CN105510283B - 具样品加热能力的高通量荧光成像系统与装置以及相关方法 - Google Patents

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Abstract

一种具样品加热能力的高通量荧光成像是统，包括图像传感器晶元，所述图像传感器晶元具有用于荧光成像分别容置于所述图像传感器晶元上的多个流体通道内的多个样品的多个图像传感器。所述高通量荧光成像是统进一步包括用以加热样品的加热模块，其与所述图像传感器晶元热耦合。一种用于高通量检验处理的方法，包括通过使用与图像传感器晶元耦合的加热模块加热图像传感器晶元以调控分别容置于所述图像传感器晶元上的多个流体通道内的多个样品的温度，以控制样品内的反应动力；以及分别使用所述图像传感器晶元上的各图像传感器获取样品的多个荧光图像，以检测所述多个样品内的一或多个成份。

Description

具样品加热能力的高通量荧光成像系统与装置以及相关方法
技术领域
无。
背景技术
荧光成像是一常用于检测人或动物受试者的血液、尿液、或唾液样品等生物样品内成份的技术，以描述所述样品某方面的特征。使用经适当波长的光激发后发射荧光的荧光卷标标记感兴趣的样品成份。荧光成像是用于测定包括医疗诊断、食品安全与鉴识科学的各种应用中生物检验的结果。在一些案例中，必须于短时间内在单一样品上进行数个相异的检验，此相异的检验的其中一部分为互不兼容因此需要个别的处理。在其它案例中，必须在一短时间内处理多个样品。
脱氧核醣核酸(DNA)定序为受益于平行处理多个样品的应用以实时定序DNA的显著实例。一些比较流行、市售的DNA定序系统依序测定一股DNA上的核苷酸碱基的顺序。每一碱基的测定是经由生物检验接着用荧光成像以测定碱基类别，即腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)或胸腺嘧啶(T)。测定每一碱基的程序为耗时的且全部的定序程序可能偶有检验错误导致错误的定序。因此，DNA链通常切割成很多较短的片段并平行处理。
DNA定序与许多其它DNA或核醣核酸(RNA)检验苦于所调查的DNA或RNA物质可用的数量太少而无法产生可量测的结果。于此情况下，所述DNA/RNA物质可藉由聚合酶链锁反应(polymerase chain reaction，PCR)而扩增。PCR为一种热导检验(thermally mediatedassay)其产生DNA或RNA分子的许多复制品。绝大多数的PCR方法使用样本的热循环，其中每一循环加倍所述DNA或RNA物质，最终致使所述原始物质的显著增幅。恒温式核酸增幅法(isothermal amplification)为PCR的一替代方法，其中所述增幅发生于恒定、升温的环境中。
发明内容
在一实施例中，一种具样品加热能力的高通量荧光成像系统包括图像传感器晶元，所述图像传感器晶元具有用来荧光成像放置于所述图像传感器晶元上的多个样品的多个图像传感器。所述高通量荧光成像系统进一步包括用来各自容置图像传感器晶元上的多个样品的多个流体通道，以及用来加热样品的与所述图像传感器晶元热耦合的加热模块。
在一实施例中，一种用于高通量检验处理的方法包括(a)藉由使用与所述图像传感器晶元热耦合的加热模块加热所述图像传感器晶元，以调控分别容置于所述图像传感器晶元上的多个流体通道内的多个样品的温度，以控制样品内的反应动力，以及(b)分别使用所述图像传感器晶元上的多个图像传感器获取样品的多个荧光图像，以检测所述多个样品内的一个或多个成份。
在一实施例中，一种用于制造具有样品加热能力的高通量荧光成像系统的方法，包括(a)将包含多个流体通道的流体晶元接合至包含多个图像传感器的图像传感器晶元，以及(b)将包含用以发热的加热器的加热模块接合至所述图像传感器晶元以使所述加热器与所述图像传感器晶元热耦合。
附图说明
图1为根据一实施例绘示具有样品加热能力的高通量荧光成像装置。
图2为根据一实施例绘示具有荧光成像读出并用以高通量热传导检验处理的方法。
图3为根据一实施例所显示的图1的高通量荧光成像装置的细部侧面剖视图。
图4A与4B为根据一实施例绘示图1的高通量荧光成像系统的局部与荧光标记样品成份的无透镜荧光成像。
图5A与5B为根据一实施例绘示高通量荧光成像装置，其具有位于加热模块背对图像传感器晶元的表面上的热源。
图6A与6B为根据一实施例绘示高通量荧光成像装置，其具有位于加热模块与图像传感器晶元两者间的接口的热源。
图7为根据一实施例绘示可分开加热图像传感器晶元的不同区域的加热模块。
图8为根据一实施例绘示高通量荧光成像系统，其接收图1的高通量荧光装置以执行图2的方法。
图9为根据一实施例绘示用于多个样品的高通量、PCR增幅与荧光成像读出的方法。
图10为根据一实施例绘示处理多个样品的方案。
图11为根据一实施例绘示处理多个样品的另一方案
图12为根据一实施例绘示用于多个样品的高通量、PCR增幅与荧光成像读出的方法，包括经增幅样品的后PCR检验处理。
图13为根据一实施例绘示用于制造图1的高通量荧光成像装置的方法。
图14为根据一实施例绘示盖子与通道层。
具体实施方式
图1绘示一示例性的具样品加热能力的高通量荧光成像装置100。图2绘示一示例性的用于高通量热传导检验处理的方法200，其具有荧光成像读出并使用高通量荧光成像装置100。图1与图2一起检视为最佳。
高通量荧光成像装置100在相对简洁与节约成本的套装下，为平行处理多个样品150提供一整合性的解决方案。由高通量荧光成像装置100处理样品150包括调控样品150的温度以及所述样品150的荧光成像，以测定检验的一产物至少部分为导热的。高通量荧光成像装置100可用互补式金属氧化物半导体(CMOS)制造技术来制造。CMOS制造以低成本产生高产量。因此，与现有的PCR与DNA定序装置相比，高通量荧光装置100可用较低成本制造。此外，CMOS制造容许对非常小的特征的精确制造，例如微米或次微米尺寸的特征。因此，与现有PCR和DNA定序装置相比，高通量荧光成像装置100可操作于较小量的样品150，从而降低操作成本，同时达到高性能与高通量。
