[发明专利]基于多光阱编码微球阵列和双光子荧光检测的液相悬浮式生物芯片

说明书

技术领域

本发明属于光阱光镊微操纵技术领域，也属于微球编码技术领域，具体涉及 基于多光阱编码微球阵列和双光子荧光检测的液相悬浮式生物芯片分析系统。

背景技术

传统的固相生物芯片是根据生物分子间特异相互作用的原理，将生化分析过 程集成于硅片、玻璃片、尼龙膜等固相递质表面，实现对多种生物成分的高通量 快速检测。该技术应用广泛，但由于是在固相表面进行反应，因而存在反应效率 低、稳定性和可靠性较差等缺陷。美国Luminex公司在20世纪90年代后期发 展了基于有色微球、激光技术、应用流体学及高速数字信号处理技术的多功能液 相芯片分析平台，每种颜色的荧光编码微球代表一种检测标志物，在悬液中靶分 子与微球特异性结合，微球在通道中呈单行流动，用两种不同波长的激光激发检 测区的同一微球，其中一束激光用于识别微球的编码信息(颜色，用于定性)， 另一束激光用于激发微球的荧光强度(用于定量检测)。但该技术需要使用大量 多种颜色的编码微球，而且只能实现单个微球的逐一测定。

光镊概念最早由美国科学家Ashkin于1970年提出，由一束高度会聚的高斯激 光在焦点处产生足够强的光阱梯度力，对微米乃至纳米尺寸的粒子进行捕获和操 纵。这一技术手段已被广泛应用于材料科学与生命科学领域。近二十年来，随着 光电子和微电子技术的迅猛发展，传统的单光束光镊已经衍生出全息光镊、分时 扫描光镊等这类能同时操控多个微粒的多光镊技术，极大地扩展了光镊技术的应 用范围。全息光镊技术是通过衍射分束器(DOE)、空间光调制器(SLM)等全 息光学元件对一束激光进行分束来实现，由于受到分束器件固有的衍射效率以及 透过率的限制，如果要在多光阱阵列中同时稳定捕获十个以上的微粒，则对激光 器的功率大小要求严苛，通常需要瓦级以上的功率才能达到满意的效果。分时扫 描光镊技术则是通过扫描振镜(GM)、声光偏转器(AOD)等器件控制激光的 偏转，使单束激光在焦平面上进行快速扫描，只有当光斑在微粒的作用时间大于 其最小停留时间，并且微粒作布朗运动时间大于其离开时间时，微粒才能被稳定 地束缚在激光扫描路径上，虽然分时扫描技术对激光功率要求不高，但是从理论 上，该方法能产生的光阱数量有限(通常小于100个)。

与传统的单光子吸收过程不同，双光子激发涉及一种非线性光学，即同时吸 收两个或者两个以上的光子，只有在激光聚焦焦点处的瞬时光子密度足够高时， 才可能触发这种特殊的吸收现象。为了达到最佳的激发效果，通常要用到近红外 脉冲激光器，并经过物镜将其会聚成一个极小的衍射光斑。因此，双光子激发具 有很多优势，比如更深的穿透深度、更高的空间分辨率、更低的背景荧光、更小 的光学损伤等。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于多光阱编码微球阵列和双光子 荧光检测的液相悬浮式生物芯片分析系统。

本发明将多光阱光镊技术、微球编码技术与双光子荧光检测技术相结合，通 过全息技术或者分时扫描技术，同时捕获多个编码微球复合物，并在双光子激发 条件下，实现对复杂样品(如全血清、全血浆)中的多种生物分子如核酸、蛋白 质等或者病毒粒子等待测物进行高灵敏检测。

为了达到上述目的，本发明的液相悬浮式生物芯片分析系统，包括近红外脉 冲激光器、显微镜和白光LED，所述近红外脉冲激光器所发激光首先经过由两 组不同焦距透镜(L1，L2)组成的扩束系统来调节光斑大小以充满显微镜物镜 后瞳，然后该激光光束经分束或分时扫描后，依次经过二向色镜(DM)反射， 由显微镜物镜聚焦后，在焦平面形成光阱阵列，每个光阱均可捕获一个编码微球 复合物，来自各个编码微球复合物的双光子荧光信号透过二向色镜(DM)，通 过带通滤光片(BPF)后，经透镜(L5)聚焦至图像探测器进行成像检测；所述 白光LED光源经透镜(L6)聚焦后作为编码微球复合物的指示光源。

所述近红外脉冲激光器所发激光可以借助DOE或SLM元件进行分束。

所述近红外脉冲激光器所发激光通过GM或AOD等元件进行分时扫描。

为了保证捕获阱位和显微镜齐焦，可以将一个由两个等焦距透镜组成的望远 镜系统耦合至该检测系统中，所述近红外脉冲激光器所发激光经分束或分时扫描 后经过该望远镜系统。

上述近红外脉冲激光器功率大小可调，波长位于780～1080nm波段。