專利名稱：具有光源和光檢測(cè)器的微電子傳感器設(shè)備的制作方法
具有光源和光檢測(cè)器的微電子傳感器設(shè)備
本發(fā)明涉及一種用于在載體的勘查區(qū)域中進(jìn)行光學(xué)檢查的微電子 傳感器設(shè)備以及方法，其包括將光發(fā)射到勘查區(qū)域中并且對(duì)來(lái)自該勘 查區(qū)域的光進(jìn)行檢測(cè)。另外，本發(fā)明涉及這種傳感器設(shè)備的使用。
US 2005/0048599 Al公開(kāi)了 一種用于對(duì)利用粒子加以標(biāo)簽(以便 可將(例如磁)力施加于它們上)的微生物進(jìn)行勘查的方法。在該方 法的一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)透明材料將光束導(dǎo)引到全內(nèi)反射的表面。作 為倏逝波而離開(kāi)透明材料的這個(gè)光束的光被該微生物和/或表面上的 其他部件散射并且此后由光檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，或者用來(lái)照亮微生物以 用于可視觀察。這以及相似測(cè)量原理的問(wèn)題在于它們對(duì)光路徑和信號(hào) 處理電子設(shè)備中的干擾和變化非常敏感。如果一個(gè)感興趣的信號(hào)包含 在大的基礎(chǔ)信號(hào)的小變化中，那么這尤其是這樣。
根據(jù)該情況，本發(fā)明的目的是提供一種用于在例如包括生物樣本的 勘查區(qū)域中進(jìn)行光學(xué)檢查的裝置。尤其是，希望測(cè)量結(jié)果相對(duì)于系統(tǒng) 的干擾和/或變化而言具有高精確度和魯棒性。
該目的是由根據(jù)權(quán)利要求1的微電子傳感器設(shè)備、根據(jù)權(quán)利要求 14的方法以及根據(jù)權(quán)利要求15的使用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在從屬權(quán)利要求中公 開(kāi)了優(yōu)選實(shí)施例。
根據(jù)本發(fā)明的微電子傳感器設(shè)備意欲在載體(其不是必須屬于該設(shè) 備)的勘查區(qū)域中進(jìn)行光學(xué)檢查。在該上下文中，應(yīng)廣義地理解術(shù)語(yǔ)" 檢查"，其包括對(duì)勘查區(qū)域中的一些實(shí)體(例如要檢測(cè)的生物分子)進(jìn) 行的任何類型的光操作和/或光交互?？辈閰^(qū)域典型地是其中可提供要 檢查的樣本材料的載體的表面上(最好是透明)的小容積。微電子傳 感器設(shè)備包括以下部件
a)光源，用于朝著勘查區(qū)域發(fā)射在下文中被稱為"輸入光束"的光 束，其中所述輸入光束具有時(shí)變特征參數(shù)。在本發(fā)明的上下文中可以 考慮這種特征參數(shù)的許多不同示例，重要的一個(gè)是光束在其整個(gè)光語(yǔ)或在其子范圍中的強(qiáng)度(定義為每單位時(shí)間通過(guò)橫截面的能量)。該
光源可以例如是激光或發(fā)光二極管(LED)，其可選地具有用于使輸入 光束成形并對(duì)其進(jìn)行導(dǎo)向的一些光學(xué)器件。
b) 光檢測(cè)器，用于提供在下文中被稱為"測(cè)量信號(hào)"的信號(hào)，該信 號(hào)與來(lái)自勘查區(qū)域的光束的特征參數(shù)(即與輸入光束相同類型的參數(shù)) 相關(guān)聯(lián)，該光束在下文中被稱為"輸出光束"。光檢測(cè)器可以包括例如 光電二極管、光電電阻器、光電池、或者光電倍增管這樣的、通過(guò)其 可檢測(cè)到給定光鐠的光的任何適當(dāng)傳感器或多個(gè)傳感器。
c) "估算單元"，用于根據(jù)輸入光束和輸出光束的特征參數(shù)提供" 結(jié)果信號(hào)"。尤其是，該結(jié)果信號(hào)可以對(duì)應(yīng)于通過(guò)輸入光束的特征參數(shù) 所標(biāo)準(zhǔn)化的輸出光束的特征參數(shù)。估算單元典型地是通過(guò)專用電子硬 件、具有相關(guān)軟件的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理硬件或者其混合體實(shí)現(xiàn)的。另外， 通常會(huì)獲取光檢測(cè)器的測(cè)量信號(hào)作為輸入。
所述微電子傳感器設(shè)備具有提供基于輸入光束和輸出光束二者的 結(jié)果信號(hào)這樣的優(yōu)點(diǎn)。因此，該結(jié)果信號(hào)可以與輸入光束的特征參數(shù) 的變化無(wú)關(guān)，例如與強(qiáng)度變化無(wú)關(guān)。因此不再將在光源中發(fā)生的變化 錯(cuò)誤地解釋為出現(xiàn)在勘查區(qū)域中的處理。此外，可利用輸入光束的時(shí) 間變化以區(qū)分歸因于輸入光束的影響與歸因于其他源(例如變化的環(huán) 境照明)的影響。