方法200同时平行处理多个样品，例如将样品进行PCR或恒温式核酸增幅法且/或同时定序多重DNA片段。荧光成像装置100包括具有多个图像传感器112的图像传感器晶元110、与图像传感器晶元110配合以产生多个流体通道122的流体晶元120以及加热模块130。为清楚说明，图1上并未标示所有的图像传感器112。流体晶元120是置于图像传感器晶元110的光接收表面(light receiving surface)114上，使得流体通道122与光接收表面114接触且与多个图像传感器112光学通讯。在一实施例中，光接收表面114为平面或大致上为平面。这消除了反的可能昂贵的成像光件的需求。个别的图像传感器112合作产生一大的表面，因此高通量荧光成像装置100特别适用于表面型检验的处理和读出。加热模块130是与图像传感器晶元110上相反于光接收表面114的表面热耦合。在某些实施例中，加热模块130是与图像传感器晶元110直接接触。
图像传感器112可为一电耦合装置(CCD)图像传感器、前照式CMOS图像传感器或一背照式CMOS图像传感器。图像传感器112可有百万像素分辨率且可有表面积在约1到约50平方毫米的范围内。
尽管图1中显示五个流体通道122，高通量荧光成像装置100可包括任何大于一的数量的流体通道122，而不脱离本发明的范围。例如，高通量荧光成像装置100可包括大约数十、数百、数千或数万个流体通道122。同样地，图像传感器晶元110可包括任何大于一的数量的图像传感器112，例如数十、数百、数千或数万个图像传感器112。
流体通道122可具有与图1所示相异的形状，而不脱离本发明的范围。例如流体通道122可为直的，相对于图1所示的蛇形。流体通道122可覆盖比图1所示的光接收表面114更大的部分，而不脱离本发明的范围。例如流体通道122可被紧密地间隔以减少光接收表面114位于流体通道122间的部分的面积。
尽管图1所示为圆形，图像传感器晶元110、流体晶元120与加热模块130可为其它形状，例如正方形或长方形，而不脱离本发明的范围。
在方法200的步骤202中，流体通道122接收样品150。
在方法200的步骤210中，加热模块130藉由加热图像传感器晶元110而调控分别容置于流体通道122中的多个样品150的温度。方法200因此控制样品内的反应动力。多个样品150可为相异、相同或其组合，使得部分样品150为不同而其它样品150为相同的。加热模块130加热图像传感器晶元110可为持续地、暂时地或重复地。在一实施例中，步骤210包括一步骤212在较高与较低的温度范围内循环图像传感器晶元110的温度，藉此循环样品150的温度。方法200可利用步骤212进行PCR以扩增样品150中的一或多个成份。
在方法200的步骤220中，样品150暴露于荧光激发光160中。高通量荧光成像装置100可选择性地与提供荧光激发光160的光源165耦合或将其包含在内。
例如，光源165包括发光二极管、雷射光及/或白光光源。光源165可进一步包括波长滤波器以生成具所需波长的荧光激发光160。荧光激发光160可包括在红外光、近红外光、可见光及/或紫外线的波长范围的光。此外，光源165可具有选择不同波长的发射光的能力以促进多彩与多任务的荧光成像。
在方法200的步骤230中，其与步骤220平行进行，经由样品150的无透镜成像，每一图像传感器112获取样品150的荧光图像170。在一实施例中，步骤230包括在图像传感器晶元110处于较低的温度范围时获取荧光图像170的步骤232。与在图像传感器晶元110处于较高的温度范围时获取的荧光图像170相比，步骤232可提供具较少热致噪声的荧光图像170。在本说明中，荧光图像170可包括分别与步骤220中的多个荧光激发光的波长相关连而获取的多组的荧光图像170。
步骤210是与步骤220和步骤230平行进行、序列进行及/或交替进行。
方法200可选择性地进一步包括处理荧光图像170的步骤240以检测样品150内的至少一成份。其中，样品150内的成份是指如分子、颗粒、生物细胞、生物有机体、片段的DNA链、一种或多种蛋白质、及/或一种或多种核酸。步骤240后可跟随步骤250，其基于步骤240中样品成份的检测测定一个或多个检验结果。在一实例中，高通量荧光成像装置100是与分析模块180通讯耦合，其进行步骤240并可选择性地进行步骤250以得到结果185。在另一实例中，高通量荧光成像装置100可包括分析模块180。
应理解的是，方法200可包括进行一个或多个检验步骤，例如加入一开始未被包含在样品150中的反应试剂并将此试剂与样品150一起培养，而不脱离本发明的范围。例如，此检验步骤的执行是根据本领域已知的方法。
图3为高通量荧光成像装置100(图1)的更详细的侧面剖视图。下述讨论是关于高通量荧光成像装置100未显示于图1的特色。
图像传感器晶元110包括波长滤波器316。波长滤波器316抑制荧光激发光160使得图像传感器112选择性地检测来自样品150的荧光发射。为清楚说明，图3并未标示所有的图像传感器112。在一实施例中，波长滤波器316进一步配置成为图像传感器112提供感色灵敏度，以分辨不同波长的荧光发射。举例而言，图像传感器112的每一像素可与发射一定波长内的光的波长滤波器316连结，以一类似于拜耳排列样式(Bayer pattern)的配置。在另一实施例中，每一图像传感器112为具独立设置的波长滤波器316提供感色灵敏度的图像传感器。在又一实施例中，高通量荧光成像装置100是配置成获取单色的荧光图像170。
