專(zhuān)利名稱(chēng)：一種小型化無(wú)標(biāo)記蛋白質(zhì)芯片檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)儀器領(lǐng)域，尤其是一種小型化無(wú)標(biāo)記蛋白質(zhì)芯片檢 測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著蛋白質(zhì)芯片技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，光學(xué)蛋白質(zhì)芯片系統(tǒng)在生 物醫(yī)學(xué)等方面已經(jīng)獲得了一些成功應(yīng)用，正在向?qū)嵱没l(fā)展、向?qū)嶋H應(yīng)
用領(lǐng)域拓展，例如，臨床疾病診斷同時(shí)i貪斷艾滋病、流感、肝炎等疾 病以及進(jìn)行常規(guī)門(mén)診檢查等；釆血車(chē)上的血檢在采血前進(jìn)行快速、多 種疾病排查，保證血源的可靠性；流行病的4笨測(cè)和防治如禽流感病毒 的實(shí)地檢測(cè)和監(jiān)控等等。
對(duì)于這些應(yīng)用場(chǎng)合，由于檢測(cè)環(huán)境多變，空間條件受限，傳統(tǒng)的大 型檢測(cè)設(shè)備已不能滿(mǎn)足檢測(cè)要求，將它們簡(jiǎn)單地搬到現(xiàn)場(chǎng)也不能解決問(wèn) 題。因此，蛋白質(zhì)芯片檢測(cè)系統(tǒng)的小型化發(fā)展勢(shì)在必行，現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng) 用條件也對(duì)它提出了更高的要求首先，儀器需要具有便攜式、集成化、 固定化的特點(diǎn)，適用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)；其次，儀器需要降低成本，簡(jiǎn)便操作， 使普及成為可能；同時(shí)，在小型化時(shí)還需保證儀器的高靈敏度和分辨率， 達(dá)到良好的檢測(cè)水平。
目前國(guó)際上還沒(méi)有出現(xiàn)商品化的適合光學(xué)蛋白質(zhì)芯片檢測(cè)的專(zhuān);m
測(cè)系統(tǒng)，更沒(méi)有小型化檢測(cè)系統(tǒng)。而現(xiàn)有的蛋白質(zhì)芯片檢測(cè)系統(tǒng)為了滿(mǎn) 足多種樣品的檢驗(yàn)，入射角度、波長(zhǎng)、偏振元件等可調(diào)，所以體積較大， 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，只適合在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)應(yīng)用，不能滿(mǎn)足蛋白質(zhì)芯片這一 特定體系的實(shí)用化檢測(cè)，限制了蛋白質(zhì)芯片的應(yīng)用范圍，也為光學(xué)蛋白 質(zhì)芯片系統(tǒng)的普及推廣帶來(lái)一定困難。因此，構(gòu)建適合蛋白質(zhì)芯片檢測(cè) 的小型、專(zhuān)用系統(tǒng)已成為實(shí)際的需求
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種簡(jiǎn)便、小型、 高精度和專(zhuān)業(yè)化的小型化無(wú)標(biāo)記蛋白質(zhì)芯片檢測(cè)系統(tǒng)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明小型化無(wú)標(biāo)記蛋白質(zhì)芯片檢測(cè)系統(tǒng)包括光 入射部份、樣品調(diào)節(jié)臺(tái)和光接收部份，其中，入射部份包括單色光源、 聚焦透鏡、光纖、光闌、準(zhǔn)直透鏡、起偏器和補(bǔ)償器，單色光源發(fā)出的 單色光經(jīng)聚焦透鏡會(huì)聚后由光纖傳輸?shù)焦怅@，光闌將該接收到的光轉(zhuǎn)化 為點(diǎn)光源，準(zhǔn)直透鏡將點(diǎn)光源擴(kuò)展為寬的準(zhǔn)直光束，起偏器將準(zhǔn)直光束
