CN2551994Y - 生物基因芯片的扫描装置 - Google Patents

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Abstract

一种生物基因芯片的扫描装置，适用于对荧光标记的生物基因芯片杂交后，或甲乙肝病原体的检测。含有两个波长不相等的激光光源。由激光光源发射的激光束经过线形整形器变成一条线形细光束透过狭缝反射镜上的狭缝，射到置于移动平台上的待测生物基因芯片上。由待测生物基因芯片发射回来的光束经过狭缝反射镜反射，通过成像***后，由滤光片滤掉激光光源的激光束，将待测生物基因芯片的荧光信号会聚在光电荷耦合器的光敏面上。光电耦合器的输出经过数据采集卡输进计算机内进行数据处理。与在先技术相比，本实用新型具有简化了扫描方式，加大了扫描范围，扩大了扫描装置的使用功能。

Description

生物基因芯片的扫描装置
技术领域：
本实用新型涉及一种生物基因芯片的扫描装置，主要用于对荧光标记的生物基因芯片杂交后的检测；同样也可以用于甲乙肝等病原体的检测。
背景技术：
对于用荧光标记的生物基因芯片，杂交后的检测需要用专门的基因芯片扫描装置。目前专用的基因芯片扫描装置大致分为两类：
一类是用激光激发，基于以光电倍增管(PMT-photomultiplier tube)做探测元件的基因芯片检测***。另一类是用高亮度连续光源加滤光片照明激发，基于以电荷耦合器件(CCD-charge-coupled devices)做探测元件的基因芯片检测***。这两种不同***的背景技术简述如下：
以光电倍增管为探测元件的激光基因芯片扫描装置，检测基因芯片时用一束确定波长的激光束经由透镜组和窄带干涉滤光片合成的扩束***准直，经过二色镜反射，由物镜聚焦，再去激发放在使用步进马达的机械扫描器上用荧光标记过的生物芯片。荧光材料被激发后产生的荧光经过物镜收集，经二色镜后由反射镜反射，通过窄带滤光片滤光，再由透镜聚焦，经过光阑滤去杂散光送到光电倍增管。光电倍增管将光信号转换为电信号，转换后的电信号经过信号放大器，再经模数转换将模拟量转换成数字量送到计算机。计算机将送至的数据经过专门的数据处理软件处理、分析，可以得出包括图像在内的被测芯片的各种信息。由于它使用固定波长的单束激光聚焦来扫描激发样品，因此需要激光束或者目标芯片运动，使激光扫到整个芯片样品。为了保证成像清晰和激光聚焦准确，物镜需有自动调焦控制器。以光电倍增管为探测元件的激光基因芯片扫描装置每次检测基因芯片需要耗费较长的时间，因此对激光器有特殊的要求。要求激光器的输出具有很高的光束质量、长期的稳定性和极低的噪声。其特点是扫描图像具有很高的分辨率。
以电荷耦合器为探测元件的基因芯片扫描装置，一般具有中等分辨率，它以电荷耦合器为探测元件；采用高功率氙灯作高亮度连续激发光源；通过变换滤光片来改变激发波长；为了使基因芯片被激发照明均匀，常需采用均束器；成像物镜则将经过滤光片的基因芯片的成像信号送至电荷耦合器的像元上成像。这种基因芯片扫描装置一次可得较大面积的成像区域。但是，目前性能最优的电荷耦合器数字相机的成像面积只有16×12mm(像素为10×10μm)，如要对整个芯片(标准面积为1″×3″，25×75mm或26×76mm)成像的话，则需要采用昂贵的大尺寸面阵电荷耦合器。或将数个电荷耦合器元件拼接，或运动芯片将所得的图像拼接。当然，也可以缩小图像，则要以降低芯片扫描分辨率和精度为代价。它的体积、功耗都比较大。
另外，上述在先技术还有一些共同的缺点：被检测的对象(芯片)或激发激光束要做XY两个方向的平移运动才可以完成检测任务，因此芯片扫描仪要有二维的运动机构；所得的图像都需要计算机数据处理后拼接，而且对运动机构精度及运动机构的定位精度要求都很高，控制运动的过程也变得较复杂；整个芯片扫描需要花费较长的时间，因而效率较低；整机的成本比较贵等。
发明内容：
为了克服上述两种在先技术的缺点，本实用新型提供如图1所示的生物基因芯片的扫描装置。
本实用新型的扫描装置，包括：
