CN101726477A - 用于生物芯片的光学检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于生物芯片的光学检测装置。该光学检测装置包括：光源***，用于以激发光照射生物芯片；荧光检测***，用于检测由生物芯片发射的荧光；以及光路改变单元，用于将光源***发射的激发光引导到生物芯片并且将生物芯片发射的荧光引导到荧光检测***，其中光源***辐照的激发光在生物芯片上的截面面积大于生物芯片的面积，并且荧光检测***利用激发光的单次照射来检测整个生物芯片的荧光图像。

Description

用于生物芯片的光学检测装置
技术领域
本发明的一个或者多个实施例涉及一种用于生物芯片的光学检测装置。
背景技术
生物芯片是一种类似于半导体芯片的活组织检查器件并且可以通过将生物有机化合物(诸如，活有机体、微生物、细胞或者器官或者动物或植物的神经细胞的酶、缩氨酸、蛋白质、抗体或者脱氧核糖核酸(DNA))结合到小芯片上而形成。DNA芯片是一种检测DNA的器件，其通过在基板(诸如，玻璃基板或者半导体基板)上的小空间内布置具有不同核苷酸碱基序列(nucleotide base sequence)的单链DNA而制成，细胞内核苷酸碱基序列的功能是已知的。具有相同核苷酸碱基序列的单链DNA的集合通常被称为点(spot)，通常20到150个碱基联合而形成一个点。
当样本的基因材料在这样的DNA芯片上流动时，仅仅与特定点相对应的基因与相应的点结合并且未与DNA芯片中的点结合的基因不受束缚且可以被洗掉，其中与特定点相对应的基因是具有与特定点的核苷酸碱基序列互补的核苷酸碱基序列的基因。布置在DNA芯片上的点的核苷酸碱基序列的功能是已知的，从而，通过识别DNA芯片中与基因结合的点可以获得样本的基因信息。因此，可以相对迅速地分析特定细胞或有机组织中唯一的基因表达(genetic expression)和/或变异(诸如单核苷酸多态性)的方面(aspect)以及基因或者变种的拷贝数量变化。而且，DNA芯片也可以用于基因表达的分析、致病菌(pathogenic bacteria)的传染测试、抗生素抗性测试、关于环境因素的生物反应研究、食品安全检查、罪犯识别、新药的开发以及动物或植物的医学检查。
已经建议了用于识别与基因结合的DNA芯片中的点的各种方法，这些方法中最受欢迎的方法是荧光检测方法。在荧光检测方法中，携带荧光材料的碱基与样本的基因材料结合，当被激发光激发时荧光材料发射特定颜色的光。在基因材料在DNA芯片上流动后，激发光被辐照到DNA芯片上，且其中所获得的荧光图像被分析。从而，可以识别与样本的基因结合的点。例如，点的尺寸在从1μm到100μm的范围内。
通常，用于通过将激发光辐照到DNA芯片上而获得荧光图像的光学检测装置通过以大约0.1微米(μm)到10μm的像素扫描DNA芯片而获得荧光图像。而且，几百到几千万(例如，1000)个点在一个DNA芯片中形成阵列。利用生物芯片扫描仪，需要较长的时间周期来获得较高分辨率的荧光图像，并且通常需要大约10分钟的时间通过扫描DNA芯片中的每个面板来读取整个DNA芯片，其中生物芯片扫描仪是通过扫描DNA芯片中的每个点阵列来读取整个DNA芯片的荧光检测装置。而且，必需用较长的时间周期来将扫描获得的多个荧光图像转换成与DNA芯片上的原始点相对应的信息。
发明内容
一个或者多个实施例包括用于生物芯片的光学检测装置，该光学检测装置能够用激发光的单次照射或者几次照射而不是扫描来读取整个生物芯片，例如DNA芯片。
在以下的描述中将部分阐述附加的方面、特征和优点。
所公开的是用于生物芯片的光学检测装置，该光学检测装置包括光源***，用于以激发光照射生物芯片；荧光检测***，用于检测由生物芯片发射的荧光；以及光路改变单元，用于将光源***发射的激发光引导到生物芯片并且将生物芯片发射的荧光引导到荧光检测***，其中光源***辐照的激发光在生物芯片上的截面面积大于生物芯片的面积，荧光检测***利用激发光的单次照射检测整个生物芯片的荧光图像。
光源***可以包括光源、光漫射器件以及聚光透镜或聚光镜(condensermirror)，它们沿着激发光行进的方向顺序设置在相同的光轴上。
而且，光源***可以包括发射激发光的光源、传输激发光的光纤以及将激发光聚集在生物芯片上的聚光透镜或者聚光镜。
光路改变单元可以包括：偏振光束分光器，设置在光漫射器件与聚光透镜或聚光镜之间；偏光器，设置在光漫射器件与偏振光束分光器之间；以及四分之一波板，设置在偏振光束分光器与聚光透镜或聚光镜之间。
