CN105917227B - 实时定量和终点比色的pcr装置 - Google Patents

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Abstract

提供了一种基于比色的DNA诊断系统，其包括检测器模块、处理器和存储器。所述检测器模块被设置为记录由光源照明的DNA样本的图像。所述存储器包括计算机程序代码，所述存储器和所述计算机程序代码被配置为利用所述处理器执行(a)发送信号以将所述DNA样本的温度调整到所述DNA样本的颜色发生变化的近似温度范围内，(b)向所述检测器模块发送信号以在所述近似温度范围内以定义的间隔捕获所述DNA样本的图像，(c)对捕获的图像进行处理以提取颜色信息，以及(d)对提取的颜色信息进行处理以客观确定所述DNA样本的颜色发生变化时的所述近似温度范围内的解链温度。

Description

实时定量和终点比色的PCR装置
本发明要求2013年11月12日提交的申请号为201308391-0的新加坡专利申请的优先权。
技术领域
本发明涉及聚合酶链反应(PCR)生物测定。特别的，其涉及一种用于终点解链曲线分析的实时定量比色的PCR系统。
背景技术
基因分型传统上包括昂贵的测定法的使用，例如，实时PCR和DNA排序。在实时PCR中已经尝试了各种策略，例如，修改退火温度以使得在探针和目标靶扩增子之间的碱基不匹配的情况下不会扩增PCR产物。也可以通过使用野生型特异性(wild type-specific)探针和突变特异性(mutant-specific)探针被固定在固体基板上的DNA微阵列系统的终点杂合来执行基因分型。DNA排序开辟了在很长的序列和潜在的整个基因组检测突变的可能性。但是，由于在上述的方法中使用了荧光团和荧光成像装置而导致造价昂贵，这是主要的限制。可替换的，通过在常规的PCR中，将引物设计为使得3′侧落在一个突变位点，从而如果该位点确实突变也不会发生PCR扩增，这样可以避免荧光团的使用。然而，这将需要大量的手工操作并且需要执行耗时的凝胶电泳以验证PCR产物是否已经扩增。
一种传统的方法提出了用于基因分型的简单且经济的比色分析法。该分析通过对杂合为金纳米颗粒吗啉代(morpholino)探针的单链DNA(ssDNA)目标物执行解链曲线分析来进行基因突变检测。杂合使得溶液呈粉红色色调。然而，一旦溶解，ssDNA探针溶液将变成无色。该分析高度敏感，从而野生型和突变之间的约5到12摄氏度的解链温度差导致单碱基对突变。使用的DNA探针比传统的荧光团偶联的探针便宜的多。因为其是比色法，所以不需要昂贵且笨重的光源、光学过滤器和高端成像设备。实际上，根据这种传统方法的基因分型如同将DNA探针和盐添加到PCR扩增的产物并且利用肉眼观察粉红色色调消失的温度那么简单明确。
然而，颜色的变化的视觉评估是非常主观的，并且这可能导致不同操作者所记录的解链温度不同。该分析也可受到外界因素(例如，环境照明)的影响而出现偏差。视觉评估还显著地限制可以在任意给定的时间监测的样本的数量，这是因为操作者可能无法同时监测大量样品的颜色变化，除非多个操作者一起执行该任务。另一个缺点是该过程是劳动密集型的，这是因为其要求操作者连续地监视颜色变化，从而使他/她不能执行手边的其他实验室任务。它也是繁琐的并引起疲劳，这又不利地影响视觉分析。因为在某些情况下颜色发生细微变化，所以操作者可能不能够精确地识别的解链温度。
通过如在标准荧光解链曲线分析中计算颜色变化的衍生物，可以获得更准确的结果，这在视觉评估中是不可能的。基于荧光的PCR成像技术从而在分子诊断空间占据主导地位，但是用于实时PCR和终点PCR的基于比色法分析(例如，解链曲线分析)的出现已经突出了对定量比色装置的需要。
因此，需要一种可以在设有终点解链曲线分析的实时PCR中执行图像采集、图像分析和热循环的低成本的实时定量的比色法PCR系统。另外，通过结合附图和本公开的该背景技术的随后的详细描述和所附的权利要求，其他期望的特征和特性将变得显而易见。
