(57)【要約】試料中の標的ヌクレオチド分子の数を判定するためのシステムは、試料ホルダー、励起光学システム、光センサ、及び放出光学システムを含む。試料ホルダーは、少なくとも２０，０００個の別個の反応サイトを備える物品を受容するように構成される。励起光学システムは、少なくとも２０，０００個の別個の反応サイトを同時に照射するように構成される光源を備える。光センサは、所定のピクセル数を備え、該所定のピクセル数は、別個の反応サイト数の少なくとも２０倍である。放出光学システムは、試料ホルダーからのシステム作動距離を備え、該作動距離は、６０ミリメートル以下である。
2015515267.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料中の標的ヌクレオチド分子の数を判定するためのシステムであって、
少なくとも２０，０００個の別個の反応サイトを備える物品を受容するように構成される試料ホルダーと、
前記少なくとも２０，０００個の別個の反応サイトを同時に照射するように構成される光源を備える励起光学システムと、
所定のピクセル数を備える光センサであって、前記所定のピクセル数が、前記反応サイト数の少なくとも２０倍である、光センサと、
前記試料ホルダーからのシステム作動距離を備える放出光学システムであって、前記システム作動距離が、６０ミリメートル以下である、放出光学システムと、を備える、システム。
【請求項２】
プロセッサと、前記プロセッサと通信する電子メモリと、を含むコンピュータを更に備え、
前記コンピュータが、前記少なくとも２０，０００個の別個の反応サイトのうちの前記光センサから画像を受け取り、
前記メモリが、デジタルＰＣＲ計算を実施するための命令を備え、
前記コンピュータが、前記命令及び前記受け取られた画像に基づいて、前記少なくとも２０，０００個の別個の反応サイトのうちの少なくともいくつかに収容される標的ヌクレオチド粒子の数を計算するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
励起光学システム及び前記放出光学システムを収容する筐体と、
前記光センサを備える画像記録システムと、を更に備え、
前記画像記録システムが、取り外し可能に前記筐体に載置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記画像記録システムが、カメラ付き携帯電話又はスマートフォンである、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記画像記録システムが、ｉＰｈｏｎｅである、請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
前記画像記録システムが、前記光センサから画像を獲得し、前記試料の生化学的情報を提供するように前記画像を処理するように構成される、プロセッサを備える、請求項３に記載のシステム。
【請求項７】
試料中の標的ヌクレオチド分子の数を判定するためのシステムであって、
複数の別個の反応サイトを備える物品を受容するように構成される試料ホルダーと、
前記光センサを備える画像記録システムと、
筐体であって、
前記別個の反応サイトを同時に照射するように構成される光源を備える励起光学システムと、
前記物品から前記画像記録システムへ放射線を移すように構成される放出光学システムと、を備える、筐体と、を更に備え、
前記画像記録システムが、取り外し可能に前記筐体に載置される、システム。
【請求項８】
前記画像記録システムが、カメラ付き携帯電話又はスマートフォンである、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記画像記録システムが、ｉＰｈｏｎｅである、請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
画像記録システムが、前記光センサから画像を獲得し、前記試料の生化学的情報を提供するように前記画像を処理するように構成される、プロセッサを備える、請求項７に記載のシステム。
【請求項１１】
１つ以上の試料中の標的ヌクレオチドの量を測定する方法であって、
システムであって、
少なくとも２０，０００個の別個の反応サイトを備える物品を受容するように構成される試料ホルダーと、
前記少なくとも２０，０００個の別個の反応サイトを同時に照射するように構成される光源を備える励起光学システムと、
所定のピクセル数を備える光センサであって、前記所定のピクセル数が、前記反応サイト数の少なくとも２０倍である、光センサと、
前記試料ホルダーからのシステム作動距離を備える放出光学システムであって、前記システム作動距離が、６０ミリメートル以下である、放出光学システムと、を備える、システムを提供することと、
前記物品を提供することと、
前記少なくとも２０，０００個の反応サイトのうちの少なくともいくつかに増幅アッセイを実施することと、
前記試料ホルダー内に前記物品を設置することと、
前記励起光学システムを用いて前記物品を照射することと、
前記少なくとも２０，０００個の別個の反応サイトのうちの少なくともいくつかからの放出放射線を測定することと、
前記標的ヌクレオチドの量を判定することと、を含む、方法。
【請求項１２】
前記少なくとも２０，０００個の反応サイトのうちの少なくともいくつかの間で前記標的ヌクレオチドを含有する試料溶液の少なくとも一部分を分割することと、
前記少なくとも２０，０００個の反応サイトのうちの少なくともいくつかからの放出放射線を測定することにより前記溶液中の前記標的ヌクレオチドの量を判定することと、を更に含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
各物品が前記少なくとも２０，０００個の反応サイトを備える、複数の物品の前記反応サイト間で、前記標的ヌクレオチドを含有する試料溶液の少なくとも一部分を分割することと、
前記複数の物品のうちの各々の反応サイトのうちの少なくともいくつかからの放出放射線を測定することにより前記溶液中の前記標的ヌクレオチドの量を判定することと、を更に含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
各物品が前記少なくとも２０，０００個の反応サイトを備える、複数の物品の前記反応サイト間で、前記標的ヌクレオチドを含有する試料溶液の少なくとも一部分を分割することと、
連続的に、前記試料ホルダー中に前記複数の物品の各物品を設置して、各物品の前記少なくとも２０，０００個の別個の反応サイトのうちの少なくともいくつかからの放出放射線を測定することと、
前記複数の物品の全てについて、測定された放出放射線に基づいて、前記溶液中の前記標的ヌクレオチドの量を判定することと、を更に含む、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、生体試料を評価するためのデバイス、システム、及び方法に関し、より具体的には、複数の生体試料を同時に評価するためのデバイス、システム、及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
生物学的及び生化学的反応のための光学システムは、かかる反応を監視、測定、かつ／又は解析するために使用されている。かかるシステムは、シーケンス処理、遺伝子型判定、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）、及び他の生化学的反応において一般に使用され、進行を監視し、定量的データを提供する。例えば、任意の励起ビームは、リアルタイムＰＣＲ（ｑＰＣＲ）プロセス中に使用されてもよく、蛍光ＤＮＡ結合性染料又は蛍光プローブを照射し、標的遺伝子の量又は他のヌクレオチド配列を示す蛍光信号を生成する。試験又はアッセイ毎により多くの反応を提供する要求の高まりが、はるかにより多くの反応を同時に行うことができる器具をもたらしている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
単一の試験又は実験における試料サイト数の増加は、更に小さい試料体積を提供するマイクロタイタープレート及び他の試料形式をもたらしている。加えて、デジタルＰＣＲ（ｄＰＣＲ）などの技術は、多数の試料のうちの大多数においてゼロ又は１つのいずれかの標的ヌクレオチド配列を含有するより小さい試料体積の需要を増加させた。およそナノリットル又はピコリットルの体積を有する試料サイトを有する更なる高密度試料形式で、信頼性のあるデータを提供するシステム及び試料形式が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の実施形態には、概して、複数の反応領域又は反応サイトに位置される多数の小試料又は溶液のための生物学的反応を監視又は測定するためのデバイス、器具、システム、及び方法が示される。実施形態は、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）プロセス、アッセイ、及びプロトコルの使用を含む。概して多数の試料が処理されるｄＰＣＲ（デジタルＰＣＲ）又はｑＰＣＲ（リアルタイム又は定量的ＰＣＲ）に適用できる一方で、任意の好適なＰＣＲ方法が、本明細書に記載の様々な実施形態に従って使用され得ることが認識されるべきである。好適なＰＣＲ方法として、制限なしに含み得る、アレル特異的ＰＣＲ、非対称ＰＣＲ、結紮によるＰＣＲ、多重ＰＣＲ、ネステッドＰＣＲ、定量的又はリアルタイムＰＣＲ（ｑＰＣＲ）、キャストＰＣＲ、ゲノムウォーキング、ブリッジＰＣＲ、デジタルＰＣＲ（ｄＰＣＲ）などが挙げられるがこれらに限定されない。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
本発明の実施形態は、添付の図面と併せて一読される際に以下の詳細な説明からより良く理解され得る。かかる実施形態は、例示的な目的のみであり、本発明の新規の自明でない態様を描写する。図面は、以下の図を含む。
【図１】本発明の実施形態に従う、基板の平面図である。
【図２】図１に示される基板の側面図である。
【図３】図１に示される基板の一部分の断面図である。
【図４】本発明の実施形態のモデルの模式図である。
【図５】図４に示されるモデルを用いた模式図結果である。
【図６】本発明の実施形態に従う、反応サイトの分布のためのパターンの描写である。
【図７】円形反応サイトと六角形反応サイトとの間の比較を示す幾何学的レイアウトの描写である。
【図８】本発明の実施形態に従う、基板の断面図である。
【図９】本発明の実施形態に従う、基板の一部分の斜視図である。
【図１０】本発明の実施形態に従う、基板の平面図である。
【図１１】本発明の実施形態に従う、方法のフローチャートである。
【図１２】本発明の実施形態に従う、担体及び関連基板の断面図である。
【図１３】図１２に示される担体及び基板の平面図である。
【図１４】本発明の実施形態に従う、担体の斜視図である。
【図１５】本発明の実施形態に従う、担体の斜視図である。
【図１６】本発明の実施形態に従う、方法のフローチャートである。
