Мультиплексирование активного сенсорного детектора с использованием структурированного освещения

Настоящее изобретение раскрывает систему формирования изображения с помощью структурированного освещения, в которой используется датчик изображения (например, активный пиксельный датчик) в активной плоскости структурированного образца для увеличения разрешения изображения. Отображаемый образец может быть структурирован и/или выровнен над датчиком изображения так, чтобы каждый светочувствительный датчик (например, пиксель) датчика изображения имел соответствующее множество элементов, сформированных и/или установленных над ним. В качестве реакции на освещение каждый из элементов может излучать свет флуоресценции, который регистрируют с помощью пикселя датчика изображения. Во время формирования изображения каждый пиксель датчика изображения может быть пространственно мультиплексирован с использованием структурированного освещения так, чтобы только подмножество (например, один или два) элементов, выровненных над пикселем, освещалось структурированным светом во время считывания изображения. 3 н. и 21 з.п. ф-лы, 21 ил.

 

Перекрестная ссылка на родственные заявки

[0001] По настоящей заявке испрашивается приоритет согласно предварительной патентной заявке США №62/614,690, поданной 8 января 2018 г. и озаглавленной «Мультиплексирование активного сенсорного детектора с использованием структурированного освещения», и патентной заявке Нидерландов №N2020621, поданной 20 марта 2018 г. и озаглавленной «Мультиплексирование активного сенсорного детектора с использованием структурированного освещения». Все содержание каждой из вышеупомянутых заявок включено в настоящую заявку посредством ссылки.

Уровень техники

[0002] При формировании изображений с помощью микроскопа разрешение микроскопа по плоскости в целом ограничено дифракционным пределом, определяемым длиной волны источника света и числовой апертурой объектива микроскопа. Например, одно ограничение технологии формирования изображения с помощью активного датчика, такой как тех технология формирования изображения с помощью комплементарной структуры металл-оксид-полупроводник (КМОП (CMOS, от англ. complementary metal-oxide-semiconductor)), состоит в том, что конечный шаг, и, таким образом, плотность записи информации ограничена шагом системы датчиков, который может быть от приблизительно 1 до приблизительно 1,75 мкм в высокоуровневой системе. Это ограничение весьма вероятно сохранится, поскольку обработка меньших пикселей осложнена производственными ограничениями.

[0003] В некоторых традиционных системах формирования изображения с помощью микроскопа, в которых используется датчик изображения на основе прибора с зарядовой связью (ПЗС (CCD, от англ. charge-coupled device)), пространственно упорядоченный (т.е. структурированный) свет может использоваться для формирования изображения образца с увеличением разрешения микроскопа по плоскости в два или более раз. В таких системах, при формирования изображения образца, три изображения полосчатых структур образца могут быть получены с различными фазами структур (например, 0°, 120°, и 240°), так чтобы каждое местоположение на образце было подвержено некоторому диапазону интенсивности освещения, причем эта процедура повторяется путем поворота ориентации структуры вокруг оптической оси (например, на 60° и 120°).

Захваченные изображения (например, девять изображений) могут быть скомбинированы в одно изображение, имеющее расширенный пространственный диапазон частот, который может быть заново преобразован в вещественное пространство для создания изображения, имеющего более высокое разрешение, чем захваченное (зарегистрированное) стандартным микроскопом. В этих традиционных системах детектирование молекул при микроскопии структурированного освещения зависит от повторного приема света возбуждения (обычно с помощью того же объектива, который используется для возбуждения) и повторного отображения сигнала излучения на ПЗС камеру.

Раскрытие сущности изобретения

[0004] Раскрытые в настоящей заявке варианты осуществления относятся к системе формирования изображения с помощью структурированного освещения, в которой используется датчик изображения (например, активный пиксельный датчик) в активной плоскости структурированного образца для увеличения разрешения изображения. Отображаемый образец может быть структурирован и/или выровнен над датчиком изображения так, чтобы каждый пиксель датчика изображения имел соответствующее множество элементов, сформированных и/или установленных над ним.

[0005] В одном варианте осуществления система содержит: излучатель света для излучения света; оптический элемент для дифрагирования света, излучаемого излучателем света, для проецирования множества полос на плоскость образца, содержащего структурированные элементы; и датчик изображения для регистрации света, излучаемого элементами образца. В этом варианте осуществления датчик изображения содержит множество пикселей, причем образец подлежит выравниванию над датчиком изображения так, чтобы множество структурированных элементов было выровнено над каждым из соответствующего одного из множества пикселей вдоль первой оси, причем проецируемое множество полос имеет форму для освещения одного из элементов каждого из соответствующих множеств структурированных элементов. В различных вариантах осуществления проецируемое множество полос имеет ширину полосы, которая по меньшей мере приблизительно равна или больше размера регулярно структурированных элементов, причем ширина полосы меньше шага каждого из множества пикселей. Например, размер регулярно структурированных элементов может быть равен диаметру круглого элемента, длине стороны квадратного элемента, длине более длинной стороны или более короткой стороны прямоугольного элемента, диаметру эллиптического элемента по его большой оси или малой оси, или наибольшему размеру объекта, имеющего нерегулярную форму, по одной оси объекта (например, оси х или у).

[0006] В вариантах осуществления датчик изображения представляет собой активный пиксельный датчик изображения, такой как датчик изображения на основе комплементарной структуры металл-оксид-полупроводник (КМОП).

[0007] В вариантах осуществления, в которых формирование изображения осуществляют с помощью двумерно структурированного освещения, система дополнительно содержит: второй оптический элемент для дифрагирования света, излучаемого излучателем света, для проецирования второго множества полос на плоскость образца, причем второе множество полос ориентировано ортогонально относительно первого множества полос. В таких вариантах осуществления образец может быть выровнен над датчиком изображения так, чтобы второе множество структурированных элементов было позиционировано над соответствующим одним из каждого из множества пикселей, причем каждый из второго множества структурированных элементов выровнен вдоль второй оси, ортогональной первой оси, причем проецируемое второе множество полос имеет форму для освещения одного из каждого из второго множества структурированных элементов.

[0008] В вариантах осуществления, в которых формирование изображения осуществляют с помощью двумерно структурированного освещения, оптические элементы для дифрагирования света могут содержать горизонтальную пропускающую дифракционную решетку для проецирования первого множества полос и вертикальную пропускающую дифракционную решетку для проецирования второго множества полос. В некоторых частных вариантах осуществления четыре структурированных элемента позиционированы над соответствующим одним из множества пикселей, причем указанные четыре структурированных элемента размещены в виде квадратной сетки над пикселем. В некоторых частных вариантах осуществления три структурированных элемента позиционированы над соответствующим одним из множества пикселей, причем указанные три структурированных элемента размещены по форме L над пикселем.

[0009] В некоторых вариантах осуществления каждый из множества пикселей представляет собой прямоугольный пиксель, причем элементы образца выровнены над каждым прямоугольным пикселем в линейном массиве.

[0010] В некоторых вариантах осуществления каждый из множества пикселей представляет собой квадратный пиксель, причем каждое из множеств элементов содержит два элемента, имеющих соотношение размеров приблизительно 2:1. В некоторых вариантах осуществления каждый из множества пикселей представляет собой квадратный пиксель, причем каждое из множеств элементов содержит три элемента, имеющих соотношение размеров приблизительно 3:1.

[0011] В вариантах осуществления образец может быть сформирован над датчиком изображения. Например, образец может быть структурирован литографским способом над активным пиксельным датчиком изображения.

[0012] В частных вариантах осуществления каждый из элементов представляет собой реакционное углубление, содержащее реакционный участок, сформированный над световодом одного из множества пикселей.

[0013] В некоторых вариантах осуществления датчик изображения содержит первый и второй выравнивающие ряды или столбцы пикселей, причем первый и второй выравнивающие ряды или столбцы предназначены для пространственного выравнивания множества полос с образцом и датчиком изображения. В таких вариантах осуществления только один элемент образца может быть позиционирован над каждым из множества пикселей первого и второго выравнивающих рядов или столбцов.

[0014] В одном варианте осуществления способ включает в себя: проецирование первого множества полос на плоскость образца, содержащую структурированные элементы, причем образец выровнен над датчиком изображения так, что первое множество структурированных элементов позиционировано над соответствующим одним из множества пикселей, причем каждое из множеств структурированных элементов выровнено вдоль первой оси над пикселем; освещение, с помощью первого множества полос, первого элемента каждого из первых множеств структурированных элементов; захват первого изображения первого элемента каждого из первых множеств структурированных элементов; фазовый сдвиг первого множества полос для освещения второго элемента каждого из первых множеств структурированных элементов; и захват второго изображения второго элемента каждого из первых множеств структурированных элементов.

[0015] В некоторых вариантах осуществления этого способа проецируемое множество полос имеет ширину полосы, которая по меньшей мере приблизительно равна или больше размера регулярно структурированных элементов, причем ширина полосы меньше шага каждого из множества пикселей. В некоторых вариантах осуществления образец сформирован над датчиком изображения, причем датчик изображения представляет собой активный пиксельный датчик.

[0016] В частных вариантах осуществления этого способа первое множество полос позиционировано так, чтобы освещать только один элемент над каждым из множества пикселей во время этапов захвата первого изображения и второго изображения.

[0017] В некоторых вариантах осуществления способ дополнительно включает в себя: проецирование второго множества полос на плоскость образца, причем второе множество полос ориентировано ортогонально относительно первого множества полос, причем образец выровнен над датчиком изображения так, что второе множество структурированных элементов позиционировано над соответствующим одним из множества пикселей, причем каждый из второго множества структурированных элементов выровнен вдоль второй оси, ортогональной первой оси; освещение, с помощью второго множества полос, третьего элемента каждого из вторых множеств структурированных элементов; захват третьего изображения третьего элемента каждого из вторых множеств структурированных элементов; фазовый сдвиг второго множества полос для освещения четвертого элемента каждого из вторых множеств структурированных элементов; и захват четвертого изображения второго элемента каждого из вторых множеств структурированных элементов.

[0018] В одном варианте осуществления биодатчик содержит: массив датчиков, содержащий множество пикселей; и реакционный массив реакционных углублений, имеющих соответствующие реакционные участки, причем реакционный массив структурирован над массивом датчиков так, что множество реакционных углублений структурировано над соответствующим одним из множества пикселей; и оптический узел для проецирования множества полос на плоскость реакционного массива, причем проецируемое множество полос имеет форму для освещения одного из реакционных углублений, структурированных над каждым из множества пикселей. В этом варианте осуществления проецируемое множество полос имеет ширину полосы, которая по меньшей мере приблизительно равна или больше размера реакционных углублений, причем ширина полосы может быть меньше шага каждого из множества пикселей, и причем ширина полосы может быть по меньшей мере приблизительно равна шагу каждого из множества пикселей. В некоторых вариантах осуществления биодатчик дополнительно содержит: один или более оптических элементов для фазового сдвига множества полос на долю шага каждого из множества пикселей.

[0019] Другие признаки и аспекты раскрытой технологии станут понятны из нижеследующего подробного описания, при его рассмотрении в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых в качестве примера проиллюстрированы признаки в соответствии с вариантами осуществления раскрытой технологии. Раскрытие сущности изобретения не предназначено для ограничения объема изобретений, раскрытых в настоящей заявке, который определяется формулой изобретения и ее эквивалентами.

[0020] Следует понимать, что все комбинации вышеупомянутых концепций (при условии, что такие концепции не являются взаимно несовместимыми) рассматриваются как часть объекта изобретения, раскрытого в настоящей заявке. В частности, все комбинации заявленного объекта, представленные в конце настоящего раскрытия, рассматриваются как часть объекта изобретения, раскрытого в настоящей заявке.

Краткое описание чертежей

[0021] Настоящее изобретение, в соответствии с одним или более вариантами осуществления, подробно раскрыто со ссылкой на следующие фигуры. Фигуры предусмотрены исключительно с целью иллюстрации и только для изображения примерных вариантов осуществления. Кроме того, следует отметить, что для ясности и простоты иллюстрации элементы на фигурах не обязательно выполнены в масштабе.

[0022] Некоторые из фигур, включенных в настоящую заявку, иллюстрируют различные варианты осуществления раскрытой технологии с разных углов зрения. Хотя сопроводительный описывающий текст может именовать такие виды как «сверху», «снизу» или «сбоку», такие названия являются исключительно описательными и не предполагают и не требуют, чтобы раскрытая технология была реализована или использовалась в конкретной пространственной ориентации, если явно не указано обратное.

[0023] На фиг. 1А показан пример системы формирования изображения с помощью структурированного освещения, в которой датчик изображения находится в той же плоскости, что и структурированный образец, в соответствии с вариантами осуществления.

[0024] На фиг. 1В показан узел, содержащий образец, структурированный над датчиком изображения так, что два элемента сформированы вдоль одного измерения над каждым пикселем датчика изображения.

[0025] На фиг. 2 проиллюстрирована конфигурация узла системы формирования изображения, содержащего образец, структурированный над датчиком изображения так, что один элемент сформирован над каждым пикселем датчика изображения.

[0026] На фиг. 3 представлена структурная схема примера рабочей станции для биологического или химического анализа в соответствии с одним вариантом осуществления.

[0027] На фиг. 4 представлен вид в аксонометрии рабочей станции и картриджа, который может содержать один или более биодатчиков, как раскрыто в вариантах осуществления.

[0028] На фиг. 5 представлен вид спереди стеллажа, содержащего шкаф или несущее устройство с множеством загруженных в него рабочих станций.

[0029] На фиг. 6 проиллюстрированы различные детали картриджа по фиг. 4 в соответствии с одним вариантом осуществления.

[0030] На фиг. 7 проиллюстрирован поперечный разрез части примера биодатчика, выполненного в соответствии с одним вариантом осуществления.

[0031] На фиг. 8 представлен увеличенный поперечный разрез устройства детектирования по фиг. 7, на котором более детально показаны различные детали.

[0032] На фиг. 9 показан вид сверху узла датчика изображения, включая два отображаемых элемента, выровненные над каждым пикселем, в соответствии с вариантами осуществления.

[0033] На фиг. 10 показана функциональная блок-схема, на которой проиллюстрирован пример способа одномерного структурированного освещения, который может быть реализован посредством узла формирования изображения с помощью структурированного освещения во время одного цикла формирования изображения для формирования изображения образца, включающего в себя два элемента, позиционированные над каждым светоприемником (например, пикселем) узла формирования изображения.

[0034] На фиг. 11 проиллюстрирован пример датчика изображения, содержащего выравнивающие ряды, которые могут использоваться в вариантах осуществления для выравнивания картины структурированного освещения с образцом и датчиком в процессе формирования изображения с помощью одномерного структурированного освещения.

[0035] На фиг. 12 проиллюстрирован пример процесса формирования изображения с помощью одномерного структурированного освещения, который может быть реализован посредством узла формирования изображения, содержащего прямоугольные пиксели.

[0036] На фиг. 13 показан вид сверху узла датчика изображения, содержащего четыре отображаемых элемента, выровненных над каждым пикселем вдоль двух измерений (например, вдоль двух рядов и двух столбцов).

