专利名称：多点检验设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及采用光点阵列检验样本材料的方法和设备。
背景技术：
WO 02/097406A1公开了一种用于检验生物样本材料的设备，其中，通过衍射装置将激光束分割为多个激发束。将所述激发束引导至存储样本材料的平台，在该处通过样本光点阵列激励荧光。通过采用CCD阵列以空间分解的方式测量所述荧光，以获得有关样本材料的存在和/或量的信息。
发明内容
基于这一状况，本发明的目的在于提供一种采用光精确有效地检验样本材料的装置。
这一目的是通过根据权利要求1所述的设备以及根据权利要求16所述的方法实现的。在相关权利要求内公开了优选实施例。
根据其第一方面，本发明包括一种采用光处理样本材料的设备。由于所述处理可以具体指对样本材料的检验，因而在下文中也将所述设备称为“检验设备”，其不对本发明的范围构成限制。此外，要从非常一般的含义理解“样本材料”一词，例如，其包括化学元素、化学化合物、生物材料(例如细胞)和/或其混合物。所述设备包括下述部件a)存储单元，其含有透明载体和样本层，其中，所述样本层与所述载体的一侧(在下文中将其称为“样本侧”)相邻设置，并且其中，所述样本层可以存储将要处理的样本材料。尽管所述载体从理论上可以具有任何三维形状，但是优选将其构造为具有两个平行侧面的板，所述侧面之一就是上述样本侧。所述载体典型地由玻璃或透明聚合物构成。所述样本层也可以具有任意形状，例如，其包括划分为小隔间。典型地，它是可以填充样本材料，例如，生物分子的水溶液的空腔。在某些实施例中，样本层还可以包括探针，即可以和样本材料结合的位点(分子)。
b)用于生成“输入光”的多点发生器(下文中简称为MSG)。典型地，在所述MSG的输出侧将所述输入光提供为由光点构成的阵列，在下文中将其称为“源光点”，从而将它们与其他类型的光点区分开。所述阵列可以具有由源光点构成的规则排列，例如，按矩形矩阵排列。此外，特别地，所述源光点均可以具有(基本)相同的形状和强度。
c)透射部分，其用于将来自MSG的输入光投射到存储单元的透明载体内。如果MSG产生了源光点，那么在载体的样本侧的内表面上将生成其图像。此外，抵达所述内表面的所有输入光都应当在该处受到全内反射。由于这一全内反射(TIR)的作用，仅通过隐失波在相邻样本层内生成了样本光点，没有输入光能够直接传播到样本层内。在下文中将联系本发明的优选实施例讨论满足TIR所需的条件的集中方式。
上述类别的检验设备具有两个优点首先，同时在多个(样本)光点处检验样本层的样本材料，其中所述过程分别在每一点处发生。这一并行性加速了整个进程，允许同时测量多种被测物，并且由于提高了信噪比而提高了准确性。第二个优点在于仅由隐失波生成样本光点，其意味着，它们的体积非常小，被限制到紧邻载体和样本之间的界面处。因而，避免了在别处与样本材料发生不符合要求的相互作用，从而提高了信噪比。
根据优选实施例，存储单元包括与载体的样本侧间隔一定距离设置的盖。具体地，载体和盖二者都可以是在其间界定样本室的板，其中，与所述载体板相邻的样本室的层构成了样本层。具体地，所述盖可以是对光透明的，从而允许在该样本层中生成的光通过。
有几种方式实现适用于检验设备的多点发生器MSG。所述MSG可以优选包括幅度掩模、相位掩模、全息掩模、衍射结构、(微)透镜阵列、垂直腔面发射激光器阵列和/或多模干涉仪(MMI)，从而在MSG的输出侧生成由源光点构成的阵列。将联系附图更详细地描述这些实施例中的一些。
在本发明的优选实施例中，MSG包括用于生成原始光束的(单个)光源和用于将所述原始光束在所述MSG的输出侧分束为由源光点构成的阵列的光学倍增单元。例如，可以通过MMI实现倍增单元，在下文中将对其进行更详细地说明。对原始光束的分束的优点在于，只需要一个光源(或几个光源)，所得的源光点自动具有相同的特征(波长、形状、强度等)。
在前述实施例的进一步展开当中，MSG包括用于根据预期的强度图案对原始光束整形的光束整形单元。例如，所述光束整形单元可以包括掩模元件、折射元件和/或反射元件，其中，所述元件阻挡所述原始光束中的某些部分(尤其是中央部分)。所述阻挡将会影响那些将不会在载体的内表面发生全内反射的光线，这一点能够通过结合附图得到更好的理解。
在本发明的优选实施例中，MSG适于生成相干光源光点阵列，其中，所述光在其进一步传播过程中生成Talbot图案。由于Talbot效应的自成像特征，所述源光点将在某些距离处周期性再现，从而在所述载体的样本侧的内表面处生成它们的图像。Talbot效应的这一应用的优点在于，所述透射部分需要最少的光学元件(透镜)。为了生成相干源光点，MSG可以具体包括一个相干光源。
有很多种不同的方式取得在载体的内表面发生TIR的条件。在优选实现方式中，所述检验设备包括吸收元件、反射元件和/或折射元件构成的掩模阵列，其中，所述元件混合去掉(blend out)了将不会在所述载体的内表面处发生全内反射的来自MSG的输入光的部分。
