专利名称：矩阵式生物芯片ccd扫描读取装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于检测矩阵式生物芯片(Microarray)杂交反应结果的CCD扫描读取装置。
背景技术：
矩阵式生物芯片(Microarray)可广泛应用于药物筛选和新药开发、疾病诊断、环境保护等方面。以荧光染料(常用荧光染料Cy3、Cy5等)标记的待测样品与矩阵式生物芯片杂交反应后，以属于不同波段的单色光束激发照射，利用安装有匹配滤光片的光学系统收集芯片所发射的荧光，最后由光电转换器件检测发射荧光的强弱，进而解读相应的生物学相关信息。
目前，矩阵式生物芯片扫描读取仪器通常采用激光作为激发光光源，产生单色光束以激发照射矩阵式生物芯片，共聚焦光学系统收集芯片所发射的荧光，PMT为光电转换器件检测所收集到的荧光信号的强弱，X-Y运动平台带动芯片移动完成扫描动作。
上述扫描读取仪器所采用的共聚焦光路结构复杂，共聚焦光路对非焦平面杂光的抑止并未提高信噪比，反而造成系统对矩阵式生物芯片的表面不平度非常明感；激光光源体积大、更换新光源成本高；激发光光路与检测光路呈0°角，造成背景噪声高；PMT(光电倍增管)光电转换效率低(＜50％)；而且系统容易造成受检矩阵式生物芯片发生光漂泊现象，影响矩阵式生物芯片的重复检测。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种以CCD为光电转换器件，采用非激光光源以及非共聚焦采集荧光图像的光学系统，以及释放荧光滤光片位置安放最佳的矩阵式生物芯片杂交反应结果的扫描读取仪器。
本发明的技术解决方案是矩阵式生物芯片CCD扫描读取装置，其特点在于至少应包括一激发光子系统，用以产生特定波段的激发光并引导到指定位置，对矩阵式生物芯片形成均匀激发照射；一释放荧光收集子系统，用以收集特定波段的矩阵式生物芯片受激后所发射的荧光图像；一X-Y扫描平台子系统，用以承载并带动矩阵式生物芯片协调运动完成扫描动作；一检测子系统，用以检测荧光图像的强弱，并转换为电信号后储存、显示。
所述的激发光子系统至少应包括一非激光光源，用以发出一平行光束；一激发滤光片滤镜轮，与非激光光源耦接，用以将指定干涉滤光片自动切换到指定位置，以产生特定波段的激发光；一光纤导向软管，与激发滤光片滤镜轮耦接，引导特定波段的激发平行光束到达指定元件；一环形照明灯，与光纤导向软管耦接并将其传导的光束投射到指定位置上而形成均匀激发光照射场。
所述的释放荧光收集子系统至少应包括一下物镜，收集受激发后所发射的特定波段的发射荧光以及其它反射光、杂光，并可以自动调焦；一接圈，连接上物镜与下物镜，用以在其中形成无限远光路；一发射荧光滤光片滤镜轮，与接圈耦接并将指定的适合相应荧光染料特定发射波段的高通干涉滤光片与宽带干涉滤光片组自动切换到指定位置，从而用以分离出特定波段的发射荧光；一上物镜，与接圈连接，用以将被选取的特定波段的发射荧光成像，并进行自动变倍；一镜筒，一端与检测子系统耦接，另一端与上物镜连接，用以传输上物镜形成的发射荧光图像。
所述的检测子系统至少应包括一CCD摄像头，用以将发射荧光的光强度信号转换为电信号；一图像采集、控制卡，用以将CCD摄像头采集的电信号采集与保存，并可发送控制指令给CCD摄像头；一控制与图像处理计算机，与图像采集、控制卡连接，用以处理图像采集、控制卡采集到的电信号信息，并通过其控制CCD摄像头正常工作。
所述的激发滤光片滤镜轮至少应包括一步进电机，用以提供转动力矩；一小齿轮，与步进电机轴连接，用以传导力矩；一大齿轮滤镜盘，与小齿轮啮合，并提供4个工位孔，用以安装至少2套不同的窄带干涉滤光片，用于提供适合Cy3的单色激发光和适合Cy5的单色激发光；一光纤支撑，用以与外接部件连接。