[0037] На фиг. 14А показана функциональная блок-схема, на которой проиллюстрирован пример способа двумерного структурированного освещения, который может быть реализован посредством узла формирования изображения с помощью структурированного освещения во время одного цикла формирования изображения для формирования изображения образца, включающего в себя четыре элемента, позиционированных вдоль двух измерений над каждым фотоприемником (например, пикселем) узла формирования изображения.

[0038] На фиг. 14В проиллюстрировано то, как пять изображений, захваченных с использованием способа по фиг. 14А, могут быть декодированы для оценки интенсивностей сигнала каждого из четырех элементов, структурированных над пикселем.

[0039] На фиг. 15 проиллюстрирован пример датчика изображения, содержащего два выравнивающих ряда и два выравнивающих столбца, которые могут использоваться в вариантах осуществления для выравнивания картин структурированного освещения вдоль первого и второго ортогональных направлений с образцом и датчиком в процессе формирования изображения с помощью двумерного структурированного освещения.

[0040] На фиг. 16А показан вид сверху узла датчика изображения, содержащего три отображаемых элемента, выровненные над каждым пикселем вдоль двух измерений в форме L.

[0041] На фиг. 16В проиллюстрировано то, как три изображения в двух измерениях пикселя по фиг. 16А могут быть декодированы для оценки интенсивностей сигнала каждого из трех элементов.

[0042] На фиг. 17 показан вид сверху примера узла датчика изображения, содержащего два эллиптических элемента, выровненных над каждым квадратным пикселем вдоль одного измерения.

[0043] На фиг. 18 показан вид сверху примера узла датчика изображения, содержащего три эллиптических элемента, выровненных над каждым квадратным пикселем вдоль одного измерения.

[0044] Фигуры не являются исчерпывающими и не ограничивают настоящее изобретение до конкретной раскрытой формы.

Осуществление изобретения

[0045] В контексте настоящего изобретения, при упоминании образца, предполагается, что термин «зона» или «элемент» означает точку или область в структуре, которая может быть отличена от других точек или областей согласно относительному местоположению. Отдельная зона может содержать одну или более молекул конкретного типа. Например, зона может содержать единственную целевую молекулу нуклеиновой кислоты с конкретной последовательностью, или зона может содержать несколько молекул нуклеиновой кислоты с той же последовательностью (и/или комплементарной последовательностью).

[0046] В контексте настоящего изобретения, предполагается, что термин «плоскость ху» означает двумерную область, заданную прямыми линейными осями х и у в декартовой системе координат. При упоминании детектора и объекта, находящегося под наблюдением детектора, «область» может быть дополнительно определена как ортогональная направлению наблюдения между детектором и детектируемым объектом.

[0047] В контексте настоящего изобретения предполагается, что термин «координата z» означает информацию, которая определяет местоположение точки, линии или области по оси, ортогональной плоскости ху. В частных вариантах осуществления ось z ортогональная области объекта, находящегося под наблюдением детектора. Например, направление фокуса оптической системы может быть определено вдоль оси z.

[0048] В контексте настоящего изобретения предполагается, что термин «оптически соединен» означает, что один элемент выполнен с возможностью передачи светового излучения другому элементу непосредственно или опосредованно.

[0049] В контексте настоящего изобретения «назначенная реакция» включает в себя изменение по меньшей мере одного из химического, электрического, физического или оптического свойства (или качества) представляющего интерес аналита. В частных вариантах осуществления назначенная реакция представляет собой событие положительного связывания (например, объединение флуоресцентно меченой биомолекулы с представляющим интерес аналитом). В более общем смысле, назначенная реакция может представлять собой химическое превращение, химическое изменение или химическое взаимодействие. Назначенная реакция может также представлять собой изменение электрических свойств.

[0050] В контексте настоящего изобретения «компонент реакции» или «реактив» включает в себя любое вещество, которое может использоваться для получения назначенной реакции. Например, компоненты реакции включают в себя реагенты, энзимы, образцы, другие биомолекулы и буферные растворы. Компоненты реакции могут быть доставлены в реакционный участок в растворе и/или иммобилизованы на реакционном участке. Компоненты реакции могут взаимодействовать непосредственно или опосредованно с другим веществом, таким как представляющий интерес аналит.

[0051] В контексте настоящего изобретения термин «реакционный участок» означает локализованную область, в которой может произойти назначенная реакция. Реакционный участок может включать в себя опорные поверхности подложки, на которых может быть зафиксирована подложка. Например, реакционный участок может включать в себя плоскую поверхность в канале проточной ячейки, на которой может быть расположена колония нуклеиновых кислот. В типичном случае, но не всегда, нуклеиновые кислоты в колонии имеют одну и ту же последовательность, например, клональные копии однонитевой или двухнитевой матрицы. Однако, в некоторых вариантах осуществления реакционный участок может содержать только одну молекулу нуклеиновой кислоты, например, в однонитевой или двухнитевой форме. Кроме того, множество реакционных участков могут быть случайным образом распределены по опорной поверхности или могут быть расположены заранее заданным способом (например, рядом друг с другом в виде матрицы, такой как микроматрицы. Реакционный участок может также включать в себя реакционную камеру, которая по меньшей мере частично определяет область пространства или объем, выполненный с возможностью ограничения назначенной реакции. В контексте настоящего изобретения термин «реакционная камера» включает в себя область пространства, выполненную с возможностью сообщения по текучей среде с проточным каналом. Реакционная камера может быть по меньшей мере частично отделена от окружающей среды или других областей пространства. Например, множество реакционных камер могут быть отделены друг от друга с помощью общих стенок. В качестве более конкретного примера, реакционная камера может содержать полость, ограниченную внутренними поверхностями лунки, и иметь проем или отверстие, так чтобы полость могла сообщаться по текучей среде с проточным каналом.

[0052] В контексте настоящего изобретения термин «соседний», когда он используется в отношении двух реакционных участков, означает, что между двумя реакционными участками не расположено другого реакционного участка. Термин «соседний» может иметь сходное значение, когда он используется в отношении соседних траекторий детектирования и соседних светочувствительных датчиков (например, между соседними светочувствительными датчиками не расположено других светочувствительных датчиков).

[0053] В контексте настоящего изобретения «вещество» включает в себя предметы или твердые тела, такие как микросферы для захвата антител, а также биологические или химические вещества. В контексте настоящего изобретения «биологическое или химическое вещество» включает в себя биомолекулы, представляющие интерес образцы, представляющие интерес аналиты и другое химическое соединение (соединения). Биологическое или химическое вещество может использоваться для детектирования, идентификации или анализа другого химического соединения (соединений) или функционировать в качестве посредника для изучения или анализа другого химического соединения (соединений). В частных вариантах осуществления биологические или химические вещества включают в себя биомолекулу. В контексте настоящего изобретения «биомолекула» включает в себя по меньшей мере одно из следующего: биополимер, нуклеозид, нуклеиновая кислота, полинуклеотид, олигонуклеотид, протеин, энзим, полипептид, антитело, антиген, лиганд, рецептор, полисахарид, углевод, полифосфат, клетку, ткань, организм или его фрагмент или другое биологически активное химическое соединение (соединения), например, аналоги или миметики вышеупомянутых разновидностей.

[0054] В контексте настоящего изобретения «компонент реакции» или «реактив» включает в себя любое вещество, которое может использоваться для получения назначенной реакции. Например, компоненты реакции включают в себя реагенты, энзимы, образцы, другие биомолекулы и буферные растворы. Компоненты реакции в типичном случае доставляются в реакционный участок в растворе и/или иммобилизуются в реакционном участке. Компоненты реакции могут взаимодействовать непосредственно или опосредованно с другим веществом, таким как представляющий интерес аналит.

[0055] В контексте настоящего изобретения термин «реакционный участок» означает локализованную область, в которой может произойти назначенная реакция. Реакционный участок может включать в себя опорные поверхности подложки, на которых может быть зафиксирована подложка. Например, реакционный участок может включать в себя по меньшей мере по существу плоскую поверхность в канале проточной ячейки, на которой может быть расположена колония нуклеиновых кислот. В некоторых случаях нуклеиновые кислоты в колонии имеют одну и ту же последовательность, например, клональные копии однонитевой или двухнитевой матрицы. Однако, в некоторых вариантах осуществления реакционный участок может содержать только одну молекулу нуклеиновой кислоты, например, в однонитевой или двухнитевой форме. Кроме того, множество реакционных участков могут быть случайным образом распределены по опорной поверхности или могут быть расположены заранее заданным способом (например, рядом друг с другом в виде матрицы, такой как микромассивы. Реакционный участок может также включать в себя реакционную камеру, которая по меньшей мере частично определяет область пространства или объем, выполненный с возможностью ограничения назначенной реакции. В контексте настоящего изобретения термин «реакционная камера» включает в себя область пространства, выполненную с возможностью сообщения по текучей среде с проточным каналом. Реакционная камера может быть по меньшей мере частично отделена от окружающей среды или других областей пространства. Например, множество реакционных камер могут быть отделены друг от друга с помощью общих стенок. В качестве более конкретного примера, реакционная камера может содержать полость, ограниченную внутренними поверхностями лунки, и иметь проем или отверстие, так чтобы полость могла сообщаться по текучей среде с проточным каналом.

[0056] В дополнительном примере биологическое или химическое вещество или биомолекула включает в себя энзим или реагент, используемый для сопряженной реакции для детектирования продукта другой реакции, такого как энзим или реагент, используемый для детектирования пирофосфата в реакции пиросеквенирования. Биомолекулы, образцы и биологические или химические вещества могут быть естественным образом возникшими или искусственными и могут быть взвешены в растворе или смеси в пределах пространственной области. Биомолекулы, образцы и биологические или химические вещества могут также быть связаны с твердой фазой или гелевым материалом. Биомолекулы, образцы и биологические или химические вещества могут также включать в себя фармацевтическую композицию. В некоторых случаях биомолекулы, образцы и биологические или химические вещества, представляющие интерес, могут называться целями, пробами или аналитами.

[0057] В контексте настоящего изобретения «биодатчик» включает в себя структуру, имеющую множество реакционных участков, выполненных с возможностью детектирования назначенных реакций, которые происходят на или вблизи реакционных участков. Биодатчик может включать в себя твердотельное устройство формирования изображения (например, формирователь изображений на основе КМОП или ПЗС) и, опционально, проточную ячейку, смонтированную на нем.

Проточная ячейка может включать в себя по меньшей мере один проточный канал, выполненный с возможностью сообщения по текучей среде с реакционными участками. Согласно одному конкретному примеру, биодатчик выполнен с возможностью соединения по текучей среде и/или электрически с системой биоанализа. Система биоанализа может доставлять реактивы к реакционным участкам в соответствии с заранее заданным протоколом (например, секвенирование путем синтеза) и выполнять множество формирований изображения. Например, система биоанализа может направлять поток растворов вдоль реакционных участков. По меньшей мере один из растворов может включать в себя четыре типа нуклеотидов, имеющих одинаковые или различные флуоресцентные метки. Нуклеотиды могут связываться с соответствующими олигонуклеотидами, расположенными в реакционных участках. Система биоанализа может затем освещать реакционные участки с помощью источника света возбуждения (например, твердотельных источников светового излучения, таких как светоизлучающие диоды или СИД). Свет возбуждения имеет заранее заданную длину волны или длины волн, включая диапазон длин волн. Возбужденные флуоресцентные метки обеспечивают сигналы излучения, которые могут быть детектированы с помощью светочувствительных датчиков.

[0058] В альтернативных вариантах осуществления биодатчик может содержать электроды или датчики других типов, выполненные с возможностью детектирования других идентифицируемых свойств. Например, датчики могут быть выполнены с возможностью детектирования изменения концентрации ионов. В другом примере датчики могут быть выполнены с возможностью детектирования ионного тока на мембране.

[0059] В контексте настоящего изобретения «картридж» включает в себя структуру, выполненную с возможностью удержания биодатчика. В некоторых вариантах осуществления картридж может включать в себя дополнительные элементы, такие как источник света (например, светодиоды), выполненный с возможностью подачи света возбуждения на реакционные участки биодатчика. Картридж может также включать в себя систему хранения текучей среды (например, хранилище для реагентов, образца и буфера) и систему управления текучей средой (например, насосы, клапаны и тому подобное) для передачи по текучей среде компонентов реакции, образца и тому подобного, к реакционным участкам. Например, после подготовки или изготовления биодатчика, биодатчик может быть соединен с корпусом или контейнером картриджа. В некоторых вариантах осуществления биодатчики и картриджи могут быть автономными, одноразовыми блоками. Однако другие варианты осуществления могут включать в себя узел со съемными деталями, что обеспечивает пользователю возможность доступа к внутреннему пространству биодатчика или картриджа с целью технического обслуживания или замены компонентов или сбора образцов. Биодатчик и картридж могут быть съемным образом соединены или сцеплены с более крупными системами биоанализа, такими как система секвенирования, в которой проводятся управляемые реакции.

[0060] В контексте настоящего изобретения, когда термины «съемным образом» и «соединен» (или «сцеплен») совместно используются для описания взаимосвязи между биодатчиком (или картриджем) и системным приемным устройством или интерфейсом системы биоанализа, предполагается, что данный термин означает то, что соединение между биодатчиком (или картриджем) и системным приемным устройством является легко разъемным без разрушения или повреждения системного приемного устройства и/или биодатчика (или картриджа). Компоненты являются легко разъемными, когда компоненты могут быть разъединены друг от друга без применения чрезмерного усилия или траты значительного количества времени на разделение компонентов. Например, биодатчик (или картридж) могут быть съемным образом соединены или сцеплены с системным приемным устройством электрическим способом, так что ответные контакты системы биоанализа не разрушаются и не повреждаются. Биодатчик (или картридж) может также быть съемным образом соединен или сцеплен с системным приемным устройством механическим способом, так что элементы, удерживающие биодатчик (или картридж) не разрушаются и не повреждаются. Биодатчик (или картридж) может также быть съемным образом соединен или сцеплен с системным приемным устройством по текучей среде, так что порты системного приемного устройства не разрушаются и не повреждаются. Будем считать, что системное приемное устройство или компонент не разрушается и не повреждается, если, например, требуется только лишь регулировка компонента (например, перенастройка) или лишь замена (например, замена насадки).

[0061] В контексте настоящего изобретения термин «сообщение по текучей среде» или «соединен по текучей среде» означает, что две пространственные области соединены вместе так, что жидкость или газ могут протекать между этими двумя пространственными областями. Например, микрофлюидный канал может сообщаться по текучей среде с реакционной камерой, так что текучая среда может свободно протекать в реакционную камеру из микрофлюидного канала. Термины «сообщение по текучей среде» или «соединен по текучей среде» допускает, что две пространственные области сообщаются по текучей среде через один или более клапанов, дросселей или других флюидных компонентов, выполненных с возможностью управления или регулирования потока текучей среды через систему.

