一种随检进样的实时定量聚合酶链式反应(qPCR)反应器系统技术方案

本发明专利技术的用于生物分析的随检进样PCR反应器，包括固定在一个平台上的多个PCR反应器和供平台上所有PCR反应器共用的一个光学系统。所述光学系统固定在横移机构上，可将其移动到任何一个准备成像的PCR反应器上。平台上的其他PCR反应器可以进样和换样。所述光学系统具有导光管和导光板，其将光线均匀的分布到反应器上的所有样本上。本光学系统的导光板具有一组光反射结构，其策略性地定位以将入射光均匀地反射到PCR反应器中被测试的所有样本上。地反射到PCR反应器中被测试的所有样本上。地反射到PCR反应器中被测试的所有样本上。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种随检进样的实时定量聚合酶链式反应(qPCR)反应器系统


[0001]本专利技术总体上涉及基于光的检测系统，例如用于实时定量聚合酶链反应(以下称为qPCR)的自动化系统、数字PCR仪器、DNA测序仪器以及抗原
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抗体ELISA仪器，并且特别的，涉及上述仪器的照射系统。

技术介绍

[0002]聚合酶链反应(PCR)属于一种核酸的体外定量检测。在医学和生物研究实验室中，PCR经常用于各种任务，例如遗传性疾病检测、基因指纹识别、传染病诊断、基因克隆、亲子鉴定和DNA计算。通过使用热稳定的DNA聚合酶和能够快速加热和冷却基因样本的机器(通常称为热循环仪)，该方法能够实现自动化。
[0003]在一个典型的PCR实验中，目标DNA被分成两条链，并使用引物合成目标DNA，使目标DNA的量加倍。重复上述过程，直到合成大量DNA片段。这种简单的基因扩增技术可以使DNA快速扩增。在PCR技术中，极少量的目标DNA可以在短时间内扩增一百万次，从而大大提高了对DNA分子的检测和分析能力。
[0004]为了推进PCR过程，必须对含有DNA的溶液施加特定的温度变化，以导致分离(熔化)、引物结合(退火)和复制(延伸)。分离发生在高温下，例如95℃，退火发生在低温下，例如60℃。然而，这个过程对样本量非常敏感，并且能够导致最终扩增的巨大差异。PCR反应包括早期滞后阶段、指数增长阶段和平台阶段。仪器的灵敏度主要出现在滞后阶段。指数增长阶段开始时，有足够数量的产物已累积，能够通过特定的仪器检测出来。在最后的平台阶段，随着产物与退火引物更有效地对抗，酶的数量变得有限，扩增效率会下降。大部分的定量信息都可以在指数循环周期中找到，但指数循环周期通常只包含40个周期中的4或5个周期。
[0005]光学检测系统通常用于查询PCR中的反应，测量反应器中每个样品管的荧光发射强度。为了测量荧光，将激发光对准到样品容器中的样品，并检测样品中荧光团激发出的光。通常需要有效且高效地将光从光源传输到透光孔。使用本领域技术人员已知的标准技术，包括快速循环PCR，用于定量PCR的每个循环中进行热循环和荧光监测。对于传统的PCR方法，确定指数循环周期时需要将反应分成多个反应管，在不同的循环数后对PCR产物进行检测。用于将光引导至样品板的光学系统是已知的，例如US6942837B2,US7369227B2,US6852986B1,US7410793B2。虽然在本领域中已经开发了用于将光引导至样品板中的样品容器以及检测来自样品容器的光的光学系统。然而，仍然需要开发更有效地将光分布到样品容器并从样品容器接收光的光学系统。
