CN108007904A - 基于膜的带的信号检测装置及其检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用时间分辨荧光检测的基于膜的带(membrane‑based strip)的信号检测装置及其检测方法，所述信号检测装置作为向具有基于膜的侧流分析类型的成套器具结构的带(100)照射激发光并检测带(100)发射的荧光的信号的装置，包括：共聚焦光学仪(200)，具备LED(210)而向带(100)照射激发光，并具备光电二极管(220)而检测带(100)发射的荧光；及主控制器(300)，其水平驱动所述带(100)，控制LED(210)的驱动，处理所述光电二极管(220)的检测信号。

Description

基于膜的带的信号检测装置及其检测方法
技术领域
本发明涉及一种利用时间分辨荧光检测的基于膜的带(membrane-based strip)的信号检测装置及其检测方法。
背景技术
随着生物体的物质诊断和检测技术的发展日益加快，目前正在进行如何将荧光物质应用到生物学和生物医学领域的研究。由于荧光物质具有灵敏度高的特性，可能有利于检测微量试剂。但是，大部分荧光染料的荧光持续时间只限于纳秒(nanosecond)之内，激发波长和荧光波长之间的差非常小，仅为数十nm，因此成为改善检测限度方面的问题点。即，由于大部分荧光染料的荧光持续时间非常短，以往的荧光检测同时进行用于激发(Excitation)的光源的导入及基于发光(Emission)的荧光检测。上述荧光检测方法难以从检测到的荧光中完全去除激发光，因此无法从分析对象清除自体荧光等基底(Background)荧光信号，因此检测灵敏度存在局限性。
现有技术文献
美国专利号第7,632,653号(注册日期：2009.12.15)
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决以往技术的上述问题，本发明提供一种利用时间分辨荧光检测方法检测微量分析物的信号检测装置及其检测方法。
另外，本发明还提供一种对于系统结构实现小型化，能够提高检测灵敏度的信号检测装置及其检测方法。
(二)技术方案
首先，为了实现上述目的，根据本发明的带(strip)的信号检测装置，作为向包括基于膜的侧流分析类型的荧光标签的带照射激发光并检测带发射的荧光的信号的装置，包括：共聚焦光学仪，具备LED而向所述带照射激发光，并具备光电二极管而检测所述带发射的荧光；及主控制器；其水平驱动所述带，控制所述LED的驱动，处理所述光电二极管的检测信号。
优选地，所述共聚焦光学仪包括：准直透镜，将所述LED照射的激发光转换成平行光；第1物镜，使所述带的移送面上形成光焦点；第2物镜，聚集入射所述光电二极管的光；针孔部件，配置在所述光电二极管与所述第2物镜之间的光路上；及分色镜，位于所述第1物镜和所述第2物镜之间，将已透过所述准直透镜的激发光导入到所述第1物镜。
更优选地，本发明的特征在于，所述分色镜对550nm以上的波长具有透光性。
其次，本发明的带的信号检测方法，其特征在于，作为一种时间分辨荧光信号的检测方法，其利用的装置包括：带，包括作为荧光标签的基于膜的侧流分析类型的铕(Eu)；共聚焦光学仪，具备LED而向所述带照射激发光，并具备光电二极管而检测所述带发射的荧光；及主控制器，其水平驱动所述带，控制所述LED的驱动，处理所述光电二极管的检测信号，所述主控制器在激发光的“关闭(off)”模式下，300μs-500μs之后收集所发射荧光的检测数据。
优选地，本发明的特征在于，所述主控制器在激发光的“关闭(off)”模式下，在350μs-450μs范围内收集数据。
(三)有益效果
根据本发明的带的信号检测装置包括共聚焦光学仪，该共聚焦光学仪包括作为激发光源的LED和用于检测所发射荧光的光电二极管，因此具有简化系统结构且能够排除高价部件的效果。
另外，根据本发明的时间分辨荧光信号的检测方法将铕(Eu)应用为荧光标签，在激发光的“关闭”模式下，300μs-500μs之后收集所发射荧光的检测数据，从而排除由于检测对象之外的物质发出基底荧光信号所引起的干扰，具有能够提高目标分析物检测灵敏度。
