CN105861299B - 微滴式数字pcr荧光检测系统和荧光检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微滴式数字PCR荧光检测系统和荧光检测装置，其中，微滴式数字PCR荧光检测系统包括微滴成像模块、荧光检测模块、样品传送模块以及控制模块，微滴成像模块和荧光检测模块与控制模块连接。微滴样品在所述样品传送模块中依次经过微滴成像模块以及荧光检测模块。微滴成像模块测量每一个微滴样品的直径的大小，当微滴样品的直径满足预设值时，记为有效微滴样品，统计有效微滴样品的总数量发送至控制模块。荧光检测模块收集荧光探针产生的荧光信号，将有效微滴样品的荧光信号转换成数字信号发送至控制模块。控制模块结合数字信号和有效微滴样品的总数量进行运算分析，得到目标核酸的浓度。本发明技术方案使微滴样品的数量能够被精确统计。

Description

微滴式数字PCR荧光检测系统和荧光检测装置

技术领域

本发明涉及PCR检测技术领域，特别涉及一种微滴式数字PCR荧光检测系统和应用该检测系统的荧光检测装置。

背景技术

PCR(Polymerase Chain Reaction,聚合酶链式反应)是一种用于扩增特定DNA片段的分子生物学技术，已经历了三代的发展。第一代PCR，即普通PCR，是通过凝胶电泳获得定性的结果，为终点PCR技术。第二代PCR，即荧光定量PCR，利用荧光探针对PCR产物进行标记跟踪，实时监控扩增过程，依靠标准曲线或参照基因来测定核酸量，实现相对定量，应用十分广泛。第三代PCR，即数字PCR，通过对样本进行微小单元化处理，可确定低至单拷贝的待检靶分子的绝对数目，为绝对定量PCR技术。

微滴式数字PCR是数字PCR的一种，区别于传统的PCR技术，它在扩增前首先对样品进行微滴化处理，经PCR扩增后，对每个微滴的荧光信号进行逐一检测分析，最后根据泊松分布原理及阳性微滴的个数与比例，得出靶分子的起始拷贝数或浓度。

现有的微滴式数字PCR是用微流控技术，在DNA扩增前对样品进行微滴化处理。使每个微滴只包含单个或不含目标核酸分子。在PCR扩增后，对每个微滴进行荧光信号检测，被检测到很强荧光信号的微滴被记为阳性微滴，微弱荧光信号或者无荧光信号的微滴被标记阴性微滴。泊松分布原理需要同时对阳性微滴和阴性微滴进行分别计数，而阴性微滴的探测是通过微滴中未参与反应的荧光探针所发出的微弱荧光来判断，然而如此会存在以下问题：这十分微弱的荧光信号容易被环境噪声所干扰，可能被误判为噪声而导致检测到的阴性微滴数量偏少，使微滴样品的数量不能够被精确统计。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种微滴式数字PCR荧光检测系统，旨在使微滴样品的数量能够被精确统计。

为实现上述目的，本发明提出的微滴式数字PCR荧光检测系统，用于检测微滴样品，包括微滴成像模块、荧光检测模块、样品传送模块以及控制模块，所述微滴成像模块和荧光检测模块与所述控制模块连接；

所述微滴样品在所述样品传送模块中依次经过所述微滴成像模块以及所述荧光检测模块；

所述微滴成像模块测量每一个所述微滴样品的直径的大小，当所述微滴样品的直径满足预设值时，记为有效微滴样品，并统计所述有效微滴样品的总数量发送至所述控制模块；

所述荧光检测模块通过照射所述微滴样品后激发所述微滴样品中的荧光探针，收集所述荧光探针产生的荧光信号，将所述有效微滴样品的荧光信号转换成数字信号发送至所述控制模块；

