TW201723482A - 光學結構及光學光偵測系統 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種光學結構，包括用以收容一晶片之一開口，該晶片包括複數個井，用以收容一待分析的流體樣品於其中，以及包括複數個孔之一光罩，該光罩被定位成鄰近該開口，使得當該晶片被收容於該開口中時該光罩面向該晶片，此外，該些複數個孔被配置為延伸穿過該光罩，用以接收及導引分別來自該些複數個井的光。本發明亦提供一種包括該光學結構之光學光偵測系統、一種製造該光學結構之方法及一種組裝該光學螢光偵測系統之方法。

Description

光學結構及光學光偵測系統 【參考文獻】
本申請案主張於2015年8月18日提申之新加坡專利申請案No.10201506522P之利益，該專利申請案之內容全部通過引用併入本文，為了所有目的。
本發明係關於一種光學結構、一種包括該光學結構之光學光偵測系統、一種製造該光學結構之方法及一種組裝該光學光偵測系統之方法，且特別地，可用於分子生物學中之標靶分子的偵測。
現有多種光學光偵測系統可用以偵測來自其中含有流體樣品之一微流體晶片之光信號，以便能偵測該流體樣品中各種分子之存在，例如用於病毒檢測之目的。
舉例來說，抗耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)感染為一全球的醫院關注之問題，只要延遲數小時偵測到就會導致死亡率及發病率升高。近年來，MRSA感染快速地增加，且它在2004年佔金黃色葡萄球菌(SA)感染的60%，而在1995年僅佔22%。在公立醫院中，已經發現感染MRSA細菌的患者在住院期間死亡的可能性比未感染的患者高出10倍。
作為一示例，第1圖顯示一示意方塊圖，其示出包括四個晶片之一樣品之樣品到結果(sample-to-result)診斷的各個階段。在診斷中，患者的樣品首先在一第一晶片(晶片1)中處理以進行細菌捕捉及裂解，隨後在一第二晶片(晶片2)上進行DNA/RNA純化，聚合酶連鎖反應(PCR)在一第三晶片(晶片3)上進行，通過一熱循環過程來達成擴增(amplification)，一第四晶片(晶片4)則提供光信號(例如螢光信號)的終點偵測(end-point detection)。舉例來說，螢光信號可以來自基因特異性(gene-specific)凍乾(lyophilized)分子信標(MB)探針。由PCR產物/樣品中所挑選的單鏈DNA(ssDNA)與塗覆在第四晶片之每一井(well)上之預先載入的標靶MB探針之間可發生雜交(hybridization)。第四晶片可為例如國際專利申請號PCT/SG2015/050054中所述之Omega晶片，且該專利之內容全部通過引用併入本文，為了所有目的。由此，通過讀取在被一激發光照射時每一井之螢光可進行多重分子診斷(Multiplex molecular diagnosis)，這樣一個由樣品到結果並涉及在終點偵測階段之Omega晶片之多重分子診斷可被稱作OmegaPlex。
然而，傳統用以讀取微流體晶片(例如在終點偵測階段之Omega晶片)之系統既複雜且笨重。舉例來說，在微流體晶片為Omega晶片之情況下，讀取每一Omega晶片之過程可能涉及十個以上的手動步驟，且通常在一完整的測試中需要運行四個Omega晶片(比方說，每一晶片可運行十個測試，因此要測試整組(panel)的MRSA抗藥性基因(resistance genes)及對照(control)，可能需要四個晶片來運行40個測試)。舉例來 說，要開始偵測，Omega晶片可能需要加熱至70℃，在PCR產物被載入以均質化樣品及分子信標探針之混合之後。接著Omega晶片可被放置且手動對準在一保持器上。另外，可使用黑色膠帶以阻擋來自環形光源之光反射及來自用以將系統的各個構件固定在一起的膠之自發螢光(auto-fluorescence)。所有這些步驟都是手動執行的且乏味的。來自批次間(batch-to-batch)變異之偏差及人為錯誤將影響每一螢光讀數的一致性及可重複性。
作為一說明性示例，第2圖顯示一用於讀取一Omega晶片202之一傳統螢光偵測系統200之示意圖。傳統螢光偵測系統200具有一反射光路結構，其通常需要一高結構204，由於以自上而下設置(top-down setup)之相機202具有限的視角所致。傳統螢光偵測系統200包括用以照射Omega晶片202之一鹵素白光源206，及沿著如第2圖中所示之光路排列之複數個濾光器(激發濾光器208及發射濾光器209)及光學透鏡210之組合。傳統螢光偵測系統200更包括用以偵測來自Omega晶片202之螢光信號之一偵測器211及用以加熱Omega晶片102之一加熱器212。由此，可以看出這種傳統結構係複雜且體積龐大的，此外，也較容易沿著光路發生信號強度的損失，例如由於光學透鏡210及反射光路結構所致。
因此，需要提供一種光學結構及一種包括該光學結構之光學光偵測系統，其尋求克服或至少改善傳統光學光偵測系統之上述一或多個缺陷，例如減少標靶分子的偵測/診斷時間及提高信號偵測/讀取準確性。本發明是針對此背景而開發的。
根據本發明之一第一方面，提供一種光學結構，包括：一開口，用以收容一晶片，該晶片包括複數個井(wells)，用以收容一待分析的流體樣品於其中；以及一光罩，包括複數個孔(apertures)，其中該光罩被定位成鄰近該開口，使得當該晶片被收容於該開口中時該光罩面向該晶片，且其中該些複數個孔被配置為延伸穿過該光罩，用以接收及導引分別來自該些複數個井的光。
在一些實施例中，該些複數個孔中之每一者係基於一預定位置被佈置於該光罩上，其中該預定位置係當該晶片被收容於該開口中時該些複數個井中之一對應的井被配置之位置。
在一些實施例中，該些複數個孔中之每一者被配置為使得延伸穿過該光罩之該孔之一中心軸以一角度偏離於與形成有該些複數個孔之該光罩之一表面垂直之一軸。
在一些實施例中，該孔之該中心軸偏離於該軸之該角度係基於一預定位置被配置的，且該預定位置係當該晶片被收容於該開口中時該些複數個井中之一對應的井被配置之位置。
在一些實施例中，該孔之該中心軸被配置為與該對應的井之該預定位置相交。
在一些實施例中，該角度係在約5度至約60度的範圍內。
在一些實施例中，該些複數個孔中之一或多者被配置為具有錐形形狀。
在一些實施例中，該開口被配置為以可拆裝的方式收容該晶片。
在一些實施例中，該光學結構被配置為以可拆裝的方式收容該光罩。
在一些實施例中，該光學結構係無透鏡的。
在一些實施例中，該光罩被設為鄰近該開口，使得當該晶片被收容於該開口中時該光罩緊貼鄰近該晶片。
根據本發明之一第二方面，提供一種光學光偵測系統，包括：一如上述第一方面之光學結構，用以收容一晶片於其中，該晶片包括複數個井，用以收容一待分析的流體樣品於其中；一光源，用以朝向該光學結構發射光；以及一偵測器，用以偵測來自該些複數個井中之每一者的光信號，該些複數個井具有被收容於其中之該流體樣品。
在一些實施例中，當該晶片被收容於該開口中時，響應於來自該光源之光，該光學結構之該光罩之該些複數個孔用以將分別來自該些複數個井的該些光信號導引至該偵測器。
在一些實施例中，該些複數個孔中之每一者被配置為使得該孔之該中心軸與來自該對應的井至該偵測器上之一目標點之該光信號之一軌跡線對準。
在一些實施例中，該光學光偵測系統更包括一遮光部件，被設於該偵測器及該光學結構之間，用以包圍該光學結構之在其一側之該些複數個孔，以致可避免或最小化外部雜訊(noise)影響由該些複數個井至該偵測器之該些光信號。
