專利名稱：熒光讀取器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于光學(xué)分析裝置中樣品基板的改進(jìn)的熒光/磷光讀取器。本發(fā)明還涉及所述熒光/磷光讀取器的應(yīng)用，以及適用于所述熒光讀取器的樣品基板。
背景技術(shù)：
基于樣品中分析物，如核酸、縮氨酸、蛋白質(zhì)、抗體、激素或藥物的檢測，通過光學(xué)分析對(duì)液體樣品進(jìn)行分析和診斷測定。光學(xué)分析一個(gè)重要的應(yīng)用是免疫學(xué)領(lǐng)域，其中借助特定的抗體檢測分析物，例如通過用熒光團(tuán)標(biāo)記分析物，或通過在光學(xué)檢測之前提供熒光團(tuán)標(biāo)記的抗體，該抗體能結(jié)合到分析物，從而形成可光學(xué)檢測的復(fù)合物。可通過熒光讀取器進(jìn)行熒光團(tuán)的檢測，熒光讀取器能用激發(fā)光源照射分析支撐基板并能檢測從熒光團(tuán)發(fā)射的熒光。通過包含樣品支撐基板和熒光讀取器的光學(xué)分析裝置進(jìn)行包括檢測從熒光團(tuán)發(fā)射的突光在內(nèi)的光學(xué)分析。突光讀取器包括用于光學(xué)波長范圍內(nèi)(即在大約40nm與Imm之間)的電磁輻射的光源和檢測器、以及適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)濾波器和波導(dǎo)部件。樣品支撐物包括例如在激發(fā)光和發(fā)射光的波長范圍中具有較高光學(xué)透射率的聚合物材料的基板，其還具有對(duì)其他波長的較高吸收性?；逶O(shè)置有一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)位置區(qū)域，包含探針分子，例如抗體的點(diǎn)和/或線，為樣品中存在的分析物分子，即目標(biāo)分子提供結(jié)合位置。基板還設(shè)置有用于形成例如微柱或微桿的突出微結(jié)構(gòu)的圖案，其設(shè)置成形成用于樣品的毛細(xì)管流道。當(dāng)樣品與支撐表面上被捕獲的分子接觸，且熒光或磷光抗體檢測共軛(conjugate)時(shí)，形成可光學(xué)檢測的點(diǎn)或線。當(dāng)用熒光讀取器的激發(fā)光源照射基板時(shí)發(fā)出熒光或磷光，由此表示在樣品的目標(biāo)分子與反應(yīng)位置的探針分子之間發(fā)生了反應(yīng)。熒光和磷光定義為由被吸收的激發(fā)電磁輻射導(dǎo)致的電磁輻射的發(fā)射物，在激發(fā)之后熒光持續(xù)小于lX10_8s，在暴露于激發(fā)光之后磷光持續(xù)較長時(shí)間，即其衰退更慢。在熒光(和磷光)中，激發(fā)輻射通常具有比發(fā)射輻射短的波長(即較高的能量)，但對(duì)于多光子熒光來說是相反的事實(shí)?？梢砸苑€(wěn)態(tài)或時(shí)間分辨來研究熒光行為，熒光光譜學(xué)涉及例如單光子和多光子熒光、FRET (熒光共振能量轉(zhuǎn)移)、和熒光上轉(zhuǎn)換(up-conversion)。在突光分析中，激發(fā)和發(fā)射福射的波長依賴于突光團(tuán)的類型,突光團(tuán)可以是有機(jī)源或無機(jī)源的，如青色染料、熒光蛋白染料或納米晶。作為一個(gè)例子，一般用649nm激發(fā)普通熒光團(tuán)Cy-5 (GE衛(wèi)生保健)，測量發(fā)射光為670nm。激發(fā)最大值與發(fā)射最大值之間的波長差通常稱作斯托克斯偏移。在光學(xué)分析中，通過熒光讀取器的檢測器件，通過測量發(fā)射熒光或磷光的強(qiáng)度來確定樣品中分析物的濃度，由此能進(jìn)行定量測量。因而，用激發(fā)光照射反應(yīng)位置區(qū)域的效率，以及發(fā)射的熒光的收集效率將對(duì)光學(xué)分析的性能產(chǎn)生影響。
此外，基板表面上的反應(yīng)位置可設(shè)置不同探針分子的點(diǎn)或線的陣列，結(jié)合不同的目標(biāo)分子。因此，熒光讀取器設(shè)計(jì)成能通過不同熒光團(tuán)，或通過使用探針分子的空間分離來確定樣品中幾種分析物的存在。熒光讀取器可設(shè)置成通過掃描反應(yīng)位置區(qū)域進(jìn)行發(fā)射熒光的檢測或者作為二維像素陣列來檢測整個(gè)反應(yīng)位置區(qū)域的圖像。掃描熒光讀取器通過光學(xué)部件與樣品基板之間的相對(duì)移動(dòng)掃描樣品基板的表面，光學(xué)部件優(yōu)選包括窄帶激發(fā)光源，如激光，LED或設(shè)置有光譜濾波器的白光源，來自該窄帶激發(fā)光源的光聚焦在每個(gè)單獨(dú)的檢測位置。從每個(gè)檢測位置發(fā)射的熒光聚焦在光學(xué)檢測器，如光電二極管或PMT (光電倍增管)上。成像熒光讀取器能檢測二維像素陣列，光學(xué)部件包括用于照射樣品基板的大部分表面區(qū)域(或整個(gè)表面區(qū)域)的激發(fā)光源、和能同時(shí)檢測從整個(gè)檢測位置區(qū)域發(fā)射的光的檢測器，如使用MOS (半導(dǎo)體上金屬(Metal-On-Semiconductor))技術(shù)的CO)(電荷稱合器件)成像器。W001/575501中描述了一種現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)讀取器，該文獻(xiàn)公開了在透明基板上 包含樣品的分析物的光學(xué)成像。該光學(xué)讀取器包括用于激勵(lì)從樣品發(fā)射可檢測光的激發(fā)能量源，基板設(shè)置有位于樣品下面的用于將發(fā)射光反射進(jìn)檢測部件的反射表面。W099/46596中公開了一種光檢測光學(xué)器件，其包括耦合到滑塊的光導(dǎo)體，由此可提高光收集效率。W003/103835描述了現(xiàn)有技術(shù)的樣品基板，其設(shè)置有布置成形成用于樣品的毛細(xì)管流道的突出微柱。本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種改善的熒光/磷光讀取器，其能有效照射基板的反應(yīng)位置區(qū)域并有效收集和檢測發(fā)射光，由此可實(shí)現(xiàn)高性能的光學(xué)分析裝置。

