CN107817227A - 荧光检测装置 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种荧光检测装置，包含一发光模块以及一检测模块。发光模块包含至少一光源以及至少一第一滤光片，其中光源提供一宽带照明，且与第一滤光片组配允许一第一特定带宽的第一光束沿一第一光轴通过，以激发储存于一试管的一荧光反应混合物中一目标荧光探针，并产生一荧光。检测模块包含至少一第二滤光片以及至少一光检测器，其中第二滤光片接收荧光且允许一第二特定带宽的第二光束沿一第二光轴通过，光检测器接收第二特定带宽的第二光束且将第二特定带宽的第二光束转换为一电子信号，其中第一光轴系自第二光轴倾斜一角度，范围介于4.5度至9.5度。本公开避免了由于光源的散射和反射引起的噪声干扰。

Description

荧光检测装置
技术领域
本公开涉及一种荧光检测装置，特别涉及一种具高信噪比的荧光检测装置。
背景技术
近年来，针对不同的目的而欲有效地获取大量DNA特定片段的需求正在蓬勃发展。而在现存所有的DNA定序技术中，聚合酶连锁反应(Polymerase chain reaction，PCR)即为其中一种经济且快速的技术，可在短时间内获得十亿拷贝的特定DNA片段。PCR技术可应用在多种领域，例如遗传鉴定的选择性DNA分离、考古学中古代DNA的取证分析、遗传检测和组织分类的医学应用、医院和研究机构的传染病特殊诊断、对食品安全的环境危害的监控以及调查罪犯的遗传指纹鉴定等。对于PCR技术，仅需要血液或组织中的少量DNA样品。通过将荧光染剂加入核酸溶液，则扩增的DNA片段即可通过荧光分子的协助来检测。
为了同时检测和分析一批生物样品中目标核酸的存在，通常采用荧光染剂检测技术。在特定波长的光源照射目标核酸之后，核酸的DNA结合染剂或荧光素结合探针将发生反应，并发出荧光信号。荧光信号即代表有目标核酸的存在。此技术已被应用于新式PCR技术，称为实时定量PCR(real time quantitative PCR)或定量PCR(quantitative PCR，qPCR)。相较于传统PCR技术，也就是所谓的终点PCR检测(end-point PCR detection)，qPCR为具有较高灵敏度及较佳准确性的早期PCR检测(early-phase PCR detection)。也因此，光学装置乃是qPCR检测技术所不可或缺的工具用以检测由特定核酸片段发射出的荧光，此光学装置必须提供光源以在特定波长激发荧光探针，且同时检测从探针发出的荧光信号。
荧光检测系统已在诸多领域中成熟发展，例如荧光光谱和荧光显微镜的应用。单色光源阵列配上一组滤光片及光学元件即可轻易应用于特定的荧光探针。然而，开发用于便携式qPCR系统的荧光检测装置仍有其困难，且尚未在市场上得到解决，这归咎于欲达高信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)所需耗费的成本和尺寸考量。
有鉴于前述需求和问题，实有必要针对qPCR应用提供一种具高信噪比的荧光检测装置。
发明内容
本公开的目的在于提供一种具高信噪比的荧光检测装置，可减小装置的尺寸及重量，且仍然提供优异性能于较低成本的便携式qPCR系统。
为达上述目的，本公开的一较广义实施方式为提供一种荧光检测装置包含一发光模块以及一检测模块。发光模块包含至少一光源以及至少一第一滤光片，其中光源提供一宽带照明，且与第一滤光片组配允许一第一特定带宽的第一光束沿一第一光轴通过，以激发储存于一试管的一荧光反应混合物中一目标荧光探针，并产生一荧光。检测模块包含至少一第二滤光片以及至少一光检测器，其中第二滤光片接收荧光且允许一第二特定带宽的第二光束沿一第二光轴通过，光检测器接收第二特定带宽的第二光束且将第二特定带宽的第二光束转换为一电子信号，其中第一光轴是自第二光轴倾斜一角度，范围介于4.5度至9.5度。
在一实施例中，光源为选自单色LED、激光二极管、水银灯和卤素灯泡所组成的族群之一。
在一实施例中，第一滤光片及第二滤光片为一单带通滤光片。
