CC BY
55
УДК 681.17.18
В.П. Бессмельцев, Д.М. Афанасьев, Н.В. Голышевский, М.В. Максимов ИАиЭ СО РАН, Новосибирск
ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА СИНТЕЗАТОРА БИОЧИПОВ НА ОСНОВЕ ЦИФРОВОЙ МАТРИЦЫ МИКРОЗЕРКАЛ
В статье описана оптическая схема синтезатора биочипов на основе цифровой матрице микрозеркал и схемы Оффнера. Расчет оптической схемы Оффнера позволил определить форму фокальной поверхности, определить технические требования к точности позиционирования оптических элементов. Тестовые эксперименты показали удовлетворительную работоспособность оптической схемы для синтеза биочипов, содержащих 5 тыс. ячеек с размером каждой 70*70 мкм.
D. Afanasiev, V. Bessmeltsev, N. Goloshevsky, M. Maksimov
Institute of Automation and Electrometry of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (IA&E),
1 Koptyuga, Novosibirsk, 630090, Russian Federation
OPTICAL SCHEME OF BIOCHIP SYNTHESIZER BASED ON DIGITAL MICROMIRRORS DEVICE
The optical scheme of biochip synthesizer based on Digital Micromirrors Device and Offner relay is described in this paper. Calculation of the Offner relay allows determining the shape of the focal surface and the technical requirements for precision positioning of optical elements. Test experiments have shown satisfactory resolution of the optical scheme for the synthesis of biochips containing 5000 cells with the size of each 70 * 70 microns.
В современных биологических исследованиях для анализа биологических объектов широко используются так называемые биочипы - наборы тестовых олигонуклиотидных молекул на плоской платформе. Поскольку скорость и стоимость проведения биологического анализа напрямую зависят от общего количества молекул на платформе, их плотности на единицу площади и молекулярной длины, то возникает задача синтеза больших массивов подобных молекулярных структур. Известно большое количество зарубежных разработок, позволяющих осуществлять синтез с полем записи до нескольких десятков мкм, количеством ячеек до десятков тыс. и общей площадью бичипа до нескольких см [1]. Данные системы применяют, как правило, так называемый, контактный метод синтеза. Неконтактный метод синтеза - основанный на принципах фотолитографии, позволил уникальным исследовательским группам создавать
л
биочипы содержащие до 400 тыс. шт. ячеек на 1,6*1 см [2, 3]. В России подобные системы отсутствуют.
Предложено создать автоматизированную оптическую проекционную систему для синтеза биочипов с динамически формируемым световым полем. На первом этапе работы требуется освещать рабочее поле 7*13 мм с минимальной ячейкой 400*600 мкм, расстоянием между соседними ячейками 150 мкм и
л
плотностью облучения порядка 10 мВт/см на длине волны 365 нм. В
дальнейшем на подложке 10*14 мм должно располагаться до 10 тыс. отдельных ячеек, что соответствует размеру ячейки 70*70 мкм и расстоянием между ними 30 мкм.
Учитывая, что настройка оптической схемы в УФ диапазоне является трудоемкой и небезопасной задачей, нами выбиралась оптическая схема, которая позволяет настраивать систему в видимом диапазоне, а после этого легко переходить в УФ диапазон, не нарушая параметров настройки. Хорошо известно, что зеркальные системы реализуют такую возможность, так как полностью лишены хроматических аберраций.
Соответственно, была выбрана система, основанная на применении цифровой микрозеркальной матрицы фЖО) [4] и схемы Оффнера (Offner_Relay) [5]. Принцип действия проекционной схемы следующий: квазиколлинеарный пучок света падает на матрицу микрозеркал, которая выполняет роль маски. Лучи отраженные от матрицы микрозеркал пройдя через схему Оффнера формируют точное изображение маски, в плоскости которой располагается подложка с синтезируемым биочипом. Эффективность схемы Оффнера для проекционных и регистрационных систем объясняется отсутствием хроматических аберраций за счет применения зеркальной оптики, а также минимизацией аберраций типа кома благодаря взаимной симметричной согласованности элементов и их симметричности расположения [6-9].
