專利名稱：用于粒子分類系統(tǒng)的光學(xué)檢測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于監(jiān)視流過通道的粒子的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
在諸如通過一個或多個通道傳輸粒子的微流體系統(tǒng)的系統(tǒng)中，可使用光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視、分析、或檢測該粒子。光學(xué)系統(tǒng)在例如粒子分類系統(tǒng)中是有用的，其中該粒子分類系統(tǒng)基于預(yù)定義特性對流過一個或多個通道的粒子流進(jìn)行分類。
傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)具有顯著的缺點(diǎn)。例如，由于當(dāng)光信號在大區(qū)域上擴(kuò)展時難以觀察來自粒子上熒光標(biāo)簽的低亮度級(light level)信號，使得現(xiàn)有的光學(xué)檢測系統(tǒng)有時不精確并提供不良結(jié)果。當(dāng)待檢測光信號持續(xù)時間短，例如小于一毫秒時，現(xiàn)有的光學(xué)系統(tǒng)檢測該光信號也有困難。例如，傳統(tǒng)的CCD(電荷耦合裝置)技術(shù)的幀頻大于一毫秒。
用于問詢微通道的現(xiàn)有系統(tǒng)也受限于將光線聚焦到小于約500微米的區(qū)域的單個通道上，并捕捉來自類似有限區(qū)域的光線。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了用于采集來自空間通道陣列的快速光譜的光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計成用于問詢微流體粒子分析或?qū)虚g隔1至200毫米的一個或多個平行流體通道陣列的芯片進(jìn)行分類。在該通道中傳輸?shù)牧Ｗ拥乃俣葹槊棵?.1至10米，因此檢測器觀察到的信號的持續(xù)時間為亞毫秒，需要采用1至100兆赫茲帶寬的檢測器和電子器件觀察該信號。
該光學(xué)檢測系統(tǒng)包括用于產(chǎn)生光束的光源，其中該光束穿過待監(jiān)視的微流體芯片或通道；一個或多個透鏡或光纖，用于捕捉該光源和該微流體通道中的粒子或化學(xué)物質(zhì)相互作用后形成的光線；以及一個或多個檢測器。該檢測器可包括光放大元件，且檢測器檢測各個光信號并將該光信號轉(zhuǎn)換成電信號。分別代表光信號強(qiáng)度的該電信號從各個檢測器傳遞到電子數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于分析。該一個或多個光放大元件可以包括光電管陣列、多陽極光電管、或耦合光電二極管檢測器陣列的基于多通道平板的圖像增強(qiáng)器。
該光學(xué)系統(tǒng)可以立刻有效并同時捕捉來自一個或多個粒子傳輸通道陣列的消光信號、一個或多個光學(xué)散射信號、以及一個或多個熒光信號，其中這些信號都具有低的亮度級且具有高的帶寬(＞1MHz)。該系統(tǒng)提供了在各種條件下對各種粒子的高效和精確的監(jiān)視。


通過本說明書以及附圖本發(fā)明將變得顯而易見，其中附圖中的相同附圖標(biāo)記表示所有不同視圖中的相同部分。
圖1闡述了適用于實(shí)施本發(fā)明的示例實(shí)施例的，具有用于傳送粒子流的多個通道的系統(tǒng)的示意圖。
圖2為本發(fā)明的光學(xué)檢測系統(tǒng)的示意圖。
圖3闡述了貫穿一微通道并位于和該微通道垂直的平面內(nèi)的截面。
圖4為本發(fā)明的光學(xué)檢測系統(tǒng)的示意圖，其詳細(xì)闡述了該熒光檢測器的部件。
圖5闡述了適用于分析微流體系統(tǒng)的多個通道中的粒子的光學(xué)檢測系統(tǒng)。
圖6A至6C示出了在圖2的光學(xué)檢測系統(tǒng)中，在90度角或消光位置檢測光學(xué)散射的子系統(tǒng)的實(shí)施例。
圖7為適用于圖2的光學(xué)檢測系統(tǒng)的束成型光學(xué)元件的示意圖。
圖8闡述了適用于本發(fā)明的光學(xué)檢測系統(tǒng)的分段反射鏡。
圖9為圖8分段反射鏡的溝槽的局部視圖。
圖10為示出了基于相應(yīng)斑點(diǎn)寬度的分段反射鏡溝槽的不同配置的表格。
