СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ ОЦЕНКИ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБ Российский патент 2019 года по МПК G01N21/64 

Уровень техники изобретения

Область техники настоящего изобретения

Настоящее изобретение в целом относится к системам, устройствам и способам наблюдения, тестирования и/или анализа одной или более биологических проб, а более конкретно - к системам, устройствам и способам, содержащим оптическую систему для наблюдения, тестирования и/или анализа одной или более биологических проб.

Описание предшествующего уровня техники

Краткое описание чертежей

Варианты осуществления настоящего изобретения можно лучше понять из следующего подробного описания при прочтении совместно с приложенными фигурами. Такие варианты осуществления, которые представлены только для иллюстративных целей, изображают новые и неочевидные аспекты настоящего изобретения. Фигуры включают следующие фигуры:

ФИГ. 1 представляет собой схематическое изображение системы, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

ФИГ. 2 представляет собой схематическое изображение источника возбуждения, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

ФИГ. 3 представляет собой нормализованный график спектра различных источников света, включая источник света, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

ФИГ. 4 представляет собой график спектрального объединения относительно различных диапазонов длин волн для спектров источников света, показанных на ФИГ. 3

ФИГ. 5 и 6 представляет собой виды в перспективе корпуса инструмента, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

ФИГ. 7 представляет собой объемное изображение модели оптической и обрабатывающей пробы системы, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

ФИГ. 8 представляет собой увеличенное объемное изображение модели оптической системы, показанной на ФИГ. 7.

ФИГ. 9 представляет собой покомпонентное изображение части обрабатывающей пробы системы, показанной на ФИГ. 7.

ФИГ. 10 представляет собой вид в разрезе части оптической системы, показанной на ФИГ. 7.

ФИГ. 11 представляет собой вид в перспективе сверху блока воспроизведения изображений, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

ФИГ. 12 представляет собой вид в разрезе блока визуализации, показанного на ФИГ. 11

ФИГ. 13 и 14 представляют собой виды в перспективе снизу блока визуализации, показанного на ФИГ. 11.

ФИГ. 15-17 представляют собой увеличенные виды частей блока визуализации, показанного на ФИГ. 11.

ФИГ. 18 представляет собой вид в разрезе системы, показанной на ФИГ. 6 и 8.

ФИГ. 19 и 20 представляют собой схематические изображения системы, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание чертежей

Используемые в настоящем документе выражения «излучение» или «электромагнитное излучение» означают энергию излучения, высвобождаемую в некоторых электромагнитных процессах, которая может включать одно или более из видимого света (например, энергия излучения, характеризующаяся одной или более длинами волн от 400 нанометров до 700 нанометров или от 380 нанометров до 800 нанометров) или невидимого электромагнитного излучения (например, инфракрасное излучение, излучение в ближней инфракрасной области, ультрафиолетовое (УФ) излучение, рентгеновское излучение или гамма-излучение).

Используемый в настоящем документе источник возбуждения означает источник электромагнитного излучения, который может быть направлен по меньшей мере на одну пробу, содержащий одно или более химических соединений, так что электромагнитное излучение взаимодействует по меньшей мере с одной пробой для получения эмиссионного электромагнитного излучения, которое является индикацией состояния по меньшей мере одной пробы. Источник возбуждения может содержать источник света. Используемое в настоящем документе выражение «источник света» относится к источнику электромагнитного излучения, содержащему спектр электромагнитных волн с пиковой или максимальной выдачей (например, мощностью, энергией или интенсивностью), которая находится в пределах диапазона видимых длин волн электромагнитного спектра (например, электромагнитное излучение в пределах длин волн в диапазоне от 400 нанометров до 700 нанометров или в диапазоне от 380 нанометров до 800 нанометров). Дополнительно или в качестве альтернативы, источник возбуждения может содержать электромагнитное излучение в пределах, по меньшей мере, части инфракрасной (ближняя инфракрасная область, средняя инфракрасная область и/или дальняя инфракрасная область) или ультрафиолетовой (ближняя ультрафиолетовая область и/или дальняя ультрафиолетовая область) частей электромагнитного спектра. Дополнительно или в качестве альтернативы, источник возбуждения может содержать электромагнитное излучение в других диапазонах длин волн электромагнитного спектра, например, в рентгеновской и/или радиоволновой частях электромагнитного спектра. Источник возбуждения может содержать один источник света, например, лампу накаливания, газоразрядную электролампу (например, галогенную лампу, ксеноновую лампу, аргоновую лампу, криптоновую лампу и т.д.), светоизлучающий диод (СИД), органический СИД (ОСИД), лазер или подобное. Источник возбуждения может содержать множество отдельных источников света (например, множество СИД или лазеров). Источник возбуждения может также содержать один или более фильтров возбуждения, таких как высокочастотный фильтр, низкочастотный фильтр или полосный фильтр. Например, фильтр возбуждения может содержать светофильтр и/или дихроичный фильтр. Источник возбуждения содержит один луч или множество лучей, которые разнесены в пространстве и/или времени.

Используемая в настоящем документе «эмиссия» означает электромагнитное излучение, полученное в результате взаимодействия излучения от источника возбуждения с одной или более пробами, содержащими или, как предполагается, содержащими одну или более интересующих химических и/или биологических молекул или соединений. Эмиссия может происходить вследствие отражения, преломления, поляризации, поглощения и/или другого оптического эффекта пробы на излучение от источника возбуждения. Например, эмиссия может содержать люминесценцию или флуоресценцию, индуцируемую поглощением электромагнитного излучения возбуждения одной или более пробами. Используемый в настоящем документе «эмиссионный свет» относится к эмиссии, содержащей электромагнитный спектр с пиковой или максимальной выдачей (например, мощностью, энергией или интенсивностью), которая находится в пределах видимого диапазона электромагнитного спектра (например, электромагнитное излучение в пределах длины волн в диапазоне от 420 нанометров до 700 нанометров).

Используемая в настоящем документе линза означает оптический элемент, выполненный с возможностью направления или фокусировки случайного электромагнитного излучения так, чтобы сводить или отклонять такое излучение, например, для обеспечения реального или виртуального изображения или на ограниченном расстоянии, или в оптической бесконечности. Линза может содержать один оптический элемент с оптической мощностью, обеспечиваемой преломлением, отражением и/или дифракцией случайного электромагнитного излучения. В качестве альтернативы, линза может содержать сложную систему, содержащую множество оптических элементов, например, включая, помимо прочего, ахроматическую линзу, двойную линзу, тройную линзу или объектив камеры. Линза может по меньшей мере частично находиться в или по меньшей мере частично помещаться в корпусе линзы или оправе линзы.

Используемое в настоящем документе выражение «оптическая мощность» означает способность линзы или оптического элемента сводить или отклонять свет для обеспечения фокуса (реального или виртуального) при распространении в воздухе. Используемое в настоящем документе выражение «фокусное расстояние» означает величину, обратную оптической мощности. Используемое в настоящем документе выражение «дифракционная мощность» или «дифракционная оптическая мощность» означает мощность линзы или оптического элемента, или его части, связанную с дифракцией случайного света на один или более порядков дифракции. Если не указано иное, оптическая мощность линзы или оптического элемента считается от основной плоскости, связанной с линзой или оптическим элементом (например, главной плоскостью оптического элемента).

Используемое в настоящем документе выражение «Биологическая проба» означает пробу или раствор, содержащий любой тип биологического или химического компонента и/или любую целевую молекулу, интересующую пользователя, производителя или распространителя различных вариантов осуществления настоящего изобретения, описанных или предложенных в настоящем документе, а также любая проба или раствор, содержащий родственные химические вещества или соединения, используемые для цели проведения биологического анализа, эксперимента или теста. Эти биологические химические вещества, компоненты или целевые молекулы могут содержать, помимо прочего, последовательности ДНК (включая бесклеточную ДНК), последовательности РНК, гены, олигонуклеотиды, молекулы, белки, биомаркеры, клетки (например, эмболические опухолевые клетки) или любую другую подходящую целевую биомолекулу. Биологическая проба может содержать одно или более из по меньшей мере одной целевой последовательности нуклеиновой кислоты, по меньшей мере одного праймера, по меньшей мере одного буфера, по меньшей мере одного нуклеотида, по меньшей мере одного фермента, по меньшей мере одного очищающего средства, по меньшей мере одного блокирующего агента или по меньшей мере одного красителя, маркера и/или пробы, подходящих для обнаружения целевой или эталонной последовательности нуклеиновой кислоты. В различных вариантах осуществления такие биологические компоненты можно использовать совместно с одной или более методами и системами ПЦР в применениях, таких как диагностика внутриутробного развития, множественная цПЦР, обнаружение вирусов и стандарты количественной оценки, определение генотипа, анализ, эксперименты или протоколы определения последовательностей, проверка последовательностей, обнаружение мутаций, обнаружение генетически модифицированных организмов, обнаружение редких аллелей и/или изменение числа копий.