Ключевым элементом проекционной системы является матрица микрозеркал, которые выполнены из алюминиевого сплава с высоким коэффициентом отражения. Под действием электрического поля каждое из зеркал может отклоняться в одно из двух положений, угол между которыми составляет 24°. В одном из положений зеркал отраженные лучи направляются в схему Оффнера.
Схема Оффнера состоит из двух зеркал (рис. 1). Большое зеркало является вогнутым, а малое - выпуклым. Радиус кривизны вогнутого зеркала ровно в 2 раза больше радиуса выпуклого. Оптические оси и центры радиусов кривизны зеркал совпадают. С целью однозначного переноса динамически формируемого светового поля в плоскости матрицы в плоскость подложки, подложка и маска располагаются симметрично относительно оптической оси зеркал, и на двойном фокусном расстоянии от вогнутого зеркала.
V, мм
Рис. 1. Схема Оффнера 2
Нами проведено расчетное моделирование схемы Оффнера для конкретной оптической конфигурации с помощью пакетов 7БМЛХ и МаШешайса 6.0. Все расчеты проводились в рамках геометрической оптики. С помощью пакета 7БМЛХ были выявлены качественные особенности аберраций схемы в трехмерном моделировании, а с помощью МаШешайса 6.0 были осуществлены детальные расчеты в меридиональной плоскости, проходящей через матрицу и подложку.
Исходные параметры оптической схемы74
- Радиус кривизны 149.5 мм и диаметр 20 мм выпуклого зеркала;
- Радиус кривизны 300.53 мм и диаметр 80 мм вогнутого зеркала;
- Размер микрозеркальной матрицы 10,5*14 мм, размер отдельного микрозеркала 13,6*13,6 мкм, зазор между соседними микрозеркалами 1 мкм.
В результате расчетов выявлены общие закономерности формирования изображения после прохождения схемы Оффнера, построена точная форма фокальной поверхности в меридиональной плоскости, выбрано оптимальное расположение экспонируемой подложки (рис. 2), построена зависимость размера каустики от поперечной координаты формируемого изображения (рис. 3). Также проведено детальное изучение влияния геометрических параметров расположения большого, малого сферических зеркал, подложки на форму и расположение фокальной поверхности, а также размер каустики.
Рис. 2. Кривая 1 - фокальная поверхность после прохождения схемы Оффнера, прямая 2 - оптимальное место расположения плоскости подложки.
МКМ
Вс,
-22.5 -30 -¡7.5 -£5 -££.5 -£0 -17.5
У, мм
Рис 3. Размер каустики в меридиональной плоскости в зависимости от поперечной координаты у формируемого изображения
В соответствии с осуществленными расчетами были сформулированы следующие требования на геометрическое позиционирование элементов схемы (табл. 2).
Таблица 2. Точность позиционирования элементов оптической схемы
В поперечном направлении, мм В продольном направлении, мм Угол наклона в меридиональной плоскости, град.
Вогнутое зеркало ±0,150 ±0,150 0,2
Выпуклое зеркало ±0,150 ±0,150 0,2
Подложка биочипа ±0,0005 ±0,050 0,3
Для проверки работоспособности предложенной проекционной системы была собрана экспериментальная установка, оптическая схема которой приведена на рис. 4.
// \ / 3
Рис. 4. Оптическая схема экспериментальной установки
На схеме: 1 - ртутная лампа, 2 - коллимирующая линза, 3 - фильтр, 4 -цифровая матрица микрозеркал, 5 - вогнутое зеркало, 6 - выпуклое зеркало, 7 -матрица фоторегистрации.
В процессе эксперимента, квазиколлинераный пучок света в видимом диапазоне освещал матрицу микрозеркал. На матрице микрозеркал формировалась последовательность масок, представляющих собой чередующиеся периодические полосы. Формируемое изображения после прохождения схемы Оффнера фиксировалось фотоаппаратом СANON 450 с матрицей регистрации без объектива.
