CN101802224A - 光纤检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种经密封及净化的光纤检测设备，其包含具有个别室(31、32)的光学器件部分(10)。每一室装纳光学组件(3)及电光组件(1、2)。歧管(6)接纳光纤(21、22)，其中所述光纤中的每一者与对应室的所述光学组件及电光组件光学连通。所述设备还包含保持待测试样本的样本保持器及提供于所述样本保持器与所述歧管之间的安装装置。所述安装装置及所述歧管形成所述样本保持器与所述光学器件部分之间的经密封光纤接口。

Description

光纤检测系统

背景技术

对生物威胁的管理需要开发快速、敏感且可靠的检测技术。聚合酶链反应(PCR)已成为确定是否存在特定威胁的主要检测工具。PCR用于检测特定核酸链在样本中的存在。通过检测特定核酸链，可识别生物有机体。举例来说，针对天花所特有的DNA链检查样本允许用户确定天花是否存在于样本中。常常使用荧光探针来检测特定核酸链在样本中的存在。可通过测量来自样本的荧光确定目标核酸的存在及/或目标核酸的量。光学检测系统还与除PCR以外的技术一起使用以检测分析物在样本中的存在。

另外，也已知用于检测所关注生物分析物的存在的免疫学方法。

通常，此技术已在实验室环境中得以实施，需要远距离地收集样本且然后将所述样本发送到中央实验室以用于制备及分析。可疑样本在现场与实验室之间的此装运可导致运输延迟并招致进一步污染的风险。实施现场可用仪器的主要障碍是开发可成功净化的仪器。更特定来说，许多仪器具有将被标准净化程序损坏的敏感电组件及光学组件。

由于当前仪器(甚至便携式仪器)不能够完全净化，因此无法在需要的地方使用这些仪器。甚至当在所谓的“清洁区”中使用仪器时，仍存在关于装置是否被污染的疑问。此很大程度上是因为光学组件及电光组件常常非常敏感且不能够被完全净化的事实。

因此，需要在不同的环境条件及样本变化下提供对分析物的准确测量的既便于携带又易于净化的仪器。

发明内容

因此，提供对上述问题的解决方案。

根据一个实施例，经密封及净化的光纤检测设备包含具有个别室的光学器件部分。每一室装纳光学组件及电光组件。歧管接纳光纤，其中所述光纤中的每一者与对应室的所述光学组件及电光组件光学连通。所述设备还包含保持待测试样本的样本保持器及提供于所述样本保持器与所述歧管之间的安装装置。所述安装装置及所述歧管形成所述样本保持器与所述光学器件部分之间的经密封光纤接口。

根据另一实施例，一种用于形成经密封及净化的光纤检测设备的方法，其包含：将光学组件及电光组件装纳于光学器件部分的个别室中；及将与所述光学组件及电光组件光学连通的光纤的一端接纳于歧管中。所述方法还包含：提供保持待测试样本的样本保持器；将所述光纤的另一端接纳于所述样本保持器与所述歧管之间；及形成所述样本保持器与所述光学器件部分之间的经密封光纤接口。

附图说明

图1图解说明根据实施例的经密封及净化的光纤检测设备的光学器件块。

图2图解说明用于根据实施例的经密封及净化的光纤检测设备的光纤布置及样本。

图3图解说明根据实施例的经密封及净化的光纤检测设备的透视图。

图4是描绘用于形成根据实施例的经密封及净化的光纤检测设备执行的步骤的流程图。

具体实施方式

本发明揭示光纤检测设备及其使用及构造方法。以下说明描述一些实例性实施例。然而，所属领域的技术人员基于对所述实例性实施例的说明将显而易见额外实施例。在其它实例中，以框图形式而非详细地显示众所周知的结构及装置。所属领域的技术人员能够容易地按框图形式所描述构造并使用装置执行功能。

图2及图3显示实例性光纤检测设备。图3显示包括光学器件块10、外壳8、光纤歧管6、安装装置7、安装块28及散热器25的实例性光纤检测设备。如可从图2更好地看到，所述光纤检测设备还可包含散热器25、样本保持器26及热电冷却器27。然而，光纤检测设备并非需要这些组件中的每一及每个组件。举例来说，光纤检测设备可包括光学器件块10、外壳8、光纤歧管6、安装装置7、安装块28及散热器25、样本保持器26。下文更加详细地论述实例性光纤检测设备。