所述的发射荧光滤光片滤镜轮至少应包括一步进电机，用以提供转动力矩；一小齿轮，与步进电机轴连接，用以传导力矩；一大齿轮滤镜盘，与小齿轮啮合，并提供4个工位孔，用以安装至少2套高通干涉滤光片和宽带干涉滤光片，用以过滤Cy3发射荧光和Cy5发射荧光。
本发明与现有技术相比的有益效果是本发明由于采用非共聚焦光路可以使光路系统结构简化；采用CCD为光电转换器件可以使光电转换效率提高到50％～60％，而且本发明的激发光光路与检测光路呈30°角，降低了背景噪声。同时，由于释放荧光滤光片位于无限远光路中，所以既采集了所需发射荧光又不影响图像成像质量；亚微米级X-Y扫描平台带动矩阵式生物芯片完成整张芯片的扫读。本发明采用曝光时间调节系统增益，非常方便、灵活，扫描分辨率从4μm～25μm适合不同扫描精度要求。
图1为本发明的逻辑结构框图；图2为本发明的结构示意图；图3为图2中发射荧光滤光片滤镜轮的底视结构放大示意图；图4为图2中发射荧光滤光片滤镜轮的结构放大示意图；图5为图2中激发滤光片滤镜轮的结构放大示意图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明实施例包括4个子系统，激发光子系统I产生适合不同荧光染料的特定波段的均匀激发光照射�。皇头庞馐占酉低矷I收集特定波段的矩阵式生物芯片受特定波段激发光激发后所发射的属于不同荧光染料的荧光图像；X-Y扫描平台子系统III，承载并带动矩阵式生物芯片协调运动完成扫描动作；检测子系统IV，将释放荧光子系统II收集到的荧光强度图像采集转换为电信号并保存。
如图1、图2所示，上述激发光子系统I包括非激光光源114，采用150W金属卤化物光源，用以产生从300nm～700nm的多光谱段平行激发光；激发滤光片滤镜轮112，用以安装2套选取适合不同荧光染料特定激发光波段的窄带干涉滤光片，提供适合Cy3的单色激发光的窄带干涉滤光片，其中心波长为528nm，带宽7nm，外径Φ25mm，以及提供适合Cy5的单色激发光的窄带干涉滤光片，其中心波长为632.8nm，带宽11nm，外径Φ25mm，激发滤光片滤镜轮112可以在步进电机地驱动下，自动切换4个工位来选取相应滤光片，步进电机为两相永磁式步进电机，步距角1.8°/步；光纤导向软管111的长度914mm，直径Φ12.2m，其一端(A-A)与激发滤光片滤镜轮112耦合，用以接收被选取的特定波段的平行激发照射光，经过光纤导向软管111的传导并输出到另一端连接的环形照明灯106；环形照明灯106将接收到的激发照射光转换为倾斜于中心轴线30°角的斜射照射光，并在焦平面形成激发光照射�。沸握彰鞯频哪诰鼎�50.8mm，外径Φ67.3mm，光线投射锥角30°。
如图1、图2所示，上述释放荧光收集子系统II包括镜筒102，一端连接到检测子系统IV中的CCD摄像头101上，另一端与上物镜103连接，用以传输上物镜103形成的发射荧光图像，镜筒的外径为Φ25mm，内径为Φ15mm，长度150.3mm；上物镜103，与接圈104连接，用以将被选取的特定波段的发射荧光成像，并具有0.75×～5.25×自动变倍功能；下物镜105，可以自动调焦，其范围0～5mm；接圈104，置于光路中后在内孔中形成无限远光路，用以连接上物镜103与下物镜105，其侧面开有一缺口，有缺口的空间位置与发射荧光滤光片滤镜轮110耦接；发射荧光滤光片滤镜轮110，与接圈104有缺口的空间位置耦接，可以安装4套用以选取适合4种不同荧光染料特定发射波段的高通干涉滤光片与宽带干涉滤光片，并且可以在步进电机的驱动下切换4个工位来选取这4套滤光片，从而用以分离出特定波段的发射荧光。