辐射载体及其在光学传感器中的使用的制作方法

本发明涉及粒子检测和光学分析的领域。更具体地说，它涉及通过光学方法的粒子检测和可选分析。具体而言，其涉及基于发光的检测，例如，对处于流动中的粒子的基于荧光的检测或者对处于流动中的粒子的基于拉曼散射的检测。

发明背景

细胞计量术，尤其是流式细胞计量术存在于基于形态学和/或化学特性的分析物(例如，肿瘤细胞)的标识中。在后一种情况下，标记(例如，发光标记(诸如举例而言，荧光标记))通常被用来标记可标识细胞的特定分子，诸如蛋白质。这通常需要一种聚焦激光以激发发光体(例如，荧光团)并收集和过滤来自细胞的发光(例如，荧光)的光学系统。

对粒子的发光(例如，荧光)检测是一种用一个或多个发光体(例如，荧光团)来染色或标记流体样本中的感兴趣的粒子的技术。为了检测粒子，被附着到粒子的发光体(例如，荧光团)由光信号激活，并且来自发光体(例如，荧光团)的发光(例如，荧光)接着由光学检测器检测。在染色或标记粒子的阶段期间，若干发光体(例如，荧光团)绑定到粒子上，并且剩余数量的发光体(例如，荧光团)不绑定。在现有技术的设备中，剩余数量的未绑定的发光体(例如，荧光团)必须在激活被绑定到粒子的发光体(例如，荧光团)之前被移除，因为背景噪声降低了通常具有低分辨率的检测器的灵敏度。移除未绑定的标记的这些附加的步骤增加了过程的复杂性，并且洗掉标记所需要的区域以及用于流量控制的可控泵及其他元件通常使设备体积庞大。

即使简单的细胞计数测试也需要大量的吞吐量。为了执行细胞计数，细胞需要非常快地流过系统，这意味着只有很少的来自每个单个细胞的信号可用。因此，需要要求激光器和光学系统的精密对准的极其敏感的系统。

为了操纵激光输入，波导被经常使用。然而，发光(例如，荧光、灯(宽带谱))的频谱的宽度阻碍或妨碍波导中的有效输入。

发明概述

本发明的各实施例的目的是提供一种紧凑且易于使用的光学传感器和分析器，以用于执行发光(例如，荧光或拉曼散射)检测。

一方面，本发明提供一种用于传感器的辐射载体，该辐射载体被适配成用于承载至少一个辐射束，该辐射载体包括表面。辐射载体包括在该至少一个辐射载体的表面上的至少一个激发光栅，该至少一个激发光栅被定位并适配成将激发辐射束定向地耦合出辐射载体，从而照亮感兴趣的区域(roi)，以及被定位并适配成用于重定向(例如用于接收和重定向，诸如用于收集和重定向(例如，用于反射))从感兴趣的区域放射出的发射辐射的另外至少一个结构。从感兴趣的区域放射出的发射辐射可以是激发辐射，其例如被简单地反映在例如存在于感兴趣的区域中的粒子上，或者可以是不同于激发辐射的辐射类型，其通过激发辐射与存在于感兴趣的区域中的粒子的相互作用(诸如荧光或磷光辐射)而被生成在感兴趣的区域中。

在本发明的实施例中，用于重定向发射辐射的结构可以是用于反射发射辐射的结构。替代地，用于重定向发射辐射的结构可以是用于传送发射辐射的结构。用于重定向发射辐射的结构可包括结构化或图案化的表面。

在本发明的各实施例中，用于重定向发射辐射的该至少一个结构可以是被适配成将发射辐射反射到检测器的至少一个发射光栅。在替代实施例中，其可以是被适配成用于将发射辐射耦合到辐射载体中的至少一个发射光栅。该辐射载体可以是用于承载辐射束的辐射载体，或者可以是另一个第二辐射载体。第二辐射载体可被定位在辐射载体的用于承载辐射束的平面中，或者与其成角度，例如基本上垂直。

在又一替代实施例中，被定位并适配成用于重定向发射辐射的该至少一个结构包括平面光学器件，诸如举例而言平面透镜。

便宜的一次性辐射载体可以用不贵的材料获得是有利的。在一些实施例中，辐射载体包括平面光学器件，用于产生展开的辐射束并引导该展开的辐射束朝向感兴趣的区域。本发明的各实施例的一个优点在于，紧凑的设备可被获得。

在另外的方面，本发明提供了一种传感器，包括

-用于承载至少一个辐射束的至少一个辐射载体，该辐射载体包括表面，

-在该至少一个辐射载体的表面上的至少一个激发光栅，用于将至少一个激发辐射束引导到感兴趣的区域(roi)中，

-至少一个检测器，

-至少一个结构，例如但不限于，用于重定向(例如，将来自感兴趣的区域的辐射反射到该至少一个检测器中)的发射光栅或平面光学器件。

本发明的各实施例的优点在于，光学系统的对准可在紧凑的设备中被简化或甚至被避免。

在根据本发明的各实施例的传感器中，被定位并适配成用于重定向(例如，反射)辐射的该至少一个结构(例如，平面光学器件的发射光栅)可被适配成进一步将经重定向的(例如，经反射的)来自感兴趣的区域的辐射准直到至少一个检测器。辐射的准直允许尽可能多的辐射击中检测器，使得用于获得可靠结果的可用量的辐射击中检测器。

