生物芯片阅读仪及生物芯片检测方法与流程

1.本技术涉及生命科学技术领域，特别是涉及一种生物芯片阅读仪及生物芯片检测方法。


背景技术：

2.生物芯片技术是通过缩微技术，根据分子间特异性地相互作用的原理，将生命科学领域中不连续的分析过程集成于硅芯片或玻璃芯片表面的微型生物化学分析系统，以实现对细胞、蛋白质、基因及其它生物成分的准确、快速、大信息量的检测。
3.现有技术中，生物芯片阅读仪通过摄像机获取生物芯片的图像，并对图像进行分析以获得生物芯片上的样本信息。
4.然而，在实际操作中，生物芯片存在拍摄图像噪声过大导致无法识别样本信息、分析样本信息的问题。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对拍摄图像噪声信息过大导致无法识别样本信息、分析样本信息的问题，提供一种新型的生物芯片阅读仪。生物芯片阅读仪包括芯片承载装置及图像采集装置。所述芯片承载装置具有检测腔，所述检测腔内设置有生物芯片的安装区及观察区，所述观察区设置于所述检测腔内相对所述安装区的另一侧，所述观察区为所述检测腔唯一透光区域。所述图像采集装置包括摄像机及遮光连接件，所述摄像机设置于所述观察区相对远离所述安装区的一侧。所述遮光连接件设置于所述观察区及所述摄像机之间，所述遮光连接件被构造为能够阻挡所述检测腔之外的干扰光向所述摄像机传播。
6.通过采用上述技术方案，遮光连接件连接于检测腔的观察区与摄像机之间，防止外界光线从检测腔的观察区与摄像机之间的位置进入摄像机中，干扰生物芯片中的样本发出的微弱光信号，缓解干扰光信号太强导致摄像机获取的图像中噪声信号过大，无法识别和分析样本信息的问题。
7.在其中一个实施例中，所述图像采集装置还包括调节机构，所述调节机构传动连接于所述摄像机，所述调节机构被构造为能够在第一方向、第二方向以及第三方向上驱动所述摄像机移动。
8.通过采用上述技术方案，摄像机能够在水平方向和竖直方向上进行移动，在水平方向上的微调能够使得摄像机获取的生物芯片图像更加容易被分析系统识别，在竖直方向上的微调能够调节摄像机焦距，使获取的生物芯片图像更加清晰，提高样本信息分析的准确度。
9.在其中一个实施例中，所述遮光连接件为弹性材料制成，所述遮光连接件被构造为能够适应所述摄像机的不同位置。
10.通过采用上述技术方案，当摄像机在水平方向或者竖直方向移动时，弹性的遮光连接件能够跟随摄像机的移动而产生相应的形变，保证无论摄像机处于不同位置时，遮光
连接件仍然能够阻挡外界的干扰光进入摄像机，避免干扰光信号影响摄像机获取的图像质量。
11.在其中一个实施例中，所述遮光连接件为管状结构，所述遮光连接件的两端分别连接且完全遮盖所述摄像机及所述观察区。
12.通过采用上述技术方案，管状的遮光连接件两端分别完全遮盖摄像机及观察区，防止外界的干扰光线从遮光连接件两端的缝隙处进入摄像机中形成干扰光信号。
13.在其中一个实施例中，所述检测腔上设置有开口，所述开口界定形成所述观察区，所述摄像机在所述观察区上的正投影位于所述观察区内。
14.通过采用上述技术方案，开口内形成的观察区的大小和位置能够保证摄像机无论在水平方向上如何微调移动，摄像机均能够通过观察区完整地拍摄并获取生物芯片图像。
15.在其中一个实施例中，所述检测腔内设置有安装槽，所述安装槽的尺寸及形状被构造为与所述生物芯片相适应。
16.通过采用上述技术方案，将生物芯片卡接安装于安装槽内，能够固定生物芯片的位置，提高摄像机获取的高质量图像的稳定性。
17.在其中一个实施例中，所述检测腔内设置有进样机构，所述进样机构包括滑动设置于所述检测腔底壁上的承载板以及设置于所述检测腔侧壁上的进样口，所述承载板被构造为能够从所述进样口伸出或收回于所述检测腔。
18.通过采用上述技术方案，生物芯片安装固定于承载板上，通过滑动设置的承载板从进样口中伸出或收回检测腔，能够便捷地安装或拆卸生物芯片，同时避免外界干扰光从进样口中进入检测腔形成干扰。
19.在其中一个实施例中，所述生物芯片阅读仪还包括控制装置，所述控制装置通讯连接于所述芯片承载装置及所述图像采集装置，所述控制装置被构造为能够控制所述芯片承载装置及所述图像采集装置工作。