在一实施例中，第一滤光片及第二滤光片分别为一激发滤光片及一发射滤光片。
在一实施例中，荧光检测装置还包含一加热模块，设置于发光模块与检测模块之间，其中该加热模块包含至少一加热槽，用以容置储存有该荧光反应混合物及该目标荧光探针的该试管。
在一实施例中，加热模块还包含一加热器，连接加热槽。
在一实施例中，加热器为一热电致冷加热器，用以热循环控制。
在一实施例中，加热模块还包含至少一第一光学透孔以及至少一第二光学透孔，第一光学透孔位于第一光轴上，第二光学透孔位于第二光轴上，且第一光学透孔通过加热槽与第二光学透孔连通。
在一实施例中，第一光学透孔的直径范围介于1.8mm至2.2mm，第二光学透孔的直径范围介于1.5mm至2.5mm。
在一实施例中，发光模块还包含至少一针孔，设置于第一滤光片与第一光学透孔之间，位于第一光轴上，且针孔的直径范围介于1.3mm至1.8mm。
在一实施例中，加热模块的第二光学透孔与检测模块共同组配以形成一发散半角，范围介于18度至22度。
在一实施例中，检测模块还包含至少一会聚透镜，设置位于加热槽与第二滤光片之间。
在一实施例中，会聚透镜具有一平面及一凸面，平面面向于第二光学透孔，凸面面向于第二滤光片。
在一实施例中，检测模块还包含至少一成像透镜，设置于第二滤光片与光检测器之间。
在一实施例中，成像透镜具有一平面及一凸面，平面面向于光检测器，凸面面向于第二滤光片。
在一实施例中，检测模块还包含至少两光学透镜，以相同距离对称地设置于第二滤光片的两相对侧，其中每一光学透镜的凸面面向于第二滤光片。
在一实施例中，荧光检测装置还包含一壳体，其中发光模块及检测模块共同建构于一壳体上。
在一实施例中，检测模块还包含一光电二极管放大器，连接至光检测器。
在一实施例中，检测模块还包含一电磁干扰遮罩及接地结构，包覆光检测器。
在一实施例中，光检测器为选自硅光电二极管、光电倍增管、感光耦合元件及互补性金属氧化半导体所组成的族群之一。
附图说明
图1显示本公开优选实施例的荧光检测装置立体结构示意图。
图2显示图1的荧光检测装置的爆炸图。
图3显示图1的荧光检测装置于另一视角的爆炸图。
图4显示图1的荧光检测装置的剖面图。
图5显示本公开优选实施例中光源的光谱。
图6显示本公开优选实施例的第一单带通滤光片的通带。
图7显示本公开优选实施例的光源与第一单带通滤光片的光谱。
图8显示图1中加热模块的剖面图。
图9显示本公开优选实施的荧光检测装置于单通道上的光径。
图10A及图10B分别显示本公开优选实施例的会聚透镜的前视图及剖面图。
图11显示本公开优选实施例的第二单带通滤光片的通带。
图12显示本实优选实施例的检测模块的光径。
图13显示硅光电二极管的回应光谱。
图14A显示荧光染剂FAM的激发光谱。
图14B显示荧光染剂FAM的发射光谱。
图15A显示荧光染剂FITC的激发光谱。
图15B显示荧光染剂FITC的发射光谱。
图16显示一分析荧光发射信号分布的实验设置的俯视图。
图17显示荧光染剂FITC于不同方向的荧光发射信号的强度分布关系图。
图18显示20nM FITC于不同检测角度的信噪比(SNR)关系图。
图19显示相似于荧光检测装置的光学系统的近轴光线图。
图20显示不同浓度FITC于输入光源的光轴设于7度倾斜时的检测信号的强度。
附图标记说明：
1：荧光检测装置
10：发光模块
11：光源
12：第一单带通滤光片
13：针孔
20：加热模块
21：加热槽
22：加热器
23：第一光学透孔
24：第二光学透孔
30：检测模块
31：会聚透镜
32：第二单带通滤光片
33：成像透镜
34：光检测器
40：荧光反应混合物(亦称PCR混合物)
41：试管
50：壳体
6：圆柱瓶
A1：第一光轴
A2：第二光轴
d1、d2、d3、d4：距离
n0、n2、n3：折射率
R1、R2、R3、R4：曲率半径
T1、T2、T3、T4、T5：转换矩阵
α、θ、角度
y：高度
具体实施方式
