具有多個傳感器區(qū)域的光學生物傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種光學傳感器設備（100），其包括用于生成對應的傳感器區(qū)域（111）的原像的多個物鏡（152）。然后利用中間光學器件（153）將原像映射到探測器平面（154）上，特別是圖像傳感器的敏感平面上。
【專利說明】具有多個傳感器區(qū)域的光學生物傳感器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及光學傳感器設備，特別是生物傳感器，其包括將被以光探測器來觀測的多個傳感器區(qū)域。
【背景技術】
[0002]根據(jù)W02010/150167A1已知前述種類的生物傳感器。在已知生物傳感器中，多個小透鏡(Ienslet)以陣列布置，用于將通過受抑全內(nèi)反射生成的入射平行光束聚焦到圖像傳感器的傳感器平面上。以此方式能夠?qū)崿F(xiàn)未受到場曲扭曲的均勻圖像。然而，探測NA非常低并且獲得的圖像具有低的分辨率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供具有改進的設計的光學傳感器設備，特別是容許以高分辨率觀測多個傳感器區(qū)域的設計。最優(yōu)選地，光學性質(zhì)應當容許探測單個磁珠。
[0004]此目的通過根據(jù)權利要求1和權利要求2的光學傳感器設備來實現(xiàn)。優(yōu)選實施例公開于從屬權利要求中。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的光學傳感器設備通常可以用于任何感興趣的感測目的。特別是，其可以用于樣品的光學調(diào)查，例如用于探測生物樣品中的目標成分。傳感器設備包括以下組件:
[0006]a)多個(N>1)傳感器區(qū)域，即將被光學觀測或處理的區(qū)域。典型地，傳感器區(qū)域可以是其中能夠被提供樣品的腔或室。此外，這些腔或室優(yōu)選地容納于可交換的盒中。
[0007]b)多個(N>1)物鏡，所述多個物鏡布置成使得每一個物鏡生成前述傳感器區(qū)域之一的圖像。為參考目的，這些不同的圖像以下將被稱作“原像”。今后，術語“物鏡”將通常標記生成物的真實光學圖像的光學系統(tǒng)。通常，每一個物鏡將生成一個并且僅一個感測區(qū)域的原像，并且每一個物鏡將對其它的物鏡以外的另一個傳感器區(qū)域進行成像。
[0008]c)具有光敏探測器平面的光探測器，所述原像被映射到所述光敏探測器平面上。光探測器可以包括能夠用以探測給定譜的光的任何合適的單個傳感器或多個傳感器，例如光電二極管、光敏電阻、光電池、CCD/CM0S芯片、或光電倍增管。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，光學傳感器設備還可以包括將所述物鏡生成的原像映射到所述探測器平面上的光學器件。因為這些光學器件布置在探測器平面與物鏡之間的光路中，所以以下將這些光學器件稱為“中間光學器件”。在此實施例中，在物鏡和中間光學器件之間存在任務的劃分，其容許小型化物鏡，使得使它們能夠彼此靠近并且能夠?qū)Κ毩⒌男鞲衅鲄^(qū)域進行成像。
[0010]描述的光學傳感器設備具有如下優(yōu)點:即使傳感器區(qū)域彼此非?？拷⑶以趯挼囊晥錾涎由欤鈱W傳感器設備也容許生成傳感器區(qū)域的高分辨率圖像。這通過使用用于傳感器區(qū)域的原成像的專用物鏡和通過將這些原像投射(可選地利用中間光學器件)到公共探測器平面上來實現(xiàn)。應當注意，不要求物鏡的入射光平行，即例如在暗場照明的情況下，也能夠?qū)鞲衅鲄^(qū)域進行成像。
[0011]如果至少一個(優(yōu)選地所有)物鏡的數(shù)值孔徑NAX).1，優(yōu)選地NAX).25，則實現(xiàn)了物鏡的高光學分辨率。利用這些NA值，分辨約I μ m (或嚴格地講，0.6 λ /NA)的結構，例如標記生物目標成分的順磁珠，是可能的。
[0012]可以映射至少一個原像，使得其填充整個探測器平面。因而，能夠最佳地利用探測器的空間分辨率(例如，由可用像素的數(shù)量給出)。優(yōu)選地，以此方式將所有原像映射到整個探測器平面上。在此實施例中，典型地將要求容許圖像之間的區(qū)別的一些手段(例如通過顏色或通過照明復用)。