图像传感器112间隔开一定距离312。高通量荧光成像装置100的某些实施例最小化距离312以最佳化与图像传感器112相关连的光接收表面114的比例。在绘示于图3的一实施例中，流体通道122与多个图像传感器112光学通讯。这可有益于每单位面积的光接收表面114上感兴趣的样品成份的数目为低的应用。在另一实施例中，流体通道122只与单一图像传感器112光学通讯。高通量荧光成像装置100可包括以下的一组合(a)与多个图像传感器112光学通讯的一个或多个流体通道122，与(b)只与单一图像传感器112光学通讯的一个或多个流体通道122。
每一流体通道122包括流体端口口(fluidic port)343与326。流体埠口324及/或流体埠口326可接收样品150。
加热模块130包括热源334。热源334可位于加热模块130背对图像传感器晶元110的表面上、加热模块130与图像传感器晶元110间的接口上及/或加热模块130的内部。在一实施例中，热源334为包括一个或多个电阻的电阻加热器，例如一个或多个薄膜铂电阻。在另一实施例中，热源334为包括金属与用于感应加热金属的电线圈(electrical coil)的感应加热器。在又一实施例中，热源334为被位于高通量荧光成像装置100外部的电线圈感应加热的金属。
图4A绘示一高通量荧光成像装置100(图1)一示例性的局部截面，即装置局部100’与样品150的荧光标记样品成份450(1)与450(2)的无透镜荧光成像。图4B显示装置局部100’的一个次局部100〞，其包括荧光标记样品成份450(1)。图4A与4B一起检视为最佳。
装置局部100’包括图像传感器晶元110的图像传感器晶元局部110’、流体晶元120的流体晶元局部120’与加热模块130的加热模块局部130’。图像传感器晶元局部110’包括为光接收表面114的局部的光接收表面114’、波长滤波器316(图3)的波长滤波器局部316’以及与流体晶元局部120’的流体通道122光学通讯的多个感光像素(photosensitivepixel)418。图4A与4B所示的感光像素418可属于单一图像传感器112或多个图像传感器112。为清楚说明，图4A与4B并未标示所有的像素418。
流体晶元局部120’包括盖子430与腔壁420组成的一腔室(chamber)。盖子430与腔壁420是配置成在流体晶元局部120’内产生凹槽。所述凹槽与图像传感器晶元局部110’的光接收表面114’配合以形成流体通道122。在一实施例中，腔壁420与盖子430为一体成形。举例来说，与光接收表面114’配合以形成流体通道122的凹槽，其可藉由自一平面基板移除材料或藉由将材料模制成盖子430与腔壁420的形状而制成。在另一实施例中，腔壁420与盖子430为分开的组件组合而形成凹槽，其与光接收表面114’配合以生成流体通道122。在这实施例中，盖子430可至少为部分透光的，而腔壁420对荧光激发光160为不透明或几乎不透明的。
在一实施例中，盖子430与可选择的腔壁420屏蔽或部分屏蔽特定波长的光以减少荧光激发光160助长荧光图像170上的讯号。在一实例中，盖子430包括波长滤波涂层432，其过滤荧光激发光以遮蔽或减少被波长滤波器316’传送的波长的光。在另一实例中，盖子430与可选用的腔壁420是以一遮蔽或部分遮蔽特定波长的光的材料制成，例如那些被波长滤波器316’传送的光。
图像传感器晶元局部110’可选择性地包括位在腔壁420之下的感光像素416。为清楚说明，图4A并未标示所有的像素416。在使用的实例中，像素416是用以量测与像素416和像素418相关连的电子噪声的暗像素。可由像素418记录的讯号中消去此由像素416量测的电子噪声以生成一减噪的荧光图像170。当图像传感器晶元110或其的一部份处于温度升高致使热导致的电子噪声增加时，若像素418在被高通量荧光成像装置100获取的荧光图像中为有效的将会特别有帮助。
像素418获取流体通道122中的样品150的一个或多个荧光图像170的至少一部份。如与图2相关的讨论，荧光图像170是藉由将流体通道122暴露于荧光激发光160下而生成。于图4A所示的示例性情形下，荧光激发光160激发荧光于样品成份450(1)与450(2)之上及/或之内。回应荧光激发光160，样品成份450(1)与450(2)分别发射荧光发射光442(1)与442(2)。样品成份450(3)未被荧光标记。因此，当以荧光激发光160照射，样品成份450(3)并不产生荧光发射光。荧光发射光442(1)与442(2)的至少一部份被波长滤波器316’发送至像素418。因此，像素418检测至少部分的荧光发射光442(1)与442(2)，由此像素418检测荧光标记的样品成份450(1)与450(2)。既然样品成份450(3)并未荧光标记，样品成份450(3)不会被像素418检测到。因此，像素418产生显示荧光标记的样品成份450(1)与450(2)的一或多个荧光图像170的至少一部份。
次局部100〞包括荧光标记的样品成份450(1)。每一像素418有一受光角(acceptance angle)419。为清楚说明，仅标示像素418的受光角。在一实施例中，受光角419与光接收表面114’到像素418的距离471是设定为只有位在荧光标记的样品成份450(1)附近的像素418能检测到源自荧光标记的样品成份450(1)的荧光发射光442(1)。这些像素在图4B中标示为418’。线443为像素418’勾勒出受光角的部分，其包括视线到荧光标记样品成份450(1)。其它像素418没有在受光角419内的视线到荧光标记样品成份450(1)。
在一实施例中，受光角419与距离471是设定为只有在光接收表面114’平行方向上在小于一个像素418位置上的像素418能侦测源自位于光接收面114’上的荧光标记样品成份的荧光发射光。在这个实施例中，像素418一起产生位于光接收面114’上的荧光标记样品成份的最小的模糊的荧光图像170或其一部分。在另一实施例中，受光角419与距离471配合以引起荧光重迭事件的发生速率，在一包含典型浓度低于期望临界值的感兴趣荧光标示样品成份的样品150的荧光图像170上。在又一实施例中，受光角419是够小以使包含在一典型浓度经均匀间隔荧光标记的感兴趣样品成份的样品150的荧光图像170免于荧光重迭事件。
