一种微阵列芯片激光扫描仪光学系统的利记博彩app

专利名称：一种微阵列芯片激光扫描仪光学系统的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及光学系统领域，特别是涉及微阵列芯片激光扫描仪的光学
系统。
背景技术：
目前微阵列芯片的检测设备的发展已经极大地改变了生物技术产业的 面貌。这些设备使得同时检测多种生物样品、检测稀少的人源转录本成为可能。 它们也使原先不借助这些仪器需要数月乃至数年的工作变得可能在数分钟内借助 自动从微阵列芯片中获取信息来完成。典型的微阵列芯片包括一系列聚合物，例如寡核苷酸，多肽和抗体。 在基片上，以点阵排列方式合成或者固定这些聚合物，而这些聚合物可以被荧光 标记物或者荧光基团所标记从而进行光学检测。 一台典型的微阵列芯片扫描仪使 用激光作为激发光源，并使用匹配的滤镜和光电倍增管进行检测。在微阵列芯片 的扫描过程中，从激发光源发出的激发光照射到芯片的不同点上。在激发光作用 下，芯片上探针标记的荧光发生斯托克斯频移，产生发射光，而该发射光被光电 倍增管所采集。如此得到微阵列芯片的信息，能够为多种研究服务，例如基因表 达研究，变异研究，基因分型，单核苷酸多态性，蛋白相互作用，还有疾病的诊 断和治疗。在传统微阵列扫描仪中使用的光学系统用分光镜来分离光束。如图1 所示，激光发生器发出的激光束通过激发光滤镜入射到分光镜上。经分光镜反射 的光束再经过激发光物镜组，最后聚焦在微阵列芯片表面。微阵列芯片上的荧光 分子受到激光束激发而发射出荧光，发射的荧光经激发光物镜组进行准直后通过 分光镜。从分光镜透过的光束经过反射镜反射到发射光滤镜组过滤后，再由发射 光物镜组聚焦通过针孔，最后由检测器进行收集。传统光学系统有一些缺点。第一，穿过分光镜时激光会损失能量。因 此激发光强度降低导致系统灵敏度降低。第二，普通微阵列芯片的玻璃表面会反 射1%或更多入射的激发光，使其进入检测光路。由于在大多数实验中发射光强度 仅为激发光强度的数百万分之一，从玻璃表面反射的激发光会造成显著的背景问 题。最后，因为分光镜通常是为某一特定波长设计的，当使用新的激发光源或者使用多种激发光源时需要对分光镜进行调整。这些问题增加了光学系统设计的难 度。

发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种用于微阵列芯片激光扫描的光学系 统，包括一打孔反射镜，该打孔反射镜含有一通孔和一反射面，其通孔可通透激 发光而反射面可对来自微阵列芯片的发射光进行反射。在某些实施例中，该光学 系统还包括一激发光物镜组用以聚焦激发光束使之通过打孔反射镜的通孔，并且 对来自微阵列芯片的发射光进行准直。打孔反射镜上通孔的形状可以是任意的，例如圆形，椭圆形，矩形或 者不规则形。在保证激发光畅通无阻的情况下，通孔可以是任意合理的大小，其 直径可以在约0. 5毫米至约5毫米之间但不限定在这之间，在约0. 4毫米至约0. 8 毫米之间，或者在约l毫米到约3毫米之间，或者为约3毫米都可以。打孔反射镜的形状也可以是任意的，例如圆形，椭圆形，矩形或者不 规则形。打孔反射镜与微阵列芯片表面所成的夹角也可以是任意的，例如15， 20， 30， 40， 45， 50或60度。光学系统还可包括一入射光系统，用以产生激发光。在某些实施例中， 入射光系统包括一激光发生器， 一相应的可选滤光镜，和一可选的第一反射镜。 在某些实施例中，入射光系统包括一第一激光发生器(以及一相应的可选滤光镜)， 一第二激光发生器(以及一可选滤光镜)， 一分光镜， 一斩光器，其中分光镜用以 透过第一激光发生器发射的激光束而反射第二激光发生器发射的激光束，而斩光 器每次只允许来自两个激光发生器之一的光束通过而阻断来自另一个激光发生器 的光束。