一种激光微阵列芯片扫描仪的制作方法

专利名称：一种激光微阵列芯片扫描仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微阵列芯片检测设备，尤其是关于一种适用于高分辨率微阵列芯片的激光微阵列芯片扫描仪。
背景技术：
基于微阵列芯片的检测设备的发展已经极大地改变了生物技术产业的 面貌。这些设备使得同时检测多种生物样品、检测稀少的人源转录本成为可能。 它们也使原先不借助这些仪器需要数月乃至数年的工作变得可能在数分钟内借由 自动从微阵列芯片中获取信息来完成。典型的微阵列芯片包括一系列聚合物，例如寡核苷酸，多肽和抗体。 在基片上，以点阵排列方式合成或者固定这些聚合物，而这些聚合物可以被荧光 标记物或者荧光基团所标记从而进行光学检测。 一台典型的微阵列芯片扫描仪使 用激光作为激发光源，并使用匹配的滤镜和光电倍增管进行检测。在微阵列芯片 的扫描过程中，从激发光源发出的激发光照射到芯片的不同点上。在激发光作用 下，芯片上探针标记的荧光发生斯托克斯频移，产生发射光，而该发射光则被光 电倍增管所采集。如此得到微阵列芯片的信息，能够为多种研究服务，例如基因 表达研究，变异研究，基因分型，单核苷酸多态性，蛋白相互作用，还有疾病的 诊断和治疗。随着微阵列芯片技术的发展，产生出对基于荧光检测的微阵列芯片扫 描仪的新需求，尤其是对具有高速扫描、高灵敏度和低成本的微阵列芯片扫描仪 的需求。

发明内容
—方面，本发明提供了一种激光微阵列芯片扫描仪。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案 一种激光微阵列芯片扫描仪，其由一光学系统， 一扫描运动平台和一数据处理系统组成。其中光学系统包含一 打孔反射镜，其上开有一通孔，反射镜可将由微阵列芯片上发射出来的光反射开， 而通孔可允许激发光从其中通过。在某些实施例中，本发明微阵列芯片扫描仪的 光学系统还可进一步包括一激发光物镜，用以会聚激发光以便使其通过打孔反射镜。在某些实施例中，本发明微阵列芯片扫描仪光学系统还包括一个入射光系统用以产生激发光。入射光系统可以由第一激光发生器(带有一可选的激发 光滤镜)，第二激光发生器(带有一可选的激发光滤镜)， 一分光镜， 一斩光器组 成，其中分光镜使得第一激光发生器发出的激光通过而使第二激光发生器发出的激光反射，而斩光器每次只使其中一个激光发生器发出的光通过而阻断另一个激 光发生器发出的光。在某些实施例中，所述光学系统的入射光系统还包括一置于分光镜与第一激光发生器之间光路上的第一反射镜和一置于分光镜与打孔反射镜之间的第 二反射镜，从而使由第一激光发生器产生的光在经过分光镜之前先在第一反射镜 上发生反射，而从分光镜发出的光在通过打孔反射镜之前先在第二反射镜上发生 反射。在某些实施例中，所述光学系统还包含一个衰减片，其位于分光镜之后的 光路上，以便对从分光镜出来的光强进行调节。在某些实施例中，本发明激光微阵列芯片扫描仪的光学系统还包含一 采集系统对发射光进行收集。所述采集系统包含一检测器(如光电倍增管)和一 位于检测器与打孔反射镜之间光路上的发射光物镜组。在某些实施例中，光学系 统的该采集系统还包含一位于发射光物镜组与检测器之间光路上的针孔。在某些实施例中，所述采集系统还包含一发射光滤镜组，位于打孔反 射镜与发射光物镜组之间的光路上。该发射光滤镜组可以由单片滤光镜或多片滤 光镜(例如2， 3， 4， 5， 6， 7， 8， 9或者10片)组成，用以滤过不同波长的光。在一个实施例中，光学系统包含一打孔反射镜，其具有一个通孔和一 个反射面； 一激发光物镜组； 一入射光系统，该系统又包含一第一激光发生器， 一第一反射镜用以反射第一激光发生器产生的光束， 一第二激光发生器， 一分光 镜用以透过上述第一反射镜所反射的光束并反射第二激光发生器产生的光束，一 斩光器用以在同一时间段内透过某个激光发生器产生的光束而阻断另一个激光发 生器产生的光束， 一第二反射镜用以将光束反射，使之通过打孔反射镜上的通孔 并被激发光物镜组所聚焦； 一采集系统，该系统又包含一位于打孔反射镜之后光 路上的发射光滤镜组， 一位于发射光滤镜组之后光路上的发射光物镜组， 一位于 发射光滤镜组之后光路上的针孔和一检测器，从而使发射光被打孔反射镜反射之 后依次经过发射光滤镜组、发射光物镜组和针孔，直至到达检测器。在某些实施 例中，该光学系统还包含位于两个激光发生器之前或其中一个激光发生器之前光 路上的相应激发光滤镜。在某些实施例中，该光学系统还包含位于分光镜与第二 反射镜之间的衰减片。在某些实施例中，所述激光微阵列芯片扫描仪的扫描运动平台包含一控制扫描方向运动的扫描驱动装置和一控制进给方向运动的进给驱动装置相偶联 的载物台。例如，扫描驱动装置可由一带轮和一紧密缠绕在带轮上的薄金属带组 成，从而使带轮的转动带动平台两部分之间发生相对运动。