一種雷射微陣列晶片掃描儀的製作方法

2023-06-01 05:18:31 3

專利名稱：一種雷射微陣列晶片掃描儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種微陣列晶片檢測設備，尤其是關於一種適用於高解析度微陣列晶片的雷射微陣列晶片掃描儀。
背景技術：
基於微陣列晶片的檢測設備的發展已經極大地改變了生物技術產業的 面貌。這些設備使得同時檢測多種生物樣品、檢測稀少的人源轉錄本成為可能。 它們也使原先不藉助這些儀器需要數月乃至數年的工作變得可能在數分鐘內藉由 自動從微陣列晶片中獲取信息來完成。典型的微陣列晶片包括一系列聚合物，例如寡核苷酸，多肽和抗體。 在基片上，以點陣排列方式合成或者固定這些聚合物，而這些聚合物可以被螢光 標記物或者螢光基團所標記從而進行光學檢測。 一臺典型的微陣列晶片掃描儀使 用雷射作為激發光源，並使用匹配的濾鏡和光電倍增管進行檢測。在微陣列晶片 的掃描過程中，從激發光源發出的激發光照射到晶片的不同點上。在激發光作用 下，晶片上探針標記的螢光發生斯託克斯頻移，產生發射光，而該發射光則被光 電倍增管所採集。如此得到微陣列晶片的信息，能夠為多種研究服務，例如基因 表達研究，變異研究，基因分型，單核苷酸多態性，蛋白相互作用，還有疾病的 診斷和治療。隨著微陣列晶片技術的發展，產生出對基於螢光檢測的微陣列晶片掃 描儀的新需求，尤其是對具有高速掃描、高靈敏度和低成本的微陣列晶片掃描儀 的需求。

發明內容
—方面，本發明提供了一種雷射微陣列晶片掃描儀。
為實現上述目的，本發明採取以下技術方案 一種雷射微陣列晶片掃描儀，其由一光學系統， 一掃描運動平臺和一數據處理系統組成。其中光學系統包含一 打孔反射鏡，其上開有一通孔，反射鏡可將由微陣列晶片上發射出來的光反射開， 而通孔可允許激發光從其中通過。在某些實施例中，本發明微陣列晶片掃描儀的 光學系統還可進一步包括一激發光物鏡，用以會聚激發光以便使其通過打孔反射鏡。在某些實施例中，本發明微陣列晶片掃描儀光學系統還包括一個入射光系統用以產生激發光。入射光系統可以由第一雷射發生器(帶有一可選的激發 光濾鏡)，第二雷射發生器(帶有一可選的激發光濾鏡)， 一分光鏡， 一斬光器組 成，其中分光鏡使得第一雷射發生器發出的雷射通過而使第二雷射發生器發出的雷射反射，而斬光器每次只使其中一個雷射發生器發出的光通過而阻斷另一個激 光發生器發出的光。在某些實施例中，所述光學系統的入射光系統還包括一置於分光鏡與第一雷射發生器之間光路上的第一反射鏡和一置於分光鏡與打孔反射鏡之間的第 二反射鏡，從而使由第一雷射發生器產生的光在經過分光鏡之前先在第一反射鏡 上發生反射，而從分光鏡發出的光在通過打孔反射鏡之前先在第二反射鏡上發生 反射。在某些實施例中，所述光學系統還包含一個衰減片，其位於分光鏡之後的 光路上，以便對從分光鏡出來的光強進行調節。在某些實施例中，本發明雷射微陣列晶片掃描儀的光學系統還包含一 採集系統對發射光進行收集。所述採集系統包含一檢測器(如光電倍增管)和一 位於檢測器與打孔反射鏡之間光路上的發射光物鏡組。在某些實施例中，光學系 統的該採集系統還包含一位於發射光物鏡組與檢測器之間光路上的針孔。在某些實施例中，所述採集系統還包含一發射光濾鏡組，位於打孔反 射鏡與發射光物鏡組之間的光路上。該發射光濾鏡組可以由單片濾光鏡或多片濾 光鏡(例如2， 3， 4， 5， 6， 7， 8， 9或者10片)組成，用以濾過不同波長的光。在一個實施例中，光學系統包含一打孔反射鏡，其具有一個通孔和一 個反射面； 一激發光物鏡組； 一入射光系統，該系統又包含一第一雷射發生器， 一第一反射鏡用以反射第一雷射發生器產生的光束， 一第二雷射發生器， 一分光 鏡用以透過上述第一反射鏡所反射的光束並反射第二雷射發生器產生的光束，一 斬光器用以在同一時間段內透過某個雷射發生器產生的光束而阻斷另一個雷射發 生器產生的光束， 一第二反射鏡用以將光束反射，使之通過打孔反射鏡上的通孔 並被激發光物鏡組所聚焦； 一採集系統，該系統又包含一位於打孔反射鏡之後光 路上的發射光濾鏡組， 一位於發射光濾鏡組之後光路上的發射光物鏡組， 一位於 發射光濾鏡組之後光路上的針孔和一檢測器，從而使發射光被打孔反射鏡反射之 後依次經過發射光濾鏡組、發射光物鏡組和針孔，直至到達檢測器。在某些實施 例中，該光學系統還包含位於兩個雷射發生器之前或其中一個雷射發生器之前光 路上的相應激發光濾鏡。在某些實施例中，該光學系統還包含位於分光鏡與第二 反射鏡之間的衰減片。在某些實施例中，所述雷射微陣列晶片掃描儀的掃描運動平臺包含一控制掃描方向運動的掃描驅動裝置和一控制進給方向運動的進給驅動裝置相偶聯 的載物臺。例如，掃描驅動裝置可由一帶輪和一緊密纏繞在帶輪上的薄金屬帶組 成，從而使帶輪的轉動帶動平臺兩部分之間發生相對運動。