用于探测、检测和分析分子的光学系统和测定芯片技术方案

用于分析单分子和进行核酸测序的器械和方法。一种器械可包括测定芯片，其包括具有样品孔的多个像素，所述样品孔被配置成接收当被激发时发射出发射能量的样品；至少一个在特定方向中指引所述发射能量的元件；以及光路径，所述发射能量沿所述光路径从所述样品孔向传感器行进。所述器械还包括与所述测定芯片通过接口连接的仪器。所述仪器包括用于在每个样品孔中激发所述样品的激发光源；和与所述样品孔相应的多个传感器。每个传感器可在各样品孔中检测源于样品的发射能量。所述仪器包括至少一个光学元件，其将源于每个样品孔的所述发射能量引向所述多个传感器中的各个传感器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请案本申请根据美国法典第35编第119条要求于2013年11月17日提交的序列号为61/905282且题为“用于探测、检测和分析分子的集成装置”的美国临时专利申请；于2013年12月18日提交的序列号为61/917926且题为“用于探测、检测和分析分子的集成装置”的美国临时专利申请；于2014年2月19日提交的序列号为61/941916且题为“用于探测、检测和分析分子的集成装置”的美国临时专利申请的权益，所有专利均通过引用全部并入本文。
本专利技术一般涉及用于进行生物和/或化学样品的快速、大规模并行的定量分析的装置、方法和技术以及制造该装置的方法。
技术介绍
可使用生物测定(“生物测定bioassays”)进行生物样品的检测和分析。生物测定通常涉及大且昂贵的实验室设备，其需要对做研究的科学家进行培训以操作设备和进行生物测定。此外，照惯例，生物测定是大批量进行的，从而使得大量特定类型的样品对于检测和定量来说是必需的。一些生物测定是通过用发射具有特定波长的光的发光标记对样品进行标记而进行的。标记用激发光源进行照亮以实现发光，且发光光线是通过光检测器进行检测以量化由该标记发射的发光光线的量。现有的使用发光标记的生物测定涉及用于对样品进行照亮的昂贵的激光光源，以及复杂且庞大的用于从照亮的样品采集发光的检测光学和电子元件。
技术实现思路
本文所述的技术涉及使用测定芯片和仪器快速分析样本的器械和方法。测定芯片可采用被配置成接收少量的样本且并行执行对在样本中的样品的大量分析的一次性或可回收的芯片。在一些实施例中，测定芯片和仪器可被用于检测特定化学或生物分析物的存在，在一些实施例中，其可被用于评估化学或生物反应，且在一些实施例中，其可被用于确定基因序列。根据一些实施方案，集成装置可被用于单分子基因测序。根据一些实施方案，用户将室中的样本沉积在测定芯片上并将测定芯片插入接收仪器中。仪器，单独地或与计算机进行通信地，自动与集成装置通过接口连接，从测定芯片发送和接收光，检测和处理所接收的光并将分析结果提供给用户。根据一些实施例，一种测定芯片包括样品孔，其被配置成接收当被激发时发射出发射能量的样品；至少一个在特定方向中指引发射能量的元件；以及光路径，发射能量沿光路径从样品孔向传感器行进。至少一个元件选自由折射元件、衍射元件、等离激元元件和谐振器所组成的组。在一些实施例中，测定芯片在处置之前仅用于单个生物测定中。在一些实施例中，至少一个元件包括至少一个被配置成将发射能量引向传感器的透镜。在一些实施例中，至少一个透镜为折射透镜。在一些实施例中，光路径包括至少一个抗反射层，其被配置成在测定芯片的一个或多个接口处减少发射能量的反射。在一些实施例中，测定芯片还包括一次性框架。在一些实施例中，至少一个元件包括同心环形光栅。在一些实施例中，同心环形光栅被配置成增加源于耦合至样品孔并激发样品的激发光源的激发光的量。在一些实施例中，同心环形光栅还被配置成将发射能量引向传感器。在一些实施例中，同心环形光栅为非周期性同心环形光栅。在一些实施例中，至少一个透镜为衍射透镜。在一些实施例中，至少一个元件包括电介质谐振器天线。