ES2943159T3 - Instrumento óptico para análisis biológico - Google Patents

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Kuan Moon Boo
Tiong Han Toh
Mauro Aguanno
Soo Yong Lau
Huei Steven Yeo
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Abstract

Un instrumento 100 para análisis biológico, que comprende una fuente de excitación 402, un sensor óptico 490 configurado para recibir emisiones de una o más muestras biológicas 310 en respuesta a la fuente de excitación, un sistema óptico de excitación dispuesto a lo largo de un camino óptico de excitación y un sistema óptico de emisión. dispuestos a lo largo de un camino óptico de emisión. El sensor óptico está configurado para recibir emisiones de las muestras biológicas en respuesta a la fuente de excitación. Una cubierta 102 está dispuesta en el camino de excitación inmediatamente adyacente a la muestra, comprendiendo la cubierta una superficie que es iluminada por la luz de excitación y que refleja la radiación de la fuente de excitación. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Instrumento óptico para análisis biológico
Antecedentes de la invención
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un instrumento para analizar una o más muestras biológicas.
Sumario
Según un primer aspecto de la invención, se proporciona un instrumento tal como se menciona en la reivindicación 1 a continuación.
Las reivindicaciones dependientes definen realizaciones particulares de cada aspecto de la invención.
En la siguiente descripción, todas las apariciones de la palabra “realización/realizaciones”, si se refieren a combinaciones de características que no se encuentran dentro del alcance de al menos una de las reivindicaciones independientes, se refieren a ejemplos que se divulgaron originalmente en la solicitud tal como se presentó pero que no representan realizaciones de la invención reivindicada en el presente documento; estos ejemplos todavía se muestran con propósitos ilustrativos únicamente. Para que no quede lugar a dudas, el alcance de protección se define por las reivindicaciones adjuntas interpretadas según el artículo 69 CPE y el protocolo sobre la interpretación del artículo 69 CPE.
Descripción de la técnica relacionada
Los documentos WO 98/48262 A1, US 2010/233092 A1, US 2007/031290 A1, US 2011/057117 A1 y WO 03/098279 A2 forman parte del estado de la técnica relacionada con la presente divulgación.
Breve descripción de los dibujos
Las realizaciones de la presente invención pueden entenderse mejor a partir de la siguiente descripción detallada cuando se lee junto con los dibujos adjuntos. Tales realizaciones, que tienen propósitos ilustrativos únicamente, representan aspectos nuevos y no evidentes de la invención. Los dibujos incluyen las siguientes figuras:
La figura 1 es una representación esquemática de un sistema.
La figura 2 es una representación esquemática de una fuente de excitación.
La figura 3 es un gráfico de espectros normalizados de diversas fuentes de luz.
La figura 4 es un gráfico de integración espectral a lo largo de diversos intervalos de longitudes de onda para los espectros de fuentes de luz mostrados en la figura 3.
Las figuras 5 y 6 son vistas en perspectiva de un instrumento.
La figura 7 es una representación de modelo sólido de un sistema óptico y de procesamiento de muestras.
La figura 8 es una representación ampliada de modelo sólido del sistema óptico mostrado en la figura 7.
La figura 9 es una vista en despiece ordenado de una porción del sistema de procesamiento de muestras mostrado en la figura 7.
La figura 10 es una vista en sección de una porción del sistema óptico mostrado en la figura 7.
La figura 11 es una vista en perspectiva desde arriba de una unidad de obtención de imágenes.
La figura 12 es una vista en sección de la unidad de obtención de imágenes mostrada en la figura 11.
Las figuras 13 y 14 son vistas en perspectiva desde abajo de la unidad de obtención de imágenes mostrada en la figura 11.
Las figuras 15-17 son vistas ampliadas de porciones de la unidad de obtención de imágenes mostrada en la figura La figura 18 es una vista en sección del sistema mostrado en las figuras 6 y 8.
Las figuras 19 y 20 son representaciones esquemáticas de un sistema.
Descripción detallada de los dibujos
Tal como se usa en el presente documento, los términos “radiación” o “radiación electromagnética” significan energía radiante liberada por determinados procesos electromagnéticos que puede incluir una o más de luz visible (por ejemplo, energía radiante caracterizada por una o más longitudes de onda de entre 400 nanómetros y 700 nanómetros o entre 380 nanómetros y 800 nanómetros) o radiaciones electromagnéticas invisibles (por ejemplo, radiación infrarroja, infrarroja cercana, ultravioleta (UV), rayos X o rayos gamma).
Tal como se usa en el presente documento, una fuente de excitación significa una fuente de radiación electromagnética que puede dirigirse hacia al menos una muestra que contiene uno o más compuestos químicos de tal manera que la radiación electromagnética interacciona con la al menos una muestra para producir radiación electromagnética de emisión indicativa de una condición de la al menos una muestra. La fuente de excitación puede comprender una fuente de luz. Tal como se usa en el presente documento, el término “fuente de luz” se refiere a una fuente de radiación electromagnética que comprende un espectro electromagnético que tiene una salida máxima o de pico (por ejemplo, potencia, energía o intensidad) que está dentro de la banda de longitudes de onda visible del espectro electromagnético (por ejemplo, radiación electromagnética dentro de una longitud de onda en el intervalo de 400 nanómetros a 700 nanómetros o en el intervalo de 380 nanómetros a 800 nanómetros). De manera adicional o alternativa, la fuente de excitación puede comprender radiación electromagnética dentro de al menos una porción de las porciones infrarroja (infrarroja cercana, infrarroja media y/o infrarroja lejana) o ultravioleta (ultravioleta cercana y/o ultravioleta extrema) del espectro electromagnético. De manera adicional o alternativa, la fuente de excitación puede comprender radiación electromagnética en otras bandas de longitudes de onda del espectro electromagnético, por ejemplo, en las porciones de rayos X y/o de ondas de radio del espectro electromagnético. La fuente de excitación puede comprender una única fuente de luz, por ejemplo, una lámpara incandescente, una lámpara de descarga de gas (por ejemplo, lámpara de halógeno, lámpara de xenón, lámpara de argón, lámpara de criptón, etc.), un diodo emisor de luz (LED), un LED orgánico (OLED), un láser, o similares. La fuente de excitación puede comprender una pluralidad de fuentes de luz individuales (por ejemplo, una pluralidad de LED o láseres). La fuente de excitación también puede incluir uno o más filtros de excitación, tales como un filtro de paso alto, un filtro de paso bajo o un filtro de paso de banda. Por ejemplo, el filtro de excitación puede incluir un filtro coloreado y/o un filtro dicroico. La fuente de excitación comprende un único haz o una pluralidad de haces que están espacialmente y/o temporalmente separados.
Tal como se usa en el presente documento, una “emisión” significa una radiación electromagnética producida como resultado de una interacción de radiación a partir de una fuente de excitación con una o más muestras que contienen, o que se cree que contienen, una o más moléculas o compuestos químicos y/o biológicos de interés. La emisión puede deberse a una reflexión, refracción, polarización, absorción y/u otro efecto óptico por la muestra tras la radiación a partir de la fuente de excitación. Por ejemplo, la emisión puede comprender una luminiscencia o fluorescencia inducida por la absorción de la radiación electromagnética de excitación por una o más muestras. Tal como se usa en el presente documento, “luz de emisión” se refiere a una emisión que comprende un espectro electromagnético que tiene una salida máxima o de pico (por ejemplo, potencia, energía o intensidad) que está dentro de la banda visible del espectro electromagnético (por ejemplo, radiación electromagnética dentro de una longitud de onda en el intervalo de 420 nanómetros a 700 nanómetros).
Tal como se usa en el presente documento, una lente significa un elemento óptico configurado para dirigir o enfocar la radiación electromagnética incidente para converger o divergir tal radiación, por ejemplo, para proporcionar una imagen real o virtual, o bien a una distancia finita o bien a un infinito óptico. La lente puede comprender un único elemento óptico que tiene una potencia óptica proporcionada por la refracción, reflexión y/o difracción de la radiación electromagnética incidente. Alternativamente, la lente puede comprender un sistema compuesto que incluye una pluralidad de elementos ópticos, incluyendo, por ejemplo, pero sin limitarse a, una lente acromática, una lente doble, una lente triple o una lente de cámara. La lente puede estar al menos parcialmente alojada en o al menos parcialmente encerrada por una carcasa de lente o una montura de lente.