所述微電子傳感器設(shè)備可應(yīng)用在各種設(shè)置(setup)和裝置中。在 特定示例中，光檢測(cè)器所檢測(cè)到的輸出光束包括在勘查區(qū)域中全內(nèi)反 射的輸入光束的光。為此，勘查區(qū)域必須包括在例如玻璃和水這樣的 兩種介質(zhì)之間的界面，如果入射光束以適當(dāng)角度(大于TIR的相關(guān)臨 界角)撞擊該界面，那么在該界面上會(huì)發(fā)生全內(nèi)反射(TIR)。這種設(shè) 置通常用于檢查由全內(nèi)反射束的按指數(shù)規(guī)律衰減的倏逝波所到達(dá)的、 TIR界面處的很小容積的樣本。此后，存在于勘查區(qū)域中的例如原子、 離子、(生物)分子、細(xì)胞、病毒、或者細(xì)胞或病毒的一部分、組織 提取液等等這樣的目標(biāo)成分可對(duì)倏逝波的光進(jìn)行散射(這些光因此在 反射光束中丟失)。在這個(gè)"衰減全內(nèi)反射"的方案中，傳感器設(shè)備的 輸出光束是由輸入光束的反射光組成的，其中由于倏逝波的散射而丟 失的少量光包含與勘查區(qū)域中的目標(biāo)成分相關(guān)的期望信息。因此與大 基礎(chǔ)信號(hào)相比， 一個(gè)感興趣的信號(hào)(丟失光)非常小，這使精確測(cè)量
5很困難。所提議的輸入和輸出光束的特征參數(shù)的相關(guān)性在這種情況下 有助于使結(jié)果很大程度上與該基礎(chǔ)信號(hào)無(wú)關(guān)。
在微電子傳感器設(shè)備的優(yōu)選實(shí)施例中，光源包括用于提供在下文中 被稱為"監(jiān)控信號(hào)"的信號(hào)的傳感器單元，該信號(hào)與輸入光束的特征參 數(shù)相關(guān)聯(lián)。對(duì)輸入光束的特征參數(shù)的測(cè)量實(shí)時(shí)地以高精確度和可靠性 直接(而不是例如從其他信號(hào)或從理論研究得到它)提供與該參數(shù)相 關(guān)的信息。通常將該監(jiān)控信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到估算單元。
根據(jù)該發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施例，光源包括用于對(duì)輸入光束的特征參數(shù) 進(jìn)行控制的反饋控制回路，其中該回路可選地包括上述傳感器單元。 借助于反饋控制，可使光源的光輸出穩(wěn)定以遵循定義明確的(并且已 知的)時(shí)間過(guò)程。
在本發(fā)明的另 一個(gè)實(shí)施例中，光源包括用于對(duì)輸入光束的特征參數(shù) 進(jìn)行可控調(diào)制的"調(diào)制單元"。該調(diào)制尤其是根據(jù)例如給定頻率的正弦 信號(hào)這樣的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行。按照已知方式對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制向輸入光束 提供了 一類"指紋"，這類"指紋"可在輸出光束中檢測(cè)到并且有助于區(qū) 分輸入光束的影響與其他影響。因此可顯著地提高測(cè)量的精確度和魯 棒性。調(diào)制單元可以可選地與估算單元相耦合，以用于向它提供與輸 入光束的特征參數(shù)的時(shí)間變化有關(guān)的信息。
微電子傳感器設(shè)備可以可選地包括至少一個(gè)高通濾波器，該至少一 個(gè)高通濾波器用于對(duì)估算單元的輸入信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾，由此使它們免除
低頻(DC)分量以便限制隨后分量的動(dòng)態(tài)范圍和所需精度。估算單元 的一個(gè)輸入信號(hào)典型地是光檢測(cè)器所產(chǎn)生的測(cè)量信號(hào)(或者從它所得 到的一些信號(hào))。估算單元的另一輸入典型地是提供與輸入光束有關(guān) 的信息的信號(hào)，例如由上述光源中的傳感器單元所產(chǎn)生的監(jiān)控信號(hào)。 從這種輸入信號(hào)中除去DC分量對(duì)輸入光束的受控調(diào)制的上述情況尤其 有用，因?yàn)榇撕髢H調(diào)制信號(hào)分量進(jìn)入估算單元。
在光源中具有傳感器單元的傳感器設(shè)備的實(shí)施例中，估算單元最好 包括解調(diào)器，用于相對(duì)于監(jiān)控信號(hào)的調(diào)制分量(例如調(diào)制單元所產(chǎn)生 的分量)對(duì)測(cè)量信號(hào)和/或監(jiān)控信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。通過(guò)解調(diào)可提取與該調(diào) 制有關(guān)的測(cè)量信號(hào)和/或監(jiān)控信號(hào)的那些分量。這有助于區(qū)分實(shí)際上由 于(調(diào)制的)輸入光束所引起的影響與由于其他原因所造成的信號(hào)中的 偽影(artifacts)。該解調(diào)器典型地可包括用于使要處理的信號(hào)乘以監(jiān)控信號(hào)的調(diào)制分量的乘法器以及用于除去乘積中的時(shí)變分量的后續(xù) j氐通濾波器。
在上述實(shí)施例的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)中，估算單元包括除法器，用于確定解 調(diào)的測(cè)量信號(hào)與解調(diào)的監(jiān)控信號(hào)之間的比率(或反之亦然)。該比率 此后可用作估算的結(jié)果信號(hào)，其與輸入光束的特定幅值無(wú)關(guān)，或者換 句話說(shuō)表示光檢測(cè)器的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量信號(hào)。在許多情況下，這種標(biāo)準(zhǔn)化 信號(hào)表示實(shí)際上感興趣的信息，例如勘查區(qū)域中的目標(biāo)成分的濃度， 并且它不受到干涉，例如不受到光路徑或者信號(hào)處理電子儀器中的干 擾。
