用于毛细管电泳的双模式扫描光学系统的制作方法

用于毛细管电泳的双模式扫描光学系统
1.相关美国申请
2.本技术要求2019年11月14日提交的美国临时申请序列号62/935,609的优先权，该美国临时申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本公开总体上涉及双模式毛细管电泳系统，并且更具体地涉及可以在至少两种检测模式(例如uv吸收模式和激光诱导荧光(lif)模式)下轻松操作的毛细管电泳系统。


背景技术：

4.毛细管电泳通常用于快速分离和分析带电物种，诸如合成多核苷酸、dna测序片段、dna限制性片段、氨基酸、丹磺酰氨基酸的光学异构体，以及蛋白质、病毒和细菌的分离。胶束电动毛细管色谱、等电聚焦和柱上衍生化都可以在ce柱上进行。
5.当前仪器通常一次只能分析一个样品，这限制了仪器的吞吐量。此外，改变当前仪器的检测模式是困难的，并且通常需要对仪器进行硬件修改和重新验证。


技术实现要素：

6.在一方面，公开了一种双模式毛细管电泳系统，该双模式毛细管电泳系统包括：多个毛细管，用于接收多个样品；uv辐射源，用于沿第一路径产生uv辐射；激光源，用于沿第二路径产生激光辐射；以及检流计镜，被配置为沿所述第一路径接收来自所述uv辐射源的辐射并沿所述第二路径接收来自所述激光源的光，以及将接收到的所述uv辐射和所述激光引导到共同的光学路径上，所述检流计镜还被配置为在所述多个毛细管上依次扫描所述uv辐射和所述激光。该系统还可以包括第一检测器，该第一检测器相对于毛细管定位以便在所述毛细管中的每个毛细管被用所述uv辐射照射时接收通过该毛细管的uv辐射的至少一部分。至少一束光纤相对于所述毛细管定位以接收由设置在所述毛细管中的每个毛细管中的样品响应于所述激光对该毛细管中的样品的激发而发射的荧光辐射的至少一部分。第二检测器光学耦合到所述光纤，用于接收由所述毛细管发射的荧光辐射的至少一部分。
7.透镜可以被设置在检流计镜和所述多个毛细管之间，用于在跨毛细管扫描uv辐射和激光时将uv辐射和激光聚焦到毛细管上。在一些这样的实施例中，透镜被配置为将uv辐射和激光基本上聚焦到所述毛细管中的每个毛细管的中心上。
8.在一些实施例中，激光辐射可以激发附接到设置在毛细管中的样品的(一个或多个)荧光标签。在一些实施例中，可以采用紫外(uv)辐射来激发生物样品的天然荧光。光纤可以收集荧光辐射。在一些实施例中，采用两束光纤来收集激光诱导的荧光辐射或uv诱导的荧光辐射。在一些这样的实施例中，将一束光纤定位于透镜上方并且朝向所述多个毛细管向下成角度，以便接收激光诱导的或uv诱导的荧光辐射的至少一部分，并将另一束光纤定位于透镜下方并且朝向所述多个毛细管向上成角度，以便接收激光诱导的或uv诱导的荧光辐射的至少一部分。
9.在一些实施例中，光纤的近端可以耦合到板以将它们相对于毛细管固定。在一些这样的实施例中，光纤的远端可以耦合到耦合元件，该耦合元件可以将那些远端相对于第二检测器对准，使得离开光纤的光可以被该检测器检测到。在一些实施例中，检测器可以同时测量具有多个波长的光，或者可以是提供光谱分离以分别测量多个波长的检测器。
10.在一些实施例中，系统还可以包括用于控制检流计镜的控制器。控制器可以用硬件、软件和/或固件实现。举例来说，控制器可以包括处理器，以及通过至少一个通信总线与处理器通信的一个或多个存储器模块。在一些实施例中，用于操作检流计镜的指令可以存储在永久存储器模块中并且可以在运行时间期间由处理器传送到随机存取存储器模块以被执行来操作检流计镜。举例来说，控制器可以使检流计镜依次照亮所述多个毛细管。在一些这样的实施例中，控制器可以与uv辐射源以及激光源通信，以在不同的时间间隔中激活uv辐射源和激光源，来在这些时间间隔中将uv辐射或激光传输到检流计镜。在每个时间间隔中，该镜可以跨所述多个毛细管依次扫描uv辐射或激光。
11.在一些实施例中，所述多个毛细管被容纳在盒内。可以提供安装件，盒可以被安装到该安装件以便将毛细管放置在uv辐射和激光的路径中。
