HK1125695A - 分析多光谱光学探测系统 - Google Patents

Description

分析多光谱光学探测系统

技术领域

本发明一般涉及信号探测和分析，且更具体而言涉及多光谱荧光信号探测和分析。

背景技术

目前有许多系统用于激励和探测固体或液体样品中的荧光信号。这些系统的示例可以在US 6,015,674、US 5,928,907、US 6,713,297、US2002/0109844A1、EP 1080364B1和EP 1080364A1中找到。

这些系统均有缺陷。例如，US 6,015,674A和US 5,928,907A中的多个光缆以及US 6,713,297B2、US 2002/0109844A1、EP 1080364B1和EP 1080364A1中的用于每个样品的独立光学部件的使用增加了光学系统部件的数目。许多商用系统还使用滤波器来控制光带宽，这进一步增加了光学部件的数目。这导致探测精确性下降以及更高的制造和维护成本。

基于滤波器的光学系统的另一限制在于其无法探测通常用于例如医疗诊断化验的所有荧光染料。因为染料的激励光谱交叠且染料的发射光谱交叠，每个染料需要一个或多个特定带宽滤波器来探测。当使用基于滤波器的系统时，需要滤波器的特定组合来将染料混合物中的一个染料与其它染料区分开。

目前，基于滤波器的光学系统只能在染料混合物中分辨7种染料(或者发射光谱)。使用数学算法和光学控制，难以校正包含超过5种染料的混合物的发射光谱交叠。这限制了基于滤波器的光学系统在医疗诊断化验中定量检测染料的能力。

基于滤波器的光学系统的其它后果为光学系统无法被简单地调适以校正化验问题或容纳新染料。例如，如果医疗诊断测试对患者样品产生错误结果，则无法从该光学系统获得附加信息来补偿该问题。光信号带宽规格是固定的。

固定带宽还增加了升级这种系统所需的成本和时间。如果新染料变得可用，则滤波器需要变更。如果该系统用做医疗诊断仪器的一部分，这将要求整个光学系统重新验证。此外，因为先前的染料可能不再用于该仪器，某些滤波器可能是无法升级的。

许多目前可购得的商业光学设计将光学接口置于样品试管支架下或内。示例示于图6。在预采样处理时，诸如盐和其它化学品的化合物可能会沉积在试管的外部上。该材料会累积在光学接口中，导致光学路径的部分或完全闭塞。这会产生不正确的结果。

荧光信号精确性和准确性还易受随机阱(well)的部分阻挡的影响。光路传输效率会改变，由此降低了阱到阱的样品结果再现性。信号变化还对信号处理算法产生更大的应变，进一步降低了可靠性。因为在这些其它设计的热控制块中存在孔，热控制效率和均匀性也存在问题。

显然，需要一种克服上述和其它问题的用于测量荧光信号的改进的光学探测系统和方法。

发明内容

本发明提供了用于测量荧光信号的系统和方法。本发明的系统和方法提供了诸如核酸或蛋白质探测阵列这样的液体样品或固体表面的非常精确的基于荧光的测量。例如，本发明的系统和方法尤其适用于聚合酶链式反应(PCR)系统，特别是用于医疗诊断的实时定量PCR系统。

根据本发明，一种分析多光谱光学探测系统包括光源，该光源提供一个或多个离散波长的高光谱纯度激励光，该激励光直接光学耦合到样品，或者通过光缆，例如使用与激励光发送光缆捆束的收集光缆光学耦合到样品。发射的光被收集并提供到诸如衍射梯度分光光度计发射探测器之类的发射探测器，该发射探测器将该发射的光空间地分离成分量波长。因此，单个光路可以用于来自所有样品和荧光染料的所有光谱信号。有利地，本发明的硬件部件和设计最小化了硬件部件的数目并减小组装复杂度。较其它类似系统而言，该光学系统还提供了诸多优点，包括更高的灵敏度、与荧光染料的改善的兼容性、更佳的信号识别、增加的系统可靠性以及减小的制造和维护成本。

此处描述的光学系统可以扫描固体表面并确定来自指定区域的独特颜色发射的定量数目。最常见的示例将是空间分辨微阵列，其中在玻璃波片的表面或者在微滴定板的阱内执行化学反应。较现有的光学系统而言，该光学系统提供了同样的优点，即，可以以更高的准确度来探测更多的染料。

