確定多個樣品化學結構和/或組成的分析設備與容納樣品的載體的製作方法
2023-05-07 08:08:46 2
專利名稱：確定多個樣品化學結構和/或組成的分析設備與容納樣品的載體的製作方法
技術領域：
本發明涉及確定在一個載體上多個樣品的化學結構和/或組成的分析設備，在該載體上以矩陣形式布置有待研究的樣品，具有一個用於照射樣品的光源，其中由光源發出的激發光適合激發樣品材料，從而樣品材料發出輻射光，並具有一個用於輻射光的檢測器。
這種分析設備特別用在生物學和製藥學的範圍內，以便實施具有多個單獨研究化學物質的連續研究。所述研究涉及基因測試、其中檢索確定的基因序列、涉及DNS序列分析、涉及細胞分析、例如在驗血時、或涉及蛋白質的研究。因此快速並經濟地進行研究，必須將該分析設備設計成，使其以較高的通過量運行。
在這種情況下，所採用的研究方法基於通過光激發化學試劑的螢光和發光。為此有待研究的物質以稀釋的形式與相應的試劑、例如特殊的標記物質、一起塗於載體上。使用兩種不同形式的載體。其中一種載體是簡單的玻璃板，有待研究的樣品採用均勻的二維矩陣以較小液滴的形式塗在該玻璃板上。該載體也稱作微陣列。對於其它單個樣品有較大容積或是液態的研究中使用所謂的微板。所述微板是多個彼此緊密布置的、管狀的井筒，其在底面閉合。微板包括通常為黑色、白色或透明的塑料，如果激發光從下面、也就是說通過底部照射，則具有透明的底部。載體容納樣品的數目按應用範圍在96和1.563之間。
裝有樣品的載體送入一個光學分析設備以便研究，在該光學分析設備中安裝用於激發發光或者螢光的光源，檢測器和濾光器。迄今為止所採用的設備主要用於實驗室。可是隨著這種研究需求的急劇增加，從而要求必須進一步簡化並使該設備小型化。尤其是應當縮短測量時間，採用較少的樣品量並且使設備的生產成本低廉。對此的一個主要問題是，改善信噪比。為了達到這個目的，必須考慮，較大部分的輻射光到達檢測器並且激發光儘可能遠離檢測器。
為了解決這個問題本發明具有根據權利要求1前序部分的分析設備並具有以下特徵，樣品載體具有一個用作波長選擇的濾光器的光學有效層，調整該濾光器，使得該層優選反射輻射光波長的光。
代替在光學分析設備中迄今為止通常較高的儀器費用，僅僅載體本身設置一個相應的層，其承擔以前分散安裝的透鏡的任務和在分析設備內部的濾光。相對簡單地並且低成本生產這種塗層，從而如果載體僅僅用於唯一的分析，則當然可以實現成本優點，因為該分析設備本身十分簡單並且非常小，因此生產和維護成本低。
如下闡述本發明達到的效果輻射光主要向所有面均勻發射，從而，因為檢測器僅僅能夠檢測很小的立體角較範圍，所以僅僅分析了所提供使用光的極小部分。通過一個光學有效層，其對於輻射光用作反射鏡，光也從另外的立體角到達檢測器，這提高了增益並因此明顯提高了信噪比。
補充說明，對於激發光來說該層本身是透明的，並因此該激發光只要不用於激發樣品中的分子，就不會到達檢測器。
為了實現這個目的，調整該層的光學特性，使得其具有一個具有較高透射率的第一波長範圍和一個與第一波長範圍不同的具有較低透射率的第二波長範圍，其中激發光具有在第一波長範圍的波長並且輻射光具有在第二波長範圍的波長。該層因此用作帶通濾光器或截止濾光片，其使激發光與輻射光分離。
能夠特別簡單製造具有這種濾光特性的層，其包括多個重疊的、由介電材料組成的層。這種層也稱作薄膜幹涉塗層。