在一些實施例中，該光源包括複數個發光元件，每一發光元件用以發射光以照射該晶片之一對應的井。
在一些實施例中，該光源、該光學結構及該偵測器大致沿著一共軸被設置。
根據本發明之一第三方面，提供一種製造一光學結構之方法，該方法包括：形成一開口於一結構中，該開口用以收容一晶片，該晶片包括複數個井，用以收容一待分析的流體樣品於其中；以及形成包括複數個孔之一光罩，且將該光罩定位成鄰近該開口，使得當該晶片被收容於該開口中時該光罩面向該晶片，其中該些複數個孔被配置為延伸穿過該光罩，用以接收及導引分別來自該些複數個井的光。
根據本發明之一第四方面，提供一種組裝一光學光偵測系統之方法，該方法包括：提供一如上述第一方面之光學結構，用以收容一晶片於其中，該晶片包括複數個井，用以收容一待分析的流體樣品於其中；提供一光源，用以朝向該光學結構發射光；以及提供一偵測器，用以偵測來自被保持於該光學結構中之該晶片的光信號。
在一些實施例中，該方法更包括將該光源、該光學結構及該偵測器大致沿著一共軸設置。
200‧‧‧傳統螢光偵測系統
202‧‧‧Omega晶片
204‧‧‧高結構
206‧‧‧鹵素白光源
208‧‧‧激發濾光器
209‧‧‧發射濾光器
210‧‧‧光學透鏡
211‧‧‧偵測器
212‧‧‧加熱器
300‧‧‧光學結構
302‧‧‧開口
304‧‧‧晶片
306‧‧‧井
308‧‧‧光罩
309‧‧‧公共流體通道
310‧‧‧孔
312‧‧‧中心軸
314‧‧‧軸
316‧‧‧角度
414‧‧‧偵測器
416‧‧‧目標點
600‧‧‧偵測系統
610‧‧‧光源
612‧‧‧LED光源
620‧‧‧遮光部件
622‧‧‧第二遮光部件
900‧‧‧光學光偵測系統
910‧‧‧激發濾光器
914‧‧‧發射濾光器
916‧‧‧光學透鏡
1410‧‧‧使用者介面
1412‧‧‧螢光影像
1510‧‧‧外殼
1514‧‧‧開口
1516‧‧‧可調蓋
1600‧‧‧方法
1602‧‧‧步驟
1604‧‧‧步驟
1700‧‧‧方法
1702‧‧‧步驟
1704‧‧‧步驟
1706‧‧‧步驟
本發明實施例通過以下書面的敘述，僅作為示例，並結合附圖，可被更好地理解並且對於本領域中具有通常 知識者而言為顯而易見的，其中：第1圖顯示一示意方塊圖，其示出包括四個晶片之一樣品之樣品到結果(sample-to-result)診斷的各個階段。
第2圖顯示一用於讀取一微流體晶片之一傳統螢光偵測系統之示意圖。
第3A圖顯示根據本發明一些實施例之一光學結構之示意立體圖。
第3B圖顯示第3A圖中之光學結構在沒有將晶片插入其中的狀態下之示意立體特寫圖。
第4A圖顯示該光學結構以及用以偵測/接收來自微流體晶片之光信號之一偵測器之示意立體圖。
第4B圖為第4A圖之一特寫圖，顯示複數個孔被配置於光罩上，從而與複數個井分別光學地(optically)對準，以接收來自該些複數個井之光信號。
第5A圖顯示根據本發明一示例性實施例之具有不同焦距之五個不同光學結構之影像，該些不同焦距分別為85毫米(mm)、65毫米、45毫米、25毫米以及20毫米。
第5B至5F圖分別顯示當該些不同光學結構被來自其相對側之一光源照射時，由偵測器所捕捉之來自該些光學結構之光信號之影像。
第6圖顯示根據本發明一些實施例之一光學光偵測系統之示意圖。
第7圖顯示根據本發明一示例性實施例之一光源包括多個獨立的LED光源之示意圖，其中每一LED光源用以提供一激 發光至晶片之對應的/個別的井。
第8A至8C圖顯示根據本發明一示例性實施例之一光學光偵測系統中加入遮光部件之示例性佈置之影像。
第9圖顯示根據本發明一示例性實施例之光學光偵測系統之示意圖，以及僅用於說明目的之該光學光偵測系統之一對應的影像。
第10A至10E圖顯示裝載於個別微流體晶片中並由偵測器所偵測之各種流體樣品(個別具有抗藥性基因組(gene panels)MRSA 339/07、MSSA 02/09、MUCH 16/09、MRSA 23/01及沒有模板控制(no template control(NTC)))發出之螢光信號之影像。
第11A圖顯示根據本發明一示例性實施例之由進行測試第6圖之光學偵測系統之一致性及可靠性的實驗所得到之結果圖。
第11B圖顯示由進行測試在保持晶片插入其中的狀態下之光學結構之穩定性/可靠性(對準精度)的實驗所得到之結果圖。
第12圖顯示使用手動(第2圖之傳統偵測系統-第12圖中上列之影像)及自動(本偵測系統600-第12圖中下列之影像)螢光偵測系統所捕捉之影像來作為比較/驗證。
第13圖顯示來自晶片之各井針對系列稀釋濃度(serial diluted concentration)之光強度之線性圖。
第14圖顯示使用第6圖之本光學偵測系統在分別使用具有MRSA 2301、S205之抗藥性基因組(gene panels)及沒有模板控制(NTC)的實際樣品之測試中所偵測之螢光信號，以及一示例性使用者介面上所顯示之光信號之偵測結果。
第15A及15B圖顯示更包括一用以將如第9圖中所示之 光學結構、光源及偵測器封閉/容納於其中之外殼或箱之一光學光偵測系統之影像。
第16圖顯示根據本發明一些實施例之一製造一光學結構之方法之方塊圖。
第17圖顯示根據本發明一些實施例之一組裝一光學光偵測系統之方法之方塊圖。
本發明實施例提供一種光學結構及一種光學光偵測系統，其尋求克服或至少改善傳統光學光偵測系統之上述一或多個缺陷，且特別地，可用於分子生物學中之生化/標靶分子的偵測。在一些實施例中，提供一種光學光偵測系統，用以偵測來自其中含有流體樣品之一微流體晶片之光信號(例如螢光或比色(colorimetric)光信號)，例如在如第1圖中所示之一樣品之樣品到結果(sample-to-result)診斷的終點偵測階段。在一些實施例中，該微流體晶片為例如國際專利申請號PCT/SG2015/050054中所述之Omega晶片，且該專利之內容全部通過引用併入本文，為了如前面所述的所有目的。舉例來說，在一些實施例中，該光學光偵測系統被設計/配置為一完全自動化、小型化(compact)、無透鏡的(在光源及偵測器之間)、LED發光的(LED-illuminated)螢光偵測平台。結果，該光學光偵測系統能夠簡化測試或診斷協定(protocols)(比方說，顯著減少所需步驟的數量，例如由傳統上11個步驟變為3個步驟)，及最小化診斷時間和可能的人為錯誤。該光學光偵測系統還可有利地允許多工(multiplex)、高靈敏且快速的偵測。舉例來說，該 光學光偵測系統已經過各種實驗測試且被發現僅需要非常短的時間(例如約8秒或更短)即可得到偵測結果，在該微流體晶片(例如Omega晶片)被收容/裝載在該光學光偵測系統中之後。
第3A圖顯示根據本發明一些實施例之一光學結構300之示意立體圖。光學結構300包括一開口302，用以收容/裝載一晶片304於其中，晶片304包括複數個井(或反應腔室)306，用以收容一待分析的流體樣品於其中。如第3A圖中所示，晶片304被收容/裝載於開口302中的適當位置，及晶片304為一微流體晶片，且特別地，一Omega晶片僅作為示例而非限定，具有十個井以對稱或圓形方式佈置於該晶片上。較佳地，開口302被配置為能夠可拆裝地(removably)收容晶片304，例如一插槽，而使得晶片304可容易地插入或取出光學結構300。光學結構300更包括一光罩308，包括複數個孔(或通孔)310。應可理解的是，在第3A圖中不能看到光罩308，因為其被插入光學結構300中的晶片304所阻擋而看不到。在這一點上，第3B圖顯示光學結構300在沒有將晶片304插入其中的狀態下之示意立體圖且為更好地示出光罩308之特寫視圖。如圖所示，光罩308被定位成鄰近開口302，而使得當晶片304被收容於開口302中時光罩308(特別是該些複數個孔310)面向晶片304。此外，該些複數個孔310被配置為延伸穿過光罩308(如第3B圖中所示)，用以接收及導引分別來自該些複數個井306的光信號。在一些實施例中，光學結構300可被作一晶片保持器。
