CN109060742B - 一种便携式热循环荧光检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及荧光检测技术领域，公开了一种便携式热循环荧光检测仪。包括机座，机座中设有样品座、电子控制器、检测电路和至少一个荧光检测单元；电子控制器控制样品座和荧光检测单元工作，接收检测电路的检测值，向外输出检测结果。荧光检测单元包括发射光路元件和至少一组接收光路元件。检测电路与不同荧光检测单元中的光电二极管连接，光电二极管正极接地，负极并联，并联连接点与前置放大器模块的运算放大器连接，运算放大器反相输入端与光电二极管的负极并联连接点连接；同相输入端接地。运算放大器反相输入端通过反馈电阻与运算放大器输出端连接。本发明减小了仪器体积、重量和耗电量，同时具有足够高的荧光检测灵敏度和多色荧光检测能力。

Description

一种便携式热循环荧光检测仪

技术领域

本发明涉及荧光检测技术领域，尤其涉及了一种便携式热循环荧光检测仪的设计。

背景技术

热循环仪是反应物在指定变性温度，复性温度和延伸温度之间自动循环的仪器。当盛有DNA聚合酶，脱氧核甘三磷酸，镁离子等成分(以下统称PCR反应液)与样本DNA的PCR反应管放入热循环仪，经过温度循环后，样本DNA片段扩增百万倍，如在反应液中加有荧光素如SYBR或相关的荧光DNA探针，荧光信号能代表DNA片段的数量，通过监测反应管内荧光信号的变化来实时检测PCR扩增产物。如果反应液中加有多种荧光DNA探针，可以同时检测多个DNA片段的PCR反应。现有市面上在售的实时荧光检测PCR仪器可以使用专业的荧光PCR试剂一次完成96个或384个DNA样本的PCR反应和4色实时荧光检测。但是该类仪器体积大，重量重，耗电大，不适合携带到现场做生物样本DNA检测。

发明内容

本发明针对现有技术中体积大，不易携带的缺点，提供了一种便携式热循环荧光检测仪。本发明中接收荧光的所有光电二极管并联连接，再接入前置放大器，实现了前置放大器数量不随光电二极管的数量增加而增加，极大地降低了成本和占用的线路板面积，有效地减小了体积，达到方便携带的目的。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

一种便携式热循环荧光检测仪，包括机座，机座中设有样品座、电子控制器、检测电路和至少一个荧光检测单元；电子控制器控制样品座和荧光检测单元工作，接收检测电路的检测值，向外输出检测结果；

所述荧光检测单元，包括用于向样品发射激发光线来激发样品荧光的可控光源、用于产生所需波长的激发光线的发射光路元件和至少一组用于接收样品的激发荧光的接收光路元件，发射光路元件包括第一荧光滤光片、准直镜、第一二向分色镜和光阑；接收光路元件包括聚光镜、第二荧光滤光片和光电二极管；

所述电子控制器，分别与所有荧光检测单元中的可控光源连接，用于分别控制不同的荧光检测单元中的可控光源工作；

所述检测电路，分别与不同荧光检测单元中的光电二极管连接，分别接收不同荧光检测单元中的光电二极管的检测值；包括至少一个前置放大器模块，不同荧光检测单元中的光电二极管正极接地，负极并联，负极并联连接点与前置放大器模块连接；

所述前置放大器模块，包括运算放大器，运算放大器反相输入端与光电二极管的负极并联连接点连接；运算放大器同相输入端接地；运算放大器反相输入端通过反馈电阻与运算放大器输出端连接。

使用时，电子控制器控制可控光源依次发光，从而使光电二极管依次得到检测值，检测值通过前置放大器模块送入电子控制器中，电子控制器对检测值进行分析、汇总后向外输出。在任一时刻，相互并联的光电二极管中只有一个光电二极管接收到样品的激发荧光信号，因此只需要一个前置放大器模块就可以对其连接的所有光电二极管起到作用，不需要为每一个光电二极管配置一个前置放大器模块。