[0013]根據(jù)另一實施例，將至少兩個原像映射到所述探測器平面的無交疊區(qū)域上。優(yōu)選地，將所有原像映射到所述探測器平面的相互無交疊的區(qū)域上。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)獨立的圖像的同時觀測。
[0014]在最簡單的情況下，物鏡由僅僅一個單個的(聚焦)透鏡構成。然而，優(yōu)選地，至少一個物鏡由多個透鏡，特別是球面和/非球面透鏡，構成。這容許以較高數(shù)值孔徑生成較高質(zhì)量的圖像。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，至少兩個(優(yōu)選地所有)物鏡包括以WaferOptics?形
成的透鏡。以此方式，實現(xiàn)具有高精度的其相互布置的小型化物鏡是可能的。
[0016]中間光學器件可以適于將所有N個原像同時映射到探測器平面(的區(qū)別子區(qū))上。在另一實施例中，中間光學器件包括用于選擇性地將不同組(n〈N)原像映射到所述探測器平面上的復用單元。作為極端情況，能夠?qū)⒁粋€單個的原像接著另一個原像映射到探測器平面上，優(yōu)選地使得其完全填充所述平面。以此方式，能夠最佳地利用探測器平面的分辨率。能夠例如通過照明源的時分復用和/或波分復用來獲得不同組原像之間的區(qū)分。
[0017]中間光學器件可以包括實現(xiàn)其功能的不同的光學元件。這些元件可以包括例如鏡子的反射元件、例如楔狀結構或棱鏡的折射元件、和/或如光柵的衍射元件。這些光學元件可以布置成使得合適地將原像組(IN)映射(例如，以無交疊方式)到探測器平面上。
[0018]光學傳感器設備可以進一步包括光源，例如激光器或發(fā)光二極管(LED)，用于生成被朝向傳感器區(qū)域引導的入射光束，入射光束在該傳感器區(qū)域例如發(fā)生全內(nèi)反射和/或散射。
[0019]前述光源可以可選地適于選擇性地照明分離的傳感器區(qū)域。其可以例如包括能夠選擇性地開通和關閉并且將光發(fā)射到不同的傳感器區(qū)域上的多個獨立的發(fā)光元件。替代地，可以將復用光學器件(例如，移動的鏡子)布置在(單個)光源和傳感器區(qū)域之間。在此實施例中，可以將當前照明的傳感器區(qū)域映射到整個探測器平面上，而不會受到未照明的傳感器區(qū)域的圖像的干擾。
[0020]光探測器優(yōu)選地包括多個獨立的探測器單元，光探測器單元以下通常將稱作“像素”?？梢蕴貏e地通過圖像傳感器，例如從數(shù)字相機已知的CXD或CMOS設備，來實現(xiàn)該像素化光探測器。多個探測器像素容許針對調(diào)查區(qū)域以空間分辨的方式評估由輸出光束包括的信息。
[0021]根據(jù)另一實施例，光學傳感器設備包括圖像處理單元，例如具有用于數(shù)字圖像處理的關聯(lián)軟件的微處理器，所述圖像處理單元能夠處理由物鏡和中間光學器件在探測器平面上生成的圖像。[0022]本發(fā)明還涉及上述光學傳感器設備用于分子診斷、生物樣品分析、或化學樣品分析、食品分析、和/或法醫(yī)分析的用途?？梢岳缃柚谥苯踊蜷g接聯(lián)接至目標分子的磁珠或熒光顆粒來完成分子診斷。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]根據(jù)以下描述的實施例，本發(fā)明的這些和其它方面將變得明顯，并且將參照這些實施例對本發(fā)明的這些和其它方面進行闡述。
[0024]圖中:
[0025]圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的傳感器設備的頂視圖；
[0026]圖2示出了圖1的傳感器設備的示意性側(cè)視圖；
[0027]圖3是圖2的光學路徑的簡化略圖，示出了原像被映射(map)到探測器平面的無交疊區(qū)域上；
[0028]圖4是對應于圖3的透視圖；
[0029]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的物鏡中的光線的示范性路徑；
[0030]圖6是傳感器設備的光學路徑的簡化略圖，其中，原像被映射到整個探測器平面上。
