生物晶片螢光檢測掃描裝置的製作方法

2023-05-05 07:04:26

專利名稱：生物晶片螢光檢測掃描裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種生物晶片螢光圖像的採集裝置，用於生物晶片上螢光圖像的掃描檢測。
技術背景本實用新型作出以前，在已有技術中，美國Affymetrix公司的AffymetrixTM生物晶片螢光檢測裝置(Thane Kreiner發表於《American laboratory》雜誌，1996年3月，第39-43頁)。該裝置主要由Ar+雷射器、快門、第一轉向鏡、雷射譜線濾光鏡、分色鏡，第二轉向鏡、聚焦掃描頭、晶片支架、雷射強度探測器、濾光片組、消色差鏡、針孔和光電倍增管組成雷射激發光路和螢光接收光路。
其工作過程為Ar+雷射器發出的雷射束經快門、第一轉向鏡和雷射譜線濾光鏡後，以單色光射向分色鏡，分色鏡對雷射束全反射，而讓螢光透過。該光束被分色鏡反射到第二轉向鏡，經反射進入聚焦掃描頭並被聚焦於晶片支架上的生物晶片表面。在入射雷射束激發下，生物晶片上的螢光物質將發出螢光。螢光經聚焦掃描頭和第二轉向鏡到達分色鏡，螢光透色分色鏡、濾光片組、消色差鏡、針孔和光電倍增管，最終被轉換成與螢光強度成正比的電信號。由生物晶片反射和散射回來的雷射被分色鏡反射回去，不會到達光電倍增管。為了獲得整個晶片上的二維螢光圖像，聚焦掃描頭需作水平運動，而晶片支架則作垂直運動。該裝置的不足之處是1、體積大，功耗高。由於採用了電光轉換效率極低的Ar+雷射器，其壽命短，體積大，發熱量大，需要強制冷卻，不利於整機的小型化；且製造成本高，不利於推廣使用；2、檢測速度慢，工作效率低。由於採用一種雷射器，所以只能獲得一種螢光物質的圖像；為了獲得生物晶片上的數種螢光物質的螢光圖像，必須使用多臺採用多種相應雷射器的掃描檢測裝置。而且該裝置一次只能檢測一個生物晶片上的一種螢光物質的螢光圖像。3、檢測準確性差。由於為了獲得生物晶片上的二維螢光圖像，必須使聚焦掃描頭和晶片支架分別作相互垂直的線性運動，而且聚焦掃描頭和晶片支架是分離的。這種運動很難達到高穩定性與高速度，整個裝置易產生失調和離焦等問題，因而影響檢測結果的準確性。

發明內容
本實用新型的目的在於克服上述不足之處，從而為生物晶片螢光檢測提供一種體積小、成本低、檢測效率高、檢測結果準確可靠的生物晶片螢光檢測掃描裝置。
本實用新型的主要解決方案是這樣實現的本實用新型主要包含雷射激發光路，螢光接收光路及放置生物晶片的平臺。在雷射激發光路上，支架6上裝有綠光固體雷射器1和紅光半導體雷射器2，沿著綠光固體雷射器1和紅光半導體雷射器2發射的雷射束前進方向上，依次裝有合光稜鏡3、中空全反鏡4、雷射聚焦鏡7，雷射束經合光稜鏡3到達同光路後，穿過中空全反鏡4中心的通孔5，經雷射聚焦鏡7後雷射束被聚焦於生物晶片8上，生物晶片8安裝在平臺9上，平臺9與平臺10間裝有導軌11。在螢光接收光路上，生物晶片8發出的螢光經雷射聚焦鏡7準直後，由中空全反鏡4反射到螢光分色鏡16，螢光分色鏡16裝在支架6上，經螢光分色鏡16螢光光路分成兩路，一路由螢光分色鏡16反射後，經濾光片15、共焦鏡14、針孔13，到達光電倍增管12，濾光片15、共焦鏡14、針孔13，光電倍增管12依次裝在支架6上。另一路透過螢光分色鏡16後，經濾光片17、共焦鏡18、針孔19，最後到達光電倍增管20，濾光片17、共焦鏡18、針孔19，光電倍增管20同樣依次安裝在支架6上。


圖1為本實用新型結構示意圖具體實施方式
下面本實用新型將結合附圖中的實施例作進一步描述本實用新型主要由雷射激發光路、螢光接收光路和可安裝多個生物晶片的X-Y平臺組成。在雷射激發光路上，支架6上裝有綠光固體雷射器1，紅光半導體雷射器2、合光稜鏡3、中空全反鏡4，雷射聚焦鏡7。在綠光固體雷射器1、紅光半導體雷射器2與中空全反鏡4之間裝有合光稜鏡3，在合光稜鏡3與雷射聚焦鏡7之間裝有中空全反鏡4。沿著綠光固體雷射器1和紅光半導體雷射器2發射的雷射束前進方向上，由於置有合光稜鏡3、中空全反鏡4、雷射聚焦鏡7，通過它們發出的雷射束經合光稜鏡3後相互平行且緊靠在一起，穿過中空全反鏡4中心的通孔5，中空全反鏡4中心的通孔5可以允許兩個或兩個以上雷射束穿過，而使螢光反射，實現雷射與螢光的分離。