CN102914521A - 光学分析装置和光学分析方法 - Google Patents

Abstract

这里公开了一种光学分析装置，包括：光源；导光板，被配置为将入射光从光源导向每个反应区；光屏蔽结构，被配置为限制从反应区内部发射的光束的发射方向；以及检测系统，被配置为检测通过光的照射从反应区的内部发射的光束。

Description

光学分析装置和光学分析方法

技术领域

本公开涉及光学分析装置和光学分析方法。更具体地说，本公开涉及用于基因表达分析、传染性疾病检查、诸如SNP（单核苷酸多态性）分析的基因分析、蛋白分析和细胞分析的光学分析装置，并且还涉及光学分析装置中所采用的光学分析方法。

背景技术

近年来，对与基因分析、蛋白分析、细胞分析等有关的技术的研究在包括医疗领域、药物开发领域、临床检查领域、食品领域、农业领域和工业领域的多个领域中一直在进步。特别是最近，微流控芯片实验室（lab-on-a-chip）的技术的开发和实际的实施一直在进步。在这样的微流控芯片实验室中提供的微尺度流径和微尺度井（well）中，执行例如核酸、蛋白、细胞等的检测和分析的多个反应。作为容易地测量生物分子等的技术，这样的技术引起了很大的关注。

在这种情况下，为了能够检测和测量甚微量的分析物（analyte），通常采用例如使用核酸扩增反应（nucleic-acid amplification reaction）的方法。核酸扩增反应基于将DNA（脱氧核糖核酸）片段扩增几十万倍的PCR（聚合酶链反应）技术。

此外，正在开发一种光学分析装置，作为被配置通过典型地使用具有多个井的微板在光（诸如吸收光、荧光或发射光）的分析中检测和测量多个分析物中甚微量的期望物质的装置。

近年来，使用LED（发光二极管）或半导体激光器取代钨卤素灯或放电管作为光源的光学分析装置已经成为主流。还已知一种具有照射机制（radiation mechanism）的吸收测定计（absorptiometer），其中LED发射的光直接照射到样品。（例如，参照日本专利公开No.Hei 9-264845）。在这个吸收测定计的第二实施例中，示例了一种配置，其中将分析物的多个被测量的部件（member）按矩阵布置，并且对于该矩阵，包括多个LED和多个光接收器件，每个光接收器件与LED中的一个形成一对。

然而，在光学分析装置中容易生成杂散光（串扰）。由于串扰导致不正确的检测，因此产生了光学分析装置的检测精度下降的问题。

发明内容

因此期望提供一种具有良好检测精度的光学分析装置和用于该装置的光学分析方法。

根据本公开的实施例的光学分析装置包括：光源；被配置为将入射光从光源导向每个反应区的导光板；被配置为限制从反应区的内部发射的光束的发射方向的光屏蔽结构；以及被配置为检测通过光的照射从反应区的内部发射的光束的检测系统。

本公开的另一个实施例提供了一种光学分析方法，包括通过使用导光板，将从光源照射的光导向每个反应区；经由被配置为限制光束的发射方向的光屏蔽结构，将从反应区的内部发射的光束引向检测系统；以及通过使用检测系统检测所述光束。

通过使用光屏蔽结构，有可能抑制可能导致不正确检测的来自反应区的杂散光（串扰）。

导光板使得表面上批量激励/检测变得可能，因此即使在有多个反应区的情况下，也可以以高精度执行分析且分析的工作效率可以得到提高。此外，可以节省空间，因此可以使得光学分析装置紧凑。还可能使用用于生成具有不同波长的光束的多个光源，从而使得可以将光学分析装置开发为用于多色检测的装置。

因此，在光（诸如吸收光、荧光或发射光）的光学分析中，即使对于多个分析物也可以提高光检测的精度。此外，即使当反应区中目标物质的量小，也可以高精度执行分析。

优选地，使用一个或多个激光光源和/或一个或多个LED光源作为光源。激光光源生成高输出的激光束，其具有窄的光谱宽度，因此不再需要激励滤光器。所以，可以使得光学分析装置的尺寸小。此外，通过使用LED光源，可以以低成本提供多个LED光源。批量激励使得多色检测变得可能。