所述控制模块结合所述有效微滴样品的荧光信号转换成的数字信号和所述有效微滴样品的总数量进行运算分析，得到目标核酸的浓度。

可选地，所述微滴成像模块包括白光光源、第一物镜、第一透镜和图像传感器，

所述白光光源发出的白光经过所述第一透镜反射后进入所述第一物镜，并聚焦于所述微滴样品；

所述微滴样品经过所述白光照射后，经由所述第一物镜后在所述图像传感器中成像。

可选地，所述第一透镜为半反半透镜，所述半反半透镜的于竖直方向上的倾斜角度为45度。

可选地，所述荧光检测模块包括光源、第二透镜、第二物镜和荧光探测器，所述第二物镜为显微物镜；

所述光源发射的探测光经过所述第二透镜反射后，在所述第二物镜汇聚成光斑照射到所述微滴样品上；

所述微滴样品经所述探测光照射后发出荧光信号，所述荧光信号经过所述第二物镜收集后，再通过所述第二透镜，到达所述荧光探测器；

所述荧光探测器将所述有效微滴样品的荧光信号转换成的数字信号发送至所述控制模块。

可选地，所述光源包括第一光源和第二光源，所述荧光探测器包括第一探测器和第二探测器，所述第二透镜为二向色镜，所述第二透镜包括第一二向色镜、第二二向色镜以及第三二向色镜，

所述第一光源与所述第一探测器之间形成第一检测通路，所述第二光源与所述第二探测器之间形成第二检测通路，

所述第一二向色镜设于所述第一光源和所述第二物镜之间；

所述第二二向色镜设于所述第一二向色镜和所述第三二向色镜之间的光路中，且与所述第一探测器对应设置；

所述第三二向色镜设于所述第二光源和所述第二二向色镜之间，且与所述第二探测器对应设置。

可选地，所述微滴样品中包括第一荧光探针和/或第二荧光探针，所述第一光源用于激发所述第一荧光探针，所述第一探测器用于探测所述第一荧光探针产生的荧光信号；

所述第二光源用于激发所述第二荧光探针，所述第二探测器用于探测所述第二荧光探针产生的荧光信号。

可选地，所述荧光检测模块还设有滤光片，所述滤光片包括第一滤光片和第二滤光片，所述第一滤光片的光谱范围与所述第一探测器相匹配，且所述第一滤光片设于所述第一探测器与所述第二二向色镜之间；

所述第二滤光片的光谱范围与所述第二探测器相匹配，且所述第二滤光片设于所述第二探测器和所述第三二向色镜之间。

可选地，所述光源为激光光源或单色LED光源，所述光源为单色LED光源时，所述光源前设有窄带滤光片。

可选地，所述样品传送模块为微流控芯片，包括微滴样品通道、微滴存储池以及流速控制系统；

所述流速控制系统与所述控制模块连接，用于控制所述微滴样品的流动速度；

所述微滴样品通道的宽度与所述微滴样品的直径适配，以使每一所述微滴样品依次经过所述第一物镜的聚焦探测区域。

本发明还提出一种荧光检测装置，包括微滴式数字PCR荧光检测系统，所述微滴式数字PCR荧光检测系统包括微滴成像模块、荧光检测模块、样品传送模块以及控制模块，所述微滴成像模块和荧光检测模块与所述控制模块连接；

所述微滴样品在所述样品传送模块中依次经过所述微滴成像模块以及所述荧光检测模块；

所述微滴成像模块测量每一所述微滴样品的直径的大小，当所述微滴样品的直径满足预设值时，记为有效微滴样品，并统计所述有效微滴样品的总数量发送至所述控制模块；

所述荧光检测模块通过照射所述微滴样品后激发所述微滴样品中的荧光探针，收集所述荧光探针产生的荧光信号，并将所述有效微滴样品的荧光信号转换成的数字信号发送至所述控制模块；

