專利名稱：旋轉(zhuǎn)平臺上的生物芯片熒光圖象的讀取的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及獲得固體基底(substrate)上的生物介質(zhì)(media)的熒光圖象的方法。亦即，本發(fā)明涉及生物芯片讀取器的設(shè)計和性能的改進。更具體地說，本發(fā)明涉及生物芯片讀取器中產(chǎn)生和收集熒光的光學拾取(pickup)單元。本發(fā)明的特別之處是在于旋轉(zhuǎn)平臺上的生物介質(zhì)的圖象的采集。本發(fā)明的另一特別之處在于通過采用激光器/檢測器陣列和小型掃描器來進一步使FOPU實現(xiàn)小型化。
被稱為“生物學史上劃時代工程”的人類基因圖譜測試將于今年年中完成?；蛐畔⒑褪褂脤⒊蔀楝F(xiàn)代醫(yī)學的標志。全世界生物科學家在全力以赴研究和應(yīng)用基因功能，基因組序列變異，基因序列變化與疾病的關(guān)系。人類基因信息解讀和使用將成為現(xiàn)代醫(yī)學的標志?；蛐酒夹g(shù)將成為診斷、監(jiān)測和治療遺傳和傳染疾病例如癌癥、肺結(jié)核、肝炎、艾滋病和許多其他疾病的主要手段。隨著人類基因組即將被完全解讀，生物芯片的普及使用將使研究人員和醫(yī)生能以比以往更快速、更高效的方式分析大量的基因信息，從而可以檢測與治療多種疾病，生產(chǎn)出有效的藥品，研制抗病蟲害的農(nóng)產(chǎn)品等等。
常規(guī)的臨床測試受處理速度和效率的限制，而生物芯片依靠并行處理方式提供了快速而可靠的精確方法?？梢詫⒃\斷生物芯片設(shè)計為能同時測試多個病人及多種疾病。生物芯片在按標準協(xié)議處理過后，可進入專用的掃描儀進行分析。典型的生物芯片讀取器是一個共焦熒光顯微鏡系統(tǒng)，發(fā)光源由一個或數(shù)個離子激光器構(gòu)成，光接收機構(gòu)包括由高靈敏度的接收器和光學濾光器構(gòu)成的光學拾取單元以及由透鏡和反射鏡組成的聚焦機構(gòu)。激光束由物鏡聚焦在生物芯片上以激發(fā)熒光，在生物芯片上產(chǎn)生的熒光經(jīng)物鏡收集后，通過小孔聚焦，再經(jīng)過濾光器后被光電倍增管(PMT)所記錄。通過兩個檢流計式鏡進行掃描或?qū)⑸镄酒旁陔妱訖C驅(qū)動(motorized)的平臺上即可實現(xiàn)兩維熒光成象。
這許多部件使得傳統(tǒng)的生物芯片讀取器尺寸龐大、笨重而且昂貴。因此，盡管它有其相當高的優(yōu)越性，但以前的技術(shù)中仍存在前述的和其他固有的缺陷。
本發(fā)明的目的之一就是改進用于熒光檢測的光學讀取器。
本發(fā)明的第二個目的是專為熒光光學拾取單元而提出的改進。
第三個目的是通過消除光學濾光器來簡化讀取頭。
第四個目的是提供一種在旋轉(zhuǎn)載片盤(disc cartridge)上裝載多個生物芯片的方法。
第五個目的是提供一種簡化的生物芯片熒光讀取器，該讀取器具有重量輕、無移動構(gòu)件及便攜式等特點。
最后一個目的是提供如上所述的裝置和改進，以大大地降低生物芯片讀取器的成本。
為了達到本發(fā)明的期望目的，提供了一種用于獲得固體基底上的生物介質(zhì)的熒光圖象的熒光光學拾取單元，它包括用于產(chǎn)生使所述生物介質(zhì)發(fā)出熒光的至少一束激勵光的至少一個第一裝置；用于使來自所述至少一個第一裝置的所述至少一束激勵光指向所述生物介質(zhì)的第二裝置；用于把來自所述第二裝置的光會聚到所述生物介質(zhì)上并使來自所述生物介質(zhì)的光透過的第三裝置；用于根據(jù)波長，阻擋透過所述第三裝置從生物介質(zhì)反射的激勵光，并根據(jù)波長分離所述生物介質(zhì)響應(yīng)于所述至少一束激勵光而發(fā)出的至少一個波長的熒光的第四裝置；用于會聚來自所述第四裝置的至少一個波長的熒光的至少一個第五裝置；以及用于收集來自所述至少一個第五裝置的熒光并對其進行處理的至少一個第六裝置。
依據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述第一裝置包括激光器；所述第二裝置包括小反射鏡或分光鏡或分光鏡與小反射鏡；所述第三裝置包括物鏡；所述第四裝置包括濾光鏡或分光鏡；所述第五裝置包括校準透鏡；以及所述第六裝置包括小孔光闌、對接收到的光進行處理的檢測裝置以及連接在所述小孔光闌與所述檢測裝置之間的光學纖維。對本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員來說，也可使用除這些裝置以外的其它裝置。
