一种多路荧光检测系统、装置及检测方法

1.本发明涉及分子生物学技术领域，尤其是一种多路荧光检测系统、装置及检测方法。


背景技术：

2.pcr(聚合酶链式反应，polymerase chain reaction)是一种用于放大扩增特定的dna片段的分子生物学技术，它可看作是生物体外的特殊dna复制，pcr的最大特点是能将微量的dna大幅增加，随着科技的发展，pcr技术越来越多地被运用到考古、刑侦及其他生物科学技术相关的领域。
3.实时荧光定量pcr是目前生命科学研究的主流工具，与传统的pcr相比，实时荧光定量pcr在普通pcr的基础上增加了光学检测系统。dna片段在扩增过程中发射光信号随之增强，通过检测扩增过程的发射光信号强度可以计算出原始样品的含量。pcr试剂中可添加多种荧光染料，实现同时对多个位点进行检测。
4.而现有荧光检测装置多用cmos、ccd进行大面积成像检测或pmt、光电二极管等进行点扫描检测，光学组件主要包括激发光源、激发滤光片、二相色镜、激发滤光片、光电传感器等组成，激发光源可使用卤素灯、白光led、多个不同波长led、激光等，为实现不同荧光波长的检测，需要在检测过程中切换滤光片组，多由电机驱动装有多个滤光片的转盘来实现切换。无论是使用上述哪种方式，要实现多个荧光通道的检测，均需要切换滤光片组，需要机械装置来实现滤光片位置的转换，稳定性较差，进一步延长检测时间。


