JP2014081391A - 熱補償型発光ダイオードを備える、光学走査システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】様々な実施形態によると、1つ以上のLED(111)と、温度センサ(118)と、温度調整器(122)とを含むシステムが提供される。前記温度センサは、前記LED(111)に熱的接触し得、動作温度を計測し得、また動作温度信号を生成し得る。前記温度調整器は、前記LEDの動作温度信号を受信し、その動作温度信号に基づいて動作温度を調整し得る。様々な実施形態によると、反応領域(108)に励起ビームを照射するための方法が提供される。前記方法は、LED(111)および反応領域(108)を含むシステム(100)を提供するステップを含み得る。
【選択図】図1
Description
本出願は、2004年11月4日に出願された同時係属中の米国特許出願第10/981,440号に基づく優先権を主張するものであり、当該出願は同様に2003年5月19日に出願された同時係属中の米国特許出願10/440,719号の一部継続出願であり、当該出願は同様に2002年8月9日に出願された同時係属中の米国特許出願10/216,620号の一部継続出願であり、当該出願は同様に2001年11月29日に出願された同時係属中の米国特許出願第09/700,536号の継続出願であり、当該出願は1999年5月17日に出願され、1999年11月25日に公開番号WO99/60381として公開されたPCT/US99/11088に基づく優先権を主張するものであり、これらの出願はすべて、その全体が本明細書中に参考として援用される。
Multiple Fluorescence Signals By Excitation Wavelength」と題された同時係属中の米国特許出願第10/440,852号、ならびに、2003年12月12日に出願された米国特許出願第10/735,339号、米国特許第6,211,989号を含む、2004年10月29日に出願された米国特許第6,211,989号の再審査番号第90/007,275号が引用され、これらの出願はすべて、その全体が本明細書中に参考として援用される。
本発明は、低質量光学走査ヘッドを有するシステムを含む、標的サンプルの光学走査の方法および光学系に関し、かつ/または、発光ダイオードによって生成された励起ビームを使用する光学機器に関する。本発明は、サンプルアッセイを実行し、光応答および符号定数(optical signature)を産出および計測するための方法およびシステムにも関する。
発光ダイオード(LED)は、蛍光測定などの光学的変換アッセイ用の励起源となり得、かつ/または光学的検出用の励起源として使用され得る。励起ビーム強度変化および/または励起ビームスペクトルシフトを呈しないLED励起ビーム源を提供する必要性は満足されていなかった。ヌクレオチド増幅反応に対応し、そのような反応を検出し、比較的多数の増幅反応を処理し得る装置が望ましい。走査速度の強化および走査方法の強化など、複数の反応またはサンプルの走査の強化を提供し得る装置も望ましい。
様々な実施形態によると、サンプル基板の光学走査または調査を提供するように構成されたシステムおよび方法が提供され、ここで前記システムは熱補償される。熱補償は、受動型であっても、能動型であっても、またはその両方であってもよい。
例えば、本発明は以下の項目を提供する。
(項目1)
発光ダイオード(LED)と、
前記LEDに熱的接触しており、前記LEDの動作温度を計測し、動作温度信号を生成し得る温度センサと、
前記動作温度信号を受信し、前記動作温度信号に基づいて前記動作温度を調整し得、1つ以上の蛍光色素の励起を制御するように適合される温度調整システムと、
を備えるシステム。
(項目2)
前記温度調整システムは、約1℃隔てられた最低温度および最高温度を含む動作温度範囲内に前記動作温度を維持し得る、項目1に記載のシステム。
(項目3)
前記温度センサは、サーミスタまたはバンドギャップ半導体抵抗温度検出器のうち少なくとも1つを備える、項目1に記載のシステム。
(項目4)
前記LEDは、異なる個別の波長範囲の発光を放出し得る複数の発光ダイオードを備える、項目1に記載のシステム。
(項目5)
前記複数のLEDは、少なくとも1つの青色LEDおよび少なくとも1つの緑色LEDを備える、項目4に記載のシステム。
(項目6)
反応領域と、
励起ビームを生成し、前記反応領域に向けて方向付け得る発光ダイオード(LED)と、
前記LEDに熱的接触しており、前記LEDの動作温度を計測し、動作温度信号を生成し得る温度センサと、
前記反応領域から発光信号を検出するように適合され、検出データを生成し得る検出器と、
前記動作温度信号および前記検出データを受信し得、前記動作温度に関連する励起ビーム特性シフトについて前記検出データを調節し、シフトされた検出データを形成するように適合される、データ調節ユニットと、
を備えるシステム。
(項目7)
前記データ調節ユニットは、少なくとも2つの動作温度と、各動作温度に対し少なくとも1つのそれぞれの励起ビーム特性シフトとを保存するように適合されるメモリを備える、項目6に記載のシステム。
(項目8)
反応領域に励起ビームを照射するための方法であって、
LEDと、反応領域と、前記反応領域におけるサンプルとを備えるシステムを提供するステップと、
前記LEDで励起ビームを生成するステップと、
励起ビームを前記サンプルに方向付けるステップと、
前記LEDの動作温度を計測するステップと、
前記動作温度に基づいて、前記LEDから熱を伝達することおよび前記LEDへ熱を伝達することのうち少なくとも一方によって前記動作温度を調整するステップと、
を含む方法。
(項目9)
前記動作温度を調整する前記ステップは、前記動作温度を、約1℃隔てられた最低温度および最高温度を含む動作温度範囲内に維持するステップを含む、項目8に記載の方法。
(項目10)
反応領域に励起ビームを照射するための方法であって、
