用于評估生物樣品的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于確定樣品中靶核苷酸分子的數(shù)目的系統(tǒng)，其包括樣品架、激發(fā)光學(xué)系統(tǒng)、光學(xué)傳感器和發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)。所述樣品架被配置成容納包括至少20,000個單獨的反應(yīng)位點的制品。所述激發(fā)光學(xué)系統(tǒng)包括被配置成同時照射所述至少20,000個單獨的反應(yīng)位點的光源。所述光學(xué)傳感器包括預(yù)定的像素數(shù)目，所述預(yù)定的像素數(shù)目為所述單個反應(yīng)位點數(shù)目的至少20倍。所述發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)包括距所述樣品架的系統(tǒng)工作距離，其中所述工作距離小于或等于60毫米。
【專利說明】用于評估生物樣品的系統(tǒng)和方法

【背景技術(shù)】
[0001]摶術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明整體涉及用于評估生物樣品的裝置、系統(tǒng)和方法，更具體地涉及用于同時評估多個生物樣品的裝置、系統(tǒng)和方法。
[0003]相關(guān)領(lǐng)域的說明
[0004]用于生物反應(yīng)和生物化學(xué)反應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)已被用來監(jiān)控、測量和/或分析此類反應(yīng)。此類系統(tǒng)通常用于測序、基因分型、聚合酶鏈式反應(yīng)(PCR)以及其他生物化學(xué)反應(yīng)，以監(jiān)控進程并提供定量數(shù)據(jù)。例如，在實時PCR(qPCR)方法中可使用光激發(fā)光束照射熒光DNA結(jié)合染料或熒光探針，以產(chǎn)生指示靶基因或其他核苷酸序列的量的熒光信號。對在每個測試或?qū)嶒炛刑峁└髷?shù)目的反應(yīng)的需求日益增長，催生了能夠同時執(zhí)行更巨大數(shù)目的反應(yīng)的儀器。
[0005]單個測試或?qū)嶒炛袠悠肺稽c數(shù)量的增加催生了微量滴定板和其他提供更小樣品體積的樣品格式。此外,諸如數(shù)字PCR(dPCR)的技術(shù)增加了對更小樣品體積的需求，在大多數(shù)大量測試樣品中所述更小樣品體積包含零個或一個靶核苷酸序列。需要這樣的系統(tǒng)和樣品格式:其將在甚至高密度的樣品格式中提供可靠的數(shù)據(jù)，其中樣品位點具有大約納升級或皮升級體積。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]當結(jié)合附圖閱讀以下【具體實施方式】時可更好地理解本發(fā)明的實施例。僅出于說明性目的此類實施例示出了本發(fā)明的新穎性方面和非顯而易見性方面。附圖包括以下各圖:
[0007]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的基材的俯視圖。
[0008]圖2是圖1中示出的基材的側(cè)視圖。
[0009]圖3是圖1中示出的基材的一部分的截面圖。
[0010]圖4是本發(fā)明的一個實施例的模型的示意圖。
[0011]圖5是使用圖4所示模型的示意圖結(jié)果。
[0012]圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的反應(yīng)位點分布模式的示意圖。
[0013]圖7是示出圓形反應(yīng)位點和六邊形反應(yīng)位點之間的比較的幾何布局示意圖。
[0014]圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的基材的截面圖。
[0015]圖9是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的基材的一部分的透視圖。
[0016]圖10是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的基材的頂視圖。
[0017]圖11是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的方法的流程圖。
[0018]圖12是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的載體和相關(guān)基材的截面圖。
[0019]圖13是圖12所示的載體和基材的頂視圖。
[0020]圖14是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的載體的透視圖。
[0021]圖15是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的載體的透視圖。
[0022]圖16是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的方法的流程圖。
[0023]圖17是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的制品的正視圖。
[0024]圖18至19是圖17所示制品的放大的正視圖。
[0025]圖20是圖17所示制品的正視圖，示出該制品的多個尺寸。
[0026]圖21是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的制品的正視圖。
[0027]圖22是圖21所示制品的正視圖，示出該制品的多個尺寸。
[0028]圖23是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的系統(tǒng)的示意圖。
[0029]圖24是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的系統(tǒng)的示意圖。

【具體實施方式】
[0030]本發(fā)明的實施例整體涉及用于監(jiān)測或測量位于多個反應(yīng)區(qū)或反應(yīng)位點的大量小樣品或溶液的生物反應(yīng)的裝置、儀器、系統(tǒng)和方法。實施例包括聚合酶鏈式反應(yīng)(PCR)方法、測定和方案的使用。雖然一般適用于處理大量樣品的dPCR(數(shù)字PCR)或qPCR(實時或定量PCR)，但是應(yīng)當理解，任何合適的PCR方法都可根據(jù)本文所述的各種實施例使用。合適的PCR方法包括但不限于等位基因特異性PCR、不對稱PCR、連接介導(dǎo)的PCR、多重PCR、巢式PCR、定量或?qū)崟rPCR(qPCR)、競爭性等位基因特異性TaqMan PCR(cast PCR)、基因組步移、橋式PCR、數(shù)字PCR(dPCR)等。
[0031]雖然根據(jù)本發(fā)明的實施例的裝置、儀器、系統(tǒng)和方法一般涉及dPCR和qPCR，但本發(fā)明可適用于處理、觀察和/或測量大量樣品或溶液測試體積的任何PCR過程、實驗、測定或方案，本發(fā)明的實施例尤其適用于dPCR。在根據(jù)本發(fā)明的實施例的dPCR測定或?qū)嶒炛?，將包含相對少量的至少一種靶多核苷酸或核苷酸序列的稀釋溶液細分成許多非常小的測試樣品或體積，使得這些樣品或體積中的至少一些大多數(shù)包含靶核苷酸序列的一個分子或不包含靶核苷酸序列。當樣品隨后在PCR方案、程序、測定、過程或?qū)嶒炛羞M行熱循環(huán)時，包含靶核苷酸序列的一個或多個分子的各單個樣品被大量擴增，并產(chǎn)生可檢測的陽性檢測信號，而不包含該靶標的那些樣品不被擴增并且不產(chǎn)生檢測信號，或者產(chǎn)生低于預(yù)定閾值或噪聲水平的信號。通過采用泊松統(tǒng)計，可將初始溶液中靶核苷酸序列的數(shù)量與產(chǎn)生陽性檢測信號的樣品數(shù)量相關(guān)。在一些實施例中，所檢測到的信號可用于確定單個樣品或體積中所含靶分子的數(shù)量或數(shù)量范圍。例如，檢測系統(tǒng)可被配置成對包含一個靶分子的樣品和包含兩個或至少兩個靶分子的樣品進行區(qū)分。除此之外或作為另一種選擇，檢測系統(tǒng)可被配置成對包含等于或低于預(yù)定量的靶分子數(shù)量的樣品和包含高于該預(yù)定量的樣品進行區(qū)分。在某些實施例中，qPCR和dPCR過程、測定或方案均使用單個相同的裝置、儀器或系統(tǒng)和方法來執(zhí)行。
[0032]在各種實施例中，本文所述的裝置、儀器、系統(tǒng)和方法可用于檢測含有目的生物組分的初始樣品或溶液中所包含的一種或多種類型的目的生物組分或靶標。這些目的生物組分或靶標可為任意合適的生物靶，包括但不限于DNA序列(包括無細胞DNA)、RNA序列、基因、寡核苷酸、分子、蛋白質(zhì)、生物標記、細胞(例如循環(huán)腫瘤細胞)，或任何其他合適的靶生物分子。在多個實施例中，此類生物組分可與各種一種或多種PCR方法和系統(tǒng)組合用于諸如胎兒診斷、多重dPCR、病毒檢測、及定量標準、基因分型、測序測定、實驗或方案、測序驗證、突變檢測、遺傳修飾的生物體的檢測、稀有等位基因檢測和/或拷貝數(shù)變異的應(yīng)用。
[0033]根據(jù)本發(fā)明的實施例，一個或多個包含至少一個目的生物靶標的樣品或溶液可包含在多個小樣品體積或反應(yīng)體積位點中或分布在或分配在其之間。用于本文所公開的本發(fā)明樣品體積或反應(yīng)位點的實施例的樣品或溶液通常描述為包含在位于基材材料中的通孔中；然而，在適用情況下，可使用根據(jù)本發(fā)明實施例的樣品體積或反應(yīng)位點的其他形式，包括位于在基材中形成的孔或凹陷內(nèi)的反應(yīng)體積、分布在基材表面或其他類型的反應(yīng)室或格式的溶液斑，諸如位于微流體系統(tǒng)的測試位點或體積內(nèi)的樣品或溶液，或者位于小珠或球體內(nèi)或位于其上的樣品或溶液。
