專(zhuān)利名稱：用于檢測(cè)測(cè)試材料中有機(jī)分子的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于檢測(cè)測(cè)試材料中有機(jī)分子，特別是生物分子和聚合物的裝置和方法。
生物芯片通常包括一個(gè)具有有機(jī)分子(探針)區(qū)域的二維陣列，這些有機(jī)分子固定在表面上，并且可以特別地與包含在測(cè)試材料中的化學(xué)物質(zhì)(靶)起反應(yīng)。此處的目的是平行檢測(cè)探針和靶之間的許多相互作用。當(dāng)照明時(shí)，光敏生物芯片顯示一種物理反應(yīng)，該物理反應(yīng)特異地取決于探針和靶之間的相互作用。
這些相互作用的檢測(cè)可例如通過(guò)光學(xué)方法、放射自顯影法、質(zhì)譜法、或電學(xué)方法進(jìn)行。在這樣做時(shí)，必需在空間上對(duì)陣列上的各種探針進(jìn)行尋址。尤其是，迄今為止對(duì)這群光敏生物芯片的光學(xué)(發(fā)光)和電學(xué)檢測(cè)方法是已知的。對(duì)這些芯片來(lái)說(shuō)，尋址可以通過(guò)空間受限的光學(xué)激發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
迄今為止，激光掃描器或共聚焦顯微鏡已經(jīng)應(yīng)用于光學(xué)激發(fā)。此處關(guān)鍵的參數(shù)是跨過(guò)芯片的整個(gè)空間讀出區(qū)的均勻度和可再現(xiàn)性。由于這些要求，所以由Minsky(US 3,013,467)所提出的原始共聚焦結(jié)構(gòu)常常用作讀出裝置的基礎(chǔ)，例如象在US 5,631,734和US 5,578,832中所介紹的。它包括一個(gè)可以在共聚焦顯微鏡下面移動(dòng)的XYZ平移臺(tái)。在JP 11094747中，用一旋轉(zhuǎn)臺(tái)代替平移臺(tái)。在這些方法中，生物芯片必須經(jīng)受臺(tái)子正在進(jìn)行的加速作用。這最終決定了芯片在其中可以讀出的時(shí)間間隔。例如，在10μm分辨率情況下，對(duì)22×60mm掃描區(qū)的讀出過(guò)程花大約半小時(shí)。
另一些光學(xué)讀出系統(tǒng)，如在WO 09947964A1中所介紹的那種，是基于活動(dòng)的光學(xué)元件，這使得造價(jià)昂貴和/或易受到干擾。
用電讀出光敏生物芯片的特種讀出系統(tǒng)迄今未知。
所有已知的掃描系統(tǒng)的缺點(diǎn)是，它們?nèi)菀资軝C(jī)械損傷、形體較大和價(jià)格昂貴。
按照本發(fā)明，這個(gè)目的通過(guò)按照獨(dú)立權(quán)利要求1所述的裝置和按照獨(dú)立權(quán)利要求12所述的方法解決。各優(yōu)選實(shí)施例是從屬權(quán)利要求的內(nèi)容。
本發(fā)明的裝置包括一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)、一個(gè)照明系統(tǒng)和一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)，上述測(cè)試系統(tǒng)包括測(cè)試位點(diǎn)陣列，測(cè)試材料可以加到該測(cè)試位點(diǎn)陣列。測(cè)試系統(tǒng)在本說(shuō)明書(shū)中，術(shù)語(yǔ)“生物芯片”用于一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，該測(cè)試系統(tǒng)包括一個(gè)二維測(cè)試位點(diǎn)陣列，其中每個(gè)測(cè)試位點(diǎn)都具有特異的探針?lè)肿?。探針?lè)肿庸潭ㄔ谝粋€(gè)表面上，并可以特異地與包含在測(cè)試材料中的化學(xué)物質(zhì)(靶)反應(yīng)。此處的目的是平行檢測(cè)探針和靶之間的許多相互作用。
術(shù)語(yǔ)“探針?lè)肿印碧貏e包括生物分子、聚合物及它們與其它化學(xué)物質(zhì)特別是生物分子、聚合物、染料、金屬及氧化還原活性物質(zhì)的絡(luò)合物。探針?lè)肿觾?yōu)選地包含DNA、RNA或PNA片段(DNA-脫氧核糖核酸，RNA-核糖核酸，PNA-肽核酸合成的DNA或RNA，其中磷酸糖部分被氨基酸取代)。在這些情況下，對(duì)應(yīng)的生物芯片稱為DNA芯片。包含蛋白質(zhì)(相應(yīng)的生物芯片術(shù)語(yǔ)蛋白質(zhì)芯片)或葡萄糖化合物(葡萄糖芯片)的探針?lè)肿油瑯邮莾?yōu)選的。而且，探針?lè)肿犹貏e地可以包括標(biāo)記物質(zhì)，特別是染料或氧化還原活性物質(zhì)，和連接體(用來(lái)連接或附接分子部分的分子團(tuán))。
“靶”指的是測(cè)試材料中的有機(jī)分子，特別是可特異性地與探針?lè)肿酉嗷プ饔玫纳锓肿?、聚合物、藥物或其它活性物質(zhì)。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)，如果特異地取決于探針和靶之間相互作用的物理反應(yīng)是由空間可限制的照明引起，并且陣列單元(測(cè)試位點(diǎn))的光學(xué)尋址是可能的，則把生物芯片稱作是光敏性的芯片。
為了能把測(cè)試材料供給到生物芯片上，應(yīng)用一個(gè)供給裝置。獨(dú)立的供給裝置，特別是注射器、移液管、管子、套管、管道及漏斗，和與測(cè)試系統(tǒng)連接的裝置，二者都可以考慮。后者可被結(jié)合到測(cè)試系統(tǒng)的外殼，并可以有效的保護(hù)測(cè)試系統(tǒng)免受干擾因素如雜質(zhì)、機(jī)械應(yīng)力、溫差和蒸發(fā)的影響，且有助于測(cè)試材料的節(jié)約使用。照明系統(tǒng)在本發(fā)明的范圍內(nèi)，“照明系統(tǒng)”指的是適合于在光敏性生物芯片上啟動(dòng)物理反應(yīng)的一個(gè)或一個(gè)以上的照明光源。按照本發(fā)明，照明系統(tǒng)包括一個(gè)獨(dú)立可尋址的照明光源陣列，這些照明光源這樣排列，以使測(cè)試系統(tǒng)子陣列的每一測(cè)試位點(diǎn)都分配至少一個(gè)基本上只照明該測(cè)試位點(diǎn)的照明光源。
此外，照明系統(tǒng)可以包括一個(gè)光學(xué)投影系統(tǒng)，用于以這種方式把照明光源陣列成像在測(cè)試系統(tǒng)上，以便在子陣列的每一測(cè)試位點(diǎn)上，至少有一個(gè)分配到該位點(diǎn)的照明光源可以成像。
“投影系統(tǒng)”指的是適合于光學(xué)成像，特別是包括透鏡和/或鏡面的任何系統(tǒng)。投影系統(tǒng)可以包括其它的光學(xué)元件，特別是濾光片、孔徑、偏振器和分光鏡。在狹義上說(shuō)，在本發(fā)明范圍內(nèi)的投影系統(tǒng)指的是一種用于把照明光源成像在光敏性生物芯片上的光學(xué)系統(tǒng)。
作為提供投影系統(tǒng)的一種可供選擇的方案，照明光源陣列可以基本上平行于測(cè)試系統(tǒng)而排列，并排列在距其如此短的距離處，以致于從每個(gè)照明光源發(fā)出的發(fā)射光線基本上只照明分配給它的測(cè)試位點(diǎn)。在這種情況下，不需要投影系統(tǒng)。
這里，照明光源陣列可以特別地由一個(gè)或一個(gè)以上下列元件組成陰極射線管(CRT)、液晶器件/顯示器(LCD)—它優(yōu)選的是通過(guò)包括薄膜晶體管(TFT)的有源矩陣尋址、空間光調(diào)制器(SLM)、特別是一種數(shù)字微反射鏡器件(DMD—一種獨(dú)立可尋址的微型反射鏡陣列)、發(fā)光二極管(LED)、聚合物顯示器(OLED—有機(jī)LED)、電致發(fā)光顯示器(EL)、激光器—尤其優(yōu)選的是激光二極管和光纖激光器、等離子體顯示板(PDP)、場(chǎng)致發(fā)光顯示板(FED—一種小型化的陰極射線管陣列)和真空熒光顯示器(VFD)。
