專利名稱：全反射式激光誘導熒光共聚焦掃描裝置的制作方法
技術領域：
全反射式激光誘導熒光共聚焦掃描裝置，屬于生物芯片檢測技術領域。
背景技術：
生物芯片作為一種新興高科技產品正在被廣泛應用于生命科學、醫學研 究和應用，生物芯片的概念源自于計算機芯片。狹義的生物芯片是指包被在
固相載體如硅片、玻璃、塑料和尼龍膜等上的高密度DNA、蛋白質、細胞等生 物活性物質的微陣列，主要包括cDNA微陣列、寡核苷酸微陣列和蛋白質微陣 列。這些微陣列是由生物活性物質以點陣的形式有序地固定在固相載體上形 成的。在一定的條件下進行生化反應，反應結果用化學熒光法、酶標法、同 位素法顯示，再用掃描儀等光學儀器進行數據采集，最后通過專門的計算機 軟件進行數據分析。對于廣義生物芯片而言，除了上述被動式微陣列芯片之 外，還包括利用光刻技術和微加工技術在固體基片表面構建微流體分析單元 和系統以實現對生物分子進行快速、大信息量并行處理和分析的微型固體薄 型器件。包括核酸擴增芯片、陣列毛細管電泳芯片、主動式電磁生物芯片等。
生物芯片檢測方面主要的技術手段有共聚焦掃描法和基于CCD (Charge-coupled device)的檢測法。由于共聚焦掃描法具有靈敏度高的特 點，大多數的微陣列生物芯片掃描儀采用的都是共聚焦掃描原理的。
經典的基于激光共聚焦掃描的生物芯片檢測裝置一般利用半反半透鏡對 入射的激光和誘導出來的熒光進行分光，如圖1所示。激光器1發出的激光 經過第一透鏡2和第一針孔3后成為點光源，經過第二透鏡4準直，準直光 經過一個半反半透鏡6后，再經過第三透鏡8匯聚到其后焦面生物芯片10上 激發出熒光，熒光經過第三透鏡8收集準直后，投射到半反半透鏡6上被反 射到第四透鏡12上，第四透鏡12將反射其上的熒光匯聚到第四透鏡12的后 焦點，該焦點上放置一個針孔13，緊臨針孔放置一個光電探測器14，光電探 測器將接收的熒光信號轉化為數字化電信號后送入計算機15。為了得到信噪 比高的熒光信號，必須調焦，經典的調焦是利用成像目鏡觀察光斑的是否清晰成像，手動調焦。
上述裝置中利用半反半透鏡將激光和激光誘導出來的熒光進行分光，入
射的激光和誘導出的熒光利用效率不高，入射的激光在分光時有50%的能量 損失，同時透鏡收集到的熒光經過半反半透鏡是有50%的能量損失。如果是 多路不同波長的激光，誘導不同波長的熒光，熒光收集和利用效率將更低； 同時光源的針孔和探測器的針孔嚴格保持共聚焦關系，掃描過程中的調焦控 制非常困難。
實用新型內容
本實用新型的目的在于提供一種生物芯片檢測裝置，目的之一就是改進 光學系統，利用一個微小的全反射鏡將光源引入，提高入射激光的利用效率; 并且同時由于該微小的全反射鏡在收集熒光光路中反射掉的熒光與經典半反 半透鏡反射掉的熒光50%相比較少，提高了熒光采集效率。目的之二為共聚 焦而提出的改變，控制掃描時生物芯片在焦平面及其上下焦深范圍，通過掃 描生物芯片之前沿著生物芯片的矩形兩個對角線預掃描，調節鏡頭的位置使 整個生物芯片的有效部分在預掃描過程中落在鏡頭的焦平面及其上下焦深范 圍內。
本實用新型采取了如下技術方案。全反射式激光誘導熒光共聚焦掃描裝 置，依次包括激光器、第一透鏡、第一針孔、第二透鏡、第三透鏡、生物芯 片、第四透鏡、第二針孔、光電探測器、計算機和設置在第三透鏡和第四透 鏡之間的全反射鏡。全反射鏡的直徑L小于0. 5D，其中D為第三透鏡的直徑。
在生物芯片的一側依次放置反射鏡和基于四象限光電探測器的探測系 統，該基于四象限光電探測器的探測系統包括透鏡、柱面鏡、四象限光電探 測器，四象限光電探測器與計算機相連；
第三透鏡與調焦裝置相連，調焦裝置包括驅動電機和與驅動電機相連的 機械傳動裝置，調焦裝置與計算機相連。
