CN103201612A - 用于准确光学测量的容器 - Google Patents

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Abstract

本发明大体而言涉及在光学分析设备中使用的用于保持少量液体的容器。更具体而言，本发明涉及在采用荧光检测设备的聚合酶连锁反应(PCR)分析中利用的容器。容器包括开口顶部(1)、密封底部(2)和容器主体(3)，容器主体(3)的特征为用于光源(10)或光检测器(12)的透光的至少两个平坦表面(4/5)。该平坦表面改进了光折射，从而允许更准确的光学分析。

Description

用于准确光学测量的容器
技术领域
本发明大体而言涉及在光学测量设备中使用的用于保持少量液体的容器，且涉及包括至少一个容器的设备。更具体而言，本发明涉及在采用荧光检测设备的聚合酶连锁反应(PCR)分析中利用的容器。
背景技术
PCR分析已变成用于多种应用的医学和生物学研究实验室的重要研究工具。可能通过在PCR的每个热循环中监测荧光性质来分析核酸扩增状态和由此聚合酶连锁反应(PCR)的成功。热循环表示温度的变化，以便使目标DNA在高温下融化且使DNA选择性地在低温下扩增。基于荧光的方案在PCR期间提供扩增产物的实时测量。这些方法依靠光激发和光检测。在每个扩增循环增加的荧光信号与所形成的PCR产物的量有关。
已发展多种仪器来实施这些基于荧光的测量方案。常见的装备包括带有旋转转盘(carousel)的热循环仪，在旋转转盘内设置容器用的接收器(receptacle)。热循环仪中的温度由调温空气流准确地控制。容纳容器的转盘旋转以便维持热循环仪内的稳态温度。荧光激发用的光源通常位于旋转容器下方。荧光检测器与热循环仪的侧壁对准。检测设备前方的额外透镜允许荧光聚焦在检测单元上。另外，由这种装备实现的测量的敏感性和可重复性仍有改进的空间，如近来的发展努力所表明的。
常用的容器为带有锥形形状和一系列密封系统的塑料容器。在文献US 2004/0258563 Al中，揭示了一种容器，其将透镜整合到容器帽内。这允许从容器顶部的准确测量，但是容器中的液体量可能会妨碍准确性和可重复性。
另一方面，文献WO 2008/129123 Al 公开了多个连接的容器，其中容器的帽和主体具有不同的透光性质。目的是为了防止由于如相邻容器的反射物体而在容器内侧和外侧出现光反射。总反射可减少，但对于总信号品质增益的效果如何尚不清楚。
发明内容
鉴于上文所述，若可得到以下容器则将是有利的：该容器允许准确且可靠的光学分析，特别是结合基于荧光的检测设备。
因此，本发明的主要目的是提供用于准确且可靠的光学测量的改进的容器和方法。而且，容器的形状和材料性质应被设计成允许最佳的测量结果。
根据本发明的第一方面，该问题由一种容器来解决，该容器包括：开口顶部；密封底部；以及容器主体，容器主体的特征为用于光源和检测单元的透光的至少两个平坦表面，其中，所述至少两个表面彼此不平行。这个特征改进了光折射，从而允许更准确的测量。由于平坦表面减少了光散射和漫射，因而可提高测量的敏感性和再现性。因此，可减小测量的总噪声水平，从而改进信噪比，这允许以更少的热循环进行更快的测量。
用于监测容器中的聚合酶连锁反应的光学测量设备包括容器接收器、调温腔室、光源、检测和分析装置以及根据本发明的至少一个容器。光源(优选地LED)照射待分析的容器。检测单元(优选地光度计或光电倍增管)从通往待分析容器的光路收集荧光信号。
根据本发明的第二方面，通过一种朝向密封底部渐缩的容器来实现上述目的。渐缩或锥形容器后的一般原因是使用移液管来填充和排空容器。在基于荧光的PCR分析中，渐缩体还简化了容器在测量装备的光路中的对准。容器通常容纳于旋转的转盘中。光源优选地定位于旋转容器下方，并且检测器单元优选地在监测设备的壁中紧邻旋转容器放置。用于照射光和荧光信号检测的光路通常以正交的角度交叉。容器本身优选地固定在转盘中，且容器底部悬挂成与光路相交且以角度指向上方。所述角度可在较宽范围变化。优选地，所述角度在10至80°、更优选地30至70°、甚至更优选地38至50°、最优选地41至49°的范围内。所述角度可适于方便容器内的液体不因离心力而向上推壁且测量不受容器与液体内部之间的空气隙妨碍。容器的渐缩形状允许在光路中容易且精确的对准，并且也简化光学仪器的布置。