[0062] В контексте настоящего изобретения термин «иммобилизованный» при использовании в отношении биомолекулы или биологического или химического вещества, включает в себя по меньшей мере существенное прикрепление к поверхности биомолекулы или биологического или химического вещества на молекулярном уровне. Например, биомолекула или биологическое или химическое вещество может быть иммобилизовано на поверхности материала подложки с использованием методов адсорбции, включая нековалентные взаимодействия (например, электростатические силы, силы Ван-дер-Ваальса, а также дегидратацию гидрофобных поверхностей раздела) и методы ковалентного связывания, в которых функциональные группы или линкеры способствуют прикреплению биомолекул к поверхности. Иммобилизация биомолекул или биологических или химических веществ на поверхности материала подложки может зависеть от свойств поверхности подложки, жидкой среды, переносящей биомолекулу или биологическое или химическое вещество и свойств самих биомолекул или биологических или химических веществ. В некоторых случаях поверхность подложки может быть функционализирована (например, химически или физически модифицирована) для облегчения иммобилизации биомолекул (или биологических или химических веществ) на поверхности подложки. Поверхность подложки может быть сначала модифицирована для образования функциональных групп, связанных с поверхностью. Функциональные группы могут затем образовать связи с биомолекулами или биологическими или химическими веществами для их иммобилизации на себе.

[0063] Как упоминалось выше, одно ограничение технологии формирования изображения на основе КМОП состоит в том, что конечный шаг, и, таким образом, плотность записи информации ограничена шагом пикселей системы датчиков. Хотя структурированное освещение использовалось в некоторых системах формирования изображения на основе ПЗС для увеличения разрешения по плоскости, детектирование молекул в таких системах зависит от повторного приема света возбуждения с помощью того же объектива, который используется для возбуждения, и повторного отображения сигнала излучения на ПЗС камеру. В таких системах каждый оптический элемент, через который проходит повторно принимаемый свет, уменьшает сигнал и может вызвать аберрации, ухудшающие разрешающую способность и характеристики формируемого изображения.

[0064] Варианты осуществления, раскрытые в настоящей заявке, решают эти проблемы посредством системы формирования изображения с помощью структурированного освещения, в которой используется датчик изображения (например, активный пиксельный датчик) в активной плоскости образца. В соответствии с вариантами осуществления, раскрытыми в настоящей заявке, отображаемый образец может быть структурирован и/или выровнен над узлом датчика изображения так, чтобы каждый светочувствительный датчик (например, пиксель) датчика изображения имел соответствующее множество элементов, сформированных и/или установленных над ним. Во время формирования изображения каждый пиксель датчика изображения может быть пространственно мультиплексирован с использованием структурированного освещения так, чтобы только подмножество (например, один) элементов, выровненных над пикселем, освещалось структурированным светом во время считывания изображения. Например, в частных вариантах осуществления, в которых используется система формирования изображения на основе биодатчика с множеством кластеров или нанолунок, сформированных над каждым пикселем, один кластер (или нанолунка) на пиксель датчика может быть пространственно мультиплексирован для достижения субпиксельного разрешения, которое может быть достигнуто путем использования системы структурированного освещения для освещения одного из кластеров или нанолунок над каждым пикселем за один раз.

[0065] Варианты осуществления, раскрытые в настоящей заявке, могут обеспечивать несколько преимуществ в сравнении с существующими системами формирования изображения. Во-первых, в отличие от существующих систем формирования изображения с помощью структурированного освещения, которые повторно принимают световое излучение посредством оптического осветительного тракта (например, объектива), осветительный тракт в вариантах осуществления, раскрытых в настоящей заявке, предназначен только для возбуждения без учета длин волн излучения и оптики. Соответственно, фильтры и оптика в источнике могут быть оптимизированы только для возбуждения. Во-вторых, в традиционных системах формирования изображения световое излучение от объекта у камеры является дифракционно-ограниченным и покрывает множество пикселей на камере формирования изображения, но с помощью активного датчика в плоскости образца может быть достигнуто субпиксельное разрешение, как раскрыто в настоящей заявке. Кроме того, в вариантах осуществления, где датчик изображения представляет собой активный пиксельный датчик изображения (например, пиксели имеют фотодетекторы и усилители), такой как датчик на основе КМОП, могут достигаться дополнительные преимущества, такие как увеличение коэффициента усиления сигнала и уменьшение стоимости узла формирования изображения. Эти и другие преимущества технологии, раскрытой в настоящей заявке, будут понятны из нижеследующего описания.

[0066] До описания различных вариантов осуществления систем и способов, раскрытых в настоящей заявке, будет полезно описать пример окружающей среды, с помощью которой может быть реализована технология, раскрытая в настоящей заявке. Один такой пример окружающей среды проиллюстрирован на фиг. 1А-1В, на которых показана система 100 формирования изображения с помощью структурированного освещения, в которой датчик 140 изображения находится в той же плоскости, что и структурированный образец 110, который освещается пространственно структурированным светом. Например, система 100 может представлять собой систему флуоресцентной микроскопии структурированного освещения, в которой используют пространственно структурированный свет возбуждения для формирования изображения структурированного биологического образца.

[0067] В примере системы 100 излучатель 150 света выполнен с возможностью вывода светового пучка, коллимированного коллиматором 151 (например, коллимирующей линзой). Коллимированному пучку придают форму структурированного (упорядоченного) пучка 160 с помощью оптического блока 155 структурирования пучка и направляют через объектив 142 на структурированный образец 110, содержащий множество элементов 111. Любой свет, излучаемый структурированным образцом 110, регистрируется узлом 140 датчика изображения, который в этом примере позиционирован непосредственно под образцом 110. Например, в случае флуоресцентного образца 110, освещенные элементы 111 образца могут флуоресцировать в соответствии со структурированным светом возбуждения, и получающийся в результате свет 161, излучаемый элементами 111, может регистрироваться фоточувствительными элементами (например, пикселями) узла 140 датчика изображения для детектирования флуоресценции. Например, как показано на фиг. 1В, пиксели (1,2) и (1,4) узла 140 датчика изображения могут регистрировать свет 161, излучаемый элементами 111 образца, которые позиционированы или структурированы над датчиком.

[0068] Как показано на фиг. 1В, образец 110 может быть сформирован над узлом 140 датчика изображения (например, с использованием множества различных методов литографии). Формирование образца 110 над узлом 140 может обеспечить преимущество обеспечения того, что во время формирования изображения структурированные элементы 111 образца 110 остаются выровненными относительно конкретных фоточувствительных элементов (например, пикселей) узла 140 датчика изображения. В таких вариантах осуществления слой (не показан) может обеспечивать изоляцию между образцом 110 и узлом 140 датчика изображения (например, для защиты узла датчика изображения от окружающей текучей среды образца). В других вариантах осуществления образец 110 может быть установлен и выровнен над узлом 140 датчика изображения.

[0069] Образец 110 структурирован и выровнен с узлом 140 датчика изображения так, что каждый светочувствительный датчик (например, пиксель) датчика 140 изображения имеет соответствующее множество элементов 110, сформированных и/или установленных над ним. Как показано в примере по фиг. 1В, образец 110 структурирован над узлом 140 датчика изображения так, что два элемента 111 сформированы вдоль одного измерения над каждым пикселем из массива пикселей узла 140 датчика изображения. Например, каждый элемент 111 может иметь диаметр (например, 500 нм), меньший половины шага (например, 1 мкм) каждого пикселя. В других вариантах осуществления три, четыре или даже большее количество элементов 111 могут быть сформированы вдоль одного измерения (например, как линейный массив) или вдоль двух измерений (например, как квадратный сетчатый массив) над каждым пикселем узла 140 датчика изображения. Например, четыре элемента могут быть сформированы в виде квадрата над каждым пикселем. В качестве другого примера, три элемента могут быть сформированы в виде линейного массива над каждым пикселем.

[0070] Во время каждого считывания изображения свет, излучаемый излучателем 150, структурируют с помощью оптического блока 155 структурирования для проецирования полос 160 с шагом Р (расстояние между центрами полос) и шириной w, так что один из элементов 111, соответствующий каждому пикселю, является по меньшей мере по существу освещенным. Например, шаг Р может быть по меньшей мере по существу равен шагу пикселей датчика изображения (например, шаг 1 мкм для квадратных пикселей 1 мкм х 1 мкм), а ширина w может быть по меньшей мере по существу равна или немного больше размера элементов 111 (например, ширина около 500 нм или больше для элементов с диаметром 500 нм). В частных вариантах осуществления ширина w может быть больше диаметра элементов 111 и меньше диаметра элементов плюс интервал между соседними элементами 111. В вариантах осуществления, размер регулярно структурированных элементов, определяющих ширину w полосы, по меньшей мере по существу равен или немного больше возможного диаметра круглого элемента, длины стороны квадратного элемента, длины более длинной стороны или более короткой стороны прямоугольного элемента, диаметра эллиптического элемента по его большой оси или малой оси, или наибольшего размера элемента, имеющего нерегулярную форму, по одной оси этого элемента (например, оси х или у).

[0071] В примере по фиг. 1В, в котором два элемента сформированы над каждым пикселем, элементы на левой стороне каждого пикселя освещены картиной полос 160 структурированного света, в результате чего получают сигнал от половины элементов. При другом считывании изображения элементы на правой стороне пикселя могут быть освещены с помощью сдвига фазы картины структурированного света вправо, в результате чего получают сигнал от другой половины элементов. Таким образом, путем пространственного мультиплексирования считываемых выходных данных от каждого пикселя с использованием структурированного освещения, становится возможным добиться удвоения плотности данных на пиксель (т.е. удвоения плотности пикселей) с конфигурацией по фиг. 1А-1В, по сравнению с системой, в которой над каждым пикселем 191 размещен один элемент 192, как показано на фиг. 2. В таких случаях объем информации, достижимый в системе ограничивается не плотностью пикселей, а плотностью элементов. В некоторых вариантах осуществления, подробнее раскрываемых ниже, путем структурирования дополнительных элементов над каждым пикселем (например, три, четыре или более), становится возможным утроить или даже учетверить плотность данных каждого пикселя.

[0072] Как показано, образец 110 структурирован прямоугольным массивом упорядоченных зон или элементов 111, которые могут быть одновременно отображены в ходе операции формирования изображения. Хотя в этом примере показан прямоугольный массив, в других вариантах осуществления образец может быть структурирован с использованием шестиугольного массива или некоторой другой структуры массива, которая может быть отображена с использованием картины структурированного освещения с полосами 160. Для простоты иллюстрации показано, что образец 100 имеет десятки элементов 111. Однако следует понимать, что образец 100 может иметь тысячи, миллионы или миллиарды отображаемых элементов 111. Более того, в некоторых случаях образец 100 может представлять собой многоплоскостной образец, содержащий множество плоскостей (перпендикулярных направлению фокусировки) элементов 111, измеряемых в ходе операции формирования изображения. В частном варианте осуществления образец 100 может представлять собой проточную ячейку, структурированную миллионами или миллиардами лунок, разделенных на одну или более дорожек. В этом частном варианте осуществления каждая лунка проточной ячейки может содержать биологический материал, подвергаемый секвенированию с использованием секвенирования путем синтеза.

[0073] Узел 140 датчика изображения может содержать один или более активных пиксельных датчиков, таких как датчик изображения на основе комплементарной структуры металл-оксид-полупроводник (КМОП) или датчик изображения на основе прибора с зарядовой связью (ПЗС). Хотя пиксели датчика изображения могут представлять собой квадратные пиксели, имеющие отношение размеров 1:1, в других вариантах осуществления, подробнее раскрытых ниже, пиксели могут иметь прямоугольные формы и другие отношения размеров (например, отношение размеров 2:1, отношение размеров 3:1, отношение размеров 4:1, отношение размеров 3:2 и т.д.). В частных вариантах осуществления узел датчика изображения может быть реализован как узел датчика изображения на основе биодатчика, подробнее раскрытый ниже.

[0074] В системе 100 излучатель 150 света может быть некогерентным излучателем света (например, излучать световые лучи, выводимые одним или более диодов возбуждения) или когерентным излучателем света, таким как излучатель света, выводимого одним или более лазерами или лазерными диодами. Как показано в примере системы 100, излучатель 150 света включает в себя оптическое волокно 152 для направления оптического пучка для вывода. Однако, могут использоваться другие конфигурации излучателя 150 света. В вариантах осуществления, в которых используется структурированное освещение в многоканальной системе формирования изображения (например, многоканальном флуоресцентном микроскопе, использующем множество длин волн света), оптическое волокно 152 может оптически соединяться с множеством различных источников света (не показаны), причем каждый из источников света излучает свет различной длины волны. Хотя показано, что система 100 имеет один излучатель 150 света, в некоторых вариантах осуществления может быть предусмотрено множество излучателей 150 света.

[0075] Оптический блок 155 структурирования света в различных вариантах осуществления содержит один или более оптических элементов (например, дифракционных решеток) для генерирования синусоидальной картины дифрагированного света (например, полос), проецируемых на поверхность образца 110. Например, одномерные или двумерные пропускающие или отражающие дифракционные решетки могут использоваться для генерирования структурированного светового пучка с регулярно разнесенными полосами или линиями 160, проецируемыми на поверхность образца 160. В некоторых вариантах осуществления оптический блок 155 структурирования света выполнен с возможностью генерирования картин структурированного света, ориентированных вдоль одного направления (например, только вертикальных полос или горизонтальных полос 160).

[0076] В некоторых вариантах осуществления оптический блок 155 структурирования света может быть выполнен с возможностью генерирования картин структурированного света, ориентированных вдоль двух по меньшей мере по существу ортогональных направлений (например, вертикального и горизонтального направлений). В таких вариантах осуществления блок 155 может содержать поворотный столик для поворота решетки для изменения ориентации картины (например, от горизонтальной к вертикальной или наоборот), проецируемой на образец 110. Альтернативно, блок 155 может содержать две ортогонально ориентированные дифракционные решетки, переключаемые вдоль тракта освещения для создания различных ориентаций картин освещения (например, картины вертикальных полос и картины горизонтальных полос) на образец 110. Альтернативно, блок 155 может содержать двумерную дифракционную решетку и фильтр для блокирования дифрагированного света в одном или более измерениях для проецирования структурированного светового пучка, ориентированного вдоль одного направления.

[0077] Оптический блок 155 структурирования света может также содержать один или более оптических фазовых модуляторов для перевода (т.е. сдвига фазы) проецируемой картины света 110 на плоскости образца 110. Например, оптический блок 155 структурирования света может содержать одну или более ступеней линейного перемещения, оптических клинов, оптических окон или другой оптический элемент для изменения длины оптического пути дифрагированного света. Например, в примере, проиллюстрированном на фиг. 1А, оптический фазовый модулятор может использоваться для смещения полос 160 так, чтобы они освещали одно из двух наборов столбцов элементов 111.

[0078] Как показано в конкретном примере по фиг. 1А, блок 155 содержит одномерную пропускающую дифракционную решетку 155а для генерирования синосуидальной картины дифрагированного света и поворотное окно 155b для изменения фазы дифрагированного света.

[0079] Во время каждого цикла формирования изображения, система 100 формирования изображения использует оптический блок 155 структурирования света для получения множества изображений с различными фазами, смещенными в боковом направлении вдоль плоскости образца (например, вдоль плоскости х-у), причем эту процедуру повторяют один или более раз путем поворота ориентации картины вокруг оптической оси (т.е. относительно плоскости х-у образца).

