專利名稱：具有光折射結(jié)構(gòu)的樣品載體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于樣品室中樣品的光學(xué)操控的載體和裝置，其中，載體包括在接觸表面中具有孔的光學(xué)結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
由WO 2009/125339A2已知一種生物傳感器，其包括透明載體，該透明載體包含具有三角形截面的多個(gè)凹槽的接觸表面。由凹槽的側(cè)面所包含的角具有約130°至150°的值，這是為了使從載體內(nèi)入射到凹槽側(cè)面上的輸入光束被折射進(jìn)入平行于接觸表面的方向而選擇的值。在橫穿凹槽后，當(dāng)再次進(jìn)入載體時(shí)該光束被第二次折射，并因此被引導(dǎo)遠(yuǎn)離接觸表面。所述的光學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了凹槽內(nèi)的樣品的局部操控。發(fā)明內(nèi)容
基于這一情況，本發(fā)明的目的在于提供用于樣品的準(zhǔn)確光學(xué)操控的魯棒的方式。
這一目的由根據(jù)權(quán)利要求I的載體和根據(jù)權(quán)利要求2的裝置來實(shí)現(xiàn)。在從屬權(quán)利要求中公開了優(yōu)選實(shí)施例。
根據(jù)本發(fā)明第一方面的載體旨在用于在相鄰樣品室中，即在載體外部的空間中的樣品的光學(xué)操控。在此背景下，術(shù)語“操控(manipulation)”應(yīng)包括光與樣品的任何類型的相互作用。操控可以優(yōu)選包括包含標(biāo)記顆粒的目標(biāo)成分的定性或定量檢測(cè)，其中，目標(biāo)成分例如可以是生物物質(zhì)，如生物分子、復(fù)合物、細(xì)胞片斷或細(xì)胞。載體通常至少部分由透明材料制成，例如玻璃或聚苯乙烯，以允許給定(尤其是可見的、UV和/或IR)光譜的光的傳播。 樣品應(yīng)具有被認(rèn)為是預(yù)先給出的折射率n2，同時(shí)將載體的(透明部分的)折射率表示為ηι。
此外，載體應(yīng)包括在其一個(gè)表面上的具有多個(gè)孔的光學(xué)結(jié)構(gòu)，其中，每一個(gè)孔包括兩個(gè)反向傾斜的相對(duì)面，它們包括小于約140°乘以樣品與載體的折射率之間的比率的角， 即小于約(Ii2Ai1) *140°。在下文中將包括孔的表面稱為“接觸表面”，其中，在相對(duì)于接觸表面測(cè)量角度和/或以“法線”進(jìn)行參照(因此忽略歸因于孔的局部結(jié)構(gòu))時(shí)，該接觸表面的幾何形狀通常近似為平面。應(yīng)注意，所提及的孔的相對(duì)面不必彼此相遇；只要它們位于以所提及的角度相交的兩個(gè)相關(guān)聯(lián)的幾何平面中就足夠了。此外，多個(gè)孔將包圍在中間的“高地”。因此，可以由頂、脊等代替孔來等價(jià)地很好表征載體上的光學(xué)結(jié)構(gòu)。
在所描述的載體中，孔的相對(duì)面異常陡峭。在具有約O. 88的典型比Ii2Ai1的對(duì)稱設(shè)計(jì)中，每一個(gè)面例如以相對(duì)于接觸表面大于30°的角度傾斜。例如以相對(duì)于接觸表面的法線約70°的角取向傳播通過實(shí)際相關(guān)的幾何形狀的載體的光因此將以相當(dāng)淺的角度照射在面上。這證明對(duì)利用所述光的操控的效率和魯棒性具有積極的效果，這在以下更詳細(xì)地說明本發(fā)明時(shí)會(huì)變得更明顯。
根據(jù)第二個(gè)方案，本發(fā)明涉及一種裝置，用于樣品室中樣品的光學(xué)操控，所述裝置包括以下部件
a)載體，包括具有多個(gè)孔的接觸表面。如上，載體通常至少部分由透明材料制成。
b)光源，用于朝向所述載體的接觸表面發(fā)射輸入光束以通過所述載體，使得所述輸入光束的至少部分在作為輸出光束離開所述載體之前橫穿至少兩個(gè)孔，通常將引導(dǎo)輸出光束遠(yuǎn)離接觸表面。光源例如可以是激光器或發(fā)光二極管(LED)，可任選地提供有用于整形和引導(dǎo)輸入光束的光學(xué)器件。
在以上的裝置中，在其接觸表面中具有至少兩個(gè)孔的載體以及光源相對(duì)于彼此具有特別的布置。這一布置是使得將由光源發(fā)出的輸入光束在接觸表面通過至少四次折射 (在每一個(gè)相遇的凹槽兩次)重定向?yàn)殡x開載體的輸出光束。這證實(shí)通過多次折射的這樣的重定向相比于僅通過一個(gè)孔的重定向具有優(yōu)勢(shì)。具體地，在若干相遇孔處發(fā)生的總的光損失小于單個(gè)孔處的折射期間(具有輸入和輸出光束的類似角度)發(fā)生的光損失。此外，通過若干孔的輸入光束的通行增大了可以與樣品發(fā)生相互作用的體積，從而增大了裝置在感測(cè)應(yīng)用中的靈敏度。另外，如果光束與特別集中在孔的流體測(cè)試盒界面處的顆粒(標(biāo)記、磁珠) 相互作用，因?yàn)橥ㄟ^多個(gè)這些界面的光的通行，靈敏度增大。