光學有效層因此例如包括多個單層、這些單層交替包括具有較高折射率的材料和具有較低折射率的材料，其中調整所述層的光學厚度，使得形成薄膜幹涉濾光器。這種層按其具體結構用作光學帶通濾光器或截止濾光片，其優選地反射或者透射的波長之間具有相對急劇的轉變。轉變範圍為大約25nm並且可以準確調整到1.5％。這特別適合於過渡波長。僅僅調整該層的濾光特性，使得輻射光的透射率幾乎為零，這意味著，該層顯著反射該光。如果另一方面考慮，激發光的波長處於該層的透射範圍，那麼可以考慮該光沒有到達檢測器。
在上述的平的樣品載體(微陣列)上該層或者塗於樣品處於其上的上表面、或塗於下表面。由於光學原因塗於上表面是特別有益的。這特別適合於這種情況，即激發光在一個正面入射布置中射入樣品，也就是說在這個有檢測器的面上射入樣品中。當然必須考慮，樣品和特別是一些已知的試劑與該層反應，這樣會損壞該層或者可能歪曲測量。如果樣品和層不能化學兼容，則該層主要塗在載體的下表面。
在具有多個樣品容納井筒的樣品載體中最好在其內側設有光學有效層。特別在一個正面入射布置中井筒壁鏡面化並僅僅底部具備波長選擇層。這導致，入射的激發光從井筒壁反射進入樣品並因此提高激發比率。在井筒底部的光學有效層和鏡面化的內壁反射輻射光並因此特別好地集中到檢測器的方向上。
此外本發明還涉及一個具有光學有效層的載體光學有效層包括多個單層、這些單層交替包括具有較高折射率的材料和具有較低折射率的材料，其中調整層的光學厚度，使得形成薄膜幹涉濾光器。這種層用作光學帶通濾光器或截止濾光片，其在優選反射或者優選透射的波長之間具有相對急劇的轉變。僅僅如此調整該層的濾光特性，使得輻射光的透射率幾乎為零，這意味著，該層顯著反射該光。如果從另一方面考慮，激發光的波長處於該層的透射範圍，那麼可以考慮該光沒有到達檢測器。這種層也稱作薄膜幹涉塗層，其包括多個絕緣的單層。
最好在高真空中通過標註單層分子塗上光學有效層。在此提供不同的方法使用。如果載體包含低成本生產的塑料，則當然對此不可能加熱載體。因此本發明預先規定，為了生產該層使用等離子支持的或離子支持的電子束蒸發。以該方法可以塗上較高密度的、非常均勻的層，其中在塗覆期間通過直接的光學控制可以實現塗層的光譜特性。因此產生特別高品質的濾光器，也就是說在從濾光器通過的波長和濾光器反射的波長之間的轉變非常離散。
典型用於塗層的材料是氧化矽(較小折射率)以及氧化鈦、五氧化二鉭(TA2O5)和二氧化鈮(較高折射率)。這些材料有這樣的優點，其化學上是非常惰性的並且不會歪曲有待探測的物質的反應。
此外通過這個利用塗層方法獲得高密度有效阻止分子從塑料載體擴散進入樣品。此外由此實現分層特性，即光譜濾光器特性對溫度波動以及與液體接觸的影響不敏感。
藉助於電腦程式確定各個層的厚度，這種濾光器的光譜特性匹配於各自的使用目的。特別是通過這種方式預先確定過渡波長並進行調整，使其與期望的輻射波長協調。
在塗這些層時不斷檢查層的厚度，這種可以精確地保持所計算的層厚。這樣得出在頻譜中的預先確定位置上具有急劇轉變範圍的濾光器。
下面根據二個實施例詳細闡述本發明。圖示
圖1平的樣品載體(微陣列)的橫截面；圖2微板的單個井筒的橫截面，和圖3根據本發明的光學有效層的典型傳輸特性曲線。
根據圖1，載體1包括一個平的玻璃板或塑料板2，在其上面點狀塗上多個樣品3。
板2的下面具有進一步詳細描述的光學有效層4，其用作濾光器。