從另一角度來看，本發明提供了一種由光學系統、掃描運動平臺和數 據處理系統的雷射微陣列晶片掃描儀。其中掃描運動平臺包括一載物臺用於盛放 微陣列晶片，該平臺受到一包含帶輪和緊密纏繞其上的薄金屬帶的驅動裝置控制。 薄金屬帶的兩部分連接到載物臺上以使帶輪的轉動能夠帶動載物臺的運動。在某 些實施例中，帶輪由低轉動慣量的伺服電機驅動。在某些實施例中，薄金屬帶的 兩部分其中之一與載物臺的連接是可以釋放的。在某些實施例中，薄金屬帶還包 含從與載物臺構成可以釋放的連接的部分延伸出來的一預緊區段。在某些實施例中，微陣列晶片掃描儀的掃描運動平臺還包含第二驅動裝置。所述第一驅動裝置控制載物臺在掃描方向上的運動，而第二驅動裝置控制 載物臺在不同於掃描方向的進給方向(例如正交於掃描方向)上的運動。在某些 實施例中，第一驅動裝置位於載物臺之下，第二驅動裝置之上。在某些實施例中， 第二驅動裝置包含與步進電機相偶聯的絲槓。從另一角度看，本發明提供一種由一光學系統， 一掃描運動平臺和一 數據處理系統組成的雷射微陣列晶片掃描儀，其中掃描運動平臺包含一底座，該 底座包含一第一導軌； 一可在第一導軌上滑動的滑塊，該滑塊上又有正交於第一導軌的第二導軌； 一進給驅動裝置，其與滑塊相偶聯以驅動其在第一導軌上滑動；一載物臺，其可在第二導軌上滑動； 一掃描驅動裝置，其與載物臺相偶聯以驅動其在第二導軌上滑動。在某些實施例中，掃描驅動裝置包含一帶輪和一緊密纏繞 在帶輪上的薄金屬帶，薄金屬帶的兩部分連接到載物臺上以使帶輪的轉動能夠帶 動載物臺的運動。在某些實施例中，掃描驅動裝置由具有低轉動慣量的伺服電機 帶動。在某些實施例中，掃描驅動裝置安裝在滑塊上。在某些實施例中，進給驅 動裝置包含偶聯到一步進電機上的一絲槓。在一個實施例中，雷射微陣列晶片掃描儀包含一光學系統， 一掃描運 動平臺和一數據處理系統。其中掃描運動平臺包含一底座，該底座包含一第一導 軌； 一可在第一導軌上滑動的滑塊，該滑塊上又有正交於第一導軌的第二導軌； 一條偶聯到該滑塊的絲槓； 一個偶聯到該絲槓的步進電機； 一載物臺，可在第二 導軌上滑動； 一掃描驅動裝置，包含一帶輪和一緊密纏繞在帶輪上的薄金屬帶， 薄金屬帶的兩部分連接到載物臺上以使帶輪的轉動能夠帶動載物臺的運動，掃描 驅動裝置由一伺服電機帶動。掃描驅動裝置可安裝在滑塊上。在某些實施例中，薄金屬帶的兩部分之一與載物臺的連接是可以活動的。在某些實施例中，薄金屬 帶還包含一從與載物臺構成活動連接的薄金屬帶的一端延伸出來的預緊區段。在某些實施例中，微陣列晶片掃描儀包含上述任一掃描運動平臺，一 數據處理系統和一光學系統。該光學系統包含一入射光系統。該入射光系統包含 一第一雷射發生器， 一第二雷射發生器， 一分光鏡和一斬光器，其中分光鏡透射 由第一雷射發生器發出的光束而反射由第二雷射發生器發出的光束，斬光器則每 次只讓來自一個雷射發生器的光束通過而阻斷另一個雷射發生器發來的光束。在某些實施例中，微陣列晶片掃描儀包含以上所述的任一掃描運動平 臺，以數據處理系統，和一光學系統。該光學系統包括一採集系統。該採集系統 包括一發射光濾鏡組， 一置於發射光濾鏡組之後光路上的發射光物鏡組， 一置於 發射光物鏡組之後光路上的針孔和一置於針孔之後光路上的檢測器，其中發射光 依次通過發射光濾鏡組，發射光物鏡組和針孔，最後到達檢測器。


圖1是本發明一個實施例的示意2是本發明一個實施例掃描運動平臺部分的示意3是本發明微陣列晶片掃描儀中一例打孔反射鏡的示意4是本發明微陣列晶片掃描儀中一例掃描運動平臺的示意5是本發明微陣列晶片掃描儀中一例帶輪與薄鋼帶驅動系統的示圖
具體實施例方式本發明提供一種包括一光學系統和一掃描運動平臺的雷射微陣列晶片 掃描儀。在掃描操作過程中，光學系統保持固定位置。相對於光學系統，置於掃 描運動平臺的載物臺上的微陣列晶片可在一個二維平面內移動到任意位置，以完 成整片掃描。在某些實施例中，掃描儀還包括一數據處理系統用於數據收集和處 理。該掃描儀的部分或者全部子系統可以由計算機進行控制。數據處理系 統可以被整合在掃描儀本體中。或者，數據處理系統的某些組件可以與掃描儀的 其他部分分離(例如被集成在個人計算機、計算機工作站內等等)。因此，本發明 提供了一種集成的和/或自動化的微陣列晶片掃描儀。本發明公開的微陣列晶片掃描儀具有高速掃描、高靈敏度、高解析度 和高信噪比的特徵，可用於任何種類的微陣列晶片的掃描，包括但不限於DNA、RNA、 cDNA、多聚核苷酸、寡聚核苷酸、蛋白質、多肽和抗體微陣列。通過掃描微陣列 晶片得到的信息可用於多種用途，例如基因表達、突變、分型、單核苷酸多態性、蛋白相互作用分析等研究和疾病的診斷與治療。
微陣列晶片掃描儀的光學系統本發明微陣列晶片掃描儀的光學系統為晶片掃描提供激發光，並從芯 片收集發射光。光學系統可由在題為"微陣列晶片掃描的光學系統"的專利申請
