для исследования одного чипа, который включает компьютеризированную систему управления элементами сканнера, источник излучения, объектив, располагаемый над биочипом, оптически связанный с устройством регистрации в виде ПЗС-камеры, а также механическое устройство подстройки фокуса объектива путем вращения линзы объектива с использованием приводного ремня для сохранения неизменным поля зрения объектива /CN 206974904 (U) «CCD biochip fluorescence scanner's automatic focusing device», G01N 21/64, публ. 06.02.2018/. Устройство является простым по структуре, автоматизированным, однако наличие механического узла в оптической системе может влиять на точность позиционирования оптического луча на отдельных участках биочипа и фоновую флуоресценцию, и, как итог, на информативность результатов исследований.Known optical-fluorescence biochip scanner with automatic focusing of fluorescence-exciting radiation, designed to study a single chip, which includes a computerized system for controlling scanner elements, a radiation source, a lens located above the biochip, optically connected to a recording device in the form of a CCD camera, as well as a mechanical a device for adjusting the focus of the lens by rotating the lens of the lens using a drive belt to maintain the object's field of view unchanged va / CN 206974904 (U) «CCD biochip fluorescence scanner's automatic focusing device», G01N 21/64, publ. 02/06/2018 /. The device is simple in structure, automated, however, the presence of a mechanical assembly in the optical system can affect the accuracy of positioning of the optical beam in individual areas of the biochip and background fluorescence, and, as a result, the information content of the research results.
Известно устройство для сканирования биочипов /US 6329661 В1 «BIOCHIP SCANNER DEVICE», G01N 21/64, публ. 11.12.2001/, предназначенное для количественного исследования биочипа, содержащего множество линейных массивов однородных флуоресцентных мишеней (спотов), расположенных известным (равномерным) образом. Устройство включает лазер, модулятор (оптический прерыватель) лазерного луча, сканирующую головку для приема модулированного лазерного луча и фокусировки его в фокальное пятно выбранного размера и сканирующую механику, связанную со сканирующей головкой для перемещения ее относительно биочипа для направления фокусного пятна лазерного излучения на флуоресцентные мишени для их последовательного и поочередного освещения. Размер фокального пятна устанавливают близким, практически равным, размеру флуоресцентной мишени, при этом сфокусированный в фокальное пятно лазерный луч вызывает практически полное возбуждение освещенной флуоресцентной мишени при полной нечувствительности к внефокусному излучению. Сканирующая головка включает объектив, составленный из двух линз, и имеет поле зрения, также практически равное размеру флуоресцентной мишени, обеспечивает последовательное освещение флуоресцентных мишеней и передачу сигналов флуоресценции мишеней, которые последовательно поступают в канал регистрации флуоресценции. При этом и подача модулированного лазерного луча возбуждения флуоресценции в сканирующую головку и сбор флуоресценции от каждой мишени производится посредством оптического волокна. В качестве лазера используют твердотельный лазер с диодной накачкой, He-Ne лазер, диодный лазер и др., излучающие на длине волны возбуждения конкретного флуорофора. Сканирующая головка соединена с механическим устройством типа каретки, обеспечивающим ее перемещение в трех измерениях относительно неподвижного, размещенного на столе (с контролируемой температурой) биочипа: в плоскости стола по координатам X и У по сигналам контроллера, и вручную - по координате Z. Это позволяет реализовать метод линейного сканирования по строкам (Row Scanning - RS), в котором сканируемая область ограничена рядами массива биочипа, каждая строка сканируется в один проход лазерного луча, а размер лазерного луча сопоставляется с размером спота (флуоресцирующей мишени). Амплитуды пиков флуоресценции регистрируются при одной скорости сканирования и дают результат, полученный с одинаковой чувствительностью. Изменением скорости сканирования регулируется чувствительность устройства. Известное устройство характеризуется высокой надежностью и чувствительностью, обеспечивает равные условия освещенности каждого спота и исключения вклада фоновой флуоресценции, однако наличие механической системы перемещения сканирующей головки и лазерного луча заданной ширины при сканировании требуют исключительно точной механики и не исключают появления погрешностей в позиционировании лазерного луча на споте вследствие инерционности механической системы при высоких скоростях сканирования.A device for scanning biochips / US 6329661 B1 "BIOCHIP SCANNER DEVICE", G01N 21/64, publ. 12/11/2001 /, intended for the quantitative study of a biochip containing many linear arrays of homogeneous fluorescent targets (spots) located in a known (uniform) manner. The device includes a laser, a modulator (optical chopper) of the laser beam, a scanning head