專(zhuān)利名稱(chēng)：一種光反射差法高通量監(jiān)測(cè)微陣列生物分子反應(yīng)的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微陣列生物分子反應(yīng)的監(jiān)測(cè)裝置，特別涉及一種高通量快速 無(wú)標(biāo)記監(jiān)測(cè)生物分子反應(yīng)的裝置。
背景技術(shù)：
監(jiān)測(cè)生物分子常用的方法是熒光標(biāo)記法和表面等離子共振法。熒光標(biāo)記是一 種常用的有損監(jiān)測(cè)方法，這種方法存在監(jiān)測(cè)過(guò)程復(fù)雜、能改變蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu) 并產(chǎn)生光致漂白現(xiàn)象等缺點(diǎn)；表面等離子共振是目前常用的無(wú)標(biāo)記監(jiān)測(cè)生物分子 相互作用的方法，此種方法要求生物分子微陣列要在功能性金薄膜上構(gòu)成，且對(duì) 金薄膜的厚度和均勻性要求很高。斜入射光反射差技術(shù)(Oblique-incidence reflectivity difference,以下簡(jiǎn)稱(chēng) OIRD)是一種高靈敏度的特殊的測(cè)量表面薄膜光學(xué)性質(zhì)的光學(xué)測(cè)量技術(shù)，它可以監(jiān)測(cè)到薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中相對(duì)反射率A/ /i = 1 x l(T5和覆蓋角= 0.02的變化，一直被廣泛應(yīng)用于薄膜材料的生長(zhǎng)過(guò)程的實(shí)時(shí)原位無(wú)創(chuàng)的監(jiān)測(cè)。近年來(lái)該方法也 被應(yīng)用到生物分子監(jiān)測(cè)中，如文獻(xiàn)l (Detection of biomolecular microarrays without fluorescent-labeling agents, 5328 (121) ， 2004)所介紹的，在實(shí)驗(yàn)中采用直徑為3pm的光斑照射樣品，用一個(gè)硅光電二極管接收反射光，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中光 路是固定不動(dòng)的，被測(cè)樣品做二維移動(dòng)。整個(gè)裝置包括在光路上順序設(shè)置的P偏 振的激光光源、光彈調(diào)制器、普克盒(Pockelscdl)和透鏡組成的入射光路系統(tǒng)， 由透鏡、檢偏器和光電探測(cè)器組成的出射光路部分及數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，文獻(xiàn) 中采用此裝置在沒(méi)有熒光標(biāo)記的條件下分別進(jìn)行了生物分子陣列合成反應(yīng)檢測(cè)、 微陣列的光學(xué)性質(zhì)的定量檢測(cè)和水溶液中微陣列的檢測(cè)。此種監(jiān)測(cè)裝置對(duì)于多陣 元生物分子微陣列反應(yīng)的監(jiān)測(cè)需要的時(shí)間長(zhǎng)，并且樣品的移動(dòng)給監(jiān)測(cè)結(jié)果帶來(lái)了 難以避免的系統(tǒng)噪聲
發(fā)明內(nèi)容
-本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有OIRD生物分子監(jiān)測(cè)技術(shù)的缺陷，從而提供一種無(wú) 須移動(dòng)樣品、監(jiān)測(cè)時(shí)間短、系統(tǒng)噪聲低的光反射差法高通量監(jiān)測(cè)微陣列生物分子 反應(yīng)的裝置。