如上文所提到的，至少两个平坦表面彼此平行。在一有利实施例中，所述表面相对于容器的中平面对称地对准，其中所述中平面覆盖容器的对称轴线。还有利的是，所述表面在所述表面之间形成在5至175°、优选地10至170°、更优选地40至130°、甚至更优选地60至120°且最优选地75至105°的范围内的角度。
在本发明中，通常，术语“平坦”的意为被广义地解释且包括微小的凹入和凸出表面，只要不妨碍性能和/或光路。通常，与完全平坦表面的内径的10%的偏差是可接受的。
根据本发明的又一方面，容器优选地由塑料制成，例如聚烯烃，聚碳酸酯、聚酯、聚酰胺、聚氯乙烯等。更优选地，容器由环烯共聚物、聚丙烯、PMP、石墨烯等制成。本领域技术人员将选择相应的材料来平衡光学透明度、价格和在使用条件下的热/光稳定性。优选地，材料在高达140℃下是热稳定的，并且对于紫外光和可见光是透明的。这些材料允许薄壁容器的经济制造，其允许有利的导热性且允许在空气与容器内侧的液体之间的快速热平衡，这对于热循环过程是至关重要的。优选地，容器的壁厚在0.001至1mm、更优选地0.1至0.5mm的范围内。
在本发明的一优选实施例中，用于入射光的透光的平坦表面相对于光源布置成75至105°的角度。同样，用于检测单元的透光的另一平坦表面相对于检测器布置成75至105°的角度。最优选的为垂直对准和偏离精确垂直对准7至10°范围的对准。选择对准以最大限度地减小反射角，从而减少漫反射的量且增加总测量的敏感性。
由于容器的严格对准对光学测量的重大影响，优选地，根据本发明，提供至少一种装置以用于在光路中准确地对准容器，例如优选地在容器上部形成尖柱、多边形、立方体等的容器的成形部段。备选地，在径向上优选地位于开口顶部的至少一个突起和/或凹部是可能的。容器用的接收器提供对应的配对物，例如，对应的凹部、突起和/或成形的形式。这减轻了在测量设备的接收器中精确地对准容器的细致劳动。因此，可显著地减少测量过程的误差倾向，使得实施放置容器的自动化工作流程是可行的。
在本发明的另一实施例中，容器截面的特征为带有多个边的多边形。多边形可延伸到容器的部分或整个容器。形状不仅整合了平坦表面的功能，而且还通过其形式配合形状而整合了在接收器中对准容器的功能，从而使得额外的突起或凹部成为冗余的。
优选地，若干容器互连而形成容器条带。为了将容器条带装配于基于转盘的热循环仪的接收器内，在本发明的实施例中，条带的铰链为柔性的。这允许条带弯曲以装配到接收器转盘内。用于容器放置的时间可减少，同时确保容器在测量装备中的精确对准。
在容器的最优选实施例中，若干容器连接为环结构。该环结构可插入旋转转盘用的接收器内。备选地，环结构还可包括旋转主体，其可被固定到热循环仪的可绕转驱动器上。该实施例允许容易地搬运容器环，这便于快速的自动化工作流程。
在另一优选方案中，容器的特征为将开口顶部密封的插入元件。优选地，插入元件为弹性的或柔性的。具有例如球形状的插入元件紧紧地密封容器以便在搬运和测量期间防止待分析的液体的污染。这种简单的密封机构允许自动化实施。作为备选，容器顶部可被制成为弹性或柔性的以容纳密封元件。
为了经济地制造上文所提到的容器实施例，优选地使用注射模制技术。特别地，若干互连容器形成一个构件的实施例因此可在一个制造步骤中制成且允许将容器容易地用作一次性产物。
根据本发明的另一方面，容器的特征为特别地用于透光平坦表面的一个或多个具体的表面纹理(texture)。可通过表面处理(如等离子体处理)来获得纹理。纹理可用于实现具体的透光性能。表面处理可局限于容器的部分。而且，单个容器的不同表面处理的组合也是可行的。这样，假的光反射和折射可进一步最小化，并且可构建用于准确测量的优化光路。备选地，可通过表面涂布工艺来获得相同的效果。本发明的这两个方面也可并行使用以便增强所希望的效果。
