專利名稱：用于激光共聚焦生物芯片的掃描裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是一種以激光共聚焦方式對生物芯片中的樣品進行掃讀的裝置。
背景技術：
通過基因芯片技術進行生物學、醫學等領域中的分析、診斷、鑒別和鑒定，目前已日益得到應用，并正在對其可應用的領域和范圍進行著更為廣泛深入的研究。由于生物芯片在樣品的排布數量及其排布方式上具有極高密度的顯著特點，因此采用常規顯微技術進行觀察，無論在觀察分析的效率還是準確性等方面都有極高的難度，甚至無法進行。而建立在現在已廣泛成熟使用的計算機控制技術和激光掃描技術基礎上的激光共聚焦顯微鏡，就是在實現生物芯片檢測時不可缺少的一種觀察分析儀器和裝置。
實用新型內容針對上述情況，本實用新型將提供一種可與生物芯片檢測技術配合使用的激光共聚焦生物芯片的掃描裝置。
本實用新型用于激光共聚焦生物芯片的掃描裝置的結構，是在一個可在二維平面內任意移動的運動結構上設置有一個可承托被檢測芯片的承片臺，在承片臺的上方設置有掃描用激光光學結構系統。掃用描激光光學結構系統包括有能將掃描用的照射激光聚焦于被檢測芯片上的第一透鏡結構和用于將來自激光輸出結構的照射激光向第一透鏡結構反射的二色分光鏡；在沿第一透鏡結構光軸方向的二色分光鏡的另一側，沿光路依次設置有濾光結構、成像透鏡結構、小孔光闌和光電轉換/輸出結構。
掃描裝置中可使承片臺在二維平面內任意移動的運動結構，包括由Y向步進電機和相應的傳動結構組成的Y向運動單元，以及設置在Y向運動單元上因而可在Y方向上作往復移動的X向運動單元。該X向運動單元包括一組可由X向步進電機和相應的傳動結構驅動下可在與Y方向相垂直的X方向上作往復移動的滑塊單元，承片臺設置在可作X向往復式運動的滑塊單元上。即，其X方向和Y方向兩組運動單元間的基本運動配合關系是用于設置承片臺的X向運動滑塊單元相對于整個裝置及其直接所在的X單元中的傳動結構而言，分別為絕對運動和相對運動；X方向運動單元與Y向運動單元之間則為一種牽連運動的關系。實際上，上述結構中的X向運動單元和Y向運動單元的標識名稱也是可以相互調換的，而且這種標識名稱的調換完全不會影響其對上述同樣功能和作用的實現。
為使由激光輸出結構向光學結構系統所投射出的激光束的強度能根據不同的檢測需要進行調節，在上述結構中所說的激光輸出結構與光學結構系統中的二色分光鏡之間的光路中，還可以再設置有適當形式的可對激光輸出結構投射出的激光強度進行調節的結構，例如可以設置一個由步進電機進行調節控制的變密度盤等。
由于在目前的生物芯片分析中，所用的靶分子常常以兩種或更多種不同形式的熒光染料進行標記，通過熒光光密度比來減少或消除測定時某些干擾，以減少誤差，提高檢測結果的可靠性。因此，在掃描裝置中可相應采用由兩種或多種以上不同波長的激光發生器或可發射不同波長激光的激光發生器作為發光源，以不同波長的激光激發不同熒光染料標記的靶分子。以激光作為發光源，可以產生高強度的發射熒光，能提高檢測的靈敏度。上述結構中所說的激光發生器一般可以在能發出波長為480-630納米激光的目前常用氬離子激光器、氬氪離子激光器、氦氖激光器或固態激光器中選擇，如由氦氖激光器產生的543.5納米波長的綠光和632.8納米波長的紅光等，以方便與所使用的熒光染料相適應。受激光激發后的標記用熒光染料所產生的用于分析檢測的激發熒光的波長相應可以為500-700納米。
為此，在上述的用于激光共聚焦生物芯片的掃描裝置中，所說的激光輸出結構可以設置為以并列方式設置的兩組不同波長激光的輸出結構單元。每組激光輸出結構單元均為在各自的激光發射源之后的光路中依次設置有輸出光切換結構，第二濾光結構和最終將發射激光投向二色分光鏡的第二光學反射結構。其中所說的輸出光切換結構，可以采用常用的光學快門結構，例如可以選用由韓國AirTac公司的4V110-6型電磁閥閥芯改裝的3毫米行程快門等。