本發(fā)明提供的光反射差法高通量監(jiān)測(cè)微陣列生物分子反應(yīng)的裝置，包括入射 光路、樣品臺(tái)、出射光路和數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，所述入射光路包括激光器、起 偏器、光彈調(diào)制器和移相器，其中在激光器輸出光前方光路上順序設(shè)置起偏器、 光彈調(diào)制器和移相器；所述出射光路包括檢偏分析儀和光電信號(hào)轉(zhuǎn)換器，經(jīng)樣品 臺(tái)上的樣品反射后的出射光束前方順序安置所述檢偏分析儀和光電信號(hào)轉(zhuǎn)換器， 所述光電信號(hào)轉(zhuǎn)換器電連接到所述數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，其特征在于， 所述入射光路中還包括設(shè)置于移相器和樣品臺(tái)之間的擴(kuò)束裝置； 還包括一機(jī)械關(guān)節(jié)，該機(jī)械關(guān)節(jié)由兩塊垂直固定在樣品臺(tái)上的豎板，和一塊 接受入射光的鋁合金平板，與一塊用于反射出射光的鋁合金平板，所述的兩塊鋁 合金平板和兩塊豎板上丌有圓弧形固定螺孔，通過(guò)一螺栓將兩塊鋁合金平板斜向 固定在豎板上組成，所述的螺孔為四分之一圓弧狀，鋁合金板可以在0-90"之間 調(diào)解；所述入射光路設(shè)置在接受入射光的鋁合金平板上，和所述的出射光路設(shè)置在 用于反射出射光的鋁合金平板上； 所述光電信號(hào)轉(zhuǎn)換器包括硅光電二極管陣列、開(kāi)關(guān)電路、第一鎖相放大器和 第二鎖相放大器，其中所述硅光電二極管陣列輸出端分別電連接至開(kāi)關(guān)電路、第 一鎖相放大器和第二鎖相放大器的輸入端。在上述的技術(shù)方案中，所述數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)包括，BNC適配器、數(shù)據(jù) 采集卡和數(shù)據(jù)處理裝置；其中所述BNC適配器接收所述第一鎖相放大器和第二鎖相放大器輸出信號(hào)，并 對(duì)鎖相輸出的信號(hào)進(jìn)行分通道處理，將每一個(gè)鎖相放大器輸出的信號(hào)都分成振幅 信息和位相信息兩個(gè)部分；所述數(shù)據(jù)采集卡采集BNC適配器輸出的數(shù)據(jù)，并傳送給數(shù)據(jù)處理裝置；所述數(shù)據(jù)處理裝置對(duì)數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和處理。 在上述的技術(shù)方案中，所述擴(kuò)束裝置為光束展寬透鏡組，所述光束展寬透鏡
組包括準(zhǔn)直鏡筒和兩個(gè)分別設(shè)置在所述準(zhǔn)直鏡筒兩端的連續(xù)變倍擴(kuò)束鏡頭，通過(guò) 調(diào)節(jié)準(zhǔn)直鏡筒的長(zhǎng)度，可以調(diào)節(jié)出射光束橫截面的直徑。在上述的技術(shù)方案中，所述的入射光路與出射光路通過(guò)可調(diào)節(jié)光束入射角度 的機(jī)械關(guān)節(jié)連接。在上述的技術(shù)方案中，所述的激光器是波長(zhǎng)為632.8nm的線偏振He—Ne激光器。在上述的技術(shù)方案中，所述光彈調(diào)制器為調(diào)制頻率Q =50kHz。 在上述的技術(shù)方案中，所述樣品臺(tái)為帶有樣品固定機(jī)構(gòu)的具有三維手動(dòng)調(diào)節(jié) 的不銹鋼平臺(tái)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)(1) 本發(fā)明采用硅光電二極管陣列作為反射光的接收元件，當(dāng)入射激光束 經(jīng)過(guò)一系列光學(xué)系統(tǒng)后以寬光束入射到微陣列樣品上，反射光經(jīng)檢偏分析儀后被 硅光電二極管陣列接收，當(dāng)入射角度一定時(shí)，不用二維移動(dòng)樣品臺(tái)，只采用硅光 電二極管陣列就可以將生物樣品表面反射的光全部接收，這樣不僅減少了移動(dòng)樣 品帶來(lái)的噪聲，而且大大提高信噪比；(2) 采用寬光束入射和硅光電二極管陣列接收反射光，使得本發(fā)明的裝置 可以同時(shí)對(duì)微陣列的多個(gè)陣元的多種反應(yīng)進(jìn)行無(wú)標(biāo)記、快速高通量監(jiān)測(cè)，大大提 高了監(jiān)測(cè)效率；(3) 本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作，能夠高通量快速實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子 反應(yīng)的監(jiān)測(cè)，不需要任何標(biāo)記試劑，工作效率高；(4) 本發(fā)明所用的器件都能在市場(chǎng)上買(mǎi)到，容易實(shí)現(xiàn)；(5) 另外，本發(fā)明的入射光路系統(tǒng)和出射光路系統(tǒng)采用機(jī)械關(guān)節(jié)連接，使得光束的入射角度可以在0-90"之間隨意調(diào)整。