本发明的各实施例的一个优点在于，检测器的整个区域可被使用，从而改善了其灵敏度。

在根据本发明的各实施例的传感器中，用于重定向(例如，反射)辐射的该至少一个结构(例如，发射光栅或平面光学器件)可被适配成进一步将经重定向的(例如，经反射的)来自感兴趣的区域的辐射聚焦到至少一个检测器。

本发明的各实施例的一个优点在于，成像及良好的分辨率可被获得。

在根据本发明的各实施例的传感器中，该至少一个辐射载体可包括平面光学器件，用于产生展开的激发辐射束并引导该展开的激发辐射束朝向感兴趣的区域。

本发明的各实施例的一个优点在于，roi可包括宽长度或体积的微流体通道或者大区域。较大的roi可被创建。

将聚焦光学器件集成在芯片上的一个优点在于，可以使光学器件与按相同工艺制造的微流体非常好地对准。

在另外的方面，本发明提供了一种微流体设备，包括根据第一方面的各实施例中的任一个的传感器，并且还包括至少对辐射束而言透明的基板，其中感兴趣的区域被限定。根据本发明的各实施例的微流体设备可进一步对经重定向的发射辐射而言是透明的。

本发明的各实施例的一个优点在于，适于荧光分析的集成光学传感器可被获得。

在根据本发明的各实施例的微流体设备中，基板可进一步包括微流体通道。

本发明的各实施例的一个优点在于，几乎不要求维护的便宜的小型化的流式细胞仪可被获得。

在根据本发明的各实施例的微流体设备中，该至少一个检测器可以是检测器阵列，并且微流体通道可被夹在辐射载体和检测器阵列之间。

本发明的各实施例的一个优点在于，紧凑且简单的流式细胞仪可被获得。

在进一步的实施例中，本发明提供了一种系统，其包括作为分开的设备的

-微流体芯片，包括

至少一个微流体通道，以及

用于承载至少一个辐射束的至少一个辐射载体，该辐射载体包括具有至少一个激发光栅的表面，该至少一个激发光栅被定位并适配成将激发辐射信号定向地耦合出辐射载体，从而照亮微流体通道的预定义的体积，以及至少一个结构(例如，发射光栅或平面光学器件)，该至少一个结构被定位并适配成重定向(例如，反射)源自预定义的体积的发射辐射；以及

-读出设备，被适配成与微流体芯片可操作地耦合，其中该读出设备包括至少一个检测器，用于在微流体芯片和读出设备被可操作地耦合时检测源自预定义的体积的经重定向的发射辐射。

根据本发明的各实施例的系统的一个优点在于，更昂贵的灵敏检测器可被使用。通过使这样的传感器存在于分开的读出设备中，传感器可被重复使用，而非一次性的。灵敏检测器的使用允许在高吞吐量系统中进行检测。

由于在这些实施例中检测器不在一次性芯片上，因此在辐射源和检测器之间的距离，即经发射的辐射必须行进的一个距离，可以是若干毫米(mm)到厘米(cm)。因此，如果可用量的辐射应当击中检测器，则辐射可能必须被准直。

在根据本发明的各实施例的系统中，读出设备可包括用于容纳微流体芯片的狭槽。

在又一个实施例中，本发明提供了一种诊断设备，包括根据本发明的各实施例的传感器，以及用于提供传感器的输出的输出单元，诊断可基于该传感器的输出。输出单元可被适配成用于输出表示微流体通道的预定义的体积中的分析物的存在/不存在或浓度的信号。

在另外的实施例中，本发明提供了一种执行粒子检测的方法。该方法包括

-提供辐射散射中心，

-将辐射散射中心插入感兴趣的区域内，

-从与感兴趣的区域光学接触的激发光栅中提供辐射，

-借助于至少一个结构(例如，发射光栅或平面光学器件)将从感兴趣的区域中的辐射散射中心散射的辐射重定向到至少一个检测器，以及

-监视被重定向自感兴趣的区域的辐射的发射。

本发明的各实施例的一个优点在于，使用平坦光学器件(诸如平面波导、光栅和菲涅耳透镜)可减少或避免对准步骤，并且可能要求较少的维护。

在根据本发明的各实施例的方法中，提供辐射散射中心可包括使辐射散射中心附着到分析物。

本发明的各实施例的一个优点在于，发光(例如，荧光)细胞计量术可与本发明方法一起使用。

在根据本发明的各实施例的方法中，附着辐射散射中心可包括附着至少一种类型的发光体，例如，荧光团或载色体或其混合物。

在根据本发明的各实施例的方法中，在感兴趣的区域内插入散射中心还可包括提供通过感兴趣的区域的散射中心流。在替代实施例中，在感兴趣的区域内插入散射中心可包括使携带散射中心的分析物附着到亲和探针。

这些实施例的一个优点在于，散射中心不应被直接固定到亲和探针，因此噪声被显著降低，因为大部分的被检测到的信号可能主要源于经固定的分析物。

本发明的特别和优选方面在所附独立和从属权利要求中阐述。从属权利要求中的技术特征可以与独立权利要求的技术特征以及其他从属权利要求的技术特征适当地结合，而不仅仅是其在权利要求中明确阐明的那样。