可控光源可以是发光二极管(LED)，有机发光二极管(OLED)，激光器等，或者是光源的组合。优选发光二极管(LED)，它具有体积小，成本低，寿命长，冷光源，发光强度稳定，可快速开关，多种色彩可选，能量集中，窄光谱分布等优点。

可控光源发出的光线依次通过第一荧光滤光片、准直镜、第一二向分色镜和光阑后进入到样品中，样品被激发荧光，部分激发的荧光从光阑中进入，依次通过第一二向分色镜、聚光镜、第二荧光滤光片后照射到光电二极管。

作为优选，荧光检测单元还包括分光元件，分光元件设于光阑和接收光路元件之间，分光元件用于将样品的激发荧光进入光阑后产生的光路进行分路，荧光检测单元中设有组数与样品的激发荧光分路后的光路数量相同的接收光路元件。

作为优选，分光元件为半反半透镜或第二二向分色镜。

一个荧光检测单元中可以同时对几种颜色的荧光进行检测，例如，在原有基础上只增加一个半反半透镜和一组接收光路元件，将样品的激发荧光分为两路，新的接收光路元件中的荧光滤波片和原有的接收光路元件的荧光滤波片所滤出的波长范围不同，此时，一个荧光检测单元可以同时检测样品的激发荧光中的两种不同颜色的荧光。以此类推，一个荧光检测单元可检测的荧光颜色数量可以继续增加。二向分色镜也能够分出光路，因此也可以通过增加第二二向分色镜来达到一样的效果。

作为优选，还包括电机驱动单元，电机驱动单元包括用于驱动荧光检测单元运动的电机和驱动电路，电子控制器控制电机工作。要达到能够检测多种颜色荧光的目的，可以通过增加激发荧光光路来达到，但是光学元件增多，荧光检测单元的体积也会增大，增大仪器的携带难度。为了减少体积，可以通过重复利用荧光检测单元的方式来减少荧光检测单元的数量，电机驱动单元可以驱动荧光检测单元滑动或者转动，来分时段的对不同的样品进行检测，从而得到多样品多颜色的检测结果。

作为优选，还包括光源控制电路，电子控制器通过光源控制电路控制可控光源的开关和发光强度；光源控制电路包括三极管、运算放大器、若干荧光检测单元中的可控光源和不少于可控光源的数量的电子开关，每一可控光源分别与至少一个电子开关串联，形成串联组，所有串联组相互并联，形成并联组，并联组一端接入恒定电压，另一端与三极管的集电极连接，三极管的发射极串联限流电阻后接地，三极管的基极与运算放大器的输出端连接，运算放大器的反相输入端与三极管的发射极连接，运算放大器的同相输入端与电子控制器连接；电子开关和与电子控制器连接。电子开关控制光源的开关，在仪器工作时，电子控制器控制可控光源依次点亮和熄灭，从而使得不同荧光检测单元中的光电二极管依次获取检测值。电子控制器通过控制运算放大器的同相输入端的输入电压来控制可控光源上的通过电流大小，从而控制可控光源的发光强度。电子开关优选MOS管。

作为优选，样品座内设有用于检测样品座温度的温度传感器、用于改变样品座温度的温度循环单元，温度传感器、温度循环单元分别与电子控制器连接，电子控制器接收温度传感器检测值，控制温度循环单元工作。热循环仪是反应物在指定变性温度，复性温度和延伸温度之间自动循环的仪器，要达到温度循环变化的要求，样品座中设有温度循环单元，同时温度传感器检测样品座温度，反馈至电子控制器。

作为优选，所述温度循环单元包括半导体制冷器；或者包括制冷器和加热器，制冷器为风扇或水冷装置，加热器为电热丝或电磁波加热装置。

半导体制冷器具备制冷和制热功能，采用半导体制冷器时，通过改变半导体制冷器电流方向来实现加热和制冷。选择其他方案时，温度循环单元包括用于制冷的部分和用于加热的部分，实际生产中各部分具体类型可以根据需要加以组合。

