阅读说明：本技术 多色荧光激发及检测装置 (Multicolor fluorescence excitation and detection device ) 是由 马勃 游杰颖 梁骞 于 2019-08-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种多色荧光激发及检测装置,包含至少一发光模块、卡匣、液态镜片模块及至少一检测模块。发光模块提供具有特定波长范围的照明光。卡匣包含检测芯片,检测芯片包含多个检测槽,环绕设置于检测芯片的外围,每一检测槽内容置对应的荧光试样,且检测槽包含第一壁面及第二壁面。照明光穿透第一壁面以照射检测槽内的荧光试样,并激发荧光试样以产生荧光信号穿透第二壁面。液态镜片模块包含至少一液态镜片贴附设置于第二壁面上,当荧光信号穿透第二壁面及液态镜片时可被增强。检测模块接收增强后的荧光信号,并将之转换为电信号。(The invention discloses a multicolor fluorescence excitation and detection device, which comprises at least one luminous module, a cassette, a liquid lens module and at least one detection module. The light emitting module provides illumination light having a specific wavelength range. The cartridge comprises a detection chip, the detection chip comprises a plurality of detection grooves which are arranged around the periphery of the detection chip, a corresponding fluorescent sample is arranged in each detection groove, and the detection grooves comprise a first wall surface and a second wall surface. The illumination light penetrates the first wall surface to irradiate the fluorescent sample in the detection groove, and excites the fluorescent sample to generate a fluorescent signal to penetrate the second wall surface. The liquid lens module comprises at least one liquid lens which is attached to the second wall surface, and the fluorescence signal can be enhanced when penetrating through the second wall surface and the liquid lens. The detection module receives the enhanced fluorescence signal and converts it into an electrical signal.)

多色荧光激发及检测装置

技术领域

本发明涉及一种荧光检测装置，尤其涉及一种具有液态镜片模块的多色荧光激发及检测装置。

背景技术

为了根据不同需求而取得大量特定片段的DNA的方式在近几年来蓬勃发展，科学家们一直致力找出有效率的方式来符合其目标，而聚合酶连锁反应(Polymerase chainreaction，PCR)即为其中一种最经济且快速的技术，可在短时间内获得十亿拷贝的特定DNA片段。PCR技术可应用在多种领域，例如遗传鉴定的选择性DNA分离、分析考古学中的古代DNA的法学分析、基因检测及组织类型的医学应用、医院及研究机构的传染病的快速及准确的诊断、食品安全的环境危害检验以及用于调查罪犯的基因指纹等。PCR技术只需要利用从血液或组织中萃取得到的小量DNA试样，并将荧光染剂加入核酸溶液中，即可通过荧光分子检测到扩增的DNA片段。

染剂及荧光检测技术为一种被广泛利用的技术，用以同步检测及分析是否有目标核酸分子存在于一批次生物试样中。在特定波长的光激发下，当有荧光信号从具有DNA结合染剂或荧光结合探针的目标核酸分子发出时，此信号即代表有目标核酸分子的存在。此技术被应用在新式PCR技术，称为等温扩增方式(isothermal amplification method)。其中，光学装置乃是qPCR检测技术中检测特定核酸片段发出的荧光所不可或缺的工具，此光学装置必须提供光源以在特定波长激发荧光探针，且同时检测从探针发出的荧光信号。

另一种替代的等温扩增方式则是无须采用热循环控制，而是仰赖利用体内DNA/RNA合成机制的蛋白质，并由酵素活性主导。因此，微小化的等温系统具有设计简单及能量消耗低的优点。目前有多种分析复杂度(多种酵素或引子)、检测灵敏度及专一性可接受的等温扩增方式被发展出来，包括核酸序列依赖性扩增技术(nucleic acid sequence-basedamplification,NASBA)、链置换扩增技术(strand displacement amplification,SDA)、解旋酶扩增技术(helicase-dependent amplification,HAD)、环型等温扩增技术(loop-mediated isothermal amplification,LAMP)、重组酶聚合酶扩增技术(recombinasepolymerase amplification,RPA)及切口酶扩增技术(nicking enzyme amplificationreaction,NEAR)。

