專利名稱：光譜像生物芯片檢測儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于生物芯片檢測技術領域，特別涉及采用光譜像技術對生物芯片的檢測裝置。
一個生物芯片有非常多單元用于醫(yī)療和藥物診斷的低密度生物芯片，每個單元的面積為50μm×50μm，如生物芯片的面積為10×10mm2就有4萬個單元。如果每個單元檢查診斷一種疾病。一個生物芯片能檢查人體所有疾病也可能成為現(xiàn)實。生物芯片每個單元有不同的生物蛋白/DNA分子，這種分子同其他蛋白/DNA分子的結合有非常高的選擇性。如果一個單元的分子只同某種疾病的蛋白/DNA分子結合，且某種疾病的分子只同這一單元分子結合，而不同其他單元分子結合。那么只要檢測這個單元的分子有沒有結合就可以診斷有沒有這種疾病。因此，生物芯片的研制主要是找到同某種疾病分子結合的分子，并把它放在芯片上。生物芯片的檢測在于測量有沒有分子結合，或者說有無相互作用。
生物芯片檢測目前主要有兩種方法一種利用光激發(fā)表面等離子體波技術，此方法用得較少，且和本發(fā)明無關。另外一種是利用光激發(fā)熒光技術。用某種光源的光激發(fā)生物芯片的一個單元的分子，不同其他分子結合的分子發(fā)出的熒光可以用f(λ)表示，同某種疾病結合的分子熒光可以用g(λ)表示。f(λ)和g(λ)的不同就是檢測原理。
目前基于光激發(fā)熒光的檢測方法是用一特定波長的光(550nm綠光或415nm蘭光)分別照射生物芯片的每個單元，測量所有熒光和的變化。用數(shù)學表示是測量∫f(λ)dλ和∫g(λ)dλ的區(qū)別(1)另一種方法是采用光譜像技術，光譜像技術對每個單元測量的是一個光譜，用數(shù)學表示是測量。
f(λ)和g(λ)的區(qū)別 (2)同光譜像法檢測方法比較，現(xiàn)有光激發(fā)熒光的檢測方法雖然有簡單的優(yōu)點，但存在明顯的缺點在原理上，f(λ)和g(λ)可能很容易區(qū)別，而∫f(λ(λ)dλ和∫g(λ)dλ會變得很難區(qū)別。因為∫f(λ)dλ和∫g(λ)dλ分別只給出一個信息，而f(λ)和g(λ)分別給出超過一百個信息。因而，用目前的熒光法檢測靈敏度就非常低，對疾病藥物的判斷就困難。這一缺點不僅反應在應用上，而且反應在生物芯片的研制上在研制中，如果用光譜像技術作檢測，只要找到f(λ)和g(λ)容易區(qū)別的分子就夠了。而用已有的光激發(fā)熒光的檢測方法，必須找到∫f(λ)dλ和∫g(λ)dλ容易區(qū)別的分子。這對研制生物芯片工作帶來困難。
目前采用光譜像技術檢測生物芯片還沒有得到實際應用，問題的關鍵是沒有合適的光譜像儀。
目前光譜像儀主要是由成像儀發(fā)展起來的，這種儀器大都有非常高的空間分辨率，空間分辨率約為1μm，或更好。這種儀器價格非常高。都超過100萬元。另外，這種儀器大都光譜分辨率非常低，只能得到幾種不同顏色熒光的像。這里用顏色表示波長是指分辨率相當差。這種光譜像儀不是為生物芯片而研制的。
還有一種用于太空的光譜像儀它將物成像在一個狹縫上，對狹縫按光譜成像。這種光譜像儀結構非常龐大，也不適用于對生物芯片的檢測。
本發(fā)明提出一種光譜像生物芯片檢測儀，其特征在于，它包括產(chǎn)生一個線光源的線光源激發(fā)單元，用以激發(fā)生物芯片的一列單元發(fā)出熒光，其長度要求大于等于生物芯片一列的長度，其寬度小于生物芯片1個單元的寬度；無狹縫光譜像儀，用于將生物芯片一列發(fā)出的熒光按光譜成像并接收，每個生物芯片單元發(fā)出的熒光按波長排成一行，得到一個光譜，生物芯片一列單元的熒光組成一個面的光譜像；芯片載臺和移動機構，它用于承載芯片，以及在計算機控制下對芯片載臺的位移；計算機，用于控制芯片載臺的移動，采集光譜像儀的光譜像信號和控制光譜像儀的曝光時間，利用計算機中的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)和程序對采集的數(shù)據(jù)進行處理，最后給出判斷，給出對疾病、藥物等的檢測結果。
