CN113767315A - 多模式照明系统 - Google Patents

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斯蒂芬·Y·周
丁惟
戚骥
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Abstract

一种多模式照明系统，包括：如本文所公开的第一照明模块；第二照明模块；以及第三照明模块。

Description

多模式照明系统
交叉引用
本申请要求第62/794,333号美国临时申请的优先权的权益，该申请在2019年1月18日提交，其全部内容被并入本文。
参考引用
本文提及的所有出版物和专利文献通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明涉及用于改进夹在两个板之间的样品薄层的光学分析的装置和方法。
背景技术
显微成像是检验感兴趣样品的重要技术。在显微术中，可以通过使用不同类型的照明来确定样品的不同特性。例如，可以使用具有干涉对比度效果的明场照明来成像透明物体的边界，可以使用荧光照明来检查被特定种类的荧光染料染色的物体的特征部分，并且可以使用非相干照明来测量物体的透射率。通常，需要在所有这三种照明下检查感兴趣的样品，以便得到全面或充分的分析。因此，需要一种成像系统(例如，显微镜)，其包括这三种照明光学器件中的每一种，并且能够在它们之间容易地切换。传统上，显微镜系统可以具有非常庞大的多模式照明系统。为了在传统的显微镜系统中在不同的照明模式之间切换，光学部件需要机械地移动到不同的位置以针对每个模式形成不同的功能光路。
因此，本发明的目的是提供一种包括紧凑的多模式照明系统的装置，其提供三种不同的照明光学模块-明场照明模块、荧光激发照明模块和非相干照明模块-它们可以在没有机械机构的情况下在它们之间切换。
发明内容
以下简要概述并不旨在包括本发明的所有特征和方面。
本发明提供一种紧凑的多模式照明系统，其被设计用于与成像器一起工作以实现基于明场干涉对比度显微术、荧光显微术和基于非相干照明图像的透射率测量。该多模式照明光学系统为显微成像器提供三个不同的照明模块-明场照明以提供存在折射率变化的透明物体的边缘的干涉对比成像、激发荧光染料的荧光照明，以及用于测量样品的透射率的非相干照明。为了在三个模块之间切换，不需要元件或零件机械地移动，而只需要在三个光源之间电切换。
在一个方面，本发明提供一种多模式照明装置，包含第一照明模块、第二照明模块和第三照明模块。该第一照明模块包含抛物面反射器，设置在该抛物面反射器的焦点处的第一光源，设置在成像器与样品保持器之间的第一滤光器，以及设置在该抛物面反射器与该样品保持器之间的第二滤光器。该第二滤光器被配置为允许激发波长穿过其中朝向该样品保持器。第二照明模块包含直角棱镜和朝向直角棱镜的第二光源。该直角棱镜被配置为将从该第二光源发射的光朝向该样品保持器反射或重定向。该第三照明模块包含：光提取板，其包括设置在其表面上的光散射结构；第三光源，其被配置为将光发射到该光提取板；第三滤光器；以及光漫射膜，其设置在该第三滤光器与该光提取板之间。所述光散射结构从所述光提取板朝着所述样品保持器提取从所述第三光源发射的非相干光。第一照明模块、第二照明模块和第三照明模块相对于样品保持器固定。
在另一方面中，本发明提供一种多模式照明系统，其包含样品保持器、第一照明模块、第二照明模块和第三照明模块。
在又一方面，本发明提供一种多模式照明系统，包含成像器、样品保持器、第一照明模块、第二照明模块和第三照明模块。
附图说明
本领域技术人员将理解，下面描述的附图仅用于说明的目的。在一些附图中，附图是按比例绘制的。为了清楚起见，一些元件在图中示出时被放大。应当注意，附图并不旨在以严格的比例示出元件。元件的尺寸应当根据本文提供的描述描绘，并通过引用结合于此。附图不旨在以任何方式限制本发明的范围。
图1示出了根据本发明一个实施例的多模式照明光学系统的示意图。
图2示出了根据本发明一个实施例的使用中的多模式照明光学系统的明场照明操作模块的示意图。
图3示出了根据本发明一个实施例的使用中的多模式照明光学系统的荧光激发照明操作模块的示意图。
图4示出了根据本发明一个实施例的使用中的多模块照明光学系统的非相干照明操作模式的示意图。
具体实施方式
以下详细描述通过示例而非限制的方式示出了本发明的某些实施例。本文使用的章节标题和任何副标题仅用于组织目的，而不应被解释为以任何方式限制所描述的主题。章节标题和/或字幕下的内容不限于章节标题和/或字幕，而是适用于本发明的整个描述。
任何出版物的引用是由于其公开早于申请日，不应解释为承认本发明的权利要求无权由于在先发明而先于这些出版物。此外，所提供的公开日期可以不同于实际的公开日期，实际的公开日期可能需要被独立地确认。
定义
除非另外定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。尽管与本文所述类似或等同的任何方法和材料也可用于实践或测试本教导，但现在描述一些示例性方法和材料。
术语“视场”或“FOV”是指在任何给定时刻看到的可观察世界的范围。换句话说，“视场”是可由成像器观察到的区域，或者是成像器通过其对电磁辐射敏感的立体角。
术语“明场照明”是指通过从后面照射样本，使样本相对于亮背景呈现暗的照明样本的方法。例如，在明场显微术中使用“明场照明”，其中样品照明透射(即，从下方照明和从上方观察)白光，并且样品中的对比度是由样品的致密区域中透射光的衰减引起的。
术语“荧光激发照射”是指通过已吸收光或其他电磁辐射的物质发射光的照射。例如，在分析来自样品的荧光的荧光显微术中利用“荧光激发照明”。它涉及使用光束，通常是紫外光，激发某些化合物的分子中的电子并使它们发光；典型地，但不是必须地，可见光。
术语“非相干照明”是指光的照明，其中电磁波在一段时间内保持彼此非固定和不可预测的相位关系。
术语“相干波前”是指具有恒定相位差、相同频率和相同波形的两个或更多个波前。
术语“波前”是指波峰。
术语“波”是指电磁波。
术语“相位”是指振荡或波的相位是对应于在时间t＝0时从指定参考点的位移的偏移的完整周期的分数。
术语“光提取板”或“光导板”是指柔性或刚性的透明板或基底，包括聚碳酸酯或丙烯酸树脂，其包括在其前表面上将光引导出其前部的结构。
术语“光散射结构”是指设置在“光提取板”或“光导板”上的结构。这些“光散射结构”可以以线阵列、点阵列和/或微透镜阵列的形式被蚀刻、压印和/或印刷。此外，这些“光散射结构”可以是添加到基底中并在其间散射的颗粒。
术语“光漫射膜”是指包含塑料或二氧化硅的材料的膜或片材，其经设计以分解光并使光均匀以均匀地分布光。
术语“直角棱镜”是指以90°角设计的棱镜，其弯曲图像路径和/或以90°重定向光。
术语“准直”是指使光线或粒子精确平行。
术语“收集角”是指成像器收集或接收光的阈值角度。
术语“激发波长”是指激发能量的波长，即激发光或激发源。
术语“CROF卡(或卡)”、“COF卡”、“QMAX卡”、“Q卡”、“CROF装置”、“COF 装置”、“QMAX装置”、“CROF板”、“COF板”以及“QMAX板”是可互换的，除了在一些实施例中，COF卡不包含间隔件；并且这些术语是指一种装置，该装置包含第一板和第二板，第一板和第二板可相对于彼此移动成不同构造(包括开放构造和闭合构造)，并且该装置包含调节板之间的间距的间隔件(COF的一些实施例除外)。术语“X板”可指CROF卡中的两个板中的一个，其中间隔件固定到该板。COF卡、CROF卡和X板的更多描述在2017年2月7日提交的临时申请序列号62/456065中进行描述，所有这些申请出于所有目的以其整体并入本文。
在QMAX工艺中，两个板的术语“开放构造”是指如下构造，其中两个板或者部分地或者完全地分离，并且板之间的间距不受间隔件的调节。
在QMAX工艺中，两个板的术语“闭合构造”是指如下构造，其中板彼此面对，间隔件和样品的相关体积在板之间，板之间的相关间距以及因此样品的相关体积的厚度由板和间隔件调节，其中相关体积是样品的整个体积的至少一部分。
在QMAX工艺中，术语“样品厚度由板和间隔件调节”是指，对于板、样品、间隔件和板压缩方法的给定条件，在板的闭合构造下样品的至少一个端口的厚度可以根据间隔件和板的性质预先确定。
在QMAX卡中，板的术语“内表面”或“样品表面”可指板的接触样品的表面，而板的另一表面(不接触样品)被称为“外表面”。
除非特别说明，否则QMAX工艺中物体的术语“高度”或“厚度”可指物体在垂直于板表面的方向上的尺寸。例如，间隔件高度是间隔件在垂直于板表面的方向上的尺寸，并且间隔件高度和间隔件厚度指的是一回事。
除非特别说明，否则QMAX工艺中物体的术语“区域”可指平行于板表面的物体的区域。例如，间隔件区域是平行于板表面的间隔件的区域。
术语QMAX卡可指在样品上执行QMAX(例如，CROF)工艺，并且具有或不具有连接两个板的铰链的装置。
术语“具有铰链的QMAX卡和“QMAX卡”是可互换的。
术语“角度自保持(angle self-maintenance)”、“角度自保持(angle self-maintenance)”或“旋转角度自保持(rotation angle self-maintenance)”可指铰链的特性，其在将板从初始角度移动到该角度的外力从板移除之后基本上保持两个板之间的角度。
术语“间隔件具有预定高度”和“间隔件具有预定间隔距离”分别意味着间隔件高度和间隔距离的值在QMAX工艺之前是已知的。如果在QMAX工艺之前不知道间隔件高度和间隔距离的值，则不预先确定间隔件高度和间隔距离的值。例如，在珠粒作为间隔件喷射在板上的情况下，其中珠粒落在板的随机位置，间隔距离不是预先确定的。未预先确定间隔距离的另一示例是间隔件在QMAX工艺期间移动。
在QMAX工艺中，术语“间隔件固定在其相应的板上”意味着间隔件附接到板的位置，并且在QMAX工艺中(即，间隔件在相应的板上的位置不改变)保持附接到该位置。“间隔件与其相应的板固定在一起”的示例是，间隔件由板的一件材料整体地制成，并且间隔件相对于板表面的位置在QMAX工艺期间不改变。“间隔件不与其相应的板固定在一起”的示例是，间隔件通过粘合剂粘合到板上，但是在板的使用期间，在QMAX 工艺期间，粘合剂不能将间隔件保持在其在板表面上的原始位置处，并且间隔件移动离开其在板表面上的原始位置。
如本领域技术人员在阅读本公开内容后将显而易见的，本文描述和说明的各个实施例中的每一个具有离散的组分和特征，其可以容易地与任何其他几个实施例的特征分离或组合，而不背离本发明的范围或精神。任何叙述的方法可以按照叙述的事件顺序或逻辑上可能的任何其他顺序来执行。本领域技术人员将理解，本发明在其应用中不限于在本文的说明书或附图中阐述的构造细节、组件布置、类别选择、权重、预定信号限制或步骤。本发明能够具有其他实施例并且能够以许多不同的方式实践或进行。
1.工作原理和某些示例性示例
现在参考图1，示出了根据本发明的一个实施例的多模式照明光学系统的示意图。在本发明的一个方面中，多模式照明光学系统100包括三个照明操作模块，即，光路，每个光路不同地照射样品，即，它们通过荧光激发照明、明场照明和非相干照明来照射样品。该多模式照明系统包括成像器1、第一滤光器2、被配置为用于在其上接收样品的样品保持器3、第二滤光器4、抛物面反射器5、用于荧光激发照明的第一光源6、用于明场照明的第二光源7，以及用于非相干照明的第三光源9、第三滤光器8、光漫射膜 10、光提取板11和直角棱镜12，直角棱镜12包含第一侧面15、第二侧面17和包括用于反射光的介电/空气界面的斜边腿面19。第一照明模块或荧光激发照明模块包括第一滤光器2、第二滤光器4、抛物面反射镜5和第一光源6。第二照明模块或明场照明模块包括第二光源7和直角棱镜12。第三照明模块或非相干照明模块包括第三滤光器8、第三光源9、光漫射膜10和光提取板11。
第一滤光器2设置在成像器1与样品保持器3之间。在一个实施例中，第二滤光器 2是发射滤光器，其只允许可见光通过。在一个实施例中，成像器1、第一滤光器2和样品保持器3相对于彼此同心地对准，以便优化成像器1的视场和其中的样品的光学分析。在另一实施例中，样品保持器3是QMAX装置或QMAX卡。第一光源6、第二光源7、第三光源9均包括点光源。在一个实施例中，第一、第二和第三光源6、7、9每个包括发光二极管(LED)。在另一个实施例中，第一、第二和第三光源6、7、9每个都包括激光器。在又一个实施例中，第一、第二和第三光源6、7、9每个都包括白炽灯泡。在可选实施例中，第一、第二和第三光源6、7、9包括LED、激光器或白炽灯泡。
在一个方面，第一光源6设置在抛物面反射器5的焦点处，使得抛物面反射器5准直从第一光源6发射的光。抛物面反射器5朝向成像器1定向，使得由第一光源6发射的光以大于成像器1的收集角的倾斜角照射样品保持器3并且不进入成像器1。第一光源6与成像器1的距离在10mm-200mm的范围内。该抛物面反射器5包括在5mm-20mm 范围内的直径。抛物面反射器5和第一光源6朝向成像器1定向，使得第一光源6可以照射样品保持器3上的成像器1的视场。该抛物面反射器以在40°-80°范围内的角度定向。第二滤光器4设置在抛物面反射镜5与样品保持器3之间。在一个实施例中，第二滤光器4是激发滤光器，其允许具有将激发设置在样品保持器3上的染料的波长的光通过。在一个实施例中，第二滤光器4偏向抛物面反射器5，使得它比成像器1、第一滤光器和样品保持器3更靠近抛物面反射器5和第一光源6。
在一个方面，第二光源7是发射相干波前以实现成像中的干涉对比效果的点光源。第二光源7与直角棱镜12的斜边腿面19的中心对准，直角棱镜12又与成像器1的视场的中心对准。直角棱镜12的斜边腿面19的反射率在1％-50％的范围内。第一腿面15 和第二腿面17具有相同的长度和宽度或尺寸。斜边腿面19具有大于第一腿面15和第二腿面17的长度和宽度或尺寸。第一腿面15和第二腿面17的长度在5mm-50mm的范围内。在一个实施例中，棱镜的第一侧面15和第二侧面17的长度为10mm。优选地，直角棱镜12尽可能靠近样品保持器3。在一个实施例中，直角棱镜12和样品保持器之间的距离在1mm-20mm的范围内。在另一实施例中，直角棱镜12的斜边腿面19的中心与成像器1的视场中心之间的距离小于1mm。在又一实施例中，直角棱镜12的斜边腿面19的中心与第二光源7的中心之间的距离小于1mm。优选地，直角棱镜12的斜边腿面19的尺寸或面积大于成像器1的视场的尺寸或面积。
在一个方面，第三光源9嵌入在光提取板11的端部中。光提取板11在其表面上包括光散射结构13。所述光提取板的厚度在0.5mm-5mm的范围内。如任一前述权利要求所述的系统，其中所述光提取板的11在1cm2–100cm2的范围内。在一个实施例中，光散射结构13包含随机纹理表面、周期性光栅、白点、微粒、纳米粒子、在光提取板11 的表面上蚀刻、压印和/或印刷的线阵列、点阵列或微透镜阵列。在另一个实施例中，光散射结构13包含在整个光散射板中散射的微粒，其包含具有与光散射板不同的反射率的任何结构。例如，颗粒可以包括气泡、真空密封区域、塑料和/或聚合物。
光漫射膜10设置在光提取板11的光散射结构13的上方。光漫射膜10和光提取板11之间的距离在0.1mm-5mm的范围内。在一个实施例中，光漫射膜10设置在光提取板11的表面上。在另一实施例中，光漫射膜10粘附到光提取板11的表面。在一个实施例中，光漫射膜11由接地玻璃组成。在替代实施例中，光漫射膜11包括无光泽成品膜和/或半透明白色膜。
第三滤光器8设置在光漫射膜10的上方。在一个实施例中，第三滤光器8设置在光漫射膜10的表面上。在另一个实施例中，第三滤光器8粘附到光漫射膜10的表面。在一个实施例中，第三滤光器8和光漫射膜10之间的距离在0.1mm-5mm的范围内。直角棱镜12设置在第三滤光器8上方。在一个实施例中，直角棱镜12设置在第三滤光器 8上。优选地，直角棱镜12和第三滤光器8尽可能地靠近。在一个实施例中，直角棱镜 12和第三滤光器8之间的距离在0.1mm-5mm的范围内。直角棱镜12设置在光提取板 11和成像器1之间。优选地，直角棱镜12尽可能靠近光提取板11。在一个实施例中，直角棱镜12与成像器1的视场中心和光提取板11的中心对准。
现在参考图2，示出了根据本发明的一个实施例的使用中的多模式照明光学系统的明场照明操作模块的示意图。在明场照明操作模式中，打开第二光源7，同时关闭第一光源6和第三光源9。第二光源7发射光束B21，光束B21接触直角棱镜12的斜边腿面 19的介电/空气界面。光束B21的大部分将传播通过直角棱镜12并且变成透射光束B23，其没有被系统100利用。然而，光束B21的一小部分将被斜边腿面19的介电/空气界面反射，从而变成反射光束B22。反射光束B22将照射成像器1的视场下的样品保持器3，以提供其中的样品的明场照明。
现在参考图3，示出了根据本发明的一个实施例的使用中的多模式照明光学系统的荧光激发照明操作模块的示意图。在荧光激发照明操作模式中，第一光源6开启，而第二光源7和第三光源9关闭。从第一光源6发射的光被抛物面反射器5准直。然后，准直光穿过第二滤光器4，第二滤光器4仅允许准直光的特定波长通过，从而产生经滤光的光束B11。经滤光的光束B11在成像器1的视场下照射样品保持器3，样品保持器3 发射荧光。在一个实施例中，经滤光的光束B11以大于成像器1的收集角的斜角A1照射样品保持器3，使得经滤光的光束B11不直接进入成像器1。从试样保持器3发射的荧光通过第一滤光器2以进一步从经滤光的光束B11中滤除剩余的激发光，然后进入成像器1进行最终成像。
现在参考图4，示出了根据本发明的一个实施例的使用中的多模式照明光学系统的非相干照明操作模块的示意图。在非相干照明操作模式中，打开第三光源9，同时关闭第一光源6和第二光源7。从第三光源9发出的光在光提取板11中行进，并通过散射结构13从光提取板11的表面提取。散射结构13从光提取板11的表面均匀地发射非相干光。非相干光然后传播通过光漫射膜10，这使得非相干光更加均匀。非相干光然后传播通过第三滤光器8，第三滤光器8只允许特定波长的非相干光通过。然后，非相干光穿过直角棱镜12并作为非相干透射光束B31通过，该光束在成像器1的视场下照射样品保持器3以提供非相干照明。尽管直角棱镜12不是非相干照明模块的一部分，但其布置在其光路径中，但不会干涉，因为其使从光提取板11提取的光能够穿过其中。
本发明的示例性实施例
1.一种多模式照明系统，包含：
(a)第一照明模块，包含：
(i)抛物面反射器；
(ii)第一光源，其设置在该抛物面反射器的焦点处，
(iii)第一滤光器，其设置在成像器和样品保持器之间；和
(iv)第二滤光器，其设置在该抛物面反射器与该样品保持器之间，
其中该第二滤光器被配置为允许激发波长穿过其中朝向该样品保持器，
(b)第二照明模块，包含：
(i)直角棱镜；和
(ii)朝向直角棱镜的第二光源，
其中所述直角棱镜将从所述第二光源发射的光朝向所述样品保持器反射或重定向，
(c)第三照明模块，包含：
(i)光提取板，其包含设置在其表面上的光散射结构；
(ii)第三光源，其配置为向所述光提取板发射光；
(iii)第三滤光器；和
(iv)光漫射膜，其设置在第三滤光器与光提取板之间，
其中所述光散射结构从所述光提取板朝着所述样品保持器提取从所述第三光源发射的非相干光，
其中所述第一照明模块、所述第二照明模块和所述第三照明模块相对于所述样品保持器固定。
2.一种多模式照明系统，包含：
(a)样品保持器；
(b)第一照明模块，包含：
(i)抛物面反射器；
(ii)第一光源，其设置在该抛物面反射器的焦点处，
(iii)第一滤光器，其设置在成像器和样品保持器之间；和
(iv)第二滤光器，其设置在该抛物面反射器与该样品保持器之间，
其中该第二滤光器被配置为允许激发波长穿过其中朝向该样品保持器，
(c)第二照明模块，包含：
(i)直角棱镜；和
(ii)朝向直角棱镜的第二光源，
其中所述直角棱镜将从所述第二光源发射的光朝向所述样品保持器反射或重定向，
(d)第三照明模块，包含：
(i)光提取板，其包含设置在其表面上的光散射结构；
(ii)第三光源，其配置为向所述光提取板发射光；
(iii)第三滤光器；和
(iv)光漫射膜，其设置在第三滤光器与光提取板之间，
其中所述光散射结构从所述光提取板朝着所述样品保持器提取从所述第三光源发射的非相干光，
其中所述第一照明模块、所述第二照明模块和所述第三照明模块相对于所述样品保持器固定。
3.一种多模式照明系统，包含：
(a)成像器；
(b)样品保持器；
(c)第一照明模块，包含：
(i)抛物面反射器；
(ii)第一光源，其设置在该抛物面反射器的焦点处，
(iii)第一滤光器，其设置在成像器和样品保持器之间；和
(iv)第二滤光器，其设置在该抛物面反射器与该样品保持器之间，
其中该第二滤光器被配置为允许激发波长穿过其中朝向该样品保持器，
(d)第二照明模块，包含：
(i)直角棱镜；和
(ii)朝向直角棱镜的第二光源，
其中所述直角棱镜将从所述第二光源发射的光朝向所述样品保持器反射或重定向，
(e)第三照明模块，包含：
(i)光提取板，其包含设置在其表面上的光散射结构；
(ii)第三光源，其配置为向所述光提取板发射光；
(iii)第三滤光器；和
(iv)光漫射膜，其设置在第三滤光器与光提取板之间，