舉例來說，光學光偵測系統可以基於螢光或比色(colorimetric)光信號。
由第3A及3B圖可以看出，該些複數個孔310中之每一者係基於一預定位置被佈置於光罩308上，其中該預定位置係當晶片306被收容於開口302中時該些複數個井306中之一對應的井將被或被配置(亦即預期的或預先配置的)之位置，也就是說，該些複數個孔310係基於當晶片306被收容於開口302中時晶片306之該些複數個井306將被或被配置於何位置(預定位置)而被佈置於光罩308上，且較佳地，可使得該些複數個孔310與該些複數個井306分別光學地(optically)對準，以接收來自該些複數個井306之光信號。如第3A及3B圖中所示，可以在用於晶片304之每一對應的井306之光罩308上設置一孔310，因此，在第3A及3B圖之實施例中，在光罩308上設置有十個孔310，以與存在於晶片304上之十個井306對應。
作為示例說明，第4A圖顯示光學結構300以及用以偵測/接收來自其中含有流體樣品之該些複數個井308之光信號(例如螢光或比色光信號)之一偵測器(或相機)414之示意立體圖，而第4B圖為第4A圖之一特寫圖，顯示該些複數個孔310被配置於光罩308上，從而與該些複數個井308分別光學地對準，以接收來自該些複數個井308之光信號。第4B圖亦顯示每一孔310係基於該對應的個井306之預定位置而定向/傾斜，以便將光信號導引至偵測器414上之一目標點416(例如一期望的焦點)。在這方面，該些複數個孔310中之每一者被配置為使得延伸穿過光罩308之該孔310(例如，參見第3B圖)之中心軸312以一角度316偏離於與形成有該些複數個孔310之光罩308之表面垂直之一軸314，且該孔310之中心軸312偏離於該垂直軸314 之角度316係基於當晶片304被收容於開口302中時該對應的井306之預定位置，且如第4B圖中所示，使得該孔310能夠將從晶片304接收之光信號導引至偵測器414上之目標點416。在一些較佳實施例中，每一孔310之中心軸312之角度被配置為使得該些複數個孔310之中心軸312共同形成/定義一錐形形狀，其具有與偵測器414上之目標點416相交之一頂點，如第4B圖中所示。結果，該孔310之中心軸312被配置為與該對應的井306之預定位置相交，而使得當晶片304被插入開口302中時該孔310之中心軸312可與該對應的井306相交。
據此，有利地，用以收容晶片304於其中及將來自晶片304之光信號導引至偵測器414上之目標點416之光學結構300係無透鏡的(無透鏡光罩)，此使其更容易大量生產以及能夠以最小信號強度損失之方式導引光信號(例如消除由於光學透鏡造成的信號強度損失)。在一些實施例中，如第4B圖中所示，光罩308可用以將來自晶片304之光信號(例如從每一井306發射出之多個螢光信號)導引至偵測器414上之單一目標點。在一些實施例中，光罩308被設為鄰近開口302，而使得當晶片304被收容於開口302中時光罩308緊貼鄰近(適當地或緊密地靠近)晶片304，這是為了使從晶片304之該些井306接收之光信號最大化進入相應的孔310中，同時最小化這些光信號受到外部/背景雜訊(noise)之干擾。舉例來說，該無透鏡的光罩308可有效地從環境中散射的LED光中去除雜訊，從而改善具有較高信噪比(SNR)之光信號(例如螢光信號)的偵測。相反地，舉例來說，傳統螢光光學偵測系統涉及多個透鏡 之組合(例如，參見第2圖)，及使用較多數量的光學元件，則使得光學偵測系統之組裝及大量生產複雜化。
在一些實施例中，如上所述之該孔310之中心軸312偏離於該垂直軸314之角度被配置為在約5度至約60度、約10度至約45度、約15度至約40度、約20度至約35度、或約25度至約40度的範圍內。僅作為示例而非限定，該角度316在第3B圖之實施例中係約26度。本領域技術人員應可理解的是，光學結構300上之孔310之配置(例如數量、位置及定位)可基於晶片304上該些井之配置而適當地被配置/修改，而使得每一孔310與對應的井306光學地對準，從而能夠將來自該對應的井306之光信號導引至偵測器414上之一目標點416。因此，應當理解的是根據本發明之該些孔310之配置並不限於如第3B及4B圖中所示之具體配置。
在一些實施例中，從晶片304之平面至偵測器414之焦距通過調整/配置該些孔310之定向(中心軸312的角度)優化(optimized)。在這方面，在光信號係螢光的情況下，已經發現，若焦距太長時，則雜訊(藍色散射光)不能被完全消除，另一方面，若焦距太短時，則會在井之圓環周圍看到信號(綠色螢光)的陰影，當由偵測器414偵測時。由此，根據本發明實施例可調整焦距從而得到最大信號及最小雜訊。作為示例說明，第5A圖顯示具有不同焦距之五個不同光學結構之影像，該些不同焦距分別為85毫米(mm)、65毫米、45毫米、25毫米以及20毫米，而第5B至5F圖分別顯示當該些不同光學結構300被來自其相對側之一光源(在本例中為LED光)照射時，來自該些不 同光學結構300之由偵測器414所偵測之光之影像。由第5B至5D圖可以觀察到，當焦距從85毫米縮短至65毫米至45毫米時，從該些孔310之側壁散射及反射之光的雜訊逐漸減小。在一些實施例中，優化的條件/配置係當偵測器414偵測到之LED光亮度表現為一清晰的點，且不發生任何反射。當焦距為20毫米時，如第5F圖中所示，可以觀察到反射由向外轉成向內，因此，根據本發明之示例性實施例，可以確定該示例之最佳焦距係在約25毫米至約20毫米的範圍內。應注意的是，在第5E及5F圖所示的螢光影像中可以觀察到相對少量的反射，可以理解的是，它們可能由實驗中使用之非常高強度的螢光樣品所引起。在另一實驗中，當使用低強度螢光樣品(通常是在練習)來進行測試時，則一般不會觀察到上述少量的反射。
在一些實施例中，該些複數個孔310之一或多者被配置為具有錐形形狀。在這方面，孔310可成形為從孔310之接收光信號之一端(光輸入端)至孔310之輸出光信號之一段(光輸出端)漸縮，因此，孔310之光輸入端可比孔310之光輸出端具有較大的截面。舉例來說，如第3B圖所示，孔310可被配置為具有一大致圓錐形形狀。此外，該些複數個孔310可以設置於光罩304上，以共同形成/定義一大致對稱的形狀。舉例來說，該些孔310可被設為具有一圓形形狀，在晶片304為如第4A及4B圖中所示之Omega晶片的情況下，使得該些孔310之佈置對應於該些井306之佈置。通過這樣的配置，如第4B圖中所示，該些複數個孔310(特別是它們的光路)共同形成/定義一朝向偵測器414上之目標點416之圓錐形狀，此外，晶片304 之該些井306(特別是它們的光路)亦形成一朝向偵測器414上之目標點416之圓錐形狀。這種孔310及井306之構造可被稱作一雙錐形結構，且已經發現能夠提供最佳的觀察角度及通過孔310從偵測器414至晶片304之最大開口，從而使光散射最小化。已經發現，該雙錐形光罩308更可改善偵測器414對來自晶片304之光信號之偵測且具有較高的信噪比(SNR)。
