一种近红外激光共聚焦生物芯片扫描仪的制作方法

本发明涉及生物医疗领域，具体涉及一种近红外激光共聚焦扫描仪。

背景技术：

如授权公告为cn102706846b的发明专利在背景技术所述，生物荧光成像技术作为生物医学领域必不可少的技术手段已经得到广泛应用，是观察细胞形态、结构和生命现象的有力工具。目前普遍应用生物荧光成像技术是二十世纪80年代发展起来的激光扫描共聚焦显微镜，它的特点是采用针孔技术排除焦点以外的光信号对图像的干扰，从而大大提高了图像的清晰度和细节分辨能力，具有很高的轴向对比度。由于激光扫描共聚焦显微镜使用的激光范围在488nm-647nm之间，属于可见光范畴，而生物细胞对可见光散射大，换言之，可见光在生物样品内的穿透深度浅，最深不超过几百微米，厚标本的信息很难采集；另外，由于生物细胞对可见光吸收大，高密度的可见光激发生物样品时更容易引起光毒性和光漂白现象。

为了解决以上技术问题，cn102706846b提出了一种近红外激光扫描共聚焦成像系统，基于生物组织在近红外波长范围吸收少和散射小的特性，结合依据共聚焦成像技术的优势，并辅以近红外量子点标记生物组织类样品的创新性应用，从而提出了该近红外激光扫描共聚焦成像系统及方法，它利用近红外量子点的激发光和反射荧光都在近红外区域的特点，优选采用波长范围在725-820nm的近红外激光激发标记于样品内的荧光发射光谱在932-1250nm的近红外量子点，从而能实现深层生物组织的成像，成像深度可达到数厘米，远远高出了现有技术中的毫米级的成像深度。但其采用扫描振镜组合f-theta透镜的扫描光路单元，使得待检测扫描的生物样品的扫描范围受到较大限制。

又如授权公告号为cn103735249b的发明专利公开了一种荧光检测仪，包括激光合束模块、共焦扫描模块、光谱成像模块、荧光显微镜和控制显示模块；激光合束模块包括两个近红外光连续激光器、激光准直镜、反射镜和合束镜；共焦扫描模块包括可相互切换的三个二色镜、三个滤光片、扫描振镜、扫描透镜、针孔透镜和针孔；光谱成像模块包括分光棱镜、聚焦镜、三个狭缝及三个光电倍增管；荧光显微镜包括全反射棱镜、筒镜、显微物镜、纳米位移台和样品台；控制显示模块用于对激光器、扫描振镜、光电倍增管和纳米位移台进行控制及对图像进行显示；该技术由于采用了扫描振镜和扫描透镜，使得待检测扫描的生物样品的扫描范围也会受到较大限制。

而授权公告号为cn101203744b的发明专利公开了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，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。该技术采用机械驱动式的扫描运动平台结构，虽然解决了扫描范围问题，然而该技术的检测精度和灵敏度不佳，而且该技术还存在光路结构复杂成本高的问题。

因此，本申请人希望需求一种激光共聚焦扫描仪，既可有效提高待检测扫描的生物样品的扫描范围，同时确保检测精度和灵敏度。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种近红外激光共聚焦扫描仪，既可有效提高待检测扫描的生物样品的扫描范围，同时确保检测精度和灵敏度，而且结构简单，易于操作，制造成本低。

本发明采用的技术方案如下：

一种近红外激光共聚焦生物芯片扫描仪，包括用于激发生物芯片荧光的光学模块、用于安装生物芯片的机械运动扫描平台模块、电气控制模块以及将各所述模块安装为一体的安装壳体组件，所述光学模块包括近红外激光器和激光共聚焦检测系统；其中，

所述激光共聚焦检测系统包括准直透镜、激光滤光片、二向色镜、物镜、荧光滤光片、会聚透镜、针孔光阑和光电探测器；

所述近红外激光器发出的激光经准直透镜后形成平行光，所述平行光经过激光滤光片后再经二向色镜反射后，通过物镜可聚焦在生物芯片表面，生物芯片被激发后发出的荧光通过物镜变为平行光，所述平行光再依次经过二向色镜、荧光滤光片和会聚透镜聚焦在针孔光阑上，光电探测器紧靠针孔放置，所述光电探测器可向所述电气控制模块输入信号。

