專利名稱：具有集成透鏡的波導(dǎo)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于樣品照明的波導(dǎo)。更明確言之，本發(fā)明涉及緊鄰折射體積的平面波導(dǎo)。
背景技術(shù)：
經(jīng)熒光標(biāo)記的探針提供一種判別生物樣品的含量特征的便利方法。藉由調(diào)節(jié)熒光探針的結(jié)合化學(xué)，可達(dá)成用于復(fù)雜分子，諸如RNA、DNA、蛋白質(zhì)及細(xì)胞結(jié)構(gòu)的檢測(cè)的高專一性。由于熒光團(tuán)通常吸收及再發(fā)射斯托克斯位移輻射而不管熒光團(tuán)是結(jié)合或未結(jié)合至待檢測(cè)物質(zhì)，因此必須分離已結(jié)合熒光團(tuán)與未結(jié)合熒光團(tuán)。從未結(jié)合熒光團(tuán)分離已結(jié)合熒光團(tuán)的一種常見方法依賴熒光標(biāo)記的物質(zhì)的空間定位。例如，在“夾心免疫檢驗(yàn)”中，化學(xué)處理表面以將待檢測(cè)物質(zhì)結(jié)合至該表面。熒光探針其后附接至已結(jié)合至該表面的該物質(zhì)。其后可利用洗滌步驟從系統(tǒng)移除未結(jié)合熒光團(tuán)。若可將激發(fā)光限制于該表面，則可進(jìn)一步減少背景熒光。全內(nèi)反射熒光(TIRF)是減少背景熒光的一種方法。大體而言，當(dāng)光自一種介質(zhì)傳播至另一種介質(zhì)時(shí)，界面處將反射該光的一部分。然而，若光傳播進(jìn)入具較低光學(xué)折射率的材料，則當(dāng)光束入射于表面上的角度(相對(duì)于表面法線)大于“臨界角”時(shí)，將反射所有光。在較低折射率材料中，光強(qiáng)度隨著離表面的距離而呈指數(shù)衰減。此指數(shù)衰減場(chǎng)，稱為“倏逝場(chǎng)”，對(duì)可見光具有100納米至1 微米數(shù)量級(jí)的特征衰減長(zhǎng)度。因此，倏逝場(chǎng)的光僅激發(fā)定位于表面處的熒光團(tuán)。在一簡(jiǎn)化實(shí)施方案中，利用自表面反射一次的激光光束執(zhí)行TIRF。此是已為人接受的TIRF顯微術(shù)及其他生物感測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)。然而，藉由將激光光束限制于波導(dǎo)內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)多次反射且可照亮較大區(qū)域。若干波導(dǎo)幾何形狀是可行的，各自具有特定折衷。單模平面波導(dǎo)，亦稱為薄膜波導(dǎo)或集成光學(xué)波導(dǎo)，將光限制于具有小于傳播光的波長(zhǎng)的薄尺寸的小橫截面區(qū)域中。單模波導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)在于產(chǎn)生明顯較強(qiáng)的倏逝場(chǎng)。單模波導(dǎo)的缺點(diǎn)在于為達(dá)成有效光耦合，單模波導(dǎo)通常需要具有精確對(duì)準(zhǔn)容限的棱鏡或光柵。另外， 單模平面波導(dǎo)制造昂貴，因?yàn)閷?dǎo)引層通常為沉積于基底上具有嚴(yán)格厚度容限的薄膜。相比之下，多模平面波導(dǎo)比單模平面波導(dǎo)實(shí)質(zhì)上更容易耦合激光光束且更易于建構(gòu)。