CN109507158A - 荧光信号检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种荧光信号检测装置，所述检测装置包括：光源，其发出激发光；二向色镜，其反射所述激发光；多个光纤束，所述多个光纤束在第一端部通过光纤集束器集束，并在与所述第一端部相对的第二端部分散开；所述多个光纤束从所述第一端部接收反射的激发光，并将其传递至所述第二端部；从所述第二端部出射的所述激发光激发待测样品产生发射光，所述发射光进入出射所述激发光的光纤束，其中所述发射光具有荧光信号；光学检测单元，所述光学检测单元检测发射光的荧光信号强度。

Description

荧光信号检测装置及方法
技术领域
本发明涉及荧光信号检测领域，尤其涉及一种荧光信号检测装置及方法。
背景技术
实时荧光定量聚合酶链反应(Polymerase Chain Reaction，PCR)是一种定量检测方法，通过荧光染料或荧光标记的特异性的探针，对PCR产物进行标记跟踪，实时在线监控反应过程，可以对产物进行分析。
用于PCR的荧光检测系统通常由光源、透镜组、滤光片和光电传感器组成。透镜组是为了控制光线的传播路径，由各种凸透镜和反射镜组成。激发光由光源发出并经过汇聚透过激发滤光片，被滤光片过滤后剩余特定波段的激发光，再由透镜和反射镜作用形成一定数量的光斑，每个光斑对应一个样品孔。特定波段的激发光让对应的荧光探针发出相应波长的发射光，再由光路汇集、传播，最后经过发射滤光片后进入感光元件。使用透镜组的荧光检测系统，由于其光源的能量边缘差异，会导致光能分布不均的问题。
为了解决光能分布不均的问题，现有技术采用多光纤来替代部分透镜组。对应采用多光纤的荧光检测系统，一方面需要使用大量的光纤，会显著增加设备的制造成本；另一方面，多光纤使用了入射光纤和出射光纤两束光纤，两束光纤难以同心布置，导致光损耗产生，荧光信号强度检测不准确，且入射光纤和出射光纤两束光纤的分散头需要一一对应合并，加工难度较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供荧光信号检测装置及方法，以避免荧光信号检测过程中的光损耗，提高荧光信号的检测精度。
为解决上述技术问题，本发明的一方面提供了一种荧光信号检测装置，所述检测装置包括：光源，其发出激发光；二向色镜，其反射所述激发光；多个光纤束，所述多个光纤束在第一端部通过光纤集束器集束，并在与所述第一端部相对的第二端部分散开；所述多个光纤束从所述第一端部接收反射的激发光，并将其传递至所述第二端部；从所述第二端部出射的所述激发光激发待测样品产生发射光，所述发射光进入出射所述激发光的光纤束，其中所述发射光具有荧光信号；光学检测单元，所述光学检测单元检测发射光的荧光信号强度。
在本发明的一实施例中，所述光源为激光器。
在本发明的一实施例中，所述光源为白光发光二极管，所述检测装置还包括设于所述光源和所述二向色镜之间的滤光片，所述滤光片适于过滤所述白光发光二极管以产生特定波长的激发光。
在本发明的一实施例中，还包括发射光滤光片，所述发射光滤光片位于所述二向色镜与所述光学检测单元之间。
在本发明的一实施例中，所述激发光在所述光纤集束器的位置形成光斑，所述光斑的横截面积大于所述光纤集束器的横截面积。
本发明的另一方面提供了一种荧光信号检测方法，所述检测方法包括：光源发出激发光；二向色镜反射所述激发光；多个光纤束从第一端部接收反射的激发光，并将其传递至与所述第一端部相对的第二端部；从所述第二端部出射的所述激发光激发待测样品产生发射光，所述发射光进入出射所述激发光的光纤束，所述发射光具有荧光信号；其中所述多个光纤束在第一端部通过光纤集束器集束，并在所述第二端部分散开；光学检测单元检测发射光的荧光信号强度。
在本发明的一实施例中，所述光源为激光器。
在本发明的一实施例中，所述光源为白光发光二极管，所述检测方法还包括于所述光源和所述二向色镜之间设置滤光片，所述滤光片适于过滤所述白光发光二极管以产生特定波长的激发光。
在本发明的一实施例中，还包括在所述二向色镜与所述光学检测单元之间设置发射光滤光片。
在本发明的一实施例中，所述激发光在所述光纤集束器的位置形成光斑，所述光斑的横截面积大于所述光纤集束器的横截面积。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明提供了一种荧光信号的检测装置及检测方法，激发光和发射光使用同一个光纤束，避免了多光纤光路检测装置中两路光纤不同心导致的能量损耗和误差，提高了光纤利用率和检测的准确性。
附图说明
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：
