生物晶片檢測儀的製作方法
2023-10-09 05:16:54
專利名稱：生物晶片檢測儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光學檢測裝置，尤其是一種用來檢測陣列式檢測樣本的光學檢測裝置，即生物晶片檢測儀。
背景技術：
在生物醫學研究上，光學檢測裝置被廣泛的使用，例如基因晶片研究解碼、蛋白質陣列分析、基因藥物、先導藥物等新藥開發方面，都可依據其光學性質的變化來作為量測驗證的依據。例如在生物晶片的微陣列結構中，每一個格子中可置入成千或上萬條相同的去氧核糖核酸(Deoxyribonucleic Acid簡稱DNA)鏈、核糖核酸(Ribonucleic Acid簡稱RNA)鏈或是疾病病原的蛋白抗體，此時便能利用光學檢測儀檢測經特定反應後所發出的螢光信號，再經由計算機轉換成以顏色區分的資料。
如圖1所示，現有一光學檢測裝置10包含一控制系統12、一雷射系統14、一反射鏡16、一光源投射系統18、一基座26、一二維移動平臺28、一放射光反射鏡30、一濾光鏡32、一聚焦透鏡34、一成像光圈36與一信號讀取裝置38。首先，控制系統12控制雷射系統14發出連續的激發光20，激發光20經由反射鏡16反射並經光源投射系統18投射至基座26上的檢測樣本24；在此同時，控制系統12也控制二維移動平臺28的移動使得激發光20能依序準確地被投射在陣列樣本24上。而檢測樣本24上的檢測物質經激發光20照射而反射回來的放射光22經由光源投射系統18維持光路後，經放射光反射鏡30反射進入濾光鏡32，之後再經由一聚焦透鏡34匯聚放射光22並通過一成像光圈36後投射於一信號讀取裝置38上讀取檢測樣本24上各個檢測點所傳回的光信號，此信號讀取裝置38為一光電倍增管裝置。
上述現有的光學檢測裝置10，由於雷射系統14為一產生激發光20的光源，成本高而無法普及應用於各研究機構或是醫院，再者，雷射系統14的光學機構極為複雜且維護不易，其使用的頻率也因此產生了限制，因此亟需一種成本低廉的光源。
在另一方面，現有光學檢測裝置10，其在檢測時的光學掃描方式為一連續且單點式的掃描，因此花費在掃描動作上的時間很長，而且檢測樣本24必須固定於基座26上，並通過二維移動平臺28的移動使得激發光20能依序且準確地被投射在檢測樣本24上的每一個檢測點，此複雜的光學機構所佔的空間非常大；同時，連續且無間斷地投射激發光20不但造成可觀的能量消耗，另一方面也容易造成信號讀取時不容易將噪聲分離的問題，因此亟需要一種能夠快速且正確投射光源的裝置，並且改善單點式掃描需配合二維移動平臺28此種複雜的掃描機制，使得經由照射檢測樣本24所產生的光信號能正確且容易地被信號讀取裝置38所讀取而不致產生誤差。
發明內容
本發明的一目的在於克服現有技術的不足與缺陷，提供一種光學檢測裝置，其包含一光源導光模塊，由一陣列光源與一導光元件所組成，陣列光源所發出的面光源通過通過導光元件以形成一線光源輸出，此陣列光源可由數個發光二極體(Light Emitting Diode，LED)或是數個有機發光二極體(Organic Light Emitting Diode，OLED)所組成，以取代傳統價格昂貴且維護不便的雷射點光源，並且使用來承載檢測樣本的基座能以一維移動的方式，取代複雜且佔空間的二維移動方式。
本發明的另一目的，是提供一線型或面型電荷耦合感測元件於一接收模塊內，以改善現有技術中，其信號讀取裝置因採用光電倍增管而產生信息擷取誤差以及所需較長處理時間的缺失。
