CN101156059B - 具有将多个光学模块连接到公共检测器的纤维束的多重荧光检测装置 - Google Patents

Abstract

描述了用于在实时PCR(聚合酶链反应)中检测多个目的物质的技术。例如，描述了一种***，该***包括数据获取装置和连接到数据获取装置的检测装置。检测装置包括具有多个处理腔的旋转盘，处理腔具有多个物质，物质发射不同波长的荧光。该装置进一步包括多个光学模块。每个光学模块被光学配置为激励物质并捕捉由物质发射的不同波长的荧光。连接到多个光学模块的纤维束将荧光从多个光学模块传输到单个检测器。

Description

具有将多个光学模块连接到公共检测器的纤维束的多重荧光检测装置 

技术领域

本发明涉及化验***，以及更具体地涉及用于使用荧光染料来检测多个目标物质的技术。

背景技术

经常使用光盘***来执行多种生物学、化学或生物化学化验。在典型***中，使用可旋转盘作为用于存储和处理流体样品的介质，该流体样品例如血液、血浆、血清、尿或其他流体。

一种类型的分析是聚合酶链反应(PCR)，该聚合酶链反应(PCR)经常被用于核酸序列分析。具体地，PCR经常被用于DNA测序、克隆、基因作图以及其他形式的核酸序列分析。

通常，PCR依赖DNA-复制酶在高温下维持稳定的能力。PCR中具有三个主要阶段：变性、退火和延伸。在变性期间，在大约94℃对液体样本进行加热。在这个过程期间，双链DNA“熔解”成单链DNA。在退火期间，将单链DNA冷却到大约54℃。在这个温度，引物结合或“退火”到要复制的DNA片断的端部。在延伸期间，将样本加热到75℃。在这个温度，酶将核苷酸添加到目的序列，最终形成DNA模板的互补副本。新DNA链变成用于下个事件序列或“周期”的新目的。

设计了许多现有的PCR仪器来实时地在PCR期间确定特定DNA和RNA序列的水平。很多仪器基于对于荧光染料的使用。具体地，很多传统的实时PCR仪器检测在PCR产品的扩增期间按比例生成的荧光信号。

传统的实时PCR仪器使用用于检测不同荧光染料的不同方法。例如，一些传统的PCR仪器将白光源和滤光轮结合，用于在光谱上分辨每个染料。白光源是钨卤素灯泡，具有最多几千小时的寿命。滤光轮通常是复杂的容易磨损的机电部件。

发明内容

通常，本发明涉及用于在实时PCR(聚合酶链反应)期间检测多个目的物质的技术，该实时PCR在这里指的是多重PCR。具体地，多重荧光检测装置被描述为包括多个光学模块。可以对每个光学模块进行优化，用于检测在分离波长带处的各个荧光染料。换句话说，光学模块可以被用来询问在不同波长处的多个平行反应。这些反应可以例如在旋转盘的单个处理腔(例如井)中发生。

利用多分支光纤束将多个光学模块光学连接到单个检测器。以这种方式，通过使用多个光学模块和单个检测器例如光电倍增管来获得重用。在每个模块中的光学元件可以被选择为使得灵敏度最大以及使得谱串扰的量最小，串扰例如是来自另一光学模块上的一种染料的信号。

在一个实施例中，装置包括旋转盘，旋转盘具有保持各个样本和多个荧光染料的多个处理腔。装置进一步包括多个光学模块，每个光学模块包括被选择用于不同染料的光源。光学模块的光源激励旋转盘的不同区域，并且捕捉从盘发射出的荧光。将光纤束连接到多个光学模块，从而将荧光从多个光学模块传输到单个检测器。

在另一实施例中，一种***包括数据获取装置。该***进一步包括连接到该数据获取装置的检测装置，其中，检测装置包括具有多个处理腔的旋转盘，每个处理腔具有发射不同波长的荧光的多个物质、多个光学模块、检测器和光纤束，其中，每个光学模块被光学地配置为激励物质并且捕捉由物质发射出的不同波长的荧光，将光纤束连接 到多个光学模块，从而将荧光从多个光学模块传输到检测器。

在一些实施例中，数据获取装置能够计算在光学模块之间的时间偏移，并且基于时间偏移来处理来自检测装置的数据。

在另外的实施例中，一种方法，包括：旋转具有多个处理腔的盘，每个处理腔具有多个物质，这些物质发射不同波长的荧光；利用多个光束来激励盘，从而产生多个发射的荧光束；利用多个不同的光学模块来捕捉荧光束，其中，光学模块被光学配置用于不同波长；利用光纤束将荧光束从多个光学模块传输到单个检测器；并且从检测器输出表示荧光束的信号。

在装置能够执行实时PCR的同时，该装置还能够在发生任何类型的生物学反应时对该生物学反应进行分析。该装置能够独立地或作为选择组地调制每个反应的温度，并且该装置能够通过在两个腔之间包括阀来支持反应的各个阶段。通过使用对阀传输能量脉冲的激光器，从而在反应期间打开该阀。

在一些实施例中，该装置可以是便携式的，以允许在遥远区域或临时实验室中进行操作。该装置可以包括用于实时分析反应的数据获取计算机，或该装置可以通过有线或无线通信接口将数据通信到另一装置。

在一些实施例中，本公开的检测装置中采用的光学模块的光源能够包括发光二极管、激光二极管或者其组合。此外，在一些实施例中，本公开的检测装置的检测器能够包括光电倍增器、放大光电二极管、雪崩光电二极管、光电晶体管或其组合。

在附图和以下的描述中阐述本发明的一个或多个实施例的细节。本发明的其他特征、目标和优点根据描述和附图以及权利要求是显而易见的。

附图说明

图1是示出多重荧光检测装置的示例性实施例的框图；

图2是示出示例性光学模块的示意图，该光学模块对应于图1的荧光检测装置的多个光学模块的任何一个；

图3是更详细地示出多重荧光检测装置的实例实施例的框图；

图4是连接到光纤束的四个光纤的单个检测器的框图；

图5是示出多重荧光检测装置的示例性操作的流程图；

图6和7示出可以被用于多重PCR的常见荧光染料的吸收和发射光谱；

图8A和8B示出在PCR分析期间利用单个检测器从两个示例性光学模块获得的原始数据；

图9是示出针对时间偏移进行调节后的数据的图；

图10A和10B示出用于从两个示例性光学模块接收到的数据的检测极限。

具体实施方式

图1是示出多重荧光检测装置10的示例性实施例的框图。在示出的例子中，装置10具有四个光学模块16，这些光学模块16为四种不同染料的光学检测提供四个“通道”。特别地，装置10具有四个光学模块16，这些光学模块16在任何给定时间激励旋转盘13的不同区域，并且收集从染料发射的不同波长的荧光能量。结果，可以使用光学模块16来询问在样品22中发生的多重、平行反应。

多重反应可以例如同时地在旋转盘13的单个腔中发生。每个光学模块16在盘13转动时询问样本22并收集不同波长的荧光能量。例如，在模块16中的激励源可以被顺序地激活足够的时期，从而收集对应波长的数据。也就是说，光学模块16A可以被激活一定时期，以收集在第一波长范围的数据，该第一范围针对对应于第一反应的第一染料而选择。然后可以失活激励源，并且可以激活在模块16B中的激励源，以在第二波长范围处询问样本22，该第二范围针对对应于第二反应的第二染料而选择。这个过程继续直到已经捕捉到来自所有光学模块16的数据。在一个实施例中，在光学模块16中的每个激励源被激活大约2秒的初始周期以达到稳定状态，接着是询问周期，该询问周期持续盘13的10-50转。在其他实施例中，可以对激励源排序以得到更短(例如1或2毫秒)或更长的周期。在一些实施例中，可以同时地激活多于一个的光学模块，从而在盘13旋转的同时进行对于样本22的同时 询问。

虽然描述了单个样本22，盘13可以包含保持样本的多个腔。光学模块16可以在不同波长处询问不同腔的一些或全部。在一个实施例中，盘13包括围绕盘13的圆周间隔开的96个腔。利用96个腔和四个光学模块16，装置10能够从384个不同的物质获取数据。

在一个实施例中，光学模块16包括激励源，该激励源是高能发光二极管(LED)，它们在多个波长中可以购买到，并且具有较长的寿命(例如100,000小时或更多)。在另一实施例中，传统的卤素灯泡或水银灯泡可以被用作激励源。

如在图1中所示，可以将每个光学模块16连接到光纤束14的一个分支上。光纤束14提供用于从光学模块16接收荧光信号而不丧失灵敏度的柔性机构。通常，光纤束包括并排放置并且在端部处结合到一起且封装在柔性保护套中的多个光纤。或者，光纤束14可以包括较小数量的分离的大直径多模式纤维，这些纤维是玻璃的或者塑料的，并具有共有的端部。例如，对于四个光学模块的装置，光纤束16可以包括四个独立的多模式纤维，每个纤维具有1mm的芯直径。束的公共端部包含结合到一起的四个纤维。在该例子中，检测器18的孔径可以是8mm，该孔径大于足够用来连接到四个纤维的孔径。

在该例子中，光纤束14将光学模块16连接到单个检测器18。光纤承载由光学模块16收集的荧光并且有效地将捕捉的光传输到检测器18。在一个实施例中，检测器18是光电倍增管。在其它实施例中，检测器可包括多个光电倍增元件，一个光电倍增元件用于单个检测器中的每个光纤。在其他实施例中，可以使用一个或多个固态检测器。

使用单个检测器18可以是有利的，因为这样允许使用高度灵敏的并且可能昂贵的检测器(例如光电倍增器)，同时维持最小成本，因 为仅仅需要单个检测器。在这里对单个检测器进行讨论；然而，可以包括一个或多个检测器，用于检测更大数量的染料。例如，可以对***添加四个另外的光学模块16和第二检测器，从而允许检测从一个盘发射的八个不同的波长。

光学模块16可以从装置移除，并且可以容易地与其他光学模块进行互换，这些其他光学模块针对不同波长的询问进行了优化。例如，光学模块16可以物理安装在壳体的位置中。每个光学模块16可以被容易地沿着与光学模块的一个或多个标记(例如引导销)匹配的引导件(例如凹入槽)***在壳体的相应位置中。每个光学模块包括光学输出端口(在图2中示出)，用于连接到光纤束14的一个分支。该光学输出端口可以具有连接到分支的螺纹连接器的螺纹端。或者，可以使用“快速连接”的形式(例如，具有O形环和捕捉销的可滑动连接)，该“快速连接”形式允许将纤维束14可滑动地啮合到光学输出端口中以及从该光学输出端口脱出。此外，每个光学模块16可以具有一个或多个电触头，用于当完全***时电连接到控制单元23。用于和旋转盘13一起使用的示例性可移除光学模块在2005年7月5日提交的美国专利申请序号No.11/174,754名为“MULTIPLEX FLUORESCENCEDETECTION DEVICE HAVING REMOVABLE OPTICAL MODULES”中进行了描述。

装置10的模块式结构允许装置被容易地适用于在给定分析环境中的所有荧光染料，该分析环境例如多重PCR。可以用在装置10中的其他化学处理包括Invader(Third Wave，Madison，Wisconsin)、转录介导扩增(GenProbe，San Diego，California)、荧光标记酶联免疫吸附化验(ELISA)或荧光原位杂交(FISH)。装置10的模块式结构可以提供另外的优点，因为可以通过对用于小特定目的范围的波长的对应激励源(未示出)和激励及检测滤光器进行选择，从而选择性地激励和检测在多重反应中的对应染料，来优化每个光学模块16的灵敏度。

为了实例的目的，装置10被示出为4色多重布置，但是或多或少的通道都可以与适当的光纤束14一起使用。该模块式设计允许用户通过简单地向基座20添加另外光学模块16以及将纤维束14的一个分支***到新光学模块中，来容易地现场升级装置10。光学模块16可以具有集成电子器件，该集成电子器件识别光学模块，并且将校准数据下载到装置10的内部控制光学模块或其他内部电子器件(例如控制单元23)中。

在图1的例子中，样本22被容纳在盘13的腔内，该盘13被安装在处于控制单元23的控制下的旋转平台上。槽传感器触发器27提供控制单元23使用的输出信号以及数据获取，用于在盘旋转期间将数据获取与腔位置进行同步。槽传感器触发器27可以是机械或光学传感器。例如，该传感器可以是发送光束到盘13的激光器，并且控制单元23使用传感器，该传感器检测通过盘13中的槽的光，以定位在盘上的腔。光学模块16可以被物理安装在旋转平台25上方。结果，在任何一个时间，光学模块16与不同的腔交叠。

检测装置10还包括用于调制盘13上的样本22的温度的加热元件(未示出)。该加热元件可以包括包含在反射外壳中的卤素灯泡。反射腔被成形为将来自灯泡的辐射聚焦到盘13的径向部分(radialsection)中。通常，盘13的加热区在盘13旋转时就像一个环。在该实施例中，反射外壳的形状可以是允许准确聚焦的椭圆和球形几何体的结合。在其他实施例中，反射外壳可以具有不同的形状，或者灯泡可以广泛地辐射较大的区域。在其他实施例中，反射外壳可以被成形为将来自灯泡的辐射聚焦到盘13的单个区域上，例如包含样本22的单个处理腔。

在一些实施例中，加热元件可以加热空气并且推动在一个或多个样本上方的热空气，从而调节温度。另外，可以利用盘直接对样本进行加热。在这种情况下，加热元件可以位于平台25中，并且被热耦合 到盘13上。在加热元件中的电阻可以如控制单元23控制的那样，加热盘的选择区域。例如，区域包含一个或多个腔，也可以是整个盘。用于和旋转盘13一起使用的示例性加热元件在2005年7月5日提交的名为“HEATING ELEMENT FOR A ROTATING MULTIPLEXFLUORESCENCE DETECTION DEVICE”的美国专利申请序号No.11/174,691中进行了描述。

可选择地或者另外地，装置10还可以包括冷却元件(未示出)。在装置10中包括风扇以向盘13提供冷空气也就是室温空气。需要进行冷却来适当地调节样本的温度并在完成实验之后对样本进行存储。在其他实施例中，冷却元件可以包括在平台25和盘13之间的热耦合，并且平台25可以在需要时候降低其温度。例如，一些生物学样本可以在4摄氏度进行存储，以减少酶活性或蛋白质变性。

检测装置10还能够控制在处理腔中包含的反应物质。例如，将一些物质加载到处理腔中以生成第一反应并且稍后在第一反应终结之后向样本添加另一物质可以是有利的。可以添加激光引导阀(laser homingvalve)***，以控制将内部保持腔与处理腔分开的阀，从而在盘13的旋转期间控制物质到腔的添加。该激光引导阀***可以被定位在一个光学模块16中或与光学模块分开。在盘13下面，直接在激光器下方可以是用于相对于盘13定位激光器的激光传感器。

在一个实施例中，该激光器是具有至少两个功率设置的近红外(NIR)激光器。在低功率设置下，激光定位传感器可以通过识别通过盘13中的槽的NIR光来指示激光器在腔阀上方的位置处。一旦激光器处于适当的位置处，控制单元23指示激光器输出高功率能量的短脉冲从而对阀进行加热并打开阀。打开的阀然后可以允许内部流体样本从内腔向着外处理腔流动并实施第二反应。在一些实施例中，盘13可以包含多个阀以顺序地生成多个反应。当使用多个腔阀时，还可以使用多于一个的激光器和激光传感器的组。用于和旋转盘13一起使用的示 例性激光引导阀控制***在2005年7月5日提交的名为“VALVECONTROL SYSTEM FOR A ROTATING MULTIPLEX FLUORESENCEDETECTION DEVICE”的美国专利申请序号No.11/174,957中进行了描述。

数据获取***21可以顺序地或者并行地为每个染料从装置10收集数据。在一个实施例中，数据获取***21顺序地从光学模块16收集数据，并且利用从槽传感器触发器27测量的每个光学模块的触发器延迟，来对空间交叠进行校正。

用于装置10的一个应用是实时PCR，但是在这里描述的技术可以被扩展到其他使用在多个波长处的荧光检测的平台。装置10可以结合快速热循环、使用加热元件以及离心驱动的微观流体，用于核酸的分离、扩增和检测。通过使用多重荧光检测，可以并行地检测和分析多个目的物质。

对于实时的PCR，使用荧光来测量在三个通常技术的一个中的扩增量。第一种技术是使用染料例如SybrGreen(Molecular Probes，Eugene，Oregon)，这种染料的荧光在结合到双链DNA上后得到增加。第二种技术使用荧光标记探针(杂交探针、发夹探针等)，该荧光标记探针的荧光当结合到扩增的目的序列后发生改变。这种技术类似于使用双链DNA结合染料，但是更特别，因为该探针将仅仅结合到目的序列的一定片断。第三种技术是使用水解探针(Taqman^TM，Applied BioSystems，Foster City California)，其中聚合酶的核酸外切酶在PCR的延伸阶段从探针***(cleave)淬灭分子，使得其是荧光激活的。

在每种方法中，荧光与扩增目的浓度是线性成比例的。数据获取***21在PCR反应期间测量来自检测器18的输出信号(或可选择地利用控制单元23来取样和通信)，从而接近实时地观察扩增。在多重PCR中，利用独立地测量的不同染料来对多个目的进行标记。大体说 来，每个染料将具有不同的吸收和发射光谱。为此，光学模块16可以具有激励源、透镜和相关的滤光器，这些激励源、透镜和相关的滤光器被任意地选择用于在不同波长处对样本22进行询问。

适用于结合本发明一起使用的适当的结构技术或材料的一些例子可以在例如共同转让的名为“ENHANCED SAMPLE PROCESSINGDEVICES SYSTEMS AND METHODS”(Bedingham等)的美国专利No.6,734,401以及名为“SAMPLE PROCESSING DEVICES”的美国专利申请公开No.US 2002/0064885中进行了描述。其他可用的装置结构可以在例如2000年6月28日提交的名为“THERMAL PROCESSINGDEVICES AND METHODS”的美国临时专利申请序号No.60/214,508、2000年6月28日提交的名为“SAMPLE PROCESSING DEVICES，SYSTEMS AND METHODS”的美国临时专利申请序号No.60/214,642、2000年10月2日提交的名为“SAMPLE PROCESSING DEVICES，SYSTEMS AND METHODS”的美国临时专利申请序号No.60/237,072、2001年1月6日提交的名为“SAMPLE PROCESSING DEVICES，SYSTEMS AND METHODS”的美国临时专利申请序号No.60/260,063、2001年4月18日提交的名为“ENHANCED SAMPLE PROCESSINGDEVICES，SYSTEMS AND METHODS”的美国临时专利申请序号No.60/284,637以及名为“SAMPLE PROCESSING DEVICES ANDCARRIERS”的美国专利申请公开No.US 2002/0048533中找到。其他的潜在装置结构可以在例如名为“CENTRIFUGAL FILLING OFSAMPLE PROCESSING DEVICES”(Bedingham等)的美国专利No.6,627,159中找到。

图2是示出示例性光学模块16A的示意图，其对应于图1的任何光学模块16。在这个例子中，光学模块16A包括高功率激励源LED 30、准直透镜32、激励滤光器34、二向色滤光器36、聚焦透镜38、检测滤光器40和透镜42，从而将荧光聚焦到光学输出端口19上，该光学输出端口19被连接到光纤束14的一个分支上。

接着，来自LED 30的激励光被利用准直透镜32进行校直、利用激励滤光器34进行滤光、传输通过二向色滤光器36、并且利用聚焦透镜38被聚焦到样本22中。由样本发射的得到荧光在被聚焦到连接到光学输出端口的光纤束14的一个分支之前被利用相同的聚焦透镜38进行聚光、被二向色滤光器36反射、并且由检测滤光器40进行滤光。然后，光纤束14将光传输到检测器18。

基于光学模块16A利用的多种染料的特定吸收和发射谱带，来选择LED 30、准直透镜32、激励滤光器34、二向色滤光器36、聚焦透镜38、检测滤光器40和透镜42。以这种方式，针对不同的染料，多个光学模块16可以被配置和加载在装置10中。

表1列出了可以用在针对多种荧光染料的4通道多重荧光检测装置10中的示例性元件。FAM、HEX、JOE、VIC、TET、ROX是Applera、Norwalk、California的商标。Tamra是AnaSpec，San Jose，California的商标。Texas Red是Molecular Probe的商标。Cy 5是Amersham，Buckinghamshire，United Kingdom的商标。

表1

光学模块	LED	激励滤光器	检测滤光器	染料
					1	蓝	475nm	520nm	FAM，Sybr Green
2	绿	530nm	555nm	HEX，JOE，VIC，TET
					3	橙	580nm	610nm	TAMRA，ROX，Texas  REd
4	红	630nm	670nm	Cy5

所述的模块式多重检测结构的一个优点是优化对于广泛多种染料的检测的灵活性。可知用户可以具有多个不同光学模块的集(bank)，该多个不同的光学模块可以按照需要被***到装置10中，任何时间可 以使用这些模块中的N个，其中，N是装置支持的通道的最大数量。因此，装置10和光学模块16可以与任何荧光染料和PCR检测方法一起使用。可以使用较大的光纤束来支持较大数量的检测通道。此外，多个光纤束可以与多个检测器一起使用。例如，两个4分支光纤束可以与八个光学模块16和两个检测器18一起使用。

图3是多重荧光检测装置10的功能框图。具体地，图3示出了装置元件之间的电连接以及通过这些元件的光的大体路径。在图3的例子中，装置10包括至少一个处理器44或其他控制逻辑、存储器46、盘电机48、光源30、激励滤光器34、透镜38、检测滤光器40、聚光透镜42、检测器18、槽传感器触发器27、通信接口50、加热元件54、激光器55和电源52。如图3所示，透镜38和聚光透镜42不需要被电连接到另一元件。此外，光源30、滤光器34和40、透镜38和聚光透镜42表示一个光学模块16。虽然没有在图3中示出，如之前所述的，装置10可以包含另外的光学模块16。在这种情况下，每个另外的光学模块可以包括基本上与图3所示类似地布置的元件。

光沿着图3中的通过多个元件的一定路径。一旦由光源30发射了光，该光进入激励滤光器34并作为分离波长的光离开。该光然后通过透镜38，在透镜38处，光离开检测装置10并激励在处理腔(未示出)中的样本22。样本22通过在不同波长处发出荧光来进行响应，这时该光进入透镜38并由检测滤光器40进行滤光。滤光器40去除来自样本22的需要荧光之外的波长的背景光。剩余的光被发送通过聚光透镜42并在由检测器18检测到之前进入光纤束14的分支。检测器18接着对接收到的光信号进行放大。

处理器44、存储器46和通信接口50可以是控制单元23的一部分。处理器44控制盘电机48以按照需要旋转或转动盘13，从而收集荧光信息或通过盘13移动流体。处理器44可以使用从槽传感器触发器27接收的盘位置信息，以在旋转期间识别盘13上的腔的位置，并 使得对于从盘接收的荧光数据的获取同步。

处理器44还可以控制在光学模块16中的光源30何时通电和断电。在一些实施例中，处理器44控制激励滤光器34和检测滤光器40。根据正在辐射的样本，处理器44可以改变滤光器，从而允许不同波长的激励光到达样本，或者允许不同波长的荧光到达聚光透镜42。在一些实施例中，可以针对特定光学模块16的光源30对一个或两个滤光器进行优化，并且该一个或两个滤光器是不能被处理器44改变的。

聚光透镜42被连接到光纤束14的一个分支，光纤束14为光提供从聚光透镜到检测器18的光学路径。处理器44可以控制检测器18的操作。虽然检测器18可以一直(constantly)检测所有光，但是一些实施例可以使用其他的获取模式。处理器44可以确定检测器18何时收集数据，并且可以通过编程来设置检测器18的其他配置参数。在一个实施例中，检测器18是光电倍增管，该光电倍增管从由聚光透镜42提供的光中捕捉荧光。作为响应，检测器18生成表示接收到的光的输出信号(例如模拟输出信号)。虽然图3中没有示出，检测器18可以同时接收来自装置10的其他光学模块16的光。在这种情况下，输出信号19电气地表示由检测器18从多个光学模块16接收到的光学输入的组合。

处理器44还可以控制来自装置10的数据流。可以将数据存储在存储器46中用于进行分析，数据例如来自检测器18的取样荧光、来自加热元件54和相关传感器的样本温度以及盘旋转信息。处理器44可以包括以下的任何一个或多个：微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他数字逻辑电路。此外，处理器44提供用于固件、软件或它们的组合的操作环境，这些固件、软件或它们的组合被存储在计算机可读介质例如存储器46上。

存储器46可以包括用于存储多种信息的一个或多个存储器。例如，一个存储器可以包含特定配置参数、可执行指令，并且一个存储器可以包含收集的数据。因此，处理器44可以使用存储在存储器46中的数据，用于控制装置操作和校准。存储器46可以包括随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除只读存储器(EEPROM)、闪速存储器等等中的一个或多个。

处理器44可以另外地控制加热元件54。基于存储器46中包含的指令，加热元件54可以根据期望的加热曲线被选择性地驱动，以控制一个或多个腔的温度。通常，加热元件在盘旋转的同时对盘13的径向部分进行加热。加热元件54可以包括卤素灯泡，以及用于将加热能量聚焦在盘13的特定区域上的反射器。在其他实施例中，加热元件54可以顺序地加热一个或多个腔。这个实施例要求当加热腔时盘13是静止的。在任何实施例中，加热元件54能够按照需要非常快得打开和关断。

激光器55被用来控制阀打开，该阀打开允许让内腔的内容流到盘13上的另一腔，例如处理腔。处理器44和支持硬件驱动激光器55来选择性地打开盘13中包含的特定的阀。处理器44可以与盘13下面的激光传感器相互作用，用于确定激光器相对于期望阀的位置。当处于适当的位置时，处理器44输出信号来引导激光器55生成瞄准阀的能量脉冲。在一些情况下，该脉冲可以持续大约0.5秒，而其他实施例可以包括更短或更长的打开时间。可以通过与激光器55的通信利用处理器44来控制激光能量和脉冲持续时间。

处理器44使用通信接口50来与数据获取***21进行通信。通信接口50可以包括单个方法或方法的组合来传输数据。一些方法可以包括用于以较高数据传输速度进行硬件连接的通用串行总线(USB)端口或IEEE 1394。在一些实施例中，可以将存储装置直接附着到这些端口的一个，从而进行用于后处理的数据存储。这些数据可以由处理器44进行预处理并准备好用于查看，或者原始数据可能需要在分析开始之 前被完整地处理。

还可以通过射频(RF)通信或局域网(LAN)连接来完成与检测装置10的通信。此外，可以通过直接连接或通过网络接入点来获得连接性，该网络接入点例如可以是支持有线或无线通信的网络集线器或路由器。例如，检测装置10可以在一定的RF频率上传输数据，从而被目的数据获取装置21接收到。数据获取装置21可以是通用计算机、笔记本式计算机、手持计算装置或专用装置。此外，多个数据获取装置可以同时地接收数据。在其他实施例中，数据获取装置21可以和检测装置10一起被包括作为一个集成检测和获取***。

另外，检测装置10能够经由网络例如因特网来从远程装置下载更新的软件、固件以及校准数据。通信接口50还可以使得处理器44能够监视盘存报告单的任何故障。如果发生操作问题，处理器44能够输出出错信息，从而通过提供操作数据来协助用户进行故障排除。例如，处理器44可以提供信息来帮助用户诊断故障加热元件或同步问题。

电源52向装置10的元件传输操作功率。电源52可以使用来自标准115伏特电插座的电力或包括电池或发电电路来生成操作功率。在一些实施例中，可以对电池进行再充电以允许延长的操作。例如，装置10可以是便携式的以检测紧急情况下例如灾区中的生物学样本。

图4是连接到光纤束的四个光学模块的单个检测器18的功能框图。在该实施例中，检测器18是光电倍增管。光纤束14的每个分支、光纤14、光纤14B、光纤14C和光纤14D被连接到检测器18的光学输入接口55。以这种方式，由任何光纤14携载的光被提供到检测器18的单个光学输入接口55。在一些实施例中，光纤束14的每个分支可以具有不同的直径、长度或两者都不同。例如，光纤14A可能比光导纤维14的其他光纤的直径更大，从而向检测器18传输更多的光。光学输入接口55提供聚集的光到电子倍增器56。阳极58收集电子并 生成对应的模拟信号作为输出信号。

换句话说，如所示，光纤14配合在用于检测器18的输入光学孔径中。由此，检测器18可以被用来同时地检测来自光纤束14的每个分支的光。光学输入接口55向电子倍增器56提供光。对于光电倍增管来说，来自光纤的光子首先撞击发光阴极，然后该发光阴极释放出光电子。光电子然后通过撞击一系列倍增器电极进行串联(cascade)，在与每个倍增管电极接触后发射出更多的光电子。得到的电子组实际上倍增了由光纤14最初传输的小光信号。增加数量的电子最终由阳极58进行收集。将来自阳极58的电流作为模拟输出信号传输到电流电压放大器59，该模拟输出信号表示来自由多个光学模块16提供的样本的光学荧光信号。

控制光学模块23包括模数(A/D)转换器60，该模数转换器60将模拟信号转换为采样数字数据流，也就是数字信号。处理器44接收该数字信号并将采样数据存储在存储器46中，用于通信到数据获取装置21，如前所述。在一些实施例中，A/D转换器60可以被包含在检测器18中而不是控制光学模块23中。

以这种方式，可以使用单个检测器18来收集来自光纤束14的所有光并生成表示该所有光的信号。一旦该信号由放大器59进行放大并转换为数字信号，其可以被数字分离成与由每个独立光学模块16收集的光对应的数据。可以利用频率范围将整个(也就是整体)信号分离为表示每个荧光的每个检测信号。这些频率可以利用由数据获取装置21应用的或者在装置10中的数字滤光器进行分离。

