用於光偵測的儀器和方法
2023-05-28 12:29:01
專利名稱：用於光偵測的儀器和方法
技術領域：
本發明涉及用於偵測(interrogating)探針體積陣列的光學特性的儀器和方法。
背景技術：
探針體積(probe volume)的折射率通常是複數，包含實部和虛部，這兩者都取決於空間坐標。探針體積的折射率的複雜空間分布在這裡被稱作該探針體積的「光學性質」。在許多應用中存在對偵測探針體積陣列的光學性質的需要，這些應用包括生物醫學診斷學、基因組學、蛋白質組學、藥物研發、DNA測序、光數據存儲、材料科學、職業健康和安全、平民或者軍隊反恐、戰地、電泳、分析色譜法、半導體加工、計量學、仿造、食品加工、法庭、法律實施、環境監測、顯微術、質譜學、微流體動力學、和流式細胞術。在許多這些應用中，包括所關心材料的樣品的探針體積(靶試樣探針體積)的光學性質與包括參考材料的樣品的探針體積(參考樣品探針體積)的光學性質相比較。因此，便利的方法是，確定靶試樣探針體積相對於一個或更多參考樣品探針體積的比較光學性質。例如，一組第一類型的分子(第一靶試樣)佔據靶試樣探針體積的一部分。液體(第三靶試樣)中第二類型的分子組(第二靶試樣)的溶液被傳遞到靶試樣探針體積，然後衝掉。該儀器顯示，通過偵測靶試樣探針體積的光學性質在第一和第二類型的分子之間是否發生反應，其中如果通過結合第一類型分子，第二類型分子佔據其部分，那麼該光學性質可能變化。用於實行這個比較的已知儀器和方法通常涉及使用多次測量、多個獨立的探針波束、用於掃描或改變探針波束位置的複雜的儀器、或者實現多次比較測量的其他相對複雜的方法。
發明內容
使用根據本發明的適當形式的探針波束，例如能夠方便地使用單個源波束和單次測量來實行該比較。靶試樣探針體積X和參考樣品探針體積A和/或B可以平行地暴露于格式化探針波束。產生的結果是靶試樣探針體積X的光學性質和參考樣品探針體積A或B的光學性質的同步比較。但是，這是使用用於比較探針體積的光學性質的本發明的格式化探針波束的一個實例。在本發明的格式化探針波束中，單個光源波束可以由無源光學元件轉換為多個完全剪切探針波束對中格式化的一對部分剪切探針波束。靶試樣探針體積和參考樣品探針體積被設置在暴露於多個完全剪切探針波束對的覆蓋層(blanket)和已知的網格陣列中。在曝光之後，完全剪切波束對的多個波束重新合併，產生幹涉圖案，其顯示網格陣列中所選擇的探針體積的光學性質之間的關係。根據本發明的格式化探針波束具有獨特的特性，即，其含有部分剪切的波束對，該波束對被格式化為完全剪切的探針波束對的陣列。部分剪切探針波束被定義為包含兩個波束，即，第一部分剪切探針波束和第二部分地剪切探針波束，其中，第一和第二波束部分地重疊。完全剪切探針波束被定義為包含作為同一部分剪切探針波束對的部分的兩個波束，即，第一完全剪切探針波束和第二完全剪切探針波束，第一波束和第二波束橫向間隔一定距離沒有重疊。這裡參考格式化探針波束通常意思是貫穿該儀器的光束，即，源波束，包含部分和完全剪切探針波束對的格式化波束、和檢測區域中的組合波束。
為了限定本發明，格式化光束被定義為具有部分剪切。其允許形成具有部分重疊的剪切波束對和不重疊的多個剪切波束對的光束。
當結合附圖考慮時，可以更加理解本發明，其中:
圖1是根據本發明第一實施例的示意圖，其示出用於形成部分剪切格式化光學探針波束的光學元件；
圖2是用圖1的元件構造的儀器的透視圖3是格式化探針波束橫過圖2的儀器的分量的透視圖，其示出第一偏振態的部分剪切探針波束，OE波束；
圖4是格式化探針波束橫過圖2的儀器的分量的透視圖，其示出第二偏振態的部分剪切探針波束，EO波束；
圖5示出圖3和4的格式化探針波束的分量的組合，其示出部分剪切探針波束對，即，OE波束和EO波束；