本发明的这些以及其他方面从下文所描述的(诸)实施例中将变得显而易见并且将参考这些实施例来进行阐明。

附图简述

图1例示了根据本发明的各实施例的辐射载体的侧视图，仅作为示例而非旨在限制本发明，包括激发和发射光栅、感兴趣的区域(roi)和至少一个检测器。

图2例示了根据本发明的各实施例的平面波导的示意性透视图，仅作为示例而非旨在限制本发明，包括激发和发射光栅、roi、两个检测器和前向散射检测器。

图3示出了入射在准直全息检测器上之前和之后的来自振荡偶极子辐射器的辐射的角度分布的模型。

图4例示了根据本发明的各实施例的平面波导的正视图，其具有展开的激发光栅和聚焦发射光栅、用于在roi中引入分析物的系统以及示出前向散射检测器的时间上的结果的三个图，并且检测器接收来自发射光栅的辐射。

图5例示了根据本发明的各实施例的检测器相对于光栅的替代布置的正视图。

图6例示了根据本发明的各实施例的方法的流程图。

这些附图只是示意性而非限制性的。在附图中，出于说明性目的，可将一些要素的尺寸放大且未按比例绘制。

权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

在不同的附图中，相同的附图标记指相同或相似的要素。

具体实施方式

将针对具体实施例且参考特定附图来描述本发明，但是本发明不限于此而仅由权利要求书来限定。所描述的附图只是示意性的而非限制性的。在附图中，出于说明性目的，可将一些要素的尺寸放大且未按比例绘制。尺寸和相对尺寸不对应于本发明实践的实际缩减。

说明书和权利要求书中的术语第一、第二等等被用于区分相似元件，而不一定用于描述时间上、空间上、等级上或其它方式上的顺序。应该理解，如此使用的这些术语在合适情况下可以互换，并且本文描述的本发明的实施例能够以除了本文描述或说明的之外的其他序列来操作。

此外，说明书和权利要求中的术语顶、下方等等用于描述性的目的，并且不一定用于描述相对位置。应该理解，如此使用的这些术语在合适情况下可以互换，并且本文描述的本发明的实施例能够以除了本文描述或说明的之外的其他取向来操作。

需要注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解读为限定于其后列出的装置/手段；它并不排除其他要素或步骤。由此其解读为指定所陈述的特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或组件，或其群组的存在或添加。因此，措词“一种包括装置a和b的设备”的范围不应当被限定于仅由组件a和b构成的设备。这意味着该设备的唯一与本发明有关的组件是a和b。

贯穿本说明书提及“一个实施例”或“一实施例”意指结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。由此，短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”贯穿本说明书在各个地方的出现并不一定全部引述同一实施例，而是可以引述同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，如本领域普通技术人员会从本公开中显而易见的，特定特征、结构或特性可以用任何合适的方式进行组合。

类似地，应当领会，在本发明的示例性实施例的描述中，出于精简本公开和辅助对各个发明性方面中的一者或多者的理解的目的，本发明的各个特征有时被一起编组在单个实施例、附图或其描述中。然而，这种公开方法不应被解读为反映所要求保护的本发明需要比每项权利要求中所明确记载的更多特征的意图。相反，如所附权利要求所反映，各发明性方面存在于比单个前述公开的实施例的全部特征更少的特征。由此，详细描述之后所附的权利要求由此被明确纳入该详细描述中，其中每一项权利要求本身代表本发明的单独实施例。

此外，尽管本文描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些而不是其他特征，但是不同实施例的特征的组合旨在落在本发明的范围内，并且形成如本领域技术人员所理解的不同实施例。例如，在所附的权利要求书中，所要求保护的实施例中的任何实施例均可以任何组合来使用。

在本文所提供的描述中，阐述了众多具体细节。然而应理解，在没有这些具体细节的情况下也可实践本发明的实施例。在其他实例中，公知的方法、结构和技术未被详细示出以免混淆对本描述的理解。

当在本发明的各实施例中提到一个或多个“粒子”时，这可指代生物材料，诸如但不限于细胞、外来体、病毒。

当在本发明的各实施例中提到“流体样本”时，这可指代生物学性质的流体，例如体液，诸如但不限于，血液、唾液、尿液。流体样本还可指代具有非生物学性质，但适于输送如上定义的粒子的流体，例如盐溶液。

当在本发明的各实施例中提到“平面激光束”时，指的是激光片，例如通过长焦距球面透镜和柱面透镜被展开并形成薄片的激光束。任何合适的系统可被使用。“平面波导”被理解为具有基本上平行的平坦表面的平板波导，因此辐射经由全内反射在内部行进。

在包括平面波导的本发明的各实施例中，光栅(例如，耦出光栅)可被提供在平面波导的壁上，从而中断内部反射并产生离开波导的辐射束。该束可被用作用于分析样本或粒子的激发束，并且其被称为“激发光栅”。同样地，将把在与样本或粒子相互作用之后接收辐射束，并将其重定向到检测器(例如，反射辐射或将辐射耦合到波导中)的光栅称为“发射光栅”。然而，本发明不限于所述波导，也不限于光学激光器，亦不限于发射光栅的存在。在最一般的形式中，辐射载体包括用于重定向从感兴趣的区域放射出的发射辐射的结构。

当在本发明的各实施例中提到“感兴趣的区域”或“roi”时，指的是可以被能检测的样品(诸如粒子或细胞)占据的空间的预先确定的区域或体积。在本发明的一些实施例中，roi包括例如在微流体设备中的微通道的一部分。

当在本发明的各实施例中提到“光学传感器”时，指的是适于例如使用ir辐射、可见光辐射、uv等来感测光子的设备。

当在本发明的各实施例中提到“靶的发光”时，指的是通过靶的辐射而不是由热发射造成的发射。通常，在本发明的上下文中，发光将是由光子的吸收产生的光致发光；诸如荧光或磷光。然而，本发明不限于这种类型的发光，并且还可被应用于例如生物发光或化学发光(作为有机体的(生物)化学反应的结果的发射)或电致发光(穿过靶的电流的结果)的情形。

