CN1815196B - 多通道荧光样本分析仪 - Google Patents

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Abstract

提供一种多通道荧光测量光学系统及使用该光学系统的多通道荧光样本分析仪。将光照射在多个样本通道并就年样本发出的荧光的多通道荧光测量光学系统，包括：光源；用于使光源发出的光具有均匀强度分布的积分器；具有其上配置有样本的多个样本通道的样本架，其中利用从积分器发出的光来激励所述样本；以及置于所述积分器和样本架之间用于以预定比例分开入射光的分束器。由于利用光纤束和光电二极管能够检测荧光的光强，故可以大幅度缩减制造成本并微型化光学系统。

Description

多通道荧光样本分析仪
技术领域
本发明涉及一种多通道荧光测量光学系统及一种多通道荧光样本分析仪，更具体地说，涉及一种小而便宜的多通道荧光测量光学系统和一种使用该光学系统的多通道荧光采样分析仪，所述光学系统能快速检测包含在具有使用一个光学系统的几个微流体通道的多通道样本架(sample holder)中的荧光样本。
背景技术
众所周知的分析样本的方法是用特定波长的光照射样本并检测从样本发出的光谱。例如，DNA浓度通过使用荧光染料标记DNA碱基并随后分析从染料发出的荧光强度来进行测量。
图1示出了利用常规荧光分析的样本分析仪的原理。传统的荧光分析仪100包括用于将光照射在样本130上的照明单元110，以及用于检测样本130发出的荧光的检测部件120。照明单元110包括光源112、分色反射镜(dichroicmirror)114和物镜115。样本130安装在样本架117上。检测部件120包括光检波器125，例如光电倍增管(PMT)或光电二极管，以及用于仅通过特定波长光的滤波器121。
光源112可以是卤灯、LED或者激光器。从光源112发出的光被分色反射镜114反射而照射样本架117上方的样本130上。从样本130上发出的荧光穿过分色反射镜114进入检测单元120。滤波器121接收进入检测单元120的光并且仅通过特定波长光，光检波器125检测来自滤波器的光的强度。
近来，为了提高样本分析的流量以及加快测量样本，已经研发了多通道荧光样本分析仪。多通道荧光样本分析仪能够同时分析多种样本，而且被设计成使用多个检测单元来同时测量多个样本，或仅使用一个检测单元顺序地测量多个样本。
使用多个检测单元同时测量多个样本的设备包括使用对应每个样本的检测部件的设备( 
Figure S06105877520060206D000021
)，几个样本被一个大光源同时照射的设备，及利用CCD( 
Figure S06105877520060206D000022
)测量全部样本发出的荧光。然而，当使用和样本同样多的检测单元时，就需要与样本相同数量的光电探测器、滤波器等，进而增加设备的体积和制造成本。而且，当使用CCD检测器时，只能使用一个滤波器轮。可是，由于荧光分析所需的高灵敏度CCD价格昂贵，所以增加了多通道样本分析仪的制造成本，因此，使用CCD检测器的分析仪不适合于小型分析仪。同样，为了用多种波长的光执行多通道分析，可旋转的滤波器轮143通常被置于样本架145和CCD140之间。可是，由于帧频(每秒捕获的帧数)的限制，限制了滤波器轮143的速度，因此，不能进一步缩短测量不同波长的时间。
同样，使用一个检测单元顺序地测量几个样本的设备将多个样本设置样本架上并通过扫描他们来测量样本。可旋转的滤波器轮需要对一个样本进行几种波长的多色分析，而不限制于上述的多通道测量速度。同样，通过将样本的扫描时间与滤波器轮的旋转时间相乘获得实际的测量时间，故不期望测量时间长。同样地，由于需要扫描样本的单独设备，故分析仪不能被做得足够小。
特别地，因为在基板的小面积内能够很容易地形成容纳多个样本的微流体通道，能够快速控制温度并很快放大非常少量的DNA的使用硅基板的微聚合酶链式反应(PCR)，可用于PCR设备的微型化。可是，在没有很好地小型化光学系统的情况下，很难小型化PCR装置。因此，必须研发能够检测不同微流体通道中荧光的小型光学系统。