for receiving a modulated laser beam and focusing it into a focal spot of a selected size, and scanning mechanics associated with the scanning head to move it relative to the biochip to direct the focal spot of laser radiation to fluorescent targets for their consistent and alternate coverage. The size of the focal spot is set to close, almost equal to the size of the fluorescent target, while the laser beam focused into the focal spot causes almost complete excitation of the illuminated fluorescent target with complete insensitivity to out-of-focus radiation. The scanning head includes a lens composed of two lenses, and has a field of view also almost equal to the size of the fluorescent target, provides consistent illumination of fluorescent targets and the transmission of fluorescence signals of the targets, which are sequentially fed to the fluorescence recording channel. In this case, the supply of a modulated laser beam of fluorescence excitation to the scanning head and the collection of fluorescence from each target is carried out by means of an optical fiber. As a laser, a diode-pumped solid-state laser, a He-Ne laser, a diode laser, etc., emitting a specific fluorophore at an excitation wavelength are used. The scanning head is connected to a mechanical device such as a carriage, which provides its movement in three dimensions relative to a stationary biochip located on the table (with temperature controlled): in the plane of the table according to the X and Y coordinates according to the controller signals, and manually - along the Z coordinate. This allows you to implement Row Scanning (RS), in which the scanned area is limited by the rows of the biochip array, each line is scanned in one pass of the laser beam, and the size of the laser beam is compared with Dimensions spot (fluorescent target). The amplitudes of the fluorescence peaks are recorded at the same scanning speed and give the result obtained with the same sensitivity. By changing the scanning speed, the sensitivity of the device is adjusted. The known device is characterized by high reliability and sensitivity, provides equal lighting conditions for each spot and eliminates the contribution of background fluorescence, however, the presence of a mechanical system for moving the scanning head and the laser beam of a given width during scanning requires extremely precise mechanics and does not exclude errors in the positioning of the laser beam on the spot due to inertia of the mechanical system at high scanning speeds.
Известно портативное устройство для сканирования биочипов /US 6407395 В1 «Portable biochip scanner device», G01N 21/64, публ. 18.06.2002/, предназначенное для количественного исследования биочипа, содержащего линейный массив однородных флуоресцентных мишеней (спотов), расположенных известным (равномерным) образом. Устройство содержит лазер, систему линз для фокусирования лазерного излучения, оптоволокно для ввода сфокусированного лазерного излучения в линзу для коллимирования лазерного излучения возбуждения флуоресценции, дихроичное зеркало для отклонения коллимированного лазерного пучка на линзу-объектив для фокусировки лазерного луча возбуждения флуоресценции в фокальное пятно на биочипе, средство для подачи флуресцентного света от каждой флуоресцентной мишени из биочипа на детектор, который обеспечивает выход сигнала на средство для обработки и отображения выходного сигнала детектора. Биочип, содержащий линеаризованный ряд спотов (эррей), для сканирования размещен на основании, которое дискретно перемещается относительно пучка возбуждающего лазерного излучения. В устройстве использован твердотельный (диодный) лазер, излучающий на волне возбуждения конкретного флуорофора, работающий в режиме непрерывной волны, отношение фокусных расстояний линз для коллимирования луча и линзы-объектива выбирают таким образом, чтобы иметь диаметр пучка на биочипе, равный размеру элементов массива биочипа. Средство для подачи флуоресцентного света от каждой флуоресцентной мишени из биочипа на детектор образовано линзой-объективом, которая собирает и коллимирует флуоресцентное излучение от спотов, направляет его на дихроичное зеркало, пройдя которое свет попадает на эмиссионный (интерференционный) фильтр излучения, и линзу, фокусирующую свет на диафрагму (пинхол), отклоняющую рассеянный свет, который может создать паразитный фон. Блок обработки и отображения выходного сигнала флуоресценции спотов выполнено программно-ориентированным и включает фотоприемник (фотоумножитель), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и микропроцессор (компьютер), интегрирующий и отображающий сигнал, например, на дисплее и управляющий сканированием посредством команд.Known portable device for scanning biochips / US 6407395 B1 "Portable biochip scanner device", G01N 21/64, publ. 06/18/2002 /, intended for the quantitative study of a biochip containing a linear array of homogeneous fluorescent targets (spots) located in a known (uniform) manner. The device comprises a laser, a lens system for focusing laser