当在本发明的各实施例中提到“靶上的拉曼散射”时，指的是当靶被照亮时从靶散射的光子。更具体而言，指的是非弹性散射，其中光子通过激发而被散射，并且经散射的光子具有与入射光子的频率不同的频率。拉曼效应与光致发光过程的不同之处在于，对后者而言，入射辐射被吸收并且系统被转移到经激发的状态，系统可从该经激发的状态转向各种更低的状态。两个过程的结果在本质上是相同的：产生具有与入射光子的频率不同的频率的光子，并使分子达到不同的能级。主要的差异在于，拉曼效应可针对入射辐射的任何频率发生，而光致发光仅在入射辐射的特定频率处发生。

当在本发明的各实施例中提到“亲和探针”时，这是指具有某种亲和性(例如，对分析物而言具有天然的吸引力)的物质，该物质具有或不具有生物学来源。通过表述“物质具有生物学来源”，我们打算意指存在于活的有机体中或从活的有机体中产生的物质，或具有类似属性和/或结构和/或组成的物质。例如，亲和探针可以是抗体、抗原、酶、受体、适体、核酸适体、肽适体或分子印迹聚合物(mip)。一方面，本发明涉及适于粒子分析(诸如经由流式细胞计量术的分析)的光学传感器，本发明不限于此。光学传感器包括辐射源，有利地是基本上相干的辐射源(例如，激光器)。来自辐射源的辐射可通过波导来引导或传输。至少一个激发光栅可被提供在波导上，以引导辐射束朝向roi，其可包括粒子、粒子流中的多个分析物，等等。使辐射束与至少一个粒子相互作用，该至少一个粒子本身可以是荧光的，或者可以用荧光标记进行标记。一个或多个结构(例如，发射光栅)可收集从roi散射的辐射并将其重定向(例如，反射)到至少一个检测器。这些结构(例如，发射光栅)可例如(在重定向(例如将其反射到一个或多个检测器中)之际)准直来自roi的辐射，但是本发明不限于准直，并且替代地，这些结构(例如，发射光栅)可将经重定向的(例如，经反射的)辐射聚焦到一个或多个检测器中。

在本发明的各实施例中，辐射源将辐射耦合到包括至少一个激发光栅的辐射载体中，用于耦出来自辐射源的辐射。在一些实施例中，辐射载体被优化以承载激光束。在一些实施例中，辐射载体可以是波导，例如带状或平面波导或平板波导。

辐射载体(例如，波导)上的激发光栅可以是聚焦光栅，或者提供例如平面激发束的光栅，并且其可被图案化作为光栅耦合器，本发明不限于此。例如，聚焦光栅可包括具有聚焦能力的平面介质光栅反射器、菲涅耳透镜，等等。激发光栅可被图案化、被定向或被适配成将辐射引导或聚焦在roi上，例如其可在波导的表面上包括光栅和图案，因此在行进于辐射载体(例如，波导)中的激光束的通过之际，激光束可离开辐射载体并被引导到(例如，被聚焦到)roi中。该结构可被适配成将辐射聚焦在具有与所期望的细胞基本类似的大小的体积中。如果辐射被聚焦在比细胞小得多的体积中，则检测系统的可靠性由于信号的强变化而被降低。在本发明的各实施例中，另一方面，辐射不必要被聚焦在小于细胞的体积上。一致的照明度被获得，这增加了可靠性。将辐射聚焦在具有与细胞大小类似的大小的体积中可例如通过点状透镜来完成，该点状透镜是由紧密栅格中的柱状元件的结构形成的超级透镜(metalens)。相位变化是通过使辐射通过柱状元件而造成的。相位变化可被非常准确地调整。此外，柱状设计可以是创建具有附加功能(诸如强光谱变化)的透镜的良好基础。激发光栅还可来把辐射展开，而非聚焦，在roi上，例如在诸如微流体通道之类的透明导管的线上或区域上，(例如，提供平面激光束)。其可包括适于辐射的传送的材料，诸如氮化硅。对roi中照明度的控制有利地降低了噪声，因为最终被检测到的信号可能仅仅源于roi而非源于相邻区域。

辐射载体(例如,波导)包括至少一个结构(例如,发射光栅或平面光学器件)，用于重定向(例如，反射)从roi放射到一个或多个检测器的任何辐射。在一些实施例中，经重定向的(例如，经反射的)辐射被准直到一个或多个检测器。替代地，结构(例如，光栅)可聚焦辐射朝向该一个或多个检测器，而不是准直辐射。在本发明的一些实施例中，来自roi的辐射可以是例如通过荧光散射的激光辐射，并且其可被结构(例如，发射光栅)重定向(例如，反射)进一个或多个检测器中。该一个或多个结构可包括菲涅耳透镜或任何合适的光学元件。

该结构(例如，发射光栅)可以是介质反射器。在本发明的各实施例中，该结构(例如，发射光栅)可包括诸如金属之类的反射材料，例如其可包括反射金属层，或者其可由介质光栅和反射金属表面的组合形成。例如，一个或多个结构(例如，发射光栅)可以是共面的并且可位于激发光栅的旁边。