所述控制模块结合所述有效微滴样品的荧光信号转换成的数字信号和所述有效微滴样品的总数量进行运算分析，得到目标核酸的浓度。

本发明技术方案通过采用微滴成像模块，使得通过微滴成像模块的有效微滴样品的总数量能够被精确统计，进而使得控制模块能够精确统计目标核酸的浓度。在检测过程中，微滴样品在样品传送模块中逐个传送，经过微滴成像模块时，微滴成像模块对微滴样品进行成像，统计微滴样品的尺寸，根据微滴样品的尺寸和与设置比对，当微滴样品的直径满足预设值时，记为有效微滴样品，统计微滴样品中的有效微滴样品的总数量，并将有效微滴样品总数量发送至控制模块。荧光检测模块收集荧光探针产生的荧光信号，将有效微滴样品的荧光信号转换成的数字信号发送至控制模块，控制模块根据有效微滴样品的总数量以及荧光检测模块检测到的有效微滴样品的荧光信号转换成的数字信号进行运算而得到目标核酸的浓度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明微滴式数字PCR荧光检测系统一实施例的示意图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种微滴式数字PCR荧光检测系统100，用于检测微滴样品40中目标核酸的浓度。

图1为本发明微滴式数字PCR荧光检测系统100一实施例的示意图。其中，ox为水平方向，oy为竖直方向。

在本发明实施例中，如图1所示，该微滴式数字PCR荧光检测系统100包括微滴成像模块10、荧光检测模块20、样品传送模块30、以及控制模块(未图示)，微滴成像模块10和荧光检测模块20均与控制模块连接；

微滴样品40在所述样品传送模块30中依次经过微滴成像模块以及荧光检测模块20；

微滴成像模块10测量每一个微滴样品40的直径的大小，当微滴样品的直径满足预设值时，记为有效微滴样品，并统计有效微滴样品40的总数量发送至控制模块；

荧光检测模块20通过照射微滴样品40后激发所述微滴样品40中的荧光探针，收集荧光探针产生的荧光信号，将所述有效微滴样品40的荧光信号转换成数字信号发送至控制模块；

所述控制模块结合所述有效微滴样品40的荧光信号转换成的数字信号和所述有效微滴样品40的总数量进行运算分析，得到目标核酸的浓度。

其中，微滴样品40的直径的大小应适宜，满足于设置值。当验证微滴样品40直径满足于设置值时，即为有效微滴样品40。可以理解的是，当微滴样品40的直径不满足预设值的数量过多时，控制模块会报警，以使操作人员对仪器进行校准。

微滴样品40在样品传送模块30中逐个传送，相邻两微滴样品40之间的距离大致为微滴样品40的直径的10倍。

微滴样品40在通过检测前均被加入荧光探针，荧光探针上同时有荧光基团和淬灭基团，没扩增时，荧光基团发出的光被淬灭基团吸收，荧光很弱。扩增过程中，荧光基团和淬灭基团被分开，就能产生很强的荧光。也即，若微滴样品40中含有目标核酸，该微滴样品40可被扩增，该微滴样品40的荧光染料会被激发形成荧光信号；若该微滴样品40中不含有目标核酸，则该微滴样品40不会被扩增，进而不会被激发荧光信号或产生的荧光信号很弱。

本发明技术方案通过采用微滴成像模块10，使得通过微滴成像模块10的有效微滴样品40的总数量能够被精确统计，进而使得控制模块能够精确统计目标核酸的浓度。在检测过程中，微滴样品40在样品传送模块30中逐个传送，经过微滴成像模块10时，微滴成像模块10对微滴样品40进行成像，统计微滴样品40的尺寸，根据微滴样品40的尺寸和与设置比对，当微滴样品40的直径满足预设值时，记为有效微滴样品40，统计微滴样品40中的有效微滴样品40的总数量，并将有效微滴样品40总数量发送至控制模块。荧光检测模块20收集荧光探针产生的荧光信号，将有效微滴样品40的荧光信号转换成数字信号发送至控制模块，控制模块根据有效微滴样品40的总数量以及荧光检测模块20检测到的有效微滴样品40的荧光信号转换成的数字信号进行运算而得到目标核酸的浓度。

