一种基于CCD图像传感器的微梁阵列生化传感装置及方法

技术领域

本发明涉及生化传感技术领域，尤其涉及一种基于CCD图像传感器的微梁阵列生化传感装置及方法。

背景技术

基于表面应力检测的微悬臂梁生化传感技术是一种新兴传感技术，其原理是：把探针(抗原或抗体)分子用直接或间接的方式固定到微悬臂梁的一侧(镀金层或非镀金层)，当被检测样品液中的靶分子与微悬臂梁表面上修饰的探针分子发生特异性结合反应时，会使微悬臂梁表面应力发生改变，从而导致微悬臂梁弯曲变形，通过光学或电学方法检测这种变形的过程，即可得生化反应的实时信息。

例如：申请号：CN201610027753.0的中国发明专利公开了一种基于光纤阵列的微悬臂梁阵列生化传感装置及方法，其中微梁阵列传感平台基于八个半导体激光器激光，经多束单模光纤照射微梁阵列中的各悬臂梁，通过时序控制使各激光器依次点亮；反射光光斑经光杠杆光路照射至位置敏感探测器(PSD，Pos it i on Sens it i ve Detector)靶面，PSD接收的信号经过传输处理成为八个悬臂梁的偏转信号，该信号最终被存储和实时显示。

然而，以上方法存在如下问题：

在PSD上不同微梁的反射光斑会发生重叠，这对检测信号会造成误差，需要采用时序点亮方式来对微梁阵列变形进行检测，但是时序控制激光点亮的方式又会使得激光功率不稳，会导致仪器存在检测误差。

发明内容

本发明提供了一种基于CCD图像传感器的微梁阵列生化传感装置及方法，以解决现有微梁阵列传感方法时序控制激光点亮方式使得激光功率不稳，导致仪器存在检测误差的技术问题。

为解决上述问题，本发明的第一目的在于提供一种基于CCD图像传感器的微梁阵列生化传感装置，包括：半导体激光器、多模光纤、V型槽、透镜组、微悬臂梁阵列、三维精度位移台、CCD图像传感器和数字图像处理设备；其中：

