專利名稱：多點檢驗設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及采用光點陣列檢驗樣本材料的方法和設備。
背景技術：
WO 02/097406A1公開了一種用于檢驗生物樣本材料的設備，其中，通過衍射裝置將激光束分割為多個激發(fā)束。將所述激發(fā)束引導至存儲樣本材料的平臺，在該處通過樣本光點陣列激勵熒光。通過采用CCD陣列以空間分解的方式測量所述熒光，以獲得有關樣本材料的存在和/或量的信息。

發(fā)明內容
基于這一狀況，本發(fā)明的目的在于提供一種采用光精確有效地檢驗樣本材料的裝置。
這一目的是通過根據(jù)權利要求1所述的設備以及根據(jù)權利要求16所述的方法實現(xiàn)的。在相關權利要求內公開了優(yōu)選實施例。
根據(jù)其第一方面，本發(fā)明包括一種采用光處理樣本材料的設備。由于所述處理可以具體指對樣本材料的檢驗，因而在下文中也將所述設備稱為“檢驗設備”，其不對本發(fā)明的范圍構成限制。此外，要從非常一般的含義理解“樣本材料”一詞，例如，其包括化學元素、化學化合物、生物材料(例如細胞)和/或其混合物。所述設備包括下述部件a)存儲單元，其含有透明載體和樣本層，其中，所述樣本層與所述載體的一側(在下文中將其稱為“樣本側”)相鄰設置，并且其中，所述樣本層可以存儲將要處理的樣本材料。盡管所述載體從理論上可以具有任何三維形狀，但是優(yōu)選將其構造為具有兩個平行側面的板，所述側面之一就是上述樣本側。所述載體典型地由玻璃或透明聚合物構成。所述樣本層也可以具有任意形狀，例如，其包括劃分為小隔間。典型地，它是可以填充樣本材料，例如，生物分子的水溶液的空腔。在某些實施例中，樣本層還可以包括探針，即可以和樣本材料結合的位點(分子)。
b)用于生成“輸入光”的多點發(fā)生器(下文中簡稱為MSG)。典型地，在所述MSG的輸出側將所述輸入光提供為由光點構成的陣列，在下文中將其稱為“源光點”，從而將它們與其他類型的光點區(qū)分開。所述陣列可以具有由源光點構成的規(guī)則排列，例如，按矩形矩陣排列。此外，特別地，所述源光點均可以具有(基本)相同的形狀和強度。
c)透射部分，其用于將來自MSG的輸入光投射到存儲單元的透明載體內。如果MSG產生了源光點，那么在載體的樣本側的內表面上將生成其圖像。此外，抵達所述內表面的所有輸入光都應當在該處受到全內反射。由于這一全內反射(TIR)的作用，僅通過隱失波在相鄰樣本層內生成了樣本光點，沒有輸入光能夠直接傳播到樣本層內。在下文中將聯(lián)系本發(fā)明的優(yōu)選實施例討論滿足TIR所需的條件的集中方式。
上述類別的檢驗設備具有兩個優(yōu)點首先，同時在多個(樣本)光點處檢驗樣本層的樣本材料，其中所述過程分別在每一點處發(fā)生。這一并行性加速了整個進程，允許同時測量多種被測物，并且由于提高了信噪比而提高了準確性。第二個優(yōu)點在于僅由隱失波生成樣本光點，其意味著，它們的體積非常小，被限制到緊鄰載體和樣本之間的界面處。因而，避免了在別處與樣本材料發(fā)生不符合要求的相互作用，從而提高了信噪比。
根據(jù)優(yōu)選實施例，存儲單元包括與載體的樣本側間隔一定距離設置的蓋。具體地，載體和蓋二者都可以是在其間界定樣本室的板，其中，與所述載體板相鄰的樣本室的層構成了樣本層。具體地，所述蓋可以是對光透明的，從而允許在該樣本層中生成的光通過。
有幾種方式實現(xiàn)適用于檢驗設備的多點發(fā)生器MSG。所述MSG可以優(yōu)選包括幅度掩模、相位掩模、全息掩模、衍射結構、(微)透鏡陣列、垂直腔面發(fā)射激光器陣列和/或多模干涉儀(MMI)，從而在MSG的輸出側生成由源光點構成的陣列。將聯(lián)系附圖更詳細地描述這些實施例中的一些。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，MSG包括用于生成原始光束的(單個)光源和用于將所述原始光束在所述MSG的輸出側分束為由源光點構成的陣列的光學倍增單元。例如，可以通過MMI實現(xiàn)倍增單元，在下文中將對其進行更詳細地說明。對原始光束的分束的優(yōu)點在于，只需要一個光源(或幾個光源)，所得的源光點自動具有相同的特征(波長、形狀、強度等)。
在前述實施例的進一步展開當中，MSG包括用于根據(jù)預期的強度圖案對原始光束整形的光束整形單元。例如，所述光束整形單元可以包括掩模元件、折射元件和/或反射元件，其中，所述元件阻擋所述原始光束中的某些部分(尤其是中央部分)。所述阻擋將會影響那些將不會在載體的內表面發(fā)生全內反射的光線，這一點能夠通過結合附圖得到更好的理解。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，MSG適于生成相干光源光點陣列，其中，所述光在其進一步傳播過程中生成Talbot圖案。由于Talbot效應的自成像特征，所述源光點將在某些距離處周期性再現(xiàn)，從而在所述載體的樣本側的內表面處生成它們的圖像。Talbot效應的這一應用的優(yōu)點在于，所述透射部分需要最少的光學元件(透鏡)。為了生成相干源光點，MSG可以具體包括一個相干光源。
