專利名稱：用于生物化學(xué)反應(yīng)的實時監(jiān)控裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于實時監(jiān)控各種生物材料之間的化學(xué)反應(yīng)的裝置。本發(fā)明尤其涉及一種用于生物化學(xué)反應(yīng)的實時監(jiān)控裝置，它包括溫度控制塊系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含能向反應(yīng)管供熱的熱電元件，將熱傳送到反應(yīng)管的熱傳送塊；光輻射源部分，它包含以均勻強度將光輻射到包含于反應(yīng)管內(nèi)的樣品的燈以及光波導(dǎo)；以及光學(xué)系統(tǒng)，它包括用于接收借助來自光輻射源發(fā)出的光而從樣品輻射的熒光的光接收部分。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及用于實時監(jiān)控各種生物材料之間的化學(xué)反應(yīng)的裝置。本發(fā)明尤其涉及一種用于生物化學(xué)反應(yīng)的實時監(jiān)控裝置，它包括溫度控制塊系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含能向反應(yīng)管供熱的熱電元件，將熱傳送到反應(yīng)管的熱傳送塊；光輻射源部分，它包含以均勻強度將光輻射到包含于反應(yīng)管內(nèi)的樣品的燈以及光波導(dǎo)；以及光學(xué)系統(tǒng)，它包括用于接收借助來自光輻射源發(fā)出的光而從樣品輻射的熒光的光接收部分。
近來，化學(xué)微處理器的研究和開發(fā)活躍地進(jìn)行，已可以在所謂片載實驗室的單片內(nèi)進(jìn)行樣品預(yù)處理、反應(yīng)、分離、檢測等。由玻璃、硅或塑料材料構(gòu)成并通過用于半導(dǎo)體芯片的光刻技術(shù)制造的片載實驗室安裝了微尺寸器件，用于快速和靈敏地分析樣品。
可連續(xù)執(zhí)行分析樣品所需的以上所有步驟，即預(yù)處理、反應(yīng)、分離、檢測等。此外，利用該芯片可將樣品分析所需的時間減少到秒或分鐘級，可將樣品量減少到微升級，并可使安裝該芯片的裝置的尺寸最小化。片載實驗室技術(shù)基于早在二十世紀(jì)九十年代初期由Harrison開發(fā)的毛細(xì)電泳，且公眾通過用于毛細(xì)電泳分析的小尺寸實驗室器件可集成于單片中的事實，開始知道該技術(shù)。
同時，近來，所謂實時PCR技術(shù)可通過來自反應(yīng)管的熒光檢測快速檢查擴(kuò)增反應(yīng)的每個周期的過程，而不用凝膠相中的分離步驟。用于該實時PCR技術(shù)的常規(guī)裝置可通過引入用于PCR的熱循環(huán)器和用于產(chǎn)品檢測的熒光計來制造。
常規(guī)實時PCR裝置由熱電元件、將熱傳送到包含樣品的反應(yīng)管的熱傳送塊、將光輻射入包含于反應(yīng)管中的樣品的光輻射源以及接收從樣品生成的熒光的光接收部分組成。
通過使用常規(guī)實時PCR裝置，借助用于重復(fù)冷卻和加熱的熱電元件的操作以實現(xiàn)包含于管中的生物化學(xué)樣品的反應(yīng)，通過測量每個周期完成時從樣品生成的熒光的強度可實時檢查PCR的過程。
一般在常規(guī)實時PCR裝置中，鹵素?zé)艉徒饘冫u化物燈被用作光輻射源。在該常規(guī)裝置中，選擇透射濾光片(9)選擇性地透射從燈(5)輻射的光中具有優(yōu)選波長的光，隨后所選擇的光經(jīng)由反射鏡(18)并通過聚光透鏡(17)被輻射入包含于管中的樣品。
隨后，包含于管中的樣品通過所選擇的光的輻射而生成熒光。所生成的熒光由反射鏡(18)反射并通過聚光透鏡(17)被聚焦。來自每個管的所聚焦的熒光在光接收部分的光接收元件上成像，以連續(xù)顯示和記錄反應(yīng)過程。
