CN113092424B - 一种高通量生物芯片分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高通量生物芯片分析仪，涉及生物芯片分析仪技术领域。本发明包括外壳体内部自下至上安装有芯片承载结构、激发滤光盘以及检测光滤光盘；外壳体内部位于激发滤光片组件一侧安装有LED白光源；LED白光源发射白光经激发滤光片滤光后经反射聚焦到芯片承载结构上的检测芯片上；检测芯片的芯片微孔内PCR产物中的荧光素分子吸收外界能量产生的荧光信号经检测滤光片后被荧光探测器获取。本发明LED白光源提供光源，同时激发滤光盘以及检测光滤光盘支持6色激发光通道和6色检测光通道自由组合，检测多达种荧光，检测范围广、分辨率高、准确性好，仪器性能更稳定；同时，驱动设备驱动托盘架进出条形孔，实现检测芯片的便捷装载和更换。

Description

一种高通量生物芯片分析仪

技术领域

本发明属于生物芯片分析仪技术领域，特别是涉及一种新型高通量生物芯片分析仪。

背景技术

生物芯片作为一种常见的分子生物学实验，广泛用于基因研究、药物研究、疾病诊断、病原微生物检测等众多领域。其主要的原理均采用分子杂交原理通过对预检测的样品加以荧光分子标记，并使用生物分析仪检测反应体系中的荧光信号，对荧光信号进行记录、分析后，结果用于目标检测物的定性、半定量或定量分析。

目前，在用的生物芯片分析仪多是采用全机械二维扫描和双光源、双光电探测器实现双波长的荧光检测的。它包括按一定角度错开的双光源、双光电探测器，光源发射的激光光束通过透镜、分光镜和棱镜到达生物芯片上的某点，激发该点位置上的荧光染色分子发射荧光，荧光通过棱镜，由分光镜反射至反射镜，再经过聚光镜会聚，到达光电探测器。对芯片的二维扫描是利用直线驱动器驱动棱镜作X方向移动，步进电机驱动生物芯片作Y方向移动。这种生物芯片分析仪存在以下不足：

1)它的扫描速度受直线驱动器的运行频率限制，生物芯片的分析时间长、震动大、扫描惯性大、往复的行程长、导致相应棱镜的行程也长，使得激光光束的聚焦光斑变化大，影响了仪器的分辨率；

2)聚光镜的数值孔径受到机械结构的限制，影响了仪器的分析灵敏度；

3)采用双光源、双探测器实现对双波长荧光的同时扫描成像，使得整个仪器的结构复杂，并且扫描图像中存在串扰，影响了仪器的性能；

4)受限于芯片设计问题，样本检测通量、检测位点数量均较低，难以适应临床上高通量、快速检测的需求。

为解决上述问题，本发明提供一种新型高通量生物芯片分析仪。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型高通量生物芯片分析仪，通过LED白光源提供光源，并且设置激发滤光盘以及检测光滤光盘支持6色激发光通道和6色检测光通道自由组合；实现高效检测多种荧光，提高检测范围以及分辨率。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明为一种新型高通量生物芯片分析仪，包括外壳体，所述外壳体内部自下至上安装有芯片承载结构、激发滤光盘以及检测光滤光盘；所述外壳体内部位于激发滤光片组件一侧安装有LED白光源；

所述激发滤光盘包括第一支撑环以及激发滤光片；所述第一支撑环周侧环形均布安装六组激发滤光片；所述LED白光源与激发滤光片位置对应；所述LED白光源发射白光经激发滤光片滤光后经反射聚焦到芯片承载结构上的检测芯片上；

所述检测光滤光盘包括第二支撑环以及检测滤光片；所述第二支撑环周侧环形均布安装六组检测滤光片；所述第二支撑环与第二支撑环同轴心且检测滤光片与激发滤光片上下位置对应；

