专利名称：用于生物化学反应的实时监控装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于实时监控各种生物材料之间的化学反应的装置。本发明尤其涉及一种用于生物化学反应的实时监控装置，它包括温度控制块系统，该系统包含能向反应管供热的热电元件，将热传送到反应管的热传送块；光辐射源部分，它包含以均匀强度将光辐射到包含于反应管内的样品的灯以及光波导；以及光学系统，它包括用于接收借助来自光辐射源发出的光而从样品辐射的荧光的光接收部分。
背景技术：
本发明涉及用于实时监控各种生物材料之间的化学反应的装置。本发明尤其涉及一种用于生物化学反应的实时监控装置，它包括温度控制块系统，该系统包含能向反应管供热的热电元件，将热传送到反应管的热传送块；光辐射源部分，它包含以均匀强度将光辐射到包含于反应管内的样品的灯以及光波导；以及光学系统，它包括用于接收借助来自光辐射源发出的光而从样品辐射的荧光的光接收部分。
近来，化学微处理器的研究和开发活跃地进行，已可以在所谓片载实验室的单片内进行样品预处理、反应、分离、检测等。由玻璃、硅或塑料材料构成并通过用于半导体芯片的光刻技术制造的片载实验室安装了微尺寸器件，用于快速和灵敏地分析样品。
可连续执行分析样品所需的以上所有步骤，即预处理、反应、分离、检测等。此外，利用该芯片可将样品分析所需的时间减少到秒或分钟级，可将样品量减少到微升级，并可使安装该芯片的装置的尺寸最小化。片载实验室技术基于早在二十世纪九十年代初期由Harrison开发的毛细电泳，且公众通过用于毛细电泳分析的小尺寸实验室器件可集成于单片中的事实，开始知道该技术。
同时，近来，所谓实时PCR技术可通过来自反应管的荧光检测快速检查扩增反应的每个周期的过程，而不用凝胶相中的分离步骤。用于该实时PCR技术的常规装置可通过引入用于PCR的热循环器和用于产品检测的荧光计来制造。
常规实时PCR装置由热电元件、将热传送到包含样品的反应管的热传送块、将光辐射入包含于反应管中的样品的光辐射源以及接收从样品生成的荧光的光接收部分组成。
通过使用常规实时PCR装置，借助用于重复冷却和加热的热电元件的操作以实现包含于管中的生物化学样品的反应，通过测量每个周期完成时从样品生成的荧光的强度可实时检查PCR的过程。
一般在常规实时PCR装置中，卤素灯和金属卤化物灯被用作光辐射源。在该常规装置中，选择透射滤光片(9)选择性地透射从灯(5)辐射的光中具有优选波长的光，随后所选择的光经由反射镜(18)并通过聚光透镜(17)被辐射入包含于管中的样品。
随后，包含于管中的样品通过所选择的光的辐射而生成荧光。所生成的荧光由反射镜(18)反射并通过聚光透镜(17)被聚焦。来自每个管的所聚焦的荧光在光接收部分的光接收元件上成像，以连续显示和记录反应过程。
顺便说，根据位置(即光束面的中心或边缘)区分从常规装置的光辐射灯产生的光强度。结果，该光强度通常随着光束面的中心轴以高斯曲线变化并甚至在通过聚光透镜时也维持该分布。
光束面的中心和边缘之间的光亮度差会造成由于来自设置于边缘处的样品的荧光响应较弱所以不能获得准确数据的问题。已尝试了各种研究和开发来消除该现有技术问题。但，能克服上述问题的技术迄今仍未提出。这样，能在日益扩大的管板的整个区域上以均匀强度辐射光的技术在本领域是未知的。
出于以上原因，对于扩大能同时监控的管数量存在关键性限制。因此，本发明的主要目的在于提供一种用于实时监控生物化学反应过程的装置，它具有用于以均匀强度在与现有技术相比扩大了的管板的整个区域上辐射光的技术部分。
此外，如图5所示，现有技术的反应管板通常是矩形的。但由灯和透镜构成的常规光辐射系统发出具有圆形面的平面波束。因此，光束的某些边缘部分应被消除以与矩形管板符合。由于光束的消除部分，该问题降低了源效率。
已提出消除光源低效率问题的各种研究。然而，适于紧凑集成的实验室装置的任何合适的方法仍未开发出来。
因此，本发明人设想通过提供光束经过具有与管板相匹配的面形状的波导管来加强光强度，从而改善监控装置的灵敏度。因此，本发明的另一目的在于提供一种用于生物化学反应的实时监控装置，它可以通过使辐射光束经由一镜经过光辐射部分而把具有均匀强度的光照射于反应管板的整个区域上，甚至照射于与现有技术相比扩大了的反应管板的整个区域上。