备选地，光路改变单元可以是设置在光漫射器件与聚光透镜或聚光镜之间的二色镜。
此外，荧光检测***可以包括激发光吸收滤波器、可变形镜、投影光学***以及光学检测器，它们沿荧光行进的方向顺序设置，并且激发光吸收滤波器可以设置为面对偏振光束分光器的荧光输出表面。
在实施例中，可变形镜包括反射表面，该反射表面能够通过机械或者电操作而变形以校正荧光图像中的失真。
在实施例中，投影光学***可以是具有可变的放大倍率的变焦透镜***或者变焦镜***。
光学检测器包括像素阵列，且可以是光电倍增管(PMT)、电荷耦合器件(CCD)、互补金属氧化物半导体图像传感器(CIS CMOS)或者其的组合。
生物芯片内单个基因点的图像可以与光学检测器的至少一个像素匹配。
光学检测装置还可以包括用于支撑、移动、倾斜以及旋转生物芯片的台。
为了实现以上和/或其他的方面、特征或者优点，一个或者多个实施例包括：用于生物芯片的光学检测装置，该光学检测装置包括光源***，用于以激发光照射生物芯片；以及荧光检测***，用于检测由生物芯片发射的荧光，其中光源***和荧光检测***设置在生物芯片的相对侧，光源***辐照的激发光在生物芯片上的截面面积大于生物芯片的面积，并且荧光检测***利用激发光的单次照射检测整个生物芯片的荧光图像。
光源***还可以包括设置在光漫射器件与聚光透镜或聚光镜之间的准直透镜或者准直镜。
由聚光透镜或聚光镜聚焦在生物芯片上的光斑的截面面积可以大于整个生物芯片的面积。
荧光检测***可以包括激发光吸收滤波器、可变形镜、投影光学***以及光学检测器，它们沿荧光行进的方向顺序设置，并且激发光吸收滤波器可以设置为面对偏振光束分光器的荧光输出表面。
备选地，荧光检测***可以包括激发光吸收滤波器和光学检测器，二者与生物芯片集成以形成单体且固定在生物芯片的表面上，该表面与生物芯片的被激发光照射的表面相对。
光源***可以包括光源、光漫射器件、聚光透镜或聚光镜以及像差补偿器件，它们沿激发光行进的方向顺序设置在相同的光轴上。
附图说明
根据结合附图对实施例的以下描述，这些和/或其他方面将变得更显而易见且更易于理解，附图中：
图1是示意性地示出用于生物芯片的光学检测装置的示范性实施例的图示；
图2是示意性地示出用于生物芯片的光学检测装置的另一个示范性实施例的图示；
图3a和图3b是示出光学检测器的像素与生物芯片中的相应的基因点之间的匹配状态的示范性实施例的图示，其中光学检测器用于图1的用于生物芯片的光学检测装置中；
图4示出了生物芯片的顶表面上的基因点阵列与对准标记的示范性实施例；
图5是示意性地示出用于生物芯片的光学检测装置的另一个示范性实施例的图示；
图6是示意性地示出用于生物芯片的光学检测装置的另一个示范性实施例的图示；和
图7是示意性地示出用于生物芯片的光学检测装置的另一个示范性实施例的图示。
具体实施方式
现在将详细说明本发明的实施例，相应的附图中显示了这些实施例的示例，其中相同的附图标记始终表示相同的元件。在这点上，本发明的实施例可以具有不同的形式且不应被解释为限于此处所阐述的实施例。从而，下面参考附图描述实施例以解释本说明书的方案、特征和优点。
应该理解，当元件或层被称为在另一元件或层“上”或者“连接到”另一元件或层时，该元件或层可以直接在另一元件或层上或者连接到另一元件或层，或者它们之间可以存在***的元件或层。相反，当元件被称为“直接在”或者“直接连接到”另一元件或层时，则它们之间不存在***的元件或层。如这里所用，术语“和/或”包括一个或者多个相关所列项目的任何和所有组合。
应当理解，虽然这里可以使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、组件、区域、层和/或部分，但这些元件、组件、区域、层和/或部分不应受限于这些术语。这些术语仅用于将一个元件、组件、区域、层或部分与另一区域、层或部分区别开。因此，以下讨论的第一元件、组件、区域、层或部分可以被称为第二元件、组件、区域、层或部分，而不背离本发明的示范性实施例的教导。
为便于描述此处可以使用诸如“在...下面”、下(lower)”、“上(upper)”等空间相对性术语来描述如附图所示的一个元件或特征与另一个(些)元件或特征之间的关系。应当理解，空间相对性术语旨在概括除附图所示取向之外在使用或操作中器件的不同取向。例如，如果附图中的器件被翻转，则被描述为“在”其他元件或特征“下面”或“之下”的元件将会取向为在其他元件或特征“之上”。因此，示范性术语“在...下面”能够涵盖之上和之下两种取向。器件可以采取其他取向(旋转90度或在其他取向)，此处所用的空间相对描述符做相应解释。