对于样品150的成像，其中感兴趣的样品成份未必置于光接收表面114’上，当流体通道122的高度472为小时将使模糊最小化。因此，在高通量荧光成像装置100的某些实施例中，高度472为允许样品容置于流体通道122上的最小高度。
在一实施例中，高度172是小于10微米或小于1微米。高度472这样低的值最小化样品150以及相关检验试剂所需的体积。在另一实施例中，高度472大于10微米，例如数百微米或毫米大小。
在一实施例中，像素418的尺寸是显著小于流体通道122中感兴趣的荧光标记样品成份的尺寸，其中像素418的尺寸是由位于与光接收表面114’平行的表面上的像素418最大的尺寸所限定。这允许感兴趣的荧光标记样品成份的准确大小和形状的测定，并且根据荧光图像170中荧光侦测与荧光事件的大小可进一步允许感兴趣的荧光标记样品成份的识别。例如，一感兴趣的荧光标记样品成份可被发现为一检测得的荧光事件的子集，其进一步满足指定的大小及/或形状标准。
图5A与5B绘示一示例性的高通量荧光成像装置500，其具有位于加热模块背对图像传感器晶元的表面上的热源。高通量荧光成像装置500为高通量荧光成像装置100(图1)的一实施例，并且包括图像传感器晶元110、流体晶元120与加热模块530。图5A为图5B中高通量荧光成像装置500沿着线段5A－5A的侧面剖视图。图5B为高通量荧光成像装置500沿着图像传感器晶元110与加热模块530间的接口的横截面俯视图。图5A与图5B一起检视为最佳。
加热模块530为加热模块130的一实施例。加热模块530包括位在加热模块530背对图像传感器晶元110的表面上的电阻式热源(resistive heat source)534，其为热源334(图3)的实施例。电阻式热源534包括一个或多个电阻，例如一个或多个薄膜铂电阻。电阻式热源534包括至少两个电触点544用于使电流通过电阻式热源534以产生热。尽管电阻式热源534位于图5B的横截面图之外，然而热源534的投影位置以虚线标示于图5B上。电阻式热源534可如图5B所示排列成一蛇形图案，或排列成其它图案诸如螺旋图案或单回路，而不脱离本发明的范围。
图像传感器晶元110包括位于从图像传感器112至电连接垫516的电连接514，电连接垫516是位于图像传感器晶元110与加热模块130间的接口。为清楚说明，图5A与5B对每一图像传感器112只显示一个电连接514以及一个电连接垫。然而，一个或多个图像传感器112可与多个电连接514及/或多个电连接垫516相关联，而不脱离本发明的范围。也为清楚说明，图5A上只标示一个电连接514，图5A与图5B上也只各标示电连接垫516。高通量荧光成像装置500进一步包括连结电连接垫516至加热模块530的区域536的电连接546。为清楚说明，图5B只显示两个电连接546。区域536为可从高通量图像传感器装置500外部接近的加热模块530的表面部分。区域536包括图像读出触点(image readout contact)542形成用来读出被图像传感器112获取的荧光图像170的接口。为清楚说明，图5A与5B中只各显示两个图像读出触点542。然而高通量荧光成像装置500可包括多于两个的图像读出触点542或只有一个图像读出触点542，而不脱离本发明的范围。此外，只要图像读出触点542不干扰电阻式热源534，图像读出触点542可位于区域536的任何位置。
因为热源534位于加热模块130背对图像传感器晶元110的表面上，电连接垫516与电连接546不会干扰电阻式热源534。另外，图像读出触点542可位于能让与图像传感器112和图像读出触点542间通讯相关联的电子电路(及/或其它与处理往返图像传感器112的电子讯号相关联的电子电路)不干扰电阻式热源534的地方。
图6A与6B绘示一示例性的高通量荧光成像装置600，其具有位于加热模块与图像传感器晶元两者间的接口的热源。高通量荧光成像装置600为高通量荧光成像装置100(图1)的一实施例，且其与高通量荧光成像装置500(图5)相似。与高通量荧光成像装置500相比，高通量荧光成像装置600包括加热模块630而非加热模块530。图6B为类似于图5B的横截面俯视图。图6A为图6B中高通量荧光成像装置500沿着线段6A－6A的侧面剖视图。图6A与图6B一起检视为最佳。以下讨论是关于加热模块630与加热模块530不同的特色。
加热模块630包括位于图像传感器晶元110和加热模块630间的接口上的电阻式热源634。电阻式热源634为热源334(图3)的一实施例，类似于电阻式热源534(图5)，其编排通过电连接546但不干扰电连接546或电连接垫536。如图6B所示，加热模块630可在背对图像传感器晶元110的区域536的一部分建置电子触点(electrical contact)544，而不接触图像传感器晶元110，或在区域536内的其它位置。
图7绘示一示例性的可分开加热图像传感器晶元110(图1)不同区域的加热模块700，因此使图像传感器晶元110能有对位置灵敏的温度控制。加热模块700与高通量荧光成像装置500(图5)的加热模块530类似。图7显示加热模块700取代加热模块530而施行于高通量荧光成像装置500中。图7为类似于图5B的俯视剖面图。
加热模块700与加热模块530类似，除了加热模块700包括多个电阻式热源734外。电阻式热源734位于加热模块700背离图像传感器晶元110的表面上。图7以虚线显示电阻式热源734在图7俯视剖面图上的投影。电阻式热源734与电阻式热源534类似，并且包括与电子触点544类似的电子触点744。为清楚说明，图7上只标示一个电阻式热源734。
