專利名稱：生物基因芯片的掃描裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種生物基因芯片的掃描裝置，主要用于對(duì)熒光標(biāo)記的生物基因芯片雜交后的檢測(cè)；同樣也可以用于甲乙肝等病原體的檢測(cè)。
背景技術(shù)：
對(duì)于用熒光標(biāo)記的生物基因芯片，雜交后的檢測(cè)需要用專門的基因芯片掃描裝置。目前專用的基因芯片掃描裝置大致分為兩類一類是用激光激發(fā)，基于以光電倍增管(PMT-photomultiplier tube)做探測(cè)元件的基因芯片檢測(cè)系統(tǒng)。另一類是用高亮度連續(xù)光源加濾光片照明激發(fā)，基于以電荷耦合器件(CCD-charge-coupled devices)做探測(cè)元件的基因芯片檢測(cè)系統(tǒng)。這兩種不同系統(tǒng)的背景技術(shù)簡(jiǎn)述如下以光電倍增管為探測(cè)元件的激光基因芯片掃描裝置，檢測(cè)基因芯片時(shí)用一束確定波長的激光束經(jīng)由透鏡組和窄帶干涉濾光片合成的擴(kuò)束系統(tǒng)準(zhǔn)直，經(jīng)過二色鏡反射，由物鏡聚焦，再去激發(fā)放在使用步進(jìn)馬達(dá)的機(jī)械掃描器上用熒光標(biāo)記過的生物芯片。熒光材料被激發(fā)后產(chǎn)生的熒光經(jīng)過物鏡收集，經(jīng)二色鏡后由反射鏡反射，通過窄帶濾光片濾光，再由透鏡聚焦，經(jīng)過光闌濾去雜散光送到光電倍增管。光電倍增管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)經(jīng)過信號(hào)放大器，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送到計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)將送至的數(shù)據(jù)經(jīng)過專門的數(shù)據(jù)處理軟件處理、分析，可以得出包括圖像在內(nèi)的被測(cè)芯片的各種信息。由于它使用固定波長的單束激光聚焦來掃描激發(fā)樣品，因此需要激光束或者目標(biāo)芯片運(yùn)動(dòng)，使激光掃到整個(gè)芯片樣品。為了保證成像清晰和激光聚焦準(zhǔn)確，物鏡需有自動(dòng)調(diào)焦控制器。以光電倍增管為探測(cè)元件的激光基因芯片掃描裝置每次檢測(cè)基因芯片需要耗費(fèi)較長的時(shí)間，因此對(duì)激光器有特殊的要求。要求激光器的輸出具有很高的光束質(zhì)量、長期的穩(wěn)定性和極低的噪聲。其特點(diǎn)是掃描圖像具有很高的分辨率。
以電荷耦合器為探測(cè)元件的基因芯片掃描裝置，一般具有中等分辨率，它以電荷耦合器為探測(cè)元件；采用高功率氙燈作高亮度連續(xù)激發(fā)光源；通過變換濾光片來改變激發(fā)波長；為了使基因芯片被激發(fā)照明均勻，常需采用均束器；成像物鏡則將經(jīng)過濾光片的基因芯片的成像信號(hào)送至電荷耦合器的像元上成像。這種基因芯片掃描裝置一次可得較大面積的成像區(qū)域。但是，目前性能最優(yōu)的電荷耦合器數(shù)字相機(jī)的成像面積只有16×12mm(像素為10×10μm)，如要對(duì)整個(gè)芯片(標(biāo)準(zhǔn)面積為1″×3″，25×75mm或26×76mm)成像的話，則需要采用昂貴的大尺寸面陣電荷耦合器?；?qū)?shù)個(gè)電荷耦合器元件拼接，或運(yùn)動(dòng)芯片將所得的圖像拼接。當(dāng)然，也可以縮小圖像，則要以降低芯片掃描分辨率和精度為代價(jià)。它的體積、功耗都比較大。
另外，上述在先技術(shù)還有一些共同的缺點(diǎn)被檢測(cè)的對(duì)象(芯片)或激發(fā)激光束要做XY兩個(gè)方向的平移運(yùn)動(dòng)才可以完成檢測(cè)任務(wù)，因此芯片掃描儀要有二維的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；所得的圖像都需要計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理后拼接，而且對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)精度及運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的定位精度要求都很高，控制運(yùn)動(dòng)的過程也變得較復(fù)雜；整個(gè)芯片掃描需要花費(fèi)較長的時(shí)間，因而效率較低；整機(jī)的成本比較貴等。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述兩種在先技術(shù)的缺點(diǎn)，本實(shí)用新型提供如圖1所示的生物基因芯片的掃描裝置。