多个所述多模光纤与多个所述半导体激光器一一对应耦合连接；

所述V型槽对齐并固定各所述多模光纤的末端，并对准所述透镜组，使所述多模光纤末端发出的激光刚好汇聚至所述微悬臂梁阵列的各悬臂梁尖端；

所述CCD图像传感器设在所述微悬臂梁阵列的反射光的光路上，且所述CCD图像传感器的信号输出端连接所述数字图像处理设备的信号输入端。

优选的，还包括信号发生器，所述信号发生器用于控制所述半导体激光器的输入电压，使所述半导体激光器周期亮灭。

优选的，还包括温控装置，所述温控装置包括：

第一温控片，与所述半导体激光器连接，所述第一温控片用于稳定所述半导体激光器的输出；

第二温控片，与所述微悬臂梁阵列连接，用于调节所述微悬臂梁阵列的温度，从而适应所述微悬臂梁阵列检测生物分子与靶分子的反应温度。

优选的，还包括显微镜观察装置，安装在所述微悬臂梁阵列的激光入射口一侧，所述显微镜观察装置用于观测所述微悬臂梁阵列的各悬臂梁上光束照射位置。

优选的，所述V型槽由硅刻蚀制作完成，所述V型槽的槽尺寸适于固定所述多模光纤的纤芯，且所述V型槽的槽中心间距与所述微梁阵列的各悬臂梁中心间距一致。

优选的，还包括隔振装置，所述隔振装置安装在所述透镜组与所述微悬臂梁阵列之间的光路上。

优选的，还包括计算机，所述计算机的信号输入端与所述数字图像处理设备的信号输出端连接。

本发明的第二目的在于提供一种基于CCD图像传感器的微梁阵列生化传感方法，采用如上述所述的基于CCD图像传感器的微梁阵列生化传感装置，包括步骤：

步骤S

步骤S

步骤S

步骤S

步骤S

优选的，在步骤S

步骤S

步骤S

步骤S

步骤S

步骤S

优选的，在步骤S

其中：式中：I

本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：

本发明中的微梁阵列生化传感装置主要由半导体激光器、多模光纤、V型槽、透镜组、微悬臂梁阵列、三维精度位移台、CCD图像传感器和数字图像处理设备组成，利用多模光纤将半导体激光器发出的激光引出，同时将多模光纤的纤芯固定在刻蚀的V型槽中进行定位；半导体激光器发射的激光从不同角度同时照射至微悬臂梁阵列中各个悬臂梁的尖端，从而使反射光斑不重叠的投射到CCD图像传感器(电荷耦合元件)靶面的不同位置，CCD图像传感器接收的光斑信号经数字图像相关处理，转化为悬臂梁的位移信号，该信号最终被存储和实时显示。其中利用密排的与半导体激光器耦合的多模光纤作为光源，实现了多光束对微悬臂梁阵列的周期扫描探测，扫描过程中无任何机械移动，可以实现对微悬臂梁阵列上生化反应信息的高灵敏度、快速、实时、并行检测；CCD图像传感器用于记录微悬臂梁阵列变形前后的图像，通过计算得到悬臂梁变形量，实现对悬臂梁的变形检测。因此本实施例CCD图像传感器设在微悬臂梁阵列的反射光的光路上，且CCD图像传感器的信号输出端连接数字图像处理设备的信号输入端，利用数字图像处理设备将激光光点位移变化信号转换为对应悬臂梁的弯曲位移信号，从而实现实时监测各悬臂梁上的生化反应过程信息，这样微梁阵列变形检测仪器实时反应各悬臂梁发生的变形，可以建立变形与靶标物质的浓度关系。

附图说明

图1为本发明实施例中基于CCD图像传感器的微梁阵列生化传感装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中半导体激光器、微悬臂梁阵列和CCD图像传感器之间的检测光路示意图；

图3为本发明实施例中基于CCD的微悬臂梁阵列检测光路示意图；

图4为本发明实施例中基于CCD的微悬臂梁阵列检测原理示意图；

图5为本发明实施例中基于CCD图像传感器的微梁阵列生化传感方法示意图；

图6为本发明实施例中步骤S

附图标记说明：

1-半导体激光器；2-多模光纤；3-V型槽；4-透镜组；5-微悬臂梁阵列；6-三维精度位移台；7-CCD图像传感器；8-数字图像处理设备；9-显微镜观察装置；10-计算机；11-温控装置；12-隔振装置。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

另在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

如图1-4所示，本发明的实施例提供一种基于CCD图像传感器的微梁阵列生化传感装置，所述微梁阵列生化传感装置包括半导体激光器1、多模光纤2、V型槽3、透镜组4、微悬臂梁阵列5、三维精度位移台6、CCD图像传感器7和数字图像处理设备8，其中：

多模光纤2与半导体激光器1一一对应耦合连接，多模光纤2与半导体激光器1的数量相同且数量大于2；

V型槽3对齐并固定各多模光纤2的末端，并对准透镜组4，使多模光纤2末端发出的激光刚好汇聚至微悬臂梁阵列5的各悬臂梁尖端；

CCD图像传感器7设在微悬臂梁阵列5的反射光的光路上，且CCD图像传感器7的信号输出端连接数字图像处理设备8的信号输入端。

具体地，请参阅图1、2、3所示，在本发明的实施例当中，利用多模光纤2将半导体激光器1发出的激光引出，同时将多模光纤2的纤芯固定在刻蚀的V型槽3中进行定位；8个半导体激光器1发射的激光从不同角度同时照射至微悬臂梁阵列5中各个悬臂梁的尖端，从而使反射光斑不重叠的投射到CCD图像传感器7(电荷耦合元件)靶面的不同位置，CCD图像传感器7(电荷耦合元件)接收的光斑信号经数字图像相关(DI C)处理，高精度(十分之一像素精度，亚微米量级)和快速度(毫秒级)转化为八根悬臂梁的位移信号，该信号最终被存储和实时显示。

本发明实施例中基于CCD图像传感器的微梁阵列生化传感装置的核心部件包括：半导体激光器1、多模光纤2、刻蚀的V型槽3、CCD图像传感器7、显微镜观察装置9、三维精度位移台6、温控装置11、隔振装置12和计算机10。