【図１７】本発明の実施形態に従う、製造物品の正面図である。
【図１８】図１７に示される、製造物品の拡大正面図である。
【図１９】図１７に示される、製造物品の拡大正面図である。
【図２０】物品の様々な寸法を示している図１７に示される製造物品の正面図である。
【図２１】本発明の実施形態に従う、製造物品の正面図である。
【図２２】物品の様々な寸法を示す図２１に示される製造物品の正面図である。
【図２３】本発明の実施形態に従う、システムの模式図である。
【図２４】本発明の別の実施形態に従う、システムの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本発明の実施形態に従うデバイス、器具、システム、及び方法が、概して、ｄＰＣＲ及びｑＰＣＲに関する一方で、本発明は、多数の試料又は溶液体積が処理、観察、及び／又は測定され、本発明の実施形態がｄＰＣＲにとって特に好適である、任意のＰＣＲプロセス、実験、アッセイ、又はプロトコルに適用されてもよい。本発明の実施形態に従う、ｄＰＣＲアッセイ又は実験では、比較的少数の少なくとも１つの標的ポリヌクレオチド又はヌクレオチド配列を含有する希釈溶液が、より多くの数の極めて小さい試験試料又は体積に細分化され、それによって、圧倒的大部分において、これらの試料又は体積の少なくとも一部が、標的ヌクレオチド配列の１つの分子を収容するか、又は標的ヌクレオチド配列を全く含まないかのいずれかである。試料が、ＰＣＲアッセイ、プロセス、又は実験において、その後に熱的に循環させられると、１つ以上の標的分子を含む個々の試料は増幅され、正の検出可能な信号を生成する一方で、標的（複数可）のいずれも含まない試料は、信号を生成しないか、又は所定の閾値若しくは雑音レベルを下回る信号しか生成しない。ポアソン統計を用いると、原溶液中の標的ヌクレオチド配列の数は、正の検出信号を生成する試料の数に相関し得る。いくつかの実施形態では、検出された信号は、個々の試料又は体積に含まれる標的分子の数、又は数値範囲を決定するように使用されてもよい。例えば、検出システムは、１つの標的分子を含む試料と、２つ又は少なくとも２つの標的分子を含む試料との間を区別するように構成され得る。更に又はあるいは、検出システムは、所定の量以下である標的分子数を含む試料と、所定の量を超えて含む試料との間を区別するように構成され得る。ある実施形態では、ｑＰＣＲ及びｄＰＣＲの両方のプロセス、アッセイ、又はプロトコルが、単一のデバイス、器具、又はシステム、及び方法を用いて行われる。
【０００７】
種々の実施形態では、本明細書に記載のデバイス、器具、システム、及び方法は、所望の生物学的成分を含む初期の試料又は溶液中に含有される、生物学的成分又は所望の標的のうちの１つ以上の型を検出するように使用され得る。これら所望の生物学的成分又は標的は、ＤＮＡ配列（無細胞ＤＮＡを含む）、ＲＮＡ配列、遺伝子、オリゴヌクレオチド、分子、タンパク質、バイオマーカー、細胞（例えば、循環する腫瘍細胞）、又は任意の他の好適な標的生体分子を含む任意の好適な生物学的標的であってもよいが、これらに限定されない。種々の実施形態では、かかる生物学的成分は、胎児診断、多重ｄＰＣＲ、ウイルス性検出、及び定量化基準、遺伝子型判定、シーケンス処理アッセイ、実験、又はプロトコル、シーケンス処理検定、突然変異検出、遺伝子組み換え体検出、希少対立遺伝子検出、及び／又はコピー数多型などの適用において様々な１つ以上のＰＣＲ方法及びシステムと共に使用され得る。
【０００８】
本発明の実施形態に従うと、少なくとも１つの所望の生物学的標的を含む１つ以上の試料又は溶液は、分散又は分割される複数の小試料体積か又は反応体積サイトの間に含まれ得る。本明細書に開示される本発明の試料体積又は反応サイトの実施形態のための試料又は溶液は、概して基板材料に位置される貫通穴に含まれるとして例示される。しかしながら、該当箇所では、本発明の実施形態に従う試料体積又は反応サイトの他の形態は、基板に形成されるウェル又はくぼみ内に位置される反応体積、基板表面上に分散される溶液のスポット、又は試験サイト又はマイクロ流体の体積内、若しくは小ビーズ又は球内又は上に位置される試料又は溶液などの反応小室又は形式の他の型を含む、使用されるように含み得る。
【０００９】
ある実施形態では、ｄＰＣＲプロトコル、アッセイ、プロセス、又は実験を行う順序は、本発明の実施形態に従って分配又は分割することを含み、初期試料又は溶液は、少なくとも１０，０００個の反応サイト、少なくとも１００，０００個の反応サイト、少なくとも１００万個の反応サイト、又は少なくとも１０００万数万個、何十万個、又は更に数百万個の反応サイトに分割され得、反応サイトを有する各々は、単純で対費用効果の高い方法で、少数のナノリットル、約１ナノリットル、又は１ナノリットル以下である（例えば、１００ピコリットル以下、１０ピコリットル以下、及び／又は１０又は１００のピコリットル１ピコリットル以下）体積を有し得る。初期試料又は溶液中に収容される標的ヌクレオチド配列の数が非常に少ない場合（例えば、１，０００個未満の標的分子、１００個未満の標的、１０個未満の標的分子、又は１個若しくは２個のみの標的分子）、それはまた、初期溶液の全含有量又はほぼ全ての含有量が、処理される試料体積又は反応サイトのうちの１つを占めるか、含むか、又は受容するような状況におけるある場合において重要であり得る。例えば、少数の標的ヌクレオチドのみが、初期溶液に存在する場合、これらの標的ヌクレオチドの多くのいくつか（many  some）又は全てが、反応サイトのいずれにも１つにもうまく装填されず位置されない小残留流体体積に含まれる可能性があり得、よって、検出、測定、又は計算されない。したがって、初期溶液の効率的な移設は、標的分子のうちのどれもが、指定の反応サイトのうちの１つ中にうまく位置されない場合、希少対立遺伝子又は標的ヌクレオチドの数量計算における計算違い、又は全ての損失する希少対立遺伝子又は標的ヌクレオチドでの有無の検出失敗、の機会又は可能性を減少させる点で補助し減少に役立ち得る。したがって、本発明の実施形態は、装填効率が、初期試料又は溶液の総体積又は質量により分割される反応サイト内に受容される初期試料又は溶液の体積又は質量として定義される、高装填効率を効率的に提供するように使用され得、多数の反応サイト又は貫通穴へのこのやり方での初期試料溶液の装填は、所定の反応サイトのうちの１つに受容される試料又は溶液の全て、又は本質的に全てをもたらす。
【００１０】
図１〜３を参照すると、本発明のあるの実施形態では、物品、デバイス、基板、スライド、又はプレート１００は、基板１０２に位置される複数の区分板、貫通穴、反応領域、又は反応サイト１０４を含む基板１０２を備える。ある実施形態では、物品１００は、チップを含み得る。更に又はあるいは、物品１００は、例えば、試薬及び／又は試験溶液を、反応サイト１０４に移設するための複数のチャネル又は経路を更に含み得る、マイクロ流体デバイスを備えてもよい。他の実施形態では、反応サイト１０４は、複数の液滴又はビーズを含み、物品１００は、液滴又はビーズ１０４のうちのいくつか又は全てを含む１つ以上の小室及び／又はチャネルを含み得る。かかる実施形態では、液滴又はビーズ１０４は、液滴又はビーズ１０４のうちのいくつか又は全てが、ポリヌクレオチド又はヌクレオチド配列の少なくとも１つのうちの１つ以上の標的を含む、乳剤を形成し得る。反応サイト１０４がビーズである、ビームは、取り付けられる光学指標又はラベルを任意に含み得る。液滴又はビーム１０４は、例えば本発明の実施形態に従う撮像システムを用いて、１つずつ、又は１つ以上の液滴又はビーズ１０４を含む群のいずれかで、検査、監視、又は測定され得る。
【００１１】
例としての実施形態では、物品１００は、第１の表面１１０及び反対側の第２の表面１１２を備える。例としての実施形態では、各反応サイト１０４は、第１の表面１１０の開口部１１４から第２の表面１１２の開口部１１６まで延在する。図３に示される例としての実施形態が貫通穴１０４を含む基板を示すが、基板１０２は、更に又はあるいは、反応サイトの他の型を含んでもよい。例えば、反応サイト１０４は、試験サイト又はマイクロ流体システムの体積内、若しくは小ビーズ又は球内又は上、に位置される試料又は溶液などの、基板１０２に形成されたウェル又はくぼみ内に位置される反応体積、表面１１０又は１１２上に分散される溶液のスポット、又は反応小室又は形式の他の型を含み得る。
【００１２】
反応サイト１０４は、所望の生物学的成分を含有する液体又は試料の対応する量に吸収されるように毛管現象により十分な表面張力を提供するように構成され得る。物品１００は、その全体が本明細書に完全に記載されているかのように、参照することにより本明細書に組み込まれる、米国特許第６，３０６，５７８号；同第７，３３２，２７１号；同第７，６０４，９８３号；同第７，６８２５，６５号；同第６，３８７，３３１号；又は同第６，８９３，８７７号のうちのいずれかに開示されるような一般形態又は構成体を有し得る。
【００１３】
基板１０２は、フラットプレートであってもよく、又は特定の適用、アッセイ、又は実験にとって好適な任意の形態を含んでもよい。基板１０２は、金属、ガラス、セラミック、シリコンなどを含む当該の加工において既知の様々な材料のうちのいずれかを含み得るがこれらに限定されない。更に又はあるいは、基板１０２は、アクリル、スチレン、ポリエチレン、ポリカーボネート、及びポリプロピレン材料などのポリマー材料を含んでもよい。基板１０２及び反応サイト１０４は、機械加工、射出成形、熱エンボス加工、レーザー穿孔、フォトリソグラフィなどのうちの１つ以上により形成され得る。
【００１４】
ある実施形態では、表面１１０、１１２は、例えば、その全体が本明細書に完全に記載されているかのように、参照することにより本明細書に組み込まれる、米国特許出願公開第２００６／００５７２０９号又は同第２００６／０１０５４５３号に説明されるような、疎水性材料を含み得る。かかる実施形態では、反応サイト１０４は、水又は他の液体溶液を誘引する親水性材料を含み得る。かかる親水性領域のアレイは、疎水性表面上に親水性の島状構造を含み得、堆積作用、プラズマ、マスキング方法、転写印刷、スクリーン印刷、スポッティングなどを含むがこれらに限定されない様々な微細加工のうちのいずれかを用いて基板１０２上又は内に形成され得る。
【００１５】
高反応サイト密度は、装填プロセス中表面１１０、１１２上に残される溶液の量を減少させるように構成され得、よって、初期溶液のより高い装填効率又は移設を誘導することが発見された。例えば、隣接するウェル間の間隙の値とウェルの直径値比を減少させることにより、プレートの表面上に残される溶液の量は、著しく減少され得、よって全て又はほぼ全ての、所望の生物学的成分を含有する初期溶液又は試料は、反応サイト１０４内部に位置される。これにより、希少対立遺伝子又は他の標的分子の損失の可能性が減少され、それが起こる見込みがないため、１つ以上の標的分子が、指定の反応サイト１０４のうちの１つに受容される代わりに基板の表面上に残存する。
【００１６】