在上述实施例的进一步展开中，将至少一个探测器元件(例如，光电二极管)设置在所述掩模阵列的吸收、反射或折射元件中的至少一个的阴影中。由于其位置的影响，来自MSG的输入光将不会抵达所述探测器元件，但是在样本层中生成的光，例如，在样本光点中激发的荧光光将能够抵达。因此，所述探测器元件允许沿“反向”测量来自样本层的信号，而不受输入光的干扰。
可以将上述设备用于通过光点对样本材料做任何预期类型的处理，这一点已经提到过了。因而，例如，可以采用其在样本光点的有限体积内激发样本材料的某些化学反应。在另一类非常重要的应用中，其目标在于探测、监视和/或测量来自样本层的信号，尤其是测量受到样本光点激发的荧光。对于这些应用而言，所述设备优选包括用于探测在样本层内生成的光的探测装置。例如，可以通过光电倍增管实现所述探测装置。
前述探测装置优选包括至少一个探测器元件阵列，例如，CCD阵列和用于将样本层映射到所述阵列上的光学系统。因而，来自所述样本光点的发射将被引向不同的探测器元件，从而实现了对来自独立样本光点的信号的空间分解测量。通过这种方式，能够并行执行多个不同的测量和/或多个同一类型的重复测量。
在很多种情况下，例如，在荧光的观测过程中，在样本层中生成的信号光沿所有方向传播。因而，可以沿“正向”，即在其沿与输入光从MSG传播到存储单元的同一方向行进之后，探测所述光。或者，可以沿“反向”，即与所述输入光的传播方向相反的方向探测来自所述样本层的信号光。反向测量的优点在于，来自样本层的信号光未必一定基本上穿过样本传输，穿过样本将增添噪声。此外，相对于样本操纵而言，优选采用反向测量，因为在样本之后不需要光学部件或探测器，因而能够容易地将所述样本连接至系统，而不需要防止样本的背面接触(例如)灰尘。
为了实现反向测量，透射部分优选包括(二向色)分束器，其将来自MSG的输入光引向样本层，将来自样本层的信号光引向探测装置。所述分束器具体可以包括针对不同的光波长表现不同的光学特性的二向色部件，例如，透射具有第一波长的入射光，同时反射具有其他波长的荧光的棱镜。
上述检验设备实现了通过多个样本光点检验样本层内的区域。在某些情况下，所述受到检验的区域将不会覆盖整个样本层，而只是其部分。为了在这些情况下实现对整个样本层的检验，所述设备优选适于使所述样本光点阵列相对于所述样本层移动。例如，可以通过有选择地引导来自MSG的光的扫描单元或者通过移动MSG(或其部件，例如，掩模阵列)实现这一移动。
根据上述允许移动样本光点的实施例的进一步展开，所述设备适于识别所述样本光点相对于样本层的位置，以及对其重新定位。其使得有可能至少一次重复样本层内的某些位置的测量，从而允许在所述位置处随着时间的推移而获得额外信息。
在更详细地分析在所述样本层的样本光点处发射的信号光的传播时，可以发现，所述光的某一部分在载体的、与样本侧相对的一侧处(在下文中称为“外侧”)受到了全内反射，因而相对于探测被损耗掉了。在文献中将这样的光称为“SC模式”光(可以参考WO02/059583A了解细节，将其引入到本说明书中以供参考)。根据本发明的优选实施例，将在载体板的外侧提供衍射结构，其中，所述结构适于将SC模式的信号光耦合出来，即将光从载体内部耦合出来，否则所述光将在载体板的正常(平滑)外侧受到全内反射。由于对SC模式的利用，能够显著提高信号增益。
本发明还包括采用光处理样本材料的方法，其中，所述材料存在于与透明载体的“样本侧”相邻的样本层内。所述方法包括使输入光通过载体传播，从而使其在载体的上述样本侧的内表面上受到全内反射，从而通过隐失波在样本层中生成样本光点阵列。
总体上，所述方法包括能够通过上述类别的检验设备执行的步骤。因此，可以参考上述说明了解有关所述方法的细节、优先和改进的更多信息。
根据所述方法的优选实施例，生成了相干光源光点阵列，光通过Talbot效应从其传播。由于Talbot效应的自成像特征，如果以Talbot距离或其倍数设置样本层，那么将能够以最少的光学元件在样本层中(或者更确切地说，在所述载体的样本侧的内表面上)生成源光点阵列。
具体地，通过对应光束的阵列生成样本光点，其中，优选通过对原始光束整形和分割生成所述光束。通过这种方式，能够容易地创建具有所需特征的多个等同的光束。
在所述方法的进一步展开中，探测在样本光点处由样本材料发射的信号光，其中，所述探测的结果只是二进制值(探测到/未探测到)，或者是测量的光量的连续值。具体地，可以通过样本光点的隐失光激发来自样本材料的光发射。
为了提高信号增益，能够通过衍射将样本层中的样本材料发射的光，即所谓的SC模式光从载体中耦合出来，否则所述光将由于TIR而不能离开载体。
所述方法的进一步展开的特征在于，采用样本光点阵列扫描样本层，其中，至少一次再现所述阵列的等同位置。因而，可以在样本层的不同位置按照预期的频率重复所述处理。在具体的应用当中，可以采用其探测样本层中占据的结合位点，优选探测与样本层中的探针结合的荧光标签元件。在这种情况下，所述方法包括相对于样本光点阵列扫描样本层，以及采用探测系统探测特定目标响应，例如荧光光。如果选择足够小的样本光点尺寸，扫描速度足够快并且结合部位的浓度足够低，那么在同一时间只能照射一个占据的结合位点。如果在样本层的某一位置的重复扫描中观察到了特定目标响应，那么可以将所述位置归类为占据的结合位点。具体地，这样的重复扫描允许区分特定结合和非特定结合。