技术实现要素：

5.有鉴于此，为至少部分解决上述技术问题之一，本发明实施例目的在于提供一种更加稳定、操作更为便捷且能有效缩短检测时间的一种多路荧光检测系统，以及对应的装置和检测方法。
6.第一方面，本技术的技术方案提供了一种多路荧光检测系统，沿光轴从物端到像端依次排列有激发光源、滤光片组、成像镜头组以及cmos传感器；
7.所述激发光源包括若干个波长的led光源，所述滤光片组包括至少一个扇形滤光区域，所述扇形滤光区域的数量与所述led光源的波长数量一致；
8.所述激发光源用于通过所述led光源输出激发光，对待检测物体进行均匀曝光，使得所述待检测物体激产生荧光；所述滤光片组用于透过目标波长荧光并截止非目标波长荧光。
9.在本技术方案的一种可行的实施例中，所述激发光源还包括圆环结构，所述圆环结构的外边缘向所述物端弯折得到圆锥环，在所述圆锥环靠近所述物端的表面设有所述led光源。
10.在本技术方案的一种可行的实施例中，所述激发光源还包括若干透镜，所述透镜用于对所述激发光的焦点进行调整。
11.在本技术方案的一种可行的实施例中，所述led光源包括475nm波长光源、543nm波长光源、575nm波长光源以及660nm波长光源。
12.在本技术方案的一种可行的实施例中，所述滤光片组包括525nm波长滤光区域、586nm波长滤光区域、625nm波长滤光区域以及715nm波长滤光区域。
13.在本技术方案的一种可行的实施例中，所述成像镜头组由若干片透镜沿光轴依次排列构成。
14.在本技术方案的一种可行的实施例中，所述cmos传感器包括以下两者至少之一：被动式像素结构传感器和主动式像素结构传感器。
15.第二方面，本发明的技术方案还提供一种多路荧光检测装置，其装置包括了第一方面中所述的任意一种多路荧光检测系统：
16.第三方面，本发明的技术方案还提供一种多路荧光检测方法，应用于如第一方面中所述的一种多路荧光检测系统，包括以下步骤：
17.输出激发光，以使待测物进行均匀曝光产生荧光；
18.获取所述荧光，通过滤光片组透过目标波长荧光并截止非目标波长荧光；
19.根据所述目标波长荧光，通过cmos传感器生成图像数据，根据所述图像数据进行荧光染料定量检测。
20.在本技术方案的一种可行的实施例中，方法在输出激发光，以使待测物进行均匀曝光产生荧光这一步骤之前，还包括以下步骤：
21.通过荧光染料或荧光标记的特异性的探针，对pcr产物中的原始样本进行标记跟踪。
22.本发明的优点和有益效果将在下面的描述中部分给出，其他部分可以通过本发明的具体实施方式了解得到：
23.本技术技术方案的多路荧光检测系统主要包括多路led光源、多扇区滤光片组、成像镜头组、cmos传感器；在检测过程中通过各路led光源，激发出待检测物体的荧光，通过滤光片扇区，截止非目标波长荧光保留目标波长荧光，方案可以通过快速切换led通断，以实现便捷并且完成高效波长转换和荧光定量检测。
附图说明
24.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本发明实施例提供的一种多路荧光检测系统的结构示意图；
26.图2为本发明实施例提供的一种多路荧光检测方法的步骤流程图。
具体实施方式
27.下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施
例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
28.基于前述背景技术中所提出的，由于现有技术采用cmos拍照方式检测荧光的方式，光源一般采用卤素灯，卤素灯的性能会随使用时间逐渐衰减，使用寿命短，对被检测区域大面积的照射光强不均匀，不同位置样本到cmos的距离不同，不同光程差也可引起检测误差；而另一种pmt、光电二极管等进行检测，为点检测方式，对试剂检测时需配合位移机构对试剂进行逐个扫描方式进行检测，检测速度较慢；无论是使用上述哪种方式，要实现多个荧光通道的检测，均需要切换滤光片组，需要机械装置来实现滤光片位置的转换，稳定性较差，进一步延长检测时间。
29.基于上述现有技术中所存在的缺陷，本技术的技术方案提出一种新的激发光源和接收滤光的方式，无需机械切换机构，不仅能够缩短检测时间，还能提高稳定性。如图1所示，本技术的技术方案在第一方面提供了一种多路荧光检测系统，在系统中沿光轴从物端到像端依次排列有激发光源101、滤光片组102、成像镜头组103以及cmos传感器104；
30.其中，激发光源可以包括若干个波长的led光源，并且，同一波长的led光源在激发光源中可以设置多个灯源或光源；而系统中的滤光片组为多扇区滤光片组，该滤光片组由多个扇形的滤光区域或滤光片组成；扇形的滤光区域或滤光片的数量与选择的led光源波长的数量相同；例如，实施例中选用四个不同波长的led光源组成激发光源，对应滤光片组需要设置面积相同的四个扇形滤光区域。
31.实施例系统中的激发光源用于通过led光源输出激发光，对待检测物体进行均匀曝光，使得待检测物体激产生荧光；滤光片组用于透过目标波长荧光并截止非目标波长荧光；成像镜头组用于获取滤光片组透过的目标波长荧光，并在cmos传感器上成像；cmos传感器主要用于将图像数据转化为相应的图像数据以便进行荧光染料定量检测。具体地，实施例系统在检测过程中各色led激发光源分时点亮，激发出的荧光可透过其对应波长的窄带滤光片扇区，同时其它扇区因为滤光片中心波长与荧光波长不一致而截止，采用本实施例系统可以通过电控程序快速切换led光源通断，完成高效波长转换和荧光定量检测。
32.在一些可选择的实施例中，如图1所示，实施例系统中激发光源还包括圆环结构，圆环结构的外边缘向物端弯折得到圆锥环，在圆锥环靠近物端的表面设有led光源。
33.具体地，实施例中的激发光源固定设置在一硬质圆环结构的表面，该圆环结构的圆心位于光轴之上，即光轴垂直穿过该圆环结构，垂心为圆环结构的圆心。该圆环结构的外边缘向光轴物端的方向进行弯折得到一个圆锥环；如图1的切面图所示，该圆锥环与圆环结构连接处的切面夹角为钝角，以便于固定设置在圆锥环表面的激发光源能够更为集中地辐照待检测物体，以使待测物体曝光更为均匀。如图1中圆锥环的正视图，各个不同波长的led光源在圆锥环上按一定的排列顺序进行排列，以使相同波长的led光源最终成轴对称排布或者中心对称排布。