荧光检测系统已在多种领域中成熟发展，例如荧光光谱及荧光显微镜的应用。利用单色光源配上一组滤镜及光学组件，即可轻易应用于单色的荧光探针。然而，大部分现有的荧光检测系统皆具有体积大、结构复杂及成本高的缺陷。再者，大多数荧光检测系统产生的荧光信号具有较低的信噪比(Signal-to-Noise ratio,SNR)。目前可携式等温扩增方法的荧光检测装置设计仍落后于其生化技术发展。由于等温扩增对于试样的纯化度具有较高的容忍度，市场上大部分的等温平台着眼于创造具有稳定温度的环境及具有中高通量(throughput)的检测方法。更重要的是，大多数应用等温扩增的装置较偏爱于移动检测环境中，故系统需要具有高度集成度，因此，大多数现行的光学组件设计虽然已经被广泛的运用，但并不适合应用等温扩增的装置。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种多色荧光激发及检测装置，通过液态镜片模块将荧光信号集中汇聚至检测模块，以获得高信噪比，缩小整体体积及重量，并且以较低成本提供可携式等温PCR系统较好的性能，并且可允许检测槽的偏差。

本发明的另一目的在于提供一种多色荧光激发及检测装置，具有紧密的光学结构以避免对位及组合的困难，并具有高效能、坚固结构，以避免光传送所造成的损失并保持高的信噪比。

根据本发明的一个方面，本发明提供一种多色荧光激发及检测装置，包含至少一发光模块、卡匣、液态镜片模块及至少一检测模块。每一该发光模块提供具有特定波长范围的照明光。卡匣包含检测芯片，检测芯片包含多个检测槽，环绕设置于检测芯片的外围，其中每一检测槽内容置对应的荧光试样，且每一检测槽包含第一壁面及第二壁面，其中照明光穿透第一壁面以照射检测槽内的荧光试样，并激发荧光试样以产生荧光信号穿透第二壁面。液态镜片模块包含至少一液态镜片贴附设置于第二壁面上，以使荧光信号穿透第二壁面及液态镜片时增强荧光信号。至少一检测模块接收增强后的荧光信号，并转换荧光信号为电信号。

本发明的有益效果在于，本发明提供一种多色荧光激发及检测装置，此多色荧光激发及检测装置可应用于许多利用荧光染剂作为介质的领域，如qPCR、等温PCR、荧光显微镜、荧光光谱等领域。本发明的多色荧光激发及检测装置集合了发光模块、卡匣及检测模块于单一装置中，使得本发明的多色荧光激发及检测装置具有紧密的结构、较小的体积以及较轻的重量的优势。

附图说明

图1为本发明的一实施例的使用多色荧光激发及检测装置的核酸分析设备的结构示意图。

图2为图1所示的核酸分析设备于槽体开启时的结构示意图。

图3为本发明较佳实施例的多色荧光激发及检测装置的结构示意图。

图4为图3所示的多色荧光激发及检测装置的部分放大结构示意图。

图5为图4所示的检测槽及液态镜片模块的结构示意图。

图6显示荧光染剂FAM的激发光谱。

图7显示荧光染剂Cy5的发射光谱。

附图标记如下：

100：核酸分析设备

1：槽体

11：顶部槽体

12：底部槽体

121：腔室

13：铰链

14：容置空间

2：流体输送单元

3：温度控制单元

4：旋转驱动单元

5：液态镜片模块

51：液态镜片

511：第二镜片

512：液体层

513：第三镜片

52：第一镜片

6：卡匣

61：试剂储存本体

62：检测芯片

625：检测槽

623：第一壁面

621：第二壁面

622：第三壁面

624：第四壁面

63：第一通道

64：第二通道

65：开口

7：发光模块

71：光源

72：第一滤波器

73：第一针孔

8：检测模块

81：第二滤波器

82：检测器

83：第二针孔

9：多色荧光激发及检测装置

具体实施方式

体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明之用，而非限制本发明。

本发明提供一种适用于核酸分析设备的多色荧光激发及检测装置。更进一步说明，本发明的多色荧光激发及检测装置所适用的核酸分析设备集合了流体输送单元、温度控制单元、旋转驱动单元及多色荧光激发及检测装置于单一装置上，故在单一装置上可实时进行核酸分析以达到试样纯化、核酸萃取、核酸扩散以及核酸检测的功能。

