CN104937401B - 用于大分析物阵列的图像捕获 - Google Patents

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Abstract

通过形成整个阵列的子图像且通过基于计算机的拼接技术将所述子图像拼接在一起，或者通过利用与分析物阵列同延的薄膜光敏元件阵列形成阵列的单幅图像，对诸如电泳后厚板型凝胶中的溶质的分析物阵列并且尤其是超过3cm2且直到25cm2和更高的分析物阵列以5cm或更小的距离进行成像。

Description

用于大分析物阵列的图像捕获
相关申请的交互参照
本申请要求享有标题为“用于大分析物阵列的图像捕获”且于2012年10月17日提交的美国临时专利申请号61/715,103以及标题为“用于大分析物阵列的图像捕获”且于2013年4月24日提交的美国临时专利申请号61/815,456的优先权。每一优先权申请为了所有的目的通过参照全部并入本文中。
背景技术
在生化实验室中进行的许多过程涉及对分布在二维区域上的多个样品或物质的分析。这些过程的实例是在物质上进行的筛选研究，物质被放置在诸如标准96孔微量滴定板的多孔板或更大板的各个孔内，或者是在分子物种上进行的筛选研究，物种作为微观尺寸的或较大的液滴或者作为有规律地彼此间隔开的点而被应用在固体表面上。另外的实例是板型电泳凝胶，其中已进行多个平行样品的二维电泳分离或一维分离。更另外的实例是印迹膜，点或带形式的电泳分离物种已从平板凝胶转移至印迹膜。对于熟练的生物化学家而言，很容易得到其它实例。在所有的这些实例中，对二维阵列中各位点的检测和分析经常通过与每个位点相关联的光能实现，并且可以简单地由测定是否存在特定物种组成，或者也可以包括在绝对基础上的或者作为不同位点间的对比的定量测定。光能可以是透射的、吸收的、反射的，或者由物质本身在位点处产生。例如，一旦物种在整个二维阵列被分离，则作为物种在位点处的内在特征或者作为物种的处理结果，电泳凝胶或印迹膜中的物种通常通过荧光、化学发光或生物发光被检测。所述处理可以包括其中能量发射标记物被附接到物种的键合反应，或者利用激发能量照射物种或者标记物，这将使它们大多数经常在不同的波长处发射光能。
二维阵列或者支撑阵列的平面基质可以相当大，例如在长度、宽度或二者中超过大约5cm、10cm、20cm或者甚至30cm。在范围方面，长度、宽度或者二者可以例如为从大约3cm到大约100cm，从大约10cm到大约75cm，从大约5cm到大约50cm，或者从大约5cm到大约25cm。在一些情况下，大的二维阵列被分为许多窄条，以进行独立的分析。在这些情况下，可以期望分析单个条、两个或少于全部条的多个条，或者阵列的全部条。当由包括数字照相机的照相机拍摄这些图像中的任何图像时，阵列大到足以需要将照相机放置到离阵列相当大的距离处。将照相机远离阵列放置的一个结果是较少的光被捕获。通过将照相机或图像获取装置更接近阵列放置，可捕获更多的光，但这经常需要使用多个透镜和其它光学部件以获得完整图像。一些透镜使图像畸变，并且几何分辨率可以具有有限的质量。强度下降进一步使图像畸变。通常用于在生物化学应用中成像的一类照相机是电荷耦合器件(CCD)照相机，但是即使采用这种照相机及其透镜和其它光学部件，传感器也必须被很好地放置在物体平面上方，导致整个装置耗费实验室内的大量空间。
发明内容
现已发现，分布在横向尺寸太大的平面阵列内的分析物不能采用距离阵列小于大约5cm的照相机进行无畸变成像，但这些分析物实际上是可以在5cm或更小的距离处被准确地成像的。这可以通过形成分析物阵列的段的子图像且利用图像拼接技术将子图像组合为整个分析物阵列的图像而得以实现。可替换地，可通过利用光敏元件的薄膜阵列来获得整个分析物阵列的单幅图像。待成像的物体可以是分析物阵列本身或者分析物阵列所处的平面区域，且所述平面区域典型地延伸超出分析物阵列的末端。所述平面区域可以是用于分析物阵列的平面支撑基质，并且所述基质可以是多孔板、凝胶、印迹膜或者其上已分布有阵列的任何表面。当使用分析物阵列或支撑平面基质的段的子图像时，可以由设置在二维阵列中的固态图像传感器形成所述子图像。可以相对于支撑基质移动或重新定位一个或多个所述图像传感器，以获取多个子图像。当将形成单幅图像时，可通过与分析物阵列或平面基质同延的(coextensive)或者更大的光敏元件的薄膜阵列与薄膜寻址和信号处理电路组合在一起实现，所述薄膜寻址和信号处理电路访问每个光敏元件并且将由每个元件累积的能量引导至图像存储器或显示设备，在那里根据每个元件相对于阵列的位置而被储存或显示以形成图像。可以在图像传感器或薄膜阵列和分析物阵列之间放置诸如纤维光学面板或纤维光锥的透明面板。所述透明面板可以提供对分析物阵列的机械支撑，并防止图像传感器或薄膜阵列受损坏，诸如当分析物阵列湿润时可能发生的损坏。
本文提供了一种分析多个分析物的方法，所述分析物是可通过光发射检测的且被设置在二维阵列中。所述阵列被其长度、宽度或长度和宽度两者具有大约3cm最小值的平面基质支撑。所述方法包括将所述平面基质放置在检测器的5cm范围内。所述检测器可以是：(1)多个固态图像传感器，所述固态图像传感器被设置在传感器阵列中且每个所述传感器被定位以形成一段基质的子图像，从而使得这些段共同地覆盖整个基质，并且计算机根据所述图像传感器在传感器阵列中的位置对每个所述图像传感器处形成的子图像进行组装以形成所述平面基质的图像，所述图像整体上作为所述子图像的合成物；或者(2)多个光敏元件，被设置在至少基本上与所述基质同延的阵列中，薄膜寻址电路控制光敏元件累积能量并且控制从所述光敏元件释放能量，以及数据存储介质将从所述光敏元件释放的能量与所述平面基质上的位点进行相关，并且整体上从如此释放的能量形成所述平面基质的图像。
