[发明专利]空间频率生物芯片

说明书

本发明公开了一种对探针阵列进行空间周期布局的生物芯片。探针在载体上的布局对应特定的空间频率，而不是对应特定的空间点，从而使用空间频率信息取代空间点阵信息对探针产生的标记进行识别。空间频率域布局生物芯片具有空间频率域稀疏性和正交性，可以用传统生物芯片扫描方法进行检测和信息提取，同时尤其适合基于压缩感知理论进行快速检测和信息还原，大幅提高检测效率。空间频率域布局方案的生物芯片的突出优势在于具有很强的背景抑制能力和噪声抑制能力，可以大幅度提高生物芯片的检测灵敏度和准确率，降低生物芯片扫描仪的成本。

所属技术领域

本发明涉及生物芯片。本发明特别涉及利用空间频率域分布特点来提高生物芯片的检测灵敏度和抑制噪声能力。

背景技术

生物芯片是以下装置的通称，在所述装置中，与待检测的生物物质以特异性方式进行化学反应的生物物质被固定在芯片表面上的预定位置。

就目前生物芯片结构而言，大部分采用微阵列或者阵列结构。早在1995年，专利文献《ARRAYOF OLIGONUCLEOTIDES ON A SOLID SUBSTRATE》(专利号5,445,934)所公布的实验方案就是采用阵列结构。2001年，专利文献《NUCLEIC ACID ARRAYS》(专利号US6,261,776B1)中也是采用阵列结构。专利文献《NANOARRAY DNA CHIP》(公开号WO2007/040219A1)公布了一种纳米微阵列DNA芯片。专利文献《BIO CHIP》(公开号US2013/0101480A1)公布了的生物芯片也是采用微阵列结构，阵列由微孔组成，而专利文献《BIOCHIP》(公开号US2013/0081483A1)中提出的生物芯片则由许多柱状结构构成阵列结构。《光纤阵列型基因芯片及其制作方法》(公开号CN1249437A)采用光纤组成阵列，这样允许在光纤单元两端进行检测。

这些微阵列使得大规模并行实验和分析成为了可能，提高了人们的工作效率。但是，对阵列式生物芯片进行检测，对噪声抑制能力较弱，采集的数据量也较大。获得阵列图像以后，大多采用分割-量化的处理方法。分割的目的是确定样品点的位置，区分出信号区域和背景区域。量化值主要包括每个样品点的强度以及局部背景估计，然后将强度分布将去局部背景估计，获得信号值。背景调节要求信号值要大于背景估计值且有可能会降低信号的精度，系统难以消除背景信号的影响，对系统随机噪声的抑制能力也较弱。而且，在微阵列中，芯片由成百上千个点组成，每个样品点仅由几个像素点表示，单个像素点的变化将会对信号的探测精度产生较大的影响。

基于压缩感知理论对公知的生物芯片方案进行分析，不难发现他们是空间域稀疏的，同样的原理我们可以构建在空间频率域稀疏的生物芯片方案，二者都具有信息稀疏性，可测量性是相似的。空间频率生物芯片的突出优势是背景抑制能力和噪声抑制能力，因为背景的空间频率通常在直流分量和低频分量，而噪声则大部分处于高频分量，因此通过合理的空间频率布局就可以很容易避开或消除他们的影响。空间频率生物芯片和公知的生物芯片方案测量难易程度是相似的，基于压缩感知理论表示可以在远低于奈奎斯特采样频率的条件下对可压缩的信号或稀疏的信号进行采样，仍能够得到精确的原始信号。这样，便能够极大地减少信号采集量。在压缩感知中，其还原模型中往往会有去噪项，如二次项等，这样，在信号还原过程中也起到了去噪的作用，达到边还原边去噪的目的。而且，如果利用单像素相机进行图像采集时，每次采集的为多个像素点之和，比一次采集一个像素点更能够有效地降低噪声对信号的影响。然而，应用压缩感知理论对信号是有要求的，即信号是可压缩的或者说是稀疏的，也就是说，如果信号在某个变换域内是稀疏的，那么就可以应用压缩感知理论进行处理。

本文结合目前生物芯片结构和探测中存在的问题，设计新的生物芯片结构，并采用压缩感知理论进行处理。

发明内容

本发明的目的是：设计一种生物芯片结构，该结构在空间频域内是稀疏的。这样，便能够利用压缩感知进行处理。该生物芯片采用更大的面积去表征每种样品的实验结果，而不是仅仅用几个像素表示。