从另一角度来看，本发明提供了一种由光学系统、扫描运动平台和数 据处理系统的激光微阵列芯片扫描仪。其中扫描运动平台包括一载物台用于盛放 微阵列芯片，该平台受到一包含带轮和紧密缠绕其上的薄金属带的驱动装置控制。 薄金属带的两部分连接到载物台上以使带轮的转动能够带动载物台的运动。在某 些实施例中，带轮由低转动惯量的伺服电机驱动。在某些实施例中，薄金属带的 两部分其中之一与载物台的连接是可以释放的。在某些实施例中，薄金属带还包 含从与载物台构成可以释放的连接的部分延伸出来的一预紧区段。在某些实施例中，微阵列芯片扫描仪的扫描运动平台还包含第二驱动装置。所述第一驱动装置控制载物台在扫描方向上的运动，而第二驱动装置控制 载物台在不同于扫描方向的进给方向(例如正交于扫描方向)上的运动。在某些 实施例中，第一驱动装置位于载物台之下，第二驱动装置之上。在某些实施例中， 第二驱动装置包含与步进电机相偶联的丝杠。从另一角度看，本发明提供一种由一光学系统， 一扫描运动平台和一 数据处理系统组成的激光微阵列芯片扫描仪，其中扫描运动平台包含一底座，该 底座包含一第一导轨； 一可在第一导轨上滑动的滑块，该滑块上又有正交于第一导轨的第二导轨； 一进给驱动装置，其与滑块相偶联以驱动其在第一导轨上滑动；一载物台，其可在第二导轨上滑动； 一扫描驱动装置，其与载物台相偶联以驱动其在第二导轨上滑动。在某些实施例中，扫描驱动装置包含一带轮和一紧密缠绕 在带轮上的薄金属带，薄金属带的两部分连接到载物台上以使带轮的转动能够带 动载物台的运动。在某些实施例中，扫描驱动装置由具有低转动惯量的伺服电机 带动。在某些实施例中，扫描驱动装置安装在滑块上。在某些实施例中，进给驱 动装置包含偶联到一步进电机上的一丝杠。在一个实施例中，激光微阵列芯片扫描仪包含一光学系统， 一扫描运 动平台和一数据处理系统。其中扫描运动平台包含一底座，该底座包含一第一导 轨； 一可在第一导轨上滑动的滑块，该滑块上又有正交于第一导轨的第二导轨； 一条偶联到该滑块的丝杠； 一个偶联到该丝杠的步进电机； 一载物台，可在第二 导轨上滑动； 一扫描驱动装置，包含一带轮和一紧密缠绕在带轮上的薄金属带， 薄金属带的两部分连接到载物台上以使带轮的转动能够带动载物台的运动，扫描 驱动装置由一伺服电机带动。扫描驱动装置可安装在滑块上。在某些实施例中，薄金属带的两部分之一与载物台的连接是可以活动的。在某些实施例中，薄金属 带还包含一从与载物台构成活动连接的薄金属带的一端延伸出来的预紧区段。在某些实施例中，微阵列芯片扫描仪包含上述任一扫描运动平台，一 数据处理系统和一光学系统。该光学系统包含一入射光系统。该入射光系统包含 一第一激光发生器， 一第二激光发生器， 一分光镜和一斩光器，其中分光镜透射 由第一激光发生器发出的光束而反射由第二激光发生器发出的光束，斩光器则每 次只让来自一个激光发生器的光束通过而阻断另一个激光发生器发来的光束。在某些实施例中，微阵列芯片扫描仪包含以上所述的任一扫描运动平 台，以数据处理系统，和一光学系统。该光学系统包括一采集系统。该采集系统 包括一发射光滤镜组， 一置于发射光滤镜组之后光路上的发射光物镜组， 一置于 发射光物镜组之后光路上的针孔和一置于针孔之后光路上的检测器，其中发射光 依次通过发射光滤镜组，发射光物镜组和针孔，最后到达检测器。


图1是本发明一个实施例的示意2是本发明一个实施例扫描运动平台部分的示意3是本发明微阵列芯片扫描仪中一例打孔反射镜的示意4是本发明微阵列芯片扫描仪中一例扫描运动平台的示意5是本发明微阵列芯片扫描仪中一例带轮与薄钢带驱动系统的示图
具体实施例方式本发明提供一种包括一光学系统和一扫描运动平台的激光微阵列芯片 扫描仪。在扫描操作过程中，光学系统保持固定位置。相对于光学系统，置于扫 描运动平台的载物台上的微阵列芯片可在一个二维平面内移动到任意位置，以完 成整片扫描。在某些实施例中，扫描仪还包括一数据处理系统用于数据收集和处 理。该扫描仪的部分或者全部子系统可以由计算机进行控制。数据处理系 统可以被整合在扫描仪本体中。或者，数据处理系统的某些组件可以与扫描仪的 其他部分分离(例如被集成在个人计算机、计算机工作站内等等)。因此，本发明 提供了一种集成的和/或自动化的微阵列芯片扫描仪。本发明公开的微阵列芯片扫描仪具有高速扫描、高灵敏度、高分辨率 和高信噪比的特征，可用于任何种类的微阵列芯片的扫描，包括但不限于DNA、RNA、 cDNA、多聚核苷酸、寡聚核苷酸、蛋白质、多肽和抗体微阵列。通过扫描微阵列 芯片得到的信息可用于多种用途，例如基因表达、突变、分型、单核苷酸多态性、蛋白相互作用分析等研究和疾病的诊断与治疗。
微阵列芯片扫描仪的光学系统本发明微阵列芯片扫描仪的光学系统为芯片扫描提供激发光，并从芯 片收集发射光。光学系统可由在题为"微阵列芯片扫描的光学系统"的专利申请