作为优选，机座包括上机箱和下机箱，上机箱和下机箱活动连接，上机箱在与下机箱相接触的面上设有定位柱，下机箱上设有与定位柱位置相对应的定位孔。盛有反应液的PCR管的荧光检测位置可以为上方、下方和侧面，当检测为上方时，样品座设于下机箱中，荧光检测单元设于上机箱中，使用者需要将放置有样品的PCR管放入下机箱中，机座在合上的状态时，荧光检测单元位于样品座上方。当检测位置在侧面或下方时，样品座和荧光检测单元的相对位置也进行相应变化，此时样品座上开有供光线通过的透光孔，透光孔位置与PCR管的放置位置相对应。

作为优选，相邻的荧光检测单元之间设有光隔离机构。光隔离机构能够避免光线进入到未在检测状态的荧光检测单元中，导致其中的光电二极管也发送信号，导致检测结果错误。光隔离机构可以是遮光片。

作为优选，机座中还设有触控屏、无线模块、定位模块、USB接口和电池；触控屏、无线模块、定位模块、USB接口和电池分别与电子控制器连接。

本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：极大地减小了仪器体积、重量和耗电量，同时具有足够高的荧光检测灵敏度和多色荧光检测能力。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图1。

图2是本发明实施例1的结构示意图2。

图3是本发明实施例1的结构示意图3。

图4是本发明实施例1的荧光检测单元结构示意图。

图5是本发明实施例1的荧光检测单元排列方式示意图。

图6是本发明实施例1的样品座反应槽排列方式示意图。

图7是本发明实施例1的检测电路结构示意图。

图8是本发明实施例1的光源控制电路结构示意图。

图9是本发明实施例2的荧光检测单元结构示意图。

图10是本发明实施例3的荧光检测单元结构示意图。

以上附图中各数字标号所指代的部位名称如下：其中，1—机座、2—上机箱、3—下机箱、11—样品座、12—电子控制器、13—检测电路、14—荧光检测单元、15—电机驱动单元、16—光源控制电路、17—光隔离机构、21—定位柱、31—定位孔、111—温度传感器、112—温度循环单元、141—可控光源、142—发射光路元件、143—接收光路元件、144—分光元件、1421—第一荧光滤光片、1422—准直镜、1423—二向分色镜、1424—光阑、1431—聚光镜、1432—第二荧光滤光片、1433—光电二极管。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

如图1至图8所示，一种便携式热循环荧光检测仪，包括机座1，机座1中设有样品座11、电子控制器12、检测电路13和至少一个荧光检测单元14；电子控制器12控制样品座11和荧光检测单元14工作，接收检测电路13的检测值，向外输出检测结果；

所述荧光检测单元14，包括用于向样品发射激发光线来激发样品荧光的可控光源141、用于产生所需波长的激发光线的发射光路元件142和至少一组用于接收样品的激发荧光的接收光路元件143，发射光路元件142包括第一荧光滤光片1421、准直镜1422、第一二向分色镜1423和光阑1424；接收光路元件143包括聚光镜1431、第二荧光滤光片1432和光电二极管1433；

所述电子控制器12，分别与所有荧光检测单元14中的可控光源141连接，用于分别控制不同的荧光检测单元14中的可控光源141工作；

所述检测电路13，分别与不同荧光检测单元14中的光电二极管1433连接，分别接收不同荧光检测单元14中的光电二极管1433的检测值；包括至少一个前置放大器模块，不同荧光检测单元14中的光电二极管1433正极接地，负极并联，负极并联连接点与前置放大器模块连接；

所述前置放大器模块，包括运算放大器，运算放大器反相输入端与光电二极管1433的负极并联连接点连接；运算放大器同相输入端接地。运算放大器反相输入端通过反馈电阻与运算放大器输出端连接。

荧光检测单元14还包括分光元件144，分光元件144设于光阑1424和接收光路元件143之间，分光元件144用于将样品的激发荧光进入光阑1424后产生的光路进行分路，荧光检测单元14中设有组数与样品的激发荧光分路后的光路数量相同的接收光路元件143。

