TWI729326B - 光能螢光激發 - Google Patents

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喬瑟夫 皮恩托
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Abstract

本文提出了一種光能激勵器，其可以包括一個或更多個光源。光能激勵器可以發射激發光，該激發光朝向可以支撐生物或化學樣品的檢測器表面被引導。

Description

光能螢光激發
本發明有關於光能螢光激發。
相關申請的交叉引用
本申請主張2017年12月28日提交的標題為“Light Energy Fluorescence Excitation”的美國專利申請號62/611,448的優先權，該申請通過引用以其整體併入本文。本申請還主張2018年3月19日提交的標題為“Light Energy Fluorescence Excitation”的美國專利申請號62/644,805的優先權，該申請通過引用以其整體併入本文。本申請還主張2018年3月20日提交的標題為“Light Energy Fluorescence Excitation”的荷蘭專利申請號2020636的優先權，該申請通過引用以其整體併入本文。
生物或化學研究中的各種方案涉及進行受控反應。然後可以觀察或檢測指定的反應，並且隨後的分析可以幫助識別或揭示參與反應的化學物質的性質。
在一些多重測定中，具有可識別標記(例如，螢光標記)的未知分析物可以在受控條件下暴露於數千個已知探針。每個已知探針可以被沉積到微孔板的相應槽中。觀察槽內已知探針和未知分析物之間發生的任何化學反應能夠幫助識別或揭示分析物的性質。這種方案的其他示例包括已知的DNA測 序過程，諸如合成測序(SBS)或迴圈晶片測序(cyclic-array sequencing)。
在一些螢光檢測方案中，使用光學系統將激發光引導到螢光團(例如，螢光標記的分析物)上，並且還檢測可以從附著有螢光團的分析物發出的螢光發射信號光。然而，這種光學系統可能相對昂貴，並且需要更大的平台占地面積。例如，光學系統可以包括透鏡、濾光器、和光源的佈置。
在其他提出的檢測系統中，流動池中的受控反應由固態光感測器陣列(例如，互補金屬氧化物半導體(CMOS)檢測器或電荷耦合器件(CCD)檢測器)確定。這些系統不涉及檢測螢光發射的大型光學元件。
本文提出了一種光能激勵器(light energy exciter)，其可以包括一個或更多個光源。光能激勵器可以發射指向檢測器表面的激發光，該檢測器表面可以支撐生物或化學樣品。
本文提出了一種方法，包括：用光能激勵器發射激發光，其中光能激勵器包括第一光源和第二光源，該第一光源發射第一波長發射帶中的激發光射線，第二光源發射第二波長發射帶中的激發光射線；以及用檢測器接收激發光和由激發光的激發產生的發射信號光，該檢測器包括用於支撐生物或化學樣品的檢測器表面和與檢測器表面間隔開的感測器陣列，該檢測器阻擋激發光並允許發射信號光向感測器陣列中的光感測器進行傳播；以及根據由感測器陣列中的光感測器感測到的光子，利用檢測器的電路傳輸資料信號。
本文提出了一種光能激勵器，包括：發射激發光射線的至少一個光源；以及光導管，其使激發光均勻化並向光能激勵器的遠端引導激發光，該光導管包括光入射表面和光出射表面，該光導管接收來自至少一個光源的激發光射線；其中，光能激勵器的遠端適於與檢測器組件耦合，該檢測器組件包 括用於支撐生物或化學樣品的檢測器表面。
本文提出了一種系統，包括：光能激勵器，其包括發射激發光射線的至少一個光源、以及使激發光射線均勻化並引導激發光射線的光導管，該光導管包括光入射表面，以接收來自至少一個光源的激發光射線；以及檢測器，其包括用於支撐生物或化學樣品的檢測器表面和包括與檢測器表面間隔開的光感測器的感測器陣列，其中檢測器接收來自激勵器的激發光並發射信號光，其中，檢測器包括根據由感測器陣列的光感測器檢測到的光子傳輸資料信號的電路，其中，檢測器阻擋激發光並允許發射信號光向光感測器進行傳播。
應該認識到，前述概念和以下更詳細討論的另外概念的所有組合(假設這些概念不相互矛盾)被認為是本文公開的發明主題的一部分。特別地，出現在本公開結尾處的要求保護的主題的所有組合被認為是本文公開的發明主題的一部分。
10:光能激勵器
20:檢測器組件
100:系統
101:激發光
102:光源組
102A-102Z:光源
106:光軸
106B:光軸
107:照射圖案
107B:照射圖案
109:光入射表面
110:光導管
110B:光導管
111:光出射表面
112:物平面
113:光入射表面
114:透鏡
115:光出射表面
118:光反射器
122:短波通濾光器
126:視窗
130:像平面
133:模組
134:殼體
200:檢測器
201:感測器陣列
202:光感測器
206:檢測器表面
209:反應陣列
210:反應凹部
213:引導陣列
214:光導
218:介質堆疊區域
231:感測器層
232-237:介質層
241-243:門
246:電路
250:遮罩結構
252:孔
254:側壁
256:鈍化層
258:鈍化層
260:結構
268:縱軸
282:流動池
283:側壁
284:側壁
288:流動蓋
289:入口
290:出口
300:測試支援系統區域
310:程序控制系統
320:流體控制系統
330:流體儲存系統
340:使用者介面
501:發射信號光
502:樣品
702:散熱器
802:盒
806:配準特徵
814:槽
826:插口
902:流動池框架
1060:中心軸
1100:發散光錐
1100B:發散光錐
1020:印刷電路板
1400:會聚光錐
1400B:會聚光錐
1702:光譜輪廓
1704:光譜輪廓
1706:光譜輪廓
1707:光譜輪廓
1708:光譜輪廓
1709:光譜輪廓
1712:光譜輪廓
1714:光譜輪廓
1716:光譜輪廓
1730:光譜輪廓
3101:處理器
3102:記憶體
3103:輸入/輸出介面
3104:系統匯流排
當參考附圖閱讀下面的詳細描述時，本文提出的這些和其它特徵、方面、和優點將變得更好理解，在所有附圖中，相似的字元表示相似的部分，其中：圖1是根據一個示例的用於執行生物或化學測試的系統的示意性方塊圖，該系統具有光能激勵器和具有檢測器的檢測器組件；圖2是根據一個示例的光能激勵器的剖面側視圖；圖3是根據一個示例示出圖2的光能激勵器中的光射線傳播的射線軌跡圖；圖4描繪了根據一個示例的光源組，該光源組包括由設置在印刷電路板上的多個LED提供的光源； 圖5是根據一個示例的由耦合到光導管的光入射表面上的多個LED表面提供的光源的側視圖；圖6是根據一個示例的光能激勵器的立體示意圖；圖7是根據一個示例的光能激勵器的示意圖；圖8是示出根據一個示例的具有第一光導管和第二光導管的光能激勵器的操作的射線軌跡圖；圖9是顯示根據一個示例的光能激勵器的立體剖面側視圖；圖10是根據一個示例的具有與檢測器組件耦合的光能激勵器的系統的立體圖；圖11是根據一個示例的限定流動池的流動池框架的裝配立體圖；圖12是根據一個示例的檢測器組件盒的內部視圖，該檢測器組件盒限定了用於可在其上耦合和對準的光能激勵器的對準的配準特徵(registration features)；圖13是根據一個示例的相對於由積體電路提供的檢測器所限定的流動池的頂視圖；圖14是根據一個示例的由限定光導管和透鏡的單片材料提供的光能激勵器；圖15是根據一個示例的光能激勵器的立體圖，該光能激勵器具有共同限定光導管和透鏡的單片材料，其中，透鏡是通過菲涅耳透鏡提供的；圖16是根據一個示例的由具有光感測器陣列和對準光導陣列的積體電路提供的檢測器的一部分的剖面側視圖；圖17是根據一個示例的由具有光感測器和對準光導的積體電路提供的檢測器的一部分的剖面側視圖； 圖18是根據一個示例的程序控制系統的示意圖；圖19是描繪多個光能激勵器光源和可以利用激發光源進行激發的多個螢光團的光譜輪廓的光譜輪廓座標圖(spectral profile coordination diagram)；和圖20是描繪可在支持用於DNA序列重建的DNA測序過程中使用的過程的流程圖。