[0034]在某些實施例中，執(zhí)行dPCR方案、測定、程序、過程或?qū)嶒灥拿畎ǜ鶕?jù)本發(fā)明的實施例分布或分配，初始樣品或溶液可以以簡單且高性價比的方式分配成至少一萬個反應(yīng)位點、至少十萬個反應(yīng)位點、至少一百萬個反應(yīng)位點，或至少一千萬個反應(yīng)位點，數(shù)萬、數(shù)十萬或甚至數(shù)百萬個反應(yīng)位點。具有反應(yīng)位點的每一個可具有數(shù)納升、約一納升或小于或等于一納升(例如，小于或等于100皮升、小于或等于10皮升和/或小于或等于一皮升，數(shù)十或數(shù)百皮升或更小)的體積。當因為初始樣品或溶液中所包含的靶核苷酸序列的數(shù)量可為非常少(例如，少于1000個靶分子、少于100個靶分子、少于10個靶分子或僅有一個或兩個靶分子)時，在一些情況下在這種情況下可能也重要的是，初始溶液的全部含量或幾乎全部含量占并包含于進行處理的樣品體積或反應(yīng)位點之一者中或者被進行處理的樣品體積或反應(yīng)位點之一者容納。例如，在僅少量靶核苷酸存在于初始溶液中的情況下，這些靶核苷酸的許多一些或全部可能潛在地包含在不被成功裝載到反應(yīng)位點之一不位于任何反應(yīng)位點的小的殘余流體體積中，從而不會被檢測、測量或計數(shù)。因此，初始溶液的有效轉(zhuǎn)移可有助于降低在稀有等位基因或靶核苷酸計數(shù)中誤算的機會或可能性，或者降低如果沒有成功地使任何一個稀有等位基因或靶核苷酸裝載到指定的反應(yīng)位點之一者中的話根本檢測不到靶分子的存在的機會或可能性。因此，本發(fā)明的實施例可用于有效地提供高的裝載效率，其中裝載效率被定義為容納在反應(yīng)位點內(nèi)的初始樣品或溶液的體積或質(zhì)量除以初始樣品或溶液的總體積或質(zhì)量，并且以使得全部或基本上全部樣品或溶液包含在預(yù)定的反應(yīng)位點之一者中的方式將初始樣品溶液裝載到大量的反應(yīng)位點或通孔中。
[0035]參見圖1至圖3，在本發(fā)明的某些實施例中，制品、裝置、基材、玻片或板100包括基材102,所述基材102包括位于基材102中的多個分區(qū)、通孔、反應(yīng)區(qū)或反應(yīng)位點104。在某些實施例中，制品100可包括芯片。除此之外或作為另一種選擇，制品100可包括微流體裝置，其例如還可包括多個用于向反應(yīng)位點104轉(zhuǎn)移試劑和/或測試溶液的通道或路徑。在其他實施例中，反應(yīng)位點104包括多個小滴或小珠,并且制品100可包括一個或多個包含一些或全部小滴或小珠104的室和/或通道。在此類實施例中，小滴或小珠104可形成乳液，其中一些或全部小滴或小珠104包含至少一種多核苷酸或核苷酸序列的一個或多個靶標。在反應(yīng)位點104為小珠的情況下，所述小珠可任選包含連接的光學(xué)標記或標簽?？衫缡褂酶鶕?jù)本發(fā)明的實施例的成像系統(tǒng)，一次一個或者以包含一個或多個小滴或小珠104的組來檢查、監(jiān)測或測量小滴或小珠104。
[0036]在圖示實施例中，制品100包括第一表面110和相對的第二表面112。在圖示實施例中，每個反應(yīng)位點104從第一表面110中的開口 114延伸至第二表面112中的開口 116。雖然圖3所示的示例性實施例示出了包括通孔104的基材，但是基材102可除此之外或作為另一種選擇包括其他類型的反應(yīng)位點。例如，反應(yīng)位點104可包括位于在基材102中形成的孔或凹陷內(nèi)的反應(yīng)體積，分布在表面110或112上或者其他類型的反應(yīng)室或格式上的溶液斑，例如位于微流體系統(tǒng)的測試位點或體積內(nèi)或者位于小珠或球內(nèi)或位于小珠或球上的樣品或溶液。
[0037]反應(yīng)位點104可被配置成通過毛細作用提供足夠的表面張力，以吸取分別的量的包含目的生物組分的液體或樣品。制品100可具有如在以下美國專利號的任一者中所公開的一般形式或構(gòu)造:6, 306，578,7, 332，271,7, 604，983,7, 6825，65,6, 387，331、或6，893，877，所述專利全文以引用方式并入本文，如同在本文中完整闡述一樣。
[0038]基材102可為平板，或包括任何適用于特定應(yīng)用、測定或?qū)嶒灥男问??；?02可包含制造領(lǐng)域中已知的各種材料中的任一者，包括但不限于金屬、玻璃、陶瓷、硅等。除此之外或作為另一種選擇，基材102可包含聚合物材料，諸如丙烯酸材料、苯乙烯材料、聚乙烯材料、聚碳酸酯材料和聚丙烯材料?；?02和反應(yīng)位點104可通過機械加工、注射模制、熱模壓、激光鉆孔、光刻等中的一種或多種技術(shù)來形成。
[0039]在某些實施例中，表面110、112可包含疏水材料，例如如美國專利申請公布號2006/0057209或2006/0105453中所描述的，所述專利以引用方式全文并入本文，就如在本文中完整闡述了一樣。在此類實施例中，反應(yīng)位點104可包含吸引水或其他液體溶液的親水材料。此類親水區(qū)域陣列可包括在疏水表面上的親水島，并且可使用各種微制造技術(shù)中的任一者來在基材102上或在該基材內(nèi)形成，所述微制造技術(shù)包括但不限于沉積法、等離子法、掩蔽法、轉(zhuǎn)移印刷、絲網(wǎng)印刷、定點(spotting)等。
[0040]已發(fā)現(xiàn)，可配置高反應(yīng)位點密度以減少在裝載過程期間留在表面110、112上的溶液的量，從而導(dǎo)致初始溶液的更高裝載效率或轉(zhuǎn)移。例如，通過降低相鄰孔之間的間隔值與孔直徑值的比率，可顯著降低留在板表面上的溶液的量，使得所有或幾乎所有包含目的生物組分的初始溶液或樣品位于反應(yīng)位點104內(nèi)部。通過該方式，降低了錯失稀有等位基因或其他靶分子的可能性，因為一個或多個靶分子會保持在基材表面上而不被指定的反應(yīng)位點104之一容納的可能性較低。
[0041]參見圖4，用包含多個親水反應(yīng)位點的疏水表面的計算機模型示出了裝載效率的增加。該模型用于分析樣品在多個反應(yīng)位點中的分布與直徑為75微米的通孔的反應(yīng)位點間距(或密度)之間的函數(shù)關(guān)系。圖5示出隨著反應(yīng)位點之間的間隔減小(密度增加)，更大百分比的初始液體樣品被反應(yīng)位點捕獲，并且在裝載過程后更少量的殘余液體被留在疏水表面上。因此，更高密度的指定橫截面尺寸的反應(yīng)位點104既使給定大小的基材102的測試樣品數(shù)目增加，又使留在表面110、112上的殘余流體減少或消除(所述殘余液體可包含稀有等位基因或其他目的靶分子)。
[0042]在某些實施例中，例如由于當用光學(xué)系統(tǒng)對反應(yīng)位點104進行成像時的光學(xué)極限，相鄰反應(yīng)位點之間的間隔可能存在下限。例如，因為光學(xué)系統(tǒng)對相鄰反應(yīng)位點進行清楚成像的能力的局限，相鄰反應(yīng)位點之間的間隔可能存在下限。為了提高反應(yīng)位點104在基材102中的密度,可使用例如緊密堆積的六邊形矩陣圖案,如圖6和圖7所示。
[0043]已發(fā)現(xiàn)，具有非圓形橫截面的反應(yīng)位點可有利地減小相鄰反應(yīng)位點104之間的平均距離或間隔，從而導(dǎo)致在裝載測試溶液或樣品之后留在表面110、112上的殘余液體或溶液的量減少。參見圖6和圖7，具有頂點到頂點直徑D的六邊形反應(yīng)位點104的陣列被布置成六邊形圖案，其中相鄰反應(yīng)位點之間的間隔或間距為P。在某些實施例中，在用于測量來自反應(yīng)位點104的熒光信號的光學(xué)系統(tǒng)中相鄰反應(yīng)位點之間的串擾是相鄰反應(yīng)位點之間的最小邊距S的函數(shù)。因此，圖7所示的幾何形狀體現(xiàn)了可使用的反應(yīng)位點間最小間距P，該最小間距仍保持相鄰反應(yīng)位點之間的串擾在預(yù)定值或預(yù)定值以下。圖7中還示出了在每個六邊形內(nèi)的虛線圈。這表示具有與六邊形反應(yīng)位點相同的間距P值和相同的邊緣間隔S的直徑為D’的圓形反應(yīng)位點。圖7中的灰色部分示出針對圓形反應(yīng)位點和六邊形反應(yīng)位點二者的跨越一定寬度W的相鄰反應(yīng)位點之間的面積。如圖7中清楚所見，當間距P和邊緣間隔S相同時，圓形反應(yīng)位點的跨越寬度W的相鄰反應(yīng)位點之間的面積大于六邊形反應(yīng)位點之間的面積。針對圖4和圖5所討論的建模結(jié)果顯示,相鄰反應(yīng)位點之間的面積越小導(dǎo)致越高的裝載效率。因此，基于圖7所示的結(jié)果，在相同的間隔條件(P和S)下，為六邊形反應(yīng)位點提供的裝載效率比為圓形反應(yīng)位點提供的裝載效率更高。
[0044]該結(jié)果還為被構(gòu)造來檢查反應(yīng)位點的光學(xué)系統(tǒng)提供意料不到的優(yōu)點。因為圖7中圓形反應(yīng)位點和六邊形反應(yīng)位點的最小邊緣間隔S相同，所以對于任一種類型的反應(yīng)位點來說相鄰反應(yīng)位點之間的串擾將相同或相似。然而，對于相同的間距P和邊緣間隔S，六邊形反應(yīng)位點的橫截面積大于圓形反應(yīng)位點的橫截面積。因此，由光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的六邊形反應(yīng)位點的圖像將比圓形反應(yīng)位點的圖像具有更大的面積。因此，由六邊形反應(yīng)位點產(chǎn)生的更大的圖像可潛在地跨越更多數(shù)量的像素。每個反應(yīng)位點的更大數(shù)量的像素有助于對反應(yīng)位點所產(chǎn)生的信號進行更精確的計算。因此，除了提供更高的裝載效率之外，如圖6和圖7所示，使用六邊形反應(yīng)位點還可得到對每個反應(yīng)位點104所產(chǎn)生的光學(xué)信號或輸出的更精確的測量或計算(例如，對與靶分子或染料分子的量成比例產(chǎn)生的熒光信號的測量或計算)。
[0045]在圖1所示的實施例中，制品100具有正方形形狀，并且總尺寸為15毫米乘15毫米。制品100還具有尺寸為13毫米乘13毫米的活性面積、區(qū)域或區(qū)120。如本文所用，術(shù)語“活性面積”、“活性區(qū)域”或“活性區(qū)”是指制品(如制品100)的表面面積、區(qū)域或區(qū)，在其上包含著或分布著反應(yīng)位點或溶液體積。在某些實施例中，制品100的活性面積可增大至14毫米乘14毫米或更大，例如在15毫米乘15毫米的基材尺寸上，以增加基材102上包含的反應(yīng)位點的總數(shù)。制品100可具有其他形狀和尺寸。例如，表面110、112可為矩形、三角形、圓形或一些其他幾何形狀。制品100和活性面積120的總尺寸可比圖1所示實施例更小或更大，這取決于針對給定系統(tǒng)、測定或?qū)嶒灥奶囟ㄔO(shè)計參數(shù)。
[0046]在圖1所示的實施例中，反應(yīng)位點104可具有75微米的特征直徑，并且以相鄰反應(yīng)位點之間125微米的間距分布在活性面積120上。在其他實施例中，反應(yīng)位點104具有小于或等于75微米的特征直徑，例如小于或等于60微米，或者小于或等于50微米的特征直徑。在其他實施例中，反應(yīng)位點104具有小于或等于20微米、小于或等于10微米、小于或等于I微米，或者小于或等于100納米的特征直徑。反應(yīng)位點之間的間距可小于125微米，例如，小于或等于100微米、小于或等于30微米、小于或等于10微米，或者小于或等于I微米。