在本發(fā)明的可選實(shí)施例中，估算單元包括多路復(fù)用開(kāi)關(guān)，用于交替 地將監(jiān)控信號(hào)或測(cè)量信號(hào)分別傳到共享的處理硬件。共享一些硬件可 降低設(shè)備的成本，并且最重要的是消除了在兩個(gè)并行硬件分支之間的 隨機(jī)差別的潛在誤差源。
在上述實(shí)施例的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)中，估算單元包括用于臨時(shí)存儲(chǔ)共享硬 件的處理結(jié)果的至少一個(gè)存儲(chǔ)單元。按照這種方式，可以保存先前處 理步驟的結(jié)果以便與后續(xù)處理步驟的結(jié)果相關(guān)聯(lián)。
估算單元可選地可以包括用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)以用于
進(jìn)一步處理的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。換句話說(shuō)，估算單元中的數(shù)據(jù)處理 的至少一部分是數(shù)字地進(jìn)行，其提供了高DC穩(wěn)定性并且避免了在模擬 處理硬件中會(huì)出現(xiàn)的典型不精確性。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，載體的光學(xué)結(jié)構(gòu)包括在下文中被稱為"激發(fā) 小平面"的至少一個(gè)小平面(其中輸入光束的光可通過(guò)其發(fā)射到相鄰樣 本腔中)以及在下文中被稱為"收集小平面"的至少一個(gè)相應(yīng)小平面(其 中可通過(guò)其重新收集發(fā)射光(只要發(fā)射光不受干擾地傳播過(guò)樣本腔))。 在該設(shè)計(jì)中，激發(fā)小平面與收集小平面之間的空間構(gòu)成了輸入光束所 探測(cè)的容積。在該容積中進(jìn)行的像吸收或散射之類的處理會(huì)影響在收 集小平面處可以重新收集的輸入光束的光的量和/或光譜。所述量和/ 或光語(yǔ)因此包括與引起它們的事件和物質(zhì)有關(guān)的信息。在例如在與載 體垂直的方向上使用暗場(chǎng)檢測(cè)這樣的另一配置中，可利用激發(fā)和收集 小平面二者來(lái)收集來(lái)自探測(cè)容積的散射光和/或熒光。
本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種用于在載體的勘查區(qū)域中進(jìn)行光學(xué)檢查的 方法，所述方法包括以下步驟a)朝著勘查區(qū)域發(fā)射具有例如強(qiáng)度這樣的時(shí)變特征參數(shù)的"輸入光 束"，其中所述發(fā)射典型地是由上述類型的光源進(jìn)行的。
b )提供與來(lái)自勘查區(qū)域的"輸出光束"的特征參數(shù)相關(guān)聯(lián)的"測(cè)量信 號(hào)"，其中所述提供典型地是由上述類型的光檢測(cè)器進(jìn)行的。
c)提供根據(jù)輸入光束和輸出光束的特征參數(shù)的"結(jié)果信號(hào)"，其中 所述提供最好是由上述類型的估算單元進(jìn)行的。
該方法一般形式地包括可由上述類型的微電子傳感器設(shè)備執(zhí)行的 步驟。因此，參考先前描述以獲得與該方法的詳情、優(yōu)點(diǎn)以及改進(jìn)有 關(guān)的更多信息。
該方法進(jìn)一步涉及使用如上所述的微電子設(shè)備用于分子診斷、生物 樣本分析、化學(xué)樣本分析、食物分析、和/或法醫(yī)分析。分子診斷例如 可以借助于直接或間接附著于目標(biāo)分子上的磁珠或熒光粒子來(lái)完成。
根據(jù)下文中所描述的實(shí)施例(多個(gè))可顯而易見(jiàn)地得知本發(fā)明的這 些及其他方面，并且參考下文中所描述的實(shí)施例進(jìn)行了闡述。這些實(shí) 施例是例如借助于附圖來(lái)描述的，在附圖中


圖1說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的微電子傳感器設(shè)備的第一實(shí)施例；
圖2示出了圖1的微電子傳感器設(shè)備的變型，其中估算單元包括用 于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理的電路；
圖3示出了圖2的實(shí)施例的變型，其中并行處理分支由單個(gè)分支和 多路復(fù)用機(jī)構(gòu)代替；
圖4示出了該栽體的替代光學(xué)結(jié)構(gòu)的放大視在附圖中相同參考數(shù)字或者相差100的整數(shù)倍的數(shù)字是指相同或 相似部件。
雖然在下文中就特定設(shè)置(使用磁粒和衰減全內(nèi)反射作為測(cè)量原 理)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是它并不局限于這種方式并且可有利地 用在許多不同應(yīng)用和設(shè)置中。
圖中所示的微電子傳感器設(shè)備包括用于發(fā)射"輸入光束"Ll的光源 20、用于對(duì)"輸出光束"L2進(jìn)行檢測(cè)和測(cè)量的光檢測(cè)器30、以及所述 這兩部件耦合到的估算單元40。如圖中僅僅示意性指出的那樣，輸入 光束L1發(fā)射到例如可以由玻璃或像聚苯乙烯這樣的透明塑料所構(gòu)成的(一次性)載體5上。載體5緊挨著其中可提供具有要檢測(cè)的目標(biāo)成 分(例如藥物、抗體、MA等等)的樣本液體的樣本腔2。樣本進(jìn)一步 包括例如超順磁珠這樣的磁粒1，其中這些粒子1通常作為標(biāo)簽而結(jié)合 到上述目標(biāo)成分上(為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，附圖中僅示出了磁粒l)。應(yīng)該注意 的是，還可使用例如帶電的熒光粒子這樣的其它標(biāo)簽粒子以代替磁粒。 載體5與樣本腔2之間的界面由被稱為"結(jié)合表面"4的表面形成。 該結(jié)合表面4可選地可涂有例如抗體這樣的特定地結(jié)合目標(biāo)成分的捕 獲元件。
