CN104105957B - 用于生物分析的光学系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于处理和/或测量生物过程的仪器(1000)，所述仪器包括激发源(110)、样品架(204)、光学传感器(118)、激发光学系统(120)和发射光学系统(125)。所述样品架(204)被构造为容纳多个生物样品。所述光学传感器(118)被构造为接收来自所述生物样品的发射。所述激发光学系统(120)沿着激发光学路径(126)设置并且被构造为将来自所述激发源(110)的电磁辐射导向至所述生物样品。所述发射光学系统(125)沿着发射光学路径(128)设置并且被构造为将来自所述生物样品的电磁发射导向至所述光学传感器(118)。所述仪器还包括被构造为沿着所述光学路径中的至少一者可互换地定位的多个滤光器组件(130,132)。所述多个滤光器部件(131)包括通过第一光焦度和具有第一滤光函数的第一滤光器(140)来表征的第一滤光器部件(138)，所述第一滤光函数通过第一低通波长或第一高通波长中的至少一者来表征。所述第二滤光器组件(142)通过第二光焦度和具有第二滤光函数的第二滤光器(145)来表征，所述第二滤光函数包括不同于所述第一低通波长的第二低通波长或不同于所述第一高通波长的第二高通波长中的至少一者。所述第二光焦度与所述第一光焦度相差的量足以至少部分地补偿由所述第二滤光器(145)引入的相对于所述第一滤光器(140)的像差。

Description

用于生物分析的光学系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年9月30日提交的美国临时申请No.61/541,495和2011年9月30日提交的美国临时申请No.61/541,453的优先权的权益，所述临时申请全文以引用方式并入本文中。
背景技术
技术领域
本发明总体涉及用于观察、测试和/或分析一个或多个生物样品的系统、设备和方法，并且更具体地涉及包括用于观察、测试和/或分析一个或多个生物样品的光学系统的系统、设备和方法。
相关领域的说明
用于生物和生物化学反应的光学系统已被用于实时地监控、测量和/或分析此类反应。此类系统常用于测序、基因分型、聚合酶链式反应(PCR)以及其他生物化学反应中，以监控进程并提供定量数据。例如，光学激发束可用于实时PCR(qPCR)反应，以照射杂交探针或分子信标，从而得到指示靶基因或其他核苷酸序列的量的荧光信号。对于在每个测试或实验中获得更大数目的反应的需求日益增长，从而导致了能够同时执行更多反应的仪器的产生。
测试或实验中采样位点数量的增加导致了微量滴定板和提供更小样品体积的其他样品形式的产生。此外，诸如数字PCR(dPCR)的技术增加了对较小样品体积的需求，在大量测试样品中的全部样品或者大多数样品中，所述较小样品体积包含零个或一个靶核苷酸序列。小特征尺寸(例如，单个样品位点或体积)与适应大量测试样品的大视野的组合已产生了对使用相对小的样品信号提供高光学性能的光学系统的需求。
附图说明
当结合附图阅读以下具体实施方式时可更好的理解本发明的实施例。此类实施例仅是为了进行示意性的说明，其示出了本发明的创新方面和非显而易见的方面。附图包括以下各图：
图1为根据本发明实施例的系统的示意图。
图2为用于图1所示的发射滤光器组件的多个滤光器的滤光函数的表。
图3为用于图1所示的激发滤光器组件的多个滤光器的滤光函数的表。
图4为根据本发明的一个实施例的样品架和支架的俯视图。
图5为根据本发明的另一实施例的样品架的俯视图和放大视图。
图6为根据本发明的又一实施例的样品架的透视图。
图7为根据本发明的另一实施例的样品架和支架的俯视图。
图8为示出了根据本发明的一个实施例的来自激发源的光谱输出的曲线图。
图9为根据本发明实施例的受热盖、样品架和支架的剖视图。
图10为根据本发明的另一实施例的受热盖、样品架和支架的剖视图。
具体实施方式
如本文所用，术语“光”是指可见波段内的电磁辐射，例如，在真空中波长在390纳米至780纳米的范围内的电磁辐射。如本文所用，术语“红外线”是指波长在0.74微米至300微米的范围内的电磁辐射。
如本文所用，术语“光焦度”是指透镜或光学器件在设置于空气中时使光汇聚或发散以提供聚焦(真实的或虚拟的)的能力。如本文所用，术语“焦距”是指光焦度的倒数。如本文所用，术语“衍射焦度”或“衍射光焦度”是指透镜或光学器件或其部分的可归于将入射光衍射成一个或多个衍射级的焦度。除非另有说明，否则透镜、光学器件或光学元件的光焦度来自与透镜或光学器件相关的参考平面(例如，光学器件的主平面)。
如本文所用，除非另有说明，否则术语“约零”或“近似零”是指在0.1所指测量单位以内。例如，如果尺寸仅可适当地具有正值，则“约零米”是指小于或等于0.1米，或者如果尺寸可具有正值或负值，则“约零米”是指在-0.1米至+0.1米的范围内。
当参照以屈光度为单位的光焦度使用时，如本文所用，术语“约”或“近似”是指在0.1屈光度内。如本文所用，短语“约零屈光度”或“近似零屈光度”是指在-0.1屈光度至+0.1屈光度的范围内。
参照图1-3，用于生物分析的系统或仪器1000包括光学系统100。在某些实施例中，系统或仪器1000另外包括样品区块或处理系统200和/或电子处理器、计算机或控制器300，该电子处理器、计算机或控制器被构造为控制、监控和/或接收来自光学系统100和/或样品处理系统200的数据。在不限制本发明的范围的情况下，系统或仪器1000可以是测序仪器、聚合酶链反应(PCR)仪器(如，实时PCR(qPCR)仪器和/或数字PCR(dPCR)仪器)、用于提供基因分型信息的仪器等等。
在某些实施例中，光学系统100包括提供一个或多个激发束111的照射源或激发源110，以及被构造为接收来自一个或多个生物样品115的一个或多个发射束119的光学传感器118。光学系统100还包括激发光学系统120和发射光学系统125。激发光学系统120沿着激发光学路径126设置，并且被构造为将来自激发源110的电磁辐射或光导向至含有一个或多个生物样品的样品架。发射光学系统125沿着发射光学路径128设置，并且被构造为将来自生物样品115的电磁发射(例如，响应于一个或多个激发束111而在一个或多个波长处产生的一个或多个荧光信号)导向至光学传感器118。光学系统100可进一步包括由多个滤光器部件、元件或模块131组成的发射滤光器组件130，该发射滤光器组件被构造为将滤光器模块131中的一者或多者可互换地定位或移动至发射光学路径128中。光学系统100可另外包括由多个滤光器部件、元件或模块133组成的激发滤光器组件132，其中激发滤光器组件132被构造为将滤光器模块133中的一者或多者可互换地定位或移动至激发光学路径126中。光学系统100可进一步包括被构造为将光导向至光学传感器118的第一光学元件152、被构造为将激发光导向生物样品和/或引导来自生物样品的发射光的第二光学元件154、分束器160和/或一个或多个光学窗口162。
在某些实施例中，样品处理系统200包括被构造为容纳样品架204的支架或支撑框架202。样品架204包括多个池205或池的阵列以用于容纳对应的多个生物样品115或生物样品的阵列，所述生物样品可由样品处理系统200和/或光学系统100处理。池205可以为样品孔、穴、通孔或适合容纳和/或隔离多个生物样品115的任何其他腔室类型的形式。例如，样品池205可以为流动池中的样品珠的形式，或沉积在诸如玻璃或硅基材表面的基材表面的顶部上的离散样品的形式。
另外参照图4，样品架204包括为96个样品孔209形式的96个样品池205，其被构造为提供96个隔离的或不同的生物样品115。作为另外一种选择，样品架204可包括少于96个孔和样品，例如48个孔和样品，或可包括多于96个孔，例如384个或更多个孔和样品。在某些实施例中，支架202被构造为容纳多于一个样品架204，以便样品处理系统200和/或光学系统100同时处理。
样品处理系统200可进一步包括用于容纳样品架204的区块或组件210。区块210可为热区块，该热区块包括用于控制或循环生物样品115的温度的温度控制硬件。样品处理器系统200可进一步包括设置在样品架204周围的热控盖或受热盖212。热控盖212可被构造为有助于控制生物样品115或样品架204的热和/或湿环境，以(例如)有助于防止在样品115或样品架204的光学元件上形成冷凝。在某些实施例中，系统200包括一组不同类型或构形的区块210和/或不同类型或构形的热控盖212，其中所述组中的每个成员被构造为用于与不同类型或数量的样品架204或支架202一起使用。