所述方法也包括：以补偿或消除跨越平面基质图像的光强中的任何不规则的方式整体上通过检测器产生平面基质图像，所述平面基质图像不代表二维的分析物阵列；并且从如此生成的平面基质图像对所述分析物进行分析。
在所述方法的一些实施例中，整体上产生所述平面基质图像包括应用平场校正来补偿或消除所述不规则。
在所述方法的一些实施例中，所述平面基质是板型凝胶，并且通过分析物在凝胶内的电泳分离来产生所述二维阵列。在其它的实施例中，所述平面基质是印迹膜，且所述二维阵列是从板型凝胶转移到印迹膜的溶质带阵列，通过分析物在所述凝胶内的电泳分离而产生多个带。
在所述方法的一些实施例中，所述检测器包括多个固态图像传感器，所述固态图像传感器被设置在传感器阵列中且每个所述固态图像传感器被定位以形成一段基质的子图像，从而使得这些段共同地覆盖整个基质，以及计算机，所述计算机用于根据所述图像传感器在传感器阵列中的位置对在每个所述图像传感器处形成的子图像进行组装以形成所述平面基质的图像，所述图像整体上作为所述子图像的合成物。在一种这样的实施例中，所述固态图像传感器是CCD或CMOS传感器，并且所述计算机包括计算机可读指令，用于对准所述子图像、用于校准所述子图像并且用于合并相邻子图像之间的重叠区域。
在所述方法的其它实施例中，所述检测器包括多个光敏元件，所述光敏元件被设置在至少基本上与所述基质同延的阵列中，薄膜寻址电路，所述薄膜寻址电路控制所述光敏元件累积能量并控制从所述光敏元件释放能量，以及数据存储介质，所述数据存储介质将从所述光敏元件释放的能量与所述平面基质上的位点进行相关，并且整体上从如此释放的能量形成所述平面基质的图像。在一种这样的实施例中，所述光敏元件是光电二极管，并且所述薄膜寻址电路包括薄膜场效应晶体管。
在一些实施例中，所述检测器限定了一个平检测表面，并且所述方法还包括在分析所述分析物之前产生每个子图像的暗信号模式并且从所述平面基质图像中减去所述暗信号模式。在一些实施例中，所述检测器限定了一个平检测表面，并且所述方法还包括沿着所述平检测表面在选定的位点处测量温度以确定温度模式，产生代表所述温度模式的暗信号模式，并且从所述平面基质图像中减去所述暗信号模式。
在所述方法的一些实施例中，所述检测器由像素组成，并且通过将光从所述平面基质通过光管阵列至所述检测器而产生所述平面基质图像，从而使每个光管将光引导至单个像素。
在所述方法的一些实施例中，在所述平面基质和所述检测器之间放置透明面板。所述透明面板可以是例如光纤面板或光纤锥。在一些这样的实施例中，所述透明面板的最大厚度是大约0.1、1、2、5、10、20或50mm。
也提供了一种用于分析多个分析物的另外方法，所述分析物是可通过光发射检测的且被设置在由平面基质支撑的二维分析物阵列中。该方法包括：将所述平面基质放置在包括一个或多个移动式固态图像传感器的检测器的5cm范围内；相对于所述平面基质移动所述图像传感器并且获取所述平面基质的多个子图像；当获取了所述子图像时，根据由所述图像传感器占据的位置将所述子图像组装成所述平面基质的一个完整图像；并且利用所述平面基质的完整图像对所述分析物进行分析。
在所述另外的方法的一些实施例中，所述平面基质的长度、宽度或长度和宽度具有大约3cm的最小值。在一些实施例中，组装包括将所述子图像中的至少两幅拼接在一起。在一些实施例中，组装包括将由同一图像传感器获取的子图像并置。
另外的方法也可以包括补偿或消除跨越所述平面基质的整个图像的光强中的任何不规则的步骤，在那里，所述不规则不代表所述二维的分析物阵列。
在所述另外的方法的一些实施例中，在所述平面基质和所述检测器之间放置透明面板。所述透明面板可以是例如光纤面板或光纤锥。所述透明面板可提供对所述分析物阵列的机械支撑。在一些这样的实施例中，所述透明面板的最大厚度是大约0.1、1、2、5、10、20或50mm。
在接下来的部分中呈现本发明的这些和其它特征的细节。
附图说明
图1示出了根据本发明一些实施例的图像的平场校正和标准化。数字代表假像素值。图1A示出了参考板的单个图像或子图像的平场校正。图1B示出了参考板或分析物阵列的相邻子图像的平场校正和标准化。黑体数字相应于重叠在两个子图像之间的像素。重叠由用于获取子图像的图像传感器被聚焦到参考板或分析物阵列的相同区域上而产生。首先，平场校正被独立应用到每个子图像。随后，根据在两幅子图像中的重叠像素的数值将一幅子图像的像素值标准化到其它子图像的像素值。
图2示出了传感器在样品上扫描期间图像传感器和样品之间的机械干扰或接触。这种干扰是不希望有的，并且在这里提出的方法和装置的一些实施例中能够避免这种干扰。
图3示出了固态图像传感器在样品(例如，分析物阵列)上扫描，在传感器和样品之间放置了一层导光材料(例如，光纤面板)。
图4示出了固态图像传感器在样品(例如，分析物阵列)上扫描，在传感器和样品之间放置了纤维光锥。
具体实施方式
在涉及使用多个固态图像传感器形成基质的子区域图像的实施例中，这种图像在这里被称为“子图像”，并且可通过现有技术的图像拼接技术实现将子图像以镶嵌工艺拼接在一起，以形成基质的一幅完整图像。图像拼接技术的实例是那些包括用于通过绘制每个子图像的坐标地图以确保子图像相对于彼此被组装在正确的几何位置中而对齐或对准子图像的算法以及用于通过移除或合并相邻子图像之间的重叠区域而消除可见接缝的算法的技术。在某些实施例中，也可以包括另外的算法，诸如用于子图像的校准以及用于虚像去除的算法。