本實(shí)用新型的掃描裝置，包括有置放待測(cè)生物基因芯片15的移動(dòng)平臺(tái)14，由待測(cè)生物基因芯片15發(fā)射回來的光束經(jīng)過狹縫反射鏡13反射后，再經(jīng)過濾光片11后射到光電耦合器8上，光電耦合器8的輸出經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡9連接到計(jì)算機(jī)7上；有波長不相等的第一激光光源2和第二激光光源16，由第一激光光源2發(fā)射的激光束經(jīng)過透過反射鏡18的反射，由第二激光光源16發(fā)射的激光束經(jīng)過第三反射鏡17反射后，透過透過反射鏡18后，兩激光束都再經(jīng)過第一反射鏡1的反射，透過整形透鏡3，由第二反射鏡5反射進(jìn)入線形整形器4，經(jīng)過整形后的光束透過狹縫反射鏡13上的狹縫射到待測(cè)生物基因芯片15上；在狹縫反射鏡13與濾光片11之間的光路上置有成像系統(tǒng)12；計(jì)算機(jī)7通過第一控制器6與濾光片11相連，計(jì)算機(jī)7通過第二控制器10與移動(dòng)平臺(tái)14相連。如圖1所示。
如上所述，本實(shí)用新型用成像系統(tǒng)12代替?zhèn)鹘y(tǒng)的顯微物鏡；分別使用兩束激光(由第一激光光源2發(fā)出的激光束或由第二激光光源16發(fā)出的激光束)來激發(fā)放置于移動(dòng)平臺(tái)14上的待測(cè)生物基因芯片15，待測(cè)生物基因芯片15上用熒光染料Cy3TM和Cy5TM標(biāo)記的樣品在相應(yīng)波長激光(如分別為532nm和650nm)的激發(fā)下會(huì)發(fā)出熒光。本實(shí)用新型掃描裝置可以激發(fā)兩種熒光染料(Cy3TM和Cy5TM)，由第一激光光源2發(fā)出的激光束或由第二激光光源16發(fā)出的激光束經(jīng)過線形整形器4(本線形整形器4是非球面柱面鏡或者是非球面柱面鏡的組合)變成一條高亮度的均勻細(xì)線，細(xì)線光束激發(fā)用熒光染料標(biāo)記的樣品(在待測(cè)生物基因芯片15上)以后產(chǎn)生的熒光信號(hào)通過帶有狹縫的反射鏡13后再通過成像系統(tǒng)12，在成像系統(tǒng)12的成像位置處放置有光電耦合器8，光電耦合器8將收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)過數(shù)據(jù)(A/D)采集卡9送到計(jì)算機(jī)7中，生物基因芯片15的移動(dòng)由第二控制器10完成。第一控制器6帶動(dòng)一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來更換窄帶干涉濾光片11。上述成像系統(tǒng)12實(shí)際上是一個(gè)成像物鏡或照相機(jī)鏡頭。
在圖1中，移動(dòng)平臺(tái)14由計(jì)算機(jī)控制的第二控制器10來驅(qū)動(dòng)沿一維方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過線形整形器4整形的高亮度的線形激光光束與移動(dòng)平臺(tái)14的運(yùn)動(dòng)方向是相互垂直的，通過調(diào)整成像系統(tǒng)12中的成像鏡頭的位置可以方便地控制成像在光電耦合器8光敏面上像的大小，從而可以控制生物基因芯片的掃描裝置的分辨率?？梢砸罁?jù)激光光源不同而選擇不同的濾光片11達(dá)到去除噪聲的目的。濾光片更換由第一控制器6完成或通過手工辦法進(jìn)行更換。
