基于时间门控的荧光检测的方法和系统技术方案

本公开提供用于基于时间门控的荧光检测的方法、装置和系统。通过测量单个激发脉冲后荧光团发出的光子通量，可以在某些生化测定中使用基于时间的荧光分析。使用基于时间的荧光分析。使用基于时间的荧光分析。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于时间门控的荧光检测的方法和系统
交叉引用
[0001]本申请要求于2019年3月14日提交的美国临时专利申请第62/818,614号的权益，该申请通过引用整体并入本文。

技术介绍

[0002]异质和同质生化测定两者中采用的连续波(CW)基于荧光的光谱学可用于生命科学研究和体外诊断。例如，基于终点荧光的检测方法可广泛应用于检测和/或监测基于表面(固相)生化测定中的捕获探针和分析物的结合。通常，分析物可包含荧光团构建体，其在被光激发源激发时可发光。发射可能发生在比激发源更长的波长处。当捕获探针附接到表面上的特定和/或可寻址坐标时，分析物捕获可能导致局部荧光信号的产生；一种可以被光学检测设备检测到的现象。示例光学检测设备可包括电荷耦合设备(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)相机。
[0003]时间门控荧光(TGF)分析是荧光光谱的变体，其可用于某些生化测定。与CW荧光方法不同，在TGF中，激发光可能不是连续的，并且可能只在一小段时间内应用，即它可能是时间门控的。

技术实现思路

[0004]在TGF中，分析物对一系列有限时间光激发脉冲的响应在每个激发脉冲关闭后进行分析。在传统的TGF中，可以在每个单独的激发脉冲之后测量从荧光团发射的光子通量。测量光子通量的一种方法是量化探测器特定积分时间间隔内的光诱导电荷(图1)。当与捕获探针和/或分析物的荧光团标记结合时，这样的测量信号可继而用于评估靶分析物的存在、丰度和偶尔的特征。
[0005]在某些应用中，TGF可能比CW荧光更具优势。例如，当荧光团拷贝数相对较低时，TGF可以提供更高的信背比。使用足够快的光激发开关源，在检测期间可能几乎没有来自激发信号的背景。此外，如果使用寿命长的荧光团(例如，镧系元素螯合物)，还可以消除来自周围材料和/或生物分子结构的短寿命自发荧光背景发射。自发荧光源的例子可以包括塑料、有机聚合物或细胞间碎片。
[0006]虽然TGF可能具有优势，但其实际实施可能非常具有挑战性。第一组挑战可能与脉冲激发和检测可能发生的速度有关。在传统的TGF配置中，可能需要脉冲频率>100MHz的光学和电子系统。第二组挑战可能源于每个激发脉冲后发射的固有光子数量少，总计数小于或等于荧光团的数量。最后，与CW荧光相比，TGF可能提供有限的“多色”功能。在TGF中，根据其寿命区分荧光团可能需要更高的速度和更低的光学和电子设备噪声性能。
[0007]在本公开中，提供了使用半导体生物芯片器件和技术来创建高性能、高度集成和有成本效益的TGF系统的装置和方法。本公开的方法和装置可用于基因组学和蛋白质组学中的生命科学和分子诊断，特别是大规模平行的DNA和蛋白质分析和DNA测序。
[0008]本公开的一方面提供了一种用于检测溶液中分析物的存在或不存在的设备，包
括：包括传感器的芯片，所述传感器包括电子快门(electronic shutter)，其中所述传感器被配置为(i)从所述溶液收集所述溶液在第一时间段内暴露于激发脉冲时产生的信号，(ii)借助所述电子快门，去除由所述激发脉冲在第二时间段内在所述传感器中产生的光诱导电荷，其中所述第二时间段不同于所述第一时间段，并且(iii)在去除所述光诱导电荷之后，产生至少部分源自所述信号的输出信号，其中所述输出信号指示所述分析物的所述存在或不存在。
[0009]在一些实施方式中，所述第二时间段在所述第一时间段之前。在一些实施方式中，所述第二时间段大于所述激发脉冲的持续时间。在一些实施方式中，所述芯片包括多个可单独寻址的位置，其中包括所述电子快门的所述传感器设置在所述多个可单独寻址的位置中的第一位置上；并且其中包括附加电子快门的附加传感器设置在所述多个单独可寻址位置中的附加位置上。
