УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ

Настоящее техническое решение относится к оптическим измерительным системам и предназначено для одновременного считывания оптического сигнала люминесценции от нескольких пробирок с помещенным в них исследуемым материалом.
Предлагаемое устройство относится к оптическим измерительным системам и применяется в приборостроении, в области медицины, биологии, в лабораторной клинической диагностике, где индикация сигнала происходит при помощи люминесцентных меток. Данное техническое устройство может использоваться при проведении исследований методом ПЦР (полимеразной цепной реакции) для наблюдения роста флуоресценции продуктов реакции.
Из предшествующего уровня техники известны различные схемы считывания оптического сигнала люминесценции от нескольких пробирок. Известно техническое решение, описанное в системах и методах детектирования флюоресценции с подвижным модулем (патент US 7148043B2 «Systems and methods for fluorescence detection with a movable detection module», МПК B01L 7/00; G01N 21/64, опубликован 12.12.2006). Детектирующий модуль имеет один или несколько каналов. Каждый канал модуля представляет собой блок освещения и регистрации. Источник света возбуждает флюоресценцию исследуемого материала в пробирке, регистратор интенсивности света считывает сигнал - излучение эмиссии. Модуль является подвижным. При необходимости считывания сигнала от разных пробирок модуль передвигается от пробирки к пробирке.
Недостатками этого технического решения является невозможность одновременного считывания сигнала со всех пробирок, большая длительность времени считывания при большом массиве пробирок (например, применяемые в лабораторной диагностике микропланшеты состоящие из 384 индивидуальных пробирок), ограниченная износостойкость и сложность конструкции вследствие необходимости в подвижных элементах.
Известно техническое решение, представленное в устройстве детектирования реакции (патент US 7628958 «Reaction detecting device», МПК G01N 21/00 опубликовано 08.12.2009), выбранное в качестве прототипа. Устройство состоит из адаптера для установки пробирок, содержащих исследуемый материал, поворотного зеркала, расположенного над адаптером для пробирок, блока освещения и регистрации, содержащего лампу с набором светофильтров в качестве источника света, регистратор интенсивности света, набор светофильтров, установленных перед регистратором, диафрагмы, отделяющей блок освещения и регистрации от адаптера для установки пробирок, кожуха, препятствующего проникновению внешнего света. Излучение возбуждения от лампы с набором светофильтров отражается поворотным зеркалом и попадает в пробирки, излучение эмиссии из пробирок отражается поворотным зеркалом и далее падает на регистратор. В блоке освещения и регистрации дополнительно установлено светоделительное зеркало для разделения излучения возбуждения и излучения эмиссии исследуемого материала. Светоделительное зеркало отражает излучение возбуждения от лампы с набором светофильтров и пропускает излучение эмиссии на светофильтры и регистратор. При считывании флуоресценции на разных каналах детектирования необходимо вращать светофильтры, расположенные перед лампой и регистратором. Для выравнивания оптического пути до центральных пробирок и пробирок, расположенных на периферии, используется одно из двух решений: дополнительно устанавливается линза, расположенная между пробирками и поворотным зеркалом, либо подбирается форма поворотного зеркала. Таким критериям может удовлетворять асферическая форма поворотного зеркала.
Недостатками данного технического решения является дороговизна и сложность конструкции, необходимость точной настройки вследствие применения специализированных оптических компонентов, ограниченная чувствительность вследствие наличия отражающих поверхностей в оптическом пути системы. Дополнительное светоделительное зеркало, используемое для разделения излучения возбуждения и излучения эмиссии, частично отражает сигнал идущий на регистратор, что снижает чувствительность устройства. Примером светоделительного зеркала может служить дихроичное зеркало, имеющее высокую стоимость и угловую зависимость оптических свойств. Пространственное положение светоделительного зеркала необходимо точно настраивать для минимизации искажений и потери света. Линза, расположенная над пробирками для выравнивания оптического пути, должна иметь большую апертуру и является дорогостоящей. Также излучение возбуждения от лампы частично отражается от поверхности данной линзы, снижает светосилу системы и приводит к росту фонового сигнала. В случае использования отражательной пластины заданной кривизны для фокусировки света, необходимо подбирать кривизну для выравнивания оптического пути до центральных пробирок и пробирок, расположенных на периферии.
Перед авторами стояла задача разработать компактное устройство для одновременной регистрации люминесценции от пробирок, установленных в адаптере и, обеспечивающее равную чувствительность для всех пробирок.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для регистрации люминесценции, включающее в себя кожух препятствующий проникновению внешнего света; адаптер для установки пробирок, содержащих исследуемый материал; поворотное зеркало; блок освещения и регистрации, содержащий источник света, регистратор интенсивности света, набор светофильтров, установленных перед регистратором интенсивности света; диафрагму отделяющую блок освещения и регистрации от адаптера для установки пробирок, на поворотное зеркало дополнительно нанесено затемняющее покрытие с увеличивающимся градиентом затемнения к центру поворотного зеркала, при этом поворотное зеркало выполнено сферической вогнутой формы с радиусом в диапазоне от 250 до 1500 мм, оптически связано с регистратором интенсивности света и источником света и формирует длиннофокусную оптическую систему с блоком освещения и регистрации, позволяющую регистрировать свет, испускаемый из объема и дна пробирок, содержащих исследуемый материал, а источник света выполнен в виде набора отдельно стоящих светодиодов, с установленными светофильтром и фокусирующей оптикой в оптическом пути для каждого светодиода, при этом поворотное зеркало выполнено расположенным под углом менее чем 45° относительно верхней плоскости адаптера для установки пробирок для уменьшения аберраций..
