專(zhuān)利名稱(chēng)：用于執(zhí)行物理測(cè)量的透射式光盤(pán)裝置及其相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于可結(jié)合物質(zhì)的探測(cè)以及定量和定性分析的透射式光生物盤(pán)的方法和設(shè)計(jì)。更明確地，該發(fā)明針對(duì)通過(guò)與一種固相連接的結(jié)合物質(zhì)的親合反應(yīng)用于可結(jié)合物質(zhì)的探測(cè)及量化的方法和設(shè)備。該固相較好地由一個(gè)透射式光生物盤(pán)的表面提供，該光生物盤(pán)攜帶用于進(jìn)行分析的固定的結(jié)合試劑和編碼信息。該透射式光生物盤(pán)的流路內(nèi)帶有感興趣的分析物。利用由旋轉(zhuǎn)該透射式光生物盤(pán)給予的離心力，可以進(jìn)行被結(jié)合分析物(bound analyte)與自由分析物的分離。
背景技術(shù)：
在血液和其它體液中分析物的探測(cè)和量化對(duì)于疾病診斷、發(fā)病機(jī)理的闡明以及監(jiān)視藥物治療的反應(yīng)很重要。傳統(tǒng)地，由受過(guò)訓(xùn)練的技術(shù)人員在實(shí)驗(yàn)室中使用復(fù)雜的設(shè)備進(jìn)行診斷檢定。進(jìn)行這些檢定通常非常耗時(shí)并且昂貴。因此，非常需要使所有類(lèi)型的診斷檢定和法醫(yī)檢定更快并且更接近最終用戶(hù)。理想地，臨床醫(yī)生、患者、研究者、軍人、其它衛(wèi)生保健人員以及消費(fèi)者應(yīng)當(dāng)能夠在他們的系統(tǒng)中自己測(cè)試某些危險(xiǎn)因素或疾病指示劑的存在，以及在犯罪現(xiàn)場(chǎng)和戰(zhàn)場(chǎng)上測(cè)試某種生物材料的存在。目前，有許多醫(yī)學(xué)診斷的基于硅的附有核酸和/或蛋白質(zhì)的裝置可以購(gòu)買(mǎi)到或正在研制。這些芯片并非由最終用戶(hù)使用，或者由缺乏專(zhuān)業(yè)知識(shí)和貴重設(shè)備的個(gè)人或?qū)嶓w使用。
于2000年2月29日發(fā)布的名稱(chēng)為“盤(pán)中的實(shí)驗(yàn)室”的共同受讓的美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6,030,581(’581專(zhuān)利)由此全部作為參考?！?81專(zhuān)利光生物公開(kāi)了一種設(shè)備，包括適合由光讀出器讀出的一個(gè)光生物盤(pán)，其一個(gè)扇區(qū)具有完全自含的檢定系統(tǒng)，用于樣本中可疑分析物的定位和探測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
生物液體的分析旨在依靠免疫測(cè)定在其中起主要作用的特定結(jié)合檢定，進(jìn)行與多種生理障礙、生物學(xué)研究、proteomics、環(huán)境研究、農(nóng)業(yè)以及食品工業(yè)相關(guān)的物質(zhì)的定量和定性測(cè)定。用于在實(shí)際任何環(huán)境下幾乎無(wú)限數(shù)量的分析物的定量測(cè)定的顯著的特異性和敏感性，以及使小型化和適合于自動(dòng)化的能力，使其成為用于常規(guī)檢定的理想工具。
抗體結(jié)合技術(shù)是基于一個(gè)結(jié)合抗體、受體或其它結(jié)合蛋白質(zhì)與一個(gè)抗原或特定配體分子的相互作用以及一個(gè)抗體-抗原或受體-配體復(fù)合物的形成。通過(guò)改變某些條件，可以設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)合檢定來(lái)測(cè)定感興趣的分析物、配體或目標(biāo)結(jié)合試劑或抗體。步驟是類(lèi)似的，但該檢定配置提供了關(guān)于感興趣的抗原或抗體的結(jié)果。
捕獲探針結(jié)合以及樣本應(yīng)用當(dāng)樣本注入一個(gè)光生物盤(pán)的微通道、流路或流道中時(shí)，包括例如目標(biāo)抗原或抗體的目標(biāo)劑結(jié)合到一個(gè)捕獲探針，該捕獲探針被結(jié)合在一個(gè)載體例如光生物盤(pán)基底上的捕獲或目標(biāo)區(qū)內(nèi)。該捕獲探針可以是由目標(biāo)抗體識(shí)別的抗原，或者是與目標(biāo)抗原或配體具有特定親合力的抗體或受體。跟隨該結(jié)合步驟，未結(jié)合的目標(biāo)劑通過(guò)沖洗步驟去除。應(yīng)當(dāng)理解到現(xiàn)有技術(shù)中已知的各種技術(shù)、程序及化學(xué)反應(yīng)可以用于使捕獲探針結(jié)合到載體上，包括但不限于，探針與金屬的或活性的表面直接共價(jià)結(jié)合、被動(dòng)吸附以及通過(guò)交聯(lián)試劑。
關(guān)于使探針結(jié)合到載體上的表面化學(xué)的進(jìn)一步的詳情在以下專(zhuān)利中光生物公開(kāi)例如，以上并入的共同受讓的共同未決的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)60/353,770，名稱(chēng)為“包括用于受體分子的固定的金屬層的捕獲層裝置和相關(guān)的光學(xué)檢定光生物盤(pán)”，于2002年1月30日申請(qǐng)；以及美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)60/353,745，名稱(chēng)為“包括用于受體分子的固定的聚合物基底的捕獲層裝置和相關(guān)的光學(xué)檢定光生物盤(pán)”，于2002年1月30日申請(qǐng)。
除了用于附著捕獲探針的表面化學(xué)之外，可以使用封斷劑封斷該捕獲或目標(biāo)區(qū)內(nèi)的區(qū)域以及捕獲探針未結(jié)合處(非捕獲區(qū)域)的流道，以防止目標(biāo)或分析物、信號(hào)探針以及指示器與這些區(qū)域的非特定結(jié)合。封斷劑包括但不限于，蛋白質(zhì)例如BSA、凝膠、糖例如蔗糖、清潔劑例如聚環(huán)氧乙烷山梨糖醇單月桂酸酯、遺傳物質(zhì)例如切斷的鮭魚(yú)精子DNA以及聚乙烯醇。
信號(hào)產(chǎn)生信號(hào)從與目標(biāo)劑具有特定親合力的一個(gè)信號(hào)或指示劑或探針附加的標(biāo)記或示蹤產(chǎn)生。信號(hào)劑或探針可以包括例如標(biāo)記有微球、亞微米毫微球或酶的信號(hào)抗體或信號(hào)配體。微球或毫微球可以是熒光示蹤的(熒光球)、磷光的、發(fā)冷光的或化學(xué)發(fā)光的。微球或毫微球還可以攜帶不同的化學(xué)官能度，包括例如，羧基、氨基、醛和肼功能團(tuán)。這些功能團(tuán)可以便于信號(hào)劑的結(jié)合。在有合適基底的情況下，酶可以促進(jìn)產(chǎn)生熒光、顏色和可探測(cè)信號(hào)的一個(gè)化學(xué)反應(yīng)。例如，共軛辣根過(guò)氧化酶(HRP；Pierce，羅克福德市，伊利諾斯州)在有過(guò)氧化氫的條件下可以與基底3，3，5，5-四甲聯(lián)苯胺(TMB；Calbiochem目錄號(hào)613548，CAS-54827-17-7)一起使用，以產(chǎn)生不溶的沉淀物。辣根過(guò)氧化酶也可以與CN/DAB(4-氯萘酚/3，3’-二氨基聯(lián)苯胺、四鹽酸鹽)、4-CN(4-氯-1-萘酚)、AEC(3-氨基-9-乙基咔唑)和DAB(3，3-二氨基聯(lián)苯胺四鹽酸鹽)一起使用，以形成不溶沉淀物。類(lèi)似地，在本發(fā)明的實(shí)踐中，堿性磷酸酶(AP)可以與基底溴氯吲哚磷酸鹽一起使用。對(duì)于熟練的技術(shù)人員，其它合適的酶/基底組合將是顯而易見(jiàn)的。
探測(cè)來(lái)自微球或酶反應(yīng)的信號(hào)可以使用光生物盤(pán)讀出器讀出，該光生物盤(pán)讀出器被研制用于與光生物盤(pán)結(jié)合使用。不論是位于具有反射膜的光生物盤(pán)上的底部探測(cè)器，還是一個(gè)透射式光生物盤(pán)的頂部探測(cè)器，都可以作為用于檢定的光生物盤(pán)讀出器和這里光生物公開(kāi)的光生物盤(pán)發(fā)明。
光生物盤(pán)實(shí)施本發(fā)明的檢定及方法可以有利地在分析光生物盤(pán)、改進(jìn)的光生物盤(pán)或光生物盤(pán)上實(shí)施。該光生物盤(pán)可以包括具有目標(biāo)或捕獲區(qū)的流道、與該流道連通的回流通道以及在某些實(shí)施例中包括與該流道連通的混合室。