其中所述光散射结构从所述光提取板朝着所述样品保持器提取从所述第三光源发射的非相干光，
其中所述第一照明模块、所述第二照明模块和所述第三照明模块相对于所述样品保持器固定。
4.如任一前述实施例所述的系统，进一步包含成像器，所述成像器包括视场和收集角，其中所述成像器被配置为用于对设置在样品保持器上的样品进行成像。
5.如任一前述实施例所述的系统，进一步包含样品保持器。
6.如任一前述实施例所述的系统，其中所述抛物面反射器被配置为对所述第一光源发射的光进行准直。
7.如任一前述实施例所述的系统，其中所述抛物面反射器被定向成朝向成像器，这样使得所述第一光源可以照射样品保持器上的成像器的视场。
8.如任一前述实施例所述的系统，其中穿过所述第二滤光器的所述激发波长与设置在样品保持器上的特定荧光团互补，使得其被配置为激发所述荧光团并提供荧光激发照明。
9.如任一前述实施例所述的系统，其中所述直角棱镜包括第一侧面、第二侧面、斜边腿面和介电/空气界面，其中所述第二光源朝向所述直角棱镜的所述斜边腿面定向，并且其中所述直角棱镜的所述斜边腿面将从所述第二光源发射的光反射或重定向到所述样品保持器。
10.如任一前述实施例所述的系统，其中所述直角棱镜邻近所述第三滤光器设置。
11.如任一前述实施例所述的系统，其中所述直角棱镜被设置在所述光提取板与所述成像器之间。
12.如任一前述实施例所述的系统，其中所述直角棱镜与所述成像器的视场的中心和所述光提取板的中心对准。
13.如任一前述实施例所述的系统，其中所述第三光源嵌入在所述光提取板中。
14.如任一前述实施例所述的系统，其中所述光漫射膜被配置为过滤所述提取的非相干光并在所述光提取板的表面区域上提供更均匀的非相干光分布。
15.如任一前述实施例所述的系统，其中所述第三滤光器被配置为允许所述提取的非相干光的特定波长穿过其中而朝向所述样品保持器。
16.如任一前述实施例所述的系统，其中所提取的非相干光照射所述成像器的视场下的所述样品保持器以提供非相干照明。
17.如任一前述实施例所述的系统，其中所述样品保持器是QMAX装置。
18.如任一前述实施例所述的系统，其中所述直角棱镜包括与所述直角棱镜的斜边腿面相邻的第一腿面和第二腿面。
19.如任一前述实施例所述的系统，其中所述直角棱镜的所述第一腿面和所述第二腿面均包括在5mm-50mm范围内的长度。
20.如任一前述实施例所述的系统，其中所述直角棱镜的所述第一腿面和所述第二腿面均包括10mm的长度。
21.如任一前述实施例所述的系统，其中所述直角棱镜与所述样品保持器之间的距离在1mm-20mm的范围内。
22.如任一前述实施例所述的系统，其中所述光漫射膜邻近所述光提取板的所述光散射结构设置。
23.如任一前述实施例所述的系统，其中所述光漫射膜设置在所述光提取板的所述光散射结构上。
24.如任一前述实施例所述的系统，其中所述光漫射膜粘附到所述光提取板的所述光散射结构。
25.如任一前述实施例所述的系统，其中所述第三滤光器邻近所述光漫射膜设置。
26.如任一前述实施例所述的系统，其中所述第三滤光器被设置在所述光漫射膜上。
27.如任一前述实施例所述的系统，其中所述第三滤光器粘附到所述光漫射膜。
28.如任一前述实施例所述的系统，其中所述直角棱镜邻近所述第三滤光器设置。
29.如任一前述实施例所述的系统，其中所述直角棱镜被设置在所述第三滤光器上。
30.如任一前述实施例所述的系统，其中所述直角棱镜的所述斜边腿面的中心与成像器的视场的中心对准。
31.如任一前述实施例所述的系统，其中所述第二光源被定向成朝向所述斜边腿面的中心并且与其对准。
32.如任一前述实施例所述的系统，其中所述直角棱镜的所述斜边腿面的中心与所述成像器的所述视场的中心之间的距离小于1mm。
33.如任一前述实施例所述的系统，其中所述直角棱镜的所述斜边腿面的中心与所述第二光源之间的距离在5mm-100mm的范围内。
34.如任一前述实施例所述的系统，其中所述直角棱镜的所述斜边腿面的中心与所述第二光源的中心之间的距离小于1mm。
35.如任一前述实施例所述的系统，其中所述抛物面反射器被配置为将从所述第一光源发射的光以大于所述成像器的收集角的斜角导向所述成像器。
36.如任一前述实施例所述的系统，其中所述抛物面反射器的放置被配置为以在40°-80°范围内的斜角将从所述第一光源发射的光导向所述成像器。
37.如任一前述实施例所述的系统，其中所述抛物面反射器的直径在5mm-20mm的范围内。
38.如任一前述实施例所述的系统，其中所述第一光源与所述成像器之间的距离在 10mm-200mm的范围内。
39.如任一前述实施例所述的系统，其中所述直角棱镜与所述第三滤光器之间的距离在0.1mm-5mm的范围内。
40.如任一前述实施例所述的系统，其中所述第三滤光器与所述光漫射膜之间的距离在0.1mm到5mm的范围内。
41.如任一前述实施例所述的系统，其中所述光漫射膜与所述光提取板之间的距离在 0.1mm到5mm的范围内。
42.如任一前述实施例所述的系统，其中所述光提取板的厚度在0.5mm-5mm的范围内。
43.如任一前述实施例所述的系统，其中所述光提取板的所述光发射表面的表面积在 1cm2–100cm2的范围内。
44.如任一前述实施例所述的系统，其中所述直角棱镜的所述斜边腿面的所述介电/ 空气界面将从所述第二光源发射的所述光反射或重定向到所述成像器。
45.如任一前述实施例所述的系统，其中从所述光提取板提取的所述光穿过所述直角棱镜朝向所述成像器，以便提供非相干照明。
46.如任一前述实施例所述的系统，其中所述直角棱镜的所述斜边腿面的尺寸大于所述成像器的视场的尺寸。
47.如任一前述实施例所述的系统，其中所述直角棱镜的所述介电/空气界面的反射率在1％-50％的范围内。
48.如任一前述实施例所述的系统，其中所述光散射结构选自由微粒、随机纹理表面、周期性光栅、着色白点、线阵列、点阵列和微透镜阵列组成的组。
2.工作原理和某些示例性实施例
在此描述的本发明通过提供紧凑的多模式照明光学系统来解决这个问题。该系统在一种设计中提供三种不同的照明：具有干涉对比度效应的明场照明、荧光照明和非相干照明。
图1是三合一多模式照明光学系统的示意图。系统100包含用于明场干涉照明的光源7、用于荧光激发照明的光源6、用于非相干照明的光源9和用于对样品3成像的成像器1。光源9嵌入在光提取板11中。光漫射膜10放置在光提取板11的顶部上。滤光器8放置在光漫射板10的顶部。直角棱镜12放置在滤光器8的顶部。棱镜12的中心分别与成像器1和光源7的视场中心对准。图中的虚线表示对准。光源6位于抛物面反射器5的焦点处以准直光。光源6和反射器5的取向被配置为照射样品3上的成像器1 的FOV。将光学器件4放置在抛物面反射器5的前方。成像器与样品3之间放置滤光器 2。
图2是系统100的明场干涉照明操作模式的示意图。在明场干涉照明操作模式中，光源6和光源9关闭。打开光源7。光源7是发射相干波前以实现成像中的干涉对比效果的点光源。光束B21从光源7发射，撞击在棱镜12处的介电/空气界面上。B21的大部分通过棱镜12成为未使用的透射光束B23。B21的一小部分将被棱镜12的介电/空气界面反射成为反射光束B22。光束B22将照射成像器1的视场下的样品以提供明场干涉照明。
图3是系统100的荧光激发照明操作模式的示意图。在荧光激发照明操作模式下，光源7和光源9关闭。光源6开启。从光源6发出的光被抛物面反射器5准直，然后通过滤光器4，滤光器4允许具有特定波段的光通过。滤光光束B11以大于成像器1的收集角的斜角A1照射成像器1的视场下的样品3，使得光束B11不直接进入成像器1。样品3发射的荧光经过光学器件2，进一步滤除光束B11剩余的激发光，进入成像器1进行最终成像。
图4是系统100的非相干照明操作模式的示意图。在非相干照明操作模式中，光源6和光源7关闭。光源9开启。从光源9发出的光在光提取板体11中行进，并通过该表面上的散射结构从板11的表面提取。因此，光束31作为非相干光束从板11的表面区域均匀地发射。光束B31通过漫射膜10后更均匀。然后光束B31通过滤光器8以允许具有特定波长带的光通过。然后光束B31作为透射光通过棱镜12，在成像器1的视场下照射样品3，以提供非相干照射。
本发明的示例性实施例
1.一种用于成像的多模式照明系统，包含：
明场照明模块，包含：光源；直角棱镜；成像器；样品；
荧光激发照明模块，包含：光源；抛物面反射器；激发滤光器；发射滤光器；成像器；样品；和
非相干照明模块，包含：光源；光提取板；光漫射器；滤光器；成像器；样品。
2.如任一前述实施例所述的系统，其中所述非相干照明模块的光源被嵌入在所述光提取板中。
3.如任一前述实施例所述的系统，其中所述样品可以是QMAX装置。
4.如任一前述实施例所述的系统，所述棱镜的腿的优化长度是10mm。
5.如任一前述实施例所述的系统，所述棱镜的腿的长度可以是5mm、10mm、20mm、50mm，并且在任何两个值之间的范围内。
6.如任一前述实施例所述的系统，所述棱镜与所述样品之间的所述优化距离是尽可能接近的。
7.如任一前述实施例所述的系统，所述棱镜与所述样品之间的距离是1mm、5mm、10mm、20mm，并且在任何两个值之间的范围内。
8.如任一前述实施例所述的系统，其中所述光漫射膜放置在所述光提取板的顶部上，且滤光器放置在所述漫射膜的顶部上，并且直角棱镜放置在所述滤光器的顶部上。
9.如任一前述实施例所述的系统，其中所述棱镜的中心分别与成像器的视场中心和明场照明的光源对准。
10.如任一前述实施例所述的系统，其中所述棱镜的中心与所述成像器的视场的中心之间的距离小于1mm。
11.如任一前述实施例所述的系统，其中所述棱镜的中心与所述明场照明光源的中心之间的距离小于1mm。
12.如任一前述实施例所述的系统，其中所述抛物面反射器的放置被配置为将从所述荧光照明模块的光源发射的光以大于所述成像器的收集角的斜角导向所述成像器。
13.如任一前述实施例所述的系统，其中所述抛物线反射器的放置被配置为用于将从所述荧光照明模块的光源发射的光以斜角导向所述成像器，所述斜角可以是40度、50度、60度、70度、80度，并且在任何两个值之间的范围内。
14.如任一前述实施例所述的系统，其中所述抛物面反射器的直径可以是5mm、10mm、15mm、20mm，并且在任何两个值之间的范围内。
15.如任一前述实施例所述的系统，其中所述明场照明的光源与所述棱镜的所述倾斜侧的中心之间的距离可以是5mm、10mm、20mm、50mm、100mm，并且在任何那些值之间的范围内。
16.如任一前述实施例所述的系统，其中所述荧光照明的光源与所述成像器之间的距离可以是10mm、20mm、50mm、100mm、200mm，并且在任何两个值之间的范围内。
17.如任一前述实施例所述的系统，其中所述棱镜与所述滤光器之间的所述优化距离是尽可能接近的。
18.如任一前述实施例所述的系统，其中所述棱镜与所述滤光器之间的距离可以是 0.1mm、1mm、2mm、5mm，并且在任何两个值之间的范围内。
19.如任一前述实施例所述的系统，其中所述滤光器与所述漫射膜之间的所述优化距离是尽可能接近的。
20.如任一前述实施例所述的系统，其中所述滤光器与所述漫射膜之间的距离可以是 0.1mm、1mm、2mm、5mm，并且在任何两个值之间的范围内。
21.如任一前述实施例所述的系统，其中所述漫射膜与所述光提取板之间的所述优化距离是尽可能接近的。
22.如任一前述实施例所述的系统，其中所述漫射膜与所述光提取板之间的距离可以是0.1mm、1mm、2mm、5mm，并且在任何两个值之间的范围内。
23.如任一前述实施例所述的系统，其中所述光提取板的厚度可以是0.5mm、1mm、2mm、5mm，并且在任何两个值之间的范围内。
24.如任一前述实施例所述的系统，其中所述光提取板的光发射表面的表面积可以是 1cm^2、10cm^2、25cm^2、50cm^2、100cm^2，并且在任何两个值之间的范围内。
25.如任一前述实施例所述的系统，其中所述直角棱镜将从所述光源发射的所述明场照明光重定向到所述成像器。
26.如任一前述实施例所述的系统，其中从所述光提取板表面提取的所述光朝向所述成像器穿透所述直角棱镜以用于非相干照明。
27.如任一前述实施例所述的系统，其中成像器上的视场中的直角棱镜的腿的尺寸大于成像器的视场的最短横向尺寸。
28.如任一前述实施例所述的系统，其中所述棱镜的直角表面的反射率是1％、5％、 10％、20％、50％或在任何两个值之间的范围内。
29.如任一前述实施例所述的系统，其中所述光提取板在能够提取光的表面上具有光散射结构，并且所述光散射结构可以是但不限于随机纹理化表面、周期性光栅、着色白点、微/纳米尺寸颗粒。
QMAX系统
A)QMAX卡
QMAX卡的细节在包括国际申请第PCT/US2016/046437号(Essenlix案卷号 ESSN-028WO)的多种出版物中有详细描述，该申请通过引用结合于此以用于所有目的。
I.板
在本发明中，通常，CROF板由任何材料制成，所述材料(i)能够与间隔件一起用于调节部分或全部体积的样品的厚度，和(ii)对样品、测定或板打算实现的目标没有显著的不利影响。然而，在某些实施例中，特定材料(因此它们的特性)被用于该板以实现某些目的。
在某些实施例中，对于以下参数中的每一个，两个板具有相同或不同的参数：板材料、板厚度、板形状、板面积、板柔性、板表面性质和板光学透明度。
(i)板材料。所述板由单一材料、复合材料、多种材料、多层材料、合金或其组合制成。用于板的每种材料是无机材料、有机材料或混合物，其中材料的示例在Mat-1和 Mat-2的段落中给出。
Mat-1：用于板的无机材料包括但不限于玻璃、石英、氧化物、二氧化硅、氮化硅、氧化铪(HfO)、氧化铝(AIO)、半导体：(硅、GaAs、GaN等)、金属(例如，金、银、铜、铝、Ti、Ni等)、陶瓷，或其任何组合。
Mat-2：用于间隔件的有机材料包括但不限于聚合物(例如塑料)或无定形有机材料。用于间隔件的聚合物材料包括但不限于丙烯酸酯聚合物、乙烯基聚合物、烯烃聚合物、纤维素聚合物、非纤维素聚合物、聚酯聚合物、尼龙、环烯烃共聚物(COC)、聚 (甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、环烯烃聚合物(COP)、液晶聚合物(LCP)、聚酰胺(PA)、聚乙烯(PE)、聚酰亚胺(PI)、聚丙烯(PP)、聚苯醚(PPE)、聚苯乙烯(PS)、聚甲醛(POM)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚砜(PES)、聚邻苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、氟化乙烯丙烯(FEP)、全氟烷氧基烷烃(PFA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、橡胶或其任何组合。
在某些实施例中，板各自独立地由玻璃、塑料、陶瓷和金属中的至少一种制成。在某些实施例中，每个板独立地包括玻璃、塑料、陶瓷和金属中的至少一种。
在某些实施例中，一个板在横向面积、厚度、形状、材料或表面处理方面不同于另一个板。在某些实施例中，一个板在横向面积、厚度、形状、材料或表面处理方面与另一个板相同。
用于板的材料是刚性的、柔性的或两者之间的任何柔性。刚性(例如，刚性)或柔性与用于使板进入闭合构造的给定按压力有关。
在某些实施例中，刚性或柔性板的选择由在闭合构造下控制样品厚度的均匀性的要求确定。
在某些实施例中，两个板中的至少一个是透明的(对光)。在某些实施例中，一个板或两个板的至少一部分或几个部分是透明的。在某些实施例中，所述板是不透明的。
(ii)板厚度。在某些实施例中，板中的至少一个的平均厚度是2nm或以下、10nm 或以下、100nm或以下、500nm或以下、1000nm或以下、2um(微米)或以下、5um或以下、10um或以下、20um或以下、50um或以下、100um或以下、150um或以下、200um 或以下、300um或以下、500um或以下、800um或以下、1mm(毫米)或以下、2mm或以下、3mm或以下，或任何两个值之间的范围。
在某些实施例中，至少一个板的平均厚度是至多3mm(毫米)、至多5mm、至多10mm、至多20mm、至多50mm、至多100mm、至多500mm，或任何两个值之间的范围。
在某些实施例中，板中的任一个的厚度在整个板上是不均匀的。在不同位置使用不同的板厚可用于控制板弯曲、折叠、试样厚度调节等。
(iii)板形状和面积。通常，板可以具有任何形状，只要该形状允许样品的压缩开放流和样品厚度的调节。然而，在某些实施例中，特定形状可以是有利的。板的形状可以是圆形、椭圆形、矩形、三角形、多边形、环形或这些形状的任何叠加。
在某些实施例中，这两个板可以具有相同的尺寸或形状，或不同的尺寸或形状。板的面积取决于应用。所述板的面积为至多1mm2(平方毫米)、至多10mm2、至多100mm2、至多1cm2(平方厘米)、至多5cm2、至多10cm2、至多100cm2、至多500cm2、至多1000cm2、至多5000cm2、至多10,000cm2，或超过10,000cm2，或任何两个值之间的范围。板的形状可以是矩形、方形、圆形等。
在某些实施例中，所述板中的至少一个是具有宽度、厚度和长度的带(或条带)的形式。宽度是至多0.1cm(厘米)、至多0.5cm、至多1cm、至多5cm、至多10cm、至多 50cm、至多100cm、至多500cm、至多1000cm，或任何两个值之间的范围。长度可以是需要的长度。带可以卷成卷。
(iv)板表面平坦度。在许多实施例中，这些板的内表面是平坦的或显著平坦的、平面的。在某些实施例中，这两个内表面在该闭合构造下是彼此平行的。平坦的内表面有助于通过简单地在闭合构造下使用预定间隔件高度来量化和/或控制样品厚度。对于板的非平坦内表面，需要不仅知道间隔件高度，还知道内表面的确切拓扑，以量化和/或控制闭合构造下的样品厚度。为了知道表面拓扑，需要额外的测量和/或校正，这可能是复杂的、耗时的和昂贵的。
板表面的平坦度相对于最终样品厚度(最终厚度是在闭合构造下的厚度)，并且通常由术语“相对表面平坦度”来表征，术语“相对表面平坦度”是板表面平坦度变化与最终样品厚度的比。
在某些实施例中，相对表面小于0.01％、0.1％、小于0.5％、小于1％、小于2％、小于5％、小于10％、小于20％、小于30％、小于50％、小于70％、小于80％、小于100％，或这些值中任何两个之间的范围。
(v)板表面平行度。在某些实施例中，板的两个表面显著地彼此平行。在某些实施例中，板的两个表面彼此不平行。
(vi)板柔性。在某些实施例中，板在CROF工艺的压缩下是柔性的。在某些实施例中，两个板在CROF工艺的压缩下是柔性的。在某些实施例中，一个板是刚性的并且另一个板在CROF工艺的压缩下是柔性的。在某些实施例中，两个板都是刚性的。在某些实施例中，两个板都是柔性的但具有不同的柔性。
(vii)平板光学透明度。在某些实施例中，板是光学透明的。在某些实施例中，两个板都是光学透明的。在某些实施例中，一个板是光学透明的，而另一个板是不透明的。在某些实施例中，两个板都是不透明的。在某些实施例中，两个板都是光学透明的但具有不同的光学透明度。板的光学透明度可以指板的部分或整个区域。
(viii)表面润湿特性。在某些实施例中，板具有润湿(例如接触角小于90度)样品、转移液体或两者的内表面。在某些实施例中，两个板都具有润湿样品、转移液体或两者的内表面；具有相同或不同的润湿性。在某些实施例中，板具有润湿样品、转移液体或两者的内表面；并且另一个板具有不润湿的内表面(例如，等于或大于90度的接触角)。板内表面的润湿可以指板的一部分或整个区域。
在某些实施例中，板的内表面具有其他纳米结构或微结构以在CROF中控制样品的横向流动。纳米结构或微结构包括但不限于通道、泵等。纳米和微结构也用于控制内表面的润湿性能。
II.间隔件
(i)间隔件功能。在本发明中，这些间隔件被配置为具有以下功能和特性中的一种或任何组合：这些间隔件被配置为(1)与这些板一起控制该样品的厚度或该样品的相关体积(优选地，该厚度控制在相关区域上是精确的，或均匀的或两者)；(2)使样品在板表面上具有压缩的调节开放流(CROF)；(3)在给定的样品面积(体积)中没有显著的表面积(体积)；(4)减少或增加样品中颗粒或分析物的沉降作用；(5)改变和/或控制所述板的内表面的润湿性质；(6)识别板的位置、尺寸刻度，和/或与板相关的信息，或(7)进行上述的任何组合。
(ii)间隔件结构和形状。为了实现期望的样品厚度减小和控制，在某些实施例中，间隔件固定其相应的板。通常，间隔件可以具有任何形状，只要间隔件能够在CROF工艺中调节样品厚度，但是优选某些形状以实现某些功能，例如更好的均匀性、在压制中更少的过冲等。
这些间隔件是单个间隔件或多个间隔件。(例如阵列)。多个间隔件的某些实施例是间隔件(例如柱)的阵列，其中间隔距离是周期性的或非周期性的，或者在板的某些区域中是周期性的或非周期性的，或者在板的不同区域中具有不同的距离。
存在两种类型的间隔件：开放间隔件和封闭间隔件。开放间隔件是允许样品流过间隔件的间隔件(例如样品在间隔件周围流动并通过间隔件。例如作为间隔件的柱)，封闭间隔件是阻止样品流动的间隔件(例如样品不能流过间隔件。例如环形间隔件，并且样品在环内)。两种类型的间隔件使用它们的高度以在闭合构造下调整最终样品厚度。