在某些实施例中，光学系统还包括位于第一激光发生器与分光镜之间的 光路上的一第一反射镜，和位于打孔反射镜与分光镜之间光路上的一第二反射镜， 其中由第一激光发生器发射的激光束首先经第一反射镜反射后再穿过分光镜，而 从分光镜出射的光束首先经过第二反射镜反射后再通过打孔反射镜的通孔。在某 些实施例中，入射光系统还包括位于分光镜之后光路上的一衰减片，以便由该衰 减片调节来自分光镜的光束。这里描述的光学系统还可包括一用于收集发射光的采集系统，包括一 检测器(例如光电倍增管)和位于检测器与打孔反射镜之间光路上的一发射光物 镜组。在某些实施例中，采集系统还包括位于发射光物镜组与检测器之间光路上 的针孔。在某些实施例中，采集系统还包括位于打孔反射镜与发射光物镜组之
间光路上的一发射光滤镜组。发射光滤镜组可包括一或多片滤光镜(例如2， 3， 4， 5， 6， 7， 8， 9或者10片)用以滤过不同波长的光束。在一实施例中，光学系统包括 一打孔反射镜，具有一通孔和一反射 面； 一激发光物镜组； 一入射光系统，包括一第一激光发生器， 一第一反射镜用 以反射第一激光发生器产生的光束， 一第二激光发生器， 一分光镜用以透射来自 第一反射镜的光束并反射来自第二激光发生器的光束， 一斩光器每次只允许来自 两个激光发生器之一的光束通过而阻断另一个光束， 一第二反射镜，用以将光束 反射后使其通过打孔反射镜的通孔并被激发光物镜组所聚焦； 一采集系统，包括 位于打孔反射镜反射光路上的一发射光滤镜组，位于发射光滤镜组之后光路上的 一发射光物镜组，位于发射光物镜组之后光路上的一针孔，以及一检测器，其中 发射光被打孔反射镜反射后，依次经过发射光滤镜组，发射光物镜组和针孔，最 后到达检测器。在某些实施例中，光学系统还至少包括一个位于两个激光发生器 之一前面光路上的匹配激发光滤镜。在某些实施例中，光学系统还包括一位于分 光镜和第二反射镜之间的衰减片。


图1是现有技术中适用于微阵列扫描的光学系统的示意图。图2是本发明中适用于微阵列扫描的光学系统的一个示例的示意图。图3是本发明中打孔反射镜的一个示例的示意图。
具体实施例方式本发明涉及用于微阵列分析的一种高灵敏度、低背景噪声、结构相对 简单的新型光学系统。该光学系统包括一打孔反射镜，其上有一可使激发光直接 通过的通孔和一用以反射来自微阵列芯片发射光的反射面。在某些实施例中，光 学系统还包括一激发光物镜组用于聚焦从打孔反射镜通孔中射出的光束，并且对 来自微阵列芯片的发射光进行准直。在某些实施例中，激发光物镜组连接到一电 机(例如步进电机)，该电机可驱动激发光物镜组在垂直于微阵列芯片表面的方向 上运动。因此，激发光物镜组的位置可以进行调节以正确聚焦激发光。本发明通过使用打孔反射镜大大提高了光学系统的效率，减少了背景 噪声，并消除了激发光与发射光之间的相互干扰。在微阵列芯片的扫描过程中， 通过打孔反射镜通孔的激发光直接被聚焦在待扫描的微阵列芯片上。微阵列芯片 上的荧光基团所发射的荧光被打孔反射镜的反射面所反射然后被收集起来。激发 光通过打孔反射镜时没有任何阻碍，因而消除了光损失。另外，从微阵列芯片所 反射的大部分背景光通过通孔出射，不会进入采集系统。因此，信噪比得到提高。打孔反射镜的通孔可以是任何形状，包括但不限于圆形，椭圆形，矩 形，三角形或其他规则和不规则形状。只要能让激发光顺利无障碍地通过，通孔