每个传感器可以包含二维的像素阵列，以产生子图像，并且所述阵列可以是直线。像素数将是足够大的，以产生子区域的图像，所述图像示出所述区域中的任何点或带的形状的至少近似轮廓，但在通常情况下，像素数可改变。在一些实例中，像素阵列中的像素数的范围是从大约5×5(5行和5列)到大约1,000×1,000(1,000行和1,000列)。一种可替换的范围是从大约10×10到大约100×100。每个图像传感器可以是数字照相机，其传感器或是电荷耦合器件(CCD)传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器，或是光敏元件的其它阵列。通过为每个数字照相机配备透镜，可以获得有益的结果，所述透镜被选择成使用于所有照相机的所有透镜具有相同的焦距，所有照相机的焦平面是共面的，并且所有照相机的光轴是彼此平行的。
在一些实施例中，被拼接在一起成为一幅完整图像的子图像的数量等于图像传感器的数量。在这些实施例中，图像传感器共同地对近似等于或大于整个基质或分析物阵列区域的区域进行成像。相反，在其它的实施例中，一些图像传感器获取多个子图像。在这里被称为“移动式传感器”的这些传感器可以相对于基质被重新定位，在每个位置处获取新的子图像，以便多个图像传感器对整个基质进行成像。
移动式传感器可根据需要而被移动或重新定位。例如，所述传感器可以在一个区域上以直线或者光栅扫描的方式扫频。这可以通过将传感器附接到用在文件扫描仪或影印机中的那类机械定位器而实现。可替换地，基质可以被移动而传感器被保持固定。相应于由移动式传感器获取的子图像的基质部分同样能够以诸如以直线或格栅的任何模式被设置。在一些实施例中，包含在移动式传感器中的像素阵列可具有相同的行数和列数，如上所讨论的。在其它的实施例中，在像素阵列中的行数和列数可以是不相等的，结果是一幅子图像由像素的长方形或线性阵列而不是正方形阵列组成。如果像素阵列被对准移动式传感器的移动方向，则沿移动方向具有较少像素意味着捕获连续的子图像需要较小的移动。
传感器相对于基质的移动可以发生在不连续的步骤中，每个步骤相应于截然不同的子图像，或者可以是连续的，在适合于移动速度的规则时间间隔处获取子图像。在后者的情况下，获取时间与时间间隔相比应当短，从而在获取期间无有效的移动发生。如上所讨论的，诸如通过对准子图像中的任何重叠元素或者简单地通过并置由连续获取产生的子图像，可以实现由移动式传感器获取的子图像的拼接。后者的选项减少了必须进行的以获得完整图像的图像处理量。在一些实施例中，可以利用固定式图像传感器和移动式图像传感器的组合对基质进行成像。在其它的实施例中，仅使用移动式图像传感器。例如，若干个图像传感器可以被设置成直线，并且可以在基质上被扫频，共同获得基质的一幅完整图像。
复合图像可以被定性地或者定量地评价。定量分析可用于根据样品中存在或不存在已知的分子物种来确定在其上进行电泳的样品的组分。这种分析可以包括将图像上的每个带或点与单个的分子物种或者在电泳上共同迁移的物种群进行关联。通过将带或点的二维坐标与标准模板的二维坐标进行比较能够实现关联，其中所有的位置通过它们的坐标且通过位于那些坐标处的物种而被鉴别。可替换地，通过在其中已发生电泳分离的电泳凝胶中包含标准物和待分析的样品可以实现相关。所述标准物可以是怀疑包括或者潜在地包括在样品中的相同分子物种的混合物，或者是一系列的分子量标记物，跨越在样品的分子物种中是典型的分子量范围，样品具有与被分析样品相同或相似的来源。可以在视觉上由实验室技术人员实现相关，或者可以电子地实现相关。通过将合成图像投影到照相介质或计算机屏幕上可以实现视觉相关。通过计算机软件可以实现电子相关，所述软件从像素采集信息并且根据像素位置对采集的信息进行分类，同时将信息与所述信息的库或如上描述的标准物进行比较，从而将每个点或带鉴定为代表特定的分子物种。
当定量分析被期望时，传感器可用于在一个时间段采集数据，从而每个像素将具有正比于从像素被集中的基质上的位点发射的强度的保留数据量。正比于用于每个像素的累积数据的电信号可随后被处理，并且与来自其它像素的相应信号进行对比，以确定相对强度并且从而确定分子物种的相对量。通过校准或者通过与代表物种的已知浓度或量的标准物进行比较，可以确定绝对值。可以由计算机利用已知的算法进行所有的这种信号处理和比较，检测并记录每个像素的位置和在每个像素代表的基质内的位置，以及信号的存在或不存在和信号强度。
必要时，在本发明的实践中，以消除或补偿跨越不可归于或者代表分析物阵列的平面基质图像的光强中的任何不规则的方式完成图像的产生。表达式“跨越平面基质图像”在这里被用于指沿着图像表面的方向，即在图像的平面内。这些不规则趋于引入伪像、阴影或光强变化，通常不代表分析物之间的差异，并且它们能够以不同的方式发生。例如，各个照相机固有地产生由形成图像的像素间的不规则引起的畸变图像。这种畸变经常是由于当采用移动式传感器时，光学系统或者定位系统中的不均匀性，但是也可以由其它的伪像引起，并且在任何情况下干扰阵列中的像素之间的准确定量。通过本领域已知为“平场校正”的校准技术可实现对这种畸变的补偿。在Naghieh，H.R.等的美国专利申请公开号US2003-0039383 Al(于2003年2月27日公开)和美国专利号5,799,773(于1998年9月1日公告)，美国专利号5,891,314(于1999年4月6日公告)，美国专利号5,897,760(于1999年4月27日公告)及美国专利号5,951,838(于1999年9月14日公告)(所有列出的专利以Heffelfinger，D.M.