发明内容
根据详细描述，提供了基于比色法的DNA诊断系统。该基于比色法的DNA诊断系统包括检测器模块、处理器和存储器。探测器模块被设置为记录由光源照射的DNA样本的图像。存储器包括计算机程序代码，所述计算机程序代码和存储器一起被配置为利用所述处理器至少执行：(a)发送信号以将DNA样本的温度调整到DNA样本的颜色发生变化的近似温度范围内，(b)向检测器模块发送信号以捕获在近似温度范围内以定义的间隔捕获DNA样本的图像，(c)对捕获的图像进行处理以提取颜色信息，以及(d)对提取的颜色信息进行处理以客观地确定DNA样本的颜色发生变化时的近似温度范围内的解链温度。
附图说明
附图与下面的详细描述被合并到说明书中并作为说明书的一部分，附图用于示出各种实施例并解释根据本发明实施例的各个原理和优点，其中，贯穿各个视图，相同的参考标号表示相同或者功能类似的元件。
图1示出了根据本实施例的、用于及时现场护理(point-of-care)(POC)应用的实时比色和终点聚合酶链反应(PCR)系统的前右透视图。
图2描述了根据本实施例的台式PCR系统的前平面视图。
图3包括图3A和3B，其示出了用于根据本实施例的图2的PCR系统的菲涅耳透镜和微量滴定板组件，其中，图3A描述了菲涅尔透镜和微量滴定板组件的示意图，以及图3B描述了菲涅尔透镜和微量滴定板组件的前平面视图。
图4示出了用于初始化、成像和终止根据本实施例的图2的PCR系统的成像会话的Matlab代码。
图5示出了用于与根据本实施例的图2的PCR系统的温度控制器通信的Matlab代码。
图6示出了根据本实施例的图2的PCR系统的第一温度控制方案的部件流向。
图7示出了根据本实施例的图2的PCR系统的第二温度控制方案的部件流向。
图8包括图8A和8B，其示出了用于通过根据本实施例的图2的PCR系统的网络摄像机和热循环仪的软件控制完成解链曲线的Matlab代码。
图9描述了由根据本实施例的图1的PCR系统形成的三种不同单链DNA探针(ssDNA-probe)杂合溶液的解链曲线轮廓的曲线图。
图10描述了根据本实施例的图2的PCR系统的第一和第二温度控制方案的温度感测的曲线图。
图11描述了在根据本实施例的图2的PCR系统的微量滴定板的不同孔中的两个相同单链DNA探针(ssDNA-probe)杂合溶液的解链曲线轮廓的曲线图。
图12描述了由根据本实施例的图2的PCR系统的LED照明的96孔微量滴定板的俯视平面图。
以及图13描述了使用根据本实施例的图2的PCR系统的红色色度所进行的解链曲线分析中的颜色变化的曲线图。
本领域技术人员将会理解，出于简单明了表示图中元件的目的，图中元件并不一定是按比例进行绘制的。例如，图示说明、框图或者流程图中的某些元件的尺寸可以相对于其他元件而增大，以有助于提高对本实施例的理解。
具体实施方式
下面的详细描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本发明或本发明的应用和使用。此外，不受本发明的前述背景技术或下面的详细描述所提出的任何理论的束缚。因此，根据本实施例提出了低成本并且实时定量比色的聚合酶链反应(PCR)系统。该PCR系统能够在实时PCR设置和终点解链曲线分析中执行图像采集、图像分析和热循环。一个实施例被设计为及时现场护理(POC)应用，而另一实施例是实验室使用的台式装置。
这两种PCR系统通常包括(i)彩色摄像机，例如，瑞士罗技国际S.A.出售的高清网络摄像机C525，(ⅱ)珀尔帖(Peltier)加热模块，例如，美国加利福尼亚州的热磁公司(Ferrotec Corporation)所出售的，(iii)软件系统的软件控制，例如，美国马萨诸塞州的MathWorks公司授权的Matlab图像采集工具箱，(iv)轻质绝缘装置，例如，新加坡的WhitsTechnlogies所出售的，以及(v)LED光源，例如，新加坡的Element14出售的冷白24cd LED光源。