附图说明
图1是根据本发明的装置的结构图。
图2是带的剖面结构图。
图3是根据本发明的装置的时间分辨运行图。
图4是示出镧系元素的荧光发射特性的曲线图。
附图标记说明
100：带 200：共聚焦光学仪
210：LED 220：光电二极管
231：准直透镜 232：第1物镜
232：第2物镜 234：针孔部件
235：分色镜 236：带通滤波器
300：主控制器 310：电源部
320：驱动部 330：电源控制器
340：放大/选通电路部 350：微型控制器
351：信号转换部 352：定时器
具体实施方式
本发明实施例示出的特定结构乃至功能说明的目的只限于说明根据本发明的概念的实施例，根据本发明的实施例可以通过多种形式进行实施。并且，本发明所属领域技术人员应当理解，本发明并不局限于本说明书中说明的实施例，而是包含于本发明思想及技术范围的所有变形物、等同物乃至替代物均涵盖在内。
另外，本发明中，第1及/或第2等术语可以用于说明各种构成要素，但所述构成要素不局限于所述术语。使用所述术语的目的只限于将一构成要素与另一构成要素进行区别。例如，在不脱离根据本发明的概念的权利要求范围的情况下，第1构成要素可被命名为第2构成要素，与此类似，第2构成要素也可被命名为第1构成要素。
一构成要素“连接”或者“接入”另一构成要素时，应当理解为，其可以直接连接或者接入另一构成要素，但中间还可以具备其它构成要素。反之，某一构成要素“直接连接”或者“直接接触”另一构成要素时，应当理解为，中间不存在其它构成要素。用于说明构成要素之间关系的其它表述，即，“在～之间”和“就在～之间”或者“邻接～”和“直接邻接～”等也与上述解释相同。
本说明书使用的术语仅用于说明特定的实施例，而并不在于限定本发明。对于单数的表述，在说明书中没有明确指出具有其它含义时，其包含复数。本说明书中，对于“包括”或者“具有”等术语，应当理解为，其使用目的在于指定实施的特征、数字、步骤、运行、构成要素、零部件或其组合的存在，并不事先排除一个或者其以上的其他特征、数字、步骤、运行、构成要素、零部件或其组合的存在或者附加可能性。
以下，参照附图详细说明本发明。
参照图1，根据本发明的装置包括：带100，其为基于膜的带，包括荧光标签；共聚焦光学仪200，具备LED210而向带100照射激发光，并具备光电二极管220而检测带100发射的荧光；及主控制器300，其水平驱动所述带100，控制LED210的驱动，处理光电二极管220的检测信号。
所述共聚焦光学仪200可包括：LED210，照射激发光；光电二极管220，进行光检测；准直透镜(collimation lens)231，将LED210照射的激发光转换成平行光；第1物镜232，在带100的移送面上形成光焦点；第2物镜233，聚集入射光电二极管220的光；针孔部件234，配置在光电二极管220与第2物镜233之间的光路上；以及分色镜235，位于第1物镜232与第2物镜233之间，将已透过准直透镜231的激发光导入到第1物镜232。
LED210与其它光源相比，具有能量转换效率高、尺寸小、可以使光学仪小型化的优点。尤其，本发明采用时间分辨检测法，对于照射到带100的激发光反复实施“打开(on)”模式和“关闭(off)”模式，LED光源可作为适合所述时间分辨检测法的光源。LED210照射的激发光的波长约为200nm-500nm，这取决于荧光标签。
光电二极管220将带100发射的荧光信号转换成电信号。
准直透镜231聚集LED210产生的激发光，能够提高传递到带100的光效率。
第1物镜232和第2物镜233分别使光焦点形成在带100和光电二极管220。
分色镜235配置在第1物镜232与第2物镜233之间，使已透过准直透镜231的激发光反射到第1物镜232，优选地，使波长为550nm以下的光实现反射而激发光被反射到第1物镜232，而使波长为550nm以上的光透过。
主控制器300包括：电源部310，用于供电；驱动部320，沿横向水平驱动带100；电源控制器330，控制施加到LED210的电源；放大/选通电路部340，放大由光电二极管220检测的光信号，依据控制信号控制放大信号的输出；以及微型控制器350，转换由放大/选通电路部340传递的信号并产生脉冲。
