CN102575991B

CN102575991B - 检测荧光信号的检测器和监测多个分立荧光信号的设备

Info

Publication number: CN102575991B
Application number: CN201080047694.4A
Authority: CN
Inventors: D.A.菲什
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2009-10-23
Filing date: 2010-10-18
Publication date: 2016-06-15
Anticipated expiration: 2030-10-18
Also published as: US9228947B2; RU2543429C2; CN102575991A; US20120208263A1; EP2491370A1; JP5694342B2; JP2013508718A; WO2011048539A1; EP2491370B1; KR20120101396A; BR112012009260A2; RU2012121143A

Abstract

本发明涉及一种用于监测多个分立荧光信号的设备和检测荧光信号的检测器，其特别用于通过使用以荧光方式加标签的核苷酸来进行DNA定序。所提出的特定检测器（118）包括用于单独检测来自多个荧光信号源（104）的所述荧光信号的多个像素（130），其中每一个像素（130）包括预定数目的至少两个检测元件（D1，Dn）以用于检测所接收到的荧光信号并且用于生成检测信号。此外还提供用于接收来自所述至少两个检测元件（D1，Dn）的所述检测信号并且用于生成像素输出信号的信号转换电路（140），所述像素输出信号表明所述至少两个检测元件（D1，Dn）当中的哪一个生成了最强的检测信号。

Description

检测荧光信号的检测器和监测多个分立荧光信号的设备

技术领域

本发明涉及一种用于监测多个分立荧光信号的设备，其特别用于通过使用以荧光方式加标签的核苷酸来进行DNA定序。

本发明还涉及一种用在所述用于监测多个分立荧光信号的设备中的检测器，其用于检测来自多个荧光信号源的荧光信号。

背景技术

WO2004/059006公开了一种光学DNA传感器，其中各个DNA点被设置成使得每一个点将荧光发送到由两个或更多光电传感器构成的相关联的群组上。可以把群组中的所有光电传感器的信号相加，或者仅仅把来自感测到最强光数量的光电传感器的光学信息用作输出信号。

DNA（脱氧核糖核酸）定序已经多年为人所知。识别核酸的构造块的基本概念（其中包含在所有已知生物机体的发展和运作中所使用的遗传指令）已经从发现代码扩展到期望使用遗传信息来解决疾病。

DNA分子的主要作用是对于信息的长期存储。在其他功能当中，其特别以被称作基因的片段的形式包含对于构造细胞成分所需的指令。在化学上，DNA由被称作核苷酸的简单单元的两条长聚合物构成，所述两股在彼此相对的方向上延伸。两股之间的骨干由通过酯键结合在一起的糖和磷酸基团构成。附着到每一个糖上的被称作碱基的四种类型的分子的其中之一，所述碱基的类型为A、C、G或T。这四种碱基沿着骨干的序列对信息进行编码。通过识别出这些碱基及其序列，可以导出许多信息。

许多新的技术依赖于荧光成像来识别碱基，其被称作碱基判读（basecalling）。荧光部分附着到一种特定种类的碱基上。核苷酸中的荧光受到已知波长下的光吸收的影响。荧光发生在另一个略微不同的已知波长处。对于荧光的检测表明特定碱基的存在。存在单色荧光系统，其中把包括定序试剂的不同流体相继冲洗过样本，并且荧光表明DNA样本中的不同DNA碱基的存在。另一种荧光成像技术由于使用了四个不同波长的光而被称作四色荧光，从而允许在定序设备中同时存在（定序反应所需的）四种类型的核苷酸。从而可以减少设备中的流体交换（其非常缓慢）或者将其保持在最低程度。

PacificBiosciences描述了根据用于碱基判读的荧光成像来分析荧光材料的各种方法和系统，特别是在PacificBiosciences技术背景情况介绍会“PacificBiosciencesdevelopstransformativeDNAsequencingtechnology”（2008年2月2日）上以及在其专利申请WO2008/140758A1和WO2009/089056A1中。由荧光团发出的光被高数值孔径物镜收集并且被聚焦到单光子敏感CCD阵列上。在到达所述阵列之前，所述光经过棱镜色散元件，该元件根据荧光的颜色对其进行偏转，从而对于每一个零模波导产生单独的彩虹。这就允许用偏转光的位置对产生所述信号的碱基的身份进行编码。这样，可以使用单个高灵敏度检测器根据其撞击CCD阵列的位置来识别并区分脉冲。这一过程在CCD阵列的面积上被重复数千次，从而允许在整个单分子实时芯片上的每一个零模波导中实时地读取DNA序列。使用优化的算法集合来翻译由光学装置系统捕获的信息。利用所记录的光谱信息和脉冲特性，信号被转换成具有相关联的质量度量的碱基判读。