优选地，所述近红外激光器的工作波长范围为760-1000nm。

优选地，所述光学模块还包括光隔离器，所述近红外激光器发出的激光经过光隔离器后耦合到单纵模光纤中，再进入激光共聚焦检测系统。

优选地，所述机械运动扫描平台模块包括x轴运动扫描系统、y轴运动扫描系统和z轴精密位移模块；所述生物芯片固装定位在安装托盘上，所述安装托盘同时安装在x轴运动扫描系统和y轴运动扫描系统上；所述激光共聚焦检测系统与所述z轴精密位移模块对应安装配合；其中，所述x轴运动扫描系统包括电机驱动同步带，用于带动所述安装托盘在x轴方向上的扫描运动；所述y轴运动扫描系统采用电机驱动滚珠丝杆，用于带动所述安装托盘在y轴方向上的扫描运动；所述z轴精密位移模块采用电机驱动滚珠丝杆，用于调节所述激光共聚焦检测系统中的物镜到所述生物芯片表面的距离。

优选地，所述电气控制模块包括信号处理器、主控制器和激光器控制器；其中，所述信号处理器将所述光电探测器的输入信号进行处理，然后将处理后的信号采用通讯方式传送给上位机；所述主控制器用于控制所述机械运动扫描平台模块的运动；所述激光器控制器用于控制所述近红外激光器的工作电流。

优选地，所述信号处理器包括电连接的放大滤波电路和ad信号转换器件，其中，所述放大滤波电路接入所述光电探测器的输入信号；所述ad信号转换器件设置在主控制器上且与上位机通讯连接，将所述放大滤波电路处理后的信号转化为数字或图像数据。

优选地，所述激光器控制器还设有激光器温度控制模块，用于对所述近红外激光器底座和/或所述光电探测器的恒温控制；所述近红外激光器底座和/或光电探测器分别设有与所述激光器温度控制模块电连接的温度控制器件；其中，近红外激光器底座的恒温范围设置在15-30℃；光电探测器的恒温范围设置在18-30℃。

优选地，所述温度控制器件包括温度传感器和tec温控元件，所述tec温控元件设有两根电源引线，tec温控元件可以通过改变所述两根电源引线的电流方向来分别实现加热和制冷功能。

优选地，所述激光共聚焦检测系统的所有光学元器件的工作波长范围均为760-1000nm；所述光电探测器采用硅基质光电探测器模块。

优选地，基于所述生物芯片的最小扫描分辨率和生物芯片基质表面不平整度的最大值综合计算得到所述针孔光阑的大小取值。

优选地，所述x轴运动扫描系统和y轴运动扫描系统分别安装有高精度光栅尺，分别用于所述安装托盘在x轴方向和y轴方向上扫描运动的精确控制；所述z轴精密位移模块可根据待检测生物芯片类型的不同，沿z轴方向调整物镜到生物芯片表面的距离，用于确保所述生物芯片始终处于所述激光共聚焦检测系统允许的工作范围内。

需要说明的是，本发明全文所述的生物芯片不仅仅是指在基质上，以点阵排列方式合成或者固定具有近红外荧光标记的生物聚合物的固态芯片，还包含以液相形态存在的具有近红外荧光标记的生物聚合物的液相芯片，通过本发明的近红外激光共聚焦扫描仪检测扫描后可以得到这些生物聚合物的相关信息，进而可以用于生物医疗领域的相关研究，具体如生物基因表达、变异研究以及各种疾病诊断分析等用途，这属于本领域技术人员的公知常识，本发明在实施例中不做具体说明

本发明的优点：1、本发明采用机械驱动式的扫描运动平台来实现对生物芯片的运动扫描，有效提高待检测扫描的生物样品的扫描范围；同时，本发明的结构简单，易于操作，制造成本低；本发明在具体应用时，可有效实现对生物芯片的二维扫描，同时确保在具备一定检测精度和灵敏度下，不仅能对多种形态的生物芯片，如固态或液相形态的生物芯片，或具有标准384孔板、标准96孔板等规格孔板的生物芯片进行检测，同时能克服传统的激光共聚焦扫描仪对检测平面严格水平这一要求的限制，对基质(如nc膜、pdms膜等)表面并不平整的多人份生物芯片进行扫描检测时，所检测到的生物芯片整板结果也具有良好的一致性；本发明的近红外激光共聚焦生物芯片扫描仪可直接用于全自动荧光免疫分析检测系统中。