radiation, an optical fiber for introducing focused laser radiation into a lens for collimating laser radiation of fluorescence excitation, a dichroic mirror for deflecting a collimated laser beam onto an objective lens for focusing a laser beam of fluorescence excitation into a focal spot on a biochip, means for supplying fluorescent light from each fluorescent target from the biochip to the detector, which provides a signal output to the means for abotki display and detector output signal. A biochip containing a linearized series of spots (errey) is placed for scanning on a base that moves discretely relative to the beam of exciting laser radiation. The device uses a solid-state (diode) laser that emits a specific fluorophore in the excitation wave, operating in a continuous wave mode, the ratio of the focal lengths of the lenses to collimate the beam and the objective lens is chosen so as to have a beam diameter on the biochip equal to the size of the elements of the biochip array. The means for supplying fluorescent light from each fluorescent target from the biochip to the detector is formed by an objective lens, which collects and collimates the fluorescent radiation from spots, directs it to a dichroic mirror, passing through which the light enters the emission (interference) radiation filter, and the lens focusing the light to a diaphragm (pinhole) that deflects diffused light, which can create a stray background. The unit for processing and displaying the output fluorescence signal of spots is program-oriented and includes a photodetector (photomultiplier), an analog-to-digital converter (ADC) and a microprocessor (computer) that integrates and displays the signal, for example, on the display and controls scanning by commands.
Данное устройство реализует тот же принцип линейного дискретного сканирования, что и устройство по патенту US 6329661, однако оно рассчитано на одновременное исследование меньшего количества спотов (линеаризованный ряд спотов), обладает меньшими габаритами и более простой оптической схемой, однако относительное перемещение возбуждающего лазерного луча и установка его на споты производится путем смещения биочипа с использованием механических устройств, что также не исключает появления погрешностей в позиционировании лазерного луча на споте вследствие инерционности механической системы или вибраций, а следовательно, влияет на надежность и точность измерений сигнала флуоресценции. Кроме того, известное устройство обеспечивает только линейное сканирование, что сужает его эксплуатационные возможности.This device implements the same principle of linear discrete scanning as the device according to US 6329661, however it is designed to simultaneously study fewer spots (linearized series of spots), has smaller dimensions and a simpler optical design, however, the relative movement of the exciting laser beam and installation it is spotted by shifting the biochip using mechanical devices, which also does not exclude errors in positioning the laser beam on the spot Due to the inertia of the mechanical system or vibrations, it therefore affects the reliability and accuracy of fluorescence signal measurements. In addition, the known device provides only linear scanning, which narrows its operational capabilities.
Следует отметить, что использование механических системы перемещения исследуемых объектов в поле их облучения является превалирующим /см. например, RU 2371721, DE 10038080, CN 1731153, US 2005157300, US 2005233376 AIt should be noted that the use of a mechanical system for moving the studied objects in the field of their irradiation is prevailing / cm. e.g. RU 2371721, DE 10038080, CN 1731153, US 2005157300, US 2005233376 A
Известное устройство для сканирования биочипов, включающее лазерный источник излучения, коллиматор лазерного излучения, средство отклонения лазерного луча, фокусирующий объектив, держатель для установки биочипа для сканирования, линзу-объектив для сбора излучения флуоресценции от биочипа, фотоприемное устройство и блок управления и обработки выходного сигнала флуоресценции (включающее компьютер), является наиболее близким к предлагаемому техническому решению.A known device for scanning biochips, including a laser radiation source, a laser collimator, means for deflecting a laser beam, a focusing lens, a holder for installing a biochip for scanning, an objective lens for collecting fluorescence radiation from a biochip, a photodetector and a control unit for processing and processing the output fluorescence signal (including computer) is the closest to the proposed technical solution.
Заявляемое устройство решает задачу исключения механического управления позиционированием лазерного луча возбуждения флуоресценции спотов при двумерном сканировании биочипов, в том числе, линейном дискретном сканировании.The inventive device solves the problem of eliminating mechanical control of the positioning of the laser beam of spot fluorescence excitation during two-dimensional scanning of biochips, including linear discrete scanning.