圖11為在本發(fā)明示例實(shí)施例的光學(xué)檢測系統(tǒng)中采用分段反射鏡的束成型光學(xué)元件的示意圖。
圖12闡述了適合與本發(fā)明示例實(shí)施例的光學(xué)檢測系統(tǒng)一起使用的圖像增強(qiáng)器。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了用于監(jiān)視和檢測流過通道陣列的粒子流的光學(xué)系統(tǒng)。下面將參考各示例實(shí)施例描述本發(fā)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會了解到，本發(fā)明可應(yīng)用于許多不同的用途和實(shí)施例，且本發(fā)明并不特別受限于這里所描述的在具體實(shí)施例中的應(yīng)用。
圖1闡述了適用于實(shí)施本發(fā)明的示例實(shí)施例的微流體系統(tǒng)10，該微流體系統(tǒng)包括用于從其間傳送諸如粒子或細(xì)胞物質(zhì)的多個通道。該示例微流體系統(tǒng)10包括襯底1，該襯底具有置于其中的諸如微通道3的多個通道。這些通道通過微流體系統(tǒng)10傳輸流體和/或粒子，其中該微流體系統(tǒng)10用于加工、處理和/或執(zhí)行對流體樣品的任何適當(dāng)?shù)牟僮?。這里所使用的術(shù)語“微流體的”指用于加工、處理、排除、和/或分析包括具有微觀尺寸的至少一個通道的流體樣品的系統(tǒng)或者裝置。這里所使用的術(shù)語“通道”指在介質(zhì)中形成的或貫穿介質(zhì)的允許諸如液體和氣體流體移動的路徑。術(shù)語“微通道”指優(yōu)選地形成于微流體系統(tǒng)或裝置中的通道，其截面尺寸范圍為約1.0μm至約500μm，優(yōu)選為約25μm至約350μm，最優(yōu)選為約50μm至約300μm。本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠確定通道的恰當(dāng)體積和長度。這些范圍旨在包括上述值作為上限或下限。該通道可具有任何選定的形狀或排列，其示例包括線性或非線性配置和U形配置。微流體系統(tǒng)10可包括任何適當(dāng)數(shù)目的微通道3，以用于通過微流體系統(tǒng)10傳輸流體。
本發(fā)明提供了可以和諸如圖1的微流體系統(tǒng)的微流體芯片一起使用的光學(xué)檢測器。本發(fā)明的光學(xué)檢測器可實(shí)施于微流體系統(tǒng)的測量區(qū)域2內(nèi)從而在該區(qū)域內(nèi)問詢所述系統(tǒng)。本發(fā)明有助于創(chuàng)建可縮放到微流體芯片的檢測系統(tǒng)，其中在微流體芯片中，1至200個通道的平行通道陣列排部在一個或多個問詢區(qū)域2上，該問詢區(qū)域的物理寬度為1至250mm，優(yōu)選寬度為1至100mm。
光學(xué)檢測器可同時監(jiān)視芯片內(nèi)多個通道中流過的流體。該光學(xué)檢測器或光學(xué)檢測器系統(tǒng)可檢查各個粒子的一個或多個具體特性諸如尺寸、形狀、熒光強(qiáng)度光學(xué)散射、以及本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的其它特性。例如，在示例實(shí)施例中，本發(fā)明的光學(xué)檢測器可置于芯片的相對較大的區(qū)域上(例如直徑約為12毫米到50毫米的有效區(qū)域)，該區(qū)域包括一百個以上的待觀察的流動粒子通道。該光學(xué)檢測器能夠節(jié)省成本地同時捕捉來自多個或所有通道的快速的、低亮度級的信號。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會意識到，該光學(xué)系統(tǒng)不限于用于粒子或細(xì)胞分類系統(tǒng)，而可用于具有待監(jiān)測的流過一個或多個通道的諸如粒子物質(zhì)的任何合適系統(tǒng)。
圖2闡述了本發(fā)明示例實(shí)施例的光學(xué)檢測系統(tǒng)8的概覽，該光學(xué)檢測系統(tǒng)可用于圖1的微流體系統(tǒng)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會意識到，該光學(xué)檢測系統(tǒng)可用于任何合適的系統(tǒng)而非限于圖1的微流體系統(tǒng)。