34.此外，待测物体被激发的荧光，可以通过该圆环结构的中空部分直射至滤光片组；在一些实施例中，该中空部分也可以设有透镜组，对激发的荧光最终的成像效果进行调整。
35.在一些可选择的实施例中，激发光源还包括若干透镜，该透镜用于对激发光的焦点进行调整。
36.具体地，实施例中，各个波长的激发光通过前置于led光源的透镜或者透镜组进行
聚焦，在通过对激发光源在光轴上的位置调整以及各个led光源的排布结构进行调整，并通过前置的透镜进行光路的聚焦，以使得激发光能够更加集中地辐照至待测物体。
37.在一些可选择的实施例中，系统的led光源包括475nm波长光源、543nm波长光源、575nm波长光源以及660nm波长光源；而相对应地，系统中的多扇区滤光片对应划分为四个扇区，各个扇区所能通过的被激发的荧光波长分别为525nm、586nm、625nm以及715nm。
38.具体地，实施例中多路led光源分别选用475nm、543nm、575nm、660nm波长的多个led组成作为激发光的光源，经过透镜组和位置结构分配实现对待检测物体的均匀照射；根据实施例中所采用的荧光染料或者标志物的激发特征(例如，通过525nm左右波长的激发光照射下，所激发荧光的波长为525nm)，并经过激发光源前置的透镜组和位置结构分配实现对待检测物体的均匀照射。相对应地，多扇区滤光片组分别由525nm、586nm、625nm以及715nm的滤光扇区构成；示例性地，在实施例中，当475nm波长led光源打开时，激发出525nm波长的荧光，透过滤光片组和成像镜头组进入cmos传感器中，而其他波长的光无法进入，从而对激发出的荧光强度进行定量检测，通过点亮不同波长led光源来实现多中荧光通道的检测。
39.在一些可选的实施例中，实施例中的成像镜头组由若干片透镜沿光轴依次排列构成。
40.示例性地，实施例中，成像镜头组沿着光轴由物侧至像侧依序包括：具有正光焦度的第凸透镜；具有正光焦度的凸透镜；具有负光焦度的凹透镜；具有光焦度的凹透镜；具有负光焦度的凹透镜；具有正光焦度的凸透镜；最终使得成像镜头组最终成像精度更高。
41.在一些可选的实施例中，系统中的cmos传感器包括以下两者至少之一：被动式像素结构传感器和主动式像素结构传感器。
42.具体地，cmos传感器通常由像敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、ad转换器、数据总线输出接口以及控制接口等几部分组成，这几部分通常都被集成在同一块硅片上。其工作过程一般可分为复位、光电转换、积分、读出几部分。
43.被动式像素结构传感器(passive pixel sensor.简称pps)，由一个反向偏置的光敏二极管和一个开关管构成。光敏二极管本质上是一个由p型半导体和n型半导体组成的pn结，它可等效为一个反向偏置的二极管和一个mos电容并联。当开关管开启时，光敏二极管与垂直的列线(column bus)连通。位于列线末端的电荷积分放大器读出电路(charge integrating amplifier)保持列线电压为一常数，当光敏二极管存贮的信号电荷被读出时，其电压被复位到列线电压水平，与此同时，与光信号成正比的电荷由电荷积分放大器转换为电荷输出。
44.主动式像素结构传感器(active pixel sensor，简称aps)，其在像素内引入缓冲器或放大器可以改善像素的性能，在cmos aps中每一像素内都有自己的放大器；集成在表面的放大晶体管减少了像素元件的有效表面积，降低了封装密度，使40％～50％的入射光被反射。
45.第二方面，在第一方面的系统的基础上，本技术的技术方案还提供一种多路荧光检测装置，该装置包括了第一方面中任意一种多路荧光检测。
46.第三方面，如图2所示，本技术实施例在第一方面中的系统的基础上，还提供了一种多路荧光检测方法，方法包括步骤s100-s300：
47.s100、输出激发光，以使待测物进行均匀曝光产生荧光；
48.s200、获取荧光，通过滤光片组透过目标波长荧光并截止非目标波长荧光；
49.s300、根据目标波长荧光，通过cmos传感器生成图像数据，根据图像数据进行荧光染料定量检测；
50.实时荧光定量pcr是目前生命科学研究的主流工具，与传统的pcr相比，实时荧光定量pcr在普通pcr的基础上增加了光学检测系统。dna片段在扩增过程中发射光信号随之增强，通过检测扩增过程的发射光信号强度可以计算出原始样品的含量。pcr试剂中可添加多种荧光染料，实现同时对多个位点进行检测。
51.具体地，实施例中所采用的检测系统包括多路led光源，多扇区滤光片组，成像镜头组以及cmos传感器，多扇区滤光片组是一种新型的滤光片结构，该结构将圆盘均分为多个扇区，在每个扇区中嵌入一片定制外形尺寸的窄带滤光片，实现圆盘的不同空间扇区对应于不同中心波长的窄带滤光片，在检测过程中各色led激发光源分时点亮，激发出的荧光可透过其对应波长的窄带滤光片扇区，同时其它扇区因为滤光片中心波长与荧光波长不一致而截止，实施例中，可以通过电控程序快速切换led通断，完成高效波长转换和荧光定量检测。
52.在一些可选择的实施例中，在输出激发光，以使待测物进行均匀曝光产生荧光这一步骤之前，还包括以下步骤：
53.通过荧光染料或荧光标记的特异性的探针，对pcr产物中的原始样本进行标记跟踪。
54.从上述具体的实施过程，可以总结出，本发明所提供的技术方案相较于现有技术存在以下优点或优势：
55.本技术技术方案在检测过程中通过各路led激光源，激发出待检测物体的荧光，通过滤光片扇区，截止非目标波长荧光保留目标波长荧光，方案可以通过快速切换led通断，以实现便捷并且完成高效波长转换和荧光定量检测。
56.在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
57.此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
58.在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。
59.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
60.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
61.以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。