В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, один или более проб или растворов, содержащих по меньшей мере одну интересующую биологическую цель, могут содержаться в, распределяться на или разделяться на множество небольших объемов проб или зон реакции (например, объемы или зоны меньшие или равные 10 нанолитрам, меньшие или равные 1 нанолитру или меньшие или равные 100 пиколитрам). Области реакции, раскрытые в настоящем документе, в целом показаны как содержащиеся в лунках, расположенных в материале подложки; однако, другие формы областей реакции, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, могут включать области реакции, расположенные в сквозных отверстиях или вырезах, образованных в носителе, капли раствора, распределенные на поверхности носителя, пробы или растворы, расположенные на испытательных стендах или в объемах капиллярной или микрофлюидной системы или в пределах или на множестве микрошариков или микросфер.

Хотя устройства, инструменты, системы и способы, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, в целом направлены на цПЦР и кПЦР, варианты осуществления настоящего изобретения могут быть применимы для любых процессов, эксперимента, анализов или протоколов ПЦР, где большое число областей реакции обрабатываются, наблюдаются и/или измеряются. При анализе или эксперименте цПЦР, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, разбавленный раствор, содержащий по меньшей мере одну целевую полинуклеотидную или нуклеотидную последовательность, подразделяют на множество областей реакции так, что по меньшей мере некоторые из этих областей реакции содержат или одну молекулу целевой нуклеотидной последовательности, или не содержат целевых нуклеотидных последовательностей. Когда области реакции затем подвергают циклическому изменению температуры в протоколе, процедуре, анализе, процессе или эксперименте ПЦР, области реакции, содержащие одну или более молекул целевой нуклеотидной последовательности сильно усиливаются и дают положительный, детектируемый сигнал обнаружения, тогда как области, не содержащие ни одной целевой нуклеотидной последовательности(ей), не усиливаются и не дают сигнал обнаружения или дают сигнал, который ниже заранее определенного порогового значения или уровня шума. Используя статистику Пуассона, число целевых нуклеотидных последовательностей в исходном растворе, распределенном между областями реакции, может быть коррелировано с числом областей реакции, дающих положительный сигнал обнаружения. В некоторых вариантах осуществления обнаруженный сигнал можно использовать для определения числа или диапазона чисел целевых молекул, содержащихся в исходном растворе. Например, система обнаружения может быть выполнена с возможностью различения областей реакции, содержащих одну целевую молекулу, и областей реакции, содержащих две или по меньшей мере две целевые молекулы. Дополнительно или в качестве альтернативы, система обнаружения может быть выполнена с возможностью различения областей реакции, содержащих число целевых молекул, которое составляет заранее определенное число или меньшее, и областей реакции, содержащих число, большее заранее определенного количества. В некоторых вариантах осуществления, процессы, анализы или протоколы как кПЦР, так и цПЦР проводят при помощи одного из таких устройств, инструментов или систем и способов.

Ссылаясь на ФИГ. 1, система, устройство или инструмент 100 для биологического анализа содержит одно или более из электронного процессора, компьютера или контроллера 200, базы, держателя или узла 300 блока для проб, выполненного с возможностью приема и/или обработки биологической или биохимической пробы, и/или оптическую систему, прибор или инструмент 400. Без ограничения объема настоящего изобретения, система 100 может содержать инструмент для определения последовательностей, инструмент для полимеразной цепной реакции (ПЦР) (например, инструмент для ПЦР (кПЦР) в режиме реального времени и/или инструмент для цифровой ПЦР (цПЦР)), инструмент для капиллярного электрофореза, инструмент для получения информации о генотипе или подобное.

Электронный процессор 200 выполнен с возможностью контроля, отслеживания и/или приема данных от оптической системы 400 и/или базы 300. Электронный процессор 200 может быть физически интегрирован в оптическую систему 400 и/или базу 300. Дополнительно или в качестве альтернативы, электронный процессор 200 может быть отделен от оптической системы 400 и базы 300, например, внешний стационарный компьютер, портативный компьютер, нетбук, планшетный компьютер или подобное. Связь между электронным процессором 200 и оптической системой 400 и/или базой 300 может осуществляться непосредственно путем физического соединения, такого как USB-кабель или подобное, и/или косвенно посредством беспроводного или сетевого соединения (например, посредством Wi-Fi соединения, локальной вычислительной сети, интернет-соединения, облачного соединения или подобного). Электронный процессор 200 может включать электронное хранилище памяти, содержащее инструкции, программы, алгоритмы, тесты и/или параметры конфигурации, тестовые и/или экспериментальные данные или подобное. Электронный процессор 200 может быть выполнен с возможностью, например, обеспечения работы различных компонентов оптической системы 400 или получения и/или обработки данных, предоставляемых базой 300. Например, электронный процессор 200 может быть использован для получения и/или обработки оптических данных, предоставляемых одной или более фотодетекторами оптической системы 400.

В некоторых вариантах осуществления, электронный процессор 200 может быть интегрирован в оптическую систему 400 и/или базу 300. Электронный процессор 200 может связываться с внешним компьютером и/или передавать данные на внешний компьютер для дальнейшей обработки, например, при помощи проводного соединения, локальной вычислительной сети, интернет-соединения, облачной системы или подобного. Внешний компьютер может быть физическим компьютером, таким как стационарный компьютер, портативный компьютер, нетбук, планшетный компьютер или подобное, который расположен в или вблизи системы 100. Дополнительно или в качестве альтернативы, или один из, или оба из внешнего компьютера и электронного процессора 200 могут содержать виртуальное устройство или систему, такую как облачная вычислительная или запоминающая система. Данные могут передаваться между ними двумя посредством беспроводного соединения, облачного хранилища или вычислительной системы, или подобного. Дополнительно или в качестве альтернативы, данные из электронного процессора 200 (например, от оптической системы 400 и/или базы 300) могут быть переданы в устройство внешнего хранилища памяти, например, внешний жесткий диск, модуль USB-памяти, облачную систему хранения или подобное.

В некоторых вариантах осуществления, база 300 выполнена с возможностью приема держателя проб или носителя 305 пробы. Держатель 305 пробы может содержать множество или ряд пространственно разнесенных областей, мест или положений 308 реакции для вмещения соответствующего множества или ряда биологических или биохимических проб 310. Области 308 реакции могут содержать любое множество объемов или положений, изолирующих или выполненных с возможностью изоляции множества биологических или биохимических проб 310. Например, области 308 реакции могут содержать множество сквозных отверстий или лунок в подложке или узле (например, лунки для проб в стандартном микротитрационном планшете), множество шариков с пробами, микрошариков или микросфер в канале, капилляре или камере, множество различных положений в проточной кювете, множество капель проб на поверхности носителя или множество лунок или отверстий, выполненных с возможностью приема держателя проб (например, углублений в узле блока для проб, выполненного с возможностью приема микротитрационного планшета).

База 300 может содержать узел блока для проб, выполненный с возможностью регулирования температуры держателя 305 пробы и/или биологических проб 310. Узел 300 блока для проб может содержать одно или более из блока для проб, устройства Пельтье или другого аппарата для контроля или циклического изменения температуры, и/или теплопоглощающее устройство (например, для помощи при стабилизации температуры). База 300 может содержать терморегулятор или термоциклер, например, для обеспечения или проведения анализа ПЦР.

Реакционный аппарат 300 может содержать держатель 305 пробы. По меньшей мере некоторые зоны 308 реакции могут содержать один или более биологических проб 310. Биологические или биохимические пробы 310 могут включать одно или более из по меньшей мере одной целевой последовательности нуклеиновой кислоты, по меньшей мере одного праймера, по меньшей мере одного буфера, по меньшей мере одного нуклеотида, по меньшей мере одного фермента, по меньшей мере одного очищающего средства, по меньшей мере одного блокирующего агента или по меньшей мере одного красителя, маркера и/или пробы, подходящих для обнаружения целевой или эталонной последовательности нуклеиновой кислоты. Держатель 305 пробы может быть сконфигурирован для выполнения по меньшей мере одного из анализа ПЦР, анализа последовательностей или анализа капиллярным электрофорезом, блот-анализа. В некоторых вариантах осуществления, держатель 305 пробы может содержать одно или более из микротитрационного планшета, подложки, содержащей множество лунок или сквозных отверстий, подложки, содержащей один или более каналов или капилляров, или камеры, содержащей множество шариков или сфер, содержащих одну или более биологических проб. Области 308 реакции могут содержать одно или более из множества лунок, множества сквозных отверстий в носителе, множества отдельных мест на подложке или в канале или капилляре, множества микрошариков или микросфер в реакционном объеме или подобного. Держатель 305 пробы может содержать микротитрационный планшет, например, в котором области 308 реакции могут содержать по меньшей мере 96 лунок, по меньшей мере 384 или по меньшей мере 1536 лунок.

