分析仪器系统的制作方法
【专利说明】分析仪器系统
[0001] 相关申请的交叉参考
[0002] 本申请要求2013年3月15日提交的第61/793, 388号美国临时专利申请的优先 权，该文的全部内容通过引用纳入本文以用于所有目的。
[0003] 关于联邦资助研究/开发的声明
[0004] 本发明在美国国土安全部的基金支持下完成，
[0005] 合同号：HSHQDC-10-C-00053。政府对本发明拥有某些权利。
[0006] 发明背景
[0007] 在许多不同领域，从一组不同光学信号中逐一识别、区分和/或量化这些信号相 当重要。特别值得注意的是多路分析操作的应用，例如核酸分析、生物分析、化学分析等，它 们依赖于光学信号。许多分析系统已经得到开发和商业化，用于收集、记录和分析光学信 号数据，这些数据来自生物或化学分析阵列，包括例如核酸阵列扫描仪、多路核酸测序系统 等。
[0008] 举例而言，核酸阵列已广泛用于识别样品中是否存在一个或多个靶标核酸。特别 是在典型的阵列中，在平面基材上提供不同核酸探针序列，它们结合在基材表面的独特定 位区，在这些区域，阵列表面上的束缚实体（bound entity)或捕获探针（capture probe) 的特性及其位置是已知的。各不同特性的捕获探针置于孤立的捕获探针位点或区域，所述 位点或区域包括多个相同的捕获探针。利用对所关注的靶标核酸序列（即样品中待测的序 列）具有特异性的引物序列，对样品进行扩增反应。两个引物中的一个或两个通常可包括 荧光基团或其他标记基团。扩增之后，使所得反应混合物接触阵列。如果阵列表面上出现 荧光信号，则表明与该位置的捕获探针互补的序列被扩增，因而存在于该样品中。
[0009] 从这些阵列中读取荧光信号一般采用多个不同类型的系统。例如，早期阵列读取 仪器采用扫描荧光显微镜，所述扫描荧光显微镜对阵列表面进行光栅式扫描，并随扫描位 置读取发出的荧光。后来的荧光读取仪器采用成像光学元件和传感器，对整个阵列一次成 像，从而加快了分析过程。对于各种不同的应用，包括例如诊断阵列系统、核酸测序应用等， 这样的系统增加了复杂性，参见例如IlluminaHiSeq系统、PacBioRS系统等。
[0010] 尽管这种系统一般都可以买到，但需要改进这些系统，降低其复杂性，增强其功 能。本发明解决了这些和其他需求。
【发明内容】
[0011] 本发明涉及可用于分析生物阵列的分析仪器系统和分析方法。该系统的优选仪器 能够在执行扩增反应过程例如RT-PCR过程的情况下进行这种分析。这些系统包括对光学 组件（optical train)、热管理以及所述仪器应用到所用反应容器的反应操控过程的改进。
[0012] 在至少一个方面，本发明提供了一种检测系统，其包含激发光源；反应容器，该反 应容器包含置于其上的捕获探针位点阵列，并且能够响应激发光而产生一个或多个荧光信 号；图像传感器；光学组件，该光学组件用于将激发光从激发光源传输至所述阵列并将荧 光信号从所述阵列传输至所述图像传感器；一个或多个与所述反应容器热连通的热控元 件；处理器，该处理器可操作地连接至所述一个或多个热控元件，用于将反应容器的内容物 置于热循环过程（例如用于对试剂进行热混合等）。在一些这样的实施方式中，核酸阵列 可任选包含一个或多个荧光探针（例如捕获探针），该阵列的荧光可任选根据荧光捕获探 针对例如核酸的捕获或检测而增大或减小。在此方面的一些实施方式中，该系统可包含这 样的情况，其中光学组件包括将荧光信号聚焦到图像传感器上的聚焦透镜，以及位于聚焦 透镜与图像传感器之间的光程长度调节部件，例如厚度可变的可旋转圆盘。在包含厚度可 变的可旋转圆盘的实施方式中，这种圆盘可包含选自玻璃、石英、熔凝二氧化硅和透明聚合 物的透明材料，所述透明聚合物是例如选自下组的一种或多种：聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸 酯、聚苯乙烯、聚醚砜、聚脂族醚、卤代聚脂族醚、聚芳基醚、卤代聚芳基醚、聚酰胺、聚酰亚 胺、聚酯聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚烯烃、卤代聚烯烃、聚环烯烃、卤代聚环烯烃和聚 乙烯醇。