(Attorney Docket No. 51457-2003340)中描述的一種新型光學系統構成。在某些實施例中，該光學系統包括一打孔反射鏡。該打孔反射鏡上有 一通孔，以使激發光直接透過；還有一反射面，以使來自微陣列晶片的發射光被 其反射。該光學系統還可包括一激發光物鏡組，用以將激發光聚焦在打孔反射鏡 的通孔處，並使來自微陣列晶片的發射光準直。在某些實施例中，激發光物鏡組 連接到一個電機(例如步進電機)，可使物鏡組在垂直於微陣列晶片表面的方向上 移動。如此物鏡組的位置就可以調整而使激發光正確聚焦。使用本發明的打孔反射鏡極大提高了光學系統的效率，降低了背景噪 聲，並消除了激發光和發射光之間的相互幹擾。在晶片掃描過程中，激發光從打 孔反射鏡的通孔中穿過，直接聚焦到待掃描的微陣列晶片上。晶片上的螢光團所 發出的螢光接著被打孔反射鏡的反射面所反射，並被收集起來。由於激發光通過 打孔反射鏡上的通孔不會遇到任何阻礙，所以減少了光損失。而且，大部分由微 陣列晶片所反射的背景光也通過通孔而不會進入釆集系統。因此，信噪比得到了 提高。打孔反射鏡上的通孔可以是任意形狀，包括但不限於圓形，橢圓形， 方形，矩形，三角形，或者其他規則或不規則形狀。通孔的大小可以在任意可行 的範圍內，只要能使激發光通過而不受阻。例如，當通孔為圓形時，其直徑可以 在約0. 5毫米至約5毫米之間但不限定在這之間，在約0. 4亳米至約0. 8毫米之 間，或者在約1毫米到約3毫米之間，或者為約3毫米都可以。打孔反射鏡可以為任意形狀，包括但不限於圓形，橢圓形，方形，矩 形，三角形，或者其他規則或不規則形狀。反射鏡面可以與微陣列晶片的表面成 任意合理的角度，如15° ， 20° ， 30° ， 40° ， 45° ， 50°或者60°等。該光學系統還可以包括一入射光系統用以產生激發光。在某些實施例 中，光學系統的該入射光系統包括一雷射發生器和一可選的反射鏡。例如，當與 打孔反射鏡一起使用時，由雷射發生器發出的光束可以選擇是否先經反射鏡反射， 再通過打孔反射鏡上的通孔。該入射光系統還可以包括一相應的激發光濾鏡，置 於第一雷射發生器前面的光路上，從而將雷射發生器發出的光過濾成為光譜範圍 狹窄的激發光。在某些實施例中，光學系統的該入射光系統包括一第一雷射發生器(和 一可選的相應激發光濾鏡)， 一第二雷射發生器(和一可選的相應激發光濾鏡)， 一分光鏡和一斬光器。兩個雷射發生器產生的雷射波長一般是不同的。分光鏡放 置的位置使得第一雷射發生器發出的光束透過而第二雷射發生器發出的光束被反 射。斬光器在光路上緊鄰分光鏡。在任意時刻斬光器只允許來自一個雷射器的光 束通過而阻斷來自另一個雷射器的光束，因此保證激發光路上只有一種來源的光。 使用斬光器取代傳統的旋轉反射鏡選擇雷射光源保證了光學系統的穩定性。該光學系統(例如入射光系統)還包括一個或者更多反射鏡。反射鏡 用來改變光路的方向，並可根據設計意圖以多種方式釆用。例如，可以在第一激 光發生器與分光鏡之間安置一第一反射鏡。來自第一雷射發生器的光束首先經過 第一反射鏡的反射後再進入分光鏡。在某些實施例中，當與打孔反射鏡一起使用 時，該入射光系統還可包括一第二反射鏡(最好為一比例反射鏡)，置於分光鏡和 打孔反射鏡之間。來自於斬光器選擇之後經由分光鏡的光束首先經過第二反射鏡 的反射再通過打孔反射鏡的通孔。光路上還可安置一光密度檢測器用於檢測從第 二反射鏡出射的光束，檢測到的光信號經過數字轉換可用於指示激發光的光強。光學系統的該入射光系統還可包括一衰減片，用於控制和調整激發光 光強。衰減片在光路上的位置可以緊接在分光鏡之後，以使通過打孔反射鏡的光 束能夠受到衰減片的調節。根據現有技術領域的共識，當激發光在微陣列晶片上進行掃描時，芯 片上的螢光基團將響應激發光產生斯託克斯頻移發射光，並被一集光裝置所收集。 因此，該光學系統還可包括一集光裝置用以收集來自微陣列晶片的發射光。光學 系統的雷射裝置可包括一檢測器和一發射光物鏡組。在某些實施例中，該檢測器 為一光電倍增管(PMT)。 PMT通過光電效應將入射的光子轉變為電子。l個光子打 在PMT光電陰極即可產生1個電子。電子流經一系列的倍增極得到放大，直到到 達陽極。在陽極上產生的電流與陰極入射光直接相關。電信號進一步通過放大電 路放大並轉變為數位訊號，用於計算機分析。在一些實施例中，光學系統的採集系統包括一位於發射光物鏡組與檢 測器之間光路上的針孔。針孔安放在檢測器之前，以阻擋微陣列晶片發出的螢光 中不在雷射束聚焦的焦平面上的部分。這樣，離焦的幹擾信息大大減少。在某些實施例中，光學系統的採集系統還包括一位於發射光物鏡組前 光路上的發射光濾鏡組，以使目標波段的光束通過發射光物鏡組而被檢測到。在 某些實施例中，發射光濾鏡組包括兩片或者更多(例如2， 3， 4, 5， 6， 7， 8， 9，IO或更多)濾光片，以實現對不同波段光的過濾(例如，其中每片允許通過的波 段都不同)。這些濾光片可以以任意合理的方式進行排列。