(Attorney Docket No. 51457-2003340)中描述的一种新型光学系统构成。在某些实施例中，该光学系统包括一打孔反射镜。该打孔反射镜上有 一通孔，以使激发光直接透过；还有一反射面，以使来自微阵列芯片的发射光被 其反射。该光学系统还可包括一激发光物镜组，用以将激发光聚焦在打孔反射镜 的通孔处，并使来自微阵列芯片的发射光准直。在某些实施例中，激发光物镜组 连接到一个电机(例如步进电机)，可使物镜组在垂直于微阵列芯片表面的方向上 移动。如此物镜组的位置就可以调整而使激发光正确聚焦。使用本发明的打孔反射镜极大提高了光学系统的效率，降低了背景噪 声，并消除了激发光和发射光之间的相互干扰。在芯片扫描过程中，激发光从打 孔反射镜的通孔中穿过，直接聚焦到待扫描的微阵列芯片上。芯片上的荧光团所 发出的荧光接着被打孔反射镜的反射面所反射，并被收集起来。由于激发光通过 打孔反射镜上的通孔不会遇到任何阻碍，所以减少了光损失。而且，大部分由微 阵列芯片所反射的背景光也通过通孔而不会进入釆集系统。因此，信噪比得到了 提高。打孔反射镜上的通孔可以是任意形状，包括但不限于圆形，椭圆形， 方形，矩形，三角形，或者其他规则或不规则形状。通孔的大小可以在任意可行 的范围内，只要能使激发光通过而不受阻。例如，当通孔为圆形时，其直径可以 在约0. 5毫米至约5毫米之间但不限定在这之间，在约0. 4亳米至约0. 8毫米之 间，或者在约1毫米到约3毫米之间，或者为约3毫米都可以。打孔反射镜可以为任意形状，包括但不限于圆形，椭圆形，方形，矩 形，三角形，或者其他规则或不规则形状。反射镜面可以与微阵列芯片的表面成 任意合理的角度，如15° ， 20° ， 30° ， 40° ， 45° ， 50°或者60°等。该光学系统还可以包括一入射光系统用以产生激发光。在某些实施例 中，光学系统的该入射光系统包括一激光发生器和一可选的反射镜。例如，当与 打孔反射镜一起使用时，由激光发生器发出的光束可以选择是否先经反射镜反射， 再通过打孔反射镜上的通孔。该入射光系统还可以包括一相应的激发光滤镜，置 于第一激光发生器前面的光路上，从而将激光发生器发出的光过滤成为光谱范围 狭窄的激发光。在某些实施例中，光学系统的该入射光系统包括一第一激光发生器(和 一可选的相应激发光滤镜)， 一第二激光发生器(和一可选的相应激发光滤镜)， 一分光镜和一斩光器。两个激光发生器产生的激光波长一般是不同的。分光镜放 置的位置使得第一激光发生器发出的光束透过而第二激光发生器发出的光束被反 射。斩光器在光路上紧邻分光镜。在任意时刻斩光器只允许来自一个激光器的光 束通过而阻断来自另一个激光器的光束，因此保证激发光路上只有一种来源的光。 使用斩光器取代传统的旋转反射镜选择激光光源保证了光学系统的稳定性。该光学系统(例如入射光系统)还包括一个或者更多反射镜。反射镜 用来改变光路的方向，并可根据设计意图以多种方式釆用。例如，可以在第一激 光发生器与分光镜之间安置一第一反射镜。来自第一激光发生器的光束首先经过 第一反射镜的反射后再进入分光镜。在某些实施例中，当与打孔反射镜一起使用 时，该入射光系统还可包括一第二反射镜(最好为一比例反射镜)，置于分光镜和 打孔反射镜之间。来自于斩光器选择之后经由分光镜的光束首先经过第二反射镜 的反射再通过打孔反射镜的通孔。光路上还可安置一光密度检测器用于检测从第 二反射镜出射的光束，检测到的光信号经过数字转换可用于指示激发光的光强。光学系统的该入射光系统还可包括一衰减片，用于控制和调整激发光 光强。衰减片在光路上的位置可以紧接在分光镜之后，以使通过打孔反射镜的光 束能够受到衰减片的调节。根据现有技术领域的共识，当激发光在微阵列芯片上进行扫描时，芯 片上的荧光基团将响应激发光产生斯托克斯频移发射光，并被一集光装置所收集。 因此，该光学系统还可包括一集光装置用以收集来自微阵列芯片的发射光。光学 系统的激光装置可包括一检测器和一发射光物镜组。在某些实施例中，该检测器 为一光电倍增管(PMT)。 PMT通过光电效应将入射的光子转变为电子。l个光子打 在PMT光电阴极即可产生1个电子。电子流经一系列的倍增极得到放大，直到到 达阳极。在阳极上产生的电流与阴极入射光直接相关。电信号进一步通过放大电 路放大并转变为数字信号，用于计算机分析。在一些实施例中，光学系统的采集系统包括一位于发射光物镜组与检 测器之间光路上的针孔。针孔安放在检测器之前，以阻挡微阵列芯片发出的荧光 中不在激光束聚焦的焦平面上的部分。这样，离焦的干扰信息大大减少。在某些实施例中，光学系统的采集系统还包括一位于发射光物镜组前 光路上的发射光滤镜组，以使目标波段的光束通过发射光物镜组而被检测到。在 某些实施例中，发射光滤镜组包括两片或者更多(例如2， 3， 4, 5， 6， 7， 8， 9，IO或更多)滤光片，以实现对不同波段光的过滤(例如，其中每片允许通过的波 段都不同)。这些滤光片可以以任意合理的方式进行排列。