図４を参照すると、装填効率におけるこの増加は、複数の親水性反応サイトを含む疎水性表面のコンピュータモデルで呈された。このモデルは、７５マイクロメートルの直径を有する貫通穴のための反応サイトピッチ（又は密度）の関数として、複数の反応サイト内への試料の分散を解析するように使用された。図５は、反応サイト間の間隙が減少するにつれて（密度を増加させた）、初期流体試料のより大きい百分率が、反応サイトにより得られ、より少ない残留液体の量が、装填プロセス後、疎水性表面上に残されることを呈する。したがって、所与の断面寸法の反応サイト１０４のより高い密度は、所与のサイズの基板１０２のための試験試料の数の増加、及び表面１１０、１１２上に残る残留流体の減少又は排除の両方をもたらす（希少対立遺伝子又は他の所望の標的分子を含み得る）。
【００１７】
ある実施形態では、反応サイト１０４が光学システムにより撮像されると光学限界のため、隣接する反応サイト間の間隙における下界が、存在し得る。例えば、隣接する反応サイトを明瞭に撮像するための光学システムの性能における限界のため、隣接する反応サイト間の間隙における下界が、存在し得る。基板１０２の反応サイト１０４の密度を増加させるように、最密充填六方マトリックスパターンは、例えば、図６及び７に例示されるように使用され得る。
【００１８】
非円形断面を有する反応サイトは、隣接する反応サイト１０４間の平均距離又は間隙を有利に減少し得、試験溶液又は試料の装填後、表面１１０、１１２上に残される残留液体又は溶液の量において減少を誘引し得ることが発見された。図６及び７を参照すると、頂点から頂点までの直径Ｄを有する六角形の反応サイト１０４のアレイは、隣接する反応サイト間の間隙又はピッチがＰである六角形のパターンに配列される。ある実施形態では、反応サイト１０４からの蛍光信号を測定するように使用される光学システムの隣接する反応サイト間の混信が、隣接する反応サイト間の最小端距離Ｓの関数である。したがって、図７に示される図形は、所定値以下で、使用され得、隣接する反応サイト間の混信をなお維持し得る反応サイト間の最小ピッチＰを表す。各六角形内部の点線による円がまた、図７に示される。これは、ピッチＰの値と同じもの、及び六角形の反応サイトのそれのような同じ端間隙Ｓを有する直径Ｄ’の円形反応サイトを表す。図７のグレー表示部分は、円形及び六角形の反応サイトの両方のためのいくつかの幅Ｗの上の隣接する反応サイト間の区域を示す。図７にはっきりと見えるように、幅Ｗの上の隣接する反応サイト間の区域は、ピッチＰ及び端間隙Ｓが同じであるとき、六角形の反応サイト間よりも円形反応サイトが大きい。図４及び５に対して論じられるモデリングの結果は、隣接する反応サイト間のより小さい区域がより高い装填効率を誘引するということを示す。したがって、図７に例示される結果に基づいて、より高い装填効率は、同じ間隙条件下（Ｐ及びＳ）で、円形反応サイトよりも六角形の形状の反応サイトに提供される。
【００１９】
この結果はまた、反応サイトを検査するように構成される光学システムのための予想外の利点を提供する。図７の最小端間隙Ｓが、円形及び六角形の反応サイトの両方にとって同じであるため、隣接する反応サイト間の混信は、反応サイトのいずれの型にも同じ又は類似であった。しかしながら、同じピッチＰ及び端間隙Ｓであるため、六角形の反応サイトの断面積は、円形反応サイトのそれよりも大きい。したがって、光学システムにより生成された画像は、円形反応サイトよりも六角形の反応サイトのほうに大きい区域を有した。したがって、六角形の反応サイトにより生成されたより大きい画像は、より大きいピクセル数に及ぶ可能性があり得る。反応サイト毎のより大きいピクセル数は、反応サイトを生成した信号のより正確な計算を支援する。したがって、より高い装填効率を提供することに加えて、図６及び７に示されるように、六角形の反応サイトの使用はまた、各反応サイト１０４により生成される光信号又は出力のより正確な測定又は計算をもたらし得る（例えば、標的又は色素分子の量に比例して生成される蛍光信号の測定又は計算）。
【００２０】
図１に示される例としての実施形態において、物品１００は、正方形の形状で、かつ全体では１５ミリメートル×１５ミリメートルの寸法を有する。物品１００はまた、１３ミリメートル×１３ミリメートルの寸法の作用区域、領域、又は帯域１２０を有する。本明細書に使用されるとき、用語「作用区域」、「作用領域」、又は「作用帯域」は、反応サイト又は溶液体積が含まれる又は分散される物品１００上などの物品の表面積、領域、又は帯域を意味する。ある実施形態では、物品１００の作用区域は、基板１０２上に含まれる反応サイトの総数を増加させるために、１４ミリメートル×１４ミリメートル又はより大きい、例えば１５ミリメートル×１５ミリメートル基板寸法に増加させてもよい。物品１００は、他の形状及び寸法を有してもよい。例えば、表面１１０、１１２は、矩形、三角形、円形、又はいくつかの他の幾何学的形状であってもよい。物品１００及び作用区域１２０の全体的な寸法は、所与のシステム、アッセイ、又は実験のための特定設計パラメータに基づいて、図１の例としての実施形態のためのものより小さくても又は大きくてもよい。
【００２１】
図１の例としての実施形態では、反応サイト１０４は、７５マイクロメートルの特性直径を有し得、隣接する反応サイト間に１２５マイクロメートルのピッチを持つ作用区域１２０上にわたって分散され得る。他の実施形態では、反応サイト１０４は、７５マイクロメートル以下である特性直径、例えば、６０マイクロメートル又は５０マイクロメートル以下である特性直径などを有する。他の実施形態では、反応サイト１０４は、２０マイクロメートル以下、１０マイクロメートル以下、１マイクロメートル以下、又は１００ナノメートル以下である特性直径を有する。反応サイト間のピッチは、１２５マイクロメートル未満であり得、例えば、１００マイクロメートル以下、３０マイクロメートル以下、１０マイクロメートル以下、又は１マイクロメートル以下である。
【００２２】
ある実施形態では、基板１０２は、表面１１０と表面１１２との間に３００マイクロメートルにて又は約３００マイクロメートルである厚さを有し、それによって各反応サイト１０４は、約１．３ナノリットルの体積を有する。あるいは、各反応サイト１０４の体積は、例えば、反応サイト１０４の直径及び／又は基板１０２の厚さを減少させることにより、１．３ナノリットル未満であり得る。例えば、各反応サイト１０４は、１ナノリットル以下、１００ピコリットル以下、３０ピコリットル以下、又は１０ピコリットル以下である体積を有し得る。他の実施形態では、反応サイト１０４の体積いくつか又は全ては、１ナノリットル〜２０ナノリットルの範囲である。
【００２３】
ある実施形態では、表面１１０、１１２上の反応サイト１０４の密度は、少なくとも１００個の反応サイト／平方ミリメートルである。より高い密度がまた予測される。例えば、表面１１０、１１２上の反応サイト１０４の密度は、１５０個の反応サイト／平方ミリメートル以上、２００個の反応サイト／平方ミリメートル以上、５００個の反応サイト／平方ミリメートル以上、１，０００個の反応サイト／平方ミリメートル以上、又は１０，０００個の反応サイト／平方ミリメートル以上、又は１，０００，０００個の反応サイト／平方ミリメートル以上、であり得る。
【００２４】
有利に、作用区域１２０の全ての反応サイト１０４は、光学システムにより同時に撮像及び解析され得る。ある実施形態では、光学システムにより撮像及び解析される作用区域１２０は、少なくとも１２，０００個の反応サイト１０４を含む。他の実施形態では、光学システムにより撮像及び解析される作用区域１２０は、少なくとも１５，０００個、少なくとも２０，０００個、少なくとも３０，０００個、少なくとも１００，０００個、少なくとも１，０００，０００個の反応サイト、又は少なくとも１０，０００，０００個の反応サイトを含む。
【００２５】
ある実施形態では、反応サイト１０４は、第１の特性直径、厚さ、及び／又は体積を特徴とする第１の複数の反応サイトと、対応する第１の特性直径、厚さ、又は体積とは異なる第２の特性直径、厚さ、及び／又は体積を特徴とする第２の複数の反応サイトと、を含む。反応サイトのサイズ又は寸法におけるかかる多様性は、例えば、異なる濃度を有し得る２つ以上の異なるヌクレオチド配列を同時に解析するように使用され得る。更に又はあるいは、単一の基板１０２上の反応サイト１０４のサイズにおける多様性は、ｄＰＣＲプロセス、アッセイ、又は実験の動作範囲を増加させるように使用され得る。例えば、物品１００は、反応サイト１０４の２つ以上のサブアレイを含み得、各群が、他の又は残存する群（複数可）の反応サイト１０４の異なる直径又は厚さである直径又は厚さを特徴とする。各群は、標的ポリヌクレオチドの計数の異なる動作範囲を提供するようにサイズ決めされ得る。サブアレイは、基板１０２の異なる部品上に位置され得、又は点在され得るため、２つ以上のサブアレイは、物品１００の作用区域全体にわたって、又は物品１００の作用区域の共有部分上にわたって延在する。
【００２６】
ある実施形態では、反応サイト１０４の少なくともいくつかは、全てにわたって又はそれらの壁の一部分がテーパ状である。例えば、図８を参照すると、反応サイト１０４の少なくともいくつかは、表面１１０にて面取り部１３０を含み得る。更に又はあるいは、反応サイト１０４の少なくともいくつかは、表面１１２（示されず）にて面取り部１３０を含み得る。面取りされた及び／又はテーパ状の反応サイトの使用は、溶液サイト又は試験試料の間の最小間隔のための光学限界をまだ超えることなく、隣接する反応サイト１０４間の平均距離又は総面積を減少させることが見出された。図５に関して上で論じられるように、隣接する反応サイト１０４間の区域における増加は、装填プロセス中の表面１１０、１１２上に残される液体溶液量の減少をもたらし得る。したがって、光学システムのための隣接する溶液サイト又は試験試料間のより大きい有効な間隙をなおも維持する間に、より高い試料装填効率が、獲得され得る。
【００２７】
図９に示される実施形態では、物品、デバイス、アレイ、スライド、又はプレート１００ａは、いかなる反応サイト１０４ａをも含まない、非作用区域、領域、又は帯域１３２ａを含む。非作用区域は、反応サイト１０４ａを含む作用帯域を囲む周囲帯域であり得る。あるいは、非作用区域は、１つ、２つ、又はそれ以上の側面又は帯域上の作用帯域を囲う区域を含み得る。図９に示される例としての実施形態では、物品１００ａが、０．３ミリメートルに等しい、又はほぼ等しい厚さを有し、非作用区域の端から作用区域までの距離が１ミリメートルに等しい、又はほぼ等しいが、他の寸法が使用されてもよい。図９に示される例としての実施形態では、反応サイト１０４ａが、０．０７５ミリメートルに等しい、又はほぼ等しい直径、及び、０．１００ミリメートルに等しい、又はほぼ等しいピッチ間隙を有するが、他の寸法が使用されてもよい。該当する場合、物品１００に関して上で論じられる形体及び／又は寸法は、物品１００ａ内に組み込まれ得、又は逆もまた同様である。
【００２８】
