發(fā)光成像掃描儀的制作方法
【專利摘要】公開了一種用于準(zhǔn)確地成像化學(xué)發(fā)光和其他發(fā)光的系統(tǒng)、裝置和方法。具有不透光的殼體、一個(gè)或多個(gè)線性電荷耦合器件(CCD)或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)成像芯片的檢測(cè)器條以及高工作數(shù)值孔徑(NA)光學(xué)元件的緊湊型平板掃描儀在一個(gè)方向上并且隨后在相反的方向上近距離掃描樣本。將對(duì)于兩遍或更多遍之間的每一個(gè)像素位置(x，y)的強(qiáng)度讀數(shù)的平均值和其他組合一起求平均以便補(bǔ)償隨時(shí)間變化的發(fā)光。片上像素分區(qū)和多個(gè)時(shí)鐘頻率可以用來(lái)最大化基于CCD的掃描儀的信噪比。
【專利說(shuō)明】發(fā)光成像掃描儀
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)是于2012年3月28日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)第13/432,410號(hào)的繼續(xù)并且 要求其權(quán)益，該美國(guó)專利申請(qǐng)第13/432, 410號(hào)要求于2011年12月16日提交的美國(guó)臨時(shí) 專利申請(qǐng)第61/576, 941號(hào)的權(quán)益，它們的內(nèi)容出于所有目的通過(guò)引用整體合并于此。
[0003] 關(guān)于在聯(lián)邦政府資助的研究或開發(fā)下進(jìn)行的發(fā)明的權(quán)利的陳述
[0004] 不適用
[0005] 版權(quán)聲明
[0006] 本專利文件的公開的一部分包含受版權(quán)保護(hù)的材料。版權(quán)所有人不反對(duì)本專利文 件或本專利公開的任何人的拓制（facsimile reproduction)，因?yàn)槠浒l(fā)表在專利和商標(biāo)局 專利文件或記錄中，但是以其他方式保留任何全部版權(quán)權(quán)利。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0007] 總地，本申請(qǐng)涉及一種分子生物學(xué)和微生物化學(xué)處理以及包括光學(xué)測(cè)量或測(cè)試部 件的設(shè)備。特定實(shí)施例涉及一種用于呈現(xiàn)化學(xué)發(fā)光或其他發(fā)光的成像試驗(yàn)的裝置、系統(tǒng)和 方法。

【背景技術(shù)】
[0008] 檢測(cè)并識(shí)別特定生物分子在研究例如植物和動(dòng)物的生物系統(tǒng)中是重要的。這樣的 系統(tǒng)可能僅呈現(xiàn)少量生物分子，例如蛋白質(zhì)，在一些實(shí)例中，該生物分子可能僅在高端實(shí)驗(yàn) 室級(jí)的裝備和處理中得以準(zhǔn)確測(cè)量。許多試驗(yàn)技術(shù)在過(guò)去數(shù)十年已經(jīng)發(fā)展，用于準(zhǔn)確地獲 取這樣的測(cè)量。
[0009] 各種試驗(yàn)使用增強(qiáng)的化學(xué)發(fā)光（CL)來(lái)檢測(cè)少量生物分子。使用酶聯(lián)免疫吸附試 驗(yàn)（ELISA)或蛋白質(zhì)印跡的技術(shù)通常用來(lái)檢測(cè)低豐度（low abundance)蛋白質(zhì)。
[0010] 化學(xué)發(fā)光技術(shù)與熒光的不同在于不需要外部激發(fā)光。因此，實(shí)際上不存在來(lái)自不 發(fā)生化學(xué)發(fā)光反應(yīng)的試驗(yàn)區(qū)域的光發(fā)射，并且因此存在非常低的光學(xué)背景。這是在CL試驗(yàn) 中檢測(cè)少量光學(xué)發(fā)射的能力的主要原因之一。
[0011] 化學(xué)發(fā)光發(fā)射的光學(xué)信號(hào)的特征通常在于：1)微弱，以及2)在時(shí)間上不恒定 (non-constant over time)。光學(xué)信號(hào)的微弱性驅(qū)動(dòng)了對(duì)于高信噪比檢測(cè)方法的需要。在 測(cè)量化學(xué)發(fā)光的領(lǐng)域中教導(dǎo)了高效成像光學(xué)元件以及極低噪聲檢測(cè)器的使用。典型化學(xué)發(fā) 光基底的光發(fā)射的不恒定性質(zhì)自然地暗示了使用完整圖像（whole-image)捕獲方法。這樣 的成像允許在相同時(shí)間以及在長(zhǎng)積分時(shí)間（integration time)內(nèi)從試驗(yàn)的全部發(fā)射區(qū)域 收集等量光。
[0012] 過(guò)去，從CL試驗(yàn)捕獲光學(xué)發(fā)射的最常見方法之一是使用照相膠片。例如，緊鄰光 發(fā)射蛋白質(zhì)印跡曝光照相膠片。然而，存在使用膠片的許多限制。通常，膠片呈現(xiàn)出對(duì)于碰 撞光子的非線性響應(yīng)并且具有有限的動(dòng)態(tài)范圍。還存在仔細(xì)處理未顯影膠片以及特殊暗室 設(shè)施及化學(xué)物品以顯影并處理膠片的需要。
[0013] 此外，通常存在數(shù)字地捕獲試驗(yàn)圖像以便將其存儲(chǔ)用于未來(lái)的參考的需要。為了 將其完成，膠片用戶通常使用數(shù)字相機(jī)或平板掃描儀來(lái)捕獲已顯影膠片的圖像。該方式要 求額外的成像裝備，可以是非量化的并且在圖像捕獲和再現(xiàn)中易出差錯(cuò)。
[0014] 使用數(shù)字的電荷耦合器件（CCD)相機(jī)直接成像CL試驗(yàn)的光學(xué)發(fā)射可以克服與使 用照相膠片相關(guān)聯(lián)的許多困難。CCD相機(jī)在寬動(dòng)態(tài)范圍上對(duì)碰撞光子提供線性響應(yīng)，不需要 化學(xué)物品用于顯影，并且數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以從數(shù)字相機(jī)直接讀取并輕易地存儲(chǔ)用于未來(lái)的分析 和量化。在本領(lǐng)域中已經(jīng)教導(dǎo)了在極暗室中長(zhǎng)時(shí)間地將高質(zhì)量、低溫冷卻的CCD陣列曝光 于蛋白質(zhì)印跡。現(xiàn)在，在市場(chǎng)上存在許多這樣的基于CCD的成像器，其實(shí)現(xiàn)了與膠片可比較 的敏感度。基于C⑶的成像器的示例是LI-COR Odyssey? Fc成像器?；贑⑶的成像器 具有對(duì)于光高度敏感的深度冷卻芯片。
[0015] 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS)圖像傳感器已經(jīng)與C⑶傳感器并行地開發(fā)。不像 C⑶中的像素，CMOS圖像傳感器中的每一個(gè)像素具有其自身的電荷至電壓轉(zhuǎn)換組件。這可 以導(dǎo)致比C⑶圖像傳感器低的均勻性。然而，隨著光刻工藝和其他制造工藝改進(jìn)，CMOS圖 像傳感器的均勻性已經(jīng)不再那么是個(gè)問(wèn)題。隨著技術(shù)改進(jìn)，CMOS圖像傳感器陣列可以在許 多市場(chǎng)中取代CCD圖像傳感器陣列使用。
[0016] 在本領(lǐng)域中存在對(duì)于通過(guò)膠片的CL成像的小型、廉價(jià)的數(shù)字替代品的需要，該數(shù) 字替代品達(dá)到相同或更好的敏感度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 本申請(qǐng)涉及用于捕獲來(lái)自試驗(yàn)的非常昏暗的化學(xué)發(fā)光或其他發(fā)光的圖像而無(wú)需 深度冷卻CCD的緊湊型、平板掃描儀。在實(shí)施例中的不透光的遮蓋物之下，具有線性CCD 和高工作數(shù)值孔徑（NA)光學(xué)元件的檢測(cè)器條在呈現(xiàn)化學(xué)發(fā)光的樣本的附近掃過(guò)以便捕獲 光。檢測(cè)器條隨后在相反方向上掃回以捕獲更多的光。因?yàn)閬?lái)自化學(xué)發(fā)光的極少光和CCD 要采集同樣缺乏的光子，所以每一次掃動(dòng)或每一遍（pass)可能花費(fèi)若干分鐘。通過(guò)將在來(lái) 自第一和第二遍中的每一個(gè)點(diǎn)的兩個(gè)（或更多）像素讀數(shù)求平均或以其他方式組合而構(gòu)成 最終圖像，以補(bǔ)償在掃描花費(fèi)的若干分鐘內(nèi)不斷改變的發(fā)光。也可以使用更多遍。
