专利名称：光反射差法检测生物芯片装置中的小孔部件与检测方法
技术领域：
本发明涉及一种斜入射光反射差法的装置与方法，特别涉及一种用于 斜入射光反射差法检测生物芯片的装置中的小孔部件与检测方法。
背景技术：
斜入射光反射差法是近年来发展起来的一种非接触、无损伤的高灵敏 度探测新方法，不仅可同时获得实部和虚部两路信号，具有很高的灵敏度， 而且具有很高的空间分辨率和时间分辨率。我们首次发展了氧化物薄膜原 子尺度外延生长的斜入射光反射差法原位实时探测方法，已获授权发明和
实用新型专利各两项(专利号ZL97219032.1; ZL97 1 21997.4 ; ZL03153938.6; Z103276452.9 )。在此基础上，我们和合作者分别对蛋白质、 核酸等生物样品进行了斜入射光反射差法无标记的检测，实验结果表明， 斜入射光反射差法是无标记和高通量检测生物大分子的相互作用(如蛋白 与蛋白，蛋白与核酸，核酸与核酸等)的一种好方法，例如参考文献1: Applications of Oblique-Incidence Reflectivity Difference Method in Primary Study of Protein Biomolecules. H.Y. Zhang, et al， Chinese Physics Letters 23:1032 (2006); 参考文献2: Oblique-Incidence Reflectivity Difference and Fluorescence Imaging of Oligonucleotide and IgG Protein Microarrays. James P. Landry， et al， Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 773 (2003);参考文献3: Label-free detection of microarrays of biomolecules by oblique-incidence reflectivity difference microscopy. J. P. Landry， et al， Optics Letters ,Vol. 29, 581(2004); 参考文献4: Comparison of two optical techniques for label-free detection of biomolecular microarrays on solids. X.D.Zhu， Optics Communications, 259, 751 753 (2006))所介绍。
众所周知，当一圆形的光束斜入射到一个表面时，不论其光束被聚焦 或不被聚焦，入射到表面的光斑都会变成一个椭圆。其椭圆光斑短轴的长 度与正入射时光斑的直径相等，如果正入射时的光束直径是X微米，在斜入射条件下，如果入射角是S度，那么入射到表面椭圆光斑的短轴就是X,
而其长轴则是X+Sin(900-30)。具体说，如果入射角是750,入射到表面 的椭圓光斑的长度就变为短轴的3.76倍；如果入射角是800,入射到表面 的椭圓光斑的长度就变为短轴的5.86倍；如果入射角是850,入射到表面 的椭圓光斑的长度就变为短轴的11.46倍。也就是i兌，入射角度越大，其 入射到表面的光斑越被拉长。但对于斜入射光反射差法技术来说，其检测 的是s偏振光和p偏振光反射率的差值，其特点就是斜入射， 一般情况下， 光入射的角度越大，s偏振光和p偏振光反射率的差值就越大。因此，在 使用光反射差法探测时， 一般都采用较大的入射角。从上面的分析可知， 光入射角越大，入射到表面的椭圆光斑就越长。在用光反射差法^^测生物 芯片时，如果聚焦光束的短轴为IOO微米，选取入射角为800时，入射到 被;险测样品表面的椭圆光斑的长轴就会达到586樣i米；选耳又入射角为850 时，入射到被检测样品表面的椭圆光斑的长轴就会达到1.146毫米，在此 条件下，即使把入射光束聚焦到50微米，入射到被检测生物芯片表面的 椭圆光斑的长度也会达到573微米。但目前生命科学的研究方法已从单个 生物大分子的孤立研究扩展到具有整体性、网络式、动态性等特点，发展 无标记、高通量、并行检测的手段和方法是应时之需，生物芯片的密度已 达到每平方厘米成千上万个生物样品点。换句话说，生物样品点和样品点 的间距仅为几十微米，显然利用上述几百乃至上千微米的长形光斑是无法 进行检测的，因此利用现有的光反射差法装置是难以实现对生物芯片的高 通量检测。