软件同时控制珀尔帖加热模块和彩色摄像机，以将单链DNA探针(ssDNA-probe)溶液从室温加热到预定温度。在固定的温度间隔，获得样本图像并提取和量化其颜色信息。光绝缘装置防止环境光照射样本，并且内置的LED用于样本照明，以使得整个过程是可重复的并且不受在环境光的影响。
两种PCR系统都包括比色基因分型分析，其用于通过对杂合到DNA探针的单链DNA(ssDNA)目标物进行解链曲线分析来检测基因突变。杂合溶液最初具有可见的颜色，一旦解链就变成无色。然而，尽管比色分析可以使得能够利用肉眼观察颜色变化，但是她们仍然具有高度的主观性，对颜色变化的情况和程度的解释因人而异。
根据本实施例的PCR系统是有成本效益的，这是因为它们没有移动部件，并且各种部件(例如，网络摄像机、菲涅尔透镜、LED和绝缘装置)都是低成本的。PCR系统也是完全自动化的，从而软件提供了对珀尔帖加热模块/热循环仪和摄像机的实时控制。软件还结合了图像和信号处理程序，以产生解链曲线轮廓并精确计算解链温度。菲涅耳透镜、偏振滤光器和LED的组合确保了由台式装置捕获整个视场，从而无需扫描仪。该装置还确保比色分析是定量的并且可重复的。因此，根据本实施例的PCR系统能够潜在的适于任何比色分析，例如，酶联免疫吸收测定(ELISA)和聚合酶链反应-酶联免疫吸收测定(PCR-ELISA)。
参考图1，前右顶部透视图100示出了根据用于POC应用的本实施例的实时比色和终点PCR装置102。PCR装置102包括加热模块104，所述加热模块104包括珀尔帖加热器106、散热器108和铜座110。PCR装置102还包括超亮白光LED 112、偏振滤光器114、聚焦透镜116和网络摄像机118。整个设置包含在环境光绝缘外壳(未示出)内。成像和热加热/循环都由软件控制。
根据本实施例，PCR装置102是用于在及时现场护理执行比色基因分型的集成设计。它使得在同一个平台执行PCR和随后的基因分型步骤。由电池供电的LED 112提供了照明样本的白色宽带光源，以使得产生的吸光颜色(即，粉红色的色调)可以由摄像机118捕获。如视图100所示，LED112以45°的方向倾斜以防止光使摄像机118的视场饱和。PCR装置102需要5伏直流低压电源并且获取少于2安培的电流，并且潜在的可以从偏僻户外的汽车电池中获取电力。
已经开发出一些常规的基于荧光的实时PCR装置用于POC诊断，但是根据本实施例，实现了比色实时PCR装置102。该POC PCR装置102被设计的便携性更好。其可以由5伏直流电源而不是典型的12伏电源供电。另外，加热模块104具有用于200微升PCR管中的三个样本的相同患者吞吐量的较小引脚，其中，每个样本由指定的一个白光LED光源112照明。此外，没有使用典型的光电倍增管(PMT)，在PCR装置102中代替使用了聚焦透镜116、激发和发射滤光片114和低成本的网络摄像机118。
虽然POC装置被设计为便携性的，但是台式装置被设计为通过将该装置连接到常规的热循环仪而用于96或384样本的较大吞吐量，其中，加热块容纳高达96或384个样本。参考图2，描述了根据本实施例的实时比色和终点台式PCR系统202的前平面视图200。PCR系统202包括光绝缘装置204、内置LED光源、网络摄像机208、菲涅耳透镜、白色不透明微量滴定板和4.5伏的直流电池电源210。使用了标准热循环仪212，例如，美国加利福尼亚州的Bio-Rad实验室出售的Bio-Rad PTC 200热循环仪，并且成像、LED照明和热加热/循环由计算机214上的软件进行软件控制。网络摄像机由计算机/笔记本电脑的USB接口通过USB电缆216供电，而LED光源既可以由4.5伏的直流电池电源210供电或者也可以替换的由计算机214的USB接口通过USB电缆216供电。通过USB串口端口接口218与热循环仪212和网络摄像机208直接软件通信。菲涅耳透镜与偏振滤光器一起使用，以使得摄像机208捕获96孔的板的整个视场，而没有来自菲涅耳表面的光反射和眩光，将参考图3对此作更详细的描述。