[0018] 檢測(cè)器條可以具有低成本未冷卻線性CCD集成電路（1C)的交錯(cuò)的列。多個(gè)檢測(cè)器 條可以用來(lái)掃過(guò)樣本，這可以縮短掃描時(shí)間，最小化樣本在時(shí)間上不斷改變的發(fā)光的效果。 片上分區(qū)（binning)可以在從(XD芯片上讀取多個(gè)像素讀數(shù)之前將它們組合在一起，并且 新穎的時(shí)鐘機(jī)制可以促進(jìn)純凈的數(shù)據(jù)收集。在一些實(shí)施例中，檢測(cè)器條移動(dòng)而樣本保持不 動(dòng)，但是在其他實(shí)施例中出現(xiàn)相反的情況。
[0019] 本發(fā)明的一些實(shí)施例涉及發(fā)光掃描儀設(shè)備。該設(shè)備包括樣本床，配置為保持發(fā)光 樣本介質(zhì)；檢測(cè)器條，包括一個(gè)或多個(gè)圖像傳感器陣列，每一個(gè)傳感器陣列具有多個(gè)像素元 件，每一個(gè)傳感器陣列的像素元件適配為彼此同時(shí)檢測(cè)光子，該檢測(cè)器條配置為關(guān)于樣本 床移動(dòng)；電機(jī)，配置為在第一方向上在第一遍中關(guān)于樣本床移動(dòng)檢測(cè)器條并且隨后在與第 一方向相反的第二方向上在第二遍中關(guān)于樣本床移動(dòng)檢測(cè)器條；電路，適配為將來(lái)自第一 遍中的位置的像素讀數(shù)與來(lái)自第二遍中的位置的像素讀數(shù)組合；以及電路，適配為根據(jù)所 組合的像素讀數(shù)構(gòu)成二維圖像。
[0020] 實(shí)施例可以通過(guò)將來(lái)自第一和第二（或更多）遍的每一個(gè)位置處的像素讀數(shù)求平 均以組合像素讀數(shù)。一個(gè)或多個(gè)圖像傳感器陣列可以包括沿著檢測(cè)器條關(guān)于彼此交錯(cuò)的線 性CCD集成電路（1C)，并使得它們縱向地重疊。
[0021] 實(shí)施例可以包括第二檢測(cè)器條，其包括一個(gè)或多個(gè)圖像傳感器陣列，該第二檢測(cè) 器條配置為關(guān)于樣本床移動(dòng)，其中檢測(cè)器條配置為主要掃描樣本床的不同的非重疊區(qū)域； 以及電路，配置為根據(jù)來(lái)自兩個(gè)檢測(cè)器條的像素讀數(shù)構(gòu)成二維圖像。可以采用最小重疊以 促進(jìn)圖像配準(zhǔn)（registration)和重構(gòu)。
[0022] 梯度折射率（GRIN)透鏡陣列可以布置在樣本床和一個(gè)或多個(gè)線性圖像傳感器陣 列之間，該GRIN透鏡陣列具有大于或等于0. 10、0. 20、0. 25或更多的工作數(shù)值孔徑（NA)。 該GRIN透鏡陣列可以布置在位于樣本床的樣本的1和100毫米之間。
[0023] -些實(shí)施例針對(duì)發(fā)光掃描儀設(shè)備。該設(shè)備包括樣本床，配置為保持發(fā)光樣本介質(zhì)； 集成電路（1C)電荷耦合器件（CCD)圖像傳感器陣列，具有多個(gè)像素元件，該像素元件適配 為彼此同時(shí)地存儲(chǔ)光子誘發(fā)的電荷，該圖像傳感器陣列配置為關(guān)于樣本床移動(dòng)；電機(jī)，配置 為關(guān)于樣本床移動(dòng)圖像傳感器陣列；電路，適配為將來(lái)自相鄰CCD像素元件的多個(gè)光電荷 集中到CCD圖像傳感器陣列的讀出電容器中；以及電路，適配為從讀出電容器讀取所集中 光電荷并且使用該所集中光電荷構(gòu)成圖像。
[0024] 該方法設(shè)備可以進(jìn)一步包括電路，適配為將兩個(gè)或更多不同的CCD時(shí)鐘頻率施加 到一個(gè)或多個(gè)集成電路CCD圖像傳感器陣列的每一個(gè)的輸入，該輸入適配為將來(lái)自像素元 件的光子誘發(fā)的電荷平移到集成電路CCD圖像傳感器陣列的輸出。
[0025] -些實(shí)施例針對(duì)發(fā)光掃描儀設(shè)備。該設(shè)備包括樣本床，配置為保持發(fā)光樣本介質(zhì)； 集成電路（1C)電荷耦合器件（CCD)圖像傳感器陣列，具有多個(gè)像素元件，該像素元件適配 為彼此同時(shí)地存儲(chǔ)光子誘發(fā)的電荷，該圖像傳感器陣列配置為關(guān)于樣本床移動(dòng)；電機(jī)，配置 為關(guān)于樣本床移動(dòng)圖像傳感器陣列；電路，適配為將兩個(gè)或更多不同的CCD時(shí)鐘頻率施加 到集成電路CCD圖像傳感器陣列的輸入，例如引腳，該輸入適配為將來(lái)自像素元件的光子 誘發(fā)的電荷平移到集成電路CCD圖像傳感器陣列的輸出；以及電路，適配為根據(jù)集成電路 CCD圖像傳感器陣列的輸出構(gòu)成圖像。
[0026] -些實(shí)施例針對(duì)用于獲取發(fā)光介質(zhì)的圖像的方法。該方法包括將發(fā)光介質(zhì)放置在 掃描裝置的殼體內(nèi)；在穿過(guò)發(fā)光介質(zhì)的第一遍中關(guān)于發(fā)光介質(zhì)在第一方向上移動(dòng)圖像傳感 器陣列，該圖像傳感器陣列具有適配為彼此同時(shí)檢測(cè)光子的多個(gè)像素元件；在第一遍期間 使用像素元件檢測(cè)發(fā)光；在穿過(guò)發(fā)光介質(zhì)的第二遍中關(guān)于發(fā)光介質(zhì)在第二方向上移動(dòng)圖像 傳感器陣列，該第二方向與第一方向相反；將來(lái)自第一遍中的位置的像素讀數(shù)與來(lái)自第二 遍中的位置的像素讀數(shù)組合；以及根據(jù)來(lái)自第一和第二遍的所組合的像素讀數(shù)構(gòu)成圖像。
[0027] -些實(shí)施例針對(duì)用于從發(fā)光介質(zhì)獲取圖像的方法。該方法可以包括以空間模式 (pattern)固定目標(biāo)生物分子到樣本介質(zhì)，該模式包括關(guān)于目標(biāo)生物分子的標(biāo)識(shí)的信息； 以具有針對(duì)目標(biāo)生物分子的結(jié)合親和性（binding affinity)的主探測(cè)生物分子來(lái)探測(cè)目標(biāo) 生物分子；以及以具有針對(duì)主探測(cè)生物分子的結(jié)合親和性的次級(jí)探測(cè)生物分子來(lái)探測(cè)主探 測(cè)生物分子，該次級(jí)探測(cè)生物分子具有通過(guò)基底生物分子的改變來(lái)觸發(fā)生成可檢測(cè)到的能 量的酶活性，其中基底生物分子是用于次級(jí)探測(cè)生物分子的酶活性的基底。該方法進(jìn)一步 包括在第一遍中在至少一個(gè)空間維度上移動(dòng)圖像傳感器陣列穿過(guò)樣本介質(zhì)，在第一遍期間 通過(guò)圖像傳感器陣列讀取發(fā)光，以及根據(jù)通過(guò)圖像傳感器陣列讀取的發(fā)光構(gòu)成圖像。
[0028] 該方法可以進(jìn)一步包括在第二遍中在至少一個(gè)空間維度上移動(dòng)圖像傳感器陣列 穿過(guò)樣本介質(zhì)，在第二遍期間通過(guò)圖像傳感器陣列讀取發(fā)光，組合在來(lái)自第一和第二遍的 位置處采集的發(fā)光讀數(shù)，以及根據(jù)在來(lái)自第一和第二遍的位置處采集的所組合的讀數(shù)構(gòu)成 圖像。
[0029] 實(shí)施例可以使用各種樣本介質(zhì)，包括膜（membrane)(例如，尼龍或硝化纖維素）、 平板（plate)、玻璃或塑料表面等。
[0030] 參考說(shuō)明書的剩余部分，包括附圖和權(quán)利要求，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到本 發(fā)明的其他特征和優(yōu)勢(shì)。以下關(guān)于附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的進(jìn)一步特征和優(yōu)勢(shì)以及本發(fā)明的 各種實(shí)施例的構(gòu)造和操作。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記指示相同或功能類似的元素。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0031] 圖1A圖示根據(jù)實(shí)施例的緊湊型成像掃描儀。