[0010]在一些实施方式中，所述信号包括电信号，并且其中所述传感器还包括被配置为将来自所述溶液的光信号转换为所述电信号的至少一个换能器。在一些实施方式中，所述电子快门包括可操作地耦合到所述至少一个换能器的电子快门开关，所述电子快门开关被配置为促进在电压施加到所述电子快门开关时从所述至少一个换能器去除所述光诱导电荷。在一些实施方式中，所述传感器还包括至少一个积分器，其被配置为对所述电信号进行积分。在一些实施方式中，所述传感器还包括至少一个积分开关，其设置在所述至少一个换能器和所述至少一个积分器之间并可操作地耦合到所述至少一个换能器和所述至少一个积分器，其中所述至少一个积分开关被配置为将来自所述至少一个换能器的所述电信号传输到所述至少一个积分器。在一些实施方式中，所述传感器还包括可操作地耦合到所述至少一个积分器的至少一个附加换能器，所述至少一个附加换能器被配置为将由所述至少一个积分器积分的所述电信号转换成所述输出信号。在一些实施方式中，所述信号包括光诱导电荷，并且其中所述输出信号包括电压。在一些实施方式中，所述芯片被包括在互补金属氧化物半导体(CMOS)集成电路(IC)中。
[0011]在一些实施方式中，所述芯片还包括与所述传感器相邻的生物传感层，并且其中所述生物传感层包括与所述分析物特定结合的至少一个探针。在一些实施方式中，所述信号至少部分源自在所述分析物与所述至少一个探针结合时与所述分析物相关联的标记生成的光信号。在一些实施方式中，标记是荧光团。在一些实施方式中，所述信号至少部分源自在所述分析物与所述至少一个探针结合时来自所述至少一个探针或所述分析物的光信号或其变化。在一些实施方式中，所述至少一个探针包括能量供体并且所述分析物包括能量受体。在一些实施方式中，所述能量供体是荧光团，并且其中所述能量受体是附加荧光团或猝灭剂。在一些实施方式中，所述生物传感层包括至少一个控制探针，并且其中所述传感器被配置为从所述至少一个控制探针收集控制信号并且使用所述控制信号标准化所述收集到的信号。在一些实施方式中，所述至少一个控制探针不与所述分析物结合或相互作用。在一些实施方式中，所述设备还包括反应室、可控流体单元、温度控制单元和数字单元。在一些实施方式中，所述反应室被配置为将所述溶液与所述芯片对接，并且其中所述对接包括所述分析物和所述芯片的所述生物传感层之间的相互作用。在一些实施方式中，所述可控流体单元被配置为将所述溶液的至少一部分传输进或传输出所述反应室。在一些实施方式中，所述数字单元被配置为接收或存储来自所述芯片的所述输出信号。在一些实施方式
中，所述芯片被配置为在(iii)之前重复(i)
‑
(ii)多次。在一些实施方式中，所述输出信号是单个输出。
[0012]本公开的一方面提供了一种用于检测溶液中分析物存在或不存在的方法，包括：(a)激活包括传感器的芯片，所述传感器包括电子快门，其中所述传感器被配置为(i)收集所述溶液在第一时间段内暴露于激发脉冲时产生的信号，(ii)借助所述电子快门，去除由所述激发脉冲在第二时间段内在所述传感器中产生的光诱导电荷，其中所述第二时间段不同于所述第一时间段，并且(iii)在去除所述光诱导电荷之后，产生至少部分源自所述信号的输出信号，其中所述输出信号指示所述分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于检测溶液中分析物存在或不存在的设备，包括：包括传感器的芯片，所述传感器包括电子快门，其中所述传感器被配置为(i)从所述溶液收集所述溶液在第一时间段内暴露于激发脉冲时产生的信号，(ii)借助所述电子快门，去除由所述激发脉冲在第二时间段内在所述传感器中产生的光诱导电荷，其中所述第二时间段不同于所述第一时间段，并且(iii)在去除所述光诱导电荷之后，产生至少部分源自所述信号的输出信号，其中所述输出信号指示所述分析物的所述存在或不存在。2.根据权利要求1所述的设备，其中所述第二时间段在所述第一时间段之前。3.根据权利要求1所述的设备，其中所述第二时间段大于所述激发脉冲的持续时间。4.根据权利要求1所述的设备，其中所述芯片包括多个可单独寻址的位置，其中包括所述电子快门的所述传感器设置在所述多个可单独寻址的位置中的第一位置上；和其中包括附加电子快门的附加传感器设置在所述多个单独可寻址位置中的附加位置上。