在下文中，将借助附图通过举例的方式描述本发明，其中图1示出了根据本发明的检验设备的主要设置；图2示出了利用Talbot效应生成并传输多个光点；图3示出了采用掩模对原始光束整形；图4示出了采用反射镜对原始光束整形；图5示出了利用多模干涉仪通过抑制未受到全内反射的光生成多个样本光点；图6示出了与图5类似的设置，其具有用于测量反方向的荧光的分束器；图7示出了与图6类似的设置，其具有俘获具有SC模式的荧光的装置；图8示出了具有用于贯穿样本扫描由多个光点构成的阵列的扫描单元的设置。
具体实施例方式
应当注意，附图并非按比例绘制，在根据本发明的检验设备中可以任意组合不同附图和实施例中公开的特征。
在(生物)化学化验中，例如，采用分子/样本的荧光测量分子在溶液中的浓度，或探测结合事件(例如，某一层处的分子的附着)。理想情况下，人们乐于采用感测阵列，因为其允许根据结合层和激励光的特性测量多个事件、分子种类以及分子位置。本发明解决了这一需求，同时尝试做出三点改进分析性能(灵敏度、专一性和速度)、使用方便性(鲁棒性、集成度)以及成本。
在图1中，示出了根据本发明的检验设备的主要设置。所述检验设备基本包括四个部件或子系统-用于在其输出端生成由多个源光点510构成的阵列的多点发生器100(下文简称为“MSG”)。典型地，所述源光点510(基本)为圆形，直径为0.5μm到100μm。此外，典型地，两个相邻点510之间的距离也处于0.5μm到100μm的范围内。将联系其他附图讨论MSG 100的可能的不同实施例。
-透射部分200，其作用在于将来自光点510的“输入光”透射到含有样本的存储单元300。尽管从理论上来讲，所述透射部分可以只是填充了空气或其他介质的空间，但是典型地其包括专用光学部件，以实现来自源光点510的光到样本中的样本光点501的预期透射。
-用于存储和保存样本将要进行检验的材料的上述存储单元300。尽管从理论上可以通过很多方式实现存储单元300，但是大多数实现均包括图1所示的部件。这些部件为(i)基板或载体301，其对于由MSG 100生成的输入光是透明的，其可以是，例如，玻璃板。(ii)可以用含有样本材料(例如，溶于水的生物分子)的流体填充的样本室303；(iii)盖板304，其随顺样本室303并构成其边界，其也可以由诸如玻璃的透明材料构成(在存储单元的其他实施例中可以省略盖板)。与样本室303接触的载体板301的侧面是所谓的“样本侧”，与这一样本侧邻接的样本室303的薄层构成了所谓的“样本层”302，在该层中，将发生对样本材料的检验。就检验而言，首先将MSG 100生成的源光点510映射成载体板301的样本侧的内表面上的图像，在该处，由于所述设置的特殊设计，所有的光都受到了全内反射。作为全内反射(TIR)的结果，所述光的隐失波向相邻样本室303内传输了一小段距离，从而在样本层302内建立了“样本光点”501。例如，这些样本光点501的光激励了样本材料的荧光，其中所述荧光光沿正向(光束502)和反向(光束503)(各向同性或各向异性地)发射。
-用于测量来自样本层302的光的探测器系统。所述探测器系统可以(择一或同时)包括用于探测沿正向发射的信号光502的“正向探测器”401和用于探测反方向的信号光503的“反向探测器”402。
根据图1的检验设备的主要优点为-整个阵列的同时/并行激励。
-整个阵列中荧光的同时/并行探测。
-没有运动元件，因而使使设计具有潜在的廉价性和稳定性。
-隐失场激励使得激发体积集中在样本室，即样本层的表面上。其优点在于体流体(bulk fluid)能够产生最低的背景，即，不需要清除或冲洗掉体流体就能够执行测量(所谓的均相化验)。
-在采用适当的探测方案时，能够容易地分隔激发光和荧光，从而能够获得潜在的高信噪比。
下面将参考图2-8解释所描述的检验设备的部件的各种具体实施例和可能的实现。
图2示出了使来自MSG的入射光透射至样本的优选方式，其中，存在于MSG 100的输出侧的源光点510最终生成了样本层302内的样本光点501。所述透射是通过Talbot效应，即受到相干光的准直光束的照射的规则图案(在这种情况下为源光点510构成的阵列)的自成像而产生的。
要想产生Talbot效应，MSG 100包括生成相干光准直束的光源101。所述相干光照射幅度掩模102(例如，具有d＝20μm的周期和50％的开关比)，其生成由源光点510构成的规则图案。例如，也可以通过多模干涉仪(MMI)、衍射结构、(微)透镜阵列或VCSEL(垂直腔面发光激光器)阵列生成光点510构成的阵列。源光点510通过干涉生成Talbot强度图案201，所述图案通过中间距离传输到存储单元300的部件(玻璃、水)内。Talbot效应的特征在于，在所谓的自成像或Talbot距离处周期性地再现由源光点510构成的强度图案，所述距离取决于设置参数。如果，例如，对周期为d的光栅102进行相干照明，那么在光栅后面的距离N(2d2/λ)处将出现图像，其中，N为整数，λ为光波长。通过适当选择成像参数，有可能在载体301的样本侧生成由源光点510构成的阵列的图像。要想了解有关Talbot效应的详细讨论，可以参考文献(参考A.W.Lohmann and J.A.Thomas，Appl.Opt.，vol.29，p.4337，1990；W.Klaus，Y.Arimoto and K.Kodate，Appl.Opt.，vol.37，p.4357，1998；J.W.Goodman，Fourier Optics，McGraw-Hill，New York，chapter 4，1996)。
