具樣品加熱能力的高通量熒光成像系統(tǒng)與裝置以及相關(guān)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]無。
【背景技術(shù)】
[0002]熒光成像是一常用于檢測人或動物受試者的血液、尿液、或唾液樣品等生物樣品內(nèi)成份的技術(shù)，以描述所述樣品某方面的特征。使用經(jīng)適當(dāng)波長的光激發(fā)后發(fā)射熒光的熒光卷標(biāo)標(biāo)記感興趣的樣品成份。熒光成像是用于測定包括醫(yī)療診斷、食品安全與鑒識科學(xué)的各種應(yīng)用中生物檢驗的結(jié)果。在一些案例中，必須于短時間內(nèi)在單一樣品上進行數(shù)個相異的檢驗，此相異的檢驗的其中一部分為互不兼容因此需要個別的處理。在其它案例中，必須在一短時間內(nèi)處理多個樣品。
[0003]脫氧核醣核酸(DNA)定序為受益于平行處理多個樣品的應(yīng)用以實時定序DNA的顯著實例。一些比較流行、市售的DNA定序系統(tǒng)依序測定一股DNA上的核苷酸堿基的順序。每一堿基的測定是經(jīng)由生物檢驗接著用熒光成像以測定堿基類別，即腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)或胸腺嘧啶(T)。測定每一堿基的程序為耗時的且全部的定序程序可能偶有檢驗錯誤導(dǎo)致錯誤的定序。因此，DNA鏈通常切割成很多較短的片段并平行處理。
[0004]DNA定序與許多其它DNA或核醣核酸(RNA)檢驗苦于所調(diào)查的DNA或RNA物質(zhì)可用的數(shù)量太少而無法產(chǎn)生可量測的結(jié)果。于此情況下，所述DNA/RNA物質(zhì)可藉由聚合酶鏈鎖反應(yīng)(polymerase chain react1n，PCR)而擴增。PCR為一種熱導(dǎo)檢驗(thermalIy mediatedassay)其產(chǎn)生DNA或RNA分子的許多復(fù)制品。絕大多數(shù)的PCR方法使用樣本的熱循環(huán)，其中每一循環(huán)加倍所述DNA或RNA物質(zhì)，最終致使所述原始物質(zhì)的顯著增幅。恒溫式核酸增幅法(isothermal amplificat1n)為PCR的一替代方法，其中所述增幅發(fā)生于恒定、升溫的環(huán)境中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]在一實施例中，一種具樣品加熱能力的高通量熒光成像系統(tǒng)包括圖像傳感器晶元，所述圖像傳感器晶元具有用來熒光成像放置于所述圖像傳感器晶元上的多個樣品的多個圖像傳感器。所述高通量熒光成像系統(tǒng)進一步包括用來各自容置圖像傳感器晶元上的多個樣品的多個流體通道，以及用來加熱樣品的與所述圖像傳感器晶元熱耦合的加熱模塊。
[0006]在一實施例中，一種用于高通量檢驗處理的方法包括(a)藉由使用與所述圖像傳感器晶元熱耦合的加熱模塊加熱所述圖像傳感器晶元，以調(diào)控分別容置于所述圖像傳感器晶元上的多個流體通道內(nèi)的多個樣品的溫度，以控制樣品內(nèi)的反應(yīng)動力，以及(b)分別使用所述圖像傳感器晶元上的多個圖像傳感器獲取樣品的多個熒光圖像，以檢測所述多個樣品內(nèi)的一個或多個成份。
[0007]在一實施例中，一種用于制造具有樣品加熱能力的高通量熒光成像系統(tǒng)的方法，包括(a)將包含多個流體通道的流體晶元接合至包含多個圖像傳感器的圖像傳感器晶元，以及(b)將包含用以發(fā)熱的加熱器的加熱模塊接合至所述圖像傳感器晶元以使所述加熱器與所述圖像傳感器晶元熱耦合。
