全文摘要
本公开涉及但不限于结构照明成像系统和生物传感器。本公开提供一种结构照明成像系统，其利用在图案化样本的有源平面中的图像传感器(例如有源像素传感器)来提高图像分辨率。所成像的样本可以被图案化和\/或排列在图像传感器上，使得图像传感器的每个光传感器(例如像素)具有在其上方形成和\/或安装的相应的多个特征。响应于照射，每个特征可以发射由图像传感器的像素收集的荧光。在成像期间，图像传感器的每个像素可以使用结构照明在空间上被多路复用，使得只有被排列在像素上的特征的子集(例如，一个或两个)在图像读取期间用结构化光进行照射。
主设计要求
1.一种系统，包括：光发射器，所述光发射器发射光；光学元件，所述光学元件使由所述光发射器发射的光衍射以在包括图案化特征的样本的平面上投射第一多个条纹；以及图像传感器，所述图像传感器收集由所述样本的所述图案化特征发射的光，所述图像传感器包括多个像素，其中，所述样本将被排列在所述图像传感器上，使得多个图案化特征沿着第一轴被排列在所述多个像素中的每个相应的像素上，其中所投射的第一多个条纹被成形为照射每个相应的多个图案化特征中的特征之一。
设计方案
1.一种系统，包括：
光发射器，所述光发射器发射光；
光学元件，所述光学元件使由所述光发射器发射的光衍射以在包括图案化特征的样本的平面上投射第一多个条纹；以及
图像传感器，所述图像传感器收集由所述样本的所述图案化特征发射的光，所述图像传感器包括多个像素，其中，所述样本将被排列在所述图像传感器上，使得多个图案化特征沿着第一轴被排列在所述多个像素中的每个相应的像素上，其中所投射的第一多个条纹被成形为照射每个相应的多个图案化特征中的特征之一。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所投射的第一多个条纹具有与规则图案化特征的尺寸至少几乎相同或比规则图案化特征的尺寸大的条纹宽度，并且其中，所述条纹宽度小于所述多个像素中的每一个像素的间距。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述图像传感器是有源像素图像传感器。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述图像传感器是互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。
5.根据权利要求3所述的系统，还包括：第二光学元件，所述第二光学元件使由所述光发射器发射的光衍射以将第二多个条纹投射到所述样本的平面上，其中，所述第二多个条纹相对于所述第一多个条纹正交地被定向。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述样本被排列在所述图像传感器上，使得第二多个图案化特征被定位在所述多个像素中的每一个相应的像素上，其中，所述第二多个图案化特征中的每一个沿着与所述第一轴正交的第二轴被对齐，其中，所投射的第二多个条纹被成形为照射每个所述第二多个图案化特征中的一个特征。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，使光衍射的所述光学元件和所述第二光学元件包括：投射所述第一多个条纹的水平透射型衍射光栅以及投射所述第二多个条纹的垂直透射型衍射光栅。
8.根据权利要求6所述的系统，其中，四个图案化特征被定位在所述多个像素中的相应的一个像素上，其中，所述四个图案化特征以正方形网格被布置在所述像素上。
9.根据权利要求6所述的系统，其中，三个图案化特征被定位在所述多个像素中的相应的一个像素上，其中，所述三个图案化特征以L形状被布置在所述像素上。
10.根据权利要求3所述的系统，其中，所述多个像素中的每一个像素是矩形像素，其中，所述样本的所述图案化特征以线性阵列被排列在每一个矩形像素上。
11.根据权利要求3所述的系统，其中，所述多个像素中的每一个像素是正方形像素，其中，多个图案化特征中的每一个特征包括具有约2:1的纵横比的两个特征。
12.根据权利要求3所述的系统，其中，所述多个像素中的每一个像素是正方形像素，其中，多个图案化特征中的每一个特征包括具有约3:1的纵横比的三个特征。
13.根据权利要求3所述的系统，其中，所述样本被形成在所述图像传感器上。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述图案化特征中的每个特征是反应凹部，所述反应凹部包括形成在所述多个像素中的一个像素的光导上的反应区域。
15.根据权利要求3所述的系统，其中，所述图像传感器包括像素的第一对齐行或第一对齐列和第二对齐行或第二对齐列，其中，所述第一对齐行或第一对齐列和所述第二对齐行或第二对齐列使所述第一多个条纹与所述样本和图像传感器在空间上对齐。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述样本的仅一个特征被定位在所述多个像素中的所述第一对齐行或第一对齐列和所述第二对齐行或第二对齐列的每一个像素上。
17.一种生物传感器，包括：
设备基座，所述设备基座包括：
传感器阵列，所述传感器阵列包括多个像素；以及
具有对应的反应区域的反应凹部的反应阵列，其中，所述反应阵列在所述传感器阵列上被图案化，使得多个反应凹部在所述多个像素中的相应的一个像素上被图案化；以及
光学组件，所述光学组件在所述反应阵列的平面上投射多个条纹，其中，所投射的多个条纹被成形为照射在所述多个像素中的每个像素上图案化的所述反应凹部中的一个反应凹部。
18.根据权利要求17所述的生物传感器，其中，所投射的多个条纹具有与所述反应凹部的尺寸至少几乎相同或比所述反应凹部的尺寸大的条纹宽度，其中，所述条纹宽度小于所述多个像素中的每个像素的间距，并且其中，所述条纹宽度与所述多个像素中的每个像素的间距至少几乎相同。
19.根据权利要求18所述的生物传感器，还包括：使所述多个条纹相移所述多个像素中的每个像素的所述间距的几分之一的一个或更多个光学元件。
设计说明书
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年1月8日提交的且标题为“Multiplexing of an ActiveSensor Detector using Structured Illumination”的美国临时专利申请第 62\/614,690号和于2018年3月20日提交的且标题为“Multiplexing of an Active Sensor Detectorusing Structured Illumination”的荷兰专利申请第 N2020621号的优先权。每个前面提到的申请的全部内容在此通过引用被并入本文。
技术领域
本申请涉及，但不限于结构照明成像系统和生物传感器。
背景技术
在显微成像中，显微镜的横向分辨率通常受到由光源的波长和显微镜的物镜的数值孔径确定的衍射极限的限制。例如，有源传感器成像技术(例如互补金属氧化物半导体(CMOS)成像技术)的一个限制是最终间距(ultimate pitch)，且因此信息的数据密度受到传感器系统的间距的限制，在高端系统中间距可以在大约1μm和1.75μm之间。这种限制可能将持续，因为对较小像素的处理由于制造约束而是复杂的。
在利用电荷耦合器件(CCD)成像传感器的一些传统显微成像系统中，空间结构化(即图案化)光可用于对样本成像，以将显微镜的横向分辨率增加两倍或更多倍。在这样的系统中，在样本的成像期间，可以在各种图案相位(例如0°、120°、和240°)获取样本的条纹图案的三个图像，使得样本上的每个位置被暴露于一定范围的照明强度，该过程通过围绕光轴旋转图案定向(例如60°和120°)来重复。所捕获的图像(例如九个图像) 可以被组合成具有扩展空间频率带宽的单个图像，该单个图像可以被再转换到真实空间中，以生成相比于由传统显微镜捕获的图像具有更高分辨率的图像。在这些传统系统中，由结构照明显微术(structured illumination microscopy)对分子的检测依赖于重新收集激发光(通常利用用于激发的相同物镜)并将发射信号重新成像到CCD相机上。
实用新型内容
本文所述的实现方式针对一种结构照明成像系统，其利用在图案化样本的有源平面(active plane)中的图像传感器(例如有源像素传感器)来提高图像分辨率。所成像的样本可以被图案化和\/或被排列在图像传感器上，使得图像传感器的每个像素具有在其上方形成的和\/或安装的 (mounted)相应的多个特征。