优选地，时分地检测光束，该光束通过来自光源的具有不同波长的激励光束的照射，从反应区的内部生成。因此，多色激励是可能的，并且可以以高精度检测具有不同波长的荧光束。

优选地，以使得光屏蔽结构接触到衬底的表面的方式提供光屏蔽结构，衬底中形成有安置在光学分析装置上的反应区。

优选地，光屏蔽结构具有配置成限制光束的发射方向的多个孔。

优选地，提供多个这样的光屏蔽结构从而将滤光器（filter）夹在中间。

优选地，光学分析装置是核酸扩增反应装置，且光学分析方法是核酸扩增反应分析方法。甚微量的分析物也可以被良好地分析。

本公开的实施例提供了一种具有良好检测精度的光学分析装置和用于该装置的光学分析方法。

附图说明

图1是示出根据本公开的第一实施例的光学分析装置的典型配置的截面图；

图2是示出根据本公开的第二实施例的光学分析装置的典型配置的截面图；

图3是示出根据本公开的第三实施例的光学分析装置的典型配置的截面图；

图4是示出根据本公开的修改示例的光学分析装置的典型配置的截面图；

图5是示出入射到检测滤光器的光的角度的典型示图；

图6是示出根据本公开的实施例的由光学分析装置中的激光光源生成的激励光的典型波长的示图；

图7是示出根据本公开的实施例的由光学分析装置中的不同LED光源生成的不同激励光的典型波长的示图；以及

图8是示出根据本公开的实施例的光学分析装置的典型的多色检测系统的示图。

具体实施方式

下面通过参考附图对本公开的优选实施例进行说明。需注意，以下描述的每个实施例仅仅是本公开的典型实施。因此，每个实施例都不能被解释为是对本公开的范围进行缩小的限制。

将按照如下的主题对本公开进行描述。

1：光学分析装置

1-1：光源

1-2：反应区

1-3：光屏蔽结构

1-4：检测系统

2：根据第一实施例的光学分析装置1

3：根据第二实施例的光学分析装置1

4：根据第三实施例的光学分析装置1

5：光学分析装置1的修改示例

1：光学分析装置

如图1到4所示，根据本公开实施例的光学分析装置1包括光源2、光屏蔽结构5和检测系统6。

优选地，光学分析装置1使用导光板4，其被配置成将从一个光源2或多个光源2照射的入射光导向每个反应区3。还优选地，光屏蔽结构5限制从反应区的内部发射的光的发射方向。还优选地，检测系统6检测通过激励光从反应区3的内部发射的光。此外，可以将反应区3安装到光学分析装置1上以及从光学分析装置1卸下。

1-1：光源

光源2的数目可以是单数或复数。通过使用多个光源2，就可能构造多色光源，从而作为结果，多色激励是可能的。因此，可以执行对于不同波长的光学分析。基于时分的检测也是可能的。需注意，可以由控制部件，控制一个或多个光源2的照射定时以及包括激励光的波长和激励光的量的输出。

光源2可以具有任何任意形状，并且可以在任何任意位置提供，只要该形状和位置允许从光源2射出的光照射到反应区3。

此外，优选提供导光板4，其被配置成将来自光源2的入射光导向每个反应区3。导光板4在例如导光板4的边缘具有入射光接收部分或多个入射光接收部分。从光源2或多个光源2射出的光照射到入射光接收部分或多个入射光接收部分。在导光板4的内部提供有被配置成将入射光导向每个反应区3的部件，诸如棱镜、反射板、不平坦的部件等。

附带提及，通过使用导光板，可能对许多的反应区域执行表面上批量激励（on-surface batch excitation）。因此，可以减少元件的数量。可以使得光学分析装置紧凑、薄且轻。此外，可以向每个反应区照射一致（uniform）的光。在过去，必须提供多个光源，其每个对应一个反应区。然而，通过使用导光板，即使在较少光源的情况下也可能执行表面上批量激励。因此，可能向着多色检测进行开发。

此外，由于光学分析装置使用导光板，因此可以通过使用多种类型的光源执行多色激励。以下说明多色的优点。可以对每个反应区采用内部标准，从而可以提高光学分析的精度。如果在每个反应区执行反应，则可以校准反应的速度，从而定量提高是可能的。在具有多个反应区的一个衬底（substrate）（或一个芯片）上，可以检测的检测对象的数目可以增加，或更具体地，可以加倍（多路检测），从而提高工作效率。检测目标的典型例子是致病原（disease-causing agent）。

需注意，没有特别地规定光源2。然而，优选地，光源2能够根据作为要被分析的物质的分析物发射期望的光。光源2的典型的例子包括激光光源、LED光源、汞灯和钨灯。可以使用这些光源中的一个或多个。

在激光光源的情况下，光谱宽度窄且输出光的强度高。因此，可能消除过去需要的激励滤光器。此外，导光板的使用使得可能通过使用具有不同发射光波长的多种类型的激光光源执行多色激励。在这种情况下，时分也是可能的。

LED光源可以是红色、橘色、黄色、绿色、蓝色、白色和紫外线（仅举几例）的光源。可以使用一个LED光源或多个LED光源的组合。作为多色LED光源，例如有三色LED光源、四色LED光源等。通过使用激励滤光器，由这些LED光源发射的光可以被用作期望的激励光。此外，通过使用导光板，可以执行基于多种类型LED光源的多色激励。在这种情况下，时分也是可能的。在多色LED光源的情况下，除了批量激励，还可能执行顺序激励而无需使用导光板。

1-2：反应区

每个反应区3是其中存在要被光学分析的样品的区域。反应区3还可以用作用于光学分析的反应发生的区域（field）。可选地，反应区3还可以用作为了光绪分析的目的要填满反应之后的样品的位置。用于光学分析的反应的典型的例子包括用于吸收光的检测、荧光的检测以及浊度的检测的反应。在这种情况下，优选地，反应区3是可用作用于诸如核酸扩增反应的反应的区域，从而实时检测成为可能。优选地，在可以安装在光学分析装置1上的反应容器内形成多个反应区3。

通过使用衬底或多个衬底形成反应区3。可以通过在玻璃衬底层上执行包括湿法刻蚀工艺、喷射形成工艺以及切割工艺的工艺形成该衬底。此外，可以适当地设置反应区3的形状。例如，反应区3可以具有井状或细通道的形状。