根据一些实施例，一种仪器被配置成与包括多个样品孔的测定芯片通过接口连接，多个样品孔中的每个样品孔被配置成接收样品，仪器包括被配置成激发多个样品孔中的至少一部分的样品的至少一个激发光源；多个传感器，多个传感器中的每个传感器与多个样品孔的样品孔相对应，其中多个传感器中的每个传感器被配置成检测源于各个样品孔中的样品的发射能量；以及至少一个光学元件，其被配置成将发射能量从多个样品孔中的每个样品孔引向多个传感器中的各个传感器。在一些实施例中，仪器还包括多向色镜，其被配置成将源于至少一个激发光源的激发光向测定芯片反射并将源于多个样品的发射能量向多个传感器传输。在一些实施例中，至少一个光学元件包括中继透镜。在一些实施例中，至少一个激发光源包括多个光源，多个光源中的每个光源在多个波长中的一个或多个上发射激发光。在一些实施例中，仪器还包括将从多个光源中的每一个发射出的光在空间上进行重叠的波长合波器。在一些实施例中，至少一个激发光源包括脉冲光源。在一些实施例中，仪器还包括至少一个滤谱器，其被配置成传输发射能量并吸收和/或反射源于至少一个激发光源的激发光。在一些实施例中，仪器还包括用于将第一波长的发射能量与第二波长的发射能量在空间上进行分离的至少一个光谱分选元件。在一些实施例中，至少一个光谱分选元件包括衍射光学元件。在一些实施例中，衍射光学元件使发射能量发生色散并聚焦发射能量。在一些实施例中，衍射光学元件包括偏移菲涅耳透镜。在一些实施例中，至少一个光谱分选元件为滤光元件。在一些实施例中，仪器还包括控制系统，其被编程为(i)将激发光引向该多个样品孔，(ii)在该多个传感器检测源于该多个孔的信号，以及(iii)使用该信号的空间分布图式识别该样品或其亚基。根据一些实施例，一种器械包括测定芯片，其包括多个像素以及被配置成与测定芯片通过接口连接的仪器。测定芯片的多个像素中的每一个包括样品孔，其被配置成接收当被激发时发射出发射能量的样品；至少一个在特定方向中指引发射能量的元件，其中至少一个元件选自由折射元件、衍射元件、等离激元元件和谐振器所组成的组；以及光路径，发射能量沿光路径从样品孔向传感器行进。仪器包括至少一个激发光源，其被配置成在每个样品孔中激发样品；多个传感器，多个传感器中的每个传感器与各个样品孔相对应，其中多个传感器中的每个传感器被配置成检测源于在各个样品孔中的样品的发射能量；以及至少一个光学元件，其被配置成将源于每个样品孔的发射能量引向多个传感器中的各个传感器。在一些实施例中，测定芯片被配置成与仪器连接并从仪器进行移除。在一些实施例中，当测定芯片被连接至仪器时，在多个样品孔中的样品孔和多个传感器中的相应传感器之间的光学距离小于30cm。在一些实施例中，当测定芯片被连接至仪器时，在多个样品孔中的样品孔和多个传感器中的相应传感器之间的光学距离小于5cm。在一些实施例中，当测定芯片被连接至仪器时，在多个样品孔中的样品孔和多个传感器中的相应传感器之间的光学距离小于1cm。在一些实施例中，仪器为便携式的。在一些实施例中，每个样品包括在多个波长带的一个波长带内发射出发射能量的发光标记；以及多个传感器中的每个传感器包括子传感器，其被配置成在多个波长带中的每一个上检测发射能量。在一些实施例中，多个传感器中的每个传感器包括至少两个子传感器。在一些实施例中，多个传感器中的每个传感器包括至少四个子传感器。在一些实施例中，仪器还包括至少一个依赖于波长的元件，其将第一波长的发射能量引向至少两个子传感器中的第一子传感器并将第二波长的发射能量引向至少两个子传感器中的第二子传感器。在一些实施例中，至少一个依赖于波长的元件为衍射光学元件。在一些实施例中，至少一个依赖于波长的元件为滤谱器。在一些实施例中，至少一个激发源发射出脉冲光。在一些实施例中，与第一样品相关联的第一发光标记是由第一波长的光激发的，而不是由第二波长的光激发的；以及与第二样品相关联的第二发光标记是由第二波长的光激发的，而不是由第一波长的光激发的。