LEDと、反応領域と、前記反応領域におけるサンプルとを備えるシステムを提供する
ステップと、
前記LEDで励起ビームを生成するステップと、
励起ビームを前記サンプルに方向付けるステップと、
検出データを取得するために、前記サンプルの光学特性を検出するステップと、
計測温度を測定するために、前記発光ダイオードの前記動作温度を計測するステップと、
前記計測温度に関連する励起ビーム特性シフトの前記検出データを調節するステップと、
を含む方法。
(項目11)
前記サンプルは、核酸配列増幅反応を実行するために必要な試薬を含む、項目10に記載の方法。
(項目12)
前記LEDは互いに隣接して配置された複数のLEDを備え、各LEDは個別の動作温度および個別の励起ビーム特性シフトを有する、項目10に記載の方法。
(項目13)
前記LEDは内側LEDおよび外側LEDを備え、前記方法は、前記外側LEDのうち1つ以上についての励起ビーム特性シフトの調節と比較して、前記内側LEDのうち1つ以上についてのより大幅な励起ビーム特性シフトの調節を行うステップを含む、項目12に記載の方法。
(項目14)
LEDの発光強度およびスペクトル安定性を維持するための方法であって、
LEDを備えるシステムを提供するステップと、
前記LEDで励起ビームを生成するステップと、
前記LEDの動作温度を計測するステップと、
前記LEDの発光強度およびスペクトル安定性を維持するため、前記動作温度に基づいて、前記LEDから熱を伝達することおよび前記LEDへ熱を伝達することのうち少なくとも一方によって前記動作温度を調整するステップと、
を含む方法。
(項目15)
前記動作温度を調整する前記ステップは、前記LEDの発光強度およびスペクトル安定性が維持される所望の動作温度または温度範囲に相当する調節データを、メモリソースから検索するステップを含む、項目14に記載の方法。
(項目16)
a)サンプル基板と、
b)前記サンプル基板に励起光を提供するように構成されたLEDと、
c)前記サンプル基板から放射光を受信し、検出データを生成するように構成された光学検出器と、
d)前記LEDから受信した前記励起光を前記サンプル基板に向けて方向付け、前記サンプル基板から受信した前記励起光を前記光学検出器に向けて方向付けるように構成された励起発光セレクタと、
e)熱制御システムであって、
前記LEDおよび前記光学検出器のうち少なくとも1つを備える温度依存性ユニットと、
(i)前記温度依存性ユニットの少なくとも1つの温度依存特性を監視し、(ii)前記少なくとも1つの温度依存特性に関連する熱制御信号を生成するように構成された温度センサと、
前記熱制御信号を受信し、(i)前記温度依存性ユニットの動作温度および(ii)前記光学検出器からの前記検出データのうち少なくとも一方を調整して温度補償型検出データを形成するように構成され、前記調整は少なくとも部分的に前記熱制御信号に基づく、能動型温度補償システムと、
を備える熱制御システムと、
を備える光学系。
(項目17)
前記能動型温度補償システムは、少なくとも前記光学検出器からの前記検出データを調整して温度補償型検出データを形成するように構成される、項目16に記載の光学系。
(項目18)
前記励起発光セレクタは、干渉素子、分散素子、回折素子、複屈折素子、フィルタリング素子、およびビーム分割光学素子のうち少なくとも1つを備える、項目16に記載の光学系。
(項目19)
遠位端および近位端を有する光ファイバであって、少なくとも、前記近位端から前記遠位端へ前記放射光を伝導するように構成された光ファイバと、
前記光ファイバの前記遠位端および前記光学検出器を備える固定光ヘッドであって、前記光ファイバの前記遠位端からの前記放出光を前記光学検出器に向けて方向付けるように構成された固定光ヘッドと、
前記光ファイバの前記近位端を備える低質量走査ヘッドであって、前記サンプル基板に対して走査し、前記励起光を前記サンプル基板に向けて方向付け、前記サンプル基板から前記放射光を収集し、前記放射光を前記光ファイバの前記近位端に向けて方向付けるように構成された低質量走査ヘッドと、
をさらに備える、項目16に記載の光学系。
(項目20)
前記低質量走査ヘッドは、前記LEDと励起発光セレクタとをさらに備え、前記励起発光セレクタは、前記LEDから受信した前記励起光を前記サンプル基板に向けて方向付け、前記サンプル基板から受信した前記放射光を前記光ファイバの前記近位端に方向付けるように構成される、項目19に記載の光学系。
(項目21)
前記温度センサは、少なくとも1つの温度依存特性における変化速度を監視し、少なくとも一部分は前記変化速度に基づいて、前記熱制御信号を生成するように構成され、
前記温度補償システムは、少なくとも一部分は前記変化速度に基づいて、動作温度を調整するように構成される、項目16に記載の光学系。
(項目22)
熱的に制御された光学的変換アッセイを行うための方法であって、
a)項目16に記載の光学系を使用するステップと、
b)前記LEDからの前記励起光を前記サンプル基板に向けて方向付けるステップであって、前記励起光を前記サンプル基板に向けて方向付けるために前記励起発光セレクタを使用するステップを含む、前記方向付けるステップと、
c)前記光学検出器で前記サンプル基板から放射光を受信するステップであって、前記サンプル基板から受信した前記放射光を前記光検出器に向けて方向付けるために前記励起発光を使用するステップを含む、前記受信するステップと、
d)少なくとも一部分は前記受信した放射光に基づいて、前記光学検出器から検出データを生成するステップと、
e)前記温度依存性ユニットを熱的に制御するステップであって、少なくとも温度を能動的に補償するステップを含み、前記能動的に補償するステップは、
(i)前記温度依存性ユニットの少なくとも1つの温度依存特性を監視し、(ii)前記少なくとも1つの温度依存特性に関連する前記熱制御信号を生成するために前記温度センサを使用するステップと、
