CN103582805B - 可缩放光谱检测和测量 - Google Patents

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Abstract

本发明一般涉及用于检测和测量源自样品的光的光谱性质或同时可缩放检测和测量源自在多个样品之间存在的每个样品的光的光谱性质的系统、方法和套件，其中该系统包括：包括色散元件的光具组；以及图像传感器。检测和测量的光可以包括从样品散射的光、作为化学发光由样品内化学过程发射的光、由样品选择性吸收的光，或在激发之后作为荧光从样品发射的光。

Description

可缩放光谱检测和测量
相关申请案
本申请要求在2011年3月31日提交的美国临时专利申请序列号No.61/469,889的优先权。
前述申请和其中或在其审查期间引用的所有文件(“申请引用文件”)和在申请引用文件中引用或参考的所有文件和在此引用的所有文件(“在此引用文件”)，以及在此引用文件中引用或参考的所有文件，与在此或在作为参考包括在此的任何文件中提到的任何产品的任何制造商说明书、描述、产品规格和产品表一起因此作为参考包括在此，并且可以在本发明的实践中采用。更特定地，所有参考文件同样作为参考包括以至如同每个个别文件都具体且个别表示为作为参考包括。
技术领域
本发明属于光学的技术领域。更特定地，本发明涉及用于检测和测量样品的光谱性质的系统、方法和套件。
发明背景
已开发需要高成本且灵敏的试剂的许多化学和生化检测方法。寻求其中检测装置必须紧凑的这些检测方法的应用。这些是包括其中反应和检测在微尺度通道中承载的流体或悬浮固体上执行的分析系统的微流体装置开发的一些动力。用于这些反应和检测的非常少量的材料尤其允许成本有效分析和在其中空间受限的环境中仪器的使用。
许多检测方法涉及确定源自样品的光的光谱性质，其中光可以从样品散射或作为化学发光由样品内化学过程发射，或通过样品透射，或由样品选择性吸收，或在激发之后作为荧光从样品发射。
光电倍增管(PMT)普遍用来检测例如荧光信号。采用PMT的已知系统受PMT不能分辨入射光频率的约束。为提供该灵敏性，系统还必须在PMT前面结合经挑选从而仅选择所关注的特定波长的滤光器。使用PMT检测多颜色的系统需要在若干PMT之间分配观察光的装置，有待检测的每道离散光一个，其每个都必须具有其自己的特定滤光器。用于一次测量源自若干样品的发光的基于PMT的系统必须为有待观察的每个样品重复该分布、滤光和检测硬件中的全部。另外，在有待检测光的颜色上的任何改变需要对应滤光器的更换。
因此，具有如由以下本发明提供的能够在非常小的目标中有效执行任意光谱性质的大量高速离散测量的系统的需要。
在本申请中任何文件的引用或识别不是这样的文件作为现有技术可用于本发明的承认。
发明概要
本发明一般涉及用于检测和测量源自样品的光的光谱性质，或同时可缩放检测和测量源自在多个样品之间存在的每个样品的光的光谱性质的系统，其中该系统包括：包括色散元件的光具组(opticaltrain)；以及图像传感器。检测和测量的光可以包括在样品的照射之后从样品散射的光；作为化学发光由样品内化学过程发射的光；在样品处沿宽带光源的方向由样品选择性吸收的光；或在激发之后作为荧光从样品发射的光。源自每个样品的光可以由色散元件光谱地色散，并且光的光谱性质可以作为在特定样品和图像传感器之间相对运动的函数随时间推移在图像传感器上测量。取决于应用，样品可以包括其组成可以随时间变化的单相流；包括但不限于珠或细胞的离散目标；或微滴。在一个实施例中，所关注的一个或多个样品可以在乳液中存在。在另一实施例中，一个或多个样品可以在微流体装置内在乳液中存在。
本发明也涉及用于检测和测量源自样品的光的光谱性质，或同时可缩放检测和测量源自在多个样品之间存在的每个样品的光的光谱性质的方法，其中系统可以包括：包括色散元件的光具组；以及图像传感器。检测和测量的光可以包括在样品的照射之后从样品散射的光；作为化学发光由样品内化学过程发射的光；在样品处沿宽带光源的方向由样品选择性吸收的光；或在激发之后作为荧光从样品发射的光。源自每个样品的光可以由色散元件光谱地色散，并且光的光谱性质可以作为在特定样品和图像传感器之间相对运动的函数随时间推移在图像传感器上测量。取决于应用，样品可以包括其组成可以随时间变化的单相流；包括但不限于珠或细胞的离散目标；或微滴。在一个实施例中，所关注的一个或多个样品可以在乳液中存在。在另一实施例中，一个或多个样品可以在微流体装置内在乳液中存在。
本发明也涉及含有系统和试剂的套件，其用于检测和测量源自样品的光的光谱性质，或同时可缩放检测和测量源自在多个样品之间存在的每个样品的光的光谱性质，其中系统可以包括：包括色散元件的光具组；以及图像传感器。检测和测量的光可以包括在样品的照射之后从样品散射的光；作为化学发光由样品内化学过程发射的光；在样品处沿宽带光源的方向由样品选择性吸收的光；或在激发之后作为荧光从样品发射的光。源自每个样品的光可以由色散元件光谱地色散，并且光的光谱性质可以作为在特定样品和图像传感器之间相对运动的函数随时间推移在图像传感器上测量。取决于应用，样品可以包括其组成可以随时间变化的单相流；包括但不限于珠或细胞的离散目标；或微滴。在一个实施例中，所关注的一个或多个样品可以在乳液中存在。在另一实施例中，一个或多个样品可以在微流体装置内在乳液中存在。
因此，本发明的目的是不在本发明内包括任何先前已知产品、制作该产品的过程或使用该产品的方法，以使本申请人保留权利并因此披露任何先前已知产品、过程或方法的放弃。进一步注意本发明不意图在本发明的保护范围内包括不符合USPTO(35U.S.C.§112，第一段)或EPO(EPC的第83条)的书面描述和可实施性要求的任何产品或制作该产品的过程或使用该产品的方法，以使本申请人保留权利并因此披露任何先前描述产品、制作该产品的过程或使用该产品的方法的放弃。
注意在本披露中并且特别是在权利要求和/或段落中，术语例如“包括”("comprises，comprised，comprising)等可以具有在美国专利法中属于其的意义；例如它们可以意为“包括”(includes，included，including)等；并且术语例如“基本上由…构成”(consisting essentiallyof，consists essentially of)具有在美国专利法中归于它们的意义，例如它们允许不明确引用的元素，但排除在现有技术中发现的或影响本发明的基本或新颖特性的元素。
这些和其他实施例披露并从以下详细描述明显并且由以下详细描述包括。
附图说明
作为例子给出但不意图将本发明仅限于所描述具体实施例的以下详细描述可以连同附图最优理解。
图1是本发明的系统的实施例的代表图解。
图2A是采用样品的透照(trans-illumination)的适配于图1的系统的监控摄像机系统的代表图解。
图2B是采用样品的落照(epi-illumination)的适配于图1的系统的监控摄像机系统的代表图解。
图3是由本发明的一个实施例产生的色散图像的示意图解。
图4A和4B是用来读取由图3的系统产生的色散图像的不同类型图像传感器的示意图解。
图5是采用多个微流体通道和单个图像传感器的本发明的系统的实施例的示意图解。
图6示出使用本发明的系统的一个实施例用微滴作为所关注的样品获得的典型数据的例子，以及结果解释的图解。