在圖1中，提出了用於在系統100中使用的光能激勵器10。系統100可用於執行生物或化學測試。系統100可以包括光能激勵器10和檢測器組件20。檢測器組件20可以包括檢測器200和流動池282。檢測器200可以包括多個光感測器202和用於支撐樣品502(例如，可以通過DNA片段提供的分析物)的檢測器表面206。根據一個示例的檢測器表面206可以限定多個反應凹部210，並且諸如生物或化學樣品的樣品502可以被支撐在這樣的反應凹部210內。
檢測器200可以包括多個光導214，其接收激發光和由於激發光的激發而導致的來自檢測器表面206的發射信號光。光導214可以引導來自檢測器表面206的光。光導214朝向相應的光感測器202延伸，並且可以包括阻擋激發光並允許發射信號光朝向相應的光感測器傳播的過濾材料。
根據一個示例，檢測器200可以通過固態積體電路檢測器提供，諸如互補金屬氧化物半導體(CMOS)積體電路檢測器或電荷耦合裝置(CCD)積體電路檢測器。
根據一個示例，每個光感測器202可以與相應的光導214和相應的反應凹部210對準，使得縱軸268延伸穿過光感測器202、光導214和反應凹部210的橫截面幾何中心。流動池282可由檢測器表面206、側壁284、和流動蓋 288限定。流動蓋288可以是透光蓋，以透射由光能激勵器10提供的激發光。
在另一方面中，檢測器200可以包括介於光導214之間的介質堆疊區域218。介質堆疊區域218可以具有在其中形成的電路，例如用於從光感測器202讀出進行數位化存儲和處理的信號。
系統100可以包括入口289和出口290，流體可以通過入口289進入流動池282，且流體可以通過出口290離開流動池282。入口289和出口290可由流動蓋288限定。
根據一個示例，系統100可用於使用螢光團進行生物或化學測試。例如，可以使用入口289和出口290使具有一個或更多個螢光團的流體通過入口流入和流出流動池282。螢光團可以吸引到各種樣品502，且因此，通過它們的檢測，螢光團可以充當對於樣品502(例如它們吸引到的生物或化學分析物)的標記物。
為了檢測流動池282內螢光團的存在，光能激勵器10可以被激勵(energized)，使得激發波長範圍內的激發光101被光能激勵器10發射。在接收到激發光時，附著在樣品502上的螢光團可以輻射發射信號光501，發射信號光501是光感測器202用於進行檢測的感興趣信號。由於附著在樣品502上的螢光團的螢光，發射信號光501將具有相對於激發光101的波長範圍紅移的波長範圍。
光能激勵器10可以被啟動以發射激發光101來激發已附著到樣品502上的螢光團。在被激發光101激發時，附著到樣品5102的螢光團可以發螢光，以輻射處於比激發光101的波長範圍具有更長波長的波長範圍的發射信號光501。發射信號光501的存在或不存在可以指示樣品502的特性。根據一個示例的光導214可以過濾由光能激勵器10傳輸的激發光101的波長範圍中的光，使得光感測器202不將激發光101檢測為發射信號光501。
測試支援系統區域300中的系統100可以包括程序控制系統310、流體控制系統320、流體儲存系統330、和使用者介面340，該使用者介面340允許操作員輸入用於系統100的控制的輸入。根據一個示例的程序控制系統310可以通過基於處理器的系統提供。程序控制系統310可以運行各種生物或化學過程，諸如DNA序列重建過程。根據一個示例，為了運行生物或化學過程，程序控制系統310可以向例如光能激勵器10、檢測器200和/或流體控制系統320發送協調控制信號。流體儲存系統330可以存儲流過流動池282的流體。
根據一個示例，光能激勵器10可以包括一個或更多個光源。根據一個示例，光能激勵器10可以包括一個或更多個光成形元件。光能激勵器10可以包括一個或更多個光學部件，以用於對引導從一個或更多個光源發射的光的光發射進行成形。一個或更多個光源可以包括例如一個或更多個光導管、透鏡、光楔、棱鏡、反射器、濾光器、光柵、準直器、或上述的任意組合。
圖2示出了根據一個示例的光能激勵器10。光能激勵器10可以包括具有一個或更多個光源(例如光源102A-102Z)的光源組102，以及用於沿著光軸106引導光的各種光學元件，在所示的示例中，光軸106是折疊軸(folded axis)。
光能激勵器10可以包括光導管110和透鏡114，以用於對通過光導管110傳輸的激發光射線進行成形。光導管110和透鏡114可以具有以光軸106為中心的橫截面幾何中心。
光導管110可以包括光入射表面109和光出射表面111。從光源組102發射的激發光101可以進入光入射表面109，並且可以離開光導管110的光出射表面111。光導管110通過具有被選擇用於提供內反射的折射率可以在各個方向上反射從光源組102接收的接收光射線以使光均勻化，從而傳輸通過光導管110的出射光射線是均勻的。因此，即使光源組102的光源可能具有“熱點”或者 相對於光導管110被不對稱地設置或者具有其他不規則性，在光導管110的光出射表面111處也可以產生均勻的光。
光導管110通過具有被選擇用於提供內反射的折射率，可以限制其接收並傳輸到由限定光導管110的側壁表面界定的體積區域的激發光射線。光導管110可以由均勻的透光材料(例如聚碳酸酯或矽玻璃)形成。
根據一個示例，光導管110可以具有錐形結構，該錐形結構由在從光導管110的光入射表面109到光出射表面111的方向上貫穿其整個長度增加的直徑來限定。根據一個示例，光導管110可以具有錐形結構，該錐形結構由在從光導管110的光入射表面109到光出射表面111的方向上貫穿其整個長度線性增加的直徑來限定。
根據一個示例，光能激勵器10可以被配置為使得透鏡114將光導管110的光出射表面111成像到像平面130上，並且根據一個示例，系統100可以被配置為使得像平面130與檢測器表面206重合，檢測器表面206可以被配置為支撐樣品502，諸如DNA片段。通過將物平面成像到像平面上，透鏡114可以將光導管110的光出射表面111處存在的均勻光的圖像投射到檢測器200的樣品支撐檢測器表面206上(圖1)。
本文的示例認識到，雖然光源組102可以被選擇成使得從光源組102發射的激發光射線不包括螢光範圍光射線，但是螢光範圍光射線仍然可以由於自發螢光而在光能激勵器10內輻射。在另一方面中，光能激勵器10可以包括短波通濾光器(short pass filter)122，以對由於來自光能激勵器10內部的自發螢光而輻射(例如，從透鏡114、光導管110、和反射器118以及光能激勵器10的其他表面輻射)的螢光範圍波長進行過濾。
光能激勵器10可以包括光反射器118，光反射器118用於折疊光軸106使得光軸106將方向從其中光軸106平行於所示參考Y軸延伸的第一方向改 變為其中光軸106平行於所示參考Z軸延伸的第二方向。光能激勵器10可以包括具有以光軸106為中心的橫截面中心的視窗126，以及外殼134和用於以特定空間關係(諸如圖1中描繪的特定空間關係)支撐各種光學部件的其它支撐部件。
圖3中示出了對於圖2的示例中的光能激勵器10的射線軌跡圖。參照圖3的射線軌跡圖，透鏡114可以將可以在光導管110的光出射表面111處限定的物平面112成像到可以位於檢測器表面206處的像平面130上，該檢測器表面206可以適於支撐生物或化學樣品。從圖3的射線軌跡圖中可以看出，離開光導管110的光出射表面111的光射線可以是發散光射線，該發散光射線以充分受限的發散角度發散，使得離開光導管110的光出射表面111的大部分光射線被透鏡114的光入射表面接收。本文中的示例認識到，儘管光導管可用於均勻化光的目的，但是它們能夠傳輸以大的最大發散角度(例如接近90°)出射的出射光射線。
本文中的示例認識到，例如，在光導管110被替代地構造成具有統一直徑(即，非錐形直徑)的情況下，離開光導管110的很大百分比的出射光射線可以以足夠大的發散角度離開光出射表面111，以至於透鏡114的光入射表面113可能不收集出射光射線。本文中的示例認識到，將光導管110設置為具有沿其長度使一端逐漸變細的錐形結構和具有以光軸106為中心的幾何橫截面中心並且包括適當的折射率，在光導管110內提供了反射，使得從光導管110的光出射表面111離開的光出射光射線以相對於90°的最大發散角度減小的角度離開光導管110的光出射表面111。