释放荧光收集子系统II的工作过程是杂交反应后的矩阵式生物芯片C置于焦平面内的特定波段的激发光照射场内，受激发后所发射的特定波段的发射荧光以及其它反射光、杂光被具有自动调焦范围0～5mm的下物镜105收集，并向上传递至与其连接的接圈104，下物镜105下端面与X-Y扫描平台107上端面的距离h最大为89mm，经过发射荧光滤光片滤镜轮110b滤波后得到的特定发射波段的发射荧光再向上传输至与接圈104上端连接的具有自动变倍0.75×～5.25×的上物镜103，经过上物镜103的合成再经过与上物镜103连接的镜筒102地传输，最终成像在与镜筒102上端连接的CCD摄像头101上。
如图2所示，检测子系统IV包括CCD摄像头101，用以将发射荧光的光强度信号转换为电信号，它为科学级半导体制冷CCD(可达到低于环境温度30～40℃)，像素大小20×20μm，像素总数512×512，阱深200000个电子，数字分辨率14bits，暗电子数3个电子/(像素×秒)(温度-10℃)，动态范围79dB；图像采集、控制卡117，用以将CCD摄像头101采集的电信号采集与保存，并可发送控制指令给CCD摄像头101，图像采集、控制卡117采用PCI卡；控制与图像处理计算机116，与图像采集、控制卡117连接，用以处理图像采集、控制卡117采集到的电信号信息，并通过其控制CCD摄像头101正常工作。检测子系统IV的工作过程是CCD摄像头101将接收到的荧光图像信号转换为电信号，并通过连接电缆B-B传输到图像采集、控制卡117，图像采集、控制卡117插在控制与图像处理计算机116的PCI插槽中，运行在控制与图像处理计算机116中的主程序将图像采集、控制卡117采集到的荧光图像电信号进行图像处理与显示，将图像信息转换为生物学相关信息。
如图1、图2所示，X-Y扫描平台子III包括X-Y扫描平台和扫描平台驱动源，用于承载受检测的杂交反应后的矩阵式生物芯片C，其行程范围是X轴25mm，Y轴76mm，重复定位精度±10μm；X-Y扫描平台驱动源为两相步进电机、步距角1.8°/步，丝杠螺距2.5mm，分辨率6.25μm/脉冲，行程X轴25mm，Y轴76mm。
如图3、图4所示，本发明的释放荧光收集子系统II中的发射荧光滤光片滤镜轮110以步进电机206作为动力驱动源，小齿轮208与步进电机206的电机轴连接，并与大齿轮滤镜盘201上的大齿轮啮合，小齿轮208的模数为1，齿数30，齿形角20°，内孔直径Φ5mm。大齿轮滤镜盘201通过销轴204与小连接板205连接，最后通过大连接盘207与步进电机206连接成为一体。大齿轮滤镜盘201应有4个工位孔，用以安装至少1套高通干涉滤光片213、挡圈212、宽带干涉滤光片216、挡圈215，1套高通干涉滤光片203、挡圈202、宽带干涉滤光片218、挡圈217，大齿轮滤镜盘201上的大齿轮模数为1，齿数105，齿形角20°，4个工位孔直径Φ24mm，在直径为Φ70mm的圆周上均布。高通干涉滤光片213，其中心波长565nm，外径Φ25mm，用以过滤Cy3发射的荧光。高通干涉滤光片203，其中心波长660nm，外径Φ25mm，用以过滤Cy5发射的荧光。宽带干涉滤光片216，其中心波长610nm，带宽75nm，外径Φ25mm，用以进一步过滤Cy3发射的荧光。带干涉滤光片218，其中心波长700nm，带宽75nm，外径Φ25mm，用以进一步过滤Cy5发射的荧光。211、210、214、219为4个备用挡圈。
如图5所示，本发明激发光子系统I中的激发滤光片滤镜轮112以安装在支撑板302上的步进电机301作为动力驱动源，小齿轮303与步进电机301的电机轴连接，并与大齿轮滤镜盘304上的大齿轮啮合，大齿轮滤镜盘304通过销轴307与连接板310连接。大齿轮滤镜盘304应有4个工位孔，用以安装至少1套窄带干涉滤光片306、挡圈305，1套窄带干涉滤光片309、挡圈308。光纤支撑架311用以与图2中的光纤导向软管111(A-A)一端连接。
