CN103364344A - 一种集成微光学结构阵列装置 - Google Patents

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Abstract

一种集成微光学结构阵列装置，它包括集成有微光学结构阵列的固态基底和框架；所述微光学结构阵列有多组，且各组微光学结构阵列在一个平面上呈阵列排布；所述框架结合在固态基底上并将各组微光学结构阵列分隔开。所述微光学结构为转光结构，或由转光结构和聚光结构集合而成，其中转光结构为圆台结构、圆柱结构、方柱结构、六面柱结构或八面柱结构，聚光结构为凸透镜或菲涅尔透镜。所述装置的大小与标准微孔板相同，且各组微光学结构阵列的位置与标准微孔板上的孔一一对应。微光学结构提高了信号的收集效率，其标准微孔板结构兼容现有设备，可实现整个检测过程的自动化。

Description

一种集成微光学结构阵列装置
技术领域
本发明涉及生物技术检测领域，通过在微光学结构表面固定靶标分子而构建微分析***，特别地，涉及一种集成微光学结构阵列装置。
背景技术
现有技术中，微阵列技术是一种平面载体，它上面按照行和列整齐地排列着许多单元，每个单元中规则地、特异性地吸附着基因或蛋白质分子。一个分析装置被称为微阵列，应当符合：①是平面的、②有规则的和③是在显微尺度上的三项要求。微阵列的显微尺度在反应动力学上使得反应可以迅速发生，从而实现大量指标的快速检测。
目前微阵列芯片通常使用标准玻璃载片(1英寸*3英寸)，然而，使用玻璃载片的微阵列芯片存在着如下问题：
1.操作繁锁，例如芯片围栏的粘贴、玻片的清洗，且均为人工操作，不利于反应的准确性和稳定性。
2.检测不灵活，每次必须使用整张玻片，若样本数目比较少，则会造成浪费。
3.玻璃表面包被的有机分子膜容易脱落，致使实验结果不稳定。
4.玻璃载片的平面结构导致荧光收集效率低，玻璃表面又不易于做化学处理，并且玻璃的背景信号高，导致其不利于进行高灵敏度的检测。
发明内容
本发明的主要目的是，针对上述现有技术存在的缺陷，提供一种新型集成微光学结构阵列装置，它可以提高生物芯片的信号收集效率，可以实现自动化操作，还可以增强检测的灵活性。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种集成微光学结构阵列装置，其中，它包括集成有微光学结构阵列的固态基底和框架；所述微光学结构阵列有多组，且各组微光学结构阵列在一个平面上呈阵列排布；所述框架结合在固态基底上并将各组微光学结构阵列分隔开。
所述微光学结构对荧光、化学发光、时间分辨荧光、表面等离子共振(SPR，Surface plasmon resonance)等信号，都有信号增强的作用。
如上所述的集成微光学结构阵列装置，其中，
所述固态基底由多个结构和尺寸均相同的孔结构等间距地排列组成；每个孔结构内部的底面上均集成有一组微光学结构阵列，且孔结构的内表面上结合有能与生物分子结合的活性基团，外表面设有卡位结构；
所述框架上设有多个在同一平面上呈矩形阵列排布的孔格，每个孔格上设有定位结构，每个孔格内分别容置一个所述孔结构，且定位结构与所述孔结构外表面的卡位结构相卡制，将所述固态基底固定在框架上，且各个孔结构内部底面上的微光学结构阵列位于同一平面上。
如上所述的集成微光学结构阵列装置，优选地，所述固态基底的材料为聚苯乙烯、环烯烃聚合物和苯乙烯/丙烯腈共聚物中的一种。
如上所述的集成微光学结构阵列装置，优选地，所述固态基底和所述微光学结构是一体加工成型。
如上所述的集成微光学结构阵列装置，其中，
所述固态基底为平面结构，所述各组微光学结构阵列集成于固态基底的上表面并呈矩形阵列排布；
所述框架结合于所述固态基底的上表面，其上设有多个通孔，各通孔呈矩形阵列排布，所述通孔与所述微光学结构阵列的位置一一对应而使微光学结构阵列从通孔中暴露出来；
