CN108060068B - 多信道荧光检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多信道荧光检测装置包含发光模块、加热槽、检测模块及传动模块。发光模块包含光源、不同类型激发滤光片及第一滚轮，激发滤光片允许特定带宽的光束通过，以激发目标荧光探针，第一滚轮承载激发滤光片。加热槽容置具有试样及目标荧光探针的PCR管件。检测模块包含不同类型发射滤光片、第二滚轮及光检测器，发射滤光片允许特定带宽的光束通过，第二滚轮承载发射滤光片，光检测器接收荧光信号并转换为电子信号。传动模块包含致动器，以同时驱动第一及第二滚轮的转动，借此切换及同步化激发滤光片与发射滤光片，以符合目标荧光探针的特定波长。

Description

多信道荧光检测装置

技术领域

本发明涉及一种荧光检测装置，特别涉及一种多信道荧光检测装置。

背景技术

为了因应不同需求而取得大量特定片段的DNA，科学家们一直致力找出有效率的方式来符合其目标，而聚合酶连锁反应(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，例如医院及生物研究机构的疾病诊断、细菌及病毒的鉴定、疾病、基因突变及癌症生物标记的检测及监控、环境危害的检验以及犯罪调查等。PCR技术只需要利用从血液或组织中萃取得到的小量DNA试样，并将荧光染剂加入核酸溶液中，即可通过荧光分子检测到扩增的DNA片段。

染剂及荧光检测技术为一种被广泛利用的技术，用以同步检测及分析是否有目标核酸分子存在于一批次生物试样中。在特定波长的光激发下，当有荧光信号从具有DNA结合染剂或荧光结合探针的目标核酸分子发出时，此信号即代表有目标核酸分子的存在。此技术被应用在新式PCR技术，称为实时PCR(real time 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，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。

荧光检测系统已在多种领域中成熟发展，例如荧光光谱及荧光显微镜的应用。利用单一白光光源配上一组滤镜及光学组件，即可轻易应用于单一颜色的荧光探针。然而，当一试验需要使用具有不同颜色的荧光探针，或是多重荧光探针以侧向配置进行检测时，将大大地增加了荧光检测装置的复杂度，且难以满足其需求。此外，即使满足了需求，市场上此种荧光检测装置皆体积庞大且笨重，且在光源、移动的PCR试样及检测器之间的误对位也是待解决的问题。

因此，为了改善前述现有技艺的缺失，实有必要提供一种改良的荧光检测装置，以用于多色的qPCR应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多信道荧光检测装置，以减小装置的尺寸及重量，且仍然提供优异性能于多色的qPCR应用。

为达到上述目的，本发明的一较广义实施例实施方式为提供一种多信道荧光检测装置，包含：一发光模块，包含至少一光源、多个不同类型的激发滤光片以及一第一滚轮，其中该光源提供一宽带照明，每一该激发滤光片可允许一特定带宽的光束通过，以激发一目标荧光探针，且该第一滚轮承载所述多个激发滤光片；多个加热槽，用以容置具有试样及该目标荧光探针的PCR管件；一检测模块，包含多个不同类型的发射滤光片、一第二滚轮以及至少一光检测器，其中每一该发射滤光片可允许一特定带宽的光束通过，该第二滚轮承载所述多个发射滤光片，且该光检测器接收荧光信号并将该荧光信号转换为电子信号；以及一传动模块，包含一致动器，是与该第一滚轮及该第二滚轮连接，以同时驱动该第一滚轮及该第二滚轮的转动，借此切换及同步化所述多个激发滤光片与所述多个发射滤光片，以符合该目标荧光探针的特定波长。

在一实施例中，该光源为一白光发光二极管，该发光模块还包含至少一准直镜，设置于该光源及该激发滤光片之间。该发光模块还包含至少一会聚透镜，安装于该激发滤光片及该加热槽之间。该会聚透镜是安装于一透镜托架上，而该透镜托架是设置于该加热槽的基座上。该会聚透镜是一双凸透镜。

