TWI654309B - 多通道螢光偵測裝置 - Google Patents

多通道螢光偵測裝置

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Abstract

多通道螢光偵測裝置包含發光模組、加熱槽、偵測模組及傳動模組。發光模組包含光源、不同類型激發濾光片及第一滾輪，激發濾光片允許特定帶寬的光束通過，以激發目標螢光探針，第一滾輪承載激發濾光片。加熱槽容置具有試樣及目標螢光探針的PCR管件。偵測模組包含不同類型發射濾光片、第二滾輪及光偵測器，發射濾光片允許特定帶寬的光束通過，第二滾輪承載發射濾光片，光偵測器接收螢光訊號並轉換為電子訊號。傳動模組包含致動器，以同時驅動第一及第二滾輪的轉動，藉此切換及同步化激發濾光片與發射濾光片，以符合目標螢光探針的特定波長。

Description

多通道螢光偵測裝置
本案係關於一種螢光偵測裝置，尤指一種多通道螢光偵測裝置。
為了因應不同需求而取得大量特定片段的DNA，科學家們一直致力找出有效率的方式來符合其目標，而聚合酶連鎖反應(Polymerase chain reaction，PCR)即為其中一種經濟且快速的技術，可在短時間內獲得十億拷貝的特定DNA片段。PCR技術可應用在多種領域，例如醫院及生物研究機構的疾病診斷、細菌及病毒的鑑定、疾病、基因突變及癌症生物標記的偵測及監控、環境危害的檢驗、以及犯罪調查等。PCR技術只需要利用從血液或組織中萃取得到的小量DNA試樣，並將螢光染劑加入核酸溶液中，即可透過螢光分子偵測到擴增的DNA片段。
染劑及螢光偵測技術為一種被廣泛利用的技術，用以同步偵測及分析是否有目標核酸分子存在於一批次生物試樣中。在特定波長的光激發下，當有螢光訊號從具有DNA結合染劑或螢光結合探針的目標核酸分子發出時，此訊號即代表有目標核酸分子的存在。此技術被應用在新式PCR技術，稱為即時PCR (real time PCR)或定量PCR (quantitative PCR ，qPCR)。相較於傳統PCR技術，也就是所謂的終點PCR偵測(end-point PCR detection)，qPCR為具有較高靈敏度及較佳準確性的早期PCR偵測(early-phase PCR detection)。也因此，光學裝置乃是qPCR偵測技術所不可或缺的工具，此光學裝置必須提供光源以在特定波長激發螢光探針，且同時偵測從探針發出的螢光訊號。
螢光偵測系統已在多種領域中成熟發展，例如螢光光譜及螢光顯微鏡的應用。利用單一白光光源配上一組濾鏡及光學元件，即可輕易應用於單一顏色的螢光探針。然而，當一試驗需要使用具有不同顏色的螢光探針，或是多重螢光探針以側向配置進行偵測時，將大大地增加了螢光偵測裝置的複雜度，且難以滿足其需求。此外，即使滿足了需求，市場上此種螢光偵測裝置皆體積龐大且笨重，且在光源、移動的PCR試樣及偵測器之間的誤對位也是待解決的問題。
因此，為了改善前述習知技藝的缺失，實有必要提供一種改良的螢光偵測裝置，以用於多色的qPCR應用。
本案的目的在於提供一種多通道螢光偵測裝置，以減小裝置的尺寸及重量，且仍然提供優異性能於多色的qPCR應用。
為達上述目的，本案之一較廣義實施態樣為提供一種多通道螢光偵測裝置，包含：一發光模組，包含至少一光源、複數個不同類型的激發濾光片、以及一第一滾輪，其中該光源提供一寬帶照明，每一該激發濾光片可允許一特定帶寬的光束通過，以激發一目標螢光探針，且該第一滾輪承載該等激發濾光片；複數個加熱槽，用以容置具有試樣及該目標螢光探針的PCR管件；一偵測模組，包含複數個不同類型的發射濾光片、一第二滾輪、以及至少一光偵測器，其中每一該發射濾光片可允許一特定帶寬的光束通過，該第二滾輪承載該等發射濾光片，且該光偵測器接收螢光訊號並將該螢光訊號轉換為電子訊號；以及一傳動模組，包含一致動器，係與該第一滾輪及該第二滾輪連接，以同時驅動該第一滾輪及該第二滾輪的轉動，藉此切換及同步化該等激發濾光片與該等發射濾光片，以符合該目標螢光探針的特定波長。