参照图5，除此之外或者作为另外一种选择，系统1000可被构造为容纳并处理包括基材306的样品架304，所述基材包括多个通孔309。在此类实施例中，通孔309被构造为通过毛细作用力来维持隔离的或不同的生物样品315，例如，通过将通孔形成为具有适当小的直径和/或通过使用亲水性和/或疏水性材料或涂层来构造。基材306可进一步包括字母数字320、条形码322和/或用于识别或处理目的的类似符号。参照图6，样品架304可进一步包括用于保护或密封基材306和通孔309中所含的生物样品的封装件或壳体。壳体可包括被构造为密封基座324与盖子328之间的基材306的基座324和盖子328，以(例如)减少或防止生物样品的蒸发。盖子328由透射材料制成并包括顶部表面330和相对的底部表面332，以提供通向基材306的光学通路。表面330、332中的一者或两者可包括抗反射涂层，以例如减少来自激发束111的光朝光学传感器118向后反射。除此之外或作为另外一种选择，表面330、332中的一者或两者相对于基材306的前表面可以一定的角度设置，以例如减少来自激发束111的光朝光学传感器118向后反射。参照图7，一个或多个样品架304可由支架302保持或安装在支架302上，该支架被构造为由样品处理系统200容纳。在图7示出的图示实施例中，支架302被构造为保持四个或更少的样品架304。为了清楚起见，非所有通孔。
在图5示出的图示实施例中，每个通孔309的直径为约320微米、厚度为约300微米以及体积为约33纳升。通孔309在图示实施例中具有约500微米的中心至中心的标称间隔。如下文更详细地讨论，光学系统100可被构造为允许对包含在具有此类小直径或体积的通孔中的生物样品进行成像和处理。除此之外或作为另外一种选择，系统1000和/或光学系统100被构造为容纳并处理与图5的图示实施例相比具有更小的通孔直径和/或更小的标称间隔的样品架304。例如，光学系统100可被构造为允许系统1000容纳并处理包括具有小于或等于250微米的直径和/或小于或等于5纳升的体积的通孔的样品架304。作为另外一种选择，光学系统100可被构造为允许系统1000容纳并处理包括具有小于或等于150微米的直径和/或小于或等于一纳升的体积的通孔的样品架304。
在某些实施例中，样品架(例如样品架204、304)的初始样品或溶液可分为数百个、数千个、数万个、数十万个或甚至数百万个反应位点，每个反应位点均具有(例如)几个纳升、约一纳升或少于一纳升(如，数十皮升或数百皮升或更少)的体积。
在图4和图5示出的图示实施例中，样品架204、304具有矩形形状；然而，可使用其他形状，例如正方形或圆形形状。在某些实施例中，诸如样品架304的样品架具有正方形形状，并且总尺寸为15毫米×15毫米。在此类实施例中，样品架可具有尺寸为13毫米×13毫米的有效区域、区或区段。如本文所用，术语“有效区域”、“有效区”或“有效区段”是指样品架(例如样品架204或304)的在其上包含或分布有反应区、通孔或溶液体积的表面区域、区或区段。在某些实施例中，样品架304的有效区域可增加至14毫米×14毫米或更大，例如，15毫米×15毫米的基材尺寸。
在图5的图示实施例中，通孔309的特征直径可为320微米，并且相邻通孔之间的间距为500微米。在其他实施例中，通孔309的特征直径为75微米，并且相邻通孔之间的间距为125微米。在另外的其他实施例中，通孔309的特征直径小于或等于75微米，例如，特征直径小于或等于60微米或小于或等于50微米。在其他实施例中，通孔309的特征直径小于或等于20微米，小于或等于10微米或小于或等于1微米。通孔之间的间距可以小于或等于125微米，例如小于或等于100微米，小于或等于30微米或小于或等于10微米。
在某些实施例中，样品架304包括在样品架304的相对表面之间的厚度为300微米或约300微米的基材，其中每个通孔309的体积可为1.3纳升、33纳升或介于1.3纳升和33纳升之间。作为另外一种选择，每个通孔309的体积可以小于或等于1纳升，例如通过减小通孔309的直径和/或样品架304基材的厚度。例如，每个通孔309的体积可小于或等于1纳升、小于或等于100皮升、小于或等于30皮升或小于或等于10皮升。在其他实施例中，一些或全部通孔309的体积在1纳升至20纳升的范围内。
在某些实施例中，通孔309的密度为至少100个通孔/平方毫米。还可预期更高的密度。例如，通孔309的密度可大于或等于150个通孔/平方毫米，大于或等于200个通孔/平方毫米，大于或等于500个通孔/平方毫米，大于或等于1,000个通孔/平方毫米或大于或等于10,000个通孔/平方毫米。
有利的是，带有效区域的所有通孔309可同时通过光学系统成像和分析。在某些实施例中，有效区域包括超过12,000个通孔309。在其他实施例中，有效区域包括至少25,000个、至少30,000个、至少100,000个或至少1,000,000个通孔。
在某些实施例中，通孔309包括通过第一特征直径、厚度或体积来表征的第一多个通孔，以及通过不同于第一特征直径、厚度或体积的第二特征直径、厚度或体积来表征的第二多个通孔。通孔大小或尺寸的这种差异可用于(例如)同时分析可具有不同浓度的两个或多个不同的核苷酸序列。除此之外或作为另外一种选择，单个基材304上通孔104大小的变化可用于增加过程或实验的动态范围。例如，样品架304可包括通孔309的两个或多个子阵列，其中每组通过不同于其他或其余组的通孔309的直径或厚度的直径或厚度来表征。每组的大小可设定为提供靶多核苷酸计数的不同动态范围。子阵列可位于基材304的不同部分上，或可以是散布的，使得两个或多个子阵列在样品架304的整个有效区域上或样品架304的有效区域的共同部分上延伸。
在某些实施例中，至少一些通孔309在其壁的全部或一部分上是渐缩的或成倒角的。已经发现，倒角和/或渐缩通孔的使用降低了相邻通孔309之间的平均距离或总面积，而不会超出对于溶液位点或测试样品之间的最小间距的光学限制。这导致在加载处理中留在基材304表面上的液体溶液的量减少。因此，可获得更高的加载效率，同时在光学系统的相邻溶液位点或测试样品之间仍保持较大的有效间距。
在某些实施例中，系统1000被构造为容纳并处理不同类型或数量的区块210、支架202和/或样品架204。因此，例如系统1000可被构造为容纳并处理具有不同数量的孔209的不同样品架204。因此，系统1000可被构造为容纳并处理含有96个样品的样品架204以及含有48个孔和/或384个孔或/或多于384个孔的样品架204。除此之外或作为另外一种选择，系统1000可被构造为容纳并处理不同的样品形式或容器构形。例如，除了容纳包括预定数量的孔的样品架204之外，系统1000也可被构造为容纳并处理包括多个通孔309的一个或多个样品架304。在某些实施例中，系统1000被构造为容纳并处理四个不同类型的样品架。在这四个样品架中使用的孔或通孔的一些特征列于下文表1中。
样品架 样品池类型 池的数量 池的特征体积 池的特征直径
A 孔 96 200微升 5毫米
B 孔 384 50微升 3毫米
C 穴 384 2微升 3毫米
D 通孔 4×3072 0.033微升 0.35毫米
表1.根据本发明的一个实施例的四个样品架的特征。
再次参照图1-3，光学传感器118可包括一个或多个光电探测器或光电传感器，例如，一个或多个光电二极管、光电倍增管等等。作为另外一种选择，光学传感器118可包括一维或二维光电探测器阵列164，诸如电荷耦合设备(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)等等。在图1的图示实施例中，光电探测器阵列164包括限定光敏表面的光敏像素二维阵列，在该光敏表面上可由发射光学系统125形成光学图像或信号。
激发源110可为卤素灯、氙气灯、高强度放电(HID)灯、一个或多个发光二极管(LED)、一个或多个激光器等等。在某些实施例中，激发源110包括具有不同的发射波长范围以激发生物样品115中的不同荧光染料的多个光源，例如，具有不同的颜色或发射波长范围的多个LED光源。在此类实施例中，可省略激发滤光器组件132，或可将其并入以与不同光源中的至少一些一起使用，以进一步限制到达样品115的光或辐射的波长范围。
在某些实施例中，激发源110包括一个或多个宽带或白光LED源。例如，激发源110可包括高功率宽带光源，该高功率宽带光源具有至少5瓦特的总输出光功率、至少10瓦特的输出光功率或至少25瓦特的输出光功率。在此类实施例中，可并入激发滤光器组件132以限制或限定由样品115和/或样品架204、304接收的辐射或光的光谱含量。宽带光源110的光谱含量可被构造为有利地在(例如)对应于样品115中的探针或染料分子的波长范围内提供更多的能量，所述样品115中的探针或染料分子效率更低、通常被发现为浓度更低，否则需要与样品115中包含的其他染料相比更多的光子能量。
在一个非限制性实例中，在某些实施例中，激发源110包括单个宽带LED，该单个宽带LED在由LED产生的光谱范围内具有大于10瓦特的总光功率。这种激发源的光谱输出特征由图8所示的曲线图中的实线示出。水平轴对应于由LED激发源110发射的辐射的波长，而垂直轴为相对的输出强度。用于图8中的绘图的“相对强度”为百分比值，该百分比值被定义为100乘以在给定波长处测得的强度除以在由LED产生的波长范围内的任何波长处测得的最大强度。例如，根据图8中的绘图，来自LED的在450纳米的波长处的测量强度为最大强度的约80％，其中最大测量强度发生在457纳米的输出波长处。作为比较，在图8中还以虚线示出了用于现有技术下的系统中的卤素灯的类似数据。中间带有数字的各组双线表示用于图3所示的激发滤光器的近似传输波段。
对于表1中示出的图示实施例，样品架D的池特征直径和体积比样品架A-C的池特征直径和体积小得多。因此，在类似的条件下，例如，在使用含有类似浓度的生物测试样品和/或荧光探针或参照染料的生物样品时，由样品架D产生的典型荧光信号比由样品架A-C产生的典型荧光信号小得多。由于这些原因，图8中示出的卤素激发源可能不能为由图3中的滤光器1-3提供的波长范围中的光所激发的荧光探针或染料提供足够的强度或功率密度。
在某些实施例中，由图3中的激发滤光器1、2和4提供的波长范围中的光所激发的荧光探针或染料，与由滤光器3、5和/或6提供的波长范围中(例如，在由滤光器5或6提供的波长范围中)的光所激发的那些荧光探针或染料相比是更常用的或是更重要的。例如，在某些实施例中，使用染料FAMTM、和ROXTM，所述染料可从美国加利福尼亚州卡尔斯巴德的生命技术公司(Life Technologies,Carlsbad,CA)商购获得。在此类实施例中，激发滤光器1用于激发染料FAMTM，激发滤光器2可用于激发染料并且激发滤光器4可用于激发染料ROXTM。除此之外或作为另外一种选择，由滤光器3、5和/或6提供的波长范围中的光所激发的荧光探针或染料可能不与所有类型的样品架A-D和/或与所有类型的样品架204、304一起使用，例如不与样品架D和/或样品架304一起使用。在如这些实施例的此类实施例中，包括具有与图8中所示的那些光谱特征相同或类似的光谱特征的LED源的激发源110具有出乎意料的有益效果，即使(1)用于由滤光器5和6提供的波长范围中的光所激发的荧光探针或染料的LED源的光谱功率或强度小于用于图8中所示的卤素光源的光谱功率或强度，以及(2)用于由滤光器5和6提供的波长范围中的光所激发的荧光探针或染料的LED源的光谱功率或强度小于用于由滤光器1、2和/或4提供的波长范围中的光所激发的荧光探针或染料的光谱功率或强度。已经发现，由于样品架A-C中的样品池提供相对大的样品体积，LED源(例如图8中表征的LED源)能够将足够的激发能量提供至生物样品，使得系统1000能够处理光学传感器118所接收的信号或图像。
因此，已经发现，仪器或系统1000可使用这样的宽带LED处理生物样品以来提供有用的数据，该宽带LED产生在小于600纳米和/或小于550纳米的波长处具有最大强度和/或功率密度的光或辐射。例如，仪器或系统1000可使用此类宽带LED(例如在图8中表示的宽带LED)来提供有用的PCR数据(如，qPCR数据和/或dPCR数据)。结果得到可以在大范围的样品大小和样品架或池形式(例如，列于表1的所有样品大小和样品池形式)中提供数据(比如PCR数据)的仪器。
在某些实施例中，系统1000包括激发源110，该激发源包括具有这样的光谱曲线的LED，所述光谱曲线的特征是在小于550纳米或600纳米的波长处有最大强度或光学输出功率以及在650纳米和/或670纳米的波长处有小于最大值的50％的强度或光学输出功率。在其他实施例中，系统1000包括激发源110，该激发源包括具有这样的光谱曲线的LED，所述光谱曲线的特征是在小于550纳米或600纳米的波长处有最大强度或光学输出功率以及在650纳米和/或670纳米的波长处有小于最大值的30％或小于最大值的20％的强度或光学输出功率。在某些实施例中，系统1000进一步包括发射光学系统125，该发射光学系统能够为直径小于500微米、小于200微米或小于100微米的样品池提供有用的生物数据(如，PCR数据)，所述样品池包含在小于或等于560纳米的激发波长处发荧光的荧光探针或染料分子，同时该发射光学系统还能够为直径大于2毫米或大于3毫米的样品池提供有用的生物数据(如，PCR数据)，所述样品池包含在大于或等于620纳米或大于或等于650纳米的激发波长处发荧光的荧光探针或染料分子。
当使用根据本发明实施例的系统1000时，如前一段落中所述和/或如图8中所示的LED的另一出乎意料的优点在于，例如与根据图8中所示的卤素光源相比，来自激发源110的红外线(IR)发射低得多。因此，本发明的实施例提供减少的IR噪声，而不需要另外的光学元件(例如所谓的“热镜”)来阻挡IR发射。
在某些实施例中，可根据条件或变量值，例如根据所使用的样品架的类型、一个或多个反应区的尺寸、系统或仪器1000的实验或运行条件、光学系统100的实验或运行条件、样品处理系统200的实验或运行条件等等，来改变激发源110的输出强度、功率或能量。例如，激发源110可为LED光源，在该LED光源中根据一个或多个条件和/或变量值来改变输出强度、功率或能量。在此类实施例中，可通过调节或改变驱动LED的电流或电压和/或通过调节或改变LED的工作周期来改变LED的输出强度、功率或能量。在某些实施例中，根据系统1000中使用的样品架的类型来改变激发源110的输出强度、功率或能量。例如，在某些实施例中，在使用来自表1的样品架A时，激发源110可为以满输出功率、强度或能量或以更高的功率设定输出功率、强度或能量运行的LED。相比之下，在使用不同的样品架(例如，使用来自表1的样品架B、C或D)时，LED可以较低的输出功率、强度或能量运行。这种布置方式允许系统1000为在使用样品架A时出现的较小样品体积尺寸和/或较低样品浓度提供发射数据，同时也避免了在使用其他较大样品体积和/或较高样品浓度时光学传感器118的饱和。
透镜152被构造为例如通过将从特定方向进入的准直辐射聚焦成斑点或点，例如，聚焦成衍射受限的斑点或近似衍射受限的斑点，来在光电探测器阵列164上形成图像。透镜152可为单透镜，例如平凸透镜、平凹透镜、双凸透镜、双凹透镜、凹凸透镜等等。作为另外一种选择，透镜152可包括诸如双合透镜或三合透镜的复合透镜，该复合透镜可例如包括选定用于校正或减少色像差的不同透镜材料。在其他实施例中，透镜152包括诸如摄像机透镜系统或显微镜物镜的透镜系统，例如，可商购获得的摄像机透镜。摄像机透镜系统可为包括常规透镜系统设计(例如双高斯设计、库克三片式设计、反焦透镜设计(如，Distagon透镜设计)、特沙尔透镜设计等等)的可商购获得的摄像机透镜。
透镜154可为例如被构造为在与激发光学系统120和/或发射光学系统125的其余光学元件组合时提供远心光学系统的单场透镜。在此类实施例中，透镜154可为单透镜，例如平凸透镜、平凹透镜、双凸透镜、双凹透镜、凹凸透镜等等。作为另外一种选择，透镜152可包括例如包含用于校正色像差的不同透镜材料的双合透镜或三合透镜。除此之外或作为另外一种选择，透镜154可包括菲涅耳透镜或衍射光学元件、表面或图案。在某些实施例中，透镜154可包括透镜系统，例如与被构造为将光聚焦在样品架204的样品孔内的另外透镜或微透镜阵列组合的场透镜。微透镜阵列可包括菲涅耳透镜或衍射光学元件、表面或图案。此类透镜构形的例子在USPN6,818,437中也有描述，该专利全文以引用方式并入本文中，如同在本文完全阐述。