在參考圖2和圖3描述的示例中，離開光導管110的光出射表面111的出射光射線可以限定發散光錐1100，該發散光錐1100具有相對於參考光射線以從零度到最大發散角度範圍內的角度發散的光射線，該參考光射線從光出 射表面沿平行於光軸106的方向延伸。限定的發散光錐1100可以相對於光軸106以最大發散角度發散。根據一個示例，最大發散角度是被設計成使得離開光出射表面111的大部分出射光射線被透鏡114的光入射表面收集的發散角度。根據一個示例，光能激勵器10被配置成使得離開出射表面111的光激發光射線相對於從光出射表面沿平行於光軸106的方向延伸的參考光射線以最大發散角度發散，該最大發散角度足夠小以確保由透鏡114的光入射表面113收集。
根據一個示例，光能激勵器10可以被配置為使得離開光導管110的光出射表面111的出射光射線限定發散光錐1100，該發散光錐1100具有相對於參考光射線以從零度到最大發散角度範圍內的角度發散的光射線，該參考光射線從光出射表面沿平行於光軸106的方向延伸，其中光導管110被配置為使得最大發散角度為大約60度或更小。根據一個示例，光能激勵器10被配置為使得離開光導管110的光出射表面111的出射光射線限定發散光錐1100，該發散光錐1100具有相對於從光出射表面沿平行於光軸106的方向延伸的參考光射線以從零度到最大發散角度範圍內的角度發散的光射線，其中光導管110被配置為使得最大發散角度為大約50度或更小。根據一個示例，光能激勵器10被配置為使得離開光導管110的光出射表面111的出射光射線限定發散光錐1100，該發散光錐1100具有相對於從光出射表面沿平行於光軸106的方向延伸的參考光射線以從零度到最大發散角度範圍內的角度發散的光射線，其中光導管110被配置為使得最大發散角度為大約40度或更小。根據一個示例，光能激勵器10被配置為使得離開光導管110的光出射表面111的出射光射線限定發散光錐1100，該發散光錐1100具有相對於從光出射表面沿平行於光軸106的方向延伸的參考光射線以從零度到最大發散角度範圍內的角度發散的光射線，其中光導管110被配置為使得最大發散角度為大約35度或更小。根據一個示例，光能激勵器10被配置為使得離開光導管110的光出射表面111的出射光射線限定發散光錐1100，該發 散光錐1100具有相對於從光出射表面沿平行於光軸106的方向延伸的參考光射線以從零度到最大發散角度範圍內的角度發散的光射線，其中光導管110被配置為使得最大發散角度為大約30度或更小。
為了提供成像功能，透鏡114可以會聚傳輸通過光導管110的接收激發光射線。在參考圖2和圖3描述的示例中，離開透鏡114的光出射表面115的出射光射線可以限定會聚光錐1400，該會聚光錐1400具有相對於從光出射表面沿平行於光軸106的方向延伸的參考光射線以從零度到最大會聚角度範圍內的角度會聚的光射線，其中透鏡114被配置成使得最大會聚角度為大約60度或更小。限定的會聚光錐1400可以相對於光軸106以最大會聚角度會聚。在參考圖2和圖3描述的示例中，離開透鏡114的光出射表面115的出射光射線可以限定會聚光錐1400，該會聚光錐1400具有相對於從光出射表面沿平行於光軸106的方向延伸的參考光射線以從零度到最大會聚角度範圍內的角度會聚的光射線，其中透鏡114被配置成使得最大會聚角度為大約50度或更小。在參考圖2和圖3描述的示例中，離開透鏡114的光出射表面115的出射光射線可以限定會聚光錐1400，該會聚光錐1400具有相對於從光出射表面沿平行於光軸106的方向延伸的參考光射線以從零度到最大會聚角度範圍內的角度會聚的光射線，其中透鏡114被配置成使得最大會聚角度為大約40度或更小。在參考圖2和圖3描述的示例中，離開透鏡114的光出射表面115的出射光射線可以限定會聚光錐1400，該會聚光錐1400具有相對於從光出射表面沿平行於光軸106的方向延伸的參考光射線以從零度到最大會聚角度範圍內的角度會聚的光射線，其中透鏡114被配置成使得最大會聚角度為大約35度或更小。在參考圖2和圖3描述的示例中，離開透鏡114的光出射表面115的出射光射線可以限定會聚光錐1400，該會聚光錐1400具有相對於從光出射表面沿平行於光軸106的方向延伸的參考光射線以從零度到最大會聚角度範圍內的角度會聚的光射線，其中透鏡114被配置成使得 最大會聚角度為大約30度或更小。
圖4示出了根據一個示例的光源組102。光源組102可以包括一個或更多個光源。根據一個示例，一個或更多個光源可以由一個或更多個基於電致發光的光源(例如發光二極體、發光電化學電池、電致發光導線、或雷射器，或者上述的任意組合)提供。在圖4中描述的示例中，光源組102可以包括由多個發光二極體(LED)提供的多個光源102A-102J。所描述的示例中的光源102A-102G可以是發射綠色波段中的激發光射線的綠色LED，以及光源102H-102J可以是發射藍色波段中的激發光射線的藍色LED。根據一個示例，由LED提供的光源102A-102J可以設置在印刷電路板1020上。在系統100的操作中，程序控制系統310可以控制由LED提供的光源102A-102J的激勵，使得特定發射帶的一個或更多個LED在特定時間處被選擇性地啟動。根據一個示例的光源102A-102J可以由表面發射LED提供。諸如表面發射LED的LED可以具有將射線角度與光強度相關聯的發射模式。LED發射模式可以是諸如晶粒幾何形狀、晶粒視窗、光成形材料的指數和折射等參數的函數。根據一個示例，發射模式可以是朗伯特(Lambertian)，即，指定強度與相對於法線的發射角度的餘弦成比例。
程序控制系統310例如可以在其中光感測器202被曝光的檢測器200的第一曝光週期期間僅激勵由綠色LED提供的光源102A-102G，並且可以在其中光感測器202被曝光的檢測器200的第二曝光週期期間僅激勵由藍色LED提供的光源102H-102J。提供光源組102使在兩個可獨立選擇的峰值波長下發射有助於染料化學過程，該染料化學過程可以使用綠色(532nm)和藍色(470nm)激發。根據一個示例，光源組102可以包括光源，例如設置在印刷電路板1020上的紅色LED，其在紅波段中心波長(例如，紅色：630nm)下發射。根據一個示例，提供紅色照射有助於額外的測試和校準程式。
參照圖4可以看出，限定光源組102的光源不需要均勻對稱地佈置或者根據任何有序的配置來佈置。例如，可以看出，根據圖4中所示的特定配置，其中由綠色LED提供的光源102A-102G利用維持在解除激勵狀態(deenergized state)中的藍色LED提供的光源102H-102J選擇性地激勵，較大百分比的激發光射線將通過光導管110的光入射表面109的左側進入光導管110，並且當由藍色LED提供的光源102H-102J利用維持在解除激勵狀態中的綠色LED選擇性地激勵時，較大百分比的激發光射線將通過光導管110的光入射表面109的右側進入光導管。儘管如此，光導管110通過其光反射特性使不平衡的輸入接收光均勻化，以在光導管110的光出射表面111處產生均勻化的光，而與光源組102的光源的佈置無關。光導管110的折射率可以被選擇成使得來自光源組102的光射線在光導管110內呈現全內反射(TIR)，從而在光導管110的光出射表面111處實現均勻(均勻化)照射。
如圖5中所示，光源組102可以以確保減少光損耗的方式耦合到光導管110。在圖5中所描繪的佈置中，存在圖4中被示出為設置在印刷電路板1020上的LED的側視圖。在圖5中所描繪的側視圖中，由LED提供的光源102A、102C、和102E被顯示為對應於如圖4中所描繪的光源102A、102C、和102E。光源102A-102J可以由具有如圖5中所描繪的所示的平坦平面光發射面的LED提供。參照圖5，由LED(其光源102A、102C、和102E在側視圖中被示出)提供的光源102A-102J的平坦平面光發射面被表面耦合(對接耦合)到光導管110的光入射表面109上。像由LED提供的光源102A-102J的發射表面一樣，光入射表面109可以是平坦且平面的，以確保當由LED提供的光源102A-102J被表面耦合到光入射表面109上時的低光損耗。在使用圖5中所描繪的表面耦合的情況下，可以實現指定LED光傳輸通過光導管110的效率的耦合效率，該效率為90%或更高且根據一個示例為98%或更高，這與其中耦合效率取決於透鏡的數 值孔徑的光源到透鏡中的耦合效率相比是有利的。