多模光纤2作为光波的传输介质，其特性对光信号的传输有非常重要的影响。多模光纤2的芯径粗，数值孔径大，不仅能够从光源耦合更多的光功率，而且与其配套的元件较便宜，操作简单方便。

目前，多模光纤2以其低廉的系统成本优势，不仅广泛应用于常规通信领域，同时还用于分布式传感器、等离子体诊断以及仪表系统等高科技领域。在这些应用中，多模光纤2用于承接半导体激光器1发射过来的激光，作为本发明实施例的优选方式，半导体激光器1设置有八个，八个半导体激光器1的激光从不同角度同时照射至微悬臂梁阵列5中的各个悬臂梁的尖端，因此为能够承接八个半导体激光器1发射的激光，需考虑将多模光纤2与半导体激光器1一一对应耦合连接；多模光纤2在使用过程中需要固定，本实施例采用成熟的便于批量制作的V型槽3的定位安装技术，使得器件制作成本低廉，并且V型槽3对齐并固定在各多模光纤2的末端，并对准透镜组4，通过调整透镜组4，使多模光纤2末端发出的激光刚好汇聚至微悬臂梁阵列5的各悬臂梁尖端。

CCD图像传感器7用于记录微悬臂梁阵列5变形前后的图像，通过计算得到悬臂梁变形量，实现对悬臂梁的变形检测。因此本实施例CCD图像传感器7设在微悬臂梁阵列5的反射光的光路上，且CCD图像传感器7的信号输出端连接数字图像处理设备8的信号输入端，利用数字图像处理设备8将激光光点位移变化信号转换为对应悬臂梁的弯曲位移信号，从而实现实时监测各悬臂梁上的生化反应过程信息，这样微悬臂梁阵列5变形检测仪器实时反应悬臂梁发生的变形，可以建立变形与靶标物质的浓度关系。

需要在此作特别说明的是，传统技术当中，位置灵敏探测器(PSD)所接收的信号只有在集中的PSD靶面中间位置才能收集到准确的信号，并且PSD价格昂贵，若想合理使用PSD，需要依赖时序控制八个激光依次点亮的方式，否则在PSD靶面中央区域形成的光斑会发生重叠，检测信号有误差。

相对于现有微梁阵列传感平台存在探测器PSD上不同微梁反射光斑重叠的问题，由于光斑难以区分，需要采用时序点亮方式来对微梁阵列变形进行检测，本生化传感装置通过采用CCD替代PSD，并利用数字图像相关技术，成功解决了光斑重叠问题，无需控制阵列激光器组的时序点亮，实现了对不同微梁反射光斑在CCD图像传感器上实时位置信息的精确获取，同时扩大了动态线性检测范围。

另外，PSD价格更贵，检测灵敏度优势也不明显。本发明实施例中通过使用CCD可以把激光光斑分离，不仅降低了成本，减小了因为功率变化等引起的误差，还能实现同时并行检测。

进一步的，微梁阵列生化传感装置还包括信号发生器，信号发生器用于控制半导体激光器1的输入电压，使半导体激光器1周期亮灭。

具体到本发明的实施例当中，通过信号发生器控制半导体激光器1的周期亮灭，从而使激光能够周期扫描微悬臂梁阵列5的各悬臂梁，同时利用显微镜观测调节激光光点在悬臂梁上的位置。

进一步的，本发明实施例中微梁阵列生化传感装置还包括温控装置11，温控装置11包括第一温控片和第二温控片，其中：

第一温控片与半导体激光器1连接，第一温控片用于稳定半导体激光器1的输出；第二温控片与微悬臂梁阵列5连接，用于调节微悬臂梁阵列5的温度，从而适应微悬臂梁阵列5检测生物分子与靶分子的反应温度。

进一步的，本发明实施例中微梁阵列生化传感装置还包括显微镜观察装置9，显微镜观察装置9安装在微悬臂梁阵列5的激光入射口一侧，显微镜观察装置9用于观测微悬臂梁阵列5的各悬臂梁上光束照射位置。