参照图9，在某些实施例中，受热盖212包括微透镜阵列166，以例如与样品架204(例如，类似表1中列举的样品架A-C)一起使用以将来自激发束111的光聚焦至样品架(例如在图示实施例中的样品架204)的孔或穴中。另外参照图10，受热盖212可另外地或作为另一种选择地包括光学窗口167，以提供样品架(例如在图示实施例中的样品架304)中或样品架周围的热环境的热隔离或提高的热性能。在某些实施例中，在窗口167未如图10中所示定位时，可产生对流气流。已经发现，这种对流热流在基材306中、样品架304中和/或样品315之间导致比在一些应用中可接受的温度或热不一致性(TNU)更高的温度或热不一致性。因此，在透镜154与样品架304之间放置窗口167可减少样品架304周围的对流气流的量，而导致TNU的减少。
除了图1中所示的光学窗口162或代替该光学窗口162，可使用光学窗口167。窗口162、167中的一者或两者可平行于样品架304的表面和/或垂直于光轴170设置。作为另外一种选择，窗口162、167中的一者或两者可相对于样品架304的表面以一定的角度设置和/或相对于光轴170以锐角设置，以例如减少来自激发束111的光朝光学传感器118向后反射。窗口162、167中的一者或两者可包括抗反射涂层，以减少来自激发束111的光朝光学传感器118向后反射。该抗反射涂层可作为使窗口162、167中的一者或两者倾斜的补充或者替代来使用。因此，系统1000能够通过提供具有彼此不同的光学特征和/或满足诸如样品架204、304(如，表1中列出的样品架A-D)的样品架的不同热要求的受热盖212，来适应具有多种光学要求的样品架并为其提供有用的生物数据(如，PCR数据)。
在某些实施例中，选择透镜或透镜系统152、154的组合，从而得到预定的光学结果或图像质量。例如，为降低系统成本或为简化发射光学系统125设计，透镜152可包括可商购获得的摄像机透镜。此类透镜在某些查看条件下可提供非常高的图像质量(如，具有低色像差和单色像差的图像)。然而，并入用于提供这种高图像质量的这种摄像机透镜设计中的高阶像差的精细平衡可因将其他透镜引入成像系统中而被打乱。例如，在图1示出的图示实施例中，将诸如透镜154的场透镜添加至发射光学系统125。透镜154对于激发光学系统111和发射光学系统125两者来说是共同的，以提供通常更紧凑的光学系统以及荧光能量从样品到检测系统的有效转移。
在现有技术下的系统中，已经发现，具有平凸透镜形状或外形的场透镜在这方面提供某些有利的特征，例如，提供被构造为在大视野上提供均匀照射的远心透镜系统。然而，为了提供可接受地低水平的光学像差，此类现有技术下的系统还并入定制的摄像机透镜设计，以在与平凸场透镜组合使用时减少总体系统像差。具体地讲，由于扩大的用于同时对大量生物样品进行成像的视野，摄像机透镜被设计为提供少量的场曲率。然而，已经发现，平凸透镜与常规的或可商购获得的摄像机透镜的组合可导致不可取的大量的场曲率。已进一步发现，可通过将双凸场透镜154与常规的或可商购获得的摄像机透镜组合来显著降低场曲率，如图1中所示。这个结果是令人惊讶的，因为双凸透镜通常被认为是会降低远心透镜系统中的整体图像质量。例如，已经发现，当透镜152包括反焦设计(如，Distagon透镜设计)的可商购获得的摄像机透镜时，在场透镜154为双凸透镜时所产生的场曲率的量比在场透镜154为平凸透镜时所产生的场曲率的量小得多。
发射滤光器组件130可包括通过第一光焦度和第一滤光器140来表征的第一滤光器模块138，所述第一滤光器具有第一滤光函数或传输范围140a。在图示实施例中，第一滤光函数140a在图2的表中示出为6号滤光器，并且通过700纳米的第一低通波长140L和720纳米的第一高通波长140H来表征，使得该波长范围内的光通过第一滤光器140传输或大部分地传输，而该波长范围之外的光或其他电磁辐射被第一滤光器140阻挡或基本上阻挡。图2和图3中列出的波长可表示这样的波长，滤光器在这些波长处的传输为滤光器在传输波长范围上的最大传输的二分之一。在这种情况下，高通波长与低通波长之间的差值限定半峰全宽(FWHM)传输范围。
发射滤光器组件130还包括第二和任选地第三滤光器部件、元件或模块142、143。第二和第三滤光器模块142、143通过第二和第三滤光器145、146来表征，所述第二和第三滤光器具有第二和第三滤光函数或传输范围145a、146a。滤光器模块142、143中的一者或两者可具有与第一滤光器模块138的光焦度相同或不同的光焦度。滤光器模块142、143中至少一者的光焦度可为零，该焦度通常可为正的或负的。滤光函数145a、146a分别包括第二和第三低通波长145L、146L，第二和第三高通波长145H、146H，例如，如图2表中的1号滤光器和5号滤光器。第二和第三低通波长145L、146L可不同于低通波长140L和/或可彼此不同。类似地，第二和第三高通波长145H、146H可不同于高通波长140H和/或可彼此不同。在图示实施例中，用于滤光器140、145、146的传输波段(波长140L至140H、145L至145H以及146L至146H)不重叠；然而，在其他实施例中，在发射滤光器组件130中的两个或者多个滤光器之间波段可存在至少一些重叠。在某些实施例中，函数140a、145a、146a中的一者或多者可包括不同于图2中所示的简单带通构形的函数。
图3示出了可用于激发滤光器组件132的各种滤光器。在图1中，激发滤光器组件132包括三个滤光器，例如，图3中的滤光器1、2和6，所述三个滤光器在使用中可对应于图2中针对发射滤光器组件130所示的滤光器1、2和6。激发滤光器组件132的滤光器模块133中的至少一些可具有非零光焦度，该焦度通常可为正的或负的。作为另外一种选择，所有滤光器模块133可具有零或约零的光焦度。在某些实施例中，特定滤光器模块133的选择与滤光器组件130的特定滤光器模块131相关。作为另外一种选择，滤光器模块133、131可独立于彼此进行选择。
在图1中示出的图示实施例中，针对每个滤光器组件130、132仅示出三个滤光器模块；然而，任一个或者两个滤光器组件都可包括多于或少于三个滤光器模块。例如，图2和图3各自示出总共6个滤光器，其中每个滤光器均可伴有光焦度(未示出)。在某个实施例中，滤光器组件130、132中的任一个或者两个包括分别在图2和图3所示表中示出的全部六个滤光器。作为另外一种选择，滤光器组件130、132中的任一个或者两个可包括少于六个滤光器。
滤光函数145a、146a包括各自的第二低通波长145L、146L，所述第二低通波长可不同于第一低通波长140L并且可彼此不同。发射滤光器组件130或激发滤光器组件132中的滤光器中的每个滤光器均可包括与滤光器组件130或滤光器组件132的其余滤光器不同且不重叠的电磁辐射或光的传输范围。作为另外一种选择，滤光器组件130或滤光器组件132中的滤光器中的两者或多者可包括至少部分地彼此重叠的电磁辐射或光的传输范围。
在某些实施例中，选择滤光器模块131中的一者或多者或每个滤光器模块133的光焦度，以在所使用的滤光器的波长范围上补偿或减少发射光学系统125或激发光学系统120的其余光学元件的光学像差。例如，为了在光学传感器118或发射光学系统125的像平面处为多个滤光器模块131提供预定的图像分辨率或质量，可选择一些或全部滤光器模块131的光焦度以在不同的滤光器波长范围上补偿或减少由发射光学系统125引入的色像差或球面色像差。除此之外或作为另外一种选择，滤光器模块131中的一者或多者或滤光器模块133中的一者或多者可包括单色像差，例如球面像差、像散现象或彗形像差，该单色像差被配置为改变、调节或减少发射光学系统125或激发光学系统120的整体像差。