有很多種不同的方式取得在載體的內表面發(fā)生TIR的條件。在優(yōu)選實現(xiàn)方式中，所述檢驗設備包括吸收元件、反射元件和/或折射元件構成的掩模陣列，其中，所述元件混合去掉(blend out)了將不會在所述載體的內表面處發(fā)生全內反射的來自MSG的輸入光的部分。
在上述實施例的進一步展開中，將至少一個探測器元件(例如，光電二極管)設置在所述掩模陣列的吸收、反射或折射元件中的至少一個的陰影中。由于其位置的影響，來自MSG的輸入光將不會抵達所述探測器元件，但是在樣本層中生成的光，例如，在樣本光點中激發(fā)的熒光光將能夠抵達。因此，所述探測器元件允許沿“反向”測量來自樣本層的信號，而不受輸入光的干擾。
可以將上述設備用于通過光點對樣本材料做任何預期類型的處理，這一點已經提到過了。因而，例如，可以采用其在樣本光點的有限體積內激發(fā)樣本材料的某些化學反應。在另一類非常重要的應用中，其目標在于探測、監(jiān)視和/或測量來自樣本層的信號，尤其是測量受到樣本光點激發(fā)的熒光。對于這些應用而言，所述設備優(yōu)選包括用于探測在樣本層內生成的光的探測裝置。例如，可以通過光電倍增管實現(xiàn)所述探測裝置。
前述探測裝置優(yōu)選包括至少一個探測器元件陣列，例如，CCD陣列和用于將樣本層映射到所述陣列上的光學系統(tǒng)。因而，來自所述樣本光點的發(fā)射將被引向不同的探測器元件，從而實現(xiàn)了對來自獨立樣本光點的信號的空間分解測量。通過這種方式，能夠并行執(zhí)行多個不同的測量和/或多個同一類型的重復測量。
在很多種情況下，例如，在熒光的觀測過程中，在樣本層中生成的信號光沿所有方向傳播。因而，可以沿“正向”，即在其沿與輸入光從MSG傳播到存儲單元的同一方向行進之后，探測所述光。或者，可以沿“反向”，即與所述輸入光的傳播方向相反的方向探測來自所述樣本層的信號光。反向測量的優(yōu)點在于，來自樣本層的信號光未必一定基本上穿過樣本傳輸，穿過樣本將增添噪聲。此外，相對于樣本操縱而言，優(yōu)選采用反向測量，因為在樣本之后不需要光學部件或探測器，因而能夠容易地將所述樣本連接至系統(tǒng)，而不需要防止樣本的背面接觸(例如)灰塵。
為了實現(xiàn)反向測量，透射部分優(yōu)選包括(二向色)分束器，其將來自MSG的輸入光引向樣本層，將來自樣本層的信號光引向探測裝置。所述分束器具體可以包括針對不同的光波長表現(xiàn)不同的光學特性的二向色部件，例如，透射具有第一波長的入射光，同時反射具有其他波長的熒光的棱鏡。
上述檢驗設備實現(xiàn)了通過多個樣本光點檢驗樣本層內的區(qū)域。在某些情況下，所述受到檢驗的區(qū)域將不會覆蓋整個樣本層，而只是其部分。為了在這些情況下實現(xiàn)對整個樣本層的檢驗，所述設備優(yōu)選適于使所述樣本光點陣列相對于所述樣本層移動。例如，可以通過有選擇地引導來自MSG的光的掃描單元或者通過移動MSG(或其部件，例如，掩模陣列)實現(xiàn)這一移動。
根據(jù)上述允許移動樣本光點的實施例的進一步展開，所述設備適于識別所述樣本光點相對于樣本層的位置，以及對其重新定位。其使得有可能至少一次重復樣本層內的某些位置的測量，從而允許在所述位置處隨著時間的推移而獲得額外信息。
在更詳細地分析在所述樣本層的樣本光點處發(fā)射的信號光的傳播時，可以發(fā)現(xiàn)，所述光的某一部分在載體的、與樣本側相對的一側處(在下文中稱為“外側”)受到了全內反射，因而相對于探測被損耗掉了。在文獻中將這樣的光稱為“SC模式”光(可以參考WO02/059583A了解細節(jié)，將其引入到本說明書中以供參考)。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，將在載體板的外側提供衍射結構，其中，所述結構適于將SC模式的信號光耦合出來，即將光從載體內部耦合出來，否則所述光將在載體板的正常(平滑)外側受到全內反射。由于對SC模式的利用，能夠顯著提高信號增益。
本發(fā)明還包括采用光處理樣本材料的方法，其中，所述材料存在于與透明載體的“樣本側”相鄰的樣本層內。所述方法包括使輸入光通過載體傳播，從而使其在載體的上述樣本側的內表面上受到全內反射，從而通過隱失波在樣本層中生成樣本光點陣列。
總體上，所述方法包括能夠通過上述類別的檢驗設備執(zhí)行的步驟。因此，可以參考上述說明了解有關所述方法的細節(jié)、優(yōu)先和改進的更多信息。
根據(jù)所述方法的優(yōu)選實施例，生成了相干光源光點陣列，光通過Talbot效應從其傳播。由于Talbot效應的自成像特征，如果以Talbot距離或其倍數(shù)設置樣本層，那么將能夠以最少的光學元件在樣本層中(或者更確切地說，在所述載體的樣本側的內表面上)生成源光點陣列。
具體地，通過對應光束的陣列生成樣本光點，其中，優(yōu)選通過對原始光束整形和分割生成所述光束。通過這種方式，能夠容易地創(chuàng)建具有所需特征的多個等同的光束。
在所述方法的進一步展開中，探測在樣本光點處由樣本材料發(fā)射的信號光，其中，所述探測的結果只是二進制值(探測到/未探測到)，或者是測量的光量的連續(xù)值。具體地，可以通過樣本光點的隱失光激發(fā)來自樣本材料的光發(fā)射。
為了提高信號增益，能夠通過衍射將樣本層中的樣本材料發(fā)射的光，即所謂的SC模式光從載體中耦合出來，否則所述光將由于TIR而不能離開載體。