也可以通过相位或全息掩模生成多个源光点(其基本在Talbot距离的60％处再现)。
上文所述的自成像的应用的重要优点在于，其能够使透射部分200中的诸如透镜的光学部件的数量降至最低，从而使其成为简单、鲁棒的设计。
图3示出了MSG 100的优选实现，其特征在于，首先对原始光束105整形，之后将其划分为多个源光点510。用于生成原始光束105的子单元包括(相干)光源101、准直透镜103和聚焦透镜104。在两个透镜103和104之间，设置光束整形单元110，从而使光束跨越其界面具有预期强度分布。例如，光束整形单元可以含有掩模元件111，其用于通过混合而去掉透镜103和104之间的准直光束的中央部分。
在对图3的布局的修改当中，可以使光束整形单元110置于聚焦透镜104后面或准直透镜103之前的光路中。在这种情况下，可以通过改变光束整形单元的轴向位置简单地调整所得的光束形状(例如，掩模元件位于聚焦透镜104之后越远，在光束中产生的中央阴影越大)。但是，这样的布局的功能对于光学部件的精确位置具有非常高的依赖性。
在备选实施例中，光束整形单元可以是衍射结构，其将较低的空间频率(对应于聚焦激发光的较小角度)转化为较高的空间频率(对应于聚焦激发光的较大角度)，其将减少光激发功率的损耗。从傅里叶光学可知，透镜能够执行空间傅里叶变换。对于位于透镜之前或之后的相位板而言，焦平面幅度分布就是输入的傅里叶变换(除了二次相位因子之外)。
有关解释如何采用衍射元件替代图3所示的装置110的例子是这样一个实施例，其中，准直透镜103和聚焦透镜104相同并且定位于4f构造内(即，元件101、103、衍射元件、104和106彼此之间的距离等于透镜的焦距f)，衍射元件精确地位于两个透镜103和104之间。在这种情况下，聚焦透镜104的焦点上的图像将准确地成为受到照明的衍射元件的空间傅里叶变换。
为了说明采用衍射元件进行光束整形的可行性，考虑在透射模式中采用一维正弦相位光栅的情况，其衍射效率ηq＝Jq(m/2)，其中，q为衍射级，m为光栅的峰-峰相位延迟，Jq为阶数为q的第一类Bessel函数(参考J.W.Goodman，Fourier Optics，McGraw-Hill，New York，chapter 4，1996)。为了适当选择峰-峰相位延迟(m)，中央级完全消失(例如，m＝1.53π)，所有的功率都处于光栅的较高级内。通过选择充分小的相位型光栅周期，使位于载体板的样本侧的第一级的角度充分大(至少大于针对界面处的TIR的临界角)，所有的输入功率在这一界面处都受到全内反射。因此，可以推断采用具有适当周期和峰-峰相位延迟的正弦相位光栅能够将所有的输入功率用于荧光的隐失场激励。所述总的激励功率仅受到透镜103和104的数值孔径的限制。1D正弦光栅实际上是一个相当实际的例子，因为对于柱形对称系统(就像大多数光学系统一样)，需要处于径向的1D正弦光栅。
应当指出，将透镜和衍射元件置于与所述的4f构造不同的构造中也是可能的，但是，这时第二透镜104的图像将不再是受到照明的衍射元件的空间傅里叶变换，其还含有二次相位因子。由于对于荧光而言，强度是重要的，幅度分布并不是十分重要，因而大多数实际情况下的二次相位因子都是可以接受的。
在所述实施例的变型中，可以将衍射元件置于聚焦透镜104之后。这样的布局的优点在于，第二透镜104的图像是与第二透镜的孔径相对的受到照明的孔径的加上了二次相位因子的傅里叶变换，其表明能够通过平移所述衍射元件而缩放所述图像(即，能够缩放傅里叶变换的频标)。
接下来将通过上述方式之一生成的、经整形的输入光束105输入到分束单元中，分束单元将输入光分割或复制成出现在MSG 100的输出侧的、由(相同的或类似的)源光点510构成的阵列。在图3所示的情况下，通过多模干涉仪MMI 106实现所述分束单元。MMI构成了多模光波导。在多模波导截面的诸模式上分割所述(优选为单模的)输入波导或输入点的光。在MMI的指定截面上，强度分布是MMI的模式之间的干涉图案。与Talbot效应的情况类似，MMI的强度图案是周期性的。
通过使MMI 106可调谐，能够避免与MMI的波长依赖性相关的问题。可以通过改变模式的传播常数调谐MMI的输出侧的强度图案。通过调谐MMI，能够选择MMI的输出侧的点的数量，并使点的位置与样本层或透射部分200中的光学部件匹配。由于从一级近似的角度来讲，点内的总功率与点的数量成反比，因而还能够改变/优化激励功率，并由此优化测量的信噪比。
例如，图3所示的MMI 106可以生成由5个点构成的一维(N×1)阵列，其参数如下折射率芯部(1.6；)；背景(background)(1.5)；宽度中央输入波导(2μm)；MMI部分(20μm)；长度用于生成1×5点的MMI部分(135μm)；自成像距离(图像以该距离重现)5417μm；MMI支持的模式数量22。