以下是本生物基因芯片的掃描裝置的工作過程當(dāng)?shù)谝患す夤庠?發(fā)出激光束后，經(jīng)過透過反射鏡18和第一反射鏡1的反射后，光束經(jīng)過整形透鏡3整形后再經(jīng)過第二反射鏡5反射后，光束經(jīng)過線形整形器4后變成一束高亮度均勻的線形光束，該光束穿過帶有狹縫的狹縫反射鏡13上的狹縫后照在放置在移動(dòng)平臺(tái)14上的待測(cè)生物基因芯片15上。該待測(cè)生物基因芯片15上的經(jīng)過反應(yīng)產(chǎn)生的熒光信號(hào)被激發(fā)出來，連同被反射的激光信號(hào)一同向四周反射，大部分的反射激光通過狹縫反射鏡13反射到成像系統(tǒng)12中，成像到光電耦合器8上。由于其中混有激光，所以需要窄帶干涉濾光片11來濾除激光。經(jīng)過濾除激光的熒光信號(hào)最后成像在線陣光電耦合器8的光敏面上。光電耦合器8的輸出通過數(shù)據(jù)(A/D)采集卡9到計(jì)算機(jī)7上。計(jì)算機(jī)7將收集到的電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。移動(dòng)平臺(tái)14的移動(dòng)由第二控制器10通過計(jì)算機(jī)7控制完成。
當(dāng)?shù)诙す夤庠?6工作時(shí)，它發(fā)出的激光束經(jīng)過第三反射鏡17反射，再經(jīng)過透過反射鏡18透過，第一反射鏡1反射，整形透鏡3整形，第二反射鏡5反射，經(jīng)過線形整形器4以后變成一束亮度很高的激光束，該光束穿過狹縫反射鏡13上的狹縫后去激發(fā)放在移動(dòng)平臺(tái)14上的待測(cè)生物基因芯片15，激發(fā)出的熒光信號(hào)和反射的激光經(jīng)過狹縫反射鏡13反射后經(jīng)過成像系統(tǒng)12成像，為了濾除激光信號(hào)，同樣要放置濾除第二激發(fā)光源的窄帶干涉濾光片11來濾除激光信號(hào)。通過計(jì)算機(jī)7控制第一控制器6更換成與第二激光光源16發(fā)射激光束波長相對(duì)應(yīng)的濾光片11。經(jīng)過濾除激光束的熒光信號(hào)最終成像在光電耦合器8的光敏面上。光電耦合器8通過數(shù)據(jù)(A/D)采集卡9輸入到計(jì)算機(jī)7上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
與在先技術(shù)相比，本實(shí)用新型的掃描裝置中有波長不相等的兩個(gè)激光光源2、16，有線形整形器4和帶狹縫的狹縫反射鏡13以及高靈敏度的光電耦合器8和透過反射鏡18，激光光束經(jīng)過線形整形器4后被壓成一條高亮度的均勻的線形激光束。該線形激光束在激發(fā)待測(cè)生物基因芯片15時(shí)，只需使移動(dòng)平臺(tái)14沿一維方向移動(dòng)即可完成對(duì)生物基因芯片的掃描，這種只有一維移動(dòng)裝置的掃描裝置簡(jiǎn)化了掃描方式，同時(shí)也節(jié)約了掃描時(shí)間，另外還可以通過選擇較大行程的移動(dòng)平臺(tái)14而達(dá)到加大掃描范圍的效果。通過選擇成像系統(tǒng)12中不同的物距和像距可以得到不同的掃描分辨率和掃描精度。而且分別用兩個(gè)激光光源2、16，可以測(cè)量兩種不同的熒光染料，一個(gè)掃描裝置能夠完成兩種待測(cè)生物基因芯片15的測(cè)量。擴(kuò)大了使用功能。


圖1為本實(shí)用新型的生物基因芯片的掃描裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示是本實(shí)用新型生物基因芯片的掃描裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。本實(shí)用新型中成像系統(tǒng)12為一個(gè)照相機(jī)鏡頭，焦距f＝85mm，F(xiàn)2，朱比特牌號(hào)，其最佳像面位置的有效視場(chǎng)大于線陣的光電耦合器8接收面尺寸。光電耦合器8是線陣的，東芝公司生產(chǎn)的具有2160個(gè)像元，具有很高的靈敏度，其像素尺寸為14ìm×14ìm，像素中心距為14ìm。其中第一激光光源2是輸出波長為650nm的半導(dǎo)體激光器，輸出功率約10mW，用于激發(fā)Cy5TM熒光染料。第二激光光源16是半導(dǎo)體泵浦摻釹釔鋁石榴石(NdYAG)固體激光器(倍頻輸出532nm波長的激光)，輸出功率約20mW，用于激發(fā)Cy3TM熒光染料，透過反射鏡18是對(duì)650nm光45°入射全反射，對(duì)532nm光45°入射全透過，第一反射鏡1、第二反射鏡5和第三反射鏡17是鍍鋁全反射鏡，為轉(zhuǎn)換光路用，線形整形器4為使第一激光光源2和第二激光光源16的光束的光斑更細(xì)而采用。