体现本公开特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本公开能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本公开的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本公开。
本公开提供一种荧光检测装置，其为一种可按序照射于以线性位置排列的多个荧光试样的光学模块。在qPCR扩增过程中，此荧光检测装置通过提供单一光源以激发核酸样品中的荧光探针，并按序检测自荧光探针发射出的特定荧光信号。
请参阅图1至图4，其中图1显示本公开优选实施例的荧光检测装置立体结构示意图，图2及图3分别显示图1荧光检测装置于不同视角的爆炸图，以及图4显示图1的荧光检测装置的剖面图。如图1至图4所示，本公开提供一种荧光检测装置1包含一发光模块10以及一检测模块30。发光模块10包含至少一光源11以及至少一第一滤光片，例如是一第一单带通滤光片(single band pass filter)12，其中光源11提供一宽带照明，且与第一滤光片12组配允许一第一特定带宽的第一光束沿一第一光轴A1通过，以激发储存于一试管41的一荧光反应混合物40中一目标荧光探针，并产生一荧光。检测模块30包含至少一第二滤光片，例如是一第二单带通滤光(single band pass filter)32，以及至少一光检测器34，其中第二滤光片32接收荧光且允许一第二特定带宽的第二光束沿一第二光轴A2通过，光检测器34接收第二特定带宽的第二光束且将第二特定带宽的第二光束转换为一电子信号，其中第一光轴A1是自第二光轴A2倾斜一角度，角度范围介于4.5度至9.5度。而且荧光检测装置1还包含一加热模块20设置于发光模块10与检测模块30之间，用以容置储存有荧光反应混合物40及目标荧光探针的试管41并且维持其热循环控制。换言之，荧光检测装置1主要包括一发光模块10、一加热模块20以及一检测模块30。发光模块10设置于加热模块20的前端，检测模块30设置于加热模块20的后端。发光模块10、加热模块20以及检测模块30还共同建构于一壳体50上。
于本实施例中，发光模块10包括至少一光源11以及至少一第一滤光片，例如第一单带通滤光片(single band pass filter)12。其中光源11提供一宽带照明，且光源11的波长包含一激发带宽(excitation bandwidth)，用以激发储存在PCR试管41的荧光反应混合物(也称为PCR混合物)40中的目标荧光探针。发光模块10配置架构于一第一光轴A1上，且被设计成自该检测模块30所在的第二光轴A2倾斜4.5度至9.5度的特定角度θ。于本实施例中，可选择发光二极管(LED)作为光源11，但是也可以应用镭射二极管和卤素灯泡等其他光源，本发明并不以此为限。应用于发光模块10中的第一单带通滤光片12为一激发滤光片(excitation filter)，且仅允许落于激发带宽范围内的光束通过并到达PCR混合物40。换言之，第一单带通滤光片12为PCR混合物40中的目标荧光探针提供了一激发光信号。而第一单带通滤波器片12的通带宽度范围在20nm至30nm之间。
再者，于本实施例中，如图1至图4所示，发光模块10包含呈线性配置且建构于壳体50的三个通道，但通道的数量可扩展，以因应批次处理的大量需求。每个通道均有自己所属的光源11以及一个直径介于1.3mm到1.8mm的针孔13，以避免激发光束产生大角度的散射，造成背景噪声的来源之一。壳体50的材质为黑色ABS(acrylonitrile butadiene styrene)树脂，具有低热导性、高热阻率及内部光散射降低的优点。当然，其他低反射率的黑色塑胶材料，或以黑色阳极氧化层涂覆处理而具有低反射率及高吸收率的铝也可应用作为壳体50的材料。
图5显示本公开优选实施例的光源光谱。在本实施例中，光源11所发出的光是位于可见光波长范围的特定波长范围中，例如半峰全宽(full-width at half maximum，FWHM)介于450.34nm至481.26nm，以涵盖目标激发波长。优选地，光源11还可是以20mA提供7000mcd光功率的单色LED光源，且其在FWHM的视角为20度。此外，也可以使用任何具有光谱能包括荧光染剂的激发光谱的光源11，例如激光、汞灯、卤素灯等，均可适用于本公开。
