[发明专利]荧光生物芯片诊断设备

说明书

技术领域

本发明涉及生物芯片诊断设备，更具体地，本发明涉及包括多个带通滤波器的荧光生物芯片诊断设备，多个带通滤波器具有在包括多个光电探测器的图像传感器上形成的金属纳米结构图样。诊断设备分离地连接到生物芯片的下部，以测量从生物芯片发出的荧光信号。

背景技术

在常规的生物芯片中，包含生物分子(例如，脱氧核糖核酸(DNA)或蛋白质)的参考样品规则地布置在由玻璃、硅、金属或尼龙制成的衬底上。依据所布置的参考样品的类别，生物芯片可分为DNA芯片或蛋白质芯片。生物芯片基本上使用在目标样品和固定在衬底上的参考样品之间产生的生化反应。例如，在参考样品和目标样品之间产生的生化反应可包括互补的DNA碱基测序或抗原-抗体相互作用。

大多数的生物芯片诊断是通过光学过程测量生化反应来实现的。通常，在光学过程中使用荧光材料。

在使用荧光材料的光学过程的实施例中，荧光材料与目标样品结合，目标样品被施用于(administer)固定在生物芯片上的参考样品，以允许荧光材料在参考样品和目标样品之间的具体生化反应之后遗留下来。然后，当外部光源照射荧光材料时荧光材料发光，对发出的光进行测量。

图1示出了传统的生物芯片的典型结构。

参照图1，在传统的生物芯片100中，不同类型的参考样品120以规则的间隔布置在由玻璃110等制成的衬底上。在常规的生物芯片中，参考样品依据测量要求而改变。在蛋白质芯片中使用几百种参考样品，在DNA芯片中使用几十万种或几百万种参考样品。

在传统的生物芯片110中，当目标样品被施用于不同类型的参考样品120时，参考样品120和目标样品之间的生化反应发生。在荧光生物芯片中，目标材料在其化学键等中包含一定量的荧光材料。荧光材料在目标样品和参考样品120之间的生化反应之后遗留下来。因此，可通过测量遗留下来的荧光材料的量，测量生化反应。

遗留下来的荧光材料的量可通过测量荧光的强度进行测量。遗留下来的荧光材料的量可依据生化反应的成功程度而改变。由此，从荧光材料产生的荧光的量可依据遗留下来的荧光材料的量而改变。在测量荧光强度的常规方法中，通过用短波长的光照照射样品，测量短波长的荧光信号的强度。

而且，在常规的荧光生物芯片中，同时应用多种荧光蛋白(FP)材料，以通过单次诊断尝试获得多种信息。荧光蛋白材料可包括蓝色荧光蛋白(BFP)、青色荧光蛋白(CFP)、绿色荧光蛋白(GFP)、黄色荧光蛋白(YFP)等。

图2示出了多种荧光蛋白材料的吸收率(absorptivity)及其荧光光谱。

参考图2，如果使用CFP作为荧光材料，则波长为390nm的光照将是最有效的。在此情况下，荧光具有450nm的中心波长，荧光在该波长处具有最高的强度。因此，使用具有450nm中心波长的滤波器检测荧光将是有效的。

图3示出了用于测量从传统生物芯片产生的荧光信号的扫描仪。

当使用多种荧光蛋白材料时，使用不同类型的激光束作为光照。可通过采用与每种荧光蛋白(FP)材料对应的发射滤波器，获得与每种荧光蛋白质材料对应的图像。

通常，通过光照从荧光材料产生的荧光的强度与光照的强度相比是非常小的。因为通过为了增加荧光强度而作为光照的高强度准直激光束单独地为每种样品测量荧光的强度，所以测量时间与样品数量成比例增加。因此，当样品数量从几百增加到几万或几十万时，测量时间相应地增加。

此外，使用分离的光学设备或电气设备(例如，高精度显微镜、CCD照相机、光电倍增(PM)管和带通滤波器)检测从荧光材料产生的光。这种昂贵的设备难以使生物芯片商业化。

典型地，使用电荷耦合器件(CCD)或者互补金属氧化物半导体(CMOS)光电二极管作为光电探测器。因为CMOS光电二极管具有低灵敏度，所以通常采用CCD照相机。但是，因为由半导体材料制成的CCD照相机易受热噪声影响，所以当从荧光材料或发光材料产生的光的强度弱时，长的曝光时间对收集光来说是必需的。因为热噪声还与曝光时间成比例增加，所以检测到的光可包含许多噪声，而且这会降低光学检测效率。

为此，安装昂贵的显微镜以增加CCD照相机中的光学检测效率，或者采用用于冷却CCD照相机的系统以减少从热电子产生的热噪声。这些方法也有缺点，例如复杂的冷却过程或者附加的设备。

例如，如果图3所示的测量设备通过多种荧光蛋白材料测量荧光信号，那么应该通过多个激光源和与激光源具有相同数量的滤波器，对每个样品进行单独测量。因此，这种方法也增加诊断设备的成本并且具有长的诊断时间。