CN100335888C - 实时荧光定量基因扩增仪的光路检测*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及实时荧光定量基因扩增仪的光路检测***，包括光源、滤光镜、第一准直器、入射光开关阵列；入射光纤、入射光开关阵列、标本载台、出射光开关阵列、导光束、第二准直器、自动滤光装置、光电转换装置和电控装置，电控装置内设置有对入射光开关阵列、出射光开关阵列的光路选通支持程序，通过地址线对入射光开关阵列和出射光开关阵列同时选通，快速选中标本载台上的标本，同时在选中的标本上被激发出的荧光通过出射光纤并经过出射开关阵列、导光束和第二准直器到达自动滤光装置及光电转换装置中，在电控装置的控制下自动更换滤光波长和改变增益，并进行微小功率光电转换，即可完成标本载台中的K个标本的多波长宽线性实时定量基因检测。

Description

实时荧光定量基因扩增仪的光路检测***

技术领域

本发明涉及生物学及医学的检测，具体涉及一种实时荧光定量基因扩增仪的光路***。

背景技术

传统的荧光定量基因扩增仪荧光光信号检测方法是将光源经光路***后从检测样品基座的上部并通过样品管顶盖照射到样品管内，请先参阅图1所示，光信号经过样品管10中的被测样品后再从基座中的样品管上部返回到其后的光路元件和光信号传感器，以此来实现瞬间的荧光实时检测。当入射光在经过样品管10上的顶盖101时，由于顶盖101上表面呈弧状会引发光路混乱，若要减少这一现象势必要提高样品管及顶盖的质量要求；另外由于光线从样品管上部返回，增加了返回光在空气介质中的光路路径，且易发生光散射和光强度衰减较大的现象，最后导致检测灵敏度降低，成本居高不下。针对上述问题，中国专利申请号为0124582.5公开了一种定量基因扩增仪的荧光检测***，在该篇文献中，光路***中包含了光源，透镜，滤光片，双向镜，入射多芯光纤束，在光路***中，改变了样品管的入射光和返回光的路径，将光纤束直接从样品管10的底部或侧部导入了样品管中的被测样品。该文献所揭示的技术方案对上述问题虽然在一定程度上有所解决但不可避免的仍存在以下问题：①光路***设计仍较复杂，检测灵敏度偏低，成本仍然较高；②从被测样品返回的光线仍然经过同一光纤束，存在入射光线和返射光线之间的相互干扰，影响最终的检测灵敏度。

中国专利z1021274389.5公开了一种对于上述光路***改进的实时荧光定量基因扩增仪光路***，该光路***包括光源、前后透镜、前后光学滤光片、入射多芯光纤束、出射多芯光纤束，光源后设置前透镜、前光学滤光片、入射多芯光纤束、出射多芯光纤束、后透镜、后光学滤光片，光源发出的光通过前透镜、前光学滤光片、入射多芯光纤束后进入被测样品，被测样品被激发的荧光通过出射多芯光纤束、后透镜、后光学滤光片聚焦于光检测器上。虽然其光路***设计较前述的专利简单一些，和前述专利相比也相应降低了光路***及整机的***格；减少了光路***中光信号的衰减，也减少了被测样品的入射和返回光线之间的相互干扰；使检测灵敏度有所提高。但该***中采用的电耦合器仍然非常昂贵，并需要对每一根光纤束成像处理，需要的电耦合器和光纤束对应，而且入射多芯光纤束和出射多芯光纤束必须保持在同一平面，其制造工艺复杂、成本还是显得高昂、体积大。

发明内容

针对现有的基因扩增仪的荧光检测***存在上述问题，本发明提供一种实时荧光定量基因扩增仪的光路检测***。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种实时荧光定量基因扩增仪的光路检测***，该***包括一光源，在光源的前方依次设置有滤光镜、第一准直器和入射光开关阵列；入射光开关阵列的输出端连接有入射光纤；

光源射出的光经滤光镜产生单色光后经第一准直器送入入射光开关阵列后经入射光纤传递到标本载台上；

标本载台通过出射光纤与出射光开关阵列连通，出射光开关阵列的输出端依次设置有导光束、第二准直器、自动滤光装置及光电转换装置；

入射光开关阵列、出射光开关阵列以及光电转换装置均与一个电控装置连通，电控装置上有和计算机连接的计算机接口；

该电控装置内设置有对入射光开关阵列、出射光开关阵列的光路选通支持程序，通过地址线对入射光开关阵列和出射光开关阵列同时选通，快速选中标本载台上的第K个标本，K＝1，2，…N，与此同时在第K个标本上被激发出的荧光通过出射光纤并经过出射开关阵列、导光束和第二准直器到达自动滤光装置及光电转换装置中，在电控装置的控制下，完成自动更换滤光波长和改变增益，并进行微小功率光电转换，即可完成标本载台中的K个标本的多波长宽线性实时定量基因检测。

本发明的其他一些特点是，所述的光源选用相干的激光或选用非相干光。

所述光源采用非相干光时，第一准直器中加入滤光环节，同时第一导光束和第二导光束采用大接受角大数值孔径。

所述的第一准直器采用低附加损耗小渐晕的准直器，第二准直器采用光纤准直器。

所述的入射光开关阵列、出射光开关阵列是1进N出的MEMS光开关阵列，输入光路经地址线选址后有条件的与输出光路相连接。

所述的电控装置内部集成有87C196单片机(内部集成A/D转换器)、程控增放大器。

所述的程控增放大器采用MAX5426。

本发明的实时荧光定量基因扩增仪的光路检测***，由于采用两组光开关阵列，自动滤光装置及光电转换装置O/E，电控装置组成的有机整体，与上述背景技术中采用光电倍增管或CCD或电耦合器作为检测器相比，无须复杂的图像处理，能够实现滤光控测一体化，在短时间内完成标本载台中的K个标本进行快速均衡检测扫描。

附图说明

图1现有技术的光信号检测图；

图2是本发明的实时荧光定量基因扩增仪的光路检测***框图；

图3是本发明的光开关阵列方框图；

图4是光电转换装置(O/E)框图；

图5是电控装置示意图；

图6是实时荧光定量基因扩增仪的光路检测***与人机接口图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

参照图2所示，本发明的实时荧光定量基因扩增仪的光路检测***结构如下：

参见图2，它包括有一光源1，在光源1的前方依次设置有滤光镜2第一准直器3、第一导光束3和入射光开关阵列4；入射光开关阵列4的输出端连接有入射光纤5；

光源1射出的光经滤光镜2送入第一准直器3，经准直后进入入射光开关阵列4，经入射光纤5传递到样本载台6上；

样本载台6通过出射光纤7与出射光开关阵列8连通，出射光开关阵列8的输出端依次设置有导光束9、第二准直器10和自动滤光装置11及光电转换装置(O/E)12；其中第二准直器采用光纤准直器，由尾纤与自聚焦透镜精确定位而成。用于将光纤内传输的光变成准直光。

入射光开关阵列4、出射光开关阵列8以及光电转换装置12还与一电控装置13连通；电控装置13内设置有对入射光开关阵列4、射出光开关阵列8的光路选通支持程序，(该选通程序设置在CPU87C196中)通过地址线对入射光开关阵列4和出射光开关阵列8同时寻址，快速选中标本载台6上的第K个标本，K＝1，2，…N，与此同时在第K个标本上被激发出的荧光通过出射光7并经过出射开关阵列8、第二导光束9和第二准直器10到达自动滤光装置11，由电控装置驱动步进电机，带动固定其上的滤光拨盘，实现自动更换滤光波长，经滤光之后的发射光到达光电转换装置(O/E)12中，先由其中的光敏元件雪崩二极管APD检测，将光信号转换成电流信号，在经过电阻反馈运算器转化为电压信号，再根据实际通过程控增益放大器MAX5426实现精确放大，这样就完成了自动更换滤波波长和改变增益，并进行微小功率光电转换，即可完成标本载台6中的K个标本的多波长宽线性实时定量基因检测。

光源1可选用相干的激光，也可以选用使用波谱较为丰富的如汞灯等非相干光，第一准直器3和第二准直器10采用低附加损耗小渐晕方案，如果采用非相干光做光源，第一准直器3中要加入滤光环节，第一导光束3和第二导光束9采用大接受角大数值孔径方案。入射光开关阵列4和出射光开关阵列8是用微光机电MOEMS技术做成的高度集成的器件。

本发明中采用的光学纤维导光束(SUP37276)主要性能指标：

数值孔径：NA＝0.57～0.60(在空气中)，

光接收角：70°～74°，

光学纤维导光束可广泛能用于光学仪器、电子光学、高速摄影、医疗器械、科学试验等领域。

自动滤光装置11及光电转换装置(O/E)12在电控装置13的指挥下完成程控自动更换滤光波长和增益，高灵敏度增益微小功率光电转换。与简单采用光电倍增管或CCD作为检测器相比，本发明实现滤光控测一体化的自动装置，同时程控变波长及变增益检测的概念的实施方便而精确的实现了实时定量基因扩增仪的多被检测和宽线性范围检测。

其工作原理如下：

富含检测标本所要求波长的激发光从光源1由滤光器2后经准直器3抵达1进N出的入射光开关阵列4，在电控装置13程序的支配下，CPU通过地址线A0～A3同时对入射光开关阵列4和出射光开关阵列8寻址，快速选中标本载台上的第K个标本，这样激发光通过入射光开关阵列4被传送到第K个标本上，与此同时在第K个标本上被激发出的荧光即发射光通过光纤7经过出射开关阵列8，导光束9和准直器10到达自动滤光装置11及光电转换装置(O/E)12瞬间即可完成K标本的多波长宽线性实时定量基因检测。电控装置通过CPU87C196快速变换地址，不必反复移动光纤重新连接即可通过入射光开关阵列4和射出光开关阵列8快速光扫描很快完成1----N个标本的定量基因检测。

参照图3所示，图3是一个一进16出的光开关方框图，输入光线I₁经地址线A0～A3选址后有条件的与输出通道O1～O16相接；

表1是光开关的一种寻址方式。

表1一种寻址方式

A3A2A1A0	0000	0001	0002.........	1111
					输出	O1	O2	O3...................	O16

本发明中采用的基于MEMS(微光机电***)的光开关，体积小，其与光信号的格式、波长、协议、调制方式、偏振、传输方向等均无关，而且在损耗、扩展性上都优于其他类型。采用关开关最主要的优势是完成光信号的传输而不必反复移动光纤重新连接。

用于实时定量基因扩增仪检测***的两个光开关阵列(即入射光开关阵列、射出光开关阵列)的主要技术指标如下：

扦入损耗：≤0.8dB

重复性：≤±0.05dB

串音：≤-50dB

回波损耗：≥60dB

转换时间(开关速度)：≤8ms

寿命：1千万次

从技术指标可以看出***的低损耗，高重复性和一致性，如检测96个标本仅需要8×96＝768ms＜1秒

光电转换装置(O/E)的组成参见图4，采用半导体光敏器件雪崩二极管APD作为光检测器，本发明采用新型高性能雪崩二极管S9251，其灵敏度对红外光谱具有高稳定性，工作波长在440nm～1100nm，集成块DC/DC(直流/直流)的功能是将标准的12V电源经变换，整形后给APD提供偏压，发射光经过APD被转换成为电流信号，电流信号经过反馈电阻的运算放大器，实现电流变为电压的转换，程控增益放大器MAX5426，是高精度电阻网络，用于可编程仪表放大器，消耗电源电流小于40μA，CPU通过改变该器件的引脚D0、D1的值，实现不同增益选择。