[0032] 圖1B圖示其蓋子關(guān)閉的圖1A的掃描儀。
[0033] 圖2是根據(jù)實(shí)施例的檢測(cè)器條的分解圖。
[0034] 圖3圖示根據(jù)實(shí)施例的具有單個(gè)檢測(cè)器條的樣本床的頂視圖。
[0035] 圖4圖示根據(jù)實(shí)施例的具有多個(gè)檢測(cè)器條的樣本床的頂視圖。
[0036] 圖5是關(guān)于多次掃動(dòng)（sweep)的時(shí)間的化學(xué)發(fā)光圖。
[0037] 圖6圖示根據(jù)實(shí)施例的高NA光學(xué)元件布置的立面（elevation)橫截面圖。
[0038] 圖7圖示根據(jù)實(shí)施例的簡(jiǎn)化線性CCD陣列像素的頂視圖。
[0039] 圖8是根據(jù)實(shí)施例的處理的流程圖。
[0040] 圖9是根據(jù)實(shí)施例的處理的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0041] 這里呈現(xiàn)的是一種新穎的成像方法和設(shè)備，其實(shí)現(xiàn)了高端C⑶成像器的敏感度但 是具有明顯更小的尺寸并且無(wú)需冷卻。成像設(shè)備可以因此以比過(guò)去低許多的成本生產(chǎn)和維 護(hù)。
[0042] 在現(xiàn)有技術(shù)的化學(xué)發(fā)光成像器中，CCD的選擇、其封裝以及其電子元件通常主要受 低總噪聲的需要驅(qū)動(dòng)。這通常要求使用高端科研(XD。這些科研(XD通常尺寸較小，在1厘 米（cm)x lcm的范圍內(nèi)。典型的蛋白質(zhì)印跡的尺寸在10cm X 10cm的量級(jí)上。因此，需要 低NA透鏡和其他成像光學(xué)元件來(lái)在適當(dāng)?shù)慕咕嗌蠈颖緟^(qū)域投影到較小的C⑶區(qū)域。這 樣的成像要求幾百毫米（mm)的總光路（optical path),這導(dǎo)致物理上較大的成像器。 [0043] 樣本越大，工作距離越長(zhǎng)。工作距離越長(zhǎng)，透鏡的收集效率越低。這引起在更長(zhǎng)時(shí) 間段收集光的需要，并且這轉(zhuǎn)而不變地要求冷卻甚至低噪聲科研C⑶以便控制內(nèi)部暗（熱） 噪聲。這些條件是本領(lǐng)域的基于CCD的化學(xué)發(fā)光成像器的相對(duì)高成本的原因。
[0044] 術(shù)語(yǔ)
[0045] "檢測(cè)極限（L0D) "包括可以可靠地檢測(cè)的樣本的最小濃度，產(chǎn)生是系統(tǒng)噪聲水平 的標(biāo)準(zhǔn)偏差三倍大的信號(hào)，或以本領(lǐng)域公知的其他方式的信號(hào)。
[0046] "圖像傳感器陣列"包括(XD、CM0S以及可以在多個(gè)像素中同時(shí)檢測(cè)光或其他電磁 輻射的其他技術(shù)的傳感器，該傳感器的像素以一維、二維或其他陣列以及以本領(lǐng)域公知的 其他方式排列。例如，其中像素以一維（即，行）排列的圖像傳感器陣列可以包括線性CCD 或線性CMOS傳感器。
[0047] "線性CXD"包括在一個(gè)方向上比在另一正交方向上實(shí)質(zhì)上更長(zhǎng)且具有更多元件的 電荷耦合器件或以本領(lǐng)域公知的其他方式的電荷耦合器件。廣泛可用的線性CCD的示例是 Toshiba (XD線性圖像傳感器型號(hào)T⑶1205DG。它具有2, 048個(gè)像素，每一個(gè)像素是14 μ m 長(zhǎng)（沿著陣列的縱向長(zhǎng)度，y軸）且200 μ m寬（沿著陣列的橫向?qū)挾?，x軸）。
[0048] "發(fā)光"包括不是由于白熱或以本領(lǐng)域公知的其他方式引起的光的發(fā)射。發(fā)光包括 化學(xué)發(fā)光、生物發(fā)光、電致發(fā)光、磷光和在成像期間不要求光學(xué)照明的其他發(fā)射?；瘜W(xué)發(fā)光 是由于化學(xué)反應(yīng)并且是用來(lái)檢測(cè)低豐度蛋白質(zhì)的最常見類型的發(fā)光之一。生物發(fā)光是由活 的生物體自然激發(fā)（stimulate)的。電致發(fā)光是電性誘發(fā)的光發(fā)射。磷光由光發(fā)射之前的 光學(xué)充電誘發(fā)。
[0049] "發(fā)光樣本介質(zhì)"包括適配為支持或包含發(fā)光樣本的介質(zhì)或以本領(lǐng)域公知的其他 方式的介質(zhì)。這樣的介質(zhì)包括膜，例如尼龍膜或硝化纖維素膜，其通常用于蛋白質(zhì)印跡試 驗(yàn)。這樣的介質(zhì)可以包括孔，例如MICROTITER?微孔板和微板或不同形狀及尺寸的其 他孔板，其通常用于ELISA試驗(yàn)。這樣的介質(zhì)還可以包括例如玻璃、塑料等的平坦表面。
[0050] "深度冷卻"包括低于10攝氏度（°c)、o°c或包括冷凍和非冷凍溫度的其他低溫的 主動(dòng)冷卻。
[0051] 像素的"分區(qū)"包括將兩個(gè)或更多像素組合為一個(gè)實(shí)際上更大的像素。例如，可以 組合三個(gè)14μπι長(zhǎng)的像素以創(chuàng)建大約3 X 14以111 = 42以111長(zhǎng)的一個(gè)有效像素。像素越大， 它收集的光越多。更大的像素通常要求更多的冷卻用于長(zhǎng)曝光（例如，大于100秒）。"片 上分區(qū)"在下面描述。
[0052] "梯度折射率（GRIN)透鏡"包括具有可變折射率的透鏡。GRIN透鏡的 示例是Nippon Sheet Glass有限公司（NSG集團(tuán)）SELFOC?微透鏡陣列型號(hào) SLA-20BG-138-570-2R，在美國(guó)由新澤西 Somerset 的 Go ! Foton 公司發(fā)售。SELFOC?微 透鏡是成像透鏡桿（rod)。它們與光傳輸光纖（例如，光纖電纜）相比通常在長(zhǎng)度上更短 并且在直徑上更大。它們通常具有纖維光導(dǎo)裝置（fiber guide)不具有的屬性，例如快速改 變折射率。型號(hào)SLA-20BG微透鏡具有有助于光收集的高NA，并且在長(zhǎng)度上較短。它具有 6. 89mm長(zhǎng)、3. 46mm工作距離并且在570納米（nm)光波長(zhǎng)處大約0. 5的有效線成像NA的兩 行1 :+1成像GRIN桿透鏡。每一個(gè)SLA透鏡的直徑是大約1mm。
[0053] "樣本床"包括用于容納樣本以及以本領(lǐng)域公知的其他方式的區(qū)域。樣本床的示例 包括在掃描樣本時(shí)支持樣本的玻璃或塑料板直接上方的區(qū)域、微孔板或微板被配置為通過(guò) 托盤槽或抽屜軸滑入的空間或本領(lǐng)域公知的其他樣本區(qū)域。
[0054] 技術(shù)優(yōu)勢(shì)
[0055] 存在本發(fā)明實(shí)施例對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的若干技術(shù)優(yōu)勢(shì)。近距離（closely)掃描樣本而非 通過(guò)透鏡一次性成像整個(gè)樣本允許從昏暗的發(fā)光收集更多的光。高NA光學(xué)元件和大的有 效像素尺寸可以用來(lái)最大化所收集的光子量。針對(duì)成像具有距其一些深度的孔的板，近距 離掃描樣本與廣域成像器相比提供了額外的有益效果。區(qū)域成像器公知為具有已知為視差 的失真?zhèn)斡埃╠istortion artifact),這源自于成像光學(xué)元件從不同角度看孔的事實(shí)。近距 離掃描避免了視差問(wèn)題并且在最小失真的情況下以相同方式產(chǎn)生全部孔的圖像。
