一種小型化低功耗的生物芯片檢測裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種小型化低功耗的生物芯片檢測裝置，該生物芯片檢測裝置主要由四部分組成，分別是激發(fā)光源，激發(fā)媒介、傳動結(jié)構(gòu)和檢測結(jié)構(gòu)。提出了一種使用低功耗激發(fā)光源，采取雙向?qū)ι浠パa(bǔ)激發(fā)方式的生物芯片檢測裝置，有效的解決了現(xiàn)有檢測設(shè)備檢測信號不一致的問題，及檢測時間成本高和設(shè)備體積龐大等問題。
【專利說明】一種小型化低功耗的生物芯片檢測裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用共振光散射原理檢測生物芯片的裝置，具體涉及提出一種小型化低功耗的生物芯片檢測裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]共振光散射檢測是一種暗場檢測方式，激發(fā)光源光線不直接進(jìn)入檢測器視場，檢測器收集的光子僅來自于金屬納米粒子的散射光，噪聲來自于檢測器的暗電流噪聲，因此可以有效地提高信噪比和檢測的靈敏度。同時，共振光散射檢測技術(shù)使用白光作為檢測光源，設(shè)備簡單，價格低廉，檢測成本大幅下降。
[0003]波導(dǎo)(Waveguide)是一種用于微波或可見光波傳輸?shù)难b置，其中使用光纖作為傳輸媒介的光波導(dǎo)(Optical/light Waveguide)被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)接入和數(shù)字通信當(dāng)中，在不同折色率介質(zhì)間，由于電磁波的全反射使光波局限在波導(dǎo)及其周圍有限區(qū)域內(nèi)傳播，當(dāng)光束由光密介質(zhì)入射光疏介質(zhì)時，當(dāng)且僅當(dāng)入射角大于臨界角時，光信號發(fā)生全反射，利用光波導(dǎo)向周圍有限區(qū)域輻射能量這一原理，將生物芯片作為光波導(dǎo)，激發(fā)光由生物芯片邊緣大于臨界角入射，在生物芯片上下內(nèi)表面以全反射方式傳播，光波導(dǎo)激發(fā)方式的優(yōu)點是激發(fā)選擇性強(qiáng)，即只激發(fā)位于生物芯片表面的發(fā)色團(tuán)，光能量利用率高和系統(tǒng)背景噪聲低。
[0004]2013年05月22日曾公布的專利申請?zhí)枮?01310025477.0的名稱為基于共振光散射檢測生物芯片的裝置，包括光源驅(qū)動器、光纖、激發(fā)光源、耦合透鏡組、生物芯片載物臺、光電傳感器、上位機(jī)、運(yùn)動平臺和多軸導(dǎo)軌驅(qū)動。該裝置實現(xiàn)了基于共振光散射的生物芯片檢測。但是上述裝置存在以下技術(shù)問題:1、使用氙燈作為激發(fā)光源，存在發(fā)熱、使用壽命短和功耗高等不足；2、激發(fā)光從左側(cè)入射生物芯片激發(fā)共振光散射，存在單側(cè)激發(fā)光源造成左右不同位置的相同反應(yīng)濃度信號強(qiáng)度不一致的問題，影響檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性；3、使用三個電動位移平臺作為傳動結(jié)構(gòu)，體積龐大和結(jié)構(gòu)復(fù)雜；4、該裝置采用小視場高分辨率圖像拼接的解決方案，圖像拼接的數(shù)據(jù)量大，存在檢測的時間成本高等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為解決現(xiàn)有設(shè)備存在的以上技術(shù)問題，提供一種小型化低功耗的生物芯片檢測裝置。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案具體如下:
[0007]一種小型化低功耗的生物芯片檢測裝置，該生物芯片檢測裝置主要由四部分組成，分別是激發(fā)光源，激發(fā)媒介、傳動結(jié)構(gòu)和檢測結(jié)構(gòu)；
[0008]所述激發(fā)光源包括:光源驅(qū)動器、兩個或兩個以上LED光源、及兩個或兩個以上整形透鏡組；
[0009]所述激發(fā)媒介為生物芯片；
[0010]所述傳動結(jié)構(gòu)包括:生物芯片載物臺、運(yùn)動平臺和多軸導(dǎo)軌驅(qū)動；
[0011]所述檢測結(jié)構(gòu)包括:光電傳感器和光學(xué)鏡頭；[0012]該生物芯片檢測裝置還包括上位機(jī)；
[0013]所述光源驅(qū)動器控制LED光源產(chǎn)生激發(fā)光，激發(fā)光通過各自的整形透鏡組進(jìn)行光束整形，整形后的激發(fā)光以大于臨界角的角度分別由相對的兩個側(cè)邊入射至生物芯片載物臺上的生物芯片；
[0014]生物芯片上的樣品受到激發(fā)光的激發(fā)后發(fā)生共振光散射，向外輻射特定波長的共振散射光，共振散射光通過光學(xué)鏡頭入射至光電傳感器中，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號；
[0015]所述上位機(jī)接收轉(zhuǎn)換后的電信號并對其進(jìn)行采集分析，上位機(jī)控制運(yùn)動平臺移動，再次獲取光電信號，多次重復(fù)后得到掃描圖像；
[0016]所述上位機(jī)控制多軸導(dǎo)軌驅(qū)動進(jìn)而帶動生物芯片載物臺移動，對生物芯片的整個區(qū)域進(jìn)行掃描。
[0017]在上述技術(shù)方案中，所述運(yùn)動平臺是由一個或一個以上的直線位移平臺組成。
[0018]在上述技術(shù)方案中，所述生物芯片檢測裝置還包括系統(tǒng)主控制器和系統(tǒng)電源，所述的系統(tǒng)主控制器用于控制整個生物芯片檢測裝置，所述系統(tǒng)電源為生物芯片檢測裝置的工作提供所需電力。
[0019]本發(fā)明提供的一種小型化低功耗的生物芯片檢測裝置的有益效果是:
[0020]本發(fā)明在現(xiàn)有基于共振光散射檢測生物芯片的裝置的基礎(chǔ)上使用LED光源替代氙燈作為激發(fā)光源，有效地降低了系統(tǒng)的能耗，提高了系統(tǒng)光學(xué)效率，并采取雙向?qū)ι浠パa(bǔ)激發(fā)方式，解決了單側(cè)氙燈激發(fā)時造成左右不同位置的相同反應(yīng)濃度信號強(qiáng)度不一致的問題。
[0021]本發(fā)明使用光學(xué)手段壓縮檢測系統(tǒng)視場角，使系統(tǒng)檢測視場與生物芯片大小相匹配，為設(shè)計更簡單的傳動結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。同時使用優(yōu)化后的光學(xué)鏡頭，有效地減少了圖像拼接的時間成本，提高了檢測速度。
[0022]本發(fā)明僅使用一個直線位移平臺完成現(xiàn)有設(shè)備使用三軸位移平臺完成的工作，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和降低了系統(tǒng)體積。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0024]圖1為本發(fā)明的生物芯片檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2為共振光散射原理不意圖；
[0026]圖3為本發(fā)明的生物芯片檢測裝置的硬件組成圖；
[0027]圖4為DNA芯片反應(yīng)原理不意圖；