图7示出使用本发明的系统的一个实施例用单相流作为所关注的样品获得的典型数据的例子。
具体实施例
本发明一般涉及用于检测和测量源自样品的光的光谱性质，或同时可缩放检测和测量源自在多个样品之间存在的每个样品的光的光谱性质的系统，其中该系统包括：包括色散元件的光具组；以及图像传感器。检测和测量的光可以包括在样品的照射之后从样品散射的光；作为化学发光由样品内化学过程发射的光；在样品处沿宽带光源的方向由样品选择性吸收的光；或在激发之后作为荧光从样品发射的光。取决于应用，样品可以包括其组成可以随时间变化的单相流；包括但不限于珠或细胞的离散目标；或微滴。
“光具组”如在此使用意为用来影响聚集光的一个或多个特定变换，例如校准、放大、畸变、滤光或色散的一个或多个光学元件的功能组合。
“图像传感器”如在此使用意为能够检测在平面上入射的光的空间图案，并将所述图案转换成代表所述图案的输出信号的单或多元件光敏传感器，其中所述检测和转换以规则时间间隔重复执行。
“(多个)样品”、“一个或多个样品”或“(多个)所关注的样品”是以单数或复数形式可互换使用的术语，并且不意图限于任何特定量。
在本发明的系统的一个实施例中，样品是其组成可以随时间变化的单相流。
在本发明的系统的另一实施例中，样品是包括但不限于珠或细胞的离散目标。“珠”如在此使用指代用作反应物质的物质或基质的细粒和/或在诊断应用中的识别标签，包括磁性材料、二氧化硅或聚合物的珠，该聚合物包括但不限于聚苯乙烯。“细胞”或“多个细胞”如在此使用指代任何真核或原核细胞，包括但不限于从人、动物、植物、真菌、细菌、病毒、原生动物、酵母菌、霉菌、藻类、立克次氏体和朊病毒选择的细胞。
在本发明的系统的仍另一实施例中，样品是微滴。“微滴”如在此使用意为在具有例如但不限于圆柱形、球形和椭球形，以及展平、拉伸或不规则形状等的任何形状的连续相内的隔离水或亲脂相(lipophilic phase)。
在本发明的系统的一个实施例中，一个或多个样品在乳液中存在。“乳液”如在此使用是至少两种不互溶或部分可互溶液体的稳定混合物。通常，不互溶液体趋向于分离成两个不同相。因此，表面活性剂可以添加从而通过减小在至少两种不互溶或部分可互溶液体之间的表面张力来稳定乳液和/或稳定分界面。例如，乳液可以包括在不互溶油例如碳氟化合物油、硅油或烃油(包括但不限于石油和矿物油)中的多个水滴，其中微滴尺寸范围从直径约0.5到约5000微米。
在另一实施例中，样品在微流体装置内在乳液中存在。“微流体装置”如在此使用是启用在通常以容积例如毫升(mL)、微升(μL)、纳升(nL)、皮升(pL)或飞升(fL)容积测量的小尺度，和/或由物理尺度例如毫米(mm)、微米(μm)(也称为“百万分之一米”)、纳米(nm)、皮米(pm)或飞米(fm)影响在液体或气体流体上的确定性功能的措施的装置。功能可以包括混合、分解、分选、加热等。微流体装置可以包括微流体通道作为将流体或样品从一点传递到另一点的装置，并且通常具有在mm、μm或nm尺度上的均匀剖面。
在本发明的一个实施例中，系统包括与一个或多个微流体通道相连的一个或多个微流体装置连同光具组和图像传感器。在该实施例的一个方面中，一个或多个样品在乳液内存在并且流过一个或多个微流体装置和一个或多个微流体通道。在任何方面中，当流过一个或多个微流体通道时，一个或多个样品由在系统中存在的光具组和图像传感器检测并分析。通过受正或负压源例如受压或抽空储气罐或注射泵、重力或向心力作用在一个或多个样品上，该一个或多个样品流动，其中压力源包括任何流体或流体组合，包括但不限于任何气体或气体组合(例如空气、氮、二氧化碳、氩等)和任何液体或液体组合(例如水、缓冲液、油等)，以使一个或多个样品流过或涌动通过一个或多个微流体装置和一个或多个微流体通道，并且在此称为“(多个)流动样品”或“(多个)涌动样品”。
在本发明的系统的一个实施例中，在一个或多个微流体通道中的(多个)流动样品可以包括其光谱性质有待测量的连续相液体。在另一实施例中，在一个或多个微流体通道中的(多个)流动样品可以包括在流体中承载的细胞或珠的悬浮液。在另一实施例中，(多个)流动样品用光源照射，导致包括光特性颜色的散射。在仍另一实施例中，(多个)流动样品在源自光源的光经过它们时选择性吸收光的特性颜色。在仍另一实施例中，(多个)流动样品通过化学发光来发射光。
广泛各种方法和材料存在并且由微流体通道及其网络构造的领域中的技术人员知道并且认识到，例如在美国专利No.8,047,829和美国专利申请公开No.20080014589中描述，其每个都以其全部内容作为参考包括在此。例如，微流体通道可以使用简单管道构造，但可以进一步涉及将包括到第二平板的开放通道的一块厚板的表面密封。可以形成微流体通道的材料包括硅、玻璃、硅酮例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)和塑料例如聚(甲基丙烯酸甲酯)(称为PMMA或“丙烯酸树脂”)、环烯聚合物(COP)和环烯共聚物(COC)。相同材料也可以用于第二密封板。用于两块板的材料的相容组合取决于用来将它们密封在一起的材料。在必需时微流体通道可以包裹在透光材料中从而在必需时允许样品的光激发(导致例如荧光)或照射(导致例如选择性吸收)，并在样品流过微流体通道时允许源自样品的光的光学性质的光检测。展现高光学透明度和低自体荧光的这样透光材料的优选例子包括但不限于硼硅酸盐玻璃(例如SCHOTT玻璃(Schott NorthAmerica，Elmsford NY))和环烯聚合物(COP)(例如(ZeonChemicals LP，Louisville KY))。
在本发明的一个实施例中，系统提供在激发之后由一个或多个样品发射的荧光的波长和强度的检测和测量，其中荧光标记样品通过荧光材料的不同颜色和强度的组合来识别。荧光材料称为“荧光标记”或“荧光团”或“荧光染料”，其每个如在此使用当描述“荧光标记样品”时可以是具有从特定波长的光吸收能量的能力的荧光分子、荧光半导体纳米粒子(称为“量子点”)，或螯合镧系元素(lanthanide，lanthanoid)，并然后在该特定分子或量子点的另一特定波长特性中将该能量作为荧光发射。这样，荧光团促进表示样品中所关注的目标的存在或缺少的最终化验读出。在该实施例的一个方面中，荧光标记样品在微滴内存在。在另一方面中，荧光标记样品在离散颗粒内存在或涂覆在其上。在一个例子中，离散颗粒是细胞。在另一例子中，离散颗粒是珠。在另一方面中，荧光标记样品在单相流内存在。
采用的具体荧光团对本发明不是关键的。荧光团在本领域中已知并且例如由在：V.Didenko，ed.2006。Fluorescent Energy TransferNucleic Acid Probes:Designs and Protocols(Methods in MolecularBiology，vol.335).New Jersey：Humana Press Inc.，pp.3-16中的Marras，“Selection of Fluorophore and Quencher Pairs for Fluorescent NucleicAcid Hybridization Probes”描述。可以在本发明中采用的荧光团的例子包括但不限于由Marras2006描述并且下面在此进一步描述的荧光团。本领域技术人员认识到可以用作荧光标记并且可以在本发明中采用以及可从各种商业供应商获得的各种荧光染料。