在一个实现方式中，一种系统包括：发射光的光发射器；使由光发射器发射的光衍射以在包括图案化特征的样本的平面上投射多个条纹的光学元件；以及收集由样本的特征发射的光的图像传感器。在该实现方式中，图像传感器包括多个像素，样本将被排列在图像传感器上，使得多个图案化特征沿着第一轴被排列在多个像素中的每个相应像素上，并且所投射的多个条纹被成形为照射每个相应的多个图案化特征中的特征之一。在各种实现方式中，所投射的多个条纹具有与规则图案化特征的尺寸至少几乎相同或比规则图案化特征的尺寸大的条纹宽度，并且条纹宽度小于多个像素中的每一个像素的间距。例如，规则图案化特征的尺寸可以是圆形特征的直径、正方形特征的边的长度、矩形特征的较长边或较短边的长度、椭圆形特征沿着其长轴或短轴的直径、或者不规则成形的对象沿着对象的一个轴(例如x轴或y轴)的最长尺寸。
在实现方式中，图像传感器是有源像素图像传感器，例如互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。
在二维结构照明成像实现方式中，该系统还包括：第二光学元件，其使由光发射器发射的光衍射以将第二多个条纹投射到样本的平面上，其中第二多个条纹相对于第一多个条纹正交地被定向。在这样的实现方式中，样本可以被排列在图像传感器上，使得第二多个图案化特征被定位于多个像素中的每一个相应的像素上，其中第二多个图案化特征中的每一个图案化特征沿着与第一轴正交的第二轴被对齐，其中，所投射的第二多个条纹被成形为照射每个第二多个图案化特征中的一个图案化特征。
在二维结构照明成像实现方式中，使光衍射的光学元件可以包括：投射第一多个条纹的水平透射型衍射光栅以及投射第二多个条纹的垂直透射型衍射光栅。在一些特定的实现方式中，四个图案化特征被定位在多个像素中的相应像素上，其中，四个图案化特征以正方形网格被布置在像素上。在一些特定的实现方式中，三个图案化特征被定位在多个像素中的相应像素上，其中，三个图案化特征以L形状被布置在像素上。
在一些实现方式中，多个像素中的每一个是矩形像素，其中，样本的特征以线性阵列被排列在每一个矩形像素上。
在一些实现方式中，多个像素中的每一个是正方形像素，并且多个特征中的每一个包括具有约2:1的纵横比的两个特征。在一些实现方式中，多个像素中的每一个是正方形像素，并且多个特征中的每一个包括具有约 3:1的纵横比的三个特征。
在实现方式中，样本可以形成在图像传感器上。例如，样本可以通过光刻法被图案化在有源像素图像传感器上。
在特定的实现方式中，每个特征是包括形成在多个像素中的一个像素的光导上的反应区域(reaction site)的反应凹部。
在一些实现方式中，图像传感器包括像素的第一对齐行或列和第二对齐行或列，其中第一对齐行或列和第二对齐行或列使多个条纹与样本和图像传感器在空间上对齐。在这些实现方式中，样本的仅一个特征可以被定位在多个像素中的第一对齐行或列和第二对齐行或列的每一个像素上。
在一个实现方式中，一种方法包括：在包括图案化特征的样本的平面上投射第一多个条纹，其中，样本被排列在图像传感器上，使得第一多个图案化特征被定位在多个像素中的相应的一个像素上，其中多个图案化特征中的每一个图案化特征沿着第一轴在像素上被对齐；用所述第一多个条纹照射每一个第一多个图案化特征中的第一特征；捕获每一个第一多个图案化特征中的第一特征的第一图像；使第一多个条纹相移以照射每一个第一多个图案化特征中的第二特征；以及捕获每一个第一多个图案化特征中的第二特征的第二图像。
在该方法的一些实现方式中，所投射的多个条纹具有与规则图案化特征的尺寸至少几乎相同或比规则图案化特征的尺寸大的尺寸的条纹宽度，并且条纹宽度小于多个像素中的每个像素的间距。在一些实现方式中，样本被形成在图像传感器上，并且图像传感器是有源像素传感器。
在该方法的特定实现方式中，第一多个条纹被定位成在捕获第一图像和第二图像的步骤期间仅照射在多个像素中的每个像素上的一个特征。
在一些实现方式中，该方法还包括：在样本的平面上投射第二多个条纹，其中第二多个条纹相对于第一多个条纹正交地被定向，其中，样本被排列在图像传感器上，使得第二多个图案化特征被定位在多个像素中的相应的一个像素上，其中，第二多个图案化特征中的每一个图案化特征沿着与第一轴正交的第二轴被对齐；用第二多个条纹照射每一个第二多个图案化特征中的第三特征；捕获每一个第二多个图案化特征中的第三特征的第三图像；使第二多个条纹相移以照射每一个第二多个图案化特征中的第四特征；以及捕获每一个第二多个图案化特征中的第二特征的第四图像。
在一个实现方式中，生物传感器包括：传感器阵列，其包括多个像素；以及具有对应的反应区域的反应凹部的反应阵列，其中，反应阵列在传感器阵列上被图案化，使得多个反应凹部在多个像素中的相应的一个像素上被图案化；以及光学组件，其将多个条纹投射在反应阵列的平面上，其中，所投射的多个条纹被成形为照射在多个像素中的每一个像素上图案化的反应凹部中的一个反应凹部。在该实现方式中，所投射的多个条纹可以具有与反应凹部的尺寸至少几乎相同或比反应凹部的尺寸大的条纹宽度，并且条纹宽度可以小于多个像素中的每个的间距，并且条纹宽度可以与多个像素中的每个像素的间距至少几乎相同。在一些实现方式中，生物传感器还包括：使多个条纹相移多个像素中的每一个像素的间距的几分之一(a fraction of)的一个或更多个光学元件。
结合附图，通过下面的详细描述，所公开的技术的其他特征和方面将变得明显，附图以示例的方式示出了根据所公开的技术的实现方式的特征。该概述不旨在限制由权利要求和等同物限定的本文所述的任何公开的范围。
应该认识到，前述概念的所有组合(假设这些概念不相互矛盾)被认为是本文公开的创造性主题的一部分。特别地，出现在本公开结尾处的要求保护的主题的所有组合被认为是本文公开的创造性主题的一部分。
附图说明
参考下面的附图详细描述了根据一个或更多个实现方式的本公开。这些图仅被提供用于说明的目的，并且仅描绘示例实现方式。此外，应当理解，为了说明的简单和清楚，图中所示的元素不一定按比例绘制。
本文包括的一些附图从不同观看角度示出了公开的技术的各种实现方式。尽管附随的描述性文本可以将这样的视图称为“顶”、“底”或“侧”视图，但这样的提及仅仅是描述性的，并且不暗示或要求所公开的技术在特定的空间定向上被实现或使用，除非另外明确地说明。
图1A示出了根据实现方式的示例性结构照明成像系统，其中图像传感器与图案化样本在同一平面内，以及示出了样本上的周期性(正弦)照明图案。
图1B示出了包括在图像传感器上图案化使得两个特征沿着一个维度形成在图像传感器的每个像素上的样本的组件。
图2示出了成像系统组件的配置，该成像系统组件包括在图像传感器上图案化使得单个特征被形成在图像传感器的每个像素上的样本。
图3是根据一个实现方式的用于生物或化学分析的示例性工作站的框图。
图4是工作站和可以包括如在实现方式中描述的一个或更多个生物传感器的盒的透视图。
图5是具有机柜或托架的机架组件的前视图，该机柜或托架具有在其上装载的多个工作站。
图6示出了根据一个实现方式的图4的盒的各种特征。
图7示出了根据一个实现方式形成的示例性生物传感器的一部分的横截面。
图8是更详细地示出各种特征的图7的检测设备的放大横截面。
图9示出了根据实现方式的包括被排列在每个像素上的两个成像特征的图像传感器组件的顶视图。
图10是示出示例性一维结构照明方法的操作流程图，该方法可以由结构照明成像组件在一个成像周期期间对包括被定位在成像组件的每个光检测器(例如像素)上的两个特征的样本成像来实现。
图11示出了包括对齐行的图像传感器的示例，该对齐行可在实现方式中被利用以在一维结构照明成像过程期间使结构照明图案与样本和传感器对齐。
图12示出了可以由具有矩形像素的成像组件实现的示例性一维结构照明成像过程。
图13示出了包括沿着两个维度(例如沿着两行和两列)被排列在每个像素上的四个成像特征的图像传感器组件的顶视图。
图14A是示出示例性二维结构照明方法的操作流程图，该方法可以由结构照明成像组件在一个成像周期期间对包括沿着两个维度被定位在成像组件的每个光检测器(例如像素)上的四个特征的样本成像来实现。
图14B示出了可以如何对使用图14A的方法捕获的五个图像解码以估计在像素上图案化的四个特征中的每一个特征的信号强度。
图15示出了包括两个对齐行和两个对齐列的图像传感器，两个对齐行和两个对齐列可以在实现方式中被利用来在二维结构照明成像过程期间使结构照明图案沿着正交的第一方向和第二方向与样本和传感器对齐。
图16A示出了包括沿着两个维度以L形状被排列在每个像素上的三个成像特征的图像传感器组件的顶视图。
图16B示出了可以如何对在图16A的像素的在两个维度中的三个图像解码以估计三个特征中的每一个特征的信号强度。
图17示出了包括沿一个维度被排列在每个正方形像素上的两个椭圆形特征的示例性图像传感器组件的顶视图。