和C.Van Horn为发明人)中可以找到平场校正的实例。在Heffelfinger和Van Horn的专利中描述的方法不同地包括透镜和检测器组件的校准，采用扫描光源实现均匀照明，采用反射镜或分光器对光源进行采样，或者在一定范围的孔径和放大设置上生成校正数据。在Naghieh等的公开中描述的方法涉及将感兴趣的阵列的图像与响应于均匀地沿着其长度和宽度的入射光的参考板的图像进行对比。因此，例如，参考板是均匀地吸收和/或透射光的，或者包含在整个板均匀地分布并且可被入射光均匀地激发的荧光物质。参考板被放置在成像系统中，独立于并且代替将被成像的阵列，并且以与阵列的图像相同的方式拍摄参考板的图像。随后将两幅图像在逐像素的基础上进行对比，并且通过适当的公式或算法校正凝胶图像，解决参考板图像中的任何不均匀或偏差。参考板的图像被称为平场图像，并且凝胶的校正图像被称为平场校正的图像。
将更加详细地描述Naghieh等的平场校正技术，但是应当理解，这仅仅是这种技术的一个实例。
根据Naghieh等的技术，参考板可以是具有与待成像的阵列相同尺寸的平板，或者当仅部分阵列是感兴趣的时，参考板的尺寸将至少与所述部分的尺寸一样大。板的厚度可以是从1/16英寸(0.16cm)至1/2英寸(1.27cm)，或者作为一个实例，厚度为近似1/8英寸(0.32cm)。板将是均匀地沿着其长度和宽度响应于入射光的板，即它不包含不均匀，所述不均匀将导致在板上的任何点处的吸收或透射光不同于任何其它点。当所述板是荧光板时，它将是透射光的板，不传输光源的图像，并且将采用荧光染料染色或者是白色的。板将被构造成除了可归于光源的那些之外，以包括无空间变化的方式分散从光源撞击它的光，并且朝检测器发射光。对于含有荧光标记的阵列，特别有用的参考板是具有荧光染料诸如红色或橙色染料的板。对于涉及来自光源而不是发射的光的吸收的阵列，将来自光源的紫外光转化为白光的半透明荧光白色参考板是特别有用的。
可以在参考板的图像之前或之后拍摄分析物阵列的图像。在任一情况下，参考板的图像可以被储存为在校正分析物阵列的图像中使用的数字数据。可以通过将两幅图像进行对比并且基于在参考图像中无不均匀或偏差来校正分析物阵列图像的任何公式或算法实现校正(图1A)。这种对比和校正很容易通过软件进行，可以随后显示校正的图像。当图像由二维的像素阵列组成时，所述像素在阵列中的位置通过正交的坐标X和Y定义，校正公式的一个实例如下：
其中：
Piff(XY)是在位置XY处的像素的校正值，
Pi(XY)是在位置XY处的像素在校正前的数值，
AvFlat是从利用参考板获得的数值平均值获得的系数，并且
P(XY)Flat是在参考板的位置XY处的像素的数值。
其它的校正算法和方法对本领域技术人员而言将是显而易见的。一旦已进行了校正，校正的像素可以被重新组装，以形成校正的图像。
在通过首先采用独立的图像传感器或照相机形成分析物阵列的子图像或段实现对分析物阵列进行成像的本发明实施例中，可以在合成图像上执行平场校正，以补偿各种照相机之间的响应差异，或者补偿同一照相机随着时间产生的差异或者在各种位置处的差异。利用相邻的子图像作为一个实例，该类型的校正可通过将两幅子图像的面对边缘聚焦在像素的相同行上而得以实现，从而导致两幅子图像在这些像素处重叠。在一幅子图像中的这些像素的强度和其它子图像的像素强度之间的对比将提供一个校正因子，所述校正因子可随后被应用到一幅子图像的所有像素，从而标准化两幅子图像(图1B)。平场校正可因此被用在每个子图像内以及不同的子图像之间。
在Shimizu(佳能株式会社)的美国专利号4,675,533(1987年6月23日)，Gruber等(Vexcel成像公司)的美国专利号US 7,009,638 B2(2006年3月7日)，Ziemkowski(惠普开发公司)的美国专利号7,136,094(2006年11月14)，Agarwala等(微软公司)的美国专利号7,499,586 B2(2009年3月3日)，Ojanen等(诺基亚公司)的美国专利号US 7,499,600 B2(2009年3月3日)以及明尼苏达大学的Regents的国际专利申请公开号WO 02/093144 Al(2002年11月21日)发现了形成子图像并且将子图像拼接在一起以获得合成图像的描述。
在利用光敏元件阵列的本发明实施例中，阵列的横向尺寸是与基质相同的尺寸或更大，即阵列与基质至少是同延的，并且在阵列上形成整个基质的单个图像，至少近似与基质的尺寸相同。阵列中的光敏元件数可广泛地改变，但最经常的将是至少1,000×1,000，并且在许多情况下处于1,000×1,000至1,000,000×1,000,000的范围内，或者甚至处于1,000×1,000到10,000,000×10,000,000的范围内。光敏元件接收来自基质上的位点的光能，所述元件与所述基质对准，并且所述元件产生可检测的电信号，所述信号代表元件从基质接收的能量。电信号被储存在数据存储介质中，电信号可以从那里被投影或者另外做成可见的或者可检测的，作为基质的图像。
可以使用各种已知光敏元件中的任何一种，光敏元件的实例是光电二极管、光敏晶体管、光敏电阻器和光伏设备。光敏元件包括至少一层半导体材料，优选硅半导体合金材料，材料的实例是非晶硅合金材料、非晶锗合金材料、非晶硅碳合金材料以及非晶硅锗合金材料。当使用光电二极管时，每个光电二极管可以包括半导体材料的两个相对掺杂层，任选地具有一层内在的半导体材料插入在两个掺杂层之间，从而形成p-i-n型的光电二极管。在某些实施例中，所述阵列还包括寻址机构，用于独立地访问每个光敏元件。这种机构的一个实例是包括设置在x-y基质中的电导线和与诸如二极管、晶体管、电阻器、阈值开关或者继电器的每个光敏元件相关联的遮光元件的机构。寻址电路可以是与传感器阵列分离的，或者与传感器阵列集成在一个公共基质上。