В некоторых вариантах осуществления, держатель 305 пробы может содержать подложку, включающую в себя первую поверхность, противолежащую вторую поверхность и множество сквозных отверстий, расположенных между поверхностями, причем множество сквозных отверстий выполнено с возможностью вмещения одной или более биологических проб, например, как описано в публикации патентных заявок US 2014-0242596 и WO 2013/138706, которые включены в настоящий документ ссылкой, как если бы они были полностью указаны в настоящем документе. В таких вариантах осуществления, носитель может содержать по меньшей мере 3096 сквозных отверстий или по меньшей мере 20000 сквозных отверстий. В некоторых вариантах осуществления, держатель 305 пробы может содержать матрицу капилляров, выполненных с возможностью пропускания одной или более целевых молекул или ряда молекул.

В некоторых вариантах осуществления, система 100 может, при необходимости, содержать нагреваемую или терморегулируемую крышку 102, которая может находиться над держателем 305 пробы 305 и/или базой. Нагреваемую крышку 102 можно использовать, например, для предотвращения конденсации над пробами, находящимися в держателе 305 пробы, что может способствовать сохранению оптического доступа к биологическим капель пробам 310.

В некоторых вариантах осуществления, оптическая система 400 содержит источник возбуждения, источник освещения, источник излучения или источник 402 света, который дает, по меньшей мере, первый пучок 405a возбуждения, характеризующийся первой длиной волны, и второй пучок 405b возбуждения, характеризующийся второй длиной волны, которая отличается от первой длины волны. Оптическая система 400 также содержит оптический датчик или оптический детектор 408, выполненный с возможностью приема эмиссий или излучения от одной или более биологических проб в ответ на источник 410 возбуждения и/или на один или более пучков 405a, 405b возбуждения. Оптическая система 400 дополнительно содержит оптическую систему 410 возбуждения, расположенную вдоль пути 412 оптического возбуждения от источника 402 возбуждения до одной или более биологических проб, которые следует осветить. Оптическая система 400 дополнительно содержит оптическую систему 415 эмиссии, расположенную вдоль оптического пути 417 эмиссии от освещенной(ых) пробы(б) до оптического датчика 408. В некоторых вариантах осуществления, оптическая система 400 может содержать разделитель 420 пучка. Оптическая система 400 может, при необходимости, содержать поглотитель пучка или отражатель 422 излучения, выполненный с возможностью снижения или предотвращения отражения излучения в оптический путь 417 эмиссии от источника 402 возбуждения, которое сталкивается со разделителем 420 пучка.

В изображенном варианте осуществления, показанном на ФИГ. 1, а также других вариантах осуществления настоящего изобретения, раскрытого в настоящем документе, источник 402 возбуждения содержит источник 425 излучения. Источник 425 излучения может содержать одно или более из по меньшей мере одной лампы накаливания, по меньшей мере одной газоразрядной электролампы, по меньшей мере одного светоизлучающего диода (СИД), по меньшей мере одного органического светоизлучающего диода и/или по меньшей мере одного лазера. Например, источник 425 излучения может содержать по меньшей мере одну галогенную лампу, ксеноновую лампу, аргоновую лампу, криптоновую лампу, диодный лазер, аргоновый лазер, ксеноновый лазер, эксимерный лазер, твердотельный лазер, гелий-неоновый лазер, лазер на красителе или их комбинации. Источник 425 излучения может содержать источник света, характеризующийся максимальной или центральной длиной волны в видимой области электромагнитного спектра. Дополнительно или в качестве альтернативы, источник 425 излучения может содержать источник ультрафиолетового, инфракрасного излучения или излучения в ближней инфракрасной области с соответствующей максимальной или центральной длиной волны в одном из этих диапазонов длины волн электромагнитного спектра. Источник 425 излучения может быть источником широкополосного спектра, например, с шириной спектральной полосы по меньшей мере 100 нанометров, по меньшей мере 200 нанометров или по меньшей мере 300 нанометров, где ширина спектральной полосы определяется как диапазон, в котором интенсивность, энергия или выходная мощность больше, чем заранее определенное число (например, где заранее определенное число составляет число на уровне или приблизительно 1%, 5% или 10% от максимальной или центральной длины волны источника излучения). Источник 402 возбуждения может дополнительно содержать линзу 428 источника, выполненную с возможностью установки эмиссий от источника 425 излучения, например, для увеличения величины излучения возбуждения, принимаемого в держателе 305 пробы и/или в биологических пробах 310. Линза 428 источника может содержать простую линзу или может быть сложной линзой, содержащей два или более элементов.

В некоторых вариантах осуществления, источник 402 возбуждения также содержит два или более фильтров 430 возбуждения, перемещаемых на и с оптического пути 412 возбуждения, например, используемых в комбинации с широкополосным источником 402 возбуждения. В таких вариантах осуществления различные фильтры 430 возбуждения можно использовать для выбора различных диапазонов длин волн или каналов возбуждения, подходящих для активации флуоресценции от соответствующего красителя или маркера в биологических пробах 310. Один или более фильтров 430 возбуждения могут иметь полосу пропускания длин волн, которая составляет по меньшей мере ±10 нанометров или по меньшей мере ±15 нанометров. Фильтры 430 возбуждения могут содержать множество фильтров, которые вместе обеспечивают множество полос пропускания, подходящих для флуоресценции одного или более из красителя или пробы SYBR^®, красителя или пробы FAM^TM, красителя или пробы VIC^®, красителя или пробы ROX^TM или красителя или пробы TAMRA^TM Фильтры 430 возбуждения могут располагаться во вращающемся диске со светофильтрами (не показан) или другом подходящем устройстве или аппарате, обеспечивающем различные каналы возбуждения при помощи источника 402 возбуждения. В некоторых вариантах осуществления, фильтры 430 возбуждения содержат по меньшей мере 5 фильтров или по меньшей мере 6 фильтров.

В некоторых вариантах осуществления, источник 402 возбуждения может содержать множество отдельных источников возбуждения, которые можно объединять при помощи одного или более разделителей пучка или устройств комбинирования пучков так, чтобы излучение от каждого отдельного источника возбуждения передавалось по общему оптическому пути, например, по оптическому пути 412 возбуждения, показанному на ФИГ. 1. В качестве альтернативы, по меньшей мере некоторые из отдельных источников возбуждения могут быть скомпонованы для обеспечения пучков возбуждения, которые распространяются по различным несовпадающим оптическим путям, например, для освещения различных областей реакции из множества областей 308 реакции. Каждый из отдельных источников возбуждения может приводиться в действие, активироваться или выбираться для освещения областей 308 реакции, например, или отдельно, или в группах, или все одновременно. В некоторых вариантах осуществления, отдельные источники возбуждения могут располагаться в одномерной или двухмерной матрице, где один или более отдельных источников возбуждения характеризуются максимальной или центральной длиной волны, которая отличается от таковой по меньшей мере одного другого отдельного источника возбуждения в матрице.