在一实施例中，该激发滤光片及该发射滤光片为带通滤光片。

在一实施例中，该发光模块还包含一支撑架及一控制电路板，该光源是安装于该控制电路板上，而该控制电路板是安装于该支撑架上。

在一实施例中，每一该第一及第二滚轮承载多个滤光片托架，且相同类型的该激发滤光片或该发射滤光片是安装在同一个该滤光片托架中。每一该第一及第二滚轮的形状大致呈八角柱体。每一该第一及第二滚轮还包含设置于其侧板上的一定位杆。该传动装置还包含一定位板，其是架构于抵顶该第一及第二滚轮上的该定位杆，用以确保该第一及第二滚轮的初始位置。

在一实施例中，该多个加热槽是呈线性排列，以进行批次试验。

在一实施例中，该多信道荧光检测装置还包含一热电致冷加热器，用以加热该PCR管件。

在一实施例中，该检测装置还包含至少一会聚透镜，安装于该加热槽及该发射滤光片之间。该检测装置还包含至少一会聚透镜，安装于该发射滤光片与该光检测器之间。

在一实施例中，该检测模块还包含包覆该光检测器的一EMI屏蔽及接地结构。

在一实施例中，该传动模块的该致动器为一步进马达，安装于该光源的后端。该步进马达一次是旋转45度。

在一实施例中，该传动装置还包含一齿轮及一齿条。

本发明的有益效果在于，本发明提供的多信道荧光检测装置包含发光模块、加热模块、检测模块及传动模块。特别是，分别承载激发滤光片及发射滤光片的两滚轮的转动是被同时驱动，用来切换及同步化激发滤光片及发射滤光片，以符合目标荧光探针的特定波长。滚轮设计可确保切换不同滤光片的最小空间利用，而不会牺牲大量空间。滚轮设计亦提供批次试验中每一PCR生物试样的均匀照光，且滚轮误对位的容忍度也较现有技术宽松。此外，多年来步进马达技术已成熟发展，故此技术的采用是容易、节省成本及稳定的。又，当目标荧光探针改变时，模块化的滚轮设计也提供简单的方式来替换不同带通滤光片组。

再者，激发及发射滤光片组的设计有助实现多色qPCR系统的小巧化，且根据本发明的构想，本发明系统可提供高信噪比，且在20nM的低浓度下，仍可以最小串扰效应来区别多种不同的荧光试样。

此外，本发明所采用的光学组件的排列增进了光照的一致性，以及在小空间中收集荧光的能力。而且，由于光学组件的妥适排列，本发明系统可实现高信噪比，且荧光信号的检测性能仍相当优异。

附图说明

图1显示本发明较佳实施例的多信道荧光检测装置示意图。

图2显示图1的多信道荧光检测装置的爆炸图。

图3显示图1的多信道荧光检测装置的剖面图。

图4显示发光模块的爆炸图。

图5A显示准直镜的示意图。

图5B显示光束行经准直镜的光径。

图6显示四种目标荧光探针的激发光谱及四种激发滤光片的通带。

图7显示加热模块的爆炸图。

图8显示检测模块的爆炸图。

图9显示四种目标荧光探针的发射光谱及四种发射滤光片的通带。

图10显示传动模块的爆炸图。

图11显示多信道荧光检测装置的光径。

其中，附图标记说明如下：

1：发光模块

11：光源

12：激发滤光片

121：滤光片托架

121a：面板

121b：托架本体

13：第一滚轮

131：定位杆

132：齿轮

14：灯罩

15：准直镜

151a、151b、152a、152b、153a、153b：表面

16：支撑架

17：控制电路板

18：会聚透镜

2：加热模块

21：加热单元

22：加热槽

221：针孔结构

23：透镜托架

3：检测模块

31：发射滤光片

311：滤光片托架

311a：面板

311b：托架本体

32：第二滚轮

321：齿轮

33：光检测器

34：半球面透镜

35：双凸透镜

36：EMI屏蔽及接地结构

4：传动模块

41：步进马达

42：齿轮

43：齿条

44：定位板

441：挡止部

45：基座

具体实施方式

体现本发明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。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

本发明提供一种多信道荧光检测装置，其是一种可依序发出四种不同颜色的光束于以线性排列的多荧光试样上。在qPCR扩增过程中，此装置通过同时转动两滚轮所载的激发及发射滤光片，来提供具有不同颜色的光源以激发不同荧光探针，以及检测由探针发射出的特定荧光信号。