发明内容
本发明的目的在于，克服上述斜入射光反射差法使入射到样品表面的 探测光光斑被拉长变大，难以高通量检测生物样品芯片的缺陷和不足，提 供一种用于斜入射光反射差法的小孔部件与方法，用于调节入射到样品表 面光斑的形状和尺寸，达到高通量检测生物芯片的目的和要求。
本发明的目的是这样实现的
本发明提供的用于斜入射光反射差法检测生物芯片装置中的小孔部 件，其特征在，所述的小孔部件10为一块不透明的金属或塑料平板上开 一个小孔17,该小孔17的大小根据检测需要的探测光光斑大小和形状设 计，并安装在可旋转卯-360度的调节座上。本发明提供的斜入射光反射差法检测生物芯片的方法，其特征在，包
括以下步骤
1) 把要检测的生物样品或芯片放置在斜入射光反射差法用的装置样
品台上;
2) 把至少一个小孔部件设置在斜入射光反射差法用的装置中的入射 光路上；启动斜入射光反射差法用的装置，旋转小孔部件来调节入射到样 品表面上所需要的光斑大小和形状；入射光从小孔透过，小孔绕垂直于光 束的中心线和光的入射平面旋转，用改变入射光束形状和大小的方法，来 调节入射到被检测生物芯片表面的探测光光斑形状和大小；
3) 然后用斜入射光反射差法检测生物样品或芯片，用计算机系统对 检测结果进行数据采集和处理。
在上述的技术方案中，所述的小孔部件为2个以上，该2个以上小孔 部件串联设置在光反射差法用的装置中入射光路中。所述的小孔部件前后 一排串联放在入射光路的一个位置，也可以分开， 一个一个的分别放在入 射光路的不同位置。当选用小孔的直径比较小时，采用串联的几个小孔具 有一定的优点。因为光束通过小孔后往往会产生衍射，采用几个串联的小 孔，后面的小孔就可阻挡和隔离前面小孔所产生的衍射光，因而可排除衍 射光的干扰和提高检测的信噪比。
在上述的技术方案中，所述的金属平板为合金铝板或钢板或铁板或塑 料，并把制作了小孔的金属板煮黑。
在上述的技术方案中，所述的小孔部件上的小孔做成圆形、方形或矩 形或一条狭缝；该小孔的尺寸和光束的尺寸一致，也可以比光束的尺寸小。 小孔可以绕垂直于光束和入射光平面的轴旋转90- 360度，测量时旋转小 孔就可以在入射平面上得到需要的光斑形状。
很显然，当小孔旋转的角度小于入射光的入射角时，入射到平面的光 斑形状被拉长；当小孔旋转的角度大于入射光的入射角时，入射到平面的 光斑形状被压扁；当小孔旋转的角度和入射光的入射角一致时，入射到平 面的光斑形状和入射光束的形状相似。
本发明的优点在于
本发明的提供的小孔部件，设置在已有的斜入射光反射差法的装置的 入射光路中，可以通过旋转小孔部件来调节入射到样品表面上所需要的光 斑大小和形状；入射光从小孔透过，小孔可绕垂直于光束的中心线和光的
5入射平面旋转，用改变入射光束形状的方法调节入射到被检测生物芯片表
面的光斑形状；小孔可以^:的^艮小，还可以通过几个小孔部^f牛的串联达到 孔径更小，或形状的调节；因此可以探测到仅为几十微米的生物样品点， 真实地记录它们的信息，实现对生物芯片的高通量^r测，因而具有非常广 泛和重要的应用，该装置简单。
本发明的方法一种非接触、无损伤的高灵敏度探测方法，不仅可同时 获得实部和虚部两路信号，具有很高的灵敏度，而且具有很高的空间分辨 率和时间分辨率。从附图2的示意图可以看出，如果不加本发明的小孔部 件，入射到生物芯片表面的光斑被拉长，有可能覆盖几个生物样品点，加 了小孔部件后，可实现入射到生物芯片表面的光斑仅覆盖l个生物样品点。 从示意图也可以清楚的看出，如果旋转小孔部件，就可以改变入射到生物 芯片表面光斑的大小。因而使用非常的灵活方便。
下面结合附图及实施例对本发明进4亍详细的说明
图1是本发明的光反射差法检测生物芯片装置中的小孔部件结构示意
图
图2是在已有斜入射光反射差法装置中设置两个小孔部件的示意图 图3是本发明采用l个小孔部件，可调节斜入射探测光的光斑大小和 形状的检'J生物芯片的方法原理示意图
图面il明如下
l-激光器； 2-调制器；3-普克盒；4-分析器；
5-透镜； 6-探测器；7-放大器；8-计算机系统；
9-样品台； IO—小孔部件；11-探测光束；
12-无小孔时的入射光束；13-经小孔调节后的入射光束;
14-经小孔调节后的反射光束；15-生物样品；
16-生物样品基底；17-小孔。
具体实施例方式
实施例1
参考图1,光反射差法装置釆用常规的，例如专利号为ZL03153938.6