順便說，根據(jù)位置(即光束面的中心或邊緣)區(qū)分從常規(guī)裝置的光輻射燈產(chǎn)生的光強度。結(jié)果，該光強度通常隨著光束面的中心軸以高斯曲線變化并甚至在通過聚光透鏡時也維持該分布。
光束面的中心和邊緣之間的光亮度差會造成由于來自設(shè)置于邊緣處的樣品的熒光響應(yīng)較弱所以不能獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的問題。已嘗試了各種研究和開發(fā)來消除該現(xiàn)有技術(shù)問題。但，能克服上述問題的技術(shù)迄今仍未提出。這樣，能在日益擴(kuò)大的管板的整個區(qū)域上以均勻強度輻射光的技術(shù)在本領(lǐng)域是未知的。
出于以上原因，對于擴(kuò)大能同時監(jiān)控的管數(shù)量存在關(guān)鍵性限制。因此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種用于實時監(jiān)控生物化學(xué)反應(yīng)過程的裝置，它具有用于以均勻強度在與現(xiàn)有技術(shù)相比擴(kuò)大了的管板的整個區(qū)域上輻射光的技術(shù)部分。
此外，如圖5所示，現(xiàn)有技術(shù)的反應(yīng)管板通常是矩形的。但由燈和透鏡構(gòu)成的常規(guī)光輻射系統(tǒng)發(fā)出具有圓形面的平面波束。因此，光束的某些邊緣部分應(yīng)被消除以與矩形管板符合。由于光束的消除部分，該問題降低了源效率。
已提出消除光源低效率問題的各種研究。然而，適于緊湊集成的實驗室裝置的任何合適的方法仍未開發(fā)出來。
因此，本發(fā)明人設(shè)想通過提供光束經(jīng)過具有與管板相匹配的面形狀的波導(dǎo)管來加強光強度，從而改善監(jiān)控裝置的靈敏度。因此，本發(fā)明的另一目的在于提供一種用于生物化學(xué)反應(yīng)的實時監(jiān)控裝置，它可以通過使輻射光束經(jīng)由一鏡經(jīng)過光輻射部分而把具有均勻強度的光照射于反應(yīng)管板的整個區(qū)域上，甚至照射于與現(xiàn)有技術(shù)相比擴(kuò)大了的反應(yīng)管板的整個區(qū)域上。


本發(fā)明的以上目的和其它優(yōu)點將通過其較佳實施例的詳細(xì)描述并參考附圖而變得顯而易見，其中圖1是用于檢查各種生物樣品之間的生物化學(xué)反應(yīng)過程的本發(fā)明的實時監(jiān)控裝置的示意圖。
圖2是用于生物化學(xué)反應(yīng)過程的實時監(jiān)控的現(xiàn)有技術(shù)裝置的示意圖。
圖3是表示本發(fā)明的實時監(jiān)控裝置的管板上的發(fā)光度分布。這里，圖3a示出了管板，而圖3b示出了x方向上和y方向上的光強度分布。
圖4是本發(fā)明的實時監(jiān)控裝置中的平面波光的光波導(dǎo)管的示意圖。這里，圖4a示出了波導(dǎo)管。圖4b示出了光強度的分布曲線。圖4c示出了全內(nèi)折射的示意圖。
圖5是現(xiàn)有技術(shù)的實時監(jiān)控裝置中用于平面波光的輻射系統(tǒng)的示意圖。
圖6是本發(fā)明的實時監(jiān)控裝置中用于平面波光的輻射系統(tǒng)的示意圖。
圖7是本發(fā)明的實時監(jiān)控裝置中用于平面波光的光輻射系統(tǒng)的另一示意圖。
<圖標(biāo)簡述>
1散熱板2熱電元件3熱傳送塊4反應(yīng)管5燈6紅外截取濾光器7反射鏡1
