CN101153869A - 一种光反射差法高通量监测微阵列生物分子反应的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光反射差法高通量监测微阵列生物分子反应的装置，包括入射光路、样品台、出射光路和数据采集和处理***，入射光路包括激光器、起偏器、光弹调制器和移相器；出射光路包括检偏分析仪和光电信号转换器，入射光路还包括设置于移相器和样品台之间的扩束装置；光电信号转换器包括硅光电二极管阵列、脉冲开关电路、第一锁相放大器和第二锁相放大器，其中所述硅光电二极管阵列输出端分别电连接至脉冲开关电路、第一锁相放大器和第二锁相放大器的输入端，本发明的装置结构简单，易于操作，不仅减少了移动样品带来的噪声，而且大大提高信噪比，可以同时对微阵列的多个阵元的多种反应进行无标记、快速高通量监测，大大提高了监测效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种微阵列生物分子反应的监测装置，特别涉及一种高通量快速无标记监测生物分子反应的装置。
背景技术
监测生物分子常用的方法是荧光标记法和表面等离子共振法。荧光标记是一种常用的有损监测方法，这种方法存在监测过程复杂、能改变蛋白质分子的结构并产生光致漂白现象等缺点；表面等离子共振是目前常用的无标记监测生物分子相互作用的方法，此种方法要求生物分子微阵列要在功能性金薄膜上构成，且对金薄膜的厚度和均匀性要求很高。
斜入射光反射差技术(Oblique-incidence reflectivity difference，以下简称OIRD)是一种高灵敏度的特殊的测量表面薄膜光学性质的光学测量技术，它可以监测到薄膜生长过程中相对反射率ΔR/R＝1×10-5和覆盖角Δθ＝0.02的变化，一直被广泛应用于薄膜材料的生长过程的实时原位无创的监测。近年来该方法也被应用到生物分子监测中，如文献1(Detection of biomolecular microarrays withoutfluorescent-labeling agents，SPIE 5328(121)，2004)所介绍的，在实验中采用直径为3μm的光斑照射样品，用一个硅光电二极管接收反射光，实验过程中光路是固定不动的，被测样品做二维移动。整个装置包括在光路上顺序设置的P偏振的激光光源、光弹调制器、普克盒(Pockels cell)和透镜组成的入射光路***，由透镜、检偏器和光电探测器组成的出射光路部分及数据采集和处理***，文献中采用此装置在没有荧光标记的条件下分别进行了生物分子阵列合成反应检测、微阵列的光学性质的定量检测和水溶液中微阵列的检测。此种监测装置对于多阵元生物分子微阵列反应的监测需要的时间长，并且样品的移动给监测结果带来了难以避免的***噪声。
发明内容：
本发明的目的是克服现有OIRD生物分子监测技术的缺陷，从而提供一种无须移动样品、监测时间短、***噪声低的光反射差法高通量监测微阵列生物分子反应的装置。
本发明提供的光反射差法高通量监测微阵列生物分子反应的装置，包括入射光路、样品台、出射光路和数据采集和处理***，所述入射光路包括激光器、起偏器、光弹调制器和移相器，其中在激光器输出光前方光路上顺序设置起偏器、光弹调制器和移相器；所述出射光路包括检偏分析仪和光电信号转换器，经样品台上的样品反射后的出射光束前方顺序安置所述检偏分析仪和光电信号转换器，所述光电信号转换器电连接到所述数据采集和处理***，其特征在于，
所述入射光路中还包括设置于移相器和样品台之间的扩束装置；
还包括一机械关节，该机械关节由两块垂直固定在样品台上的竖板，和一块接受入射光的铝合金平板，与一块用于反射出射光的铝合金平板，所述的两块铝合金平板和两块竖板上开有圆弧形固定螺孔，通过一螺栓将两块铝合金平板斜向固定在竖板上组成，所述的螺孔为四分之一圆弧状，铝合金板可以在0-90°之间调解；
所述入射光路设置在接受入射光的铝合金平板上，和所述的出射光路设置在用于反射出射光的铝合金平板上；
所述光电信号转换器包括硅光电二极管阵列、开关电路、第一锁相放大器和第二锁相放大器，其中所述硅光电二极管阵列输出端分别电连接至开关电路、第一锁相放大器和第二锁相放大器的输入端。
在上述的技术方案中，所述数据采集和处理***包括，BNC适配器、数据采集卡和数据处理装置；其中
所述BNC适配器接收所述第一锁相放大器和第二锁相放大器输出信号，并对锁相输出的信号进行分通道处理，将每一个锁相放大器输出的信号都分成振幅信息和位相信息两个部分；
所述数据采集卡采集BNC适配器输出的数据，并传送给数据处理装置；