例如，發射光濾鏡組中 的濾光片可以沿圓周排布(例如安排在一轉盤上)，轉動轉盤以便使合適的濾光片 轉到光路上。濾光片的選擇取決於激發光波長和激發光、待檢測螢光基團發射光的 光譜特徵。兩個雷射發生器，再加上相應激發光濾鏡的不同組合，使得依次或者 同時檢測一個樣品中的多種螢光基團成為可能。因此，使用本發明的光學系統可 以檢測多重標記的樣品。這種功能在微陣列晶片掃描中十分有用，因為該應用普 遍使用不同的標記物對樣品進行多重探針標記。在一個實施例中，光學系統包括一個具有一通孔和一反射面的打孔反 射鏡； 一激發光物鏡組； 一入射光系統，包括一第一雷射發生器， 一第二雷射發 生器， 一分光鏡用以透射由第一反射鏡反射的光束而反射來自第二雷射器的光束， 一斬光器用以透射來自 一雷射發生器的光束並阻斷來自另一雷射發生器， 一第二 反射鏡用以使光束通過打孔反射鏡上的通孔並通過物鏡組聚焦； 一採集系統，包 括一位於打孔反射鏡之後光路上的發射光濾鏡組， 一位於發射光濾鏡組之後光路 上的發射光物鏡組， 一位於發射光物鏡組之後光路上的針孔，和一檢測器，這樣 發射光經過打孔反射鏡反射以後依次經過發射光濾鏡組，發射光物鏡組和針孔， 最後到達檢測器。在某些實施例中，光學系統還包括位於至少其中一個雷射發生 器前光路上的對應激發光濾鏡。在某些實施例中，光學系統還包括一位於分光鏡 和第二反射鏡之間的衰減片。從另一個角度來看，本發明提供一種光學系統，包括(由下列項目構 成或者主要由下列項目構成) 一第一雷射發生器， 一打孔反射鏡， 一激發光物鏡 組， 一發射光物鏡組， 一針孔和一檢測器；該光學系統的所有部件通過光路連接。 具體地，由雷射發生器產生的光通過打孔反射鏡，並由激發光物鏡組聚焦在待掃 描的微陣列晶片上。待掃描晶片上的螢光基團在激發下釋放出螢光。發射光經激 發光物鏡組準直後，經打孔反射鏡反射，再經過發射光物鏡組和針孔並被檢測器 所收集。在某些實施例中，光學系統還包括一第二雷射發生器， 一分光鏡和一 斬光器。由第一雷射發生器產生的光束透過分光鏡，而由第二雷射發生器產生的 光束被分光鏡反射。斬光器每次允許來自一個雷射發生器的光束通過而阻斷另一 個雷射發生器所發出的光束。在某些實施例中，光學系統還包括一位於第一雷射發生器和分光鏡之間的第一反射鏡。由第一雷射發生器產生的光束首先被第一反射鏡所反射，然後 進入分光鏡。在某些實施例中，還可以有第二反射鏡(一比例反射鏡更佳)，位於 分光鏡與打孔反射鏡之間的光路上。來自於斬光器選擇之後經由分光鏡的光束首 先被第二反射鏡反射，然後直接通過打孔反射鏡上的通孔。在某些實施例中，光 學系統還包括一光強探測器用以檢測第二反射鏡透過的光。在某些實施例中，光學系統還包括一衰減片，位於分光鏡與第二反射
鏡之間的光路上。在某些實施例中，光學系統還包括對應的激發光濾鏡，位於至 少其中一個雷射發生器前的光路上。在某些實施例中，光學系統還包括一發射光
濾鏡組(例如，在一個發射光濾鏡組合體中包含兩個或者更多用於濾過不同波長 的光束的濾光片)，位於打孔反射鏡與發射光物鏡組之間的光路上。從另一角度來看，光學系統包括(由下列項目組成或者主要由下列項 目組成) 一第一雷射發生器， 一第一激發光濾鏡組， 一第一反射鏡， 一第二雷射 發生器， 一第二激發光濾鏡組， 一分光鏡， 一斬光器， 一第二反射鏡， 一打孔反 射鏡， 一激發光物鏡組， 一發射光濾鏡組， 一發射光物鏡組， 一針孔，和一檢測 器，其中各組件通過光路聯繫起來。在某些實施例中，光學系統包括(由下列項目組成或者主要由下列項 目組成) 一第一雷射發生器， 一第一激發光濾鏡組， 一第一反射鏡， 一第二雷射 發生器， 一第二激發光濾鏡組， 一分光鏡， 一斬光器， 一第二反射鏡， 一打孔反 射鏡， 一激發光物鏡組， 一發射光濾鏡組， 一發射光物鏡組， 一針孔，和一檢測 器。其中第一雷射發生器產生的光被第一激發光濾鏡組濾過，經第一反射鏡反射
並透過分光鏡；第二雷射發生器產生的光被第二激發光濾鏡組濾過，經分光鏡反 射；其中斬光器每次允許來自其中一個雷射發生器的光束通過而阻斷另一個雷射 發生器發出的光束；通過斬光器的光束再經過第二反射鏡反射，通過打孔反射鏡 的通孔並經激發光物鏡組聚焦；來自晶片的發射光經激發光物鏡組準直後，被打 孔反射鏡反射；被反射的發射光經發射光濾鏡組濾過後，由發射光物鏡組聚焦， 通過針孔，由檢測器進行檢測。 晶片掃描儀的掃描運動平臺晶片掃描儀的掃描運動平臺相對於光學系統發生運動而對晶片進行掃 描。本發明描述的掃描運動平臺可由在題為"微陣列晶片掃描儀高速掃描運動平 臺"的專利申請(Attorney Docket No. 51457-2003240)構成。在某些實施例中，掃描運動平臺包括一盛放微陣列晶片的載物臺，該 載物臺由包含一帶輪和一纏繞在帶輪上的薄金屬帶的一驅動裝置所控制。 一般來