光學(xué)檢測系統(tǒng)8包括光源11，該光源被示成激光并耦合到束成型光學(xué)元件12以產(chǎn)生和形成穿過光學(xué)掩模13的光束14，其中該光學(xué)掩模13被示成和微流體芯片10中的粒子傳輸通道3的陣列對齊的針孔陣列。被針孔準(zhǔn)許進(jìn)入的光隨后穿過傳輸通道3本身。通過一個或多個關(guān)聯(lián)針孔被各個通道準(zhǔn)許進(jìn)入的光束和通過通道3傳輸?shù)牧Ｗ酉嘟?，從而產(chǎn)生光信號。在光學(xué)粒子分析、血細(xì)胞計數(shù)或分類中，當(dāng)光束和粒子相交時可以產(chǎn)生的光信號的示例包括光學(xué)消光、角度相關(guān)的光學(xué)散射、以及熒光光線。光學(xué)消光是指穿過粒子而沒有相互作用的光的數(shù)量。角度相關(guān)的光學(xué)散射是指被散射或以各個角度(θ)被彎曲而偏離入射光束的光線的比例。熒光光線是指被粒子中的分子吸收并在更長波長被再次發(fā)射的光線。
位于通道3上和光源11相對的一側(cè)上的檢測器光學(xué)元件15、16、17捕獲并觀察光束與通道內(nèi)的粒子相交所產(chǎn)生的光信號。光學(xué)消光檢測器15被置成與光源11相對立，并和入射光路徑14對齊以檢測光學(xué)消光。光學(xué)散射檢測器16被置成基本上垂直于入射光路徑14，其中該路徑14位于由入射光向量及其相交的微流體通道形成的平面內(nèi)。優(yōu)選地，該光學(xué)散射檢測器位于相對于入射光路徑14成大約90度角的位置上。供選擇地，可在同一個平面內(nèi)在其它角度放置光學(xué)散射檢測器以在這些角度上進(jìn)行測量。熒光檢測子系統(tǒng)17捕捉來自熒光的光信號。該熒光檢測子系統(tǒng)17可包括大尺寸的高數(shù)值孔徑透鏡以及附帶的光學(xué)元件。如圖所示，該熒光檢測子系統(tǒng)置于微流體芯片10上方以捕捉盡可能多的熒光光子并將其成像到檢測器(未示出)上。
可在芯片10的問詢區(qū)域2實(shí)現(xiàn)光學(xué)檢測系統(tǒng)8。所示問詢區(qū)域2包括24個通道3，盡管本領(lǐng)域技術(shù)人員將會意識到，使用光學(xué)檢測系統(tǒng)8可以觀察任何恰當(dāng)數(shù)目的通道。在所示實(shí)施例中，該問詢區(qū)域2約為10mm寬(跨越多個通道3)乘以4mm長(沿各個通道3的方向)，盡管本領(lǐng)域技術(shù)人員將會意識到本發(fā)明不限于此范圍。
當(dāng)來自激光11或其它光源的光14入射到芯片10上時，只有穿過粒子流過的窄區(qū)的光線才會與粒子相互作用以產(chǎn)生光信號。穿過位于通道3之外的芯片10的光線或者穿過不包括粒子的通道區(qū)域的光線只對背景或噪聲有貢獻(xiàn)而對信號無貢獻(xiàn)，因此這些光線為雜散光并應(yīng)被最小化。還要考慮到，穿過該芯片而不穿過待觀察粒子的光線代表了被浪費(fèi)的激光源功率，因此出于成本和散熱管理的原因而必須最小化這些光線。由針孔層形成的光學(xué)掩模13以及束成型光學(xué)元件12兩者都使得雜散光最小化并使得激光功率的浪費(fèi)最小化。
如圖所示，光源11提供相對于通道3成約45度角的入射光。按照這個方式，正向散射/消光在通道3的對立側(cè)上沿相同方向擴(kuò)展。如圖所示，正向散射14b的擴(kuò)展方向與通道3成45度角。側(cè)向散射14c的擴(kuò)展方向和入射光成90度，為熒光光學(xué)元件17提供了錐形的機(jī)械自由度170。錐形機(jī)械自由度170在正向散射14b和側(cè)向散射14c之間為檢測器提供了90度的自由視界(unobstructed view)。
圖3示出了貫穿包括一對微通道3a和3b的微流體芯片10的一部分的截面示意圖。該截面為穿過微通道以及掩模13的針孔13a、13b的平面。入射光14被針孔層13部分阻攔，且初始光束14變窄成由各個針孔13a、13b定義的聚焦束18。聚焦束18和各個通道相交以照射其中允許粒子18以常規(guī)核流動(core flow)方式流過的區(qū)域31。許多雜散光被針孔層13阻斷，該針孔層可以與微流體芯片分離，或者可以使用光刻或芯片制造領(lǐng)域技術(shù)人員知道的其它方法將該針孔層制作在芯片的表面上。