在另一优选实施例中，所述表面纹理在容器的制造期间成形，例如带纹理膜的深拉以生成容器，用于注射模制的模内结构的使用等。这减少了制造步骤，因为组合了成形和纹理化步骤。
根据本发明的方法，通过提供上文所描述的测量设备且进一步通过相对于光源和检测单元准确地对准用于透光的(多个)容器表面，从而测量容器中的聚合酶连锁反应。如上文所讨论的，容器在测量装备中的对准为重要因素。不管其实施例如何，仅容器的准确对准可确保对于所有容器相同的准确、可靠的测量。因此，对于本发明而言，对准容器、互连的容器条带或者容器环的步骤是必不可少的。出于过程优化目的，另一方法规定了自动放置和对准。以此方式，用于安装和对准容器的准备时间可减少，同时提供准确且快速的测量。
优选地，用于激发和/或检测的平坦表面设于容器的下部，例如形成容器的底部。平坦表面优选地小于容器高度的一半，更优选地小于容器高度的1/3，以便与总容器表面相比占较小表面。其余容器主体可设计为惯例形状和尺寸，例如，呈带有直壁的圆柱形状，而容器的底部以弯壁部包括平坦表面。将用于激发和/或检测的平坦表面布置在容器下部导致用于激发和检测的限定区域。这便于使诸如光源和检测单元的测量设备聚焦于容器的对应表面上，由此，可实现短的无阻碍的激光和/或检测用的光路。因此，总信号品质和测量敏感性可提高。此外，通过将平坦表面设置于容器的下部，可在测量系统中有利地实施对应的光源和/或检测单元的定位以改进透光特性，尤其是以以下方式：光源或检测单元的对准基本上垂直于容器的对应平坦表面。当容器例如用在保持容器处于倾斜对准的热循环仪中时，容器可相对于光源和检测单元准确地定位。在用于光源和/或检测单元的平坦表面之外，优选地，容器主体的特征还在于大体上标准的容器尺寸。以此方式，容器可包含惯例的容器体积，从而允许容器用于惯例程序中。容器可以例如用插入元件或帽来密封，以便防止污染并允许PCR方法的高效热循环。
优选地，光源垂直于入射光的平坦表面对准。当光垂直地照射入射光用的平坦表面时，杂散光和散射损失可最小化。在一实施例中，检测单元的光路垂直于对应的平坦表面对准以用于信号检测。当检测单元测量从容器垂直发射的信号时，杂散光和散射损失也可最小化。
在一实施例中，用于入射光的平坦表面布置于容器的底部，特别地使得平坦表面水平地布置。入射光源可易于在容器下方对准，从而导致测量系统的简单布置。容器可以以倾斜方式对准，尤其是使得容器底部处的平坦表面相对于测量系统基本上水平。容器优选地倾斜成使得容器底部远离旋转中心导向。当容器在离心平台上旋转时，防止容器内侧的样品的转移，并且确保样品可主要积聚在容器的底部。容器的倾斜对准确保了容器的底部包括足量的样品材料以便允许光源的充足照射和样品材料的适当检测。这导致准确且一致的测量结果，即使在相对较少的样品量置于容器中时。
为了补偿在检测期间归因于容器旋转的不利效果，用于检测单元的透光的平坦表面在一实施例中略微倒圆，特别地到平坦表面的倒圆半径基本对应于容器旋转半径的程度。平坦表面的倒圆优选地在容器的圆周方向上。用于检测单元的略微倒圆的平坦表面确保了从容器中的激发样品发射的信号在所有旋转时间内在大体垂直的光路上测量。通过将平坦表面倒圆成基本对应于旋转半径，平坦表面可相对于检测单元垂直地传输所发射信号的时窗相应地增加，从而得到更高的测量敏感性。当容器在离心平台上旋转的同时逐一测量多个容器时，这是特别有利的。光源可定位于旋转容器下方，以在旋转期间一次一个地激发容器。诸如传感器的对应检测单元可紧邻旋转容器定位，以检测从容器以与其改进垂直对准地发射的信号。
在一实施例中，用于测量信号的激发和检测的容器底部具有比容器主体的其余部分更小的厚度。容器在底部的厚度可以以阶梯形式或无缝地逐渐渐缩。在容器底部更小的厚度导致由用于激发和/或检测的平坦表面所占据的更小体积。由此，需要相对少量的样品来填充用于激发和/或检测的体积。以此方式，即使用仅仅少量的样品体积，也可实现准确的测量。容器底部优选地被设置为用于激发的共面表面，其可由来自下方的光源照射。用于检测的表面优选地垂直于用于激发的表面而对准，由此，用于检测的表面可如上文所述略微倒圆，但仍接近共面表面。