所述数据处理装置对数据采集卡发送来的数据进行存储、分析和处理。
在上述的技术方案中，所述扩束装置为光束展宽透镜组，所述光束展宽透镜组包括准直镜筒和两个分别设置在所述准直镜筒两端的连续变倍扩束镜头，通过调节准直镜筒的长度，可以调节出射光束横截面的直径。
在上述的技术方案中，所述的入射光路与出射光路通过可调节光束入射角度的机械关节连接。
在上述的技术方案中，所述的激光器是波长为632.8nm的线偏振He-Ne激光器。
在上述的技术方案中，所述光弹调制器为调制频率Ω＝50kHz。
在上述的技术方案中，所述样品台为带有样品固定机构的具有三维手动调节的不锈钢平台。
本发明的优点：
(1)本发明采用硅光电二极管阵列作为反射光的接收元件，当入射激光束经过一系列光学***后以宽光束入射到微阵列样品上，反射光经检偏分析仪后被硅光电二极管阵列接收，当入射角度一定时，不用二维移动样品台，只采用硅光电二极管阵列就可以将生物样品表面反射的光全部接收，这样不仅减少了移动样品带来的噪声，而且大大提高信噪比；
(2)采用宽光束入射和硅光电二极管阵列接收反射光，使得本发明的装置可以同时对微阵列的多个阵元的多种反应进行无标记、快速高通量监测，大大提高了监测效率；
(3)本发明的装置结构简单，易于操作，能够高通量快速实现对生物分子反应的监测，不需要任何标记试剂，工作效率高；
(4)本发明所用的器件都能在市场上买到，容易实现；
(5)另外，本发明的入射光路***和出射光路***采用机械关节连接，使得光束的入射角度可以在0-90°之间随意调整。
附图说明
图1本发明光反射差法高通量监测微阵列生物分子反应的装置组成示意图。
附图标记：
1-激光器； 2-起偏器；3-光弹调制器；4-移相器；
5-扩束装置；6-样品台；7-检偏分析仪；8-开关电路；
9-硅光电二极管；10-第一锁相放大器；11-第二锁相放大器；
12-数据采集和处理***。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明做进一步的解释和说明。
实施例1
参考图1，制作一光反射差法高通量监测微阵列生物分子反应的装置。
该装置由入射光路、样品台6、出射光路和数据采集和处理***组成，其中入射光路包括在激光器1输出光前方光路上顺序设置起偏器2、光弹调制器3、移相器4和扩束装置5；所述出射光路由检偏分析仪7和光电信号转换器9，从入射光路发出的入射光束经样品台6上的样品反射后顺序经过所述检偏分析仪7和光电信号转换器，所述光电信号转换器电连接到所述数据采集和处理***12。所述光电信号转换器由硅光电二极管阵列9、开关电路、第一锁相放大器10和第二锁相放大器11组成，其中硅光电二极管阵列9输出端分别电连接至开关电路、第一锁相放大器10和第二锁相放大器11的输入端。
本实施例的装置中还采用机械关节来调节入射和出射光，该机械关节由两块垂直固定在样品台上的竖板，和一块接受入射光的铝合金平板，与一块用于反射出射光的铝合金平板，所述的两块铝合金平板和两块竖板上开有圆弧形固定螺孔，通过一螺栓将两块铝合金平板斜向固定在竖板上组成，所述的螺孔为四分之一圆弧状，铝合金板可以在0-90°之间调解，这样的调解实现对入射和出射光的调节了。上述的入射光路设置在接受入射光的铝合金平板上，和上述的出射光路设置在用于反射出射光的铝合金平板上。
本实施例的装置中采用的是功率为4mW，波长为632.8nm的He-Ne激光器作为光源，其出光孔径为3mm，从激光器1出射的激光束经由起偏器(New Focus5524)2校正偏振方向后变成偏振方向平行于入射面的p偏振光；而后再经过光弹调制器(Hinds Instrument PEM90TM)3产生p和s偏振态间的周期性调制，调制频率为50KHz；从光弹调制器3出射的偏振调制光经由一直径为25.4mm的石英多级半波片构成的移相器4引进p和s偏振态间的可调节位相补偿；然后由作为扩束装置5的光束展宽透镜组将激光光束展宽后入射到样品台6上，所述光束展宽透镜组由准直镜筒和两个分别设置在所述准直镜筒两端的连续变倍扩束镜头组成，所述准直镜筒的长度可调，其总长度最大为134mm，光束展宽透镜组的适用波长范围450-680nm、扩束比为5X-6X、入射光斑和出射光斑直径分别为4mm和24mm；所述样品台6采用市场上购买的不锈钢台面、可以实现三维手动调节的平台，调节精度为0.01mm，三维行程为50mm；