在特定方面，本发明使用可见光谱内的多个荧光染料的同步激励和探测。这增加了样品处理能力并减小了在不同时间与信号采集相关联的信号变化。且还允许探测诸如直接激励的染料和/或能量传输染料这样的染料，使得该光学系统与未来化验更为兼容。

根据本发明一个方面，提供了一种用于探测样品内的感生光发射的设备。该设备典型地包括样品容器及光源，该光源被配置成提供激励光至该样品容器，该激励光包括多个不同离散光波长。该设备还典型地包括发射探测器，该发射探测器被配置成接收从该样品容器发射的光并将该光空间地分离成分量波长。在特定方面，该光源包括第一光缆，该第一光缆被置为发送激励光到样品容器。在特定方面，该光源包括第二光缆，该第二光缆被置为接收从该样品容器发射的光并将该光发送到该发射探测器。在一个方面，该第二光缆或者发射探测器包括一个或多个滤波器，该滤波器除去散射的激励光。在特定方面，该光源包括一个或多个激光二极管，每个激光二极管产生一个或多个离散波长。

根据本发明另一方面，提供了一种用于探测样品内的感生光发射的系统。该系统典型地包括样品容器、发射探测器和激励源，该激励源被配置成产生具有多个不同离散波长的激励光。该发射探测器被配置成将接收的光空间地分离成分量波长。该系统还典型地包括：第一光缆，具有第一输入端和第一输出端，其中该第一输入端被置为接收来自该激励源的激励光；第二光缆，具有第二输入端和第二输出端，其中该第二输出端被置为将从该样品容器发射的光提供到该发射探测器；以及线缆接口，被配置成将该第一输出端和该第二输入端保持在一起，邻近该样品容器。在操作中，该第一输出端提供该激励光到该样品容器且该第二输入端接收从该样品容器发射的光。该第二光缆或发射探测器可包括一个或多个除去散射的激励光的滤波器。

根据本发明另一方面，提供了一种用于探测样品内的感生光发射的系统。该系统通常包括样品容器、发射探测器和激励源，该激励源被配置成产生具有多个不同离散波长的激励光。该样品容器被置为直接从该激励源接收激励光，且该发射探测器被置为直接从受激励的样品接收发射光。在操作中，该激光器或者多路激光器提供激励光到该样品容器，且该探测器直接从该样品容器接收发射光。该发射探测器可包括一个或多个除去散射的激励光的滤波器。这种直接光学探测和分析系统优选地无需光缆。然而，在特定方面，可以使用被配置成将激励光发送到样品容器的光缆，和/或可以使用被配置成接收从该样品容器发射的光(例如，散射激励光和发射荧光)的光缆。

根据本发明另一方面，提供了一种用于探测样品内的感生光发射的系统。该系统典型地包括样品容器、发射探测器和激励源，该激励源被配置成产生具有多个不同离散波长的激励光。该样品容器被置为直接从该激励源接收激励光，且该发射探测器被置为直接从受激励的样品接收发射光。在操作中，该激光器或者多路激光器提供激励光到该样品容器，且该探测器直接从该样品容器接收发射光。该发射探测器可包括一个或多个除去散射的激励光的滤波器。该散射光滤波器可以是多谱线或者单谱线的。例如使用诸如伺服电机这样的受控机械装置，除去散射光的滤波器可以被置于该光学系统路径内。这种设计的一个优点为，传输到探测器的发射光谱可以受控，使得可以收集更多的样品荧光信息。这种光学探测和分析系统可以使用或者不使用用于发射光路的光缆，且可以使用或不使用用于激励发射光路的光缆。

根据本发明再一方面，提供了一种探测样品内的感生光发射的方法。该方法典型地包括：产生具有多个离散波长的激励光；通过第一单光路提供该激励光至样品容器；以及使用发射探测器接收和分析从该样品容器发射的光，该发射探测器被配置成将接收的光空间地分离成分量波长。在特定方面，该第一和第二单光路的端部在邻近样品容器的单一接口内耦合在一起。该发射路径可包括一个或多个除去散射的激励光的滤波器。

参考说明书的其余部分，包括附图和权利要求书，将理解本发明的其它特征和优点。将结合附图在下文中详细描述本发明的其它特征和优点以及本发明的各种实施例的结构和操作。在附图中，相同的参考数字表示相同或功能相近的元件。