轉(zhuǎn)換為線偏振光，補(bǔ)償器將線偏振光轉(zhuǎn)換為橢圓偏振光；該橢圓偏振光 經(jīng)過(guò)樣品調(diào)節(jié)臺(tái)上設(shè)置的樣品反射，其所得的反射光由光接收部份接收 處理；所述光接收部份包括檢偏器、成像鏡頭、圖像傳感器和圖像采集 卡，所述反射光經(jīng)檢偏器后轉(zhuǎn)化為線偏振光，成像鏡頭接收線偏振光后 形成樣品二維光強(qiáng)分布的光學(xué)圖像，圖像傳感器將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成一維 時(shí)序電信號(hào)，并通過(guò)圖像采集卡將一維時(shí)序電信號(hào)轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)能夠處 理的數(shù)字圖像信號(hào)。
進(jìn)一步，所述樣品調(diào)節(jié)臺(tái)上設(shè)置有平移、俯仰調(diào)整的方位調(diào)整裝置。 進(jìn)一步，所述小型化無(wú)標(biāo)記蛋白質(zhì)芯片檢測(cè)系鄉(xiāng)Aii設(shè)置有對(duì)準(zhǔn)器， 該對(duì)準(zhǔn)器與所述樣品調(diào)節(jié)臺(tái)相配合使用，用于校準(zhǔn)樣品方位。 進(jìn)一步，所述單色光源為L(zhǎng)ED光源。
本發(fā)明小型化無(wú)標(biāo)記蛋白質(zhì)芯片檢測(cè)系鄉(xiāng)緣構(gòu)小巧、精度高，能夠 滿(mǎn)足單分子膜層檢測(cè)、反映生物分子相互作用、大面積檢測(cè)等測(cè)量功能 和目的，其為蛋白質(zhì)芯片向?qū)嵱没占?、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方向發(fā)展提供了條件， 并有望應(yīng)用于光學(xué)蛋白質(zhì)芯片系統(tǒng)的實(shí)際檢測(cè)，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣 闊的應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為AMC7135用于LED的驅(qū)動(dòng)電路圖； 圖3為自準(zhǔn)直方法原理圖； 圖4為對(duì)準(zhǔn)器工作原理圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本發(fā)明小型化無(wú)標(biāo)記蛋白質(zhì)芯片檢測(cè)系統(tǒng)單色光源1 發(fā)出的光經(jīng)聚焦透鏡2會(huì)聚進(jìn)入光纖3，光纖3出射端設(shè)置一小孔光闌4, 其位于準(zhǔn)直透鏡5的焦點(diǎn)，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡5后，點(diǎn)光源被擴(kuò)展為寬的準(zhǔn) 直光束，經(jīng)起偏器6和補(bǔ)償器7變換成為偏振態(tài)可控的橢圓偏振光，并 傾斜入射到固定在樣品調(diào)節(jié)臺(tái)8上的蛋白質(zhì)芯片樣品14表面，并且樣品 的方位可通過(guò)樣品調(diào)節(jié)臺(tái)8上設(shè)置的方位調(diào)整裝置來(lái)調(diào)整其平移和俯仰， 并借助對(duì)準(zhǔn)器13來(lái)檢驗(yàn)，以確保樣品表面處于理想的空間方位，并保證 多次測(cè)量的一致性。蛋白質(zhì)芯片樣品14對(duì)入射光波進(jìn)行調(diào)制，使得反射 光波的偏振態(tài)發(fā)生變化，反射光波進(jìn)入檢偏器9后成為線偏振光，然后 由成像鏡頭IO把樣品成像在圖像傳感器(CCD) 11上，從而獲得樣品的 橢偏圖像。圖像的視頻信號(hào)首先進(jìn)入數(shù)據(jù)采集和控制部分的圖像采集卡 12,變換成計(jì)算機(jī)可接收的數(shù)字信號(hào)，結(jié)果以灰度圖形式保存下來(lái)，然 后由分析軟件可以進(jìn)行進(jìn)一步分析。
其中，起偏器6和檢偏器9均屬于線偏振元件，器件本身并無(wú)差別， 僅使用目的不同。理想的線偏振元件僅使具有一定振動(dòng)方向的光波通過(guò)， 這個(gè)振動(dòng)方向稱(chēng)為該元件的主方向。但是對(duì)于實(shí)際的線偏振元件，當(dāng)自 然光入射后，透射光中不僅含有平行于主方向的振動(dòng)成分，而且還含有 少量的垂直振動(dòng)的成分。如果元件,對(duì)沿主方向振動(dòng)成分的透過(guò)率為7;, 對(duì)沿垂直于主方向的振動(dòng)成分的透過(guò)率為7;，則元件的消光比P定義為
理想線偏4展元件的7;-o， t; = i， p=o。