[0080] В некоторых вариантах осуществления система 100 может содержать модуль или устройство подачи текучей среды для направления потока реагентов (например, флуоресцентно меченых нуклеотидов, буферов, энзимов, реагентов расщепления и т.д.) в (и через) контейнер, содержащий образец 110 и сливной клапан. Например, в случае системы для анализа большого количества различных последовательностей нуклеиновой кислоты, контейнер образца может содержать подложку образца, на которой прикреплены, присоединены или связаны нуклеиновые кислоты, подлежащие секвенированию. Подложка может включать в себя любую инертную подложку или матрицу, к которой могут быть прикреплены нуклеиновые кислоты, такую как, например, стеклянные поверхности, пластиковые поверхности, латекс, декстран, полистироловые поверхности, полипропиленовые поверхности, полиакриламидные гели, золотые поверхности и кремневые пластины. Система 100 может также содержать исполнительный механизм температурной станции и нагреватель/охладитель, которые могут опционально регулировать температурные условия текучих сред в контейнере образца.

[0081] В некоторых вариантах осуществления образец 110 и датчик 140 изображения могут быть установлены на столике для образца (не показан) для обеспечения возможности движения и выравнивания образца 110 относительно объектива 142. Столик для образца может иметь один или более исполнительных механизмов для обеспечения возможности их движения в любом из трех направлений. Например, при использовании декартовой системы координат, могут быть предусмотрены исполнительные механизмы для обеспечения возможности движения столика в направлениях X, Y и Z относительно объектива. Это может обеспечить возможность позиционирования образца в одном или более положениях при оптическом выравнивании с объективом 142. Альтернативно, образец 110 может быть зафиксирован во время формирования изображения.

[0082] Хотя это не проиллюстрировано, может быть предусмотрен контроллер для управления работой системы 100 формирования изображения с помощью структурированного освещения, в том числе синхронизации работы различных оптических компонентов системы 100. Контроллер может быть выполнен с возможностью управления аспектами работы системы, такими как, например, конфигурация оптического блока 155 структурирования света (например, выбор и/или сдвиг фазы дифракционных решеток), фокусировка, перемещение столика (если есть) и операции формирования изображения. В различных вариантах осуществления контроллер может быть реализован с использованием аппаратного обеспечения, алгоритмов (например, машиноисполняемых инструкций) или комбинаций вышеперечисленного. Например, в некоторых вариантах осуществления контроллер может включать в себя один или более ЦП или процессоров со связанной памятью. В качестве другого примера, контроллер может содержать аппаратное обеспечение или другую схему для управления работой, такую как процессор компьютера и долговременный машиночитаемый носитель с сохраненными на нем машиночитаемыми инструкциями. Например, эта схема может включать в себя одно или более из следующего: программируемая пользователем вентильная матрица (FPGA, англ. field programmable gate array), специализированная интегральная схема (ASIC, англ. application specific integrated circuit), программируемое логическое устройство (PLD, англ. programmable logic device), сложное устройство с программируемой логикой (CPLD, англ. complex programmable logic device), программируемая логическая матрица (PLA, англ. programmable logic array), программируемая матричная логика (PAL, англ. programmable array logic) или другое похожее устройство или схема. В качестве еще одного примера, контроллер может содержать комбинацию этой схемы с одним или более процессорами.

[0083] На фиг. 3 представлена структурная схема примера рабочей станции 200 для биологического или химического анализа в соответствии с одним вариантом осуществления. Рабочая станция 200 может содержать систему управления текучей средой, соединенную по текучей среде с биодатчиком (или картриджем) через сеть 238 текучей среды. Сеть 238 текучей среды может включать в себя картридж 240 реагента, клапанный блок 242, главный насос 244, противопузырьковую камеру 246, трехходовой клапан 248, ограничитель 250 потока, систему 252 удаления отходов и прокачивающий насос 254. В частных вариантах осуществления основная часть компонентов или все компоненты, раскрытые выше, расположены в пределах общего корпуса рабочей станции (не показано). Хотя это не показано, рабочая станция 200 может также включать в себя систему структурированного освещения, которая выполнена с возможностью направления структурированного света возбуждения (например, в качестве периодической картины освещения из полос) к множеству реакционных участков. Например, система структурированного освещения может содержать один из более излучателей света и оптических приборов структурированного освещения (например, дифракционных решеток, фазовых модуляторов и т.д.), как раскрыто выше со ссылкой на фиг. 1.

[0084] Поток текучей среды показан стрелками вдоль сети 238 текучей среды. Например, растворы реагентов могут удаляться из картриджа 240 реагента и течь через клапанный блок 242. Клапанный блок 242 может способствовать созданию нулевого мертвого объема текучей среды, текущей в картридж 235 из картриджа 240 реагента. Клапанный блок 242 может выбирать или позволять одной или более жидкостям в картридже 240 реагента течь через сеть 238 текучей среды. Например, клапанный блок 242 может содержать соленоидные клапаны, которые имеют компактное устройство. Каждый соленоидный клапан может управлять потоком текучей среды из одного резервуарного мешка. В некоторых вариантах осуществления клапанный блок 242 может позволять двум или более различным жидкостям одновременно течь в сеть 238 текучей среды, тем самым обеспечивая смешивание двух или более различных жидкостей. После покидания клапанного блока 242 текучая среда может течь через главный насос 244 в противопузырьковую камеру 246. Противопузырьковая камера 246 выполнена с возможностью удаления нежелательных газов, поступивших в сеть 238 текучей среды или сформировавшихся в ней.

[0085] Текучая среда из противопузырьковай камеры 246 может течь в трехходовой клапан 248, где текучая среда направляется или в картридж 235, или перенаправляется в систему 252 удаления отходов. Поток текучей среды в картридже 235 может по меньшей мере частично управляться ограничителем 250 потока, расположенным ниже по потоку от картриджа 235. Кроме того, ограничитель 250 потока и главный насос 244 могут координироваться друг с другом для управления потоком текучей среды между реакционными участками и/или управления давлением в сети 238 текучей среды. Текучая среда может течь через картридж 235 в систему 252 удаления отходов. Опционально, текучая среда может течь через прокачивающий насос 254, например, в резервуарный мешок для отходов в картридже 240 реагента.

[0086] Рабочая станция 200 может содержать систему терморегулирования, выполненную с возможностью регулирования или управления температурной средой различных компонентов и подсистем рабочей станции 200. Система терморегулирования может содержать охладитель 264 реагента, выполненный с возможностью регулирования требуемых температур различных текучих сред, используемых рабочей станцией 200, и термоциклер 266, выполненный с возможностью регулирования температуры картриджа 235.

Термоцикпер 266 может включать в себя термоэлемент (не показан), взаимодействующий с картриджем.

[0087] Кроме того, рабочая станция 200 может содержать системный контроллер или панель 260 секвенирования путем синтеза (SBS, англ. sequencing-by-synthesis), которая может сообщаться с различными компонентами и подсистемами рабочей станции 200, а также картриджем 235 для выполнения процесса секвенирования путем синтеза. Кроме того, панель 260 SBS может сообщаться с удаленными системами, например, для хранения данных или приема команд от удаленных систем. Рабочая станция 200 может также включать в себя пользовательский интерфейс 262 с сенсорным экраном, функционально соединенный с панелью 260 SBS через одноплатный компьютер (SBC, англ. single-board computer) 272. Рабочая станция 200 может также включать в себя один или более доступных для пользователя портов передачи данных и/или приводов. Например, рабочая станция 200 может включать в себя один или более соединителей типа универсальной последовательной шины (USB, англ. universal serial bus) для компьютерных периферийных устройств, таких как флеш-память или флеш-накопитель, карта памяти типа Compact Flash (CF) и/или жесткий диск 270 для хранения пользовательских данных в дополнение к другому программному обеспечению.

[0088] На фиг. 4 представлен вид в аксонометрии рабочей станции 300 и картриджа 302, который может содержать один или более биодатчиков (не показаны), как раскрыто в вариантах осуществления. Рабочая станция 300 может содержать аналогичные компоненты, как раскрыто выше в отношении рабочей станции 200, и может работать аналогичным образом. Рабочая станция 300 может содержать корпус 304 рабочей станции и системное приемное устройство 306, выполненное с возможностью приема картриджа 302 и взаимодействия с ним. Системное приемное устройство может взаимодействовать с картриджем по текучей среде и/или электрически. Корпус 304 рабочей станции может удерживать, например, системный контроллер, систему хранения текучей среды, систему управления текучей средой и систему терморегулирования. На фиг. 4 рабочая станция не содержит пользовательского интерфейса или дисплея, соединенного с корпусом 304 рабочей станции. Однако пользовательский интерфейс может быть соединен с возможностью обмена данными с корпусом 304 (и компонентами/системами, расположенными в нем) через канал связи. Таким образом, пользовательский интерфейс и рабочая станция 300 могут быть расположены на удалении друг от друга. Вместе пользовательский интерфейс и рабочая станция 300 (или множество рабочих станций) могут составлять систему биоанализа.

[0089] Как показано, картридж 302 содержит корпус 308 картриджа, имеющий по меньшей мере один порт 310, обеспечивающий доступ к внутренней части корпуса 308 картриджа. Например, раствор, выполненный с возможностью использования в картридже 302 во время управляемых реакций, может быть введен через порт 310 техническим специалистом или рабочей станцией 300. Системное приемное устройство 306 и картридж 302 могут иметь такие размеры и форму по сравнению друг с другом, чтобы картридж 302 мог быть вставлен в приемную полость (не показана) системного приемного устройства 306.

[0090] На фиг. 5 представлен вид спереди стеллажа 312, содержащего шкаф или несущее устройство 314 с множеством загруженных в него рабочих станций 300. Шкаф 314 может содержать одну или более полок 316, определяющих одно или более приемных пространств 318, выполненных с возможностью приема одной или более рабочих станций 300. Хотя это не показано, рабочие станции 300 могут быть соединены с возможностью обмена данными с сетью связи, позволяющей пользователю управлять функционированием рабочих станций 300. В некоторых вариантах осуществления система биоанализа включает в себя множество рабочих станций, таких как рабочие станции 300, и единственный пользовательский интерфейс, выполненный с возможностью управления работой нескольких рабочих станций.

[0091] На фиг. 6 проиллюстрированы различные элементы картриджа 302 (фиг. 4) в соответствии с одним вариантом осуществления. Как показано, картридж 302 может включать в себя узел 320 образца, а системное приемное устройство 306 может включать в себя узел 322 освещения. Этап 346, показанный на фиг. 6, представляет пространственное соотношение между первым и вторым подузлами 320 и 322, когда они отделены друг от друга. На этапе 348 первый и второй подузлы 320 и 322 соединяют вместе. Корпус 308 картриджа (фиг. 4) может заключать соединенные первый и второй подузлы 320 и 322.

[0092] В проиллюстрированном варианте осуществления первый подузел 320 включает в себя основание 326 и короб 324 компонента реакции, установленный на основании 326. Хотя это не показано, один или более биодатчиков могут быть установлены на основании 326 в углублении 328, которое ограничено, по меньшей мере частично, коробом 324 компонента реакции и основанием 326. Например, по меньшей мере четыре биодатчика могут быть установлены на основании 326. В некоторых вариантах осуществления основание 326 представляет собой печатную плату, имеющую схему, которая обеспечивает возможность связи между различными компонентами картриджа и рабочей станции 300 (фиг. 4). Например, короб 324 компонента реакции может включать в себя поворотный клапан 330 и резервуары 332 реагента, соединенные по текучей среде с поворотным клапаном 330. Короб 324 компонента реакции может также включать в себя дополнительные резервуары 334.

[0093] Второй подузел 322 включает в себя узел 336 освещения, который включает в себя множество направляющих каналов 338 для структурированного света. Каждый направляющий канал 338 для структурированного света оптически соединен с источником структурированного света (не показан), таким как светоизлучающий диод (LED) и дифракционная решетка, как обсуждалось выше. Источник (источники) света выполнены с возможностью создания периодической картины освещения света возбуждения, направляемого светонаправляющими каналами 338 на биодатчики. В альтернативных вариантах осуществления картридж может не включать в себя источник (источники) структурированного света. В таких вариантах осуществления источник (источники) структурированного света может быть расположен в рабочей станции 300. Когда картридж вставлен в системное приемное устройство 306 (фиг. 4), картридж 302 может быть выровнен с источником (источниками) структурированного света так, что биодатчики могут быть освещены структурированным светом. В других вариантах осуществления светонаправляющие каналы 338 могут быть выполнены с возможностью генерирования структурированного света (например, путем использования одной или более пропускающих дифракционных решеток).

[0094] Также показано на фиг. 6, что второй подузел 322 включает в себя насос 340 картриджа, соединенный по текучей среде с портами 342 и 344. Когда первый и второй подузлы 320 и 322 соединены вместе, порт 342 соединен с поворотным клапаном 330, а порт 344 соединен с другими резервуарами 334. Насос 340 картриджа может быть активирован для направления компонентов реакции из резервуаров 332 и/или 334 к биодатчикам в соответствии с назначенным протоколом.

[0095] На фиг. 7 проиллюстрирован поперечный разрез части примера биодатчика 400, выполненного в соответствии с одним вариантом осуществления. Биодатчик 400 может использоваться, например, в картридже 302 (фиг. 4). Как показано, биодатчик 400 может включать в себя проточную ячейку 402, которая соединена непосредственно или опосредованно с устройством 404 детектирования. Проточная ячейка 402 может быть установлена на устройстве 404 детектирования.

В проиллюстрированном варианте осуществления проточная ячейка 402 прикреплена непосредственно к устройству 404 детектирования посредством одного или более крепежных механизмов (например, адгезив, связывание, крепежные элементы и тому подобное). В некоторых вариантах осуществления проточная ячейка 402 может быть съемно соединена с устройством 404 детектирования.

[0096] В проиллюстрированном варианте осуществления устройство 404 детектирования включает в себя основание 425 устройства. В частных вариантах осуществления основание 425 устройства включает в себя множество расположенных друг над другом слоев (например, силиконовый слой, диэлектрический слой, металл-диэлектрические слои и т.д.). Основание 425 устройства может включать в себя массив 424 датчиков из светочувствительных датчиков 440, световодный массив 426 из световодов 462 и реакционный массив 428 из реакционных углублений 408, имеющих соответствующие реакционные участки 414.

[0097] В этом варианте осуществления компоненты размещены так, что каждый светочувствительный датчик 440 совмещен с двумя реакционными углублениями 408. Таким образом, каждый светочувствительный датчик 440 выполнен с возможностью формирования изображения по меньшей мере двух различных реакционных участков 414, причем каждый реакционный участок соотносится с соответствующим углублением 408. Это может быть достигнуто путем использования структурированного света 401 возбуждения, который структурирован так, что только одно реакционное углубление, сформированное над каждым светочувствительным датчиком 440, по меньшей мере по существу освещено во время считывания изображения. Например, в примере по фиг. 7 множество периодических световых полос могут освещать левую сторону выше каждого светочувствительного датчика 440 (левые реакционные участки) во время одного считывания изображения, и правую сторону выше каждого светочувствительного датчика 440 (правые реакционные участки) во время другого считывания изображения. В этой конфигурации, путем пространственного мультиплексирования считанных показаний, каждый светочувствительный датчик 440 может отдельно принимать фотоны от каждого из двух реакционных участков.

