CN101273263A - 用于同时在多个试样中进行反应的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于同时在多个试样中进行反应的实验装置，其中这些试样被排列为一个阵列，该实验装置具有发出照明光到试样上的发光装置，用于产生一个与来自试样的光的光强度有关的信号并将此信号给到一个分析装置的检测装置，以及用于对发光装置进行功能检测的监测装置，所述实验装置的特征在于，所述发光装置具有多个分别分配给各个试样的发光二极管，并且所述监测装置具有电气装置，用这些电气装置可以实现对发光二极管的电气功能检测，其中所述监测装置还被构造为用于在确定一个发光二极管发生功能故障时产生一个信号。

Description

用于同时在多个试样中进行反应的实验装置

本发明涉及如权利要求1的前述部分所述的实验装置。

这种实验装置可以例如是一个用于进行核酸增强方法(以下称为PCR反应)的装置，其中增强产物(PCR产物)的定量组成在PCR反应的同时用光学方法被测量。PCR的这种特殊方式称为实时PCR反应。在以下的说明中为了更好的理解主要针对这种PCR装置来阐述，然而本发明并不局限于此装置。

在实时PCR反应中通常测量试样混合物，为了光学测量的目的，它们含有荧光指示剂，所述荧光指示剂按照光的激励给出适当波长的荧光信号，其强度与所形成的PCR产物的量有关。通常在具有持续反应时间的实时PCR反应的情况下，PCR产物的增加反映为被测荧光信号强度的增加。然而也可以在传输中测量。

实时PCR技术在Neusser，Transkrip Laborwelt 2000年第二期的“Echtzeit-PCR-Verfahren zur Quantifizierung von PCR-Produkten(用于PCR产物定量的实时PCR方法)”一文中详细描述。此文被用作参考，因而对可能的荧光指示剂和这种方法的其它方面不必做进一步说明。

在这种实验装置中同时被处理(例如同时进行PCR增强循环)的多个试样通常被排成阵列。一个热循环装置将这些试样例如置于不同的PCR温度等级上，例如在一个或多个等级中有一个温度梯度。为了观察或测量所形成的PCR产物的量化进程，这种实验装置具有一个发光装置，它将适当波长的光照射到试样上。此光源可以例如是蓝色或白色的发光二极管，也可以是诸如卤灯、氙灯、激光二极管、激光器等其它替代光源。也可以有附加的光学成像元件，以例如对照明光进行滤波或将其成像在试样上。

为了测量由PCR产物产生的光信号，它通常是一个荧光，设置了一个检测器，它根据测得的光强度产生测量值。也可以设置超过一个的检测器。检测器可以例如是CCD芯片或光电倍增管，或者包含一个CCD芯片或一个光电倍增器。光强度通常随PCR产物的数目而增长。然而还已知有其它方法，其中通过荧光的减弱来观察PCR产物的增长。

此装置通常还具有限定了从发光装置到反应试样以及从反应试样到检测器的射线路径的光学装置。该光学装置包括例如设置在照明装置与试样之间的分色镜，它可使由发光装置射出的激励光通向试样，并将由被光激励的反应试样发出的长波长荧光信号反射到例如设置在侧面的检测器上。通常还具有一系列其它光学元件，例如连接在检测器前面的滤光器、透镜等。

但不是在所有试样中都能观察到荧光或荧光的变化。如果与PCR一起增长的输出产物例如完全没有包含在试样中，则也不会观察到荧光。在这种试样的情况下不能判定荧光的缺失是否真的来源于输出产物的缺少，或者是否由于激励光源故障使荧光完全没有被激励。这两种原因会导致相同的结果。能够明确地确定为什么没有观察到荧光是非常重要的，因为实时PCR测量例如会被应用在医学诊断中。错误诊断会引起致命的后果。

US2003/0127609A1公开了一种这样的装置，它具有一个监测装置，它可以监测发光装置的功能。这个监测装置由一个附带的光检测器构成，所述光检测器被如此安装，使得它被发光装置用照明光照射。如果这个附加的光检测器确定没有照明光出现，则警告使用者发光光源发生故障。