没有特别地规定衬底的材料。典型地，可以通过考虑诸如检测方法、制造容易度以及耐用度的因素适当地选择衬底材料。例如，可以根据期望的光学分析适当地选择具有耐热性和透光性的材料作为衬底材料。这类衬底材料的典型的例子包括玻璃以及各种种类的塑料（诸如聚丙烯、聚碳酸酯、环烯和聚二甲基硅氧烷橡胶等）。

还需注意，反应区3的内部还可以被填满适合用于期望的光学分析的试剂（reagent），诸如用于核酸扩增反应的试剂。

1-3：光屏蔽结构

光屏蔽结构5限制来自反应区3的内部的光的发射方向。因此，可能抑制从邻近的反应区（特别是毗连的反应区）生成的杂散光，该杂散光是不正确检测的原因。通过抑制这样的杂散光，可以提高检测精度。优选地，光屏蔽结构5具有预定形状的孔7或多个这样的孔7，并且光屏蔽结构5具有预定厚度的板的形式。

优选地，在面向每个反应区3的区域中提供每个孔7。

为了限制来自反应区3的内部的光的发射方向，优选每个孔7具有预定的开口形状和深度。通过调整开口形状和深度，可能限制来自反应区3的内部的光的发射方向。例如通过调整开口形状和深度，还可能调整由检测滤光器和入射到检测滤光器的光配合形成的入射角度。由于可以这种方式调整光的入射角度，因此还可能通过调整孔部分来应对各种检测滤光器。

如图5所示，如果检测滤光器是例如干涉滤光器（interference filter）（电介质多层薄膜），优选地调整孔7的宽度和深度，从而使得当光穿过孔的内部时，关于滤光器的入射角θ小。在该图中，参考标记“a”表示孔的内部形状的宽度（纵侧或横侧的长度，或直径），而参考标记“b”表示孔的内部形状的深度。通过使宽度“a”小和深度“b”大，可能更好地抑制杂散光。由于入射角θ越小，能够抑制的杂散光量越大，因此优选小的入射角θ。具体地，优选入射角θ具有在下列范围中的值：θ<20°。通过具有这样的入射角θ，可以增大SN（信号对噪声）比。

作为另一个例子，如果检测滤光器是吸收滤光器，则优选地，调整孔7的宽度和深度，从而当光穿过孔的内部时，关于滤光器的入射角θ大。参考标记“a”表示孔的内部形状的宽度（纵侧或横侧的长度，或直径），而参考标记“b”表示孔的内部形状的深度。通过使宽度“a”大和深度“b”小，可能延长检测滤光器中的光传播距离，因此更好地抑制杂散光。由于入射角θ越大，抑制的杂散光量就越大，因此优选大的入射角θ。具体地，优选入射角θ具有在下列范围中的值：20°<θ<70°。通过具有这样的入射角，可以增大SN（信号对噪声）比。

例如，孔7可以具有这样的形状，其大致阻挡来自反应区3的光的中间部分但是允许光穿过中间部分周围的部分。作为例子，可以在与来自反应区3的光的大致中心部分对应的位置提供未在图中示出的光屏蔽部件（例如具有盘的形状）。还可以提供图中未示出的桥部件，从而起到光屏蔽部件和孔7之间的桥的作用。

此外，只需要适当地提供诸如聚光透镜和反射板的组件，从而使得穿过检测滤光器的光被导入检测系统6。

孔的形状不限于圆形。孔的形状可以是矩形或多边形。优选地，孔形状的表面与反应区3大致平行地提供。

孔7的三维形状可以是圆柱形、矩形柱的形状、多面体形等。例如，孔7的内部可以是锥形。

从成本的角度而言，优选地，孔7具有形成在面向反应区3的区域中的穿透光屏蔽结构5的部分（诸如洞），或者每个形成在面向反应区3之一的区域中的穿透光屏蔽结构5的多个这样的部分。

可以通过在例如由诸如不锈钢、铜（Cu）或镍（Ni）的材料制成的金属膜上，以图型形成工艺（通过采用光刻（photolithography）方法的蚀刻工艺而执行）形成孔7或多个孔7而构造光屏蔽结构5。

只需要在激励光入射侧和荧光发射侧中的至少一个上提供光屏蔽结构5。在这种情况下，优选以这样一种方式提供光屏蔽结构5，使得光屏蔽结构5可以接触到安装在光学分析装置1中的衬底8的表面，衬底8中形成有反应区3。因此有可能更大地降低来自相邻的反应区的杂散光的侵入度。

此外，还可能提供一种配置，其中诸如激励滤光器或检测滤光器的光学滤光器由多个光屏蔽结构夹住或保持。利用这样的配置，使得限制光束穿过光学滤光器的光束角是可能的。还可能有效地只提取期望的波长分量。

此外，可以通过采用滑动方法等，使光屏蔽结构5可安装在光学分析装置1上或可以从光学分析装置1卸下。因此，可以根据检测滤光器的类型，即根据检测滤光器是干涉滤光器或吸收滤光器，用具有预先确定的孔形状和深度的另一个光屏蔽结构适当地替代光屏蔽结构5。需注意，可以通过将多个光屏蔽结构彼此叠放而使用多个光屏蔽结构，从而允许调整光的入射角度。

在过去，为了避免由杂散光造成的不正确的检测，时分地对每个反应区进行激励和光检测。因此，需要为每个反应区提供光源和检测器。此外，由于进行一个检测周期所需要的时间与反应区的数目成比例，因此对于要测量许多分析物的情况，例如使用了具有96孔的板的情况，产生了吞吐量的问题。