8光波導(dǎo)管9選擇透射濾光片110聚焦透鏡111反射鏡212光接收元件13聚焦透鏡214選擇透射濾光片217聚光透鏡18反射鏡325入射光26發(fā)射光28光強度分布33聚光透鏡234管板36聚焦透鏡338聚光透鏡340具有拋物面鏡的燈41具有橢球鏡的燈具體實施方式
本發(fā)明的目的在于提供一種用于生物化學(xué)反應(yīng)的實時監(jiān)控裝置，它包括溫度控制塊，它包含能供熱給反應(yīng)管(4)的熱電元件(2)以及將熱傳送到包含樣品的反應(yīng)管(4)的熱傳送塊(3)；光輻射源部分，它包含以均勻強度輻射包含于反應(yīng)管中的樣品的光的燈(5)，截取來自燈的紅外線的紅外線截取濾光器(6)，用于獲得較寬區(qū)域中的來自燈光的均勻光束的光波導(dǎo)管(8)和第一聚焦透鏡(10)，用于選擇性地透射光以選擇性地監(jiān)控反應(yīng)過程的選擇透射濾光片1(9)，第二反射鏡(11)，以及第一聚光透鏡(17)；光學(xué)系統(tǒng)，它包括用于接收由光輻射源發(fā)出的光所生成的熒光(15)的光接收部分(12、13和14)。
此外，本發(fā)明的另一目的在于提供用于生物化學(xué)反應(yīng)的實時監(jiān)控裝置，它具有橢球鏡用于獲得均勻的光強度分布。
來自光輻射燈(5)的光被聚焦入光波導(dǎo)管(8)。該光波導(dǎo)管中的光以全內(nèi)反射的方式傳播。光波導(dǎo)管(8)端部處的光束變成均勻的二維光源并經(jīng)由第一聚光透鏡(10)被聚焦于包含在反應(yīng)管(4)中的樣品上。通過使用均勻光束(31)，可在反應(yīng)管的整個范圍上更方便地測量反應(yīng)過程。
因此，由于通過將均勻強度的光照射到更廣的反應(yīng)管區(qū)域上而減少了每個反應(yīng)管中輻射光強度的變化，可提供能更有效地檢查反應(yīng)過程的裝置。該裝置能處理均勻的反應(yīng)信息并在反應(yīng)管中同時使各種樣品發(fā)生反應(yīng)。
本發(fā)明的再一個目的在于提供一種具有改進(jìn)的反應(yīng)監(jiān)控靈敏度的用于生物化學(xué)反應(yīng)的實時監(jiān)控裝置。在本發(fā)明的改進(jìn)裝置中，作為用光波導(dǎo)管(8)把照射矩形光束(37)調(diào)節(jié)為矩形反應(yīng)管板的縱橫比以最小化現(xiàn)有技術(shù)中的光源損耗的結(jié)果，通過增加輻射入反應(yīng)管的光量改善了光源的使用效率。
本發(fā)明涉及一種使各種樣品反應(yīng)時的實時反應(yīng)過程的測量和監(jiān)控裝置。本發(fā)明尤其涉及一種用于生物化學(xué)反應(yīng)的實時監(jiān)控裝置，它包括溫度控制塊，它包括能供熱給反應(yīng)管的熱電元件和用于將熱傳送給包含樣品的反應(yīng)管的熱傳送塊；光輻射源，它包括將具有均勻強度的光輻射到包含于反應(yīng)管中的樣品上的燈，聚光透鏡和光波導(dǎo)管；光學(xué)系統(tǒng)，它包括用于接收通過光輻射源輻射的光生成的來自包含于反應(yīng)管中的樣品的熒光的光接收部分。
本發(fā)明的溫度控制塊由用于重復(fù)冷卻和加熱周期的熱電元件(2)以及用于將熱傳送到包含樣品的反應(yīng)管的熱傳送塊(3)所組成。此外，可附加地提供輻射板(1)用于增加該熱電元件的效率。當(dāng)溫度控制塊重復(fù)地進(jìn)行冷卻和加熱過程時，在遺傳擴(kuò)增反應(yīng)方面，反應(yīng)管中的生物樣品的量將逐漸擴(kuò)增到2n(n重復(fù)周期數(shù))。
在本發(fā)明的用于生物化學(xué)反應(yīng)的實時監(jiān)控裝置中，用于實時測量擴(kuò)增反應(yīng)過程并由光輻射源和光接收部分構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)被置于溫度控制塊上。