这种方案的缺点在于，需要一个附带的昂贵的检测器，检测器还需要占用一些位置。光学监测也存在问题，例如，由于正确的监测不仅需要避免来自发光装置以外的其它光源的干扰光，而且要求照明光不受干扰地照射到检测器上。缺点还在于，US2003/0127609A1采用单个发光光源工作，它的故障将使整个设备不能使用。为了有选择地对多个试样中的某一个进行照明，需要在发光装置和试样之间实现昂贵的相对机械运动。在所示的例子中一个微量滴定板被机械移动，在其容纳位置中含有试样。

现有技术还已知了用多于一个的光源工作的实验装置。在WO03/002991A2中例如设置了发光二极管的排列作为发光装置。其中每个试样被分配一个发光二极管。不对发光二极管进行严格功能上的监测，因此这里在缺失荧光时不能明确说出原因。

本发明的目的在于，从现有技术出发给出一种对发光装置的功能具有简单且可靠的监测的实验装置。

上述任务由具有权利要求1所述特征的实验装置完成。从属权利要求给出了本发明的其它有利的实施例。

按照本发明，发光装置由多个分别分配给多个试样中的各个试样的发光二极管组成，其中例如根据权利要求2所述，具有优点地总是在某个时刻只有一个发光二极管被控制发出照明光。监测装置不具有光学装置，而是具有电气装置，利用所述电气装置可以对发光二极管进行电气功能检测，其中监测装置还被构造为用于在确定一个发光二极管发生功能故障时产生一个信号。发光二极管这个概念应当也包括激光二极管。

本发明的优点在于，电气功能监测可以用简单的手段来实现，并且有多种可能的替代方案进行其变换。例如，可以对每个发光二极管测量例如是否有电流流过此二极管或者例如二极管上的电压。也可以根据其电气特性监测为发光二极管供电的装置。

此外，如权利要求7所述，具有优点的是，实验装置还可具有一个热循环装置，它可以受控制装置控制，用于把多个试样的温度调节到特定的反应温度上。热循环装置可以具有优点地例如根据权利要求9所述那样被控制，以形成温度梯度。根据本发明的实验装置还可如权利要求8所述那样具有优点地被构造成用于进行实时PCR反应。

每个发光二极管可以有一个自己的电流源。然而具有优点的是，如权利要求3所述那样所有的发光二极管由同一个电流源供电。特别具有优点的是，如权利要求4所述，电流源被构造成恒流源，并且监测装置测量这个如此构成的电流源的输出电压。所述恒流源具有下述优点：二极管电流不再取决于输入电压和二极管上的电压降。用于实现恒流源的电路在现有技术中长久以来就是已知的。

为了考虑到例如由于发光二极管的老化或漂移效应而产生的电气参量偏移，如权利要求5所述，监测装置最好具有比较装置，用于将测得的输出电压与一个预先给定的输出电压范围进行比较。

在最简单的实施例中，监测装置的信号指示已确定发光装置发生故障，而不具体识别出发生故障的发光二极管。利用这种有限的信息，所有的测量结果都有可能是错误的，因而应当被舍弃。鉴于对所有分配给无干扰地工作的发光二极管的试样存在可利用的结果，完全丢弃所有的结果意味着所用的、通常也是很昂贵的试样以及所花费时间的浪费。因此具有优点的是，如权利要求6所述，监测装置被构造成用于产生一个识别发生功能故障的发光二极管的信号。例如，当对每个发光二极管进行局部的功能监测时，这个信息是可以直接获得的。例如当通过直流电流源的监测进行非集中式的功能监测时，这个信息也是容易获得的，例如通过分析以下信息而获得：哪个发光二极管何时受到控制而发光以及何时确定的功能故障，或者例如通过在识别故障时控制发光二极管的开关而获得此信息。这种分析例如可以在一个分析和控制装置中完成，它不仅具有控制实验装置的控制智能，而且还具有接收、记录和分析来自检测器的测量信号的分析智能。在识别发生功能故障的发光二极管时，具有优点的是，利用所有没出现故障的测量值，同时有选择性地丢弃那些表明发生了功能故障的发光二极管的测量值。