驱动部320向水平方向前后驱动带100，实现带100的线性扫描。
放大/选通电路部340放大光电二极管200检测的光，与微型控制器350的定时器信号产生联动而将光电二极管220检测的光信号传递到微型控制器350。
微型控制器350可包括：信号转换部351，将放大/选通电路部340传递的模拟信号转换成数字信号；及定时器352，能够产生规定周期的脉冲信号。
尽管未图示，但应理解为：主控制器300可包括向外部输出测定值的公知的输出装置和能够从外部输入控制值的公知的输入装置，还可具备用于存储数据的存储介质。
另外，带100是侧流(Lateral Flow)分析类型的基于膜的成套器具(kit)结构，作为成套探测器具，包括镧系荧光标签。
具体地，如图2所示，带100包括被基板110支承的多孔性膜120。对于多孔性膜120，在液体样品基于毛细现象能够迅速移动的范畴内，可使用多种材质，其可具备检测区域121和校准区域122，可具有多个检测区域121。检测区域121和校准区域122可包括捕获物质，所述捕获物质用于固定荧光标签与分析物的结合体或者固定荧光标签，将在荧光检测方法的说明部分，对此做更具体的说明。
带100在多孔性膜120上部的两端分别具备样品垫130和吸收垫150，并邻接样品垫130地布置发射垫140。
样品垫130容纳含有分析物的样品，可附加具有用于过滤目标分析物所包含的不溶性微粒的功能。例如，样品垫120可包括纤维素滤纸或者玻璃纤维滤纸。
带100还可选择性地包括发射垫140，此时，邻接布置发射垫140与样品垫130。发射垫140可呈现为吸附荧光标签的状态，该荧光标签能够与样品中的分析物产生反应而形成结合体。荧光标签未被固定在发射垫140上，而仅仅是被吸附。因此，与样品中的分析物产生反应而形成结合体之后，沿着多孔性膜120，根据毛细现象移动到检测区域121和校准区域122。
本发明中，荧光标签具有较长的发射寿命，从而能够实施时间分辨荧光(time-resolved fluorescence)检测，优选地，可包含镧系元素螯合物(lanthanide chelates)，例如，可包含镧系元素以及与镧系元素结合的若干配体。镧系元素可包括铕(III)、铽(III)、钐(III)、镝及/或这些的组合。
吸收垫150物理地吸收根据毛细现象沿着多孔性膜120移动的样品。
以下简要说明如上述构成的带100的荧光检测方法：被样品垫130容纳的样品向发射垫140移动并与荧光标签结合而形成结合体，该结合体沿着多孔性膜120到达检测区域121。另外，第1捕获物质与结合体在检测区域121通过相互作用而被固定，不与第1捕获物质产生反应的荧光标签通过检测区域121而在校准区域122，与第1捕获物质产生反应而被固定。
其次，具有固定波长(λ1)的激发光照射到带100的检测区域121和校准区域122，结合体和荧光标签吸收激发光，实现具有规定波长(λ2)(λ1<λ2)的发射光(emitting light)的照射。通过测定检测区域121发射的光的波长及强度而实现目标分析物的定性/定量分析。
另外，所述荧光检测可通过时间分辨检测法实施，激发光可反复实施“打开”模式和“关闭”模式。
另外，“打开”模式中检测带100的发射光时，有可能同时检出激发结合体的过程中产生的自体荧光(background autofluorescence)，因无法从目标分析物去除这种背景荧光信号而降低检测灵敏度。
因此，本发明的特征在于，激发光被转换成“关闭”模式，检测出规定时间(数百μs)之后的荧光信号，从而实现目标分析物的定性/定量分析。
更具体而言，如图1及图3所示，LED210在t1呈“打开”模式，并直到t2为止照射激发光，使荧光标签饱和，之后在“关闭”模式下，信号转换部351将t3至t4的规定时间(Δt)内检测的光信号转换成数字信号并存储数据。
荧光标签的饱和状态可以是荧光强度的最大值，但通过激发光使荧光饱和需要较长时间，且在饱和状态下，可能会出现荧光物质受损的副作用。因此，本发明的荧光标签饱和状态可从荧光强度的最大值以下，在达到适当设定的亮度的时点进行选择。例如，激发光的切断(关闭)可在达到荧光强度指数式(exponential)增加状态的63.5％(时间常数，τ)或者达到90％亮度时实施。