[0098] В определенных вариантах осуществления компоненты размещены так, что каждый светочувствительный датчик 440 совмещен с одним световодом 462 и двумя реакционными участками 414. Однако в других вариантах осуществления один светочувствительный датчик 440 может принимать фотоны посредством более чем одного световода 462 и/или от более чем двух реакционных участков 414.

Например, каждое углубление 408 может иметь несколько реакционных участков, и/или более двух углублений 408 могут быть выровнены над каждым светочувствительным датчиком 440. В контексте настоящего изобретения отдельный светочувствительный датчик 440 может включать в себя один пиксель или более одного пикселя.

[0099] Кроме того, следует отметить, что термины «массив» или «подмассив» не обязательно включают в себя каждый без исключения элемент определенного типа, который может иметь устройство детектирования. Например, массив 424 датчиков может не включать в себя каждый без исключения светочувствительный датчик в устройстве 404 детектирования. Напротив, устройство 404 детектирования может включать в себя другие светочувствительные датчики (например, другой массив (массивы) светочувствительных датчиков). Согласно другому примеру, массив 426 световодов может не включать в себя каждый без исключения световод устройства детектирования. Напротив, могут быть предусмотрены другие световоды, выполненные иначе, нежели световоды 462, или имеющие иную взаимосвязь с другими элементами устройства 404 детектирования. Таким образом, если явно не указано обратное, термин «массив» может включать или может не включать все указанные элементы устройства детектирования.

[00100] В проиллюстрированном варианте осуществления проточная ячейка 402 содержит боковую стенку 406 и проточную крышку 410, поддерживаемую боковой стенкой 406 и другими боковыми стенками (не показаны). Боковые стенки соединены с детекторной поверхностью 412 и проходят между проточной крышкой 410 и детекторной поверхностью 412. В некоторых вариантах осуществления боковые стенки сформированы из отверждаемого адгезивного слоя, который скрепляет проточную крышку 410 с устройством 404 детектирования.

[00101] Проточная ячейка 402 имеет такие размеры и форму, что между проточной крышкой 410 и устройством 404 детектирования имеется проточный канал 418. Как показано, проточный канал 418 может иметь высоту Hi. Исключительно в качестве примера, высота Н1 может быть приблизительно 50 -400 мкм (микрон) или, в одном примере, приблизительно 80 - 200 мкм. В проиллюстрированном варианте осуществления высота Н1 приблизительно равна 100 мкм. Проточная крышка 410 может содержать материал, являющийся прозрачным для структурированного света 401 возбуждения, распространяющегося из внешней части биодатчика 400 в проточный канал 418. Как показано на фиг. 7, структурированный свет 401 возбуждения приближается к проточной крышке 410 под прямым углом. Однако, это показано только для целей иллюстрации, поскольку свет 401 возбуждения может приближаться к проточной крышке 410 под различными углами.

[00102] Также показано, что проточная крышка 410 может содержать впускной и выпускной порты 420, 422, выполненные с возможностью взаимодействия по текучей среде с другими портами (не показаны). Например, другие порты могут идти от картриджа 302 (фиг. 4) или рабочей станции 300 (фиг. 4). Проточный канал 418 имеет такие размеры и форму, чтобы направлять текучую среду вдоль детекторной поверхности 412. Высота Н1 и другие размеры проточного канала 418 могут быть выбраны для поддержания по меньшей мере по существу равномерного потока текучей среды вдоль детекторной поверхности 412. Размеры проточного канала 418 могут быть также выбраны для управления образованием пузырьков.

[00103] Боковые стенки 406 и проточная крышка 410 могут быть отдельными компонентами, соединенными друг с другом. В других вариантах осуществления боковые стенки 406 и проточная крышка 410 могут быть сформированы как одно целое так, чтобы боковые стенки и проточная крышка 410 были выполнены из сплошного куска материала. В качестве примера, проточная крышка 410 (или проточная ячейка 402) может содержать прозрачный материал, такой как стекло или пластик. Проточная крышка 410 может образовывать по меньшей мере по существу прямоугольный блок, имеющий плоскую внешнюю поверхность и плоскую внутреннюю поверхность, которая определяет проточный канал 418. Блок может быть установлен на боковых стенках 406. Альтернативно, проточная ячейка 402 может быть получена травлением с образованием проточной крышки и боковых стенок 406. Например, углубление может быть выполнено травлением в прозрачном материале. Когда вытравленный материал установлен на устройстве 404 детектирования, углубление может стать проточным каналом 418.

[00104] Устройство 404 детектирования имеет детекторную поверхность 412, которая может быть функционализирована (например, химически или физически модифицирована подходящим способом для проведения назначенных реакций). Например, детекторная поверхность 412 может быть функционализирована и может включать в себя множество реакционных участков 414, имеющих одну или более биомолекул, иммобилизованных на них. Детекторная поверхность 412 имеет массив реакционных углублений или открытых реакционных камер 408. Каждая из реакционных углублений 408 может включать в себя один или более реакционных участков 414. Реакционные углубления 408 могут быть заданы, например, посредством сдвига или изменения глубины на детекторной поверхности 412. В других вариантах осуществления детекторная поверхность 412 может быть по меньшей мере по существу плоской. В таких вариантах осуществления два реакционных участка могут быть совмещены над каждым датчиком 440 на плоской детекторной поверхности.

[00105] Как показано на фиг. 7, реакционные участки 414 могут быть распределены в структуре по детекторной поверхности 412. Например, реакционные участки 414 могут быть расположены в виде рядов и столбцов на детекторной поверхности 412 аналогично микрорешетке. Однако следует понимать, что могут использоваться различные структуры реакционных участков. Реакционные участки могут содержать биологические или химические вещества, излучающие световые сигналы. Например, биологические или химические вещества реакционных участков могут генерировать световые излучения в качестве реакции на структурированный свет 401 возбуждения. В частных вариантах осуществления реакционные участки 414 включают в себя кластеры или колонии биомолекул (например, олигонуклеотидов), иммобилизованных на детекторной поверхности 412.

[00106] На фиг. 8 представлен увеличенный поперечный разрез устройства 404 детектирования, на котором различные элементы показаны более подробно. Более конкретно, на фиг. 8 показан единственный светочувствительный датчик 440, единственный световод 462 для направления световых излучений к светочувствительному датчику 440, и связанная с ним схема 446 для передачи сигналов на основе световых излучений (например, фотонов), направляемых светочувствительным датчиком 440. Следует понимать, что другие светочувствительные датчики 440 массива 424 датчиков (фиг. 7) и связанные с ними компоненты могут быть выполнены тем же самым или аналогичным образом. Однако также следует понимать, что устройство 404 детектирования не обязательно должно быть изготовлено полностью идентично или однообразно. Напротив, один или более светочувствительных датчиков 440 и/или связанных с ними компонентов могут быть изготовлены различным образом или иметь различные взаимосвязи относительно друг друга.

[00107] Схема 446 может включать в себя соединенные между собой проводящие элементы (например, проводники, трассы, перемычки, межсоединения и т.д.), выполненные с возможностью проведения электрического тока, например, для передачи сигналов данных, основанных на детектированных фотонах. Например, в некоторых вариантах осуществления схема 446 может быть аналогична микросхеме или может включать в себя микросхему. Устройство 404 детектирования и/или основание 425 устройства могут содержать интегральную схему, имеющую плоский массив светочувствительных датчиков 440. Схема 446, сформированная в устройстве 425 детектирования, может быть выполнена по меньшей мере для одного из следующего: усиление, дискретизация, хранение и обработка сигнала. Схема может принимать и анализировать детектированные световые излучения и генерировать сигналы данных для сообщения данных детектирования в систему биоанализа. Схема 446 может также осуществлять дополнительную аналоговую и/или цифровую обработку сигнала в устройстве 404 детектирования.

[00108] Основание 425 устройства может быть изготовлено с помощью производственных процессов изготовления интегральной схемы, таких как процессы, используемые для изготовления комплементарных структур металл-оксид-полупроводник (КМОП-структур). Например, основание 425 устройства может включать в себя множество расположенных друг над другом слоев 431-437, включающих сенсорный слой или основание 431, которое в проиллюстрированном варианте осуществления представляет собой кремниевый слой или пластину. Сенсорный слой 431 может включать в себя светочувствительный датчик 440 и логические элементы 441-443, которые сформированы вместе с сенсорным слоем 431. Логические элементы 441-443 электрически соединены со светочувствительным датчиком 440. Когда устройство 404 детектирования полностью сформировано, как показано на фиг. 7 и 8, светочувствительный датчик 440 может быть электрически соединен со схемой 446 через логические элементы 441-443.

[00109] В контексте настоящего изобретения термин «слой» не ограничивается единым непрерывным телом из материала, если не указано обратное. Например, сенсорный слой 431 может включать в себя несколько подслоев из различных материалов, и/или может включать в себя покрытия, адгезивы и тому подобное. Кроме того, один или более из слоев (или подслоев) могут быть модифицированы (например, подвергнуты травлению, осаждению материала и т.д.) для обеспечения элементов, раскрытых в настоящем изобретении.

[00110] В некоторых вариантах осуществления каждый светочувствительный датчик 440 имеет область детектирования, которая меньше, чем приблизительно 50 мкм². В частных вариантах осуществления область детектирования меньше, чем приблизительно 10 мкм². В более частных вариантах осуществления область детектирования приблизительно равна 1-2 мкм². В таких случаях светочувствительный датчик 440 может составлять один пиксель. Среднее значение шума считывания каждого пикселя в светочувствительном датчике 440 может быть, например, меньше, чем приблизительно 150 электронов. В более частных вариантах осуществления шум считывания может быть меньше, чем приблизительно 5 электронов. Разрешение массива светочувствительных датчиков 440 может быть больше, чем приблизительно 0,5 мегапикселей (Мп). В более конкретных вариантах осуществления разрешение может быть больше, чем приблизительно 5 Мп, а в одном примере больше, чем приблизительно 10 Мп.

[00111] Слои устройства также включают в себя множество металл-диэлектрических слоев 432-437, которые далее будут называться подложками. В проиллюстрированном варианте осуществления каждая из подложек 432-437 включает в себя металлические элементы (например, W (вольфрам), Cu (медь), Al (алюминий) и т.д.) и диэлектрический материал (например, SiO₂). Могут использоваться различные металлические элементы и диэлектрический материал, например, пригодные для изготовления интегральной схемы. Однако в других вариантах осуществления одна или более из подложек 432-437 могут включать в себя только диэлектрический материал, например, один или более слоев SiO₂.

[00112] В отношении конкретного варианта осуществления, показанного на фиг. 8, первая подложка 432 может включать в себя металлические элементы, обозначенные как М1, встроенные в диэлектрический материал (например, SiO₂). Металлические элементы М1 содержат, например, W (вольфрам). Металлические элементы М1 проходят через всю подложку 432 в проиллюстрированном варианте осуществления. Вторая подложка 433 включает в себя металлические элементы М2 и диэлектрический материал, а также металлические межсоединения (М2/М3). Третья подложка 434 включает в себя металлические элементы М3 и металлические межсоединения (М3/М4). Четвертая подложка 435 также включает в себя металлические элементы М4. Основание 425 устройства также включает в себя пятую и шестую подложки 436, 437, которые более подробно раскрыты ниже.

[00113] Как показано, металлические элементы и межсоединения соединены друг с другом с образованием по меньшей мере части схемы 446. В проиллюстрированном варианте осуществления металлические элементы М1, М2, М3, М4 включают в себя W (вольфрам), Си (медь) и/или алюминий (Al), а металлические межсоединения М2/М3 и М3/М4 включают в себя W (вольфрам), но следует понимать, что могут использоваться другие материалы и конфигурации. Следует отметить, что основание 425 устройства и устройство 404 детектирования, показанные на фиг. 7 и 8, представлены только для иллюстративных целей. Например, другие варианты осуществления могут включать в себя меньшее количество или дополнительные слои, по сравнению с показанными на фиг. 7 и 8, и/или различные конфигурации металлических элементов.

[00114] В некоторых вариантах осуществления устройство 404 детектирования включает в себя экранирующий слой 450, проходящий вдоль внешней поверхности 464 основания 425 устройства. В проиллюстрированном варианте осуществления экранирующий слой 450 нанесен непосредственно на внешнюю поверхность 464 подложки 437. Однако в других вариантах осуществления между подложкой 437 и экранирующим слоем 450 может быть нанесен промежуточный слой. Экранирующий слой 450 может включать в себя материал, выполненный с возможностью блокирования, отражения и/или значительного ослабления световых сигналов, распространяющихся из проточного канала 418. Световые сигналы могут представлять собой свет 401 возбуждения и/или световые излучения 466 (показаны на фиг 9). Только в качестве примера, экранирующий слой 450 может содержать вольфрам (W).

[00115] Как показано на фиг .8, экранирующий слой 450 включает в себя апертуру или отверстие 452, проходящее через него. Экранирующий слой 450 может включать в себя массив таких апертур 452. В некоторых вариантах осуществления экранирующий слой 450 может проходить непрерывно между соседними апертурами 452. Таким образом, световые сигналы из проточного канала 418 могут блокироваться, отражаться и/или значительно ослабляться для предотвращения детектирования таких световых сигналов светочувствительными датчиками 440. Однако в других вариантах осуществления экранирующий слой 450 не проходит непрерывно между соседними апертурами 452 так, что в экранирующем слое 450 имеются одно или более отверстий, отличных от апертур 452.

[00116] Устройство 404 детектирования может также включать в себя пассивирующий слой 454, проходящий вдоль экранирующего слоя 450 и поперек апертур 452. Экранирующий слой 450 может проходить над апертурами 452, тем самым непосредственно или опосредованно покрывая апертуры 452. Экранирующий слой 450 может быть расположен между пассивирующим слоем 454 и основанием 425 устройства. Между ними может быть расположен адгезивный или связывающий слой 458 для обеспечения соединения пассивирующего и экранирующего слоев 454, 450. Пассивирующий слой 454 может быть выполнен с возможностью защиты основания 425 устройства и экранирующего слоя 450 от окружающей текучей среды проточного канала 418.

[00117] В некоторых случаях пассивирующий слой 454 может быть также выполнен с возможностью обеспечения твердой поверхности (т.е. поверхности 412 детектирования), для обеспечения возможности иммобилизации на ней биомолекул или других представляющих интерес аналитов. Например, каждый из реакционных участков 414 может включать в себя кластер биомолекул, иммобилизованных на поверхности 412 детектирования пассивирующего слоя 454. Таким образом, пассивирующий слой 454 может быть сформирован из материала, который обеспечивает возможность иммобилизации на нем реакционных участков 414. Пассивирующий слой 454 также может содержать материал, по меньшей мере прозрачный для желаемого флуоресцентного излучения. В качестве примера, пассивирующий слой 454 может включать в себя нитрид кремния (Si₃N₄) и/или диоксид кремния (SiO₂). Однако может использоваться другой пригодный материал (материалы). В дополнение, пассивирующий слой 454 может быть физически или химически модифицирован для облегчения иммобилизации биомолекул и/или облегчения детектирования световых излучений.