有置放待测生物基因芯片15的移动平台14，由待测生物基因芯片15发射回来的光束经过狭缝反射镜13反射后，再经过滤光片11后射到光电耦合器8上，光电耦合器8的输出经过数据采集卡9连接到计算机7上；有波长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发射的激光束经过透过反射镜18的反射，由第二激光光源16发射的激光束经过第三反射镜17反射后，透过透过反射镜18后，两激光束都再经过第一反射镜1的反射，透过整形透镜3，由第二反射镜5反射进入线形整形器4，经过整形后的光束透过狭缝反射镜13上的狭缝射到待测生物基因芯片15上；在狭缝反射镜13与滤光片11之间的光路上置有成像***12；计算机7通过第一控制器6与滤光片11相连，计算机7通过第二控制器10与移动平台14相连。如图1所示。
如上所述，本实用新型用成像***12代替传统的显微物镜；分别使用两束激光(由第一激光光源2发出的激光束或由第二激光光源16发出的激光束)来激发放置于移动平台14上的待测生物基因芯片15，待测生物基因芯片15上用荧光染料Cy3TM和Cy5TM标记的样品在相应波长激光(如分别为532nm和650nm)的激发下会发出荧光。本实用新型扫描装置可以激发两种荧光染料(Cy3TM和Cy5TM)，由第一激光光源2发出的激光束或由第二激光光源16发出的激光束经过线形整形器4(本线形整形器4是非球面柱面镜或者是非球面柱面镜的组合)变成一条高亮度的均匀细线，细线光束激发用荧光染料标记的样品(在待测生物基因芯片15上)以后产生的荧光信号通过带有狭缝的反射镜13后再通过成像***12，在成像***12的成像位置处放置有光电耦合器8，光电耦合器8将收到的光信号转变为电信号，经过数据(A/D)采集卡9送到计算机7中，生物基因芯片15的移动由第二控制器10完成。第一控制器6带动一个转动机构来更换窄带干涉滤光片11。上述成像***12实际上是一个成像物镜或照相机镜头。
在图1中，移动平台14由计算机控制的第二控制器10来驱动沿一维方向往复运动，经过线形整形器4整形的高亮度的线形激光光束与移动平台14的运动方向是相互垂直的，通过调整成像***12中的成像镜头的位置可以方便地控制成像在光电耦合器8光敏面上像的大小，从而可以控制生物基因芯片的扫描装置的分辨率。可以依据激光光源不同而选择不同的滤光片11达到去除噪声的目的。滤光片更换由第一控制器6完成或通过手工办法进行更换。
以下是本生物基因芯片的扫描装置的工作过程：
当第一激光光源2发出激光束后，经过透过反射镜18和第一反射镜1的反射后，光束经过整形透镜3整形后再经过第二反射镜5反射后，光束经过线形整形器4后变成一束高亮度均匀的线形光束，该光束穿过带有狭缝的狭缝反射镜13上的狭缝后照在放置在移动平台14上的待测生物基因芯片15上。该待测生物基因芯片15上的经过反应产生的荧光信号被激发出来，连同被反射的激光信号一同向四周反射，大部分的反射激光通过狭缝反射镜13反射到成像***12中，成像到光电耦合器8上。由于其中混有激光，所以需要窄带干涉滤光片11来滤除激光。经过滤除激光的荧光信号最后成像在线阵光电耦合器8的光敏面上。光电耦合器8的输出通过数据(A/D)采集卡9到计算机7上。计算机7将收集到的电信号进行数据处理。移动平台14的移动由第二控制器10通过计算机7控制完成。
当第二激光光源16工作时，它发出的激光束经过第三反射镜17反射，再经过透过反射镜18透过，第一反射镜1反射，整形透镜3整形，第二反射镜5反射，经过线形整形器4以后变成一束亮度很高的激光束，该光束穿过狭缝反射镜13上的狭缝后去激发放在移动平台14上的待测生物基因芯片15，激发出的荧光信号和反射的激光经过狭缝反射镜13反射后经过成像***12成像，为了滤除激光信号，同样要放置滤除第二激发光源的窄带干涉滤光片11来滤除激光信号。通过计算机7控制第一控制器6更换成与第二激光光源16发射激光束波长相对应的滤光片11。经过滤除激光束的荧光信号最终成像在光电耦合器8的光敏面上。光电耦合器8通过数据(A/D)采集卡9输入到计算机7上进行数据处理。