12.在一些实施例中，uv辐射源可以包括用于产生uv辐射的uv灯和可以被选择性地部署用来选择由uv灯发射的uv辐射的不同波长的多个滤光器。在一些这样的实施例中，uv灯可以产生波长在约185nm至约400nm范围内的uv辐射。此外，在一些实施例中，一个或多个滤光器可以被设置在被配置为检测荧光辐射的检测器前面，例如用来阻挡激发光，从而提高信噪比水平。在一些实施例中，光源可以产生波长在约372nm至约980nm范围内的光。
13.可以采用各种各样的检测器来检测uv辐射和激光诱导的荧光辐射。合适的检测器的一些示例包括但不限于光电二极管和光电倍增器、光电倍增器和光电二极管阵列光谱仪。
14.在一些实施例中，所述多个毛细管被设置在可滑动地可插入到系统中的可移除盒内，并且其中当可移除盒处于系统的插入状态时，所述多个毛细管被对准以接收来自检流计镜的所述uv辐射和/或所述激光。
15.在另一方面，描述了一种与双模式毛细管电泳系统一起使用的盒，所述盒包括适于接收多个样品的多个毛细管，并且所述盒适于能在插入状态和移除状态之间插入到所述双模式毛细管电泳系统中。所述双模式毛细管电泳系统可以包括：uv辐射源，用于沿第一路径产生uv辐射；激光源，用于沿第二路径产生激光辐射；检流计镜，被配置为沿所述第一路径接收来自所述uv辐射源的辐射并沿所述第二路径接收来自所述激光源的光，以及将接收到的所述uv辐射和所述激光引导到共同的光学路径上，所述检流计镜还被配置为当所述盒处于所述插入状态时在所述多个毛细管上依次扫描所述uv辐射和所述激光；第一检测器，当所述盒处于所述插入状态时该第一检测器相对于所述毛细管定位以便在所述毛细管中的每个毛细管被用所述uv辐射照射时接收通过该毛细管的uv辐射的至少一部分；至少一束光纤，当所述盒处于所述插入状态时该至少一束光纤相对于所述毛细管定位以接收由设置在所述毛细管中的每个毛细管中的样品响应于所述激光或uv辐射对该毛细管中的样品的激发而发射的荧光辐射的至少一部分；第二检测器，光学耦合到所述光纤，用于当所述盒处于所述插入状态时接收由所述毛细管捕获的荧光辐射的至少一部分。
附图说明
16.图1a示意性地描绘了根据实施例的双模式毛细管电泳系统。
17.图1b示意性地描绘了图1a所示的系统的某些部件。
18.图1c示意性地描绘了图1a所示的系统的某些部件。
19.图1d示意性地描绘了根据实施例的盒，该盒包含多个毛细管和用于接收盒的安装件。
20.图1e示意性地描绘了适合在本教导的一些实施例的实践中使用的uv辐射源。
21.图1f示意性地描绘了在图1a所示的系统中采用的透镜，该透镜用于将uv辐射和激光中的任一者聚焦到多个持有样品的毛细管上。
22.图1g示出了用于将激光诱导的荧光辐射引导至检测器的多根光纤、支撑光纤的近端的板、用于接收包含毛细管的盒的安装件、以及用于移动安装件和板的平移台。
23.图2示意性地描绘了用于操作检流计镜的控制器的实施方式的示例。
24.图3a和图3b示意性地示出了在本教导的实施例中采用的毛细管，其中毛细管结合到芯片上。
25.图4展示了从2μm直至2mm的咖啡因浓度检测的线性动态范围。
26.图5示出了cze分离，其中测试基质b样品(sciex)同时运行通过8个毛细管。
27.图6示出了使用不同浓度的荧光素钠的荧光强度。
28.图7示出了cze分离的结果，其中lif测试基质样品(sciex)同时运行通过8个毛细管。
具体实施方式
29.本教导提供了一种有助于分析多个样品的双模式毛细管电泳系统。在一些实施例中，该系统采用检流计扫描镜，该检流计扫描镜可以例如通过单个透镜依次引导来自激光器或uv源的辐射跨越毛细管阵列。在一些实施例中，毛细管阵列可以在硅芯片中实现，该硅芯片在毛细管结合到芯片的每个毛细管位置处具有窗口。窗口控制光通过毛细管并被配置为产生系统的最佳性能。如下文更详细讨论的，在一些这样的实施例中，光电二极管被定位为例如沿着光轴，以收集通过毛细管的uv辐射的至少一部分用于执行吸光度测量。光电二极管还可以用于通过使uv辐射或激光跨毛细管阵列扫掠并记录中心位置来使光束位置与每个毛细管窗口的中心初始对准。