在一實施例中，該光源為一白光發光二極體，該發光模組更包含至少一準直鏡，設置於該光源及該激發濾光片之間。該發光模組更包含至少一會聚透鏡，安裝於該激發濾光片及該加熱槽之間。該會聚透鏡係安裝於一透鏡托架上，而該透鏡托架係設置於該加熱槽之基座上。該會聚透鏡係為一雙凸透鏡。
在一實施例中，該激發濾光片及該發射濾光片為帶通濾光片。
在一實施例中，該發光模組更包含一支撐架及一控制電路板，該光源係安裝於該控制電路板上，而該控制電路板係安裝於該支撐架上。
在一實施例中，每一該第一及第二滾輪承載複數個濾光片托架，且相同類型的該激發濾光片或該發射濾光片係安裝在同一個該濾光片托架中。每一該第一及第二滾輪的形狀大致呈八角柱體。每一該第一及第二滾輪更包含設置於其側板上之一定位桿。該傳動裝置更包含一定位板，其係架構於抵頂該第一及第二滾輪上之該定位桿，用以確保該第一及第二滾輪的初始位置。
在一實施例中，該複數個加熱槽係呈線性排列，以進行批次試驗。
在一實施例中，該多通道螢光偵測裝置更包含一熱電致冷加熱器，用以加熱該PCR管件。
在一實施例中，該偵測裝置更包含至少一會聚透鏡，安裝於該加熱槽及該發射濾光片之間。該偵測裝置更包含至少一會聚透鏡，安裝於該發射濾光片與該光偵測器之間。
在一實施例中，該偵測模組更包含包覆該光偵測器之一EMI屏蔽及接地結構。
在一實施例中，該傳動模組之該致動器為一步進馬達，安裝於該光源之後端。該步進馬達一次係旋轉45度。
在一實施例中，該傳動裝置更包含一齒輪及一齒條。
體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非用以限制本案。
本案提供一種多通道螢光偵測裝置，其係為一種可依序發出四種不同顏色的光束於以線性排列的多螢光試樣上。在qPCR擴增過程中，此裝置藉由同時轉動兩滾輪所載之激發及發射濾光片，來提供具有不同顏色的光源以激發不同螢光探針，以及偵測由探針發射出之特定螢光訊號。
請參閱第1圖至第3圖，其中第1圖顯示本案較佳實施例之多通道螢光偵測裝置示意圖，第2圖顯示第1圖之多通道螢光偵測裝置的爆炸圖，第3圖顯示第1圖之多通道螢光偵測裝置的剖面圖。如第1圖至第3圖所示，多通道螢光偵測裝置主要包含一發光模組1、一加熱模組2、一偵測模組3及一傳動模組4。發光模組1設置於加熱模組2之前端，偵測模組3設置於加熱模組2之後端，而傳動模組4則經由齒輪及齒條傳動(gear and rack transmission)與發光模組1及偵測模組3連接。
發光模組1包含至少一光源11、複數個不同類型的激發濾光片(excitation filter) 12、以及一第一滾輪13，其中光源11提供一寬帶照明(broad band illumination)，每一激發濾光片12可允許一特定帶寬的光束通過，以激發一目標螢光探針，第一滾輪13則承載該等激發濾光片12。加熱模組2包含一加熱單元21及複數個加熱槽22，其中加熱單元21提供PCR擴增程序的溫控，複數個加熱槽22則用以容置具有試樣及目標螢光探針的PCR管件。偵測模組3包含複數個不同類型的發射濾光片(emission filter) 31、一第二滾輪32、以及至少一光偵測器(photo-detector) 33，其中每一發射濾光片31可允許一特定帶寬的光束通過，第二滾輪32承載該等發射濾光片31，光偵測器33則接收螢光訊號並將螢光訊號轉換為電子訊號。激發濾光片12與發射濾光片31係成對配置，形成複數組激發及發射濾光片組，用以偵測具有不同顏色的光束。傳動模組4包含一致動器，其較佳為一步進馬達41，係與第一滾輪13及第二滾輪32連接，以同時驅動第一滾輪13及第二滾輪32的轉動，藉此切換及同步化激發濾光片12與發射濾光片31，以符合目標螢光探針的特定波長。