例如，標(biāo)準(zhǔn) 1毫米厚顯微鏡載玻片可用作有效波導(dǎo)，可經(jīng)由載玻片邊緣將光耦合至該有效波導(dǎo)。另外，多模波導(dǎo)的尺寸是與當(dāng)前塑料注射成型技術(shù)相容。對(duì)于基于熒光的檢驗(yàn)系統(tǒng)，期望檢測(cè)區(qū)域中有均勻倏逝場(chǎng)。根據(jù)定義，對(duì)于單模平面波導(dǎo)，倏逝場(chǎng)強(qiáng)度沿光傳播方向是均勻的(忽略波導(dǎo)內(nèi)部的散射損耗及吸收)。然而，對(duì)于可棄式臨床器件，成本、穩(wěn)健性及使用容易性是同樣重要的。藉由調(diào)整多模波導(dǎo)的輸入耦合，可最佳化均勻性及場(chǎng)強(qiáng)度。雖然多模波導(dǎo)中的每一個(gè)別模式沿傳播方向具有均勻強(qiáng)度，但是當(dāng)耦合至多模波導(dǎo)時(shí)可激發(fā)模式分布；此模式分布將于表面上相長(zhǎng)干涉及相消干涉且導(dǎo)致空間上變化的場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)波導(dǎo)厚度遠(yuǎn)大于光波長(zhǎng)時(shí)，可忽略波導(dǎo)的模式結(jié)構(gòu)，且波導(dǎo)中的強(qiáng)度可被處理作為自波導(dǎo)兩個(gè)表面全內(nèi)反射且與相鄰反射相干涉的習(xí)慣衍射光束。圖1示出包括多模波導(dǎo)的既有耦合方案105-115的若干例子。使用多模波導(dǎo)120 的耦合方案105包括利用柱面透鏡130而將平行于波導(dǎo)120傳播的激光光束125聚焦于波導(dǎo)120的邊緣中。然而，對(duì)于以臨界角入射的光束，IlR光束的場(chǎng)強(qiáng)度是最大的，且對(duì)于具有與表面法線成90°的入射角的光束(即，掠入射)，IlR光束的場(chǎng)強(qiáng)度為零。因此，在方案105的配置中，平行于IlR表面的入射光束當(dāng)利用柱面透鏡130耦合至波導(dǎo)120時(shí)將具有小倏逝場(chǎng)強(qiáng)度。藉由耦合方案110示出耦合方案105的變型。在方案110中，由柱面透鏡140聚焦的激光光束135是以適當(dāng)角度入射于波導(dǎo)145的邊緣上，使得光束135的中心光線在波導(dǎo)內(nèi)以接近于TIR臨界角照射在該于表面上以使倏逝場(chǎng)強(qiáng)度最大化。藉由選擇聚焦光學(xué)器件可實(shí)現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)度與均勻性之間的折衷。若使用近準(zhǔn)直光束以藉由接近于IlR臨界角地操作而達(dá)成高場(chǎng)強(qiáng)度，則在表面強(qiáng)度變得充分均勻之前必須使光束在波導(dǎo)內(nèi)進(jìn)行多次反射，因此需要較長(zhǎng)的波導(dǎo)。然而，若光束是高度聚焦的，則表面強(qiáng)度以極少次反射而正規(guī)化，但以臨界角之外的角度傳播的光線中含有大量能量，且導(dǎo)致倏逝場(chǎng)強(qiáng)度沿波導(dǎo)長(zhǎng)度而降低。必須使柱面透鏡，諸如透鏡130與140，分別相對(duì)于波導(dǎo)，諸如波導(dǎo)120與145的輸入面精確對(duì)準(zhǔn)，以使激光光束聚焦于輸入面上。藉由耦合方案115示出對(duì)此問題提出的一個(gè)解決方案。