另一方面，图6显示本公开优选实施例的第一单带通滤光片的通带，而图7显示本公开优选实施例的光源与第一单带通滤光片的光谱。于本实施例中，第一单带通滤光片12为一种能自光源11中滤过特定波长以用于激发的光学元件，且可阻隔其他被视为噪声的波段。换言之，光源11与第一单带通滤光片12组配允许一第一特定带宽的第一光束沿第一光轴A1通过，以激发储存于PCR试管41的一荧光反应混合物40中一目标荧光探针，并产生一荧光。于本实施例中，第一单带通滤光片12通带宽度约为27nm，可通过的波长范围介于460.5nm至487.5nm之间。因此，第一单带通滤光片12有助于提升目标激发荧光染剂的信噪比(SNR)。于本实施例中，第一单带通滤光片12的尺寸为23mm×6.5mm×2mm，以覆盖三个通道。于另一实施例中，第一单带通滤光片12的尺寸可针对每一通道拆解为5mm×5mm×2mm，以进一步降低成本。
图8显示图1中加热模块的剖面图。如图1至图4及图8所示，加热模块20包括一加热槽21、一加热器22、一第一光学透孔23以及一第二光学透孔24。加热模块20可以横向容纳多个通道以实现多路样本检测。在本实施例中，加热槽21的构成材料可选择以铜构成，因其具有导热性，并且可于数分钟内均匀传递热量以满足快速热循环的需求。当然，加热槽21亦可应用其它导热材料构成，例如铝。在本实施例中，加热器22可例如是但不受限于一热电致冷(thermoelectric cooling，TEC)加热器，并使加热槽21设置于加热器22的顶部。此外，第一光学透孔23和第二光学透孔24还分别建构于加热槽21的前端与后端，以使有效的光信号传输可自光源11处输入并由PCR混合物40处发射。加热器22还伴随输入电流的变化而循环改变温度。
图9显示本公开优选实施例的荧光检测装置于单通道上的光径。于本实施例中，生物样品于PCR试管41中制备并储存，以进行PCR扩增和检测。如图4及图9所示，第一光学透孔23和第二光学透孔24分别建构于PCR加热槽21的前端与后端。换言之，第一光学透孔23通过加热槽21与第二光学透孔24连通。其中，第一光学透孔23的直径范围介于1.8mm至2.2mm之间，且第一光学孔23位于第一光轴A1上，且第一光轴A1自第二光轴A2顺时针倾斜4.5度至9.5度，以于后检测出最大荧光发射信号。此外，第二光学透孔24的直径范围介于1.5mm至2.5mm之间，且第二光学透孔24位于检测模块30所在的第二光轴A2上。
当激发光束穿过PCR试管41中所储存具有目标荧光探针的荧光反应混合物40时，由于受到PCR试管41的形状和试管材料的折射率(范围为1.46至1.49)的影响，且由于具有目标荧光探针的荧光反应混合物40的折射率高于空气，光束的入射角被设计成可提供最大的激发强度。
再者，如图1至图4所示，为了支撑及加热PCR试管41，加热槽21可由具有优异的导热性的铜所制成，当然也可以应用其它导热材料，例如铝。每个加热槽21呈线性排设以用于批次处理。此外，加热槽21可以由具有高导热性的金属和其他材料制成，并且可以通过电脑数值控制加工(computer numerical control machining，CNC machining)、铸造、激光切割、3D打印成形等方法制造。PCR试管41内部的体积介于30μL至40μL之间。在本实施例中，加热器22为一热电致冷(thermoelectric cooling,TEC)加热器。加热器22的温度控制可达小数点的度数，以满足循环式PCR扩增的需求。与其他热循环仪相比，TEC加热器的小巧有助于系统的小型化。此外，TEC加热器寿命长，易于维护。当然，除了TEC技术，通过空气或液体的传统对流热循环方法也适用于本公开。
