便携式荧光检测系统和微测定盒技术方案

公开了用于液体试样中的荧光测定的紧凑的微处理器控制的仪器，该仪器具有浮动平台，该浮动平台具有用于容纳微流体盒的对接舱和扫描检测器头，扫描检测器头具有板载的嵌入式微处理器，该嵌入式微处理器在所述检测器头中驻留的ODAP守护进程的控制下操作，用于在检测器头内的隔离的、低噪声的、高增益的环境中控制源LED、发射信号放大和滤波。多个光学通道可以并入扫描头。在优选配置中，使用用于监控与目标分析物相关联的第一荧光团和与对照相关联的第二荧光团的双通道光学器件来验证测定。应用包括基于目标核酸的PCR扩增的分子生物测定和一般的荧光测定，其中的许多在检测期间要求温度控制。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】背景
本专利技术通常涉及用于在微测定盒(microassay cartridge)中执行的诊断测定中使用的紧凑型荧光检测仪器，该紧凑型荧光检测仪器具有光学系统、热系统、机械系统和气动液压系统。相关技术的描述尽管使用荧光团作为探针用于体外诊断测定的好处是公知的，但是用于这种测定的最常用的设备形式是很大的、使用复杂的、相对较慢的并且依赖昂贵的共焦光学器件。这些属性使得很多设备不适用于在远程场所和在护理点现场进行的全集成“采样-应答”测试，其中要求这种设备是坚固的、快速的、紧凑的、便宜的并且易于使用的。尽管许多年前首次提出了在微流体盒中的自动化核酸扩增(参见Wilding：美国专利5304487和5635358)，但是在受控实验室条件外部的荧光测定目标的检测仍然由于缺乏便携式和稳定的设备而受到阻碍。自它们的开始二十年以来，由于这些问题以及其它未解决的问题，在缺乏先进实验室设施的情况下分子诊断仍然相对罕见。需要设计为在专门的实验室设施外部操作的独立测定系统，以促进对分子诊断更宽阔的通路。由于核酸测定提供较高灵敏度和特异性两者，因此核酸测定正迅速地成为用于检测许多不同疾病类型(包括传染性疾病)的“黄金标准”。这种测定已经证明对于大量病理状况有高度特异性并且对于跟踪如对流行病学很重要的特定疾病的遗传品系很有用，例如在将H5N1禽流行性感冒与其它类型的流行性感冒A或者B区别开时、在确定特定病原体目标是否具有耐药菌株时以及在检测肠隔离的产毒菌株(诸如E.coli O157:H7)时。基于荧光的测定还已经表明对通常监控诸如糖尿病、心脏病、凝血病、免疫测定的状况有用，以及对检测例如食物或者药物产品中的内毒素有用。在健康护理的途径受限并且许多传染性疾病是地方病以及健康和寿命预期差的发展中国家中的大量远程健康诊所尤其需要改进的设备。在典型荧光测定系统中，荧光探针或者荧光团吸收具有一种波长或者波长范围的光并且被激发；并且荧光团随后发出荧光信号。荧光团的活动性或者不活动性指示测定结果。发射信号具有通常比激发光长(但是如在“上转换荧光团”中可能较短)的波长或者波长范围。分色光束分离器或者带通滤光片或者它们的组合随后用于将荧光信号与其它光分开，并且信号被传递至传感器。传感器通常是光电二极管，并且生成可以用于对测定进行评分的电信号。使用实时或者端点荧光测定法的定性和定量测定是可行的。在这种系统中，液体试样经由微流体通道运送到微流体盒的检测室或者通道中，在该微流体盒中，与试样混合的或者试样本来的荧光探针由激发源激发。控制可以在测定通道中并行运行或者多路复用。对发出的光进行测量以确定目标存在或者不存在。可以将多个检测通道布置在微流体盒的检测区域中。测定包括进行一个或者多个荧光测量；荧光团可以用作在扩增步骤中形成的核酸扩增子的标记，或者更一般地用于荧光测定目标的存在或者不存在的标记。用于测定评分和验证的实时荧光测定法、FRET、qPCR、热解链曲线(thermal melt curve)、动力学和速率端点在本领域中也是已知的。已知的荧光检测器典型地采用相对较贵的光学部件(诸如，共焦光学器件、激光器和非球面透镜)以拾取并且定位微流体盒或者微阵列内存在的荧光发射。例如，Juncosa的WO 98/049543教导了单个光具组中的三个分色光束分离器，一个用于控制激发源电力以及另一个用于控制反射信号；第三分色光束分离器用于辨别探针特异性的荧光发射。一个或者多个透镜用来将激发束聚焦在试样上。