20.通过采用上述技术方案，控制装置能够根据指令控制芯片承载装置及图像采集装置进行相应工作步骤，同时收集图像采集装置获取的样本信息并反馈输出至外界的终端进行分析。
21.在其中一个实施例中，所述生物芯片阅读仪还包括底板及设置于所述底板上的外壳，所述底板及所述外壳形成容置腔，所述芯片承载装置及所述图像采集装置设置于所述容置腔内。
22.通过采用上述技术方案，底板用于提供容置腔内部的装置的安装基础，外壳用于保护容置腔内部的装置免于外界的机械损伤，同时外壳能进一步隔绝外界干扰光进入摄像机中形成干扰光信号。
23.本技术还提供一种生物芯片检测方法，包括步骤：校准设备、采集数据以及处理数据。校准设备步骤为装载生物芯片并调节图像采集装置，采集数据步骤为拍摄生物芯片的光学图像并将图像从光学信息转换为数字信息，处理数据步骤为识别生物芯片图像的样本点位并检测样本点位信号强度。
24.通过采用上述技术方案，能够获取生物芯片的图像并对图像进行分析以获得生物芯片上的样本点位信息。
25.综上所述，本技术至少包括以下一种有益技术效果：
1. 遮光连接件连接于检测腔的观察区与摄像机之间，防止外界光线从检测腔的观察区与摄像机之间的位置进入摄像机中，干扰生物芯片中的样本发出的微弱光信号，缓解干扰光信号太强导致摄像机获取的图像中噪声信号过大，无法识别和分析样本信息的问题。
26.2. 摄像机能够在水平方向和竖直方向上进行移动，在水平方向上的微调能够使得摄像机获取的生物芯片图像更加容易被分析系统识别，在竖直方向上的微调能够调节摄像机焦距，使获取的生物芯片图像更加清晰，提高样本信息分析的准确度。
27.3. 当摄像机在水平方向或者竖直方向移动时，弹性的遮光连接件能够跟随摄像机的移动而产生相应的形变，保证无论摄像机处于不同位置时，遮光连接件仍然能够阻挡外界的干扰光进入摄像机，避免干扰光信号影响摄像机获取的图像质量。
附图说明
28.图1为本技术一实施例中生物芯片阅读仪的第一视角的结构示意图；图2为本技术一实施例中芯片承载装置的第一视角的结构示意图；图3为本技术一实施例中调节机构的第一视角的结构示意图；图4为本技术一实施例中遮光连接件的第一视角的装配示意图；图5为本技术一实施例中生物芯片阅读仪的第一视角的外观示意图。
29.附图标记说明：10、生物芯片阅读仪；100、芯片承载装置；110、检测腔；111、安装区；112、观察区；113、安装槽；114、开口；115、进样口；200、图像采集装置；210、摄像机；220、遮光连接件；230、调节机构；231、第一方向驱动组件；232、第二方向驱动组件；233、第三方向驱动组件；2311、第一主传动件；2312、第二从传动件；120、进样机构；121、承载板；122、进样驱动件；300、控制装置；400、电源；500、底板；600、外壳；20、生物芯片。
具体实施方式
30.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本技术的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本技术。但是本技术能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本技术内涵的情况下做类似改进，因此本技术不受下面公开的具体实施例的限制。
31.生物芯片的检测方式通常包括荧光分析及化学发光分析。前者需要依靠外界的光源激发样本物质分子或原子，使其产生能级跃迁发生特定波长光线，从而测定样本物质的种类及浓度。而化学发光分析相较于前者不使用外界光源，而是依靠与底物发光试剂相结合发生化学反应产生光信号，具有灵敏度高、线形动力学范围宽、光信号持续时间长、结果稳定、分析过程快速等优势。相对的，如果需要对样本组分进行定量分析，则需要更低的背景底噪，对于摄像机和检测腔的干扰光要求更高。