图1图解说明根据实施例的光纤检测设备的光学器件块。通常由参考编号10表示的光学器件块可包含光源1、光检测器2、发射滤光器4、激发滤光器5及透镜3。图1显示激发室32中的光源1、激发滤光器5及一个透镜3，且显示单独发射室31中的光检测器2、发射滤光器4及透镜3。用于产生待发送到样本的光的组件(图1中的光源1、激发滤光器5及透镜3)通常称为“源组件”。用于检测来自样本的光的组件(图1中的光检测器2、发射滤光器4及透镜3)通常将称为“发射组件”。图1显示源组件及发射组件在单独的室(激发室32及发射室31)中。此通常允许容易地对准所述组件并使特定组件的维护及替换更容易。然而，在一些实施例中，这些组件可以是同一室的部分。可提供除特定图解说明的光学组件及电光组件以外的光学组件及电光组件以增强光学连通。并且，光学器件块并不需要具有这些组件中的每一者。举例来说，如果将激光器用作光源1，那么可不需要激发滤光器5，因为所述激光器以非常窄的波长间隔发射光。

光学器件块10可以是单通道或多通道的。单通道光学器件块包含能够一次检测一个波长的强度的光学组件及电光组件。另一方面，多通道光学器件块包含能够一次检测多于一个波长的光学组件及电光组件。在实践中，举例来说，多通道装置可用于通过监控以多于一个波长发射或吸收的光同时检测一个或一个以上所识别分析物的存在及数量。

在一些实施例中，光学器件块可以是单通道的。在其它实施例中，光学器件块可具有两个、三个、四个或更多个通道。可通过添加额外激发室及/或发射室来增加通道的数目。举例来说，双通道装置可具有两个发射室及两个激发室。双通道装置还可具有适于检测多于一个波长的光的两个激发室及单个发射室。在一些实施例中，光学器件块是四通道的，其中每一通道具有单独的发射室31及激发室32。此一四通道光学器件块可具有八条光纤，每一光纤用于发射室31及激发室32中的每一者。在一些实施例中，每一通道的源组件及发射组件装纳于单独的室中。

图1显示具有两个室的光学器件块，一个室用于源组件(激发室32)且另一室用于发射组件(发射室31)。然而，如上文所论述，光学器件块10可具有单个室或针对每一通道具有单个室。举例来说，四通道光学器件块可具有四个发射室31(每一室装纳发射组件)及四个激发室32(每一室装纳源组件)。在另一实施例中，四通道光学器件块可具有四个不同的室，每一室装纳用于通道中的一者的组件。在又一实施例中，四通道光学器件块可仅具有单个室，其装纳用于所有四个通道的组件。然而，针对某一应用，单独的室用于每一组源组件及发射组件可以是优选的，因为此可允许所述组件更好地对准。

如下文详细论述，光经由其传输的光纤可经由歧管6耦合到光学器件块。由于源组件及发射组件全部装纳于光学器件块中，与光纤检测设备的其它组件分离，因此光学器件块10可经构造使得其可容易地净化并与样本保持分离。举例来说，光学器件块10可装纳于容易净化的材料中。所述材料可以是任何合适材料，例如金属或塑料。此是有用的特性，因为其允许净化并例行清洁光纤检测设备而不存在损坏或以其它方式不利地影响光学组件的风险。

任一合适光源可用于光源1。根据实施例，光源1可以是发光二极管(LED)。举例来说，光源1还可采用激光器、激光二极管、光电二极管或灯的形式。合适灯的实例包含但并不局限于氙弧灯、水银蒸气灯、闪光灯或弧光灯。另一选择为，举例来说，可提供相同类型或不同类型的多个光源，以产生具有充分强度的激发光。举例来说，可将多个LED用于光源1。

可将适合检测所需波长的光的任一检测器用于光检测器2。根据一个实施例，光检测器2可以是光电二极管。举例来说，光检测器2还可以是光电检测器、光电倍增管、雪崩二极管、电荷耦合装置或此项技术中已知的任何其它光检测器。光检测器2是单通道检测器或多通道检测器。单通道检测器一次可仅检测一个波长的强度，而多通道检测器可同时检测多于一个波长的强度。

适合按需要聚焦光的任何透镜可用于透镜3。在一个实施例中，透镜3可以是PCX透镜。然而，透镜3并不局限于PCX透镜，而可以是用于充分聚焦光的任一类型的透镜。举例来说，本发明可利用任一光学准直装置，例如，准直透镜。发射室3及激发室2中的透镜3可相同或不同。举例来说，激发室32中的透镜3可以是PCX透镜，而发射室31中的透镜3可以是不同于PCX透镜的透镜。

