УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОНИТОРИНГА МНОЖЕСТВА ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ Российский патент 2015 года по МПК G01N21/64 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству для мониторинга множества дискретных сигналов флуоресценции, в частности, для секвенирования ДНК посредством использования нуклеотидов с флуоресцентной меткой.

Настоящее изобретение дополнительно относится к детектору для детектирования сигналов флуоресценции из множества источников сигналов флуоресценции для использования в таком устройстве для мониторинга множества дискретных флуоресцентных сигналов.

Уровень техники

WO 2004/059006 раскрывает оптический ДНК-датчик, при этом ДНК-споты располагаются так, что каждый спот отправляет флуоресцентный свет на ассоциированную группу из одного или более фотодатчиков. Сигналы всех фотодатчиков группы могут быть сложены или оптическая информация только от того фотодатчика, который воспринял самый сильный свет, используется в качестве выходного сигнала.

Секвенирование ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) известно в течение многих лет.

Основная идея идентификации элементарных звеньев нуклеиновой кислоты, содержащей генетические инструкции, используемые при развитии и функционировании всех известных живых организмов, расширена от обнаружения кодов до желания использовать генетическую информацию для того, чтобы бороться с болезнями.

Главной ролью молекул ДНК является длительное хранение информации. Помимо других функций, они содержат инструкции, необходимые для конструирования компонентов клеток в сегментах, называемых генами. Химически, ДНК состоит из двух длинных полимеров с простыми единицами, называемых нуклеотидами, двух цепей, идущих в противоположных направлениях относительно друг друга. Остовы между двумя цепями формируются из сахарозы и фосфатных групп, соединяемых посредством эфирных связей. К каждой сахарозе присоединяется один из четырех типов молекул, называемых основаниями, типа A, C, G или T. Именно такая последовательность этих четырех оснований вдоль остова кодирует информацию. Посредством идентификации этих оснований и их последовательности может извлекаться большой объем информации.

Многие из новых технологий основываются на флуоресцентной визуализации для идентификации оснований, известной как опознавание оснований. Флуоресцентное вещество присоединяется к одному конкретному виду основания. Флуоресценция в нуклеотиде достигается посредством поглощения света на известной длине волны. Флуоресценция возникает на другой, немного отличающейся, известной длине волны. Детектирование флуоресцентного света указывает наличие конкретного основания. Предусмотрены одноцветные флуоресцентные системы, в которых различные жидкости, содержащие реагенты секвенирования, последовательно намываются на выборку, и флуоресценция указывает наличие различных оснований ДНК в выборке ДНК. Другая технология флуоресцентной визуализации известна как четырехцветная флуоресценция, поскольку четыре различные длины волны света используются, тем самым обеспечивая возможность одновременного присутствия четырех типов нуклеотида (необходимых для реакций секвенирования) в устройстве секвенирования. Таким образом, обмены жидкостями в устройстве (которые являются очень медленными) могут быть уменьшены или сведены к минимуму.

Способы и системы для анализа флуоресцентных материалов на основе визуализации флуоресценции для опознавания оснований описаны посредством Pacific Biosciences, в частности, в кратком описании технологии Pacific Biosciences "Pacific Biosciences develops transformative ДНК sequencing technology", 2 февраля 2008 года, а также в их заявках на патент WO 2008/140758 A1 и WO 2009/089056 A1. Свет, излучаемый посредством люминофоров, собирается посредством объектива с высокой числовой апертурой и фокусируется на однофотонной чувствительной CCD-матрице. До достижения матрицы свет проходит через дисперсионный элемент призмы, который преломляет флуоресцентное излучение согласно своему цвету, создавая отдельную радугу для каждого волновода с нулевой модой. Это дает возможность положению преломляющего света кодировать идентификационные данные основания, которое сформировало сигнал. Таким образом, один высокочувствительный детектор может быть использован для того, чтобы и идентифицировать и различать импульсы согласно положению, в котором они сталкиваются с CCD-матрицей. Этот процесс повторяется тысячи раз в области CCD-матрицы, предоставляя возможность считывания последовательности ДНК в реальном времени в каждом волноводе с нулевой модой во всем одномолекульном кристалле в реальном времени. Оптимизированный набор алгоритмов используется для того, чтобы транслировать информацию, которая захватывается посредством системы объективов. С использованием записанной спектральной информации и импульсных характеристик сигналы преобразуются в опознавания оснований с ассоциированными показателями качества.

Тем не менее, также существуют ограничения при этой технологии, главным образом, обусловленные типом детектора, который используется. С помощью детектора EMCCD (прибор с зарядовой связью с умножением электронов), который используется, высокие частоты полей могут достигаться только тогда, когда число пикселей небольшое. На практике, тем не менее, большое число пикселей требуется для того, чтобы считывать очень большое число участков секвенирования, например один миллион участков секвенирования или более. Дополнительно, высокая частота полей требуется, чтобы не отставать от скоростей реакции, которые предположительно могут увеличиваться в будущем до 1 кГц. Такая производительность выходит далеко за рамки возможностей CCD-технологии.

Сущность изобретения

Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предоставить устройство для мониторинга множества дискретных сигналов флуоресценции, которое усовершенствовано по сравнению с известными устройствами и которое, в частности, позволяет одновременно считывать большое число пикселей на более высокой частоте полей. Дополнительная цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предоставить соответствующий детектор для использования в таком устройстве.