Juncosa还教导使用共焦显微镜的光电倍增管和光学物镜部件的入口处的孔径，用于控制具有大约五十微米的“微位置”的分辨率的成像束。“优选地通过使用孔径，通过将照射的范围限制至给定微位置的区域或者其部分，结合将检测器的视场限制至照射区，可以实现信噪比的显著改善。”[第七页,第10-15行]。这些教导由Minsky的US3013467、Tsien的美国专利5296703、Dixon的5192980、Stern的5631734、Kambara的5730850预言，并且在Maher的美国专利6614030和Shams的6731781以及其它专利中重述。Maher使用激光器、光纤、石英片和具有微型共焦光学系统的非球面透镜来优化在微流体室的中心处十微米大小的斑点处的聚焦和发射。类似地，在US6635487中，Lee证实了将激发束的锥形聚焦在试样的平面上“提供最大强度以强化对测定芯片的分析检测测量”。因此，该教导概括了现有技术。在较近期提交的Kim的美国专利申请2008/0297792中教导由物镜将充当用于微流体芯片中的荧光检测的光源的LED的图像投射到试样上作为“光斑”。光斑聚焦在微流体芯片中的室中的流体深度的中间处。由试样发出的荧光被物镜尽可能接近地准直为平行射线并且聚焦在雪崩光电二极管上。众所周知，由于阻带将针对没有以45°角进入镜的光射线移位，因此高精度对准的要求与分色镜有关。因此，Kim的教导反映了一般公认的现有技术。在Gruler的PCT公开WO2008/101732中，描述了用于在单个光路中多路复用多个激发和检测波长的荧光检测器头，陈述了“共焦测量意味着照射光学器件或者源的聚焦分别在本质上与检测光学器件或者传感器的聚焦分别相同”。Gruler接着陈述，“[本专利技术的]共焦光学器件...保证共焦设计的最高信号和最低背景本征特征”，即，根据Gruler所说，用共焦光学器件获得最高可能信号和最低噪声。尽管现有技术的一致教导起于用于表面荧光显微术的共焦光学器件的专门使用，但是教导已经广泛地并且不加鉴别地应用于微流体、横向流动、毛细管电泳和微阵列应用。然而，我们已经发现该方法不太适合于需要在充满流体的通道中检测一个或者多个分子探针的液相微流体诊断测定。由于诸如光淬灭、热对流和充满流体的通道中偶尔存在的气泡或者梯度的效应，在试样室的平面中共定位激发束和发射锥体的焦点会导致结果中的不可接受的不稳定性、信号丢失、淬灭、噪声、非再现性和总灵敏度损失。由于PCR的较高温度，例如，试剂和试样的释气(outgassing)不是罕见问题，并且来自液体试样中夹带的气泡的干扰是常见问题。常规方法还需要更昂贵的光学部件并且因此不利于先进的临床实验室以外的广泛应用。第二个问题是测定验证。例如，用于验证通过PCR的传染性疾病测定的现行标准已经开始依赖加入标本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于检测试样中的光学信号的微测定系统，所述系统包括能够用于跨越所述试样扫描检测器头的机械系统，所述检测器头包括至少一个检测通道，所述检测通道包括物镜和配置为捕获和放大由所述物镜接收的光学信号的光电子电路元件，其中所述机械系统由所述检测器头外部的控制器和电路操作，以及所述光电子元件在自主守护进程的控制下，该自主守护进程驻留在与嵌入在所述检测器头内的微处理器相关联的固件中。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.12.21 US 61/745,3291.一种用于检测试样中的光学信号的微测定系统，所述系统包
括能够用于跨越所述试样扫描检测器头的机械系统，所述检测器头包
括至少一个检测通道，所述检测通道包括物镜和配置为捕获和放大由
所述物镜接收的光学信号的光电子电路元件，其中所述机械系统由所
述检测器头外部的控制器和电路操作，以及所述光电子元件在自主守
护进程的控制下，该自主守护进程驻留在与嵌入在所述检测器头内的
微处理器相关联的固件中。
2.根据权利要求1所述的微测定系统，其中所述光电子电路元
件配置用于与所述外部的电路电子隔离地操作。
3.根据权利要求1或者2中的任一项所述的微测定系统，其中
所述光电子元件配置用于在所述守护进程的控制下进行信号处理或者
信号数字化。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的微测定系统，其中所述
