专利名称：用于激光共聚焦生物芯片的扫描装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及的是一种以激光共聚焦方式对生物芯片中的样品进行扫读的装置。
背景技术：
通过基因芯片技术进行生物学、医学等领域中的分析、诊断、鉴别和鉴定，目前已日益得到应用，并正在对其可应用的领域和范围进行着更为广泛深入的研究。由于生物芯片在样品的排布数量及其排布方式上具有极高密度的显著特点，因此采用常规显微技术进行观察，无论在观察分析的效率还是准确性等方面都有极高的难度，甚至无法进行。而建立在现在已广泛成熟使用的计算机控制技术和激光扫描技术基础上的激光共聚焦显微镜，就是在实现生物芯片检测时不可缺少的一种观察分析仪器和装置。
实用新型内容针对上述情况，本实用新型将提供一种可与生物芯片检测技术配合使用的激光共聚焦生物芯片的扫描装置。
本实用新型用于激光共聚焦生物芯片的扫描装置的结构，是在一个可在二维平面内任意移动的运动结构上设置有一个可承托被检测芯片的承片台，在承片台的上方设置有扫描用激光光学结构系统。扫用描激光光学结构系统包括有能将扫描用的照射激光聚焦于被检测芯片上的第一透镜结构和用于将来自激光输出结构的照射激光向第一透镜结构反射的二色分光镜；在沿第一透镜结构光轴方向的二色分光镜的另一侧，沿光路依次设置有滤光结构、成像透镜结构、小孔光阑和光电转换/输出结构。
扫描装置中可使承片台在二维平面内任意移动的运动结构，包括由Y向步进电机和相应的传动结构组成的Y向运动单元，以及设置在Y向运动单元上因而可在Y方向上作往复移动的X向运动单元。该X向运动单元包括一组可由X向步进电机和相应的传动结构驱动下可在与Y方向相垂直的X方向上作往复移动的滑块单元，承片台设置在可作X向往复式运动的滑块单元上。即，其X方向和Y方向两组运动单元间的基本运动配合关系是用于设置承片台的X向运动滑块单元相对于整个装置及其直接所在的X单元中的传动结构而言，分别为绝对运动和相对运动；X方向运动单元与Y向运动单元之间则为一种牵连运动的关系。实际上，上述结构中的X向运动单元和Y向运动单元的标识名称也是可以相互调换的，而且这种标识名称的调换完全不会影响其对上述同样功能和作用的实现。
为使由激光输出结构向光学结构系统所投射出的激光束的强度能根据不同的检测需要进行调节，在上述结构中所说的激光输出结构与光学结构系统中的二色分光镜之间的光路中，还可以再设置有适当形式的可对激光输出结构投射出的激光强度进行调节的结构，例如可以设置一个由步进电机进行调节控制的变密度盘等。
由于在目前的生物芯片分析中，所用的靶分子常常以两种或更多种不同形式的荧光染料进行标记，通过荧光光密度比来减少或消除测定时某些干扰，以减少误差，提高检测结果的可靠性。因此，在扫描装置中可相应采用由两种或多种以上不同波长的激光发生器或可发射不同波长激光的激光发生器作为发光源，以不同波长的激光激发不同荧光染料标记的靶分子。以激光作为发光源，可以产生高强度的发射荧光，能提高检测的灵敏度。上述结构中所说的激光发生器一般可以在能发出波长为480-630纳米激光的目前常用氩离子激光器、氩氪离子激光器、氦氖激光器或固态激光器中选择，如由氦氖激光器产生的543.5纳米波长的绿光和632.8纳米波长的红光等，以方便与所使用的荧光染料相适应。受激光激发后的标记用荧光染料所产生的用于分析检测的激发荧光的波长相应可以为500-700纳米。
为此，在上述的用于激光共聚焦生物芯片的扫描装置中，所说的激光输出结构可以设置为以并列方式设置的两组不同波长激光的输出结构单元。每组激光输出结构单元均为在各自的激光发射源之后的光路中依次设置有输出光切换结构，第二滤光结构和最终将发射激光投向二色分光镜的第二光学反射结构。其中所说的输出光切换结构，可以采用常用的光学快门结构，例如可以选用由韩国AirTac公司的4V110-6型电磁阀阀芯改装的3毫米行程快门等。