但是该技术存在限制，这主要是由于所使用的检测器的种类。对于所使用的EMCCD（电子倍增电荷耦合器件）检测器，只有在像素数较少的情况下才可能获得高场速率。但是在实践中，需要大量像素来读出数目非常多的定序部位，例如一百万个定序部位或更多。此外，需要高场速率来跟上反应速率，可以预期其在将来会增加到1kHz。这样的性能远远超出了CCD技术的能力。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于监测多个分立荧光信号的设备，其与已知设备相比得到了改进并且特别允许在更高场速率下同时读出大量像素。本发明的另一个目的是提供用在这种设备中的相应的检测器。

在本发明的第一方面中，提供一种用于监测多个分立荧光信号的设备，其特别用于通过使用以荧光方式加标签的核苷酸来进行DNA定序，所述设备包括：

-其上布置有多个分立荧光信号源的基板；

-激发照明源；

-用于检测来自多个荧光信号源的荧光信号的检测器；以及

-被定位成将来自激发照明源的激发照明同时导向基板上的所述多个分立荧光信号源并且把来自多个荧光信号源的荧光信号导向检测器的光学链（opticaltrain），

其中，所述检测器包括：

-用于单独检测来自多个荧光信号源的所述荧光信号的多个像素，其中每一个像素包括预定数目的至少两个检测元件以用于检测所接收到的荧光信号并且用于生成检测信号；以及

-用于接收来自所述至少两个检测元件的所述检测信号并且用于生成像素输出信号的信号转换电路，所述像素输出信号表明所述至少两个检测元件当中的哪一个生成了最强的检测信号。

在本发明的另一方面中，提供一种用在这种设备中的检测器，所述检测器包括：

在从属权利要求中限定了本发明的优选实施例。应当理解的是，所要求保护的检测器具有与所要求保护的设备和如在从属权利要求中所限定的类似和/或完全相同的优选实施例。

本发明是基于下面的想法：总体上应用与PacificBiosciences所提出的相同系统布局，具体包括基板、激发照明源、检测器和光学链，并且使用基于色散的方法来进行荧光检测，但是使用不同的检测器以便允许在高场速率下读出大量像素。确定合并到DNA中的碱基的已知色散方法例如需要CCD阵列的近似15个检测元件（例如光电二极管）。为了允许定序反应之间的分离，将需要大约16x4个检测元件的最小CCD面积。根据本发明，取代从代表检测器的一个像素的各个检测元件读出全部64个（或至少15个）模拟数值，生成代表所合并的碱基的单个像素输出信号。

具体来说，根据本发明，提供信号转换电路并且为之提供来自一定数目的检测元件的检测信号，所述一定数目的检测元件代表单个像素并且接收来自单个荧光信号源的荧光信号，所述信号转换电路随后把所述一定数目的检测信号转换成所述单个像素输出信号。所述像素输出信号是从输入检测信号生成的，从而表明耦合到单个信号转换电路的至少两个检测元件当中的哪一个生成了最强的检测信号。

因此就知道了一个像素内的生成了最强检测信号的检测元件的位置，这就固有地合并了关于荧光信号源的身份的信息。举例来说，如果被应用于通过使用以荧光方式加标签的核苷酸来进行DNA定序，则产生了荧光信号的碱基的身份就被包括在像素输出信号中，这是因为生成了最强检测信号的检测元件的位置与所述荧光标签相关并且从而与碱基相关，这又是因为各种类型的碱基（A，G，C，T）加有不同的标签。

根据本发明，由于仅要从每一个像素读出单个数值而不是像已知设备中那样读出例如15个或更多数值，因此可以大大提高读出速率，从而允许例如通过核苷酸的更高浓度和更高温度而使得定序反应更加快速地发生，并且可以并行地执行更多反应。这样就大大提高了设备的吞吐量，并且允许非常快速地执行整个基因组和基因重定序应用。