[0031]相似的參考數(shù)字在圖中指同樣或類似的組件。
【具體實施方式】
[0032]W02010/150167A1 (通過引用將其并入本申請中)描述了基于超順磁納米顆粒(今后稱為珠子)的光學探測的免疫測定生物感測技術。這里，納米顆粒的磁性質(zhì)用于(i )對分析物朝向探測表面的擴散過程進行加速；以及(ii)使得能夠?qū)崿F(xiàn)磁清洗步驟，其中，在光學探測器之前從探測器區(qū)段取出未結合的納米顆粒。為探測，可以使用受抑全內(nèi)反射。此夕卜，可以使用來自基底結合的納米顆粒的散射光的暗場探測，也稱為單珠子探測。
[0033]在提到的技術中，使用一次性塑料注入模制盒，包括例如:血液過濾器；微射流技術，用于將血漿朝向探測室輸送，所述探測室包含緩沖組分和納米顆粒；以及光學窗口，用于耦合入全內(nèi)反射所需的激發(fā)光，并耦合出用于FTIR探測的受抑全內(nèi)反射(FTIR)束或用于暗場探測的結合的納米顆粒的散射光。
[0034]對于單珠子探測平臺，多個免疫測定反應室的同時讀取是關鍵的要求。然而，單珠子成像要求適度的(>0.25)至高的(>0.5)數(shù)值孔徑的物鏡透鏡，以分辨獨立的單珠子(用于生物傳感器中的典型的珠子直徑為約500nm)。以高的NA成像時的問題是可用的物場受到限制。例如對于標準的NA = 0.25、M = IOX顯微鏡物鏡，可用的場直徑典型地為2mm。因為多個反應室的探測要求典型地5mm的量級或更大的物場，所以不能使用標準的物鏡透鏡。為了能夠?qū)Υ蟮膱鰠^(qū)進行成像，人們基本上能夠做兩件事情:
[0035]1.通過添加更多的透鏡元件和/或非球面透鏡表面來增大顯微鏡物鏡的物場。此方法的缺點是相當笨重和昂貴的物鏡透鏡，這對于實施手持式、低成本產(chǎn)品不是優(yōu)選的方案。
[0036]2.對顯微鏡物鏡場下的物體進行機械掃描。此方法的總體缺點是對致動機構和主動聚焦控制的附加需求。于是以時分復用方式，一個接一個地讀取不同的反應室。然而，優(yōu)選地應當在整個測定時間期間連續(xù)地讀取所有室，這意指需要恒定地來回掃描盒，對功耗和系統(tǒng)穩(wěn)定性具有負效應。
[0037]這里提出的替代途徑以分立組傳感器區(qū)域或室工作(最好)。根據(jù)此途徑，獨立地對此組傳感器區(qū)域或室進行成像，每一個具有其自己的對應的小型物鏡。因為待由每一個物鏡成像的區(qū)在此情況下限制于典型地為500至1000 μπι的單個傳感器區(qū)域(反應室)的尺寸，所以要求的物場也限制于此值。
[0038]圖1至4示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的光學生物傳感器設備100。生物傳感器100包括兩個主組件，即可去除且一次性的盒Iio和分析器或讀取器150。盒110典型地由玻璃或塑料通過注入模制而制成并且包括能夠填充有如血液或唾液的樣品流體的微射流系統(tǒng)。在圖中，僅示范性地示出了此微射流系統(tǒng)的四個傳感器區(qū)域或反應室111。未詳細示出用于傳送樣品、用于排出等的附加通道。
[0039]讀取器150包括以對應于傳感器區(qū)域111的布置的布置彼此相鄰地設置(在橫切它們的光軸的平面中)的多個物鏡152。因此，每一個物鏡152能夠生成關聯(lián)的傳感器區(qū)域111的“原像”。然后以公共的中間光學器件153將這些原像映射或投射到探測器平面154上。這可以特別是圖像傳感器的像素平面，圖像傳感器例如是CMOS或CCD設備。將此探測器平面154中生成的圖像傳送至評估單元155用于進一步的處理和評估。評估單元155可以例如由具有關聯(lián)的軟件的微處理器來實現(xiàn)。
[0040]如從圖3和4的光路的示意圖能夠清楚地看到的，將獨立的傳感器區(qū)域111的原像映射到探測器平面154的無交疊區(qū)域上。因此，能夠同時記錄和評估它們。
[0041 ] 讀取器150可以進一步包括光源156，用于以光束L照明傳感器區(qū)域111。于是可以由物鏡152收集由傳感器區(qū)域中的目標組件散射的光。此外，讀取設備150可以包括設置在盒110以下，使得能夠在傳感器區(qū)域111中生成磁場的磁軛151。
