生物芯片激光共聚焦扫描仪硬件电路设计

摘要

生物芯片技术是二十世纪出现的最具有时代特征的一项革命性技术，它用承载有成千上万种DNA和蛋白序列的厘米见方的固体芯片取代了传统生物分析中所用的凝胶、滤器和纯化柱。它的出现对生物、农业、医学领域乃至整个人类生活健康的各个方面带来了巨大的影响。生物芯片技术的作用就像生物微处理器，能够在基因组规模上对基因表达谱、病人基因型、药物代谢、疾病的发生和进展过程进行快速和定量的分析。生物芯片检测技术对生物学的发展具有革命性的意义。通过应用生物芯片扫描仪，人们能够自动读取生物芯片上的信息，在短短几分钟内获取大量的数据，而在以前，要读取这些数据需要几个月甚至几年的时间。在荧光检测技术中，体现生化反应程度的荧光由生物芯片扫描仪中的激光激发，并通过光电倍增管或CCD相机捕获形成数字图像，此图像即是生物芯片实验分析的原始数据。因此生物芯片扫描仪性能以及对原始图像的处理效果将对后续分析具有重要影响。本课题来源于生物芯片（北京）国家工程研究中心所承担的“十五”国家863计划生物芯片专项的研发项目——微阵列生物芯片扫描仪的研制。该项目致力于研制基于CCD相机和激光扫描显微镜结构的国产化生物芯片检测仪器，目标是研制出价格低廉、性能优良的国产生物芯片检测系统样机，能使用该仪器进行临床疾病诊断分析。本文首先介绍了有关生物芯片的基本概念和几种常用的生物芯片检测技术，其中重点介绍了生物芯片的荧光检测技术。然后，探讨了生物芯片和生物芯片激光共聚焦扫描仪的工作原理以及目前国内外研发的最新进展。接着阐述了我们选用的设计方案，并且给出了仪器的原理图和结构图，着重介绍了自制生物芯片激光共聚焦扫描仪系统的硬件电路及其相应嵌入式软件的设计。在本文的最后我们对扫描仪的线性度、灵敏度和重复性等性能指标进行了测试。结果表明，此生物芯片扫描仪是一台高性能的检测系统。