На рис. 5 (а-в) приведены изображения зарегистрированные матрицей фотоаппарата без объектива в плоскости экспонирования подложки биочипа при формировании маски изображения на микрозеркальной матрице чередующихся полос: (а) - ширина полос 5 пикселей, (б) - ширина полос 2 пикселя, (в) - ширина полос 1 пиксель. На рис. 6 (г-е) приведены графики относительной освещенности: (г) - ширина полос 5 пикселей, контраст M =
4
0.899, (д) - ширина, полос 2 пикселя, контраст М = 0.424, (е) - ширина полос 1 пиксель, контраст М = 0.055.
а) б) в)
г) Д) е)
Рис. 5. Изображения и графики относительной освещенности
Заключение. В рамках геометрической оптики осуществлено численное моделирование оптической схемы Оффнера. Первоначальное моделирование позволило определить рабочие геометрические параметры схемы Оффнера. Был разработан программный код, который оказался эффективным инструментом по расчету кривой фокусируемого изображения в меридиональной плоскости после прохождения через схему Оффнера, а также расчету размера каустики отображаемых точек исходного изображения. Текущие свойства микрозеркальной матрицы позволяют создать проекционную систему с синтезируемой плотностью ДНК-структур до 500 тыс. шт./см . В соответствии с этой задачей, опираясь на результаты численного моделирования, были сформулированы конкретные технические требования на точность позиционирования отдельных элементов схемы Оффнера.
В процессе экспериментальной части была проверена работоспособность проекционной системы на основе микрозеркальной матрице и схемы Оффнера с помощью квазиколлинеарного источника освещения (ртутная лампа с коллимирующей линзой). Полученные результаты показали фактическую работоспособность проекционной системы с рабочим полем 10,5*14 мм и единичной ячейкой засветки 70*70 мкм, и расстоянием между ними 70 мкм (5 пикселей микрозеркальной матрице). Данные параметры позволяют синтезировать биочип с общим количеством ДНК- структур 5 тыс. шт., что на два порядка превышает требования первоначального этапа. Тестирование системы выявило недостаточную эффективность применяемой методики
настройки оптической схемы. Несмотря на это, эксперименты показали принципиальную работоспособность проекционной системы в пространственном разрешении до уровня 14-28 мкм, а значит и возможность создания синтезатора биочипа с максимально возможной плотностью ячеик до
Л
500 тыс. шт./см .
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Barbulovic-Nad, I., Lucente, M. Yu Sun, M., Zhang, M., Wheeler, A.R., Bussmann, M. Bio-Microarray Fabrication Techniques—A ReviewSingh-Gasson, //Critical Reviews in Biotechnology, - 2006. - 26 - P. 237-259.
2. S., Green, R. D., Yue, Y. J., Nelson, C., Blattner, F.,Sussman, M. R., and Cerrina, F.
Maskless fabrication of lightdirected oligonucleotide microarrays using a digital micromirror
array.//Nature Biotechnology. - 1999. - 17(10) - P. 974-978.
3. Pirrung, M. C. How to make a DNA chip.// Angewandte Chemie-International Edition. -2002. - 41(8) - P. 1277-1289.
4. Sampsell, J.B. Digital micromirror device and its application to projection displays.//J. Vac. Sci. Technol. - 1994. - B12 - P. 3242-3246.
5. Offner, A.//Optical Engineering, - 1975. - v.14 - №2, - P. 130-132.
6. Patent U.S. № 7,081,954 (July 25, 2006).
7. UK Patent Application GB 2332 553 (23.06.1999).
8. L. Mertz, “Excursions in Astronomical Optics”,1996, Springer.
9. Patent W0/2007/027325 OFFNER RELAY FOR PROJECTION SYSTEM (08.03.2007).
© В.П. Бессмельцев, Д.М. Афанасьев, Н.В. Голышевский, М.В. Максимов, 2010
7