附图说明

图1示出根据本发明实施例的分析多光谱光学探测系统。

图2示出根据本发明实施例的自动荧光光学探测器。

图3示出根据本发明的自动荧光光学探测器的另一实施例。

图4示出三个激光二极管激励用于生物样品分析的六种最通常可获得的荧光染料的能力。

图5比较了两种商业光学设计和本发明的光学探测系统处理24个样品所需的光路硬件部件的数目。

图6示出现有技术系统的示例。

图7示出从根据本发明的原型光学系统获得的荧光分析数据。

图8示出从根据本发明的原型光学系统获得的实时PCR荧光分析数据。

图9示出从实时PCR荧光分析数据获得的数据的进一步质量分析，该实时PCR荧光分析数据是从根据本发明的原型光学系统获得的。

定义

如此处所使用，“样品容器”是指被配置成按期望方式来隔离待研究的液态或固态样品的容器、支架、腔体、器皿或者其它元件。示例包括有盖或无盖的样品阱、在平台的表面上具有一个或多个阱和/或一个或多个可寻址位置的平台、管形瓶、试管、毛细管以及流动路径(例如，流体通道或微通道)。样品容器可以包含或隔离任意一种或多种类型的诸如生物样品或化学样品之类的待分析样品。非限制性示例可包括核酸样品、蛋白质样品或者碳水化合物样品。

“光源”或“激励源”在此表示被供应或发送到样品容器的(多个)激励光源。光源可包括一个或多个发光元件，其中每个元件可在一个或多个离散波长或者在波长范围内发射光。发射的光可以是相干或者不相干的。相干光发射元件的一个示例为激光二极管。其它示例包括泵浦二极管激光器、气体或固体激光器、受激准分子激光器、可调谐激光器以及本领域技术人员显见的其它激光器。发光二极管(LED)是发光元件的另一示例。光源或激励源可包括单一类型的发光元件，诸如一个或多个LED或者一个或多个激光二极管。光源或激励源可包括多种类型的发光元件，诸如一个或多个LED与一个或多个激光二极管。

包括“多个不同离散光波长”的激励光指在激励光中存在两种或更多种不同离散光波长。“离散光波长”指由光源发射的光的带宽或线宽。典型地，激光或者其它光源将发射具有高斯形发射分布的特定频率(波长)。高斯分布的中心频率(波长)典型地定义输出的“频率”，带宽由高斯发射分布定义。对于激光器，定义带宽的常用特征可以是高斯发射分布的半高宽(FWHM)。对于激光器和其它光源，约±2nm的更小带宽是期望的，然而，具有约±5nm或者甚至约±10nm或±20nm的带宽的激光器或其它光源是可用的。

如此处使用的，“单光路”指具有一个或多个波长分量的光沿相同路径行进。当使用(多个)光缆时，光路由光缆定义。当使用其它光学元件时，或者不使用光学元件时，光路由沿给定方向，例如从光源到样品，或者从样品到探测器，或者从光源到探测器的光传播来定义。

如此处使用的，“从样品容器发射的光”是指被散射的激励光(如果有)以及从由样品容器限制的样品发射的光。取决于由样品容器限制或隔离的样品的(多种)成份，从样品发射的光可包括例如在400纳米至1.2微米范围内的诸如荧光、磷光、冷光、化学发光以及其它发射之类的感生光发射。例如，对于荧光发射，样品可包含或者结合到荧光材料或者探针，该材料或者探针吸收激励光或者被激励光激励或激活，并且在与激励波长不同的波长发射。具体材料或探针发射的(多个)波长取决于该材料或探针的成份。

如此处使用的，“感生光发射”是指由外部刺激感生的电磁辐射发射，该外部刺激将能量传递到感兴趣物质。外部刺激源包括化学、电学、物理、磁性、电磁和酶催化源。发射机制包括荧光、磷光、冷光和化学发光。

如此处使用的，“空间地将光分离成分量波长”(和类似的措辞)指将光色散成其分量波长。光的色散可以通过折射或者衍射来达成。例如，使用基于折射原理(例如斯涅耳定律)的元件，对于包含两个不同特定光波长分量的光束，该两个分量波长将被不同程度地折射。在距离折射元件特定距离处，一个分量波长将与另一分量波长空间地分离。用于以空间方式色散光的可用元件的示例包括棱镜(折射)和衍射光栅。

