专利名称：用于化学反应和/或生化反应的光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于监控反应、特别是但非排它性地用于监控从发生化学反应或者生化反应的容器中所放射出来的光的光学系统。
背景技术：
许多化学反应和生化反应，产生可检测的光信号，比如在特定反应条件下出现的或者变化的荧光、化学发光(chemiluminescent)或者生物发光(bioluminescent)信号。由于试剂的原因或者在某些条件下发光反应的结果，例如，由于施加了激励能量，会发出这样的信号，或者可能是由反应本身生成而发出这样的信号。检测这些光信号可以用于各种用途。具体地，它们可以检测反应的发生，这可以表示在测试样本中出现了或者少了特定的试剂，或者提供与特定反应的过程或者动力学有关的信息。虽然，“光”一词通常用于包括可见光，要理解的是，可以从反应中放射出来的、并可以检测到的光学信号还出现在光谱的红外线和/或紫外线部分，“光” 一词旨在涵盖所有能从反应中放射出来的具有能检测到的任何波长的光学信号。在许多例子下，反应混合物含有的“发信号”试剂会多于一种，会需要随时间变化来检测或者监控其光信号，以提供与特定反应的发生、性质或者过程有关的全面信息。一个监控可检测信号特别是荧光信号的具体的反应例子是核酸扩增技术，尤其是聚合酶链反应(PCR)。通过聚合酶链反应(PCR)使DNA扩增是分子生物学的技术基础。PCR 是检测样本中出现特定的核酸所广泛使用且有效的技术，甚至是在目标核酸的相对量低的场合下。因此，它在各种领域，包括诊断和检测领域，以及在研究时，都是有用的。用PCR进行核酸分析要求准备样本、扩增和产品分析。虽然这些步骤是按顺序进行的，扩增和分析可以同时发生。在PCR的过程中，通过一系列的重复(reiteration)循环步骤使特定目标的核酸扩增，在所述循环步骤中，在相对高的温度下使反应混合物中的核酸变性，例如在95°C下变性(denature)(变性)，然后将反应混合物冷却到一个温度，在该温度下，短的寡核苷酸引物(Oligonucleotide primer)结合到单链目标核酸，例如，在55°C (退火)。之后，使用聚合酶(polymerase enzyme酶)将所述引物延长，例如在72°C下(延长)，使得其原始的核酸序列得以复制。重复变性、退火和延长这样的周期导致样本中所出现的目标核酸的量以指数级别增加。可以在扩增之前在PCR混合物中加入DNA染料或荧光探针，用于分析在扩增过程中PCR的进展。这些动力学测量法可以对原始样本中出现的核酸进行量化。在一些系统中，样本分析和扩增是在同一个仪器中的同一个试管内同时发生。由于不需要从样本的密闭容器取出它们进行进一步的分析，这样的合并方法减少了对样本的处理、节省时间并极大地降低了用于后继反应的产品被污染的风险。将扩增和产品分析结合起来的概念已经成为已知的“实时” PCR。但是，这些系统从系统内的多个不同的荧光团产生的信号复杂且经常重叠，这个事实意味着需要复杂的信号解析来判断来自各荧光团的信号的强度。因为PCR通常是在特殊构造的热循环仪中进行的，比如在干式加热器(block heater)中，其中同时容纳多个反应器的阵列，其复杂性进一步混起来。然后这些被一起循环，监控每个容器产生的信号。当前的PCR荧光测定(fluorimetry)系统经常要依赖于检测系统，比如单色检测器(CXD、光电二极管(photodiode)、PMT、CMOS检测器，等等)，这些检测器本身仅检测有光出现或者无光，但是不能区分不同波段或者颜色的光的量。因此，它们不能直接区别各种不同的荧光团信号。这个问题经常是用外部手段，将光分成或者过滤成不同的波段，在检测器的不同点上或者在不同的时间点上来检测。这些外部手段增加了仪器的成本、大小和复杂性。这样的外部手段经常需要精确地安装以进行光学校准，这样会减小仪器的鲁棒性或者产生与安装有关的尺寸、重量和成本。许多PCR分析有用的应用依赖于多个波段的读数，并且都需要测量所使用的每个容器，因此，如果一个仪器的光学设备需要重新调准以读取不同的波段或者容器，不可避免地增加了获得一系列读数所花费的时间(例如，滤光轮的运动或者孔之间光学系统的扫描会不可避免地导致延迟，在任何情况下，如果采集不是同时发生的话，它们所花费的时间更长)。这样的效果是减小了最大采集速率(rate of acquisition)，从而减小了对测量结果的时间分辨率，当所述采集是在反应过程中，比如在用于溶融分析的温度下降(ramp)的过程中进行时，这是至关重要的。
发明内容
因此，要有一种方法能够同时辨别和检测多个不同的反应器放射出来的不同波长的光将是有用的。相应地，在当前发明的第一方面，提供了一种用于检测在多个反应器中的至少一个反应器内发生的化学反应或者生化反应所放射出来的光的光谱的装置，各反应器包括具有发光区域的容纳部，光可从所述发光区域射出，所述装置包括具有小孔阵列的遮挡单元，光可从所述小孔通过，各小孔基本上比所述反应器的容纳部的发光区域小，各反应器附近有一个或多个所述小孔；以及光检测设备，用于基本上同时检测从所述化学反应或者生化反应经由所述小孔阵列发射出来的光的光谱。。此处所用的“反应器”的表述指的是任何形式的、其中可进行反应的载体或者容器。因此，它包括反应试管、反应板中的井孔以及玻片或薄片。通常所述光谱是特定试剂，如出现在化学或者生化反应中的染剂，的特征，因此具有那种特征的光谱的信号出现了或者缺少、或者强度可以指示所述反应混合物的性质或者状态。如此处所用的，“化学反应或者生化反应”的表述包括试剂会共同发生反应来产生新的或者不同的试剂或者产品的各种操作，并包括处理样本，以判断在变化的条件下，比如温度、电化学电势或者时间的变化，试剂中发生的变化。因此，所述表述包括像试剂的溶点分析之类的操作以及像PCR之类的反应。