尽管未于图7说明，电阻式热源734可位于加热模块700与图像传感器晶元110间的接口，在此情况下，额外的电连接被并入加热模块700以将电子触点734连接至区域536。
图8绘示一示例性的高通量荧光成像系统800，其接收高通量荧光装置100(图1)并控制高通量荧光成像装置100的功能以依据方法200(图2)平行处理多重样品。高通量荧光成像系统800包括光源165、与高通量荧光成像装置100和光源165通讯耦合的控制模块810以及与高通量荧光成像装置10通讯耦合的分析模块820。尽管未于图8说明，控制模块810及/或分析模块820可经由加热模块130与图像传感器晶元110通讯耦合，如参照图5A和5B的讨论。
高通量荧光成像系统800进一步包括至少提供电源给控制模块810与分析模块820的电源供应器870。此外，高通量荧光成像系统800包括通讯接口(communicationinterface)880，其促成(a)使用者及/或外部计算机系统与(b)控制模块810和分析模块820两者间的通讯。
控制模块810包括处理器812与具机器可读指令816存于内存814的非暂存区内的内存814。高通量荧光成像系统800施行方法200的步骤202、210、220与230作为机器可读指令816内的协议818。
在一实施例中，高通量荧光成像系统800包括流体模块860，其控制至少与处理样品150相关联的流体处理的部分。在此实施例中，由处理器执行时，机器可读指令816可进一步包括控制流体模块860的指令。流体模块860包括接收样品的流体接口862以及在一些情况下用于处理样品150的检验试剂。流体模块860亦包括流体电路组件(fluidic circuitelement)864如流体通道与阀。流体模块860可进一步包括流体泵866，其抽唧样品和可选择的检验试剂至及/或自流体晶元120的流体通道122。
分析模块820包括处理器822、具有存于内存824的非暂存区内的机器可读指令830的内存824以及可选用的用于存放如荧光图像170的数据储存834。高通量荧光成像系统800于机器可读指令830中施行步骤240与可选择的步骤250作为荧光图像分析指令832。
通讯接口880可接收来自使用者及/或高通量荧光成像系统800外部的系统的指令，并将此指令传达至控制模块810和分析模块820两者或其中的一者。例如，通讯接口880可将协议818传达至控制模块810。分析模块820将荧光图像170及/或从荧光图像170导得的结果185经由通讯接口880传达至使用者及/或高通量荧光成像系统800外部的系统。此外，通讯接口880可接收来自通讯接口880的荧光图像分析指令830。
高通量荧光成像系统800可包括具有一个或多个开口的外壳890，开口至少可用于接受高通量荧光成像装置100以及可选择的样品150。
图9绘示一使用高通量荧光成像装置100(图1)用于样品150的高通量、PCR增幅与荧光图像读出的示例性方法900。方法900为方法200(图2)的一实施例。高通量荧光成像系统800(图8)可施行方法900作为机器可读指令，其由协议818与荧光图像分析指令832组成。
在步骤902中，方法900进行方法200中的步骤202以将样品150沉积于流体通道122内。在步骤902的一实例中，流体模块860经由流体界面862接收样品150并将样品150沉积于流体通道122内。
在步骤910中，调控由加热模块130生成的热以对样品150中的至少一样品成份进行PCR增幅。步骤910包括步骤912、914、920，以及可选用的步骤930。
在步骤912中，加热模块130将样品150加热至较室温高的温度范围，例如介于摄氏50到100度范围的温度。在步骤912的一实例中，控制模块810的处理器812执行至少一部分的协议818以藉由加热模块130开启所需等级的发热。可选择地于高通量荧光成像装置100施行多个热源，参照图7的讨论，热源是由控制模块810个别控制以选择性加热高通量荧光成像装置100的某些部分。
在步骤914中，加热模块130的发热被关闭或减少以将样品150的温度降低至较低的温度范围如室温。在步骤914的一实例中，控制模块810的处理器812执行至少一部分的协议818以藉由加热模块130关闭或减少发热。
在一实施例中，方法900于完成步骤914后回到步骤912。在进行后续步骤之前，方法900可重复连续步骤912与914数次。
在步骤920中，方法900藉由进行方法200的平行步骤220与230获取样品180的荧光图像170。在步骤920的一实例中，控制模块810执行至少一部分的协议818以开启光源165并触发图像传感器112获取图像。
在可选用的步骤930中，方法900根据步骤920中获取得的荧光图像170测定检验结果185。在一实施例中，检验结果185为样品150的某些成份的增幅状态，例如多个DNA链。在另一实施例中，检验结果185为样品150中感兴趣的一个或多个成份的存在与可选择的数量。在步骤930的一实例中，处理器822执行荧光图像分析指令832以(a)在荧光图像170中鉴定出与样品150中至少一个感兴趣的样品成份相关联的荧光事件，以及(b)分析此荧光事件以测定出检验结果185。
在一实施例中，方法900重复连续步骤912、914、920与930数次以进行数次PCR循环(步骤912和914)，且对每一PCR循环监测样品180中至少一成份的增幅状态或监测样品150中至少一感兴趣的成份的存在(步骤920与930)。当在步骤930中达到所要的检验结果185时，方法900可中断步骤910。尽管未于图9中说明，方法900可重复步骤912与914以进行数次PCR循环，并在其中至少一循环中进一步进行步骤920与930，而不脱离本发明的范围。
