CN115389599A - 用于毛细管电泳的光学系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于进行毛细管电泳测定的系统包含光源、接口和照射光学系统。所述光源被配置以提供电磁辐射的源波束。所述接口被配置以收纳含有一或多个目标分子或分子序列的多个毛细管。所述照射光学系统在使用中被配置以产生来自所述源波束的多个输出波束且将所述输出波束中的每一个引导到所述多个毛细管中的对应的毛细管。

Description

用于毛细管电泳的光学系统
本申请是申请日为2015年3月6日，申请号为201580017012.8，主题为“用于毛细管电泳的光学系统”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明大体涉及一种用于执行多毛细管电泳或类似测定、测试或实验的系统、装置和方法，且更具体来说，涉及一种用于执行多毛细管毛细管电泳或类似测定、测试或实验的光学系统、装置和方法。
背景技术
毛细管电泳装置大体提供某些主要组件，包含(例如)毛细管通道或通道阵列、用于提供可流动穿过毛细管的介质(例如，聚合物流体)的分开介质源、样本注入机构、光学检测器系统或组件、用于产生电场的电极、在毛细管的一端上的阳极缓冲液源和在毛细管的另一端上的阴极缓冲液源。毛细管电泳装置大体还提供各种加热组件和地带以调节前述组件中的多个的温度。调节这些组件中的多个的温度可改善结果的质量。
当前毛细管电泳装置使用多个结构容纳这些组件且将这些结构连接或耦合在一起以提供工作毛细管电泳装置。使用多个结构具有劣势。因此需要提供一种毛细管电泳设备，其具有减少的数目个互连结构以减少必要的加热地带的数目、减少结构的用户处置、减小组件故障的可能性和减少气泡和其它人为产物到设备内的引入。
附图说明
图1示出了根据本公开的实施例的夹头的示意图。
图2示出了根据本公开的各种实施例的毛细管阵列设计。
图3A-3C示出了根据本公开的各种实施例的毛细管阵列设计的横截面图。
图4示出了根据本公开的各种实施例的水平毛细管阵列夹头的示意性内部侧视图和顶视图。
图5示出了根据本公开的各种实施例的系统的细节。
图6示出了根据本公开的各种实施例的波束和毛细管的相对定位。
图7示出了根据本公开的各种实施例的波束和毛细管的相对定位的横截面图。
图8示出了根据本公开的各种实施例的毛细管阵列的带配置。
图9示出了根据本公开的各种实施例的毛细管阵列的对准特征。
图10A-10B示出了根据本公开的各种实施例的毛细管阵列保持器的示意图。
图11A-11B示出了根据本公开的各种实施例的毛细管阵列保持器。
图12示出了根据本公开的各种实施例的毛细管电泳系统的示意图。
具体实施方式
如本文中所使用，术语“源辐射”指电磁辐射的来源，例如，在电磁波谱的可见、近红外线、红外线和/或紫外线波长带内的电磁辐射的来源。如本文中所使用，术语“光源”指包括包括在电磁波谱的可见频带内的峰值或最大输出(例如，功率、能量或强度)的波谱的电磁辐射的来源。
参看图1，在某些实施例中，毛细管组合件、固持器、带、夹头或类似者包括毛细管阵列、阴极、电极套筒、聚合物/缓冲液源和聚合物引入机构(说明为注射泵)。毛细管的阴极端可提供于夹头之外，例如，使得阴极毛细管端可从样本(用于将样本装载到毛细管)移动到缓冲液(用于将阴极端插入到缓冲液内)。
参看图2，毛细管阵列位于根据本发明的各种实施例的夹头或固持器内。所述图通过实例说明4毛细管阵列，其包括毛细管阵列和固持器夹头。在某些实施例中，夹头可包含多于四个毛细管，例如，8、10、12、16或更多个毛细管，例如，以提供较高处理量或较短测定运行。夹头或固持器导引在夹头组合件内的阵列中的个别毛细管的形状，使得形成注入端和检测器区域和高压聚合物入口。如图4中所说明，毛细管可在检测器区域上更靠近地间隔在一起，例如，以提供在测试、实验、运行或测定期间提供光学检测的有效率的更有效方式。