图1为本发明的一实施例的使用多色荧光激发及检测装置的核酸分析设备的结构示意图，图2为图1所示的核酸分析设备于槽体开启时的结构示意图，其中卡匣示意性的移出核酸分析设备。如图1及图2所示，核酸分析设备100包含槽体1、流体输送单元2、温度控制单元3、旋转驱动单元4及多色荧光激发及检测装置9。多色荧光激发及检测装置9包含卡匣6、至少一发光模块7、液态镜片模块5以及至少一检测模块8(其中发光模块7及液态镜片模块5请参照图3)。槽体1可被开启，以安装卡匣6于其中。流体输送单元2与槽体1连接，并适用于输送卡匣6内的试剂，以进行试样纯化及/或核酸萃取。温度控制单元3设置于槽体1内，并适用于提供默认温度，以进行核酸扩增。旋转驱动单元4与槽体1连接，且可以默认程序在槽体1内旋转卡匣6，在一实施例中，旋转驱动单元4可夹持卡匣6。至少一发光模块7及至少一检测模块8设置于槽体1上，每一发光模块7包含至少一激光用的光学组件，每一检测模块8包含至少一检测用的光学组件，用于核酸检测或试样反应检测。

于一实施例中，槽体1包括顶部槽体11及底部槽体12。顶部槽体11与底部槽体12通过铰链(hinge)13连接，但不以此为限。底部槽体12具有腔室121，特别设计用以安装卡匣6于其中。顶部槽体11可被开启，使得卡匣6可放置于底部槽体12的腔室121中。当顶部槽体11关闭后，槽体1内便形成封闭空间。在一实施例中，槽体1的形状可为但不限于圆柱状、球状、立方体、圆锥体或橄榄状，且槽体1可由但不限于金属、陶瓷、聚合物、高分子化合物、木材、玻璃、或其他可提供良好热隔绝的材质所制成。

底部槽体12通过管件或流道与流体输送单元2连接，当卡匣6安装于底部槽体12中，卡匣6会被锁固且与流体输送单元2紧密接触，以避免泄漏。举例来说，卡匣6可通过至少一固定组件锁固于底部槽体12，其中固定组件可包括一扣件(clip)，但不以此为限。

如图2所示，卡匣6包括检测芯片62及试剂储存本体61，且检测芯片62设置于试剂储存本体61的顶部。检测芯片62为一平面型流体芯片，检测芯片62包括多个检测槽625(如图4所示)、至少一第一通道63以及至少一第二通道64。至少一第一通道63经由至少一第二通道64连接检测槽625。在一实施例中，多个检测槽625环绕设置于该检测芯片62的外围，且内有供核酸扩增及/或检测的试样或试剂。举例来说，检测槽625可涂布供核酸扩增及/或检测的试样或试剂，例如包括不同荧光染料的试剂。检测槽625的数量并不受限，且可多达40甚至更多个槽，故本发明设备可进行多重化(multiplexing)的核酸分析。于一些实施例中，检测芯片62的形状实质上为圆形，使得检测芯片62具有多个曲形侧面，以用于与至少一个检测模块8对齐，以利于聚焦。

试剂储存本体61包括多个试剂槽(未图示)，其储存用于试样纯化及/或核酸萃取的试剂。试剂储存本体61亦包括多个流道，其连接于试剂槽以供流体输送。在一实施例中，试剂储存本体61可为但不限于圆柱状本体。检测芯片62还包括设于检测芯片62顶面的至少一开口65，且开口65与试剂储存本体61的至少一试剂槽对位及连通，用于加入样品于卡匣6中。

图3为本发明较佳实施例的多色荧光激发及检测装置的结构示意图，图4为图3所示的多色荧光激发及检测装置的部分放大结构示意图。如图1、图2、图3及图4所示，多色荧光激发及检测装置9包含卡匣6、至少一发光模块7、液态透镜模块5以及至少一检测模块8。多色荧光激发及检测装置9可为但不限为包含四个发光模块7及四个检测模块8，每一发光模块7设置于底部槽体12的容置空间14内(请参照图2)，并提供具有特定波长范围的照明光。

请参阅图4，每一检测槽625包含第一壁面623、第二壁面621、第三壁面622、第四壁面624、第五壁面及第六壁面(未图示)。第一壁面623相对于第三壁面622，第二壁面621相对于第四壁面624，第五壁面相对于第六壁面。第二壁面621、第四壁面624、第五壁面及第六壁面相连接并设置于第一壁面623及第三壁面622之间。于本实施例中，第一壁面623为一底壁面，第二壁面621为一前壁面，第三壁面622为一上壁面，第四壁面624为一后壁面，第五壁面为第一侧壁，第六壁面为第二侧壁。