在光学结构系统中，通过在适当位置和/或设置适当形式的光学反射结构单元，可以有效地减小结构系统所占的空间，有利于使装置的结构更为紧凑。例如，在上述并列方式设置的两组不同波长激光的输出结构单元中，将所说的各组激光输出结构单元中的第二滤光结构均设置在其输出光切换结构后分别经各自的第一光学反射结构组件改变了光投方向的光路中，可以显著地减小该激光输出结构单元的空间体积。同理，将所说的扫描用激光光学结构系统中设置在二色分光镜另一侧的光路中的滤光结构采用为设置在该二色分光镜后经第三光学反射结构改变了光投方向的光路中的方式，也可以取得同样的效果。
在上述结构的基础上，还可以进一步使所说的该并列方式设置的两组激光输出结构单元中的第二光学反射结构采用为在同一输出投射光路中依次设置的形式。此时，其中位于最终输出投射位置处的该光学第二反射结构应为同时能对其所在输出结构单元波长的激光进行反射和对另一输出结构单元波长的激光进行透射的一个二色分光镜构件。
在上述的用于激光共聚焦生物芯片的扫描装置中，所说的扫描用激光光学结构系统中各滤光结构，分别都可以采用为窄带干涉滤光结构或变密度滤光盘结构中的一种。所说的光电转换/输出结构一般可以采用常用的光电倍增管等器件。
为更加有利于对上述扫描装置中所说的可在二维平面内任意移动的运动结构单元的运动实现自动和/或准确的控制，可以在上述结构的基础上进一步设置一些运动控制结构和/或部件。例如，在Y方向上作往复移动的X向运动单元的行程端点处可以再设置有用作Y向零位控制的光电开关。又例如，对X向运动单元中的X向的步进电机的运动，可以通过设置开式光栅闭环测量结构进行控制等。
为使装置中所说的X向运动单元和Y向运动单元的运动更加灵敏和精确，其中所说的传动结构以均采用为滚珠丝杠结构为佳。
本实用新型上述用于激光共聚焦生物芯片的扫描装置的基本工作原理为由激光输出结构——无论是单一波长的激光输出结构，还是由并列方式设置的两组不同波长激光的输出单元组成的输出结构发射出的激光束，经带适当形式的滤光结构把不需要的其它波长的杂光滤除，以降低检测背景，并将所需要的选定波长的激光投射出。如果是采用由并列方式设置的两组不同波长激光的输出单元组成的激光输出结构，则可以根据检测需要，通过各激光输出单元中的光学快门等输出光的切换结构，选择所需波长的激光输出。由激光输出结构投射出的照射激光经光学结构系统中的二色分光镜反射而投向第一透镜结构，并经第一透镜结构聚焦后，将扫描用的照射激光聚焦于位于承片台上的被检测生物芯片的表面，并通过对装置中的X向运动单元和Y向运动单元的控制，使被检测生物芯片在二维平面内依次顺序移动，对被检测生物芯片上的样品进行扫描。
经第一透镜结构后在被检测芯片表面上聚焦的扫描激光光斑，直径一般可小于5微米。标记有荧光染料的靶分子在该扫描激光的激发下，即可产生相应的激发荧光。所产生的该激发荧光又经第一透镜结构变为平行光后，再通过该二色分光镜直接、或经光路中所设置的光学反射结构——如上述的第三光学反射结构改变方向后，再经光路中的滤光结构、成像透镜结构和小孔光阑，由光电倍增管等光电转换/输出结构接收，并进行光电信号的转换、放大，以及相应的滤波、A/D转换等处理后，向计算机输出，由计算机进行后续的分析、运算等处理工作。该滤光结构可以将除发射荧光以外的其它杂光进行滤除，然后再被成像透镜结构聚焦于小孔光阑处。该光阑的小孔与待测生物芯片表面的激光聚焦点可构成一对共焦点。光阑的小孔很小，目的是使正确聚焦在芯片上的激光所激发的荧光聚焦后能通过该光阑的小孔，而芯片下的基体及芯片上方的灰尘所产生的荧光或杂散光虽经聚焦也不能通过该光阑的小孔，从而可以提高检测信号的信噪比。由光电转换/输出接收并转换后输出的电信号，即为对被检测芯片上的一个点的检测结果。通过控制和操纵装置中的X向和Y向运动单元按一定的顺序和规律进行运动，即可使扫描激光完成对承片台的被检测芯片上的全部待测样点的扫读检测。
由于本实用新型上述装置采用激光作为激发光源，最后经光电倍增管等光电转换/输出结构将对芯片的扫读结果转换成相应的电信号后输出，因而具有较高的灵敏度，可以检测每平方微米零点几个荧光分子。由于生物芯片荧光斑点的明暗动态范围较宽，因此采用具有较宽的光电响应动态范围的光电倍增结构，可以使其动态范围达到216，即16位。激光经聚焦后产生的光斑极小，因此能具有很高的分辨率，可达到8-50微米。采用具有很高控制精度的步进电机和滚珠丝杠传动结构配合的运动结构形式，可以使其重复扫描的精度得到可靠的保证。经试验，本实用新型上述装置对生物芯片完成一次扫读的时间一般可为8分钟。