В первом аспекте настоящего изобретения, предоставляется устройство для мониторинга множества дискретных сигналов флуоресценции, в частности для секвенирования ДНК посредством использования нуклеотидов с флуоресцентной меткой, содержащее:

- подложку, имеющую множество источников дискретных флуоресцентных сигналов, расположенных на ней;

- источник освещения возбуждения;

- детектор для детектирования флуоресцентных сигналов из множества источников флуоресцентных сигналов; и

- оптическую систему, размещенную так, что она одновременно направляет освещение возбуждения из источника освещения возбуждения на упомянутое множество источников дискретных флуоресцентных сигналов на подложке и направляет флуоресцентные сигналы из множества источников флуоресцентных сигналов на детектор,

при этом упомянутый детектор содержит:

- множество пикселей для отдельного детектирования упомянутых флуоресцентных сигналов из множества источников флуоресцентных сигналов, причем каждый пиксел содержит предварительно определенное число из, по меньшей мере, двух элементов детектирования для детектирования принимаемого флуоресцентного сигнала и для формирования сигналов детектирования, и

- схему преобразования сигналов для приема упомянутых сигналов детектирования из упомянутых, по меньшей мере, двух элементов детектирования и для формирования пиксельного выходного сигнала, указывающего то, какой из упомянутых, по меньшей мере, двух элементов детектирования сформировал самый сильный сигнал детектирования.

В дополнительном аспекте настоящего изобретения предоставляется детектор для использования в таком устройстве, причем упомянутый детектор содержит:

- множество пикселей для отдельного детектирования упомянутых сигналов флуоресценции из множества источников сигналов флуоресценции, причем каждый пиксель содержит предварительно определенное число из, по меньшей мере, двух элементов детектирования для детектирования принимаемого флуоресцентного сигнала и для формирования сигналов детектирования, и

- схему преобразования сигналов для приема упомянутых сигналов детектирования из упомянутых, по меньшей мере, двух элементов детектирования и для формирования пиксельного выходного сигнала, указывающего то, какой из упомянутых, по меньшей мере, двух элементов детектирования сформировал самый сильный сигнал детектирования.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения задаются в зависимых пунктах формулы изобретения. Следует понимать, что заявленный детектор имеет аналогичные и/или идентичные предпочтительные варианты осуществления, как и заявленное устройство, и задается в зависимых пунктах формулы изобретения.

Настоящее изобретение основано на идее, в общем, применять такую системную компоновку, как предложено Pacific Biosciences, в частности, содержащую подложку, источник освещения возбуждения, детектор и оптическую систему, и использовать способ на основе дисперсии для детектирования флуоресценции, но использовать другой детектор, чтобы обеспечивать возможность считывания большого числа пикселей на высоких частотах полей. Известный дисперсионный способ определения включения основания в ДНК требует, например, приблизительно 15 элементов детектирования (например, фотодиодов) CCD-матрицы. Чтобы предоставлять разделение между реакциями секвенирования, требуется минимальная CCD-область приблизительно в 16×4 элементов детектирования. Согласно настоящему изобретению вместо считывания всех 64 (или, по меньшей мере, 15) аналоговых значений из элементов детектирования, представляющих один пиксель детектора, формируется один пиксельный выходной сигнал, который представляет включенное основание.

В частности, согласно настоящему изобретению, предоставляется схема преобразования сигналов, в которую вводятся сигналы детектирования из некоторого числа элементов детектирования, представляющих один пиксель и принимающих сигнал флуоресценции из одного источника флуоресцентных сигналов, причем эта схема преобразования сигналов затем преобразует упомянутое число сигналов детектирования в упомянутый один пиксельный выходной сигнал. Упомянутый пиксельный выходной сигнал формируется из входных сигналов детектирования так, что он указывает, какой, по меньшей мере, из двух элементов детектирования, которые соединяются с одной схемой преобразования сигналов, сформировал самый сильный сигнал детектирования.

Следовательно, известно положение элемента детектирования, который сформировал самый сильный сигнал детектирования в пикселе, которое по существу включает информацию относительно идентификационных данных источника флуоресцентных сигналов. Например, при применении для секвенирования ДНК посредством использования нуклеотидов с флуоресцентной меткой идентификационные данные основания, которое сформировало флуоресцентный сигнал, включаются в пиксельный выходной сигнал, поскольку положение элемента детектирования, который сформировал самый сильный сигнал детектирования, коррелируется с флуоресцентной меткой, и, следовательно, с основанием, поскольку различные типы оснований (A, G, C, T) помечаются по-разному.

Поскольку согласно настоящему изобретению только одно значение должно быть считано из каждого пикселя, а не, например, 15 или более значений, как в известных устройствах, скорость считывания может существенно повышаться, что предоставляет возможность более быстрого прохождения реакций секвенирования, например, посредством увеличенных концентраций нуклеотидов и более высоких температур, и больше реакций могут выполняться параллельно. Это существенно повышает пропускную способность устройства и предоставляет возможность очень быстрого выполнения применений для повторного секвенирования полного генома и генов.

В частности, для использования при секвенировании ДНК каждый пиксель содержит предпочтительно, по меньшей мере, четыре, в частности от восьми до шестнадцати элементов детектирования, чтобы получать более высокое разрешение и точность для детектирования того, какое основание приводит к флуоресцентному сигналу. Число элементов детектирования, например фотодиодов в CCD-матрице, также может быть больше в зависимости от требуемого разрешения и точности.

Предпочтительно, схема преобразования сигналов выполнена с возможностью формирования цифрового пиксельного выходного сигнала, который может легко и быстро считываться. Предпочтительно, если множество пикселей размещается в качестве матрицы вдоль столбцов и строк, как предложено согласно дополнительному варианту осуществления, детектор дополнительно содержит средство считывания и адресации для отдельной адресации и считывания упомянутых пиксельных выходных сигналов из упомянутых пикселей.

