專利名稱：利用球形末端的入射和輸出光纖和/或共平面的入射和輸出光導(dǎo)和分離通道的生物分析的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物分析的檢測技術(shù)，具體地，涉及通過分離通道的生物分離的檢測；更具體地，本發(fā)明涉及與沿著分離柱(例如，毛細(xì)管柱)施加入射輻射在檢測區(qū)以及從檢測區(qū)的輸出輻射的檢測相關(guān)的光學(xué)。本發(fā)明還涉及結(jié)合該檢測技術(shù)的生物分離裝置，具體地，毛細(xì)管電泳裝置。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，在實驗室中采用的大部分生物分離工具使用基于平板凝膠(slab gel)的電泳技術(shù)，該電泳技術(shù)自從20多年前開始已經(jīng)常規(guī)地用于生物分子(也就是，DNA、蛋白質(zhì)和碳水化合物)的生物分析應(yīng)用。然而，用于生物分析的平板凝膠是勞動密集的并在分辨能力、處理能力和每樣品的成本上都需要顯著改善。
·
毛細(xì)管電泳(CE)是凝膠電泳的微流方法(微通道器件以簡化凝膠電泳)，其最大優(yōu)點(diǎn)是多樣的應(yīng)用范圍。CE技術(shù)被生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)特別在基于核酸的測試中所普遍接受為ー種可靠、高分辨率和高靈敏度的檢測工具，CE已經(jīng)用于蛋白質(zhì)、碳水化合物和DNA相關(guān)的分析，諸如寡核苷酸分析、DNA測序和雙鏈DNA片段分析。由于其被認(rèn)為是具有高失敗率的麻煩技術(shù)，在常規(guī)分析中通常避免使用CE。然而，由于儀器制造商已經(jīng)顯著改進(jìn)儀器的設(shè)計并且整個CE的知識已經(jīng)増加，這不再是正確的。對于減少失敗率并產(chǎn)生準(zhǔn)確、精確和可靠的CE數(shù)據(jù)存在三個關(guān)鍵因素操作人員的培訓(xùn)、系統(tǒng)穩(wěn)定性以及操作方便且維護(hù)需求低的儀器。毛細(xì)管電泳免疫測定(CEIA)最近作為ー種新的分析技術(shù)出現(xiàn)，當(dāng)與諸如激光誘導(dǎo)熒光(LIF)的靈敏檢測方法結(jié)合時，提供優(yōu)于傳統(tǒng)免疫測定法的ー些優(yōu)點(diǎn)。CEIA可以進(jìn)行高質(zhì)量靈敏度的快速分離，同時確定多個分析物并與自動化兼容。CE和熒光標(biāo)記肽的使用可以用于檢測動物血液中的異常朊蛋白(prion protein) 0這樣ー種利用異硫氰酸熒光素(FITC)標(biāo)記的蛋白質(zhì)A作為熒光探針的對于朊蛋白的基于CE的非競爭性免疫測定法，已經(jīng)成功應(yīng)用于測試來自感染搔癢癥的羊的血液樣品。此外，免疫測定通常用于宿主細(xì)胞污染物的檢測和量化的生物技木。通過具有熒光型檢測的CE的自由溶液法(free-solution approach)已經(jīng)為固相免疫測定提供了很好的替代。通過熒光型檢測的CE消除了抗原的不流動性，避免與固相相關(guān)的許多問題。這種方法或者使用通過穩(wěn)定熒光染料(也就是，F(xiàn)ITC)標(biāo)記的純化抗原，或者使用通過染料標(biāo)記的親和探針(直接測定)。毫無疑問，使用激光誘導(dǎo)熒光(LIF)的CE是最強(qiáng)有力的分析工具之一，對于快速、高靈敏度和高分辨率的雙鏈DNA分析和免疫測定分析應(yīng)用。然而，由于復(fù)雜的光學(xué)檢測機(jī)制，基于CE的LIF系統(tǒng)的當(dāng)前銷售價格比傳統(tǒng)基于平板凝膠的生物分析系統(tǒng)昂貴很多。因此，基于CE的昂貴系統(tǒng)除了少數(shù)資金雄厚的實驗室外不能被所有人得到，并似乎成為免疫測定型分析應(yīng)用/商業(yè)的擴(kuò)展的高成本障礙。
需要ー套具有較不復(fù)雜的光學(xué)檢測機(jī)制以降低成本的系統(tǒng)，該系統(tǒng)將操作的簡單性、快速分析與高效率、高敏感度和高處理能力相補(bǔ)充。

發(fā)明內(nèi)容