所提供装置。该装置的激光器1使用输出波长6328A、 5mW、 s偏l展光的He-Ne激 光器；普克盒3选用Newport公司的普克盒产品；分析器4选用偏振器； 透镜5是一块焦距为10厘米的玻璃透镜，探测器6选用硅光电二极管做 光；放大器7选用锁相放大器；计算机系统8选用可进行数据采集和处理 的计算机系统；样品台9选用二维扫描样品台。
首先制作一个小孔部件10，取一块lmm厚的合金铝板，在其上制作 一个直径0.5mm的小孔17,然后把制作了小孔的合金铝板煮黑做小孔部 件10,把小孔部件10安装在一个可旋转360度的调节小孔角度的调节架 上。
本实施例应用本发明的斜入射光反射差法检测生物芯片的方法，具体 步骤如下
1 )把要检测的蛋白质生物样品放置在专利号为ZL03153938.6的斜入 射光反射差法用的装置样品台上；
2) 把一个上述制作好的小孔部件10,设置在斜入射光反射差法用装 置中的分析器4与透镜5之间的光路中；启动斜入射光反射差法用的装置， 旋转小孔部件来调节入射到样品表面上所需要的光斑大小和形状；入射光 从小孔透过，小孔绕垂直于光束的中心线和光的入射平面旋转，用改变入 射光束形状和大小的方法，来调节入射到被检测生物芯片表面的探测光光 斑形状和大小；其中把小孔和入射光之间的角度调节为小于斜入射光的入 射角度；
3) 然后用斜入射光反射差法检测蛋白质生物样品，用计算机系统对 检测结果进行数据采集和处理。
从图2的示意图可以看出，如果不加本发明的小孔部件，入射到生物 芯片表面的光斑被拉长，有可能覆盖几个生物样品点，加了小孔部件后， 可实现入射到生物芯片表面的光斑仅覆盖l个生物样品点。从示意图也可 以清楚的看出，如果旋转小孔部件，就可以改变入射到生物芯片表面光斑 的大小。因而使用非常的灵活方便。
实施例2
首先制作一个小孔部件10，取一块0.5mm厚的钢板上制作一个直径 0.3mm的小孔17,然后把制作了小孔的钢板煮黑做小孔部件10,把小孔 部件IO安装在一个可旋转180度的调节架上，并通过来调节小孔的角度，
7实现调节探测光光斑形状和大小。
按实施例1的检测方法进行，只是把小孔部件10设置在光反射差法 装置的激光器1与光弹调制器2之间的光路中，把小孔和入射光之间的角
度调节为斜入射光的入射角度，对抗原和抗体做生物样品15进行检测。 实施例3
按实施例2实施，把小孔部件10放在光反射差法装置的透镜5与探 测器6之间的光路中。
实施例4
按实施例2实施，把小孔部件IO放在光反射差法装置的光弹调制器2 与普克盒3之间的光路中。
实施例5
按实施例1实施，把小孔和入射光之间的角度调节为大于斜入射光的 入射角度。
实施例6
首先制作一个小孔部件10，取3块lmm厚的塑料板上分别制作一个 直径0.2mm的小孔17估文小孔部件10， 4巴3个小孔部件10分别安装在一 个可旋转90度的调节架上，分别调节每个小孔的角度，把3小孔部件10 并排串联放在光反射差法装置中分析器4与透镜5之间的光路中，把每个 小孔和入射光之间的角度都调节为斜入射光的入射角度，选取核酸做生物 样品15,用光反射差法探测不同核酸的生物样品芯片的具体步骤同实施例 1。
实施例7
按实施例1实施，在2块lmm厚的合金铝板上分别制作一个直径 0.2mm的小孔17做小孔部件10，把2个小孔部件IO分别安装在一个可旋 转180度的调节架上来调节小孔的角度，把1个小孔部件10放在光反射 差法装置的透镜5前面的光路上，把另一个小孔部件l放在光反射差法装 置的透镜5后面的光路中，把小孔和入射光之间的角度调节为斜入射光的
8入射角度，选取不同的DNA做生物样品15,在入射光路中插入3个小孔 部件IO,用光反射差法装置，探测不同的DNA生物样品芯片。
实施例8
按实施例1实施，在lmm厚的合金铝板上制作一个边长0.5mm的正 方形小孔17,然后把制作了小孔的合金铝板煮黑做小孔部件10,在激光 器1与光弹调制器2之间的光路中设置3个小孔部件10，用光反射差法实 验装置，探测蛋白质生物样品。
实施例9
按实施例1实施，在lmm厚的合金铝板上制作一个长0.5mm,宽0.3mm 的矩形小孔17,然后把制作了小孔的合金铝板煮黑做小孔部件10,用光 反射差法实验装置，探测蛋白质生物样品。
实施例10
按实施例1实施，在lmm厚的合金铝板上制作一个长宽0.3mm的矩 形小孔17,然后把制作了小孔的合金铝板煮黑做小孔部件10,用光反射 差法实验装置，探测蛋白质生物样品。
实施例11
