新型生物芯片扫描仪光学系统设计

　　1　引　言

　　1991年,在由Fodor等人提出DNA芯片的概念后,近年来以DNA为代表的生物芯片技术得到了迅猛的发展[1]。迄今已有近百家公司从事与生物芯片相关的工艺、设备、检测和软件的研究。在生物芯片发展的短短十几年中,前人提出了多种检测技术,包括放射性同位素标记法、荧光标记法[2,3]、生物素标记法、表面等离子激元共振法[4]、质谱法、化学发光法、电化学法、光散射法等。由于荧光标记法无毒害、灵敏度高、直观、可进行多色标记的优点,所以在目前的检测系统中,绝大部分都是基于荧光标记,并且有相当一部分已经商品化。由荧光标记的生物检测系统大部分都采用了激光共焦技术。该系统具有分辨能力强、灵敏度高、定位功能强等优点。本文阐述的新型检测扫描仪是在传统的激光共焦系统的基础上通过改进得到的。

　　2　激光共焦扫描仪的工作原理

　　激光共焦扫描荧光探测系统的工作原理图如图1所示[1]。

　　激光器1发射出来的激光由透镜组2扩展成直径较大的平行光束,经激发窄带干涉滤光片3后,过滤除去其它波长的光,这样可大大降低检测的背景噪声。经分束镜5反射至物镜组6。物镜组6将激光聚焦在生物芯片7上,聚焦后的光斑直径一般为几个微米到几十个微米。标记由荧光染料的靶分子在激光激发下产生发射荧光,该荧光由物镜组6收集捕获后变成平行光,通过分束镜5,由反射镜9反射至窄带干涉滤光片10,以滤除除发射荧光以外的光,再由透镜组11聚焦在共轭探测针孔12上。通过探测针孔中的CCD检测,并经放大器放大,其放大信号在由A/D转换器将模拟信号转换成数字信号后,由计算机采集存贮。由马达驱动芯片平台作X-Y两个方向的二维移动。

　　3　光学系统设计

　　对于组织芯片、细胞芯片等生物芯片来说,由于需要进行实时添加药物与试剂,工作距离越大操作越方便,因此考虑到实际需要,要求该光学系统的工作距离不小于15mm。由于在像方采用了分辨率为6~8μm的CCD接收,因此要求光学系统的像方传递函数在特征频率为70线对时为0·3;由于要求物方的分辨率<400nm,因此放大倍率应为20倍。若

　　物方传递函数在特征频率为1400线对时约为0·3,则物方分辨率约为350nm。由于激发出的荧光通常都很微弱,要想清晰地观察荧光效果,所以不但物镜的成像质量较一般物镜要高,而且集光能力要强。由于物镜的数值孔径越大,集光能力就越强,观察荧光的效果就越佳,因此系统的数值孔径要求不小于0.65;由于扫描仪的激发波长为532nm,激发出来的荧光是570nm,因此该光学系统的工作波段为530~580nm。根据上述设计目标,对系统进行了如下设计: