用于基本同时地监测样品阵列中的样品的紧凑光学系统的制作方法
【专利说明】用于基本同时地监测样品阵列中的样品的紧凑光学系统
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请主张享有于2013年3月15日提交的、名称为"Compact Optical System for Substantially Simultaneous Monitoring of Samples in a Sample Array (用于样 品阵列中的样品的基本同时监测的紧凑光学系统）"的美国专利申请序列号13/834, 056的 优先权和权益，该申请通过援引由此而被总体并入。
【背景技术】
[0003] 生物学研究的发展已经产生了若干化验技术（诸如报道基因化验、新药化合物筛 选、高通量聚合酶链式反应（"PCR"）、实时PCR以及相似的化验），并造成了在同一时间处 理大量的测试样品以便控制成本、以及有效地处理如此大量的样品的需要。目前有若干分 析方法可用于这些样品的高通量筛选。一种用于在高通量设置中监测样品的重要的方法是 使用来自焚光（fluorescent)染料等物质的冷光（luminescence)。这样的物质可被用作标 记、报告基因或标准参照物，用于冷光量可被用作样品槽中的选定性质的直接或间接测量 值的各种试验分析。
[0004] 在高通量化验或实时化验中，大量的样品典型地是在多槽样品板（被称为化验微 孔板）中被一起处理和分析的（例如通过冷光发射）。这些微孔板设置有多个槽组成的阵 列，在典型的示例中通常有48或96个槽，但是384个槽和1536个槽的微孔板也正在变得 更加常见。目前最常见的构造形式是96个槽（8乘12的结构）。说明性地，无论槽的数目 是多少，所有板可具有大致相同的直径。也有其他构造和尺寸的板。
[0005] 在很多化验中，化验微孔板槽被试验样品所填充，且随后被放置在仪器中，该仪器 可包括检测器系统，检测器系统例如为冷光微孔板读取器，该冷光微孔板读取器用于测量 每个试验槽的相对的冷光发射量。因为用于微孔板化验的不同的冷光材料产生不同程度的 光强，所以光强可用作试验结果的直接或间接测量值，亦即光强越强，结果就越大。例如，一 些PCR热循环仪包括光学系统，用于实时监测经受热循环（热循环用于核酸扩增或扩增后 熔解）的样品的冷光发射量。在这些系统中，一个或多个样品中所包含的一种或多种试剂 的荧光发射量可被用于监测诸如像模板浓度、产物浓度、DNA熔点温度、以及类似参数。
[0006] 尽管冷光微孔板、冷光微孔板读取器以及相似的仪器在自动筛选中有巨大的实用 性，但是仍有些问题影响其使用。具体而言，除非光学装置（例如数码相机或模拟相机或其 他检测器）被移动至足够地远离微孔板，否则光学装置通常就不能同时地看到所有槽的底 部。这在图1中示出（图1示出了从相对近的距离观察到的96槽板100)。如在图1中可 见的，相机或其他类型的检测器仅能一直看到板中的处于被标记为"110"的中心区域内的 那些槽的底部。然而，因为槽壁的阻碍，相机不能看到处于区域110之外的区域中的那些槽 的底部。这在例如槽120a和120b处被示出。一些系统已被研发出来，为的是使微孔板读 取器以及相似仪器能够看到微孔板的所有槽的内部。
[0007] 在一个示例中，检测器（例如像数码相机之类的光学装置）可被移动至足够地远 离微孔板，以允许检测器看到所有槽的底部。然而，将光学装置移动至足够地远离微孔板， 这样就增大了板读取器的形状因数，并且通常导致板读取器大而笨重。同样，任意地增加光 学装置与微孔板之间的距离会导致来自微孔板的光散射和信号损失，而且还会导致来自相 邻样品槽的信号之间产生串扰。
[0008] 在另一示例中，冷光微孔板读取器可具有一系列的光学装置，其中，每个装置被定 位成对应于保持试验样品的微孔板中的槽。光学装置常常是光电二极管。
[0009] 在又一示例中，冷光微孔板读取器可适配有单一一个光学装置，其中，板、读取装 置、或板与读取装置两者顺序地移动到合适的读取位置，以便检测每个槽中的冷光。当所涉 及的一个或多个对准的部件在适当位置发生移位或被损坏时，对准可能会受到不利影响。 如果因为任何原因对准不正确的话，槽将不会被恰当地居中而与光学读取装置对准，从而 导致不正确的冷光测量。
[0010] 在又一示例中，冷光微孔板读取器可适配有单一一个光学装置和一个或多个光学 透镜，光学透镜将来自槽中的信号聚焦到该光学装置。然而，这样的光学透镜系统可能既昂 贵又笨重。此外，用于测量冷光的光学器件还必须在测量来自一个样品槽的冷光时避免来 自邻近槽的串扰。
【发明内容】
[0011] 一般而言，本公开涉及被构造用于能够从公共参考点基本同时观察和监测阵列中 的多个兴趣点的光学系统和设备。例如，阵列中的多个点可包括96槽板中的样品槽。根据 本公开的一个实施例，若没有诸如本文公开的那些光学系统和设备，只有少于所有多个点 的点能够基本同时地从公共参考点被观察到。