如此处所用的，除非上下文另有明确表述，否则单数形式也旨在包括复数形式。还应当理解，当在本说明书中所用时，术语“包括”指定所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。
这里参照截面图来描述本发明的实施例，这些截面图是本发明的理想化实施例(和中间结构)的示意图。举例来说，由制造技术和/或公差引起的插图形状的变化是可以被预期到的。因此，本发明的实施例不应被解释为限于此处示出的区域的特定形状，而是包括由例如制造引起的形状偏差。
例如，图示为矩形的被注入区典型地将在其边缘处具有圆形或曲线特征和/或注入浓度的梯度而不是从注入区到非注入区的二元变化。类似地，通过注入形成的掩埋区可以在掩埋区与注入通过其发生的表面之间的区域中引起某些注入。因此，附图所示的区域实质上是示意性的，它们的形状并非要展示器件的区域的实际形状，也并非要限制本发明的范围。
除非另行定义，此处使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)都具有本发明所属领域内的普通技术人员所通常理解的同样的含义。进一步应当理解的是，诸如通用词典中所定义的术语，除非此处加以明确定义，否则应当被解释为具有与它们在相关领域的语境中的含义相一致的含义，而不应被解释为理想化的或过度形式化的意义。
这里所述的所有方法可以以适合的顺序执行，除非这里另行指出或另外通过上下文明确相反地指出。任何和所有的示例以及示范性语言(例如，诸如)的使用仅旨在更好地说明本发明并不对本发明的范围施加限制，除非另外要求。本说明书中的语言都不应被解释为指示任何未要求的元件对于如此处所用的本发明的实践是必须的。
图1是示意性地示出用于生物芯片的光学检测装置100的示范性实施例的图示。参考图1，光学检测装置100包括在激发光行进的方向上沿光轴OX设置的光源101、光漫射器件(light diffusing device)102、偏光器103、准直透镜104、偏振光束分光器105、四分之一波(λ/4)板106以及聚光透镜(condenser lens)107，并且还包括沿荧光行进的方向设置的激发光吸收滤波器110、可变形镜111、投影光学***112以及光学检测器113。在实施例中，光学检测装置100包括在激发光行进的方向上沿光轴OX顺序设置的光源101、光漫射器件102、偏光器103、准直透镜104、偏振光束分光器105、四分之一波(λ/4)板106以及聚光透镜107，并且还可以包括沿荧光行进的方向顺序设置的激发光吸收滤波器110、可变形镜111、投影光学***112以及光学检测器113。光学***的构造可以根据光学检测装置的设计而改变。在实施例中，光源101、光漫射器件102、准直透镜104和聚光透镜107组成用于照射(illuminating)生物芯片130的光源***。此外，激发光吸收滤波器110、可变形镜111、投影光学***112以及光学检测器113形成荧光检测***。而且，偏光器103、偏振光束分光器105以及λ/4板106形成光路改变单元。
尽管当前实施例以及下面的其他实施例中揭示的光学***是包括透镜的折射光学***，但可以利用反射光学***代替折射光学***而获得相同的效果，该反射光学***包括凹面镜(concave mirror)或者凸面镜(convexmirror)。例如，可以使用聚光镜、准直镜以及变焦镜***来代替聚光透镜、准直透镜以及变焦透镜***。此外，也可以使用既包括折射透镜又包括反射镜的反射-折射光学***。为了清晰，下面的描述揭示了折射光学***。
在光源***中，光源101发射激发光。该激发光是用于激发与生物芯片130(例如，DNA芯片)内的点结合的样本基因中的荧光材料的光。例如，波长在约200纳米(nm)到约2000nm之间的光，具体地波长在约350nm到约650nm之间的光，更具体地波长为540nm的光可以用作激发光。在实施例中，光源101发射的光并不必须是具有约540nm波长的单色光，而可以是任何光，只要该光包括波长为约540nm的光。而且，激发光的波长可以根据例如荧光材料的特性而改变。因此，发射激发光的光源101可以是例如发射白光的灯(lamp)、发射波长为约540nm的单色光的发光二极管(LED)或者激光二极管(LD)。此外，激发光可以是例如相干光(coherent light)或者非相干光。而且，光源101发射的光可以是偏振光或者非偏振光。
