СИСТЕМА И СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ СВЕЧЕНИЯ
FLUORESCENCE DETECTION SYSTEM AND METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к системам и способам обнаружения свечения, в частности, в области молекулярной диагностики.
Состояние техники
Одним из примеров свечения, используемого в системах обнаружения, является флюоресценция и примером использования обнаружения флуоресценции является тестирование нуклеиновой кислоты (NAT). Это ключевой элемент в молекулярной диагностике для обнаружения генетических предрасположенностей к болезням, для определения уровней выражения РНК или идентификации патогенов, таких как бактерии и вирусы, вызывающие инфекционные заболевания.
Обнаружение флюоресценции может использоваться и для качественного определения присутствия конкретного образца целевой ДНК и для количественного определения объема ДНК, присутствующего в образце. Настоящее изобретение относится к устройству, используемому для обнаружения флюоресценции, и к способу использования.
В типичном молекулярном диагностическом эксперименте биообразец сортируется для обнаружения определенных биологических компонент ("целей"), таких как гены или белки. Это делается посредством обнаружения появления выборочных связей (известных как гибридизация) цели с зондом захвата, находящим в контакте с твердой поверхностью. Этап гибридизации типично сопровождается этапом промывки, на котором все несвязанные целевые молекулы вымываются и выполняется конечный этап обнаружения.
Обнаружение основано на обнаружении флуоресценции флуоресцентных меток, присоединенных к целевым молекулам. Обнаружение флуоресценции должно быть очень чувствительным и специфическим для поверхности, чтобы минимизировать биологический фон. В идеале, обнаружение флуоресценции должно быть способно обнаруживать одиночные флуоресцентные метки, поддерживая при этом эффективность процесса по времени.
В ближайшем будущем обнаружение должно будет выполняться вне больниц или лабораторий, организованных для диагностики. Это требует чтобы устройства были способны выполнять чувствительное измерение за относительно короткое время.
Одним из ограничений обнаружения флуоресценции в биодатчиках является биологический фоновый сигнал. В типичном эксперименте должна обнаруживаться флюоресценция молекул, связанных с поверхностью. Однако, биокомпоненты вблизи поверхности могут создавать большой фоновый сигнал. Следовательно, для компенсации фона необходимы относительно длительные времена измерения. Стандартный способ смягчения проблемы состоит в использовании конфокальной фильтрации, так чтобы возбуждение от малого объема давало изображение на используемом детекторе.
Однако проблема при использовании конфокальной оптической системы снова заключается в продолжительности процесса обнаружения, поскольку фокусное пятно должно сканироваться через исследуемую область образца, чтобы гарантировать надежность и чувствительность.
Одно из предложенных решений этой проблемы состоит в осуществлении обнаружения флуоресценции при линейном сканировании. Сфокусированная линия сканируется по образцу, так что время обнаружения может быть уменьшено. Однако конфокальная фильтрация не является оптимальной в направлении вдоль оси линии возбуждения. Прямым результатом этого может быть влияние на обнаруженную флюоресценцию поверхности относительно большого фонового сигнала и уменьшение чувствительности.
Сущность изобретения
Задача изобретения состоит в обеспечении системы и способа анализа для использования при диагностике в месте наблюдения пациента, когда может быть осуществлена высокая скорость измерения без значительной потери чувствительности и/или влияния специфики поверхности.
Изобретение определяется независимой формулой изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения определяют предпочтительные варианты осуществления.
В соответствии с изобретением, обеспечивается система обнаружения свечения.
В системе, соответствующей изобретению, имеется возможность интенсивного обнаружения при повышенной скорости линейного сканирования без потери чувствительности. Использование линейного фокуса для увеличенной скорости сканирования заставляет снижать конфокальность в линейном направлении. Следовательно, чувствительность этого типа обнаружения снижается. Для компенсации этого эффекта вводится затухающее возбуждающее излучение. Применение затухающего возбуждающего излучения дает улучшенную специфичность поверхности, поэтому достигается повышение чувствительности при обнаружении. Изобретение, таким образом, объединяет преимущества линейного сканирования (уменьшенное время анализа) и затухающего возбуждающего излучения (уменьшенный фоновый сигнал). Это дает преимущества в отношении применений для диагностики в месте наблюдения пациента, как описано здесь выше.
