CN101507256A - 用于防止在微阵列扫描中的过分曝光和光泄漏的掩模 - Google Patents

Abstract

微阵列的扫描是通过能够曝光微阵列上的多个但不是所有位置的掩模来实现的，并且掩模可相对于微阵列移动或者微阵列可相对于掩模移动，或者两者兼之。掩模作为在扫描头的行进处于待机、目标速度时限制对能够照明的微阵列上的微阵列位置的照明的部件是十分有用的，它能够在扫描头轨迹中的一些扫描头加速或者减速的点上阻止光在扫描头和微阵列之间的通过。通过防止光泄漏到与正在扫描的位置相邻的位置上，掩模可以十分有效地减小在微阵列成像中的背景噪声。

Description

用于防止在微阵列扫描中的过分曝光和光泄漏的掩模

技术领域

本发明涉及用于诸如核酸和蛋白质之类生物类微阵列的扫描系统，并且主要涉及用于任何类型的流程的照明系统，其中这些流程包含以空间阵列所排列的大量位置的单独和顺序的照明。

背景技术

微阵列是进行化学和生物化学化验的位置的两维阵列，一般来说，各个位置都具有可进行单独化验的显微镜可见的尺寸并且在各个位置通常会有不同的分子种类。微阵列可以形成在各种不同的基板上，包括，玻璃片、微滴度板以及隔膜。微阵列通常用于例如识别、确定未知生物类中的结合密切关系或者其基本特性的结合化验。在微阵列中的位置尺寸、数量和间距会有显著的变化。当位置是在标准微滴度板中的阱，则阱以12×8的阵列排列，总共有96个，在阱之间的间距是9mm。当位置是涂覆在玻璃片上的点，玻璃片的典型宽度是25mm，则可以采用自动微印刷技术，位置的数量可以达到数千个。对于基因化验而言，则单个玻璃片一般将包含多达10,000个基因。

用于各个化验的监测和检测目的的微阵列成像是通过扫描来实现的，并且在许多方法中，扫描过程包括微阵列的各个位置采用激发的光进行照明。为了完成这一步骤，扫描仪的头在微阵列上往返移动，每一进程都具有速度轮廓，该速度轮廓包括在每一进程结束和在方向反转之前的减速，紧跟着在方向反转之后的加速使得头维持适合于下一进程的速度。激发一般是采用激光来实现的，激光可以作为一个稳定光源，较佳的是在扫描的整个过程中都是点亮着的。如果微阵列的位置延伸到扫描仪的头行进路径的端点，则连续的激光光束就会使得一些位置接受到比其它位置更大的曝光。这会导致这些位置容物的过分曝光或者光致漂白。另外，无论激光光速在每一进程的端点是连续还是关闭，当激光聚焦在任何单个阱时，都会发生一定程度的光通过扩散、反射或者衍射中的任一方式泄漏到相邻的阱中。光泄漏的这一属性可以发生在各行之间以及在一行中，特别是当扫描仪的头的行进路径超出行的宽度时。当单一进程仅仅只覆盖一行中的一部分时，也会发生光泄漏，会泄漏到没有被扫描的行的那部分。在所有的情况下，泄漏都会引起不希望的过分曝光或者在扫描信号中产生背景噪声，或者两者兼之。

发明内容

本发明针对现有技术中的这些或者其它限制，适用于微阵列扫描照明系统，该系统包括样品支架、往返移动扫描头，以及定位置样品支架和扫描头之间的掩模，该掩模阻止所有从扫描头不是通过掩模中的窗口到达样品支架的光，这样仅仅只曝光在一个单次进程或者一系列并行回返中所需扫描的位置，将沿着一个单个行的扫描方向定义为x轴，在本发明的一些实施例中，平行于x轴的窗口宽度足以曝光一行中的多个但不是所有的样品位置，并且在长度上小于扫描头往返移动的单次进程中的扫描头的行进路径。采用适当尺寸和定位的掩模，就能在扫描头反转方向而减速或加速的行进路径的两端，阻止来自扫描头的光并因此防止到达微阵列。同样，在本发明的一些实施例中，掩模的尺寸和定位也能曝光在微阵列位置中的仅仅一行，或者仅仅一行中的一部分，从而防止光泄漏到相邻的行。当扫描头在一次进程中仅仅只通过一行中的一部分并且在完成整行扫描的成像处理的后续阶段中将移动到该行的其它部分或者剩余部分时，掩模特别有用。一般来说，本发明适用于将掩模用于防止没被扫描位置的不需要照明或者防止由于扫描头往返移动的端点效应而产生位置的非均匀曝光，或者防止两者。在所有的情况下，掩模都可以相对于微阵列移动，或者反之亦然，从而使得不同组的位置根据需要曝光于扫描头，从而提供微阵列的完整扫描。