[0047]在某些實施例中，基材102在表面110和表面112之間的厚度為或約為300微米，使得每個反應(yīng)位點104的體積為約1.3納升。作為另一種選擇,可例如通過減小反應(yīng)位點104的直徑和/或基材102的厚度從而使每個反應(yīng)位點104的體積小于1.3納升。例如，每個反應(yīng)位點104的體積可為小于或等于I納升、小于或等于100皮升、小于或等于30皮升，或者小于或等于10皮升。在其他實施例中，一些或全部反應(yīng)位點104的體積在I納升至20納升的范圍內(nèi)。
[0048]在某些實施例中，表面110、112上的反應(yīng)位點104的密度為至少100個反應(yīng)位點每平方毫米。還可預(yù)期更高的密度。例如，表面110、112上的反應(yīng)位點104的密度可大于或等于150個反應(yīng)位點每平方毫米、大于或等于200個反應(yīng)位點每平方毫米、大于或等于500個反應(yīng)位點每平方毫米、大于或等于1，000個反應(yīng)位點每平方毫米、或者大于或等于10, 000個反應(yīng)位點每平方毫米,或者大于或等于1，000，000個反應(yīng)位點每平方毫米。
[0049]有利的是，可通過光學(xué)系統(tǒng)對活性面積120中的所有反應(yīng)位點104進行同時成像和分析。在某些實施例中，通過光學(xué)系統(tǒng)成像并分析的活性面積120包括至少12，000個反應(yīng)位點104。在某些實施例中，通過光學(xué)系統(tǒng)成像并分析的活性面積120包括至少15，000個、至少20，000個、至少30，000個、至少100，000個、至少1，000，000個反應(yīng)位點，或者至少10，000，000個反應(yīng)位點。
[0050]在某些實施例中，反應(yīng)位點104包括以第一特征直徑、厚度和/或體積表征的第一多個反應(yīng)位點，以及以與相應(yīng)的第一特征直徑、厚度或體積不同的第二特征直徑、厚度和/或體積表征的第二多個反應(yīng)位點。反應(yīng)位點大小或尺寸的這種變化可用于例如同時分析可能具有不同濃度的兩種或更多種不同核苷酸序列。除此之外或作為另一種選擇，單個基材102上反應(yīng)位點104大小的變化可用于提高dPCR過程、測定或?qū)嶒灥膭討B(tài)范圍。例如，制品100可包含反應(yīng)位點104的兩個或多個子陣列，其中每個組以與其他組或其余組的反應(yīng)位點104的直徑或厚度不同的直徑或厚度表征。每組的大小可設(shè)定為提供不同的靶多核苷酸計數(shù)動態(tài)范圍。子陣列可位于基材102的不同部分上，或者可以是散布的，使得兩個或更多個子陣列在制品100的整個活性面積上或在制品100的活性面積的通用部分上延伸。
[0051]在某些實施例中，反應(yīng)位點104中的至少一些在其壁的全部或一部分上是錐形的。例如，參見圖8,反應(yīng)位點104中的至少一些可在表面110上包括斜面130。除此之外或作為另一種選擇，反應(yīng)位點104中的至少一些可在表面112上包括斜面130 (未示出)。已發(fā)現(xiàn)，倒角的和/或錐形的反應(yīng)位點的使用可減小相鄰反應(yīng)位點104之間的平均距離或總面積，而又不會超出溶液位點或測試樣品之間的最小間隔的光學(xué)極限。如上文針對圖5所討論，相鄰反應(yīng)位點104之間的面積的減小可導(dǎo)致在裝載過程期間留在表面110、112上的液體溶液的量減少。因此，可得到更高的樣品裝載效率，同時在光學(xué)系統(tǒng)的相鄰溶液位點或測試樣品之間仍保持較大的有效間隔。
[0052]在圖9所示的實施例中，制品、裝置、陣列、玻片或板10a包括不包含任何反應(yīng)位點104a的非活性面積、區(qū)域或區(qū)132a。非活性面積可為圍繞包含反應(yīng)位點104a的活性區(qū)的周圍區(qū)。作為另一種選擇，非活性面積可包括在一個、兩個或更多個側(cè)或區(qū)上毗接活性區(qū)的面積。在圖9所示的圖示實施例中，制品10a的厚度等于或約等于0.3毫米，并且從非活性面積的邊緣到活性面積的距離等于或約等于I毫米；然而，可使用其他尺寸。在圖9所示的圖示實施例中，反應(yīng)位點104a的直徑等于或約等于0.075毫米，并且間距間隔等于或約等于0.100毫米；然而，可使用其他尺寸。在適當?shù)那闆r下，上文針對制品100所討論的特征和/或尺寸可并入制品10a中，或者反之亦然。
[0053]參見圖10，在某些實施例中，制品、裝置、陣列、玻片或板10b包括具有多個反應(yīng)位點的活性面積、區(qū)域或區(qū)120b，以及非活性面積132b，其中非活性面積132b包括位于相鄰活性面積120b之間的分隔區(qū)、間隔區(qū)或隔離區(qū)134b。如圖10所示，非活性區(qū)132b還可包括圍繞活性區(qū)120b的周圍區(qū)。圖10所示的制品10b的各種特征的尺寸是具體實施例的例子，并且尺寸可根據(jù)特定設(shè)計的要求而有所不同。例如，分隔區(qū)134b可具有在活性面積120b之間的厚度，其小于或等于500微米、小于或等于I毫米，或者小于或等于2毫米或3毫米。
[0054]分隔區(qū)134b可被構(gòu)造為有助于使一個活性面積、區(qū)域或區(qū)中的反應(yīng)位點與另一獨立的活性面積、區(qū)域或區(qū)中的反應(yīng)位點隔開。此類構(gòu)造可用于例如有利于在第一活性面積中裝載第一樣品，以及在第二活性面積中裝載不同的第二樣品，其中這兩個面積被分隔區(qū)134b分開。在某些實施例中，活性面積120b和分隔區(qū)134b的表面在制品10b的一面或兩面上彼此齊平。除此之外或作為另一種選擇，在制品10b的一面或兩面上，分隔區(qū)134b的至少一部分可從活性面積120b升高或偏移。在其他實施例中，分隔區(qū)134b的至少一部分相對于制品10b的一面或兩面的活性面積120b形成槽。在適當?shù)那闆r下，上文針對制品100、100a所討論的特征和/或尺寸可并入制品10b中，或者反之亦然。
[0055]在某些實施例中，基材102包含可光結(jié)構(gòu)化的材料(photostructurablematerial),如某些玻璃材料或陶瓷材料。在此類實施例中,可使用圖11所示的方法140來制造基材102。有利的是，可使用圖11所示的方法140的最后任選單元以提供不透明或幾乎不透明的基材102，使得從一個反應(yīng)位點104發(fā)射的光不進入相鄰的反應(yīng)位點104。
[0056]方法140可用于提供具有足以防止在一個反應(yīng)位點104中發(fā)射的任何或幾乎任何光射入相鄰反應(yīng)位點104中的不透明度的基材102。方法140還可包括以足以減小表面110,112之間的厚度的量從基材102移除材料，例如，以足以使表面110、112之間的厚度相對于初始厚度減小至少20%、或者相對于初始厚度減小至少30%或至少40%的量從基材104移除材料。方法140還可包括在制造期間將基材102加熱到至少500攝氏度的溫度。在某些實施例中，方法140中使用的圖案化掩膜包括具有鉻圖案的石英板。掩?？稍趯⒒牡闹辽僖徊糠直┞队诟g劑之前被移除。方法140中使用的腐蝕性材料可為氫氟酸。
[0057]參見圖12和圖13，在某些實施例中，制品100裝在載體150內(nèi)，所述載體150包括具有底部表面154的第一蓋152和具有頂部表面158的第二蓋156。載體150還可包括一個或多個側(cè)壁159，其被構(gòu)造為在蓋152、蓋154之間保持預(yù)定的間隔。蓋152、154以及壁159 一起形成尺寸被設(shè)定成容納制品100的腔體160。在使用期間，將制品100設(shè)置在形成于表面154和表面158之間的腔體160內(nèi)。腔體160的厚度可大于制品100的厚度，使得制品100與底部表面154之間和/或制品100與頂部表面158之間存在間隙。如圖12的圖示實施例所示，一個或多個側(cè)壁159之間也可存在間隙。除此之外或作為另一種選擇，制品100的一部分可附接到一個或多個蓋152、蓋156以及一個或多個側(cè)壁159。
[0058]載體150可由金屬材料(諸如不銹鋼、鋁、銅、銀或金)或半金屬(諸如石墨)制成或形成。除此之外或作為另一種選擇，載體150的全部或一部分可由非金屬材料制成，所述非金屬材料包括但不限于玻璃、丙烯酸樹脂、苯乙烯、聚乙烯、聚碳酸酯和聚丙烯。在某些實施例中，蓋152、蓋156中的至少一個包括適當透明的材料，以用于提供被構(gòu)造為允許光出入反應(yīng)位點104的窗口。除此之外或作為另一種選擇，整個載體150可由一種或多種透明的或幾乎透明的材料制成。
[0059]參見圖14，在某些實施例中，載體150a包括孔、端口或開口 162，其通?？杀辉O(shè)置成與蓋或光學(xué)出入窗口 152a垂直，并且尺寸被設(shè)定為允許制品100進入到載體150a中。載體150a還可包括沿開口 162的至少一條長邊緣設(shè)置的刮片或葉片164。葉片164可被構(gòu)造為當將制品100裝載到載體150a中時與制品100的表面110和表面112中的至少一個接觸或接合。載體150a還可包括設(shè)置在整個開口 162或其一部分上的膜或隔膜(未示出)，其幫助密封腔體160a，并且在制品100被裝載到載體150a中時被刺破。在某些實施例中，隔膜和葉片164形成單一構(gòu)件。
[0060]在某些實施例中，葉片164被構(gòu)造為在制品100通過開口 162插入到載體150中時有助于樣品流體分布到一些或所有反應(yīng)位點104中。例如，葉片164可被構(gòu)造為在裝載制品100的過程中與表面110和表面112中的一個或兩個接觸，使得隨著表面110和表面112移動經(jīng)過葉片164，液體不移過葉片164，而是通過毛細管力被推動和/或牽拉進入反應(yīng)位點104。除此之外或作為另一種選擇，葉片164可被構(gòu)造為用液體、凝膠等蓋住制品100的表面110和表面112中的一個或兩個，從而例如降低或消除包含在反應(yīng)位點104內(nèi)的樣品流體的污染和/或蒸發(fā)。
[0061]在適當?shù)那闆r下，載體150a可并入上文針對載體150所討論的結(jié)構(gòu)或特征，或者反之亦然。
[0062]參見圖15，在某些實施例中，載體150b包括主體170，其可包括載體150和/或載體150a的一些或所有結(jié)構(gòu)和特征。載體150b還包括用于保持制品100的裝載器或插入工具172，以用于幫助將制品100裝載到主體170中，和/或用于將測試溶液裝載到反應(yīng)位點104中。工具172可具有U形主體，其中制品100在裝載到主體170之前被保持在該“U”內(nèi)部。工具172可包括在相對臂175上的突出部174，其被構(gòu)造為結(jié)合或者壓入主體170的相應(yīng)突出部或類似結(jié)構(gòu)176。