發(fā)明內(nèi)容
通過依照所附權(quán)利要求的熒光讀取器和樣品基板獲得這些和其他目的。權(quán)利要求涉及用于具有反應(yīng)位置表面和相對(duì)基板表面的樣品基板的熒光讀取器。該熒光讀取器包括設(shè)置成將光線注入到基板表面中的激發(fā)光源、和設(shè)置成檢測從反應(yīng)位置表面發(fā)射的并透過基板表面的熒光的檢測器件?；灞砻嬖O(shè)置有位于發(fā)射的熒光光路中的全內(nèi)反射抑制部件，從而提高供檢測器件檢測的基板表面的透射，全內(nèi)反射抑制部件設(shè)置成釋放陷在(trapped within)基板內(nèi)的供檢測器件檢測的發(fā)射突光。此外，光源設(shè)置成將激發(fā)光線以大致與發(fā)射熒光的最大發(fā)射角一致的相對(duì)于反應(yīng)位置表面法線的入射角注入基板表面中。因而，基板表面設(shè)置有位于激發(fā)光線的光路中的入射角控制部件。入射角控制部件包括有表面凹凸結(jié)構(gòu)的入射部分，其設(shè)計(jì)成使激發(fā)光相對(duì)于反應(yīng)位置表面以增大的入射角進(jìn)入基板，表面凹凸結(jié)構(gòu)包括衍射或折射結(jié)構(gòu)。全內(nèi)反射抑制部件包括有表面凹凸結(jié)構(gòu)的出射部分，其設(shè)計(jì)成將發(fā)射的熒光光線衍射或折射出基板，其進(jìn)一步設(shè)計(jì)成將發(fā)射光線聚焦。有表面凹凸結(jié)構(gòu)的出射部分包括衍射或折射結(jié)構(gòu)。表面凹凸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)設(shè)置成根據(jù)入射熒光的發(fā)射角變化而在出射部分上變化，出射部分(12)的位置和延伸確定被分析的反應(yīng)位置區(qū)域的位置和延伸。此外，設(shè)置光收集透鏡器件來接收透過基板表面的發(fā)射熒光?？蛇x擇地，靠近設(shè)置于所述基板表面上的有表面凹凸結(jié)構(gòu)的出射部分設(shè)置光收集部分。 全內(nèi)反射抑制部件包括與所述基板表面光學(xué)浸潤接觸設(shè)置的光收集部分。光收集部分設(shè)計(jì)成通過全內(nèi)反射的方式收集并傳輸光，其大致是橢球形的。其還可設(shè)置有用于激發(fā)光的輸入端口，和/或至少一個(gè)輸出端口，折射率大致與基板的折射率對(duì)應(yīng)或比其大。可選擇地，全內(nèi)反射抑制部件可包括具有適當(dāng)折射率的光學(xué)浸潤層，所述光學(xué)浸潤層的至少一部分附著到設(shè)置成將發(fā)射的熒光聚焦在檢測器件上的透鏡器件。折射率比基板的折射率高，比透鏡器件的折射率低。此外，所述光學(xué)浸潤層的至少一部分附著到檢測器 件。入射角控制部件也可包括具有適當(dāng)折射率的光學(xué)浸潤層。光學(xué)浸潤層包括軟質(zhì)聚合物材料。此外，檢測器件設(shè)置有設(shè)置成阻止檢測激發(fā)光波長的光譜濾波部件，和/或偏振濾波部件。光源也設(shè)置有光譜濾波部件，該光譜濾波部件設(shè)置成阻止與熒光發(fā)射一致的波長的透射，在不同的幾何平面中進(jìn)行激發(fā)和發(fā)射的測量。權(quán)利要求還涉及熒光讀取器在光學(xué)分析裝置中的應(yīng)用。此外，權(quán)利要求涉及一種具有反應(yīng)位置表面和相對(duì)基板表面的樣品基板，該樣品基板適用于根據(jù)本發(fā)明的熒光讀取器。樣品基板由聚合物材料形成，反應(yīng)位置表面設(shè)置成形成熒光團(tuán)的線和/或點(diǎn)，此夕卜，反應(yīng)位置表面設(shè)置有突出微結(jié)構(gòu)，例如能進(jìn)行毛細(xì)管流動(dòng)的微柱的圖案?；灞砻嬖O(shè)置有構(gòu)造成抑制發(fā)射的熒光光線的全內(nèi)反射的有表面凹凸結(jié)構(gòu)的出射部分，和/或構(gòu)造成增大激發(fā)光線的入射角的有表面凹凸結(jié)構(gòu)的入射部分，表面凹凸包括衍射或折射結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的其他特征和進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)將從下面描述和附圖以及所附權(quán)利要求中公開的本發(fā)明的非限制性實(shí)施方式變得顯而易見。


現(xiàn)在將參照附圖更加詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中
圖I是樣品基板的側(cè)面透視圖，表不出了反應(yīng)位置表面和相對(duì)基板表面；
圖2圖解了位于聚合物樣品基板的反應(yīng)位置表面上的熒光團(tuán)的發(fā)射不對(duì)稱性；
圖3是示意性圖解熒光團(tuán)的熒光發(fā)射波瓣(lobe)的曲線；
圖4是示意性圖解在激發(fā)光的兩個(gè)不同入射角處熒光激發(fā)效率的曲線；
圖5示意性圖解了樣品基板以及用于發(fā)射熒光的激發(fā)光源和檢測器的橫截面，表示出了入射角和發(fā)射角；
圖6是在樣品基板的基板表面上設(shè)置的包括全內(nèi)反射抑制出射部分和入射角控制入射部分的表面凹凸結(jié)構(gòu)的視 圖7示意性地圖解了表面凹凸結(jié)構(gòu)的放大實(shí)施例；