該微流體系統(tǒng)包括任何含有用于流過諸如粒子或細(xì)胞物質(zhì)的通道的系統(tǒng)。例如，微流體系統(tǒng)10可以包括粒子分類系統(tǒng)，如在美國專利申請序列號10/179488和10/329008中所描述的粒子分類系統(tǒng)，這兩個專利申請的內(nèi)容在此被引用作為參考。在美國專利申請序列號10/028852、10/027484、10/027516、和10/607287中描述了其它適用的微流體系統(tǒng)，所有這些專利申請在此引用作為參考。
圖4闡述了圖2的光學(xué)檢測系統(tǒng)的示意圖，該圖詳細(xì)地闡述了熒光檢測子系統(tǒng)17的部件。熒光檢測子系統(tǒng)17包括高數(shù)值孔徑(低F#)的會聚透鏡45，該透鏡被配置并放置成捕捉盡可能多的從被照射粒子發(fā)射的光子。透鏡45可以是現(xiàn)貨供應(yīng)的50mm的F#＝1透鏡，且其焦距是市場上可獲得的。一個示例為Leica Noctilux 50mm F#1透鏡。還可以得到更大的透鏡并將其用于成像多層平板。被示成Littrow光柵的色散元件46位于第一會聚透鏡45上。色散元件46根據(jù)具體光束的波長而彎曲該光線。所示Littrow光柵46的直徑為76.2mm，有效面積為73mm。Littrow光柵46每mm具有720個溝槽，在550nm的閃耀角為43.1度(光柵偏離垂直方向的角度)。Littrow角為23.33度，即圖4中550nm的光線被彎曲偏離垂直方向的角度。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會意識到，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)可以使用任何合適的工具以特殊的方式彎曲光線。以Littrow角放置重構(gòu)透鏡47以捕捉來自光柵46的一階衍射光線，并將衍射光線在像平面48內(nèi)重構(gòu)成被照射粒子的圖像。
光纖陣列49從像平面48延伸并將信號傳遞到檢測器50以分析該信號。這些檢測器可以為照相機(jī)或其它合適的裝置。
由于在光路中存在Littrow光柵，被照射的微通道3內(nèi)的粒子被成像到平面48內(nèi)時，長波長光子被傾斜的角度要大于短波長光子被傾斜的角度，使得該粒子在像平面上具有光譜展寬。當(dāng)透鏡45和47使用50mm焦距的透鏡時，波長為500nm到700nm的光子在像平面48內(nèi)的展寬為約7841微米。所示實(shí)施例的光譜分辨率為39.2微米每納米波長。
光學(xué)檢測系統(tǒng)8可用于觀察標(biāo)記有抗體的粒子，其中該抗體結(jié)合到血細(xì)胞計數(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的熒光團(tuán)或其它熒光顆粒標(biāo)記。當(dāng)激發(fā)光波長為488nm時，例如可以使用標(biāo)記有抗體的粒子，該抗體結(jié)合到熒光團(tuán)FITC(異硫氰酸熒光素)、PE(藻紅蛋白)、APC(別藻藍(lán)蛋白)以及PerCP(多甲藻黃素葉綠素蛋白)，這些熒光團(tuán)的峰值熒光發(fā)射分別位于530nm、575nm、630nm、和695nm。分別將來自FITC、PE、APC、和PerCP的光子置于像平面上-784微米、980微米、3136納米、以及5684微米的位置(以550nm為0作為參照)。不透明平板具有400微米的孔洞且在這些孔洞內(nèi)放置了直徑為400微米的光纖，該不透明平板將使各個光纖49具有約為10nm的波長捕捉帶寬。將光纖49置于和理想熒光團(tuán)的峰值發(fā)射相對應(yīng)的位置，可以形成有效和緊湊的多色檢測系統(tǒng)。光纖49的一端位于像平面48內(nèi)，另一端連接到檢測器。在所示實(shí)施例中，光纖的第二端部在和單個陽極相對應(yīng)的位置被耦合到光電管的光陰極窗口(例如Hamamatsu公司生產(chǎn)的單陽極的H6780-20或者32個陽極的H7260-20光電管)，從而放大熒光光信號并將其轉(zhuǎn)換成電信號。也可以使用諸如圖像增強(qiáng)器或雪崩光電二極管陣列或光學(xué)領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的其它光放大檢測器來檢測光信號并將其轉(zhuǎn)換成電信號。
在圖4中，問詢所示通道中的粒子的光纖49位于和微流體芯片內(nèi)通道平面相同的平面內(nèi)。如果在多通道陣列上使用該系統(tǒng)，則其它通道位于所示通道的平面之前或位于所示通道的平面之后。