上述基于全反射式激光誘導熒光共聚焦掃描裝置的掃描生物芯片的方 法，包括以下步驟
1)打開激光器預熱；2) 激光器發出的激光經過由第一透鏡、第一針孔、第二透鏡組成的擴束 系統擴束成直徑為L的光束，光束照射到直徑L的全反射鏡上，經過反射鏡 的反射到第三透鏡上，第三透鏡將激光匯聚到后焦面處的生物芯片上，匯聚 到生物芯片上的部分激光透過生物芯片，經過反射鏡的反射，被基于四象限 光電探測器的探測系統得到，進入計算機進行調焦，保證掃描過程中生物芯 片始終在第三透鏡焦點以及焦深范圍內，因此必須利用調焦裝置對生物芯片
調焦，調焦過程為部分垂直入射的激光從生物芯片透射，經過調焦光學系
統，即透鏡和柱面鏡后，成像于四象限光電探測器，適當選擇透鏡和柱面鏡 的參數，可以得到一定的調焦范圍和一定的調焦精度。四象限光電探測器接 受的光信號轉化為電信號，經過濾波與放大處理，傳輸到計算機里，經過計 算產生差動信號與預先設定值比較，產生驅動信號驅動電機由電機帶動與驅 動電機相連的機械傳動裝置運動，第三透鏡與機械傳動裝置一起沿著光軸線 方向上下平動，直到物鏡到達要求的目標焦平面位置。對生物芯片對角線掃 描，逐點調焦，使得整個生物芯片在第三透鏡的焦深范圍。
3) 聚焦到生物芯片上的另一部分激光誘導生物芯片上的生物樣品上某一 斑點發出熒光，發出的熒光的一部分經過第三透鏡，變成準直光(其中部分 投射到全反射鏡上被反射損失了)，傳播到的第四透鏡上，會聚到第四透鏡的 后焦平面的第二針孔上(第一針孔與第二針孔成或者近似成共聚焦關系)，光
電探測器接收熒光，將該點的熒光信號轉化電信號，數字化進入計算機；
4) 移動生物芯片，使第三透鏡匯聚的激光斑點逐點二維掃描整個生物芯片。
本實用新型的優點在于
1.采用一個微小的全反射鏡引入激光光源，全部激光能量可以照射到生 物芯片上，提高了入射光的效率；并且在收集熒光時，第三透鏡的數值孔徑 較大，而全反射鏡反射掉的熒光較少，相對于經典的半反半透鏡的分光方式， 提高熒光采集效率，同時由于微小全反射鏡便宜而降低成本。具體計算如下 假設第三透鏡直徑為D、焦距為f ，其數值孔徑為nsine較大；全反射鏡反射 掉的熒光換算到數值孔徑為nsino較小，其中wsinP = w , " =~^=" 在空氣中"=1 >2+4/2 V"2+4/2
w sin = w ,〖—=,丄— 在空氣中w = 1
Vd2+4/2 一+4/2
第三透鏡數值孔徑一般較大，大于0.7，在經典應用中半反半透鏡損失50% 第三透鏡數收集到的熒光；本實用新型微小全反射鏡的直徑L小于0.5D，全 反射鏡反射損失小于50%第三透鏡數收集到的熒光，因此提高了熒光的利用
改率<
2.利用計算機控制，使光源的針孔和探測器的針孔保持近似共聚焦關系, 只需要掃描前調焦一次，調焦控制簡單方便。
圖1經典的單路入射光的共聚焦掃描生物芯片檢測裝置的結構示意圖 圖2為本實用新型的共聚焦掃描生物芯片檢測裝置的示意圖 圖3為本實用新型的實施例中的生物芯片示意圖 圖4本實用新型的實施例掃描方式具體實施方式
以下結合附圖，詳細對本實用新型進行說明。
激光器1發出的激光經過由第一透鏡2、第一針孔3、第二透鏡4組成的 擴束系統擴束成直徑為L的光束5，光束5照射到直徑為L的全反射鏡7上， 經過全反射鏡7的反射到第三透鏡8上，第三透鏡8將激光匯聚到后焦面處 的生物芯片10上。全反射鏡7的直徑L小于0.5D，其中D為第三透鏡8的直徑。
