[发明专利]生物芯片扫描检测系统的镜头

说明书

本发明涉及光学镜头，具体地说，是涉及用于生物芯片扫描检测系统的激光聚焦镜头和荧光会聚镜头，及其组合所构成的共焦镜头组。

生物芯片技术是二十世纪九十年代迅速发展起来的一门新兴技术，它借助微电子、微机械等先进工艺技术，将生命科学研究中样品制备、化学反应和分析检测等不连续过程集成到一块小小的芯片中，实现处理过程连续化、集成化和微型化，其作用类似本世纪的微处理器。生物芯片的种类包括微阵列(MicroArray)生物芯片、微通道生物芯片、电磁生物芯片、毛细管电泳生物芯片、…等。随着生物芯片技术的发展，生物芯片的结构已经由平面微阵列进入三维立体空间结构，将来还有可能出现更多维(三维以上)更复杂的分形结构。

生物芯片检测系统是生物芯片技术走向实际应用不可分割的专用仪器设备，借助显微放大成象、共焦扫描、荧光探测，以及数字图象处理等技术手段，将生物芯片中生化反应引起的基因差异表达结果以图象形式显示出来，便于人们进行医学分析或进行其它研究。正如计算机芯片一样，没有计算机的其它硬件作基础，计算机的微处理器是很难发挥其作用的，生物芯片检测系统的作用也是如此。

衡量生物芯片检测仪器性能的一个重要指标是其检测灵敏度，为了提高检测灵敏度，通常需要提高激发入射激光强度[国外激光器功率每提高5mW(毫瓦)价格将增加2000美元左右]、采用国外数字孔径很大的显微物镜(国外大数字孔径长工作距离的显微物镜其数字孔径每提高0.05价格将增加1000美元左右)、使用高检测灵敏性能的探测器[如光电倍增管，其价格为10000元人民币左右；制冷CCD(charge-coupled device)，其价格为20000美元左右]，这样一来使得检测仪器的成本很高。由此可见，围绕提高检测灵敏度研制国产化的光源器件、镜头和探测器等来替代以上关键元件，是降低生物芯片检测仪器成本的关键。在这些关键元件中，研制具有知识产权的激光聚焦镜头和荧光会聚镜头是提高生物芯片检测仪器检测灵敏度的最有效的方法。

在共焦生物芯片检测系统中，对激光聚焦镜头和荧光会聚镜头的特殊要求如下：

(1)、要求激光聚焦镜头焦斑小，这样一方面可以使激发光强度尽可能集中，有利于激发超微量荧光分子(1个荧光分子/微米2)的信号检测，另一方面可以提高系统的测量分辨率。通常激光聚焦镜头焦斑直径φ＜10um(微米)。在没有达到饱和的情况下，焦斑越小，单位面积激发光能量越强，单位面积诱发产生的荧光越强，系统的测量分辨率越高。

(2)、要求激光聚焦镜头的工作距离长，这是由生物芯片的特殊三维结构所决定的。普通硅基生物芯片由于其封装要求激光聚焦镜头的工作距离2mm(毫米)-3mm(毫米)，毛细管电泳生物芯片要求激光聚焦镜头的工作距离大于5mm(毫米)。

(3)、要求激光聚焦镜头数字孔径(NA)大，由于激光聚焦镜头同时又是荧光收集镜头，被激发的荧光几乎在360°的范围内均匀分布，荧光收集镜头的数字孔径越大，其所收集的荧光将越多。通常要求数字孔径NA＞0.5。

(4)、要求激光聚焦镜头对激发光消色差、球差等，以便同时适合多种不同激发波长光源的应用需要，保证被检测样品位于不同波长激发光源的相同焦平面，从而获得最佳的荧光检测效果。

(5)、要求荧光会聚镜头与激光聚焦镜头对被激发的荧光联合消色差、球差等，这样可以保证多种波长激发光源产生相应的多种波长荧光信号都能被聚焦通过20um(微米)针孔。针孔的作用在于尽可能地减少焦斑以外和焦深以外的杂散光与荧光通过，保证系统的共焦特性，即激发在焦平面焦斑大小范围内的荧光分子产生有效的荧光信号。

(6)、要求荧光会聚镜头焦斑小，其焦距为激光聚焦镜头焦距的2-3倍，荧光会聚镜头焦斑大小与激光聚焦镜头焦斑尺寸满足组合镜头的放大关系，同时也适合滤波针孔尺寸。

通常情况下，镜头的数字孔径越大，其工作距离将越短，消相差越难，焦斑尺寸反而会变大。如普通40×显微物镜，其数字孔径0.65，工作距离＜0.8mm(毫米)，焦斑尺寸10um(微米)左右。

本发明的目的在于提供一种用于生物芯片扫描检测系统中的激光聚焦镜头，其结构简单，成本低，并能提高生物芯片扫描检测系统的检测灵敏度、扫描分辨率，使其具有较长的工作距离。

本发明的另一目的在于提供一种用于生物芯片扫描检测系统中的荧光会聚镜头，其结构简单，成本低，并能提高生物芯片扫描检测系统的检测灵敏度、扫描分辨率，使其具有较长的工作距离。