圖1本發(fā)明光反射差法高通量監(jiān)測(cè)微陣列生物分子反應(yīng)的裝置組成示意圖。 附圖標(biāo)記l一激光器；2-起偏器； 3 —光彈調(diào)制器；4一移相器；5 —擴(kuò)束裝置；6 —樣品臺(tái)； 7 —檢偏分析儀；8 —開(kāi)關(guān)電路； 9一硅光電二極管； IO —第一鎖相放大器；ll一第二鎖相放大器；12 —數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例來(lái)對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的解釋和說(shuō)明。 實(shí)施例1參考圖1，制作一光反射差法高通量監(jiān)測(cè)微陣列生物分子反應(yīng)的裝置。該裝置由入射光路、樣品臺(tái)6、出射光路和數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)組成，其中 入射光路包括在激光器1輸出光前方光路上順序設(shè)置起偏器2、光彈調(diào)制器3、 移相器4和擴(kuò)束裝置5;所述出射光路由檢偏分析儀7和光電信號(hào)轉(zhuǎn)換器9，從 入射光路發(fā)出的入射光束經(jīng)樣品臺(tái)6上的樣品反射后順序經(jīng)過(guò)所述檢偏分析儀7 和光電信號(hào)轉(zhuǎn)換器，所述光電信號(hào)轉(zhuǎn)換器電連接到所述數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)12。 所述光電信號(hào)轉(zhuǎn)換器由硅光電二極管陣列9、開(kāi)關(guān)電路、第一鎖相放大器10和 第二鎖相放大器11組成，其中硅光電二極管陣列9輸出端分別電連接至開(kāi)關(guān)電 路、第一鎖相放大器IO和第二鎖相放大器11的輸入端。本實(shí)施例的裝置中還采用機(jī)械關(guān)節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)入射和出射光，該機(jī)械關(guān)節(jié)由兩塊 垂直固定在樣品臺(tái)上的豎板，和一塊接受入射光的鋁合金平板，與一塊用于反射 出射光的鋁合金平板，所述的兩塊鋁合金平板和兩塊豎板上開(kāi)有圓弧形固定螺 孔，通過(guò)一螺栓將兩塊鋁合金平板斜向固定在豎板上組成，所述的螺孔為四分之 一圓弧狀，鋁合金板可以在0-90"之間調(diào)解，這樣的調(diào)解實(shí)現(xiàn)對(duì)入射和出射光的 調(diào)節(jié)了。上述的入射光路設(shè)置在接受入射光的鋁合金平板上，和上述的出射光路 設(shè)置在用于反射出射光的鋁合金平板上。本實(shí)施例的裝置中采用的是功率為4mW，波長(zhǎng)為632. 8nm的He-Ne激光器作 為光源，其出光孔徑為3mm，從激光器1出射的激光束經(jīng)由起偏器(New Focus 5524) 2校正偏振方向后變成偏振方向平行于入射面的p偏振光；而后再經(jīng)過(guò)光 彈調(diào)制器(Hinds Instrument PEM9(T) 3產(chǎn)生p和s偏振態(tài)間的周期性調(diào)制， 調(diào)制頻率為50KHz;從光彈調(diào)制器3出射的偏振調(diào)制光經(jīng)由一直徑為25.4mm的 石英多級(jí)半波片構(gòu)成的移相器4引進(jìn)p和s偏振態(tài)間的可調(diào)節(jié)位相補(bǔ)償；然后由 作為擴(kuò)束裝置5的光束展寬透鏡組將激光光束展寬后入射到樣品臺(tái)6上，所述光 束展寬透鏡組由準(zhǔn)直鏡筒和兩個(gè)分別設(shè)置在所述準(zhǔn)直鏡筒兩端的連續(xù)變倍擴(kuò)束