傳感器設(shè)備可選地包括例如具有線圏和芯子的電磁體這樣的磁場(chǎng) 發(fā)生器(未示出)，用于在結(jié)合表面4上以及在樣本腔2的鄰接空間 中可控地產(chǎn)生磁場(chǎng)。借助于該磁場(chǎng)，可對(duì)磁粒l進(jìn)行操作，即使磁粒1 磁化并且尤其是使其移動(dòng)(如果使用了具有梯度的磁場(chǎng)的話)。因此 例如可將磁粒1吸引到結(jié)合表面4以便加速將相關(guān)目標(biāo)成分結(jié)合到所 述表面。
光源20包括例如激光或LED 21，其產(chǎn)生傳輸?shù)皆泽w5中的輸入光 束L1。輸入光束L1以比全內(nèi)反射(TIR)的臨界角更大的角度達(dá)到結(jié) 合表面4，并且因此全內(nèi)反射以作為輸出光束L2。輸出光束L2通過(guò)另 一表面離開(kāi)栽波5并且由光檢測(cè)器30中的繼之以放大器32的傳感器 31 (例如光電二極管)所檢測(cè)。光檢測(cè)器30由此確定與輸出光束L2 的光量相對(duì)應(yīng)的"測(cè)量信號(hào)"X (例如，由這個(gè)光束在整個(gè)光譜或光譜的 某一部分中的光強(qiáng)表示)。在與光檢測(cè)器30的輸出相耦合的估算單元 40中對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步估算。
可選地，可使用檢測(cè)器30 (或單獨(dú)的檢測(cè)器)用于對(duì)由輸入光束 Ll的倏逝波所激發(fā)的熒光粒子1所發(fā)射出的熒光進(jìn)行檢測(cè)。
所述微電子傳感器設(shè)備應(yīng)用用于對(duì)磁粒1和實(shí)際上感興趣的目標(biāo) 成分進(jìn)行檢測(cè)的光學(xué)裝置。為了消除背景(例如諸如唾液、血液等等 這樣的樣本液體的背景)的影響或者至少使其最小化，檢測(cè)技術(shù)應(yīng)該 是表面特定的。如上所指出的，這通過(guò)利用衰減全內(nèi)反射的原理來(lái)實(shí) 現(xiàn)。該原理基于在入射光束L1被全內(nèi)反射時(shí)倏逝波傳播(按指數(shù)規(guī)律 地降落)到樣本2中這樣的事實(shí)。如果該倏逝波此后與像磁粒1這樣 的另一媒介相交互，那么輸入光的一部分將耦合到樣本液體中(這被 稱為"衰減全內(nèi)反射")，并且降低了反射強(qiáng)度(而對(duì)于干凈界面而言
9反射強(qiáng)度是100%并且沒(méi)有交互)。取決于干擾量，即TIR表面上的或 者非?？拷?在大約200 nm內(nèi))TIR表面的磁珠數(shù)量(不在剩余的樣 本腔2中)，反射強(qiáng)度因此降低了。這個(gè)強(qiáng)度降低是對(duì)結(jié)合磁珠1的 量的直接測(cè)量，并且因此是對(duì)目標(biāo)分子的濃度的直接測(cè)量。當(dāng)對(duì)約 200nm的〗務(wù)逝波的上述交互距離與抗體、目標(biāo)分子、以及磁珠的典型尺 寸進(jìn)行比較時(shí)，很明顯的是背景的影響將被最小化。較大的波長(zhǎng)X會(huì) 使交互距離增大，但是背景液體的影響將仍非常小。
所述過(guò)程與所施加的磁場(chǎng)無(wú)關(guān)。這允許對(duì)準(zhǔn)備、測(cè)量、以及洗清步 驟進(jìn)行實(shí)時(shí)光學(xué)監(jiān)控。該監(jiān)控信號(hào)還可用于對(duì)測(cè)量或各個(gè)處理步驟進(jìn) 行控制。
對(duì)于典型應(yīng)用的材料而言，載體5的介質(zhì)A可以是玻璃和/或具有 典型折射率1. 52的一些透明塑料。樣本腔2中的介質(zhì)B是水基的并且 具有接近1.3的折射率。這對(duì)應(yīng)于60。的臨界角e。。 70°的入射角因 此是切實(shí)可行的選擇以允許流體介質(zhì)具有稍微更大的折射率(假定nA = 1.52，允許riB高達(dá)最大值1.43) 。 riB的值越高則需要越大的ru和/或 越大的入射角。
與用于致動(dòng)的磁標(biāo)簽相結(jié)合的所述光學(xué)讀出的優(yōu)點(diǎn)如下 -便宜的盒(cartridge):載體5可以由聚合材料的相對(duì)簡(jiǎn)單的 注膜件組成。
-對(duì)多分析物測(cè)試的大多路復(fù)用可能性可以在大面積上對(duì)一次性 盒中的結(jié)合表面4進(jìn)行光學(xué)掃描。或者，大面積成像可允許大檢測(cè)陣 列。通過(guò)例如將不同結(jié)合分子噴墨印刷在光表面上可形成這種陣列(位 于光學(xué)透明表面上)。該方法還可通過(guò)使用多個(gè)光束和多個(gè)檢測(cè)器以 及多個(gè)致動(dòng)磁鐵(或者機(jī)械地移動(dòng)或者電磁地致動(dòng))而使得能夠在孔 板中進(jìn)行高吞吐量測(cè)試。