在一个实施例中，所述装置进一步包括用于将从所述遮挡单元的小孔中发出的光分散为色散光谱的散光设备。该散光设备可以是分光器，比如棱镜(prism)或者衍射光栅 (diffraction grating)0所述装置可以进一步包括多个光波导，被设置来将从所述遮挡单元的小孔所发出来的光引导到所述散光设备。在一个实施例中，所述光检测设备包括一个平面，在该平面上生成来自于所述孔的光的色散光谱，并包括一个或多个用于检测所述色散光谱内的具体光谱的检测器。所述散光设备可以包括用于将所述光分散成不同波段的分光设备。所述装置可以包括被设置成将从所述遮挡单元内的小孔发出的光引导到所述光检测设备的多个光波导。在一个实施例中，对每个反应器，所述遮挡单元包括至少两个小孔，所述多个光波导中的每一个被设置成以将各小孔发出的光引导到所述光检测设备，其中每个反应器的一个光的波导将所述光引导到所述光检测设备的一部分来检测所述光的一个特定光谱，每个反应器的另一个波导将所述光引导到所述光检测设备的另一部分来检测所述光的一个特定波长。在这个实施例中，所述光检测设备的不同部分可以包括对所述光的不同光谱敏感的光传感器。可以在所述光波导与所述光检测设备的不同部分之间放置滤光片，每个滤光片让所述光的不同光谱通过，到达所述光检测设备的各相应部分。根据所述装置的其它单元，可以有其它优点——比如，同时从所述或各容器采集每个波段意味着，在所述激励源可能会出现波动的系统中，将采集相等激励水平的每个波段和容器。所述容器内出现任何物理变化时，比如容器移动或者形成气泡，成分的冷凝或者运动会相等地影响每个波段的采集。在使用一种染色剂的量(经常是被动的)来使另一种 (经常是主动的)染色剂的量正常化的场合下这是较大的优点。由于不需要例如通过物理运动来改变采集波段或者容器/检测器校准，所述检测器可以采集具有最小中断的数据。由于所述检测器可以采集所有可用的波段，像采集波段的任何子集一样容易，就不需要用缩减的波段集合来工作，这样增加了后面分析的机会。在机器内的物理校准同样变得不那么至关重要，因为所述检测器仅需要对准所容器，而不非外部滤光器，等等，通过处理所述检测器的图像，例如图案识别和/或对位标记 (registration mark)，可以校准任何的未对准。为了例如使用荧光信号试剂从化学反应或者生化反应中生成可检测的信号，经常需要照亮反应混合物来提供光能，例如供荧光团吸收，以让它发出其特征光谱的光。可以连续监控所述信号，或者仅在每个热循环期间特定的时间点取得所述信号， 使得可以了解它在循环次数上的变化。根据第二个方面，本发明提供一种用于检测在多个反应器中的至少一个反应器内发生的化学反应或者生化反应所发射出来的光的光谱的装置，每个反应器包括具有发光区域的容纳部，光可从所述发光区域射出，所述装置包括具有与各反应器相靠近的小孔的遮挡单元，光可从所述小孔通过；多个光波导，用以将来自所述遮挡单元中的小孔的光引导到散光设备，所述散光设备用于将来自各光波导的光分散成色散光谱；以及光检测设备，用于基本上同时检测所述光的色散光谱中的光谱。
如上文所提到的，所述散光设备可以包括棱镜或者衍射光栅。所述装置可以还包括输出阵列单元，该输出阵列单元具有以预定阵列在所述散光设备附近排列的多个输出孔，其中各光波导包括第一端和第二端，所述第一端被约束为接收来自所述遮挡单元中的各相应小孔的光，所述第二端被约束在所述输出阵列单元中各相应输出孔处，以将光引导到所述散光设备。所述光检测设备可以包括一个平面，在该平面上生成来自于每个孔的光的色散光谱，并包括一个或多个用于检测所述色散光谱内的具体光谱的检测器。所述平面可以是所述检测器的感测表面，或者可以是在所述检测器的光学单元上的图像平面，所述光学单元可以含有适当的光学器件以将所述平面成像在感应表面上。所述输出阵列单元内的输出孔阵列可以设置成，使得在所述光检测设备的平面上的色散光谱至少在下面的光谱范围内不会重叠该光谱范围内有从所述容器发出的、并传给所述传感器的有效光(significant light)，并且该光谱范围内传感器具有高灵敏性 (significant sensitivity)。当然，显而易见的是，可以认为所述色散光谱是从深紫外线延伸到远红外线，这些波长会重叠，但是在不希望这些波长的光被发出的情况下这些波长的光可被有效地忽略，以及/或者所述光学器件(例如，棱镜)可以不传输这些光，以及/或者所述传感器对这些光不是特别灵敏。即使是这样，在所述传感器上可以有滤光器来阻挡红外线(IR)等等一这意味着如果一个光谱的顶部分与另一个光谱重叠是无影响的，因为所述传感器不会检测到重叠的顶光。还可以选择所述布置以有效地使用所述光检测设备的平面，例如，匹配其纵横比(aspect ratio)，并在所述色散光谱之间仅提供刚好够的空间，以基本上防止所述光谱之间的串扰)。这样的布置通过在较大面积的平面内提供读数， 可以提高测量的信噪比。在一个实施例中，在所述输出阵列单元内的所述输出孔阵列的面积比与所述反应器阵列相对应的小孔阵列的面积小。任意实施例的装置还可包括对应每个反应器的、设置在遮挡单元内靠近每个反应器的附加与和激励光源之间的附加光波导，用于将来自于所述激励光源的光引导到每个所述反应器。可以有多个激励光源，它们可以提供具有相同光谱或者不同光谱的激励光，来自于每个激励光源的激励光被经由一个或多个附加光波导被引导到每个所述反应器。因此，可以提供多个激励光源设置成使得每个光源将光引导到所述附加光波导中。可替换的是，可以给每个反应器提供多个附加光波导，每个波导引导一个或多个激励光源的激励光。合适的激励光源包括UV、卤光(halogen)、氙(Xenon)或者荧光灯、发光二极管、激光或者这些光源的组合。这个激励促使包含在反应器中的荧光染色剂或者标记发出具有适于所述检测器的类型的光谱范围内的特征光谱，然后这可以由所述检测器检测到。激励光源优选的是限制在所述光谱的区域，该区域与大部分信息类发光波长，例如，任何荧光团的峰值发光波长相区别，减少了滤光的需要，使得可以利用所述光谱更大一部分，而不会受到反射的激励的干扰。例如，因为最常使用的荧光团发出较长波长的光，紫外线和蓝色激励光源是有用的。