應(yīng)注意，輸入光束的準(zhǔn)確路徑尤其取決于載體的孔中的介質(zhì)(樣品)的折射率n2。 出于本發(fā)明的目的，這一折射率可以認(rèn)為是預(yù)先給定的。于是選擇載體/光源的材料和/ 或幾何形狀以得到所需的行為(通過兩個(gè)孔的輸入光束的通行)?？字械慕橘|(zhì)的折射率的典型值在約I. 2到約I. 5之間的范圍，優(yōu)選在約I. 33到I. 35之間的范圍。
載體的折射率II1的典型值在約1. 4到1. 8之間的范圍，優(yōu)選在約1. 5到1. 6之間的范圍。
用于所述裝置中的載體尤其可以是根據(jù)本發(fā)明的第一方面的載體，S卩，在其接觸表面中的每一個(gè)孔優(yōu)選可以包括兩個(gè)反向傾斜的相對(duì)面，這兩個(gè)相對(duì)面包括小于約Oi2/ H1) · 140°的角，其中IijPn2分別是載體和樣品的折射率。
輸入光束通常在作為輸出光束離開載體之前可以橫穿大于一個(gè)的任意數(shù)量的載體孔。最優(yōu)選地，其橫穿數(shù)量2到6個(gè)的孔。將通行的數(shù)量限制為這些數(shù)字已證明是提供了輸入光束的強(qiáng)度與所得到的輸出光束的強(qiáng)度之間的最優(yōu)比。
由光源發(fā)射的輸入光束傳播通過載體，直到其入射在(第一個(gè))孔的第一個(gè)面上。 優(yōu)選地，這一入射以近似于布儒斯特角進(jìn)行。如同本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，布儒斯特角是一入射角，以該入射角，僅僅非偏振的光的平行于反射界面偏振的成分被反射。依據(jù)光束通過其接近界面的介質(zhì)的折射率Ii1和在界面的相對(duì)側(cè)的介質(zhì)的折射率n2，布儒斯特角具有值 arctan(n2/ni)。在根據(jù)本發(fā)明的裝置中，以大致布儒斯特角的入射的優(yōu)點(diǎn)在于使由于反射造成的損失最小。
由光源產(chǎn)生的輸入光束可任選地由偏振光構(gòu)成,特別是線性偏振光。選擇輸入光的適合的偏振態(tài)有助于使輸入光束橫穿若干孔時(shí)發(fā)生的折射期間的光損失最小。
根據(jù)裝置的另一優(yōu)選實(shí)施例，輸入光束以約65°到約75°的入射角度到達(dá)載體的接觸表面(相對(duì)于接觸表面的法線來定義所述角度)。在此情況下，幾何形狀類似于在載體的接觸表面發(fā)生(受抑)全內(nèi)反射(FTIR)的設(shè)計(jì)的幾何形狀(參見WO 2009/083814A2.W0 2009/098623A1、或W02009/083814A2 )。這允許將這些裝置的讀出設(shè)備用于根據(jù)本發(fā)明的載體的加工。
在下文中，將說明與根據(jù)本發(fā)明的第一和第二方面的載體和裝置有關(guān)的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
在一個(gè)這樣的優(yōu)選實(shí)施例中，載體的接觸表面中的孔具有彼此平行延伸的凹槽的形式。以此方式，實(shí)現(xiàn)了在凹槽的延伸方向上光學(xué)條件不變化的設(shè)計(jì)。
載體的接觸表面中的孔的反向傾斜的相對(duì)面通常可以包括小于約120°的角，優(yōu)選小于約110°。面之間特別優(yōu)選的角為約100°和約86°。已證明這些值很好地兼容探測(cè)折射率接近水的折射率的流體的已知(FTIR)裝置的幾何形狀。
通常,載體的接觸表面中的孔可以具有任意的橫截面,例如非對(duì)稱的橫截面(相對(duì)于接觸表面的法線)，這通常導(dǎo)致輸入光束與輸出光束之間的不對(duì)稱。在另一優(yōu)選實(shí)施例中，孔具有相對(duì)于接觸表面的法線對(duì)稱的橫截面。這允許實(shí)現(xiàn)輸入與輸出光束的對(duì)稱幾何形狀。此外，這樣的對(duì)稱橫截面確保載體可以用于圍繞接觸表面的法線旋轉(zhuǎn)180°的兩個(gè)取向。
孔的特別優(yōu)選的形狀是使得它們具有三角形橫截面，這一橫截面的兩個(gè)邊定義傾斜的相對(duì)面。
孔的深度(從其尖端到其底部測(cè)量的)優(yōu)選小于約15 μ m,最優(yōu)選小于約10 μ m?？椎纳疃却_定輸入光束所達(dá)到的體積的厚度。例如當(dāng)要測(cè)試典型的磁性標(biāo)記顆粒至接觸表面的附著時(shí)，所提及的深度值是有利的，因?yàn)樗鼈兿拗屏藢?duì)包含結(jié)合到接觸表面的顆粒的薄流體層的相互作用。一般而言，孔的深度應(yīng)與在接觸表面處將探測(cè)的顆粒的厚度成比例。 如果測(cè)量的目的是更一般的消光或吸收測(cè)量，則可以使用更深的孔以增大流體中光路的長(zhǎng)度。