圖5示出了用于觀察微流體芯片中多個通道的光學(xué)檢測器系統(tǒng)80的透視圖。光學(xué)檢測器系統(tǒng)80還包括針孔陣列13，該針孔陣列阻斷絕大多數(shù)的入射光14并照射微流體芯片六個通道的各個通道3內(nèi)的小檢測區(qū)域2。會聚透鏡、Littrow光柵、和重構(gòu)透鏡的光學(xué)列類似于圖4所示，并可具有相同的透鏡和光柵規(guī)格實(shí)施例。通常，透鏡和光柵組的元件尺寸必須足以在芯片上形成大于檢測區(qū)域(通過針孔被照射的通道的區(qū)域)的尺寸的視場。在像平面48內(nèi)放置了支撐六個陣列490的平板480，每個陣列分別包括四個光纖。放置四個光纖49的各個陣列以采樣從關(guān)聯(lián)通道3發(fā)射的光譜。該陣列的各個光纖置于一個熒光團(tuán)的峰值發(fā)射位置。這里適合使用高數(shù)值孔徑的光纖或有透鏡的光纖，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會明白這一點(diǎn)。
圖6A至6C示出了用于檢測90度角的光學(xué)散射或消光的子系統(tǒng)的實(shí)施例。在本實(shí)施例中，光學(xué)消光柱狀(columnated)檢測器帶63置于通道之間間隔約為500微米的多通道芯片10上。圖6B示出了光學(xué)消光柱狀檢測器帶63的截面，該檢測器帶為這樣的機(jī)械構(gòu)件，鉆孔的直徑為300微米，鉆孔深度小于帶厚度63d，且該機(jī)械構(gòu)件中心之間間距為500微米從而使這些孔與通道間距對齊。在各個孔內(nèi)放置高數(shù)值孔徑光纖65以形成光纖陣列61，其中每個通道置有一個光纖。在各個孔內(nèi)鉆出直徑更小但是與光纖孔63c為同心圓的柱狀孔。該柱狀孔穿過帶連接器63b，允許光線穿過柱狀孔63c并到達(dá)置于直徑更大的軸內(nèi)的光纖65內(nèi)。為了使該子系統(tǒng)工作，入射光68以接近45度角與針孔及通道相交，光學(xué)消光檢測器帶63直接沿著入射光矢量安裝(即與入射光成180度角)，如圖該帶的位置所示。柱化器(Columnator)的孔徑必須超過針孔的孔徑，使得對于被嚴(yán)格柱狀化的入射光來講，所有穿過針孔的光線都可以在柱化器端部的光纖中被檢測到。選擇足夠長的柱化器從而除去來自其它通道的任何雜散光。例如，在一個實(shí)施例中，針孔孔徑為150微米，柱化器直徑為250微米，光纖直徑為300微米，置于2mm的通道內(nèi)的柱化器的長度為1mm。在光纖陣列61的遠(yuǎn)端，各個光纖被附著到光電管或其它光學(xué)檢測器。光學(xué)消光通常是足夠亮的，可以使用光電二極管作為其檢測器。
在圖6C中，第二帶66的構(gòu)造和所描述的第一帶63基本上相同，但第二帶66被置成與入射光成90度角，該角度適用于測量來自細(xì)胞或粒子的90度散射或側(cè)散射信號。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會意識到，可以在其它角度放置類似的帶以觀測其它散射參數(shù)。感興趣的特殊角度為沿幾乎向前方向的光學(xué)散射的所謂正向散射，該向前方向通常靠近直接向前放置(幾乎和入射方向成180度)而無需在消光路徑上采集直通光。
在又一個實(shí)施例中，光源11為Coherent Sapphire 488/200激光器，這是一種體積小、空氣冷卻的固態(tài)裝置，從氣體激光管發(fā)射產(chǎn)生約200mW的激光，且該激光器的噪聲很小或沒有噪聲。備選地，可以使用OPSS(光學(xué)泵浦固態(tài))激光器，這種激光器也能夠產(chǎn)生執(zhí)行監(jiān)視所需的所有不同激發(fā)波長。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會意識到，可以使用任何恰當(dāng)?shù)墓庠础?br> 圖7為適合與本發(fā)明示意實(shí)施例的光學(xué)檢測器一起使用的束成型光學(xué)元件12的一個實(shí)施例的截面圖。在x-z平面內(nèi)繪制該光學(xué)示意圖，其中光傳輸?shù)恼w方向沿z軸。各個虛線向上指向光束的x-y剖面草圖14’，以示出成型光學(xué)元件是如何操縱該光束。該光束在單個激光器11輸出時的截面為直徑700微米的近似圓形，在經(jīng)過低通或帶通濾波器74之后變?yōu)椴ㄩL濾波束。