按照本發(fā)明，照明系統(tǒng)還可以特別包括“照明系統(tǒng)”和“二維光學(xué)開(kāi)關(guān)”元件的組合。這里，“照明系統(tǒng)”指的是一種用于特定區(qū)域均勻照明的光學(xué)系統(tǒng)。它包括一個(gè)或一個(gè)以上的照明光源和保證均勻照明的光學(xué)元件，特別是(鏡面)反射器、透鏡、積分器，和其它元件，如用于限定輻射場(chǎng)的孔徑以及用于光譜限制的濾光片。在這種情況下，“積分器”指的是有助于使光束均勻化的光學(xué)元件，它特別是由若干散射盤(pán)組成，例如包括毛玻璃、一個(gè)微型透鏡系統(tǒng)，或這些元件與球形積分凹面鏡的組合。尤其是，可以應(yīng)用基于Khler的顯微鏡照明光學(xué)元件的原理的照明系統(tǒng)(標(biāo)題為“顯微鏡”，F(xiàn)achlexikon Physik，Verlag Harri Deutsch，F(xiàn)rankfurt a.M.1989)。照明系統(tǒng)還可以由一個(gè)或一個(gè)以上的均勻輻射場(chǎng)組成，該均勻輻射場(chǎng)由例如光纖束(生產(chǎn)廠家例如，Schott-Fostec，Aubum，NY，USA)構(gòu)成。
光學(xué)開(kāi)關(guān)是一種可以在外部控制其透射或反射的光學(xué)元件。二維光學(xué)開(kāi)關(guān)是一種正好包括此類(lèi)光學(xué)開(kāi)關(guān)的二維陣列。按照本發(fā)明，優(yōu)選的是用液晶顯示器件(LCD)或數(shù)字微型反射鏡器件(DMD，制造廠家比如Texas Instruments，TX，USA)作光學(xué)開(kāi)關(guān)。檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)的目的是在照明下識(shí)別其探針?lè)肿优c待檢測(cè)的有機(jī)分子相互作用的那些測(cè)試位點(diǎn)，特別是識(shí)別在其處這些分子之間發(fā)生反應(yīng)的那些位點(diǎn)。它最好包括一個(gè)或一個(gè)以上的用于提供及評(píng)估測(cè)量信號(hào)的檢測(cè)器和裝置。使檢測(cè)系統(tǒng)與所應(yīng)用的測(cè)試系統(tǒng)的讀出方法類(lèi)型，亦即，光誘導(dǎo)反應(yīng)的類(lèi)型協(xié)調(diào)是合適的。
對(duì)于尤其優(yōu)選的用作測(cè)試系統(tǒng)的具有電讀出的生物芯片，特別是具有直接電讀出(特別是根據(jù)專(zhuān)利申請(qǐng)DE 19921940，DE 19926457，和DE19945398)的DNA芯片，檢測(cè)系統(tǒng)優(yōu)選的是包括一個(gè)用于測(cè)定測(cè)試位點(diǎn)和生物芯片導(dǎo)電表面之間電氣連通的測(cè)量裝置。這個(gè)測(cè)量裝置優(yōu)選的是電流、電荷、電壓或電位測(cè)量裝置，循環(huán)伏安法測(cè)量裝置，電流測(cè)量裝置，或電導(dǎo)率測(cè)量裝置。循環(huán)伏安法測(cè)量裝置是一種用于記錄電流-電壓曲線的測(cè)量裝置，電壓隨時(shí)間而周期性和線性改變。電流測(cè)量裝置是一種記錄電流-時(shí)間曲線的測(cè)量裝置。電導(dǎo)率測(cè)量裝置使得可特別地通過(guò)在固定電壓下測(cè)量電流或是通過(guò)在恒定電流下測(cè)量電壓測(cè)量電導(dǎo)率。具有微電極的生物芯片提供電讀出的空間限制，并因此提供測(cè)量的空間分辨率，或者提供限于各個(gè)測(cè)試位點(diǎn)的電讀出。
在具有光讀出的光敏性生物芯片的情況下，芯片的光誘導(dǎo)反應(yīng)，特別是發(fā)光，是用光學(xué)方法檢測(cè)的。這類(lèi)芯片很流行，并且由例如Affymetrix(CA，USA)、Nanogen(CA，USA)和Incyte/Synteni(CA，USA)制造。如果用這類(lèi)能光學(xué)讀出的生物芯片作為測(cè)試系統(tǒng)，則檢測(cè)系統(tǒng)合適的是包括一種用于檢測(cè)芯片的光誘導(dǎo)反應(yīng)的光學(xué)檢測(cè)器。有利的是，這種檢測(cè)器是CCD(電荷耦合器件)、增強(qiáng)式CCD(CCD具有一個(gè)前面的光電倍增管，該光電倍增管由許多小金屬管組成，因此達(dá)到總體較高的靈敏度)、CMOS攝像機(jī)(一種用CMOS技術(shù)制造的光學(xué)檢測(cè)器—互補(bǔ)型金屬氧化物硅—其明顯的特點(diǎn)是它的大光學(xué)動(dòng)態(tài)范圍)、光電二極管陣列、光電晶體管陣列或者一個(gè)或一個(gè)以上的光電倍增管(光子檢測(cè)器管，在其中電子釋放、放大，并通過(guò)光子檢測(cè))。
整個(gè)光學(xué)構(gòu)造，由照明系統(tǒng)和，如果可用的話，一個(gè)投影系統(tǒng)和一個(gè)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)組成，該光學(xué)構(gòu)造可以另外包括反射鏡以使光路拐彎，并因此得到不同的幾何形狀，特別是較緊湊的設(shè)計(jì)。
總的說(shuō)來(lái)，將本發(fā)明范圍內(nèi)所介紹的照明系統(tǒng)，包括一個(gè)獨(dú)立可尋址的照明光源陣列，和本身已知的掃描系統(tǒng)相結(jié)合也是可能的。
在這種情況下，照明系統(tǒng)這樣定尺寸，以便只使光敏性生物芯片的一部分被照明。在第一步驟中，首先激發(fā)并讀出芯片的這部分。在隨后的步驟中，或是通過(guò)一個(gè)X-Y平移臺(tái)將芯片移動(dòng)一個(gè)場(chǎng)的寬度，或是通過(guò)活動(dòng)的斜反射鏡使照明場(chǎng)移動(dòng)一個(gè)場(chǎng)的寬度。此后，將這樣新選定的芯片區(qū)激發(fā)并讀出。重復(fù)這個(gè)過(guò)程直至整個(gè)芯片被讀出為止。在照明系統(tǒng)由有限數(shù)量的象素陣列組成的情況下，可通過(guò)與一掃描過(guò)程結(jié)合，達(dá)到具高象素密度的整個(gè)芯片照明。
另一方面，如果照明系統(tǒng)中的象素?cái)?shù)大，則常常合適的是每次將多個(gè)照明光源成像在一個(gè)測(cè)試位點(diǎn)上。信號(hào)獲得和檢測(cè)方法在一優(yōu)選實(shí)施例中，將通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)所獲得的信號(hào)傳送到一個(gè)評(píng)估系統(tǒng)，優(yōu)選的是一臺(tái)計(jì)算機(jī)上。這樣，進(jìn)行誤差校正，特別是在照明系統(tǒng)、生物芯片或檢測(cè)系統(tǒng)中潛在不均勻性的校正，也是可能的。這些不均勻性可能例如由不均勻照明、過(guò)程公差、及色調(diào)不勻效應(yīng)和邊緣效應(yīng)等引起。使檢測(cè)系統(tǒng)所獲取的信號(hào)與照明系統(tǒng)的照明模式以及生物芯片上測(cè)試位點(diǎn)的類(lèi)型和位置有關(guān)是有利的。
在一優(yōu)選實(shí)施例中，檢測(cè)系統(tǒng)沒(méi)有空間分辨率，因此在光敏性芯片的已經(jīng)發(fā)生光誘導(dǎo)反應(yīng)的全部測(cè)試位點(diǎn)被一起讀出。作為測(cè)試系統(tǒng)，這個(gè)實(shí)施例的優(yōu)選例子包括，一個(gè)具有電讀出的光敏性生物芯片，在該生物芯片上把所有測(cè)試位點(diǎn)都與一個(gè)公用測(cè)量電極接觸。在這個(gè)實(shí)施例中各個(gè)測(cè)試位點(diǎn)的尋址，專(zhuān)門(mén)地通過(guò)測(cè)試位點(diǎn)專(zhuān)門(mén)光學(xué)激發(fā)進(jìn)行。