在光學結構系統中，通過在適當位置和/或設置適當形式的光學反射結構單元，可以有效地減小結構系統所占的空間，有利于使裝置的結構更為緊湊。例如，在上述并列方式設置的兩組不同波長激光的輸出結構單元中，將所說的各組激光輸出結構單元中的第二濾光結構均設置在其輸出光切換結構后分別經各自的第一光學反射結構組件改變了光投方向的光路中，可以顯著地減小該激光輸出結構單元的空間體積。同理，將所說的掃描用激光光學結構系統中設置在二色分光鏡另一側的光路中的濾光結構采用為設置在該二色分光鏡后經第三光學反射結構改變了光投方向的光路中的方式，也可以取得同樣的效果。
在上述結構的基礎上，還可以進一步使所說的該并列方式設置的兩組激光輸出結構單元中的第二光學反射結構采用為在同一輸出投射光路中依次設置的形式。此時，其中位于最終輸出投射位置處的該光學第二反射結構應為同時能對其所在輸出結構單元波長的激光進行反射和對另一輸出結構單元波長的激光進行透射的一個二色分光鏡構件。
在上述的用于激光共聚焦生物芯片的掃描裝置中，所說的掃描用激光光學結構系統中各濾光結構，分別都可以采用為窄帶干涉濾光結構或變密度濾光盤結構中的一種。所說的光電轉換/輸出結構一般可以采用常用的光電倍增管等器件。
為更加有利于對上述掃描裝置中所說的可在二維平面內任意移動的運動結構單元的運動實現自動和/或準確的控制，可以在上述結構的基礎上進一步設置一些運動控制結構和/或部件。例如，在Y方向上作往復移動的X向運動單元的行程端點處可以再設置有用作Y向零位控制的光電開關。又例如，對X向運動單元中的X向的步進電機的運動，可以通過設置開式光柵閉環測量結構進行控制等。
為使裝置中所說的X向運動單元和Y向運動單元的運動更加靈敏和精確，其中所說的傳動結構以均采用為滾珠絲杠結構為佳。
本實用新型上述用于激光共聚焦生物芯片的掃描裝置的基本工作原理為由激光輸出結構——無論是單一波長的激光輸出結構，還是由并列方式設置的兩組不同波長激光的輸出單元組成的輸出結構發射出的激光束，經帶適當形式的濾光結構把不需要的其它波長的雜光濾除，以降低檢測背景，并將所需要的選定波長的激光投射出。如果是采用由并列方式設置的兩組不同波長激光的輸出單元組成的激光輸出結構，則可以根據檢測需要，通過各激光輸出單元中的光學快門等輸出光的切換結構，選擇所需波長的激光輸出。由激光輸出結構投射出的照射激光經光學結構系統中的二色分光鏡反射而投向第一透鏡結構，并經第一透鏡結構聚焦后，將掃描用的照射激光聚焦于位于承片臺上的被檢測生物芯片的表面，并通過對裝置中的X向運動單元和Y向運動單元的控制，使被檢測生物芯片在二維平面內依次順序移動，對被檢測生物芯片上的樣品進行掃描。
經第一透鏡結構后在被檢測芯片表面上聚焦的掃描激光光斑，直徑一般可小于5微米。標記有熒光染料的靶分子在該掃描激光的激發下，即可產生相應的激發熒光。所產生的該激發熒光又經第一透鏡結構變為平行光后，再通過該二色分光鏡直接、或經光路中所設置的光學反射結構——如上述的第三光學反射結構改變方向后，再經光路中的濾光結構、成像透鏡結構和小孔光闌，由光電倍增管等光電轉換/輸出結構接收，并進行光電信號的轉換、放大，以及相應的濾波、A/D轉換等處理后，向計算機輸出，由計算機進行后續的分析、運算等處理工作。該濾光結構可以將除發射熒光以外的其它雜光進行濾除，然后再被成像透鏡結構聚焦于小孔光闌處。該光闌的小孔與待測生物芯片表面的激光聚焦點可構成一對共焦點。光闌的小孔很小，目的是使正確聚焦在芯片上的激光所激發的熒光聚焦后能通過該光闌的小孔，而芯片下的基體及芯片上方的灰塵所產生的熒光或雜散光雖經聚焦也不能通過該光闌的小孔，從而可以提高檢測信號的信噪比。由光電轉換/輸出接收并轉換后輸出的電信號，即為對被檢測芯片上的一個點的檢測結果。通過控制和操縱裝置中的X向和Y向運動單元按一定的順序和規律進行運動，即可使掃描激光完成對承片臺的被檢測芯片上的全部待測樣點的掃讀檢測。
由于本實用新型上述裝置采用激光作為激發光源，最后經光電倍增管等光電轉換/輸出結構將對芯片的掃讀結果轉換成相應的電信號后輸出，因而具有較高的靈敏度，可以檢測每平方微米零點幾個熒光分子。由于生物芯片熒光斑點的明暗動態范圍較寬，因此采用具有較寬的光電響應動態范圍的光電倍增結構，可以使其動態范圍達到216，即16位。激光經聚焦后產生的光斑極小，因此能具有很高的分辨率，可達到8-50微米。采用具有很高控制精度的步進電機和滾珠絲杠傳動結構配合的運動結構形式，可以使其重復掃描的精度得到可靠的保證。經試驗，本實用新型上述裝置對生物芯片完成一次掃讀的時間一般可為8分鐘。