在耦合方案115中，例如，藉由將透鏡元件結(jié)合至平面波導(dǎo)或藉由模制單一光學(xué)組件而使透鏡150與波導(dǎo)1 55合并為單一光學(xué)組件。雖然此使得透鏡150的焦點(diǎn)恰好遠(yuǎn)離波導(dǎo)155的邊緣，仍必須將激光光束160與波導(dǎo)155的透鏡150精細(xì)對(duì)準(zhǔn)以將光束 160耦合至波導(dǎo)155。對(duì)于需要相對(duì)于光源重復(fù)放置波導(dǎo)組件的應(yīng)用，非常期望使光耦合對(duì)失準(zhǔn)相對(duì)不敏感。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例容許將光耦合至平面波導(dǎo)，該平面波導(dǎo)提供用于樣品照明的強(qiáng)倏逝場(chǎng)，同時(shí)消除或大幅減少使用者的疏忽失準(zhǔn)。本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)一步容許容易地調(diào)諧波導(dǎo)內(nèi)部的內(nèi)傳播角，提供倏逝場(chǎng)強(qiáng)度的簡(jiǎn)單調(diào)整。本發(fā)明的實(shí)施例亦提供用于執(zhí)行檢驗(yàn)的裝置，該執(zhí)行檢驗(yàn)包括以對(duì)流體室的光學(xué)性質(zhì)不敏感的方式將該流體室放置在平面波導(dǎo)上。在所主張的實(shí)施例中，公開一種用于照亮樣品以供分析的裝置。該裝置包含光源、 平面波導(dǎo)及折射體積。該光源沿傳播向量提供光。該平面波導(dǎo)被取向，使得該傳播向量垂直于該平面波導(dǎo)的法線向量且沿平行于平面波導(dǎo)的法線向量的方向自該平面波導(dǎo)偏移。定位成緊鄰該平面波導(dǎo)的該折射體積使由該光源提供的光耦合至該平面波導(dǎo)。另一所主張的實(shí)施例說明一種用于執(zhí)行樣品分析的方法。自光源沿傳播向量提供光。利用該光照亮被定位成緊鄰平面波導(dǎo)的折射體積。該波導(dǎo)被定向使得該傳播向量垂直于該平面波導(dǎo)的法線向量且沿平行于該平面波導(dǎo)的法線向量的方向自該平面波導(dǎo)偏移。其后經(jīng)由該折射體積使光耦合至該平面波導(dǎo)。在另一所主張的實(shí)施例中，公開一種用于執(zhí)行生物檢驗(yàn)的裝置。該裝置包含光源、 平面波導(dǎo)、折射體積和檢測(cè)器。該光源沿傳播向量提供光。該平面波導(dǎo)具有結(jié)合至它的面的多個(gè)特定結(jié)合分子。該平面波導(dǎo)可進(jìn)一步具有結(jié)合至該平面波導(dǎo)的該面的兩個(gè)或兩個(gè)以上不同特定結(jié)合分子的陣列。另外，該平面波導(dǎo)的光軸被定向成平行于該傳播向量且沿垂直于該平面波導(dǎo)的面的方向自該傳播向量偏移。該折射體積使由該光源提供的光光學(xué)耦合至該平面波導(dǎo)，且該折射體積被定位成緊鄰該平面波導(dǎo)。該折射體積包含平凸柱面透鏡的至少一區(qū)段。該檢測(cè)器被定位以檢測(cè)自一區(qū)域發(fā)射的光，該區(qū)域是緊鄰結(jié)合有該多個(gè)特定結(jié)合分子的該平面波導(dǎo)的該面。