在某些实施例中，间隔件仅是开放间隔件。在某些实施例中，间隔件仅是封闭间隔件。在某些实施例中，间隔件是开放间隔件和封闭间隔件的组合。
术语“柱间隔件”意指间隔件具有柱形状并且柱形状可以是指具有允许样品在压缩开放流动期间围绕其流动的高度和横向形状的物体。
在某些实施例中，柱状间隔件的横向形状是从以下组中选择的形状：(i)圆形、椭圆形、矩形、三角形、多边形、环形、星形、字母形状(例如L形、C形、字母从A到 Z)、数字形状(例如，如0、1、2、3、4、...到9的形状)；(ii)具有至少一个圆角的组 (i)中的形状；(iii)具有锯齿形或粗糙边缘的来自组(i)的形状；和(iv)(i)、(ii) 和(iii)的任何叠加。对于多个间隔件，不同的间隔件可具有不同的横向形状和尺寸以及与相邻间隔件的不同距离。
在某些实施例中，间隔件可以是和/或可以包括柱、列、珠、球和/或其他合适的几何形状。间隔件的横向形状和尺寸(例如，横向于相应的板表面)可以是任何，除了在某些实施例中以下限制：(i)间隔件几何形状不会引起测量样品厚度和体积的显著误差；或(ii)间隔件几何形状将不阻止样品在板之间的流出(例如，其不处于封闭形式)。但在某些实施例中，它们需要一些间隔件作为闭合的间隔件来限制样品流动。
在某些实施例中，间隔件的形状具有圆角。例如，矩形间隔件具有一个、几个或所有圆角(类似于90度角的圆)。圆角通常使间隔件的制造更容易，并且在一些情况下对生物材料的损坏更小。
柱的侧壁在侧壁的不同部分可以是直的、弯曲的、倾斜的或不同形状的。在某些实施例中，间隔件是各种横向形状、侧壁和柱高与柱横向面积比的柱。在优选实施例中，间隔件具有用于允许开放流动的柱的形状。
(iii)间隔件材料。在本发明中，间隔件通常由能够与两个板一起用于调节样品的相关体积的厚度的任何材料制成。在某些实施例中，用于间隔件的材料不同于用于板的材料。在某些实施例中，用于空间的材料至少与用于至少一个板的材料的一部分相同。
间隔件由单一材料、复合材料、多种材料、多层材料、合金，或其组合制成。用于间隔件的每种材料是无机材料、有机材料或混合物，其中材料的示例在Mat-1和Mat-2 的段落中给出。在优选实施例中，间隔件由与CROF中使用的板相同的材料制成。
(iv)间隔件机械强度和柔性。在某些实施例中，间隔件的机械强度足够强，使得在压缩期间和在板的闭合构造下，间隔件的高度与板处于开放构造时的高度相同或显著相同。在某些实施例中，可以表征和预先确定开放构造与闭合构造之间的间隔件的差异。
用于这些间隔件的材料是刚性的、柔性的或两者之间的任何柔性。该刚性与用于使板进入闭合构造的给定按压力有关：如果该空间在按压力下在其高度上不变形大于1％，则该间隔件材料被认为是刚性的，否则是柔性的。当间隔件由柔性材料制成时，仍可根据按压力和间隔件的机械特性来预定处于闭合构造的最终样品厚度。
(v)样品内部间隔件。为了实现所希望的样品厚度减小和控制，特别是为了实现良好的样品厚度均匀性，在某些实施例中，将这些间隔件放置在该样品内部，或该样品的相关体积内。在某些实施例中，在样品或样品的相关体积内存在一个或多个间隔件，具有适当的间隔距离。在某些实施例中，间隔件中的至少一个在样品内，间隔件中的至少两个在样品内或样品的相关体积内，或至少“n”个间隔件在样品内或样品的相关体积内，其中“n”可通过样品厚度均匀性或CROF期间所需的样品流动特性来确定。
(vi)间隔件高度。在某些实施例中，所有间隔件具有相同的预定高度。在某些实施例中，间隔件具有不同的预定高度。在某些实施例中，间隔件可以被分成组或区域，其中每个组或区域具有其自己的间隔件高度。并且在某些实施例中，间隔件的预定高度是间隔件的平均高度。在某些实施例中，间隔件具有大致相同的高度。在某些实施例中，间隔件的数量的百分比具有相同的高度。
通过期望的调整的最终样品厚度和剩余样品厚度来选择间隔件的高度。间隔件高度 (预定间隔件高度)和/或样品厚度为3nm或以下、10nm或以下、50nm或以下、100nm 或以下、200nm或以下、500nm或以下、800nm或以下、1000nm或以下、1um或以下、 2um或以下、3um或以下、5um或以下、10um或以下、20um或以下、30um或以下、 50um或以下、100um或以下、150um或以下、200um或以下、300um或以下、500um 或以下、800um或以下、1mm或以下、2mm或以下、4mm或以下，或这些值中的任何两个之间的范围。
间隔件高度和/或样品厚度在一个优选实施例中在1nm到100nm之间，在另一优选实施例中在100nm到500nm之间，在单独的优选实施例中在500nm到1000nm之间，在另一优选实施例中在1um(例如1000nm)到2um之间，在单独的优选实施例中在2um 到3um之间，在另一优选实施例中在3um到5um之间，在单独的优选实施例中在5um 到10um之间，在另一优选实施例中在10um到50um之间，在单独的优选实施例中在 50um到100um之间。
在某些实施例中，间隔件高度和/或样品厚度(i)等于或略大于分析物的最小尺寸，或(ii)等于或略大于分析物的最大尺寸。“稍大”意指它大大约1％至5％并且是两个值之间的任何数。
在某些实施例中，间隔件高度和/或样品厚度大于分析物的最小尺寸(例如，分析物具有各向异性形状)，但小于分析物的最大尺寸。
例如，红细胞具有圆盘形状，其最小尺寸为2um(盘厚度)且最大尺寸为11um(盘直径)。在本发明的一个实施例中，选择间隔件使得相关区域中板的内表面间距在一个实施例中是2um(等于最小尺寸)，在另一个实施例中是2.2um，或在其他实施例中是3 (比最小尺寸大50％)，但小于红细胞的最大尺寸。这种实施例在血细胞计数方面具有某些优点。在一个实施例中，对于红细胞计数，通过使内表面间距为2um或3um以及两个值之间的任何数字，将未稀释的全血样品限定在该间距中，平均而言，每个红细胞 (RBC)不与其他红细胞重叠，从而允许视觉上准确地计数红细胞。(RBC之间的重叠过多可能导致计数的严重错误)。
在本发明中，在某些实施例中，使用板和间隔件不仅调节样品的厚度，而且当板处于闭合构造时调节样品中分析物/实体的取向和/或表面密度。当板处于闭合构造时，较薄的样品厚度给出每表面积较少的分析物/实体(例如较小的表面浓度)。
(vii)间隔件横向尺寸。对于开放间隔件，横向尺寸可以通过其在x和y两个正交方向上的横向尺寸(有时称为宽度)来表征。间隔件在每个方向上的横向尺寸相同或不同。在某些实施例中，每个方向(x或y)的横向尺寸是...。
在某些实施例中，x方向与y方向的横向尺寸的比是1、1.5、2、5、10、100、500、1000、10,000，或任何两个值之间的范围。在某些实施例中，使用不同的比调节样品流动方向；比越大，流动沿一个方向(较大的尺寸方向)。
在某些实施例中，间隔件在x和y方向上的不同横向尺寸被用作(a)使用间隔件作为刻度标记来指示板的取向，(b)使用间隔件在优选方向上产生更多的样品流，或两者。
在优选实施例中，周期、宽度和高度。
在某些实施例中，所有间隔件具有相同的形状和尺寸。在某些实施例中，间隔件中的每一者具有不同的横向尺寸。
对于封闭间隔件，在某些实施例中，基于将封闭间隔件封闭的样品的总体积选择内部横向形状和尺寸，其中体积尺寸已经在本公开中描述；并且在某些实施例中，该外侧形状和尺寸是基于支撑该液体抵靠该间隔件的压力所需的强度以及按压这些板的压缩压力来选择的。
(viii)柱间隔件的高度与平均横向尺寸的纵横比。在某些实施例中，柱间隔件的高度与平均横向尺寸的纵横比是100,000、10,000、1,000、100、10、1、0.1、0.01、0.001、0.0001、0.00001或任何两个值之间的范围。
(ix)间隔件高度精度。间隔件高度应精确控制。间隔件的相对精度(例如偏差与期望的间隔件高度的比)为0.001％以下、0.01％以下、0.1％以下；0.5％或以下、1％或以下、2％或以下、5％或以下、8％或以下、10％或以下、15％或以下、20％或以下、30％或以下、40％或以下、50％或以下、60％或以下、70％或以下、80％或以下、90％或以下、 99.9％或以下，或任何两个值之间的范围。
(x)间隔距离。间隔件可以是板上或样品的相关区域中的单个间隔件或多个间隔件。在某些实施例中，板上的间隔件以阵列形式配置和/或布置，且阵列是周期性、非周期性阵列或在板的一些位置中是周期性的，而在其他位置是非周期性的。
在某些实施例中，间隔件的周期性阵列具有方形、矩形、三角形、六边形、多边形或其任何组合的点阵，其中组合意味着板的不同位置具有不同的间隔件点阵。
在某些实施例中，间隔件阵列的间隔距离在阵列的至少一个方向上是周期性的(例如，均匀的间隔距离)。在某些实施例中，所述间隔距离被配置为在闭合构造下改进所述板间距之间的均匀性。
相邻间隔件之间的距离(即，间隔距离)是1um或以下、5um或以下、10um或以下、20um或以下、30um或以下、40um或以下、50um或以下、60um或以下、70um或以下、80um或以下、90um或以下、100um或以下、200um或以下、300um或以下、400um 或以下，或任何两个值之间的范围。
在某些实施例中，该间隔距离是400或以下、500或以下、1mm或以下、2mm或以下、3mm或以下、5mm或以下、7mm或以下、10mm或以下，或这些值之间的任何范围。在某些实施例中，间隔距离是10mm或以下、20mm或以下、30mm或以下、50mm 或以下、70mm或以下、100mm或以下，或这些值之间的任何范围。
选择相邻间隔件之间的距离(例如间隔距离)，使得对于板和样品的给定性质，在板的闭合构造下，在某些实施例中，两个相邻间隔件之间的样品厚度变化为至多0.5％、1％、5％、10％、20％、30％、50％、80％，或这些值之间的任何范围；或在某些实施例中，至多80％、100％、200％、400％，或任何两个值之间的范围。
显然，为了在两个相邻间隔件之间保持给定的样品厚度变化，当使用更柔性的板时，需要更靠近的间隔距离。
指定间隔距离的准确度。
在优选实施例中，间隔件是周期性方形阵列，其中间隔件是高度为2至4um，平均横向尺寸为5至20um并且间隔距离为1um至100um的柱。
在优选实施例中，间隔件是周期性方形阵列，其中间隔件是高度为2至4um，平均横向尺寸为5至20um并且间隔距离为100um至250um的柱。
在优选实施例中，间隔件是周期性方形阵列，其中间隔件是高度为4至50um，平均横向尺寸为5至20um并且间隔距离为1um至100um的柱。
在优选实施例中，间隔件是周期性方形阵列，其中间隔件是高度为4至50um，平均横向尺寸为5至20um并且间隔距离为100um至250um的柱。
间隔阵列的周期在一个优选实施例中在1nm到100nm之间，在另一个优选实施例中在100nm到500nm之间，在单独的优选实施例中在500nm到1000nm之间，在另一个优选实施例中在1um(例如1000nm)到2um之间，在单独的优选实施例中在2um到 3um之间，在另一个优选实施例中在3um到5um之间，在单独的优选实施例中在5um 到10um之间，并且在另一个优选实施例中在10um到50um之间，在单独的优选实施例中在50um到100um之间，在单独的优选实施例中在100um到175um之间，并且在单独的优选实施例中在175um到300um之间。
(xi)间隔件密度。间隔件以大于1个/um2、大于1个/10um2、大于1个/100um2、大于1个/500um2、大于1个/1000um2、大于1个/5000um2、大于1个/0.01mm2、大于1 个/0.1mm2、大于1个/1mm2、大于1个/5mm2、大于1个/10mm2、大于1个/100mm2、大于1个/1000mm2、大于1个/10000mm2或在任何两个值之间的范围内的表面密度布置在相应的板上。
(3)这些间隔件被配置为不占用给定样品区域(体积)中的显著表区域(体积)；
(xii)间隔件体积与样品体积的比。在许多实施例中，控制间隔件体积(例如，间隔件的体积)与样品体积(例如，样品的体积)的比，和/或在样品的相关体积内的间隔件的体积与样品的相关体积的比，以实现某些优点。优点包括但不限于样品厚度控制的均匀性、分析物的均匀性、样品流动性质(例如流速、流动方向等)。
在某些实施例中，间隔件体积r)与样品体积的比，和/或在样品的相关体积内的间隔件的体积与样品的相关体积的比小于100％、至多99％、至多70％、至多50％、至多 30％、至多10％、至多5％、至多3％、至多1％、至多0.1％、至多0.01％、至多0.001％，或这些值之间的任何范围。
(xiii)固定至板的间隔件。在本发明中起关键作用的间隔距离和间隔件的取向优选地在将板从开放构造带到闭合构造的过程期间保持，和/或优选地在从开放构造到闭合构造的过程之前预先确定。
在本公开的某些实施例中，在将这些板带到闭合构造之前将间隔件固定在这些板之一上。术语“间隔件与其相应的板固定”意指间隔件附接到板并且在板的使用期间保持附接。“间隔件与其相应的板固定在一起”的示例是间隔件由板的一件材料整体地制成，并且间隔件相对于板表面的位置不改变。“间隔件与其相应的板不固定”的示例是间隔件通过粘合剂粘合到板上，但是在板的使用期间，粘合剂不能将间隔件保持在其在板表面上的原始位置(例如，间隔件移动离开其在板表面上的原始位置)。
在某些实施例中，这些间隔件中的至少一个被固定到其相应的板上。在某些实施例中，两个间隔件固定到其相应的板。在某些实施例中，间隔件的大部分与其相应的板固定。在某些实施例中，所有间隔件与其相应的板固定。
在某些实施例中，间隔件整体地固定到板。
在某些实施例中，间隔件通过以下方法和/或配置中的一者或任何组合固定到其相应板：附接到、结合到、熔合到、压印和蚀刻。
术语“压印”是指通过压印(例如，压纹)一片材料以在板表面上形成间隔件来整体地固定间隔件和板。材料可以是单层材料或多层材料。
术语“蚀刻的”意指通过蚀刻一片材料以在板表面上形成间隔件来整体地固定间隔件和板。材料可以是单层材料或多层材料。
术语“熔合到”是指间隔件和板通过将间隔件和板附接在一起而整体地固定，间隔件和板的原始材料彼此熔合，并且在熔合之后在两种材料之间存在清晰的材料边界。
术语“结合到”意指间隔件和板通过粘合结合间隔件和板而整体地固定。
术语“附接到”意指间隔件和板连接在一起。
在某些实施例中，间隔件和板由相同的材料制成。在其他实施例中，间隔件和板由不同的材料制成。在其他实施例中，间隔件和板形成为一体。在另一实施例中，间隔件具有固定到其相应板的一端，同时该端是开放的以容纳两个板的不同构造。
在其他实施例中，间隔件中的每一者独立地附接到、结合到、熔合到、压印到和蚀刻到相应板中的至少一者。术语“独立地”意指通过相同或不同的方法将一个间隔件与其相应的板固定，所述方法选自在相应的板中附接、结合、熔合、压印和蚀刻的方法。
在某些实施例中，至少两个间隔件之间的距离是预定的(“预定间隔距离”意指当使用者使用板时已知该距离)。
在本文所述的所有方法和装置的某些实施例中，除固定间隔件之外还存在额外间隔件。
(xiv)特定样品厚度。在本发明中，观察到通过使用较小的板间距(对于给定的样品面积)或较大的样品面积(对于给定的板间距)或两者可以获得较大的板保持力(例如将两个板保持在一起的力)。
在某些实施例中，这些板中的至少一个在包围该相关区域的区域中是透明的，每个板具有被配置为用于在该闭合构造中接触该样品的内表面；在闭合构造中，这些板的内表面是基本上彼此平行的；除了具有间隔件的位置之外，板的内表面基本上是平面的；或其任何组合。
可使用光刻、蚀刻、压纹(纳米压印)、沉积、剥离、熔合或其组合以各种方式在板上制造间隔件。在某些实施例中，间隔件直接压纹或压印在板上。在某些实施例中，间隔件压印到沉积在板上的材料(例如塑料)中。在某些实施例中，通过直接压纹CROF 板的表面来制造间隔件。纳米压印可以使用辊压印器通过辊对辊技术进行，或者辊对平面纳米压印。这种方法具有巨大的经济优势，因此降低了成本。
在某些实施例中，间隔件沉积在板上。沉积可以是蒸发、粘贴或剥离。在粘贴中，首先在载体上制造间隔件，然后将间隔件从载体转移到板。在剥离中，首先将可移除材料沉积在板上并且在材料中产生孔；孔底使板表面暴露，然后将间隔件材料沉积到孔中，之后去除可去除材料，仅在板表面上留下间隔件。在某些实施例中，沉积在板上的间隔件与板熔合。在某些实施例中，间隔件和板在单一工艺中制造。该单一过程包括压印(例如，压纹、模制)或合成。
在某些实施例中，间隔件中的至少两个通过不同制造方法固定到相应板，且任选地其中所述不同制造方法包括沉积、结合、熔合、压印和蚀刻中的至少一个。
在某些实施例中，间隔件中的一个或多个通过结合、熔合、压印或蚀刻或其任何组合的制造方法固定到相应板。
在某些实施例中，用于在板上形成此类单片间隔件的制造方法包括结合、熔合、压印或蚀刻或其任何组合的方法。
B)适配器
适配器的细节在包括国际申请第PCT/US2018/017504号(Essenlix案卷号ESXPCT18F04)的多种出版物中有详细描述，该申请通过引用结合于此以用于所有目的。
在此描述的本发明通过提供一种包含光学适配器和智能电话的系统来解决该问题。该光学适配器装置安装在将其转换为显微镜的智能手机上，该显微镜可以拍摄样品的荧光和明场图像。该系统可以由普通人员在任何位置方便可靠地操作。光学适配器利用了智能电话的现有资源，包括相机、光源、处理器和显示屏，这提供了一种低成本的解决方案，使用户可以做明场和荧光显微术。
在本发明中，光学适配器装置包含安装在智能电话的上部上的保持器框架和附接至保持器的光学箱，该光学箱具有样品接收槽和照明光学器件。在一些参考文献(美国专利第2016/029091号和美国专利第2011/0292198号)中，其光学适配器设计是包括安装在智能电话上的夹持机械零件和功能光学元件的整体件。这种设计存在的问题是它们需要为每个特定型号的智能电话重新设计整个光学适配器。但是在本发明中，光学适配器被分离成仅用于安装智能电话的保持器框架和含有所有功能部件的通用光学盒。对于不同尺寸的智能手机，只要相机和光源的相对位置相同，只需重新设计支架，这将节约大量的设计和制造成本。
光学适配器的光学盒包括：插座插槽，其在智能手机相机的视场和焦距范围内接收并定位样品载玻片中的样品；用于捕捉样品的明视场显微图像的明场照明光学器件；用于捕捉样品的荧光显微图像的荧光照明光学器件；杠杆，其通过在该光学箱中向内和向外滑动来在明场照明光学器件与荧光照明光学器件之间切换。
该插座插槽具有附接到其上的橡胶门，该橡胶门可以完全覆盖该插槽以防止环境光进入该光学箱中以被该相机收集。在美国专利2016/0290916中，样品槽总是暴露于环境光，这不会引起太多的问题，因为其仅进行明场显微术。但是本发明在进行荧光显微术时可以利用这种橡胶门，因为环境光会给相机的图像传感器带来大量噪声。
为了捕获良好的荧光显微图像，期望几乎没有激发光进入相机并且仅由样品发射的荧光被相机收集。然而，对于所有普通的智能手机，放置在相机前方的滤光器不能很好地阻挡从智能手机的光源发射的光的不期望的波长范围，这是因为由光源发射的光束的大的发散角以及对于未准直的光束不能很好地工作的滤光器。准直光学器件可以被设计成准直由智能电话光源发射的光束以解决这个问题，但是这种方法增加了适配器的尺寸和成本。取而代之，在本发明中，荧光照明光学器件使得激发光能够以大的倾斜入射角部分地从样品载玻片内的波导并且部分地从样品侧的背面照射样品，使得激发光将几乎不被相机收集以减少进入相机的噪声信号。
适配器中的明场照明光学器件接收并转动由光源发射的光束，以便以正入射角背面照射样品。
通常，光学盒还包含安装在其中的与智能电话的相机对准的透镜，其放大由相机捕获的图像。相机捕获的图像可由智能手机的处理器进一步处理，并在智能手机的屏幕上输出分析结果。
为了在同一光学适配器中实现明场照明和荧光照明光学器件，在本发明中，使用可滑动杠杆。荧光照明光学器件的光学元件安装在杠杆上，并且当杠杆完全滑入光学盒内时，荧光照明光学元件阻断明场照明光学器件的光路并将照明光学器件切换到荧光照明光学器件。当杠杆滑出时，安装在杠杆上的荧光照明光学元件移出光路并将照明光学器件切换到明场照明光学器件。这种杠杆设计使得光学适配器既工作在明场照明模式下又工作在荧光照明模式下，而不需要设计两个不同的单模式光学盒。
该杠杆包含处于不同高度的不同平面处的两个平面。
在某些实施例中，两个平面可以通过竖直杆连接在一起并且一起移入或移出光学盒。在某些实施例中，两个平面可以分开并且每个平面可以单独地移入或移出光学盒。
该上部杠杆平面包括至少一个光学元件，该光学元件可以是但不限于滤光器。上部杠杆平面在光源下方移动，且上部杠杆平面与光源之间的优选距离在0至5mm的范围内。
底部杠杆平面的一部分不平行于像平面。底部杠杆平面的非平行部分的表面具有大于95％的高反射率镜面光洁度。该底部杠杆平面的非平行部分在该光源下方移动并且使从该光源发射的光偏转以便背面照射该相机正下方的样品区域。该底部杠杆平面的非平行部分的优选倾角在45度至65度的范围内，并且该倾角被定义为该非平行底部平面与该竖直平面之间的角度。
底部杠杆平面部分平行于像平面，位于样品下方1至10mm处。底部杠杆平面平行部分表面具有高光吸收，光吸收大于95％。该吸收表面是为了消除以小入射角背面照射在样品上的反射光。