Использование цифрового пиксельного выходного сигнала является предпочтительным. Структура такой матрицы, например, известна из полупроводниковых запоминающих устройств и аналогичное средство считывания и адресации по строкам и столбцам, известное из технологии полупроводниковых запоминающих устройств, может применяться здесь. Например, цифровой пиксельный выходной сигнал может быть двоичным 4-битовым сигналом, причем упомянутые 4 бита кодируют положение элемента детектирования (из 16 элементов детектирования пикселя), имеющего самый сильный сигнал детектирования.

Настоящее изобретение предпочтительно использует технологию CMOS, посредством которой схема преобразования сигналов может быть преимущественно реализована в детекторе. Для отдельной адресации каждого элемента детектирования избирательный переключатель предпочтительно предоставляется для каждого элемента детектирования, который, в частности, реализуется посредством MOSFET-транзистора с каналом n-типа, в котором упомянутый избирательный переключатель может включаться и выключаться посредством использования сигнала адресации избирательного переключателя для предоставления возможности перенаправления выходного сигнала, сформированного посредством ассоциированного элемента детектирования, в ассоциированную схему преобразования сигналов. Во время детектирования, в общем, этот избирательный переключатель отключается, но в конце периода детектирования избирательные переключатели для всех элементов детектирования пикселя включаются, так что сигналы детектирования всех элементов детектирования пикселя одновременно предоставляются в схему преобразования сигналов для последующей обработки и обнаружения того, какой элемент детектирования сформировал самый сильный сигнал детектирования, и формирования соответствующего пиксельного выходного сигнала.

Согласно другому варианту осуществления средство считывания и адресации содержит переключатель сброса для каждого элемента детектирования, в частности MOSFET-транзистор с каналом n-типа, который может включаться и выключаться посредством использования сигнала сброса для сброса элемента детектирования после каждого периода детектирования.

Согласно еще одному другому варианту осуществления средство считывания и адресации содержит элемент преобразования напряжения в ток для каждого элемента детектирования для преобразования сигнала детектирования упомянутого элемента детектирования в сигнал тока детектирования. Упомянутый элемент преобразования напряжения в ток предпочтительно реализуется посредством MOSFET-транзистора с каналом p-типа, затвор которого соединяется с выводом ассоциированного элемента детектирования. Следовательно, сигнал детектирования, выведенный из элемента детектирования, управляет элементом преобразования напряжения в ток, который выводит больше тока, если элемент детектирования увеличивается. Это предоставляет простой, но эффективный способ реализации преобразования напряжения в ток.

Для формирования пиксельного выходного сигнала из введенных сигналов детектирования схема преобразования сигналов предпочтительно содержит схему по принципу "победитель получает все". Такие схемы по принципу "победитель получает все" являются общеизвестными в данной области техники, например, из работы Moses et al., "A "winner take all" IC for Determining the Crystal Interaction in PIT Detectors", IEEE Trans. Nuclear Science, издание 43, стр. 1615, 1996 год, или Oki, N., "Winner-Take-All Circuit Using CMOS Technology", Circuits and Systems, 1998, Proceedings, 1998, Midwest Symposium on Volume, изданной 9-12 августа 1998 года, стр. 568-570. Существуют различные варианты осуществления такой схемы по принципу "победитель получает все", которые могут, в общем, применяться здесь для преобразования сигналов. Такая схема параллельно принимает сигналы детектирования из всех соединенных элементов детектирования одного пикселя и имеет соответствующее число промежуточных выходных линий, т.е. одну промежуточную выходную линию для каждого элемента детектирования. Тем не менее, такая схема по принципу "победитель получает все" приспосабливается таким образом, что вследствие цепной реакции только на одной промежуточной выходной линии получается выходной сигнал высокого уровня, в частности сильный ток, который соответствует сигналу детектирования, который испускает самый сильный сигнал детектирования, тогда как на других промежуточных выходных линиях определяется выходной сигнал низкого уровня, в частности небольшой выходной ток. Эти промежуточные выходные линии соединяются с общей выходной линией, которая считывается, например, последовательно или параллельно, чтобы получать требуемый, предпочтительно цифровой, пиксельный выходной сигнал.

Согласно предпочтительному варианту осуществления схема по принципу "победитель получает все" содержит для каждого подключенного элемента детектирования:

- первый MOSFET-транзистор с каналом n-типа, в контактный вывод стока которого предоставляется сигнал тока детектора, представляющий сигнал детектирования, детектированный посредством упомянутого элемента детектирования, контактный вывод истока которого соединяется с опорным потенциалом, в частности потенциалом земли, и в контактный вывод затвора которого предоставляется предварительно определенный ток смещения, и

- второй MOSFET-транзистор с каналом n-типа, контактный вывод затвора которого соединяется с контактным выводом стока первого MOSFET-транзистора с каналом n-типа, контактный вывод истока которого соединяется с контактным выводом затвора первого MOSFET-транзистора с каналом n-типа и в него предоставляется упомянутый предварительно определенный ток смещения, и контактный вывод стока которого выводит выходной сигнал элемента детектора.

Схемы по принципу "победитель получает все" могут размещаться либо вне области множества пикселей, либо в области множества пикселей, в частности в области ассоциированных пикселей. Но также возможно то, что для каждого пикселя предусмотрены две схемы по принципу "победитель получает все", при этом первая схема по принципу "победитель получает все" размещается вне области множества пикселей, а вторая схема по принципу "победитель получает все" размещается в области множества пикселей (130), в частности, в области ассоциированных пикселей.

Как упомянуто выше, общая компоновка устройства может быть такой, как описано Pacific Biosciences в отношении источника освещения возбуждения, подложки, имеющей множество источников дискретных сигналов флуоресценции, расположенных на ней, и оптической системы. Следовательно, согласно предпочтительному варианту осуществления оптическая система содержит объектив, сфокусированный в первой фокальной плоскости на подложке, для одновременного сбора флуоресцентных сигналов из множества источников флуоресцентных сигналов на подложке, средство спектрального разделения для пространственного разделения спектральных компонент сигналов флуоресценции и фокусирующую линзу для приема пространственно разделенных спектральных компонент флуоресцентных сигналов и фокусировки их на детектор.