请参阅图1至图3，其中图1显示本发明较佳实施例的多信道荧光检测装置示意图，图2显示图1的多信道荧光检测装置的爆炸图，图3显示图1的多信道荧光检测装置的剖面图。如图1至图3所示，多信道荧光检测装置主要包含一发光模块1、一加热模块2、一检测模块3及一传动模块4。发光模块1设置于加热模块2的前端，检测模块3设置于加热模块2的后端，而传动模块4则经由齿轮及齿条传动(gear and rack transmission)与发光模块1及检测模块3连接。

发光模块1包含至少一光源11、多个不同类型的激发滤光片(excitation filter)12以及一第一滚轮13，其中光源11提供一宽带照明(broad band illumination)，每一激发滤光片12可允许一特定带宽的光束通过，以激发一目标荧光探针，第一滚轮13则承载多个激发滤光片12。加热模块2包含一加热单元21及多个加热槽22，其中加热单元21提供PCR扩增程序的温控，多个加热槽22则用以容置具有试样及目标荧光探针的PCR管件。检测模块3包含多个不同类型的发射滤光片(emission filter)31、一第二滚轮32以及至少一光检测器(photo-detector)33，其中每一发射滤光片31可允许一特定带宽的光束通过，第二滚轮32承载多个发射滤光片31，光检测器33则接收荧光信号并将荧光信号转换为电子信号。激发滤光片12与发射滤光片31是成对配置，形成多组激发及发射滤光片组，用以检测具有不同颜色的光束。传动模块4包含一致动器，其较佳为一步进马达41，是与第一滚轮13及第二滚轮32连接，以同时驱动第一滚轮13及第二滚轮32的转动，借此切换及同步化激发滤光片12与发射滤光片31，以符合目标荧光探针的特定波长。

请参阅图3及图4，其中图4显示发光模块的爆炸图。光源11所发出的光是位于可见光波长范围的波长宽带中，例如介于380nm至780nm，以涵盖目标激发波长。在一实施例中，光源11为一高功率白光发光二极管(LED)，在350毫安驱动电流时提供122流明的光功率，且其在半峰全宽(full-width at half maximum，FWHM)的视角为115度。然而，本发明的光源11不限于白光LED，其他宽带光源，例如汞灯及卤素灯等，皆可适用于本发明。

在一实施例中，发光模块1包含六个灯罩14。如图3所示，每一灯罩14容置一光源11及一准直镜(collimating lens)15于其中，且可弯折光源11的光束呈大致平行以提供均匀的光照。图5A显示准直镜的示意图，图5B则显示光束行经准直镜的光径。准直镜15是安装于光源11与激发滤光片12之间，且提供以小角度偏离的光束。准直镜15可区分为三个环状区，且准直镜15的光表面151a至153b为具理想性能的自由形式表面(free-form surface)。第一环状区包含表面151a及151b，第二环状区包含表面152a及152b，第三环状区包含表面153a及153b。行经第一环状区的光束首先触及表面151a，且因全内反射(total internalreflection)的缘故，光束不会穿透表面151a。接着反射的光束触及表面151b，且经表面151b传送的反射光束将被弯折，而折射后的光束穿过表面151b而成为准直光束。行经第二环状区的光束将经由表面152a会聚，且甚至在穿过表面152b后更向内弯折，因此，行经此区域的光束的偏向角约为5度，且接近准直光束。而在中心区域，亦即第三环状区，光束将在表面153a及表面153b之间聚焦。对于聚焦在表面153b的聚焦点上的光束，其外射的光束会平行于透镜的光轴。

在一实施例中，相较于市场上可购得的准直镜FP11055，本发明的准直镜15直径较小(约8mm)，具有较强光功率(约17流明)、较佳光效率(约19.8％)以及较小功率角(intensity angle)(约10.2度)。