該光生物盤(pán)可以在包括信息編碼格式例如CD、CD-R或DVD或其改進(jìn)版本的一個(gè)透射式生物盤(pán)上實(shí)施。該光生物盤(pán)可以包括編碼信息，用于測(cè)試或檢定的執(zhí)行、控制及后處理。例如，這種編碼信息可以用于控制盤(pán)的轉(zhuǎn)速、培養(yǎng)時(shí)間、培養(yǎng)溫度和/或檢定的特定步驟。依據(jù)測(cè)試、檢定或研究的原始記錄，該轉(zhuǎn)速可以是變化的，具有間隔的或連續(xù)的加速、恒速和減速時(shí)期。這些時(shí)期的旋轉(zhuǎn)速度和時(shí)間可以被精密控制，以提供例如具有劑、試劑、DNA、RNA、抗原、抗體、配體和受體的液體與懸浮物的混合、攪動(dòng)或分離。
驅(qū)動(dòng)器實(shí)施可以使用一個(gè)盤(pán)驅(qū)動(dòng)器裝置或讀出器旋轉(zhuǎn)該光生物盤(pán)、讀出和處理該光生物盤(pán)上存儲(chǔ)的任何編碼信息以及分析該光生物盤(pán)的流道中的樣本。因此該盤(pán)驅(qū)動(dòng)器具有用于旋轉(zhuǎn)光生物盤(pán)的一個(gè)電機(jī)、用于控制光生物盤(pán)轉(zhuǎn)速的一個(gè)控制器、用于處理來(lái)自光生物盤(pán)的返回信號(hào)的一個(gè)處理器以及用于分析被處理信號(hào)的一個(gè)分析器。該驅(qū)動(dòng)器可以包括特別開(kāi)發(fā)地用于執(zhí)行這里光生物公開(kāi)的檢定的軟件。
控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速以獲得光生物盤(pán)的所需旋轉(zhuǎn)。該盤(pán)驅(qū)動(dòng)器裝置還可以用于在流道和目標(biāo)或捕獲區(qū)中的測(cè)試物質(zhì)被驅(qū)動(dòng)器的讀出光束探詢(xún)和被分析器分析之前或之后向光生物盤(pán)寫(xiě)信息。根據(jù)相關(guān)的檢定方法，該光生物盤(pán)可以包括編碼信息，用于控制光生物盤(pán)的轉(zhuǎn)速、提供具體到將進(jìn)行的測(cè)試類(lèi)型的處理信息，以及用于根據(jù)相關(guān)檢定方法在與該生物驅(qū)動(dòng)器相連的一個(gè)監(jiān)視器上顯示結(jié)果。
本發(fā)明的其它實(shí)施本發(fā)明在以下共同受讓和共同未決的專(zhuān)利申請(qǐng)中光生物公開(kāi)的某些光生物盤(pán)、檢定及系統(tǒng)中可以容易地實(shí)施美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)09/378,878，名稱(chēng)為“用于分析從光生物盤(pán)得到的工作及非工作數(shù)據(jù)的方法及設(shè)備”，于1999年8月23日申請(qǐng)；美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)60/150,288，名稱(chēng)為“用于使用物理同步標(biāo)記的光生物盤(pán)數(shù)據(jù)采集的方法及設(shè)備”，于1999年8月23日申請(qǐng)；美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)09/421,870，名稱(chēng)為“具有同時(shí)可讀分析物物質(zhì)的可跟蹤光盤(pán)”，于1999年10月26日申請(qǐng)；美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)09/643,106，名稱(chēng)為“用于使用物理同步標(biāo)記的光生物盤(pán)數(shù)據(jù)采集的方法及設(shè)備”，于2000年8月21日申請(qǐng)；美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)09/999,274，名稱(chēng)為“具有反射層的光生物盤(pán)”，于2001年11月15日申請(qǐng)；美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)09/988,728，名稱(chēng)為“使用光生物盤(pán)用于探測(cè)及量化淋巴細(xì)胞的方法及設(shè)備”，于2001年11月20日申請(qǐng)；美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)09/988,850，名稱(chēng)為“使用光生物盤(pán)用于血型檢定的方法及設(shè)備”，于2001年11月19日申請(qǐng)；美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)09/989,684，名稱(chēng)為“用于分離凝集劑與分散的微粒的設(shè)備及方法”，于2001年11月20日申請(qǐng)；美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)09/997,741，名稱(chēng)為“包括光生物盤(pán)的雙珠檢定及其相關(guān)方法”，于2001年11月27日申請(qǐng)；美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)09/997,895，名稱(chēng)為“用于分離顆粒懸浮物的成分的設(shè)備及方法”，于2001年11月30 申請(qǐng)；美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)10/005,313，名稱(chēng)為“用于測(cè)量分析物的光生物盤(pán)”，于2001年12月7日申請(qǐng)；美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)10/006,371，名稱(chēng)為“用于使用光生物盤(pán)及光生物盤(pán)讀出器探測(cè)分析物的方法”，于2001年12月10日申請(qǐng)；美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)10/006,620，名稱(chēng)為“用于探測(cè)分析物的多數(shù)據(jù)層光生物盤(pán)”，于2001年12月10日申請(qǐng)；美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)10/006,619，名稱(chēng)為“用于執(zhí)行檢定的光生物盤(pán)裝置”，于2001年12月10日申請(qǐng)；美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)10/020,140，名稱(chēng)為“用于基于盤(pán)的實(shí)驗(yàn)室的探測(cè)系統(tǒng)以及包括該探測(cè)系統(tǒng)的改進(jìn)的光生物盤(pán)”，于2001年12月14日申請(qǐng)；美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)10/035,836，名稱(chēng)為“用于固定DNA捕獲探針的表面裝置和包括光生物盤(pán)的基于珠的檢定及其相關(guān)方法”，于2001年12月21日申請(qǐng)；美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)10/038,297，名稱(chēng)為“包括用于改進(jìn)的特異性的共價(jià)鍵的雙珠檢定以及相關(guān)的光分析光生物盤(pán)”，于2002年1月4日申請(qǐng)；美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)10/043,688，名稱(chēng)為“包括用于生物及醫(yī)學(xué)成像的相關(guān)方法的光生物盤(pán)分析系統(tǒng)”，于2002年1月10日申請(qǐng)；美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)60/363,949，名稱(chēng)為“用于包括白血球的差分細(xì)胞計(jì)數(shù)以及使用光生物盤(pán)執(zhí)行該細(xì)胞計(jì)數(shù)的方法”，于2002年3月12日申請(qǐng)；美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)10/150,702，名稱(chēng)為“用于在使用酶促反應(yīng)的遺傳檢定中用于固定DNA捕獲探針以在光生物盤(pán)中產(chǎn)生信號(hào)的表面裝置及其相關(guān)方法”，于2002年5月17日申請(qǐng)；以及美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)60/388,132，名稱(chēng)為“生物磁檢定及相關(guān)的光生物盤(pán)系統(tǒng)”，于2002年6月12日申請(qǐng)。這里所有這些申請(qǐng)一并作為參考。它們因此提供了背景及相關(guān)公開(kāi)作為其支持，相當(dāng)于這里被完全重復(fù)。