-致動(dòng)與感測(cè)是正交的/磁粒的i茲致動(dòng)(通過(guò)大^茲場(chǎng)和》茲場(chǎng)梯度 進(jìn)行)不會(huì)影響感測(cè)處理。因此，該光學(xué)方法允許在致動(dòng)期間對(duì)信號(hào) 進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控。這提供了對(duì)試驗(yàn)處理的很多了解并且很容易允許基于 信號(hào)斜率的動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法。
-由于按指數(shù)規(guī)律地降低的倏逝場(chǎng)而使該系統(tǒng)真正表面敏感。
-容易的接口在盒與讀取器之間不需電連接。對(duì)盒進(jìn)行探測(cè)僅需 光學(xué)窗口。因此可執(zhí)行較少接觸的讀出。
10-低噪聲讀出是可能的。
在所述傳感器設(shè)備中，光學(xué)基線信號(hào)與來(lái)自要檢測(cè)的珠的信號(hào)之間
的典型比率等于4V/lnV= 4000000，其中所述光學(xué)基線信號(hào)發(fā)自于TIR 表面4處的大反射。由于該大的光學(xué)基線信號(hào)，源自于傳感器、信號(hào) 處理路徑以及光學(xué)光路徑中的溫度影響的增益變化(漂移)將在檢測(cè) 信號(hào)中引入大的變化，這限制了生物傳感器的可實(shí)現(xiàn)精度和檢測(cè)極限。 這尤其在對(duì)低目標(biāo)濃度的相對(duì)長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量期間是個(gè)問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn) 10 %的讀出精度，傳感器響應(yīng)必須穩(wěn)定地保持在0. 1 x 1^V/4V = 25ppm 之內(nèi)，這是很難實(shí)現(xiàn)的。此外，來(lái)自環(huán)境和照明的偽光源、光電二極 管和接觸電阻中的暗電流(變化)會(huì)干擾該測(cè)量。
因此希望實(shí)現(xiàn)低檢測(cè)極限和高精確度而不會(huì)引入對(duì)光學(xué)光路徑和 信號(hào)處理電子儀器的穩(wěn)定性的不切實(shí)際要求。這里所提議的解決該要 求的方案基于輸入光束與輸出光束的特征參數(shù)(例如光束強(qiáng)度)之間 的相關(guān)性。該方法的特定實(shí)現(xiàn)包括結(jié)合同步解調(diào)對(duì)光源振幅進(jìn)行調(diào)制 并且使所施加的擺動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化。
在圖1的實(shí)施例中，上述概念借助于供給有正弦調(diào)制信號(hào)sin(cot) 的調(diào)制單元24來(lái)實(shí)現(xiàn)。該調(diào)制單元24集成到閉環(huán)控制回路中，該閉 環(huán)控制回路包括
-激光二極管21;
-光電二極管22，該光電二極管22作為用于對(duì)激光二極管21所 發(fā)射的光束L1的強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量的傳感器單元； -放大器23;
-求和節(jié)點(diǎn)24，在該求和節(jié)點(diǎn)24處，將調(diào)制信號(hào)添加到放大器 23的輸出；以及
-環(huán)路濾波器25，用于對(duì)激光二極管進(jìn)行控制并且可以是根據(jù)為 所屬技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)人員熟知的工程原則設(shè)計(jì)的。
例如利用典型地約4 kHz的擺動(dòng)信號(hào)sin(cot)來(lái)對(duì)光源20的輸出 進(jìn)行調(diào)制，并且利用典型的控制帶寬為約15 kHz的正向感測(cè)二極管22 來(lái)穩(wěn)定光源20的輸出。
放大器23的輸出分支為"監(jiān)控信號(hào)"M并且作為第一輸入提供到估 算單元40。監(jiān)控信號(hào)M具有一般形式
M = A x s in (cot) + P其中P概括了不取決于調(diào)制信號(hào)sin(①t)的輸入光束Ll的所有分量。
光檢測(cè)器30的測(cè)量信號(hào)X具有一般形式<formula>formula see original document page 12</formula>
在這里，a是由于衰減全內(nèi)反射而在勘查區(qū)域3中減少的輸入光 Ll的量減少的因數(shù)，即攜帶與珠1有關(guān)的期望信息的值。另外，Y(t) 概況了在輸入光束L1和輸出光束L2的光路中和/或在處理電子儀器中 出現(xiàn)的(很大程度上未知)影響和干擾，這些影響和干擾例如為通過(guò) 環(huán)境光的附加光輸入。將測(cè)量信號(hào)X作為第二輸入提供給估算單元40。
估算單元40包括用于其輸入信號(hào)M和X的兩個(gè)大的對(duì)稱信號(hào)處理 分支。在圖l的左支中，首先將監(jiān)控信號(hào)M發(fā)送到用于消除DC分量的 高通濾波器41。接下來(lái)，相對(duì)于sin(cot)對(duì)高通濾波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)， 這通過(guò)在乘法單元42中首先使它平方并且此后在低通濾波器43中消 除結(jié)果得到的AC分量來(lái)進(jìn)行。解調(diào)器42, 43的輸出因此僅包括監(jiān)控 信號(hào)M的調(diào)制分量的平方幅值A(chǔ)2 (除了常數(shù)因數(shù)之外)，并且基本上 其剩余分量P沒(méi)有作用。