例如，发射光滤镜组中 的滤光片可以沿圆周排布(例如安排在一转盘上)，转动转盘以便使合适的滤光片 转到光路上。滤光片的选择取决于激发光波长和激发光、待检测荧光基团发射光的 光谱特征。两个激光发生器，再加上相应激发光滤镜的不同组合，使得依次或者 同时检测一个样品中的多种荧光基团成为可能。因此，使用本发明的光学系统可 以检测多重标记的样品。这种功能在微阵列芯片扫描中十分有用，因为该应用普 遍使用不同的标记物对样品进行多重探针标记。在一个实施例中，光学系统包括一个具有一通孔和一反射面的打孔反 射镜； 一激发光物镜组； 一入射光系统，包括一第一激光发生器， 一第二激光发 生器， 一分光镜用以透射由第一反射镜反射的光束而反射来自第二激光器的光束， 一斩光器用以透射来自 一激光发生器的光束并阻断来自另一激光发生器， 一第二 反射镜用以使光束通过打孔反射镜上的通孔并通过物镜组聚焦； 一采集系统，包 括一位于打孔反射镜之后光路上的发射光滤镜组， 一位于发射光滤镜组之后光路 上的发射光物镜组， 一位于发射光物镜组之后光路上的针孔，和一检测器，这样 发射光经过打孔反射镜反射以后依次经过发射光滤镜组，发射光物镜组和针孔， 最后到达检测器。在某些实施例中，光学系统还包括位于至少其中一个激光发生 器前光路上的对应激发光滤镜。在某些实施例中，光学系统还包括一位于分光镜 和第二反射镜之间的衰减片。从另一个角度来看，本发明提供一种光学系统，包括(由下列项目构 成或者主要由下列项目构成) 一第一激光发生器， 一打孔反射镜， 一激发光物镜 组， 一发射光物镜组， 一针孔和一检测器；该光学系统的所有部件通过光路连接。 具体地，由激光发生器产生的光通过打孔反射镜，并由激发光物镜组聚焦在待扫 描的微阵列芯片上。待扫描芯片上的荧光基团在激发下释放出荧光。发射光经激 发光物镜组准直后，经打孔反射镜反射，再经过发射光物镜组和针孔并被检测器 所收集。在某些实施例中，光学系统还包括一第二激光发生器， 一分光镜和一 斩光器。由第一激光发生器产生的光束透过分光镜，而由第二激光发生器产生的 光束被分光镜反射。斩光器每次允许来自一个激光发生器的光束通过而阻断另一 个激光发生器所发出的光束。在某些实施例中，光学系统还包括一位于第一激光发生器和分光镜之间的第一反射镜。由第一激光发生器产生的光束首先被第一反射镜所反射，然后 进入分光镜。在某些实施例中，还可以有第二反射镜(一比例反射镜更佳)，位于 分光镜与打孔反射镜之间的光路上。来自于斩光器选择之后经由分光镜的光束首 先被第二反射镜反射，然后直接通过打孔反射镜上的通孔。在某些实施例中，光 学系统还包括一光强探测器用以检测第二反射镜透过的光。在某些实施例中，光学系统还包括一衰减片，位于分光镜与第二反射
镜之间的光路上。在某些实施例中，光学系统还包括对应的激发光滤镜，位于至 少其中一个激光发生器前的光路上。在某些实施例中，光学系统还包括一发射光
滤镜组(例如，在一个发射光滤镜组合体中包含两个或者更多用于滤过不同波长 的光束的滤光片)，位于打孔反射镜与发射光物镜组之间的光路上。从另一角度来看，光学系统包括(由下列项目组成或者主要由下列项 目组成) 一第一激光发生器， 一第一激发光滤镜组， 一第一反射镜， 一第二激光 发生器， 一第二激发光滤镜组， 一分光镜， 一斩光器， 一第二反射镜， 一打孔反 射镜， 一激发光物镜组， 一发射光滤镜组， 一发射光物镜组， 一针孔，和一检测 器，其中各组件通过光路联系起来。在某些实施例中，光学系统包括(由下列项目组成或者主要由下列项 目组成) 一第一激光发生器， 一第一激发光滤镜组， 一第一反射镜， 一第二激光 发生器， 一第二激发光滤镜组， 一分光镜， 一斩光器， 一第二反射镜， 一打孔反 射镜， 一激发光物镜组， 一发射光滤镜组， 一发射光物镜组， 一针孔，和一检测 器。其中第一激光发生器产生的光被第一激发光滤镜组滤过，经第一反射镜反射
并透过分光镜；第二激光发生器产生的光被第二激发光滤镜组滤过，经分光镜反 射；其中斩光器每次允许来自其中一个激光发生器的光束通过而阻断另一个激光 发生器发出的光束；通过斩光器的光束再经过第二反射镜反射，通过打孔反射镜 的通孔并经激发光物镜组聚焦；来自芯片的发射光经激发光物镜组准直后，被打 孔反射镜反射；被反射的发射光经发射光滤镜组滤过后，由发射光物镜组聚焦， 通过针孔，由检测器进行检测。 芯片扫描仪的扫描运动平台芯片扫描仪的扫描运动平台相对于光学系统发生运动而对芯片进行扫 描。本发明描述的扫描运动平台可由在题为"微阵列芯片扫描仪高速扫描运动平 台"的专利申请(Attorney Docket No. 51457-2003240)构成。在某些实施例中，扫描运动平台包括一盛放微阵列芯片的载物台，该 载物台由包含一带轮和一缠绕在带轮上的薄金属带的一驱动装置所控制。 一般来