在一同樣優(yōu)選的實(shí)施例中，檢測(cè)系統(tǒng)具有一維或二維空間分辨率，該分辨率是特別地通過(guò)多個(gè)能單獨(dú)讀出的檢測(cè)器子區(qū)(象素)來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如在電讀出情況下，可以通過(guò)生物芯片與一測(cè)量裝置相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的空間分辨率，在上述生物芯片上把測(cè)試位點(diǎn)提供到多個(gè)可以單個(gè)讀出的導(dǎo)電表面上，而測(cè)量裝置具有合適數(shù)量的測(cè)試連線。在光學(xué)讀出情況下，可以用一空間分辨的光學(xué)檢測(cè)器，特別是CCD、增強(qiáng)式CCD、CMOS攝像機(jī)、光電二極管陣列或光電晶體管陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的空間分辨率。這類(lèi)具有空間分辨率的檢測(cè)系統(tǒng)最好是與照明系統(tǒng)有相同數(shù)量的象素。除了相同數(shù)量的象素外，檢測(cè)系統(tǒng)的象素?cái)?shù)與照明系統(tǒng)象素呈整數(shù)比例也是可以的。如果采用這種空間分辨的檢測(cè)系統(tǒng)，那么，照明系統(tǒng)的照明模式除了與生物芯片上測(cè)試位點(diǎn)的類(lèi)型和位置相關(guān)之外，也可與由檢測(cè)器獲取的信號(hào)模式相關(guān)。
根據(jù)本發(fā)明，下面所介紹的方法可以應(yīng)用于檢測(cè)測(cè)試材料中的有機(jī)分子。
首先，提供一個(gè)光敏性生物芯片作為測(cè)試系統(tǒng)，該光敏性生物芯片包括一個(gè)測(cè)試位點(diǎn)陣列，這些測(cè)試位點(diǎn)具有特異的探針?lè)肿?。這些探針?lè)肿幼詈脤?duì)測(cè)試材料中待檢測(cè)的分子具特異性，或者對(duì)這些探針?lè)肿雍蜏y(cè)試材料之間待檢測(cè)的相互作用具特異性。為此，提供一個(gè)用于對(duì)光敏性生物芯片進(jìn)行光照明的合適照明系統(tǒng)，該照明系統(tǒng)包括一個(gè)可獨(dú)立尋址的照明光源陣列，這些照明光源這樣排列，以便對(duì)測(cè)試系統(tǒng)子陣列的每個(gè)測(cè)試位點(diǎn)，都分配至少一個(gè)基本上只照明它的照明光源。在將測(cè)試材料提供給測(cè)試系統(tǒng)之后，通過(guò)尋址照明各測(cè)試位點(diǎn)，按照預(yù)定模式將各個(gè)照明光源分配給測(cè)試位點(diǎn)。同時(shí)，檢測(cè)測(cè)試位點(diǎn)，以了解它們的探針?lè)肿邮欠衽c待檢測(cè)的有機(jī)分子相互作用。
優(yōu)選的是，可以通過(guò)電化學(xué)法識(shí)別這種相互作用，特別是通過(guò)循環(huán)伏安法、電流測(cè)定法、電導(dǎo)率測(cè)量或其它的電流、電荷、電壓、或電位測(cè)量進(jìn)行。在生物芯片具有電讀出的情況下，識(shí)別探針?lè)肿优c待檢測(cè)的有機(jī)分子之間的反應(yīng)，優(yōu)選的是可通過(guò)把測(cè)試位點(diǎn)排列在導(dǎo)電表面上，并通過(guò)測(cè)量測(cè)試位點(diǎn)和導(dǎo)電表面之間的電氣連通檢測(cè)該反應(yīng)來(lái)進(jìn)行。同樣，這種電氣連通優(yōu)選的是通過(guò)電化學(xué)方法，特別是通過(guò)循環(huán)伏安法、電流測(cè)定法、電導(dǎo)率測(cè)量，或另外的電流、電荷、電壓，或電位測(cè)量來(lái)檢測(cè)。
探針?lè)肿雍痛龣z測(cè)的有機(jī)分子之間反應(yīng)的同樣優(yōu)選的鑒定法是基于光學(xué)法、特別是基于發(fā)光的檢測(cè)。
在按照先有技術(shù)所述的掃描照明法的情況下，例如應(yīng)用一個(gè)激光掃描器的情況下，通常每次只能照明一個(gè)測(cè)試位點(diǎn)，但在本發(fā)明范圍內(nèi)所介紹的照明系統(tǒng)能同時(shí)照明多個(gè)測(cè)試位點(diǎn)。結(jié)果，可從中選擇許多照明模式。對(duì)于此處所介紹的檢測(cè)方法，可選擇調(diào)整到檢測(cè)裝置條件的最佳照明模式。尤其是，多個(gè)測(cè)試位點(diǎn)，優(yōu)選的是與待檢測(cè)的有機(jī)分子反應(yīng)概率低的那些測(cè)試位點(diǎn)，首先可以同時(shí)照明和讀出。如果在這一群中的內(nèi)未檢測(cè)出反應(yīng)，則可以排除整個(gè)群的反應(yīng)，并且可以省去進(jìn)一步讀出這一群中的各個(gè)測(cè)試位點(diǎn)。只有在這一群測(cè)試位點(diǎn)內(nèi)確實(shí)有反應(yīng)，或者不能可靠地排除時(shí)，這些測(cè)試位點(diǎn)在隨后的步驟中，在不同的分組中或單獨(dú)地進(jìn)行進(jìn)一步照明和讀出才是必要的。因?yàn)?，在這種操作情況下，整群測(cè)試位點(diǎn)在某些情況下同時(shí)讀出，并可以分成非反應(yīng)的，所以總的讀出時(shí)間可以縮短。例如，在芯片具有N＝2n個(gè)測(cè)試位點(diǎn)(n是整數(shù))的情況下，對(duì)該芯片與測(cè)試溶液的反應(yīng)只有在一個(gè)測(cè)試位點(diǎn)處可檢測(cè)到，如果應(yīng)用下列讀出方法，則只需要2n+1個(gè)讀出步驟而不是N個(gè)讀出步驟首先，一次讀出所有的測(cè)試位點(diǎn)，然后讀出其每一半，而此后，在其中檢測(cè)出反應(yīng)的一半又分成兩半，讀出它們二者，將其中檢測(cè)出反應(yīng)的一半反復(fù)分成一半，直至最后，明確地鑒定出在其處可檢測(cè)出反應(yīng)的測(cè)試位點(diǎn)為止。在這個(gè)例子中，時(shí)間節(jié)約系數(shù)可為N/(2n+1)，例如在芯片具有1024個(gè)測(cè)試部分的情況下，時(shí)間節(jié)約系數(shù)為49。如果一個(gè)反應(yīng)可在多個(gè)測(cè)試位點(diǎn)處檢測(cè)到，則時(shí)間節(jié)約較少，因?yàn)橹貜?fù)過(guò)程必須分路進(jìn)行。
照明模式特別是為了在讀出期間，使相互十分接近的測(cè)試位點(diǎn)之間的相互作用減至最小，也可以對(duì)各測(cè)試位點(diǎn)之間的距離優(yōu)化。這里，例如，在第一步中，只是每隔一個(gè)測(cè)試位點(diǎn)照明，而其余的測(cè)試位點(diǎn)都是在其后第二步中照明。在測(cè)試位點(diǎn)之間強(qiáng)力干擾和/或短距離的情況下，照明過(guò)的測(cè)試位點(diǎn)之間較大的間隙也可以是合適的。
為了增加讀出法的靈敏度，特別是在強(qiáng)背景信號(hào)的情況下，該背景信號(hào)是恒定不變的或是隨時(shí)間而變，當(dāng)讀出一個(gè)測(cè)試位點(diǎn)時(shí)，它的照明強(qiáng)度可以隨時(shí)間而改變。尤其是，差動(dòng)測(cè)量(具有照明的信號(hào)—沒(méi)有照明的信號(hào))是可能的。而且，照明可以隨時(shí)間而周期性地改變，且信號(hào)(檢測(cè)的探針?lè)肿雍痛龣z測(cè)的有機(jī)分子之間的反應(yīng))進(jìn)一步用特定頻率或特定相位處理。為此，將信號(hào)在具有相敏整流器的放大器(同步放大器)中處理，該放大器用脈動(dòng)照明同步觸發(fā)。在同步放大器出口處的整流信號(hào)然后是一個(gè)用于由照明啟動(dòng)的反應(yīng)的樣板。尤其是，通過(guò)這種同步法可抑制恒定信號(hào)或周期性信號(hào)，這些信號(hào)的頻率與照明頻率顯著不同。在同步法中所用的頻率應(yīng)不同于在測(cè)量裝置附近可能存在的任何干擾頻率，特別是電源系統(tǒng)的頻率(50或60Hz)或其整數(shù)倍頻率，必須小于所用的照明系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)的閾頻率，并且優(yōu)選的是在從1Hz到100Hz的范圍內(nèi)，在小型化讀出系統(tǒng)中的上限頻率還能更高。特別優(yōu)選使用的是在KHz范圍內(nèi)，例如3KHz的頻率。
