生物芯片扫描仪研究进展

生物芯片扫描仪研究进展

\I .-| I|工 I 1IM ir c c os ope, e s r m e, i r a i a i M a ue nt M c of brc ton& Equi en pm t

生物芯片扫描仪研究进展张春梅，胡松，唐小萍，姚汉民(中国科学院光电技术研究所，四川成都 600) 1 9 2摘要：简要介绍生物芯片的基本概念以及生物芯片检测装置的国内外发展动态；分别介绍了本文设计的 CC系统生物芯片检测仪和激光共聚焦生物芯片扫描仪的原理、结构、工作状况以及 D

设备的技术参数。最后指出更高分辨率 (小于 1 m)的生物芯片扫描仪是该设备今后的发展趋 势。 关键词：生物芯片扫描仪；原理与结构；展望

中图分类号：Q 1文献标识码：A文章编号：17—7 6 (0 4 70 3 4 89 6 1 7 2 0 )0—0 50 4

Pr g e s s o o hi c n e o r s e f bi c p s a n rZ HANG u— i HU o g T Ch n me, S n, ANG a— ig, YAO n mi Xio p n Ha— n(ntueo pi n l t n s hns A ae yo c ne,C egu6 00,C ia I i t f0 tsad Ee r i,C i e cdm Si cs h nd 129 hn ) st c c oc e f e

Ab ta t T e c n e t n o ic i n e eo me t o ic i c n e r n rd c d sr c: h o c p i f b o h p a d d v lp n f b o h p s a n r ae i t u e .Th x o o e e-.

a nn p i cp e fa wo k a d a a tr o mi i g r i l, rme r n p r mee s f CCD y tm s a n r a d o fc l a e c n e n s se c n e n c n o a ls r s a n r a e d s u s d n d ti .Th u h r as ie e p c ie a o t ic i c n e d n iae r ic se i eal s e a to lo gv s a p r e t b u bo h p s a n r a id c ts s v n

ta tesa nrwt hge eo t n ( s ta m)i te dvl m n dr t n o ti t e ht h c ne i i rr l i 1 s h n l h h

v uo e s h ee p et i ci f hs y o e o po q i me t i h u u e f e up n n t e f tr .

K e r s bo hp s a n r p i cp e a d fa wo k; o t o y wo d: ic i c n e; r i l n r me r n ul k o

1引言 生物芯片，是指利用微细加工技术并结合有关的化学合成技术，将大量探针分子固定于载体即微小的基片 (如玻璃、硅片、有机材料薄膜等 ) 上，然后与标记的样品分子进行杂交，通过检测杂交信号的强弱，对靶分子的序列和数量进行分

电泳分离芯片、生化反应芯片和毛细管电泳芯片等。目前，生物芯片广泛应用于生命科学研究、 疾病诊断、药物筛选和新药发现、环境检测及农作物优育等方面。 生物芯片检测仪是生物芯片能否得到广泛应用的重要仪器。通过生物芯片扫描仪 (检测仪器 ) 可以将芯片上测定的结果转变成可供分析处理的图像数据，正确、有效地获取芯片上的生物信息。 目前的生物芯片扫描仪主要有两种：C D系统生 C

析检验的微型器件。狭义来讲，生物芯片即微阵列芯片，主要包括 c N D A微阵列、寡核苷酸微阵列、蛋白质微阵列和小分子化合物微阵列；广义的生物芯片是指能对生物成分或生物分子进行快

物芯片扫描仪和激光共聚焦生物芯片扫描仪。前者具有结构简单、体积小、检测速度快、成本低等优点，对于点阵相对较低的生物芯片的检测有明显的优势；后者以激光作光源，采用共聚焦探

速并行处理和分析的厘米见方的固体薄型器件， 其主要种类有微阵列芯片、过滤分离芯片、介电收稿日期：20— 3 0 0 4 0— 3

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微子术 20年 纳电技 04第7 1 5

生物芯片扫描仪研究进展

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M ir s op M e s r m e t M ir f brc to fE i m e t c o c e. a u e n . c o a ia i n 8 qu p n