综上所述，本发明提供的一种用于检测矩阵式生物芯片(Microarray)杂交反应结果的CCD扫描读取装置，其可通过上述硬件系统与过程至少采集2种荧光染料的荧光图像，并可被运行在控制与图像处理计算机116的主程序合成荧光比率图像(Fluorescence Ratio Image)。本发明具有最优的非共聚焦光路，滤光片滤镜轮安放位置合理。
虽然结合以上实施方案阐明了本发明，然而并非限定本发明，任何本领域的工程技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可以作相应更动与润色，因此本发明的保护范围应以权利要求所界定的为标准。
权利要求
1.矩阵式生物芯片CCD扫描读取装置，其特征在于至少应包括一激发光子系统，用以产生特定波段的激发光并引导到指定位置，对矩阵式生物芯片形成均匀激发照射；一释放荧光收集子系统，用以收集特定波段的矩阵式生物芯片受激后所发射的荧光图像；一X-Y扫描平台子系统，用以承载并带动矩阵式生物芯片协调运动完成扫描动作；一检测子系统，用以检测荧光图像的强弱，并转换为电信号后储存、显示。
2.根据权利要求1所述的矩阵式生物芯片CCD扫描读取装置，其特征在于所述的激发光子系统至少应包括一非激光光源，用以发出一平行光束；一激发滤光片滤镜轮，与非激光光源耦接，用以将指定干涉滤光片自动切换到指定位置，以产生特定波段的激发光；一光纤导向软管，与激发滤光片滤镜轮耦接，引导特定波段的激发平行光束到达指定元件；一环形照明灯，与光纤导向软管耦接并将其传导的光束投射到指定位置上而形成均匀激发光照射场。
3.根据权利要求1所述的矩阵式生物芯片CCD扫描读取装置，其特征在于所述的释放荧光收集子系统至少应包括一下物镜，收集受激发后所发射的特定波段的发射荧光以及其它反射光、杂光，并可以自动调焦；一接圈，连接上物镜与下物镜，用以在其中形成无限远光路；一发射荧光滤光片滤镜轮，与接圈耦接并将指定的适合相应荧光染料特定发射波段的高通干涉滤光片与宽带干涉滤光片组自动切换到指定位置，从而用以分离出特定波段的发射荧光；一上物镜，与接圈连接，用以将被选取的特定波段的发射荧光成像，并进行自动变倍；一镜筒，一端与检测子系统耦接，另一端与上物镜连接，用以传输上物镜形成的发射荧光图像。
4.根据权利要求1所述的矩阵式生物芯片CCD扫描读取装置，其特征在于所述的检测子系统至少应包括一CCD摄像头，用以将发射荧光的光强度信号转换为电信号；一图像采集、控制卡，用以将CCD摄像头采集的电信号采集与保存，并可发送控制指令给CCD摄像头；一控制与图像处理计算机，与图像采集、控制卡连接，用以处理图像采集、控制卡采集到的电信号信息，并通过其控制CCD摄像头正常工作。
5.根据权利要求2所述的矩阵式生物芯片CCD扫描读取装置，其特征在于所述的激发滤光片滤镜轮至少应包括一步进电机，用以提供转动力矩；一小齿轮，与步进电机轴连接，用以传导力矩；一大齿轮滤镜盘，与小齿轮啮合，并提供4个工位孔，用以安装至少2套不同的窄带干涉滤光片，用于提供适合Cy3的单色激发光和适合Cy5的单色激发光；一光纤支撑架，用以与外接部件连接。
6.根据权利要求3所述的矩阵式生物芯片CCD扫描读取装置，其特征在于所述的发射荧光滤光片滤镜轮至少应包括一步进电机，用以提供转动力矩；一小齿轮，与步进电机轴连接，用以传导力矩；一大齿轮滤镜盘，与小齿轮啮合，并提供4个工位孔，用以安装至少2套高通干涉滤光片和宽带干涉滤光片，用于分别过滤Cy3发射荧光和Cy5发射荧光。