5.根据权利要求1所述的设备，其中所述信号包括电信号，并且其中所述传感器还包括被配置为将来自所述溶液的光信号转换为所述电信号的至少一个换能器。6.根据权利要求5所述的设备，其中所述电子快门包括可操作地耦合到所述至少一个换能器的电子快门开关，所述电子快门开关被配置为在电压施加到所述电子快门开关时便于从所述至少一个换能器去除所述光诱导电荷。7.根据权利要求5所述的设备，其中所述传感器还包括至少一个积分器，其被配置为对所述电信号进行积分。8.根据权利要求7所述的设备，其中所述传感器还包括至少一个积分开关，其设置在所述至少一个换能器和所述至少一个积分器之间并可操作地耦合到所述至少一个换能器和所述至少一个积分器，其中所述至少一个积分开关被配置为将来自所述至少一个换能器的所述电信号传输到所述至少一个积分器。9.根据权利要求7所述的设备，其中所述传感器还包括可操作地耦合到所述至少一个积分器的至少一个附加换能器，所述至少一个附加换能器被配置为将由所述至少一个积分器积分的所述电信号转换成所述输出信号。10.根据权利要求1所述的设备，其中所述信号包括光诱导电荷，并且其中所述输出信号包括电压。11.根据权利要求1所述的设备，其中所述芯片被包括在互补金属氧化物半导体(CMOS)集成电路(IC)中。12.根据权利要求1所述的设备，其中所述芯片还包括与所述传感器相邻的生物传感层，并且其中所述生物传感层包括与所述分析物特定结合的至少一个探针。13.根据权利要求12所述的设备，其中所述信号至少部分源自在所述分析物与所述至少一个探针结合时与所述分析物相关联的标记生成的光信号。14.根据权利要求13所述的设备，其中所述标记是荧光团。15.根据权利要求12所述的设备，其中所述信号至少部分源自在所述分析物与所述至少一个探针结合时来自所述至少一个探针或所述分析物的光信号或其变化。16.根据权利要求15所述的设备，其中所述至少一个探针包括能量供体并且所述分析
物包括能量受体。17.根据权利要求16所述的设备，其中所述能量供体是荧光团，并且其中所述能量受体是附加荧光团或猝灭剂。18.根据权利要求12所述的设备，其中所述生物传感层包括至少一个控制探针，并且其中所述传感器被配置为从所述至少一个控制探针收集控制信号并且使用所述控制信号标准化所述收集到的信号。19.根据权利要求18所述的设备，其中所述至少一个控制探针不与所述分析物结合或相互作用。20.根据权利要求12所述的设备，还包括反应室、可控流体单元、温度控制单元和数字单元。21.根据权利要求20所述的设备，其中所述反应室被配置为将所述溶液与所述芯片对接，并且其中所述对接包括所述分析物和所述芯片的所述生物传感层之间的相互作用。22.根据权利要求20所述的设备，其中所述可控流体单元被配置为将所述溶液的至少一部分传输进或传输出所述反应室。23.根据权利要求21所述的设备，其中所述数字单元被配置为接收或存储来自所述芯片的所述输出信号。24.根据权利要求1所述的设备，其中所述芯片被配置为在(iii)之前重复(i)
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(ii)多次。25.根据权利要求24所述的设备，其中所述输出信号是单个输出。26.一种用于检测溶液中分析物存在或不存在的方法，包括：(a)激活包括传感器的芯片，所述传感器包括电子快门，其中所述传感器被配置为(i)收集所述溶液在第一时间段内暴露于激发脉冲时产生的信号，(ii)借助所述电子快门，去除由所述激发脉冲在第二时间段内在所述传感器中产生的光诱导电荷，其中所述第二时间段不同于所述第一时间段，并且(iii)在去除所述光诱导电荷之后，产生至少部分源自所述信号的输出信号，其中所述输出信号指示所述分析物的所述存在或不存在；(b)借助所述电子快门，通过所述激发脉冲去除在所述第二时间段内在所述传感器中产生的所述光诱导电荷；(c)收集在所述第一时间段内将所述溶液暴露于所述激发脉冲时产生的所述信号；以及(d)在去除所述光诱导电荷之后，产生至少部分源自所述信号的所述输出信号，所述输出信号指示所述分析物的所述存在或不存在。27.根据权利要求26所述的方法，其中所述传感器是时间门控的荧光(TGF)光传感器。28.根据权利要求26所述的方法，还包括使用所述传感器对在(c)中收集的所述信号进行积分。29.根据权利要求26所述的方法，还包括重复(b)