В некоторых вариантах осуществления, первый пучок 405a возбуждения содержит первый диапазон длин волн, в котором интенсивность, мощность или энергия первого пучка 405a возбуждения превышает первое заранее определенное значение, а второй пучок 405b возбуждения содержит второй диапазон длин волн, в котором интенсивность, мощность или энергия второго пучка 405b возбуждения превышает второе заранее определенное значение. Характеристическая длина волны пучков 405a, 405b возбуждения может быть центральной длиной волны соответствующего диапазона длин волн или длиной волны с максимальной электромагнитной интенсивностью, мощностью или энергией в соответствующем диапазоне длин волн. Основные длины волн по меньшей мере одного из пучков 405 возбуждения могут представлять собой среднюю длину волны в соответствующем диапазоне длин волн. Для каждого пучка 405 возбуждения (например, пучков 405a, 405b возбуждения) заранее определенное значение может быть менее 20% от соответствующей максимальной интенсивности, мощности или энергии; менее 10% от соответствующей максимальной интенсивности, мощности или энергии; менее 5% от соответствующей максимальной интенсивности, мощности или энергии или менее 1% от соответствующей максимальной интенсивности, мощности или энергии. Заранее определенные значения могут быть одинаковыми для всех пучков 405 возбуждения (например, для обоих пучков 405a, 405b возбуждения), или заранее определенные значения могут отличаться друг от друга. В некоторых вариантах осуществления, диапазоны длин волн первого и второго пучков 405a, 405b возбуждения не перекрываются, тогда как в других вариантах осуществления по меньшей мере один из диапазонов длин волн по меньшей мере частично перекрывает другой. В некоторых вариантах осуществления, первые и вторые центральные длины волн различаются по меньшей мере на 20 нанометров. В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере один из первого и второго диапазонов длин волн имеет значение по меньшей мере 20 нанометров или по меньшей мере 30 нанометров.

Оптическая система 410 возбуждения выполнена с возможностью направления пучков 405a, 405b возбуждения на один или более биологических проб. Если применимо, ссылки в настоящем документе на пучки 405a, 405b возбуждения можно применять к варианту осуществления, содержащему более двух пучков 405 возбуждения. Например, источник 402 возбуждения может быть выполнен с возможностью направления по меньшей мере пяти или шести пучков 405 возбуждения. Пучки 405a, 405b возбуждения могут быть получены или обеспечены одновременно, могут быть разнесены по времени и/или могут быть разнесены пространственно (например, когда пучки 405a возбуждения направлены в одну область 308 реакции, а пучки 405b возбуждения направлены в другую область 308 реакции). Пучки 405 возбуждения могут быть получены последовательно, например, путем последовательного включения и выключения отдельных источников 425 излучения с разными цветами, которые характеризуются различными длинами волн, или путем последовательного помещения различных светофильтров перед одним источником 425 излучения. В качестве альтернативы, пучки 405a, 405b возбуждения могут быть получены одновременно, например, путем использования многоволнового полосового фильтра, разделителя пучка или зеркала, или путем соединения вместе различных отдельных источников 425 излучения, таких как два светоизлучающих диода (СИД) различного цвета. В некоторых вариантах осуществления, источник 402 возбуждения дает более двух пучков 405 возбуждения, причем оптическая система 410 возбуждения направляет каждый из пучков возбуждения на один или более биологических проб 310.

Ссылаясь на ФИГ. 2, источник 402 возбуждения может содержать по меньшей мере 5 отдельных источников 425a, 425b, 425c, 425d, 425e излучения, которые скомбинированы для передачи по общему оптическому пути 412 возбуждения. Источник 402 возбуждения может также содержать соответствующие линзы 428a, 428b, 428c, 428d, 428e источников. Излучение от источников 425a, 425b, 425c, 425d, 425e излучения может быть скомбинировано при помощи множества комбинирующих оптических элементов 429a, 429b, 429c. Комбинирующие оптические элементы 429a, 429b, 429c могут содержать одно или более из нейтрального светофильтра, 50/50 разделителя пучка, дихроичного фильтра или зеркала, кубического разделителя пучка или подобного. Комбинирующие оптические элементы 429a, 429b, 429c являются одним примером того, каким образом комбинировать различные отдельные источники 425, и будет понятно, что другие комбинации и геометрические расположения отдельных источников 425 излучения и объединяющих оптических элементов 429 находятся в пределах объема вариантов осуществления настоящего изобретения. Один или более отдельных источников 425a, 425b, 425c, 425d, 425e излучения могут характеризоваться центральной длиной волны и/или диапазоном длин волн, которые отличаются от таковых других отдельных источников 425a, 425b, 425c, 425d, 425e излучения.

Ссылаясь на ФИГ. 3-4, спектральное распределение источника 425 излучения можно выбирать неявным образом для обеспечения по меньшей мере пяти пучков 405 возбуждения различного цвета или каналов возбуждения, которые можно использовать с одним общим разделителем 420 пучка, в то же время одновременно поддерживая приемлемую или заранее определенную пропускную способность для всех каналов возбуждения, например, во время каждого цикла анализа кПЦР. Используемое в настоящем документе выражение «канал возбуждения» означает каждый из более, отдельных диапазонов длины волн электромагнитного спектра, обеспечиваемых источником возбуждения (например, источником 402 возбуждения), который выполнен с возможностью освещения одной или более биологических проб (например, биологических проб 310). Используемое в настоящем документе выражение «канал эмиссии» означает каждый из более, отдельных диапазонов длины волн эмиссии, в которых электромагнитному излучению позволяют проходить на оптический датчик или детектор (например, оптический датчик 408).

ФИГ. 3 показана относительная энергия с зависимостью от спектра длин волн для трех различных источников излучения. Пунктирная линия на графике представляет спектр галогенной лампы (называемой в данном документе «источник 1»), характеризующейся относительно низкими уровнями энергии в голубом диапазоне длин волн видимого спектра и повышением энергии до пика на приблизительно 670 нанометрах. Штрихпунктирная линия спектра на графике представлена для коммерчески доступного СИД источника света (называемого в данном документе «источник 2»), который имеет пиковую энергию на приблизительно 450 нанометрах и нижний пик от приблизительно 530 нанометров до приблизительно 580 нанометров, затем равномерное снижение энергии в красном диапазоне длин волн видимого спектра. Сплошная линия на графике представляет спектр другого СИД источника света (называемого в данном документе «источник 3»), в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения (например, типичный спектр для источника 402 возбуждения). ФИГ. 4 показана общая энергия для различных каналов возбуждения для каждого из трех источников, показанных на ФИГ. 3, где спектры для этих каналов являются таковыми для типичного фильтра возбуждения, используемого в области кПЦР. Диапазоны длин волн и обозначения фильтров возбуждения показаны ниже в таблице 1, где X1 - это канал 1 возбуждения, X2 - это канал 2 возбуждения, и т.д.

Канал фильтра возбуждения Диапазон длин волн (нанометров) X1 455-485 X2 510-530 X3 540-560 X4 570,5-589,5 X5 630,5-649,5 X6 650-674

Таблица 1. Ширина спектральной полосы фильтров возбуждения, используемых на ФИГ. 4.

В области кПЦР одним важным параметром работы является общее время для получения данных об эмиссии для проб, содержащих множество целевых красителей. Например, в некоторых случаях желательно получать данные об эмиссии от множества красителей или проб в одном или более каналах эмиссии, обозначенных M1-M6, для каждого канала возбуждения, используемого для освещения пробы(б) (например, M1-M6 при помощи X1, M2-M6 при помощи X2, M3-M6 при помощи X3, M4-M6 при помощи X4, M5-M6 при помощи X5 и/или M6 при помощи X6). Авторы настоящего изобретения обнаружили, что когда источник 2 используют в системе с одним, широкополосным разделителем пучка для пяти или шести каналов фильтра возбуждения/эмиссионного фильтра (например, каналов X1-X6 возбуждения при помощи комбинаций каналов M1-M6 эмиссии), время для получения данных для канала 5 возбуждения и/или канала 6 возбуждения может быть неприемлемо длинным для некоторых применений. Чтобы исправить эту ситуацию, можно использовать один или более узкополосных, дихроичных разделителей пучка для каналов 1 и/или 2 возбуждения, чтобы увеличить количество света возбуждения, получаемого пробой(ами), и количество света эмиссии, получаемого датчиком (так чтобы общая оптическая эффективность повышалась путем использования дихроичного разделителя пучка, в этом случае). Однако это исключает использование конструкции с одним разделителем пучка, как показано на фиг. 1 и, таким образом, теряются соответствующие преимущества конструкции с одним разделителем пучка (например, снижение размера, стоимости, сложности). Было обнаружено улучшенное решение, в котором источник света, такой как источник 3, используют в комбинации с одним разделителем пучка (например, широкополосным разделителем пучка, таким как разделитель пучка 50/50), таким как разделитель 420 пучка. Было обнаружено, что относительную энергию в каналах X1, X5 и/или X6 возбуждения можно использовать для идентификации источника 402 возбуждения, подходящего для использования с вариантом осуществления с одним разделителем пучка для обеспечения приемлемого общего времени объединения для сбора данных об эмиссии для пяти или шести каналов возбуждения. Используя СИД источник 2 и СИД источник 3 в качестве примеров, следующие данные, показанные в таблице 2 ниже, можно получать для данных, показанных на фиг. 3 и 4.