前記熱制御信号を受信し、(i)前記温度依存性ユニットの前記動作温度および(ii)前記光学検出器からの前記検出データのうち少なくとも一方を調整して温度補償型検出データを形成するために前記能動型温度補償システムを使用し、前記調整は少なくとも一部分は前記熱制御信号に基づくステップと、
を含むステップと、
を含む方法。
(項目23)
a)サンプル基板と、
b)前記サンプル基板に励起光を提供するように構成されたLEDと、
c)前記サンプル基板から放射光を受信し、検出データを生成するように構成された光学検出器と、
d)前記LEDおよび前記光学検出器のうち少なくとも1つを備える温度依存性ユニットと、
e)温度依存性ユニットの動作温度を制御するように構成された受動型熱制御システムであって、
f)前記温度依存性ユニットを少なくとも部分的に収容する絶縁炉、および
g)前記温度依存性ユニットに熱的接触しており、前記温度依存性ユニットと熱伝導基板との間で熱エネルギーを伝導するように構成された熱伝導基板、のうち少なくとも1つを備える前記受動型熱制御システムと、
を備える光学系。
(項目24)
前記受動型熱制御システムは絶縁炉を備え、前記絶縁炉は相変化絶縁材を備える、項目23に記載の光学系。
(項目25)
前記受動型熱制御システムは前記熱伝導基板を備え、前記LEDおよび前記光学検出器は前記熱伝導基板に熱的接触しており、前記熱伝導基板は(i)前記LEDおよび前記光学検出器の両方と(ii)前記熱伝導基板との間で熱エネルギーを伝導するように構成される、項目23に記載の光学系。
(項目26)
前記受動型熱制御システムは前記熱伝導基板を備え、前記熱伝導基板は、前記温度依存性ユニットに熱的接触している、前記温度依存性ユニットと前記熱伝導基板との間で熱エネルギーを伝導するように構成された、熱対応パッドを備える、項目23に記載の光学系。
(項目27)
前記受動型制御システムは前記熱伝導基板を備え、前記光学系は、
(i)前記熱伝導基板の少なくとも1つの温度依存特性を監視し、(ii)前記少なくとも1つの温度依存特性に関連する熱制御信号を生成するように構成された温度センサと、
前記熱制御信号を受信し、(i)前記熱伝導基板の動作温度および(ii)前記検出データのうち少なくとも一方を調整して温度補償型検出データを形成するように構成され、前記調整は少なくとも一部分は前記熱制御信号に基づく、能動型温度補償システムと、
をさらに備える、項目23に記載の光学系。
(項目28)
a)2次元サンプル平面を規定する表面を有するサンプル基板と、
b)前記サンプル基板に励起光を提供するように構成された励起源と、
c)前記サンプル基板から放射光を受信し、検出データを生成するように構成された光学検出器と、
d)少なくとも(i)前記励起光を前記サンプル基板に向けて方向付けるように、(ii)前記サンプル基板から放射光を受信して前記放射光を前記光学検出器に向けて方向付けるように、および(iii)前記サンプル基板に対して走査するように構成された走査ヘッドと、
e)前記サンプル基板に対して前記走査ヘッドを走査するように構成されたアクチュエータであって、前記走査は(1)相対直線運動および前記サンプル平面にほぼ垂直な回転軸周囲の相対角運動ならびに(2)前記サンプル平面にほぼ垂直な2つのそれぞれ異なる回転軸周囲の2つの相対角運動のうち少なくとも一方を含むアクチュエータと、を備える光学系。
(項目29)
前記系は、前記サンプル基板表面に対する前記走査ヘッドの直線走査用に構成される、請求項28に記載の光学系。
(項目30)
前記系は、前記サンプル基板表面に対する前記走査ヘッドの逐点走査用に構成される、請求項28に記載の光学系。
(項目31)
前記光学検出器は、前記サンプル基板から前記放射光を受信し前記検出データを生成するように構成された第1の光学検出器および第2の光学検出器を備え、
前記第1の光学検出器は前記放射光の第1の光学的に異なる範囲を受信するように構成され、前記第2の光学検出器は前記放射光の第2の光学的に異なる範囲を受信するように構成される、項目28に記載の光学系。
(項目32)
前記励起源は前記第1のLEDおよび第2のLEDを備え、前記第1のLEDおよび第2のLEDは励起光のそれぞれ光学的に異なる範囲を提供するように構成されている、請求項28に記載の光学系。
(項目33)
前記走査は前記相対直線運動および前記相対角運動を含み、前記アクチュエータは、
前記サンプル平面に対してほぼ並行に配列された直線移動軸を有し、前記直線移動軸に沿って前記サンプル基板に対する前記走査ヘッドの直接的な動きを提供するように構成されたリニアアクチュエータと、
固定台と、前記サンプル平面に対してほぼ垂直に配列された回転軸周囲の回転用に構成されたシャフトとを有し、前記固定台は前記リニアアクチュエータに接続された回転型アクチュエータと、
長手方向軸、第一端、および第二端を有し、前記第一端は前記回転型アクチュエータシャフトに接続され、前記第二端は前記走査ヘッドに接続された、第1のアームであって、その長手方向軸の回転用に、前記回転軸の周囲にほぼ垂直に構成された前記第1のアームと、
を備える、項目28に記載の光学系。
(項目34)
前記線形移動軸と平行に配列された少なくとも1つのブッシングと、
前記リニアアクチュエータに接続され、前記少なくとも1つのブッシングに沿って移動するように構成されたプラットフォームと、をさらに備え、前記回転軸の前記固定台は前記プラットフォームに接続される、項目33に記載の光学系。
(項目35)
前記走査は前記2つの相対角運動を含み、前記アクチュエータは、
固定台と、前記サンプル平面に対してほぼ垂直に配列された第1の回転軸周囲の回転用に構成されたシャフトとを有する第1の回転型アクチュエータと、
固定台と、前記サンプル平面に対してほぼ垂直に配列された第2の回転軸周囲の回転用に構成されたシャフトとを有し、前記第2の回転軸は前記第1の回転軸に対してほぼ平行に配列される第2の回転型アクチュエータと、