請參閱第3圖及第4圖，其中第4圖顯示發光模組的爆炸圖。光源11所發出的光係位於可見光波長範圍的波長寬帶中，例如介於380 nm至780 nm，以涵蓋目標激發波長。在一實施例中，光源11為一高功率白光發光二極體(LED)，在350毫安培驅動電流時提供122流明的光功率，且其在半峰全寬(full-width at half maximum，FWHM)的視角為115度。然而，本案之光源11不限於白光LED，其他寬帶光源，例如汞燈及鹵素燈等，皆可適用於本案。
在一實施例中，發光模組1包含六個光罩14。如第3圖所示，每一光罩14容置一光源11及一準直鏡(collimating lens) 15於其中，且可彎折光源11的光束呈大致平行以提供均勻的光照。第5A圖顯示準直鏡的示意圖，第5B圖則顯示光束行經準直鏡的光徑。準直鏡15係安裝於光源11與激發濾光片12之間，且提供以小角度偏離的光束。準直鏡15可區分為三個環狀區，且準直鏡15的光表面151a至153b為具理想性能的自由形式表面(free-form surface)。第一環狀區包含表面151a及151b，第二環狀區包含表面152a及152b，第三環狀區包含表面153a及153b。行經第一環狀區的光束首先觸及表面151a，且因全內反射(total internal reflection)的緣故，光束不會穿透表面151a。接著反射的光束觸及表面151b，且經表面151b傳送的反射光束將被彎折，而折射後的光束穿過表面151b而成為準直光束。行經第二環狀區的光束將經由表面152a會聚，且甚至在穿過表面152b後更向內彎折，因此，行經此區域的光束之偏向角約為5度，且接近準直光束。而在中心區域，亦即第三環狀區，光束將在表面153a及表面153b之間聚焦。對於聚焦在表面153b的聚焦點上的光束，其外射的光束會平行於透鏡的光軸。
在一實施例中，相較於市場上可購得的準直鏡FP11055，本案之準直鏡15直徑較小(約8 mm)，具有較強光功率(約17流明)、較佳光效率(約19.8%)、以及較小功率角(intensity angle)(約10.2度)。
在一實施例中，準直鏡15的材質採用但不限於壓克力(acrylic，亦稱PMMA)，其他光學級塑膠亦可適用，例如聚碳酸酯(polycarbonate，PC)、聚苯乙烯(polystyrene)、或聚烯烴(polyolefin)等。製造準直鏡15的方法則可採用但不限於射出成型(injection molding)、電腦數值控制加工(computer numerical control machining，CNC machining)、及金剛車削(diamond-turning)等方法。
請再參閱第3圖及第4圖。根據PCR試樣中探針所標記的螢光染料，四種不同類型的激發濾光片12安裝在第一滾輪13上，以選擇性地被排列在加熱槽22的前端。在一實施例中，激發濾光片12為一帶通濾光片(band pass filter)，會將落在通帶範圍內以外的所有光線反射，故激發濾光片12的通帶須符合目標螢光探針的激發波長。換句話說，激發濾光片12只允許光源11提供的光束中具特定激發波長的光束通過，並將其他波段的光當作雜訊而阻擋。表1顯示用以激發四種螢光染劑的四種激發濾光片的通帶，而第6圖則顯示四種目標螢光探針的激發光譜及四種激發濾光片的通帶。由表1可見，激發濾光片12的通帶介於14 nm至27 nm之間，故激發濾光片12有助於提升目標螢光探針的信噪比(signal to noise ratio，SNR)，並降低如第6圖所示激發波長重疊區域的串擾效應(crosstalk effect)。 表1