本发明的以上目的和其它优点将通过其较佳实施例的详细描述并参考附图而变得显而易见，其中图1是用于检查各种生物样品之间的生物化学反应过程的本发明的实时监控装置的示意图。
图2是用于生物化学反应过程的实时监控的现有技术装置的示意图。
图3是表示本发明的实时监控装置的管板上的发光度分布。这里，图3a示出了管板，而图3b示出了x方向上和y方向上的光强度分布。
图4是本发明的实时监控装置中的平面波光的光波导管的示意图。这里，图4a示出了波导管。图4b示出了光强度的分布曲线。图4c示出了全内折射的示意图。
图5是现有技术的实时监控装置中用于平面波光的辐射系统的示意图。
图6是本发明的实时监控装置中用于平面波光的辐射系统的示意图。
图7是本发明的实时监控装置中用于平面波光的光辐射系统的另一示意图。
<图标简述>
1散热板2热电元件3热传送块4反应管5灯6红外截取滤光器7反射镜1
8光波导管9选择透射滤光片110聚焦透镜111反射镜212光接收元件13聚焦透镜214选择透射滤光片217聚光透镜18反射镜325入射光26发射光28光强度分布33聚光透镜234管板36聚焦透镜338聚光透镜340具有抛物面镜的灯41具有椭球镜的灯具体实施方式
本发明的目的在于提供一种用于生物化学反应的实时监控装置，它包括温度控制块，它包含能供热给反应管(4)的热电元件(2)以及将热传送到包含样品的反应管(4)的热传送块(3)；光辐射源部分，它包含以均匀强度辐射包含于反应管中的样品的光的灯(5)，截取来自灯的红外线的红外线截取滤光器(6)，用于获得较宽区域中的来自灯光的均匀光束的光波导管(8)和第一聚焦透镜(10)，用于选择性地透射光以选择性地监控反应过程的选择透射滤光片1(9)，第二反射镜(11)，以及第一聚光透镜(17)；光学系统，它包括用于接收由光辐射源发出的光所生成的荧光(15)的光接收部分(12、13和14)。
此外，本发明的另一目的在于提供用于生物化学反应的实时监控装置，它具有椭球镜用于获得均匀的光强度分布。
来自光辐射灯(5)的光被聚焦入光波导管(8)。该光波导管中的光以全内反射的方式传播。光波导管(8)端部处的光束变成均匀的二维光源并经由第一聚光透镜(10)被聚焦于包含在反应管(4)中的样品上。通过使用均匀光束(31)，可在反应管的整个范围上更方便地测量反应过程。
因此，由于通过将均匀强度的光照射到更广的反应管区域上而减少了每个反应管中辐射光强度的变化，可提供能更有效地检查反应过程的装置。该装置能处理均匀的反应信息并在反应管中同时使各种样品发生反应。
本发明的再一个目的在于提供一种具有改进的反应监控灵敏度的用于生物化学反应的实时监控装置。在本发明的改进装置中，作为用光波导管(8)把照射矩形光束(37)调节为矩形反应管板的纵横比以最小化现有技术中的光源损耗的结果，通过增加辐射入反应管的光量改善了光源的使用效率。
本发明涉及一种使各种样品反应时的实时反应过程的测量和监控装置。本发明尤其涉及一种用于生物化学反应的实时监控装置，它包括温度控制块，它包括能供热给反应管的热电元件和用于将热传送给包含样品的反应管的热传送块；光辐射源，它包括将具有均匀强度的光辐射到包含于反应管中的样品上的灯，聚光透镜和光波导管；光学系统，它包括用于接收通过光辐射源辐射的光生成的来自包含于反应管中的样品的荧光的光接收部分。
本发明的温度控制块由用于重复冷却和加热周期的热电元件(2)以及用于将热传送到包含样品的反应管的热传送块(3)所组成。此外，可附加地提供辐射板(1)用于增加该热电元件的效率。当温度控制块重复地进行冷却和加热过程时，在遗传扩增反应方面，反应管中的生物样品的量将逐渐扩增到2n(n重复周期数)。
在本发明的用于生物化学反应的实时监控装置中，用于实时测量扩增反应过程并由光辐射源和光接收部分构成的光学系统被置于温度控制块上。