[0028]圖5為RLS Scanner對金納米粒子標(biāo)記的DNA芯片的檢測結(jié)果圖及對應(yīng)的掃描圖；
[0029]圖6為RLS Scanner對等位基因頻率的檢測結(jié)果圖及對應(yīng)的掃面圖；
[0030]圖7為蛋白質(zhì)芯片反應(yīng)原理不意圖；
[0031]圖8為RLS Scanner對Protein A的檢測結(jié)果圖及對應(yīng)的掃面圖；
[0032]圖9為RLS Scanner對IgG的檢測結(jié)果圖；
[0033]圖10為不同激發(fā)光源掃描數(shù)據(jù)結(jié)果圖，其中所有陣列反應(yīng)濃度一致，IOA是使用氙燈右側(cè)入射激發(fā)陣列位于生物芯片左側(cè)，IOB是使用氙燈右側(cè)入射激發(fā)陣列位于生物芯片右側(cè)，IOC是使用LED雙側(cè)入射激發(fā)陣列位于生物芯片左側(cè)，IOD是使用LED雙側(cè)入射激發(fā)陣列位于生物芯片右側(cè)。
[0034]圖中的附圖標(biāo)記表不為:
[0035]1、光源驅(qū)動器，2、LED光源，3、整形透鏡組，4、生物芯片載物臺，5、光電傳感器，6、上位機(jī)，7、運(yùn)動平臺，8、多軸導(dǎo)軌驅(qū)動，9、光學(xué)鏡頭，10、生物芯片，11、系統(tǒng)主控制器，12、系統(tǒng)電源，13、樣品。
【具體實施方式】
[0036]本發(fā)明的發(fā)明思想為:本發(fā)明是基于波導(dǎo)激發(fā)共振光散射檢測原理來檢測生物芯片，提出一種小型化低功耗的生物芯片檢測裝置。它利用了金屬納米粒子在白光激發(fā)光源中會產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振散射光，即當(dāng)激發(fā)光波長落在分子的吸收帶時，分子中的電子由于能級躍遷作用，向所有方向輻射出極強(qiáng)的散射光。
[0037]基于上述原理，本發(fā)明提出一種使用低功耗器件LED作為激發(fā)光源的生物芯片檢測設(shè)備。該設(shè)備采取雙向?qū)ι浠パa(bǔ)激發(fā)方式，解決了現(xiàn)有設(shè)備信號強(qiáng)度不一致的問題；優(yōu)化光學(xué)成像鏡頭，減少了圖像拼接的次數(shù)，節(jié)省了檢測時間成本；使用單軸傳動結(jié)構(gòu)，有效地降低了設(shè)備的體積。本發(fā)明的生物芯片檢測裝置的體積僅是現(xiàn)有設(shè)備體積的1/4，檢測時間比現(xiàn)有設(shè)備縮短近一倍，設(shè)備功耗降低近20倍。
[0038]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做以詳細(xì)說明。
[0039]如附圖1所示:一種小型化低功耗的生物芯片檢測裝置包括光源驅(qū)動器1、兩個LED光源2、兩個整形透鏡組3、生物芯片載物臺4、光電傳感器5、上位機(jī)6、運(yùn)動平臺7、多軸導(dǎo)軌驅(qū)動8和光學(xué)鏡頭9 ；
[0040]所述光源驅(qū)動器I用于控制LED光源2產(chǎn)生激發(fā)光，使LED光源2的功率連續(xù)可調(diào)；LED光源2用于產(chǎn)生激發(fā)共振光散射的激發(fā)光；雙側(cè)激發(fā)光通過各自的整形透鏡組3輸出，整形透鏡組3對激發(fā)光進(jìn)行光束整形，整形后的激發(fā)光入射至生物芯片載物臺4上；如附圖2所示，將樣品13均勻分布在生物芯片10表面，然后將生物芯片10放置在生物芯片載物臺4上，經(jīng)過光束整形后的激發(fā)光以入射角大于臨界角的角度從生物芯片10的左右兩側(cè)入射，在生物芯片10的下表面進(jìn)行多次全反射，樣品13受到激發(fā)光的激發(fā)后發(fā)生共振光散射，向外輻射特定波長的共振散射光，共振散射光通過光學(xué)鏡頭9入射至光電傳感器5中；光電傳感器5對共振散射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再將轉(zhuǎn)換后的電信號輸出至上位機(jī)6 ;上位機(jī)6對來自光電傳感器5的電信號進(jìn)行采集、分析并得到樣品13的掃描圖像。