Tal como se usa en el presente documento, el término “potencia óptica” significa la capacidad de una lente u óptica para converger o divergir luz para proporcionar un foco (real o virtual) cuando se dispone dentro del aire. Tal como se usa en el presente documento, el término “distancia focal” significa el recíproco de la potencia óptica. Tal como se usa en el presente documento, el término “potencia de difracción” o “potencia óptica de difracción” significa la potencia de una lente u óptica, o una porción de las mismas, que puede atribuirse a la difracción de luz incidente en uno o más órdenes de difracción. Excepto cuando se indique lo contrario, la potencia óptica de una lente, óptica o elemento óptico procede de un plano de referencia asociado con la lente u óptica (por ejemplo, un plano principal de una óptica).
Tal como se usa en el presente documento, el término “muestra biológica” significa una muestra o disolución que contiene cualquier tipo de sustancia química o componente biológico y/o cualquier molécula diana de interés para un usuario, fabricante o distribuidor de las diversas realizaciones de la presente invención descritas o implícitas en el presente documento, así como cualquier muestra o disolución que contiene sustancias químicas o compuestos relacionados usados con el propósito de llevar a cabo una prueba, experimento o ensayo biológico. Estas sustancias químicas, componentes o moléculas diana biológicos pueden incluir, pero no se limitan a, secuencias de ADN (incluyendo ADN libre de células), secuencias de ARN, genes, oligonucleótidos, moléculas, proteínas, biomarcadores, células (por ejemplo, células tumorales circulantes) o cualquier otra biomolécula diana adecuada. Una muestra biológica puede comprender uno o más de al menos una secuencia de ácido nucleico diana, al menos un cebador, al menos un tampón, al menos un nucleótido, al menos una enzima, al menos un detergente, al menos un agente bloqueante o al menos un colorante, marcador y/o sonda adecuados para detectar una secuencia de ácido nucleico diana o de referencia. En diversas realizaciones, tales componentes biológicos pueden usarse junto con uno o más métodos y sistemas de PCR en aplicaciones tales como diagnóstico fetal, dPCR múltiple, detección de virus, y patrones de cuantificación, genotipado, ensayos, experimentos o protocolos de secuenciación, validación de secuenciación, detección de mutaciones, detección de organismos genéticamente modificados, detección de alelos raros y/o variación del número de copias.
Según las realizaciones de la presente invención, una o más muestras o disoluciones que contienen al menos una diana biológica de interés pueden estar contenidas en, distribuidas entre, o divididas entre, una pluralidad de volúmenes de muestra o regiones de reacción pequeños (por ejemplo, volúmenes o regiones de menos de o igual a 10 nanolitros, de menos de o igual a 1 nanolitro o de menos de o igual a 100 picolitros). Se ilustra generalmente que las regiones de reacción divulgadas en el presente documento están contenidas en pocillos ubicados en un material de sustrato; sin embargo, otras formas de regiones de reacción según las realizaciones de la presente invención pueden incluir regiones de reacción ubicadas dentro de orificios pasantes o indentaciones formados en un sustrato, puntos de disolución distribuidos sobre la superficie de un sustrato, muestras o disoluciones ubicadas dentro de sitios o volúmenes de prueba de un sistema capilar o microfluídico, o dentro de o sobre una pluralidad de microperlas o microesferas.
Aunque los instrumentos según las realizaciones de la presente invención están destinados generalmente a dPCR y qPCR, las realizaciones de la presente invención pueden ser aplicables a cualquier proceso, experimento, ensayo o protocolo de PCR en el que se procesa, observa y/o mide un gran número de regiones de reacción. En un ensayo o experimento de dPCR según las realizaciones de la presente invención, una disolución diluida que contiene al menos una secuencia de polinucleótidos o nucleótidos diana se subdivide en una pluralidad de regiones de reacción, de tal manera que al menos parte de estas regiones de reacción contiene o bien una molécula de la secuencia de nucleótidos diana o bien ninguna de las secuencias de nucleótidos diana. Cuando las regiones de reacción se someten posteriormente a termociclado en un protocolo, procedimiento, ensayo, proceso o experimento de PCR, las regiones de reacción que contienen la una o más moléculas de la secuencia de nucleótidos diana se amplifican en gran medida y producen una señal de detección detectable positiva, mientras que aquellas que no contienen ninguna de las secuencias de nucleótidos diana no se amplifican ni producen una señal de detección, o producen una señal que está por debajo de un nivel de ruido o umbral predeterminado. Usando estadística de Poisson, el número de secuencias de nucleótidos diana en una disolución original distribuida entre las regiones de reacción puede correlacionarse con el número de regiones de reacción que producen una señal de detección positiva. En algunas realizaciones, la señal detectada puede usarse para determinar un número, o intervalo de números, de moléculas diana contenidas en la disolución original. Por ejemplo, un sistema de detección puede estar configurado para distinguir entre regiones de reacción que contienen una molécula diana y regiones de reacción que contienen dos o al menos dos moléculas diana. De manera adicional o alternativa, el sistema de detección puede estar configurado para distinguir entre regiones de reacción que contienen un número de moléculas diana que es, o está por debajo de, una cantidad predeterminada y regiones de reacción que contienen más de la cantidad predeterminada. En determinadas realizaciones, los procesos, ensayos o protocolos tanto de qPCR como de dPCR se llevan a cabo usando los mismos dispositivos, instrumentos, o sistemas, y métodos.
Haciendo referencia a la figura 1, un sistema, aparato o instrumento 100 para análisis biológico comprende uno o más de un controlador, ordenador o procesador 200 electrónico, una base, montura o conjunto 300 de bloques de muestra configurado para recibir y/o procesar una muestra biológica o bioquímica, y/o un sistema, aparato o instrumento 400 óptico. Sin limitar el alcance de la presente invención, el sistema 100 puede comprender un instrumento de secuenciación, un instrumento de reacción en cadena de la polimerasa (PCR) (por ejemplo, un instrumento de PCR en tiempo real (qPCR) y/o un instrumento de PCR digital (dPCR)), un instrumento de electroforesis capilar, un instrumento para proporcionar información sobre genotipado, o similares.
El procesador 200 electrónico está configurado para controlar, monitorizar y/o recibir datos a partir del sistema 400 óptico y/o la base 300. El procesador 200 electrónico puede estar físicamente integrado en el sistema 400 óptico y/o la base 300. De manera adicional o alternativa, el procesador 200 electrónico puede estar separado del sistema 400 óptico y la base 300, por ejemplo, un ordenador de sobremesa externo, un ordenador portátil, un miniordenador portátil, una tableta, o similares. La comunicación entre el procesador 200 electrónico y el sistema 400 óptico y/o la base 300 puede lograrse directamente a través de una conexión física, tal como un cable de USB o similar, y/o indirectamente a través de una conexión inalámbrica o de red (por ejemplo, a través de una conexión a Wi-Fi, una red de área local, una conexión a Internet, una conexión a la nube, o similares). El procesador 200 electrónico puede incluir un almacenamiento de memoria electrónica que contiene instrucciones, rutinas, algoritmos, parámetros de prueba y/o configuración, datos de prueba y/o experimentales, o similares. El procesador 200 electrónico puede estar configurado, por ejemplo, para hacer funcionar diversos componentes del sistema 400 óptico o para obtener y/o procesar datos proporcionados por la base 300. Por ejemplo, el procesador 200 electrónico puede usarse para obtener y/o procesar datos ópticos proporcionados por uno o más fotodetectores del sistema 400 óptico.