根据本发明的各实施例，一种结构(例如，发射光栅)可被用在反射模式或者传送模式中。当被用在反射模式中时，检测器将位于辐射载体的与该结构(例如，发射光栅)相同的一侧。当被用在传送模式中时，检测器将位于辐射载体的与该结构(例如，发射光栅)相比相对的一侧，并且被检测到的辐射被基本上横向地发送通过辐射载体到检测器。在后一种情况下，该结构(例如，发射光栅)可例如由将辐射引导到辐射载体的另一侧的菲涅耳透镜形成。

在本发明的包括平面波导的各实施例中，该至少一个结构(例如，发射光栅)以及激发光栅可以在波导的同一表面上延伸。在本发明的一些实施例中，该结构可被实现为发射光栅，并且发射光栅和激发光栅可被组合成单个光栅区域。因此，包括发射光栅和激发光栅的一个连续光栅表面可被形成，在不同区域中具有针对一种或另一种行为(获得激发束或反射辐射)的经优化的图案。附加地，连续表面的一部分可仅包括介质光栅，而部分的该表面(发射光栅)可包括附加的反射层，诸如金属层。光栅表面可在整个表面上具有均匀或优选地不均匀的图案。在本发明的各实施例中，相同类型的光栅可被用于发射光栅和激发光栅。在这种情况下，尤其可以使用菲涅耳透镜。介质光栅也可被使用，但是由于这些光栅是针对特定的波长来被设计的，所以它们可能引起更多的像差。

例如，行进通过辐射载体的激光束可被传送通过充当激发光栅的光栅，并且可被聚焦在roi、点或线上。由roi中的粒子散射的任何辐射可被相同的光栅表面反射，但是被充当发射光栅的部分反射到检测器中。例如，这可通过微调图案来实现。

在本发明的各实施例中，被定位并适配成用于重定向从感兴趣的区域放射出的发射辐射的结构的不同区域(例如，发射光栅的不同区域)可(例如通过适配其光栅、反射层的属性，等等)被适配成重定向(例如，反射)光谱的不同部分。因此，可通过将来自第一预先确定的波长范围的信号重定向(例如，反射)到第一检测器并且将来自另外的预先确定的波长范围的信号重定向到不同的另外的检测器来包括粒子鉴别。例如，第一类型的散射中心(例如，第一类型的荧光团)可附着到第一类型的分析物，而另外的类型的散射中心(例如，一种或多种不同类型的荧光团)可附着到另外的类型的分析物。在这种情况下，第一分析物可被第一检测器检测到，而另外的分析物可被另外的检测器检测到。来自第一和第二分析物的信号可以例如是来自不同荧光标记(例如，对应地标记不同类型的细胞、病毒、外来体等的不同的荧光团)的信号。

粒子鉴别可替代地或附加地通过在结构(例如，发射光栅)上或在检测系统上包括滤光器来被获得。使用衍射光栅，部分的滤光可通过光栅本身完成。该至少一个检测器可以是多个检测器(诸如专用检测器)，其可能仅对部分的光谱敏感，例如红外或紫外检测器，或者可见光范围的特定区域内的辐射的检测器。根据本发明的一些实施例，多个不同的光谱滤光器(每个滤光器具有不同的中央波长)可以在信号到达具有多个检测器的系统中的对应检测器之前对其进行过滤。在有利的实施例中，多个检测器可各自被用来检测对应于光谱的不同部分的信号。

本发明的各实施例的一个优点在于，激发和收集系统两者可被对准或至少大致地被对准，从而减少或者甚至避免校准和对准步骤。附加地，如此构建的系统可以是紧凑且低成本的，因为它不要求多件或复杂的组装。其可有利地被实现在诸如流式细胞计量术系统之类的医疗设备中，并且其可被容易地应用于便携式设备。例如，传感器可被用于流式细胞计量术，并且与辐射源和roi共线的附加检测器可被用于对粒子进行计数以及获得关于细胞上的特征化合物的数据。散射数据可被用来确定大小。对于生物应用，无机及有机染料可被使用。例如，一种或多种类型的靶细胞或病毒或任何其他分析物可以用包括载色体、荧光团等的标记抗体加以标记。

本发明的一些实施例可被应用于(例如，使用uv激光)检测和分析量子点。这在生物分析(量子点作为标记粒子)中可能是有用的，但其也可被用于半导体技术。通常，本发明可适用于涉及粒子的光学分析的技术领域。

参考图1、图2和图4、图5来描述本发明的传感器的一些实施例。

在下文中，描述了本发明的特定实施例。这些通常涉及“波导”而不是涉及更广泛的“辐射载体”，通常涉及“发射光栅”而不是涉及更广泛的“结构”，并且通常涉及“反射”而不是涉及更广泛的“重定向”。这种描述方式是为了可理解性和固定思想的目的而完成的，并且决不旨在限制本发明。

图1示出了辐射载体100(诸如波导)的侧视图，包括在其顶表面102上的光栅101。辐射载体100可以是光纤，或者更优选地是矩形波导。辐射载体100可由任何合适的材料制成，诸如玻璃、聚合物或合适的半导体材料。从辐射源(未示出)放射出的辐射103被耦合到辐射载体100中，并且例如通过全内反射在那里行进通过，直到它通过激发光栅101出射。如此激发的激发束104可被适配成用于被聚焦到roi105中，roi105在所例示的图中包含粒子106，例如细胞。光栅101可被适配成将束104聚焦到整个roi或者多于一半的roi中，或者有利地将其聚焦到具有与待分析的粒子量级相同的体积(例如，一个或多个细胞的体积)中。从存在于roi105中的粒子106散射(例如，通过荧光散射)的辐射107落入发射光栅108中，在那里其被反射和准直，使得经反射且经准直的束109适于进入检测器110。在图1所例示的实施例中，仅示出一个发射光栅，但是本发明不限于此，并且还涵盖具有多于一个发射光栅的实施例。