准确地生成多个点510需要MMI充分宽(越宽由MMI支持的模式就越多)。作为经验法则，MMI支持的模式的数量应当至少为(点的数量+1)。增大MMI的宽度提高了图像质量，但是也提高了所需的长度；在做适当的近似后，自成像距离对MMI的宽度具有二次相关性。
通过MMI的适当布局，还能够创建二维点阵列。应当指出，多点的生成是以干涉为基础的，并且从理论上能够在不存在明显损耗的情况下实现。MMI的另一优点在于，这是一种相对简单的方法，不需要对透镜和周期结构对准。
可以通过文献查阅有关MMI的原理的更为详细的信息(例如，R.M.Jenkins et al.，Appl.Phys.Lett.，vol.64，p.684，1994；M.Bachmanet al.，Appl.Opt.，vol.33，p.3905，1994；L.B.Soldano and E.C.M.Pennings，J.Lightwave Technol.，vol.13，p.615，1995)。
在透射部分200内，通过准直器微透镜202和聚焦微透镜203将出现在MSG 100的输出侧的由源光点510构成的阵列映射到位于载体板301的样本侧(的内表面)上的光点上。载体板301优选具有与聚焦微透镜203相同的折射率，以避免在这两个部件之间的界面上发生反射。也可以采用单个(大)透镜替代由微透镜202和/或203构成的阵列。
通过混合而去掉射向MMI的输入光束105的中心部分的优点在于，输入光504仅以全内反射(TIR)角抵达载体板301的样本侧的内表面(例如，假设载体板301由玻璃构成，以水溶液填充样本层302)。这意味着输入光504仅通过隐失波产生样本光点501，从而使样本光点501的体积局限至薄样本层302，从而使背景最小化。此外，将没有输入光传播到样本内部，从而容易地将激发光与前向荧光分开。
尽管在图3和其他附图中示出了具有载体板301、样本层302和盖板304的存储单元300的实施例，但是也可以采用其他布局。尤其可能采用表面结构含有样本材料的“样本板”，如专利申请EP03101893.0所述(将其引入到本说明书中以供参考)。在这种情况下，样本板的折射率应当小于载体板的折射率，以发生TIR。通过修改EP03101893中描述的表面结构能够提高在样本层和载体板之间的界面处发生全内反射的角度区间。
可以通过未在图3中示出，但是将联系本发明的其他实施例描述的不同设置实现对样本光点501激发的荧光光的观察。
图4示出了用于针对MMI对原始光束105整形的备选布局。根据这一实施例，通过透镜103使(相干)光源101产生的光准直，并使其射到凸面镜113上。凸面镜113将光反射至凹面镜112，凹面镜112将其聚焦成原始输入光束105。因而，反射镜112和113构成了光束整形单元110，其生成的原始光束的中央区域被混合去掉了，这一点与图3中的布局一样。之后对所述原始光束105执行的剩余处理与图3中相同，因而不再对其说明。
在图5示出的实施例中，将(未整形的)原始光束105输入到MMI 106中，MMI 106在MSG 100的输出侧生成由源光点510构成的阵列。当然，也可以采用任何其他类型的MSG生成源光点510。在透射部分200中，每一源光点510具有相关的准直器微透镜202和相关的聚焦微透镜203，其用于将对应点510发射的输入光准直成平行光束，并将其聚焦至存储单元300的样本层302。
在每一平行光束504中，将掩模元件204设置在准直透镜202和对应的聚焦透镜203之间，从而混合去掉所述光束504的中央部分。与参考图3详细描述的一样，光束的其余部分以大到足以发生TIR的角度抵达载体板301的样本侧和样本层302之间的界面处。因而，将仅通过隐失波在样本层302内生成光点501。
尽管所示的掩模元件204处于透镜202和203之间的平行光束504内，但是也可以将其设置在准直器透镜202之前或聚焦透镜203之后。相对于这些实施例而言，所采用的标记与上文中与图3中的光束整形单元110的位置相关的标记类似。
图5还示出了探测器元件400，每一探测器元件400设置在掩模元件204的背面(即位于面对存储单元300的一侧)。这些探测器元件400能够探测样本层302沿反方向发射的荧光503。
此外，图5还示出了测量荧光502的实施例，荧光502是由受到输入光504激发的样本层302中的分子沿正向发射的。通过单个(大)聚焦透镜403将所述荧光502聚焦到探测装置401的图像平面上。透镜403优选具有与盖板304相同的折射率，以避免在这两个部件之间的界面处发生反射。例如，所述探测装置可以是CCD阵列401，其允许通过空间分解的方式测量从样本层302的点发出的荧光。
也可以采用微透镜(类似于透镜203)阵列替代单个聚焦透镜403。类似地，可以采用单个大透镜替代微透镜202和/或203。此外，还可能如图2所示通过Talbot效应将掩模元件204和/或探测器元件400的使用与输入光的传播结合起来(在这种情况下不需要透镜202和203)。
