CN119510370A 基于时间门控的荧光检测的方法和系统 （因斯利克萨公司）

202080036167.72020.03.13本公开提供用于基于时间门控的荧光检测2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，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(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(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(c)使用所述传感器在所述给定时间段内检测所述信号并生成指示由所述信号产生的3(a)激活包括表面的芯片和包括至少一个光传感器的集成电路(IC)，其中所述IC包括所述第一光诱导电荷包括在所述第一时间段期间由所述激发光脉冲(d)在所述第一时间段之后的第二时间段期间，测量在所述光传感器中产生的第二光(a)周期性地检测来自与所述芯片的表面相关联的分析物的一个或多个信号，其中所述一个或多个信号在使所述分析物经受所述光源期间或之(b)对在(a)中检测到的所述一个或多个信号的至少一个子集进行积分以生成积分信述光源期间或之后生成；(ii)对在(i)中检测到的所述一个或多个信号的至少一个子集进(c)使所述分析物经受所述光源期间或之后周期性地检测来自所述分析物的所述一个4时间门控的荧光检测的方法和系统”的中国[0003]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，[0004]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[0006]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测量光子通量的一种方法是量化探测器特定积分时间间获探针和/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5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[0010]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，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氧化物半导体(CMOS)集成电路(IC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6[0016](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[0017](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述输出信号指示所述分析物的所述存在或不存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；以及读出电路，所述加热器和温度控制系统控制所述多个可单独寻址的位置处7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电荷；(c)使用所述传感器在所述给定时间段内检测所述信号并生成指示由所述信号产生的所述电荷的所述数据；门，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，并且其中所述附加传感器和所述附加电子快门设置在所述可单独寻址的位置中的第二位法还包括在所述给定时间段之前的所述时间段内使用所述附加电子快门去除附加光诱导内由附加信号产生的附加电荷并生成指示由所述附加信号产生的所述附加电荷的附加数实施方式中，所述多个可独立寻址的位置包括大于或等于约100个位置。在一些实施方式8[0025]本公开的另一方面提供了一种用于操作时间门控的荧光(TGF)检测的方法，包括(a)激活包括表面的芯片和包括至少一个光传感器的集成电路(IC)，其中所述I在所述芯片中的子电路来进行所述积分。在一些实施方式中，所述方法进一步包括重复9器被配置为(i)周期性地检测来自与所述芯片的表面相关联的分析物的一个或多个信号，其中所述一个或多个信号在使所述分析物经受所述光源期间或之后生成；(ii)对在(i)中检测到的所述一个或多个信号的至少一个子集进行积分以产生积分信号；(iii)基于所述使所述分析物经受所述光源期间或之后周期性地检测来自所述分析物的所述一个或多个[0037]图3图示了示例时间门控荧光(TGF)互补金属氧化物半导体(CMOS)生物芯片的架[0042]图8A示出了根据本公开的实施方式之一的用于TGFCMOS生物芯片的生物感测层开的实施方式之一的用于TGFCMOS生物芯片的涂覆在具有薄膜屏障的生物传感层的表面8G示出了根据本公开的实施方式之一的用于TGFCMOS生物芯片的具有固定珠的微孔和微[0043]图9示出了根据本公开的实施方式之一的示例TGFCMOS生物芯片模块及其TGF像据本公开的实施方式之一的示例TGF像素及其专用抽取单元(dedicateddecimation[0045]图11示出了根据本公开的实施方式之一的示例TGF模式的光传感器像素示意图和[0046]图12示出了根据本公开的实施方式之一的示例TGF像素的测量的主要电学和光学[0048]图14示出了根据本公开的实施方式之一的示例TGFCMOS生物芯片的管芯显微照[0049]图15A图示了根据本公开的实施方式之一的示例六晶体管(6T)PCI_TGF像素的电[0050]图16示出了根据本公开的实施方式之一的示例PCI_TGF像素的时序图，其中通过嘧啶对应物)能够被解析。