图2示出了包括波导表面202上的激发光栅201的平面波导200的透视图，其中辐射信号203例如经由全内反射在波导200内行进。激发光栅201干扰平面波导200的表面202，并且辐射从波导200逸出，因此形成激发束204。激发光栅201具有允许将激发束204聚焦在roi205上的图案。当roi205中的辐射遇到荧光分析物206(诸如(例如，通过荧光标记的附着)显示荧光的细胞之类的分析物)时，其散射在一个或多个发射光栅208中被反射且被准直的辐射。如果存在多个发射光栅208，则它们可位于激发光栅201的任一侧，例如，多个发射光栅208可围绕激发光栅201。多个发射光栅208可均匀地或不均匀地分布在激发光栅201周围。由发射光栅208反射且任选地准直的辐射207进入一对检测器211、212。在本发明的特定实施例中，由至少一个发射光栅208反射的辐射可被聚焦到检测器表面上，而非被准直。

在本发明的一些实施例中，另外的(任选的)前向检测器213可被放置，以便将阴影检测为正移动通过roi的细胞的全息图。前向检测器213沿着与经输入耦合的激发束204相同的轴进行检测。在本发明的各实施例中，来自前向检测器213的信号可被用作比较信号(例如，以检测粒子206或分析物是否穿过roi205)，或者被用作在roi205中的粒子206或分析物的大小的指示。这对于区分穿过roi205的不同主体是有利的，例如对于将具有附着的发光体(例如，荧光团)的主体同未附着的发光体(例如，荧光团)区分开来是有利的。

根据本发明的各实施例的光栅(例如，激发和/或发射光栅)的图案可被制成，以便展开、准直或聚焦辐射。不同类型的光栅(激发光栅、发射光栅)可具有不同的特性。例如，图1和图2的激发光栅101、201可被适配成(例如，通过添加透镜系统、通过形成菲涅耳透镜等来被图案化)用于将离开辐射载体100、200的激发束104、204聚焦到roi105、205中。在本发明的各实施例中，不需要像额外的菲涅耳图案那样的额外的图案化来聚焦被耦合出波导的激发束104、204，因为激发光栅本身可以做这工作。

同时，图1和图2的一个或多个发射光栅108、208可被图案化，用于将经反射的辐射107、207准直到检测器211、212中。使用发射光栅108、208的准直可以是高度准确的。

图3的示图示出了来自振荡偶极子辐射器的辐射的角度分布的模型，其可被用于对点源辐射器(例如，拉曼散射分子或发光分子(诸如举例而言，荧光分子))进行建模。图3的左示图300示出了到达发射光栅的辐射的角度分布。其分布于大约35°(在45°方向上)和25°(在90°方向上)之间的角度上。另一方面，图3的右侧示图310示出了在被发射光栅反射和准直之后的辐射的角度分布。辐射的角度分布集中在单个方向，在10°处。

本发明还涵盖除图1和图2所示以外的激发和发射光栅的类型。例如，图4示出了包括表面402上的由第一和第二发射光栅403a、403b围绕的激发光栅401的平面波导400的正视图。图4还示意性地示出了在波导400内行进的辐射信号203。在所例示的实施例中，激发光栅401将出射激发束404展开在roi205上。例如，展开的激发束404可以是平面的并且可在限定roi205的长度上延伸，例如其可跨越微流体通道的宽度。在图4所例示的实施例中，(例如，收集反射自roi的辐射并将其发送到检测器的)发射光栅403a、403b被设计成将辐射聚焦在检测表面上的一点中。当roi205中的辐射遇到散射中心(例如，荧光分析物)时，经散射的辐射被收集在第一和第二发射光栅403a、403b中。发射光栅403a、403b可各自反射完整光谱的辐射，或者它们可分别反射第一波长范围和第二波长范围内的辐射。落在第一和第二发射光栅403a、403b上的辐射可被反射和聚焦(而不是被准直)并且被发送到诸如图2中的检测器之类的检测器中，或者被发送到如图4所示的检测器阵列的检测器阵列405中。检测器阵列405可包括多个检测区域406、407、408，例如用于检测从roi散射的辐射的多个区域406、408以及用于检测作为正在roi205中移动的粒子的全息图的阴影的区域407。因此，例如，roi中的细胞的侧向位置可作为图像来被获得。落在检测区域407上的激发线的阴影可被用来认证这些粒子并可能进行大小测量。

图1和图2例示了具有聚焦激发光栅以及一个或多个准直发射光栅的实施例。图4例示了具有展开的激发光栅和多个聚焦发射光栅的实施例。然而，这并非旨在限制本发明，并且也可以设想激发光栅和发射光栅的类型的其他组合也是本发明的一部分。例如，根据本发明的各实施例，可以将任何合适类型的激发光栅(例如，聚焦、准直、展开)与任何合适类型的发射光栅(例如，聚焦、准直、展开)进行组合。

本发明的第一方面的实施例还可包括微流体通道，例如与辐射载体、激发和发射光栅以及任选的任何平面或条状光学器件以及一个或多个检测器组合的微流体芯片。该一个或多个检测器可被集成在微流体芯片中。例如，图像可以在微流体芯片的顶部。