說，薄金屬帶在帶輪上纏繞至少一圈。薄金屬帶上兩個區域，通常是纏繞在帶輪 上區域的兩端，被連接到載物臺上。帶輪繞其轉軸轉動從而拉動薄金屬帶。薄金 屬帶進而拉動載物臺作線性運動。這樣，帶輪的旋轉運動通過薄金屬帶轉變為線 性運動。由於帶輪可以順時針或者逆時針轉動，載物臺可以向兩個方向運動。薄金屬帶連接到載物臺的兩個區段可以以任何合適的方式連接到載物 臺。例如，這兩個區段可以分別連接到載物臺同一端的兩個角上。兩個區段可以 現有技術中任何方法連接到載物臺。在某些實施例中，兩個區段其中之一到載物 臺的連接是可以活動的。薄金屬帶還可包括一伸出可活動連接區段之外的預緊區 段。預緊區段的端部也可以連接到載物臺上。預緊區段再加上可活動地連接到載 物臺的區段，可以調節纏繞在帶輪上的薄金屬帶的應力。薄金屬帶一般由具有足夠彈性的材料製成。適合作薄金屬帶的材料包
括，但不限於鋼、彈簧鋼、合金鋼。薄金屬帶通常非常薄。薄金屬帶合適的厚度
包括但不限於在約0. 05毫米到0. 5毫米之間，例如在約0. 05毫米到0. 1毫米之
間也可以。在某些實施例中，帶輪/薄金屬帶驅動裝置中的帶輪與一低轉動慣量的 伺服電機相偶聯。在某些實施例中，掃描運動平臺包括一盛放晶片的載物臺，該載物臺 (以及置於其上的晶片)可在二維平面上任意移動。具體來說，掃描運動平臺的 載物臺被偶聯到兩個驅動裝置。 一個驅動裝置(掃描驅動裝置)控制載物臺在掃 描方向上的反覆運動。另一個驅動裝置(進給驅動裝置)控制載物臺在不同於掃 描方向上(例如正交於掃描方向)的進給運動。兩個驅動裝置共同工作以對整個 晶片進行掃描。在某些實施例中，第一個驅動裝置，例如掃描驅動裝置，包括一帶輪 和一纏繞帶輪上的薄金屬帶，其中薄金屬帶上的兩個區段連接到載物臺上，以使 帶輪的旋轉帶動載物臺運動。這裡所描述的帶輪/薄金屬帶驅動裝置具有高速和高 重複精度特徵，因此非常適用於高精度晶片掃描儀中載物臺的重複運動控制。在另一方面，載物臺及載物臺上晶片的進結運動速度不需要太快，但 是其重複精度要求很高。因此，進結驅動裝置可包括一絲槓(例如絲槓和步進電 機構成偶聯)。在某些實施例中，絲槓通過一聯軸器連接到一電機。在某些實施例中，載物臺位於掃描驅動裝置頂部，而掃描驅動裝置則 位於進給驅動裝置頂部。在掃描過程中，載物臺(以及置於其上的晶片)相對於 掃描驅動裝置在掃描方向上發生運動。掃描驅動裝置(以及置於其上的載物臺和晶片)則在進給方向上運動。在某些實施例中，掃描運動平臺包括 一底座，該底座包括一第一導 軌， 一滑動連接在第一導軌上的滑塊，該滑塊上還有正交於第一導軌方向的第二 導軌； 一進給驅動裝置，偶聯到上述滑塊並能使滑塊在第一導軌上滑動； 一滑動 連接到上述第二導軌上的載物臺； 一掃描驅動裝置，偶聯到上述載物臺並能使載物臺在第二導軌上滑動。在某些實施例中，掃描運動平臺包括 一底座，該底座包括一第一導軌， 一滑動連接在第一導軌上的第一滑塊，該第一滑塊上還有正交於第一導軌方向的第二導軌； 一進給驅動裝置，偶聯到上述第一滑塊並能使第一 滑塊在第一導軌上滑動； 一第二滑塊，偶聯到第二導軌上； 一載物臺，安裝在第 二滑塊上； 一掃描驅動裝置，偶聯到上述載物臺並能使第二滑塊和載物臺在第二 導軌上滑動。在某些實施例中，掃描運動平臺包括一帶輪和一纏繞在帶輪上的薄金屬帶，其中薄金屬帶的兩個區段連接到載物臺上以使帶輪的旋轉帶動載物臺的移 動。在某些實施例中，薄金屬帶上兩個區段之一到載物臺的連接是可以活動的。 在某些實施例中，薄金屬帶還包括一預緊區段，延伸到與載物臺構成可以活動的 連接的區段之外。在某些實施例中，掃描驅動裝置可由伺服電機(例如具有低轉動慣量 的伺服電機)等觸發。掃描驅動裝置(包括電機)可安裝在滑塊上，並沿第一導 軌在進給方向上運動。進給驅動裝置可包括一絲槓，該絲槓偶聯到一電機(例如一步進電機)。 在某些實施例中，絲槓通過一聯軸器連接到電機。底座上的第一導軌可安裝到底座上，或者本身就是完整底座的一部分。 類似地，滑塊上的第二導軌可安裝到滑塊(或者第一滑塊)上，或者本身就是完 整底座的一部分。導軌可以由耐磨損的任何材料製成，例如磨光的不鏽鋼。導軌 還可用聚四氟乙烯塗層(PTFE，商品名為TEFLON)處理。底座和滑塊還可包含支架。第一和第二導軌均在這些支架之間沿長度 方向延伸。具體地，第一導軌包含第一末端和第二末端。第一末端固定連接到底座第一支架，第二末端固定連接到底座第二支架。第二導軌的兩個末端以相似方 式連接到滑塊的支架上。在某些實施例中，掃描運動平臺還包括在掃描運動和/或進給運動方向 上設置的機械開關和光電開關。機械開關可置於第一或者第二導軌上以限制滑塊 或者載物臺的運動(或者改變其方向)。光電開關可用來確定滑塊/載物臺的位置。在某些實施例中，掃描運動平臺包括一光柵尺以確定載物臺的位置。在一個實施例中，掃描運動平臺包括 一底座，包括一第一導軌；一 可在第一導軌上滑動的滑塊，該滑塊還包括正交於第一導軌的第二導軌； 一偶聯 到滑塊的絲槓； 一偶聯到絲槓的步進電機； 一可在第二導軌上滑動的載物臺；一 掃描驅動裝置，包括一帶輪和纏繞在帶輪上的一薄金屬帶，薄金屬帶的兩端連接 到載物臺以使帶輪的轉動能夠帶動載物臺的運動； 一伺服電機，偶聯到掃描驅動 裝置。