圖8a示意性地圖解了設(shè)置有由入射部分和出射部分構(gòu)成的表面凹凸的基板的橫截
面；
圖8b圖解了圖8a的基板，其進(jìn)一步設(shè)置有用于發(fā)射光的光收集透鏡器件；圖9圖解了熒光讀取器，其包括設(shè)置有用作光導(dǎo)向器件的輸入端口的全內(nèi)反射抑制光收集部分；和
圖10顯示了包括檢測器和透鏡的布置，該透鏡設(shè)置有物理上與基板表面接觸的抑制全內(nèi)發(fā)射的浸潤層。
具體實(shí)施方式
術(shù)語“熒光讀取器”定義為能激發(fā)和檢測熒光和磷光的讀取器，術(shù)語“熒光”定義為之后稱作熒光和磷光。說明書和權(quán)利要求中使用的其他術(shù)語和表述意思是指具有本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常使用的含義。通過依照本發(fā)明的熒光讀取器，在包括聚合物樣品基板的光學(xué)分析裝置中獲得了改善的性能，該聚合物樣品基板具有設(shè)置有熒光層的反應(yīng)位置表面、在該表面上形成例如線或點(diǎn)的熒光團(tuán)、和相對(duì)基板表面。該熒光讀取器包括設(shè)置成照射基板表面的激發(fā)光源，如LED，和設(shè)置成檢測從熒光層發(fā)射的熒光的檢測器，如光電二極管。檢測器設(shè)置成收集和檢測透過基板表面的發(fā)射熒光，光源設(shè)置成將激發(fā)光注入到基板表面中。當(dāng)入射到表面上的光線相對(duì)于表面法線的入射角超過全內(nèi)反射的臨界角時(shí)，該光線從所述表面鏡面反射，這依賴于表面兩側(cè)上材料的折射率之間的關(guān)系。從具有折射率nl的第一介質(zhì)傳播到具有折射率n2的第二介質(zhì)的光線的折射由公知的斯涅耳定律的關(guān)系確定
nl X sin a in = n2X sin a ref(I)
a in是入射到第一和第二介質(zhì)之間表面上的第一介質(zhì)中的光線與表面法線的角度，a 是在第二介質(zhì)中傳播的折射光線與表面法線的角度。當(dāng)a % = 90度時(shí)，在表面上發(fā)生全內(nèi)反射，sina ref = I。由上面的關(guān)系(I)，可得出
sin a in = n2/nl X sin a ref = >sin a in (TIE)= n2/nl = > a in (TIE)= sirT1 (n2/nl),其中a in (Tiio表示全內(nèi)反射的臨界角。因而，當(dāng)nl大于η2且a in超過全內(nèi)反射的臨界角，即a in > a in (TII0時(shí)，發(fā)生全內(nèi)反射。在適用于設(shè)置有熒光層的電介質(zhì)基板的常規(guī)熒光讀取器中，從熒光層發(fā)射的大部分光導(dǎo)入基板中，該發(fā)射熒光的大部分以超過所述全內(nèi)反射的臨界角入射到基板表面上。當(dāng)使用折射率一般I. 5和I. 6之間的常規(guī)聚合物基板時(shí)，將發(fā)生全內(nèi)反射，大部分光將陷在基板內(nèi)，即經(jīng)歷多次全內(nèi)反射，由此不能到達(dá)檢測器。依照本發(fā)明，在基板表面上設(shè)置全內(nèi)反射抑制部件，從而從基板釋放受陷的熒光，由此使大部分發(fā)射的熒光到達(dá)檢測器。全內(nèi)反射抑制部件構(gòu)造成使光線衍射或折射，或者消除折射率的差。由此，使得相對(duì)于基板表面具有超過全內(nèi)反射臨界角的角度的發(fā)射熒光逃離該表面，到達(dá)檢測器。在空氣中傳播并入射到聚合物基板表面上的來自光源的激發(fā)光線將以由關(guān)系(I)給定的方向折射進(jìn)基板中，由關(guān)系(I)可得出sinaMf = nl/n2X sina in，其中a 是基板內(nèi)的折射光線與表面法線之間的角度，a ^是空氣中的入射光與所述表面法線之間的角度。因而，折射光由于下述事實(shí)而受到限制，即nl/n2大約為1/1.55 = O. 65，且ain小于90度，最終導(dǎo)致aMf < 40度。
圖I示意性圖解了用于光學(xué)分析裝置的樣品基板1，該樣品基板I具有彼此相對(duì)設(shè)置的反應(yīng)位置表面2和基板表面3?；宓姆磻?yīng)位置表面還設(shè)置有布置成形成用于樣品的毛細(xì)管流道的突出微結(jié)構(gòu)，如微柱(沒有示出)的圖案?；宓某叽鐑?yōu)選適合形成用于光學(xué)分析的一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)位置區(qū)域的適當(dāng)載體，現(xiàn)有技術(shù)的微陣列滑塊是具有25mmX 75mm尺寸的矩形?；宓暮穸壤绱蠹s為1mm，寬度和長度例如在大約Imm和IOOm之間，形成大約矩形或正方形表面區(qū)域。基板的材料為折射率一般在I. 5和I. 6之間的具有適當(dāng)光學(xué)特性，如有關(guān)光學(xué)輻射的透射率方面的光學(xué)特性的熱塑性聚合物，如環(huán)烯聚合物或環(huán)烯共聚物。通過母結(jié)構(gòu)的聚合物復(fù)制，如通過注模來制造聚合物基板。然而，可使用具有適當(dāng)光學(xué)特性的其他基板材料，例如玻璃或硅。
