激光共聚焦生物芯片扫描仪的光学特性

　　引 言

　　生物芯片技术是人们有效地大规模获取生物信息的有效手段。所谓生物芯片是指将大量探针分子固定于载体，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而对靶分子的序列和数量进行分析的一项技术[1]，因此在生物医学、生命科学研究中应用很多。而生物芯片扫描仪是生物芯片能否得到广泛应用的关键仪器，它是利用激光照明生物芯片激发荧光，并用探测器探测荧光强度，以获取生物芯片信息。生物芯片扫描仪主要有使用光电倍增管探测器的激光扫描仪和 CCD 扫描仪。本文主要讨论了激光共聚焦生物芯片扫描仪的成像特性、光强分布函数、光学信息量等特性。Minsky 早在 50 年代就率先提出了共焦扫描成像的思想[2]。随后Davidovits、Sheppard 和Wilson等对共焦系统做了进一步的研究[3-5]。研究表明：共焦扫描系统不仅可以抑制成像中弱杂散光的影响，而且在相同成像条件下，其分辨力很高。共聚焦生物芯片扫描仪就是集共焦原理、高速扫描技术和计算机图像处理技术于一体的高新技术光电仪器。

　　1 成像特性

　　由于激光的亮度高、单色性好、发射角小、聚焦性优良，因而在生物芯片扫描仪中采用激光作为光源。共聚焦生物芯片扫描仪采用共轭焦点技术，使光源、生物芯片和光电倍增管探测器处在彼此对应的共轭位置。如图1 所示，激光束经物镜L1在生物芯片表面锐聚焦成衍射限制的斑点，激发生物芯片产生荧光，荧光通过物镜L1和物镜L2在共焦探测针孔平面成像，由靠近像面位置的光电倍增管探测接收荧光。共聚焦生物芯片扫描仪的主要优点：

　　①生物芯片上的照明光仅仅是扫描中非常小的一个聚焦光点，因此亮度和信噪比高。

　　②光电倍增管只能接收通过探测针孔(低通空间滤波器)的光，而来自生物芯片其他部位的杂散光因在共焦针孔处不能聚焦而被滤除，结果得到的是一个高分辨力和高对比度的图像。

　　③由于成像光束的聚焦与波长有关，在光路中加入窄带干涉滤光片，从而进一步提高了图像的清晰度。

　　④共焦扫描成像系统采用轴上光束，因而像面没有像差变化而产生的像畸变。

　　⑤因采用物体扫描，光路稳定，充分发挥了光学系统的中心优势。

　　2 光强分布函数

　　为了分析方便起见，设激光束为单模，其径向振幅分布为高斯函数

　　从以上可以看出：共聚焦生物芯片扫描仪的点像能量分布既不是高斯函数，也不是爱里衍射图形，而是它们的卷积，将会使爱里衍射图形平滑，即使得中心亮斑之外的亮环亮度减弱甚至完全消除，这一作用将提高图像的对比度，从而提高了扫描仪的分辨力。