CN102365566A - 具有集成透镜的波导 - Google Patents

Abstract

可使用包含光源、平面波导及折射体积的装置照亮样品以供分析。该光源沿传播向量提供光。该平面波导被定向使得该传播向量垂直于该平面波导的法线向量且沿平行于该平面波导的法线向量的方向自该平面波导偏移。该折射体积被定位成紧邻该平面波导且可将由该光源提供的光光学耦合至该平面波导。

Description

具有集成透镜的波导

交叉参考相关申请

本申请主张2009年3月2日申请的且名称为“具有集成透镜的波导(WAVEGUIDE WITH INTEGRATED LENS)”的美国临时专利申请第61/156,586号及2009年11月12日申请的美国实用新型申请案第12/617,535号的优先权，它们的公开内容以引用的方式并入本文中。

政府权益

本发明是在美国商务部授予的合约70NANB7H7053下由政府支援完成。政府对本发明具有某些权利。

技术领域

本发明一般涉及用于样品照明的波导。更明确言之，本发明涉及紧邻折射体积的平面波导。

背景技术

经荧光标记的探针提供一种判别生物样品的含量特征的便利方法。藉由调节荧光探针的结合化学，可达成用于复杂分子，诸如RNA、DNA、蛋白质及细胞结构的检测的高专一性。由于荧光团通常吸收及再发射斯托克斯位移辐射而不管荧光团是结合或未结合至待检测物质，因此必须分离已结合荧光团与未结合荧光团。

从未结合荧光团分离已结合荧光团的一种常见方法依赖荧光标记的物质的空间定位。例如，在“夹心免疫检验”中，化学处理表面以将待检测物质结合至该表面。荧光探针其后附接至已结合至该表面的该物质。其后可利用洗涤步骤从系统移除未结合荧光团。

若可将激发光限制于该表面，则可进一步减少背景荧光。全内反射荧光(TIRF)是减少背景荧光的一种方法。大体而言，当光自一种介质传播至另一种介质时，界面处将反射该光的一部分。然而，若光传播进入具较低光学折射率的材料，则当光束入射于表面上的角度(相对于表面法线)大于“临界角”时，将反射所有光。在较低折射率材料中，光强度随着离表面的距离而呈指数衰减。此指数衰减场，称为“倏逝场”，对可见光具有100纳米至1微米数量级的特征衰减长度。因此，倏逝场的光仅激发定位于表面处的荧光团。

在一简化实施方案中，利用自表面反射一次的激光光束执行TIRF。此是已为人接受的TIRF显微术及其他生物感测技术的基础。然而，藉由将激光光束限制于波导内，可实现多次反射且可照亮较大区域。若干波导几何形状是可行的，各自具有特定折衷。

单模平面波导，亦称为薄膜波导或集成光学波导，将光限制于具有小于传播光的波长的薄尺寸的小横截面区域中。单模波导的优点在于产生明显较强的倏逝场。单模波导的缺点在于为达成有效光耦合，单模波导通常需要具有精确对准容限的棱镜或光栅。另外，单模平面波导制造昂贵，因为导引层通常为沉积于基底上具有严格厚度容限的薄膜。相比之下，多模平面波导比单模平面波导实质上更容易耦合激光光束且更易于建构。例如，标准1毫米厚显微镜载玻片可用作有效波导，可经由载玻片边缘将光耦合至该有效波导。另外，多模波导的尺寸是与当前塑料注射成型技术相容。

对于基于荧光的检验系统，期望检测区域中有均匀倏逝场。根据定义，对于单模平面波导，倏逝场强度沿光传播方向是均匀的(忽略波导内部的散射损耗及吸收)。然而，对于可弃式临床器件，成本、稳健性及使用容易性是同样重要的。藉由调整多模波导的输入耦合，可最佳化均匀性及场强度。

虽然多模波导中的每一个别模式沿传播方向具有均匀强度，但是当耦合至多模波导时可激发模式分布；此模式分布将于表面上相长干涉及相消干涉且导致空间上变化的场强度。当波导厚度远大于光波长时，可忽略波导的模式结构，且波导中的强度可被处理作为自波导两个表面全内反射且与相邻反射相干涉的习惯衍射光束。

图1示出包括多模波导的既有耦合方案105-115的若干例子。使用多模波导120的耦合方案105包括利用柱面透镜130而将平行于波导120传播的激光光束125聚焦于波导120的边缘中。然而，对于以临界角入射的光束，TIR光束的场强度是最大的，且对于具有与表面法线成90°的入射角的光束(即，掠入射)，TIR光束的场强度为零。因此，在方案105的配置中，平行于TIR表面的入射光束当利用柱面透镜130耦合至波导120时将具有小倏逝场强度。