参照图1，微滴成像模块10包括白光光源11、第一物镜12、第一透镜13和图像传感器14，

白光光源11发出的白光经第一透镜13反射后进入所述第一物镜12，聚焦于微滴样品40；

微滴样品40经过白光照射后，经由第一物镜12后在图像传感器14中成像。

其中，第一透镜13为半反半透镜，半反半透镜于竖直方向上(参照图1中的oy)的倾斜角度为45度。图像传感器14采用CCD成像技术。

在检测过程中，白光光源11发出的白光照射在微滴样品40，微滴样品40在图像传感器14中成像，如此可精确统计每一经过第一物镜12的有效微滴样品40，使得微滴样品40的数量统计更为精确。

在本发明的一实施例中，荧光检测模块20包括光源(未标示)、第二透镜(未标示)、第二物镜23和荧光探测器(未标示)，所述第二物镜23为显微物镜；

光源发射的激发光经过第二透镜反射后，在第二物镜23汇聚成光斑照射到微滴样品40上；

微滴样品40经激发光照射后发出荧光信号，荧光信号经过第二物镜23收集后，再通过第二透镜，到达荧光探测器；

荧光探测器将有效微滴样品40的荧光信号转换成的数字信号发送至控制模块。

其中，第二物镜23采用显微物镜能够得到聚焦更小的聚焦光斑，和较高的荧光收集能力。荧光探测器可采用光电倍增管PMT，第二透镜为二向色镜。所述荧光检测模块20精确检测含有目标核酸的微滴样品40的数量，使得统计更为精确。

在本实施例中，参见图1，光源包括第一光源211和第二光源212，荧光探测器包括第一探测器241和第二探测器242，第二透镜为二向色镜，第二透镜包括第一二向色镜221、第二二向色镜222、以及第三二向色镜223，

第一光源211与第一探测器241之间形成第一检测通路，第二光源212与第二探测器242之间形成第二检测通路，

第一二向色镜221设于第一光源211和第二物镜23之间；

第二二向色镜222设于第一二向色镜221和第三二向色镜223之间的光路中，且与第一探测器241对应设置；

第三二向色镜223设于第二光源212和第二二向色镜222之间，且与第二探测器242对应设置。

其中，微滴样品40中包括第一荧光探针和/或第二荧光探针(也即可以单独存在一种探针，也可以同时存在两种探针)，第一光源211用于激发第一荧光探针，第一探测器241用于探测第一荧光探针产生的荧光信号；第二光源212用于激发第二荧光探针，第二探测器242用于探测第二荧光探针产生的荧光信号。

可以理解的是，在检测的过程中，可以只加入其中一种荧光探针。该第一荧光探针为FAM(羧基荧光素)探针，第二荧光探针为VIC探针(由ABI公司生产)，第一探测器241和第二探测器242依次对应第一光源211和第二光源212。第一探测器241检测FAM探针发出的荧光信号，第二探测器242检测VIC探针发出的荧光信号。第一光源211的探测光的波长范围为450nm-490nm，对应FAM探针的荧光波长范围为515nm-520nm，第一探测器241的检测范围为515nm-520nm。第二光源212的探测光的波长范围为500nm-535nm，对应VIC探针的荧光波长范围为560nm-580nm，第二探测器242的检测范围大于550nm。

可以理解的是，第一光源211、第一探测器241以及第二光源212、第二探测器242可根据实际检测的荧光探针调换，荧光探针也可根据第一光源211和第二光源212的波长范围进行替换。

二向色镜又称双色镜，其特点是对一定波长的光几乎完全透过，而对另一些波长的光几乎完全反射。本申请中，第一二向色镜221、第二二向色镜222、第三二向色镜223的截止波长依次为485nm、525nm、540nm。其中，第一二向色镜221可供大于其截止波长的光穿过。第二二向色镜222可供小于其截止波长的光穿过。第三二向色镜223可供小于其截止波长的光穿过。