发明内容
本发明提供了一种小而便宜的多通道荧光测量光学系统和一种使用该光学系统的多通道荧光样本分析仪，该光学系统能快速检测包含在具有多个微流体路径的多通道样本架中的荧光样本。
本发明也提供了一种小的、高速光学系统，该光学系统能够以高速执行多通道、多波长荧光测量，以及一种使用该光学系统的样本分析仪。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于把光照射到多个样本通道上并 检测从样本发出的荧光的多通道荧光测量光学系统，包括：光源；用于使光源发出的光具有均匀强度分布的积分器；具有其上配置有样本的多个样本通道的样本架，其中样本与积分器发出的光发生荧光反应；以及置于所述积分器和样本架之间用于以预定比例分开入射光的分束器。
光源可以是LED或LD。
积分器可以是光隧道，光管道，散射体和蝇眼透镜中的任意一个。
第一个分离器可能提供在光源和积分器之间。
光源包括发射多种波长光以便能够进行多种波长荧光测量的LED阵列或LD阵列。
LED阵列或LD阵列可以根据光的波长选择性地打开/关闭。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于把光照射到多个样本通道上并检测从样本发出的荧光以便测量多波长荧光的多通道荧光测量光学系统，包括：多个光源；多个分色滤光器，其设置在多个光源发射的光的光路上并根据光的波长透射或反射入射光，以便引导光沿着不同光路朝一个方向行进；用于使通过多个分色滤光器的光具有均匀强度分布的积分器；具有其上配置有样本的多个样本通道的样本架，其中利用从积分器发出的光来激励所述样本；以及置于所述积分器和样本架之间用于以预定比例分开入射光的分束器。
样本架可具有多个形成在半导体衬底中的微流体通道，和收集在微流体通道中流动的样本的样本腔。
根据本发明的再一个方面，提供了一种将光照射在多个样本通道上并检测样本所发出的荧光以便分析所述样本的多通道荧光分析仪，其包括：光源；用于使光源发出的光具有均匀强度分布的积分器；具有其上配置有样本的多个样本通道的样本架，其中利用从积分器发出的光来激励所述样本；置于所述积分器和样本架之间用于以预定比例分开入射光的分束器；以及用于检测通过分光器的样本的荧光的光检测单元，其中，多个样本通道中的样本的荧光图像在光检测单元中被检测作为荧光强度。
光检测单元可具有与样本通道相对应的光纤束，和光电二极管，其面对光纤束以便检测从样本通道发出的通过光纤束的荧光图像。
根据本发明的再一个方面，提供了一种将光照射在多个样本通道上并检 测样本所发出的荧光以便分析所述样本的多通道荧光分析仪，其包括：多个光源；多个分色滤光器，其设置在多个光源发出光的光路上并根据光的波长透射或反射入射光，以便引导光沿着不同光路朝一个方向行进；用于使通过多个分色滤光器的光具有均匀强度分布的积分器；具有其上配置有样本的多个样本通道的样本架，其中利用从积分器发出的光来激励所述样本；置于所述积分器和样本架之间用于以预定比例分开入射光的分束器，其中，通过均匀将光照射在多个样本通道上所产生的荧光图像在光检测单元中被检测为光波长的荧光强度。
附图说明
通过参照图详细描述示例性实施例，使得本发明的上述和其它特征及优点变得更加清晰，其中：
图1示意性示出了常规样本分析仪；
图2示出了具有样本架和电荷耦合器件(CCD)之间的常规样本分析仪的实例；
图3示出了根据本发明示例性实施例的多通道荧光样本分析仪；
图4A为图3中多通道样本分析仪所包含的一个实例样本架的详图；
图4B为图3中多通道样本分析仪中包含的样本架的图表；
图4C示出了图3中多通道样本分析仪中的一个实例的光检测单元；
图5A示出了图3中多通道荧光测量光学系统所包含的光源的示例性结构；
图5B示出了图3中多通道样本分析仪中另一实例的光检测单元；
图6示出了本发明另一实施例的多通道样本分析仪。
具体实施方式