Задача решена тем, что в устройстве для сканирования биочипов, включающем лазерный источник излучения, коллиматор лазерного излучения, средство отклонения лазерного луча, фокусирующий объектив, держатель для установки биочипа при сканирования, линзу-объектив для сбора излучения флуоресценции от биочипа, фотоприемное устройство и блок управления и обработки выходного сигнала фотоприемного устройства, включающий компьютер с программными средствами, в соответствии с полезной моделью, средство для отклонения лазерного луча выполнено в виде двухкоординатной гальванометрической системы сканирования с двумя зеркалами и подключено к блоку управления, а фотоприемное устройство выполнено в виде матричного фотоприемника.The problem is solved in that in a device for scanning biochips, including a laser radiation source, a laser collimator, means for deflecting a laser beam, a focusing lens, a holder for installing a biochip during scanning, an objective lens for collecting fluorescence radiation from a biochip, a photodetector and a control unit and processing the output signal of the photodetector, including a computer with software, in accordance with a utility model, means for deflecting a laser beam is made in ide galvanometric scanning two-coordinate system with two mirrors and is connected to the control unit, and photodetector device is a photodetector matrix.
Кроме того, устройство является программно-ориентированным устройством для дискретного линейного сканирования биочипов.In addition, the device is a software-oriented device for discrete linear scanning of biochips.
Кроме того, биочип выполнен в виде упорядоченной совокупности линейных однородных массивов флуоресцирующих мишеней (спотов), размещенных на химической модифицированной поверхности основания.In addition, the biochip is made in the form of an ordered set of linear homogeneous arrays of fluorescent targets (spots) placed on a chemically modified surface of the base.
Технический результат от использования заявляемого устройства состоит в обеспечении практической безинерционности сканирования биочипа в двух измерениях за счет использования гальванометрической системы сканирования, что обеспечивает высокую скорость и точность программируемой переустановки лазерного луча на нужные споты в условиях быстропротекающих процессов возбуждения и затухания флуоресценции. При этом расширяются возможности исследования, т.к. в известных технических решениях с механической системой позиционирования лазерного луча или биочипа не представляется возможным, при необходимости, перейти от возбуждения спота в одной линии к споту другой линии без прохождения всех промежуточных элементов ряда.The technical result from the use of the inventive device is to ensure the practical inertia of scanning the biochip in two dimensions through the use of a galvanometric scanning system, which ensures high speed and accuracy of the programmable resetting of the laser beam to the desired spots under conditions of fast processes of excitation and attenuation of fluorescence. At the same time, research opportunities are expanding, because in known technical solutions with a mechanical system for positioning a laser beam or biochip, it is not possible, if necessary, to switch from the excitation of a spot in one line to the spot of another line without passing through all the intermediate elements of the series.
Блок-схема устройства представлена на фиг. 1, макет устройства (без внешнего корпуса) представлен на фиг. 2. Устройство содержит лазерный источник излучения (1), коллиматор лазерного излучения (2), двухкоординатную гальванометрическую систему сканирования с двумя зеркалами (3) и (4), фокусирующий объектив (5), линзу-объектив (6), матричный (многоэлементный) фотоприемник (7), а также блок управления и обработки выходного сигнала фотоприемного устройства, включающий компьютер с программными средствами (8), держатель образца с установленным в нем на время сканирования биочипом (9).A block diagram of the device is shown in FIG. 1, a device layout (without an external case) is shown in FIG. 2. The device contains a laser radiation source (1), a laser radiation collimator (2), a two-coordinate galvanometric scanning system with two mirrors (3) and (4), a focusing lens (5), an objective lens (6), a matrix (multi-element) a photodetector (7), as well as a control and processing unit for the output signal of the photodetector, including a computer with software (8), a sample holder with a biochip installed in it during scanning (9).