样品表面反射的反射光经检偏分析仪7(CVI Laser CPAD-10.0-425-675)调节后由硅光电二极管阵列9接收；第一锁相放大器10和第二锁相放大器11(Stanford Research Systems SR830DSP)分别电连接到硅光电二极管阵列9，所述的硅光二极管阵列9由感光面积为1.0mm2的方形高速感应硅光二极管(BPX-65)组成30×30二维阵列。由于硅光电二极管阵列9有若干个硅光电二极管，为了使每一个硅光电二极管接收到的光信号都能用第一锁相放大器10和第二锁相放大器11进行分析，在硅光电二极管阵列9上电连接一开关电路，本实施例中的开关电路为继电器切换电路8，使每一个硅光电二极管接受的光信号转化成电信号后的一级谐频和二级谐频可以依次被数据采集和处理***读取；
本装置中的数据采集和处理***12采用计算机，该机算计配置有数据采集卡(PCI-6220)、BNC适配器(BNC-2110)和LabVIEW编写的采集程序，第一锁相放大器10和第二锁相放大器11输出的电信号首先经由BNC适配器进行分通道处理，每一个锁相放大器输出的信号都被分成振幅信息和位相信息两个部分，然后将每个锁相放大器的振幅信息和位相信息分别送入数据采集卡采集，最后把采集到的数据传送给采用LabView编写的数据处理程序进行存储、分析和处理。
采用本发明的装置在监测精度为2um时，可以在2分钟之内完成一次对20×20到200×200生物芯片阵列的生物样品的监测，其中阵元的直径为100um，间距为100um，并且监测灵敏度达到2×10-6rad。
实施例2
本实施例中，移相器4采用型号为Cleveland Crystal IMPACT10的普克盒，其他与实施例1相同，本实施例的装置灵敏度相比实施例1能提高1个数量级。
实施例3
本实施例中采用开关电路8代替继电器切换电路，其它与实施例1相同，该装置监测同样的生物芯片样品所用的时间相比实施例1能缩短0.5分钟。
Claims (7)
1.一种光反射差法高通量监测微阵列生物分子反应的装置，包括入射光路、样品台、出射光路和数据采集和处理***，所述入射光路包括激光器、起偏器、光弹调制器和移相器，其中在激光器输出光前方光路上顺序设置起偏器、光弹调制器和移相器；所述出射光路包括检偏分析仪和光电信号转换器，经样品台上的样品反射后的出射光束前方顺序安置所述检偏分析仪和光电信号转换器，所述光电信号转换器电连接到所述数据采集和处理***，其特征在于，
所述入射光路中还包括设置于移相器和样品台之间的扩束装置；
还包括一机械关节，该机械关节由两块垂直固定在样品台上的竖板，和一块接受入射光的铝合金平板，与一块用于反射出射光的铝合金平板，所述的两块铝合金平板和两块竖板上开有圆弧形固定螺孔，通过一螺栓将两块铝合金平板斜向固定在竖板上组成，所述的螺孔为四分之一圆弧状，铝合金板可以在0-90°之间调解；
所述入射光路设置在接受入射光的铝合金平板上，和所述的出射光路设置在用于反射出射光的铝合金平板上；
所述光电信号转换器包括硅光电二极管阵列、开关电路、第一锁相放大器和第二锁相放大器，其中所述硅光电二极管阵列输出端分别电连接至开关电路、第一锁相放大器和第二锁相放大器的输入端。
2.按权利要求1所述的光反射差法高通量监测微阵列生物分子反应的装置，其特征在于，所述数据采集和处理***包括，BNC适配器、数据采集卡和数据处理装置；其中，
所述BNC适配器接收所述第一锁相放大器和第二锁相放大器输出信号，并对锁相输出的信号进行分通道处理，将每一个锁相放大器输出的信号都分成振幅信息和位相信息两个部分；
所述数据采集卡采集BNC适配器输出的数据，并传送给数据处理装置；
所述数据处理装置对数据采集卡发送来的数据进行存储、分析和处理。
3.按权利要求1所述的光反射差法高通量监测微阵列生物分子反应的装置，其特征在于，所述扩束装置为光束展宽透镜组，所述光束展宽透镜组包括准直镜筒和两个分别设置在所述准直镜筒两端的连续变倍扩束镜头，通过调节准直镜筒的长度，可以调节出射光束横截面的直径。
4.按权利要求1所述的光反射差法高通量监测微阵列生物分子反应的装置，其特征在于，所述样品台为带有样品固定机构的具有三维手动调节的不锈钢平台。
5.按权利要求1所述的光反射差法高通量监测微阵列生物分子反应的装置，其特征在于，所述的激光器是波长为632.8nm的线偏振He-Ne激光器。
6.按权利要求1所述的光反射差法高通量监测微阵列生物分子反应的装置，其特征在于，所述光弹调制器为调制频率Ω＝50kHz。
7.按权利要求1所述的光反射差法高通量监测微阵列生物分子反应的装置，其特征在于，所述的开关电路为继电器切换电路或脉冲开关电路。
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