通過用分離支持介質(zhì)(separation support medium)(例如，包括電泳緩沖液(running buffer)的液體或篩分凝膠(sieving gel))填充的分離通道(例如，由柱定義)，本發(fā)明為生物分離(例如，毛細(xì)管電泳)提供了一個簡化的、低成本、高效的、高靈敏度、非移動和穩(wěn)定的微光學(xué)檢測構(gòu)造。更具體地，本發(fā)明針對ー種改進(jìn)的檢測構(gòu)造，該檢測構(gòu)造包括施加入射輻射在沿分離通道的 檢測區(qū)處以及從該檢測區(qū)檢測輸出輻射的光學(xué)元件，用于檢測從樣品分析物發(fā)射的福射(例如，福射誘導(dǎo)突光發(fā)射(radiation inducediluorescence emission))。在本發(fā)明的ー個方面中，入射輻射(例如，來自激光或LED源)的方向、檢測區(qū)處的分離通道的軸以及輸出輻射的收集方向都基本在相同的平面上。在一個實施例中，利用光纖形式的光導(dǎo)(light guide)，入射輻射被提供到檢測區(qū)和/或輸出輻射從檢測區(qū)收集。在實施例中，本發(fā)明的檢測構(gòu)造具有光纖，該光纖沿著分離通道置于檢測區(qū)的相反兩側(cè)。為了高的檢測靈敏度，光纖可以以小于180度(例如，40至160度，諸如120度)彼此間隔開地設(shè)置。在本發(fā)明的另ー個方面中，本發(fā)明的檢測構(gòu)造采用球形末端(ball-end)的光纖以提供入射輻射以及輸出輻射的收集。在本發(fā)明的另ー個方面，本發(fā)明的檢測光學(xué)構(gòu)造可以使用在改進(jìn)的生物分離裝置中，特別地，毛細(xì)管電泳裝置。


為了更全面地理解本發(fā)明的本質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)以及使用的優(yōu)選方式，將參照以下結(jié)合附圖閱讀的詳細(xì)描述。在附圖中，相似的附圖標(biāo)記在附圖始終指代相同或相似的部件。圖I是包括根據(jù)本發(fā)明一個實施例的光學(xué)檢測構(gòu)造的毛細(xì)管電泳系統(tǒng)的示意圖。圖2示出檢測區(qū)域，示出激發(fā)光纖、發(fā)射光纖和毛細(xì)管柱的構(gòu)造。圖3是光線在光纖中的計算機(jī)模擬。圖4A是包括根據(jù)本發(fā)明一個實施例的檢測光學(xué)構(gòu)造的毛細(xì)管卡盒(capillarycartridge)的示意圖；圖4B是圖4A中的毛細(xì)管卡盒中的檢測區(qū)域處的中心平面截面圖。圖5至圖8示出了光學(xué)檢測的結(jié)果。圖9是用于多通道分離系統(tǒng)的檢測區(qū)域的示意圖。
具體實施例方式以下是以最適合本發(fā)明的發(fā)明目的來敘述，請搭配參照各個最佳實施例的附圖。盡管本發(fā)明按照用于實現(xiàn)本發(fā)明的目的的最優(yōu)模式來描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解可以考慮這些教導(dǎo)實現(xiàn)變化，而沒有背離本發(fā)明的精神或范圍。通過用分離支持介質(zhì)(例如，包含電泳緩沖液的液體或篩分凝膠)填充的分離通道(例如，由柱定義)，本發(fā)明為生物分離(如毛細(xì)管電泳)提供了一個簡化的、低成本、高效的、高靈敏度、不移動和穩(wěn)定的微光學(xué)檢測裝置。更具體地，本發(fā)明針對ー種改良的檢測構(gòu)造，該檢測構(gòu)造包括施加入射輻射在沿分離通道的檢測區(qū)處以及從該檢測區(qū)檢測輸出輻射的光學(xué)元件，用于檢測從樣品分析物發(fā)射的輻射(例如，輻射誘導(dǎo)熒光發(fā)射)。在本發(fā)明的ー個方面中，入射輻射(例如，來自激光或LED源)的方向、檢測區(qū)處的分離通道的軸以及輸出輻射的收集方向都基本在相同的平面上。在本發(fā)明的另ー個方面中，本發(fā)明的檢測構(gòu)造采用球形末端的光纖來提供入射輻射以及輸出輻射的收集。本發(fā)明還涉及包括本發(fā)明的檢測構(gòu)造的改進(jìn)生物分離裝置。為了示出本發(fā)明的原理而不是限制的目的，本發(fā)明參照毛細(xì)管電泳原理并使用毛細(xì)管分離柱的模型。此外，本發(fā)明將結(jié)合輻射誘導(dǎo)熒光檢測(例如，使用激光或LED源)來描述，而沒有限制。熒光是ー種分光光度分析方法，其中分析物的分子被特定波長的輻射激發(fā)并發(fā)射不同波長的輻射。發(fā)射光譜提供用于定性和定量分析的信息。通常，熒光檢測相對于吸收檢測的優(yōu)點(diǎn)在于優(yōu)良的檢測能力(檢測靈敏度)。