所述方法的進一步展開的特征在于，采用樣本光點陣列掃描樣本層，其中，至少一次再現(xiàn)所述陣列的等同位置。因而，可以在樣本層的不同位置按照預期的頻率重復所述處理。在具體的應用當中，可以采用其探測樣本層中占據(jù)的結合位點，優(yōu)選探測與樣本層中的探針結合的熒光標簽元件。在這種情況下，所述方法包括相對于樣本光點陣列掃描樣本層，以及采用探測系統(tǒng)探測特定目標響應，例如熒光光。如果選擇足夠小的樣本光點尺寸，掃描速度足夠快并且結合部位的濃度足夠低，那么在同一時間只能照射一個占據(jù)的結合位點。如果在樣本層的某一位置的重復掃描中觀察到了特定目標響應，那么可以將所述位置歸類為占據(jù)的結合位點。具體地，這樣的重復掃描允許區(qū)分特定結合和非特定結合。


在下文中，將借助附圖通過舉例的方式描述本發(fā)明，其中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的檢驗設備的主要設置；圖2示出了利用Talbot效應生成并傳輸多個光點；圖3示出了采用掩模對原始光束整形；圖4示出了采用反射鏡對原始光束整形；圖5示出了利用多模干涉儀通過抑制未受到全內反射的光生成多個樣本光點；圖6示出了與圖5類似的設置，其具有用于測量反方向的熒光的分束器；圖7示出了與圖6類似的設置，其具有俘獲具有SC模式的熒光的裝置；圖8示出了具有用于貫穿樣本掃描由多個光點構成的陣列的掃描單元的設置。
具體實施例方式
應當注意，附圖并非按比例繪制，在根據(jù)本發(fā)明的檢驗設備中可以任意組合不同附圖和實施例中公開的特征。
在(生物)化學化驗中，例如，采用分子/樣本的熒光測量分子在溶液中的濃度，或探測結合事件(例如，某一層處的分子的附著)。理想情況下，人們樂于采用感測陣列，因為其允許根據(jù)結合層和激勵光的特性測量多個事件、分子種類以及分子位置。本發(fā)明解決了這一需求，同時嘗試做出三點改進分析性能(靈敏度、專一性和速度)、使用方便性(魯棒性、集成度)以及成本。
在圖1中，示出了根據(jù)本發(fā)明的檢驗設備的主要設置。所述檢驗設備基本包括四個部件或子系統(tǒng)-用于在其輸出端生成由多個源光點510構成的陣列的多點發(fā)生器100(下文簡稱為“MSG”)。典型地，所述源光點510(基本)為圓形，直徑為0.5μm到100μm。此外，典型地，兩個相鄰點510之間的距離也處于0.5μm到100μm的范圍內。將聯(lián)系其他附圖討論MSG 100的可能的不同實施例。
-透射部分200，其作用在于將來自光點510的“輸入光”透射到含有樣本的存儲單元300。盡管從理論上來講，所述透射部分可以只是填充了空氣或其他介質的空間，但是典型地其包括專用光學部件，以實現(xiàn)來自源光點510的光到樣本中的樣本光點501的預期透射。
-用于存儲和保存樣本將要進行檢驗的材料的上述存儲單元300。盡管從理論上可以通過很多方式實現(xiàn)存儲單元300，但是大多數(shù)實現(xiàn)均包括圖1所示的部件。這些部件為(i)基板或載體301，其對于由MSG 100生成的輸入光是透明的，其可以是，例如，玻璃板。(ii)可以用含有樣本材料(例如，溶于水的生物分子)的流體填充的樣本室303；(iii)蓋板304，其隨順樣本室303并構成其邊界，其也可以由諸如玻璃的透明材料構成(在存儲單元的其他實施例中可以省略蓋板)。與樣本室303接觸的載體板301的側面是所謂的“樣本側”，與這一樣本側鄰接的樣本室303的薄層構成了所謂的“樣本層”302，在該層中，將發(fā)生對樣本材料的檢驗。就檢驗而言，首先將MSG 100生成的源光點510映射成載體板301的樣本側的內表面上的圖像，在該處，由于所述設置的特殊設計，所有的光都受到了全內反射。作為全內反射(TIR)的結果，所述光的隱失波向相鄰樣本室303內傳輸了一小段距離，從而在樣本層302內建立了“樣本光點”501。例如，這些樣本光點501的光激勵了樣本材料的熒光，其中所述熒光光沿正向(光束502)和反向(光束503)(各向同性或各向異性地)發(fā)射。
-用于測量來自樣本層302的光的探測器系統(tǒng)。所述探測器系統(tǒng)可以(擇一或同時)包括用于探測沿正向發(fā)射的信號光502的“正向探測器”401和用于探測反方向的信號光503的“反向探測器”402。
根據(jù)圖1的檢驗設備的主要優(yōu)點為-整個陣列的同時/并行激勵。
-整個陣列中熒光的同時/并行探測。
-沒有運動元件，因而使使設計具有潛在的廉價性和穩(wěn)定性。
-隱失場激勵使得激發(fā)體積集中在樣本室，即樣本層的表面上。其優(yōu)點在于體流體(bulk fluid)能夠產生最低的背景，即，不需要清除或沖洗掉體流體就能夠執(zhí)行測量(所謂的均相化驗)。
-在采用適當?shù)奶綔y方案時，能夠容易地分隔激發(fā)光和熒光，從而能夠獲得潛在的高信噪比。
下面將參考圖2-8解釋所描述的檢驗設備的部件的各種具體實施例和可能的實現(xiàn)。
圖2示出了使來自MSG的入射光透射至樣本的優(yōu)選方式，其中，存在于MSG 100的輸出側的源光點510最終生成了樣本層302內的樣本光點501。所述透射是通過Talbot效應，即受到相干光的準直光束的照射的規(guī)則圖案(在這種情況下為源光點510構成的陣列)的自成像而產生的。
