激光共聚焦生物芯片扫描仪的研究

　　生物芯片(biochip)是20世纪90年代中期发展起来的一项尖端技术,它以玻片、硅片或尼龙等为载体,在单位面积上高密度地排列大量的生物材料,从而实现一次试验能同时检测多种疾病或分析多种生物样品的功能^[1,2].生物芯片可广泛应用于药物研究、疾病诊断、基因结构与功能研究等领域^[3].

　　生物芯片采用分子杂交原理进行工作,其基本做法是将要检测的样品加以荧光染料标记,然后与已知结构的生物芯片进行充分杂交,再加以洗脱后,用生物芯片扫描仪获得发生杂交反应位置处的荧光信号,并以图像形式显示出来^[4].生物芯片扫描仪可分为基于光电倍增管(PMT)的激光共聚焦扫描仪和基于电荷耦合器件(CCD)的面扫描仪两种.激光共聚焦扫描仪的激发光源多采用绿色532 nm和红色635 nm的激光器,荧光标记染料多为cy3和cy5.

　　本文提出一种新型的激光共聚焦生物芯片扫描仪,它的二维扫描装置由光学扫描与机械扫描相结合来实现.其中生物芯片的横向扫描由远心f-θ扫描物镜与振镜实现,纵向扫描由步进电机驱动精密导轨实现.cy3与cy5的荧光信号由一个PMT分时检测,消除了两种信号之间的串扰.并且分析了影响该扫描仪的分辨率、信噪比及灵敏度的因素,给出了实验结果.

　　1　二维扫描技术

　　所设计的扫描仪中,生物芯片的纵向扫描由步进电机驱动精密导轨移动生物芯片工作平台来实现,而生物芯片的横向扫描由振镜的旋转摆动及f-θ物镜相结合来实现,由于振镜的扫描频率高达100 Hz,生物芯片的扫描检测速度很快,而且运转平稳、震动噪声小.横向扫描的工作原理如图1所示.

激光光斑在生物芯片横向扫描的位移量Δx和振镜转角θ有如下关系^[5]:

　　式中:f为f-θ物镜的焦距.

　　式(1)表明在无畸变f-θ物镜的聚焦作用下,扫描激光束在生物芯片横向的位移量与振镜转角成线性关系,只要振镜转角成线性变化,就能保证激光光束对生物芯片横向的线性扫描.

　　考虑振镜振动周期中只有一个有效扫描行程,故给振镜驱动电路提供一个占空比为K的锯齿波作为驱动信号,驱动波形如图2所示.图中:t1为振镜的正程扫描时间,t2为回程扫描时间,T为扫描周期.则扫描占空比为

　　振镜选择的是美国Cambridge公司的6650型,最大转角为±10°,若生物芯片横向扫描宽度为22 mm,则f-θ物镜的焦距f至少为

　　本系统中f =36 mm,数值孔径为0.3,则振镜转角应为±8.75°.

　　在扫描过程中,为了实现所要求的图像分辨率,振镜振动的频率和步进电机的驱动频率必须通过控制系统进行同步控制.图3是光机二维扫描的扫描采样示意图,从中可以分析出对扫描装置的控制要求.图中Δx为激光光束在生物芯片横向(X)的扫描宽度,σ为要求的分辨率值.在振镜振动的作用下,扫描采样点沿X方向,从左到右再到左,往返移动完成一个扫描周期.由于工作台在纵向(Y)的移动作用,示意图中扫描采样点在一个扫描周期T内沿Y方向上有一个σ的位移,该位移即为扫描能达到的分辨率值.若实际有效扫描方向为从左至右的X方向(振镜正程),扫描回程为无效过程,扫描采样频率为fs,则