本发明的上述以及其它目的、性能、优点和实施例将通过以下描述而变得更加清晰。

附图说明

图1是图示说明根据本发明的微阵列扫描系统的侧面示意图。

图2是微阵列和掩模的图示说明，用于说明本发明的方法。

图3是用于说明本发明方法的微阵列和掩模的其它图示说明。

具体实施方式

本文将扫描过程中光源所照明的微阵列位置的顺序称之为扫描协议，并且在往返的过程中是由扫描头的每一进程的长度所决定的(其中扫描头到光源的长度是固定的)，例如，扫描头的背后往前面的移动，其中还结合了使得扫描头能够对准在微阵列上的下一行样品位置的微阵列增量移动以及扫描头、掩模和完成整个微阵列扫描所需要的微阵列的所有其它移动。当各个协议能够根据微阵列的结构和尺寸而变化时，所有协议都包含扫描头沿着x轴对微阵列各行的往返移动。当均匀的扫描头速度能够沿着行进路径在样品位置之间提供最为均匀的照明分布时，并不能获得绝对的均匀性。另外，因为扫描头的驱动器必须在它行进路径的各个端点反转扫描头的方向，往返的扫描头会在各个进程的各个端点处经历减速和随后以相反方向的加速。用于扫描头的典型驱动器是运动线圈致动器，这是利用了众所周知的交流电流通过在磁场中的电气线圈所产生的劳伦兹力。运动线圈致动器也称之为音频线圈致动器，并且目前所使用的这些致动器的实例是由BEI技术公司的Kimco Magnetics分部(Kimco Magnetics Divison of BEI Technoloies.Inc.，San Marcos，California，USA)和H2W技术公司(H2W Technologies Inc.，Valencia，California，USA)所提供的。音频线圈致动器的披露可以在专利号6,894,408、6,870,285、6,815,846和6,878,943的美国专利中发现。Paul J.Patt等人发明的、2005年11月1日申请、共同拥有待审批美国专利申请号11/265,000、题为“适用于往返移动且具有可控制力分布的运动线圈致动器(Moving Coil Actuatorfor Reciprocating Motion With Controlled Force Distribution)”和Daniel Y.Chu发明的、2005年11月30申请、共同拥有待审批的美国专利申请号11/291,423、题为“具有运动的扩展范围的运动线圈致动器(Moving Coil Actuator with ExpandableRange of Motion)”的美国专利讨论了其它音频线圈致动器。这些文件的内容通过引用合并与此。在结合了这些致动器的扫描系统中，扫描头的移动是由线圈自身响应电磁力的运动所引起的。当线圈的行进路径上的速度轮廓随着电势的幅度、线圈的结构、以及线圈和磁铁的尺寸和相对位置而变化时，正如以上所提及的那样，所有这些线圈的轮廓包括在各行的行进限制处的减速和加速。