在測(cè)試位點(diǎn)周期性照明情況下，通過(guò)用不同的頻率或相位照明各個(gè)不同的測(cè)試位點(diǎn)，也可以讀出多個(gè)測(cè)試位點(diǎn)，而測(cè)試位點(diǎn)的探針?lè)肿优c待檢測(cè)的有機(jī)分子之間反應(yīng)的鑒定借助于特定的頻率或相位信號(hào)處理達(dá)到。
除了靈敏度增加和/或測(cè)量時(shí)間減少之外，測(cè)試位點(diǎn)的周期性照明和讀出的另一優(yōu)點(diǎn)是改善了測(cè)試系統(tǒng)的再生能力。例如，由光激發(fā)所產(chǎn)生的不希望有的中間狀態(tài)，特別是在剛好尋址的測(cè)試位點(diǎn)附近的探針、靶或其它分子的三重態(tài)，在暗時(shí)相可以松馳到正常狀態(tài)。再生也可以存在于通過(guò)讀出法而轉(zhuǎn)變的可能的物質(zhì)中，特別是在測(cè)試位點(diǎn)附近，特別是在電讀出法情況下的離子隨后被移去或送出。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明裝置的基本結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施例的示意圖，其中把液晶顯示器(LCD)用作照明系統(tǒng)(實(shí)施例1)。
圖3A-3C示出其中除了照明光學(xué)元件外，還應(yīng)用一個(gè)投影系統(tǒng)的裝置(實(shí)施例1a)。
圖3D和3E示出結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單的沒(méi)有投影系統(tǒng)的裝置，其中生物芯片非常接近液晶排列(實(shí)施例1b)。
圖3A示出根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例，具有LCD、投影系統(tǒng)和電氣檢測(cè)。
圖3B示出根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例，具有LCD、投影系統(tǒng)和利用分光鏡的光學(xué)檢測(cè)。
圖3C示出根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例，具有LCD、投影系統(tǒng)和光學(xué)檢測(cè)(非共線的)。
圖3D示出根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例，沒(méi)有投影系統(tǒng)，具有LCD和電氣檢測(cè)。
圖3E示出根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例，沒(méi)有投影系統(tǒng)，具有LCD和利用分光鏡的光學(xué)檢測(cè)。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施例的示意圖，其中把數(shù)字微型反射鏡裝置(DMD)用作照明系統(tǒng)(實(shí)施例2)。
圖4A示出根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例，具有DMD、投影系統(tǒng)和電氣檢測(cè)。
圖4B示出根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例，具有DMD、投影系統(tǒng)和利用分光鏡的光學(xué)檢測(cè)。
圖4C示出根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例，具有DMD、投影系統(tǒng)、和光學(xué)檢測(cè)(非共線的)。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施例的示意圖，其中把一個(gè)視頻投影儀用作照明系統(tǒng)(實(shí)施例3)。
圖5A示出根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例，具有視頻投影儀、投影系統(tǒng)和電氣檢測(cè)。
圖5B示出根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例，具有視頻投影儀、投影系統(tǒng)和利用分光鏡的光學(xué)檢測(cè)。
圖5C示出根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例，具有視頻投影儀、投影系統(tǒng)和光學(xué)檢測(cè)(非共線的)。
實(shí)施本發(fā)明的方式首先參看

圖1和2說(shuō)明工作原理。圖1中實(shí)施例的測(cè)試系統(tǒng)包括一個(gè)測(cè)試位點(diǎn)(T1-T4)陣列，每個(gè)測(cè)試位點(diǎn)都顯示特異的探針?lè)肿?。為了檢驗(yàn)測(cè)試溶液中的有機(jī)分子(靶)，將有機(jī)分子供給到測(cè)試系統(tǒng)中。當(dāng)照明任一測(cè)試位點(diǎn)時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)具有顯示物理反應(yīng)的性質(zhì)，該物理反應(yīng)特異地取決于這個(gè)測(cè)試位點(diǎn)的靶和探針之間的相互作用。本發(fā)明的一個(gè)主要特點(diǎn)是用一照明系統(tǒng)照明測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試位點(diǎn)T1-T4，這里照明系統(tǒng)包括一個(gè)照明光源陣列B11-B44。對(duì)每個(gè)測(cè)試位點(diǎn)都分配至少一個(gè)基本上只照明該測(cè)試位點(diǎn)的照明光源。在圖1的實(shí)施例中，對(duì)每個(gè)測(cè)試位點(diǎn)都分配四個(gè)照明光源，例如對(duì)測(cè)試位點(diǎn)T1分配光源B11、B12、B13和B14。它們的照明通過(guò)起動(dòng)照明光源B12示例性地表示。
圖2以示意圖形式示出了本發(fā)明所述裝置的基本原理，該裝置包括照明系統(tǒng)100、投影系統(tǒng)200、測(cè)試系統(tǒng)300和檢測(cè)系統(tǒng)400。照明系統(tǒng)100由獨(dú)立可尋址的照明光源B1-B6組成，照明光源B1-B6可以通過(guò)投影系統(tǒng)200投影到測(cè)試系統(tǒng)300的測(cè)試位點(diǎn)T1-T3上。測(cè)試位點(diǎn)T1-T3包括若干特異的探針?lè)肿?20，這些探針?lè)肿?20可以特異地與包含在測(cè)試溶液中的靶350相互作用。作為例子，示出了靶350，該靶350特異地與測(cè)試位點(diǎn)T2的探針?lè)磻?yīng)。在用分配到這個(gè)測(cè)試位點(diǎn)的照明光源之一B3或B4照明時(shí)，檢測(cè)測(cè)試系統(tǒng)300與檢測(cè)系統(tǒng)400的物理反應(yīng)。這種物理反應(yīng)是，例如，一個(gè)增加的流過(guò)測(cè)試位點(diǎn)T2的電流，這個(gè)增加的電流是由特異的探針+靶系統(tǒng)與未反應(yīng)的探針?lè)肿酉啾?，前者增加的電?dǎo)率引起的。此處，測(cè)試位點(diǎn)T1-T3位于測(cè)試系統(tǒng)300的導(dǎo)電表面上。通過(guò)一個(gè)電流測(cè)量裝置400檢測(cè)由照明所感生的電流，該電流從附著的分子經(jīng)過(guò)導(dǎo)電表面流到地。這里，可以聯(lián)合檢測(cè)多個(gè)測(cè)試位點(diǎn)T1-T3的反應(yīng)(如在圖2中那樣)，或者可以例如通過(guò)單個(gè)可尋址的電極，單獨(dú)對(duì)每個(gè)測(cè)試位點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)?？赏ㄟ^(guò)一個(gè)公用的電極讀出如果多個(gè)測(cè)試位點(diǎn)，如圖2中的T1-T3，則可以通過(guò)選擇性照明識(shí)別出一個(gè)在探針?lè)肿雍桶蟹肿又g發(fā)生反應(yīng)的測(cè)試位點(diǎn)。
