CN108181239B - 一种多通道荧光定量pcr仪的光学系统 - Google Patents

一种多通道荧光定量pcr仪的光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多通道荧光定量PCR仪的光学系统，多个光纤扫描端头分别设置在多个扫描透镜上；每个光纤扫描端头上设置有两根传输光纤，每个光纤扫描端头通过其中一根传输光纤与光纤进光端头相连，每个光纤扫描端头通过另一根传输光纤与光纤出光端头相连；LED光源发出的激发光经过凸透镜聚光后进入光纤进光端头，激发光通过光纤进光端头分别进入各根传输光纤后传输至各个光纤扫描端头并从各个扫描透镜出射，样品受激发光照射后发出的发射光通过扫描透镜会聚到各个光纤扫描端头分别进入各根传输光纤后传输至光纤出光端头，发射光从光纤出光端头出射后经过透镜组进入成像传感器。本技术方案能够提高光源的光谱利用率，无需加入内参荧光物质进行内参校正即可克服孔间光强差异大的问题。

Description

一种多通道荧光定量PCR仪的光学系统
技术领域
本发明涉及生物检测技术领域，尤其涉及一种多通道荧光定量PCR仪的光学系统。
背景技术
实时荧光定量PCR仪(QPCR仪)是目前生命科学研究的主流工具，在病原体检测、转基因食品检测、药物疗效研究和基因突变分析等方面得到了广泛应用。与传统的PCR相比，实时荧光定量PCR增加了光学激发与检测系统。DNA片段在扩增过程中发射光信号随之增强，通过检测扩增过程的发射光信号强度可以计算出原始样品的含量。
目前市场上的QPCR产品光学系统一般都包含激发光源、激发光路、激发滤光片、检测光路、发射滤光片和光电转换器件等部分。其中光源部分通常使用白色LED或卤钨灯等宽光源的光谱，虽然一个光源可以激发所有通道，但是它的光谱利用率很低，大部分光能量会作为背景干扰，影响最终信号的采集，光谱利用率低。另外，如图1所示，由于装有样品的容器都有一定深度，摄像头到各个样品之间的光程有长有短，存在光路差异，导致照射到位于边缘的样品与位于中间的样品的光强差异大，样品需要加入内参荧光物质校正，增加了实验成本。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种多通道荧光定量PCR仪的光学系统，光谱利用率高，且无需加入内参荧光物质进行内参校正即可克服孔间光强差异大的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种多通道荧光定量PCR仪的光学系统，包括多个可切换的LED光源、凸透镜、光纤进光端头、光纤扫描端头、光纤出光端头、扫描透镜阵列、透镜组和成像传感器，各个所述LED光源分别用于发出不同波长的激发光，所述扫描透镜阵列包括多个并列设置的扫描透镜，所述扫描透镜阵列中的各个扫描透镜分别对应设置在装有样品的容器的上方；
所述LED光源和光纤进光端头分别设置在凸透镜的两侧，多个所述光纤扫描端头分别设置在多个扫描透镜上；每个所述光纤扫描端头上设置有两根传输光纤，每个所述光纤扫描端头通过其中一根传输光纤与光纤进光端头相连，每个所述光纤扫描端头通过另一根传输光纤与光纤出光端头相连，所述光纤出光端头和成像传感器设置在透镜组的两侧；
所述LED光源发出的激发光经过凸透镜聚光后进入光纤进光端头，激发光通过光纤进光端头分别进入各根传输光纤后传输至各个光纤扫描端头并从各个扫描透镜出射，样品受激发光照射后发出的发射光通过扫描透镜会聚到各个光纤扫描端头分别进入各根传输光纤后传输至光纤出光端头，发射光从光纤出光端头出射后经过透镜组进入成像传感器。
采用上述方案的有益效果是：根据不同样品选择不同的LED光源，能够提高光源的光谱利用率；同时，扫描透镜阵列包括多个并列设置的扫描透镜，各个扫描透镜分别对应设置在装有样品的容器的上方，各个扫描透镜到容器的光程一样，无需加入内参荧光物质进行内参校正即可克服孔间光强差异大的问题。
进一步地，所述透镜组包括两个相对设置的双胶合消色差透镜。