經雷射聚焦鏡7後兩束雷射被聚焦於生物晶片8上的同一個點，或相對位置固定的相鄰點，即實現兩光束共點掃描檢測，並可檢測一個或同時檢測兩個以上生物晶片。兩個或兩個以上生物晶片置於一個X-Y二維平臺上。X-Y平臺由X方向平臺9和Y方向平臺10組合而成。X方向平臺9安裝在Y方向平臺10之上，平臺9與平臺10之間裝有導軌11。X方向平臺9是一個快速往返掃描平臺，Y方向平臺10是一個慢速單方向大行程平臺，X方向平臺9在生物晶片8上掃過一條線，則Y方向平臺10前進一步，兩個平臺的運動組合成一個二維掃描運動，實現對生物晶片8上二維螢光圖像的讀取。
上面所述的合光稜鏡3是一個兩面或兩面以上的錐形稜鏡，錐形表面與其出射面成同一個楔角α，楔角α角度為0-45°，它可以將以特定入射角入射於其上的雷射束以垂直於出射面方向射出，如果有兩個以上雷射束以各自的特定的入射角從不同的錐形表面進入合光稜鏡3，則這些雷射束將平行出射，達到合光的目的。綠光固體雷射器1和紅光半導體雷射器2發射的雷射束的光軸與合光稜鏡3的出射光軸分別成一定角度θ1和θ2放置，且θ1＝(n1-1)α，θ2＝(n2-1)α，n1和n2分別是綠光固體雷射器1和紅光半導體雷射器2波長處合光稜鏡3的折射率，其餘類推。如果採用兩個以上的雷射器，則可將合光稜鏡3的錐形表面的個數做成與雷射器個數相等，即可實現兩個以上雷射的同時掃描檢測。上面所述的中空全反鏡4的反射面與光軸成45°放置，其中間的通孔5允許多種雷射束穿過，而無需作任何特殊處理，從而使實用新型結構緊湊，易於製造。
在雷射激發光路上可以裝有兩個或兩個以上的雷射器，相應地，需要兩個或兩個以上的螢光接收光路。在本實用新型中由於採用了兩個雷射器，因此螢光接收光路也有兩個，它們分別接收相應的螢光信號。從生物晶片8反射的雷射束從通孔5按原光路返回，不進入螢光接收光路。由生物晶片8發出的螢光經雷射聚焦鏡7準直後，由中空全反鏡4反射到螢光分色鏡16，兩種雷射激發出的螢光被螢光分色鏡16分開，反射螢光經Cy5濾光片15，共焦鏡14和針孔13後，投射到光電倍增管12上，最後轉換成與螢光強度成正比的電信號。上述螢光分色鏡16、濾光片15、共焦鏡14、針孔13、光電倍增管12分別依次安裝在支架6上。另一路透過螢光分色鏡16後，經Cy3濾光片17、共焦鏡18、針孔19，最後投射到光電倍增管20上，最後轉換成與螢光強度成正比的電信號。濾光片17、共焦鏡18、針孔19、光電倍增管20也同樣依次安裝在支架6上。本實用新型的這種結構安排可以對生物晶片8進行多種螢光物質的螢光圖像的同時讀取。
下面本實用新型的舉例作進一步說明如圖1結構所示這是一種採用兩種雷射器同時掃描檢測一個或多個生物晶片的裝置。綠光固體雷射器1和紅光半導體雷射器2的波長分別為532nm和635nm，雷射輸出功率分別為10mW和12mW，雷射束的直徑均為2mm，用於檢測生物晶片上的兩種螢光物質。合光稜鏡3採用K9光學玻璃製造而成，α＝10°n1＝1.51904，n2＝1.51459。綠光固體雷射器1和紅光半導體雷射器2的光軸與合光稜鏡3的光軸夾角θ1＝5.1904°，θ2＝5.4459°，即兩個雷射束經過雷射聚焦鏡7聚焦於生物晶片8上的同一個點。雷射聚焦鏡7的焦距f＝12mm，所以生物晶片上雷射光斑的尺寸為φ10μm。中空全反鏡4中心的通孔5的直徑為4-6mm，反射面鍍寬帶全反膜，在570-750nm波段的反射率大於98％。螢光分色鏡16對670-750nm波段全反射，對570-620nm波段全透射，所以它將反射Cy5染料發出的螢光，而透射Cy3染料發出的螢光。經螢光分色鏡16反射和透射的兩種螢光物質發出的螢光經各自的濾光片15和17、共焦鏡14、18，針孔13、19後，由光電倍增管12、20轉換成與螢光強度成正比的電信號。共焦鏡14的焦距為32mm，針孔13的通光口徑為φ80-φ120μm。
X-Y平臺上放置了三個待測生物晶片，單個生物晶片的檢測範圍為25.4mm×66mm。X方向平臺9的往返頻率為10Hz，在往返掃描過程中均採集螢光信號。最佳實施例對上述兩種螢光物質的探測靈敏度達到0.1個分子/μm2，在10分鐘內獲得三個生物晶片的兩種螢光圖像，即總共可得六個螢光圖像。上述所述的兩種螢光物質分別為Cy3和Cy5。