上位機(jī)6通過自身的通用接口與多軸導(dǎo)軌驅(qū)動8相連，上位機(jī)6控制多軸導(dǎo)軌驅(qū)動8的運(yùn)行，多軸導(dǎo)軌驅(qū)動8與運(yùn)動平臺7通過線纜相連，用于控制運(yùn)動平臺7的移動，運(yùn)動平臺7帶動生物芯片載物臺4的移動，實現(xiàn)對生物芯片的整個區(qū)域進(jìn)行掃描。
[0041]本發(fā)明的生物芯片檢測裝置可以根據(jù)需要選擇多維度運(yùn)動平臺，本實施方式中使用一個直線位移平臺實現(xiàn)。
[0042]如附圖3所示，本發(fā)明的生物芯片檢測裝置還包括系統(tǒng)主控制器11和系統(tǒng)電源12。系統(tǒng)主控制器11用于控制整個生物芯片檢測裝置，系統(tǒng)電源12為生物芯片檢測裝置的工作提供所需電力。
[0043]本發(fā)明的生物芯片檢測裝置用于檢測生物芯片的應(yīng)用實施例:[0044]1、對靶標(biāo)寡核苷酸的定量檢測
[0045]DNA芯片制備原理如附圖4所示。固定探針DNA(5’-ATATAGTATCTAAAAAAAA-NH2-3，)濃度(30 μ mol/L)不變，用不同濃度的靶標(biāo) DNA (5’_TTTTTAGATACTATATMTTTMTTGCC-3’)進(jìn)行雜交，最后用 DNA(5’-HS-SH-T10—GGCAATTMATT-3’)功能化的13nm金納米粒子(DNAOGNPs)對這一反應(yīng)過程進(jìn)行標(biāo)記,并通過銀增強(qiáng)的方式使納米粒子直徑增大，繼而對檢測信號進(jìn)行放大。本發(fā)明的檢測裝置檢測DNA芯片結(jié)果如附圖5，探針DNA的點樣濃度為30 μ mol/L。該圖表明對靶標(biāo)DNA的檢出限為0.lnmol/L,線性范圍 0.l-100nmol/L。
[0046]2、等位基因頻率分析
[0047]保持樣品中靶標(biāo)DNA (T:5’ -TTTTTAGATACTATATAATTTAATTGCC-3’ )和含有一個錯配堿基的靶標(biāo) DNA (TA:5’ -TTTTTAGATATTATATAATTTAATTGCC-3’)的總量不變，將 T 和 TA 按各種比例混合，考察了等位基因頻率與相對共振光散射強(qiáng)度之間的關(guān)系如附圖6所示，DNA的點樣濃度為30 μ mol/L。該圖表明RLS Scanner在混合物中可以檢測出低至2%的革巴標(biāo)DNA。
[0048]3、蛋白質(zhì)芯片的檢測
[0049]蛋白質(zhì)芯片制備原理如附圖7所示。將不同濃度的多肽Protein A點樣于基片上與biotin修飾的IgG反應(yīng)，再通過生物素和親和素之間的特異性反應(yīng)，將直徑為13nm的金納米粒子標(biāo)記這一反應(yīng)過程，并通過銀增強(qiáng)的方式使納米粒子直徑增大，繼而對檢測信號進(jìn)行放大。本發(fā)明的檢測裝置檢測蛋白質(zhì)芯片結(jié)果如附圖8所示，IgG濃度為lyg/mL。該圖表明 RLS Scanner 對 Protein A 的檢出限為 100ng/mL,線性范圍 102_105ng/mL。
[0050]對IgG的定量檢測
