专利名称：一种基于光谱校正的毛细管阵列电泳检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种毛细管阵列电泳检测装置，属于高通量微量分析技术领域。
背景技术：
DNA测序是现代分子生物研究中的重要技术，而电泳技术是DNA测序中必不可少的技术手段。由于毛细管具有良好的散热效能，允许在毛细管两端加上高至30kV的电压， 分离毛细管的纵向电场强度可达到400V/cm以上，因而分离操作可以在很短的时间内完成，达到非常高的分离效率(理论塔板数达到400000/m以上，最高达107/m数量级)。因为毛细管的内径很小(一般< 100 μ m)，对内径50 μ m,长度为50cm的毛细管，其容积不足 1 μ L，进样体积在nL级，样品浓度可低于10 4mol/L。毛细管电泳技术达到了仪器分析所要求的高效，快速，样品用量少等最基本和最优异的特点。此外，毛细管电泳技术还有容易自动化，操作简便，容剂消耗少，环境污染小等优点。毛细管电泳技术应用首先集中在氨基酸，糖类，核酸和蛋白质等生物分子的分离分析上，随着此项技术的不断发展和完善，其应用已逐渐的向医药卫生，食品化工，环境等领域渗透。毛细管电泳技术还应用于DNA的高速测序，蛋白质的高效分离，糖类分析，细胞分析，手性拆分，物理化学常数的测定，生产工程控制等。为了提高毛细管检测的通量，毛细管阵列作为高通量电泳分析手段被广泛应用于生物化学分析中。在医疗、化学化工、生物制药、法医分析等领域广泛应用毛细管阵列进行微量试剂的定性和定量分析。毛细管阵列可以同时实现批量试剂的分析。但对于单个毛细管中多色荧光染料的同时检测，由于荧光标记物的荧光谱带比较宽，造成不同荧光光谱之间的很大重叠，通过普通的分光很难将它们很好的区分开，这也造成了毛细管电泳分析的很大误差。目前尚没有消除这些误差的成熟技术。
实用新型内容有鉴于此，为了克服现有技术的不足，本实用新型提供一种能够准确识别各荧光标记物特异性的毛细管阵列电泳检测装置，极大提高毛细管检测的精确度。本实用新型提供的一种基于光谱校正的毛细管阵列电泳检测装置，所述装置包括激光器、毛细管阵列、光栅、电荷耦合元件CCD及光学系统，激光器所发出的激光经光学系统照射到毛细管中的荧光染料产生荧光，经光栅分光再经光学系统在电荷耦合元件CCD 上成像形成荧光谱图，所述光学系统包括聚焦镜和滤光镜。进一步，所述激光器发射的激光通过聚焦镜照射毛细管中荧光染料，从毛细管中射出的激光和荧光束通过聚焦镜和滤光镜，激光被滤掉，荧光进入光栅，分光后的荧光束通过聚焦镜在CXD上成像，形成光谱图。本实用新型装置通过激光激发荧光染料产生光谱、通过光谱校正实现对每根毛细管中的多色荧光染料进行解谱。为实现对检测信号的特异性分析，必需进行校正处理，最通用的技术方法是建立颜料组合荧光信号矩阵，用于数据分析时信号强度的校正。对荧光的光强信息没有太苛刻的要求，只要得到荧光准确的位置和时间信号就可以获得所期望的实验结果。但是一般荧光标记物的荧光谱带比较宽，这造成不同荧光光谱之间的重叠成分很大，通过普通的分光很难将它们很好的区分开。如果采用把光谱展得很宽以获得较高的分辨能力的方法，会使荧光强度严重下降，探测灵敏度和信噪比就成为了难题。针对这类探测方法的特殊性，我们在进行荧光探测前要对所使用的已知荧光标记进行光谱校正，即要得到激光激发的每种所用标记荧光光谱在CCD上单独成像，根据成像得到荧光光谱的分布矩阵，对矩阵归一后就可以用归一矩阵对探测的荧光谱进行解谱以得到所要的荧光谱图。荧光光谱带较宽且强度很弱，用面阵CCD很难让荧光成像很好的区分开，如果把光谱展得很宽以获得较高分辨能力，荧光的强度会严重减弱，信号的灵敏度和信噪比会下降。如果光谱展开的比较窄，荧光比较强，则荧光光谱重叠就会加剧，甚至无法判读光谱峰位，解谱成为难题。