可以在本发明中采用的荧光染料的例子包括但不限于以下：荧光素及其衍生物(例如异硫氰酸荧光素(FITC)、羧基荧光素(FAM)、四氯荧光素(TET)、2',7'-二氟荧光素(Oregon488)、Oregon514羧酸，以及带有氯和甲氧基取代基的荧光素(JOE和6-JOE)；罗丹明衍生物(例如四甲基罗丹明(TAMRA)、四甲基罗丹明异硫氰酸酯(TRITC)、四甲罗丹明(TMR)、羧基-X-罗丹明(ROX)、德克萨斯红(同分异构体的磺酰氯和磺基罗丹明的混合物；InvitrogenTM)和德克萨斯红-X(德克萨斯红琥珀酰亚胺酯，其含有在荧光团和其反应性基团之间的另外七原子氨基己酰基间隔物(“X”);InvitrogenTM)，以及罗丹明X)；花青(Cy)染料(例如，Cy3、Cy5和Cy5.5)和花青衍生物(例如吲哚羰花青(570、670和705)、Oregon异硫氰酸酯和异硫氰酸曙红(EITC))；N-羟基琥珀酰亚胺基1-芘丁酸酯(PYB)；N-羟基琥珀酰亚胺基1-芘磺酸酯(PYS)；(5-(2'-氨乙基)氨基萘(EDANS)；CAL540、CALOrange560、Red590、CALRed610和CALRed635(可从BiosearchTechnologies有限公司获得的专有荧光团)； (6-异构体亚磷酰胺)；以及
采用的具体量子点(QD)对本发明不是关键的。量子点在本领域中已知并且例如由Han等人，“Quantum-dot-tagged Microbeads forMultiplexed Optical Coding of Biomolecules”，Nat Biotechnol(2001年7月)vol.19，pp.631-635描述。本领域技术人员认识到可以用作荧光标记并且可以在本发明中采用以及可从各种商业供应商获得的各种量子点。可以在本发明中采用的量子点(QD)的例子包括但不限于以下：硒化镉(CdSe)量子点纳米粒子(例如CdSe量子点核心，480-640nm发射光谱，硫化镉(CdS)量子点纳米粒子(例如CdS量子点核心，380-480nm发射光谱，硫化锌-包覆硒化镉(ZnS-包覆CdSe)纳米晶体(例如CdSe/ZnS LumidotsTM和CdSe/ZnS NanoDotsTM，480-640nm发射光谱，以及无镉量子点(例如CFQDTM，400-650nm发射光谱，
采用的具体螯合镧系元素(lanthanide，lanthanoid)对本发明不是关键的。镧系元素在本领域中已知包括从镧(La)到镥(Lu)的原子序数57到71的十五种金属化学元素。可以在本发明中采用的螯合形式的镧系元素的例子包括但不限于以下：镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)和镥(Lu)。
在本发明的另一实施例中，系统提供作为化学发光由样品中一个或多个化学过程发射的光的检测和测量。在该实施例的一个方面中，化学发光样品在微滴内存在。在另一方面中，化学发光样品在离散颗粒内存在或涂覆在其上。在一个例子中，离散颗粒是细胞。在另一例子中，离散颗粒是珠。在另一方面中，化学发光样品在单相流内存在。
化学发光反应的通常例子涉及在它们衰减到较低能态时发射单光子的不稳定有机过氧化物的催化形成。化学发光化合物的普遍例子是鲁米诺(CAS521-31-3)，其在氧化剂(例如用铁氰化钾催化过氧化氢从而形成氧)和氢氧化物盐存在的情况下产生化学发光反应。在化学发光诊断应用领域中的例子包括但不限于其中通过使用鲁米诺检测血红蛋白，测量充当化学发光反应的催化剂的酶的浓度的例子，以及其中如在采用化学发光互补结合伴侣的免疫测定法中的化学发光化合物直接标记到试剂的例子。本领域技术人员知道并且认识到在本领域中化学发光反应的这些和许多其他例子，包括在例如K.和R.VanDyke eds.1990，Luminescence Immunoassay and MolecularApplications，Boca Raton：CRC Press中描述的例子。
在本发明的仍另一实施例中，系统提供在例如但不限于由宽带光源的样品照射之后包括光的特性颜色的散射光的检测和测量。在该实施例的一个方面中，样品在微滴内存在。在另一方面中，样品在离散颗粒内存在或涂覆在其上。在一个例子中，离散颗粒是细胞。在另一例子中，离散颗粒是珠。在另一方面中，样品在单相流内存在。
在本发明的更另一实施例中，系统提供当宽带光源指向样品时，在样品吸收光的某些特性颜色或波长同时光的其他颜色或波长经过或透射通过样品时，透射通过样品的光的检测和测量。在该实施例的一个方面中，样品在微滴内存在。在另一方面中，样品在离散颗粒内存在或涂覆在其上。在一个例子中，离散颗粒是细胞。在另一例子中，离散颗粒是珠。在另一方面中，样品在单相流内存在。
现在参考图1，其是根据本发明构造的系统的一个实施例的图解。系统一般由参考号1-100指定并称为“系统”或“检测系统”，并且其中两个术语在该例子中并且遍及在下面讨论的其他例子可互换使用。系统1-100为执行所关注的样品的光谱性质的检测和测量提供仪器。由于系统1-100可以用于如在先前和下面描述的其他类型样品的其他光谱性质(例如化学发光、散射光或透射光)的检测和测量，因此用于在乳液中包括荧光标记样品的微滴中荧光的检测和测量的图1中系统1-100的应用仅为示范目的描述。
系统1-100包括微流体壳体200，微流体壳体200包括与微流体通道203相连的一个或多个微流体装置202。在该例子中是包括含有荧光标记样品的微滴的乳液的所关注的样品引入到微流体装置202，并且流过一个或多个微流体装置202进入微流体通道203。在图1中图解的系统1-100的可替换实施例中，以及在其他例子中描述的系统中，样品可以在在离散颗粒(例如细胞或珠)内存在或涂覆在其上或可以作为单相流存在，如在先前和下面描述。
本实施例的微流体装置203在必需时包裹在透光材料中从而允许光激发与荧光的检测和测量。在图1中图解的系统1-100的可替换实施例中，以及在下面其他例子中描述的系统中，微流体通道203可以在必需时包裹在透光材料中，以允许适当照射和观察，从而检测和测量流过微流体通道203的所关注的样品的其他光谱性质(例如化学发光、散射光或透射光)，如在先前和下面描述。在图1中图解的该例子中，流过微流体通道203的微滴与检测区201相交，其中样品由系统的一个或多个光学元件检测并分析，在此进一步详细描述。
根据本发明的系统的可替换实施例可以进一步包括每个都和多于一个微流体通道相连的一个或多个微流体装置，其中多个样品经多个微流体通道引入到检测区。在这样的实施例中，整个微流体装置在必需时由一个或多个光源照射，在此进一步详细描述，在若干微流体通道中同时在若干检测区中导致许多样品的激发或照射。
图1的系统1-100进一步包括在必需时激发或照射所关注的样品的光源101。在本发明的任何实施例中使用的光源101可以包括但不限于激光器、发光二极管(LED)、弧光灯和高强度灯泡。本领域技术人员认识到可从商业供应商获得并且在本发明中利用的各种光源。本领域技术人员进一步认识到弧光灯和高强度灯泡进一步需要伴随的滤光器以排除检测波长，在下面进一步详细描述。