用于这种类型的阵列的光电传感器及其相关联的部件是本领域已知的。实例是为X射线成像而研发的某些传感器，尤其是为了大区域制作的那些，并且涉及低读取噪声和弱暗电流噪声。采用这种类型的传感器进行X射线成像的两种技术是薄膜场效应晶体管(TFT)技术和CMOS。在这些技术中用在阵列中的像素元件通常是大的(50-200μm)，该特征使这些阵列在本发明的实践中是特别有用的。因此，在某些实施例中，X射线成像技术被用于凝胶记录和化学发光成像。
体系结构在不同的光电传感器之间广泛地改变，并且通过考虑一种例证类的光电传感器即光电二极管和TFT的组合，可以获得对用在本发明中的光电传感器的基本结构和功能的通常理解。TFT的体系结构和制造方法也广泛地改变，但根据一个实例，首先在基板上的的铝层上形成的钛-钨(TiW)、铬、钼或钽层，以充当金属门电极。随后在金属门电极上形成氮化硅(SiNx)的的门介电层，并且在门介电层上形成的氢化无定形硅(α-Si：H)层。在门电极上方的α-Si：H层上形成的SiNx蚀刻阻挡层，并在α-Si：H层的上方且部分在蚀刻阻挡层的上方形成的n+层。在n+层的上方形成的TiW层，且在TiW层的上方形成0.5μAl层，以充当阻挡层，防止Al层与n+层发生相互作用。蚀刻阻挡层左侧上的n+层、TiW金属层和Al层充当TFT的源极，并且蚀刻阻挡层右侧上的n+层、TiW金属层和Al层充当TFT的漏极。在TFT上方形成具有通孔的0.5-2.0μ硅氧氮化物(SiON)层，并且在SiON层上方形成的n+掺杂层，和漏极接触。在n+掺杂层上方形成未掺杂的0.5-2.0μ α-Si：H层，在未掺杂的α-Si：H层上方形成p+掺杂层，并且在p+掺杂层上方形成氧化铟锡(ITO)透明导电层。在导电层上形成带通孔的0.5-2.0μ硅氧氮化物(SiON)层，并且在SiON层上方形成偏压触点，其是0.5-1.0μAl层之下的的TiW层，和导电层接触。最后，在导电层和偏压触点上形成0.5-1.0μ的SiON钝化层。相邻的光电二极管被经过n+掺杂层、α-Si：H层、p+掺杂层的切口分开。
可以在TFT上以各种方式形成光电二极管。根据一个实例，SiON层被形成在TFT上方，随后被掩饰并被蚀刻，以形成使漏极露出的通孔。n+掺杂层随后被形成在SiON层上，和漏极接触。α-Si：H层随后被形成在n+掺杂层上，p+掺杂层被形成在α-Si：H层上，并且导电层被形成在p+掺杂层上。导电层被掩饰且被蚀刻，以形成暴露SiON层的切口。SiON层随后被形成在导电层上，并且填充切口，从而防止金属偏压层使光电二极管短路，且防止提供经n+层跨越蚀刻的连接。SiON层随后被掩饰且被蚀刻，以形成通孔，并且金属偏压层被形成在SiON层上，以通过通孔而接触导电层。金属偏压层随后被掩饰且被蚀刻，以形成偏压触点。钝化层随后被形成在导电层和偏压触点上，以完成光电二极管。填充的切口因而使光电二极管彼此分离，从而它们能够独立地累积电荷。每个光电二极管通过在偏压触点上应用在α-Si：H层中引起电场的电压而被偏压。当光进入α-Si：H层时，产生电子-空穴对并被电场扫频到光电二极管的相对侧，在那里它们在导电层和n+掺杂层附近累积。操作期间，TFT被关闭，以允许光电二极管累积基于入射光的电荷。当接收来自外部控制器的控制信号时，TFT打开，并且累积的电荷被允许作为电流流经源极至用于放大并处理所接收的图像信号的部件。
由光电传感器阵列产生的电信号可以被传输到常规的图像存储器或显示设备。实例为磁性的、光学的、半导体和磁泡存储器设备。可以使用视频显示终端、照片软片或者相变光学数据存储介质。包含光电传感器阵列的照相机可以含有用于启动对TFT释放的信息读取的触发机构以及用于将这样读取的信息写到存储介质上的机构。最终的图像可以由试验室技术人员或测试设备在定性或定量基础上视觉上进行分析。
在每个图像或子图像内，可能出现幅度大到足以消弱或限制传感器灵敏度的暗信号量。“暗信号”被定义为光敏元件在不存在光时的响应。来自暗信号的传感器限制的一个来源是基本的散射噪声。另一个来源是固定模式噪声。对于大区域传感器，由于传感器阵列的大尺寸，来自暗信号的噪声可能变为非常大。产生暗信号的物理过程通常随着用在光敏元件中的材料量的增加而增加。通过移除固定模式暗噪声，可以显著地增加光电传感器阵列的灵敏度。这可以通过为传感器阵列产生暗信号模式并且从由阵列产生的测量模式中减去暗信号模式而实现。暗信号模式可随着温度、时间或者二者改变，并且可因此被表征为这两个变量的函数。例如，可以进行温度测量，并且可以相应地调节暗电流模式，以减去固定模式暗电流。温度也可以在光电传感器阵列内的不同光电传感器之间改变。为了补偿该变化，可以在光电传感器阵列内的不同位置处即沿着由阵列形成的平检测表面在选定的位点处进行多个温度测量，以测定沿着所述表面的温度变化和最终的温度模式。可随后相应地调节暗信号模式。
图像传感器有时经历异常事件，导致各像素或像素组对准与相邻像素对比时为异常的响应，该响应不代表样品的响应。除上面引用的暗信号之外，例如由外部的电磁辐射或者来自空间或放射性物质的高能粒子的碰撞引发这种事件，同时某些响应的来源是不被理解的。这些异常事件的频率随着光电传感器阵列的面积增加而增加。对这些事件的像素响应可通过各种信号处理技术进行校正。例如，通过将在特定像素处的响应与相邻像素的响应进行比较，能够确定该特定的像素是否正经历异常的响应。如果在像素处的响应不被认为代表测量并且从而是异常的，则在所述像素处的响应可以被校正或者被移除。