传统上，常规的台式实时PCR装置是基于荧光的，因此，需要昂贵的成像部件。在大多数情况下，这些装置也包含昂贵的光学扫描仪。根据本实施例，提供了包括摄像模块的低成本台式PCR系统202，其可以潜在地与实验室和医院常用的各种热循环仪连接。PCR系统202被设计为具有成本效益的，正因为如此，低成本的网络摄像机208用于成像。鉴于色度信号具有的对比度通常比荧光信号的对比度较差，并且网络摄像机208不同于科学摄像机，其灵敏度较差，在不影响摄像机208覆盖整个板的情况下，将摄像机208安装的尽可能的靠近微量滴定板。摄像机208、内置LED光源、光绝缘装置204、电池电源210、菲涅耳透镜和微量滴定板的功能为作为可以被插入到标准热循环仪212中并耦合到标准计算机214以对比色分析进行测量和定量的模块。
参考图3A，示意图300示出了菲涅耳透镜302和微量滴定板304组件。菲涅尔透镜302可以是这样的菲涅耳透镜，例如，美国新泽西州的EdmundOptics所出售的，并且白色不透明微量滴定板304可以是白色微孔板，例如，美国马萨诸塞州的Thermo FisherScientific公司所出售的并且具有96个孔306或者384个孔306的白色微孔板。菲涅耳透镜302使得能够获得整个孔板(即，使得整个96或者384孔微量滴定板304广角成像)。菲涅耳透镜302被牢固地安装在微量滴定板304的右上方，其中，假设孔306中的样本反射的光线308都垂直于菲涅尔透镜302。菲涅尔透镜302折射光线308以使得折射光线310形成检测器模块312(检测器模块312包括摄像机212)的成像平面中的良好分辨率点。来自菲涅尔透镜304的光的反射和眩光是比色系统关注的问题，比色系统与基于荧光的系统不同，其不具有克服该问题的带通滤波器。根据本实施例，偏振滤光器用于解决这个问题。
图3B描述了作为插入到热循环仪212中的模块的一部分的菲涅耳透镜302和微量滴定板304组件的前平面视图320。根据本实施例，菲涅耳透镜302直接位于微量滴定板304的上方,微量滴定板304的尺寸约为12.8厘米×8.6厘米，并且菲涅尔透镜302的焦距为10英寸，厚度约为0.15厘米。菲涅尔透镜302使得微量滴定板304中的外围的孔306的底部是可见的。实际上，假设菲涅耳透镜302和检测器模块312之间的垂直距离约为14.5厘米，则5英寸的焦距应使得外围的孔306的底部更好的可见。
菲涅耳透镜302是丙烯酸类，其被直接置于微量滴定板304上，从而有利地确保从孔306中的每个样本中发出的光线308和影响孔306中的每个样本的LED光线大约在如视图300所示的对象上是远心的。白色不透明的96孔微量滴定板304为比色读出提供了良好的对比度。另外，每个孔306有利地具有圆形的底部以将杂合溶液浓缩到小区域，以进一步增加吸收强度。根据本实施例，8个LED灯被置于光绝缘装置204内的顶板的角落和侧面，并且为了检测清晰度，所述绝缘装置204由黑色的阳极电镀铝制造。所有LED灯并联到4.5伏的直流电池210，并且摄像机212安装在位于模块的中心顶部的检测器模块312中。
在Matlab中通过USB接口218实现摄像机212和热循环仪212和珀尔帖加热模块的实时控制。参考图4，描述了用于初始化、成像和终止根据本实施例的图2的PCR系统的成像会话的Matlab代码400。Matlab图像采集工具箱用于通过其窗口视频驱动器从网络摄像机212获得实时视频播放和静态图像。网路摄像机212通过USB电缆218连接到电脑/笔记本电脑214。