本發明利用一光源導光模塊與一線型或面型傳感器取代先前技術中的雷射光源系統與光電倍增管，這樣的光學檢測裝置具有儀器體積小、成本低、功率消耗少、設計彈性高、光源可為不連續且可控制的的入射光以及入射光頻率具有彈性選擇等優點，使得精確、快速且架構簡單的光學檢測得以實現。
圖1為一現有光學檢測裝置示意圖；圖2A為一直線型楔形導光元件的立體正視示意圖；圖2B為一直線型楔形導光元件上視示意圖；圖2C為一弧線型楔形導光元件立體示意圖；圖2D為一弧線型楔形導光元件上視示意圖；圖3為利用本發明的一光學檢測裝置其結構示意圖；圖4為利用本發明的另一光學檢測裝置其結構示意圖。
圖中符號說明10光學檢測裝置12控制系統14雷射系統16反射鏡18光源投射系統20激發光22放射光24檢測樣本26基座28二維移動平臺30放射光反射鏡32濾光鏡34聚焦透鏡36成像光圈
38信號讀取裝置40光學檢測裝置42陣列光源44弧線型楔形導光元件45整光鏡頭46檢測樣本47基座48放射光50反射鏡51繞射成像光柵52成像鏡頭53投光鏡頭54線型電荷耦合元件60光學檢測裝置62陣列光源64直線型楔形導光元件66整光鏡頭68檢測樣本69基座70激發光71放射光72成像鏡頭74線型電荷耦合元件75濾光鏡片76繞射成像光柵具體實施方式
本發明的一些實施例會詳細描述如下。然而，除了詳細描述外，本發明還可以廣泛地在其它的實施例施行。亦即，本發明的範圍不受提出的實施例的限制，而應以權利要求書的範圍為準。
圖2A與圖2B為本發明的導光元件的正面立體與側面平面示意圖。於一實施例中，一楔型導光元件放置於陣列光源與檢測樣本之間。較大或面型開口部分鄰近陣列光源，較小或線型開口部分則鄰近檢測樣本。導光元件用以將陣列光源(面光源)所提供的光線，通過導光元件傳遞至檢測樣本上。要說明的是，導光元件的幾何形狀，例如直線管身，但不限於圖上所示，另一種選擇是，如圖2C與圖2D，用以傳遞光線的導光元件其管身可為具有曲度的弧線型式。此外，導光元件亦可由一束導光元件所組成，例如一集束光纖(bundle fiber)。另外，導光元件外圍由數片反射元件所組成，例如由數個不鏽鋼片所組成，而該自然放出光則可於此反射元件內傳遞。
因此，本發明所述的光學檢測裝置，其導光元件傳遞光線的方式，可以為全反射方式或反射方式。而導光元件內的填充物質可為透明的玻璃、壓克力以及聚碳酸酯(Polycarbonate簡稱PC)材料。在本發明中，導光元件可以與一陣列光源整合而包含於一光源導光模塊，負責提供與傳遞光線。
圖3所示為根據本發明的一光學檢測裝置40其結構示意圖。於此實施例中，光學檢測裝置40採用一反射式的成像方式，其包含一陣列光源42、一弧線型楔形導光元件44、一基座47、一反射鏡50、一成像鏡頭52與一線型電荷耦合元件54。於本實施例中，陣列光源42與其控制電路包含於一光源模塊(圖中未示)內，其中陣列光源42為一可發出自然放出光(spontaneous emission light)的裝置，例如由數個發光二極體或有機電發光元件所組成的陣列格式的光源。
由於採用LED光源的成本較雷射光源低，因此本實施例利用大量的LED元件組成足夠光度的陣列光源42，以提供照射檢測樣本46所需的光線，而本發明亦可彈性地更換不同波長及特性的的LED光源，並通過LED光源可以快速切換開關的特性，改善現有採用雷射光源系統時需連續激發(stimulated emission)所產生的問題，使得線型電荷耦合元件54可正確地感測到要檢測的影像信號，如此一來本光學檢測裝置40便不需額外裝置以執行噪聲濾除的動作。