En determinadas realizaciones, el procesador 200 electrónico puede estar integrado en el sistema 400 óptico y/o la base 300. El procesador 200 electrónico puede comunicarse con un ordenador externo y/o transmitir datos a un ordenador externo para su procesamiento adicional, por ejemplo, usando una conexión por hardware, una red de área local, una conexión a Internet, un sistema de computación en la nube, o similares. El ordenador externo puede ser un ordenador físico, tal como un ordenador de sobremesa, un ordenador portátil, un miniordenador portátil, una tableta, o similares, que está ubicado en o cerca del sistema 100. De manera adicional o alternativa, cualquiera o ambos del ordenador externo y el procesador 200 electrónico puede comprender un dispositivo o sistema virtual, tal como un sistema de almacenamiento o computación en la nube. Los datos pueden transferirse entre los dos a través de una conexión inalámbrica, un sistema de almacenamiento o computación en la nube, o similares. De manera adicional o alternativa, los datos a partir del procesador 200 electrónico (por ejemplo, a partir del sistema 400 óptico y/o la base 300) pueden transferirse a un dispositivo de almacenamiento de memoria externa, por ejemplo, un disco duro externo, un módulo de memoria USB, un sistema de almacenamiento en la nube, o similares.
En determinadas realizaciones, la base 300 está configurada para recibir un portador de muestras o portamuestras 305. El portamuestras 305 puede comprender una pluralidad o matriz de ubicaciones, sitios o regiones 308 de reacción espacialmente separados para contener una pluralidad o matriz correspondiente de muestras 310 biológicas o bioquímicas. Las regiones 308 de reacción pueden comprender cualquier pluralidad de volúmenes o ubicaciones que aíslan, o están configurados para aislar, la pluralidad de muestras 310 biológicas o bioquímicas. Por ejemplo, las regiones 308 de reacción pueden comprender una pluralidad de orificios pasantes o pocillos en un sustrato o conjunto (por ejemplo, pocillos de muestra en una placa de microtitulación convencional), una pluralidad de perlas, microperlas o microesferas de muestra en un canal, capilar o cámara, una pluralidad de ubicaciones distintas en una célula de flujo, una pluralidad de puntos de muestra sobre una superficie de sustrato, o una pluralidad de pocillos u orificios configurados para recibir un portamuestras (por ejemplo, las cavidades en un conjunto de bloques de muestra configurado para recibir una placa de microtitulación).
La base 300 puede comprender un conjunto de bloques de muestra configurado para controlar la temperatura del portamuestras 305 y/o de las muestras 310 biológicas. El conjunto 300 de bloques de muestra puede comprender uno o más de un bloque de muestra, un dispositivo Peltier u otro aparato para controlar o ciclar la temperatura, y/o un disipador de calor (por ejemplo, para ayudar a estabilizar la temperatura). La base 300 puede comprender un controlador térmico o termociclador, por ejemplo, para proporcionar o realizar un ensayo de PCR.
El aparato 300 de reacción puede incluir un portamuestras 305. Al menos parte de las regiones 308 de reacción puede incluir la una o más muestras 310 biológicas. Las muestras 310 biológicas o bioquímicas pueden incluir uno o más de al menos una secuencia de ácido nucleico diana, al menos un cebador, al menos un tampón, al menos un nucleótido, al menos una enzima, al menos un detergente, al menos un agente bloqueante o al menos un colorante, marcador y/o sonda adecuados para detectar una secuencia de ácido nucleico diana o de referencia. El portamuestras 305 puede estar configurado para realizar al menos uno de un ensayo de PCR, un ensayo de secuenciación, o un ensayo de electroforesis capilar, un ensayo de transferencia. En determinadas realizaciones, el portamuestras 305 puede comprender uno o más de una placa de microtitulación, un sustrato que comprende una pluralidad de pocillos u orificios pasantes, un sustrato que comprende uno o más canales o capilares, o una cámara que comprende una pluralidad de perlas o esferas que contienen la una o más muestras biológicas. Las regiones 308 de reacción pueden comprender uno o más de una pluralidad de pocillos, una pluralidad de orificios pasantes en el sustrato, una pluralidad de ubicaciones distintas sobre un sustrato o dentro de un canal o capilar, una pluralidad de microperlas o microesferas dentro de un volumen de reacción, o similares. El portamuestras 305 puede comprender una placa de microtitulación, por ejemplo, en la que las regiones 308 de reacción pueden comprender al menos 96 pocillos, al menos 384 pocillos o al menos 1536 pocillos.
En determinadas realizaciones, el portamuestras 305 puede comprender un sustrato que incluye una primera superficie, una segunda superficie opuesta y una pluralidad de orificios pasantes dispuestos entre las superficies, estando la pluralidad de orificios pasantes configurados para contener la una o más muestras biológicas, por ejemplo, tal como se comenta en las publicaciones de solicitud de patente n.os US 2014-0242596 y WO 2013/138706. En tales realizaciones, el sustrato puede comprender al menos 3096 orificios pasantes o al menos 20.000 orificios pasantes. En determinadas realizaciones, el portamuestras 305 puede comprender una matriz de capilares configurados para hacer pasar una o más moléculas o secuencias de moléculas diana.
En determinadas realizaciones, el sistema 100 puede incluir opcionalmente una cubierta 102 calentada o de temperatura controlada que puede estar dispuesta por encima del portamuestras 305 y/o la base 300. La cubierta 102 calentada puede usarse, por ejemplo, para prevenir la condensación por encima de las muestras contenidas en el portamuestras 305, lo que puede ayudar a mantener el acceso óptico a las muestras 310 biológicas.
En determinadas realizaciones, el sistema 400 óptico comprende una fuente de luz, fuente de radiación, fuente de iluminación o fuente 402 de excitación que produce al menos un primer haz 405a de excitación caracterizado por una primera longitud de onda y un segundo haz 405b de excitación caracterizado por una segunda longitud de onda que es diferente de la primera longitud de onda. El sistema 400 óptico también comprende un detector óptico o sensor 408 óptico configurado para recibir emisiones o radiación a partir de una o más muestras biológicas en respuesta a una fuente 410 de excitación y/o a uno o más de los haces 405a, 405b de excitación. El sistema 400 óptico comprende adicionalmente un sistema 410 óptico de excitación dispuesto a lo largo de una trayectoria 412 óptica de excitación entre la fuente 402 de excitación y una o más muestras biológicas que van a iluminarse. El sistema 400 óptico comprende además un sistema 415 óptico de emisión dispuesto a lo largo de una trayectoria 417 óptica de emisión entre la(s) muestra(s) iluminada(s) y el sensor 408 óptico. En determinadas realizaciones, el sistema 400 óptico puede comprender un divisor 420 de haz. El sistema 400 óptico puede incluir opcionalmente un deflector de radiación o trampa 422 de haz configurado para reducir o prevenir la reflexión de radiación en la trayectoria 417 óptica de emisión a partir de la fuente 402 de excitación que incide en el divisor 420 de haz.
En la realización ilustrada mostrada en la figura 1, así como otras realizaciones de la invención divulgadas en el presente documento, la fuente 402 de excitación comprende una fuente 425 de radiación. La fuente 425 de radiación puede comprender uno o más de al menos una lámpara incandescente, al menos una lámpara de descarga de gas, al menos un diodo emisor de luz (LED), al menos un diodo emisor de luz orgánico y/o al menos un láser. Por ejemplo, la fuente 425 de radiación puede comprender al menos una lámpara de halógeno, una lámpara de xenón, una lámpara de argón, una lámpara de criptón, un láser de diodo, un láser de argón, un láser de xenón, un láser de excímeros, un láser de estado sólido, un láser de helio-neón, un láser de colorante, o combinaciones de los mismos. La fuente 425 de radiación puede comprender una fuente de luz caracterizada por una longitud de onda máxima o central en la banda visible del espectro electromagnético. De manera adicional o alternativa, la fuente 425 de radiación puede comprender una fuente ultravioleta, infrarroja o infrarroja cercana con una longitud de onda máxima o central correspondiente dentro de una de esas bandas de longitudes de onda del espectro electromagnético. La fuente 425 de radiación puede ser una fuente de banda ancha, por ejemplo, que tiene una anchura de banda espectral de al menos 100 nanómetros, al menos 200 nanómetros o al menos 300 nanómetros, en la que la anchura de banda se define como un intervalo a lo largo del cual la salida de intensidad, energía o potencia es mayor que una cantidad predeterminada (por ejemplo, en la que la cantidad predeterminada es, o es aproximadamente, el 1%, el 5% o el 10% de una longitud de onda máxima o central de la fuente de radiación). La fuente 402 de excitación puede comprender adicionalmente una lente 428 de fuente configurada para condicionar las emisiones a partir de la fuente 425 de radiación, por ejemplo, para aumentar la cantidad de radiación de excitación recibida en el portamuestras 305 y/o en las muestras 310 biológicas. La lente 428 de fuente puede comprender una lente sencilla o puede ser una lente compuesta que incluye dos o más elementos.