按照上述內容，在不脫離本實用新型基本技術思想的前提下，根據本領域的普通技術知識和慣用手段，對其內容還可以有多種形式的修改、替換或變更。
以下結合由附圖所示實施例的具體實施方式
，對本實用新型的上述內容再作進一步的詳細說明。但不應將此理解為本實用新型上述主題的范圍僅限于以下的實例。凡基于本實用新型上述內容所實現的技術均屬于本實用新型的范圍。
圖1是本實用新型用于激光共聚焦生物芯片的掃描裝置的光學原理示意圖。
圖2是實現圖1原理的一種光學結構系統的結構示意圖。
圖3是采用并列的雙激光光源的一種激光輸出結構的示意圖。
圖4是掃描系統中運動結構部分的俯視結構示意圖。
圖5是與圖4相對應的運動結構部分的正視結構示意圖。
具體實施方式
圖1和圖2所示的是本實用新型用于激光共聚焦生物芯片的掃描裝置的光學原理和一種相應的激光光學結構系統的結構形式。該激光光學結構系統設置在用于承托被檢測芯片20的承片臺15的上方，結構中包括有能將用于掃描的照射激光聚焦于位于承片臺15上的被檢測芯片20表面的第一透鏡組件1，以及可將由激光輸出結構投射來的照射激光向該第一透鏡組件1反射的二色分光鏡2。在沿第一透鏡組件1光軸方向上的該二色分光鏡2的另一側，沿光路依次設置有窄帶干涉濾光片組4、成像透鏡組件5、小孔光闌6和進行光電轉換/輸出的光電管7，由光電管7完成光電信號的轉換、放大，及相應的濾波和A/D轉換等處理，并將處理后的電信號向進行后續分析運算等處理工作的計算機輸出。在激光輸出結構與該二色分光鏡2之間的光路中，還設置有可對所投射的激光強度進行調節的變密度盤19，其對激光強度的調節可由與之配合的步進電機對機構控制和操作。在該二色分光鏡2和窄帶干涉濾光片組4間的光路中，還設置有用于改變光路方向的第三光學反射鏡3。
圖3是一種采用由并列方式設置的兩組不同波長激光的輸出結構單元組成的激光輸出結構的形式。兩組激光輸出結構單元的結構形式基本相同，均為在各自的激光發射源21，31之后的光路中依次設置有第一光學反射鏡組件22，32、輸出光切換快門23，33，第二窄帶干涉濾光片組24，34和最終將發射激光向二色分光鏡2投射出的第二光學反射鏡25，35。其中，兩組激光輸出結構單元中的第二光學反射鏡25，35為依次設置在同一輸出投射光路中的形式，其中位于最終投射輸出出口處的該第二光學反射鏡35，應為同時具有能對其所在的激光輸出結構單元的所投射的激光進行反射和對另一激光輸出結構單元所投射的激光進行透射的一個二色分光鏡。
圖4和圖5是一種能實現使承托被檢測芯片20的承片臺15在二維平面內任意移動的運動結構形式，由相互為牽連運動的關系的X方向運動單元與Y向運動單元11組成。其中，Y向運動單元直接設置在掃描裝置基體上，包括一Y向步進電機13和與之作傳動連接的Y向傳動滾珠絲杠結構8；X向運動單元以動配合方式連接于Y向滾珠絲杠8上，因而在Y向步進電機13和Y向滾珠絲杠8的驅動下，該X向運動單元可沿Y向的導軌12作往復移動。該Y向步進電機13的驅動動作可由相應的編碼器18進行控制和操縱。在可在Y方向上作往復移動的X向運動單元11的運動行程的端點處，分別還設置有作為Y向零位控制的光電開關16。
X向運動單元包括一組X向步進電機，以及由其驅動并經常規形式的傳動機構帶動而可在與Y方向相垂直的X向導軌10上作往復式運動的滑塊單元9。承片臺15則設置在該可作X向往復移動的滑塊單元9上。X向運動單元中的X向步進電機的驅動動作則可由相應的開式光柵閉環測量結構17進行控制。