載體的接觸表面可任選地包括具有孔的所述光學(xué)結(jié)構(gòu)的多個(gè)隔離的研究區(qū)。樣品的操控則可以同時(shí)在若干不同的研究區(qū)中進(jìn)行。
根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的發(fā)展，孔涂覆有用于樣品的目標(biāo)成分的結(jié)合部位。這樣的結(jié)合部位例如可以是特定結(jié)合到樣品中的特定分子的生物分子。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，所述裝置包括磁場(chǎng)發(fā)生器，用于在樣品室中產(chǎn)生磁場(chǎng)。 經(jīng)由這樣的磁場(chǎng)，可以對(duì)磁性顆粒(例如，磁珠)施加力并以期望方式移動(dòng)它們。
所述裝置可任選地還包括光檢測(cè)器，用于檢測(cè)源自輸入光束的光的特性參數(shù)，尤其是輸出光束的特性參數(shù)。光檢測(cè)器可以包括任何適合的傳感器或多個(gè)傳感器，通過它們可以檢測(cè)給定光譜的光，例如，ID或2D檢測(cè)器陣列、單點(diǎn)或多點(diǎn)光電二極管、光敏電阻器、 光電池、CCD或CMOS芯片、或光電培增管。所檢測(cè)的特性參數(shù)具體可以是輸出光束的強(qiáng)度或強(qiáng)度分布的圖像。
載體上的光學(xué)結(jié)構(gòu)可以具有空間上均勻的光學(xué)特性，例如通過相同孔的規(guī)則的周期性圖案來實(shí)現(xiàn)。然而也可以具有局部變化的光學(xué)特性，例如通過構(gòu)成該結(jié)構(gòu)的孔的變化的形狀(傾斜度、深度、間距等)。
根據(jù)具有光檢測(cè)器的實(shí)施例的進(jìn)一步的發(fā)展，所述裝置還包括評(píng)價(jià)單元，用于針對(duì)樣品室中目標(biāo)成分的存在和/或量來評(píng)價(jià)由光檢測(cè)器提供的檢測(cè)信號(hào)。樣品中顆粒的增大的濃度例如可以導(dǎo)致輸入光束在其折射進(jìn)入樣品室后更多的散射和/或吸收，并從而導(dǎo)致輸出光束的減小的強(qiáng)度。相反地，光致發(fā)光物質(zhì)的增大的濃度將導(dǎo)致光致發(fā)光的光的增大的量。在任何情況下，所檢測(cè)的光將攜帶與感興趣的目標(biāo)成分的存在和量有關(guān)的信息。
本發(fā)明還涉及上述載體和裝置用于分子診斷學(xué)、生物樣品分析或化學(xué)樣品分析、 食品分析、和/或法醫(yī)分析的用途。分子診斷學(xué)例如可以借助于直接或間接附著于目標(biāo)成分的磁性顆?；蚬庵掳l(fā)光顆粒來實(shí)施。


本發(fā)明的這些及其他方面依據(jù)下文所述的實(shí)施例會(huì)變得明顯，并將參照這些實(shí)施例來闡明。將借助于附圖作為示例來說明這些實(shí)施例。其中
圖I示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的裝置和載體；
圖2示出圖I的載體的棱柱狀結(jié)構(gòu)的放大視圖3以截面圖示出通過具有棱柱狀結(jié)構(gòu)的載體的連續(xù)橫穿接觸表面處的六個(gè)凹槽的窄輸入光束的光線追蹤結(jié)果；
圖4示出具有100°頂角的棱柱狀結(jié)構(gòu)的載體和1°發(fā)散性的輸入光束的光線追蹤結(jié)果；
圖5示出具有86°頂角的棱柱狀結(jié)構(gòu)的載體和1°發(fā)散性的輸入光束的光線追蹤結(jié)果;
圖6示出圖5的載體對(duì)于5°發(fā)散性的輸入光束的光線追蹤結(jié)果；
圖7示出取決于基底流體界面上的入射角度的，具有分別平行于和垂直于界面的偏振態(tài)的光分量的反射率。
相似的參考標(biāo)記或者以100的倍數(shù)來區(qū)分的標(biāo)記在附圖中指代相同或相似的部件。應(yīng)注意，附圖不是按照比例的；具體地，圖2-6中的長(zhǎng)寬比不是按照比例的。
具體實(shí)施方式
以下將針對(duì)用于檢測(cè)如唾液、尿液、血液的體液中特定成分的生物傳感器來說明本發(fā)明。這些生物傳感器可以優(yōu)選利用覆蓋有抗體的磁珠和特定的磁致動(dòng)協(xié)議以優(yōu)化分析性能。樣品中目標(biāo)分子的存在則可以通過磁珠在覆蓋有特定抗體的載體或測(cè)試盒的接觸表面上的檢測(cè)點(diǎn)區(qū)域的結(jié)合或禁止結(jié)合來檢測(cè)。結(jié)合于表面的磁珠的存在將以光學(xué)手段來檢測(cè)，并且相應(yīng)一次性測(cè)試盒的設(shè)計(jì)應(yīng)保持盡可能簡(jiǎn)單。