本發(fā)明的光輻射源包括將光照射到包含于反應(yīng)管中的樣品上的燈(5)，截斷來自燈的光的紅外線截取濾光器(6)，用于在較寬區(qū)域上獲得來自燈光的均勻光束的光波導(dǎo)管(8)和第一聚焦透鏡(10)，用于選擇性地透射特定波長的光以監(jiān)控管中的反應(yīng)過程的選擇透射濾光片1(9)，用于接收輻射光(16)產(chǎn)生的熒光(15)的聚光透鏡1(17)，以及改變光路的第二反射鏡(11)。
現(xiàn)有技術(shù)中，基本問題是反應(yīng)管板中心處的光強度和反應(yīng)管板邊緣處的光強度(32)彼此不同。本發(fā)明采用置于光源之前的光波導(dǎo)管(8)，以減少管板的中心和邊緣之間的光強度差并解決現(xiàn)有技術(shù)的問題。
波導(dǎo)管(8)被設(shè)計成在較寬范圍上均勻地輻射來自光源的光束。由于波導(dǎo)管(8)中的傳播介質(zhì)(n2)和周圍空氣(n1)之間的折射率，來自光源的光束經(jīng)過全內(nèi)反射。進(jìn)入波導(dǎo)管(8)的光束在其光出口(27)處形成均勻的平面波光源。
通常，在燈或透鏡型光學(xué)系統(tǒng)中，光強度在中心處分布得更密集而在邊緣處較少。邊緣處的光強度僅約中心處的50-60％。由于光強度差異，與置于邊緣處的樣品相比，由于它們之間不同的光強度量使得置于中心處的樣品顯示出更高的靈敏度和反應(yīng)水平。
在現(xiàn)有技術(shù)中為解決上述問題，已通過將所測的光強度調(diào)節(jié)到邊緣處的光強度來進(jìn)行分析。這造成整個裝置的靈敏度劣化。此外，在使用超靈敏光接收元件來克服靈敏度劣化問題的情況下，裝置需要在尺寸和成本上有所增加。
本發(fā)明通過把輻射光源(5)的第一反射鏡(7)形成為橢球鏡解決了現(xiàn)有技術(shù)的問題。采用該結(jié)構(gòu)，光束被聚焦于一點處并盡可能多地進(jìn)入光波導(dǎo)管(8)。指定光波導(dǎo)管(8)在光束的較寬橫截面上提供更均勻的光強度。波導(dǎo)管(8)利用傳播介質(zhì)(n2)和周圍空氣(n1)之間的折射率差。入射光束(29)的入射角(i)等于或大于臨界角(c)處的光束在波導(dǎo)管(8)內(nèi)部經(jīng)受全內(nèi)反射(30)。入射光束(29)經(jīng)過波導(dǎo)管(8)從光出口(27)發(fā)出，而沒有由于光分布引起的光強度損耗。按此方式，在波導(dǎo)管(8)的光出口(27)處形成高度均勻的二維光源。
本發(fā)明中，光波導(dǎo)管(8)中傳播介質(zhì)的折射率優(yōu)選為1.35～2.0。介質(zhì)中的全內(nèi)反射條件應(yīng)滿足入射光束(29)的入射角(i)等于或大于臨界角(c)。圖4中，參考標(biāo)號30表示了反射光束，26用于發(fā)射光束而32用于折射光。
在n1Sin(i)＝n2Sin(o)的條件下，nl＝1.0，sin(o)＝1(n1空氣的折射率，o＝90度)sin(c)＝n2(i(入射角)＞c(臨界角))如圖3所示，在光束橫截面上具有均勻分布強度的本發(fā)明的平面波光源與反應(yīng)管板(34)的中心處的光強度相比在邊緣處具有超過85％(21)的光強度，且通過實現(xiàn)與現(xiàn)有技術(shù)相比有實質(zhì)性改進(jìn)的光強度均勻度能更均勻地監(jiān)控反應(yīng)過程。
另一方面，用于同時進(jìn)行各種生物樣品的反應(yīng)的典型反應(yīng)管板(34)通常是矩形的，而包含燈和透鏡的現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)輻射系統(tǒng)產(chǎn)生圓形截面的平面波光束。
