CN208125617U - 一种毛细管电泳核酸分析装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种毛细管电泳核酸分析装置，涉及生物技术领域，该装置包括：激光器，检测窗口，毛细管，准直器，分光器和图像传感器；激光器用于向检测窗口发射激光；检测窗口用于对核酸样品进行检测，以使核酸样品中携带荧光标记的核酸在激光器的照射下产生荧光；准直器用于对荧光进行准直处理；分光器包括体全息光栅，用于对准直处理之后的荧光进行分光处理，得到分光结果；以使图像传感器对分光结果进行探测，得到原始荧光光谱，其中，原始荧光光谱用于对核酸样品中添加的荧光标记进行分析。本实用新型中，通过体全息光栅对准直处理之后的荧光进行分光处理，能够在不损失检测灵敏度的情况下提高了光谱分辨率，使得8种荧光标记染料的荧光光谱质量更好，解决了现有技术中8色荧光染料光谱重叠问题，从而实现了更有利于核酸片断电泳信号分析的技术效果。

Description

一种毛细管电泳核酸分析装置

技术领域

本实用新型涉及生物技术领域，尤其是涉及一种毛细管电泳核酸分析装置。

背景技术

现阶段，被广泛使用的用于标记核酸分子的荧光染料的荧光光谱都是可见光波段的宽光谱，这使得利用分光器分光后，在CCD探测的荧光光谱会存在光谱重叠现象。目前的毛细管电泳荧光染料数最多为6色，当荧光染料的数目达到8色时，各染料的荧光光谱会存在着严重的重叠，从而导致电泳信号存在严重的pull峰，不利于核酸片段电泳信号的分析。同时，由于8色荧光标记染料的荧光光谱存在着严重重叠，现有的电泳核酸分析装置的分光器的分辨率无法满足将8种荧光标记染料的光谱特征分离的要求。

针对以上问题，还未提出有效解决方案。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种毛细管电泳核酸分析装置。该装置在不损失检测灵敏度的情况下提高了光谱分辨率，使得8种荧光标记染料的荧光光谱质量更好，以解决核酸分析中荧光标记染料数达到8色时有效消除pull峰的技术问题。

本实用新型提供了一种毛细管电泳核酸分析装置，该分析装置包括：激光器，检测窗口，毛细管，准直器，分光器和图像传感器，其中，所述毛细管用于放置核酸样品，所述检测窗口设置在所述毛细管的目标位置，且与所述毛细管紧贴设置，所述激光器与所述检测窗口对应设置，所述准直器与所述检测窗口水平设置，所述分光器与所述准直器水平设置；所述激光器用于向所述检测窗口发射激光；所述检测窗口用于对所述核酸样品进行检测，以使所述核酸样品中携带荧光标记的核酸在所述激光器的照射下产生荧光；所述准直器用于对所述荧光进行准直处理；所述分光器包括体全息光栅，用于对准直处理之后的所述荧光进行分光处理，得到分光结果；以使所述图像传感器对所述分光结果进行探测，得到原始荧光光谱，其中，所述原始荧光光谱用于对所述核酸样品中添加的荧光标记进行分析。

进一步地，该分析装置还包括：高压电源，其中，所述高压电源的两端连接至所述毛细管的两端，用于趋使所述毛细管中的核酸样品在所述毛细管中进行移动。

进一步地，该分析装置还包括：汇聚透镜，其中，所述汇聚透镜放置于所述分光器与所述图像传感器之间，用于将所述分光器进行分光处理后的荧光汇聚至所述图像传感器上。

进一步地，核酸样品是带有荧光标记的核酸分子，其中，所述荧光标记是通过8色荧光染料的进行标记得到的。

进一步地，所述装置还包括：上位机，其中，所述上位机与所述图像传感器相连接，用于获取所述图像传感器发送的原始荧光光谱，并对所述图像传感器探测到的原始荧光光谱进行分析，其中，所述上位机对所述图像传感器探测到的原始荧光光谱进行分析包括：