采用上述技术方案的有益效果是：设置有双胶合消色差透镜，可以消除不同通道间的色差。
进一步地，还包括旋转筒，所述旋转筒的一端设置有入光口和反射镜，所述LED光源设置在入光口外，多个所述LED光源与入光口处于同一平面，多个所述LED光源以旋转筒为圆心呈圆周间隔设置；
所述旋转筒的另一端设置旋转轮，所述旋转轮上设置有多个用于过滤激发光的第二滤光片，多个所述第二滤光片以旋转筒为圆心呈圆周间隔设置，所述旋转筒上的第二滤光片设置在两个双胶合消色差透镜之间，所述第二滤光片的数量与LED光源的数量相同；
所述凸透镜和光纤进光端头设置在旋转筒内，所述入光口、反射镜和旋转轮可随旋转筒转动，所述入光口对准其中一个LED光源后，该LED光源发出的激发光经过反射镜反射后进入凸透镜。
优选地，多个所述LED光源以旋转筒为圆心呈圆周等间隔设置，多个所述第二滤光片以旋转筒为圆心呈圆周等间隔设置。
采用上述技术方案的有益效果是：转动旋转筒时，旋转筒带动入光口、反射镜和旋转轮旋转，把入光口转向发出特定波长的LED光源，同时对应的第二滤光片也随着旋转轮转动到两个双胶合消色差透镜之间，即可完成通道切换，具有结构简单和切换方便等优点。
进一步地，各个所述第二滤光片分别用于过滤不同波长的激发光，所述多个LED光源按照对应波长的大小顺时针设置且所述多个第二滤光片按照对应波长的大小逆时针设置，或者所述多个LED光源按照对应波长的大小逆时针设置且所述多个第二滤光片按照对应波长的大小顺时针设置。
采用上述技术方案的有益效果是：通过简单的结构，保证切换通道时LED光源与第二滤光片相对应，使得各个LED光源发出的激发光，在成像传感器前都能够通过与该激发光波长对应的第二滤光片进行过滤，降低背景噪声，保证检测结果的准确性。
进一步地，所述凸透镜和光纤进光端头之间还设置有匀光棒，所述匀光棒的一端与光纤进光端头相连；
所述LED光源发出的激发光经反射镜反射后进入凸透镜，再经过凸透镜聚光后进入匀光棒，再经过匀光棒匀光后进入光纤进光端头。
采用上述技术方案的有益效果是：通过设置匀光棒，能够最大限度地收集激发光，保证到达样品的激发光的强度。
进一步地，所述匀光棒的长度为其横截面直径的2-10倍；具体地，所述匀光棒的长度为其横截面直径的3-5倍。
采用上述技术方案的有益效果是：若匀光棒的长度太长，则可能导致激发光的强度减弱；若匀光棒的长度太短，则可能导致匀光效果不好。匀光棒的长度为横截面直径的3-5倍，能够兼顾激发光的强度和匀光效果。
进一步地，所述成像传感器包括CCD传感器或CMOS传感器。
进一步地，各个所述LED光源的前端还设置有用于过滤多余波长的第一滤光片；第一滤光片固定在LED光源，滤光片边缘采取避光措施，避免未经过滤光片的光穿过缝隙。
采用上述技术方案的有益效果是：设置第一滤光片能够过滤多余波长的光，保证检测结果的准确性。
进一步地，所述光纤进光端头与光纤出光端头之间还连接有用于把激发光送入成像传感器的激发光强度校正光纤。
采用上述技术方案的有益效果是：能够消除实验过程中激发光光强变化对实验结构带来的影响。
进一步地，所述传输光纤在光纤进光端头排列为矩形阵列，所述传输光纤在光纤出光端头排列为矩形阵列。激发光通过传输光纤与光纤进光端头接触的一端进入传输光纤，发射光通过传输光纤与光纤出光端头接触的一端射出传输光纤；把传输光纤与光纤进光端头、光纤出光端头接触的一端设置为矩形阵列，使成像传感器的利用效率最大。
附图说明
图1为现有技术中荧光定量PCR仪的结构示意图；
图2为本发明一种多通道荧光定量PCR仪的光学系统的结构示意图；
图3为本发明一种多通道荧光定量PCR仪的光学系统中旋转筒的俯视图；
图4为本发明一种多通道荧光定量PCR仪的光学系统中第一实施例的示意图；
图5为本发明一种多通道荧光定量PCR仪的光学系统中第二实施例的示意图；
图6为本发明一种多通道荧光定量PCR仪的光学系统中第三实施例的示意图；
图7为本发明一种多通道荧光定量PCR仪的光学系统中第四实施例的示意图；