依據(jù)本發(fā)明，還提供了一種用于獲得固體基底上的生物介質(zhì)的熒光圖象的熒光光學拾取單元，它包括用于產(chǎn)生使所述生物介質(zhì)發(fā)出熒光的至少一束激勵光的至少一個第一裝置；用于反射來自所述至少一個第一裝置的所述至少一束激勵光的第二裝置；用于使所述第二裝置反射的光通過的窗；用于把通過所述窗的光會聚到所述生物介質(zhì)上并使來自所述生物介質(zhì)的光透過的第三裝置；用于根據(jù)波長，阻擋透過所述第三裝置從生物介質(zhì)反射的激勵光，并根據(jù)波長分離所述生物介質(zhì)響應(yīng)于所述至少一束激勵光而發(fā)出的至少一個波長的熒光的第四裝置；用于會聚所述第四裝置所分離的至少一個波長的熒光的至少一個第五裝置；以及用于收集來自所述至少一個第五裝置的熒光并對其進行處理的至少一個第六裝置。
依據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述第一裝置包括激光器；所述第二裝置包括掃描反射鏡或掃描反射鏡和小反射鏡；所述第三裝置包括物鏡；所述第四裝置包括分光鏡；所述第五裝置包括校準透鏡；所述第六裝置包括小孔光闌、對接收到的光進行處理的檢測裝置以及連接在所述小孔光闌與所述檢測裝置之間的光學纖維。對本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員來說，也可使用除這些裝置以外的其它裝置。
依據(jù)本發(fā)明的再一個方面，所述光學纖維具有濾光性能。
依據(jù)本發(fā)明，還提供了一種可矩陣尋址的激光器/檢測器陣列芯片，它包括基底；位于基底上的緩沖層；由位于緩沖層上的多個底反射鏡構(gòu)成的底反射鏡陣列；位于底反射鏡上的有源區(qū)；由位于有源區(qū)上的多個頂反射鏡構(gòu)成的頂反射鏡陣列，所述頂反射鏡陣列與所述底反射鏡陣列共焦對準；在每個頂反射鏡上方形成的一個激光器和兩個共焦檢測器，其中每一行/列中的所有激光器和檢測器分別通過它們的公共外延行/列焊接區(qū)電氣連接，每一列通過離子蝕刻槽相互隔離。
依據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于獲得固體基底上的生物介質(zhì)的熒光圖象的熒光光學拾取裝置，它包括如上所述的激光器/檢測器陣列芯片；以及與所述激光器/檢測器陣列共焦對準的透鏡/濾光鏡陣列，其中每個透鏡/濾光鏡單元包括發(fā)散從每個激光器到生物介質(zhì)的光的發(fā)散透鏡及阻擋從生物介質(zhì)反射的光的濾光鏡。
依據(jù)本發(fā)明，還提供了一種用于獲得生物芯片陣列的熒光圖象的熒光光學拾取系統(tǒng)，它包括用于產(chǎn)生使所述生物芯片發(fā)出熒光的激勵光的激勵光產(chǎn)生單元陣列；置于所述生物芯片陣列下方，用于檢測所述生物芯片陣列發(fā)出的熒光的檢測器陣列；以及用于使所述激勵光產(chǎn)生單元陣列與所述生物芯片及檢測器陣列共焦對準的微透鏡陣列。
依據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述激勵光產(chǎn)生單元陣列為激光器陣列芯片，它包括基底；位于基底上的緩沖層；位于緩沖層上的底反射鏡陣列；位于底反射鏡陣列上的多重量子阱；位于有源區(qū)上的頂反射鏡陣列，所述頂反射鏡陣列與所述底反射鏡陣列共焦對準；在頂反射鏡上方形成的多個激光器，其中每一行/列中的所有激光器分別通過它們的行/列焊接區(qū)電氣連接，每一列通過離子蝕刻槽相互隔離。
依據(jù)本發(fā)明，還提供了一種用于獲得生物芯片的熒光圖象的熒光光學拾取系統(tǒng)，它包括如上所述的熒光光學拾取單元，還包括承載載玻片并使之旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)平臺。
依據(jù)本發(fā)明的一個較佳實施例是一種從固體基底檢測、讀取和分析生物信息的生物芯片讀取器。在此較佳實施例中，熒光光學拾取單元(FOPU)包括提供激勵光的裝置、引導(dǎo)光到達生物芯片的聚焦裝置及接收來自生物芯片的光的裝置(它還可抑制散射的熒光并阻擋激勵激光)。
依據(jù)此較佳實施例，為了進行二維熒光成象，生物芯片讀取器包括由滑動(sled)電動機驅(qū)動的電動機驅(qū)動的平臺和旋轉(zhuǎn)臺。
依據(jù)FOPU的一個更特殊的實施例，徑向掃描通過包含一個或多個半導(dǎo)體激光器的小型掃描器來實現(xiàn)。
依據(jù)另一個較佳實施例，系統(tǒng)的元件數(shù)可通過采用彩色(color-tinted)光學纖維來減少。
依據(jù)熒光圖象檢測系統(tǒng)的另一個更特殊的實施例，使用激光器/檢測器陣列芯片，從而可使讀取器重量輕，便于攜帶且沒有移動部分。