生物傳感器中一個(gè)已知的讀出方法應(yīng)用受抑全內(nèi)反射(FTIR，參見 W02009/083814A2)。對(duì)于該FTIR檢測(cè)，照明束以大于全內(nèi)反射的臨界角的角度接近感興趣區(qū)域。反射光成像在檢測(cè)器上((XD相機(jī)或CMOS檢測(cè)器)。在生物傳感器中檢測(cè)點(diǎn)的位置處的倏逝場(chǎng)可以與接近表面的磁珠相互作用，從而減小反射束的強(qiáng)度。以此方式，磁珠結(jié)合到測(cè)試盒表面上的點(diǎn)在圖像中作為暗點(diǎn)而變?yōu)榭梢姷?。FTIR檢測(cè)的缺點(diǎn)在于倏逝場(chǎng)具有的穿透深度比通常使用的磁珠的尺寸小得多。這減小了檢測(cè)方法的靈敏度。
另一已知的讀出方法應(yīng)用“雙折射檢測(cè)”(DRD，參見WO 2009/125339A2)。對(duì)于該 DRD檢測(cè)，檢測(cè)束由透明基底與接觸該基底的流體之間的棱柱狀界面結(jié)構(gòu)折射，以使得檢測(cè)束通過一個(gè)棱柱狀界面處的折射進(jìn)入流體，并通過下一棱柱狀界面處的折射離開流體。以此方式，僅有緊挨著棱柱狀結(jié)構(gòu)的一薄層流體被探測(cè)以用于消光。這使得該方法尤其適合于通過例如夾心分析對(duì)具體結(jié)合到界面區(qū)域的例如磁珠的標(biāo)記進(jìn)行光學(xué)檢測(cè)。需要從該檢測(cè)中排除界面上方的大量液體中未結(jié)合的光學(xué)標(biāo)記。這一傳感器可以表示為“雙折射檢測(cè)”，因?yàn)榧ぐl(fā)光束在光學(xué)界面處折射兩次折射進(jìn)和出光學(xué)界面上方的液體樣品。
利用DRD的問題在于其難以利用基底和樣品流體的實(shí)際折射率來實(shí)現(xiàn)在進(jìn)入和離開束之間的40°的總體束偏轉(zhuǎn)，這對(duì)于FTIR檢測(cè)系統(tǒng)是通常標(biāo)準(zhǔn)。所以，為了實(shí)現(xiàn)與 FTIR系統(tǒng)的兼容，在棱柱狀DRD表面上的內(nèi)入射角必須選擇為接近于全內(nèi)反射的臨界角。 這導(dǎo)致高反射損失。此外，該系統(tǒng)變得對(duì)于入射角的小變化和待分析的流體的折射率的變化非常敏感。這一角度敏感性還使其更難以將發(fā)散光用于檢測(cè)區(qū)域的相機(jī)上的照明和成像。使用低發(fā)散性(對(duì)于成像的低數(shù)值孔徑)降低了圖像質(zhì)量，并使系統(tǒng)對(duì)于測(cè)試盒和成像光學(xué)器件中的所有光學(xué)缺陷敏感。
為此，本發(fā)明旨在與DRD相比減小反射損失，并增大相對(duì)于角度、折射率和/或束偏轉(zhuǎn)的容限。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，提出使用多折射來代替雙折射。因此將從進(jìn)入方向到檢測(cè)方向的總體束偏轉(zhuǎn)被細(xì)分超過多于兩次折射。這具有的優(yōu)點(diǎn)在于可以減小對(duì)于每一單個(gè)折射的束偏轉(zhuǎn)。這非常易于以可用的有限的有效折射率(以測(cè)試盒基底材料的通常約為 I. 5-1. 6的折射率nl和水/等離子體的約為I. 33-1. 35的折射率n2，有效折射率Neff=H1/ H2約為I. 14)來實(shí)現(xiàn)。例如，如果使用四重折射，則基底流體界面處的入射角可以選擇為非常接近于布儒斯特(Brewster)角。這顯著地減小了折射損失,并使反射損失對(duì)角度不敏感。 這一方案的另一結(jié)果在于若干光線以不同角度通過同一流體體積，增大了待檢測(cè)的單個(gè)顆粒(標(biāo)記)的消光效果。增大了通過流體的光路的長(zhǎng)度。這一方案對(duì)于接近于表面的消光的測(cè)量尤其有效，例如用于檢測(cè)結(jié)合到表面的顆粒的吸收或散射。有效表面積增大這一事實(shí)對(duì)于低濃度標(biāo)記的靈敏檢測(cè)也會(huì)是額外的優(yōu)點(diǎn)。
圖I示出使用根據(jù)本發(fā)明的裝置100的以上方案的示例性實(shí)現(xiàn)。這一裝置的核心部件是測(cè)試盒/載體111，其例如可以由如玻璃的基底或如聚苯乙烯的透明塑料來制成。載體111緊鄰樣品室2，在樣品室2中可以提供具有待檢測(cè)的目標(biāo)成分(例如，藥物、抗體、DNA 等)的樣品流體。樣品還包括磁性顆粒，例如超順磁珠，其中這些顆粒通常作為標(biāo)記結(jié)合到前述的目標(biāo)成分。為了簡(jiǎn)單，在附圖中僅示出目標(biāo)成分與磁性顆粒的組合，并在以下稱為 “目標(biāo)顆粒” I。應(yīng)注意，也可以使用其他標(biāo)記顆粒，例如帶電荷的或光致發(fā)光的顆粒來代替磁性顆粒。