核苷酸可以是标记的或未标记。标记的核苷酸可产生可检测信是指各种长度的核苷酸(多核苷酸)的聚合形(DNA)。核苷酸序列的示例是对应于包括基因组DNA和信使RNA的天然或合成RNA或DNA的序品中的多种分析物。TGFCMOS生物芯片可以是具有可寻址位置的单片集成生物传感器阵号，其中每一个都通过引用完全并入本文。每个可寻址位置可包括独立操作的TGF光传感[0065]1.TGFCMOS生物芯片，其可以通过[0067]3.激发源，其可以将特定波长的光子通量以受控方[0069]6.TGF试剂和报告分子构建体，其可以通过反应[0073]A.CMOS集成电路(IC)，其可以包括嵌入在其单片集成半导体衬底中的以下功能像素耦合的分析物特定的局部TGF信号。子可以与反应室中的特定标靶/分析物或试剂特定结合或相互[0079]用于TGF生物芯片的集成CMOSIC的架构在图4中图示出。CMOS管芯包括2D光传感完全并入本文。可以使用行和列解码器顺序读取放置相同CMOS嵌入式TGF像素的光传感器[0080]该芯片还可能包括电阻加热器和温度传感器，以适应反应室的温度控制(例如，[0081]示例TGF像素的一般拓扑示于图5中。TGF从其生物传感层上的可寻址位置接收Fe和Fx，并且可以通过使用光子电荷换能器(包括横向光电二极管(例如，Cauwenberghs,G.等人，“Whichphotodiodetouse:AcomparisonofCMOS_compatiblestructures,”IEEEse2009)，或钉扎光电二极管器件(例如，Hondongw通过将PCT连接到电子快门电压源(Vs)将电荷完全移出PCT。第二个可能是积分开关(S1)，种方法的其他优点可能包括但不限于：·PCI_TGF中的一次读取可能等于常规TGF中的N个字对于生命科学研究中使用的大规模并行阵列[0089]PCI_TGF实现中的挑战可能围绕开关的电路和设备实现、在与TGF和CIE兼容的时[0091]本文提供的生物传感层可以包括有机层，该有机层可以创建在CMOSIC的顶部并后将TGF信号创建为探针标靶相互作用和/或被捕获标靶的结构的函数来实现T[0093]图8示出了与CMOSIC和TGF转导方法(包括PCI_TGF)兼容的生物传感结构的示[0097]反应室可以包括多个入口和出口以适应与可控流体系统的对接来插入或移除流[0101]本文提供的激发源可以包括能够产生具有可控和时变幅度的波长选择性光子通[0102]激发源中心波长可以在约200nm到1500nm之间的任何地方，例如，在约300nm到[0109]可控流体系统以由用户控制的方式将水性介质引入和/或移出和/或限制在反应程和顺序可由测定方法定义并且可以是例如流通和单向或却的温度分布。温度控制器可以包括使用CMOS生物芯片IC内的温度传感器和/或与反应室温度变化率最多可以为约[0122]TGF系统可能不需要激发和发射滤光器组或其他波长滤光器来传送分析物的期望情况下，可以在几乎没有或没有第一荧光团(寿命更短)干扰的情况下检测到第二荧光团息校准检测到的信号来估计或计算在存在第二荧光团(寿命更长)的情况下对应于第一荧门速度和待检测荧光团的荧光衰减率之间的重throughputscreeningtechnologyplatformsforprotein–proteininteractions,”digitalPCRinprecisionmedicine,”ExpertReviewofPrecisionMedicineand[0129]·在诊断测定中，可以使用设备来隔离标靶核酸，并且可以使用荧光团标记的[0130]TGF荧光团还可用作夹心测定中探针检测的标记。示例包括但不限于蛋白质免疫1(2):27_34,2012)和蛋白质阵列。[0137]TGF荧光团可用于标记固相且固定探针的应用。示例是反向荧光团测定(例如，A.Hassibi等人，“Multiplexedidentification,quantificationandgenotypingofinfectiousagentsusingasemiconductorbio[0138]TGF荧光团可用于在将靶分子引入反应试剂中的同时监控化学反应的测定。标靶Qin，Schneider和Brenner，“SequencingbyHybridizationofLongTargets,”PLoSOne.,7(5):e35819,2012[0140]核酸的序列信息可用于改善人们的生活。(参见，例如，AnLifeTechnologiesSOLiD平台和诸如来自PacificBiosciences的测序仪等实时测序仪。像素上都有光密度(OD)～5.8的集成发射滤光器和可寻址(独特的)固定探针(DNA)。