在圖2的情況下，在用照明光源B3或B4照明測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，在例如測(cè)量裝置400處產(chǎn)生電流流動(dòng)。反之，如果只有光源B1和B2或B5或B6起動(dòng)，由于在測(cè)試位點(diǎn)T3或T1沒(méi)有發(fā)生反應(yīng)，結(jié)果將沒(méi)有電流流動(dòng)。
這樣，在特別安排照明光源和測(cè)試位點(diǎn)情況下，當(dāng)用一公用電極讀出測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，也可以產(chǎn)生高分辨率的檢測(cè)。
然而將各單個(gè)的測(cè)試位點(diǎn)或測(cè)試位點(diǎn)群供給到分別的電極上可能是切實(shí)可行的，例如通過(guò)空間受限的電場(chǎng)來(lái)達(dá)到較好的選擇性和較好的信噪比，或者能影響探針和靶的相互作用。優(yōu)選實(shí)施例下面將參照?qǐng)D3A-5C更詳細(xì)介紹本發(fā)明的幾個(gè)特定的實(shí)施例。這里介紹的裝置的各個(gè)元件也可以用不同方法相互結(jié)合起來(lái)。原則上，不同的照明系統(tǒng)100，可以和各種投影系統(tǒng)200和測(cè)試系統(tǒng)300，及適合于附屬的讀出法的檢測(cè)系統(tǒng)400結(jié)合。此外，可以將不同的照明系統(tǒng)(包括具有標(biāo)號(hào)101-149的元件)與各種二維光學(xué)開(kāi)關(guān)(150、160)結(jié)合，特別是用于構(gòu)成照明系統(tǒng)100。而且，可以用不同的檢測(cè)器；尤其是在具有CCD的實(shí)施例中，它可以用另一種光學(xué)檢測(cè)器，優(yōu)選的是用增強(qiáng)式CCD攝像機(jī)或CMOS攝像機(jī)代替。
第一類(lèi)實(shí)施例具有液晶顯示器件(LCD)的照明系統(tǒng)第一組實(shí)施例(圖3A-3E)的顯著特點(diǎn)是，作為發(fā)射光學(xué)開(kāi)關(guān)的一個(gè)例子，用液晶顯示器件(LCD)作為二維光學(xué)開(kāi)關(guān)。
照明系統(tǒng)(101-132)采納依照Khler的顯微鏡照明光學(xué)元件。該照明系統(tǒng)(101-132)由具有鏡面反射器102的燈101、光學(xué)積分器105、聚光鏡130、濾光片110，和孔徑120/132組成。這樣選擇燈101，與一個(gè)或一個(gè)以上的光譜濾光片110結(jié)合，以便把所發(fā)出的輻射在光譜上調(diào)到所用的生物芯片301/302上。尤其是，可以用白熾燈、優(yōu)選的是鹵素?zé)?，或弧光燈用于這種目的。反射器102，最好具有一個(gè)拋物面形狀，該反射器102這樣放置，以便把由燈發(fā)射的光平行射到積分器105上。后者的目的是使光束均勻化并保證均勻照明。尤其是，散射盤(pán)，包括例如毛玻璃或微透鏡系統(tǒng)可用于這個(gè)目的?？拷e分器105后部安裝的視場(chǎng)光闌120，把輻射限制到一個(gè)正好大到足夠照明液晶顯示器件150的區(qū)域。聚光鏡130包括一個(gè)正透鏡或透鏡系統(tǒng)，其目的是把由視場(chǎng)光闌120所發(fā)射的均勻輻射成像在液晶顯示器件150上。它具有的焦距f1優(yōu)選在10-300mm范圍內(nèi)，在示例性的實(shí)施例中是100mm，并且這樣放置，以使視場(chǎng)光闌120清晰地在液晶顯示器件150上成像。例如，當(dāng)選定視場(chǎng)光闌120和液晶顯示器件150同等尺寸的側(cè)向延伸，并因此放大倍數(shù)V＝1時(shí)，聚光鏡130正好排放在視場(chǎng)光闌和液晶顯示器件中間，距每個(gè)的距離為2×f1處。在不同尺寸的情況下，放大倍數(shù)不等于1，優(yōu)選的是在V＝1/5-5范圍內(nèi)，按照聚光鏡130的成像方程用其它距離是可能的。
因?yàn)橐壕э@示器件150只透射偏振光，所以照明系統(tǒng)已經(jīng)可以包括一個(gè)偏振濾光片115，優(yōu)選的是一種低損耗的偏振濾光片(偏振復(fù)元板)，優(yōu)選的是靠近視場(chǎng)光闌120安裝。低損耗的偏振濾光片，通過(guò)旋轉(zhuǎn)各偏振分量的偏振方向并將它們重新引入光路，讓入射光的偏振分量穿過(guò)并作用在若干垂直其反射的偏振分量上。這樣，在偏振期間比在簡(jiǎn)單的偏振器情況下產(chǎn)生總體上較少的損耗。直接安裝在聚光透鏡130前面的是一個(gè)附加的孔徑-聚光鏡孔徑132，用于調(diào)節(jié)照明系統(tǒng)的光強(qiáng)。作為這些實(shí)施例中的二維開(kāi)關(guān)，應(yīng)用一種要在傳送時(shí)工作的二維光學(xué)開(kāi)關(guān)，示例性的是一種液晶顯示器元件(LCD)150。它在二維空間具有一個(gè)象素?cái)?shù)，象素?cái)?shù)至少相當(dāng)于生物芯片上待讀出的矩陣單元(測(cè)試位點(diǎn))數(shù)，優(yōu)選的是至少為五倍。各單個(gè)的象素并因此，最后，在相關(guān)位置處照明系統(tǒng)的亮度受計(jì)算機(jī)控制裝置180控制。至此，實(shí)施例1a和1b相同。
在圖3A-3C的實(shí)施例中，另外包括一個(gè)投影系統(tǒng)200，該投影系統(tǒng)200把照明后的LCD150投影到生物芯片301/302上。投影系統(tǒng)200包括一個(gè)正透鏡或透鏡系統(tǒng)。它用該領(lǐng)域的技術(shù)人員熟悉的方式這樣定尺寸和定位，以使LCD150清晰地成像在生物芯片301/302上，并選定一個(gè)放大倍數(shù)，以便有助于剛好完全照明生物芯片301/302。例如，在尺寸為20mm×20mm的生物芯片301/302和同等尺寸LCD150的情況下，通過(guò)把投影光學(xué)元件200正好安裝在LCD150和芯片301/302中間，距其中每個(gè)的距離為2×f2處，選定放大倍數(shù)為1，該投影光學(xué)元件200具有焦距f2，優(yōu)選的是在10-300mm范圍內(nèi)，在示例性的實(shí)施例中是100mm。這樣做時(shí)，選定芯片301/302和投影光學(xué)元件200(其焦距因此也是f2)之間的距離足夠大以至于首先在用于生物芯片301/302的投影光學(xué)元件下有其安裝固定及任何可以在其間連接的探針供給系統(tǒng)的余地，并且它可以方便地更換。其次，優(yōu)選的是把該距離選定顯著地大于芯片301/302的側(cè)向延伸部分，這樣使在芯片上各個(gè)位置處照明光束的入射角，及因此使照明強(qiáng)度，在每個(gè)表面單元上都盡可能相等。照明強(qiáng)度上的差別也可以用評(píng)價(jià)軟件校正。
生物芯片301/302的讀出取決于所用芯片的類(lèi)型。在特別優(yōu)選的能電讀出的生物芯片301(圖3A)的情況下，測(cè)量電信號(hào)并通過(guò)評(píng)價(jià)軟件使電信號(hào)與LCD150的尋址模式有關(guān)。在這種情況下，不需要其它的光學(xué)元件。
