[发明专利]用于化学反应和/或生化反应的光学系统

说明书

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℃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℃(退火)。之后，使用聚合酶(polymerase enzyme酶) 将所述引物延长，例如在72℃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(CCD、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。