藉由耦合方案110示出耦合方案105的变型。在方案110中，由柱面透镜140聚焦的激光光束135是以适当角度入射于波导145的边缘上，使得光束135的中心光线在波导内以接近于TIR临界角照射在该于表面上以使倏逝场强度最大化。藉由选择聚焦光学器件可实现场强度与均匀性之间的折衷。若使用近准直光束以藉由接近于TIR临界角地操作而达成高场强度，则在表面强度变得充分均匀之前必须使光束在波导内进行多次反射，因此需要较长的波导。然而，若光束是高度聚焦的，则表面强度以极少次反射而正规化，但以临界角之外的角度传播的光线中含有大量能量，且导致倏逝场强度沿波导长度而降低。

必须使柱面透镜，诸如透镜130与140，分别相对于波导，诸如波导120与145的输入面精确对准，以使激光光束聚焦于输入面上。藉由耦合方案115示出对此问题提出的一个解决方案。在耦合方案115中，例如，藉由将透镜元件结合至平面波导或藉由模制单一光学组件而使透镜150与波导l 55合并为单一光学组件。虽然此使得透镜150的焦点恰好远离波导155的边缘，仍必须将激光光束160与波导155的透镜150精细对准以将光束160耦合至波导155。对于需要相对于光源重复放置波导组件的应用，非常期望使光耦合对失准相对不敏感。

发明内容

本发明的实施例容许将光耦合至平面波导，该平面波导提供用于样品照明的强倏逝场，同时消除或大幅减少使用者的疏忽失准。本发明的实施例进一步容许容易地调谐波导内部的内传播角，提供倏逝场强度的简单调整。本发明的实施例亦提供用于执行检验的装置，该执行检验包括以对流体室的光学性质不敏感的方式将该流体室放置在平面波导上。

在所主张的实施例中，公开一种用于照亮样品以供分析的装置。该装置包含光源、平面波导及折射体积。该光源沿传播向量提供光。该平面波导被取向，使得该传播向量垂直于该平面波导的法线向量且沿平行于平面波导的法线向量的方向自该平面波导偏移。定位成紧邻该平面波导的该折射体积使由该光源提供的光耦合至该平面波导。

另一所主张的实施例说明一种用于执行样品分析的方法。自光源沿传播向量提供光。利用该光照亮被定位成紧邻平面波导的折射体积。该波导被定向使得该传播向量垂直于该平面波导的法线向量且沿平行于该平面波导的法线向量的方向自该平面波导偏移。其后经由该折射体积使光耦合至该平面波导。

在另一所主张的实施例中，公开一种用于执行生物检验的装置。该装置包含光源、平面波导、折射体积和检测器。该光源沿传播向量提供光。该平面波导具有结合至它的面的多个特定结合分子。该平面波导可进一步具有结合至该平面波导的该面的两个或两个以上不同特定结合分子的阵列。另外，该平面波导的光轴被定向成平行于该传播向量且沿垂直于该平面波导的面的方向自该传播向量偏移。该折射体积使由该光源提供的光光学耦合至该平面波导，且该折射体积被定位成紧邻该平面波导。该折射体积包含平凸柱面透镜的至少一区段。该检测器被定位以检测自一区域发射的光，该区域是紧邻结合有该多个特定结合分子的该平面波导的该面。

附图说明

图1示出包括多模波导的既有耦合方案的若干例子。

图2示出描述示例性实施例的通用配置。

图3示出具有集成透镜的示例性波导的横截面视图。

图4提供图3中所描绘的具有集成透镜的波导的详细横截面视图。

图5是示出具有集成透镜的示例性波导的等斜(cavalier)投影视图。

围6是示出具有多通道的示例性垫片的等斜投影视图。

图7是用于执行样品分析的示例性方法的流程图。

具体实施方式

本技术的实施例基于倏逝场使用一种包括具有集成透镜的波导的装置来提供样品照明，诸如荧光检测及检验中所涉及的样品照明。该装置的总配置可使得结合至波导表面的发荧光分子受倏逝场激发而从在波导内传播的光束渗入相邻溶液中，该传播光束是由成一体地连接的透镜引入。准直光束，诸如激光光束，可平行于波导表面传播，使得系统对波导平移不敏感。入射光束亦可自波导光轴适当偏移，使得透镜表面处的光折射以接近于TIR临界角的角度将光束引导至波导中。另外，可将第二集成柱面透镜添加至波导输出瑞。此可有利于使第二激光沿相反方向耦合，诸如用于多色彩荧光检验。

