專利名稱：多光譜成像基因芯片掃描儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種關(guān)于多光譜成像基因芯片掃描儀，特別是涉及一種采用激光推掃式多光譜成像的基因芯片掃描儀。它主要用于對熒光標(biāo)記的基因生物芯片雜交后的檢測。一般認(rèn)為，通過生物芯片的掃描檢測，包括應(yīng)用相應(yīng)的軟件對所獲信號進(jìn)行比較和分析，可使人們以基因芯片的高通量、簡便、縮微、多參數(shù)、集約化、平行化等優(yōu)點(diǎn)，在生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)研究、疾病診斷、新藥開發(fā)、農(nóng)業(yè)、食品和環(huán)保等眾多的領(lǐng)域中開辟廣闊的應(yīng)用前景。
背景技術(shù)：
對于用熒光標(biāo)記的生物基因芯片，雜交后的檢測需要用專門的基因掃描儀。目前專用的基因芯片掃描儀大致分為兩類一類是用激光激發(fā)，基于以光電倍增管(PMT-photomultiplier tube)做探測元件的基因芯片檢測系統(tǒng)(參見在先技術(shù)[1]，Life Sciences & Microarraybiochip System，1999，http//www.scanarray.com.)。另一類是用高亮度連續(xù)光源加濾光片照明激發(fā)，基于以電荷耦合器件(CCD-charge-coupled devices)做探測元件的基因檢測系統(tǒng)(參見在先技術(shù)[2]，Image Processing Europe May/June2001 p20-24，www.imageprocess.com)。這兩種不同系統(tǒng)的背景技術(shù)簡述如下以PMT為探測元件的激光基因芯片掃描儀，如圖1所示，檢測基因芯片時(shí)用一束確定波長的激光束1經(jīng)由透鏡組(2、4)合成的擴(kuò)束系統(tǒng)準(zhǔn)直，經(jīng)過二色鏡3反射，由物鏡14聚焦，再去激發(fā)放在使用步進(jìn)馬達(dá)的機(jī)械掃描器13上用熒光標(biāo)記過的生物芯片15。熒光材料被激發(fā)后產(chǎn)生的熒光經(jīng)過物鏡14收集，按圖1所示光路，經(jīng)二色鏡3后由反射鏡5反射，通過窄帶濾光片6濾光，再由透鏡7聚焦，經(jīng)過光闌8濾去雜散光送到光電倍增管9。光電倍增管將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，轉(zhuǎn)換后的電信號經(jīng)過信號放大器10，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換11將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送到計(jì)算機(jī)12。計(jì)算機(jī)將送至的數(shù)據(jù)經(jīng)過專門的數(shù)據(jù)處理軟件處理、分析，可以得出包括圖像在內(nèi)的被測芯片的各種信息。由于它使用固定波長的單束激光聚焦來掃描激發(fā)樣品，因此需要激光束或者目標(biāo)芯片運(yùn)動(dòng)，使激光掃到整個(gè)芯片樣品。為了保證成像清晰和激光聚焦準(zhǔn)確，物鏡14需有自動(dòng)調(diào)焦控制器16。以PMT為探測元件的激光基因芯片掃描儀，每次檢測基因芯片需要耗費(fèi)較長的時(shí)間，因此對激光器有特殊的要求。要求激光器的輸出具有很高的光束質(zhì)量、長期的穩(wěn)定性和極低的噪聲。其特點(diǎn)是掃描圖像具有很高的分辨率。
以CCD為探測元件的基因芯片掃描儀，一般具有中等分辨率，它以CCD為探測元件；采用高功率氙燈作高亮度連續(xù)激發(fā)光源；通過變換濾光片來改變激發(fā)波長；為了激發(fā)照明基因芯片均勻，常需采用均束器；成像物鏡則將基因芯片成像在CCD像元上。這種基因芯片掃描儀一次可得較大面積的成像區(qū)域。但是，目前性能最優(yōu)的CCD數(shù)字相機(jī)的成像面積只有16×12mm(像素為10×10μm)，如要對整個(gè)芯片面積為22×73mm成像的話，則需要采用昂貴的大尺寸面陣CCD。或?qū)?shù)個(gè)CCD元件拼接，或運(yùn)動(dòng)芯片將所得的圖像拼接。當(dāng)然，也可以縮小圖像，則要以降低芯片掃描分辨率和精度為代價(jià)。它的體積、功耗都比較大。