從以下對本發(fā)明較佳實施例的詳細描述并結(jié)合附圖，將使本發(fā)明的上述和進一步的優(yōu)點和特定的目的對本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員變得明顯起來，其中

圖1是惠普(Hewlett Packard)公司生產(chǎn)的讀取Affymetrix的基因芯片的已有技術(shù)的生物芯片讀取器。
圖2是示出使用三個激光器及X-Y平臺的傳統(tǒng)多光束生物芯片讀取器的簡化已有技術(shù)。
圖3是示出依據(jù)本發(fā)明的工作原理構(gòu)成的FOPU的一個實施例的簡化示意圖。
圖4是示出使用光束分離用分光鏡(dichroic mirror)的FOPU的另一個實施例的示意圖。
圖5是示出使用兩個激光器和兩個檢測器的FOPU的再一個實施例的示意圖。
圖6是已有技術(shù)的一維小型掃描儀的原理圖。
圖7是示出已有技術(shù)的二維小型掃描儀的示意圖。
圖8是示出使用裝有半導(dǎo)體激光器的小型掃描儀的FOPU的又一個實施例的簡化圖。
圖9是裝有一個或兩個半導(dǎo)體邊緣發(fā)射(edge-emitting)激光器的小型掃描儀的組成圖。
圖10是生物芯片的設(shè)計結(jié)構(gòu)圖，其中生物材料顯示為二維陣列或一組曲線。
圖11示出在載片盤(disk)上裝載多個生物芯片的示意圖。
圖12示出了在載片盤上裝載多個生物芯片的另一示意圖。
圖13是圖3的實施例的方框圖。熒光成象設(shè)備包括旋轉(zhuǎn)臺和滑動電動機。
圖14示出的是波長分別為670-nm和652-nm，在可見光范圍內(nèi)的由氧化物界層限定的VCSEL(垂直腔面發(fā)射激光器)的特性。
圖15是描述激光器和檢測器陣列的矩陣尋址結(jié)構(gòu)，每個單元包括中央VCSEL和周圍REPD(諧振腔式光電檢測器)。
圖16是與膝上型計算機的CD-ROM驅(qū)動器兼容的便攜式FOPU的示意圖，其中采用集成了激光器和檢測器陣列的GaAs晶片。
圖17是基于玻璃的8X8生物芯片陣列，每個元件具有位于ITO玻璃上的不可移動的DNA探針。
圖18是便攜式生物芯片讀取器的示意圖，其中包括8X8陣列PMT和發(fā)射波長為670nm的8X8 VCSEL陣列。
圖19為圖18的光學檢測原理的示意圖，它采用濾光器來阻擋散射光。
圖20是6X6可矩陣尋址的激光器陣列的示意圖。
小型化的熒光光學拾取單元(FOPU)是低成本、便攜式生物芯片讀取器的一個較佳實施例。實現(xiàn)此小型化的較佳方案是裝有激光器/檢測器陣列的改進的CD讀取器，從而消除所有的移動部件。目前的生物芯片讀取器(HP和GSI Lumonics生產(chǎn)的)的特點是比較笨重、讀取慢(每次一片)、昂貴(高達US$80,000/每臺)。采用本發(fā)明將使讀取器具有重量輕、便攜式、易操作、可以高精度和高可靠性讀取多芯片等優(yōu)點。每臺桌上型讀取器的成本將低于US$5,000，而手持式讀取器的成本則低于US$1,000。
大多數(shù)常用的讀取儀基本上都是由計算機控制的，采用1束、2束或3束激光照射的共焦掃描顯微系統(tǒng)。圖1顯示了傳統(tǒng)的AffymetrrixTM生物芯片掃描儀(SuF,1997)。從氬離子激光器(1)發(fā)出的激光束經(jīng)過干涉濾光鏡(4)再經(jīng)由分光鏡(8)，由路由(routing)反射鏡(3和7)及共焦光學系統(tǒng)聚焦在掃描頭(6)上。芯片托架(cartridge)(5)相對于光束移動激勵出熒光團(fluorophore)。光點直徑約為8μm。熒光通過包括分光鏡(8)的光學系統(tǒng)返回到一組只允許適當波長的光通過的濾光鏡(10)，其余的光通過一消色差透鏡(11)和小孔光闌(pinhole aperture)(12)聚焦到PMT(13)上，PMT將熒光轉(zhuǎn)換成電流。檢測器(9)監(jiān)測激光強度。對于二維生物芯片掃描，掃描頭做水平移動，而芯片托架做垂直移動。
圖2是光學試驗板(breadbroad)系統(tǒng)(Pawley J,1995)。照射來自三個氣冷激光器488nm,100mw的氬離子激光器(27)用于激勵FITC熒光標記；532nm,100mw的釹釔(NdYag)激光器(21)用于激勵Cy3熒光標記；633nm,35mw的氦氖(HeNe)激光器(20)用于激勵Cy5熒光標記?？赏瑫r接通任意兩個激光器，且其光束可由分光鏡(25和23)組合，通過一組反射鏡(22,24,26,28)對準，再通過單個分光鏡(32)和物鏡(19)(0.75NA,0.66mm wd)聚焦在平臺(33)上的樣品上。物鏡可通過數(shù)字控制器來完成聚焦。發(fā)出的光在經(jīng)過物鏡(19)和主分光鏡(32)返回后，通過共焦小孔(34)和次分光鏡(31)聚焦到兩個溫控光電管上的PMT(29和30)，這兩個PMT平行地操作于兩個不同波長的熒光。平臺是計算機控制的標準顯微鏡X-Y平臺，掃描速度為100mm/sec，掃描分辨率為5微米。一次可同時掃描一或兩塊標準的25×75mm的生物芯片。掃描過程是按“梳狀”方式沿兩個方向采集數(shù)據(jù)來進行掃描。