図１０を参照すると、ある実施形態では、物品、デバイス、アレイ、スライド、又はプレート１００ｂは、複数の反応サイト及び非作用区域１３２ｂを含む、作用区域、領域、又は帯域１２０ｂを含み、非作用区域１３２ｂは、隣接する作用区域１２０ｂ間に位置される区分板、分割板、又は分離板、１３４ｂを含む。図１０に例として示されるように、非作用帯域１３２ｂはまた、作用帯域１２０ｂを囲む周囲帯域を含んでもよい。物品１００ｂの様々な形体のための図１０に示される寸法は、特定の実施形態の一例であり、特定の設計の必要条件によって異なり得る。例えば、区分板１３４ｂは、作用区域１２０ｂ間に、５００マイクロメートル以下、１ミリメートル以下、又は２ミリメートル又は３ミリメートル以下である厚さを有し得る。
【００２９】
区分板１３４ｂは、１つの作用区域、領域、又は帯域における反応サイトを、別個の作用区域、領域、又は帯域におけるそれらから単離させるときに補助するように構成され得る。かかる構成は、例えば、第１の作用区域の第１の試料及び第２の作用区域の異なる第２の試料を装填することを容易にするように使用され得、このとき、２つの区域は、区分板１３４ｂにより分離される。ある実施形態では、作用区域１２０ｂの表面及び区分板１３４ｂは、物品１００ｂの１つ又は両方の面上で互いにぴったり重なる。更に又はあるいは、区分板１３４ｂの少なくとも一部分は、物品１００ｂの１つ又は両方の面上で作用区域１２０ｂから立てられ又は作られてもよい。他の実施形態では、区分板１３４ｂの少なくとも一部分は、物品１００ｂの１つ又は両方の面のために作用区域１２０ｂに対してトラフを形成する。物品１００に関して上で論じられる形体及び／又は寸法が該当する場合、１００ａは、物品１００ｂ内に組み込まれ得、又は逆もまた同様である。
【００３０】
ある実施形態では、基板１０２は、あるガラス又はセラミック材料などの光構造化性材料を含む。かかる実施形態では、図１１に示される方法１４０は、基板１０２を加工するように使用され得る。有利に、図１１に示される方法１４０の最新の任意の要素は、不透明又はほぼ不透明な基板１０２を提供するように使用され得、それによって１つの反応サイト１０４からの放出される光が、隣接する反応サイト１０４に入らない。
【００３１】
方法１４０は、１つの反応サイト１０４の全ての、又はほぼ全ての放出される光が、隣接する反応サイト１０４内へ伝導されることを防止するように十分な不透明性を有する基板１０２を提供するように使用され得る。方法１４０は、表面１１０、１１２間の厚さを減少させるように十分な量により基板１０２から材料を除去することを更に含み得、例えば、表面１１０、１１２間の厚さを、初期の厚さ全体の少なくとも２０パーセント又は初期の厚さ全体の少なくとも３０パーセント又は４０パーセント分、減少させるように十分な量により基板１０４から材料を除去する。方法１４０はまた、加工中、少なくとも摂氏５００度の温度まで基板１０２を加熱する工程を含み得る。ある実施形態では、方法１４０において使用されるパターン化されたマスクは、クロムパターンを持つ水晶板を含む。マスクは、基板の少なくとも部分を腐食剤に曝露する工程に先立って除去されてもよい。方法１４０にて使用される腐食材料は、フッ化水素酸であり得る。
【００３２】
図１２及び１３を参照すると、ある実施形態では、物品１００は、下面１５４を有する第１のカバー１５２と、上面１５８を有する第２のカバー１５６と、を含む担体１５０内に格納される。担体１５０は、カバー１５２、１５４の間の所定の間隙を維持するように構成される１つ以上の側壁１５９を更に含み得る。カバー１５２、１５４及び壁１５９は一緒に、物品１００を含むようにサイズ決めされた空隙１６０を形成する。使用中、物品１００は、表面１５４、１５８の間に形成された空隙１６０内に配設される。空隙１６０の厚さは、物品１００の厚さより大きくてもよく、それによって、物品１００と下面１５４との間及び／又は物品１００と上面１５８との間にギャップが存在する。図１２の例としての実施形態で示されるように、１つ以上の側壁１５９の間にもまたギャップが存在し得る。更に又はあるいは、物品１００の一部分においては、カバー１５２、１５６のうちの１つ以上及び側壁１５９の１つ以上に取り付けられ得る。
【００３３】
担体１５０は、ステンレス鋼、アルミニウム、銅、銀、又は金、若しくは黒鉛などの半金属などの金属性材料から製作又は形成され得る。更に又はあるいは、担体１５０の全て又は部分は、ガラス、アクリル、スチレン、ポリエチレン、ポリカーボネート、及びポリプロピレンを含む非金属性材料から製作され得るが、これらに限定されない。ある実施形態では、カバー１５２、１５６の少なくとも１つは、反応サイト１０４へ及び／又は反応サイト１０４から、の光アクセスを可能にするように構成されるウインドウを提供するために好適に透明な材料を含む。更に又はあるいは、担体１５０全体は、１つ以上の透明又はほぼ透明な材料で製作され得る。
【００３４】
図１４を参照すると、ある実施形態では、担体１５０ａは、概して、カバー又は光アクセスウインドウ１５２ａに対して垂直に配設され得、かつ物品１００の担体１５０ａ内への通過を可能にするようにサイズ決めされ得る、開口、ポート、又は開口部１６２を含む。担体１５０ａは、少なくとも１つの開口部１６２の長端に沿って配設されるワイパ又はブレード１６４を更に含み得る。ブレード１６４は、物品１００が担体１５０ａ内に装着されると、物品１００の表面１１０、１１２のうちの少なくとも１つに接触又は係合するように構成され得る。担体１５０ａは、物品１００が担体１５０ａ内に装着されると空隙１６０ａを封止するように役立ち、貫通される、開口部１６２の全体又は一部分にわたって配設されるフィルム又は膜（示されず）を更に含み得る。ある実施形態では、膜及びブレード１６４は、単一品を形成する。
【００３５】
ある実施形態では、ブレード１６４は、物品１００が、開口部１６２を通って担体１５０内に挿入されると、いくつか又は全ての反応サイト１０４内に試料流体を分散させるときに補助するように構成される。例えば、ブレード１６４は、物品１００の装着中、１つ又は両方の表面１１０、１１２に接触するように構成され得、それによって、液体は、表面１１０、１１２が、ブレード１６４を越えて移動すると、ブレード１６４を通過しないが代わりに、毛細管力により反応サイト１０４内へ押される及び／又は引き込まれる。更に又はあるいは、ブレード１６４は、例えば、反応サイト１０４内部に含まれる試料流体の混入及び／又は蒸発を減少させる又は排除するように、物品１００の１つ又は両方の表面１１０、１１２を、液体、ゲルなどで被覆するように構成され得る。
【００３６】
該当する場合、担体１５０ａは、担体１５０に関して上で論じられる構造及び形体のいずれをも組み込み得、又は逆もまた同様である。
【００３７】
図１５を参照すると、ある実施形態では、担体１５０ｂは、担体１５０及び／又は担体１５０ａの構造及び形体のいくつか又は全てを含み得る、本体１７０を含む。担体１５０ｂは、物品１００を本体１７０内へ装着する際の補助のため、及び／又は試験溶液を反応サイト１０４内に装填するために、物品１００を保持するためのローダ又は挿入具１７２を更に含む。挿入具１７２は、本体１７０内への装着に先立って物品１００が「Ｕ字」内部に保持される、Ｕ字型本体を有し得る。挿入具１７２は、本体１７０の対応するタブ又は類似の構造１７６内へ係合又は押下するように構成される、対向するアーム１７５上にタブ１７４を含み得る。
【００３８】
物品１００と表面１５４、１５８との間の空隙１６０の部分は、反応サイト１０４に含まれる試験溶液と混合されない非混合流体１７０（例えば、液体又はゲル材料）で装填され得、含まれる試験溶液の、反応サイト１０４からの蒸発を防止するか、又は減少させるように構成され得る。いくつかの適用に好適な１つの流体１７０は、３Ｍ  Ｃｏｍｐａｎｙにより市販の、フロリナート（Fluorinert）である。しかしながら、ある実施形態では、フロリナートは、後にＰＣＲ循環中に放出され不必要な気泡の形成をもたらし得る空気を容易に取り込むその性質のため、あるＰＣＲ適用にとって問題があり得る。
【００３９】
あるいは、ある実施形態では、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）が、ＰＤＭＳが完全に架橋されていない場合、空隙１６０において使用されてもよいことが発見された。かかる実施形態では、ＰＤＭＳが、低自家蛍光、ＰＣＲ温度での耐熱性、及び重合プロセスへ非阻害的であることを含む、ＰＣＲと共に使用するために好適であるようにするいくつかの特徴を有することが見出されている。更に、ＰＤＭＳは、水性試料を含み得るが、水分に透過性であるガスであり得る。典型的なシロキサンと、本発明の実施形態外部の一般的な適用のために使用される架橋用剤とは、１０：１（１０パーセント架橋剤）重量の比である。
【００４０】
上に論じられる好ましい属性をまた留め、完全に架橋される材料と関連付けられながら、ＰＤＭＳ材料が架橋化を受けることにより、得られる材料は、蒸発を減少させるために好適なカプセル化材として機能し得ることが発見された。より具体的に、架橋化を受けるＰＤＭＳ材料は、１０重量パーセント未満の架橋剤を用いて形成され得る。例えば、１重量％以下の架橋レベルは、あるｄＰＣＲ適用のためなどのあるＰＣＲ適用のための設計必要条件に見合うように、示されている。多重ｄＰＣＲ応答は、０．８重量パーセント以下である架橋剤の量でカプセル化されるフラットプレート１００を用いて呈されている。更に、フロリナートと比較すると、架橋化を受けるＰＤＭＳ材料の高い粘度のため、ＰＤＭＳカプセル化材はまた、それ自体のパッケージ化必要条件及び顧客ワークフローソリューションに適し得る。
【００４１】
図１６を参照すると、複数の生体試料を調製する方法２００は、物品１００、１００ａ、又は１００ｂなどの物品の基板を提供する工程を含む。方法２００は、担体１５０、１５０ａ、又は１５０ｂなどの担体を提供する工程、及び挿入具１７２などの挿入具を提供する工程を更に含み、挿入具は、担体をスライド可能に係合するように構成される１対のアームを含むＵ字型本体を含む。方法２００はまた、基板を挿入具に、そして挿入具を担体に載置又は取り付ける工程を含む。ある実施形態では、基板は、挿入具に載置され又は取り付けられ、次いで、挿入具及び基板は一緒に、担体に載置される。他の実施形態では、挿入具は、基板なしに担体に載置され、次いで、基板は、後程挿入具及び／又は担体に載置される。
【００４２】
基板が載置される又は取り付けられると、方法２００は、例えば、開口部及び／又は担体の膜を通して基板に挿入されることにより、担体内部に基板を位置するのに十分な量により担体に沿って挿入具をスライドさせる工程を含む。溶液又は試料は、方法２００を用いて、基板の面に適用されてもよく、かかるやり方で、基板が担体内へ挿入されると、溶液は、基板の反応サイト又は貫通穴内に堆積される又は引き込まれる。更に、基板の両方の表面のうちの１つは、例えば、混入物及び／又は蒸発から溶液を保護するように、液体又はゲルで被覆されてもよい。
【００４３】