图8为本发明一种多通道荧光定量PCR仪的光学系统中第五实施例的示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、LED光源，2、凸透镜，3、光纤进光端头，4、光纤扫描端头，5、光纤出光端头，6、扫描透镜阵列，7、透镜组，8、成像传感器，9、旋转筒；
12、第一滤光片，91、入光口，92、反射镜，93、旋转轮，94、第二滤光片，95、匀光棒。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图2所示，一种多通道荧光定量PCR仪的光学系统，包括多个可切换的LED光源1、凸透镜2、光纤进光端头3、光纤扫描端头4、光纤出光端头5、扫描透镜阵列6、透镜组7和成像传感器8。透镜组7包括两个相对设置的双胶合消色差透镜，可以避免使用不同检测通道时由于色差引起图像模糊。
各个LED光源1分别用于发出不同波长的激发光，一个LED光源1提供一个通道的激发光；凸透镜2用于对LED光源1发出的激发光进行聚光；扫描透镜阵列6包括多个扫描透镜，多个扫描透镜相互并列设置，扫描透镜阵列6中的各个扫描透镜分别对应设置在装有样品的容器的上方；成像传感器8用于处理样品发出的发射光。成像传感器9采集的发射光为荧光。
LED光源1和光纤进光端头3分别设置在凸透镜2的两侧，多个光纤扫描端头4分别设置在多个扫描透镜上；每个光纤扫描端头4上设置有两根传输光纤，每个光纤扫描端头4通过其中一根传输光纤与光纤进光端头3相连，每个光纤扫描端头4通过另一根传输光纤与光纤出光端头5相连，光纤出光端头5和成像传感器8设置在透镜组7的两侧。
根据不同的样品，选择对应的LED光源1后，驱动该LED光源1工作，LED光源1发出的激发光经过凸透镜2聚光后进入光纤进光端头3，激发光通过光纤进光端头3分别进入各根传输光纤后传输至各个光纤扫描端头4并从各个扫描透镜出射，从扫描透镜出射的激发光照射到样品中，样品受激发光照射后发出的发射光，发射光通过扫描透镜会聚到各个光纤扫描端头4分别进入各根传输光纤后传输至光纤出光端头5，发射光从光纤出光端头5出射后经过透镜组7进入成像传感器8。
优选地，如图2和图3所示，一种多通道荧光定量PCR仪的光学系统，还包括旋转筒9。旋转筒9的一端设置有入光口91和反射镜92，旋转筒9的另一端设置旋转轮93，旋转轮93上设置有多个用于过滤激发光的第二滤光片94。具体地，旋转筒9可设置在一基体上，基体中央开设有圆孔，旋转筒9穿设在圆孔中。多个LED光源1固定设置在基体的上方并且与入光口91处于同一平面。各个第二滤光片94分别用于过滤不同波长的激发光，多个LED光源1按照对应波长的大小顺时针设置且多个第二滤光片94按照对应波长的大小逆时针设置，或者多个LED光源1按照对应波长的大小逆时针设置且多个第二滤光片94按照对应波长的大小顺时针设置。具体地，多个LED光源1分别发出颜色为红、橙、黄、绿、青、蓝的激发光，波长递减；而多个第二滤光片94分别用于过滤颜色为蓝、青、绿、黄、橙、红的激发光，透过对应的发射光，波长递增；当入光口91对准发出红光的LED光源1时，第二滤光片94随着旋转轮93转到两个双胶合消色差透镜之间。
切换不同LED光源1的过程为：转动旋转筒9，使得入光口91需要切换到的LED光源1处，入光口91对准这个LED光源1后，该LED光源1发出的激发光经过反射镜92反射后进入凸透镜2；同时，旋转筒9带动旋转轮93转动，使得与该LED光源1对应的第二滤光片94转动到两个双胶合消色差透镜之间，以过滤混在发射光中的激发光。在切换的过程中，入光口91、反射镜92和旋转轮93可随旋转筒9转动，而以旋转筒9为圆心呈圆周等间隔设置的多个LED光源1则保持固定。
优选地，凸透镜2和光纤进光端头3之间还设置有匀光棒95，匀光棒95的一端与光纤进光端头3相连；LED光源1发出的激发光经反射镜92反射后进入凸透镜2，再经过凸透镜2聚光后进入匀光棒95，再经过匀光棒95进入光纤进光端头3。匀光棒95的长度为横截面直径的3-5倍。在光纤进光端头3之前加匀光棒95，以使进入各个传输光纤的激发光功率接近。匀光棒95截面一般为矩形或六边形。光纤进光端头3排列方式和尺寸与匀光棒95截面接近，这样可以最大限度收集激发光。