测光路，结合高速向扫描和 Y向步进，实现了 有检测灵敏度高、动态范围宽、信噪比好、测量

可冷却至一 5c 2:工作的 11x07素 C D有 37 13象 C;

耐生物芯片的

扫读和分析激光共聚焦扫描仪具 4块激发光滤光片和 4块发射滤光片；扫描面积 3 i 2 m,分辨率 2 m 4 6 n 8 m x m 7.;2片载片台。 I t 2国内动态 . 2

精度高等优点，可望成为今后的主流机型一

2发展动态21国外动态 .

近几年来国内研发生物芯片扫描仪的单位比较少，主要的研发单位有浙江大学、中国科学院光电技术研究所以及上海数康公司等。据目前的信息所知，上海数康公司开发了 H一 0系列生 D2 1 0

国外的生物芯片及其检测仪器获得了长足的

发展，各生物芯片公司或相关仪器公司均推出了 物芯片检测仪 .主要用于阅读生物芯片信号，并各自的生物芯片扫描仪，但迄今为止，还没有相对信号进行智能化处理，分析测定结果，实现了关的国际标准或行业标准出台，所以各商家推出的扫描仪的原理、性能、用途和技术指标等各异。标： ( )美国 Pca 1 akr d公司于 2 0 00年开发的基因

生物芯片图像摄取、处理、分析、打印一体化 H一 0系列生物芯片检测仪有助于临床检验人员 D2 t 0单位也在研制生物芯片仪器。本文研发的生物芯片扫描仪目前已经在多家单位完成了试用和工艺考核，累计销售两种类型的生物芯片扫描仪 8台， 其中销往法国一台，均获得了用户的好评。下面介绍该 C D系统扫描仪和激光共聚焦扫描仪的原 C理和结构。

下面给出了国外主要厂家扫描仪的性能和技术指快速、并行地检测多种肿瘤标志物。浙江大学等

芯片扫描仪 SaA r O0 cn r y 4O,采用激光共聚焦光 a路；用户可选配 2 5 -个激光器，多块发射滤光片； 用户可通过软件在扫描过程中实时控制激光器的

输出功率和 P T增益；可以分辨多种荧光样品； M用户可定义的最大扫描面积为 2 i 7 m;灵 2m x 3 n m 敏度为 01 .荧光分子/ m;用户可根据需要选择 l z

3工作原理与结构本文设计了两种类型的生物芯片扫描仪即C D系统生物芯片扫描仪和激光共聚焦生物芯片 C

5 m 0 ,1 m,2 m,3岬，5 x 0 0 0I m的分辨率，快速扫描时间约 5 i a rn

( )A o公司出品的 G nP 00 2 xn ee i 40 B激光扫 x描仪具有以下特点：采用非共聚焦光路，在两个

扫描仪 (目前共有 6种型

号的商品化样机 )。两者具有各自不同的优点 .适用于不同的研究方面，

波长下同时扫描读取数据；配有两个半导体激光其性能指标和国际目前水平大体相当 Sa.型激 cn2

器，激光器输出功率可调，并利用自动温度控制和自动功率控制反馈回路保持输出功率稳定；分辨率 5 10 1￣0 n可调，分辨率为 5时扫描时问 为 1 mn 2 i。 ( )G nmc Sl i s- e公司的 G nT C 3 eo i o tnC n uo - e e eA

光共聚焦生物芯片扫描仪的外观、仪器扫描的 2 m 7 m标准样片如图 l图 3 5m￣5 m一所示。

L v激光扫描仪具有以下特点：采用非共聚焦光 sI路；配有 4个激光器，7块滤光片；1个或 2个 P T可选；可扫描 2 i 7 l M 5m X 5i n l m的标准生物芯片 .用户可定义的最大扫描面积是 2 m× 2a 6 i;探测灵敏度 01 5ml l .荧光分子/ m;分辨率 I x