特别为了用于DNA定序，每一个像素优选地包括至少四个（特别是八个到十六个之间的）检测元件，以便针对哪一个碱基导致了荧光信号而获得更高的分辨率和精确度。检测元件（例如CCD阵列内的光电二极管）的数目还可以更多，这取决于所期望的分辨率和精确度。

优选地，所述信号转换电路被适配成生成可以很容易并且快速读出的数字像素输出信号。优选地，如果多个像素被沿着各行和各列设置成阵列，正如根据另一个实施例所提出的那样，则所述检测器还包括用于从所述像素单独寻址并读出所述像素输出信号的寻址和读出装置。

优选地使用数字像素输出信号。这样的阵列结构例如从半导体存储器设备知晓，并且在这里可以应用从半导体存储器技术获知的类似的行和列寻址和读出装置。举例来说，数字像素输出信号可以是二进制4比特信号，所述4个比特编码具有最强检测信号的检测元件（在一个像素的16个检测元件当中）的位置。

本发明优选地使用CMOS技术，通过CMOS技术可以把所述信号转换电路有利地实施在检测器上。为了单独寻址每一个检测元件，对于每一个检测元件优选地提供选择开关，其特别由N型MOSFET晶体管实现，其中可以通过使用选择开关寻址信号来接通及关断所述选择开关，以便允许把由相关联的检测元件生成的输出信号转送到相关联的信号转换电路。在检测期间，该选择开关通常被关断，但是在检测周期的末尾，用于一个像素的所有检测元件的选择开关都被接通，从而把一个像素的所有检测元件的检测信号同时提供到信号转换电路以进行进一步处理，并且找到哪一个检测元件生成了最强的检测信号，并且生成相应的像素输出信号。

根据另一个实施例，所述寻址和读出装置包括对应于每一个检测元件的重置开关，特别是N型MOSFET晶体管，其可以通过使用重置信号来接通及关断，以便在每一个检测周期之后重置检测元件。

根据另一个实施例，寻址和读出装置包括对应于每一个检测元件的电压到电流转换元件，以便把所述检测元件的检测信号转换成检测电流信号。所述电压到电流转换元件优选地由P型MOSFET晶体管实现，其栅极耦合到相关联的检测元件的输出。因此，从检测元件输出的检测信号就控制电压到电流转换元件，其在检测元件增加的情况下输出更多电流。这样就提供了一种简单而有效的方式来实施电压到电流转换。

为了从输入的检测信号生成像素输出信号，所述信号转换电路优选地包括胜者全得（winnertakeall）电路。这样的胜者全得电路在本领域内是公知的，比如从Moses等人的“A“winnertakeall”ICforDeterminingtheCrystalInteractioninPITDetectors（用于确定PIT检测器中的晶体交互的“胜者全得”IC）”（IEEETrans.NuclearScience，vol.43，pp.1615，1996年）或者Oki,N.的“Winner-Take-AllCircuitUsingCMOSTechnology（利用CMOS技术的胜者全得电路）”（CircuitsandSystems,1998,Proceedings,1998,MidwestSymposiumonVolume，第9-12期，1998年8月，pp.568-570）。这样的胜者全得电路存在许多实施例，其通常都可以被应用于这里的信号转换。这样的电路并行地接收来自单个像素的所有耦合的检测元件的检测信号，并且具有相应数目的中间输出线，也就是说对于每一个检测元件有一条中间输出线。但是这样的胜者全得电路被适配成由于连锁反应，仅仅在一条中间输出线上获得高信号输出（特别是高电流），其对应于发出最强检测信号的检测信号，而在其他中间输出线上则检测到低输出信号（特别是小输出电流）。这些中间输出线耦合到一条共同输出线，其例如被顺序地或并行地读出以便获得所期望的（优选地是数字的）像素输出信号。

根据一个优选实施例，所述胜者全得电路对于每一个连接的检测元件包括：

-第一N型MOSFET晶体管，其漏极端子提供有代表由所述检测元件检测到的检测信号的检测器电流信号，其源极端子耦合到参考电势，特别是接地电势，并且其栅极端子提供有预定偏置电流；以及