根据一些实施例，一种分析样本的方法包括在包括多个样品孔的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测定芯片，其包括：样品孔，其被配置成接收当被激发时发射出发射能量的样品；至少一个在特定方向中指引所述发射能量的元件，其中所述至少一个元件选自由折射元件、衍射元件、等离激元元件和谐振器所组成的组；以及光路径，所述发射能量沿所述光路径从所述样品孔向传感器行进。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.11.17 US 61/905,282;2013.12.18 US 61/917,926;1.一种测定芯片，其包括：样品孔，其被配置成接收当被激发时发射出发射能量的样品；至少一个在特定方向中指引所述发射能量的元件，其中所述至少一个元件选自由折射元件、衍射元件、等离激元元件和谐振器所组成的组；以及光路径，所述发射能量沿所述光路径从所述样品孔向传感器行进。2.根据权利要求1所述的测定芯片，其中所述测定芯片被配置成在处置之前仅用于单个生物测定中。3.根据前述权利要求中任一项所述的测定芯片，其中所述至少一个元件包括至少一个被配置成将所述发射能量引向所述传感器的透镜。4.根据权利要求3所述的测定芯片，其中所述至少一个透镜为折射透镜。5.根据前述权利要求中任一项所述的测定芯片，其中所述光路径包括至少一个抗反射层，其被配置成在所述测定芯片的一个或多个接口处减少所述发射能量的反射。6.根据前述权利要求中任一项所述的测定芯片，其中所述测定芯片还包括一次性框架。7.根据前述权利要求中任一项所述的测定芯片，其中所述至少一个元件包括同心环形光栅。8.根据权利要求7所述的测定芯片，其中所述同心环形光栅被配置成增加源于耦合至所述样品孔并激发所述样品的激发光源的激发光的量。9.根据权利要求8所述的测定芯片，其中所述同心环形光栅还被配置成将所述发射能量引向所述传感器。10.根据权利要求7所述的测定芯片，其中所述同心环形光栅为非周期性同心环形光栅。11.根据权利要求3所述的测定芯片，其中所述至少一个透镜为衍射透镜。12.根据前述权利要求中任一项所述的测定芯片，其中所述至少一个元件包括电介质谐振器天线。13.一种被配置成与测定芯片通过接口连接的仪器，所述测定芯片包括多个样品孔，所述多个样品孔中的每个样品孔被配置成接收样品，所述仪器包括：至少一个激发光源，其被配置成激发所述多个样品孔中的至少一部分的所述样品；多个传感器，所述多个传感器中的每个传感器与所述多个样品孔的样品孔相对应，其中所述多个传感器中的每个传感器被配置成检测源于在各个样品孔中的所述样品的发射能量；以及至少一个光学元件，其被配置成将源于所述多个样品孔中的每个样品孔的所述发射能量引向所述多个传感器中的各个传感器。14.根据权利要求13所述的仪器，其还包括：多向色镜，其被配置成将源于所述至少一个激发光源的激发光向所述测定芯片反射并将源于所述多个样品的所述发射能量向所述多个传感器传输。15.根据权利要求13-14中任一项所述的仪器，其中所述至少一个光学元件包括中继透镜。16.根据权利要求13-15中任一项所述的仪器，其中所述至少一个激发光源包括多个光源，所述多个光源中的每个光源在多个波长中的一个或多个上发射激发光。17.根据权利要求16所述的仪器，其还包括将从所述多个光源中的每一个发射出的所述光在空间上进行重叠的波长合波器。18.根据权利要求13-17中任一项所述的仪器，其中所述至少一个激发光源包括脉冲光源。19.根据权利要求13-18中任一项所述的仪器，其还包括至少一个滤谱器，其被配置成传输所述发射能量并吸收和/或反射源于所述至少一个激发光源的激发光。20.根据权利要求13-19中任一项所述的仪器，其还包括用于将第一波长的发射能量与第二波长的发射能量在空间上进行分离的至少一个光谱分选元件。21.根据权利要求20所述的仪器，其中所述至少一个光谱分选元件包括衍射光学元件。