Соотношение Источник 2 Источник 3 X1/X2 2,02 3,00 X2/X2 1,00 1,00 X3/X2 1,20 0,98 X4/X2 1,09 0,89 X5/X2 0,49 0,90 X6/X2 0,38 0,90

Таблица 2. Нормализованная интенсивность СИД для каждого канала фильтра с нормализацией относительно канала 2.

На основании таких данных авторы настоящего изобретения обнаружили, что в некоторых вариантах осуществления улучшенные рабочие характеристики (например, в отношении более короткого времени интеграции канала 1) могут быть получены, когда X1/X2 больше 2,02 (например, больше или равно 3). Дополнительно или в качестве альтернативы, в других вариантах осуществления улучшенные рабочие характеристики (например, в отношении более короткого времени интеграции канала 1) могут быть получены, когда X5/X2 больше 0,49 (например, больше или равно 0,9), и/или когда X6/X2 больше 0,38 (например, больше или равно 0,9). Для критерия, указанного здесь, «X1» означает канал возбуждения, который имеет спектральную выдачу, характеризующуюся максимальной мощностью, энергией или интенсивностью в пределах диапазона длины волн, включающего 455-485 нанометров; «X2» означает канал возбуждения, который имеет спектральную выдачу, характеризующуюся максимальной мощностью, энергией или интенсивностью в пределах диапазона длины волн, включающего 510-530 нанометров; «X5» означает канал возбуждения, который имеет спектральную выдачу, характеризующуюся максимальной мощностью, энергией или интенсивностью в пределах диапазона длины волн, включающего 630,5-649,5 нанометров; «X6» означает канал возбуждения, который имеет спектральную выдачу, характеризующуюся максимальной мощностью, энергией или интенсивностью в пределах диапазона длины волн, включающего 650-674 нанометров.

Ссылаясь снова на фиг. 1, пучки 405 возбуждения направлены по оптическому пути 412 возбуждения при работе в направлении обрабатывающей пробы базы 300, например, в направлении областей 308 реакции, когда присутствует держатель 305 пробы. При наличии, линза 428 источника выполнена с возможностью регулирования пучков 405 возбуждения, например, для захвата и направления большой части испускаемого излучения от источника 402 возбуждения. В некоторых вариантах осуществления, одно или более зеркал 432 (например, складываемых зеркал) могут находиться вдоль оптического пути 412 возбуждения, например, для того, чтобы сделать оптическую систему 400 более компактной и/или для обеспечения заранее определенных размеров упаковки. ФИГ. 1 показано одно зеркало 432; однако могут быть использованы дополнительные зеркала, например, для удовлетворения требованиям к конструкции упаковки. Как описано более подробно ниже в настоящем документе, дополнительные линзы могут быть расположены около держателя 305 пробы, например, для дополнительного регулирования пучков 405 возбуждения и/или соответствующей эмиссии от биологических проб, содержащихся в одной или более зонах реакции.

Оптическая система 415 эмиссии выполнена с возможностью направления эмиссии от одной или более биологических проб на оптический датчик 408. По меньшей мере, некоторое количество эмиссий может содержать флюоресцирующую эмиссию по меньшей мере от некоторых биологических проб в ответ по меньшей мере на один из пучков 405 возбуждения. Дополнительно или в качестве альтернативы, по меньшей мере некоторое количество эмиссий содержит излучение по меньшей мере от одного из пучков 405 возбуждения, которое отразилось, преломилось, подверглось дифракции, рассеялось или поляризовалось по меньшей мере некоторыми биологическими пробами. В некоторых вариантах осуществления, оптическая система 415 эмиссии содержит один или более эмиссионных фильтров 435, выполненных с возможностью, например, блокирования излучения возбуждения, отраженного или рассеянного на оптический путь 417 эмиссии. В некоторых вариантах осуществления имеется соответствующий эмиссионный фильтр 435 для каждого фильтра 430 возбуждения. Ссылаясь на ФИГ. 8, в некоторых вариантах осуществления фильтр 430 возбуждения расположен в диске для светофильтров 431 возбуждения, и/или эмиссионные фильтры 435 расположены в диске для эмиссионных светофильтров 436.

В некоторых вариантах осуществления, оптическая система 415 эмиссии содержит линзу 438 датчика, выполненную с возможностью направления эмиссии по меньшей мере от некоторых биологических проб на оптический датчик 408. Оптический датчик 408 может содержать один чувствительный элемент, например, фотодиодный детектор или фотоэлектронный умножитель или подобное. Дополнительно или в качестве альтернативы, оптический датчик 408 может содержать матричный датчик, содержащий ряды сенсоров или пикселей. Матричный датчик 408 может содержать один или более датчиков на комплементарных металлооксидных полупроводниках (CMOS), датчик на устройстве с зарядовой связью (CCD), множество фотодиодных детекторов, множество фотоэлектронных умножителей или подобное. Линза 438 датчика может быть выполнена с возможностью получения изображения из эмиссий от одного или более из множества биологических проб 310. В некоторых вариантах осуществления, оптический датчик 408 содержит два или более матричных датчика 408, например, где два или более изображений формируются из эмиссий от одного или более из множества биологических проб 310. В таких вариантах осуществления, эмиссия от одного или более из множества биологических проб 310 может быть разделена для получения двух сигналов от одного или более из множества биологических проб 310. В некоторых вариантах осуществления, оптический датчик содержит по меньшей мере два матричных датчика.

Разделитель 420 пучка расположен как по оптическому пути 412 возбуждения, так и пути 417 эмиссии, и выполнен с возможностью приема как первого, так и второго пучков 405a, 405b возбуждения при работе. В изображенном варианте осуществления, показанном на ФИГ. 1, разделитель 420 пучка выполнен с возможностью передачи пучков 405 возбуждения и отражения эмиссии от биологических проб 310. В качестве альтернативы, разделитель 420 пучка может быть выполнен с возможностью отражения пучков возбуждения и передачи эмиссии от биологических проб 310. В некоторых вариантах осуществления, разделитель 420 пучка содержит широкополосный разделитель пучка с одинаковой или практически одинаковой отражающей способностью для всех или большинства пучков 405 возбуждения, обеспечиваемых источником 402 возбуждения и направленных на области 308 реакции (например, пучки 405a, 405b возбуждения в показанном варианте осуществления). Например, разделитель 420 пучка может представлять собой широкополосный разделитель пучка, характеризующийся отражающей способностью, которая постоянна или практически постоянна в диапазоне длин волн по меньшей мере 100 нанометров, в диапазоне длин волн по меньшей мере 200 нанометров или в диапазоне видимых длин волн электромагнитного спектра, в диапазоне видимых длин волн и ближнего инфракрасного диапазона электромагнитного спектра или в диапазоне длин волн от 450 нанометров до 680 нанометров. В некоторых вариантах осуществления, разделитель 420 пучка представляет собой нейтральный светофильтр, например, фильтр с отражающей способностью равной или приблизительно равной 20%, 50% или 80% в диапазоне видимых длин волн электромагнитного спектра. В некоторых вариантах осуществления, разделитель 420 пучка представляет собой дихроичный разделитель пучка, который является пропускающим или отражающим в одном или более выбранных диапазонов длин волн, например, многоволновой разделитель пучка, который является пропускающим и/или отражающим в более чем одном диапазоне длин волн, сосредоточенным на или вблизи пиковой длины волны пучков 405 возбуждения.

В некоторых вариантах осуществления, разделитель 420 пучка представляет собой один разделитель пучка, выполненный с возможностью приема некоторых или всех из множества пучков 405 возбуждения (например, пучков 405a, 405b возбуждения), или отдельно, или в комбинации с одним поглотителем 422 пучка. Каждый пучок возбуждения может называться каналом возбуждения, который можно использовать отдельно или в комбинации с возбуждением различных флюоресцентных красителей или молекулы пробы в одном или более биологических пробах 310. Напротив, во многих системах и инструментах уровня техники, например, в области кПЦР, обеспечивают множество пучков возбуждения при помощи отдельного разделителя пучка и/или поглотителя пучка для каждого канала возбуждения и/или каждого канала эмиссии системы или инструмента. В таких системах и инструментах уровня техники хроматически селективные дихроичные фильтры обычно используют, по меньшей мере, в некоторых каналах возбуждения для увеличения величины излучения, принимаемой пробами. Недостатки систем и инструментов, использующих различные разделители пучка и/или поглотители пучка для каждого канала, включают увеличение размера, стоимости, сложности и времени ответа (например, ввиду увеличения массы, которую необходимо перемещать или вращать при смене между каналами возбуждения и/или излучения). Авторы настоящего изобретения обнаружили, что можно заменять это множество разделителей пучка и/или поглотителей пучка одним разделителем 420 пучка и/или одним поглотителем 422 пучка, в то же время все еще обеспечивая приемлемые или заранее определенные рабочие характеристики системы или инструмента, например, путем надлежащего выбора спектрального распределения источника 402 возбуждения и/или путем конструирования систем или инструментов так, чтобы снижать величину рассеянного или нежелательного излучения, принимаемого оптическим датчиком 408 (как описано далее в настоящем документе). Таким образом, варианты осуществления настоящего изобретения можно использовать для обеспечения систем и инструментов, которые имеют меньший размер, стоимость, сложность и время ответа по сравнению с системами и инструментами уровня техники.