本发明的光辐射源包括将光照射到包含于反应管中的样品上的灯(5)，截断来自灯的光的红外线截取滤光器(6)，用于在较宽区域上获得来自灯光的均匀光束的光波导管(8)和第一聚焦透镜(10)，用于选择性地透射特定波长的光以监控管中的反应过程的选择透射滤光片1(9)，用于接收辐射光(16)产生的荧光(15)的聚光透镜1(17)，以及改变光路的第二反射镜(11)。
现有技术中，基本问题是反应管板中心处的光强度和反应管板边缘处的光强度(32)彼此不同。本发明采用置于光源之前的光波导管(8)，以减少管板的中心和边缘之间的光强度差并解决现有技术的问题。
波导管(8)被设计成在较宽范围上均匀地辐射来自光源的光束。由于波导管(8)中的传播介质(n2)和周围空气(n1)之间的折射率，来自光源的光束经过全内反射。进入波导管(8)的光束在其光出口(27)处形成均匀的平面波光源。
通常，在灯或透镜型光学系统中，光强度在中心处分布得更密集而在边缘处较少。边缘处的光强度仅约中心处的50-60％。由于光强度差异，与置于边缘处的样品相比，由于它们之间不同的光强度量使得置于中心处的样品显示出更高的灵敏度和反应水平。
在现有技术中为解决上述问题，已通过将所测的光强度调节到边缘处的光强度来进行分析。这造成整个装置的灵敏度劣化。此外，在使用超灵敏光接收元件来克服灵敏度劣化问题的情况下，装置需要在尺寸和成本上有所增加。
本发明通过把辐射光源(5)的第一反射镜(7)形成为椭球镜解决了现有技术的问题。采用该结构，光束被聚焦于一点处并尽可能多地进入光波导管(8)。指定光波导管(8)在光束的较宽横截面上提供更均匀的光强度。波导管(8)利用传播介质(n2)和周围空气(n1)之间的折射率差。入射光束(29)的入射角(i)等于或大于临界角(c)处的光束在波导管(8)内部经受全内反射(30)。入射光束(29)经过波导管(8)从光出口(27)发出，而没有由于光分布引起的光强度损耗。按此方式，在波导管(8)的光出口(27)处形成高度均匀的二维光源。
本发明中，光波导管(8)中传播介质的折射率优选为1.35～2.0。介质中的全内反射条件应满足入射光束(29)的入射角(i)等于或大于临界角(c)。图4中，参考标号30表示了反射光束，26用于发射光束而32用于折射光。
在n1Sin(i)＝n2Sin(o)的条件下，nl＝1.0，sin(o)＝1(n1空气的折射率，o＝90度)sin(c)＝n2(i(入射角)＞c(临界角))如图3所示，在光束横截面上具有均匀分布强度的本发明的平面波光源与反应管板(34)的中心处的光强度相比在边缘处具有超过85％(21)的光强度，且通过实现与现有技术相比有实质性改进的光强度均匀度能更均匀地监控反应过程。
另一方面，用于同时进行各种生物样品的反应的典型反应管板(34)通常是矩形的，而包含灯和透镜的现有技术的光学辐射系统产生圆形截面的平面波光束。
因此，如图5所示，圆型横截面的平面波光束被调节为矩形反应管板(34)的形状并去除矩形形状所不需要的剩余部分(35)。光束(35)的去除导致来自光源灯的一部分光束被去除并造成光源效率的劣化。图5中，参考标号35表示被去除的光束。
但是，如图6所示，本发明的光波导管(8)具有矩形横截面(37)的形状，以符合矩形板(34)的纵横比，从而它能以最大效率使用来自灯的光，因为没有光束被去除。如图3中由参考标号21和24所引用的，通过将照射于板上的光强度提升超过20％改善本发明的监控灵敏度。图3中，参考标号21和24分别表示沿x轴和y轴的亮度分布。参考标号22和23分别表示现有技术的沿x轴和y轴的亮度分布。
被控制成平面波光源形状的辐射光经过第一聚焦透镜(10)、第一选择透射滤光片(9)、第二反射镜(11)和第一聚光透镜被照射到包含放置在板上的反应管(4)中的样品上。通过温度块经每个周期扩增反应管中的核酸样品，并借助辐射光从扩增样品中生成荧光。
同时，本发明的光接收部分包括通过第一聚光透镜(17)和第二反射镜(11)将来自包含于反应管(4)中的样品的荧光(15)成像到成像元件方向的第二聚焦镜(13)；用于通过第二聚焦透镜(13)和第二选择透射滤光片(14)记录成像图形的光接收元件(12)。