该装置亦可将流体室结合至平面波导，使得该室与该平面波导的接触是在传播光的光学路径以外，消除对包括该室的材料的光学性质的限制，在一些先前配置中，流体室利用低折射率材料，该材料经机械夹紧而与平面波导接触以限制波导/室接触区域处的光学损耗。藉由使波导/室接触自光学路径分离，可使用传统结合方法，诸如粘着剂或塑料焊接，以将该室附接至波导。此外，流体室可包括第二平面波导或部分由第二平面波导形成，其中该流体室被安置于两个平面波导之间。在此类安排中，可将光耦合至两个平面波导以及由该流体室形成的体积。

图2示出描述示例性实施例的通用配置200。该配置200包含光源205、折射体积210及平面波导215。光源205可包含沿传播向量220提供光的激光器或任何其他准直或近准直光源。将折射体积210定位成紧邻平面波导215。折射体积210与平面波导215之间的折射率可能缺乏不连续性。例如，折射体积210可利用占据两者之间任何间隙的折射率匹配流体而紧邻或紧靠平面波导215。或者，折射体积210可与平面波导2l 5集成为单一单元或物件。将平面波导215定向成使得传播向量220垂直于平面波导215的法线向量225。此外，平面波导在平行于平面波导215的法线向量225的方向上具有偏移230。

图3示出根据一实施例的具有集成透镜310的波导305的示例性横截面视图300。另外，视图300描绘准直光束315，诸如具有适于激发检验表面320处的荧光探针的波长的激光光束。具有相关透镜310的平面波导305被配置以通过平面波导305的底部注入激发光315。流槽可将所期望目标化合物结合至表面，该流槽包括：密封机构，诸如垫片325；输入口330；输出口335及流体样品室340，在流体样品室340中于波导顶邻表面320上沉积化学化合物。集光与滤光光学器件345可捕获来自波导顶部表面320的荧光。其后将该荧光信号引导至成像器件350，诸如CCD或CMOS相机。此外，该流槽的顶部、底部和/或壁可用作沉积化合物的表面。

值得注意的是，流体样品室340可包括类似于波导305的第二平面波导或部分由类似于波导305的第二平面波导形成，使得流体样品室340被安置于该两个平面波导之间。在此类配置中，可将光耦合至两个平面波导及由流体样品室340形成的体积。本文所描述的原理同样适用于具有多个平面波导的配置。

图4提供具有集成透镜310的波导305的详细横截面视图400。作为进一步参考，图5是示出具有集成透镜310的示例性波导305的等斜投影视图500。返回参考图4，准直光束315沿平行于或几乎平行于平面波导305的光轴的方向传播，但自该光轴偏移使得该准直光束315照射在柱面透镜310的弯曲表面。对于其中波导结构是可拆卸可消耗物品的临床仪器，此几何形状可放宽将准直光315可重现地耦合至波导305所需的位置容限。如图4中所示出，光315以相对于透镜310的局部表面法线成一非零角度α。照射在透镜310的弯曲表面上。

由于斯涅耳(Snell)定律所阐释的折射，光束315发生折射使得其以相对于波导305的光轴成一角度β照射在波导305的顶部表面。将角度β定义为内传播角。选择光束315的中心与柱面透镜310的顶点之间的垂直距离y，使得β小于容许发生全内反射的临界角的余角。对于透镜310的弯曲表面的给定半径R及柱面透镜310的折射率n，由以下方程式使距离y与角度β相关联：

$y=R[1-\frac{n\sin \mathrm{\β}}{\sqrt{1-2n\cos \mathrm{\β}+n^2}}].$

由于光束315具有一定空间范围，故透镜310的弯曲表面将用于使光束315聚焦。选择透镜310的弯曲表面的半径R使得对于给定光束直径的光束315，入射于波导305顶部表面上的角度范围是适于在检测区域内提供均匀倏逝场强度，同时仍在TIR临界角之外。期望使光束315聚焦于波导305顶部表面上以容许最大失准容限。可由下式给出包括波导305及透镜310于顶部表面上产生聚焦光束的结构的总厚度t：

$t=R+\frac{{(y-R)}^3}{R^2{n}^2}.$

使用适当厚度t时，光束315将聚焦于离界定透镜310的弯曲表面的圆周中心一水平距离L处。可由以下方程式使L与先前定义的量相关联：

$L=\frac{t-y}{\tan \mathrm{\β}}-\sqrt{2\mathrm{yR}-y^2}.$

可以若干不同方式制造包括波导305及透镜310的结构。一种方法是藉由注射成型技术而以塑料建构整个总成。另一替代方法是分别由类似折射率材料制作平面波导及透镜元件。其后可藉由透明光学粘结剂、光学接触而永久接合或利用折射率匹配流体/油/凝胶而暂时接合。