光源101发射具有特性光谱含量的光束105。光束105由镜102和103引导并由透镜104聚焦从而创造与检测区201重合的照射区，在含样品的微滴与检测区201交叉同时流过微流体通道203时在微滴中激发荧光(在该例子中)。可替换地，光束105可以共轴引入通过物镜401。在任何情况下，荧光标记样品(在该例子中)在任何方向上发射具有一般大于光源101的波长的荧光。荧光的发射光谱可以含有包括激发波长和低于激发波长的波长，然而这样的荧光光谱区域很少作为实际事物可检测。
在图1中图解的系统1-100的可替换实施例中，以及在下面描述的其他例子中，由光源发射并且由在此描述的组件引导和聚焦的光束可以用来导致样品的照射或光在样品中的选择性吸收，导致源自样品的散射光或透射光，如在先前和下面描述。在其中所关注的样品含有由样品内化学反应引起并且没有由外部光源的任何激发的情况下发光的化学发光物质的另外可替换实施例之外，这样的样品的光谱性质的检测和测量可以用与图1的系统1-100中的方式相同的方式做出，但不需要由可以在这样的实例中移除的组件101到104图解的激发光源。
物镜401收集离开所关注的样品的任何光的向下取向部分，并且将光校准到在此称为校准光束450的准平行或基本平行光线。物镜401可以例如从源自供应商例如Olympus、Nikon和Kowa Optimed有限公司等的商业可得的镜片选择。尽管源自Olympus的UPLSAPO系列透镜或源自Nikon的CFI系列透镜是物镜的优选例子，但本领域技术人员认识到可以用作物镜401的商业可得的或定制/特殊定货的镜片的可用性。
发射光束450形式的导致的校准光束经过滤光器402。滤光器402从发射光束450移除的激发光的大部分或几乎全部。在该实施例的一个例子中，滤光器402是陷波滤光器，其滤除具有与光源101基本相同波长的光，同时允许包括由荧光标记样品发射的光(或化学发光的形式的源自样品的光、散射光或透射光，如在此在其他实施例中描述)的基本上所有其他光保留以便检测和测量。
在该实施例的另一例子中，滤光器402是长通滤光器，其滤除具有基本上光源101波长的光和小于光源101的基本所有波长的光，基本上仅允许具有约大于光源101波长的光，这可以导致从荧光标记样品发射的光(或化学发光的形式的源自样品的光、散射光或透射光，如在此在其他实施例中描述)的基本其他光保留以便检测和测量。
滤光器402也可以放置在不同位置，例如在物镜401和微流体壳体200之间或在色散元件403和摄像机镜头404之间。组件401-404在此共同称为“光具组”420。在任何实施例中，滤光器402具有阻塞或排斥光源101的激发光的全部或基本上大部分的基本相同效果，有效防止激发光到达图像传感器501。然而，如由本领域技术人员知道并且认识到，因为导致的图像(有待在此进一步讨论)光谱色散，所以到达图像传感器的相对适度量的激发光不必需是有问题的，并且可以有利用于波长校正。因此，滤光器402的阻塞或排斥量不需要特别高。
在经过滤光器402之后，光然后经过色散元件403，色散元件403根据光的组成颜色将光成角度色散，这以色散光线452的形式在图1中表现。色散元件403可以是例如在图1中图解的色散棱镜，或可替换地可以是衍射光栅例如平面透射光栅或平面反射光栅，该衍射光栅可以包括但不限于包括规则的或全息的、重复的或体积型制造(volume type fabrication)的光栅。色散元件403也可以是零偏差(也称为“直视”)棱镜装置，如在以其全部内容作为参考包括在此的美国专利No.5,862,001中描述。如由本领域技术人员知道并且认识到，其他色散(光学)元件可以使用。色散光线452由将导致的色散光451聚焦到图像传感器501上的摄像机镜头404捕捉。在一个实施例中，摄像机镜头404从商业上可从Kowa Optimed有限公司获得的包括LM35JC10M35mm焦距透镜的JC10M系列选择。本领域技术人员认识到可以用作摄像机镜头404的商业上可得的和定制设计的产品。本领域技术人员认识到使用折射镜片(透镜)的在上面描述的光具组420可以完全或部分使用带有基本相同功能性的反射镜片(镜)等效实施。
在可替换实施例中，通过在接近和替代色散元件403的位置采用畸变镜片例如圆柱透镜，并且与图像传感器501接触或紧密靠近图像传感器501放置线性可变带通干涉滤光器(LVF)，在图像传感器501的色散图像可以在没有色散元件403的情况下获得。畸变镜片可以经取向以使沿传感器501的色散轴502的样品延长图像扩展，并且LVF可以沿该延长图像安置，其中它的波长透射梯度沿色散轴502取向。由于因为从样品发射的全部光的仅小部分实际检测所以该可替换实施例相对低效，其中在沿着延长图像的每个点的频带外光由LVF反射并损失，因此该可替换实施例在可行时较其他实施例不优选。本领域技术人员知道并且认识到可用于本发明的合适LVF装置和涂层包括例如商业上可从Milpitas CA的JDS Uniphase公司和Boulder CO的Research Electro Optics有限公司以及许多其他供应商获得的装置和涂层。包括直接在阵列传感器上的LVF滤光器的制造的LVF技术在以其全部内容作为参考包括在此的美国专利No.5,159,199中描述。
图像传感器501经布置捕捉源自在检测区201中存在的样品的色散光451的图像。因为已根据其中包括的光的组成颜色将色散光451空间分离，所以图像传感器501仅需要对入射光的空间分布和强度灵敏，并且不需要辨别其颜色内容。图像传感器501可以结合到摄像机，为控制传感器和将用于分析的输出数字化提供不透光壳体和电子设备，例如在图1中示作图像摄像机500。
如果在图像传感器501捕捉的色散图像的光谱扩展比图像自身的尺寸相对较大，并且检测光的颜色内容一般包括基本离散的波长，那么样品的多个不同图像沿图像传感器501的轴502基本离散检测。当在图像传感器501的图像的光谱扩展减小时，离散波长图像开始重叠。另外，用于荧光标记的通常染料没有离散波长发射，但相反具有跨波长范围的特性发射光谱扩展。除荧光样品之外样品类型中的所关注的光谱性质也可以由在波长范围上扩展的光谱特征表征。此外，在其中同时检测的该组光谱特征重叠的例子中，由摄像机镜头404产生的它们各自图像重叠。然而，产生的图像可以由在此进一步描述的数学分解来分离。
由图像传感器501检测的图像基于在检测区201中的样品存在的荧光染料(如在该例子中在荧光标记样品的情况下)的组合。因此，根据各自染料浓度，检测的图像可以是在微滴(在该例子中)内包括的荧光染料的特性发射光谱的叠加。其他光谱性质例如多吸收光谱或多化学发光发射光谱也可以检测为样品个别组成的效果的叠加。因此，关于确定在微滴中存在的每种荧光染料的本体和浓度，数学分解可以用来基于由图像传感器501捕捉的图像确定在样品内多个组成的本体和浓度。如由本领域技术人员认识到，用于荧光标记样品的信号的数学分解过程涉及将由图像传感器501捕捉的图像与一组已知特性荧光发射光谱一起取得，并且确定在叠加时产生由图像传感器501捕捉的图像的已知发射光谱的强度组合。本领域技术人员知道并且认识到包括线性回归的可以用来完成适合于在使用的特定染料的该分解的数学技术的范围。
