Устройство для широкопольного флуоресцентного детектирования биочипов

Полезная модель относится к широкопольным флуоресцентным детекторам в составе портативных программно-аппаратных анализаторов биочипов для клинических лабораторных исследований, направленных на обнаружение и измерение содержания нуклеиновых кислот или белков с помощью флуоресценции при диагностике и мониторинге протекания широкой группы заболеваний, в том числе онкологических. Технический результат заявляемого устройства для широкопольного флуоресцентного детектирования биочипов - совершенствование его оптической конструкции за счет повышения эффективности построения оптической схемы возбуждения, съема флуоресцентного излучения от детектируемого участка биочипа и одновременного формирования полного изображения флуоресцирующего детектируемого участка биочипа на светочувствительной матрице оптоэлектронного детектора, в результате уменьшения количества базовых оптических элементов-объективов и, одновременно, за счет повышения технологичности получения выбранного масштаба изображения детектируемого участка на светочувствительной матрице оптоэлектронного детектора. Для достижения указанного технического результата в устройстве для широкопольного флуоресцентного детектирования биочипов, содержащем держатель биочипа, широкопольное средство возбуждающего освещения биочипа с зоной освещения, расположенной над детектируемым участком биочипа, блок оптического формирования потока прямого флуоресцентного излучения от детектируемого участка биочипа с фильтровым выделением указанного потока и оптоэлектронный детектор, чувствительный к указанному флуоресцентному излучению и одновременно воспринимающий полное изображение детектируемого участка биочипа, блок оптического формирования потока прямого флуоресцентного излучения от детектируемого участка биочипа выполнен на основе одного фотообъектива с фиксированным фокусным расстоянием, расположенного между держателем биочипа и оптоэлектронным детектором над детектируемым участком биочипа с возможностью настроечного перемещения вдоль оси оптического сопряжения указанных фотообъектива и светочувствительной матрицы оптоэлектронного детектора или светочувствительной матрицы оптоэлектронного детектора при настроечном повороте кольца фокусировки неподвижного фотообъектива для получения выбранного масштаба полного изображения детектируемого участка на светочувствительной матрице оптоэлектронного детектора.

Полезная модель относится к оптическому приборостроению для технологии биочипов, в частности к устройствам для широкопольного флуоресцентного детектирования биочипов в составе портативных программно-аппаратных анализаторов биочипов для клинических лабораторных исследований, направленных на обнаружение и измерение содержания нуклеиновых кислот или белков с помощью флуоресценции при диагностике и мониторинге протекания широкой группы заболеваний, в том числе онкологических.

Предмет настоящей заявки ограничен рамками устройства для флуоресцентного детектирования биочипов, основанного на широкопольной оптической схеме возбуждения и съема флуоресцентного излучения детектируемого участка (с исследуемыми ячейками) биочипа, включая одновременное оптическое формирование полного изображения флуоресцирующего детектируемого участка биочипа на светочувствительной матрице оптоэлектронного детектора (см., например устройство по патенту РФ 2371721, G01N 33/483, G01N 21/64, G02B 21/00, G01J 1/58, 2009).

В отличие от менее производительной конфокальной оптической схемы возбуждения и съема флуоресцентного излучения исследуемой поверхности биочипа, используемой в считывателях-сканерах биочипов (см., например патент US 6646271, G01N 21/64, 2003) и построенной на поочередном возбуждении и съеме флуоресцентного излучения (сканировании) от отдельных исследуемых ячеек биочипа, указанная выше широкопольная оптическая схема - более быстрая в связи с увеличением площади возбуждающего лазерного освещения всего детектируемого участка с ячейками биочипа и одновременным оптическим формированием полного изображения указанного детектируемого участка биочипа на ПЗС-матрице.

При этом приемлемая чувствительность и качество детектирования в устройстве для широкопольного флуоресцентного детектирования биочипов достигается при детектировании биочипов в результате известного использования усложняющих устройство двух объективов для съема и формирования полного изображения флуоресцирующего детектируемого участка биочипа (см., например приведенное выше устройство по патенту РФ 2371721).

Уровень техники в области устройств для широкопольного флуоресцентного детектирования биочипов характеризуется немногочисленностью аналогов с детальными сведениями о построении широкопольной оптической схемы возбуждения и съема флуоресцентного излучения детектируемого участка биочипа с раскрытием особенностей использования объективов для съема (сбора) флуоресцентного излучения и одновременного оптического формирования полного изображения флуоресцирующего детектируемого участка биочипа.