适合传递所需波长的光的任一滤光器或单色器可用于激发滤光器5及发射滤光器4。举例来说，这些滤光器可以是带通滤光器及干涉滤光器。带通滤光器传输具有大于或小于给定波长的波长的光，且干涉滤光器是以给定波长间隔传输光的滤光器。在一些实施例中，激发滤光器5或发射滤光器4将是两个或两个以上滤光器或单色器的组合。举例来说，激发滤光器5及发射滤光器4可以是两个带通滤光器的组合。在一些实施例中，不存在激发滤光器5或发射滤光器4。举例来说，使用发射具有窄波长分布的光的激光器可消除对激发滤光器5的需要。作为另一实例，依据所使用的光检测器2，可不需要发射滤光器4。

如可从图1看到，激发光纤22及源光纤21可使用歧管6耦合到光学器件块10。歧管6可提供于光学器件块10的端部分处，从而密封激发室及发射室。根据一个实施例，歧管6与光纤21及光纤22预装配在一起以避免光纤连接中的错误。举例来说，可使用各种附接机构可拆卸地安装的歧管6允许光学器件块10的容易装配及维护。另一选择为，举例来说，歧管6可密封到光学器件块10的端部分。歧管6经可拆卸地安装或密封使得光学器件块中的光学组件及电光组件在光纤检测设备的操作期间不被污染。激发光纤及源光纤可借助耦合装置35及36耦合到歧管6。耦合装置35及36还有助于确保光学组件及电光组件保持免受污染。光纤设备可具有用于每一组源组件及发射组件的不同光纤。举例来说，四通道装置可具有八条光纤(四条激发光纤及四条发射光纤)，一对光纤用于每一通道。

通常，光纤检测设备具有用于产生待引导到样本的光的源组件及用于检测所述样本所发射的光的激发组件。可使用光纤将光从源组件引导到样本及从样本引导到激发组件。

根据一个实施例，光源1、激发滤光器5、透镜3中的一者及激发光纤22构成光学器件块10的激发部分。光源1、激发滤光器5及透镜3可用于将光聚焦在激发光纤22的孔径上。根据一个实施例，举例来说，激发光纤22可以是1500微米的固体光纤。激发光纤22可用于将光引导到样本。然后，可通过源光纤21收集从所述样本发射的光并将其引导到光学器件块10的发射部分。在一些实施例中，源光纤21及激发光纤22彼此成90度角度。与激发光纤22成90度角度放置源光纤21可防止来自源光纤21的光由激发光纤22检测，从而减少干扰及噪声。光学器件块10的发射部分包含源光纤21(其可大致类似于激发光纤22)、发射滤光器4、透镜3及光检测器2。

光学器件块10可安装在外壳上以在操作中使用。在图3中所示的一个实施例中，光学器件块10提供于外壳8上且由安装装置7以不干扰光学组件及电光组件的操作的方式固定。外壳8可以是呈任一合适配置的任一合适材料。安装装置7可以是用于将光学器件块10固定到外壳8的任一合适装置。在一些实施例中，安装装置7可拆装地将光学器件块10固定到外壳8。举例来说，安装装置7可以是螺钉、翼形螺钉、螺栓或夹具。在一些实施例中，安装装置7永久性地或半永久性地将光学器件块10固定到外壳8。举例来说，安装装置7可以是铆钉或焊接点。

光学器件块10与样本光学连通。光学连通可通过光纤(例如，激发光纤22及源光纤21)实现。在图2中所示的一个实施例中，源光纤21与激发光纤22可经由导热样本保持器26中的断路器以90度角度布线到样本保持器26(例如，试管)。在其它实施例中，光纤与断路器之间的对准可以是0度、180度或270度。在一些实施例中，热电冷却器27可提供于安装块28与散热器25之间。光纤21与光纤22的此布置允许对样本的光学询问从一侧发生，同时在另一侧执行使用热电冷却器27及散热器25的加热及冷却动作。

根据一个实施例，经密封的光纤检测设备是荧光计设备，结合用于DNA分析的热循环器用于聚合酶链反应(PCR)。荧光是基于一些分子吸收所规定波长(激发频率)的光能量且然后发射波长较长且能量较低(发射频率)的光能量的能力的物理现象。如果发射的时间相对较长(通常约10¹¹到10⁷秒)，那么将此称为荧光。能够发荧光的物质共享并显示许多共同特性：其吸收一个波长或频率的光能量以达到“单态”(经激发能量状态)，且随后发射另一光频率的光，从而返回到“基态”能量级。