-第二N型MOSFET晶体管，其栅极端子耦合到第一N型MOSFET晶体管的漏极端子，其源极端子耦合到第一N型MOSFET晶体管的栅极端子并且提供有所述预定偏置电流，并且其漏极端子输出检测器元件输出信号。

胜者全得电路可以被设置在所述多个像素的区域的外部或者所述多个像素的区域的内部，特别是在相关联的像素的区域中。但是还有可能的情况是对于每一个像素有两个胜者全得电路，其中第一胜者全得电路被设置在所述多个像素的区域的外部，第二胜者全得电路被设置在所述多个像素（130）的区域的内部，特别是在相关联的像素的区域中。

如前所述，关于激发照明源、其上布置有多个分立荧光信号源的基板以及光学链，所述设备的一般布局可以是正如PacificBiosciences所描述的那样。因此，根据一个优选实施例，所述光学链包括：聚焦在基板处的第一焦平面内的物镜，其用于同时收集来自基板上的多个荧光信号源的荧光信号；用于在空间上分离荧光信号的各光谱分量的光谱分离装置；以及用于接收荧光信号的空间上分离的各光谱分量并且将其聚焦在检测器上的聚焦透镜。

附图说明

参照下文中描述的（多个）实施例，本发明的前述和其他方面将变得显而易见。在附图中：

图1示出了根据本发明的荧光检测设备的示意图；

图2的图示示出了随着时间的典型的检测信号以及相应的光谱；

图3示出了根据本发明的检测器的一般布局；

图4的图示示出了根据本发明的检测器的示例性布局的更多细节；

图5A示出了根据本发明的检测器的单个像素的电路的一个实施例；

图5B示出了根据本发明的胜者全得电路的一个电路实施例；

图6示出了根据本发明的包括胜者全得电路的单个像素的另一个电路实施例；以及

图7示出了根据本发明的包括耦合到外部胜者全得电路的胜者全得电路的单个像素的另一个电路实施例。

具体实施方式

对于DNA定序，多种系统和方法都是已知的。在一种特定的示例性系统中，利用激发光照明固定在固体支座上的各个单独的DNA聚合酶/模板/引物复合体，同时其包含有以荧光方式加标签的核苷酸类似物。从这些单独的复合体发出的特征荧光信号表明给定核苷酸是否被所述复合体所合并。在一些方法中，实际上合并有加了标签的核苷酸，同时仍然载有荧光标签基团。随后从固定的复合体中洗除未合并的加了标签的核苷酸，并且照明所述复合体并监测荧光信号，以便确定未合并的荧光核苷酸的存在。随后从已合并的核苷酸中去除荧光标签并且从系统中洗除。第二核苷酸与所述复合体相接触，并且按照相同的方式监测其合并或缺乏。在一些方面中，这些系统在每一步骤中采用单一类型的核苷酸，从而需要质询具有四种类型的核苷酸当中的每一种的复合体的循环处理。

在另一种系统中，聚合酶/模板/引物复合体被提供在受限制的照明体积内，从而把照明局部化到包括单一复合体并且大不了太多的区域。随着加了标签的核苷酸被复合体合并，其被保留在照明体积内的周期长于未合并的核苷酸的平均扩散时间，从而给出与该合并相关联的特征光学信号。此外，通过在核苷多磷酸盐的β、γ和更远端磷酸基团上采用载有荧光标签的核苷酸，标签基团在合并期间被自动切割。其结果是在特征合并荧光信号之后，标签基团被释放成表现为更像随机扩散的核苷酸。另一个结果是能够在其发生时实时地监测核苷酸合并。通过利用在光谱上可区分的荧光标签或染料为每一种类型的核苷酸（例如A、G、C和T）加标签并且监测对应于不同荧光信号的反应，不仅可以识别出合并事件，而且还可以识别出所合并的核苷酸的类型。