消光比是線偏振元件最重要的質(zhì)量指標(biāo)，除此之外，線偏振元件的 主要參數(shù)還有偏振度、光能利用率、通光口徑、光譜范圍和穩(wěn)定度等。 根據(jù)工作原理和材料的不同，目前已有多種類(lèi)型的線偏振元件，如反射 式、折射式、二向色性偏振片和各種晶體偏振元件等。在本系統(tǒng)中，要 求線偏振元件有較高的消光比，通光口徑要大于光束直徑。根據(jù)系統(tǒng)設(shè) 計(jì)要求，選用二向色性線性偏振片，它是將人造的塑料二向色性偏振片 夾在兩個(gè)無(wú)應(yīng)力的各向同性玻璃片之間制成的，重量輕，體積小。
本系統(tǒng)中應(yīng)用補(bǔ)償器7使線偏振光轉(zhuǎn)變成橢圓偏振光。補(bǔ)償器7屬 于線性延遲器，它可以使光波在兩個(gè)相互垂直的方向上產(chǎn)生一定的位相延遲差。當(dāng)偏振光垂直透過(guò)時(shí)，延遲器將光波分解為兩個(gè)線偏振分量， 振動(dòng)方向分別平行和垂直于延遲器的光軸。這兩個(gè)方向的光波在延遲器
中的傳播對(duì)應(yīng)著不同的折射率，分別為"e和"。，則延遲器引入的位相差5 和光程差Z的公式為
義 (3.2)
其中d為延遲器的厚度，/l為光波波長(zhǎng)。
利用光通過(guò)晶體可以改變?nèi)肷涔獠ǖ恼穹拖辔徊?、從而改變光?的偏振態(tài)的特點(diǎn)，可以選用不同的晶體制成延遲器。常用材料通常有云 母、石英、氟化鎂晶體等，選用位相延遲片作為補(bǔ)償器，位相延遲標(biāo)稱(chēng) 名義值為90° 。
圖像傳感器ll是將二維光強(qiáng)分布的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成一維時(shí)序電信號(hào) 的光電轉(zhuǎn)換器件。它把入射到傳感器光敏面上空間分布的光強(qiáng)信息轉(zhuǎn)換 為按時(shí)序串行輸出的電信號(hào)，從而再現(xiàn)入射的光輻射圖像。根據(jù)圖像的 分解形式不同，圖像傳感器主要可分成三種類(lèi)型光機(jī)掃描、電子束掃 描和固體自?huà)呙鑸D像傳感器。目前，應(yīng)用于成像系統(tǒng)中的主要是固體圖 像傳感器，包括電荷耦合器件(CCD)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS) 等。CMOS成本和功耗較低，但CCD在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面 都優(yōu)于CM0S傳感器。
CCD是由一系列排列緊密的MOS電容組成，其可為模擬型或數(shù)字型。 它以電荷作為信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)。根據(jù)系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)要求，選用黑白視頻CCD攝像頭。
圖像采集卡12是將圖像傳感器輸出的一維模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī) 能夠處理的數(shù)字圖像信號(hào)，其關(guān)鍵部件為一個(gè)A/D (模擬/數(shù)字)轉(zhuǎn)換器。
在系統(tǒng)中，成像鏡頭IO將樣品成像在圖像傳感器上。成像鏡頭的性 能主要由焦距、相對(duì)孔徑和^L場(chǎng)角等光學(xué)特性參數(shù)決定。由于鏡頭成實(shí) 像時(shí)物點(diǎn)在兩倍焦距之外，所以焦距決定了最短成像距離。相對(duì)孔徑與 鏡頭光圈F值互為倒數(shù)，它決定了鏡頭的最大通光口徑，影響像平面的 光照度。視場(chǎng)角決定了被攝樣品的范圍。在本系統(tǒng)中，為了在短距離內(nèi) 成像，選擇短焦距鏡頭。本系統(tǒng)選用LED作為本系統(tǒng)的單色光源1,并為了保證光強(qiáng)，選用 LED光源。為了提高LED的發(fā)光穩(wěn)定性，采取恒流驅(qū)動(dòng)和溫控的方法。本 實(shí)施例中選用穩(wěn)流芯片AMC7135，與LED相匹配，可以達(dá)到在直流電壓驅(qū) 動(dòng)的條件下穩(wěn)流的效果，工作電路圖如圖2所示，在2. 7-6V的電壓驅(qū) 動(dòng)下，可以采用兩片AMC7135聯(lián)用的方式驅(qū)動(dòng)3W LED。同時(shí)，在實(shí)-驗(yàn)中 采取了為L(zhǎng)ED加散熱片并與金屬接觸的方法，使其散熱充分。
在橢偏測(cè)量中，橢偏參數(shù)的測(cè)量結(jié)果與入射角度有直接的關(guān)系，為