[0042]歸因于用于均勻磁致動的掃描斑的受限制的尺寸，獨立的傳感器區(qū)域或反應室111之間的間隔優(yōu)選地保持小。為了能夠?qū)Ψ至⒔M密集的(closely spaced)反應室111進行成像，而不受到成像光學器件的阻擋，每一個物鏡152的直徑應當小于反應室間隔。這要求小型透鏡。高的至適度的NA要求物鏡具有一個以上的透鏡元件。由WaferOptics?technology of Anteryon (Eindhoven,NL)提供了對于批量制造非常有成本效益的一流方案。此晶片級制造工藝使得能夠在單個玻璃晶片上實現(xiàn)大量的光學元件的生產(chǎn)。這些微光學元件能夠是折射的，諸如球、柱、或自由形式的透鏡或衍射光學元件。
[0043]使用這些小型級別的光學組件具有兩個附加優(yōu)點:
[0044]-光學像差總體上隨降低的孔徑尺寸變得較小。使用小孔徑的晶片光學器件使得能夠以僅兩個，可能地三個，透鏡元件(即疊置于彼此頂上的兩個或三個晶片)來實現(xiàn)NA =
0.25的物鏡透鏡。此外，Anteryon的技術(使用玻璃聚合物光電復制)容許應用非球面表面，校正這些高NA處的球像差和慧差。
[0045]-因為能夠?qū)ⅹ毩⒌奈镧R透鏡的直徑保持低，所以能夠容易地將它們正好安裝在單珠子生物傳感器裝備的馬蹄型磁體下，或甚至在馬蹄型磁體的兩個極尖端之間(如圖1和2中示出的)。
[0046]總之，本發(fā)明提出了將數(shù)毫米大的物空間劃分成子空間，如圖2至4中指示的。每一個子空間涵蓋單個免疫測定反應室111并且由對應的小型物鏡152成像。能夠以兩個晶片的疊層示出使用小型光學器件制作NA = 0.25的物鏡透鏡的可行性，該兩個晶片具有四個折射表面，該四個折射表面中的三個或四個表面配備有非球面層。需要被成像的物場具有例如0.5mm的直徑。最大場坐標為0.25mm并且物優(yōu)選地被成像于無限遠處。
[0047]圖5示出了具有0.8_的物場的示范性3元件小型物鏡透鏡設計(滿(full)視場；無限遠共軛；NA = 0.25)。要求的用于此設計的通光孔徑為1.8mm,由此裝配在2X2mm的正方形光學組件中。
[0048]當使用分立組物鏡透鏡來對物組進行成像時，將形成分立組子圖像。優(yōu)選地需要將這些子圖像成像到單個探測器上。為此，要求一些專用探測器成像光學器件(“中間光學器件”)。此光學器件的確切的光學功能取決于:
[0049](i)是否需要同時將獨立的子圖像(“原像”)成像到相同探測器上，或使用一些復用方案將每一個子圖像成像到滿傳感器區(qū)上，復用方案例如是時分復用，其中，照明每一個探測室并順序地讀取對應的圖像。
[0050](i i )盒內(nèi)的反應室的布局，例如，室是沿線(典型地8 X Imm的滿物場)還是在正方形(典型地3X3mm的滿場)中定位。當使用具有相當修長且窄的空氣間隙的馬蹄型磁體時，反應室的布置將優(yōu)選地沿著線。
[0051](iii)小型物鏡透鏡的實際設計，以及由每一個小型物鏡透鏡形成的子圖像的對應位置。在無限遠共軛物鏡透鏡設計的情況下，所有(例如，四個)子圖像將定位于無限遠處，并且由單個探測器透鏡153(“中間光學器件”)形成的最終圖像將交疊于探測器平面處。
[0052]在例如時分復用的情況下，可以使用單個探測器透鏡153來一個接一個地將子圖像成像到探測器上。圖6示出了此途徑的替代實施例，其中，未使用中間光學器件。將由物鏡透鏡陣列152生成的原像直接映射到探測器平面154上，其中，每一個原像填充整個平面。為了在獨立的圖像之間進行區(qū)分，能夠例如使用照明復用。
[0053]當需要同時將所有的子圖像成像到探測器上時，需要將一些附加光學器件并入到物鏡透鏡152與探測器平面154之間的中間光學器件中，將每一個子圖像重引導(S卩，傾斜)和放大到探測器平面上其合適的位置。對于傾斜/重引導部件，可以使用反射(鏡子)以及折射(楔狀結構)或衍射(例如，光柵)光學器件。在后兩種情況下，可以將這些楔狀結構或光柵并入到探測器透鏡153中。如果同時將更多的子圖像成像到探測器上，則對于恒定尺寸的探測器，最后的分辨率從而將下降，除非像素的數(shù)量也增大。