7.根据权利要求2所述的矩阵式生物芯片CCD扫描读取装置，其特征在于所述的非激光光源为150W金属卤化物光源。
8.根据权利要求1所述的矩阵式生物芯片CCD扫描读取装置，其特征在于所述的X-Y扫描平台子系统至少应包括X-Y扫描平台和扫描平台驱动源。
9.根据权利要求8所述的矩阵式生物芯片CCD扫描读取装置，其特征在于所述的X-Y扫描平台驱动源为两相步进电机、步距角1.8°/步，丝杠螺距2.5mm，分辨率6.25μm/脉冲，行程X轴25mm，Y轴76mm。
10.根据权利要求4所述的矩阵式生物芯片CCD扫描读取装置，其特征在于所述的CCD摄像头为科学级半导体制冷CCD摄像头，像素大小20μm×20μm，像素总数512×512，阱深200000个电子，数字分辨率14bits，暗电子数3个电子/(像素×秒)(温度-10℃)，动态范围79dB。
11.根据权利要求3所述的矩阵式生物芯片CCD扫描读取装置，其特征在于所述的下物镜具有步进电机驱动自动调焦功能，调焦范围0～5mm。
12.根据权利要求3所述的矩阵式生物芯片CCD扫描读取装置，其特征在于所述的接圈置于光路中后在内孔中形成无限远光路，且侧面开有一缺口。
13.根据权利要求3所述的矩阵式生物芯片CCD扫描读取装置，其特征在于所述的上物镜具有步进电机驱动自动变倍功能，变倍范围0.75x～5.25x。
14.根据权利要求5所述的矩阵式生物芯片CCD扫描读取装置，其特征在于所述的用以提供适合Cy3的单色激发光的窄带干涉滤光片的中心波长为528nm，带宽7nm，外径Φ25mm。
15.根据权利要求5所述的矩阵式生物芯片CCD扫描读取装置，其特征在于所述的用以提供适合Cy5的单色激发光的窄带干涉滤光片的中心波长为632.8nm，带宽11nm，外径Φ25mm。
16.根据权利要求6所述的矩阵式生物芯片CCD扫描读取装置，其特征在于所述的用以过滤Cy3发射荧光的高通干涉滤光片的中心波长565nm，外径Φ25mm。
17.根据权利要求6所述的矩阵式生物芯片CCD扫描读取装置，其特征在于所述的用以过滤Cy5发射荧光的高通干涉滤光片的中心波长660nm，外径Φ25mm。
18.根据权利要求6所述的矩阵式生物芯片CCD扫描读取装置，其特征在于所述的用以过滤Cy3发射荧光的宽带干涉滤光片的中心波长610nm，带宽75nm，外径Φ25mm。
19.根据权利要求6所述的矩阵式生物芯片CCD扫描读取装置，其特征在于所述的用以过滤Cy5发射荧光的宽带干涉滤光片的中心波长700nm，带宽75nm，外径Φ25mm。
全文摘要
矩阵式生物芯片CCD扫描读取装置，由激发光子系统、释放荧光收集子系统、X－Y扫描平台子系统以及检测子系统组成，激发光子系统产生单色均匀激发光照射�。芗觳饩卣笫缴镄酒蒟－Y扫描平台子系统承载并置于单色均匀激发光照射场中，并被X－Y扫描平台子系统驱动完成整个扫描读取过程，释放荧光收集子系统收集并分离出受激发后矩阵式生物芯片发射的荧光图像，检测子系统将荧光图像光强信号转换为电信号并储存、显示。本发明的突出特点是采用无限远非共聚焦光路使光路结构简化，CCD为光电转换器件可以使光电转换效率提高到50％～60％，而且激发光光路与检测光路呈30°角，降低了背景噪声。本发明适合检测样点直径75μm～500μm的矩阵式生物芯片杂交反应结果。
文档编号G01N21/64GK1580746SQ0314977
公开日2005年2月16日 申请日期2003年8月6日 优先权日2003年8月6日
发明者宗光华, 毕树生, 周强, 李大寨, 于靖军 申请人:北京航空航天大学
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