[0056] 即使當(dāng)用(XD中近乎完美的感光器（photoreceptor)非常近距離地掃描樣本時(shí)， 對(duì)于快速掃描來(lái)自典型化學(xué)發(fā)光的光子仍然太少。這可能花費(fèi)數(shù)分鐘來(lái)掃描l〇cm并且收 集充足的光。然而，此時(shí)，化學(xué)發(fā)光的強(qiáng)度改變。在掃描的開始和結(jié)束之間將收集不同基線 的光子，并且產(chǎn)生的圖像將錯(cuò)誤地在一端比另一端更昏暗。至少出于這個(gè)原因，長(zhǎng)時(shí)間掃描 對(duì)于成像化學(xué)發(fā)光將不是一個(gè)顯然的選擇。無(wú)論如何，發(fā)明人已經(jīng)確定，兩遍掃描（即，在 一個(gè)方向上掃描并且隨后在另一方向上掃描）并且隨后將來(lái)自掃描的點(diǎn)求平均或以其他 方式組合可以充分地補(bǔ)償?shù)湫突瘜W(xué)發(fā)光的易變性。
[0057] 關(guān)于CCD的冷卻，通常使得低光CCD傳感器的設(shè)計(jì)復(fù)雜化的就是深度冷卻。CCD的 深度冷卻可以是處于遠(yuǎn)低于0°c的溫度。為了實(shí)現(xiàn)那種溫度而無(wú)冷凝，CCD應(yīng)當(dāng)用密封機(jī)構(gòu) 來(lái)封裝。該密封機(jī)構(gòu)可以抬高相機(jī)成本和尺寸以及增加維護(hù)和耐用性問(wèn)題。對(duì)于需要收集 光超過(guò)100秒的相機(jī)或廣域成像器，實(shí)際上任何CCD，天文的、科研的或其他類型的，都需要 冷卻到遠(yuǎn)低于〇°C以便保持其噪聲水平在合理范圍內(nèi)。然而，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)未冷卻的CCD 或未深度冷卻的CCD可以在實(shí)際的室溫實(shí)施例中使用，保持成本下降以及維護(hù)簡(jiǎn)單。
[0058] 附圖
[0059] 圖1A-1B圖示根據(jù)實(shí)施例的緊湊型成像掃描儀。發(fā)光掃描儀設(shè)備100形似平板、 紙件型掃描儀，并且包括蓋子101、底座102、和樣本床103。樣本床103包括透明玻璃或塑 料作為支持并且能夠保持濕潤(rùn)的膜。兩個(gè)成像掃描條，檢測(cè)器條104和檢測(cè)器條105,可用 于掃描。檢測(cè)器條104置于樣本區(qū)域的上側(cè)而檢測(cè)器條105置于樣本區(qū)域的中心。
[0060] 可以實(shí)現(xiàn)其中技術(shù)員可以將托盤滑動(dòng)或小心地放置到掃描區(qū)域上方的地方的托 盤系統(tǒng)。為了最小化敏感掃描條和發(fā)光材料之間的距離和玻璃或塑料的量，板可以由在其 下方不具有玻璃的側(cè)面上的軸承表面支持。孔板可以正好懸空在一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)器條上的 焦距/工作距離處。
[0061] 圖2圖示根據(jù)實(shí)施例的檢測(cè)器條。檢測(cè)器條204包括沒有照例環(huán)繞它們的適形塊 (conformal block)地示出的GRIN透鏡212以及封裝為集成電路（1C)芯片的線性C⑶圖像 傳感器213。在掃描儀的組裝期間，線性CCD圖像傳感器213被焊接到印刷電路板（PCB) 214 中并且通過(guò)帶狀電纜218與其他電路電性連接。1C容納（house)由玻璃窗216保護(hù)的(XD 像素元件217。（XD像素元件包括C⑶光電二極管、與C⑶轉(zhuǎn)移陣列（transfer array)連 接的導(dǎo)體矩陣（conductor matrix)以及在CCD中發(fā)現(xiàn)的其他元件。
[0062] 導(dǎo)向裝置215允許檢測(cè)器條204在橫向X方向上前后行進(jìn)以便掃描樣本。保護(hù)性 窗211將GRIN透鏡212與濕潤(rùn)的膜隔離并且將樣本固定在GRIN透鏡的工作焦距處。
[0063] 檢測(cè)器條204包括多個(gè)C⑶圖像傳感器1C 213。多個(gè)C⑶圖像傳感器213在兩 個(gè)方向上交錯(cuò)以實(shí)現(xiàn)覆蓋期望的整個(gè)掃描寬度的更長(zhǎng)的連續(xù)成像線。例如，每一個(gè)都成像 28. 67mm長(zhǎng)的線的4個(gè)線性C⑶芯片可以沿著它們的長(zhǎng)度交錯(cuò)27. 5mm以及沿著垂直方向交 錯(cuò)10mm以允許掃描4x27. 5 = 110mm寬。每一個(gè)1C芯片的封裝總是大于其C⑶光電二極 管感測(cè)陣列。橫向方向上的1〇_偏移允許放置線成像器以使得它們的傳感器陣列沿著縱 向方向具有一些重疊。
[0064] 線性C⑶圖像傳感器1C 213沿著檢測(cè)器條縱向地關(guān)于彼此以交錯(cuò)方式221排列。 它們以距離220縱向地（在y方向上）彼此重疊以使得來(lái)自一個(gè)芯片的像素217的線的 一端與來(lái)自下一芯片的像素217的線的開始對(duì)準(zhǔn)或輕微重疊。對(duì)于當(dāng)前指定的Toshiba T⑶1205DG線性(XD芯片，距離220應(yīng)當(dāng)是至少6. 46±0. 8謹(jǐn)。
[0065] 圖3圖示根據(jù)實(shí)施例的具有單個(gè)檢測(cè)器條的樣本床的頂視圖。單個(gè)檢測(cè)器條掃描 系統(tǒng)300包括樣本床303、檢測(cè)器條304 (具有圖中所示的GRIN透鏡312的頂部）以及與檢 測(cè)器條304耦接以將其沿著X方向準(zhǔn)確且精確地移動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)324?？蛇x的光學(xué)編碼器 327可以用來(lái)在任何點(diǎn)處確定檢測(cè)器條的精確位置。
[0066] 對(duì)于掃描，檢測(cè)器條304從端325開始，在檢測(cè)像素的同時(shí)移動(dòng)到相對(duì)的端326， 并且隨后在檢測(cè)像素的同時(shí)移動(dòng)回到端325。從端325到端326的移動(dòng)（以及其間的任何 停止）可以稱為"第一遍"，而從端326到端325的移動(dòng)（以及其間的任何停止）可以稱為 "第二遍"。第一和第二遍的組合可以稱為"相反方向掃描"。
[0067] 在檢測(cè)器條實(shí)際上處于運(yùn)動(dòng)或在一遍期間的連續(xù)運(yùn)動(dòng)之間的微小步進(jìn)停止處時(shí)， 可以發(fā)生該遍期間的像素檢測(cè)。
[0068] 在第一遍期間的每一個(gè)特定（x，y)位置，檢測(cè)并存儲(chǔ)光量ax,y。來(lái)自第一遍的全部 (x，y)位置的總圖像可以存儲(chǔ)為矩陣A(例如，二維陣列）。在第二遍期間的每一個(gè)特定（X， y)位置處，檢測(cè)并存儲(chǔ)光量bx,y。來(lái)自第二遍的全部（X，y)位置的總圖像可以存儲(chǔ)為矩陣 B。最終圖像可以通過(guò)將A矩陣的每一個(gè)點(diǎn)和B矩陣的每一個(gè)點(diǎn)求平均（即，矩陣符號(hào)中C =(A+B)/2)來(lái)準(zhǔn)備。求平均可以在兩個(gè)圖像均完全采集之后完成或隨著進(jìn)行每一次第二 測(cè)量而以小的步進(jìn)完成。
[0069] "組合"來(lái)自不同遍的每一個(gè)點(diǎn)可以通過(guò)求平均、求和（S卩，不除以遍數(shù)）或以其他 方式服從取決于來(lái)自多遍的點(diǎn)的讀數(shù)的函數(shù)來(lái)完成。數(shù)學(xué)上，在1到N遍上的每一個(gè)位置 (X，y)的強(qiáng)度I可以以通用函數(shù)關(guān)系來(lái)組合：Ix,rbined = f (Ix,ypass1，· · ·，Ix.ypassN)。
[0070] 組合可以在電路328中完成。電路可以是專用硬件或固件電路，或可以是用于與 裝置的其他功能一起使用的更通用目的的存儲(chǔ)器和處理器。電路328被編程或以其他方式 適配為將來(lái)自第一遍中的位置的像素讀數(shù)和來(lái)自第二遍中的位置的像素讀數(shù)組合。還可以 是運(yùn)行軟件的通用處理電路或更專用的電路的電路329被編程為根據(jù)所組合的像素讀數(shù) 來(lái)構(gòu)成二維圖像。輸出圖像可以是能夠由個(gè)人計(jì)算機(jī)或其他計(jì)算裝置讀取的格式。
