實時螢光定量基因擴增儀的光路檢測系統的製作方法

2023-05-23 14:56:26 1

專利名稱：實時螢光定量基因擴增儀的光路檢測系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及生物學及醫學的檢測，具體涉及一種實時螢光定量基因擴增儀的光路系統。
背景技術：
傳統的螢光定量基因擴增儀螢光光信號檢測方法是將光源經光路系統後從檢測樣品基座的上部並通過樣品管頂蓋照射到樣品管內，請先參閱圖1所示，光信號經過樣品管10中的被測樣品後再從基座中的樣品管上部返回到其後的光路元件和光信號傳感器，以此來實現瞬間的螢光實時檢測。當入射光在經過樣品管10上的頂蓋101時，由於頂蓋101上表面呈弧狀會引發光路混亂，若要減少這一現象勢必要提高樣品管及頂蓋的質量要求；另外由於光線從樣品管上部返回，增加了返回光在空氣介質中的光路路徑，且易發生光散射和光強度衰減較大的現象，最後導致檢測靈敏度降低，成本居高不下。針對上述問題，中國專利申請號為0124582.5公開了一種定量基因擴增儀的螢光檢測系統，在該篇文獻中，光路系統中包含了光源，透鏡，濾光片，雙向鏡，入射多芯光纖束，在光路系統中，改變了樣品管的入射光和返回光的路徑，將光纖束直接從樣品管10的底部或側部導入了樣品管中的被測樣品。該文獻所揭示的技術方案對上述問題雖然在一定程度上有所解決但不可避免的仍存在以下問題①光路系統設計仍較複雜，檢測靈敏度偏低，成本仍然較高；②從被測樣品返回的光線仍然經過同一光纖束，存在入射光線和返射光線之間的相互幹擾，影響最終的檢測靈敏度。
中國專利z1021274389.5公開了一種對於上述光路系統改進的實時螢光定量基因擴增儀光路系統，該光路系統包括光源、前後透鏡、前後光學濾光片、入射多芯光纖束、出射多芯光纖束，光源後設置前透鏡、前光學濾光片、入射多芯光纖束、出射多芯光纖束、後透鏡、後光學濾光片，光源發出的光通過前透鏡、前光學濾光片、入射多芯光纖束後進入被測樣品，被測樣品被激發的螢光通過出射多芯光纖束、後透鏡、後光學濾光片聚焦於光檢測器上。雖然其光路系統設計較前述的專利簡單一些，和前述專利相比也相應降低了光路系統及整機的成本價格；減少了光路系統中光信號的衰減，也減少了被測樣品的入射和返回光線之間的相互幹擾；使檢測靈敏度有所提高。但該系統中採用的電耦合器仍然非常昂貴，並需要對每一根光纖束成像處理，需要的電耦合器和光纖束對應，而且入射多芯光纖束和出射多芯光纖束必須保持在同一平面，其製造工藝複雜、成本還是顯得高昂、體積大。

