光机二维扫描技术
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扫描仪正是这样的高分辨力仪器。 目前激光共聚焦生物芯片扫描仪, 其扫描机理多是二维机械扫描, 即通 过承载生物芯片的工作台在 X 、Y 方向的移动来实现二维扫描, 且这两个方向的运动均由电机驱动来完 成。这种方式主要有以下两个不足: (1) 扫描惯性大, 扫描频率低, 生物芯片分析时间长。(2) 系统对X 、Y 方 向的直线导轨的精度及振动有苛刻要求, 从而使导轨的造价成本很高。 为弥补机械二维扫描的不足, 将光 机二维扫描技术应用于扫读装置上, 进行快速、高分辨力激光共聚焦生物芯片扫描仪的研究工作, 取得了 初步的实验结果。
第 25 卷 第 4 期 2003 年 8 月
光 学 仪 器 O PT ICAL IN STRUM EN T S
V o l. 25, N o. 4 A ugu st, 2003
文章编号: 1005- 5630 (2003) 04- 0030- 05
光机二维扫描技术在 激光共聚焦生物芯片扫描仪中的应用Ξ
·32·
光 学 仪 器
第 25Baidu Nhomakorabea卷
上, 从左到右再到左移动完成一个扫描周期。由于工作台在 Y 方向的移动作用, 示意图中扫描采样点在一 个扫描周期内在 Y 方向上有一个 Ρ 的位移, 该位移即为扫描能达到的分辨力值。 若实际有效扫描方向为 从左至右的 X 方向, 扫描回程为无效过程, 则设 K 为有效扫描时间与扫描周期 T 的比值, 扫描采样频率 为 f s, 则扫描采样频率:
图 1 光机结合二维扫描原理图 A - 激发窄带干涉滤光片; B - 准直透镜组; C- 反射镜; D - 反射镜 (中心开有小孔) ; E- 振镜;
F- f2Η物镜; G- 棱镜; H - 透镜组; I- 光阑; J - 准直透镜组; K- 发射窄带干涉滤光片。
由激光器发射出来的激光, 经激发窄带干涉滤光片A , 再由准直透镜组 B 准直后, 由反射镜 C 反射, 经过反射镜D 中心的小孔到达振镜 E, 再由 f2Η物镜 F 将激光聚焦在生物芯片上。标记有荧光染料的靶分 子在激光激发下产生的荧光由 f2Η物镜收集后变成平行光, 通过振镜 E, 由反射镜 D 反射, 再由透镜组 H 聚焦于共焦光阑 I 上, 通过光阑 I 的荧光由透镜组 J 准直为细光束, 由发射窄带干涉滤光片 K 滤除后, 由 光电倍增管 PM T 检测。共焦光阑 I 的光孔设计得很小, 使正确聚焦于生物芯片表面所产生的荧光能由透 镜组 H 聚焦在光阑中, 通过光孔被检测, 而生物芯片表面下片基或生物芯片表面上方灰尘产生的荧光或 杂散光不能聚焦在光阑上, 被光阑阻挡后不能通过光阑, 大大减少了由于片基和灰尘产生的背景荧光和杂 散光。
关键词: 生物芯片扫描仪; 光机二维扫描; 分辨力; 控制系统 中图分类号: Q 819 文献标识码: A
A appl ica tion of optica l and m echan ica l two-d im en sion scann ing technology in the la ser confoca l b ioch ip scanner
Abstract: T he op t ica l and m echan ica l tw o 2d im en sion scann ing techno logy app lied in the la ser confo2 ca l b ioch ip scanner is described first ly in th is p ap er, one d im en siona l scann ing is com p leted by the op t ica l scann ing sy stem com po sed of ga lvanom eter and f2Ηob ject ive len s, ano ther is done by the m echan ica l scann ing sy stem m oving the w o rk stage by the stepp ing m o to r. A nd on the ba se of the above d iscu ssion, the design of the con t ro l sy stem of the tw o d im en siona l scann ing is ana lyzed. T he new and help fu l ex2 p erim en t s abou t the la ser confoca l b ioch ip scanner w h ich ha s h igh scann ing sp eed and p recision have been done, and som e p relim ina ry exp erim en ta l resu lt s a re ach ieved.