Так известно выбранное в качестве прототипа заявляемого устройства устройство для анализа люминесцирующих микробиочипов (см. устройство по международной заявке WO 2011096835, G01N 21/64, 2011), содержащее держатель биочипа, широкопольное кольцевое оптоволоконное средство освещения детектируемого участка биочипа с двумя лазерными источниками возбуждающего излучения с разными длинами волн и зоной освещения, расположенной над детектируемым участком биочипа, блок оптического формирования потока прямого флуоресцентного излучения от детектируемого участка биочипа с фильтровым выделением указанного потока, выполненный на основе двух фотообъективов, направленных навстречу друг другу и расположенных над детектируемым участком биочипа, оптоэлектронный детектор на ПЗС-матрице, чувствительный к указанному флуоресцентному излучению и одновременно воспринимающий своей светочувствительной матрицей полное изображение флуоресцирующего детектируемого участка биочипа.

Широкопольная оптическая схема возбуждения, съема флуоресцентного излучения и одновременного формирования полного изображения флуоресцирующего детектируемого участка биочипа на ПЗС-матрице оптоэлектронного детектора в устройстве-прототипе усложнена двумя фотообъективами, обеспечивающими получение выбранного масштаба изображения детектируемого участка на ПЗС-матрице оптоэлектронного детектора, затратным и низко технологичным подбором одного из них с соответствующим фокусным расстоянием.

Технический результат заявляемого устройства для широкопольного флуоресцентного детектирования биочипов - совершенствование его оптической конструкции за счет повышения эффективности построения широкопольной оптической схемы возбуждения, съема флуоресцентного излучения от детектируемого участка биочипа и одновременного формирования полного изображения флуоресцирующего детектируемого участка биочипа на светочувствительной матрице оптоэлектронного детектора, в результате уменьшения количества базовых оптических элементов - объективов и, одновременно, за счет повышения технологичности и снижения затратности получения выбранного масштаба полного изображения детектируемого участка на светочувствительной матрице оптоэлектронного детектора.

Для достижения указанного технического результата в устройстве для широкопольного флуоресцентного детектирования биочипов, содержащем держатель биочипа, широкопольное средство возбуждающего освещения биочипа с зоной освещения, расположенной над детектируемым участком биочипа, блок оптического формирования потока прямого флуоресцентного излучения от детектируемого участка биочипа с фильтровым выделением указанного потока и оптоэлектронный детектор, чувствительный к указанному флуоресцентному излучению и одновременно воспринимающий своей светочувствительной матрицей полное изображение детектируемого участка биочипа, блок оптического формирования потока прямого флуоресцентного излучения от детектируемого участка биочипа выполнен на основе одного фотообъектива с фиксированным фокусным расстоянием, расположенного между держателем биочипа и оптоэлектронным детектором над детектируемым участком биочипа с возможностью настроечного перемещения вдоль оси оптического сопряжения указанных фотообъектива и светочувствительной матрицы оптоэлектронного детектора или светочувствительной матрицы оптоэлектронного детектора при настроечном повороте кольца фокусировки неподвижного фотообъектива для получения выбранного масштаба полного изображения детектируемого участка на светочувствительной матрице оптоэлектронного детектора.

Для развития эксплуатационных свойств предлагаемого устройства для широкопольного флуоресцентного детектирования биочипов:

в качестве фотообъектива блока оптического формирования потока прямого флуоресцентного излучения от детектируемого участка биочипа может быть использован светосильный фотообъектив;

для проецирования изображения детектируемого участка биочипа на светочувствительной матрице оптоэлектронного детектора в масштабе 1:1 фотообъектив блока оптического формирования потока прямого флуоресцентного излучения от детектируемого участка биочипа установлен на двойном фокусном расстоянии от детектируемого участка биочипа и светочувствительной матрицы указанного детектора;

широкопольное средство освещения рабочей поверхности биочипа может быть выполнено на основе двух лазерных источников возбуждающего излучения с разными длинами волн, каждый из которых снабжен штатным серийным расширяющим микрообъективом;

блок оптического формирования прямого флуоресцентного излучения от детектируемого участка биочипа снабжен двухполосным фильтром, расположенным между фотообъективом блока оптического формирования потока прямого флуоресцентного излучения от детектируемого участка биочипа и оптоэлектронным детектором;

оптоэлектронный детектор может быть выполнен на основе ПЗС-матрицы;

оптоэлектронный детектор может быть выполнен с возможностью подключения к внешнему блоку обработки флуоресцентных сигналов от диагностируемого участка биочипа с помощью программного обеспечения с функциями программной компенсации неравномерности освещения детектируемого участка биочипа и восприятия его полного изображения светочувствительной матрицей оптоэлектронного детектора при пиксельном построении цифрового изображения флуоресцирующего детектируемого участка биочипа и его программного диагностического тестирования по цифровому эталонному образцу.

