生物芯片扫描仪弱信号检测方法

一、引言

所谓生物芯片，就是利用微加工技术并结合有关的化学合成技术，将大量探针分子固定于载体（如玻片、硅胶芯片、高分子材料制成的薄膜等），然后与标记的样品分子进行杂交，通过检测杂交信号的分布及强弱，对靶分子的序列和数量进行分析检验的微型器件。

生物芯片扫描仪则是通过检测杂交信号并把测定结果转变为可供分析、处理的图像数据，从而对生物芯片进行分析的一种扫读装置。杂交信号的检测是生物芯片扫读的第一步，对后续的数据提取及图像分析将产生重要影响，也直接影响芯片的分析结果。

正因如此，杂交信号的检测成为生物芯片技术向前发展的主要困难之一，而且随着芯片集成度的提高，使用的反应样品量越来越少，产生的信号越来越微弱，对检测系统的要求也就越来越高，必须满足很高的检测灵敏度、高信噪比及大动态范围。

此外，为提高检测效率，适应快速扫描，对检测系统的响应速度也提出了更高的要求。

二、信号检测方法的分类及比较

随着生物芯片制造技术的蓬勃发展，与之相应的信号检测方法也迅速发展起来。

根据生物芯片相对激光器及探测器是否移动来对生物芯片进行扫读，有扫描检测和固定检测之分。扫描检测法是将激光器及共聚焦显微镜固定，生物芯片置于承片台上并随着承片台在X方向正反线扫描和Y方向步进向前运动，通过光电倍增管检测激发荧光并收集数据对芯片进行分析。

激光共聚焦生物芯片扫描仪就是这种检测方法的典型应用，这种检测方法灵敏度高，缺点是扫描时间较长。固定检测法是将激光器及探测器固定，激光束从生物芯片侧向照射，以此解决固定检测系统的荧光激发问题，激发所有电泳荧光染料通道，由CCD捕获荧光信号并成像，从而完成对生物芯片的扫读。

CCD生物芯片扫描仪即是由此原理制成。这种方法制成的扫描仪由于其可移动；部件少，可大大减少仪器生产中的失误，使仪器坚固耐用，但缺点是分辨率及灵敏度较低。

根据生物芯片所使用的标记物不同，相应的信号检测方法有放射性同位素标记法、生物素标记法、荧光染料标记法等。其中放射性同位素由于会损害研究者身体，所以这种方法基本已被淘汰。

而生物素标记样品分子则多用在尼龙膜作载体的生物芯片上，因为在尼龙膜上荧光标记信号的信噪比较低，用生物素标记可提高杂交信号的信噪比。目前使用最多的是荧光标记物，相应的检测方法也最多、最成熟，主要有激光共聚焦显微镜、CCD相机、激光扫描荧光显微镜及光纤传感器等。

本文主要介绍激光共聚焦及CCD生物芯片扫描仪的弱信号检测方法。

三、激光共聚焦生物芯片扫描仪弱信号检测方法

3．1 特点

激光共聚焦生物芯片扫描仪以激光作为激发光源，能产生强度较高的发射荧光，可大大提高检测灵敏度。

目前此类仪器多采用2种或2种以上不同波长的激光器作为激发光源，以激发不同荧光染料标记的靶分子，通过荧光光密度比来减少或消除测定时某些干扰引起的实验误差，提高实验的可靠性，采用有较宽光电响应动态范围的光电倍增管作为光电耦合器件对弱光信号进行检测，有很高的检测灵敏度，可检测每平方微米零点几个荧光分子。

这种检测方法灵敏度和分辨率很高，图像质量好，但扫描时间较长，比较适合大规模生物芯片杂交信号的检测，可广泛应用于基因诊断、基因表达等方面研究。