如图2中所图解说明，针对正探测的每一荧光分析物使用包含源光纤21及激发光纤22的一组光纤。因此，根据一个实施例，构成光学器件块10的激发部分的光源1、激发滤光器5、透镜3中的一者及激发光纤22将光聚焦在激发光纤22的近端的孔径上。所述光沿激发光纤22的长度传播且此所传播光的一部分射出激发光纤22的远端并由(举例来说)存储在样本保持器26中的样本的一个或一个以上光能量吸收染料吸收。举例来说，所述光能量吸收染料可以固定或可不固定，可以或可不直接附接到激发光纤22本身，可以或可不悬浮在含有待检测的一个或一个以上所关注分析物的流体样本中，且可以或可不为随后用于第二光学确定而保留。

可将荧光计设置为使用任何染料，例如，上文所提及的光能量吸收染料。可针对荧光计的特定应用(例如，PCR)定制光能量吸收染料。可针对其利用定制染料或标记化合物(taggants)的其它应用包含但并不局限于免疫测定及一般化学测定。荧光计的其它实施例可利用目标样本代替(举例来说)含有例如叶绿素、荧光素及若丹明等化合物的可定制染料或标记化合物。

举例来说，由于荧光计可用于与正式实验室环境不同的现场中，因此荧光计可用于检测化学武器或病原体。荧光计除其它应用之外还可用于废水追踪、零件检验及遗传跟踪。

反过来，一旦染料(或标记化合物或目标)已吸收光能量，那么具有不同波长及强度的一些光能量经由源光纤21的近端返回且然后输送到组成样本部分的组件的剩余部分。也就是说，来自源光纤21的光聚焦在发射滤光器4及透镜3上且然后收集到在那里观察并测量出现的光能量的光检测器2中。

使用单独的样本部分及单独的激发部分可用信号通知振幅损失，所述振幅损失可因使用分叉光纤信号分裂t而出现。在另一实施例中，可利用分叉光纤。举例来说，可利用32股的光纤束。所述束可平均分成两半，其中所述束的一个群组(16条光纤)插到源区段中且另一群组(剩余16股)插到发射器区段中。代替两个单独的源股及发射器股，一股可指向正试图测量的荧光，从而在回射荧光中产生h。

根据实施例，样本保持器26由例如铝等导电材料制成且包含断路器。举例来说，断路器可包含光学窗口。用于光学窗口的断路器位于样本保持器26的试剂管的底部位置处以减轻关于维持样本保持器26的均匀加热的任何问题。在优选实施例中，样本保持器可保持20微升的容量。小的样本容量是优选的，因为必须对所述样本进行加热及光学询问两者。因此，为获得最好的测量，理想地用尽可能多的铜包围所述样本，同时仍允许供光纤看到样本的塑性的孔。并且，样本与光纤之间可存在各种对准。

图3图解说明根据一个实施例的光纤检测设备的透视图。所述光纤检测包含接纳光学器件块10及歧管10的外壳8。毗邻外壳8提供散热器25及安装块28。虽然未显示，但光纤布线于安装块28与歧管6之间。根据一个实施例，光纤借助某一类型的粘合剂(例如，环氧树脂)安装在每一端处。还根据一个实施例，安装块28及散热器25经设计用于完全浸渍以进行净化。此外，安装块28可安装到任一平坦隔壁结构从而在不同最终封装方案的情况下允许灵活性。

图4是描绘形成根据一个实施例的经密封及净化光纤检测设备时执行的步骤的流程图。所述过程从开始状态S100开始且进行到过程步骤S101，其中将光学组件及电光组件装纳于光学器件部分的个别室中。在过程步骤S102处，将与所述光学组件及电光组件光学连通的光纤的一端接纳于歧管中。在过程步骤S103处，将待测试样本装纳于样本保持器中。在过程步骤S104处，将光纤的另一端接纳于所述样本保持器与所述歧管之间。在已接纳光纤的另一端之后，在过程步骤S105处，形成所述样本保持器与所述光学器件部分之间的经密封光纤接口。在已测试所述样本之后，所述过程进行到决策步骤S106，其中确定是否待测试另一样本。如果待测试另一样本，那么所述过程返回到过程步骤S101，否则，所述过程在状态S107处终止。

光纤检测系统可与任一光学检测方法一起使用。在一些实施例中，光纤检测系统可用于检测生物样本。举例来说，正被检测的生物样本可以是蛋白质、肽、核酸(例如，DNA、RNA、cDNA等)、碳水化合物、病毒或细菌。正被检测的这些样本可指示特定生物制剂。举例来说，可通过检测指示炭疽或瘟疫的核酸来检测这些生物威胁的存在。可使用包含免疫学方法、标记抗体及核酸探针在内的任何合适方法检测生物样本。举例来说，可使用核酸探针来检测核酸。核酸探针可结合发射指示目标序列的存在或不存在的光的染料或荧光团使用。核酸探针可以是任一类型的核酸探针，包含分子信标探针、线性探针、发夹式探针及在2005年10月17日提出申请的美国专利申请案第11/252,433号中所描述的探针，所述申请案在此以引用方式并入本文中。作为另一实例，可使用荧光标记的抗体检测蛋白质。光纤检测系统可通过检测特定地结合蛋白质的抗体的荧光来检测所述蛋白质的存在。在一些实施例中，可使用具有不同特异性及发射波长的抗体同时检测多种蛋白质。使用光纤检测系统来检测生物样本可以是有利的，因为可轻而易举地检测所述系统允许其容易地与甚至极其危险的样本一起使用。