具体实施方式

本发明提供了用于测量多光谱信号的系统和方法，且具体而言用于测量来自一个或多个固体或液体样品的多光谱荧光信号的系统和方法。

图1示出根据本发明实施例的分析多光谱光学探测系统10。如图1所示，来自源1的激光被耦合到光缆3并被发送到样品容器4，例如用于荧光激励。来自样品的发射光随后被相同的光缆接口8收集。发射光随后使用滤波器或系列滤波器来滤波以除去散射激光，并被传递到分光光度计7或其它光探测系统，在那里该发射光被空间地分离成其分量光谱。使用线性二极管阵列、电荷耦合装置(CCD)或者光敏装置在空间上实现探测，且例如使用基于函数的算法来分析。

在特定方面，来自集成激光器模块的激励光被耦合到激励光缆3，该光缆3将光传输到包含液相或固相样品的器皿4。可选的非球面透镜2可用于将激励光聚焦到光缆3内。例如可以使用TTL调制来控制来自该集成激光器系统的激励光的产生。这使得仅在信号采集期间激励激光器而延长激光器寿命。TTL调制还允许对哪些染料被激励进行更多的控制，从而在需要时改善发射光的信噪比。

激励光可以由集成为单一光源1的一个或多个固态激光二极管和/或泵浦激光二极管产生。在特定方面，例如使用2、3、4、5或更多个激光二极管，由源1产生2、3、4、5或更多个离散光波长。备选地或者附加地，可以使用单束多谱线激光器，该单束多谱线激光器使用立方棱镜或者类似的光束组合光学元件来组合多个激光束。应理解，可以使用可见光谱内的任意数目的不同波长，例如约470nm、约530nm、约590nm、约630nm和/或约685nm，以及其组合。在一个具体实施例中，产生包含一个或多个激光谱线的单一激励光束，该一个或多个激光谱线具有诸如473nm±2nm、532nm±2nm和633nm±2nm的特定离散光波长。

光源可包括任意类型的激光器，但是激光二极管(或多个激光二极管)是优选的技术。取决于下述要求：染料光漂白速率、探测极限、样品体积、样品几何形状和每个光源的样品数，功率范围可以在约500微瓦至约100毫瓦的范围。取决于染料规格，可以使用约400nm至约1200nm的激光波长。除了单个宽波长激光可用于激励具有类似激励光谱的多个染料的情形，窄带激光是优选的，用以增大可用于分析的发射光谱。

使用或者不使用聚焦透镜，多光谱激励光被引导(例如，经过空气)至器皿4。使用例如约50微米至约200微米外径的小的光缆，有助于将激励光聚焦到样品上。随后使用一个或多个发射光缆5来收集从受照射的样品4发射的光。发射的光典型地包括来自样品4的荧光发射光以及散射的激励光。在一个方面，在样品接口8内，光缆5与激励光缆3捆束或者按其它方式布置成在激励光缆3的附近。将发射和激励光缆捆束允许单一的光缆和样品接口，由此降低设计复杂度。

光缆5收集的光被传输到分光光度计7，在那里例如使用衍射光栅将来自样品4的光分离成其分量波长，并且例如使用CCD在空间上探测所述光。应理解，可以使用其它探测器部件。例如，可以使用具有合适色散特性以空间地分离收集光内的波长的棱镜或者其它光学元件来替代衍射光栅，且衍射光栅可以被蚀刻于窗口、透镜或反射镜上。此外，探测器可包括线性二极管阵列、光电倍增管阵列、电荷耦合装置(CCD)芯片或者相机或光电二极管阵列。在特定方面，该探测器具有约3nm或者更好的光谱分辨率，不过可以使用分辨率大于3nm的探测器。例如，衍射梯度分光光度计应以至少3nm的分辨率来分辨光谱以用于最优发射分析。更大的波长分辨率可以用于使用较少染料的特定应用。600线/mm的光栅间距优化了光栅透射，同时提供了3纳米的发射分辨率。取决于应用，可以使用300线/mm至2400线/mm的间距。可以在该系统中使用诸如棱镜或光栅之类(诸如被切割或蚀刻成诸如透镜的其它光学元件)的其它类型的光学设计。该系统也不限于策尔尼-特纳(Czerny Turner)设计，也可以使用全息透镜和其它折叠光学设计。在特定方面，光学系统的有用要求为以小于约30纳米的分辨率将发射光分离成其分量颜色，每个分量颜色是可探测的。