光电传感器阵列经常包含在光电传感器制造阶段引入的制造缺陷或暗信号缺陷，并且这些缺陷可能影响各像素、像素行、像素列或者传感器阵列的其它部分。缺陷的数量趋于随着光电传感器阵列的尺寸增加而增加。这些缺陷的校正能够改善图像的灵敏度和定性外观以及制造产量，并且这种校正可通过硬件、软件或者二者来实现。例如，如果光电传感器阵列的一整列均不能正确地发挥作用，则可通过简单地平均任一侧上的相邻列而替代所述列。
由于待成像的样品(即分析物阵列)被放置在光电传感器阵列附近，因此可能希望使光电传感器阵列不受样品尤其是湿样品和/或物理接触将被避免的样品的影响。通过直接在传感器表面上沉积一薄层材料或者将一薄层材料键合到传感器表面充当面板，可以实现防护。所述材料对于被检测的光必须是透明的。具有的厚度近似等于或小于光电传感器上的像素尺寸的薄玻璃元件可用作面板，以避免当光从样品传到检测器表面时光显著扩展。例如，可以使用厚度为100微米的玻璃层，并且样品可以被直接放置到玻璃层上并被分析，而无显著的空间分辨率损失。通过适当的软件算法可以校正任何光扩展以及由保护层引入的空间分辨率的必然损失。
提高光电传感器阵列的灵敏度的另一种方式是将一层材料放置到阵列上，所述材料将光引导至每个传感器，并且从而减小或消除至相邻传感器的横向扩散，以提高空间分辨率。这种材料的一个实例是包含以像素化模式设置的光管的材料，即每个像素通过独立的光管或者光管的独立组接收光。这可以采用纤维光学面板(也被称为光纤面板)实现，所述纤维光学面板为短光纤的相干光束。
透明面板，例如一薄层玻璃或塑料或者光纤面板也可以用在本发明的实施例中，其中利用多个固态图像传感器对样品进行成像，并且尤其是其中一个或多个传感器在样品上进行扫描，如上所讨论的。这里，所述面板可以被放置在样品和传感器之间，并且可以提供对样品的机械支撑。所述面板也提供平表面，防止传感器和样品之间的接触，如果传感器直接在样品上进行扫描或者如果样品被不规则地成形(例如，由于为湿的)，则可能发生接触(参见图2和3)。因此，所述面板防止由于这种接触产生的传感器损坏，同时样品和传感器保持靠近在一起。在透明面板提供对样品的机械支撑并且保护传感器的实施例中，所述透明面板优选是光纤面板或由导光材料制成。这允许面板足够厚以提供支撑，而未引起分辨率或灵敏度的损失。当一个或多个传感器在样品上进行扫描时，或者在传感器不支撑样品的其它实施例中，可以使用厚面板。相反，当利用薄膜阵列检测样品时，因为阵列机械地支撑样品，可以使用较薄的面板。
在利用玻璃面板的本发明实施例中，一方面涉及支撑样品和保护传感器之间的权衡，并且另一方面允许光在样品和传感器之间以高分辨率传输。这是因为在上下文中，随着面板的厚度增加，玻璃和其它的非导光材料提供较大的强度但较差的分辨率。然而，在利用光纤面板的实施例中，面板可以被制成足够厚(例如1-30mm)，以提供坚固的机械强度，同时也允许光以非常小的损失或扩散传输。光纤面板可以被定位成使制作面板的光纤平行于光传输的方向定向。其中，适合于这些实施例的光纤面板可购自InCom(零件号为B7D61-6)和Edmund光学器件公司(零件号为55-142)。通常，透明面板的最大厚度可以是大约0.1、1、2、5、10、20或50mm。
纤维光锥(例如Edmund光学器件公司的55-139号零件)为另一种类型的面板，能够被用于使样品与固态图像传感器或薄膜阵列分离。如同光纤面板一样，纤维光锥(也被称为光纤锥或简称为锥)包括一束相干光纤，但光纤在一端比在另一端具有更大的直径。结果，所述锥的两个功能表面具有不同的面积，相应于光纤较厚端的表面具有较大的面积。在使用固态图像传感器的实施例中，传感器可以被放置成邻近光纤锥的小表面，从而通过所述锥的样品(或其部分)的图像被放大。固定的各传感器可因而获取相应于样品的较大区域的子图像，未更加远离样品放置传感器或者损失分辨率。可替换地，移动式传感器可以在光纤锥的小表面上进行扫描，需要比在不存在光纤锥(图4)时对样品的相同部分进行成像所必需的较小的(或较少的)移动。在采用薄膜阵列的实施例中，阵列可以类似地放置成邻近光纤锥的较小表面。这允许小于样品的薄膜阵列捕获整个样品的图像。同样可能的是相对于样品以协同的方式移动薄膜阵列和光纤锥，诸如通过在样品上进行扫描，以允许非常大样品的成像。
在采用薄膜阵列的实施例中，与上面讨论的暗信号相关联的噪声的某些来源可以通过冷却光电传感器阵列而减轻，这是由于当传感器温度降低时，经常减少了暗信号发生。然而，光电传感器阵列的冷却可能导致不希望的样品(分析物阵列)冷却。在化学发光应用中，例如，冷却样品可减小由样品产生的光强度。通过在样品和阵列之间放置绝热材料而将光电传感器阵列和样品热分离，可以减轻样品冷却。可替换地，通过测量的定时，即通过将样品与阵列紧密接触前冷却传感器阵列，随后朝向阵列拉样品，并且在样品有时间冷却之前迅速地进行测量，可以避免样品冷却的副作用。在冷却传感器时，通过利用氧化铟锡(ITO)层或者通过红外辐射加热样品，可实现相同的结果。