Устройство работает следующим образом. Лазерное излучение от лазера 1, работающего в непрерывном режиме, (например, диодный лазер) коллимируется в параллельный пучок с помощью коллиматора (2) и подается на первое зеркало гальванометрического сканатора (3), далее на второе зеркало гальванометрического сканатора (4), которые выполняют управляющие команды блока управления и обработки информации (8), а затем фокусируется на поверхность биочипа с помощью объектива (5) в световое фокальное пятно, размер которого близок к размеру спота и выбран таким образом, чтобы спот был освещен полностью (на практике - от 50 мкм до 200 мкм). Вращением зеркал (3) и (4), управляемым компьютером по программе, обеспечивается перемещение светового пятна в плоскости биочипа, размещенного на держателе (9). Фокусировка светового пятна на споте биочипа сопровождается возбуждением флуоресценции материала спота на длине волны излучения флуорофора. Излучение флуоресценции от спота является изотропным, но проходя через линзу-объектив (6), фокусируется и поступает на матричный фотоприемник (7), в котором оптический сигнал преобразуется в электрический и далее поступает в блок управления и обработки информации (8), где программно обрабатывается и представляется в форме таблиц, графиков, RGB-изображений и т.п.The device operates as follows. Laser radiation from a laser 1 operating in a continuous mode (for example, a diode laser) is collimated into a parallel beam using a collimator (2) and fed to the first mirror of the galvanometric scanner (3), then to the second mirror of the galvanometric scanner (4), which perform control commands of the information processing and control unit (8), and then focuses on the surface of the biochip using the lens (5) into a light focal spot whose size is close to the size of the spot and is selected so that the spot is fully illuminated yu (in practice - from 50 microns to 200 microns). The rotation of the mirrors (3) and (4), controlled by a computer according to the program, ensures the movement of the light spot in the plane of the biochip located on the holder (9). The focusing of the light spot on the spot of the biochip is accompanied by the excitation of fluorescence of the spot material at the radiation wavelength of the fluorophore. The fluorescence radiation from the spot is isotropic, but passing through the objective lens (6), it is focused and fed to the matrix photodetector (7), in which the optical signal is converted into an electric signal and then fed to the information control and processing unit (8), where it is programmed and is presented in the form of tables, graphs, RGB images, etc.
Современные гальванометрические сканаторы обеспечивают высокую скорость сканирования (не менее 10 м/с), система сканирования позволяет мобильно перемещаться от одного спота к другому, а программное обеспечение позволяет синхронизировать процесс съемки отдельного кадра с интервалами освещения каждого спота. При этом матричный фотоприемник (7) позволяет регистрировать интенсивность флуоресценции от каждой точки спота и формировать его полное флуоресцентное изображение. В результате сложения всех кадров, на которых получено изображение отдельного спота, формируется изображение, на котором отображается флуоресценция всех исследуемых спотов биочипа. Поскольку данная система сканирования является практически безынерционной, временем перехода от спота к слоту можно пренебречь, и, таким образом, общее время исследования равно времени регистрации излучения флуоресценции одного спота, умноженному на число спотов. При высокой плотности мощности возбуждающего излучения удается обеспечить высокую чувствительности измерений при одновременном снижении времени регистрации излучения флуоресценции, например, на длине волны λ 543 нм для красителя Су 3, от единичного спота при его среднем диаметре порядка 50-100 мкм, до 1 секунды, при этом общее время анализа биочипа, например, стандартным размером 22×22 мм2, как правило, не превышает двух минут.Modern galvanometric scanners provide a high scanning speed (at least 10 m / s), the scanning system allows you to move from one spot to another mobile, and the software allows you to synchronize the process of shooting a single frame with the lighting intervals of each spot. In this case, the matrix photodetector (7) makes it possible to register the fluorescence intensity from each spot point and form its full fluorescence image. As a result of adding all the frames on which the image of a single spot is obtained, an image is formed on which the fluorescence of all the studied biochip spots is displayed. Since this scanning system is practically inertialess, the transition time from the spot to the slot can be neglected, and, thus, the total study time is equal to the time of registration of fluorescence radiation of one spot, multiplied by the number of spots. At a high power density of the exciting radiation, it is possible to ensure high measurement sensitivity while reducing the time of registration of fluorescence radiation, for example, at a wavelength of λ 543 nm for