因此，如圖5所示，圓型橫截面的平面波光束被調(diào)節(jié)為矩形反應(yīng)管板(34)的形狀并去除矩形形狀所不需要的剩余部分(35)。光束(35)的去除導(dǎo)致來自光源燈的一部分光束被去除并造成光源效率的劣化。圖5中，參考標(biāo)號35表示被去除的光束。
但是，如圖6所示，本發(fā)明的光波導(dǎo)管(8)具有矩形橫截面(37)的形狀，以符合矩形板(34)的縱橫比，從而它能以最大效率使用來自燈的光，因為沒有光束被去除。如圖3中由參考標(biāo)號21和24所引用的，通過將照射于板上的光強度提升超過20％改善本發(fā)明的監(jiān)控靈敏度。圖3中，參考標(biāo)號21和24分別表示沿x軸和y軸的亮度分布。參考標(biāo)號22和23分別表示現(xiàn)有技術(shù)的沿x軸和y軸的亮度分布。
被控制成平面波光源形狀的輻射光經(jīng)過第一聚焦透鏡(10)、第一選擇透射濾光片(9)、第二反射鏡(11)和第一聚光透鏡被照射到包含放置在板上的反應(yīng)管(4)中的樣品上。通過溫度塊經(jīng)每個周期擴(kuò)增反應(yīng)管中的核酸樣品，并借助輻射光從擴(kuò)增樣品中生成熒光。
同時，本發(fā)明的光接收部分包括通過第一聚光透鏡(17)和第二反射鏡(11)將來自包含于反應(yīng)管(4)中的樣品的熒光(15)成像到成像元件方向的第二聚焦鏡(13)；用于通過第二聚焦透鏡(13)和第二選擇透射濾光片(14)記錄成像圖形的光接收元件(12)。
從樣品生成的熒光(15)經(jīng)過聚光透鏡1(17)、反射鏡2(11)和第二選擇透射濾光片(14)由第二聚焦透鏡(13)成像于光接收元件(12)上。由每個樣品的熒光形成的圖像被轉(zhuǎn)移到計算機上，該計算機根據(jù)每個周期分析變化反應(yīng)過程。此外，還可以通過在上述反應(yīng)管板中的各生物化學(xué)樣品反應(yīng)時比較和分析每個樣品，為每個樣品分析反應(yīng)過程。
如上所述，本發(fā)明的用于生物化學(xué)反應(yīng)的實時監(jiān)控裝置采用具有橢球型鏡的燈(5)和光波導(dǎo)管(8)，且能在整個反應(yīng)板(34)上的整個反應(yīng)板區(qū)域上以均勻的靈敏度監(jiān)控生物反應(yīng)過程。
利用具有均勻光強度的本發(fā)明的裝置，通過監(jiān)控反應(yīng)管板的中心和邊緣之間包含于反應(yīng)管中的樣品的反應(yīng)過程，本發(fā)明更準(zhǔn)確地在使各種樣品同時在一個反應(yīng)管板上反應(yīng)時有效地進(jìn)行各種樣品的比較分析。
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，包含于反應(yīng)管中的樣品的反應(yīng)過程在中心處和邊緣處相等，而由于被測熒光的光強度差異在進(jìn)行樣品反應(yīng)過程的比較分析時存在限制。本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的限制。因此，通過在反應(yīng)管板中的反應(yīng)期間最小化光檢測靈敏度的變化，本發(fā)明的用于生物化學(xué)反應(yīng)的實時監(jiān)控裝置能提供合適的裝置用于進(jìn)行各種樣品的反應(yīng)過程的比較分析。
此外，本發(fā)明提供了一種來自光源的光束輪廓，它被調(diào)節(jié)為矩形以符合反應(yīng)管板的矩形的縱橫比。本發(fā)明的該調(diào)節(jié)輪廓消除了現(xiàn)有技術(shù)中去除光束的某些部分的需要，從而能以最大效率使用來自光源燈的光束，因此改善了本裝置的能量效率。
權(quán)利要求