例如，通过使用所设置的单色(dichroic)镜将所定位的、以直接发光的一个光源的光传送到所述波导中，并将光从所设置的、以垂直于所述波导发光的另一个光源的光反射到所述波导中，可以实现将多个激励光源引导到同一个波导。可以使用具有相同光谱的多个光源来增加激励光的能量，或者可以使用不同光谱的光源，例如，在设计每个光源以给特定的一组荧光团提供可接受的激励之处。在提供多个光源之处，可以单独控制它们(在强度和光谱方面)，以在出现受控的激励光谱时可以采集。例如，常见的应用是从FAM和VIC染色剂得到所发出的荧光，其中带有适当滤光器的蓝色LED提供与所述FAM染色剂相匹配的激励，带有适当滤光器的绿色LED提供与所述VIC染色剂相匹配的激励。当从所述FAM染色剂采集光谱时，通过仅点亮所述蓝色LED，可以得到较好的读数，因为不会出现所述绿色LED激励光与所述FAM光在相似的波长进行干扰。然后可以单独点亮所述绿色LED，以从所述VIC染色剂采集光谱。所述装置还可以包括一个或多个额外的光波导，设置所述光波导以将来自于一个或多个激励光源的光引导到所述输出阵列单元，而不照射任何反应器。这样的光波导还可以包括滤光器，例如中密度滤光器，以降低从所述激励光源引导到所述输出阵列单元的光密度。这些额外的光导让激励源的强度和光谱能用和从所述反应器所发出的和反射的光同样的方法同时来测量。这是一个比值度量(ratio metric)测量的例子，其中将所述反应器发出的光与所述激励源的光谱和强度进行比较，以产生较为精确的测量结果，该结果受到激励源强度和光谱的变化的影响减小了。所述至少一个反应器优选的是形成为大体上为锥形构造，并可以由毛细管形成。优选的是，所述发光区域是在所述容纳部(receptacle)的顶部，但是它可以是在所述容纳部的侧面或者在所述容纳部的底部。所述遮盖单元可以通过安装有反应器的加热装置提供。在另一个方面，本发明提供一种用于检测在反应器阵列的多个反应器内发生的化学反应或者生化反应所发射出来的光的光谱的装置，每个反应器包括包括具有发光区域的容纳部，光可从所述发光区域射出，对每个反应器，所述装置包括至少一个光波导以将来自所述发光区域的光引导到散光设备，所述散光设备用于将来自光波导的光分散成色散光谱，所述装置还包括用于基本上同时检测所述光的色散光谱中的光谱的光检测设备；以及至少一个用于将激励光提供给所述反应器的容纳部的激励装置。优选的是，所述激励装置包括用于每个反应器的第二光波导，用于将来自于激励光源的激励光引导到所述反应器的容纳部。所述激励装置优选的是包括设置在所述反应器的容纳部内或者附近的激励光源。所述激励光源优选的是包括发光二极管(LED)。所述散光设备可以包括棱镜或者衍射光栅。优选的是，所述发光区域是在所述容纳部的顶部，和/或在所述托座部分的侧面和/或在所述托座部分的底部。所述光检测设备可能包括CXD或者CMOS检测器。所述多个反应器可以是包含在多孔板内，比如在48、96或者384孔板内。所述装置可以进一步包括具有干式加热器的热循环仪，以保持住所述多孔板。所述特定光谱可以是反应器内的特殊试剂的特征或者是特殊试剂的状态，并且/ 或者可以从反应中存在的单种类荧光团生成。
在一个优选实施例中，所述化学反应或者生化反应是在存在至少一种荧光团时进行的聚合酶链反应(PCR)，所述荧光团可选自下组嵌入核酸的荧光团，如嵌入染料；与核酸杂交的荧光团，如标记杂交探针；通过PCR工艺修饰的荧光团，如标记消化探针；之间有荧光能量转移的荧光团，如荧光标记探针；以及其它荧光探针。所述荧光团优选的是连接于特异性杂交至PCR的目标核酸序列的第一寡聚核苷酸探针的荧光标记，并且其中所述第一寡聚核苷酸探针含有第二荧光团，当该第二荧光团和所述荧光标记一起存在于所述探针上时，能够和所述荧光标记交换荧光能量，其中在所述PCR中应用具有5’-3’外切酶活性的聚合酶，以在所述反应的延伸阶段消化结合在目标核酸上的任何第一探针。如果必要的话，可以提供冷却设备或者冰箱设备用于冷却所述光检测设备，特别是当这是CCD时，以增加信噪比并获得更为准确的读数。
通过示例的方式参考以下附图以更充分地描述本发明的各种实施例，其中图1显示的是用于检测PCR系统中的光的光学系统的第一实施例的示意图；图2显示的是用于检测PCR系统中的光的光学系统的第二实施例的示意图；图3显示的是用于检测PCR系统中的光的光学系统的第三实施例的示意图；图4显示的是用于检测PCR系统中的光的光学系统的第四实施例的示意图；图5显示的是在图1的实施例中使用的阵列板的俯视图；图6显示的是图1的实施例中的图像区域的俯视图；图7显示的示意图与图1类似，但是在光学系统中包括有激励；图8显示的示意图与图1类似，但是是它的一种替代构造；图9显示的示意图与图8类似，但是与图7的系统类似，在光学系统中包括有激励；图10显示的是用于检测PCR系统中的光的光学系统的另一个实施例的示意图；图11显示的示意图与图10类似，但是在光学系统中包括有激励；图12显示的是用于检测PCR系统中的光的光学系统的进一步实施例的示意图；图13显示的示意图与图12类似，但是在光学系统中包括激励；图14显示的是用于检测PCR系统中的光的光学系统的再进一步实施例的示意图；图15显示的示意图与图14类似，但是没有单独的激励LED ；图16显示的是图13的系统的部分放大视图；图17显示的是与图16类似的放大视图，但是显示的是图15的那个系统的一部分；图18显示的是与图17对应的俯视图；图19显示的是与图17类似的视图，但是是它的一种替代构造；图20显示的是与图19对应的俯视图。