與前面的方案相反，本發(fā)明描述了以旋轉(zhuǎn)載片盤為基礎(chǔ)的多功能熒光檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以讀取位于不同固體基底上的不同生物介質(zhì)的生物信息。特別是，使用半導(dǎo)體二極管激光器和具有圓形載片盤的旋轉(zhuǎn)平臺，較之采用大得多的氣體或離子激光器系統(tǒng)及X-Y平臺，將大大地降低芯片讀取器的制造成本。
以下的定義和替代物適用于本發(fā)明及其后續(xù)各部分中所提及的任意或全部的內(nèi)容，它們是1)生物介質(zhì)包括以下物質(zhì)DNA鏈、RNA鏈、蛋白質(zhì)、抗體、酶、毒素、病毒和細菌，但不僅限于此；2)固體基底包括以下物質(zhì)玻璃、聚合物、石英、塑料、凝膠體、薄膜、芯片和載片盤，但不僅限于此；3)激光器的替代物包括指能產(chǎn)生光束的任意和所有裝置；4)生物芯片的替代物包括上述固體基底上的上述生物介質(zhì)的任意組合；5)透鏡、反射鏡、光纖和掃描儀的替代物包括用以對光束進行諸如校準、分光和變向等改變光束和光路的任意光學等價物；6)光電倍增管(PMT)的替代物包括能接收光信號并把它們轉(zhuǎn)換成電信號的任意檢測裝置。
圖3示出安裝在電動機驅(qū)動的平臺上的熒光光學拾取單元(FOPU,49)的較佳結(jié)構(gòu)。由半導(dǎo)體激光器(40)產(chǎn)生的激光經(jīng)由反射鏡(41)和0.6NA CD的物鏡(42)照射到生物芯片(43)上。來自生物芯片的熒光在通過物鏡(42)、干涉濾光鏡(44)、準直透鏡(45)返回后，通過共焦小孔(46)和光纖(47)聚焦在PMT(48)上。部分熒光被小反射鏡(41)所阻擋。
除了以分光鏡(35)來替換反射鏡(41)以外，圖4所示的結(jié)構(gòu)與圖3基本相同。這較佳可選實施例有效地阻擋了反射的激光，同時只允許熒光通過并照射到PMT(48)上。較佳的半導(dǎo)體激光器是垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)。
圖5示出較佳的雙光束FOPU(49)設(shè)計。兩個激光器(40和51)同時接通，利用分光鏡(52)將兩束光束組合后，經(jīng)小反射鏡(41)及物鏡(42)聚焦后照射到生物芯片(43)上。從生物芯片(43)發(fā)出的熒光穿過物鏡(42)后，經(jīng)另一個分光鏡(53)分成兩束不同波長的光。一束光通過準直透鏡(45)、小孔(46)、光纖(47)和濾光鏡(44)聚焦到PMT(48)上，另一束光通過其對應(yīng)的準直透鏡(55)、小孔(56)、光纖(47)和濾光鏡(54)聚焦到PMT(58)上。
圖6示出可組合到FOPU中的通過微加工硅制成(silcion micro-machined)的一維電光小型掃描儀(Asada,N,1994)。使用在移動平臺(60)上制成的鋁制驅(qū)動線圈(62)利用電磁效應(yīng)來控制反射鏡(61)。由于反射鏡(61)的表面與扭桿(torsional bar)(64)在同一水平面上，所以反射點是穩(wěn)定的。當所施加的電磁頻率等于其諧振頻率時，掃描儀的反射鏡(61)達到其最大振幅(通過線圈(63)來檢測)。
圖7示出二維小型掃描儀。X軸(71)和Y軸(71)板都帶有自身的驅(qū)動線圈，并裝配在同一塊硅片(70)上，每個都有其自身的諧振頻率，這些頻率分別由硼硅酸(Pyrex)玻璃(74)上的兩個線圈(76)和(77)來監(jiān)測。當電流施加到永磁鐵(75)之間的兩個驅(qū)動線圈上時，反射鏡(73)沿二維方向振動。用微加工大量生產(chǎn)這類小型掃描儀，從而使得這些掃描儀要比傳統(tǒng)的檢流計式掃描儀要合算的多。