另外，上述在先技術(shù)[1]和[2]以PMT和CCD為探測元件的這兩種基因芯片掃描儀還有一些共同的缺點(diǎn)如被檢測的對象或激發(fā)激光束要做XY兩個(gè)方向的平移運(yùn)動(dòng)才可以完成檢測任務(wù)，因此芯片掃描儀要有多維的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；所得的圖像都需要計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理后拼接，而且對運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)精度及運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的定位精度要求都很高，控制運(yùn)動(dòng)的過程也變得較復(fù)雜；整個(gè)芯片掃描需要花費(fèi)較長的時(shí)間，因而效率較低；整機(jī)的成本比較貴等。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述兩種在先技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了如圖2所示的生物基因芯片掃描儀。本發(fā)明利用照相光學(xué)系統(tǒng)21代替?zhèn)鹘y(tǒng)的顯微物鏡；使用經(jīng)合束的多波長激光束(或單波長、單一激光束)聚焦、整形后成線狀照明光束來掃描激發(fā)樣品；以面陣(或線陣)CCD探測器26加色散元件24和步進(jìn)電機(jī)相結(jié)合的推掃掃描方式來實(shí)現(xiàn)提高分辨率、測量范圍和多光譜同時(shí)成像。檢測芯片時(shí)，只需使被測芯片15沿著X方向一維移動(dòng)，可簡化運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
本發(fā)明的多光譜成像基因芯片掃描儀的具體結(jié)構(gòu)包括有激光光源1，由激光光源1發(fā)射的激光束經(jīng)過雙色反射鏡5后經(jīng)過合束器17(對于單波長的激光束不需要合束)再經(jīng)過球面透鏡18，經(jīng)過線形整形器19整成線狀光束透過帶狹縫反射鏡20的透光狹縫呈現(xiàn)在移動(dòng)平臺(tái)28上的被測芯片15上的是一條線光束。由被測芯片15上反饋的光信號經(jīng)過帶狹縫反射鏡20的反射，再經(jīng)過照相光學(xué)系統(tǒng)21成像在狹逢光欄22上。再依次經(jīng)過第一成像透鏡23，色散元件24和第二成像透鏡25至探測器26上。當(dāng)激光光源1發(fā)射為單色波長的激光束時(shí)，探測器26可以直接置放照相光學(xué)系統(tǒng)21的像面處。探測器26將光信號變成電信號經(jīng)過控制數(shù)據(jù)采集器27后，輸入計(jì)算機(jī)12內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析等。
所說的探測器26是面陣或者是線陣的電荷耦合器，簡稱為CCD探測器。
所說的照相光學(xué)系統(tǒng)21是一成像物鏡，或者是照相機(jī)鏡頭。
所說的線形整形器19是使光束截面為圓形的激光束變換成一條直線狀的光束截面的光學(xué)元件，是一棱鏡，或者是棱鏡與非球面柱透鏡的組合。
所說的色散元件24是色散棱鏡，或者是棱鏡與透射式光柵的組合。
在圖2中，由激光光源1發(fā)射的多波長激光束經(jīng)合束器17合成一束(如使用的激光光源1是發(fā)射單一激光束則可省去該合束器17)，經(jīng)一消色差球面透鏡18，再經(jīng)過激光束線形整形器19，該激光束聚成一條細(xì)線，通過中間有一透光狹縫的帶狹縫反射鏡20照明被測芯片15上。應(yīng)調(diào)整照明激光細(xì)線方向，使其與被測芯片15上的熒光材料受激光激發(fā)后產(chǎn)生的熒光即反饋光信號在CCD探測器上成像位置和像元方向一致。熒光材料受激光激發(fā)后產(chǎn)生的熒光經(jīng)過照相光學(xué)系統(tǒng)25在狹縫光欄22處成一實(shí)像(如使用單波長、單一激光束激發(fā)，則在狹縫光欄22處放CCD探測器26并是照相光學(xué)系統(tǒng)21的成像面上)，并再經(jīng)過第一成像透鏡23、色散元件24和第二成像透鏡25在CCD探測器26上成像，如圖2所示，照相光學(xué)系統(tǒng)21的光譜成像方向與狹縫光欄22和色散元件的色散方向一致，27是CCD探測器26的同步、掃描和冷卻控制數(shù)據(jù)采集器，CCD探測器接收到的光電信號經(jīng)由27傳送到計(jì)算機(jī)12中，計(jì)算機(jī)12將送至的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理、分析，可以得出包括圖像在內(nèi)的被檢測芯片的各種信息。
與在先技術(shù)相比，本發(fā)明的掃描儀有線形整形器19和帶狹縫反射鏡20，將激發(fā)的激光束整形為一條線狀光束，激發(fā)被測芯片15時(shí)，只需一維方向的推動(dòng)其移動(dòng)平臺(tái)28就可以，不僅簡化了掃描方向，同時(shí)也節(jié)約了檢測時(shí)間。反饋的光信號經(jīng)過照相光學(xué)系統(tǒng)21的成像以及第一成像透鏡23、色散元件24和第二成像透鏡25的成像，提高了檢測的分辨率和精度。并可以應(yīng)用于多光譜的測量。