對于高效的熒光團(tuán)，已經(jīng)證明對小體積中單個分子的檢測。這部分是因為熒光信號以相對暗的背景來測量，由于被發(fā)射的輻射以不同于入射輻射的波長的波長來檢測(例如，所發(fā)射熒光的波長為比激發(fā)輻射更長的波長)。 參照圖1，包括本發(fā)明的新穎檢測構(gòu)造的毛細(xì)管電泳(CE)系統(tǒng)100被示意地示出。CE系統(tǒng)100通常包括毛細(xì)管分離柱10 (例如，200-500 u m的外徑)，該毛細(xì)管分離柱10定義內(nèi)部的分離通道12 (例如，25-150 iim的內(nèi)徑)。毛細(xì)管柱10可以由熔化的石英、玻璃、聚酰亞胺或其他陶瓷/玻璃材料制成。分離柱10的內(nèi)壁(也就是，定義分離通道12的壁)可以用材料涂覆，該材料能夠積累靜電荷以促進(jìn)電泳和/或樣品成分的電動遷移。分離通道12可以用現(xiàn)有技術(shù)中已知的分離支持介質(zhì)(其可以僅僅是電泳緩沖液)或篩分凝膠基質(zhì)(線性或非線性聚合成分)填充。毛細(xì)管柱10的一端耦接到電泳緩沖液的儲液槽14。毛細(xì)管柱10的另一端耦接到另ー個儲液槽16，儲液槽16可以可選地容納樣品(將被注入到分離通道12中)和電泳緩沖液(在樣品注入之后，以進(jìn)行分離)。電源18通過電極20和22供應(yīng)高電壓到儲液槽14和16。當(dāng)單獨(dú)考慮時，電泳和輻射誘導(dǎo)熒光的機(jī)理不在本發(fā)明的范圍內(nèi)。為了完整性，簡要地描述CE系統(tǒng)100的操作是足夠的。在操作中，用已知的熒光團(tuán)標(biāo)記的預(yù)備生物樣品被引入到毛細(xì)管柱的遠(yuǎn)離檢測區(qū)的遠(yuǎn)端，通過不是本發(fā)明的一部分的許多方法中的任ー種(例如，從樣品槽的電動注入或使用注射泵的物理壓カ注入)。當(dāng)DC電勢(例如，1-30KV)由電源18施加到電極20和22時，樣品在施加的電勢下沿著分離通道12在方向24上遷移(例如，如圖I所示，帶負(fù)電的樣品朝向正電極22行進(jìn))，井分離成樣品成分的帯。分離的程度和沿著分離通道12移動的距離取決于多個因素，諸如樣品成分的遷移度、樣品成分的質(zhì)量和大小或長度以及分離支持介質(zhì)。在分離通道12中用于樣品分離的驅(qū)動カ可以為電泳、壓カ或電滲流動(EOF)方式。當(dāng)樣品到達(dá)檢測區(qū)32吋，激發(fā)輻射經(jīng)由激發(fā)光纖34在方向35上引導(dǎo)在檢測區(qū)32處。樣品成分將會以與各個樣品成分的濃度成比例的強(qiáng)度來發(fā)熒光(與熒光標(biāo)記材料的量成比例)。檢測器42經(jīng)由發(fā)射光纖36在方向37上以不同于入射輻射大的波長來檢測所發(fā)射熒光的強(qiáng)度。所檢測的發(fā)射輻射可以通過已知的方法分析。對于自動化系統(tǒng)，具有處理器的控制器26 (例如，為筆記本計算機(jī)或桌上型計算機(jī)的形式)控制CE系統(tǒng)100中各個部件的操作以影響毛細(xì)管電泳分離和數(shù)據(jù)收集。這種控制是本領(lǐng)域技術(shù)人員所了解的知識。在圖I中具體示出的實施例中，檢測光學(xué)構(gòu)造(在位于檢測窗ロ /區(qū)32上方的區(qū)域30中示意地示出)對應(yīng)于圖2所示的實施例。入射輻射(例如，從激光或LED源)的方向35、檢測區(qū)處分離通道的軸、輸出輻射的收集方向37都基本在相同的平面上。在示出的實施例中，本發(fā)明的檢測具有置于檢測區(qū)的分離通道的相反兩側(cè)的光纖。在一個實施例中，利用光纖形式的光引導(dǎo)，特別是球形末端的光纖(也就是，以微球形終止的光纖，該微球形以一體的結(jié)構(gòu)集成到該光纖)，入射輻射被提供到檢測區(qū)并且/或者輸出輻射從檢測區(qū)收集。還參照圖2，球形末端的光纖(激發(fā)光纖34)從輻射源(例如，LED或激光源41，在圖I中示意地示出)延伸以將方向35上的激發(fā)輻射引導(dǎo)到檢測區(qū)32處。激發(fā)光纖34的球形末端關(guān)于檢測區(qū)32位于或靠近分離通道10的外表面。在示出的實施例中，激發(fā)光纖34的球形末端設(shè)置為與分離柱10的外表面間隔開ー距離(也就是，非接觸模式)。