郑旭峰, 王立强, 倪旭翔, 陆祖康
(浙江大学国家光学仪器工程技术研究中心, 浙江 杭州 310027)
摘要: 介绍了应用于激光共聚焦生物芯片扫描仪中的光机二维扫描技术, 即用振镜和 f2Η扫描物镜构成其中一维的光扫描系统, 用步进电机驱动扫描工作台移动构成另一维机 械扫描系统, 并在此基础上分析研究了光机二维扫描控制系统的设计。为快速、高精度激光 共聚焦生物芯片扫描仪的研制作了新的有益尝试, 并取得了初步的实验结果。
Key words: b ioch ip scanner; op t ica l and m echan ica l tw o 2d im en sion scann ing; reso lu t ion; con t ro l sy stem
1 引 言
生物芯片技术是近年来生命科学、微电子学、微机械、计算机、物理及化学等多领域、多学科交叉的一 门技术, 简单地说, 就是在一小块硅片、玻璃或薄膜上固定成千上万个生物分子, 以大规模阵列的形式排 列, 形成可与靶分子相互作用, 进行反应的固相表面。 或是在硅片、玻璃等片基上构建各种显微结构, 用于 承载或运转生物分子, 并为各种生物反应提供理想的微场所。 生物芯片技术的发展使样品的检测、分析过 程连续化、集成化、微型化, 成为高效、大规模获取相关生物信息的重要手段。 目前生物芯片技术在DNA 序列测定、突变与多态性检测、基因表达检测及样品分离与分子扩增等方面得到广泛的应用, 它的出现终
4 初步实验结论
通过实验装置, 在如表 1 的实验参数下对生物芯片样片进行了扫描, 图 5 是该生物芯片样片在 40Λm 扫描分辨力下的扫描图样, 扫描单片时间为 35s。初步的实验结果说明光机二维扫描技术在生物芯片扫描 仪具有良好的应用前景。
控制步进电机的启停、反转。
(b) 振镜控制
工作台 X 方向的线性扫描是获得无畸变扫描图像的必要条件, 振镜、f2Η物镜系统的扫描位移和振镜
转角有如下关系:
∃6 = f 2Η
(4)
这表明理论上在无畸变 f2Η物镜的聚焦作用下, 扫描激光束在工作台 X 方向的扫描运动与振镜转角
成线性关系, 只要振镜转角成线性变化就能保证扫描光束的线性扫描。考虑振镜振动周期中只有一个有效
2 光机二维扫描技术[3, 4 ]
如前所述, 机械二维扫描中工作台的X 、Y 方向运动均由电机驱动来完成。在实验中, Y 方向的扫描仍 由步进电机驱动生物芯片工作平台作 Y 方向移动来实现, 而工作台在 X 方向的扫描运动以振镜的旋转摆 动及 f2Η物镜取代电机驱动直线扫描系统来实现, 由于采用振镜的方式取代直线往复运动, 可以提高扫描 频率, 能够进行高速扫描, 而且运转平稳、震动噪声小。 工作原理如图 1 所示。
fs=
W
Ρ
×
T
1 ×K
(1)
对一设定扫描采样频率可得出,
(a) 振镜振动频率 f 0 与分辨力 Ρ 的关系:
f0=
1 T
=
f s×K ×Ρ
W
(2)
(b) 步进电机驱动频率 f m 与分辨力 Ρ 的关系:
设工作台丝杆螺距为 d , 步进电机步距角为 <, 则
fm =
Ρ
T
×
1 d
× 36<0°=
f
扫描行程, 故给振镜驱动电路提供一个占空比为 K 的锯齿波作为驱动信号。基于实际 f2Η物镜在加工时可
能会有残留畸变造成扫描激光束的非线性扫描, 从而引起图像失真的考虑, 用单片机设计了如图 4 所示的
波形发生器。
图 4 波形发生电路
通过 89C 2051 单片机在 I O 口产生一定频率的脉冲, 驱动计数器进行循环计数, 对 E2PROM 进行寻 址读数。在 E2PROM 中预先存储着振镜摆角数值, 读出的数值通过D A 模数转换成振镜驱动电路的驱动 电压信号。 f2Η物镜的残留畸变可以方便地通过振镜的反畸变非线性驱动加以补偿, 保证扫描光束的线性 扫描。 从而在均匀的扫描采样频率下获得样片的真实图像。
Ξ 收稿日期: 2002203218 作者简介: 郑旭峰 (19772) , 男, 福建政和人, 浙江大学硕士研究生, 主要从事光电检测技术方面的研究。
第4期
郑旭峰等: 光机二维扫描技术在激光共聚焦生物芯片扫描仪中的应用
·31·
将会给生命科学、医学、化学、新药开发、司发鉴定、食品制造和环境卫生监督等领域带来一场革命[1, 2] 生物芯片所包含的信息必须通过扫读装置读出, 并转换成可供分析的图像数据。激光共聚焦生物芯片
ZH EN G X u 2f eng , W A N G L i2qiang , N I X u 2x iang , L U Z u 2kang