在另一實施例中，掃描運動平臺包括 一底座，包括一第一導軌； 一第一 滑塊，可在第一導軌上滑動，而且第一滑塊上還有一正交於第一導軌的第二導軌； 一絲槓，偶聯到第一滑塊； 一步進電機，偶聯到絲槓； 一第二滑塊，可在第二導 軌上滑動； 一載物臺，安裝在第二滑塊上； 一掃描驅動裝置，包括一帶輪和纏繞 在帶輪上的一薄金屬帶，薄金屬帶的兩端連接到載物臺以使帶輪的轉動能夠帶動 載物臺的運動； 一伺服電機，偶聯到掃描驅動裝置。 數據處理系統晶片掃描儀的數據處理系統將光學系統中檢測器檢測到的光信號轉變 為數字和/或圖像數據。數據處理系統中的組件(以硬體、軟體或者兩者結合的形 式出現)基本上採用其他微陣列晶片雷射掃描儀中傳統的技術。例如，可由一放 大濾波電路和相應的模擬-數字轉換器(AD轉換器)連接到檢測器(例如PMT)。 AD轉換器產生的數位訊號可由數據藉口發送給計算機。計算機對晶片上所有區塊 的數據進行信號強度和背景的歸一化處理。這些強度數據進一步被整理成為文本 的，圖形的，或者兩者結合形式的數據。計算機還可提供軟體用以對上述數據進 行解釋以生成試驗結果或臨床檢測報告。原始和/或處理過的數據可以被存儲在計 算機可讀的介質中，通過電信號傳遞到其他通信實體，列印成為人類可讀形式， 或者留作其他用途。數據處理系統還包括一連接到檢測器(例如PMT)的DA轉換器以對從 檢測器(例如PMT)輸出的信號進行反饋控制。在某些實施例中，數據處理系統還 包括一格放大濾波電路和一 AD轉換器連接到一所述光強度檢測器。傳統晶片掃描儀能夠檢測到晶片上明亮的光斑，但是並不擅長將微弱 的光斑從背景信號中區別出來。DA轉化器用來為檢測器(例如PMT)提供連續反 饋控制，可以選擇與連續調節激發光能量的衰減片聯合使用，以大大提高掃描儀 的靈敏度。本發明的掃描儀還提供了寬廣的動態範圍，因此能夠提供高質量的圖 像和數據。如圖1所示，本發明包括第一雷射發生器10產生雷射，雷射通過激發光濾鏡12，被反射鏡13所反射，並透過分光鏡14。第二雷射發生器9產生、激 光，雷射通過激發光濾鏡11，被分光鏡14所反射。斬光器15位於分光鏡14附近， 只讓第一雷射發生器10或者第二雷射發生器9其中之一產生的雷射通過。通過的 光束再經衰減片16發生衰減。衰減後的光束入射到比例反射鏡5上。為了檢測激 發光強度，光強檢測器17用於檢測從比例反射鏡5透射過的光束。光強檢測器17 得到的光信號經過放大濾波電路18進行放大，由AD轉換器19轉變為數位訊號。 被比例反射鏡5所反射的光束通過打孔反射鏡6上的通孔，經激發光物鏡組7聚 焦在掃描運動平臺8上的微陣列晶片24表面。從微陣列晶片24發出的光經激發光物鏡組7準直後，被打孔反射鏡6 反射。反射光通過發射光濾鏡組4和發射光物鏡組3。針孔2隻允許聚焦的光通過 並被PMT1所檢測。PMT1所收集的信號經由放大濾波電路20放大後由AD轉換器 21轉變為數位訊號。如此得到的數據通過數據接口 22被引入計算機處理單元23 用以產生TIFF文件。PMT1還連接到DA轉換器25，後者為PMT1提供反饋控制。 在此實施例中，USB被用來進行數據通信。如圖2所示，微陣列晶片24被放置在載物臺31的上表面，載物臺是 掃描運動平臺的一部分。通過Y軸驅動伺服電機38、掃描驅動裝置36控制載物臺 31沿Y軸方向移動。掃描驅動裝置驅使載物臺沿掃描方向作重複運動，並正確地 控制著載物臺運動的位置精度。掃描驅動裝置被置於第一滑塊37之上，而進給驅 動系統通過X軸驅動步進電機控制著第一滑塊37沿X軸運動。另外還有一 Z軸驅 動步進電機312，其控制著激發光物鏡組在Z軸方向的運動以聚焦光束。在掃描過程中，第一滑塊37沿X軸以解析度為步長移動。同時，載物 臺31沿Y軸以掃描寬度為限相對於第一滑塊37進行移動，載物臺在Y軸方向上 的位置由光柵313所控制。光柵313進行計數並控制掃描位置。當載物臺31沿掃 描方向(例如，Y軸方向)移動一段指定距離之後，Y軸驅動伺服電機38改變轉 動方向使載物臺沿Y軸向相反方向移動。與此同時，第一滑塊37向前移動一步長 (等於解析度)，從而對晶片陣列的另一行進行掃描。重複同樣的步驟直到第一滑 塊37到達指定的移動距離。晶片掃描儀的該實施例可掃描22毫米X72毫米範圍內的一個或者多 個微陣列晶片陣列。在此實施例中，兩個雷射發生器分別產生635納米和532納 米的雷射。兩雷射發生器與發射光濾鏡組聯合使用，提供6種不同通道和4種不 同解析度(分別是5微米，IO微米，20微米和40微米)。單個通道對單張晶片的 掃描約需6-8分鐘(IO微米解析度)。檢測靈敏度優於0. 1螢光分子/平方微米。如圖3所示，雷射微陣列晶片掃描儀光學系統中打孔反射鏡6的一個實施例。