所述外壳体内顶部安装荧光探测器且荧光探测器与检测滤光片位置对应；所述检测芯片的芯片微孔内PCR产物中的荧光素分子吸收外界能量产生的荧光信号经检测滤光片后被荧光探测器获取并传递至主控分析器。

作为一种优选的技术方案，所述第一支撑环周侧位于激发滤光片内侧安装倾斜安装第一二向色镜；所述LED白光源发射白光经激发滤光片滤光后被第一二向色镜反射照射到检测芯片上。

作为一种优选的技术方案，所述第二支撑环周侧位于检测滤光片下方安装第二二向色镜；位置对应的所述第一二向色镜与第二二向色镜平行；所述荧光信号经第一二向色镜以及第二二向色镜反射后照射到检测滤光片上。

作为一种优选的技术方案，所述外壳体内部位于所述激发滤光盘与芯片承载结构之间安装放大器；经所述第一二向色镜反射光束经放大器放大后照射到检测芯片上。

作为一种优选的技术方案，所述芯片承载结构包括承载座以及盖板；所述检测芯片放置于承载座上；所述盖板盖设与承载座上。

作为一种优选的技术方案，所述承载座上活动安装托盘架以及芯片托盘；所述芯片托盘用于匹配安装检测芯片；所述芯片托盘匹配安装在托盘架上。

作为一种优选的技术方案，所述外壳体侧面开设用于托盘架进出的条形孔；所述托盘架通过驱动设备驱动进出条形孔；所述驱动设备与主控分析器电连接。

作为一种优选的技术方案，所述外壳体内顶部安装第一伺服电机；所述第一伺服电机带动激发滤光盘转动；所述第一伺服电机与主控分析器电连接。

作为一种优选的技术方案，所述外壳体内侧壁安装第二伺服电机；所述第二伺服电机带动检测光滤光盘转动；所述第一伺服电机与主控分析器电连接。

本发明的一个方面具有以下有益效果：

1、本发明通过LED白光源提供光源，同时激发滤光盘以及检测光滤光盘支持6色激发光通道和6色检测光通道自由组合，检测多达种荧光，检测范围广、分辨率高、准确性好，仪器性能更稳定。

2、本发明驱动设备驱动托盘架进出条形孔，实现检测芯片的便捷装载以及更换；检测体系小至33nL，分析灵敏度更高；同时，8小时可进行逾两百万个数据点的扫描，检测通量高。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种新型高通量生物芯片分析仪的外部结构示意图。

图2为本发明一种新型高通量生物芯片分析仪内部各部件的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-外壳体，2-LED白光源，31-第一支撑环，32-激发滤光片，33-第一二向色镜，42-承载座，421-托盘架，422-芯片托盘，43-盖板，51-第二支撑环，53-检测滤光片，52-第二二向色镜，6-荧光探测器，7-放大器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“中”、“长度”、“内”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1-2所示，本发明为一种新型高通量生物芯片分析仪，包括外壳体1，外壳体1内部自下至上安装有芯片承载结构、激发滤光盘以及检测光滤光盘；外壳体1内部位于激发滤光片组件一侧安装有LED白光源2；具体的，LED白光源2采用白光半导体LED光源，光谱范围宽，与配套OpenArray芯片连用，约5分钟可读取4张芯片共12288个靶标的荧光信号；具有高通量、易操作、速度快的优点。

激发滤光盘包括第一支撑环31以及激发滤光片32；第一支撑环31周侧环形均布安装六组激发滤光片32；LED白光源2与激发滤光片32位置对应；LED白光源2发射白光经激发滤光片32滤光后经反射聚焦到芯片承载结构上的检测芯片上；具体的，第一支撑环31周侧位于激发滤光片32内侧安装倾斜安装第一二向色镜33；LED白光源2发射白光经激发滤光片32滤光后被第一二向色镜33反射照射到检测芯片上；进一步的，外壳体1内部位于激发滤光盘与芯片承载结构之间安装放大器7；经第一二向色镜33反射光束经放大器7放大后照射到检测芯片上，经放大器7放大后，扩大光束照射的检测芯片上的面积，有利于形成更多有效的荧光信号。