在一个实施例中，所关注的样品(例如在该例子中含有荧光标记样品的微滴)在与发射光束450在色散镜片403沿其色散的方向接近垂直的方向上流过检测区201。当采用该布置时，每个样品的瞬时信号在图像传感器501以在各种位置沿图像传感器轴502分布的变化强度的一个或多个图像的形式产生，该各种位置由样品发射的光的特定波长确定。沿图像传感器轴502的方向的图像位置仅是发射光的光谱内容的函数。关于微滴在微流体通道203中的移动，该组色散图像也在垂直于传感器轴502的方向上跨图像平面同量移动。因此，在平行于传感器轴502的图像传感器501的平面中沿单线取得的移动微滴的观察是沿该线分布的变化荧光强度的脉冲的形式。进一步地，可以在图像传感器501建立涉及在检测区201的发射波长和沿观察线在图像传感器501产生的观察图像的位置的关系，该观察图像不随时间改变并且独立于特定样品的移动。
在可替换实施例中，所关注的微滴或其他样品在一个或多个微流体通道203中流过检测区201，该一个或多个微流体通道203相对于发射光束450在色散镜片401沿其色散的方向在离开图1中示出角度的任何其他角度取向，包括基本平行或基本正交的角度。在该实施例中，在特定位置中测量的发射光的荧光强度的变化表现在检测区201中微滴或其他所关注的样品的移动和由微滴中荧光标记样品发射的光的颜色(或如在其他实施例中在此描述的化学发光、散射或透射形式的源自样品的光的颜色)的卷积。
如先前描述，在本发明的系统的可替换实施例中，所关注的样品是在微流体通道203中流体的单相流。在这样的实施例中所关注的样品的观察可以是在图像传感器501的强度的连续检测图案的形式。如果流体的该涌动具有根据其组成变化的光谱性质并且其组成随时间变化，则在图像传感器501测量的强度图案也变化。然而，单相流样品的光谱性质检测和测量可以用与如为图1的系统1-100描述的用于乳液中微滴的方式基本相同的方式做出。
如先前描述，在本发明的系统的另一可替换实施例中，所关注的样品是在微流体通道203中流动的细胞或珠，或细胞或珠的悬浮液。这样的样品的光谱性质检测和测量可以用与如为图1的系统1-100描述的用于乳液中微滴的方式基本相同的方式做出。
如先前描述，在本发明的系统的仍另一可替换实施例中，所关注的样品含有由样品内化学反应引起并且没有由外部光源的任何激发的情况下发光的化学发光物质。这样的悬浮液的光谱性质的测量可以用与用于图1的系统1-100的方式相同的方式做出，不需要由组件101到104图解的激发光源。
在本发明的系统的仍另一可替换实施例中，所关注的样品不流动而是检测系统自身关于样品移动，以便在检测区和样品之间创造相对运动，并且可以用与已经描述的方式相同的方式做出样品光学性质的测量。
在本发明的系统的可替换实施例中，所关注的样品不是荧光的，但以散射光的形式反射入射光的特性颜色。在这样的系统中，光源101是宽带光源，并且在检测区201中的样品仅反射在图像传感器501以与用于图1的系统1-100的方式相同的方式检测的入射光束105的某些颜色。
在本发明的系统的可替换实施例中，所关注的样品吸收光的特性波长。在这样的系统中，光源是发射延伸范围波长(例如在近红外、可见或紫外光谱区中)的宽带光源。该光源可以是例如白光LED、钨丝白炽灯或弧光灯。其位于物镜的轴上，其中入射光束与所述轴重合，在所关注的样品上面，以使仅不由样品吸收的光(例如被透射的光)在图像传感器501以与用于图1的系统1-100的方式相同的方式检测。
现在参考图2A和2B，其图解本发明的系统的可替换实施例(在图2A和2B中分别称为检测系统2A-100和2B-100)，该可替换实施例结合监控摄像机系统300的使用以便视觉观察微流体通道203和其中流动的样品。监控摄像机系统300主要用于诊断和校正目的，例如在检测系统2A-100和2B-100的光学组件的对准期间，从而提供在检测区201的样品的普通未色散平面图像视图，这些都由本发明技术人员理解并且认识到。监控摄像机系统300包括配备监控摄像机镜头302的监控摄像机301。在一个实施例中，当监控摄像机系统300在使用时，在图1中图解和在此先前描述实施例中的透镜401和404之间光具组420的组件在必需时移出位置，并且折叠镜303移动到允许其将未色散光从物镜401反射到监控摄像机301的位置。为完成这点，色散镜片403和折叠镜303可以位于强制在线性轨道上行进的机构例如旋转轮或支架上，该机构允许色散镜片403或折叠镜303移动到允许用户在操作和监控模式之间手动切换的适当位置。
当使用监控摄像机系统300时，引入到监控摄像机301的光不经过色散元件403。这允许在静态或动态模式中的在有待观察的微流体通道中存在的样品的彩色不模糊图像。在可以包括激发、照射或源于样品自身内的光的来自样品的用于检测的光不足以获得微流体通道203的有用视图的情况下，监控摄像机系统300进一步包括分离监控光源系统310，当监控摄像机系统300使用时，分离监控光源系统310代替源自检测系统2A-100和2B-100的光或除了该光之外照射检测区201。在监控摄像机301中的图像由源自含有荧光标记样品的微滴的在检测区201中散射的光(或如在其他实施例中的源自其他样品的光或散射光、透射光或化学发光形式的光)，以及源自包裹微流体通道203的材料的光组成。
图2A图解包括监控摄像机系统300的实施例的一个方面，其示出在该例子中依靠监控光源304、监控光源中继透镜305和监控光源聚焦透镜306照射样品的监控光源系统310。监控光源系统310的这些组件304-306与物镜401同轴并且在微流体壳体200上面布置，以便从后面照射检测区201。这称为“透照”。
图2B图解包括监控摄像机系统300的实施例的可替换方面，其中监控光源系统310另外包括监控光折叠镜307。在图2B中图解的方面的一个例子中，监控光源304包括可见光LED，其经透镜305和306与折叠镜307成像到包括检测区201的微流体装置的区域上从而为监控摄像机301提供光源。这称为“落照”。
本领域技术人员认识到监控光源系统310的组件的许多可替换配置也可以采用。例如，采用各种可替换监控光源用作包括但不限于白炽或可见光LED源的监控光源304，以及包括但不限于单中继透镜或聚焦透镜的各种光学元件的配置，或不采用另外镜片的配置可以允许监控光源304更直接照射检测区。
在其中样品包括迅速移动的微滴或离散颗粒的结合监控摄像机系统300的实施例的一个方面中，监控光源304可以在微滴或颗粒到达速率任选闪光从而容许迅速涌动的微滴或颗粒的成像。这可以通过使用具有相对适度的帧速率和相对长的曝光时间的监控摄像机，以使由微滴移动将未闪光微滴或颗粒图像严重模糊来完成。在可替换方面中，分束器(例如二色分束器)可以通过放置在例如滤光器402下面和色散镜片403上面代替折叠镜303用于监控目的。
本发明的系统的图像传感器可以由对跨有待检测的整个范围的光的任何颜色灵敏的单色光传感器，或在一维(直线)或二维(网格)中的光传感器的像素阵列构成。图像传感器可以例如从电荷耦合器件(CCD)、互补型金属氧化物半导体(CMOS)(可替换地称为互补型对称金属氧化物半导体(COS-MOS))、一个或多个个别光电二极管、光电二极管阵列(PDA)、雪崩光电二极管(APD)、雪崩光电二极管阵列、光电倍增管(PMT)或光电倍增管阵列选择。个别传感器元件的数目和放置为用系统检测确定光谱带宽和分辨率，其中优选实施例为任意光谱检测结合阵列传感器。一维CCD或CMOS阵列经常称为线扫器件。在二维CCD或CMOS阵列的情况下，传感器可以具有面阵(Area)型或时延积分(TDI)型。在其中图像传感器是阵列型图像传感器的例子中，检测光的颜色内容通过将由色散镜片导致的已知光谱扩展与检测图像的图像传感器的特定区域相关来确定。如果光谱扩展大于样品图像的尺寸，则可以离散检测的样品的多个不同图像可以在图像传感器上做出。图像传感器读出率即图像传感器在其捕捉图像的速率必须足以适应在检测区的微滴到达速率和速度。