圖6示意地示出根據可能的偵測陣列的一個實例的圖5的光束被格式化為25個偵測元件陣列，該偵測元件特徵在於完全剪切；
圖7示出圖6的一個偵測元件，其示出完全剪切探針波束對，即，子OE波束和子EO波束；
圖8是在格式化探針波束的源區的偵測元件陣列的視圖9是在格式化探針波束的部分剪切區域的偵測元件陣列的視圖10是在格式化探針波束的合併區域的偵測元件陣列的視圖11是在格式化探針波束的檢測區域的偵測元件陣列的視圖12是示出格式化探針波束的部分剪切區域中組織的靶試樣探針體積和參考樣品探針體積的可能選址的網格陣列的視圖13是類似於圖12的視圖，其示出替換的選址；
圖14是單個偵測元件和靶試樣的透視圖，靶試樣如圖所示被放置在部分地佔據偵測元件的靶試樣探針體積的靶式樣載體上；
圖15是類似於圖14的視圖，其中第二靶試樣被增加到第一靶試樣；
圖16是類似於圖2的儀器的透視圖，其中增設了相位調製器；
圖17和18是可替換的格式化探針波束儀器的透視圖，其中，格式化探針波束只在一個方向上部分地剪切。
圖19和20是可替換的格式化探針波束儀器的透視圖，其中，探針波束只在一個方向上部分地剪切。
圖21和22是可替換的格式化探針波束儀器的透視圖，其中，探針波束只在一個方向上部分地剪切。
具體實施方式
圖1是根據本發明的一個實施例的用於產生部分剪切格式化探針波束的部件的示意設置。格式化探針波束表示為11，並且在圖例中，簡單地示出格式化探針波束通過各個元件12到18的方向。應該理解，區塊12到18表示所述的光學元件，並且不是說明這些分量的尺寸或物理性質。同時，元件可以彼此間隔開，但是優選地如下面更詳細說明的，在集成光學組件中鄰近。在圖1的儀器中，由於探針波束被格式化，所以其經歷分光以及分開波束的位移。因此，線11隻指示探針波束通過圖1中各個元件的總方向。
該儀器可以操作，其中，11是如圖所示的豎直定向或者水平定向。可替換地，11可以是豎直和水平的兩者，其中，波束在源區和檢測區域之間彼此反射或折射。
探針波束的初始來源(未示出)可以是近似平面光束源，其具有低的空間相干性和低的時間相干性。其可以是LED、雷射、或者適合於偵測至少一個靶試樣探針體積的任何其他光源。
圖1中的元件12是波束偏振器，其用於使源波束偏振為偏振波束，其能夠被分為兩個分量。為了方便起見，這些分量被標明為波束E (非常波束)和波束0(正常波束)。圖1中示意地示出的光學元件優選地是對源波束而光學透明的，並且通過傳輸而操作。然而，使用適當設置的折射或反射光學元件，或者用折射和反射元件的組合，可以獲得等同的功能。
元件13是雙折射晶體(BC)，其雙折射軸相對於方向11傾斜。元件13的效果是，橫向位移波束E的傳播方向，而維持其優選地平行於方向11，並且保持波束O的傳播方向未受影響的。該位移(圖1中未示出)在這裡被稱作剪切。剪切應該表示為，對象軸(subjectaxis)從同軸到離軸的移動，其中，同軸優選地與離軸平行，但是相對於其位移。位移的量取決於元件13的形狀、傾斜角、和雙折射裝置的光學性質。雙折射裝置的特性和操作眾所周知並且不需要在這裡闡明。
在圖1中和在後面附圖中，雙折射裝置可以被稱作「BC」或者雙折射晶體。然而，其能夠是雙折射玻璃或者聚合物或者適當結構的材料。已知許多雙折射裝置。根據本發明，任何適合的雙折射裝置可以用于格式化探針波束。只需要產生E波束相對於O波束的剪切。(本領域技術人員應當理解，在本說明書中E波束和O波束是可互換的，只要進行一致互換。)