[0071] 可以進(jìn)行多次相反方向掃描以便進(jìn)一步改善（refine)圖像。S卩，可以使用4、6、8 或更多遍并且它們的（x，y)像素被平均或以其他方式組合。來(lái)自較后的相反方向掃描的圖 像可以與來(lái)自之前的相反方向掃描的圖像不同地加權(quán)，以統(tǒng)計(jì)地補(bǔ)償從隨著時(shí)間變暗的樣 本較后收集的較少光子。也可以使用奇數(shù)遍，即，3、5、7或更多遍。例如，在3遍系統(tǒng)中，第 一和第三遍可以一起求平均，并且隨后將平均值與第二遍組合。
[0072] 圖4圖示根據(jù)實(shí)施例的具有多個(gè)檢測(cè)器條的樣本床的頂視圖。
[0073] 雙檢測(cè)器條掃描系統(tǒng)400包括樣本床403、檢測(cè)器條404和405以及與線成像器 404和405耦接以將其沿著X方向準(zhǔn)確且精確地移動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)424?？梢园陔姍C(jī)中 的光學(xué)編碼器427可以用來(lái)在任何點(diǎn)處確定線成像器的精確位置。
[0074] 對(duì)于第一遍，線成像器404從端425開始，在檢測(cè)像素的同時(shí)略微移動(dòng)超過(guò)樣本床 403的中間，并且隨后在檢測(cè)像素的同時(shí)移動(dòng)回到端425。類似地，線成像器405從略微不 到樣本床403的中間處開始，在檢測(cè)像素的同時(shí)移動(dòng)到端426，并且隨后在檢測(cè)像素的同時(shí) 移動(dòng)回到它來(lái)自的中間。
[0075] 兩個(gè)線成像器可以沿著X軸機(jī)械地一起掃描。為了覆蓋10cm的掃描長(zhǎng)度，掃描儀 可以使得線成像器分開5cm并且均沿著x方向掃描5cm+10mm。額外的10mm可以是為了考 慮在線成像器的定位中的X偏移。這樣，掃描頭兩者均覆蓋共同的5cm長(zhǎng)度。
[0076] 對(duì)于每次線讀取的給定曝光時(shí)間，使用兩個(gè)掃描頭而非一個(gè)掃描頭允許掃描一半 距離，并且因此是使用單個(gè)掃描頭將可實(shí)現(xiàn)的兩倍快地覆蓋相同區(qū)域。為了速度的多個(gè)掃 描條對(duì)于文檔或書籍掃描或其他外部照明的掃描來(lái)說(shuō)是不需要的，因?yàn)榭梢钥刂撇⑶冶３?照明目標(biāo)的光量的穩(wěn)定。為了隨著時(shí)間改變的化學(xué)發(fā)光和其他昏暗發(fā)光，多個(gè)掃描條可以 減少由于非線性昏暗引起的誤差。
[0077] 通過(guò)沿著X軸增加甚至更多掃描頭可以獲得更快的成像。例如，3、4、5或更多線掃 描儀可以掃描樣本。成像器上的C⑶可以在掃描之前和之后彼此校準(zhǔn)。沿著y軸增加更多 的CCD允許掃描更寬廣的掃描區(qū)域。
[0078] 實(shí)現(xiàn)掃描的替代方式是相對(duì)于慣性坐標(biāo)系（inertial frame)(例如，地面）移動(dòng) 樣本而非掃描頭。即，在檢測(cè)器條保持不動(dòng)的同時(shí)電機(jī)可以前后移動(dòng)樣本介質(zhì)。在其他實(shí) 施例中，樣本和掃描頭兩者均可以彼此相對(duì)地移動(dòng)。
[0079] 圖5是關(guān)于兩次掃動(dòng)的時(shí)間的化學(xué)發(fā)光圖。在掃描儀從位置0到位置10(從0到 225秒）的第一機(jī)械遍530上，信號(hào)隨時(shí)間下降。在掃描儀從位置10回到位置0(從225到 450秒）的第二機(jī)械遍531上，信號(hào)越發(fā)隨時(shí)間下降。在每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)處將兩遍求平均，或 更準(zhǔn)確地，在每一個(gè)X位置，產(chǎn)生相對(duì)平坦、水平的平均信號(hào)532,其比單個(gè)信號(hào)更恒定。
[0080] 與現(xiàn)在在蛋白質(zhì)印跡化學(xué)發(fā)光市場(chǎng)中使用的許多CL基底的時(shí)間過(guò)程改變相比， 每遍若干分鐘量級(jí)的掃描時(shí)間是相對(duì)短的?；瘜W(xué)發(fā)光在開始時(shí)迅速攀升（例如，在用第二 生物分子探測(cè)之后），在大約10分鐘內(nèi)攀升到其最大發(fā)光。發(fā)光強(qiáng)度在下一個(gè)小時(shí)開始線 性回落并且在之后繼續(xù)淡去。
[0081] 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)2、3、4或5分鐘掃描時(shí)間與化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的改變速率相比足夠短。即 使存在這樣的窗口內(nèi)存在一些改變，改變也是相對(duì)線性的。對(duì)兩個(gè)相反方向掃描一起求 平均或求和可以移除該改變的大多數(shù)，并且如圖所示，在掃描位置上結(jié)果是顯著恒定的 (predominantly constant)。因此，可以使能基于樣本的實(shí)際濃度而非成像器變化的量化。
[0082] 可以計(jì)算在相反方向求平均之后的殘差估計(jì)。假定沿著掃描方向X從位置0到位 置L的恒定發(fā)射的光學(xué)功率為匕并且每遍期間緩慢變化改變，第一遍Pi (X)和第二遍P2 (X) 的功率電平（power level)可以用如下函數(shù)表示：
[0083](等式 1) /^'-)=矸(1 + "匕)"）
[0084] (等式 2) /沿) = 6(U
[0085] 其中，a和b是基于所涉及的CL基底的類型的常數(shù)，而L是總X方向長(zhǎng)度。功率 電平和平均值之間的差（誤差ε)可以如下得出 ：
[0086] (等式 3…扭生^#^^]="(1_2"）
[0087] 給定值 a = 0· 05 和 b = 0· 5 (即，平方根關(guān)系（square root dependence))，相反 方向求平均將誤差從無(wú)校正的5%減少到小于1. 5%。掃描時(shí)間越短，改變?cè)骄€性，并且校 正越準(zhǔn)確。
[0088] 圖6圖示根據(jù)實(shí)施例的高ΝΑ光學(xué)元件布置的立面橫截面圖。例如CL蛋白質(zhì)印跡 膜的樣本640放置在掃描窗口 611的頂部。從各種點(diǎn)發(fā)出的發(fā)射光由GRIN透鏡陣列612 收集并且投影到線性C⑶像素元件617上。后者用玻璃窗616密封。不透光的殼體環(huán)繞系 統(tǒng)600以防止環(huán)境光進(jìn)入掃描儀的內(nèi)部并且污染測(cè)量。
[0089] 膜640在其上擱置的掃描窗口 611的頂部表面放置在距GRIN透鏡612距離642 處以處于它們前面的工作距離。在透鏡的另一側(cè)，C⑶像素元件放置在距GRIN透鏡612距 離643處以處于它們后面的工作距離。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)總工作距離641可以比使用低NA透鏡的 整個(gè)樣本成像器小許多。
[0090] 寬像素尺寸（例如，200μπι)可以有助于高效地收集更多光。為了進(jìn)一步增加光收 集并且在兩個(gè)方向上獲得相等的分辨率，像素電荷可以分區(qū)在一起。
[0091] 圖7是根據(jù)實(shí)施例的(XD像素的俯視圖。由多個(gè)相鄰C⑶像素717a到717c收集 的光電荷在區(qū)塊（bin) 744中分區(qū)在一起，由像素717d到717f收集的光電荷在區(qū)塊745中 分區(qū)在一起。
[0092] 對(duì)于具有14μπι長(zhǎng)和200μπι寬的像素的Toshiba TCD1205DG(如上所述），將14 個(gè)像素分區(qū)在一行中，即，以14分區(qū)，導(dǎo)致14 X 14μπι=196μπι的有效像素尺寸，其接近 200 μ m的像素寬度尺寸。該196 μ m X 200 μ m的有效像素尺寸幾乎是正方形的?？梢詰?yīng)用 其他分區(qū)級(jí)別并且改變掃描步進(jìn)尺寸以產(chǎn)生更高或更低的分辨率掃描。例如，以7分區(qū)和 98 μ m的掃描步進(jìn)導(dǎo)致在兩個(gè)方向上98 μ m的掃描分辨率。