在某些实施例中，滤光器模块131中的一者或多者的光焦度或单色像差被配置为至少部分地校正或调节样品架204和/或至少一些生物样品115在光学传感器118的检测表面处或附近的像平面中的图像或聚焦。例如，在图示实施例中，滤光器模块138、142、143的光焦度全部彼此不同，第三滤光器模块143的光焦度为零或为约零。可选择滤光器模块138、142的光焦度，使得将发射光学系统125在每个滤光器138、142的传输波长范围上的有效焦距调节为与滤光器143定位于发射光学系统125中时的有效焦距相同或大约相同。除此之外或作为另外一种选择，可选择滤光器模块138、142的光焦度，使得在将对应滤光器140、145插入发射光学系统125中时产生的图像质量与将滤光器146插入发射光学系统125中时产生的图像质量相同或类似。例如，可选择每个滤光器模块131的光焦度，使得生物样品115的图像对于每个滤光器模块138、142、143而言为相同的尺寸或大约相同的尺寸。除此之外或作为另外一种选择，可选择每个滤光器模块131的光焦度，使得生物样品115的图像的放大率和/或像差对于每个滤光器模块131而言是相同的或大约相同的。在某些实施例中，所述光焦度中的两者或多者可为彼此相等的。一般来讲，滤光器模块138和/或142可具有大于零或小于零的光焦度，以便对发射光学系统125和/或自该发射光学系统产生的图像提供所需的校正或调节。
分束器160可被构造为选择性地反射来自激发源110的大量发射光或辐射，该发射光或辐射被传输通过所选择的激发滤光器模块133，然后被导向样品架204、304。例如，经涂布的分束器160可包括二向色反射器，该二向色反射器被构造为反射至少95％或至少99％的被传输通过激发滤光器模块133的入射光。分束器160的同一涂层可另外被构造为传输来自生物样品115的大量发射光或辐射，例如，传输至少90％或至少95％的由生物样品115发射的光或辐射。在某些实施例中，例如通过将不同的分束器160附接至激发滤光器组件132来使不同的分束器160与每个不同的滤光器模块133相关联。在某些实施例中，仅一些分束器160为波长选择性的或二向色的分束器，而与激发滤光器模块133中的一些相关联的其他分束器160并不是波长选择性的，例如，在宽波段的波长上反射50％的入射辐射的50/50分束器。在此类实施例中，不被分束器160反射但被传输通过分束器160的激发光或辐射可被发射滤光器模块131拦截并以噪声的形式导向至光学传感器118。
在某些实施例中，通过减小对应的发射滤光器模块131的尺寸来减少来自被传输通过分束器160的激发光或辐射的噪声。然而，可限制对应的发射滤光器模块133的尺寸减小，以避免例如由于更外围定位的样品上的渐晕效应所致的来自至少一些生物样品115、315的信号的损失。已经发现，可通过将发射滤光器构造为具有与样品架204、304中包含样品115、315的区域的形状相同或类似的形状来实现激发辐射噪声的减少，而不会显著损失发射辐射信号。例如，在图4、图5或图7中可见，有效区域限定了矩形区域，样品架204、304中的一者或多者在该有效区域上包含光学传感器118视野内的样品或样品池。在这种情况下，已经发现，矩形形状的发射滤光器140、145、146或发射滤光器模块138、142、143提供减弱的来自被传输通过分束器160的激发辐射的噪声，而无来自样品115、315的发射信号的显著损失或来自样品架204、304的整个区域上的样品的不均匀照射。在某些实施例中，矩形发射滤光器140、145、146或发射滤光器模块138、142、143具有与由样品架204、304的有效区域、由支架202、302或由在光学传感器118的视野或视界内的样品115、315的区域限定的纵横比相同或类似的纵横比。例如，可将矩形发射滤光器(如，滤光器140、145和/或146)或滤光器模块(如，滤光器模块138、142或143)的纵横比选定为与在样品架(如，样品架204或304)或一组样品架(如，图7中所示的四个样品架304)的有效区域的纵横比偏差在1％、5％、10％或20％内。
在操作期间，将生物样品115设置在样品架中，例如设置在样品架204、样品架304等等中。生物样品115可包括一个或多个核苷酸序列、氨基酸序列或其他生物大分子，所述其他生物大分子包括但不限于寡核苷酸、基因、DNA序列、RNA序列、多肽、蛋白质、酶等等。此外，生物样品115可包括用于控制或监控生物反应的其他分子，所述其他分子包括但不限于引物、杂交探针、报告探针、猝灭剂分子、分子信标、荧光染料、化学缓冲液、酶、洗涤剂等等。除此之外或作为另外一种选择，生物样品115可包括一个或多个基因组、细胞、细胞核等等。
一旦加载了生物样品，便将一个或多个样品架加载或安装在系统1000内。在图1示出的图示实施例中，将一个或多个样品架安装至支架202或302中，该支架又由区块210容纳于系统1000中，并且随后可被受热盖212覆盖或紧固。如本文以上所讨论的，区块210和受热盖212可例如拆除地安装或紧固在系统1000内，因此可将任一者或两者换成被构造为用于与特定样品架或支架一起使用的另一区块或受热盖。一旦样品架已被样品处理系统200容纳，便使用光学系统100监控或测量一个或多个生物反应或过程。
光学系统100的发射光学系统125包括光轴170。发射束119的第一发射束172由定位在光轴170处或附近的第一生物样品发射。第一发射束172穿过发射光学系统125，使得来自样品的电磁辐射的至少一部分在光轴170上或附近的光电探测器阵列164处或附近产生第一样品图像173。发射束119中的第二发射束174由定位在生物样品115阵列的外边缘位置处或附近的第二生物样品同时发射。第二发射束174也穿过发射光学系统125，使得来自该样品的电磁辐射的至少一部分在从光轴170移位的光学传感器118处或附近产生第二样品图像175。发射束172、174可为由包含在两个分别的样品中的不同探针分子响应于激发束111而产生的荧光束。根据所选择的特定激发滤光器模块133，发射束172、174具有对应于特定探针分子的波长或波长范围，该特定探针分子由来自激发束111的辐射激发，该激发束由所选择的激发滤光器模块133传输。例如，当图3中的1号滤光器可用于对来自激发束111的辐射进行过滤并且与图2中的1号发射滤光器(图1中的滤光器模块143的滤光器146)组合使用以将来自发射束172、174的辐射传输至光电探测器阵列164上时。如本文以上所讨论，可选择透镜152、154的组合以由单色像差低并且尤其具有少量场曲率的发射束172、174形成图像。可将第一样品与第二样品之间的侧向距离(如，在垂直于光轴170的方向上)与由发射光学系统125产生的对应的图像之间的侧向距离进行比较，以确定当正使用滤光器146时系统的横向放大率。
在某些实施例中，对于发射滤光器146的传输范围内的辐射而言，第一束172和第二束174在其离开透镜154并且在光电探测器阵列164处或附近形成具有相对低的单色像差并且限定基本系统放大率的图像时是准直的或几乎准直的。在使用期间，可随后移动(如，平移或旋转)发射滤光器组件130，使得发射滤光器模块143和滤光器146被发射滤光器模块138和滤光器140替换，因此滤光器140(图2中的6号滤光器)现在变为发射光学系统125的一部分，如图1中所示。任选地，图3中的1号激发滤光器也可沿着激发射束路径111替换为6号激发滤光器。由于色像差，对于发射滤光器140的传输范围内的辐射而言，第一束172和第二束174在其离开透镜154时并不是准直的，而是发散的。因此，束172、174在光电探测器阵列164处或附近形成图像173、175，所述图像与在滤光器146存在于发射光学系统125中时形成的图像相比进一步远离透镜152的主平面。为校正或补偿发射光学系统125的在滤光器140的传输波长范围上的焦距的这个有效变化，将具有净正光焦度的透镜或光学器件178包括在滤光器模块138中。
滤光器模块140和发射光学系统125中添加的光焦度可由单透镜178来提供，如图1的图示实施例中所示。透镜可为平凸透镜、平凹透镜、双凸透镜、双凹透镜、凹凸透镜等等。作为另外一种选择，透镜178可包括诸如双合透镜或三合透镜的复合透镜，该复合透镜可例如包括选定用于校正或减少色像差的不同透镜材料。光学器件178可另外地或作为另一种选择地包括衍射光学元件。光学器件178可为单独的光学元件，如图1所示，或与滤光器140组合以形成单个元件。例如，可将光学器件178和滤光器140沿着共同的光学面粘合在一起。作为另外一种选择，光学器件178和滤光器140由单个基材一起形成，例如，由具有一个或两个光学表面的滤光器材料形成，所述光学表面为弯曲的和/或包含衍射光学图案。在某些实施例中，将光学器件178定位在发射光学系统125的与图1中所示不同的部分中，例如，在透镜154、窗口162或分束器160上或近侧，或在分束器160与发射滤光器组件130之间的某个位置处。