具有Nwell_Psub光电二极管(充当PCT元件)的像素级光传感器设计为限制散粒噪声并提供>130dB的检测动态范围(DDR)。该生物芯片中还集成了温度控制和循环系统以适应热控制。[0144]芯片和120μm间距生物传感阵列中的TGF像素包括ΔΣ电流检测器，该检测器将光电流[0147]在图11中，描绘了TGF模式下的光感测像素的示意图和时序图。电容跨阻放大器当量化噪声不限制在100fA至1nA输入电流区域内时，添加的传感器噪声是散粒噪声的~光器的光电二极管外部量子效率(QE)分别示出0.4和3.69×10_7(OD～5.8)的通带和阻带[0153]这个示例示出了如何在需要高密度生物传感器像素阵列的应用(诸如DNASBS和[0154]图15A描绘了包括作为PCT的钉扎光电二极管(PPD)和两(2)个电荷传输栅极的六[0161]3.根据实施方式1所述的设备，其[0163]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[0164]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包括被配置为将来自所述溶液的光信号转换为所[0166]6.根据实施方式5所述的设备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[0169]9.根据实施方式7所述的设备，[0171]11.根据实施方式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[0173]13.根据实施方式12所述的设备，其述至少一个探针结合时与所述分析物相关联的标记生成[0175]15.根据实施方式12所述的设备，其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[0176]16.根据实施方式15所述的设备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[0179]19.根据实施方式18所述的设备[0181]21.根据实施方式20所述的设备，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[0182]22.根据实施方式20所述的设备，[0183]23.根据实施方式21所述的设备，其[0188](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[0189](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述输出信号指示所述分析物的所述存在或不存[0201]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[0202]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[0205]37.根据实施方式36所述的设[0208]40.根据实施方式39所述的设备，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[0212]44.根据实施方式42或43所述的设[0215](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电[0216](c)使用所述传感器在所述给定时间段内检测所述信号并生成指示由所述信号产[0222]50.根据实施方式48_49中任一项所述的方法，还包括使用所述芯片产生输出信[0225]53.根据实施方式52所述的方法，其门，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，并且其中所述附加传感器和所述附加电子快门设置在所述可单独寻址的位置中的第二位[0226]54.根据实施方式53所述的方法，还[0227]55.根据实施方式54所述的方法，时间段内由附加信号产生的附加电荷并生成指示由所述附加信号产生的所述附加电荷的[0228]56.根据实施方式55所述的方法其中所述第一光诱导电荷包括在所述第一时间段期间由所述激[0235](d)在所述第一时间段之后的第二时间段期间，测量在所述光传感器中产生的第[0237]60.根据实施方式59所述的方法，其[0248]71.根据实施方式70所述的[0251](a)周期性地检测来自与所述芯片的表面相关联的分析物的一个或多个信号，其[0252](b)对在(a)中检测到的所述一个或多个信号的至少一个子集进行积分以生成积[0254]73.根据实施方式72所述的设[0259]78.根据实施方式77所述的设备，其中[0262]81.根据实施方式72_80中任一项所述的设备，其中所述分析物固定在所述表面[0264]83.根据实施方式82所述的设备，其[0265]84.根据实施方式82或实施方式83所[0267]86.根据实施方式85所述的设备，其[0268]87.根据实施方式86所述的设备，其中所受所述光源期间或之后生成；(ii)对在(i)中检测到的所述一个或多个信号的至少一个子[0276](c)使所述分析物经受所述光源期间或之后周期性地检测来自所