再者，光學檢測裝置40尚可包含一激發濾光器(excitation filter)(圖上未示)置於陣列光源42的光路徑前，可用以過濾自然放出光，提高自然放出光的品質。另一種提高自然放出光的品質的方法是安裝一整光鏡頭(圖上未示)於陣列光源42的光路徑前，用以調整自然放出光的出光分布。在本實施例中，整光鏡頭的材質可採用玻璃、壓克力以及聚碳酸酯等材質。
其次，陣列光源42發出一激發光(自然放出光)由弧線型楔形導光元件44導引成一線形光後照射於基座47上的一檢測樣本46上(檢測樣本46放置於基座47上一光學檢測區域，意即無檢測樣本46置於基座47上時，線形光則直接通過上述的光學檢測區域)，其中，弧線型楔形導光元件44置於陣列光源42與檢測樣本46之間，負責將激發光傳遞並投射至檢測樣本46上。
於本實施例中，光學檢測裝置40尚包含一整光鏡頭45置於弧線型導光元件44與檢測樣本46之間，使入射光線均勻且正確地照射至檢測樣本46上，而整光鏡頭45的材質可採用玻璃、壓克力以及聚碳酸酯等材質。另外，此光學檢測裝置40尚可包含一激發濾光器(圖上未示)於弧線型導光元件44與檢測樣本46之間，用以過濾陣列光源42發出的激發光，而此激發濾光器也可置於弧線型導光元件44與陣列光源42之間。
線形光照射檢測樣本46後產生一放射光48，此放射光48經由反射鏡50反射後由成像鏡頭52將此放射光48匯聚成像並傳至線型電荷耦合元件54上。由於本發明以線形光照射檢測樣本46，因此用以承載與移動檢測樣本46的基座47隻需在一維方向上移動即可，而無須在二維方向上做複雜的定位與移動，如此一來便能縮短掃描檢測樣本46的時間，並且簡化了掃描的機制。因此本發明利用線形光輸出並且只需以一維掃描的方式進行光學檢測，其檢測樣本46可為陣列的格式，包含微陣列格式的檢測樣本以及生物晶片格式的檢測樣本(例如基因晶片、蛋白質晶片以及酵素染色晶片)，都可作為本發明的檢測樣本，並且依據本發明可更換不同種類及格式的陣列光源42的特性，可進行許多光學檢測，例如螢光光譜檢測以及吸收光譜檢測等。
再者，於本實施例中，成像鏡頭52包含於一成像模塊(圖中未示)中，其接收檢測樣本46所傳回的放射光48後，並經由一投光鏡頭53傳遞至線型電荷耦合元件54。其中在放射光48通過成像鏡頭52前，成像模塊尚可包含一濾光鏡片(圖上未示)以濾除反射的激發光，並以一繞射成像光柵51修飾投光的品質與分布。
在本實施例中，線型電荷耦合元件54與其電路包含於一影像感測模塊中(圖中未示)，用以接收成像模塊所傳遞的放射光48並做進一步的處理。其中，線型電荷耦合元件54可由一面型電荷耦合元件或是一互補式金氧半場效電晶體感測元件所替換。此外，為了進一步處理或為了某些特定用途，影像感測模塊尚可包含一分光鏡片(圖上未示)或濾光鏡片(圖上未示)。在本發明中，成像模塊與影像感測模塊亦可整合成為一接收模塊，將照射檢測樣本46後所得到的放射光48做接收及處理的動作，使之成為一有利用價值的光學信息。
上述的光學檢測裝置40，由於採用弧線型楔形導光元件44，將可節省檢測儀所佔的空間，加上利用光線的全反射特性，將入射的面型光源導引成一高光通密度與極小面積的線型激發光，因此在做檢測樣本46的掃描時，承載檢測樣本46的基座47僅需以一維方式的移動便可完成全面的掃描取樣，此一維方式的移動可以以步進馬達驅動減速齒輪組來達成，這樣的設計不但縮小了此光學檢測裝置40所佔的體積，同時也簡化了機構的複雜度，同時節省了取樣的時間，進而降低了整體光學檢測裝置40的成本。