诸如结合图3描述的几何形状可容易地经由平移而非旋转入射激光光束而调整内传播角β。此容许较不复杂的机械设计以将激光耦合至波导。另外，期望改变入射角时无需新的注射成型波导，因为使用图3及图4所公开的几何形状的透镜的焦点对激光光束相对于波导305的光轴的平移是很不敏感的。此外，可在未改变读出仪器的情况下完成入射角的所要的改变，此容许在不实体改变该仪器的情况下变动匣(cartridge)功能。可利用匣上的条码以识别用于解译来自给定匣的信号的信息。

为防止光在自顶部表面第一次反射后自波导305泄漏，截短柱面透镜310使其未延伸超过焦点位置。由连接柱面透镜310顶点与底部表面上相对着焦点的点的线所界定的区域(见例如图3中的“光学无作用区(deadzone)355”)将永远不会有成功耦合至波导的光在其内传播。因而，透镜的在表示为光学无作用区355的区域中的精确形状可包括任何便利形状，其前提为透镜310未延伸超过穿过焦点的垂直线。对于单一注射成型器件，其中使材料成本最小化是重要的，期望移除标记为光学无作用区355的区域中的所有塑料。若制作经由习惯的光学加工过程而制成的两个独立组件，可容易地制造已经切割以移除超过焦点的材料的传统柱面透镜310。可期望具有低自动荧光性质的材料以使信号收集中的背景贡献最小化。

因为以离轴几何形状使用柱面透镜310，故若弯曲表面为圆形则焦点处可以展现最小光学像差。当圆形轮廓功能性运作时，可以使用非球形表面以便延伸入射光束的垂直位置的范围，以此可将该光束耦合至平面波导305，容许较大范围地调整角度(。利用熟习此项技术者所熟悉的光线追踪程序可计算自圆形轮廓的适当偏差。

波导305顶部表面在焦点之前的大区域可将样品室密封。光学路径中可无用于密封表面的垫片325。因此，可使用较大范围的垫片材料，而仅需估计该等垫片材料的化学/生物相容性且无需估计其等的光学性质。例如，可使用粘性背衬式间隔件以在无复杂夹紧机构的情况下形成密封流槽。亦可藉由利用具有多通道的垫片而将多个流槽并入单一生物传感器中。

图6是示出具有多通道的示例性垫片605的等斜投影视图。可选择通道宽度以匹配入射光束的未聚焦尺寸，使得沿波导长度至垫片的光耦合最少化。可包含用于在通道间平移入射光束的机构。另外，可适当处理波导305在流动通道内的顶部表面以容许捕获荧光标记的目标分子，诸如蛋白质、RNA、DNA或细胞结构。

附接至垫片的盖使流槽完整。可经由盖中的小孔引入流体样品且流体样品流经通道，使流体与波导顶部表面交互作用。亦可在流动通道外部包含流体贮槽以将流体引入流动通道中，及在流动通道的出口包含溢流贮槽以在流体通过流动通道后容纳流体。至于塑料组件，可藉由将该通道模制为塑料组件之一且利用熟习此项技术者已知的方法(例如，激光或超声波焊接)直接接合该两个塑料组件而任选地消除垫片。

由波导305内的光建立的倏逝场可激发已附接至波导305顶部表面的荧光团。当荧光团松弛及发射频率偏移的辐射时，可由透镜或一系列透镜(例如，集光光学器件345)捕获发射光以将该表面的图像转移至平面，该平面是藉由光捕获器件(例如，成像器件350)，诸如CCD或CMOS传感器，而被成像。亦可于波导表面与成像器件之间放置光学滤光器以消除未被捕获荧光团频率偏移的散射入射光。

图7是用于执行样品分析的示例性方法700的流程图。可以各种顺序来执行该方法700的步骤。此外，可从方法700添加或减去若干步骤，且仍落在本技术的范畴内。可基于倏逝场对荧光检测及检验执行图7中所示出的方法。

在步骤705中，自光源沿传播向量提供光。该光源可包含激光器或任何其他准直或近准直光源。

在步骤710中，用光照亮折射体积。将该折射体积定位成紧邻平面波导，且可集成该折射体积与该平面波导。在示例性实施例中，该折射体积可包含平凸柱面透镜的至少一区段，其中将该折射体积的纵轴定向成垂直于该平面光导的光轴及法线向量。