扫描头在往返移动的一个进程中的行进路径如图1所示，其中，显示了微阵列11定位在扫描头12和聚焦透镜13(这是扫描单元的部件)之下并且由扫描头行进。为了便于理解，部件并没有根据比例来画且放大了它们之间的间隔。在这种情况下，微阵列11可以由已经被翻转过来的多阱板所表示，以及所要照明的位置是已经沉积在各个阱中的分析物并且在翻转之前变成为粘结着阱的透明玻璃的底部。这通过玻璃照明的板的翻转允许扫描头透镜13使用较短的聚焦长度，例如，小于1.7mm，并且当扫描头和透镜行进整个进程时可以十分接近各个位置。扫描头12和透镜13安装了运动线圈致动器14，该运动线圈致动器作为用于扫描单元驱动器的典型实例。致动器驱动扫描头12和透镜13沿着箭头15、16所指示的x轴进行往返移动，正如在行进路径中的多点上的实线以及在行进路径的两个极点17、18上的虚线所显示。扫描头和透镜的速度轮廓19和加速轮廓20直接显示在致动器上，各个轮廓的水平轴表示沿着行进路径的距离且与扫描头122的行进范围相一致。(轮廓也就相似)正如速度轮廓19所表示的，在扫描头轨迹的各个端点21、22部分中，速度的范围从零达到目标速度，并且在两端点部分之间速度保持在目标水平上的相对常数。在加速的轮廓20中，左边往右边的行进是由实线所表示，在轨迹的左边端点21上进行正的加速，而在右边端点22上进行负的加速(即，减速)。由虚线来表示反转方向的行进(右边往左边)，这包括在右边端点22上的正的加速和在左边端点21上的负的加速。

掩模23定位在扫描头12和微阵列11之间，并且较佳的是在扫描头12和聚焦透镜13之间，以便于获得透镜短聚焦长度的最大优点。掩模具有一个在扫描头轨迹的两个端点21、22之间为中的窗口或开孔24。在这一实施例中，窗口的宽度接近等于速度为目标数值时的轨迹中心部分的宽度。因此，扫描头12和透镜13仅仅只在扫描头和透镜以目标速度移动时对准窗口24，并且没有被掩模24所阻止的微阵列的所有位置都可从扫描头和透镜以相同速度通过各个位置开始被均匀照明且持续均匀的时间。于是，掩模消除了扫描头行进在减速和加速部分的过程中所发生的过分曝光。

在沿着各行内的x轴往返移动时，就可以通过在沿着x轴的进程之间沿着y轴的递增来获得不同行的依次扫描。y轴的递增是通过微阵列或扫描头中的任一个、致动器和掩模的移动来实现的。当扫描轮廓变化时，典型的和较佳的轮廓是沿着x轴以单一方向扫描一行中的位置开始，接着微阵列或者扫描头沿着y轴递增到下一个相邻行，随后沿着x轴以与第一行扫描的相反的方向扫描新的一行中的位置。于是，行的扫描可沿着x轴且采用在各个x轴扫描之间沿着y轴递增的方式以交替的方向来进行。对于这一扫描协议而言，掩模窗口24可以正好大到足以曝光仅仅只在一行中的位置，且需要掩模和扫描仪在各个单一行扫描之间一起沿着y轴移动。另外，掩模窗口24可以大些，足以使得两个或者多个相邻行的位置可以同时曝光，在这种情况下，掩模仅仅只需要在窗口已经扫描的所有行都曝光之后才移动。

当在加速和减速过程中扫描头的阻止消除了过分曝光时，根据本发明的掩模也能够减小或者消除光在指定进程中对没有扫描位置的泄漏。在对指定的行进行扫描时，会在相邻行中出现光泄漏；当仅仅只对行中的一部分进行扫描时，也会出现这种光泄漏。图2和图3图示说明了根据本发明的掩模23定位在微阵列11之上。在各图中也显示了扫描头12，但是为了简化说明却省略了透镜。透镜与扫描头一起行进且两者一起连接着致动器的运动线圈。另外，透镜通过沿着掩模开孔或者围绕着掩模周边所延伸的连接部分连接着扫描头。正如以上所讨论的，微阵列11可以驻留在玻璃片、多阱化验板、隔膜或者其它等等上。图2和图3所显示的微阵列是以位置16×16的阵列作为实例来表示的。