32.请参阅图1，图1示出了本技术一实施例中的生物芯片阅读仪10的第一视角的结构示意图。生物芯片阅读仪10包括芯片承载装置100及图像采集装置200。芯片承载装置100用于装载生物芯片20，图像采集装置200包括摄像机210及遮光连接件220，摄像机210用于获取生物芯片20的图像并传递至外界终端进行检测分析，遮光连接件220设置于芯片承载装
置100及图像采集装置200之间用于遮挡外界的干扰光线进入摄像机210中，避免形成干扰光信号，从而获取低底噪的生物芯片20图像。
33.请参阅图2，图2示出了本技术一实施例中的芯片承载装置100的第一视角的结构示意图。芯片承载装置100具有检测腔110，检测腔110内设置有生物芯片20的安装区111及观察区112。具体地，生物芯片20安装于检测腔110内的安装区111上，检测腔110的内壁除了开设有透光的观察区112之外，其余部分均为不透光结构，以防止外界的光线进入检测腔110中，干扰摄像机210接收生物芯片20上的样本发出的化学光信号。
34.具体到本实施例中，检测腔110为长方体结构，安装区111设置于检测腔110的底壁上，观察区112设置于检测腔110的顶壁上正对于安装区111的位置，以方便从观察区112获取生物芯片20的图像。
35.在其他一些实施例中，检测腔110中还设置有安装槽113，安装槽113用于安装生物芯片20。具体地，安装槽113的尺寸及形状与生物芯片20的轮廓相一致，使得生物芯片20能够卡接于安装槽113内，固定生物芯片20以保持生物芯片20在检测分析过程中不会晃动，防止因为图像模糊而导致无法识别图像。
36.芯片承载装置100还包括进样机构120，进样机构120设置于检测腔110中，用于将生物芯片20安装于检测腔110中或者将生物芯片20从检测腔110中拆卸。具体地，进样机构120包括承载板121和进样驱动件122，安装区111设置于承载板121，承载板121用于安装生物芯片20。进样驱动件122传动连接于承载板121，以驱动承载板121伸出检测腔110外或者从外侧收回于检测腔110内，从而实现生物芯片20的安装或拆卸功能。
37.具体到实施例中，检测腔110的底壁上设置有导轨（图未标），承载板121通过导轨滑动设置于检测腔110的底壁上，进样驱动件122为设置于导轨一端的电动马达，电动马东驱动承载板121在导轨上沿进出检测腔110的方向移动。
38.检测腔110的侧壁上开设有进样口115，进样口115上设置有进样舱门，承载板121远离进样驱动件122的另一端固定连接进样口115上的舱门。舱门能够随承载板121一起运动，当进行装载生物芯片20时，舱门和承载板121推出检测腔110；当生物芯片20装载完毕进行分析检测时，承载板121收回于检测腔110内，舱门归位于检测腔110侧壁上，阻止外界干扰光线进入检测腔110内。
39.检测腔110上相对于安装区111的另一侧上设置有开口114，开口114用于界定形成观察区112。具体地，观察区112的范围大于或等于摄像机210的移动范围，以使得摄像机210在调整位置后仍然能够从观察区112中获取完成的生物芯片20的图像。
40.在其他一些实施例中，开口114上设置有透明材料，以在保持观察区112透光的同时，使得检测腔110与外界隔离，防止灰尘进入检测腔110中污染生物芯片20。其中，透明材料优选为玻璃材料，以降低材料成本。
41.摄像机210设置于观察区112背离检测腔110的一侧，摄像机210通过观察区112拍摄检测腔110内生物芯片20的光学图像并将光学信息转换为数字信息，以传递至外界终端进行分析处理。具体地，摄像机210为ccd（charge coupled device）图像传感器，能够将光学影像转化为数字信号。
42.需要说明的是，ccd图像传感器是现有技术中较为成熟的半导体器件，且并非本发明的重点，故其工作原理和结构在此不作详细介绍。
43.请参阅图3，图3示出了本技术一实施例中的调节机构230的第一视角的结构示意图。图像采集装置200还包括调节机构230，调节机构230传动连接于摄像机210，控制摄像机210的位置进行微调以提高摄像机210拍摄生物芯片20的图像质量，从而提高检测精确性。具体地，调节机构230包括第一方向驱动组件231、第二方向驱动组件232以及第三方向驱动组件233，分别用于驱动摄像机210沿第一方向、第二方向以及第三方向上移动。