激發光在一個正面入射布置(通過直線箭頭表明)中從激發光源6、例如雷射器、從上面到達載體1，並且在那裡射中各個樣品3。由此激發樣品中的分子，也就是說分子中的電子到達較高的能級並經過一段時間之後落回其原始位置，其中以光子的形式表示(通過波浪箭頭7表明)輻射能量差。由在玻璃板上面布置的檢測器8檢測光子，由此推斷出分子化合物的特性。詳細的分析不是本發明的主題並因此不應當詳細描述。一部分光子直接向上射入檢測器8中，另外一部分向下輻射，在那裡射到光學有效層4，這部分光子由該層反射到檢測器8的方向上。
沒有導致樣品中分子激發的部分激發光穿過板2並穿過光學有效層4並因此沒有到達檢測器8。
從根據圖3的傳輸特性曲線10得出該光學有效層的特性，其中在X軸11上標註了在350和700nm之間的波長範圍並在Y軸上標註了在0和100％之間的透射率。清楚看到，在大約500nm的範圍內相對突然從幾乎100％下降到百分之幾。如果考慮，激發光的波長λA在大約500nm以下，對於該光來說透射是相對較大的，從而可以自由地穿過該層4。輻射光的情況與激發光不同。其波長λB在500nm之上，不可能穿過該層4，而是被該層反射。
正如已經闡述的，光學有效層包括多個具有顯著不同折射率的單層，這些單層共同形成一個薄膜幹涉層。
這種情況類似於根據圖2的載體板中，該載體板包括多個層15。在此不僅可以每個井筒15的壁16而且每個井筒15的底部17也可以具有光學有效層4。可是出於產品技術的原因通常僅僅底部具有根據本發明的光學有效層，壁被鏡面化，這種壁不僅反射激發光而且也反射輻射光。在此激發光(箭頭5)射中各個分子並且激發分子發光或者產生螢光。所發射的光(箭頭7)向所有面發射，並且在光學有效層4上或者鏡面化的井筒壁上反射，並且因此集束射向井筒敞開的面，在該面上方布置一個檢測器8。
只要激發光沒有射到分子上，該光可能穿過層4。如果載體本身由深色材料製造，則吸收該光，這種在相鄰井筒中不發生激發，這將歪曲測量結果。
對於這種情況，激發光從下面通過底部17射入樣品，則對於上述結構的一種選擇底部17也可以不具有層4，載體至少在底部範圍是透明的。
光學有效層的厚度為大約1.4μm並且由多個單層(例如16或32)構成，這些單層交替包括氧化矽並包括二氧化鈦、五氧化二鉭和二氧化鈮。氧化矽具有較低折射率，其它材料具有較高折射率。在交界層上一部分光反射並且一部分衍射。對此按光的波長發生有益幹涉和破壞性幹涉。因此單層的厚度決定具有一定波長的哪條光線會被整個層反射，而哪條光線穿過該層。因此該層有這樣的特性，頻譜鑑別該光。這在本應用中能夠從輻射光中分離激發光。
參考符號表1載體2板3樣品4層5箭頭6激發光源7箭頭8檢測器10傳輸特性曲線11X軸12Y軸15井筒16壁17底部
權利要求
1.用於確定在載體(1)上多個樣品的化學結構和/或組成的分析設備，有待研究的樣品以矩陣的形式布置在該載體(1)上，所述分析設備具有一個用於照射樣品的光源(6)，其中由光源(6)發出的激發光適合於激發樣品材料，從而從樣品材料發出輻射光，並且所述分析設備具有一個適合於輻射光的檢測器(8)，其特徵在於，樣品載體(1)具有一個用作波長選擇的濾光器的光學有效層(4)，調整該濾光器，使得該層優選反射輻射光波長的光。
2.按照權利要求1的分析設備，其特徵在於，激發光具有一個波長，對於激發光來說光學有效層(4)具有較高的透射率。