为了使用杠杆滑入和滑出以切换照明光学器件，使用包含球塞和杠杆上的凹槽的止动件设计，以便当杠杆从适配器向外拉动时将杠杆停止在预定位置。这允许用户使用任意力拉动杠杆，但是使杠杆停止在固定位置，在该固定位置光学适配器的工作模式被切换到明场照明。
样品滑块安装在插座插槽内，以接收QMAX装置，并将样品定位在智能电话相机的视场和焦距范围内的QMAX装置中。
样品滑块包含固定轨道架和可移动臂：
框架轨道固定安装在光学盒的插座插槽中。并且轨道框架具有与QMAX器件的宽度和厚度相适应的滑动轨道槽，使QMAX器件能够沿轨道滑动。轨道槽的宽度和高度被仔细地配置为使得QMAX装置在滑动平面中在垂直于滑动方向的方向上移位小于 0.5mm并且沿着QMAX装置的厚度方向移位小于0.2mm。
框架轨道在智能手机的相机的视场下具有开放的窗口以允许光背面照射样品。
可移动臂预先设置在轨道框架的滑动轨道槽中，并与QMAX装置一起移动，以引导QMAX装置在轨道框架中的移动。
该可移动臂配备有带有两个预界定的停止位置的停止机构。对于一个位置，臂将使 QMAX装置停止在QMAX装置上的固定样品区域正好位于智能手机的相机下方的位置。对于另一位置，臂将使QMAX装置停止在QMAX装置上的样品区域离开智能电话的视场的位置，并且QMAX装置可以容易地从轨道槽中取出。
可移动臂通过QMAX装置和可移动臂共同按压至轨道槽的端部后释放而在两个停止位置之间切换。
该可移动臂可以指示该QMAX装置是否以正确的方向插入。QMAX装置的一个拐角的形状被配置为与另外三个直角拐角不同。并且可移动臂的形状与特殊形状的转角形状相匹配，使QMAX装置只能沿正确的方向在轨道槽内滑动到正确的位置。
C)智能电话/检测系统
在包括2016年8月10日提交的国际申请(IA)第PCT/US2016/046437号，2016 年9月14日提交的IA第PCT/US2016/051775号，2017年2月7日提交的美国临时申请第62/456065号，2017年2月8日提交的美国临时申请第62/456287号和第62/456590 号，2017年2月8日提交的美国临时申请第62/456504号，2017年2月15日提交的美国临时申请第62/459,544号，以及2017年2月16日提交的美国临时申请第62/460075 号和第62/459920号的各种出版物中详细描述了智能电话/检测系统的细节，出于所有目的将它们中的每一个通过引用整体并入本文。
本文公开的装置/设备、系统和方法可以包括或使用用于样品检测、分析和量化的Q 卡。在某些实施例中，Q卡与能够将Q卡与智能电话检测系统连接的适配器一起使用。在某些实施例中，智能电话包含相机和/或照明源。在某些实施例中，智能电话包含相机，当样品位于相机的视场中时(例如通过适配器)，相机可用于捕获图像或样品。在某些实施例中，相机包括一组透镜(例如，如在iPhoneTM 6中)。在某些实施例中，相机包括至少两组透镜(例如，如在iPhoneTM 7中)。在某些实施例中，智能电话包含相机，但是相机不用于图像捕获。
在某些实施例中，智能电话包含光源，例如但不限于LED(发光二极管)。在某些实施例中，当样品位于相机的视场中时(例如通过适配器)，光源用于向样品提供照明。在某些实施例中，来自光源的光被适配器的光学组件增强、放大、改变和/或优化。
在某些实施例中，智能电话包含被配置为处理来自样品的信息的处理器。智能电话包括软件指令，当由处理器执行时，该软件指令可以增强、放大和/或优化来自样品的信号(例如图像)。处理器可包括一个或多个硬件组件，例如中央处理单元(CPU)、专用集成电路(ASIC)、专用指令集处理器(ASIP)、图形处理单元(GPU)、物理处理单元 (PPU)、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑装置(PLD)、控制器、微控制器单元、精简指令集计算机(RISC)、微处理器等，或其任何组合。
在某些实施例中，智能电话包含通信单元，其被配置和/或用于将与样品相关的数据和/或图像传输到另一装置。仅作为示例，通信单元可以使用电缆网络、有线网络、光纤网络、电信网络、内联网、因特网、局域网(LAN)、广域网(WAN)、无线局域网(WLAN)、城域网(MAN)、广域网(WAN)、公共电话交换网络(PSTN)、蓝牙网络、ZigBee网络、近场通信(NFC)网络等，或其任何组合。在某些实施例中，智能电话是iPhoneTM、 AndroidTM电话或WindowsTM电话。
D)制备方法
制造方法的细节在包括在2018年10月26日提交的国际申请第PCT/US2018/057873号的多种出版物中有详细描述，该申请通过引用结合于此以用于所有目的。
可以使用本领域公知的技术制造本公开的装置。制造技术的选择将取决于用于装置的材料和间隔件阵列的尺寸和/或间隔件的尺寸。用于制造本发明的装置的示例性材料包括玻璃、硅、钢、镍、聚合物，例如聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚烯烃、硅树脂(例如聚(二甲基硅氧烷))、聚丙烯、顺式聚异戊二烯(橡胶)、聚(氯乙烯)(PVC)、聚(乙酸乙烯酯)(PVAc)、聚氯丁二烯(氯丁橡胶)、聚四氟乙烯(特氟隆)、聚(偏二氯乙烯)(SaranA)、环烯烃聚合物(COP)和环烯烃共聚物(COC) 以及其组合。其他材料是本领域已知的。例如，深反应离子蚀刻(DRIE)用于制造具有小间隙、小间隔件和大纵横比(间隔件高度与横向尺寸的比)的硅基装置。例如，当最小的横向特征>20微米并且这些特征的纵横比≦10时，也可以使用塑料装置的热成型(压纹、注塑成型)。
另外的方法包括光刻法(例如，立体光刻法或x射线光刻法)、模制、压纹、硅微加工、湿法或干法化学蚀刻、铣削、金刚石切割、X光深层光刻、微电铸和微复制工艺 (LIGA)和电镀。例如，对于玻璃，可以采用光刻法接着湿法(KOH)或干法蚀刻法 (用氟或其他反应性气体进行反应性离子蚀刻)的传统硅制造技术。对于光子吸收效率高的塑料材料，可以采用激光微加工等技术。由于该工艺的系列性质，该技术适用于较低产量的制造。对于大规模生产的塑料装置，热塑性注塑和压塑可以是合适的。用于大规模制造光盘(其保持亚微米特征的保真度)的常规热塑性注射模制也可用于制造本发明的装置。。例如，通过常规光刻在玻璃基板上复制装置特征。该玻璃基板被电铸以产生坚韧的、抗热冲击的、导热的、坚硬的模具。该模具用作用于将特征注塑或压塑为塑料装置的主模板。根据用于制造装置的塑料材料和对光学质量和成品产量的要求，可以选择压塑或注塑作为制造方法。压塑(也称为热压纹或凸版压印)具有与高分子量聚合物相容的优点，其对于小结构是优异的并且可以复制高纵横比结构但具有更长的周期时间。注塑对于低纵横比结构工作良好，并且最适合于低分子量聚合物。
可以将装置制成一个或多个随后组装的部件。装置的层可以通过夹具、粘合剂、热、阳极结合或表面基团之间的反应(例如晶片结合)结合在一起。或者，可例如使用立体光刻或其他三维制造技术将在一个以上平面中具有通道或间隙的装置制造为单件。
为了减少细胞或由裂解细胞释放的化合物在装置表面上的非特异性吸收，装置的一个或多个表面可被化学修饰为非粘附性或排斥性的。这些表面可以涂覆有商业非粘附试剂的薄膜涂层(例如，单层)，如用于形成水凝胶的那些。可用于修饰装置表面的化学物质的其他示例包括低聚乙二醇、氟化聚合物、有机硅烷、硫醇、聚-乙二醇、透明质酸、牛血清白蛋白、聚-乙烯醇、粘蛋白、聚-HEMA、甲基丙烯酸酯化PEG和琼脂糖。带电聚合物也可用于排斥带相反电荷的物质。用于排斥的化学物质的类型和附接到装置表面的方法将取决于被排斥的物质的性质和表面的性质以及附接的物质。这样的表面改性技术是本领域熟知的。可以在组装装置之前或之后对表面进行官能化。还可以涂覆装置的表面以捕获样品中的材料，例如膜片段或蛋白质。
在本公开的某些实施例中，一种用于制造本公开的任何Q卡的方法可以包含注塑成型第一板。在本公开的某些实施例中，一种用于制造本公开的任何Q卡的方法可以包含纳米压印或挤压印刷第二板。在本公开的某些实施例中，一种用于制造本公开的任何Q 卡的方法可以包含激光切割第一板。在本公开的某些实施例中，一种用于制造本公开的任何Q卡的方法可以包含纳米压印或挤压印刷第二板。在本公开的某些实施例中，一种用于制造本公开的任何Q卡的方法可以包含注塑成型和激光切割第一板。在本公开的某些实施例中，一种用于制造本公开的任何Q卡的方法可以包含纳米压印或挤压印刷第二板。在本公开的某些实施例中，一种用于制造本公开的任何Q卡的方法可以包含纳米压印或挤压印刷以制造第一板和第二板两者。在本公开的某些实施例中，一种用于制造本公开的任何Q卡的方法可以包含使用注塑成型，激光切割第一板，纳米压印，挤压印刷或其组合来制造第一板或第二板。在本公开的某些实施例中，一种用于制造本公开的任何Q卡的方法可以包含在制造第一板和第二板之后将铰链附接到第一板和第二板上的步骤。
E)样品类型和对象
样品和对象的细节在多种出版物中详细描述，包括2016年8月10日提交的国际申请(IA)第PCT/US2016/046437号，2016年9月14日提交的IA第PCT/US2016/051775 号，2018年2月7日提交的IA第PCT/US201/017307号，2017年12月8日提交的IA 第PCT/US2017/065440号，出于所有目的将其各自通过引用并入本文。
可以从对象获得样品。如本文所述的对象可以是任何年龄并且可以是成人、婴儿或儿童。在一些情况下，对象是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、 15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、 34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、 53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、 72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、 91、92、93、94、95、96、97、98或99岁，或在其中的范围内(例如，在2至20岁之间，在20至40岁之间，或在40至90岁之间)。可以受益的特定类别的对象是患有或怀疑患有感染(例如细菌和/或病毒感染)的对象。可以受益的另一特定类别的对象是可能处于感染的较高风险的对象。此外，通过本文所述的任何方法或组合物治疗的对象可以是男性或女性。本文公开的任何方法、装置或试剂盒也可以在非人对象例如实验室或农场动物上进行。非人对象的非限制性实例包括狗、山羊、豚鼠、仓鼠、小鼠、猪、非人灵长类(例如大猩猩、猿、猩猩、狐猴或狒狒)、大鼠、绵羊、母牛或斑马鱼。
本文公开的装置、设备、系统和方法可用于样品，例如但不限于诊断样品、临床样品、环境样品和食物样品。
例如，在某些实施例中，本文公开的装置、设备、系统和方法用于包括细胞、组织、体液和/或其混合物的样品。在某些实施例中，样品包含人体液。在某些实施例中，样品包含细胞、组织、体液、粪便、羊水、房水、玻璃体液、血液、全血、分馏的血液、血浆、血清、母乳、脑脊髓液、耳垢、乳糜、食糜、内淋巴、外淋巴、粪便、胃酸、胃液、淋巴液、粘液、鼻引流液、痰液、心包液、腹膜液、胸膜液、脓液、风湿液、唾液、皮脂、精液、痰液、汗液、滑液、泪液、呕吐物、尿液和呼出的冷凝物中的至少一种。
在某些实施例中，本文公开的装置、设备、系统和方法用于获自任何合适来源的环境样品，例如但不限于：河流、湖泊、池塘、海洋、冰川、冰山、雨、雪、污水、水库、自来水、饮用水等；固体样品，获自土壤、堆肥、砂、岩石、混凝土、木材、砖、污水等；以及气体样品，获自空气、水下排气孔、工业废气、车辆废气等。在某些实施例中，环境样品是从来源新鲜的；在某些实施例中，环境样品是经处理的。例如，在应用题述装置、设备、系统和方法之前，将非液体形式的样品转化成液体形式。
在某些实施例中，本文所公开的装置、设备、系统和方法用于食物样品，该食物样品适合于或可能变得适合于动物食用，例如人类食用。在某些实施例中，食物样品包括原料、烹制或处理的食品、植物和动物来源的食品、预处理的食品以及部分或完全处理的食品等。在某些实施例中，在应用题述装置、设备、系统和方法之前，将非液体形式的样品转化成液体形式。
题述装置、设备、系统和方法可用于分析任何体积的样品。体积的示例包括但不限于约10mL或以下、5mL或以下、3mL或以下、1微升(uL，本文也是“uL”)或以下、 500uL或以下、300uL或以下、250uL或以下、200uL或以下、170uL或以下、150uL或以下、125uL或以下、100uL或以下、75uL或以下、50uL或以下、25uL或以下、20uL 或以下、15uL或以下、10uL或以下、5uL或以下、3uL或以下、1uL或以下、0.5uL或以下、0.1uL或以下、0.05uL或以下、0.001uL或以下、0.0005uL或以下、0.0001uL或以下、10pL或以下、1pL或以下，或任何两个值之间的范围。
在某些实施例中，样品的体积包括但不限于约100uL或以下、75uL或以下、50uL 或以下、25uL或以下、20uL或以下、15uL或以下、10uL或以下、5uL或以下、3uL或以下、1uL或以下、0.5uL或以下、0.1uL或以下、0.05uL或以下、0.001uL或以下、0.0005uL 或以下、0.0001uL或以下、10pL或以下、1pL或以下，或任何两个值之间的范围。在某些实施例中，样品的体积包括但不限于约10uL或以下、5uL或以下、3uL或以下、1uL 或以下、0.5uL或以下、0.1uL或以下、0.05uL或以下、0.001uL或以下、0.0005uL或以下、0.0001uL或以下、10pL或以下、1pL或以下，或任何两个值之间的范围。
在某些实施例中，样品的量约为一滴液体。在某些实施例中，样品的量是从刺破的手指或手指针刺收集的量。在某些实施例中，样品的量是从微针、微量移液管或静脉抽吸中收集的量。
F)机器学习
网络的详细信息在各种出版物中详细描述，包括2018年2月8日提交的国际申请(IA)第PCT/US2018/017504号和2018年10月26日提交的第PCT/US2018/057877号，出于所有目的将其各自通过引用并入本文。
本发明的一个方面提供了用于分析物检测和定位的机器学习和深度学习的框架。机器学习算法是能够从数据中学习的算法。机器学习的更严格定义是“如果其在T中的任务处的性能如由P所测量的那样随着经验E而改进的话，计算机程序被说成从关于某类任务T和性能测量P的经验E学习。”它探索能够学习和预测数据的算法的研究和构造–这种算法通过根据样品输入构建模型，通过进行数据驱动的预测或决策来克服静态的程序指令。
深度学习是一种基于一组试图对数据中的高级抽象建模的算法的特定类型的机器学习。在简单的情况下，可能存在两组神经元：接收输入信号的神经元和发送输出信号的神经元。当输入层接收到输入时，它将输入的修改版本传递给下一层。在深度网络中，在输入和输出之间存在许多层(并且这些层不由神经元构成，但是这可以帮助将其考虑为那样的方式)，从而允许算法使用由多个线性和非线性变换组成的多个处理层。
本发明的一个方面是提供两种分析物检测和定位方法。第一种方法是深度学习方法，第二种方法是深度学习和计算机视觉方法的组合。
(i)深度学习方法。在第一种方法中，所公开的分析物检测和定位工作流程由训练和预测两个阶段组成。我们在以下段落中描述训练和预测阶段。
(a)训练阶段
在训练阶段，将带有注释的训练数据馈入卷积神经网络。卷积神经网络是用于处理数据的专用神经网络，其具有网格状、前馈和分层网络拓扑。数据的示例包括时间序列数据和图像数据，时间序列数据可以被认为是以规则的时间间隔进行采样的1D网格，图像数据可以被认为是像素的2D网格。卷积网络在实际应用中取得了成功。名称“卷积神经网络”表示该网络采用称为卷积的数学运算。卷积是一种专用的线性运算。卷积网络仅仅是神经网络，其使用卷积来代替其至少一层中的一般矩阵乘法。
机器学习模型接收含有由成像器在样品保持QMAX装置上获取的分析物的样品的一个或多个图像作为训练数据。为要测定的分析物注释训练数据，其中注释指示分析物是否在训练数据中以及它们在图像中的位置。注释可以以完全含有分析物或分析物中心位置的紧密边界框的形式进行。在后一种情况下，中心位置进一步转化为覆盖分析物的圆圈或点图中的高斯核。
当训练数据量较大时，训练机器学习模型面临两个挑战：注释(通常由人完成)耗时，以及训练在计算上是昂贵的。为了克服这些挑战，可以将训练数据分割成小尺寸的补丁，然后注释并训练这些补丁或这些补丁的一部分。术语“机器学习”可以指人工智能领域中的算法、系统和设备，其通常使用统计技术和从数据训练的人工神经网络而没有明确编程。
经注释的图像被馈送到机器学习(ML)训练模块，并且机器学习模块中的模型训练器将根据训练数据(经注释的样品图像)来训练ML模型。将所述输入数据多次迭代地馈送到所述模型训练器，直到满足特定停止准则。ML训练模块的输出是ML模型- 根据机器学习中的训练过程从数据建立的计算模型，该数据给予计算机独立地执行某些任务(例如，检测和分类物体)的能力。
在预测(或推理)阶段期间由计算机应用经训练的机器学习模型。机器学习模型的示例有ResNet、DenseNet等，由于其网络结构中连通层的深度，其也被称为“深度学习模型”。在某些实施例中，使用具有全卷积网络(FCN)的Caffe库进行模型训练和预测，并且还可以使用其他卷积神经网络架构和库，诸如TensorFlow。
训练阶段产生将在预测阶段中使用的模型。该模型可在预测阶段重复使用，用于测定输入。因此，计算单元只需要访问所产生的模型。它不需要访问训练数据，也不需要在计算单元上再次运行训练阶段。
(b)预测阶段
在预测/推理阶段，检测组件被应用于输入图像，并且输入图像被馈送到预加载有从训练阶段生成的训练模型的预测(推理)模块。预测阶段的输出可以是含有检测到的分析物及其中心位置的边界框，或指示每个分析物的位置的点图，或含有检测到的分析物的信息的热图。
当预测阶段的输出是边界框的列表时，用于测定的样品的图像中的分析物的数量由检测到的边界框的数量来表征。当预测阶段的输出是点图时，用于测定的样品的图像中的分析物的数量通过点图的积分来表征。当预测的输出是热图时，定位组件用于识别位置，并且检测的分析物的数量通过热图的条目来表征。
定位算法的一个实施例是将热图值从最高值到最低值排序成一维有序列表。然后挑选具有最高值的像素，将该像素连同其相邻者一起从列表中除去。重复该过程以挑选列表中具有最高值的像素，直到从列表中除去了所有像素。
在使用热图的检测组件中，输入图像连同从训练阶段生成的模型一起被馈送到卷积神经网络，并且检测阶段的输出是以热图的形式的像素级预测。热图可以具有与输入图像相同的尺寸，或者它可以是输入图像的按比例缩小的版本，并且它是定位组件的输入。我们公开了一种定位分析物中心的算法。主要思想是根据热图迭代地检测局部峰值。在峰被定位之后，我们计算围绕峰但具有较小值的局部区域。我们从热图中去除这个区域并且从剩余像素中找到下一个峰值。重复该过程，仅从热图中去除所有像素。
在某些实施例中，本发明提供了定位算法以将热图值从最高值到最低值排序成一维有序列表。然后挑选具有最高值的像素，将该像素连同其相邻者一起从列表中除去。重复该过程以挑选列表中具有最高值的像素，直到从列表中除去了所有像素。
算法全局搜索(热图)
Figure BDA0003267332180000271
Figure BDA0003267332180000281
排序后，热图为一维有序列表，其中热图值从高到低排序。每个热图值与其对应的像素坐标相关联。热图中的第一项是具有最高值的项，即弹出(热图)函数的输出。创建一个盘，其中中心是具有最高热图值的盘的像素坐标。然后从热图中除去像素坐标位于盘内的所有热图值。该算法反复弹出当前热图中的最高值，除去其周围的盘，直到项目被从热图中除去。
在有序列表热图中，每个项目都知道继续进行项目和以下项目。从有序列表中移除项目时，我们进行以下更改：
·假设去除项目是xr，其进行项目是xp，其后续项目是xf。
·对于进行项目xp，将其后续项目重新定义为去除项目中的后续项目。因此，xp的后续项目现在是xf。
·对于去除项目xr，取消定义其进行项目和后续项目，从有序列表中将其去除。
·对于后续项目xf，将其进行项目重新定义为去除项目中的进行项目。因此，xf的进行项目现在是xp。
从有序列表中除去所有项目后，定位算法结束。集合loci中元素的数目将是分析物的计数，位置信息是集合loci中每个s的像素坐标。
另一个实施例搜索局部峰值，该局部峰值不是具有最高热图值的局部峰值所必需的。为了检测每个局部峰值，我们从随机起始点开始，并搜索局部最大值。发现峰后，计算围绕峰但具有较小值的局部区域。我们从热图中去除这个区域并且从剩余像素中找到下一个峰值。重复该过程，仅从热图中去除所有像素。
算法局部搜索(s，热图)
Input:
s:starting location(x,y)
heatmap
Output:
s:location of local peak.
We only consider pixels of value>0.