圖2示意性圖解了從位于電介質(zhì)樣品基板I的反應(yīng)位置表面2上的熒光團(tuán)4發(fā)射的激發(fā)電磁射線。由于空氣和基板材料的不同光學(xué)特性，該發(fā)射是不對(duì)稱的，發(fā)射光的強(qiáng)度在基板中比空氣中大。因?yàn)榛鍖?duì)發(fā)射光線的波長具有較高透射率，所以從基板一側(cè)檢測激發(fā)的熒光是有利的。圖3是示意性地圖解從熒光團(tuán)Cy-5 薄層發(fā)射的不同發(fā)射角的強(qiáng)度的曲線，發(fā)射角定義為與表面法線的角度。(然而，對(duì)于給定的發(fā)射角，光將在360°上發(fā)射)。該曲線顯示出熒光發(fā)射是高度各向異性的，峰值位于大約50度角處。這是比基板/空氣界面的全內(nèi)反射的臨界角大的角度，因?yàn)橐勒丈厦娴年P(guān)系(I )，在具有I. 55折射率的基板材料中傳播并入射到基板/空氣界面上的光線的全內(nèi)反射的臨界角為40度。因此，基板內(nèi)發(fā)射的大部分熒光將以超過全內(nèi)反射臨界角的角度入射到基板表面的內(nèi)側(cè)，并陷在基板內(nèi)。因而，該光不能以受控的方式到達(dá)位于基板表面外部的檢測器。陷在基板內(nèi)的一些光最終會(huì)在基板邊緣處折射出基板，但該光通常不會(huì)達(dá)到檢測器。如果反應(yīng)位置表面設(shè)置突出微結(jié)構(gòu)，則其還會(huì)影響全內(nèi)反射的光學(xué)條件。然而，在依照本發(fā)明的熒光讀取器中，基板表面設(shè)置有全內(nèi)反射抑制部件，從而通過衍射或折射光線，或者通過改變基板材料與空氣之間的折射率差來釋放被俘的全內(nèi)反射光線。由此，檢測器件能夠收集和檢測大部分發(fā)射熒光，實(shí)現(xiàn)更可靠的檢測和較高的性能。圖4是示意性圖解發(fā)射效率對(duì)激發(fā)入射角的依賴性的曲線，分別顯示了相對(duì)于表面法線在兩個(gè)不同的照射入射角，即50度和180度處的發(fā)射熒光的強(qiáng)度。該曲線顯示出在光以相對(duì)于表面法線為50度的入射角從基板表面接近突光團(tuán)的情況下,在30和60度之間的間隔中不同發(fā)射角處的強(qiáng)度，以及在180度的入射角，即光在平行于所述表面法線的方向上接近熒光團(tuán)的情況下，在不同發(fā)射角處的強(qiáng)度。顯然，激發(fā)效率在50度的入射角，即大致與發(fā)射峰值一致的入射角處較大，如圖3中所示。依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，通過選擇激發(fā)輻射的入射角以與最大熒光發(fā)射角一致，可獲得較高的發(fā)射效率。這可通過下述方式實(shí)現(xiàn)，即光源設(shè)置成將激發(fā)光線導(dǎo)入基板I中，從而以與最大發(fā)射角一致的入射角照射熒光層4。然而,入射到基板表面3上的光線不能以比由關(guān)系(I) :sina = nl/n2X sin a in給定的一個(gè)角高的角折射進(jìn)該表面。因?yàn)閍 in小于90度，所以sin a in小于I。空氣/基板表面一般具有nl/n2為1/1. 55 = O. 65的值。因此，sin a 小于O. 65, a 不能超過40度。因?yàn)橄鄬?duì)于突光層的入射角與折射角對(duì)應(yīng)，所以入射角也小于40度，其小于理想的50度入射角。為了增大激發(fā)光線的入射角，依照本發(fā)明該實(shí)施方式的熒光讀取器通過在入射激發(fā)光線的光路中設(shè)置在基板表面上的入射角控制部件照射基板表面3，由此可通過獲得相對(duì)于表面法線增大的入射角來提高性能。入射角控制部件通過衍射或折射注入的光線，或者通過改變基板材料與空氣之間的折射率差增大折射角，相應(yīng)也將增大入射角。圖5示意性地圖解了光學(xué)分析裝置，其包括設(shè)置有例如Cy-5 或TransFluoSpheres (Invitrogen Corporation)的突光層4的樣品基板。突光讀取器包括照射基板表面3的光源5和檢測透過所述表面3的檢測器件6，虛線表示表面法線。從熒光層4發(fā)射的熒光的強(qiáng)度在相對(duì)于所示表面法線大約為50度的最大發(fā)射角8處具有峰值。因?yàn)樵摻谴笥谠诨灞砻? —側(cè)處大約為40度的全內(nèi)反射臨界角，所以大部分發(fā)射的熒光陷在基板中，因此不能到達(dá)檢測器6。因而，通過在發(fā)射光線的光路中在基板表面上施加全內(nèi)反射抑制部件，由此從基板釋放受陷的光線，可提高檢測的強(qiáng)度。為了獲得增強(qiáng)的發(fā)射，光源5應(yīng)以相對(duì)于所示表面法線的入射角7將激發(fā)光線注入到基板中，入射角7大致對(duì)應(yīng)于50度的所述最大發(fā)射角8。然而，由于空氣與基板材料之間的折射率關(guān)系，不能獲得該角。為了增大入射角和增強(qiáng)發(fā)射，在注入光線的光路中，在基板表面上設(shè)置入射角控制部件。在依照本發(fā)明的熒光讀取器中，為了減少全內(nèi)反射并釋放受陷的發(fā)射光，在發(fā)射熒光的光路中，優(yōu)選在發(fā)射光的最大發(fā)射波瓣的路徑中在基板表面上設(shè)置全內(nèi)反射抑制部件。此外，為了進(jìn)一步增強(qiáng)熒光發(fā)射，在激發(fā)光線的路徑中在基板表面上設(shè)置入射光控制部件，由此增大基板內(nèi)激發(fā)光的入射角，從而獲得大致與熒光的最大發(fā)射角一致的入射角。圖6 — 8a示意性地圖解了依照本發(fā)明第一方面的實(shí)施方式，其中全內(nèi)反射抑制部件和入射角控制部件構(gòu)造成在理想的方向上衍射或折射光線。全內(nèi)反射抑制部件和入射角控制部件包括在發(fā)射的熒光光線和激發(fā)光線的光路上施加在樣品基板的基板表面3上的凹凸結(jié)構(gòu)9。表面凹凸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成衍射的或折射的，包括例如柵格或小面結(jié)構(gòu)，提供了一種光線在其上衍射或折射到理想方向的表面。