在所述固态基地的上表面，从所述通孔中暴露出来的位置上结合有能与生物分子结合的活性基团。
如上所述的集成微光学结构阵列装置，所述微光学结构和固态基底一体加工成型。
如上所述的集成微光学结构阵列装置，优选地，
所述框架为刚性材料，与所述固态基底与通过胶粘或机械固定的方式结合在一起；或者
所述框架为橡胶材料，粘贴在固态基底的上表面。
如上所述的集成微光学结构阵列装置，优选地，所述集成微光学结构阵列装置的大小与标准微孔板的大小相同，且所述各组微光学结构阵列的位置与标准微孔板上的孔一一对应。
如上所述的集成微光学结构阵列装置，其中，所述标准微孔板可以是标准384孔板、96孔板、72孔板、48孔板、8孔板条、12孔板条、16孔板条等。
如上所述的集成微光学结构阵列装置，其中，所述微光学结构为转光结构，或者是由转光结构和聚光结构集合而成。
如上所述的集成微光学结构阵列装置，优选地，所述转光结构为圆台结构、圆柱结构、方柱结构、六面柱结构和八面柱结构中的一种，且所述转光结构的上表面呈平面。
如上所述的集成微光学结构阵列装置，优选地，所述转光结构的外表面镀有反射膜，所述反射膜为金属反射膜，电介质反射膜和金属电介质反射膜中的一种。
如上所述的集成微光学结构阵列装置，优选地，所述聚光结构为凸透镜和菲涅尔透镜中的一种，所述聚光结构集成于转光结构的底部。
如上所述的集成微光学结构阵列装置，优选地，所述聚光结构和所述转光结构一体成型
本发明的有益效果为：
本发明的微光学结构阵列装置，其采用的微光学结构提高了信号的收集效率，并因此降低了检测设备的要求，该微光学结构还能够提供信号的位置信息，简化软件处理的时间和工作量；其采用的微微孔板结构兼容现有设备，可使整个检测过程实现自动化操作，提高检测的准确性和稳定性；其采用的可拆卸结构使检测更灵活，每板可实现1-96个样品的检测。
附图说明
图1为本发明集成微光学结构阵列装置的实施例1的整体结构示意图。
图2为本发明实施例1中其中一个孔的纵向剖视图。
图3为本发明实施例2和3的集成了微光学结构阵列的固态基底的俯视外观示意图。
图4为本发明实施例2的微光学结构阵列的排布示意图。
图5为本发明实施例2的带孔框架的俯视外观示意图。
图6为本发明实施例2的一种带孔框架的纵剖示意图。
图7为本发明实施例2的另一种带孔框架的纵剖示意图。
图8为本发明实施例2的板架的结构示意图。
图9为本发明实施例3的带孔框架的俯视外观示意图。
图10为本发明所采用的微光学结构的一种实施例的纵剖示意图。
图11为本发明所采用的微光学结构的另一种实施例的纵剖示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种集成微光学结构阵列装置，为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。
(一)集成微光学结构阵列装置的结构
实施例1
如图1的结构示意图和图2的纵向剖视图所示，在本实施例中，集成微光学结构阵列装置由集成了微光学结构阵列的板条100与板框200组成。所述板条100的结构与现有技术中ELISA(酶联免疫吸附实验)所用的酶标板条相同，其可以是8孔、12孔、16孔等常用规格，并可以被拆卸成任意孔数置于板框上。板条100的单个孔结构110可以是圆形或方形等形状，孔间距与标准微孔板的孔间距相同。每个孔结构110的内表面112经过表面处理，具有能与生物分子结合的活性基团，例如可与蛋白样品结合的醛基或环氧基团等，而内底面上集成了微光学结构111的阵列，且优选地，孔结构110与微光学结构111的高度比大于100倍。所述微光学结构111具有转光作用，可提高信号的收集率。每个孔结构110的外表面还设有卡位结构113，用于与板框200固定。