要想產生Talbot效應，MSG 100包括生成相干光準直束的光源101。所述相干光照射幅度掩模102(例如，具有d＝20μm的周期和50％的開關比)，其生成由源光點510構成的規(guī)則圖案。例如，也可以通過多模干涉儀(MMI)、衍射結構、(微)透鏡陣列或VCSEL(垂直腔面發(fā)光激光器)陣列生成光點510構成的陣列。源光點510通過干涉生成Talbot強度圖案201，所述圖案通過中間距離傳輸?shù)酱鎯卧?00的部件(玻璃、水)內。Talbot效應的特征在于，在所謂的自成像或Talbot距離處周期性地再現(xiàn)由源光點510構成的強度圖案，所述距離取決于設置參數(shù)。如果，例如，對周期為d的光柵102進行相干照明，那么在光柵后面的距離N(2d2/λ)處將出現(xiàn)圖像，其中，N為整數(shù)，λ為光波長。通過適當選擇成像參數(shù)，有可能在載體301的樣本側生成由源光點510構成的陣列的圖像。要想了解有關Talbot效應的詳細討論，可以參考文獻(參考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，F(xiàn)ourier Optics，McGraw-Hill，New York，chapter 4，1996)。
也可以通過相位或全息掩模生成多個源光點(其基本在Talbot距離的60％處再現(xiàn))。
上文所述的自成像的應用的重要優(yōu)點在于，其能夠使透射部分200中的諸如透鏡的光學部件的數(shù)量降至最低，從而使其成為簡單、魯棒的設計。
圖3示出了MSG 100的優(yōu)選實現(xiàn)，其特征在于，首先對原始光束105整形，之后將其劃分為多個源光點510。用于生成原始光束105的子單元包括(相干)光源101、準直透鏡103和聚焦透鏡104。在兩個透鏡103和104之間，設置光束整形單元110，從而使光束跨越其界面具有預期強度分布。例如，光束整形單元可以含有掩模元件111，其用于通過混合而去掉透鏡103和104之間的準直光束的中央部分。
在對圖3的布局的修改當中，可以使光束整形單元110置于聚焦透鏡104后面或準直透鏡103之前的光路中。在這種情況下，可以通過改變光束整形單元的軸向位置簡單地調整所得的光束形狀(例如，掩模元件位于聚焦透鏡104之后越遠，在光束中產生的中央陰影越大)。但是，這樣的布局的功能對于光學部件的精確位置具有非常高的依賴性。
在備選實施例中，光束整形單元可以是衍射結構，其將較低的空間頻率(對應于聚焦激發(fā)光的較小角度)轉化為較高的空間頻率(對應于聚焦激發(fā)光的較大角度)，其將減少光激發(fā)功率的損耗。從傅里葉光學可知，透鏡能夠執(zhí)行空間傅里葉變換。對于位于透鏡之前或之后的相位板而言，焦平面幅度分布就是輸入的傅里葉變換(除了二次相位因子之外)。
有關解釋如何采用衍射元件替代圖3所示的裝置110的例子是這樣一個實施例，其中，準直透鏡103和聚焦透鏡104相同并且定位于4f構造內(即，元件101、103、衍射元件、104和106彼此之間的距離等于透鏡的焦距f)，衍射元件精確地位于兩個透鏡103和104之間。在這種情況下，聚焦透鏡104的焦點上的圖像將準確地成為受到照明的衍射元件的空間傅里葉變換。
為了說明采用衍射元件進行光束整形的可行性，考慮在透射模式中采用一維正弦相位光柵的情況，其衍射效率ηq＝Jq(m/2)，其中，q為衍射級，m為光柵的峰-峰相位延遲，Jq為階數(shù)為q的第一類Bessel函數(shù)(參考J.W.Goodman，F(xiàn)ourier Optics，McGraw-Hill，New York，chapter 4，1996)。為了適當選擇峰-峰相位延遲(m)，中央級完全消失(例如，m＝1.53π)，所有的功率都處于光柵的較高級內。通過選擇充分小的相位型光柵周期，使位于載體板的樣本側的第一級的角度充分大(至少大于針對界面處的TIR的臨界角)，所有的輸入功率在這一界面處都受到全內反射。因此，可以推斷采用具有適當周期和峰-峰相位延遲的正弦相位光柵能夠將所有的輸入功率用于熒光的隱失場激勵。所述總的激勵功率僅受到透鏡103和104的數(shù)值孔徑的限制。1D正弦光柵實際上是一個相當實際的例子，因為對于柱形對稱系統(tǒng)(就像大多數(shù)光學系統(tǒng)一樣)，需要處于徑向的1D正弦光柵。
應當指出，將透鏡和衍射元件置于與所述的4f構造不同的構造中也是可能的，但是，這時第二透鏡104的圖像將不再是受到照明的衍射元件的空間傅里葉變換，其還含有二次相位因子。由于對于熒光而言，強度是重要的，幅度分布并不是十分重要，因而大多數(shù)實際情況下的二次相位因子都是可以接受的。
在所述實施例的變型中，可以將衍射元件置于聚焦透鏡104之后。這樣的布局的優(yōu)點在于，第二透鏡104的圖像是與第二透鏡的孔徑相對的受到照明的孔徑的加上了二次相位因子的傅里葉變換，其表明能夠通過平移所述衍射元件而縮放所述圖像(即，能夠縮放傅里葉變換的頻標)。