圖1示出包括多模波導(dǎo)的既有耦合方案的若干例子。圖2示出描述示例性實(shí)施例的通用配置。圖3示出具有集成透鏡的示例性波導(dǎo)的橫截面視圖。圖4提供圖3中所描繪的具有集成透鏡的波導(dǎo)的詳細(xì)橫截面視圖。圖5是示出具有集成透鏡的示例性波導(dǎo)的等斜(cavalier)投影視圖。圍6是示出具有多通道的示例性墊片的等斜投影視圖。圖7是用于執(zhí)行樣品分析的示例性方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式本技術(shù)的實(shí)施例基于倏逝場(chǎng)使用一種包括具有集成透鏡的波導(dǎo)的裝置來提供樣品照明，諸如熒光檢測(cè)及檢驗(yàn)中所涉及的樣品照明。該裝置的總配置可使得結(jié)合至波導(dǎo)表面的發(fā)熒光分子受倏逝場(chǎng)激發(fā)而從在波導(dǎo)內(nèi)傳播的光束滲入相鄰溶液中，該傳播光束是由成一體地連接的透鏡引入。準(zhǔn)直光束，諸如激光光束，可平行于波導(dǎo)表面?zhèn)鞑?，使得系統(tǒng)對(duì)波導(dǎo)平移不敏感。入射光束亦可自波導(dǎo)光軸適當(dāng)偏移，使得透鏡表面處的光折射以接近于 TIR臨界角的角度將光束引導(dǎo)至波導(dǎo)中。另外，可將第二集成柱面透鏡添加至波導(dǎo)輸出瑞。 此可有利于使第二激光沿相反方向耦合，諸如用于多色彩熒光檢驗(yàn)。該裝置亦可將流體室結(jié)合至平面波導(dǎo)，使得該室與該平面波導(dǎo)的接觸是在傳播光的光學(xué)路徑以外，消除對(duì)包括該室的材料的光學(xué)性質(zhì)的限制，在一些先前配置中，流體室利用低折射率材料，該材料經(jīng)機(jī)械夾緊而與平面波導(dǎo)接觸以限制波導(dǎo)/室接觸區(qū)域處的光學(xué)損耗。藉由使波導(dǎo)/室接觸自光學(xué)路徑分離，可使用傳統(tǒng)結(jié)合方法，諸如粘著劑或塑料焊接，以將該室附接至波導(dǎo)。此外，流體室可包括第二平面波導(dǎo)或部分由第二平面波導(dǎo)形成， 其中該流體室被安置于兩個(gè)平面波導(dǎo)之間。在此類安排中，可將光耦合至兩個(gè)平面波導(dǎo)以及由該流體室形成的體積。圖2示出描述示例性實(shí)施例的通用配置200。該配置200包含光源205、折射體積210及平面波導(dǎo)215。光源205可包含沿傳播向量220提供光的激光器或任何其他準(zhǔn)直或近準(zhǔn)直光源。將折射體積210定位成緊鄰平面波導(dǎo)215。折射體積210與平面波導(dǎo)215之間的折射率可能缺乏不連續(xù)性。例如，折射體積210可利用占據(jù)兩者之間任何間隙的折射率匹配流體而緊鄰或緊靠平面波導(dǎo)215?；蛘?，折射體積210可與平面波導(dǎo)21 5集成為單一單元或物件。將平面波導(dǎo)215定向成使得傳播向量220垂直于平面波導(dǎo)215的法線向量 225。此外，平面波導(dǎo)在平行于平面波導(dǎo)215的法線向量225的方向上具有偏移230。圖3示出根據(jù)一實(shí)施例的具有集成透鏡310的波導(dǎo)305的示例性橫截面視圖300。 另外，視圖300描繪準(zhǔn)直光束315，諸如具有適于激發(fā)檢驗(yàn)表面320處的熒光探針的波長(zhǎng)的激光光束。具有相關(guān)透鏡310的平面波導(dǎo)305被配置以通過平面波導(dǎo)305的底部注入激發(fā)光315。流槽可將所期望目標(biāo)化合物結(jié)合至表面，該流槽包括密封機(jī)構(gòu)，諸如墊片325 ；輸入口 330 ；輸出口 335及流體樣品室340，在流體樣品室340中于波導(dǎo)頂鄰表面320上沉積化學(xué)化合物。集光與濾光光學(xué)器件345可捕獲來自波導(dǎo)頂部表面320的熒光。