除改变发射光学系统125的有效焦距之外，滤光器140还可导致系统横向放大率的变化。例如，即使在透镜178包括于滤光器模块138中时，在使用滤光器模块138时图像173、175之间的侧向距离可与使用滤光器模块143时不同。此外，从滤光器模块143到滤光器模块140的变化可引入或改变发射光学系统125的各种单色像差，例如，球面像差和/或场曲率。因此，光学器件178或滤光器模块138可被构造为至少部分地校正或补偿放大率和/或相对于使用滤光器模块143时的一个或多个单色像差的此类差值或变化。在某些实施例中，系统1000或电子处理器300可包括图像处理指令，以至少部分地校正或补偿放大率的变化和/或因滤光器模块138的使用而引入到发射光学系统125中的一个或多个单色像差的变化。图像处理指令可与校正光学器件178组合使用或代替校正光学器件178使用，以至少部分地校正或补偿因使用滤光器140代替滤光器146而产生的变化，所述变化包括在有效系统焦距、放大率、色像差和/或诸如散焦、球面像差或场曲率的一个或多个单色像差的变化。
在某些实施例中，每个滤光器模块131沿着发射光学路径128依次设置在发射束119或其某个部分正在发散或汇聚的位置处，由此滤光器模块138、142、143中的一者或多者改变发散或汇聚的量，以校正或调节发射光学系统125的有效焦距和/或发射光学系统125的像平面处的斑点尺寸。在此类实施例中，滤光器模块138、142、143中的至少一者的光焦度在相应的滤光器138、142、143的至少传输波长范围或滤光函数上是非零的(即，正的或负的)。
在某些实施例中，滤光器模块131中的一者或多者或滤光器模块133中的一者或多者的光焦度大于零且小于一个屈光度。例如，滤光器模块131中的一者或多者或滤光器模块133中的一者或多者的光焦度大于零且小于或等于一个屈光度的三分之一、小于或等于一个屈光度的四分之一，或小于或等于一个屈光度的八分之一。因此，光焦度调节虽然大于零，但可以相对较小，使得对于滤光器140、145、146中的至少一些，仅对发射光学系统125的光学特征进行视觉调节。已经发现，对于不同滤光器，对发射光学系统125中光焦度的这种细微调节提供了重要的光学校正，得到了在光学传感器118处产生的允许在不同激发和发射条件下在图像数据之间进行更好比较的图像。
虽然大部分上述讨论与发射光学系统125及相关联的滤光器模块131有关，但应当理解，本发明的实施例在适当的情况下还涵盖激发光学系统120及相关联的滤光器模块133的类似处理。
在图1示出的图示实施例中，由单独的透镜提供用于滤光器模块131、133中的一些的非零光焦度。作为另外一种选择，滤光器模块131、133可包括具有光焦度和滤光传输函数两者的单个光学元件。在某些实施例中，单个光学器件由单一材料制成。作为另外一种选择，可将两种或多种材料或元件粘附、接合或粘结在一起以形成滤光器模块。在某些实施例中，光焦度可由衍射或全息光学元件或表面提供。衍射或全息元件或表面可被构造为降低滤光器模块的尺寸或厚度。除此之外或作为另外一种选择，衍射或全息元件或表面可被构造为引入色像差，该色像差用于减少由光学系统125或120中的其余元件产生的色像差。在另外其他实施例中，滤光器组件中的一者或多者包括菲涅耳透镜或曲面镜。
在某些实施例中，滤光器组件130和/或132包括旋转式构形，在该旋转式构形中，将不同的滤光器模块131或133分别旋转到发射光学路径128或激发光学路径126中或旋转出该发射光学路径或激发光学路径。在某些实施例中，滤光器组件130和/或132包括具有不同的光焦度的可互换的光学元件以及具有不同的滤光函数的可互换的滤光器，其中光学元件和滤光器可彼此独立地选择。
第一光学元件152设置在光学传感器附近，并且被构造为提供样品115和/或样品架200的图像。第一光学元件152可为诸如平凸透镜或双凸透镜的单透镜，或诸如双高斯透镜、Distagon透镜、Angenieux反焦透镜、库克三片式透镜等等的可商购获得的摄像机透镜。在图示实施例中，滤光器模块131定位在分束器160与光学元件152之间，邻近光学元件152。第二光学元件154可定位在样品架200附近，并且被构造为提供远心光学系统以用于多个生物样品115的照射。
上文以如此完整、清楚、简明且准确的术语呈现了对预期用于实施本发明的最佳模式以及制备和使用本发明的方式和过程的描述，使得其所属领域的技术人员能够制备和使用本发明。然而，可从以上所讨论出发对本发明作出完全等效的修改形式和替代构造。因此，并非意图将本发明限制于所公开的具体实施例。相反，意图涵盖落入如以下权利要求书大体表达的本发明的精神和范围内的修改形式和替代构造，以下权利要求书特别指出并明确要求保护本发明的主题。
下面列出的共同待审的美国专利申请以全文引用的方式并入本文，如同在本文完全阐述：
●美国临时专利申请No.61/541,453，提交于2011年9月30日。
●美国临时专利申请No.61/541,515，提交于2011年9月30日。
●美国临时专利申请No.61/541,342，提交于2011年9月30日。
●美国设计专利申请No.29/403,049，提交于2011年9月30日。
●美国设计专利申请No.29/403,059，提交于2011年9月30日。
●美国临时专利申请No.61/541,495，提交于2011年9月30日。
●美国临时专利申请No.61/541,366，提交于2011年9月30日。
●美国临时专利申请No.61/541,371，提交于2011年9月30日。
●美国临时专利申请No.61/564,027，提交于2011年11月28日。
●美国临时专利申请No.61/660,343，提交于2012年6月15日。

Claims (79)

1.一种用于生物分析的仪器，所述仪器包括：
激发源，所述激发源产生电磁辐射；
样品架，所述样品架被构造为容纳多个生物样品；
光学传感器，所述光学传感器被构造为接收来自所述生物样品的发射；
激发光学系统，所述激发光学系统沿着激发光学路径设置并且被构造为将来自所述激发源的所述电磁辐射导向至所述生物样品；
发射光学系统，所述发射光学系统沿着发射光学路径设置并且被构造为将来自所述生物样品的电磁发射导向至所述光学传感器；
多个滤光器部件，所述多个滤光器部件被构造为沿着所述激发光学路径和所述发射光学路径中的至少一者可互换地定位，所述多个滤光器部件包括：
第一滤光器部件，所述第一滤光器部件通过第一光焦度和具有第一滤光函数的第一滤光器来表征，所述第一滤光函数通过第一低通波长或第一高通波长中的至少一者来表征；
第二滤光器部件，所述第二滤光器部件通过第二光焦度和具有第二滤光函数的第二滤光器来表征，所述第二滤光函数包括不同于所述第一低通波长的第二低通波长或不同于所述第一高通波长的第二高通波长中的至少一者；
其中，所述多个滤光器部件中的至少一个包括单透镜，使得所述多个滤光器部件中的至少一个对于被传输通过所述多个滤光器部件中对应一者的电磁辐射而言具有非零光焦度。
2.根据权利要求1所述的仪器，其中所述多个滤光器部件包括第三滤光器部件，所述第三滤光器部件包括第三光焦度和第三滤光函数。
3.根据权利要求2所述的仪器，其中所述第三滤光函数包括第三低通波长和第三高通波长中的至少一者，其中所述第三低通波长和所述第二低通波长不同于所述第一低通波长和/或彼此不同，其中所述第三高通波长和所述第二高通波长不同于所述第一高通波长和/或彼此不同。
4.根据权利要求1所述的仪器，其中所述光焦度中的至少一者在-0.1屈光度至+0.1屈光度的范围内。
5.根据权利要求1所述的仪器，其中对于被传输通过所述滤光器部件中的对应一者的电磁辐射而言，所述光焦度中的至少一者小于零。
6.根据权利要求1所述的仪器，其中所述第一光焦度为零且所述第二光焦度大于零或小于零。
7.根据权利要求1所述的仪器，其中所述多个滤光器部件具有第一状况和第二状况，在所述第一状况中，所述第一滤光器部件沿着所述发射光学路径设置，在所述第二状况中，所述第二滤光器部件沿着所述发射光学路径设置，所述第二光焦度与所述第一光焦度相差的量足以至少部分地补偿由所述第二滤光器部件引入的相对于所述第一滤光器部件的像差。
8.根据权利要求7所述的仪器，其中所述像差为色像差。
9.根据权利要求7所述的仪器，其中所述像差为球面色像差。
10.根据权利要求1所述的仪器，其中所述第一滤光器部件包括通过所述第一光焦度和第一滤光函数来表征的单个光学元件。
11.根据权利要求1所述的仪器，其中所述滤光器部件被构造为沿所述发射光学路径可互换地定位。