Краткое описание чертежей

Эти и другие аспекты изобретения станут понятны и будут объяснены со ссылкой на вариант(ы) осуществления, описанный далее в данном документе. На следующих чертежах:

Фиг.1 показывает схематичное представление устройства детектирования флуоресценции согласно настоящему изобретению,

Фиг.2 показывает диаграмму, иллюстрирующую типичные сигналы детектирования во времени и соответствующие спектры,

Фиг.3 иллюстрирует общую компоновку детектора согласно настоящему изобретению,

Фиг.4 показывает схему, иллюстрирующую дополнительные сведения по примерной компоновке детектора согласно настоящему изобретению,

Фиг.5A показывает вариант осуществления схемы одного пикселя детектора согласно настоящему изобретению,

Фиг.5B показывает вариант осуществления схемы по принципу "победитель получает все" согласно настоящему изобретению,

Фиг.6 показывает другой вариант осуществления схемы одного пикселя, включающей в себя схему по принципу "победитель получает все" согласно настоящему изобретению, и

Фиг.7 показывает другой вариант осуществления схемы одного пикселя, включающей в себя схему по принципу "победитель получает все", соединенную с внешней схемой по принципу "победитель получает все" согласно настоящему изобретению.

Подробное описание изобретения

Для секвенирования ДНК известны различные системы и способы. В конкретной примерной системе отдельные комплексные соединения полимеразы/матрицы/праймера ДНК, иммобилизированные на твердой подложке, освещаются с помощью света возбуждения в то время, когда они включают аналоги нуклеотидов с флуоресцентной меткой. Характерные флуоресцентные сигналы, исходящие из этих отдельных комплексных соединений, указывают, включен или нет данный нуклеотид посредством комплексного соединения. В некоторых способах, нуклеотиды с меткой фактически включены, при этом имея группу флуоресцентных меток. Невключенные флуоресцентные нуклеотиды затем смываются из иммобилизированного комплексного соединения, комплексное соединение освещается и флуоресцентные сигналы отслеживаются, чтобы определять наличие включенного флуоресцентного нуклеотида. Флуоресцентная метка затем удаляется из включенного нуклеотида и смывается из системы. Второй нуклеотид контактирует с комплексным соединением, и его включение либо отсутствие отслеживается идентичным способом. В некоторых аспектах, эти системы используют один тип нуклеотида в каждом этапе, требуя циклического процесса детального исследования комплексного соединения с помощью каждого из четырех типов нуклеотидов.

В другой системе, комплексное соединение полимеразы/матрицы/праймера предоставляется в ограниченном объеме освещения, который локализует освещение в области, включающей в себя одно комплексное соединение и не более. По мере того как нуклеотиды с меткой включаются посредством комплексного соединения, они удерживаются в объеме освещения в течение периодов, превышающих среднее время диффузии невключенных нуклеотидов, тем самым предоставляя характерный оптический сигнал, ассоциированный с этим включением. Дополнительно, посредством использования нуклеотидов, которые имеют флуоресцентную метку на бета-, гамма- или более удаленной фосфатной группе полифосфата нуклеозида, группа меток автоматически расщепляется во время включения. Результат заключается в том, что согласно характерному флуоресцентному сигналу включения, группа меток высвобождается так, что ее поведение больше напоминает произвольно рассеивающиеся нуклеотиды. В качестве дополнительного результата, можно отслеживать включения нуклеотидов в реальном времени по мере того, как они происходят. Посредством пометки каждого типа нуклеотида (например, A, G, C и T) с помощью спектрально отличимой флуоресцентной метки или красителя и мониторинга реакции для различных флуоресцентных сигналов, можно не только идентифицировать событие включения, но также и идентифицировать тип включенного нуклеотида.

Примерное устройство детектирования флуоресценции, в котором может применяться настоящее изобретение, схематично проиллюстрировано на фиг.1. Как показано, устройство 100 включает в себя один или более источников освещения возбуждения, т.е. лазеров 106. Свет возбуждения из лазера 106 направляется на область реакции, например область или карман 104 реакции на подложке 102, посредством оптической системы 108. Хотя оптические системы могут варьироваться в зависимости от требуемого варианта применения, как показано, луч возбуждения из лазера 106 направляется и отражается посредством дихроического зеркала 110 и передается в объектив 112, который фокусирует луч возбуждения на области/кармане 104 реакции подложки 102. Флуоресцентные сигналы, испускаемые из областей реакции в ответ на луч возбуждения, затем собираются посредством объектива 112 и, на основе их сдвинутой длины волны относительно луча возбуждения, передаются через дихроическое зеркало 110. Флуоресцентный сигнал затем фокусируется посредством фокусирующей линзы 116 на детекторе 118, который регистрирует падающий на него сигнал.

Как показано, флуоресцентный сигнал также может подвергаться спектральному разделению, чтобы выделять спектрально разные компоненты сигнала, которые исходят из разных реакций или разных событий в идентичной реакции. Как показано, спектральное разделение выполняется посредством прохождения флуоресцентного сигнала через дисперсионный оптический элемент, к примеру, клиновидную призму 114, чтобы направлять спектрально разные сигналы или компоненты сигнала в разные области детектора 118.

Сигналы, принятые посредством детектора 118, затем записываются и обрабатываются процессором, таким как компьютер 120, и отображаются в удобном для пользователя формате, к примеру на дисплее 122 или в распечатке 126 из принтера 124.