載體11與樣品室2之間的界面由稱為“接觸表面”12的表面形成。這一接觸表面 12可任選地涂覆有俘獲元素(未示出)，例如抗體或蛋白質(zhì)，它們可以特定地結(jié)合目標(biāo)顆粒。 此外，接觸表面包括在“研究區(qū)” 13中的光學(xué)結(jié)構(gòu)50，其將在以下解釋。應(yīng)注意，以下在幾何形狀上將接觸表面認(rèn)為是平面的，從而忽略(或平均掉)局部光學(xué)結(jié)構(gòu)50。
對(duì)于磁性目標(biāo)顆粒的操控，裝置100可以包括磁場(chǎng)發(fā)生器41，例如具有線圈和磁芯的電磁體，用于在接觸表面12處和樣品室2的相鄰空間中可控地產(chǎn)生磁場(chǎng)。借助于這一磁場(chǎng)，目標(biāo)顆粒I可以被操控，即被磁化，尤其是被移動(dòng)(如果使用具有梯度的磁場(chǎng))。因此， 例如可以將磁性顆粒I吸引到接觸表面12，以便加速它們結(jié)合到所述表面，或者在測(cè)量前將未結(jié)合的顆粒清洗離開接觸表面。盡管圖中示出在載體下方的單個(gè)磁性線圈，但應(yīng)注意， 也可以將一個(gè)或多個(gè)線圈布置在其他位置。
裝置100還包括光源21，其產(chǎn)生輸入光束LI，該輸入光束LI通過“入射窗” 14發(fā)射進(jìn)入載體111。作為光源21，可以使用激光器或LED，尤其是商業(yè)DVD ( λ =658nm)激光器-二極管?？梢允褂脺?zhǔn)直器透鏡，以使輸入光束LI平行，并且可以使用例如Imm直徑的針孔以減小光束直徑。通常，優(yōu)選地，所使用的光束應(yīng)是(準(zhǔn))單色的和(準(zhǔn))準(zhǔn)直的。
輸入光束LI入射在載體111的接觸表面12的研究區(qū)13上，在此其由光學(xué)結(jié)構(gòu)50折射進(jìn)入樣品室2中。由光學(xué)結(jié)構(gòu)50從樣品室再次收集的輸入光束的光構(gòu)成輸出光束L2。
輸出光束L2傳播通過載體111，通過另一表面(“出射窗” 15)離開載體111,并由光檢測(cè)器31檢測(cè)。光檢測(cè)器31確定輸出光束L2的光的量(例如，由全光譜或光譜的特定部分中的這一光束的光強(qiáng)度來表示)。在觀測(cè)時(shí)段中由耦合到檢測(cè)器31的評(píng)價(jià)和記錄模塊 32對(duì)所測(cè)量的傳感器信號(hào)進(jìn)行評(píng)價(jià)以及可任選地監(jiān)控。在出射窗15與檢測(cè)器31之間可以使用附加的透鏡，用于將研究區(qū)13成像在檢測(cè)器31上，該檢測(cè)器31可任選地是二維CXD 或CMOS檢測(cè)器。
應(yīng)注意，載體不必具有傾斜的入射窗14和/或出射窗15，因?yàn)檫@些面例如可以是外部(讀取器)光學(xué)器件的一部分。匹配的流體例如可以用于將光從外部讀取器耦合進(jìn)入一次性測(cè)試盒。
也可以將光檢測(cè)器31用于由被輸入光束LI激發(fā)的光致發(fā)光顆粒I發(fā)射的光致發(fā)光的光的采樣，其中這一光致發(fā)光可以例如在光譜上與其他光相區(qū)分，例如在樣品室中未散射的輸入光束的光。盡管以下說明集中于非散射光的測(cè)量，但在此論述的原理加以適當(dāng)?shù)淖兏部梢杂糜诠庵掳l(fā)光的檢測(cè)。注意，在光致發(fā)光或直接散射檢測(cè)的情況下，檢測(cè)器31 也可以位于除了輸出光束L2以外的方向上,例如,在垂直于基底界面12的方向上。
圖2中更詳細(xì)地示出透明載體111的表面上的光學(xué)結(jié)構(gòu)50的示例性設(shè)計(jì)。這一光學(xué)結(jié)構(gòu)由凹槽52和楔體51構(gòu)成，具有沿y方向，即垂直于圖面的方向的三角形橫截面。楔體51以規(guī)則方式在X方向上重復(fù)并在其間包含三角形凹槽52。楔體51的頂錐角以及凹槽 52的齒根角將表示為2 α，并且其優(yōu)選小于約(η2/ηι) · 140° ^ (I. 14)―1 · 140° ^ 120° (BP, α ( 60° )。