图18示出了包括沿一个维度被排列在每个正方形像素上的三个椭圆形特征的示例性图像传感器组件的顶视图。
附图不是详尽的且不将本公开限于所公开的精确形式。
具体实施方式
如在本文中用于提及样本的术语“斑点(spot)”或“特征”旨在表示图案中的可以根据相对位置与其他的点或区域区分开的点或区域。单个斑点可以包括特定类型的一个或更多个分子。例如，斑点可以包括具有特定序列的单个靶核酸分子，或斑点可以包括具有相同序列(和\/或其互补序列) 的若干核酸分子。
如本文所使用的，术语“xy平面”旨在表示由笛卡尔坐标系中的直线轴x和y所定义的2维区域。当关于检测器和由检测器观察的对象进行使用时，该区域可以进一步被指定为与在检测器和被检测对象之间的观察方向正交。
如本文中所使用的，术语“z坐标”意欲意指指定沿着与xy平面正交的轴的点、线或区域的位置的信息。在特定的实现方式中，z轴正交于对象的通过检测器所观察到的区域。例如，可以沿着z轴指定光学系统的聚焦方向。
如本文所使用的，术语“光学耦合”旨在指代一个元件适用于将光直接或间接地传到另一元件。
如本文所使用的，“指定反应”包括感兴趣分析物的化学、电、物理、或光学特性(或性质)中的至少一个的变化。在特定的实现方式中，指定反应是肯定结合(positivebinding)事件(例如，荧光标记生物分子与感兴趣分析物的合并)。更一般地，指定反应可以是化学转变、化学变化、或化学相互作用。指定反应也可以是电特性的变化。
如本文所使用的，“反应组分”或“反应物”包括可用于获得指定反应的任何物质。例如，反应组分包括试剂、酶、样本、其他生物分子、和缓冲溶液。反应组分可以在溶液中被输送到反应区域和\/或被固定在反应区域处。反应组分可以与另一种物质(例如感兴趣分析物)直接或间接地相互作用。
如本文所使用的，术语“反应区域(reaction site)”是可以出现指定反应的局部区域。反应区域可包括基底的支撑表面，其中物质可被固定在其上。例如，反应区域可以包括流动池的通道中的平坦表面，该平坦表面上具有核酸群落。通常但并不总是，在群落中的核酸具有相同的序列，其例如是单链或双链模板的克隆拷贝。然而，在一些实现方式中，反应区域可以仅包含例如以单链或双链形式的单个核酸分子。此外，多个反应区域可以沿着支撑表面随机地分布或者以预定方式(例如，在矩阵中(例如在微阵列中)并排式)布置。反应区域还可以包括至少部分地界定被配置成分隔指定反应的空间区域或体积的反应室。如本文所使用的，术语“反应室”包括与流动通道流体连通的空间区域。反应室可以至少部分地与周围环境或其他空间区域分隔开。例如，多个反应室可以被共有的壁彼此分隔开。作为更具体的例子，反应室可以包括由阱的内表面界定的腔，并且具有开口或孔，使得腔可以与流动通道流体连通。
如本文所使用的，术语“相邻”当对两个反应区域使用时意指没有其它反应区域位于两个反应区域之间。术语“相邻”当对相邻的检测路径和相邻的光传感器(例如在其间没有其它光传感器的相邻的光传感器)使用时可以具有类似的含义。
如本文所使用的，“物质”包括物品或固体，例如捕获珠、以及生物或化学物质。如本文所使用的，“生物或化学物质”包括生物分子、感兴趣样本、感兴趣分析物、和其它化学化合物。生物或化学物质可用于检测、识别、或分析其他化学化合物，或起研究或分析其他化学化合物的媒介物的作用。在特定的实现方式中，生物或化学物质包括生物分子。如本文所使用的，“生物分子”包括以下中的至少一种：生物聚合物、核苷、核酸、多核苷酸、寡核苷酸、蛋白质、酶、多肽、抗体、抗原、配体、受体、多糖、碳水化合物、多磷酸盐、细胞、组织、有机体、或其片段或任何其它具生物活性的化学化合物，例如前面提到的物种的类似物或模拟物。
如本文所使用的，“反应组分”或“反应物”包括可用于获得指定反应的任何物质。例如，反应组分包括试剂、酶、样本、其他生物分子、和缓冲溶液。反应组分通常在溶液中被输送到反应区域和\/或被固定在反应区域处。反应组分可以与另一种物质(如感兴趣分析物)直接或间接地相互作用。
如本文所使用的，术语“反应区域”是可以出现指定反应的局部区域。反应区域可包括物质可被固定在其上的基底的支撑表面。例如，反应区域可以包括流动池的通道中的至少基本上平坦的表面，该表面上具有核酸群落。在一些实例中，群落中的核酸具有相同的序列，其例如为单链或双链模板的克隆拷贝。然而，在一些实现方式中，反应区域可以仅包含例如以单链或双链形式的单个核酸分子。此外，多个反应区域可以沿着支撑表面随机地分布或者以预定方式(例如，在矩阵中(例如在微阵列中)并排式) 布置。反应区域还可以包括至少部分地界定被配置成分隔指定反应的空间区域或体积的反应室。如本文所使用的，术语“反应室”包括与流动通道流体连通的空间区域。反应室可以至少部分地与周围环境或其他空间区域分隔开。例如，多个反应室可以被共有的壁彼此分隔开。作为更具体的示例，反应室可以包括由阱的内表面限定的腔，并且具有开口或孔，使得腔可以与流动通道流体连通。
在另一个示例中，生物或化学物质或生物分子包括在偶联反应中用于检测另一反应的产物的酶或试剂，例如用于检测在焦磷酸测序反应中的焦磷酸的酶或试剂。生物分子、样本、以及生物或化学物质可以是天然出现的或合成的，并且可以悬浮在空间区域内的溶液或混合物中。生物分子、样本、和生物或化学物质也可以被结合到固相或凝胶材料上。生物分子、样本、和生物或化学物质也可以包括药物组合物。在一些情况下，感兴趣的生物分子、样本、和生物或化学物质可以被称为目标、探针、或分析物。
如本文所使用的，“生物传感器”包括具有多个反应区域的结构，该结构被配置成检测在反应区域处或附近出现的指定反应。生物传感器可以包括固态成像设备(例如CMOS或CCD成像器)和可选地安装到其的流动池。流动池可包括与反应区域流体连通的至少一个流动通道。作为一个具体示例，生物传感器被配置成流体和\/或电气地耦合到生物测定系统。生物测定系统可以根据预定方案(例如合成测序(sequencing by-synthesis)) 来将反应物输送到反应区域，并执行多个成像事件。例如，生物测定系统可以引导溶液沿着反应区域流动。至少一种溶液可以包括具有相同或不同荧光标记的四种类型的核苷酸。核苷酸可以与位于反应区域处的对应的寡核苷酸结合。生物测定系统然后可以使用激发光源(例如固态光源，例如发光二极管或LED)照射反应区域。激发光可以具有一个或更多个预定波长，包括一定范围的波长。所激发的荧光标记提供可以被光传感器检测到的发射信号。
在可选的实现方式中，生物传感器可以包括被配置成检测其他可识别的特性的电极或其他类型的传感器。例如，传感器可以被配置成检测离子浓度的变化。在另一示例中，传感器可以被配置成检测穿过膜的离子电流
如本文所使用的，“盒”包括被配置为保持生物传感器的结构。在一些实现方式中，盒可以包括附加特征，例如被配置为向生物传感器的反应区域提供激发光的光源(例如LED)。盒还可以包括流体存储系统(例如用于试剂、样本、和缓冲液的储存器)和流体控制系统(例如泵、阀等)，其用于将反应组分、样本等流体地输送到反应区域。例如，在制备或制造生物传感器之后，生物传感器可以耦合到盒的外壳或容器。在一些实现方式中，生物传感器和盒可以是独立的一次性单元。然而，其它实现方式可以包括具有可移除部件的组件，可移除部件允许用户访问生物传感器或盒的内部，以进行部件或样本的维护或更换。生物传感器和盒可以可移除地耦合或接合到在其中进行受控反应的较大的生物测定系统，例如测序系统。
如本文所使用的，当术语“可移除地”和“耦合”(或“接合”)一起用于描述在生物传感器(或盒)和生物测定系统的系统接受器(system receptacle)或接口之间的关系时，该术语意欲意指在生物传感器(或盒) 和系统接受器之间的连接是容易分离的，而不破坏或损坏系统接受器和\/ 或生物传感器(或盒)。当部件可以在无需过度努力或在分离部件时花费大量时间的情况下彼此分离时部件是容易分离的。例如，生物传感器(或盒)可以以电气方式可移除地耦合或接合到系统接受器，使得生物测定系统的相配触头不被破坏或损坏。生物传感器(或盒)也可以以机械方式可移除地耦合或接合到系统接受器，使得保持生物传感器(或盒)的特征不被破坏或损坏。生物传感器(或盒)也可以以流体方式可移除地耦合或接合到系统接受器，使得系统接受器的端口不被破坏或损坏。例如，如果只有对部件的简单调整(例如，重新对准)或简单更换(例如更换喷嘴)是需要的，则系统接受器或部件不被认为被破坏或损坏。
如本文所使用的，术语“流体连通”或“流体耦合”指两个空间区域连接在一起，使得液体或气体可以在两个空间区域之间流动。例如，微流通道可以与反应室流体连通，使得流体可以从微流通道自由地流入反应室内。术语“流体连通”或“流体耦合”允许两个空间区域通过被配置为控制或调节通过系统的流体的流动的一个或更多个阀、限流器、或其它流体部件而流体连通。