参照图3，根据本发明一个实施例的多通道荧光测量光学系统，包括光源10、用于使光源发出的光具有均匀强度分布的积分器20、用于放置至少一个与通过积分器20的光相互作用的样本(m)的样本架30，以及用于检测样本(m)所发荧光的光检测单元40。分束器(beam spliter)25设置在积分器20和样本架30之间的光路上，用于透射部分的入射光并反射另一部分 光以便以预定比例分开入射光。部分透射通过积分器20的光透射通过分束器25照射在样本(m)上，而其余的光被分束器反射。
样本(m)发出的荧光被分束器25反射并被引向检测单元40。
光源10可以是发射预定波长光的发光元件，如LED或LD。LED优选为高亮度LED。LED比灯用得持久并产生更少的热量。积分器20用作均衡光源10发出光的强度的面光源，并且可以是例如光隧道(light tunnel)、光管道、散射器或蝇眼透镜(fly’eye lens)。
在光源10和积分器20之间的光路上可以设置至少一个用于会聚入射光的聚光器，并且也可设置改进光波长特性的第一滤光器12。第一和第二聚光器14和16设置在第一滤光器12和积分器20之间。同样，可以包括用于改变通过第二聚光透镜16的光路的反射镜18。根据光学系统的结构，反射镜18可以是任意的。也就是说，反射镜18可以任意地在垂直或水平方向上改变光学系统的设置。
经过积分器20的光具有均匀强度的表面光分布，并通过分束器25入射在样本(m)上。中继镜23设置在积分器20和分束器25之间的光路上，并且在分束器25和样本架30之间进一步设置第三聚光透镜27。样本架30优选包括其上配置多个样本的多个微流体通道。如果光照射在样本上，则样本与荧光材料混合并且荧光材料发光。如图4A所示，样本架30包括例如第一样本通道M1、第二样本通道M2、第三样本通道M3和第四样本通道M4，并且样本m1、m2、m3和m4与荧光材料混合并置于样本架上。本发明的多通道样本架具有各种结构。图4B示出了具有本发明光学系统中所用的多个微流体通道的多通道样本架的图片。构造多通道样本架30使得微流体通道32a形成在硅基板31内，而在样本腔32b内聚集通过微流体通道32a供给的样本。
样本所发出的荧光被分束器25反射并指向光检测单元40。如图4C所示，光检测单元40包括分别对应第一至第四样本通道M1、M2、M3和M4的第一至第四光纤束f1、f2、f3和f4，以及分别与第一至第四光纤束f1、f2、f3和f4耦合的第一至第四光检波器41、42、43和44。第一至第四光纤束f1、f2、f3和f4输出的光直接聚焦在第一至第四光检波器41、42、43和44上。光检波器的数量等于样本通道M1、M2、M3和M4的数量。光检波器优选 为光电二极管。样本m1、m2、m3和m4所产生的荧光在第一至第四光纤束f1、f2、f3和f4的端部上形成样本的荧光图像。所有的光纤被分成与样本通道相同数量的光纤束。输入端处的光纤端部被全部系在一起形成单束，而输出端处的光纤端部被分成与样本通道同样多的光纤束以使荧光图像分别进入光电二极管。相应地，光纤束末端处形成的每个样本的荧光图像最后入射到相应的光电二极管，以检测荧光图像的强度。每束光纤的截面起到类似CCD像素的作用。由于光纤被分成与样本通道同样多的光纤束以检测光强，故能够获得CCD像素面元(binning)效应。即，通过所有光纤传输的荧光被光纤束分开，以便每个光电二极管精确测量光强。
第四和第五聚光透镜33和34设置在分束器25和光检测单元40之间的光路上，并进一步包括第二滤光器35。第一和第二滤光器12和35选择地分开光源10发出的光波带，以增加荧光测量的精确度。
以下描述利用包含上述多通道荧光测量光学系统的分析仪，分析样本荧光特性的操作。
借助积分器20使光源10发出的光具有均匀的矩形强度分布，并且该光入射到分束器25中。部分光朝样本通道M1、M2、M3和M4传输通过分束器25。样本通道中样本发出的荧光通过分束器25进入光检测单元40。样本通道M1、M2、M3和M4发出的光通过光纤束fl、f2、f3和f4会聚在第一至第四光检波器41、42、43和44上，同时光检测器检测荧光强度。分析荧光强度以测量样本中DNA量。