該反射鏡呈橢圓形，並與水平面成45度傾角。 一直徑3毫米的圓形通孔位於反射鏡中心，使激發光不受阻礙地通過。該反射鏡的一面為反射面，用以反 射發射光。在這種情況下，激發光光路與收集光路成正交，不會互相干擾對方。如圖4所示，雷射微陣列晶片掃描儀中使用的掃描運動平臺的一個實施例。載物臺31安裝在第二滑塊35上，第二滑塊35可以沿第二導軌34滑動。薄鋼帶33纏繞在帶輪32上，並連接到載物臺31上。掃描電機36驅動該薄鋼帶/ 帶輪系統，以使第二滑塊/載物臺沿第二導軌34移動。第二導軌34，帶輪32，薄 鋼帶33和掃描電機36共同組成掃描驅動裝置以移動載物臺。第二導軌34位於第一滑塊37上。載物臺31在掃描驅動裝置控制下，相對於第一滑塊37在掃描方向 上運動。第一導軌38，絲槓39，聯軸器310和步進電機311共同組成進給驅動裝置。在進給驅動裝置控制下，第一滑塊37承載著掃描驅動裝置36，沿與掃描方向成正交的方向移動。在掃描過程中，載物臺在進給和掃描兩個方向上移動，對整張微陣列晶片進行高速、高精度的掃描。如圖5所示，本發明線性驅動系統(掃描驅動裝置)包括帶輪32和薄 鋼帶33。帶輪32由掃描電機36驅動，可以順時針或者逆時針轉動。薄鋼帶33在帶輪32上纏繞一圈。薄鋼帶的區段315和區段316分別纏繞在帶輪上區段的兩端，通過螺釘317和318連接到載物臺31—端的兩角上。區段316與載物臺的連 接可以活動。在此實施例中，薄鋼帶延伸到區段316之外，其末端通過螺釘314 固定到載物臺上。薄鋼帶上位於螺釘318和314之間的部分起到預緊的作用，即帶輪上纏繞的薄金屬帶的應力可以通過調整該預緊區段加以改變。驅動裝置通過 薄鋼帶33將帶輪32的旋轉運動轉變為重複的線性運動。該系統可以實現10-20Hz 的掃描頻率(在10毫米行程情況下)。而且，它能夠實現高重複精度，從而解決 了傳統傳送帶系統相關的問題。雖然為了幫助理解和闡明問題對前述的發明通過圖示和舉例的方式在一定細節上進行了描述，但是具有該領域內平均技能和知識的專業人員可能對其做出一些顯而易見的改變。因此，發明的範圍不應受到描述和實施例的限制，而 由後面權利要求來進行描述。所有的繪圖均為示意圖。角度和尺寸不嚴格遵守比例限制。
權利要求
1、一種雷射微陣列晶片掃描儀，其特徵在於包括一光學系統，一掃描運動平臺和一數據處理系統。其中光學系統包括一打孔反射鏡，其上有一通孔和一反射面，其通孔能使激發光束通過而反射面可反射來自於微陣列晶片的發射光。
2、 如權利要求1所述的一種雷射微陣列晶片掃描儀，其特徵在於所述光學 系統還包括一激發光物鏡組，用以將激發光聚焦以通過打孔反射鏡。
3、 如權利要求1或2所述的一種雷射微陣列晶片掃描儀，其特徵在於所述光學系統還包括一入射光系統，用以產生激發光束。
4、 如權利要求3所述的一種雷射微陣列晶片掃描儀，其特徵在於所述光學系統中的入射光系統包括一第一雷射發生器， 一第二雷射發生器， 一分光鏡，一 斬光器。其中分光鏡使第一雷射發生器發出的光束通過而反射來自第二雷射發生器的光束，而斬光器一次只讓來自於其中一個雷射發生器的光束通過而阻斷另一 個雷射發生器發出的光束。
5、 如權利要求4所述的一種雷射微陣列晶片掃描儀，其特徵在於所述光學 系統的入射光系統還包括置於第一雷射發生器與分光鏡之間光路上的第一反射鏡 和置於分光鏡與打孔反射鏡之間光路上的第二反射鏡。其中由第一雷射發生器發 出的光束首先經第一反射鏡反射後再入射到分光鏡，而從分光鏡出射的光束再經 第二反射鏡反射後，再通過打孔反射鏡上的通孔。
6、 如權利要求4所述的一種雷射微陣列晶片掃描儀，其特徵在於所述光學 系統中入射光系統還包括兩個雷射發生器至少其中之一前面光路上設置的相應激 發光濾鏡。
7、 如權利要求4所述的一種雷射微陣列晶片掃描儀，其特徵在於所述光學 系統中入射光系統還包括一衰減片，位於分光鏡後面的光路上。
8、 如權利要求1所述的一種雷射微陣列晶片掃描儀，其特徵在於所述光學 系統還包括一採集系統用以收集發射光。所述採集系統包括一檢測器和一位於檢 測器和打孔反射鏡之間的發射光物鏡組。
9、 如權利要求8所述的一種雷射微陣列晶片掃描儀，其特徵在於所述檢測 器為一光電倍增管。
10、 如權利要求8所述的一種雷射微陣列晶片掃描儀，其特徵在於所述光 學系統的採集系統還包括一針孔，位於發射光物鏡組與檢測器之間的光路上。
11、 如權利要求10所述的一種雷射微陣列晶片掃描儀，其特徵在於所述光 學系統的採集系統還包括一發射光濾鏡組，位於打孔反射鏡和發射光物鏡組之間的光路上。
12、 如權利要求ll所述的一種雷射微陣列晶片掃描儀，其特徵在於所述發 射光濾鏡組包括兩片或更多激發光濾鏡用以濾過不同波長的光束。