En determinadas realizaciones, la fuente 402 de excitación comprende además dos o más filtros 430 de excitación que pueden moverse dentro y fuera de la trayectoria 412 óptica de excitación, por ejemplo, usados en combinación con una fuente 402 de excitación de banda ancha. En tales realizaciones, pueden usarse filtros 430 de excitación diferentes para seleccionar intervalos de longitudes de onda o canales de excitación diferentes adecuados para inducir fluorescencia a partir de un colorante o marcador respectivo dentro de las muestras 310 biológicas. Uno o más de los filtros 430 de excitación pueden tener una anchura de banda de longitudes de onda que es de al menos ±10 nanómetros o al menos ±15 nanómetros. Los filtros 430 de excitación pueden comprender una pluralidad de filtros que, juntos, proporcionan una pluralidad de pases de banda adecuados para provocar la fluorescencia de uno o más de un colorante o sonda SYBR®, un colorante o sonda FAM™, un colorante o sonda VIC®, un colorante o sonda ROX™ o un colorante o sonda TAMRA™. Los filtros 430 de excitación pueden disponerse en una rueda de filtros rotatoria (no mostrada) u otro dispositivo o aparato adecuado que proporcione diferentes canales de excitación usando la fuente 402 de excitación. En determinadas realizaciones, los filtros 430 de excitación comprenden al menos 5 filtros o al menos 6 filtros.
En determinadas realizaciones, la fuente 402 de excitación puede comprender una pluralidad de fuentes de excitación individuales que pueden combinarse usando uno o más divisores de haz o combinadores de haz, de tal manera que la radiación a partir de cada fuente de excitación individual se transmite a lo largo de una trayectoria óptica común, por ejemplo, a lo largo de la trayectoria 412 óptica de excitación mostrada en la figura 1. Alternativamente, al menos parte de las fuentes de excitación individuales puede disponerse para proporcionar haces de excitación que se propagan a lo largo de trayectorias ópticas no solapantes diferentes, por ejemplo, para iluminar diferentes regiones de reacción de la pluralidad de regiones 308 de reacción. Cada una de las fuentes de excitación individuales pueden dirigirse, activarse o seleccionarse para iluminar las regiones 308 de reacción, por ejemplo, o bien individualmente o bien en grupos o bien todas simultáneamente. En determinadas realizaciones, las fuentes de excitación individuales pueden disponerse en una matriz unidimensional o bidimensional, en la que una o más de las fuentes de excitación individuales están caracterizadas por una longitud de onda máxima o central que es diferente de la de al menos una de las demás fuentes de excitación individuales en la matriz.
En determinadas realizaciones, el primer haz 405a de excitación comprende un primer intervalo de longitudes de onda a lo largo del cual la intensidad, potencia o energía del primer haz 405a de excitación está por encima de un primer valor predeterminado y el segundo haz 405b de excitación comprende un segundo intervalo de longitudes de onda a lo largo del cual la intensidad, potencia o energía del segundo haz 405b de excitación está por encima de un segundo valor predeterminado. La longitud de onda característica de los haces 405a, 405b de excitación puede ser una longitud de onda central del intervalo de longitudes de onda correspondiente o una longitud de onda de intensidad, potencia o energía electromagnética máxima a lo largo del intervalo de longitudes de onda correspondiente. Las longitudes de onda centrales de al menos uno de los haces 405 de excitación pueden ser una longitud de onda promedio a lo largo del intervalo de longitudes de onda correspondiente. Para cada haz 405 de excitación (por ejemplo, haces 405a, 405b de excitación), el valor predeterminado puede ser menor del 20% de la intensidad, potencia o energía máxima correspondiente; menor del 10% de la intensidad, potencia o energía máxima correspondiente; menor del 5% de la intensidad, potencia o energía máxima correspondiente; o menor del 1% de la intensidad, potencia o energía máxima correspondiente. Los valores predeterminados pueden ser iguales para todos los haces 405 de excitación (por ejemplo, para ambos haces 405a, 405b de excitación) o los valores predeterminados pueden ser diferentes entre sí. En determinadas realizaciones, los intervalos de longitudes de onda de los haces 405a, 405b de excitación primero y segundo no se solapan, mientras que en otras realizaciones al menos uno de los intervalos de longitudes de onda se solapa al menos parcialmente con el otro. En determinadas realizaciones, las longitudes de onda centrales primera y segunda están separadas por al menos 20 nanómetros. En determinadas realizaciones, al menos uno de los intervalos de longitudes de onda primero y segundo tiene un valor de al menos 20 nanómetros o al menos 30 nanómetros.
El sistema 410 óptico de excitación está configurado para dirigir los haces 405a, 405b de excitación a las una o más muestras biológicas. Cuando sea aplicable, las referencias en el presente documento a los haces 405a, 405b de excitación pueden aplicarse a una realización que comprende más de dos haces 405 de excitación. Por ejemplo, la fuente 402 de excitación puede estar configurada para dirigir al menos cinco o seis haces 405 de excitación. Los haces 405a, 405b de excitación pueden producirse o proporcionarse simultáneamente, pueden estar temporalmente separados y/o pueden estar espacialmente separados (por ejemplo, en los que el haz 405a de excitación se dirige a una región 308 de reacción y el haz 405b de excitación se dirige a una región 308 de reacción diferente). Los haces 405 de excitación pueden producirse secuencialmente, por ejemplo, encendiendo y apagando secuencialmente fuentes 425 de radiación individuales de diferentes colores que están caracterizadas por longitudes de onda diferentes o colocando secuencialmente filtros de colores diferentes enfrente de una única fuente 425 de radiación. Alternativamente, los haces 405a, 405b de excitación pueden producirse simultáneamente, por ejemplo, usando un filtro de banda de múltiples longitudes de onda, un divisor de haz o un espejo, o acoplando juntas diferentes fuentes 425 de radiación individuales, tales como dos diodos emisores de luz (LED) de diferentes colores. En algunas realizaciones, la fuente 402 de excitación produce más de dos haces 405 de excitación, en la que el sistema 410 óptico de excitación dirige cada uno de los haces de excitación a una o más muestras 310 biológicas.
Haciendo referencia a la figura 2, la fuente 402 de excitación puede comprender al menos 5 fuentes 425a, 425b, 425c, 425d, 425e radiantes individuales que se combinan para transmitir a lo largo de una trayectoria 412 óptica de excitación común. La fuente 402 de excitación también puede comprender lentes 428a, 428b, 428c, 428d, 428e de fuente correspondientes. La radiación a partir de las fuentes 425a, 425b, 425c, 425d, 425e radiantes puede combinarse usando una pluralidad de elementos 429a, 429b, 429c ópticos de combinador. Los elementos 429a, 429b, 429c ópticos de combinador pueden comprender uno o más de un filtro de densidad neutra, un divisor de haz 50/50, un espejo o filtro dicroico, un divisor de haz cúbico, o similares. Los elementos 429a, 429b, 429c ópticos de combinador son un ejemplo de cómo combinar diversas fuentes 425 individuales y se apreciará que otras combinaciones y disposiciones geométricas de fuentes 425 radiantes individuales y elementos 429 ópticos de combinador están dentro del alcance de las realizaciones de la presente invención. Una o más de las fuentes 425a, 425b, 425c, 425d, 425e radiantes individuales pueden estar caracterizadas por una longitud de onda central y/o un intervalo de longitudes de onda que difieren de los de las demás fuentes 425a, 425b, 425c, 425d, 425e radiantes individuales.