該光束隨后經(jīng)過第一對圓柱準(zhǔn)直透鏡73，該透鏡的焦距為5mm，焦距為250mm，且該透鏡產(chǎn)生基本上為矩形的光束。該光束隨后穿過圓柱透鏡和焦距為150mm的聚焦透鏡71，從而使光束14在y軸上銳化為100微米。本實(shí)施例中經(jīng)過聚焦透鏡71之后的整體剖面圖為36mm乘以100微米，并可用于照射間隔為500微米且多達(dá)70個針孔/通道的針孔陣列13。由于這些針孔在y軸方向小于約100微米，對光束的限制防止了光線的浪費(fèi)。在中心間距500微米的N個針孔芯片上，優(yōu)選地使該光束沿x軸略大于500×N微米，沿y軸為200微米(略大于100微米)，從而使得所浪費(fèi)的激光功率最小化。該柱狀及成型光束隨后與針孔陣列13相交，并變成被分隔以與通道3的匹配陣列相交的N個針孔成型光束78。
圖7的束成型實(shí)施例是非常有用的，可以實(shí)現(xiàn)最小的雜散光和約為10％的可接受的功率效率，鑒于這個設(shè)計可以一次同時觀察來自許多通道的快速(帶寬大于10MHZ)消光、散射、以及熒光。
圖8示出了適用于本發(fā)明光學(xué)檢測系統(tǒng)的基于溝槽反射鏡的反射分束器80。分束器80包括用于將入射光束分裂成多個光束的分段反射鏡83。柱狀入射束82進(jìn)入分束器80，并在入射鏡81上被反射，該入射經(jīng)81被用于設(shè)置光束在分段反射鏡83上的正確入射角(通常為小角度)，該分段反射鏡將入射光束分裂成更小光束的陣列84。該更小光束的陣列84向上延伸，并平行于入射束82。
分段反射鏡83包括反射溝槽的均勻陣列。優(yōu)選地，該均勻陣列包括被各向異性腐蝕的硅。備選地，使用由光學(xué)磨光的傳統(tǒng)方法加工的金屬制作該溝槽的均勻陣列。在另一個實(shí)施例中，在塑料材料中形成該溝槽的均勻陣列，隨后在該溝槽陣列上覆蓋反射涂層。
圖9示出了指導(dǎo)這種分段反射鏡的設(shè)計的角度和公式。入射光束82被反射鏡內(nèi)各個溝槽83a部分修剪，并以固定角度反射被修剪的部分而形成更窄的光束84a。由相鄰的溝槽84b形成第二窄光束84b。各個溝槽之間的間隔為溝槽間距A，分束器產(chǎn)生均勻斑點(diǎn)寬度(假設(shè)溝槽是均勻的)且光束或通道間距為L的光束，其中將該間距L設(shè)計成與微流體芯片內(nèi)的針孔和通道間隔相匹配。
圖10為圖8分束器的實(shí)施例的表格，其中通道間隔L為500微米且使用硅各向異性腐蝕制作這些溝槽(固定的溝槽角度e＝54.74)。該表格指出了選定斑點(diǎn)尺寸的恰當(dāng)?shù)姆瓷溏R配置。例如，100微米斑點(diǎn)尺寸適合于小于100微米的針孔，對應(yīng)于A＝575微米的溝槽間距、G＝29.7度的溝槽傾角、以及I＝25度的入射角。
圖11示出了適合用于光學(xué)檢測器系統(tǒng)的束成型子系統(tǒng)112的實(shí)施例。該示意性束成型子系統(tǒng)112在采用了與參考圖7所描述的束成型光學(xué)元件12相似的束成型光學(xué)元件12之后的最后階段利用了諸如圖8分段反射鏡的分段反射鏡80。
備選實(shí)施例包括在各個微流體芯片上制作針孔陣列13，而不是將該陣列分離地安裝在該光學(xué)系統(tǒng)上。
在圖4和圖5的像平面中所使用的光纖陣列的檢測器的備選實(shí)施例則是將圖像增強(qiáng)器放置在該平面內(nèi)并將光纖置于圖像增強(qiáng)器之后以讀出在其熒光粉上產(chǎn)生的光信號。通過對所有熒光信號只使用一個光放大元件(圖像增強(qiáng)器)，并使用光電二極管將圖像增強(qiáng)器之后的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，這種備選可以降低成本。
圖12示出了標(biāo)準(zhǔn)Hamamatsu圖像增強(qiáng)器220的圖像，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將會意識到，在本備選中可以使用具有高空間分辨率的任何大面積光放大元件。圖像增強(qiáng)器220用于在將信號傳送到光電二極管陣列或任何其它合適的檢測裝置之前放大光學(xué)圖像的強(qiáng)度。如圖所示，該圖像增強(qiáng)器包括圖像信號的輸入窗口221、用于將光轉(zhuǎn)變成光電子的諸如光陰極222的光敏電子發(fā)射器、用于電子倍增的MCP 223、用于將電子轉(zhuǎn)換成光的熒光屏224、以及被示成纖維光學(xué)面板(fiber optic plate)的輸出窗口225。根據(jù)一示意實(shí)施例，圖像增強(qiáng)器可以包括25mm-40mm的Hamamatsu圖像增強(qiáng)器，盡管本領(lǐng)域技術(shù)人員將會意識到可以使用任何合適的裝置。
