CN107209121B - 用于测量液体样品中的荧光的检测器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测量液体样品中的荧光的检测器，一种包括该检测器的用于生化分析的装置，特别是一种用于进行实时PCR分析的装置。本发明的检测器具有一系列优势，例如检测构造的大幅简化、降低的成本、由于在设计光学构造方面允许将检测器本身划分为独立区域的更大的自由度而带来的更佳性能。

Description

用于测量液体样品中的荧光的检测器
技术领域
本发明涉及一种用于测量液体样品中的荧光的检测器、包括该检测器的用于生化分析的装置、特别是用于进行实时PCR分析的装置。
背景技术
在过去几年中，基于核酸序列的扩增的分子诊断测试的传播，特别是使用专门设计的荧光标记和酶的技术，已使得核酸序列的快速且定量(或半定量)分析对于多个诊断应用——其中几个旨在识别作为传染病原由的病原体，甚至在其他领域例如肿瘤学和药物基因学成为可能。
最广泛传播的技术是实时PCR(rtPCR)，然而，基于温度循环或等温反应的一系列其他方法也用的很多。
为了优化此类分析中的生化部分，已经做出了巨大的努力，但是进行反应以及获取结果需要的装置仍然是限制这些分析传播的因素。特别地，尺寸、成本、以及使用该类型的仪器所需的技能仍令人望而却步。
在现有技术的状态下，分析系统被描述为使用几个检测器，每个检测器专用于一个具体的检测波长。然而，这些装置具有几个缺点，例如在多传感器摄像头市场上缺少可用性，成本、以及生产包括几个单个检测器的检测器的复杂性。
专利申请WO2012151358描述了一种照明设备，其包括联接到该设备的机械臂的光源阵列和透镜矩阵。
发明内容
那么，本发明摆出和解决的技术问题是提供一种能够避免以上参照已知技术提到的缺点的检测器。
该问题由根据权利要求1的检测器和根据权利要求9的装置解决。
本发明还提供下面的优势：
-检测构造的大幅简化、降低的成本、由于在设计光学构造方面允许将检测器本身划分为独立区域的更大的自由度而带来的更佳性能；
-通过同时提高系统稳定性优化反应性能；
-通过发展能够接近沿不同的机械轴线分开的光学元件和电子元件的样品架的设计，极大地改善了仪器的适用性。
本发明的优选特征是附属权利要求的主题。
本发明的其他优势、特征和使用方式将从以下通过实例而非为限制目的示出的一些实施例的详细描述中变得明显。
附图说明
将参照附图，其中：
图1示出了根据本发明的检测器的优选实施例的爆炸图；
图2示出了使用在根据本发明的装置的优选实施例中的样品保持盒的爆炸图；
图3示出了使用在根据本发明的装置的优选实施例中的运动机械系统在其“打开”构造下的立体图；
图4示出了和图3中同样的运动机械系统在其“关闭”构造下的立体图；
图5示出了使用在图4和5中的机械系统中的压力板组的立体图。
图6示出了根据本发明的装置的优选实施例的构造的纵向截面；
图7示出了使用在根据本发明的装置的优选实施例中的样品保持盒的爆炸图。
具体实施方式
首先参照图1，根据本发明的优选实施例的、用于测量液体样品中荧光的检测器被指定为整体10。
在将被置于检测器的合适的反应区域、图中未示出的液体样品内，将发生感兴趣的、会根据光学上可检测的反应以定质或定量的方式检测的化学和生化反应。在图1的实施例中，产生的信号是荧光型的。
在本示例中，检测器1包括通过合适的机械手段2，3连接到光学单元的、特别是CMOS或CCD类型的光学传感器1。
检测器的光学单元除了包括用于照射检查中的液体样品的光源之外，还包括多个光学滤波器6和多个透镜5，在本示例中，有四个不同的滤波器6和透镜5，但根据其他实施例，滤波器6和透镜5可以是6个，8个，10个，20个等。滤波器可以根据将要进行的分析类型具有不同的波长。根据一个实施例，一个或多个所述透镜5可以是非球面透镜。
检测器还包括将光学单元划分为机械上分开的不同区域(本示例中分为4个区域)的第一元件4，其中每一个区域容纳一个特定的滤波器6和透镜5，因此穿过样品的决定区域的光将由传感器1的特定分区检测。
如图1所示，光学单元和传感器布置成垂直于纵向轴线(A)，对应于检查中的液体样品的反应区域所位于的平面。