長手方向軸、第一端、および第二端を有し、前記第一端は前記第1の回転型アクチュエータシャフトに接続され、前記第二端は前記第2の回転型アクチュエータ固定台に接続された第1のアームであって、その長手方向軸の回転用に、前記第1の回転軸の周囲にほぼ垂直に構成された前記第1のアームと、
長手方向軸、第一端、および第二端を有し、前記第一端は前記第2の回転型アクチュエータシャフトに接続され、前記第二端は前記走査ヘッドに接続された第2のアームであって、その長手方向軸の回転用に、前記第2の回転軸の周囲にほぼ垂直に構成された前記第2のアームと、
を備える、項目28に記載の光学系。
(項目36)
遠位端および近位端を有する少なくとも1つの光ファイバであって、その近位端からその遠位端へ前記放射光を伝導するように構成された少なくとも1つの光ファイバと、
前記光ファイバの前記遠位端および前記光学検出器を備える固定光ヘッドであって、前記光ファイバの前記遠位端からの前記放射光を前記光学検出器に向けて方向付けるように構成された固定光ヘッドと、をさらに備え、
前記走査ヘッドは、前記少なくとも1つの光ファイバの前記近位端を備え、前記放射光を前記少なくとも1つの光ファイバの前記近位端に方向付けるようにさらに構成された低質量走査ヘッドである、項目28に記載の光学系。
(項目37)
前記低質量走査ヘッドは、前記励起源としてのLEDをさらに備える、項目36に記載
の光学系。
(項目38)
前記固定光ヘッドは、前記励起源を備え、前記励起光を前記少なくとも1つの光ファイバの前記遠位端に方向付けるように構成され、前記光ファイバはその遠位端からの前記励起光をその近位端に方向付けるように構成され、前記低質量走査ヘッドは前記光ファイバの近位端からの前記励起光を前記サンプル基板に向けて方向付けるように構成される、請求項36に記載の光学系。
(項目39)
前記固定光ヘッドは、分散素子を備える分散型分光器と、前記収集された放射光のスペクトル特性を計測するように構成されたアレイ検出器または複数の光学検出器とを備える、項目36に記載の光学系。
(項目40)
前記励起源としてのLEDと、
熱制御システムであって、前記LEDおよび前記光学検出器のうち少なくとも1つを備える温度依存性ユニットと、
(1)(i)前記温度依存性ユニットの少なくとも1つの温度依存特性を監視し、(ii)前記少なくとも1つの温度依存特性に関連する熱制御信号を生成するように構成された温度センサを備える能動型温度補償システムであって、
前記熱制御信号を受信し、(i)前記温度依存性ユニットの動作温度および(ii)前記光学検出器からの前記検出データのうち少なくとも一方を調整して温度補償型検出データを形成するように構成され、前記調整は少なくとも部分的に前記熱制御信号に基づく、前記能動型温度補償システムと、
(2)受動型温度補償システムであって、
(i)前記温度依存性ユニットを少なくとも部分的に収容する絶縁炉と
(ii)前記温度依存性ユニットに熱的接触しており、前記温度依存性ユニットと熱伝導基板との間で熱エネルギーを伝導するように構成された熱伝導基板と、のうち少なくとも1つを備える、受動型温度補償システムと、
のうち少なくとも1つを備える熱制御システムと、を備える、項目36に記載の光学系。
(項目41)
前記励起源としてのLEDと、
前記LEDおよび前記光学検出器のうち少なくとも1つを備える温度依存性ユニットを備える熱制御システムと、
能動型温度補償システムであって、
(i)前記温度依存性ユニットの少なくとも1つの温度依存特性を監視し、(ii)前記少なくとも1つの温度依存特性に関連する熱制御信号を生成するように構成された温度センサを備え、
前記熱制御信号を受信し、(i)前記熱依存性ユニットの動作温度および(ii)前記光学検出器からの前記検出データのうち少なくとも一方を調整して温度補償型検出データを形成するように構成され、前記調整は少なくとも部分的に前記熱制御信号に基づく、能動型温度補償システムと、を備える、項目36に記載の光学系。
(項目42)
前記励起源としてのLEDと、
前記LEDおよび前記光学検出器のうち少なくとも1つを備える温度依存性ユニットを備える熱制御システムと、
受動型温度補償システムであって、
(i)前記温度依存性ユニットを少なくとも部分的に収容する絶縁炉と、
(ii)前記温度依存性ユニットに熱的接触しており、前記温度依存性ユニットと熱伝導基板との間で熱エネルギーを伝導するように構成された熱伝導基板と、
のうち少なくとも1つを備える受動型温度補償システムと、を備える、項目36に記載の光学系。
(項目43)
前記少なくとも1つの温度依存特性は、前記温度依存性ユニットまたは前記温度センサの温度、温度依存光学特性、温度依存電子特性のうち少なくとも1つ、またはそれらの任意の組み合わせを含む、項目40に記載の光学系。
(項目44)
前記温度依存性ユニットは、前記温度センサを備える、項目40に記載の光学系。
(項目45)
前記温度センサは、前記温度依存性ユニットに熱的接触している、項目40に記載の光
学系。
(項目46)
前記温度センサは、前記温度依存性ユニットの少なくとも1つの温度依存光学特性を監視するように構成される、項目40に記載の光学系。
(項目47)
走査された光学的変換アッセイを行うための方法であって、
a)項目28に記載の光学系を使用するステップと、
b)前記走査ヘッドからの励起光を前記サンプル基板に向けて方向付けるステップと、
c)前記光学検出器で前記サンプル基板から放射光を受信し、前記受信した放射光に基づいて検出データを生成するステップと、
d)前記サンプル基板に対して前記走査ヘッドを走査するステップであって、前記走査は(1)相対直線運動および前記サンプル平面にほぼ垂直な回転軸周囲の相対角運動ならびに(2)前記サンプル平面にほぼ垂直な2つのそれぞれ異なる回転軸周囲の2つの相対角運動、のうち少なくとも一方を含むステップと、
e)前記基板に対する前記走査ヘッドの位置を追跡するステップと、
f)前記検出データを前記走査ヘッドの前記位置と相関させるステップと、
を含む方法。