对原始荧光光谱进行降噪和平滑处理；对通过降噪和平滑处理后的原始荧光光谱进行二阶求导，得到二阶求导数据，并计算二阶求导数据的最小值；用除以二阶求导数据的最小值，得到二阶导数光谱；将二阶导数光谱的负值置零；对负值置零后的二阶导数光谱进行归一化处理，得到导数校正光谱；利用得到的导数校正光谱进行后续的电泳核酸分析。

进一步地，所述核酸样品是经过PCR扩增的核酸样品。

进一步地，所述图像传感器为电荷耦合元件，用于将所述分光结果转化为数字信号。

进一步地，所述准直器包括准直透镜，其中，所述准直透镜用于将所述核酸样品产生荧光的光线变成平行的准直光柱。

进一步地，所述核酸样品为标记为8色荧光染料的样品。

本实用新型提供了一种毛细管电泳核酸分析装置，该装置通过激光器射出的激光照射带有荧光标记的核酸样品，使之发出荧光，该荧光通过准直透镜准直后被体全息光栅分光，进而被图像传感器探测分光结果，获得原始光谱数据，并发送至上位机，上位机采用数学的方法对原始光谱数据进行处理得到处理后光谱。本实用新型中，通过体全息光栅对准直处理之后的荧光进行分光处理，能够在不损失检测灵敏度的情况下提高了光谱分辨率，使得8种荧光标记染料的荧光光谱质量更好，通过对所得到的处理后的光谱进行核酸片断电泳信号的分析，达到了减少电泳信号pull峰的目的，进而解决了现有技术中8色荧光染料光谱重叠问题，从而实现了更有利于核酸片断电泳信号分析的技术效果。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本实用新型实施例提供的一种毛细管电泳核酸分析装置的组成结构图；

图2是根据本实用新型实施例提供的上位机对图像传感器探测到的原始荧光光谱进行分析的流程图；

图3是根据本实用新型实施例提供的毛细管电泳核酸分析装置的工作流程图；

图4是根据本实用新型实施例提供的原始的8色荧光光谱和上位机处理后得到的二阶导数光谱的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1是根据本实用新型实施例提供的一种毛细管电泳核酸分析装置的组成结构图，如图1所示，该分析装置包括：激光器101，检测窗口102，毛细管103，准直器105，分光器106和图像传感器108，其中，毛细管103用于放置核酸样品，检测窗口102设置在毛细管103的目标位置，且与毛细管103紧贴设置，激光器101与检测窗口102对应设置，准直器105与检测窗口102水平设置，分光器106与准直器105水平设置。

可选地，激光器101用于向检测窗口102发射激光；检测窗口102用于对核酸样品进行检测，以使核酸样品中携带荧光标记的核酸在激光器101的照射下产生荧光；准直器105用于对产生的荧光进行准直处理；分光器106包括体全息光栅，用于对准直处理之后的荧光进行分光处理，得到分光结果；以使图像传感器108对分光结果进行探测，得到原始荧光光谱，其中，原始荧光光谱用于对核酸样品中添加的荧光标记进行分析。

在本实用新型实施例中，首先，该毛细管电泳核酸分析装置通过激光器射出的激光照射带有荧光标记的核酸样品，使之发出荧光，然后，该荧光通过准直透镜准直后被分光器分光，进而被图像传感器探测分光结果，获得原始光谱数据，并发送至上位机，最后，上位机采用数学的方法对原始光谱数据进行处理得到处理后的光谱。本实用新型中，通过体全息光栅对准直处理之后的荧光进行分光处理，能够在不损失检测灵敏度的情况下提高了光谱分辨率，使得8种荧光标记染料的荧光光谱质量更好，通过对所得到的处理后的光谱进行核酸片断电泳信号的分析，达到了减少电泳信号pull峰的目的，进而解决了现有技术中8色荧光染料光谱重叠问题，从而实现了更有利于核酸片断电泳信号分析的技术效果。

在一个可选的实施方式中，如图1所示该毛细管电泳核酸分析装置还包括：高压电源104，其中，高压电源104的两端连接至毛细管103的两端，用于趋使毛细管103中的核酸样品在毛细管103中进行移动。