在本发明中，能够同时测量多通道中的多个样本的荧光。通常，同时测量多通道中的多个样本荧光的设备包括大的光学系统。可是，在本发明中，由于使用多通道共用的一个光学系统，所以能够以低成本最小化和制造分析仪。此外，通过最小化光学系统，能够制造适用于具有多个微流体通道的超小样本架的样本分析仪。通过利用具有低功率和低热输出的光源以及积分器形成面光源，和形成包含光纤束和光电二极管的光检测单元能实现上述情况。
接着，描述能够利用图3中光学系统执行多通道和多波长荧光测量的分析仪。
为了利用除检测最初样本外的PCR的内部控制因数，或使用在单一试 验中能够同时放大几种DNA的多路PCR，通过结合样本的至少两种不同颜色的染料，以及测量至少两种不同的荧光信号，进而能够量化样本中的几种DNA。在此，优选地构造光学系统使其能够进行多通道和多波长荧光测量。为了量化多通道和多波长荧光测量中荧光的不同强度，必须根据各染料的最大荧光波长频带设计滤光器的传输频带，并且光源的波长必须被设计成能够引发每个染料的最大荧光强度。
如图5A所示，光源10可包括用于发射多种波长光的多个LED或LD10a、10b、10c和10d。在此，描述光源10包含LED的实例。例如，光源10包括用于发射第一波长光的第一LED阵列10a，用于发射第二波长光的第二LED阵列10b，用于发射第三波长光的第三LED阵列10c以及用于发射第四波长光的第四LED阵列10d。
可选择打开或关闭第一至第四LED阵列10a、10b、10c和10d。当使用发射具有多种波长的光的光源时，光检测单元40包括分别对应第一至第四样本通道的第一至第四光纤束f11、f12、f13和f14，分别面对第一至第四光纤束f11、f12、f13和f14的第一至第四光检测器51、52、53和54，以及处于第一至第四光纤束f11、f12、f13和f14与第一至第四光检测器51、52、53和54之间的滤光轮(filter wheel)45。第一至第四光检测器例如可以是第一至第四光电二极管。
滤光轮45被构造成对应光源10发出多种波长光的结构。也就是说，如果光源10包括第一至第四波长光源，滤光轮45包括用于过滤第一至第四波长光的第一至第四滤光器45a、45b、45c和45d，以便测量样本对于第一至第四波长光所产生的荧光。第一滤光器45a过滤第一波长光，第二滤光器45b过滤第二波长光，第三滤光器45c过滤第三波长光以及第四滤光器45d过滤第四波长光。滤光轮45可旋转。
滤光轮45与第一至第四波长光源的开/关操作同步旋转。只要打开第一至第四波长光源中任意一个，则滤光轮45就旋转一次。
从光源10顺序发出第一至第四波长光，并利用积分器20使得第一波长光均匀，以使其均匀地入射到多通道样本架30的所有样本通道上。多通道样本架30中样本通道所发出的第一通道荧光至第四通道荧光通过分束器25分别被传送到第一至第四光纤束f11、f12、f13和f14。传送到第一至第四光 纤束的第一通道荧光至第四通道荧光被传输通过滤光轮45。第一至第四波长光源发出的光被第一至第四滤光器45a、45b、45c和45d过滤，并且样本发出的荧光透射通过第一至第四滤光器45a、45b、45c和45d。
当滤光轮45旋转时，对应第一波长光的第一通道光至第四通道光被第一滤光器45a过滤，并入射在第一至第四光电二极管51、52、53和54上。接着，当发射第二波长光时，对应第二波长光的第一通道光至第四通道光被第二滤光器45b顺序过滤并与第一波长光一样入射在第一至第四光电二极管上。同样，检测对应第三波长光和第四波长光的第一通道光至第四通道光。此时，通过考虑入射光波长和通过滤光轮的荧光波长量化每个光电二极管所检测的光强，能够快速和精确地测量多通道中多种波长光的荧光波长。
接着，在图6中示出了利用根据本发明另一实施例的光学系统的荧光样本分析仪。