然而，通过采用上述的光屏蔽结构，有可能抑制来自相邻反应区的杂散光。还有可能作为批量操作执行过去时分地执行的激励和光检测。通过使用导光板，有可能执行表面上批量激励，从而可利用一致的光执行检测。此外，可以相当大程度地减少检测多个反应区所用的时间。

1-4：检测系统

只需要以检测系统6能够检测在反应区3内生成的光分量的方式提供检测系统6。光分量通常包括透射光、荧光和散射光。

还只需要提供具有能够检测期望的光分量的光检测器的检测系统6。光检测器的典型的例子是荧光检测器、浊度检测器、散射光检测器和紫外-可见光分光镜检测器（仅举几例）。检测器可以是例如诸如CCD（电荷耦合器件）和CMOS（互补金属氧化物半导体）器件的区域成像器件、PMT（光电倍增管）、光电二极管和紧凑传感器（仅举几例）中的任一个。

需注意，每个在反应区之一中的一个反应区中以不同波长中的特定波长激励的多个荧光色素，其每个以各自的波长发射荧光。为了以高效率度检测这些光分量，例如，有可能使用具有与多个荧光光谱对应的传输带（transmission band）的多带通滤光器。具有彼此不同的波长的多个激励光束各自时分地照射，并且，光检测器能够与光束的照射同时地检测每个荧光光束的强度。

此外，根据本公开实施例的光学分析装置1可以包括其它组件，诸如聚光透镜10、11和12、支撑基座13、激励滤光器14、检测滤光器15和16、光圈17、每个支撑各自的组件并且安装反应区的支撑体、以及诸如加热器的温度控制部件。这些组件每个适当地可以是单数或复数。此外，光学分析装置1还可以具有控制部件，其被配置控制激励光的发射定时、输出（激励光的波长、激励光的强度等）、时分和多色时分（仅举几例），从而控制每个上述组件。

只要该滤光器能够根据各种光分析方法生成具有所期望的特定波长的光分量，则激励光滤光器14可以是任何合适的滤光器。

只要该滤光器对于检测所需要的光分量是合适的，则检测滤光器15和16的每个可以是任何滤波器。检测中所需要的光分量包括荧光、散射光和透射光。

根据需要，光学分析装置1可以提供有一个上述的激励滤光器和一个上述的检测滤光器，或者多个这样的激励滤光器和多个这样的检测滤光器。在有些情况下，光学分析装置1可能不提供有这样的激励滤光器或这样的检测滤光器。因此，有可能生成必要的光分量并且去除不必要的光分量。此外，有可能提高光学分析装置1的灵敏度及其检测精度。

除此以外，检测滤光器15和16的每个可以是具有与每个荧光光谱对应的传输带的多带通滤光器。在这种情况下，通过时分地驱动光源发光，可以检测荧光。如果采用了例如使用具有不同类型的两个荧光色素的检测方法，则多带通滤光器允许执行两种类型的荧光检测。在这种情况下，多带通滤光器被称作为双带通滤光器。

对前述的温度控制组件没有特别地规定。温度控制组件的典型例子包括透明导电膜，诸如表现出透光性的ITO（氧化铟锡）加热器。优选地，在可以由温度控制组件控制反应区3的温度的位置提供该温度控制组件。期望在靠近反应区3的衬底的位置提供温度控制组件，并且此外，优选在光发射方向和/或光入射方向上提供温度控制组件。为了使光学分析装置1的尺寸小，优选还将温度控制组件用作支撑底座13。因此有可能控制每个反应区3中分析物的温度。因此，可以获得稳定的检测结果并且可以提高检测精度。此外，由于可以控制反应区3中的反应，因此有可能检测在检测时要求反应的分析物（例如核酸扩增反应）。因此，光学分析装置1还可用作反应装置和能够执行光学分析和反应的装置。能够执行光学分析和反应的典型例子包括核酸扩增反应装置。

通过参照图1和2，下列的描述说明由根据本公开的光学分析装置1执行的操作。

来自光源2的光L照射到反应区3，每个反应区3包括分析物。此时，还可以通过使用导光板4将光L照射到反应区3。然后，激励光L照射到反应区3。

通过光L照射到反应区3而从反应区3的内部生成的光分量L穿过孔7，每个孔7具有事先确定的形状并且每个孔7在面对反应区3之一的位置提供。在这种情况下，光分量L包括荧光、透射光和散射光。这样，由于光分量L穿过其在光屏蔽结构5中各自的孔7，因此光分量L的发射方向受到限制。因此，可能抑制来自周围反应区（特别是来自毗邻的反应区）的、作为不正确检测的原因的杂散光。然后，具有受限的发射方向的光分量L穿过检测滤光器15、聚光透镜11、检测滤光器16和聚光透镜12，成为期望的光分量L。由检测系统6中使用的光检测器检测该光分量L。此时，来自周围反应区的杂散光被抑制。因此，提高了每个提供在反应区之一中的分析物的检测精度。在测量时，反应区3被用作反应区域。因此，可以实时地检测光分量L。由于可以按行执行反应和检测，因此光学分析装置1提供了极大的便利。