的大小可在任意可行的范围内。例如，当通孔为圆形，其直径可以在约0.5毫米 至约5毫米之间但不限定在这之间，在约0. 4毫米至约0. 8毫米之间，或者在约1 毫米到约3毫米之间，或者为约3毫米都可以。打孔反射镜可以是任何形状，包括但不限于圆形，椭圆形，方形，矩 形，三角形，或者其他规则或不规则形状。反射镜可与微阵列芯片表面成任意夹 角，例如15， 20， 30， 40， 45， 50，或60度。在某些实施例中，光学系统还包括一入射光系统用以产生激发光。在 某些实施例中，入射光系统包括一激光发生器和可选的反射镜。由激光发生器所 产生的光可以经反射镜反射后，也可直接通过打孔反射镜的通孔。入射光系统还 可包括位于第一激光发生器前面光路上的匹配激发光滤镜，用于将激光发生器发 出的光束过滤为狭窄光谱范围内的激发光。在某些实施例中，光学系统的入射光系统包括一第一激光发生器(以 及一可选的匹配激发光滤镜)， 一第二激光发生器(以及一可选的匹配激发光滤 镜)， 一分光镜， 一斩光器。两个激光发生器产生的光束具有不同的波长。分光镜 在光路上的安排使其能够允许第一激光发生器发出的光透射而使来自第二激光发 生器的光束反射。斩光器在光路上位于分光镜的附近，它每次只让来自两个激光 发生器之一的光束通过，而阻断来自另一个激光发生器的光束，以确保任何时候 只有一种光束进入激发光路。使用斩光器代替传统技术中转动反射镜以选择激光 光源，从而改善了光学系统的稳定性。光学系统(例如激发光系统)还可包括一块或者多块反射镜。反射镜 用来改变光路的方向，可以以任意方式使用。举例来说，可在第一激光发生器与 分光镜之间的管路上安置第一反射镜。由第一激光发生器发出的光束首先经第一 反射镜反射，然后进入分光镜。在某些实施例中，还有位于分光镜与打孔反射镜 之间光路上的第二反射镜(比例反射镜更佳)。来自于斩光器选择之后经由分光镜 的光束首先经第二反射镜反射，然后从打孔反射镜上的通孔穿过。还可设置一个 光强检测器用于检测从第二反射镜透射的光强。光强检测器感应到的光信号可以 转变为数字信号，用以指示激发光强度。光学系统的入射光系统还包括一用于控制和调节激发光强度的衰减 片。衰减片安置在紧靠分光镜之后的光路上以便由其调节穿过打孔反射器的光束。在现有技术中，当激发光对微阵列进行扫描时，微阵列芯片上的荧光
基团在激发光作用下产生斯托克斯频移发射光，并由一采集系统进行收集。据此， 在某些实施例中，光学系统还包括一采集系统用以收集微阵列芯片的发射光。光学系统的采集系统包括一检测器和位于检测器和打孔反射镜之间的一发射光物镜 组。在某些实施例中，检测器是一光电倍增管(PMT)。 PMT通过光电效应将入射的 光子转变为电子。 一个光子撞击到PMT的光电阴极，产生一个电子。电子经过一 系列打拿极得到扩增，扩增后的电子到达阳极。阳极流出的电流与光阴极上入射 的光强直接相关。电信号还可以进一步被放大滤波器放大并转变为数字信号以便 进行计算机分析。在某些实施例中，光学系统的采集系统还包括位于发射光物镜组与检 测器之间光路上的一针孔。针孔置于检测器前面的光路上，使来自微阵列芯片的发射光中不在激光束所聚焦的焦平面上的大部分被针孔所阻挡。这样，离焦的光 信息大大减少。在某些实施例中，光学系统的采集系统还包括位于打孔反射镜与发射 光物镜组之间光路上的一发射光滤镜组。发射光滤镜组只允许需要波长的光通过并被检测。在某些实施例中，发射光滤镜组包括两片或者更多(例如2， 3， 4， 5， 6， 7， 8， 9， 10或更多)片滤光镜用以滤过不同波长的光(即其中每片允许通过的光波长都不同)。这些滤光镜的排列方式可采取任何可行的方式。例如，发射光 滤镜组中的滤镜可排成一圈(类似转盘)，转动转盘以将需要的滤镜选入光路。选择发射光滤镜组的依据是激发光波长和待检荧光基团发射光的频 谱。对于不同的荧光基团，配有不同的对应发射光滤镜组，使其依次或者同时检测同一样品中的多种荧光基团成为可能。