圖6圖解了第一個(gè)典型實(shí)施方式，其中全內(nèi)反射抑制部件和入射角控制部件包括分為三個(gè)部分的表面凹凸結(jié)構(gòu)9，第一部分11組成了入射角控制部件，其包括形成設(shè)計(jì)為使激發(fā)光線以適當(dāng)入射角進(jìn)入基板的內(nèi)溝道的入射部分，外層部分12組成了全內(nèi)反射抑制部件，其形成用于使具有超過全內(nèi)反射臨界角的角度的熒光光線透過基板表面的出射部分。出射部分12設(shè)計(jì)成從基板釋放具有在全內(nèi)反射臨界角之下和之上的發(fā)射角的發(fā)射熒光光線，入射部分11設(shè)計(jì)成增大基板內(nèi)的激發(fā)光線的入射角，從而超過由空氣折射率和基板折射率之間的關(guān)系給定的折射角。因?yàn)闊晒庖暂^小的發(fā)射角8和較低的強(qiáng)度發(fā)射，所以尤其是在熒光的最大發(fā)射波瓣的路徑中，入射部分和出射部分的位置分別優(yōu)選適應(yīng)于反應(yīng)位置表面上的熒光團(tuán)的位置，例如使入射部分11位于熒光團(tuán)正下方，并使出射部分12包圍入射部分。本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，通過僅檢測從表面凹凸結(jié)構(gòu)的特定有限區(qū)域發(fā)射的熒光，或者通過施加僅覆蓋基板表面的特定有限區(qū)域的全內(nèi)反射抑制部件就可分析反應(yīng)位置區(qū)域的特定區(qū)域。 例如通過e束光刻、柵格刻線機(jī)、全息干涉方法、金剛石點(diǎn)切削、硅微機(jī)械加工等產(chǎn)生表面凹凸，凹凸結(jié)構(gòu)例如是正弦形的、三角形的或梯形的。表面凹凸通過復(fù)制方法，像注模一樣從母結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印到聚合物基板上。表面凹凸例如可形成為小面的一維或二維圖案，其設(shè)計(jì)成傳輸未偏差的光線或者將發(fā)射光聚焦到檢測器件上。圖7圖解了具有小面角度α、深度D和間距P的小面結(jié)構(gòu)，其深度和間距在次微米范圍中，高達(dá)幾百微米。如果使用相干光源，如激光，則表面凹凸將是衍射性質(zhì)的。如果使用非相干光源，如LED，表面凹凸將是折射性質(zhì)的。從熒光團(tuán)發(fā)射的光線以根據(jù)發(fā)射角和相對(duì)于熒光團(tuán)，例如圖6中所示位于內(nèi)溝道11正上的熒光團(tuán)的線的位置而在基板表面上變化的入射角入射到基板表面上。因此，依照凹凸結(jié)構(gòu)的另一個(gè)實(shí)施方式，衍射或折射結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)設(shè)置成根據(jù)入射的發(fā)射光線的入射角而在出射部分的表面上變化，以進(jìn)一步提高全內(nèi)反射抑制功能。依照另一個(gè)實(shí)施方式的熒光讀取器，其中光源的位置相對(duì)于基板是固定的，衍射 或折射結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)設(shè)置成根據(jù)激發(fā)光束的強(qiáng)度分布而在入射部分的表面上變化，以實(shí)現(xiàn)激發(fā)光的聚焦。圖8a是具有突光層4和設(shè)置有表面凹凸結(jié)構(gòu)9的基板表面3的樣品基板的橫截面圖，其一個(gè)部分是用作全內(nèi)反射抑制部件，另一個(gè)部分是用作入射角控制部件，通過這兩個(gè)部分分別傳輸激發(fā)的光線和發(fā)射的熒光光線。圖Sb圖解了依照第一個(gè)方面的另一個(gè)實(shí)施方式的熒光讀取器，顯示了依照圖8a的樣品基板，其進(jìn)一步設(shè)置有設(shè)置成接收透過表面凹凸9的熒光的光收集透鏡13，以提高到達(dá)檢測器件(沒有示出)的發(fā)射光的強(qiáng)度，由此進(jìn)一步提高性能。圖9示意性圖解了依照本發(fā)明第二個(gè)方面的適用于包括設(shè)置有熒光層4的樣品基板I的光學(xué)分析裝置的熒光讀取器10，其中全內(nèi)反射抑制部件包括適當(dāng)材料，如聚合物材料或玻璃的光收集部分15。依照第一個(gè)實(shí)施方式，光收集部分15具有對(duì)應(yīng)于基板材料折射率或比其大的折射率。光收集部分物理上與該表面接觸設(shè)置，優(yōu)選在光學(xué)上浸潤接觸設(shè)置，以“打開”基板表面，使具有超過全內(nèi)反射臨界角的發(fā)射角的熒光光線逃離基板并進(jìn)入部分12中。此外，光收集部分的形狀例如通過在該部分的內(nèi)表面上全內(nèi)反射的方式收集并聚焦熒光光線，從而使光線到達(dá)安裝在光收集部分上的檢測器件6。因而，圖解的光收集部分用作全內(nèi)反射抑制器和光收集器。由此，到達(dá)檢測器件6的發(fā)射熒光的強(qiáng)度增加，提高了光學(xué)分析裝置的性能。依照第二個(gè)實(shí)施方式，光收集部分設(shè)置有用作光導(dǎo)向器件的輸入端口 14，其設(shè)置成控制來自光源的光線的方向，以將激發(fā)光導(dǎo)入基板I中，從而例如獲得大致與熒光的最大發(fā)射角一致的入射角。光收集部分15的光學(xué)特性使激發(fā)光線相對(duì)于設(shè)置在反應(yīng)位置表面上的熒光層以適當(dāng)?shù)娜肷浣沁M(jìn)入基板。由此，更有利于激發(fā)熒光層，并發(fā)射更多的熒光，由此進(jìn)一步提高光學(xué)分析裝置的性能。依照其他的實(shí)施方式，光收集部分15設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)輸入端口(圖中沒有示出)，其例如設(shè)置成用作鏡面反射的激發(fā)光線的光束收集器。圖10示意性圖解了依照本發(fā)明第三個(gè)方面的適用于包括設(shè)置有熒光層4的樣品基板I的光學(xué)分析裝置的熒光讀取器，其中全內(nèi)反射抑制部件16構(gòu)造成通過包含適當(dāng)材料的光學(xué)浸潤層來改變表面處的折射率差。