如果光源2是激光光源，则不需要使用激励滤光器。在这种配置下，激励光照射到反应区3（参见图1）。如果光源2是LED等，则激励光经由激励滤光器14照射到反应区3。

此外，激励滤光器14还可以是多带通滤光器。多带通滤光器使得多个不同激励光束可以被照射到反应区3。在这种情况下，对于每个检测滤光器，只需要适当地使用对应的多带通滤光器。因此可以时分地执行多个光学分析以及检测光分量。

如果使用了导光板4，则有可能将由光源2或多个光源2发射的入射光导向反应区3。

此外，只需要根据需要适当地确定激励滤光器、检测滤光器和聚光透镜的每一个的数目和类型。换言之，数目和类型不限于以上的描述。

2：根据第一实施例的光学分析装置1

如图1所示，例如，由本公开提供的实现光学分析装置1的第一实施例包括激光光源2、光屏蔽结构5和检测系统6。在以下的描述中，由本公开提供的实现光学分析装置的第一实施例也被简单地称作根据第一实施例的光学分析装置1。在以下描述中不再对已经描述过的每个配置再次进行说明。

优选地，根据第一实施例的光学分析装置1具有被配置为将由激光光源2或多个激光光源2发射的入射光导向反应区3的导光板4。还优选地，激光光源2或多个激光光源2在导光板4的侧向或在导光板4的侧表面上提供。

优选地，在导光板4和衬底8之间适当地提供聚光透镜10，在衬底8中形成有光学分析装置1中使用的反应区3。还期望在光屏蔽结构5和检测系统6之间适当地提供聚光透镜和检测滤光器或多个聚光透镜和多个检测滤光器。

此外，期望以这的方式提供光屏蔽结构5，使得该光屏蔽结构5可以接触到在其中形成有光学分析装置1中使用的反应区3的衬底8的表面。还期望以这样的方式提供光屏蔽结构5，使得光屏蔽机构5可以接触到检测滤光器15。还期望以使得该光学屏蔽结构5被夹在衬底8和检测滤光器15之间的方式提供光学屏蔽结构5。需注意，可以在多个位置提供光屏蔽结构5，诸如导光板4和衬底8之间的位置，以及检测滤光器15和检测系统6之间的位置。此外，正如下面将要描述的修改示例中的情况，可以使用多个光屏蔽结构。

需注意，光源2和检测系统6的每个可由适当的支撑体支撑。

由于在根据第一实施例的光学分析装置1中作为光源2使用的激光具有窄光谱宽度和高输出（参见图6），因此可以任意地去除激励滤光器14（参见图1）。有可能提供光学滤光器从而去掉不必要的光分量。

更具体地，与具有从几到十毫微米的半光谱宽度的范围的LED相比，激光通常具有最高几毫微米的半光谱宽度的范围内的更窄的线宽。因此，不需要在激励系统中提供激励滤光器。此外，在使用了导光板的情况下，具有不同振荡波长的多种类型激光器的使用使多色激励成为可能。除此以外，还可能时分地执行表面上批量激励和多色检测。这样，就可能使用多个具有不同波长的光源，即使这样的光源在过去是很难在光源所用的安装空间实现的。因此，可以提高检测精度并且增加工作效率。此外，可以使得光学分析装置1更加紧凑。

通过参照图1，以下的描述说明根据本公开的第一实施例的光学分析装置1执行的典型操作。

光源2发出光束L（具有特定波长的激励光）。激励光L传播到导光板4的入射光接收部分。入射的激励光L穿过导光板4，并且成为多个基本上一致的激励光束L。几乎在同时，激励光束L被导向它们各自的反应区3。穿过导光板4的激励光束经由光圈17和支撑基座13照射到衬底8中的它们各自的反应区3。照射使得从反应区3的内部产生光分量（例如荧光）。光分量穿过它们各自的位于面对各自的孔7，该孔7在面对它们各自的反应区3的位置在光屏蔽结构5中提供。因此，来自反应区3内部的光的发射方向受到限制，从而使得可能抑制来自相邻的反应区的杂散光。光分量经由检测滤光器15和16传播到检测系统6，被检测系统6中使用的光检测器检测。

3：根据第二实施例的光学分析装置1

如图2所示，例如，实现本公开提供的光学分析装置1的第二实施例包括LED光源2、激励滤波器14、光屏蔽结构5和检测系统6。在以下的描述中，实现本公开提供的光学分析装置1的第二实施例也被简单地称作根据第二实施例的光学分析装置1。在以下描述中不再对已经描述过的每个配置再次进行说明。

优选地，根据第二实施例的光学分析装置1具有导光板4，被配置成将由LED光源2或多个LED光源2发射的入射光导向反应区3。还优选地，LED光源2或多个LED光源2在导光板4的侧向或在导光板4的侧表面上。

只需要在LED光源2发射的光照射在反射区3之前将发射光变为具有期望的特定波长的激励光。

只需要在光源2和反应区3之间的位置提供激励滤光器14，激励滤光器14被配置成将LED光转换为具有期望的特定波长的激励光。例如，可以在LED光源2和导光板4的入射光接收部分之间或导光板4和反应区3之间的位置提供激励滤光器14。

如果在LED光源2和导光板4的入射光接收部分之间的位置提供激励滤光器14，则激励滤光器14可将LED光源2发射的光转换为具有特定波长的激励光，然后可以将该激励光提供给导光板4。作为这个配置的替代，可以在入射光接收部分上提供激励滤光器14。