与在先技术相比，本实用新型的扫描装置中有波长不相等的两个激光光源2、16，有线形整形器4和带狭缝的狭缝反射镜13以及高灵敏度的光电耦合器8和透过反射镜18，激光光束经过线形整形器4后被压成一条高亮度的均匀的线形激光束。该线形激光束在激发待测生物基因芯片15时，只需使移动平台14沿一维方向移动即可完成对生物基因芯片的扫描，这种只有一维移动装置的扫描装置简化了扫描方式，同时也节约了扫描时间，另外还可以通过选择较大行程的移动平台14而达到加大扫描范围的效果。通过选择成像***12中不同的物距和像距可以得到不同的扫描分辨率和扫描精度。而且分别用两个激光光源2、16，可以测量两种不同的荧光染料，一个扫描装置能够完成两种待测生物基因芯片15的测量。扩大了使用功能。
附图说明：
图1为本实用新型的生物基因芯片的扫描装置的结构示意图。
具体实施方式：
如图1所示是本实用新型生物基因芯片的扫描装置的结构示意图。本实用新型中成像***12为一个照相机镜头，焦距f＝85mm，F2，朱比特牌号，其最佳像面位置的有效视场大于线阵的光电耦合器8接收面尺寸。光电耦合器8是线阵的，东芝公司生产的具有2160个像元，具有很高的灵敏度，其像素尺寸为14ìm×14ìm，像素中心距为14ìm。其中第一激光光源2是输出波长为650nm的半导体激光器，输出功率约10mW，用于激发Cy5TM荧光染料。第二激光光源16是半导体泵浦掺钕钇铝石榴石(Nd：YAG)固体激光器(倍频输出532nm波长的激光)，输出功率约20mW，用于激发Cy3TM荧光染料，透过反射镜18是对650nm光45°入射全反射，对532nm光45°入射全透过，第一反射镜1、第二反射镜5和第三反射镜17是镀铝全反射镜，为转换光路用，线形整形器4为使第一激光光源2和第二激光光源16的光束的光斑更细而采用。当开启第一激光光源2或第二激光光源16时，通过第一控制器6来选择不同的滤光片11来滤除激光信号(此时相当于背景噪声)；当第一激光光源2或第二激光光源16发出的激光光束经过线形整形器4整形成一条细光束后通过狭缝反射镜13上的狭缝，照在置于移动平台14上的待测生物基因芯片15时会激发待测生物基因芯片15产生荧光信号，产生的荧光信号经过狭缝反射镜13反射后通过成像***12、滤光片11滤掉激光信号后，被线阵光电耦合器8接收，线阵光电耦合器8接收到的荧光信号被转换成电信号后送至计算机7，计算机7将获得被测生物基因芯片的荧光信号，用图像或文本文件等相应的信息发出。图1中第二控制器10是用来使放置待测生物基因芯片15的移动平台14沿一维方向移动。第一控制器6用来选择合适的窄带干涉滤光片11来滤除激发光源(第一激光光源2或第二激光光源16)的光束以达到使所获信号的背景干扰尽可能小。

Claims (1)

1.一种生物基因芯片的扫描装置，包括：
<1>置放待测生物基因芯片(15)的移动平台(14)，由待测生物基因芯片(15)发射回来的光束经过狭缝反射镜(13)反射后，再经过滤光片(11)后射到光电耦合器(8)上，光电耦合器(8)的输出经过数据采集卡(9)连接到计算机(7)上；
其特征在于：
<2>有波长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)发射的激光束经过透过反射镜(18)的反射，由第二激光光源(16)发射的激光束经过第三反射镜(17)反射后，透过透过反射镜(18)后，两激光束都再经过第一反射镜(1)的反射，透过整形透镜(3)，由第二反射镜(5)反射进入线形整形器(4)，经过整形后的光束透过狭缝反射镜(13)上的狭缝射到待测生物基因芯片(15)上；
<3>在狭缝反射镜(13)与滤光片(11)之间的光路上置有成像***(12)；
<4>计算机(7)通过第一控制器(6)与滤光片(11)相连，计算机(7)通过第二控制器(10)与移动平台(14)相连。
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