Предлагаемая система обнаружения свечения содержит: источник возбуждающего излучения и ассоциированное устройство обработки излучения для обеспечения возбуждающего излучения, при этом указанное устройство обработки излучения содержит элемент формирования линии и элемент профилирования пучка; фокусирующее устройство для фокусировки возбуждающего излучения на области анализа образца; устройство сбора излучения для сбора излучения для анализа из области анализа образца в форме флуоресцентного и/или фосфоресцентного излучения, и являющегося результатом возбуждения; детектор для обнаружения собранного для анализа излучения; и подложку для удержания образца; при этом сфокусированное возбуждающее излучение представляет собой возбуждающую линию в форме геометрической линии и направляется на образец под углом, большим, чем критический угол между подложкой и образцом, таким образом, что возбуждающее излучение подвергается полному внутреннему отражению на границе подложка-образец, и таким образом, что возбуждающее излучение, проникающее в образец, является затухающим в образце, и при этом система дополнительно содержит средство для сканирования возбуждающей линии по образцу; при этом элемент профилирования пучка устройства обработки излучения выполнен для формирования пучка кольцевой формы; и элемент формирования линии устройства обработки излучения выполнен с возможностью формирования формы пучка из кольцевого пучка, который преобразуется фокусирующим устройством в возбуждающую линию.
Согласно одному варианту осуществления, элемент профилирования пучка формирует пучок кольцевой формы из плоскости, параллельной круговому поперечному сечению фронта волны в плоскости перпендикулярной направлению распространения фронта волны на выходе источника возбуждающего излучения.
Согласно другому варианту осуществления, элемент формирования линии имеет фокусное расстояние, большее, чем расстояние между элементом формирования линии и фокусирующим устройством.
Согласно еще одному варианту осуществления, элемент формирования линии содержит фазовую пластину или цилиндрическую линзу.
Устройство сбора излучения предпочтительно служит для сбора люминесцентного излучения, то есть, флуоресцентного излучения и/или фосфоресцентного излучения от образца. Предпочтительно, используется обнаружение флуоресцентного излучения, поскольку оно самое чувствительное и основано на мгновенном процессе.
В еще одном варианте осуществления система обнаружения свечения содержит систему выбора биологических компонент. Согласно настоящему изобретению, система обнаружения свечения может использоваться для анализа любого образца, который может быть возбужден. Такие образцы содержат материалы любого вида, являющиеся твердыми, жидкими или газообразными, если они присоединены к поверхности. Предпочтительно, образец содержит поверхности анализа в форме участков или камер, которые могут нести или содержать химические вещества, подлежащие анализу. Такие камеры могут быть реакционными сосудами любых объемов. Предпочтительно, система содержит систему анализа олиго- или полинуклеотидов, таких как, например, ДНК или РНК. Такие системы содержат системы, основанные на репликации таких материалов, и содержат, например, репликацию реакции цепочки полимеразов или другие способы репликации.
Фокусирующее устройство и устройство сбора излучения могут совместно использовать возбуждающие/собирающие линзы. Это упрощает желаемую систему с точки зрения стабильности и использования за пределами больницы. Стоимость производства также уменьшится.
Согласно другому варианту осуществления, детектор для обнаружения собранного для анализа излучения содержит пиксельный фотодетектор.
В соответствии с изобретением также обеспечивается способ измерения анализируемого излучения из образца, использующий вышеописанную систему обнаружения свечения.