说，薄金属带在带轮上缠绕至少一圈。薄金属带上两个区域，通常是缠绕在带轮 上区域的两端，被连接到载物台上。带轮绕其转轴转动从而拉动薄金属带。薄金 属带进而拉动载物台作线性运动。这样，带轮的旋转运动通过薄金属带转变为线 性运动。由于带轮可以顺时针或者逆时针转动，载物台可以向两个方向运动。薄金属带连接到载物台的两个区段可以以任何合适的方式连接到载物 台。例如，这两个区段可以分别连接到载物台同一端的两个角上。两个区段可以 现有技术中任何方法连接到载物台。在某些实施例中，两个区段其中之一到载物 台的连接是可以活动的。薄金属带还可包括一伸出可活动连接区段之外的预紧区 段。预紧区段的端部也可以连接到载物台上。预紧区段再加上可活动地连接到载 物台的区段，可以调节缠绕在带轮上的薄金属带的应力。薄金属带一般由具有足够弹性的材料制成。适合作薄金属带的材料包
括，但不限于钢、弹簧钢、合金钢。薄金属带通常非常薄。薄金属带合适的厚度
包括但不限于在约0. 05毫米到0. 5毫米之间，例如在约0. 05毫米到0. 1毫米之
间也可以。在某些实施例中，带轮/薄金属带驱动装置中的带轮与一低转动惯量的 伺服电机相偶联。在某些实施例中，扫描运动平台包括一盛放芯片的载物台，该载物台 (以及置于其上的芯片)可在二维平面上任意移动。具体来说，扫描运动平台的 载物台被偶联到两个驱动装置。 一个驱动装置(扫描驱动装置)控制载物台在扫 描方向上的反复运动。另一个驱动装置(进给驱动装置)控制载物台在不同于扫 描方向上(例如正交于扫描方向)的进给运动。两个驱动装置共同工作以对整个 芯片进行扫描。在某些实施例中，第一个驱动装置，例如扫描驱动装置，包括一带轮 和一缠绕带轮上的薄金属带，其中薄金属带上的两个区段连接到载物台上，以使 带轮的旋转带动载物台运动。这里所描述的带轮/薄金属带驱动装置具有高速和高 重复精度特征，因此非常适用于高精度芯片扫描仪中载物台的重复运动控制。在另一方面，载物台及载物台上芯片的进结运动速度不需要太快，但 是其重复精度要求很高。因此，进结驱动装置可包括一丝杠(例如丝杠和步进电 机构成偶联)。在某些实施例中，丝杠通过一联轴器连接到一电机。在某些实施例中，载物台位于扫描驱动装置顶部，而扫描驱动装置则 位于进给驱动装置顶部。在扫描过程中，载物台(以及置于其上的芯片)相对于 扫描驱动装置在扫描方向上发生运动。扫描驱动装置(以及置于其上的载物台和芯片)则在进给方向上运动。在某些实施例中，扫描运动平台包括 一底座，该底座包括一第一导 轨， 一滑动连接在第一导轨上的滑块，该滑块上还有正交于第一导轨方向的第二 导轨； 一进给驱动装置，偶联到上述滑块并能使滑块在第一导轨上滑动； 一滑动 连接到上述第二导轨上的载物台； 一扫描驱动装置，偶联到上述载物台并能使载物台在第二导轨上滑动。在某些实施例中，扫描运动平台包括 一底座，该底座包括一第一导轨， 一滑动连接在第一导轨上的第一滑块，该第一滑块上还有正交于第一导轨方向的第二导轨； 一进给驱动装置，偶联到上述第一滑块并能使第一 滑块在第一导轨上滑动； 一第二滑块，偶联到第二导轨上； 一载物台，安装在第 二滑块上； 一扫描驱动装置，偶联到上述载物台并能使第二滑块和载物台在第二 导轨上滑动。在某些实施例中，扫描运动平台包括一带轮和一缠绕在带轮上的薄金属带，其中薄金属带的两个区段连接到载物台上以使带轮的旋转带动载物台的移 动。在某些实施例中，薄金属带上两个区段之一到载物台的连接是可以活动的。 在某些实施例中，薄金属带还包括一预紧区段，延伸到与载物台构成可以活动的 连接的区段之外。在某些实施例中，扫描驱动装置可由伺服电机(例如具有低转动惯量 的伺服电机)等触发。扫描驱动装置(包括电机)可安装在滑块上，并沿第一导 轨在进给方向上运动。进给驱动装置可包括一丝杠，该丝杠偶联到一电机(例如一步进电机)。 在某些实施例中，丝杠通过一联轴器连接到电机。底座上的第一导轨可安装到底座上，或者本身就是完整底座的一部分。 类似地，滑块上的第二导轨可安装到滑块(或者第一滑块)上，或者本身就是完 整底座的一部分。导轨可以由耐磨损的任何材料制成，例如磨光的不锈钢。导轨 还可用聚四氟乙烯涂层(PTFE，商品名为TEFLON)处理。底座和滑块还可包含支架。第一和第二导轨均在这些支架之间沿长度 方向延伸。具体地，第一导轨包含第一末端和第二末端。第一末端固定连接到底座第一支架，第二末端固定连接到底座第二支架。第二导轨的两个末端以相似方 式连接到滑块的支架上。在某些实施例中，扫描运动平台还包括在扫描运动和/或进给运动方向 上设置的机械开关和光电开关。机械开关可置于第一或者第二导轨上以限制滑块 或者载物台的运动(或者改变其方向)。光电开关可用来确定滑块/载物台的位置。在某些实施例中，扫描运动平台包括一光栅尺以确定载物台的位置。在一个实施例中，扫描运动平台包括 一底座，包括一第一导轨；一 可在第一导轨上滑动的滑块，该滑块还包括正交于第一导轨的第二导轨； 一偶联 到滑块的丝杠； 一偶联到丝杠的步进电机； 一可在第二导轨上滑动的载物台；一 扫描驱动装置，包括一带轮和缠绕在带轮上的一薄金属带，薄金属带的两端连接 到载物台以使带轮的转动能够带动载物台的运动； 一伺服电机，偶联到扫描驱动 装置。