在图1中示意性地示出了可以对其应用本发明的示例性荧光检测设备。如图所示，设备100包括一个或更多激发照明源，即激光器106。来自激光器106的激发光被光学链108导向反应区（例如基板102上的反应区或阱104）。虽然所述光学链可以根据所期望的应用而不同，但是如图所示，来自激光器106的激发光束被导向分色镜110并由其反射，并且被传递到物镜112中，物镜112将激发光束聚焦到基板102的反应区/阱104上。响应于激发光束从反应区发出的荧光信号随后被物镜112收集，并且通过其相对于激发光束的波长偏移而被透射过分色镜110。荧光信号随后被聚焦透镜116聚焦到检测器118上，检测器118在其上记录入射信号。

如图所示，还可以对荧光信号进行光谱分离，以便分离出从不同反应或相同反应中的不同事件发出的光谱上不同的信号分量。如图所示，光谱分离是通过把荧光信号穿过诸如楔形棱镜114之类的色散光学元件而实现的，从而把光谱上不同的信号或信号分量导向检测器118的不同区。

随后由诸如计算机120之类的处理器记录并处理由检测器118接收的信号，并且按照方便的用户友好的格式来显示，比如显示器122或来自打印机124的打印输出126。

关于所述设备的一般布局、实现方式和功能以及关于用于DNA定序的基于荧光的检测的更多细节可以在WO2008/1407588A1、WO2009/089056A1和前面提到的PacificBiosciences的技术背景情况介绍会中找到，在这里对其进行参照并且其细节被合并在此以作参考。

在图2中示出了在不同时间从一个观测体积收集的随着时间的典型检测信号及其光谱。在每一个时间所记录的四个时间信号是从收集自所述观测体积的已色散光的多分量分析的一个不同光谱通道取得的。在光谱曲线图中，实线曲线代表在校准处理中收集自四个荧光团当中的每一个的参考光谱。在每一幅曲线图中，具有误差棒的信号曲线（其由S1到S4表示）代表作为相对光谱位置的函数在突发期间积分的光子通量。所示出的荧光突发代表20到35之间的积分突发SNR比值。因此，通过把所测量的信号的光谱与参考光谱进行比较，可以很容易找到借以为核苷酸加标签并且导致荧光信号的荧光团。

在图3中示出了根据本发明所使用的检测器的一般布局，其特别在图1所示的系统中作为检测器118。检测器118包括由沿着各行和各列设置的多个像素130构成的阵列128，正如例如从半导体存储器设备（例如DRAM存储器设备）的存储器元件所获知的那样。出于寻址、开关和重置目的，即为了单独地寻址、重置和/或开关各个单独像素和/或所述像素的各个单独的检测元件，正如通常从半导体存储器技术所获知的那样提供适当的寻址和读出装置。具体来说，在图3所示的实施例中，所述寻址和读出装置包括行驱动器单元132和列驱动器单元134。行驱动器单元132特别实现行选择的功能，即单独寻址阵列128内的特定行的各个像素和/或检测元件，以及重置特定行内的像素和/或检测元件。列驱动器单元134特别用于从一列内的各个像素的各个单独的检测元件单独读出检测信号，并且用于把一个像素的各个检测元件的检测信号转换成单个像素输出信号。如果需要的话，该像素输出信号可以随后被进一步处理或直接输出。

在图4中特别示出了列驱动器单元134的一个实施例的更多细节。作为一个示例性实施例，应当假设像素130包括16个检测元件，从而从所述检测元件输出16个检测信号。这些检测信号在下面将说明的一些预处理之后被最终通过16线列总线136（前提是所述特定像素由适当的寻址信号通过所连接的行总线138寻址）输出到列驱动器单元134。列驱动器单元134对于每一列（或者在更高级的实施例中对于每一个像素）包括一个信号转换电路140，其用于接收来自当前所读出（通过行总线138控制）的像素130的所有检测元件的检测信号并且用于生成像素输出信号。

信号转换电路140在该示例性实施例中包括胜者全得电路142、数字转换电路144和寄存器146。胜者全得电路142接收（在该例中是16个）检测信号并且输出相应数目的中间输出信号。由于如在后面详细解释的连锁反应，仅仅其中一个所述中间输出信号是具有高输出幅度的信号，而其他中间输出信号则具有低输出幅度。这些中间输出信号被提供到数字转换电路144，其把所述中间输出信号转换成数字信号。举例来说，在16个输出信号的情况下，生成一个二进制4比特数字像素输出信号，在其中编码了关于所述16个中间输出信号当中的哪一个具有高幅度的信息，从而还表明像素130的所述16个检测元件当中的哪一个输出了最强检测信号。所述像素输出信号随后被转送到寄存器146以进行存储，直到其可以在数据输出总线148上被输出为止。