光源101发射的激发光通过光漫射器件102。光漫射器件102均匀地漫射该激发光，使得从光漫射器件102输出的光在其截面上具有均匀的强度。期望激发光具有均匀强度的原因是为了辐照相同强度的光到整个生物芯片130上。辐照相同强度的光对于确保检测数据的可靠性来说是重要的。尽管光漫射器件102在图1中示出为平板器件，但是本实施例不限于此，光漫射器件102可以是棒形(stick-shaped)光积分器(light integrator)。在另一个实施例中，光漫射器件102可以包括多个光学器件，从而改善激发光的均匀性。
此外，尽管图1中光源101和光漫射器件102设置在光轴OX上，但在另一个实施例中，例如，在采用光传输器件(light transmitting device)或者光导器件例如光纤109(参考图2)的实施例中，光源101和光漫射器件102可以设置为离开光轴OX。如图2所示，在利用光纤109的实施例中，当激发光在光纤109内部行进时激发光可以被漫射成具有足够的均匀性，从而在该实施例中可以省略图1的光漫射器件102。此外，在利用光纤109的实施例中，可以改善光源101布局设计的自由度，并且在光学检测装置100的组装期间会更容易对准光源101。
偏光器103可以设置在光漫射器件102(或者光纤(未示出))后面。在实施例中，偏光器103设置在光漫射器件102后面。偏光器103起到使激发光具有特定偏振的作用。例如，通过偏光器103的激发光可以具有S偏振。然而，在光源101被构造为发射特定偏振的光的实施例中，可以省略偏光器103。
可选地，已经通过偏光器103的激发光可以通过准直透镜104。准直透镜104将激发光转换成平行光。尽管在图1中准直透镜104设置在偏光器103后面，但是准直透镜104也可以设置在光源101与光漫射器件102之间或者光漫射器件102与偏光器103之间。然而，在光源101发射的激发光的散度(divergence)不大且激发光可以通过聚光透镜107充分聚集的实施例中，可以省略准直透镜104。
偏振光束分光器105可以设置在准直透镜104后面。在另一个实施例中，偏振光束分光器105设置在准直透镜104后面。偏振光束分光器105根据入射光的偏振反射或者透射入射光。例如，偏振光束分光器105可以透射S偏振光而反射P偏振光。通过利用偏振光束分光器105，光源101发射的激发光可以被引导到生物芯片130且由生物芯片130反射的光可以被引导到光学检测器113。在这点上，偏振光束分光器105可以被认为是光路改变器件。如以上所述，偏振光束分光器105与偏光器103和λ/4板106一起形成光路改变单元，下面将进一步详细描述其原理。图1显示了光源101发射的激发光通过偏振光束分光器105并行进到生物芯片130以及由生物芯片130反射的光被偏振光束分光器105反射。然而，在另一个实施例中，装置可以被构造为使得光源101发射的激发光被偏振光束分光器105反射且由生物芯片130反射的光通过偏振光束分光器105。在此实施例中，代替λ/4板106、聚光透镜107和生物芯片130，激发光吸收滤波器110、可变形镜111、投影光学***112以及光学检测器113可以设置在光轴OX上。
已经通过偏振光束分光器105的激发光可以通过λ/4板106。λ/4板106将线偏振光转换成圆偏振光，反之亦然。例如，入射到λ/4板106的S偏振光可以被转换成左旋圆偏振光。
接下来，被转换成圆偏振光的激发光入射到聚光透镜107上。聚光透镜107聚集激发光以在生物芯片130上提供具有选定尺寸的光斑。在这点上，根据实施例，光斑的尺寸足够大以照射整个生物芯片130。因此，整个生物芯片130可以用激发光的单次照射来激发而不是将生物芯片130分成多个部分并且顺序扫描每个部分来激发。尽管聚光透镜107被概略地示出为图1中的单透镜器件，但聚光透镜107也可以包括含多个透镜的透镜组。通常，由聚光透镜107聚集的光的光斑的外部区域与其中心区域相比受像差的影响更大且失真更明显。这样，可以形成尺寸比生物芯片130的尺寸(更具体地，设置在生物芯片130上的基因点阵列的尺寸)大几倍的光斑并且可以仅使用光斑的中心区域，其中中心区域的失真相对微小。此外，根据实施例，非球面透镜可以用作聚光透镜107以消除球面像差等。如果聚光透镜107包括含多个透镜的透镜组，则透镜组中的至少一个透镜可以是非球面透镜。
从而，当生物芯片130被激发光照射时，附着到样本基因的荧光材料被激发而发射荧光，该样本基因与生物芯片130内的基因点结合。期望该荧光由以上进一步揭示的荧光检测***检测。在图1中示出的实施例中，生物芯片130设置在不透明或者反射基板上。因此，由荧光材料发射的荧光通过聚光透镜107且沿光轴OX朝向偏振光束分光器105行进。在这点上，荧光处于非偏振态，从而没有特定的偏振，且偏振光束分光器105对该荧光起到半透明反射镜(half mirror)的作用。因此，部分荧光被偏振光束分光器105反射且朝向激发光吸收滤波器110行进，其中激发光吸收滤波器110构成荧光检测***的一部分。激发光吸收滤波器110可以设置为面对偏振光束分光器105的荧光输出表面。