在此示出的實施例中，另ー個球形末端的光纖(發(fā)射光纖36)延伸到檢測器(例如，在圖I中示意地示出的熒光檢測器42)以收集從檢測區(qū)32在方向37上的發(fā)射輻射。發(fā)射光纖36的球形末端關(guān)于檢測區(qū)32設(shè)置在分離柱10的外表面處或靠近分離柱10的外表面。在示出的實施例中，發(fā)射光纖36的球形末端設(shè)置為與分離柱10的外表面間隔開(非接觸模式)。具有球形尖端的激發(fā)光纖34和發(fā)射光纖36以非接觸的模式置于分離柱10的相反兩側(cè)(與毛細(xì)管柱的外部間隔開)，以減少背景熒光并且不對毛細(xì)管柱或微型球引起任何物理傷害。在圖2中示出的實施例中，如圖2所示的在檢測區(qū)32處的部件基本在相同的平面上。具體地，至少在檢測區(qū)32的區(qū)域，激發(fā)光纖34的縱軸、發(fā)射光纖36的縱軸和毛細(xì)管通道12的縱軸被基本對準(zhǔn)在相同的平面上(也就是，基本共平面)。也就是，盡管激發(fā)光纖34、發(fā)射光纖36和毛細(xì)管柱10的長度可以從頭到尾地彎曲，但是至少在檢測區(qū)區(qū)域附近，激發(fā)光纖34的軸、發(fā)射光纖36的軸和毛細(xì)管通道12的軸基本對準(zhǔn)在相同的平面上，使得從激發(fā)光纖34朝向檢測區(qū)32的入射輻射的方向35、檢測區(qū)32處的分離通道12的軸以及沿著發(fā)射光纖36離開檢測區(qū)的輸出輻射的收集方向37都基本在相同的平面上。此外，在檢測區(qū)32處，激發(fā)光纖34的軸和發(fā)射光纖36的軸之間的角度并不對齊在一條直線上。激發(fā)光纖34的軸和發(fā)射光纖36的軸中的至少ー個在檢測區(qū)32內(nèi)不垂直于分離通道12的軸。在圖2中示出的實施例中，激發(fā)光纖34的軸和發(fā)射光纖36的軸都不垂直于分離通道的軸，并分別在檢測區(qū)32處與分離通道12的軸成角度39和40。角度39和角度40可以基本上相同或不同，并可以小于或大于90度，該角度關(guān)于分離通道12的軸的參考方向或毛細(xì)管柱10的參考部分(如圖2所示的毛細(xì)管柱10在光纖34和36之間的部分)。例如，角度39可以小于90度，角度40可以大于90度，從相同的參照部分測量。在圖2中示出的實施例中，角度39和40相同并基本在形同的平面上。在圖2中不出的實施例中,激發(fā)光纖34和發(fā)射光纖36姆個都具有在外部覆層內(nèi)的作為光導(dǎo)的200微米直徑的芯以及350微米直徑的球形頂端(也就是，光纖芯直徑與球形直徑比為I : I. 75)，其包括熔化的芯和覆層材料。球形頂端具有基本上球形輪廓。球形末端光纖可以通過使用熔接器形成，或可從許多可用的供應(yīng)商獲得。毛細(xì)管柱10具有200至370微米(例如，360微米)的外部直徑以及20至150微米(例如，75微米)的內(nèi)部直、徑。激發(fā)光纖34的球形末端的頂端距離毛細(xì)管柱的外表面約50-500微米，發(fā)射光纖36的球形末端的頂端距離毛細(xì)管柱的外表面約10-500微米(例如，50-200微米)?？蛇x地，發(fā)射光纖36可用具有300微米直徑的芯，而在其末端具有500微米直徑的球形頂端(也就是，光纖芯直徑與球直徑的比為I : 2.5)。角度39和40每個可以在大于0度至小于90度的范圍，優(yōu)選在20至70度之間，更優(yōu)選地在30到45度之間。在圖2的示出實施例中，角度39和40都為約70度。在一個實施例中，光學(xué)檢測系統(tǒng)構(gòu)造有超亮的品藍(lán)色LED(例如，Cree公司的XLamp)作為用于熒光標(biāo)記(FITC)抗體片段檢測的激發(fā)輻射源。模塊設(shè)計和光纖光耦合提供將激發(fā)輻射調(diào)換為激光模塊(用于LIF應(yīng)用)或其他類型較廉價光源的弾性。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，與平坦末端的光纖(裸光纖，無微球形透鏡)相比，球形末端的光纖(圖4)為激發(fā)光纖34提供入射輻射的良好聚焦(光濃度/功率密度)，并為發(fā)射光纖36提供高收集效率(高數(shù)值孔徑NA)作為高角度熒光收集器，用于增大的熒光信號收集能力和改善的檢測靈敏度。利用大的芯(100-1000微米)和高NA的多模光纖，這允許來自LED或激光的高功率光耦合到激發(fā)光纖34中。