具体实施例方式因此，首先转到图1，图1显示了具有多个井孔2的多井孔阵列1，在所述多个井孔中放置反应器3。如现有技术的这种阵列一样，阵列1可能具有任意数目的井孔，例如48 个、96个或者384个。阵列1可以被设置在热循环仪的干式加热块4之中，这是本领域已知的。对本领域技术人显而易见的是，在反应器3中放入了所要用的试剂之后，可以将反应器密封，且可在它上面可以放置一个热盖(heated lid)。密件垫通常是由透明的塑料材料构成，附着在所述反应器和热盖的边沿，热盖用于给反应器边沿处的密封垫上提供压力，并将其加热以减少在密封垫内侧的冷凝液，热盖通常也是透明的或具有适当的孔让光从所述反应器内透出，这些要素在图中未示，因为它们不是本发明的一部分而是众所周知的。如图1所示，设置有遮挡板5，它可以是位于所热盖之上和/或位于密封垫之上，如果有的话。遮挡板防止光从反应器3漏出，而只让光从位于遮挡板5中、与每个反应器3的大致中心点对应的小孔6透出，从而确保最大量的光撞击在小孔6上。在每个小孔6中插入光纤7，光纤7将来自于所述反应器的光引导朝向散光单元，比如棱镜8。每根光纤7的一端安装在小孔6内或者在小孔6之处，另一端安装在阵列板9中的小孔30内或者小孔30 处，如图5所示。显而易见的是，光纤7引导从每个反应器发出的光，并将其以预定阵列导向棱镜8。预定阵列的小孔30布局如图5所示，有效地将来自于大阵列的光阵重新排列成阵列，如果反应器3的长度大约和其宽度相同，所述大阵列的光阵的形状大约为方形，在所述重新排列的阵列中，光纤的端部在一个维度(在图5中是竖向的)比另一个方向(在图 5中是水平的)更紧凑地在一起。也可以提供要被加热的遮挡板5，例如让电流流经电阻元件，因而如果需要的话它还起到热盖的作用。在这种情况下，优选的是所选择的光纤是对所述热盖所需的温度具有耐受力的。因此，来自于阵列板9中的光纤7的端部的光被沿着光路径11引导到棱镜8(或者其它散光单元，比如衍射光栅)，棱镜8将来自于每根光纤7 (也就是来自于每个反应器) 的光散开成全光谱12，如图1所示，进入检测器10。整个光谱投影在检测器10中图像平面 13上，如图6所示。通过这种方式，将来自于所有反应器所放射出来的光的整个光谱同时提供到检测器10处。因此可以看到，选择阵列板9中的阵列间隔，使得当由棱镜8散开至检测器10中的图像平面13上时，光谱12在一个方向上相对紧凑以使得所述光谱的高度合理地隔开，并光谱12在其它方向上充分地间隔开以使色散光谱不重叠。由于孔的直径基本上小于所述反应器的顶部区域尺寸，阵列板9内的孔阵列(以及图像面板13内的全光谱12 阵列)可比反应器3的阵列1的尺寸小。在一个实施例中，检测器10可以是由1/2" (12mm)单色CMOS传感器与适当的电子元件和软件一起构成，可捕捉到“原始”帧，给出实际测量的每个像素的光度(light level)。其与兆像素摄影镜头一起使用以形成照相机，该照相机可以将来自于空间内的平面的光聚焦到传感器芯片上。要注意的是，此处所用的“镜头”可互换地表示“光学镜头”、 “单片玻璃”或者“摄影镜头” / “镜头组件”，意思是用以在传感器平面上成像的一个透镜或多个成套使用的透镜，比如在CMOS传感器平面上。然后使用所述照相机通过简单的单片玻璃透镜和30°未覆膜的玻璃棱镜在所述光纤阵列上成像。给每个像素提供基本上相等的曝光间隔的全局快门控制的传感器非常适合用于本系统，因为在相同的时间段曝光整个图像意味着在所述图像中的每个光谱的每个通道受到任何随时间变化的条件(比如可变激励强度等)的影响相同。对于每一个反应器，每个通道还均等地受到所述反应器内任何时变条件的影响，例如，冷凝、温度、像气泡形成和运动之类的物理运动的影响。非常适合本系统的传感器包括那些在待采集的传感器阵列上提供具有不同参数的不同的像素子集的传感器，例如，所述参数是诸如模拟增益和偏移、ADC参考电压、像素的势垒和其它共同控制的采集设置。例子有Micron MT9T001之类的传感器，其中像素组成 2 X 2的块，每一个块的左上角像素都属于一个子集，右上角的像素属于另一个子集，左下角和右下角像素同样如此。这些像素子集中的每一个子集可以有不同的ADC增益参数。这可以被用来有效地延伸了所述传感器的动态范围，例如，如果在图像的偶数行使用4倍增益， 在图像的奇数行使用8倍增益设置，将有效地获得所述光谱图像作为增益水平不同的两个半分辨率图像，增益较低的图像具有较高的最大光饱和度，增益较高的图像在低光度处精度较大。另一个例子是Aptina/Micron MT9V024图像传感器，其中可以将图像划分成矩形区域的阵列，每个矩形区域可以有单独的数字增益和增益控制设置。所述光谱图像特别适合于在不同区域有不同增益的传感器，因为可以设置所述区域以与所述光谱图像吻合，给所述光谱的不同区域予以不同的增益设置，从而给不同波长的区域予以不同的增益设置。这可以被用来获取强度等级不同的光谱区域，以给每个区域提供最佳的信噪比(SNR)和最小量化噪声。给光度提供在输出代码方面有非线性响应的传感器非常适合用于本系统，特别是当可以对传感器的响应进行编程时，例如，通过用多个线性响应区域和/或缩放 (companding)来编程。这种传感器的一个例子是Aptina/Micron MT9V024，它可以使用12 位到10位的缩放，如果有不同的线性响应，也可以被给予多达3个区域，产生更大的动态范围。例如，假定在与测量精度是关键的早期循环PCR扩增相关的光度处信噪比和灵敏度好， 可以配置这样的传感器，使它们产生较亮的光，以输出低光度增益，但是，然后在稳定阶段在与中间和后期循环PCR相关的较高光度产生较低的增益，在稳定阶段测量精度没那么关键。然后可以使用与所述激励光的激励相关的、在甚高光度的甚低增益的最终区域来测量所反射的光，而不用从均一的较高增益级产生的饱和。