为了兼顾以上两个方面，一般仪器都采用了光电倍增管来代替CCD。这就要同时采用多个光电倍增管，使得分光系统变得很复杂。针对荧光信号灵敏度和光谱解谱两个相互制约的难题，本实用新型采用激光激发荧光光谱，并对荧光光谱进行光谱校正的方法进行CCD信号处理。采用该方法无需太多关注光谱的展宽程度，只要所用荧光光谱形状不完全重合，强度分布不同，就可以通过光谱校正得到各种荧光的相对强度，同时把CCD 上所有的感光信号都有效利用起来，从而增加CCD的灵敏度，提高荧光信号的信噪比。用光谱校正对面阵CCD上荧光信号进行解谱的步骤如下。首先我们要知道所用荧光标记物有几种，设定为η种。我们让η种标记荧光分别在面阵C⑶上成像，得到这η种荧光在C⑶上的光谱分布。面阵CXD象素为mXp。把每种荧光落在C⑶每个象素上的荧光强记录下来，得到一个mXn的矩阵P。由于每种标记物被激发的荧光强度差别很大，为了后期进行信号处理的方便，对矩阵P进行归一得到矩阵Q =
(Qij) mXn0通过Q矩阵我们就可以对所用荧光在CXD上的成像组合进行光谱解谱了。如某时刻从CCD各个象素上采的荧光光强分布为一 mX 1矩阵B，每种荧光的相对强度是一个ηX 1 矩阵X，贝IJ :QX = B。进行矩阵变换得到X= (QtQ)^1(QtB)0从上式可以得知，当我们得到了光谱校正矩阵Q后，只要得到任意时刻荧光落在面阵CCD上各个象素的强度分布矩阵B，就可以通过光谱校正得到各种荧光的相对强度分布，从而得到所用荧光的光谱信息。在下面的实验中可以看出，即使CCD上的荧光光谱重叠非常严重，甚至无法判读出峰位，也可以通过这种方法得到很好的荧光谱图。进行DNA片断分析时，对获得CCD上的每一帧光谱数据，对每一根毛细管中的光谱数据，通过光谱校正矩阵解谱得到每种染料的光谱数据。对连续多帧光谱数据进行处理获得DNA片断信息。本实用新型的有益效果如下(1)采用激光激发荧光染料获得荧光染料组合矩阵实现单个毛细管中多色荧光染料的同时检测；(2)可以回收荧光染料分散在线阵CCD上所有象素上的有效光，光谱利用率高；(3)可以采用象素组合的方式提高分布矩阵的稳定性，减少计算量，提高检测的稳定性；
4[0018](4)可以应用与线阵C⑶检测实现单根毛细管的荧光检测，也可以应用于面C⑶上实现毛细管阵列的荧光分光处理；(5)实现装置结构简单，易操作。
图1是本实用新型一种基于光谱校正的毛细管阵列电泳检测装置结构示意图； 图2是光谱校正方法实现示意图。其中1-激光器、2-聚焦镜I、3-毛细管、4-激光和荧光束、5_聚焦镜II和滤光镜、6-光栅、7-荧光束、8-聚焦镜III、9-CCD、10-光谱图、11-荧光染料
具体实施方式
现结合附图及实施例对本实用新型装置作进一步详细说明。本实用新型的一种基于光谱校正的毛细管阵列电泳检测装置，包括激光器1、毛细管阵列3、光栅6、电荷耦合元件CCD9及光学系统，激光器所发出的激光经光学系统照射到毛细管3中的荧光染料11经光栅6分光再经光学系统在电荷耦合元件CCD9上成像形成荧光谱图10，所述光学系统包括聚焦镜II和滤光镜5。参考图1激光器1发射的激光通过聚焦镜I 2照射毛细管3中荧光染料11，从毛细管3中射出的激光和荧光束4通过聚焦镜II和滤光镜5，激光被滤掉，荧光进入光栅6， 分光后的荧光束7通过聚焦镜III 8在CXD上成显光谱图10。”参考图2，当荧光染料11通过毛细管3的检测窗口时被激光束1激发，荧光光谱经过成像装置成像在线阵(XD9上。用光谱校正对面阵CCD上荧光信号进行解谱的步骤如下。首先我们要知道所用荧光标记物有几种，设定为η种。我们让η种标记荧光分别在面阵CXD上成像，得到这η种荧光在CXD上的光谱分布。