激发光经过匀光棒95多次反射匀光后，通过传输光纤与光纤进光端头接触的一端进入传输光纤。匀光棒95的横截面直径比光纤进光端头3上的传输光纤组成的矩形阵列稍大，以使所有传输光纤都能接收到激发光。匀光棒95越长匀光效果越好，但是反射次数多光强越低；反之，匀光效果较差，光强较高。因此，匀光棒95的长度一般是横截面直径的3-5倍。
设置在光纤进光端头3和光纤出光端头5之间的激发光强度校正光纤用来校正LED光强的差异。由于LED光源1的光强受温度等环境因素的影响很大，单次实验中LED光源1的光强一般随着实验的进行会有所降低或者波动，激发光的光强变化会对实验结果造成影响。优选地，光纤进光端头3与光纤出光端头5之间还连接有用于把激发光送入成像传感器8的激发光强度校正光纤。通过在光纤进光端头3与光纤出光端头5之间设置有激发光强度校正光纤，可以消除激发光的光强对实验结果造成的影响，其原理为：
LED校正后的值＝(发射光信号-背景)/(激发光信号-背景)，
其中，背景反映了相机本身的热噪声。
装有样品的容器被放置在8行12列的共96个孔的载板上，扫描透镜阵列6中的各个扫描透镜对应设置在装有样品的容器的上方，可以采用行扫描或者列扫描的方式完成载板的检测。
如图4所示，在第一实施例中，扫描透镜阵列6中设置有一列共8个扫描透镜，通过控制扫描透镜阵列6从左到右扫描所有的样品。
如图5所示，在第二实施例中，扫描透镜阵列6中设置有两列共16个扫描透镜，通过控制扫描透镜阵列6从左到右扫描所有的样品；相比第一实施例，第二实施例的效率更高。
如图6所示，在第三实施例中，扫描透镜阵列6中设置有一行共12个扫描透镜，通过控制扫描透镜阵列6从上到下扫描所有的样品。
如图7所示，在第四实施例中，扫描透镜阵列6中设置有两行共24个扫描透镜，通过控制扫描透镜阵列6从上到下扫描所有的样品；相比第三实施例，第四实施例的效率更高。
如图8所示，在第五实施例中，扫描透镜阵列6中设置有96个扫描透镜，每个扫描透镜对应一个样品，可一次性扫描所有的样品。相比第一实施例-第四实施例，第五实施例的效率最高。
一种多通道荧光定量PCR仪的光学系统，其工作原理为：LED光源1通过设置在其前端的聚光透镜将出射的激发光限定在一个小的角度内，激发光通过第一滤光片12过滤多余波长后进入入光口91，经过反射镜92反射度后再经过凸透镜2或菲涅耳透镜聚光，使光线进入匀光棒95进行匀光并通光纤进光端头3进入各个传输光纤，并通过传输光纤传导到光纤扫描端头4并从各个扫描透镜出射。
第一滤光片12的作用在于过滤多余波长。比如，通道要求的波长范围为450-490nm，而LED光源1发出的激发光的波长范围为440-500nm，第一滤光片12设置在LED光源1的前端，过滤掉波长为440-450nm和490-500nm的激发光。
经过透镜聚焦到样品中，样品中的发射荧光物质被激发后，产生的发射光比激发光波长长，例如FAM染料激发峰值波长492nm，发射光峰值波长518nm。发射光被透镜聚焦到光纤扫描端头4并导入另外一根传输光纤中，从光纤出光端头5出射，随后发射光被双胶合消色差透镜准直后，再被第二滤光片94过滤掉激发光，然后再通过一个双胶合消色差透镜聚焦到成像传感器8的CCD靶面或CMOS靶面上。传输光纤在光纤进光端头3和光纤出光端头5排列成矩形阵列，传输光纤出光口位置与样品一一对应，亮度与样品的荧光物质浓度线性相关，因此，成像传感器8就可以测得对应位置样品的荧光物质浓度。
在本荧光定量PCR仪中，LED光源1的数量根据仪器的通道数确定，可以根据需求定制。每个通道都选用与荧光物质激发光谱接近的LED光源1，以达到最大的光谱利用率。由于每个通道都独立配置一个LED光源1，实验过程中，LED光源1点亮的时间和消耗的电能相对白色光源少，因此积累的热量少，温升小，寿命长，可以终生免维护。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多通道荧光定量PCR仪的光学系统，其特征在于：包括多个可切换的LED光源(1)、凸透镜(2)、光纤进光端头(3)、光纤扫描端头(4)、光纤出光端头(5)、扫描透镜阵列(6)、透镜组(7)和成像传感器(8)，各个所述LED光源(1)分别用于发出不同波长的激发光，所述扫描透镜阵列(6)包括多个并列设置的扫描透镜，所述扫描透镜阵列(6)中的各个扫描透镜分别对应设置在装有样品的容器的上方；