本發明的另一較佳實施例如圖4所示，為根據本發明的另一光學檢測裝置其結構示意圖。於此實施例中，光學檢測裝置60採用一穿透式的成像方式，其包含一陣列光源62、一直線型楔形導光元件64、一整光模塊66、一基座69、一成像鏡頭72與一線型電荷耦合元件74。其中陣列光源62可由數個LED或者OLED等光源所組成，由於LED光源的成本遠較雷射光源低廉，因此在本實施例中則利用了數個LED元件，組成一足夠光度的陣列光源62，以提供照射檢測樣本68所需的光線，本發明亦可彈性地更換不同特性的陣列光源62以提供特定光學檢測所需。此外，由於LED光源可以快速地切換開關，可改善現有採用雷射光源時需連續激發所產生的問題，使得線型電荷耦合元件74可正確地感測到要檢測的影像信號，如此一來本光學檢測裝置60便不需額外裝置以執行噪聲濾除的動作。
光學檢測裝置60的操作過程由陣列光源62發出一激發光，激發光再由直線型楔形導光元件64導引成一線形光輸出，線形光通過一整光鏡頭66使光線均勻分布後照射於基座69上的檢測樣本68後產生一放射光71，此放射光71為一穿透檢測樣本68的光信號，經成像鏡頭72成像於一線型電荷耦合元件74上，其中在放射光71通過成像鏡頭72前可先通過一濾光鏡片75以濾除穿透的激發光，以及經一繞射成像光柵76以修飾投光品質與分布，此線型電荷耦合元件74亦可由一面型電荷耦合元件或是一互補式金氧半場效電晶體感測元件所取代。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，並非用以限定本發明的保護範圍。在不脫離本發明的實質內容的範疇內仍可予以變化而加以實施，此等變化應仍屬本發明的範圍。因此，本發明的範疇由權利要求書所界定。
權利要求
1.一種光學檢測裝置，其特徵在於，包含一光源模塊，提供一自然放出光；一導光元件，將該自然放出光轉換為一線形光而入射至一光學檢測區域上；一成像模塊，將該線形光入射該光學檢測區域後所產生一放射光匯聚成像；以及一影像感測模塊，接收並處理該成像模塊所匯聚成像的該放射光。
2.如權利要求1所述的光學檢測裝置，其中，更包含可做一維移動的一基座以承載並移動設置於該光學檢測區域的一檢測樣本。
3.如權利要求1所述的光學檢測裝置，其中，該光源模塊選自下列光源之一一發光二極體陣列光源和一有機發光二極體陣列光源。
4.如權利要求1所述的光學檢測裝置，其中，該導光元件包含一整光鏡頭，並且該整光鏡頭的材質選自下列族群之一玻璃、壓克力以及聚碳酸酯。
5.如權利要求1所述的光學檢測裝置，其中，該導光元件的形狀選自下列幾何外型之一弧線形楔型導光元件與直線形楔型導光元件，並且該導光元件內的材質選自下列族群之一玻璃、壓克力以及聚碳酸酯。
6.如權利要求1所述的光學檢測裝置，其中，該導光元件由數個反射元件所組成，讓該自然放出光在該數個反射元件內反射與傳遞，且該數個反射元件包含數個不鏽鋼反射片。
7.如權利要求1所述的光學檢測裝置，其中，該導光元件由數個集束光纖所組成。
8.如權利要求1所述的光學檢測裝置，其中，該成像模塊包含一成像鏡頭。
9.如權利要求1所述的光學檢測裝置，其中，該成像模塊包含一濾光鏡片以及一繞射成像光柵。
10.如權利要求1所述的光學檢測裝置，其中，該影像感測模塊選自下列族群之一一線型傳感器以及一面型傳感器。
全文摘要
本發明涉及一種光學檢測裝置，包含一光源導光模塊與一接收模塊，光源導光模塊負責提供一自然放出光並將此自然放出光轉換為一線形光輸出至檢測樣本上以產生一光信號，之後經由接收模塊將此光信號成像，並通過接收模塊內的線型或面型傳感器偵測並處理此成像的光信號，如此一來便可縮短偵測檢測樣本的時間，並且改善現有光學檢測裝置其複雜的光學機構設計。
文檔編號G01N33/543GK1670531SQ200410039948
公開日2005年9月21日 申請日期2004年3月15日 優先權日2004年3月15日
發明者卿輝東, 陳錦滄, 趙建基 申請人:財團法人工業技術研究院