1.一種用于生物化學(xué)反應(yīng)的實時監(jiān)控裝置，它包括溫度控制塊，它包括能供熱給反應(yīng)管的熱電元件(2)以及將熱傳送到反應(yīng)管的熱傳送塊(3)；光輻射源，它包括將均勻強度的光照射到包含于反應(yīng)管中的樣品的燈(5)和光波導(dǎo)管(8)；以及光學(xué)系統(tǒng)，它包括用于接收借助來自所述光輻射源發(fā)出的光從樣品輻射的熒光的接收部分。
2.如權(quán)利要求1所述的實時監(jiān)控裝置，其特征在于，燈(5)包括第一橢球反射鏡。
3.如權(quán)利要求1所述的實時監(jiān)控裝置，其特征在于，光波導(dǎo)管的介質(zhì)的折射率為1.35～2.0。
4.如權(quán)利要求1所述的實時監(jiān)控裝置，其特征在于，光波導(dǎo)管具有矩形形狀。
5.如權(quán)利要求1所述的實時監(jiān)控裝置，其特征在于，光波導(dǎo)管具有圓形形狀。
6.一種用于生物化學(xué)反應(yīng)的實時監(jiān)控裝置，它包括溫度控制塊，它包括能供熱給反應(yīng)管的熱電元件(2)以及將熱傳送到包含樣品的反應(yīng)管的熱傳送塊(3)；光輻射源，它包括將均勻強度的光照射到包含于反應(yīng)管中的樣品的燈(41)、聚光透鏡3(36)和光波導(dǎo)管(8)；以及光學(xué)系統(tǒng)，它包括用于接收借助來自光輻射源發(fā)出的光從樣品輻射的熒光的接收部分。
7.如權(quán)利要求6所述的實時監(jiān)控裝置，其特征在于，燈(41)包括拋物面鏡。
8.如權(quán)利要求6所述的實時監(jiān)控裝置，其特征在于，光波導(dǎo)管的介質(zhì)的折射率為1.35～2.0。
9.如權(quán)利要求6所述的實時監(jiān)控裝置，其特征在于，光波導(dǎo)管(8)具有矩形形狀。
10.如權(quán)利要求6所述的實時監(jiān)控裝置，其特征在于，光波導(dǎo)管具有圓形形狀。
11.一種用于生物化學(xué)反應(yīng)的實時監(jiān)控裝置，它包括溫度控制塊，它包括能供熱給反應(yīng)管的熱電元件(2)以及將熱傳送到包含樣品的反應(yīng)管的熱傳送塊(3)；光輻射源，它包括將均勻強度的光照射到包含于反應(yīng)管中的樣品的燈(5)和光波導(dǎo)管(8)；以及光學(xué)系統(tǒng)，它包括用于接收由來自光源照射的光產(chǎn)生的熒光的光接收部分和改變光路的第二反射鏡(11)。
12.如權(quán)利要求11所述的實時監(jiān)控裝置，其特征在于，包括改變光路的兩個或更多第二反射鏡(11)。
13.如權(quán)利要求11所述的實時監(jiān)控裝置，其特征在于，燈(5)包括橢球鏡。
14.如權(quán)利要求11所述的實時監(jiān)控裝置，其特征在于，光波導(dǎo)管(8)的介質(zhì)的折射率是1.35～2.0。
15.如權(quán)利要求11所述的實時監(jiān)控裝置，其特征在于，光波導(dǎo)管(8)具有矩形形狀。
16.如權(quán)利要求6所述的實時監(jiān)控裝置，其特征在于，光波導(dǎo)管具有圓形形狀。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于實時監(jiān)控各種生物材料之間的化學(xué)反應(yīng)的裝置。具體地說，本發(fā)明尤其涉及一種用于生物化學(xué)反應(yīng)的實時監(jiān)控裝置，它包括拋物面鏡和/或光波導(dǎo)管，用于以均勻強度有效地將光照射到整個板上。
文檔編號G01N21/03GK1798969SQ200480015343
公開日2006年7月5日 申請日期2004年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月3日
發(fā)明者白種琇, 趙東衍, 樸翰怡, 樸翰悟 申請人:株式會社百尼爾