检测器头包括使得能够以数字形式向所述外部的控制器传输所述信号
的至少一个数字发送器。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的微测定系统，其中所述
检测器头能够在所述外部的控制器的控制下跨越所述试样执行扫描，
以及所述检测器头中的所述守护进程配置为自主地构造在所述扫描期
间捕获的任何光学信号的图，所述图具有数据对，所述数据对根据相
对于至少一个参考点的位置来表示信号强度。
6.根据权利要求5所述的微测定系统，其中所述检测器头配置
为跨越盒主体在限定路径上扫描试样井，以及所述至少一个参考点是

\t与所述盒主体的对齐特征相关联的所述限定路径上的空间坐标。
7.根据权利要求6所述的微测定系统，其中所述对齐特征触发
机械、电气或者光学开关以初始化所述图的所述参考点。
8.根据权利要求5所述的微测定系统，其中在所述自主守护进
程的控制下，将所述试样井的位置确定为沿着所述限定路径离开所述
参考点的距离，在所述限定路径中检测光学信号的第一变化以及检测
光学信号的第二变化，光学信号的所述第一变化与空试样井的第一边
缘相关，所述第二变化与空试样井的第二边缘相关。
9.根据权利要求8所述的微测定系统，其中在所述自主守护进
程的控制下，用所述试样井中的试样对跨越所述盒主体的所述扫描进
行重复，以及针对指示测定结果的信号中的变化，来对与所述第一边
缘与所述第二边缘之间的图坐标相关联的光学信号中的变化进行分析。
10.根据权利要求9所述的微测定系统，其中在所述自主守护
进程的控制下，所述信号中的变化在数字化以产生数字化信号之前经
受电子调节和放大。
11.根据权利要求9所述的微测定系统，其中所述信号中的变
化在数字化之前经受阈值减法。
12.根据权利要求9所述的微测定系统，其中所述信号中的变
化经受单比特数字化。
13.根据权利要求10所述的微测定系统，其中在跨越所述井的
所述扫描期间，所述数字化信号在寄存器中累加作为一系列数据对，
以及向所述外部的控制器报告所述扫描的信号的总和。
14.根据权利要求10所述的微测定系统，其中向所述外部的控
制器报告所述数字信号。
15.根据权利要求5所述的微测定系统，其中所述检测器头配
置为跨越盒主体在限定路径上扫描试样井，以及所述至少一个参考点
是与所述试样井的对齐特征相关联的所述限定路径上的空间坐标。
16.根据权利要求15所述的微测定系统，其中所述守护进程配
置为通过检测与试样井的第一边缘相关联的光学信号中的变化而获取
所述图上的所述参考点，以及将所述试样井的位置确定为沿着所述限
定路径从所述参考点到检测光学信号中的第二变化的点的距离，所述
第二变化与空试样井的第二边缘相关。
17.根据权利要求8所述的微测定系统，其中在所述自主守护
进程的控制下，用所述试样井中的试样对跨越所述盒主体的所述扫描
进行重复，以及针对指示测定结果的信号中的变化，对与所述第一边
缘与所述第二边缘之间的图坐标相关联的光学信号中的变化进行分析。
18.根据权利要求17所述的微测定系统，其中在所述自主守护
进程的控制下，所述信号中的变化在数字化以产生数字化信号之前经
受电子调节和放大。
19.根据权利要求17所述的微测定系统，其中所述信号中的变
化在数字化之前经受阈值减法。
20.根据权利要求17所述的微测定系统，其中所述信号中的变
化经受单比特数字化。
21.根据权利要求18所述的微测定系统，其中在跨越所述井的
所述扫描期间，所述数字化信号在寄存器中累加作为一系列数据对，
以及向所述外部的控制器报告所述扫描的信号的总和。
22.根据权利要求18所述的微测定系统，其中向所述外部的控
制器报告所述数字信号。
23.根据权利要求15所述的微测定系统，其中所述对齐特征是
具有自发荧光的边缘，所述边缘形成所述试样井的边界。
24.根据权利要求1-23中的任一项所述的微测定系统，其中所
述光学信号是荧光信号，以及所述检测器通道包括用于用激发光来照
射所述混合物的LED、光路、所述物镜、具有传感器透镜的传感器、
以及用于放大来自所述传感器的输出的屏蔽的前置放大器和多级放大
器电路，其中所述光路具有调谐为使能对来自限定通带中的荧光团的
发射进行的检测的激发滤光片、发射滤光片、分色镜，其中所述物镜
用于聚集所述激发光并且用于收集所述发射，所述具有传感器透镜的