Предлагаемый способ содержит этапы, на которых: формируют возбуждающее излучение; обрабатывают возбуждающее излучение с использованием элемента формирования линии и элемента профилирования пучка; фокусируют обработанное возбуждающее излучение таким образом, что возбуждающее излучение представляет собой возбуждающую линию в форме геометрической линии и направляется к образцу под углом большим, чем критический угол между подложкой и образцом, таким образом, что возбуждающее излучение подвергается полному внутреннему отражению на границе подложка-образец и таким образом, что возбуждающее излучение, проникающее в образец, является затухающим в образце и обеспечивается в области анализа образца; осуществляют сканирование указанной возбуждающей линии по образцу; собирают излучение для анализа, являющееся результатом возбуждения из области анализа в форме флуоресцентного и/или фосфоресцентного излучения, и обнаруживают собранное для анализа излучение; при этом этап обработки возбуждающего излучения содержит этапы, на которых: используют элемент профилирования пучка для формирования пучка кольцевой формы; и используют элемент формирования линии для формирования формы пучка из кольцевого пучка, который преобразуется фокусирующим устройством в возбуждающую линию.
Предлагаемый способ также обеспечивает преимущества, упомянутые ранее в отношении системы обнаружения свечения.
Краткое описание чертежей
Примеры изобретения теперь будут описаны подробно со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 - принцип очень незначительного возбуждения;
Фиг.2 - устройство анализа, соответствующее изобретению;
Фиг.3 - профилирование излучения для создания поля затухающих колебаний;
Фиг.4 - первый пример устройства профилирования пучка для
использования в системе, показанной на фиг.2; и
Фиг.5 - второй пример устройства профилирования пучка для использования в системе, показанной на фиг.2.
Подробное описание вариантов осуществления
Изобретение относится к устройству анализа излучения и способу, объединяющему обнаружение с помощью линейного сканирования с очень незначительным возбуждением. Использование очень незначительного возбуждения дает улучшенную специфичность поверхности, чтобы достигнуть повышенной чувствительности при обнаружении флуоресценции, и это позволяет применение подхода с более высокой скоростью линейного сканирования.
Принцип очень незначительного возбуждения будет сначала объяснен со ссылкой на фиг.1. В этом примере излучение является оптическим излучением или светом. Обнаруженное излучение является флуоресцентным излучением. Специалисты в данной области техники должны понимать, что могут также использоваться и другие типы излучения, такие как ультрафиолетовое излучение.
Источник возбуждающего излучения в виде лазера используется для обеспечения лазерного пучка 10, который фокусируется из среды с высоким показателем преломления n1 (например, стекло) в среду с низким показателем преломления n2 (например вода). Для углов, меньших критического угла θ0, свет будет проходить в среду с n2. Однако устройство 12 профилирования пучка может использоваться для перекрывания центральной части падающего пучка таким образом, что никакой свет не проходит в среду с n2. Это удаляет значительную часть возбуждения среды с n2. Для углов больше критического угла 90 на границе между двумя средами происходит полное внутреннее отражение и затухающая волна может проходить в среду с низким показателем преломления n2 с амплитудой I (Z, θ1) поля, спадающей как функция расстояния распространения (z). Поскольку эта затухающая волна быстро затухает в направлении z, она может использоваться для исследования только тех элементов или молекул, которые присутствуют около поверхности границы между слоями с n1 и n2.
После возбуждения с помощью (коротковолнового) лазера флуоресцентные молекулы начинают излучать свет во всех направлениях. Длина волны флуоресцентного света будет больше длины волны возбуждения.
Устройство профилирования пучка в этом примере конфигурации может быть центральной дихроической маской, выполненной с возможностью быть прозрачной для длин волны флуоресценции, максимизируя, таким образом, эффективность сбора.