圖8示出采用小型掃描儀的FOPU(49)的設(shè)計。激光器(80)照射掃描反射鏡(81)。反射的光束通過小型掃描儀上的玻璃窗(82)、準直透鏡(45)、分光鏡(83)和物鏡(42)到達生物芯片(43)。來自生物芯片(43)的熒光穿過物鏡(42)，其后經(jīng)分光鏡(83)反射穿過濾光鏡(54)，并由準直透鏡(55)聚焦到小孔(56)，然后由光纖(57)接收送人光電倍增管PMT(58)。滑動電動機和移動平臺都可以省略，因為小型掃描儀將按旋轉(zhuǎn)載片盤的徑向掃描以覆蓋所有樣品區(qū)。為了在FOPU(49)中使用二維小型掃描器，掃描面積可與每個生物芯片上的樣品面積相匹配從而產(chǎn)生二維圖象。
圖9示出另一種可選的較佳實施例，其中用邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光器來替代VCSEL激光器作為激光源。來自激光器(90)的光束由小反射鏡(91)反射通過小型掃描儀的玻璃窗(82)到達掃描反射鏡鏡(81)。雙光束FOPU采用兩個邊緣發(fā)射激光器(90和92)以及與圖5所示以兩個PMT讀取兩個不同信號的相同檢測結(jié)構(gòu)。
圖10示出樣品陣列的較佳結(jié)構(gòu)。最常用的方案是將二維陣列(100)放在諸如顯微鏡載玻片等固體基底上，其它方案包括載玻片上的多條平行弧線(101)，以及玻璃或塑料載片盤上的同心圓或螺旋圓(102)。
圖11示出在載片盤(110)上裝載多個(特別是4個)生物芯片(43)的較佳結(jié)構(gòu)。生物芯片(43)由小夾子(111)固定在載片盤(110)上，載片盤(110)再放在由主軸電動機驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)平臺上，用于熒光成象。對于任何熟悉本領(lǐng)域的人來說，很明顯，替代用卡盤把生物芯片(43)固定在載片盤(110)上，可用四壁障礙固定裝置、嵌入式槽或膠粘劑、彈力夾及其它方法固定生物芯片。
圖12示出在載片盤(110)上裝載多個(特別是8個)生物芯片的另一結(jié)構(gòu)。對于任何熟悉本領(lǐng)域的人來說，很明顯，芯片(43)在載片盤(110)上的布置不勝枚舉，不再一一贅述。
圖13示出一較佳的檢測系統(tǒng)，其中FOPU(49)裝在電動機驅(qū)動的平臺(132)上。對于二維熒光成象而言，生物芯片(43)以恒定角速度(CAV)或恒定線速度(CLV)旋轉(zhuǎn)，而FOPU(49)沿徑向移動。CPU固件(135)指令控制伺服DSP(數(shù)字信號處理器)(134)，該DSP通過主軸驅(qū)動器(131)和滑動電動機驅(qū)動器(133)來分別控制主軸電動機(130)和滑動電動機(132)。CPU固件(135)通過接口芯片(137)和IDE總線(138)將來自伺服DSP(134)和PMT前置放大器(熒光信號)的數(shù)據(jù)反饋到計算機(139)。使用IDE總線的計算機(139)記錄來自PMT前置放大器的數(shù)據(jù)，通過激光器自動功率控制裝置APC(Automatic Power Control)(50)調(diào)節(jié)激光強度，并送新的指令給微處理器(135)。
進一步的改進是不用光學濾光鏡。濾光鏡的作用是阻止散射激光到達檢測器，而只允許熒光通過。通過在纖維拉長(extrude)前向玻璃混合物中添加染料的方法(染料的濃度決定于纖維的長度)，光學纖維就具有了濾光性能。
另一實施例利用將FOPU封裝入膝上型計算機的CD-ROM驅(qū)動器中所得到的便攜性。該實施例的特征是電池供電、內(nèi)置的平面微透鏡與濾光鏡及一種新穎的用于照射及檢測的可矩陣尋址的可見光VCSEL/檢測器陣列芯片。依次接通和斷開每一矩陣單元處的激光器/檢測器對產(chǎn)生高對比度的共焦激光感應(yīng)的熒光圖象。與普通的共焦生物芯片掃描器不同的是，這種設(shè)計沒有移動單元和笨重的光學器件，它可以提供高效、高通過量(throughput)、快速成象的儀器，這種儀器結(jié)構(gòu)緊湊、用途多樣，適合臨床與研究中的重復(fù)順序分析。
圖14代表在可見光范圍內(nèi)的由氧化物界層限定的紅色VCSEL激光器的特征。VCSEL有圓形光束和晶片法向(wafer normal)發(fā)射。它們可在晶片上測試，可以大量生產(chǎn)，并排列成二維陣列。目前最先進的可見光VCSEL激光器的閾值電流低(250μA)，閾值電壓低(1.98伏)，功率轉(zhuǎn)換率高(50％)，以及輸出功率高(8mW)。這些特征對于低功率電池操作極為重要(Choquette,K.D,1995)。
人們已經(jīng)開發(fā)了各種使用Ⅲ-Ⅴ半導(dǎo)體的光電探測器，包括金屬-半導(dǎo)體-金屬(MSM)、諧振腔式光電檢測器(REPD)、(PIN)和分離放大介質(zhì)(SAM)(Hasnain G,1991；Ortiz,1996)。MSM檢測器的設(shè)計最簡單，但它被證明難以制成可矩陣尋址的結(jié)構(gòu)，而SAM檢測器更難制造，這樣我們選擇把REPD和PIN用于FOPU。