图4中示出了包括微流体通道的实施例的示例，其中透明基板409包括微流体通道410。由激发辐射404照亮的通道410的区域包括roi205。在所例示的情形中，激发光栅401在通道410的基本上整个宽度上展开辐射，从而优化通道410内的roi205。辐射可例如按平面片来被展开，例如平面激光束，尽管本发明不限于此。如果粒子(例如，附着到分析物的荧光标记)穿过roi205，则激发辐射被散射在荧光标记上或被荧光标记散射。在这种情况下，来自roi205的经背向散射的辐射被发射光栅403a、403b反射并聚焦到恰好在微流体芯片上方的点中，例如，被反射并聚焦到检测器阵列405的区域406、408中，该检测器阵列405可以是线阵列、相机，等等。透明基板409可进一步聚焦由发射光栅反射的辐射。该配置可有利地简化微流体并且增加吞吐量。检测器可被放置在离发射光栅几毫米处，或者被放置在离发射光栅至少足够的距离以允许对roi的限定(例如，允许放置微流体通道以限定roi)。

图4顶部处的三个示图420、421和422分别示出了作为时间的函数的由左侧的检测器阵列区域406、中心的区域407和右侧的区域408测得的信号。中央示图421(阴影或全息图区域)将检测粒子(例如，经由前向散射)的通过。左示图420可检测一种类型的散射中心(例如，附着于第一类型的分析物的红色荧光团)，而右示图422可检测第二类型的散射中心(例如，附着于第二类型的分析物的绿色荧光团)。除了匹配这些粒子的荧光信号以外，对图形的分析产生了流过通道的粒子的重构。

本发明不限于如图4所例示的光学元件的分布。例如，取代如图4所例示的被放置在辐射载体的上方(在辐射的激发的方向上)，检测器阵列可被放置在辐射载体(例如，波导)的旁边，如图5所例示。在这些实施例中，取代在单个平面中具有检测器的唯一阵列，可以有多个检测器平面可用。

图5示出了基本上垂直于包含激发光栅401(例如，如图4所示的用于展开束的光栅)和发射光栅503、504(例如，准直光栅)的辐射载体400的表面的两个检测器阵列501、502。从roi205散射的辐射可在被发射光栅503、504反射(被聚焦，或如图所示，被准直)之后被收集在检测器阵列501、502中。该几何结构对于在电路顶部中避免电路系统或其他元件而言可能是有利的。例如，分析物可被引入通过设备的顶部到roi205中，而不是通过激发光栅401和检测器阵列之间的区域。例如，图5的实施例可包括roi205中的亲和探针。

在本发明的各实施例中，微流体被提供(例如，被图案化)在芯片(例如，cmos芯片)中或芯片的顶部上，并且被透明盖封闭，使得由发射光栅反射的辐射(例如，光)可到达至少一个检测器。微流体可(例如，通过毛细管作用或例如通过使用泵或类似物来驱动)迫使包括粒子的流体通过包括roi的通道，使得粒子与激发光栅和发射光栅的焦点相互作用。本发明的各实施例可进一步包括经由包括roi的至少一个微流体通道以流体方式互连的第一和第二微流体隔室。第二微流体隔室可包括或者可被连接到用于经由至少一个微流体通道将流体样本从第一微流体隔室泵送到第二微流体隔室的毛细管泵。芯片还可包括被光学耦合到辐射载体(例如，波导)的片上辐射源，诸如光源。

已经描述了本发明的第一方面的实施例，其中待检测或分析的粒子处于流动中。本发明的替代实施例可包括包含一种基板，该基板包括适于绑定供在静态情况下被研究的感兴趣的粒子的亲和探针。在这些实施例中，分析物被固定到设置有相关亲和探针(例如，抗体、抗原、酶、受体、适体、核酸适体、肽适体或分子印迹聚合物(mip))的基板的至少一部分。基板的包括如此固定的分析物的至少一部分被放置在roi中。如前所述，这些分析物还可包括一种或多种类型的经附着的散射中心。这些实施例的一个优点在于，不被绑定到待研究的分析物的散射中心不应被固定到亲和探针，因此噪声被显著降低，因为大部分的被检测到的信号可能主要源于经固定的分析物。

本发明的另外的实施例可包括波导和多个激发光栅，以用于辐照(例如，照亮)例如在单个或多个微流体通道(例如，包括被附着到不同类型的发光体(例如，荧光团)的粒子)中或者在多个亲和探针中的多个roi。这允许减少功率消耗，因为可能只需要一个辐射源。

其他特征可被包括，例如耦合光栅、锥体、如菲涅耳透镜的透镜、微透镜阵列，等等。

在第二方面，本发明涉及一种执行粒子检测的方法。该方法适于检测分析物，例如拉曼散射粒子或被发光体标记的粒子(诸如被荧光团标记的粒子)，尽管本发明不限于此。该方法包括例如使用激发光栅以产生粒子或细胞的辐射发射的特性、将经发射的辐射收集在至少一个光栅中，以及将所述辐射(例如，通过反射)发送到检测器(例如，光学检测器、荧光检测器，等等)来辐照roi(例如，具有与待分析的粒子或细胞量级相同的体积)中的粒子或细胞。将参考图6的流程图来描述该方法。

在第一步骤中，提供600散射中心可包括提供散射特定波长范围内的辐射(例如，激光辐射)的粒子。散射中心可以例如是荧光标签。散射中心可被附着601到分析物。例如，具有在不同波长处散射的辐射的特征的不同类型的散射中心可被附着到不同类型的分析物。例如，一种类型的散射中心可被附着到肿瘤细胞，而另一些可被附着到健康的细胞。