44.需要说明的是，第一方向在本实施例中为竖直方向，第二方向及第三方向为水平面内相互垂直的两个方向。本领域技术人员能够根据实际需求调整第一方向、第二方向及第三方向的具体方向。
45.具体地，第一方向驱动组件231设置于检测腔110远离进样口115的外侧，第二驱动组件、第三驱动组件以及摄像机210依次传动连接，且使摄像机210设置于靠近检测腔110的观察区112的位置。第一方向驱动组件231驱动第二方向组件沿第一方向移动、第二方向驱动组件232驱动第三方向组件沿第二方向移动、第三方向驱动组件233驱动摄像机210沿第三方向移动，从而实现摄像机210沿在水平面内的微调，使得摄像机210获取的生物芯片20图像更加容易被分析系统识别，在竖直方向上微调摄像机210位置能够调节摄像机210焦距，使获取的生物芯片20图像更加清晰，提高样本信息分析的准确度。
46.具体到实施例中，第一方向驱动组件231包括第一主传动件2311及第一从传动件。其中，第一主传动件2311为导轨，第一从传动件为滑块，滑块的一端连接第二驱动组件。导轨滑块之间设置有旋钮，通过旋钮调节并固定滑块在导轨上的位置，从而实现驱动第二方向驱动组件232沿第一方向的运动。
47.在其他一些实施例中，第一方向驱动组件231还包括第一驱动件（图未示），第一驱动件为伺服电机，用于驱动滑块在导轨上移动。从而实现通过电信号自动控制第二方向驱动组件232沿第一方向的运动。
48.可以理解的，第二方向驱动组件232及第三方向驱动组件233具有与第一方向驱动组件231相同的结构及工作原理，故在此不作赘述。
49.请再次参阅图1及图2，观察区112背离检测腔110的另一侧设置有遮光连接件220，遮光连接件220相对观察区112的另一侧连接于摄像机210，以防止观察区112之外的干扰光线进入摄像机210中形成干扰噪音。
50.请参阅图4，图4示出了本技术一实施例中的遮光连接件220的第一视角的装配示意图。具体地，遮光连接件220为弹性材料制成，以适应驱动机构驱动摄像机210移动后的不同位置。当摄像机210在水平方向或者竖直方向移动时，弹性的遮光连接件220能够跟随摄像机210的移动而产生相应的形变，保证无论摄像机210处于不同位置时，遮光连接件220仍然能够阻挡外界的干扰光进入摄像机210，避免干扰光信号影响摄像机210获取的图像质量。
51.具体到实施例中，遮光连接件220为连接管，连接管的两端分别完全遮盖摄像机210及观察区112，以防止干扰光线从遮光连接件220与摄像机210或观察区112的连接缝隙处进入形成干扰光信号。
52.连接管的管壁上部分区域弯折重叠设置，以使得连接管在偏移时重叠设置的区域能够伸展，而不会过于拉伸连接管的管壁本身。同时，连接管的外壁上设置有加强筋，以提高连接管的硬度，防止连接管过度变形，从而避免破坏材料韧性，提高使用寿命。
53.请再次参阅图1，生物芯片阅读仪10还包括控制装置300，控制装置300用于接受控制指令并控制芯片承载装置100及图像采集装置200执行相应动作。具体地，控制装置300通讯连接于摄像机210、进样机构120以及调节机构230，以控制摄像机210进行拍摄生物芯片20图像、控制进样机构120伸出或收回与检测腔110以及控制调节机构230微调摄像机210的位置。
54.具体到实施例中，控制装置300为设置于检测腔110外的控制电路板，控制电路板通过信号线连接于摄像机210、进样机构120以及调节机构230。
55.可以理解的，控制装置300可以是将对应机构模块集成在一起的控制电路板，也可以是分别设置在对应机构上的控制电路模块。控制电路模块可以是通过导线的电信号传递控制指令，也可以通过电磁波或者红外线等无线信号传递控制指令。
56.生物芯片阅读仪10还包括电源400，电源400用于向控制装置300、摄像机210、进样机构120以及调节机构230提供动力。具体到实施例中，电源400独立设置于检测腔110外且具有静电屏蔽结构，以防止静电损毁其他电路结构。电源400上设置有电源400插口，用于连接外界的220v交变电路，电源400将交流电转换为直流电后给相应机构供电。