一部分激光匯聚到生物芯片10上并且透過生物芯片，經過反射鏡16的 反射，被基于四象限光電探測器的探測系統得到，進入計算機15進行調焦， 保證掃描過程中生物芯片10始終在透鏡8焦點上以及焦深范圍內。利用調焦 裝置9對生物芯片調焦，在圖2所示的光學系統中，調焦過程為部分垂直 入射的激光從生物芯片10透射，經過調焦光學系統，即透鏡17和柱面鏡18 后，成像于四象限光電探測器19，適當選擇透鏡和柱面鏡的參數，可以得到一定的調焦范圍和一定的調焦精度。四象限光電探測器19接受的光信號轉化 為電信號，經過濾波與放大處理，傳輸到計算機15里，經過計算產生差動信 號與預先設定值比較，產生驅動信號驅動電機，由電機帶動與驅動電機相連 的機械傳動裝置運動，透鏡8與機械傳動裝置一起沿著光軸線方向上下平動， 直到物鏡到達要求的目標焦平面位置。對生物芯片對角線掃描，逐點調焦， 使得整個生物芯片10在透鏡8的焦深范圍，完成調焦，否則認為不合格放棄 該生物芯片。
另一部分激光匯聚到生物芯片10上的誘導生物芯片10上的生物樣品， 發出熒光， 一部分熒光11經過第三透鏡8，變成準直光(其中部分投射到反 射鏡7上被反射)，傳播到的第四透鏡12上，會聚到第四透鏡12的后焦平面 的第二針孔13上(第一針孔3與第二針孔13成或者近似成共聚焦關系)，光 電探測器14緊鄰針孔14接收熒光，將熒光信號轉化電信號，數字化進入計 算機15。這樣就探測得到生物芯片上的一個點的熒光光強，通過控制由直線 電機和步進電機及其所帶動的二維平臺移動生物芯片，這里沒有畫出來，二 維掃描得到整個生物芯片上二維點陣的熒光光強，熒光強度與生物芯片上生 化反應物的數量成正比關系，根據熒光強度可以計算生物芯片上生化反應物 的數量，生物芯片見圖3，在75毫米X25毫米的載玻片上60毫米X20的范 圍內間隔150納米點樣，點樣的直徑150納米左右，二維掃描的方式見圖4; 圖4中沿著短軸方向即25毫米方向運動，同時沿著長軸75毫米運動，循環 進行，掃描整個生物芯片。
流程開始，打開激光器1預熱10分鐘；檢測基于四象限光電探測器系 統17的探測值，通過機電裝置9調整第三透鏡8，使生物芯片10上表面處于 透鏡8的后焦面，并且在掃描過程中始終處于焦深范圍內；同步掃描生物芯 片與熒光探測，即數據采集；計算機15數據處理與顯示。
權利要求1、全反射式激光誘導熒光共聚焦掃描裝置，依次包括激光器(1)、第一透鏡(2)、第一針孔(3)、第二透鏡(4)、第三透鏡(8)、生物芯片(10)、第四透鏡(12)、第二針孔(13)、光電探測器(14)和計算機(15)；其特征在于還包括有設置在第三透鏡(8)和第四透鏡(12)之間的全反射鏡(7)；全反射鏡(7)的直徑L小于0.5D，其中D為第三透鏡(8)的直徑；在生物芯片(10)的一側依次放置反射鏡(16)和基于四象限光電探測器的探測系統，該基于四象限光電探測器的探測系統包括透鏡(17)、柱面鏡(18)、四象限光電探測器(19)，四象限光電探測器(19)與計算機(15)相連；第三透鏡(8)與調焦裝置(9)相連，調焦裝置(9)包括驅動電機和與驅動電機相連的機械傳動裝置，調焦裝置(9)與計算機(15)相連。
專利摘要本實用新型為全反射式激光誘導熒光共聚焦掃描裝置，屬于生物芯片檢測技術領域。本實用新型采用一個微小的全反射鏡引入激光光源，全部激光能量可以照射到生物芯片上，提高了入射光的效率；并且在收集熒光時，第三透鏡的數值孔徑較大，而全反射鏡反射掉的熒光較少，相對于經典的半反半透鏡的分光方式，提高熒光采集效率，同時由于微小全反射鏡便宜而降低成本。本實用新型利用計算機控制，使光源的針孔和探測器的針孔保持近似共聚焦關系，只需要掃描前調焦一次，調焦控制簡單方便。
文檔編號G01N21/64GK201229304SQ20082010931
公開日2009年4月29日 申請日期2008年7月18日 優先權日2008年7月18日
發明者馮繼宏 申請人:北京工業大學