На фиг.2 показаны основные компоненты флуоресцентного сканера, соответствующего примеру изобретения. Образец 14, который должен быть исследован, заключен в заданный объем, образующий микрофлюидную часть с помощью подложки 16. Линза содержит иммерсионную текучую среду 17, как объясняется ниже. Возбуждающий свет 10, созданный источником, таким как лазер, используется для возбуждения флюоресценции. Свет обрабатывается оптическим устройством, которое в этом примере содержит элемент 18 преобразования пучка и элемент 20 формирования линии (цилиндрическая линза или фазовая пластина).
Обработанный возбуждающий свет направляется к образцу дихроическим зеркалом 22, хотя может использоваться расщепитель пучка.
Возбуждающий свет в дальнейшем фокусируется на образец с помощью возбуждающей линзы 26, которая может двигаться относительно образца.
Индуцированная флюоресценция (в результате затухающего возбуждающего излучения, обеспечиваемого в образце), собирается собирающей линзой, которая в этом примере является таким же компонентом, как возбуждающая линза 26, и направляется к детектору 28.
Любой отраженный лазерный свет (полностью внутренне отраженный свет) отражается снова дихроическим зеркалом или расщепителем 22 пучка, тогда как флуоресцентный световой поток проходит через зеркало/расщепитель пучка.
Полоснопропускающий фильтр 30 обеспечивает дальнейшую фильтрацию для удаления возбуждающего света и отфильтрованный свет фокусируется на детекторе 28 линзой 32 создания изображения, которая дает изображение образца на детекторе 28. Могут использоваться многочисленные различные типы детекторов, например, ламповый умножитель фотонов и детектор на лавинном фотодиоде. Может использоваться пикселированный детектор.
На фиг.2 показан профиль интенсивности возбуждающего света до (32) и после (34) прохождения через элемент 18 профилирования пучка. Профиль интенсивности возбуждающего света преобразуется из фронта волны, параллельного круговой плоскости, в кольцевое поперечное сечение. Размеры светового кольца совпадают с физическими размерами линзы 26, так что после прохождения линзы 26 свет в среде 14 биообразца становится затухающим.
Свет фокусируется конечной оптической системой на поверхность подложки/биообразца.
Элемент 20 формирования линии (цилиндрическая линза/фазовая пластина) изменяет фокус света в виде малого пятна, нарушая распространение фронта волны в одном направлении (например, активное направление цилиндрической линзы). Первоначальное пятно в фокальной плоскости линзы 26 затем становится (геометрической) линией. Линия является диффракцией, ограниченной в одном направлении, и ее длина задается расхождением/сходимостью, создаваемой цилиндрической линзой/фазовой пластиной 20.
Для примера с цилиндрической линзой, круговое кольцо преобразуется в геометрическую линию на расстоянии, равном фокусному расстоянию цилиндрической линзы. Между линзой и фокусным расстоянием форма оптического поперечного сечения является непрерывным переходом кругового кольца в линию через эллиптическое кольцо. Цилиндрическая линза имеет фокусное расстояние, которое намного больше, чем расстояние от цилиндрической линзы 20 до фокусирующей линзы 26. Поэтому форма пучка, поступающего к фокусирующей линзе, является слегка эллиптическим круговым кольцом.
Беря в качестве параметра желаемую ширину линии (как она создается фокусирующей линзой) оптическая сила (фокусное расстояние) цилиндрической линзы может быть вычислена и неявно тем самым вводится угловое отклонение. Это отклонение имеет порядок, например, нескольких градусов.
Таким образом, цилиндрическая линза функционирует как элемент формирования линии, но оптический сигнал обрабатывается дополнительно (фокусирующей линзой), прежде чем будет сформирована линия. Выходом фокусирующей линзы является линия, сфокусированная на поверхности образца.
Использование линии позволяет сканирование только в одном направлении, чтобы охватить двумерную область образца. Линия может иметь длину, например, приблизительно 100 микрон и ширину, ограниченную диффракцией, приблизительно 0,7 микрона. Время обнаружения может быть уменьшено и/или скорость сканирования может быть уменьшена. Понижение скорости сканирования особенно желательно, когда проба движется, поскольку сопутствующее ускорение может взаимодействовать с микрофлюидными свойствами образца.