在步骤715中，经由该折射体积将光耦合至该平面波导。该波导被定向成使得该传播向量垂直于平面波导的法线向量且沿平行于该平面波导的法线向量的方向自该平面波导偏移。

在选用步骤720中，藉由沿平行于该平面波导的法线向量的方向平移该光源而调谐由该光源提供的光至该平面波导的光学耦合。

在步骤725中，在平行于该平面波导的光轴平移该光源的同时，维持由该光源提供的光至该平面波导的一致光学耦合。

在步骤730中，将生物样品定位于贮槽中，该贮槽至少部分由该平面波导的面形成。

在步骤735中，检测自紧邻该平面波导的面的区域发射的光。在一些实施例中，定位检测器以检测自一区域发射的光，该区域是紧邻结合有多个捕获分子的该平面波导的面。

上文已参考示例性实施例描述了本发明。熟习此项技术者应了解在不脱离本发明的较广范围下可做出各种修改且可使用其他实施例。因此，本发明意欲涵盖基于示例性实施例的这些及其他变化。

Claims (20)

1.一种用于照亮样品以供分析的装置，该装置包括：

光源，用于沿传播向量提供光；

平面波导，被定向使得该传播向量垂直于该平面波导的法线向量且沿平行于该平面波导的该法线向量的方向自该平面波导偏移；及

折射体积，用于将由该光源提供的光光学耦合至该平面波导，该折射体积被定位成紧邻该平面波导。

2.如权利要求1的装置，其中该光源平行于该平面波导的光轴的相对平移是与由该光源提供的该光至该平面波导的光学耦合无关。

3.如权利要求1的装置，其中光在该平面波导中的内传播角是藉由沿平行于该平面波导的该法线向量的方向相对平移该光源而调谐。

4.如权利要求1的装置，其中该平面波导具有结合至它的面的多个捕获分子。

5.如权利要求1的装置，进一步包括检测器，该检测器被定位以检测自紧邻该平面波导的面的区域发射的光。

6.如权利要求1的装置，其中该折射体积包括平凸柱面透镜的至少一区段。

7.如权利要求1的装置，其中该光源包含激光、白色光源或发光二极管中的一种或多种。

8.如权利要求1的装置，其中该折射体积被塑形以使光学像差最小化。

9.如权利要求1的装置，其中该平面波导及该折射体积被集成为单一物品。

10.如权利要求1的装置，其中该折射体积与该平面波导之间的折射率缺乏不连续性。

11.如权利要求1的装置，进一步包括流体室，该流体室的第一侧是紧靠该平面波导结合有多个捕获分子的面。

12.如权利要求11的装置，其中至少部分由该平面波导结合有该多个特定结合分子的该面及该流体室界定的区域形成生物样品贮槽。

13.如权利要求11的装置，其中该流体室进一步包括第二平面波导。

14.如权利要求13的装置，其中该折射体积被配置用于将光光学耦合至该平面波导及该第二平面波导中，使得导引的光照亮安置于该平面波导与该第二平面波导之间的该体积。

15.一种用于执行样品分析的方法，该方法包括：

自光源沿传播向量提供光；

利用该光照亮被定位成紧邻平面波导的折射体积；及

经由该折射体积将该光耦合至该平面波导，该波导被定向使得该传播向量垂直于该平面波导的该法线向量且沿平行于该平面波导的该法线向量的方向自该平面波导偏移。

16.如权利要求15的方法，进一步包括：藉由沿平行于该平面波导的该法线向量的方向平移该光源而调谐由该光源提供的该光至该平面波导的光学耦合。

17.如权利要求15的方法，进一步包括：在平行于该平面波导的该光轴平移该光源的同时，维持由该光源提供的该光至该平面波导的一致光学耦合。

18.如权利要求15的方法，进一步包括：将生物样品定位于贮槽中，该贮槽是至少部分由该平面波导的面形成。

19.如权利要求15的方法，进一步包括：检测从紧邻该平面波导的面的区域发射的光。

20.一种用于执行生物化学检验的装置，该装置包括：

光源，用于沿传播向量提供光：

平面波导，具有结合至它的面的多个捕获分子，该平面波导的光轴被定向成平行于该传播向量且沿垂直于该平面波导的面的方向自该传播向量偏移；

折射体积，用于将由该光源提供的光光学耦合至该平面波导，该折射体积被定位成紧邻该平面波导且包括平凸柱面透镜的至少一区段，该折射体积的纵轴被定向成垂直于该平面波导的该光轴；及

检测器，该检测器被定位以检测自一区域发射的光，该区域紧邻该平面波导结合有该多个捕获分子的该面。

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