對(duì)同樣優(yōu)選的具有光讀出的生物芯片(發(fā)光芯片)302，需要一個(gè)附加的光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)(420-450)(圖3B、3C)。這至少包括一個(gè)光學(xué)檢測(cè)器450，優(yōu)選的是CCD攝像機(jī)或加強(qiáng)式CCD攝像機(jī)(制造廠家比如，Hamamtsu Photohics，Herrsching，德國(guó))或CMOS攝像機(jī)(制造廠家比如，F(xiàn)raunhofer微電子電路和系統(tǒng)研究院，杜伊斯堡，德國(guó))，在示例性的實(shí)施例中是CCD攝像機(jī)。在檢測(cè)器450的前面，安裝一個(gè)光學(xué)濾光片430，該光學(xué)濾光片430專(zhuān)用于生物芯片302的發(fā)光波長(zhǎng)并抑制雜散光。
一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施例(圖3B)，在LCD150和投影光學(xué)元件200之間還包括一個(gè)分光鏡420，借助于投影光學(xué)裝置200，把從生物芯片302發(fā)出的輻射投影到檢測(cè)器450上。如果LCD150和檢測(cè)器450具有近似相同的尺寸，則不另需要檢測(cè)光學(xué)元件。在這種情況下，CCD攝像機(jī)450直接設(shè)置在投影光學(xué)元件200的焦點(diǎn)處，通過(guò)分光鏡420作傾斜。如果LCD150和檢測(cè)器450尺寸不同，則通過(guò)附加的檢測(cè)光學(xué)元件來(lái)保證適合檢測(cè)器區(qū)域，或是包括在CCD攝像機(jī)450中，或是作為外部光學(xué)系統(tǒng)(440，見(jiàn)下面)，具有合適的放大倍數(shù)。增加的靈敏性和對(duì)雜散光的抑制可以通過(guò)用一個(gè)雙色分光鏡420來(lái)達(dá)到，該雙色分光鏡420在激發(fā)光波長(zhǎng)處比待檢測(cè)的光波長(zhǎng)處具有更大的透射作用?？傊嵉埂凹ぐl(fā)＝透射光束”和“檢測(cè)＝反射光束”的規(guī)定也是可能的。
另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例(圖3C)是基于激發(fā)和檢測(cè)光路的非共線排列(離軸排列)。這樣，能獨(dú)立地安裝與投影光學(xué)元件200分開(kāi)的檢測(cè)光學(xué)元件440。這些光學(xué)元件440包括一個(gè)正透鏡、透鏡系統(tǒng)或反射鏡光學(xué)元件，并這樣定尺寸，以便生物芯片302清晰地并且全部尺寸都成像在檢測(cè)器450上。通過(guò)一個(gè)任選的偏向鏡，可以把激發(fā)光路和檢測(cè)光路在空間上進(jìn)一步相互分開(kāi)。
在圖3D和3E實(shí)施例的情況下，省去了投影系統(tǒng)200。當(dāng)液晶顯示器件150至少是與生物芯片301/302相同的尺寸，并具有與生物芯片301/302相同的分辨率時(shí)，這是可能的。在這種情況下，液晶顯示器件150直接平行于生物芯片301/302上方排列，這樣LCD150的照明圖像直接投影到芯片上。為了排除芯片301/302上相鄰測(cè)試位點(diǎn)(Ti)的激發(fā)，在這個(gè)實(shí)施例中，LCD150和芯片之間的距離小于芯片上各測(cè)試位點(diǎn)之間的距離，芯片上的各測(cè)試位點(diǎn)是用來(lái)自LCD的激發(fā)光的出射角的正弦劃分的。
這個(gè)實(shí)施例可以優(yōu)選地用于能電讀出的芯片301，對(duì)該芯片301不需要其它的光學(xué)元件(420-450)來(lái)檢測(cè)芯片的反應(yīng)(圖3D)。在具有光學(xué)讀出芯片302的情況下，原則上，用一種類(lèi)似于實(shí)施例1a所述的方式，通過(guò)結(jié)合在聚光鏡130和視場(chǎng)光闌120之間的分光鏡420(圖3E)，或者用激發(fā)光路和檢測(cè)光路的非共線排列進(jìn)行發(fā)光檢測(cè)是可能的。然而，在這里，必須接受由于穿過(guò)液晶顯示器的雙重通道(激發(fā)光和發(fā)光體的光)，特別是在穿過(guò)非共線排列的對(duì)角通道所造成的信號(hào)損失。這種變體的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由于穿過(guò)LCD的雙重通道而產(chǎn)生較大的對(duì)比度。第二類(lèi)實(shí)施例具有數(shù)字微反射鏡器件(DMD)的照明系統(tǒng)第二類(lèi)實(shí)施例(圖4A-4C)的明顯特點(diǎn)是一個(gè)數(shù)字微反射鏡器件(DMD)160，其作為反射光學(xué)開(kāi)關(guān)的一個(gè)例子，用作二維光學(xué)開(kāi)關(guān)。DMD是一種包括可獨(dú)立尋址的微反射鏡陣列，特別是像由Texas Instruments或Fraunhofer微電子電路和系統(tǒng)研究院用硅片工藝所制造的那些。通過(guò)應(yīng)用DMD，可以用高豐滿度系數(shù)和對(duì)比度達(dá)到高的照明強(qiáng)度。在二維光學(xué)開(kāi)關(guān)情況下，豐滿度系數(shù)表示有效可開(kāi)關(guān)的面積與總面積的比值。由于單個(gè)矩陣單元之間的間隙，豐滿度系數(shù)一般小于1，但對(duì)DMD一般高于LCD。
照明系統(tǒng)(101-132)包括一個(gè)具有聚光透鏡103的燈101、一個(gè)任選的積分器(105)、一個(gè)聚光鏡103、濾光片110及孔徑120和132。正如在第一類(lèi)實(shí)施例中的情況那樣，這樣選擇與一個(gè)或一個(gè)以上的光譜濾光片110結(jié)合的燈101，以便在光譜上將所發(fā)射的光調(diào)到所用的生物芯片301/302上。聚光透鏡103具有的焦距在20mm-200mm范圍內(nèi)，在示例性的實(shí)施例中為80mm，該焦距是它離開(kāi)燈101的焦距長(zhǎng)度，以使一束平行光束由其出射。這束光束在空間上受視場(chǎng)光闌120限制，并額外地可以通過(guò)安排在視場(chǎng)光闌前面的積分器(105)均勻化。
如在第一類(lèi)實(shí)施例中那樣，聚光鏡130包括一個(gè)正透鏡或透鏡系統(tǒng)，其目的是將由視場(chǎng)光闌120所限定的均勻輻射場(chǎng)成像在DMD160上。直接安裝在聚光透鏡130前面的是一個(gè)附加的孔徑-聚光鏡孔徑132。因此調(diào)整照明系統(tǒng)的光強(qiáng)是可能的。
在第二類(lèi)實(shí)施例中，應(yīng)用一個(gè)在反射時(shí)工作的二維光學(xué)開(kāi)關(guān)，示例性的是一個(gè)數(shù)字微反射鏡器件(DMD，制造廠家Texas Instrument)160作為二維開(kāi)關(guān)。它在兩維上具有的微反射鏡數(shù)至少相當(dāng)于待讀出的生物芯片301/302上的測(cè)試位點(diǎn)數(shù)(Ti)，優(yōu)選的是至少五倍。各個(gè)微反射鏡可以傾斜，因此，照明系統(tǒng)100在相關(guān)位置處的亮度，由計(jì)算機(jī)控制裝置180控制。
與圖3D和3E中的實(shí)施例相反，在第二類(lèi)實(shí)施例的情況下，在任何情況下都需要一個(gè)將照明后的DMD160投影到生物芯片301/302上的投影系統(tǒng)200。作為圖3A-C中所示的投影系統(tǒng)200的可供選擇的方案，包括反射鏡光學(xué)元件202、204的投影系統(tǒng)通常是可能的。此處可應(yīng)用的根據(jù)Offner的投影系統(tǒng)(Optical Engineering，14(1975)130-132頁(yè))包括一個(gè)凹面鏡202和一個(gè)凸面鏡204，并把DMD160按1∶1的比例成像在生物芯片301/302上。必需的放大系數(shù)相當(dāng)于生物芯片301/302和DMD16之間的尺寸比例。由于投影系統(tǒng)200的有限數(shù)的孔徑(比如數(shù)值孔徑(NA)～0.08)，所以只有從特定方向(主動(dòng)位置)的DMD微反光鏡反射的光到達(dá)生物芯片。微反射鏡傾斜(被動(dòng)位置)越多，則這個(gè)象素的激發(fā)光也縮小孔徑越多。為了保證縮小孔徑被限定，投影系統(tǒng)包括一個(gè)投影孔徑210。