图3描绘根据本发明的实施例的毛细管阵列。毛细管阵列包括多个正方形毛细管，例如，作为可个别地装备有注入针的多个正方形柔性熔融硅石毛细管。在某些实施例中，正方形毛细管可为成形的不锈钢电极以执行动电样本注入。如图3B中所见，毛细管阵列可由单一光或电磁照明束(例如，由激光束提供)照射。在此实施例中，可通过从图的顶部或底部查看毛细管阵列来获得光学数据。有利地，正方形毛细管可被配置使得照射波束横截面的偏差在其穿过正方形毛细管时为由具有相同折射率的圆形毛细管和毛细管内含有的流体产生的较小偏差。
参看图4，其描绘水平毛细管阵列的示意性内部视图，根据各种实施例，可提供夹头以固持毛细管阵列且与毛细管系统的各种其它元件接口连接。夹头包含毛细管阵列和聚合物/缓冲液池，其中聚合物充当用于毛细管的聚合物和阳极缓冲液两者。夹头还包含在注入到检测区域中的单一弯曲以允许到用于装载的样本的样本入口/阴极端、毛细管清洁剂(例如，水)和用于电泳的缓冲液的接取。夹头可经配置以提供毛细管路径的至少80％的温度控制。夹头还包含在毛细管更靠在一起且在于夹头和相关联的系统的操作期间使用的聚合物/缓冲液的引入附近的位置处的光学接取部分。
图1到图4中展示的毛细管阵列系统的构造和操作的进一步细节提供于可识别为生命技术案卷号LT00897 PRO(美国专利申请案第61/949,961号)的同在申请中的临时专利申请案中，所述申请案被以引用的方式全部并入本文中。
参看图5，本发明的某些实施例包括用于执行毛细管电泳或类似测定、测试或实验的系统或器具。所述系统包括在毛细管阵列固持器、带、夹头或类似者内含有、固持或容纳的毛细管阵列。毛细管阵列包括多个毛细管或通道，例如，至少两个毛细管或通道。在所说明的实施例中，毛细管阵列包括4个毛细管或通道；然而，所述阵列可包含多于四个毛细管，例如，8、10、12、16或更多个毛细管，例如，以提供较高处理量或较短测定运行。
在图5中展示的说明的实施例中的系统还包括光学系统，其通常包括光源、波束成形器、波束分隔器、激发和发射光学组件和波谱仪系统。光学系统可在不同实施例中被配置供与一或多种类型的毛细管阵列、毛细管固持器、带、夹头或类似者一起使用，包含(但不限于)图1到图3中展示的夹头，或在上文识别的生命技术LT00897 PRO临时申请案中揭示的夹头中的任何者。所述系统还可包含电子接口，例如，内部和/或外部计算机或处理器。外部计算机可经由有线或无线连接和/或经由基于网络或云的系统耦合到系统的其它部分。计算机可被配置以操作系统的一或多个部分，包含(但不限于)光源、波谱仪、毛细管阵列固持器、毛细管阵列的化学和/或电元件和有关组件、反应剂、样本或类似者。
光源由为激光、发光二极管(LED)、LED阵列、氙或卤素灯、白炽灯源或类似者。在某些实施例中，光源为二极管激光器，例如，具有或约505纳米的波长的二极管激光器。光源可提供单一波长或波长范围。替代地，光源可被配置以同时或按时间顺序方式提供多于一个波长或波长范围。举例来说，光源可包括具有不同波长或波长范围的多个光源，或可包括包含一或多个光学或二色性滤光器的宽频带源。
来自光源的光可穿过波束调节器或波束成形器以提供一或多个预定光学特性，包含(但不限于)光束直径、波束形状(例如，圆形或椭圆形)、预定强度或功率分布(例如，恒定、大礼帽、高斯等)。另外或替代地，波束调节器可包括均化器，例如，被配置以掺合不同色彩光源和/或以提供输出波束的更均匀照射横截面。在所说明的实施例中，波束成形器被配置以产生或提供具有椭圆形横截面或形状的波束。为了产生或提供椭圆形形状，波束成形器可包括合成波束成形器。合成波束成形器可包括被配置以产生具有椭圆形横截面的波束的一或多个柱面透镜，即，其中波束横截面在一个轴线上比在另一垂直轴线上宽。替代地，波束成形器可包括鲍威尔透镜，例如，被配置以提供线焦点和/或在波束的横截面上的强度或功率均匀或几乎均匀的椭圆形波束横截面。
此外，波束成形器可被配置使得波束的任一直径大于或小于进入波束成形器的波束的直径。在所说明的实施例中，退出波束成形器的波束被准直。在某些实施例中，进入波束成形器的波束也被准直，而在其它实施例中，进入波束成形器的波束不被准直，而是由波束成形器准直。