鏡頭組成，所述準(zhǔn)直鏡筒的長(zhǎng)度可調(diào)，其總長(zhǎng)度最大為134mm，光束展寬透鏡組 的適用波長(zhǎng)范圍450-680nm、擴(kuò)束比為5X-6X、入射光斑和出射光斑直徑分別為 4mm和24ram;所述樣品臺(tái)6采用市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)的不銹鋼臺(tái)面、可以實(shí)現(xiàn)三維手動(dòng)調(diào) 節(jié)的平臺(tái)，調(diào)節(jié)精度為0.01咖，三維行程為50mm;樣品表面反射的反射光經(jīng)檢偏分析儀7 (CVI Laser CPAD-10. 0-425-675)調(diào)節(jié)后由硅光電二極管陣列9接收；第一鎖相放大器10和第二鎖相放大器11(Stanford Research Systems SR830 DSP)分別電連接到硅光電二極管陣列9， 所述的硅光二極管陣列9由感光面積為L(zhǎng)0mm2的方形高速感應(yīng)硅光二極管(BPX-65)組成30X30 二維陣列。由于硅光電二極管陣列9有若干個(gè)硅光電二 極管，為了使每一個(gè)硅光電二極管接收到的光信號(hào)都能用第一鎖相放大器10和 第二鎖相放大器11進(jìn)行分析，在硅光電二極管陣列9上電連接一開(kāi)關(guān)電路，本 實(shí)施例中的開(kāi)關(guān)電路為繼電器切換電路8，使每一個(gè)硅光電二極管接受的光信號(hào) 轉(zhuǎn)化成電信號(hào)后的一級(jí)諧頻和二級(jí)諧頻可以依次被數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)讀取；本裝置中的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)12采用計(jì)算機(jī),該機(jī)算計(jì)配置有數(shù)據(jù)采集 卡(PCI-6220)、 BNC適配器(BNC-2110)和LabVIEW編寫(xiě)的采集程序，第一鎖 相放大器IO和第二鎖相放大器11輸出的電信號(hào)首先經(jīng)由BNC適配器進(jìn)行分通道 處理，每一個(gè)鎖相放大器輸出的信號(hào)都被分成振幅信息和位相信息兩個(gè)部分，然 后將每個(gè)鎖相放大器的振幅信息和位相信息分別送入數(shù)據(jù)采集卡采集，最后把采 集到的數(shù)據(jù)傳送給采用LabView編寫(xiě)的數(shù)據(jù)處理程序進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和處理。采用本發(fā)明的裝置在監(jiān)測(cè)精度為2um時(shí)，可以在2分鐘之內(nèi)完成一次對(duì) 20x20到200x200生物芯片陣列的生物樣品的監(jiān)測(cè)，其中陣元的直徑為lOOum， 間距為lOOum，并且監(jiān)測(cè)靈敏度達(dá)到2xlO—Vad。 實(shí)施例2本實(shí)施例中，移相器4采用型號(hào)為Cleveland Crystal IMPACT10的普克盒， 其他與實(shí)施例1相同，本實(shí)施例的裝置靈敏度相比實(shí)施例1能提高1個(gè)數(shù)量級(jí)。 實(shí)施例3本實(shí)施例中釆用開(kāi)關(guān)電路8代替繼電器切換電路，其它與實(shí)施例l相同，該 裝置監(jiān)測(cè)同樣的生物芯片樣品所用的時(shí)間相比實(shí)施例1能縮短0. 5分鐘。
權(quán)利要求
1.一種光反射差法高通量監(jiān)測(cè)微陣列生物分子反應(yīng)的裝置，包括入射光路、樣品臺(tái)、出射光路和數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，所述入射光路包括激光器、起偏器、光彈調(diào)制器和移相器，其中在激光器輸出光前方光路上順序設(shè)置起偏器、光彈調(diào)制器和移相器；所述出射光路包括檢偏分析儀和光電信號(hào)轉(zhuǎn)換器，經(jīng)樣品臺(tái)上的樣品反射后的出射光束前方順序安置所述檢偏分析儀和光電信號(hào)轉(zhuǎn)換器，所述光電信號(hào)轉(zhuǎn)換器電連接到所述數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，其特征在于，所述入射光路中還包括設(shè)置于移相器和樣品臺(tái)之間的擴(kuò)束裝置；還包括一機(jī)械關(guān)節(jié)，該機(jī)械關(guān)節(jié)由兩塊垂直固定在樣品臺(tái)上的豎板，和一塊接受入射光的鋁合金平板，與一塊用于反射出射光的鋁合金平板，所述的兩塊鋁合金平板和兩塊豎板上開(kāi)有圓弧形固定螺孔，通過(guò)一螺栓將兩塊鋁合金平板斜向固定在豎板上組成，所述的螺孔為四分之一圓弧狀，鋁合金板可以在0-90°之間調(diào)解；所述入射光路設(shè)置在接受入射光的鋁合金平板上，和所述的出射光路設(shè)置在用于反射出射光的鋁合金平板上；所述光電信號(hào)轉(zhuǎn)換器包括硅光電二極管陣列、開(kāi)關(guān)電路、第一鎖相放大器和第二鎖相放大器，其中所述硅光電二極管陣列輸出端分別電連接至開(kāi)關(guān)電路、第一鎖相放大器和第二鎖相放大器的輸入端。