由本發(fā)明的較好實(shí)施例的以下描述，本發(fā)明的進(jìn)一步的目標(biāo)連同有助于此的附加特征以及由此產(chǎn)生的優(yōu)點(diǎn)將很明顯。在附圖中采用系統(tǒng)的參考數(shù)字表示相同的元件，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)光生物盤(pán)的圖示。
圖2是連同本發(fā)明使用的一個(gè)透射式光生物盤(pán)的分解透視圖。
圖3是表示圖2所示光生物盤(pán)的一個(gè)透視圖，切除部分表示該光生物盤(pán)的半反射層的功能方面。
圖4是顯示薄金膜的厚度與透過(guò)率之間關(guān)系的圖示。
圖5是圖2所示光生物盤(pán)的一個(gè)俯視圖。
圖6是圖2所示光生物盤(pán)的透視圖，切除部分顯示包括圖3所示半反射層的類(lèi)型的光生物盤(pán)的不同層。
圖7是詳細(xì)表示圖1系統(tǒng)的透視及方框圖。
圖8A是垂直于圖2、5和6所示透射式光生物盤(pán)半徑的局部剖視圖。
圖8B是垂直于透射形式的光生物盤(pán)半徑的局部剖視圖，顯示附著在該光生物盤(pán)的一個(gè)流道內(nèi)的捕獲抗體。
圖9是一個(gè)局部縱向剖視圖，表示本發(fā)明的透射形式的光生物盤(pán)，顯示其中形成的擺動(dòng)的凹槽以及一個(gè)頂部探測(cè)器。
圖10是類(lèi)似圖8A的一個(gè)視圖，顯示該透射式光生物盤(pán)的整個(gè)厚度及其初始折射性質(zhì)。
圖11是模擬與本發(fā)明一起使用的一個(gè)光路。
圖12是當(dāng)聚焦光斑從折射球中心移到邊緣時(shí)探測(cè)器上信號(hào)的曲線(xiàn)圖。
圖13是由本發(fā)明的系統(tǒng)探測(cè)的微粒圖像。
圖14A顯示與本發(fā)明一起使用的模擬會(huì)聚球面波的一個(gè)聚焦光束。
圖14B顯示類(lèi)似圖14A的一個(gè)聚焦光束，模擬與本發(fā)明一起使用的平面波集合。
圖15是顯示與本發(fā)明一起使用的利用Mie理論原理計(jì)算一個(gè)入射平面波被一個(gè)球散射時(shí)使用的坐標(biāo)系的圖。
圖16顯示對(duì)于一個(gè)固定的半徑，電場(chǎng)模量作為角度的函數(shù)，表示當(dāng)與本發(fā)明一起使用時(shí)從一個(gè)2μm金屬球散射對(duì)角度的從屬性。
圖17顯示與圖16相同類(lèi)型的圖，除了是從一個(gè)介電球散射。
圖18是對(duì)于一個(gè)0.5μm金屬微粒的散射電場(chǎng)的三維圖像。
圖19是顯示一個(gè)金屬球外的切向電場(chǎng)作為其半徑的函數(shù)的曲線(xiàn)圖。
圖20是顯示一個(gè)電介質(zhì)外的切向電場(chǎng)作為該球的半徑的函數(shù)的曲線(xiàn)圖。
圖21A-21D表示當(dāng)與本發(fā)明一起使用時(shí)，在偏離一個(gè)3μm PMMA球的中心0、1.5、3和5μm處物鏡出瞳的強(qiáng)度分布。
圖22A-22D表示幾何光線(xiàn)的草圖，用于表示一個(gè)小球的聚焦效應(yīng)，并且還用于圖解表示上述21A-21D的圖像。
圖23A-23C圖解表示由于使用了光學(xué)探測(cè)分支中的像散透鏡，當(dāng)盤(pán)從成像光斑的焦點(diǎn)位置移開(kāi)時(shí)落在探測(cè)器上的光。
圖24A和24B表示當(dāng)與本發(fā)明一起使用時(shí)，在對(duì)物鏡出瞳的電場(chǎng)進(jìn)行傅立葉變換之后以及在增加像差以模擬該像散聚焦元件之后，探測(cè)器上的信號(hào)的圖像。
圖25A-25D表示當(dāng)光束聚焦偏離一個(gè)3μm PMMA球的中心0μm、2μm、3.5μm和5μm時(shí)探測(cè)器上的光分布的圖像。
圖26是本發(fā)明的一個(gè)向前凸版透射盤(pán)實(shí)施例的簡(jiǎn)化剖視圖。
圖27是當(dāng)與本發(fā)明一起使用時(shí)，在工作特征上方流動(dòng)的液體所在的向前凸版透射盤(pán)實(shí)施例的更詳細(xì)的剖視圖。
圖28是當(dāng)與本發(fā)明一起使用時(shí)，在工作特征下方流動(dòng)的液體所在的向前凸版透射盤(pán)實(shí)施例的更詳細(xì)的剖視圖。
圖29是當(dāng)與本發(fā)明一起使用時(shí)，表示其漫游性質(zhì)的該向前凸版透射盤(pán)實(shí)施例的詳細(xì)剖視圖。
圖30是本發(fā)明的一個(gè)透射盤(pán)實(shí)施例的簡(jiǎn)化剖視圖。
圖31是當(dāng)與本發(fā)明一起使用時(shí)，具有反射式最頂層的一個(gè)透射盤(pán)實(shí)施例的更詳細(xì)的剖視圖。
圖32是當(dāng)與本發(fā)明一起使用時(shí)，具有折射式最頂層的另一個(gè)透射盤(pán)實(shí)施例的更詳細(xì)的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明針對(duì)盤(pán)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)、光生物盤(pán)、結(jié)合檢定(binding assay)，包括例如免疫測(cè)定，以及相關(guān)的探測(cè)方法和軟件。本發(fā)明的這些方面的每一個(gè)都在以下進(jìn)一步詳細(xì)論述。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是在其工作特征上具有透射層的一個(gè)光生物盤(pán)。在普通光盤(pán)實(shí)施例中，工作特征包括坑、紋間表面、凹槽、區(qū)。該透射層為半反射的，使一些激光束通過(guò)同時(shí)使其部分反射回去。反射部分用于提供普通盤(pán)工作例如跟蹤、聚焦、能量控制等的必要的信號(hào)支持。工作特征上的透射層還允許入射激光束通過(guò)工作特征，通過(guò)允許更多折射光和散射光被光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器上的探測(cè)器探測(cè)，以提供生物盤(pán)上的樣本的更好的表征功能。由于光的折射和散射是由光生物盤(pán)上的研究特征(樣本)造成的，因此這些光束的改進(jìn)收集將改進(jìn)用于表征被研究特征所需的信號(hào)。
光學(xué)上，不考慮偏振效應(yīng)，在透射層處于適當(dāng)位置時(shí)，可以探測(cè)到返回光束。同時(shí)透射性質(zhì)允許一個(gè)光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器具有較大的光探測(cè)器。較大的探測(cè)器可以更好地探測(cè)由沉積在盤(pán)上的研究特征散射的光。在一個(gè)實(shí)施例中，透射盤(pán)具有一個(gè)最終反射層，將透射的激光束反射回一個(gè)底部探測(cè)器。在另一個(gè)實(shí)施例中，透射盤(pán)具有一個(gè)折射層，使透射的激光束通到一個(gè)頂部探測(cè)器。在以下部分，給出許多圖進(jìn)一步表示該透射式光生物盤(pán)的構(gòu)成和光學(xué)性質(zhì)。同時(shí)公開(kāi)了表征該透射式光生物盤(pán)的光學(xué)性質(zhì)的理論。
驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)及相關(guān)光生物盤(pán)圖1是根據(jù)本發(fā)明的光生物盤(pán)110的透視圖，光生物盤(pán)110用于進(jìn)行這里光生物公開(kāi)的生物檢定。本光生物盤(pán)110與盤(pán)驅(qū)動(dòng)器112和監(jiān)視器114一起顯示。
圖2是光生物盤(pán)110的主要結(jié)構(gòu)元件的分解透視圖。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，該光生物盤(pán)是一個(gè)透射型光生物盤(pán)。該透射型光生物盤(pán)110的主要結(jié)構(gòu)元件類(lèi)似地包括頂蓋部分116、粘合部件118以及基底120層。頂蓋部分116包括一個(gè)或多個(gè)入口122和一個(gè)或多個(gè)出口124。頂蓋部分116可以由聚碳酸酯層構(gòu)成?？蛇x觸發(fā)器標(biāo)記126可以位于薄的半反射金屬層143的表面，如圖6和9所示。觸發(fā)器標(biāo)記126可以包括該光生物盤(pán)的所有三層上的一個(gè)透明的窗口，一個(gè)不透明區(qū)域，或者信息編碼的一個(gè)反射或半反射區(qū)域，發(fā)送數(shù)據(jù)到圖7的處理器166，處理器166又與圖3和7的探詢(xún)光束152的工作功能相互作用。