ここで、添付図面にその実施例が図示されている、本発明の特定の実施形態を詳細に参照する。可能な限り、同じまたは類似の部品に言及する際は、図面全体を通じて同じ参照番号を使用する。
能動型温度補償システムの一部として、温度センサが提示され得、少なくとも2つの機能を提供するように構成され得る。第一に、温度センサはTDUの少なくとも1つの温度依存特性を監視するように構成され得る。第二に、温度センサはその少なくとも1つの温度依存特性に関連する熱制御信号を生成するように構成され得る。
例えば、図1は、複数のLED111を含むLEDアレイ110を含む、様々な実施形態による能動型温度補償用に構成されたシステム100の、一部を断面で示した側面図である。特定の実施形態によると、単一のLEDを使用してもよく、この場合、要素110は単一のLEDとなる。複数のLED111が存在する場合、それらは共通の型(すなわち、共通のスペクトル特性)であってもそうでなくてもよく、例えば、同時に、順次に、またはそれらの組み合わせで動作され得る。システムはまた、焦点レンズ106を含んでもよい。焦点レンズ106は、LEDアレイ110により放出された励起光の焦点を合わせ得る。LEDアレイ110は、基板112に物理的および/または熱的接触し得る。LEDアレイ110は、個々のLEDの1つ以上の行またはパターンを含み得る。基板112は、プリント回路基板(すなわち、PCB)であり得、基板全体に熱を分配し得る1つ以上の高度熱伝導層を含み得る。高度熱伝導層は、PCBボードの銅の接地面層であってもよいし、例えばアルミニウムまたは鋼を含むさらなる層であってもよい。高度熱伝導層は、考えられる例として、それに付着されている熱素子(例えば、LEDアレイ110)に直接接触している表面層であってもよいし、多層基板の中間層であってもよい。加熱装置116、例えば抵抗発熱体は、LEDアレイ110に熱的接触して設けられてよい。加熱装置116は、基板112の中、上、または中と上に含まれてよい。システム100は、LEDアレイ110に熱的接触している温度センサ118を含み得る。温度センサは、LEDアレイ110に対して中央に位置してよい。温度センサ118は、基板112上に含まれてよい。温度センサ118から信号を受信し得る温度調整器または温度調整システム122が提供され得る。温度センサ118および温度調整システム122は、統合され得、および/または一体構造であり得る。温度調整システム122は、加熱装置116を制御し得る。温度調整システム122は、ファン114を制御し得る。温度調整システム122は、ファン114および加熱装置116を制御し得る。例えば、温度調整システム122は、加熱装置116を制御して、公称動作温度に到達またはそれを維持するために使用され得、一方でファン114は動作温度が高くなりすぎるのを防止する。この最適化は、例えばLEDアレイ110が連続的でない場合に使用され得る。例えば、加熱装置116は、LEDアレイ110における複数のLED111のうちいくつかまたはすべてがオンでない場合に、さらなる熱を提供し得る。ファン114は、1つ以上の冷却フィン104上に気流を方向付け得る。冷却フィン104は、LEDアレイ110、基板112、またはその両方に熱的接触し得る。温度調整システム122は、温度センサ118、加熱装置116、および/またはファン114に信号を送信し、かつ/またはそれらから信号を受信し得る。温度調整システム122は、ワイヤ120を使用して、または様々な構成要素と統合されたかもしくは関連付けられたワイヤレスコントローラを介して、信号を送信および受信し得る。励起光は、LEDアレイ110から放出され、サンプル基板上の1つ以上の反応領域108に方向付けられ得る。反応領域108は、サンプル107を含み得る。反応領域は、例えば、マイクロタイタートレイ上のウェルであり得る。サンプル107からの1つ以上の光信号を、検出器130およびレンズ144などのさらなる光学構成要素の有無にかかわらず、検出器で監視し得る。検出器130と反応領域108との間の軸はLEDアレイ110と反応領域108との間の軸にほぼ垂直であるが、特定の実施形態によると、同軸構成など、その他の構成を使用してもよい。
図2は、例えば複数のLED211を含むことによって、LEDアレイ210用の能動型温度安定化装置を含む、様々な実施形態によるシステム200の側断面図である。個々のLED211のそれぞれから放出された励起光の焦点を合わせるために、焦点レンズ206が含まれてよい。LEDアレイ210は、基板212に物理的および/または熱的接触し得る。システム200は、LEDアレイ210に熱的接触している温度センサ218、基板212、またはその両方を含み得る。温度センサ218は、基板212の中または上に含まれてよい。温度調整システム222は、温度センサ218から信号を受信し得る。温度調整システム222は、熱電素子214、例えばペルチェ素子を制御し得る。熱電素子214は、LEDアレイ210、基板212、またはその両方に熱的接触し得る。熱電素子214は、大気環境からLEDアレイ210へ熱エネルギーを伝達し得る。熱電素子214は、LEDアレイ210から大気環境へ熱エネルギーを伝達し得る。熱電素子214は、温度センサを含み得る。複数の冷却フィン204は、LEDアレイ210および/または熱電素子214に熱的接触し得る。温度調整システム222は、例えばワイヤ220を経由して、温度センサ218および/または熱電素子214へ信号を送信し、それらから信号を受信し得る。励起光は、LEDアレイ210から放出され、例えばサーマルサイクリングブロック230内に保持された複数の反応領域208に方向付けられ得る。熱電素子214を使用して、動作条件下で他の方法で実現し得るより低温を維持し得る。これにより、LEDアレイ210が、より高い総出力磁束でより効率的に動作するのを可能にし得る。熱電素子214は、例えばLEDアレイ210がオンでない場合、温度に到達またはそれを維持するために、加熱モードで使用され得る。熱電素子214は、LEDアレイ210のデューティサイクルが冷却を必要とするに十分なほど高い場合、冷却モードで使用され得る。特定の実施形態によると、図示するように、LED211の数と反応領域208の数との間は一対一の対応であり得る。その他の実施形態によると、例えば図1に示すように、LEDは反応領域よりも多数であり得る。また他の実施形態によると、LEDは反応領域よりも少数であり得る。単なる一例として、それぞれが個々の異なる光学特性を有し、単一の反応領域を照射するように構成された、3つのLEDが存在し得る。別の例として、それぞれが個々の異なる光学特性を有し、6つ以上などの多数の反応領域を照射するように構成された、3つのLEDが存在し得る。
