激光共聚焦生物芯片分析仪的二维扫描研究

　　1　引　　言

　　生物芯片是指在硅片、玻璃、凝胶或尼龙膜上,通过机器人自动打印或光引导化学合成技术,制作的生物分子微阵列探针,然后与标记的样品分子进行杂 交,通过检测杂交信号的强度及分布对靶分子的序列和数量进行分析的一项技术[1],目前广泛应用于生物医学和生命科学研究中,而生物芯片分析仪是生物芯片 能否得到广泛应用的关键仪器。目前,生物芯片的荧光信号检测方法,根据检测中采用的光电探测器的类型,可分为光电倍增管(PMT)型和CCD型 [2～3],PMT型分析仪,采用激光共聚焦原理进行荧光检测,而基于CCD的分析仪则采用全视场激励,并直接成像的原理进行荧光检测。比较PMT型和 CCD型分析仪,由于PMT为基础的荧光分析仪是以单束固定波长的激光束扫描,因此需要激光头,或生物芯片的二维机械运动,使激光扫到整个面积,这样就比 较耗时;对于CCD,由于目前性能最优的CCD数字相机的成像面积只有16mm×12mm(像素为10μm)[3],因此为要达到整个芯片诸如 22mm×70mm的面积,则需要数个数码相机同时工作,或以降低分辨率为代价获得图像。为此在较高分辨率的弱荧光信号检测场合,PMT型探测器具有较好 优势。但对其硬件的检测灵敏度,分析耗时,仪器成本方面一直还是关心的问题。本文介绍了目前国外激光共聚焦生物芯片分析仪实现二维扫描的技术特点,并在比 较的基础上提出了新型的以光机结合实现的二维扫描技术。

　　2　激光共聚焦生物芯片分析仪的典型结构

　　2.1　激光共聚焦原理[4]

　　激光共聚焦生物芯片分析仪采用了共聚焦成像原理,使点源、样品及光阑处于彼此对应的共轭位置,原理图如图1所示。

　　激光器发出的激光经过分光镜和物镜后,激发生物芯片上的荧光分子发光,部分球状散射的荧光释放光被物镜采集,并聚焦于物镜和PMT之间的共焦小 孔上,由PMT接收,而处于芯片样点外的荧光和杂散光则被共焦小孔阻挡,不能进入PMT。共聚焦的这一个工作特点,可以大大减少由于片基和灰尘产生的背景 噪声,提高检测的灵敏度。但基于PMT的荧光分析仪,是以单光束一次只对一个样点进行检测,所以需要移动扫描器或移动物镜和生物芯片,对芯片各点进行扫 描,以获得各点的荧光信息。扫描器移动后要求物镜能采集到荧光释放光束,这样的物镜很复杂且数值孔径不超过0.3,较为简单的并且采集光效率高的办法,是 移动物镜或生物芯片,即实现物镜和生物芯片的X—Y方向二维运动。

　　2.2　机械二维X、Y线性扫描技术的典型结构[5]

　　目前国外二维扫描装置采用机械的二维X、Y线性扫描技术,布局如图2。