图5是电控装置示意图：自动滤光装置11由步进电机和固定在其上的滤光拨盘组成，准直器从第K号标本采集来的发射光送入自动滤光装置11，由电控装置13驱动步进电机转动，使发射光实现多波长滤光，本发明采用四相反应式步进电机，电机的四个线圈用符号Q0、Q1、Q2、Q3表示。其中的87C196单片机具有优异的控制性能，它的高速输出单元HSO可产生0～1和1～0的高速跳变，用HSO.0～HSO.3引脚分别驱动步进电机的Qi(i＝0，1，2，3)线圈，通过设置HSO命令表和时间表，使HSO.i口上1和0的分布时序产生步进电机四个线圈通断电的适当时序，从而产生精确的转动步距。多波长滤光盘固定在电机上，通过电机的转动实现不同波长的转换。

表2是MAX5426程控增益选择

D0D1	00	01	10	11
					增益	×1	×2	×4	×8

图6是实时荧光定量基因扩增仪的光路检测***人机接口图，该部分主要包括键盘及显示控制。采用74LS245总线收发器驱动器液晶显示屏LCD2002A，可以保护数据完整的显示，82C79是专用的键盘控制器，二者有可编程逻辑控制器件CPLD选通，与一般的直接用I/O接口线或外接8255A接口芯片实现键盘显示相比，这种方法不需要占用单片机的资源对键盘进行监控处理，特别适用于实时性处理的单片机***。

Claims (7)

1.一种实时荧光定量基因扩增仪的光路检测***，其特征在于，该光路检测***包括：

一光源(1)，在光源(1)的前方依次设置有滤光镜(2)、第一准直器(3)和入射光开关阵列(4)；入射光开关阵列(4)的输出端连接有入射光纤(5)；

光源(1)射出的光经滤光镜(2)产生单色光后经第一准直器(3)送入入射光开关阵列(4)后经入射光纤(5)传递到标本载台(6)上；

标本载台(6)通过出射光纤(7)与出射光开关阵列(8)连通，出射光开关阵列(8)的输出端依次设置有导光束(9)、第二准直器(10)、自动滤光装置(11)及光电转换装置(12)；

入射光开关阵列(4)、出射光开关阵列(8)以及光电转换装置(12)均与一个电控装置(13)连通，电控装置(13)上有和计算机连接的计算机接口；

该电控装置(13)内设置有对出射光开关阵列(4)、入射光开关阵列(8)的光路选通支持程序，通过地址线对出射光开关阵列(4)和入射光开关阵列(8)同时选通，快速选中标本载台(6)上的第K个标本，K＝1，2，…N，与此同时在第K个标本上被激发出的荧光通过出射光纤(7)并经过出射开关阵列(8)、导光束(9)和第二准直器(10)到达自动滤光装置(11)及光电转换装置(12)中，在电控装置(13)的控制下自动更换滤光波长和改变增益，并进行微小功率光电转换，即可完成标本载台(6)中的K个标本的多波长宽线性实时定量基因检测。

2.如权利要求1所述的光路检测***，其特征在于，所述光源(1)选用相干的激光或选用非相干光。

3.如权利要求1所述的光路检测***，其特征在于，所述光源(1)采用非相干光时，第一准直器(3)中加入滤光环节，同时导光束(9)采用光接收角为70°～74°，数值孔径在空气中为0.57～0.60。

4.如权利要求1所述的光路检测***，其特征在于，所述的出射光开关阵列(4)和出射光开关阵列(8)是1进N出的光开关阵列，输入光路经地址线选址后与输出光路相连接。

5.如权利要求1所述的光路检测***，其特征在于，所述的电控装置内部集成有87C196单片机、程控增益放大器。

6.如权利要求5所述的光路检测***，其特征在于，所述的程控增益放大器采用MAX5426。

7.如权利要求1所述的光路检测***，其特征在于，所述第二准直器采用光纤准直器。

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