可选地，如图1所示，该分析装置还包括：汇聚透镜107，其中，汇聚透镜107放置于分光器106与图像传感器108之间，用于将分光器106进行分光处理后的荧光汇聚至图像传感器108上。

可选地，核酸样品是带有荧光标记的核酸分子，其中，荧光标记是通过8色荧光染料的进行标记得到的。

在本实用新型实施例中，用于标记核算分子的荧光染料的荧光光谱都是可见光波段的宽光谱。

可选地，如图1所示，该分析装置还包括：上位机109，其中，上位机109与图像传感器108相连接，用于获取图像传感器108发送的原始荧光光谱，并对图像传感器108探测到的原始荧光光谱进行分析。

在本实用新型实施例中，毛细管103中的核酸样品在高压电源104的驱动下在毛细管103中缓慢移动，核酸分子经过检测窗口102时，处于检测窗口102的带有荧光标记的核酸分子在激光器101发出激光的照射下发出荧光，经准直透镜105准直后被分光器106分光，分光结果经过汇聚透镜107汇聚到图像处理器108上，图像处理器108探测到分光结果，得到位于检测窗口102的核酸分子的荧光光谱，并将荧光光谱发送至上位机109，上位机109通过对接收到的荧光光谱进行数学处理，得到处理后的光谱，进而进行后续的电泳核酸分析。

其中，如图2所示，根据本实用新型实施例提供的上位机对图像传感器探测到的原始荧光光谱进行分析的流程图，包括如下步骤：

步骤201，对原始荧光光谱进行降噪和平滑处理。

步骤202，对通过降噪和平滑处理后的原始荧光光谱进行二阶求导，得到二阶求导数据，并计算二阶求导数据的最小值。

步骤203，用二阶求导数据除以二阶求导数据的最小值，得到二阶导数光谱。

步骤204，将二阶导数光谱的负值置零。

步骤205，对负值置零后的二阶导数光谱进行归一化处理，得到导数校正光谱。

步骤206，利用得到的导数校正光谱进行后续的电泳核酸分析。

在本实用新型实施例中，通过体全息光栅对准直处理之后的荧光进行分光处理，能够在不损失检测灵敏度的情况下提高了光谱分辨率，使得8种荧光标记染料的荧光光谱质量更好，通过对所得到的原始荧光光谱进行数学处理，进而对处理后的结果进行核酸片断电泳信号的分析，达到了减少电泳信号pull峰的目的，进而解决了现有技术中8色荧光染料光谱重叠问题，从而实现了更有利于核酸片断电泳信号分析的技术效果。

可选地，毛细管103中的核酸样品是经过PCR扩增的核酸样品。

在本实用新型实施例中，PCR指的是聚合酶链式反应，它是一种用于放大扩增特定的DNA片段的分子生物学技术，可以看作是生物体外的特殊DNA复制，PCR的最大特点是能将微量的DNA大幅增加，在本实用新型实施例中，