2、进一步优选地，本发明提出采用光隔离器，近红外激光器发出的激光预先经过光隔离器后耦合到单纵模光纤中，再进入激光共聚焦检测系统，经检测后发现，可以有效保证激光的稳定输出，进一步提高本发明的检测精度、灵敏度和整板一致性。

3、进一步优选地，本发明还特别提出对近红外激光器底座以及光电探测器进行恒温控制，申请人发现当将近红外激光器底座控制在一定温度范围时，可以确保激光器功率的稳定输出进而进一步保证本发明实施例的检测精度和灵敏度；而当将光电探测器控制在一定温度范围时，可以明显减少光电探测器本身带来的噪声干扰，使得本发明生物芯片的扫描结果具有更好的信噪比和一致性，进而进一步保证本发明实施例的检测精度和灵敏度。

附图说明

附图1是本发明具体实施方式下近红外激光共聚焦生物芯片扫描仪100的立体结构示意图；

附图2是图1的内部结构示意图；

附图3是图1的爆炸结构示意图；

附图4是图1去除外壳体后的结构示意图；

附图5是图4在另一个方向视角的结构示意图；

附图6是图1中光学模块的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种近红外激光共聚焦生物芯片扫描仪，包括用于激发生物芯片荧光的光学模块、用于安装生物芯片的机械运动扫描平台模块、电气控制模块以及将各模块安装为一体的安装壳体组件，光学模块包括近红外激光器和激光共聚焦检测系统；其中，激光共聚焦检测系统包括准直透镜、激光滤光片、二向色镜、物镜、荧光滤光片、会聚透镜、针孔光阑和光电探测器；近红外激光器发出的激光经准直透镜后形成平行光，平行光经过激光滤光片后再经二向色镜反射后，通过物镜可聚焦在生物芯片表面，生物芯片被激发后发出的荧光通过物镜变为平行光，平行光再依次经过二向色镜、会聚透镜聚焦在针孔光阑上，光电探测器紧靠针孔放置，光电探测器可向电气控制模块输入信号。

本发明实施例采用机械驱动式的扫描运动平台来实现对生物芯片的运动扫描，有效提高待检测扫描的生物样品的扫描范围；同时本发明实施例的结构简单，易于操作，制造成本低；本发明实施例在具体应用时，可有效实现对生物芯片的二维扫描，同时确保在具备一定检测精度和灵敏度下，不仅能对多种形态的生物芯片，如固态或液相形态的生物芯片，或具有标准384孔板、标准96孔板等规格孔板的生物芯片进行检测，同时能克服传统的激光共聚焦扫描仪对检测平面严格水平这一要求的限制，对基质(如nc膜、pdms膜等)表面并不平整的多人份生物芯片进行扫描检测时，所检测到的生物芯片整板结果也具有良好的一致性；本发明实施例的近红外激光共聚焦生物芯片扫描仪可直接用于全自动荧光免疫分析检测系统中。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

请参见图1-图5所示的近红外激光共聚焦生物芯片扫描仪100，包括用于激发生物芯片荧光的光学模块、用于安装生物芯片200的机械运动扫描平台模块、电气控制模块120以及将各模块安装为一体的安装壳体组件130，具体地，在本实施方式中，安装壳体组件130包括固定安装为一体的具有内部安装空间的外壳体以及位于内部安装空间内的安装底板133和安装柱134，外壳体包括相互固定安装连接的上壳体131和下底板132，可在上壳体131上设置与电气控制模块120电连接的操作功能按钮(图已示出但未标记)，具体优选地，在本实施方式中，为了兼顾外壳体具有较高的强度以及较轻的重量，以及利于安装在其内部部件的良好散热，上壳体131和下底板132采用铝质材料制成；