如图6所示，通过在同一时间提供来自每个反应器来的色散光的全光谱12，检测器可以检测所述全光谱范围内所需的任何特定的光谱。因此，图6显示了全光谱12内可以检测到的三个波段(对应于红色14、绿色15和蓝色16)，如果需要的话。当然，如果需要的话，也可以检测到特定的波长，也可以检测其它波段。可以根据正在进行的特定分析的要求，如时间和波长所要求的，由所述检测器扫描图像平面13内的每个全光谱12，并对各全光谱进行监视和分析，本领域技术人员对这点应该是清楚的。在上面描述的实施例的一个替代实施例中，小孔6不必比所述反应器的顶部区域小，而是可以具有与其大致相似的尺寸。在这种情况下，安装在所述小孔内或者在所述小孔处的每根光纤7的端部也将具有大致相近的尺寸，且所述光纤的直径逐渐变细至较小的直径，安装在阵列板9中的小孔30内或小孔30处的另一端也是这样。显而易见，这个实施例的优点是，从所述反应器放射出来的所有的光将被所述光纤的大直径端捕获到，然后随着所述光通过所述光纤的渐细部分而被“集中”。在阵列板9和检测器10之间，所述系统和前文描述的一样，这样两个实施例的优点是，来自所述反应器阵列的信号被重新排成更适合穿过所述棱镜到达所述检测器的形式，即通过阵列板的“图像”的总尺寸(外形尺寸)比所述阵列板本身的总尺寸小。例如，在从上面采取的所述容器阵列的直接图像中，通常只有约1/4(或以上)的板图像区域会具有从所述容器所发出的光的主要量(subtantial amount)—余下的3/4 图像是所述容器之间的区域。当将所述遮挡单元和光纤放置在所述容器阵列和所述检测器之间，并如前文描述得那样重新排列所发出来的光时，即使所产生的图像更少地显示发出的光(例如，所述系统可能实际只有约1/10的被照射面积)以给所述井孔光谱(well spectra)留有必要的空间来分散开而不会重叠，由此产生的图像比直接图像小，所述产生的图像是透过所述棱镜到达所述检测器的整个图像(即，来自于所述阵列中的所有容器的光)。现在描述本发明的其它实施例，与上文参考图1、图5和图6描述的单元相同或类似的元件将给予相同的附图标记。因此，如图2所示，本发明的第二个实施例与图1的实施例有相同的元件，除了不需要光纤7。在这种情况下，如果反应器3的阵列1不是太大，可能没有必要使在检测器10的图像平面13上的全成像光谱阵列收缩。然而，在这种情况下，仍然用遮挡板5来阻挡来自于反应器3内的反应所放射的大部分光线，而只允许直径小得多的光束11透过遮盖板5中的小孔6到达棱镜8并抵达图像平面13上。这样避免全光谱12 在图像平面13上重叠，如果来自于每个反应器3的整个顶部区域的光要由所述棱镜分散， 就会发生重叠。图3和图4的实施例同样使用遮挡板5遮挡反应器3，只允许光从每个反应器经由遮挡板5中的小孔6透出。同样，光纤7安装在小孔6内或小孔6处，但这里，每个反应器 3附近设置有数个(在这里是3个)这样的小孔6，使得每个容器3有数根光纤7将来自于各反应器3的光引导到检测器10的几个独立部分。在这里，有三根这样的光纤，将来自于每个反应器3的光引导到检测器10的三个独立的部分。因此，可以给检测器10提供独立的部分来检测不同的特定光谱，例如，用于检测红色、蓝色和绿色。因此，不必要有单独的散光单元。如图3所示，有三组(17、18和19)光纤7，每一组内的光纤将来自于每个反应器3 的光引导到检测器10的不同部分20、21和22，用于分别检测红色、绿色和蓝色的特定光谱。 每个检测器10的各部分包括传感器23和滤光器M、25和26。每组17，18和19光纤的第二端放置为靠近各滤光器对、25和沈，滤光器过滤来自于各组光纤的第二端的光，以将到达各传感器的光限制为特定的光谱或者波段。因此，在这种情况下，滤光器M是红色滤光器，滤光器25是蓝色滤光器。传感器23可以是相同的，或者可以对它们所要感测的光的颜色有特异性。当然，如果传感器23是颜色特异性的，它们只检测特定的光谱，那么便不需要滤光器，如图4所示。每一组光纤的第二端可直接定位至靠近一个合适的传感器，如红色传感器27、绿色传感器28和蓝色传感器四。对于上文描述实施例的大多数，应理解，可以在遮挡板5内靠近每个反应器3设置另一小孔37，在小孔37内或者在小孔37处(附近？？)安装光纤31的一端，如图7所示。 这些光纤31，通过使它们的另一端位于一个或多个激励光源32、33的附近，可以用来给所述反应器带来激励光。激励光纤31可以在激励接收端合并在一起，以使光更容易被导入其中。可以设置有一个穿孔的板35，因为往往更容易将所述光纤捆绑成一个约六边形的捆绑光纤束，但这并不是必须的。在这个实施例中(它是基于上文所述的第一实施例)，一个激励光源可以是蓝色的高亮度LED 32，上面具有非球面透镜。另一个激励光源可以是绿色的LED 33。LED 32和 33放置在分色镜34的两侧，合并来自于两个LED 32和33的激励光，并将它引导到均质器 36 (其本质上是一个六角形棱镜或玻璃圆柱体)。分色镜34允许来自于LED 32的蓝色光投射，并将来自于LED 33的绿光反射到所述均光器，该均光器通过在均光器内多次反射所述激励光，使每个激励光导更为均勻的照度。这种组合在激励光纤束的磨光后的端部产生在空间上均勻的照度，使每个反应器3收到相当均等的激励。应该指出，分色镜34可以由其它一些手段替代，来指引来自于两个LED的光线进入所述光纤，例如，用一个Y形光导，甚至只是通过让这些LED成角度，都以一定角度照进所述光纤中。一个实施例可有安装在圆柱形金属套圈中的16对发光/激励光纤，每个套圈有一个激励光纤和一个发光光纤。然后，可以将所述套圈放置在现有的热盖的孔中，供使用。所述光纤是由耐热塑料制成，耐受与约110°C的所述热盖接触。当然，如果使用基本上覆盖所述反应器的顶部的整个区域的锥形(渐细)光纤，那么就没有空间供激励光纤所用。