此外，在以后应用这种实验装置时，留出分配给出现故障的发光二极管的试样位置，而可以使用所有其它试样位置。例如如权利要求10所述，实验装置可具有一个指示器，在此指示器上例如通过指示发生故障的二极管或通过指示阵列中相应的试样位置而向使用者指示出不能使用的位置。实验装置在这种限制下可继续使用，而不必例如立即由服务技术人员维护，更换损坏的发光二极管。

对于被确定为发生故障的发光二极管的这些考虑例如也可在设备重新校准时或者在设备校准到一个新颜料时进行。例如对应于这个发光二极管的测量结果在形成平均值时被剔除。

下面借助附图详细说明本发明，附图示出一个实时PCR装置，作为本发明实验装置的实施例。

装置10具有一个简要示出的常见的热循环装置11，它具有容纳位置12，用于放置多个试样。在工作时图中未示出的反应容器被放入容纳位置12中，在反应容器中分别装有含有荧光指示剂的PCR附着物。在热循环装置11上安装着一个遮盖外壳13，它带有具有多个发光二极管14的发光装置。一个发光二极管14分别被分配给一个容纳位置12。发光二极管14最好如容纳位置12那样呈阵列状排列。在测量时发光二极管14最好由控制和分析装置50分别接通和断开，使得在某一时刻总是分别只有一个相应的容纳位置12被照射。

用15，15′来表示从发光二极管14至检测器27的示例性光路。光15由发光二极管14发出，并且接着可通过例如一个图中未示出的低通滤光器16，用它滤除长波长部分。此外光15可以由一个同样在图中未示出的透镜阵列聚焦到相应的容纳位置12上。激励光15通过一个分光器17，所述分光器在此方向上最好尽可能完全通过。

最好采用一个分色镜作为分光器17，激励光15以高效率穿过它，然而发出的长波长的荧光信号15′以高效率被反射。

由发光二极管14发出的光15应激励位于容纳位置12中PCR附着物中的荧光指示剂。为此，激励光必须具有适当的波长，以能够激发荧光。在激励之后，荧光指示剂发出荧光信号15′。分光器17被如此设置，使得在其上出现的荧光信号15′沿虚线反射到侧面。所示光学结构对应于一个典型的用于荧光测量的90°测量结构。被反射的荧光信号15′抵达一个获取荧光强度的检测器27。检测器27前面接有不同的光学装置，用它们可将荧光信号15′成像在检测器27上。所述光学装置分别包括多个具有光入射面21的光纤20，它们分别被分配给一个容纳位置12或由容纳位置12发出且在分光器17上反射的荧光信号15′。光入射面21最好也像发光二极管14和容纳位置12那样排列在一个阵列中。

光纤20在其输出端被合成一束23。通过集合成束，来自所有容纳位置12的荧光信号相互相对密集地从各个光纤的输出端射出，即在检测器27的光轴28附近射出。最好具有限制得很狭窄的出射面以校准射出的荧光射线，使得在光纤到光纤之间荧光射线的传播方向只有很小的差别。特别具有优点的是，跟在输出端后面的滤光器是干涉滤光器，其频谱过滤特性取决于到该滤光器上的入射角。

荧光信号15′从光纤束23输出，然后经由其它的光学装置，例如透镜24、带通滤光器25和另一个透镜26，最后成像在检测器27上。滤光器也可以自动更换，以使所述装置适配于各种不同的荧光指示剂。

发光二极管14全部并联连接到一个直流电流源30上，所述直流电流源主要由一个供电电压源32、例如电网组件构成，它通过常用的电子电路34、例如负反馈的晶体管来稳流。也可采用其它供电电压源和其它的电子电路来稳流。

到每个发光二极管14的电流分别由一个相应的开关39，40来控制，所述开关可处于接通和断开位置。组合成开关单元38的多个开关39，40由控制和分析装置50的控制信号接通或断开。在所示例子中，开关39接通，开关40断开。