因此本发明的光学系统可以检测同一样 品的多重标记，这一特征对于广泛使用多种探针进行多重标记的微阵列芯片的扫 描尤其有用。从另一个角度来看，本发明光学系统，由下列项目组成或者主要由下 列项目组成 一第一激光发生器， 一打孔反射镜，一激发光物镜组， 一发射光物 镜组， 一针孔， 一检测器，各组件通过光路连接起来。具体来说，激光发生器产 生的光束经过打孔反射镜，并由激发光物镜组聚焦在微阵列芯片上。在激发光激 发下，待扫描微阵列芯片上的荧光基团发射荧光。发射光随后经过激发光物镜组 进行准直，并被打孔反射镜反射，再经过发射光物镜组和针孔，最后被检测器收 集。在某些实施例中，光学系统还包括一第二激光发生器，一分光镜和一斩光器。由第一激光发生器产生的光束经分光镜透射，而来自第二激光发射器的
光束被分光镜反射。斩光器每次只允许两激光发生器其中之一产生的光束通过而 阻断另一个激光发生器产生的光束。在某些实施例中，光学系统还包括位于第一激光发生器和分光镜之间 光路上的一第一反射镜。第一激光发生器产生的光束首先经第一反射镜反射，然 后入射到分光镜。在某些实施例中，还有一第二反射镜(一比例反射镜更佳)，位 于分光镜和打孔反射镜之间的光路上。来自于经由分光镜和斩光器的光束先经过 第二反射镜反射，然后直接通过打孔反射镜的通孔。在某些实施例中，光学系统 还可包括一光强度检测器，用于检测从第二反射镜透射的光强。在某些实施例中，光学系统还包括位于分光镜与第二反射镜之间光路
上的衰减片。在某些实施例中，光学系统还包括位于至少一个激光发生器前面光 路上的匹配激发光滤镜。在某些实施例中，光学系统还包括一发射光滤镜组(在 一个组合中包括两片或更多滤光镜用以路过不同波长的光束)，位于打孔反射镜与 发射光物镜组之间的光路上。从另一个角度来看，本发明光学系统包括下列项目或者主要由下列项目组成 一第一激光发生器， 一第一激发光滤镜， 一第一反射镜， 一第二激光发生器， 一第二激发光滤镜， 一分光镜， 一斩光器， 一第二反射镜， 一打孔反射镜， 一激发光物镜组， 一发射光滤镜组， 一发射光物镜组， 一针孔，和一检测器，其 中这些组件通过光路连接起来。在某些实施例中，光学系统包括下列项目或主要由下列项目组成一第一激光发生器， 一第一激发光滤镜， 一第一反射镜， 一第二激光发生器， 一第 二激发光滤镜， 一分光镜， 一斩光器， 一第二反射镜， 一打孔反射镜， 一激发光 物镜组， 一发射光滤镜组， 一发射光物镜组， 一针孔，和一检测器。其中第一激 光发生器发出的光束经过第一激发光滤镜过滤，经过第一反射镜反射，穿过分光镜；第二激光发生器发出的光束经过第二激发光滤镜过滤后，在分光镜上被反射；斩光器每次只允许来自两个激光发生器其中之一的光束通过而阻断来自另一个激光发生器的光束；通过斩光器的光束经第二反射镜反射后，通过打孔反射镜的通 孔，被激发光物镜组聚焦在微阵列芯片表面；来自微阵列芯片的发射光经过激发光物镜组准直后，被打孔反射镜反射，依次经过发射光滤镜组过滤、发射光物镜 组聚焦后穿过针孔到达检测器被检测。在此描述的光学系统尤其适用于微阵列芯片的分析。此处，"微阵列芯 片"意指任何生物分子构成的阵列，包括但不限于DNA、 RNA、 cDNA、多聚核苷酸、 寡聚核苷酸、蛋白质、多肽和抗体。微阵列芯片通常由按阵列形式在基片上合成或者沉积的多种多聚物或者寡聚物构成，而这些多聚物或者寡聚物是用荧光标记 物或荧光基团进行标记从而可以进行光学检测的。在此描述的光学系统可用于扫 描任意用途的微阵列，包括但不限于基因表达、突变、基因分型、单核苷酸多态 性、蛋白质相互作用分析等研究，以及疾病的诊断和治疗。虽然本发明被描述为最主要用在微阵列扫描领域中，对具有平均知识 水平和技术经验的人员来说，本发明在其他应用领域中的用途也是显而易见的， 例如光谱测定法和血细胞计数方面。