在图2和图3所示的视图中，在微阵列中的“行”是水平的，而“列”是垂直的。掩模窗口24曝光一行中的一部分，特别是在一行中的16个位置中的8个位置。在图2中，所要扫描的位置31是掩模所曝光过的这些位置，并且掩模防止光泄漏到没有被扫描的相邻行中的位置32和同一行中的位置33。沿着x轴所进行的扫描由箭头34来指示。在该实例中的逐行递增是通过微阵列相对于掩模23和扫描部件沿着y轴的递增移动来实现的，正如箭头35和36所指示。在各行中的其余8个位置的扫描时通过移动掩模和扫描单元来实现的，包括以相对于微阵列的x方向移动扫描头、透镜和致动器，或者通过微阵列相对于扫描单元的移动，来获得图3所示的相对位置。对于不是扫描头的往返移动之外的所有移动来说，步进电机、直流电机和其它常规的电机都可以用于移动这些部件，例如，图2所示的箭头35、36所指示的移动和获得沿着在图2和图3所示位置之间x轴的移动的运动。一旦这些部件都处于图3所示的位置，就可以进行如同联系图2所讨论的扫描。

在这些各个实施例中的掩模是由业内熟练技术人士所熟知的常规材料制成。可以使用不透射或者不反射光的任何材料，并且窗口可以是开孔(即，空的)也可以是透明的材料。掩模可以牢固地固定着扫描驱动器使得两者一起移动，同时允许扫描头和透镜能相对于掩模移动。另外，掩模也能够单独移动。

正如以上所讨论的那样，运动线圈致动器作为扫描头的驱动器是较佳的。特别引人关注的是如图2和图3所说明的那样具有能够扫描部分行的相对较短扫描距离的扫描系统，因为这些系统由于其部件的小尺寸和轻重量所产生的经济优点被在各个进程端点出的过分曝光以及光泄漏到进程端点之外位置的缺点所抵消。将运动线圈致动器设计成采用短扫描方式工作同时又可在微阵列的不同部分中移动的一个实例在Daniel Y.Chu发明的、2005年11月30申请、共同拥有待审批的美国专利申请号11/291,423、题为“具有运动的扩展范围的运动线圈致动器(MovingCoil Actuator with Expandable Range of Motion)”的美国专利中进行了披露，其内容通过引用而合并与此。Chu申请的致动器包含移动线圈运动范围的可移动磁铁组件。一般来说，在运动线圈致动器中，Chu申请的致动器包括成线圈的电导体和磁铁组件，且磁铁组件所具有的磁极采用大到足以容纳线圈导体并且允许导体以往返方式移动的间隙所间隔开。线圈安装在支架上并且连接着能够产生以交变方向流过线圈的电流的电源。磁铁组件沿着行进路径在两个或多个位置之间移动，该行进路径平行于线圈往返运动的行进路径。于是，线圈的扫描范围移动等于在磁铁组件的不同位置之间的间隔的距离。线圈和磁铁组件可以单独移动，并且一个处于工作状态而另一个保持固定的状态。于是，磁铁组件可以保持在允许线圈在微阵列部分上移动同时线圈可以在该部分内移动的位置上，随后再移动到相对于微阵列的其它部分并且线圈在该部分内移动的不同位置上。采用足够数量的移动，就能扫描微阵列的整个宽度。

对于已经研究了上述附图和描述的微阵列扫描的业内熟练技术人士来说，其它变型和实施例都是显而易见的。例如，除了在掩模、扫描头和驱动器的结构和几何形状方面的变型之外，扫描协议和工作条件的变化都在本发明的范围之内这对于熟练的工程师都是显而易见的。

Claims (18)

1.一种适用于微阵列的扫描照明系统，包括：

样品支架，它包括在空间上隔开的、以两维微阵列方式排列的样品位置，所述两维微阵列是由沿x轴具有选定宽度的行以及沿y轴具有选定长度的列所构成；

包括光源的扫描头；

x轴扫描部件，用于使所述扫描头沿着平行于所述x轴的行进路径以往返移动的方式相对于所述样品支架而移动；

定位在所述样品支架和所述扫描头之间的掩模，所述掩模阻止来自所述光源的光除了通过一个窗口以外就无法到达所述样品支架，所述窗口具有平行于所述x轴的宽度，它露出了一行中的多个样品位置并且在长度上短于所述扫描头的所述行进路径；以及，