接下來將通過上述方式之一生成的、經整形的輸入光束105輸入到分束單元中，分束單元將輸入光分割或復制成出現(xiàn)在MSG 100的輸出側的、由(相同的或類似的)源光點510構成的陣列。在圖3所示的情況下，通過多模干涉儀MMI 106實現(xiàn)所述分束單元。MMI構成了多模光波導。在多模波導截面的諸模式上分割所述(優(yōu)選為單模的)輸入波導或輸入點的光。在MMI的指定截面上，強度分布是MMI的模式之間的干涉圖案。與Talbot效應的情況類似，MMI的強度圖案是周期性的。
通過使MMI 106可調諧，能夠避免與MMI的波長依賴性相關的問題?？梢酝ㄟ^改變模式的傳播常數(shù)調諧MMI的輸出側的強度圖案。通過調諧MMI，能夠選擇MMI的輸出側的點的數(shù)量，并使點的位置與樣本層或透射部分200中的光學部件匹配。由于從一級近似的角度來講，點內的總功率與點的數(shù)量成反比，因而還能夠改變/優(yōu)化激勵功率，并由此優(yōu)化測量的信噪比。
例如，圖3所示的MMI 106可以生成由5個點構成的一維(N×1)陣列，其參數(shù)如下折射率芯部(1.6；)；背景(background)(1.5)；寬度中央輸入波導(2μm)；MMI部分(20μm)；長度用于生成1×5點的MMI部分(135μm)；自成像距離(圖像以該距離重現(xiàn))5417μm；MMI支持的模式數(shù)量22。
準確地生成多個點510需要MMI充分寬(越寬由MMI支持的模式就越多)。作為經驗法則，MMI支持的模式的數(shù)量應當至少為(點的數(shù)量+1)。增大MMI的寬度提高了圖像質量，但是也提高了所需的長度；在做適當?shù)慕坪螅猿上窬嚯x對MMI的寬度具有二次相關性。
通過MMI的適當布局，還能夠創(chuàng)建二維點陣列。應當指出，多點的生成是以干涉為基礎的，并且從理論上能夠在不存在明顯損耗的情況下實現(xiàn)。MMI的另一優(yōu)點在于，這是一種相對簡單的方法，不需要對透鏡和周期結構對準。
可以通過文獻查閱有關MMI的原理的更為詳細的信息(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內，通過準直器微透鏡202和聚焦微透鏡203將出現(xiàn)在MSG 100的輸出側的由源光點510構成的陣列映射到位于載體板301的樣本側(的內表面)上的光點上。載體板301優(yōu)選具有與聚焦微透鏡203相同的折射率，以避免在這兩個部件之間的界面上發(fā)生反射。也可以采用單個(大)透鏡替代由微透鏡202和/或203構成的陣列。
通過混合而去掉射向MMI的輸入光束105的中心部分的優(yōu)點在于，輸入光504僅以全內反射(TIR)角抵達載體板301的樣本側的內表面(例如，假設載體板301由玻璃構成，以水溶液填充樣本層302)。這意味著輸入光504僅通過隱失波產生樣本光點501，從而使樣本光點501的體積局限至薄樣本層302，從而使背景最小化。此外，將沒有輸入光傳播到樣本內部，從而容易地將激發(fā)光與前向熒光分開。
盡管在圖3和其他附圖中示出了具有載體板301、樣本層302和蓋板304的存儲單元300的實施例，但是也可以采用其他布局。尤其可能采用表面結構含有樣本材料的“樣本板”，如專利申請EP03101893.0所述(將其引入到本說明書中以供參考)。在這種情況下，樣本板的折射率應當小于載體板的折射率，以發(fā)生TIR。通過修改EP03101893中描述的表面結構能夠提高在樣本層和載體板之間的界面處發(fā)生全內反射的角度區(qū)間。
可以通過未在圖3中示出，但是將聯(lián)系本發(fā)明的其他實施例描述的不同設置實現(xiàn)對樣本光點501激發(fā)的熒光光的觀察。
圖4示出了用于針對MMI對原始光束105整形的備選布局。根據(jù)這一實施例，通過透鏡103使(相干)光源101產生的光準直，并使其射到凸面鏡113上。凸面鏡113將光反射至凹面鏡112，凹面鏡112將其聚焦成原始輸入光束105。因而，反射鏡112和113構成了光束整形單元110，其生成的原始光束的中央?yún)^(qū)域被混合去掉了，這一點與圖3中的布局一樣。之后對所述原始光束105執(zhí)行的剩余處理與圖3中相同，因而不再對其說明。
在圖5示出的實施例中，將(未整形的)原始光束105輸入到MMI 106中，MMI 106在MSG 100的輸出側生成由源光點510構成的陣列。當然，也可以采用任何其他類型的MSG生成源光點510。在透射部分200中，每一源光點510具有相關的準直器微透鏡202和相關的聚焦微透鏡203，其用于將對應點510發(fā)射的輸入光準直成平行光束，并將其聚焦至存儲單元300的樣本層302。
在每一平行光束504中，將掩模元件204設置在準直透鏡202和對應的聚焦透鏡203之間，從而混合去掉所述光束504的中央部分。與參考圖3詳細描述的一樣，光束的其余部分以大到足以發(fā)生TIR的角度抵達載體板301的樣本側和樣本層302之間的界面處。因而，將僅通過隱失波在樣本層302內生成光點501。
盡管所示的掩模元件204處于透鏡202和203之間的平行光束504內，但是也可以將其設置在準直器透鏡202之前或聚焦透鏡203之后。相對于這些實施例而言，所采用的標記與上文中與圖3中的光束整形單元110的位置相關的標記類似。
圖5還示出了探測器元件400，每一探測器元件400設置在掩模元件204的背面(即位于面對存儲單元300的一側)。這些探測器元件400能夠探測樣本層302沿反方向發(fā)射的熒光503。