權利要求1.用于激光共聚焦生物芯片的掃描裝置，其特征是在一個可在二維平面內任意移動的運動結構上設置有一個可承托被檢測芯片的承片臺(15)，在承片臺(15)的上方設置有掃描用激光光學結構系統，掃用描激光光學結構系統包括有能將掃描用的照射激光聚焦于位于承片臺(15)上的被檢測芯片上的第一透鏡結構(1)，和用于將激光輸出結構投射來的照射激光向第一透鏡結構(1)反射的二色分光鏡(2)，在沿第一透鏡結構(1)光軸方向的二色分光鏡(2)的另一側，沿光路依次設置有濾光結構(4)、成像透鏡結構(5)、小孔光闌(6)和光電轉換/輸出結構(7)；可在二維平面內任意移動的運動結構包括由Y向步進電機(13)和相應的Y向傳動結構(8)組成的Y向運動單元(11)，和設置在Y向運動單元(11)上的X向運動單元，X向運動單元包括一組可由X向步進電機和相應的傳動結構驅動下可在與Y方向垂直的X方向上作往復式運動的滑塊單元(9)，承片臺(15)設置在可作X向往復移動的滑塊單元(9)上。
2.如權利要求1所述的用于激光共聚焦生物芯片的掃描裝置，其特征是在所說的激光輸出結構與二色分光鏡(2)之間的光路中，還設置有投射激光的強度調節結構(19)。
3.如權利要求1所述的用于激光共聚焦生物芯片的掃描裝置，其特征是所說的激光輸出結構為以并列方式設置的兩組不同波長激光的輸出結構單元，每組激光輸出結構單元均為在各自的激光發射源(21，31)之后的光路中依次設置有輸出光切換結構(23，33)，第二濾光結構(24，34)和最終將發射激光投向二色分光鏡(2)的第二光學反射結構(25，35)。
4.如權利要求1所述的用于激光共聚焦生物芯片的掃描裝置，其特征是所說的各組激光輸出結構單元中的第二濾光結構(24，34)均設置在其輸出光切換結構(23，33)后分別經各自的第一光學反射結構組件(22，32)改變了光投方向的光路中。
5.如權利要求4所述的用于激光共聚焦生物芯片的掃描裝置，其特征是所說的并列方式設置的兩組激光輸出結構單元中的第二光學反射結構(25，35)為在同一輸出投射光路中依次設置的形式，其中位于最終輸出投射位置處的該第二光學反射結構(35)為同時能對其所在輸出結構單元波長的激光進行反射和對另一輸出結構單元波長的激光進行透射的一個二色分光鏡構件。
6.如權利要求1所述的用于激光共聚焦生物芯片的掃描裝置，其特征是所說的濾光結構(4)和第二濾光結構(24，34)可以為窄帶干涉濾光結構或變密度濾光盤結構中的一種。
7.如權利要求1所述的用于激光共聚焦生物芯片的掃描裝置，其特征是設置在所說的二色分光鏡(2)另一側的光路中的濾光結構(4)為設置在該二色分光鏡(2)后經第三光學反射結構(3)改變了光投方向的光路中。
8.如權利要求1至7之一所述的用于激光共聚焦生物芯片的掃描裝置，其特征是所說的可在二維平面內任意移動的運動結構中，在可在Y方向上作往復移動的X向運動單元(11)的行程端點處設置有用作Y向零位控制的光電開關(16)。
9.如權利要求1至7之一所述的用于激光共聚焦生物芯片的掃描裝置，其特征是在所說的可在二維平面內任意移動的運動結構中，X向運動單元中的X向步進電機的運動由開式光柵閉環測量結構(17)進行控制。
10.如權利要求1至7之一所述的用于激光共聚焦生物芯片的掃描裝置，其特征是所說的X向運動單元和Y向運動單元中的傳動結構均為滾珠絲杠結構。
專利摘要用于激光共聚焦生物芯片的掃描裝置，在一個可在二維平面內任意移動的運動結構上設置有一個可承托被檢測芯片的承片臺，其上方設置有掃描用激光光學結構系統。該光學結構系統包括有能將掃描用的照射激光聚焦于位于承片臺上的被檢測芯片上的第一透鏡結構，和用于將激光輸出結構投射來的照射激光向第一透鏡結構反射的二色分光鏡；在沿第一透鏡結構光軸方向的二色分光鏡的另一側，沿光路依次設置有濾光結構、成像透鏡結構、小孔光闌和光電轉換/輸出結構。可在二維平面內任意移動的運動結構包括由Y向步進電機和相應的Y向傳動結構組成的Y向運動單元，和設置在Y向運動單元上的X向運動單元。承片臺設置在可作X向往復式運動的運動單元上。
文檔編號G01J3/06GK2578803SQ02276510
公開日2003年10月8日 申請日期2002年9月17日 優先權日2002年9月17日
發明者張強, 胡松, 趙立新, 羅正全, 王肇志, 陳興俊, 嚴偉, 余國彬 申請人:成都中科百奧科技有限公司