珀尔帖加热模块包括PCR系统202的温度控制器，例如，美国加利福尼亚州的Accuthermo技术公司出售的FTC 100PID控制器，其也是通过计算机214的串行端口驱动器使用串行端口电缆218和USB转串口适配器进行控制。参考图5，描述的Matlab代码500用于与根据本实施例的PCR系统202的温度控制器进行通信。代码500是用于执行实时热循环或终点解链曲线分析的程序例程。图6和图7示出了根据本实施例的远程温度控制两种设计。
图6示出了PCR 202的第一温度控制方案的部件流向图600。温度控制器602通过热电偶传感器606感测加热板604(例如，铜座)的加热板温度，并且产生发送到放大器610的脉冲宽度调制(PWM)信号608，例如，放大器610是美国加利福尼亚州的热磁公司出售的FTA600H-桥放大器板，放大器610反过来又产生反馈给珀尔帖加热器614的输出电压612。前端Matlab程序500从温度控制器602读取加热板温度616，并将一组温度信号618和使能信号620提供给温度控制器602，以启动加热或冷却过程。
图7示出了PCR202的第二温度控制方案的部件流向图700。由美国马萨诸塞州的模拟器件公司出售的AD595CDZ集成电路芯片702通过K型热电偶传感器704感测珀尔帖温度。将温度706以模拟电压信号读出，其随后又由前端Matlab程序500通过输入-输出(I/O)Arduino UNO板708(例如，由美国科罗拉多州的SparkFun电子所销售的)读出。Matlab程序500实现了PID控制器，并产生发送到H-桥放大器板610的PWM信号710和控制信号(例如，使能信号620和DIR？？信号712)，所述控制信号再次通过接口板708，以对发送到珀尔帖加热器614的输出电压612进行调节。
图8包括图8A和8B，其示出了用于通过根据本实施例的PCR系统202的网络摄像机208和热循环仪212的软件控制来完成解链曲线的Matlab代码800。最初提示用户输入温度范围和增量，以及样本保持在给定温度以进行解链曲线分析的持续时间。前端Matlab程序800通过指示热循环仪212在输入的温度中循环来远程控制热循环仪212，其中，每个温度的保持时间由用户指定。当保持时间结束时，由网络摄像机208捕获整个微量滴定板304的图像并将该图像存储在计算机214的硬盘上。对每个温度重复该循环。
解链曲线是x-y曲线图，由此y轴表示相对吸光度单位(a.u.)，并且x轴表示以℃为单位的温度。解链温度(Tm)被定义为单链DNA探针杂合溶液从粉红色色调变为无色时的温度。
通过利用Matlab图像处理工具箱首先将获得的图像转换到亮度(Y)-蓝色色度(Cb)-红色色度(Cr)或者YCbCr颜色空间，来提取颜色信息。这样做是为了从亮度信息中分离出颜色。接着，提取红色色度信息作为监测颜色变化的代理，这是因为红色是杂合溶液的粉红色色调的主要成分。鉴于解链曲线由红色色度Cr和温度T表示，所以将解链温度Tm定义为解链曲线上的为最大值的点。
图9描述了由PCR系统102形成的三种不同单链DNA探针杂合溶液的解链曲线轮廓902、904、906的曲线图900。沿x轴910绘制的是温度，并且沿y轴912绘制的是相对吸光度单位中的红色通道相对于基线(即，在35℃处的值)的值的减小。如从曲线图900看出的，解链温度(Tm)的范围为35-53℃，以2℃递增。还可以观察到，颜色变化是渐进的并且在6-8℃以上发生。该POC PCR系统102使得能够对三个样本进行高对比度成像，其中，粉红色色调和背景或无色溶液之间的对比是视觉上清晰可见的。