于是，图1中可见和描述的布置使得对检查中的样品的n个反应区域的每一个进行m个独立的测量成为可能(其中m是传感器被分区的区域的数量)，等于合计n*m个独立的测定。这样的结果还可以通过使用m个独立的传感器获得(每个传感器具有其专门的光学组)，但是这样的构造具有明显的经济和性能缺点，因为单个传感区域优选地尽可能近以最大化“视锥”的重叠并进而最大化可用的反应区域。
优选地，使用的光学传感器为CMOS类型且能够制作由一系列构成最小传感单元的“像素”组成的“图像”，该构造的描述结果为具有m个分开的图像，每一个图像相对于传感器的总的一个(相对于由单元本身分析的像素)具有1/m的分辨率)。在根据本发明的检测器中，优选地使用配备有以下分辨率的传感器：像素1/m仍足以制作反应区域的图像。
仍参照如1中的实施例，光学单元包括窗8，窗面向放置检查中的液体样品的反应区域，在限定的波长透明。检测器10还包括用于紧固光学单元的手段7，特别地，该手段7包括具有用于固定到透明窗8的元件的基部元件7。
包括根据此处描述的检测器的用于进行生化分析的装置、特别是用于进行实时PCR分析的装置，也是本发明的主题。
现在参照图2，用于根据本发明的装置的优选实施例中的样品保持盒被指定为整体11示出。
这样的样品保持盒11使得发生在检查中的液体样品中发生的光学和电子事件的独立且同时检测成为可能，样品保持盒11包括：
-板12，或根据其他实施例一组单个的较小的板，优选由导热材料例如铝制成；
-放置在所述板12的周围的可选架13、用于在装填反应剂后处理并提供用于密封板的结构；
-用于密封盒的盖15，由透明材料制成以允许光源通过到达发生在样品中的反应；
-可选的电气接口14，16，用于将盒电连接到存在于用于电测量和/或阻抗的装置中的元件。装置中存在的该元件可以是本领域技术人员已知的用于电测量和/或阻抗的手段。
更详细地，电气接口由连接器14和电子板16组成，电子板16具有通过合适的金属丝组件(例如由平放在电子板16上方或内部的Cu或其他金属制成的迹线)连接且终止在连接器14的电极。因此，在和合适的电子板16电接触时，检查中的样品中的反应发生，合适的电子板16在装置中且通过阻抗，电压，安培数测量进行期望的测量。
相对于现有技术中的盒，例如进行实时PCR测量的装置的板提供了进行光学或电子测量的可能性，没有允许在同一装置上独立进行两种类型的分析的盒模块。此处呈现的使用就盒而言的不同轴线来进行不同性质的测量或处理(在此处呈现的示例中，根据一个轴线的光学测量和根据垂直于该轴线的另一轴线的电子测量)的可能性可被推广至包括附加的例如机械和热作用，其中从盒中提取同样的运动和热量(随后在具体实施例中描述的压力板和加热元件)。
使用电子测量的示例包括固定化到放置在存在于盒中的“小空穴”内的电极上的具有抗体的已确定的细胞(例如，肿瘤细胞，细菌)的表面蛋白质的杂交事件的电子检测。可以监测到由连结到电极的细胞团给出的电极上的阻抗变化且该阻抗变化指明了想要检测的细胞种类在样品中的呈现。
现在参照图3和图4，示出了指定为整体20的运动机械系统，分别在盒被插入或移除的“打开”构造和进行分析的“关闭”构造下。
系统20具有基本上相对装置纵向发展的布局，因此通过竖直地移动关闭锁进行打开和关闭机构。这允许将压力板27插入机构，在关闭步骤中，压力板27施加预定压力到盒的上面(例如通过运动机构中弹簧的存在)。
该布置为上锁可以被提升至打开装置(即分析仪器)且允许样品保持盒的插入，其中通过降低上部得到装置的关闭，且导致压力板27施加由例如弹簧或其他等同机构预定的压力到样品保持盒上。
这区别于现有技术中的实时PCR仪器中使用的金属面罩，因此那些仅有加热样品保持盒的上部(在那个例子中，板)的目的以避免冷凝，但没有施加显著的压力，因为他们是被简单放置的。
该系统特别是该压力板27的使用，以及所述的竖直分布的几何形状的使用，除了该效果(压力板的温度也可以通过适当的电路来控制)以外，具有不同的优势：
-当通过和样品保持盒(几乎所有情形下)的热传导发生热交换时，改善和盒外壳的热交换；
-保证例如平放在外壳中的弹簧顶针(pogo pin)和样品保持盒的下表面上的隆起接触之中的优化的电接触；