在Ovshinsky等(能量转换装置公司)的美国专利号4,788,594(1988年11月29日)，Ovshinsky等(能量转换装置公司)的美国专利号4,853,785(1989年8月1日)，Weisfield(Xerox公司)的美国专利号5,619,033(1997年4月8日)，Park等(dpiX，L.L.C.)的美国专利号7,265,327 B1(2007年9月4日)，Yuan等(DPIX LLC)的美国专利号7,532,264(2009年5月12日)，Weisfield等(Xerox公司)的美国专利号7,902,004(2011年3月8日)和Zentai等(Varian医疗系统公司和dpiX，L.L.C.)的美国专利号8,232,531，B2(2012年7月31日)中找到了对上述类型的薄膜阵列及其应用的描述。
作为分子物种阵列的支撑的平面基质可以是其中已进行电泳以实现分离的平板凝胶，凝胶中的带或点已转移至此的印迹膜，或者各种其它的以各种方式获得且为了各种目的而被使用的空间阵列或模式中的任何一种。已经在平板凝胶中用电泳方法分离的蛋白质、核酸或其它生物物种，经常在鉴定和定量之前被转移到由硝酸纤维素、尼龙、二氟化聚乙烯或类似材料形成的印迹膜上。普通的迁移技术是电印迹法，其中，将凝胶和膜的平表面放置成直接接触，并且电流沿横向方向通过凝胶和膜，由此以类似于在凝胶内移动物种的方式转移物种。当物种为DNA片段时，这种转移被称为“Southern”印迹法，该方法根据其创始人英国生物学家Edwin M.Southern的名字命名。用类推的方法，RNA片段的转移被称为“northern”印迹法，并且蛋白质或多肽的转移被称为“western”印迹法。更另外的实例是用于翻译后修饰的“eastern”印迹法和用于蛋白质相互作用的“far western”印迹法。
电印迹法可以以湿式、干式或者半干式的方式进行。在湿式印迹法中，凝胶和膜彼此层叠在堆叠中，该堆叠被浸没在容器的转移缓冲溶液中，在容器壁上安装了线或板电极。电极然后被通电，从而使溶质从凝胶迁移到膜上。在半干式印迹法中，用转移缓冲溶液湿润的滤纸被放置在堆叠的顶部和底部，并且凝胶和膜位于中间，以形成“印迹夹层”。然后，将电极放置成与湿滤纸的暴露表面直接接触。干式电印迹法不使用除驻留在凝胶内的那些缓冲剂之外的其它液体缓冲剂。在Margalit等(Invitrogen)的美国专利申请公开号US 2006/0272946Al(2006年12月7日)，公开号US 2006/0278531 Al(2006年12月14日)和公开号US2009/0026079 Al(2009年1月29日)；Littlehales(Amercan Bionetics)的美国专利号4,840,714(1989年6月20日)；Dyson等(Amersham International)的美国专利号4,889,606(1989年12月26日)；Schuette(Life Technologies，Inc.)的美国专利号5,013,420(1991年5月7日)；Chan等(Abbott Laboratories)的美国专利号5,356,772(1994年10月18日)；Camacho(Hoefer Scientific Instruments)的美国专利号5,445,723(2005年8月29日)；Boquet(Bertin&Cie)的美国专利号5,482,613(1996年1月9日)和Chen(WealtecEnterprise Co.，Ltd.)的美国专利号6,592,734(2003年7月15日)中找到了有关湿式、干式和半干式电印迹法以及相关材料和设备的描述。
与电印迹法方式无关，最后得到的电印迹经常采用检测试剂进行处理，以产生可由检测器阵列中的光电传感器或光敏元件通过适合于带或点中的物种的方法检测的印迹中的带或点。例如，在“Southern”和“northern”印迹法中，检测试剂为杂交探针，跟随其后的是荧光或发光染料。在“western”印迹法中，检测试剂是抗体，跟随其后的是利用常规的标记技术检测抗体。采用“far western”印迹法和“eastern”印迹法进行熟练的生物化学家已知的类似或相似的操作。诸如这些的处理也可以被直接应用到凝胶。
具有二维的分子物种阵列的基质的另外实例是质谱目标。更另外的实例是蛋白质、核酸，或者已通过诸如电喷镀、真空沉积和针点样的装置以有规律的间隔开或者无规律的间隔开的二维阵列方式沉积到膜或其它支撑表面上的其它生物物种。
在附后的权利要求书中，术语“一个”用来表示“一个或多个”。在叙述一个步骤或一个元件之前，术语“包括”及其诸如“包含”和“含有”之类的变体，旨在意味着添加另外的步骤或元件是任选的且不被排除在外。在本说明书中引用的所有专利、专利申请以及其它的公开参考资料通过参照全部并入本文中。期望以有利于本说明书中的教导的方式解决通常在这里引用的任何参考资料或者任何现有技术和本说明书的明确教导之间的任何差异。这包括单词或短语的行内理解定义和本说明书中提供的对同一单词或短语的明确定义之间的任何差异。

Claims (21)

1.一种分析多个分析物的方法，所述分析物是可通过光发射检测的并且被设置在由平面基质支撑的二维阵列中，所述平面基质的长度、宽度或长度和宽度两者具有3cm的最小值，所述方法包括：
(a)将所述平面基质放置在检测器的5cm之内，所述检测器选自由以下组成的组：
(1)多个固态图像传感器，所述多个固态图像传感器被设置在传感器阵列中并且每个固态图像传感器被定位以形成所述基质的一段的子图像从而使得所述段共同地覆盖所述平面基质，以及计算机，所述计算机用于根据所述图像传感器在所述传感器阵列中的位置对在每个图像传感器处形成的子图像进行组装以形成所述平面基质的图像，整体上作为所述子图像的合成物，以及