在一实施例中，准直镜15的材质采用但不限于亚克力(acrylic，亦称PMMA)，其他光学级塑料亦可适用，例如聚碳酸酯(polycarbonate，PC)、聚苯乙烯(polystyrene)、或聚烯烃(polyolefin)等。制造准直镜15的方法则可采用但不限于射出成型(injectionmolding)、计算机数值控制加工(computer numerical control machining，CNCmachining)、及金刚车削(diamond-turning)等方法。

请再参阅图3及图4。根据PCR试样中探针所标记的荧光染料，四种不同类型的激发滤光片12安装在第一滚轮13上，以选择性地被排列在加热槽22的前端。在一实施例中，激发滤光片12为一带通滤光片(band pass filter)，会将落在通带范围内以外的所有光线反射，故激发滤光片12的通带须符合目标荧光探针的激发波长。换句话说，激发滤光片12只允许光源11提供的光束中具特定激发波长的光束通过，并将其他波段的光当作噪声而阻挡。表1显示用以激发四种荧光染剂的四种激发滤光片的通带，而图6则显示四种目标荧光探针的激发光谱及四种激发滤光片的通带。由表1可见，激发滤光片12的通带介于14nm至27nm之间，故激发滤光片12有助于提升目标荧光探针的信噪比(signal to noise ratio，SNR)，并降低如图6所示激发波长重叠区域的串扰效应(crosstalk effect)。

表1

发光模块1还包含一支撑架16及一控制电路板17，支撑架16是用以安装光源11的控制电路板17于其上。在一实施例中，支撑架16是由铝所制成，且可同时作为散热用的散热鳍片。举例来说，光源11可为表面黏着(surface-mounted-device，SMD)型LED，其是利用回焊方式直接将LED焊接在控制电路板17上，然而，通孔插装(through-hole)型LED亦可适用于本发明。此外，控制电路板17为以FR-4玻璃环氧树脂制成的PCB，亦可为具有较佳散热性的金属基材PCB(metal-core PCB，MCPCB)。

发光模块1还包含至少一会聚透镜(converging lens)18，安装于第一滚轮13所载的激发滤光片12及加热槽22之间，用以将滤光后的激发光束聚光于PCR管件的中央。激发光束的会聚可增加PCR管件内部的辐照度(irradiance)，使得荧光分子接收到的输入光能变得充足。在一实施例中，会聚透镜18的后工作距离(back working distance)为7mm，其是由会聚透镜18的后侧主平面(rear principal plane)起算。会聚透镜18可简单为由BK7玻璃制成的单一双凸透镜(single bi-convex lens)，亦可为透镜组的集成。此外，非球面透镜(aspheric lens)亦可适用于本发明，且透镜材质可为玻璃或塑料。激发滤光片12与会聚透镜18的间的距离约为10mm。

在一实施例中，六个会聚透镜18是以线性方式安装于透镜托架(lens holder)23上，而透镜托架23是设置于加热槽22的基座上(显示于图7)。由于准直镜15及会聚透镜18为独立安装，故第一滚轮13可自由旋转以切换所需的激发滤光片12。透镜托架23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。

请再参阅图3及图4。双滚轮13及32是用来切换具不同带通波长范围的带通滤光片，其中第一滚轮13是用来旋转及切换激发滤光片12，第二滚轮32则用来旋转及切换发射滤光片31。如图3及图4所示，第一滚轮13承载四个可替换的滤光片托架(filter mount)121，每一滤光片托架121包含一面板121a及一托架本体121b，且六片具有相同波长通带的激发滤光片12是以线性邻接方式安装在同一个滤光片托架121中。在一实施例中，激发滤光片12的尺寸为但不限于5mm x 5mm x 2mm，且可根据不同需求做调整。滤光片托架121较佳为可拆卸式设计，以方便滤光片的替换及维护。当然，滤光片托架121亦可一体成型于第一滚轮13上。

本发明的多信道荧光检测装置包含六道光信道，每一光信道需要一片激发滤光片12及一片发射滤光片31，且激发滤光片12与发射滤光片31呈线性排列。当目标荧光探针改变时，承载激发滤光片12的第一滚轮13会以逆时针方向一次旋转45度，而承载发射滤光片31的第二滚轮32也会以相同方向旋转相同角度。面板121a及托架本体121b上皆设有窗孔，用以阻挡以较大偏移角进入的光线。若光线入射角大于10度，激发滤光片12的带通涂层可能会无法阻挡通带范围外的光线，而那些不需要的光线即称为噪声，会干扰信号检测。在一实施例中，窗孔的尺寸为但不限于3.5mm x 3.5mm，且可根据不同需求做调整。