30.在数据采集期间，检流计扫描镜可以步进扫描uv辐射或激光至每个毛细管，并将辐射在每个毛细管上保持预先选择的驻留时间以用于数据收集。在一些实施例中，激光被用来激发附接到所研究的样品的荧光标签，或者uv辐射被用来激发天然荧光(例如，生物样品的天然荧光)。响应于这种激发，荧光标签或表现出天然荧光的生物样品可以发射荧光辐射，该荧光辐射可以如下面所讨论的那样被检测。举例来说，在一些实施例中，对于这种激光诱导荧光检测，光纤阵列(例如，24根光纤)被以45度的角度放置在辐射的光轴的上方和下方(例如，12根在上方，并且12根在下方)，其中从光纤尖端到位于毛细管中心的辐射进入毛细管处的毛细管的假定延伸相交。光纤可以收集来自整个毛细管阵列的荧光辐射，并在通过激光或uv带阻滤光器和带通滤光器后将荧光辐射引导到光电倍增管，用于阻挡激发光到达光电倍增管并选择期望的辐射带宽以供检测。可替代地，可以通过光栅将辐射按波长
分离到光电二极管阵列上。根据本教导的系统的一个优点是它消除了为了从uv辐射切换到激光以询问所研究的样品而进行硬件更换的需要。相反，在根据本教导的系统中，从一种检测模式切换到另一种检测模式仅涉及将检流计镜从一个辐射源移动到另一个辐射源。在一些实施例中，用户可以例如通过图形用户界面简单地选择感兴趣的检测模式。
31.参考图1a、图1b、图1c、图1d、图1e和图1g，根据实施例的双模式毛细管电泳系统100包括毛细管122的阵列，毛细管122的阵列布置在盒195中并且每个毛细管被配置为接收所研究的样品。多毛细管阵列122包括在结合毛细管的每个毛细管位置处具有窗口的硅芯片。如本文所述，盒可插入(可滑动地或以其他方式)到系统中，并且在处于插入状态时安装到系统。当盒处于插入状态时，用盒195包含的毛细管122被对准以接收来自检流计扫描器的uv光和/或激光，并且还与作为检测系统的一部分的光纤和/或光电二极管对准。
32.作为示例，图3a和图3b示意性地描绘了结合到芯片122a并具有窗口122b的毛细管122的阵列，可以通过窗口122b接收或发射激光和/或uv辐射。窗口控制辐射通过毛细管以便产生系统的最佳性能。如以下更详细讨论的，毛细管被定位在由多个辐射源产生的辐射的路径中。
33.在该实施例中，系统100包括紫外(uv)辐射源131(参见图1e)和相关联的uv滤光器130以及激光源110。uv辐射源可以是例如uv灯，其可以产生uv辐射，例如波长在约185nm至约400nm范围内的辐射，用于对设置在毛细管122中的样品进行吸光度测量，并且激光源110可以是任何合适的激光器，其产生激光辐射以用于从设置在毛细管中的一个或多个样品引发荧光辐射，例如通过激发附接到设置在毛细管122中的一个或多个样品的荧光标签来引发。举例来说，激光源110可以产生具有在约372nm至约980nm范围内的一种或多种波长的辐射，用于对这些样品进行激光诱导荧光研究。举例来说，如上所述，在一些实施例中，可以用一种或多种荧光标记对设置在毛细管中的样品加标签，所述荧光标记可以被激光辐射激发并响应于这种激发而发射荧光辐射。在一些实施例中，uv辐射可用于激发生物样品的天然荧光。
34.在本实施例中，uv辐射源120包括广谱uv灯120a。uv源使用延伸到光纤准直器(参见图1中的光纤准直器120b)的单根光纤(见图1e中的配件202)。提供了多个可切换的uv滤光器130，可以一次选择其中一个用于过滤由uv辐射源120产生的辐射。可使用步进电机来切换沿由uv辐射源120产生的辐射的路径设置的uv滤光器，并且旋钮130a用于移除uv滤光器。以这种方式，可以从广谱uv灯产生的波长中选择感兴趣的波长。此外，uv源可通过使用步进电机来调节，以根据所选波长和所使用的(一个或多个)滤光器最大化光功率。