分光元件144为半反半透镜或第二二向分色镜。本实施例中选用半反半透镜。

还包括电机驱动单元15，电机驱动单元15包括用于驱动荧光检测单元14运动的电机和驱动电路，电子控制器12控制电机工作。

还包括光源控制电路16，电子控制器12通过光源控制电路16控制可控光源141的开关和发光强度；光源控制电路16包括三极管、运算放大器、若干荧光检测单元14中的可控光源141和不少于可控光源141的数量的电子开关，每一可控光源141分别与至少一个电子开关串联，形成串联组，所有串联组相互并联，形成并联组，并联组一端接入恒定电压，另一端与三极管的集电极连接，三极管的发射极串联限流电阻后接地，三极管的基极与运算放大器的输出端连接，运算放大器的反相输入端与三极管的发射极连接，运算放大器的同相输入端与电子控制器12连接；电子开关和与电子控制器12连接。

样品座11内设有用于检测样品座11温度的温度传感器111、用于改变样品座11温度的温度循环单元112，温度传感器111、温度循环单元112分别与电子控制器12连接，电子控制器12接收温度传感器111检测值，控制温度循环单元112工作。所述温度循环单元包括半导体制冷器；或者包括制冷器和加热器，制冷器为风扇或水冷装置，加热器为电热丝或电磁波加热装置。本实施例中采用半导体制冷器。

机座1包括上机箱2和下机箱3，上机箱2和下机箱3活动连接，上机箱2在与下机箱3相接触的面上设有定位柱21，下机箱3上设有与定位柱21位置相对应的定位孔31。

相邻的荧光检测单元14之间设有光隔离机构17。

机座1中还设有触控屏、无线模块、定位模块、USB接口和电池；触控屏、无线模块、定位模块、USB接口和电池分别与电子控制器12连接。

本实施例中，通过集成16个荧光检测单元14，包括8个能够检测两种荧光颜色的荧光检测单元14A和与之相邻的8个能够检测另外两种荧光颜色的荧光检测单元14B，以及电机驱动单元15来驱动所有荧光检测单元14转动，完成了16个PCR反应管中4种荧光素的高灵敏检测。

所有荧光检测单元14分两排设置，分别为14A和14B，每一排的8个单元的结构完全相同。第一排的单元依次命名为Y1A，Y1B，Y1C，Y1D，Y1E，Y1F，Y1G，Y1H；第二排的单元依次命名为Y2A，Y2B，Y2C，Y2D，Y2E，Y2F，Y2G，Y2H。第一排单元具有相同的荧光波长检测范围，可以检测两种荧光素；第二排单元具有相同的荧光波长检测范围，可以检测另外两种荧光素。对应的样品座11设有16个反应槽，可放置16个PCR反应管，同样分两排布置，每排8个反应槽。第一排的反应槽依次命名为F1A，F1B，F1C，F1D，F1E，F1F，F1G，F1H；第二排的反应槽依次命名为F2A，F2B，F2C，F2D，F2E，F2F，F2G，F2H。反应槽之间距离虽可以不同，但为了方便制造产品，选择间距相同。

检测时，16个荧光检测单元刚好位于16个反应槽的检测位置，虽检测位置可以是反应管的顶部或侧面或底部，但本实施例中选择顶部检测。荧光检测单元14A中的可控光源141发出的光线经过第一荧光滤光片1421，产生所需波长的激发光，经准直镜1422准直，经第一二向分色镜1423反射，最后通过光阑1424进入到PCR反应管中，其中的反应液被激发荧光。