前向荧光的测量的缺点在于，信号502必须通过诸如样本室、盖板304以及一个或多个透镜的部件传播，从而导致在这些部件中(例如，在荧光的作用下)产生寄生信号。沿反向探测荧光避免了这样的问题。此外，在沿反向测量时，盖板304未必一定透明。
图6示出了测量反向荧光光503的实施例。与在图5所示的设备中一样，通过微透镜202使MSG 100生成的源光点准直，并通过微透镜203将其聚焦到样本层302的样本光点501处。位于准直器透镜202之后的掩模元件204仍然混合去掉光束504的中央部分，以确保样本光点501仅由隐失波构成。
与图5相反，在掩模元件204和聚焦透镜203之间设置由两个棱镜或楔形块206和207构成的二向色分束器。这一分束器具有涂层，使得其透射输入光504，反射荧光光503。当然，本发明不排除其他分离激发光和荧光光的装置。
由样本层302中受激发的分子发射的荧光光503通过载体板301、聚焦透镜203和右侧楔形块沿反向(即与激发光相反)传播。在所述楔形块207的倾斜面上，以直角将荧光光503朝向聚焦透镜404反射，聚焦透镜404将其映射到CCD阵列402上。因而，可以单独测量荧光光而不受激发光504的干扰。
应当指出，由聚焦透镜203收集的荧光点的宽度由这些透镜的数值孔径决定；假设透镜202和203具有相同的数值孔径，那么可以理解所收集的荧光的宽度基本等于所收集的激发光束504的宽度。
当然，可以通过很多种方式修改图6的实施例，例如，使大透镜与微透镜交换，反之亦然。
图7示出了与图6类似的测量反向荧光的检验设备的实施例。这里，省略了MSG 100和透射部分200的细节，为了清晰起见只示出了一个代表性的样本光点501。如同在WO02/059583A1中讨论的，可以根据在样本层302中激发的荧光光在相邻材料中的传播特性将其细分为不同的分量或模式。这里尤其感兴趣的一个模式是所谓的SC模式，其包括所有以在载体板301的(平坦)外侧受到全内反射的角度从样本层302传播到玻璃载体301内的荧光光。因而，对于探测过程而言，通常损失了SC模式的光。
为了将这种光用于探测用途，从WO02/059583A1可知，在载体301的外侧提供衍射光栅305。所述光栅的作用在于，将SC模式的光从玻璃载体301中耦合出来，并使其以在图7中突出显示的光束505和506的形式沿反向传播(为了更加清晰，没有示出其他模式)。在分束器的二向色棱镜207的背面对这些SC模式光反射，并通过聚焦透镜404将其投射到探测装置402上。
图8示意性地示出了具有扫描单元的检验设备的实施例，所述扫描单元在光路中紧随MSG 100之后。借助这一扫描单元205，能够使MSG生成的源光点阵列射到存储单元300的样本层302的不同子区域上。
在采用单个光点激励样本材料时，例如，在固定的样本上采用CD/DVD播放器的移动光学拾取单元(OPU)，最大荧光激励功率受到饱和荧光强度的限制。采用额外可得的激光功率来应用作为本发明的主旨的多点方案能够减少测量时间和/或提高灵敏度。在这种情况下，应当以简单、经济有效并且优选不采用移动元件的方式生成并扫描所述多个点。
实现上述目标的解决方案的第一步骤包括采用Talbot效应(参照图2)，因为其允许在不借助于透镜的情况下在周期距离处对传播点的(周期性)阵列成像。通过这种方式，只需扫描相邻点跨越的面积，以实现对整个样本层的询问。例如，可以采用包括诸如透镜或反射镜的移动光学元件的动态扫描单元205扫描多个点。
另一种使多个光点的阵列通过样本移动的可能性是扫描MSG。例如，如果在MSG中采用图2所示的孔径阵列102，那么只须通过移动孔径来移动样本光点501。这是一种不需要移动透镜的实施例。
图8的检验设备的特征要素在于，在扫描光学设置中采用并行点实现单事件探测。单事件探测要求传感器探测所发射的辐射的某一最低功率和能量。在下述部分中将阐述功率条件的选择。
可以通过参考荧光寿命τfluor、吸收截面σabs和荧光量子效率φ将荧光粗略分为不同的组(参考S.W.Hell，and J.Wichmann，Opt.Lett.19，780，1994)，例如Cyanine、Alexa、荧光素τfluor～1-5ns，σabs～10-16cm2，φ＝0.5-1。
例如Ru、Irτfluor～1μs，σabs～10-16cm2，φ＝0.1-0.8。
例如Eu、Tbτfluor～1ms，σabs＜＜10-16cm2，φ＝0.1-0.5。
珠粒，例如直径为200nmσabs～10-12-10-14cm2。
量子点σabs～10-15-10-16cm2。
饱和荧光激发强度为Is=hcλτfluorσabs---(2)]]>其中h为普朗克常数，c为光速，λ为吸收光的波长。对于0.2μm2的表面积(对应于具有0.6NA和650nm的DVD光学拾取单元的光点尺寸)发现了几μW到几mW的饱和荧光激发强度Is。因而，根据所采用的荧光团和最大适用激光功率(例如，在样本处为100mW)，可以采用几个(2-100)到很多个(100-100000)并行Talbot点来扫描感测阵列。
可以沿向前和向后(相反)传播方向探测由传播过程中的Talbot点激发的荧光光。