[00118] В проиллюстрированном варианте осуществления часть пассивирующего слоя 454 проходит вдоль экранирующего слоя 450, а часть пассивирующего слоя 454 проходит непосредственно вдоль фильтрующего материала 460 световода 462. Два реакционных углубления 408 могут быть сформированы непосредственно над световодом 462. В некоторых случаях, перед пассивирующим слоем 454, расположенным вдоль экранирующего слоя 450 или адгезивного слоя 458, в основании 425 устройства может быть сформирована базовая яма или полость 456. Например, основание 425 устройства может быть вытравлено для формирования массива базовых ям 456. В частных вариантах осуществления базовая яма 456 представляет собой вытянутое пространство, проходящее от области вблизи апертуры 452 в направлении светочувствительного датчика 440. Базовая яма может проходить продольно вдоль центральной продольной оси 468. Трехмерная форма базовой ямы 456 в некоторых вариантах осуществления может быть по меньшей мере по существу цилиндрической или усеченно-конической, так что поперечное сечение, взятое вдоль плоскости, проходящей в страницу на фиг. 8, является по меньшей мере по существу круглым. Продольная ось 468 может проходить через геометрический центр данного поперечного сечения. Однако в альтернативных вариантах осуществления могут использоваться другие геометрические формы. Например, поперечное сечение может быть по меньшей мере по существу квадратное или восьмиугольное.

[00119] Фильтрующий материал 460 может быть расположен в базовой яме 456 после формирования базовой ямы 456. Фильтрующий материал 460 может образовывать (например, после отверждения) световод 462. Световод 462 выполнен с возможностью фильтрации света 401 возбуждения и обеспечения возможности распространения через него световых излучений 466 в направлении соответствующего светочувствительного датчика 440. Световод 462 может представлять собой, например, органический поглощающий фильтр. Только в качестве конкретного примера, свет возбуждения может иметь длину волны приблизительно 532 нм, а световые излучения могут иметь длину волны приблизительно 570 нм или более.

[00120] В некоторых случаях органический фильтрующий материал может быть несовместим с другими материалами биодатчика. Например, органический фильтрующий материал может иметь такой коэффициент теплового расширения, который вызывает значительное расширение фильтрующего материала. Альтернативно или в дополнение, фильтрующий материал может быть неспособен значительно приклеиваться к некоторым слоям, например, экранирующему слою (или другим металлическим слоям). Расширение фильтрующего материала может вызывать механическое напряжение слоев, смежных с фильтрующим материалом или структурно соединенных с фильтрующим материалом. В некоторых случаях расширение может вызвать трещины или иные нежелательные элементы в структуре биодатчика. По существу, варианты осуществления, раскрытые в настоящем изобретении, могут ограничивать степень расширения фильтрующего материала и/или степень контакта фильтрующего материала с другими слоями. Например, фильтрующие материалы других световодом могут быть изолированы друг от друга пассивирующим слоем. В таких вариантах осуществления фильтрующий материал может не контактировать с металлическим слоем (слоями). Более того, пассивирующий слой может противостоять расширению и/или позволять некоторое расширение с уменьшением образования нежелательных элементов (например, трещин).

[00121] Световод 462 может быть выполнен относительно окружающего материала основания 425 устройства (например, диэлектрического материала) таким образом, чтобы формировать световодную структуру. Например, световод 462 может иметь показатель преломления приблизительно 2,0, так чтобы световое излучение по меньшей мере по существу отражалось на границе раздела между световодом 462 и материалом основания 425 устройства. В некоторых вариантах осуществления световод 462 выполнен так, что оптическая плотность (ОП) или спектральная поглощательная способность света возбуждения по меньшей мере приблизительно равна 4 ОП. Более конкретно, фильтрующий материал и размеры световода 462 могут быть выбраны так, чтобы достигать по меньшей мере 4 ОП. В более частных вариантах осуществления световод 462 может быть выполнен с возможностью достижения по меньшей мере приблизительно 5 ОП или по меньшей мере приблизительно 6 ОП. Другие элементы биодатчика 400 могут быть выполнены с возможностью снижения электрических или оптических перекрестных помех.

[00122] На фиг. 9 показан вид сверху узла 900 датчика изображения, включая два отображаемых элемента 920а-920b, выровненных над каждым пикселем 910. Например, элементы 920а-920 могут быть сформированы над пикселем 910 во время производства узла датчика изображения (например, с помощью фотолитографического совмещения структуры нанолунок с пикселями активного пиксельного датчика). Для простоты показаны четыре пикселя. В качестве примера, каждый пиксель 910 может представлять собой светочувствительный датчик 440, а элементы 920а-920b могут представлять собой реакционные углубления 408, как показано на фиг. 7-8. Свет, излучаемый каждым элементом 920а-920b, может быть направлен на пиксель с помощью световода 462, как раскрывалось выше. В некоторых вариантах осуществления, для ограничения перекрестных помех между соседними элементами 920а-920b, разнесение элементов над пикселем и ширина полос, используемых для освещения элементов, могут быть настроены.

[00123] На фиг. 10 показана функциональная блок-схема, на которой проиллюстрирован пример способа 1000 одномерного структурированного освещения, который может быть реализован посредством узла формирования изображения с помощью структурированного освещения во время одного цикла формирования изображения для формирования изображения образца, включающего в себя два элемента, позиционированных над каждым светоприемником (например, пикселем) узла формирования изображения. Например, способ 1000 может использоваться для формирования изображения образцов, как раскрыто выше со ссылкой на фиг. 1 и 7-9. В некоторых случаях элементы отображаемого образца могут быть сформированы над пикселями датчика изображения.

[00124] На этапе 1010 позиционируют картину структурированного освещения для освещения первого элемента, позиционированного/структурированного над каждым светочувствительным датчиком. Например, как показано конфигурацией 1060, картина освещения из вертикальных полос может быть позиционирована для освещения элементов над левой стороной каждого пикселя, но не правой стороной каждого пикселя. В вариантах осуществления это может быть достигнуто путем формирования картины структурированного света, имеющей шаг, по меньшей мере по существу равный шагу пикселей датчика изображения (например, шаг 1 мкм для квадратных пикселей 1 мкм × 1 мкм), и ширину, по меньшей мере по существу равную или немного большую диаметра элементов (например, как раскрыто выше со ссылкой на фиг. 1А-1В). Например, в частных вариантах осуществления ширина каждой полосы приблизительно равна половине или меньше половины шага, а расстояние между центрами полос приблизительно равно шагу каждого пикселя. На этапе 1020 выполняют захват первого изображения образца. Например, в случае системы формирования изображения с помощью флуоресцентной микроскопии, некоторые или все из элементов над левой стороной каждого пикселя могут излучать свет, регистрируемый фотодетектором пикселя и используемый для создания первого изображения.

[00125] На этапе 1030 картину структурированного освещения смещают по фазе (например, линейно перемещают над образцом над плоскостью образца) для освещения второго элемента, позиционированного/структурированного над каждым светочувствительным датчиком. Например, как показано конфигурацией 1070, картина освещения из вертикальных полос может быть позиционирована для освещения элементов над правой стороной каждого пикселя, но не левой стороной каждого пикселя. В вариантах осуществления картина может быть смещена по фазе путем поворота оптического зеркала, путем перемещения столика поступательного перемещения, путем поворота оптического клина или использования некоторого другого оптического фазового модулятора, для смещения фазы картины на плоскости образца. В частных вариантах осуществления фаза может быть смещена приблизительно на 1/2 шага картины полос (например, приблизительно 1/2 шага пикселей). В других вариантах осуществления картина освещения может быть смещена путем использования второй дифракционной решетки, смещенной относительно первой дифракционной решетки на приблизительно 1/2 полосы. В таких вариантах осуществления первая и вторая дифракционные решетки могут быть зафиксированы. На этапе 1040 выполняют захват второго изображения образца. Например, в случае системы формирования изображения с помощью флуоресцентной микроскопии, некоторые или все из элементов над правой стороной каждого пикселя могут излучать свет, регистрируемый фотодетектором пикселя и используемый для создания первого изображения.

[00126] На этапе 1050 два захваченных изображения могут использоваться для создания изображения с субпиксельным разрешением или со сверхвысоким разрешением. Например, интенсивности каждого из двух участков элемента над каждым пикселем могут быть демультиплексированы из двух захваченных изображений (например, показание интенсивности от элементов левой стороны для первого изображения и показание интенсивности для элементов правой стороны для второго изображения). В некоторых случаях могут быть учтены перекрестные помехи между двумя изображениями. Преимущественно, согласно примеру на фиг. 10, требуется только дифракционная картина, ориентированная в одном направлении (например, вертикально), и освещение одного элемента на пиксель, что может значительно упростить обработку изображения (например, снижение или устранение деконволюции сигнала между двумя изображениями).

[00127] Следует отметить, что хотя в примерных конфигурациях 1060-1070 по фиг. 10 проиллюстрированы картина освещения из вертикальных полос и элементы, расположенные на левой и правой стороне каждого пикселя, эти конфигурации представлены с целью иллюстрации. Например, в вариантах осуществления, где элементы структурированы или иным образом позиционированы над верхом или низом каждого пикселя, картина освещения будет, напротив, показана в виде картины освещения из горизонтальных полос, смещенных вверх или вниз при каждом считывании изображения.

[00128] В вариантах осуществления, для удержания картины структурированного освещения пространственно выровненной с пиксельной структурой так, чтобы только один из элементов каждого пикселя освещался во время формирования изображения (например, для максимизации сигнала от одного из элементов), датчик изображения может включать в себя два выравнивающих ряда, причем образец структурирован так, что только соответствующий один из двух элементов образца позиционирован над пикселями каждого выравнивающего ряда. В таких вариантах осуществления отсутствие одного из двух элементов над каждым выравнивающим рядом может создать дифференциальное пропускание света возбуждения к каждому из двух выравнивающих рядов, которые могут использоваться для совмещения структурированного света с образцом и датчиком.

[00129] На фиг. 11 проиллюстрирован один такой пример датчика 1100 изображения, содержащего выравнивающие ряды 1110-1120, которые могут использоваться в вариантах осуществления для выравнивания картины структурированного освещения с образцом и датчиком. Например, рассмотрим случай, где элементы 1140а сформированы над левой стороной каждого пикселя 1150 активной области, а элементы 1140b сформированы над правой стороной каждого пикселя 1150 активной области. В этом случае только элементы 1140а сформированы над каждым пикселем выравнивающего ряда 1120, и только элементы 1140b сформированы над каждым пикселем выравнивающего ряда 1110. Во время формирования изображения выравнивание может быть подтверждено на основе показаний изображения из каждого выравнивающего ряда 1110-1120. Например, картина структурированного освещения может быть выровнена над элементами 1140а (левая сторона пикселей активной области) путем ее позиционирования так, чтобы максимизировать сигнал от выравнивающего ряда 1120, и одновременно минимизировать или даже обнулить сигнал от выравнивающего ряда 1110. Картина структурированного освещения может также быть выровнена над элементами 1140b (правая сторона пикселей активной области) путем ее позиционирования так, чтобы максимизировать сигнал от выравнивающего ряда 1110, и одновременно минимизировать или даже обнулить сигнал от выравнивающего ряда 1120.

[00130] В вариантах осуществления выравнивание может быть определено до начала формирования изображения, например, до или во время этапа 1010 первого цикла формирования изображения. В некоторых вариантах осуществления выравнивание может определяться периодически (например, после заданного количества циклов формирования изображения). В некоторых вариантах осуществления показания от выравнивающих рядов 1110-1120 может обеспечивать обратную связь для контроля позиционирования света структурированного освещения во время формирования изображения, для предотвращения относительного сдвига во времени между картиной освещения и датчиком изображения или для иного поддержания картины освещения пространственно неподвижной относительно датчика изображения.

[00131] В некоторых вариантах осуществления несколько выравнивающих рядов 1110 и несколько выравнивающих рядов 1120 могут быть включены в датчик изображения для увеличения надежности системы. Например, включение дополнительных выравнивающих рядов может улучшить сигнал, генерируемый для определения состояния выравнивания системы. Дополнительно, в некоторых вариантах осуществления промежуточные выравнивающие ряды могут быть включены в активную область (например, примерно в половине активной области) для подтверждения того, что структурированное освещение выровнено вертикально и не наклонено.

[00132] Следует отметить, что, хотя выравнивающие ряды проиллюстрированы в примере по фиг. 11, в других вариантах осуществления могут аналогично использоваться выравнивающие столбцы (например, в случае горизонтального освещения структуры, имеющей элементы наверху и внизу каждого пикселя).

[00133] На фиг. 12 проиллюстрирован пример процесса формирования изображения с помощью одномерного структурированного освещения, который может быть реализован посредством узла формирования изображения, содержащего прямоугольные пиксели 1310. Для простоты вид сверху четырех прямоугольных пикселей 1310 показан во время каждого этапа считывания изображения. Как показано в этом примере, три элемента 1320а-1320с сформированы над каждым пикселем. В этом примере фаза структурированного света может быть смещена приблизительно на 1/3 шага картины полос (например, приблизительно на 1/3 шага пикселей) во время каждого считывания изображения, для считывания элементов на левой части (элемент 1320а), центральной части (элемент 1320b) и правой части (элемент 1320с) каждого пикселя. Преимущественно, в случае элементов, выровненных вдоль одного измерения над пикселем и имеющих соотношение размеров 1:1 или близкое к 1:1 (например, круглых или квадратных элементов), при использовании соотношения размеров прямоугольного пикселя, плотность данных может быть максимизирована путем покрытия большей области элементов 1320а-1320с над каждым пикселем вдоль одного измерения (например, в отличие от покрытия тремя круглыми элементами 1320а-1320с над квадратным пикселем). Соотношение размеров прямоугольного пикселя может быть также преимущественным над квадратным пикселем в случае элементов, не имеющих соотношение размеров 1:1, где большая область элементов может быть выровнена над каждым прямоугольным пикселем вдоль одного измерения.

[00134] На фиг. 13 показан вид сверху узла 1300 датчика изображения, содержащего четыре отображаемых элемента 1320a-1320d, выровненные над каждым пикселем 1310 вдоль двух измерений (например, вдоль двух рядов и двух столбцов). Например, элементы 1320a-1320d могут быть сформированы над пикселем 1310 во время производства узла датчика изображения (например, с помощью фотолитографического совмещения структуры нанолунок с пикселями активного пиксельного датчика). Для простоты показаны четыре пикселя. В некоторых вариантах осуществления, для ограничения перекрестных помех между элементами 1320a-1320d, разнесение элементов над пикселем и ширина полос, используемых для освещения элементов, могут быть настроены (например, элементы могут быть позиционированы с равномерными промежутками вдоль обоих осей плоскости образца или только одной оси, или элементы могут быть позиционированы, образуя некоторую другую структуру).