Algorithm Cover(s,heatmap)
Input:
s:location of local peak.
heatmap:
Output:
cover:a set of pixels covered by peak:
这是一种从s开始的宽度优先搜索算法，具有一个改变的访问点条件：仅在热图[p]>0且热图[p]<＝热图[q]的情况下添加当前位置q的相邻者p以进行覆盖。因此，覆盖中的每一个像素具有通向局部峰值s的非下降路径。
算法定位(热图)
Figure BDA0003267332180000291
(ii)深度学习和计算机视觉方法的混合。在第二种方法中，检测和定位通过计算机视觉算法实现，并且分类通过深度学习算法实现，其中计算机视觉算法检测并定位分析物的可能候选物，并且深度学习算法将每个可能候选物分类为真分析物和假分析物。所有真实分析物的位置(连同真实分析物的总计数)将被记录为输出。
(a)检测。计算机视觉算法基于分析物的特性来检测可能的候选物，所述特性包括但不限于强度、颜色、尺寸、形状、分布等。预处理方案可以改善检测。预处理方案包括对比度增强、直方图调整、颜色增强、去噪声、平滑、散焦等。预处理后的输入图像送入检测器。检测器告诉分析物的可能候选者的存在并给出其位置的估计。检测可以基于分析物结构(例如边缘检测、线检测、圆检测等)、连通性(例如斑点检测、连接分量、轮廓检测等)、强度、颜色、形状等，使用诸如自适应阈值处理等方案。
(b)定位。在检测之后，计算机视觉算法通过提供其边界或含有其的紧密边界框定位分析物的每个可能的候选物。这可以通过物体分割算法来实现，诸如自适应阈值处理、背景减除、漫水填充、均值偏移、流域等。通常，定位可与检测组合以产生检测结果以及分析物的每个可能候选物的位置。
(c)分类。如卷积神经网络等深度学习算法，实现了视觉分类的起步。我们采用深度学习算法对分析物的每种可能的候选物进行分类。各种卷积神经网络可用于分析物分类，例如VGGNet、ResNet,、MobileNet、DenseNet等。
给定分析物的每个可能的候选者，深度学习算法通过神经元层经由卷积过滤器和非线性过滤器计算以提取将分析物与非分析物区分开的高级特征。一层完全卷积网络将高级特征结合到分类结果中，其告诉它是否是真实的分析物，或者是分析物的概率。
G)应用、生物/化学生物标记物和健康状况
本发明的应用包括，但不限于(a)与某些疾病阶段相关的化合物或生物分子的检测、纯化和量化，所述疾病例如传染病和寄生虫病、损伤、心血管疾病、癌症、精神障碍、神经精神障碍和器质性疾病(例如肺病、肾病)，(b)来自环境(例如水、土壤) 的微生物(例如病毒、真菌和细菌)或生物样品(例如组织、体液)的检测、纯化和量化，(c)对食品安全或国家安全造成危害的化合物或生物样品(例如有毒废物、炭疽) 的检测、量化，(d)在医学或生理监测中的生命参数(例如葡萄糖、血氧水平、总血细胞计数)的量化，(e)来自生物样品(例如细胞、病毒、体液)的特异性DNA或RNA 的检测和量化，(f)用于基因组分析的染色体和线粒体中DNA的遗传序列的测序和比较，或(g)检测反应产物(例如在药物合成或纯化期间)。
检测可在各种样品基质中进行，如细胞、组织、体液和粪便。感兴趣的体液包括但不限于羊水、房水、玻璃体液、血液(例如、全血、分馏的血液、血浆、血清等)、母乳、脑脊髓液(CSF)、耳垢(耳屎)、乳糜、食糜、内淋巴、外淋巴、粪便、胃酸、胃液、淋巴液、粘液(包括鼻引流和痰)、心包液、腹膜液、胸膜液、脓液、发炎性分泌物、唾液、皮脂(皮肤油脂)、精液、痰、汗、滑液、泪液、呕吐物、尿以及呼出的冷凝物。在某些实施例中，样品包含人体液。在某些实施例中，样品包含细胞、组织、体液、粪便、羊水、房水、玻璃体液、血液、全血、分馏的血液、血浆、血清、母乳、脑脊髓液、耳垢、乳糜、食糜、内淋巴、外淋巴、粪便、胃酸、胃液、淋巴液、粘液、鼻引流液、痰液、心包液、腹膜液、胸膜液、脓液、风湿液、唾液、皮脂、精液、痰液、汗液、滑液、泪液、呕吐物、尿液和呼出的冷凝物中的至少一种。
在实施例中，所述样品是生物样品、环境样品和生物化学样品中的至少一种。
本发明的装置、系统和方法可用于需要测定样品中一种或多种分析物的存在与否和 /或定量的各种领域中的各种不同应用。例如，本方法可用于检测蛋白质、肽、核酸、合成化合物、无机化合物等。各种领域包括但不限于人、兽医、农业、食品、环境、药物测试等。
在某些实施例中，题述方法可用于检测样品中的核酸、蛋白质或其他生物分子。所述方法可包括检测样品中的一组生物标记物，例如两种或更多种不同的蛋白质或核酸生物标记物。例如，所述方法可用于生物样品中两种或更多种疾病生物标记物的快速临床检测，例如，可用于对象中疾病状况的诊断，或正在进行的对象中疾病状况的管理或治疗等。如上所述，与医师或其他健康护理提供者的通信可以更好地确保医师或其他健康护理提供者知道并认识到可能的关注，并且因此可以更可能采取适当的行动。
采用CROF装置的本发明的装置、系统和方法的应用包括但不限于(a)与某些疾病阶段相关的化合物或生物分子的检测、纯化和量化，所述疾病例如传染病和寄生虫病、损伤、心血管疾病、癌症、精神障碍、神经精神障碍和器质性疾病(例如肺病、肾病)， (b)来自环境(例如水、土壤)的微生物(例如病毒、真菌和细菌)或生物样品(例如组织、体液)的检测、纯化和量化，(c)对食品安全或国家安全造成危害的化合物或生物样品(例如有毒废物、炭疽)的检测、量化，(d)在医学或生理监测中的生命参数 (例如葡萄糖、血氧水平、总血细胞计数)的量化，(e)来自生物样品(例如细胞、病毒、体液)的特异性DNA或RNA的检测和量化，(f)用于基因组分析的染色体和线粒体中DNA的遗传序列的测序和比较，或(g)检测反应产物(例如在药物合成或纯化期间)。现在更详细地描述本发明中的装置、系统和方法的一些特定应用。
本发明的应用包括，但不限于(a)与某些疾病阶段相关的化合物或生物分子的检测、纯化和量化，所述疾病例如传染病和寄生虫病、损伤、心血管疾病、癌症、精神障碍、神经精神障碍和器质性疾病(例如肺病、肾病)，(b)来自环境(例如水、土壤) 的微生物(例如病毒、真菌和细菌)或生物样品(例如组织、体液)的检测、纯化和量化，(c)对食品安全或国家安全造成危害的化合物或生物样品(例如有毒废物、炭疽) 的检测、量化，(d)在医学或生理监测中的生命参数(例如葡萄糖、血氧水平、总血细胞计数)的量化，(e)来自生物样品(例如细胞、病毒、体液)的特异性DNA或RNA 的检测和量化，(f)用于基因组分析的染色体和线粒体中DNA的遗传序列的测序和比较，或(g)检测反应产物(例如在药物合成或纯化期间)。
本发明的装置、系统和方法的实现可以包括a)获得样品，b)在适于样品中的分析物与捕获剂结合的条件下，将样品施加到含有与感兴趣的分析物结合的捕获剂的CROF 装置，c)洗涤CROF装置，和d)读取CROF装置，由此获得样品中分析物的量的测量。在某些实施例中，分析物可以是生物标记物、环境标记物或食物标记物。在一些情况下，样品是液体样品，并且可以是诊断样品(例如唾液、血清、血液、痰液、尿液、汗液、泪液、精液或粘液)；环境样品，获自河流、海洋、湖泊、雨、雪、污水、污水处理径流、农业径流、工业径流、自来水或饮用水；或食物样品，获自自来水、饮用水、制备的食品、处理的食品或生食品。
在任何实施例中，CROF装置可以放置在微流体装置中，并且施加步骤b)可以包括将样品施加到包含CROF装置的微流体装置。
在任何实施例中，读取步骤d)可以包括检测来自CROF装置的荧光或发光信号。
在任何实施例中，读取步骤d)可以包括用配置为读取CROF装置的手持装置来读取CROF装置。手持装置可以是移动电话，例如智能电话。
在任何实施例中，CROF装置可包括标记剂，其可结合CROF装置上的分析物-捕获剂复合物。
在任何实施例中，本发明的装置、系统和方法在步骤c)和d)之间还可包括以下步骤：向CROF装置施加与CROF装置上的分析物-捕获剂复合物结合的标记剂，以及洗涤CROF装置。
在任何实施例中，读取步骤d)可以包括读取CROF装置的标识符。该标识符可以是光学条形码、射频ID标签，或其组合。
在任何实施例中，本发明的装置、系统和方法可以进一步包括将对照样品施加到含有结合到分析物的捕获剂的对照CROF装置，其中对照样品包括已知可检测量的分析物，并且读取对照CROF装置，从而获得样品中已知可检测量的分析物的对照测量。
在任何实施例中，样品可以是获自对象的诊断样品，分析物可以是生物标记物，并且样品中分析物的测量量可以是疾病或状况的诊断。
在任何实施例中，本发明中的装置、系统和方法可以进一步包括向所述对象接收或提供报告，所述报告指示在没有患有所述疾病或状况或处于患有所述疾病或状况的低风险的个体中所述生物标记物的测量量和所述生物标记物的测量值范围，其中相对于所述测量值范围的所述生物标记物的测量量是疾病或状况的诊断。
在任何实施例中，本发明中的装置、系统和方法可以还包括基于包括样品中生物标记物的测量量的信息诊断对象。在一些情况下，诊断步骤包括将包含所测量的生物标记物的量的数据发送到远程位置，并基于包括来自远程位置的测量的信息接收诊断。
在任何实施例中，应用步骤b)可以包括从样品中分离miRNA以产生分离的miRNA样品，并将分离的miRNA样品应用于磁盘耦合柱点天线(CROF装置)阵列。
在任何实施例中，所述方法可包括接收或提供报告，所述报告指示暴露于从中获得样品的环境的对象的安全性或危害性。
在任何实施例中，该方法可以包括将包含所测量的环境标记物的量的数据发送到远程位置，并且接收指示对暴露于从中获得样品的环境的对象的安全性或危害性的报告。
在任何实施例中，CROF装置阵列可以包括多个捕获剂，每个捕获剂结合环境标记物，并且其中读取步骤d)可以包括获得样品中多个环境标记物的量的测量。
在任何实施例中，样品可以是食物样品，其中分析物可以是食物标记物，并且其中样品中食物标记物的量可以与供食用的食物的安全性相关。
在任何实施例中，该方法可以包括接收或提供报告，该报告指示对象食用从中获得样品的食品的安全性或危害性。
在任何实施例中，该方法可以包括将包含所测量的该食物标记物的量的数据发送到远程位置并且接收指示对象食用从中获得样品的食物的安全性或危害性的报告。
在任何实施例中，CROF装置阵列可以包括多个捕获剂，每个捕获剂与食物标记物结合，其中该获得可以包括获得该样品中的该多个食物标记物的量的测量，并且其中该样品中的该多个食物标记物的量可以与供食用的食物的安全性相关。
本文还提供了用于实践本发明中的装置、系统和方法的试剂盒。
样品的量可以是约一滴样品。样品的量可以是从刺破的手指或手指针刺收集的量。样品的量可以是从微针或静脉抽吸中收集的量。
样品可在从来源获得后无需进一步处理而使用，或可被处理，例如以富集感兴趣的分析物、除去大颗粒物质、溶解或再悬浮固体样品等。
可以采用将样品施加到CROF装置的任何合适的方法。合适的方法可包括使用移液管、滴管、注射器等。在某些实施例中，当CROF装置位于量计形式的支架上时，如下所述，可以通过将量计的样品接收区域浸入样品中来将样品施加到CROF装置上。
可以一次或多次收集样品。可以单独聚集和/或处理随时间收集的样品(如本文所述，通过应用于CROF装置并获得样品中分析物的量的测量)。在一些情况下，随时间获得的测量可被聚集并且可用于随时间的纵向分析以促进筛选、诊断、治疗和/或疾病预防。
洗涤CROF装置以除去未结合的样品组分可以以任何方便的方式进行，如上所述。在某些实施例中，使用结合缓冲液洗涤CROF装置的表面以除去未结合的样品组分。
分析物的可检测标记可以通过任何方便的方法进行。分析物可以直接或间接标记。在直接标记中，在将样品施加到CROF装置之前标记样品中的分析物。在间接标记中，样品中的未标记分析物在样品施加到CROF装置以捕获未标记分析物后被标记，如下所述。
下面进一步描述来自对象的样品、对象的健康和本发明的其他应用。示例性样品、健康状况和应用也公开于，例如，美国公开第2014/0154668号和2014/0045209号，其通过引用并入本文。
本发明可用于多种应用，其中这些应用通常是分析物检测应用，其中给定样品中特定分析物的存在被至少定性地(如果不是定量地)检测。用于进行分析物检测测定的方案是本领域技术人员熟知的，并且不需要在此进行更详细的描述。通常，将怀疑包含感兴趣的分析物的样品与所述纳米传感器的表面在足以使所述分析物结合其各自的捕获剂的条件下接触，所述捕获剂被系链至所述传感器。所述捕获剂对感兴趣的靶向分子具有高度特异性亲和力。这种亲和力可以是抗原-抗体反应，其中抗体结合抗原上的特异性表位，或DNA/RNA或DNA/RNA杂交反应，其在核酸的两条或更多条互补链之间是序列特异性的。因此，如果感兴趣的分析物存在于样品中，那么其可能在捕获剂的位点处结合到传感器，且在传感器表面上形成复合物。即，将捕获的分析物固定在传感器表面。在除去未结合的分析物后，然后例如使用标记的第二捕获剂检测传感器表面上的这种结合复合物(例如固定化的感兴趣的分析物)的存在。
感兴趣的特定分析物检测应用包括使用核酸捕获剂的杂交测定和使用多肽(例如抗体)的蛋白质结合测定。在这些测定中，首先制备样品，并且在样品制备之后，使样品与主题纳米传感器在特定结合条件下接触，由此在与附接于传感器表面的捕获剂互补的靶核酸或多肽(或其他分子)之间形成复合物。
在一个实施例中，捕获寡核苷酸是合成的20-100个碱基长度的单链DNA，其在一端被硫醇化。这些分子被固定在纳米装置的表面上以捕获具有与固定的捕获DNA互补的序列的靶向单链DNA(其可以是至少50bp的长度)。杂交反应后，加入检测单链DNA (其长度可为20-100bp)，其序列与靶DNA的未占据核酸互补，以与靶杂交。检测DNA 的一端与荧光标记缀合，荧光标记的发射波长在纳米装置的等离子体共振内。因此，通过检测从纳米器件表面发出的荧光发射，可以对靶向单链DNA进行准确检测和定量。用于捕获和检测DNA的长度确定了解链温度(核苷酸链将在高于解链温度分离)、错误配对的程度(链越长，错误配对越低)。
选择互补结合的长度的问题之一取决于在保持解链温度尽可能高的同时使错误配对最小化的需要。此外，确定杂交长度的总长度以实现最佳的信号扩增。
题述传感器可用于诊断疾病或状况的方法中，包含：(a)从怀疑患有所述疾病或状况的患者获得液体样品，(b)使所述样品与所述题述纳米传感器接触，其中所述纳米传感器的捕获剂特异性结合所述疾病的生物标记物，并且其中所述接触在适于所述生物标记物与所述捕获剂特异性结合的条件下进行；(c)去除未结合至所述捕获剂的任何生物标记物；以及(d)读取来自保持结合至所述纳米传感器的生物标记物的光信号，其中光信号指示所述患者患有所述疾病或状况，其中所述方法进一步包含在所述生物标记物结合至所述捕获剂之前或之后用发光标签标记所述生物标记物。如将在下面更详细描述的，患者可以怀疑患有癌症并且抗体结合癌症生物标记物。在其他实施例中，怀疑患者患有神经障碍，并且抗体结合神经障碍的生物标记物。
题述传感器的应用包括，但不限于(a)与某些疾病阶段相关的化合物或生物分子的检测、纯化和量化，所述疾病例如传染病和寄生虫病、损伤、心血管疾病、癌症、精神障碍、神经精神障碍和器质性疾病(例如肺病、肾病)，(b)来自环境(例如水、土壤)的微生物(例如病毒、真菌和细菌)或生物样品(例如组织、体液)的检测、纯化和量化，(c)对食品安全或国家安全造成危害的化合物或生物样品(例如有毒废物、炭疽)的检测、量化，(d)在医学或生理监测中的生命参数(例如葡萄糖、血氧水平、总血细胞计数)的量化，(e)来自生物样品(例如细胞、病毒、体液)的特异性DNA或 RNA的检测和量化，(f)用于基因组分析的染色体和线粒体中DNA的遗传序列的测序和比较，或(g)检测反应产物(例如在药物合成或纯化期间)。
检测可在各种样品基质中进行，如细胞、组织、体液和粪便。感兴趣的体液包括但不限于羊水、房水、玻璃体液、血液(例如、全血、分馏的血液、血浆、血清等)、母乳、脑脊髓液(CSF)、耳垢(耳屎)、乳糜、食糜、内淋巴、外淋巴、粪便、胃酸、胃液、淋巴液、粘液(包括鼻引流和痰)、心包液、腹膜液、胸膜液、脓液、发炎性分泌物、唾液、皮脂(皮肤油脂)、精液、痰、汗、滑液、泪液、呕吐物、尿以及呼出的冷凝物。
在某些实施例中，本发明的生物传感器可用于通过检测样品中病原体的靶核酸来诊断病原体感染。所述靶核酸可以是，例如，来自选自下包含以下各项的组的病毒：人免疫缺陷病毒1和2(HIV-1和HIV-2)、人T-细胞白血病病毒和2(HTLV-1和HTLV-2)、呼吸道合胞病毒(RSV)、腺病毒、乙肝病毒(HBV)、丙肝病毒(HCV)、爱泼斯坦-巴尔病毒(EBV)、人乳头状瘤病毒(HPV)、水痘带状疱疹病毒(VZV)、巨细胞病毒(CMV)、单纯疱疹病毒1和2(HSV-1和HSV-2)、人疱疹病毒8(HHV-8，也称为卡波西肉瘤疱疹病毒)和黄病毒，包括黄热病毒、登革热病毒、日本脑炎病毒、西尼罗病毒和埃博拉病毒。然而，本发明不限于检测来自上述病毒的核酸，例如DNA或RNA序列，而是可以毫无问题地应用于兽医学和/或人类医学中重要的其他病原体。
人乳头状瘤病毒(HPV)基于它们的DNA序列同源性被进一步细分为超过70种不同类型。这些类型引起不同的疾病。HPV 1、2、3、4、7、10和26-29型引起良性疣。 HPV 5、8、9、12、14、15、17和19-25和46-50型在免疫系统减弱的患者中引起损害。 6、11、34、39、41-44和51-55型引起生殖道粘膜和呼吸道粘膜的良性尖锐湿疣。HPV 16 和18型具有特殊的医学意义，因为它们引起生殖道粘膜上皮不典型增生，并且与高比例的子宫颈、阴道、外阴和肛管的侵入性癌有关。人乳头瘤病毒DNA的整合被认为在宫颈癌的致癌作用中起决定性作用。人乳头状瘤病毒可以例如从它们的衣壳蛋白L1和 L2的DNA序列中检测到。因此，本发明的方法特别适合于检测组织样品中HPV 16型和/或18型的DNA序列，用于评估癌发展的风险。
在一些情况下，纳米传感器可用于检测以低浓度存在的生物标记物。例如，纳米传感器可用于例如检测易于接近的体液(例如，血液、唾液、尿液、泪液等)中的癌症抗原，检测易于接近的体液中的组织特异性疾病的生物标记物(例如，神经障碍(例如，阿尔茨海默氏病抗原)的生物标记物)，检测感染(特别是检测低滴度潜伏病毒，例如， HIV)，检测母体血液中的胎儿抗原，以及用于检测对象血流中的外源性化合物(例如，药物或污染物)。
下表提供可使用题述纳米传感器(当与适当单克隆抗体结合使用时)检测的蛋白质生物标记物及其相关疾病的列表。生物标记物(例如，“CSF”；脑脊液)的一个潜在来源也指示在表中。在许多情况下，题述生物传感器可以检测与所指示的不同的体液中的那些生物标记物。例如，在CSF中发现的生物标记物可以在尿、血液或唾液中识别。
H)效用
题述方法可用于需要测定样品中一种或多种分析物的存在与否和/或定量的各种不同应用。例如，本方法可用于检测蛋白质、肽、核酸、合成化合物、无机化合物等。
在某些实施例中，题述方法可用于检测样品中的核酸、蛋白质或其他生物分子。所述方法可包括检测样品中的一组生物标记物，例如两种或更多种不同的蛋白质或核酸生物标记物。例如，所述方法可用于生物样品中两种或更多种疾病生物标记物的快速临床检测，例如，可用于对象中疾病状况的诊断，或正在进行的对象中疾病状况的管理或治疗等。如上所述，与医师或其他健康护理提供者的通信可以更好地确保医师或其他健康护理提供者知道并认识到可能的关注，并且因此可以更可能采取适当的行动。
采用CROF装置的本发明的装置、系统和方法的应用包括但不限于(a)与某些疾病阶段相关的化合物或生物分子的检测、纯化和量化，所述疾病例如传染病和寄生虫病、损伤、心血管疾病、癌症、精神障碍、神经精神障碍和器质性疾病(例如肺病、肾病)， (b)来自环境(例如水、土壤)的微生物(例如病毒、真菌和细菌)或生物样品(例如组织、体液)的检测、纯化和量化，(c)对食品安全或国家安全造成危害的化合物或生物样品(例如有毒废物、炭疽)的检测、量化，(d)在医学或生理监测中的生命参数 (例如葡萄糖、血氧水平、总血细胞计数)的量化，(e)来自生物样品(例如细胞、病毒、体液)的特异性DNA或RNA的检测和量化，(f)用于基因组分析的染色体和线粒体中DNA的遗传序列的测序和比较，或(g)检测反应产物(例如在药物合成或纯化期间)。现在更详细地描述本发明中的装置、系统和方法的一些特定应用。
I)诊断方法
在某些实施例中，本发明方法可用于检测生物标记物。在某些实施例中，本发明中使用CROF的装置、系统和方法用于检测血液、血浆、血清或其他体液或排泄物中特定生物标记物的存在或不存在，以及特定生物标记物浓度的增加或降低，所述体液或排泄物例如但不限于尿、血液、血清、血浆、唾液、精液、前列腺液、乳头抽吸液、泪液、汗液、粪便、颊拭子、脑脊液、细胞裂解物样品、羊水、胃肠液、活检组织等。因此，样品，例如诊断样品，可以包括各种流体或固体样品。
在一些情况下，样品可以是来自待诊断对象的体液样品。在一些情况下，可以提供固体或半固体样品。该样品可以包括从对象收集的组织和/或细胞。样品可以是生物样品。生物样品的示例可以包括但不限于血液、血清、血浆、鼻拭子、鼻咽洗液、唾液、尿液、胃液、脊髓液、泪液、粪便、粘液、汗液、耳垢、油脂、腺体分泌物、脑脊髓液、组织、精液、阴道分泌物、源自肿瘤组织的间质液、眼液、脊髓液、咽喉拭子、呼吸、毛发、指甲、皮肤、活组织检查、胎盘液、羊水、脐带血、淋巴液、腔液、痰液、脓液、微生物群、胎粪、母乳、呼出的冷凝物和/或其他排泄物。样品可包括鼻咽洗液。鼻拭子、咽喉拭子、粪便样品、毛发、指甲、耳垢、呼吸和其他固体、半固体或气体样品可在其分析之前在提取缓冲液中处理(例如固定或可变量的时间)。如果需要，提取缓冲液或其等分试样然后可以类似于其他流体样品进行处理。受试者的组织样品的示例可包括但不限于结缔组织、肌肉组织、神经组织、上皮组织、软骨、癌样品或骨。
在一些情况下，从中获得诊断样品的对象可以是健康个体，或者可以是至少怀疑患有疾病或健康状况的个体。在一些情况下，对象可以是患者。
在某些实施例中，CROF装置包括被配置为特异性结合对象提供的样品中的生物标记物的捕获剂。在某些实施例中，生物标记物可以是蛋白质。在某些实施例中，生物标记物蛋白质被CROF装置中存在的抗体捕获剂特异性结合。在某些实施例中，生物标记物是与CROF装置中存在的抗原捕获剂特异性结合的抗体。在某些实施例中，生物标记物是通过核酸捕获剂特异性结合的核酸，所述核酸捕获剂与双链核酸生物标记物的一条或两条链互补，或与单链生物标记物互补。在某些实施例中，生物标记物是通过核酸结合蛋白特异性结合的核酸。在某些实施例中，生物标记物通过适体特异性结合。
生物标记物的存在或不存在或生物标记物浓度的显著变化可用于诊断个体中的疾病风险、疾病的存在，或调整个体中疾病的治疗。例如，特定生物标记物或生物标记物组的存在可影响给予个体的药物治疗或施用方案的选择。在评价潜在的药物治疗中，生物标记物可用作天然终点如存活或不可逆的发病的替代物。如果治疗改变与改善的健康有直接关系的生物标记物，则生物标记物可用作评价特定治疗或施用方案的临床益处的替代端点。因此，题述方法有助于基于个体中检测到的特定生物标记物或生物标记物组的个性化诊断和治疗。此外，如上所述，本发明的装置、系统和方法的高灵敏度有利于与疾病相关的生物标记物的早期检测。由于利用移动装置(诸如智能电话)检测多个生物标记物的能力，结合灵敏度、可扩展性和易用性，本公开的方法可用于便携式和定点照护或近距患者分子诊断。
在某些实施例中，题述方法可用于检测疾病或疾病状态的生物标记物。在某些情况下，题述方法可用于检测生物标记物，所述生物标记物用于表征用于药物发现和疫苗开发的细胞信号途径和胞内通讯。例如，题述方法可用于检测和/或定量患病、健康或良性样品中生物标记物的量。在某些实施例中，题述方法可用于检测传染病或疾病状态的生物标记物。在一些情况下，生物标记物可以是分子生物标记物，例如但不限于蛋白质、核酸、碳水化合物、小分子等。
题述方法可用于诊断测定，例如但不限于以下：检测和/或定量生物标记物，如上所述；筛选测定，其中定期测试无症状对象的样品；预后测定，其中生物标记物的存在和 /或量用于预测可能的病程；分层测定，其中可以预测对象对不同药物治疗的反应；功效测定，其中监测药物治疗的功效；等等。