在其他实施例中，放大的信号可以使用模拟滤光器利用频率进行分离并发送到A/D转换器60之前的分离通道。每个通道然后可以被分开地数字化并发送到数据获取装置。在任一种情况下，该单个检测器能够捕捉来自每个光学模块16的所有荧光信息。数据获取装置21然 后可以实时地绘制和分析从盘13的每个腔获取的信号而不需要多个检测器。

在一些实施例中，检测器18可以不是光电倍增管。通常，检测器18可以是任何类型的模拟或数字检测装置，并且该模拟或数字检测装置能够捕捉来自光学传输机构例如光纤束14的多个分支的光并且能够生成该捕捉的光的可传输表示。其他实施例可以包括作为放大光电二极管或光电晶体管的检测器。

图5是示出多重荧光检测装置10的操作的流程图。最初，用户在数据获取装置21上或经由与控制单元23的接口来指定程序参数(62)。例如，这些参数可以包括用于旋转盘13的速度和时段，限定用于反应的温度曲线以及在盘13上的样本位置。

接着，用户将盘13加载到检测装置10中(64)。在固定了装置10之后，用户起动程序(66)，导致控制单元23来以指定的速度开始旋转盘(68)。在盘开始转动之后，可能发生两个并发流程。

首先，检测装置10开始检测来自由一个或多个样本中的一个或多个反应产生的激励光的荧光(70)。检测器18对来自每个样本的荧光信号进行放大，这些信号被同步至每个相应样本以及发射荧光的时间(72)。在这个流程期间，处理器44将捕捉的数据保存在存储器46并且可以实时地将这些数据通信通信到数据获取装置10，从而监视运行的程序和另外处理的程序(73)。或者，处理器44可以将数据保存在装置10中直到程序完成。处理器44继续检测样本的荧光并保存数据直到程序完成(74)。一旦运行完成，控制单元23停止盘的旋转(76)。

在这个流程期间，控制单元23监视盘温度(78)并调节盘或每个样本的温度来获得用于这个时间的目的温度(80)。控制单元23持续监视并且控制该温度，直到程序完成(82)。一旦运行完成，控制单 元23将样本的温度保持在目的存储温度，通常是4摄氏度(84)。

装置10的操作可以与图5的例子不同。例如，在程序期间可以调节每分钟的盘转数，并且可以使用激光器55来打开盘上的腔之间的阀，从而允许多重反应。这些步骤可以根据用户限定的程序，在操作中以任何顺序进行。

实例

图6和7示出为了多重PCR而在装置10中可以使用的通用荧光染料的吸收和发射光谱。在这些例子中，染料的吸收最大值在480-620nm的范围内变化，并且得到的发射最大值在520-670nm的范围内变化。在图6中用于每个染料的信号被编号为FAM 88、Sybr 90、JOE 92、TET 94、HEX 96、ROX 98、Tx Red 100和Cy5 102。在图7中的信号是FAM 104、Sybr 106、TET 108、JOE 110、HEX 112、ROX 114、TxRed 116和Cy5 118。FAM、HEX、JOE、VIC、TET、ROX是Applera、Norwalk、California的商标。Tamra是AnaSpec，San Jose，California的商标。Texas Red是Molecular Probes的商标。Cy 5是Amersham，Buckinghamshire，United Kingdom的商标。

在一个例子中，对96腔盘填充稀释在标准PCR反应缓冲液中的不同浓度的FAM和ROX染料。每个染料的四个复制以从200nM FAM和2000 nM ROX开始的2x稀释系列进行添加。每个样本容积为10μL。腔82具有5μL的200 nM FAM和5μL的2000 nM Rox的混合物。装置10被构建为具有用于检测染料的两个光学模块16的两通道多重PCR检测装置。

第一光学模块(FAM光学模块)包括蓝光LED、475nm激励滤光器和520nm检测滤光器。第二光学模块(ROX光学模块)包括绿光LED连同560nm激励滤光器和610nm检测滤光器。另一种选择是包括橙色LED和在580nm激励滤光器，从而对ROX检测进行优化。

执行PCR分析，并且将来自样本的荧光信号多路传输到分叉光纤束中。该纤维束与单个检测器尤其是光电倍增管(PMT)进行接口。利用与在通用计算机上执行的Visual Basic数据获取程序接口的国家仪器数据获取(DAQ)板来收集数据。在盘以1000转/分钟(额定)进行旋转的同时获取数据。顺序地使用FAM光学模块和ROX光学模块来询问样本。每个扫描由平均50个旋转组成。来自两个光学模块的原始数据显示在图8A和8B中。

在图8A中的图是通过对FAM光学模块中的LED通电而获得的，而在图8B中的图是通过对ROX光学模块中的LED通电而获得的。

在分析期间，收集的数据清楚地示出：在任一时刻，与光学模块相关联的时间偏移物理地定位在不同腔上面。通过确定在用于特定腔也就是这种情况下的腔82的光学模块1和2之间的时间偏移来计算偏移值。换句话说，该时间偏移指示对于相同的腔的由FAM光学模块捕捉的数据以及由ROX光学模块捕捉的数据之间的时间延迟量。