在实施例中，照射生物芯片130的部分激发光被生物芯片130反射且再次通过λ/4板106。在这点上，激发光被λ/4板106转换成P偏振光。然后，P偏振的激发光可以被偏振光束分光器105反射并入射到激发光吸收滤波器110。在当前实施例中，将被光学检测器113检测的光仅是荧光。激发光的强度大于荧光的强度，因此会妨碍精确测量。激发光吸收滤波器110实质上仅透射荧光且吸收入射的激发光，并且其可以是例如波长选择滤波器(wavelength selective filter)。当实施例中未采用λ/4板106时，荧光在偏振光束分光器105上被部分反射且被引导到光学检测器113。相反，入射的激发光透射通过偏振光束分光器105被反射回到光源101，这会引起不稳定或者破坏光源101。然而，如果被生物芯片130反射的激发光被发散或者不被引导到光源101，则可以避免这些问题，并且可以减少到激发光吸收滤波器110的激发光。因此，在另一个实施例中，可以省略λ/4板106。
可变形镜111、投影光学***112和光学检测器顺序设置在激发光吸收滤波器110后面。已经通过激发光吸收滤波器110的荧光被可变形镜111反射且通过投影光学***112在光学检测器113上形成图像。在这点上，形成在光学检测器113上的荧光图像会由于生物芯片130的不平坦表面以及生物芯片130与光学检测器113之间的光路上的光学器件的像差而失真。可变形镜111和投影光学***112可以对荧光图像中的失真进行校正。
可变形镜111是其反射表面可通过机械或者电操作而自由变形的镜(mirror)。例如，可变形镜111的反射表面可以包括柔性材料，且例如通过部分推或者拉柔性反射表面而使该柔性反射表面变形的电或机械器件可以在反射表面下方设置为二维阵列。这样，可以有意地为可变形镜111的反射表面提供像差以补偿存在于生物芯片130与可变形镜111之间的光路上的像差。例如，球面像差可以通过提供与沿生物芯片130与可变形镜111之间的光路累积的球面像差相反的球面像差而补偿。从而，荧光图像的失真可以被可变形镜111校正。
在荧光图像中的大部分失真被可变形镜111校正之后，荧光入射到投影光学***112上。投影光学***112可以包括多个透镜以提供荧光图像到光学检测器113而没有附加的像差。虽然图1中仅示出了成像透镜112a和投影透镜112b，但在投影光学***112中可以设置更多的透镜。投影光学***112的透镜可以是具有减小的像差的非球面透镜。然而，考虑到投影光学***112的像差，可变形镜111的反射表面也可以变形。例如，通过分析由光学检测器113检测的荧光图像，可变形镜111的反射表面也可以连续变形直到由光学检测器113检测的荧光图像具有选定的或者最小的失真级别。
入射到光学检测器113上的荧光图像被光学检测器113转换成电信号，且该信号被传输到图像信号处理单元140，诸如计算机。光学检测器113可以包括约10个到约1,000,000,000个之间的像素，具体地包括约1000个到约10,000,000个之间的像素，更具体地包括约100,000个到约1,000,000个之间的像素，这些像素设置成阵列，以一次检测关于生物芯片130内所有基因点的荧光图像。例如，光学检测器113可以是光电倍增管(PMT)、电荷耦合器件(CCD)或者互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)等，或者是这些的组合。
期望光学检测器113的每个像素与生物芯片130内的多个基因点匹配。例如，如图3a所示，光学检测器113的单个像素113a可以与生物芯片130内的单个基因点的图像131匹配，从而可以一对一地匹配。然而，为了获得更可靠的数据，单个基因点的图像可以与光学检测器113的n(其中，n是自然数)个像素匹配。图3b是示例的图示，在该示例中单个基因点的图像131匹配四个像素113a到113d。在此实施例中，四个像素113a到113d可以一起检测单个基因点的图像131的强度，从而可以进一步降低检测误差。根据另一个实施例，可以调整上述投影光学***112的放大倍率以自由调整光学检测器113的像素与生物芯片130内的基因点的图像之间的匹配比。例如，投影光学***112可以是变焦透镜***，其具有可变的放大倍率并且能够变焦以获得选择的图像。