35.如图1e所示，透镜对200可以将由灯产生的uv辐射朝向uv输出配件202聚焦。快门203可以允许阻挡由灯产生的uv辐射离开源。x-y平移器204可以通过步进电机被移动以允许调整uv输出配件相对于透镜对200的位置。
36.双模式毛细管电泳系统100还包括用于将由激光源110和uv辐射源120发射的辐射引导到毛细管122的阵列上的合适的光学器件。这样的光学元件可以包括但不限于一个或多个反射镜、透镜(例如，聚焦透镜)等等。在本实施例中，检流计扫描镜116可以分别沿着不同的路径(pa)和(pb)接收由uv辐射源120和激光器110发射的辐射，并且将uv辐射和激光引导到指向聚焦或扫描透镜114的共同的光学路径上。如图1f所示，聚焦透镜114可以通过耦合到保持器114a而被保持在适当位置。
37.虽然在该实施例中，检流计镜116分别直接从uv源和激光源接收uv辐射和激光；但在其他实施例中，一个或多个光学元件(例如透镜)可以被定位在uv辐射源或激光源中的任一者与检流计镜之间。
38.聚焦或扫描透镜114进而可以将uv辐射和激光聚焦到毛细管阵列122的毛细管之一上。例如，在一些实施例中，透镜114被配置为将uv辐射和激光聚焦在选择的毛细管的中心。检流计镜116可以被扫描以用uv辐射和激光依次照射包含在毛细管阵列的毛细管中的样品。
39.系统100还可以包括多个检测器，用于检测传输通过毛细管的uv辐射和由附接于设置在毛细管内的(一个或多个)样品的(一个或多个)荧光标签响应于激光的激发或uv辐射对生物样品的一种或多种生物分子的天然荧光的激发而发射的荧光辐射的至少一部分。检测器可以响应于uv辐射和/或荧光辐射的检测而产生检测信号，其中检测信号可以被分析以获得关于设置在毛细管内的样品的信息。
40.更具体地，在该实施例中，uv检测器190(例如，光电二极管检测器)相对于毛细管定位，以便接收传输通过设置在毛细管中的样品的uv辐射的至少一部分。在该实施例中，光电二极管检测器190基本上沿着检流计镜116引导uv辐射和激光所沿着的共同的光学路径而定位。
41.在一些实施例中，光电二极管检测器190还用于初始地将光束位置对准至每个窗口的中心。例如，可以使uv辐射跨毛细管阵列扫掠，并且可以记录毛细管的中心位置。每个毛细管前面都有窗口。当光在uv辐射的扫掠期间通过与毛细管相关的窗口时，检测到信号显示八个峰。每个峰的起点和终点之间的中途点对应于毛细管窗口以及因此毛细管的中心。
42.在本实施例中，系统100还包括用于检测激光诱导或uv诱导荧光的荧光检测器180，在本实施方式中为光电倍增管(pmt)，用于检测样品发射的荧光辐射(例如，由附接到样品的荧光标记物发射的荧光辐射或由uv辐射激发的生物样品的天然荧光辐射)。如下文更详细讨论的，在该实施例中，荧光检测器通过多根光纤185接收所发射的荧光辐射。
43.更具体地，光纤阵列185a位于辐射的光轴的平面(即，共同的光学路径)的上方，并且光纤以约45度向下成角度，以便接收由设置在毛细管中的(一个或多个)样品发射的荧光辐射的至少一部分。另一个光纤阵列185b位于光轴的平面的下方，并且该阵列的光纤以约45度向上成角度，以接收由设置在毛细管中的(一个或多个)样品发射的荧光辐射的至少一部分。通常，上部光纤和下部光纤是成角度的，使得它们的假定延伸将在辐射通过毛细管的毛细管芯处相交。
44.在该实施例中，上部光纤束和下部光纤束中的每一者包括12根光纤(即，总共采用24根光纤)，但是在其他实施例中可以采用其他数量的光纤。在该实施例中，光纤185的近端附接到板191，板191又附接到安装件193，包含毛细管的盒195可以安装到安装件193上。如图1g所示，安装件193可以耦合到平移台193a，平移台193a允许调整安装件的高度以便使毛细管与辐射/光束对准。多个导杆(400)可以将收集光纤带到毛细管附近。
45.光纤185的远端耦合到光纤耦合元件196，光纤耦合元件196将光纤的远端与荧光检测器对准，以用于高效地将荧光辐射(例如，激光诱导的或uv诱导的荧光辐射)耦合到荧光检测器中。