如果在导光板4和反应区3之间的位置提供激励滤光器14，则更优选地在导光板4和衬底8之间的位置提供激励滤光器14，衬底8中形成有光学分析装置1使用的反应区3。

此外，期望激励滤光器14是多带通滤光器。如果使用了多个LED光源2且激励滤光器14是多带通滤光器，则可以执行多色激励。因此，也可以执行多色检测。除此以外，通过采用时分技术可以执行多个检测（诸如多个荧光分量）。

需注意，由于已经在对光学分析装置1的描述和对第一实施例的描述中说明了聚光透镜、检测滤光器和光屏蔽结构，因此这里省略了这些描述。此外，在如同稍后将要描述的修改示例的情况，可能使用多个光屏蔽结构。

通过参照图2，以下的描述说明了由根据本公开第二实施例的光学分析装置1执行的典型操作。

LED光源2发出光L。光L传播到导光板的入射光接收部分，然后经历表面上批量照射，从而使得光L经由导光板4被导向反应区3。照射的光L被激励滤光器14转换为具有特定波长的激励光L。激励光L经由各自的聚光透镜10、光圈17和支撑基座13照射到衬底8中各自的反应区3。照射使得从反应区3的内部生成诸如荧光的光分量L。光分量L穿过各自的孔7，孔7在面对它们各自的反应区3的位置在光屏蔽结构5上提供。因此，来自反应区3内部的光的发射方向受到限制，从而使得有可能抑制来自相邻的反应区或更具体地来自毗邻的反应区的杂散光。光分量L经由检测滤光器15、聚光透镜11、检测滤光器16和聚光透镜12传播到检测系统6，被检测系统6中使用的光检测器检测。

如果激励滤光器14是多带通滤光器，则有可能使用多个LED光源2并且时分地驱动LED光源2发射光（参照图7）。例如，当一个光源在发射光时，其它光源不发射光。更具体地说，当具有大致450毫微米波长的激励光正在照射并随后被检测时，具有大致620毫微米波长的激励光不照射。当正具有大致620毫微米波长的激励光正在照射并随后被检测时，具有大致450毫微米波长的激励光不会照射。重复且交替执行这些典型的操作。

因此，在多色的情况下，就有可能一次执行一种颜色的检测，从而应对对反应区3中的多个光束反应的物质。例如，该物质是多个荧光分量。结果，有可能提高工作效率和检测精度。

4：根据第三实施例的光学分析装置1

如图3所示，例如，由本公开提供的实现光学分析装置1的第三实施例包括LED光源2、激励滤光器14、光屏蔽结构5和检测系统6。在以下的描述中，由本公开提供的实现光学分析装置的第三实施例也被简单地称作根据第三实施例的光学分析装置1。在以下描述中不再对已经描述过的每个配置再次进行说明。

根据第三实施例的光学分析装置1使用每个为一个反应区3提供的多个LED光源2。因此，可以以批量操作向反应区3照射光。此外，期望每个光源2起到多色LED的作用。通过使用多色LED和起到多带通滤光器作用的激励滤光器，可以顺序地执行激励操作从而可以时分地执行检测。需注意，通过使用导光板，可以减少LED光源的数目。

期望由LED光源2发射的光在该发射的光被照射到反应区3之前变为具有期望的特定波长的激励光。优选地，在LED光源2和衬底8之间的位置提供激励滤光器14，衬底8其上形成有光学分析装置1使用的反应区3。

需注意，由于已经在对光学分析装置1的描述和对第一和第二实施例的描述中说明了聚光透镜、检测滤光器和光屏蔽结构，因此这里省略了这些描述。此外，在如同稍后将要描述的修改示例的情况，可能使用多个光屏蔽结构。

通过参照图3，以下的描述说明了由根据本公开第三实施例的光学分析装置1执行的典型操作。

光源2同时发射光L，从而使得可以以表面上批量照射将照射光L照射到反应区3。激励滤光器14将每个LED光源2发射的光L转换为具有特定波长的激励光L。激励光L穿过光圈17和支撑底座13，照射到衬底8中的反应区3。该照射使得从反应区3的内部生成诸如荧光的光分量L。光分量L通过各自的孔7，孔7在面对各自的反应区3的位置在光屏蔽结构5上提供。因此，来自反应区3的内部的光的发射方向受到限制，从而使得可能抑制来自相邻反应区的杂散光。光分量L经由检测滤光器15、聚光透镜11、检测滤光器16和聚光透镜12传播到检测系统6，由检测系统6使用的光检测器检测。

此外，如果激励滤光器14是多带通滤光器，则还有可能使用多个LED光源2以及时分地驱动LED光源2发射光。因此在多色的情况下，还有可能一次执行一种颜色的检测，从而应对反应区3中的多个荧光分量。结果，有可能提高工作效率和检测精度。

5：光学分析装置1的修改示例

根据本公开的光学分析装置1的修改示例包括例如如图4所示的光源2、激励滤光器14、多个光屏蔽结构5以及检测系统6。在以下的描述中，根据本公开的光学分析装置1的修改示例还被简单地称作根据修改示例的光学分析装置1。在下面的描述中不再对已经描述的每个配置进行说明。