图10绘示处理样品150(图1)的一示例性方案1000，其可应用于方法200(图2)或方法900(图9)。在方案1000中，高通量荧光成像装置100(图1)的两局部1001与1002与两不同的流体通道122(1)和122(2)相关联。流体通道122(1)包括样品150的成份1050(1)、1050(2)与1050(3)，而流体通道122(2)包括另一样品150的成份1050(4)、1050(5)与1050(6)。成份1050未连接到光接收表面114。成份1050为诸如DNA链、RNA或其它基于核酸的分子。
在一实例中，成份1050代表样品150于进行方法200的步骤202或方法900的步骤902后的状态。
在另一实施例中，成份1050代表样品150在方法200的步骤210、220和230至少一部分期间内的状态或方法900的步骤910至少部分期间内的状态。
成份1050可使用方法900显示经PCR增幅的感兴趣的样品成份。例如，成份1050(1)、1050(2)与1050(3)为相同，且成份1050(4)、1050(5)与1050(6)为相同，然而成份1050(1)、1050(2)与1050(3)不同于成份1050(4)、1050(5)与1050(6)，使得流体通道122(1)与122(2)分别与样品成份1050的两相异类型的PCR增幅相关联。
图11绘示处理样品150(图1)的另一示例性方案1100，其可应用于方法200(图2)或方法900(图9)。在方案1100中，成份1050经由相对应的捕捉分子(capture molecule)1150而被附着至光接收表面114。高通量荧光装置100可包括捕捉分子1150以促成成份1050的表面捕捉，或者可由方法200的步骤202、方法900的步骤902或其它未在图2和图9中说明的检验步骤提供此捕捉分子。
图12绘示使用高通量荧光成像装置100(图1)的一示例性的高通量PCR增幅与样品150的荧光成像读出的方法1200，包括被增幅的样品150的后PCR检验处理。方法1200为方法200(图2)的一实施例且为方法900(图9)的延伸。高通量荧光成像系统800(图8)可施行方法1200作为机器可读指令，其由协议818与荧光图像分析指令832组合成。
在步骤1202中，方法1200进行方法900的步骤902以将样品150容置于流体通道122，如参照图9的讨论。
在步骤1210中，方法1200进行方法900的步骤910以PCR增幅样品150中的至少一成份，如参照图9的讨论。
在步骤1220中，方法1200进一步检验步骤1210中所增幅的样品150。例如，方法1220包括加入试剂至流体通道122、将样品150与此试剂一起培养及/或用加热模块130调控样品150的温度。在步骤1220的另一实例中，控制模块810经由操作流体模块860及/或加热模块130执行协议818以进行检验。
在一实施例中，步骤1220包括进行DNA定序检验的一步骤1222，包含于样品150且在步骤1210被增幅的DNA链的至少一个碱基被荧光标记。步骤1222可利用本领域中已知的DNA定序方法。可选用的步骤1222荧光标记分别位于多个流体通道122内且在步骤1210中被PCR增幅的多个不同DNA链的各一个碱基。
在步骤1230中，方法1200进行方法900的步骤920以获取荧光图像170，如与图9相关的讨论。在一实施例中，步骤1230包括步骤1232，其中高通量荧光成像装置100获取在步骤1222中附着的荧光标记的荧光图像170。
在某些实施例中，重复进行连续步骤1222和1232以定序分别容置于多个流体通道122中的多个DNA链，其中步骤1222与1232的每次重复各鉴定多个DNA链中的至少一股的一个碱基。
在可选用的步骤1240中，步骤1230中获取的荧光图像170被分析以测定结果185，例如一个或多个DNA序列。在步骤1240的一实例中，处理器822执行荧光图像分析指令832以测定检验结果185。
图13绘示用来制造高通量荧光成像装置100(图1)的一示例性方法。
在步骤1310中，方法1300制造图像传感器晶元110，例如使用CMOS制造技术。步骤1310包括步骤1312与1314。在步骤1312中，方法1300使用诸如CMOS制造技术制造电连接514(图5)与电连接垫516(图5)。步骤1312至少兼容于(a)图像传感器112为前照式CMOS图像传感器与(b)图像传感器112为背照式CMOS图像传感器。在步骤1314中，波长滤波器316沉积于图像传感器晶元110上，例如使用本领域中已知的方法诸如光蚀刻法、溅射镀膜、电子束镀膜及/或蒸镀。
在步骤1320中，方法1300制造流体晶元120，例如使用CMOS制造技术。步骤1320包括制造一基板，其具有(a)与光接收表面114(或其它平表面)配合以形成流体通道122的凹槽(b)为每一流体通道122形成流体埠口324(图3)与326(图3)的通孔(through-hole)。步骤1320可形成具毫米、微米或次微米尺寸特征的流体通道122与流体端口口324和326。
在一实施例中，流体通道120为一体成形且步骤1320包括藉由在一基板例如玻璃基板上蚀刻及/或雷射切割(a)对应于流体通道122的凹槽与(b)形成流体埠口324和326的通孔，以形成流体晶元120。在另一实施例中，步骤1320藉由接合两独立的组件形成流体晶元，如图14所示。
图14绘示一示例性的具有多个通孔1412的盖子1410与一示例性的具有多个空隙(void)1422的通道层(channel layer)1420，此多个空隙透过通道层深度而延伸。通孔1412对应于流体埠口324和326且可藉由例如蚀刻、钻孔或切割而制成。空隙1422对应于与光接收表面114合作以生成流体通道122的凹槽。通道层1420可由柔软材质例如聚二甲基硅氧烷或薄带(thin tape)制成，藉由在所述柔软材质上切割空隙。或者，通道层1420可藉由将沉积于盖子或光接收表面114上的抗光蚀层进行光刻而制成。
盖子1410可包括与图14所示不同数目的通孔1412且通道层1420可包括与图14所示不同数目的空隙1422，而不脱离本发明的范围。同样不脱离本发明的范围，盖子1410和通道层1420可有与图14所示不同的形状，且通孔1412和空隙1422可位于和图14所示不同的位置。