如图2所示，是本发明光学系统的一个实施例。在此实施例中，第一 激光发生器10和第二激光发生器9用来产生不同波长(分别为635纳米、532纳 米)的激光。激发光滤镜12和11分别位于第一激光发生器10和第二激光发生器 9前面，将激光束过滤成为具有狭窄频谱的激发光束。第一激光发生器10发出的 光束经过激发光滤镜12，经第一反射镜13反射，再经分光镜14透射。第二激光 发生器9发出的光束经过激发光滤镜11，被分光镜14反射。斩光器15用来保证 任意时刻只有一路激光通过。衰减片16位于分光镜14和第二反射镜5之间，用 以控制激发光强度。激发光经第二反射镜5反射后直接通过打孔反射镜6上的通 孔，投射到激发光物镜组7上，并聚焦在微阵列芯片8表面。在激发下，微阵列 芯片上的荧光基团发射出荧光。来自微阵列芯片的荧光经激发光物镜组7准直、打孔反射镜反射。从 打孔反射镜反射的发射光经过发射光滤镜组4 (包括6片不同的滤镜)中的一片滤 光镜滤过，被发射光物镜组3所聚焦，而针孔2挡住了背景信号，只允许聚焦的 光束通过。穿过针孔1的光束被PMT检测器1所收集。如图3所示，是本发明所涉及的光学系统中打孔反射镜6的一个实施 例。该镜为椭圆形，与水平面成45度夹角。反射镜中央有一直径3毫米的圆形通 孔，以使激发光无障碍地通过。该镜的一面为反射面用以反射发射光。通过以上 安排，激发光路与收集光路分离，故而不会轻易干扰对方。虽然为了帮助理解和阐明问题对前述的发明通过图示和举例的方式在 一定细节上进行了描述，但是具有该领域内平均技能和知识的专业人员可能对其 做出一些显而易见的改变。因此，发明的范围不应受到描述和实施例的限制，而 由后面权利要求来进行描述。所有的绘图均为示意图。角度和尺寸不严格遵守比 例限制。
权利要求
1、一种微阵列芯片激光扫描仪的光学系统，其特征在于它包括具有一通孔和一反射面的一打孔反射镜，其中通孔可使激发光通过而反射面可将来自微阵列芯片的发射光反射。
2、 如权利要求1所述的一种微阵列芯片激光扫描仪的光学系统，其特征在于 所述打孔反射镜的形状可以从下列形状中选择圆形，椭圆形，其他规则形状和 不规则形状。
3、 如权利要求1所述的一种微阵列芯片激光扫描仪的光学系统，其特征在于 所述打孔反射镜上通孔的形状可以从下列形状中选择圆形，椭圆形，其他规则 形状和不规则形状。
4、 如权利要求1所述的一种微阵列芯片激光扫描仪的光学系统，其特征在于 所述打孔反射镜上的通孔为直径约3毫米的圆形。
5、 如权利要求1所述的一种微阵列芯片激光扫描仪的光学系统，其特征在于 所述打孔反射镜与待扫描的微阵列表面成45度角。
6、 如权利要求1所述的一种微阵列芯片激光扫描仪的光学系统，其特征在于 它还包括一激发光物镜组，用以聚焦通过打孔反射镜的激发光。
7、 如权利要求1或6所述的一种微阵列芯片激光扫描仪的光学系统，其特征 在于它还包括一入射光系统，用以产生激发光。
8、 如权利要求1或6所述的一种微阵列芯片激光扫描仪的光学系统，其特征在于所述入射光系统包括一第一激光发生器， 一第二激光发生器， 一分光镜和 一斩光器。其中分光镜允许来自第一激光发生器的光束透过而反射来自第二激光发生器的光束，而斩光器每次只允许来自两台激光发生器其中之一的光束通过而 阻断来自另一台激光发生器的光束。
9、 如权利要求8所述一种微阵列芯片激光扫描仪的光学系统，其特征在于 它还包括位于第一激光发生器与分光镜之间光路上的一第一反射镜，位于分光镜 与打孔反射镜之间光路上的一第二反射镜，其中由第一激光发生器发出的光束先 经第一反射镜反射后再穿过分光镜，而从分光镜出射的光束先经第二反射镜反射 后再通过打孔反射镜的通孔。
10.