發光模組1更包含一支撐架16及一控制電路板17，支撐架16係用以安裝光源11之控制電路板17於其上。在一實施例中，支撐架16係由鋁所製成，且可同時作為散熱用之散熱鰭片。舉例來說，光源11可為表面黏著 (surface-mounted-device，SMD) 型LED，其係利用回焊方式直接將LED焊接在控制電路板17上，然而，通孔插裝(through-hole)型LED亦可適用於本案。此外，控制電路板17為以FR-4玻璃環氧樹脂製成之PCB，亦可為具有較佳散熱性的金屬基材PCB (metal-core PCB，MCPCB)。
發光模組1更包含至少一會聚透鏡(converging lens) 18，安裝於第一滾輪13所載之激發濾光片12及加熱槽22之間，用以將濾光後之激發光束聚光於PCR管件的中央。激發光束的會聚可增加PCR管件內部的輻照度(irradiance)，使得螢光分子接收到的輸入光能變得充足。在一實施例中，會聚透鏡18的後工作距離(back working distance)為7 mm，其係由會聚透鏡18的後側主平面(rear principal plane)起算。會聚透鏡18可簡單為由BK7玻璃製成之單一雙凸透鏡(single bi-convex lens)，亦可為透鏡組之集成。此外，非球面透鏡(aspheric lens)亦可適用於本案，且透鏡材質可為玻璃或塑膠。激發濾光片12與會聚透鏡18之間的距離約為10 mm。
在一實施例中，六個會聚透鏡18係以線性方式安裝於透鏡托架 (lens holder) 23上，而透鏡托架23係設置於加熱槽22之基座上(顯示於第7圖)。由於準直鏡15及會聚透鏡18為獨立安裝，故第一滾輪13可自由旋轉以切換所需之激發濾光片12。透鏡托架23之材質為黑色ABS (acrylonitrile butadiene styrene)樹脂，具有低熱導性、高熱阻率及內部光散射降低的優點。
請再參閱第3圖及第4圖。雙滾輪13及32係用來切換具不同帶通波長範圍的帶通濾光片，其中第一滾輪13係用來旋轉及切換激發濾光片12，第二滾輪32則用來旋轉及切換發射濾光片31。如第3圖及第4圖所示，第一滾輪13承載四個可替換之濾光片托架(filter mount) 121，每一濾光片托架121包含一面板121a及一托架本體121b，且六片具有相同波長通帶的激發濾光片12係以線性鄰接方式安裝在同一個濾光片托架121中。在一實施例中，激發濾光片12的尺寸係為但不限於5 mm x 5 mm x 2 mm，且可根據不同需求做調整。濾光片托架121較佳為可拆卸式設計，以方便濾光片的替換及維護。當然，濾光片托架121亦可一體成型於第一滾輪13上。
本案之多通道螢光偵測裝置包含六道光通道，每一光通道需要一片激發濾光片12及一片發射濾光片31，且激發濾光片12與發射濾光片31呈線性排列。當目標螢光探針改變時，承載激發濾光片12的第一滾輪13會以逆時針方向一次旋轉45度，而承載發射濾光片31的第二滾輪32也會以相同方向旋轉相同角度。面板121a及托架本體121b上皆設有窗孔，用以阻擋以較大偏移角進入的光線。若光線入射角大於10度，激發濾光片12的帶通塗層可能會無法阻擋通帶範圍外的光線，而那些不需要的光線即稱為雜訊，會干擾訊號偵測。在一實施例中，窗孔的尺寸係為但不限於3.5 mm x 3.5 mm，且可根據不同需求做調整。
在一實施例中，第一滾輪13的形狀大致呈八角柱體，且四種類型的激發濾光片12分別安裝在八角柱體的四個相鄰矩形表面上。第一滾輪13更包含一定位桿131，設置在第一滾輪的13的側板上，而傳動裝置4則設有一定位板44 (顯示於第10圖)，用以確保第一滾輪13的初始位置，使得第一滾輪13不會被傳動裝置4的步進馬達41過度旋轉。定位桿131亦可作為校正參考 。一旦定位桿131抵頂定位板44上的擋止部441，步進馬達41即停止轉動。
在一實施例中，第一滾輪13的材質為黑色陽極氧化處理鋁材(black anodized aluminum)，以避免在單一光通道內及通道之間的多重內部光散射所產生的雜訊。