57.请参阅图5，图5示出了本技术一实施例中的生物芯片阅读仪的第一视角的外观示意图。生物芯片阅读仪10还包括底板500及外壳600，外壳600沿底板500轮廓设置，底板500及外壳600合围形成容置腔，用于保护容置腔内部的装置免于外界的机械损伤，同时外壳600能进一步隔绝外界干扰光进入摄像机210中形成干扰光信号。
58.本技术还提供一种生物芯片20检测方法，包括以下步骤：s100:校准设备，装载所述生物芯片20并调节图像采集装置200。具体地，包括以下步骤：s110:控制进样机构120将承载板121伸出检测腔110以安装生物芯片20，安装完毕后控制承载板121收回检测腔110，以使得生物芯片20处于能够被正对于观察区112，能够被摄像机210拍摄图像。
59.s120:根据摄像机210拍摄的生物芯片20图像，控制调节机构230移动以微调摄像机210的位置，使得拍摄的生物芯片20图像能够被系统识别并且具有合适的清晰度；s130:根据生物芯片20的类型以及其他环境因素的变换，选择ccd摄像机210合适的曝光时间和传感器温度。
60.s200:采集数据，拍摄生物芯片20的光学图像并将图像从光学信息转换为数字信息。具体地，生物芯片20与发光试剂底物结合后发生化学反应发出微弱的光，ccd摄像机210的感光元件接受光信号后将其转换为电信号，再由电信号经芯片处理后转换为数字信号传递至终端，即使生物芯片20上的样本的发光值转换为生物芯片20图像上的灰度值；s300:处理数据，识别生物芯片20图像上的样本点位并检测所述样本点位的信号强度。具体地，包括以下步骤：s310:设置生物芯片20图像上的各个点位所对应的测试项目信息。
61.s320:检测标准样品图像，建立样本灰度值与浓度之间的对应关系。
62.s330:处理待检测的生物芯片20图像，缩放生物芯片20图像使其具有合适的尺寸，并且设置灰度过滤值，将灰度值低于过滤值的图像区域设置为0，以将灰度值高于过滤值的图像区域识别为检测点位，提高识别的准确性。
63.s340:识别待检测的生物芯片20图像,设置样本点位网格，使得生物芯片20上的图像落入样本点位网格中，根据样本点位网格记录灰度值。
64.s350:根据样本点位的灰度值以及样本灰度值与浓度之间的对应关系确定待检测样本的浓度。
65.本技术提供的生物芯片阅读仪10的实施原理为：生物芯片20上的待检测样本与发光试剂底物结合后发生化学反应产生微弱的光信号，摄像机210将光信号转换为数字信号传递至终端进行处理。在此过程中，调节机构230用于调节摄像头位置以获得能够识别且具有高清晰度的生物芯片20图像，遮光连接件220适应于调节后的摄像头位置，配合检测腔110使得生物芯片20始终处于黑箱环境中，避免外界干扰光线进入摄像头中形成干扰信号，从而提高生物芯片20的识别检测准确性。
66.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
67.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
68.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
69.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
70.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
71.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
72.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来
说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。