ある実施形態では、流体試料のうちの少なくとも９９パーセントが、反応サイトのうちの少なくともいくつかにより受容される。他の実施形態では、流体試料のうちの少なくとも９９．５パーセント又は９９．９パーセントが、反応サイトのうちの少なくともいくつかにより受容される。ある実施形態では、反応サイト１０４の総体積は、反応サイト１０４内に装填される流体試料の体積よりも大きくなるように選択される。これは装填効率を増加させることが見出されており、このことは、上で論じられるように、ある状況において重要であり得る。ある実施形態では、全ての反応サイト１０４の液体体積試料と総体積の比は、９５パーセント以下である。他の実施形態では、全ての反応サイト１０４の液体体積試料と総体積の比は、９０パーセント以下、８０パーセント以下、又は７０パーセント以下である。ある実施形態では、この比の値は、装填後に液体で充填される各反応サイトの総体積のパーセントによって変わる。例えば、装填後、各反応サイト１０４の９０パーセントのみが流体試料を含む場合、次いで、全ての反応サイト１０４の液体体積試料と総体積の比は、９０パーセント以下、８０パーセント以下、７０パーセント以下、又は６０パーセント以下であり得る。
【００４４】
図１７〜２０を参照すると、ある実施形態では、物品、デバイス、アレイ、スライド、又はプレート２００は、基板１０２に位置される複数の貫通穴又は反応サイト２０４を含む基板２０２を備える。基板２０２は、第１の表面及び反対側の第２の表面を含む。例としての実施形態では、各反応サイト２０４は、第１の表面の開口部から第２の表面の開口部まで延在する。図１８及び１９に例示されるように、反応サイト２０４は、六角形の形状を有し得、及び／又は最密充填六方マトリックスパターンに配置され得る。あるいは、反応サイト２０４のうちのいくつか又は全ては、反応サイト１０４に関して上で論じられるように、形状、直径、密度、厚さ、ピッチ間隙等を有し得る。物品２００は、反応サイト２０４が存在しない、１つ以上のタブ付きの切除、又はブランク領域２０６を更に含む。以下に論じられるように、ブランク領域２０６は、物品２００のための支持領域に位置され得る。例としての実施形態では、ブランク領域は、４つの半円形の形状を画定する、しかしながら、他の形状及びサイズが想定される。加えて、物品２００は、反応サイトが位置されない、ブランク外縁部２０８を含んでもよい。
【００４５】
ある実施形態では、基板２０２は、使用中、物品２００にわたって均一温度分布を提供するように構成され得る、シリコンを含む。あるいは、基板２０２は、光構造化ガラスセラミックなどのガラス材料、又はアルミニウム、銅、又はステンレス鋼などの金属を含む。
【００４６】
図１８を参照すると、反応サイト２０４は、反応サイト２０４のアレイ内に位置する１つ以上の中抜け領域２０９を画定するように配置され得る。いくつかの実施形態では、抜け領域２０９は、肉眼での検視に好適な寸法を有する（例えば、拡大装置の使用なしに肉眼で可視である）。例としての実施形態では、物品２００は、物品２００の第１の象限に位置される１つの中抜け領域２０４を含む、しかしながら、単一の物品２００上の多重中抜け領域が組み込まれてもよい。１つ以上の中抜け領域２０９は、図１９に例示されるような、直交軸に沿うよりも長い１つの軸に沿う、全体形状を画定し得る。したがって、物品２００の中心から離れて位置される図１８に示される単一の伸長された中抜け領域２０９の使用が、ユーザが物品２００の配向を決定するのを可能にする（例えば、どちら側が前及び後ろか決定する、並びにページの図１７〜１９に垂直な軸に対して適切な配向を決定する）。中抜け領域２０９は、例えば、反応サイト２０４の光学検査中に使用される基準光信号などの基準信号を提供するように構成され得る。
【００４７】
ある実施形態では、複数の中抜け領域２０９は、例えば、中抜け形状（複数可）、中抜け領域２０９の数、及び／又は１つの中抜け領域２０９の別の中抜け領域２０９に対する相対位置などに基づく、物品２００についての情報を条件として、構成され得る。例えば、特定の物品２００上の中抜け領域の数は、反応サイト２０４の直径を測定するように使用され得、及び／又は中抜け領域２０９間の距離、又は中抜け領域２０９の互いへの図形は、反応サイト２０４の数又は反応サイト２０４間のピッチを測定するように使用され得る。中抜け領域のサイズ、形状、及び分布の多くの他の組み合わせが想定される。
【００４８】
図２０を参照すると、物品２００は、１０ｍｍ×１０ｍｍ又は約１０ｍｍ×１０ｍｍの全体寸法を有し得る。図２０はまた、図２０に示される特定の実施形態に関係がある他の寸法値を示す。
【００４９】
図２１及び２２を参照すると、物品２００’は、図１７の物品２００に類似して構成され得、物品２００’がまた、より好ましい装着属性を提供するようなサイズであり得る１つ以上の着床領域２３０を含むことが予想され得る。したがって、物品２００’の１つ以上の端は、反応サイト２０４なしで物品２００’の他の端より幅広い帯域を有する。
【００５０】
物品２００は、該当する場合、物品１００に関して論じられる種々の要素又は及び／又は形体を組み込み得、逆もまた同様である。加えて、物品２００は、本発明の実施形態に従う、担体１５０又は他の担体において使用され得る。物品２００は、システム４００又は方法１４０と共に、物品１００が本明細書に開示される、それらに類似のやり方において、並びに、物品１００に関して本明細書に開示される他のシステム及び方法において又はそれらと共に、使用され得る。
【００５１】
種々の方法及びデバイスは、反応サイト１０４にて含有される１つ以上の所望の生物学的成分の検出を提供するように使用され得る。例えば、種々の蛍光染料又はマーカは、１つ以上の所望の生物学的成分を含有する溶液中に組み込まれ得、次いで、それは、光学システムを用いて検出され得、１つ以上の生物学的成分の有無又は量を測定し得る。他の実施形態では、イオンの有無（陽性又は陰性）が、検出され得、及び／又はｐＨ、電圧、又は電流の変化が、１つ以上の所望の生物学的成分の有無又は量を測定するように使用され得る。
【００５２】
図２３を参照すると、システム３００は、物品１００の反応サイト１０４に位置される所望の生物学的成分を含有する１つ以上の試料又は溶液を、光学的に検視し、検査し、又は測定するように使用され得る。システム３００は、物品１００、物品２００などの反応サイト１０４のうちのいくつか又は全てを読み取る又は監視するように光学ヘッド又はシステム４００を含む。ある実施形態では、システム１００は、光学ヘッド又はシステム４００及び／又は熱制御システム５００上又は内に位置されるの、熱制御システム５００、統合された制御装置、コンピュータ、コンピュータ計算システム、又はプロセッサ５３０、及び／又は光学ヘッド又はシステム４００及び熱制御システム５００の外部に位置される外部制御装置、コンピュータ、又はプロセッサ５６０のうちの１つ以上を更に含み得る。
【００５３】
コンピュータ５３０、５６０のうちの一方又は両方は、命令、ルーチン、アルゴリズム、試験、及び／又は構成パラメータ、試験又は実験データなどを含む電子メモリ格納装置を含み得る。コンピュータ５３０、５６０のうちの一方又は両方は、光学システム４００の様々な構成要素を動作させるように又はシステム３００によりデータを獲得及び／又は処理するように構成され得る。例えば、コンピュータ５３０、５６０のうちの一方又は両方は、光学システム４００の１つ以上の光検波器により提供される光学データを獲得及び／又は処理するように使用され得る。ある実施形態では、統合されたコンピュータ５３０は、例えば、ハードワイヤ接続、ローカルエリアネットワーク、インターネット接続、クラウドコンピューティングシステムなどを用いて、外部コンピュータ５６０と通信し得、及び／又は更なる処理のために外部コンピュータ５６０にデータを送信し得る。外部コンピュータ５６０は、デスクトップ型コンピュータ、ノート型コンピュータ、ノートパッド型コンピュータ、タブレット型コンピュータなどの物理的なコンピュータであってもよい。更に又はあるいは、コンピュータ５３０、５６０のうちの一方又は両方は、クラウドコンピューティング又は格納システムなどの仮想デバイス又はシステムを含み得る。データは、ローカルエリアネットワーク、クラウド格納、又はコンピューティングシステムなど内のワイヤレス接続を介して、コンピュータ５３０、５６０間で転送又は共有されてもよい。更に又はあるいは、システム３００からのデータ（例えば、光学システム４００及び／又は熱制御装置５００から）は、例えば、外部ハードドライブ、ＵＳＢメモリモジュール、クラウド格納システムなどの外部メモリ格納デバイスに転送されてもよい。システム３００は、コンピュータ５３０、５６０の両方を含んでもよい。あるいは、システム３００は、コンピュータ５３０又はコンピュータ５６０いずれかのうちの１つのみを含んでもよい。かかる実施形態では、コンピュータ５３０又はコンピュータ５６０からのデータは、ハードワイヤ接続、ローカルエリアネットワーク、インターネット接続、クラウドコンピューティングシステムなどを介して格納、転送、又は処理されてもよい。
【００５４】
ある実施形態では、システム３００は、共有筐体又は器具内に熱制御システム５００を含まない。例えば、光学システム４００は、ＰＣＲ熱サイクラ−などの別個の熱制御システムで処理された物品１００又は２００などのチップ又はプレートを受け取るように構成され得る。光学システム４００は、次いで、エンドポイントＰＣＲ又はｄＰＣＲ実験又はアッセイを実施するように使用され得る。ある実施形態では、外部熱制御装置は、例えば、物品１００、２００などの形態で、複数のチップ又はプレートを処理するように構成される。かかる実施形態では、光学システム４００は、ｄＰＣＲ実験又はアッセイを実施するように、複数のチップ又はプレートのうちの１つ以上を受け取るように構成される。コンピュータ５３０及び／又はコンピュータ５６０などのコンピュータシステムは、複数のチップ又はプレートからのデータに基づいてｄＰＣＲ解析を実施するように使用され得る。かかる実施形態では、コンピュータシステムは、例えば、「仮想チップ」を生成するようにｄＰＣＲ実験又はアッセイの効率的な試料サイズを増加させるように、チップ又はプレートからのデータを貯留するように構成され得る。例えば、試料を含むための少なくとも１５，０００個又は少なくとも２０，０００個の貫通穴又は区分板を備える複数の物品１００、２００は、別個のＰＣＲ熱サイクラ−（一緒に、群で、又は別個にのいずれか）で処理され得、次いで少なくとも１００，０００個の試料、少なくとも１，０００，０００個の試料、又は少なくとも１０，０００，０００個の試料を含む貯留されるｄＰＣＲデータ又は仮想チップを提供するように、光学システム４００を用いて、チップ又はプレート１つずつ又はそれらの群で検査され得る。
【００５５】