Ссылаясь на ФИГ. 5 и 6, в некоторых вариантах осуществления система 100 содержит корпус 105 инструмента и выдвижную секцию для держателя 110 проб, содержащую базу 300 и выполненную с возможностью приема, удержания или вмещения держателя 305 пробы при использовании и размещения держателя 305 пробы для обеспечения его оптической связи с оптической системой 400. При закрытой выдвижной секции 110 (ФИГ. 6) корпус 105 может быть выполнен с возможностью вмещения или содержания обрабатывающей пробы системы 300 и оптической системы 400. В некоторых вариантах осуществления, корпус 105 может содержать или вмещать весь или части электронного процессора 200.

Ссылаясь на ФИГ. 7-9, в некоторых вариантах осуществления оптическая система 400 может также содержать линзу 440 и/или линзовую решетку 442, которая может содержать множество линз, соответствующих каждой из областей 308 реакции держателя 305 пробы. Линза 440 может содержать объектив, который может быть выполнен с возможностью обеспечения телецентрической оптической системы по меньшей мере для одного из держателя 305 пробы, областей 308 реакции, линзовой решетки 442 или оптического датчика 408. Как показано в изображенном на ФИГ. 7 и 9 варианте осуществления, линза 440 может содержать линзу Френеля.

Ссылаясь снова на ФИГ. 7 и 9, в некоторых вариантах осуществления база 300 содержит узел 300 блока для проб, содержащий блок 302 для проб, контроллер 303 температуры, такой как устройство 303 Пельтье, и теплопоглощающее устройство 304. Узел 300 блока для проб может быть выполнен с возможностью обеспечения регулирования температуры или циклического изменения температуры (например, обеспечения анализа ПЦР или профиля температуры), поддержания температуры держателя 305 пробы или биологической пробы(б) 310 и/или иным образом поддержания, контроля, регулирования или циклического изменения потока тепла, или температуры держателя 305 пробы или биологической пробы(ов) 310.

Дополнительно ссылаясь на ФИГ. 10-14, в некоторых вариантах осуществления оптическая система 400 содержит блок 415 визуализации, содержащий схемную плату 448 оптического датчика, линзу 438 датчика (которая может быть составной линзой, как показано на ФИГ. 10), внутреннюю оправу 449 линзы, внешнюю оправу 450 линзы, корпус 452 с резьбой и механизм фокусировки c фокусирующим механизмом 455 передачи. Схемная плата 448 оптического датчика, корпус 452 с резьбой и линза 438 датчика вместе могут формировать полость 458, которая охватывает или вмещает оптический датчик 408, и может быть выполнена с возможностью блокирования любого внешнего света от попадания в оптический датчик 408, который не прошел через линзу 438 датчика. Внешняя оправа 450 линзы содержит наружную поверхность, содержащую зубчатую передачу 460, которая может подвижно или скользяще зацепляться с зубьями фокусирующего механизма 455 передачи посредством упругого элемента (не показан), такого как пружина. В некоторых вариантах осуществления, фокусирующий механизм 455 передачи перемещается или скользит вдоль прорези 462 планшета 465, как показано на ФИГ. 14. Внутренняя оправа 449 линзы содержит часть с резьбой 468, которая зацепляется или соединяется с частью с резьбой корпуса 452 с резьбой.

Внутренняя оправа 449 линзы может быть неподвижно закреплена на внешней оправе 450 линзы, тогда как корпус 452 с резьбой неподвижно закреплен относительно схемной платы 448 оптического датчика. Внутренняя оправа 449 линзы подвижно или поворотно закреплена на корпусе 452 с резьбой. Таким образом, фокусирующий механизм 455 передачи и внешняя оправа 450 линзы могут зацепляться так, что вращение фокусирующего механизма 455 передачи также вращает внешнюю оправу 450 линзы. Это, в свою очередь, вызывает перемещение внутренней оправы 449 линзы и линзы 438 датчика вдоль оптической оси линзы 438 датчика посредством резьбы на внутренней оправе 449 линзы и корпусе 452 с резьбой. Таким образом, фокус линзы 438 датчика можно регулировать без непосредственного зацепления линзы 438 датчика или ее связанных оправ 449, 450, которые углублены в очень компактной оптической системе 400. Зацепление с фокусирующим механизмом 455 передачи может быть или ручным, или автоматическим, например, при помощи двигателя (не показан), такого как шаговый двигатель или двигатель постоянного тока.

Ссылаясь на ФИГ. 11 и 13-17, в некоторых вариантах осуществления блок 445 визуализации также содержит фиксирующее устройство или механизм 470. Фиксирующее устройство 470 содержит кромку или зубец 472, который может скользяще зацепляться между двумя зубцами фокусирующего механизма 455 передачи (см. ФИГ. 15-17). Как показано на ФИГ. 15 и 16, фиксирующее устройство 470 может иметь первое положение (ФИГ. 15), в котором фокусирующий механизм 455 передачи может свободно вращаться и регулировать фокус линзы 438 датчика, и второе положение (ФИГ. 14), в котором фокусирующий механизм 455 передачи зафиксирован в положении и мешает или препятствует вращению. Таким образом, фокус линзы 438 датчика можно фиксировать, в то же время предпочтительно избегая прямого фиксирующего контакта или зацепления с резьбой 468 внутренней оправы 449 линзы, что может повреждать резьбу, и препятствует последующей перефокусировке линзы 438 датчика после фиксирования в положении. Работа фиксирующего устройства 470 может происходить или вручную, или автоматически. В некоторых вариантах осуществления фиксирующий механизм 470 также содержит упругий элемент, такой как пружина (не показана), причем вращение фокусирующего механизма 455 передачи может выполняться путем превышения пороговой силы, обеспечиваемой упругим элементом.

Ссылаясь на ФИГ. 18, оптическая система 400 может также содержать корпус 477 оптического устройства. В некоторых вариантах осуществления, оптическая система 400 содержит защиту 475 от излучения, содержащую отверстие 478 для датчика, расположенное по оптическому пути 417 излучения, и по меньшей мере одну блокирующую конструкцию 480, расположенную для взаимодействия с отверстием 478 для датчика так, чтобы только излучение от пучков 405 возбуждения и отражение от освещенной поверхности или области 482, проходящее через отверстие для датчика 478, являлось излучением, которое также отразилось от по меньшей мере одной другой поверхности корпуса 477 оптического устройства или в нем. Иными словами, защита 475 от излучения сконфигурирована так, что излучение от пучков 405 возбуждения, отраженных от освещенной области 482, блокируется от прямого прохождения через отверстие 478 и, таким образом, от прохождения в линзу 438 датчика и на оптический детектор 408. В некоторых вариантах осуществления, освещенная область 482 содержит зону, определенную всеми отверстиями 483 нагреваемой крышки 102, соответствующей множеству областей 308 реакции.

В показанном варианте осуществления по ФИГ. 18 блокирующая конструкция 480 содержит выступ 480. Пунктирные линии или лучи 484a и 484b можно использовать для иллюстрации эффективности блокирующей конструкции 480 для предотвращения прохождения света, отраженного непосредственно от освещенной области 482, через отверстие 478 для датчика и на линзу 438 датчика и/или оптический датчик 408. Луч 484a исходит от кромки освещенной области 482 и проходит только через выступ 480, но не проходит через отверстие 478 для датчика. Луч 484b представляет собой другой луч, исходящий от той же кромки освещенной области 482, который блокируется выступом 480. Как можно увидеть, этот луч прошел бы через отверстие 478 для датчика, если бы не было выступа 480.