图1是一种现有技术的荧光信号检测装置的示意图；
图2是另一种现有技术的荧光信号检测装置的示意图；
图3是根据本发明的一实施例的荧光信号检测装置的立体示意图；
图4是根据本发明的一实施例的荧光信号检测装置的侧视图；
图5是根据本发明的另一实施例的荧光信号检测装置的侧视图；
图6是根据本发明的一实施例的荧光信号检测方法的流程图。
附图标号说明：
101：光源
102：聚焦透镜
103：激发光滤光片
104：二向色镜
105：聚焦透镜
106：PCR孔板
107：发射光滤光片
108：聚焦透镜
109：光阑
110：光电传感器
201：入射光纤
202：出射光纤
400：荧光信号检测装置
401：光学检测单元
402：固定支架
403：光源
404：发射光滤光片
405：二向色镜
406：激发光滤光片
407：安装支架
408：光纤集束器
409：光纤束
410：光纤束出射头
411：PCR孔板
501：光纤束
具体实施方式
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。
在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。例如，如果翻转附图中的器件，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“之下”或“下面”的元件的方向将改为在所述其他元件或特征的“上方”。因而，示例性的词语“下方”和“下面”能够包含上和下两个方向。器件也可能具有其他朝向(旋转90度或处于其他方向)，因此应相应地解释此处使用的空间关系描述词。此外，还将理解，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
实时荧光定量PCR(Polymerase Chain Reaction)是一种定量试验技术，它是通过荧光染料或荧光标记的特异性的探针，对PCR产物进行标记跟踪，实时在线监控反应过程，结合相应的软件可以对产物进行分析。
参考图1所示，常见的荧光检测系统100由光源101、透镜组(聚焦透镜102、激发光滤光片103、二向色镜104、聚焦透镜105、发射光滤光片107和聚焦透镜108)、光阑109和光电传感器110组成。透镜组是为了控制光线的传播路径，一般由各种凸透镜和反射镜组成。激发光由光源发出并经过汇聚透过激发滤光片，被滤光片过滤后剩下特定波长的激发光，再由透镜和反射镜作用形成一定数量的光斑，每个光斑对应PCR孔板106的一个样品孔。特定的激发光让对应的荧光探针发出相应波长的发射光，再由光路汇集、传播，最后经过发射滤光片后进入光电传感器110。
常规的PCR光路(参考图1)的透镜组由于入射角度问题，会出现中心的激发光能量明显强于边缘位置的激发光能量问题。这种能量边缘差异会导致系统误差。多光纤的设计方案(参考图2)使用光纤束代替透镜组，因此消除了入射角的不同对系统造成的误差。发射光路与激发光路分别使用两个单独的光纤束，发射光纤束的光纤阵列与样品孔一一对应。这种方案虽然解决了光能分布不均的问题，但是需要使用数量众多的光纤，而且由于两个光纤束无法做到同心，因此激发光和发射光都无法正面中心对应各个光纤孔。如图2所示，现有技术的多光纤荧光信号检测装置中的两个光纤束分别为入射光纤201和出射光纤202，两个光纤束无法同心布置。由于PCR孔板的规格通常为8*12，因此两个光纤束的分散头需要一一对应合并为96个光纤头，导致加工难度高，费用昂贵。
本发明的实施例描述一种荧光信号检测装置，激发光和发射光使用同一个光纤束，避免多光纤光路检测装置中两路光纤不同心导致的能量损耗和误差的问题，提高了光纤利用率和检测的准确性。
图3和图4分别是根据本发明的一实施例的荧光信号检测装置的立体示意图和根据本发明的一实施例的荧光信号检测装置的侧视图。本发明的荧光信号检测装置可以用于PCR荧光定量检测，也可以用于其它荧光信号检测。
参考图3所示，该荧光信号检测装置400包括光源403、二向色镜405、多个光纤束409以及光学检测单元401。
光源403发出激发光。光源403可以为水平布置，相应地光源403发出的激发光为水平方向。在本发明的一实施例中，上述荧光信号检测装置400的光源403可以为激光光源。激光光源可以是固体激光器。在本发明的另一实施例中，上述荧光信号检测装置400的光源403为白光发光二极管(LED)。荧光信号检测装置400还包括设于光源403和二向色镜405之间的激发光滤光片406，该激发光滤光片406适于过滤上述白光发光二极管以产生特定波长的激发光。
二向色镜405反射由光源403发出的激发光。在本发明的实施例中，二向色镜405可以反射激发光，并透射发射光。在本发明的优化例中，二向色镜405 可以为斜向45°布置，斜向45°布置的二向色镜405可以将水平方向的激发光反射为竖直方向。