为了数据处理方便，我们把整个面阵CCD分成若干个小块(如每14象素X 3象素为一块)，标记为bin，假定总共用到m个 bin, 一般m >如。这里解释一下为什么要把CXD上的象素做bin处理如果用光谱校正对面阵CCD上荧光信号进行解谱的步骤如下。首先我们要知道所用荧光标记物有几种，设定为η种。我们让η种标记荧光分别在面阵CXD上成像，得到这η种荧光在CXD上的光谱分布。为了数据处理方便，我们把整个面阵CCD分成若干个小块(如每14象素X 3象素为一块)，标记为bin，假定总共用到m个 bin, 一般m >如。这里解释一下为什么要把CXD上的象素做bin处理如果以CCD上的象素为测量单位，建立起来的矩阵会稳定性很差，抗干扰能力弱，微小的扰动就可能带来不可预知的结果；当然如果bin选择的太大，矩阵的稳定性会很好，但是分光效果会比较差。故一般选择在20bin左右，并通过转换矩阵的条件数来衡量矩阵的抗干扰能力。把每种荧光落在CXD每个bin上的荧光强记录下来，得到一个mXn的矩阵P。 由于每种标记物被激发的荧光强度差别很大，为了后期进行信号处理的方便，对矩阵P进行归一得到矩阵Q= (Qij)mxn0通过Q矩阵我们就可以对所用荧光在CXD上的成像组合进行光谱解谱了。如某时刻从CXD各个bin上采的荧光光强分布为一 mX 1矩阵B，每种荧光的相对强度是一个nX 1矩阵X，贝|J:QX = B。进行矩阵变换得到X= (QtQ)^1(QtB)0从上式可以得知，当我们得到了光谱校正矩阵Q后，只要得到任意时刻荧光落在面阵CCD上各个bin的强度分布矩阵B，就可以通过光谱校正得到各种荧光的相对强度分布，从而得到所用荧光的光谱信息。在下面的实验中可以看出，即使CCD上的荧光光谱重叠非常严重，甚至无法判读出峰位，也可以通过这种方法得到很好的荧光谱图。进行DNA片断分析时，对每一根毛细管中的光谱数据，通过光谱校正矩阵解谱得到每种染料的光谱数据。原来分布杂散的光谱分光后得到每种荧光独立的位置分布，分布位置对应光谱波长。对连续多帧光谱数据进行处理获得DNA片断信息。尽管通过参照实用新型的某些优选实施例，已经对实用新型进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围。
权利要求1.一种基于光谱校正的毛细管阵列电泳检测装置，其特征在于，所述装置包括激光器、毛细管阵列、光栅、电荷耦合元件CCD及光学系统，激光器所发出的激光经光学系统照射到毛细管中的荧光染料，经光栅分光，再经光学系统在电荷耦合元件CCD上成像形成荧光谱图，所述光学系统包括聚焦镜和滤光镜。
2.按照权利要求1所述的基于光谱校正的毛细管阵列电泳检测装置，其特征在于，所述激光器发射的激光通过聚焦镜照射毛细管中荧光染料，从毛细管中射出的激光和荧光束通过聚焦镜和滤光镜，激光被滤掉，荧光进入光栅，分光后的荧光束通过聚焦镜在CCD上成像，形成光谱图。
专利摘要本实用新型提供一种基于光谱校正的毛细管阵列电泳检测装置，所述装置包括激光器、毛细管阵列、光栅、电荷耦合元件CCD及光学系统，激光器所发出的激光经光学系统照射到毛细管中的荧光染料，经光栅分光，再经光学系统在电荷耦合元件CCD上成像形成荧光谱图，所述光学系统包括聚焦镜和滤光镜。本实用新型采用激光激发荧光染料，获得荧光染料组合矩阵实现单个毛细管中多色荧光染料的同时检测；既可应用于线阵CCD检测实现单根毛细管的荧光检测，也可以应用于面CCD上实现毛细管阵列的荧光分光处理；实现装置结构简单，易操作。
文档编号G01N21/64GK202196015SQ20112020126
公开日2012年4月18日 申请日期2011年6月15日 优先权日2011年6月15日
发明者张涛, 李彬, 贾二惠, 赵怡鹤, 陈学亮 申请人:公安部第一研究所, 北京中盾安民分析技术有限公司