恒溫?zé)晒?/span>PCR技術(shù)（如 LAMP、RPA 等）通過在恒定溫度下完成核酸擴(kuò)增與熒光信號實(shí)時監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)快速核酸檢測，而多波長熒光同步采集能力是其突破單靶點(diǎn)檢測局限、實(shí)現(xiàn)多病原體聯(lián)合篩查的核心 —— 例如同時檢測新冠病毒、流感病毒的不同特異性靶點(diǎn)，這一功能的實(shí)現(xiàn)需依托“光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、信號同步控制、干擾抑制、數(shù)據(jù)處理”四大核心環(huán)節(jié)的協(xié)同，每個環(huán)節(jié)需解決“多波長信號并行采集”與“檢測精度、速度平衡”的關(guān)鍵問題。

一、核心前提：光學(xué)系統(tǒng)的多波長適配設(shè)計(jì)

恒溫?zé)晒?/span>PCR檢測儀經(jīng)多波長熒光同步采集的基礎(chǔ)是構(gòu)建可同時激發(fā)、分離不同波長熒光信號的光學(xué)架構(gòu)，需從“光源選擇、激發(fā)光路設(shè)計(jì)、熒光分離與接收”三個層面突破單波長局限，確保各波長信號獨(dú)立且高效傳輸。

在光源層面，需采用多波長復(fù)合激發(fā)光源，替代傳統(tǒng)單波長LED。常見方案有兩種：一是集成式多波長LED陣列，將發(fā)射波長匹配不同熒光染料（如FAM-488nm、VIC-535nm、ROX-585nm）的LED芯片封裝在同一光源模塊中，通過光學(xué)透鏡將各LED的出射光校準(zhǔn)為平行光，確保光線在同一光軸上聚焦于反應(yīng)孔；二是寬光譜光源（如氙燈）搭配可切換窄帶濾光片組，通過高速濾光片切換機(jī)構(gòu)（如壓電驅(qū)動的濾光片輪），在微秒級時間內(nèi)依次輸出不同波長的激發(fā)光 —— 前者適合固定多靶點(diǎn)檢測場景（如常規(guī)呼吸道病原體組合），后者則具備波長靈活性，可適配不同檢測試劑需求。兩種方案均需滿足“光源穩(wěn)定性”要求，通過恒流驅(qū)動電路控制各波長光源的發(fā)光強(qiáng)度，避免因光源功率波動導(dǎo)致熒光信號強(qiáng)度偏差。

激發(fā)光路設(shè)計(jì)需解決“多波長光聚焦一致性”問題。由于不同波長光的折射率存在差異，直接傳輸易導(dǎo)致各波長光在反應(yīng)孔內(nèi)的聚焦位置偏移，影響熒光激發(fā)效率，因此，需在光路中加入消色差透鏡組，通過不同材質(zhì)透鏡的組合補(bǔ)償波長色散，確保所有激發(fā)光精準(zhǔn)聚焦于反應(yīng)孔內(nèi)的核酸擴(kuò)增區(qū)域（通常為反應(yīng)液中部，避免孔壁反射干擾）；同時，在光源與反應(yīng)模塊之間設(shè)置光闌與準(zhǔn)直器，限制雜散光進(jìn)入光路，減少非特異性激發(fā)產(chǎn)生的背景熒光。

熒光分離與接收環(huán)節(jié)是區(qū)分不同波長信號的關(guān)鍵，核心在于多通道熒光分離架構(gòu)。當(dāng)反應(yīng)孔內(nèi)不同熒光染料（如標(biāo)記不同靶點(diǎn)的探針）被對應(yīng)波長激發(fā)光激發(fā)后，會發(fā)射不同波長的熒光信號（如FAM發(fā)射光520nm、VIC發(fā)射光555nm），這些混合熒光信號需先通過“激發(fā)光截止濾光片”濾除未被反應(yīng)液吸收的激發(fā)光殘余，避免激發(fā)光直接進(jìn)入檢測模塊干擾信號；隨后，采用兩種主流分離方式實(shí)現(xiàn)多波長信號拆分：一是分光棱鏡+窄帶濾光片組合，利用分光棱鏡將混合熒光按波長差異拆分為不同光路，每個光路后串聯(lián)對應(yīng)波長的窄帶濾光片（如僅允許520±10nm光通過），確保單一波長信號進(jìn)入對應(yīng)的光電探測器；二是光柵分光+線陣CCD檢測，通過衍射光柵將混合熒光分解為連續(xù)光譜，再由線陣CCD傳感器同時采集不同波長的光譜信號，無需多個獨(dú)立探測器 —— 前者信號分離效率高、適合固定波長組合，后者波長分辨率更高、可靈活適配未知波長需求。兩種方式均需保證各通道光路的光程一致，避免因光程差異導(dǎo)致信號延遲或強(qiáng)度衰減，影響同步性。