22.根据权利要求21所述的仪器，其中所述衍射光学元件使所述发射能量发生色散并聚焦所述发射能量。23.根据权利要求21所述的仪器，其中所述衍射光学元件包括偏移菲涅耳透镜。24.根据权利要求20所述的仪器，其中所述至少一个光谱分选元件为滤光元件。25.根据权利要求13-24中任一项所述的仪器，其还包括控制系统，其被编程为(i)将激发光引向所述多个样品孔，(ii)在所述多个传感器检测源于所述多个孔的信号，以及(iii)使用所述信号的空间分布图识别所述样品或其亚基。26.一种器械，其包括：测定芯片，其包括多个像素，所述多个像素中的每一个包括：样品孔，其被配置成接收当被激发时发射出发射能量的样品；至少一个在特定方向中指引所述发射能量的元件，其中所述至少一个元件选自由折射元件、衍射元件、等离激元元件和谐振器所组成的组；以及光路径，所述发射能量沿所述光路径从所述样品孔向传感器行进；以及仪器，其被配置成与所述测定芯片通过接口连接，所述仪器包括：至少一个激发光源，其被配置成激发在每个样品孔中的所述样品；多个传感器，所述多个传感器中的每个传感器与各个样品孔相对应，其中所述多个传感器中的每个传感器被配置成检测源于在所述各个样品孔中的所述样品的发射能量；以及至少一个光学元件，其被配置成将源于每个样品孔的所述发射能量引向所述多个传感器中的各个传感器。27.根据权利要求26所述的器械，其中所述测定芯片被配置成与所述仪器连接并从所述仪器进行移除。28.根据权利要求27所述的器械，其中当所述测定芯片被连接至所述仪器时，在所述多个样品孔中的样品孔和所述多个传感器中的所述相应传感器之间的光学距离小于30cm。29.根据权利要求27所述的器械，其中当所述测定芯片被连接至所述仪器时，在所述多个样品孔中的样品孔和所述多个传感器中的所述相应传感器之间的光学距离小于5cm。30.根据权利要求27所述的器械，其中当所述测定芯片被连接至所述仪器时，在所述多个样品孔中的样品孔和所述多个传感器中的所述相应传感器之间的光学距离小于1cm。31.根据权利要求26-30中任一项所述的器械，其中所述仪器为便携式的。32.根据权利要求26-31中任一项所述的器械，其中：每个样品包括在多个波长带的一个波长带内发射出发射能量的发光标记；以及所述多个传感器中的每个传感器包括子传感器，其被配置成在所述多个波长带中的每一个上检测所述发射能量。33.根据权利要求32所述的器械，其中所述多个传感器中的每个传感器包括至少两个子传感器。34.根据权利要求33所述的器械，其中所述多个传感器中的每个传感器包括至少四个子传感器。35.根据权利要求32-34中任一项所述的器械，其中所述仪器还包括至少一个波长依赖的件，其将第一波长的发射能量引向所述至少两个子传感器中的第一子传感器并将第二波长的发射能量引向所述至少两个子传感器中的第二子传感器。36.根据权利要求35所述的器械，其中所述至少一个波长依赖元件为衍射光学元件。37.根据权利要求35所述的器械，其中所述至少一个波长依赖元件为滤谱器。38.根据权利要求26-37中任一项所述的器械，其中所述至少一个激发源发射出脉冲光。39.根据权利要求26-38中任一项所述的器械，其中：与第一样品相关联的第一发光标记是由第一波长的光激发的，而不是由第二波长的光激发的；以及与第二样品相关联的第二发光标记是由所述第二波长的光激发的，而不是由所述第一波长的光激发的。40.一种分析样本的方法，所述方法包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔纳森·M·罗思伯格，阿里·卡比里，杰森·W·斯克勒，布雷特·J·格亚凡思，杰瑞米·拉基，杰勒德·施密德，本杰明·西普里亚尼，杰克·朱厄尔，罗伦斯·威斯特，迈克尔·费里尼奥，保罗·E·格伦，亚当·E·科恩，安东尼·贝罗菲奥雷，
申请(专利权)人：宽腾矽公司，
类型：发明
国别省市：美国;US