此外，圖5還示出了測量熒光502的實施例，熒光502是由受到輸入光504激發(fā)的樣本層302中的分子沿正向發(fā)射的。通過單個(大)聚焦透鏡403將所述熒光502聚焦到探測裝置401的圖像平面上。透鏡403優(yōu)選具有與蓋板304相同的折射率，以避免在這兩個部件之間的界面處發(fā)生反射。例如，所述探測裝置可以是CCD陣列401，其允許通過空間分解的方式測量從樣本層302的點發(fā)出的熒光。
也可以采用微透鏡(類似于透鏡203)陣列替代單個聚焦透鏡403。類似地，可以采用單個大透鏡替代微透鏡202和/或203。此外，還可能如圖2所示通過Talbot效應將掩模元件204和/或探測器元件400的使用與輸入光的傳播結合起來(在這種情況下不需要透鏡202和203)。
前向熒光的測量的缺點在于，信號502必須通過諸如樣本室、蓋板304以及一個或多個透鏡的部件傳播，從而導致在這些部件中(例如，在熒光的作用下)產生寄生信號。沿反向探測熒光避免了這樣的問題。此外，在沿反向測量時，蓋板304未必一定透明。
圖6示出了測量反向熒光光503的實施例。與在圖5所示的設備中一樣，通過微透鏡202使MSG 100生成的源光點準直，并通過微透鏡203將其聚焦到樣本層302的樣本光點501處。位于準直器透鏡202之后的掩模元件204仍然混合去掉光束504的中央部分，以確保樣本光點501僅由隱失波構成。
與圖5相反，在掩模元件204和聚焦透鏡203之間設置由兩個棱鏡或楔形塊206和207構成的二向色分束器。這一分束器具有涂層，使得其透射輸入光504，反射熒光光503。當然，本發(fā)明不排除其他分離激發(fā)光和熒光光的裝置。
由樣本層302中受激發(fā)的分子發(fā)射的熒光光503通過載體板301、聚焦透鏡203和右側楔形塊沿反向(即與激發(fā)光相反)傳播。在所述楔形塊207的傾斜面上，以直角將熒光光503朝向聚焦透鏡404反射，聚焦透鏡404將其映射到CCD陣列402上。因而，可以單獨測量熒光光而不受激發(fā)光504的干擾。
應當指出，由聚焦透鏡203收集的熒光點的寬度由這些透鏡的數(shù)值孔徑決定；假設透鏡202和203具有相同的數(shù)值孔徑，那么可以理解所收集的熒光的寬度基本等于所收集的激發(fā)光束504的寬度。
當然，可以通過很多種方式修改圖6的實施例，例如，使大透鏡與微透鏡交換，反之亦然。
圖7示出了與圖6類似的測量反向熒光的檢驗設備的實施例。這里，省略了MSG 100和透射部分200的細節(jié)，為了清晰起見只示出了一個代表性的樣本光點501。如同在WO02/059583A1中討論的，可以根據(jù)在樣本層302中激發(fā)的熒光光在相鄰材料中的傳播特性將其細分為不同的分量或模式。這里尤其感興趣的一個模式是所謂的SC模式，其包括所有以在載體板301的(平坦)外側受到全內反射的角度從樣本層302傳播到玻璃載體301內的熒光光。因而，對于探測過程而言，通常損失了SC模式的光。
為了將這種光用于探測用途，從WO02/059583A1可知，在載體301的外側提供衍射光柵305。所述光柵的作用在于，將SC模式的光從玻璃載體301中耦合出來，并使其以在圖7中突出顯示的光束505和506的形式沿反向傳播(為了更加清晰，沒有示出其他模式)。在分束器的二向色棱鏡207的背面對這些SC模式光反射，并通過聚焦透鏡404將其投射到探測裝置402上。
圖8示意性地示出了具有掃描單元的檢驗設備的實施例，所述掃描單元在光路中緊隨MSG 100之后。借助這一掃描單元205，能夠使MSG生成的源光點陣列射到存儲單元300的樣本層302的不同子區(qū)域上。
在采用單個光點激勵樣本材料時，例如，在固定的樣本上采用CD/DVD播放器的移動光學拾取單元(OPU)，最大熒光激勵功率受到飽和熒光強度的限制。采用額外可得的激光功率來應用作為本發(fā)明的主旨的多點方案能夠減少測量時間和/或提高靈敏度。在這種情況下，應當以簡單、經濟有效并且優(yōu)選不采用移動元件的方式生成并掃描所述多個點。
實現(xiàn)上述目標的解決方案的第一步驟包括采用Talbot效應(參照圖2)，因為其允許在不借助于透鏡的情況下在周期距離處對傳播點的(周期性)陣列成像。通過這種方式，只需掃描相鄰點跨越的面積，以實現(xiàn)對整個樣本層的詢問。例如，可以采用包括諸如透鏡或反射鏡的移動光學元件的動態(tài)掃描單元205掃描多個點。
另一種使多個光點的陣列通過樣本移動的可能性是掃描MSG。例如，如果在MSG中采用圖2所示的孔徑陣列102，那么只須通過移動孔徑來移動樣本光點501。這是一種不需要移動透鏡的實施例。
圖8的檢驗設備的特征要素在于，在掃描光學設置中采用并行點實現(xiàn)單事件探測。單事件探測要求傳感器探測所發(fā)射的輻射的某一最低功率和能量。在下述部分中將闡述功率條件的選擇。
可以通過參考熒光壽命τfluor、吸收截面σabs和熒光量子效率φ將熒光粗略分為不同的組(參考S.W.Hell，and J.Wichmann，Opt.Lett.19，780，1994)，例如Cyanine、Alexa、熒光素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，例如直徑為200nmσabs～10-12-10-14cm2。