圖2所示的第二元件為粘合部件或通道層118，其中具有流路128或U形通道。流路128的構(gòu)成是通過(guò)沖壓或裁切該膜以去除塑料薄膜以及形成所示形狀。每個(gè)流路128包括流道130和回流通道132。某些圖2所示流路128包括混合室134。顯示了兩種不同類(lèi)型的混合室134。第一種是對(duì)稱(chēng)混合室136，相對(duì)于流道130對(duì)稱(chēng)地構(gòu)成。第二種是偏移混合室138。偏移混合室138構(gòu)成到所示流道130的一側(cè)。
圖2所示的第三元件為基底120，可以包括目標(biāo)或捕獲區(qū)140?；?20較好地由聚碳酸酯制成，并在圖3中其頂部上沉積薄的半反射金屬層143。與圖2和3中所示光生物盤(pán)110的基底120相連的該半反射層143比一個(gè)反射式光生物盤(pán)的基底上的反射層薄得多。較薄的半反射層143允許探詢(xún)光束152部分透過(guò)該透射式光生物盤(pán)的結(jié)構(gòu)層。薄半反射層143可以由金屬例如鋁或金構(gòu)成。
圖3是圖2所示光生物盤(pán)110的透射式實(shí)施例的基底120和半反射層143的放大透視圖。薄半反射層143可以由金屬例如鋁或金、半導(dǎo)體例如硅或鍺、或者電介質(zhì)例如二氧化硅、硫化鋅和氧化鉭的多層介電薄膜制成。在該較好實(shí)施例中，圖2和3所示的透射式光生物盤(pán)的薄半反射層143厚度約20～300□并且不超過(guò)400□。該較薄的半反射層143允許一部分入射或探詢(xún)光束152穿透并通過(guò)半反射層143，被圖7的頂部探測(cè)器158探測(cè)，同時(shí)一些光被反射或沿入射光路返回。如下所述，表1給出金膜關(guān)于膜厚的反射和透射特性。大于800□的厚度時(shí)金膜層全反射。同時(shí)光透過(guò)金膜的密度閾值約為400□。
表1


除了表1，圖4還提供了薄半反射層143的反射及透射性質(zhì)基于金厚度的反比關(guān)系的圖示。圖4中曲線(xiàn)的反射及透射值為絕對(duì)值。
圖5是圖2和3所示透射型光生物盤(pán)110的俯視圖，具有顯露流道的透明頂蓋部分116、觸發(fā)器標(biāo)記126以及位于該光生物盤(pán)內(nèi)的目標(biāo)區(qū)140。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的透射式光生物盤(pán)實(shí)施例的光生物盤(pán)110的放大透視圖。光生物盤(pán)110的各層的一部分被切除以顯示每個(gè)主要層、基底、涂層或薄膜的局部剖視圖。圖6表示一個(gè)透射式光生物盤(pán)形式，具有透明頂蓋部分116、基底120上的薄半反射層143以及觸發(fā)器標(biāo)記126。觸發(fā)器標(biāo)記126包括位于頂蓋頂部的不透明物質(zhì)?；蛘咴撚|發(fā)器標(biāo)記可以由蝕刻在光生物盤(pán)的薄反射層143上的透明的非反射式窗口、或者吸收或不反射來(lái)自圖7中的觸發(fā)器探測(cè)器160的信號(hào)的任何標(biāo)記構(gòu)成。
圖6還顯示目標(biāo)區(qū)140通過(guò)標(biāo)記指示形狀或任何所需形狀中的指定區(qū)域構(gòu)成。指示目標(biāo)區(qū)140的標(biāo)記可以在基底120的薄半反射層143上或在(光生物盤(pán)下面的)基底120的底部上制成。或者，目標(biāo)區(qū)140可以通過(guò)掩模技術(shù)形成，包括掩蔽除目標(biāo)區(qū)140以外的整個(gè)薄半反射層143。在該實(shí)施例中，目標(biāo)區(qū)140可以通過(guò)絲網(wǎng)印制墨水到薄半反射層143上形成?；钚詫?44可以加到薄半反射層143上。在該較好實(shí)施例中，活性層為40至200μm厚的2％聚苯乙烯層?；蛘呖梢允褂镁厶妓狨ァ⒔?、活化玻璃、改性玻璃或改性聚苯乙烯例如聚苯乙烯順丁烯二酐?；钚詫?44還可以較好地通過(guò)具有自組裝單層的反射層142的衍生作用構(gòu)成，例如功能活性的巰基化合物與金的配價(jià)結(jié)合以及功能化硅化物與鋁的結(jié)合。此外可以使用水凝膠。如本實(shí)施例中所述，塑料粘合部件118加在活性層144上。如果沒(méi)有活性層144，則粘合部件118就直接加在半反射金屬層143上。塑料粘合部件118的外露部分表示裁切或沖壓的形成流路128的U形模。本光生物盤(pán)110的該透射式實(shí)施例中的最終主要結(jié)構(gòu)層為透明的非反射的頂蓋部分116，包括入口122和出口124。
圖7是表示光學(xué)元件148、產(chǎn)生入射或探詢(xún)光束152的光源150、返回光束154以及透射光束156的透射及方框圖。在該透射式光生物盤(pán)形式中，由頂部探測(cè)器158通過(guò)透鏡或光學(xué)系統(tǒng)600探測(cè)該透射光束156，并且分析該透射光束156中信號(hào)劑的存在。在該透射式實(shí)施例中，可以使用一個(gè)光電探測(cè)器作為頂部探測(cè)器158。
圖7還顯示一個(gè)硬件觸發(fā)器機(jī)構(gòu)，包括該光生物盤(pán)上的觸發(fā)器標(biāo)記126以及觸發(fā)器探測(cè)器160。在反射式光生物盤(pán)和透射式光生物盤(pán)中都使用該硬件觸發(fā)機(jī)構(gòu)(圖6)。該觸發(fā)機(jī)構(gòu)允許處理器166僅當(dāng)探詢(xún)光束152處于各個(gè)目標(biāo)區(qū)140上時(shí)才采集數(shù)據(jù)。此外，在該透射式光生物盤(pán)系統(tǒng)中，還可以使用一個(gè)軟件觸發(fā)器。該軟件觸發(fā)器使用底部探測(cè)器，一旦探詢(xún)光束152打到各個(gè)目標(biāo)區(qū)140的邊緣，就向處理器166發(fā)信號(hào)以采集數(shù)據(jù)。圖7還表示驅(qū)動(dòng)電機(jī)162以及控制器164，用于控制光生物盤(pán)110的旋轉(zhuǎn)。圖7進(jìn)一步顯示備選方案中實(shí)施的處理器166和分析器168，用于處理與該透射式光生物盤(pán)相關(guān)的返回光束154和透射光束156。
圖8A是根據(jù)本發(fā)明的光生物盤(pán)110的透射式實(shí)施例的局部剖視圖。圖8A表示一個(gè)透射式光生物盤(pán)形式，透明頂蓋部分116和薄半反射層143位于基底120上。圖8A還顯示加在薄半反射層143上的活性層144。在該較好實(shí)施例中，該透射式光生物盤(pán)具有薄半反射層143，薄反射層143由金屬例如鋁或金制成，厚度大約100～300埃并且不超過(guò)400埃。該薄半反射層143允許來(lái)自圖7的光源150的入射或探詢(xún)光束152的一部分穿透并向上通過(guò)該光生物盤(pán)，以被頂部探測(cè)器158探測(cè)到，同時(shí)部分光線(xiàn)沿與入射光束相同的路徑但是以相反的方向反射回來(lái)。在該布置中，返回的或反射的光束154從半反射層143反射。因此以此方式，返回光束154不進(jìn)入流道130。反射光或返回光束154可以用于跟蹤與圖9一起詳細(xì)描述的半反射層143中或上形成的預(yù)先記錄的信息通道上的入射光束152。
圖8B是類(lèi)似圖8A的視圖，顯示圖8A中所述的反射式光生物盤(pán)的所有元件。圖8B進(jìn)一步顯示附在捕獲區(qū)140內(nèi)基底120上的捕獲抗體204。
圖9是沿圖8A所述根據(jù)本發(fā)明的光生物盤(pán)110的透射式光生物盤(pán)實(shí)施例的通道的剖視圖。該視圖沿該光生物盤(pán)的半徑和流道縱向獲得。圖9表示基底120和薄半反射層143。該薄半反射層143允許來(lái)自光源150的入射或探詢(xún)光束152穿透并通過(guò)該光生物盤(pán)，以被頂部探測(cè)器158探測(cè)到，同時(shí)部分光線(xiàn)以返回光束154的形式反射回來(lái)。該薄半反射層143的厚度取決于該光生物盤(pán)讀出器保持其跟蹤能力所需的反射光的最小量。該實(shí)施例中的基底120，像圖19中光生物描述的一樣，包括凹槽170序列。該實(shí)施例中的凹槽170還較好地是螺旋形式，從該光生物盤(pán)的中心附近向外邊緣延伸。凹槽170使得探詢(xún)光束152可以沿該螺旋跟蹤。圖9還顯示加在薄半反射層143上的活性層144。如圖9進(jìn)一步所示，塑料粘合部件118加在活性層144上。圖9還顯示沒(méi)有反射表面146的頂蓋部分116。因此，當(dāng)頂蓋加在包括所需裁切形狀的塑料粘合部件118上時(shí)，流道130由此形成，并且允許入射光束152的一部分未經(jīng)反射地完全通過(guò)。
圖10是類(lèi)似圖8A的視圖，顯示透射式光生物盤(pán)的整個(gè)厚度及其初始折射性質(zhì)。圖10中看不到凹槽170，因?yàn)榻孛媸茄匕疾?70切開(kāi)的。圖10顯示有窄的流道130，在該實(shí)施例中垂直于凹槽170。