Haciendo referencia a las figuras 3-4, la distribución espectral de la fuente 425 de radiación puede seleccionarse de una manera no evidente para permitir al menos cinco haces 405 de excitación de colores o canales de excitación diferentes que van a usarse con un divisor 420 de haz común, al tiempo que se mantiene simultáneamente un rendimiento de datos aceptable o predeterminado para todos los canales de excitación, por ejemplo, durante cada ciclo del ensayo de qPCR. Tal como se usa en el presente documento, el término “canal de excitación” significa cada una de las varias bandas de longitudes de onda electromagnéticas distintas proporcionadas por una fuente de excitación (por ejemplo, fuente 402 de excitación) que están configuradas para iluminar una o más muestras biológicas (por ejemplo, muestras 310 biológicas). Tal como se usa en el presente documento, el término “canal de emisión” significa cada una de las varias bandas de longitudes de onda de emisión distintas a lo largo de las cuales se permite que pase la radiación electromagnética sobre un detector o sensor óptico (por ejemplo, sensor 408 óptico).
La figura 3 muestra la energía relativa a lo largo del espectro de longitudes de onda para tres fuentes de radiación diferentes. El gráfico de línea discontinua es el espectro de una lámpara de halógeno (denominada en el presente documento “fuente 1”) caracterizada por niveles de energía relativamente bajos en el intervalo de longitudes de onda del azul del espectro visible y energía creciente hasta un pico a aproximadamente 670 nanómetros. El gráfico de espectro de línea mixta es el de una fuente de luz de LED disponible comercialmente (denominada en el presente documento “fuente 2”), que tiene una energía de pico a alrededor de 450 nanómetros y un pico más bajo de desde aproximadamente 530 nanómetros hasta aproximadamente 580 nanómetros, luego energía constantemente decreciente hacia el intervalo de longitudes de onda del rojo del espectro visible. El gráfico de línea continua es el espectro de otra fuente de luz de LED (denominada en el presente documento “fuente 3”) según una realización de la presente invención (por ejemplo, un espectro a modo de ejemplo para la fuente 402 de excitación). La figura 4 muestra la energía integrada a lo largo de diversos canales de excitación para cada una de las tres fuentes mostradas en la figura 3, en la que los espectros para estos canales son aquellos de un filtro de excitación típico usado en el campo de qPCR. Los intervalos de longitudes de onda y las designaciones de filtro de excitación se muestran a continuación en la tabla 1, en la que X1 es el canal de excitación 1, X2 es el canal de excitación 2, y así sucesivamente.
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Tabla 1. Anchura de banda espectral de los filtros de excitación usados en la figura 4.
En el campo de qPCR, un parámetro de rendimiento importante es el tiempo total hasta obtener datos de emisión para muestras que contienen múltiples colorantes diana. Por ejemplo, en algunos casos es deseable obtener datos de emisión a partir de múltiples colorantes o sondas a lo largo de uno o más canales de emisión, designados M1-M6, para cada canal de excitación usado para iluminar la(s) muestra(s) (por ejemplo, M1-M6 con X1, M2-M6 con X2, M3-M6 con X3, M4-M6 con X4, M5-M6 con X5 y/o M6 con X6). Los inventores han hallado que, cuando se usa la fuente 2 en un sistema que tiene un único divisor de haz de banda ancha para cinco o seis canales de filtro de excitación/emisión (por ejemplo, canales de excitación X1-X6 con combinaciones de canales de emisión M1-M6), la cantidad de tiempo hasta obtener datos para el canal de excitación 5 y/o canal de excitación 6 puede ser inaceptablemente largo para determinadas aplicaciones. Para remediar esta situación, es posible usar uno o más divisores de haz dicroicos de banda estrecha para los canales de excitación 1 y/o 2 para aumentar la cantidad de luz de excitación recibida por la(s) muestra(s) y la cantidad de luz de emisión recibida por el sensor (de modo que la eficiencia óptica global se aumenta usando un divisor de haz dicroico, en este caso). Sin embargo, esto excluye el uso de una disposición de divisor de haz único, tal como se muestra en la figura 1, y, por tanto, se pierden las ventajas correspondientes de una configuración de divisor de haz único (por ejemplo, tamaño, coste, complejidad reducidos). Se ha descubierto una mejor solución, en la que se usa una fuente de luz, tal como la fuente 3, en combinación con un único divisor de haz (por ejemplo, un divisor de haz de banda ancha tal como un divisor de haz 50/50), tal como el divisor 420 de haz. Se ha hallado que la energía relativa en los canales de excitación X1, X5 y/o X6 puede usarse para identificar una fuente 402 de excitación adecuada para su uso con una realización de divisor de haz único para proporcionar un tiempo de integración total aceptable para recopilar datos de emisión a lo largo de los cinco o seis canales de excitación. Usando la fuente 2 de LED y la fuente 3 de LED como ejemplos, pueden derivarse los siguientes datos mostrados en la tabla 2 a continuación para los datos mostrados en las figuras 3 y 4.
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Tabla 2. Intensidad de LED normalizada de cada canal de filtro con normalización con respecto al canal 2.
Basándose en tales datos, los inventores han hallado que, en determinadas realizaciones, puede obtenerse un rendimiento mejorado (por ejemplo, en cuanto a tiempo de integración de canal 1 más corto) cuando X1/X2 es mayor de 2,02 (por ejemplo, mayor de o igual a 3). De manera adicional o alternativa, en otras realizaciones, puede obtenerse un rendimiento mejorado (por ejemplo, en cuanto a tiempo de integración de canal 1 más corto) cuando X5/X2 es mayor de 0,49 (por ejemplo, mayor de o igual a 0,9) y/o cuando X6/X2 es mayor de 0,38 (por ejemplo, mayor de o igual a 0,9). Para los criterios expuestos en este caso, “X1” significa un canal de excitación que tiene una salida espectral caracterizada por una potencia, energía o intensidad máxima dentro de la banda de longitudes de onda que incluye 455-485 nanómetros; “X2” significa un canal de excitación que tiene una salida espectral caracterizada por una potencia, energía o intensidad máxima dentro de la banda de longitudes de onda que incluye 510-530 nanómetros; “X5” significa un canal de excitación que tiene una salida espectral caracterizada por una potencia, energía o intensidad máxima dentro de la banda de longitudes de onda que incluye 630,5­ 649,5 nanómetros; “X6” significa un canal de excitación que tiene una salida espectral caracterizada por una potencia, energía o intensidad máxima dentro de la banda de longitudes de onda que incluye 650-674 nanómetros
Haciendo referencia de nuevo a la figura 1, los haces 405 de excitación se dirigen a lo largo de la trayectoria 412 óptica de excitación durante el funcionamiento hacia la base 300 de procesamiento de muestras, por ejemplo, hacia las regiones 308 de reacción cuando está presente el portamuestras 305. Cuando está presente, la lente 428 de fuente está configurada para condicionar los haces 405 de excitación, por ejemplo, para capturar y dirigir una gran porción de la radiación emitida desde la fuente 402 de excitación. En determinadas realizaciones, pueden incorporarse uno o más espejos 432 (por ejemplo, espejos plegables) a lo largo de la trayectoria 412 óptica de excitación, por ejemplo, para hacer que el sistema 400 óptico sea más compacto y/o para proporcionar dimensiones de envase predeterminadas. La figura 1 ilustra un espejo 432; sin embargo, pueden usarse espejos adicionales, por ejemplo para cumplir las restricciones de diseño de envasado. Tal como se comenta en mayor detalle a continuación en el presente documento, pueden estar dispuestas lentes adicionales cerca del portamuestras 305, por ejemplo, con el fin de condicionar adicionalmente los haces 405 de excitación y/o las emisiones correspondientes a partir de las muestras biológicas contenidas en una o más regiones de reacción.
El sistema 415 óptico de emisión está configurado para dirigir las emisiones desde la una o más muestras biológicas hasta el sensor 408 óptico. Al menos parte de las emisiones puede comprender una emisión fluorescente a partir de al menos parte de las muestras biológicas en respuesta a al menos uno de los haces 405 de excitación. De manera adicional o alternativa, al menos parte de las emisiones comprende radiación a partir de al menos uno de los haces 405 de excitación que se refleja, refracta, difracta, dispersa o polariza por al menos parte de las muestras biológicas. En determinadas realizaciones, el sistema 415 óptico de emisión comprende uno o más filtros 435 de emisión configurados, por ejemplo, para bloquear la radiación de excitación reflejada o dispersada hacia la trayectoria 417 óptica de emisión. En determinadas realizaciones, hay un filtro 435 de emisión correspondiente para cada filtro 430 de excitación. Haciendo referencia a la figura 8, en determinadas realizaciones, el filtro 430 de excitación está dispuesto en una rueda 431 de filtros de excitación y/o los filtros 435 de emisión están dispuestos en una rueda 436 de filtros de emisión.
