杨丕胤+甘振华+高跃明

摘要：鉴于传统生物芯片检测装置结构较复杂，共聚焦逐点扫描速度较慢，设计了一种使用激光光源、二维高速振镜和冷却型CCD相结合的新装置，并且建立相应的检测数学模型。新装置以STM32为控制核心，采用弓字型扫描方式采集载玻片上的荧光信号。实验对同一片载玻片上的Cy5荧光染料进行五个不同位置的扫描，并由冷却型CCD曝光采集图片。经实验得到了五个相应位置的灰度图像，通过公式推导建立了检测数学模型并用其进行图像灰度校正，校正后的图像灰度误差在2%以内，可以满足光强一致性的要求。

关键词： 生物芯片； 二维高速振镜； 冷却型CCD相机； STM32； 图像灰度校正

中图分类号： TH 776 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2017.02.013

文章编号： 1005-5630（2017）02-0070-07

引 言

生物芯片检测装置作为生物芯片上的微点阵信息的采集仪器，在许多方面得到广泛的应用，例如：DNA序列测序、基因表达检测和分子扩增等，它的发展会带动医学中病原体的研究、生物细胞发育调控、药物研发及遗传筛选和诊断等领域的发展[1-3]。目前主流的检测方式有两种：一种是采用光电倍增管的激光共聚焦的方式，另一种是高压氙气灯或汞灯结合CCD的成像方式。激光共聚焦方式是将激光聚焦到几微米并在芯片上来回扫描，激发单个像素区域，随后通过光电倍增管转换成数字信号；CCD成像方式则是，先将光源过滤成窄带波长范围，然后将光照射到芯片的大面积区域并使荧光标记物受激产生荧光，再经CCD相机曝光收集[4]。由于前者的检测结构复杂且检测速度相对较慢，后者的检测精度相对不高，因此本文提出一种新的装置，即采用二维高速振镜以控制激光光路，提高扫描速度，并使用冷却型CCD对信号进行采集，简化整個检测装置的结构。由于激光共焦光路是对单个像素进行垂直激发，因此它对每个像素的光照强度是一样的，不存在光强校正的问题，然而新设计的检测装置的激光光束是通过高速振镜倾斜投射于生物芯片表面，激发光强随着倾斜角度的变化而变化，无法保证芯片表面区域的激发光强均匀一致，为此需对冷却型CCD相机所获得的检测图片进行检测数学模型的修正，以解决激光斜照射而造成的光照不均匀的影响，实现对生物芯片的检测。

1 硬件结构

1.1 硬件整体结构

本文设计的生物芯片检测装置的结构简图如图1所示。

固定于光源支架上的红色激光光源经过光束准直扩束后发射出固定波长的平行光，平行光经过圆形小孔整形为小圆斑并将光斑水平照射进二维高速振镜系统，如图1（b）所示，二维高速振镜工作原理如图2所示。

振镜系统z轴方向安装的为X振镜，平行激光经过X振镜A镜面的旋转可以实现x方向的扫描；振镜系统x轴方向安装的为Y振镜，平行激光经过Y振镜B镜面的旋转可以实现y方向的扫描。二维振镜可以将水平投射到A镜面的平行光线反射到B镜面后再次反射出射，通过控制X振镜和Y振镜的旋转，可以实现平行激光光束对xOy平面的生物芯片表面的二维扫描，从而使芯片上的荧光染料被逐点激发，使得荧光染料受激发出特定波长范围的荧光信号[5]。生物芯片检测装置通过荧光发射滤光片和冷却型CCD相机对该荧光信号进行采集和成像。

1.2 二维高速振镜工作原理

振镜是类似检流计的一种比较小的磁电式的偏转器件。通过交变的电流产生变化的磁场，从而使得反射镜上的转子偏转，控制振镜的偏转角度就可以使得激光能够扫描[6]。

在振镜转子带动反射镜偏转的过程中，激光的偏转角度θx和θy与反射镜的偏转角度即转子的偏转角度αx和αy之间的关系为[7]θx=2αx和θy=2αy。

本文使用的DQ30二维高速振镜具有精度高、结构简单、安装便捷的优点，而且它还支持差分信号和单端信号的输入，拥有真实的每秒3万个脉冲的扫描速度。该振镜是通过电压来控制镜面偏转，它的位置输出比例系数k为0.5 V/（°），即每输入0.5 V的电压振镜就偏转1°，该高速振镜的模拟位置输入范围为：±5 V。

2 激光扫描控制

二维高速振镜是通过直流电压来控制它的偏转角度，因此在振镜的控制方面选用意法半导体公司基于CoreTexM3内核的微控制器STM32F103ZE。该处理器不仅体积小、功耗低而且性能高，具有丰富的片内资源[8]。

2.1 STM32硬件电路设计

STM32F103ZE处理器具有两个独立的DAC转换器，刚好和二维高速振镜的X振镜与Y振镜相匹配。数字输入经过DAC模块后被线性地转换为模拟电压的输出，通过合理地选用参考电压值可以输出预期的模拟电压值。但是，STM32的DAC模块只能够输出正向电压从0 V到参考电压VREF+，而二维高速振镜的正常工作电压为-5～+5 V，因此以3.3 V为VREF+，设计一个放大减法的驱动电路使得STM32的DAC模块可以间接控制二维振镜所需要的-5～+5 V的模拟电压，其硬件电路原理图如图3所示。

放大减法驱动电路采用两片OP07驱动芯片，其中一片实现对STM32数字/模拟转换输出的放大功能，另外一片则实现减法功能使得电路的输出具有负值电压[9]。

2.2 二维高速振镜控制设计

采用弓字形的扫描方式对荧光微点阵36 mm×36 mm的矩形区域进行扫描，即在y方向进行连续扫描，y方向每扫描一行后，对x轴方向进行一个步进，实现逐行的二维扫描。由于在对xOy平面二维扫描的全过程中，冷却型相机的快门一直完全打开，不断地曝光收集每个像素位置的荧光信号，为提高扫描速度，在y方向扫描的回程过程中，同时也进行了另一行y方向的扫描，整个扫描轨迹类似弓字形。同时，因冷却型CCD相机快门打开，采用弓字形逐行扫描时也不需要在y方向的回程过程中对激发光源进行截止，从而降低了扫描装置的复杂性。