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(c)一次或多次。30.根据权利要求29所述的方法，其中所述一次或多次包括大于或等于约100次。31.一种用于检测信号的设备，包括：包括传感器和电子快门的芯片，其中所述传感器被配置为(i)在给定时间段内检测所述信号，以及(ii)生成指示由所述信号产生的电荷的数据，并且其中所述电子快门被配置
为去除光诱导电荷，所述光诱导电荷包括在所述给定时间段之前的时间段内由激发脉冲产生的电荷；和读出电路，所述读出电路可操作地耦合到所述传感器，其中所述读出电路被配置为将所述数据从所述传感器传送到存储器。32.根据权利要求31所述的设备，其中所述读出电路是所述芯片的一部分。33.根据权利要求31或32所述的设备，其中所述存储器在所述读出电路的外部。34.根据权利要求31
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33中任一项所述的设备，其中所述芯片包括传感器阵列，所述传感器阵列包括多个可单独寻址的位置；其中所述传感器和所述电子快门设置在所述多个可单独寻址的位置中的第一位置上；和其中第二传感器和第二电子快门设置在所述多个可单独寻址的位置中的第二位置上。35.根据权利要求31
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34中任一项所述的设备，其中所述传感器还被配置为对由所述信号产生的所述电荷进行积分。36.根据权利要求31
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35中任一项所述的设备，其中所述传感器包括积分开关。37.根据权利要求36所述的设备，其中所述传感器包括至少一个光子电荷换能器和至少一个电荷积分器，并且其中所述至少一个积分开关位于所述至少一个光子电荷换能器和所述至少一个电荷积分器之间。38.根据权利要求31
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37中任一项所述的设备，其中所述芯片被包括在互补金属氧化物半导体(CMOS)集成电路(IC)中。39.根据权利要求31
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38中任一项所述的设备，其中所述芯片还包括与所述传感器相邻的生物传感层，并且其中所述生物传感层包括包含多个探针的表面。40.根据权利要求39所述的设备，其中荧光团附接到所述多个探针中的至少一个探针。41.根据权利要求39
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40中任一项所述的设备，其中所述多个探针包括至少一个控制探针。42.根据权利要求39
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41中任一项所述的设备，还包括反应室、可控流体系统、温度控制系统和数字系统。43.根据权利要求42所述的设备，其中所述反应室将样品与所述生物芯片对接，并且其中所述对接包括所述样品与所述芯片的所述生物传感层之间的相互作用。44.根据权利要求42或43所述的设备，其中所述可控流体系统将至少一种试剂传输进和/或传输出所述反应室。45.一种用于检测信号的方法，包括：(a)激活包括传感器和电子快门的芯片，其中所述传感器被配置为(i)在给定时间段内检测所述信号，以及(ii)生成指示由所述信号产生的电荷的数据，并且其中所述电子快门被配置为去除光诱导电荷，所述光诱导电荷包括在所述给定时间段之前的时间段内由激发脉冲产生的电荷；(b)在所述给定时间段之前的所述时间段内使用所述电子快门去除所述光诱导...

【专利技术属性】
技术研发人员：奥尔延，
申请(专利权)人：因斯利克萨公司，
类型：发明
国别省市：