在一实施例中，不考虑用于激发和/或检测的平坦表面，容器主体的截面基本为椭圆形。当容器在容器底部包括减小的厚度时，容器主体的椭圆形状并不与容器的减小截面相关。截面的椭圆形状增加了容器中的可用体积，而容器仍可以紧凑且空间高效的方式布置，例如在PCR仪器的离心平台上。椭圆形容器主体优选地维持在小截面处的长度，并且主要增加在椭圆形的长截面处的长度。因此，可利用所得到的容器来测量较宽范围的样品体积，同时用于激发和检测的平坦表面确保了精确的测量结果。
为了可更全面地理解本发明，现在将参考附图。
图1为示出本发明的改进的容器的透视图。该容器包括开口顶部1、渐缩密封底部2和容器主体3，容器主体3的特征为两个平坦表面4/5。一个平坦表面4用于照射光的透光，而另一个平坦表面5允许检测单元从容器收集信号。容器直径在1至10mm的范围内，而容器长度为约15至20mm，从而占据约15至25μl的体积。容器壁本身通常为0.4mm厚且由高度透明的塑料制成。用于透光的最佳表面积包括约1至10mm2。
图2显现了在光学测量设备的整个装备中的容器9。调温腔室6容纳插入接收器7内的多个容器9，接收器7由马达驱动13的转盘8转动。在旋转的转盘8下方的光源10照射容器9，并且透镜11收集容器中的光学信号且通过光路14将其导向至检测单元12。
图3示出了插入转盘8的接收器7内的互连容器条带15的可能实施例。容器条带15优选地通过注射模制一体地形成。容器之间的铰链16使得容器条带15能够装配到接收器7内，但条带也可起初为圆形。在所有互连容器上用于透光的平坦表面具有相同的光学对准。容器条带15也可保证容器的平坦表面4/5相对于照射光10或信号检测单元12准确地对准。在另一实施例中，接收器7可由延伸到互连环的容器条带15替换。容器环可具有旋转主体，旋转主体通过安装孔17固定到旋转的转盘8。
图4例示了一些备选的容器截面，以截面图(a)示出了主体，且以截面图(b)示出了渐缩底部。对于容器的上部和下部，截面可不同。截面类型A示出了带有4个边的多边形，类型B示出了带有6个边的多边形。在这方面，带有任意多个边的多边形是可想见的。然而，边的数量限制用于透光的平坦表面4/5的大小。开口顶部1处的突起18使得容器能够在接收器7中固定和对准。
图5示出了容器的上部和下部带有正方形截面的实施例，其中，密封底部2形成顶点。截面为带有4个边的多边形，并且容器的两部分朝向密封底部渐缩。位于容器下部的平坦表面4/5形成比容器上部的平坦表面更大的角。密封底部2处的任何平坦表面可用于光源或检测单元的透光。因此，平坦表面4/5可面向彼此或者彼此紧邻定位，取决于光学测量设备的布局。
图6基于图5的实施例，其中密封底部2形成边而不是顶点。这导致平坦表面4/5的增加面积。
图7显现了容器的上部带有圆形截面的容器条带。平坦表面4/5作为圆形区设于密封底部2。容器开口顶部1处的突起18用于经由铰链16来互连两个容器。铰链16的结构和/或材料可为刚性的或柔性的。柔性铰链16允许容器条带用在带有圆形接收器7的光学测量设备中。不管互连容器的数量如何，容器条带保证了容器在光路14中的严格对准。用于对准接收器中每个容器的额外突起或凹部不是必要的，因为容器之间的铰链16确保了互连容器的准确对准。
图8为根据本发明的实施例的容器9的示意图。容器9的特征为大体上椭圆形的容器主体3。容器9的闭合底部形成为用于入射光的平坦表面4，以改进从位于容器9下方的光源接收的入射光25的透射性质。入射光25可激发容器9内的样品，这导致由用于信号检测的平坦表面5透射的发射信号26。平坦表面5优选地略微倒圆，以在旋转期间测量容器9时改进所发射信号26的信号传输。容器9优选地以倾斜方式对准，从而允许容器9相对于入射光10和如图2描绘的测量系统的检测单元的精确定位。容器9还在容器下部包括减小的截面。减小的截面包括平坦表面4和5，以形成容器9的测量窗口21。测量窗口21的宽度24为缩窄截面的厚度且因此通常小于容器主体3的厚度。测量窗口21的高度22优选地小于容器主体20的高度。测量窗口23的长度优选地小于容器主体3的截面。测量窗口21占据显著小于总容器体积的限定体积，由此便于甚至用小样品体积实现准确且一致的测量结果。容器9可因此在各种应用中利用。