圖9和10顯示該透射式光生物盤(pán)的整個(gè)厚度。在這些圖中，顯示入射光束152最初與基底120相互作用，基底120具有折射性質(zhì)，如圖改變?nèi)肷涔馐穆窂剑蕴峁┕馐?52在薄半反射層143上的聚焦。
球的成像已經(jīng)研究了一個(gè)光盤(pán)播放器中球的成像理論。在該透射式盤(pán)實(shí)施例中，對(duì)于任何類(lèi)型的球形微粒，該理論允許本發(fā)明的光生物盤(pán)平臺(tái)中測(cè)量的信號(hào)的計(jì)算，并對(duì)其它目標(biāo)的響應(yīng)提供指導(dǎo)。
該理論基于在光盤(pán)播放器中的成像微粒附近的麥克斯韋方程的全解。因此它自動(dòng)包括從激光器到微粒到探測(cè)器的光記錄器中的偏振效應(yīng)。計(jì)算信號(hào)是來(lái)自探測(cè)器本身的信號(hào)。
模型的簡(jiǎn)要概述模擬的光路在圖11中顯示。數(shù)值孔徑、波長(zhǎng)等是一個(gè)CD-RW記錄器的。從激光器到探測(cè)器的光傳播的不同階段可以方便地細(xì)分如下1.激光器300照射物鏡入瞳。
2.物鏡304使光線(xiàn)聚焦到球形微粒附近的盤(pán)302的讀出表面的區(qū)域。
3.擱在盤(pán)材料內(nèi)部一個(gè)表面上的球(圖11中未顯示)使光線(xiàn)在一個(gè)角度范圍內(nèi)散射，并且盤(pán)的該表面和鏡子都使光線(xiàn)向物鏡反射回來(lái)。透過(guò)該盤(pán)的這部分光線(xiàn)打到探測(cè)器301。
4.物鏡304捕獲該反射光，并將其引向探測(cè)器308。
5.一個(gè)光學(xué)元件，通常是一個(gè)透鏡或平行平板，向光束引入像差(像散)，用于產(chǎn)生聚焦誤差信號(hào)。該光學(xué)元件通過(guò)圖11中的像散透鏡306表示。
6.探測(cè)器308捕獲光線(xiàn)。僅通過(guò)物鏡304反射并最終打到探測(cè)器308的光線(xiàn)作為光記錄器中的一個(gè)信號(hào)來(lái)記錄。
對(duì)于該光斑的每個(gè)橫向位置，在其掃描通過(guò)微粒時(shí)，重復(fù)該步驟，并且打到探測(cè)器的光量的變化使該信號(hào)可見(jiàn)。
模型中的關(guān)鍵組成部分構(gòu)成該成像過(guò)程的模型有三個(gè)關(guān)鍵組成部分1.聚焦光束的描述方式允許計(jì)算它與該球的相互作用。它證明最容易的進(jìn)行方法是將光束分為平面波的和，平面波是沿一個(gè)方向移動(dòng)的簡(jiǎn)單波。
2.第二階段是描述平面波如何與該球相互作用。這是一個(gè)眾所周知的問(wèn)題，可以得到標(biāo)準(zhǔn)答案。但是，花費(fèi)較大努力來(lái)理解該答案，并且因此將給出例子。
3.最后，必須計(jì)算由物鏡收集并引到探測(cè)器上的光量，包括由像散元件導(dǎo)致的變形。由頂部探測(cè)器收集的光量也被計(jì)算。該問(wèn)題也可以定量解答。
在本發(fā)明中，該透射式光盤(pán)系統(tǒng)應(yīng)用的方法如上所述，除了最后階段不需要。這三個(gè)階段的每一個(gè)將用示例結(jié)果描述。但是，首先給出一個(gè)樣本最終結(jié)果來(lái)說(shuō)明該模型的功能。
示例結(jié)果一個(gè)3μm PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)球的像從光生物盤(pán)的反射中計(jì)算了來(lái)自一個(gè)3μm PMMA球的像。發(fā)現(xiàn)該成像機(jī)構(gòu)主要不是從該球本身反射，而是(1)通過(guò)該球的透射以及(2)從距其后面大約25μm的鏡子的反射。用幾何術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，在微粒的邊緣，光線(xiàn)折射偏離該光束，未到達(dá)捕獲透鏡，并且因此未到達(dá)探測(cè)器。因此在微粒邊緣處該像是一個(gè)暗環(huán)，具有一個(gè)光中心。背景的確切水平以及該像的中心依賴(lài)鏡子的位置(決定由于散焦，有多少光到達(dá)探測(cè)器)，以及微粒的尺寸。
圖12是通過(guò)探測(cè)器的信號(hào)的曲線(xiàn)圖，顯示信號(hào)的減小。實(shí)際反射值依賴(lài)探測(cè)分支中的像散，但是原理是相同的。圖13顯示被系統(tǒng)探測(cè)的微粒的像。如圖所示，一個(gè)3μm PMMA微粒的計(jì)算的像由透過(guò)該微粒的光以及反射離開(kāi)后面的鏡子的光來(lái)控制。
成像和聚焦的光斑聚焦光線(xiàn)的電磁理論的基本結(jié)果是，在聚焦區(qū)域，光線(xiàn)可以表示為平面波的和。用繪畫(huà)術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，這在圖14A和14B中顯示。圖14A顯示聚焦光束可以被模擬作為一個(gè)會(huì)聚球面波。圖14B顯示同一聚焦光束可以被模擬作為平面波的和。
數(shù)學(xué)表達(dá)式具有以下形式 考慮聚焦光束作為平面波的和的優(yōu)點(diǎn)是，與球面波相比，計(jì)算出平面波如何與一個(gè)目標(biāo)相互作用常常相當(dāng)容易。例如，當(dāng)聚焦光束打到一個(gè)空白CD-R盤(pán)的表面時(shí)，它看到一系列凹槽。對(duì)于一個(gè)平面波，這僅僅是一個(gè)衍射光柵，將平面波衍射為一系列分立的角度。則總的反射光束簡(jiǎn)單地是一系列衍射光束的和。不采用這種方法，則一個(gè)1μm寬的光斑將如何對(duì)1.6μm寬的凹槽作出反應(yīng)相當(dāng)不明顯。
對(duì)于與一個(gè)球相互作用的當(dāng)前情況，出現(xiàn)同樣的情形。平面波與球的相互作用已經(jīng)被嚴(yán)密解出了，提供了求解聚焦光束與球相互作用的方法。
這用以下形式數(shù)學(xué)表達(dá) 下面我們將考慮該簡(jiǎn)化情況，稱(chēng)為Mie理論，按首先解答它的科學(xué)家命名。
Mie理論從一個(gè)球散射Mie在1908年計(jì)算了入射平面波被一個(gè)球的散射，使用電磁理論的嚴(yán)密應(yīng)用。這些方程基于Born和Wolf給出的方程(光學(xué)原理，635-664頁(yè))。這些解是以用于通過(guò)微粒附近的三維空間的散射波的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的方程的形式。它證明表示這些場(chǎng)的最簡(jiǎn)單的方法是使用球極坐標(biāo)而非更常見(jiàn)的笛卡爾坐標(biāo)。這些按照入射光束與散射光束之間的角度(θ)、入射光束偏振面與散射光束之間的角度(φ)以及半徑(r)表示，如圖15所示。因此電場(chǎng)用分量(Eθ，Eφ，Er)描述。圖15顯示入射光束(Ei，Hi)和球極坐標(biāo)系。
在相比微粒尺寸的大半徑處，類(lèi)似一個(gè)光記錄器中的情況，這些函數(shù)可以一定程度地簡(jiǎn)化；并且該場(chǎng)的徑向分量為零。則磁矢量與電矢量之間有直接關(guān)系，使得你只需要指定兩個(gè)中的一個(gè)。
結(jié)果則最終以該簡(jiǎn)單形式Eθ=E0·F(θ)·cos(φ)·eikrr]]>以及對(duì)于φ分量的一個(gè)相同的方程。
這顯示有一個(gè)幅值按1/r下降的平面波(eikr)；該波隨φ的余弦變化，并且顯示與函數(shù)F(θ)所述θ的(復(fù)雜的)依存關(guān)系。該后一函數(shù)是首要關(guān)心的，因?yàn)樗枋隽松⑸涔獾膹?qiáng)度如何隨光的散射角度變化?，F(xiàn)在，將給出這些方程的結(jié)果在近場(chǎng)(小r)和遠(yuǎn)場(chǎng)(大r)極限情況的一些例子。
散射的角度相關(guān)性顯示的第一個(gè)結(jié)果是用于從一個(gè)2μm金屬球的散射。圖16顯示對(duì)于一個(gè)固定半徑(φ＝0處)，電場(chǎng)模量作為角度的函數(shù)。顯示了三個(gè)值入射光(310)、散射光(312)以及合成的總的電場(chǎng)強(qiáng)度(314)。顯示在距2μm金屬球6μm處的散射作為角度的函數(shù)。
注意到微粒成像中重要的一些普遍特征1.散射光按角度的函數(shù)振蕩。這對(duì)應(yīng)微粒周?chē)妶?chǎng)中的駐波圖案；2.E(θ)中有很強(qiáng)的前向散射，當(dāng)加到入射場(chǎng)上時(shí)導(dǎo)致繼續(xù)向前的光減少——這實(shí)質(zhì)上是球的陰影。
3.其它計(jì)算顯示隨著測(cè)量半徑減小，電場(chǎng)減小到零，如金屬表面的邊界條件所要求那樣。