每个微滴样品中都含有FAM和VIC荧光探针，如果含有目标DNA，经过PCR扩增后，FAM或者VIC就会产生很强的荧光。如果不含目标DNA，DNA不会扩增，FAM或者VIC的荧光信号很弱，或者没有。

统计中，有效微滴样品40的荧光信号会在荧光探测器中转换成数字信号，转换的数字信号为0或1。含有目标核酸，则记为1；不含有目标核酸，则记为0。

在检测的过程中，第一光源211发出探测光至第一二向色镜221反射，经由第二物镜23到微滴样品40，第二光源212发出探测光依次穿过第三二向色镜223，在第二二向色镜222反射后，经由第二物镜23到微滴样品40。

若微滴样品40中含有目标核酸：FAM探针受激发发出荧光信号并散射到第二物镜23中，荧光信号穿过第二物镜23后，继续穿过第二二向色镜222至第一探测器241形成数字信号，第一探测器241发送数字信号1至控制模块。VIC探针受激发发出荧光信号并散射到第二物镜23中，荧光信号穿过第二物镜23后，在第二二向色镜222处反射至第三二向色镜223，在第三二向色镜223处反射至第二探测器242，第二探测器242收集到后形成数字信号1发送至控制模块。

微滴样品40中不含有目标核酸：第一探测器241和第二探测器242均发送数字信号0至控制模块。

如此，通过第一探测器241、第二探测器242以及第一光源211和第二光源212的设置，激发波长和荧光探测，一对一，依次排列，提高激发光激发效率，避免激发光源干扰，改善荧光补偿效果，提高测量的准确性。

参照图1，荧光检测模块20还设有滤光片，滤光片包括第一滤光片241a和第二滤光片242a，所述第一滤光片241a的光谱范围与所述第一探测器241相匹配，且第一滤光片241a设于第一探测器241与第二二向色镜222之间；

所述第二滤光片242a的光谱范围与所述第二探测器242相匹配，且第二滤光片242a设于第二探测器242和第三二向色镜223之间。

第一滤光片241a和第二滤光片242a的设置可以滤除对应荧光信号以外的背景光干扰，使得第一探测器241和第二探测器242的测量更为精确。

进一步地，所述光源为经过准直处理的激光光源或单色LED光源，所述光源为单色LED光源时，所述光源前设有窄带滤光片(211a，212a)。

所述光源发出的探测光均进行准直处理，采用单色LED光源时，设置窄带滤光片(211a，212a)能够最大限度的接近染料最佳激发波长，同时避免光源对探测的荧光干扰。

参照图1，样品传送模块30为微流控芯片，包括微滴样品通道31、微滴存储池(未图示)以及流速控制系统(未图示)；

流速控制系统与控制模块连接，用于控制微滴样品40的流动速度；

微滴样品通道31的宽度与微滴样品40的直径适配，以使每一微滴样品40依次经过第一物镜12的聚焦探测区域。

如此，微滴样品40的流动速度和大小都精确可调，使得测量更加精准。

本发明还提出一种荧光检测装置(未图示)，该荧光检测装置包括微滴式数字PCR荧光检测系统100，该微滴式数字PCR荧光检测系统100参照上述实施例，由于本荧光检测装置采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种微滴式数字PCR荧光检测系统，用于检测微滴样品，其特征在于，包括微滴成像模块、荧光检测模块、样品传送模块以及控制模块，所述微滴成像模块和荧光检测模块与所述控制模块连接；

所述微滴样品在所述样品传送模块中依次经过所述微滴成像模块以及所述荧光检测模块；

所述微滴成像模块对微滴样品进行成像，测量每一个所述微滴样品的直径的大小，当所述微滴样品的直径满足预设值时，记为有效微滴样品，并统计所述有效微滴样品的总数量发送至所述控制模块；