可选地，图像传感器108为电荷耦合元件，用于将所述分光结果转化为数字信号。

在本实用新型实施例中，图像传感器108为电荷耦合原件，具有高灵敏度，能够探测分光器106的分光结果，并将分光结果转化为数字信号，发送至上位机109。

可选地，准直器包括准直透镜，其中，准直透镜用于将核酸样品产生荧光的光线变成平行的准直光柱。

可选地，核酸样品为标记为8色荧光染料的样品。

如图3所示，是根据本实用新型实施例提供的毛细管电泳核酸分析装置的工作流程图，如图3所示，该分析装置的工作流程包括如下步骤：

步骤S301，核酸样品在高压电源的驱动下在毛细管中缓慢移动至检测窗口。

步骤S302，激光器发出激光的照射下处于检测窗口的核酸分子，使之发出荧光。

步骤S303，核酸分子发出的荧光经准直透镜准直后被分光器分光。

步骤S304，步骤S303得到的分光结果经过汇聚透镜汇聚到图像处理器上。

步骤S305，图像处理器探测到分光结果，得到位于检测窗口的核酸分子的荧光光谱，并将荧光光谱发送至上位机。

步骤S306，上位机通过对接收到的荧光光谱进行数学处理，得到处理后的光谱，进而进行后续的电泳核酸分析。

具体地，在本实用新型实施例中，核酸样品在高压电源的驱动下在毛细管中缓慢移动至检测窗口，则移动至检测窗口的带有荧光标记的核酸分子在激光器发出激光的照射下发出荧光，荧光经准直透镜准直后被分光器分光，得到分光结果，分光结果经过汇聚透镜汇聚到图像处理器上，图像处理器探测到分光结果，得到位于检测窗口的核酸分子的原始荧光光谱，并将原始荧光光谱发送至上位机，上位机通过对接收到的原始荧光光谱进行数学处理，得到处理后的光谱，进而进行后续的电泳核酸分析。

如图4所示，是根据本实用新型实施例提供的原始的8色荧光光谱和上位机处理后得到的二阶导数光谱的示意图，由图4可知，原始的8色荧光光谱存在严重的重叠，从而导致电泳信号存在严重的pull峰，不利于电泳核酸片段的分析，而经过上位机数学处理后得到的二阶导数光谱的重叠部分显著减少，能够进行8色荧光染料体系的核酸片段毛细管电泳分析。

在本实用新型实施例中，首先，该毛细管电泳核酸分析装置通过激光器射出的激光照射带有荧光标记的核酸样品，使之发出荧光，然后，该荧光通过准直透镜准直后被分光器分光，进而被图像传感器探测分光结果，获得原始光谱数据，并发送至上位机，最后，上位机采用数学的方法对原始光谱数据进行处理得到处理后的光谱。本实用新型中，通过体全息光栅对准直处理之后的荧光进行分光处理，能够在不损失检测灵敏度的情况下提高了光谱分辨率，使得8种荧光标记染料的荧光光谱质量更好，通过对所得到的处理后的光谱进行核酸片断电泳信号的分析，达到了减少电泳信号pull峰的目的，进而解决了现有技术中8色荧光染料光谱重叠问题，从而实现了更有利于核酸片断电泳信号分析的技术效果。

另外，在本实用新型实施例中，除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本实用新型的范围。

本实用新型实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

附图中的流程图和框图显示了根据本实用新型的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

另外，在本实用新型各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本实用新型的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本实用新型各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种毛细管电泳核酸分析装置，其特征在于，所述分析装置包括：激光器，检测窗口，毛细管，准直器，分光器和图像传感器，其中，所述毛细管用于放置核酸样品，所述检测窗口设置在所述毛细管的目标位置，且与所述毛细管紧贴设置，所述激光器与所述检测窗口对应设置，所述准直器与所述检测窗口水平设置，所述分光器与所述准直器水平设置；

所述激光器用于向所述检测窗口发射激光；

所述检测窗口用于对所述核酸样品进行检测，以使所述核酸样品中携带荧光标记的核酸在所述激光器的照射下产生荧光；

所述准直器用于对所述荧光进行准直处理；

所述分光器包括体全息光栅，用于对准直处理之后的所述荧光进行分光处理，得到分光结果；以使所述图像传感器对所述分光结果进行探测，得到原始荧光光谱，其中，所述原始荧光光谱用于对所述核酸样品中添加的荧光标记进行分析。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：高压电源，其中，所述高压电源的两端连接至所述毛细管的两端，用于趋使所述毛细管中的核酸样品在所述毛细管中进行移动。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：汇聚透镜，其中，所述汇聚透镜放置于所述分光器与所述图像传感器之间，用于将所述分光器进行分光处理后的荧光汇聚至所述图像传感器上。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，核酸样品是带有荧光标记的核酸分子，其中，所述荧光标记是通过8色荧光染料的进行标记得到的。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：上位机，其中，所述上位机与所述图像传感器相连接，用于获取所述图像传感器发送的原始荧光光谱，并对所述图像传感器探测到的原始荧光光谱进行分析。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述核酸样品是经过PCR扩增的核酸样品。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述图像传感器为电荷耦合元件，用于将所述分光结果转化为数字信号。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述准直器包括准直透镜，其中，所述准直透镜用于将所述核酸样品产生荧光的光线变成平行的准直光柱。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述核酸样品为标记为8色荧光染料的样品。