因為最佳的VCSEL性能需要鏡面反射率高的諧振腔，而REPD需要反射率較低的諧振腔，所以就需要讓VCSEL和REPD共享一公共多重量子阱(MQW)有源區(qū)，但嵌入不同的諧振腔中。在這種情況下，REPD的腔體嵌入VCSEL的腔體內(nèi)，從而可用化學方法去除頂部雙布拉格反射鏡DBR(Doub1e Bragg Reflection)的一些AlAs/AlGaAs四分之一波層來設(shè)計REPD的腔體。將根據(jù)VCSEL和REPD的最佳性能來選擇底部DBR鏡中的四分之一波層的數(shù)目。最近Ortiz GG(1996)論證了單片集成的InGaAs VCSEL/REPD器件的檢測器效率可高達85％，它遠高于PMT和APD(雪崩光電二極管)檢測器的效率。REPD檢測器在本應(yīng)用中是理想的底層熒光檢測器。
激光器元件的電氣連接對于制造高密度二維VCSEL陣列也是重要的?？赏ㄟ^獨立尋址或矩陣尋址獨立地接通陣列中的激光器。對一個NXN的陣列，獨立尋址需要N2個連接，當N＞10后該方法就不適用了(Lehmen Von,1991；Vakhshoori D,1993)。插入這么多連接使得不可能緊密布置陣列。相反，矩陣尋址只需要2N個連接(Morgan 1994)，這樣它就適合FOPU中的高密度(400X400)VCSEL。方便地隔開有源器件周圍的觸點，故占據(jù)最少的實際空間。Orenstein(1991)已經(jīng)設(shè)計、制造并用化學輔助反應(yīng)離子刻蝕得到非常均勻的32X32可矩陣尋址的VCSEL的特征。只需要64個電氣觸點即可獨立地尋址1024個元件的激光器。
圖15示出根據(jù)前述的要求和限制設(shè)計的3X3可矩陣尋址的VCSEL/REPD陣列(300)。在基底(150)和激光器(140)/檢測器(141)之間生成了緩沖層(146)，作為n接觸層(145)。有源區(qū)(143)包括GaInP/AlGaInP或GaAs/AlGaAs量子阱。外延反射鏡結(jié)構(gòu)(142,144)由另外的1/4 AlAs/GaAs層構(gòu)成。底反射鏡(144)是n摻雜的硅，頂反射鏡(142)是p摻雜的鈹。一行中的所有激光器(140)和檢測器(141)分別通過它們共用的n+外延行焊接區(qū)(pad)(147)和(148)實現(xiàn)電氣連接，所有的p觸點相互短接。每一列通過離子蝕刻槽(149)相互隔離。由于所有其它觸點都斷開，所以在特定行和特定列之間施加電壓時，只有指定行-列交叉處的激光器和檢測器才是被激活的元件。
圖16示出采用VCSEL/REPD陣列(300)的較佳FOPU結(jié)構(gòu)。在砷化鎵晶片(150)上制造可矩陣尋址(繼而可編程)的VCSEL(140,642-680nm或700-900nm的波長)和REPD(141)陣列?？赏瑫r接通和斷開激光器(140)的每個元件及其周圍的共焦檢測器(141)。VCSEL/REPD陣列(300)與生物芯片(43)和透鏡/濾光鏡陣列(152)共焦地對準。共焦成象可以抑制任何外來的光。透鏡154用來發(fā)散從激光器(140)到目的(153)上的光束。在檢測器(141)前的濾光鏡(155)將阻擋從目的(153)反射的光。生物芯片(43)、透鏡/濾光鏡陣列(152)和VCSEL/REPD陣列可一起封裝在CD-ROM驅(qū)動器大小的FOPU(151)中。由于在該結(jié)構(gòu)中無移動部件，所以通過電氣接通/斷開激光器/檢測器所實現(xiàn)的熒光成象可非?？焖?達到每秒6000幀)，使之成為監(jiān)測雜化(hybridization)和其它分子結(jié)合的理想工具。
圖17示出另一種生物芯片的實施例，-8X8的DNA探針陣列芯片(170)包含特種螢光團標記的寡核苷酸(oligonucleotide)序列(172)，該序列被固化于覆蓋有氧化銦錫(IT0)(174)和交聯(lián)劑(cross-linker)(173)的玻璃芯片(175)上。通過焊接區(qū)(179)和嵌入的導(dǎo)線條(176，包含鉑178和絕緣體177)給每個探針單元(171)施加電場來加速探針樣品的雜化(hybridization)，并能沖洗(wash away)單個導(dǎo)線束(strand)。
