面向DNA 计算的自动定位芯片扫描系统#
李汪根*
基金项目：国家自然科学基金（61070060），芜湖市科技计划高新项目
作者简介：李汪根，（1973-），男，副教授，主要研究方向为生物计算和生物信息学. E-mail:
xchen@mail.ahnu.edu.cn
（安徽师范大学数学计算机科学学院，安徽 芜湖 241003）
5 摘要：针对现有芯片扫描系统的缺点，提出了一种面向DNA 计算的自动定位芯片扫描系统，
包括检测光路、信号采集接口和控制接口，具有波长可选、自动对焦、自动定位的特点，提
高了扫描系统的适应性和效率。
关键词：DNA 计算；生物芯片；扫描系统
中图分类号：TP384, TP311.12
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An Automatic Locate Scanning System for DNA Computing
LI Wanggen
(Mathematics and Computer Science School, Anhui Normal University, AnHui WuHu 241003)
Abstract: Aim to the shortcomings of existing chip scanning system, this paper proposed an
15 automatic positioning chip scanning system, including optical detection, signal acquisition
interface and control interface, with the features of selectable wavelength, automatic focus,
automatic locate, which improved the adaptability and efficiency of the scanning system.
Keywords: DNA computing; Bio-chip; Scanning system
20 0 引言
生物芯片（Biochip）技术是应人类基因组计划而发展起来的一项高新技术，是20 世纪
90 年代中期以来影响最深远的重大科技进展之一，是融微电子学、生物学、物理学、化学、
计算机科学为一体的高度交叉的新技术。生物芯片技术的实质是进行生物信号的平行分析。
生物芯片利用微点阵技术，将成千上万的生物组分（细胞、蛋白质和DNA 等）集中到一小
25 片固相基质上，从而使一些传统的生物学分析手段能够在尽量小的空间范围内，以尽量快的
速度完成。生物芯片集样品制作、生化反应和检测于一体。与传统的仪器检测方法相比，生
物芯片技术具有高通量、微型化、自动化和成本低等特点。在生物芯片上实现生物操作具有
极高的效率，可以在数秒至数十秒内自动完成测定、分离或其它更复杂的操作，并且具有高
导热和传输速率[1-3]。
30 共聚焦扫描仪将视野中的两个聚焦点的影像装配为二维图像。平行的激光束通过光束分
离器后进入目镜，目镜采集到部分球状散射的荧光释放光并使这些光成为平行的光束，此外
还采集被反射的激光，这些激光的强度要比荧光强度大3-7 倍。采集回来的光束再次通过光
束分离器，光束分离器将大部分激光反射回激光源处，并允许大部分荧光束通过光束分离器，
一平面镜将荧光束反射到光栅处，光栅选择很窄范围波长的光通过，并将剩余的激光激发光
35 全部反射回去。
共聚焦的工作特点体现在探测目镜和针孔。探测目镜将平行光聚集为很小直径的一束光
之后，针孔上的小孔只允许聚焦的光线通过并将其余的光遮挡住。由于激光共聚焦于芯片上
的一点，因此要获得整张基因芯片上各点的荧光信息则要对芯片上各点进行扫描成像，可通
过移动扫描仪或目镜和载玻片来实现上述功能。
40 现有的用于微流控芯片荧光检测装置，如加拿大Albert 公司生产的微流控芯片分析仪、
 安吉伦公司生产的2100 型生物分析仪等，其基本原理同上所述，存在的主要缺点有：（1）
为了使芯片微管道中的荧光染料经激光激发后，激发光能经过光路被光电倍增管收集，被检
测芯片的微管道必须处在物镜的焦点上。为了适应不同类型的芯片，现有微流控芯片荧光检
测仪微管道定位采用手动方式，通过手工来移动芯片，这要求操作者有一定的经验，需要花
45 费很长的时间；（2）用于激发光的激光波长固定在一个波长，不能自由更换，限制了荧光
染料的选择；（3）光路系统中物镜组位置固定，不能根据激发光波长调整物镜组的工作距
离，限制了检测的灵敏度；（4）光阑大小固定，不能根据需要调整光阑大小，限制了检测
的灵敏度。
为了克服上述缺点，方便使用，提高操作的灵敏度，本文提出了一种具备自动对焦功能
50 的微流控芯片荧光检测光学装置，该检测装置包括检测光路、信号采集接口和控制接口。
1 自动定位芯片扫描系统
我们在研究现有共聚焦扫描仪的基础上，提出了一种具有自动定位功能的共聚焦激光诱
导荧光检测芯片扫描系统，该系统由光学光路、信息采集接口、控制接口、X-Y 轴行走微型
工作平台、芯片托架组成[4-6]。
55 （1）光学光路
设计的扫描系统的光学光路结构图见图1 所示。沿光源发出光束的前进方向同光轴
O1O1’的依次是第一透镜组、第一滤光片、第二透镜组、半透半反镜，该半透半反镜与上述
光束成45o 放置，在该半透半反镜的反射光束方向是物镜组和供芯片放置的芯片平台，由芯
片反射的光束透过所述半透半反镜，在该透射光方向是具有切换开关的反射镜和CCD 探测
60 器，在所述反射镜的反射光路上依次是第二滤光片、第三透镜组、光阑和光电倍增管，且同
光轴O2O2’。该光学光路具备以下一些特征：
○1 光路中的光源是可以根据需要更换不同波长的激光光源；
○2 物镜组与其支架通过螺纹连接，通过手动螺纹旋转，以调节物镜组的焦距；
○3 光路中的反射镜的转换开关为绕轴旋转拨动开关，可将反射镜移入、移出光路，实现
65 反射镜的切换；
○4 光路中的光阑孔径是可根据需要进行调整的。
 图 1 共聚焦激光诱导荧光检测光路图
70 （2）信息采集接口
主要完成光电倍增管PMT 的放大输出和模数转换并完成CCD 图像的采集处理。信息
采集接口见图2 所示。图中光电倍增管的输出端经放大电路、模数转换器和RS232 接口与
计算机相连，CCD 经图像采集卡与计算机相连。
75 图2 芯片扫描系统信息采集接口和控制接口
（3）控制接口
主要完成对伺服电机的控制，以驱动芯片平台，实现对芯片实验室中的微管道进行自动
定位。控制接口如图2 所示。计算机的输出端经RS232 接口、数模转换器、伺服电机驱动
80 芯片平台运动，实施待测芯片的微管道与物镜组的自动对焦。芯片平台驱动的示意图如图3
 所示。待测芯片的微管道自动定位的算法流程如图4 所示。
图3 芯片平台驱动示意图
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图4 自动定位的算法流程图
2 结论
本文提出了一种可自动定位的芯片扫描系统，该系统的光源可根据待测定的微流控芯片
90 所需要的激光波长来选定；该系统的物镜组焦距是可调的，光电倍增管和CCD 的位置也是
可调的；该系统的微流控芯片微管道与物镜组的对焦由计算机控制伺服电机驱动芯片平台来
实现，克服了手动对焦的人为因素的影响，而且速度快，精度高。
 95 [参考文献] (References)
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