在一实施例中，第一滚轮13的形状大致呈八角柱体，且四种类型的激发滤光片12分别安装在八角柱体的四个相邻矩形表面上。第一滚轮13还包含一定位杆131，设置在第一滚轮的13的侧板上，而传动装置4则设有一定位板44(显示于图10)，用以确保第一滚轮13的初始位置，使得第一滚轮13不会被传动装置4的步进马达41过度旋转。定位杆131亦可作为校正参考。一旦定位杆131抵顶定位板44上的挡止部441，步进马达41即停止转动。

在一实施例中，第一滚轮13的材质为黑色阳极氧化处理铝材(black anodizedaluminum)，以避免在单一光信道内及信道之间的多重内部光散射所产生的噪声。

请参阅图7，其是显示加热模块的爆炸图。加热模块2包含加热单元21及多个加热槽22。生物试样是配制及存放在PCR管件中以进行PCR扩增及检测，且PCR管件是容置在加热槽22中。加热槽22的针孔结构221可导引激发光及发射荧光对位在光轴上。在一实施例中，加热槽22是由具有优异导热性的铜所制成。加热模块2包含六个加热槽22，且六个加热槽22呈线性排列，以进行批次试验。

加热槽22是安装在加热单元21的顶部。在一实施例中，加热单元21可为但不限于热电致冷(thermoelectric cooling，TEC)加热器，其可随着输入电流的变化而循环式地调控温度，且TEC加热器的温控可达小数点的度数，故可满足循环式PCR扩增程序的需求。相较于其他热循环仪(thermal cycler)，小巧的TEC加热器有助于系统的微型化，且TEC加热器具有较长使用寿命，且易于维护。当然，其他经由空气或液体的传统热循环方法也可适用于本发明。

请参阅图8，其显示检测模块的爆炸图。对应于激发滤光片12，四种不同类型的发射滤光片31安装在第二滚轮32上，且可选择性地被排列在加热槽22的后端。第二滚轮32承载四个可替换之滤光片托架311，每一滤光片托架311包含一面板311a及一托架本体311b，且六片具有相同波长通带的发射滤光片31是以线性邻接方式安装在同一个滤光片托架311中。在一实施例中，发射滤光片31的尺寸为但不限于5mm x 5mm x 2mm，且可根据不同需求做调整。滤光片托架311较佳为可拆卸式设计，以方便滤光片的替换及维护。当然，滤光片托架311亦可一体成型于第二滚轮32上。第二滚轮32的结构与第一滚轮13相似，故在此不赘述。

在一实施例中，发射滤光片31为一带通滤光片，会将落在通带范围内以外的所有光线反射，故发射滤光片31的通带须符合目标荧光探针的发射波长。从荧光探针发射出的荧光波长必定大于其激发波长，故需要采用不同的滤光片。如同激发滤光片12，发射滤光片31的带通涂层只允许特定波段的光束通过，并将其他波段的光束阻挡，故发射滤光片31扮演一重要角色，负责预防来自光源11的噪声干扰，以及因不需要的荧光信号的泄漏所造成的串扰效果。

表2显示四种发射滤光片的通带，而图9则显示四种目标荧光探针的发射光谱及四种发射滤光片的通带。由表2可见，发射滤光片31的通带介于24nm至32nm之间，故发射滤光片31有助于提升目标荧光探针的信噪比，并降低如图9所示发射波长重叠区域的串扰效应。

表2

在一实施例中，光检测器33为光电二极管或光电二极管数组，且较佳为硅光电二极管。光检测器33是将光信号转换为电流，且由于其高敏感度，滤光后的荧光中的小量光子仍可被检测于320nm至1100nm之间。其他类型的光检测器，例如光电倍增管(photomultiplier tube，PMT)、感光耦合组件(charged-couple device，CCD)、及互补性金属氧化半导体(complementary metal-oxide semiconductor，CMOS)皆可适用于本发明。在另一实施例中，检测模块3还包含一光电二极管放大器，其可将数奈安培的的电流转换为伏特，且将信号放大至10⁸倍，以供进一步的数据分析及利用。