检测光滤光盘包括第二支撑环51以及检测滤光片53；第二支撑环51周侧环形均布安装六组检测滤光片53；第二支撑环51与第二支撑环51同轴心且检测滤光片53与激发滤光片32上下位置对应；具体的，第二支撑环51周侧位于检测滤光片53下方安装第二二向色镜52；位置对应的第一二向色镜33与第二二向色镜52平行；荧光信号经第一二向色镜33以及第二二向色镜52反射后照射到检测滤光片53上；实际上，荧光信号经相互平行的第一二向色镜33以及第二二向色镜52反射后能够垂直的照射在检测滤光片53上，便于荧光探测器6获取。

外壳体1内顶部安装荧光探测器6且荧光探测器6与检测滤光片53位置对应；检测芯片的芯片微孔内PCR产物中的荧光素分子吸收外界能量产生的荧光信号经检测滤光片53后被荧光探测器6获取并传递至主控分析器；具体的，荧光探测器6为高清CCD摄像机，用于拍摄照射在检测滤光片53上的荧光信号图像并传递至主控分析器，以便进一步的分析处理。

作为更为优选的实施方式，芯片承载结构包括承载座42以及盖板43；检测芯片放置于承载座42上；盖板43盖设与承载座42上；具体的，盖板43上设有与检测芯片对应的平面透光镜，用于光束通过并照射在检测芯片上；此处的，盖板43盖设检测芯片以及承载座42上方，避免产生荧光信号过程中受热产生热气上流，对光束照射产生影响，便捷实用。

作为更为优选的实施方式，承载座42上活动安装托盘架421以及芯片托盘422；芯片托盘422用于匹配安装检测芯片；芯片托盘422匹配安装在托盘架421上；此外，外壳体1侧面开设用于托盘架421进出的条形孔11；托盘架421通过驱动设备驱动进出条形孔11；驱动设备与主控分析器电连接；实际上，外壳体1外部设有对应的按钮，按下对应按钮后，主控分析器控制驱动设备驱动托盘架421进出条形孔11，实现检测芯片的便捷装载以及更换；具体的，可以便捷更换多种检测芯片，检测体系小至33nL，分析灵敏度更高。

作为更为优选的实施方式，外壳体1内顶部安装第一伺服电机；第一伺服电机带动激发滤光盘转动；第一伺服电机与主控分析器电连接；外壳体1内侧壁安装第二伺服电机；第二伺服电机带动检测光滤光盘转动；第一伺服电机与主控分析器电连接；实际上，通过第一伺服电机带动激发滤光盘转动同时第二伺服电机带动检测光滤光盘转动，实现对多种光的自由组合，支持6色激发光通道和6色检测光通道自由组合，检测多达21种荧光，检测范围广、分辨率高、准确性好，仪器性能更稳定；实际上，每8小时可进行逾2,000,000个数据点的扫描，检测通量高。

本发明工作原理如下：标记有荧光素的探针与模板DNA混合后，进行高温变性，低温复性，适温延伸链聚合酶反应（PCR），与模板DNA互补配对的探针在PCR扩增过程中被切断，荧光素游离于反应体系中。将进行PCR反应后的PCR产物利用柏松分布原理，均匀分注到OpenArray芯片的微孔中，并将OpenArray芯片放置于生物芯片分析仪中。生物芯片分析仪的LED白光源2产生的激发光线经滤波与反射后聚焦到检测芯片上，芯片微孔内PCR产物中的荧光素分子吸收外界能量后，会变成不稳定的激发态，然后跃迁到稳定的基态，从而产生荧光信号。产生的特异性荧光信号经过检测光滤光片后被荧光探测器6接收并进行存储。对荧光信号进行分析，从而完成对被测物的检测分析。