在某些实施例中，本发明的生物传感器可用于通过检测样品中病原体的靶核酸来诊断病原体感染。所述靶核酸可以是，例如，来自选自下包含以下各项的组的病毒：人免疫缺陷病毒1和2(HIV-1和HIV-2)、人T-细胞白血病病毒和2(HTLV-1和HTLV-2)、呼吸道合胞病毒(RSV)、腺病毒、乙肝病毒(HBV)、丙肝病毒(HCV)、爱泼斯坦-巴尔病毒(EBV)、人乳头状瘤病毒(HPV)、水痘带状疱疹病毒(VZV)、巨细胞病毒(CMV)、单纯疱疹病毒1和2(HSV-1和HSV-2)、人疱疹病毒8(HHV-8，也称为卡波西肉瘤疱疹病毒)和黄病毒，包括黄热病毒、登革热病毒、日本脑炎病毒、西尼罗病毒和埃博拉病毒。然而，本发明不限于检测来自上述病毒的核酸，例如DNA或RNA序列，而是可以毫无问题地应用于兽医学和/或人类医学中重要的其他病原体。
人乳头状瘤病毒(HPV)基于它们的DNA序列同源性被进一步细分为超过70种不同类型。这些类型引起不同的疾病。HPV 1、2、3、4、7、10和26-29型引起良性疣。 HPV 5、8、9、12、14、15、17和19-25和46-50型在免疫系统减弱的患者中引起损害。 6、11、34、39、41-44和51-55型引起生殖道粘膜和呼吸道粘膜的良性尖锐湿疣。HPV 16 和18型具有特殊的医学意义，因为它们引起生殖道粘膜上皮不典型增生，并且与高比例的子宫颈、阴道、外阴和肛管的侵入性癌有关。人乳头瘤病毒DNA的整合被认为在宫颈癌的致癌作用中起决定性作用。人乳头状瘤病毒可以例如从它们的衣壳蛋白L1和 L2的DNA序列中检测到。因此，本发明的方法特别适合于检测组织样品中HPV 16型和/或18型的DNA序列，用于评估癌发展的风险。
可使用本发明的装置、系统和方法在诊断样品中检测的其它病原体包括但不限于：水痘带状疱疹；表皮葡萄球菌、大肠杆菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MSRA)、金黄色酿脓葡萄球菌、人型葡萄球菌、粪肠球菌、铜绿假单胞菌、头状葡萄球菌、沃氏葡萄球菌、肺炎克雷伯氏菌、流感嗜血杆菌、模仿葡萄球菌、肺炎链球菌和白色念珠菌、淋病(淋病奈瑟菌)、梅毒(梅毒密螺旋体)、结膜菌(Clamydatracomitis)、非淋菌性尿道炎(解脲支原体)、软性下疳(杜克嗜血杆菌)、滴虫病(阴道毛滴虫)；铜绿假单胞菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MSRA)、肺炎克雷伯菌、流感嗜血菌、金黄色葡萄球菌、嗜麦芽窄食单胞菌、副流感嗜血菌、大肠杆菌、粪肠球菌、粘质沙雷氏菌、副溶血嗜血菌、阴沟肠球菌、白色念珠菌、卡他莫拉氏菌、肺炎链球菌、弗氏柠檬酸杆菌、肠球菌、产酸克雷伯菌、荧光假单胞菌、脑膜炎奈瑟氏球菌、化脓性链球菌、卡氏肺孢子虫、肺炎克雷伯菌肺炎嗜肺军团菌、肺炎支原体和结核分枝杆菌等。
在一些情况下，CROF装置可用于检测以低浓度存在的生物标记物。例如，CROF 装置可用于例如检测易于接近的体液(例如，血液、唾液、尿液、泪液等)中的癌症抗原，检测易于接近的体液中的组织特异性疾病的生物标记物(例如，神经障碍(例如，阿尔茨海默氏病抗原)的生物标记物)，检测感染(特别是检测低滴度潜伏病毒，例如， HIV)，检测母体血液中的胎儿抗原，以及用于检测对象血流中的外源性化合物(例如，药物或污染物)。
生物标记物(例如，“CSF”；脑脊液)的一个潜在来源也指示在表中。在许多情况下，题述生物传感器可以检测与所指示的不同的体液中的那些生物标记物。例如，在 CSF中发现的生物标记物可以在尿、血液或唾液中识别。本领域普通技术人员还将清楚的是，题述CROF装置可以被配置为捕获和检测本领域已知的诊断疾病或健康状况的更多生物标记物。
除非另有说明，生物标记物可以是蛋白质或核酸(例如，mRNA)生物标记物。除非另外指明，否则诊断可与样品中生物标记物水平的增加或降低相关联。生物标记物、它们可用于诊断的疾病和其中可检测生物标记物的样品的列表描述于2015年9月29日提交的美国临时申请序列第62/234,538号的表1和2中，所述申请以引用的方式并入本文中。
在一些情况下，本发明中的装置、系统和方法用于通知从中获得样品的对象其健康状况。本发明、装置和系统中的装置、系统和方法可诊断或测量的健康状况包括但不限于：化学平衡；营养健康；锻炼；疲劳；睡觉；压力；糖尿病前期；过敏；老化；暴露于环境毒素、杀虫剂、除草剂、合成激素类似物；怀孕；绝经；和更年期。2015年9 月29日提交的美国临时申请序列第62/234,538号的表3提供了可使用本发明的CROF 装置(当与合适的单克隆抗体、核酸或其他捕获剂结合使用时)检测的生物标记物的列表及其相关的健康状况，所述申请通过引用并入本文。
J)试剂盒
本公开的方面包括用于执行如上所述的本发明的装置、系统和方法的试剂盒。在某些实施例中，试剂盒包括使用手持装置例如移动电话实践题述方法的说明。这些说明可以以各种形式存在于题述试剂盒中，这些形式中的一种或多种可以存在于试剂盒中。这些说明可以存在的一种形式是在合适的介质或基底上印刷的信息，例如在其上印刷信息的一张或多张纸，在试剂盒的包装中，在包装插页中等。另一种方式可以是计算机可读介质，例如磁盘、CD、DVD、蓝光、计算机可读存储器等，在其上已经记录或存储了信息。可存在的又一方式是网站地址，其可经由因特网用于在移除的站点处访问信息。该试剂盒可以进一步包括提供在计算机可读介质上的用于实现如在此描述的用于测量装置上的分析物的方法的软件。试剂盒中可以存在任何方便的方式。
在某些实施例中，试剂盒包括检测试剂，所述检测试剂包括可检测标签，例如特异性结合感兴趣的分析物的荧光标记的抗体或寡核苷酸，用于标记感兴趣的分析物。检测剂可以作为CROF装置提供在单独的容器中，或者可以提供在CROF装置中。
在某些实施例中，试剂盒包括对照样品，所述对照样品包括已知可检测量的待在样品中检测的分析物。对照样品可以在容器中提供，并且可以在已知浓度的溶液中提供，或者可以以干燥形式提供，例如冻干或冷冻干燥。该试剂盒还可以包括用于溶解对照样品的缓冲液，如果其以干燥形式提供的话。
示例
A)示例1
OAC是具有两个板的QMAX装置。
第一板是具有平坦表面的矩形形状的PMMA板，并且厚度在0.8mm至1.1mm、 0.5mm至1.5mm或0.3mm至2mm的范围内；长度在28mm至32mm、25mm至35mm 或20mm至50mm的范围内；并且宽度在20mm至28mm、15mm至34mm或10mm至 40mm的范围内。
第二板为具有平坦表面和压印在该平坦表面上的微柱阵列的阵列的矩形PMMA膜。所述PMMA膜的厚度在0.8mm至1.1mm、0.5mm至1.5mm，或0.3mm至2mm的范围内；长度在28mm至32mm、25mm至35mm，或20mm至50mm的范围内；以及宽度在20mm至28mm、15mm至34mm，或10mm至40mm的范围内。在一些实施例中，当将第一板和第二板放在一起以保持样品时，第二板的至少三个侧面在第一板的区域内。所述柱阵列具有矩形或方形的形状、平顶，且柱横向尺寸在30um到40um、25um 到45um、20um到50um、10um到60um或5um到70um的范围内，柱高度在10um到 30um、5um到40um、1um到50um或0.1um到100um的范围内，且两个相邻柱中心之间的距离在80um到110um、60um到130um或30um到180um或30um到200um的范围内。
B)使用OAC的血红蛋白测量-使用一个波长
在本发明的实验中，OAC是具有两个板的QMAX装置。第一板是尺寸为 30mm×24mm的1mm厚的平坦PMMA基底。第二板为175um厚的PMMA膜，其上具有微柱阵列，尺寸为24mm×22mm。该柱阵列具有30um×40um的柱尺寸，80um的柱与柱边缘距离，以及10um或30um的柱高度。
样品是新鲜全血(2.5uL，10um柱高度，5uL，30um柱高度)，将其滴入第一板的位置，并由第二板按压。
在光学测量中，如图5所示，LED光被带通滤光器(532nm至576nm)过滤并照射在两个45度反射镜组上。然后，光穿过半透明漫射体，以消除点光源波前的相干性，并确保强度变化仅由吸收引起。最后，光透过QMAX装置，由镜头和相机采集。
这里使用的LED灯和相机可以都来自电话。
由摄像机拍摄的照片显示有2个区域。一个区域是柱区域，另一个是血液区域。
柱区域光吸收可忽略不计。此外，在532nm至576nm的波长范围内的氧合血红蛋白[HbO2]和脱氧血红蛋白[Hb]的消光系数类似于
Figure BDA0003267332180000381
因此，
Figure BDA0003267332180000382
如图6所示，I是血液区域中的平均强度，Io是柱区域中心的平均强度。当计算平均强度时，减去柱边界附近的5um面积以减小分析误差。
Figure BDA0003267332180000391
我们用QMAX装置和商业Abbott Emerald血细胞计数仪对6g/dL-11g/dL范围内的血红蛋白进行了测量，并比较了结果，如图7所示。对于每个浓度，我们测量了3张卡以计算标准偏差。
从结果中，QMAX卡对相同血液的血红蛋白测量的重复性(CV)为约5％，R2值与金标准相比为96％。
C)示例-3
图8示出了血红蛋白测量的示例，其中穿过OAC(例如，图1中描述的样品保持器)中的全血的薄层(没有裂解)的光透射图像的图像，并且光源是漫射光源(例如，光漫射被放置在点光源的前面)，并且图像由iPhone拍摄。在图8中，光导间隔件周期性地放置在QMAX卡上，垂直周期距离为120um，水平周期距离为110um。
图9示出了选择用于使用图8的图像确定血红蛋白的样品区域和参考区域的示例。标记采样区域和参考区域的边界。
在图9中，参考区域(具有以蓝色着色的外边界)在光导间隔件内部；D，所述参考区域与光导间隔件的边缘之间的距离，为10um；d，采样区域与光导间隔件的边缘之间的距离，为30um；T，采样区边缘与参考区域的边缘之间的距离，为40um。
D)图像处理
根据本发明，血红蛋白吸收测量的图像处理算法包括以下步骤：
1.光导间隔件检测
2.参考区域和采样区域确定
3.个别区域计算
4.轮询
光导间隔件检测是检测和定位周期性地放置在QMAX卡上的光导间隔件。可以采用各种物体检测算法，包括但不限于模板匹配、斑点检测、轮廓检测等。检测可以在颜色空间(RGB、HSV、HSI、Lab、YCrCb等)中的单个颜色通道中执行，例如RGB颜色空间中的绿色通道，或者HSV空间中的色调通道，或者两个或更多个颜色通道的组合，例如使用RGB颜色空间中的红-绿-蓝通道等。
在检测并定位周期性光导空间之后，选择基准区域(位于光导间隔件内部)和采样区域。本发明公开了参考区域和采样区域的尺寸，以及光导空间、基准区域和采样区域的边缘之间的距离。
对于参考区域和采样区域，它们可以通过相对位置和距离来关联。当一个(或多个) 参考区域与一个(或多个)采样区域相关联时，可以通过本发明所公开的方法来计算血红蛋白吸收测量。一个实施例是将一个参考区域与具有最短距离的采样区域相关联，并且计算每个关联的血红蛋白吸收测量。
合并算法是合并来自每个关联的血红蛋白吸收测量值并产生单个血红蛋白吸收测量值。可以使用各种合并算法，例如中值、均值、最大值、最小值、k-均值等。
在一些实施例中，所述成像处理使用人工智能和/或机器学习。在一些实施例中，成像处理使用深度学习。
E)使用两个波长
除了使用2个不同的带通滤光器并拍摄2张照片之外，与上述实验设定类似。
在拍摄照片之后，通过计算具有两个不同波长
Figure BDA0003267332180000408
和
Figure BDA0003267332180000409
例如660nm和940nm的血液的
Figure BDA0003267332180000401
Figure BDA0003267332180000402
Figure BDA0003267332180000403
我们得到：
Figure BDA0003267332180000404
Figure BDA0003267332180000405
Figure BDA0003267332180000406
是血红蛋白的消光系数，[Hb]和[HbO2]是血红蛋白的浓度，并且L是穿过样品的光路的长度或QMAX装置的间隙尺寸。
因此，
Figure BDA0003267332180000407
该方法可进一步提供[HbO2]与[Hb]比的详细信息。
F)光导间隔件、采样区域和参考区域
在一些实施例中，采样区域边界具有120um乘110um的尺寸；采样区域边缘具有60um×45um尺寸；光导间隔件或柱具有40um×30um的尺寸；参考区域具有20um×15um 的尺寸。在一些实施例中，基准区域的面积是光导间隔件区域的尺寸的1/2，采样区域与光导间隔件的边缘之间的距离是光导间隔件区域的1/2，并且采样区域的区域等于周期性间隔距离。
本发明的其他描述和附加示例
本发明还包含上述公开内容与下面给出的各种实施例的组合，这些实施例可以以多种方式组合，只要各种部件彼此不矛盾。实施例应当被认为是单个发明文件：每个申请具有作为参考文献的其他申请，并且出于所有目的而整体地引用，而不是作为离散的独立文件。这些实施例不仅包括当前文件中的公开内容，而且包括在此引用、并入或要求优先权的文件。
(1)定义
在本申请中或在分别于2016年8月10日和2016年9月14日提交的PCT申请(指定美国)号PCT/US2016/045437和PCT/US0216/051775、2017年2月7日提交的美国临时申请号62/456065、2017年2月8日提交的美国临时申请号62/456287、2017年2月8 日提交的美国临时申请号62/456504中定义了用于描述本文公开的装置/设备、系统和方法的术语，所有这些申请的全部内容出于所有目的并入本文。
(2)样品
本文公开的装置/设备、系统和方法可用于操作和检测各种类型的样品。在本文中公开了，在分别于2016年8月10日和2016年9月14日提交的PCT申请(指定美国)号 PCT/US2016/045437和PCT/US0216/051775、2017年2月7日提交的美国临时申请号62/456065、2017年2月8日提交的美国临时申请号62/456287、2017年2月8日提交的美国临时申请号62/456504中列出、描述和/或总结了样品，所有这些申请的全部内容出于所有目的并入本文。
本文公开的装置、设备、系统和方法可用于样品，例如但不限于诊断样品、临床样品、环境样品和食物样品。样品的类型包括但不限于分别于2016年8月10日和2016 年9月14日提交的PCT申请(指定美国)号PCT/US2016/045437和PCT/US0216/051775 中列出、描述和/或总结的样品，其全部内容通过引用整体并入本文。
例如，在一些实施例中，本文公开的装置、设备、系统和方法用于包含细胞、组织、体液和/或其混合物的样品。在一些实施例中，样品包含人体液。在一些实施例中，样品包含细胞、组织、体液、粪便、羊水、房水、玻璃体液、血液、全血、分馏的血液、血浆、血清、母乳、脑脊髓液、耳垢、乳糜、食糜、内淋巴、外淋巴、粪便、胃酸、胃液、淋巴液、粘液、鼻引流液、痰液、心包液、腹膜液、胸膜液、脓液、风湿液、唾液、皮脂、精液、痰液、汗液、滑液、泪液、呕吐物、尿液和呼出的冷凝物中的至少一种。
在一些实施例中，本文公开的装置、设备、系统和方法用于获自任何合适来源的环境样品，例如但不限于：河流、湖泊、池塘、海洋、冰川、冰山、雨、雪、污水、水库、自来水、饮用水等；固体样品，获自土壤、堆肥、砂、岩石、混凝土、木材、砖、污水等；以及气体样品，获自空气、水下排气孔、工业废气、车辆废气等。在某些实施例中，环境样品是从来源新鲜的；在某些实施例中，环境样品是经处理的。例如，在应用题述装置、设备、系统和方法之前，将非液体形式的样品转化成液体形式。
在一些实施例中，本文所公开的装置、设备、系统和方法用于食物样品，该食物样品适合于或可能变得适合于动物食用，例如人类食用。在一些实施例中，食物样品包含原料、烹制或处理的食品、植物和动物来源的食品、预处理的食品以及部分或完全处理的食品等。在某些实施例中，在应用题述装置、设备、系统和方法之前，将非液体形式的样品转化成液体形式。
题述装置、设备、系统和方法可用于分析任何体积的样品。体积的示例包括但不限于约10mL或以下、5mL或以下、3mL或以下、1微升(μL，本文是“uL”)或以下、500μL 或以下、300μL或以下、250μL或以下、200μL或以下、170μL或以下、150μL或以下、 125μL或以下、100μL或以下、75μL或以下、50μL或以下、25μL或以下、20μL或以下、 15μL或以下、10μL或以下、5μL或以下、3μL或以下、1μL或以下、0.5μL或以下、0.1μL 或以下、0.05μL或以下、0.001μL或以下、0.0005μL或以下、0.0001μL或以下、10pL 或以下、1pL或以下，或任何两个值之间的范围。
在一些实施例中，样品的体积包括但不限于约100μL或以下、75μL或以下、50μL 或以下、25μL或以下、20μL或以下、15μL或以下、10μL或以下、5μL或以下、3μL 或以下、1μL或以下、0.5μL或以下、0.1μL或以下、0.05μL或以下、0.001μL或以下、 0.0005μL或以下、0.0001μL或以下、10pL或以下、1pL或以下，或在这些值中的任何两个之间的范围内。在一些实施例中，样品的体积包括但不限于约10μL或以下、5μL 或以下、3μL或以下、1μL或以下、0.5μL或以下、0.1μL或以下、0.05μL或以下、0.001μL 或以下、0.0005μL或以下、0.0001μL或以下、10pL或以下、1pL或以下，或在这些值中的任何两个之间的范围内。
在一些实施例中，样品的量约为一滴液体。在某些实施例中，样品的量是从刺破的手指或手指针刺收集的量。在某些实施例中，样品的量是从微针、微量移液管或静脉抽吸中收集的量。
在某些实施例中，样品保持器配置为保持流体样品。在某些实施例中，样品保持器配置为将流体样品的至少一部分压缩成薄层。在某些实施例中，样品保持器包含配置为加热和/或冷却样品的结构。在某些实施例中，加热源提供电磁波，该电磁波可被样品保持器中的某些结构吸收以改变样品的温度。在某些实施例中，信号传感器被配置为检测和/或测量来自样品的信号。在某些实施例中，信号传感器被配置为检测和/或测量样品中的分析物。在某些实施例中，散热器被配置为用于从该样品保持器和/或该加热源吸收热量。在某些实施例中，散热器包含至少部分地包围样品保持器的腔。
(3)Q卡、间隔件与均匀样品厚度
本文所公开的装置/设备、系统和方法可包括或使用Q卡、间隔件和用于样品检测、分析和量化的均匀样品厚度实施例。在一些实施例中，Q卡包含间隔件，其有助于使样品的至少一部分成为非常均匀的层。在本文中公开了，在分别于2016年8月10日和2016 年9月14日提交的PCT申请(指定美国)号PCT/US2016/045437和PCT/US0216/051775、 2017年2月7日提交的美国临时申请号62/456065、2017年2月8日提交的美国临时申请号62/456287、2017年2月8日提交的美国临时申请号62/456504中列出、描述和/或总结了间隔件的结构、材料、功能、变化和尺寸以及间隔件和样品层的均匀性，所有这些申请的全部内容出于所有目的并入本文。
在使用QMAX卡时，两个板需要首先开放以进行样品沉积。然而，在一些实施例中，来自封装的QMAX卡具有彼此接触的两个板(例如，闭合位置)，并且由于一个或两个板是非常重要的，所以分离它们是挑战。为了便于QMAX卡的开放，在第一板的边缘或拐角处或在这两个位置处产生一个或多个开放凹口，并且在板的闭合位置处，第二板的一部分放置在开放凹口上方，因此在第一板的凹口中，第二板可以被提升开放而不阻挡第一板。
在QMAX测定平台中，QMAX卡使用两个板来将样品的形状操纵成薄层(例如通过压缩)。在某些实施例中，板操纵需要通过人手动或其他外力多次改变两个板的相对位置(称为：板构造)。需要设计QMAX卡以使手动操作容易且快速。
在QMAX测定中，板构造中的一个是开放构造，其中两个板完全或部分分离(板之间的间距不通过间隔件控制)并且可以沉积样品。另一种构造是闭合构造，其中以开放构造沉积的样品的至少一部分被两个板压缩为厚度非常均匀的层，该层的均匀厚度由板的内表面限定并且由板和间隔件调节。在一些实施例中，两个板之间的平均间距大于 300um。
在QMAX测定操作中，操作者需要首先使两个板处于准备用于样品沉积的开放构造，然后将样品沉积在板中的一个或两个上，最后将板闭合到闭合位置。在某些实施例中，QMAX卡的两个板最初在彼此顶上，并且需要被分离以进入用于样品沉积的开放构造。当板之一是薄塑料膜(175um厚PMA)时，这种分离难以用手执行。本发明旨在提供使某些测定(例如QMAX卡测定)的操作容易且快速的装置和方法。
在一些实施例中，QMAX装置包括将两个或更多个板连接在一起的铰链，使得板能够以类似于书的方式开放和闭合。在一些实施例中，铰链的材料使得铰链能够在调节之后自保持板之间的角度。在一些实施例中，铰链被配置为将QMAX卡保持在闭合构造中，使得整个QMAX卡可以滑入和滑出卡槽而不会引起两个板的意外分离。在一些实施例中，QMAX装置包含能够控制多于两个板的旋转的一个或多个铰链。
在一些实施例中，铰链由选自由以下各项组成的组的金属材料制成：金、银、铜、铝、铁、锡、铂、镍、钴、合金或其任何组合。在一些实施例中，铰链包括单层，其由聚合物材料制成，例如但不限于塑料。聚合物材料选自由以下各项组成的组：丙烯酸酯聚合物、乙烯基聚合物、烯烃聚合物、纤维素聚合物、非纤维素聚合物、聚酯聚合物、尼龙、环烯烃共聚物(COC)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMB)、聚碳酸酯(PC)、环烯烃聚合物(COP)、液晶聚合物(LCP)、聚酰胺(PB)、聚乙烯(PE)、聚酰亚胺(PI)、聚丙烯(PP)、聚苯醚(PPE)、聚苯乙烯(PS)、聚甲醛(POM)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚砜(PES)、聚邻苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、氟化乙烯丙烯(FEP)、全氟烷氧基烷烃(PFB)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、橡胶或其任何组合。在一些实施例中，聚合物材料选自聚苯乙烯、PMMB、PC、COC、COP、其他塑料或其任何组合。
除非另有说明，术语“间隔件”或“止动件”可指当放置在两个板之间时对两个板之间的最小间距设定限制的机械物体，当将两个板压缩在一起时可以达到该限制。即，在压缩过程中，间隔件将停止两个板的相对运动，以防止板间距变得小于预设(即预定)值。
在一些实施例中，可以使用人手将所述板按压成闭合构造；在一些实施例中，可用人手将样品按压成薄层。在2016年8月10日提交的PCT申请(指定美国)号 PCT/US2016/045437和2016年9月14日提交的PCT/US0216/051775以及2016年12月 9日提交的美国临时申请号62/431，639、2017年2月8日提交的62/456,287、2017年2 月7日提交的62/456,065、2017年2月8日提交的62/456,504和2017年2月16日提交的62/460,062中描述和/或总结了采用手动按压的方式，其全部内容通过引用并入本文。
在一些实施例中，可用人手操纵或操作QMAX装置的板。在某些实施例中，人手可用于施加不精确的力以将板从开放构造压缩至闭合构造。在某些实施例中，人手可用于施加不精确的力以实现样品厚度的高水平均匀性(例如小于5％、10％、15％或20％可变性)。
(4)铰链、开放凹口、凹槽边缘和滑块
本文公开的装置/设备、系统和方法可以包括或使用用于样品检测、分析和量化的Q 卡。在一些实施例中，Q卡包括铰链、凹口、凹槽和滑块，其有助于促进Q卡的操纵和样品的测量。在本文中公开了，在分别于2016年8月10日和2016年9月14日提交的 PCT申请(指定美国)第PCT/US2016/045437号和第PCT/US0216/051775号、2016年 12月9日提交的美国临时申请第62/431639号、2017年2月7日提交的美国临时申请第 62/456065号、2017年2月8日提交的美国临时申请第62/456287号和第62/456504号、 2017年8月1日提交的美国临时申请第62/539660号中列出、描述和/或总结了铰链、凹口、凹槽和滑动件的结构、材料、功能、变化和尺寸，所有这些申请的全部内容出于所有目的并入本文。
在一些实施例中，QMAX装置包含开放机构，例如但不限于板边缘上的凹口或附接到板的条带，使得用户更容易操纵板的定位，例如但不限于用手分离板。