从样品生成的荧光(15)经过聚光透镜1(17)、反射镜2(11)和第二选择透射滤光片(14)由第二聚焦透镜(13)成像于光接收元件(12)上。由每个样品的荧光形成的图像被转移到计算机上，该计算机根据每个周期分析变化反应过程。此外，还可以通过在上述反应管板中的各生物化学样品反应时比较和分析每个样品，为每个样品分析反应过程。
如上所述，本发明的用于生物化学反应的实时监控装置采用具有椭球型镜的灯(5)和光波导管(8)，且能在整个反应板(34)上的整个反应板区域上以均匀的灵敏度监控生物反应过程。
利用具有均匀光强度的本发明的装置，通过监控反应管板的中心和边缘之间包含于反应管中的样品的反应过程，本发明更准确地在使各种样品同时在一个反应管板上反应时有效地进行各种样品的比较分析。
根据现有技术，包含于反应管中的样品的反应过程在中心处和边缘处相等，而由于被测荧光的光强度差异在进行样品反应过程的比较分析时存在限制。本发明克服了现有技术的限制。因此，通过在反应管板中的反应期间最小化光检测灵敏度的变化，本发明的用于生物化学反应的实时监控装置能提供合适的装置用于进行各种样品的反应过程的比较分析。
此外，本发明提供了一种来自光源的光束轮廓，它被调节为矩形以符合反应管板的矩形的纵横比。本发明的该调节轮廓消除了现有技术中去除光束的某些部分的需要，从而能以最大效率使用来自光源灯的光束，因此改善了本装置的能量效率。
权利要求
1.一种用于生物化学反应的实时监控装置，它包括温度控制块，它包括能供热给反应管的热电元件(2)以及将热传送到反应管的热传送块(3)；光辐射源，它包括将均匀强度的光照射到包含于反应管中的样品的灯(5)和光波导管(8)；以及光学系统，它包括用于接收借助来自所述光辐射源发出的光从样品辐射的荧光的接收部分。
2.如权利要求1所述的实时监控装置，其特征在于，灯(5)包括第一椭球反射镜。
3.如权利要求1所述的实时监控装置，其特征在于，光波导管的介质的折射率为1.35～2.0。
4.如权利要求1所述的实时监控装置，其特征在于，光波导管具有矩形形状。
5.如权利要求1所述的实时监控装置，其特征在于，光波导管具有圆形形状。
6.一种用于生物化学反应的实时监控装置，它包括温度控制块，它包括能供热给反应管的热电元件(2)以及将热传送到包含样品的反应管的热传送块(3)；光辐射源，它包括将均匀强度的光照射到包含于反应管中的样品的灯(41)、聚光透镜3(36)和光波导管(8)；以及光学系统，它包括用于接收借助来自光辐射源发出的光从样品辐射的荧光的接收部分。
7.如权利要求6所述的实时监控装置，其特征在于，灯(41)包括抛物面镜。
8.如权利要求6所述的实时监控装置，其特征在于，光波导管的介质的折射率为1.35～2.0。
9.如权利要求6所述的实时监控装置，其特征在于，光波导管(8)具有矩形形状。
10.如权利要求6所述的实时监控装置，其特征在于，光波导管具有圆形形状。
11.一种用于生物化学反应的实时监控装置，它包括温度控制块，它包括能供热给反应管的热电元件(2)以及将热传送到包含样品的反应管的热传送块(3)；光辐射源，它包括将均匀强度的光照射到包含于反应管中的样品的灯(5)和光波导管(8)；以及光学系统，它包括用于接收由来自光源照射的光产生的荧光的光接收部分和改变光路的第二反射镜(11)。
12.如权利要求11所述的实时监控装置，其特征在于，包括改变光路的两个或更多第二反射镜(11)。
13.如权利要求11所述的实时监控装置，其特征在于，灯(5)包括椭球镜。
14.如权利要求11所述的实时监控装置，其特征在于，光波导管(8)的介质的折射率是1.35～2.0。
15.如权利要求11所述的实时监控装置，其特征在于，光波导管(8)具有矩形形状。
16.如权利要求6所述的实时监控装置，其特征在于，光波导管具有圆形形状。
全文摘要
本发明涉及一种用于实时监控各种生物材料之间的化学反应的装置。具体地说，本发明尤其涉及一种用于生物化学反应的实时监控装置，它包括抛物面镜和/或光波导管，用于以均匀强度有效地将光照射到整个板上。
文档编号G01N21/03GK1798969SQ200480015343
公开日2006年7月5日 申请日期2004年4月3日 优先权日2003年4月3日
发明者白种琇, 赵东衍, 朴翰怡, 朴翰悟 申请人:株式会社百尼尔