束成型子系統(tǒng)12和熒光檢測子系統(tǒng)17兩者的備選實(shí)施例包括短通或長通或波長帶通或帶阻濾波器，從而在熒光檢測系統(tǒng)中消除雜散或亂真(spurious)源光，或者從光源11發(fā)射的光線中除去雜散或亂真波長分量。
消光和散射檢測器15、16的一個備選實(shí)施例為，在系統(tǒng)中添加一獨(dú)立的激光功率監(jiān)視器，用于歸一化這些信號。這一點(diǎn)是有用的，這是因?yàn)槟切┬盘柖己图す夤β食烧?，因此激光上的噪聲會使這些信號失真。
和檢測器15、16、及17一起使用的光纖陣列的一個備選實(shí)施例為，使用光電二極管或雪崩光電二極管陣列或其它光學(xué)檢測器陣列替代各個光纖陣列。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會意識到，在這里可以采用備選檢測器，只要這些檢測器匹配樣品的亮度級要求以及將使用的具體芯片實(shí)施例的波形系數(shù)要求。
分束器的備選實(shí)施例可以使用反射溝槽陣列，其中可以通過各向異性地腐蝕結(jié)晶材料或者通過對金屬的傳統(tǒng)加工或者形成塑料并隨后進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)拋光或涂敷反射涂層而制造該反射溝槽陣列。
在本發(fā)明的所有實(shí)施例中，針孔陣列通常在間距上和微流體通道匹配。當(dāng)在束成型光學(xué)元件中使用反射分束器時，該分束器還必須和針孔匹配。
盡管最簡單的實(shí)施方法使用了均勻地陣列排列的通道和均勻地陣列排列的針孔以及分束中可能均勻地陣列排列的溝槽，但本發(fā)明并沒有這些要求，相似的實(shí)施例可設(shè)計成使用不規(guī)則的通道間隔或圖形。
熒光檢測子系統(tǒng)A7的一個備選實(shí)施例為，在像平面(3-5)，(2-8)之前或之后添加窄帶通濾波器。該平面內(nèi)400微米的光纖將捕捉10nm的帶寬。添加10nm或5nm的帶通濾波器將在某些情形中改善靈敏度并降低噪聲。
已經(jīng)參考示例實(shí)施例描述了本發(fā)明。由于不離開本發(fā)明的范圍可以對上述構(gòu)造進(jìn)行特定的改變，因此上述描述或附圖中所示的所有事物都應(yīng)被理解成是闡述性質(zhì)的而非限制性質(zhì)。
還應(yīng)了解到，下述權(quán)利要求書將覆蓋這里所描述的本發(fā)明的所有一般特征和具體特征，對本發(fā)明范圍的所有表述都落在下述權(quán)利要求書的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于觀察微流體系統(tǒng)的光學(xué)檢測系統(tǒng)，該微流體系統(tǒng)包含用于傳輸粒子或分子的通道陣列，該光學(xué)檢測系統(tǒng)包括用于產(chǎn)生光束的光源；用于聚焦該光束的一組束成型光學(xué)元件；針孔陣列，每個針孔和微流體系統(tǒng)內(nèi)所述通道陣列內(nèi)的微流體通道相匹配和關(guān)聯(lián)；至少一個列狀檢測器帶，用于檢測該光束通過所述針孔之一穿過所述通道之一后形成的光學(xué)消光、前向散射和側(cè)面散射之一；以及高數(shù)值孔徑的熒光檢測器，用于接收當(dāng)任一所述通道陣列中的粒子和所述光束相互作用時該粒子產(chǎn)生的光信號。
2.一種使用反射分束器將單個入射光束形成為間距受控的更小光束陣列的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括反射溝槽的均勻陣列；以及用于以選定的角度將反射溝槽陣列呈現(xiàn)給入射束的定位器。
3.一種用于對包括傳輸粒子的微流體通道陣列的微流體系統(tǒng)進(jìn)行問詢的光學(xué)檢測系統(tǒng)，該光學(xué)檢測系統(tǒng)包括用于產(chǎn)生光束的光源；包括反射分束器的一組束成型光學(xué)元件，用于將該光束分裂成多個輔助光束；和該微流體系統(tǒng)內(nèi)的微流體通道陣列相匹配的針孔陣列，其中該束成型光學(xué)元件將各個所述多個輔助光束引導(dǎo)穿過所述針孔之一。