在一些實施例中，每一孔310之直徑係基於晶片304上之對應的井306之直徑來配置。在一些實施例中，孔310在光輸入端之直徑可被配置為對應的井306之直徑的約60%至100%、約70%至95%、約75%至85%、或約80%。在如上所述孔310為漸縮之實施例中，孔310在光輸出段之直徑是較窄的，使得孔310具有如上文所述之一圓椎形形狀。在一些示例性實施例中，孔310在光輸出端之直徑較在光輸入端之直徑可窄約5%至40%、約10%至30%、或約15%至20%。例如但不限於，該些井之直徑可為約1毫米至4毫米、約1.5毫米至4毫米、約1.7毫米至4毫米、約2毫米至4毫米、約2.2毫米至4毫米、約2.5毫米至4毫米、約3毫米至4毫米、約1毫米至3毫米、約1毫米至2.5毫米、約1毫米至2.2毫米、約1毫米至2毫米、約1.5毫米至3毫米、約2毫米至3毫米、或約2毫米至2.5毫米。
在一些實施例中，光罩308可一體形成於光學結構300中。在一些其他實施例中，光學結構300可被配置為以可拆裝的方式(removably)收容光罩308，也就是說，光學結構300之光罩308為可更替的，而使得具有一期望結構之適當或合適的光罩可被選擇且被插入/裝載至光學結構300。舉例來說，如第3 及4圖中所示，晶片304為一Omega晶片，因此一被特別配置為用以導引來自Omega晶片之光之光罩可被選擇。本領域技術人員應可理解的是，可特別分別為不同類型的晶片(例如，基於如上所述之晶片上之該些井之佈置/配置)配置不同的光罩。因此，本發明不限定晶片304為Omega晶片，且光罩308上之該些孔310之配置也不限於如第3B及4B圖中所示之配置，也就是說，各種類型的微流體晶片及各種配置之光罩也在本發明之範圍內。然而，為了清楚而非限制之目的，Omega晶片及相應的光罩係在本文中被描述且應用在各種示例中，除非另有說明。
如第4A及4B圖中所示，光學結構300可為一矩形塊構件，且開口302可位在光學結構300之一頂表面部分及一側表面部分，該頂表面部分用以接收晶片304，而該側表面部分用以將收容於其中之晶片304暴露於來自光源的光。開口302之尺寸可基於要被收容於其中之晶片304之尺寸被適當地配置，如第4A及4B圖中所示。
第6圖顯示根據本發明一些實施例之一光學光偵測系統600之示意圖。光學光偵測系統600包括如前所述之一光學結構300，參照第3及4圖，用以收容一晶片304於其中，一光源610用以朝向光學結構300發射光，以及一偵測器414用以偵測來自晶片304之複數個井306中之每一者的光信號，該些複數個井306具有被收容於其中之流體樣品。光學結構300之光罩308包括複數個孔310，當晶片304被收容於開口302中時，響應於來自光源610之光(例如激發光)，該些複數個孔310用以將分別來自該些複數個井306的該些光信號接收 及導引至偵測器414。此外，如上文所述，該些複數個孔310中之每一者被配置為使得該孔310之中心軸312與來自對應的井306至偵測器414上之一目標點416之光信號之軌跡線對準。舉例來說，如第4B圖中所示，光罩308可用以將來自該些井306之光信號導引至偵測器414上之目標點416。此有利於使得光源610、光學結構300及偵測器414大致沿著一共軸(common axis)被設置，也就是說，被設為具有從光源610至偵測器414之一直接光路，且有利地可不使用透鏡(沿著光源610及偵測器414之間之光路)。該直接光路配置有利於使沿著光路之光信號損失最小化，從而改善偵測器414對光信號之偵測及導致顯著較小的佔用面積(例如，相較於如第2圖中所示之反射光路結構)。在一些實施例中，光源610及光學結構300之間之光路可被稱作照射路徑(illumination path)，而光學結構300及偵測器414之間之光路可被稱作偵測或成像路徑(detection or imaging path)。
光源610被配置/設為向晶片304之複數個井306提供光(例如激發光)。在一些實施例中，光源610包括複數個發光元件，每一發光元件用以發射光以照射/照明晶片304之一對應的井306。第7圖顯示光源610包括多個獨立的LED光源612之示意圖，其中每一LED光源612用以提供一激發光至晶片304之對應的/個別的井306，根據一示例性實施例。在該示例性實施例中，提供及佈置十個獨立的LED光源612以分別照射晶片304之十個井306，如第3A及4A圖中所示。應可理解的是，該些LED光源612的數量及配置可基於要被照 射之晶片之該些井的數量及配置被適當地修改/改變。該些獨立的LED光源612有利地最小化光源所佔據的空間(因而實現較小的占用面積)及最小化/減少系統中光學元件之使用。舉例來說，傳統上，使用單一個大光源來提供覆蓋整個晶片之光，然而，這樣的大光源佔據顯著空間且也需要一大尺寸單一透鏡以將光傳送至晶片。該些獨立的LED光源612之使用亦有利地使每一LED光源能夠被單獨地配置/調整，而使得由所有獨立的LED光源612發射至對應的井之光的光強度為基本上相同，此可進一步提高偵測或測量準確性(亦即，最小化由於激發光源之差異而造成來自不同井之光信號之結果的差異)。舉例來說，已經發現每一LED光源612可以具有不同的發光效率且可以發射不同的光強度，儘管是施加相同的電流輸入至該些LED光源612。因此，根據本發明一些實施例，每一LED光源612之強度可被調整至相同或基本上相同的水平。
在一些實施例中，在光學光偵測系統600中設置一或多個遮光部件以改善偵測/測量結果，例如可消除或最小化外部/背景雜訊干擾沿著光路傳播至偵測器414之光信號。舉例來說，強的背景雜訊可以來自透鏡表面之反射、金屬特徵、LED背光以及聚合物自發螢光。在一些實施例中，光學光偵測系統600更包括一遮光部件620，被設於偵測器414及光學結構300之間，用以包圍光學結構300之在其一側之複數個孔310，以致可避免或最小化外部雜訊影響沿著偵測路徑傳播之光信號。
僅用於說明目的，第8A及8B圖顯示佈置遮光部件620於偵測器414及光學結構300之間之一示例之影像。如 第8A及8B圖中所示，遮光部件620被設為鄰近光學結構300，用以包圍/環繞光學結構300之在其一側(面向偵測器414)之複數個孔310。特別地，如第8B圖中所示，遮光部件620被設為停留在光學結構300之側表面(面向偵測器414)上，而使得遮光部件620能夠完全地包圍/環繞該些孔310及避免或最小化外部/背景雜訊影響沿著偵測路徑傳播之光信號。在第8A及8B圖之示例性實施例中，遮光部件620被配置為一圓柱形形狀，以包圍該些孔310。然而，本領域技術人員應可理解的是，在不偏離本發明之範圍的情況下，遮光部件720可以被配置為適當或期望的各種其他形狀。
根據一些實施例，光學光偵測系統600更包括另一(第二)遮光部件622，被設於光源610及光學結構300之間。僅用於說明目的，第8B及8C圖顯示佈置第二遮光部件622於光源610及光學結構300(在第8C圖中之視野被擋住)之間之一示例之影像。特別地，在光源610及光學結構300之間存在一空間，用於使從光源610發射之光傳播至光學結構300(亦即沿著照射路徑)，且第二遮光部件622係被定位在這樣的空間上，以避免或最小化外部/背景雜訊干擾沿著照射路徑傳播之光。在第8B及8C圖之示例性實施例中，第二遮光部件622被配置為一具有矩形形狀之平面構件。然而，本領域技術人員應可理解的是，在不偏離本發明之範圍的情況下，第二遮光部件622可以被配置為適當或期望的各種其他形狀。在一些實施例中，遮光部件620(第一遮光部件)及第二遮光部件622兩者可被漆成/塗成黑色，以更好地吸收或最小化外部/背景雜訊。舉例來說，遮 光部件620及第二遮光部件622可由一能夠阻擋光穿過之固體或剛性材料所製成，例如但不限於，一金屬(例如鋁、不鏽鋼或銅)或一塑膠材料(例如黑色聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA))。