附图标记
1：开口顶部
2：密封底部
3：容器主体
4：平坦表面(用于入射光)
5：平坦表面(用于信号检测)
6：腔室
7：接收器
8：转盘
9：容器
10：光源
11：透镜
12：检测单元
13：马达
14：光路
15：容器条带
16：铰链
17：安装孔
18：突起
19：平坦表面之间的角度
20：9的高度
21：测量窗口
22：21的高度
23：21的长度
24：21的厚度
25：入射光
26：发射的信号。

Claims (16)

1. 一种用于保持少量液体和用于光学测量设备中的容器，包括开口顶部(1)和密封底部(2)，且容器主体(3)的特征为用于光源(10)和检测单元(12)的透光的至少两个平坦表面(4/5)，其特征在于，所述平坦表面并不彼此平行。
2. 根据权利要求1所述的容器，其特征在于，用于透光的所述平坦表面(4/5)形成在5至175°、优选地10至170°、更优选地10至130°、甚至更优选地60至120°、最优选地75至105°的角度(19)。
3. 根据权利要求1或2所述的容器，其特征在于，用于所述光源(10)和检测单元(12)的透光的所述平坦表面(4/5)被布置成与对应的光源或检测单元成75至105°的角度，优选地成90°的角度。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的容器，其特征在于，所述容器的特征为对准装置，优选地在所述开口顶部(1)附近在径向上呈容器形状、突起(18)和/或凹部的形式。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的容器，其特征在于，容器截面的特征为带有多个边的多边形，特别地用于所述容器的对准和/或光源和检测单元的透光。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的容器，其特征在于，多个容器互连而形成一个构件。
7. 根据前述权利要求所述的容器，其特征在于，在若干互连容器上用于透光的所述平坦表面(4/5)具有相同的光学对准。
8. 根据权利要求6至7中任一项所述的容器，其特征在于，所述互连容装置有柔性铰链(16)。
9. 根据权利要求1至7中任一项所述的容器，其特征在于，多个容器互连而形成环结构。
10. 根据前述权利要求所述的容器，其特征在于，所述环结构的特征为旋转主体，所述旋转主体带有安装装置(17)以将所述环结构固定到旋转驱动器。
11. 根据权利要求1至9中任一项所述的容器，其特征在于，所述容器的特征为将所述容器的开口顶部密封的柔性插入元件。
12. 根据权利要求1至10中任一项所述的容器，其特征在于，所述容器或多个互连容器通过注射模制而形成。
13. 根据权利要求1至12中任一项所述的容器，其特征在于，用于激发和/或检测的所述平坦表面设于所述容器的下部，尤其是与所述容器的底部相邻。
14. 一种用于监测容器中的聚合酶连锁反应的光学测量设备，包括容器接收器(7)、调温腔室(6)、光源(10)、检测单元(12)和分析装置以及根据前述权利要求中任一项所述的至少一个容器。
15. 一种光学地测量在根据前述权利要求中任一项所述的容器中的聚合酶连锁反应的方法，所述方法包括：
(a) 提供根据前述权利要求所述的光学测量设备；
(b) 将所述容器或多个容器插入所述测量设备的接收器(7)中，使得用于所述光源(10)或所述检测单元(12)的透光的至少一个平坦表面(4/5)准确地对准，以允许对应的光源或检测单元的最佳透光。
16. 根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述容器或多个容器的对准以自动工作流程实施。
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