根据本发明的另一实施例的光学系统包括第一光源60a、第二光源60b、第三光源60c和第四光源60d以及用于赋予第一至第四光源60a、60b、60c和60d均匀强度分布的积分器70。用于透射第一波长光并反射其它光的第一分色滤光器(dichroic spliter)65a，设置在第一光源60a和积分器70之间的光路上。同样，第二、第三和第四分色滤光器65b、65c和65d与第一分色滤光器65a平行设置。第二分色滤光器65b反射第二波长光以便将其送至第一分色滤光器65a并透射第二光源60b发出的其它光。第三分色滤光器65c反射第三波长光以便将其送至第二分色滤光器65b并透射第三光源60c的其它光。第四分色滤光器65d反射第四波长光以便将其送至第三分色滤光器65c并透射第四光源60d的其它光。
第一至第四光源60a、60b、60c和60d可以是白光源或单色光源。单色光源可以是LED或LD。
在第一光源60a和第一分色滤光器65a之间、第二光源60b和第二分色滤光器65b之间、第三光源60c和第三分色滤光器65c之间以及第四光源60d和第四分色滤光器65d之间包含聚光透镜62a、62b、62c和62d。
在第一光源60a发出的光中，第一波长光透射通过第一分色滤光器65a而指向积分起70，并且其它光被反射。在第二光源60b发出的光中，第二分色滤光器65b反射第二波长光而使其指向第一分色滤光器65a并透射其它 光。第一分色滤光器65a反射第二波长光而使其指向积分器70。
在第三光源60c发出的光中，第三分色滤光器65c反射第三波长光，使其透射通过第二分色滤光器65b，并被第一分色滤光器65a反射而指向积分器70。在第四光源60d发出的光中，第四分色滤光器65d反射第四波长光，使其透射通过第三和第二分色滤光器65c和65b，并被第一分色滤光器65a反射而指向积分器70。在此，如果第四光源60d发出第四波长光，可包含反射镜而不用第四分色滤光器65d。
最后，借助第一至第四分色滤光器65a、65b、65c和65d可使第一至第四光源60a、60b、60c和60d发出的光指向任意的方向。用于改变光路以便改变光学系统设置的反射镜67可进一步设置在第一分色滤光器65a和积分器70之间的光路上。同样，聚光透镜66还可设置在第一分色滤光器65a和反射镜67之间。
积分器70为第一至第四光源60a、60b、60c和60d发出的光赋予均匀强度分布，并且一部分光透射通过分色滤光器75而到达多通道样本架80。积分器70用作面光源。中继镜72置于积分器70与分束器75之间的光路上，而聚光透镜77还可设置在分束器75和多通道样本架80之间。
参照图5A可知，多通道样本架80包括其上配置由多个样本的多个微流体通道。
多通道样本架80发出的荧光被分束器75反射到光检测单元90上。聚光透镜82进一步设置在分束器75和光检测单元90。光检测单元90包括与多通道样本架89中样本通道数量相同的光纤束85a、85b、85c和85d，滤光轮87以及分别面向光纤束85a、85b、85c和85d的光检测器89a、89b、89c和89d。光检测器89a、89b、89c和89d为光电二极管。
由于光检测单元90与参照图5B描述的光检测单元40具有相同的结构、操作和作用，故在此省略其描述。
在本实施例中，设置用于多波长和多通道荧光测量的多个光源以及引导多个光源发出的光使其沿着单一路径行进的多个分色滤光器。
因此，通过选择并均匀地将不同波长的光照射在多通道样本上，并通过光纤束检测光检测器中每个样本的荧光图像强度，能够量化每个样本中包含的DNA。
如上所述，在多通道荧光测量光学系统中以及使用该系统的本发明的样本分析仪中，利用普通的光学系统能够测量多通道样本的荧光，进而使光学系统微型化。同样，由于利用光纤束和光电二极管能够测量荧光强度，故能够极大地缩减制造成本。而且，通过形成包含具有低功率和低热输出的光学元件的面光源，如LED和积分器，以及包含光纤束和光电二极管的光检测单元，能够提供使用于多通道测量的微小光学系统。适用于微通道测量的微小光学系统可用于包含具有几个微流体通道的超小通道样本架的样本分析仪中。因此，可研制便携样本分析仪，并利用所述多通道分析仪分析多个样本。