本實用新型與已有技術相比具有以下優點1、檢測效率高。本裝置由於採用合光稜鏡，使兩個或兩個以上的雷射束同時入射到生物晶片上的同一點，多個生物晶片放置在平臺上，即可以同時掃描檢測多個生物晶片，並具有多個雷射束同時掃描檢測多個生物晶片的性能；2、信噪比高，檢測靈敏度高。由於本裝置雷射激發光路與螢光接收光路分離，容易避免雷射激發光束進入螢光接收光路，大大降低了噪聲；3、圖像處理方便，檢測結果的準確度高。本裝置中多個雷射的入射點重合，所對各種螢光圖像進行相關性分析和數據處理得到的結果是真實的；4、結構簡單、緊湊、容易實現高速掃描。除生物晶片在X-Y平臺上作二維運動外，其餘零部件均不動，平臺上的負載小，可以使用功耗低、體積小的X-Y平臺實現快速掃描；5、體積小，重量輕，成本低，便於推廣應用。本裝置採用了低功耗的固體雷射器和半導體雷射器。
權利要求1.一種生物晶片螢光檢測掃描裝置包括雷射激發光路、螢光接收光路、支架，其特徵是在雷射激發光路上，支架(6)上裝有綠光固體雷射器(1)和紅光半導體雷射器(2)，沿著綠光固體雷射器(1)和紅光半導體雷射器(2)發射的雷射束前進方向上，依次裝有合光稜鏡(3)、中空全反鏡(4)、雷射聚焦鏡(7)，雷射束經合光稜鏡(3)到達同光路後，穿過中空全反鏡(4)中心的通孔(5)，經雷射聚焦鏡(7)後雷射束被聚焦於生物晶片(8)上，生物晶片(8)安裝在平臺(9)上，平臺(9)與平臺(10)間裝有導軌(11)在螢光接收光路上，生物晶片(8)發出的螢光經雷射聚焦鏡(7)準直後，由中空全反鏡(4)反射到螢光分色鏡(16)，螢光分色鏡(16)裝在支架(6)上，經螢光分色鏡(16)螢光光路分成兩路，一路由螢光分色鏡(16)反射後，經濾光片(15)、共焦鏡(14)、針孔(13)，到達光電倍增管(12)，濾光片(15)、共焦鏡(14)、針孔(13)、光電倍增管(12)依次裝在支架(6)上，另一路透過螢光分色鏡(16)後，經濾光片(17)、共焦鏡(18)、針孔(19)，最後到達光電倍增管(20)，濾光片(17)、共焦鏡(18)、針孔(19)、光電倍增管(20)依次安裝在支架(6)上。
2.根據權利要求1所述的生物晶片螢光檢測掃描裝置，其特徵在於所述的合光稜鏡(3)是一個兩面或兩面以上的錐形稜鏡，錐形表面與其出射面成同一個楔角α，α角度為0-45°。
3.根據權利要求1或2所述的生物晶片螢光檢測掃描裝置，其特徵在於所述的綠光固體雷射器(1)、紅光半導體雷射器(2)發射的雷射束光軸與合光稜鏡(3)出射的光軸分別成一定角度θ1和θ2放置，且θ1＝(n1-1)α，θ2＝(n2-1)α，n1和n2分別是綠光雷射器(1)和紅光半導體雷射器(2)波長處合光稜鏡(3)的折射率。
4.根據權利要求1所述的生物晶片螢光檢測掃描裝置，其特徵在於所述的雷射激發光路上可以置有兩個或兩個以上的雷射器，相應地，需要兩個或兩個以上的螢光接收光路。
5.根據權利要求1所述的生物晶片螢光檢測掃描裝置，其特徵在於所述的中空全反鏡(4)上中心通孔(5)，其直徑為4-6mm。
6.根據權利要求1所述的生物晶片螢光檢測掃描裝置，其特徵在於所述的針孔(13)、(19)的通光口徑為φ80-φ120μm。
專利摘要本實用新型涉及一種生物晶片螢光圖像的採集裝置，用於生物晶片上螢光圖像的掃描檢測。其主要由雷射激發光路、螢光接收光路和放置生物晶片的X－Y平臺及支架所組成。雷射激發光路中的兩個雷射束通過合光稜鏡到達同光路，穿過中空全反鏡中心的通孔後，經雷射聚焦鏡聚焦於生物晶片上的一個點，雷射激發光路和螢光接收光路通過中空全反鏡和螢光分色鏡分離，通過X－Y平臺的二維運動，可獲得多個生物晶片上的二維螢光圖像。本實用新型結構簡單、緊湊，容易實現高速掃描；體積小、重量輕，製造成本低；檢測效率高、信噪比高、檢測結果的準確度高，並採用了低功耗的固體雷射器和半導體雷射器，大大地節約了能耗。
文檔編號G01N21/64GK2521612SQ0221869
公開日2002年11月20日 申請日期2002年1月30日 優先權日2002年1月30日
發明者陸善新, 陳永強 申請人:無錫市朗珈生物醫學工程有限公司