類似地，在估算單元40的右支中順序地通過(guò)高通濾波器41'以及 包括乘法單元42'和低通濾波器43'的解調(diào)器對(duì)測(cè)量信號(hào)X進(jìn)行處理， 這產(chǎn)生了值aA2 (除了與左支相同的常數(shù)因數(shù)之外)。應(yīng)該注意的是， 右支中的乘法單元42'不是確定過(guò)濾后的測(cè)量信號(hào)X的平方，而是所述 信號(hào)和高通濾波后的監(jiān)控信號(hào)M的乘積。通過(guò)解調(diào)來(lái)抑制測(cè)量信號(hào)分 量P的影響以及由Y(t)所表示的未知干擾的影響，這是因?yàn)樗鼈儾痪?有"正確"的頻率co。利用sin(cot)對(duì)光源20進(jìn)行調(diào)制因此向輸入光 提供了一種類型的、可區(qū)分歸因于該光的影響與其他影響的指紋。
如果將調(diào)制信號(hào)sin(cot)提供給估算單元，那么乘法單元42， 42' 分別替代地計(jì)算乘積M . sin(cot)和X . sin(cot)(而不是M'和X . M)。
在除法器44中，確定解調(diào)信號(hào)人2和(xA2的比率，這產(chǎn)生了一個(gè)感 興趣的因數(shù)a以作為估算單元40的"結(jié)果信號(hào)"R。該結(jié)果信號(hào)R與 實(shí)際激光功率以及擺動(dòng)幅度或擺動(dòng)波形無(wú)關(guān)。另外，環(huán)境光對(duì)該結(jié)果 沒(méi)有影響。所提議的調(diào)制方案的很強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)在于，例如由于溫度變化而 變化的實(shí)際擺動(dòng)幅度不會(huì)影響最終結(jié)果。
圖2示出了具有估算單元140的替代實(shí)現(xiàn)的傳感器設(shè)備的實(shí)施例。通過(guò)將模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC )145和145'分別引入到高通濾波器141和141' 之后，將信號(hào)轉(zhuǎn)換到數(shù)字域中。因此可在通過(guò)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理硬件(例 如具有相關(guān)軟件的微處理器)而實(shí)現(xiàn)乘法單元142, 142'、低通濾波器 143， 143'以及除法器144的數(shù)字電路DGT中對(duì)它們進(jìn)行處理。該設(shè)計(jì) 的優(yōu)點(diǎn)在于它具有改善的DC穩(wěn)定性。
在傳感器設(shè)備的先前實(shí)施例中，估算單元40, 140的兩個(gè)處理分支 之間的增益變化會(huì)引入不精確。圖3因此示出了估算單元240的第三 實(shí)施例，其中共享這些分支以便使可能的增益變化對(duì)兩個(gè)信號(hào)路徑都 是一樣的。
取決于其控制輸入[M]/[X]，時(shí)分復(fù)用開(kāi)關(guān)249將監(jiān)控信號(hào)M或測(cè) 量信號(hào)X傳遞到高通濾波器241。該信號(hào)然后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器245、進(jìn) 一步的高通濾波器246 (用于消除ADC偏移)、乘法單元242以及低通 濾波器243。如果已對(duì)監(jiān)控信號(hào)M進(jìn)行了處理，那么將結(jié)果A'存儲(chǔ)在 樣本保持存儲(chǔ)單元247中；如果已對(duì)測(cè)量信號(hào)X進(jìn)行了處理，那么將 結(jié)果0^2存儲(chǔ)在樣本保持存儲(chǔ)單元248中。在除法器244中標(biāo)準(zhǔn)化之 后，光學(xué)轉(zhuǎn)移因數(shù)《2的平方作為結(jié)果信號(hào)R出現(xiàn)。
圖4中更詳細(xì)地示出了透明載體5的表面上的光學(xué)結(jié)構(gòu)的示例性設(shè) 計(jì)。該光學(xué)結(jié)構(gòu)由具有下述三角形橫斷面的楔子51組成，所述三角形 橫斷面在即就是與繪圖面相垂直的Y方向上延伸。楔子51在X方向上 以規(guī)律模式重復(fù)并且在它們之間包含三角形凹槽52。
當(dāng)輸入光束L1 (或更確切地說(shuō)，整個(gè)輸入光束L1的子束)從載體 側(cè)撞擊到楔子51的"激發(fā)小平面"53上時(shí)，它將被折射到樣本腔2的相 鄰凹槽52中。在凹槽52之內(nèi)，光進(jìn)行傳播以直至它撞擊到鄰近楔子 的相反傾斜的"收集小平面"54上為止。在這里，將通過(guò)樣本腔2未被 吸收、未被散射、或者相反未被丟失的輸入光重新收集到輸出光束L2 中。顯而易見(jiàn)地，輸出光束L2中的光量與樣本腔的凹槽52中的目標(biāo) 粒子1的濃度相反地相關(guān)聯(lián)。
其結(jié)果是，光的薄片沿著接觸面?zhèn)鞑?，其中通過(guò)楔子幾何結(jié)構(gòu)和楔 子的間距p (X方向上的距離)來(lái)確定該片的厚度。該設(shè)計(jì)的進(jìn)一步優(yōu) 點(diǎn)在于可以在載體的非流體側(cè)執(zhí)行照明和檢測(cè)二者。
給定載體(例如由塑料制成)的折射率rh、樣本腔中的(生物) 液體的折射率rb、以及輸入光束L1的入射角i，可使楔子幾何結(jié)構(gòu)最佳化以便(i )最大的光量折射回光檢測(cè)器；以及(ii )通過(guò)"反射"光 束來(lái)探測(cè)最大表面區(qū)域以便具有最佳結(jié)合統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(生物化學(xué))。