在列驱动器单元134内将有N个寄存器146（在N列的情况下）保存数字数据。但是一般来说，每次只能读出一个寄存器146。因此，在一个优选实施例中，提供附加的移位寄存器150，其选择将要读出哪一个寄存器146。其被称作移位寄存器是因为它每一个时钟循环将选择点偏移一个位置。

图5A示出了根据本发明的检测器118中的单个像素130的主要电路的一个示例性实施例。作为示例，示出了像素130的三个检测元件D1、D2、Dn，像素130总共具有优选地沿着一行设置的n（例如16）个这些检测元件，以便接收从单个荧光信号源发出的光谱上不同的信号或信号分量，正如前面所解释的那样。这些检测元件D1、D2、Dn可以是光电检测器。

集中于光电检测器D1做进一步解释，光电检测器D1在一个场周期内对其自电容进行放电。N型MOSFET晶体管T1是重置开关，其每一个场周期经由重置信号RS通过重置线路152加脉冲，重置线路152优选地连接到行驱动器单元132（参见图3）。因此，重置开关T1每一个场周期被加脉冲，以便对光电二极管D1的电容再充电。

光电二极管T1的阴极处的电压V1连接到P型MOSFET晶体管T2的栅极，P型MOSFET晶体管T2充当电压到电流转换器。如果光电检测器D1正接收大量光子，则将有更多放电，并因此晶体管T2的栅极-源极电压将更大。因此，其将输出更多电流，这是因为其被偏置在它的饱和区内。

晶体管T2的输出电流I1被N型MOSFET晶体管T3馈送到胜者全得电路142，N型MOSFET晶体管T3充当选择开关。所述选择开关T3经由选择信号SS通过选择线路153脉冲接通，也就是说选择开关T3在场周期的末尾对于该行像素以及对于所述行的各个像素内的所有检测元件被脉冲接通。因此，从所述光电检测器D1到Dn生成的检测信号（即电压V1到Vn）所导出的电流I1到In通过列总线136被并行地提供到胜者全得电路142。列总线136的各条线路可以被通过总线线路寻址总线139控制的各条单独的总线线路开关137单独地接通及关断。

应当提到的是，重置线路152和选择线路154对应于图4中所示的行地址总线138。

在图5B中示出了对应于该列像素的胜者全得电路142的一个电路实施例，所述电流I1到In通过列总线136被提供到胜者全得电路142。胜者全得电路142在该示例性实施例中包括n对N型MOSFET晶体管T4、T5。此外还提供偏置电流源156，其用于通过所有n对晶体管T4、T5当中的晶体管T4生成及吸取偏置电流IB。该偏置电流IB也设定对应于晶体管T5的栅极电压，从而又把流经晶体管T5的电流设定在固定数值。

胜者全得电路142的（n对晶体管当中的）具有最高输入电流（即为之提供最高电流I1到In（即最高辉度））的该对晶体管于是在其漏极被提供来自相关联的光电二极管D1的电流I1的晶体管T5上产生最高漏极电压。晶体管T5的漏极还连接到晶体管T4的栅极。在由最高输入电流导致更高漏极电压之后，晶体管T4上的更高栅极电压于是导致更多电流流入晶体管T4。但是由于流经晶体管T4的电流被偏置电流IB固定，因此该额外电流是以其他晶体管对T4、T5当中的其他晶体管T4为代价而获得的。因此，其他对当中的晶体管T4的栅极电压降低，并且引发连锁反应，从而所有偏置电流IB必须流经仅仅其中一个晶体管T4，即有最大电流流经其相应的晶体管T5的该晶体管T4。因此，该对是在其中间输出线路160-1处给出高中间输出信号I1_out（其也被称作检测器元件输出信号）的“胜者”，而其他中间输出线路160-n上的其他中间输出信号In_out则具有低幅度。

中间输出信号I1_out-In_out被电阻器R转换成电压，并且各个输出由逆变器K数字地限定。所得到的信号随后通过像素输出总线162被输出到比特（数字）转换单元144，像素输出总线162可以具有n条并行线路或者可以是多路复用的总线。在比特（数字）转换单元144中，输出信号被转换成数字像素输出信号，正如前面所解释的那样。