46.在使用中，检流计扫描镜116通过跨毛细管122的中心位置依次步进uv和激光束来跨毛细管扫描uv辐射和激光。在数据采集期间，当收集数据(例如，uv吸收数据和/或荧光数据)时，在所选择的驻留时间内将光束集中在毛细管上。驻留时间可以基于例如毛细管的数量和分析的类型而变化。
47.在一些实施例中，控制器300可以控制检流计镜116的扫描以将uv辐射或激光束引导至毛细管。控制器300可以用硬件、固件和/或软件来实现。举例来说，如图2所示，控制器300可以包括处理器302、随机存取存储器ram 304、永久存储器rom 306和允许处理器302与控制器300的其他部件通信的通信总线308。用于控制检流计镜116的指令集可以存储在rom 306中，并且可以在运行时间期间传送到ram 304以控制检流计镜116的扫描。
48.由设置在毛细管中的样品发射的荧光辐射由光纤185收集，然后光纤185将收集的荧光辐射传输到荧光检测器180。在该实施例中，盒135包含用于阻拒散射的激光或uv激发光的滤光器135a和用于定位在荧光检测器180前面以阻挡散射的激光或uv激发光到达检测器并允许期望带宽的荧光辐射到达检测器的带通滤光器135b，从而提高检测到的荧光辐射的信噪比。
49.在一些实施例中，在不同的时间间隔期间用uv辐射和激光照射毛细管，但是在一些实施例中，可以用uv辐射和激光依次照射毛细管。在一些实施例中，uv辐射的至少一部分可以被受照射样品吸收并且uv辐射的一部分可以传输通过样品。传输通过样品的uv辐射(或其至少一部分)可由光电二极管检测器190检测。光电二极管检测器可产生检测信号，该检测信号可用于确定受照射样品的uv吸光度。
50.如图2中示意性所示，系统100还可以包括分析模块1000，分析模块1000与光电二极管190和光电倍增管180通信以接收来自这些检测器的检测信号并对信号进行操作以获得关于所询问样品的信息。分析模块1000可以用硬件、固件和/或软件来实现，例如以上面结合控制器300讨论的方式。在一些实施例中，可以采用二极管阵列光谱仪检测器。
51.根据本教导的双模式毛细管电泳系统100可以提供许多优点。例如，在这样的系统中，通过调整检流计扫描镜以接收来自感兴趣源的辐射，可以容易地实现将操作模式从uv吸收模式切换到激光诱导荧光(lif)或天然荧光(也称为荧光光谱)模式。换言之，由于系统针对两种模式采用了共同的部件，因此无需移除和更换各种部件来从一种操作模式切换到另一种操作模式。
52.示例
53.示例1
54.通过使220nm波长的uv辐射通过包含样品的多个毛细管来测量含有不同浓度咖啡因(即2μm、5μm、20μm、100μm、500μm、1mm、2mm和3mm)的去离子(di)水样品的uv吸光度。透射的uv功率的降低被转换为uv吸光度。
55.图4展示了从2μm直至2mm的咖啡因浓度检测的线性动态范围，其中线性相关性为r^2》＝0.9998。
56.图5示出了cze分离，其中测试基质b样品(sciex)同时运行通过8个毛细管。运行轮次间(run-to-run)和毛细管间(capillary-to-capillary)的迁移时间的相对标准偏差低于0.5％。运行轮次间的峰面积的相对标准偏差低于2％，并且毛细管间的峰面积的相对标准偏差低于5％。来自相邻毛细管的uv信号串扰低于0.08％。
57.示例2
58.激光诱导荧光(lif)是通过将荧光通过光纤阵列线缆配置到光电倍增管检测器来测量的。荧光素钠和lif测试基质样品的激发波长为488nm。图6示出了在50μm芯毛细管阵列中使用不同浓度的荧光素钠(即100pm、200pm、1nm、5nm、20nm、100nm、500nm和1μm)的荧光强度(相对荧光单位rfu)。动态范围至少为10000:1，其中r2＝0.9998。
59.图7示出了cze(毛细管区带电泳)分离的结果，其中lif测试基质样品(sciex)同时运行通过8个毛细管。来自相邻毛细管的lif信号串扰低于0.015％。