所述荧光检测模块通过照射所述微滴样品后激发所述微滴样品中的荧光探针，收集所述荧光探针产生的荧光信号，将所述有效微滴样品的荧光信号转换成数字信号发送至所述控制模块；

所述控制模块结合所述有效微滴样品的荧光信号转换成的数字信号和所述有效微滴样品的总数量进行运算分析，得到目标核酸的浓度；

所述样品传送模块为微流控芯片，包括微滴样品通道、微滴存储池以及流速控制系统；

所述流速控制系统与所述控制模块连接，用于控制所述微滴样品的流动速度。

2.如权利要求1所述的微滴式数字PCR荧光检测系统，其特征在于，所述微滴成像模块包括白光光源、第一物镜、第一透镜和图像传感器，

所述白光光源发出的白光经过所述第一透镜反射后进入所述第一物镜，并聚焦于所述微滴样品；

所述微滴样品经过所述白光照射后，经由所述第一物镜后在所述图像传感器中成像。

3.如权利要求2所述的微滴式数字PCR荧光检测系统，其特征在于，所述第一透镜为半反半透镜，所述半反半透镜于竖直方向上的倾斜角度为45度。

4.如权利要求1至3中任意一项所述的微滴式数字PCR荧光检测系统，其特征在于，所述荧光检测模块包括光源、第二透镜、第二物镜和荧光探测器，所述第二物镜为显微物镜；

所述光源发射的激发光经过所述第二透镜反射后，在所述第二物镜汇聚成光斑照射到所述微滴样品上；

所述微滴样品经所述激发光照射后发出荧光信号，所述荧光信号经过所述第二物镜收集后，再通过所述第二透镜，到达所述荧光探测器；

所述荧光探测器将所述有效微滴样品的荧光信号转换成的数字信号发送至所述控制模块。

5.如权利要求4所述的微滴式数字PCR荧光检测系统，其特征在于，所述光源包括第一光源和第二光源，所述荧光探测器包括第一探测器和第二探测器，所述第二透镜为二向色镜，所述第二透镜包括第一二向色镜、第二二向色镜以及第三二向色镜，

所述第一光源与所述第一探测器之间形成第一检测通路，所述第二光源与所述第二探测器之间形成第二检测通路，

所述第一二向色镜设于所述第一光源和所述第二物镜之间；

所述第二二向色镜设于所述第一二向色镜和所述第三二向色镜之间的光路中，且与所述第一探测器对应设置；

所述第三二向色镜设于所述第二光源和所述第二二向色镜之间，且与所述第二探测器对应设置。

6.如权利要求5所述的微滴式数字PCR荧光检测系统，其特征在于，所述微滴样品中包括第一荧光探针和/或第二荧光探针，所述第一光源用于激发所述第一荧光探针，所述第一探测器用于探测所述第一荧光探针产生的荧光信号；

所述第二光源用于激发所述第二荧光探针，所述第二探测器用于探测所述第二荧光探针产生的荧光信号。

7.如权利要求5所述的微滴式数字PCR荧光检测系统，其特征在于，所述荧光检测模块还设有滤光片，所述滤光片包括第一滤光片和第二滤光片，所述第一滤光片的光谱范围与所述第一探测器相匹配，且所述第一滤光片设于所述第一探测器与所述第二二向色镜之间；

所述第二滤光片的光谱范围与所述第二探测器相匹配，且所述第二滤光片设于所述第二探测器和所述第三二向色镜之间。

8.如权利要求5所述的微滴式数字PCR荧光检测系统，其特征在于，所述光源为经过准直处理的激光光源或单色LED光源；

所述光源为单色LED光源时，所述光源前设有窄带滤光片。

9.如权利要求1所述的微滴式数字PCR荧光检测系统，其特征在于，

所述微滴样品通道的宽度与所述微滴样品的直径适配，以使每一所述微滴样品依次经过所述第一物镜的聚焦探测区域。

10.一种荧光检测装置，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一所述的微滴式数字PCR荧光检测系统。