請參閱第7圖，其係顯示加熱模組的爆炸圖。加熱模組2包含加熱單元21及複數個加熱槽22。生物試樣係配製及存放在PCR管件中以進行PCR擴增及偵測，且PCR管件係容置在加熱槽22中。加熱槽22的針孔結構221可導引激發光及發射螢光對位在光軸上。在一實施例中，加熱槽22係由具有優異導熱性的銅所製成。加熱模組2包含六個加熱槽22，且六個加熱槽22呈線性排列，以進行批次試驗。
加熱槽22係安裝在加熱單元21的頂部。在一實施例中，加熱單元21可為但不限於熱電致冷(thermoelectric cooling，TEC)加熱器，其可隨著輸入電流的變化而循環式地調控溫度，且TEC加熱器的溫控可達小數點的度數，故可滿足循環式PCR擴增程式的需求。相較於其他熱循環儀(thermal cycler)，小巧的TEC加熱器有助於系統的微型化，且TEC加熱器具有較長使用壽命，且易於維護。當然，其他經由空氣或液體的傳統熱循環方法也可適用於本案。
請參閱第8圖，其顯示偵測模組的爆炸圖。對應於激發濾光片12，四種不同類型的發射濾光片31安裝在第二滾輪32上，且可選擇性地被排列在加熱槽22的後端。第二滾輪32承載四個可替換之濾光片托架311，每一濾光片托架311包含一面板311a及一托架本體311b，且六片具有相同波長通帶的發射濾光片31係以線性鄰接方式安裝在同一個濾光片托架311中。在一實施例中，發射濾光片31的尺寸係為但不限於5 mm x 5 mm x 2 mm，且可根據不同需求做調整。濾光片托架311較佳為可拆卸式設計，以方便濾光片的替換及維護。當然，濾光片托架311亦可一體成型於第二滾輪32上。第二滾輪32的結構與第一滾輪13相似，故在此不贅述。
在一實施例中，發射濾光片31為一帶通濾光片，會將落在通帶範圍內以外的所有光線反射，故發射濾光片31的通帶須符合目標螢光探針的發射波長。從螢光探針發射出的螢光波長必定大於其激發波長，故需要採用不同的濾光片。如同激發濾光片12，發射濾光片31的帶通塗層只允許特定波段的光束通過，並將其他波段的光束阻擋，故發射濾光片31扮演一重要角色，負責預防來自光源11的雜訊干擾，以及因不需要的螢光訊號的洩漏所造成的串擾效果。
表2顯示四種發射濾光片的通帶，而第9圖則顯示四種目標螢光探針的發射光譜及四種發射濾光片的通帶。由表2可見，發射濾光片31的通帶介於24 nm至32 nm之間，故發射濾光片31有助於提升目標螢光探針的信噪比，並降低如第9圖所示發射波長重疊區域的串擾效應。 表2
在一實施例中，光偵測器33為光電二極體或光電二極體陣列，且較佳為矽光電二極體。光偵測器33係將光訊號轉換為電流，且由於其高敏感度，濾光後之螢光中的小量光子仍可被偵測於320 nm至1100 nm之間。其他類型的光偵測器，例如光電倍增管(photomultiplier tube，PMT)、感光耦合元件(charged-couple device，CCD)、及互補性金屬氧化半導體(complementary metal-oxide semiconductor，CMOS)皆可適用於本案。在另一實施例中，偵測模組3更包含一光電二極體放大器，其可將數奈安培的之電流轉換為伏特，且將訊號放大至108 倍，以供進一步之資料分析及利用。
在一實施例中，偵測模組3更包含六組會聚透鏡，且每一組包含一半球面透鏡(half-ball lens) 34(如第7圖所示)及一雙凸透鏡35(如第8圖所示)。半球面透鏡34係安裝於加熱槽22及發射濾光片31之間，雙凸透鏡35則安裝於發射濾光片31及光偵測器33之間。偵測通道的數量與發光通道的數量相同，且發光模組1的每一通道係映射於偵測模組3的對應通道。
六個半球面透鏡34係線性安裝於透鏡托架23上六個會聚透聚18的相對側。半球面透鏡34收集從PCR生物試樣中螢光探針所發射的螢光。在一實施例中，半球面透鏡34的曲率半徑為4 mm，且平面面向加熱槽22。半球面透鏡34收集螢光並將其轉變為準直光束，以均勻地照射於發射濾光片31。光偵測器33之感應器與半球面透鏡34之間的距離約為30 mm。