然後，探針波束橫過第二 BC 14。第二 BC具有位於平面上的光軸，該平面平行於方向11並且與第一 BC的光軸所在的平面正交。BC 14的功能是以結合BC 13描述的相同的方式相對於E波束剪切O波束。最好的是，由BC 13和14產生的剪切是相同的，以便在兩者橫向方向上產生均勻偏移。(如果11的方向是Z方向，那麼BC 13可以在X方向上偏移波束E，而BC 14在Y方向上偏移波束O。)然而，偏移可以是不同的。
同樣，儘管優選的是BC 13和14具有位於平面中的光軸，其中這些平面平行於方向11並且彼此正交，以便在X和Y方向上發生位移，與平行於方向11或者彼此正交的偏離也可以結果形成有用的裝置。
該探針波束現在位於部分剪切格式區域中並且含有部分剪切且部分重疊的光束對和完全剪切和沒有重疊的光束對。這個狀態中的探針波束在這裡被稱作具有部分剪切格式。
格式化探針波束的部分剪切波束對和完全剪切波束對傳播通過靶試樣探針體積和參考樣品探針體積，並且能夠與靶試樣載體相交。該載體可以具有許多形式，簡單地包括虛平面，那就是說，靶試樣和參考樣品可以位於空間中。更典型地，靶試樣和參考樣品會被安裝在透明板上。分析的材料可以被包含在樣品容器中，諸如玻璃或者塑料安瓿(ampoule，小的玻璃容器)中。
在傳播通過靶試樣探針體積和參考樣品探針體積以後，格式化探針波束的部分剪切波束對和完全剪切波束對合併，從而產生幹涉圖案，其指示靶試樣探針體積和參考樣品探針體積的光學性質。這通過使格式化波束受到對其格式化的光學裝置的相反功能而方便地獲得。因此，該波束橫過BC 15和16，其每個的光軸都被適當定向。
合併的波束現在是幹涉圖案的陣列，其在穿過偏振器17之後由檢測器陣列18「讀取」。檢測器陣列可以是任何形式的成像裝置，其功能為顯示和/或記錄幹涉圖案。
像圖1中所述的元件的設置在圖2中的透視圖中示出，其為部分剪切偵測儀器的一個實施例。其包含:第一偏振器、下文稱作「剪切裝置」的裝置、下文稱作「合併裝置」的裝置、第二偏振器和檢測裝置，其中，剪切裝置通過振幅分隔將源波束部分地剪切為在第一和第二正交偏振態中的部分重疊和相對平行的探針波束對，這個波束對在下文分別被稱為「0E波束」和「E0波束」，該合併裝置將所述OE波束和EO波束大體上合併為合併波束，第二偏振器的偏振軸大體上平行於第一偏振器的偏振軸。
如剪切裝置的一個實施例，其包含第一剪切模塊，其包含兩個大體上一致的雙折射晶體(BC)，兩者的光軸成相對於其進出面具有大於零的角度，並且其主截面以大體上90°相交。
如合併裝置的一個實施例，其包含:
第二剪切模塊，其優選地與第一剪切模塊配置相同，但是在任何情況下提供等同功能，其相對於第一剪切模塊大體上旋轉180°。
下列表格列出用於圖2所示的實施例的設計參數的實例。
表格I
光源I 裸LED (Bare LED)光源尺寸~ 0-5 mm X 0.5 mm光源的中心波長 600 nm光源的半高寬(full width at half ~ 30 nmmaximum)_光源和第一偏振器之間的距離 45 mm源波束的尺寸 10 mm直徑雙折射晶體(BC)離散角6°的YVO4每個BC的尺寸 IO mm x 10 mm x 0_5 mm
權利要求
1.一種用於偵測靶試樣探針體積的方法，包括: 分開並剪切光源波束，以產生包含第一探針波束和第二探針波束的格式化光束，其中，所述第一探針波束和所述第二探針波束部分地重疊； 將至少一個靶試樣探針體積和至少一個參考樣品探針體積暴露於所述格式化光束； 合併所述第一探針波束和所述第二探針波束，以產生合併光束；和 檢測所述合併光束中的幹涉圖案。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述格式化光束中的所述第一探針波束和所述第二探針波束是平行的。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，剪切所述第一探針波束和所述第二探針波束兩者。