[0063]腔體160在制品100與表面154、158之間的部分可用不與反應(yīng)位點104中包含的測試溶液混合的不混溶流體170 (例如液體材料或凝膠材料)填充，并且被構(gòu)造為防止或減少反應(yīng)位點104中包含的測試溶液的蒸發(fā)。用于一些應(yīng)用的一種合適的流體170是由3M公司(3M Company)市售的Fluorinert。然而,在某些實施例中,Fluorinert可能由于其傾向于容易吸收空氣而對于某些PCR應(yīng)用有問題，空氣以后可能在PCR循環(huán)期間釋放，導(dǎo)致形成不想要的空氣泡。
[0064]作為另一種選擇，在某些實施例中，已發(fā)現(xiàn)，如果聚二甲基硅氧烷(PDMS)不完全交聯(lián)的話，則可在腔體160中使用PDMS。在此類實施例中，已發(fā)現(xiàn)PDMS具有使其適于與PCR一起使用的若干特征，包括低自體熒光、在PCR溫度下的熱穩(wěn)定性以及不會抑制聚合過程。此外，PDMS可包含含水樣品，但是對水蒸汽是可透氣的。典型的硅氧烷與用于本發(fā)明的實施例之外的一般應(yīng)用中的交聯(lián)劑的比率按重量計為10:1(10%的交聯(lián)劑)。
[0065]已發(fā)現(xiàn)，通過使PDMS材料不完全交聯(lián)，所得到的材料可充當用于減少蒸發(fā)的合適的密封劑，同時還保留上文所討論的并且與完全交聯(lián)的材料相關(guān)聯(lián)的有利屬性。更具體地講，不完全交聯(lián)的PDMS材料可通過使用按重量計小于10%的交聯(lián)劑來形成。例如，已證實小于或等于I重量％的交聯(lián)水平滿足某些PCR應(yīng)用(如某些dPCR應(yīng)用)的設(shè)計要求。使用利用小于或等于0.8重量％的交聯(lián)劑的量來包封的平板100已經(jīng)示出了多個dPCR響應(yīng)。此外，由于不完全交聯(lián)的PDMS材料的粘度與Fluorinert相比更高,所以PDMS密封劑還可適合于包裝要求和客戶工作流程解決方案。
[0066]參見圖16，制備多個生物樣品的方法200包括提供制品(如制品100、100a或10b)的基材。方法200還包括提供載體(如載體150、150a或150b)，以及提供插入工具(如插入工具172)，所述插入工具包含U形主體，該主體包括被構(gòu)造為可滑動地接合載體的一對臂。方法200還包括將基材安裝或附接到插入工具，并且將插入工具安裝或附接到載體。在某些實施例中，將基材安裝或附接到插入工具，然后將插入工具和基材一起安裝到載體。在某些實施例中，將插入工具安裝到?jīng)]有基材的載體，隨后將基材安裝到插入工具和/或載體。
[0067]一旦基材被安裝或附接，方法200包括例如通過將基材插入穿過載體的開口和/或隔膜來使插入工具沿著載體以足以將基材定位在載體內(nèi)部的量滑動。使用方法200，溶液或樣品可以以如下方式被施加于基材的面上:隨著基材插入載體中，溶液被沉積或吸入于基材中的反應(yīng)位點或通孔中。此外，基材的兩個表面中的一個可用液體或凝膠覆蓋，例如以保護溶液免于污染和/或蒸發(fā)。
[0068]在某些實施例中，至少99%的液體樣品被至少一些反應(yīng)位點容納。在其他實施例中，至少99.5%或99.9%的液體樣品被至少一些反應(yīng)位點容納。在某些實施例中，反應(yīng)位點104的總體積被選擇為大于要裝載到反應(yīng)位點104中的液體樣品的體積。已發(fā)現(xiàn)這可增加裝載效率，如上文所述，這在某些情況中可能是至關(guān)重要的。在某些實施例中，液體樣品體積與所有反應(yīng)位點104總體積的比率小于或等于95%。在某些實施例中，液體樣品體積與所有反應(yīng)位點104總體積的比率小于或等于90%、小于或等于80%，或者小于或等于70%。在某些實施例中，該比率的值取決于在裝載后填充有液體的每個反應(yīng)位點的總體積的百分比。例如，如果在裝載后每個反應(yīng)位點104的僅90%包含液體樣品，則液體樣品體積與所有反應(yīng)位點104的總體積的比率可小于或等于90%、小于或等于80%、小于或等于70%,或者小于或等于60%。
[0069]參見圖17-圖20，在某些實施例中，制品、裝置、陣列、玻片、或板200包括基材202，該基材202包括位于基材102中的多個通孔或反應(yīng)位點204?；?02包括第一表面和相對的第二表面。在圖不實施例中，每個反應(yīng)位點204從第一表面中的開口延伸至第二表面中的開口。如圖18和圖19所示，反應(yīng)位點204可具有六邊形形狀和/或被布置為緊密堆積的六邊形矩陣圖案。作為另一種選擇，反應(yīng)位點204中的一些或全部可具有上文針對反應(yīng)位點104所討論的形狀、直徑、密度、厚度、間距間隔等。制品200還包括一個或多個帶突出部的區(qū)域、切口區(qū)域、或空白區(qū)域206，其中不存在反應(yīng)位點204。如下文所討論的，空白區(qū)域206可位于在制品200的支撐區(qū)域中。在圖示實施例中，空白區(qū)域限定4個半圓形形狀；然而，設(shè)想到其他的形狀和尺寸。此外，制品200可包括沒有反應(yīng)位點位于其中的空白周邊208。
[0070]在某些實施例中，基材202包含硅，其可被構(gòu)造成在使用期間于整個制品200上提供均勻溫度分布。作為另一種選擇，基材202包含玻璃材料，如光結(jié)構(gòu)化玻璃陶瓷，或金屬，如招、銅或不銹鋼。
[0071]參見圖18,反應(yīng)位點204可被布置成限定位于反應(yīng)位點204的陣列內(nèi)的一個或多個缺失區(qū)域(dropout reg1n) 209。在一些實施例中，缺失區(qū)域209具有適合用肉眼觀察的尺寸(例如，在未使用放大裝置的情況下對肉眼是可見的)。在圖示實施例中，制品200包括位于制品200的第一象限中的一個缺失區(qū)域204 ;然而，單個制品200上可包含多個缺失區(qū)域。一個或多個缺失區(qū)域209可限定出有一條軸線比正交軸線長的總體形狀，如圖19所示。因此，使用圖18中所示的偏離制品200的中心定位的單個細長的缺失區(qū)域209，可讓使用者確定制品200的取向(例如,確定哪一面為正面和背面，以及確定環(huán)繞垂直于圖17-圖19的頁面的軸線的正確取向)。缺失區(qū)域209還可被構(gòu)造成提供基準信號，例如，在對反應(yīng)位點204進行光學(xué)檢測期間使用的基準光學(xué)信號。
[0072]在某些實施例中，多個缺失區(qū)域209可被構(gòu)造成基于例如缺失區(qū)域209的缺失形狀、數(shù)目、和/或一個缺失區(qū)域209與另一個缺失區(qū)域209的相對位置來提供關(guān)于制品200的信息。例如，特定制品200上的缺失區(qū)域的數(shù)目可用于確定反應(yīng)位點204的直徑和/或各缺失區(qū)域209之間的距離，或各缺失區(qū)域209彼此的幾何形狀，可用于確定反應(yīng)位點204的數(shù)目或各反應(yīng)位點204之間的間距。設(shè)想到缺失區(qū)域的尺寸、形狀和分布的許多其他組八口 ο
[0073]參見圖20，制品200可具有約1mm乘1mm的總體尺寸。圖20還示出了與圖20中示出的具體實施例相關(guān)的其他尺寸值。
[0074]參見圖21和圖22，制品可被構(gòu)造成與200’圖17中的制品200類似，例外的是制品還包括一個或多個其尺寸可被200’設(shè)計為提供更有利的加載特性的著陸區(qū)域230。因此，制品的一個或多個邊緣200’具有比制品200’的其他邊緣更寬的不具有反應(yīng)位點204的區(qū)。
[0075]在合適的情況下，制品200可包含針對制品100所討論的各種元件和特征，或者反之亦然。此外，根據(jù)本發(fā)明的實施例，制品200可用于載體150中或其他載體中。制品200可與系統(tǒng)400或方法140 —起使用，使用方式與制品100在本文中已公開的使用方式類似，以及在本文針對制品100所公開的其他系統(tǒng)或方法中使用或與所述其他系統(tǒng)或方法一起使用。
[0076]可使用多種方法和裝置來提供對反應(yīng)位點104中包含的一種或多種目的生物組分的檢測。例如，可將各種熒光染料或標記摻入到包含一種或多種目的生物組分的溶液中，然后可使用光學(xué)系統(tǒng)檢測該溶液以確定該一種或多種生物組分的存在或量。在其他實施例中，可檢測到離子(陽性或陰性)的存在和/或可使用pH、電壓、或電流的變化來確定一種或多種目的生物組分的存在或量。
[0077]參見圖23，系統(tǒng)300可用于以光學(xué)法觀察、檢查、或測量一種或多種樣品或溶液，所述樣品或溶液包含位于制品100的反應(yīng)位點104中的目的生物組分。系統(tǒng)300包括光學(xué)頭或系統(tǒng)400，其被配置成讀取或監(jiān)控制品100、制品200等的反應(yīng)位點104中的一些或所有。在某些實施例中，系統(tǒng)100還包括熱控制系統(tǒng)500、一體式控制器、計算機、計算系統(tǒng)或處理器530 (位于光學(xué)頭或系統(tǒng)400和/或控制系統(tǒng)500上或內(nèi))，和/或外部控制器，計算機，或處理器560 (位于光學(xué)頭或系統(tǒng)400和熱控制系統(tǒng)500的外部)中的一者或多者。
[0078]計算機530，560的任一者或兩者可包括電子記憶存儲，其包含指令、程序、算法、測試和/或配置參數(shù)、測試或?qū)嶒灁?shù)據(jù)等。計算機530，560的任一者或兩者可被配置成例如操作光學(xué)系統(tǒng)400的各種部件或獲取和/或處理由系統(tǒng)300所提供的數(shù)據(jù)。例如，可使用計算機530，560的任一者或兩者來獲取和/或處理由光學(xué)系統(tǒng)400的一個或多個光電探測器所提供的光學(xué)數(shù)據(jù)。在某些實施例中，一體式計算機530可例如使用固線連接、局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)連接、云計算系統(tǒng)等與外部計算機560通信和/或?qū)?shù)據(jù)傳輸至外部計算機560以用于進一步處理。外部計算機560可為物理計算機，諸如臺式計算機、膝上式計算機、筆記本計算機、平板計算機等。除此之外或作為另外一種選擇，計算機530，560的任一者或兩者可包括虛擬裝置或系統(tǒng)諸如云計算或存儲系統(tǒng)。數(shù)據(jù)可通過局域網(wǎng)、云存儲或計算系統(tǒng)等內(nèi)的無線連接在計算機530，560之間傳送或共享。除此之外或作為另外一種選擇，來自系統(tǒng)300(例如，來自光學(xué)系統(tǒng)400和/或熱控制器500)的數(shù)據(jù)可被傳送至外部記憶存儲裝置，例如，外部硬盤、USB存儲模塊、云存儲系統(tǒng)等。系統(tǒng)300可包括計算機530，560兩者。作為另外一種選擇，系統(tǒng)300可僅包括計算機530或計算機560中的一者。在此類實施例中，可通過固線連接、局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)連接、云計算系統(tǒng)等來存儲、傳送或處理來自計算機530或計算機560的數(shù)據(jù)。