通過在激發(fā)光纖34的輸出末端處制造一體的微 球形透鏡，在分離通道12 (20-200微米的微流通道)里面允許良好的耦合效率用于高的熒光檢測靈敏度。具有200微米直徑的芯并且以330-350微米直徑的球(見圖2)引導(dǎo)在毛細(xì)分離通道12處的較小直徑的激發(fā)光纖34，導(dǎo)致較小的聚焦點(diǎn)和更高的功率密度，從而優(yōu)化熒光激發(fā)信號。如果具有300微米芯直徑和500微米直徑的球型透鏡的發(fā)射光纖36用于發(fā)射收集，則發(fā)射收集效率被増大。圖3示出從300微米直徑的芯且具有500微米的球形末端的光纖到硅石毛細(xì)管柱的幾何光線扇形的計算機(jī)模擬。毛細(xì)管柱的外直徑為360微米，內(nèi)直徑為75微米。對比在較早專利(例如，美國專利號6184990，6828567和6870165)中公開的檢測構(gòu)造，其中激發(fā)光纖和發(fā)射檢測光軸呈90度且不在同一平面，本發(fā)明的新穎方法將激發(fā)光纖、發(fā)射光纖和分離通道都置于基本相同的平面上。這種構(gòu)造提供微光學(xué)元件關(guān)于流體通道(玻璃毛細(xì)管)的機(jī)械對準(zhǔn)的簡單性。激發(fā)光纖和發(fā)射光纖可以被預(yù)先設(shè)置固定在毛細(xì)管卡盒(可以包括分離支持介質(zhì)，諸如凝膠)的主體/組件內(nèi)。具有球形末端光纖的雙光纖檢測構(gòu)造已經(jīng)應(yīng)用到一次性單通道、具有集成緩沖液槽的單毛細(xì)管卡盒的構(gòu)思。圖4A示出單通道卡盒60，其與上部/出ロ緩沖液儲液槽62集成，該緩沖液儲液槽62通過壓カ端ロ 64直接耦接到外部模塊的空氣壓カ泵(未示出)。壓カ泵(或空氣罐)提供所需的空氣壓カ以用容納在儲液槽62中的分離緩沖液填充毛細(xì)管柱10中的毛細(xì)管分離通道12。取決于分離緩沖液的粘度，高達(dá)60PSI的壓カ可以被施加以通過上部的緩沖液儲液槽62填充毛細(xì)管柱10。儲液槽62提供有內(nèi)建的電極66(陽極)。卡盒60的下端提供有另ー電極67 (陰極)。當(dāng)被安裝在設(shè)計為接收卡盒60的CE裝置里面吋，電極66和67自動地連接到外部高電壓電源(未示出)用于電泳。還參照圖4B的截面圖，在檢測區(qū)68的區(qū)域周圍具有空腔69的卡盒60的內(nèi)部被示出。激發(fā)光纖34和發(fā)射光纖36被支撐以與定義在分離通道/柱10中的檢測區(qū)對準(zhǔn)。光纖34和36及毛細(xì)管柱的軸是共平面的。在示出的實施例中，激發(fā)光纖34和發(fā)射光纖36被支撐和對準(zhǔn)在圓柱形連接器70和72中的軸向通道71和73 (其也可以包括圓柱形套以容納光纖)內(nèi)，圓柱狀的連接器70和72保護(hù)柔性的光纖34和36。光纖34和36的球形末端不接觸毛細(xì)管柱10。測試樣品通過電動注入而被引入到分離毛細(xì)管柱10。高電壓電源(例如，EMC0、Sutter Creek、CA)用于提供500V至20KV的電場到毛細(xì)管用于電動注入和生物分子的分離。具有寬帶光能(FWHM = 50nm)和100度視角的激發(fā)LED在平坦末端(被拋光或切割的末端)處耦接到大芯激發(fā)光纖(100-1000微米)。在用直徑350微米的球形末端激發(fā)光纖將光耦合到直徑200微米的芯之前，線濾波器(FWHM = 2-50nm帶通線濾波器)置于LED前面以降低背景噪聲。光纖的微球透鏡末端通過熔合接合(高電壓熱熔化)制造為具有良好控制的直徑，以建立用于將激發(fā)輻射能量耦接到毛細(xì)管柱的內(nèi)直徑(分離通道)中的定義良好的出ロ NA和光點(diǎn)尺寸(參見,用于較大光纖的模擬的圖3 ;該模擬是對于發(fā)射光纖,但該模擬也適用于激發(fā)光纖)。由被分離的分析物產(chǎn)生的熒光發(fā)射信號然后利用類似的球形末端光纖(具有500微米直徑的球形的較大芯光纖)在毛細(xì)管通道的檢測區(qū)處收集，并傳 遞到具有內(nèi)建發(fā)射濾波器(帶通濾波器=520nm)的外部檢測器模塊(未示出，器可以利用PMT或SiPMT或(XD)用于FITC染料相關(guān)應(yīng)用(參見，圖5-圖8中示出的結(jié)果)。球形末端光纖對于用于CE系統(tǒng)的檢測器的大量制造提供了非常強(qiáng)大的設(shè)計，并提供了顯著的背景噪聲降低，這導(dǎo)致在生物分子的分析(例如，蛋白質(zhì)、DNA、碳水化合物或免疫測定型分析)中改善的S/N以及高的檢測靈敏度。