發明內容
針對現有的基因擴增儀的螢光檢測系統存在上述問題，本發明提供一種實時螢光定量基因擴增儀的光路檢測系統。
為解決上述問題，本發明採用如下技術方案一種實時螢光定量基因擴增儀的光路檢測系統，該系統包括一光源，在光源的前方依次設置有濾光鏡、第一準直器和入射光開關陣列；入射光開關陣列的輸出端連接有入射光纖；光源射出的光經濾光鏡產生單色光後經第一準直器送入入射光開關陣列後經入射光纖傳遞到標本載臺上；標本載臺通過出射光纖與出射光開關陣列連通，出射光開關陣列的輸出端依次設置有導光束、第二準直器、自動濾光裝置及光電轉換裝置；入射光開關陣列、出射光開關陣列以及光電轉換裝置均與一個電控裝置連通，電控裝置上有和計算機連接的計算機接口；該電控裝置內設置有對入射光開關陣列、出射光開關陣列的光路選通支持程序，通過地址線對入射光開關陣列和出射光開關陣列同時選通，快速選中標本載臺上的第K個標本，K＝1，2，…N，與此同時在第K個標本上被激發出的螢光通過出射光纖並經過出射開關陣列、導光束和第二準直器到達自動濾光裝置及光電轉換裝置中，在電控裝置的控制下，完成自動更換濾光波長和改變增益，並進行微小功率光電轉換，即可完成標本載臺中的K個標本的多波長寬線性實時定量基因檢測。
本發明的其他一些特點是，所述的光源選用相干的雷射或選用非相干光。
所述光源採用非相干光時，第一準直器中加入濾光環節，同時第一導光束和第二導光束採用大接受角大數值孔徑。
所述的第一準直器採用低附加損耗小漸暈的準直器，第二準直器採用光纖準直器。
所述的入射光開關陣列、出射光開關陣列是1進N出的MEMS光開關陣列，輸入光路經地址線選址後有條件的與輸出光路相連接。
所述的電控裝置內部集成有87C196單片機(內部集成A/D轉換器)、程控增放大器。
所述的程控增放大器採用MAX5426。
本發明的實時螢光定量基因擴增儀的光路檢測系統，由於採用兩組光開關陣列，自動濾光裝置及光電轉換裝置O/E，電控裝置組成的有機整體，與上述背景技術中採用光電倍增管或CCD或電耦合器作為檢測器相比，無須複雜的圖像處理，能夠實現濾光控測一體化，在短時間內完成標本載臺中的K個標本進行快速均衡檢測掃描。


圖1現有技術的光信號檢測圖；圖2是本發明的實時螢光定量基因擴增儀的光路檢測系統框圖；圖3是本發明的光開關陣列方框圖；圖4是光電轉換裝置(O/E)框圖；圖5是電控裝置示意圖；圖6是實時螢光定量基因擴增儀的光路檢測系統與人機接口圖。
以下結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。
具體實施例方式
參照圖2所示，本發明的實時螢光定量基因擴增儀的光路檢測系統結構如下參見圖2，它包括有一光源1，在光源1的前方依次設置有濾光鏡2第一準直器3、第一導光束3和入射光開關陣列4；入射光開關陣列4的輸出端連接有入射光纖5；光源1射出的光經濾光鏡2送入第一準直器3，經準直後進入入射光開關陣列4，經入射光纖5傳遞到樣本載臺6上；樣本載臺6通過出射光纖7與出射光開關陣列8連通，出射光開關陣列8的輸出端依次設置有導光束9、第二準直器10和自動濾光裝置11及光電轉換裝置(O/E)12；其中第二準直器採用光纖準直器，由尾纖與自聚焦透鏡精確定位而成。用於將光纖內傳輸的光變成準直光。
入射光開關陣列4、出射光開關陣列8以及光電轉換裝置12還與一電控裝置13連通；電控裝置13內設置有對入射光開關陣列4、射出光開關陣列8的光路選通支持程序，(該選通程序設置在CPU87C196中)通過地址線對入射光開關陣列4和出射光開關陣列8同時尋址，快速選中標本載臺6上的第K個標本，K＝1，2，…N，與此同時在第K個標本上被激發出的螢光通過出射光7並經過出射開關陣列8、第二導光束9和第二準直器10到達自動濾光裝置11，由電控裝置驅動步進電機，帶動固定其上的濾光撥盤，實現自動更換濾光波長，經濾光之後的發射光到達光電轉換裝置(O/E)12中，先由其中的光敏元件雪崩二極體APD檢測，將光信號轉換成電流信號，在經過電阻反饋運算器轉化為電壓信號，再根據實際通過程控增益放大器MAX5426實現精確放大，這樣就完成了自動更換濾波波長和改變增益，並進行微小功率光電轉換，即可完成標本載臺6中的K個標本的多波長寬線性實時定量基因檢測。
光源1可選用相干的雷射，也可以選用使用波譜較為豐富的如汞燈等非相干光，第一準直器3和第二準直器10採用低附加損耗小漸暈方案，如果採用非相干光做光源，第一準直器3中要加入濾光環節，第一導光束3和第二導光束9採用大接受角大數值孔徑方案。入射光開關陣列4和出射光開關陣列8是用微光機電MOEMS技術做成的高度集成的器件。
本發明中採用的光學纖維導光束(SUP37276)主要性能指標數值孔徑NA＝0.57～0.60(在空氣中)，光接收角70°～74°，光學纖維導光束可廣泛能用於光學儀器、電子光學、高速攝影、醫療器械、科學試驗等領域。
自動濾光裝置11及光電轉換裝置(O/E)12在電控裝置13的指揮下完成程控自動更換濾光波長和增益，高靈敏度增益微小功率光電轉換。與簡單採用光電倍增管或CCD作為檢測器相比，本發明實現濾光控測一體化的自動裝置，同時程控變波長及變增益檢測的概念的實施方便而精確的實現了實時定量基因擴增儀的多被檢測和寬線性範圍檢測。
其工作原理如下富含檢測標本所要求波長的激發光從光源1由濾光器2後經準直器3抵達1進N出的入射光開關陣列4，在電控裝置13程序的支配下，CPU通過地址線A0～A3同時對入射光開關陣列4和出射光開關陣列8尋址，快速選中標本載臺上的第K個標本，這樣激發光通過入射光開關陣列4被傳送到第K個標本上，與此同時在第K個標本上被激發出的螢光即發射光通過光纖7經過出射開關陣列8，導光束9和準直器10到達自動濾光裝置11及光電轉換裝置(O/E)12瞬間即可完成K標本的多波長寬線性實時定量基因檢測。電控裝置通過CPU87C196快速變換地址，不必反覆移動光纖重新連接即可通過入射光開關陣列4和射出光開關陣列8快速光掃描很快完成1----N個標本的定量基因檢測。
表1不同Nb含量的Ti3Al基合金的典型性能