Дополнительные сведения относительно компоновки, реализации и функционирования такого устройства в целом, а также относительно детектирования на основе флуоресценции для секвенирования ДНК можно найти в WO 2008/1407588 A1, WO 2009/089056 A1 и в вышеуказанном кратком описании технологии Pacific Biosciences, на которое настоящим приводится ссылка и сведения которого включены сюда путем ссылки.

Типичные сигналы детектирования во времени и их спектры, собранные из одного объема наблюдений в разное время, показаны на фиг.2. Четыре временных сигнала, записанных в каждое время, принимаются из разного спектрального канала многокомпонентного анализа дисперсного света, собранного из объема наблюдений. На спектральных графиках сплошные кривые представляют эталонные спектры, собранные из каждого из четырех люминофоров в процессе калибровки. На каждом графике кривая сигнала (указываемая посредством S1-S4) со значениями погрешностей представляет фотонный поток, интегрированный по длительности всплеска в качестве функции от относительного спектрального положения. Показанные всплески флуоресценции представляют интегрированные SNR-отношения всплесков между 20 и 35. Следовательно, посредством сравнения спектра измеренного сигнала с этими эталонными спектрами, люминофор, посредством которого помечается нуклеотид и который приводит к флуоресцентному сигналу, может быть легко обнаружен.

Общая компоновка детектора, используемого согласно настоящему изобретению, в частности, в системе, показанной на фиг.1, в качестве детектора 118, проиллюстрирована на фиг.3. Детектор 118 содержит матрицу 128 из множества пикселей 130, размещаемых вдоль строк и столбцов, как, например, известно из запоминающих элементов полупроводникового запоминающего устройства, например, запоминающего устройства типа DRAM. Для целей адресации, переключения и сброса, т.е. для отдельной адресации, сброса и/или переключения отдельных пикселей и/или отдельных элементов детектирования пикселей, предоставляется надлежащее средство считывания и адресации, как, в общем, также известно из технологии полупроводниковых запоминающих устройств. В частности, в варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.3, упомянутое средство считывания и адресации содержит модуль 132 формирователя сигналов управления строками и модуль 134 формирователя сигналов управления столбцами. Модуль 132 формирователя сигналов управления строками, в частности, выполняет функцию выбора строки, т.е. отдельной адресации пикселей и/или элементов детектирования конкретной строки в матрице 128, а также сброса пикселей и/или элементов детектирования в конкретной строке. Модуль 134 формирователя сигналов управления столбцами, в частности, выполнен с возможностью отдельного считывания сигналов детектирования из отдельных элементов детектирования пикселей в столбце и преобразования сигналов детектирования элементов детектирования пикселя в один пиксельный выходной сигнал. Если требуется, этот пиксельный выходной сигнал затем может дополнительно обрабатываться или выводиться непосредственно.

Дополнительные сведения, в частности, варианта осуществления модуля 134 формирователя сигналов управления столбцами, показаны на фиг.4. В качестве примерного варианта осуществления предполагается, что пиксель 130 содержит 16 элементов детектирования, так что 16 сигналов детектирования выводятся из упомянутых элементов детектирования. Эти сигналы детектирования, в конечном счете, после некоторой предварительной обработки, как проиллюстрировано ниже, выводятся по шине 136 столбцов из 16 линий (если упомянутый конкретный пиксель адресуется посредством надлежащего сигнала адресации через подключенную шину 138 строк) в модуль 134 формирователя сигналов управления столбцами. Модуль 134 формирователя сигналов управления столбцами содержит, для каждого столбца (или в усовершенствованном варианте осуществления, для каждого пикселя), схему 140 преобразования сигналов для приема сигналов детектирования из всех элементов детектирования пикселя 130, который в данный момент считывается (поскольку управляется через шину 138 строк), и для формирования пиксельного выходного сигнала.

Схема 140 преобразования сигналов содержит, в этом примерном варианте осуществления, схему 142 по принципу "победитель получает все", схему 144 цифрового преобразования и регистр 146. Схема 142 по принципу "победитель получает все" принимает (в этом примере 16) сигналы детектирования и выводит соответствующее число промежуточных выходных сигналов. Вследствие цепной реакции, как дополнительно подробно поясняется ниже, только один из упомянутых промежуточных выходных сигналов является сигналом, имеющим высокую амплитуду входного сигнала, тогда как другие промежуточные выходные сигналы имеют низкую амплитуду входного сигнала. Эти промежуточные выходные сигналы предоставляются в схему 144 цифрового преобразования, которая преобразует упомянутые промежуточные выходные сигналы в цифровой сигнал. Например, в случае 16 выходных сигналов формируется двоичный 4-битовый цифровой пиксельный выходной сигнал, в котором кодируется информация относительно того, какой из упомянутых 16 промежуточных выходных сигналов имеет высокую амплитуду, и который тем самым также указывает, какой из упомянутых 16 элементов детектирования пикселя 130 выводит самый сильный сигнал детектирования. Упомянутый пиксельный выходной сигнал затем перенаправляется в регистр 146 для хранения до тех пор, пока он не может быть выведен по шине 148 вывода данных.

В модуле 134 формирователя сигналов управления столбцами предусмотрено N регистров 146 (в случае N столбцов), хранящих цифровые данные. В общем, тем не менее, только один регистр 146 может быть считан за один раз. Следовательно, в предпочтительном варианте осуществления предоставляется дополнительный сдвиговый регистр 150, который выбирает то, какой регистр 146 следует считывать. Он называется сдвиговым регистром, поскольку он сдвигает точку выбора на одно место каждый тактовый цикл.

Фиг.5A показывает примерный вариант осуществления главной схемы одного пикселя 130 в детекторе 118 согласно настоящему изобретению. Для примера, три элемента D1, D2, Dn детектирования показаны для пикселя 130, имеющего всего n (например, 16) этих элементов детектирования, предпочтительно размещаемых вдоль строки, чтобы принимать спектрально различные сигналы или компоненты сигнала, исходящие из одного источника флуоресцентных сигналов, как пояснено выше. Эти элементы D1, D2, Dn детектирования могут быть фотодетекторами.