對(duì)生物芯片的讀出概率就像圖3A-C的實(shí)施例那樣。尤其是，用電讀出(圖4A)及用具有分光鏡(圖4B)或非共線性(圖4C)的光學(xué)讀出的實(shí)施例都是可能的。在通過(guò)分光鏡420的光學(xué)讀出(圖4B)情況下，分光鏡結(jié)合在DMD160和投影系統(tǒng)200之間。第三類(lèi)實(shí)施例具有視頻投影儀的照明系統(tǒng)對(duì)于第三類(lèi)實(shí)施例(圖5A-5C)，應(yīng)用一個(gè)視頻投影儀作為照明系統(tǒng)。它可以作為一個(gè)完整的系統(tǒng)購(gòu)買(mǎi)，包括一個(gè)LCD(制造廠家比如，菲利浦，三洋)，一個(gè)DMD(制造廠家比如，Digital Projection，曼徹斯特，英國(guó))，或者按照另一種原理工作。當(dāng)挑選時(shí)，應(yīng)考慮下列標(biāo)準(zhǔn)在第三類(lèi)實(shí)施例中的視頻投影儀具有一個(gè)象素?cái)?shù)(在示例性的實(shí)施例中為800×600)，該數(shù)字至少相當(dāng)于生物芯片上的測(cè)試位點(diǎn)數(shù)；高對(duì)比度(大于100∶1)；可把生物芯片的尺寸(20mm×20mm)聚焦在一個(gè)區(qū)域上；顯示足夠的空間和瞬時(shí)穩(wěn)定性、均勻性，及在適用于生物芯片的光譜范圍內(nèi)(特別是在400nm-1000nm處)的足夠照明強(qiáng)度，并可用計(jì)算機(jī)控制。
從視頻投影儀出射的圖象通過(guò)反射鏡240(圖5A、5C)或分光鏡422(圖5B)投影到生物芯片301/302上。如果由于視頻投影儀本身原因—常常是商品質(zhì)量有問(wèn)題裝置的情況，而可能沒(méi)有圖象投影到生物芯片的尺寸上，則需要一個(gè)附加的投影系統(tǒng)230。對(duì)具有低測(cè)試位點(diǎn)密度(相鄰的測(cè)試位點(diǎn)之間的距離至少為0.1mm)的生物芯片，投影系統(tǒng)230可以通過(guò)一個(gè)正透鏡(f3＝10…300mm)(圖3)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這產(chǎn)生一個(gè)清晰的圖象—與通常的視頻投影儀的使用相反—靠近(＜500mm)投影儀190并且小(20mm×27mm)。生物芯片301/302可以設(shè)置在這個(gè)圖象的位點(diǎn)處，并在該位點(diǎn)處用光激發(fā)。
通過(guò)兩個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，用本身已知的方式，可以達(dá)到較小的照明視場(chǎng)并因此達(dá)到較高的象素密度。在第一系統(tǒng)情況下，在投影儀附近(＜500mm)產(chǎn)生一個(gè)中間圖象(最大邊長(zhǎng)100mm)。通過(guò)第二系統(tǒng)將這個(gè)圖象縮小到生物芯片301/302的尺寸。
第三類(lèi)實(shí)施例的另一個(gè)改變是更換視頻投影儀190的投影透鏡系統(tǒng)，或者是為特殊的顧客對(duì)它進(jìn)行調(diào)整，以便能投影到生物芯片301/302的尺寸上。
在具有視頻投影儀的實(shí)施例情況下，對(duì)生物芯片301/302的讀出概率同樣像對(duì)圖3A-C中的實(shí)施例那樣。尤其是，用電讀出(圖5A)和用分光鏡(圖5B)或非共線(圖5C)的光學(xué)讀出的實(shí)施例是可能的。在用分光鏡422(圖5B)光學(xué)讀出的情況下，在具有視頻投影儀190的實(shí)施例中，應(yīng)用檢測(cè)光學(xué)元件460來(lái)將生物芯片302成像在光學(xué)檢測(cè)器450上。增加所有三類(lèi)實(shí)施例中的分辨率如果在二維光學(xué)開(kāi)關(guān)150/160中或是在視頻投影儀190中的象素?cái)?shù)不足以用所希望的分辨率(至少為芯片上測(cè)試位點(diǎn)間的距離)來(lái)激發(fā)生物芯片301/302，則可以對(duì)芯片進(jìn)行附加掃描為了做到這點(diǎn)，把照明系統(tǒng)100的圖象縮小在芯片301/302的其中一部分上，以此達(dá)到所希望的分辨率。在第一步中，首先將芯片的這部分激發(fā)并讀出。在隨后步驟中，或是通過(guò)X-Y平移臺(tái)將芯片移動(dòng)一個(gè)圖象的寬度，或是通過(guò)活動(dòng)的成一定角度的鏡面將圖象移動(dòng)一個(gè)圖象的寬度。此后，將這樣新選定的芯片區(qū)激發(fā)并讀出。重復(fù)這個(gè)方法，直至整個(gè)芯片301/302都讀出來(lái)為止。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測(cè)測(cè)試材料中有機(jī)分子，特別是生物分子和聚合物的裝置，包括測(cè)試系統(tǒng)(300)，包括一個(gè)測(cè)試位點(diǎn)(T)的陣列，測(cè)試材料可以供給到該陣列上，每個(gè)測(cè)試位點(diǎn)都具有特異的探針?lè)肿?320)；照明系統(tǒng)(100)，用于用光照明測(cè)試位點(diǎn)(T)的子陣列；檢測(cè)系統(tǒng)(400)，用于識(shí)別探針?lè)肿?320)與待檢測(cè)的有機(jī)分子(350)相互作用的那些測(cè)試位點(diǎn)(T)；其特征在于照明系統(tǒng)(100)包括一個(gè)獨(dú)立可尋址的照明光源(B)陣列，這些照明光源(B)這樣排列，以使子陣列的每個(gè)測(cè)試位點(diǎn)(T)都被分配至少一個(gè)照明光源(B)，該照明光源(B)基本上只照明該測(cè)試位點(diǎn)。
2.按照權(quán)利要求1的裝置，還包括一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)(200)，用于以一種方式將照明系統(tǒng)(100)成像在測(cè)試系統(tǒng)(300)上，從而使分配至少一個(gè)照明光源(B)的子陣列的每個(gè)測(cè)試位點(diǎn)(T)可以成像。
3.按照權(quán)利要求1的裝置，其中照明系統(tǒng)(100)基本上平行于測(cè)試系統(tǒng)(300)并在距其這樣短的距離處設(shè)置，以使從分配到一個(gè)測(cè)試位點(diǎn)(T)上的每個(gè)照明光源(B)發(fā)射的輻射都基本上只照明一個(gè)測(cè)試位點(diǎn)。
4.按照上述權(quán)利要求其中之一的裝置，其中照明系統(tǒng)(100)包括一個(gè)照明元件(150、160)，該照明元件(150、160)選自陰極射線管、LCD顯示元件、TFT-LCD顯示元件、場(chǎng)致發(fā)光顯示元件、電致發(fā)光顯示元件、等離子體顯示屏、聚合物顯示元件、LED陣列、照明式空間光調(diào)制器(SLM)，特別是數(shù)字微反射鏡器件(DMD)、真空熒光顯示器(VFD)、激光陣列和視頻投影儀。
5.按照上述權(quán)利要求其中之一的裝置，其中測(cè)試位點(diǎn)(T)排列在至少一個(gè)導(dǎo)電表面上，以及其中檢測(cè)系統(tǒng)(400)包括一個(gè)測(cè)量裝置(410)，用于測(cè)定每個(gè)測(cè)試位點(diǎn)和該測(cè)試位點(diǎn)安放于其上的導(dǎo)電表面之間的電氣連通。
6.按照權(quán)利要求5的裝置，其中用于測(cè)定測(cè)試位點(diǎn)和導(dǎo)電表面之間電氣連通的測(cè)量裝置(410)是一種電流、電荷、電壓或電位的測(cè)量裝置、循環(huán)伏安法測(cè)量裝置、電流測(cè)量裝置或電導(dǎo)率測(cè)量裝置。