本发明实施例中的生物芯片可以为固态生物芯片或液态生物芯片，本发明对其没有特别限制；在孔板规格上，可以是标准384孔板或标准96孔板或其他规格孔板的生物芯片，本发明对其也没有特别限制；具体地，在本实施方式中，生物芯片200采用固态生物芯片，具有标准96孔板。

其中，请进一步参见图6所示，在本实施方式中，光学模块包括近红外激光器140和激光共聚焦检测系统150，近红外激光器140通过近红外激光器底座141固定安装在安装底板133上；优选地，近红外激光器140的工作波长范围为760-1000nm；

优选地，在本实施方式中，光学模块还包括光隔离器142，近红外激光器140发出的激光经过光隔离器142后耦合到单纵模光纤中，再进入激光共聚焦检测系统150，其中，激光共聚焦检测系统150包括准直透镜151、激光滤光片152、二向色镜153、物镜154、荧光滤光片155、会聚透镜156、针孔光阑157和光电探测器158，本实施方式在工作状态时，经过光隔离器142处理后发出的激光经准直透镜151后形成平行光，平行光经过激光滤光片152后再经二向色镜153反射后，通过物镜154可聚焦在安装在机械运动扫描平台模块上的生物芯片200表面，生物芯片200被激发后发出的荧光通过物镜154变为平行光，平行光再依次经过二向色镜153、荧光滤光片155、会聚透镜156聚焦在针孔光阑157上，光电探测器158紧靠针孔放置，光电探测器158可向电气控制模块120输入信号；具体优选地，激光共聚焦检测系统150的所有光学元器件的工作波长范围均为760-1000nm，也就是说，激光共聚焦检测系统150的所有光学元器件在波长在760-1000nm范围时具有良好的性能参数表现，这些光学元器件在市场上均可以直接购得；具体优选地，在本实施方式中，二向色镜153对通带光的透过率和阻带光的反射率均高于90％；激光滤光片152、荧光滤光片155对通带光的透过率高于90％，且对阻带光的截止深度(od)为7以上；准直透镜151和会聚透镜156在760-1000nm波长范围内，其表面的反射率低于1％；光电探测器158采用硅基质光电探测器模块，在760-1000nm的工作波长范围内具有高灵敏度，其中具体来说，在本实施方式中，光电探测器158在905nm波长时，增益可达500mv/w，光接收灵敏度低于0.5pa/rthz，等效噪声功率低于10fw/rthz；

本实施例特别提出在激光共聚焦检测系统150中设置准直透镜151，准直透镜151可以将近红外激光器140发出的激光经准直透镜151后形成平行光，使激光具有更好的方向性，进而提高激光滤光片152的滤光效果，并减少激光共聚焦检测系统150中各个光学元器件对激光的反射，最终可进一步提高本实施例的检测精度和灵敏度；

优选地，在本实施方式中，机械运动扫描平台模块包括x轴运动扫描系统160、y轴运动扫描系统170和z轴精密位移模块180，x轴运动扫描系统160、y轴运动扫描系统170分别安装在安装底板133上，z轴精密位移模块180安装在安装柱134上；在工作状态时，生物芯片200固装定位在安装托盘210上，安装托盘210同时安装在x轴运动扫描系统160和y轴运动扫描系统170上，激光共聚焦检测系统150与z轴精密位移模块180对应安装配合；其中，x轴运动扫描系统160包括电机驱动同步带，用于带动安装托盘210在x轴方向上的扫描运动；y轴运动扫描系统170采用电机驱动滚珠丝杆，用于带动安装托盘210在y轴方向上的扫描运动；z轴精密位移模块180采用电机驱动滚珠丝杆，用于调节激光共聚焦检测系统150中的物镜154到生物芯片200表面的距离；具体地，在本实施方式中x轴运动扫描系统160采用的电机驱动同步带、y轴运动扫描系统170采用的电机驱动滚珠丝杆以及z轴精密位移模块180采用的电机驱动滚珠丝杆的具体驱动机械结构方案可以直接参见现有技术，例如采用cn101203744b所采用的扫描运行平台结构，申请人相信机械运动扫描平台模块的具体结构方案均是本领域技术人员的常规选择，本实施例不再具体展开说明；