因?yàn)橛缮厦娴年P(guān)系(I)得出ainmi0=n2/nl，所以如果減小折射率差，從而增加n2/nl，則更多的熒光會(huì)透過表面。依照第一個(gè)實(shí)施方式，熒光讀取器包括光源5、檢測器6和設(shè)置成將發(fā)射的熒光聚焦到檢測器6上的透鏡器件17。透鏡器件17設(shè)置有全內(nèi)反射抑制部件16，該全內(nèi)反射抑制部件16包括物理上與基板表面3接觸設(shè)置的具有適當(dāng)折射率的適當(dāng)材料層。該層的材料優(yōu)選為軟質(zhì)聚合物，如娃、環(huán)氧樹脂、聚氨基甲酸脂(polyurethane)或丙烯酸脂,其施加作為透鏡器件17表面上的光學(xué)浸潤層，在該層與表面之間不具有空氣。由此，傳播到透鏡的光線不穿過任何空氣層，這將導(dǎo)致在較高角度處喪失反射。選擇軟質(zhì)聚合物材料的其他優(yōu)點(diǎn)是，其能在不完全均勻或平坦的表面上形成光學(xué)浸潤層。此外，選擇該層的材料對(duì)于透過的發(fā)射光線或激發(fā)光線具有適當(dāng)?shù)墓馔干涮匦?，如低熒光和低散射，?6的厚度在幾微米和幾毫米之間。該層折射率的適當(dāng)值在聚合物基板材料折射率與透鏡器件折射率的值之間，透鏡器件的折射率最大。物理上與基板表面3接觸對(duì)接的全內(nèi)反射抑制光學(xué)浸潤層16釋放陷進(jìn)基板的熒光光線，并能使大部分發(fā)射光線被檢測器6收集。光源5設(shè)置成照射樣品基板I的基板表面3，檢測器件6設(shè)置成檢測從樣品基板的反應(yīng)位置表面上的熒光層4發(fā)射的并透過基板表面3的熒光。光源5將激發(fā)光線注入基板 中，熒光的最大發(fā)射角通常超過全內(nèi)反射的角度。然而，在透鏡器件17上施加了作為全內(nèi)反射抑制部件的光學(xué)浸潤層16，從而可通過增加全內(nèi)反射的角度提高逃離該表面的光的強(qiáng)度。依照可選擇的實(shí)施方式(在圖中沒有示出)，在檢測器件適于收集發(fā)射光而沒有任何聚焦部件的情形中，光學(xué)浸潤層16直接施加在檢測器件6上。優(yōu)選地，檢測器件如此設(shè)置，即光學(xué)浸潤層物理上與基板表面3接觸地對(duì)接。此外，根據(jù)光學(xué)分析裝置的構(gòu)造，光學(xué)浸潤層16大致覆蓋整個(gè)透鏡17或檢測器件6，或者可選擇地，覆蓋檢測器件6或透鏡17的表面的適當(dāng)部分。依照可選擇的實(shí)施方式(在圖中沒有示出)，在基板表面3上施加入射角控制部件，以通過改變表面處的折射率差增大激發(fā)光線相對(duì)于表面法線的入射角。因?yàn)槿肷浣菍?duì)應(yīng)于由關(guān)系Sinaref = nl/n2Xsina in給定的折射角，所以折射率差的變化將影響入射角。依照該實(shí)施方式，入射角控制部件包括在注入的激發(fā)光線的光路中在基板表面上施加的具有適當(dāng)折射率的光學(xué)浸潤材料層。如果光學(xué)浸潤層的折射率大于空氣的折射率，則nl/n2增力口，這導(dǎo)致較大的a 和較大的入射角。最終的入射角優(yōu)選與熒光的最大發(fā)射角一致，從而發(fā)射更多的熒光?？蛇x擇地，光學(xué)浸潤層可施加在設(shè)置成控制激發(fā)光線的方向的光導(dǎo)向器件(圖中沒有示出)的表面上。依照本發(fā)明的第四個(gè)方面，全內(nèi)反射抑制部件包括參照圖6 - 8所述的依照本發(fā)明第一個(gè)方面的表面凹凸結(jié)構(gòu)9和參照圖9所述的依照第二個(gè)方面的光收集部分15。光收集部分優(yōu)選靠近基板表面設(shè)置，如設(shè)置在距表面小于大約Imm的距離處。通過組合表面凹凸結(jié)構(gòu)9和光收集部分15，實(shí)現(xiàn)了改善的全內(nèi)反射的抑制，同時(shí)通過光收集部分提供了改善的發(fā)射光的收集。為了進(jìn)一步提高光學(xué)分析裝置的性能，給如上所述依照本發(fā)明任意方面實(shí)現(xiàn)的熒光讀取器設(shè)置適當(dāng)?shù)臑V波器，如光譜濾波器和偏振濾波器，以阻止任何激發(fā)光線到達(dá)檢測器。因?yàn)橐徊糠旨ぐl(fā)光線被反射，透過基板并從基板表面釋放以被檢測器件檢測，所以檢測器件優(yōu)選設(shè)置移除激發(fā)光線波長的光譜濾波器。然而，來自例如激光二極管或發(fā)光二極管(LED)的光的激發(fā)光線的光譜一般具有延伸到發(fā)射突光的波長區(qū)域中的拖尾，發(fā)射突光的波長區(qū)域依賴于熒光層中熒光團(tuán)的類型。因?yàn)闊晒獾牟ㄩL不能被檢測器濾波器移除，所以激發(fā)光源優(yōu)選設(shè)置有移除該拖尾的光譜濾波器。因而，依照其他典型實(shí)施方式的熒光讀取器，檢測器設(shè)置有移除激發(fā)光線和任何其他不希望的光源的波長的光譜濾波器，光源設(shè)置有移除與熒光一致的波長的光譜濾波器。因此，檢測器濾波部件的切斷頻率必須適應(yīng)于光源濾波部件的切斷頻率，避免激發(fā)光和檢測光的波長范圍之間的任何交迭，由此進(jìn)一步提高熒光讀取器的效率。為了阻止任何激發(fā)光到達(dá)檢測器，另一個(gè)典型實(shí)施方式的熒光讀取器設(shè)置成對(duì)于激發(fā)光和發(fā)射熒光的測量使用不同的、正交放置的幾何平面，例如用于激發(fā)的幾何yz-平面和用于測量發(fā)射的幾何XZ-平面。依照另一個(gè)實(shí)施方式的熒光讀取器，通過給光源和檢測器(如果需要的話)設(shè)置偏振濾波器來阻止激發(fā)光線到達(dá)檢測器。如果樣品基板具有低雙折射，一個(gè)典型的設(shè)置是彼此垂直對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)偏振器。由此，只有與檢測器的偏振濾波器平行偏振的熒光才被檢測?？蛇x擇地，如果雙折射改變并可被忽略掉，則一個(gè)偏振器必須旋轉(zhuǎn)適當(dāng)?shù)慕嵌龋砸瞥ぐl(fā)光，由此進(jìn)一步提高熒光讀取器的性能。因而，如上所述，通過給掃描或成像熒光讀取器設(shè)置適當(dāng)?shù)娜珒?nèi)反射抑制部件、入射光控制部件、透鏡和光導(dǎo)向器件、以及光譜和/或偏振濾波器，可獲得較高性能的光學(xué)分 析裝置。然而，本發(fā)明并不限于圖中所述的實(shí)施方式，而是可在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)自