進一步參考圖5，可以看出，由LED提供的每個相應光源102A-102J的整個正面與光導管110的光入射表面109相對，從而確保由LED提供的光源102A-102J發射的大部分激發光射線被光導管110的光入射表面109接收。
光能激勵器10可以發射在第一較低波長範圍(例如低於約560nm)的激發光101(圖1)以激發螢光團，該螢光團回應於激發光發螢光以輻射具有較長波長(例如，包括長於約560nm的波長)的第二波長範圍的發射信號光501。檢測器200可以被配置成使得光感測器202檢測到較長波長處的這些波長範圍發射。檢測器200可以包括光導214，光導214可以由過濾材料形成以阻擋激發光101的波長範圍中的光，從而由發螢光的螢光團引起的發射信號光501被光感測器202選擇性地接收。
本文中的示例認識到，如果光能激勵器10發射螢光發射帶(螢光範圍)中的光，那麼光感測器202會不合需要地將這種發射光感測為發射信號光。本文中的示例包括減少光能激勵器10發射螢光範圍波長的特徵。
如上所述，光能激勵器10可以包括短波通濾光器122。短波通濾光器122允許在光源組102的發射能帶中的激發光射線的傳輸，但是其阻擋流動池282內的由於光能激勵器110內的自發螢光成分的螢光範圍的光。短波通濾光器122可以被設置在光能激勵器10的遠端處，使得短波通濾光器122可以不接受由光能激勵器10內的自發螢光材料而引起的自發螢光範圍波長。為了便於過濾從透鏡114輻射的自發螢光範圍輻射，以及從沿光傳播方向設置在透鏡114之前的部件輻射的自發螢光範圍輻射，短波通濾光器122可以在光傳播方向上在透鏡114之後設置在光能激勵器10的遠端處。根據一個示例的短波通濾光器122可以包括其上沉積有具有較高和較低折射率的交替材料層的基板。較高折射率材料可包括例如二氧化鈦(TiO2)或五氧化二鉭(Ta2O5)，而較低折射率材料可 包括例如二氧化矽(SiO2)。根據一個示例，材料層可以例如使用離子束濺射被硬塗層。
為了進一步減少螢光範圍光，光能激勵器10的材料可被選擇用於減少自發螢光。本文中的示例認識到矽酸鹽玻璃的自發螢光小於光學系統中常用的聚碳酸酯材料。根據一個示例，光能激勵器10的一個或更多個光學部件可以被選擇為由矽酸鹽玻璃形成。本文中的示例認識到矽酸鹽玻璃相對於用於光學部件的替代材料可以產生減少的自發螢光，且因此根據一個示例，光導管110、透鏡114、短波通濾光器122(其基板)、和視窗126中的一個或更多個可以被選擇為由矽酸鹽玻璃形成，以減少自發螢光。根據一個示例，光導管110、透鏡114、短波通濾光器122(其基板)、和視窗126中的一個或更多個被選擇為由均勻矽酸鹽玻璃形成，以減少自發螢光。根據一個示例，光導管110、透鏡114、短波通濾光器122(其基板)、和視窗126中的每一個被選擇為由均勻矽酸鹽玻璃形成，以減少自發螢光。
在圖6中，示出了光能激勵器10的三維示意圖。如圖6所示，物平面112可以由透鏡114成像到像平面130上。如本文所述，物平面112可以被限定在光導管110的光出射表面111處，使得光出射表面111處的光的圖像被投射到像平面130上，如所述，像平面130可以位於檢測器200的用於支撐樣品的檢測器表面206(圖1)處。應當理解，因為透鏡114可以對光導管110的光出射表面111成像，所以光出射表面111的形狀可以被成像到像平面130上，並且相應地投射到像平面130上。根據一個示例，光出射表面111的形狀被選擇為對應於檢測器表面206的形狀和尺寸，並且光能激勵器110被配置為將光出射表面111的形狀成像到像平面130上，使得透鏡114將照射圖案107(圖3)投射到檢測器表面206上，該照射圖案與檢測器表面206的形狀和尺寸匹配。
配置光能激勵器10以將與檢測器表面206的形狀和尺寸匹配的照 射圖案107(圖3)投射到檢測器表面206上提供了各種優點。通過這種配置，投射的照射圖案不會浪費光能地照射檢測器200周邊之外的區域，並且也不會使感興趣區域照射不足。
在參考圖6描述的示例中，用於支撐樣品的光出射表面111和檢測器表面206都可以是直線構成的形狀。如圖6中所示，光導管110可以在其整個長度上包括直線構成的橫截面(沿橫向於光軸106的6-6截取)。此外，如所述，光導管110可以是錐形結構，並且可以在其從光入射表面109到光出射表面111的整個長度上具有增大的直徑。在光導管110具有直線構成的橫截面的情況下，將理解，由離開光導管110的光出射表面111的激發光射線限定的發散光錐1100可以具有直線構成的橫截面，其中拐角在朝向透鏡114的光入射表面113的光傳播方向上變得更柔和更擴散。
根據一個示例，光能激勵器10可以被配置成使得光導管110具有直線構成的光出射表面111，其圖像可以被透鏡114投射到用於支撐樣品的檢測器表面206上，該檢測器表面可具有對應於光出射表面111的形狀的直線構成的成形周邊。
用於根據一個示例的光能激勵器10的部件的規範在圖7中闡述，圖7示出了根據一個示例的光能激勵器10的各種光學參數值。在圖7所示的示例中，透鏡114具有1：1的放大率，使得像平面130處的投射圖像的尺寸與物平面112處的物體(光出射表面111)的尺寸相同。根據一個示例的光能激勵器10可以在每個LED晶粒的2A驅動電流下產生大約5W/cm^2的綠色照射強度，並且在每個LED晶粒的2A驅動電流下產生大約7W/cm^2的藍色照射強度。在整個照射區域內可以實現約>75%的照射均勻性。用於光能激勵器10的材料在下面的表1中進行闡述。
Figure 107142217-A0305-02-0019-1
在另一示例中，光導管110可以被成形為使得光導管110的光出射表面111可以具有除直線構成的形狀之外的形狀，例如，可以具有沿橫向於光軸106的6-6截取的圓形橫截面)。在樣品支撐檢測器表面206具有不同於直線構成的形狀並且對應於光出射表面111的形狀的形狀的周邊的情況下，這種示例可能是有利的。
根據具有不同形狀的不同檢測器表面206的檢測器200，可以容易地修改光能激勵器10的設計，以利用不同的檢測器進行優化。例如，根據檢測器200的第一檢測器可以(從沿著Z軸的頂視圖看)具有矩形檢測器表面 206，根據檢測器200的第二檢測器可以具有方形檢測器表面206，並且根據檢測器200的第三檢測器可以具有圓形檢測器表面206。因為透鏡114被配置成將與光出射表面111重合的物平面112成像到檢測器表面206上，所以光能激勵器10可以被優化用於通過僅將光導管110改變為不同結構而與不同形狀的檢測器中的任一個一起使用。根據一個示例，如圖2的虛線132所指示，該虛線指示用於保持可互換模組的保持器，光能激勵器10可以是模組化結構，其中光導管模組133是可拆卸地互換的，並且光能激勵器10可以設置有多個這樣的光導管塊模組，每個模組具有不同配置的一個或更多個光導管110。優化光能激勵器10以用於與具有不同形狀檢測器表面206的不同形狀檢測器200一起使用可以包括簡單地將具有第一光導管110和第一形狀的第一光導管出射表面111的第一當前安裝的第一光導管模組133更換為具有第二光導管110和第二形狀的光導管出射表面111的第二光導管模組133，該第二形狀匹配於具有不同形狀檢測器表面206的不同形狀檢測器200的形狀。光能激勵器10可以被配置成使得當不同模組被安裝到殼體114的如虛線132所示的保持器中時，新安裝的模組133的光導管110的光出射表面111位於物平面112上，使得光導管110的光出射表面111可以被成像到位於檢測器表面206上的像平面上。
在圖8的示例中，光能激勵器10可以包括如本文所述的光導管110和第二光導管10B。光導管110可以表面耦合到例如由LED提供的第一光源102A，並且光導管110B可以表面耦合到例如由第二LED提供的第二光源102B。光源102A和光源102B可以被配置成發射相同波段或不同波段中的光。透鏡114可以被配置成將在光導管110和第二光導管110B的光出射表面111處限定的物平面112成像到可以在檢測器表面206上限定的像平面130上。因此，光能激勵器10可以將兩個分離的照射圖案107和107B投射到檢測器表面206上，這在生物或化學測試設計者希望將檢測器表面206分離成分離的測試區域的情況 下是有利的。根據一個示例，測試設計者可以指定使用根據檢測器200的第一檢測器和根據檢測器200的第二檢測器來執行測試，並且系統100可以被配置成使得光能激勵器10將照射圖案107和107B分別投射到第一和不同的第二檢測器200的分開的檢測器表面206上。