如本文所使用的，术语“固定”当关于生物分子或生物或化学物质被使用时包括至少基本上将生物分子或生物或化学物质在分子水平下附着到表面。例如，可以使用吸附技术(包括非共价相互作用(例如静电力、范德华力和疏水界面的脱水)和共价结合技术(其中官能团或连接体 (linker)便于将生物分子附着到表面))来将生物分子或生物或化学物质固定到基底材料的表面。将生物分子或生物或化学物质固定到基底材料的表面可以基于基底表面的特性、携带生物分子或生物或化学物质的液体介质以及生物分子或生物或化学物质本身的特性。在一些情况下，基底表面可以被功能化(例如，化学或物理地改性)以便于将生物分子(或生物或化学物质)固定到基底表面。基底表面可以首先被改性，以使官能团结合到表面上。然后，官能团可以与生物分子或生物或化学物质结合，以将它们固定在其上。
如上所提到的，当前CMOS成像技术的一个限制是最终间距以及因而信息的数据密度受到传感器系统的像素的间距的限制。尽管在一些CCD 成像系统中利用结构照明来提高横向分辨率，但是在这样的系统中的分子的检测依赖于使用用于激发的相同物镜来重新收集激发光并将发射信号重新成像到CCD相机上。在这样的系统中，重新收集的光穿过的每个光学器件减损信号，并可能引入对成像分辨率和性能不利的像差。
本文描述的实现方式通过使用在样本的有源平面中利用图像传感器 (例如，有源像素传感器)的结构照明成像系统来解决这些问题。根据本文所述的实现方式，所成像的样本可以被图案化和\/或被排列在图像传感器组件上，使得图像传感器的每个光传感器(例如像素)具有在它上方形成和\/或安装的相应的多个特征。在成像期间，图像传感器的每个像素可以使用结构照明来在空间上被多路复用，使得只有被排列在像素上的特征的子集(例如一个特征)在图像读取期间以结构化光进行照射。例如，在利用具有在每个像素上形成的多个群落或纳米阱的生物传感器成像系统的特定实现方式中，每传感器像素的单个群落(或纳米阱)可以在空间上被多路复用以实现亚像素分辨率，这可以通过使用结构照明系统以每次使在每个像素上的群落或纳米阱中的一者成像来实现。
本文描述的实现方式可以实现优于先前存在的成像系统的若干益处。首先，与通过光学照明路径(例如，通过物镜)重新收集光的先前存在的结构照明成像系统不同，在本文描述的实现方式中的照明路径仅用于激发，而不涉及发射波长和光学器件。因此，在源中的滤波器和光学器件可以只针对激发进行优化。第二，在传统的成像系统中，来自对象的在相机处的光是衍射受限的，并且跨越在成像相机上的多个像素，但是利用在样本平面处的有源传感器，可以如本文所述的实现亚像素分辨率。此外，在图像传感器是有源像素图像传感器(例如像素具有光电检测器和放大器，例如CMOS传感器)的实现方式中，可以获得其他益处，例如增加的信号增益和成像组件的降低的成本。从前面的描述中可以认识到本文公开的技术的这些和其他益处。
在描述本文中所公开的系统和方法的各种实现方式之前，描述可以利用其实现本文中所公开的技术的示例环境是有用的。图1A-1B示出了一个这样的示例环境，图1A-1B示出了结构照明成像系统100，其中图像传感器140与用空间结构化光照射的图案化样本110在同一平面内。例如，系统100可以是利用空间结构化激发光对图案化生物样本成像的结构照明荧光显微系统。
在示例系统100中，光发射器150被配置为输出由准直器151(例如准直透镜)准直的光束。准直光束通过光束结构化光学组件155被成形为结构化(图案化)光束160，并通过物镜142被引导到包括多个特征111 的图案化样本110上。由图案化样本110发射的任何光都被图像传感器组件140收集，在这个示例中，图像传感器组件140被定位在样本110的正下方。例如，在荧光样本110的情况下，样本的被照射特征111可以响应于结构化激发光而发荧光，并且由特征111发射的合成光161可以由图像传感器组件140的像点(photosite)(例如像素)收集以检测荧光。例如，如图1B所示，图像传感器组件140的像素(1，2)和(1，4)可以收集由样本的特征111发射的光161，该特征111被定位在传感器上或在传感器上被图案化。
如图1B所示，样本110可以在图像传感器组件140上(例如使用各种不同的光刻技术)形成。在组件140上形成样本110可以提供确保样本 110的图案化特征111在成像期间相对于图像传感器组件140的特定像点 (例如像素)保持对齐的优点。在这样的实现方式中，层(未示出)可以在样本110和图像传感器组件140之间提供隔离(例如，以使图像传感器组件避开样本的流体环境)。在其他实现方式中，样本110可以被安装并被排列在图像传感器组件140上。
样本110被图案化并与图像传感器组件140对齐，使得图像传感器140 的每个光传感器(例如像素)具有在它上方形成和\/或安装的相应的多个特征111。如在图1B的示例中所示的，样本110在图像传感器组件140上被图案化，使得两个特征111沿着一个维度在图像传感器组件140的像素阵列的每个像素上形成。例如，每个特征111可具有小于每个像素的间距(例如1μm)的一半的直径(例如，500nm)。在其他实现方式中，三个、四个、或甚至更多特征111可以在图像传感器组件140的每个像素上沿着一个维度(例如作为线性阵列)或沿着两个维度(例如作为正方形网格阵列) 形成。例如，四个特征可以以正方形形成在每个像素上。作为另一示例，三个特征可以在每个像素上以线性阵列形成。
在每次图像读取期间，由发射器150发射的光通过结构化光学组件155 进行结构化以投射具有间距P(在条纹之间的中心间的间隔)和宽度w的条纹160，使得对应于每个像素的特征111中的一个特征至少基本上被照射。例如，间距P可以至少基本上与图像传感器的像素的间距相同(例如正方形1μm×1μm像素的1μm间距)，以及宽度w可以至少基本上与特征111的尺寸相同或稍微大于特征111的尺寸(例如，对于具有500nm的直径的区域是约500nm或更大的宽度)。在特定的实现方式中，宽度w可以大于特征111的直径并且小于特征111的直径加上相邻特征111之间的间隔。在实现方式中，条纹宽度w至少基本上与其相同或比其略大的规则图案化特征的尺寸可以是圆形特征的直径、正方形特征的边的长度、矩形特征的较长边或较短边的长度、椭圆形特征沿其长轴或短轴的直径、或不规则成形的特征沿特征的一个轴(例如x轴或y轴)的最长尺寸。
在图1B的示例中，其中在每个像素上形成两个特征，在每个像素的左侧上的特征被条纹160的结构化光图案照射，导致来自一半特征的信号。在另一个图像读取期间，在像素的右侧上的特征可以通过使结构化光图案向右相移来进行照射，导致来自另一半特征的信号。因此，与如图2所示的将一个特征192放置在每个像素191上方的系统形成对比，通过使用结构照明来在空间上多路复用来自每个像素的数据读出，可以利用图1A-1B 的配置来实现使每像素的数据密度加倍(即，使特征密度加倍)。在这种情况下，在系统中可用的信息内容不受像素密度限制，而是受特征密度限制。在下面进一步描述的一些实现方式中，通过在每个像素上方图案化附加特征(例如三个、四个、或更多个)，将每个像素的数据密度增至三倍或甚至四倍也是可能的。
如所示，样本110被图案化有可以在成像运行期间同时被成像的有序斑点或特征111的矩形阵列。尽管在该示例中示出了矩形阵列，但是在其他实现方式中，可以使用六角形阵列或者可以使用具有条纹160的结构照明图案而成像的某个其他阵列图案来图案化样本。为了便于说明，样本110 被示为具有数十个特征111。然而，应认识到，样本110可以具有数千、数百万、或数十亿个被成像的特征111。此外，在一些实例中，样本110 可以是包括在成像运行期间被采样的特征111的(垂直于聚焦方向的)多个平面的多平面样本。在特定的实现方式中，样本110可以是被图案化有被划分成一个或更多个小道的数百万或数十亿个阱的流动池。在这个特定实现方式中，流动池的每个阱可以包含使用合成测序进行测序的生物材料。
图像传感器组件140可以包括一个或更多个有源像素传感器，例如互补金属氧化物(CMOS)图像传感器或电荷耦合器件(CCD)图像传感器。尽管图像传感器的像素可以是具有1:1纵横比的正方形像素，但是在下面进一步描述的其它实现方式中，像素可以是矩形地成形的并且具有其它纵横比(例如，2:1纵横比、3:1纵横比、4:1纵横比、3:2纵横比等)。在特定的实现方式中，图像传感器组件可以被实现为在下面进一步讨论的生物传感器图像传感器组件。