在根据修改示例的光学分析装置1中，由多个光屏蔽结构5夹住或保持光学滤光器。因此，即使在反应区3和光源2之间没有提供聚光透镜，光还是可以以表面上批量照射被照射到反应区3。此外，根据修改示例的光学分析装置1尺寸上可以变得更小。由于还可以抑制杂散光，因此还可以提高检测精度。需注意，根据第一到第三实施例的光学分析装置1可以采用与这个修改示例同样的配置，或者可以将该配置并入，只要并入该配置是在不失去本公开提供的效果的范围内。

根据本公开的实施例的光学分析装置1能够执行诸如核酸扩增反应检测和金属检测的各种光学分析。光学分析装置1还能够实时地执行分析。此外，当光学分析装置1配备有被配置成控制温度的温度控制部件时，光学分析装置1还能够起到反应装置的作用。反应装置的典型例子包括核酸扩增反应装置。作为示例，下面说明核酸扩增反应。

[核酸扩增反应]

根据本公开的核酸扩增反应包括执行温度循环的相关领域PCR（聚合酶链式反应）方法和不执行温度循环的各种等温扩增方法。典型的等温扩增方法包括LAMP（环介导的等温扩增）方法、SMAP（聪明扩增工艺）方法、NASBA（基于核酸序列的扩增）方法、ICAN（等温和嵌合引物启动的核酸扩增）方法（一种注册商标）、TRC（转录-逆转录协作的）方法、SDA（链置换扩增）方法、TMA（转录介导的扩增）方法和RCA（滚环扩增）方法、等等。

另外，绝大多数核酸扩增反应是为了扩增核酸在可变的或恒定的温度进行的核酸扩增反应。另外，这些核酸扩增反应还包括伴随扩增核酸链定量评估诸如RT-PCR（实时PCR）方法和RT-LAMP方法的反应。

另外，试剂包括在上文所述核酸扩增反应中获得扩增的核酸酸需要的试剂。具体而言，试剂包括寡核苷酸引物、核酸单体（dNTP）、酶和反应缓冲溶液，它们形成与靶核酸链互补的碱基序列。

在PCR方法中，连续进行下述扩增循环：热变性（在约95°C）→引物退火（在约55至60°C）→延长反应（在约72°C）。

LAMP方法是一种通过利用DNA环形成在恒定的温度作为自DNA和RNA（核糖核酸）扩增的产物获得dsDNA（双链DNA）的方法。举例而言，添加成分(i)、(ii)和(iii)使得内部引物能够与模板核酸上的互补序列形成稳定的碱基配对并通过在链替代聚合酶能够维持酶活化的温度温育来实现前行。在那时，优选温育温度在50至70°C的范围内且温育时间在大约1分钟至10小时的范围内。

成分(i)、(ii)和(iii)描述如下：

成分(i)：两种内部引物，两种外部引物，另外，或进一步添加的两种环引物

成分(ii)：链替代聚合物

成分(iii)：底物核苷酸

[检测核酸扩增（产物）的方法]

检测核酸扩增的方法的典型例包括利用混浊材料、荧光材料或化学发光材料的方法。

另外，利用混浊材料的方法的典型例包括利用作为核酸扩增反应的结果获得的吡咯啉酸和通过能与吡咯啉酸成键的金属离子生成的沉积材料的方法。金属离子为单价或二价金属离子。如果金属离子与吡咯啉酸成键的话，形成在水中不溶或难溶的盐，产生混浊材料。

具体而言，金属离子的典型例包括碱金属离子、碱土金属离子和二价过渡金属离子。碱土金属离子包括镁(II)、钙(II)或钡(II)的离子。二价过渡金属离子包括锌(II)、铅(II)、锰(II)、镍(II)或铁(II)的离子。希望金属离子是选自碱土金属离子、二价过渡金属离子、等等的一种或多种离子。甚至更希望金属离子是镁(II)、锰(II)、镍(II)和铁(II)的离子。

优选作为掺杂剂使用的金属离子的浓度在0.01至100mM的范围内，而且检测波长在300至800nm的范围内。

利用荧光材料或化学发光材料的方法的典型例包括利用特异性插入双链核酸以发射荧光的荧光色素（衍生物）的嵌入方法和利用带有荧光色素（其与对要扩增的核酸序列特异性的寡核苷酸成键）的探针的标记探针方法。

标记引物方法的典型例包括杂交（Hyb）探针方法和水解降解（TaqMan）探针方法。

Hyb探针方法是一种利用事先设计成彼此靠近的两种不同探针的方法。探针之一是用供体色素标记的探针，而另一探针是用受体色素标记的探针。当两种探针与靶核酸杂交时，被供体色素激发的受体色素发射荧光。

TaqMan探针方法是一种利用经过标记使得两种色素彼此靠近的探针的方法。两种色素为报告色素和淬灭色素。当探针在核酸延长时间水解时，报告色素和淬灭色素彼此远离，并且随着报告色素被激发，发射荧光。

利用荧光材料的方法中所利用的荧光色素（衍生物）通常可以是SYBR（一种注册商标）绿I、SYBR（一种注册商标）绿II、SYBR（一种注册商标）金、OY（唑黄）、TO（噻唑橙）、PG（Pico绿，其中Pico是一种注册商标）和溴化乙啶等等任一。

利用化学发光材料的方法中所利用的有机化合物通常可以是鲁米诺、洛粉碱、光泽精和草酸酯等等中的任一种。

[根据本公开的RT-PCR装置]