(2)设置在一阵列中的多个光敏元件，所述阵列是至少基本上与所述基质同延的，薄膜寻址电路，所述薄膜寻址电路控制所述光敏元件累积能量并控制从所述光敏元件释放能量，以及数据存储介质，所述数据存储介质将从所述光敏元件释放的能量与所述平面基质上的位点进行关联并且从如此释放的所述能量形成所述平面基质的整体图像；以及
(b)以补偿或消除跨越形成所述平面基质的所述整体图像的像素的光强中的任何不规则的方式，由所述检测器产生所述平面基质的所述整体图像，其中所述不规则不代表二维的分析物阵列的光强变化，以及其中所述不规则的所述补偿或消除包括将特定像素的响应与相邻像素的响应进行比较；以及
(c)从如此生成的所述平面基质图像对所述分析物进行分析。
2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(b)包括应用平场校正来补偿或消除所述不规则。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述平面基质是板型凝胶，并且通过所述分析物在所述凝胶中的电泳分离而产生所述二维阵列。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述平面基质是印迹膜，并且所述二维阵列是从板型凝胶转移到所述印迹膜的溶质带的阵列，其中通过所述分析物在所述凝胶中的电泳分离而产生所述带。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述固态图像传感器是CCD或CMOS传感器，并且所述计算机包括计算机可读指令，用于对准所述子图像、用于校准所述子图像以及用于合并相邻的子图像之间的重叠区域。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述光敏元件是光电二极管，并且所述薄膜寻址电路包括薄膜场效应晶体管。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述检测器限定一平检测表面，所述方法还包括在步骤(c)之前产生每个子图像的暗信号模式并且从所述平面基质图像减去所述暗信号模式。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述检测器限定一平检测表面，所述方法还包括沿着所述平检测表面在选定的位点处测量温度以确定温度模式，产生代表所述温度模式的暗信号模式，并且从所述平面基质图像减去所述暗信号模式。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述检测器由像素组成，并且步骤(b)包括使光从所述平面基质通过光管阵列至所述检测器，每个所述光管将光引导至单个像素。
10.根据权利要求1所述的方法，其中在所述平面基质和所述检测器之间放置透明面板，以及其中所述透明面板沉积在所述传感器阵列上或者直接键合到所述传感器阵列。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述透明面板是光纤面板或光纤锥。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述透明面板的最大厚度是10mm。
13.一种分析多个分析物的方法，所述分析物是可通过光发射检测的并且被设置在由平面基质支撑的二维分析物阵列中，所述方法包括：
将所述平面基质放置在包括一个或多个移动式固态图像传感器的检测器的5cm之内；
使所述图像传感器相对于所述平面基质定位在两个或多个位置上并且在所述两个或多个位置上用所述图像传感器获取所述平面基质的多个子图像；
当获取所述子图像时根据由所述图像传感器占据的位置将所述子图像组装为所述平面基质的完整图像；
补偿或消除跨越形成所述平面基质的所述完整图像的像素的光强中的任何不规则，其中所述不规则不代表所述二维分析物阵列的光强变化，以及其中所述的不规则的补偿或消除包括将特定像素的响应与相邻像素的响应进行比较；并且
利用所述平面基质的完整图像对所述分析物进行分析。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述平面基质的长度、宽度或者长度和宽度两者具有3cm的最小值。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述固态图像传感器在不连续的步骤中被移动。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述组装包括将所述子图像中的至少两幅拼接在一起。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述组装包括将由同一图像传感器获取的子图像并置。
18.根据权利要求13所述的方法，其中在所述平面基质和所述检测器之间放置透明面板，以及其中所述透明面板沉积在所述传感器阵列上或者直接键合到所述传感器阵列。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述透明面板是光纤面板或光纤锥。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述透明面板对所述分析物阵列提供机械支撑。
21.根据权利要求18所述的方法，其中所述透明面板的最大厚度是10mm。
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