在这种系统的一些实施方式中，至少一个热控元件可以是置于激发光源与阵列之 间的光程中的热电元件，并且任选具有置于其中用于将激发光传输至阵列的光孔（例如包 含透明导热材料）。对于包含其中具有透明导热材料的光孔的实施方式，导热材料可具有 至少lW/mK、优选大于5W/mK、更优选大于10W/mK并且在一些情况下大于100W/mK甚至大于 500W/mK的热导率，并且/或者可包含选自玻璃、蓝宝石、金刚石、结晶石英、MgAl204和AL0N 的材料。在本发明的一些实施方式中，当反应容器处于与有孔从其中穿过的热控元件热连 通的状态时，可在光学透明的导热材料与反应容器之间提供约1-50ym厚的间隙。此外，在 一些实施方式中，所述一个或多个热控元件可在反应容器内产生不同温度的区域，从而在 反应容器的至少一部分施加差异化温度。包含在反应容器内施加不同温度区域的热控元件 的实施方式中，系统可包含处理器，该处理器包括通过编程对一个或多个热控元件的不同 温度区域（从而对反应容器的不同区域）施加不同温度。在一些实施方式中，热控元件可 造成反应容器内的一种或多种组分发生热混合。
[0013] 在一些方面，本发明包含检测核酸扩增产物的方法：在核酸阵列存在下扩增反应 混合物中的靶标核酸；在杂交步骤中将反应混合物冷却至杂交温度，使扩增产物杂交至阵 列；在杂交步骤之前或期间对反应混合物进行对流混合；检测杂交到阵列的扩增产物。在 一些这样的实施方式中，核酸阵列可任选包含一个或多个荧光探针（例如捕获探针），该阵 列的荧光可任选根据荧光捕获探针对例如核酸的捕获或检测而增大或减小。
【附图说明】
[0014] 图1提供了可结合本文所述的系统和方法使用的示例性分析形式的示意图。
[0015] 图2提供了本发明总体仪器系统的示意图。
[0016] 图3提供了本文中仪器系统的示例性样品架部件的图示。
[0017] 图4A显示了与仪器系统的基材架部分的热控元件连接的示例性反应容器的示意 图。图4B显示了对流混合的示意图。
[0018] 图5显示了包含光程长度调节部件的本发明仪器的光学组件部分。
[0019] 图6A和6B提供了阵列上样品分布的示意图，施加在阵列上的分析物例如扩增子 分别经过混合和没有混合。
[0020] 图7A和7B呈现了在扩增反应中通过阵列的荧光信号数据的比较，在扩增期间分 别经过混合和没有混合。
[0021] 图8A和8B也呈现了在扩增反应中通过阵列的荧光信号数据的比较，在扩增期间 分别经过混合和没有混合。
[0022] 图9显示了可与本发明系统结合使用的示例性分析方法的示意图。
[0023] 图10显示了本发明系统中所含的反应容器中试剂的热混合。
[0024] 发明详述
[0025] -、综述
[0026] 本发明总体涉及用于执行生物和生物化学分析的分析仪器、系统和方法。本发明 仪器和系统特别适合监控来自靶标核酸扩增反应的荧光信号，而且通常也适合进行基本的 扩增过程。因此，本发明系统的多种实施方式不仅具备检测能力，而且具备进行所关注反应 的能力，例如热循环及其他操作参数。
[0027] 出于讨论的目的，本发明的多个实施方式结合例如2013年3月15日提交的美国 专利申请第13/844,426号所述的分析方法予以说明，该文献的全部内容通过参考纳入本 文以用于所有目的。图9显示了用于这种分析的简化流程图。如图9所示，捕获探针组902 中各探针携带相连的荧光部分（moiety)或荧光团（F)，所述探针组被固定在基材904的表 面上。还提供了靶标特异性探针906,其与捕获探针902和感兴趣的靶标核酸序列互补。这 些靶标特异性探针包含相连的淬灭剂部分（Q)。选择捕获探针902上荧光团F和靶标特异 性探针906上淬灭剂Q的位置，使得在探针902和906杂交在一起时，淬灭剂位于与荧光团 足够近的距离内，从而在经受激发光照时淬灭荧光团的荧光。
[0028] 可使上述探针接触可能含有感兴趣的靶标核酸（如靶序列908)的样品材料，并使 用聚合酶对靶序列进行PCR反应，所述聚合酶包含例如固有的外切核酸酶活性。PCR过程 可包括多个反复的解链、退火和延伸反应步骤，导致适当引物910跨靶序列908的延伸。在 各退火步骤期间，至少一些靶标特异性探针906会退火至靶序列908。由于延伸反应期间 由聚合酶对靶序列进行复制，聚合酶的外切核酸酶活性会消化与靶标杂交的靶标特异