ある実施形態では、光学システム４００は、物品１００又は２００の反応サイトに含まれる少なくともいくつかの試料を照射するように構成される、光源４１０及び関連する励起光学システム４１２を含む。励起光学システム４１２は、試料向けの調整光のために１つ以上のレンズ４１４及び／又は１つ以上のフィルタ４１６を含んでもよい。光学システム４００は、例えば、光センサ４２０で又は付近で物品１００又は２００、若しくは反応サイト１０４又は２０４の画像を形成することにより、反応サイト１０４、２０４のうちの少なくともいくつかにより放出された放射を受容し、この放射を光センサ４２０上に指向するように構成される、光検波器又は光センサ４２０及び関連する放出光学システム又は撮像システム４２２を更に含み得る。放出光学システムにより受容される放射は、光源４１０により生成される１つ以上の励起ビームに応答して反応サイト１０４、２０４内に生成される蛍光放出を含み得る。更に又はあるいは、放出光学システムにより受容される放射は、例えば、バイオルミネッセンス、化学ルミネッセンス、燐光などの反応サイト１０４、２０４内に生成されるルミネッセンスの他の型であってもよい。例えば、システム３００が、ｑＰＣＲ及び／又はｄＰＣＲ手順、アッセイ、又は処理を実施するように構成されると、反応サイト１０４、２０４は、種々の又は全ての物品１００、２００の反応サイトに収容される標的ヌクレオチド配列又は分子の量に従って様々である蛍光信号を提供する１つ以上の蛍光染料又はマーカを含み得る。
【００５６】
放出光学システム４２２は、試料向けの調整光のためのレンズ又はレンズシステム４２４及び／又は１つ以上のフィルタ４２６を含み得る。図２３に示される例としての実施形態では、励起／放出光学システム４１２、４２２の両方は、１つ以上の共有光素子を含む。例えば、励起／放出光学システム４１２、４２２の両方は、励起光を反射し、試料から光センサ４２０へ放出光を伝導するビームスプリッタ４３０を備え得る。ある実施形態では、励起／放出光学システム４１２、４２２の両方は、例えば、反応サイト１０４、２０４へ及び反応サイト１０４、２０４からの光の更なる均一照射及び／又は放出光を提供することにより、光学性能を改善するように使用され得る、ビームスプリッタ４３０と物品１００、２００との間に配設される視野レンズ（示されず）を含む。ある実施形態では、例えば均一照射又は放出（例えば、テレセントリック光学システムにより提供されるような）が、そこまで重要ではない場合（例えば、いくつかのｄＰＣＲ適用）、共有視野レンズは、図２３の例としての実施形態に示されるように、省略されてもよい。視野レンズの排除は、光学システム４００のサイズを縮小させ、かつその複雑性を軽減させるのに役立ち得る。励起及び放出光学システムの例示的な実施形態は、それらの刊行物全体が参照することにより本明細書に組み込まれる、米国特許第６，８１８，４３７号、同第７，４９８，１６４号、同第７，３８７，８９１号、同第７，６３５，５８８号、又は同第７，４１０，７９３号において論じられる。
【００５７】
レンズ４２４は、例えば、平凸レンズ、平凹レンズ、両凸レンズ、両凹レンズ、凹凸レンズなどの単一レンズ又は単レンズを含み得る。更に又はあるいは、レンズ４２４は、例えば、色消しレンズ、多素子レンズ、カメラレンズ、小型レンズアレイなどの複合レンズ及び／又はレンズシステムを含み得る。ある実施形態では、レンズ４２４は、回析レンズ、回析格子、ホログラフィック光素子などの１つ以上の反射光素子又は回析光素子を含み得る。
【００５８】
光センサ４２０は、１つ以上の光ダイオード、光増倍管（ＰＭＴ）などを備え得る。かかる光検波器は、例えば、光学システム４００が個々の反応サイト１０４、２０４又は反応サイト１０４、２０４のサブセットを走査するように構成される場合に、使用され得る。他の実施形態では、光センサ４２０は、例えば、１つ以上のＣＣＤ（電荷結合素子）又はＣＭＯＳ（相補型金属−酸化物半導体）アレイなどの１つ又は分割された検出器アレイを含み得る。分割された検出器アレイは、全て又は大部分の反応サイト１０４、２０４が同時に撮像又は検査される場合に有利に使用され得る。各反応サイト毎に複数のピクセルを提供するために、光センサ４２０は、少なくとも４，０００，０００ピクセル又は１０，０００，０００ピクセルを超えるピクセルを含み得る。光センサ４２０が分割された検出器及び／又は１つ以上の共有光素子を含む実施形態では、光学システム４００は、複数の反応サイト（例えば、反応サイト１０４、２０４など）が、光センサ４２０の単一ピクセル又は光素子、若しくはピクセル又は光素子群上で各々撮像されるように構成され得る。光センサ４２０が分割された検出器を含む実施形態のために、撮像光学システム４２２は、物品１００、２００などの個々の反応領域の画像を形成するように構成され得る。更に又はあるいは、放出光学システム４２２は、物品１００、２００などの複数の反応領域を含む画像を形成する（from）ように構成され得る。
【００５９】
光学システム４００のいずれか又は全ての構成要素又は要素は、１つ以上の共有フレーム（示されず）に載置され得る。ある実施形態では、光学システム４００のいずれか又は全ての構成要素又は要素は、例えば、外部又は迷光の導入を阻止又は減少させるように、光学システム４００を外部の埃及びごみ屑から保護するように、及び／又は電気又は磁気雑音から遮蔽するように、筐体又はケース４５０内に封入され得る。図２３の例としての実施形態では、光源４１０及び光センサ４２０は、筐体４５０内に含まれる。あるいは、光源４１０及び／又は光センサ４２０は、筐体４５０の外部表面上に載置され得、及び／又は筐体４５０内に部分的に位置され得る。
【００６０】
ある実施形態では、光学システム４００は、例えば、１つ以上の標的分子、配列、遺伝子、生物学的微生物などのｄＰＣＲ解析を提供するように十分に多数の反応サイト１０４、２０４などの、物品１００、２００の多数の反応サイト１０４、２０４の同時撮像を提供するように構成される。例えば、システム４００は、少なくとも２０，０００個の反応サイト１０４、２０４を同時に撮像するように構成され得、それは、反応サイト１０４、２０４の密度が、少なくとも１００個の反応サイト毎平方ミリメートルであり得、及び／又は各反応サイト１０４、２０４が、１００マイクロメートル以下である特性直径を有し得る。例えば、各々が７０マイクロメートル未満の特性直径を有する、本発明の例示的な実施形態（本明細書において実施例Ａと称される）、２９，７６０個の反応サイト１０４、２０４の二次元アレイは、標的ヌクレオチド配列又は分子のｄＰＣＲ解析を提供するように同時に撮像され処理された。実施例Ａの実施形態では、反応サイト１０４、２０４は、１４ミリメートル未満×約１４ミリメートル（約１３ミリメートル×約１３ミリメートル）であった物品１００、２００の作用区域にわたって、１６０×１８６の六角形配置パターン（図６又は１３に示されるようなパターン）で配置された。各反応サイトの反応体積は、１ナノリットル未満であり得る。他の実施形態では、物品１００、２００の作用区域は、少なくとも１５，０００個、少なくとも２０，０００個の反応サイト１０４、２０４、少なくとも３０，０００個の反応サイト１０４、２０４、少なくとも１００，０００個の反応サイト１０４、２０４、又は少なくとも１，０００，０００個の反応サイト１０４、２０４を含む。
【００６１】
図２４を参照すると、外部光検波器、カメラ、又は携帯用電子デバイス６００は、物品１００、２００の光学画像及び／又は物品１００、２００の反応サイト１０４、２０４からの関連する光信号又はデータを獲得するための光学システム４００上に載置され得る。デバイス６００は、光センサ４２０の代わりに（例えば、図２４）、又は光センサ４２０と共に（示されず）使用されてもよい。デバイス６００は、光学システム４００に取り外し可能に載置され得る。例えば、デバイス６００は、処理前、処理中、又は処理後、物品１００、２００及び／又は反応サイト１０４、２０４の画像を獲得するように光学システム４００に一時的に取り付けられ得る。１つ以上のかかる画像を獲得することに続いて、デバイス６００は、例えば、画像を見る、画像を移設する、及び／又は画像を処理する（例えば、画像を改良する及び／又は反応サイト１０４、２０４のうちの１つ以上における生化学的反応に関連する情報を獲得又は計算する）ように、光学システム４００から取り外され又は（for）除去されてもよい。
【００６２】
デバイス６００は、光学システム４００に載置されると、物品１００、２００及び／又は反応サイト１０４、２０４のうちの１つ以上の画像を受け取るように構成される光検波器又は光センサ（例えば、ＣＣＤ又はＣＭＯＳセンサ）を含み得る。デバイス６００はまた、物品１００、２００及び／又は反応サイト１０４、２０４の画像を提供するために、１つ以上のレンズ、フィルタ、又は他の光素子を含んでもよい。レンズ（Len）４２４は、デバイス６００の光検波器上に画像を提供するように構成され得る。ある実施形態では、デバイス６００は、レンズ又はレンズシステム（例えば、レンズ素子のシステムを含むカメラレンズ）を含み得る。かかる実施形態では、デバイス６００のレンズ又はレンズシステムは、所定に品質又は特性の画像を提供するように光学システム４００のレンズ４２４と共に機能するように構成され得る。あるいは、デバイス６００は、光学システム４００が、デバイス６００の物品１００、２００と光検波器との間の光路にレンズ４２４などのレンズを含まない一方で、物品１００、２００及び／又は反応サイト１０４、２０４の画像を形成するために、１つ以上のレンズなどを含む。
【００６３】
ある実施形態では、デバイス６００は、物品１００、２００及び／又は反応サイト１０４、２０４の画像を獲得するために、特に光学システム４００との使用のために設計又は構成される。あるいは、デバイス６００は、物品１００、２００及び／又は反応サイト１０４、２０４の画像を獲得する以外にも、他の使用のために構成され得る。例えば、デバイス６００は、私的な、商用の、及び／又は学術的な写真のために構成され得るカメラを含んでもよい。ある実施形態では、デバイス６００は、写真適用から離れた使用を含み得る商用又は家庭用デバイスである。例えば、デバイス６００は、家庭用又は専門的カメラ又はビデオレコーダ、カメラ付き携帯電話、スマートフォン（例えば、ＧｏｏｇｌｅのＡｎｄｒｏｉｄ  ＯＳ（オペレーティングシステム）、ＡｐｐｌｅのｉＯＳ、ＮｏｋｉａのＳｙｍｂｉａｎ、ＲＩＭのＢｌａｃｋＢｅｒｒｙ  ＯＳ、ＳａｍｓｕｎｇのＢａｄａ、ＭｉｃｒｏｓｏｆｔのＷｉｎｄｏｗｓ（登録商標）  Ｐｈｏｎｅ、Ｈｅｗｌｅｔｔ−ＰａｃｋａｒｄのｗｅｂＯＳ、又はＭａｅｍｏ及びＭｅｅＧｏなどの組み込みＬｉｎｕｘ（登録商標）ディストリビューション、又はモバイルコンピューティングプラットフォーム上に構築された他のモバイル電話を含むがこれらに限定されない、モバイルオペレーティングシステムに基づくモバイル電話）、Ａｐｐｌｅ  ｉＰｏｄ  Ｔｏｕｃｈ又は類似のデバイス、携帯情報端末（ＰＤＡ）、ポータブルメディアプレーヤー、パソコン又はフォト入力付き電子テーブルなどであり得る。
【００６４】