优选地，在本实施方式中，电气控制模块120固定安装在安装底板133上，包括信号处理器、主控制器和激光器控制器；其中，信号处理器将光电探测器158的输入信号进行处理，然后将处理后的信号采用通讯方式传送给上位机；主控制器用于控制机械运动扫描平台模块的运动；激光器控制器用于控制近红外激光器140的工作电流，具体优选地，在本实施方式中，近红外激光器140的工作电流范围设置为不超过500ma，具体工作电流可根据不同的近红外激光器性能参数来实际设定，这些都是本领域技术人员的常规技术选择，本实施例不做展开说明；进一步优选地，在本实施方式中，信号处理器包括电连接的放大滤波电路和ad信号转换器件，其中，放大滤波电路接入光电探测器的输入信号；ad信号转换器件设置在主控制器上且与上位机通讯连接，将放大滤波电路处理后的信号转化为数字或图像数据，主控制器将该数字或图像数据通信传送给上位机，进而实现本发明对近红外荧光信号的检测；上位机通常为计算机，计算机将这些数字或图像数据进一步被整理成为文本、图形或者两者结合形式的数据，还可设置控制软件用以对这些数据进行解释以生成试验结果或临床检测报告，以及采用其他用途，这些用途都是本领域的公知常识，本发明对其没有特别限定。

优选地，在本实施方式中，激光器控制器还设有激光器温度控制模块，用于对近红外激光器底座141和光电探测器158的恒温控制，近红外激光器底座141和光电探测器158分别设有与激光器温度控制模块电连接的温度控制器件，其中，对近红外激光器底座141进行恒温控制的目的在于确保激光器功率的稳定输出，进而进一步保证本发明实施例的检测精度和灵敏度，对光电探测器158进行恒温控制的目的在于使得光电探测器158在恒温的工作环境中工作，尽可能减少光电探测器158本身带来的噪声干扰，使得本实施例生物芯片200的扫描结果具有更好的信噪比和一致性，进而进一步保证本发明实施例的检测精度和灵敏度，本申请人经过大量实验筛选检测发现，进一步优选地，在本实施方式中，近红外激光器底座的恒温范围设置在15-30℃；光电探测器的恒温范围设置在18-30℃；具体优选地，在本实施方式中，其中，温度控制器件包括用于感应其即时温度的温度传感器和tec温控元件，tec温控元件设有两根电源引线，tec温控元件可以通过改变两根电源引线的电流方向(即改变两根引线的电源极性)来分别实现加热和制冷功能；在本实施例实际工作时，激光器温度控制模块根据温度传感器传送的实际温度检测信号来确定通过tec温控元件的两根电源引线的电流方向，通过tec温控元件的加热或制冷来分别实现对近红外激光器底座141和光电探测器158的恒温控制，本实施例的温度控制器件结构简单可靠，占用体积小，成本低，温控效果好。

优选地，在本实施方式中，基于生物芯片200的最小扫描分辨率和生物芯片200基质表面不平整度的最大值综合计算得到针孔光阑157的大小取值，这样可以进一步提高本发明实施例的普适性，对基质(如nc膜、pdms膜等)表面并不平整的多人份生物芯片进行扫描检测时，由于通过该计算调整，进而确保本实施例所检测到的生物芯片整板结果均具有良好的一致性；

优选地，x轴运动扫描系统160和y轴运动扫描系统170分别安装有高精度光栅尺，分别用于安装托盘210在x轴方向和y轴方向上扫描运动的精确控制；z轴精密位移模块180根据待检测生物芯片类型的不同，沿z轴方向调整物镜154到生物芯片200表面的距离，用于确保生物芯片200始终处于激光共聚焦检测系统150允许的工作范围内；具体地，在本实施方式中，生物芯片200的标准96孔板的孔深为10mm，孔底为生物芯片标记物的所在平面，在本实施方式中，物镜154的工作距离(即为本申请所述激光共聚焦检测系统150的工作范围)为12mm，通过电气控制模块120预定设置控制参数，控制z轴机密位移模块180沿z轴方向移动一定的距离，使得生物芯片200的标准96孔板孔底平面恰好位于物镜154的工作距离处，进一步优选地，在本实施方式中，z轴精密位移模块180的调整精度设置为1μm。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。