在一实施例中，检测模块3还包含六组会聚透镜，且每一组包含一半球面透镜(half-ball lens)34(如图7所示)及一双凸透镜35(如图8所示)。半球面透镜34是安装于加热槽22及发射滤光片31之间，双凸透镜35则安装于发射滤光片31及光检测器33之间。检测信道的数量与发光信道的数量相同，且发光模块1的每一信道是映像于检测模块3的对应信道。

六个半球面透镜34是线性安装于透镜托架23上六个会聚透镜18的相对侧。半球面透镜34收集从PCR生物试样中荧光探针所发射的荧光。在一实施例中，半球面透镜34的曲率半径为4mm，且平面面向加热槽22。半球面透镜34收集荧光并将其转变为准直光束，以均匀地照射于发射滤光片31。光检测器33的传感器与半球面透镜34之间的距离约为30mm。

在一实施例中，双凸透镜35是由BK7玻璃所制成，且其曲率半径为11mm。双凸透镜35设置于发射滤光片31的后端，且作为一影像单元，用以在光检测器33感应平面的影像平面撷取滤光后的荧光影像。双凸透镜35将均匀分布在大区域的滤光后的荧光进行会聚，并聚光于光检测器33，其中，光检测器33的面积约为1.1mm x 1.1mm，远小于滤光后的荧光所分布的区域面积。在另一实施例中，双凸透镜35的材质可为以射出成型制成的光学级塑料。

在一实施例中，检测模块3还包含一包覆光检测器33及双凸透镜35的电磁干扰(EMI)屏蔽及接地结构36。光检测器33因其高灵敏度而容易被周围环境的噪声所影像。EMI屏蔽及接地结构36是由以黑色阳极氧化层涂布的铝材所制成，且可消除光检测器33的EMI噪声。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，更可降低光通道内的内部光散射所产生的噪声。

对于多色的qPCR应用，串扰效应是一个必须考虑的重要议题。简单来说，当PCR生物试样管件中具有多种荧光染剂混合物时，荧光染剂彼此之间的激发带及发射带会部分重叠，荧光带的重叠区域表示有错的荧光染剂被部分激发，而从错的染剂发射出的荧光信号会经由发射滤光片31泄漏，因此，检测到的荧光信号会是从不同染剂产生的发射荧光信号的组合，而从不需要的荧光染剂所产生的发射荧光信号将成为降低信噪比对比甚至造成检测误差的噪声。相较于市场上大部分的多色qPCR系统，本发明的多信道荧光检测装置较为小巧及轻薄。本发明装置可检测的颜色数量不限于四种，亦可增加至六种。

在一实施例中，本发明采用四种类型的荧光染剂。每一PCR管件内装有四种不同荧光染剂的混合物，这些染剂为标准荧光染剂，且其名称缩写为FAM/FITC、HEX、ROX及Cy5。这些荧光染剂的激发光谱及发射光谱分别显示于图6及图9中。虽然本发明较佳实施例是以这些染剂作示范，然本发明的系统并不限于这四种类型的荧光染剂。

表3显示四种荧光染剂混合物在低浓度(20nm)时的串扰效应。从表3可见，除了特定荧光染剂的滤光片组合外，其他荧光染剂的发射荧光被阻挡，代表本发明系统的这四种荧光染剂的串扰效应在低染剂浓度时亦可被消除。

表3

请参阅图10，其是显示传动模块的爆炸图。传动模块4的致动器较佳为步进马达41，用以同时驱动第一滚轮13及第二滚轮32的转动。步进马达41可提供精准的角度变化，以切换不同的滤光片。多年来此技术已成熟发展于许多工业上，故其稳定度及轻易取得可加速本发明的多信道荧光检测系统的商品化。单一或双步进马达皆可适用于本发明，若选择单一步进马达，其较佳为安装于光源11的后端。