在另一实施例中，扫描运动平台包括 一底座，包括一第一导轨； 一第一 滑块，可在第一导轨上滑动，而且第一滑块上还有一正交于第一导轨的第二导轨； 一丝杠，偶联到第一滑块； 一步进电机，偶联到丝杠； 一第二滑块，可在第二导 轨上滑动； 一载物台，安装在第二滑块上； 一扫描驱动装置，包括一带轮和缠绕 在带轮上的一薄金属带，薄金属带的两端连接到载物台以使带轮的转动能够带动 载物台的运动； 一伺服电机，偶联到扫描驱动装置。 数据处理系统芯片扫描仪的数据处理系统将光学系统中检测器检测到的光信号转变 为数字和/或图像数据。数据处理系统中的组件(以硬件、软件或者两者结合的形 式出现)基本上采用其他微阵列芯片激光扫描仪中传统的技术。例如，可由一放 大滤波电路和相应的模拟-数字转换器(AD转换器)连接到检测器(例如PMT)。 AD转换器产生的数字信号可由数据借口发送给计算机。计算机对芯片上所有区块 的数据进行信号强度和背景的归一化处理。这些强度数据进一步被整理成为文本 的，图形的，或者两者结合形式的数据。计算机还可提供软件用以对上述数据进 行解释以生成试验结果或临床检测报告。原始和/或处理过的数据可以被存储在计 算机可读的介质中，通过电信号传递到其他通信实体，打印成为人类可读形式， 或者留作其他用途。数据处理系统还包括一连接到检测器(例如PMT)的DA转换器以对从 检测器(例如PMT)输出的信号进行反馈控制。在某些实施例中，数据处理系统还 包括一格放大滤波电路和一 AD转换器连接到一所述光强度检测器。传统芯片扫描仪能够检测到芯片上明亮的光斑，但是并不擅长将微弱 的光斑从背景信号中区别出来。DA转化器用来为检测器(例如PMT)提供连续反 馈控制，可以选择与连续调节激发光能量的衰减片联合使用，以大大提高扫描仪 的灵敏度。本发明的扫描仪还提供了宽广的动态范围，因此能够提供高质量的图 像和数据。如图1所示，本发明包括第一激光发生器10产生激光，激光通过激发光滤镜12，被反射镜13所反射，并透过分光镜14。第二激光发生器9产生、激 光，激光通过激发光滤镜11，被分光镜14所反射。斩光器15位于分光镜14附近， 只让第一激光发生器10或者第二激光发生器9其中之一产生的激光通过。通过的 光束再经衰减片16发生衰减。衰减后的光束入射到比例反射镜5上。为了检测激 发光强度，光强检测器17用于检测从比例反射镜5透射过的光束。光强检测器17 得到的光信号经过放大滤波电路18进行放大，由AD转换器19转变为数字信号。 被比例反射镜5所反射的光束通过打孔反射镜6上的通孔，经激发光物镜组7聚 焦在扫描运动平台8上的微阵列芯片24表面。从微阵列芯片24发出的光经激发光物镜组7准直后，被打孔反射镜6 反射。反射光通过发射光滤镜组4和发射光物镜组3。针孔2只允许聚焦的光通过 并被PMT1所检测。PMT1所收集的信号经由放大滤波电路20放大后由AD转换器 21转变为数字信号。如此得到的数据通过数据接口 22被引入计算机处理单元23 用以产生TIFF文件。PMT1还连接到DA转换器25，后者为PMT1提供反馈控制。 在此实施例中，USB被用来进行数据通信。如图2所示，微阵列芯片24被放置在载物台31的上表面，载物台是 扫描运动平台的一部分。通过Y轴驱动伺服电机38、扫描驱动装置36控制载物台 31沿Y轴方向移动。扫描驱动装置驱使载物台沿扫描方向作重复运动，并正确地 控制着载物台运动的位置精度。扫描驱动装置被置于第一滑块37之上，而进给驱 动系统通过X轴驱动步进电机控制着第一滑块37沿X轴运动。另外还有一 Z轴驱 动步进电机312，其控制着激发光物镜组在Z轴方向的运动以聚焦光束。在扫描过程中，第一滑块37沿X轴以分辨率为步长移动。同时，载物 台31沿Y轴以扫描宽度为限相对于第一滑块37进行移动，载物台在Y轴方向上 的位置由光栅313所控制。光栅313进行计数并控制扫描位置。当载物台31沿扫 描方向(例如，Y轴方向)移动一段指定距离之后，Y轴驱动伺服电机38改变转 动方向使载物台沿Y轴向相反方向移动。与此同时，第一滑块37向前移动一步长 (等于分辨率)，从而对芯片阵列的另一行进行扫描。重复同样的步骤直到第一滑 块37到达指定的移动距离。芯片扫描仪的该实施例可扫描22毫米X72毫米范围内的一个或者多 个微阵列芯片阵列。在此实施例中，两个激光发生器分别产生635纳米和532纳 米的激光。两激光发生器与发射光滤镜组联合使用，提供6种不同通道和4种不 同分辨率(分别是5微米，IO微米，20微米和40微米)。单个通道对单张芯片的 扫描约需6-8分钟(IO微米分辨率)。检测灵敏度优于0. 1荧光分子/平方微米。如图3所示，激光微阵列芯片扫描仪光学系统中打孔反射镜6的一个实施例。