[0054]雖然已經(jīng)在圖樣和前述描述中詳細示例并描述了本發(fā)明，但是該示例和描述視為示例性或示范性的，而不是限制性的；本發(fā)明不限制于公開的實施例。本領域技術人員在實踐聲稱的發(fā)明時，根據(jù)對圖樣、說明書、以及所附的權利要求的研究，能夠理解并實施對公開的實施例的其它改變。在權利要求中，詞語“包括”不排除其它元件或步驟，并且不定冠詞“一”或“一個”不排除多個。某措施記載在相互不同的從屬權利要求中的純粹事實不指示不能有利地使用這些措施的組合。權利要求中的任何參考符號不應視為限制范圍。
【權利要求】
1.一種光學傳感器設備(100)，包括: a)多個傳感器區(qū)域(111); b)多個物鏡(152)，所述多個物鏡(152)布置成使得每一個物鏡生成所述傳感器區(qū)域(111)之一的原像， 其中，所述物鏡(152)中的至少一個物鏡具有大于0.1的數(shù)值孔徑并包括數(shù)個透鏡； c)具有探測器像素的陣列(154)的光探測器； d)中間光學器件(153)，所述中間光學器件(153)將所述物鏡(152)的原像映射到所述探測器平面(154)上； e)光源(156),用于生成被朝向所述傳感器區(qū)域(111)引導的輸入光束(L)。
2.一種光學傳感器設備(100)，包括: a)多個傳感器區(qū)域(111); b)多個物鏡(152)， 所述多個物鏡(152)布置成使得每一個物鏡生成所述傳感器區(qū)域(111)之一的原像； c)具有探測器平面(154)的光探測器，所述原像被映射到所述探測器平面(154)上。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的光學傳感器設備(100)， 其特征在于，所述光學傳感器設備(100)包括將所述物鏡(152)的原像映射到所述探測器平面(154)上的中間光學器件(153)。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的光學傳感器設備(100)， 其特征在于，將至少一個原像映射到整個所述探測器平面上。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的光學傳感器設備(100)， 其特征在于，將至少兩個原像映射到所述探測器平面的無交疊區(qū)域上。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的光學傳感器設備(100)， 其特征在于，所述物鏡(152)中的至少一個物鏡的數(shù)值孔徑大于0.1，優(yōu)選地大于0.25。
7.根據(jù)權利要求1或2所述的光學傳感器設備(100)， 其特征在于，所述物鏡(152)中的至少一個物鏡包括數(shù)個透鏡。
8.根據(jù)權利要求3所述的光學傳感器設備(100)， 其特征在于，所述中間光學器件(153)包括用于選擇性地將不同組原像映射到所述探測器平面(154)上的復用單元。
9.根據(jù)權利要求3所述的光學傳感器設備(100)， 其特征在于，所述中間光學器件(153)包括反射、折射、和/或衍射元件。
10.根據(jù)權利要求1或2所述的光學傳感器設備(100)， 其特征在于，所述光學傳感器設備(100)包括用于生成輸入光束(L)的光源(156),所述輸入光束(L)在所述傳感器區(qū)域(111)處發(fā)生全內(nèi)反射和/或散射。
11.根據(jù)權利要求10所述的光學傳感器設備(100)， 其特征在于，所述光源(156)適于選擇性地照明分離的傳感器區(qū)域(111)。
12.根據(jù)權利要求1或2所述的光學傳感器設備(100)， 其特征在于，所述探測器平面(154)包括探測器像素的陣列。
13.根據(jù)權利要求1或2所述的光學傳感器設備(100)，其特征在于，所述光學傳感器設備(100)包括用于處理在所述探測器平面(154)上生成的圖像的圖像處理單元(155)。
14.根據(jù)權利要求1或2所述的光學傳感器設備(100)用于分子診斷、生物樣品分析、化學樣品分析、食品 分析、和/或法醫(yī)分析的用途。
【文檔編號】G01N21/25GK103782155SQ201280043280
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2012年8月27日 優(yōu)先權日:2011年9月6日
【發(fā)明者】J·J·H·B·施萊彭, J·H·M·雷正 申請人:皇家飛利浦有限公司