在这种情况下，可以和引导所述发光所用的光纤相同的光纤引导所述激励光。然后，为了检测来自于反应器的光谱，打开激励源(蓝色或绿色)，让它稳定一小段短时间，然后获得所述光纤端部的图像。各种校正过程可以适用于该图像；例如，通过从获得的图像中减去一个“暗”的图像，纠正所述读数中的任何偏移(offset)。这个暗图像是传感器暴露于尽可能少的光获取的，以测量每个像素给出的恒定偏移，甚至没有光(这是一个标准的光学矫正技术)。进一步的处理阶段是丢弃图像像素中被认为是没有提供可靠的光测量值的像素；例如，由于电流的泄漏或者其它测量瑕疵所造成的具有较高读数的所谓的热像素。然后最终校正后的图像显示的波谱和图6描绘的一样多。要纠正在定位光学器件和光纤时不可避免的误差，可以进行校准。只有当所述仪器已经制造好时或者在所述仪器受到干扰之后一由于物理冲击、拆卸等等，才应该有必要进行校准。校准可以只是使用空容器阵列将激励光反射回每根光纤。然后便可以看到图像中由所述光纤的末端所限定的、 相对较好的图像，因为所述激励光有一个窄波段。然后，通过手动或者自动，可以找到所述反应器的每个亮点的位置，这可以作为那个反应器的所述光谱内的一个固定的参考点。然后为每个容器的光谱定义一个矩形(或其它形状的)区域，并与校准值存储在一起。最后，为了要解释一给定的图像，提取每个容器的光谱。从所述校准值中查找所述容器的光谱区域，然后简单地沿着从左至右顺序扫描光谱区域，平均在每个区域中的像素的强度，给出与这些像素相对应的波段中的光谱本身的强度。有各种转换手段，但一个简单且适当的方式是平均所述光谱区域的每个垂直列中的所有像素，给垂直地在所述光谱的中心较亮的像素更大的权重。每一列的平均值即成为该列或读数通道的强度。最后阶段的矫正是将所述通道映射到分散在所述图像的那一列的实际波长一这可以通过对棱镜的分散行为建模或测量已知光谱来完成的，但并不总是必要的，因为它可以通过通道而非波长来比较光谱。虽然在上文的描述中，从所述反应器所产生的光显示的是从所述反应器的顶部区域发出来的，当然，可以理解，所述发光区域可以在任何位置。所述反应器的“顶部”意欲涵盖所述反应器上发出光来的的发光区域的任何位置。因此，举例来说，图8显示了与图1相同的系统，但是以反向构造，与图1相同的单元具有相同的标号，其中遮挡板5位于加热器块4的附近，在这种情况下，加热器块4在加热器块4的主要单元39之间的孔井2内有孔 38以暴露出反应器3。反应器3形成为一种大体上为锥形的构造，使反应器3的发光区域在所述锥形反应器的最低点。当然，当反应器密封时，干式加热器4内的反应器阵列可以是以任何期望的构造排列，所以如图8所示的锥形反应器3的最低点可以恰好是实际上的“顶部”。图9显示了与图8相同的系统构造，但如参考图7所描述的系统一样其中有激励光纤31。在这种情况下，和图7 —样，遮挡板5中设置有靠近各井孔2的底部中的孔38的第二孔37。如上文所描述的，激励光纤31将来自于激励光源32、33的激励光引导到反应器 2，激励其中的任何荧光团。图10和图11图示的实施例和图8和图9的实施例类似，但是其中遮挡板5是由加热器块4本身形成。可以看出，在这种情况下，加热单元39主要在井孔2之下延伸，提供插入有光纤7(在图11中是31)的小孔38。在图11的实施例中，所图示的光纤7和31插入到小孔38被合并成一根光纤。光纤7和31可以是用任何已知的方式并起来的，例如通过平行合并的方式，例如多根光纤被包在同一个外套中。现转到图12，图12示出了一种装置，其使用安装在安装板41中的阵列的毛细管 40来代替反应器2。毛细管40可以，例如，通过在它们的周围吹热气被加热。在此实施例子中，除了光纤7的端部伸出遮挡板5以使它们能够被正确定位至靠近各自毛细管40的端部之外，其余的特征与图10中的特征类似，并具有相同的附图标号。如图16最清楚地示出的，因为光纤7的接收(或发光)角度42有限，使所述光纤的末端更靠近毛细管内的反应流体43就意味着要考虑所述毛细管的位置容差，在悬式毛细管40的情况下的容差可能稍微大于在加热器块中的井孔中的容差。当然，如果所述光纤的端部太近，毛细管末端将只是刚刚与所述激励和发光的“锥体”的交集处匹配，所述毛细管的任何横向运动会导致光不能被捕捉到。另一方面，如果所述光纤过远，比如处在安装板5内中，那么当就位后，例如由于加热气体的压力引起的毛细管40的位置变化或移动就有了余地，因为接收锥42增大了，但在光收集效率和激励方面由于激励锥的尺寸增加而相应减少。如图12的实施例所示，在每个毛细管40的附近有可提供具有适当的激励光的发光二极管(LED)44。在图13可替代的实施例中，以与前面实施例相同的方式提供激励光，使用激励光纤31将激励光从一个或多个激励光源32、33带到毛细管40。图14显示了又一个实施例，与图10类似，其中相同的单元具有相同的标号。在这种情况下，如在图12的实施例中一样，激励光由LED 44提供。然而，光纤7的端部延伸穿过的加热器块4中的孔38的位置是从所述加热器块的底部朝上延伸，然后从其侧面延伸到加热器块中的井孔2，使得光纤7的端部靠近反应器3的侧面。当然，应理解，所述图没有充分显示孔38，只是仅以示意的方式显示了朝上延伸通过加热器块4的光纤7，所示的孔38 靠近井孔2的侧面。还显示了成直角的光纤7，虽然在实践中它们当然不是那么棱角分明。 在图17和18所清楚示出的，需要准确地将光纤7定位在反应器3的附近，使得接收角度42 可以捕获从反应液43所发出的尽可能多的光线。但是，如上文所述，一旦就位后，反应器3 将不能过分移动，以使结果差不多不受毛细管40的影响。图15显示了又一实施例，与图14中的实施例类似，同样的单元具有同样的标号。 在这种情况下，将孔38做得较小，光纤的端部安装在所述孔内，使得在加热器块单元39内的井孔2的侧部形成为遮挡板，防止通过小孔38的光之外的光线到达光纤7。