专利名称：基因芯片检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种DNA(基因)芯片(Gene chip)的检测装置，特别是一种基于体视显微镜(解剖显微镜)和冷却电荷耦合器件构成的可一次对DNA芯片成象检测的装置。
自从20世纪90年代中期，美国Affymatrix公司发明了人工合成小片段DNA芯片以来，特别是随着使用计算机参与合成高密度的寡聚核苷酸(Oligonucleotide)阵列(小片段DNA，或称DNA探针)以及基因物理图谱数据库的建立，基因芯片有了很大的发展，据称已达到40万种阵列芯片，而且从小片段DNA芯片，(芯片中每一组成单元DNA探针所含的核苷酸对小于20个)的制作已发展到大片段DNA芯片的制作(将含有10-200K核苷酸对的天然片段DNA固化在一基底上)(参见中国专利申请号98110965.9，申请日980717)，但目前所使用的基因芯片检测装置，其主要是扫描共聚焦显微镜(Confocal Microscope)，如
图1所示，其包括激发光部件和荧光信号收集成象部件，其中激光光源11、分光镜12和物镜13以光路联结成激发光部件，光源11发射之激光束入射至分光镜12后经物镜13而垂直入射至基因芯片之衬底14，进行逐点照射(扫描)；而物镜13、分光镜12、反射镜15、滤色片16、探测器镜头17、共聚焦小孔18和探测器19则依次以光路联结构成信号收集成象部件。激发光部件对DNA芯片的扫描而激发产生的反射荧光经物镜13后形成信号光束经分光镜12入射至反射镜15形成反射至滤色片16滤色后形成单色光，再经探测器镜头17聚焦至共聚焦小孔18滤除噪声，提高信噪比，以聚焦后的激发光斑逐点扫描成象，或以衬底作扫描。从本质上看，它仍然是一种串行的处理方式。从正反两方面的情况来看，它的优势体现在1、较高的信噪比，这主要得益于共聚焦的机制；2、技术比较成熟。
当然，也有一些劣势，体现在1、价格昂贵，一套完整的共聚焦显微镜需要12万美元(约100万人民币)，实现真正的市场化还存在一定的困难；2、串行扫描方式使得获取一片DNA芯片的数据需要几十分钟甚至数小时；3、使用的波段受到限制，一般只能作两个波段，如果要增加几个波段，则需增加激光器的滤色片，成本将进一步上升，所以，做成商品的共聚焦显微镜对荧光探针的普适性受到限制。
4、特别由于检测速度慢(逐步扫描方式)，已不适应对大片段DNA芯片的检测。
本实用新型的目的是克服已有技术的缺点，提供一种测试方便、快速，价格较低的基因芯片检测装置。
本实用新型是这样实现，其包括对芯片衬底射入光束的激发光部件和对该衬底受激产生的荧光信号的收集、成象的荧光信号收集、成象部件，该射入光束覆盖整个基因芯片，其特点是该荧光信号收集成象部件含有自芯片衬底依次以光路连接的物镜、滤色片、CCD(电荷耦合器件)芯片接口和冷却CCD芯片构成的垂直于衬底的荧光信号收集和成象光路以及后接该CCD芯片依次以电路联结的接口板和计算机。
进一步，上述的本实用新型中的激发光部件包括依次以光路连接的光源、聚光镜、滤色片组合体，构成的平行于该芯片衬底的平行光路，以及由该滤色片组合体和一物镜依次以光路连接成垂直于该芯片衬底的垂直入射光路，而且该荧光收集成象部件中的滤色片被组合在该滤色片组合体中，而该物镜则与该垂直入射光路中的物镜共用。
在本实用新型中，要求激发光束对基因芯片的衬底要形成大约1.5厘米直径的光斑照明，因此，要求光源至少要采用100瓦的汞灯，为了提高照明度，该光源也可采用500瓦的氙灯；特别要指出的是，为了使光路组合更合理，对激发光路的滤色片和发射光路中的滤色片将它们制造成组合结构体，这样可共同使用同一物镜，即上述的滤色片组合体，其包括激发光滤色片，二向反射镜和发射光滤色片；基于同一构思方案，本实用新型中激发光部件由一脉冲染料激光器构成，入射激光束与基因芯片衬底表面的夹角α为0°＜α＜90°；该激光器的激光闪焦直径为12毫米；该夹角α为30°；而且，所说的激光器是激光波长可调节的脉冲染料激光器，它的脉冲宽度为20纳秒，脉冲频率为1脉冲/毫秒。
从上述的本实用新型的结构中可看出，其主体是使用体视显微镜(或称解剖显微镜)，并对其作了改进，和使用冷却CCD芯片与计算机而构成完整的基因芯片检测装置。
本实用新型与已有技术相比，具有如下的积极进步效果1、与传统的体视显微镜(即解剖显微镜)相配套，操作简便，有利于市场化，尤其对DNA芯片技术在医院的应用打下良好的基础；2、采用冷却CCD成象，成象一次完成，属并行处理，比扫描方式迅速，成象时间从1秒-1000秒；3、对每一种荧光探针，只需设计相应的滤色片，通过滑杆(SLIDE)的滑动，即可实现多种颜色的测量；4、空间分辨可以达到20μ，灵敏度可达106-107荧光分子数/单元，在广泛采用的微阵列(MICROARRAY)实验中其荧光分子数量级和此数量级相仿，可以满足互补脱氧核糖核苷酸(cDNA Microarray)的探测工作要求；5、该系统的总造价25万元，如果采用专用设备设计，成本可以进一步降低，期望达到10万元左右，应该说在价格上具有相当的竞争力；本实用新型的附图简单说明如下图1是现有的基因芯片检测仪的结构示意图，它是扫描共聚焦显微镜(Confocal Microscope)。