了減小入射角標(biāo)稱(chēng)值與實(shí)際值之間的誤差，必須對(duì)樣品進(jìn)行準(zhǔn)確的定位。
而且在多次測(cè)量時(shí)，為了使測(cè)量結(jié)果具有可比性和一致性，也需要使樣
品每次均放置在同一位置。因此，為了確保樣品表面處于理想的空間方
位，樣品臺(tái)需要有多維調(diào)節(jié)功能，并需要通過(guò)對(duì)準(zhǔn)裝置進(jìn)行檢驗(yàn)，作為
調(diào)校依據(jù)。本系統(tǒng)采用立式結(jié)構(gòu)，檢測(cè)時(shí)樣品與水平面平行。制作好的
樣品放入樣品盒中，由限位裝置固定在樣品調(diào)節(jié)臺(tái)8上。樣品調(diào)節(jié)臺(tái)8
上設(shè)置的方位調(diào)整裝置選用多個(gè)空間方位調(diào)節(jié)器件的組合，可以進(jìn)行沿
空間坐標(biāo)系x、 y、 z方向的平移和旋轉(zhuǎn)。在系統(tǒng)安裝時(shí)，利用激光器作
為準(zhǔn)直光源確定起偏部分和檢偏部分的光軸，使光軸與樣品中心相交，
可確定樣品中心在水平面內(nèi)x、 y軸的位置。在樣品前置一矩形光闌，當(dāng)
其像的中心處于CCD幾何中心時(shí)，可確定樣品的縱向位置。為了確定樣
品放置是否與水平面平行，可以利用自準(zhǔn)直的方法對(duì)樣品進(jìn)行校準(zhǔn)。它
可以高靈敏度地檢測(cè)到樣品與水平面的微小傾角， 一般角度分辨率可達(dá)
到秒量級(jí)，其原理如圖3所示。點(diǎn)光源16位于準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)，經(jīng)準(zhǔn)直
透鏡15投射出一束準(zhǔn)直光。若被測(cè)平面與光束截面存在夾角e，則反射
回來(lái)的光點(diǎn)17與準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)產(chǎn)生偏離，兩點(diǎn)之間的距離^可表示為
<i = /'tan20
其中/'為透鏡焦距。因此，通過(guò)測(cè)量?jī)牲c(diǎn)的距離可以得到」降測(cè)平面 的傾角。
由于樣品尺寸固定，當(dāng)更換樣品時(shí)，樣品的軸向偏移量較小，此時(shí) 僅需調(diào)整樣品的傾斜。所以在系統(tǒng)中，將對(duì)準(zhǔn)器13固定于樣品臺(tái)上方， 光軸與水平面垂直。對(duì)準(zhǔn)器13原理圖如圖4所示，光源22發(fā)出的光經(jīng) 過(guò)透鏡21和光闌20變?yōu)辄c(diǎn)光源，在經(jīng)過(guò)半反透鏡19和準(zhǔn)直透鏡18入 射到樣品14上，反射光經(jīng)過(guò)半反透鏡19的反射進(jìn)入目鏡24觀測(cè)區(qū)域。經(jīng)樣品14平面反射后的像點(diǎn)位于分劃板23中心時(shí)，說(shuō)明樣品與對(duì)準(zhǔn)器 13的光軸垂直。當(dāng)樣品14偏離垂直位置時(shí)，亮點(diǎn)偏離分劃板23中心， 結(jié)果可通過(guò)目鏡24觀察到。在更換樣品后，調(diào)節(jié)樣品調(diào)節(jié)臺(tái)的臺(tái)面傾斜 旋鈕，通過(guò)對(duì)準(zhǔn)器13的目鏡24觀察，當(dāng)樣品14反射的像點(diǎn)在分劃板23 中心時(shí)，說(shuō)明樣品放置準(zhǔn)確定位。
系統(tǒng)采樣的關(guān)鍵是成像鏡頭與圖像傳感器配合，使樣品在短距離內(nèi) 清晰成像。為了達(dá)到短距成像的目的，并提高系統(tǒng)的分辨能力，成像時(shí) 樣品應(yīng)盡量充滿(mǎn)像面，使系統(tǒng)放大倍率與像接收面相匹配，實(shí)現(xiàn)了近距 離成像。
為了進(jìn)一步提高成像清晰度，可以采取空間濾波的方法，減小系統(tǒng) 雜散光干擾。探測(cè)光束中的平行光部分會(huì)聚于成像透鏡的焦點(diǎn)，而非平 行光分量偏離焦點(diǎn)。在理想情況下，應(yīng)僅對(duì)平行光部分成像，可獲得樣 品的有效信息。根據(jù)頻率域分析，成像透鏡的后焦面即為物的頻語(yǔ)面， 在該面上可以得到物的傅里葉頻語(yǔ)。而物邊緣的衍射效應(yīng)和系統(tǒng)的噪聲 干擾在頻率域都屬于高頻分量，若在頻譜面上置一小孔光闌，可看作一 個(gè)在傅里葉平面上直徑為D。的圓形低通濾波器，可以達(dá)到僅使低頻光通 過(guò)的目的。所以，在成像透鏡的后焦點(diǎn)處加一個(gè)小孔光闌，可以阻擋非 平行光部分成像，遮擋雜散光，抑制高頻分量，從而提高圖像清晰度， 優(yōu)化成像效果。