En determinadas realizaciones, el sistema 415 óptico de emisión comprende una lente 438 de sensor configurada para dirigir las emisiones a partir de al menos parte de las muestras biológicas sobre el sensor 408 óptico. El sensor 408 óptico puede comprender un único elemento de sensor, por ejemplo, un detector de fotodiodo o un tubo fotomultiplicador, o similares. De manera adicional o alternativa, el sensor 408 óptico puede comprender un sensor de matriz que incluye una matriz de sensores o píxeles. El sensor 408 de matriz puede comprender uno o más de un sensor de semiconductor de óxido de metal complementario (CMOS), un sensor de dispositivo de carga acoplada (CCD), una pluralidad de detectores de fotodiodo, una pluralidad de tubos fotomultiplicadores, o similares. La lente 438 de sensor puede estar configurada para formar una imagen a partir de las emisiones a partir de una o más de la pluralidad de muestras 310 biológicas. En determinadas realizaciones, el sensor 408 óptico comprende dos o más sensores 408 de matriz, por ejemplo, en los que se forman dos o más imágenes a partir de las emisiones a partir de una o más de la pluralidad de muestras 310 biológicas. En tales realizaciones, las emisiones a partir de una o más de la pluralidad de muestras 310 biológicas pueden dividirse para proporcionar dos señales de la una o más de la pluralidad de muestras 310 biológicas. En determinadas realizaciones, el sensor óptico comprende al menos dos sensores de matriz.
El divisor 420 de haz está dispuesto a lo largo de ambas trayectorias 412, 417 ópticas de excitación y de emisión y está configurado para recibir ambos haces 405a, 405b de excitación primero y segundo durante el funcionamiento. En la realización ilustrada mostrada en la figura 1, el divisor 420 de haz está configurado para transmitir los haces 405 de excitación y para reflejar las emisiones a partir de las muestras 310 biológicas. Alternativamente, el divisor 420 de haz puede estar configurado para reflejar los haces de excitación y para transmitir las emisiones a partir de las muestras 310 biológicas. En determinadas realizaciones, el divisor 420 de haz comprende un divisor de haz de banda ancha que tiene la misma, o aproximadamente la misma, reflectancia para la totalidad o la mayoría de los haces 405 de excitación proporcionados por la fuente 402 de excitación y dirigidos a las regiones 308 de reacción (por ejemplo, haces 405a, 405b de excitación en la realización ilustrada). Por ejemplo, el divisor 420 de haz puede ser un divisor de haz de banda ancha caracterizado por una reflectancia que es constante, o aproximadamente constante, a lo largo de una banda de longitudes de onda de al menos 100 nanómetros, a lo largo de una banda de longitudes de onda de al menos 200 nanómetros, o a lo largo de la banda de longitudes de onda visible del espectro electromagnético, a lo largo de las bandas de longitudes de onda visible e IR cercana del espectro electromagnético, o a lo largo de una banda de longitudes de onda de desde 450 nanómetros hasta 680 nanómetros. En determinadas realizaciones, el divisor 420 de haz es un filtro de densidad neutra, por ejemplo, un filtro que tiene una reflectancia de, o aproximadamente de, el 20%, el 50% o el 80% a lo largo de la banda de longitudes de onda visible del espectro electromagnético. En determinadas realizaciones, el divisor 420 de haz es un divisor de haz dicroico que es transmisor o reflector a lo largo de uno o más intervalos de longitudes de onda seleccionados, por ejemplo, un divisor de haz de bandas de longitudes de onda múltiples que es transmisor y/o reflector a lo largo de más de una banda de centros de longitudes de onda en o cerca de una longitud de onda de pico de los haces 405 de excitación.
En determinadas realizaciones, el divisor 420 de haz es un único divisor de haz configurado para recibir parte o la totalidad de la pluralidad de haces 405 de excitación (por ejemplo, haces 405a, 405b de excitación), o bien solo o bien en combinación con una única trampa 422 de haz. Cada haz de excitación puede denominarse canal de excitación, que puede usarse solo o en combinación para excitar diferentes moléculas de sonda o colorantes fluorescentes en una o más de las muestras 310 biológicas. Por el contrario, muchos sistemas e instrumentos de la técnica anterior, por ejemplo, en el campo de qPCR, proporcionan una pluralidad de haces de excitación usando un divisor de haz y/o una trampa de haz independientes para cada canal de excitación y/o cada canal de emisión del sistema o instrumento. En tales sistemas e instrumentos de la técnica anterior, normalmente se usan filtros dicroicos cromáticamente selectivos en al menos parte de los canales de excitación para aumentar la cantidad de radiación recibida en las muestras. Las desventajas de los sistemas e instrumentos que usan divisores de haz y/o trampas de haz diferentes para cada canal incluyen un aumento en el tamaño, el coste, la complejidad y el tiempo de respuesta (por ejemplo, debido a la mayor masa que debe moverse o hacerse rotar al cambiar entre los canales de excitación y/o de emisión). Los inventores han descubierto que es posible reemplazar estos divisores de haz y/o trampas de haz múltiples por el único divisor 420 de haz y/o la única trampa 422 de haz, al tiempo que todavía proporcionan un rendimiento de sistema o instrumento aceptable o predeterminado, por ejemplo, mediante la selección apropiada de la distribución espectral de la fuente 402 de excitación y/o la configuración de los sistemas o instrumentos para reducir la cantidad de radiación parásita o no deseada recibida por el sensor 408 óptico (tal como se comenta adicionalmente en el presente documento). Por tanto, las realizaciones de la presente invención pueden usarse para proporcionar sistemas e instrumentos que tienen tamaño, coste, complejidad y tiempo de respuesta reducidos en comparación con los sistemas e instrumentos de la técnica anterior.
Haciendo referencia a las figuras 5 y 6, en determinadas realizaciones, el sistema 100 comprende un alojamiento 105 de instrumento y un cajón 110 de portamuestras que comprende una base 300 y configurado durante el uso para recibir, albergar o contener el portamuestras 305 y para posicionar el portamuestras 305 para proporcionar el acoplamiento óptico del mismo con el sistema 400 óptico. Con el cajón 110 cerrado (figura 6), el alojamiento 105 puede estar configurado para contener o encerrar el sistema 300 de procesamiento de muestras y el sistema 400 óptico. En determinadas realizaciones, el alojamiento 105 puede contener o encerrar la totalidad o porciones del procesador 200 electrónico.
Haciendo referencia a las figuras 7-9, en determinadas realizaciones, el sistema 400 óptico puede comprender además una lente 440 y/o una matriz 442 de lentes, que puede comprender una pluralidad de lentes correspondientes a cada una de las regiones 308 de reacción del portamuestras 305. La lente 440 puede comprender una lente de campo, que puede estar configurada para proporcionar un sistema óptico telecéntrico para al menos uno del portamuestras 305, las regiones 308 de reacción, la matriz 442 de lentes o el sensor 408 óptico. Tal como se muestra en la realización ilustrada en las figuras 7 y 9, la lente 440 puede comprender una lente de Fresnel.
Haciendo referencia de nuevo a las figuras 7 y 9, en determinadas realizaciones, la base 300 comprende un conjunto 300 de bloques de muestra que comprende un bloque 302 de muestras, un controlador 303 de temperatura, tal como un dispositivo 303 Peltier, y un disipador 304 de calor. El conjunto 300 de bloques de muestra puede estar configurado para proporcionar un controlador térmico o termociclador (por ejemplo, proporcionar un ensayo de PCR o un perfil de temperaturas), mantener la temperatura del portamuestras 305 o de la(s) muestra(s) 310 biológica(s), y/o mantener, controlar, ajustar o ciclar de otro modo el flujo de calor o la temperatura del portamuestras 305 o de la(s) muestra(s) 310 biológica(s).