[0079]在某些實施例中，系統(tǒng)300在通用殼體或儀器內(nèi)并不包括熱控制系統(tǒng)500。例如，光學(xué)系統(tǒng)400可被配置成接收芯片或板如制品100或200，所述制品在單獨的熱控制系統(tǒng)如PCR熱循環(huán)儀中處理。然后，光學(xué)系統(tǒng)400可用于執(zhí)行端點PCR或dPCR實驗或測定。在某些實施例中，外部熱控制器被配置成處理多個芯片或板，例如，以制品100，200等的形式。在此類實施例中，光學(xué)系統(tǒng)400被配置成接收多個芯片或板中的一個或多個以執(zhí)行dPCR實驗或測定。計算機系統(tǒng)如計算機530和/或計算機560可用于基于來自多個芯片或板的數(shù)據(jù)執(zhí)行dPCR分析。在此類實施例中，計算機系統(tǒng)可被配置成匯集來自芯片或板的數(shù)據(jù)，例如以增加dPCR實驗或測定的有效樣品大小，從而創(chuàng)建“虛擬芯片”。例如，可在單獨的PCR熱循環(huán)儀中(一起、分組或單獨地)處理多個包括用于容納樣品的至少15，000個或至少20，000個通孔或分隔區(qū)的制品100，200，然后使用光學(xué)系統(tǒng)400檢查，每次檢查一個芯片或板或以小組進行檢查，以提供匯集的dPCR數(shù)據(jù)或虛擬芯片，該芯片包括至少100，000個樣品、至少1，000, 000個樣品、或至少10，000, 000個樣品。
[0080]在某些實施例中，光學(xué)系統(tǒng)400包括光源410和相關(guān)聯(lián)的激發(fā)光學(xué)系統(tǒng)412,該光源和激發(fā)光學(xué)系統(tǒng)被配置成照明包含在制品100或200的反應(yīng)位點中的至少一些樣品。激發(fā)光學(xué)系統(tǒng)412可包括一個或多個透鏡414和/或用于調(diào)節(jié)導(dǎo)向樣品的光的一個或多個濾光器416。光學(xué)系統(tǒng)400還可包括光電探測器或光學(xué)傳感器420和相關(guān)聯(lián)的發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)或成像系統(tǒng)422，其被配置成接收反應(yīng)位點104，204中的至少一些所發(fā)射的輻射，并將這種輻射引導(dǎo)到光學(xué)傳感器420上，例如通過在或接近于光學(xué)傳感器420處形成制品100或200或反應(yīng)位點104或204的圖像。由發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)接收的輻射可包括響應(yīng)于光源410所產(chǎn)生的一個或多個激發(fā)光束在反應(yīng)位點104，204內(nèi)產(chǎn)生的熒光發(fā)射。除此之外或作為另外一種選擇，由發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)接收的輻射可為反應(yīng)位點104，204內(nèi)產(chǎn)生的其他類型的發(fā)光，例如，生物發(fā)光、化學(xué)發(fā)光、磷光等。例如，當系統(tǒng)300被配置成執(zhí)行qPCR和/或dPCR程序、測定或過程時，反應(yīng)位點104，204可包含一個或多個熒光染料或標記，其提供根據(jù)制品100，200的多個或全部反應(yīng)位點中包含的靶核苷酸序列或分子的量變化的熒光信號。
[0081]發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)422可包括透鏡或透鏡系統(tǒng)424和/或用于調(diào)節(jié)導(dǎo)向樣品的光的一個或多個濾光器426。在圖23示出的圖示實施例中，激發(fā)光學(xué)系統(tǒng)412/發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)422均包括一個或多個常見的光學(xué)元件。例如，激發(fā)光學(xué)系統(tǒng)412/發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)422均可包括分束器430，該分束器可反射激發(fā)光并將發(fā)射光從樣品透射至光學(xué)傳感器420。在某些實施例中，激發(fā)光學(xué)系統(tǒng)412/發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)422均包括設(shè)置在分束器430和制品100，200之間的物鏡(未示出)，可使用該物鏡改善光學(xué)性能，例如通過使光線更均勻地照射到反應(yīng)位點104，204和/或從所述反應(yīng)位點發(fā)射而改善光學(xué)性能。在某些實施例中，例如在均勻照明或發(fā)射(例如由遠心光學(xué)系統(tǒng)提供)不太重要(例如，一些dCPR應(yīng)用)的情況下，可省去常用的物鏡，如圖23的圖示實施例中所示。省去物鏡可有助于減小光學(xué)系統(tǒng)400的大小和復(fù)雜性。激發(fā)光學(xué)系統(tǒng)和發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的示例性實施例在以下美國專利申請?zhí)栔羞M行討論:6，818，437,7, 498，164,7, 387，891,7, 635，588、或 7，410，793，這些出版物以引用的方式全文并入本文。
[0082]透鏡424可包括單個透鏡或簡單透鏡，例如平凸透鏡、平凹透鏡、雙凸透鏡、雙凹透鏡、彎月形透鏡等。除此之外或作為另外一種選擇，透鏡424可包括復(fù)合透鏡和/或透鏡系統(tǒng)，例如，消色差透鏡、多元件透鏡、相機透鏡、微透鏡陣列等。在某些實施例中，透鏡424可包括一種或多種反射光學(xué)元件或衍射光學(xué)元件，諸如衍射透鏡、衍射光柵、全息光學(xué)元件坐寸ο
[0083]光學(xué)傳感器420可包括一個或多個光電二極管、光電倍增管(PMT)等。此類光電探測器可在例如光學(xué)系統(tǒng)400被構(gòu)造成掃描各個反應(yīng)位點104，204或反應(yīng)位點104，204的子集的情況下使用。在其他實施例中，光學(xué)傳感器420可包括一個檢測器陣列或片段檢測器陣列(segmented detector array),例如,一個或多個CO)(電荷稱合裝置)或CMOS(互補金屬氧化物半導(dǎo)體)陣列。片段檢測器陣列可有利地在全部的或大部分的反應(yīng)位點104，204被同時成像或檢查的情況下使用。為了提供每個反應(yīng)位點多個像素，光學(xué)傳感器420可包括至少4，000, 000像素或超過10，000, 000像素。在光學(xué)傳感器420包括分段檢測器和/或包括一個或多個共同光學(xué)元件的實施例中，光學(xué)系統(tǒng)400可被配置成使得多個反應(yīng)位點(例如，反應(yīng)位點104，204等)各自在光學(xué)傳感器420的單個像素或光元件或在一組像素或光元件上成像。對于光學(xué)傳感器420包括分段檢測器的實施例，成像光學(xué)系統(tǒng)422可被配置成形成制品100，200等的單個反應(yīng)區(qū)域的圖像。除此之外或作為另外一種選擇，發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)422可被配置成形成包括制品100，200等的多個反應(yīng)區(qū)域的圖像。
[0084]可將光學(xué)系統(tǒng)400的任何或全部組件或元件安裝到一個或多個共同框架(未示出)。在某些實施例中，光學(xué)系統(tǒng)400的任何或全部組件或兀件可被封閉在外殼或殼體450內(nèi)，例如，以防止或減少外部光或雜光的引入，保護光學(xué)系統(tǒng)400免受外部灰塵和碎片的影響，和/或遮擋電噪音或磁噪音。在圖23的圖示實施例中，光源410和光學(xué)傳感器420包含在外殼450內(nèi)。作為另外一種選擇，光源410和/或光學(xué)傳感器420可安裝在外殼450的外部表面上和/或可部分地位于外殼450內(nèi)。
[0085]在某些實施例中，光學(xué)系統(tǒng)400被配置成提供制品100，200的大量的反應(yīng)位點104，204 (例如足夠大量的反應(yīng)位點104，204)的同時成像，以提供對一個或多個靶分子、序列、基因、生物學(xué)微生物體等進行dPCR分析。例如，系統(tǒng)400可被配置成同時使至少20，000個反應(yīng)位點104，204成像，其中反應(yīng)位點104，204的密度可為至少100個反應(yīng)位點每平方毫米和/或每個反應(yīng)位點104，204的特征直徑可小于或等于100微米。例如，本發(fā)明的示例性實施例(本文稱為實例A)，使29，760個反應(yīng)位點104，204 (每個反應(yīng)位點具有小于70微米的特征直徑)的二維陣列同時成像并處理以提供對靶核苷酸序列或分子進行dPCR分析。在實例A實施例中，反應(yīng)位點104，204被布置在160X186的六邊形排列圖案(與圖6或圖13中所示類似)中，該圖案在制品100,200的小于14毫米乘約14毫米(約13毫米乘約13毫米)的活性面積上。每個反應(yīng)位點的反應(yīng)體積可小于一納升。在其他實施例中，制品100，200的活性面積包括至少15，000個、至少20，000個反應(yīng)位點104，204，至少30，000個反應(yīng)位點104，204，至少100，000個反應(yīng)位點104，204或至少I, 000，000個反應(yīng)位點 104，204。