在所说明的实施例中，从波束成形器的输出进入波束分隔器，波束分隔器被配置以从单一输入波束产生多个相同或类似波束到波束分隔器内。作为实例，波束分隔器可包括一或多个衍射光学元件、全息光学元件或类似者，其被配置以产生或提供四个椭圆形波束用于照射图5中展示的四个毛细管中的每一个。在所说明的实施例中，四个波束具有相同或类似横截面，且每一波束按相对于系统光轴或光传播的大体方向的不同角度发散。替代地，波束分隔器可被配置以产生彼此平行或相对于彼此聚合的多个波束。在所说明的实施例中，来自波束分隔器的波束被准直；然而，波束中的一些或全部可替代地在其离开波束分隔器时聚合或发散。
来自所说明的实施例中的波束分隔器的发散波束由镜反射且被引向毛细管阵列。可按需要包含额外镜和/或衍射元件以将四个波束引向毛细管阵列，例如，以符合包装约束。波束在反射离开镜后继续发散，直到其由图5中展示的透镜产L1接收到。镜可为双色镜或类似者，其可被配置以反射在预定波长下的光或在预定波长范围上的光，同时透射在预定波长或波长范围外的光或其它电磁辐射。在一些实施例中，镜为具有多于一个预定波长或波长范围的双色镜，例如，当光源包括多于一个截然不同的波长或波长范围时。在所说明的实施例中，激发波束由镜反射，而来自毛细管阵列的发射的光或辐射(例如，荧光或辐射)由镜透射或大部分由镜透射。替代地，毛细管阵列的位置可沿着波束分隔器的光轴，且镜可被配置以透射或大部分透射激发波束，同时反射来自毛细管阵列的发射的光或辐射。
在所说明的实施例中，源自波束分隔器的椭圆形波束各在其进入透镜L1时被准直，但相对于彼此发散。在此类实施例中，透镜L1可被配置以将个别波束中的每一个聚焦到在相应毛细管处或附近的位置，如在图5的放大图中所说明。此外，透镜L1和来自波束分隔器的波束可被配置使得个别波束各相对于彼此准直(例如，图5中的四个波束可都在退出透镜L1后彼此平行地行进)。
在某些实施例中，毛细管中的至少一些包含一或多个荧光染料、探针、标记或类似者，其可被选择以产生与在给定时间存在的一或多个目标分子或分子序列的量成比例的荧光信号。在毛细管中的任一者或全部内产生的荧光信号、光或辐射可被引导返回通过透镜L1和镜以便由波谱仪接收。
在穿过透镜L1后，荧光辐射接着传播穿过一或多个发射滤光器，且使用第二透镜L2在图像平面处对辐射再成像。可包含例如电荷耦合装置(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)检测器的阵列检测器或类似者的检测器可位于图像平面处或附近供进一步处理。在所说明的实施例中，在图像平面处的辐射由波谱仪接收，波谱仪可被配置以分开由不同荧光染料、探针、标记创造(例如，由对应于DNA或RNA基础的染料、探针、标记(例如，腺嘌呤、胸腺嘧啶(或尿嘧啶)胞嘧啶和鸟嘌呤)创造)的信号。
波谱仪可包括多个纤维，其中每一纤维可与来自毛细管阵列的毛细管中的对应者相关联(例如，接收来自所述对应者的辐射)。使用纤维，接着将来自毛细管的辐射转移到波谱仪内，在波谱仪处，其被按波长分散到检测器(例如，例如CCD或CMOS检测器的阵列检测器或类似者)上。在所说明的实施例中，多个纤维包括两个纤维束FB1和FB2，每一束含有多个纤维(在所说明的实施例中，每一个束有两个纤维)。来自FB1的纤维的辐射在波谱仪的一侧上进入，且来自FB中的其它纤维的辐射在波谱仪的另一侧上进入。以此方式，来自纤维(毛细管)中的每一个的波谱在检测器的不同部分上引导。已发现这配置有利地允许来自多个毛细管中的每一个的波谱被产生且在单一或减少的数目个阵列检测器上同时检测。
发射滤光器位于透镜L1与L2之间，且可为配置块或衰减来自光源的光，由此消除或减少来自光源、由波谱仪接收到的光。在某些实施例中，透镜L1和L2的焦距被选择以产生毛细管的放大或来自毛细管的不同于一者的光(例如，以产生放大或缩小的图像)。举例来说，透镜L1可被选择以具有为透镜L2的数值孔径(NA)两倍的NA，从而导致系统放大率为二。在某些实施例中，透镜L1具有0.4的NA且透镜L2具有0.2的NA。在一些实施例中，透镜L1、L2的焦距或NA可被选择以(1)在毛细管阵列处或附近提供具有预定大小或直径的焦点(focalspot或focal point)，和(2)同时提供匹配波谱仪的NA和/或用以将光转移到波谱仪的光纤系统的NA的NA。