本发明实际使用时，通过LED白光源2提供光源，同时激发滤光盘以及检测光滤光盘支持6色激发光通道和6色检测光通道自由组合，检测多达21种荧光，检测范围广、分辨率高、准确性好，仪器性能更稳定。另外，驱动设备驱动托盘架421进出条形孔11，实现检测芯片的便捷装载以及更换；检测体系小至33nL，分析灵敏度更高。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (7)

1.一种高通量生物芯片分析仪，包括外壳体（1），其特征在于：

所述外壳体（1）内部自下至上安装有芯片承载结构、激发滤光盘以及检测光滤光盘；所述外壳体（1）内部位于激发滤光片组件一侧安装有LED白光源（2）；

所述激发滤光盘包括第一支撑环（31）以及激发滤光片（32）；所述第一支撑环（31）周侧环形均布安装六组激发滤光片（32）；

所述LED白光源（2）与激发滤光片（32）位置对应；所述LED白光源（2）发射白光经激发滤光片（32）滤光后经反射聚焦到芯片承载结构上的检测芯片上；

所述检测光滤光盘包括第二支撑环（51）以及检测滤光片（53）；所述第二支撑环（51）周侧环形均布安装六组检测滤光片（53）；所述第二支撑环（51）与第二支撑环（51）同轴心且检测滤光片（53）与激发滤光片（32）上下位置对应；

所述外壳体（1）内顶部安装荧光探测器（6）且荧光探测器（6）与检测滤光片（53）位置对应；

所述检测芯片的芯片微孔内PCR产物中的荧光素分子吸收外界能量产生的荧光信号经检测滤光片（53）后被荧光探测器（6）获取并传递至主控分析器；

所述第一支撑环（31）周侧位于激发滤光片（32）内侧安装倾斜安装第一二向色镜（33）；所述LED白光源（2）发射白光经激发滤光片（32）滤光后被第一二向色镜（33）反射照射到检测芯片上；

所述第二支撑环（51）周侧位于检测滤光片（53）下方安装第二二向色镜（52）；位置对应的所述第一二向色镜（33）与第二二向色镜（52）平行；所述荧光信号经第一二向色镜（33）以及第二二向色镜（52）反射后照射到检测滤光片（53）上；

检测滤光片（53）与激发滤光片（32）上下位置对应。

2.根据权利要求1所述的一种高通量生物芯片分析仪，其特征在于，所述外壳体（1）内部位于所述激发滤光盘与芯片承载结构之间安装放大器（7）；经所述第一二向色镜（33）反射光束经放大器（7）放大后照射到检测芯片上。

3.根据权利要求2所述的一种高通量生物芯片分析仪，其特征在于，所述芯片承载结构包括承载座（42）以及盖板（43）；所述检测芯片放置于承载座（42）上；所述盖板（43）盖设与承载座（42）上。

4.根据权利要求3所述的一种高通量生物芯片分析仪，其特征在于，所述承载座（42）上活动安装托盘架（421）以及芯片托盘（422）；所述芯片托盘（422）用于匹配安装检测芯片；所述芯片托盘（422）匹配安装在托盘架（421）上。

5.根据权利要求4所述的一种高通量生物芯片分析仪，其特征在于，所述外壳体（1）侧面开设用于托盘架（421）进出的条形孔（11）；所述托盘架（421）通过驱动设备驱动进出条形孔（11）；所述驱动设备与主控分析器电连接。

6.根据权利要求1或5所述的一种高通量生物芯片分析仪，其特征在于，所述外壳体（1）内顶部安装第一伺服电机；所述第一伺服电机带动激发滤光盘转动；所述第一伺服电机与主控分析器电连接。

7.根据权利要求6所述的一种高通量生物芯片分析仪，其特征在于，所述外壳体（1）内侧壁安装第二伺服电机；所述第二伺服电机带动检测光滤光盘转动；所述第一伺服电机与主控分析器电连接。

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