図3aは、様々な実施形態による、複数の個々のLED311を含むLEDアレイ310に温度安定化を提供し得る、システム300の側断面図である。個々のLED311のそれぞれから放出された励起光の焦点を合わせるために、焦点またはコリメートレンズ306が含まれてよい。コリメートレンズは、フレネルレンズであり得る。ビームスプリッタ307は、図示するような単一の要素であっても複数の要素であってもよく、励起光を放射ビームから分離するために含まれてよい。ビームスプリッタ307は、例えば、その全体が本明細書中に参考として援用される、2003年12月12日出願の米国特許出願第10/735,339号に記載されているように、フィルタまたはビームスプリッタに置き換えられてよい。LEDアレイ310は、基板312と接触し得る。システム300は、LEDアレイ310に熱的接触している温度センサ318を含み得る。温度センサ318は、基板312の中、上、または中および上に含まれてよい。温度調整システム322は、温度センサ318から信号を受信し得る。温度調整システム322は、ファン314を制御し得る。ファン314は、複数の冷却フィン304上に気流を方向付け得る。冷却フィン304は、LEDアレイ310に物理的および/または熱的接触し得る。温度調整システム322は、ワイヤ320を経由して、温度センサ318および/またはファンと連絡し得る。励起光は、LEDアレイ310から放出され、基板309の中、上、または中および上に形成または配置された反応領域308に方向付けられ得る。反応領域は、キャピラリーアレイのキャピラリー330を含み得る。キャピラリー330は、検出ゾーン356を通過する部分をそれぞれ有し得る。
様々な実施形態によると、温度補償システムによるTDUの動作温度の能動型調整は、所望の温度値または範囲を維持するために、制御信号に応答してTDUからの熱エネルギーを追加または回収し得る、いかなる形態であってもよい。例えば、温度補償システムは、加熱器、冷却器、またはファンなど、TDUと熱的接触しており、熱制御信号によって(直接的または間接的に)作動または制御される要素を含み得る。温度制御システムは、加熱器を含み得る。システムは、冷却器を含み得る。システムは、加熱器および冷却器の両方を含み得る。冷却速度および加熱速度は、必要に応じて複数の加熱器および/または冷却器を使用することによって増加し得る。加熱器が提供される場合、当該加熱器は複数の異なる種類の加熱装置を備え得る。冷却器が提供される場合、当該冷却器は複数の異なる種類の冷却装置を備え得る。
LED照射システムは、一貫した照射を提供し得、軽量であり得、必要な冷却および/または加熱は最小限ですむ。重要な事項ではない因子の場合、または、LEDによって満たすことができないスペクトルまたは強度需要など、その他の対抗する事項がある場合には、LEDの代わりに、またはLEDに加えて、その他の光源を使用し得る。例えば、本明細書の他の部分でも述べているような照明源が走査されないシステムにおいては、特定の実施形態によると、重量は重要な事項ではなく、非LED源を使用してもよい。
特定の実施形態によると、TDUの動作温度を受動的に制御するように構成された受動型熱制御システムが存在する。受動型熱制御システムは、絶縁炉および熱伝導基板のうち少なくとも1つを備え得る。受動型熱制御システムおよび方法は、本明細書の他の部分でも述べているように、能動型熱制御システムおよび方法を含んでもよい。
Gunは、圧縮空気の供給を2つの低圧流―片方は熱く、片方は冷たい―に変換するために、EXAIR(登録商標)が販売するものなどの渦管を使用する。冷気流は、消音され、ユースポイント、例えば、ファンから例えばヒートシンクなどの加熱された表面への気流の経路内に冷気流を方向付け得る、例えばフレキシブルホースを通って排出され得る。一方、熱気流は、消音され、熱気排気管を介して排出され得る。
ChipTMは、ファンなどの受動型冷却構成要素を組み込み得る、能動型冷却技術である。Cool ChipTM層は、加熱システムとヒートシンクとの間にギャップを導入するために、加熱システムとヒートシンクとの間に配置され得る。電圧バイアスを追加することにより、電子は、例えば加熱システムからヒートシンクなど、所望の方向に移動するように促され得、一方、ギャップによってそれらが加熱システムに戻ることを阻止される。したがって、ヒートシンクは加熱システムを損傷することなく熱くなり得る。いくつかの局面において、大気から熱を吸収し、それによってシステムを冷却するために、1つ以上のCool ChipTMを並べてよい。