按照上述内容，在不脱离本实用新型基本技术思想的前提下，根据本领域的普通技术知识和惯用手段，对其内容还可以有多种形式的修改、替换或变更。
以下结合由附图所示实施例的具体实施方式
，对本实用新型的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本实用新型上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本实用新型上述内容所实现的技术均属于本实用新型的范围。
图1是本实用新型用于激光共聚焦生物芯片的扫描装置的光学原理示意图。
图2是实现图1原理的一种光学结构系统的结构示意图。
图3是采用并列的双激光光源的一种激光输出结构的示意图。
图4是扫描系统中运动结构部分的俯视结构示意图。
图5是与图4相对应的运动结构部分的正视结构示意图。
具体实施方式
图1和图2所示的是本实用新型用于激光共聚焦生物芯片的扫描装置的光学原理和一种相应的激光光学结构系统的结构形式。该激光光学结构系统设置在用于承托被检测芯片20的承片台15的上方，结构中包括有能将用于扫描的照射激光聚焦于位于承片台15上的被检测芯片20表面的第一透镜组件1，以及可将由激光输出结构投射来的照射激光向该第一透镜组件1反射的二色分光镜2。在沿第一透镜组件1光轴方向上的该二色分光镜2的另一侧，沿光路依次设置有窄带干涉滤光片组4、成像透镜组件5、小孔光阑6和进行光电转换/输出的光电管7，由光电管7完成光电信号的转换、放大，及相应的滤波和A/D转换等处理，并将处理后的电信号向进行后续分析运算等处理工作的计算机输出。在激光输出结构与该二色分光镜2之间的光路中，还设置有可对所投射的激光强度进行调节的变密度盘19，其对激光强度的调节可由与之配合的步进电机对机构控制和操作。在该二色分光镜2和窄带干涉滤光片组4间的光路中，还设置有用于改变光路方向的第三光学反射镜3。
图3是一种采用由并列方式设置的两组不同波长激光的输出结构单元组成的激光输出结构的形式。两组激光输出结构单元的结构形式基本相同，均为在各自的激光发射源21，31之后的光路中依次设置有第一光学反射镜组件22，32、输出光切换快门23，33，第二窄带干涉滤光片组24，34和最终将发射激光向二色分光镜2投射出的第二光学反射镜25，35。其中，两组激光输出结构单元中的第二光学反射镜25，35为依次设置在同一输出投射光路中的形式，其中位于最终投射输出出口处的该第二光学反射镜35，应为同时具有能对其所在的激光输出结构单元的所投射的激光进行反射和对另一激光输出结构单元所投射的激光进行透射的一个二色分光镜。
图4和图5是一种能实现使承托被检测芯片20的承片台15在二维平面内任意移动的运动结构形式，由相互为牵连运动的关系的X方向运动单元与Y向运动单元11组成。其中，Y向运动单元直接设置在扫描装置基体上，包括一Y向步进电机13和与之作传动连接的Y向传动滚珠丝杠结构8；X向运动单元以动配合方式连接于Y向滚珠丝杠8上，因而在Y向步进电机13和Y向滚珠丝杠8的驱动下，该X向运动单元可沿Y向的导轨12作往复移动。该Y向步进电机13的驱动动作可由相应的编码器18进行控制和操纵。在可在Y方向上作往复移动的X向运动单元11的运动行程的端点处，分别还设置有作为Y向零位控制的光电开关16。
X向运动单元包括一组X向步进电机，以及由其驱动并经常规形式的传动机构带动而可在与Y方向相垂直的X向导轨10上作往复式运动的滑块单元9。承片台15则设置在该可作X向往复移动的滑块单元9上。X向运动单元中的X向步进电机的驱动动作则可由相应的开式光栅闭环测量结构17进行控制。