所述LED光源(1)和光纤进光端头(3)分别设置在凸透镜(2)的两侧，多个所述光纤扫描端头(4)分别设置在多个扫描透镜上；每个所述光纤扫描端头(4)上设置有两根传输光纤，每个所述光纤扫描端头(4)通过其中一根传输光纤与光纤进光端头(3)相连，每个所述光纤扫描端头(4)通过另一根传输光纤与光纤出光端头(5)相连，所述光纤出光端头(5)和成像传感器(8)设置在透镜组(7)的两侧；
所述LED光源(1)发出的激发光经过凸透镜(2)聚光后进入光纤进光端头(3)，激发光通过光纤进光端头(3)分别进入各根传输光纤后传输至各个光纤扫描端头(4)并从各个扫描透镜出射，样品受激发光照射后发出的发射光通过扫描透镜会聚到各个光纤扫描端头(4)分别进入各根传输光纤后传输至光纤出光端头(5)，发射光从光纤出光端头(5)出射后经过透镜组(7)进入成像传感器(8)；
所述透镜组(7)包括两个相对设置的双胶合消色差透镜；
还包括旋转筒(9)，所述旋转筒(9)的一端设置有入光口(91)和反射镜(92)，所述LED光源(1)设置在入光口(91)外，多个所述LED光源(1)与入光口(91)处于同一平面，多个所述LED光源(1)以旋转筒(9)为圆心呈圆周间隔设置；
所述旋转筒(9)的另一端设置旋转轮(93)，所述旋转轮(93)上设置有多个用于过滤激发光的第二滤光片(94)，多个所述第二滤光片(94)以旋转筒(9)为圆心呈圆周间隔设置，所述旋转筒(9)上的第二滤光片(94)设置在两个双胶合消色差透镜之间，所述第二滤光片(94)的数量与LED光源(1)的数量相同；
所述入光口(91)、反射镜(92)和旋转轮(93)可随旋转筒(9)转动，所述入光口(91)对准其中一个LED光源(1)后，该LED光源(1)发出的激发光经过反射镜(92)反射后进入凸透镜(2)；
各个所述第二滤光片(94)分别用于过滤不同波长的激发光，多个LED光源(1)按照对应波长的大小顺时针设置且多个第二滤光片(94)按照对应波长的大小逆时针设置，或者多个LED光源(1)按照对应波长的大小逆时针设置且多个第二滤光片(94)按照对应波长的大小顺时针设置。
2.根据权利要求1所述的一种多通道荧光定量PCR仪的光学系统，其特征在于：所述凸透镜(2)和光纤进光端头(3)之间还设置有匀光棒(95)，所述匀光棒(95)的一端与光纤进光端头(3)相连；
所述LED光源(1)发出的激发光经反射镜(92)反射后进入凸透镜(2)，再经过凸透镜(2)聚光后进入匀光棒(95)，再经过匀光棒(95)进入光纤进光端头(3)。
3.根据权利要求2所述的一种多通道荧光定量PCR仪的光学系统，其特征在于：所述匀光棒(95)的长度为其横截面直径的2-10倍。
4.根据权利要求1所述的一种多通道荧光定量PCR仪的光学系统，其特征在于：所述成像传感器(8)包括CCD传感器或CMOS传感器。
5.根据权利要求1所述的一种多通道荧光定量PCR仪的光学系统，其特征在于：还包括第一滤光片(12)，所述LED光源(1)发出的激发光依次经过第一滤光片(12)和凸透镜(2)后进入光纤进光端头(3)。
6.根据权利要求1所述的一种多通道荧光定量PCR仪的光学系统，其特征在于：所述光纤进光端头(3)与光纤出光端头(5)之间还连接有用于把激发光送入成像传感器(8)的激发光强度校正光纤。
7.根据权利要求1所述的一种多通道荧光定量PCR仪的光学系统，其特征在于：所述传输光纤在光纤进光端头(3)排列为矩形阵列，所述传输光纤在光纤出光端头(5)排列为矩形阵列。
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