此外，为了获得可靠性改善的数据，每个基因点的图像可以更精确地与光学检测器113的相应像素对准。对准可以利用支撑生物芯片130的台120进行。此外，根据实施例，除了生物芯片130之外的光学***的元件，诸如可变形镜111、光学检测器113等也可以设置在台上。如图1所示，台120被设计为例如既沿水平方向又沿垂直(perpendicular)方向，诸如Y轴方向和Z轴方向移动，以将基因点的图像精确定位在相应的像素上。此外，台120也可以被设计为沿竖直(vertical)方向，也就是如图1中所示的X轴方向移动，用于改善聚光透镜107的调焦。台120也可以关于X轴、Y轴或者Z轴倾斜。此外，生物芯片130和光学检测器113可以关于彼此旋转或者倾斜。例如，台120可以围绕X轴旋转以校正生物芯片130和光学检测器113之间的相对旋转。生物芯片130的倾斜可以随着台120绕Y轴和Z轴旋转而被校正。
生物芯片130可以包括具有选定形状的对准标记，用于当台120如以上所述沿直线运动或者旋转时改善生物芯片130与光学检测器113的对准。例如，如图4所示，多个对准标记133可以设置在生物芯片130的顶表面上的基因点阵列132的外部。这样，生物芯片130的对准情况可以通过分析由光学检测器113检测到的对准标记133而确定。虽然对准标记133的形状在图4中是十字，但是对准标记133可以具有各种形状。此外，对准标记133也可以设置在基因点阵列132的内部。
根据实施例，利用激发光的单次照射可以获得整个生物芯片130的未失真的荧光图像，因为荧光图像中的失真可以利用可变形镜111而被充分地校正。因此，生物芯片130可以以提高的速度被读取和分析。具体地，因为可变形镜111的反射表面可以自由地变形，所以可以补偿由于生物芯片130的不平坦表面造成的图像中的失真。因此，生物芯片130不限于具有非常平展且平坦的表面，而是生物芯片130可以具有已调整的(modulated)或者不平坦的表面。此外，因为生物芯片130可以以提高的速度被读取，所以在较短的时间内，可以通过多次读取相同的生物芯片130且确定其平均值而进一步改善数据可靠性。而且，因为不用必须采用用于精确扫描生物芯片130的器件，所以可以进一步简化光学***。从而，可以使光学检测装置100小型化，且可以降低制造成本。因此，可以提供用于生物芯片的便携式光学检测装置。
图5是示意性地示出用于生物芯片的光学检测装置200的另一个示范性实施例的构造的图示。图1中示出的光学检测装置100与图5中示出的光学检测装置200之间的差别在于：二色镜(dichromic mirror)205代替偏振光束分光器105用于改变光路。在图5的实施例中，因为不采用偏振光束分光器105，所以偏光器和λ/4板106也不是必需的。图5中示出的光学检测装置200在其他方面与图1中示出的光学检测装置100相同。光源201、光漫射器件202、准直透镜204、聚光透镜207、激发光吸收滤波器210、可变形镜211、投影光学***212、光学检测器213和台220的构造和运行可以与图1中示出的等同物相同。换言之，如同之前的实施例，光源201、光漫射器件202、准直透镜204以及聚光透镜207形成用于照射生物芯片130的光源***。此外，如同之前的实施例，激发光吸收滤波器210、可变形镜211、投影光学***212和光学检测器213形成荧光检测***。
二色镜205可以是，例如波长选择镜，其反射波长与生物芯片130发射的荧光的波长相对应的光而透射其他波长的光。这样，光源201发射的激发光可以通过二色镜205并达到生物芯片130。此外，生物芯片130发射的荧光可以由二色镜205反射且被引导到光学检测器213。在这点上，二色镜205可以被认为是光路改变器件。然而，在实施例中，二色镜205可以构造为透射波长与生物芯片130发射的荧光的波长相对应的光而反射其他波长的光。在这种情况下，代替聚光透镜207、生物芯片130以及台220，激发光吸收滤波器210、可变形镜211、投影光学***212和光学检测器213将设置在光轴OX上。
图6是示意性地示出用于生物芯片的光学检测装置300的另一个示范性实施例的构造的图示。生物芯片130’发射的荧光可以行进通过生物芯片130’。与图1的实施例相比，如图6所示，用于照射生物芯片的光源***以及荧光检测***设置在生物芯片130’的相对侧。因此，图6的实施例的运行可以不需要光路改变单元。换言之，在图6所示的实施例中，在用于生物芯片的光学检测装置300中可以省略图1中示出的偏光器103、偏振光束分光器105和λ/4板106或图5中示出的二色镜205。相反，激发光吸收滤波器310直接面对生物芯片130’的一表面，该表面与生物芯片130’的由激发光照射的表面相反。在实施方式中，生物芯片130’可设置在透明基板上，使得生物芯片130’发射的荧光能行进通过生物芯片130’。