8
權(quán)利要求
1、小型化無(wú)標(biāo)記蛋白質(zhì)芯片檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括光入射部份、樣品調(diào)節(jié)臺(tái)和光接收部份，其中，入射部份包括單色光源、聚焦透鏡、光纖、光闌、準(zhǔn)直透鏡、起偏器和補(bǔ)償器，單色光源發(fā)出的單色光經(jīng)聚焦透鏡會(huì)聚后由光纖傳輸?shù)焦怅@，光闌將該接收到的光轉(zhuǎn)化為點(diǎn)光源，準(zhǔn)直透鏡將點(diǎn)光源擴(kuò)展為寬的準(zhǔn)直光束，起偏器將準(zhǔn)直光束轉(zhuǎn)換為線偏振光，補(bǔ)償器將線偏振光轉(zhuǎn)換為橢圓偏振光；該橢圓偏振光經(jīng)過(guò)樣品調(diào)節(jié)臺(tái)上設(shè)置的樣品反射，其所得的反射光由光接收部份接收處理；所述光接收部份包括檢偏器、成像鏡頭、圖像傳感器和圖像采集卡，所述反射光經(jīng)檢偏器后轉(zhuǎn)化為線偏振光，成像鏡頭接收線偏振光后形成樣品二維光強(qiáng)分布的光學(xué)圖像，圖像傳感器將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成一維時(shí)序電信號(hào)，并通過(guò)圖像采集卡將一維時(shí)序電信號(hào)轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)能夠處理的數(shù)字圖像信號(hào)。
2、 如權(quán)利要求1所述的小型化無(wú)標(biāo)記蛋白質(zhì)芯片檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在 于，所述樣品調(diào)節(jié)臺(tái)上設(shè)置有平移、俯仰調(diào)整的方位調(diào)整裝置。
3、 如權(quán)利要求1所述的小型化無(wú)標(biāo)記蛋白質(zhì)芯片檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在 于，所述小型化無(wú)標(biāo)記蛋白質(zhì)芯片檢測(cè)系鄉(xiāng)說(shuō)設(shè)置有對(duì)準(zhǔn)器，該對(duì) 準(zhǔn)器與所述樣品調(diào)節(jié)臺(tái)相配合使用，用于校準(zhǔn)樣品方位。
4、 如權(quán)利要求1所述的小型化無(wú)標(biāo)記蛋白質(zhì)芯片檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在 于，所述單色光源為L(zhǎng)ED光源。
5、 如權(quán)利要求1所述的小型化無(wú)標(biāo)記蛋白質(zhì)芯片檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在 于，所述圖像傳感器為模擬型或數(shù)字型。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種小型化無(wú)標(biāo)記蛋白質(zhì)芯片檢測(cè)系統(tǒng)包括光入射部分、樣品調(diào)節(jié)臺(tái)和光接收部分，其中，入射部分包括單色光源、聚焦透鏡、光纖、光闌、準(zhǔn)直透鏡、起偏器和補(bǔ)償器，光接收部分包括檢偏器、成像鏡頭、圖像傳感器和圖像采集卡，本發(fā)明結(jié)構(gòu)小巧、精度高，能夠滿(mǎn)足單分子膜層檢測(cè)、反映生物分子相互作用、大面積檢測(cè)等測(cè)量功能和目的，其為蛋白質(zhì)芯片向?qū)嵱没占啊F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方向發(fā)展提供了條件，并有望應(yīng)用于光學(xué)蛋白質(zhì)芯片系統(tǒng)的實(shí)際檢測(cè)，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G01N21/17GK101294965SQ200810115238
公開(kāi)日2008年10月29日 申請(qǐng)日期2008年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月19日
發(fā)明者羅一丹, 剛 靳 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所