图9是示出用于每个腔的偏移减去综合数据的图。FAM由散列标记条(hash marked bar)指示，而ROX由打开条(open bar)标记，并且ROX数据被放置在FAM数据之上。数据示出，在光学模块1上没有来自ROX染料的信号，并且在光学模块2上没有来自FAM染料的信号。在光学模块1上具有较高的背景，通过滤光器的优化组来对该背景进行调整。对该数据进行分析从而确定检测的限制(LOD)，描述为等于基线噪声水平的信号。基线噪声水平被定义为空腔的十次扫描的平均加上标准差的3倍。

通过绘制的综合信号相对于FAX和ROX的浓度的线性最小二乘法拟合标准来确定LOD。FAM和ROX光学模块的LOD被分别地计算为1和4nM，如图10A和10B所示。

Claims (22)

1.一种检测装置，包括：

电机，用于旋转盘，该盘具有多个处理腔，所述每个处理腔保持相应样本以及多个荧光染料；

多个光学模块，其中，每个所述光学模块包括被选择用于所述染料中的不同染料的光源以及用来捕捉从所述盘发射的荧光的透镜；

检测器；以及

光纤束，连接到所述多个光学模块，从而将所述荧光从所述多个光学模块传输到所述检测器。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其中，每个所述光学模块进一步包括激励滤光器和检测滤光器。

3.根据权利要求1所述的检测装置，其中，所述光学模块的光源包括发光二极管或激光二极管。

4.根据权利要求1所述的检测装置，其中，所述装置包括至少四个光学模块。

5.根据权利要求1所述的检测装置，其中，所述检测装置进一步包括槽传感器触发器，所述槽传感器触发器提供输出信号，用于将处理腔位置与由所述检测器提供的数据进行同步。

6.根据权利要求1所述的检测装置，其中，所述光纤束包括多个光纤分支，所述多个光纤分支均在所述检测器的孔径处终止。

7.根据权利要求1所述的检测装置，其中，所述检测器是光电倍增器、放大光电二极管、雪崩光电二极管或光电晶体管。

8.一种检测***，包括：

数据获取装置；以及

连接到所述数据获取装置的检测装置，其中，所述检测装置包括：

电机，用于旋转具有多个处理腔的盘，每个所述处理腔具有发射不同波长的荧光的多个物质；

多个光学模块，其中，所述每个光学模块被光学配置为激励所述物质并捕捉由所述物质发射的不同波长的荧光；

检测器；以及

光纤束，连接到所述多个光学模块，从而将所述荧光从所述多个光学模块传输到所述检测器。

9.根据权利要求8所述的***，其中，所述数据获取装置计算在所述光学模块之间的时间偏移，并且基于所述时间偏移来处理来自所述检测装置的数据。

10.根据权利要求8所述的***，其中，所述每个光学模块进一步包括被选择用于不同波长的激励滤光器和检测滤光器。

11.根据权利要求8所述的***，其中，所述检测装置进一步包括槽传感器触发器，所述槽传感器触发器提供输出信号，用于将处理腔位置与由所述检测器提供的数据进行同步。

12.根据权利要求11所述的***，

其中，每个光学模块可以被物理安装在所述检测装置的各个位置处，以及

其中，每个光学模块可以沿着与所述光学模块的一个或多个标记配合的引导件***到相应位置中。

13.根据权利要求12所述的***，其中，每个光学模块包括用于连接到光纤束的分支的光学输出端口。

14.根据权利要求12所述的***，其中，每个光学模块具有一个或多个电触头，用于当所述光学模块被完全***到所述位置中时电连接控制单元。

15.根据权利要求8所述的***，其中，所述光纤束包括多个光纤分支，所述多个光纤分支均在所述检测器的孔径处终止。

16.根据权利要求8所述的***，其中，所述检测器是光电倍增器、放大光电二极管、雪崩光电二极管或光电晶体管。

17.一种荧光检测方法，包括：

旋转具有多个处理腔的盘，所述每个处理腔具有发射不同波长的荧光的多个物质；

利用多个光束来激励所述盘，从而生成多个发射的荧光束；

利用多个不同的光学模块来捕捉所述荧光束，其中，所述光学模块被光学配置为用于不同波长；

利用光纤束将所述荧光束从所述多个光学模块传输到单个检测器；以及

从所述检测器输出表示检测到的光束的信号。

18.根据权利要求17所述的方法，其中利用多个光束激励所述盘可以通过将所述光束发送通过激励滤光器而完成，而捕捉所述荧光束可以通过将所述荧光束发送通过检测滤光器而完成。

19.根据权利要求17所述的方法，进一步包括提供来自槽传感器触发器的输出信号，用于将处理腔位置与由所述检测器提供的数据进行同步。

20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述单个检测器包括光电倍增器、放大光电二极管或光电晶体管。

21.根据权利要求17所述的方法，其中，从至少四个光学模块产生和捕捉光束。

22.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：针对所述多个光束的每一个选择波长，以利用多个波长的荧光检测来激励聚合酶链反应的不同物质。

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