На фигуре показана структурная блок-схема заявляемого устройства для широкопольного флуоресцентного детектирования биочипов.

Предлагаемое устройство для широкопольного флуоресцентного детектирования биочипов содержит:

держатель 1 биочипа 2, представляющего собой в настоящем примере выполнения носитель-подложку в виде предметного стекла (прозрачность подложки практического значения для предлагаемого анализатора не имеет - подложка может быть непрозрачной) с размещенным на нем детектируемым участком 3 размером 3,1×4 мм, содержащем 20 ячеек, размером 0,4 мм каждая и расстоянием между ячейками - 0,5 мм, состоящих из ковалентно связанных с поверхностью нуклеиновых кислот (или белков), меченных красителем (Cy3 и/или Cy5), что позволяет регистрировать сигнал флуоресценции в результате воздействия возбуждающего освещения на диагностируемый участок биочипа, широкопольное средство освещения детектируемого участка биочипа с двумя источниками 4 и 5 возбуждающего излучения с разными длинами волн, выполненными в виде двух лазерных источников (лазера KLM-A532-20-5 фирмы ЗАО «ФТИ-ОПТРОНИК», Санкт-Петербург с длиной волны 532 нм - зеленый луч и лазера KLM-D650-16-5 этой же фирмы с длиной волны 650 нм - красный луч), снабженными для широкопольного освещения штатными серийными расширяющими микрообъективами, и зоной освещения, расположенной над детектируемым участком 3 биочипа 2,

блок оптического формирования потока прямого флуоресцентного излучения от детектируемого участка биочипа, выполненный на основе расположенного над указанным участком одного фотообъектива 6 (широкоугольного фотообъектива Canon с фиксированным фокусным расстоянием 24 мм и кольцом фокусировки), имеющего для снижения энергетических потерь от поглощения при прохождении через него флуоресцентного излучения уменьшенный линзовый состав (в сравнении с фотообъективом с регулируемым фокусным расстоянием), и снабженный для частотного выделения указанного потока флуоресцентного излучения двухполосным светофильтром 7 (XF3066 595-700 DBEM OMEGA OPTICAL), расположенным между фотообъективом 6 и оптоэлектронным детектором 8,

оптоэлектронный детектор 8, выполненный на основе ПЗС-матрицы с размерами не менее 1/2" (Canyon USB камеры, имеющей разрешение 640×480.0,3 Мп), чувствительной к флуоресцентному излучению от детектируемого участка биочипа 2 и одновременно фиксирующий ее полное изображение.

Для проецирования изображения детектируемого участка 3 биочипа 2 на ПЗС-матрице оптоэлектронного детектора 8 в масштабе 1:1 фотообъектив 6 (без поворота его кольца фокусировки) установлен между держателем 1 и оптоэлектронным детектором 8 на двойном фокусном расстоянии от детектируемого участка биочипа 2 и ПЗС-матрицы детектора 8, а для обеспечения максимального освещения лазерными источниками 4 и 5 при минимальном отражении их возбуждающего излучения, попадающего на вход оптоэлектронного детектора 8, поворотные лазерные источники 4 и 5 оснащены, соответственно средствами 9 и 10 регулирования угла расположения их оптических осей излучения к поверхности детектируемого участка 3 биочипа 2 и для компенсации неравномерности освещения детектируемого участка 3 биочипа 2 из-за неравномерности распределения интенсивности возбуждающего излучения в поперечном сечении лазерного пучка обеспечивают симметричное поле освещения в результате избыточного охвата диагностируемого участка 3 биочипа 2 широкопольным пучком возбуждающего излучения лазерных источников 4 и 5 с расширяющими микрообъективами.

Для автоматического включения и выключения лазерных источников 4 и 5 в блок-схему предлагаемого анализатора введен исполнительный микроконтроллер 11, а для подключения внешнего блока обработки флуоресцентных сигналов от диагностируемого участка биочипа с помощью программного обеспечения (малогабаритного персонального компьютера) с целью управления основным функционированием устройства для широкопольного флуоресцентного детектирования биочипов в режиме анализатора USB-хаб концентратор 12, соединенный с микроконтроллером 11 через переходник 13 USB-COM.

Питание предлагаемого устройства осуществляется посредством блока питания 14.

Предлагаемое устройство для широкопольного флуоресцентного детектирования биочипов работает следующим образом.

