[發明專利]單光子光譜儀

無效

• 申請號: 200880114477.5
• 申請日: 2008-10-24
• 公開（公告）號: CN101889192A
• 公開（公告）日: 2010-11-17
• 發明（設計）人: 安德烈·特蘇普力克;伊萬·托夫卡奇;德米特里·蓋弗瑞洛夫;喬治亞·古德科夫;維拉·左芬科勒;伯利斯·左博維斯奇;德米特羅·古德考夫
• 申請（專利權）人: 紐約州立大學研究基金會
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28
• 代理公司: 上海天翔知識產權代理有限公司 31224
• 代理人: 劉粉寶

優先權聲明

本申請要求于2007年10月25日提交的申請號為61/000,320的美國臨時申請的優先權。

在此公開的本發明由美國政府支持，支持的基金號R21HG00371702來自美國國立人類基因組研究所。因此美國政府在本發明中享有一定的權利。

發明領域

本發明涉及傳感器系統和，尤其是涉及單光子傳感器系統以及檢測由多種熒光標記物標記的生物樣品發射的多色熒光的方法以及分析多種熒光標記物標記的生物樣品的方法。所述傳感器系統和檢測方法包括一光譜分離單元、一檢測單元和用于采集的數據的信號處理算法。

發明背景

已有多種基于記錄單光子的熒光檢測技術。這些技術通常指的是單光子檢測(SPD)技術。由于它們的復雜性和價格昂貴，在生物醫學應用中單光子檢測技術主要用于時間分辨熒光光譜學或檢測單個熒光分子。

如圖1的方框圖所示，至今傳統的單光子檢測器由若干組件組成，所述若干組件包括一單光子傳感器或光電倍增管(PMT)檢測器、一脈沖放大器、一脈沖形成器、一計數器和一計算機。至今為止一阻礙單光子檢測器性能的因素是可用的光子計數裝置的相對窄的線性動態范圍。檢測器的動態范圍是由所述檢測器為響應一單光子所需要的響應時間(τ_響應)來決定。所述τ_響應的量取決于所述設備的所有組件的響應時間，并且通常被認為是各個組件響應時間的總和。如圖2的圖所示，事實上現有的單光子傳感器的最短響應時間為大約1ns。然而，至今為止，具有一給定的τ_響應的傳統的單光子PMT檢測器被限于動態范圍為每秒10⁶-10⁷光子計數(photocounts)。

在生物學應用，以及尤其是在DNA檢測中，至今DNA序列分析系統還不能處理和檢測超高速DNA序列分析。實際上，傳統的DNA序列測定儀被限于以每秒10-30幀(frames)記錄測序過程。而且，傳統的DNA儀器的動態范圍局限于16bit。至今用于連續稀釋的BigDyeDNA測序標準樣品的傳統裝置由于至少一因素10少于所需要的而變得相對不靈敏。

因此，需要傳感器，所述傳感器包括具有光子計數器的單光子檢測器，所述單光子檢測器具有每秒大于10⁷光子計數的線性范圍，例如達到每秒10⁸光子計數，每秒大于10-30幀的DNA測序處理能力以及一更為靈敏的BigDye?DNA測序標準(standard)?；诙嗤ǖ绬喂庾訖z測器(例如基于一32通道PMT傳感器)的光譜儀將能夠非常精確的高速檢測多色發射光。尤其是，所述檢測器將證明高度精確的快速識別結合的熒光部分，以及高品質檢測DNA序列分析。

發明內容

一基于32通道PMT傳感器的纖維化的單光子靈敏的光譜儀是高靈敏度的，其具有寬的檢測動態范圍。所述光譜儀可精確高速檢測、鑒定和分析用多種熒光標記物標記的生物樣品，所述熒光標記物為例如由多種熒光染料發出的多色熒光信號或發射光的組合物。所述光譜儀的光纖輸入(fiberized?optical?input)可容易的有效的連接到任何基于纖維采集分析的熒光的測量系統。所述光譜儀提供高度精確的DNA序列分析。一32通道PMT單光子檢測器具有一高于20bits的檢測動態范圍和一大約每秒3300幀的幀速率。所述檢測器的像素的動態范圍可達到每秒10⁷光子計數并能增強10倍。

采用有效增加多通道檢測器的動態范圍的信號處理方法來檢測和識別結合的多種熒光部分。在一實施例中描述了一熒光檢測傳感器，所述熒光檢測傳感器能檢測由微量多種熒光染料的混合物發出的單光子發射光，并能非常準確測定在染料混合物中各個染料的含量。包括一32通道PMT、一脈沖放大器、比較器和計數器的所述傳感器或單光子檢測器可能具有的τ_響應時間等于或小于1ns，例如0.1ns或0.01ns。采用信號處理算法能精確分離由各個熒光染料發出的熒光信號。

尤其是，所述實施方式在此公開了：

將多色光傳輸到光譜分離器的光導纖維；

至少一多通道光傳感器，每個光傳感器通道具有適于接收來自所述光譜分離器的不同的光譜，并在響應所述接收的光譜的單光子時產生電流脈沖的光敏像素；

一多通道放大器，每個放大器通道適于接收與來自所述多通道光傳感器的所述傳感器通道的一個對應通道的光譜對應的所述電流脈沖，并適于放大所述電流脈沖；以及