Ссылаясь на фотодетектор D1 для дополнительного пояснения, фотодетектор D1 разряжает собственную емкость в течение полевого периода. MOSFET-транзистор T1 с каналом n-типа является переключателем сброса, испускающим импульсы каждый полевой период посредством сигнала RS сброса через линию 152 сброса, которая предпочтительно подключается к модулю 132 формирователя сигналов управления строками (см. фиг.3). Таким образом, переключатель T1 сброса испускает импульсы каждый полевой период, чтобы перезаряжать емкость фотодиода D1.

Напряжение V1 на катоде T1 фотодиода соединяется с затвором MOSFET-транзистора T2 с каналом p-типа, который выступает в качестве преобразователя напряжения в ток. Если фотодетектор D1 принимает множество фотонов, возникает большая разрядка, и, следовательно, напряжение затвор-исток транзистора T2 становится больше. Следовательно, он выводит больше тока по мере того, как смещается в своей области насыщения.

Выходной ток I1 транзистора T2 подается в схему 142 по принципу "победитель получает все" посредством MOSFET-транзистора T3 с каналом n-типа, который выступает в качестве избирательного переключателя. Упомянутый избирательный переключатель T3 испускает импульсы включения посредством сигнала SS выбора через линию 154 выбора, т.е. избирательный переключатель T3 испускает импульсы включения в конце полевого периода для этой строки пикселей и для всех элементов детектирования в пикселях упомянутой строки. Таким образом, токи I1-In, извлеченные из сигналов детектирования (т.е. напряжений V1-Vn), сформированных посредством упомянутых фотодетекторов D1-Dn, предоставляются в схему 142 по принципу "победитель получает все" параллельно по шине 136 столбцов. Линии шины для шины 136 столбцов могут по отдельности включаться и выключаться посредством отдельных переключателей 137 линий шины, которые управляются через адресную шину 139 линий шины.

Следует отметить, что линия 152 сброса и линия 154 выбора соответствуют адресной шине 138 строк, показанной на фиг.4.

На фиг.5B показан вариант осуществления схемы 142 по принципу "победитель получает все" для этого столбца пикселей, в котором упомянутые токи I1-In предоставляются через шину 136 столбцов. Схема 142 по принципу "победитель получает все" содержит, в этом примерном варианте осуществления, n пар MOSFET-транзисторов T4, T5 с каналом n-типа. Дополнительно, предоставляется источник 156 тока смещения для формирования и извлечения тока IB смещения через транзисторы T4 всех n пар транзисторов T4, T5. Этот ток IB смещения также задает напряжение затвора для транзистора T5, которое, в свою очередь, задает ток, который может протекать через него при фиксированном значении.

Пара транзисторов (из n пар транзисторов) схемы 142 по принципу "победитель получает все", которая имеет наибольший входной ток, т.е. в которую предоставляется наибольший ток I1-In (т.е. наибольший сигнал яркости), затем создает наибольшее напряжение стока на транзисторе T5, в сток которого предоставляется ток I1 из ассоциированного фотодиода D1. Сток транзистора T5 также подключается к затвору транзистора T4. Более высокое напряжение затвора на транзисторе T4, согласно более высокому напряжению стока, вызываемому посредством наибольшего входного тока, затем приводит к тому, что больше тока протекает в транзисторе T4. Поскольку ток через транзистор T4, тем не менее, является фиксированным посредством тока IB смещения, этот экстраток получается за счет других транзисторов T4 из других пар транзисторов T4, T5. Следовательно, напряжение затвора транзистора T4 других пар падает, и цепная реакция деактивируется, посредством чего весь ток IB смещения должен протекать только через один из транзисторов T4, т.е. тот один транзистор T4, который имеет наибольший ток, протекающий через его соответствующий транзистор T5. Следовательно, эта пара является "победителем", доставляющим промежуточный выходной сигнал I1_out высокого уровня (также называемый выходным сигналом элемента детектора) на промежуточной выходной линии 160-1, тогда как другие промежуточные выходные сигналы In_out на других промежуточных выходных линиях 160-n имеют низкую амплитуду.

Промежуточные выходные сигналы I1_out-In_out преобразуются в напряжение посредством резистора R и выводы задаются в цифровой форме посредством инвертора K. Результирующий сигнал затем выводится через пиксельную выходную шину 162, которая может иметь n параллельных линий или которая может быть мультиплексной шиной, в модуль 144 (цифрового) битового преобразования. Здесь, выходные сигналы преобразуются в цифровой пиксельный выходной сигнал, как пояснено выше.

Фиг.6 показывает другой вариант осуществления схемы пикселя 130, согласно которой схема по принципу "победитель получает все" является частью самого пикселя, а не частью модуля 134 формирователя сигналов управления столбцами, как в варианте осуществления, показанном на фиг.4 и 5. Общая компоновка схемы пикселя и схемы по принципу "победитель получает все" является идентичной варианту осуществления, показанному на фиг.4 и 5. "Победный" ток снова подается в резистор R, который создает напряжение, которое является высоким или низким. После резистора R идет инвертор K, который дает четко определенный высокий или низкий уровень. Этот сигнал возбуждает столбец на шине 136 столбцов.

Следовательно, согласно этому варианту осуществления схема по принципу "победитель получает все" отсутствует в модуле 134 формирователя сигналов управления столбцами. Данные предоставляются напрямую в модуль 144 битового преобразования. Это должно обеспечивать быстрое считывание пикселей, но пиксель становится более сложным по сравнению с вариантом осуществления, показанным на фиг.4 и 5.