В варианте осуществления, показанном на фиг.2, цилиндрическая линза/фазовая пластина 20 помещается между дихроическим зеркалом 22 и оптическим элементом 18, преобразующим возбуждающий пучок. На практике, цилиндрическая линза/фазовая пластина вместо этого может быть помещена между дихроическим зеркалом 22 и линзой 26 или перед оптическим элементом 18. Преобразователь 18 пучка может также размещаться в различных местах. Однако, его предпочтительно помещать до дихроического расщепителя пучка, потому что в этом случае созданная флюоресценция может быть собрана без воздействия на нее преобразователя пучка.
Оптическое поле линии возбуждения является затухающим в среде биообразца, в то время как оно сильно фокусируется на поверхности подложки/биообразца. В результате, оно возбуждает выборочно только флюорофоры на поверхности подложки/биообразца.
Отраженный возбуждающий свет (от поверхности подложки/биообразца) может использоваться для фокусировки и/или контуров слежения с обратной связью. Этот вторичный оптический путь не показан на фиг.2 и не будет описываться подробно, поскольку традиционные устройства активной фокусировки и слежения для возбуждающей/собирающей линзы 2 6 могут использоваться совместно с использованием очень незначительного линейного возбуждения, соответствующего изобретению, в комбинации с активной фокусировкой/слежением.
Оптическая сила цилиндрической линзы 2 0 или искажения фронта волны, созданные фазовой пластиной, предпочтительно ограничиваются так, что боковое расширение линии находится в пределах поля линзы, то есть, искажения фронта волны сохраняются ниже желаемого значения.
Чтобы создать поле возбуждения затухающих колебаний, предпочтительно используется иммерсионная линза. Может использоваться иммерсионная линза твердотельного типа, также известная как линза "ближней зоны" или линза жидкого иммерсионного типа.
Условие получения поля затухающих колебаний на границе подложки/биообразца задается в виде:
<mrow><mi>sin</mi><mtext> </mtext><msub><mi>α</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>д</mi><mi>л</mi><mi>о</mi><mi>ж</mi><mi>к</mi><mi>и</mi></mrow></msub><mo>></mo><mtext> </mtext><mfrac><mrow><msub><mstyle mathsize="140%" displaystyle="true"><mi>n</mi></mstyle><mrow><mi>б</mi><mi>и</mi><mi>о</mi><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>ы</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mstyle mathsize="140%" displaystyle="true"><mi>n</mi></mstyle><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>д</mi><mi>л</mi><mi>о</mi><mi>ж</mi><mi>к</mi><mi>и</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
с условием, что показатель преломления линзы (а также показатель преломления иммерсионной жидкости в случае жидкостной иммерсии), выше или равен показателю преломления подложки. Из того же условия становится очевидно, что числовая апертура (NA) линзы 26 должна удовлетворять следующему условию:
иммерсионной линзы
биообразца
NА>n
min
Учитывая геометрию линзы, условие минимального угла (α) переходит в условие минимального внутреннего радиуса кругового кольца света, попадающего на иммерсионную линзу. Это поясняется на фиг.3.
Для флуоресцентного накопления используется полная NA иммерсионной линзы.
На фиг.4 показан один из способов преобразования профиля 32 кругового пучка в кольцевой пучок 34. Оптический элемент имеет круговую симметрию вокруг оси 40 и обеспечивает функцию расщепления пучка, используя угловые фаски для падающего пучка. У элемента есть конические поверхности ввода и вывода, которые используются для отклонения и последующего сведения пучка света относительно оси 40. Входная поверхность создает проекцию в тело элемента, а выходная поверхность создает проекцию при выходе из тела элемента. Это устройство обеспечивает эффективное преобразование света, поскольку используется весь возбуждающий свет, потенциально создавая более интенсивное поле затухающих колебаний. Параметры результирующего кольца определяются характеристическими углами оптического элемента, α и β, а также его длиной и радиусом входного пучка.