虽然在图15 中未示，要理解的是，如在前面的实施例一样，可以由从一个或多个激励光源引导激励光的激励光纤31提供激励光。虽然可以将激励光纤放在和发光光纤7同一个孔38内，如图17 所示，但这意味着对反应器而言，激励光纤31和发光光纤7都不在理想的位置，因为接收角度42和发光角度45都会偏离中心。图19和20显示了在加热器块内的两根光纤分开的情况，使得它们的端部以分开90度地靠近反应器，以尽量减少可能会进入到发光光纤7的激励光的量。从图19中可以看出，无论是接收角度42还是发光角度现在都对准反应器3，反应流体43完全在各光纤的接收角度和发光角度内。要理解的是，虽然仅详细描述了本发明的几个具体的实施例，在不偏离本发明的范畴内本领域技术人员可以做出各种改动和改进。例如，在图1中从板9到图像平面13的路径上放置更多的光学部件往往是有用的。举例来说，通过添加一个或多个镜子来“折叠” 光学路径11可能是有用的。这样减小了整个光学组件的尺寸，而与所述系统的实际操作或者性能差别不大。另一个额外的部件的例子是在棱镜8之前或者之后具有额外的透镜，以对所述光路进行进一步校正——再次提一下，这可以不是必须的，而是众所周知的校正各种像差的光学技术。这样的额外的光学单元可以形成所述色散单元的一部分，但是可以是单独的部件。也要理解，虽然图1中所示的图像平面13是在检测器10的前面，可替换的是，它可以对着所述检测器的背面，如果所述检测器是由在它前面带有一个合适的相机镜头模块的CMOS传感器构成时。在图14和15的实施例中，光纤竖向通过块4，但是，要理解的是，在某些情况下，可以将所述光纤的竖向部分设置在所述块之外——例如，在有一排井孔的块中，所述光纤可以简单地从所述块的“侧面”水平地到所述井孔，因为在所述路径中没有其它井孔。显然可以以同样的方式设置具有两排井孔的支架，光纤从所述支架的两个较长的竖向侧面进入。
1权利要求
1.一种用于检测在多个反应器中的至少一个反应器内发生的化学反应或者生化反应所发射出来的光的光谱的装置，各反应器包括具有发光区域的容纳部，光可从所述发光区域射出，所述装置包括具有小孔阵列的遮挡单元，光可从所述小孔通过，各小孔基本上比所述反应器的容纳部的发光区域小，各反应器附近有一个或多个所述小孔；以及光检测设备，用于基本上同时检测从所述化学反应或者生化反应经由所述小孔阵列发射出来的光的光谱。
2.根据权利要求1的装置，还包括散光设备，用于将从所述遮挡单元的小孔放出来的光分散成色散光谱。
3.根据要求2的装置，其中所述散光设备包括光发散设备。
4.根据权利要求3的装置，其中所述光发散设备包括棱镜。
5.根据权利要求3的装置，其中所述光发散设备包括衍射光栅。
6.根据权利要求2至5任意一项的装置，其还包括多个光波导，用于将来自所述遮挡单元的小孔的光引导到所述散光设备。
7.根据权利要求2至6任意一项的装置，其中所述光检测设备包括平面，在该平面上生成来自于所述小孔的光的色散光谱，并包括一个或多个用于检测所述色散光谱内的特定光谱的检测器。
8.根据权利要求2的装置，其中所述散光设备包括用于将所述光分散成不同波段的分光设备。
9.根据权利要求1的装置，其还包括被设置以将来自所述遮挡单元内的小孔的光引导到所述光检测设备的多个光波导。
10.根据权利要求9的装置，其中，对每个反应器，所述遮挡单元包括至少两个小孔，所述多个光波导中的每一个被设置成将来自各小孔的光引导到所述光检测设备，其中各反应器的一个光波导将所述光引导到所述光检测设备的一部分以检测所述光的一个特定光谱， 各反应器的另一个光波导将所述光引导到所述光检测设备的另一部分以检测所述光的一个特定光谱。
11.根据权利要求10的装置，其中所述光检测设备的不同部分包括对所述光的不同光谱敏感的光传感器。
12.根据权利要求10的装置，其还包括放置在所述光波导和所述光检测设备的不同部分之间的滤光器，各滤光器使所述光的不同的光谱通到所述光检测设备的各自相应部分。
13.根据权利要求9至12任意一项权利要求的装置，其还包括用于每个反应器的、设置在所述遮挡单元中靠近各反应器的附加孔和激励光源之间的附加光波导，用于将所述激励光源的激励光引导到所述每个反应器。
14.根据权利要求13的装置，其包括多个激励光源，用于提供具有相同光谱或者不同光谱的激励光，来自于各激励光源的所述激励光经由一个或多个附加光波导被引导到各反应器。
15.根据权利要求9至14任意一项权利要求的装置，其还包括用于将来自一个或多个激励光源的光引导到所述光检测设备的一个或多个补充光波导。
16.一种用于检测在多个反应器中的至少一个反应器内发生的化学反应或者生化反应所发射出来的光的光谱的装置，每个反应器包括具有发光区域的容纳部，光可从所述发光区域射出，所述装置包括具有与各反应器相靠近的小孔的遮挡单元，光可从所述小孔通过；多个光波导，被设置成将来自所述遮挡单元中的小孔的光引导到散光设备，所述散光设备用于将来自各光波导的光分散成色散光谱；以及光检测设备，用于基本上同时检测所述光的色散光谱中的光谱。
17.根据权利要求16的装置，其中所述散光设备包括棱镜。
18.根据要求16的装置，其中所述散光设备包括衍射光栅。
19.根据权利要求16至18任意一项权利要求的装置，其还包括输出阵列单元，该输出阵列单元具有以预定阵列在所述散光设备附近排列的多个输出孔，其中各光波导包括第一端和第二端，所述第一端被约束为接收来自所述遮挡单元中的各相应小孔的光，所述第二端被约束在所述输出阵列单元中各相应输出孔处，以将光引导到所述散光设备。
20.根据权利要求16至19任意一项权利要求的装置，其中所述遮挡单元中的小孔的尺寸基本小于所述反应器的容纳部的发光区域的尺寸，且所述光波导被设置成捕获从所述小孔发出的光。
