摘要：生物芯片扫描仪是生物芯片能否得到广泛应用的关键仪器。在分析了激光共聚焦生物芯片扫描仪的成像特性的基础上，详细地论述了生物芯片扫描仪的光强分布函数、光学信息量等光学特性，从而得出生物芯片扫描仪的高分辨力特性。为研制高精度、高分辨力的生物芯片扫描仪打下了坚实的理论基础。

　　引 言

　　生物芯片技术是人们有效地大规模获取生物信息的有效手段。所谓生物芯片是指将大量探针分子固定于载体，然后与标记的样品分子进行杂交，通过检测杂交信号的强度及分布而对靶分子的序列和数量进行分析的一项技术[1]，因此在生物医学、生命科学研究中应用很多。而生物芯片扫描仪是生物芯片能否得到广泛应用的关键仪器，它是利用激光照明生物芯片激发荧光，并用探测器探测荧光强度，以获取生物芯片信息。生物芯片扫描仪主要有使用光电倍增管探测器的激光扫描仪和 CCD 扫描仪。本文主要讨论了激光共聚焦生物芯片扫描仪的成像特性、光强分布函数、光学信息量等特性。Minsky 早在 50 年代就率先提出了共焦扫描成像的思想[2]。随后Davidovits、Sheppard 和Wilson等对共焦系统做了进一步的研究[3-5]。研究表明：共焦扫描系统不仅可以抑制成像中弱杂散光的影响，而且在相同成像条件下，其分辨力很高。共聚焦生物芯片扫描仪就是集共焦原理、高速扫描技术和计算机图像处理技术于一体的高新技术光电仪器。

　　1 成像特性

　　由于激光的亮度高、单色性好、发射角小、聚焦性优良，因而在生物芯片扫描仪中采用激光作为光源。共聚焦生物芯片扫描仪采用共轭焦点技术，使光源、生物芯片和光电倍增管探测器处在彼此对应的共轭位置。如图1 所示，激光束经物镜L1在生物芯片表面锐聚焦成衍射限制的斑点，激发生物芯片产生荧光，荧光通过物镜L1和物镜L2在共焦探测针孔平面成像，由靠近像面位置的光电倍增管探测接收荧光。共聚焦生物芯片扫描仪的主要优点：

　　①生物芯片上的照明光仅仅是扫描中非常小的一个聚焦光点，因此亮度和信噪比高。

　　②光电倍增管只能接收通过探测针孔(低通空间滤波器)的光，而来自生物芯片其他部位的杂散光因在共焦针孔处不能聚焦而被滤除，结果得到的是一个高分辨力和高对比度的图像。

　　③由于成像光束的聚焦与波长有关，在光路中加入窄带干涉滤光片，从而进一步提高了图像的清晰度。

　　④共焦扫描成像系统采用轴上光束，因而像面没有像差变化而产生的像畸变。

　　⑤因采用物体扫描，光路稳定，充分发挥了光学系统的中心优势。

　　2 光强分布函数

　　为了分析方便起见，设激光束为单模，其径向振幅分布为高斯函数

　　从以上可以看出：共聚焦生物芯片扫描仪的点像能量分布既不是高斯函数，也不是爱里衍射图形，而是它们的卷积，将会使爱里衍射图形平滑，即使得中心亮斑之外的亮环亮度减弱甚至完全消除，这一作用将提高图像的对比度，从而提高了扫描仪的分辨力。

　　3 光学信息量

　　生物芯片的信息量虽然不随时间而改变，但我们为了提高它的平面成像分辨力，根据信息量不变理论，可以将平面信息转化为时间信息加以测量。也就是说采用高速扫描，把生物芯片的平面信息转化为时间信息表达出来，这就是共聚焦生物芯片扫描仪的一个重要的特点。虽然扫描仪每次只对生物芯片的某一点成像，但随着时间的推移，生物芯片上的一个一个点的像在时间轴上逐次展开，最终得到整个生物芯片的像。

　　3.1 信息量表达式

式中各量如图2 所示。xyL L是生物芯片的扫描面积， x y代表扫描仪的分辨像素尺度， LL/xyxy就代表该扫描仪对生物芯片在平面上抽样所得的平面自由度数。所以激光共聚焦扫描仪就是把生物芯片的平面自由度数sN 经扫描方式转变成时间自由数为tN 来度量。

　　3.2 牺牲时间

　　激光共聚焦扫描仪的重要特征之一是把被扫描的平面自由度数 LL/xyxy通过逐点激光扫描变换成时间自由度数 ttv/xyxy2 ，因此耗费必要的扫描时间是必然的

　　通过对扫描系统信息量的分析，扫描系统分辨力的提高，是以牺牲时间为代价的。为了减少扫描所耗时间，由(8)式可知，只有提高扫描速度 v。

　　结束语

　　通过对激光共聚焦生物芯片扫描仪的光强分布函数和光学信息量的分析，我们可以知道：共聚焦生物芯片扫描仪的点像能量分布既不是高斯函数，也不是爱里衍射图形，而是它们的卷积，将会使爱里衍射图形平滑，这一作用将提高图像的对比度，从而提高了扫描仪的分辨力。同样，根据信息量不变原理，为了提高扫描系统的分辨力，是以牺牲时间为代价的。随着人们对激光共聚焦生物芯片扫描仪技术的深入认识，随着微阵列透镜的不断发展，相信生物芯片扫描仪技术在其高速度、高分辨力、高集成化方向会有更大的发展。

　　参考文献：

　　[1] 马立人，蒋中华. 生物芯片[M]. 北京：化学工业出版社,2000.

　　[2] Minsky M. Microscopy Apparatus[P]. U.S. Patent No.3013467, 1961-12-19.

　　[3] Davidovits P, Egger M D. ScanNIng laser microscope for biological investigations[J]. Appl. Opt , 1971, 10(7): 1615-1619.

　　[4] Sheppard C J R, Choudhury A. Image formation in the scanning microscope[J]. Optia Acta, 1977, 24(10): 1051-1073.

　　[5] Wilson T, Sheppard C J R. Theory and Practice of Scanning Optical Microscopy[M], London: Academic Press, 1984. 1-9.

　　[6] 陶纯堪, 陶纯匡. 光学信息论[M]. 北京：科学出版社, 1999.

　　[7] Cox I J, Sheppard C J R. Information caPACity and resolution in an optical system[J]. Opt. Soc. Am A, 1986, 3(8): 1152-1157.

　　基金项目：中国科学院知识创新工程重大项目资助

　　作者简介：余国彬(1972—)，男(汉族)，四川威远人，硕士生，主要从事生物芯片仪器研制和微电子技术研究。E-mail: yu5100902@263.net

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