Con referencia adicional a las figuras 10-14, en determinadas realizaciones, el sistema 400 óptico incluye una unidad 445 de obtención de imágenes que comprende una placa 448 de circuito de sensor óptico, una lente 438 de sensor (que puede ser una lente compuesta, tal como se ilustra en la figura 10), una montura 449 de lente interna, una montura 450 de lente externa, un alojamiento 452 roscado y un engranaje 455 de focalización. La placa 448 de circuito de sensor óptico, el alojamiento 452 roscado y la lente 438 de sensor, juntos, pueden formar una cavidad 458 que encierra o contiene el sensor 408 óptico y pueden estar configurados para impedir que cualquier luz externa que no entra a través de la lente 438 de sensor incida sobre el sensor 408 óptico. La montura 450 de lente externa comprende una superficie exterior que contiene dientes 460 de engranaje que pueden engancharse de manera móvil o deslizable con los dientes del engranaje 455 de focalización mediante un elemento elástico (no mostrado), tal como un resorte. En determinadas realizaciones, el engranaje 455 de focalización se mueve o desliza a lo largo de una ranura 462 de una placa 465, tal como se ilustra en la figura 14. La montura 449 de lente interna comprende una porción 468 roscada que se engancha o acopla con una porción roscada del alojamiento 452 roscado.
La montura 449 de lente interna puede montarse de manera fija en la montura 450 de lente externa, mientras que el alojamiento 452 roscado se monta de manera fija en la placa 448 de circuito de sensor óptico. La montura 449 de lente interna se monta de manera móvil o rotatoria en el alojamiento 452 roscado. Por tanto, el engranaje 455 de focalización y la montura 450 de lente externa pueden engancharse de tal manera que una rotación del engranaje 455 de focalización también hace rotar la montura 450 de lente externa. Esto, a su vez, provoca que la montura 449 de lente interna y la lente 438 de sensor se muevan a lo largo de un eje óptico de la lente 438 de sensor mediante las roscas en la montura 449 de lente interna y el alojamiento 452 roscado. De esta manera, el foco de la lente 438 de sensor puede ajustarse sin accionar directamente la lente 438 de sensor o sus monturas 449, 450 asociadas, que quedan incorporadas dentro de un sistema 400 óptico muy compacto. El enganche con el engranaje 455 de focalización puede ser o bien manual o bien automático, por ejemplo usando un motor (no mostrado), tal como un motor paso a paso o un motor de CC.
Haciendo referencia a las figuras 11 y 13-17, en determinadas realizaciones, la unidad 445 de obtención de imágenes comprende además un mecanismo o dispositivo 470 de bloqueo. El dispositivo 470 de bloqueo comprende un borde o diente 472 que puede engancharse de manera deslizable entre dos dientes del engranaje 455 de focalización (véanse las figuras 15-17). Tal como se ilustra en las figuras 15 y 16, el dispositivo 470 de bloqueo puede tener una primera posición (figura 15) en la que el engranaje 455 de focalización puede hacer rotar y ajustar libremente el foco de la lente 438 de sensor y una segunda posición (figura 14) en la que el engranaje 455 de focalización está bloqueado en su posición y se impide o previene su rotación. De esta manera, el foco de la lente 438 de sensor puede bloquearse mientras que se evita ventajosamente el enganche o contacto de bloqueo directo con las roscas 468 de la montura 449 de lente interna, lo que podría dañar las roscas y prevenir la posterior refocalización de la lente 438 de sensor después de bloquearse en su posición. El funcionamiento del dispositivo 470 de bloqueo puede ser o bien manual o bien de manera automática. En determinadas realizaciones, el mecanismo 470 de bloqueo comprende además un elemento elástico tal como un resorte (no mostrado), en el que la rotación del engranaje 455 de focalización puede lograrse venciendo una fuerza umbral producida por el elemento elástico.
Haciendo referencia a la figura 18, el sistema 400 óptico también puede incluir un alojamiento 477 de ópticas. En determinadas realizaciones, el sistema 400 óptico incluye un blindaje 475 contra radiación que comprende una abertura 478 de sensor dispuesta a lo largo de la trayectoria 417 óptica de emisión y al menos una estructura 480 de bloqueo dispuesta para actuar conjuntamente con la abertura 478 de sensor de tal manera que la única radiación a partir de los haces 405 de excitación, y reflejada a partir de una superficie o zona 482 iluminada, que pasa a través de la abertura de sensor 478 es la radiación que también se ha reflejado a partir de al menos otra superficie de, o dentro de, el alojamiento 477 de ópticas. Dicho de otro modo, el blindaje 475 contra radiación está configurado de tal manera que se bloquea el paso directo a través de la abertura 478 de la radiación a partir de los haces 405 de excitación reflejada en la zona 482 iluminada y, por tanto, el paso al interior de la lente 438 de sensor y sobre el detector 408 óptico. En determinadas realizaciones, la zona 482 iluminada comprende la zona definida por todas las aberturas 483 de la cubierta 102 calentada correspondientes a la pluralidad de regiones 308 de reacción.
En la realización ilustrada de la figura 18, la estructura 480 de bloqueo comprende un estante 480. Las líneas a trazos o rayos 484a y 484b pueden usarse para ilustrar la eficacia de la estructura 480 de bloqueo en prevenir el paso de la luz directamente reflejada a partir de la zona 482 iluminada a través de la abertura 478 de sensor y sobre la lente 438 sensor y/o el sensor 408 óptico. El rayo 484a se origina a partir de un borde de la zona 482 iluminada y sólo pasa al estante 480, pero no pasa a través de la abertura 478 de sensor. El rayo 484b es otro rayo que se origina a partir del mismo borde de la zona 482 iluminada que está bloqueado por el estante 480. Tal como puede observarse, este rayo habría entrado a través de la abertura 478 de sensor si no fuera por la presencia del estante 480.
Al continuar haciendo referencia a la figura 18, en determinadas realizaciones, el sistema 400 óptico puede comprender además una unidad de detección de energía o potencia que comprende un sensor 490 de energía o potencia ópticamente acoplado a un extremo de un conducto 492 de luz. Un extremo 493 opuesto del conducto 492 de luz está configurado para iluminarse por los haces 405 de excitación. El extremo 493 de conducto de luz puede iluminarse o bien directamente mediante la radiación contenida en los haces 405 de excitación o bien indirectamente, por ejemplo, mediante la radiación dispersada por una superficie difusa. En determinadas realizaciones, el sensor 490 está ubicado fuera de la trayectoria 412 óptica de excitación a partir de la fuente 402 de excitación. De manera adicional o alternativa, el sensor 490 está ubicado fuera del alojamiento 477 de ópticas y/o está ubicado en una ubicación remota fuera del alojamiento 105 de instrumento. En la realización ilustrada mostrada en la figura 18, el extremo 493 de conducto de luz está dispuesto cerca de, o adyacente a, el espejo 432 y puede estar orientado de modo que la cara del conducto de luz es perpendicular, o casi perpendicular, a la superficie del espejo 432 que refleja los haces 405 de excitación. Los inventores han descubierto que la baja cantidad de energía o potencia interceptada por el conducto 492 de luz cuando está orientado de este modo es suficiente para el propósito de monitorizar la energía o potencia de los haces 405 de excitación. Ventajosamente, al ubicar el sensor 490 fuera de la trayectoria óptica de los haces de excitación, puede proporcionarse un sistema 400 óptico más compacto.
En determinadas realizaciones, el conducto 492 de luz comprende una única fibra o un haz de fibras. De manera adicional o alternativa, el conducto 492 de luz puede comprender una varilla fabricada de un material transparente o transmisor tal como vidrio, plexiglás, material a base de polímero tal como material acrílico, o similares.
Haciendo referencia a las figuras 19 y 20, en determinadas realizaciones, el instrumento 100 comprende una fuente 500 de posición configurada para emitir la radiación 502 y un sensor 505 de posición correspondiente configurado para recibir la radiación 502 a partir de la fuente 500 de posición. La fuente 500 de posición y el sensor 505 de posición pueden estar configurados para producir una señal de posición indicativa de una posición de un elemento 435 óptico dispuesto a lo largo de una trayectoria óptica. En determinadas realizaciones, el instrumento 100 puede comprender además un blindaje 510 contra radiación configurado para bloquear al menos parte de la radiación 502 a partir de la fuente 505 de posición.