二、關(guān)鍵突破：信號同步采集的時序控制

多波長熒光“同步采集”并非物理意義上的完全同時，而是通過時序控制將各波長信號的采集間隔壓縮至微秒級（遠(yuǎn)小于恒溫PCR的擴(kuò)增信號變化周期），實(shí)現(xiàn)“時間上近似同步”，避免因采集時差導(dǎo)致的信號錯位（如某一靶點(diǎn)的熒光增長曲線與其他靶點(diǎn)不同步），這一過程需依托高精度時序控制模塊與并行信號處理電路的協(xié)同。

先時序控制模塊需生成“激發(fā)-采集”聯(lián)動的同步信號。以集成式多波長LED光源為例，時序控制器會向各LED的驅(qū)動電路發(fā)送同步觸發(fā)信號，控制所有LED同時點(diǎn)亮（激發(fā)階段），此時反應(yīng)孔內(nèi)各熒光染料同步被激發(fā)；激發(fā)持續(xù)固定時間（通常10-50μs，需匹配熒光染料的激發(fā)效率，避免信號過弱或光漂白）后，時序控制器立即觸發(fā)光電探測器啟動采集 —— 若采用多探測器架構(gòu)（對應(yīng)分光棱鏡方案），所有探測器會在同一時序信號下同步接收各自波長的熒光信號；若采用CCD檢測（對應(yīng)光柵分光方案），時序控制器會控制CCD在激發(fā)光關(guān)閉后立即啟動曝光，一次性采集全波長光譜信號。對于寬光譜光源+濾光片切換方案，時序控制需更精密：控制器需先觸發(fā)濾光片輪切換至第一個波長濾光片，同步開啟光源激發(fā)，完成該波長信號采集后，在微秒級時間內(nèi)切換至下一個濾光片并重復(fù)激發(fā)-采集流程，通過“快速切換+短間隔采集”實(shí)現(xiàn)“近似同步”，此時需嚴(yán)格控制濾光片切換時間（通常<100μs）與激發(fā)-采集的時間間隔（<50μs），確保各波長信號采集時間差遠(yuǎn)小于擴(kuò)增反應(yīng)的信號變化速率（如恒溫PCR每30秒信號變化量遠(yuǎn)大于采集時差導(dǎo)致的誤差）。

其次，需通過并行信號處理電路避免多通道信號擁堵。各光電探測器（如光電倍增管PMT、硅基光電二極管）將接收到的熒光光信號轉(zhuǎn)換為微弱電流信號后，需通過獨(dú)立的前置放大電路進(jìn)行信號放大（每個通道對應(yīng)一套放大電路，避免通道間串?dāng)_），再由高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。為實(shí)現(xiàn)同步采集，ADC需具備 “多通道并行轉(zhuǎn)換” 能力 —— 例如采用多通道同步 ADC 芯片，將各通道放大后的模擬信號同時輸入ADC，在同一時鐘信號控制下完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，確保各波長數(shù)字信號的時間戳完全一致；若采用單通道ADC分時轉(zhuǎn)換，則需通過高速模擬開關(guān)將各通道信號按微秒級間隔依次接入ADC，同時記錄每個通道的采集時間，后續(xù)通過數(shù)據(jù)對齊算法補(bǔ)償時差，確保最終信號的“同步性呈現(xiàn)”。

三、技術(shù)保障：多信號干擾的抑制策略

多波長信號并行采集時，易出現(xiàn)“通道間串?dāng)_”（某一波長信號泄漏至其他通道）、“背景熒光干擾”（反應(yīng)孔壁、試劑本身的非特異性熒光）等問題，若不抑制會導(dǎo)致信號信噪比下降、檢測結(jié)果誤判，需從“硬件隔離”與“算法補(bǔ)償”兩方面建立防護(hù)機(jī)制。

在硬件層面，核心是通道間光學(xué)隔離與“背景信號物理過濾”。對于分光棱鏡+多探測器架構(gòu)，需在各分光光路之間設(shè)置遮光擋板，避免某一光路的熒光信號散射至相鄰光路；同時，每個通道的窄帶濾光片需具備高截止深度（通常OD6以上，即對非目標(biāo)波長光的阻擋率 > 99.9999%），例如FAM通道的濾光片需嚴(yán)格阻擋VIC、ROX波長的熒光，防止串?dāng)_。對于光柵+CCD架構(gòu)，需通過優(yōu)化光柵的分辨率（如每毫米刻線數(shù) > 1200線），確保相鄰波長的光譜峰完全分離，同時在CCD前增加窄帶通濾光片組，過濾掉非目標(biāo)波長的背景光。此外，反應(yīng)模塊的設(shè)計(jì)也需配合干擾抑制 —— 采用黑色避光反應(yīng)管（如不透光的聚丙烯材質(zhì)），減少反應(yīng)管外壁的光反射；反應(yīng)管底部設(shè)計(jì)為弧形聚光結(jié)構(gòu)，將熒光信號集中反射至接收光路，降低信號擴(kuò)散導(dǎo)致的串?dāng)_。