[0006]实时定量PCR(qPCR)技术是一种定量荧光标记探针中荧光的方法，其基于常规PCR方法或在实时监测整个PCR过程中荧光染料，以及定量分析已知模板的最终标准曲线。
[0007]还有其他方法，例如数字PCR(dPCR)，其将一个PCR反应划分为许多小的独立的PCR反应，这样每个小反应平均只包含不超过一个目标核酸分子。每个小反应大约包含1或0个目标核酸分子，并在PCR扩增结束时给出正或负的二进制读数。目标基因的绝对量是通过对
实际目标分子计数来确定的，其不依赖于指数扩增循环周期和与用于量化初始量的参考基因。通过使用大量分区，dPCR可用于检测比qPCR更细微的折叠差异。
[0008]总的来说，qPCR仪器是实时PCR检测方式，主要有2个功能模块：温度控制系统和荧光检测/监测系统。此类仪器主要由样品台、基因扩增热循环元件、荧光检测光学系统和微电路控制系统组成。其中，基因扩增热循环元件组装基本相似。荧光检测系统包括荧光激发系统、发射系统、光学系统、荧光检测装置和控制系统。常用的荧光激发光源为卤素灯、激光或LED。荧光检测通常通过光电倍增管、冷却CCD/CMOS相机或光电二极管实现。
[0009]qPCR是目前较常用的系统之一，但是，目前的系统存在一些问题。一个是在反应板中保存的待测试样品阵列之间获得热均匀性。大多数PCR反应是在多孔反应板中进行，以便一次测试大量样品。如果每个孔之间的间距很大，那么对于多孔反应板来说，在所有孔中实现温度均匀性更加困难，对于一个PCR热循环仪中的大阵列反应板则更加困难。为了消除这个问题，必须使孔彼此靠近，以便在更小的区域内容纳更多孔和样品。当前，很多PCR反应器使用孔的底部进行检测。这种设计不允许孔彼此靠得更近，因此，导致所有孔之间的热均匀性较差。为了能够使孔尽可能靠近，必须从反应板的顶部进行检测，因为反应板的底部位于热循环仪上。一些系统使用多孔半导体微芯片，然而，这样的系统难以操作且成本高昂。另外，多孔半导体微芯片的加热和冷却导致功率和能量分布不均，以及导致加热和冷却不均匀且缓慢。
[0010]根据所用检测器的类型，qPCR仪器可分为点检测器(例如光电倍增管或雪崩光电二极管)和二维平面阵列检测器(CCD相机或CMOS)。使用探头进行二维扫描的方式速度慢，但具有良好的性能参数，如信噪比高、动态范围大等。通常使用不带扫描的二维阵列检测器，检测速度高，但性能相对较差。
[0011]目前的PCR仪主要有两种形式：(i)96孔或更多孔，其中多个样品槽共用一个温度控制单元和固定式光激发检测系统。在这种情况下，样品槽必须在开始前填满。这限制了应用和周转时间。(ii)另一种形式是单孔模块化PCR仪，其中每个样品槽都有一个独立的温度控制单元和一个光激发检测系统。该系统具有很大的灵活性。然而，单一样本槽形式的制造成本高，样本吞吐量扩展能力有限。
[0012]本专利技术旨在设计一种新形式的模块化qPCR系统，其中样品测试能够随机访问，从而显著提高系统吞吐量。该系统使用一种特殊类型的照射系统和光学检测系统。本专利技术的高性能和可移动的光学检测系统，提供了一个qPCR系统，只需要一个光学检测单元即可实现对多达10个及以上的热循环仪模块同时扫描和监测。因此，它显著降低了制造成本。