该反射镜呈椭圆形，并与水平面成45度倾角。 一直径3毫米的圆形通孔位于反射镜中心，使激发光不受阻碍地通过。该反射镜的一面为反射面，用以反 射发射光。在这种情况下，激发光光路与收集光路成正交，不会互相干扰对方。如图4所示，激光微阵列芯片扫描仪中使用的扫描运动平台的一个实施例。载物台31安装在第二滑块35上，第二滑块35可以沿第二导轨34滑动。薄钢带33缠绕在带轮32上，并连接到载物台31上。扫描电机36驱动该薄钢带/ 带轮系统，以使第二滑块/载物台沿第二导轨34移动。第二导轨34，带轮32，薄 钢带33和扫描电机36共同组成扫描驱动装置以移动载物台。第二导轨34位于第一滑块37上。载物台31在扫描驱动装置控制下，相对于第一滑块37在扫描方向 上运动。第一导轨38，丝杠39，联轴器310和步进电机311共同组成进给驱动装置。在进给驱动装置控制下，第一滑块37承载着扫描驱动装置36，沿与扫描方向成正交的方向移动。在扫描过程中，载物台在进给和扫描两个方向上移动，对整张微阵列芯片进行高速、高精度的扫描。如图5所示，本发明线性驱动系统(扫描驱动装置)包括带轮32和薄 钢带33。带轮32由扫描电机36驱动，可以顺时针或者逆时针转动。薄钢带33在带轮32上缠绕一圈。薄钢带的区段315和区段316分别缠绕在带轮上区段的两端，通过螺钉317和318连接到载物台31—端的两角上。区段316与载物台的连 接可以活动。在此实施例中，薄钢带延伸到区段316之外，其末端通过螺钉314 固定到载物台上。薄钢带上位于螺钉318和314之间的部分起到预紧的作用，即带轮上缠绕的薄金属带的应力可以通过调整该预紧区段加以改变。驱动装置通过 薄钢带33将带轮32的旋转运动转变为重复的线性运动。该系统可以实现10-20Hz 的扫描频率(在10毫米行程情况下)。而且，它能够实现高重复精度，从而解决 了传统传送带系统相关的问题。虽然为了帮助理解和阐明问题对前述的发明通过图示和举例的方式在一定细节上进行了描述，但是具有该领域内平均技能和知识的专业人员可能对其做出一些显而易见的改变。因此，发明的范围不应受到描述和实施例的限制，而 由后面权利要求来进行描述。所有的绘图均为示意图。角度和尺寸不严格遵守比例限制。
权利要求
1、一种激光微阵列芯片扫描仪，其特征在于包括一光学系统，一扫描运动平台和一数据处理系统。其中光学系统包括一打孔反射镜，其上有一通孔和一反射面，其通孔能使激发光束通过而反射面可反射来自于微阵列芯片的发射光。
2、 如权利要求1所述的一种激光微阵列芯片扫描仪，其特征在于所述光学 系统还包括一激发光物镜组，用以将激发光聚焦以通过打孔反射镜。
3、 如权利要求1或2所述的一种激光微阵列芯片扫描仪，其特征在于所述光学系统还包括一入射光系统，用以产生激发光束。
4、 如权利要求3所述的一种激光微阵列芯片扫描仪，其特征在于所述光学系统中的入射光系统包括一第一激光发生器， 一第二激光发生器， 一分光镜，一 斩光器。其中分光镜使第一激光发生器发出的光束通过而反射来自第二激光发生器的光束，而斩光器一次只让来自于其中一个激光发生器的光束通过而阻断另一 个激光发生器发出的光束。
5、 如权利要求4所述的一种激光微阵列芯片扫描仪，其特征在于所述光学 系统的入射光系统还包括置于第一激光发生器与分光镜之间光路上的第一反射镜 和置于分光镜与打孔反射镜之间光路上的第二反射镜。其中由第一激光发生器发 出的光束首先经第一反射镜反射后再入射到分光镜，而从分光镜出射的光束再经 第二反射镜反射后，再通过打孔反射镜上的通孔。
6、 如权利要求4所述的一种激光微阵列芯片扫描仪，其特征在于所述光学 系统中入射光系统还包括两个激光发生器至少其中之一前面光路上设置的相应激 发光滤镜。
7、 如权利要求4所述的一种激光微阵列芯片扫描仪，其特征在于所述光学 系统中入射光系统还包括一衰减片，位于分光镜后面的光路上。
8、 如权利要求1所述的一种激光微阵列芯片扫描仪，其特征在于所述光学 系统还包括一采集系统用以收集发射光。所述采集系统包括一检测器和一位于检 测器和打孔反射镜之间的发射光物镜组。
9、 如权利要求8所述的一种激光微阵列芯片扫描仪，其特征在于所述检测 器为一光电倍增管。
10、 如权利要求8所述的一种激光微阵列芯片扫描仪，其特征在于所述光 学系统的采集系统还包括一针孔，位于发射光物镜组与检测器之间的光路上。
11、 如权利要求10所述的一种激光微阵列芯片扫描仪，其特征在于所述光 学系统的采集系统还包括一发射光滤镜组，位于打孔反射镜和发射光物镜组之间的光路上。
12、 如权利要求ll所述的一种激光微阵列芯片扫描仪，其特征在于所述发 射光滤镜组包括两片或更多激发光滤镜用以滤过不同波长的光束。