所述板框200可以参照现有的标准微孔板的规格进行设计，例如标准384孔板、标准96孔板、标准48孔板、8孔板条等。具体地，以采用标准96孔板规格为例，所述板框200可容纳1-96个孔结构110，其上具有按照标准96孔板的布局(12x8)排布的117(13x9)组用于固定孔结构的花瓣结构210。具体地，所述板框200包括一个外框，其所包围的空间由相互垂直的11条横条及7条纵条分隔，形成呈网格状分布的96个正方形孔格，所述花瓣结构210设置在每个孔格的四个直角处。在横条与纵条的交叉点上的花瓣结构由四片花瓣形弹性夹片组成；在横条或纵条与外框的交叉点处的花瓣结构由两片花瓣形弹性夹片组成。每片弹性夹片均呈一弧面，该弧面向其所在的孔格的中心方向凸出，因此在板框200的每个孔格的四角均设有一个向其中心凸出的弹性夹片，可将一个孔结构113固定在其中。
当板条100放置在板框200上时，位于每个孔格四角处的四片弹性夹片夹持在每个孔结构110的卡位结构113中，实现孔结构110在板框200上的固定，从而组成本实施例中的集成微光学结构阵列装置。所述弹性夹片和卡位结构113的相互作用，还可保证在板框200倒置的时候即使用力拍打板框200，板条100仍可固定在板框200上，这种良好的固定性，使得该集成微光学结构阵列装置易于取放。
本实施例中，集成了微光学结构阵列的板条100的材料可以为聚苯乙烯、环烯烃聚合物、苯乙烯/丙烯腈共聚物等材料，其是通过注塑工艺一体加工成型。本发明的板条100的每个孔结构113的内底面上，在直径约4mm的圆周内形成8*8的微光学结构的阵列；令上表面直径为百微米的微光学结构阵列均匀分布，并处于同一水平面上，且每个微光学结构的高度误差严格控制在5％以内。
本发明板条100的注塑模具的模芯采用EDM电火花加工方式，具体工艺路线为：①采用五轴加工中心雕刻电极，且电极经过表面抛光处理；②EDM机床配置微细加工电源，保证模芯的尺寸、形状、表面粗糙度要求；③模芯最后综合利用机械、物理、化学相结合的表面处理技术，在不破坏尺寸、形状的情况下，使表面粗糙度达到Ra≤0.02μm。
上述集成微光学结构阵列装置在应用于检测时，在微光学结构阵列的上表面进行点样，再经过固定、封闭、清洗等操作后，可直接将微阵列装置置于全自动酶联免疫工作站或其他通用的可用于96孔板的自动化仪器中进行加样、孵育、洗板等操作；操作结束后，将其置于特定的扫描仪中进行读取结果。或者，可将该集成微光学结构阵列装置直接置于具有加样、孵育、洗板、扫描功能的全自动的工作站中进行全自动化处理。此外，也可以将该微阵列装置应用于手工操作。
实施例2
如图3与图5所示，在本实施例中，集成微光学结构阵列装置由表面集成了微光学结构阵列的固态基底300和带孔框架400组成。
所述固态基底300的尺寸可以是1英寸*3英寸、0.72英寸*3英寸、2英寸*6英寸等常用尺寸，其材料可以是玻璃或高分子材料。所述微光学结构阵列310集成于固态基底表面，二者一体加工成型。如图4所示，微光学结构阵列310的密度与位置可根据需求而定。所述带孔框架400可以为标准16孔、24孔、48孔、72孔或96孔等常用规格，孔410可以是圆形或方形等形状，孔为通孔、无底。
固态基底300与带孔框架400可以通过多种方式结合，优选的结合方式有三种。第一种是通过胶合的方式结合，即使用对反应无影响的医用胶粘贴。第二种是通过垫圈的方式结合，即先在固态基底300表面固定垫圈，然后通过垫圈将固态基底300与带孔框架400结合在一起。这种方法的优点在于，带孔框架400可与垫圈拆除，是一种可拆卸结构。第三种方法是通过机械的方法结合，即通过夹具将固态基底300与带孔框架400结合。如图6所示，带孔框架400下表面的外缘具有向下凸出的台阶结构420，使得其与固态基底结合后，该台阶结构420的下缘突出于固态基底的底面，因此当进行检测操作时，固态基底的检测底面不会接触操作台面，从而避免固态基底被划伤或污染以至于影响检测结果。