Фиг.7 показывает еще один другой вариант осуществления, согласно которому как пиксель 130, так и схема 134 формирователя сигналов управления столбцами имеют схему по принципу "победитель получает все", которая является гибридной схемой вариантов осуществления, показанных на фиг.4 и 5 и фиг.6. Тем не менее, схема 142 по принципу "победитель получает все"' в модуле 134 формирователя сигналов управления столбцами теперь имеет канал p-типа, т.е. имеет MOSFET-транзисторы T4' и T5' с каналом p-типа, чтобы согласовываться с внутрипиксельной схемой по принципу "победитель получает все" с каналом n-типа в пикселе, имеющей MOSFET-транзисторы T4 и T5 с каналом n-типа. Этот вариант осуществления, таким образом, является некоторым компромиссным решением, дающим в результате простую пиксельную схему, а также предоставляющим быстрое считывание. Выводы схемы 142 по принципу "победитель получает все"' идут в модуль 144 битового преобразования.

Поскольку столбец имеет большую емкость, небольшие разности токов не переносятся сразу в схему 142 по принципу "победитель получает все" в модуле 134 формирователя сигналов управления столбцами. Следовательно, вариант осуществления, показанный на фиг.5A и 5B, может быть менее быстрым, чем в идеальном случае. Внутрипиксельная схема по принципу "победитель получает все", предоставляемая в варианте осуществления, показанном на фиг.6, быстро создает большую разность токов в пикселе, которая первоначально, при переносе по столбцу в схему 142 по принципу "победитель получает все" в модуле 134 формирователя сигналов управления столбцами, является небольшой разностью токов. Эта схема 142 по принципу "победитель получает все", тем не менее, быстро усиливает эту небольшую разницу, чтобы формировать решение быстрее схемы, показанной на фиг.5A и 5B.

Посредством настоящего изобретения могут быть получены высокие частоты полей и большое число пикселей может быть одновременно считано. В частности, может отслеживаться множество источников дискретных сигналов флуоресценции. Таким образом, изобретение преодолевает ограничения детекторов тока, которые основаны на CCD-технологии, которые при применении в системах секвенирования ДНК быстро достигают своих эксплуатационных ограничений с точки зрения скорости работы. Настоящее изобретение может применяться в таких системах секвенирования ДНК, чтобы отслеживать очень быстрые дискретные флуоресцентные сигналы. Например, одна молекула одноцепочечной ДНК потенциально может иметь основания, включенные посредством полимеразы со скоростью 10-100 в секунду. Эти события, которые происходят произвольно во времени, могут захватываться посредством детектора согласно настоящему изобретению, который имеет достаточно высокую скорость считывания, например 1 кГц. Каждый участок секвенирования должен иметь одну молекулу ДНК, которая обрабатывается, и используемое в данный момент число 3000 участков может быть увеличено. Предложенное внутрипиксельное сжатие данных и аналого-цифровое преобразование предоставляют возможность конструирования детектора таким образом, чтобы и обрабатывать большое число пикселей (т.е. может визуализировать множество участков секвенирования) и являться очень быстрым, поскольку считывание цифровых значений из пикселя в большой матрице может выполняться намного быстрее, чем аналоговых данных.

Следует отметить, что секвенирование в контексте настоящего изобретения и его вариантов осуществления не ограничивается ДНК, но также относится и к секвенированию, при котором конечная цель состоит в том, чтобы детектировать пары оснований нуклеиновой кислоты, например РНК, ПНК, ЛНК.

Хотя изобретение подробно проиллюстрировано и описано на чертежах и в вышеприведенном описании, такая иллюстрация и описание должны считаться иллюстративными или примерными, а не ограничивающими; изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. Другие вариации в раскрытых вариантах осуществления могут пониматься и выполняться специалистами в данной области техники, применяющими на практике заявленное изобретение, из изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения.

В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает другие элементы или этапы и наличие единственного числа не исключает множество. Один элемент или другой модуль может выполнять функции нескольких элементов, изложенных в формуле изобретения. Простой факт того, что определенные средства упомянуты в различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает того, что комбинация этих средств не может быть выгодно использована.

Все ссылки с номерами в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие объем.

Изобретение предназначено для мониторинга множества дискретных сигналов флуоресценции, в частности для секвенирования ДНК посредством использования нуклеотидов с флуоресцентной меткой. Детектор (118) содержит множество пикселей (130) для отдельного детектирования упомянутых сигналов флуоресценции из множества источников (104) флуоресцентных сигналов, при этом каждый пиксель (130) содержит предварительно определенное число из, по меньшей мере, двух элементов (D1, Dn) детектирования для детектирования принимаемого флуоресцентного сигнала и для формирования сигналов детектирования, а также схему (140) преобразования сигналов для приема упомянутых сигналов детектирования из упомянутых, по меньшей мере, двух элементов (D1, Dn) детектирования и для формирования пиксельного выходного сигнала, указывающего, какой из упомянутых, по меньшей мере, двух элементов (D1, Dn) детектирования сформировал самый сильный сигнал детектирования. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Детектор (118) для детектирования флуоресцентных сигналов из множества источников (104) флуоресцентных сигналов,
причем упомянутый детектор (118) содержит:
- множество пикселей (130) для отдельного детектирования упомянутых флуоресцентных сигналов из множества источников флуоресцентных сигналов, причем каждый пиксель (130) содержит предварительно определенное число из, по меньшей мере, двух элементов (D1, Dn) детектирования для детектирования принимаемого флуоресцентного сигнала и для формирования сигналов детектирования, и
- схему (140) преобразования сигналов для приема упомянутых сигналов детектирования из упомянутых, по меньшей мере, двух элементов (D1, Dn) детектирования и для формирования пиксельного выходного сигнала, указывающего, какой из упомянутых, по меньшей мере, двух элементов детектирования сформировал самый сильный сигнал детектирования.

