[发明专利]分析多光谱光学探测系统

说明书

技术领域

本发明一般涉及信号探测和分析，且更具体而言涉及多光谱荧光信号探测和分析。

背景技术

目前有许多系统用于激励和探测固体或液体样品中的荧光信号。这些系统的示例可以在US 6,015,674、US 5,928,907、US 6,713,297、US2002/0109844A1、EP 1080364B1和EP 1080364A1中找到。

这些系统均有缺陷。例如，US 6,015,674A和US 5,928,907A中的多个光缆以及US 6,713,297B2、US 2002/0109844A1、EP 1080364B1和EP 1080364A1中的用于每个样品的独立光学部件的使用增加了光学系统部件的数目。许多商用系统还使用滤波器来控制光带宽，这进一步增加了光学部件的数目。这导致探测精确性下降以及更高的制造和维护成本。

基于滤波器的光学系统的另一限制在于其无法探测通常用于例如医疗诊断化验的所有荧光染料。因为染料的激励光谱交叠且染料的发射光谱交叠，每个染料需要一个或多个特定带宽滤波器来探测。当使用基于滤波器的系统时，需要滤波器的特定组合来将染料混合物中的一个染料与其它染料区分开。

目前，基于滤波器的光学系统只能在染料混合物中分辨7种染料(或者发射光谱)。使用数学算法和光学控制，难以校正包含超过5种染料的混合物的发射光谱交叠。这限制了基于滤波器的光学系统在医疗诊断化验中定量检测染料的能力。

基于滤波器的光学系统的其它后果为光学系统无法被简单地调适以校正化验问题或容纳新染料。例如，如果医疗诊断测试对患者样品产生错误结果，则无法从该光学系统获得附加信息来补偿该问题。光信号带宽规格是固定的。

固定带宽还增加了升级这种系统所需的成本和时间。如果新染料变得可用，则滤波器需要变更。如果该系统用做医疗诊断仪器的一部分，这将要求整个光学系统重新验证。此外，因为先前的染料可能不再用于该仪器，某些滤波器可能是无法升级的。

许多目前可购得的商业光学设计将光学接口置于样品试管支架下或内。示例示于图6。在预采样处理时，诸如盐和其它化学品的化合物可能会沉积在试管的外部上。该材料会累积在光学接口中，导致光学路径的部分或完全闭塞。这会产生不正确的结果。

荧光信号精确性和准确性还易受随机阱(well)的部分阻挡的影响。光路传输效率会改变，由此降低了阱到阱的样品结果再现性。信号变化还对信号处理算法产生更大的应变，进一步降低了可靠性。因为在这些其它设计的热控制块中存在孔，热控制效率和均匀性也存在问题。

显然，需要一种克服上述和其它问题的用于测量荧光信号的改进的光学探测系统和方法。

发明内容

本发明提供了用于测量荧光信号的系统和方法。本发明的系统和方法提供了诸如核酸或蛋白质探测阵列这样的液体样品或固体表面的非常精确的基于荧光的测量。例如，本发明的系统和方法尤其适用于聚合酶链式反应(PCR)系统，特别是用于医疗诊断的实时定量PCR系统。

根据本发明，一种分析多光谱光学探测系统包括光源，该光源提供一个或多个离散波长的高光谱纯度激励光，该激励光直接光学耦合到样品，或者通过光缆，例如使用与激励光发送光缆捆束的收集光缆光学耦合到样品。发射的光被收集并提供到诸如衍射梯度分光光度计发射探测器之类的发射探测器，该发射探测器将该发射的光空间地分离成分量波长。因此，单个光路可以用于来自所有样品和荧光染料的所有光谱信号。有利地，本发明的硬件部件和设计最小化了硬件部件的数目并减小组装复杂度。较其它类似系统而言，该光学系统还提供了诸多优点，包括更高的灵敏度、与荧光染料的改善的兼容性、更佳的信号识别、增加的系统可靠性以及减小的制造和维护成本。

此处描述的光学系统可以扫描固体表面并确定来自指定区域的独特颜色发射的定量数目。最常见的示例将是空间分辨微阵列，其中在玻璃波片的表面或者在微滴定板的阱内执行化学反应。较现有的光学系统而言，该光学系统提供了同样的优点，即，可以以更高的准确度来探测更多的染料。

在特定方面，本发明使用可见光谱内的多个荧光染料的同步激励和探测。这增加了样品处理能力并减小了在不同时间与信号采集相关联的信号变化。且还允许探测诸如直接激励的染料和/或能量传输染料这样的染料，使得该光学系统与未来化验更为兼容。