[0012] 在一个实施例中，公开了一种限定有光路的光学系统。该光学系统包括具有多个 兴趣点的本体，该本体作为元件被包括在光路中；以及被设置在光路中工具，能够基本同时 地观察多个兴趣点中的每个兴趣点。被设置在光路中能够基本同时地观察多个兴趣点中的 每个兴趣点的工具的适合的示例包括但不限于：具有复合曲率的反射镜；具有单一曲率轴 线的样品块，该样品块与具有单一曲率轴线的反射镜配对，该反射镜与样品块互补；以及具 有复合曲率的样品块。然而，应注意的是，被设置在光路中的工具不同于聚焦透镜。
[0013] 在一个方案中，被设置在光路中的工具被定位并构造成，使得该工具基本同时地 提供每个兴趣点的基本不受阻碍的视图。在另一方案中，被设置在光路中的工具被构造成， 使得该工具限定从每个兴趣点到公共参考点的光线长度，从多个兴趣点到公共参考点的距 离小于或等于预定距离。在另一方案中，从每个兴趣点到公共参考点的那些光线长度中的 每个光线长度在长度上基本相等，而且对于至少一部分的路径，上述光线长度具有基本彼 此平行的路径。
[0014] 在另一实施例中公开的是一种设备。该设备可包括：热循环系统，被构造用于使被 容纳在相应的多个样品容器中的多个生物样品经受热循环；以及光学系统，限定与热循环 系统在操作上相关的光路。该光学系统可被构造和布置成用于基本同时监测多个生物样品 中的每个生物样品的荧光。
[0015] 在一个实施例中，光学系统可包括：样品块，其为光路的元件，该样品块包括顶表 面和限定有多个下凹式底表面的多个样品槽；共同地限定一个或多个曲面的一个或多个元 件，上述一个或多个曲面被设置在光路中。一个或多个曲面的合适的示例包括但不限于：具 有复合曲率的反射镜；具有单一曲率轴线的样品块，该样品块与具有单一曲率轴线的反射 镜配对，该反射镜与样品块互补；以及具有复合曲率的样品块。一个或多个曲面被构造成， 使得一个或多个曲面共同地限定从每个兴趣点到公共参考点的光线长度，从这些兴趣点到 公共参考点的距离小于或等于预定距离。这些由一个或多个曲面限定的光线长度可以基本 相同。
[0016] 在一个实施例中，样品块可包括顶表面和限定有多个下凹式底表面的多个样品容 置部，其中，多个下凹式底表面限定有第一多个兴趣点。在另一实施例中，样品块的多个样 品容置部中的每个样品容置部被构造成与多个样品管或多槽槽板（多井井板）接触。样品 管包括外表面、内表面和多个下凹式底表面，多个下凹式底表面限定第二多个兴趣点。一个 或多个曲面可被构造并布置成，从第二多个兴趣点到公共参考点的光线长度基本相同。
[0017] 在另一实施例中，本公开描述了一种设备，该设备包括：热循环系统，被构造用于 使样品经受热循环；以及光学系统，与热循环系统在操作上相关，该光学系统被构造并布置 用于监测样品中的荧光。该光学系统包括：照明光源（例如多色光源）和带通滤光器，带通 滤光器能够透射来自照明光源的至少两个不同谱带的光，以从样品中的两个或更多个荧光 体中激发荧光；以及相机，被设置用于从样品中的两个或更多个荧光体中收集荧光。
[0018] 根据下文的描述及随附的权利要求书，本发明的这些和其他目的和特征将变得更 加明显，或可通过本发明下文阐述的实施获知。
【附图说明】
[0019] 为了进一步明确本发明上述的及其他的优点和特征，以下将通过参考在附图中示 出的具体的实施例来提供对本发明的更具体的描述。应理解的是，这些附图仅示出本发明 所描述的实施例，且因此不应被认为是对本发明范围的限制。以下将使用附图，以附加特征 和细节来描述和说明本发明，附图中：
[0020] 图1示出一个96槽板；
[0021] 图2A示出一个光学系统，其可用于基本同时地观察由多个兴趣点组成的阵列；
[0022] 图2B示出图2A的样品块（sample block)的单一样品容置部；
[0023] 图2C示出其中插入有样品管的图2A的样品块的单一样品容置部；
[0024] 图3A示出具有复合曲率的反射镜的等距视图；
[0025] 图3B示出图3A的反射镜的侧视图；
[0026] 图3C示出图3A的反射镜的另一侧视图；
[0027] 图3D示出对于图3A的反射镜和样品块的光线追迹图；
[0028] 图4A不出具有复合曲率的反射镜的另一实施例的等距视图；
[0029] 图4B示出图4A的反射镜的侧视图；
[0030] 图4C示出图4A的反射镜的另一侧视图；
[0031] 图4D示出图4A的反射镜的光线追迹图；
[0032] 图5A示出具有复合曲面的样品块的等距视图，该样品块可在用于基本同时地观 察由多个兴趣点组成的阵列的的光学系统中使用；
[0033] 图5B示出图5A的样品块的侧视图；
[0034] 图5C示出图5A的样品块的另一侧视图；
[0035] 图6A示出用于基本同时地观察兴趣点阵列的光学系统，包括具有单一曲率轴线 的样品块相对于具有单一正交曲率轴线的反射镜的等距视图；
[0036] 图6B示出图6A的样品块的等距视图；
[0037] 图6C示出图6A的反射镜的等距视图；
[0038] 图7是根据本公开的方案的热循环系统的示例性实施例的框图；
[0039] 图8A示出热循环系统的等距视图，该热循环系统包括光学系统，该光学系统可用 于基本同时地观察经受热循环的样品的阵列；以及
[0040] 图8B不出图8A的热循环系统的局部剖视图。
【具体实施方式】
[0041] I.序言和定义
[0042] 一般而言，本公开涉及光学系统和设备，其被构造成能够从一个公共参考点基本