Ссылаясь по-прежнему на ФИГ. 18, в некоторых вариантах осуществления оптическая система 400 может также содержать блок обнаружения энергии или мощности, содержащий датчики 490 мощности или энергии, оптически связанные с одним концом световода 492. Противоположный конец 493 световода 492 выполнен с возможностью освещения пучками 405 возбуждения. Конец 493 световода может освещаться или непосредственно излучением, содержащимся в пучках 405 возбуждения, или косвенно, например, излучением, рассеянным рассеивающей поверхностью. В некоторых вариантах осуществления, датчик 490 расположен снаружи оптического пути 412 возбуждения от источника 402 возбуждения. Дополнительно или в качестве альтернативы, датчик 490 расположен снаружи корпуса оптического устройства 477 и/или расположен в удаленном месте снаружи корпуса 105 инструмента. В изображенном варианте осуществления, показанном на ФИГ. 18, конец 493 световода расположен около или смежно с зеркалом 432 и может быть ориентирован так, чтобы поверхность световода была перпендикулярной, или практически перпендикулярной поверхности зеркала 432, которое отражает пучки 405 возбуждения. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что небольшое количество энергии или мощности, задерживаемое световодом 492, ориентированным таким образом, достаточно для цели контроля энергии или мощности пучков 405 возбуждения. Предпочтительно, путем расположения датчика 490 снаружи оптического пути пучков возбуждения может быть обеспечена более компактная оптическая система 400.

В некоторых вариантах осуществления, световод 492 содержит одно волокно или пучок волокон. Дополнительно или в качестве альтернативы, световод 492 может содержать стержень, сделанный из прозрачного или пропускающего материала, такого как стекло, плексиглас, материал на основе полимера, такой как акрил, или подобного.

Ссылаясь на ФИГ. 19 и 20, в некоторых вариантах осуществления, инструмент 100 содержит источник 500 положения, выполненный с возможностью испускания излучения 502, и соответствующий датчик 505 положения, выполненный с возможностью приема излучения 502 от источника 500 положения. Источник 500 положения и датчик 505 положения могут быть выполнены с возможностью создания сигнала положения, указывающего на положение оптического элемента 435, расположенного вдоль оптических путей. В некоторых вариантах осуществления, инструмент 100 может также содержать защиту 510 от излучения, выполненную с возможностью блокирования по меньшей мере некоторой части излучения 502 от источника 505 положения.

Вышеуказанное представляет собой описание наилучшего варианта осуществления настоящего изобретения и манеры и способа его получения и использования, в таких полных, ясных, кратких и точных выражениях, чтобы облегчить специалисту в области техники, к которой оно относится, получение и использование данного изобретения. Данное изобретение, однако, может подвергаться модификациям и альтернативным конструированиям по сравнению с описанными выше, которые полностью эквивалентны. Следовательно, данное изобретение не ограничивается конкретными раскрытыми вариантами осуществления. Напротив, цель состоит в том, чтобы модификации и альтернативные конструкции подпадали под сущность и объем настоящего изобретения, как в общем выражено следующей формулой изобретения, которая конкретно указывает и ясно заявляет объект настоящего изобретения.

Типичные системы для способов, связанных с различными вариантами осуществления, описанными в настоящем документе, включают описанные в следующих заявках:

Номер заявки на промышленный образец США № 29/516,847, поданная 6 февраля 2015 г.; и

Номер заявки на промышленный образец США № 29/516,883; поданная 6 февраля 2015 г.; и

Номер предварительной заявки на патент США № 62/112,910, поданная 6 февраля 2015 г.; и

Номер предварительной заявки на патент США № 62/113,006, поданная 6 февраля 2015 г.; и

Номер предварительной заявки на патент США № 62/113,183, поданная 6 февраля 2015 г.; и

Номер предварительной заявки на патент США № 62/113,077, поданная 6 февраля 2015 г.; и

Номер предварительной заявки на патент США № 62/113,058, поданная 6 февраля 2015 г.; и

Номер предварительной заявки на патент США № 62/112,964, поданная 6 февраля 2015 г.; и

Номер предварительной заявки на патент США № 62/113,118, поданная 6 февраля 2015 г.; и

Номер предварительной заявки на патент США № 62/113,212, поданная 6 февраля 2015 г.; и

Заявка на патент США № ________ (Номер дела Life Technologies LT01023), поданная 5 февраля 2016 г.; и

Заявка на патент США № ________ (Номер дела Life Technologies LT01024), поданная 5 февраля 2016 г.; и

Заявка на патент США № ________ (Номер дела Life Technologies LT01025), поданная 5 февраля 2016 г.; и

Заявка на патент США № ________ (Номер дела Life Technologies LT01028), поданная 5 февраля 2016 г.; и

Заявка на патент США № ________ (Номер дела Life Technologies LT01029), поданная 5 февраля 2016 г.; и

Заявка на патент США № ________ (Номер дела Life Technologies LT01032), поданная 5 февраля 2016 г.; и

Заявка на патент США № ________ (Номер дела Life Technologies LT01033), поданная 5 февраля 2016 г.,

все из которых также включены в настоящий документ ссылкой во всей своей полноте.

Изобретение относится к системам, устройствам и способам наблюдения, тестирования и/или анализа биологических проб. Инструмент для биологического анализа содержит базу, источник возбуждения, оптический датчик, оптическую систему возбуждения и оптическую систему эмиссии. База выполнена с возможностью приема держателя проб, содержащего множество биологических проб. Оптический датчик выполнен с возможностью приема эмиссий от биологических проб в ответ на источник возбуждения. Инструмент может дополнительно содержать линзу датчика, заключенную в корпус линзы, и механизм фокусировки, содержащий механизм, который зацепляет корпус линзы, где механизм фокусировки доступен снаружи корпуса для регулирования фокуса, а также отверстие для датчика, расположенное вдоль оптического пути эмиссии, и блокирующую конструкцию, расположенную для взаимодействия с отверстием для датчика так, что оптическим датчиком не принимается никакое отраженное излучение от освещенной поверхности около держателя проб, которое также не было отражено другой поверхностью инструмента. 14 з.п. ф-лы, 20 ил., 2 табл.

1. Инструмент для биологического анализа, содержащий:

источник (402) возбуждения;

оптический датчик (408), выполненный с возможностью приема эмиссий от биологических проб (310) в ответ на источник возбуждения;

оптическую систему (410) возбуждения, расположенную по оптическому пути (412) возбуждения;

оптическую систему (415) эмиссии, расположенную по оптическому пути (417) эмиссии,

блок визуализации, содержащий:

первую поверхность, противолежащую вторую поверхность и корпус (452) с резьбой, формирующие вместе полость, которая вмещает оптический датчик;

линзу (438) датчика;

корпус линзы, по меньшей мере частично вмещающий линзу датчика; и

механизм фокусировки, содержащий фокусирующий механизм (455) передачи, выполненный с возможностью зацепления с корпусом линзы;

причем первая поверхность содержит поверхность линзы датчика;

при этом вторая поверхность содержит схемную плату (448) оптического датчика; и

при этом механизм фокусировки сконфигурирован так, чтобы быть доступным снаружи корпуса для регулирования фокуса линзы датчика.

2. Инструмент по п. 1, дополнительно содержащий разделитель (420) пучка, расположенный как вдоль оптического пути возбуждения, так и вдоль оптического пути эмиссии.

3. Инструмент по п. 1 или 2, в котором по меньшей мере некоторая часть эмиссий содержит флюоресцирующее излучение от по меньшей мере некоторых биологических проб в ответ на по меньшей мере один из пучков возбуждения; и/или

в котором по меньшей мере некоторая часть эмиссий содержит излучение от по меньшей мере одного из пучков возбуждения, которое отражается, преломляется, подвергается дифракции, рассеивается или поляризуется, по меньшей мере, некоторыми биологическими пробами; и/или

дополнительно содержащий терморегулируемую крышку, расположенную вдоль оптического пути возбуждения между базой и разделителем пучка, и, по выбору,

дополнительно содержащий зеркало (432), расположенное вдоль оптического пути возбуждения между базой и разделителем пучка; и/или

дополнительно содержащий зеркало, расположенное вдоль оптического пути возбуждения между базой и разделителем пучка; и/или

в котором база содержит узел блока для проб, выполненный с возможностью регулирования температуры держателя проб или биологических проб, и, по выбору,

в котором узел блока для проб содержит одно или более из блока для проб, устройства Пельтье или теплопоглощающего устройства; и/или

в котором база содержит терморегулятор, и, по выбору,

в котором терморегулятор выполнен с возможностью регулирования температуры по меньшей мере одного из базы, держателя проб или отдельных биологических проб, или, по выбору,

в котором терморегулятор содержит термоциклер, сконфигурированный для выполнения анализа ПЦР; и/или