【附圖說明】
[0008]圖1為根據(jù)一實施例繪示具有樣品加熱能力的高通量熒光成像裝置。
[0009]圖2為根據(jù)一實施例繪示具有熒光成像讀出并用以高通量熱傳導(dǎo)檢驗處理的方法。
[0010]圖3為根據(jù)一實施例所顯示的圖1的高通量熒光成像裝置的細部側(cè)面剖視圖。
[0011]圖4A與4B為根據(jù)一實施例繪示圖1的高通量熒光成像系統(tǒng)的局部與熒光標(biāo)記樣品成份的無透鏡熒光成像。
[0012]圖5A與5B為根據(jù)一實施例繪示高通量熒光成像裝置，其具有位于加熱模塊背對圖像傳感器晶元的表面上的熱源。
[0013]圖6A與6B為根據(jù)一實施例繪示高通量熒光成像裝置，其具有位于加熱模塊與圖像傳感器晶元兩者間的接口的熱源。
[0014]圖7為根據(jù)一實施例繪示可分開加熱圖像傳感器晶元的不同區(qū)域的加熱模塊。
[0015]圖8為根據(jù)一實施例繪示高通量熒光成像系統(tǒng)，其接收圖1的高通量熒光裝置以執(zhí)行圖2的方法。
[0016]圖9為根據(jù)一實施例繪示用于多個樣品的高通量、PCR增幅與熒光成像讀出的方法。
[0017]圖10為根據(jù)一實施例繪示處理多個樣品的方案。
[0018]圖11為根據(jù)一實施例繪示處理多個樣品的另一方案
[0019]圖12為根據(jù)一實施例繪示用于多個樣品的高通量、PCR增幅與熒光成像讀出的方法，包括經(jīng)增幅樣品的后PCR檢驗處理。
[0020]圖13為根據(jù)一實施例繪示用于制造圖1的高通量熒光成像裝置的方法。
[0021 ]圖14為根據(jù)一實施例繪示蓋子與通道層。
【具體實施方式】
[0022]圖1繪示一示例性的具樣品加熱能力的高通量熒光成像裝置100。圖2繪示一示例性的用于高通量熱傳導(dǎo)檢驗處理的方法200，其具有熒光成像讀出并使用高通量熒光成像裝置100。圖1與圖2—起檢視為最佳。
[0023]高通量熒光成像裝置100在相對簡潔與節(jié)約成本的套裝下，為平行處理多個樣品150提供一整合性的解決方案。由高通量熒光成像裝置100處理樣品150包括調(diào)控樣品150的溫度以及所述樣品150的熒光成像，以測定檢驗的一產(chǎn)物至少部分為導(dǎo)熱的。高通量熒光成像裝置100可用互補式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)制造技術(shù)來制造。CMOS制造以低成本產(chǎn)生高產(chǎn)量。因此，與現(xiàn)有的PCR與DNA定序裝置相比，高通量熒光裝置100可用較低成本制造。此外，CMOS制造容許對非常小的特征的精確制造，例如微米或次微米尺寸的特征。因此，與現(xiàn)有PCR和DNA定序裝置相比，高通量熒光成像裝置100可操作于較小量的樣品150，從而降低操作成本，同時達到高性能與高通量。
[0024]方法200同時平行處理多個樣品，例如將樣品進行PCR或恒溫式核酸增幅法且/或同時定序多重DNA片段。熒光成像裝置100包括具有多個圖像傳感器112的圖像傳感器晶元110、與圖像傳感器晶元110配合以產(chǎn)生多個流體通道122的流體晶元120以及加熱模塊130。為清楚說明，圖1上并未標(biāo)示所有的圖像傳感器112。流體晶元120是置于圖像傳感器晶元110的光接收表面(light receiving surface)114上，使得流體通道122與光接收表面114接觸且與多個圖像傳感器112光學(xué)通訊。在一實施例中，光接收表面114為平面或大致上為平面。這消除了反的可能昂貴的成像光件的需求。個別的圖像傳感器112合作產(chǎn)生一大的表面，因此高通量熒光成像裝置100特別適用于表面型檢驗的處理和讀出。加熱模塊130是與圖像傳感器晶元110上相反于光接收表面114的表面熱耦合。在某些實施例中，加熱模塊130是與圖像傳感器晶元110直接接觸。