2. Детектор по п.1,
в котором каждый пиксель (130) содержит, по меньшей мере, четыре, в частности, от 8 до 16 элементов (D1, Dn) детектирования.

3. Детектор по п.1,
в котором упомянутая схема (140) преобразования сигналов выполнена с возможностью формирования цифрового пиксельного выходного сигнала.

4. Детектор по п.1,
в котором упомянутое множество пикселей (130) размещается в виде матрицы вдоль столбцов и строк и при этом упомянутый детектор дополнительно содержит средство (132, 134) считывания и адресации для отдельной адресации и считывания упомянутых пиксельных выходных сигналов из упомянутых пикселей.

5. Детектор по п.4,
в котором упомянутое средство считывания и адресации содержит избирательный переключатель (T3) для каждого элемента детектирования, в частности MOSFET-транзистор (полевой МОП-транзистор) с каналом n-типа, который может включаться и выключаться посредством использования сигнала (SS) адресации избирательного переключателя для предоставления возможности перенаправления выходного сигнала, сформированного посредством ассоциированного элемента (D1) детектирования, в ассоциированную схему (140) преобразования сигналов.

6. Детектор по п.4,
в котором упомянутое средство считывания и адресации содержит переключатель (T1) сброса для каждого элемента детектирования, в частности MOSFET-транзистор с каналом n-типа, который может включаться и выключаться посредством использования сигнала (RS) сброса для сброса элемента (D1) детектирования после каждого периода детектирования.

7. Детектор по п.4,
в котором упомянутое средство считывания и адресации содержит элемент (T2) преобразования напряжения в ток для каждого элемента детектирования для преобразования сигнала (V1) детектирования упомянутого элемента детектирования в сигнал (I1) тока детектора.

8. Детектор по п.7,
в котором упомянутый элемент (T2) преобразования напряжения в ток содержит MOSFET-транзистор с каналом p-типа, затвор которого соединяется с выводом ассоциированного элемента (D1) детектирования.

9. Детектор по п.1,
в котором упомянутая схема (140) преобразования сигналов содержит схему (142) по принципу "победитель получает все".

10. Детектор по п.9,
в котором упомянутая схема (142) по принципу "победитель получает все" содержит для каждого подключенного элемента детектирования:
- первый MOSFET-транзистор (T4) с каналом n-типа, в контактный вывод стока которого предоставляется сигнал (I1) тока детектора, представляющий сигнал детектирования, детектированный посредством упомянутого элемента (D1) детектирования, контактный вывод истока которого соединяется с опорным потенциалом, в частности потенциалом земли, и в контактный вывод затвора которого предоставляется предварительно определенный ток (IB) смещения, и
- второй MOSFET-транзистор (T5) с каналом n-типа, контактный вывод затвора которого соединяется с контактным выводом стока первого MOSFET-транзистора (T4) с каналом n-типа, контактный вывод истока которого соединяется с контактным выводом затвора первого MOSFET-транзистора (T4) с каналом n-типа и в него предоставляется упомянутый предварительно определенный ток (IB) смещения и контактный вывод стока которого выводит выходной сигнал (I1_out) элемента детектора.

11. Детектор по п.9,
в котором упомянутые схемы (142) по принципу "победитель получает все" размещаются вне области множества пикселей (130).

12. Детектор по п.9,
в котором упомянутые схемы по принципу "победитель получает все" размещаются в области множества пикселей (130), в частности в области ассоциированных пикселей (128).

13. Детектор по п.9,
в котором для каждого пикселя ассоциированы две схемы по принципу "победитель получает все", при этом первая схема по принципу "победитель получает все" размещается вне области множества пикселей (130), а вторая схема по принципу "победитель получает все" размещается в области множества пикселей (130), в частности в области ассоциированных пикселей (128).

14. Устройство для мониторинга множества дискретных флуоресцентных сигналов, в частности для секвенирования ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) посредством использования нуклеотидов с флуоресцентной меткой, содержащее:
- подложку (102), имеющую множество источников (104) дискретных флуоресцентных сигналов, расположенных на ней;
- источник (106) освещения возбуждения;
- детектор (118) для детектирования флуоресцентных сигналов из множества источников флуоресцентных сигналов; и
- оптическую систему (110, 112, 114, 116), размещенную так, чтобы одновременно направлять освещение возбуждения из источника освещения возбуждения на упомянутое множество источников дискретных флуоресцентных сигналов на подложке и направлять флуоресцентные сигналы из множества источников флуоресцентных сигналов на детектор,
- при этом упомянутый детектор (118) содержит:
- множество пикселей (130) для отдельного детектирования упомянутых флуоресцентных сигналов из множества источников флуоресцентных сигналов, причем каждый пиксель (130) содержит предварительно определенное число из, по меньшей мере, двух элементов (D1, Dn) детектирования для детектирования принимаемого флуоресцентного сигнала и для формирования сигналов детектирования, и
- схему (140) преобразования сигналов для приема упомянутых сигналов детектирования из упомянутых, по меньшей мере, двух элементов детектирования и для формирования пиксельного выходного сигнала, указывающего, какой из упомянутых, по меньшей мере, двух элементов детектирования сформировал самый сильный сигнал детектирования.

15. Устройство по п.14,
в котором упомянутая оптическая система содержит объектив (112), сфокусированный в первой фокальной плоскости на подложке (102), для одновременного сбора флуоресцентных сигналов из множества источников (104) флуоресцентных сигналов на подложке (102), средство (114) спектрального разделения для пространственного разделения спектральных компонент сигналов флуоресценции и фокусирующую линзу (116) для приема пространственно разделенных спектральных компонент флуоресцентных сигналов и фокусировки их на детектор (118).