用于上文所论述PCR的经密封及净化光纤检测设备的实施例具有若干优点及益处。首先，在此布置的情况下，实现含有多个源光学组件及发射光学组件的单个模块式光学块。因此，有源组件、滤光器及透镜的每一光学串装纳于单个腔中以用于极佳对准。并且，在此布置的情况下，使用歧管中的光纤允许快速装配且避免光纤与发射器或检测器位置的错误耦合。最终，在此布置的情况下，由于将光纤密封于反应室与光学器件块之间，因此实现在不使光学组件及电光组件中的任一者降级的情况下完全净化反应室。

已描述了一些实例性实施例。然而，在不背离所附权利要求书的范围及精神的前提下，可在优选及其它实例性实施例的设计、操作配置及布置方面进行替代、修改、改变及省略。

Claims (20)

1.一种检测设备，其包括：

光学器件部分，其具有个别室，每一室装纳光学组件及电光组件；

歧管，其接纳光纤，所述光纤中的每一者与对应室的所述光学组件及电光组件光学连通；

样本保持器，其保持待测试样本；及

安装装置，其提供于所述样本保持器与所述歧管之间，

其中所述安装装置及所述歧管形成所述样本保持器与所述光学器件部分之间的经密封光纤接口。

2.根据权利要求1所述的检测设备，其中光学组件及电光组件包含样本部分及激发部分。

3.根据权利要求2所述的s检测设备，其中所述激发部分包含光源。

4.根据权利要求3所述的检测设备，其中所述光源是发光二极管。

5.根据权利要求2所述的检测设备，其中所述样本部分包含光检测器。

6.根据权利要求5所述的检测设备，其中所述光检测器是光电二极管。

7.根据权利要求2所述的检测设备，其中所述样本部分及所述激发部分各自含在所述光学器件部分的界定所述个别室的单个腔内。

8.根据权利要求1所述的检测设备，其中所述光纤集成到所述歧管中。

9.根据权利要求1所述的检测设备，其中所述样本保持器包含光学窗口。

10.根据权利要求1所述的检测设备，其进一步包括毗邻所述安装装置提供的散热器。

11.根据权利要求1所述的检测设备，其中所述歧管可拆卸地安装到所述光学器件部分的一端。

12.根据权利要求1所述的检测设备，其中所述歧管密封到所述光学器件部分的一端。

13.根据权利要求10所述的检测设备，其中所述散热器提供于正测试所述样本之处的相对侧上。

14.根据权利要求1所述的s检测设备，其进一步包括所述个别室中的透镜以将光聚焦到所述光纤上或从所述光纤聚焦光。

15.一种用于形成s检测设备的方法，其包括：

将光学组件及电光组件装纳于光学器件部分的个别室中；

将与所述光学组件及电光组件光学连通的光纤的一端接纳于歧管中；

提供保持待测试样本的样本保持器；

将所述光纤的另一端接纳于所述样本保持器与所述歧管之间；及

形成所述样本保持器与所述光学器件部分之间的经密封光纤接口。

16.根据权利要求15所述的用于形成s检测设备的方法，其进一步包括将所述歧管可拆卸地安装到所述光学器件部分的一端。

17.根据权利要求15所述的用于形成检测设备的方法，其进一步包括将所述歧管密封到所述光学器件部分的一端。

18.根据权利要求15所述的用于形成检测设备的方法，其进一步包括将所述光纤集成到所述歧管中。

19.根据权利要求15所述的用于形成检测设备的方法，其进一步包括与所述待测试样本相对地提供散热器。

20.一种s检测系统，其包括：

光学器件部分，其具有个别室，每一室装纳光学组件及电光组件；

歧管，其接纳光纤，所述光纤中的每一者与对应室的所述光学组件及电光组件光学连通；

样本保持器，其保持待测试样本；

安装装置，其提供于所述样本保持器与所述歧管之间；及

印刷电路板，其连接到所述安装装置，

其中所述安装装置及所述歧管形成所述样本保持器与所述光学器件部分之间的经密封光纤接口。

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