-当反应体积关闭时通过例如承受来自反应体积内侧的压力的制止器或其他方法改善机械密封；
-遮蔽可能到达传感器的杂光；
-将动能转移到盒本身，例如在分析反应的合适时刻打破填充反应剂的囊泡，从盒的一个区域转移流体到另一个且密封反应体积，如果需要甚至通过使用朝向盒本身指向的压力板的表面上的分级的‘探针’以及将压力板的全部运动分割为一系列的分开的通道。
根据图3和4中示意性呈现的实施例，机械系统20包括和装置集成的第一滑动架21。第二移动架22通过滑动机构(具有轨)连接到第一架。
在移动架22上紧固有手段(23a，23b，24)以在“关闭”构造下施加压力到压力板上(继而到盒上)。
根据图中呈现的实施例，所述用于施加压力到压力板上的手段包括第一元件23a和第二元件23b，第一元件23a和第二元件23b之间通过弹簧间隔开。所述第二元件23接合到属于压力板组的螺钉24上。于是螺钉24向下推动框架25且由此将压力板27推向盒，盒接合在外壳28中。
图5详细地示出了压力板组。在图3和4的示例中，压力板组放置在系统的中心，其具有多个在位置和尺寸上和样品保持盒正下方的反应体积相等的孔，安置在其外壳的下部上。压力板组包括集成到压力板组的架(框架)25、然后集成到系统上部的压力板27。机械地紧固到压力板27的压力板的架25传递运动和关闭到压力板本身的压力。优选地，压力板组的形状适于进入假如放置在盒上的外壳，其中热活性部分相对于盒的支撑架形成凹部。
可选地，该系统可以包括例如市场上可用的那些释放/钩挂机构，释放/钩挂机构一旦关闭机构，将保持系统在其位置，且在打开步骤中释放/钩挂机构可以被激活以释放机构。图6详细示出了该装置的另一个实施例的构造，主要提供了仪器的一些部分的布置的倒转，特别地：
-样品照射从底部向上发生(于是，光学组位于样品保持盒之下)；
-光学组的几何形状保持不变，所有的元件相对于前述实施例处于相对同样的位置；
-相反地，加热元件，以铝板12为例，在样品保持盒11之上且加热(和/或冷却)表面接触样品保持盒11的上表面。
关于“竖直”机械运动，可以提供两个变型，第一个中，加热元件相对于结构是“移动”的且推挤样品保持盒，第二个中，置于具有释放和分级压力功能的适当的机构(例如弹簧)上的样品保持盒被从底部向加热元件推挤。
图7详细描绘了可以用在根据本发明的装置中的样品保持盒11的实施例。样品保持盒可以整个由同样材料制成，或可选地，由导热部分(例如铝)制成且具有合适的特性(例如，反射性，其自身的荧光性)，继而被包含到架13中，考虑到样品保持盒的处理和机械接口连接。样品保持盒可以具有从其一侧穿到另一侧的通孔。
仍参照图7，该装置还可以包括放置在样品保持盒(例如通过胶合，粘合或机械锁定)的下面的光学窗口40。光学窗口40可以通过例如在单个件上成型和架集成。光学窗口40的主要特征是在感兴趣的波长上是透明的。该装置还可以进一步包括用于关闭样品保持盒的上面的适当的机构，例如借助粘合剂和导热膜41。有利地，热量流过该元件，加热/冷却样品保持盒，而非光(而光从底部到达)。
该构造具有下面示出的附加优势：
a、一般地，由于粘合性和抵抗具有光透明性的加热的体积中的压力的密封之间不完美的折中，当反应体积的关闭发生在光学读数的同一侧上时，这产生关键性。
b、而且，如果液体样品相对于传感器在反应体积的“底部”，膜或关闭制止器变成所述体积中最冷的点，其中冷凝以小的滴状物的形式产生。这样强制集成附加的加热机构。
c、通过产生两个优势：由于从传感器的角度来看，发射信号的体积不在小空穴的“底部”，信号强度在一侧增加，带有光学窗口的关闭过程发生在生产期间且在装填样品后不是单个操作员的责任，所述构造中的反应体积和光学窗口直接接触(重力使得反应体积停置在光学窗口上)。于是，冷凝的形成是不可能的。
至此，通过参照一些优选实施例描述了本发明。这意味着属于相同发明核心的其它实施方案可以存在，如下列报导的权利要求的保护范围所限定的。

Claims (17)

1.一种用于测量液体样品的反应区域中的荧光的检测器(10)，包括：