本文提出了一種光能激勵器10，其具有光源102A和第二光源102B，其中光導管110接收來自光源102A的激發光，並且其中激勵器包括與光導管110一起容納在公共殼體134中的第二光導管110B，其中第二光導管110B接收來自第二光源102B的激發光，其中光導管110和第二光導管110B傳播分別從第一光源102A和第二光源110B發射的激發光，並且其中，光能激勵器10對分別傳播通過光導管110和第二光導管110B的激發光成形，以限定第一照射圖案107和分離的第二照射圖案107B。
如圖8中所示的配置可以限定光軸106和第二光軸106B。在如圖2-7中所示的單通道系統中，光軸106可以與透鏡114的中心軸1060共同定位。在圖8的示例中，光軸106和光軸106B中的每一個都可以偏移並平行於透鏡114的中心軸1060。光導管110和光導管110B中的每一個可以分別限定具有關於參考圖3描述的射線軌跡圖(單通道系統)描述的發散光錐1100的發散角特性的發散光錐1100和1100B。透鏡114可以限定相應的會聚光錐1400和1400B，其具有關於參考圖3描述的射線軌跡圖(單通道系統)描述的會聚光錐1400的會聚角特性。
根據一個示例，用於限定第一照明通道和第二照明通道的光導管110和光導管110B可以被包括在如本文所述的一組可互換模組133中，該一組可互換模組133可以互換地被安裝到結合圖2描述的由虛線132指示的光能激勵器10的殼體134的限定的保持器中。
圖9示出了光能激勵器10的剖面物理形態視圖。如圖9中所示， 光能激勵器10可以被安裝在散熱器702上，用於從光能激勵器10吸取熱量，以改善光能激勵器10的性能。圖10是具有耦合到檢測器組件20的光能激勵器10的系統100的透視物理形態視圖。如圖10中所示，檢測器組件20可以包括容納流動池282的盒802。流動池282可由流動池框架902限定，如圖11所示，示出了限定流動池282的流動池框架902的透視元件物理形態視圖。流動池框架902例如可以包括側壁284和流動蓋288，如圖1的示意圖所描繪。
圖12示出了構造細節，其示出了檢測器組件20的盒802的內部部件。如圖12中所示的盒802可以被配置成包括物理配準特徵806，其有助於光能激勵器10與檢測器200的對準。如圖2中所示，檢測器200被示出為位於由流動池框架902確立的位置中，使檢測器200和流動池282被容納在盒802的槽814中。可以提供物理配準特徵806以捕捉由光能激勵器10的殼體134的遠端部分限定的光能激勵器10的對應特徵。為了將光能激勵器10耦合到檢測器組件20和檢測器200，光能激勵器10的殼體134的遠端部分可以插入檢測器組件20的盒802的插口826中，並且被佈置成使得光能激勵器10的殼體134的遠端與如圖12所示的對應的配準特徵806配準，使得如圖1所示光能激勵器10與流動池282和檢測器200正確對準。
圖13示出了設置在檢測器200上方的流動池282的頂視圖。根據圖13中所示的一個示例，流動池282可包括側壁283，該側壁283使流動池282成形，使得在生物或化學測試期間，並非所有光感測器202都是活動的。根據一個示例的檢測器200可以包括14M的光感測器的陣列，其可以被視為像素，並且流動池282可以由流動池壁283配置，使得大約8M的光感測器202在生物或化學測試期間是活動的。
參考圖14和圖15描述光能激勵器10的替代示例。根據如圖14所示的一個示例，透鏡114可以與光導管110形成為一體。圖14示出了由限定光導 管110和透鏡114的單片材料一體形成的光導管110和透鏡114。光能激勵器10可以被配置成使得與光導管110一體形成的透鏡114將均勻化的光投射到像平面130上，該像平面130可以被限定在用於支撐樣品的檢測器表面206處(圖1)。
圖15示出了具有與光導管110一體地形成的整合的透鏡114並且由共同限定透鏡114和光導管110的單片材料限定的光能激勵器10的另一示例。在圖15的示例中，透鏡114被示出為是通過菲涅耳透鏡來提供的。菲涅耳透鏡可以利用減小的透鏡厚度產生會聚光射線，並且因此可以提供節省空間的優點。圖13的示例中的透鏡114可以將光導管110內反射的均勻化的光投射到像平面130上，該像平面130可以被限定在樣品支撐檢測器表面206處。在本文的任何示例(包括圖14和圖15的示例)中，過濾塗層可以直接被沉積在透鏡114的光出射表面115處，以移除光能激勵器10的分立濾光器22。
圖16和圖17示出了根據一個示例的可與光能激勵器10一起使用的檢測器組件20和檢測器200的進一步細節。
在圖16中所示的示例中，流動池282由檢測器表面206的側壁284和由側壁284和其它側壁(未示出)支撐的流動蓋288限定。側壁可以耦合到檢測器表面206，並且可以在流動蓋288和檢測器表面206之間延伸。在一些示例中，側壁由可固化黏合劑層形成，該可固化黏合劑層將流動蓋288黏合到檢測器200。
流動池282可包括高度H1。僅作為示例，高度H1可以在約50μm至約400μm之間，或者更具體地，在約80μm至約200μm之間。流動蓋288可以包括對從檢測器組件20的外部傳播到流動池282中的激發光101透光的材料。
還示出了，流動蓋288可以限定入口289和出口290，該入口289和出口290被配置成與其它埠(未示出)流體接合。例如，其他埠可以來自盒(未示出)或工作站(未示出)。
檢測器200可以包括光感測器202的感測器陣列201、光導214的引導陣列213、和反應凹部210的反應陣列209。在某些示例中，這些部件被佈置成使得每個光感測器202與單個光導214和單個反應凹部210對準。然而，在其他示例中，單個光感測器202可以通過多於一個光導214接收光子。在一些示例中，可以為光感測器陣列的每個光感測器提供多於一個的光導和/或反應凹部。
在一些示例中，可以提供與反應凹部陣列中的反應凹部對準的多於一個的光導和/或光感測器。術語“陣列”不一定包括檢測器200可以具有的特定類型的每一項。例如，光感測器202的感測器陣列201可以不包括檢測器200的每一個光感測器。作為另一示例，引導陣列213可以不包括檢測器200的每一個光導214。作為另一示例，反應陣列209可以不包括檢測器200的每一個反應凹部210。因此，除非另外明確陳述，否則術語“陣列”可以包括或不包括檢測器200的所有這些項。
檢測器200具有檢測器表面206，其可以被官能化(例如，以用於進行指定反應的合適方式進行化學或物理改性)。例如，檢測器表面206可以被官能化，並且可以包括一個或更多個生物分子被固定到其上的多個反應位置。檢測器表面206可以具有反應凹部210的反應陣列209。每個反應凹部210可以包括一個或更多個反應位置。反應凹部210可以由例如沿著檢測器表面206的深度的縮進或變化來限定。在其他示例中，檢測器表面206可以基本上是平面的。
圖17是檢測器200的放大橫截面，其更詳細地示出了各種特徵。更具體地，圖17示出了單個光感測器202、用於將發射信號光501朝向光感測器202進行引導的單個光導214、以及用於基於由光感測器202檢測到的發射信號光501(例如光子)傳輸信號的相關聯電路246。應當理解，感測器陣列201 (圖16)的其它光感測器202和相關聯的部件可以以相同或相似的方式進行配置。然而，還應當理解，檢測器200不需要完全相同或均一化地進行製造。相反，一個或更多個光感測器202和/或相關聯的部件可以不同地製造或者彼此具有不同的關係。
電路246可以包括互連的導電元件(例如，導體、跡線、通孔、互連件等)，該互連的導電元件能夠傳導電流，諸如基於檢測到的光子的資料信號傳輸。檢測器200包括具有光感測器202的平面陣列的積體電路。形成在檢測器200內的電路246可以被配置用於從在曝光時段(積分時段)(其中電荷根據由光感測器202接收的發射信號光501累積在光感測器202上)期間曝光的光感測器202讀出信號、信號放大、數位化、存儲、和處理中的至少一個。電路246可以收集和分析檢測到的發射信號光501，並生成用於將檢測資料傳送給生物測定系統的資料信號。電路246還可以在檢測器200中執行附加的類比和/或數位信號處理。光感測器202可以通過門(gate)241-243電耦合到電路246。