如图5中所示，全部光学系统和夹头可位于共同器具外壳内。共同外壳可包含开口或端口以允许辐射或光从毛细管阵列到波谱仪的转移。波谱仪可含于单独的外壳中，如图5中所展示，或包含于与光学系统相同的器具外壳内部。与图5中展示的实施例大不相同，毛细管阵列和/或相关联硬件中的一些可位于器具外壳之外，在此情况下，可经由器具外壳中的开口或端口提供与器具的接口。
参看图6，波束中的每一个的椭圆形横截面可被定向，使得垂直或几乎垂直于相关联的毛细管的轴线定向长轴或维度。已发现波束和焦点的此定向有利地减小毛细管阵列与波束的对准的敏感度。在图6中展示的说明的实施例中，波束焦点的长直径小于个别毛细管的内径。替代地，如图7中所说明，波束焦点的长直径可大于个别毛细管的内径。对于某些实施例，图7还说明在阵列内的毛细管的直径和间距。如在说明的实施例中所见，毛细管的内径为50微米，而聚焦的波束具有约100微米的直径。
参看图8和图9，说明毛细管阵列的带配置，其可用于图5中展示的器具有某些实施例中。带可被配置以直接与器具接口连接，或可替代地安置于与器具接口连接和/或耦合到器具的载体或夹头内。如图9中所示，带可包括被配置以收纳个别毛细管的V形凹槽块、夹具或布置以便提供阵列的毛细管之间的预定对准和/或间距。展示可被配置以帮助维持带内的毛细管的咬合特征。V形凹槽块也可包括用以按提供毛细管与相关联的光或辐射束的对准的已知容差的方式啮合器具的对准突片或类似特征。举例来说，突片可被配置以提供相对于波束和/或预定角容差的毛细管的侧向位置的预定容差。
参看图10和图11，在某些实施例中，毛细管阵列固持器或夹头包括大体约束或限制在除一个方向外的所有方向中移动的动态座架。如在说明的实施例中看出，动态座架允许毛细管阵列在垂直于个别毛细管的长度的方向上移动，同时消除或限制在其它方向上的运动和/或消除或限制毛细管阵列的角定位或运动。如图10B和图11B所示，动态座架有利地允许相对于照射波束的已知位置的接脚将毛细管阵列移动到相对于照射波束的预定位置内。此配置也可被配置以减少或消除毛细管阵列在对准过程期间的扭转。
如与以上描述的以上被动对准机制相反，在某些实施例中，使用主动对准实现毛细管和/或毛细管阵列的对准。举例来说，来自毛细管中的一或多个的信号可用以确定照射波束与毛细管之间的对准程度。在对准过程或步骤期间产生的信号可结合移动机构使用，所述移动机构移动毛细管阵列、一或多个个别毛细管、一或多个照射波束、毛细管夹头或位于器具外壳内的框架或支撑物的某一部分中的一或多个。当诱发毛细管中的一或多个与一或多个照射波束之间的相对运动时，可进行一系列光学测量。以此方式，可基于当毛细管中的一或多个与照射波束中的一或多个之间的相对位置改变时产生的一或多个信号的强度的监测来确定和/或选择对准的程度。在某些实施例中，可通过使用毛细管壁散射特征标志来发现由介质(例如，水)产生的拉曼波谱和/或使其达到峰值来实现此主动对准过程。
在一些实施例中，在图5到图7中展示的不同毛细管内的照射或激发波束中的两个或更多个是使用用于不同照射波束的单独的光或辐射源独立地产生。另外或替代地，到毛细管内的独立产生的照射或激发波束可将不同光学元件用于每一(例如)单独的波束成形器、单独的镜、单独的透镜和类似者。在此类实施例中，可利用共同光源，但不同地分裂成各具有其自身单独的光学和/或调节元件的不同光学路径。在此类实施例中，每一单独的照射或激发波束可利用被动或主动过程和/或硬件用于将每一波束对准到其相应的毛细管，例如，使用以上论述的对准装置或程序中的一或多个。此类系统和方法有利地允许在毛细管和相关联的夹头或固持器的设计和构造中的更大灵活性。
参看图12，在某些实施例中，照射和成像光学器件位置沿着完全不同的路径。在某些实施例中，图12中的系统包括两个或更多个毛细管和多个LED或其它光源以产生照射两个或更多个毛细管中的对应的毛细管的多个照射或激发波束。另外或替代地，两个或更多个毛细管中的每一个可具有其自身的波谱仪。此类系统有利地允许在毛细管和相关联的夹头或固持器的设计和构造中的更大灵活性。