12.根据权利要求1所述的仪器，其中多个滤光器部件包括具有不同的光焦度的至少两个可互换的光学元件以及具有不同的滤光函数的至少两个可互换的滤光器，所述至少两个光学元件可独立于所述至少两个滤光器进行选择。
13.根据权利要求1所述的仪器，其中所述第一滤光器部件包括通过所述第一光焦度来表征的第一光学元件以及通过所述第一滤光函数和零屈光度的光焦度来表征的第二光学元件。
14.根据权利要求1所述的仪器，其中所述第一滤光器部件包括通过所述第一光焦度来表征的第一光学元件以及通过所述第一滤光函数和在-0.1屈光度至+0.1屈光度的范围内的光焦度来表征的第二光学元件。
15.根据权利要求13或14所述的仪器，其中所述第一光学元件邻近所述第二光学元件设置。
16.根据权利要求13或14所述的仪器，其中所述第一光学元件和所述第二光学元件附接至共同的固定装置，使得它们当定位在所述激发光学路径或所述发射光学路径的至少一者中时一起移动。
17.根据权利要求13或14所述的仪器，其中所述第一光学元件包括折射透镜、曲面镜、衍射光学元件或全息光学元件中的一者或多者。
18.根据权利要求1所述的仪器，还包括第一透镜元件和第二透镜元件，所述透镜元件具有正的光焦度并且沿着所述发射光学路径设置，所述第一透镜元件设置在所述光学传感器与所述滤光器部件中的一者之间，所述第二透镜元件设置在所述滤光器部件中的所述一者与所述样品架之间。
19.根据权利要求18所述的仪器，其中所述透镜元件包括折射透镜、菲涅耳透镜、曲面镜、衍射光学元件、全息光学元件中的一者或多者。
20.根据权利要求18所述的仪器，其中所述第二透镜元件沿着所述激发光学路径设置。
21.根据权利要求18所述的仪器，还包括沿着所述发射光学路径设置的分束器，所述第二透镜元件和所述分束器沿着所述激发光学路径设置。
22.根据权利要求18所述的仪器，其中所述第一透镜元件包括可商购获得的摄像机透镜，并且所述第二透镜元件包括双凸透镜。
23.根据权利要求18所述的仪器，其中所述激发源包括具有光谱的LED灯，所述光谱在470纳米到660纳米的波长范围上包括至少10％的相对强度。
24.根据权利要求1所述的仪器，其中所述光学传感器包括电荷耦合设备检测器阵列、互补金属氧化物半导体检测器阵列或至少一个光电倍增检测器。
25.根据权利要求1所述的仪器，其中所述光学传感器包括包含至少4,000,000个像素的电荷耦合设备检测器阵列或包含至少4,000,000个像素的互补金属氧化物半导体检测器阵列。
26.根据权利要求1所述的仪器，其中所述样品架被构造成接收多个离散生物样品。
27.根据权利要求26所述的仪器，其中所述多个离散生物样品包括寡核苷酸、DNA分子、RNA分子、染色体或蛋白分子中的一者或多者。
28.根据权利要求26所述的仪器，其中所述多个离散生物样品设置在对应的多个容器中。
29.根据权利要求28所述的仪器，其中所述多个容器包括多个皿、穴、通孔、管、腔室、隔室或通道部分中的一者或多者。
30.根据权利要求28所述的仪器，其中所述样品架包括一个或多个基材，所述一个或多个基材包括所述多个容器。
31.根据权利要求30所述的仪器，其中所述样品架还包括保持所述一个或多个基材的安装区块。
32.根据权利要求30所述的仪器，其中所述多个容器的全部均被来自所述激发源的电磁辐射同时照射。
33.根据权利要求32所述的仪器，其中基材包括96个容器或384个容器。
34.根据权利要求32所述的仪器，其中所述基材包括具有多个通孔的板。
35.根据权利要求32所述的仪器，其中所述基材包括具有至少3072个通孔的板。
36.根据权利要求26所述的仪器，还包括沿着所述激发光学路径和所述发射光学路径两者设置的光学元件。
37.根据权利要求36所述的仪器，其中所述光学元件包括折射透镜、不具有光焦度的窗口、分束器、镜子或衍射光学元件中的一者或多者。
38.根据权利要求36所述的仪器，其中所述光学元件包括场透镜或透镜阵列中的一者或多者，所述透镜阵列包括对应于所述多个离散生物样品的多个透镜。
39.根据权利要求36所述的仪器，其中所述激发光学系统形成远心光学系统。
40.根据权利要求26所述的仪器，还包括加热区块和电子控制器，所述加热区块和所述电子控制器一起被构造为控制所述离散生物样品的热环境。
41.根据权利要求40所述的仪器，还包括受热盖子，所述受热盖子被构造为控制所述离散生物样品的热环境，所述样品架的至少一部分设置在受热盖子与所述加热区块之间。
42.根据权利要求26所述的仪器，还包括沿着所述激发光学路径或所述发射光学路径中的至少一者设置的窗口，所述窗口使邻近所述样品架的第一体积与远离所述样品架的第二体积分离，所述体积包括所述激发光学路径或所述发射光学路径中的所述至少一者，所述窗口被构造为减少或消除远侧腔室与近侧腔室之间的对流流动。
43.根据权利要求42所述的仪器，其中所述窗口沿着所述激发光学路径和所述发射光学路径两者设置。
44.根据权利要求42所述的仪器，其中所述窗口包括其法线相对于所述激发光学路径或所述发射光学路径中的所述至少一者的光轴以一定的偏斜角度设置的表面。
45.根据权利要求26所述的仪器，其中所述样品架包括形成含有所述多个离散生物样品的穴的密封壳体，所述密封壳体包括基座以及提供通向所述离散生物样品的光学通路的窗口。
46.根据权利要求45所述的仪器，其中所述窗口包括其法线相对于所述激发光学路径或所述发射光学路径中的所述至少一者的光轴以一定的偏斜角度设置的表面。
47.根据权利要求26所述的仪器，还包括电子处理器，所述电子处理器包括电子存储器并且被构造为接收来自所述光学传感器的图像信号，其中所述图像信号包括响应于包含在各个所述离散生物样品中的靶分子的量而产生的多个离散样品图像。
48.根据权利要求47所述的仪器，其中所述图像信号包括在所述第一滤光器部件沿着所述发射光学路径设置时具有第一放大率的第一图像信号，并且所述图像信号包括在所述第二滤光器部件沿着所述发射光学路径设置时具有第二放大率的第二图像信号，所述电子存储器包括指令，所述指令供所述电子处理器用于调节所述第一图像信号或所述第二图像信号中的至少一者，使得每个图像信号的所述离散样品图像中的至少一些彼此对齐。
49.根据权利要求47所述的仪器，其中所述离散生物样品中的至少一些包括荧光报告分子，并且所述离散样品图像中的至少一些对应于在所述离散生物样品中的所述至少一些被所述激发源照射时所产生的发射信号。
50.根据权利要求47所述的仪器，其中所述多个滤光器部件具有第一状况和第二状况，在所述第一状况中，所述第一滤光器部件沿着所述发射光学路径设置，在所述第二状况中，所述第二滤光器部件沿着所述发射光学路径设置，所述离散样品图像在所述第一状况和所述第二状况下均彼此隔离。
51.根据权利要求47所述的仪器，其中所述仪器被构造为针对以下接收并产生所述多个离散样品图像：
多个体积为33纳升的样品容器；或
多个体积为100微升的样品容器。
52.根据权利要求49所述的仪器，其中所述仪器被构造为针对以下样品架接收并产生所述多个离散样品图像：
包括多个体积为1微升的样品容器的样品架；或
包括多个体积为5微升的样品容器的样品架；或
包括多个体积为10微升的样品容器的样品架。
53.根据权利要求47所述的仪器，其中所述仪器被构造为针对以下接收并产生所述多个离散样品图像：
96个离散生物样品；或
384个离散生物样品；或
至少12,000个离散生物样品。
54.根据权利要求53所述的仪器，其中包括所述至少12,000个离散生物样品的所述样品架包括至少48,000个离散生物样品。
55.根据权利要求53所述的仪器，其中包括所述至少12,000个离散生物样品的所述样品架包括至少100,000个离散生物样品。
56.根据权利要求53所述的仪器，其中包括所述至少12,000个离散生物样品的所述样品架包括一个或多个基材。
57.根据权利要求53所述的仪器，其中包括所述至少12,000个离散生物样品的所述样品架包括四个基材，每个基材包括至少3,072个通孔。
58.根据权利要求1所述的仪器，其中所述激发源选自由LED、卤素灯和激光器组成的组。
59.根据权利要求1所述的仪器，其中所述激发源包括对于所有发射波长而言产生至少5瓦特的总输出光功率的LED。
60.根据权利要求1所述的仪器，其中所述激发源包括对于所有发射波长而言产生至少5瓦特的总输出光功率并且在470纳米至660纳米的波长范围上具有至少10％的相对强度的LED。