根據一個示例的檢測器200可以由諸如CMOS積體電路檢測器或CCD積體電路檢測器的固態積體電路檢測器提供。根據一個示例的檢測器200可以是使用積體電路製造製程(諸如互補金屬氧化物半導體(CMOS)製造製程)製造的積體電路晶片。
由光感測器202限定的感測器陣列201的解析度可以大於大約0.5百萬像素(Mpixel)。在更具體的示例中，解析度可以大於約5Mpixel，更具體地，大於約14Mpixel。
檢測器200可以包括多個堆疊層231-237，其包括感測器層231，該感測器層231可以是矽層。堆疊層可以包括多個介質層232-237。在所示示例中，介質層232-237中的每一個介質層包括金屬元素(例如W(鎢)、Cu(銅)或Al(鋁))和介質材料，例如SiO2。可以使用各種金屬元件和介質材 料，諸如適合於積體電路製造的那些。然而，在其他示例中，一個或更多個介質層232-237可以僅包括介質材料，諸如一個或更多個SiO2層。
關於圖17的具體示例，介質層232-237可以包括金屬化層，在圖17中被標記為層M1-M5。如所示，金屬化層M1-M5可以被配置成形成電路246的至少一部分。
在一些示例中，檢測器200可以包括具有一個或更多個層的遮罩結構250，該遮罩結構250延伸穿過金屬化層M5上方的區域。在圖示的示例中，遮罩結構250可以包括被配置為阻擋從流動池282傳播的光信號的材料。光信號可以是激發光101和/或發射信號光501。僅作為示例，遮罩結構250可以包括鎢(W)。僅作為特定示例，激發光可具有約523nm(綠色光)或456nm(藍色光)的峰值波長，並且發射信號光501可包括約570nm及更長的波長(圖4)。
如圖17所示，遮罩結構250可以包括穿過其中的孔252。遮罩結構250可以包括這樣的孔252的陣列。孔252的尺寸可以被設計成允許信號發射光傳播到光導214。檢測器200還可以包括鈍化層256，該鈍化層256沿著遮罩結構250延伸並跨過孔252。檢測器200還可以包括鈍化層258，該鈍化層258包括檢測器表面206，檢測器表面206沿著鈍化層256延伸並跨過孔252。遮罩結構250可以在孔252上方延伸，從而直接或間接地覆蓋孔252。鈍化層256和鈍化層258可以被配置成保護較低高度層和遮罩結構250免受流動池282的流體環境的影響。根據一個示例，鈍化層256由SiN或類似物形成。根據一個示例，鈍化層258由五氧化二鉭(Ta2O5)或類似物形成。具有鈍化層256和鈍化層258的結構260可以限定具有反應凹部210的檢測器表面206。限定檢測器表面206的結構260可以具有任何數量的層，諸如一到N層。
結構260可以限定固體表面(即，檢測器表面206)，其允許生物分子或其他感興趣的分析物固定在其上。例如，反應凹部210的每個反應位 置可以包括固定到鈍化層258的檢測器表面206的生物分子簇。因此，鈍化層258可以由允許反應凹部210的反應位置固定到其上的材料形成。鈍化層258還可以包括至少對期望的螢光透明的材料。鈍化層258可以被物理或化學改性，以便於固定生物分子和/或便於檢測發射信號光501。
在所示示例中，鈍化層256的一部分沿著遮罩結構250延伸，鈍化層256的一部分直接沿著限定光導214的過濾材料延伸。反應凹部210可以與光導214對準並直接形成在光導214上方。根據一個示例，反應凹部210和光導214中的每一個可以具有以縱軸268為中心的橫截面幾何中心。過濾材料可以被沉積在由側壁254限定的空腔中，側壁254形成在具有堆疊層232-237的介質堆疊中。
光導214可以相對於由介質層231-237限定的介質堆疊的周圍材料進行配置，以形成光導結構。例如，根據一個示例，光導214可以具有至少約1.6的折射率，使得通過光導214傳播的光能在光導214和由介質層231-237限定的周圍介質堆疊之間的側壁254處的介面處大體上被反射。在某些示例中，光導214可以被配置成使得激發光的光密度(OD)或吸光度至少約為4 OD。更具體地，過濾材料可以被選擇，並且光導214的尺寸可以被設計為實現至少4 OD。在更具體的示例中，光導214可被配置成實現至少約5 OD或至少約6 OD。在更具體的示例中，光導214可被配置成實現至少約7 OD或至少約8 OD。檢測器200的其它特徵可以被配置成減少電和光串擾。
參考圖18，描述了程序控制系統310的進一步細節。根據一個示例，程序控制系統310可以包括一個或更多個處理器3101、記憶體3102、和一個或更多個輸入/輸出介面3103。一個或更多個處理器3101、記憶體3102和一個或更多個輸入/輸出介面可以經由系統匯流排3104連接。根據一個示例，程序控制系統3110可以由如圖18中所示的電腦系統提供。記憶體3102可以包括系統記 憶體和儲存記憶體的組合。根據一個示例的記憶體3102可以存儲一個或更多個程式，以用於促進本文中闡述的過程。一個或更多個處理器3101可以運行存儲在記憶體3102中的一個或更多個程式，以促進如本文所闡述的過程。記憶體3102可以定義電腦可讀媒體。
參考圖19和圖20描述了由光能激勵器10促進的DNA測序過程。參考圖19，顯示了示出系統100的操作的各方面的光譜輪廓座標圖。根據一個示例，光源組102可以包括發射第一波長和第二不同波長的光的光源。提供光源組102以包括發射第一波長範圍和第二不同波長範圍的激發光的光源有助於染料化學DNA序列重建過程，其中第一染料和第二染料可以被佈置在流動池282內的流體中。
圖19中所示的光譜輪廓1702示出了光能激勵器10的綠色發射光源(例如，諸如圖4中所示的光源102A)的激發波長發射帶。光譜輪廓1712是光能激勵器10的藍色發射光源(諸如圖4中所示的光源102H)的波長發射帶。光譜輪廓1704是對綠色光敏感的第一螢光團的吸收帶光譜輪廓，該第一螢光團可以與流體一起佈置到流動池282中。光譜輪廓1714是對藍色光敏感的第二螢光團的吸收帶光譜輪廓，該第二螢光團可以與流體一起佈置到流動池282中。光譜輪廓1707是對綠色光和藍色光敏感的第三螢光團的吸收帶光譜輪廓，該第三螢光團可以與流體一起佈置到流動池282中。
光譜輪廓1706是發射信號光501的部分光譜輪廓，其歸因於當被具有光譜輪廓1702的綠色光激發時的第一螢光團發螢光。光譜輪廓1716是發射信號光501的部分光譜輪廓，其歸因於當被具有光譜輪廓1712的藍色光激發時的第二螢光團發螢光。光譜輪廓1708是發射信號光501的部分光譜輪廓，其歸因於當被具有光譜輪廓1702的綠色光激發時的第三螢光團發螢光。光譜輪廓1709是發射信號光501的部分光譜輪廓，其歸因於當被具有光譜輪廓1712的藍 色光激發時的第三螢光團發螢光。
光譜輪廓1730是限定光感測器陣列201的光感測器202的透射光譜輪廓，其指示了光感測器陣列201的檢測帶。
本文中的示例參考圖19的光譜輪廓座標圖認識到，程序控制系統310可以被配置成：(a)基於光感測器202在限於由一個或更多個綠色發射光源進行激發的激發下感測到螢光和光感測器202在限於由一個或更多個藍色發射光源進行激發的激發下未感測到螢光，確定第一螢光團被附著到樣品502；(b)基於光感測器202在限於由一個或更多個藍色發射光源進行激發的激發下感測到螢光和光感測器202在限於由一個或更多個綠色發射光源進行激發的激發下未感測到螢光，確定第二螢光團被附著到樣品502；以及(c)基於光感測器202在限於由一個或更多個綠色發射光源進行激發的激發下感測到螢光和光感測器202在限於由一個或更多個藍色發射光源進行激發的激發下也感測到螢光，確定第三螢光團被附著到樣品502。程序控制系統310可以鑒別哪些螢光團已經被附著到樣品上，並且例如使用由表2的決策邏輯表指示的將螢光團的存在映射到核苷酸類型的決策邏輯資料結構，可以確定存在於提供樣品502的DNA鏈的片段中的核苷酸類型(例如A、C、T、和G)，其中鑒別的核苷酸，核苷酸-核苷酸4(Nucleotide-Nucleotide4)是核苷酸類型A、C、T和G的核苷酸(基於測試設置參數的特定映射)。
Figure 107142217-A0305-02-0029-2