[0093] 使得有效像素尺寸翻倍使得所收集光量變?yōu)?倍并且減少了一半分辨率。對(duì)于帶 (band)在尺寸上是若干毫米的CL蛋白質(zhì)印跡，200 μ m分辨率的實(shí)施例產(chǎn)生相當(dāng)良好質(zhì)量 的圖像。
[0094] 在一實(shí)施例的情況下，可比的L0D可用幅度比廣域成像所需的曝光的量級(jí)小的曝 光實(shí)現(xiàn)。例如，每次線讀取的〇. 5秒曝光時(shí)間給出了與在2分鐘曝光時(shí)間中商用廣域CCD 成像器可以給出的L0D類似的L0D。這個(gè)短的0. 5秒曝光允許通過(guò)線性掃描讀取多條線來(lái) 在可比的總成像時(shí)間中獲得相同區(qū)域尺寸的圖像。
[0095] 片上分區(qū)
[0096] 典型的線性(XD具有以直線排列的成像二極管陣列。當(dāng)光落到這些二極管上時(shí)， 每一個(gè)二極管產(chǎn)生了與落到該光電二極管上的光量成比例的光電荷。在稱為曝光時(shí)間的時(shí) 間量之后，通常稱為二極管轉(zhuǎn)移的信號(hào)用來(lái)轉(zhuǎn)移光電二極管中的光電荷到CCD轉(zhuǎn)移陣列。 CCD轉(zhuǎn)移陣列移動(dòng)各個(gè)光電荷到CCD轉(zhuǎn)移陣列的一端。CCD轉(zhuǎn)移陣列步進(jìn)地移動(dòng)光電荷。 CCD轉(zhuǎn)移陣列通常由至少一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)控制并且在許多情況下由多于一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)控制。 所要求的時(shí)鐘數(shù)由所涉及的CCD的設(shè)計(jì)確定。通常，對(duì)于驅(qū)動(dòng)CCD轉(zhuǎn)移陣列的時(shí)鐘信號(hào)的 每一個(gè)時(shí)鐘邊緣CCD轉(zhuǎn)移陣列將移動(dòng)光電荷一個(gè)步進(jìn)。
[0097] 在C⑶轉(zhuǎn)移陣列的端部是讀出電容器。隨著C⑶沿著(XD轉(zhuǎn)移陣列平移（shift) 光電荷，它們最終到達(dá)并且移動(dòng)到該讀出電容器中。作為CCD的讀出處理的一部分，該電容 器周期性地預(yù)充電。通常，該電容器正好在CCD轉(zhuǎn)移陣列從一個(gè)光電二極管平移入光電荷 之前預(yù)充電。如果讀出電容器正好在光電荷移動(dòng)到它中之前預(yù)充電，則該讀出電容器的電 壓的改變與由CCD轉(zhuǎn)移陣列注入到它中的光電荷量成比例。讀出電容器的電壓通常由CCD 1C上的放大器緩沖，并且呈現(xiàn)在輸出引腳上。在輸出引腳處的電壓通常被進(jìn)一步放大、低通 濾波以及由成像系統(tǒng)中的其他電子元件數(shù)字化。通常，一次從線性CCD讀出一個(gè)像素。因 此，電子元件通常以交替方式讀出光電二極管電荷，在預(yù)充電讀出電容器、測(cè)量并存儲(chǔ)預(yù)充 電電荷，時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)CCD轉(zhuǎn)移陣列移動(dòng)一個(gè)光電二極管電荷到讀出電容器中，并且隨后讀取 在線性CCD陣列1C的輸出引腳處呈現(xiàn)的電壓之間交替。在該點(diǎn)處，可以計(jì)算光電二極管電 荷。光電電荷與讀出電容器在其預(yù)充電電壓和在注入光電電荷的情況下的電壓之間的電壓 的改變成比例。
[0098] 不幸地是，測(cè)量讀出電容器的電壓的處理是伴有噪聲的處理。存在各種形式的電 噪聲，其將它們自己加入到被測(cè)量的電壓中。該噪聲可以模糊正從讀出電容器中讀取的期 望信號(hào)。損壞從讀出電容器讀取的電壓的這些噪聲源通常稱為"讀出噪聲"。
[0099] 在存在讀出噪聲的情況下增加信噪比的一種方式是進(jìn)行被稱為"片上分區(qū)"的讀 出序列。在片上分區(qū)中，修改CCD陣列的讀出序列。在該修改的序列中，讀出電容器被預(yù)充 電，并且隨后CCD陣列被時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)以使得來(lái)自多個(gè)相鄰光電二極管的光電荷被移動(dòng)到讀出 電容器中。讀出電容器的電壓的改變以及因此輸出引腳與從多個(gè)光電二極管移動(dòng)到讀出電 容器中的總光電荷成比例。因?yàn)閬?lái)自多個(gè)像素的光電二極管電荷集中在一起，所以線性成 像系統(tǒng)的空間分辨率減少，但是因?yàn)樽x出噪聲在電壓的改變通常增加的同時(shí)保持相對(duì)地恒 定，所以信噪比通常得到改進(jìn)。
[0100] 片上分區(qū)可以通過(guò)控制C⑶的讀出引腳來(lái)完成。應(yīng)當(dāng)被控制用于片上分區(qū)的 Toshiba TCD1205DG的讀出引腳包括復(fù)位（RS)、升壓（BT)、相位1 ( 01 )和相位2 ( 02 )。 這可以在不顯著增加Ι/f噪聲（即，閃爍噪聲）的情況下完成。
[0101] 可變(XD時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)
[0102] 一些實(shí)施例的方面是改變線性C⑶讀出時(shí)鐘的速度。這可以改進(jìn)圖像的信噪比。 如上所述，存在損壞線性CCD陣列的輸出放大器所呈現(xiàn)的電壓的若干噪聲源。噪聲源中的 兩個(gè)是通常稱為ι/f噪聲的閃爍噪聲和白噪聲。
[0103] 許多成像CCD陣列實(shí)現(xiàn)了用于減少閃爍噪聲的方法。該方法是將固定的預(yù)置電壓 施加到CCD陣列的讀出電容器。成像系統(tǒng)將采樣和存儲(chǔ)從成像CCD陣列的輸出引腳驅(qū)動(dòng)出 的預(yù)置電壓的值。在測(cè)量預(yù)置電壓之后，成像系統(tǒng)將操縱CCD信號(hào)來(lái)將CCD陣列中的一些 光電荷移動(dòng)到讀出電容器中。在已經(jīng)將光電荷移動(dòng)到讀出電容器中之后，成像系統(tǒng)將采樣 在CCD 1C的輸出處呈現(xiàn)的電壓。從光電荷電壓減去所測(cè)量和存儲(chǔ)的預(yù)置電壓。該減去意 圖移除閃爍噪聲。
[0104] 為了提供閃爍噪聲的最大減少，有利的是在時(shí)間上盡可能一起地采樣預(yù)置電壓和 光電荷電壓。如果使用了片上分區(qū)，則分區(qū)應(yīng)當(dāng)盡快發(fā)生以便使得預(yù)置電壓和光電荷電壓 在時(shí)間上盡可能接近地被采樣。為了實(shí)現(xiàn)最大分區(qū)速度，使得CCD陣列中的光電荷移動(dòng)到 讀出電容器的信號(hào)應(yīng)當(dāng)以高速率操作。在許多情況下，高速率是成像CCD陣列的數(shù)據(jù)表單 中的最大推薦速率?？焖俜謪^(qū)的另一有益效果是讀出時(shí)間的總體減少以及因此產(chǎn)生圖像的 總時(shí)間的總體減少。
[0105] 第二讀出噪聲源是白噪聲。白噪聲具有在寬頻率范圍上的均勻噪聲功率。減少讀 出噪聲的一個(gè)方法是對(duì)CCD陣列的輸出信號(hào)進(jìn)行電性低通濾波。通過(guò)在采樣之前適當(dāng)?shù)叵?制信號(hào)的帶寬，在允許大多數(shù)信號(hào)被測(cè)量的同時(shí)可以摒棄大量白噪聲。這有助于增加信噪 比。低通濾波減少了來(lái)自（XD 1C的向成像系統(tǒng)呈現(xiàn)的讀出信號(hào)的轉(zhuǎn)換速率（slew rate)。