図4は、システム400の上断面図である。ケーブ(cave)、炉、またはエンクロージャとしても既知である筐体401は、図示するような403および407などの開口部を含み得る。LED413、415は、1つ以上の反応領域(図示せず)を照射するために、個別の開口部(403)を通して放射線照射し得る。開口部407は、反応領域から検出器440への、放射ビームの透過または通過を可能にし得る。1つ以上の温度センサ418は、筐体基板412の中または上に配置され得る。基板412は、加熱装置416を含み得る。温度センサ418は、筐体基板412内のすべてに配置され得る。LED413および415、ならびに検出器440は、筐体基板412の上または中に配置され得る。温度センサ418から信号を受信し得る温度調整器または温度調整システム422は、例えば筐体412内に含まれてもよく、システムの外部にあってもよい。温度調整システム422は、所望のまたは予め設定された温度範囲内に例えばシステム400を維持するために、必要に応じて加熱装置416および/または冷却ファン414を制御し得る。筐体401は、温度調整システム422によって温度調整される、比較的小さい、熱的に分離された体積を提供し得る。LED413、415および検出器440を利用するために必要な制御回路(図示せず)は、筐体401内に格納され得る。励起光は、LED413、415から放出され、1つ以上の反応領域に向けて方向付けられ得る。LED413は、LED415とは異なる波長範囲の励起光を発し得、例えば、LED413は青色光を発し得、LED415は緑色光を発し得る。LED413は、LED415と同時に、または順次に動作し得る。
図5は、様々な実施形態による、システム500の側断面図である。システム500は、基板574上に配置されたフォトダイオード検出器550、552、および554を含み得る。基板574は、第1の表面またはその裏面575に配置された制御回路560、562、564、および566を有し得る。システム500は、高い熱伝導率を有するプレート568に載置されたLED513を含み得る。様々な実施形態において、プレート568は、約0.1w/cm・K以上、例えば、約0.3w/cm・K以上または約0.5w/cm・K以上の熱伝導率を有し得る。例えば、プレート568は、アルミニウムを含み得る。高い熱伝導率を有するエラストマーパッド570は、基板574とプレート568との間に配置され得る。エラストマーパッド570は、電気抵抗加熱器518を基板574から電気的に分離し得る。フォトダイオード検出器550、552、および554は、例えば接着剤572を使用して、基板574に接着、または固着、またははんだ付けされ得る。温度センサ519はシステム500に熱的接触して配置され得、例えば温度センサ519は、プレート568と接触して配置され得る。断熱材576は、システム500を大気環境から熱的に分離するために、基板574の第2の表面つまり裏面575に隣接して配置され得る。システムは、制御回路560、562、564、566、フォトダイオード検出器550、552、554、およびLED511、513を同じ温度に維持し得る。したがって、システム500全体にわたって一定かつ均一な温度が維持され得る。
LED、反応領域、および、光源からの励起光を反応領域に向けて方向付けるために使用され得る介在装置の構成についての様々な実施形態が、例えば、いずれも2003年5月19日に出願されたBoegeなどによる「Optical Instrument Including Excitation Source」と題された同時係属中の米国特許出願第10/440,920号およびKingなどによる「Apparatus And Method For Differentiating Multiple Fluorescence Signals By Excitation Wavelength」と題された同時係属中の米国特許出願第10/440,852号、2003年12月12日に出願された米国特許出願第10/735,339号、米国特許第6,211,989号を含む、2004年10月29日に出願された米国特許第6,211,989号の再審査番号第90/007,275号、ならびに、これと同時に出願された、Kingなどによる「Optical Scanning Configurations,Systems,and Methods」と題された、代理人整理番号第07414.0144−00000号の米国特許出願において見られ、これらの出願はすべて、その全体が本明細書中に参考として援用される。
Programmable Gate Array;FPGA)またはマイクロコントローラを使用することによって提供され得る。熱電素子は、特にPCR使用において必要とされる連続的な温度逸脱に耐えるように設計され得る。
特定の実施形態によると、本発明は、サンプル基板と、LEDと、第1の光学検出器および任意で1つ以上のさらなる(例えば、第2の)光学検出器と、励起発光セレクタと、発光セレクタとを備える光学系を提供する。そのようなシステムは、当然ながら、能動型および受動型熱制御システムならびに本明細書の他の部分で述べている構成要素を含み得る。
いくつかの実施形態による低質量走査ヘッド構成では、励起源は、低質量走査ヘッドもしくは固定光ヘッドのいずれか、または複数の励起源が使用される場合にはその両方に位置付けられ得る。例えば、低質量走査ヘッドは、LEDを含み得る。低質量走査ヘッドは、励起発光セレクタを含んでもよい。低質量走査ヘッドがLED610と励起発光セレクタ616との両方を含む、典型的な低質量走査ヘッドシステム600を、図6に示す。
特定の実施形態による低質量走査ヘッド構成では、固定光ヘッドは、LEDまたはその他の励起源を含み得る。LEDを含有する固定光ヘッドは、励起光を光ファイバの遠位端に方向付けるように構成され得る。これらの実施形態によると、光ファイバは、励起光をその遠位端からその近位端に方向付けるように構成され得、低質量走査ヘッド(近位端を含む)は、光ファイバ近位端からの励起光をサンプル基板に向けて方向付けるように構成され得る。
特定の実施形態によると、収集された放射光のスペクトル特性を計測するように構成された分散型分光器を含む検出器アセンブリまたは固定光ヘッドを有する光学系が存在する。そのような分散型分光器は、例えば、収集された放射光のスペクトル構成要素を空間的に分散させるように構成された分散素子を含み得る。分散型分光器は、例えば、スペクトル的に分散された放射光の範囲を一斉に計測するように構成されたアレイ検出器など、1つ以上の検出器を含んでもよい。別の例として、分散型分光器は、分散された放射光の異なるスペクトル構成要素を検出器へ順次に方向付けるため、可動スリットまたはミラーなどの選択素子を含んでもよい。