到此为止描述的图像传感器的每个类型可以结合到摄像机，为控制传感器和将用于分析的输出数字化提供不透光壳体和电子设备，例如在图1中示作图像摄像机500。在二维面阵摄像机的情况下，输出是一连串二维图像帧。对于线扫和TDI摄像机，输出可以是1-D线的基本连续流，其可以示作带有在线轴上的色散微滴光谱和在连续轴上的时间的连续记录。本领域技术人员认识到如在美国专利申请公开NO.20050237403和美国专利No.5,434,629中进一步描述的面阵、线扫和TDI型图像传感器和摄像机的特征，这两个专利每个都以其全部内容作为参考包括在此。
在可替换实施例中，图像采集的TDI型方法可以用作图像传感器。在该实施例中，采用具有在其中结合的TDI图像传感器的TDI摄像机。TDI图像传感器是二维半导体光传感器芯片(例如CCD或CMOS)。TDI摄像机将TDI图像传感器接合到现实世界。在TDI摄像机中的传感器包括多个邻近行的像素。像素是其中由在每个像素上入射的光引起电荷累积的光敏电荷井。TDI摄像机将在每行像素中收集的电荷以规则的、可编程的速率传递到邻近像素行。TDI摄像机通过其将像素电荷逐行传递以便在传感器最终行最后读出的过程称为“线转移”，并且该传递在其发生的速率是“线传递速率”。在链中的第一行无电荷开始，并且在最后行在每个像素中累积的电荷的总量作为一维图像读出。图像基本上是在连续时段期间TDI摄像机传感器的每个行中取得的一连串曝光的叠加，在该连续时段期间电荷跨传感器的所有行移动。在TDI摄像机的正常操作模式中，伴随着一行累积电荷从最后行像素读出，从每个行到下个行的电荷传递在相对恒定的、仍可调整的线传递速率完成。应注意TDI摄像机的最优使用需要受观察微滴相对于与线传递速率同步的摄像机的相对运动，以使重叠的连串曝光具有基本相同的对象，这是在美国专利申请公开No.20050237403和美国专利No.5,434,629中描述的需求，这两个专利每个都以其全部内容作为参考包括在此。
在采用TDI摄像机的本发明的实施例中，一维图像可以用比在源自传感器的连续读取之间的线传递速率驱动间隔基本更大(例如以在图像传感器上行的数目为倍数)的有效曝光时间收集。整个照射检测区的图像在其上延伸的TDI传感器上行的数目确定移动通过检测区的对象的有效曝光时间可以增加的倍数。然而，当照射检测区的图像宽度接近单TDI传感器像素行的宽度时，该优点失去并且TDI摄像机的性能变得相似于线扫摄像机的性能。因此，由于适当照射镜片，采用线扫摄像机的实施例是高度可行的。在下面讨论中，认识到线扫实施例有效等效于单线TDI实施例。
现在参考图3，其图解包括微流体壳体200的系统3-100，该微流体壳体200包括基本垂直于物镜401的光轴布置的至少一个微流体通道203。图3图解用于包括荧光标记样品的微滴的检测和测量的系统的实施例，但该实施例可以适配于在先前和下面描述的任何样品或光谱性质的检测和测量。色散轴506垂直于微流体通道203和物镜401的光轴。样品图解为每个都带有有待检测和测量的光谱性质的微滴220和221，在此情况下荧光由在所表示流动方向230上流动或涌动通过微流体通道203的微滴220和221中存在的不同浓度的荧光团产生。不同的和特定的标签由在图3中微滴220和221的不同表面图案示意表示。微流体通道203的一部分由激发光源(没有在图3中示出)照射从而形成检测区201。
在图3中图解的例子中，从涌动微滴220和221中的荧光标记样品发射的荧光由光具组411成像到图像平面505上。在该实施例中，色散元件406是零偏差(也称为“直视”)装置以使摄像机镜头404可以与物镜401共轴布置。由用于被检测光谱范围的整个检测区201的色散图像占据的图像平面的区域由图像范围525示出。分别对应于微滴220和221的颠倒微滴图像520和521沿色散轴506色散，并且在平行于微流体通道203内微滴的流动方向230但与其相反的图像移动向量507的方向上移动。图3及时示出在一个瞬间的图像。仅位于检测区201的照射部分内的这些微滴生成图像。每个这样的图像由与在对应微滴中存在的荧光体中的每个对应的光谱峰值构成，其中强度涉及这些荧光团的浓度。
为检测色散微滴图像520和521，图像传感器放置在图像平面505中以便截取图像范围525，其例子在图4A和4B中的系统4A-100和4B-100中分别图解。图4A和4B(和随后的图4C)图解用于包括荧光标记所关注的样品的微滴的检测和测量的系统的实施例，但该实施例可以适配于在先前和下面描述的任何样品或光谱性质的检测和测量。在图4A和4B中仅示出光具组的最终元件即摄像机镜头404。图4A和4B示出在两个优选类型传感器的图像平面505中的光敏区作为例子。在图4A中示出八行TDI传感器的光敏区530，并且在图4B中示出线扫传感器的光敏区540。每个都在基本相同或相似的线速率读出。TDI传感器的光敏区细分成八个像素行531a-531h。随着每个读取循环，其光敏区530在图4A中示出的TDI摄像机从像素行531i读出直线，并且将源自像素行531a-531h(其包括没有标记的插入像素行)的电荷传递到像素行531b-531i(其包括没有标记的插入像素行)。其光敏区540在图4B中示出的线扫摄像机从传感器的单像素行541读出直线。在图4A中，TDI直线传递方向和速率经挑选确保在TDI摄像机与由图像移动向量507表示的微滴图像520和521的速度之间的同步，如先前讨论。对于图4B的线扫例子，不需要同步(在下面进一步讨论)。在每个例子中，各自图像传感器的长度在图像平面505中沿色散轴506布置。
随时间推移，从任何图像传感器读出的直线可以用二维记录的形式示出，其示范部分在图4C的数字化记录600中表现。如在图4C中图解，数字化记录600的水平行包括如从图像传感器读出的强度的直线，并且所述直线以它们读出的顺序从底部到顶部布置。数字化记录600的宽度受从图像传感器读出的数据直线中像素数限制，而数字化记录600的高度是不定的，仅受数据在其上收集的时间长度限制。容易从数字化记录600检测到个别样品的经过，并且色散光谱可以如先前讨论来分析从而在该例子中确定在每个微滴中存在的荧光团的类型和浓度。
关于任何图像传感器，适当线速率必须挑选使得源自摄像机的个别读数不包括对多个邻近微滴图像的曝光。在利用TDI方法的例子中，这可以通过最优化线传递速率完成，无论是否通过从已知微滴速度推导它，或由如在记录例如图4C中的记录上所见将在时间轴中的模糊最小化的过程经验地达到它。在利用线扫图像传感器的例子中，不需要线速率最优化，然而线速率必须足以跨单个像素行调节微滴图像移动，其中每个样品在至少一个并且通常若干个连续读出中检测，并且其中在微滴之间的至少一个读出基本没有信号。结合面阵传感器分别代替TDI传感器或线扫传感器的在图4A和4B中示出的实施例的可替换实施例必须采用足够高从而在捕捉图像中避免微滴重叠的帧速率。