光学传感器(1)，光学传感器(1)包括单个互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器；
光学单元(6，5，4)；
用于连接所述光学传感器(1)到所述光学单元的手段(2，3)，所述光学单元(6，5，4)包括：
用于照射所述液体样品的反应区域的光源；
多个光学滤波器(6)，所述多个光学滤波器(6)具有不同的波长；
多个透镜(5)；
第一元件(4)，第一元件(4)具有分开的不同区域，其中所述多个光学滤波器(6)的一个滤波器和所述多个透镜(5)的一个透镜容纳在所述分开的不同区域的每一个中，
其特征在于，光学构造使得所述光学传感器被划分为对应所述第一元件(4)的分开的不同区域的数量的m个独立部分，其中，在所述液体样品的每个反应区域中发射的光穿过所述第一元件(4)的分开的不同区域并且由所述光学传感器的每个独立部分检测，由此执行样品的所述每个反应区域在不同波长下的m个独立测量。
2.根据权利要求1所述 的检测器(10)，其中所述光学单元还包括面向所述液体样品且在限定的波长上透明的窗(8)。
3.根据权利要求1所述的检测器(10)，还包括用于固定所述检测器中的所述光学单元的手段(7)。
4.根据权利要求1所述的检测器(10)，其中所述光学单元和所述传感器垂直于纵向轴线布置，对应于检查中的液体样品的反应区域被放置的平面。
5.根据权利要求1所述的检测器(10)，其中所述光学传感器(1)和所述光学单元(6，5，4)被布置在检查中的液体样品的反应区域被放置的同一侧。
6.根据权利要求1所述的检测器(10)，所述独立部分的数量m等于4。
7.根据权利要求1所述的检测器(10)，其中，其中，所述反应区域被分隔为n个部分，使得在所述n个部分的每个中发射的光由所述光学传感器(1)的m个独立部分中的每个检测，由此获得n*m个独立测量。
8.一种进行生化分析的装置，包括根据权利要求1所述的检测器。
9.根据权利要求8所述的装置，包括用于电和/或阻抗测量的手段和样品保持盒(11)，其中所述样品保持盒(11)包括：
由导热材料制成的板(12)；
用于密封所述样品保持盒(11)的盖(15)，所述盖由透明材料制成以允许所述光源通过；
电气接口(14，16)，用于将所述样品保持盒(11)电连接到用于电测量和/或阻抗的所述手段。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述样品保持盒(11)还包括架(13)，所述架放置在所述板的周围、适于在装入所述样品后处理所述样品保持盒。
11.根据权利要求9所述的装置，包括：
用于所述装置内的样品保持盒(11)的插入和拔出的机械装卸系统(20)，其中所述机械装卸系统包括压力板组，所述压力板组包括压力板(27)和机械地固定到所述压力板(27)的架(25)，借助其移动和关闭压力被传递到所述压力板。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述机械装卸系统还包括：
第一滑动架(21)和第二移动架(22)，其中所述第一滑动架和所述装置集成且通过滑动机构连结到所述第二移动架(22)；以及
手段(23a，23b)，所述手段(23a，23b)被紧固到所述第二移动架(22)上以施加压力到所述压力板上。
13.根据权利要求12所述的装置，其中施加压力到所述压力板上的所述手段包括其间通过弹簧间隔开的第一元件(23a)和第二元件(23b)，以及所述压力板组还包括多个螺钉(24)，其中所述第二元件(23b)接合在所述螺钉上以向下推所述压力板(27)。
14.根据权利要求9所述的装置，还包括位于所述样品保持盒(11)的下面的光学窗口(40)。
15.根据权利要求9所述的装置，还包括位于所述样品保持盒(11)的上面的粘合剂导热膜(41)。
16.根据权利要求8所述的装置，具有所述光源从底部向上照射所述液体样品的构造。
17.根据权利要求9所述的装置，包括位于所述样品保持盒(11)上方的加热元件，以使得所述加热元件的表面和所述样品保持盒(11)的上表面进入接触。
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