如图7所示，带孔框架400上表面的外缘还可以带有在水平面上向外凸出的台阶结构430，使得带孔框架400可以放置在如图8所示的板架500上。优选地，板架500的尺寸可与标准96孔板尺寸相同，若带孔框架400为24孔，则板架500可放置4个已结合固态基底300的带孔框架400，台阶结构430的优点是操作方便，易于实现自动化操作。
所述固态基底300的表面处理可在其与带孔框架400结合之前或之后进行，通过表面处理，使得固态基底300的表面具有可与生物分子结合的活性基团。若表面处理在固态基底300与带孔框架400结合前进行，则在表面处理点样完成后，使固态基底300与带孔框架400结合，然后在集成于固态基底300表面的微光学结构阵列310的上表面点制生物活性分子。若表面处理在固态基底300与带孔框架400结合后进行，则在表面处理完成后，在集成于固态基底表面300的微光学结构阵列310的上表面点制生物活性分子。在点样完成后，再经过固定、封闭、清洗等操作，可直接将本实施例的集成微光学结构阵列装置置于具有加样、孵育、洗板、扫描等自动化功能的仪器中操作，也可进行手工操作。
实施例3
如图3与图9所示，本实施例中，集成微光学结构阵列装置由表面集成了微光学结构阵列的固态基底300与芯片围栏600组成。
所述固态基底300的尺寸可以是1英寸*3英寸、0.72英寸*3英寸、2英寸*6英寸等常用尺寸，其材料可以是玻璃或高分子材料。所述微光学结构阵列310集成于固态基底表面，二者一体加工成型。所述芯片围栏600是橡胶材料，质地柔软，较容易粘贴在固态基底300的表面，其功能主要为了隔离样品，避免交叉污染，适合待测样品较少的场合。
先对集成微光学结构阵列310的固态基底300进行表面处理使其表面具有活性基团，然后在微光学结构表面进行点样。在点样完成后，再经过固定、封闭、清洗等操作，之后将芯片围栏600粘贴于基底表面，然后即可以将本实施例的集成微光学结构阵列装置应用于加样、孵育、洗板、扫描等手工操作。所述芯片围栏600的孔610大小及密度可根据需要灵活选择。
(二)微光学结构的结构
在上述集成微光学结构阵列装置中，微光学结构111可以是转光结构，具体地，可以设计为圆台结构、圆柱结构、方柱结构、六面柱结构或八面柱结构等。通过所述转光结构，可以改变发散信号的方向，使其能够被置于芯片本体下方的信号探测器探测到，从而提高信号的收集率。此外，微光学结构111也可以由转光结构和聚光结构集合而成，即在转光结构的底部集成聚光结构，例如凸透镜结构和菲涅尔透镜等。由于转光结构主要依靠反射作用将信号转向，因此可在微光学结构转光结构的反射面(即外表面)上镀反射膜增加信号反射率，减少信号透射损失，例如金属反射膜，电介质反射膜，金属电介质反射膜等。
当微光学结构111为转光结构时，由该种结构组成的阵列分布于固态基底的上表面；当微光学结构111由转光结构和聚光结构集合而成时，该种结构从固态基底的上表面从上往下纵向贯穿整个固态基底，其中转光结构分布于基底上表面，而聚光结构位于基底以下。
实施例4
如图10的纵剖图所示，在本实施例中，微光学结构111由转光结构和聚光结构组成。其中转光结构为圆台结构111c，聚光结构为菲涅尔透镜111d，它集成在转光结构下方。整个微光学结构111从固态基底表面从上往下纵向贯穿整个固态基底，其中圆台结构111c分布于固态基底表面。圆台结构111c的底面与侧面的夹角设计为一固定值θ，该角度θ在45-70度之间，具体数值则根据其采用的材料而定。圆台结构111c的圆台界面I(即转光结构的外表面)为镀反射膜表面，分布在圆台上表面111a的荧光分子层111b所产生的一定角度范围内的光线在该界面I处发生全反射，反射出的光线在聚光界面II处发生反射，然后光线在聚光界面III处发生折射，最后光线在聚光界面IV处被反射至位于芯片本体正下方的探测器接收。