圖18示出可讀取探針陣列芯片(170)的FOPU示意圖。在探針陣列芯片(170)下方放置-8X8的光電倍增管(PMT,183)或一個雪崩光電檢測器(APD)陣列，其間插入一帶通濾光鏡(182)。這使得幾乎可以檢測50％的熒光強度，并可以實時地監(jiān)測雜化過程。通過微透鏡陣列(181)使8X8 VCSEL陣列(180)與探針芯片(170)及檢測器陣列(183)對準。計算機(184)控制探針芯片(170)上的雜化，并記錄來自檢測器(183)的熒光信號。依次接通和斷開每個激光器及其對應(yīng)的檢測器可以產(chǎn)生雜化的探針陣列的高對比度圖象。由于PMT的量子效率幾乎是任意電荷耦合器件(CCD)檢測器的一百倍，所以本實施例有很高的靈敏度。如果使用分子信標(beacon)，可以實時地監(jiān)測雜化的過程，因為只有精確匹配的DNA對才會發(fā)出熒光；未匹配的DNA對不會發(fā)出熒光。而且可以省略雜化過程中的化學沖洗步驟。
圖19示出圖18中FOPU的詳細光路。熒光強度大約為激勵光的10-7倍或更少，但即使最好的光學濾光鏡也只能濾至激勵光的103。為防止檢測器(183)記錄到激勵激光(190)，激光束(190)相對探針陣列(170)表面以一定的角度對準。這種方法能夠只讓來自探針(172)的熒光(191)通過濾光鏡(181)并到達相應(yīng)的檢測器單元(192)。由于在任一時刻只有一個激光器及其對應(yīng)的檢測器單元(192)接通，所以激勵光(190)不會到達現(xiàn)行的檢測器單元(192)。濾光鏡(181)還阻擋了散射的激光。
圖20示出作為探針陣列芯片(170)的熒光激勵源的6X6可矩陣尋址的VCSEL陣列芯片(180)的一個例子。該陣列高效率地利用每一行列的公共觸點。矩陣中的任何激光器(140)雖然相互電氣隔離，但都可被訪問。每個列焊接區(qū)電氣連接列中的所有激光器(140)；每個行焊接區(qū)連接行中的所有激光器(140)。由深的離子蝕刻隔離槽(149)來限定陣列的列。選擇性氧化在頂部安裝的布拉格反射鏡下形成一個激光孔徑。在每一行中，激光器的所有p觸點都被短路。通過在特定行和特定列之間施加電壓同時保證其它觸點都斷開，使得唯一的閉合電流路徑通過指定的行-列交叉處的激光器。
圖18中，微透鏡陣列(181)置于激光器陣列(180)之前，以保證校準的激光束對準探針陣列(170)。因為激光器陣列(180)以一定角度相對于探測陣列(170)對準，所以激光二極管不同行之間的間距不同d列=d行/sin(α)，這里α為激光器陣列(180)與探針陣列(170)之間的角。這樣，激光器陣列(80)中的每個激光器將會與探針陣列(170)上對應(yīng)的單元精確對準。
權(quán)利要求
1．一種用于獲得固體基底上的生物介質(zhì)的熒光圖象的熒光光學拾取單元，其特征在于包括用于產(chǎn)生使所述生物介質(zhì)發(fā)出熒光的至少一束激勵光的至少一個第一裝置；用于使來自所述至少一個第一裝置的所述至少一束激勵光指向所述生物介質(zhì)的第二裝置；用于把來自所述第二裝置的光會聚到所述生物介質(zhì)上并使來自所述生物介質(zhì)的光透過的第三裝置；用于根據(jù)波長，阻擋透過所述第三裝置從生物介質(zhì)反射的激勵光，并根據(jù)波長分離所述生物介質(zhì)響應(yīng)于所述至少一束激勵光而發(fā)出的至少一個波長的熒光的第四裝置；用于會聚來自所述第四裝置的至少一個波長的熒光的至少一個第五裝置；以及用于收集來自所述至少一個第五裝置的熒光并對其進行處理的至少一個第六裝置。
2．如權(quán)利要求1所述的熒光光學拾取單元，其特征在于所述第一裝置為激光器。
3．如權(quán)利要求1所述的熒光光學拾取單元，其特征在于所述第二裝置包括小反射鏡或分光鏡或分光鏡與小反射鏡。
4．如權(quán)利要求1所述的熒光光學拾取單元，其特征在于所述第三裝置包括物鏡。
5．如權(quán)利要求1所述的熒光光學拾取單元，其特征在于所述第四裝置包括濾光鏡或分光鏡。
6．如權(quán)利要求1所述的熒光光學拾取單元，其特征在于所述第五裝置包括校準透鏡。
7．如權(quán)利要求1所述的熒光光學拾取單元，其特征在于所述第六裝置包括小孔光闌、對接收到的光進行處理的檢測裝置以及連接在所述小孔光闌與所述檢測裝置之間的光學纖維。
8．一種用于獲得固體基底上的生物介質(zhì)的熒光圖象的熒光光學拾取單元，其特征在于包括用于產(chǎn)生使所述生物介質(zhì)發(fā)出熒光的至少一束激勵光的至少一個第一裝置；用于反射來自所述至少一個第一裝置的所述至少一束激勵光的第二裝置；用于使所述第二裝置反射的光通過的窗；用于把通過所述窗的光會聚到所述生物介質(zhì)上并使來自所述生物介質(zhì)的光透過的第三裝置；用于根據(jù)波長，阻擋透過所述第三裝置從生物介質(zhì)反射的激勵光，并根據(jù)波長分離所述生物介質(zhì)響應(yīng)于所述至少一束激勵光而發(fā)出的至少一個波長的熒光的第四裝置；用于會聚所述第四裝置所分離的至少一個波長的熒光的至少一個第五裝置；以及用于收集來自所述至少一個第五裝置的熒光并對其進行處理的至少一個第六裝置。