在對(duì)稱楔形結(jié)構(gòu)的情況下，感測(cè)折射率為112的兩個(gè)楔子51之間的 凹槽52中的折射線應(yīng)與光界面平行。就圖4中所定義的變量而言，這 是指
此外，為了具有用于進(jìn)來(lái)的輸入光束的最大"暢通"孔徑，楔形結(jié)構(gòu) 的角度a應(yīng)等于輸入光束的入射角i:
對(duì)于折射率ni =1. 6的塑料襯底以及折射率112在1. 3與1. 4之間的 類似水的液體而言，最佳楔角在約70。與74°的范圍之間。假定樣本 容積高度約為1. 5nm，則楔子51的間距p的適當(dāng)值約為l(Vm。
雖然參考特定實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是各種修改和擴(kuò)展是
可能的，例如
-除了分子試驗(yàn)之外，利用根據(jù)本發(fā)明的傳感器設(shè)備還可對(duì)例如 細(xì)胞、病毒、或者細(xì)胞或病毒的一小部分、組織提取液等等這樣的更 大基團(tuán)進(jìn)行檢測(cè)；
-該檢測(cè)可利用或者不利用相對(duì)于傳感器表面對(duì)傳感器元件進(jìn) 行掃描來(lái)進(jìn)行；
-還可通過(guò)動(dòng)態(tài)地地或間歇地記錄信號(hào)來(lái)導(dǎo)出測(cè)量數(shù)據(jù)以作為 終點(diǎn)測(cè)量；
-可直接通過(guò)感測(cè)方法對(duì)用作標(biāo)簽的粒子進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)，還可 在檢測(cè)之前對(duì)粒子進(jìn)行進(jìn)一步處理。進(jìn)一步處理的示例是添加材料或 者對(duì)標(biāo)簽的化學(xué)或物理性能進(jìn)行修改以便于檢測(cè)；
-該設(shè)備和方法可供例如結(jié)合/解結(jié)合試驗(yàn)、夾層試驗(yàn)、竟?fàn)幵?驗(yàn)、位移試驗(yàn)、酶試驗(yàn)等等這樣的若干生化試驗(yàn)類型使用。尤其是適 于DNA檢測(cè)，因?yàn)榇笠?guī)模的多路復(fù)用很容易是可能的并且可通過(guò)噴墨
將這兩個(gè)需求引入到折射定律中， rhxsin(i-900 +a)= n2xsin(o) 在一些計(jì)算之后，這意味著
14印刷在光襯底上使不同寡元體(oligos)成斑點(diǎn)；
-該設(shè)備和方法適于傳感器多路復(fù)用(即不同傳感器和傳感器表 面的并行使用)、標(biāo)簽多路復(fù)用(即不同類型的標(biāo)簽并行使用)、以 及腔多路復(fù)用(即不同反應(yīng)腔的并行使用)；
-該設(shè)備和方法可用作用于小樣本容積的快速、穩(wěn)固并且易用的 點(diǎn)檢測(cè)生物傳感器。反應(yīng)腔可以是供包含有一個(gè)或多個(gè)區(qū)段產(chǎn)生裝置 和一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)裝置的小型讀取器使用的一次性用品。此外，本發(fā) 明的設(shè)備、方法、系統(tǒng)可用于自動(dòng)的高吞吐量測(cè)試。在這種情況下， 反應(yīng)腔例如是裝配到自動(dòng)化儀器中的孔板或小池。
最后，應(yīng)指出的是，在該申請(qǐng)中術(shù)語(yǔ)"包括"不排除其他元件或步驟， "一"或"一個(gè)"不排除多個(gè)，并且單個(gè)處理器或其他單元可完成若干裝 置的功能。本發(fā)明在于每個(gè)新穎特征以及特征的每個(gè)組合。另外，不 應(yīng)認(rèn)為權(quán)利要求中的參考符號(hào)是對(duì)其范圍做出限制。
權(quán)利要求
1、一種用于在載體(5)的勘察區(qū)域(3)中進(jìn)行光學(xué)檢查的微電子傳感器設(shè)備，包括a)光源(20)，用于朝著勘查區(qū)域(3)發(fā)射具有時(shí)變特征參數(shù)的輸入光束(L1)；b)光檢測(cè)器(30)，用于提供與來(lái)自所述勘查區(qū)域(3)的輸出光束(L2)的特征參數(shù)相關(guān)聯(lián)的測(cè)量信號(hào)(X)；c)估算單元(40，140，240)，用于根據(jù)所述輸入光束(L1)和輸出光束(L2)的特征參數(shù)提供結(jié)果信號(hào)(R)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1的微電子傳感器設(shè)備，其特征在于所述特征 參數(shù)是相關(guān)光束(Ll, L2)在給定光譜范圍中的強(qiáng)度。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1的微電子傳感器設(shè)備，其特征在于所述輸出 光束(L2)包括在所述勘查區(qū)域(3)中全內(nèi)反射的輸入光束(Ll)的 光。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1的微電子傳感器設(shè)備，其特征在于所述光源 (20)包括傳感器單元(")，用于提供與所述輸入光束(Ll)的特征參數(shù)相關(guān)聯(lián)的監(jiān)控信號(hào)(M)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1的微電子傳感器設(shè)備，其特征在于所述光源 (20)包括反饋控制回路(22， 23， 24， 25)，用于對(duì)所述輸入光束 (Ll)的特征參數(shù)進(jìn)行控制。