本發(fā)明的特點本發(fā)明的光譜像生物芯片檢測儀具有檢測靈敏度高的優(yōu)點，使生物芯片研究單位易于研制為疾病，藥物等相結合的生物分子，降低生物芯片成本，可以使應用單位對疾病，藥物等作出準確判斷。另外，該儀器的造價低，體積小，重量輕。全套設備可以攜帶。
圖2為本發(fā)明的線光源激發(fā)單元實施例結構示意圖。
圖3為本發(fā)明的無狹縫光譜像儀結構示意圖。
圖4為圖3中A-A方向示圖。
無狹縫光譜像儀，它的作用是將生物芯片一列發(fā)出的熒光按光譜成像。每個生物芯片單元發(fā)出的熒光按波長排成一行，得到一個光譜。生物芯片一列單元的熒光組成一個面，即一列單元的光譜像。不同列的單元熒光在不同的光譜像中。
光譜像儀應保證各單元發(fā)出的熒光只成像于自己的行中。
芯片載臺和移動機構，它用于承載芯片，以及在計算機控制下對芯片載臺的位移，一次移動量為生物芯片兩列之間的距離，當生物芯片一列單元的數(shù)據(jù)被采集完成后，以備光譜像儀收集生物芯片下列的熒光數(shù)據(jù)。
計算機(包括設置在其內(nèi)的數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)處理及判斷、顯示程序)，用于控制芯片載臺的移動，采集光譜像儀的光譜像信號和控制光譜像儀的曝光時間，利用計算機中的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)和程序對采集的數(shù)據(jù)進行處理，最后給出判斷，給出對疾病、藥物等的檢測結果。
下面對各組成部分的實施例進行詳細描述本發(fā)明的線光源激發(fā)單元的實施例結構如圖2所示，包括全固化激光器21，以及依次設置在激光輸出光路上的光纖25和折射率準直適透鏡26(也可不用)、凹透鏡22、柱透鏡23；其工作過程為；激光器輸出光用光纖耦合器25耦合到折射率準直適透鏡26上，從折射率準直透鏡輸出光束為平行光，光斑直徑為1mm；平行光經(jīng)凹透鏡22擴束，經(jīng)柱透鏡23在列方向繼續(xù)擴束，在行方向上聚焦。最后照射到生物芯片L4的一列上。
本實施例的激光器采用市售的產(chǎn)品，其波長為550mm的單橫模的綠光，功率為50mw，凹透鏡焦距為-15mm，柱透鏡焦距為40mm，可以得到一長度大于10mm(列方向)，寬度小于10μm的線光束(在行方向光束焦點處)。從斜45度照射到芯片上，則寬度小于15μm.保證滿足只照一列的要求。即使微小的離焦也可以滿足要求。
本發(fā)明的無狹縫光譜像儀實施例結構如圖3、4所示，由收集熒光透鏡L31、光柵g32、成光譜像透鏡L33、和CCD接收器組成；其中，收集熒光透鏡L31與成光譜像透鏡L33分別設置在光柵g32的入射光路和出射光路上，CCD接收器處于光譜像透鏡L33的另一側并與該光譜像透鏡平行設置。其工作過程為將生物芯片L4處在透鏡L31的焦平面上，生物芯片每個單元發(fā)出的熒光經(jīng)透鏡L31后變成平行光射向光柵g32，經(jīng)光柵g32后按不同的波長衍射，不同波長的光在不同的方向為平行光，經(jīng)成光譜像透鏡L33后，這些不同的波長將分別成像在一行的不同列上。生物芯片同一列不同行的單元將成光譜像在不同的行上，總體得到生物芯片一列的光譜像。本實施例中透鏡L31利用照像機f＝50mm的鏡頭即可。光柵g32可選用700條/mm的普通光柵，面積30mm×30mm。成光譜像透鏡L33可選擇同L31相同的透鏡。如激發(fā)波長選550nm/415nm。CCD有效面積取10mm×14mm，可以接收600nm~1000nm/500nm~900nm的熒光，動態(tài)范圍400nm。因發(fā)光線寬為15μm，由光柵特性計算的光譜分辨率遠小于1nm。所以將光譜分成一百份毫無問題。