11、如权利要求8所述一种微阵列芯片激光扫描仪的光学系统，其特征在于:所述入射光系统还包括位于至少其中一个激光发生器前面光路上的匹配激发光滤 镜。
12、 如权利要求8所述的一种微阵列芯片激光扫描仪的光学系统，其特征在 于所述入射光系统还包括位于分光镜之后光路上的一衰减片，从而使来自分光 镜的光束可由衰减片进行调节。
13、 如权利要求1或7所一种微阵列芯片激光扫描仪的光学系统，其特征在 于它还包括一采集系统，用以收集发射光，其中采集系统包括一检测器，位于 检测器与打孔反射镜之间光路上的一发射光物镜组。
14、 如权利要求12所述的一种微阵列芯片激光扫描仪的光学系统，其特征在 于所述检测器为一光电倍增管。
15、 如权利要求12所述一种微阵列芯片激光扫描仪的光学系统，其特征在于 所述采集系统还包括一位于发射光物镜组和检测器之间的针孔。
16、 如权利要求12所述一种微阵列芯片激光扫描仪的光学系统，其特征在于 所述采集系统还包括一位于打孔反射镜与发射光物镜组之间的发射光滤镜组。
17、 如权利要求15所述一种微阵列芯片激光扫描仪的光学系统，其特征在于 所述发射光滤镜组包括两片或更多滤光镜以滤过不同波长的光。
18、 如权利要求6所述一种微阵列芯片激光扫描仪的光学系统，其特征在于: 它还包括 一入射光系统，包括一第一激光发生器， 一第一反射镜用于反射来自 第一激光发生器的光束， 一第二激光发生器， 一分光镜用于使来自第一反射镜的 光束透过而反射来自第二激光发生器的光束， 一斩光器用于每次只允许来自于两 个激光发生器其中之一的光束通过而阻断来自于另一个激光发生器的光束， 一第 二反射镜用于反射光束使之通过打孔反射镜的通孔； 一采集系统，包括位于打孔反射镜之后光路上的一发射光滤镜组，位于发射光滤镜组之后光路上的一发射光 物镜组，位于发射光物镜组之后光路上的一针孔，和一检测器，其中发射光被打 孔反射器反射后依次经过发射光滤镜组，发射光物镜组，针孔最后到达检测器。
19、 如权利要求17所述一种微阵列芯片激光扫描仪的光学系统，其特征在于:它还包括位于至少其中一个激光发生器前面光路上的匹配激发光滤镜。
20、 如权利要求17所述一种微阵列芯片激光扫描仪的光学系统，其特征在于:它还包括位于分光镜与第二反射镜之间光路上的一衰减片。
全文摘要
本发明涉及一种适用于微阵列芯片扫描仪的创新的光学系统，包括一打孔反射镜，该打孔反射镜有一通孔和一反射面。打孔反射镜的通孔允许激发光通过，而其反射面对来自微阵列芯片的发射光进行反射。该光学系统还包括其他一些组件，如激光发生器，分光镜，斩光器，反射镜，激发光滤镜组和发射光滤镜组，激发光物镜组和发射光物镜组，针孔和检测器。该光学系统具有高效、高灵敏度、低背景噪声、结构简单、功能多样的特点。
文档编号G02B26/00GK101203790SQ200580049796
公开日2008年6月18日 申请日期2005年6月3日 优先权日2005年6月3日
发明者弘 张, 王宪华, 京 程, 高泰山, 黄国亮 申请人:博奥生物有限公司;清华大学