另一方面，在本实施例中，荧光检测装置1还包括检测模块30，用以检测从具有目标荧光探针的荧光反应混合物40中发射出的特定荧光信号。呈三明治结构的检测模块30包括会聚透镜31、第二滤光片，例如第二单带通滤光片32、成像透镜33以及光检测器34。第二单带通滤光片32可以是一发射滤光片(emission filter)，而光检测器34则可以是一光电二极管(photodiode)。检测模块30的检测通道数量与光源11的数量相同。发光模块10的每个通道映射于检测模块30的通道。
如图4所示，检测模块30即呈三明治夹层结构设计，且包括有一组会聚透镜31、至少一第二单带通滤光片32、一组成像透镜33以及至少一光检测器34。会聚透镜31位于加热模块20的第二光学透孔24的后端。会聚透镜31还汇集来自PCR混合物40的荧光发射信号，并确保会聚的光束可进入第二单带通滤光片32。第二单带通滤光片32设置于会聚透镜31的后端，且仅允许落于其通带范围内的荧光发射信号得以穿透。第二单带通滤光片32的带宽介于20nm至30nm之间。在本实施例中，成像透镜33将滤光后的发射信号聚焦在光检测器34上，并提供充分的荧光发射信号，以进行分析。光检测器34将荧光发射信号转换为电子信号，以用于进一步分析。在本实施例中，可以选择光电二极管作为光测器34，但是其他类型的检测器，例如CCD，PMT和CMOS也可以应用于荧光检测装置1上。而在本公开中所应用的会聚透镜31和成像透镜33，其构成材料为光学级玻璃，但注射成型的光学塑胶如丙烯酸(acrylic，亦称PMMA)、聚碳酸酯(polycarbonate，PC)、聚苯乙烯(polystyrene)或聚烯烃(polyolefin)也可以应用于本公开。
在本实施例中，位于加热槽21后端的会聚透镜31是用以收集从PCR试管41中所储存具目标荧光探针的荧光反应混合物40所发射的荧光。图10A及图10B分别显示本公开优选实施例的会聚透镜的前视图及剖面图。会聚透镜31具有一凸面S1和一平面S2。会聚透镜31的曲率半径为5.89mm。平面S2面向加热槽21，而凸面S1则面向第二单带通滤光片32。会聚透镜31用于收集荧光，并将荧光转换成准直光束，以均匀照射在第二单带通滤光片32上。第二单带通滤光片32(23mm×6.2mm×2mm)可涵盖所有三个通道。然而，第二单带通滤光片32的尺寸亦可以减小到5mm×5mm×2mm，以进一步降低成本。另外，会聚透镜31的材质为N-SF11玻璃。当然，其他材料，如BK7玻璃，或注模制造的光学级塑胶，如丙烯酸(acrylic,PMMA)、聚碳酸酯(polycarbonate,PC)，聚苯乙烯(polystyrene,PS)或聚烯烃(polyolefin)均可应用于本公开。而会聚透镜31的数值孔径(numerical aperture,NA)范围则介于0.37至0.42之间。
值得注意的是，每个通道需要一第一滤光片作为激发滤光片(excitationfilter)以及一第二滤光片作为发射滤光片(emission filter)。于本实施例中，每个通道即包含一片第一单带通滤光片12和一片第二单带通滤光片32。图11显示本公开优选实施例的第二单带通滤光片的通带。目标荧光探针的发射波长总是比其激发波长长，因此需要不同的滤光片。与第一单带通滤光片12类似，第二单带通滤光片32的带通涂层仅允许特定波长的第二光束通过，并且阻隔其余部分的光。第二单带通滤光片32对于防止来自光源11的噪声信号和来自周围环境的噪声散光的干扰肩负着重要角色。如图11所示，第二单带通滤光片32的通带宽度约为24nm，用以滤除落于通带外的噪声信号。第二单带通滤光片32的滤过波长范围介于512nm至536nm之间。
图12显示本公开优选实施例的检测模块的光径。在本实施例中，成像透镜33由N-SF11玻璃制成，其结构与会聚透镜31相同。成像透镜33的材料为N-SF11。当然，其他材料，如BK7玻璃，或注模制造的光学级塑胶，如丙烯酸(acrylic,PMMA)、聚碳酸酯(polycarbonate,PC)，聚苯乙烯(polystyrene,PS)或聚烯烃(polyolefin)均可应用于本公开。而成像透镜33的数值孔径(numerical aperture,NA)范围则介于0.37至0.42之间。