為了使本發明可容易理解且付諸實際效果，下文中將僅以示例而非限定之方式來描述本發明一些實施例。然而，本領域技術人員應可理解的是，本發明可以以各種不同的形式/配置來實施且不應當被解釋為限於下文中將敘述之示例性實施例。相反地，提供這些示例性實施例可使得本揭露為全面且完整的，並可向本領域技術人員充分地傳達本發明之範圍。
第9圖顯示根據本發明一示例性實施例之光學光偵測系統900之示意圖，以及僅用於說明目的之該光學光偵測系統900之一對應的影像。光學光偵測系統900在示例性實施例中被配置為一螢光偵測系統，並包括一光源610用以提供一激發光，一激發濾光器910用以選擇來自光源610之光的激發波長以產生一激發光束，以及根據本發明一些實施例之如上文所述之一光學結構300，用以將一晶片304收容/保持於其中，而使得激發光照射至晶片304之複數個井(其中含有流體樣品)上及來自該些井之光信號(螢光信號)被導引至偵測器414。光學光偵測系統900更包括一發射濾光器914，用以過濾來自光學結構300之光信號之激發波長以產生一螢光信號，以及一偵測器(相機)414，包括一光學透鏡916，用以偵測/感測光信號。如圖所示，在示例性實施例中，光學光偵測系統900之多個元件有利地大致沿著一共軸被設置，此有利於使得光學光偵測系統1000具有一由光源610至偵測器414之直接光路配置。
在示例性實施例中，光源610包括如第7圖中所示之複數個LED光源，個別用以提供一激發光至晶片304之對應的/個別的井306。舉例來說，每一LED光源可用以發射藍色光。偵測器414可為任何在本領域中已知的成像/感測裝置，例如一相機，其能夠感測光信號。此外，為了更好的結果及準確度，一高解析度偵測器可為優選的。僅作為示例而非限定，偵測器414可以是從加拿大Qlmaging得到之Retiga EXi CCD相機或從加拿大列治文市(Richmond BC)的Point Grey Research Inc.得到之Grasshopper2 CCD式(CCD-based)紅綠藍(RGB)相機，包括從美國新澤西州(NJ)的Edmund Optics得到之25毫米聚焦透鏡。可以基於本領域已知的各種程式/技術來分析/處理由偵測器414偵測到之光信號，以提供與晶片304中之流體樣品有關的各種輸出/結果，並且不需要在本文中詳細描述。也就是說，由偵測器/相機414捕捉之影像可由一電腦可執行的程式處理而根據需要產生各種輸出/結果，舉例來說，可使用來自美國麻薩諸塞州(MA)的Mathworks Inc.之Matlab圖像採集工具箱之一客製化影像分析軟體，而該可執行的程式可由一電腦處理器執行並進行影像分析。作為一示例而非限定，一可由32位元高解析度影像處理器執行之基於LabVIEW VisionTM的影像處理源代碼可被用以裁剪感興趣區域(ROI)，且在灰階轉換(grey-scale conversion)下將ROI轉換成二進位數據，並且計算每一像素的平均值。此外，與每一井相關的數值可表示來自分子信標與樣品之雜交的平均強度。藉由將此數值與分子信標背景的預設閥值進行比較，使用本光學 光偵測系統可非常快速地得到一陽性/陰性的分析結果，根據所進行的各種實驗例如可在8秒以內。
各種分子偵測/診斷技術(例如PCR)為本領域所公知的，因此不需要在此詳細描述。特別地，本發明實施例係針對用以偵測來自一微流體(或奈米流體)晶片之光信號(例如螢光或比色光信號)之光學結構300及光學光偵測系統600，可用於分子生物學領域中之各種用途，例如在如第1圖中所示之一樣品之樣品到結果診斷的終點偵測階段。因此，沒有必要描述存在於本領域中之各種分子偵測/診斷技術，例如取得在微流體晶片中待分析或測試之流體樣品的各種技術。也就是說，光學結構300及光學光偵測系統600可在各種應用中被使用或實現，由於各種目的，只要其涉及偵測來自微流體晶片之光信號，更具體地說，是用於偵測裝載於微流體晶片中之流體樣品中的標靶分子。
舉例來說，PCR是一用於核酸擴增(nucleic acid amplification)及基因偵測之發展良好的方法，並可用於例如食品安全測試、環境監測、及癌症和傳染病(例如抗耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA))診斷之各種應用。如上所述，可使用一微流體晶片304來將待分析或測試之流體樣品裝載於其中。微流體晶片304可提供許多優點，例如快速操作、樣品體積小、容易將樣品輸送到分析階段、及在多個井中進行平行擴增。舉例來說，參見如第3A及4A圖中所示之微流體晶片304(亦即Omega晶片)，該微流體晶片包括複數個井306，每一井包括一開口以用作該井之入口及出口，其中每一開口與一公共流體通道309流體連通，其中每一開口通過一隔離通道(連接井與公 共流體通道之通道)連接公共流體通道309，且其中該些複數個井以徑向對稱圖案之方式被佈置於晶片304上。井可具有一適合容納反應混合物之形狀，例如球形、立方體或球狀物(bulb)。流體(例如液體)由公共流體通道進入該些井306，舉例來說，由公共流體通道可以依序進入該些井，而使得流體可以沿著流體流動的方向完全地填滿連接於公共流體通道之一第一井，並從第一井溢流到公共流體通道以填充下一個井。如上所述，每一井可包括能夠與標靶分子形成一反應產物之一偵測探偵(detection probe)，該反應產物可發出一如上所述之光學光偵測系統600可偵測到之信號，例如通過照射光於該些複數個井上。可以觀察到的是，連接該些複數個井之公共流體通道基本上形成”Ω”的形狀，因此如第3A及4A圖中所示之微流體晶片304可被稱作一”Omega晶片”。本文中所使用的用語”晶片”是指通常包括一微流體裝置之基底，且該微流體裝置包括多個通道及腔室，其可以或可以不彼此連接。Omega晶片的更多細節可參見國際專利申請號PCT/SG2015/050054，且該專利之內容全部通過引用併入本文，為了如前面所述的所有目的。
用語”偵測探針”通常是指能夠結合標靶分子之一分子，且可包括固定在一支持物(例如一表面、一膜或一顆粒)上之探針分子或未固定在一支持物上之探針分子。偵測探針可以能夠結合標靶分子之至少一部份，例如一標靶核酸之特定序列，通過共價鍵、氫鍵、靜電結合或其他吸引力交互作用(attractive interactions)，以形成一反應產物。反應產物可以發出一可由偵測裝置偵測到之信號，以致可偵測到標靶分子之存 在，或者在沒有形成反應產物之情況下，偵測到不存在標靶分子。在一示例中，偵測探針可為一蛋白質，其可結合於亦可為一蛋白質之標靶分子，因此，本示例中之結合是通過蛋白質與蛋白質交互作用以進行偵測，例如蛋白質結構中之構象變化(conformational change)。在另一示例中，偵測探針可為一核酸，其可結合於亦可為一核酸之標靶分子，因此，本示例中之結合是通過雜交以進行偵測，例如一標靶核酸之存在或不存在，或者核酸中一單核苷酸突變(single nucleotide mutation)之存在。