4.一種用于觀察微流體系統(tǒng)的光學(xué)檢測系統(tǒng)，其中該微流體系統(tǒng)含有傳輸粒子或分子的通道，該光學(xué)檢測系統(tǒng)包括用于產(chǎn)生光束的光源；用于聚焦該光束的一組束成型光學(xué)元件；和該微流體通道相匹配的針孔陣列，其中該組束成型光學(xué)元件使該光束穿過所述針孔陣列；至少一個列狀檢測器帶；以及高數(shù)值孔徑的熒光檢測器，用于同時問詢該微流體系統(tǒng)內(nèi)的多個通道并同時檢測三個熒光波段。
5.一種用于觀察微流體系統(tǒng)的光學(xué)檢測系統(tǒng)，其中該微流體系統(tǒng)包括傳輸粒子或分子的通道，該光學(xué)檢測系統(tǒng)包括用于產(chǎn)生光束的光源；用于聚焦該光束的一組束成型光學(xué)元件；和該微流體系統(tǒng)的通道相連通的針孔；以及高數(shù)值孔徑的熒光檢測器，用于同時問詢該微流體系統(tǒng)內(nèi)的多個通道并使用圖像增強(qiáng)器作為光學(xué)放大元件。
6.一種用于觀察微流體系統(tǒng)的光學(xué)檢測系統(tǒng)，其中該微流體系統(tǒng)包括用于傳輸粒子或分子的通道，該光學(xué)檢測系統(tǒng)包括一個或多個激光，該激光通過只在斑點(diǎn)位置開口的掩模而照射一空間擴(kuò)展斑點(diǎn)陣列；第一高數(shù)值孔徑透鏡，該透鏡被置成立刻捕捉來自整個空間擴(kuò)展斑點(diǎn)陣列的光線；光譜分離元件，用于接收和彎曲來自第一透鏡的光線；第二高數(shù)值孔徑透鏡，用于捕捉被該光譜分離元件彎曲的光線并將所捕捉的光線成像到第二針孔陣列；位于第二針孔陣列之后的圖像增強(qiáng)器，用于檢測和放大穿過該針孔陣列的光線；以及光電二極管檢測器陣列，用于捕捉和轉(zhuǎn)換來自圖像增強(qiáng)器的光線。
7.權(quán)利要求6的檢測器，進(jìn)一步包括耦合到該光電二極管檢測器以采集來自該光電二極管檢測器的電子輸出的電子數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
8.權(quán)利要求6的檢測器，進(jìn)一步包括置于所述斑點(diǎn)陣列和圖像增強(qiáng)器之間的激光波段閉塞濾波器。
9.權(quán)利要求6的檢測器，其中該檢測器能夠放大來自空間擴(kuò)展多個斑點(diǎn)的且持續(xù)時間小于一毫秒的低強(qiáng)度光譜，并能夠?qū)⒃摴庾V轉(zhuǎn)換成電信號。
10.一種光學(xué)系統(tǒng)，包括光源，用于產(chǎn)生穿過待監(jiān)視對象的光束；透鏡，用于捕捉來自該光源的光線；以及包括光放大元件的檢測器，用于檢測光信號并將所述光信號轉(zhuǎn)換成電信號。
11.權(quán)利要求10的光學(xué)系統(tǒng)，其中該光放大元件包括光電管陣列。
12.權(quán)利要求10的光學(xué)系統(tǒng)，其中該光放大元件包括耦合到光電二極管檢測器陣列的基于多通道平板的圖像增強(qiáng)器。
全文摘要
用于采集來自空間通道陣列的快速光譜的光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)包括用于產(chǎn)生光束的光源，其中該光束穿過待監(jiān)視的微流體芯片或通道；一個或多個透鏡或光纖，用于捕捉該光源和該微流體通道中的粒子或化學(xué)物質(zhì)相互作用后形成的光線；以及一個或多個檢測器。該檢測器可包括光放大元件，且檢測器檢測各個光信號并將該光信號轉(zhuǎn)換成電信號。每個代表光信號強(qiáng)度的該電信號從各個檢測器傳遞到電子數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于分析。該一個或多個光放大元件可以包括光電管陣列、多陽極光電管、或耦合光電二極管檢測器陣列的基于多通道平板的圖像增強(qiáng)器。
文檔編號G01N21/00GK101072997SQ200480030084
公開日2007年11月14日 申請日期2004年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月14日
發(fā)明者J·R·吉爾伯特, E·辛諾夫斯基, M·德什潘德 申請人:塞通諾米公司