在其他方面，光源***和荧光检测***的构造和运行可以与图1的实施例相同。例如，光源301、光漫射器件302、准直透镜304和聚光透镜307可以分别与图1的光源101、光漫射器件102、准直透镜104和聚光透镜307相同。此外，激发光吸收滤波器310、可变形镜311、投影光学***312和光学检测器313可以分别与图1的激发光吸收滤波器110、可变形镜111、投影光学***112和光学检测器113相同。然而，在图6的实施例中，光源301、光漫射器件302、准直透镜304、聚光透镜307、激发光吸收滤波器310、可变形镜311、投影光学***312和光学检测器313可以设置在由可变形镜311弯曲的相同光轴OX上。
此外，生物芯片130’和光学检测器313可以分别由第一台320和第二台330支撑并旋转。开口或者透明窗320a可以设置在第一台320中，使得生物芯片130’发射的荧光可以通过第一台320，其中第一台320可以支撑生物芯片130’。例如，开口或者透明窗320a的尺寸可以等于或者大于设置在生物芯片130’上的基因点阵列的尺寸。支撑光学检测器313的第二台330可以与支撑生物芯片130’的第一台320相同。然而，在实施例中，可以仅采用第一台320和第二台330之一。
图7是示意性地示出用于生物芯片的光学检测装置400的另一个示范性实施例的构造的图示。生物芯片130’发射的荧光可以行进通过生物芯片130’。因此，与图6中的实施例相同，用于照射生物芯片的光源***和荧光检测***可以设置在生物芯片130’的相对侧。因此，光学检测装置400的运行可以不需要光路改变单元。因此，在图7所示的实施例中，在用于生物芯片的光学检测装置400中可以省略图1中示出的偏光器103、偏振光束分光器105和λ/4板106或图5中示出的二色镜205。在实施方式中，生物芯片130’可设置在透明基板上，使得生物芯片130’发射的荧光能行进通过生物芯片130’
根据图7的实施例的光学检测装置400中的光源***的构造和运行可以与图1的实施例相同。例如，光源401、光漫射器件402、准直透镜404和聚光透镜407可以分别与图1的光源101、光漫射器件102、准直透镜104和聚光透镜107相同。然而，为了充分防止或者消除荧光图像中的失真，例如，像差补偿器件408可以进一步设置在聚光透镜407与生物芯片130’之间。像差补偿器件408的功能可以与可变形镜111的相同。像差补偿器件408可以是透射器件，且不可能是反射器件。
此外，根据当前实施例，荧光检测***可以包括激发光吸收滤波器410和光学检测器413。在实施例中，荧光检测***可以主要由激发光吸收滤波器410和光学检测器413构成。在另一个实施例中，荧光检测***可以由激发光吸收滤波器410和光学检测器413构成。具体地，激发光吸收滤波器410和光学检测器413可以作为单体集成到生物芯片130’并且被固定到生物芯片130’的一表面上，该表面与生物芯片130’的被激发光照射的表面相反。为了改善光学检测器413的像素与生物芯片130’内的相应基因点的对准，光学检测器413和生物芯片130’可以预先对准且固定到一起，使得光学检测器413和生物芯片130’基本不相对于彼此移动。生物芯片130’、激发光吸收滤波器410和光学检测器413可以如以上所述被固定而形成单体，可以由单一台420支撑且可以移动到由光源***最优照射的区域。在实施例中，优势在于：可以将光源***的聚光透镜407调整为具有深的焦深而使得从生物芯片130’到光学检测器413的至少整个区域被聚焦。
根据图7的实施例，荧光检测***不需要昂贵的组件，诸如可变形镜以及投影光学***，从而可以进一步降低生物芯片的光学检测装置的制造成本。此外，由于组件数量的减少，会便于用于生物芯片的光学检测装置装配期间组件的对准。而且，因为荧光检测***中光路的长度被缩短，所以可以进一步减小用于生物芯片的光学检测装置的尺寸。
应该理解的是，这里所描述的示范性实施例应该被认为仅仅是描述性的而不是为了限制。对每个实施例中特征或方面的描述应该典型地被认为可用于其他实施例中的其他相似的特征或者方面。例如，尽管以上结合上述实施例描述的光学***是包括透镜的折射光学***，但是相似或者相同的效果可以通过利用包括凹面镜、凸面镜或者平面镜的反射光学***获得。