下面的描述解释由本公开的实施例提供的光学分析装置1，充当PCR装置（RT-PCR装置）。

下面的描述解释根据包括RT-PCR装置的步骤Sp1（热变性）、步骤Sp2（引物退火）、和步骤Sp3（DNA延长）的规程来检测核酸的方法。

在热变性（步骤Sp1）时，温度控制部分将反应区3中的温度控制在95°C，并且对双链DNA进行变性过程以转变成单链DNA。

在后面的引物退火（步骤Sp2）时，将反应区3中的温度设置为55°C，并且引物与单链DNA在互补碱基序列中成键。

随后，在DNA延长（步骤Sp3）时，将反应区3中的温度控制在72°C，并且通过用引物作为DNA合成的起点进行聚合酶反应来延长cDNA（互补DNA）。

通过重复上述步骤Sp1至Sp3的温度循环，每个反应区3中的DNA得到扩增。通过检测系统6实时地检测反应区3中生成的荧光以量化核酸的量。

另外，根据本公开的实施例的光学分析装置1还可用作LAMP装置（RT-LAMP装置）。

将反应区3中的温度设置为60至65°C范围内的恒定值从而在反应区3中扩增核酸。要注意，根据LAMP方法，不必进行热变性来将双链DNA转变成单链DNA。在恒定温度条件下重复引物退火和核酸延长。

作为核酸扩增反应的结果，生成吡咯啉酸。然后，使金属离子与吡咯啉酸成键以生成盐，其在水中不溶或难溶，成为混浊材料（测量波长在300至800nm的范围内）。当用入射光照射混浊材料时，入射光变成散射光。然后。检测系统6实时地测量散射光的量以对该光进行量化。另外，此量化也可通过透射光的量来进行。

需注意本发明还可采用如下的配置：

（1）光学分析装置包括：

导光板，被配置为将来自光源或多个光源的入射激励光导向每个反应区；

光屏蔽结构，被配置为限制从反应区内部发射的光束的发射方向；以及

检测系统，被配置为检测通过激励光的照射从反应区内部发射的光束。

（2）根据第（1）段所述的光学分析装置，其中光源照射具有不同波长的光线，从而使得从反应区内部发射的光束能够被时分地检测。

（3）根据第（1）段或第（2）段所述的光学分析装置，其中光屏蔽结构被放置以接触到衬底的表面，在该衬底中形成有光学分析装置使用的反应区。

（4）根据第（1）段至第（3）段的任一所述的光学分析装置，其中光屏蔽结构具有被配置为限制光束的发射方向的多个孔。

（5）根据第（1）至第（4）段的任一所述的光学分析装置，其中提供多个这样的光学屏蔽结构以便将滤光器夹在中间。

（6）根据第（1）段至第（5）段的任一所述的光学分析装置，所述光学分析装置起到核酸扩增反应装置的作用。

（7）一种光学分析方法包括：

通过使用导光板，将从一个光源或多个光源照射的光导向每个反应区；

经由被配置为限制光束的发射方向的光屏蔽结构，将从反应区的内部发射的光束引向检测系统；以及

通过使用检测系统检测光束。

（8）根据第（7）段所述的光学分析方法，其中光源照射具有不同波长的激励光线，从而使得从反应区内部发射的光束能够被时分地检测。

（9）根据第（7）段或第（8）段所述的光学分析方法，其中光屏蔽结构被放置以接触到衬底的表面，在该衬底中形成由装置使用的反应区。

（10）根据第（7）段至第（9）中任一所述的光学分析方法，其中光屏蔽结构具有被配置为限制光束的发射方向的多个孔。

（11）根据第（7）段至第（10）中任一所述的光学分析方法，其中提供了将滤光器夹在中间从而限制了光的发射方向的多个这样的光学屏蔽结构。

（12）根据第（7）段至第（11）中任一段所述的光学分析方法，光学分析方法起到用于核酸扩增反应的光学分析方法的作用。

本公开包括与于2011年8月3日向日本专利局提交的日本优先权专利申请JP 2011-169993中所公开的相关的主题，其全部内容通过引用并入于此。

Claims (9)

1.一种光学分析装置，包括

光源；

导光板，被配置为将入射光从光源导向每个反应区；

光屏蔽结构，被配置为限制从反应区的内部发射的光束的发射方向；以及

检测系统，被配置为检测通过光的照射从反应区的内部发射的光束。

2.根据权利要求1所述的光学分析装置，其中所述光源是激光光源。

3.根据权利要求1所述的光学分析装置，其中所述光源是发光二极管光源。

4.根据权利要求1所述的光学分析装置，其中所述光源包括激光光源和发光二极管光源。

5.根据权利要求1所述的光学分析装置，其中所述光源照射具有不同波长的光线，使得能够时分地检测从反应区的内部发射的光束。

6.根据权利要求1所述的光学分析装置，其中所述光屏蔽结构被放置以接触到衬底的表面，在该衬底中形成由所述光学分析装置使用的所述反应区。

7.根据权利要求1所述的光学分析装置，其中所述光屏蔽结构具有被配置为限制光束的发射方向的多个孔。

8.根据权利要求1所述的光学分析装置，其中所述光学分析装置起到核酸扩增反应装置的作用。

9.一种光学分析方法，包括：

通过使用导光板，将从光源照射的光导向每个反应区；

经由被配置为限制光束的发射方向的光屏蔽结构，将从反应区的内部发射的光束引向检测系统；以及

通过使用检测系统检测所述光束。

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