當(dāng)輸入光束LI (或者更準(zhǔn)確地，整個(gè)輸入光束LI的子光束)從載體側(cè)入射到第一個(gè)楔體51的第一個(gè)“激發(fā)面”53上時(shí)，它將被折射進(jìn)入樣品室2的相鄰的第一個(gè)凹槽52 中。在第一個(gè)凹槽52內(nèi)，光傳播直到入射到鄰接的第二個(gè)楔體的反向傾斜的第一個(gè)“收集面”54上。在此，沒有被吸收、散射或在其通過樣品室2的途中以其他方式損失的輸入光進(jìn)入第二個(gè)楔體51。它傳播通過第二個(gè)楔體，直到到達(dá)其(第二個(gè))“激發(fā)面”53，在此光被折射進(jìn)入相鄰的第二個(gè)凹槽52中。在所示的圖示說明中，光由所述第二個(gè)凹槽的第二個(gè)收集面54收集，并作為輸出光束L2被引導(dǎo)離開接觸表面12。顯然，輸出光束L2中的光的量與樣品室的凹槽52中目標(biāo)顆粒I的濃度逆相關(guān)。
作為所述過程的結(jié)果，一薄層的光沿接觸表面?zhèn)鞑?，其中這一薄層的厚度由凹槽幾何形狀(角度2α，深度H)和楔體51的間距ρ (X方向上的距離)來確定。這一設(shè)計(jì)進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)在于照明和檢測(cè)兩者能夠在載體的非流體性側(cè)執(zhí)行。
圖3示出使用對(duì)于具有相對(duì)尖的凹槽角2 α的棱柱狀光學(xué)結(jié)構(gòu)50的光線追蹤結(jié)果的多折射檢測(cè)的基本概念。輸入光束LI與輸出光束L2之間的束偏轉(zhuǎn)被劃分于凹槽52 的六個(gè)單獨(dú)通行上。因此，進(jìn)入的輸入光束LI在其再次進(jìn)入測(cè)試盒211(成為輸出光束L2) 之前遭遇多于兩個(gè)折射事件。在光束最終折射回到測(cè)試盒211中之前的凹槽通行的數(shù)量Nk (附圖中列舉為i到vi)取決于測(cè)試盒U1)和樣品(n2)材料的折射率、輸入光束LI的進(jìn)入角i和測(cè)試盒中三角形結(jié)構(gòu)的頂角2 α。
所示幾何形狀的優(yōu)點(diǎn)在于其實(shí)現(xiàn)一種分析物在流體中多通過吸收-散射檢測(cè)，這增大了輸出光束L2中包含的吸收和/或散射信號(hào)。結(jié)果，該方法給出更強(qiáng)的信號(hào)，以及因此的更好的信噪比。由該方法探測(cè)的體積的高度H由棱柱狀結(jié)構(gòu)的間距P和頂角2 α來確定。
在下文中，通過測(cè)試盒的塑料基底材料具有I. 54的折射率Ii1和樣品流體具有I.35的折射率112的多個(gè)示例來說明本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用。顯然，棱柱狀結(jié)構(gòu)的最優(yōu)角取決于實(shí)際折射率；基本概念保持相同。
圖4示出對(duì)于具有100°的頂/凹槽角2 α的棱柱狀結(jié)構(gòu)的典型光線追蹤結(jié)果。 測(cè)試盒材料與流體之間的折射率比Ii1Ai2為I. 14( = I. 54/1. 35)。進(jìn)入的輸入光束LI相對(duì)于接觸表面的法線的入射角i為73. 5°，而輸入光束的發(fā)散性為1° (FffHM)0
在這一 4折射檢測(cè)或4重折射檢測(cè)的實(shí)施例中，輸入光束LI朝向檢測(cè)器的總體偏轉(zhuǎn)被細(xì)分在四次連續(xù)的折射上。這對(duì)于本示例中使用的折射率，是通過使用具有所提及的 100°的頂角2 α的棱柱狀結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。
以進(jìn)入光束的低發(fā)散性，在這一示例中是1°，由于反射造成的強(qiáng)度損失對(duì)于主偏振方向僅為5%和15%。這顯著低于DRD情況中的(10%到22%)，盡管在這一結(jié)構(gòu)中光線遭遇四次折射而不是DRD中的兩次折射的事實(shí)。這歸因于以下事實(shí)與DRD的類似情況相比， 折射在基底流體界面處以更低的入射角發(fā)生。在DRD的所述類似情況下(具有與4折射檢測(cè)相同的參數(shù)，但頂角是144° )，對(duì)于這一示例中使用的材料，折射以56. 5°的內(nèi)角發(fā)生。 這一角度位于布儒斯特角(41° )與全內(nèi)反射的臨界角(61° )之間。在這一區(qū)域中，反射損失較高且強(qiáng)烈依賴于角度。這可以從圖7見到，圖7示出取決于入射角Θ的分別垂直于和平行于界面的偏振分量的反射率系數(shù)r丄和r| |?？梢砸姷揭粋€(gè)主偏振方向在布儒斯特角 θρ處具有O反射系數(shù)，并且對(duì)于兩個(gè)偏振態(tài)，光在全內(nèi)反射的臨界角Θ。以上被全反射。圖 4的4折射檢測(cè)結(jié)構(gòu)的情形是更有利的，因?yàn)閮?nèi)入射角進(jìn)一步遠(yuǎn)離臨界角Θ。且更接近布儒斯特角θρ，導(dǎo)致更低的反射損失。所以，即使以四折射來代替兩折射，但反射損失更低。