Claims (21)

1.一种用于生物芯片的光学检测装置，该光学检测装置包括：
光源***，用于以激发光照射生物芯片；
荧光检测***，用于检测由所述生物芯片发射的荧光；以及
光路改变单元，用于将所述光源***发射的所述激发光引导到生物芯片并且将所述生物芯片发射的所述荧光引导到所述荧光检测***，
其中由所述光源***照射在所述生物芯片上的所述激发光的截面面积大于所述生物芯片的面积，并且
所述荧光检测***利用激发光的单次照射检测整个所述生物芯片的荧光图像。
2.如权利要求1所述的光学检测装置，其中所述光源***包括沿着所述激发光行进的方向顺序设置在相同的光轴上的光源、光漫射器件以及聚光透镜或聚光镜。
3.如权利要求1所述的光学检测装置，其中所述光源***包括发射所述激发光的光源、传输所述激发光的光纤以及将所述激发光聚集在所述生物芯片上的聚光透镜或者聚光镜。
4.如权利要求2所述的光学检测装置，其中所述光路改变单元包括：偏振光束分光器，设置在所述光漫射器件与所述聚光透镜或所述聚光镜之间；偏光器，设置在所述光漫射器件与所述偏振光束分光器之间；以及四分之一波板，设置在所述偏振光束分光器与所述聚光透镜或聚光镜之间。
5.如权利要求4所述的光学检测装置，其中所述荧光检测***包括沿所述荧光行进的方向顺序设置的激发光吸收滤波器、可变形镜、投影光学***以及光学检测器，并且
所述激发光吸收滤波器设置为面对所述偏振光束分光器的荧光输出表面。
6.如权利要求5所述的光学检测装置，其中所述可变形镜包括反射表面，所述反射表面能够通过机械或者电操作而变形以校正所述荧光图像中的失真。
7.如权利要求5所述的光学检测装置，其中所述投影光学***是具有可变放大倍率的变焦透镜***或者变焦镜***。
8.如权利要求5所述的光学检测装置，其中所述光学检测器包括光电倍增管、电荷耦合器件、互补金属氧化物半导体图像传感器和其组合的其中之一。
9.如权利要求8所述的光学检测装置，其中生物芯片内单个基因点的图像与所述光学检测器的至少一个像素匹配。
10.如权利要求2所述的光学检测装置，其中所述光路改变单元是设置在所述光漫射器件与所述聚光透镜或所述聚光镜之间的二色镜。
11.如权利要求1所述的光学检测装置，还包括用于支撑、移动、倾斜以及旋转所述生物芯片的台。
12.一种用于生物芯片的光学检测装置，该光学检测装置包括：
光源***，用于以激发光照射生物芯片；以及
荧光检测***，用于检测由所述生物芯片发射的荧光
其中所述光源***和所述荧光检测***设置在所述生物芯片的相对侧，
由所述光源***辐照的所述激发光在所述生物芯片上的截面面积大于所述生物芯片的面积，并且
所述荧光检测***利用所述激发光的单次照射来检测整个所述生物芯片的荧光图像。
13.如权利要求12所述的光学检测装置，其中所述光源***包括沿着所述激发光行进的方向顺序设置在相同的光轴上的光源、光漫射器件以及聚光透镜或聚光镜。
14.如权利要求13所述的光学检测装置，其中所述光源***还包括设置在所述光漫射器件与所述聚光透镜或所述聚光镜之间的准直透镜或者准直镜。
15.如权利要求13所述的光学检测装置，其中由所述聚光透镜或所述聚光镜聚焦在所述生物芯片上的光斑的截面面积大于整个所述生物芯片的面积。
16.如权利要求12所述的光学检测装置，其中所述荧光检测***包括沿所述荧光行进的方向顺序设置的激发光吸收滤波器、可变形镜、投影光学***以及光学检测器，并且
所述激发光吸收滤波器设置为面对所述偏振光束分光器的荧光输出表面。
17.如权利要求16所述的光学检测装置，其中所述可变形镜包括反射表面，所述反射表面能够通过机械或者电操作而变形以校正所述荧光图像中的失真。
18.如权利要求16所述的光学检测装置，其中所述光学检测器包括光电倍增管、电荷耦合器件、互补金属氧化物半导体图像传感器和其组合的其中之一。
19.如权利要求16所述的光学检测装置，其中生物芯片内单个基因点的图像与所述光学检测器的至少一个像素匹配。
20.如权利要求12所述的光学检测装置，其中所述荧光检测***包括激发光吸收滤波器和光学检测器，该激发光吸收滤波器和光学检测器与生物芯片集成以形成一体且固定在所述生物芯片的一表面上，该表面与所述生物芯片的被激发光照射的表面相对。
21.如权利要求20所述的光学检测装置，其中所述光源***包括沿所述激发光行进的方向顺序设置在相同的光轴上的光源、光漫射器件、聚光透镜或聚光镜，以及像差补偿器件。
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