ある実施形態では、物品１００、２００の反応サイト１０４、２０４のうちの全て、又は物品１００、２００の反応サイト１０４、２０４のうちのほぼ全て（例えば、物品１００、２００の反応サイト１０４、２０４のうちの９０パーセント、少なくとも９５パーセント、又は少なくとも９９パーセント）の撮像品質をなお提供しながら、光学システム４００（例えば、図２３及び２４の例として示される実施形態）は、比較的小さくなるように構成される。例えば、光学システム４００のサイズは、ｑＰＣＲ及び／又はｄＰＣＲ試験、実験、又は解析を行うための既存のシステムよりも（that）容易に持ち運び可能な小型システムを提供するように十分に小さくなるように構成され得る。更に又はあるいは、光学システム４００のサイズは、所定の予算又は目標費用内で光素子の費用を維持するように十分に小さくなるように構成され得る。例えば、図２３及び２４に示されるレンズ４２４などの撮像又はカメラレンズ焦点距離又は有効焦点距離は、比較的短い作動距離を提供するように選択され得る（by）。かかる実施形態では、比較的短い（sort）焦点距離又は有効焦点距離はまた、比較的小さいレンズ、ビームスプリッタ（複数可）、励起フィルタ（複数可）、放出フィルタ、及び／又は他のシステム構成要素を使用するように性能を提供し得、それによって、全体的な材料及び／又は物資のシステム費用を削減する。
【００６５】
重要なことには、光学システム４００のサイズを縮小させること（例えば、図２３及び２４の例示される実施形態）及び／又は例えば類似の目的ように使用された従来のＰＣＲシステムと比較して、特性撮像システム焦点距離又は有効焦点距離を減少させることは、反応サイト１０４、２０４の画質を所定の量で又は上回って維持するように設計又はシステムの制約により制限され得ることが発見された。例えば、非点収差、歪曲、及び像面湾曲などの光学収差は、１つ以上の標的ヌクレオチド配列又は分子の計数を判定するように使用されるｄＰＣＲ計算において所望の正確性を獲得することを妨げ得る量により、特に、反応サイト１０４、２０４の二次元アレイの周辺反応サイトの画像の画質を低下させることが見出された。驚くべきことには、ある設計方法及び／又は光学性能指数の使用は、反応サイト１０４、２０４のアレイの十分な画質をもたらすシステム及び器具をもたらし得、例えば、ｑＰＣＲ及び／又はｄＰＣＲなどの増幅プロセスの使用を通じて、試料中の標的ヌクレオチド配列又は分子の検出及び／又は定量化を可能にすることが発見された。
【００６６】
ある実施形態では、放出光学システム又は撮像システム４２２は、反応サイト１０４、２０４のうちの少なくともいくつかに収容される標的ヌクレオチド配列又は分子を検出すること及び／又は定量化することのため小型化光学システムを提供するように設計方法に従って構成される。放出光学システム４２２の設計は、非線形のやり方で相互作用する様々な構成要素の存在により複雑化され得る。放出光学システム４２２の設計はまた、例えば、費用の制約が特注の光素子の使用を妨げる又は減少させる、市販の構成要素の有限数のみに限定されると、複雑化され得る。かかる携帯電話及びスマートフォンカメラなどのある消費者市場主導のアプリケーションから利用可能な小型化光素子は、極めて低い構成要素価格を提供するように現設計方法で利用され得る。例えば、これらの市場のために生成される市販のハードウエア及び光素子の仕様並びに特性には限りがあり、標的ヌクレオチド配列又は分子を識別及び／又は定量化する小型器具の開発における使用に所望の又は好ましい価値に一致しない可能性がある。
【００６７】
ある実施形態では、現設計方法は、本発明の実施形態に従うシステム及び器具を提供するように走査型顕微鏡手法を使用し得る。あるいは、設計方法は、本発明の実施形態に従うシステム及び器具を提供するようにカメラ設計手法を使用し得る。カメラ設計方法は、ＣＣＤ又はＣＭＯＳセンサなどの、物体、撮影レンズ又は対物レンズ、及びピクセル式センサから構成され得る。カメラ設計方法の場合には、動眼視野（ＦＯＲ）全体は、「露出時間」として本明細書に称される時間間隔にわたって一度に感知され得る。
【００６８】
設計方法は、光学「物体」の取り込みを含み得る。本発明の実施形態の範囲を限定するものではないが、物体は、８０×１２０ｍｍのグリッド状形式中にできるだけ多くの９６個又は３８４個の個々のウェルから構成され得る、ウェルアレイプレートを含み得る。ウェルは、９ミリメートル又は４．５ミリメートルピッチで離間し得る。あるいは、これらのピッチで離間するより少数のウェルが使用されてもよい。ある実施形態では、物体は、直径で３５０マイクロメートル及び５００マイクロメートル離れて離間する貫通穴のアレイを有する基板であってもよい。貫通穴は、４×１２パターンに配置される８×８のサブグリッド中にグリッド状に置かれ得る。更に又はあるいは、現設計方法で使用される物体は、本明細書の上で論じられる物品１００、２００の構成のうちの１つ以上を含み得る。
【００６９】
設計方法は、かかるレンズが、低収差の広ＦＯＲを撮像する設計によるため、市販の写真対物レンズの使用を含み得る。これらのレンズは、多素子（少なくとも３レンズ要素、最大１１もの数又は更なるレンズ要素）であってもよい。限界開口（開口絞り）は、レンズアセンブリ内部にあってもよく、かつ「速度」又はｆ／＃が、限界開口の直径により分割されるレンズ又はシステム焦点距離の比として定義され得る、レンズのｆ／＃（集光力）を制御する。このレンズ設計の種類は、非常に充実しており、様々な市販のセンサの種類（例えば、ＣＣＤ及びＣＭＯＳセンサ）など多数の選択肢が特に設計されている。これらのセンサは、光エネルギーを電気エネルギーに変換し、かつ典型的に数百万の個々の感知要素から構成され、各要素が、ＦＯＲの小さい部分から、写真対物レンズを通して撮像されたエネルギーを受け取る。これらの感知要素（画素、又は「ピクセル」と称される）の各々からの電気信号は、対物レンズにより撮像される物体の二次元描写を可能にするソフトウェアを通じて集められる。
【００７０】
光学物体が実施例Ａの実施形態として上で説明される物品１００、２００を含む設計方法の実施形態が、これからより詳細に説明される。ＣＭＯＳセンサは、これらのセンサの比較的低費用のため、例えば、ピクセル解像度、フレームレート、及び／又は動作範囲に関して類似の性能を提供するＣＣＤセンサと比較すると、現設計方法の実施形態において使用され得る。設計方法の他の実施形態において、ＣＣＤ又は他の光検波器の型が利用され得ることを理解されたい。
【００７１】
ある実施形態では、アルゴリズムを見出しアルゴリズムを定量化する穴又はスポットは、各反応サイト１０４、２０４の画像が穴の直径にわたって少なくとも５ピクセル又は合計で約２０ピクセルを含むことを提供し得る。本実施形態用には、ウェル又は穴の直径にわたって約８ピクセル値が選択される。物品１００、２００の実施例Ａの実施形態の場合、穴は、直径６０マイクロメートルを特徴とし、かつ、８２マイクロメートルピッチで離間される隣接する反応サイト１０４、２０４に六角形のパターンで配置される。８ピクセルは、６０マイクロメートルに及び、８２マイクロメートルピッチで離間するため、穴間隔は、１１ピクセルであり、隣接する反応サイト１０４、２０４間におよそ３暗ピクセルを残す。ＣＭＯＳ検出器の１つの軸に沿って、側面に約１６０個の反応サイト画像が存在し、側面上に約１７６０ピクセル、又は物品１００、２００の平方作用区域に少なくとも約３１０万の検出器ピクセル総数、のＣＭＯＳピクセル設計パラメータを提供する。ある実施形態では、更に多数のセンサピクセルは、ＦＯＲの縁での位置決め考慮及び／又は増加したレンズ収差に適応するように選択され得る。
【００７２】
現設計方法における次の考慮点は、ピクセルサイズであり得る。現在利用可能なセンサは、例えば、１．１、１．４、２．２、３、５、８、１１マイクロメートル及びより大きい平方ピクセルサイズを有する。ピクセルサイズの選択に影響し得る３つの要因は、動作範囲（ＤＲ）、信号対雑音比、及び回折である。ＤＲは、各ピクセルにより格納され得る光電子の最大数により決定され得る。２．２マイクロメートル直径のピクセルのための絶対数は、約３２００光電子であり、５．５マイクロメートルピクセルには約２０，０００光電子である。一般的な設計パラメータとしては、より大きいピクセル（多数の光電子）は、より良いＤＲ、並びに信号の平方根に等しいより良い信号対雑音比（ＳＮＲ）特性を提供する。２０Ｋ  ＤＲは、１４０のＳＮＲを有し、３．２Ｋ  ＤＲは、２．５ｘより少ない５７のＳＮＲを有する。
【００７３】
回折は、概して電磁波の基本的特性であり、具体的には光波である。それは、レンズ又はシステム開口絞りなどの物理的開口による波の程度の打切りにより引き起こされる。光学システムにおける効果は、無限に遠く離れた（星など）完全な点光源の画像が、それ自体は無限に小さくないが、その正確な形状が開口のサイズ及び形状により決定される小塊であることである。大多数のレンズの円形開口は、明るい巨大な同心円環（「エアリーディスク」と称される）及び無限のより小さくやや明るい周囲の円を持つ半球レンズ型のパターンを生成する。可視の波長のため、エアリーディスクのサイズは、マイクロメートルのシステム対物レンズのｆ／＃にほぼ等しい。したがって、回折の考慮は、より大きいレンズ直径及びシステム開口に向けて光学設計を前進させる。しかしながら、ｆ／＃が減少するか、又はレンズ直径が増加するにつれて、レンズ要素の表面形状により引き起こされるレンズ収差（非点収差、歪曲、及び像面湾曲等があるがこれらに限定されない）が増加するため、レンズ直径又は開口に実用限界が存在する。ｆ／＃の実用値は、約ｆ／２．５である。これは、点光源の画像が、直径約２．５マイクロメートルの円形の画像を生成することを意味する。ピクセルが、２．５平方マイクロメートルである場合、エアリーディスクは、丁度内部に調和する。ピクセルが１．４マイクロメートルである場合、次いで、エアリーディスクは、２×２ピクセルのグリッドを占める。レンズ又はシステム解像度を計算するための１つの評価基準は、レイリー基準と呼ばれ、それは、１つのエアリーディスクの最大画像が他の最小時点で起こると、２点物体が光学システムにより丁度解像されることを明言する。これは、本実施例の２つの隣接するピクセルが１つのエアリーディスク半径、又は約１．２５マイクロメートルにより分離されるべきであるということを暗に含んだ。別の解像度評価基準は、少なくとも１つのエアリーディスク直径により隣接する信号を分離することである。この後者の基準は、２．５平方マイクロメートル又はそれより大きいピクセルのサイズの範囲を提供する。このピクセルサイズ及びピクセル計数を有するセンサの全体的なサイズは、１７６０×２．５＝４４００マイクロメートル又は４．４ｍｍになる。
【００７４】
現在の設計方法の上の基準を満たす２つの市販のセンサは、Ａｐｔｉｎａ  ＭＴ９Ｐ０３１モノクロームＣＭＯＳセンサ（４．２８ミリメートル×５．７ミリメートル及び２．２マイクロメートル×２．２マイクロメートルの直径を有する１９４４×２５９２ピクセル）、及びＮｉｋｏｎ  Ｄ７０００カメラのＤＸセンサ（１６Ｍｐのサイズ）（２３．６ｘ１５．６ミリメートル及び５マイクロメートル×５マイクロメートルピクセル）である。本例において、Ａｐｔｉｎａ  ＭＴ９Ｐ０３１が経費検討に基づいて選択され得る。
【００７５】
４．２８ミリメートルのＡｐｔｉｎａ  ＣＭＯＳセンサのより小さい直径及び実施例Ａの実施形態の物品１００、２００の１３ミリメートル×１３ミリメートルの作用区域に基づいて、システム倍率は、０．３３（４．２８／１３）である。これは、６０マイクロメートル×０．３３＝１９．８マイクロメートルの反応サイト１０４、２０４画像サイズを提供する。したがって、各反応サイト１０４、２０４画像は、１９．８／２．５＝７．９２ピクセルを覆い、５ピクセルより大きく約８ピクセルである上の両基準を満たす。