程序控制系統310可以在多週期中運行支援DNA序列重建的過程。在每個週期中，DNA片段的不同部分可以經受測序處理，以例如使用諸如表2中所示的決策資料結構的決策資料結構，確定與片段相關聯的核苷酸類型，例如A、C、T、或G。在圖20的流程圖中描述了可由程序控制系統310運行的用於使用光能激勵器10執行DNA序列重建的過程的各個方面。
在方塊1802處，程序控制系統310可以清除流動池282，這意味著程序控制系統310可以從流動池282中移除在前一個週期中使用的流體。在方塊1804處，程序控制系統310可以將具有多個螢光團(例如，第一螢光團和第二螢光團，或者第一螢光團、第二螢光團和第三螢光團)的流體輸入到流動池282中。第一螢光團和第二螢光團可以包括例如分別關於參照圖19的光譜輪廓圖描述的吸收帶光譜輪廓1704和吸收帶光譜輪廓1714描述的吸收特性。第一螢光團、第二螢光團和第三螢光團可以包括例如分別關於參照圖19的光譜輪廓圖描述的吸收帶光譜輪廓1704和吸收帶光譜輪廓1714以及吸收帶光譜輪廓1707描述的吸收特性。
在方塊1806處，程序控制系統310可以從在第一波長範圍激發有效的情況下曝光的光感測器202讀出信號。在方塊1806處，程序控制系統310可以控制光能激勵器10，使得在光感測器202的曝光時段期間，光能激勵器10發射受限於由一個或更多個綠色光源進行激發的激發光。在方塊1806處，程序控制系統310可以在光感測器202的曝光時段期間激勵光源組102中的一個或更多個綠色發射光源中的每一個綠色發射光源(例如圖4中闡述的光源102A-102G)，同時保持光源組中的一個或更多個藍色發射光源中的每一個藍色發射光源(例如圖4中闡述的光源102H-102J)處於解除激勵狀態。隨著光源組102如所述進行控制，使得在光感測器202的曝光時段期間綠色光源接通而藍色光源關斷，程序控制系統310在方塊1806處可以從利用受限於由如本文所述的一 個或更多個綠色光源進行激發的激發而被曝光的光感測器202讀出第一信號。
在方塊1808處，程序控制系統310可以從在第二波長範圍激發有效的情況下曝光的光感測器202讀出信號。在方塊1808處，程序控制系統310可以控制光能激勵器10，使得在光感測器202的曝光時段期間，光能激勵器10發射受限於由光能激勵器10的一個或更多個藍色光源進行激發的激發光。在方塊1808處，程序控制系統310可以在光感測器202的曝光時段期間激勵光源組102中的一個或更多個藍色發射光源中的每一個藍色發射光源(例如圖4中所闡述的光源102H-102J)，同時保持光源組中的一個或更多個綠色發射光源中的每一個綠色發射光源(例如圖4中所闡述的光源102A-102G)處於解除激勵狀態。隨著光源組102如所描述的那樣被控制，使得在光感測器202的曝光時段期間，藍色光源接通而綠色光源關斷，程序控制系統310在方塊1808處可以從利用受限於由如本文所述的一個或更多個藍色光源進行激發的激發而被曝光的光感測器202讀出第二信號。
在方塊1810處，根據一個示例，對於當前週期，程序控制系統310可以處理在方塊1806處讀出的第一信號和在方塊1808處讀出的第二信號，以例如使用如表2中所闡述的決策資料結構來確定在當前週期期間正在經受測試的DNA片段的核苷酸類型。程序控制系統310可以針對DNA測序過程的每個週期執行參照圖20的流程圖描述的所述核苷酸識別過程，直到針對每個預定週期執行核苷酸識別為止。
程序控制系統310可以被配置為執行用於測試系統100的操作的大範圍測試。程序控制系統310可以執行其中測試光能激勵器10和檢測器200的操作的校準測試。在這樣的示例中，程序控制系統310可以被配置成在感測器陣列201的曝光時段期間選擇性地激勵不同的光源，並且可以檢查在曝光時段期間從感測器陣列201讀出的信號。一種方法可以包括在光感測器的第一曝光 時段期間在第二(藍色發射)光源和第三(例如紅色發射)光源保持解除激勵狀態的情況下選擇性地激勵第一光源(例如綠色發射)，在光感測器的第二曝光時段期間在第一光源和第三光源保持解除激勵狀態的情況下選擇性地激勵第二光源，以及在光感測器的第三曝光時段期間在第一光源和第二光源保持在解除激勵狀態的情況下選擇性地激勵第三光源。
應該認識到，前述概念和以下更詳細討論的附加概念的所有組合(假設這些概念不相互矛盾)被認為是本文公開的主題內容的一部分。特別地，出現在本公開結尾處的要求保護的主題內容的所有組合被認為是本文公開的主題內容的一部分。還應當認識到，也可以出現在通過引用併入的任何公開中的在本文中明確使用的術語應當被賦予與在本文中公開的特定概念最一致的含義。
該書面描述使用示例來公開主題內容，並且還使得本領域的任何技術人員能夠實踐主題內容，包括製造和使用任何設備或系統以及執行任何結合的方法。主題內容的專利性範圍由請求項限定，並且可以包括本領域技術人員想到的其他示例。如果這些其它示例具有與請求項的字面語言沒有不同的結構元素，或者如果它們包括與請求項的字面語言沒有實質性差異的等效結構元素，則這些其它示例將在請求項的範圍內。
將理解，以上的描述旨在是例證性的，並且不是限制性的。例如，上述示例(或其各方面)可以彼此結合使用。另外，在不脫離其範圍的情況下，可以進行許多修改以使特定情況或材料適應各種示例的教導。雖然本文描述的材料的尺寸和類型旨在定義各種示例的參數，但它們決不是意味著限制性的，而僅僅是示例性的。許多其他示例對於在查閱以上描述後的本領域的技術人員將是明顯的。因此，各個示例的範圍應參考所附請求項連同這些請求項有權要求的等效物的整個範圍來確定。在所附請求項中，術語“包括 (including)”和“其中(in which)”用作相應術語“包括(comprising)”和“其中(wherein)”的簡明英語等效物。另外，在隨附的請求項中，術語“第一”、“第二”、和“第三”等被僅用於標籤，並不旨在對它們的物件強加數值要求。本文中的術語“基於”的形式包括其中元素部分地基於的關係以及其中元素完全地基於的關係。術語“限定的”的形式包括其中部分地限定元素的關係以及其中完全地限定元素的關係。此外，隨附請求項的限制不是以裝置加功能的形式寫的，且也不打算基於35 U.S.C. § 112第6款進行解釋，除非且直到這些請求項的限制明確使用短語“用於......的裝置”，後面是功能聲明，沒有進一步的結構。應當理解，根據任何特定示例，不一定可以實現上述所有這些目的或優點。因此，例如，本領域技術人員將認識到，本文描述的系統和技術可以以實現或優化如本文教導的一個優點或一組優點的方式來實現或執行，而不必實現本文中可被教導或建議的其他目的或優點。
雖然僅結合有限數量的示例詳細描述了主題內容，但是應當容易理解，主題內容不限於這樣公開的示例。相反，本主題內容可以被修改以結合迄今未描述的任何數量的變化、變更、替換或等同佈置，但是這些變化、變更、替換或等同佈置與本主題內容的精神和範圍相稱。另外，雖然已經描述了主題內容的各種示例，但是應當理解，本公開的各方面可以僅包括所描述的示例中的一些。此外，雖然一些示例被描述為具有一定數量的元件，但是應當理解，主題內容可以用小於或大於一定數量的元素來實踐。因此，主題內容不應被視為受前述描述的限制，而僅受所附請求項的範圍限制。
10‧‧‧光能激勵器
20‧‧‧檢測器組件
100‧‧‧系統
101‧‧‧激發光
130‧‧‧像平面
200‧‧‧檢測器
202‧‧‧光感測器
206‧‧‧檢測器表面
210‧‧‧反應凹部
214‧‧‧光導
218‧‧‧介質堆疊區域
268‧‧‧縱軸
282‧‧‧流動池
284‧‧‧側壁
288‧‧‧流動蓋
289‧‧‧入口
290‧‧‧出口
300‧‧‧測試支援系統區域
310‧‧‧程序控制系統
320‧‧‧流體控制系統
330‧‧‧流體儲存系統
340‧‧‧使用者介面
501‧‧‧發射信號光
502‧‧‧樣品

Claims (19)