[0106] 為了準(zhǔn)確地測(cè)量由C⑶呈現(xiàn)的預(yù)置電壓，應(yīng)當(dāng)操作C⑶以使得它將其預(yù)置電壓呈 現(xiàn)在(XD的輸出處，然后必須允許該預(yù)置電壓穿過(guò)（propagate through)低通濾波器。在 某個(gè)時(shí)間量之后，該預(yù)置電壓將穩(wěn)定在非常接近其最終值處。在該時(shí)間點(diǎn)，成像系統(tǒng)將采樣 預(yù)置電壓并且將其存儲(chǔ)以稍后移除閃爍噪聲。在成像系統(tǒng)等待預(yù)置電壓電平在白噪聲移除 低通濾波器的輸出處穩(wěn)定的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)停止時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)光電荷通過(guò)CCD陣列。在采樣預(yù)置電 壓之后，成像系統(tǒng)將以高速率時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)光電荷進(jìn)入讀出電容器以完成片上分區(qū)。在已經(jīng)對(duì) 像素進(jìn)行分區(qū)之后，成像系統(tǒng)將停止操作CCD陣列的時(shí)鐘信號(hào)。在CCD陣列的輸出處的光 電荷電壓將被允許穿過(guò)白噪聲移除低通濾波器直到電壓穩(wěn)定在其最終值的某一期望百分 比內(nèi)。在該點(diǎn)，成像系統(tǒng)將采樣光電荷電壓。
[0107] 在一些實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)的分區(qū)的方法導(dǎo)致至少三種CCD陣列時(shí)鐘速率。存在未操作 CCD時(shí)鐘信號(hào)而預(yù)置電壓穩(wěn)定并且隨后被測(cè)量的一種速率。存在以高速率操作CCD時(shí)鐘信 號(hào)以實(shí)現(xiàn)迅速片上分區(qū)的第二速率。并且存在暫停CCD時(shí)鐘而已分區(qū)光電荷的光電荷電壓 穩(wěn)定并且隨后被測(cè)量的第三速率。結(jié)合像素片上分區(qū)的多個(gè)時(shí)鐘輸出速率可以最大化產(chǎn)生 的圖像的信噪比。
[0108] 圖8是根據(jù)實(shí)施例的處理的流程圖。在操作801中，將發(fā)光介質(zhì)放置在掃描裝置 的殼體內(nèi)。在操作802中，在穿過(guò)發(fā)光介質(zhì)的第一遍中關(guān)于發(fā)光介質(zhì)在第一方向上移動(dòng)圖 像傳感器陣列，該圖像傳感器陣列具有適配為彼此同時(shí)檢測(cè)光子的多個(gè)像素元件。在操作 803中，在第一遍期間使用像素元件檢測(cè)發(fā)光。在操作804中，在穿過(guò)發(fā)光介質(zhì)的第二遍中 關(guān)于發(fā)光介質(zhì)在第二方向上移動(dòng)圖像傳感器陣列，該第二方向與第一方向相反。在操作805 中，將來(lái)自第一遍中的位置的像素讀數(shù)與來(lái)自第二遍中的位置的像素讀數(shù)組合。在操作806 中，由來(lái)自第一和第二遍的所組合像素讀數(shù)構(gòu)成圖像。
[0109] 圖9是根據(jù)實(shí)施例的處理的流程圖。在操作901中，目標(biāo)生物分子以空間模式 (spatial pattern)固定到樣本介質(zhì)，該模式包括關(guān)于目標(biāo)生物分子的標(biāo)識(shí)的信息。在操 作902中，以具有針對(duì)目標(biāo)分子的結(jié)合親和性的主探測(cè)生物分子來(lái)探測(cè)目標(biāo)生物分子。在 操作903中，以具有針對(duì)主探測(cè)生物分子的結(jié)合親和性的次級(jí)探測(cè)生物分子來(lái)探測(cè)主探測(cè) 生物分子，該次級(jí)探測(cè)生物分子具有通過(guò)基底生物分子的改變來(lái)觸發(fā)生成可檢測(cè)到的能量 的酶活性，其中基底生物分子是用于次級(jí)探測(cè)生物分子的酶活性的基底。在操作904中，用 電荷耦合器件（CCD)檢測(cè)器在至少一個(gè)空間維度上掃描穿過(guò)樣本介質(zhì)，該CCD檢測(cè)器在距 樣本介質(zhì)1毫米和1〇〇毫米之間的固定距離掃描穿過(guò)樣本介質(zhì)。在操作905中，在第一遍 中在至少一個(gè)空間維度上移動(dòng)圖像傳感器陣列穿過(guò)樣本介質(zhì)。在操作906中，在第一遍期 間通過(guò)圖像傳感器陣列讀取發(fā)光。在操作907中，在第二遍中在至少一個(gè)空間維度上移動(dòng) 圖像傳感器陣列穿過(guò)樣本介質(zhì)。在操作908中，在第二遍期間通過(guò)圖像傳感器陣列讀取發(fā) 光。在操作909中，將在來(lái)自第一和第二遍的位置處采集的發(fā)光讀數(shù)組合。在操作910中， 根據(jù)在來(lái)自第一和第二遍的位置處采集的所組合讀數(shù)構(gòu)成圖像。在操作911中，通過(guò)關(guān)聯(lián) 所檢測(cè)的可檢測(cè)到的能量與空間模式來(lái)確定目標(biāo)生物分子的標(biāo)識(shí)。
[0110] 盡管以示例的方式并根據(jù)具體實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)明白本發(fā)明不限于 所公開的實(shí)施例。相反，本發(fā)明意圖覆蓋對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的各種修改和類似 布置。因此，所附權(quán)利要求的范圍應(yīng)當(dāng)賦予最寬的解譯以包含全部這樣的修改和類似布置。
【權(quán)利要求】
1. 一種發(fā)光掃描儀設(shè)備，包括： 樣本床，配置為保持發(fā)光樣本介質(zhì)； 檢測(cè)器條，包括一個(gè)或多個(gè)圖像傳感器陣列，每一個(gè)圖像傳感器陣列具有多個(gè)像素元 件，所述像素元件適配為彼此同時(shí)檢測(cè)光子，所述檢測(cè)器條配置為關(guān)于樣本床移動(dòng)； 電機(jī)，配置為在第一方向上在第一遍中關(guān)于所述樣本床移動(dòng)所述檢測(cè)器條并且隨后在 與所述第一方向相反的第二方向上在第二遍中關(guān)于所述樣本床移動(dòng)所述檢測(cè)器條； 電路，適配為將來(lái)自所述第一遍中的位置的像素讀數(shù)與來(lái)自所述第二遍中的位置的像 素讀數(shù)組合；以及 電路，適配為根據(jù)所組合的像素讀數(shù)構(gòu)成圖像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中組合所述像素讀數(shù)包括將來(lái)自所述第一遍中的位 置的像素讀數(shù)與來(lái)自所述第二遍中的相同位置的像素讀數(shù)求平均。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述圖像傳感器陣列包括電荷耦合器件（CCD)圖 像傳感器陣列。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中所述CCD圖像傳感器陣列集成在集成電路（1C) 中，所述設(shè)備進(jìn)一步包括： 電路，適配為將來(lái)自相鄰CCD光電二極管的多個(gè)光電荷集中到所述CCD圖像傳感器陣 列的讀出電容器中， 由此增加所述(XD圖像傳感器陣列的信噪比。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述一個(gè)或多個(gè)圖像傳感器陣列未深度冷卻。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述檢測(cè)器條包括沿著所述檢測(cè)器條關(guān)于彼此交 錯(cuò)的多個(gè)線性圖像傳感器陣列集成電路（1C)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中所述線性圖像傳感器陣列1C在所述檢測(cè)器條上彼 此縱向地重疊。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括： 第二檢測(cè)器條，包括一個(gè)或多個(gè)圖像傳感器陣列，所述第二檢測(cè)器條配置為關(guān)于所述 樣本床移動(dòng)， 其中所述檢測(cè)器條配置為掃描所述樣本床的不同的非重疊區(qū)域；以及 電路，配置為根據(jù)來(lái)自兩個(gè)所述檢測(cè)器條的像素讀數(shù)構(gòu)成所述圖像。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中所述檢測(cè)器條進(jìn)一步配置為除了它們相應(yīng)的非重 疊區(qū)域之外還掃描所述樣本床的公共的重疊部分。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述檢測(cè)器條配置為被移動(dòng)并且所述樣本床配 置為物理地靜止。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述檢測(cè)器條配置為物理地靜止并且所述樣本 床配置為被移動(dòng)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述發(fā)光樣本介質(zhì)從尼龍膜、硝化纖維素膜和孔 板中選擇。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括： 梯度折射率（GRIN)透鏡陣列，布置在所述樣本床和所述一個(gè)或多個(gè)圖像傳感器陣列 之間，所述GRIN透鏡陣列具有大于或等于0. 10的工作數(shù)值孔徑（NA)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中所述GRIN透鏡陣列布置在所述樣本床的1和 100毫米之間。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括： 不透光的殼體，配置為封閉所述樣本床。