在系统100中，光发射器150可以是非相干光发射器(例如，发射由一个或更多个激发二极管输出的光束)，或者相干光发射器，例如由一个或更多个激光器或激光二极管输出的光的发射器。如在系统100的示例中所示的，光发射器150包括用于引导要输出的光束的光纤152。然而，可以使用光发射器150的其它配置。在多通道成像系统(例如，利用多波长的光的多通道荧光显微镜)中利用结构照明的实现方式中，光纤152可以光学地耦合到多个不同光源(未示出)，每个光源发射不同波长的光。尽管系统100被示为具有单个光发射器150，但是在一些实现方式中，可以包括多个光发射器150。
在各种实现方式中，光结构化光学组件155包括一个或更多个光学元件(例如衍射光栅)，以产生投射到样本110的表面上的衍射光的正弦图案 (例如条纹)。例如，一维或二维透射型或反射型衍射光栅可以被用于产生具有被投射在样本110的表面上的规则地间隔开的条纹或条带160的结构化光束。在一些实现方式中，光结构化光学组件155被配置成产生沿着单个方向定向的结构化光图案(例如，仅垂直条纹或水平条纹160)。
在一些实现方式中，光结构化光学组件155可以被配置成产生沿着两个至少基本上正交的方向(例如，垂直和水平方向)定向的结构化光图案。在这样的实现方式中，组件155可以包括用于旋转光栅以改变被投射在样本110上的图案的定向(例如，从水平到垂直或者反之亦然)的旋转台。可选地，组件155可以包括两个正交地定向的衍射光栅，该两个正交地定向的衍射光栅沿着照明路径切换以在样本110上产生不同定向的照明图案 (例如，垂直条纹图案和水平条纹图案)。可选地，组件155可以包括二维衍射光栅和滤波器，以用于阻挡在两个维度的一个维度中的衍射光以投射沿一个方向定向的结构化光束。
光结构化光学组件155还可以包括用于沿着样本110的平面使光的投射图案平移(即相移)的一个或更多个光学相位调制器。例如，光结构化光学组件155可以包括一个或更多个线性平移台、光楔、光学窗口、或其他光学元件，以改变衍射光的光路长度。例如，在图1A所示的示例中，光学相位调制器可以用于移动条纹160，使得它们照射特征111的两组列中的一组。
如在图1A的特定示例中所示的，组件155包括产生衍射光的正弦图案的一维透射型衍射光栅155a以及改变衍射光的相位的旋转窗口155b。
在每个成像周期期间，成像系统100利用光结构化光学组件155来获取沿样本平面(例如，沿x-y平面)横向移位的在各种相位的多个图像，这个过程通过围绕光轴(即，相对于样本的x-y平面)旋转图案定向来重复一次或更多次。
在一些实现方式中，系统100可包括流体传送模块或设备以将试剂(例如，荧光标记的核苷酸、缓冲液、酶、裂解试剂等)的流引导至(并且穿过)包含样本110的样本容器和放泄阀。例如，在系统分析大量不同核酸序列的情况下，样本容器可以包括样本基底，待测序的核酸在样本基底上被结合、附着或相关联(associated)。基底可以包括核酸可附着到的任何惰性基底或基质，诸如，例如玻璃表面、塑料表面、乳胶、葡聚糖、聚苯乙烯表面、聚丙烯表面、聚丙烯酰胺凝胶、金表面、和硅晶片。系统100 还可包括温度站致动器和加热器\/冷却器，其可以可选地调节在样本容器内的流体的温度条件。
在一些实现方式中，样本110和图像传感器140可以被安装在样本台 (未示出)上，以提供样本110相对于物镜142的移动和对准。样本台可以具有一个或更多个致动器，以允许其在三个维度中的任何一个维度中移动。例如，就笛卡尔坐标系而言，致动器可以被提供为允许台在X、Y和 Z方向上相对于物镜移动。这可以允许样本110上的一个或更多个样本位置被定位成与物镜142光学地对准。可选地，样本110可以在成像期间是固定的。
尽管未示出，但是控制器可以被提供来控制结构照明成像系统100的操作，包括使系统100的各种光学部件同步。控制器可以被实现为控制系统操作的方面，例如，光结构化光学组件155的配置(例如，衍射光栅的选择和\/或相移)、聚焦、台移动(如果有的话)、和成像操作。在各种实现方式中，可以使用硬件、算法(例如机器可执行指令)、或前述的组合来实现控制器。例如，在一些实现方式中，控制器可以包括具有相关联的存储器的一个或更多个CPU或处理器。作为另一个示例，控制器可以包括用于控制操作的硬件或其他电路，例如计算机处理器和其上存储有机器可读指令的非暂时性计算机可读介质。例如，该电路可以包括以下中的一个或更多个：现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、可编程逻辑阵列(PLA)、可编程阵列逻辑(PAL)或其他类似的处理设备或电路。作为又一个示例，控制器可以包括该电路与一个或更多个处理器的组合。
图3是根据一个实现方式的用于生物或化学分析的示例工作站200的框图。工作站200可以具有流体控制系统，其通过流体网络238流体地耦合到生物传感器(或盒)235。流体网络238可包括试剂盒240、阀组242、主泵244、消泡器246、三通阀248、限流器250、废物去除系统252、和清洗泵254。在特定的实现方式中，上述大部分部件或所有部件在公共工作站外壳(未示出)内。尽管未示出，工作站200还可以包括被配置为向多个反应区域提供结构化激发光(例如，作为条纹的周期性照明图案)的结构照明系统。例如，结构照明系统可以包括如上面参考图1A所述的一个或更多个光发射器和光结构化光学器件(例如，衍射光栅、相位调制器等)。
流体的流动由沿着流体网络238的箭头指示。例如，试剂溶液可以从试剂盒240中移除，并流过阀组242。阀组242可以便于产生从试剂盒240 流动到盒235的零死体积(zero-dead volume)的流体。阀组242可以选择或允许在试剂盒240内的一种或更多种液体流动经过流体网络238。例如，阀组242可以包括具有紧凑布置的电磁阀。每个电磁阀可以控制来自单个储存袋的流体的流动。在一些实现方式中，阀组242可以允许两种或更多种不同的液体同时流入流体网络238内，从而混合两种或更多种不同的液体。在离开阀组242后，流体可流动经过主泵244并流动到消泡器246。消泡器246被配置成去除已经进入流体网络238或在流体网络238内产生的不想要的气体。
流体可从消泡器246流到三通阀248，其中流体被引导至盒235或绕道至废物去除系统252。在盒235内的流体的流动可至少部分地由位于盒 235下游的限流器250控制。此外，限流器250和主泵244可以彼此协调以控制越过反应区域的流体的流动和\/或控制在流体网络238内的压力。流体可以流动经过盒235并到废物去除系统252上。可选地，流体可以流动经过清洗泵254，并进入例如试剂盒240内的废物储存袋。
工作站200可以包括被配置为调节或控制工作站200的不同部件和子系统的热环境的温度控制系统。温度控制系统可以包括被配置为控制由工作站200使用的各种流体的温度要求的试剂冷却器264和被配置为控制盒 235的温度的热循环器266。热循环器266可以包括与盒通过接口连接的热元件(未示出)。
此外，工作站200可包括系统控制器或合成测序(SBS)板260，其可与工作站200的各种部件和子系统以及盒235通信以执行合成测序过程。此外，SBS板260可以与远程系统通信，以例如存储来自远程系统的数据或从远程系统接收命令。工作站200还可以包括通过单板计算机 (SBC)272操作地耦合到SBS板260的触摸屏用户界面262。工作站200 还可以包括一个或更多个用户可访问的数据通信端口和\/或驱动器。例如，工作站200可以包括用于计算机外围设备的一个或更多个通用串行总线 (USB)连接，例如用于除了其他软件之外还存储用户数据的闪存或跳跃驱动器(jump drive)、紧凑型闪存(CF)驱动器和\/或硬盘驱动器270。
图4是工作站300和盒302的透视图，盒302可以包括如在实现方式中所述的一个或更多个生物传感器(未示出)。工作站300可以包括与如上面关于工作站200描述的类似的部件，并且可以以类似的方式操作。工作站300可以包括工作站外壳304和被配置为接收和接合盒302的系统接受器306。系统接受器可以以流体地和电气地的方式中的至少一个方式接合盒302。工作站外壳304可容纳例如系统控制器、流体存储系统、流体控制系统、和温度控制系统。在图4中，工作站300不包括耦合到工作站外壳304的用户接口或显示器。然而，用户接口可以通过通信链路通信地耦合到外壳304(以及其中的部件\/系统)。因此，用户接口和工作站300 可以相对于彼此远程地进行定位。用户接口和工作站300(或多个工作站) 可以一起构成生物测定系统。
如所示，盒302包括具有提供到盒外壳308的内部的通路的至少一个端口310的盒外壳308。例如，被配置为在受控反应期间在盒302中使用的解决方案可以由技术人员或由工作站300通过端口310加入。系统接受器306和盒302可以相对于彼此被制造尺寸和成形成使得盒302可以被插入系统接受器306的接受器腔(未示出)内。