成像透镜33设置于与第二单带通滤光片32的后端，且与会第二单带通滤光片32的距离相同于会聚透镜31与第二单带通滤光片32的距离，以使滤过后的荧光信号成像于成像平面，即所谓光检测器34的检测面。成像透镜33的凸面朝向第二单带通滤光片32。会聚透镜31与相对应的成像透镜33呈对称性布设，使其凸面彼此相对，则有助于减小波前像差。在壳体50(如图4所示)的通道内部反射的噪声是由于大入射角的散射光束可能通过第二单带通滤光片32的带通涂层所致。成像透镜33会聚滤过的发射荧光而均匀分布于一大面积上，并将其聚焦在远小于荧光光源的光检测器34的检测面的面积(1.1mm×1.1mm)上。而针对PCR混合物40的荧光信号，成像透像33通过加热槽21的第二光学透孔24，于18度至22度的发散半角(divergent half angle)内接收。
于本实施例中，光检测器34可为一硅光电二极管，用以将光信号转换为电流，且由于其高灵敏度，滤光后的荧光中的小量光子仍可被检测于320nm至1100nm的波长范围中。图13显示硅光电二极管的回应光谱。当然，其他类型的光检测器，例如光电倍增管(photomultiplier tube，PMT)、感光耦合元件(charged-couple device，CCD)、及互补性金属氧化半导体(complementary metal-oxide semiconductor，CMOS)皆可适用于本公开。
在一实施例中，检测模块30还包含一光电二极管放大器(photodiode amplifier)(未图示)，其可将光检测器34输出的数纳安培的电流转换为伏特。光电二极管放大器可放大信号以供进一步的数据分析及利用。光检测器34的检测面与成像透镜33后端面的距离约为7mm。
在一实施例中，检测模块30还包含一包覆光检测器34外的电磁干扰(EMI)遮罩及接地结构(未图示)。光检测器34因其高灵敏度而容易被周围环境的噪声所影像。EMI遮罩及接地结构可整合于壳体50上。容置检测模块30的壳体50的材质可由黑色ABS(acrylonitrile butadiene styrene)树脂所构成，以避免内部光反射及光散射。当然黑色可加工材质，如聚乳酸(polylactide，PLA)、聚碳酸酯(polycarbonate，PC)、聚醚醚酮(polyetheretherketone，PEEK)、聚苯醚(polyphenylene ether，PPE)或以黑色阳极氧化层涂布的铝材均可适用于本公开。壳体50外部表面可以金属化涂层涂布，用以隔绝光检测器34的EMI噪声。此外，壳体50亦可由以黑色阳极氧化层涂布的铝材所制成。黑色阳极氧化涂层不只可避免光检测器33的正极及负极引线间的短路现象，还可降低光通道内的内部光散射所产生的噪声，其是另一噪声的来源。
在本实施例中，本公开采用荧光染剂FAM或FITC。每个通道上的PCR试管41填具有与目标荧光探针结合的核酸。荧光染剂是可商购的荧光染剂。图14A显示荧光染剂FAM的激发光谱。图14B显示荧光染剂FAM的发射光谱。图15A显示荧光染剂FITC的激发光谱。图15B显示荧光染剂FITC的发射光谱。虽然本公开优选实施例是以这些染剂作示范，然本公开的系统并不限于这两种类型的荧光染剂。
值得注意的是，本领域中已知有大量仪器能够对荧光信号进行成像。然而，这类装置的主要问题之一是激发光相对于荧光探针所发射荧光的噪声。为了克服此一问题，本公开荧光检测装置1将发光模块10和检测模块30配置在储存有具目标荧光探针的荧光反应混合物40的PCR试管41的两相对侧，其中发光模块10所组配的倾斜光轴(亦即第一光轴A1)，更是由检测模块30所在的水平光轴(亦即第二光轴)向下倾斜4.5度至9.5度。因此，本公开的荧光检测装置1得以具有高的信噪比(SNR)。
图16显示一分析荧光发射信号分布的实验设置的俯视图。图17显示荧光染剂FITC于不同方向的荧光发射信号的强度分布关系图。图18显示20nM FITC于不同检测角度的信噪比(SNR)关系图。