图2是本实用新型的结构示意图。
图3是本实用新型中的滤色片组合体的结构示意图。
图4是本实用新型的另一实施例结构示意图。
图中标号说明11-激光源12-分光镜13-物镜 14-基因芯片衬底15-反射镜16-滤色片17-探测器镜头18-共聚焦小孔19-探测器21、21’-光源22-聚光镜23-滤色片组合体231-激发光滤色片 232-二向反射镜233-发射光滤色片 234-滤色片24-物镜 25-基因芯片衬底26-CCD芯片接口 27-冷却CCD芯片28-接口板29-计算机20-外触发信号下面根据图2、图3和图4分别给出本实用新型二个较好实施例。
实施例1如图2和图3所示，本实施例中，对受检测的基因芯片25之衬底射入光束的激发光部件包括依次以光路连接的光源21、聚光镜22、滤色片组合体23、物镜24，它们组成荧光激发光路模块，其中光源21为100瓦汞灯或500瓦氙灯，其射出的光线，经聚光镜22形成平行于基因芯片衬底25的光束，其入射至滤色片组合体23被滤光后的反射光(荧光激发光)经物镜24垂直射入基因芯片形成约1.5厘米直径的光斑照明，使衬底25激发出荧光，所产生的荧光经荧光信号收集成象部件后给出对该基因芯片的检测结果。本实施例中，荧光信号收集成象部件包括自基因芯片依次排列的物镜24、滤色片组合体23、CCD芯片接口26和冷却CCD芯片27构成的垂直于基因芯片衬底25的荧光收集成象光路，以及后接于该CCD片27的接口板28、计算机29。其中物镜24、滤色片组合体23组成荧光信号选择模块，CCD芯片接口26和冷却CCD芯片27组成信号收集和成象模块，接口板28和计算机29组成控制模块，接口板28还有外触发信号20输入端口，还要指出的滤色片组合体，包含激发光滤色片231、发射光滤色片233和二向反射镜232。
计算机为联想PⅡ350型本实施例中，采用奥林巴斯(OLYMPUS)体视显微镜SZXIZ型，保留其聚光镜22、物镜24，而滤色片组合体23则按检测之DNA荧光探针的激发光波长及反射出来的荧光波长要求，自行设计订做，冷却CCD芯片27采用德国PCO公司Sensicam 375XL之0级芯片，而CCD芯片接口26和接口板28则是与CCD芯片27相配套的部件。
实施例2如图4所示，本实施例与实施例1之区别是(1)激发光部件仅由一脉冲染料激光器(光源21’)构成，散焦光束以30°角射入激发衬底25之样品，激光波长可调节，脉冲宽度为20纳秒，脉冲频率为1脉冲/毫秒，这样由于激光光源在绝大多数时间中是“黑暗”，而且激发光在衬底表面发射时，荧光是各向同性的，因此能进一步降低光源信号的影响，从而提高信噪比；(2)在荧光收集光路中，直接采用滤色片234，以之取代实施例1中的滤色片组合体23。
权利要求1.一种基因芯片检测装置，包括对芯片衬底入射光束的激发光部件和对该衬底受激产生的荧光信号的收集、成象部件，该射入光束覆盖整个基因芯片，其特征在于该荧光信号收集成象部件含有自芯片衬底依次以光路连接的物镜、滤色片、CCD芯片接口和冷却CCD芯片构成的垂直于衬底的荧光信号收集和成象光路以及后接该CCD芯片依次以电路联结的接口板和计算机。
2.根据权利要求1所述的基因芯片检测装置，其特征在于该激发光部件包括依次以光路连接的光源、聚光镜和滤色片组合体构成的平行于该芯片衬底的平行光路，以及由该滤色片组合体和一物镜依次以光路连接构成的垂直于该基片衬底的垂直入射光路，而且该荧光收集成象部件中的滤色片被组合在该滤色片组合体中，而该平行光路中的物镜则与该垂直入射光路中的物镜共用。
3.根据权利要求2所述的基因芯片检测装置，其特征在于所说的激发光部件中的光源系为100瓦的汞灯或500瓦的氙灯。
4.根据权利要求2所述的基因芯片检测装置，其特征在于所说的滤色片组合体系包括激发光滤色片、二向反射镜和发射光滤色片。
5.根据权利要求1所述的基因芯片检测装置，其特征在于所说的激发光部件为一脉冲染料激光器，入射激光束与基因芯片衬底表面的夹角α为0°＜α＜90°。
6.根据权利要求5所述的基因芯片检测装置，其特征在于该激光器的激光闪焦直径为12毫米。
7.根据权利要求5或6所述的基因芯片检测装置，其特征在于该夹角α为30°。
8.根据权利要求5所述的基因芯片检测装置，其特征在于所说的激光器是激光波长可调节的脉冲染料激光器。
9.根据权利要求5或8所述的基因芯片检测装置，其特征在于所说脉冲染料激光器的脉冲宽度为20纳秒，脉冲频率为1脉冲/毫秒。
专利摘要一种基因芯片检测装置,包括激发光部件和荧光信号收集、成象部件,该射入光束覆盖整个基因芯片,其特征在于:该荧光信号收集成象部件含有自芯片衬底依次以光路连接的物镜、滤色片、CCD芯片接口和冷却CCD芯片构成垂直于衬底的荧光信号收集和成象光路以及后接该CCD芯片依次以电路联结的接口板和计算机。本实用新型由于可一次成象完成对芯片的检测,因此,具有明显的技术进步。
文档编号G01N21/64GK2433618SQ99240088
公开日2001年6月6日 申请日期1999年10月29日 优先权日1999年10月29日
发明者熊启华, 李宾, 李民乾 申请人:中国科学院上海原子核研究所