在一實施例中，雙凸透鏡35係由BK7玻璃所製成，且其曲率半徑為11 mm。雙凸透鏡35設置於發射濾光片31之後端，且作為一影像單元，用以在光偵測器33感應平面的影像平面擷取濾光後的螢光影像。雙凸透鏡35將均勻分布在大區域的濾光後的螢光進行會聚，並聚光於光偵測器33，其中，光偵測器33的面積約為1.1 mm x 1.1 mm，遠小於濾光後的螢光所分布的區域面積。在另一實施例中，雙凸透鏡35的材質可為以射出成型製成的光學級塑膠。
在一實施例中，偵測模組3更包含一包覆光偵測器33及雙凸透鏡35的電磁干擾(EMI)屏蔽及接地結構36。光偵測器33因其高靈敏度而容易被周圍環境的雜訊所影像。EMI屏蔽及接地結構36係由以黑色陽極氧化層塗佈的鋁材所製成，且可消除光偵測器33的EMI雜訊。陽極氧化塗層不只可避免光偵測器33之正極及負極引線間的短路現象，更可降低光通道內的內部光散射所產生的雜訊。
對於多色的qPCR應用，串擾效應是一個必須考慮的重要議題。簡單來說，當PCR生物試樣管件中具有多種螢光染劑混合物時，螢光染劑彼此之間的激發帶及發射帶會部分重疊，螢光帶的重疊區域表示有錯的螢光染劑被部分激發，而從錯的染劑發射出的螢光訊號會經由發射濾光片31洩漏，因此，偵測到的螢光訊號會是從不同染劑產生的發射螢光訊號的組合，而從不需要的螢光染劑所產生的發射螢光訊號將成為降低信噪比對比甚至造成偵測誤差的雜訊。相較於市場上大部分的多色qPCR系統，本案之多通道螢光偵測裝置較為小巧及輕薄。本案裝置可偵測的顏色數量不限於四種，亦可增加至六種。
在一實施例中，本案採用四種類型的螢光染劑。每一PCR管件內裝有四種不同螢光染劑的混合物，這些染劑為標準螢光染劑，且其名稱縮寫為FAM/FITC、HEX、ROX及Cy5。這些螢光染劑的激發光譜及發射光譜分別顯示於第6圖及第9圖中。雖然本案較佳實施例係以這些染劑作示範，然本案之系統並不限於這四種類型的螢光染劑。
表3顯示四種螢光染劑混合物在低濃度(20 nm)時的串擾效應。從表3可見，除了特定螢光染劑的濾光片組合外，其他螢光染劑的發射螢光被阻擋，代表本案系統的這四種螢光染劑的串擾效應在低染劑濃度時亦可被消除。 表3
請參閱第10圖，其係顯示傳動模組的爆炸圖。傳動模組4的致動器較佳為步進馬達41，用以同時驅動第一滾輪13及第二滾輪32的轉動。步進馬達41可提供精準的角度變化，以切換不同的濾光片。多年來此技術已成熟發展於許多工業上，故其穩定度及輕易取得可加速本案之多通道螢光偵測系統的商品化。單一或雙步進馬達皆可適用於本案，若選擇單一步進馬達，其較佳為安裝於光源11之後端。
在一實施例中，傳動裝置4更包含一齒輪42及一齒條43，用於動力傳動及同步化第一滾輪13及第二滾輪32。在其他實施例中，齒輪組或是齒輪與皮帶組合的系統亦可適用於本案。單一步進馬達41的軸連接至齒輪42，以經由齒條43及第一滾輪13的齒輪132與第二滾輪32的齒輪321而同時驅動第一滾輪13及第二滾輪32。當使用雙步進馬達時，每一滾輪則分別連接至一個步進馬達，且由馬達控制電路來控制兩個馬達的同步化。
本案之步進馬達41在每個步驟中係以逆時針方向旋轉45度。本案所採用的四種濾光片組、第一滾輪13及第二滾輪32皆由步進馬達41驅動，且一次旋轉一個步驟。從第一類型濾光片組旋轉至第四類型濾光片組，其旋轉角度為135度，且藉由第一及第二滾輪13、32上的定位桿131與定位板44上的擋止部441的抵頂而停止並定位。
在一實施例中，傳動模組4更包含一基座45，用以設置步進馬達41、發光模組1、加熱模組2及偵測模組3於其上。基座45之材質係為但不限於具有輕量化、堅實及易於製造等優點之聚碳酸酯，而鋁材亦同樣適用於本案。
在一實施例中，步進馬達編碼器(未圖示)係貼附於第一及第二滾輪13、32，其可偵測第一及第二滾輪13、32之旋轉角度，並反饋控制訊號，以供誤對位修正及校準。