图8示出了正向荧光探测方案。可以通过不同的光学部件，例如，具有开放和闭合截面的掩模、多模干涉仪、用于生成点阵列的衍射结构、透镜阵列或VCSEL阵列生成Talbot点。可以通过沿横向扫描多点光源获得在样本层302上的Talbot点的扫描。位于MSG 100之后的扫描单元允许扫描Talbot点。存储单元300的样本层302位于第一Talbot平面内。最小点尺寸由衍射极限确定。
采用位于存储单元300的另一侧上的滤波器405将激发光504与红移荧光光502阻挡开。采用消色差透镜403使荧光结合事件在像素化探测器401上成像(不可能再次采用Talbot效应使荧光结合事件在探测器上成像，因为荧光光是非相干的，在空间上未必具有周期性)。
可以通过位于多点阵列的拐角处的一些点，例如，四个点生成用于聚焦和跟踪的伺服信号。可以采用位于水界面处的反射信号聚焦并补偿倾斜。可以采用来自样本拐角处的预沟槽(pregroove)的推挽信号实现跟踪。可以采用具有三个自由度的样本传动器优化光源和样本之间的距离和这两个部件之间的倾斜。
由于所述发射是各向同性的，因而可以沿向后的方向获得对荧光光的探测。与图6和图7中的实施例相同，在这种情况下需要采用二向色分束器使后向荧光光射向探测器。优选选择二向色分束器的长度，从而在忽略象差的情况下使分束器的输出为输入的Talbot图像。在这种情况下，分束器的输入面应当处于生成输入点阵列的Talbot图像的平面内，载体301的样本侧应当处于生成分束器的输出的Talbot图像的平面内。分束器的输入和输出面不是Talbot平面的其他构造也是可能的，只要处于载体301的样本侧的图像是输入点的Talbot图像(忽略象差)即可。
对于尺寸为1×1mm2的感测阵列而言，二向色分束器的尺寸约为1mm。对于20μm的点间距和500nm的波长而言，到(空气中的)第一Talbot平面的距离为1.6mm。在这里实例情况下，1×1mm2的感测阵列将同时受到50×50个Talbot点扫描。
前向荧光具有在样本流体中受到吸收的缺点，至少对于动态测定是如此的。如果恰好在这一端测量，可以用冲洗液(不管怎样都是必需的)替代溶液。只要有可能，显然在血液中直接测量是优选的。
最后，应当指出，在本申请中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，单数冠词不排除复数，单个处理器或其他单元可以实现几个装置的功能。本发明存在于每个新颖的特征要素以及所述特征要素的每项组合当中。此外，对本发明的附图和优选实施例的上述说明的目的仅在于说明而不是限制，不应将权利要求中的附图标记视为限制其范围。
附图标记列表100 多点发生器MSG101 (相干)光源102 掩模103 准直器透镜104 聚焦透镜105 原始光束/点106 多模干涉仪MMI110 光束整形单元111 掩模元件112 凹面镜113 凸面镜200 透射部分201 Talbot图案202 准直器微透镜203 聚焦微透镜204 掩模元件205 扫描单元206 二向色分束器的棱镜207 二向色分束器的棱镜300 存储单元301 载体板302 样本层303 样本室
304 盖板305 衍射结构400 探测器元件401 前向探测器402 反向探测器403 聚焦透镜404 聚焦透镜405 滤波器501 样本光点502 前向荧光503 反向荧光504 输入(激发)光505 SC模式荧光506 SC模式荧光510 源光点
权利要求
1.一种采用光处理样本材料的设备，包括a)存储单元(300)，其具有透明载体(301)和与载体(301)的一侧(“样本侧”)相邻设置的样本层(302)；b)用于生成输入光(504)的多点发生器MSG(100)；c)透射部分(200)，其用于将所述输入光透射至所述载体(301)，其中，所有抵达所述载体(301)的所述样本侧的内表面的输入光在该处受到全内反射，并且通过隐失波在样本层(302)内生成样本光点(501)阵列。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述存储单元(300)包括与所述载体(301)的所述样本侧间隔一距离设置的盖(304)。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述MSG(100)包括幅度掩模(102)、相位掩模、全息掩模、衍射结构、微透镜阵列、VCSEL阵列和/或多模干涉仪(106)，用于在所述MSG(100)的输出侧生成源光点(510)阵列。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述MSG(100)包括用于生成原始光束(105)的光源(101)和用于将所述原始光束在所述MSG(100)的输出侧分束成源光点(510)阵列的光学倍增单元，尤其是多模干涉仪(106)。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述MSG(100)包括用于对所述原始光束(105)整形的光束整形单元，尤其是用于阻挡所述原始光束的某些部分的掩模元件(111)、折射元件和/或反射元件(112，113)。