Безинерционный гальванический сканатор с зеркалами (3) и (4) позволяет нужным образом позиционировать и фиксировать лазерный луч возбуждения флуоресценции в процессе поочередного освещения спотов и, тем самым, менять время экспозиции и регистрации флуоресценции текущего спота в соответствии с заданной программой и с учетом яркости флуоресценции исследуемых спотов, т.к. в большинстве реальных анализов яркость флуоресцирующих спотов может различаться на несколько порядков. Соответственно, для регистрации ярких спотов рационально использовать малое время экспозиции, а для слабо светящихся экспозицию, напротив, увеличить. Такой подход позволяет расширить динамический диапазон измерений и минимизировать время эксперимента.Inertialess galvanic scanner with mirrors (3) and (4) allows you to properly position and fix the laser beam of fluorescence excitation in the process of alternate spot lighting and, thereby, change the exposure time and fluorescence recording of the current spot in accordance with a given program and taking into account the fluorescence brightness studied spots, as in most real analyzes, the brightness of fluorescent spots can vary by several orders of magnitude. Accordingly, it is rational to use a short exposure time to register bright spots, and, on the contrary, increase the exposure for weakly luminous ones. This approach allows us to expand the dynamic range of measurements and minimize the experiment time.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018127497U RU188251U1 (en) | 2018-07-24 | 2018-07-24 | BIOCHIP SCAN DEVICE |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018127497U RU188251U1 (en) | 2018-07-24 | 2018-07-24 | BIOCHIP SCAN DEVICE |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU188251U1 true RU188251U1 (en) | 2019-04-04 |
Family
ID=66087765
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018127497U RU188251U1 (en) | 2018-07-24 | 2018-07-24 | BIOCHIP SCAN DEVICE |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU188251U1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001065242A1 (en) * | 2000-03-01 | 2001-09-07 | New Dimension Research & Instrument, Inc. | Fluorescence imaging of biological media on a rotating stage |
| US6329661B1 (en) * | 2000-02-29 | 2001-12-11 | The University Of Chicago | Biochip scanner device |
| RU2384838C1 (en) * | 2008-12-23 | 2010-03-20 | Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН | TESTING METHOD OF CHIPS OF CASCADE PHOTOCONVERTERS BASED ON Al-Ga-In-As-P CONNECTIONS AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF |
| KR101085583B1 (en) * | 2009-07-01 | 2011-11-25 | 바이시스코리아(주) | Bio chip scanner with fluorescence reading |
-
2018
- 2018-07-24 RU RU2018127497U patent/RU188251U1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6329661B1 (en) * | 2000-02-29 | 2001-12-11 | The University Of Chicago | Biochip scanner device |
| WO2001065242A1 (en) * | 2000-03-01 | 2001-09-07 | New Dimension Research & Instrument, Inc. | Fluorescence imaging of biological media on a rotating stage |
| RU2384838C1 (en) * | 2008-12-23 | 2010-03-20 | Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН | TESTING METHOD OF CHIPS OF CASCADE PHOTOCONVERTERS BASED ON Al-Ga-In-As-P CONNECTIONS AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF |
| KR101085583B1 (en) * | 2009-07-01 | 2011-11-25 | 바이시스코리아(주) | Bio chip scanner with fluorescence reading |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7354389B2 (en) | Microarray detector and methods | |
| JP4409426B2 (en) | Microarray detector and method | |
| US6355934B1 (en) | Imaging system for an optical scanner | |
| US8063386B2 (en) | Time resolved fluorescent imaging system | |
| US6471916B1 (en) | Apparatus and method for calibration of a microarray scanning system | |
| EP1209461B1 (en) | Method for reading fluorescence | |
| US6630680B2 (en) | Scanner having confocal optical system, method for producing focus position data of confocal optical system of scanner having confocal optical system and method for producing digital data of scanner having confocal optical system | |
| WO2001001112A1 (en) | Microplate reader | |
| JPWO2007091530A1 (en) | Photodetector and measuring object reader | |
| AU2002336771C1 (en) | Imaging of microarrays using fiber optic exciter | |
| US20020005493A1 (en) | Optical components for microarray analysis | |
| WO2003100474A2 (en) | Microarray detector and methods | |
| JPWO2004063731A1 (en) | Photodetector | |
| CN111349553A (en) | Gene sequencer optical system | |
| KR100759914B1 (en) | Bio chip scanner having a function of adjusting focus | |
| CN220231488U (en) | Imaging system and nucleic acid fragment analysis apparatus | |
| RU188251U1 (en) | BIOCHIP SCAN DEVICE | |
| US20080253409A1 (en) | Multi-Channel Bio-Chip Scanner | |
| US10520436B2 (en) | Dynamic focusing confocal optical scanning system | |
| JP2004325174A (en) | Fluorescence detector | |
| JP2002168784A (en) | Pinhole position adjustment/positioning method and device of confocal scanner | |
| EP1933131A1 (en) | Efficient method and system for detecting luminescence | |
| KR101188233B1 (en) | A diagnosis apparatus for biochip | |
| RU200805U1 (en) | Fluorescent Biochip Analyzer | |
| KR20220018846A (en) | High-focus and high-sensitivity fluorescence detection scanning system equipped with a machine learning-based liquid sample quantitative analysis algorithm |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20200725 |