圖1為在先技術(shù)[1]以光電倍增管(PMT)為探測元件的基因芯片掃描儀檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的多光譜成像的基因芯片掃描儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖2所示的一種生物基因芯片掃描儀的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明中照相光學(xué)系統(tǒng)21為一照相機(jī)鏡頭，f85mm，F(xiàn)2，朱比特牌號，其最佳像面位置的有效視場大于線陣的CCD接收面尺寸。其中激光光源1使用雙波長激光激發(fā)一種是激光光源102波長是650nm的半導(dǎo)體激光，可激發(fā)Cy5熒光染料；另一種是激光光源101是半導(dǎo)體泵浦摻釹釔鋁石榴石晶體(NdYAG)激光倍頻輸出的532nm波長，可激發(fā)Cy3熒光染料。這兩束激光可由雙色反射鏡5(對532nm波長45度入射全反射，對650nm波長45度入射全透過)的反射和透過再經(jīng)合束器17合束后，經(jīng)過消色差球面透鏡18，再經(jīng)過一個(gè)由棱鏡與非球面柱透鏡組合的線形整形器19聚焦后成線狀照明光束透過中間有一透光狹縫的帶狹縫反射鏡20照明被測的芯片15，推動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)28來掃描激發(fā)被測芯片15的樣品；樣品經(jīng)激發(fā)產(chǎn)生的熒光通過第一成像透鏡23，用等邊三角形色散棱鏡作為的色散元件24和第二成像透鏡25在CCD探測器26上成像。檢測生物芯片15時(shí)，步進(jìn)電機(jī)使移動(dòng)平臺(tái)上的被測生物芯片15沿著X方向移動(dòng)就可以了。簡化了在先技術(shù)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。這種推掃式掃描方式保證了生物芯片掃描儀可同時(shí)實(shí)現(xiàn)提高分辨率、保證測量范圍和多光譜成像。多波長的多個(gè)激光束經(jīng)合束器合成一束，經(jīng)過線形光束整形器19再將該激光束聚成一細(xì)線照明被測的芯片15上。應(yīng)該使細(xì)線方向與熒光材料受激光激發(fā)后產(chǎn)生的熒光信號經(jīng)過照相光學(xué)系統(tǒng)21在狹縫光欄22處成一實(shí)像，并經(jīng)過第一成像透鏡23、色散元件24和第二成像透鏡25在CCD探測器26上成像，如圖2所示，CCD探測器26上的象元排列方向與光譜成像方向與色散元件的色散方向一致。數(shù)據(jù)控制采集器27是CCD探測元件的同步、掃描和冷卻控制及數(shù)據(jù)采集，CCD探測器接收到的光信號經(jīng)由27傳送到計(jì)算機(jī)12中，計(jì)算機(jī)將送至的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理、分析，可以得出包括圖像在內(nèi)的被測生物芯片15的各種信息。
作為特例，如只需使用單波長、單一激光束激發(fā)，則可省去合束器，在狹縫光欄22處放一線陣CCD探測器，該處是照像光學(xué)系統(tǒng)20的成像面，是CCD探測器的接收面。這樣可以大大降低儀器制造成本，有利于推廣應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種多光譜成像基因芯片掃描儀。包括<1>有激光光源(1)，由激光光源(1)發(fā)射的激光束經(jīng)過雙色反射鏡(5)后再經(jīng)過球面透鏡(18)將激光束聚焦在置放在移動(dòng)平臺(tái)(28)上的被測芯片(15)上；<2>由探測器(26)接收的光信號轉(zhuǎn)換成電信號經(jīng)過控制數(shù)據(jù)采集器(27)后輸入計(jì)算機(jī)(12)內(nèi)處理；其特征在于<3>激光束經(jīng)過球面透鏡(18)后再經(jīng)過線形整形器(19)和帶狹逢反射鏡(20)后呈現(xiàn)在被測芯片(15)上的是一條線光束；<4>由被測芯片(15)上反饋的光信號經(jīng)過帶狹縫反射鏡(20)的反射，再經(jīng)過照相光學(xué)系統(tǒng)(21)成像在狹縫光欄(22)上至像元方向與成像和狹縫光欄(22)方向一致的探測器(26)上；<5>在雙色反射鏡(5)與球面透鏡(18)之間置有合束器(17)，在狹縫光欄(22)與探測器(26)之間沿光束前進(jìn)方向依次置有第一成像透鏡(23)，色散元件(24)和第二成像透鏡(25)。
全文摘要
一種多光譜成像基因芯片掃描儀,主要用于對熒光標(biāo)記的基因生物芯片雜交后的檢測。包括激光束經(jīng)過線形整形器整形后,透過帶狹縫反射鏡呈現(xiàn)在被測芯片上是一條線狀激光束。由被測芯片反饋的光信號經(jīng)過帶狹縫反射鏡的反射后經(jīng)過照相光學(xué)系統(tǒng)成像在狹縫光欄處。當(dāng)用多波長的激光束激發(fā)時(shí),從狹縫光欄之后再經(jīng)過第一成像透鏡、色散元件和第二成像透鏡后射到面陣或線陣的電荷耦合器的探測器上。與在先技術(shù)相比,本發(fā)明不僅簡化了掃描方向,節(jié)約了檢測時(shí)間,同時(shí)提高了檢測的分辨率和精度。
文檔編號G01J3/06GK1375691SQ0211114
公開日2002年10月23日 申請日期2002年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月22日
發(fā)明者胡企銓, 王文奎, 劉敏 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所