圖17顯示與圖16相同類(lèi)型的圖，除了是從一個(gè)介電球(PMMA)散射。顯示了三個(gè)值入射光(320)、散射光(322)以及合成的總的電場(chǎng)強(qiáng)度(324)。這些繪出的值顯示關(guān)于金屬的類(lèi)似的振蕩圖案，有一個(gè)重要的差別在小角度(通過(guò)球的透過(guò)率)處電場(chǎng)不減小(陰影)而是增大。
在θ＝0至10度的明亮中心區(qū)域附近，有一個(gè)較暗區(qū)域(θ＝10至30°)。假定光記錄器的數(shù)值孔徑(NA～0.5)對(duì)應(yīng)大約20°，這已經(jīng)暗示當(dāng)觀察一個(gè)光記錄器的透過(guò)率時(shí)，微粒將顯示一個(gè)暗環(huán)包圍的一個(gè)明亮中心。
散射電場(chǎng)的三維圖給出了隨角度振蕩的一個(gè)良好效果。圖18顯示的三維圖像是對(duì)于一個(gè)0.5μm金屬微粒的散射電場(chǎng)。
散射的徑向相關(guān)電場(chǎng)顯示作為半徑函數(shù)的強(qiáng)烈振蕩，直到在較大半徑處散射電場(chǎng)按半徑的倒數(shù)下降，并且總電場(chǎng)接近入射電場(chǎng)。對(duì)于電介質(zhì)和金屬的情況是完全不同的，如圖19和20所示。圖19顯示一個(gè)金屬外的切向電場(chǎng)作為半徑的函數(shù)，而圖20顯示一個(gè)電介質(zhì)外的切向電場(chǎng)作為半徑的函數(shù)。在圖19中，曲線(xiàn)326顯示總電場(chǎng)，曲線(xiàn)328顯示入射電場(chǎng)以及曲線(xiàn)330顯示散射電場(chǎng)。在圖20中，曲線(xiàn)332顯示總電場(chǎng)，曲線(xiàn)334顯示入射電場(chǎng)以及曲線(xiàn)336顯示散射電場(chǎng)。電介質(zhì)(圖20)顯示球后面強(qiáng)烈增強(qiáng)的電場(chǎng)，比所給例子中的入射電場(chǎng)升高六倍。金屬(圖19)顯示當(dāng)接近表面時(shí)電場(chǎng)減小，因?yàn)樗诮饘俦旧淼谋砻嫣幈仨毥抵亮恪?br> 介電球后面場(chǎng)強(qiáng)的增大可以簡(jiǎn)單地從幾何光學(xué)理解球作為一個(gè)透鏡，并在其后面聚焦光線(xiàn)。這導(dǎo)致理解介電微粒性質(zhì)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)小透鏡。這對(duì)于理解微粒的圖像將很重要。
球的成像理解球如何成像的基本元件現(xiàn)在都就位了。理解有兩個(gè)階段。第一階段是計(jì)算什么光反射回來(lái)進(jìn)入物鏡光瞳。由于光線(xiàn)離開(kāi)了它被透鏡聚焦的區(qū)域，這稱(chēng)為出瞳(與朝向盤(pán)的光的入瞳截然不同)。第二階段將是計(jì)算落在探測(cè)器上的光。
出瞳的能量已經(jīng)計(jì)算了出瞳的能量，包括當(dāng)合適時(shí)與從鏡子反射的光的干涉。圖21A、21B、21C和21D給出了這些能量的例子，其中看到記錄器中暗環(huán)的區(qū)域是由于光瞳外的散射光的橫向偏移。四幅圖表示在距3μm PMMA球中心0、1.5、3和5μm處物鏡出瞳的強(qiáng)度分布。圖21A至21D的構(gòu)成可以通過(guò)研究對(duì)應(yīng)的圖22A-22D來(lái)理解。圖22A-22D是幾何光線(xiàn)的草圖，用于表示一個(gè)小球的聚焦作用。
當(dāng)聚焦光束完全落在微粒上時(shí)，它聚焦成一個(gè)更緊密的光束，并在與光束從微粒的位移相反的方向偏轉(zhuǎn)(圖22A-22B)。當(dāng)橫向位移較大時(shí)，打到微粒的多數(shù)光偏轉(zhuǎn)到物鏡光瞳外面，并且因此未被捕獲。未打到微粒的光不偏轉(zhuǎn)，并且因此光瞳的外邊緣總是被更多地照亮(圖22C)。當(dāng)橫向位移很大以致光斑未打到微粒時(shí)，光瞳被鏡子反射的光完全照亮(圖22D)。
現(xiàn)在可以理解圖2所示的一般結(jié)果。在微粒的中心，所有光線(xiàn)反射回來(lái)通過(guò)透鏡。當(dāng)光斑向一側(cè)移動(dòng)時(shí)，該光斑的一部分偏離收集角，并且因此信號(hào)減弱。最終，當(dāng)更多的光線(xiàn)完全未到達(dá)探測(cè)器時(shí)，信號(hào)再次增強(qiáng)。
探測(cè)器上的強(qiáng)度分布但是，通過(guò)物鏡光瞳的光是不足的，因?yàn)樵摴獠⒎侨看虻教綔y(cè)器上。光未打到探測(cè)器的主要原因是散焦，并且因此在探測(cè)器區(qū)域形成一個(gè)大的彌散斑。在其頂部，為了產(chǎn)生聚焦信號(hào)而增加的像散也使光斑更大，盡管設(shè)計(jì)保證沒(méi)有散焦時(shí)所有光仍打到探測(cè)器上。這在圖23A、23B和23C中顯示。圖23A給出聚焦對(duì)準(zhǔn)的一個(gè)光斑。圖23B給出具有小的散焦的一個(gè)光斑。圖23C給出具有大的散焦和信號(hào)減小的一個(gè)光斑。
探測(cè)器上信號(hào)的計(jì)算包括對(duì)物鏡出瞳的電場(chǎng)進(jìn)行傅立葉變換，并且增加像差以模擬該像散聚焦元件。圖24A和24B中顯示了探測(cè)器上信號(hào)的例子。圖24A顯示在聚焦光斑偏離PMMA球中心0μm處探測(cè)器上的強(qiáng)度分布。圖24B顯示在聚焦光斑偏離PMMA球中心5μm處探測(cè)器上的強(qiáng)度分布。
當(dāng)光斑聚焦在微粒中心時(shí)(圖24A)，上述透鏡效應(yīng)用于減小探測(cè)器上光斑的尺寸，因?yàn)楣饩€(xiàn)被聚焦成較小的角度。當(dāng)光斑向一側(cè)移動(dòng)時(shí)，有一個(gè)橫向偏移，直到在圖24B中光斑完全未到達(dá)微粒。由于從盤(pán)表面后面大約25μm的鏡子的反射，現(xiàn)在總共有相當(dāng)于50μm的散焦，并且這導(dǎo)致一個(gè)極大的光斑，該光斑的大部分未到達(dá)探測(cè)器。
透射式探測(cè)器如果探測(cè)器位于盤(pán)后面，則不需要包括該探測(cè)分支及其像散元件。但是，由于光線(xiàn)不需要回來(lái)通過(guò)物鏡，因此收集角可能大得多。有可能在位于盤(pán)后面的探測(cè)器(或屏幕)上產(chǎn)生光斑的圖像，并且例子在以下圖25A、25B、25C和25D中顯示。這些圖中所示的是對(duì)于一個(gè)3μm PMMA微粒，對(duì)于0μm(圖25A)、2μm(圖25B)、3.5μm(圖25C)和5μm(圖25D)的光斑橫向位置，直到77度角的透射光?？梢匀缦旅枋鲈撓盗袌D像1.對(duì)于中心位于微粒前表面的光斑(圖25A)，透鏡效應(yīng)導(dǎo)致窄的發(fā)射角。該光斑可與圖25D比較，圖25D中可看到完整的數(shù)值孔徑。
2.如果微粒移向一側(cè)(圖25B)，則光斑向相反方向一側(cè)移動(dòng)，如前在出瞳能量的論述中所解釋。
3.在3.5μm偏移處(圖25C)，打到微粒的光以大角度(約50°)散射，同時(shí)其余的光繼續(xù)，留下一個(gè)照亮的弧。
4.在5μm處(圖25D)，光斑未到達(dá)微粒并且對(duì)應(yīng)輸入數(shù)值孔徑的區(qū)域被照亮。
因此，研究出光記錄器中球形微粒的成像理論。該模型是基于嚴(yán)密的電磁理論和顯微鏡成像理論，并且對(duì)于本發(fā)明中的透射式光學(xué)系統(tǒng)，追蹤從激光器到探測(cè)器的光線(xiàn)。有了該模型，就可能理解該光生物盤(pán)讀出器平臺(tái)的性質(zhì)并且設(shè)計(jì)改進(jìn)的探測(cè)器及驅(qū)動(dòng)器配置。
向前凸版透射盤(pán)圖26是本發(fā)明的一個(gè)向前凸版透射式光生物盤(pán)實(shí)施例的簡(jiǎn)化剖視圖。當(dāng)與其它光生物盤(pán)一起時(shí)，需要流體流路設(shè)計(jì)以允許清洗導(dǎo)電檢定中的生物樣本。例如，將化學(xué)溶液注入光生物盤(pán)以洗掉在化學(xué)反應(yīng)/混合之后未被抗原捕獲的蛋白質(zhì)。如圖26所示，在該向前凸版透射式光生物盤(pán)中，流體流路402可以在工作特征400以上或以下。因此有兩個(gè)實(shí)施例，一個(gè)實(shí)施例中流體流路在工作特征以上，另一個(gè)實(shí)施例中流體流路在工作特征以下。依據(jù)所用光盤(pán)技術(shù)的類(lèi)型，工作特征可以是坑、紋間表面、凹槽或區(qū)。