图10描述了根据PCR系统202的第一和第二温度控制方案的温度感测的曲线图1000，其中，沿x轴1002绘制的是一组温度，并且沿y轴1004绘制的是感测温度。在第一热感测方案中使用的热感测单元606沿着迹线1006绘制，在第二热感测方案中使用的热感测单元704沿着迹线1008绘制，商用K型参考热电偶(例如，台湾台北的路创电子(LutronElectronic)企业公司出售的TM-947SD)沿着迹线1010绘制。可以看出，热感测单元606、704在25-95℃的整个温度范围内具有线性轮廓1006、1008，并且它们的读数与商业参考热电偶(迹线1010)密切相关，在95℃的最大误差容限约为±2℃。沿着x轴的该组温度由商业恒温混匀仪(例如，德国Eppendorf的舒适系列所出售的)定义。
图11描述了在PCR系统202的微量滴定板304的不同孔306中的两个相同单链DNA探针杂合溶液的解链曲线轮廓图1102、1104的曲线图1100。沿x轴1110绘制的是温度，并且沿y轴1112绘制的是相对吸光度单位中的红色通道相对于基线(即，在35℃处的值)的值的减小。通过将光绝缘装置204提高至距离热循环仪212的加热板614约10厘米，允许环境照明进入到光绝缘装置204内部。4个孔306的2个(孔A1120和孔B 1122)装载有相同的单链DNA探针杂合溶液。尽管两个孔1120、1122中的颜色变化的幅度不同，但是解链温度1130(约等于47℃)却是相同的。
图12描述了由安装在PCR系统202光绝缘装置204中的LED照明的96孔微量滴定板304的俯视平面图1200。相对于暴露于环境光的孔1120、1122(图1)，观察到信号对比度的改进。然而，该对比度在四个角落孔1202、1204、1206、1208中明显较弱。这归因于对这些孔(例如，参见角落孔1208)中的样本的部分遮挡。在视图1200中还可以观察到非均匀照明1210和光反射热点1212。通过在摄像机208的光轴的周围环形布置LED，可以解决非均匀照明1210的问题。可替换的，增加LED到微量滴定板304的距离和/或增加安装的LED的数量，可提升更好的光均匀性，这是因为这增加了单个LED灯在微量滴定板304上的投影的重叠。反射热点1212归因于光跳离菲涅耳透镜302，这可以通过加入沿光轴的偏振滤光器来解决。外围的孔1202、1204、1206、1208中的样本的部分遮挡，可以通过使用具有更强的折射能力(即，焦距较短)的菲涅耳透镜302来解决。
参考图13，其描述了使用PCR系统202的红色色度所进行的解链曲线分析中的自动颜色变化的曲线图1300。除了相对于亮度变化来说是稳定的之外，红色色度与在曲线图1100(图11)中提取的红色信道信息相似。首先将原始图像的红-绿-蓝(RGB)颜色空间转换到亮度-蓝色色度-红色色度(YCbCr)颜色空间，之后，提取红色色度(Cr)并且相对于基线归一化，在这种情况下，基线对应于在30℃的值。温度沿着x轴1302绘出，并且归一化的红色色度沿着y轴1304绘出。随着从粉红色到无色的颜色变化，孔1306中的红色色度降低，这证明红色色度(Cr)的使用有利地提高了对比度，同时减少了非均匀照明对比色信号的影响。
因此，可以看出，低成本、快速、自动化以及基于比色的基因分型装置的系统已经用于POC和台式机。尽管POC装置具有有限的吞吐量，但是能够一次分析3种DNA样本，因此它是便携的并且可以由电池供电。与此相反，台式装置具有高吞吐量，这是因为它利用标准热循环仪的格式，但是它用于实验室。
另外，本实施例能够生成解链曲线并定位解链温度。LED的排列对于确保视场的均匀照明来说至关重要，例如，96孔微量滴定板304。不是将LED放置在光绝缘装置204内的顶板的角落和侧面，围绕摄像机208的光轴的LED的环形配置产生更均匀的照明。另外，增加LED到微量滴定板304的距离和/或增加安装的LED的数量，将增加单个LED灯在微量滴定板304上的投影的重叠，并且这又反过来提升更好的光均匀性。