3.按照權利要求1或2的分析設備，其特徵在於，調整該層的光學特性，使該層具有一個具有較高透射率的第一波長範圍和一個與第一波長範圍不同的具有較低透射率的第二波長範圍，其中激發光具有在第一波長範圍的波長，輻射光具有在第二波長範圍的波長。
4.按照權利要求3的分析設備，其特徵在於，光學有效層(4)包括多個重疊的、由介電材料組成的層。
5.按照上述權利要求之一的分析設備，其特徵在於，樣品載體是由透明材料組成的平板(2)，在該平板(2)的一個面上以矩陣的形式塗有樣品(3)，並且其另一個面具有光學有效層(4)。
6.按照上述權利要求1至4之一的分析設備，其特徵在於，樣品載體是具有多個樣品容納井筒(15)的載體，其內側具有光學有效層(4)。
7.按照權利要求6的分析設備，其特徵在於，所述井筒具有底部(17)和與底部垂直的壁(16)，其中底部是透明的並且該壁具備光學有效層。
8.按照權利要求4至7之一的分析設備，其特徵在於，光學有效層包括多個單層，這些單層交替由具有較高折射率的材料和具有較低折射率的材料製成，其中調整這些層的光學厚度，使得形成薄膜幹涉濾光器。
9.按照權利要求8的分析設備，其特徵在於，具有較低折射率的層包括氧化矽，具有較高折射率的層包括二氧化鈦或五氧化二鉭或二氧化鈮。
10.按照權利要求6的分析設備，其特徵在於，藉助於等離子支持的或離子支持的電子束蒸發方法製造該層。
11.用於容納多個單件樣品的樣品載體，通過分析由樣品基於激發而發出的輻射光研究樣品的化學結構和/或組成，其特徵在於，樣品載體(1)具有一個用作波長選擇的濾光器的光學有效層(4)，調整該濾光器使得層(4)優選反射輻射光波長的光。
12.按照權利要求11的樣品載體，其特徵在於，樣品載體是由透明材料組成的平板(2)，在該平板(2)的一個面上以矩陣的形式塗有樣品(3)，並且其另一面具有光學有效層(4)。
13.按照權利要求11的樣品載體，其特徵在於，樣品載體(1)是一個具有多個樣品容納井筒(15)的載體，其內側具有光學有效層。
14.按照權利要求11至14之一的樣品載體，其特徵在於，光學有效層包括多個單層，這些單層交替包括具有高折射率的材料和具有較低折射率的材料。
15.按照權利要求14的樣品載體，其特徵在於，具有較低折射率的層包括氧化矽，具有較該折射率的層包括二氧化鈦或五氧化二鉭或二氧化鈮。
16.按照權利要求11至15的樣品載體，其特徵在於，藉助於等離子支持的或離子支持的電子束蒸發方法塗覆所述層。
全文摘要
本發明涉及建立一個用於連續研究例如基因材料的有效工作的分析設備。優選使用的方法是螢光方法或發光方法。因此必需有較好的信噪比，即檢測器避開激發光並且輻射光儘可能集中在檢測器上。本發明為此預先規定用於有待研究的樣品的載體，其具有一個光學有效層，其中該層對於輻射光是反射的，並且對於激發光是透明的。例如如果樣品載體的樣品容納井筒塗有這種層，則輻射光在壁和井筒的底部上反射併集中於檢測器。只要激發光沒有激發分子，則激發光穿過該層並在載體中被吸收。
文檔編號G01N21/64GK1555485SQ02818040
公開日2004年12月15日 申請日期2002年9月16日 優先權日2001年9月14日
發明者M·桑德, B·維克斯, E·K·希爾, M 桑德, 希爾, 慫 申請人:萊博德光學有限責任公司