关键词: 激光共聚焦 生物芯片扫描仪 扫描台 细分辩向
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一、概述
生物芯片技术是20世纪末发展起来的新技术,目前这一技术已经展示出它的广阔应用前景。生物芯片是可以在小小的面积上,利用微加工技术,并结合有关的化学合成技术制造而成的具有一定分子生物学检验功能的微型器件,能够带来无数生物信息。这一技术不但可以用于分子生物学的基础性研究工作,而且还可以进一步地应用于临床检验和环境监测等诸多个领域,这有可能在破译深藏在生物体中巨大遗传语言的生物学意义方面起到重要作用。
生物芯片所含有的信息必须通过扫读装置来获取。由于激光共聚焦扫描仪具有高分辨率,所以利用它可以将芯片测定结果转变成为可以供分析处理的图像数据。同芯片的制作、芯片的杂交一样,芯片信息的扫读也影响到芯片分析结果的质量。然而需要正确地扫读芯片信息,必须合理地控制承载芯片的工件台的移动。本文将要论述激光共聚焦生物芯片扫描仪工件台控制系统位置反馈信号的变换和处理。
二、工件台运动概述
扫描动作由电机驱动芯片工件台作X-Y二维移动来实现。为了精确而且可在任意位置扫读芯片信息,工件台的运动必须受到主控制器的控制。控制系统是由控制器、电机、位移传感器及位移检测电路形成的闭环控制系统。在扫描过程中,工件台的位置由光栅位移传感器实时测量,当X方向的扫描范围是22mm,扫描速度是每秒10线,采样分辨率是5μm时,则一次采样后信号变换及处理的时间不大于22.7μs。由于光栅位置传感器获得的位移信号是模拟信号,故需要对它进行变换处理,而且必须实时,方能为系统数据采集及传输赢得时间,从而保证生物芯片信息的可靠采集。Y方向位移由2048线,测量分辨率是0.24μm的编码器测量。
三、模拟信号描述
扫描仪利用长光栅传感器测量位移,根据莫尔条纹测距原理,光栅每移过一个光栅栅距(标尺节距),莫尔条纹移过一个条纹节距,传感器输出一个周期的交变信号,通过电路整形处理,变成一个脉冲输出,用计数器计下脉冲个数即可计算出位移量。位移信号每变化一个周期计一个数时,其分辨率为一个标尺节距(光栅栅距)。为了提高测量分辨率和保证信号传输处理的实时性,需采用了硬件细分技术。又由于芯片工件台在扫描过程中作往返运动,为了计数正确需对信号进行辩向可逆计数。以下分析说明高速扫描控制中,X方向采用50线/mm光栅位移传感器,且测距分辨率为2.5μm时,对输出信号进行的变换和处理。信号变换与处理的原理图如图1所示。
四、信号的变换和处理
4.1 信号的放大和电阻链细分
为了使光栅传感器输出信号有足够的幅值,先对其进行3~5倍的放大。从光栅传感器接收到两个相位相差90°的正弦信号,设其为U01=Asinθ,U02=Acosθ。将这两个信号送入同向放大器进行放大,同时将U1送入反向放大器进行放大。这样放大器的输出端得到了三路被放大了并且相位相差90°的正弦信号U11、U12、U13,将这三路信号送入精密电阻链细分电路的输入端,经过精密电阻链的移相作用,输出端得到相位相差45°的正弦信号。如图2所示。
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