同样的，根据本实施例，菲涅耳透镜302提供了在不需要扫描系统的情况下对整个微量滴定板成像的具有成本效益的方法。来自菲涅尔透镜302的光滑的表面的内部反射和眩光可以不利地影响比色读出，通过在摄像机208入口处安装偏振滤光器，可以消除或者显著减少所述内部反射和眩光。可以通过增加LED的数量来抵消由于偏振滤波器而导致的传输损耗。可替换的，可以以反射不会遮蔽孔的方式来设置LED的位置。
虽然焦距为10英寸的菲涅尔透镜302可能仅使得在微量滴定板的拐角处的孔的基座部分可见，但是使用焦距较短的菲涅耳透镜或者增加微量滴定板304到摄像机208的距离，可以有利的使外围孔1202、1204、1206、1208的基座出现在摄像机208的视场内。尽管在对本发明的前述的详细描述中已经提出了示例性的实施例，但是应当理解，存在大量的变化。
还应当理解，示例性实施例仅仅是示例，并且不旨在以任何方式限制本发明的范围、应用、操作或者配置。相反，前面的详细描述将为本领域技术人员提供实现本发明的示例性实施例的方便的路线图，应当理解，在不背离如所附的权利要求书所提出的本发明的范围的情况下，可以对在示例性的实施例中描述的操作方法和元件的功能和配置作出各种改变。

Claims (30)

1.一种基于比色的DNA诊断系统，其包括：
光源，所述光源被设置为照明DNA样本；
检测器模块，其被设置为记录由所述光源照明的所述DNA样本的图像；
处理器；和
包括计算机程序代码的存储器，其中，所述存储器和所述计算机程序代码被配置为利用所述处理器至少执行：
发送信号以将所述DNA样本的温度调整到所述DNA样本的颜色发生变化的近似温度范围内；
向所述检测器模块发送信号以在所述近似温度范围内以定义的间隔捕获所述DNA样本的图像；
对捕获的图像进行处理以提取颜色信息；以及
对提取的颜色信息进行处理以客观地确定所述DNA样本的颜色发生变化时的所述近似温度范围内的解链温度，
其中，所述光源包括被布置成围绕所述检测器模块的光轴呈环形的一个或多个白光LED。
2.根据权利要求1所述的基于比色的DNA诊断系统，其中，所述存储器和所述计算机程序代码被配置为利用所述处理器进一步执行：通过对提取的颜色信息执行微分数学运算获得所述解链温度。
3.根据权利要求2所述的基于比色的DNA诊断系统，其中，所述存储器和所述计算机程序代码被配置为利用所述处理器进一步执行：
利用提取的颜色信息构建解链曲线；以及
利用所述微分数学运算分析所述解链曲线以获得所述解链温度。
4.根据权利要求2或3所述的基于比色的DNA诊断系统，其中，所述解链温度对应于所述微分数学运算得到最大的极大值的温度。
5.根据权利要求1-3中的任一项所述的基于比色的DNA诊断系统，其中，所述存储器和所述计算机程序代码被配置为利用所述处理器进一步执行：通过属于所述DNA样本颜色落入的波长范围的一部分提取的颜色信息，客观地确定所述解链温度。
6.根据权利要求5所述的基于比色的DNA诊断系统，其中，所述DNA样本具有粉红色颜色，以便通过属于红色波长范围的提取的颜色信息，客观地确定所述解链温度。
7.根据权利要求1-3中的任一项所述的基于比色的DNA诊断系统，其中，在所述DNA样本经历的每个聚合酶链反应(PCR)循环中的退火或延伸步骤捕获所述图像。
8.根据权利要求1-3中的任一项所述的基于比色的DNA诊断系统，其中，通过当所述DNA样本的温度被调整到在所述近似温度范围内时捕获的所述DNA样本的图像，客观地确定所述解链温度。
9.根据权利要求1-3中的任一项所述的基于比色的DNA诊断系统，其中，在捕获了在所述近似温度范围内的所述DNA样本的所有图像之后，客观地确定所述解链温度。
10.根据权利要求1-3中的任一项所述的基于比色的DNA诊断系统，进一步包括用于所述DNA样本的加热模块，其中，所述加热模块接收所述信号，以将所述DNA样本的温度调整到所述DNA样本的颜色发生变化的所述近似温度范围内。
11.根据权利要求10所述的基于比色的DNA诊断系统，进一步包括温度控制装置，所述处理器与所述温度控制装置通信以控制所述DNA样本的温度，所述温度控制装置耦合到所述加热模块和所述处理器。