按实施例1实施，在4块lmm厚的塑料板上分别制作一个直径0.25mm 的小孔做小孔部件10,把4个小孔部件10分别安装在一个可旋转90度的 调节架上，分别调节每个小孔的角度，把第一个小孔部件10放在光反射 差法装置的光弹调制器2的前面，把第二个小孔部件IO放在光反射差法 装置的光弹调制器2的后面，把第三个小孔部件10放在光反射差法装置 的分析器4的前面，把第四个小孔部件10放在光反射差法装置透镜5的 后面，把每个小孔和入射光之间的角度都调节为斜入射光的入射角度，选 取不同的核酸做生物样品15,在入射光路中插入4个小孔部件10,用光 反射差法实验装置，探测不同核酸的生物样品芯片。
实施例12
按实施例1实施，选取5块lmm厚的钢板上，在两块上制作一个直径O.lmm的小孔，在另外的3块上制作一个直径0.2mm的小孔，然后把 制作了小孔的5块钢板煮黑做5个小孔部件10;把5个小孔部件10分别 安装在一个可旋转90度的调节架上，便于分别调节每个小孔的角度。
本实施例应用本发明的斜入射光反射差法检测生物芯片的方法，具体 步骤如下
把第一个直径为0.2mm的小孔部件IO放在光反射差法装置的激光器 1与光弹调制器2之间的光路中，把第二个直径为0.2mm的小孔部件10 放在光反射差法装置的光弹调制器2与普克盒3之间的光路中，把第三个 直径为O.lmm的小孔部件10放在光反射差法装置的普克盒3与分析器4 之间的光路中，把第四个直径为O.lmm的小孔部件IO放在光反射差法装 置分析器4与透镜5的间的光路中，把第五个直径为0.2mm的小孔部件 10放在光反射差法装置透镜5与探测器6之间的光路中，把每个小孔和入 射光之间的角度都调节为斜入射光的入射角度，选取不同的核酸做生物样 品15,在入射光路中插入5个小孔部件10,用光反射差法实验装置，探 测不同核酸的生物样品芯片。
权利要求
1. 一种光反射差法检测生物芯片装置中的小孔部件，其特征在，所述的小孔部件(10)为一块不透明的金属或塑料平板上开一个小孔(17)，该小孔(17)的大小根据检测需要的探测光光斑大小和形状设计，并安装在可旋转90-360度的调节座上。
2. 按权利要求1所述的光反射差法检测生物芯片装置中的小孔部件， 其特征在于，所述的金属平板为合金铝板、钢板或铁板，并把制作了小孔(17)的金属板煮黑。
3. 按权利要求1所述的光反射差法检测生物芯片装置中的小孔部件， 其特征在于，所述的小孔(17)做成圆形、方形、矩形或一条狭缝；该小 孔的尺寸和探测光光束的尺寸一致，或比光束的尺寸小。
4. 一种光反射差法斥企测生物芯片的方法，其特征在，包括以下步骤 1 )把要检测的生物样品或芯片放置在斜入射光反射差法用的装置样品台上;2) 把至少一个小孔部件设置在斜入射光反射差法用的装置中的入射 光路上；启动斜入射光反射差法用的装置，旋转小孔部件来调节入射到样 品表面上所需要的光斑大小和形状；入射光从小孔透过，小孔绕垂直于光 束的中心线和光的入射平面旋转，用改变入射光束形状和大小的方法，来 调节入射到被检测生物芯片表面的探测光光斑形状和大小；3) 然后用斜入射光反射差法检测生物样品或芯片，用计算机系统对 检测结果进行数据采集和处理。
5. 按权利要求4所述的光反射差法检测生物芯片的方法，其特征在 于，所述的小孔部件为2个以上，该2个以上小孔部件串联设置在光反射 差法用的装置中的入射光路中任何位置处。
6. 按权利要求4所述的光反射差法检测生物芯片的方法，其特征在 于，所述的小孔部件为2个以上，所述的小孔部件分别设置在入射光路的 不同位置处。
全文摘要
本发明涉及一种光反射差法检测生物芯片装置中的小孔部件及检测方法，所述的小孔部件为一块不透明的金属或塑料平板上开一个小孔，该小孔的大小根据检测需要的探测光光斑大小和形状设计，并安装在可旋转90-360度的调节座上。检测方法将小孔部件，设置在光反射差法的装置的入射光路中，入射光从小孔透过，小孔可绕垂直于光束的中心线和光的入射平面旋转，用改变入射光束形状的方法调节入射到被检测生物芯片表面的光斑形状，因此可以探测到仅为几十微米的生物样品点，真实地记录它们的信息，克服了斜入射光反射差法使入射到样品表面的光斑被拉长变大，难以高通量检测生物样品芯片的缺点和不足，实现对生物芯片的高通量检测。
文档编号G01N21/17GK101532944SQ200810101699
公开日2009年9月16日 申请日期2008年3月11日 优先权日2008年3月11日
发明者吕惠宾, 周岳亮, 杨国桢, 娟 温, 金奎娟, 珩 陆 申请人:中国科学院物理研究所