在本发明的系统的若干可替换实施例中，带有有待测量的光谱性质的样品可以是除包括荧光标记样品的微滴之外的事物。已经描述的例子包括样品，该样品包括单相流、珠或细胞，或珠或细胞的悬浮液，并且其中有待检测的光从样品散射、透射或化学发光地发射。在图4A和4B中分别示出的系统4A-100和4B-100以与用于在这些附图中作为例子图解的包括荧光标记样品的微滴的方式相同的方式创造来自任何这样样品的光的图像。
到此为止描述的本发明的系统的实施例可以通过采用一个光具组和一个图像传感器，受在由光具组创造的光谱扩展和图像传感器像素的尺寸之间的关系影响检测图像传感器对其灵敏的来自所关注的样品的光的任何颜色，并且可以区分任何数目的不同颜色。然而，系统受充分高信噪比的图像可以在其从图像传感器上的可用光形成的速度限制，并且系统也可以受样品在其流动或涌动通过微流体通道的速率限制。
检测吞吐量可以用并行系统例如通过多个微流体通道增加，流动样品的若干涌流每个都通过该多个微流体通道引导通过若干检测区中的一个。如果与第一微流体通道关联的光谱扩展不占用镜片的整个视场或图像传感器的整个长度，则可以在不向系统添加另外图像传感器或光具组的情况下通过第二微流体通道以至多个微流体通道的使用分析流动样品的另外涌流。流动样品的这些另外涌流可以进入若干检测区，并且每个都可以成像到图像传感器的若干以其他方式不使用的区域上。只要每个被检测图像在图像传感器上充足数目的像素上延伸从而向解析不同颜色提供所需要能力，则无限制数目的另外微流体通道可以在系统中采用。例如，每个微流体通道可以沿色散轴需要约50-100个像素。因此，如果整个像素阵列可以充分迅速读出，并且进一步如果采用的透镜的光场尺寸可以容纳图像传感器的全长，则带有2048个像素的线扫传感器或带有2048个像素的一维的2-D面阵传感器可以容纳约20-40个微流体通道。因此，多个微流体通道可以在不添加新的光学或检测组件的情况下根据本发明在系统中利用。这具有对总系统吞吐量、成本和尺寸的有益影响。
现在参考图5，其表现采用标记为Ch1、Ch2和Ch3并且由203共同包括，每个都承载在乳液中的荧光标记微滴的三个平行微流体通道的根据本发明的系统的实施例，并且再次示出细分成像素行531a-531i的TDI摄像机传感器530的光敏区。图5图解用于包括所关注的荧光标记样品的微滴的检测和测量的系统5-100的实施例，但该实施例可以适配于先前描述的任何样品或光谱性质的检测和测量。三个微流体通道在该实施例中示出，但如上面讨论，更少或更多微流体通道可以使用。
在图5中图解的系统5-100的组件和操作与图3的系统3-100以及图4A-4B的系统4A-100和4B-100中分别基本相同，除数字化记录600现在含有在每个水平行中平行微流体通道203的全部中的微滴信息之外，其中每个微流体通道占用TDI线输出的不同范围像素。与在图像平面505的邻近图解中所见的图像对应的数字化记录的部分由方框601表示。在图5中，照射已限于在每个微流体通道中一个的一组相对小的检测区201。该类型的结构照射可以由各种装置完成，其中该具体装置取决于采用的光源类型，这些都由本领域技术人员理解并且认识到。例如，关于激光光源，设计的衍射光学元件或全息元件可以用来将单光束有效分成许多子光束并且将它们引导到若干检测区。微透镜或孔罩也可以用于激光器光源和不相干光源。也可能沿与微流体通道的轴垂直的轴布置照射镜片从而跨微流体装置形成连续照射带。尽管较低能量效率，但该途径可以消除将照射点精确对准微流体通道的需要。
本发明也涉及用于检测和测量源自样品的光的光谱性质，或同时可缩放检测和测量源自在多个样品之间存在的每个样品的光的光谱性质的方法，其中该方法包括在上面描述的系统。检测和测量的光包括从样品散射的光；作为化学发光由样品内化学过程发射的光；在样品沿宽带光源的方向由样品选择性吸收的光；或在激发之后作为荧光从样品发射的光。取决于应用，样品包括其组成可以随时间变化的单相流；包括但不限于珠或细胞的离散目标；或微滴。在一个实施例中，所关注的一个或多个样品在乳液中存在。在另一实施例中，一个或多个样品在微流体装置内在乳液中存在。
本发明也涉及套件，其包括在上面描述的系统和执行在上面描述的方法所必需的试剂。
在此称为“数据”，与所关注的特定样品关联的本发明的方法的结果可以然后保存在可访问数据库中，并且可以或可以不与源自和该所关注的特定样品关联的特定人、动物、植物或微生物的其他数据关联，或可以或可以不与源自其他人、动物、植物或微生物的数据关联。获得的数据可以存储在可以与其他数据库集成或关联和/或交叉匹配到其他数据库的数据库中。
本发明的系统、方法和套件可以与网络接口进一步关联。术语“网络接口”在此定义成包括能够访问数据、存放数据、组合数据、分析数据、搜索数据、传输数据或存储数据的任何人或计算机系统。术语广泛定义成分析数据的人、在分析中使用的电子硬件和软件、存储数据分析的数据库，以及能够存储数据的任何存储介质。网络接口的非限制例子包括人、自动实验室设备、计算机和计算机网络、数据存储装置例如但不限于磁盘、硬盘驱动器或存储器芯片。
尽管本发明及其优点已详细描述，但应理解可以在不背离如在附加权利要求中定义的本发明的精神和保护范围的情况下做出各种改变、替换和更改。
本发明在仅为图解目的提供并且不意图以任何方式限制本发明的以下例子中进一步图解。
实例
实例1
图6示出使用根据本发明构造的检测系统的实施例获得的读数的实例。示出数字化记录700的一部分对应于由围绕微滴信号701的方框表示的源自包括荧光标记样品的一个特定微滴的信号。检测器输出包括在数字化记录700中示作垂直堆叠布置的变化强度的像素的直线，其中最老数据在底部并且最近数据在顶部，其中黑色表现最低检测强度。在数值化记录700下面示出表现微滴信号701的数学分解结果的图表720。在该图表上的垂直强度轴直接对应于从微滴信号701记录的强度，并且水平轴直接对应于在微滴信号701中的像素数。总信号721包括以下分量：紧接着由入射光激发由组成微流体通道的材料发射的自体荧光分量725；第一荧光染料分量726；以及第二荧光染料分量727。这三个分量725-727可以添加从而形成总信号721。数学分解确定由曲线725-727图解的用于自体荧光和已知染料浓度的名义响应模型的最优加权组合，该最优加权组合产生观察的总信号721。如果这些名义响应模型可以使用在单次运行的数字化记录700内发现的观察建立，并且不是响应分量的分离准备响应模型，那么不必需在像素数和波长之间建立精确对应。
实例2
图7示出使用如用于实例1的根据本发明构造的检测系统的相同实施例获得的数字化记录的第二实例。在该实例中，所关注的样品是恒定成分的单染料溶液的单相流。看到记录的合成光谱信号基本上不随时间变化。
***
具有因此详细描述的本发明优选实施例，理解由于本发明的许多明显变化在不背离本发明的精神或保护范围的情况下是可能的，因此由上面段落定义的本发明不限于在上面描述中阐述的特定详情。

Claims (64)

1.一种用于检测和测量源自样品的光的光谱性质的系统，其中所述系统包括：
微流体壳体，其具有微流体通道，所述微流体通道被配置为容纳所述样品的可缩放流体流；
包括色散元件的光具组；以及
图像传感器，