由變化。
權(quán)利要求
1.一種用于樣品基板(I)的熒光讀取器(10)，該樣品基板(I)包括反應(yīng)位置表面(2)和相對(duì)基板表面(3)，該熒光讀取器包括設(shè)置成將激發(fā)光線射入到基板表面(3)中的激發(fā)光源(5)、和設(shè)置成檢測從反應(yīng)位置表面發(fā)射的并透過基板表面的熒光的檢測器件(6)，其特征在于所述基板表面(3)設(shè)置有位于發(fā)射的突光光路中的全內(nèi)反射抑制部件(12,15,.16),從而提高被檢測器件(6)檢測的基板表面的透射。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熒光讀取器，其特征在于所述全內(nèi)反射抑制部件設(shè)置成釋放陷在供檢測器件(6 )檢測的基板(2 )內(nèi)的發(fā)射熒光。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的熒光讀取器，其特征在于所述光源(5)設(shè)置成將激發(fā)光線以大致與發(fā)射熒光的最大發(fā)射角(8) —致的相對(duì)于反應(yīng)位置表面法線的入射角(7)注入基板表面(3)中。
4.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的熒光讀取器，其特征在于所述基板表面(3)設(shè)置有位于激發(fā)光線的光路中的入射角控制部件(11)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熒光讀取器，其特征在于所述入射角控制部件(11)包括有表面凹凸結(jié)構(gòu)的入射部分(9)，其設(shè)計(jì)成使激發(fā)光相對(duì)于反應(yīng)位置表面的法線以增大的入射角(7)進(jìn)入基板。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的熒光讀取器，其特征在于所述有表面凹凸結(jié)構(gòu)的入射部分(11)包括衍射結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的熒光讀取器，其特征在于所述有表面凹凸結(jié)構(gòu)的入射部分(11)包括折射結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的熒光讀取器，其特征在于所述全內(nèi)反射抑制部件包括有表面凹凸結(jié)構(gòu)的出射部分(12)，其設(shè)計(jì)成將發(fā)射的熒光光線衍射或折射出基板。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的熒光讀取器，其特征在于所述出射部分(12)設(shè)計(jì)成將發(fā)射光線聚焦。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的熒光讀取器，其特征在于所述有表面凹凸結(jié)構(gòu)的出射部分(12)包括衍射結(jié)構(gòu)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的熒光讀取器，其特征在于所述有表面凹凸結(jié)構(gòu)的出射部分(12)包括折射結(jié)構(gòu)。
12.根據(jù)權(quán)利要求8— 11任意一項(xiàng)所述的熒光讀取器，其特征在于表面凹凸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)設(shè)置成根據(jù)入射熒光的發(fā)射角(8)變化而在出射部分(12)上變化。
13.根據(jù)權(quán)利要求8— 12任意一項(xiàng)所述的熒光讀取器，其特征在于出射部分(12)的位置和延伸確定被分析的反應(yīng)位置區(qū)域的位置和延伸。
14.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的熒光讀取器，其特征在于設(shè)置光收集透鏡器件(13 )來接收透過基板表面的發(fā)射熒光。
15.根據(jù)權(quán)利要求8- 13任意一項(xiàng)所述的熒光讀取器，其特征在于在靠近設(shè)置于所述基板表面上的有表面凹凸結(jié)構(gòu)的出射部分(9)的位置設(shè)置光收集部分(15)。
16.根據(jù)權(quán)利要求I一 7任意一項(xiàng)所述的熒光讀取器，其特征在于所述全內(nèi)反射抑制部件包括與所述基板表面光學(xué)浸潤接觸設(shè)置的光收集部分(15)。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的熒光讀取器，其特征在于所述光收集部分(15)設(shè)計(jì)成通過全內(nèi)反射的方式收集并傳輸光。
18.根據(jù)權(quán)利要求15- 17任意一項(xiàng)所述的熒光讀取器，其特征在于所述光收集部分(15)大致是橢球形的。