  1. 一種執行生物或化學測試的方法，包括：利用光能激勵器發射激發光，其中，所述光能激勵器包括第一光源和第二光源，所述第一光源發射第一波長發射帶中的激發光射線，所述第二光源發射第二波長發射帶中的激發光射線，其中，所述光能激勵器進一步包括光導管，所述光導管使所述激發光均勻化並朝向所述光能激勵器的遠端引導所述激發光，所述光導管包括光入射表面和光出射表面，所述光導管接收來自所述第一光源和所述第二光源的所述激發光射線，其中，所述光導管具有錐形結構，並且包括在從所述光導管的所述光入射表面到所述光導管的所述光出射表面的方向上、在所述光導管的整個長度上增加的直徑，所述光導管反射所述激發光，使得離開所述光導管的所述光出射表面的光導管出射光射線限定了相對於所述光能激勵器的光軸發散的發散光錐；利用檢測器接收所述激發光以及由所述激發光激發而產生的發射信號光，所述檢測器包括用於支撐生物或化學樣品的檢測器表面和與所述檢測器表面間隔開的感測器陣列，所述檢測器阻擋所述激發光並允許所述發射信號光向所述感測器陣列中的光感測器傳播；和根據由所述感測器陣列中的所述光感測器感測到的光子，用所述檢測器的電路傳輸資料信號。
  2. 根據請求項1所述的執行生物或化學測試的方法，其中，利用光能激勵器發射包括對所述光能激勵器的光導管光出射表面成像，以投射與所述檢測器表面的尺寸和形狀匹配的照射圖案。
  3. 根據請求項1所述的執行生物或化學測試的方法，其中，所述方法包括使用互補金屬氧化物半導體(CMOS)積體電路製造技術來製造所述檢測器。
  4. 根據請求項1所述的執行生物或化學測試的方法，其中，對於支持DNA測序過程的多個週期中的每一個週期，所述方法包括：(a)從由所述檢測器表面限定的流動池中移除流體，(b)利用第一染料和第二染料填充所述流動池，使得第一染料和第二染料同時被包含在所述流動池中，以及(c)從曝光於發射信號光的所述光感測器讀出第一信號，其中所述第一光源被激勵，而所述第二光源保持在解除激勵狀態，(d)從曝光於發射信號光的所述光感測器讀出第二信號，其中所述第二光源被激勵，而所述第一光源保持在解除激勵狀態，以及(e)使用所述第一信號的信號和所述第二信號的信號來識別DNA核苷酸。
  5. 根據請求項1所述的執行生物或化學測試的方法，其中，所述光能激勵器包括第三光源，以發射第三波長發射帶中的光，其中，所述發射包括在所述光感測器的第一曝光時段期間在所述第二光源和所述第三光源保持在解除激勵狀態的情況下選擇性地激勵所述第一光源，其中，所述發射包括在所述光感測器的第二曝光時段期間在所述第一光源和所述第三光源保持在解除激勵狀態的情況下選擇性地激勵所述第二光源，其中，所述發射包括在所述光感測器的第三曝光時段期間在所述第一光源和所述第二光源保持在解除激勵狀態的情況下選擇性地激勵所述第三光源。
  6. 一種光能激勵器，包括：至少一個光源，所述至少一個光源發射激發光射線，所述至少一個光源包括第一光源和第二光源，所述第一光源發射第一波長發射帶中的激發光射線，所述第二光源發射第二波長發射帶中的激發光射線；和光導管，所述光導管使所述激發光均勻化並朝向所述光能激勵器的遠端引導所述激發光，所述光導管包括光入射表面和光出射表面，所述光導管接收來自所述至少一個光源的所述激發光射線，其中，所述光導管具有錐形結構，並 且包括在從所述光導管的所述光入射表面到所述光導管的所述光出射表面的方向上、在所述光導管的整個長度上增加的直徑，所述光導管反射所述激發光，使得離開所述光導管的所述光出射表面的光導管出射光射線限定了相對於所述光能激勵器的光軸發散的發散光錐；其中，所述光能激勵器的遠端適於與檢測器組件耦合，所述檢測器組件包括用於支撐生物或化學樣品的檢測器表面。
  7. 根據請求項6所述的光能激勵器，其中，所述光能激勵器的遠端包括適於裝配到所述檢測器組件的對應成形的殼體部分中的成形的殼體部分。
  8. 根據請求項6所述的光能激勵器，其中，所述光能激勵器包括透鏡，當所述光能激勵器的遠端耦合到所述檢測器組件時，所述透鏡將由所述光出射表面限定的物平面成像到由所述檢測器組件的檢測器表面限定的像平面上。
  9. 根據請求項6所述的光能激勵器，其中，所述至少一個光源包括表面耦合到所述光導管的光入射表面的發光二極體。
  10. 根據請求項6所述的光能激勵器，其中，所述光接收來自所述光源的激發光射線，並且其中，所述光能激勵器包括與所述光導管一起容納在公共殼體中的第二光導管，其中，所述第二光導管接收來自所述第二光源的激發光射線，其中，所述光導管和所述第二光導管分別傳播從所述第一光源和所述第二光源發射的激發光射線，並且其中，所述光能激勵器對分別傳播通過所述光導管和所述第二光導管的激發光射線進行成形，以限定第一照射圖案和分離的第二照射圖案。
  11. 根據請求項6所述的光能激勵器，其中，所述第一光源是表面耦合到所述光導管的光入射表面的第一發光二極體，以及所述第二光源是表面耦合到所述光導管的光入射表面的第二發光二極體。
  12. 根據請求項6所述的光能激勵器，其中，所述出射光射線相對於參考光射線以從零度到最大發散角度範圍內的角度發散，所述參考光射線在平行於所述光軸的方向上從所述光出射表面延伸，其中，所述最大發射角度是小於約60度的角度。
  13. 根據請求項6所述的光能激勵器，其中，所述光導管反射所述激發光，使得離開所述光導管的光出射表面的光導管出射光射線限定相對於光軸形成角度的發散光錐，所述發散光錐相對於沒有所述錐形結構形成的發散角度的發散光錐減小。
  14. 根據請求項6所述的光能激勵器，其中，所述光能激勵器包括透鏡，所述透鏡接收來自所述光導管的激發光，並對所述激發光的光射線進行成形，使得離開所述光能激勵器的遠端的所述激發光的激發光射線限定會聚光錐，所述會聚光錐朝向所述光能激勵器的光軸會聚，以投射與所述檢測器表面的尺寸和形狀匹配的照射圖案。
  15. 根據請求項6所述的光能激勵器，其中，所述光能激勵器包括透鏡，所述透鏡接收來自所述光導管的激發光，並對所述激發光的光射線進行成形，使得離開所述透鏡的光出射表面的激發光射線限定朝向所述光能激勵器的光軸會聚的會聚光錐，其中，離開所述透鏡的光出射射線相對於參考光射線以從零度到最大會聚角度範圍內的角度會聚，所述參考光射線從所述光出射表面沿平行於所述光軸的方向延伸，其中，所述最大發散角度是小於約60度的角度。
  16. 根據請求項6所述的光能激勵器，其中，所述至少一個光源包括表面耦合到所述光導管的光入射表面的發光二極體，其中，所述光導管包括玻璃，其中，所述光能激勵器包括透鏡，所述透鏡從所述光導管接收所述激發光並且對所述激發光的光射線成形，使得離開所述光能激勵器的遠端的所述激 發光的光射線限定相對於所述光能激勵器的光軸會聚的會聚光錐，其中，所述光能激勵器包括一個或更多個濾光器以對長於所述一個或更多個光源的累積發射波段的波長的光進行過濾，並且其中，所述光能激勵器包括折疊所述光軸的折疊光學裝置。
  17. 一種用以執行生物或化學測試的系統，包括：光能激勵器，所述光能激勵器包括發射激發光射線的至少一個光源以及使所述激發光射線均勻化並引導所述激發光射線的光導管，所述至少一個光源包括第一光源和第二光源，所述第一光源發射第一波長發射帶中的激發光射線，所述第二光源發射第二波長發射帶中的激發光射線，所述光導管包括接收來自所述至少一個光源的所述激發光射線的光入射表面以及光出射表面，其中，所述光導管具有錐形結構，並且包括在從所述光導管的所述光入射表面到所述光導管的所述光出射表面的方向上、在所述光導管的整個長度上增加的直徑，所述光導管反射所述激發光，使得離開所述光導管的所述光出射表面的光導管出射光射線限定了相對於所述光能激勵器的光軸發散的發散光錐；和檢測器，所述檢測器包括用於支撐生物或化學樣品的檢測器表面和包括與所述檢測器表面間隔開的光感測器的感測器陣列，其中，所述檢測器接收來自所述激勵器的激發光和發射信號光，其中，所述檢測器包括根據由所述感測器陣列的光感測器檢測到的光子來傳輸資料信號的電路，其中，所述檢測器阻擋所述激發光並允許所述發射信號光向所述光感測器傳播。
  18. 根據請求項17所述的用以執行生物或化學測試的系統，其中，所述光能激勵器包括透鏡，所述透鏡將由所述光導管的光出射表面限定的物平面聚焦到由所述檢測器表面限定的像平面上。
  19. 根據請求項17所述的用以執行生物或化學測試的系統，其中，所述至少一個光源包括表面耦合到所述光導管的光入射表面的發光二極體，其 中，所述光導管包括玻璃，其中，所述光能激勵器包括透鏡，所述透鏡從所述光導管接收所述激發光並且對所述激發光的光射線成形，使得離開所述透鏡的光出射光射線限定相對於所述光能激勵器的光軸會聚的會聚光錐，其中，所述光能激勵器包括一個或更多個濾光器以對長於所述一個或更多個光源的累積發射波段的波長的光進行過濾。
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