[0051]將固定濃度(lmg/mL)的Protein A點樣于基片上,用于檢測不同濃度的biotin修飾的IgG(biotin-1gG)。通過生物素和親和素之間的特異性反應(yīng)，用直徑為13nm的金納米粒子標(biāo)記這一反應(yīng)過程如附圖9所示,Protein A濃度為lmg/mL。該圖表明ColorimetricScanner 對 IgG 的檢出限為 0.1ng/mL,線性范圍 0.l_103ng/mL。
[0052]對比使用氙燈光源單側(cè)激發(fā)共振光散射與LED雙向?qū)ι浠パa(bǔ)激發(fā)方式，如附圖10A和10B所示，使用單側(cè)激發(fā)共振光散射，位于生物芯片左側(cè)和右側(cè)相同濃度的反應(yīng)陣信號強(qiáng)度有著明顯的差別。與之先比，本發(fā)明提出的雙向?qū)ι浠パa(bǔ)激發(fā)方式有效地改善了這一現(xiàn)象。如附圖10C和10D所示，使用雙向?qū)ι浼ぐl(fā)共振光散射，位于生物芯片左右兩側(cè)的相同濃度陣列中信號的強(qiáng)度明顯趨于一致。
[0053]顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍之中。
【權(quán)利要求】
1.一種小型化低功耗的生物芯片檢測裝置，其特征在于，該生物芯片檢測裝置主要由四部分組成，分別是激發(fā)光源，激發(fā)媒介、傳動結(jié)構(gòu)和檢測結(jié)構(gòu)； 所述激發(fā)光源包括:光源驅(qū)動器(I)、兩個或兩個以上LED光源(2)、及兩個或兩個以上整形透鏡組(3)； 所述激發(fā)媒介為生物芯片(10)； 所述傳動結(jié)構(gòu)包括:生物芯片載物臺(4)、運(yùn)動平臺(7)和多軸導(dǎo)軌驅(qū)動(8)； 所述檢測結(jié)構(gòu)包括:光電傳感器(5)和光學(xué)鏡頭(9)； 該生物芯片檢測裝置還包括上位機(jī)(6)； 所述光源驅(qū)動器(I)控制LED光源(2 )產(chǎn)生激發(fā)光，激發(fā)光通過各自的整形透鏡(3 )組進(jìn)行光束整形，整形后的激發(fā)光以大于臨界角的角度分別由相對的兩個側(cè)邊入射至生物芯片載物臺(4)上的生物芯片(10)； 生物芯片(10)上的樣品(13)受到激發(fā)光的激發(fā)后發(fā)生共振光散射，向外輻射特定波長的共振散射光，共振散射光通過光學(xué)鏡頭(9 )入射至光電傳感器(5 )中，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號； 所述上位機(jī)(6)接收轉(zhuǎn)換后的電信號并對其進(jìn)行采集分析，上位機(jī)(6)控制運(yùn)動平臺(7)移動，再次獲取光電信號，多次重復(fù)后得到掃描圖像； 所述上位機(jī)(6)控制多軸導(dǎo)軌驅(qū)動(8)進(jìn)而帶動生物芯片載物臺(4)移動，對生物芯片的整個區(qū)域進(jìn)行掃描。
2.如權(quán)利要求1所述的生物芯片檢測裝置，其特征在于，所述運(yùn)動平臺(7)是由一個或一個以上的直線位移平臺組成。
3.如權(quán)利要求1所述的生物芯片檢測裝置，其特征在于，所述生物芯片檢測裝置還包括系統(tǒng)主控制器(11)和系統(tǒng)電源(12)，所述的系統(tǒng)主控制器(11)用于控制整個生物芯片檢測裝置，所述系統(tǒng)電源(12)為生物芯片檢測裝置的工作提供所需電力。
【文檔編號】G01N21/63GK103926222SQ201410151326
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月15日
【發(fā)明者】王振新, 邢雪峰, 李桃, 馬蘭, 劉霞 申請人:中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所