在一实施例中，传动装置4还包含一齿轮42及一齿条43，用于动力传动及同步化第一滚轮13及第二滚轮32。在其他实施例中，齿轮组或是齿轮与皮带组合的系统亦可适用于本发明。单一步进马达41的轴连接至齿轮42，以经由齿条43及第一滚轮13的齿轮132与第二滚轮32的齿轮321而同时驱动第一滚轮13及第二滚轮32。当使用双步进马达时，每一滚轮则分别连接至一个步进马达，且由马达控制电路来控制两个马达的同步化。

本发明的步进马达41在每个步骤中是以逆时针方向旋转45度。本发明所采用的四种滤光片组、第一滚轮13及第二滚轮32皆由步进马达41驱动，且一次旋转一个步骤。从第一类型滤光片组旋转至第四类型滤光片组，其旋转角度为135度，且通过第一及第二滚轮13、32上的定位杆131与定位板44上的挡止部441的抵顶而停止并定位。

在一实施例中，传动模块4还包含一基座45，用以设置步进马达41、发光模块1、加热模块2及检测模块3于其上。基座45的材质为但不限于具有轻量化、坚实及易于制造等优点的聚碳酸酯，而铝材亦同样适用于本发明。

在一实施例中，步进马达编码器(未图标)是贴附于第一及第二滚轮13、32，其可检测第一及第二滚轮13、32的旋转角度，并反馈控制信号，以供误对位修正及校准。

请参阅图11，其显示多信道荧光检测装置的光径。激发光是由白光LED的光源11所提供，接着准直镜15会聚光线以产生均匀且平行的光束。安装于第一滚轮13上的激发滤光片12只允许特定带宽的准直光束通过，以激发特定荧光探针。会聚透镜18，例如双凸透镜，将滤光后的激发光聚光于设置于加热槽22中的PCR管件。具有荧光探针的PCR试样被激发后，将发射出具有特定波长的荧光。发射出的荧光接着被半球面透镜34所收集，且均匀的照射于安装于第二滚轮32上的发射滤光片31。之后，双凸透镜35将滤光后的发射光聚光于光检测器33的光电二极管上。此光学系统的整体尺寸约为105mm x 110mm x 40mm。

如图3及图11所示，准直镜15及会聚透镜18的分离结构成就了此光学系统的微型化，因为第一滚轮13可于准直镜15及会聚透镜18之间的微小间隙中切换激发滤光片12。同样地，在半球面透镜34及双凸透镜35之间的间隙提供给第二滚轮32的空间利用也与发光侧相同。由于半球面透镜34的焦距相当短，故会聚透镜18及半球面透镜34要尽可能地贴近PCR管件来安装。

如前述实施例所述，光源11、准直镜15、在相同滤光片托架121内的激发滤光片12、会聚透镜18、加热槽22、半球面透镜34、在相同滤光片托架311内的激发滤光片31、双凸透镜35以及光检测器33的数量皆为六个。因此，前述实施例的多信道荧光检测装置为六信道荧光检测装置。然而，光学信道的数量当然不限于六个，且可根据不同需求做调整。

综上所述，本发明提供的多信道荧光检测装置包含发光模块、加热模块、检测模块及传动模块。特别是，分别承载激发滤光片及发射滤光片的两滚轮的转动是被同时驱动，用来切换及同步化激发滤光片及发射滤光片，以符合目标荧光探针的特定波长。滚轮设计可确保切换不同滤光片的最小空间利用，而不会牺牲大量空间。滚轮设计亦提供批次试验中每一PCR生物试样的均匀照光，且滚轮误对位的容忍度也较现有技术宽松。此外，多年来步进马达技术已成熟发展，故此技术的采用是容易、节省成本及稳定的。又，当目标荧光探针改变时，模块化的滚轮设计也提供简单的方式来替换不同带通滤光片组。

再者，激发及发射滤光片组的设计有助实现多色qPCR系统的小巧化，且根据本发明的构想，本发明系统可提供高信噪比，且在20nM的低浓度下，仍可以最小串扰效应来区别多种不同的荧光试样。

此外，本发明所采用的光学组件的排列增进了光照的一致性，以及在小空间中收集荧光的能力。而且，由于光学组件的妥适排列，本发明系统可实现高信噪比，且荧光信号的检测性能仍相当优异。