様々な実施形態によると、サンプル基板に対する光学装置の走査は、サンプル基板上において、複数のサンプルウェルなど、複数の場所を順次調査するために実行され得る。特定の実施形態によると、走査は、相対直線XおよびY運動により遂行される。特定の実施形態によると、走査は、相対角運動を伴い得る。特定の実施形態によると、走査は、相対角運動と直線運動の組み合わせを伴い得る。
Slettnesに対する米国特許第6,040,586号によるものなどの様々なやり方で、補償または把握され得る。
図9において示すように、2次元表面は、単一の回転軸周囲での回転を直線軸走査と組み合わせることによって効果的に走査され得る。図9aにおいて、図示されているスキャナは、軸L102を持つ回転アーム1020を有する。回転アーム1020は、回転型アクチュエータ1022を介して線スキャナ1010に付着される。線スキャナ1010は、単一の直線軸L101を走査するように構成される。図示するように、回転型アクチュエータ1022は、サンプルの平面にほぼ垂直となるように、アクチュエータ1022の中心周囲で、紙の平面に垂直な軸の周囲を回転する。回転型アクチュエータ1022の回転運動を線スキャナ1010の軸L101に沿った直線運動と組み合わせることにより、サンプル基板640上のいかなる場所、特にいかなるサンプルウェル608でも、光学系1024で調査し得る。例示目的のために、回転アーム1020を2つの異なる位置で示す。さらに、特定の構成によると、複数の回転アームおよび回転型アクチュエータが存在し得、それぞれ少なくとも1つの関連する光学系を有し、各アームは基板を走査するよう構成される。
特定の実施形態によると、走査は、サンプル基板の表面にほぼ垂直な、個別の異なる回転軸周囲における、2つの相対角運動によって遂行され得る。スキャナは、光学装置を2次元表面にわたって移動させるために2つの回転軸スキャナを含む。例えば、第1の回転軸(「肩」回転)は、機器台に載置され、第2の回転軸(「肘」回転)は、第1の回転軸に接続されたアームに載置される。特定の実施形態によると、回転軸スキャナの一方または両方は直接駆動アクチュエータであり得、したがってギアおよびプーリーシステムを回避し得る。両方の回転運動の連携により、直線走査または点から点への運動を実現し得る。
様々な走査ルーチンが可能であるが、1つの典型的な走査ルーチンは、直線走査である。例えば、低デューティサイクルの回転型調節と組み合わせた高デューティサイクルの線走査は、効率的な直線走査に使用され得る。別の例として、直線走査は、2つのほぼ垂直な線スキャナによって遂行され得る。
別の例として、走査は、逐点方式で達成することが可能である。例えば、走査ヘッドは、第1のサンプルウェルおよび光学的に調査されたサンプルウェル上に配列することが可能である。次に、走査ヘッドは第2のサンプルウェルの上に配列され、そのサイクルは所望のサンプルウェルがすべて調査されるまで繰り返される。そのような逐点は、特定の実施形態によると、調査する各ウェル上において、ある位置からの走査ヘッドの比較的速い動きと、次の位置への比較的遅い動きによって、あるいは、動きのない特定された滞留時間とによっても、遂行され得る。特定の実施形態によると、逐点は、表面に対する走査ヘッドのほぼ連続的な運動を伴い得る。
Claims (6)
- 反応領域に方向付けられる励起光を放出するためのシステム(100、300)であって、
前記システムは、
基板(112)と、
前記基板(112)と物理的に接触しており、そして前記反応領域(108)に励起光を放出するように構成されている発光ダイオード(LED)(110)と、
前記基板(112)上にあり、前記LED(110)と熱的接触しており、そして前記LEDの動作温度を計測し、動作温度信号を生成することとが可能な温度センサ(118)と、
温度調整システム(122)と、
温度調整システム(122)によって制御されるファン(114)と
を含み、
前記温度調整システムは、
前記動作温度信号を受信することと、
ファン(114)を制御することにより、前記動作温度信号に基づいて、前記LED(110)の動作温度を調整し、動作温度範囲内に前記動作温度を維持することと
を行うことが可能である、システム。 - 冷却フィン(104)をさらに含み、前記冷却フィンは、前記LEDアレイ(110)と熱的接触しており、そして前記ファン(114)は、前記冷却フィン(104)上に気流を方向付けることが可能である、請求項1に記載のシステム(100、300)。
- 前記温度調整システム(122)は、約1℃隔てられた最低温度および最高温度を含む動作温度範囲内に前記動作温度を維持することが可能である、請求項1〜2のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記温度センサ(118)は、サーミスタまたはバンドギャップ半導体抵抗温度検出器のうちの少なくとも1つを含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記LED(110)は、異なる個別の波長範囲の発光を放出することが可能な複数の発光ダイオード(111)を含む、請求項1に記載のシステム。
- 反応領域に励起ビームを照射するための方法であって、
前記方法は、
基板(112)と、前記基板(112)上のLED(110)と、ファン(114)と、反応領域(108)と、前記反応領域(108)におけるサンプル(107)とを含むシステムを提供することと、
前記LED(110)で励起ビームを生成することと、
励起ビームを前記サンプル(107)に方向付けることと、
前記LED(110)の動作温度を計測することと、
前記動作温度に基づいて、前記ファン(114)を制御することにより前記LED(110)から熱を伝達することおよび前記LED(110)へ熱を伝達することによって、前記動作温度を調整し、動作温度範囲内に前記動作温度を維持することと
を含む、方法。
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