在算法層面，需通過背景扣除與“串?dāng)_補(bǔ)償”進(jìn)一步優(yōu)化信號。背景扣除的核心是采集“無模板對照孔（NTC）”的熒光信號 —— 在檢測開始前，先對不含目標(biāo)核酸的空白反應(yīng)孔進(jìn)行多波長信號采集，記錄各波長下的背景熒光強(qiáng)度（由試劑、反應(yīng)管本身產(chǎn)生），后續(xù)將樣本孔的實(shí)時采集信號減去對應(yīng)波長的背景信號，消除非特異性干擾。串?dāng)_補(bǔ)償則針對硬件隔離無法完全避免的信號泄漏：通過預(yù)先測定各通道的“串?dāng)_系數(shù)”（如VIC通道信號對FAM通道的干擾比例），建立數(shù)學(xué)補(bǔ)償模型，在數(shù)據(jù)處理階段將各通道的采集信號代入模型，扣除其他通道泄漏的串?dāng)_信號，例如 FAM 通道的最終信號=原始采集信號-（VIC通道信號×VIC對FAM的串?dāng)_系數(shù)）-（ROX通道信號 ×ROX對FAM的串?dāng)_系數(shù)），確保各波長信號的獨(dú)立性。

四、最終實(shí)現(xiàn)：數(shù)據(jù)同步處理與結(jié)果輸出

多波長熒光信號經(jīng)采集、干擾抑制后，需通過“數(shù)據(jù)同步整合”與“實(shí)時分析”，最終轉(zhuǎn)化為可解讀的檢測結(jié)果，這一環(huán)節(jié)需解決“多通道數(shù)據(jù)時間對齊”與“檢測效率平衡”的問題。

在數(shù)據(jù)同步整合階段，需依托時序校準(zhǔn)算法確保各波長數(shù)據(jù)的時間一致性。若采用多通道同步ADC，各通道數(shù)據(jù)的時間戳天然一致，僅需按采集順序?qū)⑼粫r間點(diǎn)的不同波長數(shù)據(jù)打包為“多維度信號幀”；若采用分時采集方案（如單ADC+模擬開關(guān)），需根據(jù)各通道的采集時間差，將后采集通道的數(shù)據(jù) “前移” 至首個通道的采集時間點(diǎn)，例如FAM通道在t0時刻采集，VIC通道在 t0+20μs采集，ROX通道在t0+40μs采集，則將VIC、ROX數(shù)據(jù)的時間戳統(tǒng)一修正為t0，實(shí)現(xiàn)時間對齊。同時，需對采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行“噪聲過濾”，通過數(shù)字濾波算法（如滑動平均濾波、卡爾曼濾波）消除高頻隨機(jī)噪聲，保留熒光信號的真實(shí)變化趨勢 —— 例如在恒溫?cái)U(kuò)增的對數(shù)增長期，熒光信號變化劇烈，需采用低延遲的卡爾曼濾波，避免濾波算法導(dǎo)致信號滯后。

在實(shí)時分析與結(jié)果輸出階段，需將多波長信號與“多靶點(diǎn)檢測模型”結(jié)合。檢測軟件會為每個波長對應(yīng)的靶點(diǎn)（如FAM對應(yīng)靶點(diǎn)A、VIC對應(yīng)靶點(diǎn)B）預(yù)設(shè)熒光閾值（通常為背景信號均值+3倍標(biāo)準(zhǔn)差），實(shí)時監(jiān)測各波長信號是否達(dá)到閾值：若某波長信號在設(shè)定時間內(nèi)（如30分鐘內(nèi)）達(dá)到閾值，判定該靶點(diǎn)為陽性；若未達(dá)到，則判定為陰性。同時，軟件需支持 “多靶點(diǎn)結(jié)果協(xié)同判斷”—— 例如當(dāng)檢測呼吸道病原體時，需同時分析FAM（新冠）、VIC（甲流）、ROX（內(nèi)參基因）的信號：若內(nèi)參基因信號陽性（排除樣本失效），且新冠信號陽性、甲流信號陰性，則判定為新冠感染；若內(nèi)參陰性，需提示“樣本無效”。此外，為滿足快速檢測需求，數(shù)據(jù)處理需依托高性能嵌入式芯片（如FPGA+ARM架構(gòu)），實(shí)現(xiàn)“采集-處理-分析”的流水線作業(yè)，避免因數(shù)據(jù)堆積導(dǎo)致檢測延遲，確保多波長信號的同步采集與實(shí)時分析無縫銜接，最終在1小時內(nèi)（恒溫PCR的典型檢測時間）輸出多靶點(diǎn)的聯(lián)合檢測結(jié)果。

恒溫?zé)晒?/span>PCR檢測儀多波長熒光同步采集的實(shí)現(xiàn)，是“光學(xué)設(shè)計(jì)突破信號并行傳輸、時序控制保障同步采集、干擾抑制確保信號純凈、數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)結(jié)果整合”的系統(tǒng)工程。每個環(huán)節(jié)需圍繞“多波長協(xié)同”與“檢測性能（精度、速度、穩(wěn)定性）”的平衡展開，最終為多靶點(diǎn)核酸檢測提供高效、可靠的技術(shù)支撐，適用于臨床診斷、食品安全、環(huán)境監(jiān)測等多場景的快速篩查需求。

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