Технический результат заявляемого устройства заключается в увеличении равности чувствительности регистрируемых сигналов от пробирок с исследуемым материалом.
Кроме того, достигается упрощение юстировки оптической системы, увеличение ее чувствительности, уменьшение размеров устройства, а так же в расширении ассортимента устройств данного назначения.
Заявляемое устройство для регистрации люминесценции поясняется блок-схемой, представленной на фиг. 1, где 1 - адаптер для установки пробирок, 2 - пробирки, содержащие исследуемый материал, 3 - поворотное зеркало, 4 - затемняющее покрытие, нанесенное на поворотное зеркало, 5 - блок освещения и регистрации, 6 - источник света, 7 - регистратор интенсивности света, 8 - набор светофильтров, 9 - диафрагма, 10 - кожух.
На фиг. 2 представлено изображение пробирок, содержащих исследуемый материал, где 11 - пробирка, содержащее меньшее количество исследуемого материала, 12 - пробирка, содержащее еще меньшее количество исследуемого материала.
Заявляемое устройство для регистрации люминесценции работает следующим образом. В адаптер 1 установлены пробирки 2, содержащие исследуемый материал. Излучение возбуждения от источника света 6 отражается от поворотного зеркала 3 и падает на исследуемый материал. Излучение эмиссии от исследуемого материала, отражается поворотным зеркалом 3 проходит через набор светофильтров 8 и попадает на регистратор интенсивности света 7.
Оптическая система устройства выполнена длиннофокусной, расстояние от блока освещения и регистрации 5 до поворотного зеркала 3 превышает двукратный размер области занимаемой пробирками 2 в адаптере для установки пробирок 1. Угол а между оптической осью от источника света 6 и оптической осью от регистратора интенсивности света 7 близок к нулю. Источник света 6 выполнен в виде набора отдельно стоящих светодиодов, с установленными светофильтром и фокусирующей оптикой в оптическом пути для каждого светодиода. Светофильтры выделяют нужный диапазон длин волн для излучения возбуждения. Фокусирующая оптика формирует равномерное поле освещения. Излучение эмиссии исследуемого материала, расположенного в пробирках, проходит оптический путь обратный излучению возбуждения. Таким образом, достигается равность считываемых сигналов, идущих на регистратор интенсивности света 7 от пробирок, расположенных по центру и с краю. Наличие минимального количества оптических элементов в блоке освещения и регистрации 5 снижает оптические потери и увеличивает чувствительность заявляемого устройства. Набор светофильтров 8, установленных перед регистратором интенсивности света 7, выделяет излучение эмиссии исследуемого материала.
Исследуемый материал, в случае малого количества, будет находиться на дне пробирок. Поэтому считывание сигнала люминесценции предполагает регистрацию эмиссии света из объема и дна пробирок. Поворотное зеркало 3 переносит изображение объема и дна пробирок 2, содержащих исследуемый материал, на регистратор интенсивности света 7. Использование вогнутого поворотного зеркала 3 существенно уменьшает размеры устройства. Например, при замене вогнутого поворотного зеркала прямым зеркалом изображение дна пробирок находится за регистратором. При этом сферическая форма поворотного зеркала с радиусом в диапазоне от 250 до 1500 мм, является достаточной для наблюдения дна пробирок, что видно на фиг. 2. В центре каждой пробирки видно дно, которое представляет собой более яркую точку. Также видно, что у пробирок по центру и с краю планшета равная интенсивность свечения. При этом, например, в пробирке 11 содержится меньшее количество исследуемого материала и в пробирке 12 содержится еще меньшее количество исследуемого материала, поэтому их изображение имеет меньшую интенсивность свечения. Искажение изображения снижено за счет уменьшения угла между поворотным зеркалом 3 и верхней плоскостью адаптера для установки пробирок 1. Использование другой, асферисческой формы поворотного зеркала приводит к усложнению устройства.
Дополнительно неравномерность регистрируемого сигнала от пробирки к пробирке 2, содержащих исследуемый материал, компенсируется нанесением затемняющего покрытия 4 с увеличивающимся градиентом затемнения к центру поворотного зеркала 3. Таким образом, достигается технический результат заявляемого устройства в увеличении равности чувствительности регистрируемых сигналов от пробирок с исследуемым материалом.
Оптический путь от блока освещения и регистрации 5 до пробирок 2 содержащих исследуемый материал, проходит через диафрагму 9, которая ограничивает распространение рассеянного света в устройстве и снижает фоновый сигнал. Кожух 10 является непрозрачным и препятствует проникновению внешнего света и, также, снижает фоновый сигнал.
Как вариант исполнения, поворотное зеркало 3 может быть расположено под углом менее чем 45° относительно верхней плоскости адаптера для установки пробирок 1, для уменьшения аберраций.