16. -種發(fā)光掃描儀設(shè)備，包括： 樣本床，配置為保持發(fā)光樣本介質(zhì)； 集成電路（1C)電荷耦合器件（CCD)圖像傳感器陣列，具有多個(gè)像素元件，所述像素元 件適配為彼此同時(shí)地存儲(chǔ)光子誘發(fā)的電荷，所述圖像傳感器陣列配置為關(guān)于所述樣本床移 動(dòng)； 電機(jī)，配置為關(guān)于所述樣本床移動(dòng)所述圖像傳感器陣列； 電路，適配為將來(lái)自相鄰CCD像素元件的多個(gè)光電荷集中到所述CCD圖像傳感器陣列 的讀出電容器中；以及 電路，適配為從所述讀出電容器讀取所集中的光電荷并且使用所集中的光電荷構(gòu)成圖 像。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括： 電路，適配為將兩個(gè)或更多不同的CCD時(shí)鐘頻率施加到所述一個(gè)或多個(gè)集成電路CCD 圖像傳感器陣列中的每一個(gè)的輸入，所述輸入適配為將來(lái)自所述像素元件的光子誘發(fā)的電 荷平移到所述集成電路CCD圖像傳感器陣列的輸出。
18. -種發(fā)光掃描儀設(shè)備，包括： 樣本床，配置為保持發(fā)光樣本介質(zhì)； 集成電路（1C)電荷耦合器件（CCD)圖像傳感器陣列，具有多個(gè)像素元件，所述像素元 件適配為彼此同時(shí)地存儲(chǔ)光子誘發(fā)的電荷，所述圖像傳感器陣列配置為關(guān)于所述樣本床移 動(dòng)； 電機(jī)，配置為關(guān)于所述樣本床移動(dòng)所述圖像傳感器陣列； 電路，適配為將兩個(gè)或更多不同的CCD時(shí)鐘頻率施加到所述集成電路CCD圖像傳感器 陣列的輸入，所述輸入適配為將來(lái)自所述像素元件的光子誘發(fā)的電荷平移到所述集成電路 CCD圖像傳感器陣列的輸出；以及 電路，適配為根據(jù)所述集成電路CCD圖像傳感器陣列的輸出構(gòu)成圖像。
19. 一種用于獲取發(fā)光介質(zhì)的圖像的方法，所述方法包括： 將發(fā)光介質(zhì)放置在掃描裝置的殼體內(nèi)； 在穿過(guò)所述發(fā)光介質(zhì)的第一遍中關(guān)于所述發(fā)光介質(zhì)在第一方向上移動(dòng)圖像傳感器陣 列，所述圖像傳感器陣列具有適配為彼此同時(shí)檢測(cè)光子的多個(gè)像素元件； 在所述第一遍期間使用所述像素元件檢測(cè)發(fā)光； 在穿過(guò)所述發(fā)光介質(zhì)的第二遍中關(guān)于所述發(fā)光介質(zhì)在第二方向上移動(dòng)所述圖像傳感 器陣列，所述第二方向與所述第一方向相反； 將來(lái)自所述第一遍中的位置的像素讀數(shù)與來(lái)自所述第二遍中的位置的像素讀數(shù)組合； 以及 根據(jù)來(lái)自所述第一和第二遍的所組合的像素讀數(shù)構(gòu)成圖像。
20. -種用于獲取發(fā)光介質(zhì)的圖像的方法，所述方法包括： 以空間模式固定目標(biāo)生物分子到樣本介質(zhì)，所述模式包括關(guān)于所述目標(biāo)生物分子的標(biāo) 識(shí)的息； 以具有針對(duì)所述目標(biāo)生物分子的結(jié)合親和性的主探測(cè)生物分子來(lái)探測(cè)所述目標(biāo)生物 分子； 以具有針對(duì)所述主探測(cè)生物分子的結(jié)合親和性的次級(jí)探測(cè)生物分子來(lái)探測(cè)所述主探 測(cè)生物分子，所述次級(jí)探測(cè)生物分子具有通過(guò)基底生物分子的改變來(lái)觸發(fā)生成可檢測(cè)到的 能量的酶活性，其中所述基底生物分子是用于所述次級(jí)探測(cè)生物分子的酶活性的基底； 在第一遍中在至少一個(gè)空間維度上移動(dòng)圖像傳感器陣列穿過(guò)所述樣本介質(zhì)； 在所述第一遍期間通過(guò)所述圖像傳感器陣列讀取發(fā)光；以及 根據(jù)通過(guò)所述圖像傳感器陣列讀取的發(fā)光構(gòu)成圖像。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，進(jìn)一步包括： 在第二遍中在所述至少一個(gè)空間維度上移動(dòng)所述圖像傳感器陣列穿過(guò)所述樣本介 質(zhì)； 在所述第二遍期間通過(guò)所述圖像傳感器陣列讀取發(fā)光； 組合在來(lái)自所述第一和第二遍的位置處采集的發(fā)光讀數(shù)，以及 根據(jù)在來(lái)自所述第一和第二遍的位置處采集的所組合的讀數(shù)構(gòu)成所述圖像。
22. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述讀數(shù)使用具有大于或等于0. 10的工作數(shù)值 孔徑（NA)的光學(xué)兀件。
23. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述圖像傳感器陣列具有小于所述樣本介質(zhì)的 10 %的樣本介質(zhì)的即時(shí)視場(chǎng)。
24. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述發(fā)光是化學(xué)發(fā)光。
25. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述目標(biāo)生物分子是蛋白質(zhì)。
26. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述目標(biāo)生物分子是脫氧核糖核酸（DNA)。
27. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述樣本介質(zhì)從由膜、玻璃和塑料構(gòu)成的組中 選擇。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中所述樣本介質(zhì)是尼龍膜或硝化纖維素膜。
29. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，進(jìn)一步包括： 通過(guò)凝膠中的凝膠電泳生成所述空間模式；以及 轉(zhuǎn)移來(lái)自所述凝膠的空間模式到所述樣本介質(zhì)。
30. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述主探測(cè)分子是抗體，所述次級(jí)探測(cè)分子是 抗體，并且所述基底生物分子是化學(xué)發(fā)光基底。
【文檔編號(hào)】G01N21/76GK104115478SQ201280069894
【公開日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2012年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月16日
【發(fā)明者】A.博齊德, C.萊西亞克, D.W.康茲, D.L.弗蘭岑, W.比格斯, J.P.安德森 申請(qǐng)人:利-考股份有限公司