部分激发的荧光通过光阑1424和第一二向分色镜1423后透射到半透半反镜144上，分成两路光，以此类推。两路光的其中一路透射到聚光镜1431A和第二荧光滤光片1432A，到达光电二极管1433A表面，另一路透射到聚光镜1431B和第二荧光滤光片1432B，到达光电二极管1433B表面。第二荧光滤光片1432A和第二荧光滤光片1432B滤过的波长范围不同，使得荧光检测单元14A能够同时检测两种颜色的荧光素。第一排荧光检测单元14A检测第一排PCR反应管中反应液的2个荧光素发出的荧光，另一排荧光检测单元14B检测另一排PCR反应管的另外2个荧光素发出的荧光。通过电机驱动单元15驱动两排荧光检测单元14转动180度，使得原来的第一排荧光检测单元14A移动到第二排反应槽的荧光检测位，原来第二排荧光检测单元14B移动到第一排反应槽的荧光检测位，从而可以分别检测反应液的另外2种荧光素荧光，实现对16个PCR管的4色荧光检测。

实施例2

如图9所示，本实施例中，通过集成16个荧光检测单元14，完成了16个PCR反应管中2种荧光素的高灵敏检测。所有荧光检测单元14分两排设置，设为14A和14B，14A和14B的结构完全相同。所有单元具有相同的荧光波长检测范围，可以检测两种荧光素。

检测时，荧光检测单元14A中的可控光源141发出的光线经过第一荧光滤光片1421，产生所需波长的激发光，经准直镜1422准直，经第一二向分色镜1423反射，最后通过光阑1424进入到PCR反应管中，其中的反应液被激发荧光。

激发的荧光部分通过光阑1424和第一二向分色镜1423后透射到半透半反镜144上，分成两路光，以此类推。两路光的其中一路透射到聚光镜1431A和第二荧光滤光片1432A，到达光电二极管1433A表面，另一路透射到聚光镜1431B和第二荧光滤光片1432B，到达光电二极管1433B表面。第二荧光滤光片1432A和第二荧光滤光片1432B滤过的波长范围不同，使得荧光检测单元14A能够同时检测两种颜色的荧光素。荧光检测单元14B中检测过程同理。本实施例中不需要荧光检测单元14变换位置，因此不设置电机驱动单元15，其余皆与实施例1相同。

实施例3

如图10所示，通过集成16个荧光检测单元14，包括8个能够检测一种荧光颜色的荧光检测单元14A和与之相邻的8个能够检测另外一种荧光颜色的荧光检测单元14B，以及电机驱动单元15来驱动所有荧光检测单元14转动，完成了16个PCR反应管中2种荧光素的高灵敏检测。

所有荧光检测单元14分两排设置，设为14A和14B。每一排的8个单元的结构完全相同。第一排单元具有相同的荧光波长检测范围，可以检测一种荧光素；第二排单元具有不同的荧光波长检测范围，可以检测另外一种荧光素。对应的样品座11设有16个反应槽，可放置16个PCR反应管，同样分两排布置，每排8个反应槽。

检测时，荧光检测单元14A中的可控光源141发出的光线经过第一荧光滤光片1421，产生所需波长的激发光，经准直镜1422准直，经第一二向分色镜1423反射，最后通过光阑1424进入到PCR反应管中，其中的反应液被激发荧光。部分激发的荧光通过光阑1424和第一二向分色镜1423后透射到聚光镜1431上，再通过第二荧光滤光片1432，到达光电二极管1433表面。荧光检测单元14B中检测过程同理。