7.按照上述權(quán)利要求其中之一的裝置，其中檢測(cè)系統(tǒng)(400)包括一個(gè)光學(xué)檢測(cè)器(450)，用于用光檢測(cè)測(cè)試系統(tǒng)(300)的光誘導(dǎo)反應(yīng)，特別是用于檢測(cè)從測(cè)試系統(tǒng)發(fā)出的光。
8.按照權(quán)利要求7的裝置，其中光學(xué)檢測(cè)器(450)選自CCD、增強(qiáng)式CCD、CMOS攝象機(jī)、光電二極管陣列、光電晶體管陣列及一個(gè)或一個(gè)以上的光電倍增管。
9.按照上述權(quán)利要求其中之一的裝置，其中測(cè)試位點(diǎn)(T)的子陣列包括整個(gè)測(cè)試位點(diǎn)陣列。
10.按照權(quán)利要求1-8其中之一的裝置，其中測(cè)試位點(diǎn)(T)的子陣列只包括測(cè)試系統(tǒng)(300)上測(cè)試位點(diǎn)的一個(gè)子集，以及該裝置另外包括一個(gè)運(yùn)動(dòng)裝置，該運(yùn)動(dòng)裝置有助于照明系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)、特別是一個(gè)平移臺(tái)或活動(dòng)斜鏡面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
11.按照上述權(quán)利要求其中之一的裝置，其還包括一個(gè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，用于存貯、評(píng)價(jià)和顯示已檢測(cè)的反應(yīng)。
12.一種用于檢測(cè)測(cè)試材料中的有機(jī)分子，特別是生物分子和聚合物的方法，具有下列步驟提供一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)(300)，該系統(tǒng)包括一個(gè)測(cè)試位點(diǎn)(T)陣列，每個(gè)測(cè)試位點(diǎn)都具有一個(gè)特異的探針?lè)肿?320)；提供一個(gè)照明系統(tǒng)(100)，用于用光照明測(cè)試位點(diǎn)陣列，該照明系統(tǒng)包括一個(gè)獨(dú)立可尋址的照明光源(B)陣列，這些照明光源(B)這樣排列，以便將測(cè)試系統(tǒng)(300)子陣列的每個(gè)測(cè)試位點(diǎn)(T)都分配至少一個(gè)基本上只照射該測(cè)試位點(diǎn)的照明光源；將測(cè)試材料供給到測(cè)試系統(tǒng)(300)上；按照預(yù)先選定的模式，用尋址法照明各測(cè)試位點(diǎn)(T)，將各個(gè)照明光源(B)分配到這些測(cè)試位點(diǎn)(T)上；和識(shí)別探針?lè)肿?320)與待檢測(cè)的有機(jī)分子(350)相互作用的那些測(cè)試位點(diǎn)(T)。
13.按照權(quán)利要求12的方法，其中探針?lè)肿?320)與待檢測(cè)的有機(jī)分子相互作用的測(cè)試位點(diǎn)(T)用一種電化學(xué)方法，特別是通過(guò)電流、電荷、電壓或電位測(cè)量、循環(huán)伏安測(cè)定法、電流測(cè)定法或電導(dǎo)率測(cè)量來(lái)識(shí)別。
14.按照權(quán)利要求12或13的方法，其中測(cè)試位點(diǎn)(T)排列在至少一個(gè)導(dǎo)電表面上，并且探針?lè)肿?320)和待檢測(cè)的有機(jī)分子(350)之間發(fā)生反應(yīng)的測(cè)試位點(diǎn)是通過(guò)測(cè)定測(cè)試位點(diǎn)與導(dǎo)電表面之間的電氣連通來(lái)識(shí)別的。
15.按照權(quán)利要求12所述的方法，其中探針?lè)肿?320)與待檢測(cè)的有機(jī)分子(350)相互作用的測(cè)試位點(diǎn)(T)是用一種光學(xué)方法，特別是通過(guò)檢測(cè)發(fā)光來(lái)識(shí)別的。
16.按照權(quán)利要求12-15其中之一的方法，其中同時(shí)照明多個(gè)測(cè)試位點(diǎn)(T)并檢驗(yàn)它們的光誘導(dǎo)反應(yīng)。
17.按照權(quán)利要求16的方法，其中用于尋址照明光源的模式，根據(jù)各個(gè)測(cè)試位點(diǎn)(T)的探針?lè)肿?320)與待檢測(cè)的有機(jī)分子(350)之間的相互作用的概率選定，如果相互作用的概率低，則同時(shí)照明許多測(cè)試位點(diǎn)(T)，而如果相互作用的概率高，則同時(shí)只照明一個(gè)測(cè)試位點(diǎn)或一些測(cè)試位點(diǎn)。
18.按照權(quán)利要求16或17的方法，其中用于尋址照明光源的模式這樣選定，以便沒(méi)有相鄰的測(cè)試位點(diǎn)(T)被同時(shí)照明和/或同時(shí)照明的各測(cè)試位點(diǎn)之間的距離盡可能大。
19.按照權(quán)利要求12-18其中之一的方法，其中周期性地照明各測(cè)試位點(diǎn)(T)，并且用頻率特異或相位特異的信號(hào)處理來(lái)進(jìn)行反應(yīng)的識(shí)別。
20.按照權(quán)利要求16、17或18的方法，其中用不同的頻率或相位周期性地照明各種不同測(cè)試位點(diǎn)(T)，并且用頻率特異或相位特異的信號(hào)處理進(jìn)行反應(yīng)的識(shí)別。
21.按照權(quán)利要求12-20其中之一的方法，其中已檢測(cè)的信號(hào)用電子數(shù)據(jù)處理法評(píng)價(jià)，尤其是，這樣可以利用裝置的特征參數(shù)進(jìn)行校正。
22.按照權(quán)利要求12-21其中之一的裝置，其中測(cè)試位點(diǎn)T的子陣列包括整個(gè)測(cè)試位點(diǎn)陣列。
23.按照權(quán)利要求12-21其中之一的方法，其中測(cè)試位點(diǎn)T的子陣列只包括測(cè)試系統(tǒng)(300)上測(cè)試位點(diǎn)的一個(gè)子集，以及其中通過(guò)照明系統(tǒng)(100)與測(cè)試系統(tǒng)(300)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，依次照明測(cè)試系統(tǒng)的所有測(cè)試位點(diǎn)，并檢驗(yàn)它們的光誘導(dǎo)反應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于檢測(cè)測(cè)測(cè)試材料中有機(jī)分子，特別是生物分子和聚合物的裝置。發(fā)明的裝置包括一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)(300)，該測(cè)試系統(tǒng)包括一個(gè)測(cè)試位點(diǎn)(T)陣列，測(cè)試材料可以供給至該陣列上，每個(gè)測(cè)試位點(diǎn)都具有特異的探針?lè)肿?320)；一個(gè)照明系統(tǒng)(100)，用于用光照明測(cè)試位點(diǎn)(T)的一個(gè)子陣列；和一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)(400)，用于識(shí)別探針?lè)肿?320)與待檢測(cè)的分子(350)相互作用的那些測(cè)試位點(diǎn)(T)，照明系統(tǒng)(100)包括一個(gè)獨(dú)立可尋址的照明光源(B)的陣列，這些照明光源以這樣排列，以使子陣列的每個(gè)測(cè)試位點(diǎn)(T)都分配至少一個(gè)照明光源(B)，該照明光源(B)基本上只照明上述測(cè)試位點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N27/416GK1416526SQ01806442
公開(kāi)日2003年5月7日 申請(qǐng)日期2001年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月17日
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