多个光纤束409在第一端部(即图4中光纤束的上端)通过光纤集束器408 集束，并在与第一端部相对的第二端部(即图4中光纤束的下端)分散开来。多个光纤束409从第一端部接收由光源403发出后经过二向色镜405反射的激发光，并将该激发光传递至第二端部。
该激发光从第二端部出射后，激发待测样品411产生发射光。该发射光从第二端部进入出射激发光的光纤束，即对于每个样品，发射激发光的光纤束和接收发射光的光纤束是同一个光纤束。由于光纤束409既传递激发光，又传递发射光，因此光纤束409的直径可以设置为大于图2中入射光纤201或出射光纤202的直径。例如，光纤束409的直径可以是1000μm左右。
如图4所示，光纤束409A的第二端部发出激发光，该激发光激发PCR孔板411中的样品411A产生发射光，产生的发射光进入光纤束409A，光纤束409B 的第二端部发出激发光，该激发光激发PCR孔板411中的样品411B产生发射光，产生的发射光进入光纤束409B，光纤束409C的第二端部发出激发光，该激发光激发PCR孔板411中的样品411C产生发射光，产生的发射光进入光纤束409C，PCR孔板411所有的样品都是如此。
该多个光纤束409将发射光传递至第一端部。该发射光从第一端部出射后，经过二向色镜405透射进入光学检测单元401。发射光具有荧光信号，光学检测单元401检测该发射光的荧光信号强度。光学检测单元401可以是电荷耦合器件(Charge-coupled Device，CCD)，也可以是互补金属氧化物半导体 (Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)，以将光信号转化为电信号，便于后续信号处理。光学检测单元401还可以包括镜头，使荧光信号清晰地成像到光学检测单元401上。光学检测单元401可以与光源403垂直布置，垂直布置指的是光学检测单元401的轴向与光学403的轴向垂直布置。
荧光信号检测装置400中的待测样品放置在PCR孔板411中，PCR孔板 411的规格可以8*12，也可以是8*2或8*8等。多个光纤束409排布成与PCR 孔板的样品孔一致的阵列，每一根光纤对应一个样品孔。
下面对本发明的该实施例的荧光信号检测装置400的工作原理进行说明。
以光源401为白光发光二极管为例，白光发光二极管发出的光经过激发光滤光片406的过滤后产生特定波长的激发光，该特定波长的激发光经过二向色镜405反射后，从多个光纤束409的第一端部进入，并被该光纤束409传递至第二端部。该特定波长的激发光从第二端部出射后，激发待测样品411产生发射光。该发射光从第二端部进入出射激发光的多个光纤束409。该多个光纤束 409将发射光传递至第一端部。具有荧光信号的该发射光从第一端部出射后，经过二向色镜405投射进入光学检测单元401。光学检测单元401检测该发射光的荧光信号强度。
白光发光二极管可以是白光LED阵列，白光LED阵列可以例如是圆形白光LED阵列。荧光信号检测装置400中的激发光在光纤集束器408的位置形成光斑，该光斑的横截面积大于该光纤集束器408的横截面积。以圆形白光LED 阵列为例，激发光在光纤集束器408的位置形成圆形光斑，圆形光斑的直径大于光纤集束器408的直径。优选地，激发光在光纤集束器408的位置形成光斑的中心与光纤集束器408的中心重叠，例如激发光在光纤集束器408的位置形成圆形光斑的圆心与光纤集束器408的圆心重叠。
在本发明的一实施例的优化例中，上述荧光信号检测装置400还包括发射光滤光片404，该发射光滤光片404位于二向色镜405和光学检测单元401之间。光源403发出的激发光经过二向色镜405反射后，从多个光纤束409的第一端部进入，并被该光纤束409传递至第二端部。该激发光从第二端部出射后，激发待测样品411产生发射光。该发射光从第二端部进入出射激发光的多个光纤束409。该多个光纤束409将发射光传递至第一端部。具有荧光信号的该发射光从第一端部出射后，经过二向色镜405投射至发射光滤光片404。发射光滤光片404过滤掉该发射光中的杂光，仅留下所需的发射光波段。经过激发光滤光片404过滤后的激发光进入光学检测单元401。光学检测单元401检测该发射光的荧光信号强度。通过设置发射光滤光片404，可以滤除杂光，降低发射光中的噪音，提高信噪比。
待测样品可以包括各种荧光染料，荧光染料被激发光激发产生发射光，发射光具有信号强度，通过检测发射光的信号强度，可以对样品中的成分进行定量。荧光染料可以例如是FAM荧光染料(激发波长445-485nm)，VIC荧光染料(激发波长513-533nm)，HEX荧光染料(激发波长513-533nm)，TEXAS-RED 荧光染料(激发波长561-581nm)，CY5染料(激发波长620-650nm)。可以理解，荧光染料并不限于上述示例，也可以是其它的荧光染料。