如图16至图18所示，测试的FITC荧光染剂样品储存于圆柱瓶6中并被光源11激发，而光检测器34则于不同方向检测荧光发射信号。最大FITC荧光发射信号发生在正前方向(0度)。当光检测器34偏离±2.5度时，信噪比(SNR)从0度的峰值下降25％，成为3至2.17。虽然在所有偏差角中的最大信噪比(SNR)发生在50度，但在50度检测到的荧光信号强度为22.8mV，远低于0度时检测到的61.8mV。
根据实验结果和以下材料的性质，例如激发光源11的性质、PCR试管41的材料性质、PCR反应混合物40的性质、发射光的性质、PCR试管支撑件的光学性质以及试管和液体中的折射和散射行为均须考量于本公开设计中。因此，在本发明中，发光模块10的光源11相对于检测模块30的光检测器34的位置之间的可接受的检测角度落于4.5度到9.5度的特定角度θ内，以获致最佳化的操作性能。
此外，根据N.Lindlein撰写的文章-“几何和技术光学”中可知，近轴光线(paraxial ray)通过倾斜的折射平面传播时可以3×3矩阵形式表示。其中输出近轴光线(output paraxial ray)的高度和角度分别表示为y'和α'，而矩阵MS为光学系统的光传播矩阵(propagation matrix)。
转换矩阵(transfer matrix)是描述在相同介质的距离d内传播的近轴光线高度的变化。其可表示如下：
折射矩阵(refraction matrix)描述从介质1传播到介质2的近轴光线角度的偏差。其中介质1的折射率为n，介质2的折射率为n'。α是平面的角度。
图19显示相似于荧光检测装置的光学系统的近轴光线图。图19所示系统的光传播矩阵可表示如下：
MS＝T5*R4*T4*R3*T3*R2*T2*R1*T1
因此，近轴输出和输入光束的高度和角度的关系可简化如下：
据此，本公开荧光检测装置1输入光束与输出光束的角度关系即可得知，其结果列示于表1。由表1可知，当输入光源位置为7±2.5度时，激发光束的输出角度在0±2.5度内变化，可优化操作性能。
表1
图20显示不同浓度FITC于输入光源的光轴设于7度倾斜时的检测信号的强度。表2还显示不同浓度下检测信号强度相对的信噪比(SNR)。如图20及表2所示，当浓度增加时，检测信号和信噪比(SNR)的强度增加。而在表2中，进一步表明了输入光源11以7度倾斜的荧光检测装置1能够提供符合期望的性能，其信噪比(SNR)可达111。
表2
综上所述，本公开提供了一种荧光检测装置包含一发光模块以及一检测模块。发光模块包含至少一光源以及至少一第一滤光片，其中光源提供一宽带照明，且与第一滤光片组配允许一第一特定带宽的第一光束沿一第一光轴通过，以激发储存于一试管的一荧光反应混合物中一目标荧光探针，并产生一荧光。检测模块包含至少一第二滤光片以及至少一光检测器，其中第二滤光片接收荧光且允许一第二特定带宽的第二光束沿一第二光轴通过，光检测器接收第二特定带宽的第二光束且将第二特定带宽的第二光束转换为一电子信号，其中第一光轴是自第二光轴倾斜一特定角度，特定角度范围介于4.5度至9.5度，并与加热模块整合，以应用于PCR的热循环控制。本公开精心设计的光学结构使发光模块及检测模块的尺寸小型化，也降低了成本，但仍然提供了令人信服的性能，且其信噪比(SNR)可达111。系统的整体尺寸约为80mm×35mm×20mm。荧光检测装置的元件和结构实现了光学系统的精简化。发光模块的设置为PCR荧光反应混合物中目标荧光探针提供最有效的激发光源。会聚透镜和成像透镜的三明治夹心式布设亦确保了光学系统的小型化，因为会聚透镜、发射滤光片和成像透镜之间之间距设计良好。本公开避免了由于光源的散射和反射引起的噪声干扰。
此外，本公开的光径采透射式设计，且根据实验结果，将光源的入射角组配的光轴从水平轴向下倾斜4.5度至10.5度的特定角度，以实现最大光强度应用于低荧光信号检测系统。从实验和模拟结果，当荧光样品储存在圆柱形容器中，荧光发射信号的峰值强度发生在零度，也称为前向散射。然而，为了匹配商业PCR试管的圆锥形状，光源和光检测器之间的角度落于4.5度到9.5度之间是最佳条件。信噪比(SNR)也在最佳性能范围内。最佳入射角度可以显著降低PCR混合物中的内部散射和多次反射。此外，在加热模块的前端和后端设置的光学透孔还可确保足够的光信号，用以激发和发射。