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述MSG(100)适于生成产生Talbot图案(201)的相干光的源光点(510)阵列。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其包括由吸收元件(204)、反射元件和/或折射元件构成的掩模阵列，所述掩模阵列混合去掉由所述MSG(100)生成的输入光的不会在所述载体(301)的所述样本侧受到全内反射的部分。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，在所述掩模阵列的至少一个掩模元件(204)的阴影内设置至少一个探测元件(400)。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其包括至少一个用于探测在所述样本层(302)内生成的光的探测装置(400，401，403)。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述探测装置包括由探测器元件构成的阵列，尤其是CCD阵列(401，402)，以及用于将所述样本层(302)映射到所述阵列上的光学系统(403，404)。
11.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述透射部分(200)包括将来自所述MSG(100)的光引导至所述样本层(302)以及将来自所述样本层(302)的光引导至所述探测装置(402)的分束器(206，207)。
12.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其适于使所述样本光点(501)阵列相对于所述样本层(302)移动。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，其包括有选择地引导由所述MSG(100)生成的输入光的扫描单元。
14.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，其适于识别所述样本光点相对于所述样本层(302)的位置以及对其重新定位。
15.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，在所述载体(301)的外侧设置衍射结构(305)，其适于将光(505，506)从所述载体(301)的内部耦合出来，如果没有这样的结构，所述光将受到全内反射。
16.一种采用光处理样本材料的方法，其中，所述材料设置在与透明载体(301)的一侧(“样本侧”)相邻的样本层(302)内，所述方法包括使输入光穿过所述载体(301)传播，从而使其在所述样本侧的内表面上的多个点处受到全内反射，并由此通过隐失波在所述样本层(302)内生成样本光点(501)阵列。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，生成相干光的源光点(510)阵列，输入光通过Talbot效应从所述源光点阵列传播。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，对原始光束(105)整形并将其分成由多个光束构成的阵列。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，探测位于样本光点(501)处的由所述样本材料发射的信号光。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，通过衍射将信号光耦合出来，否则所述信号光由于全内反射将不能离开所述载体(301)。
21.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，采用样本光点(501)阵列扫描所述样本层(302)，其中，至少一次再现所述阵列的等同位置。
全文摘要
本发明涉及通过由隐失波生成的多个样本光点(501)检验样本材料的方法和设备。通过多点发生器，例如，多模干涉仪(106)生成源光点(510)阵列，并通过(微)透镜(202，203)或通过Talbot效应将其映射到样本层(302)内的样本光点(501)上。对由所述源光点(510)构成的输入光(504)整形，从而使所有输入光都在透明载体板(301)和样本层(302)之间的界面处受到全内反射。因而，所述样本光点(501)仅由隐失波构成，并被限制在有限体积。在优选应用中，采用CCD阵列(401)通过空间分解探测在样本光点(501)中激励的荧光。
文档编号G01N21/64GK101072996SQ200580041982
公开日2007年11月14日 申请日期2005年12月7日 优先权日2004年12月10日
发明者D·J·W·克隆德, M·范赫佩恩, M·巴利斯特雷里, C·利登巴姆, M·普林斯, R·温贝格尔-弗里德尔, R·库尔特 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司