在 2 3 L】 - 0|可调，1 m分辨率时扫描时间是 n 03mi n。

()G nmcSl i s ee 4 eo i o tnG n公司出品的 G n- uo ee

T C 00 C A 20 C D扫描仪具有以下特点：50W氙灯， 0

圈 l Sa一共雍焦扫描仪外现 cn 2

微电技 2 4第7 纳子术 0年期 0

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M ir s o e M e r m n ir f b ia i& E i e tl■l—■ co c p a u e e t M c o a rc t o s n qupm n| -

采取的扫描方式是：光源固定即光束保持不变、荧光探测器固定、扫描工件台按一定规律移动的扫描方式这种扫描方式被称为物体扫描，其优点是轴线平直 .光路稳定，可以实现大面积的扫描。简言之，本仪器就是利用光电倍增管对

点像探测结合高速 X Y扫描实现对生物芯片信息的大量获取。所以工件台系统和荧光信号接收系统都很重要

该仪器采用了激光共聚焦光路；光源是两个激光器，分别用于激发 e3 c5 y和 y两种荧光染料， 扫描时可以选择适当的激光器功率，也可以通过两个快门选择激光束；荧光信号探测器光电倍增管 ( MT的增益可选；扫描承片台可放置 P ) 2 i 7 m的标准样片，用户可定义的扫描面 5m x5 i n F l积

是 2 i 7 l;扫描分辨率是 5 10岬； 2 n 0 x m X ml -0灵敏度是 O2 .荧光分子/ m;用户可以看到芯片扫描 t a

图像 ( IF图像或 B TF MP图像 ),并可得到以图3]0分辨率扫描图 0

Mioo xe方式输出图像数据分析结果；以 c sf Ecl r t 5 m分辨率扫描全片需要 8mn 0W l。32 C - C D系统生物芯片扫描仪 C D系统生物芯片检测仪有三种即它激式荧 C光检测、化学荧光检测和对用同位素曝光的胶片扫描仪为例来介绍。该仪器适用于化学自发光、 多种激发荧光等生物芯片弱光样片的检测和分析。 主要由冷却型科学零级 C D、光学物镜、氙灯光 C源、均匀照明系统、暗箱、电机驱动选择的发射窄带干涉滤光片和激发窄带干涉滤光片、图像采集卡等部分组成。原理如图 5所示。

31激光共聚焦生物芯片扫描仪 sa -型激光共聚焦生物芯片扫描仪的原理如 cn 2

图 4所示。仪器工作时，利用激光照射生物芯片光镜，经窄带滤光片滤光后，汇集在探测针 _ L匕.

激发荧光，荧光收集物镜收集荧光，通过二色分进行检测，本文主要以它激式荧光检测生物芯片

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由光电倍增管探测 .最后经电路放大、转换传到计算机进行处理 .获取其中包含的生物信息。窄带滤光片光电倍增营

拉射滤光

\@光 源,

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图4激光共檗焦生物芯片扫描倥曝理图

图5 C C D系统生物芯片检测倥原理图

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生物芯片扫描仪研究进展

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M ir s op M e s r me t Mi r f b ia i n& Eq i c o c e. a u e n . c o a rc to u pme t n

工作时 .用均匀化处理的特殊波长的光去激发生物芯片上的荧光，经窄带干涉滤光片去除其他波长的光，降低检测背景。生物芯片上标记有荧光染料的靶分子在单色光激发下产生荧光，再经发射窄带干涉滤光片由摄像镜头捕获。成像在

C D相面上，再传至图像采集卡，将信号转化成 C数字信号进行处理。该仪器的成像范围为 3 i 2/ 6m x 8l n l m,空间分辨率达 3 m,可检测多种荧光如 c2 y,c5 0o p y,c3 y, c5,F C ea,