圖27顯示流體在工作特征以上流動(dòng)的向前凸版透射式光生物盤(pán)的實(shí)施例的更詳細(xì)的剖視圖。有五個(gè)主要元件。從上到下是(1)保護(hù)層410，(2)最終反射層420，(3)樣本/流體區(qū)域418，(4)透射式工作特征408，以及(5)透鏡元件層404。流體及研究/生物樣本通過(guò)保護(hù)層410外切開(kāi)的樣本入口孔426插入該生物盤(pán)。流體流過(guò)樣本/流體區(qū)域418。顯示一個(gè)示例研究特征426放在盤(pán)的焦點(diǎn)區(qū)412內(nèi)的樣本/流體區(qū)域418中。箭頭428表示流路方向。來(lái)自光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器物鏡組件的激光416，在到達(dá)工作特征408之前，首先通過(guò)透鏡元件層404進(jìn)入生物盤(pán)。該工作特征被一個(gè)透射層覆蓋，使工作特征408可透射。在一個(gè)實(shí)施例中，該透射層是一個(gè)薄金層。在另一個(gè)實(shí)施例中，該透射層由玻璃制成。激光416的一部分被透射式工作特征408反射回來(lái)，反射的激光回到該盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的探測(cè)器并且用于工作例如聚焦和跟蹤。激光416的大部分通過(guò)透射式工作特征408并且可以用于表征樣本/流體區(qū)域418中的研究特征426(或任何樣本)。
光學(xué)上，樣本的表征是可能的，因?yàn)闃颖?流體區(qū)域位于激光416的焦點(diǎn)區(qū)412內(nèi)。最終反射層420使通過(guò)焦點(diǎn)區(qū)的激光416反射回來(lái)。反射的激光返回到光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的探測(cè)器。激光416的焦平面424可以在工作特征408以下、此處或以上漫游。物鏡組件允許的這三個(gè)區(qū)域都落在焦點(diǎn)區(qū)412內(nèi)。
圖28是流體在工作特征以下流動(dòng)的向前凸版透射式光生物盤(pán)的實(shí)施例的更詳細(xì)的剖視圖。有五個(gè)主要元件。從上到下是(1)保護(hù)層436，(2)最終反射層446，(3)樣本/流體區(qū)域444，(4)透射式工作特征434，以及(5)透鏡元件層430。流體及研究/生物樣本通過(guò)透鏡元件層430外切開(kāi)的樣本入口孔452插入該生物盤(pán)。流體流過(guò)樣本/流體區(qū)域444。顯示一個(gè)示例研究特征450放在盤(pán)的焦點(diǎn)區(qū)438內(nèi)的樣本/流體區(qū)域444中。來(lái)自光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器物鏡組件的激光442，在到達(dá)工作特征434之前，首先通過(guò)透鏡元件層430進(jìn)入生物盤(pán)。該工作特征被一個(gè)透射層覆蓋，使工作特征434可透射。在一個(gè)實(shí)施例中，該透射層是一個(gè)薄金層。在另一個(gè)實(shí)施例中，該透射層由玻璃制成。激光442的一部分被透射式工作特征434反射回來(lái)，反射的激光回到該盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的探測(cè)器并且用于工作例如聚焦和跟蹤。激光442的大部分通過(guò)透射式工作特征434并且可以用于表征樣本/流體區(qū)域444中的研究特征450(或任何樣本)。
光學(xué)上，樣本的表征是可能的，因?yàn)闃颖?流體區(qū)域位于激光442的焦點(diǎn)區(qū)438內(nèi)。最終反射層446使通過(guò)焦點(diǎn)區(qū)的激光442反射回來(lái)。反射的激光返回到光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的探測(cè)器。激光442的焦平面432可以在工作特征434以下、此處或以上漫游。物鏡組件允許的這三個(gè)區(qū)域都落在焦點(diǎn)區(qū)438內(nèi)。
圖29進(jìn)一步表示焦平面的漫游性質(zhì)。所給光生物盤(pán)的視圖類(lèi)似圖27和28。有三個(gè)示例位置，點(diǎn)478、點(diǎn)480和點(diǎn)482，在此處激光468可以聚焦。這些點(diǎn)表示最大反射率的點(diǎn)。點(diǎn)478位于研究特征476的平面處。點(diǎn)480位于工作特征460處。點(diǎn)482位于樣本/流體區(qū)域470的頂部。這三點(diǎn)位于三個(gè)漫游區(qū)域工作特征460以上、工作特征460以下以及工作特征460處。這個(gè)范圍提供了表征樣本/流體區(qū)域470中的研究特征和樣本的靈活性。
透射式盤(pán)和多層圖30是顯示多層的一個(gè)向前凸版透射式生物盤(pán)實(shí)施例的簡(jiǎn)化剖視圖。從上到下是(1)焦平面及流體平面500；(2)干涉圖案(透射)層502；以及(3)保護(hù)層504。同其它盤(pán)實(shí)施例情況一樣，需要流體流路設(shè)計(jì)以允許清洗導(dǎo)電檢定中的生物樣本。例如，將化學(xué)溶液注入該盤(pán)以洗掉在化學(xué)反應(yīng)/混合之后未被抗原捕獲的蛋白質(zhì)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例并在圖30中所見(jiàn)，流體流路506位于工作特征508以上。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，流體流路506位于工作特征508以下。該圖還顯示包含工作特征的一個(gè)透射層，依據(jù)所用光盤(pán)技術(shù)的類(lèi)型，工作特征可以是坑、紋間表面、凹槽或區(qū)。圖中還見(jiàn)到的是厚度可調(diào)的保護(hù)層504。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，該向前凸版透射式光生物盤(pán)具有一個(gè)反射式最頂層。該實(shí)施例見(jiàn)圖31。根據(jù)該實(shí)施例，用于探測(cè)從捕獲區(qū)反射的光線(xiàn)的探測(cè)器位于光源的同側(cè)。換句話(huà)說(shuō)，探測(cè)器位于該透射式光生物盤(pán)以下。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，該向前凸版透射式光生物盤(pán)具有一個(gè)折射式最頂層。該實(shí)施例見(jiàn)圖32。根據(jù)該實(shí)施例，用于探測(cè)從捕獲區(qū)反射的光線(xiàn)的探測(cè)器位于光源的對(duì)側(cè)。換句話(huà)說(shuō)，該透射式光生物盤(pán)位于光源與探測(cè)器之間。
圖31是一個(gè)透射式光生物盤(pán)的更詳細(xì)的剖視圖，顯示來(lái)自一個(gè)光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的物鏡組件(未顯示)的激光528，在其到達(dá)最終的反射層510之前，在通過(guò)其它三個(gè)層之前通過(guò)透鏡元件層518進(jìn)入該生物盤(pán)。在最終反射層510處，激光向著透鏡元件層被反射回來(lái)，并被該盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)探測(cè)器(未顯示)捕獲，以用于例如聚焦和跟蹤的工作。透鏡元件層以上的其它三個(gè)層從下到上為(1)透射層516；(2)聚焦區(qū)層514；以及(3)保護(hù)層512。一個(gè)示例研究特征520放在樣本或流體區(qū)域522中，該樣本或流體區(qū)域522是保護(hù)層512的一部分。圖31還顯示前見(jiàn)的實(shí)施例，其中流體區(qū)域522位于工作特征524以上。該示例研究特征在盤(pán)的焦點(diǎn)區(qū)514內(nèi)，正好位于盤(pán)的透鏡焦距530以上。該圖還顯示盤(pán)的主焦平面位于盤(pán)的透射層516內(nèi)。
工作中，工作特征524被透射層516覆蓋，使工作特征可透射。在一個(gè)實(shí)施例中，該透射層由金制成。在另一個(gè)實(shí)施例中，該透射層由玻璃制成。來(lái)自激光器的所有光線(xiàn)被最終反射層510反射回位于該光生物盤(pán)以下的一個(gè)探測(cè)器(未顯示)。該探測(cè)器在其它目標(biāo)中一旦碰到就捕獲該研究特征520的圖像。
圖32類(lèi)似前面的圖31，僅有一個(gè)差別。該圖中所示的透射式盤(pán)的最頂層具有一個(gè)折射層532，代替圖31中見(jiàn)到的反射層530。由于該折射層，現(xiàn)在激光器光線(xiàn)的大部分可以透過(guò)光生物盤(pán)的頂部，并且這通過(guò)激光器光線(xiàn)528的直線(xiàn)534和536清楚地顯示。部分光線(xiàn)返回到透鏡元件層并被該盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)探測(cè)器(未顯示)捕獲，以用于工作例如聚焦和跟蹤。該圖中所示透射盤(pán)的其它特征如圖31中所示相同。
權(quán)利要求