在一些实施例中，QMAX装置包含在板中的一个或两个上的沟槽。在某些实施例中，沟槽限制板上样品的流动。
(5)Q卡和适配器
本文公开的装置/设备、系统和方法可以包括或使用用于样品检测、分析和量化的Q 卡。在一些实施例中，Q卡与适配器一起使用，该适配器被配置为容纳Q卡并连接到移动装置，使得Q卡中的样品可以由移动装置成像、分析和/或测量。在本文中公开了，在分别于2016年8月10日和2016年9月14日提交的PCT申请(指定美国)第 PCT/US2016/045437号和第PCT/US0216/051775号、2017年2月7日提交的美国临时申请第62/456065号、2017年2月8日提交的美国临时申请第62/456287号和第62/456590 号、2017年2月8日提交的美国临时申请第62/456504号、2017年2月15日提交的美国临时申请第62/459,544号、2017年2月16日提交的美国临时申请第62/460075号和第62/459920号中列出、描述和/或总结了Q卡、适配器和移动的结构、材料、功能、变化、尺寸和连接，所有这些申请的全部内容出于所有目的并入本文。
在一些实施例中，适配器包含插座插槽，该插座插槽被配置为当装置处于闭合构造时容纳QMAX装置。在某些实施例中，QMAX装置具有沉积在其中的样品，并且适配器可以连接到移动装置(例如智能电话)，使得样品可以由移动装置读取。在某些实施例中，移动装置可以检测和/或分析来自样品的信号。在某些实施例中，当样品位于 QMAX装置中并且位于相机的视场(FOV)中时，移动装置可以捕获样品的图像，在某些实施例中，相机是移动装置的一部分。
在一些实施例中，该适配器包含多个光学组件，这些光学组件被配置为用于增强、放大和/或优化来自该样品的信号的产生。在一些实施例中，这些光学组件包括被配置为用于增强、放大和/或优化提供给该样品的照明的部分。在某些实施例中，照明由作为移动装置一部分的光源提供。在一些实施例中，这些光学组件包括被配置为用于增强、放大和/或优化来自该样品的信号的部分。
(6)智能手机检测系统
本文公开的装置/设备、系统和方法可以包括或使用用于样品检测、分析和量化的Q 卡。在一些实施例中，Q卡与能够将Q卡与智能电话检测系统连接的适配器一起使用。在一些实施例中，智能电话包含相机和/或照明源。在本文中公开了，在分别于2016年 8月10日和2016年9月14日提交的PCT申请(指定美国)第PCT/US2016/045437号和第PCT/US0216/051775号、2017年2月7日提交的美国临时申请第62/456065号、2017 年2月8日提交的美国临时申请第62/456287号和第62/456590号、2017年2月8日提交的美国临时申请第62/456504号、2017年2月15日提交的美国临时申请第62/459,544 号、2017年2月16日提交的美国临时申请第62/460075号和第62/459920号中列出、描述和/或总结了智能电话检测系统以及相关联的硬件和软件，所有这些申请的全部内容出于所有目的并入本文。
在一些实施例中，智能电话包含相机，当样品位于相机的视场中时(例如通过适配器)，相机可用于捕获图像或样品。在某些实施例中，相机包括一组透镜(例如，如在iPhoneTM 6中)。在某些实施例中，相机包括至少两组透镜(例如，如在iPhoneTM 7中)。在一些实施例中，智能电话包含相机，但是相机不用于图像捕获。
在一些实施例中，智能电话包含光源，例如但不限于LED(发光二极管)。在某些实施例中，当样品位于相机的视场中时(例如通过适配器)，光源用于向样品提供照明。在一些实施例中，来自光源的光被适配器的光学组件增强、放大、改变和/或优化。
在一些实施例中，智能电话包含被配置为处理来自样品的信息的处理器。智能电话包括软件指令，当由处理器执行时，该软件指令可以增强、放大和/或优化来自样品的信号(例如图像)。处理器可包括一个或多个硬件组件，例如中央处理单元(CPU)、专用集成电路(ASIC)、专用指令集处理器(ASIP)、图形处理单元(GPU)、物理处理单元 (PPU)、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑装置(PLD)、控制器、微控制器单元、精简指令集计算机(RISC)、微处理器等，或其任何组合。
在一些实施例中，智能电话包含通信单元，其被配置和/或用于将与样品相关的数据和/或图像传输到另一装置。仅作为示例，通信单元可以使用电缆网络、有线网络、光纤网络、电信网络、内联网、因特网、局域网(LAN)、广域网(WAN)、无线局域网(WLAN)、城域网(MAN)、广域网(WAN)、公共电话交换网络(PSTN)、蓝牙网络、ZigBee网络、近场通信(NFC)网络等，或其任何组合。
在一些实施例中，智能电话是iPhoneTM、AndroidTM电话或WindowsTM电话。
(7)检测方法
本文公开的装置/设备、系统和方法可包括或用于各种类型的检测方法。在本文中公开了，在分别于2016年8月10日和2016年9月14日提交的PCT申请(指定美国)第 PCT/US2016/045437号和第PCT/US0216/051775号、2017年2月7日提交的美国临时申请第62/456065号、2017年2月8日提交的美国临时申请第62/456287号、第62/456528 号、第62/456631号、第62/456522号、第62/456598号、第62/456603号和第62/456628 号、2017年2月9日提交的美国临时申请第62/459276号、第62/456904号、第62/457075 号和第62/457009号，和2017年2月15日提交的美国临时申请第62/459303号、第 62/459337号和第62/459598号，和2017年2月16日提交的美国临时申请第62/460083 号、第62/460076号中列出、描述和/或总结了检测方法，所有这些申请的全部内容出于所有目的并入本文。
(8)标签、捕获剂和检测剂
本文公开的装置/设备、系统和方法可以使用各种类型的用于分析物检测的标签、捕获剂和检测剂。在本文中公开了，在分别于2016年8月10日和2016年9月14日提交的PCT申请(指定美国)第PCT/US2016/045437号和第PCT/US0216/051775号、2017 年2月7日提交的美国临时申请第62/456065号、2017年2月8日提交的美国临时申请第62/456287号、2017年2月8日提交的美国临时申请第62/456504号中列出、描述和/ 或总结了标签，所有这些申请的全部内容出于所有目的并入本文。
在一些实施例中，标签是光学可检测的，例如但不限于荧光标签。在一些实施例中，标签是光学可检测的，例如但不限于荧光标签。在一些实施例中，标签包括但不限于IRDye800CW、Alexa 790、Dylight 800、荧光素、异硫氰酸荧光素、羧基荧光素的琥珀酰亚胺基酯、荧光素的琥珀酰亚胺基酯、荧光素二氯三嗪的5-异构体、笼状羧基荧光素 -丙氨酸-甲酰胺、Oregon Green 488、Oregon Green 514；荧光黄、吖啶橙、罗丹明、四甲基罗丹明、德克萨斯红、碘化丙啶、JC-1(5,5',6,6'-四氯-1,1’,3,3’-四乙基苯并咪唑羰花菁碘化物)、四溴罗丹明123、罗丹明6G、TMRM(四甲基罗丹明甲酯)、TMRE(四甲基罗丹明乙酯)、四甲基罗斯胺(tetramethylrosamine)、罗丹明B和4-二甲基氨基四甲基罗斯胺、绿色荧光蛋白、蓝移绿色荧光蛋白、蓝绿移绿色荧光蛋白、红移绿色荧光蛋白、黄移绿色荧光蛋白、4-乙酰氨基-4'-异硫氰酸二苯乙烯-2,2'-二磺酸；吖啶和衍生物，例如吖啶、异硫氰酸吖啶；5-(2'-氨基乙基)氨基萘-1-磺酸(EDANS)；4-氨基-N-[3-乙烯基磺酰基)苯基]萘酰胺-3,5二磺酸盐；N-(4-苯胺基-1-萘基)马来酰亚胺；邻氨基苯甲酰胺；4,4-二氟-5-(2-噻吩基)-4-硼-3a,4a二氮杂-5-引达省-3-丙酸BODIPY；级联蓝；亮黄色；香豆素和衍生物：香豆素、7-氨基-4-甲基香豆素(AMC，香豆素120)、7-氨基-4- 三氟甲基香豆素(香豆素151)；花青染料；四氯四溴荧光素；4',6-二氨基-2-苯基吲哚 (DAPI)；5',5"-二溴邻苯三酚-磺酞(溴邻苯三酚红)；7-二乙氨基-3-(4′-异硫氰酸苯基)-4- 甲基香豆素；二亚乙基三胺五乙酸酯；4,4'-二异氰硫基二苯乙烯-2,2'-二磺酸；4,4'-二异氰硫基二苯乙烯-2,2'-二磺酸；5-(二甲基氨基)萘-1-磺酰氯(DNS，丹磺酰氯)；4-二甲基氨基苯基偶氮苯基-4′-异硫氰酸酯(DABITC)；伊红和衍生物：伊红、伊红异硫氰酸酯，藻红和衍生物：藻红B、藻红、异硫氰酸酯；乙锭；荧光素和衍生物：5-羧基荧光素(FAM)、 5-(4,6-二氯三嗪-2-基)氨基-β-荧光素(DTAF)、2',7'-二甲氧基-4',5'-二氯-6-羧基荧光素 (JOE)、荧光素、异硫氰酸荧光素、QFITC、(XRITC)；荧光胺；IR144；IR1446；孔雀绿异硫氰酸酯；4-甲基伞形-酚酮邻甲酚酞；硝基酪氨酸；碱性副品红；酚红；B-藻红蛋白；邻苯二甲醛；芘和衍生物：芘、丁酸芘、琥珀酰亚胺基1-芘；丁酸酯量子点；活性红4(CibacronTMBrilliant Red 3B-A)罗丹明和衍生物：6-羧基-X-罗丹明(ROX)、6-羧基罗丹明(R6G)、丽丝胺罗丹明B磺酰氯罗丹明(Rhod)、罗丹明B、罗丹明123、罗丹明X异硫氰酸酯、磺基罗丹明B、磺基罗丹明101、磺基罗丹明101的磺酰氯衍生物(德克萨斯红)；N,N,N’,N’-四甲基-6-羧基罗丹明(TAMRA)；四甲基罗丹明；四甲基罗丹明异硫氰酸酯(TRITC)；核黄素；5-(2'-氨基乙基)氨基萘-1-磺酸(EDANS)、4-(4'- 二甲基氨基苯基偶氮)苯甲酸(DABCYL)、玫红酸；CAL荧光橙560；铽螯合物衍生物； Cy 3；Cy 5；Cy 5.5；Cy 7；IRD 700；IRD 800；La Jolla蓝；酞菁；和萘酞菁、香豆素和相关染料，吨染料，例如罗多尔(rhodols)、试卤灵(resorufins)、bimanes、吖啶、异吲哚、丹酰染料，氨基邻苯二甲酰肼，例如鲁米诺，和异鲁米诺衍生物、氨基邻苯二甲酰亚胺、氨基萘二甲酰亚胺、氨基苯并呋喃、氨基喹啉、二氰基氢醌、荧光铕和铽络合物；其组合等。合适的荧光蛋白和显色蛋白包括但不限于绿色荧光蛋白(GFP)，包括但不限于衍生自维多利亚水母(Aequoria victoria)的GFP或其衍生物，例如“人源化”衍生物(如增强的GFP)；来自另一物种的GFP，所述另一物种例如海肾Renillareniformis、Renilla mulleri或Ptilosarcus guernyi；“人源化”重组GFP(hrGFP)；来自珊瑚虫(Anthozoan)物种的多种荧光和有色蛋白中的任一种；其组合；等等。
在任何实施例中，QMAX装置可含有各自结合选自美国临时申请第62/234,538号和PCT申请第PCT/US2016/054025号的表B1、B2、B3和/或B7的生物标记物的多种捕获剂和/或检测剂，其中读取步骤d)包括获得样品中多种生物标记物的量的测量，并且其中样品中多种生物标记物的量是疾病或状况的诊断。
在任何实施例中，捕获剂和/或检测剂可以是抗体表位，生物标记物可以是结合抗体表位的抗体。在一些实施例中，抗体表位包括选自美国临时申请第62/234,538号和/或PCT申请第PCT/US2016/054025号中的表B4、B5或B6的生物分子或其片段。在一些实施例中，抗体表位包括选自表B5的过敏原或其片段。在一些实施例中，抗体表位包括选自美国临时申请第62/234,538号和/或PCT申请第PCT/US2016/054025号中的表B6 的传染原衍生的生物分子或其片段。
在任何实施例中，QMAX装置可以含有选自美国临时申请第62/234,538号和/或PCT申请第PCT/US2016/054025号中的表B4、B5和/或B6的多个抗体表位，其中读取步骤 d)包括获得样品中多个表位结合抗体的量的测量，并且其中样品中多个表位结合抗体的量是疾病或状况的诊断。
(9)分析物
本文公开的装置/设备、系统和方法可用于操纵和检测各种类型的分析物(包括生物标记物)。在本文中公开了或在分别于2016年8月10日和2016年9月14日提交的PCT 申请(指定美国)第PCT/US2016/045437号和第PCT/US0216/051775号、2017年2月7 日提交的美国临时申请第62/456065号、2017年2月8日提交的美国临时申请第 62/456287号、2017年2月8日提交的美国临时申请第62/456504号中列出、描述和总结了分析物，所有这些申请的全部内容出于所有目的并入本文。
本文公开的装置、设备、系统和方法可用于各种分析物的检测、纯化和/或量化。在一些实施例中，分析物是与各种疾病相关的生物标记物。在一些实施例中，分析物和/ 或生物标记物指示疾病的存在、严重性和/或阶段。可用本发明的装置、设备、系统和/ 或方法检测和/或测量的分析物、生物标记物和/或疾病包括于2016年8月10日提交的 PCT申请(指定美国)第PCT/US2016/045437号，和2016年9月27日提交的PCT申请第PCT/US2016/054025号，和2015年9月29日提交的美国临时申请第62/234,538号、 2015年9月28日提交的第62/233,885号、2016年2月9日提交的第62/293,188号，和 2016年3月8日提交的第62/305,123号中列出、描述和/或总结的分析物、生物标记物和/或疾病，其全部内容通过引用整体并入本文。例如，本文公开的装置、设备、系统和方法可用于(a)与某些疾病阶段相关的化合物或生物分子的检测、纯化和量化，所述疾病例如传染病和寄生虫病、损伤、心血管疾病、癌症、精神障碍、神经精神障碍和器质性疾病(例如肺病、肾病)，(b)来自环境(例如水、土壤)的微生物(例如病毒、真菌和细菌)或生物样品(例如组织、体液)的检测、纯化和量化，(c)对食品安全或国家安全造成危害的化合物或生物样品(例如有毒废物、炭疽)的检测、量化，(d)在医学或生理监测中的生命参数(例如葡萄糖、血氧水平、总血细胞计数)的量化，(e) 来自生物样品(例如细胞、病毒、体液)的特异性DNA或RNA的检测和量化，(f)用于基因组分析的染色体和线粒体中DNA的遗传序列的测序和比较，或(g)检测反应产物(例如在药物合成或纯化期间)。
在一些实施例中，分析物可以是生物标记物、环境标记物或食物标记物。在一些情况下，样品是液体样品，并且可以是诊断样品(例如唾液、血清、血液、痰液、尿液、汗液、泪液、精液或粘液)；环境样品，获自河流、海洋、湖泊、雨、雪、污水、污水处理径流、农业径流、工业径流、自来水或饮用水；或食物样品，获自自来水、饮用水、制备的食品、处理的食品或生食品。
在任何实施例中，样品可以是获自对象的诊断样品，分析物可以是生物标记物，并且样品中分析物的测量量可以是疾病或状况的诊断。
在任何实施例中，本发明中的装置、设备、系统和方法可以还包括基于包括样品中生物标记物的测量量的信息诊断对象。在一些情况下，诊断步骤包括将包含所测量的生物标记物的量的数据发送到远程位置，并基于包括来自远程位置的测量的信息接收诊断。
在任何实施例中，生物标记物可选自如美国临时申请第62/234,538号、第62/293,188 号和/或第62/305,123号和/或PCT申请第PCT/US2016/054025号中所公开的表B1、2、 3或7，其全部内容通过引用整体并入本文。在一些情况下，生物标记物是选自表B1、 2或3的蛋白质。在一些情况下，生物标记物是选自表B2、3或7的核酸。在一些情况下，生物标记物是选自表B2的传染原衍生的生物标记物。在一些情况下，生物标记物是选自表B7的微小RNA(miRNA)。
在任何实施例中，应用步骤b)可以包括从样品中分离miRNA以产生分离的miRNA样品，并将分离的miRNA样品应用于磁盘耦合柱点天线(QMAX装置)阵列。
在任何实施例中，QMAX装置可含有各自结合选自表B1、B2、B3和/或B7的生物标记物的多种捕获剂，其中读取步骤d)包括获得样品中多种生物标记物的量的测量，并且其中样品中多种生物标记物的量是疾病或状况的诊断。
在任何实施例中，捕获剂可以是抗体表位，生物标记物可以是结合抗体表位的抗体。在一些实施例中，抗体表位包括选自表B4、B5或B6的生物分子或其片段。在一些实施例中，抗体表位包括选自表B5的过敏原或其片段。在一些实施例中，抗体表位包括选自表B6的传染原衍生的生物分子或其片段。
在任何实施例中，QMAX装置可以含有选自表B4、B5和/或B6的多个抗体表位，其中读取步骤d)包括获得样品中多个表位结合抗体的量的测量，并且其中样品中多个表位结合抗体的量是疾病或状况的诊断。
在任何实施例中，样品可以是环境样品，并且其中分析物可以是环境标记物。在一些实施例中，环境标记物选自美国临时申请第62/234,538号和/或PCT申请第 PCT/US2016/054025号中的表B8。
在任何实施例中，所述方法可包括接收或提供报告，所述报告指示暴露于从中获得样品的环境的对象的安全性或危害性。
在任何实施例中，该方法可以包括将包含所测量的环境标记物的量的数据发送到远程位置，并且接收指示对暴露于从中获得样品的环境的对象的安全性或危害性的报告。
在任何实施例中，QMAX装置阵列可以包括多个捕获剂，每个捕获剂结合选自表 B8的环境标记物，并且其中读取步骤d)可以包括获得样品中多个环境标记物的量的测量。
在任何实施例中，样品可以是食物样品，其中分析物可以是食物标记物，并且其中样品中食物标记物的量可以与供食用的食物的安全性相关。在一些实施例中，食物标记物选自表B9。
在任何实施例中，该方法可以包括接收或提供报告，该报告指示对象食用从中获得样品的食品的安全性或危害性。
在任何实施例中，该方法可以包括将包含所测量的该食物标记物的量的数据发送到远程位置并且接收指示对象食用从中获得样品的食物的安全性或危害性的报告。
在任何实施例中，本文公开的装置、设备、系统和方法可包括各自结合选自表B9的食物标记物的多种捕获剂，所述表B9来自美国临时申请第62/234,538号和PCT申请第PCT/US2016/054025号，其中该获得可以包括获得该样品中的该多个食物标记物的量的测量，并且其中该样品中的该多个食物标记物的量可以与供食用的食物的安全性相关。
本文提供了用于实践本发明中的装置、系统和方法的试剂盒。
样品的量可以是约一滴样品。样品的量可以是从刺破的手指或手指针刺收集的量。样品的量可以是从微针或静脉抽吸中收集的量。
样品可在从来源获得后无需进一步处理而使用，或可被处理，例如以富集感兴趣的分析物、除去大颗粒物质、溶解或再悬浮固体样品等。
可以采用将样品施加到QMAX装置的任何合适的方法。合适的方法可包括使用移液管、滴管、注射器等。在某些实施例中，当QMAX装置位于量计形式的支架上时，如下所述，可以通过将量计的样品接收区域浸入样品中来将样品施加到QMAX装置上。
可以一次或多次收集样品。可以单独聚集和/或处理随时间收集的样品(如本文所述，通过应用于QMAX装置并获得样品中分析物的量的测量)。在一些情况下，随时间获得的测量可被聚集并且可用于随时间的纵向分析以促进筛选、诊断、治疗和/或疾病预防。
洗涤QMAX装置以除去未结合的样品组分可以以任何方便的方式进行，如上所述。在某些实施例中，使用结合缓冲液洗涤QMAX装置的表面以除去未结合的样品组分。
分析物的可检测标记可以通过任何方便的方法进行。分析物可以直接或间接标记。在直接标记中，在将样品施加到QMAX装置之前标记样品中的分析物。在间接标记中，样品中的未标记分析物在样品施加到QMAX装置以捕获未标记分析物后被标记，如下所述。
(10)应用
本文公开的装置/设备、系统和方法可以用于各种应用(领域和样品)。在本文中公开了或在分别于2016年8月10日和2016年9月14日提交的PCT申请(指定美国)第 PCT/US2016/045437号和第PCT/US0216/051775号、2017年2月7日提交的美国临时申请第62/456065号、2017年2月8日提交的美国临时申请第62/456287号、2017年2月 8日提交的美国临时申请第62/456504号中列出、描述和总结了应用，所有这些申请的全部内容出于所有目的并入本文。
在一些实施例中，本文公开的装置、设备、系统和方法用于各种领域的各种不同应用中，其中需要确定样品中一种或多种分析物的存在或不存在、量化和/或扩增。例如，在某些实施例中，题述装置、设备、系统和方法用于检测蛋白质、肽、核酸、合成化合物、无机化合物、有机化合物、细菌、病毒、细胞、组织、纳米颗粒及其他分子、化合物、混合物及其物质。可以使用题述装置、设备、系统和方法的各种领域包括但不限于：人类疾病和状况的诊断、管理和/或预防、兽医疾病和状况的诊断、管理和/或预防、植物疾病和状况的诊断、管理和/或预防、农业用途、兽医用途、食品测试、环境测试和净化、药物测试和预防等。
本发明的应用包括但不限于：(a)与某些疾病或疾病的某些阶段相关的化合物或生物分子的检测、纯化、量化和/或扩增，所述疾病例如感染性和寄生虫病、损伤、心血管疾病、癌症、精神障碍、神经精神障碍和器质性疾病(例如肺病、肾病)，(b)来自环境(例如水、土壤)的细胞和/或微生物(例如病毒、真菌和细菌)或生物样品(例如组织、体液)的检测、纯化、量化和/或扩增，(c)对食品安全、人类健康或国家安全构成危害的化合物或生物样品(例如有毒废物、炭疽)的检测、量化，(d)在医学或生理监测中的生命参数(例如葡萄糖、血氧水平、总血细胞计数)的检测和量化，(e)来自生物样品(例如细胞、病毒、体液)的特异性DNA或RNA的检测和量化，(f)用于基因组分析的染色体和线粒体中DNA的遗传序列的测序和比较，或(g)反应产物(例如在药物的合成或纯化期间)的检测和量化。
在一些实施例中，题述装置、设备、系统和方法用于检测样品中的核酸、蛋白质或其他分子或化合物。在某些实施例中，所述装置、设备、系统和方法用于快速、临床检测和/或量化生物样品中的一种或以上、两种或以上，或三种或以上疾病生物标记物，例如用于诊断、预防和/或管理对象中的疾病状况。在某些实施例中，所述装置、设备、系统和方法用于检测和/或量化环境样品中的一种或以上、两种或以上，或三种或以上环境标记物，所述环境样品例如获自河流、海洋、湖泊、雨、雪、污水、污水处理径流、农业径流、工业径流、自来水或饮用水的样品。在某些实施例中，所述装置、设备、系统和方法用于检测和/或量化来自食物样品的一种或以上、两种或以上，或三种或以上食物标记物，所述食物样品获自自来水、饮用水、制备的食品、处理的食品或生食品。
在一些实施例中，题述装置是微流体装置的一部分。在一些实施例中，题述装置、设备、系统和方法用于检测荧光或发光信号。在一些实施例中，题述装置、设备、系统和方法包括通信装置或与通信装置一起使用，通信装置例如但不限于：移动电话、平板计算机和膝上型计算机。在一些实施例中，题述装置、设备、系统和方法包括标识符或与标识符一起使用，所述标识符例如但不限于光学条形码、射频ID标志或其组合。
在一些实施例中，样品是获自对象的诊断样品，分析物是生物标记物，并且样品中分析物的测量量是疾病或状况的诊断。在一些实施例中，题述装置、系统和方法还包括向所述对象接收或提供报告，所述报告指示在没有患有所述疾病或状况或处于患有所述疾病或状况的低风险的个体中所述生物标记物的测量量和所述生物标记物的测量值范围，其中相对于所述测量值范围的所述生物标记物的测量量是疾病或状况的诊断。
在一些实施例中，样品是环境样品，并且其中分析物是环境标记物。在一些实施例中，所述题述装置、系统和方法包括接收或提供报告，所述报告指示暴露于从中获得样品的环境的对象的安全性或危害性。在一些实施例中，本题述装置、系统和方法包括将包含所测量的环境标记物的量的数据发送到远程位置，并且接收指示对暴露于从中获得样品的环境的对象的安全性或危害性的报告。
在一些实施例中，样品是食物样品，其中分析物是食物标记物，并且其中样品中食物标记物的量与供食用的食物的安全性相关。在一些实施例中，题述装置、系统和方法包括接收或提供报告，该报告指示对象食用从中获得样品的食物的安全性或危害性。在一些实施例中，题述装置、系统和方法包括将包含所测量的该食物标记物的量的数据发送到远程位置并且接收指示对象食用从中获得样品的食物的安全性或危害性的报告。
(11)尺寸