R d等。同时。该仪器还设 y. I,T xs e 5 T有芯片架，可放 2 4片芯片。图6 . a分辨宰的生物芯片扫描仪外观 (l￣ O 5 n 8p 1u n lm a

芯片的集成度越来越高，所有反应物的量越来越少 .其激发的荧光信号也越来越微弱。当生物芯片上含有更多微分析单元时，对芯片扫读仪器的分辨率的要求自然也就提高了。生物芯片技术的

4发展趋势随着人类基因组测序工作的完成，人们认识

到基因仅仅是遗传信息的载体，而生命活动的执行者是基因的表达产物蛋白质。按照目前的认识，人体中存在着十万种以上的蛋白质，各自具有不同的结构和生理功能。所以研究不同的生物分子， 生物分子之间的相互作用 .以及基因功能的表达， 获得各种条件下蛋白质组的变化，进一步获得生命活动的规律成为当前生命科学研究的主要内容之一。随着以功能基因组学和蛋白质组学为主要

发展要求检测设备扫描分辨率不断提高，下一代的扫描仪其分辨率将突破 1 m目前国内尚未见 I。 . L这种分辨率的生物芯片扫描仪的报道。进行这种更高分辨率的生物芯片扫描仪的研制已很有必要

5结束语生物芯片扫描仪是生物芯片应用的关键设备， 具有非常广泛的应用前景。本文主要介绍了生物

研究内容的后基因组时代来临 .蛋白质芯片作为检测蛋白质存在和运动变化的高效工具，必将发挥越来越大的作用。

芯片扫描仪的国内外研究动态，同时简要介绍了 两种类型扫描仪的原理，最后指出更高分辨率的生物芯片扫描仪是该设备的发展方向。参考文献：[ J马克人，蒋中华.生物芯片 ( 1 第二版)[:. M北京：化学工业出版杜 .20 . 02

目前蛋白质芯片的研究侧重于蛋白质功能、 蛋白质相互作用及相关方面的研究。基因中的 S P N (单核苷多态性 )的检测和基因的差异表达分析是生物芯片应用最多的领域。为了研究生物体中数

[]胡拾姚汉民.等.激光共聚焦生物芯片扫描仪：]第十 2 A一

量巨大的蛋白质，提高检测效率，20年美国 n 03 . 1 i公司提出了高密度芯片技术： u n ma把大量的微型分析平台集成在一块板子上，每一次的处理量相当于以前的 100,从而实现了生物信息的大 500倍批量处理。由于商用的生物芯片扫描仪不能提供

届全国电子柬离子束光子柬学术会

议【]成都：20 c 01

31 - 1 8 32 .

[:庸小萍，刘业异，等 C D生物芯片检潮倥设计[].馓纳 3 C J电子技术.20 .3 5: I4 02 9() 4 -3[:SE .P . t i m t e S P Cnt i s y 4 H N R H D d -u# x N - o p gAs .H i e yn aB n f f m me tlm e e￣ r l gaJ Wi a T mk l o t t h . m, Prd tin vEm o u￣ o S日e t.

足够的分辨率，I Ji公司开发了 S eoka a l mn h a hr c r y l r

G .d n n￣ n e sV 3 2 O e e e E# or g N w 2, 0 3 i

5激光共聚焦生物芯片扫描仪高精度快速扫描台控制系 S t e扫描仪 ( CI F￣H 1如图 6,作为其高密度芯片的配[:付小芳 )

套扫读设备，该扫描仪的分辨率达到 O 5 . m 8Iu i研发的这一技术解决了 S P检测中的 l mn l a N

统研究[ 中国科学院光电技术研究所硕士论文[] A: D2 03 0 .

精确性不够和成本高的问题，显示出较强的生命力。这也是当今基因组研究的一个趋势 .即生物

作者简介： 张謇梅 (97 ) 17一，女.山东膝州人.硕士+20 03年毕业于电子科技大学，主要从事生物蒜片幢测仪器和微电子专用殴备研究。

微电技 2 4第7纳子术 0年期 0

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