[00135] Посредством осуществления конфигурации примера узла 1300, возможно достигнуть четырехкратного увеличения плотности данных в элементах (в противоположность узлу по фиг. 2), посредством осуществления способа структурированного освещения вдоль двух измерений, подробнее раскрытого ниже. Например, если каждый пиксель имеет шаг приблизительно 2 мкм, а каждый элемент 1320a-1320d представляет собой нанолунку, имеющую диаметр приблизительно 500 нм, возможно достигнуть плотности данных приблизительно элементов (в противоположность плотности данных приблизительно элементов в случае одной нанолунки размером 500 нм на пиксель размером 2 мкм. В качестве примера, только половина каждого пикселя может возбуждаться в один момент времени, при этом промежуток между элементами приблизительно равен 500 нм, а длины волн света возбуждения приблизительно равны 530 нм. Путем изменения длины волны света возбуждения на синий свет, могут быть получены более высокие плотности.

[00136] На фиг. 14А показана функциональная блок-схема, на которой проиллюстрирован пример способа 1400 двумерного структурированного освещения, который может быть реализован посредством узла формирования изображения с помощью структурированного освещения во время одного цикла формирования изображения для формирования изображения образца, включающего в себя четыре элемента, позиционированных вдоль двух измерений над каждым фотоприемником (например, пикселем) узла формирования изображения. Например, способ 1400 может использоваться для формирования изображения образцов, как раскрыто выше со ссылкой на фиг. 13. В некоторых случаях элементы отображаемого образца могут быть сформированы над пикселями датчика изображения. В примере способа 1400 система структурированного освещения включает в себя оптические компоненты для создания двух дифракционных картин, ортогональных в плоскости образца (например, вертикальную дифракционную решетку и горизонтальную дифракционную решетку) и оптический компонент (например, третью дифракционную решетку или поворотный столик для поворота одной из вертикальной дифракционной решетки и горизонтальной дифракционной решетки) для создания дифракционной картины, смещенной приблизительно на 45 градусов относительно двух других дифракционных картин.

[00137] На этапе 1410 позиционируют картину структурированного освещения в первой ориентации для освещения первого столбца элементов (например, двух элементов) над каждым светочувствительным датчиком. Например, как показано конфигурацией 1471, картина освещения из вертикальных полос может быть позиционирована для освещения двух элементов над левой стороной каждого пикселя, но не двух элементов над правой стороной каждого пикселя. В вариантах осуществления это может быть достигнуто путем формирования картины структурированного света, имеющей шаг, по меньшей мере по существу равный шагу пикселей датчика изображения (например, шаг 1 мкм для квадратных пикселей 1 мкм × 1 мкм), и ширину, по меньшей мере по существу равную или немного большую диаметра элементов (например, как раскрыто выше со ссылкой на фиг. 1А-1В). Например, в частных вариантах осуществления ширина каждой полосы приблизительно равна половине или меньше половины шага, а расстояние между центрами полос приблизительно равно шагу каждого пикселя. На этапе 1415 выполняют захват первого изображения образца. Например, в случае системы формирования изображения с помощью флуоресцентной микроскопии, элементы 1320а и/или 1320с могут излучать свет, регистрируемый фотодетектором пикселя и используемый для создания первого изображения.

[00138] На этапе 1420 картину структурированного освещения смещают по фазе (например, линейно перемещают над образцом над плоскостью образца) для освещения второго столбца элементов (например, двух элементов), позиционированного/структурированного над каждым светочувствительным датчиком. Например, как показано конфигурацией 1472, картина освещения из вертикальных полос может быть позиционирована для освещения двух элементов над правой стороной каждого пикселя, но не двух элементов над левой стороной каждого пикселя. В вариантах осуществления картина может быть смещена по фазе путем поворота оптического зеркала, путем перемещения столика поступательного перемещения, путем поворота оптического клина или использования некоторого другого оптического фазового модулятора, для смещения фазы картины на плоскости образца. В частных вариантах осуществления фаза может быть смещена приблизительно на 1/2 шага картины полос (например, приблизительно на 1/2 шага пикселей). В других вариантах осуществления картина освещения может быть смещена путем использования второй вертикальной дифракционной решетки, смещенной относительно первой вертикальной дифракционной решетки приблизительно на 1/2 полосы. В таких вариантах осуществления первая и вторая вертикальные дифракционные решетки могут быть зафиксированы. На этапе 1425 выполняют захват второго изображения образца. Например, в случае системы формирования изображения с помощью флуоресцентной микроскопии, элементы 1320b и/или 1320d могут излучать свет, регистрируемый фотодетектором пикселя и используемый для создания второго изображения.

[00139] На этапе 1430 позиционируют картину структурированного освещения во второй ориентации для освещения первого ряда элементов (например, двух элементов) над каждым светочувствительным датчиком. Например, как показано конфигурацией 1473, картина освещения из горизонтальных полос может быть позиционирована для освещения двух элементов над верхней стороной каждого пикселя, но не двух элементов над нижней стороной каждого пикселя. Как обсуждалось ранее, это может быть достигнуто путем формирования картины структурированного света, имеющей шаг, по меньшей мере по существу равный шагу пикселей датчика изображения, и ширину, по меньшей мере по существу равную или немного большую диаметра элементов. В вариантах осуществления картина структурированного освещения во второй ориентации может быть создана путем поворота дифракционной решетки (например, на 90°) или путем использования второй дифракционной решетки (например, путем переключения второй дифракционной решетки в тракте освещения). На этапе 1435 выполняют захват третьего изображения образца. Например, в случае системы формирования изображения с помощью флуоресцентной микроскопии, элементы 1320а и/или 1320b могут излучать свет, регистрируемый фотодетектором пикселя и используемый для создания третьего изображения.

[00140] На этапе 1440 картину структурированного освещения смещают по фазе для освещения второго ряда элементов (например, двух элементов), позиционированных/структурированных над каждым светочувствительным датчиком. Например, как показано конфигурацией 1474, картина освещения из горизонтальных полос может быть позиционирована для освещения двух элементов над нижней стороной каждого пикселя, но не двух элементов над верхней стороной каждого пикселя. В некоторых вариантах осуществления картины освещения может быть смещена путем использования второй горизонтальной дифракционной решетки, смещенной относительно первой горизонтальной дифракционной решетки приблизительно на 1/2 полосы. В таких вариантах осуществления первая и вторая горизонтальные дифракционные решетки могут быть зафиксированы. На этапе 1445 выполняют захват четвертого изображения образца. Например, в случае системы формирования изображения с помощью флуоресцентной микроскопии, элементы 1320 с и/или 1320d могут излучать свет, регистрируемый фотодетектором пикселя и используемый для создания четвертого изображения.

[00141] На этапе 1450 позиционируют картину структурированного освещения в третьей ориентации для освещения диагонали элементов (например, двух элементов) над каждым светочувствительным датчиком. Например, как показано конфигурацией 1475, картина освещения из диагональных полос может быть позиционирована для освещения двух элементов на верхней правой стороне и нижней левой стороне каждого пикселя, но иных двух элементов. Альтернативно, картина освещения из диагональных полос может быть позиционирована для освещения двух элементов на верхней левой стороне и нижней правой стороне каждого пикселя, но иных двух элементов. В вариантах осуществления картина структурированного освещения в третьей ориентации может быть создана путем поворота дифракционной решетки (например, на 45°) или путем использования второй или третьей дифракционной решетки (например, путем переключения третьей дифракционной решетки в тракте освещения). На этапе 1455 выполняют захват пятого изображения образца. Например, в случае системы формирования изображения с помощью флуоресцентной микроскопии, элементы 1320а и/или 1320d могут излучать свет, регистрируемый фотодетектором пикселя и используемый для создания пятого изображения.

[00142] На этапе 1460 пять захваченных изображений могут использоваться для создания изображения с субпиксельным разрешением или со сверхвысоким разрешением. Например, интенсивности каждого из четырех участков элемента над каждым пикселем могут быть демультиплексированы из пяти захваченных изображений (например, показание интенсивности от пяти пар субпикселей). В примере по фиг. 14, поскольку каждый пиксель может захватывать фотоны от двух различных участков элемента (два элемента над каждым пикселем освещаются во время каждого считывания изображения), может потребоваться деконволюция показаний сигналов от каждого пикселя для различения отдельного сигнала, генерируемого каждым из участков.

[00143] В качестве примера, на фиг. 14В проиллюстрировано то, как пять изображений, захваченных с использованием способа 1400 могут быть декодированы для оценки интенсивностей сигнала каждого из четырех элементов, структурированных над пикселем (например, для определения того, излучает ли каждый элемент флуоресцентное излучений в качестве реакции на его освещение). В этом примере заштрихованный элемент представляет элемент, излучающий свет во время цикла формирования изображения (во время захвата пяти изображений), а незаштрихованный элемент представляет элемент, который не излучает свет во время цикла формирования изображения. Каждый вектор обеспечивает представление ожидаемой интенсивности в каждом из пяти изображений, когда различные наборы элементов излучают свет, причем самый левый компонент вектора соответствует изображению 1, а самый правый компонент вектора соответствует изображению 5. Компонент вектора «О» представляет случай, при котором элемент не излучает свет (например, фоновый сигнал), компонент вектора «1» представляет случай, при котором один элемент излучает свет, а компонент вектора «2» представляет случай, при котором два элемента излучают свет. Как показано в этом примере, каждый вектор ожидаемых интенсивностей уникален (т.е. нет вырожденности), что позволяет осуществить уникальную идентификацию каждого из 16 возможных случаев излучений света четырьмя элементами пикселя. Например, пять захваченных изображений могут использоваться для создания вектора интенсивностей, совпадающего с одним из шестнадцати векторов ожидаемых интенсивностей.

[00144] Например, в случаях, где свет не излучается ни одним из элементов (например, не происходит флуоресценции в качестве реакции на освещение элементов пятью картинами структурированного света), вектор ожидаемых интенсивностей представляет собой нулевой вектор [0,0,0,0,0] (т.е. в пяти изображениях не регистрируется сигнал от элементов). Согласно другому примеру, в случаях, где левый столбец элементов излучает свет, вектор ожидаемых интенсивностей имеет вид [2,0,1,1,1]. Другими словами, для первого изображения ожидается зарегистрировать интенсивность двух излучающих самых левых элементов (например, структурированный свет освещает два самых левых элемента, излучающих свет), для второго изображения не ожидается зарегистрировать интенсивность от излучающих элементов (например, структурированный свет освещает два самых правых элемента, которые не излучают свет), а для третьего, четвертого и пятого изображений ожидается зарегистрировать интенсивность одного излучающего элемента (например, структурированный свет освещает один из элементов, излучающий свет).

[00145] На фиг. 15 проиллюстрирован датчик изображения, содержащий два выравнивающих ряда и два выравнивающих столбца, которые могут использоваться в вариантах осуществления для выравнивания картин структурированного освещения вдоль первого и второго ортогональных направлений с образцом и датчиком (например, при использовании способа 1400). Конструкция, проиллюстрированная на фиг. 15, может быть реализована в узле 1300 датчика изображения путем формирования только соответствующего одного из четырех элементов 1320a-1320d над каждым пикселем из двух рядов и двух столбцов. Например, только элементы 1320а могут быть сформированы над одним из выравнивающих рядов, только элементы 1320d могут быть сформированы над другим выравнивающим рядом, только элементы 1320b могут быть сформированы над одним из выравнивающих столбцов, и только элементы 1320с могут быть сформированы над другим выравнивающим столбцом. В некоторых вариантах осуществления дополнительные выравнивающие ряды для каждого элемента и/или дополнительные выравнивающие столбцы для каждого элемента могут быть включены в датчик изображения для увеличения надежности системы.

[00146] На фиг. 16А показан вид сверху узла 1600 датчика изображения, включающего три отображаемых элемента 1620а-1620с, выровненные над каждым пикселем 1610 вдоль двух измерений (например, вдоль двух рядов и двух столбцов) в форме L. Например, элементы 1620а-1620с могут быть сформированы над пикселем 1610 во время производства узла датчика изображения (например, с помощью фотолитографического совмещения структуры нанолунок с пикселями активного пиксельного датчика). Для простоты показаны четыре пикселя. В примерном варианте осуществления по фиг. 16А элементы размещены в виде буквы L, причем один из рядов и столбцов включает в себя только один элемент, а другой ряд и колонка включает в себя два элемента.

[00147] Одно преимущество, которое может обеспечиваться конфигурацией узла 1600, состоит в том, что только три изображения должны быть захвачены во время цикла формирования изображения, так что 8 возможных случаев излучения света тремя элементами пикселя могут быть уникальным образом идентифицированы. Дополнительно, нет необходимости в захвате изображений с диагональными полосами, что может упростить оптическую схему системы формирования изображения. В качестве примера, на фиг. 16В проиллюстрировано то, как три изображения в двух измерениях пикселя 1610 со структурированными элементами 1620а-1620с могут быть декодированы для оценки интенсивностей сигнала каждого из трех элементов, в противоположность случаю, в котором пять изображений захватывают для декодирования интенсивностей сигнала четырех элементов, захватываемых в двух измерениях (например, способ 1400). В этом примере серый элемент представляет элемент, излучающий свет во время цикла формирования изображения (во время захвата трех изображений), незаштрихованный элемент представляет элемент, который не излучает свет во время цикла формирования изображения, а черный элемент представляет четвертый элемент, который не представлен в этом случае, и показан для сравнения с фиг. 15В. Как в примере по фиг. 15В, компонент вектора «0» представляет случай, при котором элемент не излучает свет (например, фоновый сигнал), компонент вектора «1» представляет случай, при котором один элемент излучает свет, а компонент вектора «2» представляет случай, при котором два элемента излучают свет.

[00148] Как показано в этом примере, каждый вектор ожидаемых интенсивностей уникален (т.е. нет вырожденности), что позволяет осуществить уникальную идентификацию каждого из 8 возможных случаев излучений света тремя элементами пикселя. Например, три захваченных изображения могут использоваться для создания вектора интенсивностей, совпадающего с одним из восьми векторов ожидаемых интенсивностей. Дополнительно, только два фазовых изображения, захваченных с использованием картины структурированного освещения в одном направлении, и одно фазовое изображение, захваченное с использованием картины структурированного освещения во втором, ортогональном направлении, необходимы для определения интенсивностей каждого из трех участков элемента во время цикла формирования изображения.

[00149] В некоторых вариантах осуществления множество элементов, выровненных и/или сформированных над каждым пикселем, могут иметь такую форму, что они имеют некоторое другое соотношение размеров, помимо 1:1 (например, не круглое и не квадратное), так чтобы элементы, имеющее большую площадь, были выровнены над каждым пикселем. Это может улучшить плотность данных во время каждого цикла формирования изображения и также может увеличить сигнал на каждом пикселе во время считывания изображения вследствие увеличения площади каждого элемента. На фиг. 17-18 показаны примеры того, как соотношение размеров элемента может быть модифицировано для улучшения плотности данных в случае элементов, выровненных над квадратными пикселями вдоль одного измерения.