图6示出了像素130的另一个电路实施例，根据该实施例，胜者全得电路是像素本身的一部分，而不是像图4和5所示的实施例中那样是列驱动器单元134的一部分。所述像素和胜者全得电路的一般电路布局与图4和5中所示的实施例中的布局完全相同。胜出电流同样被馈送到电阻器R，其产生或高或低的电压。电阻器R之后是逆变器K，其给出明确定义的高或低。该信号在列总线136上驱动所述列。

因此，根据该实施例，在列驱动器单元134内没有胜者全得电路。数据被径直馈送到比特转换单元144。这应当给出快速像素读出，但是与图4和5中所示的实施例相比，像素变得更加复杂。

图7示出了另一个实施例，根据该实施例，像素130和列驱动器单元134都具有胜者全得电路，也就是说该实施例是图4、图5和图6中所示的实施例的混合。但是列驱动器单元134中的胜者全得电路142’现在是P型，即具有P型MOSFET晶体管T4’和T5’，以便与具有N型MOSFET晶体管T4和T5的像素内n型胜者全得电路相匹配。因此，该实施例是得到简单像素电路的一种折衷，但是也提供快速读出。胜者全得电路142’的输出去到比特转换单元144。

由于所述列将具有大电容，因此小的电流差不会被立即传递到列驱动器单元134中的胜者全得电路142’。因此，图5A和5B中所示的实施例可能没有理想情况那么快速。如在图6所示的实施例中所提供的像素内胜者全得电路会在像素处快速地产生大的电流差，其在最初跨过所述列传递到列驱动器单元134中的胜者全得电路142’时将是小的电流差。但是该胜者全得电路142’会快速放大该小的差，从而比图5A和5B中所示的电路更加快速地产生决定。

通过本发明可以获得高场速率并且可以同时读出大量像素。具体来说，可以监测多个分立荧光信号源。因此，本发明克服了基于CCD技术的电流检测器的限制，所述基于CCD技术的电流检测器在被应用于DNA定序系统时在操作速度方面会被快速带到其操作极限。本发明可以被应用在这样的DNA定序系统中以便监测非常快速的分立荧光信号。举例来说，单股DNA的一个分子可以潜在地在每秒10个到100个的速率下通过其聚合酶合并碱基。这些在时间上随机发生的事件可以被具有例如1kHz的足够高读出速率的根据本发明的检测器所捕获。每一个定序部位将具有所处理的DNA的一个分子，并且可以增加当前所使用的3000个部位的数目。所提出的像素内数据压缩和模拟到数字转换允许建立既具有大量像素（即可以对许多定序部位进行成像）又非常快速的检测器，这是因为与模拟数据相比，从大阵列上的像素中读出数字数值执行起来可以快很多。

应当提到的是，在本发明的上下文及其实施例中的定序不限于DNA，而是涉及其中最终目标是检测出核酸（例如RNA、PNA、LNA）的碱基对的定序。

虽然在附图和前面的描述中示出并详细描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被视为说明性或示例性而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。通过阅读附图、公开内容和所附权利要求书，本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时可以理解并实施针对所公开实施例的其他变型。

在权利要求书中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，“一”或“一个”不排除多个。单个元件或步骤可以实现在权利要求中所引述的几个项目的功能。在互不相同的从属权利要求中引述某些措施并不意味着不能使用这些措施的组合来获益。

权利要求中的任何附图标记不应被理解为限制其范围。

Claims

1.用于检测来自多个荧光信号源（104）的荧光信号的检测器（118），

所述检测器（118）包括：

-用于单独检测来自多个荧光信号源的所述荧光信号的多个像素（130），其中每一个像素（130）包括预定数目的至少两个检测元件以用于检测所接收到的荧光信号并且用于生成检测信号；以及

-用于接收来自所述至少两个检测元件的所述检测信号并且用于生成像素输出信号的信号转换电路（140），所述像素输出信号表明所述至少两个检测元件当中的哪一个生成了最强的检测信号以及生成了最强的检测信号的检测元件的位置。