裝置到微流體晶片304中之流體或液體樣品可以是包含標靶分子或可能包含標靶分子之一來源或溶液。該來源包括一可能的標靶來源，可以是一生物樣品，例如一面頰拭子(cheek swab)，取自受試者以偵測特定基因的存在或不存在。本文中所使用的用語”標靶核酸”是指一包含可以結合於偵測探針之一互補區之一序列區之核酸序列。標靶核酸序列可以被擴增，且當與偵測探針之互補區雜交時，可以偵測標靶核酸之存在或不存在及標靶核酸的定量。本文中所使用的用語”雜交”是指兩個完全或部分互補的單核酸鏈以反平行取向(antiparallel orientation)聚在一起而形成一具有雙鏈區之穩定結構之能力。此雙鏈結構的兩個組成鏈，有時被稱為雜化物(hybrid)，係通過氫鍵結合在一起。儘管這些氫鍵最通常在單核酸鏈上包含鹼基腺嘌呤和胸腺嘧啶或尿嘧啶(A和T或U)或胞嘧啶和鳥嘌呤(C和G)的核苷酸之間形成，但鹼基配對也可以在不是這些”典型(canonical)”對之成員的鹼基之間形成。非典型鹼基配對在本領域中是公知的。例如參見“The Biochemistry of the Nucleic Acids”(Adams et al.,eds.,1992)。
偵測探針可以耦合於一偵測工具(detection means)，例如一標記，以測量一標靶與偵測探針之雜交。標記可以為一放射性同位素或一螢光團。在一示例中，每一偵測探針可與不同的螢光團結合，而使得不同的探針可被區分。
在一些示例中，偵測探針包括DNA或RNA。在一些其他示例中，偵測探針包括具有能夠與一區域之樣品多核苷酸形成一雙鏈複合物之一髮夾環(hairpin loop)結構之單鏈多核苷酸。在一示例中，偵測探針可以是包括一螢光團及一淬滅劑(quencher)之一引物(primer)或一分子信標(MB)。在一示例中，MB探針在使用前不需要任何進一步的修飾。在另一示例中，偵測檢定法(detection assay)不需要額外的一價或二價鹽或添加物，例如牛血清蛋白(BSA)。在不存在標靶分子的情況下，MB探針保持一穩定的髮夾構象(conformation)，使得來自螢光團之螢光由於多核苷酸一端的螢光團和多核苷酸另一端的淬滅劑之接近而被完全淬滅。舉例來說，在MB探針之5'端的羧基螢光素(Fam)螢光團或Rox螢光團及在3'端的Dabsyl之接近可淬滅任何螢光。在標靶分子存在的情況下，探針之一部分可與標靶分子之互補序列雜交，導致螢光團和淬滅劑之分離，隨後導致從螢光團發射螢光。可以使用的螢光染料之其他示例包括SYBR Green I、Eva Green及LG Green。
在一些示例中，標靶分子包括DNA或RNA。在一些示例中，標靶分子包括一目標基因(gene or interest)。在一示例中，目標基因可為賦予抵抗病毒或抗細菌治療(例如使用一或 多種抗生素治療)之抵抗力之基因。在另一示例中，目標基因可為細菌及病毒基因。在一具體示例中，目標基因相關聯於人類副流感病毒(HPIV)，例如HPIV1及HPIV2。在另一具體示例中，目標基因為大腸桿菌質粒DNA(E.coli plasmid DNAs)。
在一示例中，偵測探針與標靶分子之間的反應在室溫下(例如約30℃)基本上是即時的，目標分子可與相應的偵測探針雜交，其中在30℃之最佳溫度下可實現發出信號且只有很小的雜訊。在另一示例中，不需要任何探針及標靶之培養(incubation)而可產生反應產物，且在可能的反應之前或之後也不需要任何沖洗。
在一示例中，標靶分子是一擴增反應的反應產物。擴增反應通過一模板依賴性過程(template-dependent process)使得核酸分子的濃度相對於其初始濃度可增加。用語”模板依賴性過程”是指涉及一引物分子的模板依賴性延伸的過程。擴增方法包括但不限於聚合酶連鎖反應(PCR)、DNA連接酶連鎖反應及本領域技術人員所熟知的其他擴增反應。擴增反應的組成包括用於擴增一標靶核酸的試劑，例如擴增引物、多核苷酸模板、三磷酸去氧核糖核苷酸(deoxyribonucleotide triphosphate)、聚合酶及核苷酸。在一具體示例中，標靶分子是一等溫聚合酶連鎖反應的反應產物。
僅用於說明目的，第10A至10E圖顯示裝載於個別微流體晶片304中並由偵測器414所偵測之各種流體樣品(個別具有抗藥性基因組(gene panels)MRSA 339/07、MSSA 02/09、MUCH 16/09、MRSA 23/01及沒有模板控制(NTC))發出之螢光信號之影像。附圖顯示了上述不同抗藥性基因組的偵測，其中每一 細菌菌株具有其自身的抗藥性基因譜(profile)。從螢光陽性/陰性結果，因此可以確定來自患者之細菌感染的種類/類型。
進行實驗以測試如上文所述及參照第9圖之本光學光偵測系統的一致性及可靠性，且現在將描述之。在實驗中，使用在每一井中裝載螢光異硫氰酸鹽(FITC)染料之Omega晶片(如第3A及4A圖中所示)。在一第一實驗中，通過執行一連續地捕捉及分析10次的軟體且在晶片置於光學結構300中的條件來檢查相機捕捉變異(亦即每一相機捕捉光信號之間的變異)。進行此實驗以測試從相機信號至二進位影像之影像轉換過程的穩定性，及裁剪軟體和像素計算。結果顯示於第11A圖中，且證明了每一相機捕捉的變異在約0.1%至0.4%之間。在一第二實驗中，通過將裝載有染料之晶片插入保持器且從保持器取出10次來測試晶片插入偏移的變異，以測試晶片對準特性的穩定性及與晶片錯位(misplacement)相關之人為錯誤的影響。結果顯示於第11B圖中，且證明了晶片插入偏移的變異約0.2%至1.9%。兩者發現顯示使用本光學光偵測系統之螢光偵測是強大的(robust)，且伴隨來自硬體機械特性及軟體分析程式之變異是極小的。
一系列稀釋FITC樣品的讀數將給出關於系統之靈敏度及偵測極限之指導。在這方面，第12圖顯示分別使用手動(亦即第2圖之傳統偵測系統)及自動(本偵測系統600)螢光偵測系統所捕捉之影像，來作為比較/驗證。具體而言，第12圖中之上列顯示由第2圖之傳統偵測系統所得到結果之五個影像，而第12圖中之下列顯示由本文中所述之本偵測系統600所得到結果之五個影像，其分別是對五個不同系列稀釋濃度的 螢光團進行測試。原來濃度為1.0時模擬一陽性雜交結果的螢光強度，而稀釋濃度為0.25時則模擬分子信標的背景強度。本偵測系統600的偵測範圍涵蓋了在Omega晶片上之多重診斷的應用。由第12圖可以觀察到本偵測系統600在靈敏度方面具有比傳統螢光偵測系統200明顯更好的表現，舉例來說，偵測系統600能夠偵測0.25及更低的濃度，然而傳統偵測系統的最低偵測濃度僅能夠達到0.25。
第13圖顯示晶片304之每一井之系列稀釋FITC樣品的線性圖。具體而言，在第13圖中，是將來自每一井(井1至10)之光強度的讀數對系列稀釋濃度作圖。此校準對於驗證來自每一井之信號是可重複及線性的是重要的。在第13圖中，此系列稀釋之線性顯示且驗證了通過計算在每一井上所表現的光強度可實現定量分析。
在另一實驗中，使用一來自鼻腔拭子(nasal swab)之臨床樣品且通過本光學光偵測系統600來測試MSRA 2301、MRSA S205及沒有模板控制(NTC)之條件。第14圖顯示使用本光學偵測系統600在分別使用具有MRSA 2301、S205之抗藥性基因組(gene panels)及沒有模板控制(NTC)的實際樣品之測試中所偵測之螢光信號，且第14圖中亦示出一示例性使用者介面1410上所顯示之光信號之偵測結果。舉例來說，該使用者介面可以使用LabVIEWTM programming來編程。具體而言，第14圖顯示由相機所捕捉之實際螢光影像1412，且螢光讀數例如可以通過影像處理轉換為範圍從0至255之數值且被顯示。結果顯示，信號水平均顯著高於其背景，而NTC的晶片則全部顯示 陰性及低螢光信號。因此，第14圖示出了三個測試晶片(MRSA 2301、MRSA S205及NTC)均顯示強信號及低背景雜訊。