图5是具有机柜或托架314的机架组件312的前视图，机柜或托架314 具有在其上装载的多个工作站300。机柜314可以包括限定被配置为接收一个或更多个工作站300的一个或更多个接收空间318的一个或更多个搁架316。尽管未示出，工作站300可以通信地耦合到允许用户控制工作站 300的操作的通信网络。在一些实现方式中，生物测定系统包括多个工作站(例如工作站300)以及被配置为控制多个工作站的操作的单个用户接口。
图6示出了根据一个实现方式的盒302(图4)的各种特征。如所示，盒302可包括样本组件320，以及系统接受器306可包括光组件322。图6 中所示的阶段346表示当第一组件320和第二子组件322彼此间隔开时在它们之间的空间关系。在阶段348，第一组件320和第二子组件322连接在一起。盒外壳308(图4)可围住所连接的第一组件320和第二子组件322。
在所示的实现方式中，第一子组件320包括基座326和被安装到基座 326上的反应部件主体324。尽管未示出，但是一个或更多个生物传感器可以在凹部328中安装到基座326，凹部328至少部分地由反应部件主体 324和基座326限定。例如，至少四个生物传感器可以被安装到基座326 上。在一些实现方式中，基座326是印刷电路板，其具有实现在盒的不同部件和工作站300(图4)之间的通信的电路。例如，反应部件主体324 可以包括旋转阀330和流体耦合到旋转阀330的试剂储器332。反应部件主体324还可以包括附加的储器334。
第二子组件322包括光组件336，其包括多个结构化光引导通道338。每个结构化光引导通道338光学地耦合到结构化光源(未示出)，例如，如上所讨论的发光二极管(LED)和衍射光栅。光源被配置成提供激发光的周期性照明图案，该照明图案由光引导通道338引导到生物传感器上。在可选的实现方式中，盒可以不包括结构化光源。在这样的实现方式中，结构化光源可以位于工作站300中。当盒被插入系统接受器306(图4) 内时，盒302可以与结构化光源对准，使得生物传感器可以用结构化光进行照射。在其他实现方式中，光引导通道338可以被配置成(例如，通过使用一个或更多个透射型衍射光栅)产生结构化光。
也如图6中所示，第二子组件322包括流体地耦合到端口342和344 的盒泵340。当第一子组件320和第二子组件322连接在一起时，端口342 耦合到旋转阀330，而端口344耦合到其它储器334。盒泵340可以被激活以根据指定的方案将反应组分从储器332和\/或334引导到生物传感器。
图7示出了根据一个实现方式形成的示例性生物传感器400的一部分的横截面。生物传感器400可在例如盒302(图4)中被使用。如所示，生物传感器400可包括被直接或间接地耦合到检测设备404的流动池402。流动池402可以被安装到检测设备404。在所示的实现方式中，流动池402 通过一个或更多个固定机构(例如粘合剂、胶合剂、紧固件等)直接固定到检测设备404。在一些实现方式中，流动池402可以可移除地耦合到检测设备404。
在所示的实现方式中，检测设备404包括设备基座425。在特定的实现方式中，设备基座425包括多个堆叠层(例如硅层、介质层、金属-介质层等)。设备基座425可以包括光传感器440的传感器阵列424、光导462 的引导阵列426、和具有对应的反应区域414的反应凹部408的反应阵列 428。
在该实现方式中，部件被布置成使得每个光传感器440与两个反应凹部408对齐。因此，每个光传感器440被配置成对至少两个不同的反应区域414成像，其中每个反应区域对应于相应的凹部408。这可以使用结构化激发光401来实现，结构化激发光401被图案化，使得在每个光传感器 440上形成的仅一个反应凹部在图像读取期间至少基本上被照射。例如，在图7的示例中，多个周期性光条纹可以在一次图像读取期间照射在每个光传感器440上的左侧(左反应区域)，并且在另一次图像读取期间照射在每个光传感器440上的右侧(右反应区域)。在这种配置中，通过在空间上多路复用读出，每个光传感器440可以独立地接收来自两个反应区域中的每一个反应区域的光子。
在某些实现方式中，部件被布置成使得每个光传感器440与单个光导 462和两个反应区域414对齐。然而，在其它实现方式中，单个光传感器 440可以通过多于一个的光导462和\/或从多于两个的反应区域414接收光子。例如，每个凹部408可以具有多个反应区域和\/或多于两个的凹部408 可以被排列在每个光传感器440上。如本文所使用的，单个光传感器440 可以包括一个像素或多于一个的像素。
此外注意，术语“阵列”或“子阵列”不一定包括检测设备可能具有的特定类型的每个项目。例如，传感器阵列424可以不包括检测设备404 中的每个光传感器。相反，检测设备404可以包括其他光传感器(例如光传感器的其他阵列)。作为另一示例，引导阵列426可以不包括检测设备的每个光导。替代地，可以有与光导462不同地被配置或者与检测设备404的其它元件具有不同关系的其它光导。因此，除非另外明确地陈述，否则术语“阵列”可以包括或不包括检测设备的所有这样的项目。
在所示实现方式中，流动池402包括侧壁406和由侧壁406和其它侧壁(未示出)支撑的流动盖410。侧壁耦合到检测器表面412，并在流动盖410和检测器表面412之间延伸。在一些实现方式中，侧壁由将流动盖 410粘合到检测设备404的可固化粘合剂层形成。
流动池402被制造尺寸和成形成使得流动通道418存在于流动盖410 和检测设备404之间。如所示，流动通道418可包括高度H 1<\/sub>。仅作为示例，高度H1<\/sub>可以在大约50-400μm(微米)之间，或者在一个示例中，在大约 80-200μm之间。在所示的实现方式中，高度H 1<\/sub>约为100μm。流动盖410 可以包括对从生物传感器400的外部传播到流动通道418中的结构化激发光401透明的材料。如图7中所示，结构化激发光401以正交角度接近流动盖410。然而，这仅仅是为了说明的目的，因为激发光401可以从不同角度接近流动盖410。
还示出，流动盖410可以包括被配置成流体地接合其它端口(未示出) 的入口端口420和出口端口422。例如，其它端口可以来自盒302(图4) 或工作站300(图4)。流动通道418被制造尺寸和成形为沿着检测器表面 412引导流体。流动通道418的高度H 1<\/sub>和其它尺寸可以被配置成保持流体沿着检测器表面412的至少基本上均匀的流动。流动通道418的尺寸也可以配置成控制泡沫形成。
侧壁406和流动盖410可以是彼此耦合的单独部件。在其它实现方式中，侧壁406和流动盖410可以一体地形成，使得侧壁406和流动盖410 由连续的材料片形成。作为示例，流动盖410(或流动池402)可以包括透明材料，例如玻璃或塑料。流动盖410可以构成具有平坦外表面和限定流动通道418的平坦内表面的至少基本上矩形的块。该块可以被安装到侧壁406上。可选地，流动池402可以被蚀刻成限定流动盖410和侧壁406。例如，可以在透明材料中蚀刻凹部。当被蚀刻的材料被安装到检测设备404 时，凹部可以成为流动通道418。
检测设备404具有可以被功能化(例如，以用于进行指定反应的合适方式化学或物理地被改性)的检测器表面412。例如，检测器表面412可以被功能化，并且可以包括其上被固定有一个或更多个生物分子的多个反应区域414。检测器表面412具有反应凹部或开放式反应室408的阵列。每个反应凹部408可包括一个或更多个反应区域414。反应凹部408可以由例如沿着检测器表面412的深度的凹入或变化来限定。在其他实现方式中，检测器表面412可以至少基本上是平坦的。在这样的实现方式中，两个反应区域可以在平坦的检测器表面上被排列在每个传感器440上。
如图7中所示，反应区域414可以沿着检测器表面412被分布在一种图案中。例如，反应区域414可以用类似于微阵列的方式沿着检测器表面 412定位于行和列中。然而，应该理解，可以使用反应区域的各种图案。反应区域可以包括发射光信号的生物或化学物质。例如，反应区域的生物或化学物质可以响应于结构化激发光401而产生光发射。在特定的实现方式中，反应区域414包括固定在检测器表面412上的生物分子(例如寡核苷酸)的簇或群落。
图8是检测设备404的放大横截面，其更详细地示出了各种特征。更具体地，图8示出了单个光传感器440、用于将光发射朝向光传感器440 进行引导的单个光导462、以及用于基于由光传感器440检测到的光发射 (例如光子)来传输信号的相关电路446。应当理解，传感器阵列424(图 7)的其它光传感器440和相关部件可以以相同或相似的方式被配置。然而，还应当理解，检测设备404不需要始终相同或均匀地被制造。相反，一个或更多个光传感器440和\/或相关部件可以相对于彼此不同地被制造或者具有不同的关系。