传感器用于接收所述通带的发射。
25.根据权利要求24所述的微测定系统，其中所述放大器是三
级放大器，以及通过法拉第笼、旁路电容器、信号调节前置放大器、
单独的接地层、金属化的检测器头壳体或者它们的组合将所述放大器
与电子噪声屏蔽开，以及所述放大器与所述传感器电气邻近。
26.根据权利要求25所述的微测定系统，其中所述三级放大器
具有高达1014的增益。
27.根据权利要求25所述的微测定系统，其中所述三级放大器
具有1012至1014的增益。
28.根据权利要求25所述的微测定系统，其中所述物镜配置用
于将所述激发光聚焦在具有荧光团的混合物的液体试样上，以及所述
激发光聚焦在小于所述试样井的光斑上。
29.根据权利要求28所述的微测定系统，其中所述检测器头包
括多个检测器通道，每个所述检测器通道包括用于用激发光来照射所
述混合物的LED、光路、所述物镜、具有传感器透镜的传感器、以
及用于放大来自所述传感器的输出的屏蔽的前置放大器和多级放大器
电路，其中所述光路具有调谐为使能对来自限定通带中的荧光团的发
射进行的检测的激发滤光片、发射滤光片、分色镜，其中所述物镜用
于聚集所述激发光并且用于收集所述发射，所述具有传感器透镜的传
感器用于接收所述通带的发射；以及所述守护进程配置用于在使得没
有两个源LED是同时接通的频率下选通每个所述源LED，以及配置
用于根据对应LED接通还是关闭来多路复用地分析来自所述多个检
测器通道的每个传感器的信号。
30.根据权利要求29所述的微测定系统，其中每个所述LED
在130Hz的频率处接通和关闭。
31.根据权利要求30所述的微测定系统，其中所述物镜配置用
于将激发光聚焦在包括荧光团的混合物的液体试样上。
32.根据权利要求29所述的微测定系统，其中所述守护进程配
置为对数字化的放大器输出和所述检测器头内的易失性存储器中的扫
描位置进行制表。
33.根据权利要求29所述的微测定系统，其中所述守护进程包
括用于将所述试样井的基线扫描与包括混合物的所述试样井的扫描进

\t行比较的指令，以及报告指示检测事件的差的指令，所述检测事件与
至少一个特定荧光团的发射的检测相关联。
34.根据权利要求33所述的微测定系统，其中所述守护进程能
够向所述主机控制器数字地报告所述检测事件。
35.根据权利要求29所述的微测定系统，其中所述系统包括非
易失性存储器中的可编程指令和图形用户界面，用于在所述外部的控
制器的控制下显示所述检测事件。
36.根据权利要求29所述的微测定系统，其中所述系统包括非
易失性存储器中的可编程指令和I/O端口，用于在所述外部的控制器
的控制下向远程设备传递所述检测事件。
37.根据权利要求29所述的微测定系统，其中所述荧光团的混
合物包括用于检测目标分析物的第一荧光团以及用于检测对照分析物
的第二荧光团，以及另外其中所述目标分析物和所述对照分析物一起
存在于混合物中。
38.根据权利要求1-37中的任一项所述的微测定系统，其中所
述传感器是光电二极管。
39.根据权利要求24所述的微测定系统，其中由所述物镜接收
的所述照射的光被形成为发散束、会聚束或者准直束，用于通过所述
物镜跃迁。
40.一种用于使微测定自动化的方法，所述方法包括操作地将
所述微测定系统划分为由主机控制器控制的流体机电过程和热过程以
及由扫描检测头中驻留的自主守护进程控制的光电子过程，其中所述

\t扫描检测头跨越试样的运动由所述主机控制器控制，以及任何光学信
号获取、对试样中生成的信号的预调节、放大和数字化由所述自主守
护进程控制。
41.一种用于执行微测定的装置，所述装置包括测定系统，所
述测定系统被操作地划分为由主机控制器控制的流体机电过程和热过
程以及由扫描检测头中驻留的自主守护进程控制的光电子过程，其中
所述扫描检测头跨越试样的运动由所述主机控制器控制，以及在扫描
期间，任何光学信号获取、对从所述试样收集的一个或者多个信号的
预调节、放大和数字化由所述自主守护进程控制。
42.根据权利要求41所述的装置，其中所述守护进程能够多路
复用地通...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·F·巴特雷尔，T·D·戴贝尔，W·S·汉特，
申请(专利权)人：精密公司，
类型：发明
国别省市：美国;US