再者，作为激发和发射滤光片的第一和第二单带通滤光片的设计，有助于实现qPCR系统的精简性。此外，滤波片组可减少噪声干扰，使激发光束和发射荧光可充份被利用，从而使得荧光检测装置能够提供高信噪比(SNR)。
纵使本发明已由上述实施例详细叙述而可由熟悉本技艺人士任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱如附权利要求所欲保护者。

Claims (20)

1.一种荧光检测装置，包含：
一发光模块，包含至少一光源以及至少一第一滤光片，其中该光源提供一宽带照明，且与该第一滤光片组配允许一第一特定带宽的一第一光束沿一第一光轴通过，以激发储存于一试管的一荧光反应混合物中一目标荧光探针，并产生一荧光；以及
一检测模块，包含至少一第二滤光片以及至少一光检测器，其中该第二滤光片接收该荧光且允许一第二特定带宽的一第二光束沿一第二光轴通过，该光检测器接收该第二特定带宽的该第二光束且将该第二特定带宽的该第二光束转换为一电子信号，其中该第一光轴是自该第二光轴倾斜一角度，范围介于4.5度至9.5度。
2.如权利要求1所述的荧光检测装置，其中该光源为选自单色LED、激光二极管、水银灯和卤素灯泡所组成的族群之一。
3.如权利要求1所述的荧光检测装置，其中该第一滤光片及该第二滤光片为一单带通滤光片。
4.如权利要求1所述的荧光检测装置，其中该第一滤光片及该第二滤光片分别为一激发滤光片及一发射滤光片。
5.如权利要求1所述的荧光检测装置，包含一加热模块，设置于该发光模块与该检测模块之间，其中该加热模块包含至少一加热槽，用以容置储存有该荧光反应混合物及该目标荧光探针的该试管。
6.如权利要求5所述的荧光检测装置，其中该加热模块还包含一加热器，连接该加热槽。
7.如权利要求6所述的荧光检测装置，其中该加热器为一热电致冷加热器，用于热循环控制。
8.如权利要求5所述的荧光检测装置，其中该加热模块还包含至少一第一光学透孔以及至少一第二光学透孔，该第一光学透孔位于该第一光轴上，该第二光学透孔位于该第二光轴上，且该第一光学透孔通过该加热槽与该第二光学透孔连通。
9.如权利要求8所述的荧光检测装置，其中该第一光学透孔的直径范围介于1.8mm至2.2mm，该第二光学透孔的直径范围介于1.5mm至2.5mm。
10.如权利要求8所述的荧光检测装置，其中该发光模块还包含至少一针孔，设置于该第一滤光片与该第一光学透孔之间，位于该第一光轴上，且该针孔的直径范围介于1.3mm至1.8mm。
11.如权利要求9所述的荧光检测装置，其中该加热模块的该第二光学透孔与该检测模块共同组配以形成一发散半角，范围介于18度至22度。
12.如权利要求5所述的荧光检测装置，其中该检测模块还包含至少一会聚透镜，设置位于该加热槽与该第二滤光片之间。
13.如权利要求12所述的荧光检测装置，其中该会聚透镜具有一平面及一凸面，该平面面向于该第二光学透孔，该凸面面向于该第二滤光片。
14.如权利要求1所述的荧光检测装置，其中该检测模块还包含至少一成像透镜，设置于该第二滤光片与该光检测器之间。
15.如权利要求14所述的荧光检测装置，其中该成像透镜具有一平面及一凸面，该平面面向于该光检测器，该凸面面向于该第二滤光片。
16.如权利要求1所述的荧光检测装置，其中该检测模块还包含至少两光学透镜，以相同距离对称地设置于该第二滤光片的两相对侧，其中每一该光学透镜具有一凸面面向于该第二滤光片。
17.如权利要求1所述的荧光检测装置，其中该发光模块及该检测模块共同建构于一壳体上。
18.如权利要求1所述的荧光检测装置，其中检测模块还包含一光电二极管放大器，连接至该光检测器。
19.如权利要求1所述的荧光检测装置，其中该检测模块还包含一电磁干扰遮罩及接地结构，包覆该光检测器。
20.如权利要求1所述的荧光检测装置，其中该光检测器为选自硅光电二极管、光电倍增管、感光耦合元件及互补性金属氧化半导体所组成的族群之一。
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