(CN ERC fo r O p tica l In strum en t, Zhejiang U n iversity, H angzhou 310027, Ch ina)
在实验中采用两片单片机 89C51 和 89C2051 分别控制步进电机和振镜, 单片机间通过 R S232 串口通 信方式, 实现步进电机和振镜的同步控制。 图 3 是扫描控制系统框图。
图 3 扫描控制系统框图
控制系统上电后, 由 89C51 通过查询固定于扫描工作台起始端的位置传感器状态, 来判断工作台是 否处于扫描初始位置, 若没有, 则复位并使之处于待命工作状态。操作者完成激光工作波长、分辨力等工作 方式的设置后, 当 89C51 捕获到扫描开始信号, 则进行初始化工作, 然后通知 89C2051 单片机系统送图像 行同步信号至数据采集电路, 并驱动振镜, 让振镜以设定好的频率振动, 使入射到振镜、f2Η物镜系统的激 光束, 在工作台平面上作 X 方向的扫描运动。同时 89C51 单片机系统通过驱动电路, 以设定的频率驱动步 进电机, 使工作台产生 Y 方向的匀速运动, 并实时查询工作台终止端的位置传感器状态, 以确定是否完成 一次样片的全程扫描。当终止端位置传感器状态发生变化, 则使工作台反向移动, 回到扫描起始位置, 并停 止扫描。
s ×K W×
d××36<0°×
Ρ2
(3)
从 (2)、(3) 式可以知道在扫描采样频率 f s、常数 K 和 X 方向扫描宽度W 以及工作台丝杆螺距 d , 步进电
机步距角 < 一定的情况下, 振镜振动频率 f 0 和步进电机驱动频率 f m 有固定的匹配关系, 可以通过扫描控
制系统进行同步控制。
3 控制系统[5 ]
(a) 步进电机控制
第4期
郑旭峰等: 光机二维扫描技术在激光共聚焦生物芯片扫描仪中的应用
·33·
实验中采用步进电机驱动芯片来驱动两相四拍的步进电机, 通过 89C51 单片机在 I O 口产生一定频
率的驱动脉冲, 经驱动芯片转换成直接驱动电机的两相脉冲, 并根据工作台两端位置传感器状态的不同,
在扫描过程中, 为了实现要求的图像分辨力, 振镜振动的频率和步进电机的驱动频率必须通过控制系 统进行同步控制。 图 2 是光机二维扫描的扫描采样示意图, 从中可以分析出对扫描装置的控制要求。
图 2 扫描采样示意图
示意图中W 为 X 方向扫描宽度, Ρ 为要求的分辨力值。 在振镜振动的作用下, 扫描采样点在 X 方向
第 25 卷 第 4 期 2003 年 8 月
光 学 仪 器 O PT ICAL IN STRUM EN T S
V o l. 25, N o. 4 A ugu st, 2003
文章编号: 1005- 5630 (2003) 04- 0030- 05
光机二维扫描技术在 激光共聚焦生物芯片扫描仪中的应用Ξ
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光 学 仪 器
第 25Baidu Nhomakorabea卷
上, 从左到右再到左移动完成一个扫描周期。由于工作台在 Y 方向的移动作用, 示意图中扫描采样点在一 个扫描周期内在 Y 方向上有一个 Ρ 的位移, 该位移即为扫描能达到的分辨力值。 若实际有效扫描方向为 从左至右的 X 方向, 扫描回程为无效过程, 则设 K 为有效扫描时间与扫描周期 T 的比值, 扫描采样频率 为 f s, 则扫描采样频率:
图 1 光机结合二维扫描原理图 A - 激发窄带干涉滤光片; B - 准直透镜组; C- 反射镜; D - 反射镜 (中心开有小孔) ; E- 振镜;
F- f2Η物镜; G- 棱镜; H - 透镜组; I- 光阑; J - 准直透镜组; K- 发射窄带干涉滤光片。
由激光器发射出来的激光, 经激发窄带干涉滤光片A , 再由准直透镜组 B 准直后, 由反射镜 C 反射, 经过反射镜D 中心的小孔到达振镜 E, 再由 f2Η物镜 F 将激光聚焦在生物芯片上。标记有荧光染料的靶分 子在激光激发下产生的荧光由 f2Η物镜收集后变成平行光, 通过振镜 E, 由反射镜 D 反射, 再由透镜组 H 聚焦于共焦光阑 I 上, 通过光阑 I 的荧光由透镜组 J 准直为细光束, 由发射窄带干涉滤光片 K 滤除后, 由 光电倍增管 PM T 检测。共焦光阑 I 的光孔设计得很小, 使正确聚焦于生物芯片表面所产生的荧光能由透 镜组 H 聚焦在光阑中, 通过光孔被检测, 而生物芯片表面下片基或生物芯片表面上方灰尘产生的荧光或 杂散光不能聚焦在光阑上, 被光阑阻挡后不能通过光阑, 大大减少了由于片基和灰尘产生的背景荧光和杂 散光。