本發(fā)明的芯片載臺和移動系統(tǒng)實施例可采用步進電機帶動精密機械工作臺完成，由于總行程小于20mm，定位精度為幾μm，可采用現(xiàn)有成熟技術實現(xiàn)。
本發(fā)明的計算機系統(tǒng)可采用一般市售PC機，也可配置筆記本電腦以使整個裝置便于攜帶。目前計算機采樣一幅圖用0.1秒完全有保證，測量時間主要由信號強度決定，如入射到樣品上的光為十毫瓦左右，每秒CCD每個單元接收的光子平均可達105~106個光子，因而可以實現(xiàn)每秒采樣一幅光譜像圖。這樣約三分鐘測量一個生物芯片樣品。
計算機中的數(shù)據(jù)庫存及數(shù)據(jù)處理程序和判斷程序可結合應用要求采用常規(guī)技術實現(xiàn)，這部分內(nèi)容的具體實現(xiàn)技術不在本專利申請保護范圍內(nèi)。
本實施例中激光波長、透鏡焦距、光柵常數(shù)均只是用于舉例說明而以，它們的改變均不影響本發(fā)明的實施，可在具體設計時進行選擇、合理組合。
權利要求
1.一種光譜像生物芯片檢測儀，其特征在于，它包括產(chǎn)生一個線光源的線光源激發(fā)單元，用以激發(fā)生物芯片的一列單元發(fā)出熒光，其長度要求大于等于生物芯片一列的長度，其寬度小于生物芯片1個單元的寬度；無狹縫光譜像儀，用于將生物芯片一列發(fā)出的熒光按光譜成像并接收，每個生物芯片單元發(fā)出的熒光按波長排成一行，得到一個光譜，生物芯片一列單元的熒光組成一個面的光譜像；芯片載臺和移動機構，它用于承載芯片，以及在計算機控制下對芯片載臺的位移；計算機，用于控制芯片載臺的移動，采集光譜像儀的光譜像信號和控制光譜像儀的曝光時間，利用計算機中的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)和程序對采集的數(shù)據(jù)進行處理，最后給出判斷，給出對疾病、藥物等的檢測結果。
2.如權利要求1所述的光譜像生物芯片檢測儀，其特征在于，所說的線光源激發(fā)單元包括激光器，以及依次設置在激光輸出光路上的凹透鏡、柱透鏡。
3.如權利要求1所述的光譜像生物芯片檢測儀，其特征在于，所說的無狹縫光譜像儀由收集熒光透鏡、光柵、成光譜像透鏡、和CCD接收器組成；其中，所說的收集熒光透鏡與成光譜像透鏡分別設置在光柵的入射光路和出射光路上，所說的CCD接收器處于光譜像透鏡的另一側并與該光譜像透鏡平行設置。
4.如權利要求1所述的光譜像生物芯片檢測儀，其特征在于，所說的芯片載臺和移動系統(tǒng)采用步進電機帶動的精密機械工作臺。
全文摘要
本發(fā)明屬于生物芯片檢測技術領域，涉及光譜像生物芯片檢測儀。它包括產(chǎn)生一個線光源的線光源激發(fā)單元，用以激發(fā)生物芯片的一列單元發(fā)出熒光；無狹縫光譜像儀，用于將生物芯片一列發(fā)出的熒光按光譜成像并接收；芯片載臺和移動機構，它用于承載芯片，以及在計算機控制下對芯片載臺的位移；計算機系統(tǒng)，用于控制芯片載臺的移動，采集光譜像信號和控制光譜儀像的曝光時間，對采集的數(shù)據(jù)進行處理，最后給出判斷，給出對疾病、藥物等的檢測結果。本發(fā)明具有檢測靈敏度高、儀器的造價低、體積小、重量輕、全套設備可以攜帶等優(yōu)點，有利于降低生物芯片成本，促進生物芯片在診斷疾病及藥物上的應用。
文檔編號G01N21/64GK1412545SQ0215689
公開日2003年4月23日 申請日期2002年12月20日 優(yōu)先權日2002年12月20日
發(fā)明者郭峻, 郭峰 申請人:蔡靜軍