散射中心可存在于诸如血液、尿液、唾液、缓冲液、溶液等的流体中，并且提供散射中心可包括将散射中心绑定到分析物，而分析物存在于任选地处于流动中的液体的大部分中。替代地，分析物可被绑定到亲和探针，并且提供散射中心可包括将散射中心绑定到被绑定到亲和探针的分析物。

进一步的步骤包括经由激发光栅耦出610来自辐射载体的辐射。提供辐射可包括提供611具有例如在ir和uv波长之间的波长的激光辐射。辐射的类型及其特性可例如经由荧光来被选择以获得散射中心的合适的散射。辐射可被连续或间断地提供。例如，在包括提供602分析物流体的实施例中，可优选地提供612连续的辐射，而在包括将分析物附着603到亲和探针的实施例中，提供613间断的脉冲式辐射是可行的或优选的。

进一步的步骤包括在roi内插入620散射中心。例如，它们可通过微流体通道被引入流体621中(处于流动)，或者亲和探针可被放置622在roi中，感兴趣的分析物已绑定到或者可绑定到该roi。

来自激发光栅的辐射束与散射中心的相互作用将产生经散射的辐射(例如，荧光)，其应当被收集并从roi经由发射光栅被引导630到至少一个检测器。将来自roi的辐射引导630到检测器可包括将预先确定的波长范围内的辐射引导631到预先确定的检测器，并将另外的预先确定的波长范围内的辐射引导到另一预先确定的检测器。附加地，发射光栅中的反射可包括将辐射聚焦632或准直633到至少一个检测器。

进一步的步骤包括监视640来自roi的辐射的发射。该步骤包括监视由一个或多个发射光栅反射的发射，并且其可进一步包括监视经前向散射的辐射。对于监视步骤640，任何合适的技术可被使用，诸如光电单元、模数转换器、输出，等等。附加地，在预先确定的波长范围内对辐射进行过滤641的步骤可被包括，例如阈值滤光器、彩色滤光器、偏振滤光器，等等。诸如执行642峰值检测或标记643散射中心的进一步的步骤可被应用。

不同的粒子可能对相同的辐射呈现不同的响应。可以在本发明的各实施例中区分不同的响应，例如通过使用用于对撞击在检测器上的辐射进行过滤的滤光器。例如，本发明的一些实施例可包括激光诱导的荧光。在这些实施例中，不同类型的发光体(例如，荧光团)可被使用，其中每种类型具有不同的波长范围。为了区分具有不同波长范围的不同辐射信号，不同的光谱滤光器可被用于一个或多个检测器以对发射辐射信号进行过滤。作为优点，对发射辐射的检测可被更有效地执行。例如，发射辐射信号中的峰值可被更有效地检测。

例如，当至少两种类型的发光体(例如，荧光团)被用来标记粒子时，单个发射波导可以光学方式被连接到具有至少两个光谱滤光器的光学检测器。光学检测器可包括至少两个光电二极管，每个光电二极管用不同的光谱滤光器来覆盖。落在光学检测器上的发光(例如，荧光)在被检测之前被每个光谱滤光器过滤。这产生了至少两个发光(例如，荧光)信号，这些信号可相关联以改善峰值检测。

本发明可被用于如流式细胞计量术之类的细胞计量术。它可被应用于免疫分型、倍体分析、细胞计数或gfp表达分析。该方法和设备对于发光流式细胞计量术(例如，荧光流式细胞计量术)是有利的，因为紧凑且低成本的设备被获得，其可被集成在芯片中。其可容易使用，因为其要求很少的对准且其在医疗设备中容易实现，要么作为微流体设备，要么具有亲和探针。

在本发明的各实施例中，传感器包括辐射载体以及至少一个激发光栅两者，该至少一个结构被定位并适配成用于重定向从预定义的体积放射出的发射辐射，并且该至少一个检测器可被整体构建，即可以是单个设备。然而，本发明的替代实施例还覆盖包括不同的可分离部件(例如，样本分析设备和读出设备)的系统。样本分析设备可以是微流体芯片，包括用于将流体样本运送通过系统的至少一个微流体通道，以及用于承载辐射束的至少一个辐射载体。辐射载体例如在其表面上包括至少一个激发光栅，该至少一个激发光栅被定位及被适配成将辐射载体所承载的激发辐射信号定向地耦合出辐射载体，从而照亮微流体通道的预定义的体积，以及至少一个结构(诸如举例而言，发射光栅)，该至少一个结构被定位及被适配成重定向(例如，反射)源于预定义的体积的发射辐射。读出设备可包括至少一个检测器(例如，检测器阵列)，用于检测来源自预定义的体积的经重定向的(例如，经反射的)发射辐射。读出设备可适配有狭槽，例如可设置有狭槽，以用于容纳样本分析设备。样本分析设备可具有sd卡的形状和大小，例如，微sd卡或类似物的形状和大小。样本分析设备可包括辐射源，例如光源，以用于将辐射耦合到辐射载体中。替代地，辐射源可被提供在读出设备上或被提供在读出设备中，使得辐射可在样本分析设备和读出设备可操作地彼此耦合时被耦合到样本分析设备的辐射载体中。包括不同的可分离部件的系统的设备特征如同整体构建的设备的实施例中所解释的，并且为了简洁起见，这里不再重复。