請參閱第11圖，其顯示多通道螢光偵測裝置的光徑。激發光係由白光LED之光源11所提供，接著準直鏡15會聚光線以產生均勻且平行的光束。安裝於第一滾輪13上的激發濾光片12只允許特定帶寬的準直光束通過，以激發特定螢光探針。會聚透鏡18，例如雙凸透鏡，將濾光後的激發光聚光於設置於加熱槽22中的PCR管件。具有螢光探針的PCR試樣被激發後，將發射出具有特定波長的螢光。發射出的螢光接著被半球面透鏡34所收集，且均勻的照射於安裝於第二滾輪32上的發射濾光片31。之後，雙凸透鏡35將濾光後的發射光聚光於光偵測器33的光電二極體上。此光學系統的整體尺寸約為105 mm x 110 mm x 40 mm。
如第3圖及第11圖所示，準直鏡15及會聚透鏡18的分離結構成就了此光學系統的微型化，因為第一滾輪13可於準直鏡15及會聚透鏡18之間的微小間隙中切換激發濾光片12。同樣地，在半球面透鏡34及雙凸透鏡35之間的間隙提供給第二滾輪32的空間利用也與發光側相同。由於半球面透鏡34的焦距相當短，故會聚透鏡18及半球面透鏡34要盡可能地貼近PCR管件來安裝。
如前述實施例所述，光源11、準直鏡15、在相同濾光片托架121內的激發濾光片12、會聚透鏡18、加熱槽22、半球面透鏡34、在相同濾光片托架311內的激發濾光片31、雙凸透鏡35、以及光偵測器33的數量皆為六個。因此，前述實施例之多通道螢光偵測裝置為六通道螢光偵測裝置。然而，光學通道的數量當然不限於六個，且可根據不同需求做調整。
綜上所述，本案提供之多通道螢光偵測裝置包含發光模組、加熱模組、偵測模組及傳動模組。特別是，分別承載激發濾光片及發射濾光片的兩滾輪之轉動係被同時驅動，用來切換及同步化激發濾光片及發射濾光片，以符合目標螢光探針的特定波長。滾輪設計可確保切換不同濾光片的最小空間利用，而不會犧牲大量空間。滾輪設計亦提供批次試驗中每一PCR生物試樣的均勻照光，且滾輪誤對位的容忍度也較習知技術寬鬆。此外，多年來步進馬達技術已成熟發展，故此技術的採用是容易、節省成本及穩定的。又，當目標螢光探針改變時，模組化的滾輪設計也提供簡單的方式來替換不同帶通濾光片組。
再者，激發及發射濾光片組的設計有助達成多色qPCR系統的小巧化，且根據本案之構想，本案系統可提供高信噪比，且在20 nM之低濃度下，仍可以最小串擾效應來區別多種不同的螢光試樣。
此外，本案所採用的光學元件之排列增進了光照的一致性，以及在小空間中收集螢光的能力。而且，由於光學元件的妥適排列，本案系統可達成高信噪比，且螢光訊號的偵測性能仍相當優異。
縱使本發明已由上述實施例詳細敘述而可由熟悉本技藝人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。
1‧‧‧發光模組
11‧‧‧光源
12‧‧‧激發濾光片
121‧‧‧濾光片托架
121a‧‧‧面板
121b‧‧‧托架本體
13‧‧‧第一滾輪
131‧‧‧定位桿
132‧‧‧齒輪
14‧‧‧光罩
15‧‧‧準直鏡
151a、151b、152a、152b、153a、153b‧‧‧表面
16‧‧‧支撐架
17‧‧‧控制電路板
18‧‧‧會聚透鏡
2‧‧‧加熱模組
21‧‧‧加熱單元
22‧‧‧加熱槽
221‧‧‧針孔結構
23‧‧‧透鏡托架
3‧‧‧偵測模組
31‧‧‧發射濾光片
311‧‧‧濾光片托架
311a‧‧‧面板
311b‧‧‧托架本體
32‧‧‧第二滾輪
321‧‧‧齒輪
33‧‧‧光偵測器
34‧‧‧半球面透鏡
35‧‧‧雙凸透鏡
36‧‧‧EMI屏蔽及接地結構
4‧‧‧傳動模組
41‧‧‧步進馬達
42‧‧‧齒輪
43‧‧‧齒條
44‧‧‧定位板
441‧‧‧擋止部
45‧‧‧基座