以上以完整、清晰、简明并且准确的术语提出了进行本发明所预期的最佳模式以及制造并使用本发明的方式和过程的描述，以便使本发明所属领域的技术人员能够制造并使用本发明。然而，本发明易受与上文所讨论的完全等效的修改和替代构造。因此，并不希望将本发明限制于所揭示的特定实施例。相反，希望涵盖在本发明的精神和范围内的修改和替代构造，本发明的精神和范围大体由所附权利要求书表达，所附权利要求书特别指出并明显地主张本发明的标的物。

Claims (10)

1.一种用于进行毛细管电泳测定的系统，所述系统包括：
毛细管阵列，包括多个毛细管，所述多个毛细管被配置成含有一或多个目标分子或分子序列；
光源，其被配置以提供电磁辐射的源波束；
波谱仪，其包括多个纤维，其中每一纤维与所述毛细管中的对应一者相关联，并且其中来自所述毛细管的辐射被按波长分散到阵列检测器上；
接口，其被配置以收纳所述多个毛细管；
照射光学系统，其在使用中被配置以产生来自所述源波束的多个输出波束且将所述输出波束中的每一个引导到所述多个毛细管中的对应的毛细管，其中，每个输出波束被定向为垂直或几乎垂直于所述对应的毛细管的在长度方向上延伸的轴；
发射光学系统，其被配置以在所述检测器处同时产生多个波谱，每一波谱对应于来自所述毛细管阵列的相应毛细管；以及
毛细管阵列固持器，包括动态座架，所述动态座架被配置为基于来自一个或多个毛细管的信号，通过对所述多个毛细管和所述多个输出波束之间的相对位置进行调整来提供所述多个毛细管的主动对准。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述照射光学系统包括波束分隔器、衍射光学元件或全息光学元件中的至少一个，所述波束分隔器被配置以产生所述多个输出波束的至少一个，所述衍射光学元件被配置以产生所述多个输出波束，所述全息光学元件被配置以产生所述多个输出波束。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，在使用中，所述系统被配置为产生至少四个输出波束。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，在使用中，所述系统被配置为产生多个输出波束，并且所述多个输出波束中的每一个的特性在于椭圆形横截面。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，在使用中，所述系统被配置为产生多个输出波束，并且所述多个输出波束中的每一个平行于其它输出波束。
6.一种用于进行毛细管电泳测定的系统，所述系统包括：
光源，其被配置以提供电磁辐射的多个输出波束；
接口，其被配置以收纳含有一或多个目标分子或分子序列的多个毛细管；以及
照射光学系统，其在使用中被配置以将所述多个输出波束中的每一个引导到所述多个毛细管中的对应的毛细管；
波谱仪，其包括多个纤维，其中每一纤维与所述毛细管中的对应一者相关联，并且其中来自所述毛细管的辐射被按波长分散到阵列检测器上；以及
发射光学系统，其被配置以在所述阵列检测器处同时产生多个波谱，每一波谱对应于来自所述多个毛细管的相应毛细管。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述照射光学系统至少包括波束分隔器、衍射光学元件或全息光学元件中的至少一个，所述波束分隔器被配置为产生多个输出波束，所述衍射光学元件被配置为产生多个输出波束，所述全息光学元件被配置为产生多个输出波束。
8.根据权利要求6所述的系统，其中，在使用中，所述系统产生包括至少四个波束的多个输出波束。
9.根据权利要求6所述的系统，其中，在使用中，所述系统产生多个输出波束，并且所述多个输出波束中的每一个的特性在于椭圆形横截面。
10.根据权利要求6所述的系统，其中，在使用中，所述系统产生多个输出波束，并且多个输出波束中的每一个平行于其它输出波束。
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