[0086]參見圖24，可將外部光電探測器、相機、或便攜式電子裝置600安裝到光學(xué)系統(tǒng)400上以用于獲取制品100，200的圖像和/或相關(guān)聯(lián)的來自制品100，200的反應(yīng)位點104，204的光學(xué)信號或數(shù)據(jù)?？蓪⒀b置600用來取代光學(xué)傳感器420(例如圖24)或與該光學(xué)傳感器一起使用(未示出)。裝置600可以可拆卸地安裝到光學(xué)系統(tǒng)400。例如，裝置600可暫時附接到光學(xué)系統(tǒng)400以在處理前、處理期間或處理后獲得制品100，200和/或反應(yīng)位點104，204的圖像。在獲得一個或多個此類圖像后，可將裝置600從光學(xué)系統(tǒng)400中分離或移除，以例如觀察圖像、轉(zhuǎn)移圖像、和/或處理圖像(例如，以改善圖像和/或獲取或計算與反應(yīng)位點104，204中的一者或多者中的生物化學(xué)反應(yīng)相關(guān)的信息)。
[0087]裝置600可包括光電探測器或光學(xué)傳感器(例如，CXD或CMOS傳感器)，其被配置成當將其安裝至光學(xué)系統(tǒng)400時接收制品100，200和/或反應(yīng)位點104，204的一個或多個圖像。裝置600還可包括一個或多個透鏡、濾鏡、或其他光學(xué)元件以用于提供制品100，200和/或反應(yīng)位點104，204的圖像。透鏡424可被配置成在裝置600的光電探測器上提供圖像。在某些實施例中，裝置600可包括透鏡或透鏡系統(tǒng)(例如，包括透鏡元件的系統(tǒng)的相機透鏡)。在此類實施例中，裝置600的透鏡或透鏡系統(tǒng)可被配置成與光學(xué)系統(tǒng)400的透鏡424—起工作以提供預(yù)定質(zhì)量或特性的圖像。作為另外一種選擇，裝置600包括一個或多個透鏡等以用于形成制品100，200和/或反應(yīng)位點104，204的圖像，而光學(xué)系統(tǒng)400不包含透鏡如在制品100，200和裝置600的光電探測器之間的光學(xué)路徑中的透鏡424。
[0088]在某些實施例中，裝置600被設(shè)計成或被配置成專門與光學(xué)系統(tǒng)400 —起使用，以獲得制品100，200和/或反應(yīng)位點104，204的圖像。作為另外一種選擇，裝置600可被配置成用于除了獲得制品100，200和/或反應(yīng)位點104，204的圖像之外的其他用途。例如，裝置600可包括可被配置成用于個人攝影、商業(yè)攝影、和/或科學(xué)攝影的相機。在某些實施例中，裝置600為商業(yè)裝置或消費裝置，其可包括除攝影應(yīng)用之外的用途。例如，裝置600可為消費者或?qū)I(yè)相機或錄像機、相機手機、智能手機(例如，基于移動操作系統(tǒng)的移動電話，移動操作系統(tǒng)包括但不限于谷歌的安卓操作系統(tǒng)(Google’s Android OS)、蘋果的iPhone操作系統(tǒng)(Apple’s 1S)、諾基亞的塞班(Nokia’s Symbian)、黑莓公司的黑莓操作系統(tǒng)(RIM’s BlackBerry OS)、三星的Bada(Samsung’s Bada)、微軟的視窗操作系統(tǒng)(Microsoft，s Windows Phone)、惠普的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(Hewlett-Packard，s webOS)或嵌入式Linux發(fā)行版(Linux distribut1ns)如Maemo和MeeGo,或其他構(gòu)建在移動計算平臺上的移動電話)、蘋果觸控式iPod (Apple iPod Touch)或類似裝置、個人數(shù)字助理(PDA)、便攜式媒體播放器、個人計算機或具有圖片輸入的電子表等。
[0089]在某些實施例中，光學(xué)系統(tǒng)400 (例如，圖23和圖24的圖示實施例)被配置成相對較小，但仍提供制品100，200的全部反應(yīng)位點104，204或制品100，200的幾乎全部的(例如，制品100，200的至少90%、至少95%、或至少99%的)反應(yīng)位點104，204的成像質(zhì)量。例如，光學(xué)系統(tǒng)400的大小可被配置成足夠小以便提供比現(xiàn)有系統(tǒng)更易于攜帶的緊湊型系統(tǒng)以用于進行qPCR和/或dPCR測試、實驗或分析。除此之外或作為另外一種選擇，光學(xué)系統(tǒng)400的大小可被配置成足夠小以便將光學(xué)元件的成本保持在預(yù)定的預(yù)算內(nèi)或目標成本內(nèi)。例如，選擇成像透鏡或相機透鏡如圖23和圖24中示出的透鏡424的焦距或有效焦距以提供相對短的工作距離。在此類實施例中，相對短的焦距或有效焦距還可使得能夠使用相對小的透鏡、分束器、激發(fā)濾光片、發(fā)射濾光片和/或其他系統(tǒng)組件，因此降低了產(chǎn)品的總材料和/或系統(tǒng)成本。
[0090]重要的是，已發(fā)現(xiàn)，減小光學(xué)系統(tǒng)400的大小(例如，圖23和圖24的圖示實施例)和/或減小特征成像系統(tǒng)焦距或有效焦距(例如與用于類似目的的現(xiàn)有技術(shù)PCR系統(tǒng)相比)可被使反應(yīng)位點104，204圖像質(zhì)量保持處于或高于預(yù)定的量的設(shè)計或系統(tǒng)約束所限制。例如，已發(fā)現(xiàn)光學(xué)像差如散光、失真和場彎曲會降低圖像質(zhì)量，具體地講降低在反應(yīng)位點104，204的二維陣列中的周邊反應(yīng)位點的圖像質(zhì)量，所降低的量可妨礙在用于確定一個或多個靶核苷酸序列或分子的計數(shù)的dPCR計算中獲得期望的準確性。出乎意料的是，已發(fā)現(xiàn)使用某種設(shè)計方法學(xué)和/或光學(xué)品質(zhì)因子，可得到能產(chǎn)生反應(yīng)位點104，204的陣列的足夠圖像質(zhì)量的系統(tǒng)和儀器，從而允許例如通過使用擴增處理如qPCR和/或dPCR來檢測和/或定量樣品中的靶核苷酸序列或分子。
[0091]在某些實施例中，發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)或成像系統(tǒng)422根據(jù)設(shè)計方法進行配置，以提供小型化光學(xué)系統(tǒng)用來檢測和/或定量包含在至少一些反應(yīng)位點104，204中的靶核苷酸序列或分子。多種以非線性方式相互作用的組件的存在可使發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)422的設(shè)計復(fù)雜化。當受限于僅有限定數(shù)量的的組件可商購獲得時，例如在成本約束妨礙或減少了使用定制光學(xué)的情況下，發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)422的設(shè)計也可能復(fù)雜化?？缮藤徸阅承┫M者市場驅(qū)動應(yīng)用(諸如移動電話、智能手機相機)的小型化光學(xué)元件可被用在當前設(shè)計方法中以提供很低的組件價格。例如，為這些市場生產(chǎn)的可商購獲得的硬件和光學(xué)元件的規(guī)格和特性是有限的，并且可能與用在鑒定和/或定量靶核苷酸序列或分子的小型化儀器的開發(fā)中的期望的或優(yōu)選的值不匹配。
[0092]在某些實施例中，當前設(shè)計方法可使用掃描顯微鏡方法以提供根據(jù)本發(fā)明的實施例的系統(tǒng)和儀器。作為另外一種選擇，設(shè)計方法可使用相機設(shè)計方法以提供根據(jù)本發(fā)明的實施例的系統(tǒng)和儀器。所述相機設(shè)計方法可由對象、攝像透鏡或物鏡和像素化的傳感器如C⑶或CMOS傳感器組成。就相機設(shè)計方法而言，整個能視域(FOR)可在本文稱為“曝光時間”的時間間隔里立刻被感知。
[0093]該設(shè)計方法可包括結(jié)合光學(xué)“對象”。在不限制本發(fā)明的實施例的范圍情況下，對象可包括孔陣列板，該板可由多達96或384個單獨的孔以80X 120mm的網(wǎng)格格式組成。所述孔可以以9毫米或4.5毫米的間距隔開。作為另外一種選擇，還可使用以這些間距隔開的較小數(shù)量的孔。在某些實施例，對象可為具有通孔陣列的基材，所述通孔的直徑為350微米并且相隔500微米。所述通孔可分入8X8的子網(wǎng)格中，子網(wǎng)格被布置成4X 12的圖案。除此之外或作為另外一種選擇，用于當前設(shè)計方法的對象可包括如上文所討論的制品100，200的構(gòu)型中的一種或多種。
[0094]該設(shè)計方法可包括使用可商購獲得的攝影物鏡透鏡，因為此類透鏡就是設(shè)計為成像出具有低像差的寬能視域。這些透鏡可為多元件的(至少3個透鏡元件，最多為11個或更多個透鏡元件)。限制孔(孔徑光闌)可在透鏡組件內(nèi)部并且控制該透鏡的“速度”或f/#(聚光力)，其中f/#可被定義為透鏡或系統(tǒng)焦距除以該限制孔的直徑所得的比率。這種透鏡設(shè)計類型是非常成熟的，并且大量的選擇已具體地設(shè)計了各種類型的可商購獲得的傳感器(例如，CCD和CMOS傳感器)。這些傳感器將光能轉(zhuǎn)化為電能，并且通常由數(shù)百萬個單獨的感測元件組成，每個元件接收通過攝影物鏡透鏡從FOR的一小部分成像的能量。通過軟件組裝來自這些感測元件中的每一個的電信號(稱為圖片元件或“像素”)，該軟件允許對由物鏡成像的對象進行2維呈現(xiàn)。
[0095]現(xiàn)在將更詳細地描述該設(shè)計方法的實施例，其中光學(xué)對象包括如上實例A實施例所述的制品100，200。CMOS傳感器可用于當前設(shè)計方法的實施例中，因為相比于提供類似性能(例如，就像素分辨率、幀頻和/或動態(tài)范圍而言)的CCD傳感器，這些傳感器具有相對較低的成本。應(yīng)當理解，在該設(shè)計方法的其他實施例中，可使用CCD或其他類型的光電探測器。
[0096]在某些實施例中，洞或斑發(fā)現(xiàn)算法和定量算法可提供每個反應(yīng)位點104，204的圖像在整個洞直徑上包括至少5像素或總共約20像素。對于本實施例而言，選擇在整個孔或洞直徑上約8像素的值。對制品100，200的實例A實施例而言，洞通過60微米的直徑來表征，并且被布置為六邊形圖案，其中相鄰反應(yīng)位點104，204以82微米的間距隔開。因為8像素跨越60微米并且它們以82微米的間距隔開，所以洞間距為11像素，在相鄰反應(yīng)位點104，204之間留下大約3暗像素。沿CMOS檢測器的一條軸線，一側(cè)有約160個反應(yīng)位點圖像，其在一側(cè)提供約1760像素的CMOS像素設(shè)計參數(shù)，或為制品100，200的正方形活性面積提供總數(shù)至少約3.1百萬的探測器像素。在某些實施例中，可選擇甚至更大數(shù)量的傳感器像素以適應(yīng)定位考慮和/或在FOR的邊緣增加的透鏡像差。