第1圖顯示本案較佳實施例之多通道螢光偵測裝置示意圖。 第2圖顯示第1圖之多通道螢光偵測裝置的爆炸圖。 第3圖顯示第1圖之多通道螢光偵測裝置的剖面圖。 第4圖顯示發光模組的爆炸圖。 第5A圖顯示準直鏡的示意圖。 第5B圖顯示光束行經準直鏡的光徑。 第6圖顯示四種目標螢光探針的激發光譜及四種激發濾光片的通帶。 第7圖顯示加熱模組的爆炸圖。 第8圖顯示偵測模組的爆炸圖。 第9圖顯示四種目標螢光探針的發射光譜及四種發射濾光片的通帶。 第10圖顯示傳動模組的爆炸圖。 第11圖顯示多通道螢光偵測裝置的光徑。

Claims (20)

  1. 一種多通道螢光偵測裝置，包含：一發光模組，包含至少一光源、複數個不同類型的激發濾光片、以及一第一滾輪，其中該光源提供一寬帶照明，每一該激發濾光片可允許一特定帶寬的光束通過，以激發一目標螢光探針，且該第一滾輪承載該等激發濾光片；複數個加熱槽，用以容置具有試樣及該目標螢光探針的PCR管件；一偵測模組，包含複數個不同類型的發射濾光片、一第二滾輪、以及至少一光偵測器，其中每一該發射濾光片可允許一特定帶寬的光束通過，該特定帶寬對應該目標螢光探針的發射波長，該第二滾輪承載該等發射濾光片，且該光偵測器接收由該目標螢光探針發出且經該發射濾光片濾光之螢光訊號並將該螢光訊號轉換為電子訊號；以及一傳動模組，包含一致動器，係與該第一滾輪及該第二滾輪連接，以同時驅動該第一滾輪及該第二滾輪的轉動，藉此切換及同步化該等激發濾光片與該等發射濾光片，以符合該目標螢光探針的特定波長。
  2. 如請求項1所述的多通道螢光偵測裝置，其中該光源為一白光發光二極體。
  3. 如請求項1所述的多通道螢光偵測裝置，其中該發光模組更包含至少一準直鏡，設置於該光源及該激發濾光片之間。
  4. 如請求項1所述的多通道螢光偵測裝置，其中該激發濾光片及該發射濾光片為帶通濾光片。
  5. 如請求項1所述的多通道螢光偵測裝置，其中該發光模組更包含一支撐架及一控制電路板，該光源係安裝於該控制電路板上，而該控制電路板係安裝於該支撐架上。
  6. 如請求項1所述的多通道螢光偵測裝置，其中該發光模組更包含至少一會聚透鏡，安裝於該激發濾光片及該加熱槽之間。
  7. 如請求項6所述的多通道螢光偵測裝置，其中該會聚透鏡係安裝於一透鏡托架上，而該透鏡托架係設置於該加熱槽之基座上。
  8. 如請求項6所述的多通道螢光偵測裝置，其中該會聚透鏡係為一雙凸透鏡。
  9. 如請求項1所述的多通道螢光偵測裝置，其中每一該第一及第二滾輪承載複數個濾光片托架，且相同類型的該激發濾光片或該發射濾光片係安裝在同一個該濾光片托架中。
  10. 如請求項1所述的多通道螢光偵測裝置，其中每一該第一及第二滾輪的形狀大致呈八角柱體。
  11. 如請求項1所述的多通道螢光偵測裝置，其中每一該第一及第二滾輪更包含設置於其側板上之一定位桿。
  12. 如請求項11所述的多通道螢光偵測裝置，其中該傳動裝置更包含一定位板，其係架構於抵頂該第一及第二滾輪上之該定位桿，用以確保該第一及第二滾輪的初始位置。
  13. 如請求項1所述的多通道螢光偵測裝置，其中該複數個加熱槽係呈線性排列，以進行批次試驗。
  14. 如請求項1所述的多通道螢光偵測裝置，更包含一熱電致冷加熱器，用以加熱該PCR管件。
  15. 如請求項1所述的多通道螢光偵測裝置，其中該偵測裝置更包含至少一會聚透鏡，安裝於該加熱槽及該發射濾光片之間。
  16. 如請求項1所述的多通道螢光偵測裝置，其中該偵測裝置更包含至少一會聚透鏡，安裝於該發射濾光片與該光偵測器之間。
  17. 如請求項1所述的多通道螢光偵測裝置，其中該偵測模組更包含包覆該光偵測器之一EMI屏蔽及接地結構。
  18. 如請求項1所述的多通道螢光偵測裝置，其中該傳動模組之該致動器為一步進馬達，安裝於該光源之後端。
  19. 如請求項18所述的多通道螢光偵測裝置，其中該步進馬達一次係旋轉45度。
  20. 如請求項1所述的多通道螢光偵測裝置，其中該傳動裝置更包含一齒輪及一齒條。
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