关键词: 生物芯片扫描仪; 光机二维扫描; 分辨力; 控制系统 中图分类号: Q 819 文献标识码: A
A appl ica tion of optica l and m echan ica l two-d im en sion scann ing technology in the la ser confoca l b ioch ip scanner
Abstract: T he op t ica l and m echan ica l tw o 2d im en sion scann ing techno logy app lied in the la ser confo2 ca l b ioch ip scanner is described first ly in th is p ap er, one d im en siona l scann ing is com p leted by the op t ica l scann ing sy stem com po sed of ga lvanom eter and f2Ηob ject ive len s, ano ther is done by the m echan ica l scann ing sy stem m oving the w o rk stage by the stepp ing m o to r. A nd on the ba se of the above d iscu ssion, the design of the con t ro l sy stem of the tw o d im en siona l scann ing is ana lyzed. T he new and help fu l ex2 p erim en t s abou t the la ser confoca l b ioch ip scanner w h ich ha s h igh scann ing sp eed and p recision have been done, and som e p relim ina ry exp erim en ta l resu lt s a re ach ieved.
郑旭峰, 王立强, 倪旭翔, 陆祖康
(浙江大学国家光学仪器工程技术研究中心, 浙江 杭州 310027)
摘要: 介绍了应用于激光共聚焦生物芯片扫描仪中的光机二维扫描技术, 即用振镜和 f2Η扫描物镜构成其中一维的光扫描系统, 用步进电机驱动扫描工作台移动构成另一维机 械扫描系统, 并在此基础上分析研究了光机二维扫描控制系统的设计。为快速、高精度激光 共聚焦生物芯片扫描仪的研制作了新的有益尝试, 并取得了初步的实验结果。
Key words: b ioch ip scanner; op t ica l and m echan ica l tw o 2d im en sion scann ing; reso lu t ion; con t ro l sy stem
1 引 言
生物芯片技术是近年来生命科学、微电子学、微机械、计算机、物理及化学等多领域、多学科交叉的一 门技术, 简单地说, 就是在一小块硅片、玻璃或薄膜上固定成千上万个生物分子, 以大规模阵列的形式排 列, 形成可与靶分子相互作用, 进行反应的固相表面。 或是在硅片、玻璃等片基上构建各种显微结构, 用于 承载或运转生物分子, 并为各种生物反应提供理想的微场所。 生物芯片技术的发展使样品的检测、分析过 程连续化、集成化、微型化, 成为高效、大规模获取相关生物信息的重要手段。 目前生物芯片技术在DNA 序列测定、突变与多态性检测、基因表达检测及样品分离与分子扩增等方面得到广泛的应用, 它的出现终
4 初步实验结论
通过实验装置, 在如表 1 的实验参数下对生物芯片样片进行了扫描, 图 5 是该生物芯片样片在 40Λm 扫描分辨力下的扫描图样, 扫描单片时间为 35s。初步的实验结果说明光机二维扫描技术在生物芯片扫描 仪具有良好的应用前景。
控制步进电机的启停、反转。
(b) 振镜控制
工作台 X 方向的线性扫描是获得无畸变扫描图像的必要条件, 振镜、f2Η物镜系统的扫描位移和振镜
转角有如下关系:
∃6 = f 2Η
(4)
这表明理论上在无畸变 f2Η物镜的聚焦作用下, 扫描激光束在工作台 X 方向的扫描运动与振镜转角
成线性关系, 只要振镜转角成线性变化就能保证扫描光束的线性扫描。考虑振镜振动周期中只有一个有效
2 光机二维扫描技术[3, 4 ]