13、 如權利要求2所述的一種雷射微陣列晶片掃描儀，其中光學系統還包括 一入射光系統，包括一第一雷射發生器， 一第一反射鏡用以反射第一雷射發生器 產生的光束， 一第二雷射發生器， 一分光鏡用以透射來自第一反射鏡的光束並反 射來自第二雷射發生器的光束， 一斬光器用以一次僅讓兩個雷射發生器之一產生 的光束通過而阻斷另一個發出的光束， 一第二反射鏡用以反射光束使之通過打孔 反射鏡上的通孔； 一採集系統，包括位於打孔反射鏡之後光路上的一發射光濾鏡 組，位於發射光濾鏡組之後光路上的一發射光物鏡組，位於發生光物鏡組之後光 路上的一針孔，以及一檢測器，用以接收依次經過打孔反射鏡反射、發射光濾鏡 組濾過、發射光物鏡組和針孔透射後的發射光束。
14、 如權利要求1-13所述的一種雷射微陣列晶片掃描儀，其特徵在於所述 掃描運動平臺包括一載物臺，其偶聯到一掃描驅動裝置，該掃描驅動裝置驅動載 物臺在掃描方向運動；該載物臺還偶聯到一進給驅動裝置，該進給驅動系統驅動 載物臺在進給方向運動。
15、 如權利要求14所述的一種雷射微陣列晶片掃描儀，其特徵在於所述掃描驅動裝置包括一帶輪和一彈性薄金屬帶，纏繞在帶輪上。薄金屬帶的兩端連接 到載物臺上以使帶輪的轉動能夠移動載物臺。
16、 一種雷射微陣列晶片掃描儀，其特徵在於包括一光學系統， 一掃描運動平臺，和一數據處理系統。其中數據處理系統包括一用於承載微陣列晶片的載 物臺。該載物臺受到一第一驅動裝置控制，該驅動裝置包括一帶輪和一纏繞於帶 輪上的彈性薄金屬帶，該薄金屬帶的兩端連接到載物臺上以使帶輪的轉動能夠帶 動載物臺的運動。
17、 如權利要求16所述的一種雷射微陣列晶片掃描儀，其特徵在於所述帶輪由低轉動慣量的伺服電機驅動。
18、 如權利要求16所述的一種雷射微陣列晶片掃描儀，其特徵在於所述掃描運動平臺還包括一第二驅動裝置，其中第一驅動裝置沿一掃描方向移動載物臺， 而第二驅動裝置沿一不同於掃描方向的進給方向移動載物臺。
19、 如權利要求18所述的一種雷射微陣列晶片掃描儀，其特徵在於所述第 二驅動裝置沿一正交於掃描方向的進給方向移動載物臺。
20、 如權利要求18所述的一種雷射微陣列晶片掃描儀，其特徵在於所述第一驅動裝置位於載物臺之下、第二驅動裝置之上。
21、 如權利要求18所述的一種雷射微陣列晶片掃描儀，其特徵在於所述第 二驅動裝置包括一絲槓，其與一步進電機相偶聯。
22、 一種雷射微陣列晶片掃描儀，其特徵在於包括一光學系統， 一掃描運 動平臺和一數據處理系統，其中掃描運動平臺包括 一基座，包括一第一導軌； 一滑塊，可在第一導軌上滑動，其上還有正交於第一導軌的第二導軌； 一進給驅 動裝置，偶聯到滑塊並沿第一導軌移動該滑塊； 一載物臺，可在第二導軌上滑動； 和一掃描驅動裝置，偶聯到載物臺並沿第二導軌移動該載物臺。
23、 如權利要求9所述的一種雷射微陣列晶片掃描儀，其特徵在於所述掃 描運動平臺的掃描驅動裝置包括一帶輪和纏繞在帶輪上的彈性薄金屬帶，薄金屬 帶的兩端連接到載物臺上以使帶輪的轉動能夠帶動載物臺的移動。
24、 如權利要求23所述的一種雷射微陣列晶片掃描儀，其特徵在於所述掃描驅動裝置由一低轉動慣量的伺服電機驅動。
25、 如權利要求23所述的雷射微陣列晶片掃描儀，其特徵在於所述掃描驅動裝置安裝在滑塊上。
26、 如權利要求23所述的一種雷射微陣列晶片掃描儀，其特徵在於所述進給驅動裝置包括一絲槓，絲槓連接到一步進電機。
27、 一種雷射微陣列晶片掃描儀，其特徵在於包括一光學系統， 一掃描運 動平臺，和一數據處理系統，其中掃描運動平臺包括 一基座，包括一第一導軌； 一滑塊，可在第一導軌上滑動，其上還有正交於第一導軌的第二導軌； 一絲槓， 連接到滑塊； 一步進電機，連接到絲槓； 一載物臺，可在第二導軌上滑動； 一掃 描驅動裝置，包括一帶輪和一纏繞在帶輪上的彈性薄金屬帶，其中薄金屬帶的兩 端連接到載物臺以使帶輪的轉動能夠帶動載物臺移動； 一伺服電機，連接到該掃 描驅動裝置。
28、 如權利要求27所述的一種雷射微陣列晶片掃描儀，其特徵在於所述掃 描驅動裝置安裝在滑塊上。
29、 如權利要求16-28所述的一種雷射微陣列晶片掃描儀，其特徵在於所 述光學系統包括一採集系統。採集系統包括一發射光濾鏡組，位於發射光濾鏡組 之後光路上的一發射光物鏡組，位於發射光物鏡組之後光路上的一針孔，和位於 針孔之後光路上的一檢測器。其中發射光依次通過發射光濾鏡組，發射光物鏡組， 針孔後到達檢測器。
全文摘要
本發明涉及一種雷射微陣列晶片掃描儀，該儀器由光學系統，掃描運動平臺和數據處理系統構成。在掃描過程中，光學系統保持固定，而放置在掃描運動平臺上的微陣列晶片相對於光學系統發生運動。該微陣列晶片掃描儀具有高速掃描，高靈敏度，高解析度和高信噪比，因此在微陣列晶片掃描中具有理想的用途。
文檔編號G01N21/64GK101203744SQ200580049795
公開日2008年6月18日 申請日期2005年6月2日 優先權日2005年6月2日
發明者葉建新, 孫燁磊, 輝 徐, 王憲華, 京 程, 黃國亮 申請人:博奧生物有限公司;清華大學