圖5示出對(duì)于具有86°的頂/凹槽角2α的棱柱狀結(jié)構(gòu)的典型光線追蹤結(jié)果。測(cè)試盒材料與流體之間的折射率比同樣是I. 14(1. 54/1. 35)，進(jìn)入的輸入光束LI相對(duì)于接觸表面的法線的入射角是70°，發(fā)散性是1° (FffHM)0在這一“6折射檢測(cè)”的實(shí)施例中，朝向檢測(cè)器的輸入光束的總體偏轉(zhuǎn)被細(xì)分在六次連續(xù)折射上。這是通過使用具有86°的頂/ 凹槽角2 α的棱柱狀結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。
在此情況下的反射損失與4折射檢測(cè)情況相當(dāng)，盡管光線在其通過檢測(cè)區(qū)域中的通行中通過六次折射。這一實(shí)施例的吸引力在于整個(gè)測(cè)試盒-流體界面(接觸表面)上的入射角為70°，這與通常選擇的FTIR入射角正好相同。所以，這一實(shí)施例可反向兼容FTIR分析器。
圖6示出用于具有86°的頂/凹槽角2 α、1. 14的折射率比和70°的入射角的相同棱柱狀結(jié)構(gòu)的典型光線追蹤結(jié)果。與圖5相比，輸入光束的發(fā)散性現(xiàn)在為5° (FffHM)0 該圖說明這一方案不僅僅對(duì)于具有非常低發(fā)散性的輸入光束有效。反射損失略微高于對(duì)于 1°發(fā)散性的反射損失，因?yàn)橐恍┕饩€在錯(cuò)誤的方向上被反射。但所計(jì)算的效率(對(duì)于平行和垂直偏振方向約為75%和84%)仍顯著好于相同發(fā)散性下DRD的效率(68%和79%)。
在所述概念用于測(cè)量特定結(jié)合到接觸表面的標(biāo)記的濃度的情況下，通過選擇棱柱狀結(jié)構(gòu)的相對(duì)較小的間距P，可以有利地將棱柱狀結(jié)構(gòu)的高度H限定為1-10μπι。這減小了必須通過(磁性)清洗步驟去除未結(jié)合標(biāo)記所處的區(qū)域的尺寸。
如果該概念用于測(cè)量臨床化學(xué)應(yīng)用的吸收，更好的是使用更加魯棒且具有通過流體的更長(zhǎng)光路的更宏觀的棱柱狀結(jié)構(gòu)。
在偏振光可以用于輸入光束的情況下，通過選擇接近于布儒斯特角的入射角，可以將反射損失減小到幾乎為O。
在輸入光束與輸出光束的入射角幾乎相等的意義上,上述實(shí)施例是對(duì)稱的。另外, 用于示例中的棱柱狀結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的。然而，這并不排除該概念用于非對(duì)稱結(jié)構(gòu)中的可能性， 其中棱柱狀結(jié)構(gòu)可以是非對(duì)稱的和/或進(jìn)入和離開光束的角度可以不同。
最后指出，在本申請(qǐng)中，術(shù)語“包括”不排除其它元件或步驟，“一”不排除多個(gè)，單個(gè)處理器或其它單元可以滿足若干模塊的功能。本發(fā)明在于每個(gè)新穎特性特征和特性特征的每個(gè)組合。此外，權(quán)利要求中的參考符號(hào)不應(yīng)解釋為限制其范圍。
權(quán)利要求
1.一種載體(111-411)，用于相鄰樣品室(2)中提供的具有給定折射率n2的樣品的光學(xué)操控，其中，所述載體a)至少部分透明，并具有折射率Ii1；b)包括具有多個(gè)孔(52)的接觸表面(12)，每一個(gè)孔包括兩個(gè)反向傾斜的相對(duì)面(53、 54)，所述兩個(gè)反向傾斜的相對(duì)面(53、54)包括小于約(Ii2Ai1) · 140°的角(2 α )。
2.一種裝置(100)，用于樣品室(2)中樣品的光學(xué)操控，包括a)載體(111-411)，包括具有多個(gè)孔(52)的接觸表面(12)；b)光源(21)，用于朝向所述載體(111-411)的接觸表面(12)發(fā)射輸入光束(LI)以通過所述載體，使得所述輸入光束的至少部分在作為輸出光束(L2)離開所述載體(111-411) 之前橫穿至少兩個(gè)孔(52)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，每一個(gè)孔(52)包括兩個(gè)反向傾斜的相對(duì)面(53、54)，所述兩個(gè)反向傾斜的相對(duì)面(53、54)包括小于約(Ii2Ai1) · 140°的角(2 α )，其中，Ii1和η2分別是所述載體和所述樣品的折射率。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置(100)，其特征在于，所述輸入光束(LI)的所述部分橫穿通過四到六個(gè)孔(52)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置(100)，其特征在于，所述輸入光束(LI)大致以布儒斯特角(θ ρ)入射在第一個(gè)面(53)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置(100)，其特征在于，所述輸入光束(LI)包括偏振光。