9．如權(quán)利要求8所述的熒光光學拾取單元，其特征在于所述第一裝置為激光器。
10．如權(quán)利要求8所述的熒光光學拾取單元，其特征在于所述第二裝置包括掃描反射鏡或掃描反射鏡和小反射鏡。
11．如權(quán)利要求8所述的熒光光學拾取單元，其特征在于所述第三裝置包括物鏡。
12．如權(quán)利要求8所述的熒光光學拾取單元，其特征在于所述第四裝置包括分光鏡。
13．如權(quán)利要求8所述的熒光光學拾取單元，其特征在于所述第五裝置包括校準透鏡。
14．如權(quán)利要求8所述的熒光光學拾取單元，其特征在于所述第六裝置包括小孔光闌、對接收到的光進行處理的檢測裝置以及連接在所述小孔光闌與所述檢測裝置之間的光學纖維。
15．如權(quán)利要求7或14所述的熒光光學拾取單元，其特征在于所述光學纖維具有濾光性能。
16．一種可矩陣尋址的激光器/檢測器陣列芯片，其特征在于所述芯片包括基底；位于基底上的緩沖層；由位于緩沖層上的多個底反射鏡構(gòu)成的底反射鏡陣列；位于底反射鏡上的有源區(qū)；由位于有源區(qū)上的多個頂反射鏡構(gòu)成的頂反射鏡陣列，所述頂反射鏡陣列與所述底反射鏡陣列共焦對準；在每個頂反射鏡上方形成的一個激光器和兩個共焦檢測器，其中每一行/列中的所有激光器和檢測器分別通過它們的公共外延行/列焊接區(qū)電氣連接，每一列通過離子蝕刻槽相互隔離。
17．一種用于獲得固體基底上的生物介質(zhì)的熒光圖象的熒光光學拾取裝置，其特征在于包括如權(quán)利要求16所述的激光器/檢測器陣列芯片；以及與所述激光器/檢測器陣列共焦對準的透鏡/濾光鏡陣列，其中每個透鏡/濾光鏡單元包括發(fā)散從每個激光器到生物介質(zhì)的光的發(fā)散透鏡及阻擋從生物介質(zhì)反射的光的濾光鏡。
18．一種用于獲得生物芯片陣列的熒光圖象的熒光光學拾取系統(tǒng)，其特征在于包括用于產(chǎn)生使所述生物芯片發(fā)出熒光的激勵光的激勵光產(chǎn)生單元陣列；置于所述生物芯片陣列下方，用于檢測所述生物芯片陣列發(fā)出的熒光的檢測器陣列；以及用于使所述激勵光產(chǎn)生單元陣列與所述生物芯片及檢測器陣列共焦對準的微透鏡陣列。
19．如權(quán)利要求18所述的熒光光學拾取系統(tǒng)，其特征在于所述激勵光產(chǎn)生單元陣列為激光器陣列芯片，所述芯片包括基底；位于基底上的緩沖層；位于緩沖層上的底反射鏡陣列；位于底反射鏡陣列上的多重量子阱；位于有源區(qū)上的頂反射鏡陣列，所述頂反射鏡陣列與所述底反射鏡陣列共焦對準；在頂反射鏡上方形成的多個激光器，其中每一行/列中的所有激光器分別通過它們的行/列焊接區(qū)電氣連接，每一列通過離子蝕刻槽相互隔離。
20．一種用于獲得生物芯片的熒光圖象的熒光光學拾取系統(tǒng)，其特征在于包括如以上1到15中任一項所述的熒光光學拾取單元，還包括承載載玻片并使之旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)平臺。
21．如權(quán)利要求20所述的熒光光學拾取系統(tǒng)，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)平臺承載至少一片載玻片，在所述載玻片上排列有至少一個所述生物芯片。
22．如權(quán)利要求21所述的熒光光學拾取系統(tǒng)，其特征在于所述至少一個生物芯片排列成多條平行直線或弧線。
23．如權(quán)利要求20所述的熒光光學拾取系統(tǒng)，其特征在于所述載玻片為圓盤形狀。
24．如權(quán)利要求23所述的熒光光學拾取系統(tǒng)，其特征在于所述至少一個生物芯片在所述載玻片上排列成一個或多個同心圓。
全文摘要
本文描述了從旋轉(zhuǎn)平臺上固體基底讀取生物信息介質(zhì)的熒光圖象信息的熒光光學讀取器(FOPU)。在一個較佳實施例中,FOPU包括用作激勵源的半導(dǎo)體激光器,在生物芯片上分配激勵光的小型掃描器,用彩色光纖制成的濾光器以及用于檢測熒光信號的光電檢測器。同時,還揭示了采用激光器/檢測器陣列進一步實現(xiàn)FOPU的小型化。
文檔編號G01N21/64GK1311436SQ0011944
公開日2001年9月5日 申請日期2000年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月1日
發(fā)明者杭志強, V.拉扎列夫 申請人:上海和泰光電科技有限公司