圖5-圖8示出使用本發(fā)明的新穎檢測構(gòu)造的檢測結(jié)果。圖5示出在4分鐘內(nèi)分離并檢測的異硫氰酸酯熒光素(FITC，濃度在2X1 O^5M)，具有基線噪聲(p-p) = 0. 028RFU和信號=7. 5RFU，導(dǎo)致S/N = 268。這個測試在進(jìn)行實際測試樣品之前建立了檢測器性能的基準(zhǔn)線。圖6示出FITC以及以不同的時間(10分鐘和10小時)與牛血清白蛋白(Bovine serum albumin, BSA)結(jié)合的FITC的分離和檢測。圖7示出對于FITC測試標(biāo)記的重現(xiàn)性結(jié)果(注射的峰和遷移時間)。圖8示出用新CE突光檢測系統(tǒng)分析與西格瑪(Sigma)異硫氰酸突光素(FITC)結(jié)合的抗人IgA (Anti-HumanIgA)稀釋至10%的儲備溶液(分離在4. 5分鐘內(nèi)，具有基線噪聲(p-p) = 0. 044RFU，信號=3. 4RFU，提供 S/N = 80)。盡管具有預(yù)先附接的光纖的毛細(xì)管卡盒提供了準(zhǔn)確/固定以及高的檢測靈敏度，但是相關(guān)的成本較高，特別對于一次性的卡盒。可選地，激發(fā)光纖和發(fā)射光纖可以通過自動機(jī)械致動器(例如，手動鎖定、氣動鎖定、壓電致動或電磁型致動)從外部帶到毛細(xì)管柱的檢測區(qū)/窗ロ的附近。換也就是，毛細(xì)管卡盒并不需要提供有任何檢測光學(xué)元件，當(dāng)毛細(xì)管卡盒被安裝到生物分離裝置時外部檢測光學(xué)元件耦接到毛細(xì)管卡盒。后面的這種方法提供了毛細(xì)管卡盒的機(jī)械設(shè)計上的簡單性。通過這種方法，毛細(xì)管卡盒不需要包括在組件/封裝內(nèi)預(yù)先裝配的激發(fā)和發(fā)射光纖，有助于球形末端的光纖被自動致動為與毛細(xì)管卡盒接合。這對于一次性卡盒提供了裝配的容易性和降低的成本。在光纖末端處的一體微光學(xué)稱合的其他實施例，諸如錐形、圓形或扁平末端的類型，也可以用于與分離通道的光耦合，以降低背景光(噪聲)和増大靈敏度。微型光學(xué)檢測的簡單性在設(shè)計較高處理量(也就是，多通道，例如12通道)型凝膠卡盒而沒有使用卡盒組件60內(nèi)的光學(xué)元件(激發(fā)或發(fā)射光學(xué)元件)上提供了靈活性，這使得新設(shè)計對于真正的一次性類型的卡盒產(chǎn)品在成本上更低。圖9示意地示出多通道光學(xué)檢測構(gòu)造，其包括與毛細(xì)管柱10對準(zhǔn)的球形末端的多個激發(fā)光纖34和多個發(fā)射光纖36。因此，根據(jù)本發(fā)明的基于光纖的用于CE的新熒光檢測系統(tǒng)，提供了簡化的設(shè)計、方便的操作和較低的成本消耗。這特別為研究和臨床診斷實驗室/產(chǎn)業(yè)提供了一個很好的解決方案，研究和臨床診斷實驗室/產(chǎn)業(yè)需要持續(xù)不變且穩(wěn)定的重復(fù)收入流，該收入流來自儀器的基礎(chǔ)安裝以及對于消耗品諸如測試劑和緩沖液包括毛細(xì)管卡盒的重復(fù)需求(經(jīng)典的剃須刀/剃須刀片商業(yè)模式)。這種設(shè)計的簡単性允許將光纖包括在機(jī)械致動器中用于多通道、多毛細(xì)管的電泳系統(tǒng)，不再需要包括用來將光纖或其他微光學(xué)元件預(yù)先組裝在多通道毛細(xì)管卡盒設(shè)計內(nèi)的結(jié)構(gòu)。以比美國專利號6828567中公開的毛細(xì)管卡盒和檢測系統(tǒng)降低很多的成本，光學(xué)檢測設(shè)計上的該靈活性允許了對于12毛細(xì)管的簡單的卡盒設(shè)計。通過從毛細(xì)管卡盒里面去除光纖的這種新設(shè)計方法，組件的整個成本可以降低10至20倍。此外，由于輻射源和檢測器模塊可以是整個裝置組件的一部分或者可以用于在儀器之外的模塊上添加，所以根據(jù)本發(fā)明的激發(fā)光纖和發(fā)射光纖檢測構(gòu)造在整個生物分析(例如，CE)裝置的結(jié)構(gòu)上提供了額外的靈活性。這種靈活性使最終用戶能夠選擇置換激發(fā)光源(LED、激光或其他寬帶光源)和/或發(fā)射檢測器(PMT、硅光電ニ極管或CCD檢測器)?！