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置(100)，其特征在于，所述輸入光束(LI)以約65°到75°的入射角到達(dá)所述接觸表面(12)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的載體(111-411)或者根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置(100)， 其特征在于，所述載體的折射率nl在約I. 4與I. 8之間的范圍，優(yōu)選在約I. 5與I. 6之間的范圍。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的載體(111-411)或者根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置(100)， 其特征在于，所述樣品的折射率n2在約I. 2與約I. 5之間的范圍，優(yōu)選在約I. 33與I. 35之間的范圍。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的載體(111-411)或者根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置(100)， 其特征在于，所述面(53、54)包括的角(2 α )小于約120°，優(yōu)選小于約110°，最優(yōu)選為約100°或約86°。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的載體(111-411)或者根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置(100)， 其特征在于，所述孔具有彼此平行延伸的凹槽(52)的形式。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的載體(111-411)或者根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置(100)， 其特征在于，所述孔(52)具有對(duì)稱的橫截面。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的載體(111-411)或者根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置(100)， 其特征在于，所述孔(52)具有三角形橫截面。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的載體(111-411)或者根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置(100)， 其特征在于，所述孔(52)具有的深度(H)小于約15 μ m，優(yōu)選小于約10 μ m。
15.根據(jù)權(quán)利要求I所述的載體(111-411)或者根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置(100)用于分子診斷學(xué)、生物樣品分析、化學(xué)樣品分析、食品分析、和/或法醫(yī)分析的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于樣品室(2)中樣品的光學(xué)操控的載體(211)和裝置，其中，所述載體(211)包括具有多個(gè)孔(52)，特別是凹槽(52)的接觸表面(12)。在優(yōu)選實(shí)施例中，孔(52)具有兩個(gè)反向傾斜的相對(duì)面(53、54)，該兩個(gè)反向傾斜的相對(duì)面(53、54)包括小于約(3/4/3/4)·140°的角(2α)，其中，3/4和n2分別是載體和樣品的折射率。此外，可以布置光源，以使得其產(chǎn)生輸入光束(L1)，該輸入光束在作為輸出光束(L2)離開載體(211)之前橫穿至少兩個(gè)孔(52)。由于面(53、54)的陡度和/或輸入光束(L1)通過孔(52)的多次通行，可以與孔中的樣品以有效的方式相互作用，并最小化光損失。
文檔編號(hào)B01L3/00GK102939526SQ201180026808
公開日2013年2月20日 申請(qǐng)日期2011年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月2日
發(fā)明者J·H·M·雷正, J·J·H·B·施萊彭 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司