本文公开的装置、设备、系统和方法可包括或使用QMAX装置，其可包括板和间隔件。在一些实施例中，于2016年8月10日提交的PCT申请(指定美国)第 PCT/US2016/045437号，和2016年12月9日提交的美国临时申请第62,431,639号，和 2017年2月8日提交的第62/456,287号中列出、描述和/或总结了QMAX装置及其适配器的各个组件的尺寸，其全部内容通过引用并入本文。
在一些实施例中，尺寸列于下表中：
板：
Figure BDA0003267332180000501
Figure BDA0003267332180000511
Figure BDA0003267332180000521
铰链：
Figure BDA0003267332180000522
Figure BDA0003267332180000531
凹口：
Figure BDA0003267332180000532
沟槽：
Figure BDA0003267332180000533
Figure BDA0003267332180000541
插座插槽
Figure BDA0003267332180000542
(12)云
本文公开的装置/设备、系统和方法可以采用云技术进行数据传输、存储和/或分析。在本文中公开了，在分别于2016年8月10日和2016年9月14日提交的PCT申请(指定美国)号PCT/US2016/045437和PCT/US0216/051775、2017年2月7日提交的美国临时申请号62/456065、2017年2月8日提交的美国临时申请号62/456287、2017年2月8 日提交的美国临时申请号62/456504中列出、描述和总结了相关的云技术，所有这些申请的全部内容出于所有目的并入本文。
在一些实施例中，云存储和计算技术可以涉及云数据库。仅作为示例，云平台可包括私有云、公共云、混合云、社区云、分布式云、云间云、多云等，或其任何组合。在一些实施例中，移动装置(例如智能电话)可以通过任何类型的网络连接到云，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)。
在一些实施例中，与样品相关的数据(例如，样品的图像)被发送到云中而无需移动装置的处理，并且可以远程地进行进一步的分析。在一些实施例中，与样品相关的数据由移动装置处理，并且结果被发送到云。在一些实施例中，原始数据和结果都被传输到云。
其他实施例
在以下列举的段落中描述了根据本公开的发明主题的其他实施例。
必须注意，如本文和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指示对象，除非上下文另外明确指出，例如当使用词语“单个”时。例如，提及“分析物”包括单个分析物和多个分析物，提及“捕获剂”包括单个捕获剂和多个捕获剂，提及“检测剂”包括单个检测剂和多个检测剂，提及“试剂”包括单个试剂和多个试剂。
范围在本文中可表示为从“约”一个特定值和/或至“约”另一特定值。当表达这样的范围时，另一个实施例包括从一个特定值和/或至另一个特定值。类似地，当通过使用先行词“约”将值表示为近似值时，将理解特定值形成另一个实施例。将进一步理解的是，每个范围的端点相对于另一端点和独立于另一端点都是重要的。术语“约”或“大约”可以意指在由本领域普通技术人员确定的特定值的可接受误差范围内，这将部分取决于如何测量或确定该值，例如测量系统的限制。例如，“约”可以意指在1个或多于1个标准偏差内，根据本领域中的实践。或者，“约”可以意指给定值的至多20％、至多10％、至多5％或至多1％的范围。可替代地，特别是关于生物系统或过程，该术语可以意指在值的数量级内，在5倍内，并且更优选在2倍内。在本申请和权利要求中描述特定值的情况下，除非另有说明，否则应当假设术语“约”表示在特定值的可接受误差范围内。术语“约”具有本领域普通技术人员通常理解的含义。在某些实施例中，术语“约”可以指±10％。在某些实施例中，术语“约”可以指±5％。
如在此使用的，术语“适配”和“配置”意味着元件、组件或其他主题被设计和/或旨在执行给定功能。因此，术语“适配”和“配置”的使用不应被解释为意味着给定的元件、组件或其他主题简单地“能够”执行给定的功能。类似地，被陈述为配置为执行特定功能的主题可以附加地或可选地描述为可操作以执行该功能。
如本文所用，当参考根据本公开的一个或多个组件、特征、细节、结构、实施例和 /或方法使用时，短语“例如”，短语“作为示例”和/或简称为术语“示例”和“示例性”旨在传达所描述的组件、特征、细节、结构、实施例和/或方法是根据本公开的组件、特征、细节、结构、实施例和/或方法的说明性、非排他示例。因此，所描述的组件、特征、细节、结构、实施例和/或方法不旨在是限制性的，必需的或排他性/穷尽性的；以及其他组件、特征、细节、结构、实施例和/或方法，包括结构上和/或功能上类似和/或等效的组件、特征、细节、结构、实施例和/或方法，也在本公开的范围内。
如本文所用，关于多于一个实体的列表的短语“至少一个”和“一个或多个”是指实体列表中的任何一个或多个实体，并且不限于实体列表中具体列出的每个(each)和每个(every)实体中的至少一个。例如，“A和B中的至少一个”(或等效地，“A或B中的至少一个”，或等效地，“A和/或B中的至少一个”)可指单独的A、单独的B，或A和 B的组合。
如这里所使用的，置于第一实体和第二实体之间的术语“和/或”是指(1)第一实体、 (2)第二实体，以及(3)第一实体和第二实体中的一个。使用“和/或”列出的多个实体应当以相同的方式来解释，例如如此结合的实体的“一个或多个”。除了由“和/或”子句具体标识的实体之外，可以可选地存在其他实体，无论其与具体标识的那些实体相关还是无关。
当本文提及数值范围时，本发明包括其中包括端点的实施例、其中排除两个端点的实施例、以及其中包括一个端点而排除另一个端点的实施例。应当假定包括两个端点，除非另有说明。此外，除非另有说明或本领域普通技术人员从上下文和理解中明显看出。
在任何专利、专利申请或其他参考文献通过引用并入本文并且(1)定义术语的方式与本公开的未并入部分或其他并入的参考文献不一致和/或(2)以其他方式与本公开的未并入部分或其他并入的参考文献不一致的情况下，应当以本公开的未并入部分为准，并且术语或其中并入的公开应当仅对于其中术语被定义和/或并入的公开最初存在的参考文献为准。

Claims (77)

1.一种多模式照明系统，包含：
第一照明模块，包含：
抛物面反射器；
第一光源，其设置在所述抛物面反射器的焦点处，
第一滤光器，其设置在成像器和样品保持器之间；和
第二滤光器，其设置在所述抛物面反射器与所述样品保持器之间，其中所述第二滤光器被配置为允许激发波长穿过其中而朝向所述样品保持器，
第二照明模块，包含：
直角棱镜；以及朝向所述直角棱镜定向的第二光源，其中所述直角棱镜将从所述第二光源发射的光朝向所述样品保持器反射或重定向，
第三照明模块，包含：
光提取板，其包括设置在其表面上的光散射结构；
第三光源，其配置为向所述光提取板发射光；
第三滤光器；和
光漫射膜，其设置在所述第三滤光器和所述光提取板之间，其中所述光散射结构从所述光提取板朝向所述样品保持器提取从所述第三光源发射的非相干光，并且其中所述第一照明模块、所述第二照明模块和所述第三照明模块相对于所述样品保持器固定。
2.一种多模式照明系统，包含：
样品保持器；
第一照明模块，包含：
抛物面反射器；
第一光源，其设置在所述抛物面反射器的焦点处，
第一滤光器，其设置在成像器和所述样品保持器之间；和
第二滤光器，其设置在所述抛物面反射器与所述样品保持器之间，其中所述第二滤光器被配置为允许激发波长穿过其中而朝向所述样品保持器，
第二照明模块，包含：
直角棱镜；和
朝向所述直角棱镜定向的第二光源，其中所述直角棱镜将从所述第二光源发射的光朝向所述样品保持器反射或重定向，
第三照明模块，包含：
光提取板，其包括设置在其表面上的光散射结构；
第三光源，其配置为向所述光提取板发射光；
第三滤光器；和
光漫射膜，其设置在所述第三滤光器和所述光提取板之间，其中所述光散射结构从所述光提取板朝向所述样品保持器提取从所述第三光源发射的非相干光，并且其中所述第一照明模块、所述第二照明模块和所述第三照明模块相对于所述样品保持器固定。
3.一种多模式照明系统，包含：
成像器；
样品保持器；
第一照明模块，包含：
抛物面反射器；
第一光源，其设置在所述抛物面反射器的焦点处，
第一滤光器，其设置在成像器和样品保持器之间；和
第二滤光器，其设置在所述抛物面反射器与所述样品保持器之间，其中所述第二滤光器被配置为允许激发波长穿过其中而朝向所述样品保持器，
第二照明模块，包含：
直角棱镜；和
朝向所述直角棱镜定向的第二光源，其中所述直角棱镜将从所述第二光源发射的光朝向所述样品保持器反射或重定向，
第三照明模块，包含：
光提取板，其包括设置在其表面上的光散射结构；
第三光源，其配置为向所述光提取板发射光；
第三滤光器；和
光漫射膜，其设置在所述第三滤光器和所述光提取板之间，其中所述光散射结构从所述光提取板朝向所述样品保持器提取从所述第三光源发射的非相干光，并且其中所述第一照明模块、所述第二照明模块和所述第三照明模块相对于所述样品保持器固定。
4.如任一前述权利要求所述的系统，进一步包含成像器，所述成像器包括视场和收集角，其中所述成像器被配置为用于对设置在样品保持器上的样品进行成像。
5.如任一前述权利要求所述的系统，进一步包含样品保持器。
6.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述抛物面反射器被配置为对所述第一光源发射的光进行准直。
7.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述抛物面反射器被定向成朝向成像器，这样使得所述第一光源可以照射样品保持器上的成像器的视场。
8.如任一前述权利要求所述的系统，其中穿过所述第二滤光器的所述激发波长与设置在样品保持器上的特定荧光团互补，使得其被配置为激发所述荧光团并提供荧光激发照明。
9.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述直角棱镜包括第一侧面、第二侧面、斜边腿面和介电/空气界面，其中所述第二光源朝向所述直角棱镜的所述斜边腿面定向，并且其中所述直角棱镜的所述斜边腿面将从所述第二光源发射的光反射或重定向到所述样品保持器。
10.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述直角棱镜邻近所述第三滤光器设置。
11.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述直角棱镜被设置在所述光提取板与所述成像器之间。
12.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述直角棱镜与所述成像器的视场的中心和所述光提取板的中心对准。
13.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述第三光源嵌入在所述光提取板中。
14.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述光漫射膜被配置为过滤所述提取的非相干光并在所述光提取板的表面区域上提供更均匀的非相干光分布。
15.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述第三滤光器被配置为允许所述提取的非相干光的特定波长穿过其中而朝向所述样品保持器。
16.如任一前述权利要求所述的系统，其中所提取的非相干光照射所述成像器的视场下的所述样品保持器以提供非相干照明。
17.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述样品保持器是QMAX装置。
18.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述直角棱镜包括与所述直角棱镜的斜边腿面相邻的第一腿面和第二腿面。
19.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述直角棱镜的所述第一腿面和所述第二腿面均包括在5mm-50mm范围内的长度。
20.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述直角棱镜的所述第一腿面和所述第二腿面均包括10mm的长度。
21.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述直角棱镜与所述样品保持器之间的距离在1mm-20mm的范围内。
22.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述光漫射膜邻近所述光提取板的所述光散射结构设置。
23.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述光漫射膜设置在所述光提取板的所述光散射结构上。
24.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述光漫射膜粘附到所述光提取板的所述光散射结构。
25.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述第三滤光器邻近所述光漫射膜设置。
26.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述第三滤光器被设置在所述光漫射膜上。
27.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述第三滤光器粘附到所述光漫射膜。
28.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述直角棱镜邻近所述第三滤光器设置。
29.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述直角棱镜被设置在所述第三滤光器上。
30.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述直角棱镜的所述斜边腿面的中心与成像器的视场的中心对准。
31.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述第二光源被定向成朝向所述斜边腿面的中心并且与其对准。
32.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述直角棱镜的所述斜边腿面的中心与所述成像器的所述视场的中心之间的距离小于1mm。
33.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述直角棱镜的所述斜边腿面的中心与所述第二光源之间的距离在5mm-100mm的范围内。
34.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述直角棱镜的所述斜边腿面的中心与所述第二光源的中心之间的距离小于1mm。
35.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述抛物面反射器被配置为将从所述第一光源发射的光以大于所述成像器的收集角的斜角导向所述成像器。
36.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述抛物面反射器的放置被配置为以在40°-80°范围内的斜角将从所述第一光源发射的光导向所述成像器。
37.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述抛物面反射器的直径在5mm-20mm的范围内。
38.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述第一光源与所述成像器之间的距离在10mm-200mm的范围内。
39.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述直角棱镜与所述第三滤光器之间的距离在0.1mm-5mm的范围内。
40.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述第三滤光器与所述光漫射膜之间的距离在0.1mm到5mm的范围内。
41.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述光漫射膜与所述光提取板之间的距离在0.1mm到5mm的范围内。
42.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述光提取板的厚度在0.5mm-5mm的范围内。
43.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述光提取板的所述光发射表面的表面积在1cm2-100cm2的范围内。
44.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述直角棱镜的所述斜边腿面的所述介电/空气界面将从所述第二光源发射的所述光反射或重定向到所述成像器。
45.如任一前述权利要求所述的系统，其中从所述光提取板提取的所述光穿过所述直角棱镜朝向所述成像器，以便提供非相干照明。
46.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述直角棱镜的所述斜边腿面的尺寸大于所述成像器的视场的尺寸。
47.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述直角棱镜的所述介电/空气界面的反射率在1％-50％的范围内。
48.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述光散射结构选自由微粒、随机纹理表面、周期性光栅、着色白点、线阵列、点阵列和微透镜阵列组成的组。
49.一种用于成像的多模式照明系统，包含：
明场照明模块，包含：光源；直角棱镜；成像器；样品；
荧光激发照明模块，包含：光源；抛物面反射器；激发滤光器；发射滤光器；成像器；样品；和
非相干照明模块，包含：光源；光提取板；光漫射器；滤光器；成像器；样品。
50.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述非相干照明模块的光源被嵌入在所述光提取板中。
51.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述样品是QMAX装置。
52.如任一前述权利要求所述的系统，所述棱镜的腿的优化长度是10mm。
53.如任一前述权利要求所述的系统，所述棱镜的腿的长度可以是5mm、10mm、20mm、50mm，并且在任何两个值之间的范围内。
54.如任一前述权利要求所述的系统，所述棱镜与所述样品之间的所述优化距离是尽可能接近的。
55.如任一前述权利要求所述的系统，所述棱镜与所述样品之间的距离是1mm、5mm、10mm、20mm，并且在任何两个值之间的范围内。
56.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述光漫射膜放置在所述光提取板的顶部上，且滤光器放置在所述漫射膜的顶部上，并且直角棱镜放置在所述滤光器的顶部上。
57.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述棱镜的中心分别与成像器的视场中心和明场照明的光源对准。
58.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述棱镜的中心与所述成像器的视场的中心之间的距离小于1mm。
59.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述棱镜的中心与所述明场照明光源的中心之间的距离小于1mm。
60.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述抛物面反射器的放置被配置为将从所述荧光照明模块的光源发射的光以大于所述成像器的收集角的斜角导向所述成像器。
61.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述抛物线反射器的放置被配置为用于将从所述荧光照明模块的光源发射的光以斜角导向所述成像器，所述斜角可以是40度、50度、60度、70度、80度，并且在任何两个值之间的范围内。
62.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述抛物面反射器的直径可以是5mm、10mm、15mm、20mm，并且在任何两个值之间的范围内。
63.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述明场照明的光源与所述棱镜的所述倾斜侧的中心之间的距离可以是5mm、10mm、20mm、50mm、100mm，并且在任何那些值之间的范围内。
64.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述荧光照明的光源与所述成像器之间的距离可以是10mm、20mm、50mm、100mm、200mm，并且在任何两个值之间的范围内。
65.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述棱镜与所述滤光器之间的所述优化距离是尽可能接近的。
66.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述棱镜与所述滤光器之间的距离可以是0.1mm、1mm、2mm、5mm，并且在任何两个值之间的范围内。
67.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述滤光器与所述漫射膜之间的所述优化距离是尽可能接近的。
68.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述滤光器与所述漫射膜之间的距离是0.1mm、1mm、2mm、5mm，并且在任何两个值之间的范围内。
69.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述漫射膜与所述光提取板之间的所述优化距离是尽可能接近的。
70.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述漫射膜与所述光提取板之间的距离是0.1mm、1mm、2mm、5mm，并且在任何两个值之间的范围内。
71.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述光提取板的厚度是0.5mm、1mm、2mm、5mm，并且在任何两个值之间的范围内。
72.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述光提取板的光发射表面的表面积可以是1cm2、10cm2、25cm2、50cm2、100cm2，并且在任何两个值之间的范围内。
73.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述直角棱镜将从所述光源发射的所述明场照明光重定向到所述成像器。
74.如任一前述权利要求所述的系统，其中从所述光提取板表面提取的所述光朝向所述成像器穿透所述直角棱镜以用于非相干照明。
75.如任一前述权利要求所述的系统，其中成像器上的视场中的直角棱镜的腿的尺寸大于成像器的视场的最短横向尺寸。
76.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述棱镜的直角表面的反射率是1％、5％、10％、20％、50％或在任何两个值之间的范围内。
77.如任一前述权利要求所述的系统，其中所述光提取板在提取光的表面上具有光散射结构，并且所述光散射结构是随机纹理表面、周期性光栅、着色白点、微/纳米尺寸颗粒。
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