图5为图4所示的检测槽及液态镜片模块的结构示意图。如图4及图5所示，于本实施例中，液态镜片模块5包含液态镜片51及第一镜片52。液态镜片模块5用以使荧光信号穿透第二壁面621及液态镜片51时增强荧光信号。第一镜片52为聚光透镜，并贴附设置于检测槽625的第一壁面623(意即底壁面)上，由此，发光模块7产生的照明光穿透贴附于第一壁面623上的第一镜片52时，即可将照明光向上集中，照明检测槽625内的荧光试样，并激发荧光试样以产生荧光信号。

液态镜片51贴附设置于检测槽625的第二壁面621(意即前壁面)上，且包含第二镜片511、第三镜片513以及填充设置于第二镜片511及第三镜片513之间的液体层512。于本实施例中，液体层512填充油，例如：矿物油，但不以此为限，其亦可填充水、胶类、或是其他液体材质。以及，于一些实施例中，填充于液体层512中的填充油的折射率是1.46，且其与该匣体材料的折射率具有至少0.05以上的差异。

于另一些实施例中，第二镜片511用以将光汇聚于X方向，第三镜片513则用以将光汇聚于Y方向。以及，由于第二镜片511、液体层512及第三镜片513共同构成液态镜片51，且第二镜片511及第三镜片513的表面可为可变形膜，例如：薄聚合物或软弹性体。因此，当电压施加于液态镜片51时，由于液体层512的压力或体积会产生对应改变，进而可改变第二镜片511及/或第三镜片513的曲率，并可调整其焦距位置。此具有双锥表面设计技术的第二镜片511及第三镜片513的光学曲率能使光能传输最大化、并增强系统性能，并通过可变焦距光学器件以增强不同波长的荧光检测。因此，当荧光试样所产生的荧光信号穿透检测槽625的第二壁面621后，液态镜片51将荧光信号集中、增强并汇聚至检测模块8。检测模块8接收液态镜片51传送的增强后的荧光信号，再将荧光信号转换为电信号。

请再次参阅图3及图4，发光模块7相邻于检测槽625的第一壁面623而设置，且发光模块7的光轴对位检测槽625的第一壁面623，故贴附于检测槽625的第一壁面623上的第一镜片52可接收发光模块7所发射的具有特定波长范围的照明光。检测模块8相邻设置于检测槽625的第二壁面621，且检测模块8的光轴对位检测槽625的第二壁面621，故检测模块8可接收穿透检测槽625的第二壁面621及液态镜片51的荧光信号。

在一实施例中，发光模块7包含光源71及第一滤波器72。光源71可为发光二极管(LED)或激光二极管(laser diode)，且光源71用以产生波长具有宽带的照明光。第一滤波器72设置于光源71及第一壁面623之间，并且使得光源71所产生的具有特定波长范围的照明光，例如：第一波长范围内的照明光，通过，且阻止光源71所产生的不需要的波长的照明光通过。

发光模块7还包含第一针孔73，设置于光源71及第一滤波器72之间，且发光模块7的第一针孔73导引光源71所产生的照明光对位于第一滤波器72及检测槽625的第一壁面623。于一些实施例中，第一针孔73的孔径范围介于2.0mm至3.0mm之间，但不限于此。

于一些实施例中，第一通道63经由对应的第二通道64连接检测槽625，其中第一通道63用以发送试样至检测槽625。第二通道64的截面积以小于第一通道63的截面积为较佳，因此第二通道64具有一毛细管阀用以实现无源流量控制。

在一实施例中，检测槽625的第三壁面622及第一壁面623皆为光学薄膜所构成，第三壁面622的光学薄膜的厚度以及第一壁面623的光学薄膜的厚度皆可介于0.1mm至0.2mm之间，但不以此为限。第三壁面622的光学薄膜的折射率以及第一壁面623的光学薄膜的折射率皆可介于1.3至1.6之间，但不以此为限。

在一些实施例中，检测芯片62的检测槽625的体积大小可介于10μL至50μL之间，但不以此为限。检测芯片62可由聚碳酸酯(polycarbonate,PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)或环状烯烃共聚物(cyclic olefin copolymer,COC)所组成。检测芯片62的检测槽625的折射率可介于1.3至1.6之间，但不以此为限。