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1的微電子傳感器設(shè)備，其特征在于所述光源 (20)包括調(diào)制單元(24)，用于對(duì)所述輸入光束(Ll)的特征參數(shù) 進(jìn)行調(diào)制。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1的微電子傳感器設(shè)備，其特征在于它包括高 通濾波器(41， 41'， 141, 141')，用于對(duì)所述估算單元(40， 140， 240 )的輸入信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾。
8、 根據(jù)權(quán)利要求4的微電子傳感器設(shè)備，其特征在于所述估算 單元(40， 140， 240 )包括解調(diào)器(42, 43， 42'， 43、 142， 143， 142、 143'， 242, 243 )，用于相對(duì)于監(jiān)控信號(hào)(M)的調(diào)制分量對(duì)所 述測(cè)量信號(hào)(X)和/或監(jiān)控信號(hào)(M)進(jìn)行解調(diào)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8的微電子傳感器設(shè)備，其特征在于所述估算單元(40， 140， 240 )包括除法器(44， 144, 244 )，用于確定解調(diào) 的監(jiān)控信號(hào)(M)與解調(diào)的測(cè)量信號(hào)(M)之間的比率。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1的微電子傳感器設(shè)備，其特征在于所述估算單 元(240 )包括多路復(fù)用開(kāi)關(guān)(249 )，用于交替地將監(jiān)控信號(hào)(M)或 測(cè)量信號(hào)(X)傳到共享的處理硬件(241-246 )。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10的微電子傳感器設(shè)備，其特征在于，所述估 算單元(240 )包括存儲(chǔ)單元(247， 248 ),用于臨時(shí)存儲(chǔ)共享處理硬 件(241-246 )的處理結(jié)果。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1的微電子傳感器設(shè)備，其特征在于它包括模數(shù) 轉(zhuǎn)換器(145, 145'， 245 )，用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)以用于 進(jìn)一步處理。
13、 根據(jù)權(quán)利要求1的微電子傳感器設(shè)備，其特征在于所述載體(5) 包括所述載體(5)的表面中的至少一個(gè)孔或凹槽(52)，由此該孔或 凹槽(52)具有其具有兩個(gè)相反傾斜的相對(duì)小平面(53， 54)的橫截面，尤其是具有三角形橫截面。
14、 一種用于在栽體(5)的勘查區(qū)域(3)中進(jìn)行光學(xué)檢查的方法a i 一 巴符a) 朝著勘查區(qū)域(3)發(fā)射具有時(shí)變特征參數(shù)的輸入光束(LI);b) 提供與來(lái)自所述勘查區(qū)域(3)的輸出光束(L2)的特征參數(shù)相 關(guān)聯(lián)的測(cè)量信號(hào)(X);c) 提供根據(jù)輸入光束(Ll)和輸出光束(L2)的特征參數(shù)的結(jié)果 信號(hào)(R)。
15、 根據(jù)權(quán)利要求1至13任何一個(gè)的微電子傳感器設(shè)備在分子診 斷、生物樣本分析或者化學(xué)樣本分析中的使用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于在勘查區(qū)域(3)中進(jìn)行光學(xué)檢查的方法和微電子傳感器設(shè)備。光源(20)將輸入光束(L1)發(fā)射到所述勘查區(qū)域(3)中，并且由提供測(cè)量信號(hào)(X)的光檢測(cè)器(30)對(duì)來(lái)自勘查區(qū)域(3)的輸出光束(L2)進(jìn)行檢測(cè)。估算單元(40)根據(jù)輸入光束(L1)和輸出光束(L2)的特征參數(shù)(例如，強(qiáng)度)提供結(jié)果信號(hào)(R)。最好是，利用給定頻率(ω)來(lái)對(duì)輸入光束(L1)進(jìn)行調(diào)制并且由提供監(jiān)控信號(hào)(M)的傳感器單元(22)來(lái)對(duì)輸入光束(L1)進(jìn)行監(jiān)控。此后可相對(duì)于監(jiān)控信號(hào)對(duì)監(jiān)控信號(hào)(M)和測(cè)量信號(hào)(X)進(jìn)行解調(diào)，并且確定其比率。這可獲得與環(huán)境變化以及光源變化很大程度上無(wú)關(guān)的結(jié)果信號(hào)(R)。
文檔編號(hào)G01N21/55GK101688834SQ200880021198
公開(kāi)日2010年3月31日 申請(qǐng)日期2008年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月21日
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