けM管已經(jīng)參照優(yōu)選的實施例具體示出和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解可以在形式和細(xì)節(jié)上進(jìn)行各種變化，而沒有背離本發(fā)明的精神、范圍和教導(dǎo)。例如，激發(fā)輻射源可以為例如LED、激光二極管(半導(dǎo)體固態(tài)激光器)、脈沖激光器(例如，固態(tài)激光器、氣體激光器、染料激光器、光纖激光器)，或其它的輻射源。用于本發(fā)明的可選相對廉價的光源可以是在可見光、UV或紅外的范圍內(nèi)的激光二極管。例如，可以使用例如在400-900nm的范圍內(nèi)的激光二極管，更具體地,在400_600nm的范圍內(nèi)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，結(jié)合本發(fā)明精髄的儀器還可以用于除免疫測定和DNA分析之外的生物分子分析。例如，通過改變分離凝膠或緩沖液，該系統(tǒng)還可以修改為分析生物分子如蛋白質(zhì)、碳水化合物和脂類。通過示例的方式而不是限制的，本發(fā)明的檢測構(gòu)造結(jié)合毛細(xì)管電泳和輻射誘導(dǎo)熒光檢測來描述。應(yīng)理解，本發(fā)明也可應(yīng)用于基于除電泳之外的生物分離現(xiàn)象分離的分析物的檢測，以及除熒光放射之外的輻射發(fā)射的檢測。代替激發(fā)光纖和發(fā)射光纖與檢測區(qū)處分離通道的軸共平面的位置，激發(fā)光纖和發(fā)射光纖可以在平面外，而不偏離本發(fā)明的范圍和精神。此外，盡管在描述的實施例中的分離通道被定義為圓柱形的柱或管，但是將理解，本發(fā)明的構(gòu)思同樣適用于由敞開通道定義的分離通道，例如通過在基板中蝕刻定義的微通道。因此，所公開的發(fā)明應(yīng)被認(rèn)為僅是說明性的，并僅限制在如權(quán)利要求所指定的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于生物分離器件的檢測系統(tǒng)，樣品的生物分離在該生物分離器件中發(fā)生，該檢測系統(tǒng)包括 分離通道和檢測區(qū)，該分離通道具有第一縱軸，樣品沿該分離通道經(jīng)受分離成樣品成分，該檢測區(qū)沿著樣品成分經(jīng)過的分離通道定義； 輻射源； 檢測器； 入射光導(dǎo)，具有第二縱軸，將來自輻射源的入射輻射引導(dǎo)到檢測區(qū)，使得當(dāng)樣成分經(jīng)過檢測區(qū)時由樣品分量發(fā)射輻射； 發(fā)射光導(dǎo)，具有第三縱軸，收集從檢測區(qū)發(fā)射的輻射并將其引導(dǎo)到檢測器， 其中發(fā)射光導(dǎo)和入射光導(dǎo)置于分離通道的相反兩側(cè)，其中第一、第二和第三縱軸至少在檢測區(qū)處或檢測區(qū)附近基本共平面。
2.如權(quán)利要求I所述的檢測系統(tǒng)，其中輻射源是LED和激光中的至少ー種。
3.如權(quán)利要求I所述的檢測系統(tǒng)，其中入射光導(dǎo)和發(fā)射光導(dǎo)中的至少ー個包括光纖。
4.如權(quán)利要求3所述的檢測系統(tǒng)，其中光纖具有終止的一體球形末端結(jié)構(gòu)，該球形末端結(jié)構(gòu)與分離通道的外部間隔開。
5.如權(quán)利要求I所述的檢測系統(tǒng)，其中入射光導(dǎo)包括具有終止的一體球形末端結(jié)構(gòu)的第一光纖，發(fā)射光導(dǎo)包括終止的一體球形末端結(jié)構(gòu)的第二光纖，其中所述球形末端結(jié)構(gòu)不接觸分離通道的外部。
6.如權(quán)利要求I所述的檢測系統(tǒng)，其中第二縱軸和第三縱軸中的至少ー個不垂直于第一縱軸。
7.如權(quán)利要求6所述的檢測系統(tǒng)，其中第二縱軸和第三縱軸的每個相對于第一縱軸形成銳角。
8.如權(quán)利要求I所述的檢測系統(tǒng)，其中分離通道由毛細(xì)管柱定義。
9.如權(quán)利要求8所述的檢測系統(tǒng)，其中生物分離包括毛細(xì)管電泳分離。