再参照图13，在步骤1330中，方法1300从基板制造加热模块130。在一实施例中，步骤1330包括使用例如CMOS制造技术在基板上沉积至少一电阻以形成电阻式热源534(图5)、电阻式热源634(图6)或电阻加热器734(图7)的步骤1332。可选用的步骤1330包括在基板上沉积电子电路的步骤1334，其(a)与热源334接口以控制热源334的发热且/或(b)配置成与电连接垫516接口(例如电连接546)。
在步骤1340中，流体晶元120接合至图像传感器晶元110。步骤1340可使用本领域中已知的接合方法包括黏接(如环氧树脂接合)、阳极接合、直接接合与电浆活化接合。在实施例中，当步骤1320从独立的通道层1420与盖子1410生成流体晶元120，步骤1340可先将通道层1420接合至图像传感器晶元110，接着将盖子1410接合至通道层1420，而不脱离本发明的范围。
在步骤1350中，图像传感器晶元110是接合至加热模块130，例如使用本领域中已知的接合方法包括黏接(如环氧树脂接合)、阳极接合、直接接合与电浆活化接合。步骤1350包括完成图像传感器晶元110与加热模块130间电连接的步骤1352。步骤1350可利用熔焊法(reflow soldering)或其它焊接方法。
步骤1340与1350可同时或以任何顺序依序进行。在某些实施例中，方法1300包括步骤1360，其切割经由步骤1310、1320、1330、1340与1350形成的组合以形成所需尺寸及/或形状的高通量荧光成像装置100，或形成多个高通量荧光成像装置100。步骤1360可包括在切割前无法接触的区域上完成电连接。
特色组合
上述与之后专利申请的特色可依不同方式组合而不脱离本发明的范围。例如，应当理解，本文所述的一具样品加热能力的高通量荧光成像系统或装置或相关联的方法可与另一具样品加热能力的高通量荧光成像系统或装置或相关联的方法相结合或交换特色。下列实例说明上述实施例一些可能的但非限制性的组合。应当清楚的是，许多本文所述的方法与装置可有其它变化与修改，而不脱离本发明的范围。
(A1)一具样品加热能力的高通量荧光成像系统，其可包括(a)图像传感器晶元，其具有用于荧光成像容置于图像传感器晶元上的多个样品的多个图像传感器，与(b)用于加热样品的加热模块，其与所述图像传感器晶元热耦合。
(A2)表示为(A1)的所述高通量荧光成像系统可进一步包括分别包含位于图像传感器晶元上的样品的多个流体通道。
(A3)在表示为(A2)的所述高通量荧光成像系统中，所述流体通道可与所述图像传感器晶元的光接收表面接触，以用于无透镜成像所述样品。
(A4)表示为(A2)与(A3)的每一高通量荧光成像系统可进一步包括具有凹槽的流体晶元，其与图像传感器晶元合作以形成流体通道。
(A5)在表示为(A2)至(A4)的每一高通量荧光成像系统中，至少其中一个所述流体通道可延伸通过所述图像传感器的数个。
(A6)表示为(A2)至(A5)的每一高通量荧光成像系统可进一步包括与所述加热模块合并的基板。
(A7)在表示为(A6)的所述高通量荧光成像系统中，所述基板可包括图像读出触点，其形成接口以用于读出被图像传感器获取的荧光图像。
(A8)在表示为(A7)的所述高通量荧光成像系统中，所述基板可进一步包括用来连接所述图像传感器至所述图像读出触点的电连接。
(A9)在表示为(A1)至(A8)的每一高通量荧光成像系统中，所述加热模块可包括至少一电阻用于电阻性加热所述图像传感器晶元以加热所述多个样品。
(A10)表示为(A1)至(A9)的每一高通量荧光成像系统可进一步包括控制模块，其与图像传感器晶元及加热模块通讯耦合，其中所述控制模块具有机器可读指令，当由一处理器执行所述机器可读指令时，其执行以下至少其中的一(a)以加热模块循环发热，以进行所述样品的一个或多个成份的聚合酶链锁反应增幅，以及(b)以图像传感器获取荧光图像，以检测所述聚合酶链锁反应增幅的一个或多个产物。
(A11)在表示为(A1)至(A10)的每一高通量荧光成像系统中，所述图像传感器晶元可置于所述多个流体通道与所述多个图像传感器的像素间的波长滤波器，用以屏蔽至少部分的荧光激发光。
(A12)在表示为(A1)至(A11)的每一高通量荧光成像系统中，所述图像传感器可为感色灵敏，用以分辨不同波长的荧光发射。
(B1)一具荧光成像读出的用于高通量检验处理的方法，其可包括(a)藉由使用与所述图像传感器晶元热耦合的加热模块加热所述图像传感器晶元以调控分别容置于所述图像传感器晶元上的多个流体通道内的多个样品的温度，以控制所述样品内的反应动力，以及(b)使用所述多个图像传感器获取所述样品的多个荧光图像，以检测所述多个样品内的一种或多种成份。
(B2)在表示为(B1)的方法中，所述获取的步骤可包括执行所述多个样品的无透镜成像，以获取所述多个荧光图像。
(B3)在表示为(B1)与(B2)的每一方法中，所述调控温度的步骤可包括在高温范围与低温范围间循环所述图像传感器晶元的温度。
(B4)在表示为(B3)的方法中，所述获取的步骤可包括在所述图像传感器晶元处于所述低温范围的温度时，获取所述多个荧光图像。
(B5)表示为(B1)至(B4)的每一方法可进一步包括分析所述多个荧光图像，以检测所述多个样品中至少一成份的聚合酶链锁反应增幅的至少一产物。
(B6)表示为(B1)至(B5)的每一方法可进一步包括定序多个脱氧核醣核酸链。
(B7)表示为(B6)的所述方法可包括定序分别位于所述多个流体通道内并分别包含于多个样品中的多个脱氧核醣核酸链。
(B8)表示为(B6)与(B7)的每一方法可进一步包括将所述脱氧核醣核酸链的模版附着至所述流体通道的内部表面。
(C1)一用于制造具样品加热能力的一高通量荧光成像系统的方法，其可包括以下至少其一(a)将包含多个流体通道的流体晶元接合至包含多个图像传感器的图像传感器晶元，以及(b)将包含用以发热的加热器的一加热模块接合至所述图像传感器晶元以使所述加热器与所述图像传感器晶元热耦合。