上述数据收集是指对带100表面任一位置打开/关闭一次激发光，并在t3至t4的规定时间内(Δt)连续反复收集数据，并通过积累而提高信号噪声比(SNR，signal to noiseratio)。
另外，可考虑在装置内发光的、具有较短衰减时间的荧光彻底消失所需的时间和光电二极管220等的检测部的电路稳定化时间而确定t2至t3区间。
尤其，本发明的特征在于，荧光标签包括具有较长荧光寿命的铕(Eu)或包括铕的化合物。
图4是示出镧系元素的荧光发射特性的曲线图，Z轴表示荧光的发射强度(Emission intensity)，Y轴表示根据时间(Decay time)的荧光的衰减程度，X轴表示不同元素的发射(Emission)波长的分布。
如图4所示，镧系元素铽(Tb)、镝(Dy)、铕(Eu)和钐(Sm)中，铕(Eu)具有相对较长的荧光寿命，因此，若将铕用作荧光标签，可去除基底荧光信号等，实现高灵敏度的检测。
再次参照图3，若将铕(Eu)用作荧光标签，t2至t3区间优选约300μs～500μs的范围，更优选350μs～450μs的范围，此时，数据收集区间(Δt)为350μs～450μs的范围。
以上说明的本发明并不局限于前述的实施例及附图，对于本发明所属技术领域的一般技术人员而言，能够在不脱离本发明技术思想的范围内，对本发明进行各种替换、变形及变更是不言自明的。

Claims (6)

1.一种带的信号检测装置，其特征在于，
作为向包括基于膜的侧流分析类型的荧光标签的带照射激发光并检测带发射的荧光的信号的装置，包括：
共聚焦光学仪，具备LED而向所述带(100)照射激发光，并具备光电二极管而检测所述带发射的荧光；及
主控制器，其水平驱动所述带，控制所述LED的驱动，处理所述光电二极管的检测信号。
2.根据权利要求1所述的带的信号检测装置，其特征在于，
所述共聚焦光学仪包括：
准直透镜，将所述LED照射的激发光转换为平行光；
第1物镜，使所述带的移送面上形成光焦点；
第2物镜，聚集入射所述光电二极管的光；
针孔部件，配置在所述光电二极管与所述第2物镜之间的光路上；以及
分色镜，位于所述第1物镜与所述第2物镜之间，将已透过所述准直透镜的激发光导入到所述第1物镜。
3.根据权利要求2所述的带的信号检测装置，其特征在于，
所述分色镜对550nm以上的波长具有透光性。
4.一种带的信号检测方法，其特征在于，
作为一种时间分辨荧光信号的检测方法，其利用的装置包括：
带，包括作为荧光标签的基于膜的侧流分析类型的铕(Eu)；
共聚焦光学仪，具备LED而向所述带照射激发光，并具备光电二极管而检测所述带发射的荧光；及
主控制器，其水平驱动所述带，控制所述LED的驱动，处理所述光电二极管的检测信号,
所述主控制器在激发光的“关闭”模式下，300μs-500μs之后收集所发射荧光的检测数据。
5.根据权利要求4所述的带的信号检测方法，其特征在于，
所述主控制器在激发光的“关闭”模式下，在350μs～450μs范围内收集数据。
6.一种带的信号检测方法，其特征在于，
作为一种时间分辨荧光信号的检测方法，其利用的装置包括：
带，包括作为荧光标签的基于膜的侧流分析类型的铕(Eu)；
共聚焦光学仪，其包括：LED，照射激发光；光电二极管，检测光；准直透镜，将所述LED照射的激发光转换成平行光；第1物镜，使所述带的移送面上形成光焦点；第2物镜，聚集入射到所述光电二极管的光；针孔部件，配置在所述光电二极管与所述第2物镜之间的光路上；及分色镜，位于所述第1物镜与所述第2物镜之间，将已透过所述准直透镜的激发光导入到所述第1物镜；
主控制器，其水平驱动所述带，控制所述LED的驱动，处理所述光电二极管的检测信号，
所述主控制器在从激发光的“打开”模式转换到“关闭”模式，并经过300μs～500μs之后，在350μs～450μs范围内收集荧光信号的检测数据。
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