此外，通过使用发射多种波长光的光源能够测量多色荧光。特别地，利用一个光学系统能够测量多色荧光并由此微型化光学系统并大幅度缩减制造成本。因此，能够实现包含本发明光学系统的便携多通道样本分析仪，并利用多种波长光精确分析各种样本特性。
同样，当样本包含几种染料时，利用滤光轮可以检测多种波长光，并由此能够同步且快速地量化样本中包含的几种DNA。
尽管参照本发明的示例性实施例已经具体地示出和描述了本发明，但本领域普通技术人员应当理解，在不脱离以下权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可在形式和细节方面进行各种改变。

Claims (13)

1.一种将光照射在多个样本通道上并检测样本所发出的荧光以便分析所述样本的多通道荧光分析仪，其包括：
光源；
用于使所述光源发出的光具有均匀强度分布的积分器；
具有其上配置有样本的多个样本通道的样本架，其中，利用从所述积分器发出的光来激励所述样本；
置于所述积分器和所述样本架之间、用于以预定比例分开入射光的分束器；以及
用于检测通过所述分光器的样本的荧光的光检测单元，
其中，所述多个样本通道中的样本的荧光图像在光检测单元中被检测作为荧光强度；且
其中，所述样本架具有形成在半导体衬底内的多个微流体通道，以及收集在所述微流体通道中流动的样本的样本腔，且
其中，所述光检测单元具有对应每个所述样本通道的光纤束，以及面对所述光纤束的光电二极管，以便检测从所述样本通道发出的通过所述光纤束的荧光图像。
2.如权利要求1所述的多通道荧光分析仪，其中，所述光源为LED或LD。
3.如权利要求1所述的多通道荧光分析仪，其中，所述积分器为光隧道、光管道、散射器和蝇眼透镜中的任意一个。
4.如权利要求1所述的多通道荧光分析仪，其中，在所述光源和所述积分器之间设置第一滤光器。
5.如权利要求1所述的多通道荧光分析仪，其中，在所述分束器和所述光检测单元之间设置第二滤光器。
6.如权利要求1所述的多通道荧光分析仪，其中，所述光源包括发射多种波长光以便能够进行多种波长荧光测量的LED阵列或LD阵列。
7.如权利要求6所述的多通道荧光分析仪，其中，所述LED阵列或LD阵列根据光的波长选择性地打开/关闭。
8.如权利要求6所述的多通道荧光分析仪，其中，所述光检测单元具有对应于样本通道的光纤束，面对所述光纤束以便检测从所述样本通道发出的通过所述光纤束的荧光图像的光电二极管，以及设置在光纤束和光电二极管之间并过滤所述多种波长光的滤光轮。
9.如权利要求8所述的多通道荧光分析仪，其中，每当打开多种波长光中的任意一个，所述滤光轮就旋转一次。
10.一种将光照射在多个样本通道上并检测样本所发出的荧光以便分析所述样本的多通道荧光分析仪，其包括：
多个光源；
多个分色滤光器，其设置在所述多个光源发出的光的光路上并根据光的波长透射或反射入射光，以便引导光沿着不同光路朝一个方向行进；
用于使通过所述多个分色滤光器的光具有均匀强度分布的积分器；
具有其上配置有样本的多个样本通道的样本架，其中，利用从所述积分器发出的光来激励所述样本；
置于所述积分器和所述样本架之间、用于以预定比例分开入射光的分束器，
其中，通过均匀将光照射在所述多个样本通道上所产生的荧光图像在光检测单元中被检测为光波长的荧光强度；
其中，所述样本架具有形成在半导体衬底内的多个微流体通道，以及收集在所述微流体通道中流动的样本的样本腔，且
其中，所述光检测单元具有对应于每个所述样本通道的光纤束，面对所述光纤束以便检测样从所述本通道发出的通过所述光纤束的荧光图像的光电二极管，以及设置在所述光纤束和所述光电二极管之间并过滤所述多种波长光的滤光轮。
11.如权利要求10所述的多通道荧光分析仪，其中，所述光源为LED或LD。
12.如权利要求10所述的多通道荧光分析仪，其中，所述积分器为光隧道、光管道、散射器和蝇眼透镜中的任意一个。
13.如权利要求10所述的多通道荧光分析仪，其中，每当打开多种波长光中的任意一个，所述滤光轮就旋转一次。
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