电路446可以包括能够传导电流(例如基于检测到的光子的数据信号传输)的互连的导电元件(例如导体、迹线、通孔、互连件等)。例如，在一些实现方式中，电路446可以类似于或包括微电路布置。检测设备404 和\/或设备基座425可以包括具有光传感器440的平面阵列的集成电路。在检测设备404内形成的电路446可以被配置用于信号放大、数字化、存储、和处理中的至少一个。该电路可以收集和分析检测到的光发射，并产生用于将检测数据传递给生物测定系统的数据信号。电路446还可以在检测设备404中执行附加的模拟和\/或数字信号处理。
可以使用集成电路制造工艺(例如用于制造互补金属氧化物半导体 (CMOS)的工艺)来制造设备基座425。例如，设备基座425可以包括多个堆叠层431-437，包括传感器层或基座431，其在所示实现方式中是硅层或晶片。传感器层431可以包括光传感器440和与传感器层431一起形成的栅极441-443。栅极441-443电耦合到光传感器440。当检测设备404 如图7和图8中所示被完全形成时，光传感器440可以通过栅极441-443 电耦合到电路446。
如本文所使用的，术语“层”不限于材料的单个连续主体，除非另有说明。例如，传感器层431可以包括不同材料的多个子层和\/或可以包括涂层、粘合剂等。此外，一个或更多个层(或子层)可以被修改(例如，蚀刻、用材料沉积等)以提供本文描述的特征。
在一些实现方式中，每个光传感器440具有小于约50μm2<\/sup>的检测面积。在特定的实现方式中，检测面积小于约10μm2<\/sup>。在更特定的实现方式中，检测面积约为1-2μm2<\/sup>。在这种情况下，光传感器440可以构成单个像素。在光传感器440中的每个像素的平均读噪声可以例如小于约150个电子。在更特定的实现方式中，读噪声可以小于大约5个电子。光传感器440的阵列的分辨率可以大于大约0.5百万像素(Mpixel)。在更特定的实现方式中，分辨率可以大于约5Mpixel，并且在一个示例中大于约10Mpixel。
设备层还包括多个金属-介质层432-437，这些层在下文中被称为基底层。在所示实现方式中，基底层432-437中的每一个包括金属元件(例如 W(钨)、Cu(铜)、Al(铝)等)和介质材料(例如SiO 2<\/sub>)。可以使用各种金属元件和介质材料，例如适合于集成电路制造的那些材料。然而，在其它实现方式中，基底层432-437中的一个或更多个可以仅包括介质材料，例如SiO2<\/sub>的一个或更多个层。
关于图8中所示的具体实现方式，第一基底层432可以包括被嵌入在介质材料(例如SiO2<\/sub>)内的被称为M1的金属元件。金属元件M1包括例如W(钨)。在所示的实现方式中，金属元件M1完全延伸穿过基底层432。第二基底层433包括金属元件M2和介质材料以及金属互连件(M2\/M3)。第三基底层434包括金属元件M3和金属互连件(M3\/M4)。第四基底层 435还包括金属元件M4。设备基座425还包括第五基底层436和第六基底层437，其将在下面更详细地进行描述。
如所示，金属元件和互连件彼此连接以形成电路446的至少一部分。在所示的实现方式中，金属元件M1、M2、M3、M4包括W(钨)、Cu(铜)、和\/或铝(Al)，以及金属互连件M2\/M3和M3\/M4包括W(钨)，但是应当理解，也可以使用其他材料和配置。还应注意，图7和图8中所示的设备基座425和检测设备404仅用于说明目的。例如，其他实现方式可以包括比图7和图8中所示的层更少的或更多的层和\/或不同配置的金属元件。
在一些实现方式中，检测设备404包括沿着设备基座425的外表面464 延伸的屏蔽层450。在所示实现方式中，屏蔽层450直接沿着基底层437 的外表面464进行沉积。然而，在其它实现方式中，中间层可以被布置在基底层437和屏蔽层450之间。屏蔽层450可以包括被配置成阻挡、反射、和\/或显著衰减从流动通道418传播的光信号的材料。光信号可以是激发光 401和\/或光发射(在图8中所示)。仅作为示例，屏蔽层450可以包括钨 (W)。
如图8中所示，屏蔽层450包括穿过其的孔或开口452。屏蔽层450 可以包括这样的孔452的阵列。在一些实现方式中，屏蔽层450可以在相邻孔452之间连续延伸。因此，来自流动通道418的光信号可以被阻挡、反射、和\/或显著衰减，以防止由光传感器440检测到这样的光信号。然而，在其它实现方式中，屏蔽层450不在相邻的孔452之间连续延伸，使得除了孔452之外的一个或更多个开口存在于屏蔽层450中。
检测设备404还可以包括沿着屏蔽层450并跨越孔452延伸的钝化层 454。屏蔽层450可以在孔452上延伸，从而直接或间接地覆盖孔452。屏蔽层450可以位于钝化层454和设备基座425之间。粘合剂或促进剂层458 可以位于其间，以便于钝化层454和屏蔽层450的耦合。钝化层454可以被配置成保护设备基座425和屏蔽层450免受流动通道418的流体环境的影响。
在一些情况下，钝化层454还可以被配置成提供固体表面(即，检测器表面412)，该固体表面允许生物分子或其他感兴趣分析物被固定在其上。例如，每个反应区域414可以包括固定到钝化层454的检测器表面412 的生物分子的簇。因此，钝化层454可以由允许反应区域414固定到其上的材料形成。钝化层454还可以包括至少对期望的荧光透明的材料。作为示例，钝化层454可以包括氮化硅(Si 3<\/sub>N4<\/sub>)和\/或二氧化硅(SiO2<\/sub>)。然而，可使用其它适当的材料。此外，钝化层454可以被物理地或化学地改性以便于固定生物分子和\/或便于对光发射的检测。
在所示的实现方式中，钝化层454的一部分沿着屏蔽层450延伸，且钝化层454的一部分直接沿着光导462的过滤材料460延伸。两个反应凹部408可以直接在光导462上形成。在一些情况下，在钝化层454沿着屏蔽层450或粘附层458沉积之前，可以在设备基座425内形成基座孔或空腔456。例如，可以蚀刻设备基座425以形成基座孔456的阵列。在特定的实现方式中，基座孔456是从孔452附近朝着光传感器440延伸的细长空间。基座孔可以沿着中心纵轴468纵向延伸。在一些实现方式中，基座孔456的三维形状可以是至少基本上圆柱形或截头圆锥形的，使得沿着延伸到图8的页面中的平面截取的横截面是至少基本上圆形的。纵轴468可以穿过横截面的几何中心延伸。然而，在可选的实现方式中可以使用其他几何形状。例如，横截面可以是至少基本上正方形或八边形的。
在基座孔456形成之后，过滤材料460可以被沉积在基座孔456内。过滤材料460可(例如，在固化后)形成光导462。光导462被配置成过滤激发光401，并允许光发射通过其朝着对应的光传感器440传播。光导 462可以是例如有机吸收滤波器。仅通过具体示例的方式，激发光可以是大约532nm，并且光发射可以是大约570nm或更大。
在一些情况下，有机过滤材料可能与生物传感器的其它材料不相容。例如，有机过滤材料可以具有使过滤材料显著膨胀的热膨胀系数。可选地或附加地，过滤材料可能不能够充分粘附到某些层，例如屏蔽层(或其他金属层)。过滤材料的膨胀可在相邻于过滤材料或在结构上连接到过滤材料的层上引起机械应力。在一些情况下，膨胀可能在生物传感器的结构中引起裂纹或其他不需要的特征。因此，本文阐述的实现方式可以限制过滤材料膨胀的程度和\/或过滤材料与其它层接触的程度。例如，不同光导的过滤材料可以被钝化层彼此隔离。在这样的实现方式中，过滤材料可以不接触金属层。此外，钝化层可以抵抗膨胀和\/或允许一些膨胀，同时减少不需要的结构特征(例如裂纹)的产生。
光导462可相对于设备基座425的周围材料(例如介质材料)被配置以形成光导结构。例如，光导462可具有约2.0的折射率，使得光发射至少基本上在光导462和设备基座425的材料之间的界面处被反射。在某些实现方式中，光导462被配置成使得激发光的光密度(OD)或吸光度至少约为4OD。更具体地，可以选择过滤材料，并且光导462可以形成所需尺寸以达到至少4OD。在更具体的实现方式中，光导462可被配置成达到至少约5OD或至少约6OD。生物传感器400的其他特征可以被配置成减少电串扰和光串扰。