(C2)表示为(C1)的所述方法可进一步包括藉由在所述流体晶元上制造凹槽而形成所述多个流体通道，所述凹槽与所述图像传感器晶元一起界定位在所述流体晶元和所述图像传感器晶元间的接口的所述多个流体通道。
(C3)表示为(C1)与(C2)的每一方法可进一步包括在所述多个图像传感器与所述加热模块上的图像读出触点间形成电连结，所述图像读出触点形成接口以读出被所述多个图像传感器获取的荧光图像。
(C4)表示为(C1)至(C3)的每一方法可进一步包括在所述图像传感器晶元上沉积波长滤波器以屏蔽至少部分的荧光激发光。
(C5)表示为(C1)的(C4)的每一方法可进一步包括在基板上沉积至少一电阻以形成所述加热模块。
上述的装置、系统与方法可加以变化而不脱离本发明的范围。因此应注意，包含于上述的说明与附图所示应为说明性的而非限制性的。下列所要求的专利范围旨在覆盖本文所述的通用与具体特色，以及因语言的关是，本发明的系统与方法的范围的说明可为落于其间的所有描述。

Claims (18)

1.一种具样品加热能力的高通量荧光成像系统，包括：
图像传感器晶元，包括用于荧光成像置于所述图像传感器晶元上的多个样品的多个图像传感器；
多个流体通道，用于分别容置在所述图像传感器晶元上的所述多个样品，所述流体通道与所述图像传感器晶元的光接收表面相接触，用于无透镜成像所述样品；以及
加热模块，用于加热所述样品，所述加热模块与所述图像传感器晶元的、与所述光接收表面相反的一侧表面热耦合，从而所述图像传感器晶元位于所述流体通道与所述加热模块之间。
2.根据权利要求1所述的高通量荧光成像系统，进一步包括具有凹槽的流体晶元，所述流体晶元与所述图像传感器晶元配合以形成所述流体通道。
3.根据权利要求1所述的高通量荧光成像系统，其中所述流体通道中的至少一个延伸穿越所述图像传感器中的多个。
4.根据权利要求1所述的高通量荧光成像系统，进一步包括与所述加热模块合并的基板，所述基板包括：
图像读出触点，形成接口以用于读出被图像传感器获取的荧光图像；以及
电连接，用于将所述图像传感器连接至所述图像读出触点。
5.根据权利要求1所述的高通量荧光成像系统，其中所述加热模块至少包括电阻器，用于电阻加热所述图像传感器晶元以加热所述多个样品。
6.根据权利要求1所述的高通量荧光成像系统，进一步包括与所述图像传感器和所述加热模块通讯耦合的控制模块，所述控制模块包括机器可读指令，当由处理器执行所述机器可读指令时执行：
通过所述加热模块循环发热，以进行所述样品的一个或多个成份的聚合酶链锁反应增幅；以及
通过所述图像传感器获取荧光图像，以检测所述聚合酶链锁反应增幅的一个或多个产物。
7.根据权利要求1所述的高通量荧光成像系统，其中所述图像传感器晶元包括置于所述多个流体通道与所述多个图像传感器的像素间的波长滤波器，用于屏蔽至少部分的荧光激发光。
8.根据权利要求1所述的高通量荧光成像系统，其中所述图像传感器为感色灵敏，用以分辨不同波长的荧光发射。
9.一种具有荧光成像读出的用于高通量检验处理的方法，包括：
通过使用热耦合于图像传感器晶元的加热模块加热所述图像传感器晶元以调控分别容置于所述图像传感器晶元的光接收表面上的多个流体通道内的多个样品的温度，以控制所述样品内的反应动力；以及
使用所述多个图像传感器获取所述样品的多个荧光图像，以检测所述多个样品内的一种或多种成份，
其中，获取所述样品的所述多个荧光图像的步骤包括执行所述多个样品的无透镜成像，以获取所述多个荧光图像，并且其中，所述加热模块与所述图像传感器晶元的、与所述光接收表面相反的一侧表面热耦合，从而所述图像传感器晶元位于所述流体通道与所述加热模块之间。
10.根据权利要求9所述的方法，其中
调控所述多个样品的温度的步骤包括在高温范围与低温范围之间循环所述图像传感器晶元的温度；以及
获取所述样品的多个荧光图像的步骤包括在所述图像传感器晶元的温度在所述低温范围内时，获取所述多个荧光图像。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括分析所述多个荧光图像，以检测所述多个样品中至少一个成份的聚合酶链锁反应增幅的至少一个产物。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括定序分别位于所述多个流体通道内并分别包含于多个样品中的多个脱氧核醣核酸链。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括将所述脱氧核醣核酸链的模版附着至所述流体通道的内部表面。
14.一种用于制造具有样品加热能力的高通量荧光成像系统的方法，其包括：
将包含多个流体通道的流体晶元接合至包含多个图像传感器的图像传感器晶元的光接收表面；以及
将包含用于发热的加热器的加热模块接合至所述图像传感器晶元的、与所述光接收表面相对的表面，以使所述加热器与所述图像传感器晶元热耦合。
15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括通过在所述流体晶元上制造凹槽而形成所述多个流体通道，所述凹槽与所述图像传感器晶元一起界定位在所述流体晶元和所述图像传感器晶元间的接口的所述多个流体通道。
16.根据权利要求14所述的方法，进一步包括在所述多个图像传感器与所述加热模块上的图像读出触点间形成电连结，所述图像读出触点形成接口以读出由所述多个图像传感器获取的荧光图像。
17.根据权利要求14所述的方法，进一步包括在所述图像传感器晶元上沉积波长滤波器以屏蔽至少部分的荧光激发光。
18.根据权利要求14所述的方法，进一步包括在基板上沉积至少一个电阻以形成所述加热模块。
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