12.根据权利要求1-3中的任一项所述的基于比色的DNA诊断系统，进一步包括：
用于检测所述DNA样本的温度的传感器，其中，所述存储器和所述计算机程序代码被配置为利用所述处理器进一步执行：
当从所述传感器读出的所述DNA样本的温度没有落入所述温度范围时，发送所述信号以将所述DNA样本的温度调整到所述DNA样本的颜色发生变化的所述温度范围内。
13.根据权利要求1所述的基于比色的DNA诊断系统，进一步包括位于所述DNA样本的上游并且在所述检测器模块透镜前面的透镜。
14.根据权利要求13所述的基于比色的DNA诊断系统，进一步包括设置在所述检测器模块透镜处的偏振滤光器。
15.根据权利要求14所述的基于比色的DNA诊断系统，进一步包括设置在所述光源处的偏振滤光器，其中，确定设置在所述检测器模块透镜处的所述偏振滤光器和设置在所述光源处的所述偏振滤光器的方向，以建立布鲁斯特角，所述布鲁斯特角使在位于所述DNA样本的上游和所述检测器模块前面的所述透镜处发生反射衰减。
16.根据权利要求15所述的基于比色的DNA诊断系统，进一步包括光绝缘体，其覆盖所述光源、透镜、设置在所述检测器模块透镜处的所述偏振滤光器、至少所述检测器模块透镜和加热模块，其中，所述加热模块接收所述信号，以将所述DNA样本的温度调整到所述DNA样本的颜色发生变化的所述近似温度范围内。
17.根据权利要求16所述的基于比色的DNA诊断系统，其中，所述光绝缘体进一步覆盖设置在所述光源处的所述偏振滤光器。
18.根据权利要求14所述的基于比色的DNA诊断系统，进一步包括光绝缘外壳，所述透镜、设置在所述检测器模块透镜处的所述偏振滤光器、至少所述检测器模块透镜和加热模块设置在所述光绝缘外壳内，其中，所述加热模块接收所述信号，以将所述DNA样本的温度调整到所述DNA样本的颜色发生变化的所述近似温度范围内。
19.根据权利要求18所述的基于比色的DNA诊断系统，其中，所述光源位于所述光绝缘外壳外部并相对于所述DNA样本沿着其定向的轴倾斜。
20.根据权利要求18所述的基于比色的DNA诊断系统，进一步包括用于安装所述光绝缘外壳的所有部件的基座。
21.根据权利要求20所述的基于比色的DNA诊断系统，其中，所述处理器和所述存储器被设置在所述基座上。
22.根据权利要求1-3中的任一项所述的基于比色的DNA诊断系统，其中，所述处理器和所述存储器位于单独的计算机终端上。
23.根据权利要求1-3中的任一项所述的基于比色的DNA诊断系统，其中，所述检测器模块是USB摄像机。
24.根据权利要求1-3中的任一项所述的基于比色的DNA诊断系统，其中，所述一个或多个白光LED适于由计算机USB接口供电。
25.根据权利要求13所述的基于比色的DNA诊断系统，其中，所述DNA样本包括分别位于多孔板的各个孔内的多个DNA样本，并且其中所述透镜是菲涅耳透镜，所述菲涅耳透镜具有足够小的焦距以至于所述多孔板的孔中的每一个外围的孔的底部能在检测器模块的成像平面中的良好分辨率点处被看到，所述良好分辨率点由被位于各个孔中的各个DNA样本反射并且从所述菲涅尔透镜被折射的光线形成。
26.根据权利要求25所述的基于比色的DNA诊断系统，其中，所述菲涅耳透镜的焦距为从10cm到20cm。
27.根据权利要求16所述的基于比色的DNA诊断系统，其中，所述光绝缘体的高度为从10cm到20cm。
28.根据权利要求16所述的基于比色的DNA诊断系统，其中，所述光绝缘体的长度为从13cm到20cm。
29.根据权利要求16所述的基于比色的DNA诊断系统，其中，所述光绝缘体的宽度为从8cm到14cm。
30.根据权利要求16所述的基于比色的DNA诊断系统，其中，所述光绝缘体的尺寸符合标准微孔板。
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