61.根据权利要求1所述的仪器，其中所述仪器为实时聚合酶链反应仪器。
62.根据权利要求1所述的仪器，其中所述仪器为测序仪器。
63.根据权利要求1所述的仪器，还包括被构造为控制所述生物样品的温度的热控制单元。
64.根据权利要求1所述的仪器，还包括被构造为以适合对所述生物样品执行聚合酶链反应的方式来使所述生物样品的温度循环的热控制单元。
65.一种用于生物分析的仪器，所述仪器包括：
激发源，所述激发源产生电磁辐射；
样品架，所述样品架被构造为容纳多个生物样品；
光学传感器，所述光学传感器被构造为接收来自所述生物样品的发射；
激发光学系统，所述激发光学系统沿着激发光学路径设置并且被构造为将来自所述激发源的光导向至所述生物样品；
发射光学系统，所述发射光学系统沿着发射光学路径设置并且被构造为将来自所述生物样品的光导向至所述光学传感器；
多个光学部件，所述多个光学部件被构造为沿着所述激发光学路径和所述发射光学路径中的至少一者可互换地定位，所述多个光学部件包括：
第一光学部件，所述第一光学部件具有主要光学特征和次要光学特征；
第二光学部件，所述第二光学部件具有与所述第一光学部件不同的主要光学特征的值和与所述第一光学部件不同的次要光学特征的值；
其中，所述多个光学部件中的至少一个包括单透镜，使得所述多个光学部件中的至少一个对于被传输通过所述多个光学部件中对应一者的电磁辐射而言具有非零光焦度。
66.一种用于生物分析的仪器，所述仪器包括：
LED光源，所述LED光源产生波长在450纳米至700纳米的整个范围内的光；
样品架，所述样品架被构造为容纳生物样品的二维阵列；
二维光学传感器阵列；
激发光学系统，所述激发光学系统沿着激发光学路径设置并且被构造为将来自所述LED光源的光同时导向至所述生物样品；
发射光学系统，所述发射光学系统沿着发射光学路径设置并且被构造为将来自所述生物样品中的至少一些样品的光导向至所述二维光学传感器阵列；
第一滤光器部件，所述第一滤光器部件包括具有被配置为在预定的波长范围上传输光的第一滤光函数的第一滤光器以及具有非零光焦度的第一折射元件；
第二滤光器部件，所述第二滤光器部件包括被配置为在未包括在所述第一滤光器的所述预定范围中的波长范围上传输光的第二滤光函数；
第一构形，在所述第一构形中，所述第一滤光器部件沿着所述发射光学路径定位并且所述第二滤光器部件定位在所述发射光学路径外部；以及
第二构形，在所述第二构形中，所述第二滤光器部件沿着所述发射光学路径定位并且所述第一滤光器部件定位在所述发射光学路径外部,
其中，所述第一滤光器部件和所述第二滤光器部件中的至少一个包括单透镜，使得所述第一滤光器部件和所述第二滤光器部件中的至少一个对于被传输通过所述第一滤光器部件和所述第二滤光器部件的对应一者的电磁辐射而言具有非零光焦度。
67.一种用于生物分析的仪器，所述仪器包括：
激发源，所述激发源产生电磁辐射；
样品架，所述样品架被构造为容纳多个生物样品；
光学传感器，所述光学传感器被构造为接收来自所述生物样品的发射；
激发光学系统，所述激发光学系统被构造为将来自所述激发源的光导向至所述生物样品；
发射光学系统，所述发射光学系统沿着发射光学路径设置并且被构造为在定位在所述光学传感器上或近侧的像平面处形成所述生物样品的图像；
多个滤光器，所述多个滤光器具有不同的传输波段，所述滤光器沿着所述发射光学路径可互换地定位；
其中在所述滤光器中的任一者沿着所述发射光学路径定位时，所述生物样品的所述像平面具有沿着所述发射光学路径的相同位置；
其中，所述多个滤光器中的至少一个包括单透镜，使得所述多个滤光器中的至少一个对于被传输通过所述多个滤光器的对应一者的电磁辐射而言具有非零光焦度。
68.根据权利要求67所述的仪器，其中所述像平面位于所述光学传感器的表面100微米内。
69.根据权利要求67所述的仪器，还包括设置在包括所述多个生物样品的所述样品架内的样品阵列。
70.根据权利要求69所述的仪器，其中所述生物样品的所述图像包括多个斑点，所述多个斑点包括来自相应的生物样品的发射光。
71.一种用于监控多个生物样品的方法，包括：
提供根据权利要求1所述的仪器；
将包括多个生物样品的样品阵列定位在所述样品架内；
沿着所述激发光学路径和所述发射光学路径中的至少一者定位所述第一滤光器部件；
在所述第一滤光器部件沿着所述激发光学路径和所述发射光学路径中的至少一者定位时，使用所述光学传感器来同时记录所述多个生物样品的图像；
将所述第一滤光器部件远离所述激发光学路径和所述发射光学路径中的至少一者定位并且将所述第二滤光器部件沿着所述激发光学路径和所述发射光学路径中的至少一者定位；
在所述第二滤光器部件沿着所述激发光学路径和所述发射光学路径中的至少一者定位时，使用所述光学传感器来同时记录所述多个生物样品的图像。
72.根据权利要求71所述的方法，其中所述激发光学路径和所述发射光学路径中的至少一者仅为所述发射光学路径。
73.根据权利要求71所述的方法，还包括：
提供第三光焦度和具有第三滤光函数的第三滤光器部件，所述第三滤光函数包括第三低通波长和第三高通波长中的至少一者，其中所述第三低通波长和所述第二低通波长不同于所述第一低通波长和/或彼此不同，其中所述第三高通波长和所述第二高通波长不同于所述第一高通波长和/或彼此不同；
将所述第一滤光器部件和所述第二滤光器部件远离所述激发光学路径和所述发射光学路径中的至少一者定位并且将所述第三滤光器部件沿着所述激发光学路径和所述发射光学路径中的至少一者定位；
在所述第三滤光器部件沿着所述激发光学路径和所述发射光学路径中的至少一者定位时，使用所述光学传感器来同时记录所述多个生物样品的图像。
74.一种用于生物分析的仪器，所述仪器包括：
激发源，所述激发源产生电磁辐射；
样品架，所述样品架被构造为容纳多个生物样品，所述样品在通过具有第一值的第一纵横比来表征的矩形区域上延伸；
光学传感器，所述光学传感器被构造为接收来自所述生物样品的发射；
激发光学系统，所述激发光学系统被构造为将来自所述激发源的所述电磁辐射导向至所述生物样品；
发射光学系统，所述发射光学系统被构造为将来自所述生物样品中的至少一些样品的电磁发射导向至所述光学传感器；
矩形发射滤光器，所述矩形发射滤光器沿着所述样品架与所述光学传感器之间的光学路径设置，所述矩形发射滤光器通过具有第二值的第二纵横比来表征；
其中所述第一值与所述第二值偏差在20％内；
其中，所述矩形发射滤光器包括单透镜，使得所述矩形发射滤光器对于被传输通过所述矩形发射滤光器的电磁辐射而言具有非零光焦度。
75.根据权利要求74所述的仪器，其中第一值与所述第二值偏差在5％内。
76.根据权利要求74所述的仪器，其中所述第一值与所述第二值相同。
77.根据权利要求74所述的仪器，还包括通过具有第三值的第三纵横比来表征的第二矩形发射滤光器，其中所述第一值与所述第三值偏差在20％内。
78.一种用于生物分析的仪器，所述仪器包括：
激发源，所述激发源产生电磁辐射；
样品架，所述样品架被构造为容纳多个生物样品；
光学传感器，所述光学传感器被构造为接收来自所述生物样品的发射；
激发光学系统，所述激发光学系统沿着激发光学路径设置并且被构造为将来自所述激发源的所述电磁辐射导向至所述生物样品；
发射光学系统，所述发射光学系统沿着发射光学路径设置并且被构造为将来自所述生物样品的电磁发射导向至所述光学传感器；
多个滤光器部件，所述多个滤光器部件被构造为沿着所述激发光学路径和所述发射光学路径中的至少一者可互换地定位，所述多个滤光器部件包括：
第一滤光器部件，所述第一滤光器部件通过第一光焦度和具有第一滤光函数的第一滤光器来表征，所述第一滤光函数通过第一低通波长或第一高通波长中的至少一者来表征；
第二滤光器部件，所述第二滤光器部件通过第二光焦度和具有第二滤光函数的第二滤光器来表征，所述第二滤光函数包括不同于所述第一低通波长的第二低通波长或不同于所述第一高通波长的第二高通波长中的至少一者；
其中所述第二光焦度与所述第一光焦度相差的量大于零；
其中，所述多个滤光器中的至少一个包括单透镜，使得所述多个滤光器中的至少一个对于被传输通过所述多个滤光器的对应一者的电磁辐射而言具有非零光焦度。
79.根据权利要求78所述的仪器，其中所述第二光焦度与所述第一光焦度相差的量小于或等于一个屈光度的三分之一。
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