权利要求1.用于激光共聚焦生物芯片的扫描装置，其特征是在一个可在二维平面内任意移动的运动结构上设置有一个可承托被检测芯片的承片台(15)，在承片台(15)的上方设置有扫描用激光光学结构系统，扫用描激光光学结构系统包括有能将扫描用的照射激光聚焦于位于承片台(15)上的被检测芯片上的第一透镜结构(1)，和用于将激光输出结构投射来的照射激光向第一透镜结构(1)反射的二色分光镜(2)，在沿第一透镜结构(1)光轴方向的二色分光镜(2)的另一侧，沿光路依次设置有滤光结构(4)、成像透镜结构(5)、小孔光阑(6)和光电转换/输出结构(7)；可在二维平面内任意移动的运动结构包括由Y向步进电机(13)和相应的Y向传动结构(8)组成的Y向运动单元(11)，和设置在Y向运动单元(11)上的X向运动单元，X向运动单元包括一组可由X向步进电机和相应的传动结构驱动下可在与Y方向垂直的X方向上作往复式运动的滑块单元(9)，承片台(15)设置在可作X向往复移动的滑块单元(9)上。
2.如权利要求1所述的用于激光共聚焦生物芯片的扫描装置，其特征是在所说的激光输出结构与二色分光镜(2)之间的光路中，还设置有投射激光的强度调节结构(19)。
3.如权利要求1所述的用于激光共聚焦生物芯片的扫描装置，其特征是所说的激光输出结构为以并列方式设置的两组不同波长激光的输出结构单元，每组激光输出结构单元均为在各自的激光发射源(21，31)之后的光路中依次设置有输出光切换结构(23，33)，第二滤光结构(24，34)和最终将发射激光投向二色分光镜(2)的第二光学反射结构(25，35)。
4.如权利要求1所述的用于激光共聚焦生物芯片的扫描装置，其特征是所说的各组激光输出结构单元中的第二滤光结构(24，34)均设置在其输出光切换结构(23，33)后分别经各自的第一光学反射结构组件(22，32)改变了光投方向的光路中。
5.如权利要求4所述的用于激光共聚焦生物芯片的扫描装置，其特征是所说的并列方式设置的两组激光输出结构单元中的第二光学反射结构(25，35)为在同一输出投射光路中依次设置的形式，其中位于最终输出投射位置处的该第二光学反射结构(35)为同时能对其所在输出结构单元波长的激光进行反射和对另一输出结构单元波长的激光进行透射的一个二色分光镜构件。
6.如权利要求1所述的用于激光共聚焦生物芯片的扫描装置，其特征是所说的滤光结构(4)和第二滤光结构(24，34)可以为窄带干涉滤光结构或变密度滤光盘结构中的一种。
7.如权利要求1所述的用于激光共聚焦生物芯片的扫描装置，其特征是设置在所说的二色分光镜(2)另一侧的光路中的滤光结构(4)为设置在该二色分光镜(2)后经第三光学反射结构(3)改变了光投方向的光路中。
8.如权利要求1至7之一所述的用于激光共聚焦生物芯片的扫描装置，其特征是所说的可在二维平面内任意移动的运动结构中，在可在Y方向上作往复移动的X向运动单元(11)的行程端点处设置有用作Y向零位控制的光电开关(16)。
9.如权利要求1至7之一所述的用于激光共聚焦生物芯片的扫描装置，其特征是在所说的可在二维平面内任意移动的运动结构中，X向运动单元中的X向步进电机的运动由开式光栅闭环测量结构(17)进行控制。
10.如权利要求1至7之一所述的用于激光共聚焦生物芯片的扫描装置，其特征是所说的X向运动单元和Y向运动单元中的传动结构均为滚珠丝杠结构。
专利摘要用于激光共聚焦生物芯片的扫描装置，在一个可在二维平面内任意移动的运动结构上设置有一个可承托被检测芯片的承片台，其上方设置有扫描用激光光学结构系统。该光学结构系统包括有能将扫描用的照射激光聚焦于位于承片台上的被检测芯片上的第一透镜结构，和用于将激光输出结构投射来的照射激光向第一透镜结构反射的二色分光镜；在沿第一透镜结构光轴方向的二色分光镜的另一侧，沿光路依次设置有滤光结构、成像透镜结构、小孔光阑和光电转换/输出结构。可在二维平面内任意移动的运动结构包括由Y向步进电机和相应的Y向传动结构组成的Y向运动单元，和设置在Y向运动单元上的X向运动单元。承片台设置在可作X向往复式运动的运动单元上。
文档编号G01J3/06GK2578803SQ02276510
公开日2003年10月8日 申请日期2002年9月17日 优先权日2002年9月17日
发明者张强, 胡松, 赵立新, 罗正全, 王肇志, 陈兴俊, 严伟, 余国彬 申请人:成都中科百奥科技有限公司