由表1看出，Nb含量在15-17at％之間的三個合金(No.1，No.2，No.3)都有良好的室溫塑性，而Ti-22Al-26Nb合金的室溫塑性較差。
實施例2合金成分是Ti-24Al-16Nb-xMo(原子百分比，x＝0，0.5，1，1.5)。
製備方法同實施例1。
不同Mo含量的Ti3Al基合金的典型性能列入表2。
表2不同Mo含量的Ti3Al基合金典型的性能

圖5是電控裝置示意圖自動濾光裝置11由步進電機和固定在其上的濾光撥盤組成，準直器從第K號標本採集來的發射光送入自動濾光裝置11，由電控裝置13驅動步進電機轉動，使發射光實現多波長濾光，本發明採用四相反應式步進電機，電機的四個線圈用符號Q0、Q1、Q2、Q3表示。其中的87C196單片機具有優異的控制性能，它的高速輸出單元HSO可產生0～1和1～0的高速跳變，用HSO.0～HSO.3引腳分別驅動步進電機的Qi(i＝0，1，2，3)線圈，通過設置HSO命令表和時間表，使HSO.i口上1和0的分布時序產生步進電機四個線圈通斷電的適當時序，從而產生精確的轉動步距。多波長濾光碟固定在電機上，通過電機的轉動實現不同波長的轉換。
表2是MAX5426程控增益選擇