量子點σabs～10-15-10-16cm2。
飽和熒光激發(fā)強度為Is=hcλτfluorσabs---(2)]]>其中h為普朗克常數(shù)，c為光速，λ為吸收光的波長。對于0.2μm2的表面積(對應于具有0.6NA和650nm的DVD光學拾取單元的光點尺寸)發(fā)現(xiàn)了幾μW到幾mW的飽和熒光激發(fā)強度Is。因而，根據(jù)所采用的熒光團和最大適用激光功率(例如，在樣本處為100mW)，可以采用幾個(2-100)到很多個(100-100000)并行Talbot點來掃描感測陣列。
可以沿向前和向后(相反)傳播方向探測由傳播過程中的Talbot點激發(fā)的熒光光。
圖8示出了正向熒光探測方案?？梢酝ㄟ^不同的光學部件，例如，具有開放和閉合截面的掩模、多模干涉儀、用于生成點陣列的衍射結構、透鏡陣列或VCSEL陣列生成Talbot點?？梢酝ㄟ^沿橫向掃描多點光源獲得在樣本層302上的Talbot點的掃描。位于MSG 100之后的掃描單元允許掃描Talbot點。存儲單元300的樣本層302位于第一Talbot平面內。最小點尺寸由衍射極限確定。
采用位于存儲單元300的另一側上的濾波器405將激發(fā)光504與紅移熒光光502阻擋開。采用消色差透鏡403使熒光結合事件在像素化探測器401上成像(不可能再次采用Talbot效應使熒光結合事件在探測器上成像，因為熒光光是非相干的，在空間上未必具有周期性)。
可以通過位于多點陣列的拐角處的一些點，例如，四個點生成用于聚焦和跟蹤的伺服信號?？梢圆捎梦挥谒缑嫣幍姆瓷湫盘柧劢共⒀a償傾斜?？梢圆捎脕碜詷颖竟战翘幍念A溝槽(pregroove)的推挽信號實現(xiàn)跟蹤。可以采用具有三個自由度的樣本傳動器優(yōu)化光源和樣本之間的距離和這兩個部件之間的傾斜。
由于所述發(fā)射是各向同性的，因而可以沿向后的方向獲得對熒光光的探測。與圖6和圖7中的實施例相同，在這種情況下需要采用二向色分束器使后向熒光光射向探測器。優(yōu)選選擇二向色分束器的長度，從而在忽略象差的情況下使分束器的輸出為輸入的Talbot圖像。在這種情況下，分束器的輸入面應當處于生成輸入點陣列的Talbot圖像的平面內，載體301的樣本側應當處于生成分束器的輸出的Talbot圖像的平面內。分束器的輸入和輸出面不是Talbot平面的其他構造也是可能的，只要處于載體301的樣本側的圖像是輸入點的Talbot圖像(忽略象差)即可。
對于尺寸為1×1mm2的感測陣列而言，二向色分束器的尺寸約為1mm。對于20μm的點間距和500nm的波長而言，到(空氣中的)第一Talbot平面的距離為1.6mm。在這里實例情況下，1×1mm2的感測陣列將同時受到50×50個Talbot點掃描。
前向熒光具有在樣本流體中受到吸收的缺點，至少對于動態(tài)測定是如此的。如果恰好在這一端測量，可以用沖洗液(不管怎樣都是必需的)替代溶液。只要有可能，顯然在血液中直接測量是優(yōu)選的。
最后，應當指出，在本申請中，“包括”一詞不排除其他元件或步驟，單數(shù)冠詞不排除復數(shù)，單個處理器或其他單元可以實現(xiàn)幾個裝置的功能。本發(fā)明存在于每個新穎的特征要素以及所述特征要素的每項組合當中。此外，對本發(fā)明的附圖和優(yōu)選實施例的上述說明的目的僅在于說明而不是限制，不應將權利要求中的附圖標記視為限制其范圍。
附圖標記列表100 多點發(fā)生器MSG101 (相干)光源102 掩模103 準直器透鏡104 聚焦透鏡105 原始光束/點106 多模干涉儀MMI110 光束整形單元111 掩模元件112 凹面鏡113 凸面鏡200 透射部分201 Talbot圖案202 準直器微透鏡203 聚焦微透鏡204 掩模元件205 掃描單元206 二向色分束器的棱鏡207 二向色分束器的棱鏡300 存儲單元301 載體板302 樣本層303 樣本室
304 蓋板305 衍射結構400 探測器元件401 前向探測器402 反向探測器403 聚焦透鏡404 聚焦透鏡405 濾波器501 樣本光點502 前向熒光503 反向熒光504 輸入(激發(fā))光505 SC模式熒光506 SC模式熒光510 源光點
權利要求
1.一種采用光處理樣本材料的設備，包括a)存儲單元(300)，其具有透明載體(301)和與載體(301)的一側(“樣本側”)相鄰設置的樣本層(302)；b)用于生成輸入光(504)的多點發(fā)生器MSG(100)；c)透射部分(200)，其用于將所述輸入光透射至所述載體(301)，其中，所有抵達所述載體(301)的所述樣本側的內表面的輸入光在該處受到全內反射，并且通過隱失波在樣本層(302)內生成樣本光點(501)陣列。
2.根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于，所述存儲單元(300)包括與所述載體(301)的所述樣本側間隔一距離設置的蓋(304)。
3.根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于，所述MSG(100)包括幅度掩模(102)、相位掩模、全息掩模、衍射結構、微透鏡陣列、VCSEL陣列和/或多模干涉儀(106)，用于在所述MSG(100)的輸出側生成源光點(510)陣列。