实施例5
如图11的纵剖图所示，在本实施例中，微光学结构111由转光结构和聚光结构组成。其中转光结构为圆台结构111c，其具体结构设计与实施例4相同，聚光结构为凸透镜111e，它集成在转光结构下方。整个微光学结构111从固态基底表面从上往下纵向贯穿整个固态基底，其中圆台结构111c分布于固态基底表面。分布在圆台上表面111a的荧光分子层111b所产生的一定角度范围内的光线在圆台界面I处发生全反射，而反射出的光线在聚光界面V发生折射位于芯片本体正下方的探测器接收。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，并非对本发明的权利要求进行任何限制，本领域普通技术人员在本发明技术方案的精神的指导下，对本发明技术方案进行的修改或等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种集成微光学结构阵列装置，其特征在于，它包括集成有微光学结构阵列的固态基底和框架；所述微光学结构阵列有多组，且各组微光学结构阵列在一个平面上呈阵列排布；所述框架结合在固态基底上并将各组微光学结构阵列分隔开。
2.根据权利要求1所述的集成微光学结构阵列装置，其特征在于，
所述固态基底由多个结构和尺寸均相同的孔结构等间距地排列组成；每个孔结构内部的底面上均集成有一组微光学结构阵列，且孔结构的内表面上结合有能与生物分子结合的活性基团，外表面设有卡位结构；
所述框架上设有多个在同一平面上呈矩形阵列排布的孔格，在每个孔格的设有定位结构，每个孔格内分别容置一个所述孔结构，且定位结构与所述孔结构外表面的卡位结构相卡制，将所述固态基底固定在框架上，且各个孔结构内部底面上的微光学结构阵列位于同一平面上。
3.根据权利要求2所述的集成微光学结构阵列装置，其特征在于，所述固态基底的材料为聚苯乙烯、环烯烃聚合物和苯乙烯/丙烯腈共聚物中的一种。
4.根据权利要求1所述的集成微光学结构阵列装置，其特征在于，
所述固态基底为平面结构，所述各组微光学结构阵列集成于固态基底的上表面并呈矩形阵列排布；
所述框架结合于所述固态基底的上表面，其上设有多个通孔，各通孔呈矩形阵列排布，所述通孔与所述微光学结构阵列的位置一一对应而使微光学结构阵列从通孔中暴露出来；
在所述固态基地的上表面，从所述通孔中暴露出来的位置上结合有能与生物分子结合的活性基团。
5.根据权利要求1所述的集成微光学结构阵列装置，其特征在于，
所述框架为刚性材料，与所述固态基底与通过胶粘或机械固定的方式结合在一起；或者
所述框架为橡胶材料，粘贴在固态基底的上表面。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的集成微光学结构阵列装置，其特征在于，所述集成微光学结构阵列装置的大小与标准微孔板的大小相同，且所述各组微光学结构阵列的位置与标准微孔板上的孔一一对应。
7.根据权利要求1所述的集成微光学结构阵列装置，其特征在于，所述微光学结构为转光结构，或者是由转光结构和聚光结构集合而成。
8.根据权利要求7所述的集成微光学结构阵列装置，其特征在于，所述转光结构为圆台结构、圆柱结构、方柱结构、六面柱结构和八面柱结构中的一种，且所述转光结构的上表面呈平面。
9.根据权利要求8所述的集成微光学结构阵列装置，其特征在于，所述转光结构的外表面镀有反射膜，所述反射膜为金属反射膜、电介质反射膜和金属电介质反射膜中的一种。
10.根据权利要求7所述的集成微光学结构阵列装置，其特征在于，所述聚光结构为凸透镜和菲涅尔透镜中的一种，所述聚光结构集成于转光结构的底部。
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