當(dāng)開啟第一激光光源2或第二激光光源16時(shí)，通過第一控制器6來選擇不同的濾光片11來濾除激光信號(hào)(此時(shí)相當(dāng)于背景噪聲)；當(dāng)?shù)谝患す夤庠?或第二激光光源16發(fā)出的激光光束經(jīng)過線形整形器4整形成一條細(xì)光束后通過狹縫反射鏡13上的狹縫，照在置于移動(dòng)平臺(tái)14上的待測(cè)生物基因芯片15時(shí)會(huì)激發(fā)待測(cè)生物基因芯片15產(chǎn)生熒光信號(hào)，產(chǎn)生的熒光信號(hào)經(jīng)過狹縫反射鏡13反射后通過成像系統(tǒng)12、濾光片11濾掉激光信號(hào)后，被線陣光電耦合器8接收，線陣光電耦合器8接收到的熒光信號(hào)被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后送至計(jì)算機(jī)7，計(jì)算機(jī)7將獲得被測(cè)生物基因芯片的熒光信號(hào)，用圖像或文本文件等相應(yīng)的信息發(fā)出。圖1中第二控制器10是用來使放置待測(cè)生物基因芯片15的移動(dòng)平臺(tái)14沿一維方向移動(dòng)。第一控制器6用來選擇合適的窄帶干涉濾光片11來濾除激發(fā)光源(第一激光光源2或第二激光光源16)的光束以達(dá)到使所獲信號(hào)的背景干擾盡可能小。
權(quán)利要求1.一種生物基因芯片的掃描裝置，包括<1>置放待測(cè)生物基因芯片(15)的移動(dòng)平臺(tái)(14)，由待測(cè)生物基因芯片(15)發(fā)射回來的光束經(jīng)過狹縫反射鏡(13)反射后，再經(jīng)過濾光片(11)后射到光電耦合器(8)上，光電耦合器(8)的輸出經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡(9)連接到計(jì)算機(jī)(7)上；其特征在于<2>有波長不相等的第一激光光源(2)和第二激光光源(16)，由第一激光光源(2)發(fā)射的激光束經(jīng)過透過反射鏡(18)的反射，由第二激光光源(16)發(fā)射的激光束經(jīng)過第三反射鏡(17)反射后，透過透過反射鏡(18)后，兩激光束都再經(jīng)過第一反射鏡(1)的反射，透過整形透鏡(3)，由第二反射鏡(5)反射進(jìn)入線形整形器(4)，經(jīng)過整形后的光束透過狹縫反射鏡(13)上的狹縫射到待測(cè)生物基因芯片(15)上；<3>在狹縫反射鏡(13)與濾光片(11)之間的光路上置有成像系統(tǒng)(12)；<4>計(jì)算機(jī)(7)通過第一控制器(6)與濾光片(11)相連，計(jì)算機(jī)(7)通過第二控制器(10)與移動(dòng)平臺(tái)(14)相連。
專利摘要一種生物基因芯片的掃描裝置，適用于對(duì)熒光標(biāo)記的生物基因芯片雜交后，或甲乙肝病原體的檢測(cè)。含有兩個(gè)波長不相等的激光光源。由激光光源發(fā)射的激光束經(jīng)過線形整形器變成一條線形細(xì)光束透過狹縫反射鏡上的狹縫，射到置于移動(dòng)平臺(tái)上的待測(cè)生物基因芯片上。由待測(cè)生物基因芯片發(fā)射回來的光束經(jīng)過狹縫反射鏡反射，通過成像系統(tǒng)后，由濾光片濾掉激光光源的激光束，將待測(cè)生物基因芯片的熒光信號(hào)會(huì)聚在光電荷耦合器的光敏面上。光電耦合器的輸出經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡輸進(jìn)計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。與在先技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有簡(jiǎn)化了掃描方式，加大了掃描范圍，擴(kuò)大了掃描裝置的使用功能。
文檔編號(hào)G01N33/50GK2551994SQ0226487
公開日2003年5月21日 申請(qǐng)日期2002年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月19日
發(fā)明者王文奎, 劉敏, 胡企銓 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所