19.根據(jù)權(quán)利要求15- 18任意一項(xiàng)所述的熒光讀取器，其特征在于所述光收集部分(15)設(shè)置有用于激發(fā)光的輸入端口( 14)。
20.根據(jù)權(quán)利要求15- 19任意一項(xiàng)所述的熒光讀取器，其特征在于所述光收集部分(15)設(shè)置有至少一個(gè)輸出端口。
21.根據(jù)權(quán)利要求16- 20任意一項(xiàng)所述的熒光讀取器，其特征在于所述光收集部分(15)具有大致與基板(I)的折射率對(duì)應(yīng)或比其大的折射率。
22.根據(jù)權(quán)利要求I一 7任意一項(xiàng)所述的熒光讀取器，其特征在于所述全內(nèi)反射抑制部件包括具有適當(dāng)折射率的光學(xué)浸潤層(16)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的熒光讀取器，其特征在于所述光學(xué)浸潤層的至少一部分附著到設(shè)置成將發(fā)射的熒光聚焦在檢測器件(6)上的透鏡器件(17)。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的熒光讀取器，其特征在于所述光學(xué)浸潤層(16)具有比基板(I)的折射率高，比透鏡器件(17)的折射率低的折射率。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的熒光讀取器，其特征在于所述光學(xué)浸潤層的至少一部分附著到檢測器件(6)。
26.根據(jù)權(quán)利要求I一 4任意一項(xiàng)所述的熒光讀取器，其特征在于所述入射角控制部件包括具有適當(dāng)折射率的光學(xué)浸潤層。
27.根據(jù)權(quán)利要求22- 26任意一項(xiàng)所述的熒光讀取器，其特征在于所述光學(xué)浸潤層(16)包括軟質(zhì)聚合物材料。
28.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的熒光讀取器，其特征在于所述檢測器件(6)設(shè)置有光譜濾波部件，該光譜濾波部件設(shè)置成阻止檢測到激發(fā)光的波長。
29.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的熒光讀取器，其特征在于所述檢測器件(6)設(shè)置有偏振濾波部件。
30.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的熒光讀取器，其特征在于所述光源(5)設(shè)置有光譜濾波部件，該光譜濾波部件設(shè)置成阻止與熒光發(fā)射一致的波長的透射。
31.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的熒光讀取器，其特征在于在不同的幾何平面中進(jìn)行激發(fā)和發(fā)射的測量。
32.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的熒光讀取器用在光學(xué)分析裝置中。
33.一種具有反應(yīng)位置表面(2)和相對(duì)基板表面(3)的樣品基板(I )，其特征在于所述樣品基板(I)適用于根據(jù)權(quán)利要求I 一 31任意一項(xiàng)所述的熒光讀取器。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的樣品基板，其特征在于其由聚合物材料形成。
35.根據(jù)權(quán)利要求33或34所述的樣品基板，其特征在于反應(yīng)位置表面(2)設(shè)置成形成熒光團(tuán)的線和/或點(diǎn)。
36.根據(jù)權(quán)利要求33- 35任意一項(xiàng)所述的樣品基板，其特征在于反應(yīng)位置表面(2)設(shè)置有突出微結(jié)構(gòu)的圖案。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的樣品基板，其特征在于所述突出微結(jié)構(gòu)包括能進(jìn)行毛細(xì)管流動(dòng)的微柱。
38.根據(jù)權(quán)利要求33- 37任意一項(xiàng)所述的樣品基板，其特征在于基板表面(3)設(shè)置有有表面凹凸結(jié)構(gòu)的出射部分(12 )，其構(gòu)造成抑制發(fā)射的熒光光線的全內(nèi)反射。
39.根據(jù)權(quán)利要求33- 38任意一項(xiàng)所述的樣品基板，其特征在于基板表面(3)設(shè)置有有表面凹凸結(jié)構(gòu)的入射部分(11)，其構(gòu)造成增大激發(fā)光線的入射角(7 )。
40.根據(jù)權(quán)利要求38或39所述的樣品基板，其特征在于所述表面凹凸是衍射結(jié)構(gòu)。
41.根據(jù)權(quán)利要求38或39所述的樣品基板，其特征在于所述表面凹凸是折射結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于包括聚合物樣品基板(1)的光學(xué)分析裝置的熒光讀取器(10)，該聚合物樣品基板(1)具有反應(yīng)位置表面和基板表面(3)，該熒光讀取器包括設(shè)置成通過基板表面照射反應(yīng)位置表面的光源(5)、和設(shè)置成檢測從反應(yīng)位置表面發(fā)射的并透過基板表面的熒光的檢測器件(6)，基板表面設(shè)置有全內(nèi)反射抑制部件(15)。
文檔編號(hào)G01N21/64GK102636469SQ20121012308
公開日2012年8月15日 申請日期2007年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月22日
發(fā)明者伊布·曼德爾-哈特維格, 奧韋·奧曼, 托馬斯·林斯特龍, 約翰·巴克倫, 肯尼特·維爾赫爾姆森 申請人:阿米克公司