圖6是實時螢光定量基因擴增儀的光路檢測系統人機接口圖，該部分主要包括鍵盤及顯示控制。採用74LS245總線收發器驅動器液晶顯示屏LCD2002A，可以保護數據完整的顯示，82C79是專用的鍵盤控制器，二者有可編程邏輯控制器件CPLD選通，與一般的直接用I/O接口線或外接8255A接口晶片實現鍵盤顯示相比，這種方法不需要佔用單片機的資源對鍵盤進行監控處理，特別適用於實時性處理的單片機系統。
權利要求
1.一種實時螢光定量基因擴增儀的光路檢測系統，其特徵在於，該光路檢測系統包括一光源(1)，在光源(1)的前方依次設置有濾光鏡(2)、第一準直器(3)和入射光開關陣列(4)；入射光開關陣列(4)的輸出端連接有入射光纖(5)；光源(1)射出的光經濾光鏡(2)產生單色光後經第一準直器(3)送入入射光開關陣列(4)後經入射光纖(5)傳遞到標本載臺(6)上；標本載臺(6)通過出射光纖(7)與出射光開關陣列(8)連通，出射光開關陣列(8)的輸出端依次設置有導光束(9)、第二準直器(10)、自動濾光裝置(11)及光電轉換裝置(12)；入射光開關陣列(4)、出射光開關陣列(8)以及光電轉換裝置(12)均與一個電控裝置(13)連通，電控裝置(13)上有和計算機連接的計算機接口；該電控裝置(13)內設置有對出射光開關陣列(4)、入射光開關陣列(8)的光路選通支持程序，通過地址線對出射光開關陣列(4)和入射光開關陣列(8)同時選通，快速選中標本載臺(6)上的第K個標本，K＝1，2，…N，與此同時在第K個標本上被激發出的螢光通過出射光纖(7)並經過出射開關陣列(8)、導光束(9)和第二準直器(10)到達自動濾光裝置(11)及光電轉換裝置(12)中，在電控裝置(13)的控制下自動更換濾光波長和改變增益，並進行微小功率光電轉換，即可完成標本載臺(6)中的K個標本的多波長寬線性實時定量基因檢測。
2.如權利要求1所述的光路檢測系統，其特徵在於，所述光源(1)選用相干的雷射或選用非相干光。
3.如權利要求1所述的光路檢測系統，其特徵在於，所述光源(1)採用非相干光時，第一準直器(3)中加入濾光環節，同時導光束(9)採用大接受角大數值孔徑。
4.如權利要求1所述的光路檢測系統，其特徵在於，所述的第一準直器(3)和第二準直器(10)為低附加損耗小漸暈的準直器。
5.如權利要求1所述的光路檢測系統，其特徵在於，所述的出射光開關陣列(4)和出射光開關陣列(8)是1進N出的光開關陣列，輸入光路經地址線選址後有條件的與輸出光路相連接。
6.如權利要求1所述的光路檢測系統，其特徵在於，所述的電控裝置內部集成有87C196單片機、程控增放大器。
7.如權利要求6所述的光路檢測系統，其特徵在於，所述的程控增放大器採用MAX5426。
8.如權利要求1所述的光路檢測系統，其特徵在於，所述第二準直器採用光纖準直器。
全文摘要
本發明涉及實時螢光定量基因擴增儀的光路檢測系統，包括光源、濾光鏡、第一準直器、入射光開關陣列；入射光纖、入射光開關陣列、標本載臺、出射光開關陣列、導光束、第二準直器、自動濾光裝置、光電轉換裝置和電控裝置，電控裝置內設置有對入射光開關陣列、出射光開關陣列的光路選通支持程序，通過地址線對入射光開關陣列和出射光開關陣列同時選通，快速選中標本載臺上的標本，同時在選中的標本上被激發出的螢光通過出射光纖並經過出射開關陣列、導光束和第二準直器到達自動濾光裝置及光電轉換裝置中，在電控裝置的控制下自動更換濾光波長和改變增益，並進行微小功率光電轉換，即可完成標本載臺中的K個標本的多波長寬線性實時定量基因檢測。
文檔編號G01N21/64GK1632533SQ20041007343
公開日2005年6月29日 申請日期2004年12月20日 優先權日2004年12月20日
發明者彭年才, 李明, 冀曉燕 申請人:西安天隆科技有限公司, 西安華偉科技有限公司