[0025]圖像傳感器112可為一電耦合裝置(CXD)圖像傳感器、前照式CMOS圖像傳感器或一背照式CMOS圖像傳感器。圖像傳感器112可有百萬像素分辨率且可有表面積在約I到約50平方毫米的范圍內(nèi)。
[0026]盡管圖1中顯示五個流體通道122，高通量熒光成像裝置100可包括任何大于一的數(shù)量的流體通道122，而不脫離本發(fā)明的范圍。例如，高通量熒光成像裝置100可包括大約數(shù)十、數(shù)百、數(shù)千或數(shù)萬個流體通道122。同樣地，圖像傳感器晶元110可包括任何大于一的數(shù)量的圖像傳感器112，例如數(shù)十、數(shù)百、數(shù)千或數(shù)萬個圖像傳感器112。
[0027]流體通道122可具有與圖1所示相異的形狀，而不脫離本發(fā)明的范圍。例如流體通道122可為直的，相對于圖1所示的蛇形。流體通道122可覆蓋比圖1所示的光接收表面114更大的部分，而不脫離本發(fā)明的范圍。例如流體通道122可被緊密地間隔以減少光接收表面114位于流體通道122間的部分的面積。
[0028]盡管圖1所示為圓形，圖像傳感器晶元110、流體晶元120與加熱模塊130可為其它形狀，例如正方形或長方形，而不脫離本發(fā)明的范圍。
[0029]在方法200的步驟202中，流體通道122接收樣品150。
[0030]在方法200的步驟210中，加熱模塊130藉由加熱圖像傳感器晶元110而調(diào)控分別容置于流體通道122中的多個樣品150的溫度。方法200因此控制樣品內(nèi)的反應(yīng)動力。多個樣品150可為相異、相同或其組合，使得部分樣品150為不同而其它樣品150為相同的。加熱模塊130加熱圖像傳感器晶元110可為持續(xù)地、暫時地或重復(fù)地。在一實施例中，步驟210包括一步驟212在較高與較低的溫度范圍內(nèi)循環(huán)圖像傳感器晶元110的溫度，藉此循環(huán)樣品150的溫度。方法200可利用步驟212進行PCR以擴增樣品150中的一或多個成份。
[0031]在方法200的步驟220中，樣品150暴露于熒光激發(fā)光160中。高通量熒光成像裝置100可選擇性地與提供熒光激發(fā)光160的光源165耦合或?qū)⑵浒趦?nèi)。
[0032]例如，光源165包括發(fā)光二極管、雷射光及/或白光光源。光源165可進一步包括波長濾波器以生成具所需波長的熒光激發(fā)光160。熒光激發(fā)光160可包括在紅外光、近紅外光、可見光及/或紫外線的波長范圍的光。此外，光源165可具有選擇不同波長的發(fā)射光的能力以促進多彩與多任務(wù)的熒光成像。
[0033]在方法200的步驟230中，其與步驟220平行進行，經(jīng)由樣品150的無透鏡成像，每一圖像傳感器112獲取樣品150的熒光圖像170。在一實施例中，步驟230包括在圖像傳感器晶元110處于較低的溫度范圍時獲取熒光圖像170的步驟232。與在圖像傳感器晶元110處于較高的溫度范圍時獲取的熒光圖像170相比，步驟232可提供具較少熱致噪聲的熒光圖像170。在本說明中，熒光圖像170可包括分別與步驟220中的多個熒光激發(fā)光的波長相關(guān)連而獲取的多組的熒光圖像170。
[0034]步驟210是與步驟220和步驟230平行進行、序列進行及/或交替進行。
[0035]方法200可選擇性地進一步包括處理熒光圖像170的步驟240以檢測樣品150內(nèi)的至少一成份。