检测模块8包含第二滤波器81及检测器82。第二滤波器81用以接收液态镜片51所传送的荧光信号，而允许另一特定波长范围的荧光信号，例如：第二特定波长范围的荧光信号，通过，并阻止不需要的波长通过。检测器82用以接收通过第二滤波器81的具有第二波长范围的荧光信号，并转换荧光信号为电信号。于一实施例中，检测器82可为但不限为光电二极管(photodiode,PD)、雪崩光电二极管(avalanche photodiode,APD)、感光耦合组件(charge coupled device,CCD)或互补式金属氧化物半导体(complementary metal-oxidesemiconductor,CMOS)。

检测模块8更可包含第二针孔83，第二针孔83设置于检测槽625的第二壁面621及第二滤波器81之间，检测模块8的第二针孔83引导荧光试样所产生的荧光信号对位于检测模块8。于另一些实施例中，第二针孔83的孔径范围介于2.0mm至3.0mm之间，但不限于此。

在一些实施例中，多色荧光激发及检测装置9包含多个发光模块7及多个检测模块8，例如可包含但不限于四个发光模块7及四个检测模块8，其中多个发光模块7提供不同颜色的照明光至对应的检测槽625，以进行荧光检测，多个检测模块8接收对应的荧光信号，因此多个检测模块8可同时检测多个试样并实现多重化检测。

请参阅图6及图7，图6显示荧光染剂FAM的激发光谱，图7显示荧光染剂Cy5的激发光谱。于本实施例中，采用FAM及Cy5染剂作示范，这些染剂为标准荧光染剂，然本发明的系统并不限于这等荧光染剂。如图6及图7所示，与公知技艺相比，本发明所检测出的荧光信号和信噪比的强度更高。

表1显示两种荧光染剂应用于本发明的多色荧光激发及检测装置9的信噪比与现有技术相比较的结果，其中两种荧光染剂的浓度皆分别为320nM。表1清楚的显示两种荧光染剂应用于本发明的多色荧光激发及检测装置9的信噪比是相当高的，甚至于可高达77及30，这表示了多色荧光激发及检测装置9的感亮度相当好，且来自于目标荧光染剂的信号是具有高度区别性的。

表1

	FAM	Cy5
			现有技术信噪比_320nM	19.9	17.7
本发明信噪比_320nM	77.10	30.77

在一实施例中，发光模块7设置于底部槽体12的容置空间14内，在运行过程中，每一发光模块7对位于卡匣6的其中之一检测槽625以提供有效的照明光以进行检测。检测模块8设置于顶部槽体11的外缘以实现光学检测，使得试样在核酸扩散的过程中可以实时的被检测。一但卡匣6被夹持锁固，检测模块8对准于卡匣6上的其中之一检测槽625，因此核酸分析的结果就可被读取，而卡匣6旋转使得每一检测槽625依序通过不同的发光模块7及检测模块8。在一实施例中，每一发光模块7及检测模块8能够提供独特的颜色的照明光及检测，以提供不同颜色完成荧光检测，使得核酸分析设备100可同时检测多个目标并实现多重化检测。

在实际操作中，当发光模块7的光轴或检测模块8的光轴对位于检测槽625时可能会有一些偏差的产生。由实验结果显示，当荧光试样偏离角度介于±2度时，系统于目标荧光染剂上的信噪比仍保持良好的表现，这代表当发光模块7的光轴或检测模块8的光轴对位于检测槽625时，多色荧光激发及检测装置9接受些许偏差的产生。于一些实施例中，可接受的偏离角度可藉于±3.5度之间。

综上所述，本发明提供一种多色荧光激发及检测装置，此多色荧光激发及检测装置可应用于许多利用荧光染剂作为介质的领域，如qPCR、等温PCR、荧光显微镜、荧光光谱等领域。本发明的多色荧光激发及检测装置集合了发光模块、卡匣及检测模块于单一装置中，使得本发明的多色荧光激发及检测装置具有紧密的结构、较小的体积以及较轻的重量的优势。此外，本发明的多色荧光激发及检测装置更具备液态镜片模块以增强不同波长的荧光检测信号，进而使光能传输最大化、并提高系统性能。因此，多色荧光激发及检测装置不需要昂贵的光学组件，故多色荧光激发及检测装置的成本较低。再者，由于多个发光模块、多个检测槽及多个检测模块的配置，本发明可达成多重化的核酸分析设备及多重化荧光检测。此外，本发明的多色荧光激发及检测装置的信噪比是较高的，且卡匣转动时可允许些许的偏差。