进一步的，V型槽3由硅刻蚀制作完成，V型槽3的槽尺寸适于固定多模光纤2的纤芯，且V型槽3的槽中心间距与微悬臂梁阵列5的各悬臂梁中心间距一致。

具体到本发明的实施例当中，V型槽3一般由光纤上固定块和光纤下固定基板组成，其中选择较小尺寸的作为光纤上固定块，选择较大尺寸的作为光纤下固定基板，在光纤下固定基板的V型槽3中放置一根多模光纤2的裸光纤，后将光纤上固定块放在其上压紧，在光纤上固定块和光纤下固定基板接缝处点胶预固定，再移走裸光纤，完成V型槽3定位结构的制作。

进一步的，本发明实施例中微梁阵列生化传感装置还包括隔振装置12，隔振装置12安装在透镜组4与微悬臂梁阵列5之间的光路上。考虑到光学平台的隔振效果将直接影响到反射镜以及后续激光的稳定性。在光学平台附近存在安装隔振装置12时，隔振装置12可以将激光的抖动幅度控制在20μrad(约4″)以下，从而有利于激光打靶的效果。

进一步的，本发明实施例中微梁阵列生化传感装置还包括计算机10，计算机10的信号输入端与数字图像处理设备8的信号输出端连接。这样可以将经过数字图像处理设备8处理后的信号在计算机10实时记录保存。

请参阅图5所示，本发明的又一实施例提供了一种基于CCD图像传感器的微梁阵列生化传感方法，采用上述基于CCD图像传感器的微梁阵列生化传感装置，所述生化传感方法具体包括如下步骤：

步骤S

步骤S

步骤S

由于多个半导体激光器1之间可控调节成一定角度，让反射光斑可以分开，所以省去时序控制调节，进而才能使用CCD代替PSD，因为PSD只对PSD靶面中心的检测准确，所以一次只能检测一个光斑。

需要注意的是，CCD图像传感器7中设置有CCD相机，图像采集过程中，关于CCD相机的架设，三维数字图像相关法的图像采集系统使用CCD相机对悬臂梁聚焦成像，获取变形前后悬臂梁表面的数字图像；在实际操作中，必须保证被测区域在变形运动过程中始终处于CCD相机的视场及景深范围之内。

其次，关于相机的标定：三维数字图像相关法的标定过程如下:首先使用CCD相机拍摄标定模板，对不同姿态的标定模板成像，然后进行单相机标定。

在本步骤当中，可通过调整激光入射角度，使得激光打出的光斑不重叠，例如将八个半导体激光器1各自相差1-4度角射向透镜后照射至八根悬臂梁，经悬臂梁反射至CCD靶面观察到激光可区分。为了满足反射激光不重叠的效果，不仅可以使得入射激光角度不同，还可以设置一些设备(例如旋转的透镜)等保持八根入射激光同时存在偏差，反射激光亦能得到区分。

步骤S

步骤S

在本步骤当中，可以通过D I C算法对检测结果进行优化，采用量子效率更高、噪声更低的CCD相机进行信号接收，对提升检测的灵敏度有很大的帮助。

除此之外，DI C算法，例如多次计算光斑位置取平均值提高检测精度等，可以进一步对仪器灵敏度进行提高。

请参阅图6所示，在步骤S

步骤S

步骤S

步骤S

步骤S

步骤S

本步骤当中，首先要对悬臂梁的形变图片进行像素处理，然后采用基于空域迭代的像素匹配算法提高测量精度，最后进行图像去噪，图像去噪采用小波变换，主要过程是：

第一，通过检测图像小波模极大值点的奇异性来重建图像；

第二，通过对用小波变换系数的处理，在使用被处理后的系数重新构建图像；

第三，使用多尺度小波系数之间的相关性对小波系数进行处理后在进行重建滤波。

更具体地，在步骤S

匹配的基本过程如下：

首先，在悬臂梁的参考图像上，通过人工指定的方式确定待测区域；

然后，在待测区域内均匀划分网格，网格点即为待测点；

最后，使用相关系数图像匹配方法，计算得到所有待测点的在目标中的对应位置，完成图像匹配任务。

其中，相关系数C的计算表达式为：

其中：式中：I

匹配完毕后，将变形后散斑图像中光点的像的平面坐标进行计算，得出变形后光点的三维坐标；变形前的三维坐标与变形后的三维坐标之间的差值，即为悬臂梁的三维位移值，由此实现对微悬臂梁阵列5的变形检测，进而实现微悬臂梁阵列5上生化反应信息的高灵敏度、快速、并行检测。

虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。