21.根据权利要求20的装置，其还包括用于每个反应器的、设置在所述遮挡单元中靠近各反应器的附加孔和激励光源之间的附加光波导，用于将所述激励光源的激励光引导到所述每个反应器。
22.根据权利要求19的装置，其中在所述遮挡单元中的小孔的尺寸与所述反应器的容纳部的发光区域的尺寸基本近似，所述光波导的直径从它们的第一端逐渐变细，所述第一端的直径与所述反应器的容纳部的顶部区域的直径基本近似，从而所述光波导的第二端的直径基本小于所述第一端的直径。
23.根据权利要求19至22任意一项权利要求的装置，其中所述光检测设备包括其上产生来自于每个孔的光的色散光谱的平面，以及用于检测所述色散光谱内的特定光谱的一个或多个检测器。
24.根据权利要求23的装置，其中在所述输出阵列单元中的输出孔的阵列被设置成使得在所述光检测设备的所述平面上的色散光谱，至少在其中具有从所述容器发出并被传给传感器的有效的光且其中所述传感器具有显著的灵敏度的光谱范围内，不会重叠。
25.根据权利要求23或对所述的装置，其中所述输出阵列单元中的输出孔阵列的面积小于与所述反应器阵列相对应的小孔阵列的面积。
26.根据权利要求16至25任意一项权利要求的装置，其包括多个激励光源，它们可以提供具有相同光谱或不同光谱的激励光，来自于每个激励光源的激励光被引导到各所述反应器。
27.根据权利要求9至沈任意一项权利要求的装置，其还包括一个或多个补充光波导， 被设置将来自一个或多个激励光源的光引导到所述光检测设备。
28.根据前述任意一项权利要求的装置，其中至少一个所述反应器形成为基本上锥形构造。
29.根据前述任意一项权利要求的装置，其中至少一个所述反应器由毛细管形成。
30.根据权利要求观或四的装置，其中所述发光区域是在所述容纳部的顶部。
31.根据权利要求观或四的装置，其中所述发光区域是在所述容纳部的侧面。
32.根据权利要求28或四的装置，其中所述发光区域是在所述容纳部的底部。
33.根据权利要求32的装置，其中所述遮挡单元是由其中安装有所述反应器的阵列的加热装置提供。
34.一种用于检测在反应器阵列的多个反应器内发生的化学反应或者生化反应所发射出来的光的光谱的装置，每个反应器包括具有发光区域的容纳部，光可从所述发光区域射出，对每个反应器，所述装置包括至少一个光波导，所述光波导被设置成将来自所述发光区域的光引导到散光设备，所述散光设备用于将来自光波导的光分散成色散光谱，所述装置还包括用于基本上同时检测所述光的色散光谱中的光谱的光检测设备；以及至少一个用于将激励光提供给所述反应器的容纳部的激励装置。
35.根据权利要求34的装置，其中对每个反应器，所述激励装置包括第二光波导，用于将来自激励光源的激励光引导到所述反应器的容纳部。
36.根据权利要求34的装置，其中所述激励装置包括设置在所述反应器的容纳部内或者附近的激励光源。
37.根据权利要求36的装置，其中所述激励光源包括发光二极管(LED)。
38.根据权利要求34至38任意一项所述的装置，其中所述散光设备包括棱镜。
39.根据权利要求34至38任意一项所述的装置，其中所述散光设备包括衍射光栅。
40.根据权利要求34至39任意一项所述的装置，其中所述发光区域是在是在所述容纳部的顶部。
41.根据权利要求34至39任意一项所述的装置，其中所述发光区域是在所述容纳部的侧面。
42.根据权利要求34至39任意一项所述的装置，其中所述的发光区域是在所述容纳部的底部。
43.根据前述权利要求中任意一项所述的装置，其中所述光检测设备包括CCD或CMOS 检测器。
44.根据前述权利要求中任意一项所述的装置，其中所述多个反应器都包含在多孔板内。
45.根据权利要求44的装置，其还包括热循环仪，其具有用于保持所述多孔板的干式加热器。
46.根据前述任意一项权利要求的装置，其中所述特定光谱是反应器内的特定试剂的特征或特定试剂的状态。
47.根据前述任意一项权利要求的装置，其中所述特定光谱是从在所述反应中出现的、 单一种类的荧光团获得的。
48.根据前述任意一项权利要求的装置，其中所述化学反应或者生化反应是在存在至少一种荧光团的情况下进行的聚合酶链反应(PCR)，所述荧光团选自下组中的一种或多种嵌入核酸的荧光团，如嵌入染料；与核酸杂交的荧光团，如标记杂交探针；通过PCR工艺修饰的荧光团，如标记消化探针；之间有荧光能量转移的荧光团，如荧光标记探针；以及其它荧光探针。
49.根据权利要求48的装置，其中所述荧光团是连接于特异性杂交至PCR的目标核酸序列的第一寡聚核苷酸探针的荧光标记，并且其中所述第一寡聚核苷酸探针含有第二荧光团，当该第二荧光团和所述荧光标记一起存在于所述探针上时，能够和所述荧光标记交换荧光能量，其中在所述PCR中应用具有5’-3’外切酶活性的聚合酶，以在所述反应的延伸阶段消化结合在目标核酸上的任何第一探针。
全文摘要
检测多个反应器中至少一反应器(3)内化学或生化反应发出光的光谱的装置。各反应器(3)包括具有可射出光的发光区的容纳部。装置包括具有各容器(3)的光可透出的小孔(6)阵列的遮挡单元(5)。多个光波导(7)将光从遮挡单元(5)的小孔引到散光设备(8)，将来自各波导(7)的光分散成色散光谱。光检测设备基本同时检测色散光谱的光谱。一实施例中小孔(6)基本比反应器发光区小，光波导(7)直径从其第一端渐细，第一端直径与反应器容纳部顶部区域相近从而光波导第二端直径小于第一端。一替换实施例中不用光导，来自各小孔的光被笔直引到散光设备。又一实施例中各反应器有第二波导，各波导将光引到不同检测器检测特定光谱。
文档编号G01N21/25GK102341694SQ201080011733
公开日2012年2月1日 申请日期2010年1月8日 优先权日2009年1月8日
发明者本杰明·马斯特曼·韦伯斯特, 理查德·阿尔弗雷德·豪厄尔, 詹姆斯·理查德·豪厄尔, 马克·昆汀·克拉克 申请人:It-Is国际有限公司