10.一種用于生物分離器件的檢測系統(tǒng)，樣品的生物分離在該生物分離器件中發(fā)生，該檢測系統(tǒng)包括 分離通道和檢測區(qū)，該分離通道具有第一縱軸，樣品沿該分離通道經(jīng)受分離成樣品成分，該檢測區(qū)沿著樣品成分經(jīng)過的分離通道定義； 輻射源； 檢測器； 入射光導(dǎo)，具有第二縱軸，將來自輻射源的入射輻射引導(dǎo)到檢測區(qū)，促使樣品成分在經(jīng)過檢測區(qū)時發(fā)射輻射； 發(fā)射光導(dǎo)，具有第三縱軸，收集從檢測區(qū)發(fā)射的輻射并將其導(dǎo)引到檢測器， 其中發(fā)射光導(dǎo)和入射光導(dǎo)置于分離通道的相反兩側(cè)，并且入射光導(dǎo)和發(fā)射光導(dǎo)中的至少ー個包括光纖。
11.如權(quán)利要求10所述的檢測系統(tǒng)，其中光纖具有終止的一體球形末端結(jié)構(gòu)。
12.如權(quán)利要求10所述的檢測系統(tǒng)，其中入射光導(dǎo)包括具有終止的一體球形末端結(jié)構(gòu)的第一光纖，發(fā)射光導(dǎo)包括具有終止的一體球形末端結(jié)構(gòu)的第二光纖，其中球形末端結(jié)構(gòu)不接觸分離通道的外部。
13.如權(quán)利要求10所述的檢測系統(tǒng)，其中第二縱軸和第三縱軸中的至少ー個不垂直于第一縱軸。
14.如權(quán)利要求13所述的檢測系統(tǒng)，其中發(fā)射光導(dǎo)和入射光導(dǎo)置于分離通道的相反兩偵牝并且其中第一、第二和第三縱軸至少在檢測區(qū)處或在檢測區(qū)附近基本共平面。
15.一種用于樣品的生物分離的卡盒，包括 主體， 分離通道和檢測區(qū)，該分離通道定義在主體中，具有第一縱軸，樣品沿著分離通道經(jīng)受分離成樣品成分，該檢測區(qū)沿著樣品分量經(jīng)過的分離通道定義； 入射光導(dǎo)，包括具有終止的一體球形末端結(jié)構(gòu)，將來自外部輻射源的光引導(dǎo)到檢測區(qū)，使得當(dāng)樣品成分經(jīng)過檢測區(qū)時由樣品成分發(fā)射輻射； 發(fā)射光導(dǎo)，包括具有終止的一體球形末端結(jié)構(gòu)的第二光纖，收集從檢測區(qū)發(fā)射的輻射并將其引導(dǎo)到外部檢測器。
16.如權(quán)利要求15所述的卡盒,其中第一光纖和第二光纖位于分離通道的相反兩側(cè)，其中第一光纖具有第二縱軸，第二光纖具有第三縱軸，并且其中第一、第二和第三縱軸至少在檢測區(qū)處或在檢測區(qū)附近基本共平面。
17.如權(quán)利要求16所述的卡盒，其中分離通道由支撐在主體上的毛細(xì)管柱定義。
18.—種生物分離系統(tǒng)，包括 如權(quán)利要求15所述的卡盒； 福射源，其中第一光纖光稱合到該福射源；和 檢測器，其中第二光纖光耦合到該檢測器。
19.一種電泳系統(tǒng),包括 如權(quán)利要求I所述的檢測系統(tǒng)；和 電源，在分離通道兩端提供電壓來達(dá)到電泳分離的效果，其中被分離的樣品成分經(jīng)過檢測區(qū)。
20.一種檢測樣品的生物分離的方法，包括 提供分離通道以及定義檢測區(qū)，該分離通道具有第一縱軸，樣品沿該分離通道經(jīng)受分離成樣品成分，該檢測區(qū)沿著樣品成分經(jīng)過的分離通道定義； 提供輻射源； 提供檢測器； 提供入射光導(dǎo)，該入射光導(dǎo)具有第二縱軸，將來自輻射源的入射輻射引導(dǎo)到檢測區(qū)，使得樣品成分在經(jīng)過檢測區(qū)時由樣品成分發(fā)射輻射； 提供發(fā)射光導(dǎo)，該發(fā)射光導(dǎo)具有第三縱軸，收集從檢測區(qū)發(fā)射的輻射并將其引導(dǎo)到檢測器； 其中發(fā)射光導(dǎo)和入射光導(dǎo)置于分離通道的相反兩側(cè)，并且其中第一、第二和第三縱軸至少在檢測區(qū)處或在檢測區(qū)附近基本共平面。
全文摘要
一種用于生物分析的檢測光學(xué)構(gòu)造，其中入射輻射(34)的方向、分離通道(12)的軸和輸出輻射(36)的收集方向在檢測區(qū)(32)處共平面。在第二發(fā)明中，該檢測構(gòu)造包括球形末端的光纖，以將入射輻射導(dǎo)引導(dǎo)在檢測區(qū)(32)處并收集來自檢測區(qū)(32)的輸出輻射。該檢測光學(xué)構(gòu)造可以使用在改進(jìn)的生物分離裝置中，特別是毛細(xì)管電泳裝置。
文檔編號G01N21/64GK102667463SQ201180001774
公開日2012年9月12日 申請日期2011年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月28日
發(fā)明者V.D.阿米爾克哈尼安, 蔡守冠 申請人:光鼎生物科技股份有限公司