На фиг.5 показано изменение оптического элемента, представленного на фиг.4. Оптический элемент разбит на два компонента. Входной компонент имеет коническую входную поверхность (создающую проекцию в тело элемента) и плоскую выходную поверхность, и выходной компонент имеет плоскую входную поверхность и коническую выходную поверхность (создающую проекцию из тела элемента).
Размеры результирующего кольца могут регулироваться, изменяя расстояние между двумя частями, как показано на фиг.5.
Настоящее изобретение не ограничивается способом, описанным выше, для получения кольца света. Могут также использоваться и другие способы, например, фазовая пластина, кольцевая диафрагма или дихроические кольца. Как вариант, может также использоваться объектив Шварцшильда, в котором падающий свет отражается к параболическим зеркалам, которые в результате дают сфокусированное кольцевое пятно позади объектива.
В приведенных выше примерах система используется для обнаружения флуоресценции. Однако, более широко, изобретение относится к возбуждению образца и обнаружению результирующего света. Индуцированная люминесценция может содержать, например, фосфоресценцию.
В приведенных выше примерах дихроический расщепитель пучка используется в качестве предпочтительного решения. Однако, обычный (недихроический) расщепитель пучка также может использоваться, хотя некоторая часть возбуждающей мощности, а также собранной флюоресценции будет затрачена впустую.
6
2
4
2
Подложка может быть плоской пластиной из любого подходящего материала, например, может быть стеклом или полимером и может иметь элементы захвата с поверхностной плотностью между 0,01 и 10 элементами на 1 мкм, предпочтительно между 10 и 10 элементами на 1 мкм.
Образец, подложка с элементами захвата в контакте с образцом или подложкой после того, как она была в контакте с образцом, обычно отбираются для определенных компонент, например, биологические компоненты, такие как олигонуклеотиды, ДНК, РНК, гены, белки, углеводы, липиды, клетки, клеточные компоненты, такие как внешние клеточные мембраны или внутренние клеточные мембраны, бактерии, вирусы, простейшие и т.д., также называемые целевыми частицами.
8
Люминесцентные метки обычно присоединяются к целевым частицам и, таким образом, помогают при обнаружении целевых частиц. В некоторых вариантах осуществления образец, таким образом, содержит, по меньшей мере, одну люминесцентную метку, также упоминаемую как "оптически переменная частица". Такими оптически переменными частицами могут быть, например, флуоресцентные (как описано выше), электролюминесцентные или хемолюминесцентные частицы. Оптические переменные частицы могут быть любым объектом, который способен быть сцеплен с местом связи механически, электрически, химически или как-либо иначе. Это могут быть одиночные молекулы или множество молекул, предпочтительно, скопления от 10 до 10 молекул и/или квантоподобных точечных меток. Если используется множество молекул, обычно получается более сильная реакция на возбуждение, приводя в результате к лучшему отношению "сигнал-шум".
Применения изобретения обычно относятся к области молекулярной диагностики: клиническая диагностика,
диагностика в месте наблюдения пациента, перспективное биомолекулярное диагностическое исследование - биодатчики, матрицы генной и белковой экспрессии, экологические датчики, датчики качества пищевых продуктов и т.д.
Специалистам в данной области техники должны быть очевидны различные другие изменения. В формуле изобретения любые ссылочные знаки, помещенные между круглыми скобками, не должны рассматриваться как ограничение формулы изобретения. Слово "содержащий" не исключает наличие элементов или этапов, отличных от перечисленных в формуле изобретения. Элементы, указанные в единственном числе, не исключают наличие множества таких элементов. В пункте формулы изобретения для устройства, перечисляющем несколько средств, некоторые из этих средств могут быть осуществлены одним и тем же элементом аппаратурных средств. Простой факт, что определенные критерии упоминаются во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает, что комбинация этих критериев не может использоваться для достижения преимущества.