[0097]當前設(shè)計方法中的下一個考慮可為像素大小。當前可用的傳感器具有例如1.1、1.4、2.2、3、5、8、11微米和更大的正方形像素大小。存在三個可能影響像素大小的選擇的因素:動態(tài)范圍(DR)、信噪比和衍射。DR可通過每個像素能存儲的光電子的最大數(shù)量來確定。2.2微米直徑的像素的絕對數(shù)為約3200光電子，而5.5微米的像素為約20，000光電子。作為通用設(shè)計參數(shù)，更大的像素(更大的光電子數(shù)量)提供更好的DR，以及更好的信噪比(SNR)特性，該信噪比特性等于信號的平方根。20K DR具有140的SNR ；3.2K DR具有57的SNR，前者為后者的2.5倍。
[0098]一般來講衍射為電磁波的基本特性，具體來講衍射為光波的基本特性。其由物理孔如透鏡或系統(tǒng)孔徑光闌對波的程度的截斷引起。在光學(xué)系統(tǒng)中的效果為無限遠離的完美點源(如恒星)的圖像其自身并非無限小，而是一斑點，其精確形狀由孔的大小和形狀來決定。大多數(shù)透鏡的圓形孔形成具有明亮的大中心環(huán)(所謂的“艾里斑”)的牛眼型圖案以及無限個較小和較暗的環(huán)繞圈。對于可見波長而言，艾里斑的大小大約等于微米級的系統(tǒng)物鏡透鏡的f/#。因此，衍射考慮因素使光學(xué)設(shè)計導(dǎo)向于更大的透鏡直徑和系統(tǒng)孔。然而，存在對透鏡直徑或孔的實際限制，因為由透鏡元件的表面形狀引起的透鏡像差(諸如但不限于散光、失真和場彎曲)隨著f/#減少或透鏡直徑增加而增加。f/#的實際值為約f/2.5。這意味著點源的圖像將形成直徑約2.5微米的圓形圖像。如果像素為2.5微米的正方形，則艾里斑將剛好填入其中。如果像素為1.4微米，則艾里斑將占據(jù)2X2的像素網(wǎng)格。計算透鏡或系統(tǒng)分辨率的一種評估標準稱為瑞利判據(jù)，該判據(jù)稱當一個艾里斑的最大圖像出現(xiàn)在另一個艾里斑的最小圖像處時，兩個點物體可由光學(xué)系統(tǒng)分辨。這暗示在當前實例中的兩個相鄰像素應(yīng)被一個艾里斑半徑或約1.25微米分開。另一種分辨率評估標準為將相鄰的信號分開達至少一個艾里斑直徑。后一種標準提供了限制像素大小至2.5微米的正方形或更大。具有這種像素大小和像素計數(shù)的傳感器的總體大小變?yōu)?760X2.5 = 4400微米或 4.4mm η
[0099]兩種可商購獲得的滿足上述用于當前設(shè)計方法的標準的傳感器為AptinaΜΤ9Ρ031單色CMOS傳感器(4.28毫米X 5.7毫米和1944X2592像素，直徑為2.2微米乘2.2微米)以及尼康D7000相機(Nikon D7000camera)的DX大小的16Mp傳感器(DX sized16Mp sensor) (23.6X 15.6毫米和5微米乘5微米像素)。在當前的實例中,可基于成本考慮選擇 Aptina MT9P031。
[0100]基于4.28毫米的Aptina CMOS傳感器的較小直徑和在實例A實施例中制品100，200的13毫米乘13毫米的活性面積，系統(tǒng)放大率為0.33(4.28/13)。這提供了 60微米X0.33 = 19.8微米的反應(yīng)位點104，204圖像大小。因此，每個反應(yīng)位點104，204圖像覆蓋19.8/2.5 = 7.92像素,這滿足上文中大于5像素和約8像素的兩個標準。
[0101]當前設(shè)計方法還包括當使用發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)422使制品100，200在光電探測器420上成像時，基于接收自反應(yīng)位點104，204的信號確定強度計算的準確度。在當前的實例中，強度計算基于直徑為約5傳感器像素的每個反應(yīng)位點的圖像大小。光學(xué)檢測系統(tǒng)如發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)422的效果取決于信噪比(SNR)。對于熒光感測儀器而言，一條經(jīng)驗法則是SNR為至少3。SNR的測量位置是在傳感器換能器處。該換能器將光能(光子)轉(zhuǎn)換成電能(電子)。這些電子通常稱為“光電子”，字面意思為由光子產(chǎn)生的電子。SNR可包括兩部分:信號能量和噪聲能量。信號能量(信號光電子)由光子通量(光子抵達率，光子/秒)引起。噪聲能量可由若干機制產(chǎn)生，諸如信號本身、光學(xué)背景能量(來自不同于信號源的源)以及與換能器相關(guān)的能量諸如讀取噪聲或暗(熱)噪聲?？稍?，233，393和7，045，756中找到讀取噪聲和暗噪聲的更詳細的討論，二者均以全文引用的方式并入本文。
[0102]當確定了或提供了噪聲能量的準確估計時，可使用SNR計算來確定給定的信號能量是否足夠大以克服噪聲能量。換能器(光學(xué)檢測器)可針對讀取噪聲或針對熱噪聲進行表征?？捎蓹z測器量子效率(QE)、光通過量(optical throughput)(例如,測得的光子的比率與在樣品處產(chǎn)生的光子的比率之比)以及在光源(激光、LED、電燈、電弧等…)處產(chǎn)生的光通量(optical flux)估計在檢測器處的信號通量。光通過量可由以下組成:源光譜通量、光學(xué)過濾器光譜傳輸特性、熒光轉(zhuǎn)換效率(在波長I處的入射通量被轉(zhuǎn)換為在波長2處的熒光發(fā)射通量的比例)、發(fā)射光通量的角范圍、相機透鏡的光學(xué)采集效率和窗口、流體以及光路中任何其他材料的其他特性。知道了光學(xué)組件的通過量特性和正常封閉的波長處的光學(xué)過濾器的殘余傳輸、光路中材料的(自動)突光以及在包含光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的界限內(nèi)產(chǎn)生的散射光，可計算光學(xué)背景。背景可可能難以模擬，但可從系統(tǒng)中的測量獲取。
[0103]基于當前設(shè)計方法，成像系統(tǒng)包括Aptina CMOS傳感器和0.33的系統(tǒng)放大率。使用系統(tǒng)為小的通用設(shè)計標準，按照成像系統(tǒng)為全部或幾乎全部的反應(yīng)位點104，204提供預(yù)定的強度計算準確度的設(shè)計標準，評估了各種可商購獲得的設(shè)計用于監(jiān)測系統(tǒng)和移動電話的物鏡透鏡。這些透鏡的額外優(yōu)勢為相對廉價。從這種評估確定出Sunex透鏡型號DSL901產(chǎn)生了低得足以滿足預(yù)定的強度計算準確度標準的總像差。DSL901為f/3透鏡并且具有15毫米的焦距，其使用以下關(guān)系產(chǎn)生60毫米的工作距離:
[0104]P = f [ (m+1) /m],
[0105]式中f =焦距
[0106]P =工作距離。
[0107]作為另外的選擇，鑒定了滿足預(yù)定的強度計算準確度標準的其他攝影物鏡。這些攝影物鏡的焦距小于或等于DSL901的15毫米的焦距。在某些實施例中，放大率可略低于0.33。由于工作距離的增加，這將導(dǎo)致系統(tǒng)略微變大；然而，較低的放大率有利地減少了像差如散光，像差在FOR內(nèi)的周邊定位的反應(yīng)位點104，204處較大。
[0108]概括地說，已發(fā)現(xiàn)，可提供包括具有小于或等于60毫米工作距離的光學(xué)成像系統(tǒng)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)能夠接收包含至少20，000個單獨的反應(yīng)位點104，204的制品100，200，同時照明該至少20，000個單獨的反應(yīng)位點104，204并且計算包含在該至少20，000個單獨的反應(yīng)位點中的一些或全部中的多個靶核苷酸粒子。在某些實施例中，通過提供光電探測器如光電探測器420 (包括預(yù)定的像素數(shù)量，該數(shù)量是單獨的反應(yīng)位點的數(shù)量的至少20倍)來獲得靶核苷酸粒子數(shù)量的精確計算。在其他實施例中，預(yù)定的像素數(shù)量為單獨的反應(yīng)位點數(shù)量的至少60倍,或為單獨的反應(yīng)位點數(shù)量的至少100倍。
[0109]在某些實施例中，根據(jù)上文討論的設(shè)計方法的實施例的成像系統(tǒng)可通過一個或多個品質(zhì)因子(FOM)來表征。一些FOM包括:
[0110]?傳感器像素正方形大小 >=相機透鏡f#(例如，用于具有光譜可見部分中的波長的系統(tǒng))。
[0111]?傳感器像素的數(shù)量>=(n*n*l*w)/(p*p),其中η =圖像中所需的像素/特征，I =對象能視域長度，w =對象能視域?qū)挾?，P =特征間距。
[0112]?選擇放大率，使其為傳感器長度/寬度與對象長度/寬度的四個比率中最小的一個。
[0113].選擇透鏡焦距和對象至圖像距離對(由放大率確定)以在透鏡像差和整體光學(xué)封裝長度之間提供最佳折中方案。
[0114]在某些實施例中，系統(tǒng)300還包括熱控制系統(tǒng)500，該熱控制系統(tǒng)包括例如熱循環(huán)儀，該熱循環(huán)儀被配置成在包含在制品100，200中的一些或全部樣品上執(zhí)行PCR程序或方案。系統(tǒng)400，500可組合或聯(lián)接在一起成為單個單元，例如以便在包含在制品100，200中的至少一些樣品上執(zhí)行qPCR和/或dPCR程序、測定、實驗或方案。在此類實施例中，可使用計算機530，560來控制系統(tǒng)400，500和/或收集或處理由系統(tǒng)400，500的任一者或兩者提供或獲得的數(shù)據(jù)。作為另外一種選擇，熱控制系統(tǒng)500可與光學(xué)系統(tǒng)400和/或與計算機530，560完全分開。在此類實施例中，使用熱控制系統(tǒng)500或一些其他熱控制器或熱循環(huán)儀在樣品上執(zhí)行熱循環(huán)之后，可使用光學(xué)系統(tǒng)400在包含在反應(yīng)位點104，204中的樣品上執(zhí)行dPCR或端點PCR程序。在某些實施例中，熱控制系統(tǒng)500包括熱循環(huán)儀，在熱循環(huán)儀中使用傳統(tǒng)的熱循環(huán)儀、等溫擴增、熱對流、紅外介導(dǎo)的熱循環(huán)或解旋酶依賴性擴增來完成PCR。在某些實施例中，可將熱控制系統(tǒng)500的至少一部分與制品100，200結(jié)合為一體或結(jié)合到所述制品中。例如，制品100，200可包括沿表面110，112的一者或兩者分布的一個或多個加熱元件。除此之外或作為另一種選擇，基材102的至少一部分可為加熱元件，例如由具有電阻的材料制成，該材料被配置為在對基材102施加電勢時提供電阻性加熱。