Lo anterior presenta una descripción del mejor modo contemplado para llevar a cabo la presente invención, y de la manera y el procedimiento de realizarla y usarla, en términos tan completos, claros, concisos y exactos que permitan a cualquier experto en la técnica a la que pertenece realizar y usar esta invención. Sin embargo, esta invención es susceptible a modificaciones y construcciones alternativas con respecto a las comentadas anteriormente que son completamente equivalentes. En consecuencia, la intención no es limitar esta invención a las realizaciones particulares divulgadas. Por el contrario, la intención es cubrir las modificaciones y construcciones alternativas que entren dentro del alcance de la invención tal como se expone mediante las siguientes reivindicaciones, que reivindican el contenido de la invención.
Los sistemas a modo de ejemplo para los métodos relacionadas con las diversas realizaciones descritas en este documento incluyen los descritos en las siguientes solicitudes:
Solicitud de patente de diseño estadounidense número 29/516.847, presentada el 6 de febrero de 2015; y Solicitud de patente de diseño estadounidense número 29/516.883; presentada el 6 de febrero de 2015; y Solicitud de patente provisional estadounidense número 62/112.910, presentada el 6 de febrero de 2015; y Solicitud de patente provisional estadounidense número 62/113.006, presentada el 6 de febrero de 2015; y Solicitud de patente provisional estadounidense número 62/113.183, presentada el 6 de febrero de 2015; y Solicitud de patente provisional estadounidense número 62/113.077, presentada el 6 de febrero de 2015; y Solicitud de patente provisional estadounidense número 62/113.058, presentada el 6 de febrero de 2015; y Solicitud de patente provisional estadounidense número 62/112.964, presentada el 6 de febrero de 2015; y Solicitud de patente provisional estadounidense número 62/113.118, presentada el 6 de febrero de 2015; y Solicitud de patente provisional estadounidense número 62/113.212, presentada el 6 de febrero de 2015.

Claims (12)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Instrumento (100) para análisis biológico, que comprende:
    una fuente (402) de excitación;
    un sensor (408) óptico configurado para recibir emisiones a partir de al menos una muestra biológica en respuesta a la fuente de excitación;
    un sistema (410) óptico de excitación dispuesto a lo largo de una trayectoria (412) óptica de excitación; un sistema (415) óptico de emisión dispuesto a lo largo de una trayectoria (417) óptica de emisión; una lente (438) de sensor configurada para dirigir las emisiones desde al menos parte de la muestra biológica sobre el sensor óptico;
    una cubierta (102) dispuesta en la trayectoria de excitación inmediatamente adyacente a la al menos una muestra, teniendo la cubierta una superficie iluminada que, cuando se ilumina por la luz de excitación, produce radiación reflejada que comprende radiación a partir de la fuente de excitación que se refleja por la superficie iluminada; y
    un blindaje (475) contra radiación,
    en el que:
    el blindaje contra radiación comprende una abertura (478) de sensor dispuesta a lo largo de la trayectoria óptica de emisión y una estructura (480) de bloqueo configurada para actuar conjuntamente con la abertura de sensor de tal manera que, de la radiación que se refleja por la superficie iluminada, sólo la que posteriormente se refleja por otra superficie del instrumento se recibe por el sensor óptico.
  2. 2. Instrumento según la reivindicación 1, que comprende además
    un divisor (420) de haz dispuesto tanto a lo largo de la trayectoria óptica de excitación como a lo largo de la trayectoria óptica de emisión.
  3. 3. Instrumento según la reivindicación 2, que comprende además:
    una base (300) configurada para recibir un portamuestras que comprende una pluralidad de regiones de reacción espacialmente separadas para procesar una pluralidad de muestras biológicas,
    en el que:
    la trayectoria óptica de excitación está entre la fuente de excitación y el portamuestras;
    la trayectoria óptica de emisión está entre el portamuestras y el sensor óptico;
    el sistema óptico de emisión está configurado para dirigir las emisiones desde las muestras biológicas hasta el sensor óptico;
    la superficie iluminada está dispuesta a lo largo de la trayectoria óptica de excitación entre el divisor de haz y la base; y
    la abertura de sensor está dispuesta entre el divisor de haz y la lente de sensor.
  4. 4. Instrumento según la reivindicación 3, en el que
    la base comprende un controlador térmico.
  5. 5. Instrumento según la reivindicación 4, en el que
    el controlador térmico está configurado para controlar la temperatura de al menos uno de
    la base,
    el portamuestras, o
    las muestras biológicas separadas, o
    el controlador térmico comprende un termociclador configurado para realizar un ensayo de PCR.
  6. 6. Instrumento según una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, en el que la cubierta es
    una cubierta calentada dispuesta adyacente a la base,
    incluyendo la cubierta calentada una pluralidad de aberturas configuradas para corresponderse con la pluralidad de regiones de reacción.
  7. 7. Instrumento según una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 6, en el que:
    el sistema óptico de excitación comprende una lente (440) de muestra configurada para dirigir los haces de excitación hacia la base;
    la lente de muestra comprende una lente de campo configurada para extenderse a lo largo de la pluralidad de regiones espacialmente separadas; y
    la lente de muestra proporciona un sistema óptico telecéntrico para al menos uno de
    el portamuestras,
    las regiones de reacción espacialmente separadas, o
    el sensor óptico.
  8. 8. Instrumento según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 7, en el que
    el divisor de haz está caracterizado por una reflectancia que es constante a lo largo de una banda de longitudes de onda de desde 450 nanómetros hasta 680 nanómetros.
  9. 9. Instrumento según cualquier reivindicación anterior, en el que
    la fuente de excitación está configurada para proporcionar una pluralidad de haces de excitación para iluminar la al menos una muestra biológica,
    comprendiendo opcionalmente al menos parte de las emisiones una emisión fluorescente a partir de al menos una muestra biológica en respuesta a al menos uno de la pluralidad de los haces de excitación.
  10. 10. Instrumento según la reivindicación 9, en el que
    la fuente de excitación está configurada para producir
    un primer haz de excitación caracterizado por una primera longitud de onda y
    un segundo haz de excitación caracterizado por una segunda longitud de onda que es diferente de la primera longitud de onda.
  11. 11. Instrumento según la reivindicación 10, en el que
    el primer haz de excitación y el segundo haz de excitación están temporalmente separados y/o espacialmente separados.
  12. 12. Instrumento según la reivindicación 8, 9 ó 10, en el que la pluralidad de haces de excitación comprende un primer haz de excitación que comprende un primer intervalo de longitudes de onda a lo largo del cual la intensidad, potencia o energía del primer haz de excitación está por encima de un primer valor predeterminado, y
    un segundo haz de excitación que comprende un segundo intervalo de longitudes de onda a lo largo del cual la intensidad, potencia o energía del segundo haz de excitación está por encima de un segundo valor predeterminado,
    siendo la primera longitud de onda al menos una de
    (1) una longitud de onda central del primer intervalo de longitudes de onda o
    (2) una longitud de onda de intensidad, potencia o energía electromagnética máxima a lo largo del primer intervalo de longitudes de onda, y
    siendo la segunda longitud de onda al menos una de
    (1) una longitud de onda central del segundo intervalo de longitudes de onda o
    (2) una longitud de onda de intensidad, potencia o energía electromagnética máxima a lo largo del segundo intervalo de longitudes de onda.
    Instrumento según cualquier reivindicación anterior, en el que
    la fuente de excitación comprende una pluralidad de fuentes de excitación individuales,
    formando opcionalmente la pluralidad de fuentes de excitación individuales una matriz bidimensional de fuentes de excitación individuales.
    Instrumento según cualquier reivindicación anterior, en el que
    el sensor óptico comprende un sensor de matriz.
    Instrumento según la reivindicación 14, en el que el sensor de matriz comprende al menos uno de un sensor de semiconductor de óxido de metal complementario o un sensor de dispositivo de carga acoplada. Instrumento según la reivindicación 14 o la reivindicación 15, en el que el sensor óptico comprende al menos dos sensores de matriz.
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