在发光二极管14排列为一个阵列的情况下，对各个发光二极管14的有的目的控制以优选的方式通过开关来实现，它控制一列中的所有发光二极管或一行中的所有发光二极管。通过接通一个列开关和一个行开关，相应的发光二极管被施加电流，这个发光二极管不仅处于所选择的列中，而且也处于所选择的行中。

监测装置45监测为发光二极管14供给电流的恒流源30的输出电压。可以观察在电流经过一个起作用的发光二极管时输出电压下降。这个电压下降在应用相同发光二极管时对于所有发光二极管是基本相同的。考虑到老化和漂移效应，例如可以确定一个电压范围，当一个起作用的发光二极管被施加电流时测得的输出电压应当在这个电压范围内。监测装置45与控制和分析装置50通信连接。在所示实施例中，当一个发光二极管14被接上时，监测装置45得到控制信号。于是它测量输出电压并将测得的电压与一个允许的电压范围进行比较。在超过或低于这个允许范围时，将一个故障通知经由信号线47给到控制和分析装置50，所述控制和分析装置根据这个故障信号的出现时间或者例如根据开关39，40的位置确定哪个发光二极管14造成了这个有问题的输出电压，并从而认定它发生了功能故障。在分析来自检测器27经由信号线52得到的荧光强度值时，由对应于发生功能故障的发光二极管24的试样得到的结果不被考虑或指出它是错误的。此外，可以在指示装置55上利用一个指示来表明发生功能故障的发光二极管14，对应于这个发光二极管的容纳位置应不再使用。一旦这个发生故障的发光二极管14被更换掉，则这个故障通知被取消。故障通知例如可以用图形方式来指示发生故障的发光二极管14所对应的试样在阵列中的位置，这个试样位置是不可用的。也可以为使用者显示一个可读的相应指示。

Claims (10)

1.用于同时在多个试样中进行反应的实验装置(10)，其中这些试样被排列成一个阵列，所述实验装置具有发光装置(14)，所述发光装置发出照明光(15)到试样上，所述实验装置还具有检测装置(27)，所述检测装置产生一个与来自试样的光(15′)的光强度有关的信号，其中所述检测装置(27)将所述信号进一步给到一个分析装置(50)，所述实验装置还具有监测装置(45)，用于对发光装置(14)进行功能检测，其特征在于，所述发光装置具有多个分别分配给各个试样的发光二极管(14)，并且所述监测装置(45)具有电气装置，利用这些电气装置可以实现对发光二极管(14)的电气功能检测，其中所述监测装置(45)还被构造为用于在确定一个发光二极管(14)发生功能故障时产生一个信号。

2.如权利要求1所述的实验装置(10)，其特征在于，在某个时刻总是只有一个发光二极管(14)受到控制而发出照明光(15)。

3.如权利要求1或2所述的实验装置(10)，其特征在于，所有发光二极管(14)由同一个电流源(30)供电。

4.如以上权利要求中任一项所述的实验装置(10)，其特征在于，所述监测装置(45)测量被构造为用于提供恒定电流的电流源(30)的输出电压。

5.如权利要求4所述的实验装置(10)，其特征在于，所述监测装置(45)具有比较装置，用于将测得的输出电压与一个预先确定的输出电压范围进行比较。

6.如以上权利要求中任一项所述的实验装置(10)，其特征在于，所述监测装置(45)被构造成用于产生一个识别发生功能故障的发光二极管的信号。

7.如以上权利要求中任一项所述的实验装置(10)，其特征在于，该实验装置具有热循环装置(11)，所述热循环装置可受控制装置(50)的控制，以将多个试样的温度调节到特定的反应温度。

8.如权利要求7所述的实验装置(10)，其特征在于，该实验装置被构造为进行实时PCR反应。

9.如权利要求7或8所述的实验装置(10)，其特征在于，所述热循环装置(11)可被控制以产生温度梯度。

10.如权利要求6至9中任一项所述的实验装置(10)，其特征在于，设置有指示装置(55)，在这个指示装置上可指示发生故障的发光二极管(14)或其对应的试样位置(12)。

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