移动部件，用于通过(i)使所述掩模相对于所述样品支架和扫描头而移动或者(ii)使所述样品支架和扫描头相对于所述掩模而移动从而改变通过所述窗口露出的所述样品位置。

2.如权利要求1所述的扫描照明系统，其特征在于，所述窗口露出了在一行中的不止一个但小于所有的所述样品位置，并且所述移动部件是适用于(i)使所述掩模沿着所述x轴相对于所述样品支架和扫描头而移动或者(ii)使所述样品支架和扫描头沿着所述x轴相对于所述掩模而移动的x轴移动部件。

3.如权利要求1所述的扫描照明系统，其特征在于，所述移动部件使所述掩模沿着所述x轴相对于所述样品支架和扫描头而移动。

4.如权利要求1所述的扫描照明系统，其特征在于，所述移动部件使所述样品支架和扫描头沿着所述x轴相对于所述掩模而移动。

5.如权利要求1所述的扫描照明系统，其特征在于，所述窗口具有平行于所述y轴的长度，它露出了所述行中的仅一行的样品位置。

6.如权利要求1所述的扫描照明系统，其特征在于，还包括用于使所述样品支架沿着所述y轴相对于所述掩模和所述扫描头而移动的部件。

7.如权利要求1所述的扫描照明系统，其特征在于，所述x轴扫描部件使得所述扫描头在所述行进路径的多个部分内在其每一端处加速和减速，并且当所述扫描头处于所述多个部分内时所述掩模阻止光的通过。

8.如权利要求1所述的扫描照明系统，其特征在于，所述x轴扫描部件是运动线圈致动器。

9.如权利要求1所述的扫描照明系统，其特征在于，所述x轴扫描部件是运动线圈致动器，而所述x轴移动部件是步进电机。

10.如权利要求1所述的扫描照明系统，还包括聚焦透镜，其中，所述掩模介于所述扫描头和所述聚焦透镜之间。

11.一种适用于扫描在两维微阵列中的位置阵列的方法，所述两维微阵列是由沿x轴具有选定宽度的行和沿y轴具有选定长度的列所构成的；所述方法包括：

(a)用扫描头通过掩模来照明所述微阵列，所述掩模用于阻止来自所述扫描头的光除了通过一个窗口就无法到达所述微阵列，所述窗口露出了在一行中的多个第一位置，同时使扫描头沿着所述x轴在所述多个位置上沿着超出所述窗口的宽度的行进路径而移动；以及，

(b)使所述微阵列相对于所述掩模而移动从而通过所述窗口露出所述微阵列的多个第二位置，并且通过使所述扫描头沿着x轴移动来照明多个第二位置。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述多个第一位置是在一行中的不止一个但小于所有的所述位置，其中步骤(b)包括使所述微阵列沿着所述y轴相对于所述扫描头而移动从而露出多个第二位置，并且所述方法还包括：

(c)在选定数量的行上重复步骤(b)；以及，

(d)通过(i)使所述掩模沿着x轴相对于所述微阵列和扫描头而移动或者(ii)使所述微阵列和扫描头沿着x轴相对于所述掩模而移动从而移动通过所述窗口而露出的所述样品位置。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，步骤(d)包括使所述掩模沿着x轴相对于所述微阵列和扫描头而移动。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，步骤(d)包括使所述微阵列和扫描头沿着x轴相对于所述掩模而移动。

15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述窗口具有平行于所述y轴的长度，它露出了所述行中的仅一行的样品位置。

16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，步骤(a)包括在所述行进路径的多个部分中在其每一端处使所述扫描头加速和减速，并且当所述扫描头处于所述多个部分内时所述掩模阻止光的通过。

17.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述扫描头在步骤(a)中的移动是用运动线圈致动器来实现的。

18.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述扫描头在步骤(a)中的移动是用运动线圈致动器来实现的，并且所述样品位置在步骤(b)中的移动是用步电机来实现的。

Images