2.如权利要求1所述的检测器，

其中，每一个像素（130）包括至少四个检测元件。

3.如权利要求2所述的检测器，

其中，每一个像素（130）包括8个到16个之间的检测元件。

4.如权利要求1所述的检测器，

其中，所述信号转换电路（140）被适配成用于生成数字像素输出信号。

5.如权利要求1所述的检测器，

其中，所述多个像素（130）被沿着各列和各行设置成阵列，并且其中所述检测器还包括用于从所述像素单独寻址并读出所述像素输出信号的寻址和读出装置（132，134）。

6.如权利要求5所述的检测器，

其中，所述寻址和读出装置对于每一个检测元件包括选择开关（T3），该选择开关（T3）可以通过使用选择开关寻址信号（SS）来接通及关断，以便允许把由相关联的检测元件生成的输出信号转送到相关联的信号转换电路（140）。

7.如权利要求6所述的检测器，

其中，选择开关（T3）是N型MOSFET晶体管。

8.如权利要求5所述的检测器，

其中，所述寻址和读出装置对于每一个检测元件包括重置开关（T1），该重置开关（T1）可以通过使用重置信号（RS）来接通及关断，以便在每一个检测周期之后重置检测元件。

9.如权利要求8所述的检测器，

其中，重置开关（T1）是N型MOSFET晶体管。

10.如权利要求5所述的检测器，

其中，所述寻址和读出装置对于每一个检测元件包括电压到电流转换元件（T2），以便把所述检测元件的检测信号（V1）转换成检测器电流信号（I1）。

11.如权利要求10所述的检测器，

其中，所述电压到电流转换元件（T2）包括P型MOSFET晶体管，其栅极耦合到相关联的检测元件的输出。

12.如权利要求1所述的检测器，

其中，所述信号转换电路（140）包括胜者全得电路（142）。

13.如权利要求12所述的检测器，

其中，所述胜者全得电路（142）对于每一个连接的检测元件包括：

-第一N型MOSFET晶体管（T4），其漏极端子提供有代表由所述检测元件检测到的检测信号的检测器电流信号（I1），其源极端子耦合到参考电势，并且其栅极端子提供有预定偏置电流（IB）；以及

-第二N型MOSFET晶体管（T5），其栅极端子耦合到第一N型MOSFET晶体管（T4）的漏极端子，其源极端子耦合到第一N型MOSFET晶体管（T4）的栅极端子并且提供有所述预定偏置电流（IB），并且其漏极端子输出检测器元件输出信号（I1_out）。

14.如权利要求13所述的检测器，

其中，第一N型MOSFET晶体管（T4）的源极端子耦合到接地电势。

15.如权利要求12所述的检测器，

其中，所述胜者全得电路（142）被设置在所述多个像素（130）的区域的外部。

16.如权利要求12所述的检测器，

其中，所述胜者全得电路被设置在所述多个像素（130）的区域的内部。

17.如权利要求16所述的检测器，

其中，所述胜者全得电路被设置在相关联的像素（128）的区域中。

18.如权利要求12所述的检测器，

其中，对于每一个像素有两个胜者全得电路相关联，其中第一胜者全得电路被设置在所述多个像素（130）的区域的外部，并且第二胜者全得电路被设置在所述多个像素（130）的区域的内部。

19.如权利要求18所述的检测器，

其中，所述第二胜者全得电路被设置在相关联的像素（128）的区域中。

20.用于监测多个分立荧光信号的设备，所述设备包括：

-其上布置有多个分立荧光信号源（104）的基板（102）；

-激发照明源（106）；

-用于检测来自多个荧光信号源的荧光信号的检测器（118）；以及

-被定位成将来自激发照明源的激发照明同时导向基板上的所述多个分立荧光信号源并且把来自多个荧光信号源的荧光信号导向检测器的光学链（110，112，114，116），

其中，所述检测器（118）包括：

21.如权利要求20所述的设备，

其中，所述光学链包括：聚焦在基板（102）处的第一焦平面内的物镜（112），其用于同时收集来自基板（102）上的多个荧光信号源（104）的荧光信号；用于在空间上分离荧光信号的各光谱分量的光谱分离装置（114）；以及用于接收荧光信号的空间上分离的各光谱分量并且将其聚焦在检测器（118）上的聚焦透镜（116）。