在图4示出的荧光信号检测装置中，多根光纤束409之间是有相互交叉的。在本发明的另一实施例中，荧光信号检测装置500中的光纤束501之间是不交叉的，如图5所示。通过采用无交叉的方式排布光纤束，可以达到降低检测装置维护难度及维修成本的目的。
本发明的另一方面提出一种荧光信号检测方法。该检测方法可以避免多光纤光路检测方法中两路光纤不同心导致的能量损耗和误差，提高了光纤利用率和检测的准确性。本发明的荧光检测方法可以用于PCR荧光定量检测，也可以用于其它荧光信号检测。本发明的一实施例的荧光信号检测方法的流程图如图6所示。下面参考图4和图6对该荧光信号检测方法进行说明。
步骤602，光源403发出激发光。
步骤604，二向色镜405反射由光源403发出的激发光。
步骤606，多个光纤束409从第一端部接收由光源403发出后经过二向色镜405反射的激发光，并将该激发光传递至第二端部。
步骤608，激发光从第二端部出射后，激发待测样品411产生发射光。该发射光从第二端部进入出射激发光的多个光纤束409。该多个光纤束409将发射光传递至第一端部。该发射光从第一端部出射后，经过二向色镜405投射进入光学检测单元401。发射光具有荧光信号，光学检测单元401检测该发射光的荧光信号强度。
本发明提供了一种荧光信号的检测方法，激发光和发射光使用同一个光纤束，避免了多光纤光路检测装置中两路光纤不同心导致的能量损耗和误差，提高了光纤利用率和检测的准确性。
虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种荧光信号检测装置，所述检测装置包括：
光源，其发出激发光；
二向色镜，其反射所述激发光；
多个光纤束，所述多个光纤束在第一端部通过光纤集束器集束，并在与所述第一端部相对的第二端部分散开；所述多个光纤束从所述第一端部接收反射的激发光，并将其传递至所述第二端部；从所述第二端部出射的所述激发光激发待测样品产生发射光，所述发射光进入出射所述激发光的光纤束，其中所述发射光具有荧光信号；
光学检测单元，所述光学检测单元检测发射光的荧光信号强度。
2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述光源为激光器。
3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述光源为白光发光二极管，所述检测装置还包括设于所述光源和所述二向色镜之间的激发光滤光片，所述激发光滤光片适于过滤所述白光发光二极管以产生特定波长的激发光。
4.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，还包括发射光滤光片，所述发射光滤光片位于所述二向色镜与所述光学检测单元之间。
5.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述激发光在所述光纤集束器的位置形成光斑，所述光斑的横截面积大于所述光纤集束器的横截面积。
6.一种荧光信号检测方法，所述检测方法包括：
光源发出激发光；
二向色镜反射所述激发光；
多个光纤束从第一端部接收反射的激发光，并将其传递至与所述第一端部相对的第二端部；从所述第二端部出射的所述激发光激发待测样品产生发射光，所述发射光进入出射所述激发光的光纤束，所述发射光具有荧光信号；其中所述多个光纤束在第一端部通过光纤集束器集束，并在所述第二端部分散开；
光学检测单元检测发射光的荧光信号强度。
7.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述光源为激光器。
8.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述光源为白光发光二极管，所述检测方法还包括于所述光源和所述二向色镜之间设置滤光片，所述滤光片适于过滤所述白光发光二极管以产生特定波长的激发光。
9.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，还包括在所述二向色镜与所述光学检测单元之间设置发射光滤光片。
10.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述激发光在所述光纤集束器的位置形成光斑，所述光斑的横截面积大于所述光纤集束器的横截面积。
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