整合的自動化影像處理系統具有減少手動對準步驟以最小化人為錯誤、縮短樣品到結果之時間、以及最小化讀數變異以給出一致的信號讀數之優點。由此，本發明實施例提供一種用於來自微流體晶片(特別是Omega晶片)之光信號之自動化光學偵測系統，包括可在PCR擴增後對包含有多個抗藥性基因之標靶之微流體晶片進行信號分析。因此，本光學系統可提供快速且節省成本的偵測，並有利於大量生產。各種優點還包括：圓柱形塊體及光罩可良好地工作以消除背景雜訊、無透鏡的光學結構設計便於大量生產、雙錐形光學特性可達到優異的SNR、過程由11步驟簡化至3步驟、完全自動化系統以最小化人為錯誤、將樣品到結果分析從需要數小時縮短至8秒在插入Omega晶片之後。
在一些實施例中，光學光偵測系統600更包括如第15A及15B圖中所示之一外殼1510，用以將如第9圖中所示之光學結構300、光源610及偵測器414封閉/容納於其中。舉例來說，如圖所示，外殼1510具有一開口1514，具有一可調蓋1516(例如可滑動)在一打開位置(例如，可允許將晶片304插入光學結構300之開口302中，參見第15B圖)及一關閉位置(例如，可關閉開口1514以避免/最小化外部雜訊(例如光)干擾偵測系統600對來自晶片304之光信號之偵測，參見第15A圖)之間為可調的。
第16圖顯示一製造一光學結構300之方法1600之方塊圖。該方法包括：步驟1602，其形成一開口於一結構中，該開口用以收容一晶片，該晶片包括複數個井，用以收容一待 分析的流體樣品於其中；以及步驟1604，其形成包括複數個孔之一光罩，且將該光罩定位成鄰近該開口，使得當該晶片被收容於該開口中時該光罩面向該晶片，其中該些複數個孔被配置為延伸穿過該光罩，用以接收及導引分別來自該些複數個井的光。在一些實施例中，光學結構300及光罩308可由一固體或剛性材料所製成，例如但不限於，一金屬(例如鋁、不鏽鋼或銅)或一塑膠材料(例如黑色聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA))。舉例來說，光學結構300及/或光罩308可利用PolyJet 3D印表機製造，以實現優化焦距之快速驗證。
第17圖顯示一組裝一光學光偵測系統600之方法1700之方塊圖。該方法包括：步驟1702，其提供一如本文所述根據本發明一些實施例之光學結構，用以收容一晶片於其中，該晶片包括複數個井，用以收容一待分析的流體樣品於其中；步驟1704，其提供一光源，用以朝向該光學結構發射光；以及步驟1706，其提供一偵測器，用以偵測來自被保持於該光學結構中之該晶片的光信號(例如從該晶片之該些複數個井中之每一者中的流體樣品所發出之光信號)。具體而言，該光源、該光學結構及該偵測器被組裝成大致沿著一共軸，以有利地提供從光源至偵測器之一直接光路。
亦須了解的是，在本說明書中，所使用到的例如”頂部”、”底部”、”基部”、”下”、”側向”、”向下”等用語是為了方便而使用並有助於理解相對位置或方向，而非用來限制本文所述之部件或結構之定向。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非 用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許之更動與潤飾。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
300‧‧‧光學結構
308‧‧‧光罩
310‧‧‧孔
414‧‧‧偵測器
416‧‧‧目標點

Claims (20)

  1. 一種光學結構，包括：一開口，用以收容一晶片，該晶片包括複數個井，用以收容一待分析的流體樣品於其中；以及一光罩，包括複數個孔，其中該光罩被定位成鄰近該開口，使得當該晶片被收容於該開口中時該光罩面向該晶片，且其中該些複數個孔被配置為延伸穿過該光罩，用以接收及導引分別來自該些複數個井的光。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的光學結構，其中該些複數個孔中之每一者係基於一預定位置被佈置於該光罩上，且該預定位置係當該晶片被收容於該開口中時該些複數個井中之一對應的井被配置之位置。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的光學結構，其中該些複數個孔中之每一者被配置為使得延伸穿過該光罩之該孔之一中心軸以一角度偏離於與形成有該些複數個孔之該光罩之一表面垂直之一軸。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的光學結構，其中該孔之該中心軸偏離於該軸之該角度係基於一預定位置被配置的，且該預定位置係當該晶片被收容於該開口中時該些複數個井中之一對應的井被配置之位置。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的光學結構，其中該孔之該中心軸被配置為與該對應的井之該預定位置相交。
  6. 如申請專利範圍第3項所述的光學結構，其中該角度係在約5度至約60度的範圍內。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的光學結構，其中該些複數個孔中之一或多者被配置為具有錐形形狀。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的光學結構，其中該開口被配置為以可拆裝的方式收容該晶片。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的光學結構，其中該光學結構被配置為以可拆裝的方式收容該光罩。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的光學結構，其中該光學結構係無透鏡的。
  11. 如申請專利範圍第1至10項中任一項所述的光學結構，其中該光罩被設為鄰近該開口，使得當該晶片被收容於該開口中時該光罩緊貼鄰近該晶片。
  12. 一種光學光偵測系統，包括：一如申請專利範圍第1至10項中任一項所述的光學結構，用以收容一晶片於其中，該晶片包括複數個井，用以收容一待分析的流體樣品於其中；一光源，用以朝向該光學結構發射光；以及一偵測器，用以偵測來自該些複數個井中之每一者的光信號，該些複數個井具有被收容於其中之該流體樣品。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的光學光偵測系統，其中當該晶片被收容於該開口中時，響應於來自該光源之光，該光學結構之該光罩之該些複數個孔用以將分別來自該些複數個井的該些光信號導引至該偵測器。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的光學光偵測系統，其中該些複數個孔中之每一者被配置為使得該孔之該中心軸與來自 該對應的井至該偵測器上之一目標點之該光信號之一軌跡線對準。
  15. 如申請專利範圍第12項所述的光學光偵測系統，更包括一遮光部件，被設於該偵測器及該光學結構之間，用以包圍該光學結構之在其一側之該些複數個孔，以致可避免或最小化外部雜訊影響由該些複數個井至該偵測器之該些光信號。
  16. 如申請專利範圍第12項所述的光學光偵測系統，其中該光源包括複數個發光元件，每一發光元件用以發射光以照射該晶片之一對應的井。