纵使本发明已由上述实施例详细叙述而可由本领域技术人员任意进行构思而做出多种修饰，然而皆不脱如附权利要求书的保护范围。

Claims (20)

1.一种多信道荧光检测装置，包含：

一发光模块，包含至少一光源、多个不同类型的激发滤光片以及一第一滚轮，其中该光源提供一宽带照明，每一该激发滤光片可允许一特定带宽的光束通过，以激发一目标荧光探针，且该第一滚轮为具有相邻的矩形侧面的柱体，所述多个激发滤光片分别承载于所述第一滚轮的所述相邻的矩形侧面上；

多个加热槽，用以容置具有试样及该目标荧光探针的PCR管件；

一检测模块，包含多个不同类型的发射滤光片、一第二滚轮以及至少一光检测器，其中每一该发射滤光片可允许一特定带宽的光束通过，该第二滚轮为具有相邻的矩形侧面的柱体，所述多个发射滤光片分别承载于所述第二滚轮的所述相邻的矩形侧面上，且该光检测器接收荧光信号并将该荧光信号转换为电子信号；以及

一传动模块，包含一步进马达，是与该第一滚轮的一齿轮及该第二滚轮的一齿轮连接，以同时驱动该第一滚轮及该第二滚轮的转动，借此切换及同步化所述多个激发滤光片与所述多个发射滤光片，以符合该目标荧光探针的特定波长。

2.如权利要求1所述的多信道荧光检测装置，其中该光源为一白光发光二极管。

3.如权利要求1所述的多信道荧光检测装置，其中该发光模块还包含至少一准直镜，设置于该光源及该激发滤光片之间。

4.如权利要求1所述的多信道荧光检测装置，其中该激发滤光片及该发射滤光片为带通滤光片。

5.如权利要求1所述的多信道荧光检测装置，其中该发光模块还包含一支撑架及一控制电路板，该光源是安装于该控制电路板上，而该控制电路板是安装于该支撑架上。

6.如权利要求1所述的多信道荧光检测装置，其中该发光模块还包含至少一会聚透镜，安装于该激发滤光片及该加热槽之间。

7.如权利要求6所述的多信道荧光检测装置，其中该会聚透镜是安装于一透镜托架上，而该透镜托架是设置于该加热槽的基座上。

8.如权利要求6所述的多信道荧光检测装置，其中该会聚透镜为一双凸透镜。

9.如权利要求1所述的多信道荧光检测装置，其中每一该第一及第二滚轮承载多个滤光片托架，且相同类型的该激发滤光片或该发射滤光片是安装在同一个该滤光片托架中。

10.如权利要求1所述的多信道荧光检测装置，其中每一该第一及第二滚轮的形状呈八角柱体。

11.如权利要求1所述的多信道荧光检测装置，其中每一该第一及第二滚轮还包含设置于其侧板上的一定位杆。

12.如权利要求11所述的多信道荧光检测装置，其中该传动装置还包含一定位板，其是架构于抵顶该第一及第二滚轮上的该定位杆，用以确保该第一及第二滚轮的初始位置。

13.如权利要求1所述的多信道荧光检测装置，其中该多个加热槽是呈线性排列，以进行批次试验。

14.如权利要求1所述的多信道荧光检测装置，还包含一热电致冷加热器，用以加热该PCR管件。

15.如权利要求1所述的多信道荧光检测装置，其中该检测装置还包含至少一会聚透镜，安装于该加热槽及该发射滤光片之间。

16.如权利要求1所述的多信道荧光检测装置，其中该检测装置还包含至少一会聚透镜，安装于该发射滤光片与该光检测器之间。

17.如权利要求1所述的多信道荧光检测装置，其中该检测模块还包含包覆该光检测器的一EMI屏蔽及接地结构。

18.如权利要求1所述的多信道荧光检测装置，其中该步进马达安装于该光源的后端。

19.如权利要求1所述的多信道荧光检测装置，其中该步进马达一次是旋转45度。

20.如权利要求1所述的多信道荧光检测装置，其中该传动装置还包含一齿轮及一齿条。

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