【００７６】
現設計方法は、放出光学システム４２２が光検波器４２０上に物品１００、２００を撮像するように使用されると、反応サイト１０４、２０４から受け取られた信号に基づいて強度精度計算を測定することを更に含む。本例において、強度計算は、約５センサピクセルの直径である各反応サイトの画像サイズに基づく。放出光学システム４２２などの光検出システムの有効性は、信号対雑音比（ＳＮＲ）に応じて左右される。蛍光感知器具のための１つの経験則は、ＳＮＲが少なくとも３であるということである。ＳＮＲが測定される位置は、センサトランスデューサにおいてである。このトランスデューサは、光エネルギー（光子）を電気エネルギー（電子）に変換する。これらの電子は、通常、「光電子」（文字通り光子により生成される電子）と呼ばれる。ＳＮＲは、２つの部分を含み得、それは、信号エネルギー及び雑音エネルギーである。信号エネルギー（信号光電子）は、光子束（光子到着率、光子／秒）からもたらされる。雑音エネルギーは、信号自体、光背景エネルギー（信号源より他の源から）、及び読み取り雑音又は暗（熱）雑音などのトランスデューサ関連エネルギーなどのいくつかのメカニズムにより生成され得る。読み取り雑音及び暗雑音のより詳細な議論は、それらの全体が参照することにより本明細書に組み込まれる、米国特許第７，２３３，３９３号及び第７，０４５，７５６号に見出される。
【００７７】
雑音エネルギーの正確な概算が決定される又は提供されると、ＳＮＲ計算は、所与の信号エネルギーが雑音エネルギーを払拭するのに十分大きい場合、決定するように使用され得る。トランスデューサ（光検出器）は、読み取り雑音及び熱雑音を特徴とし得る。検出器での信号束は、検出器量子効率（ＱＥ）、光処理量（例えば、測定される光子の比と試料で生成される光子の比）、及び光源にて生成される光束（レーザー、ＬＥＤ、ランプ、アーク、など）から概算され得る。光処理量は、源スペクトル束、光フィルタ分光透過率特性、蛍光変換効率（波長２で放出される蛍光束へ変換される波長１での入射放射束の比率、放出される光束の角度、カメラレンズの光収集効率、ウインドウの他の特性、光路の流体及び他の材料から構成され得る。光背景は、光学構成要素の処理量特性及び通常ブロックされる波長での光フィルタの残留透過の知識、光路の材料の（自動）蛍光、及び光学システムを含む構造の範囲内に生成される散乱光により計算され得る。背景は形作るのが困難であり得るが、システムにおける測定値から獲得され得る。
【００７８】
現設計方法に基づいて、撮像システムは、Ａｐｔｉｎａ  ＣＭＯＳセンサ及び０．３３のシステム倍率を含む。システムが小さい一般的な設計基準を用いて、監視システム及び携帯電話用に設計された様々な市販の対物レンズを、撮像システムが、反応サイト１０４、２０４全て、又はほぼ全てのために所定の強度計算精度を提供する設計基準の見地から評価した。これらのレンズは、比較的低価であるという更なる有利点を有する。これは、Ｓｕｎｅｘレンズモデル番号ＤＳＬ９０１が、所定の強度計算精度基準を満たすのに十分低かった総収差をもたらしたというこの評価から判定された。ＤＳＬ９０１は、ｆ／３レンズであり、
ｐ＝ｆ［（ｍ＋１）／ｍ］、
式中ｆ＝焦点距離
ｐ＝作動距離、の相関を用いて６０ミリメートルの作動距離をもたらす、１５ミリメートルの焦点距離を有する。
【００７９】
代替としては、他の写真対物レンズが、所定の強度計算精度基準を満たすとして識別された。これらの写真対物レンズは、ＤＳＬ９０１の１５ミリメートル焦点距離以下である焦点距離を有する。ある実施形態では、倍率が０．３３をやや下回り得る。これは、作動距離における増加のため、やや大きいシステムをもたらすが、より低い倍率は、有利にＦＯＲ内に周辺的に位置される反応サイト１０４、２０４にてより大きい、非点収差などの収差を減少させる。
【００８０】
まとめると、６０ミリメートル以下の作動距離を有する光学撮像システムを含むシステムは、少なくとも２０，０００個の別個の反応サイト１０４、２０４を含む物品１００、２００を受容することと、少なくとも２０，０００個の別個の反応サイト１０４、２０４を同時に照射できることと、少なくとも２０，０００個の別個の反応サイトのうちのいくつか又は全てに収容される標的ヌクレオチド粒子の数を計算することと、が可能に提供され得ることが発見された。ある実施形態では、標的ヌクレオチド粒子数の正確な計算は、別個の反応サイトの数の少なくとも２０倍である所定のピクセル数を含む光検波器４２０などの光検波器を提供することにより獲得される。他の実施形態では、所定のピクセル数は、別個の反応サイト数の少なくとも６０倍又は別個の反応サイト数の少なくとも１００倍である。
【００８１】
ある実施形態では、上で論じられる設計方法の実施形態に従う撮像システムは、１つ以上の性能指数（ＦＯＭ）を特徴とし得る。いくつかのＦＯＭは、
・センサピクセル平方サイズ＞＝カメラレンズｆ＃（例えば、スペクトルの可視部分において波長を持つシステムのため）、
・センサピクセル数＞＝（ｎ＊ｎ＊ｌ＊ｗ）／（ｐ＊ｐ）、式中、ｎ＝画像に必要なピクセル／形体、ｌ＝物体動眼視野長、ｗ＝物体動眼視野幅、ｐ＝形体ピッチ、
・センサ長／幅と物体長／幅の４つの比の最小であるように倍率を選ぶこと、
・距離対（倍率により決定される）を撮像するようにレンズ収差と全体的な光学パッケージ長との間の最良の妥協点を提供するようにレンズ焦点距離及び物体を選ぶこと、を含む。
【００８２】
ある実施形態では、システム３００は、例えば、物品１００、２００中に含まれるいくつか又は全ての試料にＰＣＲ手順又はプロトコルを実施するように構成される熱サイクラ−を備える、熱制御システム５００を更に含む。システム４００、５００は、例えば、物品１００、２００中に含まれる試料のうちの少なくともいくつかにｑＰＣＲ及び／又はｄＰＣＲ手順、アッセイ、実験、又はプロトコルを実施するように、単一のユニット内に一緒に組み合わされ得る又は連結され得る。かかる実施形態では、コンピュータ５３０、５６０は、システム４００、５００を制御するように及び／又はシステム４００、５００のいずれか又は両方により提供又は獲得されたデータを収集又は処理するように使用され得る。あるいは、熱制御システム５００は、光学システム４００から及び／又はコンピュータ５３０、５６０から完全に分離されてもよい。かかる実施形態では、光学システム４００は、熱サイクルが熱制御システム５００又はいくつかの他の熱制御器又は熱サイクラ−を用いて試料上で実施された後、反応サイト１０４、２０４中に含まれる試料上でｄＰＣＲ又はエンドポイントＰＣＲ手順を実施するように使用され得る。ある実施形態では、熱制御システム５００は、従来の熱サイクラ−、等温増幅、熱コンベンション、赤外使用の熱サイクル、又はヘリカーゼ依存型増幅を用いてＰＣＲが行われる、熱サイクラ−を備える。ある実施形態では、熱制御システム５００の少なくとも一部分が、物品１００、２００と又は物品１００、２００内に統合され得る。例えば、物品１００、２００は、１つ又は両方の表面１１０、１１２に沿って分散される１つ以上の加熱要素を含み得る。更に又はあるいは、基板１０２の少なくとも部分は、例えば、基板１０２への電圧電位の適用に応じて抵抗加熱を提供するように構成される電気抵抗を持つ材料で製作されることにより、加熱要素であり得る。
【００８３】
種々の実施形態に従うと、放出光学システム４２２及び／又はレンズ４２４は、１５ｍｍ以下である焦点距離、及び／又は物品１００、２００からレンズ４２４又はレンズ４２４の主断面への距離の作動距離である、６０ｍｍ以下である作動距離を備え得る。更には、種々の実施形態において、放出光学システム４２２及び／又はレンズ４２４は、３以下であるｆ−ナンバーを含む。いくつかの実施形態では、放出光学システム４２２及び／又はレンズ４２４は、１５ｍｍ以下である焦点距離及び３以下であるｆ−ナンバーの両方を含み得る。
【００８４】
ある実施形態では、物品１００、２００は、集積回路及び半導体を備える電子チップを含む。かかる実施形態では、検出システムはまた、所望の生物学的成分の有無及び／又は分量を判定するようにチップ内に統合されてもよい。
【００８５】
上記は、全ての当業者が当該技術分野に関連する本発明を製作し使用することができるように、このような完全で明確で簡潔で正確な用語にて、本発明を実行し、それを製作し使用する様式及びプロセスの、企図される最適なモードの説明を呈する。しかしながら、本発明は、完全に等価物である上に論じられるものからの変形及び代替的構造が可能である。したがって、開示される特定の実施形態に本発明を限定することを意図しない。一方で、本発明は、本発明の本旨を具体的に指摘し明瞭に主張する、以下の特許請求の範囲によって概して表されるような本発明の趣旨及び範囲内に属する変形及び代替的構造を包含する。
【００８６】
本文書に説明される種々の実施形態に関する方法のための例示的なシステムは、以下の米国仮特許出願に記載のものを含む。
２０１２年３月１６日に出願された米国仮特許出願第６１／６１２，０８７号、
２０１２年１１月７日に出願された米国仮特許出願第６１／７２３，７５９号、
２０１２年３月１６日に出願された米国仮特許出願第６１／６１２，００５号、
２０１２年３月１６日に出願された米国仮特許出願第６１／６１２，００８号、
２０１２年１１月７日に出願された米国仮特許出願第６１／７２３，６５８号、
２０１２年１１月７日に出願された米国仮特許出願第６１／７２３，７３８号、
２０１２年６月１３日に出願された米国仮特許出願第６１／６５９，０２９号、
２０１２年１１月７日に出願された米国仮特許出願第６１／７２３，７１０号、
２０１３年３月７日に出願された米国仮特許出願第６１／７７４，４９９号、
２０１３年３月１５日に出願されたＬｉｆｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ整理番号第ＬＴ００６５５号、ＰＣＴ特許、
２０１３年３月１５日に出願されたＬｉｆｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ整理番号第ＬＴ００６５６号、ＰＣＴ特許、
２０１３年３月１５日に出願されたＬｉｆｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ整理番号第ＬＴ００６５７号、ＰＣＴ特許、
２０１３年３月１５日に出願されたＬｉｆｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ整理番号第ＬＴ００６５８号、ＰＣＴ特許、
２０１３年３月１５日に出願されたＬｉｆｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ整理番号ＬＴ００６６８号、ＰＣＴ特許。
【００８７】
これら全ての出願はまた、それらの全体が参照することにより本明細書に組み込まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【国際調査報告】
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