4.根據權利要求2所述的方法，其中，所述光源波束被偏振，以產生偏振光束。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，使用至少一個雙折射裝置來分開並剪切所述偏振光束。
6.根據權利要求1所述的方法，其中，所述格式化光束具有探針體積對的網格陣列。
7.根據權利要求6所述的方法，其中，所述網格陣列包含探針體積對，其中，所述體積對中的一個是所述第一探針波束的一部分而所述體積對中的另一個是所述第二探針波束的一部分。
8.根據權利要求1所述的方法，其中，使用至少一個雙折射裝置來合併所述第一探針波束和所述第二探針波束。
9.一種用於偵測靶試樣探針體積的儀器，包括: 剪切裝置，用於分開並剪切光源波束，以產生包含第一探針波束和第二探針波束的格式化光束，其中，所述第一探針波束和所述第二探針波束部分地重疊； 合併裝置，用於合併所述第一探針波束和所述第二探針波束，以產生合併光束；和 檢測裝置，用於檢測所述合併光束中的幹涉圖案。
10.根據權利要求9所述的儀器，其中，所述格式化光束中的所述第一探針波束和所述第二探針波束是平行的。
11.根據權利要求9所述的儀器，其中，在兩個方向上剪切所述光源波束。
12.根據權利要求9所述的儀器，進一步包括光束偏振器，所述光束偏振器用於將所述源波束偏振成偏振波束，所述偏振波束能夠被分為兩個分量。
13.根據權利要求11所述的儀器，其中，所述剪切裝置包括第一雙折射裝置和第二雙折射裝置，所述第一雙折射裝置用於在第一橫向方向上剪切所述光源波束以產生部分剪切探針波束對，並且所述第二雙折射裝置用於在大致垂直於所述第一橫向方向的橫向方向上剪切所述部分剪切探針波束對。
14.根據權利要求13所述的儀器，其中，所述合併裝置包括第一雙折射裝置和第二雙折射裝置，所述第一雙折射裝置用於在第一橫向方向上剪切所述格式化光束以產生部分剪切探針波束對，並且所述第二雙折射裝置用於在大致垂直於所述第一橫向方向的橫向方向上剪切所述部分剪切探針波束對。
15.根據權利要求9所述的儀器，其中，所述光束源具有低的空間相干性和低的時間相干性。
16.根據權利要求9所述的儀器，其中，所述光束源是LED或者雷射器。
17.根據權利要求9所述的儀器，其中，所述第一波束行進的光路長度大體上等於所述第二光束的光路長度。
18.根據權利要求9所述的儀器，進一步包括補償裝置，所述補償裝置用於補償或調節兩個所述部分剪切光束的相對光路長度。
19.根據權利要求9所述的儀器，進一步包括樣品載體，所述樣品載體放置成與所述格式化光束相交。
20.根據權利要求9所述的儀器，其中，所述樣品載體包括成對的靶試樣和參考樣品的陣列，並且所述檢測裝置包括檢測裝置的陣列，各個檢測裝置的陣列對應於所述樣品載體上的所述成對的靶試樣和參考樣品的陣列。
21.根據權利要求9所述的儀器，進一步包括相位調製器。
全文摘要
本發明涉及偵測儀器和方法，其使用部分剪切光學幹涉儀器來偵測靶試樣探針體積陣列相比於參考樣品探針體積的陣列的光學性質。該儀器產生格式化探針波束，其含有部分剪切的波束對，該波束對被格式化為完全剪切探針波束對的陣列。靶試樣探針體積和參考樣品探針體積被適當地組織並暴露於完全剪切探針波束對的陣列。
文檔編號G01N21/23GK103189711SQ201180036688
公開日2013年7月3日 申請日期2011年5月11日 優先權日2010年5月25日
發明者喬瓦尼·巴爾巴羅薩 申請人:瓦萊裡奧·普魯納裡, 馬克·霍夫雷 克魯阿涅斯, 佩德羅·安東尼奧·馬丁內斯 科爾德羅, 達維德·盧卡 詹納