其中所述光由所述色散元件进行光谱色散，并且光的所述光谱性质作为在所述样品和所述图像传感器之间相对运动的函数随时间推移在所述图像传感器上测量,而且其中被叠加的光的测量被数学分解，以确定所述样品中多个组成的本体和浓度。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述光包括在样品被光源照射之后从样品散射的光。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述光包括作为化学发光由样品内化学过程发射的光。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述光包括由于在样品处沿宽带光源的方向光的选择性吸收引起的透射通过所述样品的光。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述光包括在样品的激发之后作为荧光发射的光，并且其中所述样品包括一个或多个荧光标记。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述样品由光源激发。
7.根据权利要求6所述的系统，所述系统进一步包括监控摄像机系统，所述监控摄像机系统观察样品流，其中所述监控摄像机系统进一步包括监控光源系统，所述监控光源系统在所述光源以外或代替所述光源照射所述样品。
8.根据权利要求6所述的系统，其中所述光源包括激光器。
9.根据权利要求6所述的系统，其中所述光源包括发光二极管(LED)。
10.根据权利要求6所述的系统，其中所述光源包括弧光灯。
11.根据权利要求6所述的系统，其中所述光源包括高强度灯泡。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述样品包括单相流。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述样品包括离散颗粒。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述离散颗粒包括珠。
15.根据权利要求13所述的系统，其中所述离散颗粒包括细胞。
16.根据权利要求1所述的系统，其中所述样品包括微滴。
17.根据权利要求1所述的系统，其中所述样品在乳液内存在。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述样品在微流体装置内存在。
19.根据权利要求1所述的系统，其中光的所述光谱性质包括波长和/或强度。
20.根据权利要求1所述的系统，其中所述图像传感器包括单个单色光传感器。
21.根据权利要求1所述的系统，其中所述图像传感器包括光传感器的像素阵列。
22.根据权利要求21所述的系统，其中所述光传感器的像素阵列在一维中。
23.根据权利要求21所述的系统，其中所述光传感器的像素阵列在二维中。
24.根据权利要求1所述的系统，其中所述图像传感器包括时延积分传感器。
25.根据权利要求24所述的系统，其中随时间推移的光的测量在连续时段期间被叠加在所述时延积分传感器上。
26.根据权利要求1所述的系统，其中所述色散元件包括衍射光栅。
27.根据权利要求26所述的系统，其中所述衍射光栅包括平面透射光栅。
28.根据权利要求26所述的系统，其中所述衍射光栅包括平面反射光栅。
29.根据权利要求1所述的系统，其中所述色散元件包括色散棱镜。
30.根据权利要求1所述的系统，其中所述色散元件包括零偏差棱镜装置。
31.根据权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括监控摄像机系统，所述监控摄像机系统观察样品流。
32.根据权利要求31所述的系统，其中所述监控摄像机系统进一步包括监控光源系统，所述监控光源系统从透照位置照射所述样品。
33.根据权利要求31所述的系统，其中所述监控摄像机系统进一步包括监控光源系统，所述监控光源系统从落照位置照射所述样品。
34.根据权利要求31所述的系统，其中所述监控摄像机系统可选地闪光从而将涌动的微滴或离散颗粒迅速成像。
35.一种用于同时可缩放检测和测量源自在多个样品之间存在的每个样品的光的光谱性质的系统，其中所述系统包括：
微流体壳体，其具有微流体通道，所述微流体通道被配置为容纳所述样品的可缩放流体流；
包括色散元件的光具组；以及
图像传感器，
其中源自每个样品的光经过所述色散元件进行光谱色散，且光的所述光谱性质作为在每个特定样品和所述图像传感器之间相对运动的函数随时间推移在所述图像传感器上测量，而且其中被叠加的光的测量被数学分解，以确定所述样品中多个组成的本体和浓度。
36.根据权利要求35所述的系统，其中所述光包括在样品的照射之后从所述样品散射的光。
37.根据权利要求35所述的系统，其中所述光包括作为化学发光由样品内化学过程发射的光。
38.根据权利要求35所述的系统，其中所述光包括由于在样品处沿宽带光源的方向光的选择性吸收引起的透射通过所述样品的光。
39.根据权利要求35所述的系统，其中所述光包括在样品的激发之后作为荧光发射的光，并且其中所述样品包括一个或多个荧光标记。
40.根据权利要求39所述的系统，其中所述样品由光源激发。
41.根据权利要求40所述的系统，其中所述光源包括激光器。
42.根据权利要求40所述的系统，其中所述光源包括发光二极管(LED)。
43.根据权利要求40所述的系统，其中所述光源包括弧光灯。
44.根据权利要求40所述的系统，其中所述光源包括高强度灯泡。
45.根据权利要求35所述的系统，其中所述多个样品中的每个包括单相流。
46.根据权利要求35所述的系统，其中所述多个样品中的每个包括离散颗粒。
47.根据权利要求46所述的系统，其中所述离散颗粒包括珠。
48.根据权利要求46所述的系统，其中所述离散颗粒包括细胞。
49.根据权利要求35所述的系统，其中所述多个样品中的每个包括微滴。
50.根据权利要求35所述的系统，其中所述多个样品在乳液内存在。
51.根据权利要求50所述的系统，其中所述多个样品在微流体装置内的乳液内存在。
52.根据权利要求35所述的系统，其中光的所述光谱性质包括波长和/或强度。
53.根据权利要求35所述的系统，其中所述图像传感器包括光传感器的像素阵列。
54.根据权利要求53所述的系统，其中所述光传感器的像素阵列在一维中。
55.根据权利要求53所述的系统，其中所述光传感器的像素阵列在二维中。
56.根据权利要求35所述的系统，其中所述图像传感器包括时延积分传感器。
57.根据权利要求35所述的系统，其中所述色散元件包括衍射光栅。
58.根据权利要求57所述的系统，其中所述衍射光栅包括平面透射光栅。
59.根据权利要求57所述的系统，其中所述衍射光栅包括平面反射光栅。
60.根据权利要求35所述的系统，其中所述色散元件包括色散棱镜。
61.根据权利要求35所述的系统，其中所述色散元件包括零偏差棱镜装置。
62.根据权利要求35所述的系统，其中所述多个样品中的每一个具有图像范围，所述图像范围被投影到所述图像传感器的独立区域。
63.一种用于检测和测量光的光谱性质的方法，包括:
通过根据权利要求1-54中任一项所述的系统检测和测量光的所述光谱性质。
64.一种用于执行根据权利要求63所述的方法的套件。
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