其后將該熒光信號(hào)引導(dǎo)至成像器件350，諸如CCD或CMOS相機(jī)。此外，該流槽的頂部、底部和/或壁可用作沉積化合物的表面。值得注意的是，流體樣品室340可包括類似于波導(dǎo)305的第二平面波導(dǎo)或部分由類似于波導(dǎo)305的第二平面波導(dǎo)形成，使得流體樣品室340被安置于該兩個(gè)平面波導(dǎo)之間。 在此類配置中，可將光耦合至兩個(gè)平面波導(dǎo)及由流體樣品室340形成的體積。本文所描述的原理同樣適用于具有多個(gè)平面波導(dǎo)的配置。圖4提供具有集成透鏡310的波導(dǎo)305的詳細(xì)橫截面視圖400。作為進(jìn)一步參考， 圖5是示出具有集成透鏡310的示例性波導(dǎo)305的等斜投影視圖500。返回參考圖4，準(zhǔn)直光束315沿平行于或幾乎平行于平面波導(dǎo)305的光軸的方向傳播，但自該光軸偏移使得該準(zhǔn)直光束315照射在柱面透鏡310的彎曲表面。對(duì)于其中波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是可拆卸可消耗物品的臨床儀器，此幾何形狀可放寬將準(zhǔn)直光315可重現(xiàn)地耦合至波導(dǎo)305所需的位置容限。如圖4中所示出，光315以相對(duì)于透鏡310的局部表面法線成一非零角度α。照射在透鏡310 的彎曲表面上。由于斯涅耳(Snell)定律所闡釋的折射，光束315發(fā)生折射使得其以相對(duì)于波導(dǎo) 305的光軸成一角度β照射在波導(dǎo)305的頂部表面。將角度β定義為內(nèi)傳播角。選擇光束315的中心與柱面透鏡310的頂點(diǎn)之間的垂直距離y，使得β小于容許發(fā)生全內(nèi)反射的臨界角的余角。對(duì)于透鏡310的彎曲表面的給定半徑R及柱面透鏡310的折射率η，由以下方程式使距離1與角度β相關(guān)聯(lián)
權(quán)利要求
1.一種用于照亮樣品以供分析的裝置，該裝置包括光源，用于沿傳播向量提供光；平面波導(dǎo)，被定向使得該傳播向量垂直于該平面波導(dǎo)的法線向量且沿平行于該平面波導(dǎo)的該法線向量的方向自該平面波導(dǎo)偏移；及折射體積，用于將由該光源提供的光光學(xué)耦合至該平面波導(dǎo)，該折射體積被定位成緊鄰該平面波導(dǎo)。
2.如權(quán)利要求1的裝置，其中該光源平行于該平面波導(dǎo)的光軸的相對(duì)平移是與由該光源提供的該光至該平面波導(dǎo)的光學(xué)耦合無關(guān)。
3.如權(quán)利要求1的裝置，其中光在該平面波導(dǎo)中的內(nèi)傳播角是藉由沿平行于該平面波導(dǎo)的該法線向量的方向相對(duì)平移該光源而調(diào)諧。
4.如權(quán)利要求1的裝置，其中該平面波導(dǎo)具有結(jié)合至它的面的多個(gè)捕獲分子。
5.如權(quán)利要求1的裝置，進(jìn)一步包括檢測(cè)器，該檢測(cè)器被定位以檢測(cè)自緊鄰該平面波導(dǎo)的面的區(qū)域發(fā)射的光。
6.如權(quán)利要求1的裝置，其中該折射體積包括平凸柱面透鏡的至少一區(qū)段。
7.如權(quán)利要求1的裝置，其中該光源包含激光、白色光源或發(fā)光二極管中的一種或多種。
8.如權(quán)利要求1的裝置，其中該折射體積被塑形以使光學(xué)像差最小化。
9.如權(quán)利要求1的裝置，其中該平面波導(dǎo)及該折射體積被集成為單一物品。
10.如權(quán)利要求1的裝置，其中該折射體積與該平面波導(dǎo)之間的折射率缺乏不連續(xù)性。