如前所述, 机械二维扫描中工作台的X 、Y 方向运动均由电机驱动来完成。在实验中, Y 方向的扫描仍 由步进电机驱动生物芯片工作平台作 Y 方向移动来实现, 而工作台在 X 方向的扫描运动以振镜的旋转摆 动及 f2Η物镜取代电机驱动直线扫描系统来实现, 由于采用振镜的方式取代直线往复运动, 可以提高扫描 频率, 能够进行高速扫描, 而且运转平稳、震动噪声小。 工作原理如图 1 所示。
fs=
W
Ρ
×
T
1 ×K
(1)
对一设定扫描采样频率可得出,
(a) 振镜振动频率 f 0 与分辨力 Ρ 的关系:
f0=
1 T
=
f s×K ×Ρ
W
(2)
(b) 步进电机驱动频率 f m 与分辨力 Ρ 的关系:
设工作台丝杆螺距为 d , 步进电机步距角为 <, 则
fm =
Ρ
T
×
1 d
× 36<0°=
f
扫描行程, 故给振镜驱动电路提供一个占空比为 K 的锯齿波作为驱动信号。基于实际 f2Η物镜在加工时可
能会有残留畸变造成扫描激光束的非线性扫描, 从而引起图像失真的考虑, 用单片机设计了如图 4 所示的
波形发生器。
图 4 波形发生电路
通过 89C 2051 单片机在 I O 口产生一定频率的脉冲, 驱动计数器进行循环计数, 对 E2PROM 进行寻 址读数。在 E2PROM 中预先存储着振镜摆角数值, 读出的数值通过D A 模数转换成振镜驱动电路的驱动 电压信号。 f2Η物镜的残留畸变可以方便地通过振镜的反畸变非线性驱动加以补偿, 保证扫描光束的线性 扫描。 从而在均匀的扫描采样频率下获得样片的真实图像。
Ξ 收稿日期: 2002203218 作者简介: 郑旭峰 (19772) , 男, 福建政和人, 浙江大学硕士研究生, 主要从事光电检测技术方面的研究。
第4期
郑旭峰等: 光机二维扫描技术在激光共聚焦生物芯片扫描仪中的应用
·31·
将会给生命科学、医学、化学、新药开发、司发鉴定、食品制造和环境卫生监督等领域带来一场革命[1, 2] 生物芯片所包含的信息必须通过扫读装置读出, 并转换成可供分析的图像数据。激光共聚焦生物芯片
ZH EN G X u 2f eng , W A N G L i2qiang , N I X u 2x iang , L U Z u 2kang
(CN ERC fo r O p tica l In strum en t, Zhejiang U n iversity, H angzhou 310027, Ch ina)
在实验中采用两片单片机 89C51 和 89C2051 分别控制步进电机和振镜, 单片机间通过 R S232 串口通 信方式, 实现步进电机和振镜的同步控制。 图 3 是扫描控制系统框图。
图 3 扫描控制系统框图
控制系统上电后, 由 89C51 通过查询固定于扫描工作台起始端的位置传感器状态, 来判断工作台是 否处于扫描初始位置, 若没有, 则复位并使之处于待命工作状态。操作者完成激光工作波长、分辨力等工作 方式的设置后, 当 89C51 捕获到扫描开始信号, 则进行初始化工作, 然后通知 89C2051 单片机系统送图像 行同步信号至数据采集电路, 并驱动振镜, 让振镜以设定好的频率振动, 使入射到振镜、f2Η物镜系统的激 光束, 在工作台平面上作 X 方向的扫描运动。同时 89C51 单片机系统通过驱动电路, 以设定的频率驱动步 进电机, 使工作台产生 Y 方向的匀速运动, 并实时查询工作台终止端的位置传感器状态, 以确定是否完成 一次样片的全程扫描。当终止端位置传感器状态发生变化, 则使工作台反向移动, 回到扫描起始位置, 并停 止扫描。
s ×K W×
d××36<0°×
Ρ2
(3)
从 (2)、(3) 式可以知道在扫描采样频率 f s、常数 K 和 X 方向扫描宽度W 以及工作台丝杆螺距 d , 步进电
机步距角 < 一定的情况下, 振镜振动频率 f 0 和步进电机驱动频率 f m 有固定的匹配关系, 可以通过扫描控
制系统进行同步控制。
3 控制系统[5 ]
(a) 步进电机控制
第4期
郑旭峰等: 光机二维扫描技术在激光共聚焦生物芯片扫描仪中的应用
·33·
实验中采用步进电机驱动芯片来驱动两相四拍的步进电机, 通过 89C51 单片机在 I O 口产生一定频
率的驱动脉冲, 经驱动芯片转换成直接驱动电机的两相脉冲, 并根据工作台两端位置传感器状态的不同,
在扫描过程中, 为了实现要求的图像分辨力, 振镜振动的频率和步进电机的驱动频率必须通过控制系 统进行同步控制。 图 2 是光机二维扫描的扫描采样示意图, 从中可以分析出对扫描装置的控制要求。
图 2 扫描采样示意图
示意图中W 为 X 方向扫描宽度, Ρ 为要求的分辨力值。 在振镜振动的作用下, 扫描采样点在 X 方向