技术实现思路

[0013]本专利技术公开了一种自动随检进样实时qPCR仪。它由多个PCR反应器组成，每个反应器都有自己的温度控制系统，但共用一个光学系统用于检测。因为只有一个光学系统，其可以在一系列PCR反应器上快速移动，自动随检进样实时qPCR反应器可以在短时间间隔内运行多个qPCR反应器。
[0014]本专利技术的用于生物分析的随检进样PCR反应器包括多个固定在平台上的PCR反应器。每个PCR反应器都有许多反应板，每个反应板都有一组用于容纳生物样本的反应池。所述随检进样PCR反应器具有一个光学系统，平台上的所有PCR反应器共用一个光学系统。所
述光学系统包括有照射系统和成像系统。照射系统包括(i)带有一组透镜和滤光片的光源；(ii)一个导光管，以及(iii)一个导光板。导光管由一系列导光的管道组成，这些导光管接收来自光源的光并将其均匀分布到导光板中。导光板位于平台上的PCR反应器的顶部，以便其可以照亮该PCR反应器上所有反应板的所有样本管。导光管和导光板配置成L形，其中导光板形成水平段，在其上方有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于生物分析的随检进样PCR反应器系统，包括：a)多个PCR反应器，每个PCR反应器包括多个配置有多个样本承载架或样本池来承载多个生物样本的反应板，以及一个用以控制多个生物样本温度的带有温度控制元件的热循环仪；b)1个光学系统，其包括照射系统和成像系统，用于接收和记录来自每个生物样本的发射光；其中，照射系统包括：i)导光管阵列，用于将来自光源的光分成光线阵列，其中每个导光管具有一个出射面；ii)导光板，用于沿反应板顶面接收和重定向每条光线，其中导光板设置有与导光管的出射表面接触的入射表面；iii)配置在导光板上的光反射结构阵列，用于将每束光线反射进每个样本架中的每个生物样本当中，此时，所有生物样本被同时照亮从而产生多束发射光；c)一种用于固定光学系统的横移装置，其中，成像系统设置在横移系统上以显露于多个反应板的顶面，从而接收来自多个生物样本的多个发射光，并且横移装置被设定为以预定义的时间间隔移动光学系统从而精准地捕捉每个PCR反应，并拍摄多个发射光的图像；d)计算机系统，用于协调每个反应器的热循环时间、横移系统的移动和多个发射光的图像采集，由此，随检进样PCR反应器能够进行多重PCR试验，并允许在光学系统位于一个PCR反应器顶部时，随时更换其他任意一个PCR反应器。2.光学系统包含一个照射系统以及一个用于接收和记录多个反应板中具有暴露表面生物样本的多束发射光的成像系统；其中，照射系统包括：i)导光管阵列，用以将来自光源的光线分成光线阵列，其中每个导光管具有一个出射面；ii)导光板，用于沿多个反应板的暴露表面接收和重定向每条光线，其中导光板设置有与每个导光管的出射表面接触的入射表面；iii)配置在导光板的光反射结构阵列，用于将每条光线部分地反射到每个样本管中的每个生物样本中，其中，所有多个生物样本同时被照射以引起多束发射光；成像系统位于暴露表面上方以接收并记录阵列生物样本中发出的光。3.根据权利要求1所述的PCR反应器系统，其中，所述横移系统是在一行固定的PCR反应器上以线性方式移动所述光学系统的线性横移装置。4.根据权利要求1所述的PCR反应器系统，其中所述横动系统是一种二维横动装置，在多排固定PCR反应器上以平面运动方式移动所述光学系统。5.根据权利要求2所述的系统，其中所述导光管包括一组具有矩形横截面或其他形状的透光材料阵列，用于以低损耗将光引导至导光板，并管理导光管中每个出口表面的光输出百分比和角度以控制均匀性和其他照明要求。6.根据权利要求2所述的系统，每个导光管具有短边和长边以及厚度的梯形横截面形状；其中每个梯形形状的短边暴露于光源、长边被配置为连接导光管并且将光线引导到导光管中。7.根据权利要求2所述的系统，其中，所述导光板基本上为矩形，具有顶面、底面和厚
度；其中，所述光反射结构阵列设置在顶面或底面或在顶面以及底面上；其中，底表面上的的光反射阵列设置在允许发射光穿过导光板的位置上；其中，导光板具有反射涂层或用于全内反射的材料，且在预定位置具有无涂层区域以使得发射光通过。8.根据权利要求2所述的系统，其中，每个导光板上的槽口或剖切结构均是光反射结构，每个槽口均具有高度并且每个槽口的位置将光反射到一排样本管中。9.根据权利要求2所述的系统，其中，所述光反射结构是三角形结构，用于将光反射回导光板，防止光损失且为每个PCR反应器产生更均匀且漫射的光源。10.根据权利要求2所述的系统，其中，所述光反射结构设置在导光板顶面并且具有45度角的直角三角形横截面，其中每个直...

【专利技术属性】
技术研发人员：李信钦，吴启安，周伟，吴元民，
申请(专利权)人：莫拉雷研究公司，
类型：发明
国别省市：