[00150] На фиг. 17 показан вид сверху примера узла 1700 датчика изображения, содержащего два эллиптических элемента 1720а-1720b, выровненных над каждым квадратным пикселем 1710 вдоль одного измерения. Например, элементы 1720а-1720b могут быть сформированы над пикселем 1710 во время производства узла датчика изображения. Для простоты показаны четыре пикселя. Как показано в этом примере, эллиптические элементы имеют соотношение размеров до 1:2 (например, отношение между диаметрами вдоль большой оси и малой оси). Например, в частных вариантах осуществления каждый пиксель может иметь две эллиптические нанолунки, имеющие соотношение размеров 1:2, выровненные над ним вдоль одного измерения. По сравнению с примером по фиг .9, на которой показаны два круглых элемента, выровненные над пикселем, размер эллиптических элементов 1720-1720b, выровненных над каждым пикселем 1710, больше.

[00151] На фиг. 18 показан вид сверху примера узла 1800 датчика изображения, содержащего три эллиптических элемента 1820а-1820с, выровненные над каждым квадратным пикселем 1810 вдоль одного измерения. Например, элементы 1820а-1820с могут быть сформированы над пикселем 1810 во время производства узла датчика изображения. Для простоты показаны четыре пикселя. Как показано в этом примере, эллиптические элементы имеют соотношение размеров до 1:3 (например, отношение между диаметрами вдоль большой оси и малой оси). Например, в частных вариантах осуществления каждый пиксель может иметь три эллиптические нанолунки, имеющие соотношение размеров 1:3, выровненные над ним вдоль одного измерения.

[00152] В контексте настоящего изобретения термин «модуль» описывает заданный блок с функционалом, который может быть выполнен в соответствии с одним или более вариантами осуществления настоящего изобретения. В контексте настоящего изобретения модуль может быть реализован с использованием любого типа аппаратного обеспечения, программного обеспечения или их комбинации. Например, один или более процессоров, контроллеров, ASIC, PLA, PAL, CPLD, FPGA, логических компонентов, программных алгоритмов или других механизмов могут быть реализованы для образования модуля. В одном варианте осуществления различные модули, раскрытые в настоящем изобретении, могут быть реализованы как дискретные модули, или раскрытые функции и элементы могут быть частично или полностью общими для одного или более модулей. Другими словами, как должно быть понятно специалисту в данной области техники после прочтения данного описания, различные элементы и функции, раскрытые в настоящем изобретении, могут быть реализованы в любом заданном приложении и могут быть реализованы в одном или более отдельных или совместно используемых модулях в различных комбинациях и модификациях. Даже если различные элементы или функции могут быть раскрыты индивидуально или заявлены как отдельные модули, специалисту в данной области техники должно быть понятно, что эти элементы и функции могут быть общими для одного или более совместных компонентов программного обеспечения и аппаратного обеспечения, и такое описание не должно требовать или подразумевать, что отдельные компоненты аппаратного обеспечения и программного обеспечения используются для осуществления таких элементов или функций.

[00153] В данном документе термины «машиночитаемый носитель», «применимый для компьютера носитель» и «компьютерный программный носитель» используются для общего обозначения долговременного носителя, энергозависимого или энергонезависимого, такого как, например, память, запоминающее устройство и носитель. Эти и другие различные виды компьютерного программного носителя или применимого для компьютера носителя могут быть привлечены для исполнения устройством обработки одной или более последовательностей одной или более инструкций. Такие инструкции, воплощенные на носителе, в целом называются «компьютерный программный код» или «компьютерный программный продукт» (который может быть сгруппирован в виде компьютерных программ или с использованием другой группировки).

[00154] Хотя выше были раскрыты различные примерные варианты осуществления, следует понимать, что различные элементы, аспекты и функции, раскрытые в одном или более отдельных вариантах осуществления, не ограничены их применимостью к частному варианту осуществления, в котором они раскрыты, но напротив, они могут быть применены, отдельно или в различных комбинациях, к одному или более другим вариантам осуществления настоящего изобретения, независимо от того, раскрыты или нет такие варианты осуществления, и независимо от того, представлены ли такие элементы как составляющие часть раскрытого варианта осуществления. Таким образом, ширина и объем настоящего изобретения не должны быть ограничены ни каким из раскрытых выше примерных вариантов осуществления.

[00155] Следует понимать, что все комбинации вышеупомянутых концепций (при условии, что такие концепции не являются взаимно несовместимыми) рассматриваются как часть объекта изобретения, раскрытого в настоящей заявке. В частности, все комбинации заявленного объекта, представленные в конце настоящего раскрытия, рассматриваются как часть объекта изобретения, раскрытого в настоящей заявке.

[00156] Термины «по существу» и «приблизительно», используемые в данном раскрытии, включая формулу изобретения, используются для описания и учета небольших отклонений, например, вызванных вариациями обработки. Например, они могут обозначать меньше или равно ±5%, в частности, меньше или равно ±2%, в частности, меньше или равно ±1%, в частности, меньше или равно ±0,5%, в частности, меньше или равно ±0,2%, в частности, меньше или равно ±0,1%, в частности, меньше или равно ±0,05%.

[00157] Насколько это применимо, термины «первый», «второй», «третий» и т.д. в настоящем изобретении используются лишь для того, чтобы показать, что соответствующие объекты, обозначенные этими терминами, являются отдельными объектами, и не должны пониматься в смысле хронологического порядка, если явным образом не указано иное.

[00158] Термины и фразы, используемые в данном документе, и их вариации, если явным образом не указано обратное, следует толковать в неисчерпывающем значении, а не в ограничивающем. В качестве примеров вышесказанного: термин «включающий в себя» должен пониматься в смысле «включающий, без ограничения» или т.п.; термин «пример» используется для предоставления некоторых случаев рассматриваемого предмета, не исчерпывающего и не ограничивающего их список; термин «один» должен пониматься в смысле «по меньшей мере один», «один или более» или т.п.; прилагательные, такие как «обычный», «традиционный», «нормальный», «стандартный», «известный» и термины со схожим значением, не должны пониматься как ограничивающие рассматриваемый предмет некоторым временным периодом или доступным в данный момент предметом, а напротив, должны пониматься для охвата обычных, традиционных, нормальных или стандартных технологий, которые доступны или известны на сегодняшний момент или в любое время в будущем. Аналогичным образом, когда в данном документе упоминаются технологии, которые должны быть понятны или известны специалисту в данной области техники, такие технологии охватывают те, которые понятны или известны специалисту на сегодняшний момент или в любое время в будущем.

[00159] Наличие расширяющих слов и фраз, таких как «один или более», «по меньшей мере», «но не ограничиваясь» или других подобных фраз в некоторых примерах не следует понимать так, что более узкий случай предполагается или требуется в примерах, в которых такие расширяющие фразы могут отсутствовать. Использование термина «модуль» не означает, что все компоненты или функции, раскрытые или заявленные как часть модуля, выполнены в общем блоке. В самом деле, любые или все из различных компонентов модуля, будь то управляющая логика или другие компоненты, могут быть скомбинированы в едином блоке или поддерживаться разделенными и могут быть также распределены в нескольких группах или блоках или среди нескольких местоположений.

[00160] Дополнительно, различные варианты осуществления, раскрытые в настоящем изобретении, раскрыты в отношении примерных структурных схем, блок-схем и других иллюстраций. Как будет понятно специалисту в данной области техники после прочтения данного документа, проиллюстрированные варианты осуществления и их различные альтернативы могут быть реализованы без привязки к проиллюстрированным примерам. Например, структурные схемы и сопровождающее их описание не должны пониматься как устанавливающие конкретную архитектуру или конфигурацию.

[00161] Хотя выше были раскрыты различные варианты осуществления настоящего изобретения, следует понимать, что они были представлены только в качестве примера и без ограничения. Аналогичным образом, различные схемы могут показывать примерные архитектурные или другие конфигурации для данного изобретения, что сделано для помощи в понимании элементов и функций, которые могут быть включены в настоящее изобретение. Изобретение не ограничено проиллюстрированными примерными архитектурами или конфигурациями, а желаемые элементы могут быть реализованы с использованием спектра альтернативных архитектур и конфигураций. В самом деле, специалисту в данной области техники должно быть понятно, как альтернативное функциональное, логическое или физическое разделение и конфигурации могут быть реализованы для осуществления желаемых элементов настоящего изобретения. Также, множество различных названий составляющих модулей, отличных от упомянутых в настоящем изобретении, могут применяться к различным разделам. Дополнительно, в отношении блок-схем, описаний функционирования и пунктов формулы на способ, порядок, в котором представлены этапы в настоящем изобретении, не означают, что в различных вариантах осуществления заявленные функции должны выполняться в том же порядке, если иное не следует из контекста.

1. Система формирования изображения с помощью структурированного освещения, содержащая:

излучатель света для излучения света;

оптический элемент для дифрагирования света, излучаемого излучателем света, для проецирования множества полос на плоскость образца, содержащего структурированные элементы; и

датчик изображения для приема света, излучаемого указанными элементами образца, причем датчик изображения содержит множество пикселей, причем предусмотрена возможность выравнивания образца над датчиком изображения так, чтобы множество структурированных элементов было выровнено над каждым из соответствующего одного из множества пикселей вдоль первой оси, причем проецируемое множество полос имеет форму для освещения одного из указанных элементов каждого из соответствующих множеств структурированных элементов.

2. Система по п. 1, в которой проецируемое множество полос имеет ширину полосы, которая по меньшей мере приблизительно равна или больше размера регулярно структурированных элементов, причем ширина полосы меньше шага каждого из множества пикселей.

3. Система по п. 2, в которой датчик изображения представляет собой активный пиксельный датчик изображения.

4. Система по п. 3, в которой датчик изображения представляет собой датчик изображения на основе комплементарной структуры металл-оксид-полупроводник (КМОП).

5. Система по п. 3, дополнительно содержащая второй оптический элемент для дифрагирования света, излучаемого излучателем света для проецирования второго множества полос на плоскость образца, причем второе множество полос ориентировано ортогонально относительно первого множества полос.

6. Система по п. 5, в которой предусмотрена возможность выравнивания образца над датчиком изображения так, чтобы второе множество структурированных элементов было позиционировано над соответствующим одним из каждого из множества пикселей, причем каждый из второго множества структурированных элементов выровнен вдоль второй оси, ортогональной первой оси, причем проецируемое второе множество полос имеет форму для освещения одного из каждого из второго множества структурированных элементов.

7. Система формирования изображения с помощью структурированного освещения по п. 6, в которой оптические элементы для дифрагирования света содержат горизонтальную пропускающую дифракционную решетку для проецирования первого множества полос и вертикальную пропускающую дифракционную решетку для проецирования второго множества полос.

8. Система по п. 6, в которой четыре структурированных элемента позиционированы над соответствующим одним из множества пикселей, причем указанные четыре структурированных элемента размещены в виде квадратной сетки над пикселем.

9. Система по п. 6, в которой три структурированных элемента позиционированы над соответствующим одним из множества пикселей, причем указанные три структурированных элемента размещены в форме L над пикселем.

10. Система по п. 3, в которой каждый из множества пикселей представляет собой прямоугольный пиксель, причем элементы образца выровнены над каждым прямоугольным пикселем в линейном массиве.

11. Система по п. 3, в которой каждый из множества пикселей представляет собой квадратный пиксель, причем каждое из множеств элементов содержит два элемента, имеющие соотношение размеров приблизительно 2:1.

12. Система по п. 3, в которой каждый из множества пикселей представляет собой квадратный пиксель, причем каждое из множеств элементов содержит три элемента, имеющие соотношение размеров приблизительно 3:1.

13. Система по п. 3, в которой образец сформирован над датчиком изображения.

14. Система по п. 13, в которой каждый из элементов представляет собой реакционное углубление, содержащее реакционный участок, образованный над световодом одного из множества пикселей.

15. Система формирования изображения с помощью структурированного освещения по п. 3, в которой датчик изображения содержит первый и второй выравнивающие ряды или столбцы пикселей, причем первый и второй выравнивающие ряды или столбцы предназначены для пространственного выравнивания множества полос с образцом и датчиком изображения.

16. Система по п. 15, в которой только один элемент образца позиционирован над каждым из множества пикселей первого и второго выравнивающих рядов или столбцов.

17. Способ формирования изображения с помощью структурированного освещения, включающий в себя:

проецирование первого множества полос на плоскость образца, содержащую структурированные элементы, причем образец выровнен над датчиком изображения так, что первое множество структурированных элементов позиционировано над соответствующим одним из множества пикселей, причем каждое из множеств структурированных элементов выровнено вдоль первой оси над пикселем;

освещение, с помощью первого множества полос, первого элемента каждого из первых множеств структурированных элементов;

захват первого изображения первого элемента каждого из первых множеств структурированных элементов;

фазовый сдвиг первого множества полос для освещения второго элемента каждого из первых множеств структурированных элементов; и

захват второго изображения второго элемента каждого из первых множеств структурированных элементов.

18. Способ по п. 17, в котором проецируемое множество полос имеет ширину полосы, которая по меньшей мере приблизительно равна или больше размера регулярно структурированных элементов, причем ширина полосы меньше шага каждого из множества пикселей.

19. Способ по п. 18, в котором образец сформирован над датчиком изображения, причем датчик изображения представляет собой активный пиксельный датчик.

20. Способ по п. 19, в котором первое множество полос позиционировано так, чтобы освещать только один элемент над каждым из множества пикселей во время этапов захвата первого изображения и второго изображения.

21. Способ по п. 18, дополнительно включающий в себя: проецирование второго множества полос на плоскость образца, причем

второе множество полос ориентировано ортогонально относительно первого множества полос, причем образец выровнен над датчиком изображения так, что второе множество структурированных элементов позиционировано над соответствующим одним из множества пикселей, причем каждый из второго множества структурированных элементов выровнен вдоль второй оси, ортогональной первой оси;

освещение, с помощью второго множества полос, третьего элемента каждого из вторых множеств структурированных элементов;

захват третьего изображения третьего элемента каждого из вторых множеств структурированных элементов;

фазовый сдвиг второго множества полос для освещения четвертого элемента каждого из вторых множеств структурированных элементов; и

захват четвертого изображения второго элемента каждого из вторых множеств структурированных элементов.

22. Оптический биодатчик, содержащий:

основание устройства, содержащее:

массив датчиков изображения, содержащий множество пикселей; и

реакционный массив из реакционных углублений, имеющих соответствующие реакционные участки, причем реакционный массив структурирован над массивом датчиков изображения так, что множество реакционных углублений структурировано над соответствующим одним из множества пикселей; и

оптический узел для проецирования множества полос на плоскость реакционного массива, причем проецируемое множество полос имеет форму для освещения одного из реакционных углублений, структурированных над каждым из множества пикселей.

23. Биодатчик по п. 22, в котором проецируемое множество полос имеет ширину полосы, которая по меньшей мере приблизительно равна или больше размера реакционных углублений, причем ширина полосы меньше шага каждого из множества пикселей, и причем ширина полосы по меньшей мере приблизительно равна шагу каждого из множества пикселей.

24. Биодатчик по п. 23, дополнительно содержащий: один или более оптических элементов для фазового сдвига множества полос на долю шага каждого из множества пикселей.