11.如權(quán)利要求1的裝置，進(jìn)一步包括流體室，該流體室的第一側(cè)是緊靠該平面波導(dǎo)結(jié)合有多個(gè)捕獲分子的面。
12.如權(quán)利要求11的裝置，其中至少部分由該平面波導(dǎo)結(jié)合有該多個(gè)特定結(jié)合分子的該面及該流體室界定的區(qū)域形成生物樣品貯槽。
13.如權(quán)利要求11的裝置，其中該流體室進(jìn)一步包括第二平面波導(dǎo)。
14.如權(quán)利要求13的裝置，其中該折射體積被配置用于將光光學(xué)耦合至該平面波導(dǎo)及該第二平面波導(dǎo)中，使得導(dǎo)引的光照亮安置于該平面波導(dǎo)與該第二平面波導(dǎo)之間的該體積。
15.一種用于執(zhí)行樣品分析的方法，該方法包括自光源沿傳播向量提供光；利用該光照亮被定位成緊鄰平面波導(dǎo)的折射體積；及經(jīng)由該折射體積將該光耦合至該平面波導(dǎo)，該波導(dǎo)被定向使得該傳播向量垂直于該平面波導(dǎo)的該法線向量且沿平行于該平面波導(dǎo)的該法線向量的方向自該平面波導(dǎo)偏移。
16.如權(quán)利要求15的方法，進(jìn)一步包括藉由沿平行于該平面波導(dǎo)的該法線向量的方向平移該光源而調(diào)諧由該光源提供的該光至該平面波導(dǎo)的光學(xué)耦合。
17.如權(quán)利要求15的方法，進(jìn)一步包括在平行于該平面波導(dǎo)的該光軸平移該光源的同時(shí)，維持由該光源提供的該光至該平面波導(dǎo)的一致光學(xué)耦合。
18.如權(quán)利要求15的方法，進(jìn)一步包括將生物樣品定位于貯槽中，該貯槽是至少部分由該平面波導(dǎo)的面形成。
19.如權(quán)利要求15的方法，進(jìn)一步包括檢測(cè)從緊鄰該平面波導(dǎo)的面的區(qū)域發(fā)射的光。
20. 一種用于執(zhí)行生物化學(xué)檢驗(yàn)的裝置，該裝置包括 光源，用于沿傳播向量提供光平面波導(dǎo)，具有結(jié)合至它的面的多個(gè)捕獲分子，該平面波導(dǎo)的光軸被定向成平行于該傳播向量且沿垂直于該平面波導(dǎo)的面的方向自該傳播向量偏移；折射體積，用于將由該光源提供的光光學(xué)耦合至該平面波導(dǎo)，該折射體積被定位成緊鄰該平面波導(dǎo)且包括平凸柱面透鏡的至少一區(qū)段，該折射體積的縱軸被定向成垂直于該平面波導(dǎo)的該光軸；及檢測(cè)器，該檢測(cè)器被定位以檢測(cè)自一區(qū)域發(fā)射的光，該區(qū)域緊鄰該平面波導(dǎo)結(jié)合有該多個(gè)捕獲分子的該面。
全文摘要
可使用包含光源、平面波導(dǎo)及折射體積的裝置照亮樣品以供分析。該光源沿傳播向量提供光。該平面波導(dǎo)被定向使得該傳播向量垂直于該平面波導(dǎo)的法線向量且沿平行于該平面波導(dǎo)的法線向量的方向自該平面波導(dǎo)偏移。該折射體積被定位成緊鄰該平面波導(dǎo)且可將由該光源提供的光光學(xué)耦合至該平面波導(dǎo)。
文檔編號(hào)G02B6/10GK102365566SQ201080014792
公開日2012年2月29日 申請(qǐng)日期2010年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月2日
發(fā)明者C·米亞特, K·沃格爾, K·莫爾, M·德萊尼, M·洛克黑德 申請(qǐng)人:精密光子學(xué)公司