2. 按權(quán)利要求1所述的光反射差法高通量監(jiān)測(cè)微陣列生物分子反應(yīng)的裝置, 其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)包括，BNC適配器、數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)據(jù) 處理裝置；其中，所述BNC適配器接收所述第一鎖相放大器和第二鎖相放大器輸出信號(hào)，并 對(duì)鎖相輸出的信號(hào)進(jìn)行分通道處理，將每一個(gè)鎖相放大器輸出的信號(hào)都分成振幅 信息和位相信息兩個(gè)部分；所述數(shù)據(jù)采集卡采集BNC適配器輸出的數(shù)據(jù)，并傳送給數(shù)據(jù)處理裝置；所述數(shù)據(jù)處理裝置對(duì)數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和處理。
3. 按權(quán)利要求1所述的光反射差法高通量監(jiān)測(cè)微陣列生物分子反應(yīng)的裝置， 其特征在于，所述擴(kuò)束裝置為光束展寬透鏡組，所述光束展寬透鏡組包括準(zhǔn)直鏡 筒和兩個(gè)分別設(shè)置在所述準(zhǔn)直鏡筒兩端的連續(xù)變倍擴(kuò)束鏡頭，通過(guò)調(diào)節(jié)準(zhǔn)直鏡筒 的長(zhǎng)度，可以調(diào)節(jié)出射光束橫截面的直徑。
4. 按權(quán)利要求1所述的光反射差法高通量監(jiān)測(cè)微陣列生物分子反應(yīng)的裝 置，其特征在于，所述樣品臺(tái)為帶有樣品固定機(jī)構(gòu)的具有三維手動(dòng)調(diào)節(jié)的不銹鋼 平臺(tái)。
5. 按權(quán)利要求1所述的光反射差法高通量監(jiān)測(cè)微陣列生物分子反應(yīng)的裝 置，其特征在于，所述的激光器是波長(zhǎng)為632.8nm的線偏振He—Ne激光器。
6. 按權(quán)利要求1所述的光反射差法高通量監(jiān)測(cè)微陣列生物分子反應(yīng)的裝 置，其特征在于，所述光彈調(diào)制器為調(diào)制頻率Q-50kHz。
7. 按權(quán)利要求1所述的光反射差法高通量監(jiān)測(cè)微陣列生物分子反應(yīng)的裝置， 其特征在于，所述的開(kāi)關(guān)電路為繼電器切換電路或脈沖開(kāi)關(guān)電路。
全文摘要
本發(fā)明提供一種光反射差法高通量監(jiān)測(cè)微陣列生物分子反應(yīng)的裝置，包括入射光路、樣品臺(tái)、出射光路和數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，入射光路包括激光器、起偏器、光彈調(diào)制器和移相器；出射光路包括檢偏分析儀和光電信號(hào)轉(zhuǎn)換器，入射光路還包括設(shè)置于移相器和樣品臺(tái)之間的擴(kuò)束裝置；光電信號(hào)轉(zhuǎn)換器包括硅光電二極管陣列、脈沖開(kāi)關(guān)電路、第一鎖相放大器和第二鎖相放大器，其中所述硅光電二極管陣列輸出端分別電連接至脈沖開(kāi)關(guān)電路、第一鎖相放大器和第二鎖相放大器的輸入端，本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作，不僅減少了移動(dòng)樣品帶來(lái)的噪聲，而且大大提高信噪比，可以同時(shí)對(duì)微陣列的多個(gè)陣元的多種反應(yīng)進(jìn)行無(wú)標(biāo)記、快速高通量監(jiān)測(cè)，大大提高了監(jiān)測(cè)效率。
文檔編號(hào)G01N33/50GK101153869SQ20061011357
公開(kāi)日2008年4月2日 申請(qǐng)日期2006年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月30日
發(fā)明者呂惠賓, 周岳亮, 孫志輝, 寧廷銀, 張洪艷, 曹玲柱, 楊國(guó)楨, 旭 王, 金奎娟, 珩 陸 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所