通过电机驱动单元15驱动两排荧光检测单元14转动180度，使得原来的第一排荧光检测单元14A移动到第二排反应槽的荧光检测位，原来第二排荧光检测单元14B移动到第一排反应槽的荧光检测位，从而可以分别检测反应液的另外一种荧光素荧光，实现对16个PCR管的2色荧光检测。其余皆与实施例1相同。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种便携式热循环荧光检测仪，其特征在于：包括机座（1），机座（1） 中设有样品座（11）、电子控制器（12）、检测电路（13）和至少一个荧光检 测单元（14）；电子控制器（12）控制样品座（11）和荧光检测单元（14）工 作，接收检测电路（13）的检测值，向外输出检测结果；所述荧光检测单元（14），包括用于向样品发射激发光线来激发样品荧光 的可控光源（141）、用于产生所需波长的激发光线的发射光路元件（142） 和至少一组用于接收样品的激发荧光的接收光路元件（143），发射光路元 件（142）包括第一荧光滤光片（1421）、准直镜（1422）、第一二向分色 镜（1423）和光阑（1424）；接收光路元件（143）包括聚光镜（1431）、第二荧光滤光片（1432）和光电二极管（1433）； 所述电子控制器（12），分别与所有荧光检测单元（14）中的可控光源（141） 连接，用于分别控制不同的荧光检测单元（14）中的可控光源（141）工作； 所述检测电路（13），分别与不同荧光检测单元（14）中的光电二极管（1433） 连接，分别接收不同荧光检测单元（14）中的光电二极管（1433）的检测 值；包括至少一个前置放大器模块，不同荧光检测单元（14）中的光电二 极管（1433）正极接地，负极并联，负极并联连接点与前置放大器模块连 接； 所述前置放大器模块，包括运算放大器，运算放大器反相输入端与光电二 极管（1433）的负极并联连接点连接；运算放大器同相输入端接地；运算放大器反相输入端通过反馈电阻与运算放大器输出端连接；荧光检测单元（14）还包括分光元件（144），分光元件（144）设于光阑（1424） 和接收光路元件（143）之间，分光元件（144）用于将样品的激发荧光进入光阑（1424）后产生的光路进行分路，荧光检测单元（14）中设有组数与样品的 激发荧光分路后的光路数量相同的接收光路元件（143）；分光元件（144）为半反半透镜或第二二向分色镜。

2.根据权利要求 1 所述的一种便携式热循环荧光检测仪，其特征在于：还 包括电机驱动单元（15），电机驱动单元（15）包括用于驱动荧光检测单元（14） 运动的电机和驱动电路，电子控制器（12）控制电机工作。

3.根据权利要求 1 所述的一种便携式热循环荧光检测仪，其特征在于：还 包括光源控制电路（16），电子控制器（12）通过光源控制电路（16）控制可 控光源（141）的开关和发光强度；光源控制电路（16）包括三极管、运算放大 器、若干荧光检测单元（14）中的可控光源（141）和不少于可控光源（141） 的数量的电子开关，每一可控光源（141）分别与至少一个电子开关串联，形成 串联组，所有串联组相互并联，形成并联组，并联组一端接入恒定电压，另一 端与三极管的集电极连接，三极管的发射极串联限流电阻后接地，三极管的基 极与运算放大器的输出端连接，运算放大器的反相输入端与三极管的发射极连 接，运算放大器的同相输入端与电子控制器（12）连接；电子开关和与电子控 制器（12）连接。

4.根据权利要求 1 所述的一种便携式热循环荧光检测仪，其特征在于：样 品座（11）内设有用于检测样品座（11）温度的温度传感器（111）、用于改变 样品座（11）温度的温度循环单元（112），温度传感器（111）、温度循环单元（112）分别与电子控制器（12）连接，电子控制器（12）接收温度传感器（111） 检测值，控制温度循环单元（112）工作。

5.根据权利要求 4 所述的一种便携式热循环荧光检测仪，其特征在于：所述温度循环单元包括半导体制冷器；或者包括制冷器和加热器，制冷器为风扇 或水冷装置，加热器为电热丝或电磁波加热装置。

6.根据权利要求 1 所述的一种便携式热循环荧光检测仪，其特征在于：机 座（1）包括上机箱（2）和下机箱（3），上机箱（2）和下机箱（3）活动连接， 上机箱（2）在与下机箱（3）相接触的面上设有定位柱（21），下机箱（3）上 设有与定位柱（21）位置相对应的定位孔（31）。

7.根据权利要求 1 所述的一种便携式热循环荧光检测仪，其特征在于：相 邻的荧光检测单元（14）之间设有光隔离机构（17）。

8.根据权利要求 1 所述的一种便携式热循环荧光检测仪，其特征在于： 机座（1）中还设有触控屏、无线模块、定位模块、USB 接口和电池；触控屏、 无线模块、定位模块、USB 接口和电池分别与电子控制器（12）连接。

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