1.一種透射式光生物盤(pán)，包括具有中心及外邊緣的一個(gè)完全圓形的基底；以及與該基底相連的一個(gè)薄半反射層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的透射式光生物盤(pán)，其中該薄半反射層選自金屬、半導(dǎo)體和介電層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的透射式光生物盤(pán)，其中所述金屬選自金、鋁、銀、鎳和反射金屬合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的透射式光生物盤(pán)，其中所述半導(dǎo)體選自硅和鍺。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的透射式光生物盤(pán)，其中所述介電層為多層介電薄膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的透射式光生物盤(pán)，其中所述多層介電薄膜選自二氧化硅、硫化鋅和氧化鉭。
7.根據(jù)任一權(quán)利要求1、2、3、4、5或6的透射式光生物盤(pán)，其中所述薄半反射層的厚度為20至300埃之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的透射式光生物盤(pán)，其中該基底包括相關(guān)的編碼信息，該編碼信息可被一個(gè)盤(pán)驅(qū)動(dòng)器組件讀出，以控制該光生物盤(pán)的旋轉(zhuǎn)。
9.權(quán)利要求1的透射式光生物盤(pán)，進(jìn)一步包括位于該中心與該外邊緣之間的一個(gè)目標(biāo)區(qū)；在所述薄半反射層的表面上形成的一個(gè)活性層；以及與所述活性層結(jié)合的至少一個(gè)捕獲劑，使得該捕獲劑固定在該目標(biāo)區(qū)內(nèi)的所述活性層上，由此形成一個(gè)捕獲區(qū)。
10.權(quán)利要求1或9的透射式光生物盤(pán)，進(jìn)一步包括一個(gè)頂蓋部分。
11.權(quán)利要求10的透射式光生物盤(pán)，其中所述頂蓋部分是透明的。
12.權(quán)利要求11的透射式光生物盤(pán)，其中所述頂蓋部分具有模鑄的一個(gè)或多個(gè)通道，使得當(dāng)該頂蓋部分附在基底上時(shí)，形成流道。
13.權(quán)利要求12的透射式光生物盤(pán)，其中所述頂蓋部分使用一種粘合部件附在基底上。
14.權(quán)利要求12的透射式光生物盤(pán)，其中所述頂蓋部分通過(guò)頂蓋與基底的直接粘合附在基底上。
15.一種透射式光生物盤(pán)及驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個(gè)透射式光生物盤(pán)，包含具有中心及外邊緣的一個(gè)完全圓形的基底；位于該基底上方的一個(gè)薄半反射層；通過(guò)一種粘合部件整體附在該薄半反射層上的一個(gè)頂蓋部分，該粘合部件具有一個(gè)或多個(gè)去除的部分，由此形成一個(gè)或多個(gè)在其間限定的通道；和固定在該薄半反射層上的一個(gè)或多個(gè)捕獲劑，該捕獲劑限定該一個(gè)或多個(gè)通道內(nèi)的光生物分立的捕獲區(qū)；以及一個(gè)盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，包含一個(gè)光源，用于將光線(xiàn)引向所述捕獲區(qū)；一個(gè)探測(cè)器系統(tǒng)，用于探測(cè)該捕獲區(qū)處從該光生物盤(pán)反射或透射的光線(xiàn)并提供一個(gè)信號(hào)；和一個(gè)處理器，用于使用該信號(hào)對(duì)粘合到該捕獲劑的樣本進(jìn)行計(jì)數(shù)。
16.一種透射式光生物盤(pán)及驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個(gè)透射式光生物盤(pán)，包含具有中心及外邊緣的一個(gè)完全圓形的基底；位于該基底上方的一個(gè)透鏡元件層；位于該透鏡元件層上方的一個(gè)透射式工作特征層；位于該透射式工作特征層上方的一個(gè)捕獲區(qū)，其中所述捕獲區(qū)包含捕獲劑；位于該捕獲區(qū)上方的一個(gè)最終層；和位于該最終層上方的一個(gè)保護(hù)層；以及一個(gè)盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，包含一個(gè)光源，用于將光線(xiàn)引向所述透射式光生物盤(pán)的所述捕獲區(qū)處；一個(gè)探測(cè)器系統(tǒng)，用于探測(cè)該捕獲區(qū)處從該透射式光生物盤(pán)反射或透射的光線(xiàn)并提供一個(gè)信號(hào)；和一個(gè)處理器，用于使用該信號(hào)對(duì)粘合到捕獲劑的捕獲區(qū)中的項(xiàng)目進(jìn)行計(jì)數(shù)。
17.一種透射式光生物盤(pán)及驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個(gè)透射式光生物盤(pán)，包含具有中心及外邊緣的一個(gè)完全圓形的基底；位于該基底上方的一個(gè)透鏡元件層；位于該透鏡元件層上方的一個(gè)捕獲區(qū)，其中所述捕獲區(qū)包含捕獲劑；位于該捕獲區(qū)上方的一個(gè)透射式工作特征層；位于透射式工作特征層上方的一個(gè)最終層；和位于該最終層上方的一個(gè)保護(hù)層；以及一個(gè)盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，包含一個(gè)光源，用于將光線(xiàn)引向所述透射式光生物盤(pán)的所述捕獲區(qū)處；一個(gè)探測(cè)器系統(tǒng)，用于探測(cè)該捕獲區(qū)處從該透射式光生物盤(pán)反射或透射的光線(xiàn)并提供一個(gè)信號(hào)；和一個(gè)處理器，用于使用該信號(hào)對(duì)粘合到捕獲劑的捕獲區(qū)中的項(xiàng)目進(jìn)行計(jì)數(shù)。
18.根據(jù)任一權(quán)利要求15、16或17的系統(tǒng)，其中所述探測(cè)器系統(tǒng)包括探測(cè)器和光學(xué)元件。
19.權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中所述光學(xué)元件將光線(xiàn)引向所述探測(cè)器。
20.權(quán)利要求16或17的系統(tǒng)，其中該最終層是反射的。
21.權(quán)利要求16或17的系統(tǒng)，其中該最終層是透明的。
22.權(quán)利要求16或17的系統(tǒng)，其中當(dāng)所述透射式光生物盤(pán)具有反射式最終層時(shí)，所述探測(cè)器系統(tǒng)位于光源的同側(cè)，用于探測(cè)從捕獲區(qū)反射的光線(xiàn)。
23.權(quán)利要求16或17的系統(tǒng)，其中該探測(cè)器系統(tǒng)位于光源的對(duì)側(cè)，用于探測(cè)從所述透射式光生物盤(pán)的捕獲區(qū)透射的光線(xiàn)。
24.權(quán)利要求11或12的系統(tǒng)，其中該透射式工作特征層選自反射式金屬、半導(dǎo)體和介電層。
全文摘要
使用一個(gè)光生物盤(pán)進(jìn)行樣本分析，在該光生物盤(pán)的工作特征上具有一個(gè)透射層。該層為半反射的，允許激光通過(guò)工作特征，以當(dāng)盤(pán)驅(qū)動(dòng)器上的探測(cè)器探測(cè)到更多的折射和散射光時(shí)，提供更好的樣本特性。光學(xué)地，不考慮偏振效應(yīng)，可以探測(cè)到透射光束。同樣，透射性質(zhì)允許盤(pán)驅(qū)動(dòng)器具有更大的探測(cè)器以更好地探測(cè)由于盤(pán)上的研究特征而散射的光。當(dāng)盤(pán)的最頂層為折射式時(shí)，盤(pán)驅(qū)動(dòng)器在盤(pán)上方具有一個(gè)探測(cè)器，以從盤(pán)上的目標(biāo)區(qū)捕獲圖像或信號(hào)；以及在下方具有一個(gè)探測(cè)器，捕獲反射的激光用于工作功能。當(dāng)盤(pán)的最頂層為反射式時(shí)，盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的上述兩個(gè)探測(cè)器都在盤(pán)下方。
文檔編號(hào)B01L3/00GK1556918SQ02818349
公開(kāi)日2004年12月22日 申請(qǐng)日期2002年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月19日
發(fā)明者馬克·沃星敦, 詹姆斯·庫(kù)布斯, 維克托·奧提滋, 塞斯亞·福爾斯特曼, 奧提滋, 庫(kù)布斯, 福爾斯特曼, 馬克 沃星敦 申請(qǐng)人:伯斯坦技術(shù)公司, 長(zhǎng)岡實(shí)業(yè)株式會(huì)社