  17. 如申請專利範圍第12項所述的光學光偵測系統，其中該光源、該光學結構及該偵測器大致沿著一共軸被設置。
  18. 一種製造一光學結構之方法，該方法包括：形成一開口於一結構中，該開口用以收容一晶片，該晶片包括複數個井，用以收容一待分析的流體樣品於其中；以及形成包括複數個孔之一光罩，且將該光罩定位成鄰近該開口，使得當該晶片被收容於該開口中時該光罩面向該晶片，其中該些複數個孔被配置為延伸穿過該光罩，用以接收及導引分別來自該些複數個井的光。
  19. 一種組裝一光學光偵測系統之方法，該方法包括：提供一如申請專利範圍第1至10項中任一項所述的光學結構，用以收容一晶片於其中，該晶片包括複數個井，用以收容一待分析的流體樣品於其中； 提供一光源，用以朝向該光學結構發射光；以及提供一偵測器，用以偵測來自被保持於該光學結構中之該晶片的光信號。
  20. 如申請專利範圍第19項所述的方法，更包括將該光源、該光學結構及該偵測器大致沿著一共軸設置。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110579435B (zh) 2012-10-15 2023-09-26 纳诺赛莱克特生物医药股份有限公司 颗粒分选的系统、设备和方法
CN109143034A (zh) * 2018-09-10 2019-01-04 上海华虹集成电路有限责任公司 芯片adc性能自动化测试系统及方法
ES2987707T3 (es) * 2019-11-19 2024-11-15 Fujifilm Corp Dispositivo de inspección
CN111568385B (zh) * 2020-06-11 2022-05-27 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 光学相干层析设备的诊断检测方法、装置、系统
MY205246A (en) * 2020-07-09 2024-10-09 Vitrox Tech Sdn Bhd An apparatus for use in an automated optical inspection
US20240149266A1 (en) * 2022-11-03 2024-05-09 Nucleic Sensing Systems, LLC Method and apparatus for detecting changes in fluid composition and flow in a channel

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05157684A (ja) * 1991-12-02 1993-06-25 Seikagaku Kogyo Co Ltd 吸光光度計
WO2000006996A1 (en) * 1998-07-28 2000-02-10 Ce Resources Pte Ltd. Optical detection system
US7148043B2 (en) * 2003-05-08 2006-12-12 Bio-Rad Laboratories, Inc. Systems and methods for fluorescence detection with a movable detection module
US7298478B2 (en) * 2003-08-14 2007-11-20 Cytonome, Inc. Optical detector for a particle sorting system
US7663750B2 (en) * 2005-06-30 2010-02-16 Applied Biosystems, Llc Two-dimensional spectral imaging system
US20080000892A1 (en) * 2006-06-26 2008-01-03 Applera Corporation Heated cover methods and technology
DE102006036171B4 (de) * 2006-07-28 2008-10-09 Analytik Jena Ag Anordnung und Verfahren zur mehrkanaligen Fluoreszenzmessung in PCR-Proben
JP2008039477A (ja) * 2006-08-02 2008-02-21 Furukawa Electric Co Ltd:The 光検出装置
EP2232245A1 (en) * 2007-12-06 2010-09-29 Agency for Science, Technology And Research Integrated apparatus for conducting and monitoring chemical reactions
CN101620187A (zh) * 2008-07-04 2010-01-06 中国科学院大连化学物理研究所 一种高灵敏度的旋转扫描式多通道化学发光检测仪
US8395773B2 (en) * 2009-06-22 2013-03-12 California Institute Of Technology Optical devices and methods for measuring samples
WO2011097032A1 (en) * 2010-02-05 2011-08-11 Cytonome/St, Llc Multiple flow channel particle analysis system
WO2012033466A1 (en) * 2010-09-08 2012-03-15 Nitto Denko Corporation Waveguide biosensor
WO2012119094A2 (en) * 2011-03-03 2012-09-07 California Institute Of Technology Light guided pixel
WO2013070948A1 (en) * 2011-11-09 2013-05-16 The Regents Of The University Of Michigan Sers, fluorescence, absorption, and luminescence detection with flow-through multi-hole capillaries
CN105765054A (zh) * 2013-10-07 2016-07-13 道格拉斯科学有限责任公司 用于分析生物样品的便携式测试装置
WO2015074001A1 (en) * 2013-11-17 2015-05-21 Quantum-Si Incorporated Optical system and assay chip for probing, detecting and analyzing molecules
EP3155396A4 (en) * 2014-06-12 2017-12-27 Wafergen, Inc. Single cell capture with polymer capture films

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