图9示出了包括被排列在每个像素910上的两个成像特征920a-920b 的图像传感器组件900的顶视图。例如，特征920a-920b可以在图像传感器组件的制造期间(例如，通过用光刻法使纳米阱图案和有源像素传感器的像素对齐)形成在像素910上。为了简单起见，显示了四个像素。通过示例的方式，如在图7-图8中所示，每个像素910可以是光传感器440，且特征920a-920b可以是反应凹部408。如上所述，可以使用光导462来将从特征920a-920b中的每一个发射的光引导到像素中。在一些实现方式中，为了限制在相邻特征920a-920b之间的串扰，可以调整在像素上的特征的间距和用于照射特征的条纹的宽度。
图10是示出示例性一维结构照明方法1000的操作流程图，该方法可以在一个成像周期期间由结构照明成像组件对包括被定位在成像组件的每个光检测器(例如像素)上的两个特征的样本成像来实现。例如，方法 1000可用于如上面参考图1A-1B和图7-9所述的对样本进行成像。在一些情况下，所成像的样本的特征可以在图像传感器的像素上被形成。
在操作1010，结构照明图案被定位成照射在每个光传感器上定位\/图案化的第一特征。例如，如配置1060所示，垂直条纹照明图案可以被定位成照射在每个像素的左侧而不是每个像素的右侧上的特征。在实现方式中，这可以通过形成具有至少基本上与图像传感器的像素的间距相同的间距(例如，正方形1μm×1μm像素的1μm间距)和至少基本上与特征的直径相同或稍微大于特征的直径的宽度(例如，如上面参考图1A-1B所述的)的结构化光图案来实现。例如，在特定的实现方式中，每个条纹的宽度约为每个像素的间距的一半或小于该一半，且在条纹之间的中心间间隔约为每个像素的间距。在操作1020，样本的第一图像被捕获。例如，在荧光显微成像系统的情况下，在每个像素的左侧上的一些或所有特征可以发射由像素的光电检测器收集并用于产生第一图像的光。
在操作1030，结构照明图案被相移(例如，在样本平面上的样本上进行平移)以照射在每个光传感器上定位\/图案化的第二特征。例如，如配置 1070所示，垂直条纹照明图案可以被定位成照射在每个像素的右侧上而不是每个像素的左侧上的特征。在实现方式中，可以通过旋转光学反射镜、通过移动平移台、通过旋转光楔、或使用一些其他光学相位调制器以移动在样本平面上的图案的相位来使图案相移。在特定的实现方式中，相位可以移动条纹图案的间距的约1\/2(例如，像素的间距的约1\/2)。在其他实现方式中，可以通过使用相对于第一衍射光栅偏离大约1\/2条纹的第二衍射光栅来移动照明图案。在这样的实现方式中，第一衍射光栅和第二衍射光栅可以是固定的。在操作1040，样本的第二图像被捕获。例如，在荧光显微成像系统的情况下，在每个像素的右侧上的一些或所有特征可以发射由像素的光电检测器收集并用于产生第一图像的光。
在操作1050，两个所捕获的图像可用于生成亚像素分辨率或超分辨率图像。例如，在每个像素上的两个特征区域中的每一个特征区域的强度可以从两个所捕获的图像被解复用(例如，来自关于第一图像的左侧特征的强度读出和关于第二图像的右侧特征的强度读出)。在一些情况下，可以考虑在两个图像之间的串扰。有利地，图10的示例仅需要在一个方向上(例如垂直地)定向的衍射图案，并且每像素单个特征进行照射，这可以极大地简化图像处理(例如，减少或消除在两个图像之间的信号的去卷积)。
应当注意，尽管在图10的示例配置1060-1070中示出了被定位于每个像素的左侧和右侧上的垂直条纹照明图案和特征，但是这些配置是为了说明的目的。例如，在特征被图案化或以其他方式被定位在每个像素的顶部和底部上的实现方式中，照明图案将替代地被示为在每次图像读取期间向上或向下移位的水平条纹照明图案。
在实现方式中，为了保持结构照明图案在空间上与像素图案对齐，使得在成像期间只有每个像素的特征之一被照射(例如，以最大化来自特征之一的信号)，图像传感器可以包括两个对齐行，其中样本被图案化，使得样本的两个特征中的仅相应的一个特征被定位在每个对齐行的像素上。在这样的实现方式中，在每个对齐行上的两个特征中的一个特征的缺乏可以产生激发光到可以用于使结构化光与样本和传感器对齐的两个对齐行中的每一个对齐行的差分透射。
图11示出了包括对齐行1110-1120的图像传感器1100的一个这样的示例，对齐行1110-1120可以在实现方式中用于使结构照明图案与样本和传感器对齐。例如，考虑在每个有源区域像素1150的左侧上形成特征1140a 并且在每个有源区域像素1150的右侧上形成特征1140b的情况。在这种情况下，只有特征1140a在对齐行1120的每个像素上形成，并且只有特征 1140b在对齐行1110的每个像素上形成。在成像期间，可以基于来自每个对齐行1110-1120的图像读出来确认对齐。例如，可以通过定位结构照明图案使得来自对齐行1120的信号最大而来自对齐行1110的信号最小或甚至为零来将结构照明图案对齐在特征1140a(有源区域像素的左侧)上。结构化照射图案也可以通过将其定位成使得来自对齐行1110的信号最大而来自对齐行1120的信号最小或甚至为零来对齐在特征1140b(有源区域像素的右侧)上。
在实现方式中，可以在成像开始之前，例如在第一成像周期的操作 1010之前或期间，确定对齐。在一些实现方式中，可以周期性地确定对齐(例如，在预定数量的成像周期之后)。在一些实现方式中，来自对齐行 1110-1120的读出可以在成像期间向结构照明光位置控制提供反馈，以防止随着时间的过去在照明图案和图像传感器之间的相对漂移或者以另外方式保持照明图案在空间上锁定到图像传感器。
在一些实现方式中，在图像传感器中可以包括多个对齐行1110和多个对齐行1120，以增加系统的稳健性。例如，额外的对齐行的包括可以改善所生成的确定系统的对齐状态的信号。另外，在一些实现方式中，中间对齐行可以被包括在有源区域中(例如，在有源区域中的大约半途)，以确认结构照明垂直地而不是倾斜地被对齐。
应当注意，尽管在图11的示例中示出了对齐行，但是在其他实现方式中(例如，具有在每个像素的顶部和底部上的特征的图案的水平照射的情况下)，可以类似地利用对齐列。
图12示出了可以由具有矩形像素1310的成像组件实现的示例性一维结构照明成像过程。为了简单起见，在每个图像读出步骤期间示出了四个矩形像素1310的顶视图。如在该示例中所示的，在每个像素上形成三个特征1320a-1320c。在该示例中，在每次图像读出期间，结构化光的相位可以被移动条纹图案的间距的约1\/3(例如，像素的间距的约1\/3)，以读取在每个像素的左侧上的特征(特征1320a)、中心上的特征(特征1320b)、和右侧上的特征(特征1320c)。有利地，在像素上沿着一个维度被对齐并且具有1:1或接近1:1的纵横比的特征(例如圆形或正方形特征)的情况下，通过利用矩形像素纵横比，可以通过沿着一个维度在每个像素上布置 (fit)更大面积的特征1320a-1320c来最大化数据密度。(例如，与在正方形像素上布置三个圆形特征1320a-1320c相对比)。在特征没有1:1纵横比的情况下，矩形像素纵横比也可以相对于正方形像素是有利的，其中更大面积的特征可以沿着一个维度被排列在每个矩形像素上。
图13示出了包括沿着两个维度(例如沿着两行和两列)被排列在每个像素1310上的四个成像特征1320a-1320d的图像传感器组件1300的顶视图。例如，特征1320a-1320d可以在图像传感器组件的制造期间(例如，通过用光刻法使纳米阱图案与有源像素传感器的像素对齐)在像素1310 上形成。为了简单起见，显示了四个像素。在一些实现方式中，为了限制在特征1320a-1320d之间的串扰，可以调整在像素上的特征的间距和用于照射特征的条纹的宽度(例如，特征可以沿着样本平面的两个轴或仅一个轴等距地进行定位，或者特征可以以某个其他阵型进行定位)。
通过实现示例组件1300的配置，可以通过实现在下面进一步描述的沿着两个维度的结构照明方法来获得特征中的数据密度的四倍(与图2的组件相对比)。例如，如果每个像素具有大约2μm的间隔并且每个特征 1320a-1320d是具有大约500nm的直径的纳米阱，则可以获得大约 设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920003323.4
申请日:2019-01-02
公开号:公开日:国家:US
国家/省市:US(美国)
授权编号:CN209589844U
授权时间:20191105
主分类号:G01N 21/64
专利分类号:G01N21/64
范畴分类:31E;
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第一申请人:伊鲁米那股份有限公司
申请人地址:美国加利福尼亚州
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第一发明人:托马斯·贝克
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