在其它方面，发射线缆5结合诸如一个或多个多陷波(multi-notch)激光谱线滤波器6之类的滤波器元件，该滤波器元件从收集的光信号中移除散射的激励光。这防止分光光度计7内的衍射光栅的饱和，允许更完整的发射光谱的分析。尽管可以使用多个顺序激光谱线阻挡滤波器，不过优选使用阻挡一个或多个特定激光谱线的单滤波器。这最大化了发射透射并简化了光学系统设计。对于为了正确的分析而需要更大发射光谱范围的应用，多个单谱线滤波器是优选的。激光谱线滤波器应仅阻挡激励光并允许尽可能多的样品发射光通过，从而优化光学系统的探测极限。目前Semrock(Rochester，NY，USA)制造同时阻挡多达三个不同激光谱线的滤波器(例如见下文)。

收集的数据随后被处理以提供对样品内的荧光化合物的定量分析。

该设计优选地使用激光的光谱纯度来消除对于激励滤波器的需要，而在许多现有的系统中需要这种激励滤波器。这与使用衍射光栅替代多个发射滤波器相组合，大幅减小了硬件部件、接口和移动部分的数目。

在特定方面，本发明的光学系统采用多个集成激光二极管，每个激光二极管产生独特光谱的激励激光谱线。图4示出一示例。在该示例中，激励光谱在450至650纳米区域内的荧光染料被探测。可以包括约560nm和约670nm的两个附加激光二极管，以使可见光激励光谱的覆盖更为全面。优点包括更长的产品寿命周期和更大潜在样品测试菜单。另一个优点为，在需要时使用者可以选择单一光源(例如，单一离散激励光波长)以实现具有提高的灵敏度的单一染料探测。

另一个优点为使用单一光源激励多个染料的能力。可以同时探测多个染料以实现更快的采集时间。对于集成为需要快速独立样品探测以满足样品处理能力需求的随机存取探测系统来讲，这一点是关键的。

和现有系统相比，使用单光路的同步激励还提供了荧光探测精确性的进一步提高。所有样品内的所有染料经历与探测光学元件相关联的相同传输变化。这消除了由多个光路和时序变化引起的信号变化。多个染料的同步激励还降低资产制造成本，允许以增大的能力来制造更廉价的产品。

为每个样品使用多个光缆和/或独立光学系统不仅降低了探测精确性，而且增大了制造和维护问题。本发明优选地最小化或者消除了许多这些部件和接口，提供了更加鲁棒的设计(例如见图5)。本发明还提供了执行简单校准来补偿硬件变化的能力。

通过将光学元件保持在样品容器阱外部，实现了对鲁棒性的改善。样品试管的外部通常在预探测处理时被盐和其它物质污染。光路位于样品支架内部的现有技术系统会变得被阻挡或闭塞，减小了退化的荧光信号的精确性(例如见图6)。

将多个激光二极管的输出耦合到分光光度计探测系统提供了优于传统发光二极管设计的许多优点。首先，激光二极管的更高功率和增强的光纤耦合能力提供了更敏感和稳定的探测系统。其次，不需要使来自诸如发光二极管之类光源的光的光谱带宽变窄的滤波器。本发明的系统还能够在早期反应时间监测反应，允许可以以更高的置信度识别低水平信号。

在本发明中整个发射光谱的收集还允许对光谱异常进行实时校正。因为在探测过程中收集的信息有限，这对于基于滤波器的方法而言是不可能的。本发明还可以区别探针和其它光发生源，提供了更高的可靠性。

图2示出根据一个实施例的自动荧光光学探测器系统11。捆束的光缆的样品接口18部分被附着或耦合到X-Y机器人臂，该X-Y机器人臂用于接口18相对于样品保持平台14沿方向2和3的二维移动。这使得该光学系统能够自动地扫描平台18内的多个样品器皿。应理解，使用诸如X机器人臂或X-Y-Z机器人臂之类的其它平移机构，则可以实现光纤接口的一维或三维移动。

在一个方面，在按照诸如100毫秒的时间间隔采集信号的同时，探测器探针18沿一个轴连续地移动。一般而言，用于采集信号的时间间隔可以在约10毫秒至约500毫秒的范围。通过将轴扫描速度与信号采集时间同步，可以获得从每个样品器皿的多次读取。定制的算法随后可以识别来自每个试管的最佳信号以用于进一步信号处理。在一个实施例中，使用针对每个纯染料光谱构造的基于插值三次样条函数的算法。随后用非线性回归来分析染料混合光谱，使用Levenberg-Marquardt算法来发现三次样条或类似函数的乘数。这产生了与染料浓度相关或者以其它方式表示染料浓度的每个染料的系数。

与基于滤波器的设计相比，用于激励光和收集光的单光路的使用有利地降低了仪器部件内的变化。

图3示出根据本发明的自动荧光光学探测器系统21的另一实施例。在该实施例中，样品器皿在旋转式传送盘24上旋转，该旋转式传送盘24靠近例如位于固定探测器探针/接口28的下方。这种设计提供了诸如较早的样品器皿转移到探测器模块内以及光纤的应力诱导退化减小之类的优点。

在特定方面，保持光纤端部靠近样品的探针接口端部可以置于样品上方、样品下方或者在样品侧面。另外，该样品容器可包括流动路径(例如，流体通道或微通道)，这种情况下样品接口探针可以布置为大致平行于流动路径。例如，典型光学未校正的激光二极管产生2毫米×6毫米的椭圆束。这种尺寸和形状对于微流体装置中的处理腔体而言是理想的。例如，热模拟显示，2毫米的厚度为用于快速实时PCR分析的特定微流体系统提供了最优加热。廉价的激光器可以照射整个腔体而不使用复杂光学元件。当考虑与单一复本目标探测相关联的流体动力学时，照射整个腔体是重要的。

图4示出三个激光二极管激励用于生物样品分析的六种最通常可获得的荧光染料的能力。注意，633纳米激光二极管(633nm LD)以50至70％的效率来激励JA270、CY5和CY5.5染料。激励这六种染料仅需三个激光二极管。

大部分可购得的基于滤波器的光学系统面临着无法定量探测超过5种可见染料的问题。这是由于这样的事实导致：因为一种染料的发射光谱交叠另一染料的激励，因而每种染料需要特定的光谱滤波器。由多个激光二极管激励的染料的整个光谱的收集允许可以在分光光度计的波长探测范围内定量探测所有可见染料。

应注意，使用基于滤波器的系统无法区分具有交叠颜色的染料。本发明可以区分这些染料，允许使用甚至更多的可见光谱染料。例如，在光谱中具有80％的交叠的两种蓝色染料将产生只能通过基于滤波器的分析探测的信号强度差异。没有足够的信息来区分染料。具有约3纳米分辨率的分光光度计可以区分光谱差异并使用算法来识别每种染料。

除了图4所讨论的染料之外，应理解，激励和发射波长在该光学系统的规格内的任意荧光染料或材料均可以被分析。例如，可以使用包含任意荧光材料的样品；样品可包括一种荧光物质、多种荧光物质、一种或多种非结合的荧光探针、结合到分析物的一种或多种荧光探针等。类似地，可以探测和量化包含(多个)磷光探针或材料的样品。磷光材料的示例包括Luxcel Bioscience的长余辉Pt(II)-和Pd(II)-粪卟啉(coproporphryrin)磷光标签。样品容器可包括样品反应器、直通容器或直通反应器。

在特定实施例中，荧光物质、材料或探针可以选自：荧光素族染料、多卤荧光素族染料、六氯荧光素族染料、香豆素族染料、玫瑰精族染料、酞菁族染料、恶嗪族染料、噻嗪族染料、方酸菁族染料、螯合镧族染料、族染料、以及非荧光猝灭剂。非荧光猝灭剂是减小、消除或控制背景光发射以增强探测能力的物质。非荧光猝灭剂通常用于TaqMan探针，以在劈开探针低聚核苷酸之前减小或消除背景发射荧光。在特定实施例中，非荧光猝灭剂可包括BHQ^TM族染料或者Iowa Black^TM(Integrated DNA Technologies，Inc.)。可用染料的其它示例例如包括但不限于TAMRA(N，N，N’，N’-四甲基-6-羧基罗丹明)(Molecular Probes，Inc.)、DABCYL(4-(4’-二甲氨基苯偶氮)苯甲酸)(Integrated DNA Technologies，Inc.)、Cy3^TM(Integrated DNATechnologies，Inc.)或者Cy5^TM(Integrated DNA Technologies，Inc.)。可用材料、探针和物质的其它示例可以在美国专利No.6,399,392、6,348,596、6,080,068和5,707,813中找到。

图5比较了两个商业现有技术系统和本发明的光学探测系统实施例处理24个样品所需的光学路径硬件部件的数目。与其它现有技术设计相比，本发明的设计大幅简化了20至50倍。主要的部件减少是源于由于激光的光谱纯度和对分光光度计采集的更大光谱数据集的分析而导致的光学滤波器的去除。

本发明的光学探测系统还使用相同光学硬件来检查每个样品。这减小了样品到样品的信号变化，与包含大量接口和硬件部件的系统相比，实现了更高的信号精确性。限制硬件部件和接口的数目还减小了制造成本、维护成本、维护复杂性以及与质量控制问题相关联的成本。

除了这些优点之外，与基于滤波器的设计相比，因为可以收纳更多的染料和样品而不增加接口数目或探测次数，根据本发明的系统更能按比例缩放。样品的数目仅由数据采集时序限制。

示例：

从根据本发明的原型光学系统获得的荧光分析数据。

系统部件包括：

光源

描述    供应商     部件编号   中心波   功率   温    RMS     功率    激光

                              长              度    噪声    稳定    器类

                                              控            性      别

                                              制

二极    CNI        MBL-II     473nm    10mW   热    ＜30％  ＜3％   IIIb级

管泵    Optoelectr                            电

浦激    onics Tech.

光器    Co.，Ltd，

        Changchu

        n，China

二极    World Star TECGL-1    532nm    10mW   热    ＜0.5％ ＜0.5％ IIIb级

管泵    Tech，     0                          电

浦激    Toronto，

光器    ON，

        Canada

二极    World Star TECRL-1    635nm    10mW   热    ＜0.2％ ＜0.2％ IIIb级

管激    Tech       0G-635                     电

光器

探测器光学元

件

描述          供应商       部件编号     中心波长         激光谱  透射率

                                                         线阻挡

三陷波激光谱  Semrock      NF01-488/53  488nm，  532nm   8O.D.   ＞95％

线滤波器      Rochester    2/635-8-D    633nm

              NY

探测器

描述          供应商   部件编号   光学设  探测器   光栅槽    狭缝宽   特别之

                                  计               密度      度       处

衍射梯        Ocean    HR2000     策尔尼  Sony     600线每   200μm   涂覆银

度分光  Optics，     -特纳    ILX511    英寸    的反射

光度计  DunedinFL             2048元            镜

                              件线性

                              CCD阵

                              列

图7示出从根据本发明的原型光学系统获得的荧光分析数据。使用HEX染料探针来测试光学系统线性，该HEX染料探针被滴定50纳摩(nanomolar)至0.09纳摩。使用532纳米激光器作为激励光源，且通过计算基于模型三次样条函数的回归拟合的贝塔函数来分析数据。通过示于附图顶部的数据的线性回归拟合来示出光学系统线性。

图8示出从根据本发明的原型光学系统获得荧光分析数据，该原型光学系统监测包含荧光分析探针的聚合酶链式反应。PCR试剂探测肝炎C病毒并包含两个探针：标记为HEX染料的内部控制和标记为FAM染料的目标专用探针。内部控制和目标均被放大，使得产生FAM和HEX信号以模拟典型的HCV诊断测试信号。使用473纳米激光器作为激励光源，且通过计算基于模型三次样条函数的回归拟合的FAM贝塔函数来分析数据。示出了预期的PCR生长曲线。

图9示出图8所示数据的分析。在该示例中，监测PCR反应以得到高于基线噪声三个标准偏差的信号。图9所示的分析证明了在周期22确地探测了FAM染料信号中的初始指数增加。这证明了该原型系统能够使用标准商业条件在多种染料背景下探测实时PCR信号。

尽管已经通过示例并根据具体实施例描述了本发明，不过应理解，本发明不限于所公开的实施例。相反，本发明旨在涵盖本领域技术人员显而易见的各种调整和类似布置。例如，探针和物质可以被顺序或同步激励并进行顺序或同步分析。因此，所附权利要求的范围应做最宽广的解释从而包含所有这些调整和类似布置。

Claims (34)

1.一种用于探测样品内的感生光发射的设备，所述设备包括：

(a)样品容器；

(b)光源，被配置成提供激励光至所述样品容器，所述激励光包括多个不同离散光波长；以及

(c)发射探测器，被配置成接收从所述样品容器发射的光并将所述光空间地分离成分量波长。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述光源包括至少三个激光二极管。

3.如权利要求1所述的设备，其中所述光源包括有效地将所述激励光传输到所述样品容器的光缆。

4.如权利要求1所述的设备，其中所述探测器包括有效地接收从所述样品容器发射的光的光缆。

5.如权利要求1所述的设备，其中所述光源包括单束多谱线激光器。

6.如权利要求1所述的设备，其中所述光源包括产生波长约470nm的光的第一激光二极管、产生波长约530nm的光的第二激光二极管、以及产生波长约630nm的光的第三激光二极管。

7.如权利要求6所述的设备，其中所述光源还包括产生波长约685nm的光的第四激光二极管。

8.如权利要求7所述的设备，其中所述光源还包括产生波长约590nm的光的第五激光二极管。

9.如权利要求1所述的设备，其中所述光源包括有效地将所述激励光传输到所述样品容器的第一光缆，并且其中所述探测器包括有效地接收从所述样品容器发射的光的第二光缆。

10.如权利要求1所述的设备，其中所述样品容器包括样品反应器、直通容器或直通反应器之一。

11.如权利要求9所述的设备，还包括多个样品容器。

12.如权利要求11所述的设备，其中所述样品容器置于自动旋转式传送盘上。

13.如权利要求11所述的设备，其中所述第一和第二光缆被附着到X机器人臂、X-Y机器人臂或者X-Y-Z机器人臂之一。

14.如权利要求1所述的设备，其中所述发射探测器包括分光光度计。

15.如权利要求1所述的设备，其中所述发射探测器包括一个或多个单谱线滤波器和/或一个或多个多陷波谱线滤波器，用以从接收的光减小或消除散射的激励激光。

16.如权利要求1所述的设备，还包括控制所述样品容器的温度的装置。

17.如权利要求1所述的设备，其中所述样品容器包括核酸样品、蛋白质样品或碳水化合物样品之一。

18.如权利要求9所述的设备，其中所述第一和第二光缆的端部被捆束在一起以形成单一样品接口。

19.如权利要求18所述的设备，其中所述样品接口置于所述样品容器上方。

20.如权利要求18所述的设备，其中所述样品接口置于所述样品容器的侧面附近。

21.如权利要求18所述的设备，其中所述样品容器包括样品流动路径，且其中所述样品接口大致平行于所述流动路径放置。

22.如权利要求1所述的设备，其中所述样品容器包括未结合到样品的荧光或磷光探针。

23.如权利要求1所述的设备，其中所述样品容器包括结合到样品的荧光或磷光探针。

24.如权利要求1所述的设备，其中所述样品容器包括荧光或磷光物质。

25.如权利要求1所述的设备，其中所述样品容器包括多个荧光和/或磷光探针。

26.如权利要求25所述的设备，其中所述多个探针中的每一个具有不同的发射波长。

27.如权利要求1所述的设备，其中所述样品容器包括多种荧光和/或磷光物质。

28.一种用于探测样品内的感生光发射的系统，所述系统包括：

(a)样品容器；

(b)发射探测器，被配置成将接收的光空间地分离成分量波长；

(c)激励源，被配置成产生具有多个不同离散波长的激励光；

(d)第一光缆，具有第一输入端和第一输出端，其中所述第一输入端置为接收来自所述激励源的激励光；

(e)第二光缆，具有第二输入端和第二输出端，其中所述第二输出端置为将从所述样品容器发射的光提供到所述发射探测器；

(f)线缆接口，被配置成将所述第一输出端和所述第二输入端保持在一起，邻近所述样品容器，其中所述第一输出端提供所述激励光到所述样品容器且其中所述第二输入端接收从所述样品容器发射的光；以及

(g)光滤波器，从自所述样品容器发射的光中消除散射激励光。

29.一种探测样品内的感生光发射的方法，所述方法包括：

产生具有多个离散波长的激励光；

通过第一单光路提供所述激励光至样品容器；

使用发射探测器接收和分析从所述样品容器发射的光，其中所述发射探测器被配置成将接收的光空间地分离成分量波长。

30.如权利要求1所述的设备，其中所述发射探测器包括无法区分波长的光敏探测器。

31.如权利要求1所述的设备，其中所述发射探测器包括棱镜或者衍射光栅之一。

32.如权利要求1所述的设备，其中所述发射探测器包括CCD装置、线性二极管阵列、光电二极管阵列或者光电倍增管阵列之一。

33.如权利要求1所述的设备，其中所述光源包括一个或多个LED元件和/或一个或多个激光二极管元件，每个元件产生不同离散波长的光。

34.如权利要求1所述的设备，其中从所述样品容器发射的光包括选自荧光发射、冷光发光发射、化学发光发射以及磷光发射的感生光发射。