В результате широкопольного возбуждающего лазерного освещения детектируемого участка 3 биочипа 2 и его флуоресценции, формируется с помощью оптической схемы, построенной на одном фотообъективе 6, снижающем световые потери, и одном двухполосном фильтре 7, поток флуоресцентного излучения с полным изображением флуоресцирующего детектируемого участка 3, который направляется на вход оптоэлектронного детектора 8, одновременно воспринимающего с помощью ПЗС-матрицы полное указанное изображение.

При получении (на стадии изготовления заявляемого устройства) масштаба изображения детектируемого участка 3 на ПЗС-матрице оптоэлектронного детектора 8, выбираемого из интервала его величин (1:1-1:1,5) перемещают ПЗС-матрицу детектора 8 на расстояние от неподвижного фотообъектива 6, соответствующее выбранному масштабу, вдоль оси оптического сопряжения фотообъектива 6 и детектора 8 при соответствующем настроечном повороте кольца фокусировки фотообъектива 6.

При подключении предлагаемого устройства широкопольного флуоресцентного детектирования биочипов к внешнему блоку обработки флуоресцентных сигналов от диагностируемого участка биочипа с помощью программного обеспечения - малогабаритному персональному компьютеру для функционирования указанного устройства в режиме анализатора полное изображение флуоресцирующего детектируемого участка 3 в цифровом виде направляется из оптоэлектронного детектора 8 в персональный компьютер и подвергается программной обработке, заключающейся в компенсации оставшейся части неравномерности освещения детектируемого участка 3 биочипа 2 из-за погрешностей настройки лазерного освещения и в устранении неравномерности восприятия полного изображения детектируемого участка 3 биочипа 2 ПЗС-матрицей, а также в диагностическом тестировании этого изображения по цифровому эталонному образцу с помощью функциональной подпрограммы, входящей в специализированную программу управления анализатором.

1. Устройство для широкопольного флуоресцентного детектирования биочипов, содержащий держатель биочипа, широкопольное средство возбуждающего освещения биочипа с зоной освещения, расположенной над детектируемым участком биочипа, блок оптического формирования потока прямого флуоресцентного излучения от детектируемого участка биочипа с фильтровым выделением указанного потока и оптоэлектронный детектор, чувствительный к указанному флуоресцентному излучению и одновременно воспринимающий своей светочувствительной матрицей полное изображение детектируемого участка биочипа, отличающееся тем, что блок оптического формирования потока прямого флуоресцентного излучения от детектируемого участка биочипа выполнен на основе одного фотообъектива с фиксированным фокусным расстоянием, расположенного между держателем биочипа и оптоэлектронным детектором над детектируемым участком биочипа с возможностью настроечного перемещения вдоль оси оптического сопряжения указанных фотообъектива и светочувствительной матрицы оптоэлектронного детектора или светочувствительной матрицы оптоэлектронного детектора при настроечном повороте кольца фокусировки неподвижного фотообъектива для получения выбранного масштаба полного изображения детектируемого участка на светочувствительной матрице оптоэлектронного детектора.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве фотообъектива блока оптического формирования потока прямого флуоресцентного излучения от детектируемого участка биочипа использован светосильный фотообъектив.

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что фотообъектив блока оптического формирования потока прямого флуоресцентного излучения от детектируемого участка биочипа для проецирования его изображения на светочувствительной матрице оптоэлектронного детектора в масштабе 1:1 установлен на двойном фокусном расстоянии от детектируемого участка биочипа и светочувствительной матрицы указанного детектора.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что широкопольное средство освещения рабочей поверхности биочипа выполнено на основе двух лазерных источников возбуждающего излучения с разными длинами волн, каждый из которых снабжён штатным серийным расширяющим микрообъективом.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок оптического формирования прямого флуоресцентного излучения от детектируемого участка биочипа снабжён двухполосным фильтром, расположенным между фотообъективом блока оптического формирования потока прямого флуоресцентного излучения от детектируемого участка биочипа и оптоэлектронным детектором.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оптоэлектронный детектор выполнен на основе ПЗС-матрицы.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оптоэлектронный детектор выполнен с возможностью подключения к внешнему блоку обработки флуоресцентных сигналов от диагностируемого участка биочипа с помощью программного обеспечения.

8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что внешний блок обработки флуоресцентных сигналов от детектируемого участка биочипа с помощью программного обеспечения выполнен с возможностью программной компенсации неравномерности освещения детектируемого участка биочипа и восприятия его полного изображения светочувствительной матрицей оптоэлектронного детектора при пиксельном построении цифрового изображения флуоресцирующего детектируемого участка биочипа и его программного диагностического тестирования по цифровому эталонному образцу.