13、 如权利要求2所述的一种激光微阵列芯片扫描仪，其中光学系统还包括 一入射光系统，包括一第一激光发生器， 一第一反射镜用以反射第一激光发生器 产生的光束， 一第二激光发生器， 一分光镜用以透射来自第一反射镜的光束并反 射来自第二激光发生器的光束， 一斩光器用以一次仅让两个激光发生器之一产生 的光束通过而阻断另一个发出的光束， 一第二反射镜用以反射光束使之通过打孔 反射镜上的通孔； 一采集系统，包括位于打孔反射镜之后光路上的一发射光滤镜 组，位于发射光滤镜组之后光路上的一发射光物镜组，位于发生光物镜组之后光 路上的一针孔，以及一检测器，用以接收依次经过打孔反射镜反射、发射光滤镜 组滤过、发射光物镜组和针孔透射后的发射光束。
14、 如权利要求1-13所述的一种激光微阵列芯片扫描仪，其特征在于所述 扫描运动平台包括一载物台，其偶联到一扫描驱动装置，该扫描驱动装置驱动载 物台在扫描方向运动；该载物台还偶联到一进给驱动装置，该进给驱动系统驱动 载物台在进给方向运动。
15、 如权利要求14所述的一种激光微阵列芯片扫描仪，其特征在于所述扫描驱动装置包括一带轮和一弹性薄金属带，缠绕在带轮上。薄金属带的两端连接 到载物台上以使带轮的转动能够移动载物台。
16、 一种激光微阵列芯片扫描仪，其特征在于包括一光学系统， 一扫描运动平台，和一数据处理系统。其中数据处理系统包括一用于承载微阵列芯片的载 物台。该载物台受到一第一驱动装置控制，该驱动装置包括一带轮和一缠绕于带 轮上的弹性薄金属带，该薄金属带的两端连接到载物台上以使带轮的转动能够带 动载物台的运动。
17、 如权利要求16所述的一种激光微阵列芯片扫描仪，其特征在于所述带轮由低转动惯量的伺服电机驱动。
18、 如权利要求16所述的一种激光微阵列芯片扫描仪，其特征在于所述扫描运动平台还包括一第二驱动装置，其中第一驱动装置沿一扫描方向移动载物台， 而第二驱动装置沿一不同于扫描方向的进给方向移动载物台。
19、 如权利要求18所述的一种激光微阵列芯片扫描仪，其特征在于所述第 二驱动装置沿一正交于扫描方向的进给方向移动载物台。
20、 如权利要求18所述的一种激光微阵列芯片扫描仪，其特征在于所述第一驱动装置位于载物台之下、第二驱动装置之上。
21、 如权利要求18所述的一种激光微阵列芯片扫描仪，其特征在于所述第 二驱动装置包括一丝杠，其与一步进电机相偶联。
22、 一种激光微阵列芯片扫描仪，其特征在于包括一光学系统， 一扫描运 动平台和一数据处理系统，其中扫描运动平台包括 一基座，包括一第一导轨； 一滑块，可在第一导轨上滑动，其上还有正交于第一导轨的第二导轨； 一进给驱 动装置，偶联到滑块并沿第一导轨移动该滑块； 一载物台，可在第二导轨上滑动； 和一扫描驱动装置，偶联到载物台并沿第二导轨移动该载物台。
23、 如权利要求9所述的一种激光微阵列芯片扫描仪，其特征在于所述扫 描运动平台的扫描驱动装置包括一带轮和缠绕在带轮上的弹性薄金属带，薄金属 带的两端连接到载物台上以使带轮的转动能够带动载物台的移动。
24、 如权利要求23所述的一种激光微阵列芯片扫描仪，其特征在于所述扫描驱动装置由一低转动惯量的伺服电机驱动。
25、 如权利要求23所述的激光微阵列芯片扫描仪，其特征在于所述扫描驱动装置安装在滑块上。
26、 如权利要求23所述的一种激光微阵列芯片扫描仪，其特征在于所述进给驱动装置包括一丝杠，丝杠连接到一步进电机。
27、 一种激光微阵列芯片扫描仪，其特征在于包括一光学系统， 一扫描运 动平台，和一数据处理系统，其中扫描运动平台包括 一基座，包括一第一导轨； 一滑块，可在第一导轨上滑动，其上还有正交于第一导轨的第二导轨； 一丝杠， 连接到滑块； 一步进电机，连接到丝杠； 一载物台，可在第二导轨上滑动； 一扫 描驱动装置，包括一带轮和一缠绕在带轮上的弹性薄金属带，其中薄金属带的两 端连接到载物台以使带轮的转动能够带动载物台移动； 一伺服电机，连接到该扫 描驱动装置。
28、 如权利要求27所述的一种激光微阵列芯片扫描仪，其特征在于所述扫 描驱动装置安装在滑块上。
29、 如权利要求16-28所述的一种激光微阵列芯片扫描仪，其特征在于所 述光学系统包括一采集系统。采集系统包括一发射光滤镜组，位于发射光滤镜组 之后光路上的一发射光物镜组，位于发射光物镜组之后光路上的一针孔，和位于 针孔之后光路上的一检测器。其中发射光依次通过发射光滤镜组，发射光物镜组， 针孔后到达检测器。
全文摘要
本发明涉及一种激光微阵列芯片扫描仪，该仪器由光学系统，扫描运动平台和数据处理系统构成。在扫描过程中，光学系统保持固定，而放置在扫描运动平台上的微阵列芯片相对于光学系统发生运动。该微阵列芯片扫描仪具有高速扫描，高灵敏度，高分辨率和高信噪比，因此在微阵列芯片扫描中具有理想的用途。
文档编号G01N21/64GK101203744SQ200580049795
公开日2008年6月18日 申请日期2005年6月2日 优先权日2005年6月2日
发明者叶建新, 孙烨磊, 辉 徐, 王宪华, 京 程, 黄国亮 申请人:博奥生物有限公司;清华大学