[0115]根據(jù)各種實施例，發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)422和/或透鏡424可包括小于或等于15mm的焦距和/或小于或等于60mm的工作距離，其中工作距離具有從制品100，200至透鏡424或透鏡424的主平面的距離。此外，在各種實施例中，發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)422和/或透鏡424包括小于或等于3的光圈數(shù)。在一些實施例中，發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)422和/或透鏡424可包括小于或等于15mm的焦距和小于或等于3的光圈數(shù)二者。
[0116]在某些實施例中，制品100，200包括具有集成電路和半導(dǎo)體的電子芯片。在此類實施例中，還可將檢測系統(tǒng)整合到芯片中以確定目的生物組分的存在和/或數(shù)量。
[0117]上文以完整、清楚、簡明且準確的術(shù)語呈現(xiàn)了對設(shè)想的實施本發(fā)明的最佳模式以及對制備和使用本發(fā)明的方式和過程的描述，使得其所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠制備和使用本發(fā)明。然而，本發(fā)明可作出與上文所述完全等效的修改形式和替代構(gòu)造。因此，并非意圖將本發(fā)明限制于所公開的具體實施例。相反，其目的在于涵蓋屬于如以下權(quán)利要求書大體表達的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的修改形式和替代構(gòu)造，以下權(quán)利要求書特別指出并明確要求本發(fā)明的主題。
[0118]用于與本文件所描述的各個實施例有關(guān)的方法的示例性系統(tǒng)包括在以下美國臨時專利申請中所描述的系統(tǒng):
[0119]提交于2012年3月16日的美國臨時申請?zhí)?1/612，087 ;以及
[0120]提交于2012年11月7日的美國臨時申請?zhí)?1/723，759 ;以及
[0121]提交于2012年3月16日的美國臨時申請?zhí)?1/612，005 ;以及
[0122]提交于2012年3月16日的美國臨時申請?zhí)?1/612，008 ;以及
[0123]提交于2012年11月7日的美國臨時申請?zhí)?1/723，658 ;以及
[0124]提交于2012年11月7日的美國臨時申請?zhí)?1/723，738 ;以及
[0125]提交于2012年6月13日的美國臨時申請?zhí)?1/659，029 ;以及
[0126]提交于2012年11月7日的美國臨時申請?zhí)?1/723，710 ;以及
[0127]提交于2013年3月7日的美國臨時申請?zhí)?1/774，499 ;以及
[0128]提交于2013年3月15日的生命科技公司(Life Technologies)案卷號LT00655PCT,以及
[0129]提交于2013年3月15日的生命科技公司(Life Technologies)案卷號LT00656PCT,以及
[0130]提交于2013年3月15日的生命科技公司(Life Technologies)案卷號LT00657PCT,以及
[0131]提交于2013年3月15日的生命科技公司(Life Technologies)案卷號LT00658PCT,以及
[0132]提交于2013年3月15日的生命科技公司(Life Technologies)案卷號LT00668PCT。
[0133]所有這些申請也以全文引用的方式并入本文中。
【權(quán)利要求】
1.一種用于確定樣品中靶核苷酸分子的數(shù)目的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 樣品架，其被配置成容納包括至少20，000個單獨的反應(yīng)位點的制品； 激發(fā)光學(xué)系統(tǒng)，其包括被配置成同時照射所述至少20，000個單獨的反應(yīng)位點的光源；光學(xué)傳感器，其包括預(yù)定的像素數(shù)目，所述預(yù)定的像素數(shù)目為所述反應(yīng)位點數(shù)目的至少20倍；以及 發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)，其包括距所述樣品架的系統(tǒng)工作距離，其中所述系統(tǒng)工作距離小于或等于60毫米。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括計算機，所述計算機包括處理器和與所述處理器通信的電子存儲器，其中: 所述計算機接收來自所述光學(xué)傳感器的所述至少20，000個單獨的反應(yīng)位點的圖像； 所述存儲器包括用于執(zhí)行數(shù)字PCR計算的指令；并且 所述計算機被配置成基于所述指令和所接收到的圖像計算包含在所述至少20，000個單獨的反應(yīng)位點中的至少一些單獨的反應(yīng)位點中的多個靶核苷酸粒子。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括: 外殼，其包含激發(fā)光學(xué)系統(tǒng)和所述發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)；以及 圖像記錄系統(tǒng)，其包括所述光學(xué)傳感器； 其中所述圖像記錄系統(tǒng)可拆卸地安裝至所述外殼。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述圖像記錄系統(tǒng)為相機手機或智能手機。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述圖像記錄系統(tǒng)為iPhone。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述圖像記錄系統(tǒng)包括處理器，所述處理器被配置成從所述光學(xué)傳感器獲取圖像并處理所述圖像以提供所述樣品的生物化學(xué)信息。
7.一種用于確定樣品中靶核苷酸分子的數(shù)目的系統(tǒng)，包括: 樣品架，其被配置成容納包括多個單獨的反應(yīng)位點的制品； 圖像記錄系統(tǒng)，其包括所述光學(xué)傳感器；以及 外殼，其包括: 激發(fā)光學(xué)系統(tǒng)，其包括被配置成同時照射所述單獨的反應(yīng)位點的光源； 發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)，其被配置成將來自所述制品的輻射轉(zhuǎn)移至所述圖像記錄系統(tǒng)； 其中所述圖像記錄系統(tǒng)可拆卸地安裝至所述外殼。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述圖像記錄系統(tǒng)為相機手機或智能手機。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述圖像記錄系統(tǒng)為iPhone。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中圖像記錄系統(tǒng)包括處理器，所述處理器被配置成從所述光學(xué)傳感器獲取圖像并處理所述圖像以提供所述樣品的生物化學(xué)信息。
11.一種測量一種或多種樣品中的祀核苷酸的量的方法，所述方法包括: 提供系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 樣品架，其被配置成容納包括至少20，000個單獨的反應(yīng)位點的制品； 激發(fā)光學(xué)系統(tǒng)，其包括被配置成同時照射所述至少20，000個單獨的反應(yīng)位點的光源；光學(xué)傳感器，其包括預(yù)定的像素數(shù)目，所述預(yù)定的像素數(shù)目為所述反應(yīng)位點數(shù)目的至少20倍；以及 發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)，其包括距所述樣品架的系統(tǒng)工作距離，其中所述系統(tǒng)工作距離小于或等于60毫米； 提供所述制品； 在所述至少20，000個反應(yīng)位點中的至少一些反應(yīng)位點上執(zhí)行擴增測定； 將所述制品放入所述樣品架中； 使用所述激發(fā)光學(xué)系統(tǒng)照射所述制品； 測量來自所述至少20，000個單獨的反應(yīng)位點中的至少一些單獨的反應(yīng)位點的發(fā)射福射；以及 確定所述靶核苷酸的量。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括: 將含有所述靶核苷酸的樣品溶液的至少一部分分配在所述至少20，000個反應(yīng)位點中的至少一些反應(yīng)位點之間； 通過測量來自所述至少20，000個反應(yīng)位點中的至少一些反應(yīng)位點的發(fā)射福射來確定所述溶液中的所述祀核苷酸的量。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括: 將含有所述靶核苷酸的樣品溶液的至少一部分分配在多個制品的所述反應(yīng)位點之間，每個制品包括所述至少20，000個反應(yīng)位點； 通過測量來自所述多個制品每一者的反應(yīng)位點中的至少一些反應(yīng)位點的發(fā)射福射來確定所述溶液中的所述靶核苷酸的量。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括: 將含有所述靶核苷酸的樣品溶液的至少一部分分配在多個制品的所述反應(yīng)位點之間，每個制品包括所述至少20，000個反應(yīng)位點； 依次將所述多個制品中的每個制品放入所述樣品架中，并測量來自每個制品的所述至少20，000個單獨的反應(yīng)位點中的至少一些單獨的反應(yīng)位點的發(fā)射輻射； 基于所測得的全部所述多個制品的發(fā)射輻射來確定所述溶液中的所述靶核苷酸的量。
【文檔編號】B01L7/00GK104302402SQ201380025615
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年3月15日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月16日
【發(fā)明者】凱文·馬赫爾 申請人:生命技術(shù)公司