причем инструмент содержит держатель (305) проб, и, по выбору,

в котором держатель проб содержит одно или более из микротитрационного планшета, подложки, содержащей множество лунок или сквозных отверстий, подложки, содержащей один или более каналов, или камеры, содержащей множество шариков или сфер, содержащих одну или более биологических проб, или, по выбору,

в котором множество пространственно разнесенных областей реакции содержат одно или более из множества лунок, множества сквозных отверстий в подложке, множества отдельных мест на подложке или в канале или множества шариков, или сфер в реакционном объеме, или, по выбору, в котором по меньшей мере некоторые из пространственно разнесенных областей реакции содержат одну или более биологических проб, и, по выбору, в котором одна или более биологических проб содержат одно или более из по меньшей мере одной целевой последовательности нуклеиновой кислоты, по меньшей мере одного праймера, по меньшей мере одного буфера, по меньшей мере одного нуклеотида, по меньшей мере одного фермента, по меньшей мере одного очищающего средства, по меньшей мере одного блокирующего агента или по меньшей мере одного красителя, маркера, и/или пробы, подходящих для обнаружения целевой или эталонной последовательности нуклеиновой кислоты, или, по выбору, в котором держатель проб содержит микротитрационный планшет, а области реакции содержат по меньшей мере 96 лунок, по меньшей мере 384 или по меньшей мере 1536 лунок, или, по выбору, в котором держатель проб содержит подложку, включающую в себя первую поверхность, противолежащую вторую поверхность и множество сквозных отверстий, расположенных между поверхностями, причем множество сквозных отверстий выполнено с возможностью вмещения одной или более биологических проб, и, по выбору,

в котором подложка содержит по меньшей мере 3096 сквозных отверстий или по меньшей мере 20000 сквозных отверстий, или, по выбору, в котором держатель проб содержит матрицу капилляров, выполненных с возможностью пропускания одной или более целевых молекул или последовательностей молекул, или, по выбору,

в котором держатель проб выполнен с возможностью проведения по меньшей мере одного из полимеразной цепной реакции, анализа секвенирования или анализа капиллярным электрофорезом, блот-анализа.

4. Инструмент по одному из пп. 1, 2 или 3, в котором оптическая система возбуждения содержит линзу для пробы, выполненную с возможностью направления пучков возбуждения в направлении базы.

5. Инструмент по п. 4, в котором линза для проб содержит объектив, выполненный с возможностью выдвижения над множеством пространственно разнесенных областей; и/или, дополнительно содержащий множество линз, причем каждая из множества линз расположена над соответствующей одной из множества областей реакции; и/или, в котором линза для проб содержит по меньшей мере одно из составной линзы, искривленного зеркала, дифракционного оптического элемента или голографического оптического элемента; и/или в котором линза для проб выполнена с возможностью обеспечения телецентрической оптической системы по меньшей мере для одного из держателя проб, пространственно разнесенных областей реакции или оптического датчика; и/или

в котором линза для проб содержит линзу Френеля; и/или

в котором линза для проб содержит множество линз, соответствующих множеству областей реакции.

6. Инструмент по п. 2, в котором разделитель пучка выполнен с возможностью передачи пучков возбуждения или выполнен с возможностью отражения пучков возбуждения; и/или

в котором разделитель (420) пучка содержит широкополосный разделитель пучка, характеризующийся отражающей способностью, которая постоянна в диапазоне длин волн по меньшей мере 100 нанометров; и/или

в котором разделитель пучка характеризуется отражающей способностью, которая постоянна в диапазоне длин волн от 450 нанометров до 680 нанометров; и/или

в котором разделитель пучка характеризуется отражающей способностью, которая постоянна в видимом диапазоне длин волн электромагнитного спектра; и/или

в котором разделитель пучка содержит нейтральный светофильтр; и/или

в котором разделитель пучка содержит разделитель пучка 50/50; и/или

в котором разделитель пучка содержит дихроичный разделитель пучка; и/или

в котором разделитель пучка содержит многоволновой разделитель пучка; и/или

в котором первый пучок возбуждения и второй пучок возбуждения разнесены по времени и/или пространственно разнесены; и/или

в котором первый пучок возбуждения и второй пучок возбуждения создаются одновременно; и/или

в котором источник света возбуждения содержит одно или более из по меньшей мере одной лампы накаливания, по меньшей мере одной газоразрядной электролампы, по меньшей мере одного светоизлучающего диода, по меньшей мере одного органического светоизлучающего диода или по меньшей мере одного лазера, и, по выбору,

в котором по меньшей мере одна газоразрядная электролампа содержит одну или более из галогенной лампы, ксеноновой лампы, аргоновой лампы или криптоновой лампы, или, по выбору,

в котором по меньшей мере один лазер содержит один или более из диодного лазера, аргонового лазера, ксенонового лазера, эксимерного лазера, твердотельного лазера, гелий-неонового лазера или лазера на красителе.

7. Инструмент по п. 1, в котором первый пучок возбуждения содержит первый диапазон длин волн, в котором интенсивность, мощность или энергия первого пучка возбуждения превышает первое заранее определенное значение, второй пучок возбуждения содержит второй диапазон длин волн, в котором интенсивность, мощность или энергия второго пучка возбуждения превышает второе заранее определенное значение, причем первая длина волны представляет собой по меньшей мере одно из (1) центральной длины волны первого диапазона дин волн или (2) длины волны максимальной электромагнитной интенсивности, мощности или энергии в первом диапазоне длин волн, а вторая длина волны представляет собой по меньшей мере одно из (1) центральной длины волны второго диапазона дин волн или (2) длины волны максимальной электромагнитной интенсивности, мощности или энергии во втором диапазоне длин волн.

8. Инструмент по п. 7, в котором по меньшей мере одна из центральных длин волн представляет собой среднюю длину волны в соответствующем диапазоне длин волн; и/или

в котором по меньшей мере одно из заранее определенных значений составляет менее 20% соответствующей максимальной интенсивности, мощности или энергии в соответствующем диапазоне длин волн; и/или

в котором второе заранее определенное значение равно первому заранее определенному значению; и/или

в котором первый диапазон длин волн не перекрывает второй диапазон длин волн, или первый диапазон длин волн только частично перекрывает второй диапазон длин волн; и/или

в котором вторая длина волны отличается от первой длины волны по меньшей мере на 20 нанометров; и/или

в котором по меньшей мере один из первого и второго диапазонов длин волн имеет значение по меньшей мере 20 нанометров.

9. Инструмент по п. 1, в котором вторая длина волны отличается от первой длины волны по меньшей мере на 20 нанометров; и/или

в котором источник возбуждения содержит источник света, а первая длина волны и вторая длина волны находятся в видимом диапазоне электромагнитного спектра; и/или

в котором источник возбуждения содержит источник света с полосой пропускания по меньшей мере 100 нанометров; и/или

в котором источник возбуждения содержит множество фильтров возбуждения, перемещаемых в оптический путь возбуждения или от него, по выбору,

в котором по меньшей мере один из фильтров возбуждения имеет диапазон длины волн по меньшей мере ±10 нанометров, или

в котором фильтры возбуждения содержат по меньшей мере 5 фильтров возбуждения, или в котором фильтры возбуждения содержат множество фильтров, вместе обеспечивающих множество полос пропускания, подходящих для флуоресценции одного или более из красителя или пробы SYBR®, красителя или пробы FAM^TM, красителя или пробы VIC®, красителя или пробы ROX^TM или красителя или пробы TAMRA^TM, или

в котором фильтры возбуждения установлены на вращающемся диске для фильтров, выполненном с возможностью перемещения каждого из фильтров на путь пучка возбуждения или от него.

10. Инструмент по п. 1, в котором источник возбуждения содержит множество отдельных источников возбуждения, и, по выбору,

в котором множество отдельных источников возбуждения образуют двумерную матрицу отдельных источников возбуждения.

11. Инструмент по п. 1, в котором оптический датчик содержит матричный датчик.

12. Инструмент по п. 11, в котором матричный датчик содержит по меньшей мере один из датчиков на основе комплементарного металлооксидного полупроводника или датчик на приборах с зарядовой связью.

13. Инструмент по п. 1, в котором оптический датчик содержит по меньшей мере два матричных датчика.

14. Инструмент по п. 1, в котором оптический датчик представляет собой датчик на основе комплементарного металлооксидного полупроводника.

15. Инструмент по п. 1, дополнительно содержащий нагреваемую крышку, расположенную смежно с базой и содержащую множество отверстий, сконфигурированных для соответствия множеству областей реакции.