4.根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于，所述MSG(100)包括用于生成原始光束(105)的光源(101)和用于將所述原始光束在所述MSG(100)的輸出側分束成源光點(510)陣列的光學倍增單元，尤其是多模干涉儀(106)。
5.根據(jù)權利要求4所述的設備，其特征在于，所述MSG(100)包括用于對所述原始光束(105)整形的光束整形單元，尤其是用于阻擋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.根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于，所述MSG(100)適于生成產生Talbot圖案(201)的相干光的源光點(510)陣列。
7.根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于，其包括由吸收元件(204)、反射元件和/或折射元件構成的掩模陣列，所述掩模陣列混合去掉由所述MSG(100)生成的輸入光的不會在所述載體(301)的所述樣本側受到全內反射的部分。
8.根據(jù)權利要求7所述的設備，其特征在于，在所述掩模陣列的至少一個掩模元件(204)的陰影內設置至少一個探測元件(400)。
9.根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于，其包括至少一個用于探測在所述樣本層(302)內生成的光的探測裝置(400，401，403)。
10.根據(jù)權利要求9所述的設備，其特征在于，所述探測裝置包括由探測器元件構成的陣列，尤其是CCD陣列(401，402)，以及用于將所述樣本層(302)映射到所述陣列上的光學系統(tǒng)(403，404)。
11.根據(jù)權利要求9所述的設備，其特征在于，所述透射部分(200)包括將來自所述MSG(100)的光引導至所述樣本層(302)以及將來自所述樣本層(302)的光引導至所述探測裝置(402)的分束器(206，207)。
12.根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于，其適于使所述樣本光點(501)陣列相對于所述樣本層(302)移動。
13.根據(jù)權利要求12所述的設備，其特征在于，其包括有選擇地引導由所述MSG(100)生成的輸入光的掃描單元。
14.根據(jù)權利要求12所述的設備，其特征在于，其適于識別所述樣本光點相對于所述樣本層(302)的位置以及對其重新定位。
15.根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于，在所述載體(301)的外側設置衍射結構(305)，其適于將光(505，506)從所述載體(301)的內部耦合出來，如果沒有這樣的結構，所述光將受到全內反射。
16.一種采用光處理樣本材料的方法，其中，所述材料設置在與透明載體(301)的一側(“樣本側”)相鄰的樣本層(302)內，所述方法包括使輸入光穿過所述載體(301)傳播，從而使其在所述樣本側的內表面上的多個點處受到全內反射，并由此通過隱失波在所述樣本層(302)內生成樣本光點(501)陣列。
17.根據(jù)權利要求16所述的方法，其特征在于，生成相干光的源光點(510)陣列，輸入光通過Talbot效應從所述源光點陣列傳播。
18.根據(jù)權利要求16所述的方法，其特征在于，對原始光束(105)整形并將其分成由多個光束構成的陣列。
19.根據(jù)權利要求16所述的方法，其特征在于，探測位于樣本光點(501)處的由所述樣本材料發(fā)射的信號光。
20.根據(jù)權利要求19所述的方法，其特征在于，通過衍射將信號光耦合出來，否則所述信號光由于全內反射將不能離開所述載體(301)。
21.根據(jù)權利要求16所述的方法，其特征在于，采用樣本光點(501)陣列掃描所述樣本層(302)，其中，至少一次再現(xiàn)所述陣列的等同位置。
全文摘要
本發(fā)明涉及通過由隱失波生成的多個樣本光點(501)檢驗樣本材料的方法和設備。通過多點發(fā)生器，例如，多模干涉儀(106)生成源光點(510)陣列，并通過(微)透鏡(202，203)或通過Talbot效應將其映射到樣本層(302)內的樣本光點(501)上。對由所述源光點(510)構成的輸入光(504)整形，從而使所有輸入光都在透明載體板(301)和樣本層(302)之間的界面處受到全內反射。因而，所述樣本光點(501)僅由隱失波構成，并被限制在有限體積。在優(yōu)選應用中，采用CCD陣列(401)通過空間分解探測在樣本光點(501)中激勵的熒光。
文檔編號G01N21/64GK101072996SQ200580041982
公開日2007年11月14日 申請日期2005年12月7日 優(yōu)先權日2004年12月10日
發(fā)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·溫貝格爾-弗里德爾, R·庫爾特 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司